JP2009192429A - 磁気センサ及び磁場強度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサ、及び、そのような磁気センサを用いた磁場強度測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る磁気センサ５０は、磁化自由層３と、非磁性層５と、磁化固定層７とがこの順に積層された積層体２を有し、その積層方向と垂直な一方向を長手方向とする磁気抵抗効果素子１４と、磁気抵抗効果素子１４と積層方向に離間するように磁気抵抗効果素子１４に絶縁層１８を介して設けられ、電流が供給されることにより磁場を発生させる電流経路層２２とを備え、電流経路層２２は、積層方向から見て磁気抵抗効果素子１４の長手方向と０度以上４５度以下の角度をなす方向に沿って伸びている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサ及び磁場強度測定方法に関する。

ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive）素子等の磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサが知られている。これは、磁気抵抗効果素子の抵抗値が磁気抵抗効果素子内の磁化自由層及び磁化固定層のそれぞれの磁化の向きの相対的な角度に依存する現象を利用した磁気センサである。具体的には、磁気抵抗効果素子に一定電流のセンス電流を流しながら、測定対象である外部磁場を磁気センサ内の磁化自由層に印加させてその磁化方向を変化させ、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより外部磁場の測定を行う。

磁化自由層に外部磁場を印加した場合、磁化の大きさと外部磁場の関係にはヒステリシスが存在する。そのため、磁気抵抗効果素子の抵抗値と外部磁場の関係にも、ヒステリシスが存在することになる。つまり、同じ強度の外部磁場を印加しても、磁化自由層に直前に印加した外部磁場の強度に依存して、磁気抵抗効果素子の抵抗値や、ゲイン（磁気抵抗効果素子の抵抗値対外部磁場強度曲線における傾き）が変化してしまう場合がある。このようなことが起きると、磁気センサによる外部磁場測定の際に誤差が生じてしまう。

このような不具合を防止するため、外部磁場の測定前に、又は一定時間ごとや一定の測定回数ごとに、磁化自由層に磁場を印加してその磁化を飽和させる方法が知られている。このように磁化を飽和させた後に磁場印加を止めると、磁化自由層の磁化状態は、磁化を飽和させる前の状態に関わらず一定となる（以下、「磁化自由層の初期化」という）。

このような初期化は、例えばソレノイドコイルや渦巻き状のコイルを磁気抵抗効果素子に近接して設けることにより行われる。具体的には、磁気抵抗効果素子の長手方向に沿ってソレノイドコイルや渦巻き状のコイルを近接させ、これらのコイルから発生する磁場を磁気抵抗効果素子の長手方向に印加している（下記特許文献１〜４参照）。
特許第３８３５４４７号公報 特許第３８３５３５４号公報 特開２００６−２６７１２０号公報 特表２００５−５１５６６７号公報

上述の従来技術においては、磁化自由層を初期化する磁場を印加するために、ソレノイドコイルや渦巻き状のコイルを用いている。そのため、磁気センサの構成が複雑になるため、磁気センサ全体の形状が大きくなり、また、製造コストも高くなってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサ、及び、そのような磁気センサを用いた磁場強度測定方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気センサは、磁化自由層と、非磁性層と、磁化固定層とがこの順に積層された積層体を有し、その積層方向と垂直な一方向を長手方向とする磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子と積層方向に離間するように磁気抵抗効果素子に絶縁層を介して設けられ、電流が供給されることにより磁場を発生させる電流経路部とを備え、電流経路部は、積層方向から見て磁気抵抗効果素子の長手方向と０度以上４５度以下の角度をなす方向に沿って伸びている。

本発明の磁気センサによれば、無磁場下では磁化自由層の磁化は形状異方性によって磁気抵抗効果素子の長手方向を向いている。そして、磁気抵抗効果素子の長手方向と垂直な方向に外部磁場が磁化自由層に対して印加されると、磁化自由層と磁化固定層のそれぞれの磁化方向の相対的な角度が外部磁場の強度に応じて変化する。そのため、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定すれば、印加された外部磁場の強度を測定することができる。

