CN105891739A

CN105891739A - 磁传感器

Info

Publication number: CN105891739A
Application number: CN201610089953.9A
Authority: CN
Inventors: 驹﨑洋亮
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP6202282B2; DE102016102601B4; CN105891739B; US20160238674A1; JP2016151448A; DE102016102601A1; US10060992B2

Abstract

本发明提供一种磁传感器。磁传感器包括MR元件和偏置磁场发生部。MR元件具有沿着Z方向层叠的磁化固定层、非磁性层和自由层。偏置磁场发生部具有沿Z方向层叠的第一反铁磁性层、铁磁性层和第二反铁磁性层。偏置磁场发生部具有位于Z方向的两端的第一端面和第二端面。MR元件配置成，MR元件整体被包括在将与偏置磁场发生部的第一端面相当的假想平面沿着Z方向向与第二端面相反侧移动而形成的空间内。

Description

磁传感器

技术领域

本发明涉及包括磁检测元件和用于产生施加到该磁检测元件的偏置磁场的偏置磁场发生部的磁传感器。

背景技术

近年来，在各种用途中，使用用于检测与动作体的旋转动作或直线动作相关的物理量的磁传感系统。一般来说，磁传感系统包括标尺(scale)和磁传感器，由磁传感器生成与标尺和磁传感器的相对位置关系相关的信号。

磁传感器包括用于检测作为检测对象的磁场的磁检测元件。以下，将作为检测对象的磁场称作对象磁场。在日本专利申请公开2003-215145号公报、日本专利申请公开2008-151759号公报和日本专利申请公开2012-185044号公报中记载有使用所谓的自旋阀(spin-valve)型的磁阻效应元件(以下记作MR元件。)作为磁检测元件的磁传感器。自旋阀型的MR元件包括具有磁化方向固定的磁化固定层、磁化根据对象磁场变化的自由层和配置在磁化固定层和自由层之间的非磁性层。自旋阀型的MR元件包括非磁性层为隧道势垒层的TMR元件和非磁性层为非磁性导电层的GMR元件。

磁传感器中，有一种是包括对磁检测元件施加偏置磁场的单元的部件。偏置磁场例如用于使磁检测元件对对象磁场的强度变化线性地做出响应。另外，利用自旋阀型的MR元件的磁传感器中，偏置磁场还用于在没有对象磁场时使自由层单磁畴化，且使自由层的磁化的方向朝向固定的方向。

日本专利申请公开2003-215145号公报和日本专利申请公开2008-151759号公报中，记载有包括自旋阀型的MR元件和用于产生偏置磁场的永磁铁的磁传感器。

日本专利申请公开2012-185044号公报中，记载有包括自旋阀型的MR元件和与MR元件的自由层接触从而在与自由层之间产生交换耦合磁场的反铁磁性层的磁传感器。

如日本专利申请公开2003-215145号公报和日本专利申请公开2008-151759号公报中所记载的、使用永磁铁作为产生偏置磁场的单元的磁传感器存在如下的问题。这种磁传感器通常在对象磁场的强度不超过永磁铁的矫顽力的条件下使用。但是，磁传感器可能在各种环境下使用，所以有可能发生超过永磁铁的矫顽力的强度的外部磁场暂时施加到永磁铁的情况。当这样的外部磁场暂时施加到永磁铁时，有时永磁铁的磁化方向从初始的方向改变，即使外部磁场消失，也保持从初始的方向改变后的状态。这种情况下，导致偏置磁场的方向从期望的方向改变。

另一方面，如日本专利申请公开2012-185044号公报中所记载的那样，以与MR元件的自由层接触的方式设置有反铁磁性层的磁传感器有如下的第一和第二个问题。第一个问题是，因为自由层与反铁磁性层交换耦合导致自由层具有磁各向异性，结果是，自由层的矫顽力增加，MR元件对对象磁场的响应的线性有可能变差。第二个问题是，构成反铁磁性层的原子，例如IrMn等Mn类反铁磁性材料中的Mn在自由层内扩散，结果导致，MR元件的磁阻变化率有可能下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对磁检测元件施加稳定的偏置磁场的磁传感器。

本发明的磁传感器包括：用于检测对象磁场的至少一个磁检测元件；和用于产生对至少一个磁检测元件施加的偏置磁场的偏置磁场发生部。偏置磁场发生部包括沿第一方向层叠的铁磁性层和第一反铁磁性层，并且具有位于第一方向的两端的第一端面和第二端面。铁磁性层具有位于第一方向的两端的第一面和第二面。第一反铁磁性层与铁磁性层的第一面接触而与铁磁性层交换耦合。至少一个磁检测元件配置成，至少一个磁检测元件中的各个磁检测元件的至少一部分被包括在将与偏置磁场发生部的第一端面相当的假想平面沿着第一方向向与第二端面相反的一侧移动而形成的空间内。

在本发明的磁传感器中，铁磁性层可以具有与正交于第一方向的第二方向平行的方向的磁化，至少一个磁检测元件的位置上的偏置磁场可以包括与铁磁性层的磁化的方向相反方向的分量。

