CN1918477A - 磁场检测器、和使用磁场检测器的电流检测器件、位置检测器件与旋转检测器件 - Google Patents

磁场检测器、和使用磁场检测器的电流检测器件、位置检测器件与旋转检测器件 Download PDF

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Abstract

一种磁场检测器，具有参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件。参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件每一个都具有叠层结构，该叠层结构包括反铁磁层、磁化方向由反铁磁层固定的铁磁材料的固定层、非磁性层、以及磁化方向适合于由外磁场改变的铁磁材料的自由层。参考磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此平行或反平行，磁场检测磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此不同。从而，可提供一种无论何时需要都能够独自校准检测器的灵敏性和分辨率的磁场检测器。

Description

磁场检测器、和使用磁场检测器的电流检测器件、 位置检测器件与旋转检测器件
技术领域
本发明涉及用于由巨磁电阻效应或隧道磁电阻效应检测磁场的磁场检测器，和使用磁场检测器的电流检测器件、位置检测器件与旋转检测器件。
背景技术
磁电阻(MR)效应是一种电阻随向铁磁材料施加的磁场而改变的现象，并且用于磁场检测器和磁头。近年来，人工晶格膜，如Fe/Cr、Co/Cu已经作为表现出非常大的磁电阻效应的巨磁电阻(GMR)效应材料广为人知了。
而且，人们也知道了一种称为自旋阀膜的膜，该膜具有包括铁磁层、非磁性层、铁磁层以及反铁磁层的结构，其中非磁性金属层具有基本上消除铁磁层之间切换的连接功能的厚度，与反铁磁层相邻的铁磁层的磁矩被特定铁磁层与反铁磁层之间的切换的连接固定为所谓的固定层，而仅另一铁磁层的自旋构成容易被外磁场反向的自由层。反铁磁材料由FeMn、IrMn、PtMn等形成。在这种情况下，两个铁磁层之间的切换的连接很弱，以致于在微弱的小磁场下可将自旋反转。从而可提供高灵敏性的磁电阻元件，将其用作高密度磁记录和读出头。上述自旋阀膜通过在膜表面内提供电流来使用。
另一方面，已知可利用向与膜表面垂直的方向上提供电流的垂直磁电阻效应来产生更大的磁电阻效应。
另外，已知由于铁磁隧道耦合引起的隧道磁电阻(TMR)效应，其利用在铁磁膜、绝缘膜和铁磁膜的三层膜中在垂直于膜表面的方向上隧道电流强度因将两个铁磁层的自旋设置成与外磁场平行或反平行而不同的事实。
近年来，使用GMR或TMR元件作为磁场检测器也开始了研究。在本文中，研究带有由两个不同矫顽力的铁磁层夹持的非磁性金属层的伪自旋阀型磁电阻元件和上述自旋阀型的磁电阻元件。在作为磁检测器的应用中，随构成每个元件的两个铁磁层的磁化方向形成的相对角度响应于外磁场改变来改变电阻值。电阻值的这种改变通过在提供恒流时读出电压改变信号而检测到。读出过程使用GMR或TMR效应来执行。
GMR元件的磁电阻变化小于TMR元件的磁电阻变化，为了获得大的改变率，需要反复设置铁磁层和非磁性层的叠层结构。而且，在垂直于膜表面的方向上提供电流的GMR元件不需要加长。由于GMR元件电阻小于TMR元件的，但是，需要电流量增加来产生大的输出信号。结果，增加了功率消耗。另外，在如上所述向膜表面内的方向上提供电流的GMR元件中，需要元件中有足够的电流路径，因此要求增加元件长度以产生大的磁电阻效应。
由于上述原因，磁场检测器需要使用可产生大输出信号并可按任意形状提供的TMR元件。
另外，已经提出一种技术，其中不把单个磁电阻元件用于测量，而是使用4个磁电阻元件形成桥路，并且带有相反磁化方向的固定层的元件组合一起，形成高输出磁场检测器(见日本专利No.3017061)。
专利文献1：日本专利No.3017061
发明内容
上述磁电阻元件的使用使得可以基于磁电阻元件的电压变化测量外磁场。而且，通过使用上述桥路技术，可产生大输出信号。
但是，自由层的饱和磁场依赖于自由层的厚度和形状，因此容易受到由于制造过程中的重复性引起的变化的影响，导致每个检测器之间不同。如上所述，需要TMR元件用作磁电阻元件。但是，在这种情况下元件电阻对隧道绝缘层的厚度敏感，因此容易受到由于制造过程中的重复性引起的变化的影响，导致每个检测器之间不同。因此在电阻变化率和饱和磁场改变的情况下，根据特定变化量检测到的磁场产生误差。另外，电阻变化率和饱和磁场也随工作温度改变。结果检测器的灵敏度和分辨率也改变。
在已有技术中，为了校准它们，要求使用磁场发生器施加磁场测量每个检测器的输出信号和饱和磁场。而且，为了校准元件特性随温度的改变，要求对每个温度进行上述测量以校准输出信号。
但是，在传统的磁场检测器中，检测灵敏度和分辨率的改变不容易被检测到和校准，为了执行该检测和校准，要求巨磁场发生器来产生已知的外磁场。
因此，本发明的一个目的是提供一种磁场检测器和检测方法以及使用该检测器和检测方法的物理量测量器件，其中无论何时需要都可用单个检测器校准检测器的灵敏度和分辨率。
根据本发明，提供一种磁场检测器，包括参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件，其特征在于参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件每一个都具有叠层结构，该叠层结构包括一方面是由反铁磁层和其磁化方向由反铁磁层固定的铁磁材料形成的固定层、另一方面是由非磁性层和其磁化方向由外磁场改变的铁磁材料形成的自由层，参考磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此平行或反平行，磁场检测磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此不同。
在上述磁场检测器中，可在任何时候不使用磁场发生器校准电阻改变率。而且，通过在向其施加外磁场时参考不存在磁场情况下的具有磁场响应的磁电阻元件，可在同一检测器中比较输出信号，从而甚至在元件灵敏度改变的情况下都可产生稳定的输出信号。
附图说明
图1是描述磁电阻元件的自由层和固定层的磁化方向的图；
图2是描述磁电阻元件的元件电阻对外磁场的依赖性的图；
图3是描述根据第一实施方式的磁场检测器的配置的平面图；
图4是表示根据第一实施方式的磁场检测器的磁电阻元件的截面结构的简图；
图5是描述根据第一实施方式的磁场检测器的输出信号的图；
图6是描述根据第二实施方式的磁场检测器的配置的平面图；
