JP5151551B2 - 薄膜磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに好適な薄膜磁気センサに関する。

磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ： Anisotropic Magneto-Resistiity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Gaiant MR）センサ等に分類される。

これらの中でもＧＭＲセンサは、
（１）ＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ_０（△ρ＝ρ_Ｈ−ρ_０：ρ_Ｈは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ_０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。

ＧＭＲ効果を示す材料としては、強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity）効果が生ずるトンネル接合膜、ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料等が知られている。

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗ρが桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。

そこでこの問題を解決するために、特許文献１には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、巨大磁気抵抗薄膜の磁界感度を上げる点が記載されている。また、同文献には、基板上に膜厚２μｍのパーマロイ薄膜（軟磁性膜）を形成し、パーマロイ薄膜にイオンビームエッチング装置を用いて幅約９μｍの隙間を作製し、隙間の部分にＣｏ_38.6Ｙ_41.0Ｏ_47.4組成を有するナノグラニュラーＧＭＲ膜を積層する薄膜磁気センサの製造方法が記載されている。

また、特許文献２には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置した薄膜磁気抵抗素子において、磁界感度をさらに向上させるために、巨大磁気抵抗薄膜の膜厚を軟磁性薄膜の膜厚以下とする点が記載されている。

特開平１１−０８７８０４号公報 特開平１１−２７４５９９号公報

大きな飽和磁化を有し、透磁率の高い軟磁性材料は、磁界感度が極めて高く、相対的に弱い外部磁界で極めて大きな磁化を示す。そのため、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを近づけると、外部磁界が薄膜ヨークによって増幅され、ＧＭＲ膜には、外部磁界の１００〜１００００倍の強い磁界が作用する。その結果、ＧＭＲ膜の磁界感度を著しく大きくすることができる。
また、ＧＭＲ膜に発生する磁界の強さは、薄膜ヨークの形状にも依存し、薄膜ヨークの形状を細長くするほど、ＧＭＲ膜には強い磁界が発生する。これは、薄膜ヨークの形状を細長くすることによって、感磁方向の反磁界が小さくなるためである。なお、「感磁方向」とは、ＧＭＲ膜の磁界感度が最大となるときの外部磁界印加方向をいう。

ここで、磁気センサは、一般に、検出素子を直交配置したブリッジ又はハーフブリッジにより構成されている。また、磁気センサは、通常、使用磁場範囲内で直線的な出力特性が得られるものが選定される。ＧＭＲ膜を用いた磁気センサの最大出力は、ＧＭＲ膜の材料の物性で決まるので、磁場検出感度は、薄膜ヨークの形状磁気異方性（反磁界）で決定される。そのため、広い磁場範囲で使用する場合には、その分、磁場分解能が悪くなる。逆に、磁場分解能の良いセンサは、小さな磁場で飽和してしまうので、微少な磁場範囲内でしか使用することができない。

例えば、磁性体の磁気特性を測定するような場合、磁化が飽和するような強磁界領域はラフに測定し、磁化が急激に変動する保磁力付近は、精密に測定するのが望ましい。このような場合の磁場測定には、高磁界用と低磁界用の２種類の磁気センサを組み合わせて使用する必要がある。しかしながら、２種類のセンサを使用することは、設置スペースが２倍以上必要になるため、微少領域の磁場測定が困難になり、コスト面からも好ましくない。

本発明が解決しようとする課題は、ＧＭＲ膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、高磁界と低磁界の双方を適切な分解能で同時に測定することが可能な磁気センサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサは、
巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨークとを備え、
前記薄膜ヨークは、
感磁方向の反磁界係数がＮ_Lである高感度部と、
前記高感度部と電気的に直列に接続された、感磁方向の反磁界係数がＮ_H（＞Ｎ_L）である低感度部と、
を備えていることを要旨とする。
前記薄膜ヨークは、
（１）（イ）縦棒部と横棒部からなるＴ字型、又は、（ロ）前記Ｔ字型の前記縦棒部がいずれか一方に偏ったＬ字型を呈し、前記横棒部を介して前記ＧＭＲ膜と電気的に接続しているもの、又は、
（２）短冊状を呈し、感磁方向と交差する方向に１又は２以上の切り欠きが設けられているもの
が好ましい。

