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JP2018112481A - Magnetic sensor - Google Patents

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JP2018112481A JP2017003229A JP2017003229A JP2018112481A JP 2018112481 A JP2018112481 A JP 2018112481A JP 2017003229 A JP2017003229 A JP 2017003229A JP 2017003229 A JP2017003229 A JP 2017003229A JP 2018112481 A JP2018112481 A JP 2018112481A
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正順 西脇
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Abstract

【課題】リセットコイルを用いることなく、GMR素子におけるフリー磁性層の磁化方向を、GMR素子の延在方向に向けることができる磁気センサを提供する。【解決手段】ハーフブリッジ回路111Aを構成する一対の磁気抵抗効果素子122aおよび122bならびにハーフブリッジ回路111Bを構成する一対の磁気抵抗効果素子122cおよび122dが基板に形成されており、磁気抵抗効果素子122a〜122dはそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、を有し、各フリー磁性層にはバイアス磁界Bが印加されており、発振器140によりフィードバックコイル121に交流電流を流すことによりバイアス磁界が印加されたフリー磁性層に交番磁界を印加して、フリー磁性層を初期の磁化状態にリセットする。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor capable of directing the magnetization direction of a free magnetic layer in a GMR element to the extending direction of the GMR element without using a reset coil. SOLUTION: A pair of magnetic resistance effect elements 122a and 122b constituting a half bridge circuit 111A and a pair of magnetic resistance effect elements 122c and 122d forming a half bridge circuit 111B are formed on a substrate, and the magnetic resistance effect elements 122a are formed. Each of ~ 122d has a fixed magnetic layer having a fixed magnetization direction and a free magnetic layer whose magnetization direction changes due to an external magnetic field, and a bias magnetic field B is applied to each free magnetic layer, and the oscillator 140. By passing an AC current through the feedback coil 121, an alternating magnetic field is applied to the free magnetic layer to which the bias magnetic field is applied, and the free magnetic layer is reset to the initial magnetized state. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関し、特にフリー磁性層にバイアス磁界が印加される磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関する。   The present invention relates to a magnetic sensor having a magnetoresistive effect element, and more particularly to a magnetic sensor having a magnetoresistive effect element in which a bias magnetic field is applied to a free magnetic layer.

GMR(Giant Magneto Resistive effect、巨大磁気抵抗効果)素子には、磁界が印加されるとフリー磁性層が多磁区化して、磁界が除かれた後にも所定の初期状態に戻らないという問題がある。その対策として、バイアス磁界を印加するハードバイアス層が設けられた構成や、フリー磁性層に隣接する反強磁性材料層が設けられた構成のGMR素子が提案されている。これらの構造を備えたGMR素子では、GMR素子の延在方向(ストライプ方向)に沿ってバイアス磁界を印加することにより、フリー磁性層が多磁区化することを抑制している。   A GMR (Giant Magneto Resistive effect) element has a problem that when a magnetic field is applied, the free magnetic layer is multi-domained and does not return to a predetermined initial state even after the magnetic field is removed. As countermeasures, GMR elements having a configuration in which a hard bias layer for applying a bias magnetic field is provided, or a configuration in which an antiferromagnetic material layer adjacent to the free magnetic layer is provided have been proposed. In the GMR element having these structures, the application of a bias magnetic field along the extending direction (stripe direction) of the GMR element suppresses the free magnetic layer from being multi-domained.

バイアス磁界を印加することによりフリー磁性層が多磁区化することを抑制できるが、大きな磁界が印加されるとGMR素子を備えた磁気センサのオフセットが変動するという問題が生じる。バイアス磁界の強度を大きくすることによってフリー磁性層の多磁区化によるオフセットの変動を抑制できるが、バイアス磁界を大きくすると磁気センサの出力が小さくなってしまい、応答速度が低下するという問題がある。   By applying a bias magnetic field, it is possible to prevent the free magnetic layer from becoming multi-domained, but when a large magnetic field is applied, there arises a problem that the offset of the magnetic sensor provided with the GMR element varies. By increasing the strength of the bias magnetic field, it is possible to suppress the variation in offset due to the multi-domain of the free magnetic layer. However, if the bias magnetic field is increased, there is a problem that the output of the magnetic sensor decreases and the response speed decreases.

バイアス磁界を印加しないノンバイアス構造のGMR素子において、フリー磁性層の磁化状態を初期化するリセットコイルを備えた磁気センサが提案されている。例えば、特許文献1には、フリー磁性層の磁化方向が、GMR素子の感度軸方向に直交する方向、すなわちGMR素子の延在方向(ストライプの長手方向)に向けられるように、リセット磁界を印加するリセットコイルを備えた磁気センサが記載されている。   There has been proposed a magnetic sensor including a reset coil for initializing the magnetization state of a free magnetic layer in a non-biased GMR element to which no bias magnetic field is applied. For example, in Patent Document 1, a reset magnetic field is applied so that the magnetization direction of the free magnetic layer is directed in a direction orthogonal to the sensitivity axis direction of the GMR element, that is, in the extending direction of the GMR element (longitudinal direction of the stripe). A magnetic sensor with a reset coil is described.

国際公開WO2015/125699号International Publication WO2015 / 125699

特許文献1に記載の磁気センサは、GMR素子の延在方向すなわちストライプの長手方向において一様なリセット磁界を印加するために、GMR素子に対して十分な大きさのリセットコイルを形成する必要がある。また、磁気平衡式の磁気センサを構成する場合、リセットコイルに加えて、被測定電流からの誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルを形成する必要がある。したがって、電流センサのサイズが大きくなるという問題がある。   In the magnetic sensor described in Patent Document 1, it is necessary to form a sufficiently large reset coil for the GMR element in order to apply a uniform reset magnetic field in the extending direction of the GMR element, that is, in the longitudinal direction of the stripe. is there. Further, when configuring a magnetic balance type magnetic sensor, in addition to the reset coil, it is necessary to form a feedback coil that generates a canceling magnetic field that cancels the induced magnetic field from the current to be measured. Therefore, there is a problem that the size of the current sensor is increased.

そこで、本発明は、フリー磁性層の磁化状態を効率よくリセットすることができる磁気センサの提供を目的としている。
また本発明は、リセットコイルなどを設けることなく、フリー磁性層の磁化状態をリセットできる磁気センサの提供を目的としている。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic sensor that can efficiently reset the magnetization state of a free magnetic layer.
Another object of the present invention is to provide a magnetic sensor that can reset the magnetization state of a free magnetic layer without providing a reset coil or the like.

上記の課題を解決するために本発明者らが検討した結果、フリー磁性層にバイアス磁界が印加されているGMR素子の感度方向(バイアス磁界と直交する方向)に交番磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化状態がリセットされて、初期の磁化状態に近づくという知見を得た。この知見に基づく本発明は、以下の構成を備えている。   As a result of studies by the present inventors in order to solve the above problem, by applying an alternating magnetic field in the sensitivity direction (direction perpendicular to the bias magnetic field) of the GMR element in which the bias magnetic field is applied to the free magnetic layer, The knowledge that the magnetization state of the free magnetic layer was reset and approached the initial magnetization state was obtained. The present invention based on this finding has the following configuration.

本発明は、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子が設けられている磁気センサにおいて、
前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に位置する非磁性材料層とを有し、
前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部と、
前記フリー磁性層に、前記バイアス磁界と交差する向きの交番磁界を印加する交番磁界印加部と、を備えていることを特徴とするものである。
The present invention relates to a magnetic sensor provided with a plurality of magnetoresistive elements constituting a bridge circuit.
Each of the magnetoresistive elements includes a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed, a free magnetic layer whose magnetization direction varies due to an external magnetic field, and a nonmagnetic material positioned between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer And having a layer
A bias magnetic field application unit for applying a bias magnetic field to the free magnetic layer;
The free magnetic layer includes an alternating magnetic field applying unit that applies an alternating magnetic field in a direction crossing the bias magnetic field.