さらに、この測定の前に、電流経路部から発生する磁場を磁化自由層に印加して磁化を飽和させることにより、磁化自由層の磁化の初期化を行うことができる。この初期化に用いる電流経路部は、積層方向から見て磁気抵抗効果素子の長手方向と０度以上４５度以下の角度をなす方向に沿って伸びた部材である。即ち、電流経路部から磁化自由層に印加させる磁場は、磁気抵抗効果素子の長手方向の成分よりも、長手方向と垂直な方向の成分の方が大きくなる。そのため、電流経路部によって、磁化自由層を磁気抵抗効果素子の長手方向と交差する方向に初期化することができる。そして、電流経路部は、従来のようなコイル形状ではなく、磁気抵抗効果素子の長手方向と所定の角度をなす方向に沿って伸びた部材である。そのため、従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサが得られる。

また、従来のように磁気抵抗効果素子に対して積層方向から見て電流経路部を垂直に配置する場合には、磁気抵抗効果素子の各部に所望の磁場を印加すべく、積層方向から見て複数本の電流経路部を配置して例えば渦巻き状にする必要があった。それに対して、本発明においては、電流経路部から発生する磁場を従来よりも効率的に磁化自由層に印加することが可能なため、電流経路部の本数は一本でもよく、磁気センサの動作時の消費電力を従来よりも小さくすることが可能である。

また、電流経路部は、磁気抵抗効果素子の長手方向と平行に伸びていることが好ましい。
これにより、電流経路部から発生する磁場は、磁化自由層において磁気抵抗効果素子の長手方向の成分は実質的になくなり、その分磁気抵抗効果素子の長手方向と垂直な方向の成分が増加する。そのため、磁化自由層の磁化の初期化のために電流経路部に流す電流値を小さくすることが可能となり、より消費電力の小さい磁気センサが得られる。

さらに、電流経路部は、磁化自由層側、又は、磁化固定層側に複数設けられていることが好ましい。これにより、電流経路部から磁化自由層に印加される磁場の強度は強くなる。そのため、磁化自由層の磁化の初期化を確実に行うことが可能な磁気センサが得られる。

さらに、電流経路部は、磁化自由層側、及び、磁化固定層側の双方に設けられていることが好ましい。これにより、電流経路部から磁化自由層に印加される磁場の強度は強くなる。そのため、磁化自由層の磁化の初期化を確実に行うことが可能な磁気センサが得られる。

さらに、磁気抵抗効果素子と電流経路部の間に設けられた絶縁層は、複数の絶縁体からなる層の積層膜であることが好ましい。これにより、製品安全規格、例えばＵＬ６０９５０−１（２．１０．５．２）に規定される薄いシート材を用いた場合に０．４ｍｍ以下の絶縁体でも規格を満足することが出来るため、薄型化が可能となる。

また、本発明に係る磁場強度測定方法は、上述のいずれかの磁気センサの電流経路部に電流を供給して、電流経路部から発生させた磁場を磁化自由層に印加し、磁場が印加された方向に磁化自由層の磁化を飽和させる磁化飽和工程と、磁化飽和工程の後に、磁化自由層に印加される外部磁場の磁場強度を測定する測定工程とを備える。

本発明の磁場強度測定方法によれば、従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサを用いて外部磁場強度を測定することができる。即ち、本発明で用いる磁気センサは、無磁場下では磁化自由層の磁化は磁気抵抗効果素子の長手方向を向いている。そして、磁気抵抗効果素子の長手方向と垂直な方向に外部磁場を磁化自由層に対して印加すれば、磁化自由層と磁化固定層のそれぞれの磁化方向の相対的な角度が外部磁場の強度に応じて変化する。そのため、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定すれば、外部磁場の強度を測定することができる。