图7是描述根据第三实施方式的磁场检测器的配置的平面图；
图8是描述根据第四实施方式的磁场检测器的配置的平面图；
图9是描述根据第四实施方式的另一磁场检测器的配置的平面图；
图10是描述根据第五实施方式的磁场检测器的配置的平面图；
图11是描述根据第五实施方式的另一磁场检测器的配置的平面图；
图12是描述根据第六实施方式的电流检测器件的透视图；
图13是描述根据第七实施方式的位置检测器件的透视图；
图14是描述根据第八实施方式的旋转检测器件的侧视图；
图15是描述根据第九实施方式的磁场检测器的配置的图；
图16是描述根据第九实施方式的差分放大器电路的示例的电路图；
图17是描述根据第十实施方式的磁场检测器的配置的图；
图18是表示根据第十实施方式的输出波形的图；
图19是描述根据第十一实施方式的磁场检测器的配置的图；
图20是描述乘除电路的示例的电路图；
图21是描述根据第十二实施方式的磁场检测器的配置的图；
图22是描述根据第十三实施方式的磁场检测器的配置的图；
图23是描述磁电阻元件的元件电阻对外磁场的依赖性的图；
图24是描述加法器电路的示例的电路图。
参考序号说明
1，41检测元件；2，12，22，32不存在磁场的情况下第二铁磁层的磁化方向；2a，32a施加磁场时第二铁磁层的磁化方向；3，13，23，33第一铁磁层的磁化方向；4，7，8，14，16，24，26，34，36，44，77，88，110金属布线；5磁屏蔽；6用于磁场应用的金属布线；11，21，51参考元件；31饱和磁场检测元件；52磁电组元件；61衬底；62，67布线层；63反铁磁层；64第一铁磁层；65非磁性层；66第二铁磁层；100要被测量的物体；102布线；103，104磁体；105齿轮；106齿轮齿；109元件周围的周边电路；110布线；201电阻电压转换电路；202加减放大器电路；203乘除电路；204恒流源；205加法电路；206减法电路；207差分放大器电路；208，209恒压源；210输出调整电路；211校准元件；221开关；230.231.232.233反向放大器电路；240，241，242，243，245OP放大器；250，251，252，253，255电阻器；260晶体管
具体实施方式
参考图1首先说明使用自旋阀型磁电阻元件的磁场检测器的具体检测操作。
图1是表示磁电阻元件52的自由层和固定层的磁化方向的简图。图1中，自旋阀型磁电阻元件的自由层的磁化方向2与固定层的磁化方向3形成90°的角度。一旦在沿着自旋阀型磁电阻元件的固定层的磁化方向3的方向上施加磁场，自由层的磁化方向由外磁场改变。在该过程中，根据如此改变的自由层的磁化方向2a与固定层的磁化方向3所成的角度，磁电阻元件的电阻线性改变。
具体说，在固定层的磁化方向3为0°并且一施加外磁场H时由自由层的磁化方向2a形成的角度为θ的情况下，元件电阻的改变与cosθ成反比。在自由层是具有单轴各向异性的软铁磁层的情况下，cosθ＝|Hk|/H。具体说，在施加大于|Hk|的外磁场的情况下，自由层的磁化方向2a被固定在与固定层的磁化方向平行或反平行的方向上，并且元件电阻不再变化。换言之，Hk是自由层的饱和磁场。
结果，在自由层的磁化方向2与固定层的磁化方向3形成90°的角度的情况下，如图2所示，元件电阻R如下给出：
R＝Rm+ΔR/2×H/|Hk|    (-|Hk|≤H≤|Hk|)
其中Rm是元件电阻可假设的最大电阻值与不存在磁场情况下的最小电阻值的中间值。而且，ΔR是元件的磁电阻改变。该元件电阻R正比于外磁场，因此通过取得元件电阻，可检测外磁场的强度。顺便提及，检测到的外磁场是固定层的磁化方向3的方向分量。而且，固定层的磁化方向中可检测的磁场区，即工作区按-|Hk|≤H≤|Hk|给出。
通过上述依赖于外磁场的元件电阻，可从元件的电流或电压检测磁场。
参考附图，下面描述本发明的实施形式的具体例子。
实施形式1
图3是表示根据本发明第一实施形式的磁场检测器的平面图。所示磁场检测器具有一个检测磁电阻元件1(此后称为检测元件)和一个参考磁电阻元件11(此后称为参考元件)。元件1，11的截面结构在图4的简图中示出。图4中，在衬底61上形成布线层62，然后形成反铁磁层63。接着，形成其磁化方向由反铁磁层63固定的铁磁材料的第一铁磁层64(固定层)。另外，形成构成隧道绝缘层的非磁性层65，在该非磁性层65上形成磁化方向由外磁场改变的铁磁材料的第二铁磁层66(自由层)。在第二铁磁层66上形成布线层67。在这种情况下，示出一种顺序堆叠反铁磁层63、第一铁磁层64、非磁性层65和第二铁磁层66的配置。但是，本发明不限于该配置，还可以通过依次堆叠第二铁磁层66、非磁性层65、第一铁磁层64和反铁磁层63来配置元件。
图3中，元件1，11都具有矩形形状。元件1，11不必要具有相同宽高比，而是可具有相同面积，以保证相等的元件电阻。
由于矩形元件形状，每个元件1，11的第二铁磁层66的磁化方向2，12因磁形状各向异性而沿着元件的长度方向。另一方面，在没有磁场的情况下，检测元件1的第一铁磁层64的磁化方向3在元件平面内正交于检测元件1的第二铁磁层66的磁化方向2。另外，在没有磁场的情况下，参考元件11的第一铁磁层64的磁化方向13平行于参考元件11的第二铁磁层66的磁化方向12。
而且，元件1，11的第一铁磁层64的磁化方向3，13彼此相同。
另外，形成元件1，11的第一铁磁层64和第二铁磁层66并将其分别连接于信号检测线4，44，14，16，作为布线层62，67，这些布线层连接于检测电路。
元件1，11的第一铁磁层64和第二铁磁层66由铁磁材料形成。具有铁磁性的材料包括以Co，Ni，Fe作为主要成份的金属，如Co，Fe，Co-Fe合金，Co-Ni合金，Co-Fe-Ni合金，Fe-Ni合金或诸如Ni-Mn-Sb或Co2-Mn-Ge的合金。
而且，构成隧道绝缘层的非磁性层65由任何绝缘材料或例如金属氧化物形成，诸如Ta2O5，SiO2或MgO或者氟化物。
元件1，11的第一铁磁层64通过与反铁磁层63如上所述堆叠而将其磁化方向固定。具体说，反铁磁层63固定第一铁磁层64的自旋方向，从而第一铁磁层64的磁化方向分别维持在方向3，13上。构成反铁磁层的材料包括Ir-Mn，Ni-Mn，Ni-O，Fe-Mn，Pt-Mn等。
上述每个膜都通过例如DC磁控管溅射形成。而且，可选择地通过分子束外延(MBE)、各种溅射工艺、化学气相沉积(CVD)工艺或蒸汽沉积形成。
元件1，11通过例如光刻形成。在这种情况下，形成构成第二铁磁层66、非磁性层65和第一铁磁层64的膜，之后通过光抗蚀剂形成所需图案。此后，通过离子研磨或反应离子蚀刻获得元件形状。而且，可使用电子束或聚焦离子束光刻来形成图案。
另外，例如由Al层形成布线4，44，14，16。