薄膜ヨークに高感度部と低感度部とを設け、両者を電気的に直列に接続すると、低磁界が作用したときには、高感度部にのみ磁束が流れ込む。しかも、高感度部は、反磁界係数Ｎ_Lが相対的に小さいので、小さな磁界Ｈで磁化が飽和する。その結果、低磁界領域の磁気特性を高精度に測定することができる。
一方、高磁界が作用したときには、低感度部にも磁束が流れ込む。しかも、低感度部は、反磁界係数Ｎ_Hが相対的に大きいので、磁界Ｈに対する磁気抵抗ＭＲの傾きは小さくなるが、磁化を飽和させるためには、より大きな磁界Ｈが必要となる。その結果、高磁界領域を広範囲に渡って測定することができる。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 薄膜磁気センサ］
本発明に係る薄膜磁気センサは、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨークとを備えている。

［１．１ ＧＭＲ膜］
ＧＭＲ膜は、外部磁界の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜のＭＲ比の絶対値は、大きいほど良い。ＧＭＲ膜のＭＲ比の絶対値は、具体的には、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。

また、ＧＭＲ膜は、薄膜ヨークと直接、電気的に接続されるので、ＧＭＲ膜には、薄膜ヨークより高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、ＧＭＲ膜の電気比抵抗ρが小さすぎると、薄膜ヨーク間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、ＧＭＲ膜の電気比抵抗ρが高すぎる場合には、ノイズが増加し、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。ＧＭＲ膜の電気比抵抗ρは、具体的には、１０³μΩｃｍ以上１０¹²μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０⁴μΩｃｍ以上１０¹¹μΩｃｍ以下である。

このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と高い電気比抵抗ρを有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。

ＧＭＲ膜として用いられる金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、
（１）Ｃｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金等の酸化物系ナノグラニュラー合金、
（２）Ｆｅ−ＭｇＦ₂、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂、Ｆｅ−ＣａＦ₂、ＦｅＣｏ−ＡｌＦ₃等のフッ化物系ナノグラニュラー合金、
などがある。

ＧＭＲ膜の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、目的とする磁界感度が得られるように定める。一般に、抵抗値は抵抗体の長さに比例し、断面積に反比例するので、ＧＭＲ膜の膜厚を薄くしたり、長さを短く、あるいは横幅を狭くするほど、電気抵抗Ｒを大きくすることができる。この電気抵抗Ｒを大きくすることにより、デバイスの消費電力を下げることができる。しかし、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒが高くなりすぎると、増幅器との間でインピーダンス不良を起こす場合がある。

［１．２ 薄膜ヨーク］
薄膜ヨークは、ギャップを介して対向しており、ＧＭＲ膜は、ギャップ内又はその近傍において、薄膜ヨークと電気的に接続される。
ここで、「ギャップ近傍」とは、薄膜ヨーク先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域をいう。薄膜ヨーク間に発生する磁界は、ギャップ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜は、ギャップ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップ外（例えば、薄膜ヨークの上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。

薄膜ヨークは、ＧＭＲ膜の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨークには、透磁率μ及び／又は飽和磁化Ｍｓの高い材料を用いるのが好ましい。具体的には、その透磁率μは、１００以上が好ましく、さらに好ましくは、１０００以上である。また、その飽和磁化Ｍｓは、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。

薄膜ヨークの材質としては、具体的には、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ₇₄Ｓｉ₉Ａｌ₁₇）、ハードパーム（Ｆｅ₁₂Ｎｉ₈₂Ｎｂ₆）、Ｃｏ₈₈Ｎｂ₆Ｚｒ₆アモルファス合金、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8）、ナノマックス（Ｆｅ₈₃ＨＦ₆Ｃ₁₁）、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀合金等が好適である。

