JP2009162499A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、感度軸方向への磁場に対する磁気感度を良好に保ちつつ、感度軸方向と直交する方向からの磁場に対して従来よりも磁気感度を低下させることができる磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 磁気抵抗効果素子２，３は、素子幅Ｗ１に比べて素子長さＬ１が長く形成された細長形状の素子部１２と、前記素子部１２にバイアス磁界を供給する永久磁石層１９とを備え、前記素子部１２は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有しており、前記固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子長さ方向に向けられている。前記永久磁石層１９が前記素子部１２の素子幅方向の側方に配置されてバイアス磁界が前記素子部１２に素子幅方向から供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば地磁気センサとして使用される磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。

図１１は、特許文献１に記載された磁気センサに備えられる磁気抵抗効果素子の平面図である。磁気抵抗効果素子５０は、複数の素子部５１と、各素子部５１の端部間を連結する永久磁石層５２とを備える。

各素子部５１の素子幅Ｗ５は素子長さＬ５より短く図示Ｘ方向に延びる細長形状であり、各素子部５１は素子幅方向に間隔を空けて配置される。前記素子部５１は、固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層されるフリー磁性層とを有して構成される。前記固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子幅方向に向けられる。

各素子部５１の長手方向の両側に配置される永久磁石層５２からは素子長さ方向に向けてバイアス磁界が供給される。

図１２（ａ）は、前記永久磁石層５２を形成せず前記素子部５１単体に対して、素子幅方向（感度軸方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線のグラフである。図１２（ｂ）は、前記永久磁石層５２を形成せず前記素子部５１単体に対して、素子長さ方向（感度軸方向に対する直交方向。以下「直交方向」と言う）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線のグラフである。すなわち図１２（ａ），図１２（ｂ）は、いずれも素子部５１に対してバイアス磁界を供給しない状態にて抵抗変化を測定したものである。

図１３（ａ）は、前記永久磁石層５２を素子部５１の素子長さ方向の両側に備え付け、素子部５１にバイアス磁界を素子長さ方向（直交方向）に作用させた形態に対して、素子幅方向（感度軸方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線のグラフである。図１３（ｂ）は、前記永久磁石層５２を素子部５１の両側に備え付け、素子部５１にバイアス磁界を素子長さ方向（直交方向）に作用させた形態に対して、素子長さ方向（直交方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線のグラフである。

図１１の形態では、固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）が向く素子幅方向（感度軸方向）が磁化困難軸方向であり、図１２（ａ）に示すように、バイアス磁界を供給しなくても素子幅方向（感度軸方向）に向けられる磁場に対して比較的緩やかに傾く抵抗変化率曲線を示す。一方、素子長さ方向（直交方向）は磁化容易軸方向であるため、図１２（ｂ）に示すように素子長さ方向（直交方向）に向けられる磁場に対して急峻な抵抗変化率曲線を示す。図１２（ｂ）に示すように磁場に対して略Ｖ字形の抵抗変化率曲線を示す。

バイアス磁界を供給すると、図１３（ａ）に示すように、素子幅方向（感度軸方向）に向けられる磁場に対して、図１２（ａ）のバイアス磁界を供給しない場合に比べてさらに緩やかな傾きの抵抗変化率曲線となる。また、図１３（ｂ）に示すように、バイアス磁界を供給することで、略Ｖ字形の抵抗変化率曲線の底頂部Ｄが図１２（ｂ）のバイアス磁界を供給しない状態からシフトする。

図１３（ａ）には検知磁場範囲が示されている。検知磁場範囲は、素子幅方向（感度軸方向）からの磁場に対して抵抗変化率が変動する線形領域（磁気感度領域）内で規定される。例えば磁気センサを地磁気センサとして使用するとき、地磁気は、コンマ数Ｏｅ程度と微弱である。この地磁気だけを考えれば、前記検知磁場範囲はコンマ数Ｏｅの非常に狭い範囲でよいが、実際には、機器内で外乱磁場が生じたときでも地磁気を適切に検知できるように、前記検知磁場範囲を数Ｏｅ〜十数Ｏｅ程度に規定している。

このとき、前記外乱磁場が素子長さ方向（直交方向）から作用した際、図１３（ｂ）に示すように、前記外乱磁場が略Ｖ字形の抵抗変化率曲線を示す磁場範囲内にあると、本来、磁気感度を持たないようにしたい素子長さ方向（直交方向）への磁場に対して大きな抵抗変化を示してしまう。よって、検知精度を向上できないといった問題があった。

