JP4361077B2 - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界の変化を高感度に検出可能な磁気センサおよびその製造方法に関する。

従来、地磁気などの微小磁界の方向を検出するための磁気センサとして、パーマロイなどの強磁性材料からなる異方性磁気抵抗効果素子を利用したものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。
特許第３３１８７６２号公報 特開平６−１７４４７１号公報

最近では、磁界変化に対し、異方性磁気抵抗効果素子よりも高い検出感度を示す巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magneto-Resistive effect）素子を複数備えた磁気センサが開発されている（例えば、特許文献３参照）。このような磁気センサでは、例えば４つのＧＭＲ素子によってブリッジ回路が構成され、検出対象とする微小磁界（以下、検出対象磁界）が加わった際、いずれか２つのＧＭＲ素子の抵抗が正方向へ変化すると共に残りの２つのＧＭＲ素子の抵抗が負方向へ変化するようになっており、各ＧＭＲ素子の抵抗変化の差分（作動出力）を検出することで検出対象磁界の大きさを測定することができる。
特開２００３−６６１２７号公報

上記特許文献３にあるようなブリッジ回路を構成する４つのＧＭＲ素子は、検出対象磁界が全く印加されていない状態（すなわち、測定待機状態）において全て同等の抵抗を示すことが要求される。仮に４つのＧＭＲ素子のうち、１つでも異なる抵抗を示す場合には、測定待機状態においてもブリッジ回路の差動出力（オフセット電圧）が発生してしまうこととなる。各ＧＭＲ素子における抵抗は、主に自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とのなす角度によって決まる。自由層の磁化方向は、異方性磁界の方向および大きさや、固着層と自由層との間に生じる交換バイアス磁界の大きさや方向にも影響されるものであるから、全ての磁気抵抗効果素子における抵抗を互いに等しくするには、異方性磁界の方向および固着層の磁化方向について相互に揃える必要がある。

しかしながら、実際には、異方性磁界の方向と固着層の磁化方向とのなす角度に比較的大きなばらつき（製造誤差）が生じるので、上記のようなオフセット電圧の発生を完全に除去することは極めて困難である。ところが、このようなオフセット電圧は、例えば地磁気のような極めて微小な磁界（例えば１０Ｏｅ（＝（２５００／π）Ａ／ｍ）以下の磁界）を測定する場合に大きな誤差要因となる。したがって、製造誤差によるオフセット電圧を低減し、より高精度な検出対象磁界の測定を可能とする磁気センサが望まれる。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、検出対象とする磁界の大きさを、より高精度に検出可能な磁気センサおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の磁気センサは、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、非磁性の中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化すると共に固着層の磁化方向と異なる方向の異方性磁界を発現する自由層とを含む積層構造をそれぞれ有する第１および第２の磁気抵抗効果素子を備えるようにしたものである。ここで、第１および第２の磁気抵抗効果素子は、積層構造の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にある。ここでいう、１８０°の回転移動とは、磁化の大きさや方向を含めて構造上の対称性を保つような１８０°の回転操作を意味する。すなわち、一方の磁気抵抗効果素子が回転中心軸を中心として１８０°回転（製造誤差程度のずれを含む）したときに、他方の磁気抵抗効果素子と重なり合う（一致する）。また、異方性磁界とは、結晶構造や形状などに起因する全ての異方性磁界を意味する。

本発明の第１の磁気センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、積層構造の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあるので、第１および第２の磁気抵抗効果素子において、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向との初期状態での相対角度が互いに等しくなる。そのうえ、第１および第２の磁気抵抗効果素子は検出対象磁界に応じて抵抗値が互いに逆方向の変化を示すこととなる。ここで、初期状態とは、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対し、検出対象磁界を含む外部磁界が何ら付与されていない状態を意味する。この初期状態は、例えば、自由層の磁化が飽和する飽和磁界と同等以上の大きさを有するリフレッシュ磁界を、第１および第２の磁気抵抗効果素子の双方に対して回転中心軸に沿って印加することで得られる。

本発明の第２の磁気センサは、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、非磁性の中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化すると共に固着層の磁化方向と異なる方向の異方性磁界を発現する自由層とを含む積層構造をそれぞれ有する第１から第４の磁気抵抗効果素子を備えるようにしたものである。ここで、第１および第３の磁気抵抗効果素子は、平行移動により各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあり、第２および第４の磁気抵抗効果素子が平行移動により各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあり、第１および第３の磁気抵抗効果素子の素子対と第２および第４の磁気抵抗効果素子の素子対とが積層構造の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にある。

本発明の第２の磁気センサでは、第１および第３の磁気抵抗効果素子が、平行移動により、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあり、第２および第４の磁気抵抗効果素子が、平行移動により、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあり、第１および第３の磁気抵抗効果素子の素子対と、第２および第４の磁気抵抗効果素子の素子対とが、積層構造の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあるので、第１から第４の磁気抵抗効果素子の全てにおいて、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向との初期状態での相対角度が互いに等しくなる。そのうえ、第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗と第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗とが検出対象磁界に応じて互いに逆方向の変化を示すこととなる。この初期状態は、例えば、自由層の磁化が飽和する磁界と同等以上の大きさを有するリフレッシュ磁界を、第１から第４の磁気抵抗効果素子の全てに対して回転中心軸に沿って印加することで得られる。

本発明の第１および第２の磁気センサでは、リフレッシュ磁界印加手段を設け、それが発生するリフレッシュ磁界を一時的に付与することによって磁気抵抗効果素子の自由層を飽和させるようにすれば、自由層の磁化方向が外部からの不要な磁界（外乱磁界）によって乱された場合であっても、自由層の磁化方向が一定方向に揃うこととなる。特に、各磁気抵抗効果素子における自由層の異方性磁界を一致させ、その方向（自由層の異方性磁界の方向）に沿ってリフレッシュ磁界を発生させるようにリフレッシュ磁界印加手段を配置すれば、自由層の異方性磁界の方向が安定化し、磁気抵抗効果素子の出力が高いレベルで安定化する。なお、外乱磁界の影響がほとんどなく、かつ、自由層の異方性磁界の方向が十分に安定である場合には、リフレッシュ磁界Ｈrefを付与しなくともよい。

本発明における第１の磁気センサの製造方法は、一の基体上に、一定方向の異方性磁界を発現すると共に検出対象磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性の中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に積層してなる複数の磁気抵抗効果素子を一括して形成する工程と、複数の磁気抵抗効果素子の全てについて、異方性磁界の方向と異なる方向となるように第２の強磁性層の磁化方向を一括して設定する工程と、基体上に形成された複数の磁気抵抗効果素子から一対の磁気抵抗効果素子を切り出す工程と、切り出された一対の磁気抵抗効果素子を、その積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置する工程とを含むようにしたものである。

本発明における第１の磁気センサの製造方法では、一の基体上に一括して積層し、かつ規則化を行った複数の磁気抵抗効果素子のなかから一対の磁気抵抗効果素子が取り出したうえ、それらを、回転中心軸を中心とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置したので、一対の磁気抵抗効果素子の相互間において、第２の強磁性層の磁化方向と第１の強磁性層の異方性磁界の方向との相対角度の誤差が比較的小さくなる。

