CN117136647A - 磁传感器 - Google Patents

Abstract

第一磁阻效应元件和第二磁阻效应元件各自包括上部电极(120)、下部电极(130)、以及夹在上部电极(120)和下部电极(130)之间的磁阻效应层叠体(110)。在磁阻效应层叠体(110)中，依次层叠具有沿一定方向固定的磁化的磁化固定层、第一非磁性层、以及磁化方向根据信号磁场而变化的磁化自由层。在磁阻效应层叠体(110)的层叠方向上，上部电极(120)位于磁化自由层的与第一非磁性层侧相反的一侧。上部电极(120)和下部电极(130)各自由包括磁性体的磁性体膜构成。

Description

磁传感器

技术领域

本发明涉及一种磁传感器。

背景技术

作为公开了磁阻效应元件的结构的现有文献，有日本特开2018-59730号公报(专利文献1)。专利文献1中记载的磁阻效应元件具备多个磁阻效应层叠体和多个引线电极。多个磁阻效应层叠体排列成阵列状。多个引线电极将多个磁阻效应层叠体电串联连接。磁阻效应层叠体具有从下部引线电极侧依次层叠有反铁磁层、磁化固定层、非磁性层、以及自由层的结构。在磁阻效应层叠体中，电阻值根据自由层的磁化方向相对于磁化固定层的磁化方向所成的角度而变化，该角度在0°时电阻值为最小，在180°时电阻值为最大。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-59730号公报。

发明内容

发明所要解决的课题

为了维持磁阻效应元件的磁场检测精度，要求磁化固定层的磁化方向一定。在对磁化固定层施加了高强度的磁场的情况下，磁化固定层的磁化方向变化，磁阻效应元件的磁场检测精度降低。

本发明是鉴于上述的问题点而作出的，其目的在于提供一种能够降低施加在磁化固定层的磁场、抑制磁场检测精度的降低的磁传感器。

用于解决课题的技术手段

根据本发明的磁传感器具备第一磁阻效应元件和第二磁阻效应元件。第二磁阻效应元件与第一磁阻效应元件电连接而构成电桥电路，并且，在被施加了信号磁场时，表现出与第一磁阻效应元件相反方向的电阻变化。第一磁阻效应元件和第二磁阻效应元件各自包括上部电极、下部电极、以及夹在上部电极和下部电极之间的磁阻效应层叠体。在磁阻效应层叠体中，依次层叠具有沿一定方向固定的磁化的磁化固定层、第一非磁性层、以及磁化方向根据信号磁场而变化的磁化自由层。在磁阻效应层叠体的层叠方向上，上部电极位于磁化自由层的与第一非磁性层侧相反的一侧。上部电极和下部电极各自由包括磁性体的磁性体膜构成。

发明的效果

根据本发明，能够降低施加在磁化固定层的磁场，抑制磁场检测精度的降低。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的立体图。

图2是从箭头II方向观察图1的磁阻效应元件得到的局部侧视图。

图3是放大示出图2的磁阻效应元件的III部的局部侧视图。

图4是示出本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的电连接的电路图。

图5是示出本发明的实施方式一所涉及的磁传感器的结构的电路图。

图6是示出在本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场时的上部电极、下部电极、以及磁化自由层各自的磁化方向的图。

图7是示出实施例一中的信号磁场引起的上部电极和下部电极各自的磁化过程的曲线图。

图8是示出实施例一中的信号磁场到达磁阻效应元件的中心部、端部、以及外周部中的每一者的磁场强度的曲线图。

图9是示出本发明的实施方式二所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。

图10是放大示出图9的磁阻效应元件的X部的局部侧视图。

图11是示出在本发明的实施方式二所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场时的上部电极、下部电极、以及磁化自由层各自的磁化方向的图。

图12是示出实施例二中的信号磁场引起的上部电极和下部电极各自的磁化过程的曲线图。

图13是示出实施例二中的信号磁场到达磁阻效应元件的中心部、端部、以及外周部中的每一者的磁场强度的曲线图。

图14是示出本发明的实施方式二的变形例所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。

图15是示出本发明的实施方式三所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。

图16是示出本发明的实施方式三所涉及的磁传感器的结构的电路图。

图17是示出在本发明的实施方式三所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件沿与XY平面平行的方向被施加了外部磁场，同时沿与XY平面正交的方向被施加了信号磁场的状态的图。

图18是示出实施例三中的信号磁场到达磁阻效应元件的中心部、端部、以及外周部中的每一者的磁场强度的曲线图。

图19是示出本发明的实施方式三的变形例所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的各实施方式所涉及的磁传感器。在以下的实施方式的说明中，对图中相同或相当的部分赋予相同的符号，不重复其说明。

(实施方式一)

