JP3596600B2 - Magnetic sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁化の向きが所定の向きに固定された固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層と、固定磁化層と自由磁化層との間に挟まれた絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子を用いた磁気センサ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、異方性MR効果を利用した磁気抵抗効果素子(AMR素子)、或いは巨大磁気抵抗効果を利用した巨大磁気抵抗素子(GMR素子)が広く知られている。一方、最近では、AMR素子又はGMR素子よりも磁気抵抗変化率が大きく感度が良好な素子として磁気トンネル効果素子(TMR素子)が注目されており、同素子の磁気センサへの応用開発が進められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気トンネル効果素子は温度特性が良好ではないため、磁気センサとして使用し難いという問題がある。一例として、図8は、環境温度を25,90,及び150℃に変化させた場合における、所定の磁気トンネル効果素子の外部磁界に対する抵抗値(出力)を測定した結果を示している。図8から理解されるように、外部磁界が大きく異なっていても、環境温度が変化することにより素子の示す抵抗値が同じになる場合があることから、このような素子をそのまま磁気センサに用いることは困難である。
【0004】
また、図9は図8に示した測定結果をもとに、横軸に環境温度をとり、縦軸に素子の抵抗値をとって、各環境温度における抵抗値の最大値と最小値を破線及び実線にてそれぞれ示したものである。一般に、磁界の向きが所定の向きであるか、又は同所定の向きとは反対の向きであるかを検出するためには、磁気センサの出力が所定の閾値以上か否かを判断する必要があるが、図9から理解されるように、この素子においては、そのような検出を行うための適切な閾値を25〜150℃の環境温度範囲において設定することが困難である(図中の一点鎖線を参照)。
【0013】
【本発明の概要】
本発明の特徴は、磁化の向きが所定の向きに固定された硬質磁性の固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する軟質磁性の自由磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層の間に挟まれた絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子であって磁気遮蔽したものと磁気遮蔽しないものとからフルブリッジ回路を構成し、これにより磁気センサを構成したことにある。
【0014】
具体的には、本発明の特徴は、直流電圧源と、磁化の向きが所定の向きに固定された硬質磁性の固定磁化層と磁化の向きが外部磁界に応じて変化する軟質磁性の自由磁化層と前記固定磁化層及び前記自由磁化層の間に挟まれた絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子と、を備えた磁気センサにおいて、前記磁気トンネル効果素子であって磁気遮蔽されたものの一端と前記磁気トンネル効果素子であって磁気遮蔽されていないものの一端とを接続してなる回路要素を一対備え、前記一対の回路要素の前記各磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子の固定磁化層の磁化の向きが略同一となるように同一対の回路要素を配設するとともに、前記一対の回路要素のうちの一の回路要素の前記磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子の他端と前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子の他端とを前記直流電圧源の正極と負極とにそれぞれ接続し、前記一対の回路要素のうちの他の回路要素の前記磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子の他端と前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子の他端とを前記直流電圧源の負極と正極とにそれぞれ接続し、前記一対の回路要素の前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子と前記磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子との各接続個所間の電位差を出力するように構成したことにある。上記「磁気トンネル効果素子」には、「固定磁化層の固定された磁化の向きが略同一向きとされた複数の磁気トンネル効果素子を電気的に直列接続した磁気トンネル効果素子群」が含まれる。この点については、本発明の他の特徴においても同様である。
【0015】
これによれば、図3に示したように、上記フルブリッヂ回路の出力電圧をVoutとし、直流電圧源の電圧をVin、前記磁気トンネル効果素子に外部磁界が加わっていない場合の同素子の抵抗値をR0、十分大きな外部磁界であって、固定磁化層の磁化の向きと同一向き又は反対向きの磁界が磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子に加わった場合の抵抗変化分をそれぞれ−ΔRd,ΔRuとするとき、出力電圧Voutの最大値Vmax、最小値Vminは下記数3,数4で表される。
【0016】
Vmax=Vin/(1+2・(R0/ΔRu)) …数3
【0017】
Vmin=Vin/(1−2・(R0/ΔRd)) …数4
【0018】
数3、数4、及び図8の測定によれば、環境温度が25〜150℃の範囲で変化するとき、最大値Vmaxは0.0317Vin〜0.0239Vinの間で変化する。一方、最小値Vminは、−0.0339Vin〜−0.0239Vinの間で変化する。即ち、上記構成によれば、出力電圧Voutの最大値Vmaxと最小値Vminとの差(0.0656Vin〜0.0478Vin)に対して、同出力電圧Voutの環境温度による変動(例えば、最大値Vmaxの環境温度変化による変動分=0.0317Vin−0.0239Vin=0.0078Vin、最小値Vminの環境温度による変動分=0.0239Vin−0.0339Vin=0.010Vin)が十分小さい。また、磁気トンネル効果素子は、一般に図8に示したようなオーダーの抵抗変化特性を有する。従って、上記構成の磁気センサは、結果として温度特性が改善されたものとなる。
【0019】
図4は、上記図8の測定に用いた磁気トンネル効果素子により上記フルブリッヂ回路を構成した場合における環境温度に対する出力電圧Voutの最大値Vmax(ラインA)と最小値Vmin(ラインB)を示した図である。図4から理解されるように、上記磁気センサにおいては、環境温度の変化があったとしても出力電圧Voutの最大値Vmaxと最小値Vminとが同一の値となることがない。これにより、外部磁界の方向の変化を検出するための閾値を、上記環境温度の全域に渡り設定することができる(ラインC参照)。即ち、上記フルブリッヂの磁気センサは、環境温度が広い範囲で変化した場合においても、外部磁界の方向の変化を確実に検出し得るものとなる。
【0020】
上述した本発明の磁気センサにおいて、前記固定磁化層は、磁化された強磁性膜と、この磁化された強磁性膜と協働して磁化の向きが固定された強磁性膜と、からなっていてよい。また、前記固定磁化層は、磁化されたCoCr系金属からなる強磁性膜と、この磁化された強磁性膜と協働して磁化の向きが固定されたNiFeからなる強磁性膜と、から構成されることもできる。