また回転磁場が作用したとき、回転磁場に対して略Ｓｉｎ波の出力カーブを描くのが理想であるが、図１３（ｂ）に示すように、素子長さ方向（直交方向）に検知磁場が作用すると、略Ｖ字形部分の抵抗変化率分が合算されて、理想的なＳｉｎ波からずれが生じてしまう。

上記した問題は、素子部５１に供給するバイアス磁界を大きくして、図１３（ｂ）に示す略Ｖ字形の抵抗変化率曲線の底頂部Ｄのシフト量を大きくすることで解決できると考えられる。

しかしながら、バイアス磁界を大きくすると、図１３（ａ）に示す素子幅方向（感度軸方向）への磁場に対する抵抗変化率曲線の傾きが小さくなりすぎて感度軸方向に対する磁気感度が低下してしまい結局、検知精度を向上できなかった。
特開２００５−１８３６１４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、特に、感度軸方向への磁場に対する磁気感度を良好に保ちつつ、感度軸方向と直交する方向からの磁場に対して従来よりも磁気感度を低下させることができる磁気センサを提供することを目的とする。

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、素子幅Ｗ１に比べて素子長さＬ１が長く形成された細長形状の素子部と、前記素子部にバイアス磁界を供給する永久磁石層とを備え、前記素子部は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有しており、前記固定磁性層の固定磁化方向は、素子長さ方向に向けられており、
前記永久磁石層が前記素子部の素子幅方向の側方に配置されてバイアス磁界が前記素子部に素子幅方向から供給されることを特徴とするものである。

本発明では、固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）が磁化容易軸方向である。一方、素子幅方向が磁化困難軸方向である（図１（ａ）参照）。すなわち、本発明において、固定磁化方向（Ｐ方向）、磁化容易軸方向（ＥＡ方向）、素子長さ方向、及び感度軸方向は全て同じ方向を指し、また素子幅方向、磁化困難軸方向（ＨＡ方向）及び感度軸に対する直交方向は全て同じ方向を指す。なお以下では、主として、素子長さ方向（感度軸方向）、素子幅方向（直交方向）という表記で方向を示すこととする。

図７（ａ）は、本発明の素子部に対して素子長さ方向（感度軸方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線を示している。

図７（ｂ）は、本発明の素子部に対して素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線を示している。図７（ａ），図７（ｂ）では前記素子部に対してバイアス磁界は供給しておらず前記素子部単体での抵抗変化率曲線である。

図７（ａ）に示すように、固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）が磁化容易軸方向であるため、素子長さ方向（感度軸方向）から磁場を作用させたとき、図１２（ａ）に示す従来のように固定磁化方向が磁化困難軸方向である場合に比べて、抵抗変化率曲線は急峻な傾きとなる。また図７（ａ）に示すように、若干ヒステリシスが生じるが、バイアス磁界の供給により十分にヒステリシスを小さくできる。

また図７（ｂ）に示すように、素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させると、図１２（ｂ）に示す従来と同様に、略Ｖ字形の傾きを持つ抵抗変化率曲線を示す。ただし、本発明では素子幅方向は磁化困難軸方向であるため、図１２（ｂ）に示す従来に比べて抵抗変化率曲線の傾きを緩やかに出来る。

図８（ａ）は、本発明の素子部の素子幅方向（直交方向：ＨＡ方向）の側方に永久磁石層を設けて、素子幅方向（直交方向）からバイアス磁界を供給した形態に対して、素子長さ方向（感度軸方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線を示している。

図８（ｂ）は、本発明の素子部の素子幅方向（直交方向：ＨＡ方向）の側方に永久磁石層を設けて、素子幅方向（直交方向）からバイアス磁界を供給した形態に対して、本発明の素子部に対して素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線を示している。

本発明では、図７（ａ）で説明したように、永久磁石層を設けない状態での素子長さ方向（感度軸方向）からの磁場に対する抵抗変化率曲線の傾きは急峻である。よって、図８（ａ）のように、磁場に対する抵抗変化率曲線の傾きを緩やかにするため、前記永久磁石層から前記素子部に供給するバイアス磁界を従来より強くすることができる。また、この十分なバイアス磁界により先に述べたようにヒステリシスを十分小さくすることが出来る。この結果、図８（ｂ）に示すように、素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させたときに略Ｖ字形の抵抗変化率曲線の底頂部Ｅにおけるバイアス磁界を供給しない状態（図７（ｂ））からのシフト量（底頂部Ｅに到達するに必要な磁場の大きさ）を従来より大きく出来る。