本発明における第２の磁気センサの製造方法は、一の基体上に、一定方向の異方性磁界を発現すると共に検出対象磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性の中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に積層してなる複数の磁気抵抗効果素子を一括して形成する工程と、複数の磁気抵抗効果素子の全てについて異方性磁界の方向と異なる方向となるように第２の強磁性層の磁化方向を一括して設定する工程と、複数の磁気抵抗効果素子が形成された基体を切り分けることにより、磁気抵抗効果素子をそれぞれ２つずつ含む一対の素子モジュールを形成する工程と、基体上に形成された複数の磁気抵抗効果素子から２つの磁気抵抗効果素子をそれぞれ含む一対の素子モジュールを切り出す工程と、切り出された一対の素子モジュールを、磁気抵抗効果素子の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置する工程とを含むようにしたものである。

本発明における第２の磁気センサの製造方法では、一の基体上に一括して積層し、かつ規則化を行った複数の磁気抵抗効果素子のなかから選択した２つの磁気抵抗効果素子をそれぞれ含む一対の素子モジュールを切り出したうえ、それらを、回転中心軸を中心とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置したので、４つの磁気抵抗効果素子の相互間において、第２の強磁性層の磁化方向と第１の強磁性層の異方性磁界の方向との相対角度の誤差が比較的小さくなる。

本発明の第１の磁気センサによれば、第１および第２の磁気抵抗効果素子を、回転中心軸を中心とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係としたので、初期状態における両者の抵抗の差に起因するオフセット出力を低減することができる。よって、検出対象磁界に基づく出力を、より高精度に検出することができる。

本発明の第２の磁気センサによれば、第１および第３の磁気抵抗効果素子を、平行移動により、各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係とし、かつ、第２および第４の磁気抵抗効果素子を、第１および第３の磁気抵抗効果素子に対し、回転中心軸を中心とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより各々の自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係としたので初期状態における両者の抵抗の差に起因するオフセット出力を低減することができる。よって、検出対象磁界に基づく出力を、より高精度に検出することができる。

本発明の第１および第２の磁気センサによれば、さらに、リフレッシュ磁界印加手段を設け、全ての磁気抵抗効果素子に対してリフレッシュ磁界を一時的に付与するようにすれば、自由層を飽和させ、その磁化方向を一旦揃えることができる（初期状態とすることができる）。したがって、全ての磁気抵抗効果素子にリフレッシュ磁界を印加してから検出対象磁界を検出するようにすれば、地磁気程度の微小磁界であっても、よりいっそう高精度に、かつ安定して検出することができる。特に、第１および第２の磁気抵抗効果素子における双方の異方性磁界の方向、または、第１から第４の磁気抵抗効果素子における全ての異方性磁界の方向を回転中心軸と一致させるようにした場合には、上記のリフレッシュ磁界をその異方性磁界の方向に印加することで容易に初期状態を得ることができる。

本発明における第１の磁気センサの製造方法によれば、一の基体上に一括形成した複数の磁気抵抗効果素子の全てについて、第１の強磁性層の異方性磁界の方向と第２の強磁性層の磁化方向とが互いに異なるように一括して規則化を行ったのち、その基体から切り出した一対の磁気抵抗効果素子を、その積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置したので、一対の磁気抵抗効果素子の相互間において、第２の強磁性層の磁化方向と第１の強磁性層の異方性磁界の方向との相対角度の誤差を低減することができる。したがって、その相対角度の誤差に起因するオフセット出力を低減し、検出対象磁界をより高精度に測定可能な磁気センサを実現することができる。

本発明における第２の磁気センサの製造方法によれば、一の基体上に一括形成した複数の磁気抵抗効果素子の全てについて、第１の強磁性層の異方性磁界の方向と第２の強磁性層の磁化方向とが互いに異なるように一括して規則化を行ったのち、その基体から切り出した２つの磁気抵抗効果素子を各々含む一対の素子モジュールを、磁気抵抗効果素子の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、またはその回転移動と平行移動とにより、各々の第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置したので、４つの磁気抵抗効果素子の相互間において、第２の強磁性層の磁化方向と第１の強磁性層の異方性磁界の方向との相対角度の誤差を低減することができる。したがって、その相対角度の誤差に起因するオフセット出力を低減し、検出対象磁界をより高精度に測定可能な磁気センサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
最初に、図１などを参照して、本発明における第１の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態の磁気センサ１の斜視構成を表す概略図である。

磁気センサ１は、集積基板１００の上に、第１の磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子１１Ａが素子基板１２上に設けられた第１のモジュール１０と、第２のＭＲ素子１１Ｂが素子基板２２上に設けられた第２のモジュール２０とを有するものである。素子基板１２，２２は、例えばアルティック（Ａｌ₂ Ｏ₃ ・ＴｉＣ）の基板やシリコン（Ｓｉ）基板の表面を絶縁化したもの（表面に酸化アルミニウム層を設けるなどしたもの）である。第１のモジュール１０は集積基板１００の上面に設けられている一方で、第２のモジュール２０は、集積基板１００の下面に設けられている。すなわち、第１および第２のモジュール１０，２０は、集積基板１００を通る中心軸ＣＬを回転中心とした回転対称な関係にある。すなわち、一方のＭＲ素子（例えば第１のＭＲ素子１１Ａ）を中心軸ＣＬを回転中心として１８０°回転させると、他方のＭＲ素子（第２のＭＲ素子１１Ｂ）と構造上一致する関係にある。中心軸ＣＬは、後述する磁化容易軸Ｈｋ１，Ｈｋ２と平行をなしている。本実施の形態では、中心軸ＣＬに沿った方向をＸ方向とし、集積基板１００の面内においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、さらに、集積基板１００の面と直交する方向をＺ方向とする。磁気センサ１は、ある回転面（ここではＸＹ平面）において変化する検出対象磁界Ｈｍの大きさを検出するものである。

磁気センサ１は、さらに、リフレッシュ磁界Ｈrefを発生させるコイル３０を備えている。コイル３０は、集積基板１００の周囲を中心軸ＣＬを中心として巻回している導線である。このコイル３０は、電流が流れることにより、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向（ここでは＋Ｘ方向）にリフレッシュ磁界Ｈrefを発生させ、それを第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂに印加するものである。リフレッシュ磁界Ｈrefは、後述する自由層５３Ａ，５３Ｂの磁化が飽和する磁界と同等以上の強度を有している。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１に示した第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂを拡大した平面図である。第１のＭＲ素子１１Ａは、図２（Ａ）に示したように、銅などからなる一対の電極１３Ａ，１４Ａの間に複数の素子パターン１５Ａ（図２（Ａ）では、７つの素子パターン１５Ａを示す）を設けたものである。複数の素子パターン１５Ａは、いずれもスパッタリング法およびフォトリソグラフィ法などを利用して形成されるものであり、Ｘ方向に延在する帯状をなすと共に、Ｘ方向と直交するＹ方向において互いに隣在し合うように配置されている。このように配置された複数の素子パターン１５Ａは、電極１３Ａと電極１４Ａとの間でつづら折り状となるように、長手方向（Ｘ方向）における各々の両端が銅などの非磁性導電層からなる連結部１６Ａによって互いに連結されている。