图1是示出本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的立体图。图2是从箭头II方向观察图1的磁阻效应元件得到的局部侧视图。图3是放大示出图2的磁阻效应元件的III部的局部侧视图。

如图1至图3所示，本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件100包括上部电极120、下部电极130、以及夹在上部电极120和下部电极130之间的磁阻效应层叠体110。

上部电极120在X轴方向和Y轴方向上相互隔开间隔地配置成矩阵状。在本实施方式中，上部电极120具有圆板状的形状。上部电极120的直径例如为9μm。上部电极120的厚度例如为0.1μm。相互相邻的上部电极120的中心彼此的间隔P2例如为20μm。

下部电极130在X轴方向和Y轴方向上相互隔开间隔地配置成矩阵状。在本实施方式中，下部电极130具有圆板状的形状。下部电极130的直径例如为9μm。下部电极130的厚度例如为0.1μm。相互相邻的下部电极130的中心彼此的间隔P2例如为20μm。下部电极130在Z轴方向上与上部电极120的一部分隔开间隔地相对。

上部电极120和下部电极130各自由包含磁性体的磁性体膜构成。磁性体膜可以由铁磁层的单层构成，也可以由层叠了多个层的层叠膜构成。例如，磁性体膜也可以是按铁磁层、非磁性层、以及铁磁层的顺序层叠而成的层叠膜。

包含在磁性体膜中的铁磁层由包含Co、Fe、以及Ni中的至少一种元素作为主要成分的磁性材料构成。作为构成包含在磁性体膜中的铁磁层的材料，例如可以举出NiFe、CoFe、CoFeB、或CoFeNi等。包含在磁性体膜中的非磁性层由表现出RKKY相互作用的、以Ru、Rh、Cr、或Ir、或者它们的合金为主要成分的非磁性材料构成。

磁阻效应层叠体110夹在相互相对的上部电极120和下部电极130之间。磁阻效应层叠体110具有圆柱状的形状。磁阻效应层叠体110的直径例如为3μm。磁阻效应层叠体110的厚度例如为0.035μm。

在本实施方式中，在相互相对的上部电极120和下部电极130之间，在Y轴方向上相互隔开间隔地配置有第一磁阻效应层叠体Ra和第二磁阻效应层叠体Rb。相互相邻的第一磁阻效应层叠体Ra和第二磁阻效应层叠体Rb的中心彼此的间隔P1例如为10μm。在X轴方向上相互相邻的第一磁阻效应层叠体Ra彼此的中心间隔例如为10μm。在X轴方向上相互相邻的第二磁阻效应层叠体Rb彼此的中心间隔例如为10μm。

在本实施方式中，磁阻效应元件100是隧道磁阻(TMR：Tunnel MagnetoResistance)元件。在磁阻效应层叠体110中，依次层叠了具有沿一定方向固定的磁化的磁化固定层、非磁性层、以及磁化方向根据信号磁场而变化的磁化自由层。

具体而言，如图3所示，在下部电极130上依次层叠有基底层114、反铁磁层115、钉扎层116、耦合层117、参考层111、第一非磁性层112、以及磁化自由层113。在此，由钉扎层116、耦合层117、以及参考层111构成的层叠铁磁固定层是磁化固定层。

磁化自由层113是磁化方向根据诸如信号磁场的外部磁场而改变的软铁磁层。磁化自由层113由以Co、Fe、以及Ni中的至少一种元素为主要成分的磁性材料构成。例如，由CoFe、NiFe、CoFeB或Heusler合金等构成。磁化自由层113可以由单层构成，也可以由层叠铁磁自由层构成。

第一非磁性层112例如是由MgO构成的非磁性隧道阻挡层，是厚度薄到能够通过基于量子力学的隧道电流的程度的层。此外，第一非磁性层112除了MgO以外，也可以由Al、Ti、或Hf等的氧化物或氮化物构成。

参考层111通过耦合层117与钉扎层116反铁磁性耦合。即，参考层111的磁化方向与钉扎层116的磁化方向反平行。参考层111由CoFe、CoFeB或Heulser合金等铁磁材料构成。

耦合层117由诸如Ru、Ir、Rh或Cr的产生RKKY相互作用的非磁性材料构成。钉扎层116由诸如CoFe或CoFeB的铁磁材料构成。反铁磁层115由包含Ni、Fe、Pd、Pt和Ir中的任一种元素和Mn的合金、包含Pd、Pt和Mn的合金、或包含Cr、Pt和Mn的合金等这样包含Mn的反铁磁材料构成。具体而言，反铁磁层115由IrMn、PtMn、PdPtMn、或CrPtMn构成。

基底层114是为了使反铁磁层115的晶体适当地生长而设置的。基底层114例如由Ta、W、Mo、Cr、Ti、Zr、Ni、Au、Ag、Cu、Pt、Ru、或Ni-Fe等构成。