さらに、外部磁場の測定前に、電流経路部から発生する磁場を磁化自由層に印加してその磁化方向を飽和させることにより、磁化自由層の磁化の初期化を行うことができる。この初期化に用いる電流経路部は、積層方向から見て磁気抵抗効果素子の長手方向と０度以上４５度以下の角度をなす方向に沿って伸びた部材である。即ち、電流経路部から磁化自由層に印加される磁場は、磁気抵抗効果素子の長手方向の成分よりも、長手方向と垂直な方向の成分の方が大きくなる。そのため、電流経路部によって、磁化自由層を磁気抵抗効果素子の長手方向と垂直な方向に初期化することができる。そして、電流経路部は、従来のようなコイル形状ではなく、磁気抵抗効果素子の長手方向と所定の角度をなす方向に沿って伸びた部材である。そのため、従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサを用いて外部磁場の強度を測定することができる。

また、従来のように磁気抵抗効果素子に対して積層方向から見て電流経路部を垂直に配置する場合には、磁気抵抗効果素子の各部に所望の磁場を印加すべく、積層方向から見て複数本の電流経路部を配置する必要があった。それに対して、本発明においては、電流経路部から発生する磁場を従来よりも効率的に磁化自由層に印加することが可能なため、電流経路部の本数は一本でもよく、磁気センサの動作時の消費電力を従来よりも小さくすることが可能である。

さらに、測定工程において、磁化飽和工程において磁化自由層の磁化を飽和させた方向と同一方向の外部磁場を磁化自由層に印加することが好ましい。これにより、外部磁場の測定の際、磁化自由層を初期化するために印加した磁場と反対向きの外部磁場が磁化自由層に印加されることはない。その結果、磁気抵抗効果素子の抵抗値対外部磁場のヒステリシスは非常に小さくなるため、外部磁場強度をより正確に測定することができる。

本発明によれば、従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサ、及び、そのような磁気センサを用いた磁場強度測定方法を提供が提供される。

以下、実施の形態に係る磁気センサ及びそのような磁気センサを用いた磁場強度測定方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

図１は、本実施形態に係る磁気センサの概略的な構成を示す図である。図１に示すように、磁気センサ５０は、主として磁気抵抗効果素子１４と、電流経路部としての電流経路層２２とを備えている。

磁気抵抗効果素子１４は後述のようにＺ軸に沿った方向に積層された複数の層からなっている。（即ち、磁気抵抗効果素子１４の積層方向は、Ｚ軸の正方向又はＺ軸の負方向に沿った方向となる。）磁気抵抗効果素子１４は、その積層方向と垂直な方向の一つであるＸ軸に沿った方向を長手方向としている。また、磁気抵抗効果素子１４の長手方向の両端には、非磁性金属であるＣｕ，Ａｕ，Ｔｉ，Ａｌ等の導電材料で構成される一対の電極層１６が設けられている。一対の電極層１６間に電圧を印加することにより、磁気抵抗効果素子１４にはセンス電流が供給される。

磁気抵抗効果素子１４の厚さは、特に制限されないが、例えば２０〜１００ｎｍとすることができる。また、磁気抵抗効果素子１４の長手方向の長さ及び長手方向と垂直な方向（Ｙ軸に沿った方向）の長さも特に制限されないが、例えばそれぞれ５０〜３００μｍ、及び２〜２０μｍとすることができる。また、磁気抵抗効果素子１４の長手方向の長さをＸ、長手方向と垂直な方向（Ｙ軸に沿った方向）の長さをＹとしたとき、ＸをＹで除した値であるＸ／Ｙは、例えば２５〜１５０とすることができる。

電流経路層２２は、磁気抵抗効果素子１４と積層方向に離間するように、例えばＡｌＯｘ等のセラミクス系絶縁材、ＳｉＯｘ、ポリイミドに代表される高分子系絶縁材等の絶縁材料で構成される絶縁層１８を介して磁気抵抗効果素子１４に設けられている。この絶縁層１８は、複数の絶縁体からなる層の積層膜であることが好ましい。