第２のＭＲ素子１１Ｂは、図２（Ｂ）に示したように、第１のＭＲ素子１１Ａとほぼ同様の構成であり、銅などからなる一対の電極１３Ｂ，１４Ｂの間に複数の素子パターン１５Ｂ（図２（Ｂ）では、７つの素子パターン１５Ｂを示す）を設けたものである。複数の素子パターン１５Ｂは、いずれもスパッタリング法などにより形成されるものであり、Ｘ方向に延在する帯状をなすと共に、Ｙ方向において互いに隣在し合うように配置されている。このように配置された複数の素子パターン１５Ｂは、電極１３Ｂと電極１４Ｂとの間でつづら折り状となるように、長手方向（Ｘ方向）における各々の両端が銅などの非磁性導電層からなる連結部１６Ｂによって互いに連結されている。

図３および図４は、それぞれ図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示した素子パターン１５Ａ，１５Ｂを拡大して示した分解斜視図である。各素子パターン１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ図３（Ａ），図４（Ａ）に示したように、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなしており、具体的には、素子基板１２，２２の上に、検出対象磁界Ｈｍをはじめとする外部磁界に応じて方向が変化する磁化Ｊ５３Ａ，Ｊ５３Ｂを有する自由層５３Ａ，５３Ｂと、特定の磁化方向を発現しない非磁性の中間層５２Ａ，５２Ｂと、一定方向に固着された磁化Ｊ５１Ａ，Ｊ５１Ｂを有する固着層５１Ａ，５１Ｂとがそれぞれ順に積層されたものである。自由層５３Ａ，５３Ｂは、いずれもＸ方向の異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を発現している。ここでの異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２とは、自由層５３Ａ，５３Ｂの結晶構造に起因する異方性磁界成分や、自由層５３Ａ，５３Ｂの形状に起因する異方性磁界成分を含む全ての異方性磁界を意味するものである。固着層５１Ａ，５１Ｂの磁化Ｊ５１Ａ，Ｊ５１Ｂの方向は、図１および図２に示したように、中心軸ＣＬと直交する直交軸ＰＬからわずかに傾いている。より詳細には、磁化Ｊ５１Ａの方向は、−Ｙ方向から＋Ｘ方向へ角度β１だけ傾いた方向であり、磁化Ｊ５１Ｂの方向は、＋Ｙ方向から＋Ｘ方向へ角度β２だけ傾いた方向である。角度β１および角度β２は、互いに等しいことが望ましい。磁化Ｊ５１Ａ，５１Ｂの方向と異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向との相対角度は、いずれも０°より大きく９０°未満である。

図３（Ｂ），図４（Ｂ）に、固着層５１Ａ，５１Ｂの詳細な構成を示す。固着層５１Ａ，５１Ｂは、中間層５２Ａ，５２Ｂの側から磁化固定膜５４Ａ，５４Ｂと反強磁性膜５５Ａ，５５Ｂと保護膜５６Ａ，５６Ｂとが順に積層されたものである。磁化固定膜５４Ａ，５４Ｂはコバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料からなり、この磁化固定膜５４Ａ，５４Ｂの示す磁化方向が固着層５１Ａ，５１Ｂ全体としての磁化Ｊ５１Ａ，Ｊ５１Ｂの方向となる。一方、反強磁性膜５５Ａ，５５Ｂは、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜５５Ａ，５５Ｂは、ある一方向のスピン磁気モーメントと、それとは逆方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜５４Ａ，５４Ｂの磁化方向を固定するように作用している。また、保護膜５６Ａ，５６Ｂは、タンタル（Ｔａ）やハフニウム（Ｈｆ）などの化学的に安定な非磁性材料からなり、磁化固定膜５４Ａ，５４Ｂや反強磁性膜５５Ａ，５５Ｂなどを保護するものである。さらに、自由層５３Ａ，５３Ｂは、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの軟磁性材料により構成されており、中間層５２Ａ，５２Ｂは、例えば銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などの高導電性の非磁性材料により構成されている。

ここで、図３（Ａ），図４（Ａ）は、検出対象磁界Ｈｍをはじめとする含む外部磁界Ｈが付与されていない無負荷状態を示している。この場合、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂにおける磁化のベクトルおよび磁界のベクトルは、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２と平行な軸（中心軸ＣＬ）を中心として互いに回転対称な関係となっている。自由層５３Ａの磁化Ｊ５３Ａは、固着層５１Ａおよび自由層５３Ａの間に生ずる交換結合磁界Ｈin１と、自由層５３Ａの異方性磁界Ｈｋ１との合成磁界Ｈ１の方向を向いている（図５（Ａ））。同様に、自由層５３Ｂの磁化Ｊ５３Ｂは、固着層５１Ｂおよび自由層５３Ｂの間に生ずる交換結合磁界Ｈin２と、自由層５３Ｂの異方性磁界Ｈｋ２との合成磁界Ｈ２の方向を向いている（図５（Ｂ））。一方、固着層５１Ａ，５１Ｂの磁化Ｊ５１Ａ，Ｊ５１Ｂは、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２と０°よりも大きく９０°未満の相対角度をなす方向を向いており、例えば合成磁界Ｈ１，Ｈ２とそれぞれ角度α１，α２をなしている。角度α１，α２は、検出対象磁界Ｈｍの有無にかかわらず、いずれも９０°であることが望ましい。そのような構成とすることで、素子パターン１５Ａ，１５Ｂが最大の出力を発現するからである。交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２は、それぞれ磁化Ｊ５１Ａ，J５１Ｂと正反対のベクトルを有している。素子パターン１５Ａにおける磁化Ｊ５１Ａ、異方性磁界Ｈｋ１および交換結合磁界Ｈin１は、素子パターン１５Ｂにおける磁化Ｊ５１Ｂ、異方性磁界Ｈｋ２および交換結合磁界Ｈin２とそれぞれ等しいことが望ましい。なお、図５（Ａ），図５（Ｂ）は、素子パターン１５Ａ，１５Ｂにおける磁化の向きおよび大きさと、磁界の向きおよび大きさとを説明するための説明図である。

磁気センサ１は、例えば地磁気などの極めて微小な磁界（検出対象磁界Ｈｍ）の検出を行うのに好適である。ここでは、ＸＹ平面において回転する検出対象磁界Ｈｍを検出する場合について説明する。例えば地磁気を測定する場合には、集積基板１００を地面と平行に設置すればよい。