如图1所示，包括在X轴方向上排列的上部电极120和下部电极130的多个电极列通过由非磁性材料形成的布线相互连接，并接线成曲折(meander)状。具体而言，位于第一电极列的端部的上部电极120连接有第一布线L1。位于第一电极列和第二电极列各自的端部的下部电极130彼此通过第二布线L2相互连接。位于第二电极列和第三电极列各自的端部的上部电极120彼此通过第三布线L3相互连接。位于第三电极列的端部的下部电极130连接有第四布线L4。

图4是示出本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的电连接的电路图。如图4所示，在磁阻效应元件100中，第一磁阻效应层叠体Ra和第二磁阻效应层叠体Rb相互并联连接而成的多个并联连接部相互串联连接。

图5是示出本发明的实施方式一所涉及的磁传感器的结构的电路图。如图5所示，本发明的实施方式一所涉及的磁传感器1具备：第一磁阻效应元件100(MR1)、第二磁阻效应元件100(MR2)、第三磁阻效应元件100(MR3)、以及第四磁阻效应元件100(MR4)。

第一磁阻效应元件100(MR1)、第二磁阻效应元件100(MR2)、第三磁阻效应元件100(MR3)、以及第四磁阻效应元件100(MR4)以全桥相互连接，构成电桥电路。

具体而言，第一磁阻效应元件100(MR1)和第二磁阻效应元件100(MR2)相互串联连接而成的第一串联电路与第三磁阻效应元件100(MR3)和第四磁阻效应元件100(MR4)相互串联连接而成的第二串联电路并联连接。在电桥电路上可施加驱动电压V。第一串联电路的中点和第二串联电路的中点与差动放大器10电连接。

此外，磁传感器1不限于具备全桥电路的结构，也可以具备第一磁阻效应元件100(MR1)和第二磁阻效应元件100(MR2)电连接而成的半桥电路。

在本实施方式中，第一磁阻效应元件100(MR1)、第二磁阻效应元件100(MR2)、第三磁阻效应元件100(MR3)、以及第四磁阻效应元件100(MR4)各自检测与上述层叠方向(Z轴方向)正交的方向的磁场分量。

即，第一磁阻效应元件100(MR1)、第二磁阻效应元件100(MR2)、第三磁阻效应元件100(MR3)、以及第四磁阻效应元件100(MR4)各自的参考层111的磁化方向D1～D4与XY平面平行。

如图5所示，第一磁阻效应元件100(MR1)的参考层111的磁化方向D1和第四磁阻效应元件100(MR4)的参考层111的磁化方向D4、与第二磁阻效应元件100(MR2)的参考层111的磁化方向D2和第三磁阻效应元件100(MR3)的参考层111的磁化方向D3相互反平行。

由此，在沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场时，第二磁阻效应元件100(MR2)表现出与第一磁阻效应元件100(MR1)相反方向的电阻变化。同样，在沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场时，第三磁阻效应元件100(MR3)表现出与第四磁阻效应元件100(MR4)相反方向的电阻变化。

如图3所示，在磁阻效应层叠体110的层叠方向(Z轴方向)上，上部电极120位于磁化自由层113的与第一非磁性层112侧相反的一侧。上部电极120和磁化自由层113相互磁耦合。

图6是示出在本发明的实施方式一所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场时的上部电极、下部电极、以及磁化自由层各自的磁化方向的图。

在本发明的实施方式一所涉及的磁传感器1所具备的磁阻效应元件100，如图6所示，在沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场B1时，信号磁场B1主要流入比磁阻效应层叠体110导磁率高的上部电极120和下部电极130中的每一者。在上部电极120和下部电极130各自饱和磁化之前，信号磁场B1几乎不流入磁阻效应层叠体110。在上部电极120和下部电极130各自饱和磁化后，信号磁场B1流入磁阻效应层叠体110。

如图6所示，上部电极120通过信号磁场B1沿着信号磁场B1的施加方向在磁化方向B2上被磁化。下部电极130通过信号磁场B1沿着信号磁场B1的施加方向在磁化方向B3上被磁化。由于磁化自由层113与上部电极120磁耦合，所以通过上部电极120在磁化方向B2上被磁化，磁化自由层113在与磁化方向B2一致的磁化方向B4上被磁化。

在本实施方式中，上部电极120和下部电极130各自作为磁屏蔽发挥功能，能够降低流入磁阻效应层叠体110的信号磁场B1，进而降低施加于磁化固定层的信号磁场B1，抑制磁阻效应元件100的磁场检测精度的降低。

另外，即使在施加于磁阻效应层叠体110的信号磁场B1降低的状态下，由于与上部电极120磁耦合的磁化自由层113的磁化方向B4与上部电极120的磁化方向B2一致，所以在磁阻效应元件100中，也产生与信号磁场B1的施加方向对应的磁阻变化。因此，可以通过磁传感器1检测信号磁场B1的施加方向。即，磁传感器1能够检测在产生信号磁场B1的同时绕旋转轴旋转的磁性体等的旋转角度。