電流経路層２２は、特に制限されないが、非磁性金属であるＣｕ，Ａｕ，Ｔｉ，Ａｌ等の導電材料で構成され、例えば、スパッタ、蒸着などの真空薄膜形成プロセスやメッキ等の湿式プロセスで形成することができる。そして、電流経路層２２は磁気抵抗効果素子１４と同様にＸ軸に沿った方向を長手方向としている。また、電気経路層２２の長手方向の両端には、電極層１６と同様の導電材料で構成される一対の電極層２０が設けられている。一対の電極層２０間に電圧を印加することにより、電流経路層２２には電流が供給される。電流経路層２２の厚さは、例えば０．１〜２０μｍとすることができる。また、電流経路層２２の長さは、Ｘ軸に沿った方向においては、電流経路層２２が発生する磁場（詳細は後述）が磁気抵抗素子１４全体に概ね均一に印加されるようにするために、磁気抵抗素子１４全体の長さよりも長いことが好ましい。このように磁気抵抗素子１４全体に印加される磁場が概ね均一となれば、後述する磁化自由層の磁化の初期化を安定に行うことが可能となる。また、電流経路層２２の幅（Ｙ軸に沿った方向の長さ）も、同様の理由により磁気抵抗素子１４全体の幅（Ｙ軸に沿った方向の長さ）よりも広いことが好ましい。

また、磁気センサ５０には、絶縁層６０を介して、測定対象である磁場を発生する電流信号層７２が設けられている。即ち、磁気センサ５０と測定対象である電流信号層７２とは一体となるように形成されている。電流信号層７２は、導電性材料で構成され、電流経路層２２と同様にＸ軸に沿った方向を長手方向としている。また、電流信号層７２の長手方向の両端には、電極層１６と同様の導電材料で構成される一対の電極層７０が設けられている。一対の電極層７０間に電圧を印加することにより電流信号層７２には電流が供給され、それによって発生する磁場を磁気センサ５０で測定する。

図２は、磁気抵抗効果素子の詳細を示す断面図である。図２に示すように、磁気抵抗効果素子１４は、磁化自由層３と、非磁性層５と、磁化固定層７とがこの順に積層された積層体２を有している。また、積層体２は下地層１上に積層されており、また、積層体２上には反強磁性層９とキャップ層１１がこの順に積層されている。

磁化自由層３は、強磁性材料で構成されており、例えば厚さ１ｎｍ程度のＣｏＦｅ等と厚さ３〜４ｎｍ程度のＮｉＦｅ等との２層膜から構成されている。そして磁化自由層３の磁化方向３Ｍは、後述の磁化固定層７の磁化方向７Ｍと異なり、交換結合によって固定されていない。そのため、外部磁場が印加されると、磁化自由層３の磁化方向３Ｍは外部磁場の印加方向に回転する。また、外部磁場が印加されていない場合、磁化自由層３の磁化方向３Ｍは、磁化自由層３の形状異方性により、磁気抵抗効果素子１４の長手方向であるＸ軸方向に弱く固定されている。

非磁性層５は、厚さ１〜３ｎｍ程度のＣｕ等の非磁性の導電性金属で構成されている。

磁化固定層７は、厚さ１〜５ｎｍ程度のＣｏＦｅ等の強磁性体で構成されている。磁化固定層７上には、厚さ５〜１５ｎｍ程度のＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ等からなる反強磁性体で構成された反強磁性層９が積層されている。反強磁性層９と磁化固定層７は交換結合をしており、磁化固定層７の磁化方向７ＭはＹ軸の正方向に実質的に固定されている。なお、磁化固定層７は、Ｒｕ等の非磁性中間層をＣｏＦｅ等の一対の強磁性層で挟んだ３層構造とすることもできる。この場合、非磁性中間層の膜厚を適当に選択すれば、非磁性中間層を挟む一対の強磁性層の磁化は反平行に交換結合し、磁化固定層７はいわゆるシンセティックフェリピンド構造となる。この場合、磁化固定層７の磁化方向がより強く固定される。