【0021】
また、本発明の他の特徴は、磁化の向きが所定の向きに固定された硬質磁性の磁性層からなる固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する磁性層からなる軟質磁性の自由磁化層と、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子であって、磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子と磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子とを備えた磁気センサの製造方法において、前記固定磁化層となるべき磁性層と、前記自由磁化層となるべき磁性層と、前記両磁性層の間に挟まれた絶縁層とを含む積層体を単一の基板上に複数形成する工程と、前記複数の積層体のうち前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子となるべき積層体に対し磁気遮蔽を施し、全体に対して同磁気遮蔽にて遮蔽できない程度の強い磁場を付与することにより同積層体を磁化する ことにより前記固定磁化層の磁化の向きを固定する工程と、を含んだことを特徴としている。
【0022】
これによれば、磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子と磁気遮蔽されたトンネル効果素子を備えた磁気センサを提供することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による磁気トンネル効果素子を用いた磁気センサの各実施形態について、同各実施形態に共通に使用される磁気トンネル効果素子から説明する。図5は、かかる磁気トンネル効果素子の一部を示す概略断面図であり、図6及び図7は、図5に対応した磁気トンネル効果素子の概略平面図である。
【0024】
この磁気トンネル効果素子は、例えばSiO2/Si、ガラス又は石英からなる基板10を備えている。基板10上には、平面形状を長方形状にした複数の下部電極11が横方向に所定の間隔を隔てて一列に配置されており、下部電極11は、導電性非磁性金属材料であるCr(又はTi)により膜厚10nm程度に形成されている。各下部電極11上には、同下部電極11と同一平面形状に形成され、CoCr系金属(例えば、CoPtCr)からなり膜厚30nm程度の強磁性膜12がそれぞれ積層されている。強磁性膜12は、図7の矢印方向に磁化されている。
【0025】
各強磁性膜12上には、膜厚5nm程度のNiFeからなる一対の強磁性膜13,13が間隔を隔てて積層されている。この強磁性膜13,13は、平面視において長方形状(例えば、20×12μm)を有し、その各長辺が平行に対向されるとともに、各短辺は前記強磁性膜12の磁化方向と同一となるように配置されている。この強磁性膜13は、強磁性膜12と協働して磁化の向きが固定された硬質磁性の磁性膜である固定磁化層(固着層)を構成するものであり、強磁性膜12の磁化により、図7に示すように短辺方向に磁化されている。
【0026】
各強磁性膜13の上には、同強磁性膜13と同一平面形状を有する絶縁層14が形成されている。絶縁層14は、絶縁材料であるAl2O3からなり、その膜厚は3〜4nm程度となるように形成されている。
【0027】
絶縁層14の上には、同絶縁層14と同一平面形状を有する強磁性膜15が形成されている。この強磁性膜15は、絶縁層14に接する膜厚2nm程度のCo膜を下層とし、同Co膜に接する膜厚60nm程度のNiFe膜を上層とする2層構造を有している。強磁性膜15は、その磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化する軟質磁性の磁性膜である自由磁化層を構成し、前記強磁性膜12,13からなる固定磁化層と前記絶縁層14とともに磁気トンネル接合構造を形成している。
【0028】
各強磁性膜15の上には、同各強磁性膜15と同一平面形状のダミー膜16がそれぞれ形成されている。このダミー膜16は、膜厚30nm程度のMo膜からなる導電性非磁性金属材料によって構成されている。
【0029】
基板10、下部電極11、強磁性膜12,13、絶縁層14、強磁性膜15及びダミー膜16を覆う領域には、複数の下部電極11及び強磁性膜12をそれぞれ絶縁分離するとともに、各強磁性膜12上に設けた一対の強磁性膜13、絶縁層14、強磁性膜15及びダミー膜16をそれぞれ絶縁分離するための層間絶縁層17が設けられている。層間絶縁層17は、例えばSiO2からなり、その膜厚は250nm程度である。
【0030】
この層間絶縁膜17には、各ダミー膜16上にてコンタクトホール17aがそれぞれ形成されている。このコンタクトホール17aを埋設するとともに、異なる下部電極11及び強磁性膜12上に設けた一対のダミー膜16,16の各一方間を互いに電気的に接続するように、例えば膜厚300nmのAlからなる上部電極18,18がそれぞれ形成されている。このように、下部電極11及び強磁性膜12と、上部電極18とにより、隣り合う一対の磁気トンネル接合構造の各強磁性膜15,15(各ダミー膜16,16)と各強磁性膜12,12とをそれぞれ交互に順次電気的に接続して、固定磁化層の磁化の向きが同一とされた複数の磁気トンネル接合構造を直列に接続した磁気トンネル効果素子(磁気トンネル効果素子群)が形成される。
【0031】
図8は、上記基板10上の2×2mm2の領域に、上述の磁気トンネル効果素子を500個(1個の磁気トンネル効果素子は、一組の固定磁化層、絶縁層、自由磁化層を有する。従って、図5では4個の磁気トンネル効果素子が示されている。)形成し、これらを電気的に直列接続した試料の温度特性を示す図である。この図において、ラインA,B,Cは、環境温度をそれぞれ25,90,及び150℃に変化させた場合における同試料の外部磁界に対する抵抗値の変化を示している。図8から理解されるように、外部磁界が大きく異なっている場合であっても環境温度により試料の示す抵抗値が同じになる場合があるので、このような試料をそのまま磁気センサに用いることは困難である。
【0032】
次に、本発明による温度特性が改善された磁気センサの各実施形態について個別に説明する。
【0033】
(第1実施形態)
図1に示した第1実施形態に係る磁気センサは、図5における基板10に相当する基板30上に形成された磁気トンネル効果素子31と、同基板30上に形成され磁気遮蔽が施された磁気トンネル効果素子32とを備えている。磁気トンネル効果素子31,32の各々は、図5〜図7に示したように、同一構成からなる複数個(例えば、500個)の磁気トンネル効果素子を直列接続したものである。磁気トンネル効果素子31,32を構成する前記複数の磁気トンネル効果素子の各固定磁化層の磁化の向きは、総て同一方向(図1に矢印にて示す方向)とされている。
【0034】
そして、この磁気センサは、磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子31と磁気遮蔽されている磁気トンネル効果素子32とを直列接続するとともに、これに直流定電圧源33を直列に接続し、磁気トンネル効果素子32の両端電圧を出力電圧Voutとして取り出すハーフブリッヂ回路により構成されている。
【0035】
この磁気センサは、以下に述べる工程を経て製造することができる。即ち、図5に示した各層11〜18に相当する層を有する積層体を基板30上に形成し、次いで上記ハーフブリッヂ回路を構成する。その後、磁気トンネル効果素子32となるべき積層体を軟磁性体により被覆して同積層体に対し磁気遮蔽を施す。最後に、全体に対して前記磁気遮蔽にて遮蔽できない程度の強い磁場を付与することで前記積層体を磁化(着磁)し、これにより、磁気トンネル効果素子31,32の固定磁化層の磁化の向きを固定する。