素子パターン１５Ａ，１５Ｂは、いずれも積層面が検出対象磁界Ｈｍの回転面と平行をなすように形成されている。素子パターン１５Ａに対し、例えば図５（Ａ）に示したように検出対象磁界Ｈｍが印加されると、自由層５３Ａの磁化Ｊ５３Ａは合成磁界Ｈ１と検出対象磁界Ｈｍとの合成ベクトルＶ１の方向へ変化する。このとき、磁化Ｊ５１Ａと磁化Ｊ５３Ａとの角度は角度α１よりも大きくなるので、第１のＭＲ素子１１Ａの抵抗値Ｒ１は増加する。一方、素子パターン１５Ｂに対しても図５（Ｂ）に示したように図５（Ａ）と同方向の検出対象磁界Ｈｍが印加されるので、自由層５３Ｂの磁化Ｊ５３Ｂは合成磁界Ｈ２と検出対象磁界Ｈｍとの合成ベクトルＶ２の方向へ変化する。このとき、磁化Ｊ５１Ｂと磁化Ｊ５３Ｂとの角度は角度α２よりも小さくなるので、第２のＭＲ素子１１Ｂの抵抗値Ｒ２は減少する。このように、検出対象磁界Ｈｍの回転に伴い、第１のＭＲ素子１１Ａの抵抗値Ｒ１と、第２のＭＲ素子１１Ｂの抵抗値Ｒ２とが互いに逆向きの変化を示すように構成されている。

図６は、磁気センサ１の回路構成を示す概略図である。

第１のモジュール１０は素子基板１２上に形成された定電流源ＣＧ１（図１では図示せず）を有しており、第２のモジュール２０は素子基板２２上に形成された定電流源ＣＧ２（図１では図示せず）を有している。これらの定電流源ＣＧ１，ＣＧ２は、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂと共に図６のような回路を構成している。第１のＭＲ素子１１Ａおよび第２のＭＲ素子１１Ｂの一端同士（例えば電極１３Ａおよび電極１３Ｂ）は第１の接続点Ｐ１１において接続され、定電流源ＣＧ１および定電流源ＣＧ２の一端同士は第２の接続点Ｐ１２において接続されている。さらに、第１のＭＲ素子１１Ａの他端（第１の接続点Ｐ１１とは反対側となる電極１４Ａ）は、第３の接続点Ｐ１３において定電流源ＣＧ１の他端（第２の接続点Ｐ１２とは反対側となる端部）と接続されており、第２のＭＲ素子１１Ｂの他端（第１の接続点Ｐ１１とは反対側となる電極１４Ａ）は、第４の接続点Ｐ１４において定電流源ＣＧ２の他端（第２の接続点Ｐ１２とは反対側となる端部）と接続されている。ここで、定電流源ＣＧ１は第１のＭＲ素子１１Ａに対して定電流Ｉ１を供給し、定電流源ＣＧ２は第２のＭＲ素子１１Ｂに対して定電流Ｉ２を供給するように構成されている。

さらに、第１のモジュール１０は、入力側において第３の接続点Ｐ１３および第４の接
続点Ｐ１４とそれぞれ接続された差分検出器ＡＭＰ１を有している。この差分検出器ＡＭ
Ｐ１は、第１の接続点Ｐ１１と第２の接続点Ｐ１２との間に電圧が印加されたときの第３
の接続点Ｐ１３と第４の接続点Ｐ１４との間の電位差（第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂのそれぞれに生ずる電圧降下の差分）を検出し、差分信号Ｓ１として出力するものである。

次に、磁気センサ１の製造方法について説明する。

ここでは、まず、シリコンウェハなどの基体（図示せず）の表面に複数のＭＲ素子を一括して形成する。具体的には、ＮｉＦｅなどの軟磁性材料からなる第１の強磁性層と、銅などの非磁性導電材料からなる中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する材料（例えばＣｏＦｅ）からなる第２の強磁性層とを基体上に順に積層したのち所定の寸法形状となるようにパターニングを行うことで、自由層５３、中間層５２および固着層５１からなる素子パターン１５を複数形成する。そののち、所定の数の素子パターン１５を連結する連結部１６を形成し、さらに、両端に位置する連結部１６と接続するように電極１３，１４を形成することにより、複数のＭＲ素子を得る。この際、一定方向の磁界を印加しながら第１の強磁性層を成膜することにより自由層５３の異方性磁界Ｈｋの方向を設定する。固着層５１については異方性磁界Ｈｋと異なるように磁化Ｊ５１の方向の固着化（規則化）を一括して行う。具体的には、例えば、異方性磁界Ｈｋと異なる方向に（０°より大きく９０°未満の相対角度をなすように）１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の強さを有する磁界を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下の温度で４時間程度のアニール処理を施すことにより磁化Ｊ５１の方向を一括して設定する。この規則化処理によって、外部磁界が零である初期状態での固着層５１の磁化Ｊ５１と自由層５３の磁化Ｊ５３との角度が決まる。

次いで、基体上に形成された複数のＭＲ素子を、ＭＲ素子ごとに基体と共に切り分けることで、素子基板１２上に第１のＭＲ素子１１Ａが形成された第１のモジュール１０と、素子基板２２上に第２のＭＲ素子１１Ｂが形成された第２のモジュール２０とを得る。ところで、磁化Ｊ５１と磁化Ｊ５３との相対的な角度については、同一の基体上に形成されたＭＲ素子同士であっても、若干のばらつきを有することとなる。しかしながら、その角度は、より近い領域に形成されたＭＲ素子同士であれば比較的小さな誤差となる。よって、磁気センサ１を作製するにあたっては、可能な限り狭い領域内から選択されたＭＲ素子を組み合わせることが望ましい。得られた第１および第２のモジュール１０，２０を、自由層５３Ａ，５３Ｂの異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向と平行な軸を中心として互いに回転対称な位置となるように集積基板１００に貼り付ける。その際、例えば、集積基板１００の一方の面に第１のモジュール１０を貼り付け、他方の面に第２のモジュール２０を貼り付けるようにする。このようにすることで、検出対象磁界Ｈｍに応じて抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すようになる。

続いて、集積基板１００の両面を絶縁性樹脂により覆ったのち第１および第２のモジュール１０，２０の周囲を巻回するようにコイル３０を設ける。例えば、銅からなる極細線（φ３０μｍ程度）を巻き付けることでコイル３０を形成する。最後に定電流源ＣＧ１，ＣＧ２の形成や配線をおこなうなど、所定の工程を経ることにより、磁気センサ１が完成する。

このように構成された磁気センサ１を使用し、差分信号Ｓ１に基づいて検出対象磁界Ｈｍを検出する方法について以下に説明する。

検出対象磁界Ｈｍを検出する準備段階として、まず、コイル３０にリフレッシュ電流を流すことにより、自由層５３Ａ，５３Ｂの磁化が飽和する磁界と同等以上の大きさを有するリフレッシュ磁界Ｈref（図５，図６）を、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂの各々に対して異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向に沿って一時的に印加する。こうすることで、磁化Ｊ５３Ａ，Ｊ５３Ｂの方向を初期状態にリセットすることができる。すなわち、磁化Ｊ５３Ａ，Ｊ５３Ｂの方向を同一方向（異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向）に一旦揃えることができる。この結果、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂのヒステリシス現象に伴う検出誤差を回避することができる。さらに、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向に沿ってリフレッシュ磁界Ｈrefを一時的に印加することで自由層５３Ａ，５３Ｂの結晶磁気異方性が安定化するので（その結果、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２も安定化するので）、磁気センサ１の出力が高いレベルで安定する。