以上により本発明では、素子長さ方向（感度軸方向）からの磁場に対する磁気感度を良好に保ちつつ、素子幅方向（直交方向）からの磁場に対しては、略Ｖ字形となる抵抗変化率曲線の傾きを小さくでき、また略Ｖ字形に抵抗変化する部分の底頂部Ｅのシフト量を大きくできるため、磁気感度を低下させることが可能である。

本発明では、素子部に素子幅方向から外部磁場が作用した際、無磁場状態から素子幅方向の両方向への所定の磁場範囲が不感磁場範囲となるように前記バイアス磁界の大きさが調整されていることが好ましい。本発明では、上記したように、素子幅方向（直交方向）からの磁場に対しては、略Ｖ字形に抵抗変化する部分の底頂部Ｅのシフト量を大きくできるため、上記した不感磁場範囲を備えることが出来る。不感磁場範囲では、素子幅方向（直交方向）から磁場が作用しても、抵抗変化はゼロかあるいは非常に小さく抵抗変化率の変動を小さくでき、実質的に磁気感度を持たない範囲である。例えば、不感磁場範囲での１Ｏｅあたりの最大抵抗変化率は０％〜０．０３％／Ｏｅ程度と非常に小さい。

本発明では、前記不感磁場範囲が、少なくとも素子長さ方向を感度軸方向として前記感度軸方向と平行な方向からの磁場に対して規定される検知磁場範囲以上の磁場範囲となるように前記バイアス磁界の大きさが調整されていることが好ましい。

例えば、検知磁場範囲内の大きさの外乱磁場が素子幅方向（直交方向）から作用したり、検知磁場範囲内の回転磁場が作用したときに、素子幅方向（直交方向）からの磁場に対しては磁気感度を十分に小さくできるため、従来に比べて検知精度の向上を図ることが可能である。

また本発明では、前記検知磁場範囲が、±５Ｏｅ〜±２０Ｏｅの範囲である構成に好適に適用できる。

また本発明では、前記素子部は、複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部の端部間が接続されてミアンダ形状で形成されており、
前記永久磁石層は、少なくとも素子幅方向の両側に位置する素子部の外側に配置される構成に出来る。

また、前記永久磁石層は、各素子部の素子幅方向の両側方に夫々、配置されていることが好ましい。これにより、各素子部に適切にバイアス磁界を供給することが出来る。さらに内側のパターンになるに従い、バイアス磁界が積算されるため、均等に素子に磁界を印加するために最外の永久磁石層パターンの幅を広くすることがより望ましい。

また本発明では、前記素子部の素子長さ方向に、前記素子部と間隔を開けて、前記素子部の幅方向に延びる軟磁性体が配置されてもよい。
また本発明では、前記永久磁性層と前記素子部が非接触であることが好ましい。

本発明の磁気センサによれば、感度軸方向からの磁場に対する磁気感度を良好に保ちつつ、感度軸に対して直交方向からの磁場に対しては、従来に比べて磁気感度を低下させることが可能である。

図１は第１実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す図（（ａ）は部分平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分断面図）、図２は第２実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図３は第３実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図４は、磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向及びフリー磁性層の磁化方向と、電気抵抗値との関係を説明するための図、図５は、磁気抵抗効果素子を膜厚方向から切断した際の切断面を示す断面図、図６は、本実施形態の磁気センサの回路図、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１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使用される。

磁気センサ１は、図６に示すように、磁気抵抗効果素子２，３と固定抵抗素子４，５とがブリッジ接続されてなるセンサ部６と、前記センサ部６と電気接続された入力端子７、グランド端子８、差動増幅器９及び外部出力端子１０等を備えた集積回路（ＩＣ）１１とで構成される。