【0036】
このように構成した磁気センサにおいては、磁気トンネル効果素子32が磁気遮蔽されていることから、同素子32の抵抗値は外部磁界に関わらず一定値R0である。一方、磁気トンネル効果素子31に、同素子31の固定磁化層の磁化の向きと同じ向きの十分大きな外部磁界が加わっている場合には、同素子31の抵抗値はR0−ΔRdとなる。また、磁気トンネル効果素子31に、同素子31の固定磁化層の磁化の向きと反対向きの十分大きな外部磁界が加わっている場合には、同素子31の抵抗値はR0+ΔRuとなる。そこで、直流電圧源33の電圧をVinとすると、出力電圧Voutの最大値Vmaxは、Vmax=Vin/(2−(ΔRd/R0))…(数1)で表され、最小値Vminは、Vmin=Vin/(2+(ΔRu/R0))…(数2)で表される。
【0037】
ところで、磁気トンネル効果素子は、環境温度が変化しても上記数1のΔRd/R0、及び数2のΔRu/R0の変化量が小さいという特性を有している。例えば、図8の測定例では、ΔRd/R0、及びΔRu/R0は共に、環境温度25,90,及び150℃に対し、それぞれ、0.065,0.056,及び0.049程度である。従って、環境温度25,90,及び150℃に対し、上記磁気センサの出力電圧Voutの最大値Vmaxは、それぞれ略0.516Vin,0.514Vin,及び0.513Vinとなる。また、環境温度25,90,及び150℃に対し、上記磁気センサの出力電圧Voutの最小値Vminは、それぞれ略0.484Vin,0.486Vin,及び0.488Vinである。即ち、環境温度が変化した場合であっても、上記磁気センサの出力電圧Voutの最大値Vmaxは0.51Vin程度の略一定値となり、出力電圧Voutの最小値Vminは、0.48Vin程度の略一定値となる。従って、上記特徴を有する磁気センサは、温度特性が良好なものとなっている。
【0038】
また、この磁気センサの環境温度に対する出力電圧Voutの最大値Vmax、最小値Vminを図示した図2から理解されるように、最大値Vmax(ラインA)と最小値Vmin(ラインB)は、上記環境温度の全域に渡り同一の値となることがない。これにより、外部磁界の方向の変化を検出するための閾値(外部磁界が「0」であるときの出力電圧Voutに相当する値)を、ラインCにて示したように上記環境温度の全域に渡り設定することができる。従って、上記磁気センサは、環境温度が広い範囲で変化した場合においても、外部磁界の方向の変化を確実に検出し得るものとなっている。
【0039】
(第1実施形態の変形例)
第1実施形態の変形例は、図1において破線にて示したように、磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子32の両端電圧を出力電圧Voutとする代わりに、磁気トンネル効果素子31の両端電圧を出力電圧V´outとしたものであり、他の部分については第1実施形態と同一である。
【0040】
この場合においては、出力電圧V´outの最大値V´max及び最小値V´minは、直流定電圧源33の電圧Vinから上記数2の最小値Vmin及び数1の最大値Vmaxをそれぞれ減じた値となる。従って、このように出力を取り出した場合においても、出力電圧V´outの最大値V´max及び最小値V´minは環境温度に関わらず略一定値となる。即ち、この磁気センサは、温度特性が改善されており、また、外部磁界の方向の変化を精度よく検出し得る。
【0041】
(第2実施形態)
図3に示した第2実施形態に係る磁気センサは、図5における基板10に相当する基板40上に形成された磁気トンネル効果素子41,44と、同基板40上に形成され磁気遮蔽が施された磁気トンネル効果素子42,43とを備えている。磁気トンネル効果素子41〜44の各々は、図5〜図7に示したように、同一構成からなる複数個(例えば、500個)の磁気トンネル効果素子を直列接続したものであり、磁気トンネル効果素子41〜44の各々を構成する前記複数の磁気トンネル効果素子の各固定磁化層の磁化の向きは、総て同一方向(図3に矢印にて示す方向)に固定されている。
【0042】
そして、この磁気センサにおいては、磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子41の一端と磁気遮蔽されている磁気トンネル効果素子42の一端とが接続されて一の回路要素が構成され、磁気遮蔽されている磁気トンネル効果素子43の一端と磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子44の一端とが接続されて他の回路要素が構成され、この一対の回路要素が直流定電圧源45に接続されてフルブリッジ回路を構成している。
【0043】
即ち、磁気トンネル効果素子41の他端と磁気トンネル効果素子42の他端は、直流定電圧源45の正極と負極とにそれぞれ接続され、磁気トンネル効果素子43の他端と磁気トンネル効果素子44の他端は、直流定電圧源45の正極と負極とにそれぞれ接続されている。また、磁気トンネル効果素子41の固定磁化層の固定された磁化の向きと磁気トンネル効果素子44の固定磁化層の固定された磁化の向きとが略同一となるように、磁気トンネル効果素子41,44が配設されている。そして、磁気トンネル効果素子41と磁気トンネル効果素子42との接続点の電位と、磁気トンネル効果素子43と磁気トンネル効果素子44との接続点の電位とが取出され、これらの接続点の電位差が磁気センサの出力電圧Voutとなるように構成されている。
【0044】
この磁気センサは、図5に示した各層11〜18に相当する層を有する積層体を基板40上に形成し、これらの積層体を上述のように接続してフルブリッヂ回路を構成し、その後、磁気トンネル効果素子42,43となるべき積層体を軟磁性体により被覆して磁気遮蔽を施し、最後に全体に対して前記磁気遮蔽にて遮蔽できない程度の強い磁場を付与することで前記積層体を磁化し、これにより、磁気トンネル効果素子41〜44の固定磁化層の磁化の向きを固定することで製造する。
【0045】
このように構成した磁気センサにおいては、磁気トンネル効果素子42,43が磁気遮蔽されていることから、同素子42,43の抵抗値は外部磁界に関わらず一定値R0である。一方、磁気トンネル効果素子41,44に外部磁界が加わっていない場合には、同素子41,44の抵抗値もR0となる。また、磁気トンネル効果素子41,44に、これらの素子の固定磁化層の磁化の向きと同一又は反対向きの十分大きな外部磁界が加わると、同素子41,44の抵抗値は、それぞれR0−Rd又はR0+Ruとなる。このとき、出力電圧Voutの最大値Vmaxは、Vmax=Vin/(1+2・(R0/ΔRu))…(数3)、最小値Vminは、Vmin=Vin/(1−2・(R0/ΔRd))…(数4)で表される。
【0046】
数3、数4、及び図8の測定によれば、環境温度が25〜150℃の範囲で変化するとき、最大値Vmaxは0.0317Vin〜0.0239Vinの間で変化する。一方、最小値Vminは、−0.0339Vin〜−0.0239Vinの間で変化する。即ち、上記構成によれば、出力電圧Voutの最大値Vmaxと最小値Vminとの差(0.0656Vin〜0.0478Vin)に対して、同出力電圧Voutの環境温度による変動(例えば、最大値Vmaxの環境温度変化による変動分=0.0317Vin−0.0239Vin=0.0078Vin、最小値Vminの環境温度による変動分=0.0239Vin−0.0339Vin=0.010Vin)が十分小さい。これに対し、図8の測定に用いた試料の抵抗値の最大値Rmaxと最小値Rminとの差ΔRmm(略0.15〜0.20Ω)は、環境温度による抵抗値の変動分(0.13〜0.20Ω)と同程度である。以上から、第2実施形態に係る磁気センサは温度特性が改善されたものとなっていることが理解される。また、磁気トンネル効果素子は、一般に図8に示したようなオーダーの抵抗変化特性を有する。従って、上記構成の磁気センサは、結果として温度特性が改善されたものとなる。