本発明の磁気センサは、前記磁気抵抗効果素子が、帯状に延在する複数の素子部がミアンダ形状に接続されており、
前記バイアス磁界印加部は、前記素子部の延在方向に前記バイアス磁界を印加し、
前記交番磁界印加部は、前記交番磁界を、前記素子部の延在方向と直交する前記磁気抵抗効果素子の感度軸方向に印加する、ものであっても良い。
本発明の磁気センサは、素子部のバイアス磁界の印加方向に直交する方向に交番磁界を印加することにより、効率よくフリー磁性層を初期の磁化状態にリセットすることができる。
In the magnetic sensor of the present invention, the magnetoresistive effect element has a plurality of element portions extending in a strip shape connected in a meander shape,
The bias magnetic field application unit applies the bias magnetic field in the extending direction of the element unit,
The alternating magnetic field application unit may apply the alternating magnetic field in a sensitivity axis direction of the magnetoresistive effect element perpendicular to an extending direction of the element unit.
The magnetic sensor of the present invention can efficiently reset the free magnetic layer to the initial magnetization state by applying an alternating magnetic field in a direction orthogonal to the direction in which the bias magnetic field is applied to the element portion.

本発明の磁気センサでは、前記ブリッジ回路は、第1のハーフブリッジ回路および第2のハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路として構成できる。   In the magnetic sensor of the present invention, the bridge circuit can be configured as a full bridge circuit having a first half bridge circuit and a second half bridge circuit.

また、前記バイアス磁界は、ハードバイアス磁界またはエクスチェンジバイアス磁界である。   The bias magnetic field is a hard bias magnetic field or an exchange bias magnetic field.

本発明の磁気センサは、例えば、前記磁気抵抗効果素子に与えられる被測定磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記フィードバックコイルに与えられるキャンセル電流を制御するとともにそのキャンセル電流を検知する検知回路とを備えており、
前記フィードバックコイルが前記交番磁界印加部として使用されるものである。
フィードバックコイルを交番磁界印加部として用いることにより、交番磁界を印加するために別のコイルを設ける必要がなくなり、磁気センサのサイズを小さくすることができる。
The magnetic sensor of the present invention controls, for example, a feedback coil that generates a canceling magnetic field that cancels a magnetic field to be measured applied to the magnetoresistive element, a canceling current applied to the feedback coil, and detects the canceling current. With a detection circuit,
The feedback coil is used as the alternating magnetic field applying unit.
By using the feedback coil as the alternating magnetic field application unit, it is not necessary to provide another coil for applying the alternating magnetic field, and the size of the magnetic sensor can be reduced.

例えば、前記フィードバックコイルは、前記キャンセル電流が与えられない時間に前記交番磁界を発生する交番磁界印加部として使用される。   For example, the feedback coil is used as an alternating magnetic field application unit that generates the alternating magnetic field at a time when the cancel current is not applied.

本発明の磁気センサは、磁気シールドをさらに備えており、
前記磁気シールドは、前記被測定磁界を減衰させ、前記キャンセル磁界と前記交番磁界を増強するものが好ましい。
The magnetic sensor of the present invention further includes a magnetic shield,
The magnetic shield preferably attenuates the magnetic field to be measured and enhances the cancellation magnetic field and the alternating magnetic field.

本発明は、バイアス磁界が印加されたフリー磁性層に、バイアス磁界と交差する向きの交番磁界を印加することにより、フリー磁性層を初期の磁化状態にリセットすることができる。したがって、オフセット値が一定に保持された、高精度な磁気センサとすることができる。
また、本発明は、フィードバックコイルを備え、このフィードバックコイルを交番磁界印加部として使用することで、リセットコイルなどを別途に設ける必要がなくなる。
In the present invention, the free magnetic layer can be reset to the initial magnetization state by applying an alternating magnetic field in a direction crossing the bias magnetic field to the free magnetic layer to which the bias magnetic field is applied. Therefore, a highly accurate magnetic sensor in which the offset value is kept constant can be obtained.
In addition, the present invention includes a feedback coil, and using this feedback coil as an alternating magnetic field application unit eliminates the need for a separate reset coil or the like.

本発明の実施形態に係る磁気平衡式の磁気センサの構成の概略を示す概念図The conceptual diagram which shows the outline of a structure of the magnetic balance type magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサを示す説明図Explanatory drawing which shows the magnetic balance type magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサを示す説明図Explanatory drawing which shows the magnetic balance type magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention 図2に示す磁気平衡式の磁気センサを示す断面図Sectional drawing which shows the magnetic balance type magnetic sensor shown in FIG. 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す説明図Explanatory drawing which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の膜構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the film | membrane structure of the magnetoresistive effect element in the magnetic balance type magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の他の膜構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the other film structure of the magnetoresistive effect element in the magnetic balance type magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention (A)磁気抵抗効果素子にハードバイアスを印加するバイアス磁界印加部の構成を示す図、(B)磁気抵抗効果素子にエクスチェンジバイアスを印加するバイアス磁界印加部の構成を示す図(A) The figure which shows the structure of the bias magnetic field application part which applies a hard bias to a magnetoresistive effect element, (B) The figure which shows the structure of the bias magnetic field application part which applies an exchange bias to a magnetoresistive effect element 実施例の磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子であるGMR素子の感度軸に直交する方向のR−H曲線を示すグラフThe graph which shows the RH curve of the direction orthogonal to the sensitivity axis of the GMR element which is a magnetoresistive effect element which comprises the magnetic sensor of an Example. バイアス磁界と逆方向にフリー磁性層が完全に反転する磁界を印加した後、比例式出力のオフセット評価を10回繰り返した際における、初期に対するオフセット変動量の推移を示したグラフA graph showing the transition of the offset fluctuation amount relative to the initial value when the offset evaluation of the proportional output is repeated 10 times after applying the magnetic field that completely reverses the free magnetic layer in the direction opposite to the bias magnetic field.

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る磁気センサの構成の概略を示す概念図である。磁気センサ1は、フルブリッジ回路110と、フィードバックコイル121とを備えている。フルブリッジ回路110は、磁気抵抗効果素子122bと磁気抵抗効果素子122aからなるハーフブリッジ回路111Aと、磁気抵抗効果素子122cと磁気抵抗効果素子122dからなるハーフブリッジ回路111Bとが並列に接続された構成である。ハーフブリッジ回路111Aおよびハーフブリッジ回路111Bはそれぞれ、一端が電源電圧Vddに接続され、他端が接地電位GNDに接続されている。磁気抵抗効果素子122aおよび磁気抵抗効果素子122cのPin方向(X1方向)と、磁気抵抗効果素子122bおよび磁気抵抗効果素子122dのPin方向(X2方向)とは、180度異なっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an outline of a configuration of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. The magnetic sensor 1 includes a full bridge circuit 110 and a feedback coil 121. The full bridge circuit 110 has a configuration in which a half bridge circuit 111A including a magnetoresistive effect element 122b and a magnetoresistive effect element 122a and a half bridge circuit 111B including a magnetoresistive effect element 122c and a magnetoresistive effect element 122d are connected in parallel. It is. Each of half-bridge circuit 111A and half-bridge circuit 111B has one end connected to power supply voltage Vdd and the other end connected to ground potential GND. The Pin direction (X1 direction) of the magnetoresistive effect element 122a and the magnetoresistive effect element 122c is 180 degrees different from the Pin direction (X2 direction) of the magnetoresistive effect element 122b and the magnetoresistive effect element 122d.

フルブリッジ回路110に外部磁界Hが印加されると、磁気抵抗効果素子122a〜122dのフリー磁性層44(図6、図7参照)の向きが外部磁界Hの方向に倣うように変化する。このとき、磁気抵抗効果素子122a〜122dの抵抗値は、固定磁性層(第2磁性層)42cの固定磁化方向とフリー磁性層44の磁化方向との、相対角度に応じて変化する。このため、ハーフブリッジ回路111Bの中点端子131の出力電位(Out1)と、ハーフブリッジ回路111Aの中点端子132の出力電位(Out2)との差動出力(Out1)−(Out2)が、図中にHで示した矢印方向(感度軸方向、X1−X2軸方向)の磁界の検知出力(検知出力電圧)Vsとして得られる。検知出力Vsは増幅器124にて増幅され、フィードバックコイル121に与えられる。   When the external magnetic field H is applied to the full bridge circuit 110, the direction of the free magnetic layer 44 (see FIGS. 6 and 7) of the magnetoresistive elements 122a to 122d changes so as to follow the direction of the external magnetic field H. At this time, the resistance values of the magnetoresistive effect elements 122 a to 122 d change according to the relative angle between the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer (second magnetic layer) 42 c and the magnetization direction of the free magnetic layer 44. Therefore, the differential output (Out1)-(Out2) between the output potential (Out1) of the midpoint terminal 131 of the half-bridge circuit 111B and the output potential (Out2) of the midpoint terminal 132 of the half-bridge circuit 111A is shown in FIG. It is obtained as a detection output (detection output voltage) Vs of a magnetic field in the arrow direction (sensitivity axis direction, X1-X2 axis direction) indicated by H. The detection output Vs is amplified by the amplifier 124 and supplied to the feedback coil 121.

