JP5341865B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、外部磁場耐性に優れた磁気センサに関する。

下記の特許文献には、地磁気を強磁性体コアで集束することにより大きな磁束密度に変換し、これをコア間のギャップ内に配置したＭＲ素子で検出する地磁気方位センサが開示されている。

しかしながら、外部からの作用により、コアからＭＲ素子に向けて強い磁場が供給され、この磁場が、ＭＲ素子の両端に接続されたハードバイアス層に対して着磁方向と逆方向に優先的に作用すると、ハードバイアス層の着磁が崩れ、磁場印加前後で、出力変動（中点電位の変動）が生じるといった問題があった。

特開平７−３２５１３８号公報 特開平９−１０５６３０号公報 特開平７−３２４９３３号公報 特開平７−３２４９３４号公報

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、外部磁場耐性を向上させた磁気センサを提供することを目的とする。

本発明における磁気センサは、
磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する第１素子部と、
前記第１素子部の第１水平方向の両側に配置され前記第１素子部に第１バイアス磁界を供給するための第１バイアス層及び第２バイアス層と、
前記第１バイアス層と高さ方向で対向し前記第１素子部に非接触の第１軟磁性体と、前記第２バイアス層と高さ方向で対向し前記第１素子部に非接触の第２軟磁性体と、を有しており、
前記第１バイアス層及び前記第２バイアス層は、前記第１水平方向に対して直交する第２水平方向に着磁されており、前記第１素子部に対して、前記第１水平方向から前記第１バイアス磁界が供給されるように、前記第１バイアス層及び前記第２バイアス層が第２水平方向にずれて配置されており、
前記第１軟磁性体は、平面視にて、前記第１バイアス層の前記第２水平方向の中央に位置し、前記第２軟磁性体は、平面視にて、前記第２バイアス層の前記第２水平方向の中央に位置し、前記第１軟磁性体と前記第２軟磁性体とは、前記第１水平方向からの外部磁場を、前記第１軟磁性体と前記第２軟磁性体との間で、略第２水平方向に変換して前記第１素子部に与えるように、前記第１素子部の前記第２水平方向の両側にて前記第１水平方向にずれて配置されており、
前記第２水平方向に、前記第１軟磁性体、前記第２軟磁性体及び第３軟磁性体の順に配置されており、
前記第３軟磁性体は、前記第１軟磁性体と前記第２水平方向にて同位置に設けられて前記第２軟磁性体に対し前記第１水平方向にずれて配置されており、
前記第１軟磁性体及び前記第３軟磁性体の前記第２軟磁性体に近い側の端面は、前記第２水平方向に一致しており、
前記第１軟磁性体と前記第２軟磁性体との間の前記第２水平方向の間隔Ｔ１と、前記第２軟磁性体と前記第３軟磁性体との間の前記第２水平方向の間隔Ｔ２とが同じ大きさであることを特徴とするものである。

これにより、各バイアス層に着磁方向と逆方向の磁場がかかるのを抑制することができ、外部磁場耐性を向上させることができる。

本発明では、前記第１軟磁性体及び前記第３軟磁性体と、前記第２軟磁性体とが、前記第２水平方向にて対向しないように前記第１水平方向にずれて配置されていることが好ましい。

また本発明では、複数の前記第１素子部が、前記第２水平方向に間隔を空けて配置されており、前記第２水平方向にて隣り合う二つの前記第１素子部のうち、一方の前記第１素子部に接続された前記第２バイアス層と、他方の前記第１素子部に接続された前記第１バイアス層とが電気配線層により電気的に接続されているとともに、一方の前記第１素子部に対する前記第３軟磁性体は、他方の前記第１素子部に対する前記第１軟磁性体として用いられることが好ましい。これにより、各軟磁性体を効率よく配置でき、磁気センサの小型化を促進できる。

また本発明では、磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する第２素子部と、前記第２素子部の前記第１水平方向の両側に配置され、前記第２素子部に第２バイアス磁界を供給するための第３バイアス層及び第４バイアス層と、
前記第２素子部の前記第２水平方向の両側に配置され、前記第１水平方向にずれて配置された前記第１軟磁性体及び前記第２軟磁性体と、前記第３軟磁性体と、を有しており、
前記第３バイアス層及び前記第４バイアス層の着磁方向は、前記第１バイアス層及び前記第２バイアス層と同じ方向であり、前記第２バイアス磁界が、前記第１バイアス磁界と反対方向から前記第２素子部に供給されるように、前記第３バイアス層及び前記第４バイアス層が前記第２水平方向にずれて配置されており、
前記第２素子部からみた前記第１軟磁性体、前記第２軟磁性体及び、前記第３軟磁性体の配置は、前記第１素子部からみた前記第１軟磁性体、前記第２軟磁性体及び、前記第３軟磁性体の配置と同じとなっており、
複数の前記第２素子部が、前記第２水平方向に間隔を空けて配置されており、前記第２水平方向にて隣り合う二つの前記第２素子部のうち、一方の前記第２素子部に接続された前記第４バイアス層と、他方の前記第２素子部に接続された前記第３バイアス層とが前記電気配線層により電気的に接続されているとともに、一方の前記第２素子部に対する前記第３軟磁性体は、他方の前記第２素子部に対する前記第１軟磁性体として用いられており、
複数の前記第１素子部を前記第１バイアス層、前記第２バイアス層及び前記電気配線層により接続してなる第１素子連設体と、複数の前記第２素子部を前記第３バイアス層、前記第４バイアス層及び前記電気配線層により接続してなる第２素子連設体とが、前記第２水平方向に間隔を空けて配置され、前記第１素子連設体と前記第２素子連設体とが中間接続部により電気的に接続されて一体にされていることが好ましい。これにより出力特性のリニアリティを適切に向上させることができる。