【0047】
図4は、上記図8の測定に用いた磁気トンネル効果素子により上記フルブリッヂ回路を構成した場合における環境温度に対する出力電圧Voutの最大値Vmax(ラインA)と最小値Vmin(ラインB)を示した図である。図4から理解されるように、温度特性が改善された結果、環境温度の変化があったとしても出力電圧Voutの最大値Vmaxと最小値Vminとが同一の値をとることがない。これにより、外部磁界の方向の変化を検出するための閾値を、上記環境温度の全域に渡り設定することができる(ラインC参照)。即ち、上記フルブリッヂの磁気センサは、環境温度が広い範囲で変化した場合においても、外部磁界の方向の変化を確実に検出し得るものとなっている。
【0048】
以上に説明したように、本発明の各実施形態(及び変形例)によれば、単一の磁気トンネル効果素子群の抵抗変化を検出する場合に比べて、温度特性が改善された磁気センサが提供される。また、出力電圧Voutの最大値Vmaxと最小値Vminとが環境温度の変化しうる全域において同一の値をとることがないので、外部磁界の方向を検出するための一定の閾値をこれらの間に設定することができる。この結果、外部磁界をメディア(磁気媒体)や磁石ロータなどで変化させて磁気情報、或いは物体の回転を検出するセンサに好適なセンサが提供された。
【0049】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態の多くにおいては、同一基板上に総ての磁気トンネル効果素子を形成したが、個別の基板上に各磁気トンネル効果素子群を形成し、これらをワイヤにより接続して各ブリッヂ回路を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。
【図2】第1実施形態及び第3実施形態に係る磁気センサの外部磁界に対する出力電圧を環境温度に対して示した図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。
【図4】図3に示した磁気センサの外部磁界に対する出力電圧を環境温度に対して示した図である。
【図5】本発明の各実施形態において使用される磁気トンネル効果素子の一部を示す概略断面図である。
【図6】図5に示した磁気トンネル効果素子の層間絶縁膜及び基板を省略した同素子の概略平面図である。
【図7】図5に示した磁気トンネル効果素子の固定磁化層を形成する強磁性膜の概略平面図である。
【図8】ある磁気トンネル効果素子の外部磁界に対する抵抗変化を環境温度別に示す図である。
【図9】図8の結果を得た磁気トンネル効果素子の抵抗値の最大値及び最小値の環境温度に対する変化を示す図である。
【符号の説明】
10,30,40…基板、11…下部電極、12…強磁性膜、13…強磁性膜、14…絶縁層、15…強磁性膜、16…ダミー膜、17…層間絶縁膜、18…上部電極、31,32,41〜44…磁気トンネル効果素子、33,45…直流定電圧源。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
According to the present invention, a fixed magnetic layer in which the direction of magnetization is fixed to a predetermined direction, a free magnetic layer in which the direction of magnetization changes in accordance with an external magnetic field, and a pinned layer between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer The present invention relates to a magnetic sensor using a magnetic tunnel effect element including an insulating layer and a method for manufacturing the same .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a magnetoresistive effect element (AMR element) using an anisotropic MR effect or a giant magnetoresistive element (GMR element) using a giant magnetoresistive effect has been widely known. On the other hand, recently, a magnetic tunnel effect element (TMR element) has been attracting attention as an element having a higher magnetoresistance ratio and a higher sensitivity than an AMR element or a GMR element, and application development of the element to a magnetic sensor has been advanced. ing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that the magnetic tunnel effect element is difficult to use as a magnetic sensor because of its poor temperature characteristics. As an example, FIG. 8 shows a result of measuring a resistance value (output) of a predetermined magnetic tunnel effect element with respect to an external magnetic field when the environmental temperature is changed to 25, 90, and 150 ° C. As can be understood from FIG. 8 , even if the external magnetic field is largely different, the resistance value indicated by the element may be the same due to a change in the environmental temperature. Therefore, such an element is used as it is in the magnetic sensor. It is difficult.
[0004]