フルブリッジ回路110を構成する磁気抵抗効果素子122a〜122dのそれぞれには、上述した感度軸方向(X1−X2方向)と直交する、図中にBで示した矢印方向(バイアス磁界方向、Y2方向)にバイアス磁界が印加されている。磁気抵抗効果素子122a〜122dのフリー磁性層にバイアス磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化をY方向に揃え、好ましくはフリー磁性層の磁化を単磁区化し、外部磁界が与えられたときに、フリー磁性層の磁化が外部磁界の方向へ向きやすくなる。   Each of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d constituting the full bridge circuit 110 has an arrow direction (bias magnetic field direction, Y2 direction) indicated by B in the figure orthogonal to the sensitivity axis direction (X1-X2 direction) described above. ) Is applied with a bias magnetic field. When a bias magnetic field is applied to the free magnetic layers of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d, the magnetization of the free magnetic layer is aligned in the Y direction, and preferably the magnetization of the free magnetic layer is made into a single domain and an external magnetic field is applied. In addition, the magnetization of the free magnetic layer tends to be directed in the direction of the external magnetic field.

ただし、フリー磁性層に予想外の大きな外部磁界が印加され、フリー磁性層の磁化が強制的に外部磁界の方向へ向けられると、その後に外部磁界がゼロ(無磁界)になったときに、ヒステリシスによってフリー磁性層の初期の磁化状態、すなわちバイアス磁界の向きに揃えられた状態に戻らないことがある。この場合、外部磁界がゼロ(無磁界)の状態における差動出力(Out1)−(Out2)が0ではなくなり、検知出力Vsにオフセットが生じることによって、磁気センサ1の測定精度が低下する。   However, when an unexpected large external magnetic field is applied to the free magnetic layer and the magnetization of the free magnetic layer is forced to the direction of the external magnetic field, the external magnetic field subsequently becomes zero (no magnetic field), Hysteresis may not return to the initial magnetization state of the free magnetic layer, that is, the state aligned with the direction of the bias magnetic field. In this case, the differential output (Out1) − (Out2) when the external magnetic field is zero (no magnetic field) is not 0, and the detection output Vs is offset, so that the measurement accuracy of the magnetic sensor 1 is lowered.

そこで、磁気センサ1は、フリー磁性層の磁化状態を初期化するために、フィードバックコイル121から、磁気抵抗効果素子122a〜122dに対して、感度軸方向に交番磁界を印加する。バイアス磁界BがY2方向に印加されている状態で、感度軸方向(X1−X2方向)に交番磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化状態を初期化できるようにしている。このとき、バイアス磁界Bが印加されているため、交番磁界印加後にフリー磁性層の磁化方向が初期と逆向きに向いてしまうことを防止できる。これにより、フリー磁性層に大きな外部磁界が印加された場合に生じる検知出力Vsのオフセットを解消して、測定精度を高くすることが可能になる。   Therefore, the magnetic sensor 1 applies an alternating magnetic field in the sensitivity axis direction from the feedback coil 121 to the magnetoresistive effect elements 122a to 122d in order to initialize the magnetization state of the free magnetic layer. By applying an alternating magnetic field in the sensitivity axis direction (X1-X2 direction) while the bias magnetic field B is applied in the Y2 direction, the magnetization state of the free magnetic layer can be initialized. At this time, since the bias magnetic field B is applied, it is possible to prevent the magnetization direction of the free magnetic layer from being opposite to the initial direction after applying the alternating magnetic field. This eliminates the offset of the detection output Vs that occurs when a large external magnetic field is applied to the free magnetic layer, thereby increasing the measurement accuracy.

このときの交番磁界は、フリー層に印加された外乱である前記外部磁界よりも絶対値が小さくても、フリー磁性層に、感度軸方向へ向きの異なる磁界を繰り返して与えることで、フリー磁性層の磁化状態を初期化するリセット処理が可能である。   Even if the alternating magnetic field at this time has a smaller absolute value than the external magnetic field, which is a disturbance applied to the free layer, the magnetic field having different directions in the sensitivity axis direction is repeatedly applied to the free magnetic layer. A reset process for initializing the magnetization state of the layer is possible.

図1に示すように、フィードバックコイル121には、発振器140が並列して接続されている。この発振器140がフィードバックコイル121に交流電流を印加することにより、フィードバックコイル121から磁気抵抗効果素子122a〜122dに対して、交番磁界を印加することができる。発振器140がフィードバックコイル121に交流電流を印加するタイミングは、例えば、磁気センサ1の異常が検知された場合、または一定時間経過ごと、あるいは磁界検知中に定期的に行なうなどが挙げられる。なお、磁界検知中に交番磁界を発生させると、交番磁界が発生している間、磁界を検知することができないが、その後にフリー磁性層が初期化された精度の高い測定を行うことが可能となる。磁気センサ1の制御は、図示しないCPU等により行う。異常の検知は、例えば、記憶保持手段等にあらかじめ格納されている正常プロセスとの比較に基づいて行う。   As shown in FIG. 1, an oscillator 140 is connected to the feedback coil 121 in parallel. When the oscillator 140 applies an alternating current to the feedback coil 121, an alternating magnetic field can be applied from the feedback coil 121 to the magnetoresistive elements 122a to 122d. The timing at which the oscillator 140 applies an alternating current to the feedback coil 121 includes, for example, when an abnormality of the magnetic sensor 1 is detected, at regular intervals, or periodically during magnetic field detection. If an alternating magnetic field is generated during magnetic field detection, the magnetic field cannot be detected while the alternating magnetic field is being generated, but it is possible to perform highly accurate measurements after the free magnetic layer has been initialized. It becomes. The magnetic sensor 1 is controlled by a CPU or the like (not shown). Abnormality detection is performed based on, for example, comparison with a normal process stored in advance in a memory holding unit or the like.

本実施形態の磁気センサ1は、フィードバック磁界を発生させるフィードバックコイル121を、交番磁界印加部として用いている。このため、フィードバックコイル121とは別に交番磁界印加部を備えたものと比較して、磁気センサ1のサイズを小さくすることができる。   The magnetic sensor 1 according to the present embodiment uses a feedback coil 121 that generates a feedback magnetic field as an alternating magnetic field application unit. For this reason, compared with the thing provided with the alternating magnetic field application part separately from the feedback coil 121, the size of the magnetic sensor 1 can be made small.

図2及び図3は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサを示す説明図である。本実施の形態においては、磁気センサ1は、被測定電流Iが流れる導体11の近傍に配設される。この磁気センサ1は、導体11に流れる被測定電流Iによる誘導磁界(被測定磁界)を打ち消す磁界(キャンセル磁界)を生じさせるフィードバック回路12を備えている。このフィードバック回路12は、被測定電流Iによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル121と、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dとを有する。   2 and 3 are explanatory views showing a magnetic balance type magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the magnetic sensor 1 is disposed in the vicinity of the conductor 11 through which the current I to be measured flows. The magnetic sensor 1 includes a feedback circuit 12 that generates a magnetic field (cancel magnetic field) that cancels an induced magnetic field (measured magnetic field) due to the measured current I flowing in the conductor 11. The feedback circuit 12 includes a feedback coil 121 wound in a direction that cancels a magnetic field generated by the current I to be measured, and four magnetoresistive elements 122a to 122d.

フィードバックコイル121は平面コイルで構成されている。フィードバックコイル121は、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界とキャンセル磁界の両方が生じるように設けられていることが好ましい。   The feedback coil 121 is a planar coil. The feedback coil 121 is preferably provided so that both an induced magnetic field and a cancel magnetic field are generated in a plane parallel to the plane on which the planar coil is formed.