また本発明では、前記第１素子連設体と前記第２素子連設体とが一体化され、第２水平方向に延出する素子連設体が、前記第１水平方向に間隔を空けて複数本、配置されており、各素子連設体が連結されてミアンダ形状となっており、各素子連設体の間には、隣り合う前記素子連設体にて各軟磁性体が兼用されていることが好ましい。これにより、各素子連設体の第１水平方向への間隔を狭め、効率よく磁気センサの小型化を図ることができる。

また本発明では、各バイアス層の各素子部と接続される部分での端面は、前記第１水平方向及び前記第２水平方向に対して斜めに形成されていることが好ましい。これにより第１素子部に供給される第１バイアス磁界、及び第２素子部に供給される第２バイアス磁界を適切且つ簡単に第１水平方向に導くことができ、高精度な出力特性を得ることができる。

また本発明では、複数の各素子部を連設してなる第１磁気抵抗効果素子、第２磁気抵抗効果素子、第３磁気抵抗効果素子及び第４磁気抵抗効果素子が設けられ、各磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が構成されており、
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、入力端子に接続され、前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、グランド端子に接続され、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子との間に第１出力端子、及び、前記第３磁気抵抗効果素子と前記第４磁気抵抗効果素子との間に第２出力端子が夫々接続されており、
各磁気抵抗効果素子に設けられた各バイアス層は全て同じ方向に着磁されており、
各軟磁性体により前記第１水平方向から略第２水平方向に変換された前記外部磁場は、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子の感度軸方向に対して夫々、同一方向から流入するとともに、前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子の感度軸方向に対しては、夫々、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子の感度軸方向に対する流入方向に対し逆方向から流入する構成にできる。

本発明の磁気センサによれば、外部磁場耐性を向上させることができる。

本実施形態における磁気センサの概略図（平面図）、 磁気センサの回路図、 本実施形態における第１磁気抵抗効果素子及び第４磁気抵抗効果素子の一部を示す部分拡大平面図、 図３の一部を更に拡大して示す部分拡大平面図、 本実施形態における第２磁気抵抗効果素子及び第３磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示す部分拡大平面図、 素子部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、 図３に示すＡ−Ａ線に沿って高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、 比較例の磁気抵抗効果素子の一部を示す部分拡大平面図、 本実施例の磁気センサと比較例の磁気センサとのＸ１−Ｘ２方向からの外部磁場に対する印加磁場と出力変動量との関係を示すグラフ、 本実施例の磁気センサと比較例の磁気センサとのＹ１−Ｙ２方向からの外乱磁場に対する印加磁場と出力変動量との関係を示すグラフ。

図１は本実施形態における磁気センサの概略図（平面図）、図２は、磁気センサの回路図、図３は、第１，第４磁気抵抗効果素子の一部を示す部分拡大平面図、図４は図３の一部を更に拡大して示す部分拡大平面図、図５は、第２，第３磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示す部分拡大平面図、図６は、素子部を高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図７は、図３に示すＡ−Ａ線に沿って高さ方向に切断した部分拡大縦断面図、図８は、比較例の磁気抵抗効果素子の一部を示す部分拡大平面図である。

本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサＳは、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして構成される。

各図に示すＸ１−Ｘ２方向、及びＹ１−Ｙ２方向は水平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２のうち、一方が「第１水平方向」で、他方が「第２水平方向」である。

図１，図２に示すように磁気センサＳは、第１磁気抵抗効果素子１、第２磁気抵抗効果素子２、第３磁気抵抗効果素子３、第４磁気抵抗効果素子４とを有して構成される。なお各磁気抵抗効果素子１〜４は、後述するように、素子部、ハードバイアス層、電気配線層等が連なってミアンダ形状で形成されるが、図１では、各磁気抵抗効果素子２〜４の形状を省略して図示している。