在此，对本实施方式的实施例一所涉及的磁传感器1的磁阻效应元件100施加了信号磁场的模拟分析进行说明。

作为模拟分析条件，上部电极120和下部电极130各自由80Ni-Fe(坡莫合金)构成。上部电极120和下部电极130各自的厚度为0.1μm。上部电极120和下部电极130各自的直径为9μm。磁阻效应层叠体110的厚度为0.035μm。磁阻效应层叠体110的直径为3μm。

图7是示出实施例一中的信号磁场引起的上部电极和下部电极各自的磁化过程的曲线图。在图7中，纵轴示出磁化，横轴示出信号磁场(mT)。如图7所示，当信号磁场B1为10mT以上时，上部电极120和下部电极130各自饱和磁化。

图8是示出实施例一中的信号磁场到达磁阻效应元件的中心部、端部、以及外周部中的每一者的磁场强度的曲线图。在图8中，纵轴示出磁场强度(mT)，横轴示出信号磁场(mT)。另外，在图8中，用实线示出到达图6所示的磁阻效应元件100的中心部C的磁场强度，用虚线示出到达图6所示的磁阻效应元件100的端部E的磁场强度，用单点划线示出到达图6所示的磁阻效应元件100的外周部D的磁场强度。此外，磁阻效应元件100的中心部C、端部E、以及外周部D各自位于参考层111所处的XY平面内。

如图8所示，信号磁场B1以原来的磁场强度作用于磁阻效应元件100的外周部D。信号磁场B1以降低了约40mT的磁场强度作用在磁阻效应元件100的端部E。信号磁场B1以降低了约50mT的磁场强度作用在磁阻效应元件100的中心部C。

从上述的模拟结果可以确认，能够在上部电极120和下部电极130各自饱和磁化之前，几乎不向磁化固定层施加磁场，在上部电极120和下部电极130各自饱和磁化之后，也能够将施加在磁化固定层上的磁场降低40mT～50mT。

在本实施方式所涉及的磁传感器1中，上部电极120和下部电极130各自由包含磁性体的磁性体膜构成。由此，上部电极120和下部电极130各自作为磁屏蔽发挥功能，能够降低流入磁阻效应层叠体110的信号磁场B1，进而降低施加于磁化固定层的信号磁场B1，抑制磁阻效应元件100的磁场检测精度的降低。另外，也能够抑制信号磁场B1以外的外部磁场流入磁阻效应层叠体110。由此，也能够抑制磁阻效应元件100的磁场检测精度的降低。其结果，磁传感器1能够高精度地检测信号磁场B1。

在本实施方式所涉及的磁传感器1中，第一磁阻效应元件100(MR1)和第二磁阻效应元件100(MR2)各自检测与层叠方向(Z轴方向)正交的方向(XY平面内方向)的磁场分量，上部电极120和磁化自由层113相互磁耦合。由此，磁化自由层113的磁化方向B4与上部电极120的磁化方向B2一致，因此，在第一磁阻效应元件100(MR1)和第二磁阻效应元件100(MR2)各自产生与信号磁场B1的施加方向对应的磁阻变化。由于第二磁阻效应元件100(MR2)表现出与第一磁阻效应元件100(MR1)相反方向的电阻变化，所以增大信号磁场B1引起的电桥电路中的第一磁阻效应元件100(MR1)和第二磁阻效应元件100(MR2)之间的中间电位的变化量，能够高精度地检测信号磁场B1的XY平面内的施加方向。

在本实施方式中，上部电极120和下部电极130各自具有圆板状的形状。由此，能够使磁传感器1对信号磁场B1的检测特性不产生各向异性。

此外，构成下部电极130的磁性体膜也可以由层叠了包含反铁磁层的多个层的层叠膜构成。这种情况下，由于下部电极130的导磁率因交换耦合而降低，所以可以使下部电极130不易饱和磁化。其结果，能够降低流入磁阻效应层叠体110的信号磁场B1，直到信号磁场B1的强度较高的范围。进而，磁传感器1能够高精度地检测信号磁场B1，直到信号磁场B1的强度较高的范围。

(实施方式二)

以下，参照附图对本发明的实施方式二所涉及的磁传感器进行说明。关于本发明的实施方式二所涉及的磁传感器，主要在构成上部电极的磁性体膜由包含反铁磁层的层叠膜构成这一点上与本发明的实施方式一所涉及的磁传感器1不同，因此对于与本发明的实施方式一所涉及的磁传感器1相同的结构不重复说明。

图9是示出本发明的实施方式二所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。图10是放大示出图9的磁阻效应元件的X部的局部侧视图。