薄膜ヨークは、外部磁界を増幅させ、ＧＭＲ膜の磁界感度を高める作用がある。この増幅作用は、薄膜ヨークの材質だけでなく、形状を最適化することによっても高めることができる。
さらに、薄膜ヨークの形状を最適化し、薄膜ヨークに高感度部と低感度部とを設けると、低磁界領域は高精度に、かつ、高磁界領域はラフであるが広範囲に渡って計測可能な磁気センサが得られる。

ここで、「高感度部」とは、感磁方向の反磁界係数Ｎ_Lが低感度部より小さい領域をいう。一般に、感磁方向に対して垂直方向の長さに比べて、感磁方向に対して平行方向の長さが長くなるほど、反磁界係数を小さくすることができる。従って、高感度部を形成するためには、薄膜ヨークのいずれかの部分に、感磁方向に伸びた縦長部があれば良い。縦長部は、１個でも良く、あるいは、２個以上あっても良い。縦長部の形状、数などを最適化することによって、低磁界領域の感度を調節することができる。
「低感度部」とは、感磁方向の反磁界係数Ｎ_Hが高感度部より大きい（Ｎ_H＞Ｎ_L）領域をいう。低感度部は、高感度部と電気的に直列に接続されていれば良い。高感度部を構成する縦長部のいずれかの部分に、感磁方向と交差する方向に張り出した横長部を形成すると、その部分が低感度部として機能する。横長部は、感磁方向に対して垂直方向に形成するのが好ましい。横長部は、１個でも良く、あるいは、２個以上であっても良い。横長部の形状、数などを最適化することによって、高磁界領域の感度を調節することができる。

［２． 具体例］
［２．１ 具体例（１）］
図１（ａ）に、本発明に係る薄膜磁気センサの第１の具体例を示す。図１（ａ）において、薄膜磁気センサ１０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜１２と、ＧＭＲ膜１２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨーク１４、１４とを備えている。薄膜ヨーク１４、１４は、Ｔ字型を呈しており、Ｔ字の横棒部を介してＧＭＲ膜１２と電気的に接続している。薄膜ヨーク１４、１４の全長Ｌ₁、縦棒部の幅Ｗ₁、横棒部の長さＬ₂、及び、横棒部の幅Ｗ₂は、目的に応じて任意に選択することができ、これらの寸法を最適化することによって、低磁界領域の感度と高磁界領域の感度を調節することができる。

図１（ａ）に示す薄膜磁気センサ１０は、図１（ｂ）に示す低感度センサ１０ａと、図１（ｃ）に示す高感度センサ１０ｂとを電気的に直列に接続したものと考えることができる。
すなわち、高感度センサ１０ｂにおいて、ＧＭＲ膜１２ｂの両端に電気的に接続された薄膜ヨーク１４ｂ、１４ｂは、幅Ｗ₁に対して長さＬ₁が相対的に長いため、相対的に小さな反磁界係数Ｎ_Lを持つ。そのため、薄膜ヨーク１４ｂ、１４ｂは、外部磁界の増幅作用が大きく、より小さな外部磁界で磁化が飽和する。
一方、低感度センサ１０ａにおいて、ＧＭＲ膜1２ａの両端に電気的に接続された薄膜ヨーク１４ａ、１４ａは、幅Ｗ₂に対して長さＬ₂が相対的に短いために、相対的に大きな反磁界係数Ｎ_Hを持つ。そのため、薄膜ヨーク１４ａ、１４ａは、外部磁界の増幅作用が小さく、磁化を飽和させるためには、より大きな外部磁界が必要となる。