另外，偏置磁场发生部的第一端面可以包括各自具有面积的第一端部区域、第二端部区域和中央区域。第一端部区域包括位于第一端面的第二方向的一端的第一端部。第二端部区域包括位于第一端面的第二方向的另一端的第二端部。中央区域位于第一端部区域和第二端部区域之间，以正交于第二方向的第一边界线为界与第一端部区域相邻，并且以正交于第二方向的第二边界线为界与第二端部区域相邻。至少一个磁检测元件可以配置成，至少一个磁检测元件整体被包括在将与中央区域相当的假想平面沿着第一方向向与偏置磁场发生部的第二端面相反的一侧移动而形成的空间内。第一端部和第一边界线之间的距离以及第二端部和第二边界线之间的距离均可以为第一端部和第二端部之间的距离的10％或35％。

另外，在本发明的磁传感器中，至少一个磁检测元件可以是至少一个磁阻效应元件。至少一个磁阻效应元件可以包括：磁化方向固定的磁化固定层；磁化根据对象磁场而变化的自由层；和，配置在磁化固定层和自由层之间的非磁性层。磁化固定层、非磁性层和自由层可以沿着第一方向层叠。本发明的磁传感器还可以包括：第一电极和第二电极，其相对于至少一个磁阻效应元件而言位于第一方向的两侧，并对至少一个磁阻效应元件供给电流。此时，偏置磁场发生部可以配置在第一电极和至少一个磁阻效应元件之间。

在本发明的磁传感器中，偏置磁场发生部还可以包括：第二反铁磁性层，其与铁磁性层的第二面接触而与铁磁性层交换耦合。

在本发明的磁传感器的偏置磁场发生部中，通过第一反铁磁性层与铁磁性层交换耦合，从而规定铁磁性层的磁化的方向。在该偏置磁场发生部中，即便暂时施加强度大到使铁磁性层的磁化的方向反转的外部磁场，只要那样的外部磁场消失，铁磁性层的磁化的方向就会回到初始方向。因此，根据本发明的磁传感器，也能够对磁检测元件施加稳定的偏置磁场。

本发明的其他目的、特征和优点将通过以下的说明变得显而易见。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的磁传感系统的概略的结构的立体图。

图2是本发明的第一实施方式的磁传感器的立体图。

图3是本发明的第一实施方式的磁传感器的电路图。

图4是将图2所示的磁传感器的一部分放大表示的立体图。

图5是将图2所示的磁传感器的一部分放大表示的侧视图。

图6是表示图2所示的偏置磁场发生部的结构的一例的侧视图。

图7是表示图2所示的MR元件的结构的一例的侧视图。

图8是表示图2所示的磁传感器的偏置磁场发生部与MR元件的位置关系的俯视图。

图9是表示图2所示的磁传感器的偏置磁场发生部与MR元件的位置关系的立体图。

图10是表示永磁铁的磁化曲线的特性图。

图11是表示图6所示的偏置磁场发生部的磁化曲线的特性图。

图12是表示图9所示的基准平面上的偏置磁场的基准分量的强度分布的特性图。

图13是将本发明的第二实施方式的磁传感器的一部分放大表示的侧视图。

图14是表示本发明的第三实施方式的磁传感系统的概略的结构的立体图。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，参照图1，对包括本发明的第一实施方式的磁传感器的磁传感系统的一例进行说明。图1是表示本实施方式的磁传感系统的结构的立体图。图1所示的磁传感系统包括本实施方式的磁传感器1和产生磁传感器1所检测的对象磁场的旋转标尺(rotation scale)50。旋转标尺50与进行旋转动作的未图示的动作体联动，以规定的中心轴C为中心沿着旋转方向D旋转。由此，旋转标尺50与磁传感器1的相对位置关系在旋转方向D上变化。磁传感系统检测与旋转标尺50和磁传感器1的相对位置关系相关的物理量。具体而言，磁传感系统检测与旋转标尺50联动的上述动作体的旋转位置和旋转速度等作为上述物理量。

如图1所示，旋转标尺50是具有在圆周方向上交替排列的多组N极和S极的多极磁化磁铁。图1所示的例子中，旋转标尺50具有六组的N极和S极。磁传感器1配置在与旋转标尺50的外周面相对的位置。

对象磁场的方向根据旋转标尺50与磁传感器1的相对位置关系的变化而周期性地变化。在本实施方式中，对象磁场的方向随着旋转标尺50的旋转而变化。图1所示的例子中，旋转标尺50旋转一周时，对象磁场的方向旋转六周即变化六个周期。

接着，参照图2和图3对磁传感器1进行说明。图2是磁传感器1的立体图。图3是磁传感器1的电路图。磁传感器1包括检测对象磁场的至少一个磁检测元件和产生对至少一个磁检测元件施加的偏置磁场的至少一个偏置磁场发生部。在本实施方式中，至少一个磁检测元件是至少一个磁阻效应元件(以下记作MR元件)。在本实施方式中，作为MR元件，利用自旋阀型的MR元件。在后文将详细说明，自旋阀型的MR元件包括磁化固定层、自由层、和配置在磁化固定层与自由层之间的非磁性层。磁化固定层、非磁性层和自由层沿着第一方向层叠。在本实施方式中，将第一方向定义为Z方向。另外，将与Z方向垂直且彼此正交的两个方向定义为X方向和Y方向。