図６において、第１の接続点Ｐ１１と第２の接続点Ｐ１２との間に所定の電圧を印加した際の定電流源ＣＧ１，ＣＧ２からの定電流をそれぞれＩ１，Ｉ２とし、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂの抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。検出対象磁界Ｈｍが印加されていない場合、第３の接続点Ｐ１３における電位Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｉ１・Ｒ１
であり、第４の接続点Ｐ１４における電位Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｉ２・Ｒ２
となる。よって、第３の接続点Ｐ１３と第４の接続点Ｐ１４との間の電位差は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ１・Ｒ１−Ｉ２・Ｒ２…（１）

ここで、定電流Ｉ１と定電流Ｉ２とが互いに等しい（すなわちＩ１＝Ｉ２＝Ｉ０である）場合には、式（１）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２） …（２）
となる。

この回路では、検出対象磁界Ｈｍが印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより抵抗変化量が得られる。例えば検出対象磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ変化量ΔＲ１，ΔＲ２だけ増加したとすると、式（２）は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２）
＝Ｉ０・｛（Ｒ１＋ΔＲ１）−（Ｒ２＋ΔＲ２）｝ …（３）
となる。

すでに述べたように、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂは検出対象磁界Ｈｍによって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されていることから、変化量ΔＲ１と変化量ΔＲ２とは互いの正負が逆の符号となる。したがって、式（３）において、検出対象磁界Ｈｍが印加される前の抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ２は互いに打ち消し合う一方で、変化量ΔＲ１および変化量ΔＲ２はそのまま維持される。

仮に、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂが全く同一の特性を有するとした場合、すなわち、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ
かつ
ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ
であると仮定した場合、式（３）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１＋ΔＲ１−Ｒ２−ΔＲ２）
＝Ｉ０・（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉ０・（２ΔＲ） …（４）
となる。したがって、外部磁界と抵抗変化量との関係が既知である第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂを用いるようにすれば、検出対象磁界Ｈｍの大きさを測定することができる。式（４）で表される電位差Ｖ０は、合成ベクトルＶ１，Ｖ２と、磁化Ｊ５１Ａ，Ｊ５１Ｂとのなす角度によって決まるものである。

ところで、磁化Ｊ５１Ａと合成磁界Ｈ１との角度α１と、磁化Ｊ５１Ｂと合成磁界Ｈ２との角度α２とが一致していなければ、検出対象磁界Ｈｍを測定する前段階である初期状態においてオフセット出力が生じる（式（２）においてＶ０＝０とならない）こととなる。検出対象磁界Ｈｍが印加されていない無負荷状態であっても、第１のＭＲ素子１１Ａの抵抗値Ｒ１と第２のＭＲ素子１１Ｂの抵抗値Ｒ２との差分が零とならないからである。

本実施の形態では、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂは、異方性磁界Ｈｋ１の方向と異方性磁界Ｈｋ２の方向とが互いに一致しているうえ、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２と平行な中心軸ＣＬを回転中心として互いに回転対称な関係を有している。このため、角度α１および角度α２が実質的に同等である。さらに、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂは一括形成されたものであるので、実質的に同等の性能を有している。よって、オフセット出力は極めて小さなものとなる。

これに対し、例えば図２２および図２３（Ａ），図２３（Ｂ）に示した比較例としての磁気センサ１０１のように、第１のモジュール１１０を構成する第１のＭＲ素子１１１Ａと、第２のモジュール１２０を構成する第２のＭＲ素子１１１Ｂとが中心軸ＣＬを中心として互いに回転対称な関係にない場合にはオフセット出力が比較的大きなものとなってしまう。なお、図２２は、本実施の形態の磁気センサ１に対する比較例としての磁気センサ１０１の斜視構成を表す概略図であり、図２３（Ａ），図２３（Ｂ）は、第１および第２のＭＲ素子１１１Ａ，１１１Ｂに含まれる各素子パターン（図示せず）における磁化の向きおよび磁界の向きの状態を説明するための説明図である。磁気センサ１０１では、第１のＭＲ素子１１１Ａと、第２のＭＲ素子１１１Ｂとが異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を含む面（ＸＹ平面）と直交する軸を中心として回転対称な位置関係にある。この場合、磁化Ｊ１５１Ａの方向と磁化Ｊ１５１Ｂの方向とが直交軸ＰＬを中心として互いに反対の方向へ傾くこととなる（互いに遠ざかる方向へ傾くこととなる）ので（図２２）、磁化Ｊ１５１Ａの方向と異方性磁界Ｈｋ１の方向とのなす角が９０°未満である（図２３（Ａ））一方で磁化Ｊ１５１Ｂの方向と異方性磁界Ｈｋ２の方向とのなす角が９０°を超えることとなる（図２３（Ｂ））。すなわち、第１および第２のＭＲ素子１１１Ａ，１１１Ｂが回転対称となっていない場合には、角度β１および角度β２が実質的に同等であっても角度α１および角度α２は互いに大きく異なる。よって、磁気センサ１０１のように第１および第２のＭＲ素子１１１Ａ，１１１Ｂを配置した場合には、比較的大きなオフセット出力が表れることとなる。

以上説明したように、本実施の形態の磁気センサ１によれば、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂを、自由層５３Ａ，５３Ｂの異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向と平行な中心軸ＣＬを中心として互いに回転対称な関係を有するようにしたので、初期状態において、磁化Ｊ５３Ａの方向と磁化Ｊ５１Ａの方向との相対角度α１と、磁化Ｊ５３Ｂの方向と磁化Ｊ５１Ｂの方向との相対角度α２とが互いに等しくなる。そのうえ、検出対象磁界Ｈｍに応じて、第１のＭＲ素子１１Ａの抵抗値Ｒ１と第２のＭＲ素子１１Ｂの抵抗値Ｒ２とが互いに逆方向の変化を示すこととなる。その結果、相対角度α１と相対角度α２との誤差に起因するオフセット出力を低減することができ、より高精度に検出対象磁界Ｈｍを測定することができる。

さらに、コイル３０を設け、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂに対して異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向へリフレッシュ磁界Ｈrefを印加し、自由層５３Ａ，５３Ｂを飽和させるようにしたので、自由層５３Ａ，５３Ｂの磁化Ｊ５３Ａ，Ｊ５３Ｂの方向が外部からの不要な磁界（外乱磁界）によって乱された場合であっても、一旦、それらを一定方向（合成磁界Ｈ１，Ｈ２の方向）へ揃えることができる。さらに、リフレッシュ磁界Ｈrefを印加することで、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２の方向も安定化する。したがって、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂに対してリフレッシュ磁界Ｈrefを印加してから検出対象磁界Ｈｍを検出するようにすれば、地磁気程度の微小磁界であっても、高精度に、かつ安定して検出することができる。

また、本実施の形態では、同一の基体上に一括形成した複数のＭＲ素子の全てについて、第１の強磁性層の磁化容易軸と第２の強磁性層の磁化方向とが互いに異なるように一括して規則化を行ったのち、その基体から切り出した第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂを集積基板１００に配置するようにしたので、角度α１と角度α２との誤差や、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂにおける感度などの性能面での誤差を極めて低く抑えることができる。