如图9和图10所示，本发明的实施方式二所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件200包括上部电极220、下部电极130、以及夹在上部电极220和下部电极130之间的磁阻效应层叠体110。

上部电极220在X轴方向和Y轴方向上相互隔开间隔地配置成矩阵状。在本实施方式中，上部电极220具有圆板状的形状。但是，上部电极220的形状不限于圆柱状，也可以是棱柱状。上部电极220的直径例如为9μm。上部电极220的厚度例如为0.2μm。相互相邻的上部电极220的中心彼此的间隔例如为20μm。

构成上部电极220的第一磁性体膜由层叠了包含反铁磁层222的多个层的层叠膜构成。在本实施方式中，第一磁性体膜是依次层叠了铁磁层221和反铁磁层222的层叠膜。

反铁磁层222由包含Ni、Fe、Pd、Pt和Ir中的任一种元素和Mn的合金、包含Pd、Pt和Mn的合金、或包含Cr、Pt和Mn的合金等这样包含Mn的反铁磁材料构成。

图11是示出在本发明的实施方式二所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件沿与XY平面平行的方向被施加了信号磁场时的上部电极、下部电极、以及磁化自由层各自的磁化方向的图。

如图11所示，在上部电极220中，通过铁磁层221和反铁磁层222的交换耦合来固定上部电极220的磁化方向B5。磁化方向B5平行于XY平面。

在本发明的实施方式二所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件200，如图11所示，在XY平面内沿与磁化方向B5正交的方向被施加了信号磁场B1时，信号磁场B1主要流入比磁阻效应层叠体110导磁率高的上部电极220和下部电极130中的每一者。在上部电极220和下部电极130各自饱和磁化之前，信号磁场B1几乎不流入磁阻效应层叠体110。在上部电极220和下部电极130各自饱和磁化后，信号磁场B1流入磁阻效应层叠体110。

在本实施方式中，构成上部电极220的磁性体膜由层叠了包含反铁磁层的多个层的层叠膜构成，上部电极220的导磁率因交换耦合而降低，因此上部电极220难以饱和磁化。其结果，能够降低流入磁阻效应层叠体110的信号磁场B1，直到信号磁场B1的强度较高的范围。

如图11所示，上部电极220在将磁化方向B5和信号磁场B1的施加方向合成后的磁化方向B2上被磁化。直到上部电极220饱和磁化为止，磁化方向B2根据信号磁场B1的强度而变化。下部电极130通过信号磁场B1沿着信号磁场B1的施加方向在磁化方向B3上被磁化。由于磁化自由层113与上部电极220磁耦合，所以通过上部电极220在磁化方向B2上被磁化，磁化自由层113在与磁化方向B2一致的磁化方向B4上被磁化。

在本实施方式中，上部电极220和下部电极130各自作为磁屏蔽发挥功能，能够降低流入磁阻效应层叠体110的信号磁场B1，进而降低施加于磁化固定层的信号磁场B1，抑制磁阻效应元件200的磁场检测精度的降低。

另外，即使在施加于磁阻效应层叠体110的信号磁场B1降低的状态下，由于与上部电极220磁耦合的磁化自由层113的磁化方向B4与上部电极120的磁化方向B2一致，所以在磁阻效应元件200中，会产生与信号磁场B1的强度对应的磁阻变化。因此，通过本实施方式所涉及的磁传感器能够检测信号磁场B1的强度。即，本实施方式所涉及的磁传感器能够检测与在产生信号磁场B1的同时靠近或远离的磁性体等的距离。

在此，对本实施方式的实施例二所涉及的磁传感器的磁阻效应元件200被施加了信号磁场的模拟分析进行说明。

作为模拟分析条件，上部电极220的铁磁层221和下部电极130各自由80Ni-Fe(坡莫合金)构成。上部电极220的反铁磁层222由PtMn构成。上部电极220的厚度为0.2μm。下部电极130的厚度为0.1μm。上部电极220和下部电极130各自的直径为9μm。磁阻效应层叠体110的厚度为0.035μm。磁阻效应层叠体110的直径为3μm。

图12是示出实施例二中的信号磁场引起的上部电极和下部电极各自的磁化过程的曲线图。在图12中，纵轴示出磁化，横轴示出信号磁场(mT)。另外，用实线示出上部电极220的磁化过程，用虚线示出下部电极130的磁化过程。

如图12所示，当信号磁场B1为10mT以上时，下部电极130饱和磁化。在信号磁场B1小于100mT的范围内，上部电极220与信号磁场B1的强度成比例地磁化，当信号磁场B1为100mT以上时，上部电极220饱和磁化。