另外，在本申请中使用的X方向、Y方向、Z方向均如图2中双向的箭头所示，定义为包括特定的一个方向及其反方向。另一方面，磁场的方向和磁化的方向定义为仅表示特定的一个方向。

在本实施方式中，特别地，磁传感器1包括四个MR元件10A、10B、10C、10D作为至少一个MR元件。另外，磁传感器1包括与MR元件10A、10B、10C、10D对应的四个偏置磁场发生部20A、20B、20C、20D作为至少一个偏置磁场发生部。偏置磁场发生部20A、20B、20C、20D分别产生对对应的MR元件10A、10B、10C、10D施加的偏置磁场。以下，对任意的MR元件标注附图标记10来表示，对任意的偏置磁场发生部标注附图标记20来表示。

磁传感器1还包括未图示的基板、两个上部电极31、32和两个下部电极41、42。下部电极41、42配置在未图示的基板之上。上部电极31具有基部310、从基部310分支为两支的支部311、312。上部电极32具有基部320、从基部320分支为两支的支部321、322。下部电极41具有基部410、从基部410分支为两支的支部411、412。下部电极42具有基部420、从基部420分支为两支的支部421、422。上部电极31的支部311与下部电极41的支部411相对。上部电极31的支部312与下部电极42的支部421相对。上部电极32的支部321与下部电极41的支部412相对。上部电极32的支部322与下部电极42的支部422相对。

MR元件10A配置在下部电极41的支部411之上。MR元件10B配置在下部电极42的支部421之上。MR元件10C配置在下部电极42的支部422之上。MR元件10D配置在下部电极41的支部412之上。偏置磁场发生部20A、20B、20C、20D分别配置在MR元件10A、10B、10C、10D之上。上部电极31的支部311配置在偏置磁场发生部20A之上。上部电极31的支部312配置在偏置磁场发生部20B之上。上部电极32的支部322配置在偏置磁场发生部20C之上。上部电极32的支部321配置在偏置磁场发生部20D之上。

上部电极31和下部电极41位于相对于MR元件10A的第一方向(Z方向)的两侧，对MR元件10A供给电流。偏置磁场发生部20A配置在上部电极31和MR元件10A之间。

上部电极31和下部电极42位于相对于MR元件10B的第一方向(Z方向)的两侧，对MR元件10B供给电流。偏置磁场发生部20B配置在上部电极31和MR元件10B之间。

上部电极32和下部电极42位于相对于MR元件10C的第一方向(Z方向)的两侧，对MR元件10C供给电流。偏置磁场发生部20C配置在上部电极32和MR元件10C之间。

上部电极32和下部电极41位于相对于MR元件10D的第一方向(Z方向)的两侧，对MR元件10D供给电流。偏置磁场发生部20D配置在上部电极32和MR元件10D之间。

上部电极31、32各自与本发明的第一电极对应。下部电极41、42各自与本发明的第二电极对应。

如图2所示，上部电极31的基部310包括第一输出端口E1。上部电极32的基部320包括第二输出端口E2。下部电极41的基部410包括电源端口V。下部电极42的基部420包括接地端口G。

MR元件10A和MR元件10B经由上部电极31串联连接。MR元件10C和MR元件10D经由上部电极32串联连接。

如图3所示，MR元件10A的一端与电源端口V连接。MR元件10A的另一端与第一输出端口E1连接。MR元件10B的一端与第一输出端口E1连接。MR元件10B的另一端与接地端口G连接。MR元件10A、10B构成半桥电路。MR元件10C的一端与第二输出端口E2连接。MR元件10C的另一端与接地端口G连接。MR元件10D的一端与电源端口V连接。MR元件10D的另一端与第二输出端口E2连接。MR元件10C、10D构成半桥电路。MR元件10A、10B、10C、10D构成惠斯通电桥电路。

对电源端口V施加规定大小的电源电压。接地端口G接地。MR元件10A、10B、10C、10D各自的阻值根据对象磁场而变化。MR元件10A、10C的阻值以相同相位变化。MR元件10B、10D的阻值以与MR元件10A、10C相差180°的相位变化。第一输出端口E1输出与MR元件10A、10B的连接点的电位对应的第一检测信号。第二输出端口E2输出与MR元件10D、10C的连接点的电位对应的第二检测信号。第一检测信号和第二检测信号根据对象磁场而变化。第二检测信号的相位与第一检测信号的相位相差180°。磁传感器1的输出信号通过包括求取第一检测信号和第二检测信号之差的运算而生成。例如，磁传感器1的输出信号通过从第一检测信号中减去第二检测信号得到的信号加上规定的偏移电压而生成。该磁传感器1的输出信号根据对象磁场而变化。

接着，参照图4至图6，对偏置磁场发生部20进行详细说明。图4是将图2所示的磁传感器1的一部分放大表示的立体图。图5是将图2所示的磁传感器1的一部分放大表示的侧视图。图6是表示图2所示的偏置磁场发生部20的结构的一例的侧视图。另外，在图4和图5中，附图标记30表示任意的上部电极(第一电极)，附图标记40表示任意的下部电极(第二电极)。

如图6所示，偏置磁场发生部20具有位于第一方向(Z方向)的两端的第一端面20a和第二端面20b。如图5所示，第一端面20a朝向下部电极40，与MR元件10接触。第二端面20b与上部电极30接触。