FIG. 9 shows the maximum and minimum values of the resistance value at each environmental temperature by taking the environmental temperature on the horizontal axis and the resistance value of the element on the vertical axis based on the measurement results shown in FIG. And solid lines. Generally, in order to detect whether the direction of a magnetic field is a predetermined direction or the direction opposite to the predetermined direction, it is necessary to determine whether the output of the magnetic sensor is equal to or more than a predetermined threshold. However, as understood from FIG. 9 , in this element, it is difficult to set an appropriate threshold value for performing such detection in an environmental temperature range of 25 to 150 ° C. (one point in the drawing). See dashed line).
[0013]
[Overview of the present invention]
Features of the present invention includes a fixed magnetization layer of hard magnetic magnetization direction is fixed in a predetermined orientation, and the free magnetic layer of the soft magnetic varying magnetization direction in response to an external magnetic field, the pinned magnetic layer and A magnetic tunnel effect element comprising an insulating layer sandwiched between the free magnetic layers, a magnetic tunnel effect element comprising a magnetically shielded and a non-magnetically shielded one constituting a full bridge circuit, thereby constituting a magnetic sensor. It is in.
[0014]
Specifically, features of the present invention includes a DC voltage source, the free pinned magnetic layer and the magnetization direction of the hard magnetic orientation is fixed in a predetermined orientation of magnetization of the soft magnetism changes according to an external magnetic field A magnetic tunnel effect element comprising a magnetic layer and an insulating layer sandwiched between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer, wherein the magnetic tunnel effect element is magnetically shielded. A pair of circuit elements formed by connecting one end of the magnetic tunnel effect element and one end of the magnetic tunnel effect element which is not magnetically shielded, and the fixed magnetization of each of the magnetic unshielded magnetic tunnel effect elements of the pair of circuit elements The same pair of circuit elements are disposed so that the magnetization directions of the layers are substantially the same, and the other end of the magnetic tunnel effect element of one of the pair of circuit elements, which is not magnetically shielded. The other end of the magnetically shielded magnetic tunnel effect element is connected to a positive electrode and a negative electrode of the DC voltage source, respectively, and the non-magnetically shielded magnetic tunnel effect of the other circuit element of the pair of circuit elements is connected. The other end of the element and the other end of the magnetically shielded magnetic tunnel effect element are connected to a negative electrode and a positive electrode of the DC voltage source, respectively, and the magnetically shielded magnetic tunnel effect element of the pair of circuit elements and It is configured to output a potential difference between each connection point with a magnetic tunnel effect element that is not magnetically shielded. The “magnetic tunnel effect element” includes a “magnetic tunnel effect element group in which a plurality of magnetic tunnel effect elements in which the fixed magnetization directions of the fixed magnetization layers are substantially the same are electrically connected in series”. . This is the same for the other features of the present invention.