このような低感度センサ１０ａと高感度センサ１０ｂを電気的に直列に接続した薄膜磁気センサ１０に対して低磁界が作用すると、専ら薄膜ヨーク１４、１４の縦棒部分（縦長部）のみによって増幅された外部磁界がＧＭＲ膜１２に作用する。すなわち、薄膜磁気センサ１０の内、高感度センサ１０ｂ部分のみがセンサとして機能する。そのため、低磁界領域を高精度に計測することができる。
一方、薄膜磁気センサ１０に対して高磁界が作用すると、薄膜ヨーク１４、１４の縦棒部分だけでなく、横棒部分（横長部）で増幅された外部磁界がＧＭＲ膜１２に作用する。すなわち、薄膜センサ１０の内、高感度センサ１０ｂ部分だけでなく、低感度センサ１０ａ部分もセンサとして機能する。そのため、高磁界領域を広範囲に渡って計測することができる。

なお、図１（ａ）に示す薄膜磁気センサ１０において、薄膜ヨーク１４、１４は、Ｔ字型を呈しているが、縦棒部分がいずれか一方に偏ったＬ字型であっても、ほぼ同等の効果が得られる。また、縦棒部分を２個以上設けると、縦棒部分の寸法に応じた感度を有する薄膜磁気センサが得られる。

また、図１（ａ）に示す薄膜磁気センサ１０は、単独で使用することもできるが、複数個の薄膜磁気センサ１０を電気的に接続して使用しても良い。
例えば、２個の薄膜磁気センサ１０を直列に接続し、かつ、２個の薄膜センサ１０の感磁軸が互いに直交するように配置しても良い（ハーフブリッジ）。このような構成を取ると、中点電位を計測することによって、温度による基準電位の変動の影響を受けることなく、外部磁界を検出することができる。
また、例えば、４個の薄膜磁気センサ１０を用いて、ブリッジ回路を構成しても良い（フルブリッジ）。ブリッジ回路を構成すると、中点電位の差分を取ることによって、その出力を、２個の薄膜磁気センサ１０を用いた場合の２倍にすることができる。

［２．２ 具体例（２）］
図２に、本発明に係る薄膜磁気センサの第２の具体例を示す。図２において、薄膜磁気センサ２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜２２と、ＧＭＲ膜２２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨーク２４、２４とを備えている。薄膜ヨーク２４、２４は、ＧＭＲ膜２２と同一の幅を有する短冊状を呈し、感磁方向と交差する方向に複数個の切り欠き２４ａ、２４ａ…が設けられている。

「切り欠き」とは、薄膜ヨークが高感度領域と低感度領域に分割されるように、薄膜ヨークの一部分を切除した部分をいう。
切り欠きとしては、例えば、
（１）一定の幅で薄膜ヨークを切除する切り欠き（スリット）、
（２）くさび形に薄膜ヨークを切除する切り欠き、
（３）薄膜ヨークに段差をつけるための切り欠き、
（４）凹面状に薄膜ヨークを切除する切り欠き、
などがある。

このような切り欠きは、１個でも良く、あるいは、２個以上あっても良い。複数個の切り欠き２４ａ、２４ａ…が設けられる場合、これらの間隔、幅などの寸法は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。さらに、切り欠き２４ａ、２４ａ…は、感磁方向と交差するように設けられていれば良いが、感磁方向に対して垂直方向に設けられているのが好ましい。
図２に示す例において、薄膜ヨーク２４、２４の左右には、感磁方向に対して垂直方向に一定の幅を有する複数個の切り欠き２４ａ、２４ａ…が設けられている。

薄膜ヨーク２４、２４は、図１（ａ）に示す薄膜磁気センサ１０のＴ字型の薄膜ヨーク１４、１４の縦棒部分（縦長部）に、さらに複数個の横長部が結合したものに相当する。
すなわち、薄膜ヨーク２４、２４の中央部分（縦長部）は、感磁方向に沿って軟磁性材料が連続しており、磁気的につながった状態にある。薄膜ヨーク２４、２４の中央部分は、幅Ｗ₁に対して長さＬ₁が長いので、相対的に小さな反磁界係数Ｎ_Lを持つ。そのため、薄膜ヨーク２４、２４の中央部分は、外部磁界の増幅作用が大きく、より小さな外部磁界で磁化が飽和する。
一方、薄膜ヨーク２４、２４の両端部は、感磁方向に沿って軟磁性材料が連続しておらず、切り欠き２４ａ、２４ａ…により分断されている。中央部分から左右に張り出した横長部は、幅Ｗ₂に対して長さＬ₂が短く、しかも、横長部間が長さＬ₃×幅Ｗ₃の切り欠き２４ａ、２４ａ…で分断されているために、薄膜ヨーク２４、２４の両端部は、相対的に大きな反磁界係数Ｎ_Hを持つ。そのため、薄膜ヨーク２４、２４の両端部分は、外部磁界の増幅作用が小さく、磁化を飽和させるためには、より大きな外部磁界が必要となる。