另外，如图6所示，偏置磁场发生部20包括沿着第一方向层叠的铁磁性层22和第一反铁磁性层21。铁磁性层22具有位于第一方向(Z方向)的两端的第一面22a和第二面22b。第一反铁磁性层21与铁磁性层22的第一面22a接触而与铁磁性层22交换耦合。图6所示的例子中，偏置磁场发生部20还包括与铁磁性层22的第二面22b接触而与铁磁性层22交换耦合的第二反铁磁性层23。此例中，沿着第一方向，第一反铁磁性层21、铁磁性层22和第二反铁磁性层23被依次层叠。

铁磁性层22具有与正交于第一方向(Z方向)的第二方向平行的方向的磁化。在本实施方式中，令第二方向为Y方向。偏置磁场发生部20中，第一和第二反铁磁性层21、23与铁磁性层22交换耦合，由此确定铁磁性层22的磁化的方向。图5中的白色箭头表示铁磁性层22的磁化的方向。基于铁磁性层22的磁化，偏置磁场发生部20产生包括对MR元件10施加的偏置磁场Hb的磁场。图5中的曲线的箭头表示偏置磁场发生部20所产生的磁场。MR元件10的位置的偏置磁场Hb包括与第二方向(Y方向)平行且与铁磁性层22的磁化的方向相反方向的分量作为主分量。

铁磁性层22由含Co、Fe、Ni中的一个以上的元素的铁磁性材料形成。作为这种铁磁性材料的例子可以列举CoFe、CoFeB、或CoNiFe。铁磁性层22可以由多层的且相邻的两层由彼此不同的铁磁性材料构成的层叠体构成。作为这种铁磁性层22的例子，可以列举Co层、CoFe层和Co层的层叠体、或Co₇₀Fe₃₀层、Co₃₀Fe₇₀层和Co₇₀Fe₃₀层的层叠体。其中，Co₇₀Fe₃₀表示由70原子％的Co和30原子％的Fe构成的合金。Co₃₀Fe₇₀表示由30原子％的Co和70原子％的Fe构成的合金。第一和第二反铁磁性层21、23由IrMn、PtMn等反铁磁性材料形成。铁磁性层22的厚度优选为8nm以上。令铁磁性层22的材料为CoFe，铁磁性层22的厚度为8nm左右时，能够由偏置磁场发生部20生成10Oe(1Oe＝79.6A/m)左右的强度的偏置磁场Hb。

另外，第二反铁磁性层23也可以不是偏置磁场发生部20所必须的构成要素，可以不设置。

接着，参照图7，对MR元件10的结构的一例进行说明。图7是表示MR元件10的结构的一例的侧视图。MR元件10至少包括：具有方向固定的磁化的磁化固定层13、磁化根据对象磁场变化的自由层15、和配置在磁化固定层13与自由层15之间的非磁性层14。

图7所示的例子中，MR元件10还具有衬底层11、反铁磁性层12和保护层16。在该例子中，衬底层11、反铁磁性层12、磁化固定层13、非磁性层14、自由层15和保护层16依次从下部电极40侧起沿着第一方向(Z方向)层叠。衬底层11和保护层16具有导电性。衬底层11用于消除未图示的基板的晶轴的影响，提高在衬底层11之上形成的各层的结晶性和取向性。作为衬底层11的材料，例如使用Ta或Ru。反铁磁性层12是通过与磁化固定层13的交换耦合而固定磁化固定层13中的磁化的方向的层。反铁磁性层12由IrMn、PtMn等反铁磁性材料形成。

在磁化固定层13中，通过与反铁磁性层12的交换耦合，固定磁化的方向。在图7所示的例子中，磁化固定层13具有依次层叠在反铁磁性层12之上的外侧层131、非磁性中间层132和内侧层133，即成为所谓的合成(synthetic)固定层。外侧层131和内侧层133例如由CoFe、CoFeB、CoNiFe等铁磁性材料形成。外侧层131通过与反铁磁性层12的交换耦合，磁化的方向固定。外侧层131和内侧层133反铁磁地耦合，磁化的方向被固定为彼此成反方向。非磁性中间层132在外侧层131和内侧层133之间产生反铁磁性交换耦合，将外侧层131的磁化的方向和内侧层133的磁化的方向以彼此成反方向而固定。非磁性中间层132由Ru等非磁性材料形成。当磁化固定层13具有外侧层131、非磁性中间层132和内侧层133时，磁化固定层13的磁化的方向是指内侧层133的磁化的方向。

当MR元件10为TMR元件时，非磁性层14是隧道势垒层。隧道势垒层例如可以为使镁层的一部分或整体氧化而形成的。当MR元件10为GMR元件时，非磁性层14为非磁性导电层。自由层15例如由CoFe、CoFeB、NiFe、CoNiFe等软磁性材料形成。保护层16是用于保护其下各层的层。作为保护层16的材料，可以使用Ta、Ru、W、Ti等。

衬底层11与下部电极40连接，保护层16与偏置磁场发生部20连接。MR元件10由下部电极40和连接到偏置磁场发生部20的上部电极30供给电流。该电流在与构成MR元件10的各层的面相交的方向，例如与构成MR元件10的各层的面垂直的方向即第一方向(Z方向)流动。