[0015]
According to this, as shown in FIG. 3, the output voltage of the full bridge circuit is Vout, the voltage of the DC voltage source is Vin, and the resistance of the magnetic tunnel effect element when no external magnetic field is applied to the element. The value of R0 is a sufficiently large external magnetic field, and the change in resistance when a magnetic field in the same or opposite direction to the magnetization direction of the fixed magnetization layer is applied to the magnetic tunnel effect element not magnetically shielded is -ΔRd, When ΔRu is set, the maximum value Vmax and the minimum value Vmin of the output voltage Vout are expressed by the following equations (3) and (4).
[0016]
Vmax = Vin / (1 + 2 · (R0 / ΔRu)) Equation 3
[0017]
Vmin = Vin / (1-2 · (R0 / ΔRd)) Equation 4
[0018]
According to Equations 3, 4 and the measurement of FIG. 8 , when the environmental temperature changes in the range of 25 to 150 ° C., the maximum value Vmax changes between 0.0317 Vin and 0.0239 Vin. On the other hand, the minimum value Vmin varies between -0.0339 Vin and -0.0239 Vin. That is, according to the above configuration, the difference between the maximum value Vmax and the minimum value Vmin (0.0656 Vin to 0.0478 Vin) of the output voltage Vout due to the environmental temperature of the output voltage Vout (for example, the maximum value Vmax) (0.0317Vin-0.0239Vin = 0.0078Vin, fluctuation due to the minimum temperature Vmin due to the environmental temperature = 0.0239Vin-0.0339Vin = 0.010Vin) is sufficiently small. Further, the magnetic tunnel effect element generally has a resistance change characteristic on the order as shown in FIG . Accordingly, the magnetic sensor having the above configuration has improved temperature characteristics as a result.
[0019]
FIG. 4 shows the maximum value Vmax (line A) and the minimum value Vmin (line B) of the output voltage Vout with respect to the environmental temperature when the magnetic tunnel effect element used in the measurement of FIG. 8 constitutes the full bridge circuit. FIG. As can be understood from FIG. 4, in the magnetic sensor, the maximum value Vmax and the minimum value Vmin of the output voltage Vout do not become the same value even when the environmental temperature changes. Thereby, the threshold value for detecting the change in the direction of the external magnetic field can be set over the entire environmental temperature range (see line C). That is, the full-bridge magnetic sensor can reliably detect the change in the direction of the external magnetic field even when the environmental temperature changes in a wide range.
[0020]
In the above-described magnetic sensor of the present invention, the fixed magnetic layer includes a magnetized ferromagnetic film and a ferromagnetic film whose magnetization direction is fixed in cooperation with the magnetized ferromagnetic film. May be. The fixed magnetic layer includes a ferromagnetic film made of a magnetized CoCr-based metal and a ferromagnetic film made of NiFe whose magnetization direction is fixed in cooperation with the magnetized ferromagnetic film. It can be done.
[0021]
Another feature of the present invention is that a fixed magnetic layer made of a hard magnetic layer whose magnetization direction is fixed to a predetermined direction and a soft magnetic layer made of a magnetic layer whose magnetization direction changes in accordance with an external magnetic field. A magnetic tunnel effect element comprising: a free magnetic layer; and an insulating layer sandwiched between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer, wherein the magnetically shielded magnetic tunneling element and the non-magnetically shielded magnetic In a method of manufacturing a magnetic sensor including a tunnel effect element, a magnetic layer to be the fixed magnetic layer, a magnetic layer to be the free magnetic layer, and an insulating layer sandwiched between the two magnetic layers. Forming a plurality of laminated bodies on a single substrate, and performing magnetic shielding on the laminated body to be the magnetically shielded magnetic tunnel effect element among the plurality of laminated bodies, and Cannot be shielded by shielding By imparting degrees strong magnetic field is characterized by including a step of fixing the magnetization direction of the fixed magnetization layer by magnetizing the same laminate.
[0022]
According to this, it is possible to provide a magnetic sensor including a magnetic tunnel effect element that is not magnetically shielded and a magnetically shielded tunnel effect element.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment of the magnetic sensor using the magnetic tunnel effect element according to the present invention will be described from the magnetic tunnel effect element commonly used in each embodiment. Figure 5 is a schematic cross-sectional view showing a part of such a magnetic tunnel effect element, FIGS. 6 and 7 are schematic plan view of a magnetic tunnel effect element corresponding to FIG.
[0024]
This magnetic tunnel effect element has a
[0025]
On each
[0026]
On each
[0027]
On the insulating
[0028]
On each
[0029]
In a region covering the
[0030]
In the
[0031]
FIG. 8 shows that 500 magnetic tunnel effect elements (one magnetic tunnel effect element has a set of fixed magnetic layer, insulating layer, and free magnetic layer) in a 2 × 2 mm 2 region on the
[0032]
Next, each embodiment of the magnetic sensor with improved temperature characteristics according to the present invention will be individually described.