前記磁気抵抗効果素子２，３は、図１に示すように、素子幅Ｗ１に比べて素子長さＬ１が長く形成された図示Ｙ方向に細長い形状の複数の素子部１２がＹ方向に直交するＸ方向に所定の間隔を空けて並設され、各素子部１２の端部間が接続電極部１３により電気的に接続されてミアンダ形状となっている。ミアンダ形状に形成された両端にある素子部１２の一方には入力端子７、グランド端子８、出力取出し部１４（図６参照）に接続される電極部１５が接続されている。前記接続電極部１３及び電極部１５は、Ａｌ、Ｔａ、Ａｕ等の非磁性導電材料である。本実施形態では素子部１２間を連結する電極部１３，１５を素子部１２よりも十分に抵抗の小さい材質で形成できるから、素子部１２間を永久磁石層で連結していた従来に比べて寄生抵抗を小さくできる。記接続電極部１３及び電極部１５はスパッタやメッキなどで形成される。

前記磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子部１２は、全て図５に示す同じ積層構造で構成される。なお図５は、素子長さＬ１と平行な方向から膜厚方向に切断した切断面を示している。

前記素子部１２は、反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、およびフリー磁性層３６の順に積層されて成膜され、フリー磁性層３６の表面が保護層３７で覆われている。前記素子部１２は例えばスパッタにて形成される。

反強磁性層３３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層３４はＣｏ−Ｆｅ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。非磁性層３５はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層３６は、Ｎｉ−Ｆｅ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３７はＴａ（タンタル）の層である。上記構成では非磁性層３５がＣｕ等の非磁性導電材料で形成された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であるが、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁材料で形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）であってもよい。また図５に示す素子部１２の積層構成は一例であって他の積層構成であってもよい。例えば、下からフリー磁性層３６、非磁性層３５、固定磁性層３４、反強磁性層３３及び保護層３７の順に積層されてもよい。

素子部１２では、反強磁性層３３と固定磁性層３４との反強磁性結合により、固定磁性層３４の磁化方向が固定されている。図１及び図５に示すように、前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子長さ方向（Ｙ方向）に向いている。すなわち固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子部１２の長手方向である。

図１に示すように、各素子部１２の素子幅方向（Ｘ方向）の両側には間隔を空けて永久磁石層１９が配置されている。前記永久磁石層１９は、素子幅方向（Ｘ方向）と同方向に向く幅寸法がＷ２で、素子長さ方向（Ｙ方向）に向く長さ寸法がＬ２で形成されている。前記長さ寸法Ｌ２は前記幅寸法Ｗ２より大きく、前記永久磁石層１９は、図示Ｙ方向に延びる細長形状である。

図示しないが、前記素子部１２と前記永久磁石層１９との間にはＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等で形成された絶縁層が介在している。前記永久磁石層１９は、ＣｏＰｔやＣｏＰｔＣｒ等の硬磁性材料で形成される。前記永久磁石層１９は例えばスパッタで形成される。

本実施形態では、前記永久磁石層１９から素子部１２に供給されるバイアス磁界を従来より大きくできる。具体的には前記バイアス磁界を４０〜６０Ｏｅ程度にすることが出来る。前記バイアス磁界は、前記永久磁石層１９の膜厚Ｔ１０を厚く形成したり、前記永久磁石層１９の残留磁化Ｍｒを大きくすることで大きくすることができる。

前記永久磁石層１９から素子部１２に素子幅方向（Ｘ方向）からバイアス磁界が供給される。この結果、フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）は素子幅方向（Ｘ方向）に向けられる。前記フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）は、外部磁場により変動することが出来る。

図４に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と同一方向から外部磁場Ｙ１が作用して前記フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が前記外部磁場Ｙ１方向に向くと、前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）とが平行に近づき電気抵抗値が低下する。

一方、図４に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と反対方向から外部磁場Ｙ２が作用して前記フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が前記外部磁場Ｙ２方向に向くと、前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）とが反平行に近づき電気抵抗値が増大する。

各寸法について説明する。
前記磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２の素子幅Ｗ１は、バイアス磁界を効率よく磁気抵抗膜に作用させるため、２〜８μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また前記素子部１２の素子長さＬ１は、５０〜１００μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。アスペクト比（素子長さＬ１／素子幅Ｗ１）は１０以上とし形状異方性を利用し異方性磁界（Ｈｋ）を大きくする。また、前記素子部１２の膜厚Ｔ１は、２００〜３００Åの範囲内である（図１（ｂ）参照）。また永久磁石層１９の幅寸法Ｗ２は、３〜１０μｍである（図１（ａ）参照）。また前記永久磁石層１９の長さ寸法Ｌ２は、素子幅長さＬ１より大きいことが好ましい。（望ましくは素子内バイアス磁場分布をよくするためはみ出し量片側２０μｍ以上であることが好適である）（図１（ａ）参照）。また前記永久磁石層１９の膜厚Ｔ１０は、２００〜１０００Åである（図１（ｂ）参照）。前記永久磁石層１９の残留磁化Ｍｒは、０．７〜１．５Ｔ（テスラ）である。