在MR元件10中，自由层15的磁化根据对自由层15施加的磁场而变化。更详细说明，自由层15的磁化的方向和大小根据对自由层15施加的磁场的方向和大小而变化。MR元件10的阻值根据自由层15的磁化的方向和大小而变化。例如，当自由层15的磁化的大小固定时，在自由层15的磁化的方向与磁化固定层13的磁化的方向相同时，MR元件10的阻值成为最小值，而在自由层15的磁化的方向与磁化固定层13的磁化的方向成为相反方向时，MR元件10的阻值成为最大值。

接着，参照图2，对MR元件10A～10D各自的磁化固定层13的磁化的方向进行说明。图2中，标注附图标记10AP、10BP、10CP、10DP的箭头分别表示MR元件10A、10B、10C、10D的磁化固定层的磁化的方向。如图2所示，MR元件10A中的磁化固定层13的磁化的方向10AP是与X方向平行的第三方向(图2中向左侧的方向)，MR元件10B中的磁化固定层13的磁化的方向10BP是与第三方向相反侧的第四方向(图2中向右侧的方向)。此时，根据对象磁场在与第三和第四方向平行的方向即X方向上的分量的强度，MR元件10A、10B的连接点的电位发生变化。第一输出端口E1输出与MR元件10A、10B的连接点的电位对应的第一检测信号。第一检测信号表示对象磁场在X方向上的分量的强度。

另外，如图2所示，MR元件10C中的磁化固定层13的磁化的方向10CP是上述第三方向，MR元件10D中的磁化固定层13的磁化的方向10DP是上述第四方向。此时，根据对象磁场在与第三和第四方向平行的方向即X方向上的分量的强度，MR元件10C、10D的连接点的电位发生变化。第二输出端口E2输出与MR元件10C、10D的连接点的电位对应的第二检测信号。第二检测信号表示对象磁场在X方向上的分量的强度。

在MR元件10A和MR元件10D中，它们所包含的磁化固定层13的磁化的方向彼此为相反方向。另外，在MR元件10B和MR元件10C中，它们所包含的磁化固定层13的磁化的方向彼此为相反方向。因此，第二检测信号相对于第一检测信号的相位差为180°。

另外，从MR元件10A～10D的制作的精度等观点出发，MR元件10A～10D中的磁化固定层13的磁化的方向可以稍微偏离上述方向。

接着，参照图2，对偏置磁场发生部20A～20D所产生的偏置磁场Hb进行说明。图2中标注附图标记Hb的箭头表示位于离该箭头最近位置的MR元件10的位置上的偏振磁场Hb的方向。如图2所示，偏置磁场Hb在MR元件10A～10D的位置包含与Y方向(第二方向)平行的方向(图2中向右上侧的方向)的分量。偏置磁场Hb用于在对象磁场在与磁化固定层13的磁化的方向平行的方向(X方向)上的分量的强度为零时，使自由层15单磁畴化，且使自由层15的磁化的方向朝向固定的方向。

在图1所示的磁传感系统中，磁传感器1以Z方向为与连结配置磁传感器1的位置与中心轴C的直线平行或大致平行且X方向与垂直于中心轴C的假想平面平行或大致平行的姿态，配置在与旋转标尺50的外周面相对的位置。此时，MR元件10的位置上的偏置磁场Hb的主分量的方向(Y方向)与图1所示的中心轴C平行或大致平行。

接着，参照图2、图5、图8和图9，对磁检测元件(MR元件10)和偏置磁场发生部20的位置关系进行说明。图8是表示图2所示的磁传感器1的偏置磁场发生部20与MR元件10的位置关系的俯视图。图9是表示图2所示的磁传感器1中的偏置磁场发生部20与MR元件10的位置关系的立体图。首先，如图5和图9所示，将与偏置磁场发生部20的第一端面20a相当的假想平面沿第一方向(Z方向)向与第二端面20b相反侧移动而形成的空间，定义为空间S。至少一个磁检测元件配置成至少一个磁检测元件中的各个磁检测元件的至少一部分被包含在空间S内。在本实施方式中，特别是作为至少一个磁检测元件的一个MR元件10配置成其整体被包含在空间S内。

如图8和图9所示，偏置磁场发生部20的第一端面20a包括各自具有面积的第一端部区域R1、第二端部区域R2和中央区域R3。第一端部区域R1包括第一端面20a的位于第二方向(Y方向)的一端的第一端部20a1。第二端部区域R2包括第一端面20a的位于第二方向(Y方向)的另一端的第二端部20a3。中央区域R3位于第一端部区域R1和第二端部区域R2之间，以与第二方向正交的第一边界线L1为界，与第一端部区域R1相邻，并且以与第二方向正交的第二边界线L2为界与第二端部区域R2相邻。图8中，第一和第二边界线L1、L2以点划线表示。

此处，如图9所示，将与第一端部区域R1、第二端部区域R2、中央区域R3相当的三个假想平面沿第一方向(Z方向)向与偏置磁场发生部20的第二端面20b相反侧移动而形成的空间，分别定义为第一端部空间R1S、第二端部空间R2S、中央空间R3S。作为至少一个磁检测元件的一个MR元件10优选配置成其整体被包含在中央空间R3S内。以下，对这样配置MR元件10的情形进行说明。