按需要在同一衬底上同时使用相同的工艺形成检测元件1和参考元件11。使用膜形成方法和上述光刻同时形成这些元件伴随非常小的变化，在磁电阻测量中基本上不产生变化问题。
元件1，11的第一铁磁层的磁化方向3，13由例如下述方法设置。磁场检测器被加热到等于或高于反铁磁层与第一铁磁层之间的明显交换作用消失的阻挡(blocking)温度，并且在所需方向上施加外磁场，以产生第一铁磁层的饱和磁化。在这种情况下，磁场检测器被冷却到阻挡温度或其以下，从而在第一铁磁层中获得所需方向的磁化。
根据本实施形式，检测元件1和参考元件11的第一铁磁层的磁化方向3，13彼此平行，因此在热处理时在相同方向上施加磁场。通过按这种方式施加均匀的磁场，可形成根据本实施形式的磁场检测器。
在这种情况下，元件1，11的形状不必要一定是矩形，只要第二铁磁层的磁化方向可按需要限定即可。
而且，元件1，11分别是所需的TMR元件。这使得可以产生大输出信号并且同时减少元件尺寸。
参考图3，5，接着说明根据本实施形式的磁场检测器的检测操作。
在磁场检测时通过布线4，44，14，16分别向图3所示的元件1，11供应预定电流I。在将外磁场H施加到与第一铁磁层3，13相同的方向上的情况下，在外磁场H下检测元件1的元件电阻R由等式(1)给出、输出电压V由等式(2)给出。
R＝Rm+ΔR/2×H/|Hk|         (1)
V＝I×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)    (2)
其中Rm是从外部源施加的饱和磁场下的元件电阻，ΔR是测量元件1的磁电阻改变，Hk是饱和磁场的强度，H是施加的外磁场的强度，I是在测量元件1中流动的电流强度，V是施加到测量元件的电压。
另一方面，在参考元件11中，第二和第一铁磁层在不存在磁场的情况下的磁化方向12，13与在外磁场H下的磁化方向相同，从而即便在施加外磁场H的情况下，参考元件11的第二铁磁层的磁化方向12和第一铁磁层的磁化方向13保持相同，并且参考元件11的元件电阻假设为与负磁场情况下检测元件1的电阻的饱和值相同的值。由此，分别由等式(3)，(4)给出在参考元件11中获得的元件电阻R1和输出电压V1：
R1＝Rm-ΔR/2             (3)
V1＝I×(Rm-ΔR/2)        (4)
检测元件1和参考元件11之间的输出电压之差ΔV1由等式(5)表达：
ΔV1＝I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2    (5)
该等式修改为：
H＝(2×ΔV1/I×ΔR-1)×Hk     (6)
其中V，V1，ΔV1、外磁场H和饱和磁场Hk的关系如图5所示。而且，ΔR/2是在不存在磁场的情况下参考元件11和检测元件1的输出信号之差，并且通过确定不存在磁场的情况下输出信号之差，可在测量时实时确定ΔR。具体说，甚至在测量时ΔR由于温度变化等而改变的情况下，容易确定ΔR的准确值。而且，V，V1，Hk是已知值，因此可使用等式(6)确定外磁场H。
上述输出信号还可通过将从检测元件1和参考元件11获得的输出信号分别转换为数字信号后通过数字运算获得。
根据本实施形式，向每个元件1，11供应预定电流。但是，这些电流对于每个元件1，11而言不必是预定的。在这种情况下，只要供给元件1，11的电流之间的强度比已知，可使用等式(3)到(6)确定外磁场H。
而且，尽管根据本实施形式，检测元件1的第二铁磁层的磁化方向2与第一铁磁层的磁化方向3在元件平面内彼此正交，但其不必要是如此正交的。除非第二铁磁层的磁化方向2与第一铁磁层的磁化方向1彼此平行或反平行，可由外磁场H改变元件电阻，从而可检测外磁场H。
而且，根据本实施方式，参考元件11的第一铁磁层的磁化方向13与参考元件11的第二铁磁层的磁化方向12平行，并且可选地可彼此反平行。在它们反平行的情况下，参考元件11的元件电阻假设为与在正磁场下检测元件1的电阻饱和值相同的值。
根据本实施形式，使用参考元件11和检测元件1的差分检测，因此获得大输出信号。而且，从检测元件1和参考元件11在不存在磁场的情况下的输出信号之差获得电阻改变率ΔR。因此，甚至在由于制造时的重复性而改变元件电阻或者由于温度而改变元件的电阻值的情况下，可获得稳定的输出信号。
而且，元件1，11的第一铁磁层的磁化方向3，13彼此相同，因此可容易地制造根据本实施形式的磁场检测器。
另外，参考元件11可包括用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
要求参考元件11的磁屏蔽5由磁导率高的材料形成，如NiFe层。而且可使用Co，Ni或Fe作为主要成分的其他合金。
提供磁屏蔽5来保护参考元件11免受外磁场的影响。结果，只要参考元件的第二铁磁层的磁化方向12与第一铁磁层的磁化方向13彼此平行或反平行，可任意设置磁化方向。
实施形式2
根据本实施形式，如图6所示，通过添加一组具有与第一实施形式1的检测元件1和参考元件11相同配置的元件形成桥路。添加的检测元件41和参考元件51分别具有与检测元件1和参考元件11相同的配置，因此不再说明。而且，检测元件1和41的第一和第二铁磁层的磁化方向相同。在这种情况下，可通过从布线7到77提供电流并测量布线8和88之间的电势差来获得ΔV1。
根据本实施形式，将元件形成为桥路，因此可获得更大输出。
实施形式3
图7是表示根据本发明第三实施形式的磁场检测器的平面图。根据本实施形式的磁场检测器还包括在根据第一实施形式的磁场检测器中的参考元件21。本实施形式中，与第一实施形式相同的组成部件分别加上相同的参考序号。元件1，11，21具有与第一实施形式相同的堆叠结构。本实施形式中，元件1，11，21都按矩形形成。元件1，11，21不必具有相同的宽高比，但要具有相同面积，以均衡元件电阻。
在元件1，11，21的第一铁磁层的磁化方向3，13，23中，磁化方向3和磁化方向13彼此平行，并且磁化方向13和磁化方向23彼此反平行。在不存在磁场的情况下检测元件1的第二铁磁层的磁化方向2与第一铁磁层的磁化方向3在元件平面内正交。而且，参考元件11，21的第二铁磁层的磁化方向12，22在不存在磁场的情况下分别与各自的第一铁磁层的磁化方向13，23平行和反平行。
元件1，11，21的第二和第一铁磁层连接于信号检测布线4，44，14，16，24，26，并进一步连接于检测电路。连接于检测元件1的布线4，44之一连接于元件的第二铁磁层，另一个连接于其第一铁磁层。参考元件11，21的布线14，16，24，26也连接于相似位置。
元件1，11，21优选是TMR元件，从而在减小元件尺寸的同时可输出大的输出信号。