図１，図２示すように第１磁気抵抗効果素子１及び第３磁気抵抗効果素子３は入力端子（Ｖｄｄ）５に接続されている。また、第２磁気抵抗効果素子２及び第４磁気抵抗効果素子４はグランド端子（ＧＮＤ）６に接続されている。また、第１磁気抵抗効果素子１と第２磁気抵抗効果素子２との間には第１出力端子（Ｖ１）７が接続されている。また、第３磁気抵抗効果素子３と第４磁気抵抗効果素子４との間には第２出力端子（Ｖ２）８が接続されている。

図３、図７に示すように第１磁気抵抗効果素子１は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置された複数の第１素子部９と、各第１素子部９のＸ１側に接続された第１バイアス層１０（図３では点線で示す）と、各第１素子部９のＸ２側に接続された第２バイアス層１１（図３では点線で示す）とを有する。なお図３では、一部の第１素子部９、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１にのみ符号を付している。

図７に示すように、第１素子部９及びバイアス層１０，１１は基板１５表面の絶縁下地層１６上に形成される。また図７に示すように、第１素子部９及びバイアス層１０，１１上には絶縁層１７が形成されており、平坦化された絶縁層１７上に後述する各軟磁性体１２が形成されている。

第１素子部９の積層構造について図６を用いて説明する。図６はＹ１−Ｙ２方向に平行に切断した切断面を示している。

図６に示すように、第１素子部９は、例えば下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて成膜される。第１素子部９を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

図６に示す実施形態では、固定磁性層６１は第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂと、第１磁性層６１ａ及び第２磁性層６１ｂ間に介在する非磁性中間層６１ｃとの積層フェリ構造である。各磁性層６１ａ，６１ｂはＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層６１ｃはＲｕ等である。非磁性層６２はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成される。フリー磁性層６３は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層６４はＴａ（タンタル）などである。

本実施形態では固定磁性層６１を積層フェリ構造として、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め構造である。ただし、反強磁性層を固定磁性層に接して形成し、磁場中熱処理によって反強磁性層と固定磁性層との間に交換結合磁界Ｈｅｘを生じさせて、固定磁性層を所定の方向に磁化固定する構造であってもよい。例えば図６に示すセルフピン止め構造では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層６１を構成する各磁性層６１ａ，６１ｃを磁化固定している。なお、各磁性層６１ａ，６１ｂの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。

この実施形態では、第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ１；感度軸方向）がＹ２方向である。この固定磁化方向（Ｐ１）が固定磁性層６１の固定磁化方向である。

図３，図４に示すように、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１は、Ｘ１−Ｘ２方向よりもＹ１−Ｙ２方向に長い形状で形成されている。各バイアス層（永久磁石層）１０，１１は、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ等で形成される。

図３，図４に示すように、各第１素子部９は、例えば、Ｘ１−Ｘ２方向に長い矩形状で形成されている。一方、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１は矩形状でなく、第１素子部９と接続される部分での端面１０ａ，１１ａは、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向に対して斜めに形成されている。

また図３、図７に示すように、第１バイアス層１０と高さ方向（Ｚ方向）で対向し、第１素子部９に非接触の第１軟磁性体１２ａと、第２バイアス層１１と高さ方向（Ｚ方向）で対向し、第１素子部９に非接触の第２軟磁性体１２ｂとが設けられている。ここで、図３に示す斜線を付した第１素子部９Ａ，９Ｂ、各バイアス層１０，１１及び各軟磁性体１２を抜き出した図が図４（ａ）である。本実施形態における第１，第４磁気抵抗効果素子は、図４（ａ）に示す構成が多数個、組み合わせられて構成される。なお図４（ｂ）は図４（ａ）と全く同じ図面であるが、特に後述する比較例との対比において本実施形態の特徴的部分を説明するために使用するものであり、極力、図４（ａ）に示す符号を取り除いたものである。

図４（ａ）に示すように、各軟磁性体１２ａ〜１２ｃは、Ｙ１−Ｙ２方向よりもＸ１−Ｘ２方向に長い矩形状で形成されている。軟磁性体１２ａ〜１２ｂはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。

図４（ａ）に示すように、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１は共にＹ１方向（ＨＢ方向）に着磁されている。図４に示すように、第１バイアス層１０と第２バイアス層１１とはＹ１−Ｙ２方向にずれて配置されており、第１バイアス層１０のＹ２側にて傾斜する端面１０ａが、第１素子部９ＡのＸ１側で接続されており、第２バイアス層１１のＹ１側にて傾斜する端面１１ａが、第１素子部９ＡのＸ２側で接続されている。

このため、第２バイアス層１１と第１バイアス層１０との間に位置する第１素子部９ＡにはＸ１方向への第１バイアス磁界Ｂ１が供給される。この第１バイアス磁界Ｂ１により図６に示すフリー磁性層６３の磁化方向は、Ｘ１方向に揃えられる。