图13是示出实施例二中的信号磁场到达磁阻效应元件的中心部、端部、以及外周部中的每一者的磁场强度的曲线图。在图13中，纵轴示出磁场强度(mT)，横轴示出信号磁场(mT)。另外，在图13中，用实线示出到达图11所示的磁阻效应元件200的中心部C的磁场强度，用虚线示出到达图11所示的磁阻效应元件200的端部E的磁场强度，用单点划线示出到达图11所示的磁阻效应元件200的外周部D的磁场强度。此外，磁阻效应元件200的中心部C、端部E、以及外周部D各自位于参考层111所处的XY平面内。

如图13所示，信号磁场B1以原来的磁场强度作用于磁阻效应元件200的外周部D。与信号磁场B1的施加方向相反方向的磁场以信号磁场B1的约1/5的强度作用在磁阻效应元件200的端部E。降低到信号磁场B1的约1/25的磁场强度作用在磁阻效应元件200的中心部C。

从上述的模拟结果可以确认，能够在上部电极220饱和磁化之前，几乎不向磁化固定层施加磁场，即使在上部电极220饱和磁化之后，也能够将施加到磁化固定层的磁场降低到信号磁场B1的约1/25的强度。

在本实施方式所涉及的磁传感器中，通过构成上部电极220的磁性体膜由层叠了包含反铁磁层的多个层的层叠膜构成，上部电极220的导磁率因交换耦合而降低，因此能够使上部电极220难以饱和磁化。其结果，能够降低流入磁阻效应层叠体110的信号磁场B1，直到信号磁场B1的强度较高的范围。进而，磁传感器1能够高精度地检测信号磁场B1，直到信号磁场B1的强度较高的范围。

另外，由于上部电极220的磁化方向B5通过交换耦合而被固定，所以上部电极220在被施加了信号磁场B1时，在磁化方向B5和信号磁场B1的施加方向被合成后的磁化方向B2上被磁化。直到上部电极220饱和磁化为止，磁化方向B2根据信号磁场B1的强度而变化。与上部电极220磁耦合后的磁化自由层113的磁化方向B4与上部电极120的磁化方向B2一致，因此在磁阻效应元件200中产生与信号磁场B1的强度对应的磁阻变化。因此，本实施方式所涉及的磁传感器能够检测信号磁场B1的强度，直到上部电极220饱和磁化。

此外，构成上部电极220的第一磁性体膜的结构不限于上述结构。图14是示出本发明的实施方式二的变形例所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。

如图14所示，本发明的实施方式二的变形例所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件200a包括上部电极220a、下部电极130、以及夹在上部电极220a和下部电极130之间的磁阻效应层叠体110。

构成上部电极220a的第一磁性体膜是依次层叠了铁磁层221、非磁性层223、铁磁层224、以及反铁磁层222的层叠膜。非磁性层223由Ru等产生RKKY相互作用的非磁性材料构成。通过在第一磁性体膜中插入由Ru等构成的非磁性层223，能够使上部电极220a的磁化方向B5反转180°。由此，能够使上部电极220a更难以饱和磁化。本变形例所涉及的磁传感器能够检测信号磁场B1的强度，直到上部电极220a饱和磁化的较高的范围。

(实施方式三)

以下，参照附图对本发明的实施方式三所涉及的磁传感器进行说明。关于本发明的实施方式三所涉及的磁传感器，主要在磁阻效应元件检测上述层叠方向(Z轴方向)的磁场分量、上部电极和磁化自由层相互不磁耦合这些点上与本发明的实施方式一所涉及的磁传感器1不同，因此对于与本发明的实施方式一所涉及的磁传感器1相同的结构不重复说明。

图15是示出本发明的实施方式三所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。如图15所示，本发明的实施方式三所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件300包括上部电极320、下部电极130、以及夹在上部电极320和下部电极130之间的磁阻效应层叠体310。

上部电极320在X轴方向和Y轴方向上相互隔开间隔地配置成矩阵状。在本实施方式中，上部电极320具有圆板状的形状。上部电极320的直径例如为9μm。上部电极320的厚度例如为0.1μm。相互相邻的上部电极320的中心彼此的间隔例如为20μm。

上部电极320由包含磁性体的磁性体膜构成。磁性体膜可以由铁磁层的单层构成，也可以由层叠了多个层的层叠膜构成。例如，磁性体膜也可以是按铁磁层、非磁性层和铁磁层的顺序层叠而成的层叠膜。

磁阻效应层叠体310夹在彼此相对的上部电极320和下部电极130之间。磁阻效应层叠体310具有圆柱状的形状。磁阻效应层叠体310的直径例如为3μm。磁阻效应层叠体310的厚度例如为0.035μm。

在磁阻效应层叠体310中，依次层叠具有沿一定方向固定的磁化的磁化固定层311、第一非磁性层112、以及磁化方向根据信号磁场而变化的磁化自由层113。

具体而言，在下部电极130上依次层叠有基底层114、磁化固定层311、第一非磁性层112、磁化自由层113、以及第二非磁性层312。即，在上部电极320和磁化自由层113之间设置有第二非磁性层312。