元件1，11，21的第一铁磁层的磁化方向3，13，23可像第一实施形式那样通过例如热处理确定。尽管未示出，但布线正好形成在元件的上方或下方，并且电流按所需方向提供，以在不低于阻挡温度下产生第一铁磁层的饱和磁化，该阻挡温度是反铁磁层与第一铁磁层之间的磁交互作用消失的温度。在这种情况下，温度被降低到阻挡温度或以下，从而在第一铁磁层中获得所需方向的磁化。磁场不限于通过向布线供给电流而产生的磁场，而可以是局部施加的磁场。
关于上述第一铁磁层的磁化方向3，13，23，可通过例如向其施加外磁场由局部热处理来确定磁化方向3，13，之后可通过在相反方向施加的磁方向进行元件21的局部热处理来确定磁化方向23。
参考图7，接着说明根据本实施形式的磁场检测器的操作。
通过布线4，14，24在检测磁场时向图7所示的元件1，11，21的每一个提供预定电流I。在处理过程中，在外磁场H下检测元件1的元件电阻从等式(1)确定，输出电压从等式(2)确定。在这种情况下，参考元件11是第二铁磁层的磁化方向12与第一铁磁层的磁化方向13彼此平行，而参考元件21是第二铁磁层的磁化方向22与第一铁磁层的磁化方向23彼此反平行。结果参考元件11，21假设为与在正和负磁场下的检测元件1的电阻饱和值相同的值。参考元件11，21中获得的输出电压V1，V2分别由等式(5)和(6)表示。
V1＝I×(Rm-ΔR/2)       (7)
V2＝I×(Rm+ΔR/2)       (8)
结果，在检测元件1和参考元件11中获得的输出电压之差ΔV1如下给出：
ΔV1＝I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2    (9)
按相似形式，检测元件1和参考元件21中获得的输出电压之差ΔV2如下给出：
ΔV2＝I×(1-H/|Hk|)×ΔR/2    (10)
另外，ΔV1和ΔV2之差如下给出：
ΔV1-ΔV2＝I×ΔR×H/|Hk|
在该等式中，ΔR可每次从两个参考元件11，21的输出信号之差确定。这可由于如下事实：根据本实施形式的元件的饱和磁场是预定的已知值，电阻改变率可通过确定饱和磁场中磁电阻来获得。因此甚至在由于温度或元件之间的电阻值变化而产生的电阻值改变效应而改变电阻改变率的状况下，可在每次测量时从参考元件11，21的输出确定电阻改变率。从而可使用电阻改变率在实际工作环境下准确检测外磁场。
上述输出信号还可通过在将从检测元件1和参考元件11，21获得的输出信号被转换为数字信号后通过数字运算获得。
根据本实施形式，向元件1，11，21各自供应预定电流。但是该电流对于每个元件1，11，21而言不必是预定的。在这种情况下，只要供给元件1，11，21的电流之间的强度比已知，可使用上述等式确定外磁场H。
根据本实施形式，使用两个参考元件11，21和检测元件1之间的差分检测，因此获得大输出信号。
而且，根据本实施形式，从参考元件11，21获得电阻改变率ΔR，因此，甚至在由于元件制造时的重复性而改变元件电阻或者由于温度而改变元件的电阻值的情况下，可获得稳定的输出信号。
而且，由于获得检测元件1的输出信号的最大和最小值，可实现更高可靠性和准确度。
另外，参考元件11，21可包括用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
磁屏蔽5由类似于第一实施形式中使用的材料的材料形成。
提供磁屏蔽5来保护参考元件11，21免受外磁场的影响。只要参考元件11的第二铁磁层的磁化方向12与第一铁磁层的磁化方向13平行并且参考元件21的第二铁磁层的磁化方向22与第一铁磁层的磁化方向23反平行，可任意设置参考元件11，21的第二铁磁层的磁化方向12，22。
而且，可配置按类似于第二实施形式的方式使用检测元件1和参考元件11，21的桥路来检测ΔV1和ΔV2。
实施形式4
图8是表示根据本发明第四实施形式的磁场检测器的平面图。本实施形式所示的磁场检测器除了图3和第一实施形式的配置外，还包括向检测元件1施加磁场的布线6。该布线6设置成与第二铁磁层的磁化方向2平行，正好在检测元件1的上方。这里，与图3所示相同的组成部件分别用相同参考序号表示，不再说明。
在这种情况下，提前在不存在磁场的情况下向正好设置在检测元件1上方的布线6提供预定电流。结果，向检测元件1施加已知的磁场。在该处理中，检测元件1的第二铁磁层的磁化方向根据由施加的磁场在磁化方向2a上施加的磁场旋转。
在通过在布线6中流动的电流施加磁场H’并且向检测元件1提供预定电流I的情况下，检测元件1的输出电压V3如下给出：
V3＝I×(Rm+ΔR/2×H’/|Hk|)      (11)
按上述方式，提供给参考元件11的预定电流I的输出电压从等式(4)确定，从而输出电压之间之差为：
V3-V1＝I×(1+H’/|Hk|)×ΔR/2    (12)
其中H’和I是已知值，因此只要Hk是已知的，可使用等式(12)准确确定ΔR。而且，在Hk未知的情况下，可从等式(12)使用已知值I和H’通过根据第一实施形式中所述方法从检测元件1和参考元件11在不存在磁场的情况下的输出信号之间之差确定ΔR来确定Hk。在这种缺少外磁场的情况下，甚至在仅有布线电流磁场H’的一个点的情况下可检测到饱和磁场。
上述饱和磁场不必要在不存在磁场的情况下检测，但是如果施加的话，可通过例如在两个不同的点处施加布线电流磁场-H’或+H’达到外磁场的程度并保持不变来检测。这种检测可按需要执行，如在温度改变时测量外磁场之前或期间。
使用由上述方法确定的饱和磁场，由与第一实施形式相同的方法检测外磁场。
在这种情况下，还可通过使用检测元件1和参考元件11利用与图6中所述相同的方法以及第二实施方式配置桥路来检测饱和磁场。
上述输出信号还可通过在将从检测元件1和参考元件11获得的输出信号分别转换为数字信号后通过数字运算获得。
根据本实施形式，可向检测元件1任意施加外磁场的配置使得可在没有外磁场的情况下检测饱和磁场。结果，可按需要在任何时候仅通过检测器检测饱和磁场。从而，可按需要校准检测器的分辨率而不使用外部磁场发生器。
另外，如图9所示，除了图7的配置外，还设置用于将磁场施加到检测元件1的布线6。图9中，与图7相同的组成部件分别以相同参考序号表示，不再说明。如上这样做，检测元件1的第二铁磁层的饱和磁场可不用图7的配置中也存在的外磁场来检测。
而且，图8和9中，参考元件11，21可包括用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
提供磁屏蔽5可使参考元件11，21的第二铁磁层设置为任意磁化方向。
实施形式5
图10是表示根据本发明第五实施形式的磁场检测器的平面图。这里所示的磁场检测器除了类似于图3和第一实施形式所示的检测器的配置外，还包括用于检测饱和磁场的磁电阻元件31(以后称为饱和磁场检测元件)，其表现出与检测元件1相同的对于外磁场的磁电阻效应。在这种情况下，检测元件1和饱和磁场检测元件31配置成具有相同形状。