下地層１は、Ｔａ等の材料で形成され、磁気抵抗効果素子１４の下地層１上に積層された各層の結晶性向上等の目的で設けられている。また、キャップ層１１は、Ｔａ等の材料で形成され、磁気抵抗効果素子１４の各層を保護する目的等で設けられている。なお、磁気抵抗効果素子１４は、下地層１及び／又はキャップ層１１を有していなくてもよい。

一対の電極層１６（図１参照）間に電圧を印加することにより、磁気抵抗効果素子１４には、その膜面に平行にセンス電流が流れる。即ち、磁気抵抗効果素子１４は面内通電型 (Current in Plane, CIP)のＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive）素子である。

次に、本実施形態に係る磁気センサによる外部磁場強度の測定方法について図３〜図５を用いて説明する。

図３は、磁気抵抗効果素子１４（図２参照）が有する積層体２、電流経路層２２、及び電流信号層７２の位置関係を概略的に示す図である。積層体２を構成する磁化自由層３、非磁性層５、及び磁化固定層７は、本来この順に積層されているが（図２参照）、図３（及び後述の図７及び図８）においては便宜的にそれぞれ分離して示している。図３に示すように、磁化固定層７の磁化方向７Ｍは、磁化固定層７の長手方向と垂直な方向（Ｙ軸に沿った方向）に固定されており、また、磁化自由層３の磁化方向３Ｍは外部磁場が印加されていない場合には、磁化自由層３の長手方向（Ｘ軸に沿った方向）を向いている。

外部磁場の測定を行う場合、外部磁場の測定に先立って、電流経路層２２に電流を供給し、電流経路層２２が発生する磁場を磁化自由層３に印加させる。この様子を図４を用いて説明する。図４は、磁化自由層３を積層方向から見た図であり、磁化自由層３と電流経路層２２との関係を示している。

図４に示すように、磁化自由層３に磁場を印加するために一対の電極層２０（図１参照）間に電圧を印加して、電流経路層２２の長手方向に沿って電流２２Ｉを流す。すると、磁化自由層３と電流経路層２２とは磁気抵抗効果素子１４（図１及び図２参照）の積層方向に離間し、かつ、磁化自由層３の長手方向に沿った軸３Ｃと電流経路層２２の長手方向に沿った軸２２Ｃとは積層方向から見て互いに平行（即ち、軸３Ｃと軸２２Ｃとが成す角度は０度）であるため、電流経路層２２から発生する磁場２２Ｈは、磁化自由層３において磁化自由層３の長手方向と垂直な方向に印加される。そしてこの際、磁化自由層３の磁化が飽和されるように磁場２２Ｈの強度を調節する。その後、電流経路層２２に電流２２Ｉを流すのを止め、磁化自由層３への磁場２２Ｈの印加を止める。

続いて、外部磁場の測定を行う。この測定原理を図５を用いて説明する。図５は、磁化自由層３を積層方向から見た図であり、磁化自由層３と測定対象である磁場を発生する電流信号層７２との関係を示している。

一対の電極層７０（図１参照）間に電圧を印加して電流信号層７２に電流７２Iを流す。すると、測定対象である磁場７２Hが発生し、磁場７２Hは磁化自由層３に印加される。この際、磁化自由層３と電流信号層７２とは磁気抵抗効果素子１４（図１及び図２参照）の積層方向に離間し、かつ、磁化自由層３の長手方向に沿った軸３Ｃと電流信号層７２の長手方向に沿った軸７２Ｃとは積層方向から見て互いに平行（即ち、軸３Ｃと軸７２Ｃとが成す角度は０度）であるため、電流信号層７２から発生する磁場７２Ｈは、磁化自由層３において磁化自由層３の長手方向と垂直な方向に印加される。