［第２の実施の形態］
次に、図７〜図９を参照して、本発明における第２の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。図７は、本実施の形態の磁気センサ２の斜視構成を表す概略図であり、図８は、磁気センサ２の要部における磁化の向きおよび磁界の向きの状態を説明するための説明図である。さらに、図９は、磁気センサ２に対応する回路図である。

上記第１の実施の形態では、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂによって構成される磁気センサ１について説明した。これに対し、本実施の形態では、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１１Ｄによって構成される磁気センサ２について説明する。以下では、主に磁気センサ１との相違点について説明することとし、それ以外の点についての説明は適宜省略する。

図７に示したように、磁気センサ２では、第１のモジュール１０が素子基板１２の上に第１のＭＲ素子１１Ａと共に第３のＭＲ素子１１Ｃを有し、第２のモジュール２０が素子基板２２の上に第２のＭＲ素子１１Ｂと共に第４のＭＲ素子１１Ｄを有するように構成されている。ここで、第３および第４のＭＲ素子１１Ｃ，１１Ｄは、それぞれ、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂと全く同様の構成を有している。すなわち、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃは互いに等価な関係にあり、第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄは互いに等価な関係にある。したがって、第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄは、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃに対して中心軸ＣＬを中心とした回転対称な関係にある。第３のＭＲ素子１１Ｃは、固着層５１Ａ、中間層５２Ａおよび自由層５３Ａとそれぞれ対応する固着層５１Ｃ、中間層５２Ｃおよび自由層５３Ｃを有する素子パターン１５Ｃ（いずれも図示せず）を複数備えており、第４のＭＲ素子１１Ｄは、固着層５１Ｂ、中間層５２Ｂおよび自由層５３Ｂとそれぞれ対応する固着層５１Ｄ、中間層５２Ｄおよび自由層５３Ｄを有する素子パターン１５Ｄ（いずれも図示せず）を複数備えている。図８（Ａ）に示したように、固着層５１Ｃの磁化Ｊ５１Ｃは、磁化Ｊ５１Ａと同様に直交軸ＰＬから角度β１だけ傾いた方向に固定されている。したがって、第３のＭＲ素子１１Ｃでは交換結合磁界Ｈin１と一致する交換結合磁界Ｈin３が発生し、その結果、合成磁界Ｈ１と一致する合成磁界Ｈ３が形成される。無負荷状態では、自由層５３Ｃの磁化Ｊ５３Ｃが合成磁界Ｈ３の方向を向いている。一方、図８（Ｂ）に示したように、固着層５１Ｄの磁化Ｊ５１Ｄは、磁化Ｊ５１Ｂと同様に直交軸ＰＬから角度β２だけ傾いた方向に固定されている。したがって、第４のＭＲ素子１１Ｄでは交換結合磁界Ｈin２と一致する交換結合磁界Ｈin４が発生し、その結果、合成磁界Ｈ２と一致する合成磁界Ｈ４が形成される。無負荷状態では、自由層５３Ｄの磁化Ｊ５３Ｄが合成磁界Ｈ４の方向を向いている。磁気センサ２では、無負荷状態において、磁化Ｊ５１Ａと磁化Ｊ５３Ａとの角度α１、磁化Ｊ５１Ｂと磁化Ｊ５３Ｂとの角度α２、磁化Ｊ５１Ｃと磁化Ｊ５３Ｃとの角度α３、および磁化Ｊ５１Ｄと磁化Ｊ５３Ｄとの角度α４は、全て同等となっている。

磁気センサ２の回路構成は図９に示した通りである。ここでは、第１のＭＲ素子１１Ａおよび第２のＭＲ素子１１Ｂの一端同士が第１の接続点Ｐ１１において接続され、第３のＭＲ素子１１Ｃおよび第４のＭＲ素子１１Ｄの一端同士が第２の接続点Ｐ１２において接続され、第１のＭＲ素子１１Ａの他端と第４のＭＲ素子１１Ｄの他端とが第３の接続点Ｐ１３において接続され、第２のＭＲ素子１１Ｂの他端と第３のＭＲ素子１１Ｃの他端とが第４の接続点Ｐ１４において接続されることにより、ブリッジ回路が構成されている。

磁気センサ２では、検出対象磁界Ｈｍの変化に応じて、第３および第４のＭＲ素子１１Ｃ，１１Ｄが、それぞれ、第１および第２のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｂと全く同様の挙動を示す。図９において、第１の接続点Ｐ１１と第２の接続点Ｐ１２との間に所定の電圧を印加した際の定電流をＩ０とし、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１１Ｄの抵抗値をそれぞれＲ１〜Ｒ４とする。検出対象磁界Ｈｍが印加されていない場合、第２の接続点Ｐ１２と第１の接続点Ｐ１１との電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１・Ｒ４＋Ｉ１・Ｒ１＝Ｉ２・Ｒ３＋Ｉ２・Ｒ２
＝Ｉ１（Ｒ４＋Ｒ１）＝Ｉ２（Ｒ３＋Ｒ２） ……（５）
と表すことができる。なお、Ｒ１〜Ｒ４は、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１１Ｄの各抵抗値である。また、第３の接続点Ｐ１３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ１４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１・Ｒ４
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２・Ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ１３と第４の接続点Ｐ１４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝（Ｖ−Ｉ１・Ｒ４）−（Ｖ−Ｉ２・Ｒ３）
＝Ｉ２・Ｒ３−Ｉ１・Ｒ４ ……（６）
ここで、（５）式から
Ｖ０＝Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ２）・Ｖ−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ１）・Ｖ
＝｛Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ２）−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ１）｝・Ｖ ……（７）
となる。このブリッジ回路では、検出対象磁界Ｈｍが印加されたときに、上記の式（７）で示された第３および第４の接続点Ｐ１３，Ｐ１４間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。検出対象磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ増加したとすると、すなわち、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１→Ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２→Ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３→Ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４→Ｒ４＋ΔＲ４
のように変化したとすると、検出対象磁界Ｈｍを印加したのちは、式（７）より、
Ｖ０＝｛（Ｒ３＋ΔＲ３）／（Ｒ３＋ΔＲ３＋Ｒ２＋ΔＲ２）−（Ｒ４＋ΔＲ４）／（Ｒ４＋ΔＲ４＋Ｒ１＋ΔＲ１）｝・Ｖ ……（８）
となる。すでに述べたように、磁気センサ２では、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃの抵抗値Ｒ１，Ｒ３と第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄの抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、検出対象磁界Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（８）の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。検出対象磁界Ｈｍが印加されることにより、第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄでは、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃでは、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。

特に、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１１Ｄは、一括して形成されたものであり、同一の特性を有するので、すなわち、
Ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４
かつ
ΔＲ＝ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ３＝−ΔＲ４
であるので、式（８）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２Ｒ）｝・Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）・Ｖ
となる。

このように、外部磁界と抵抗変化量との関係が既知である第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１１Ｄを用いるようにすれば、検出対象磁界Ｈｍの大きさを測定することができる。