[0033]
(1st Embodiment)
The magnetic sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1 has a magnetic
[0034]
In this magnetic sensor, a magnetic
[0035]
This magnetic sensor can be manufactured through the steps described below. That is, a laminate having layers corresponding to the
[0036]
In the magnetic sensor thus configured, since the magnetic
[0037]
Incidentally, the magnetic tunnel effect element has such a characteristic that even when the environmental temperature changes, the amount of change of ΔRd / R0 in the above equation (1) and ΔRu / R0 in the above equation (2) is small. For example, in the measurement example of FIG. 8 , ΔRd / R0 and ΔRu / R0 are about 0.065, 0.056, and 0.049, respectively, for the environmental temperatures of 25, 90, and 150 ° C., respectively. Accordingly, the maximum value Vmax of the output voltage Vout of the magnetic sensor is approximately 0.516 Vin, 0.514 Vin, and 0.513 Vin, respectively, for environmental temperatures of 25, 90, and 150 ° C. Further, the minimum value Vmin of the output voltage Vout of the magnetic sensor is approximately 0.484 Vin, 0.486 Vin, and 0.488 Vin for the environmental temperatures of 25, 90, and 150 ° C., respectively. That is, even when the environmental temperature changes, the maximum value Vmax of the output voltage Vout of the magnetic sensor is a substantially constant value of about 0.51 Vin, and the minimum value Vmin of the output voltage Vout is about 0.48 Vin. It becomes a constant value. Therefore, the magnetic sensor having the above characteristics has good temperature characteristics.
[0038]
As can be understood from FIG. 2 showing the maximum value Vmax and the minimum value Vmin of the output voltage Vout with respect to the environmental temperature of the magnetic sensor, the maximum value Vmax (line A) and the minimum value Vmin (line B) are as described above. The same value is not obtained over the entire range of the environmental temperature. As a result, the threshold for detecting a change in the direction of the external magnetic field (a value corresponding to the output voltage Vout when the external magnetic field is “0”) is set over the entire range of the environmental temperature as indicated by the line C. You can set a crossover. Therefore, the magnetic sensor can reliably detect a change in the direction of the external magnetic field even when the environmental temperature changes in a wide range.
[0039]
(Modification of First Embodiment)
In the modified example of the first embodiment, as shown by a broken line in FIG. 1, instead of setting the voltage between both ends of the magnetically shielded magnetic
[0040]
In this case, the maximum value V'max and the minimum value V'min of the output voltage V'out are obtained by subtracting the minimum value Vmin of Expression 2 and the maximum value Vmax of Expression 1 from the voltage Vin of the DC
[0041]
(2nd Embodiment)
The magnetic sensor according to the second embodiment shown in FIG. 3 includes magnetic
[0042]
In this magnetic sensor, one circuit element is formed by connecting one end of the magnetic tunnel effect element 41 that is not magnetically shielded and one end of the magnetic
[0043]
That is, the other end of the magnetic tunnel effect element 41 and the other end of the magnetic
[0044]
In this magnetic sensor, a laminate having layers corresponding to the
[0045]
In the magnetic sensor thus configured, since the magnetic
[0046]
According to Equations 3, 4 and the measurement of FIG. 8 , when the environmental temperature changes in the range of 25 to 150 ° C., the maximum value Vmax changes between 0.0317 Vin and 0.0239 Vin. On the other hand, the minimum value Vmin varies between -0.0339 Vin and -0.0239 Vin. That is, according to the above configuration, the difference between the maximum value Vmax and the minimum value Vmin (0.0656 Vin to 0.0478 Vin) of the output voltage Vout due to the environmental temperature of the output voltage Vout (for example, the maximum value Vmax) (0.0317Vin-0.0239Vin = 0.0078Vin, fluctuation due to the minimum temperature Vmin due to the environmental temperature = 0.0239Vin-0.0339Vin = 0.010Vin) is sufficiently small. On the other hand, the difference ΔRmm (approximately 0.15 to 0.20Ω) between the maximum value Rmax and the minimum value Rmin of the resistance value of the sample used for the measurement in FIG . 13 to 0.20Ω). From the above, it is understood that the magnetic sensor according to the second embodiment has improved temperature characteristics. Further, the magnetic tunnel effect element generally has a resistance change characteristic on the order as shown in FIG . Accordingly, the magnetic sensor having the above configuration has improved temperature characteristics as a result.
[0047]
FIG. 4 shows the maximum value Vmax (line A) and the minimum value Vmin (line B) of the output voltage Vout with respect to the environmental temperature when the magnetic tunnel effect element used in the measurement of FIG. 8 constitutes the full bridge circuit. FIG. As can be understood from FIG. 4, as a result of the improvement in the temperature characteristics, the maximum value Vmax and the minimum value Vmin of the output voltage Vout do not take the same value even if the environmental temperature changes. Thereby, the threshold value for detecting the change in the direction of the external magnetic field can be set over the entire environmental temperature range (see line C). That is, the full-bridge magnetic sensor can reliably detect a change in the direction of the external magnetic field even when the environmental temperature changes over a wide range.
[0048]
As described above, according to each embodiment (and the modification) of the present invention, a magnetic sensor having improved temperature characteristics as compared with the case of detecting the resistance change of a single magnetic tunnel effect element group is provided. Provided. Further, since the maximum value Vmax and the minimum value Vmin of the output voltage Vout do not take the same value in the entire region where the environmental temperature can change, a certain threshold value for detecting the direction of the external magnetic field is set between them. Can be set. As a result, a sensor suitable for a sensor for detecting magnetic information or rotation of an object by changing an external magnetic field with a medium (magnetic medium) or a magnet rotor has been provided.
[0049]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be adopted within the scope of the present invention. For example, in many of the above embodiments has been formed all of the magnetic tunnel effect elements on the same substrate, each magnetic tunnel effect element group formed in individual different substrates, and these were connected by wire Each bridge circuit may be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating output voltages with respect to an external magnetic field of the magnetic sensors according to the first embodiment and the third embodiment with respect to an ambient temperature.
FIG. 3 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing an output voltage of the magnetic sensor shown in FIG. 3 with respect to an external magnetic field with respect to an ambient temperature.