如图8所示，第一端部20a1和第一边界线L1之间的距离以附图标记D1表示，第二端部20a2与第二边界线L2之间的距离以附图标记D2表示，第一端部20a1与第二端部20a2之间的距离以D3表示。距离D1、D2均优选为距离D3的10％，更优选为距离D3的35％。其原因在后文详细说明。

图2、图4、图5、图8和图9表示由一个偏置磁场发生部20确定的空间S内或中央空间R3S内仅配置有一个MR元件10的例子。但是，如后面第二实施方式中说明的那样，由一个偏置磁场发生部20确定的空间S内或中央空间R3S内也可以配置多个MR元件10。

接着，对本实施方式的磁传感器1和磁传感系统的作用和效果进行说明。在本实施方式中，偏置磁场发生部20包括铁磁性层22和第一反铁磁性层21，第一反铁磁性层21与铁磁性层22交换耦合。由此，确定铁磁性层22的磁化的方向。偏置磁场发生部20基于铁磁性层22的磁化，产生对MR元件10施加的偏置磁场Hb。

此处，与使用永磁铁来代替偏置磁场发生部20作为产生偏置磁场的单元的比较例的磁传感器作比较，对本实施方式的磁传感器1的效果进行说明。首先，参照图10和图11，比较永磁铁的磁化曲线和偏置磁场发生部20的磁化曲线。图10是表示永磁铁的磁化曲线的特性图。图11是表示偏置磁场发生部20的磁化曲线的特性图。图10和图11中，横轴表示磁场，纵轴表示磁化。关于磁场和磁化，均将规定方向上的大小表示为正值，与规定方向相反方向上的大小表示为负值。另外，磁化曲线中的箭头表示磁场的变化方向。另外，以附图标记HS表示的磁场的范围表示对象磁场的范围。

比较例的磁传感器在对象磁场的强度不超过永磁铁的矫顽力的条件下使用。但是，磁传感器可能要在各种环境下使用，所以可能出现超过永磁铁的矫顽力的强度的外部磁场暂时施加到永磁铁的情况。超过永磁铁的矫顽力的强度的外部磁场暂时施加到永磁铁时，永磁铁的磁化的方向从初始的方向发生变化，即使外部磁场消失，有时也仍然保持从初始方向改变的状态。例如，如图10所示，当超过对象磁场的范围HS的正值的外部磁场暂时施加于永磁铁时，外部磁场消失后，永磁铁的磁化的方向固定在正方向。另一方面，当超过对象磁场的范围HS的负值的外部磁场暂时施加于永磁铁时，外部磁场消失后，永磁铁的磁化的方向固定在负方向。因为这样，在比较例的磁传感器中，当超过永磁铁的矫顽力的强度的外部磁场暂时施加于永磁铁时，会有偏置磁场的方向从期望的方向改变的情况。

与此不同，在本实施方式的偏置磁场发生部20中，如从图11中能够理解的那样，即使暂时施加强度大到使铁磁性层22的磁化的方向反转的外部磁场，只要这样的外部磁场消失，铁磁性层22的磁化的方向就会回到初始方向。因此，根据本实施方式，能够对MR元件10施加稳定的偏置磁场Hb。这种效果通过偏置磁场发生部20包含第二反铁磁性层23而得到增强。

另外，在本实施方式中，至少一个MR元件10配置成，至少一个MR元件10的各个MR元件的至少一部分被包含在将与偏置磁场发生部20的第一端面20a相当的假想平面沿第一方向(Z方向)向第二端面20b相反侧移动而形成的空间S(参照图5和图9)内。即，在本实施方式中，偏置磁场发生部20的铁磁性层22和第一反铁磁性层21、以及MR元件10沿着第一方向(Z方向)排列。另外，在本实施方式中，上部电极30和下部电极40相对于至少一个MR元件10位于第一方向(Z方向)的两侧，偏置磁场发生部20配置在上部电极30与至少一个MR元件10之间。由此，根据本实施方式，能够以较少的工序更容易地制作包含偏置磁场发生部20、MR元件10、上部电极30和下部电极40的层叠体。

另外，在本实施方式中，MR元件10的自由层15和偏置磁场发生部20的第一反铁磁性层21之间，存在MR元件10的保护层16。因此，在本实施方式中，反铁磁性层不会与自由层15接触。因此，在本实施方式中，不发生反铁磁性层与自由层15接触所导致的问题。

另外，在本实施方式中，如图9所示，至少一个MR元件10配置成，至少一个MR元件10的整体被包含在中央空间R3S内。由此，根据本实施方式，能够对MR元件10施加均匀性高的偏置磁场Hb，且能够抑制偏置磁场Hb相对于偏置磁场发生部20与MR元件10的相对位置关系的变动的变动。以下，对该效果进行详细说明。

首先，如图9所示，将与MR元件10的自由层15相交且与偏置磁场发生部20的第一端面20a平行的假想平面，定义为基准平面RP。另外，在基准平面RP上，将与第一端部空间R1S、第二端部空间R2S、中央空间R3S相交的区域，分别定义为第一投影端部区域R1P、第二投影端部区域R2P、投影中央区域R3P。另外，在基准平面RP上，将与铁磁性层22的磁化的方向相反方向的偏置磁场Hb的分量定义为基准分量。基准分量是对MR元件10施加的偏置磁场Hb的主分量。