磁気抵抗効果素子122a〜122dは、被測定電流Iからの誘導磁界(被測定磁界)の印加により抵抗値が変化する。この4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気センサを実現することができる。検出感度を良好にする観点から、図2及び図3に示すようにフルブリッジ回路とすることが好ましいが、フルブリッジ回路の代わりに1つのハーフブリッジ回路を備えた磁気センサとして実施することもできる。   The resistance values of the magnetoresistive elements 122a to 122d change due to application of an induced magnetic field (measured magnetic field) from the measured current I. The four magnetoresistive effect elements 122a to 122d constitute a magnetic field detection bridge circuit. Thus, a magnetic sensor with high sensitivity can be realized by using a magnetic field detection bridge circuit having a magnetoresistive effect element. From the viewpoint of improving detection sensitivity, a full bridge circuit is preferable as shown in FIG. 2 and FIG. 3, but it can also be implemented as a magnetic sensor having one half bridge circuit instead of the full bridge circuit. .

この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Iにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる2つの出力を備える。図2に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子122bと磁気抵抗効果素子122cとの間の接続点に電源Vddが接続されており、磁気抵抗効果素子122aと磁気抵抗効果素子122dとの間の接続点にグランド(GND)が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子122a,122b間の接続点から一つの出力(Out1)を取り出し、磁気抵抗効果素子122c,122d間の接続点からもう一つの出力(Out2)を取り出している。   This magnetic field detection bridge circuit includes two outputs that generate a voltage difference according to the induced magnetic field generated by the current I to be measured. In the magnetic field detection bridge circuit shown in FIG. 2, a power source Vdd is connected to a connection point between the magnetoresistive effect element 122b and the magnetoresistive effect element 122c, and the magnetoresistive effect element 122a and the magnetoresistive effect element 122d are connected. A ground (GND) is connected to a connection point between them. Further, in this magnetic field detection bridge circuit, one output (Out1) is taken out from the connection point between the magnetoresistive effect elements 122a and 122b, and another output (Out2) from the connection point between the magnetoresistive effect elements 122c and 122d. Take out.

これらの2つの出力は増幅器124を含む制御回路に送られ、フィードバックコイル121に、電流(フィードバック電流)として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた出力(Out1)と出力(Out2)の電圧差をゼロにするように設定される。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル121に流れる電流に基づいて検出回路(検出抵抗R)で被測定電流が測定される。   These two outputs are sent to a control circuit including an amplifier 124 and supplied to the feedback coil 121 as a current (feedback current). This feedback current is set so that the voltage difference between the output (Out1) and the output (Out2) corresponding to the induced magnetic field becomes zero. Then, the current to be measured is measured by the detection circuit (detection resistor R) based on the current flowing through the feedback coil 121 when the equilibrium state in which the induction magnetic field and the cancellation magnetic field cancel each other is achieved.

図4は、図2に示す磁気センサを示す断面図である。図4に示すように、本実施の形態に係る磁気センサにおいては、フィードバックコイル121、磁気シールド30及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板21上に形成されている。図4に示す構成においては、フィードバックコイル121が、磁気シールド30と磁界検出ブリッジ回路110の間に配置され、磁気シールド30が被測定電流Iに近い側に配置されている。すなわち、導体11に近い側から磁気シールド30、フィードバックコイル121、磁気抵抗効果素子122a〜122dの順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dを導体11から最も遠ざけることができ、被測定電流Iから磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることができる。また、磁気シールド30を最も導体11に近づけることができるので、誘導磁界の減衰効果をより高めることができる。したがって、フィードバックコイルからのキャンセル磁界を小さくすることができ、検知動作のダイナミックレンジを広げることができる。   4 is a cross-sectional view showing the magnetic sensor shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the magnetic sensor according to the present embodiment, the feedback coil 121, the magnetic shield 30, and the magnetic field detection bridge circuit are formed on the same substrate 21. In the configuration shown in FIG. 4, the feedback coil 121 is disposed between the magnetic shield 30 and the magnetic field detection bridge circuit 110, and the magnetic shield 30 is disposed on the side close to the current I to be measured. That is, the magnetic shield 30, the feedback coil 121, and the magnetoresistive elements 122a to 122d are arranged in this order from the side close to the conductor 11. Thereby, the magnetoresistive effect elements 122a to 122d can be most distant from the conductor 11, and the induced magnetic field applied to the magnetoresistive effect element from the current I to be measured can be reduced. Moreover, since the magnetic shield 30 can be brought closest to the conductor 11, the attenuation effect of the induced magnetic field can be further enhanced. Therefore, the cancellation magnetic field from the feedback coil can be reduced, and the dynamic range of the detection operation can be expanded.

図4に示す層構成について詳細に説明する。図4に示す磁気センサにおいては、基板21上に絶縁層である熱シリコン酸化膜22が形成されている。熱シリコン酸化膜22上には、アルミニウム酸化膜23が形成されている。アルミニウム酸化膜23は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板21としては、シリコン基板などが用いられる。   The layer configuration shown in FIG. 4 will be described in detail. In the magnetic sensor shown in FIG. 4, a thermal silicon oxide film 22 that is an insulating layer is formed on a substrate 21. An aluminum oxide film 23 is formed on the thermal silicon oxide film 22. The aluminum oxide film 23 can be formed by a method such as sputtering. Further, a silicon substrate or the like is used as the substrate 21.

アルミニウム酸化膜23上には、磁気抵抗効果素子122a〜122dが形成されており、磁界検出ブリッジ回路110が作り込まれる。磁気抵抗効果素子122a〜122dとしては、GMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)などを用いることができる。本発明に係る磁気センサにおいて用いられる磁気抵抗効果素子の膜構成については後述する。   Magnetoresistive elements 122a to 122d are formed on the aluminum oxide film 23, and the magnetic field detection bridge circuit 110 is built in. As the magnetoresistive elements 122a to 122d, GMR elements (giant magnetoresistive elements) can be used. The film configuration of the magnetoresistive effect element used in the magnetic sensor according to the present invention will be described later.

磁気抵抗効果素子としては、図3の拡大図に示すように、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン(ストライプ)の素子が折り返してなる形状(ミアンダ形状)を有するGMR素子であることが好ましい。このミアンダ形状において、感度軸方向(Pin方向)は、長尺パターンの長手方向(ストライプ長手方向)に対して直交する方向(ストライプ幅方向)である。このミアンダ形状においては、誘導磁界(被測定磁界)及びキャンセル磁界がストライプ長手方向に直交する方向(ストライプ幅方向)に沿うように印加される。また、フリー磁性層の磁化を初期化するための交番磁界もストライプ長手方向に直交する方向に印加される。   As shown in the enlarged view of FIG. 3, the magnetoresistive effect element has a shape in which a plurality of strip-like long patterns (stripes) arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other (a meander shape) It is preferable that the GMR element has In this meander shape, the sensitivity axis direction (Pin direction) is a direction (stripe width direction) orthogonal to the longitudinal direction (stripe longitudinal direction) of the long pattern. In this meander shape, an induced magnetic field (measured magnetic field) and a canceling magnetic field are applied along a direction (stripe width direction) perpendicular to the stripe longitudinal direction. An alternating magnetic field for initializing the magnetization of the free magnetic layer is also applied in a direction orthogonal to the stripe longitudinal direction.

このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン(Pin)方向の幅が1μm〜10μmであることが好ましい。   In this meander shape, in consideration of linearity, the width in the pin direction is preferably 1 μm to 10 μm.

また、アルミニウム酸化膜23上には、電極24が形成されている。電極24は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。   An electrode 24 is formed on the aluminum oxide film 23. The electrode 24 can be formed by photolithography and etching after forming an electrode material.

磁気抵抗効果素子122a〜122d及び電極24を形成したアルミニウム酸化膜23上には、絶縁層としてポリイミド層25が形成されている。ポリイミド層25は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。   A polyimide layer 25 is formed as an insulating layer on the aluminum oxide film 23 on which the magnetoresistive elements 122a to 122d and the electrode 24 are formed. The polyimide layer 25 can be formed by applying and curing a polyimide material.

ポリイミド層25上には、シリコン酸化膜27が形成されている。シリコン酸化膜27は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。   A silicon oxide film 27 is formed on the polyimide layer 25. The silicon oxide film 27 can be formed by a method such as sputtering.