また図４（ａ）の平面視に示すように、第１軟磁性体１２ａは、第１バイアス層１０のＹ１−Ｙ２方向の中央に位置している。また、図４の平面視に示すように、第２軟磁性体１２ｂは、第２バイアス層１１のＹ１−Ｙ２方向の中央に位置している。そして図４に示すように、第１軟磁性体１２ａと第２軟磁性体１２ｂは第１素子部９ＡのＹ１−Ｙ２方向の両側にてＸ１−Ｘ２方向にずれて配置されており、具体的には、第１軟磁性体１２ａが第１素子部９Ａに対してＸ１側に、第２軟磁性体１２ｂが第１素子部９Ａに対してＸ２側にずれて配置されている。

これにより、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁場Ｈ１が、第１軟磁性体１２ａ内に流入し第１軟磁性体１２ａのＸ２側端部１２ｄから出て、第２軟磁性体１２ｂのＸ１側端部１２ｅに入る際、略Ｙ１−Ｙ２方向の外部磁場Ｈ２（以下、変換磁場Ｈ２と称する）に変換されて、第１素子部９Ａに供給される（図４（ａ）、図７参照）。

第１素子部９Ａが変換磁場Ｈ２を受けると、Ｘ１方向に向けられたフリー磁性層６３（図６参照）の磁化方向は、Ｙ２方向に向けて傾き、このとき、第１素子部９Ａの固定磁化方向（Ｐ１）はＹ２方向であるから、磁気抵抗効果により第１素子部９Ａの電気抵抗値は徐々に小さくなる。

本実施形態では、Ｙ１側からＹ２側に向けて、第１軟磁性体１２ａ、第２軟磁性体１２ｂ及び第３軟磁性体１２ｃの順に配列されており、第３軟磁性体１２ｃは、Ｙ１−Ｙ２方向にて第１軟磁性体１２ａと同位置に設けられている。そして図４（ａ）に示すように、第１軟磁性体１２ａのＸ２側端面１２ａ１と、第３軟磁性体１２ｃのＸ２側端面１２ｃ１とは、Ｙ１−Ｙ２方向と平行な直線Ｃ−Ｃ上に一致している。

また図４（ａ）に示すように、第１軟磁性体１２ａと第２軟磁性体１２ｂとの間のＹ１−Ｙ２方向の間隔Ｔ１と、第２軟磁性体１２ｂと第３軟磁性体１２ｃとの間のＹ１−Ｙ２方向の間隔Ｔ２とが同じ大きさである。

本実施形態では、上記のように第１素子部９Ａ、各バイアス層１０，１１及び各軟磁性体１２ａ〜１２ｃを配置することで、Ｘ１方向からの外部磁場Ｈ１は、図４（ｂ）の（１）〜（５）の矢印で示すように方向を変換しながら、第１軟磁性体１２ａ及び第３軟磁性体１２ｃの内部を通って第２軟磁性体１２ｂに入る。このとき第１軟磁性体１２ａから第２軟磁性体１２ｂの間では、略Ｙ２方向に向く外部磁場（３）が生じている。この一部が図４（ａ）で説明した第１素子部９Ａに流入して磁気抵抗効果を生じさせるための変換磁場Ｈ２である。

外部磁場（３）の方向は、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１の着磁方向（ＨＢ方向）に対して略反対方向である。よって、外部磁場（３）を着磁方向逆磁場（３）と称することとする。

一方、第３軟磁性体１２ｃから第２軟磁性体１２ｂの間では、略Ｙ１方向に向く外部磁場（４）が生じているが、この外部磁場（４）は、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１の着磁方向（ＨＢ方向）と略同一方向であり、よって、外部磁場（４）を、着磁方向同磁場（４）と称することとする。

図４（ｂ）に示すように、着磁方向逆磁場（３）及び着磁方向同磁場（４）の生じる場所には、第２バイアス層１１が存在するために、着磁方向逆磁場（３）及び着磁方向同磁場（４）はいずれも第２バイアス層１１に影響を及ぼす。

ここで、外部磁場Ｈ１が、例えば５００〜２０００Ｏｅ（約４０〜１６０ｋＡ／ｍ）程度の強い磁場であるとき、図８に示す比較例と対比しながら本実施形態の構成が外部磁場耐性の点において優れていることを説明する。

図８は、比較例を示す磁気センサの部分平面図である。ここで符号２０は素子部であり、図４（ｂ）の第１素子部９Ａに該当し、符号２１は第１バイアス層であり、図４（ｂ）の第１バイアス層１０に該当し、符号２２は第２バイアス層であり、図４（ｂ）の第２バイアス層１１に該当し、符号２３は第１軟磁性体であり、図４（ｂ）の第１軟磁性体１２ａに該当し、符号２４は第３軟磁性体であり、図４（ｂ）の第３軟磁性体１２ｃに該当し、符号２５は第２軟磁性体であり、図４（ｂ）の第２軟磁性体１２ｂに該当する。