前記素子部１２と前記永久磁石層１９間の素子幅方向（Ｘ方向）への距離Ｔ２は、０〜５μｍである（図１（ｂ）参照）。

また図１では、永久磁石層１９の幅寸法Ｗ２が全て同じ寸法となっているが、内側のパターンになるに従い、バイアス磁界が積算されるため、均等に各素子部１２にバイアス磁界を印加するために最外の永久磁石層１９の幅Ｗ３を図１（ａ）の点線で示すように広くすることがより望ましい。また最も内側に配置された永久磁石層１９から最も外側に配置された永久磁石層１９に向けて、徐々に永久磁石層１９の幅寸法が大きくなるように調整してもよい。

図２の実施形態では図１と異なって、素子幅方向の両側に位置する素子部１２の外側にのみ一対の永久磁石層１９が配置されている。図１のように各素子部１２の両側方に永久磁石層１９を配置しなくても、素子部１２の全体に大きなバイアス磁界を供給できれば、図２のような配置でもよい。

本実施形態では、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が磁化容易軸方向である素子長さ方向（Ｙ方向）を向いている。一方、素子幅方向（Ｘ方向）が磁化困難軸方向である（図１（ａ）参照）。すなわち、本実施形態において、固定磁化方向（Ｐ方向）、磁化容易軸方向（ＥＡ方向）、素子長さ方向、及び感度軸方向は全て同じ方向を指し、また素子幅方向、磁化困難軸方向（ＨＡ方向）及び感度軸に対する直交方向は全て同じ方向を指す。なお以下では、主として、素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）という表記で方向を示すこととする。

このように前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）を向いているので、前記永久磁石層１９を設けず、素子部１２単体に対して素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）から磁場を作用させたとき、抵抗変化率曲線は図７（ａ）のように、急峻な傾きとなる。また図７（ａ）に示すように、若干ヒステリシスが生じるが、バイアス磁界の供給により十分にヒステリシスを小さくできる。

また図７（ｂ）は、前記永久磁石層１９を設けず、素子部１２単体に対して素子幅方向（Ｘ方向；直交軸方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線であるが、図７（ｂ）のように、素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させると、略Ｖ字形の傾きを持つ抵抗変化率曲線を示す。ただし、本実施形態では、素子幅方向（Ｘ方向；直交軸方向）は磁化困難軸方向であるため、抵抗変化率曲線の傾きを緩やかに出来る。

図８（ａ）は、図１のように、素子部１２の素子幅方向の側方に永久磁石層１９を設けて、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）からバイアス磁界を供給した形態に対して、素子部１２に素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線を示している。

図８（ｂ）は、図１のように、素子部１２の素子幅方向の側方に永久磁石層１９を設けて、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）からバイアス磁界を供給した形態に対して、素子部１２に素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線を示している。

図７（ａ）で説明したように、永久磁石層１９を設けない状態での素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）からの磁場に対する抵抗変化率曲線の傾きは急峻である。よって、図８（ａ）のように、磁場に対する抵抗変化率曲線の傾きを緩やかにするため、前記永久磁石層１９から前記素子部１２に供給するバイアス磁界を従来より強くすることができる。

この結果、図８（ｂ）に示すように、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）から磁場を作用させたときに略Ｖ字形の抵抗変化率曲線の底頂部Ｅにおけるバイアス磁界を供給しない状態（図７（ｂ））からのシフト量（底頂部Ｅに到達するに必要な磁場の大きさ）を従来より大きく出来る。

以上により本実施形態では、素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）からの磁場に対する磁気感度を良好に保ちつつ、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）からの磁場に対しては、略Ｖ字形となる抵抗変化率曲線の傾きを小さくでき、また略Ｖ字形に抵抗変化する部分の底頂部Ｅのシフト量を大きくできるため、磁気感度を低下させることが可能である。