シリコン酸化膜27上には、フィードバックコイル121が形成されている。フィードバックコイル121は、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、フィードバックコイル121は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。   A feedback coil 121 is formed on the silicon oxide film 27. The feedback coil 121 can be formed by photolithography and etching after the coil material is deposited. Alternatively, the feedback coil 121 can be formed by photolithography and plating after forming a base material.

また、シリコン酸化膜27上には、フィードバックコイル121の近傍にコイル電極28が形成されている。コイル電極28は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。   A coil electrode 28 is formed on the silicon oxide film 27 in the vicinity of the feedback coil 121. The coil electrode 28 can be formed by photolithography and etching after forming an electrode material.

フィードバックコイル121及びコイル電極28を形成したシリコン酸化膜27上には、絶縁層としてポリイミド層29が形成されている。ポリイミド層29は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。   A polyimide layer 29 is formed as an insulating layer on the silicon oxide film 27 on which the feedback coil 121 and the coil electrode 28 are formed. The polyimide layer 29 can be formed by applying and curing a polyimide material.

ポリイミド層29上には、磁気シールド30が形成されている。磁気シールド30を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。   A magnetic shield 30 is formed on the polyimide layer 29. As a material constituting the magnetic shield 30, a high magnetic permeability material such as an amorphous magnetic material, a permalloy magnetic material, or an iron microcrystalline material can be used.

ポリイミド層29上には、シリコン酸化膜31が形成されている。シリコン酸化膜31は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。ポリイミド層29及びシリコン酸化膜31の所定の領域(コイル電極28の領域及び電極24の領域)にコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド32,26がそれぞれ形成されている。コンタクトホールの形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。電極パッド32,26は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。   A silicon oxide film 31 is formed on the polyimide layer 29. The silicon oxide film 31 can be formed by a method such as sputtering. Contact holes are formed in predetermined regions of the polyimide layer 29 and the silicon oxide film 31 (the region of the coil electrode 28 and the region of the electrode 24), and electrode pads 32 and 26 are formed in the contact holes, respectively. Photolithography and etching are used for forming the contact holes. The electrode pads 32 and 26 can be formed by photolithography and plating after forming an electrode material.

このような構成を有する磁気センサにおいては、図4に示すように、被測定電流Iから発生した誘導磁界(被測定磁界)Aを磁気抵抗効果素子122a〜122dで受け、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル121からキャンセル磁界Bを発生し、2つの磁界(誘導磁界A、キャンセル磁界B)を相殺して磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加する磁界が零になるように適宜調整する。   In the magnetic sensor having such a configuration, as shown in FIG. 4, an induced magnetic field (measured magnetic field) A generated from the current I to be measured is received by the magnetoresistive effect elements 122a to 122d, and the induced magnetic field is fed back. Thus, the canceling magnetic field B is generated from the feedback coil 121, and the two magnetic fields (induction magnetic field A and canceling magnetic field B) are canceled, and the magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 122a to 122d is adjusted as appropriate.

本発明の磁気センサにおいては、図4に示すように、フィードバックコイル121に隣接して磁気シールド30を有する。磁気シールド30は、被測定電流Iから生じ磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加される誘導磁界を減衰させる(磁気抵抗効果素子122a〜122dにおいては誘導磁界Aの方向とキャンセル磁界Bの方向が逆方向)と共に、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界Bをエンハンスする(磁気シールド30においては誘導磁界Aの方向とキャンセル磁界Bの方向が同方向)ことができる。したがって、磁気シールド30が磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル121に流す電流を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。また測定動作のダイナミックレンジを広げることができる。また、この磁気シールド30により、外部磁界の影響を低減させることができる。   The magnetic sensor of the present invention has a magnetic shield 30 adjacent to the feedback coil 121 as shown in FIG. The magnetic shield 30 attenuates an induced magnetic field generated from the current I to be measured and applied to the magnetoresistive elements 122a to 122d (in the magnetoresistive elements 122a to 122d, the direction of the induced magnetic field A is opposite to the direction of the canceling magnetic field B). Direction) and the cancellation magnetic field B from the feedback coil 121 can be enhanced (in the magnetic shield 30, the direction of the induction magnetic field A and the direction of the cancellation magnetic field B are the same). Therefore, since the magnetic shield 30 functions as a magnetic yoke, the current flowing through the feedback coil 121 can be reduced, and power saving can be achieved. In addition, the dynamic range of the measurement operation can be expanded. Further, the magnetic shield 30 can reduce the influence of an external magnetic field.

さらに、フィードバックコイル121から交番磁界を発生して、フリー磁性層の磁化を初期化するリセット処理を行うときに、磁気シールド30は、交番磁界をエンハンスする効果を発揮でき、フリー磁性層に対して感度軸方向に絶対値の大きな交番磁界を与えて、フリー磁性層の初期化を行うことができる。   Furthermore, when performing a reset process for generating an alternating magnetic field from the feedback coil 121 and initializing the magnetization of the free magnetic layer, the magnetic shield 30 can exert an effect of enhancing the alternating magnetic field, The free magnetic layer can be initialized by applying an alternating magnetic field having a large absolute value in the sensitivity axis direction.

上記構成を有する磁気センサは、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にGMR素子やTMR素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いる。これにより、高感度の磁気センサを実現することができる。また、この磁気センサは、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ4つの磁気抵抗効果素子で構成されている。また、上記構成を有する磁気センサは、フィードバックコイル121、磁気シールド30及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この磁気センサは、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。   The magnetic sensor having the above configuration uses a magnetic field detection bridge circuit having a magnetoresistive effect element, particularly a GMR element or a TMR element, as a magnetic detection element. Thereby, a highly sensitive magnetic sensor can be realized. In addition, this magnetic sensor is composed of four magnetoresistive effect elements having the same magnetic film detection bridge circuit. In addition, the magnetic sensor having the above-described configuration can be reduced in size because the feedback coil 121, the magnetic shield 30, and the magnetic field detection bridge circuit are formed on the same substrate. Furthermore, since this magnetic sensor has a configuration that does not have a magnetic core, it can be reduced in size and cost.

本発明の磁気センサにおいては、図5に示すように、中点電位(Out1)を出力する2つの磁気抵抗効果素子122b,122aの強磁性固定層の磁化方向(第2の強磁性膜の磁化方向)が互いに180°異なっており(反平行)、中点電位(Out2)を出力する2つの磁気抵抗効果素子122c,122dの強磁性固定層の磁化方向(第2の強磁性膜の磁化方向)が互いに180°異なっている(反平行)。また、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dの抵抗変化率は同じである。磁気抵抗効果素子122a〜122dは、強磁性固定層に対する印加磁界の角度が同一である場合、同一磁界強度で同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。   In the magnetic sensor of the present invention, as shown in FIG. 5, the magnetization directions of the ferromagnetic fixed layers of the two magnetoresistive elements 122b and 122a that output the midpoint potential (Out1) (the magnetization of the second ferromagnetic film). Direction) are 180 ° different from each other (antiparallel), and the magnetization directions of the ferromagnetic fixed layers of the two magnetoresistive elements 122c and 122d that output the midpoint potential (Out2) (the magnetization direction of the second ferromagnetic film) ) Are 180 ° different from each other (anti-parallel). The resistance change rates of the four magnetoresistive elements 122a to 122d are the same. The magnetoresistive effect elements 122a to 122d preferably exhibit the same rate of change in resistance at the same magnetic field strength when the angle of the applied magnetic field to the ferromagnetic fixed layer is the same.

このように配置された4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dを有する磁気平衡式電流センサにおいて、磁気検出ブリッジ回路の2つの出力(Out1、Out2)の電圧差がゼロになるようにフィードバックコイル121から磁気抵抗効果素子にキャンセル磁界を印加し、その際にフィードバックコイル121に流れる電流値を検出することにより、被測定電流により生じた誘導磁界を測定する。   In the magnetic balance type current sensor having the four magnetoresistive effect elements 122a to 122d arranged in this way, the feedback coil 121 causes the voltage difference between the two outputs (Out1, Out2) of the magnetic detection bridge circuit to be zero. By applying a cancel magnetic field to the magnetoresistive element and detecting the value of the current flowing through the feedback coil 121 at that time, the induced magnetic field generated by the current to be measured is measured.