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a part of a magnetic tunnel effect element used in each embodiment of the present invention.
6 is a schematic plan view of the magnetic tunnel effect element shown in FIG . 5 from which an interlayer insulating film and a substrate are omitted.
7 is a schematic plan view of a ferromagnetic film forming the fixed magnetic layer of the magnetic tunnel effect element shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a change in resistance of a certain magnetic tunnel effect element with respect to an external magnetic field for each environmental temperature;
FIG. 9 is a diagram showing changes in the maximum value and the minimum value of the resistance value of the magnetic tunnel effect element obtained with the result of FIG . 8 with respect to the environmental temperature.
[Explanation of symbols]
10, 30, 40 : substrate, 11: lower electrode, 12: ferromagnetic film, 13: ferromagnetic film, 14: insulating layer, 15: ferromagnetic film, 16: dummy film, 17: interlayer insulating film, 18 ... Upper electrode, 31, 32, 41 to 44 ... magnetic tunnel effect element, 33, 45 ... DC constant voltage source.
Claims (4)
前記磁気トンネル効果素子であって磁気遮蔽されたものの一端と前記磁気トンネル効果素子であって磁気遮蔽されていないものの一端とを接続してなる回路要素を一対備え、前記一対の回路要素の前記各磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子の固定磁化層の磁化の向きが略同一となるように同一対の回路要素を配設するとともに、前記一対の回路要素のうちの一の回路要素の前記磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子の他端と前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子の他端とを前記直流電圧源の正極と負極とにそれぞれ接続し、前記一対の回路要素のうちの他の回路要素の前記磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子の他端と前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子の他端とを前記直流電圧源の負極と正極とにそれぞれ接続し、前記一対の回路要素の前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子と前記磁気遮蔽されていない磁気トンネル効果素子との各接続個所間の電位差を出力するように構成したことを特徴とする磁気センサ。DC voltage source, hard magnetic fixed magnetic layer whose magnetization direction is fixed to a predetermined direction, soft magnetic free magnetic layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field, the fixed magnetic layer, and the free magnetic layer A magnetic tunnel effect element comprising: an insulating layer sandwiched between
The magnetic tunnel effect element includes one pair of circuit elements formed by connecting one end of a magnetically shielded element and one end of the magnetic tunnel effect element that is not magnetically shielded. The same pair of circuit elements are disposed so that the magnetization directions of the fixed magnetization layers of the magnetic tunnel effect element that are not magnetically shielded are substantially the same, and the magnetism of one of the pair of circuit elements is reduced. The other end of the unshielded magnetic tunnel effect element and the other end of the magnetically shielded magnetic tunnel effect element are respectively connected to the positive electrode and the negative electrode of the DC voltage source, and the other of the pair of circuit elements is connected. The other end of the non-magnetically shielded magnetic tunnel effect element of the circuit element and the other end of the magnetically shielded magnetic tunnel effect element are respectively connected to the negative electrode and the positive electrode of the DC voltage source. And outputting a potential difference between connection points between the magnetically shielded magnetic tunnel effect element and the magnetically unshielded magnetic tunnel effect element of the pair of circuit elements. Sensors.
前記固定磁化層は、磁化された強磁性膜と、この磁化された強磁性膜と協働して磁化の向きが固定された強磁性膜と、からなる磁気センサ。The magnetic sensor according to claim 1,
The magnetic sensor, wherein the fixed magnetic layer includes a magnetized ferromagnetic film and a ferromagnetic film having a fixed magnetization direction in cooperation with the magnetized ferromagnetic film.
前記固定磁化層は、磁化されたCoCr系金属からなる強磁性膜と、この磁化された強磁性膜と協働して磁化の向きが固定されたNiFeからなる強磁性膜と、から構成された磁気センサ。The magnetic sensor according to claim 1,
The fixed magnetic layer includes a ferromagnetic film made of a magnetized CoCr-based metal and a ferromagnetic film made of NiFe whose magnetization direction is fixed in cooperation with the magnetized ferromagnetic film. Magnetic sensor.
前記固定磁化層となるべき磁性層と、前記自由磁化層となるべき磁性層と、前記両磁性層の間に挟まれた絶縁層とを含む積層体を単一の基板上に複数形成する工程と、
前記複数の積層体のうち前記磁気遮蔽された磁気トンネル効果素子となるべき積層体に対し磁気遮蔽を施し、全体に対して同磁気遮蔽にて遮蔽できない程度の強い磁場を付与することにより同積層体を磁化することにより前記固定磁化層の磁化の向きを固定する工程と、
を含んだことを特徴とする磁気センサの製造方法。A fixed magnetic layer of hard magnetic material whose magnetization direction is fixed to a predetermined direction, a free magnetic layer of soft magnetism whose magnetization direction changes in accordance with an external magnetic field, and sandwiched between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer. A magnetic tunnel effect element comprising a magnetic insulating layer and a magnetic tunnel effect element having a magnetically shielded magnetic tunnel effect element and a magnetic tunnel effect element not magnetically shielded.
Forming, on a single substrate, a plurality of laminates each including a magnetic layer to be the fixed magnetic layer, a magnetic layer to be the free magnetic layer, and an insulating layer interposed between the magnetic layers; When,
A magnetic shield is applied to the stacked body to be the magnetically shielded magnetic tunnel effect element of the plurality of stacked bodies, and a strong magnetic field that cannot be shielded by the same magnetic shield is applied to the entire stacked body. Fixing the magnetization direction of the fixed magnetization layer by magnetizing the body,
A method for manufacturing a magnetic sensor, comprising:
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