本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、無磁場状態（外部磁界ゼロ）から素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）の両方向への所定の磁場範囲が不感磁場範囲となっている。上記したように、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）からの磁場に対しては、略Ｖ字形に抵抗変化する部分の底頂部Ｅのシフト量を大きくできる。そのため、無磁場状態から素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）の両方向の所定の磁場範囲を不感磁場範囲に出来る。不感磁場範囲では、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）から磁場が作用しても、抵抗変化はゼロかあるいは非常に小さく抵抗変化率の変動を小さくでき、実質的に磁気感度を持たない範囲である。例えば、不感磁場範囲での抵抗変化率（ＭＲ比）の変動率は０％〜０．４％程度と非常に小さい。不感磁場範囲内での抵抗変化率の変動率は、（不感磁場範囲内での最大の抵抗変化率）−（不感磁場範囲内での最小の抵抗変化率）で定められる。

また図７，図８では縦軸を抵抗変化率（ＭＲ比）としているが、抵抗値Ｒとしてもよい。この場合、不感磁場範囲での抵抗値の変動率は０％〜０．４％程度と非常に小さい。不感磁場範囲での抵抗値の変動率は、［（不感磁場範囲内での最大の抵抗値）−（不感磁場範囲内での最小の抵抗値）］で定められる。

なお例えば、不感磁場範囲での抵抗変化率（ＭＲ比）あるいは抵抗値を基準値としてオフセット補正を回路側で行うことが可能である。

また図８（ｂ）に示す不感磁場範囲は、素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）と平行な方向からの磁場に対して規定される検知磁場範囲以上の磁場範囲であることが好ましい。なお前記検知磁場範囲は、±数Ｏｅ〜±十数Ｏｅの低磁場範囲で規定され、±５〜±２０Ｏｅの構成に適している。検知磁場範囲は、図８（ａ）に示す抵抗変化率（ＭＲ比）あるいは抵抗値が素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）からの磁場に対して略直線的に変動する線形領域（磁気感度領域）内にて規定される。［直交方向での感度（不感磁場範囲）／感度軸方向での感度（検知磁場範囲）］×１００（％）＝１０％以下となることが好ましい。

前記不感磁場範囲が、前記検知磁場範囲以上の磁場範囲となるようにバイアス磁界の大きさを調整することで、例えば、検知磁場範囲内の大きさの外乱磁場が素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）から作用したときに、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）からの磁場に対しては実質的に磁気感度を持たないため、素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）から作用する地磁気に対する検知精度を向上させることが出来る。

前記不感磁場範囲の調整は、前記素子部に供給されるバイアス磁界を調整することで行うことが出来る。前記バイアス磁界の大きさは、略Ｖ字形に抵抗変化する部分の底頂部Ｅのシフト量とほぼ同じである。よって、前記バイアス磁界を前記検知磁場範囲での最大磁場（絶対値）よりも大きくすることで（具体的には、前記バイアス磁界を前記検知磁場範囲の最大磁場の５倍〜１５倍程度）、図８（ｂ）に示す前記底頂部Ｅが、前記検知磁場範囲から外れるようにシフトさせることができ、前記不感磁場範囲を、検知磁場範囲以上の磁場範囲に適切に調整することが可能になる。なお、図１に示す磁気抵抗効果素子２，３の構成はＹ方向からの地磁気検出用である。Ｘ方向、Ｚ方向から作用する地磁気を検知できるようにするには、地磁気の検知方向に固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が向けられた磁気抵抗効果素子２，３を用いて磁気センサを構成する。

図１に示す磁気抵抗効果素子２，３を備えた磁気センサ１は、地磁気センサ以外の用途にも適用できる。例えば、検知磁場範囲が±数ｍＯｅ〜±５Ｏｅの低磁場範囲となる回転磁場を検知する用途にも適用できる。このとき、素子幅方向（Ｘ方向；直交方向）からの磁場に対しては、磁気感度を適切に低下させることが出来るため、従来に比べて出力波形を効果的にＳｉｎ波に近づけることが可能である。

磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２は一つだけでもよいが、複数設けてミアンダ形状にすることで、素子抵抗を大きくでき消費電力の低減を図ることができ好適である。

また、磁気抵抗効果素子２，３及び固定抵抗素子４，５は一つずつでもよいが、図６のようにブリッジ回路を構成し、出力取出し部１４から得られた出力を差動増幅器９にて差動出力とすることで、出力値を大きくでき高精度な磁場検知を行うことが出来る。