このような薄膜磁気センサ２０に対して低磁界が作用すると、専ら薄膜ヨーク２４、２４の中央部分（縦長部）のみによって増幅された外部磁界がＧＭＲ膜２２に作用する。そのため、低磁界領域を高精度に計測することができる。
一方、薄膜磁気センサ２０に高磁界が作用すると、両端に張り出した横長部にも磁束が流入する。流入した磁束は、切り欠き２４ａ、２４ａ…部分に漏れ出し、漏れ出した磁束の一部が隣接する横長部に流入する。そのため、薄膜磁気センサ２０に対して高磁界が作用すると、薄膜ヨーク２４、２４の中央部分だけでなく、切り欠き２４ａ、２４ａ…で分断された両端の横長部で増幅された外部磁界もＧＭＲ膜２２に作用する。そのため、高磁界領域を広範囲に渡って計測することができる。

なお、図２に示す薄膜磁気センサ２０において、薄膜ヨーク２４、２４は、中央に１個の縦長部があるが、縦長部を２個以上（例えば、両端に設ける場合や、両端と中央に設ける場合など）設けても良い。この場合、縦長部の寸法を最適化すると、寸法に応じた感度を有する薄膜磁気センサが得られる。
また、図２に示す薄膜磁気センサ２０は、単独で使用しても良く、あるいは、ハーフブリッジやフルブリッジを構成しても良い。

［２．３ 具体例（３）］
図３に、本発明に係る薄膜磁気センサの第３の具体例を示す。図３において、薄膜磁気センサ３０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜３２と、ＧＭＲ膜３２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨーク３４、３４とを備えている。薄膜ヨーク３４、３４は、ＧＭＲ膜３２より広い幅を有する短冊状を呈し、感磁方向と交差する方向に複数個の切り欠き３４ａ、３４ａ…が設けられている。

図３に示す例において、薄膜ヨーク３４、３４の中央部分（縦長部）の横幅は、ＧＭＲ膜３２の横幅とほぼ同等になっている。また、切り欠き３４ａ、３４ａ…は、くさび形になっており、くさびの先端は円弧状になっている。さらに、感磁方向に対して垂直方向に張り出した横長部の先端も、円弧状になっている。
薄膜ヨーク３４、３４…に関するその他の点は、図２に示す薄膜磁気センサ２０と同様である。

薄膜ヨーク３４、３４の中央部分（縦長部）は、感磁方向に沿って軟磁性材料が連続しており、磁気的につながった状態にある。薄膜ヨーク３４、２４の中央部分は、幅Ｗ₁に対して長さＬ₁が長いので、相対的に小さな反磁界係数Ｎ_Lを持つ。そのため、薄膜ヨーク３４、３４の中央部分は、外部磁界の増幅作用が大きく、より小さな外部磁界で磁化が飽和する。
一方、薄膜ヨーク３４、３４の両端部は、感磁方向に沿って軟磁性材料が連続しておらず、切り欠き３４ａ、３４ａ…により分断されている。中央部分から左右に張り出した横長部は、幅Ｗ₂に対して長さＬ₂が短く、しかも、横長部間がくさび形の切り欠き３４ａ、３４ａ…で分断されているために、薄膜ヨーク３４、３４の両端部は、相対的に大きな反磁界係数Ｎ_Hを持つ。そのため、薄膜ヨーク３４、３４の両端部分は、外部磁界の増幅作用が小さく、磁化を飽和させるためには、より大きな外部磁界が必要となる。