图12是表示基准平面RP上的偏置磁场Hb的基准分量的强度的特性图。图12中，横轴表示在基准平面RP上通过投影中央区域R3P的X方向和Y方向的中心且与Y方向平行的直线上的位置。图12的横轴中，令投影中央区域R3P的X方向和Y方向的中心(以下称作中心位置)为0μm，用负值表示相对于中心位置在第一端部20a1(参照图8和图9)侧的位置，用正值表示相对于中心位置在第二端部20a2(参照图8和图9)侧的位置。纵轴表示在上述基准平面RP上的偏置磁场Hb的基准分量的强度。另外，图12中，上述中心位置的偏置磁场Hb的基准分量的强度被归一化为100％。

另外，图12中，令图8所示的第一端部20a1和第二端部20a2之间的距离D3为10μm。图12中，基准分量的强度的两个峰值的位置(±5μm的位置)表示：在将与第一端部20a1和第二端部20a2相当的两个假想直线沿第一方向(Z方向)向与偏置磁场发生部20的第二端面20b相反侧移动时，该两个假想直线与基准平面RP相交的位置。另外，图12中，标注附图标记L11、L12的直线的位置均表示：在将与图8所示的位于第一端部区域R1和中央区域R3之间的第一边界线L1相当的假想直线，沿第一方向(Z方向)向与偏置磁场发生部20的第二端面20b相反侧移动时，该假想直线与基准平面RP相交的位置。直线L11的位置表示将图8所示的第一端部20a1与第一边界线L1之间的距离D1设为距离D3的10％时的位置。直线L12的位置表示将距离D1设为距离D3的35％时的位置。

同样，标注附图标记L21、L22的直线的位置均表示：在将与图8所示的位于第二端部区域R2和中央区域R3之间的第二边界线L2相当的假想直线沿第一方向(Z方向)向与偏置磁场发生部20的第二端面20b相反侧移动时，该假想直线与基准平面RP相交的位置。直线L21的位置表示将图8所示的第二端部20a2与第二边界线L2之间的距离D2设为距离D3的10％时的位置。直线L22的位置表示将距离D2设为距离D3的35％时的位置。

直线L11和直线L21之间的基准分量的强度分布表示：将距离D1、D2均设为距离D3的10％时的投影中央区域R3P上的基准分量的强度分布。直线L12与直线L22之间的基准分量的强度分布表示：将距离D1、D2均设为距离D3的35％时的投影中央区域R3P上的基准分量的强度分布。直线L11或直线L12与-5μm位置之间的基准分量的强度分布表示第一投影端部区域R1P上的基准分量的强度分布。直线L21或直线L22与5μm位置之间的基准分量的强度分布表示第二投影端部区域R2P上的基准分量的强度分布。

如图12所示，在投影中央区域R3P中，与第一和第二投影端部区域R1P、R2P相比，基准分量的强度的变化相对于第二方向(Y方向)上的位置的变化的梯度较小。因此，与将MR元件10配置成使MR元件10的至少一部分位于中央空间R3S外的情况相比，将MR元件10配置成MR元件10整体被包含在中央空间R3S内时，更加能够对MR元件10施加均匀性高的偏置磁场Hb，且更加能够抑制偏置磁场Hb相对于偏置磁场发生部20与MR元件10的相对位置关系的变动的变动。

从图12可知，当将距离D1、D2均设为距离D3的10％时，在投影中央区域R3P中，偏置磁场Hb的基准分量的强度落入前述的中心位置上的基准分量的强度的100％～300％的范围内。另外，当将距离D1、D2均设为距离D3的35％时，在投影中央区域R3P中，偏置磁场Hb的基准分量的强度落入前述的中心位置上的基准分量的强度的100％～120％的范围内。从减小在配置MR元件10的中央空间R3S中的偏置磁场Hb的基准分量的强度的变动的观点出发，距离D1、D2均优选为距离D3的10％，更加优选为距离D3的35％。

[第二实施方式]

接着，参考图13，对本发明的第二实施方式进行说明。图13是将本实施方式的磁传感器的一部分放大表示的侧视图。本实施方式的磁传感器1包括8个MR元件10、四个偏置磁场发生部20、未图示的基板、两个上部电极(第一电极)30、和两个下部电极(第二电极)40。在本实施方式中，在第一实施方式中说明的MR元件10A、10B、10C、10D的各自的位置，配置通过上部电极30和下部电极40并联连接的两个MR元件10。

在本实施方式中，并联连接的两个MR元件10配置成，两个MR元件10的各个MR元件的至少一部分被包含在由对应的偏置磁场发生部20确定的空间S内。该两个MR元件10中的磁化固定层13的磁化的方向相同。该两个MR元件10优选配置成两个MR元件10整体被包含在第一实施方式中说明的中央空间R3S内。这种情况下，能够对两个MR元件10施加均匀性高的偏置磁场Hb，且能够减小对两个MR元件10施加的偏置磁场Hb的强度差。