また、図１，図２のように素子部１２と永久磁石層１９とを非接触とすることで、素子部１２による素子抵抗以外の寄生抵抗分を低減できる。

図３の他の実施形態では、平面視にて、図１に示す実施形態と同様のミアンダ形状の磁気抵抗効果素子２,３が形成され、素子部１２の素子長さ方向（Ｙ方向）の両側の上方位置に、Ｘ方向に長く延びる軟磁性体１８が配置されている。軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ３は、磁気抵抗効果素子２，３を構成する最も外側に位置する素子部１２間の間隔Ｔ４よりも長く形成されることが好適である。軟磁性体１８の配置により、Ｘ方向からの外部磁場を適切にシールドでき、不感磁場範囲を見かけ上広げることができ、感度軸方向からの磁場に対する検出精度を向上させることが出来る。軟磁性体１８は例えば、磁気抵抗効果素子２，３上を覆う絶縁層（図示しない）上に配置される。軟磁性体１８は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。

図１に示す磁気抵抗効果素子（実施例）を形成した。素子部１２を６本形成し、ミアンダ形状とした。前記素子部１２の素子幅Ｗ１を２μｍ、素子長さＬ１を５０μｍ、膜厚Ｔ１を２７０Å、永久磁石層１９（ＣｏＰｔ）の幅寸法Ｗ２を５μｍ、長さ寸法Ｌ２を９０μｍ、膜厚Ｔ１０を２００Å、前記素子部１２と永久磁石層１９間の距離Ｔ２を０μｍとした。磁場中アニールにて、固定磁性層３４を素子長さ方向（Ｙ方向；感度軸方向）に固定磁化した。前記永久磁石層１９から前記素子部１２の供給されるバイアス磁界は４５Ｏｅであった。

感度軸方向に外部磁場をかけて、磁気抵抗効果素子２，３の抵抗変化率（ＭＲ比）を調べた。また感度軸方向に対して直交方向に外部磁場をかけて、磁気抵抗効果素子２，３の抵抗変化率（ＭＲ比）を調べた。

実験では、±１０００Ｏｅの外部磁場をかけてヒステリシスループ（メジャーループ）を測定し、また、検知磁場範囲である±６Ｏｅの外部磁場をかけてマイナーループを測定した。マイナーループにおける抵抗変化率曲線は太線で示している。

次に、図１１に示す磁気抵抗効果素子（従来例）を形成した。素子部５１を６本形成し、ミアンダ形状とした。前記素子部５１の素子幅Ｗ５を４μｍ、素子長さＬ５を１６μｍ、膜厚を２５０Å、永久磁石層５２（ＣｏＰｔ）の幅寸法Ｗ６を８μｍ、膜厚を２００Åとした。磁場中アニールにて、固定磁性層３４を素子幅方向（感度軸方向）に固定磁化した。前記永久磁石層５２から前記素子部５１の供給されるバイアス磁界は１５Ｏｅであった。

感度軸方向に外部磁場をかけて、磁気抵抗効果素子２，３の抵抗変化率（ＭＲ比）を調べた。また感度軸方向に対して直交方向に外部磁場をかけて、磁気抵抗効果素子２，３の抵抗変化率（ＭＲ比）を調べた。

実験では、±１０００Ｏｅの外部磁場をかけてヒステリシスループ（メジャーループ）を測定し、また、検知磁場範囲である±６Ｏｅの外部磁場をかけてマイナーループを測定した。マイナーループにおける抵抗変化率曲線は太線で示している。

なお、実施例と従来例とでは、±６Ｏｅの外部磁場を感度軸方向からかけたときにほぼ同じ感度となるように素子部１２に供給されるバイアス磁界等を調整した。すなわち、図９，図１０に示すように、±６Ｏｅの検知磁場範囲内で見てみると、感度軸方向からの磁場に対する抵抗変化率曲線は実施例及び従来例ともにほぼ同じ傾きを備えるように調整した。

このとき、実施例では、±６Ｏｅの外部磁場を感度軸方向に対して直交方向からかけると、抵抗変化率曲線の傾きは非常に小さくなり磁気感度が適切に低下していることがわかった

一方、図１０の従来例では、±６Ｏｅの外部磁場を感度軸方向に対して直交方向からかけると、抵抗変化率曲線の傾きは図９の実施例よりも大きくなってしまい十分に磁気感度を低下できないことがわかった。