磁化固定层311由诸如TbFeCo的铁磁材料的单层构成。磁化固定层311可以由层叠了Pd和Co等的层叠膜或层叠了Pt和Co等的层叠膜构成。磁化固定层311的磁化方向与磁阻效应层叠体310的层叠方向(Z轴方向)平行。

第二非磁性层312由Ru、Cu、Ti、Ta、Pt、Pd、Au和Ag中的任意一种金属、包含这些金属中的任意一种金属的合金、或这些金属的多层膜构成。

图16是示出本发明的实施方式三所涉及的磁传感器的结构的电路图。如图16所示，本发明的实施方式三所涉及的磁传感器3具备：第一磁阻效应元件300(MR1)、第二磁阻效应元件300(MR2)、第三磁阻效应元件300(MR3)、以及第四磁阻效应元件300(MR4)。

第一磁阻效应元件300(MR1)、第二磁阻效应元件300(MR2)、第三磁阻效应元件300(MR3)、以及第四磁阻效应元件300(MR4)以全桥相互连接，构成电桥电路。

此外，磁传感器3不限于具备全桥电路的结构，也可以具备第一磁阻效应元件300(MR1)和第二磁阻效应元件300(MR2)电连接而成的半桥电路。

在本实施方式中，第一磁阻效应元件300(MR1)、第二磁阻效应元件300(MR2)、第三磁阻效应元件300(MR3)、以及第四磁阻效应元件300(MR4)各自检测上述层叠方向(Z轴方向)的磁场分量。

即，第一磁阻效应元件300(MR1)、第二磁阻效应元件300(MR2)、第三磁阻效应元件300(MR3)、以及第四磁阻效应元件300(MR4)各自的磁化固定层311的磁化方向D31～D34与XY平面正交。

如图16所示，第一磁阻效应元件300(MR1)的磁化固定层311的磁化方向D31和第四磁阻效应元件300(MR4)的磁化固定层311的磁化方向D34、与第二磁阻效应元件300(MR2)的磁化固定层311的磁化方向D32和第三磁阻效应元件300(MR3)的磁化固定层311的磁化方向D33相互反平行。

由此，在沿与XY平面正交的方向被施加了信号磁场时，第二磁阻效应元件300(MR2)表现出与第一磁阻效应元件300(MR1)相反方向的电阻变化。同样，在沿与XY平面正交的方向被施加了信号磁场时，第三磁阻效应元件300(MR3)表现出与第四磁阻效应元件300(MR4)相反方向的电阻变化。

如图15所示，通过在上部电极320和磁化自由层113之间设置第二非磁性层312，上部电极320和磁化自由层113相互不磁耦合。

图17是示出在本发明的实施方式三所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件沿与XY平面平行的方向被施加了外部磁场，同时沿与XY平面正交的方向被施加了信号磁场的状态的图。

在本发明的实施方式三所涉及的磁传感器3所具备的磁阻效应元件300，如图17所示，沿与XY平面平行的方向被施加了外部磁场B9时，外部磁场B9主要流入比磁阻效应层叠体310导磁率高的上部电极320和下部电极130的每一者。在上部电极320和下部电极130各自饱和磁化之前，外部磁场B9几乎不流入磁阻效应层叠体310。在上部电极320和下部电极130各自饱和磁化后，外部磁场B9流入磁阻效应层叠体310。

由于上部电极320和下部电极130各自的Z轴方向上的导磁率低，所以如图17所示，在沿与XY平面正交的方向施加了信号磁场B31时，信号磁场B31通过上部电极320流入磁阻效应层叠体310。其结果，磁化自由层113沿着信号磁场B31的施加方向被磁化。此外，由于磁化自由层113与上部电极320相互不磁耦合，所以即使上部电极320被外部磁场B9磁化，磁化自由层113的磁化方向也不受上部电极320的磁化方向的影响。

在本实施方式中，上部电极320和下部电极130各自作为磁屏蔽发挥功能，能够降低流入磁阻效应层叠体310的外部磁场B9，进而降低施加于磁化固定层311的外部磁场B9，抑制磁阻效应元件300的磁场检测精度的降低。

另外，由于磁化自由层113与上部电极320相互不磁耦合，所以能够检测通过上部电极320流入磁阻效应层叠体310的信号磁场B31的强度。

在此，对本实施方式的实施例三所涉及的磁传感器3的磁阻效应元件300在Z轴方向上被施加了信号磁场的模拟分析进行说明。

作为模拟分析条件，上部电极320和下部电极130各自由80Ni-Fe(坡莫合金)构成。上部电极320和下部电极130各自的厚度为0.1μm。上部电极320和下部电极130各自的直径为9μm。磁阻效应层叠体310的厚度为0.035μm。磁阻效应层叠体310的直径为3μm。