磁場７２Ｈの印加によって磁化自由層３の磁化方向３Mが変化するため、磁化自由層３の磁化方向３Mと磁化固定層７の磁化方向７M（図３参照）との相対的な角度が変化する。例えば、磁場７２Ｈが非常に強く磁化自由層３の磁化を飽和させる場合、図５に示すように磁化自由層３の磁化方向３Mは、磁化自由層３の長手方向とは垂直な方向に向く。そして磁気抵抗効果によって、磁化方向３Mと磁化方向７Ｍとの相対的な角度に依存して磁気抵抗効果素子１４の抵抗値が変化する。磁化方向３Mの変化量は磁場７２Hの強度に依存するため、例えば、一対の電極層１６（図１参照）間に電圧を印加し、磁気抵抗効果素子１４に一定のセンス電流を流しながら磁化自由層３に磁場７２Hを印加すれば、一対の電極層１６間の電圧は磁場７２Hの強度に応じて変化する。そのため、一対の電極層１６間の電圧を測定すれば磁場７２Hの強度を測定することができる。

次に、外部磁場の測定に先立って磁化自由層３へ磁場２２Ｈを印加した効果等について、図６を用いて説明する。図６は磁気抵抗効果素子と外部磁場の関係を示す図である。図６においては、縦軸を磁気抵抗効果素子１４の抵抗値とし、横軸を磁化自由層３に印加された外部磁場の強度としており、Ｙ軸方向に外部磁場が印加された場合を正方向として示している。

図６に示すように、磁化自由層３に外部磁場が印加されると磁化自由層３の磁化方向３Ｍと磁化固定層７の磁化方向７Ｍとの相対的な角度が変化するため、磁気抵抗効果素子１４の抵抗値が変化する。また、図６に示すように磁気抵抗効果素子１４と外部磁場の関係にはヒステリシスがあるため、外部磁場と磁気抵抗効果素子１４の関係は必ずしも一対一に対応するとは限らない。このヒステリシスの存在は、外部磁場測定における誤差の原因となる。

しかし、上述のように本実施形態に係る磁気センサ５０による外部磁場強度の測定方法においては、測定対象の外部磁場７２Ｈを磁化自由層３に印加するのに先立って、磁化自由層３の磁化が飽和するように磁場２２Ｈを印加している（図４参照）。そのため、磁気抵抗効果素子１４の抵抗値は、図６のＢの値になった後に、Ｄの値となる。その後、測定対象である磁場７２Ｈ（図５参照）が印加されると、磁気抵抗効果素子１４の抵抗値はＤ−Ｅ−Ｂの経路を通るように変化する。即ち、磁化自由層３の磁化が飽和するように磁場２２Ｈを印加することにより、磁化自由層３の磁化の初期化を行っている。その結果、磁場７２Ｈの強度と磁気抵抗効果素子１４の値とが一対一に対応することになり、磁場７２Ｈの強度を正確に測定することが可能となる。

外部磁場を複数回測定する場合、このような磁化自由層３の磁化の初期化は外部磁場の測定前に毎回行ってもよいし、一定回数測定した後に次の測定前に行ってもよい。また、一定時間経過後に磁化の初期化を行うこともできる。

また、外部磁場の測定においては、磁化自由層３の磁化の初期化を行うために磁化自由層３に印加した磁場２２Ｈと同一の方向に、測定対象である磁場７２Ｈを印加することが好ましい。これにより、磁化自由層３の磁化の初期化後の磁場７２Ｈの測定において、磁気抵抗効果素子１４の抵抗値は、例えば図６のＤ−Ｅ−Ｂ−Ｃ−Ｄの順に変化するため、ヒステリシスが小さくなる。そのため、一回の磁化自由層３の磁化の初期化後に磁場強度の測定を複数回行うときであっても、磁場７２Ｈの強度を正確に測定することが可能となる。例えば、磁化自由層３の磁化の初期化後に磁化自由層３に印加した磁場２２Ｈと反対の方向に測定対象である磁場７２Ｈを印加してしまうと、磁場７２Ｈの強度がＦの値である場合には磁場印加終了後の磁気抵抗効果素子１４の抵抗値はＧの値となり、磁場７２Ｈの強度がＨの値である場合には磁場印加終了後の磁気抵抗効果素子１４の抵抗値はＡの値となる。