顺便提及，检测元件1和饱和磁场检测元件31不特别限定于其配置，只要其具有相同的磁电阻效应特性。与图3所示相同的组成部件分别用相同参考序号表示，不再说明。
而且，在饱和磁场检测元件31正上方设置用于施加磁场的布线6。例如将布线6设置为平行于在检测元件1的正上方的第二铁磁层的磁化方向2。
而且，优选通过相同工艺同时在同一衬底上形成检测元件1、参考元件11和饱和磁场检测元件31。根据膜形成方法和上述光刻工艺，同时处理工艺伴随有非常小的变化，在磁电阻测量中基本上不产生变化问题。
接着说明根据本实施形式的磁场检测器的检测操作。
磁场检测器的检测操作类似于第一实施形式中的检测操作。
另外，可通过类似于第四实施形式的方法检测饱和磁场检测元件31的第二铁磁层的饱和磁场。检测元件1和饱和磁场检测元件31具有相同磁电阻效应特性，因此可通过确定饱和磁场检测元件31的饱和磁场确定检测元件1的饱和磁场。
根据本实施形式，检测元件1和用于获得第二铁磁层的饱和磁场的饱和磁场检测元件31是彼此独立的。因此，可在检测外磁场期间在任何时候确定饱和磁场。从而，在测量期间分辨率的校准是可能的，并且可以更高准确度测量外磁场。
而且，可不中断外磁场的测量来执行磁场检测器的分辨率校准。
如图11所示，除图7的配置外还提供饱和磁场检测元件31。图11中，与图7中相同的组成部件分别用相同的参考序号表示，不再说明。如上这样做，在测量外磁场期间检测元件1的第二铁磁层的饱和磁场可不用外磁场甚至由图7所示配置来检测。
而且，图10，11中，参考元件11，21可包括用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
提供磁屏蔽5可使参考元件11，21的第二铁磁层设置为任意磁化方向。
实施形式6
图12是表示根据本实施形式的电流检测器件的透视图。这里所示的电流检测器件例如使用图3和第一实施形式所示的磁场检测器，与要被测量的电流在其中流动的布线102设置成预定距离。尽管仅示出一个检测元件1，但电流检测器件包括第一实施形式所示的所有组件，如用于输出检测和信号处理的外围电路109。而且，它包括用于供电和向外部设备输出信号的布线110。
电流检测器件中的检测元件1设置在从流过要被测量的电流的布线102产生的外磁场方向与检测方向一致的位置上。具体说，检测元件1的第一铁磁层的磁化方向与外磁场的方向一致。
接着说明根据本实施形式的电流检测器件的电流检测操作。
当要被测量的电流i在布线102中流动时，电流用于在垂直于布线的方向上产生环形磁场。该磁场H的强度表示为H＝k×i/R，其中k是正比例常数，R是离开布线的距离。在这种情况下，一旦布线和电流检测器件中的检测元件1之间的距离被测量，正比例常数k为已知的。因此，通过由第四实施形式所示的磁场检测器测量磁场H，可检测布线电流i。在该过程中，驱动电流检测器件的电源经布线110提供，并且检测信号经外围电路109和布线110被输出到外部设备，如显示单元。
而且，根据其他实施形式的磁场检测器当然可用作电流检测器。
根据本实施形式，本发明所示的磁场检测器的使用使得甚至在温度改变或者在电流检测期间每个检测器特性变化的情况下都可能产生稳定的输出信号并校准检测器的分辨率，因此可高准确度地检测电流。
实施形式7
图13是表示根据本实施形式的位置检测器的透视图。这里所示的位置检测器例如使用图3和第一实施形式所示的磁场检测器，要被测量的物体100周期性地包括磁体103。顺便提及，要被测量的物体100包括磁体103的情况部分在图中示出。相邻的磁体例如具有相反极性。尽管这种情况下仅示出一个检测元件1，但位置检测器包括图3和第一实施形式所示的所有组件，与第六实施形式类似，包括用于输出检测和信号处理的外围电路109。而且，它包括用于供电和向外部设备输出信号的布线110。
接着说明根据本实施形式的位置检测器的位置检测操作。
要被测量的物体移动，来自其中包括的磁体103的磁通量改变位置检测器的磁场。由于磁体在要被测量的物体中周期设置，通过位置检测器的磁体可通过用移动检测器的磁场改变来计数。与第六实施形式同样，用于电流检测器件的操作的电源经布线110提供，并且检测信号经外围电路109和布线110被输出到外部设备。结果由要被测量的物体跨过的距离可被测量。该移动不必要是线性的，例如还可检测旋转部件的旋转量。
而且，根据其他实施形式的磁场检测器当然可用作位置检测器。
根据本实施形式的位置检测器不限于上述配置，而是可具有能够检测来自要被测量的物体的磁通量改变的任何配置。
在本实施形式中，根据本发明的磁场检测器的使用使得甚至在温度改变或者在位置检测期间每个检测器特性变化的情况下都可能产生稳定的输出信号并校准检测器的分辨率，因此可高准确度地允许位置检测。
实施形式8
图14是表示根据本实施形式的旋转检测器的侧面图。这里所示的旋转检测器例如包括图3和第一实施形式所示的磁场检测器，和在朝向要被测量的物体的方向上被磁化的永磁体104。要被测量的物体是具有高磁导率的软铁磁材料的齿轮105。尽管这种情况下仅示出一个检测元件1，但旋转检测器包括图3和第一实施形式所示的所有组件，与第六实施形式类似，包括用于输出检测和信号处理的外围电路109。而且，它包括用于供电和向外部设备输出信号的布线110。
检测元件1设置在可检测由永磁体104和齿轮105产生的外磁场的方向上。例如检测元件1的第一铁磁层的磁化方向朝向齿轮105的中心。
接着说明根据本实施形式的旋转检测器的旋转检测操作。
该旋转检测器包括在朝向要被测量的物体的方向上磁化的永磁体104，因此构成要被测量的物体的齿轮105的齿106由来自磁体104的磁通量磁化。在齿轮105由这样磁化的齿106旋转时，磁场检测器101中的磁场变化。通过检测由于齿106的旋转引起的磁场变化，通过磁场检测器101的齿数可进行计数。结果，要被测量的物体的旋转量可被测量。与第六实施形式中一样，用于操作电流检测器的电源经布线110提供，并且检测信号经外围电路109和布线110被输出到外部设备。这样不仅旋转运动，而且还可检测出适合于线性移动的物体所跨越的距离。
根据本实施形式的旋转检测器不限于上述配置，而是可具有能够检测来自要被测量的物体的磁通量改变的任何配置。
根据本实施形式，不用在要被测量的物体中设置用于检测磁场的任何磁体，就可以进行高准确度的位置检测。而且，可利用现有旋转部件，只要其具有齿轮形状，齿轮是具有大磁导率的软铁磁材料的
实施形式9
图15表示第一实施形式的示于图3中的磁场检测器的电路配置的特定例子，以及表示根据本发明第九实施形式的磁场检测器的电路框图。参考图15，描述本实施形式的配置。该图所示的磁场检测器是包括根据第一实施形式的磁场检测器的电路配置的例子，具有一个检测元件1和参考元件11。包括在电路中的元件1，11的结构和制造方法类似于第一实施形式的。