このような薄膜磁気センサ３０に対して低磁界が作用すると、専ら薄膜ヨーク３４、３４の中央部分（縦長部）のみによって増幅された外部磁界がＧＭＲ膜３２に作用する。そのため、低磁界領域を高精度に計測することができる。
一方、薄膜磁気センサ３０に高磁界が作用すると、両端に張り出した横長部にも磁束が流入する。流入した磁束は、切り欠き３４ａ、３４ａ…部分に漏れ出し、漏れ出した磁束の一部が隣接する横長部に流入する。そのため、薄膜磁気センサ３０に対して高磁界が作用すると、薄膜ヨーク３４、３４の中央部分だけでなく、切り欠き３４ａ、３４ａ…で分断された両端の横長部で増幅された外部磁界もＧＭＲ膜３２に作用する。そのため、高磁界領域を広範囲に渡って計測することができる。

なお、図３に示す薄膜磁気センサ３０において、薄膜ヨーク３４、３４は、中央に１個の縦長部があるが、縦長部を２個以上設けても良い。この場合、縦長部の寸法を最適化すると、寸法に応じた感度を有する薄膜磁気センサが得られる。
また、図３に示す薄膜磁気センサ３０は、単独で使用しても良く、あるいは、ハーフブリッジやフルブリッジを構成しても良い。

［３． 薄膜磁気センサの製造方法］
本発明に係る薄膜磁気センサは、フォトリソグラフィ技術を用いて、各薄膜を所定の順序で積層することにより得られる。
この場合、各薄膜の形成方法として、スパッタリング、真空蒸着といった各種ＰＶＤ、めっき、ＣＶＤ等の公知の方法を用いることができる。
また、所定の形状を有する薄膜は、
（１）基板表面全面に、所定の組成を有する薄膜を形成し、所定の形状パターンに従って、薄膜の不要部分をエッチング（例えば、Ａｒイオンビームエッチング、薬品によるウエットエッチング、あるいは反応性エッチングなど）により除去する方法、あるいは、
（２）基板表面にフォトレジスト等を用いて、所定の形状パターンを有するマスクを形成し、マスクの表面全体に所定の組成を有する薄膜を形成し、マスクを除去する方法、
により作製することができる。

［４． 薄膜磁気センサの作用］
薄膜ヨークに高感度部と低感度部とを設け、両者を電気的に直列に接続すると、低磁界が作用したときには、高感度部にのみ磁束が流れ込む。しかも、高感度部は、反磁界係数Ｎ_Lが相対的に小さいので、小さな磁界Ｈで磁化が飽和する。その結果、低磁界領域の磁気特性を高精度に測定することができる。
一方、高磁界が作用したときには、低感度部にも磁束が流れ込む。しかも、低感度部は、反磁界係数Ｎ_Hが相対的に大きいので、磁界Ｈに対する磁気抵抗ＭＲの傾きは小さくなるが、磁化を飽和させるためには、より大きな磁界Ｈが必要となる。その結果、高磁界領域を広範囲に渡って測定することができる。

（実施例１）
図１に示す薄膜磁気センサ１０を作製し、ＭＲ特性を評価した。なお、ＧＭＲ膜１２には、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂ナノグラニュラー合金を用い、薄膜ヨーク１４、１４には、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金を用いた。
また、薄膜ヨーク１４、１４の各部の寸法は、以下の通りである。
薄膜ヨーク１４、１４の全長Ｌ₁×縦棒部の幅Ｗ₁：１５０μｍ×２０μｍ
横棒部の長さＬ₂×横棒部の幅Ｗ₂： ２０μｍ×１５０μｍ

図４に、得られた薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す。図４より、|Ｈ|≦１０(Ｏｅ)の低磁場領域の傾きが大きく、|Ｈ|＞１０(Ｏｅ)の高磁場領域の傾きが小さくなっていることがわかる。これは、低磁場領域は高精度に、高磁場領域はラフではあるが広範囲に渡って、磁場を測定できることを示している。