そのため、その後磁化自由層３の磁化の初期化を行わずに図６の正方向の外部磁場強度を測定した場合、図６の正方向の外部磁場の強度のみを測定する場合と比較して、ヒステリシスが大きくなってしまう。なお、磁化自由層３の磁化の初期化を行うために磁化自由層３に印加した磁場２２Ｈと反対方向の外部磁場を測定する場合であっても、外部磁場強度の測定の各回ごとに、その測定前に磁化自由層３の磁化の初期化を行えば磁場７２Ｈの強度を正確に測定することが可能である。

また、本実施形態に係る磁気センサ５０においては、電流経路層２２は、従来のようなコイル形状ではなく、磁気抵抗効果素子１４の長手方向に沿って伸びた部材である（図３、図４参照）。そのため、従来よりも構成が簡単であり、全体の形状の小型化を図ることができ、製造コストの低い磁気センサ５０が得られる。また、電流経路層２２は、磁気抵抗効果素子１４の長手方向に沿って伸びているため、コイルから発生する磁場を印加していた従来の場合と比較して、電流経路層２２から発生する磁場２２Ｈを効率的に磁化自由層３に印加することが可能である。そのため、磁気センサ５０の動作時の消費電力を従来よりも小さくすることが可能である。

さらに、電流経路層２２は、磁気抵抗効果素子１４の長手方向と平行に伸びているため、電流経路層２２から発生する磁場２２Ｈは、磁化自由層３において磁気抵抗効果素子１４の長手方向の成分は実質的になくなり、その分磁気抵抗効果素子１４の長手方向と垂直な方向の成分が増加する。そのため、磁化自由層３の磁化の初期化のために電流経路層２２に流す電流値を小さくすることが可能となり、より消費電力の小さい磁気センサ５０が得られる。

また、本実施形態に係る磁気センサ５０においては、磁気抵抗効果素子１４と電流経路層２２の間に設けられた絶縁層１８は、好ましくは複数の絶縁体からなる層の積層膜で構成されている（図１参照）。この場合、製品安全規格、例えばＵＬ６０９５０−１（２．１０．５．２）に規定される薄いシート材を用いた場合に０．４ｍｍ以下の絶縁体でも規格を満足することができるため、薄型化が可能となる。

なお、本実施形態に係る磁気センサ５０は、電流信号層７２から発生する磁場７２Ｈを測定しているが、この磁場７２Ｈの強度に加え、磁気センサ５０と電流信号層７２との相対的な位置関係の情報が既知であれば、電流信号層７２を流れる電流７２Ｉを測定することができる。即ち、本実施形態に係る磁気センサ５０は、電流センサとして用いることも可能である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。

例えば、図７に示すように、電流経路層２２は、磁化自由層３側、及び、磁化固定層７側の双方に設けられていてもよい。これにより、電流経路層２２から磁化自由層３に印加される磁場の強度が強くなる。そのため、磁化自由層３の磁化の初期化を確実に行うことが可能な磁気センサ５０が得られる。

また、図８に示すように、電流経路層２２は、磁化自由層３側に複数設けられていてもよい。これにより、電流経路層２２から磁化自由層３に印加される磁場の強度は強くなる。そのため、磁化自由層３の磁化の初期化を確実に行うことが可能な磁気センサ５０が得られる。この場合、電流経路層２２の数は図８に示すように２個でもよいし、３個以上であってもよい。また、電流経路層２２は、磁化固定層７側に複数設けられていてもよい。また、図８において、磁化固定層７側にさらに電流経路層２２を単数又は複数設けてもよい。

また、上述の実施形態においては、電流経路層２２は、積層方向から見て磁気抵抗効果素子１４の長手方向と平行に伸びているが（図１及び図４参照）、平行でなくてもよい。この場合、電流経路層２２は、積層方向から見て磁気抵抗効果素子１４の長手方向と０度以上４５度以下の角度をなす方向に沿って伸びていればよい。これにより、電流経路層２２から磁化自由層３に印加させる磁場は、磁気抵抗効果素子１４の長手方向の成分よりも、長手方向と垂直な方向の成分の方が大きくなる。そのため、電流経路層２２によって、磁化自由層３を磁気抵抗効果素子１４の長手方向と交差する方向に初期化することができる。