根据本实施形式的磁场检测器由电阻电压转换电路201和加减放大器电路202构成。
电阻电压转换电路201具有分别连接于元件1，11的恒流电路204。而且，加减放大器电路202包括用于差分地放大从检测元件1和参考元件11产生的输出电压并根据从检测元件1和参考元件11产生的输出电压之差而输出电压的差分放大器电路207。例如差分放大器电路207被配置成包括OP放大器245和电阻器255的电路，如图16所示。在这种情况下，图中相同参考序号表示相似的OP放大器和电阻器。
参考图15，接着说明根据本实施形式的磁场检测电路的检测操作。
在电阻电压转换电路201中，将恒流电路204连接于元件1，11的每一个，其中在检测磁场时流动预定电流I。在外磁场H下来自检测元件1的输出电压由等式(2)给出。在参考元件11中，第二铁磁层的磁化方向12平行于第一铁磁层的磁化方向13，其电阻值等于检测元件在负磁场下电阻的饱和值。由检测元件1和参考元件11产生的输出电压V，V1分别由等式(2)，(4)表示。
V＝I×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)    (2)
V1＝I×(Rm-ΔR/2)           (4)
加减放大器电路202差分放大从检测元件1和参考元件11产生的输出电压。假设加减放大器电路202的放大因子是α，输出电压Vout从等式(5)和放大因子α如下给出。
Vout＝α×I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2      (13)
其中，α，I和|Hk|是设置的值并且是已知的，ΔR可从不存在磁场的情况下检测元件1和参考元件11的输出信号之差获得。因此，可获得输出电压Vout和H之间的对应性。例如0外磁场下的Vout假设为如下值。
Vout＝α×I×ΔR/2           (14)
其中，假设α设置为2/(I×ΔR)，从而输出电压Vout是1V，关系维持Vout＝(1+H/|Hk|)。因此，电路可配置成对于H＝-|Hk|，Vout＝0V，而对于H＝|Hk|，Vout＝2V。
本实施形式包括电阻电压转换电路，用于将参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换为电压，以及加减放大器电路，用于放大从参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换的电压之间之差。
结果，使用检测元件1和参考元件11的输出使差分检测成为可能，从而可获得更大的输出信号。而且，从不存在磁场的情况下检测元件1和参考元件11的输出信号之差获得电阻改变率ΔR。甚至在由于制造时的重复性而改变元件电阻或者由于温度而改变元件的电阻值的情况下，可获得稳定的输出信号。
而且，通过适当设置放大因子α，可获得所需的输出电压。
另外，如第一实施形式中所述，参考元件11可包括用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
要求参考元件11的磁屏蔽5由任何高磁导率的材料构成，例如NiFe层。而且其他包含Co，Ni，Fe作为主要成份的合金都可使用。
提供磁屏蔽5可使参考元件11不受外磁场的影响。因此，参考元件的第二铁磁层的磁化方向12和第一铁磁层的磁化方向13可任意设置，只要它们彼此平行或反平行。
另外，提供电阻电压转换电路和加减放大器电路可构成用非常简单电路配置来操作的磁场检测器。
而且，其中电阻电压转换电路和加减放大器电路以及乘除电路由设置在同一衬底上的磁电阻元件、双极晶体管和电阻器形成的配置使得其能够抑制外部噪声和包括在加减放大器电路中的晶体管和电阻器的温度改变的影响。该电阻器优选使用诸如金属氧化物膜的电阻率随温度变化小的材料配置。
实施形式10
图17是表示根据本发明第十实施形式的磁场检测电路的电路框图。图中所示的磁场检测电路等效于根据第九实施形式的磁场检测电路，包括向检测元件1施加磁场的布线6和用于施加磁场的电路。除了向检测元件1施加磁场的布线6和施加磁场的电路外，本实施形式类似于第九实施形式，因此不做说明。
在图17所示的磁场检测电路中，向检测元件1施加磁场的布线6包括恒流源204和开关221。开关221是半导体开关，例如适合于与来自磁场检测电路外部的输入信号同步进行开关。
接着说明根据本实施形式的磁场检测电路的检测操作。首先，在开关221断开而施加外磁场H的情况下，假设加减放大器电路202的放大因子是α，输出电压Vout由等式(15)参考等式(9)给出。
Vout(H)＝α×I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2        (15)
接着，当开关221接通时，电流磁场H’由流经恒流源204的电流产生，从而输出电压Vout如下给出：
Vout(H+H’)＝α×I×(1+(H’+H)/|Hk|)×ΔR/2    (16)
Vout(H+H’)-Vout(H)＝α×I×ΔR/2×H’/|Hk|   (17)
其中，α，I和H’是已知的，因此输出信号之间之差是Hk和ΔR的函数。
在Hk已知的情况下，例如，ΔR可从输出信号之差获得。而且通过从与零外磁场相关的值确定ΔR，可确定Hk。并且，在α＝2/(I×ΔR)的情况下，获得等式：
Vout(H)＝1+H/|Hk|              (18)
Vout(H+H’)＝1+(H’+H)/|Hk|    (19)
输出波形的一个例子如图18所示。按这种方式，H’/|Hk|和|Hk|可从差分Vout输出确定。
根据本实施形式，外磁场可任意施加于检测元件的配置使得可在没有任何外磁场的情况下检测饱和磁场。结果，可按需要在任何时候仅通过检测器来检测饱和磁场。从而，可在任何需要之时使用外磁场发生器校准检测器的分辨率。
并且，根据本实施形式，参考元件11和检测元件1之间的差分检测的使用可产生大输出信号。而且，由于从不存在磁场的情况下的检测元件1和参考元件11之间的输出信号之差获得电阻改变ΔR，甚至在由于制造时的重复性而改变元件电阻或者由于温度而改变元件的电阻值的情况下，可获得稳定的输出信号。
而且，元件1，11的第一铁磁层具有相同的磁化方向3，13，因此根据本实施形式的磁场检测器容易制造。
另外，参考元件11可包括用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
要求参考元件11的磁屏蔽5由高磁导率的材料构成，例如NiFe层。而且其他包含Co，Ni，Fe作为主要成份的合金都可使用。
提供磁屏蔽5可使参考元件11不受外磁场的影响。因此，参考元件的第二铁磁层的磁化方向12和第一铁磁层的磁化方向13可任意设置，只要它们彼此平行或反平行。