磁気センサ２の製造方法は、第１の実施の形態で説明した磁気センサ１の製造方法と基本的に同様である。まず、シリコンウェハなどの基体（図示せず）の表面に複数のＭＲ素子を一括して形成したのち、２つのＭＲ素子ごとに基体と共に切り分けることで、素子基板１２上に第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃが形成された第１のモジュール１０と、素子基板２２上に第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄが形成された第２のモジュール２０とを得る。そののち、第１および第２のモジュール１０，２０を、自由層の異方性磁界Ｈｋ１〜Ｈｋ４の方向と平行な軸を中心として互いに回転対称な位置となるように集積基板１００に貼り付ける。その際、例えば、集積基板１００の一方の面に第１のモジュール１０を貼り付け、他方の面に第２のモジュール２０を貼り付けるようにする。このようにすることで、検出対象磁界Ｈｍに応じて抵抗値Ｒ１，Ｒ３と抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが互いに逆方向の変化を示すようになる。続いて、集積基板１００の両面を絶縁性樹脂により覆ったのち第１および第２のモジュール１０，２０の周囲を巻回するようにコイル３０を設けるなど、所定の工程を経ることにより、磁気センサ２が完成する。

以上説明したように、本実施の形態の磁気センサ２によれば、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃを等価な位置に配置する一方、第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄを、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃに対し中心軸ＣＬを中心とした回転対称な関係を有するようにしたので、初期状態（無負荷状態）において、相対角度α１〜α４が全て等しくなる。そのうえ、検出対象磁界Ｈｍに応じて、第１および第３のＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃの抵抗値Ｒ１，Ｒ３と第２および第４のＭＲ素子１１Ｂ，１１Ｄの抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが互いに逆方向の変化を示すこととなる。その結果、角度α１〜α４の誤差に起因するオフセット出力を解消することができ、より高精度に検出対象磁界Ｈｍを測定することができる。

次に、本発明の実施例について以下に説明する。

（実施例１−１〜１−４）
上記実施の形態の磁気センサ１について、リフレッシュ磁界Ｈrefを印加したのち、何らの外部磁界Ｈを加えない無負荷状態におけるオフセット出力電圧（ｍＶ）を測定すると共に、微弱な検出対象磁界Ｈｍを加えたときの測定時出力電圧（ｍＶ）を測定した。ここでは、角度β１と角度β２とが等しい角度βとなるようにし、オフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を調べた。その結果を図１０（Ａ），図１１（Ａ），図１２（Ａ），図１３（Ａ）に示す。

図１０（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも４Ｏｅ（＝（１／π）×１ ０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも２０Ｏｅ（＝（５／π）× １０³ Ａ／ｍ）である場合を示し、図１１（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がい ずれも６Ｏｅ（＝（１．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２ がいずれも２０Ｏｅ（＝（５／π）×１０³ Ａ／ｍ）である場合を示し、図１２（Ａ） は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも８Ｏｅ（＝（２／π）×１０³ Ａ／ｍ）で あり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも２０Ｏｅ（＝（５／π）×１０³ Ａ／ｍ） である場合を示し、図１３（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも１０Ｏｅ （＝（２．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも２ ０Ｏｅ（＝（５／π）×１０³ Ａ／ｍ）である場合を示している。実施例１−１〜１− ４に対応する比較例１−１〜１−４として、図１９に示した磁気センサ２Ｂを作製し、 同様の調査を行った。その結果を図１０（Ｂ），図１１（Ｂ），図１２（Ｂ），図１３ （Ｂ）に示す。

図１０〜図１３から明らかなように、実施例１−１〜１−４では、角度βによらず、ほぼ零のオフセット出力電圧が得られた一方、比較例１−１〜１−４では、角度βに大きく依存するオフセット出力電圧が発生し、実施例１−１〜１−４と比べて測定時の出力電圧が極めて小さな変化を示した。すなわち、実施例１−１〜１−４では、オフセット出力電圧の発生を十分に抑え、より高精度に検出対象磁界Ｈｍを測定可能であることが確認できた。

（実施例２−１〜２−４）
上記実施例１−１〜１−４と同様にして、磁気センサ１について、オフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を調べた。その結果を図１４（Ａ），図１５（Ａ），図１６（Ａ），図１７（Ａ）に示す。

図１４（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも４Ｏｅ（＝（１／π）×１０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも３０Ｏｅ（＝（７．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）である場合を示し、図１５（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも６Ｏｅ（＝（１．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも３０Ｏｅ（＝（７．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）である場合を示し、図１６（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも８Ｏｅ（＝（２／π）×１０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも３０Ｏｅ（＝（７．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）である場合を示し、図１７（Ａ）は、交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２がいずれも１０Ｏｅ（＝（２．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）であり、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２がいずれも３０Ｏｅ（＝（７．５／π）×１０³ Ａ／ｍ）である場合を示している。実施例２−１〜２−４に対応する比較例２−１〜２−４として、図２０に示した磁気センサ２Ｃを作製し、同様の調査を行った。その結果を図１４（Ｂ），図１５（Ｂ），図１６（Ｂ），図１７（Ｂ）に示す。

図１４〜図１７から明らかなように、実施例２−１〜２−４においても、上記実施例１−１〜１−４と同様、オフセット出力電圧の発生を十分に抑え、より高精度に検出対象磁界Ｈｍを測定可能であることが確認できた。但し、実施例２−１〜２−４では、実施例１−１〜１−４と比較して異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２が大きいので、測定時出力電圧がやや低下する結果となった。

以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、集積基板１００の面内方向において互いに異なった領域に第１および第２のモジュール１０，２０を設けるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１８に示した磁気センサ２Ａのように、集積基板１００の面内方向において互いに対応する領域に第１および第２のモジュール１０，２０を背中合わせに配置してもよいし、図１９に示した磁気センサ２Ｂのように、第１および第２のモジュール１０，２０を向かい合わせに（第１のＭＲ素子１１Ａが形成された面と第２のＭＲ素子１１Ｂが形成された面とが対向するように）配置してもよい。さらに、第１および第２のモジュール１０，２０が、図２０に示した磁気センサ２Ｃのように、中心軸ＣＬに沿った方向において異なった領域に配置されるようにしてもよい。このような場合であっても、本発明の概念に含まれる。ただし、これらの場合においても、磁化方向や磁界の方向の関係が図８に示したようになっていることが必要である。なお、図１８および図１９では、集積基板１００を挟むように第１および第２のモジュール１０，２０を配置した例を示したが、予め第１および第２のモジュール１０，２０を背中合わせまたは向かい合わせに貼り付けたものを集積基板１００の片側の面に配置するようにしてもよい。さらに、第１および第２のモジュール１０，２０を、集積基板１００の面内方向において互いに異なった領域に個別に設ける場合（図１，図７，図２０の場合）であっても、集積基板１００の片側の面に第１および第２のモジュール１０，２０を設けるようにしてもよい。その場合には、第１のモジュール１０または第２のモジュール２０のいずれかを裏返して配置することとなる。

また、上記実施の形態では、異方性磁界Ｈｋ１〜Ｈｋ４の方向が全て一致するように第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１１Ｄを配置するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図２１に示したように、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２が中心軸ＣＬから外れていてもよい。但し、異方性磁界Ｈｋ１の方向や磁化Ｊ５１Ａの方向などが異方性磁界Ｈｋ２の方向や磁化Ｊ５１Ｂの方向などと中心軸ＣＬを中心として互いに回転対称な関係となっている必要がある。この場合、中心軸ＣＬに沿ってリフレッシュ磁界Ｈrefを印加することで初期状態が得られ、オフセット出力電圧を実質的に零とすることができる。なお、中心軸ＣＬは、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２、磁化Ｊ５１Ａ，Ｊ５１Ｂおよび交換結合磁界Ｈin１，Ｈin２の各ベクトルを全て含む面（通常は積層面）と平行な軸とする。