なお図８においても図４の本実施形態と同様に、バイアス層２１，２２の着磁方向（ＨＢ方向）はＹ１方向とする。

図８では、ある一つの第１素子部２０に着目して、その周囲に配置される軟磁性体を図４（ｂ）と同様に「第１軟磁性体」「第２軟磁性体」「第３軟磁性体」と名づけた。

ここで図８の比較例では、第１軟磁性体２３と第２軟磁性体２５間のＹ１−Ｙ２方向への間隔Ｔ３と、第２軟磁性体２５と第３軟磁性体２４間のＹ１−Ｙ２方向への間隔Ｔ４の大きさがやや異なり（０．５〜３μｍ程度）、さらに、第１軟磁性体２３及び第２軟磁性体２５が夫々、第１バイアス層２１及び第２バイアス層２２のＹ１−Ｙ２方向の中央になく、第１軟磁性体２３及び第３軟磁性体２４の各Ｘ２側端面２３ｂ，２４ｂがＹ１−Ｙ２方向に揃っていない。比較例は、これらの点で図４（ｂ）の本実施形態と異なっている。

比較例では、上記のように第１素子部２０、各バイアス層２１，２２及び各軟磁性体２３〜２５を配置することで、Ｘ１方向からの外部磁場Ｈ１は、図８の（６）〜（１１）の矢印で示すように方向を変換しながら、各軟磁性体間を通過する。このとき第１軟磁性体２３から第２軟磁性体２５の間では、略Ｙ２方向に向く着磁方向逆磁場（８）が生じている。

また、第３軟磁性体２４から第２軟磁性体２５の間では、略Ｙ１方向に向く着磁方向同磁場（９）が生じている。しかしながら第３軟磁性体２４から第２軟磁性体２５とは別の軟磁性体２６（第３軟磁性体２４から見て、Ｘ２方向への斜めＹ２側に位置する軟磁性体）との間で生じる外部磁場（１０）が、ちょうど第２バイアス層２２に影響を与える着磁方向逆磁場となっている。

すなわち図８の比較例では、第２バイアス層２２に対して、一つの着磁方向同磁場（９）と、二つの着磁方向逆磁場（８）（１０）とが作用する。

ここで、外部磁場Ｈ１が弱ければ特に問題はないが、図９の実験結果にも示すように、地磁気センサとして使用される環境により、５００〜２０００Ｏｅ（約４０〜１６０ｋＡ／ｍ）程度の強い磁場が作用すると、第２バイアス層２２にかかる着磁方向同磁場（９）と着磁方向逆磁場（８）（１０）とが不均等であることから、第２バイアス層２２の着磁状態が崩れやすく、その結果、外部磁場Ｈ１の除去後において出力（中点電位差；図２に示す第１出力端子（Ｖ１）７と第２出力端子（Ｖ２）８間の出力差）が変動するといった不具合があった。

これに対して図４（ａ）（ｂ）に示す本実施形態では、第１軟磁性体１２ａ及び第２軟磁性体１２ｂは、夫々、各バイアス層１０，１１のＹ１−Ｙ２方向の中央に位置し、第１軟磁性体１２ａと第３軟磁性体１２ｃのＸ１側端面１２ａ１，１２ｃ１は、Ｙ１−Ｙ２方向と平行な直線Ｃ−Ｃ上に一致し、更に、第１軟磁性体１２ａと第２軟磁性体１２ｂとの間の間隔Ｔ１と、第２軟磁性体１２ｂと第３軟磁性体１２ｃとの間の間隔Ｔ２とが同じ大きさとなっている。

このため、本実施形態では、第２バイアス層１１に、略均等な大きさの着磁方向逆磁場（３）と着磁方向同磁場（４）とが入り込み、これら磁場が打ち消されることで、第２バイアス層１１に着磁と逆方向にかかる磁場を、図８に示す比較例の構成に比べて低減することができる。

よって、本実施形態では、Ｘ１−Ｘ２方向から強い外部磁場Ｈ１が作用しても、図９に示すように、外部磁場Ｈ１の除去後における出力（中点電位差；図２に示す第１出力端子（Ｖ１）７と第２出力端子（Ｖ２）８間の出力差）の変動量を比較例に比べて抑えることができ、外部磁場耐性に優れた磁気センサＳにできる。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、第１軟磁性体１２ａ及び第３軟磁性体１２ｃと、第２軟磁性体１２ｂとは、Ｙ１−Ｙ２方向にて対向しないように、Ｘ１−Ｘ２方向にずれていることが略Ｙ１−Ｙ２方向への変換磁場Ｈ２を第１素子部９Ａに適切に供給でき好適である。またＹ１−Ｙ２方向からの外乱磁場耐性も強化できる。