本实施方式的其他结构、作用和效果与第一实施方式相同。

[第三实施方式]

接着，参照图14，对本发明的第三实施方式进行说明。图14是表示本实施方式的磁传感系统的概略的结构的立体图。本实施方式的磁传感系统在如下方面与第一实施方式不同。本实施方式的磁传感系统包括直线标尺(linear scale)150，来替代旋转标尺50。直线标尺150具有交替直线状排列的多组的N极和S极。直线标尺150具有与N极和S极排列的方向平行的侧面。磁传感器1配置在与直线标尺150的侧面相对的位置。

直线标尺150和磁传感器1中的一者与未图示的动作体联动而在规定的方向D上直线移动。由此，直线标尺150相对于磁传感器1的相对位置在方向D上变化。方向D是直线标尺150的N极和S极排列的方向。磁传感系统例如检测与直线标尺150和磁传感器1中的一者联动的上述动作体的位置或速度，作为与直线标尺150与磁传感器1的相对位置关系相关的物理量。

在本实施方式中，对象磁场由直线标尺150产生，且对象磁场的方向随直线标尺150相对于磁传感器1的相对位置的变化而变化。

磁传感器1的结构既可以是与第一实施方式相同的结构，也可以是与第二实施方式相同的结构。本实施方式的其他结构、作用和效果与第一或第二实施方式相同。

另外，本发明不限于上述各实施方式，能够进行各种变更。例如，只要满足权利要求的要件，偏置磁场发生部20的形状和配置以及MR元件10的数量、形状和配置可以是任意的，而不限于各实施方式所示出的例子。

另外，MR元件10也可以从下面起依次层叠衬底层11、自由层15、非磁性层14、磁化固定层13、反铁磁性层12和保护层16而构成。

基于如上所述的说明，能够实施本发明的各种实施方式或变形例，这是显而易见的。因此，在所附权利要求的等同范围内，也能够以上述优选实施方式以外的实施方式实施本发明。

Claims

1.一种磁传感器，其特征在于：

包括：

用于检测作为检测对象的磁场的至少一个磁检测元件；和

用于产生对所述至少一个磁检测元件施加的偏置磁场的偏置磁场发生部，

所述偏置磁场发生部包括沿第一方向层叠的铁磁性层和第一反铁磁性层，并且具有位于所述第一方向的两端的第一端面和第二端面，

所述铁磁性层具有位于所述第一方向的两端的第一面和第二面，

所述第一反铁磁性层与所述铁磁性层的所述第一面接触而与所述铁磁性层交换耦合，

所述至少一个磁检测元件配置成，所述至少一个磁检测元件中的各个磁检测元件的至少一部分被包括在将与所述偏置磁场发生部的所述第一端面相当的假想平面沿着所述第一方向向与所述第二端面相反的一侧移动而形成的空间内。

2.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述铁磁性层具有与第二方向平行的方向的磁化，该第二方向与所述第一方向正交，

所述至少一个磁检测元件的位置上的所述偏置磁场包括与所述铁磁性层的所述磁化的方向相反方向的分量。

3.如权利要求2所述的磁传感器，其特征在于：

所述偏置磁场发生部的所述第一端面包括各自具有面积的第一端部区域、第二端部区域和中央区域，

所述第一端部区域包括位于所述第一端面的所述第二方向的一端的第一端部，

所述第二端部区域包括位于所述第一端面的所述第二方向的另一端的第二端部，

所述中央区域位于所述第一端部区域和所述第二端部区域之间，以正交于所述第二方向的第一边界线为界与所述第一端部区域相邻，并且以正交于所述第二方向的第二边界线为界与所述第二端部区域相邻，

所述至少一个磁检测元件配置成，所述至少一个磁检测元件整体被包括在将与所述中央区域相当的假想平面沿着所述第一方向向与所述偏置磁场发生部的所述第二端面相反的一侧移动而形成的空间内。

4.如权利要求3所述的磁传感器，其特征在于：

所述第一端部和所述第一边界线之间的距离以及所述第二端部和所述第二边界线之间的距离均为所述第一端部和所述第二端部之间的距离的10％。

5.如权利要求3所述的磁传感器，其特征在于：

所述第一端部和所述第一边界线之间的距离以及所述第二端部和所述第二边界线之间的距离均为所述第一端部和所述第二端部之间的距离的35％。

6.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述至少一个磁检测元件是至少一个磁阻效应元件。

7.如权利要求6所述的磁传感器，其特征在于：

所述至少一个磁阻效应元件包括：

具有方向固定的磁化的磁化固定层；

磁化根据所述检测对象的磁场而变化的自由层；和

配置在所述磁化固定层和所述自由层之间的非磁性层，

所述磁化固定层、所述非磁性层和所述自由层沿着所述第一方向层叠。

8.如权利要求7所述的磁传感器，其特征在于，还包括：

第一电极和第二电极，其相对于至少一个磁阻效应元件位于所述第一方向的两侧并对所述至少一个磁阻效应元件供给电流，

所述偏置磁场发生部配置在所述第一电极和所述至少一个磁阻效应元件之间。

9.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：

所述偏置磁场发生部还包括第二反铁磁性层，所述第二反铁磁性层与所述铁磁性层的所述第二面接触从而与所述铁磁性层交换耦合。