また、上述の実施形態では、電流経路部である電流経路層２２はスパッタ、蒸着などの真空薄膜形成プロセスやメッキ等の湿式プロセスで形成された層状の部材であるが、電流経路部は銅線等の線状の部材であってもよい。

また、上述の実施形態では、磁気抵抗効果素子１４は、ＣＩＰ型のＧＭＲ素子であったが、ＣＰＰ（Current Perpendicular in Plane）型のＧＭＲ素子又は、ＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistive）素子であってもよい。ＣＰＰ型のＧＭＲ素子の場合、一対の電極層１６（図１参照）は、磁気抵抗効果素子１４の積層方向の両端面に電気的に接続される。また、ＴＭＲ素子の場合、さらに、非磁性層５（図２参照）が、Ｃｕ等の非磁性金属に替えて厚さ１〜２ｎｍ程度のＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等の非磁性絶縁材料で構成される。

また、磁化固定層７の磁化方向７Ｍは、磁化固定層７の長手方向と垂直な方向以外の方向に固定されていてもよい（図２及び図３参照）。

また、本実施形態においては、磁気センサ５０は、測定対象である磁場７２Ｈを発生する電流信号層７２と物理的に一体化されているが（図１参照）、磁気センサ５０と電流信号層７２とは物理的に分離していてもよい。

また、本実施形態においては、磁気センサ５０によって電流から発生する磁場を測定しているが、例えば永久磁石との距離を磁場の強さで検知する距離測定等の用途に用いてもよい。

本実施形態に係る磁気センサの概略的な構成を示す図である。 磁気抵抗効果素子の詳細を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子が有する積層体、電流経路層、及び電流信号層の位置関係を概略的に示す図である。 磁化自由層３を積層方向から見た図である。 磁化自由層３を積層方向から見た図である。 磁気抵抗効果素子と外部磁場の関係を示す図である。 本実施形態の変形例を示す概略図である。 本実施形態の変形例を示す概略図である。

符号の説明

２・・・積層体、３・・・磁化自由層、５・・・非磁性層、７・・・磁化固定層、１４・・・磁気抵抗効果素子、２２・・・電流経路層（電流経路部）、５０・・・磁気センサ。

Claims (7)

1. 磁化自由層と、非磁性層と、磁化固定層と、がこの順に積層された積層体を有し、その積層方向と垂直な一方向を長手方向とする磁気抵抗効果素子と、
   前記磁気抵抗効果素子と前記積層方向に離間するように前記磁気抵抗効果素子に絶縁層を介して設けられ、電流が供給されることにより磁場を発生させる電流経路部と、
   を備え、
   前記電流経路部は、前記積層方向から見て前記磁気抵抗効果素子の長手方向と０度以上４５度以下の角度をなす方向に沿って伸びている磁気センサ。
2. 前記電流経路部は、前記積層方向から見て前記磁気抵抗効果素子の長手方向と平行に伸びている請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記電流経路部は、前記磁化自由層側、又は、前記磁化固定層側に複数設けられている請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記電流経路部は、前記磁化自由層側、及び、前記磁化固定層側の双方に設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子と前記電流経路部の間に設けられた前記絶縁層は、複数の絶縁体からなる層の積層膜である請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気センサの前記電流経路部に電流を供給して、前記電流経路部から発生させた磁場を前記磁化自由層に印加し、前記磁場が印加された方向に前記磁化自由層の磁化を飽和させる磁化飽和工程と、
   前記磁化飽和工程の後に、前記磁化自由層に印加される外部磁場の磁場強度を測定する測定工程と、
   を備える磁場強度測定方法。
7. 前記測定工程において、前記磁化飽和工程において前記磁化自由層の磁化を飽和させた方向と同一方向の外部磁場を前記磁化自由層に印加させる請求項６に記載の磁場強度測定方法。
   

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