図３に示すように、複数の第１素子部９が、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置されている。各第１素子部９のＸ１−Ｘ２方向の両側に、夫々、第１バイアス層１０と第２バイアス層１１とが接続されている。そして、Ｙ１−Ｙ２方向にて隣り合う一方の第１素子部９に接続された第２バイアス層１１と、他方の第１素子部９に接続された第１バイアス層１０とが電気配線層３０（一点鎖線で示す）により電気的に接続されている。

図４（ａ）に示すように第１素子部９Ａに対する第３軟磁性体１２ｃは、第１素子部９ＡとＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置された第１素子部９Ｂに対する第１軟磁性体１２ａとして用いられている。

また図３に示すように各第１素子部９に対する第１軟磁性体１２ａ及び第３軟磁性体１２ｃは、各第１素子部９から見てＸ１−Ｘ２方向であって且つ斜めＹ１側あるいはＹ２側に配置された第１素子部９に対する第２軟磁性体として用いられる。

このように各第１素子部９に対する各軟磁性体１２は、Ｙ１−Ｙ２方向やＸ１−Ｘ２方向の斜めに配置された他の第１素子部９に対する軟磁性体１２として兼用されており、これにより、磁気センサＳの小型化を実現することができる。

図３に示すように、第１素子部９をＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置し、各第１素子部９を連設してなる第１素子連設体３１がＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて複数本、配列されている。

図３に示すように本実施形態では、更に第２素子部３２と、第２素子部３２のＸ１−Ｘ２方向の両側に配置される第３バイアス層３３及び第４バイアス層３４とを備える。第２素子部３２は、図６に示す第１素子部９と同じ積層構造で形成される。

図３に示すように第３バイアス層３３は第２素子部３２のＸ２側に接続され、第４バイアス層３４は第２素子部３２のＸ１側に接続されている。第３バイアス層３３は第２バイアス層１１と同形状、第４バイアス層３４は第１バイアス層１０と同形状であるが、第３バイアス層３３は、第２素子部３２に対してＹ１方向に延出して配置され、第４バイアス層３４は、第２素子部３２に対してＹ２方向に延出して配置されている。第３バイアス層３３及び第４バイアス層３４の着磁方向（ＨＢ方向）も、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１と同様にＹ１方向であるが、第３バイアス層３３及び第４バイアス層３４のＹ１−Ｙ２方向へのずらし方向を、第１バイアス層１０及び第２バイアス層１１と逆にしたため、第２素子部３２にはＸ２方向への第２バイアス磁界Ｂ２が供給される。

また図３に示すように、第２素子部３２に対する各軟磁性体１２の配置は、第１素子部９に対する各軟磁性体１２（１２ａ〜１２ｃ）の配置と同じである。

そして、図３に示すように、複数の第２素子部３２をＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置し、一方の第２素子部３２に接続された第４バイアス層３４と、他方の第２素子部３２に接続された第３バイアス層３３とを電気配線層３０により接続して連設してなる第２素子連設体３６がＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて複数本、配列されている。

各第１素子連設体３１と各第２素子連設体３６は、導電材料からなる中間接続部３７（一点鎖線で示す）により電気的に接続されて一体化されている。

これにより第１素子連設体３１と第２素子連設体３６とが一体化されＹ１−Ｙ２方向に延びる素子連設体３８がＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて複数本、配置されており、各素子連設体３８が導電材料からなる接続部４６により電気的に連結されミアンダ形状となっている。図３に示すように、各素子連設体３８の間では、隣り合う素子連設体３８にて各軟磁性体１２が兼用されている。

図３の実施形態では、第１素子部９及び第２素子部３２の固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）は同じであるが、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の方向が逆であり、第１素子部９のフリー磁性層６３の磁化方向と、第２素子部３２のフリー磁性層６３の磁化方向とは反対方向になっている。このため外部磁場の作用により各素子部９，３２の感度が変化したとき、第１素子部９の感度のシフト方向と、第２素子部３２の感度のシフト方向とが逆方向になり、第１素子部９及び第２素子部３２を有する磁気抵抗効果素子全体としての感度のばらつきを小さくできる。このため本実施形態では、出力特性のリニアリティを向上させることができる。

一方、第２磁気抵抗効果素子２及び第３磁気抵抗効果素子３は、外部磁場の作用により、第１磁気抵抗効果素子１及び第４磁気抵抗効果素子４の電気抵抗値の増減傾向と逆傾向を示すように構成される。

例えば、各素子部、各バイアス層、及び各軟磁性体の配置は、図３と同様にして、各素子部の固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）を逆方向にすればよい。特に図６に示す積層構造は、セルフピン止め構造であり、熱処理の必要がないため、同一の基板１５上に、固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）が反対向きの素子を適切に形成することが可能である。