本発明における第１の実施の形態としての磁気センサの構成を示す斜視図である。 図１に示した第１および第２のＭＲ素子を拡大して示した平面図である。 図２に示した第１のＭＲ素子の要部である素子パターンの構成を示す分解斜視図である。 図２に示した第２のＭＲ素子の要部である素子パターンの構成を示す分解斜視図である。 図１に示した第１および第２のＭＲ素子の要部における磁化の向きおよび磁界の向きの関係を説明する説明図である。 図１に示した磁気センサの回路構成を示す回路図である。 本発明における第２の実施の形態としての磁気センサの構成を示す斜視図である。 図７に示した第１〜第４のＭＲ素子の要部における磁化の向きおよび磁界の向きの関係を説明する説明図である。 図７に示した磁気センサの回路構成を示す回路図である。 実施例１−１および比較例１−１におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例１−２および比較例１−２におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例１−３および比較例１−３におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例１−４および比較例１−４におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例２−１および比較例２−１におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例２−２および比較例２−２におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例２−３および比較例２−３におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 実施例２−４および比較例２−４におけるオフセット出力電圧および測定時出力電圧の角度β依存性を示す特性図である。 第２の実施の形態の変形例としての磁気センサの構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態の変形例としての磁気センサの構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態の変形例としての磁気センサの構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態の変形例としての磁気センサの要部における磁化の向きおよび磁界の向きの関係を説明する説明図である。 比較例としての磁気センサの構成を示す斜視図である。 比較例としての磁気センサにおける磁化の向きおよび磁界の向きの関係を説明する説明図である。

符号の説明

１，２…磁気センサ、１０…第１のモジュール、１１…第１の磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、１２…素子基板、２０…第２のモジュール、２１…第２のＭＲ素子、第２の素子ユニット、２２…素子基板、１００…集積基板、ＣＬ…中心軸、ＰＬ…直交軸、β１，β２…角度。

Claims (18)

1. 一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、非磁性の中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化すると共に前記固着層の磁化方向と異なる方向の異方性磁界を発現する自由層とを含む積層構造をそれぞれ有する第１および第２の磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、前記積層構造の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、または前記回転移動と平行移動とにより、各々の前記自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の前記固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にある
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記回転中心軸の方向は、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子における双方の異方性磁界の方向と一致している
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記自由層の磁化が飽和する飽和磁界と同等以上の大きさを有するリフレッシュ磁界を、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に対して前記回転中心軸に沿って印加するリフレッシュ磁界印加手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記リフレッシュ磁界印加手段は、コイルからなることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対し、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、
   前記定電流によって前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器とを備え、
   前記電圧降下の差分に基づいて前記検出対象磁界を検出する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第１の接続点において接続され、
   前記第１および第２の定電流源は、その一端同士が第２の接続点において接続され、
   前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第１の定電流源の他端とが第３の接続点において接続され、
   前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第２の定電流源の他端とが第４の接続点において接続され、
   前記第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第３の接続点と第４の接続点との間の電位差に基づいて前記検出対象磁界を検出する
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
7. 一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、非磁性の中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化すると共に前記固着層の磁化方向と異なる方向の異方性磁界を発現する自由層とを含む積層構造をそれぞれ有する第１から第４の磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子は、平行移動により、各々の前記自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の前記固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあり、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子は、平行移動により、各々の前記自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の前記固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にあり、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の素子対と、前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の素子対とは、前記積層構造の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、または前記回転移動と平行移動とにより、各々の前記自由層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の前記固着層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係にある
   ことを特徴とする磁気センサ。
8. 前記回転中心軸の方向は、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子における全ての異方性磁界の方向と一致している
   ことを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
9. 前記自由層の磁化が飽和する飽和磁界と同等以上の大きさを有するリフレッシュ磁界を、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に対して前記回転中心軸に沿って印加するリフレッシュ磁界印加手段を備えた
   ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の磁気センサ。
10. 前記リフレッシュ磁界印加手段は、コイルからなる
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気センサ。
11. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、 前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、 前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が構成されている
    ことを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
12. 前記固着層の磁化方向は、前記固着層および自由層の間に生ずる交換結合磁界と前記自由層の異方性磁界との合成磁界の方向と直交している
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の磁気センサ。
13. 一の基体上に、一定方向の異方性磁界を発現すると共に検出対象磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性の中間層と、前記第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に積層してなる複数の磁気抵抗効果素子を一括して形成する工程と、
    前記複数の磁気抵抗効果素子の全てについて、前記異方性磁界の方向と異なる方向となるように前記第２の強磁性層の磁化方向を一括して設定する工程と、
    前記基体上に形成された前記複数の磁気抵抗効果素子から一対の磁気抵抗効果素子を切り出す工程と、
    前記一対の磁気抵抗効果素子を、前記磁気抵抗効果素子の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、または前記回転移動と平行移動とにより、各々の前記第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の前記第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置する工程と
    を含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
14. 前記回転中心軸の方向を、前記異方性磁界の方向と一致させることを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサの製造方法。
15. 一定方向に磁界を印加しながら前記第１の強磁性層を形成することにより前記異方性磁界の方向を設定し、
    前記異方性磁界と異なる方向に磁界を印加しつつアニール処理を施すことにより前記第２の強磁性層の磁化方向を一括して設定する
    ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
16. 一の基体上に、一定方向の異方性磁界を発現すると共に検出対象磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性の中間層と、前記第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に積層してなる複数の磁気抵抗効果素子を一括して形成する工程と、
    前記複数の磁気抵抗効果素子の全てについて、前記異方性磁界の方向と異なる方向となるように前記第２の強磁性層の磁化方向を一括して設定する工程と、
    前記複数の磁気抵抗効果素子が形成された前記基体を切り分けることにより、前記磁気抵抗効果素子をそれぞれ２つずつ含む一対の素子モジュールを形成する工程と、
    前記一対の素子モジュールを、前記磁気抵抗効果素子の積層面と平行な軸を回転中心軸とする１８０°の回転移動により、または前記回転移動と平行移動とにより、各々の前記第１の強磁性層の異方性磁界の方向および大きさが互いに一致すると共に各々の前記第２の強磁性層の磁化方向および大きさも互いに一致する関係となるように配置する工程と
    を含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
17. 前記回転中心軸の方向を、前記異方性磁界の方向と一致させることを特徴とする請求項１６に記載の磁気センサの製造方法。
18. 前記第１および第２の強磁性層の間に生ずる交換結合磁界と、前記第１の強磁性層の異方性磁界との合成磁界の方向と直交するように前記第２の強磁性層の磁化方向を一括して設定する
    ことを特徴とする請求項１３から請求項１７のいずれか１項に記載の磁気センサの製造方法。

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