図5に示すように、矢印方向に被測定電流Iが流れると、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dには、それぞれ誘導磁界A及びキャンセル磁界Bが印加される。このとき、被測定電流により発生する誘導磁界とキャンセル磁界の合成磁界強度がゼロとなる時に、磁気検出ブリッジ回路の中点電位差がゼロとなる。   As shown in FIG. 5, when the current I to be measured flows in the direction of the arrow, the induction magnetic field A and the cancellation magnetic field B are applied to the four magnetoresistive effect elements 122a to 122d, respectively. At this time, when the combined magnetic field intensity of the induced magnetic field generated by the measured current and the canceling magnetic field becomes zero, the midpoint potential difference of the magnetic detection bridge circuit becomes zero.

図6は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の膜構成を示す図である。磁気検出素子122a〜122d(図1〜図3参照)は、図6に示すように、基板40表面側から、下地層41、固定磁性層42、非磁性材料層43、フリー磁性層44、および保護層45の順に積層された構成とすることができる。これらの層は例えばスパッタ工程で成膜される。   FIG. 6 is a diagram showing a film configuration of the magnetoresistive effect element in the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the magnetic detection elements 122 a to 122 d (see FIGS. 1 to 3) include a base layer 41, a fixed magnetic layer 42, a nonmagnetic material layer 43, a free magnetic layer 44, and It can be set as the structure laminated | stacked in order of the protective layer 45. FIG. These layers are formed by, for example, a sputtering process.

下地層41は、NiFeCr合金(ニッケル・鉄・クロム合金)あるいはCrなどで形成されている   The underlayer 41 is made of NiFeCr alloy (nickel / iron / chromium alloy) or Cr.

固定磁性層42は、第1磁性層42aおよび第2磁性層42cと、第1磁性層42aと第2磁性層42cと間に位置する非磁性中間層42bと、で構成されたセルフピン止め構造となっている。第1磁性層42aの固定磁化方向と、第2磁性層42cの固定磁化方向とは、相互作用により反平行となっている。非磁性材料層43に隣接する第2磁性層42cの固定磁化方向が、固定磁性層42の固定磁化方向である。この固定磁化方向が延びる方向は、磁気検出素子122a〜122dの感度軸方向である。   The pinned magnetic layer 42 has a self-pinning structure including a first magnetic layer 42a and a second magnetic layer 42c, and a nonmagnetic intermediate layer 42b positioned between the first magnetic layer 42a and the second magnetic layer 42c. It has become. The fixed magnetization direction of the first magnetic layer 42a and the fixed magnetization direction of the second magnetic layer 42c are antiparallel due to interaction. The pinned magnetization direction of the second magnetic layer 42 c adjacent to the nonmagnetic material layer 43 is the pinned magnetization direction of the pinned magnetic layer 42. The direction in which the fixed magnetization direction extends is the sensitivity axis direction of the magnetic detection elements 122a to 122d.

第1磁性層42aおよび第2磁性層42cは、FeCo合金(鉄・コバルト合金)で形成される。FeCo合金は、Feの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。非磁性材料層43に接する第2磁性層42cはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果(GMR効果)に寄与する層である。非磁性中間層42bはRu(ルテニウム)などで形成されている。Ruからなる非磁性中間層42bの膜厚は、3〜5Åまたは8〜10Åであることが好ましい。   The first magnetic layer 42a and the second magnetic layer 42c are formed of an FeCo alloy (iron / cobalt alloy). The FeCo alloy has a high coercive force by increasing the Fe content. The second magnetic layer 42c in contact with the nonmagnetic material layer 43 is a layer that contributes to a spin valve type giant magnetoresistance effect (GMR effect). The nonmagnetic intermediate layer 42b is made of Ru (ruthenium) or the like. The film thickness of the nonmagnetic intermediate layer 42b made of Ru is preferably 3 to 5 mm or 8 to 10 mm.

非磁性材料層43は、Cu(銅)などである。
フリー磁性層44は、その材料および構造が限定されるものではない。例えば、材料としてCoFe合金(コバルト・鉄合金)、NiFe合金(ニッケル・鉄合金)などを用いて、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
保護層45は、Ta(タンタル)などで形成される。
The nonmagnetic material layer 43 is made of Cu (copper) or the like.
The material and structure of the free magnetic layer 44 are not limited. For example, using a CoFe alloy (cobalt / iron alloy), a NiFe alloy (nickel / iron alloy), or the like as a material, a single layer structure, a laminated structure, a laminated ferri structure, or the like can be formed.
The protective layer 45 is made of Ta (tantalum) or the like.

図7は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の他の膜構成を示す図である。同図に示す、磁気検出素子122a〜122d(図1〜図3参照)は、フリー磁性層44と保護層45との間に、反強磁性層46が設けられている点において、図6に示した膜構成とは異なっている。   FIG. 7 is a diagram showing another film configuration of the magnetoresistive effect element in the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention. The magnetic detection elements 122a to 122d (see FIGS. 1 to 3) shown in FIG. 6 are similar to FIG. 6 in that an antiferromagnetic layer 46 is provided between the free magnetic layer 44 and the protective layer 45. It differs from the film configuration shown.

反強磁性層46は、x−Mn合金(x・マンガン合金、x=Pt,Ir,Ru,Rh,Pd,Fe,Ni)、x−Cr合金(x・クロム合金、x=Al,Pt,Mn)およびx−O(xの酸化物、x=Fe,Co,Ni)などを用いることができる。これらの中では、PtMn合金(白金・マンガン合金)およびIrMn合金(イリジウム・マンガン合金)が好ましい。   The antiferromagnetic layer 46 includes an x-Mn alloy (x-manganese alloy, x = Pt, Ir, Ru, Rh, Pd, Fe, Ni), an x-Cr alloy (x-chromium alloy, x = Al, Pt, Mn) and x-O (x oxide, x = Fe, Co, Ni) can be used. Among these, a PtMn alloy (platinum / manganese alloy) and an IrMn alloy (iridium / manganese alloy) are preferable.

反強磁性層46を無磁場中または弱磁場中でアニール処理して規則化し、フリー磁性層44のとの間(界面)で交換結合を生じさせる。この交換結合によって、フリー磁性層44にバイアス磁界を印加することができる。   The antiferromagnetic layer 46 is ordered by annealing in a non-magnetic field or a weak magnetic field, and exchange coupling is generated between the antiferromagnetic layer 46 and the free magnetic layer 44 (interface). A bias magnetic field can be applied to the free magnetic layer 44 by this exchange coupling.

続いて、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部について説明する。バイアス磁界印加部としては、ハードバイアス層によりハードバイアスを印加するハードバイアス構成および、反強磁性層によりエクスチェンジバイアスを印加するエクスチェンジバイアス構成が挙げられる。   Next, a bias magnetic field application unit that applies a bias magnetic field to the free magnetic layer of the magnetoresistive effect element will be described. Examples of the bias magnetic field applying unit include a hard bias configuration in which a hard bias is applied by a hard bias layer and an exchange bias configuration in which an exchange bias is applied by an antiferromagnetic layer.

図8(A)に示すハードバイアス構成では、一対の磁気抵抗効果素子122a、122bとハードバイアス層(バイアス磁界印加部)53とが交互に配置されている。磁気抵抗効果素子122a、122bは、一方のハードバイアス層53側から他方のハードバイアス層53側に向って帯状に延在する複数の素子部57を有している。複数の素子部57は、一対のハードバイアス層53間において平行に配置されており、隣接する素子部57間が導電部58によってミアンダ形状に接続されている。各磁気抵抗効果素子122a、122bにおいて、平面視において素子部57の延在方向に対する直交方向がPin方向になっている。   In the hard bias configuration shown in FIG. 8A, a pair of magnetoresistive elements 122a and 122b and hard bias layers (bias magnetic field application units) 53 are alternately arranged. The magnetoresistive effect elements 122a and 122b have a plurality of element portions 57 extending in a band shape from one hard bias layer 53 side toward the other hard bias layer 53 side. The plurality of element portions 57 are arranged in parallel between the pair of hard bias layers 53, and the adjacent element portions 57 are connected in a meander shape by the conductive portion 58. In each of the magnetoresistive elements 122a and 122b, the direction orthogonal to the extending direction of the element portion 57 is the Pin direction in plan view.