かかる構成では、第１磁気抵抗効果素子１〜第４磁気抵抗効果素子４に設けられた各バイアス層は全て同じ方向に着磁することができる。

あるいは、図５に示すように、第２磁気抵抗効果素子２及び第３磁気抵抗効果素子３を構成する素子部４０の固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）は、第１磁気抵抗効果素子１及び第４磁気抵抗効果素子４と同じＹ２方向として、各バイアス層４１，４２、及び各軟磁性体４３〜４５の配置を変更してもよい。

図５では、外部磁場Ｈ１がＸ２方向に与えられると、軟磁性体４５から軟磁性体４４に向けて外部磁場が方向を変化させながら進み、軟磁性体４４，４５間では略Ｙ１方向への外部磁場（変換磁場Ｈ３）に変換される。素子部４０において変換磁場Ｈ３の方向は固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）と逆方向になり、したがって第２磁気抵抗効果素子２及び第３磁気抵抗効果素子３の電気抵抗値は増大する。一方、第１磁気抵抗効果素子１及び第４磁気抵抗効果素子４では、図４（ａ）に示すように、変換磁場Ｈ２の方向は固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）と同一方向であるから電気抵抗値が小さくなる。

図５の素子部４０を図３の第１素子部９とすれば、図５のバイアス層４１，４２をＹ１−Ｙ２方向に逆方向にずらすことで、素子部に供給されるバイアス磁界を反転させることができ図３の第２素子部３２を構成することができる。そして図３と同じように各素子部をミアンダ形状に形成することで第２磁気抵抗効果素子２及び第３磁気抵抗効果素子３を構成することができる。

図５においても、バイアス層４１，４２の着磁方向（ＨＢ方向）はＹ１方向であり、全ての磁気抵抗効果素子１〜４のバイアス層の着磁方向を同方向に出来る。

このように全てのバイアス層を同方向に着磁し、さらに各素子部の固定磁性層６１の固定磁化方向（Ｐ１）を全て同一方向にすることで、例えばＹ１−Ｙ２方向から外乱磁場Ｈ４が進入したとき、全ての磁気抵抗効果素子１〜４の電気抵抗変化は同じになるから、図９に示すように、出力の変化量を広範囲で実質ゼロにできる。なお、ここでの磁場の大きさはバイアス層の着磁が壊れない程度の大きさである。また図９のＸ１−Ｘ２方向からの外部磁場Ｈ１に対する耐性と比較すると、図１０の外乱磁場耐性のほうが優れており、図８の比較例においても外乱磁場耐性に優れた構造となっているが、図９に示す外部磁場耐性とともに図１０の外乱磁場耐性に優れた構造は、本実施形態の構造であることがわかった。

なお図１〜図７では、Ｘ１−Ｘ２方向の外部磁場を検出するセンサ構造を説明したが、これを水平方向に９０度回転させれば、Ｙ１−Ｙ２方向の外部磁場を検出するセンサ構造にでき、よって本実施形態では、図１〜図７に示したセンサ構造と、９０度回転させたセンサ構造とを備えることで、Ｘ，Ｙ方向の磁場検出が可能な磁気センサＳにできる。

Ｂ１、Ｂ２ バイアス磁界
Ｈ１ 外部磁界
Ｈ２、Ｈ３ 変換磁界
ＨＢ 着磁方向
Ｐ１ 固定磁化方向
Ｓ 磁気センサ
１〜４ 磁気抵抗効果素子
９、９Ａ、９Ｂ 第１素子部
１０ 第１バイアス層
１１ 第２バイアス層
１２、１２ａ〜１２ｃ、４３〜４５ 軟磁性体
３０ 電気配線層
３１ 第１素子連設体
３２ 第２素子部
３３ 第３バイアス層
３４ 第４バイアス層
３６ 第２素子連設体
３８ 素子連設体
６１ 固定磁性層
６３ フリー磁性層

Claims (7)