第１実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す図（（ａ）は部分平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分断面図）、 第２実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、 第３実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、 磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向及びフリー磁性層の磁化方向と、電気抵抗値との関係を説明するための図、 磁気抵抗効果素子を膜厚方向から切断した際の切断面を示す断面図、 本実施形態の磁気センサの回路図、 （ａ）は、永久磁石層を設けず、本発明の素子部に対して素子長さ方向（感度軸方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、（ｂ）は、永久磁石層を設けず、本発明の素子部に対して素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、 （ａ）は、本発明の素子部の素子幅方向（直交方向：ＨＡ方向）の側方に永久磁石層を設けて、素子幅方向（直交方向）からバイアス磁界を供給した形態に対して、素子長さ方向（感度軸方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、（ｂ）は、本発明の素子部の素子幅方向（直交方向：ＨＡ方向）の側方に永久磁石層を設けて、素子幅方向（直交方向）からバイアス磁界を供給した形態に対して、本発明の素子部に対して素子幅方向（直交方向）から磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、 本実施例の磁気抵抗効果素子に対して、感度軸方向、及び感度軸に対する直交方向から磁場を作用させたときの抵抗変化率を測定した実験結果、 従来例の磁気抵抗効果素子に対して、感度軸方向、及び感度軸に対する直交方向から磁場を作用させたときの抵抗変化率を測定した実験結果、 従来における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す部分平面図、 （ａ）は、永久磁石層を形成せず従来の素子部に対して、素子幅方向（感度軸方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、（ｂ）は、永久磁石層を形成せず従来の素子部に対して、素子長さ方向（感度軸方向に対する直交方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、 （ａ）は、従来の素子部の素子長さ方向の両側に永久磁石層を備え付け、素子部にバイアス磁界を素子長さ方向（直交方向）に作用させた形態に対して、素子幅方向（感度軸方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、（ｂ）は、従来の素子部の素子長さ方向の両側に永久磁石層を備え付け、素子部にバイアス磁界を素子長さ方向（直交方向）に作用させた形態に対して、素子長さ方向（直交方向）に向けて磁場を作用させたときの抵抗変化率曲線、

符号の説明

１ 磁気センサ
２、３ 磁気抵抗効果素子
４、５ 固定抵抗素子
６ ブリッジ回路
７ 入力端子
８ グランド端子
９ 差動増幅器
１０ 外部出力端子
１１ 集積回路
１２ 素子部
１３ 接続電極部
１４ 出力取出し部
１８ 軟磁性体
１９ 永久磁石層
３３ 反強磁性層
３４ 固定磁性層
３６ フリー磁性層
Ｌ１ 素子長さ
Ｌ２ （永久磁石層の）長さ寸法
Ｗ１ 素子幅
Ｗ２ （永久磁石層の）幅寸法

Claims (8)

1. 磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、素子幅Ｗ１に比べて素子長さＬ１が長く形成された細長形状の素子部と、前記素子部にバイアス磁界を供給する永久磁石層とを備え、前記素子部は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有しており、前記固定磁性層の固定磁化方向は、素子長さ方向に向けられており、
   前記永久磁石層が前記素子部の素子幅方向の側方に配置されてバイアス磁界が前記素子部に素子幅方向から供給されることを特徴とする磁気センサ。
2. 素子部に素子幅方向から外部磁場が作用した際、無磁場状態から素子幅方向の両方向への所定の磁場範囲が不感磁場範囲となるように前記バイアス磁界の大きさが調整されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記不感磁場範囲が、少なくとも素子長さ方向を感度軸方向として前記感度軸方向と平行な方向からの磁場に対して規定される検知磁場範囲以上の磁場範囲となるように前記バイアス磁界の大きさが調整されている請求項２記載の磁気センサ。
4. 前記検知磁場範囲は、±５Ｏｅ〜±２０Ｏｅの範囲である請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記素子部は、複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部の端部間が接続されてミアンダ形状で形成されており、
   前記永久磁石層は、少なくとも素子幅方向の両側に位置する素子部の外側に配置される請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 前記永久磁石層は、各素子部の素子幅方向の両側方に夫々、配置されている請求項５記載の磁気センサ。
7. 前記素子部の素子長さ方向に、前記素子部と間隔を開けて、前記素子部の幅方向に延びる軟磁性体が配置される請求項５または６記載の磁気センサ。
8. 前記永久磁性層と前記素子部が非接触である請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気センサ。

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