このハードバイアス構成では、各ハードバイアス層53が素子部57の延在方向に平行な一方向に着磁されている。したがって、磁気抵抗効果素子122a、122bに対して同一方向のバイアス磁界が印加される。   In this hard bias configuration, each hard bias layer 53 is magnetized in one direction parallel to the extending direction of the element portion 57. Therefore, a bias magnetic field in the same direction is applied to the magnetoresistive effect elements 122a and 122b.

ハードバイアス構成では、他の一対の磁気抵抗効果素子122c、122dも、磁気抵抗効果素子122a、122b同様、ハードバイアス層53と交互に配置されている。   In the hard bias configuration, the other pair of magnetoresistive elements 122c and 122d are alternately arranged with the hard bias layer 53, similarly to the magnetoresistive elements 122a and 122b.

図8(B)に示すエクスチェンジバイアスを印加する構成では、ハードバイアス層を形成することなく、一対の磁気抵抗効果素子122a、122bに互いに逆向きのバイアス磁界を印加するように構成されている。このエクスチェンジバイアス構成でも、上記ハードバイアス構成と同様に、帯状に延在する複数の素子部66を平行に配置して、複数の素子部66間を導電部67によってミアンダ形状に接続している。各磁気抵抗効果素子122a、122bにおいて、平面視において素子部66の延在方向に対する直交方向がPin方向になっている。   In the configuration for applying the exchange bias shown in FIG. 8B, a bias magnetic field opposite to each other is applied to the pair of magnetoresistive elements 122a and 122b without forming a hard bias layer. Also in this exchange bias configuration, like the hard bias configuration, a plurality of element portions 66 extending in a strip shape are arranged in parallel, and the plurality of element portions 66 are connected in a meander shape by a conductive portion 67. In each of the magnetoresistive elements 122a and 122b, the direction orthogonal to the extending direction of the element portion 66 is the Pin direction in plan view.

エクスチェンジバイアス構成では、フリー磁性層44と反強磁性層46(図7参照)の界面における交換結合により、反強磁性層46からフリー磁性層44に対して、素子部66の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。   In the exchange bias configuration, exchange coupling at the interface between the free magnetic layer 44 and the antiferromagnetic layer 46 (see FIG. 7) causes the element portion 66 to extend from the antiferromagnetic layer 46 to the free magnetic layer 44. A bias magnetic field is applied.

一対の磁気抵抗効果素子122a、122bでは、フリー磁性層と反強磁性層の界面における交換結合により、反強磁性層からフリー磁性層に対して、素子部66の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。フリー磁性層及び反強磁性層は、一対の磁気抵抗効果素子122a、122bの製造プロセスにおいて磁界を印加しながら成膜されている。このとき、一対の磁気抵抗効果素子122a、122bで磁界の印加方向を逆にしてフリー磁性層と反強磁性層を成膜することで、磁気抵抗効果素子122a、122bで互いに逆向きのバイアス磁界を印加することを可能にしている。他の一対の磁気抵抗効果素子122c、122dにおいても同様に、素子部66の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。   In the pair of magnetoresistive elements 122a and 122b, the bias magnetic field along the extending direction of the element portion 66 from the antiferromagnetic layer to the free magnetic layer by exchange coupling at the interface between the free magnetic layer and the antiferromagnetic layer. Is applied. The free magnetic layer and the antiferromagnetic layer are formed while applying a magnetic field in the manufacturing process of the pair of magnetoresistive elements 122a and 122b. At this time, by applying a magnetic field reverse to the pair of magnetoresistive elements 122a and 122b to form a free magnetic layer and an antiferromagnetic layer, the magnetoresistive elements 122a and 122b have bias magnetic fields that are opposite to each other. Can be applied. Similarly, a bias magnetic field along the extending direction of the element portion 66 is applied to the other pair of magnetoresistance effect elements 122c and 122d.

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example etc. demonstrate this invention further more concretely, the scope of the present invention is not limited to these Examples etc.

図9は、本実施例の磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子であるGMR素子の感度軸に直交する方向のR−H曲線を示すグラフである。同図に示すように、GMR素子のヒステリシスにより、その抵抗値は磁界の強度が変化する方向によって異なる。例えば、図9に示すR−H曲線のGMR素子では、ゼロ磁界における抵抗値には、磁界が変化する方向によって10Ω程度の差がある。このゼロ磁界におけるGMR素子の抵抗値の差は、磁気センサ1のオフセット、すなわち、ゼロ磁界における中点131と中点132からとの出力に差が生じる原因となる(図1参照)。そこで、磁界が変化する方向によらず所定の抵抗値となるバイアス磁界(Hex)を印加することにより、GMR素子のヒステリシスに起因する磁気センサのオフセットを小さくすることができる。   FIG. 9 is a graph showing an RH curve in a direction perpendicular to the sensitivity axis of the GMR element which is a magnetoresistive effect element constituting the magnetic sensor of this example. As shown in the figure, due to the hysteresis of the GMR element, its resistance value varies depending on the direction in which the strength of the magnetic field changes. For example, in the GMR element of the RH curve shown in FIG. 9, the resistance value in the zero magnetic field has a difference of about 10Ω depending on the direction in which the magnetic field changes. The difference in resistance value of the GMR element in the zero magnetic field causes a difference in the offset of the magnetic sensor 1, that is, a difference in output from the middle point 131 and the middle point 132 in the zero magnetic field (see FIG. 1). Thus, by applying a bias magnetic field (Hex) having a predetermined resistance value regardless of the direction in which the magnetic field changes, the offset of the magnetic sensor due to the hysteresis of the GMR element can be reduced.

しかし、GMR素子に大きな磁界が印加された場合、GMR素子のフリー磁性層の磁化状態が初期状態から変化する。そして、大きな磁界が取り除かれて、バイアス磁界(Hex)が印加された状態となっても、印加された大きな磁界の影響によって、磁化状態が初期状態には戻らない場合がある。このように、大きな磁界が印加された場合、GMR素子のフリー磁性層の磁化状態が初期状態に戻らず、抵抗が所定値からずれてしまうと、磁気センサにオフセットが生じる。   However, when a large magnetic field is applied to the GMR element, the magnetization state of the free magnetic layer of the GMR element changes from the initial state. Even when the large magnetic field is removed and the bias magnetic field (Hex) is applied, the magnetization state may not return to the initial state due to the influence of the applied large magnetic field. In this way, when a large magnetic field is applied, if the magnetization state of the free magnetic layer of the GMR element does not return to the initial state and the resistance deviates from a predetermined value, an offset occurs in the magnetic sensor.

なお、GMR素子のフリー磁性層に印加するバイアス磁界を十分に大きくすれば、GMR素子に大きな磁界が印加された場合にも、フリー磁性層の磁化状態を初期状態のまま維持することができる。しかし、GMR素子に印加するバイアス磁界を大きくすることは、磁気センサの出力が小さくなってしまい、応答速度が低下することから好ましくない。   If the bias magnetic field applied to the free magnetic layer of the GMR element is sufficiently increased, the magnetization state of the free magnetic layer can be maintained in the initial state even when a large magnetic field is applied to the GMR element. However, increasing the bias magnetic field applied to the GMR element is not preferable because the output of the magnetic sensor decreases and the response speed decreases.