1. 磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する第１素子部と、
   前記第１素子部の第１水平方向の両側に配置され前記第１素子部に第１バイアス磁界を供給するための第１バイアス層及び第２バイアス層と、
   前記第１バイアス層と高さ方向で対向し前記第１素子部に非接触の第１軟磁性体と、前記第２バイアス層と高さ方向で対向し前記第１素子部に非接触の第２軟磁性体と、を有しており、
   前記第１バイアス層及び前記第２バイアス層は、前記第１水平方向に対して直交する第２水平方向に着磁されており、前記第１素子部に対して、前記第１水平方向から前記第１バイアス磁界が供給されるように、前記第１バイアス層及び前記第２バイアス層が第２水平方向にずれて配置されており、
   前記第１軟磁性体は、平面視にて、前記第１バイアス層の前記第２水平方向の中央に位置し、前記第２軟磁性体は、平面視にて、前記第２バイアス層の前記第２水平方向の中央に位置し、前記第１軟磁性体と前記第２軟磁性体とは、前記第１水平方向からの外部磁場を、前記第１軟磁性体と前記第２軟磁性体との間で、略第２水平方向に変換して前記第１素子部に与えるように、前記第１素子部の前記第２水平方向の両側にて前記第１水平方向にずれて配置されており、
   前記第２水平方向に、前記第１軟磁性体、前記第２軟磁性体及び第３軟磁性体の順に配置されており、
   前記第３軟磁性体は、前記第１軟磁性体と前記第２水平方向にて同位置に設けられて前記第２軟磁性体に対し前記第１水平方向にずれて配置されており、
   前記第１軟磁性体及び前記第３軟磁性体の前記第２軟磁性体に近い側の端面は、前記第２水平方向に一致しており、
   前記第１軟磁性体と前記第２軟磁性体との間の前記第２水平方向の間隔Ｔ１と、前記第２軟磁性体と前記第３軟磁性体との間の前記第２水平方向の間隔Ｔ２とが同じ大きさであることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１軟磁性体及び前記第３軟磁性体と、前記第２軟磁性体とが、前記第２水平方向にて対向しないように前記第１水平方向にずれて配置されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 複数の前記第１素子部が、前記第２水平方向に間隔を空けて配置されており、前記第２水平方向にて隣り合う二つの前記第１素子部のうち、一方の前記第１素子部に接続された前記第２バイアス層と、他方の前記第１素子部に接続された前記第１バイアス層とが電気配線層により電気的に接続されているとともに、一方の前記第１素子部に対する前記第３軟磁性体は、他方の前記第１素子部に対する前記第１軟磁性体として用いられる請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する第２素子部と、前記第２素子部の前記第１水平方向の両側に配置され、前記第２素子部に第２バイアス磁界を供給するための第３バイアス層及び第４バイアス層と、
   前記第２素子部の前記第２水平方向の両側に配置され、前記第１水平方向にずれて配置された前記第１軟磁性体及び前記第２軟磁性体と、前記第３軟磁性体と、を有しており、
   前記第３バイアス層及び前記第４バイアス層の着磁方向は、前記第１バイアス層及び前記第２バイアス層と同じ方向であり、前記第２バイアス磁界が、前記第１バイアス磁界と反対方向から前記第２素子部に供給されるように、前記第３バイアス層及び前記第４バイアス層が前記第２水平方向にずれて配置されており、
   前記第２素子部からみた前記第１軟磁性体、前記第２軟磁性体及び、前記第３軟磁性体の配置は、前記第１素子部からみた前記第１軟磁性体、前記第２軟磁性体及び、前記第３軟磁性体の配置と同じとなっており、
   複数の前記第２素子部が、前記第２水平方向に間隔を空けて配置されており、前記第２水平方向にて隣り合う二つの前記第２素子部のうち、一方の前記第２素子部に接続された前記第４バイアス層と、他方の前記第２素子部に接続された前記第３バイアス層とが前記電気配線層により電気的に接続されているとともに、一方の前記第２素子部に対する前記第３軟磁性体は、他方の前記第２素子部に対する前記第１軟磁性体として用いられており、
   複数の前記第１素子部を前記第１バイアス層、前記第２バイアス層及び前記電気配線層により接続してなる第１素子連設体と、複数の前記第２素子部を前記第３バイアス層、前記第４バイアス層及び前記電気配線層により接続してなる第２素子連設体とが、前記第２水平方向に間隔を空けて配置され、前記第１素子連設体と前記第２素子連設体とが中間接続部により電気的に接続されて一体にされている請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記第１素子連設体と前記第２素子連設体とが一体化され、前記第２水平方向に延出する素子連設体が、前記第１水平方向に間隔を空けて複数本、配置されており、各素子連設体が連結されてミアンダ形状となっており、各素子連設体の間には、隣り合う前記素子連設体にて各軟磁性体が兼用されている請求項４記載の磁気センサ。
6. 各バイアス層の各素子部と接続される部分での端面は、前記第１水平方向及び前記第２水平方向に対して斜めに形成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
7. 複数の各素子部を連設してなる第１磁気抵抗効果素子、第２磁気抵抗効果素子、第３磁気抵抗効果素子及び第４磁気抵抗効果素子が設けられ、各磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が構成されており、
   前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子は、入力端子に接続され、前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子は、グランド端子に接続され、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子との間に第１出力端子、及び、前記第３磁気抵抗効果素子と前記第４磁気抵抗効果素子との間に第２出力端子が夫々接続されており、
   各磁気抵抗効果素子に設けられた各バイアス層は全て同じ方向に着磁されており、
   各軟磁性体により前記第１水平方向から略第２水平方向に変換された前記外部磁場は、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子の感度軸方向に対して夫々、同一方向から流入するとともに、前記第２磁気抵抗効果素子及び前記第３磁気抵抗効果素子の感度軸方向に対しては、夫々、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第４磁気抵抗効果素子の感度軸方向に対する流入方向に対し逆方向から流入する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の磁気センサ。

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