另外，提供电阻电压转换电路和加减放大器电路可构成用非常简单的配置来操作的磁场检测器。
而且，电阻电压转换电路和加减放大器电路以及乘除电路使用设置在同一衬底上的磁电阻元件、双极晶体管和电阻器形成，从而能够抑制外部噪声和包括在加减放大器电路中的晶体管和电阻器的温度改变的影响。由电阻率随温度变化小的材料诸如金属氧化物膜的电阻器来按需要提供电阻。
实施形式11
图19是表示根据本发明第十一实施形式的磁场检测电路的电路框图。这里所示的磁场检测电路是包括根据第三实施形式的磁场检测器的电路配置的例子，并且包括检测元件1和参考元件11，21。包括在电路中的元件1，11，21的结构和制造方法类似于第三实施形式。
根据本实施形式的磁场检测电路由电阻电压转换电路201和加减放大器电路202以及乘除电路203构成。
电阻电压转换电路201类似于第九实施形式中，通过将恒流电路204连接于元件1，11，21而构成。
加减放大器电路202是用于差分地放大从检测元件1和参考元件11，12获得的输出电压的电路。根据本实施形式，加减放大器电路202包括连接于参考元件11，21以输出输出电压之差V到乘除电路203的减法电路206和连接于检测元件1和参考元件11以将输出电压V1和V之差ΔV1输出到乘除电路203的差分放大器电路207。减法电路206和差分放大器电路207每一个由OP放大器和电阻器构成。例如图16所示。
乘除电路203是用于对输入作除法的电路，其中为3个输入，即ΔV1、V-和来自电压源208的转换电压Va输出ΔV1×Va/V-。内部等效电路的例子如图20所示。该等效电路由包括OP放大器245、电阻器255和晶体管260的电路构成。图中，相同参考序号分别表示相似的OP放大器、电阻器和晶体管。
参考图19，接着说明根据本实施形式的磁场检测电路的检测操作。恒流I在电阻电压转换电路201的元件1，11，21中流动。在外磁场H下检测元件1的输出电压由等式(2)给出。在参考元件11中，第二铁磁层的磁化方向12与第一铁磁层的磁化方向13彼此平行，而参考元件21中第二铁磁层的磁化方向22与第一铁磁层的磁化方向23彼此反平行。结果，参考元件11，21的输出电压由等式(7)(8)给出，如同检测元件1的电阻在正负磁场下的饱和值。在检测元件1和参考元件11，21中，向加减放大器电路202输出由等式(2)，(7)，(8)表示的输出电压V，V1，V2：
V＝I×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)   (2)
V1＝I×(Rm-ΔR/2)          (7)
V2＝I×(Rm+ΔR/2)          (8)
在加减放大器电路202中，差分放大检测元件1和参考元件11，21中获得的输出电压。根据本实施形式，输出参考元件11，21的输出电压之间之差V与放大值ΔV1。在该过程中，通过设置减法电路206的放大因子为α，并且差分放大器电路207的放大因子为α，来自差分放大器电路207的输出由等式(9)如下给出。
α×ΔV1＝α×I×ΔR×(1+H/|Hk|)/2     (20)
以类似方式，减法电路206的输出如下给出：
V-＝α(V2-V1)＝α×I×ΔR              (21)
乘除电路203是用于将到此的输入进行除法并为3个输入ΔV1、V-和Va输出ΔV1×Va/V-。
同时，从等式(2)，(20)，(21)，对于在向其施加磁场H时跨越测量元件的电势差V维持下面等式。
Vout＝ΔV1×Va/V-＝Va×(1+H/|Hk|)/2     (22)
其中|Hk|和Va是已知值，因此通过确定输出电压可确定外磁场H。
可按能够确定输出电压强度的方式任意设置Va。在该过程中，获得其中假设外磁场H从-|Hk|向|Hk|变化的、Vout从0V到Va变化的电路。
另外，在对于给定方向的外磁场需要正输出、对于相反方向的外磁场需要负输出的情况下，增加输出调整电路210以从该输出减去Va/4。输出调整电路210的内部电路例如是图16所示的差分放大器电路并连接于恒压源209来进行减法。从等式(22)得到下面的等式。
Vout＝ΔV1×Va/V-Va/4＝Va×(1/2+H/|Hk|)/2       (23)
结果，获得其中假设外磁场H从-|Hk|向|Hk|变化的、Vout从-Va/2到Va/2变化的电路。具体说，通过设置Va为2V，对于H＝|Hk|，输出电压为1V，对于H＝-|Hk|输出电压为-1V。
根据本实施形式的磁场检测电路包括电阻电压转换电路，用于将第一参考磁电阻元件的电阻、第二参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换为电压；加减放大器电路，用于放大电阻电压转换电路中从第一参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换的输出电压之间之差，以及放大从第一参考磁电阻元件的电阻和第二参考磁电阻元件的电阻转换的输出电压之间之差，并分别将其作为第一和第二电压输出；以及乘除电路，用于输出第一电压和第二电压之除商，作为第三电压。
结果，使用检测元件1和参考元件11的输出使差分检测成为可能，从而可获得更大的输出信号。而且，甚至在由于电阻值随温度改变的效应以及元件之间电阻变化的情况而使得电阻改变率被改变的状况下，可使用在参考元件11，21的实际操作环境中的电阻改变率自动纠正该改变，从而可准确且瞬时检测外磁场。
另外，提供电阻电压转换电路，加减放大器电路和乘除电路可构成具有简单电路配置并同步操作的磁场检测器。
而且，电阻电压转换电路，加减放大器电路以及乘除电路使用设置在同一衬底上的磁电阻元件、双极晶体管和电阻器形成，从而能够抑制外部噪声和包括在加减放大器电路和乘除电路中的晶体管和电阻器的温度改变的影响。
使用的电阻器优选由电阻率随温度变化小的材料诸如金属氧化物膜来构成。
另外，参考元件11，21中可设置用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
磁屏蔽5由与第一实施形式类似的材料构成。
提供磁屏蔽5可使参考元件11，21不受外磁场的影响。因此，只要参考元件11的第二铁磁层的磁化方向12和第一铁磁层的磁化方向13彼此平行，同时参考元件21中的第二铁磁层的磁化方向22和第一铁磁层的磁化方向23彼此反平行，那么可任意设置参考元件11，21中的第二铁磁层的磁化方向12，13。
顺便提及，尽管在根据本实施方式的电阻电压转换电路201中使用3个恒流源，检测元件1和参考元件11，21可与一个电源串联连接。
而且，本实施方式所示的加减放大器电路的放大因子是一个例子，当然将不同放大因子组合来产生所需输出的结构也是可行的。