（実施例２）
図２に示す薄膜磁気センサ２０を作製し、ＭＲ特性を評価した。なお、ＧＭＲ膜２２には、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂ナノグラニュラー合金を用い、薄膜ヨーク２４、２４には、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金を用いた。
また、薄膜ヨーク２４、２４の各部の寸法は、以下の通りである。
薄膜ヨーク２４、２４の全長Ｌ₁×縦長部の幅Ｗ₁：１５０μｍ×１０μｍ
横長部の長さＬ₂×横長部の幅Ｗ₂： １５μｍ×２０μｍ
切り欠きの長さＬ₃×切り欠きの幅Ｗ₃： ５μｍ×１μｍ

図５に、得られた薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す。図５より、|Ｈ|≦５(Ｏｅ)の低磁場領域の傾きが大きく、|Ｈ|＞５(Ｏｅ)の高磁場領域の傾きが小さくなっていることがわかる。これは、低磁場領域は高精度に、高磁場領域はラフではあるが広範囲に渡って、磁場を測定できることを示している。

（実施例３）
図３に示す薄膜磁気センサ３０を作製し、ＭＲ特性を評価した。なお、ＧＭＲ膜３２には、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂ナノグラニュラー合金を用い、薄膜ヨーク３４、３４には、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金を用いた。
また、薄膜ヨーク３４、３４の各部の寸法は、以下の通りである。
薄膜ヨーク２４、２４の全長Ｌ₁×縦長部の幅Ｗ₁：１５０μｍ×２０μｍ
横長部の長さＬ₂×横長部の幅Ｗ₂： ４０μｍ×１００μｍ

図６に、得られた薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す。図６より、|Ｈ|≦５(Ｏｅ)の低磁場領域の傾きが大きく、|Ｈ|＞５(Ｏｅ)の高磁場領域の傾きが小さくなっていることがわかる。これは、低磁場領域は高精度に、高磁場領域はラフではあるが広範囲に渡って、磁場を測定できることを示している。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る薄膜磁気センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、図１（ｂ）は、低感度センサの平面図、図１（ｃ）は、高感度センサの平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図である。 図１（ａ）に示す薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す図である。 図２に示す薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す図である。 図３に示す薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す図である。

符号の説明

１０、２０、３０ 薄膜磁気センサ
１２、２２、３２ ＧＭＲ膜
１４、２４、３４ 薄膜ヨーク
２４ａ、３４ａ 切り欠き

Claims (5)

1. 巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
   前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨークとを備え、
   前記薄膜ヨークは、
   感磁方向の反磁界係数がＮ_Lである高感度部と、
   前記高感度部と電気的に直列に接続された、感磁方向の反磁界係数がＮ_H（＞Ｎ_L）である低感度部と、
   を備え、
   前記薄膜ヨークは、
   （イ）縦棒部と横棒部からなるＴ字型、又は、
   （ロ）前記Ｔ字型の前記縦棒部がいずれか一方に偏ったＬ字型
   を呈し、前記横棒部を介して前記ＧＭＲ膜と電気的に接続している薄膜磁気センサ。
2. 巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
   前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨークとを備え、
   前記薄膜ヨークは、
   感磁方向の反磁界係数がＮ _L である高感度部と、
   前記高感度部と電気的に直列に接続された、感磁方向の反磁界係数がＮ _H （＞Ｎ _L ）である低感度部と、
   を備え、
   前記薄膜ヨークは、短冊状を呈し、感磁方向と交差する方向に１又は２以上の切り欠きが設けられている薄膜磁気センサ。
3. 前記薄膜ヨークは、その幅が前記ＧＭＲ膜と同一である請求項２に記載の薄膜磁気センサ。
4. 前記薄膜ヨークは、その幅が前記ＧＭＲ膜より大きい請求項２に記載の薄膜磁気センサ。
5. 前記ＧＭＲ膜は、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなる請求項１から４までのいずれかに記載の薄膜磁気センサ。

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