图18是示出实施例三中的信号磁场到达磁阻效应元件的中心部、端部、以及外周部中的每一者的磁场强度的曲线图。在图18中，纵轴示出磁场强度(mT)，横轴示出信号磁场(mT)。另外，在图18中，用实线示出到达图17所示的磁阻效应元件300的中心部C的磁场强度，用虚线示出到达图17所示的磁阻效应元件300的端部E的磁场强度，用单点划线示出到达图17所示的磁阻效应元件300的外周部D的磁场强度。另外，磁阻效应元件300的中心部C、端部E、以及外周部D各自位于磁化固定层311所处的XY平面内。

如图18所示，信号磁场B31以原来的磁场强度作用于磁阻效应元件300的中心部C、端部E、以及外周部D中的每一者。从上述的模拟结果可以确认，可以通过磁阻效应元件300检测信号磁场B31的强度。

在本实施方式所涉及的磁传感器3中，能够在抑制在XY平面内方向上施加的外部磁场B9引起的磁阻效应元件300的磁场检测精度的降低的同时，检测在与XY平面正交的方向上施加的信号磁场B31的强度。

此外，构成上部电极320的第一磁性体膜的结构不限于上述结构。图19是示出本发明的实施方式三的变形例所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件的结构的局部侧视图。

如图19所示，本发明的实施方式三的变形例所涉及的磁传感器所具备的磁阻效应元件300a包括上部电极320a、下部电极130、以及夹在上部电极320a和下部电极130之间的磁阻效应层叠体310。

构成上部电极320a的第一磁性体膜是依次层叠了铁磁层321、非磁性层322、以及铁磁层323的层叠膜。非磁性层322由Ru等非磁性的高导电性材料构成。此外，也可以在铁磁层323上进一步层叠反铁磁层。

通过在第一磁性体膜中插入由Ru等构成的非磁性层322，能够使上部电极320a的磁化方向反转180°。由此，能够使上部电极320a更难以饱和磁化。本变形例所涉及的磁传感器能够降低流入磁阻效应层叠体310的外部磁场B9的强度，直到外部磁场B9的强度较高的范围。

在上述的实施方式的说明中，也可以将可组合的结构相互组合。在上述的实施方式中，说明了磁阻效应元件是TMR元件的情况，但本发明不限于此，例如，磁阻效应元件也可以是巨磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。在这种情况下，第一非磁性层112不是隧道阻挡层，而必须是例如Cu、Au或Cr等高导电性的非磁性材料层。

应认为本次公开的实施方式以及实施例在所有方面均为例示而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，其意图包含与权利要求书等同的含义以及范围内的所有变更。

标号的说明

1、3磁传感器，10差动放大器，100、200、200a、300、300a磁阻效应元件，110、

310磁阻效应层叠体，111参考层，112第一非磁性层，113磁化自由层，114基底层，115、

222反铁磁层，116钉扎层，117耦合层，120、220、220a、320、320a上部电极，130下部电极，221、224、321、323铁磁层，223、322非磁性层，311磁化固定层，312第二非磁性层，B1、B31信号磁场，B9外部磁场，C中心部，D外周部，E端部，L1第一布线，L2第二布线，L3第三布线，L4第四布线，Ra第一磁阻效应层叠体，Rb第二磁阻效应层叠体，V驱动电压。

Claims (5)

1.一种磁传感器，具备：

第一磁阻效应元件；以及

第二磁阻效应元件，其与所述第一磁阻效应元件电连接而构成电桥电路，并且，在被施加了信号磁场时，表现出与所述第一磁阻效应元件相反方向的电阻变化，

所述第一磁阻效应元件和所述第二磁阻效应元件各自包括上部电极、下部电极、以及夹在所述上部电极和所述下部电极之间的磁阻效应层叠体，

在所述磁阻效应层叠体中，依次层叠具有沿一定方向固定的磁化的磁化固定层、第一非磁性层、以及磁化方向根据所述信号磁场而变化的磁化自由层，

在所述磁阻效应层叠体的层叠方向上，所述上部电极位于所述磁化自由层的与第一非磁性层侧相反的一侧，

所述上部电极和所述下部电极各自由包括磁性体的磁性体膜构成。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，在所述磁性体膜中，构成所述上部电极的第一磁性体膜由层叠了多个层的层叠膜构成。

3.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，所述层叠膜包括反铁磁层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其中，所述第一磁阻效应元件和所述第二磁阻效应元件各自检测与所述层叠方向正交的方向的磁场分量，

所述上部电极和所述磁化自由层相互磁耦合。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其中，所述第一磁阻效应元件和所述第二磁阻效应元件各自检测所述层叠方向的磁场分量，

通过在所述上部电极与所述磁化自由层之间设置第二非磁性层，所述上部电极与所述磁化自由层相互不磁耦合。