そこで、磁気センサに大きな磁界を印加してオフセットを生じさせた後、感度軸方向に交番磁界を印加することによる変化を調べるため、以下の測定を行った。
<測定条件>
Vdd:5V
印加した大きな磁界:バイアス磁界と逆方向に20mT
繰り返し測定した磁界(フリー磁性層の初期化するための交番磁界):感度軸方向すなわちバイアス磁界と交差する方向に±2mT
<GMR素子の膜構成(Å)>
下地層:NiFeCr(42Å)/第1磁性層:60FeCo(19Å)/非磁性中間層:Ru(3.6Å)/第2磁性層:90CoFe(24Å)/非磁性材料層:Cu(20Å)/フリー磁性層:90CoFe(10Å)/82.5NiFe(70Å)/反強磁性層:IrMn(80Å)/保護層:Ta(100Å)
<形状>
4μm幅×80μm長さ×9本 のミアンダ形状
なお、磁気シールド30は設けていない。
Therefore, in order to investigate the change caused by applying an alternating magnetic field in the sensitivity axis direction after applying a large magnetic field to the magnetic sensor to cause an offset, the following measurement was performed.
<Measurement conditions>
Vdd: 5V
Applied large magnetic field: 20 mT in the opposite direction to the bias magnetic field
Magnetic field repeatedly measured (alternating magnetic field for initializing the free magnetic layer): ± 2 mT in the direction of the sensitivity axis, that is, the direction intersecting the bias magnetic field
<Film structure of GMR element (Å)>
Underlayer: NiFeCr (42Å) / first magnetic layer: 60FeCo (19Å) / nonmagnetic intermediate layer: Ru (3.6Å) / second magnetic layer: 90CoFe (24Å) / nonmagnetic material layer: Cu (20Å) / Free magnetic layer: 90CoFe (10Å) /82.5NiFe (70Å) / antiferromagnetic layer: IrMn (80Å) / protective layer: Ta (100Å)
<Shape>
4 μm width × 80 μm length × 9 meander shape The magnetic shield 30 is not provided.

図10は、バイアス磁界と逆方向にフリー磁性層が完全に反転する大きな強度の外部磁界を印加して、検知出力にオフセットが生じる状態に至った後に、バイアス磁界の方向と交差する方向である感度軸方向に±2mTの交番磁界を繰り返して与えたときの評価を示している。横軸の測定回は、+2mTと−+2mTの交番磁界を一周期与えたときを1回とした。
同図に示すように、交番磁界を1回与えた状態では、フリー磁性層反転後のヒステリシスの影響によってオフセット変動量が大きい。しかし、交番磁界を2回以上与えることで、オフセット変動量が急激に減少し、3回目以降はオフセット変動量がゼロ近傍で安定した。
FIG. 10 shows a direction that intersects the direction of the bias magnetic field after an external magnetic field having a large intensity that completely reverses the free magnetic layer in the opposite direction to the bias magnetic field is applied to reach a state where an offset occurs in the detection output. The evaluation when an alternating magnetic field of ± 2 mT is repeatedly applied in the sensitivity axis direction is shown. The horizontal axis was measured once when an alternating magnetic field of +2 mT and − + 2 mT was applied for one cycle.
As shown in the figure, when the alternating magnetic field is applied once, the offset fluctuation amount is large due to the influence of hysteresis after the free magnetic layer is inverted. However, when the alternating magnetic field was applied twice or more, the offset fluctuation amount decreased rapidly, and after the third time, the offset fluctuation amount was stabilized near zero.

この結果から、フリー磁性層にExBiasが印加された状態で、バイアス方向と逆方向の大きな外乱磁界を与えた後であっても、感度方向に交番磁界を複数回与えることで、フリー磁性層の磁化方向を、初期状態に戻すことが可能である。   From this result, even when ExBias is applied to the free magnetic layer and a large disturbance magnetic field in the direction opposite to the bias direction is applied, an alternating magnetic field is applied multiple times in the sensitivity direction, so that It is possible to return the magnetization direction to the initial state.

1:磁気センサ
110:フルブリッジ回路
111A,111B:ハーフブリッジ回路
12:フィードバック回路
121:フィードバックコイル
122a〜122d:磁気抵抗効果素子(素子部)
131,132:中点端子
140:発振器
21:基板
22:熱シリコン酸化膜
23:アルミニウム酸化膜
24:電極
25,29:ポリイミド層
26,32:電極パッド
27,31:シリコン酸化膜
28:コイル電極
30:磁気シールド
40:基板
41:下地層
42:固定磁性層、42a:第1磁性層、42c:第2磁性層、42b:非磁性中間層
43:非磁性材料層
44:フリー磁性層
45:保護層
46:反強磁性層(バイアス磁界印加部)
53:ハードバイアス層(バイアス磁界印加部)
57,66:素子部
58,67:導電部
A:誘導磁界
B:キャンセル磁界
Vdd:電源電圧
GND:接地電位
H:外部磁界
1: Magnetic sensor 110: Full bridge circuit 111A, 111B: Half bridge circuit 12: Feedback circuit 121: Feedback coils 122a to 122d: Magnetoresistive effect elements (element part)
131, 132: Midpoint terminal 140: Oscillator 21: Substrate 22: Thermal silicon oxide film 23: Aluminum oxide film 24: Electrode 25, 29: Polyimide layer 26, 32: Electrode pad 27, 31: Silicon oxide film 28: Coil electrode 30: Magnetic shield 40: Substrate 41: Underlayer 42: Fixed magnetic layer 42a: First magnetic layer 42c: Second magnetic layer 42b: Nonmagnetic intermediate layer 43: Nonmagnetic material layer 44: Free magnetic layer 45: Protective layer 46: antiferromagnetic layer (bias magnetic field application unit)
53: Hard bias layer (bias magnetic field application unit)
57, 66: element portions 58, 67: conductive portion A: induction magnetic field B: cancel magnetic field Vdd: power supply voltage GND: ground potential H: external magnetic field

Claims (7)

基板に、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子が設けられている磁気センサにおいて、
前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に位置する非磁性材料層とを有し、
前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部と、
前記フリー磁性層に、前記バイアス磁界と交差する向きの交番磁界を印加する交番磁界印加部と、を備えていることを特徴とする磁気センサ。
In a magnetic sensor in which a plurality of magnetoresistive elements constituting a bridge circuit are provided on a substrate,
Each of the magnetoresistive elements includes a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed, a free magnetic layer whose magnetization direction varies due to an external magnetic field, and a nonmagnetic material positioned between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer And having a layer
A bias magnetic field application unit for applying a bias magnetic field to the free magnetic layer;
An alternating magnetic field applying unit that applies an alternating magnetic field in a direction crossing the bias magnetic field to the free magnetic layer.
前記磁気抵抗効果素子は、帯状に延在する複数の素子部がミアンダ形状に接続されており、
前記バイアス磁界印加部は、前記素子部の延在方向に前記バイアス磁界を印加し、
前記交番磁界印加部は、前記交番磁界を、前記素子部の延在方向と直交する前記磁気抵抗効果素子の感度軸方向に印加する、請求項1に記載の磁気センサ。
In the magnetoresistive effect element, a plurality of element portions extending in a band shape are connected in a meander shape,
The bias magnetic field application unit applies the bias magnetic field in the extending direction of the element unit,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the alternating magnetic field applying unit applies the alternating magnetic field in a sensitivity axis direction of the magnetoresistive effect element orthogonal to an extending direction of the element unit.
前記ブリッジ回路は、第1のハーフブリッジ回路および第2のハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路である請求項1または2記載の磁気センサ。   3. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the bridge circuit is a full bridge circuit having a first half bridge circuit and a second half bridge circuit. 前記バイアス磁界が、ハードバイアス磁界またはエクスチェンジバイアス磁界である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 1, wherein the bias magnetic field is a hard bias magnetic field or an exchange bias magnetic field. 前記磁気抵抗効果素子に与えられる被測定磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記フィードバックコイルに与えられるキャンセル電流を制御するとともにそのキャンセル電流を検知する検知回路とを備えており、
前記フィードバックコイルが前記交番磁界印加部として使用される請求項1ないし4のいずれか1項に記載の磁気センサ。
A feedback coil that generates a canceling magnetic field that cancels the magnetic field to be measured applied to the magnetoresistive element, and a detection circuit that controls the canceling current applied to the feedback coil and detects the canceling current,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the feedback coil is used as the alternating magnetic field applying unit.
前記フィードバックコイルは、前記キャンセル電流が与えられない時間に前記交番磁界を発生する交番磁界印加部として使用される請求項5記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 5, wherein the feedback coil is used as an alternating magnetic field applying unit that generates the alternating magnetic field at a time when the cancel current is not applied. 磁気シールドをさらに備えており、
前記磁気シールドは、前記被測定磁界を減衰させ、前記キャンセル磁界と前記交番磁界を増強する請求項3ないし6のいずれか1項に記載の磁気センサ。
It is further equipped with a magnetic shield,
The magnetic sensor according to claim 3, wherein the magnetic shield attenuates the magnetic field to be measured and enhances the cancellation magnetic field and the alternating magnetic field.
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