而且，根据本实施方式，恒压源208，209被描述为独立恒压源，以有利于理解电路图。但是，当然可由电阻来分割诸如Vcc的外部电压。
实施形式12
第十二实施形式是第十一实施形式的改型，包括两个其中第一铁磁层的磁化方向和第二铁磁层的磁化方向彼此平行且具有相等的外部磁响应特性的参考元件11a，11b以及参考元件21，参考元件21中，第一铁磁层的磁化方向和第二铁磁层的磁化方向彼此反平行并且具有与参考元件11a相同的特性。按这种方式，通过使用3个参考元件11a，11b，21和检测元件1配置图21所示的电路获得磁场检测电路。
下面说明该电路配置。根据本实施形式的磁场检测电路包括电阻电压转换电路201，加减放大器电路202a，202b以及乘除电路203。
检测元件1与电阻器250和OP放大器240一起构成反相放大器电路230。电阻器250的一端连接于恒压源(未示出)。参考元件11a，11b，21分别与电阻器251，252，253、OP放大器241，242，243和反相放大器电路231，232，233配置。每个电阻器251，252，253的一端像电阻器250一样连接于恒压源(未示出)。
电阻电压转换电路201包括反相放大器电路230，231，232，233。
反相放大器电路230，231的输出被输入到加减放大器电路202a。而且，反相放大器电路232，233的输出被输入到加减放大器电路202b。加减放大器电路202a，202b各自都是例如图6所示的差分放大器电路。
加减放大器电路202a，202b各自分别输出反相放大器电路230，231的输出之间与反相放大器电路232，233的输出之间之差。
接着加减放大器电路202a，202b的输出被输入到乘除电路203中。加减放大器电路202a，202b以及乘除电路203的配置类似于第十一实施形式中，因此不再说明。
此电路配置包括具有检测元件1和参考元件11，21的反相放大器电路来替代恒流电路，并且元件电阻改变以从恒压源提供的恒压Vcc的放大因子改变的形式被检测和放大。更具体说，假设电阻器250的电阻值是R22，使用检测元件1的反相放大器电路230的输出电压VH1如下给出：
VH1＝Vcc×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)/R22         (24)
类似地，假设电阻器251，252的电阻值分别是R21，R23，包括参考元件11a，11b的反相放大器电路231，232的输出电压VH2，VH3如下给出：
VH2＝Vcc×(Rm-ΔR/2)/R21       (25)
VH3＝Vcc×(Rm-ΔR/2)/R23       (26)
而且假设电阻器253的电阻值是R24，包括参考元件21的反相放大器电路233的输出电压VH4如下给出：
VH4＝Vcc×(Rm+ΔR/2)/R24       (27)
参考元件11a，11b，21和检测元件1具有完全相同的配置，除了第二铁磁层和第一铁磁层的磁化方向。而且，电阻器250，251，252，253按需要具有相同电阻值，以消除输出调整。但是，在电阻值不同的情况下可在随后阶段调整输出。
接着，在加减放大器电路202a，202b中执行加法和减法运算以及放大。在加减放大器电路202a，202b中使用的电阻器可具有不同电阻值。但是通过使用具有完全相同电阻值的4个电阻器，放大因子可被设置为1(unity)。在这种情况下，假设电阻器250，251，252，253的电阻值是R21并彼此相等，则加减电路的输出电压之间之差由等式(28)，(29)给出：
VH1-VH2＝Vcc×(1+H/|Hk|)×ΔR/R21/2                    (28)
VH4-VH3＝Vcc×ΔR/R21                                   (29)
另外，乘除电路203的输出由下面等式给出：
Vout＝(VH1-VH2)×Va/(VH4-VH3)＝Va ×(1+H/|Hk|)/2    (30)
而且提供输出调整电路210使得可以相对于H从-|Hk|改变到|Hk|，将Vout的输出范围设置在-Va/2到Va/2。
根据本实施形式的磁场测量电路包括具有与第一参考磁电阻元件相同的外磁场响应特性的第三参考磁电阻元件的电阻电压转换电路，以将第一参考磁电阻元件的电阻、第二参考磁电阻元件的电阻、第三参考磁电阻元件的电阻以及磁场检测磁电阻元件的电阻转换为电压；加减放大器电路，用于放大由电阻电压转换电路从第一参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换的电压之间之差以及由电阻电压转换电路从第二参考磁电阻元件的电阻和第三参考磁电阻元件的电阻转换的电压之间之差，并且输出第一电压和第二电压；乘除电路，用于输出第一电压与第二电压之除商。
由于使用参考元件11和检测元件1的差分检测的性能，可获得大输出信号。而且，甚至在由于电阻值随温度改变的效应以及元件之间电阻值变化的情况而使得电阻改变率被改变的状况下，可使用在参考元件11，21的实际操作环境中的电阻改变率自动纠正该改变，从而可准确且瞬时检测外磁场。
另外，提供电阻电压转换电路，加减放大器电路和乘除电路可构成具有同步操作的简单配置的磁场检测器。而且，其中电阻电压转换电路，加减放大器电路以及乘除电路由设置在同一衬底上的磁电阻元件、双极晶体管和电阻器形成的配置使其能够抑制来自外部源的噪声和包括在加减放大器电路和乘除电路中的晶体管和电阻器的温度改变的影响。按需要由电阻率随温度变化小的材料诸如金属氧化物膜的电阻器等来提供电阻。
另外，可仅用恒压源而不用任何恒流源来进行检测，因此可简化电路。
实施形式13
图22是表示根据本发明第十三实施形式的磁场检测器的电路框图。这里所示的磁场检测器是其中根据第十实施形式的磁场检测器还包括具有磁屏蔽的校准磁电阻元件211(此后称为校准元件)的电路配置的例子。包括在电路中的元件1，11，21的结构和制造方法类似于第三实施形式，因此不再说明。
首先说明校准元件211。校准元件211是通过与检测元件1相同方法制造的并具有相同结构的元件，该元件还包括磁屏蔽5。磁屏蔽5由与第一实施形式类似的材料形成。该配置允许准确确定元件的电阻，同时不施加外磁场。通过在不施加外磁场的情况下准确确定电阻值，可以更高准确度测量外磁场。参考图23，下面说明该原理。
关于元件电阻对外磁场的依赖性，考虑假设零外磁场下电阻值为Rm的情况，按R＝Rm外磁场由于环境和噪声产生轻微的改变(ΔH)。在这种情况下，对于零外磁场，元件电阻R＝Roffset≠Rm。如果在该条件下测量，如图23所述，检测到的磁场强度产生大小为ΔH的误差。从而，没有施加外磁场时确定电阻值Roffset并纠正误差，结果更准确检测外磁场成为可能。在该过程中，假设与参考元件211的第一铁磁层的磁化方向平行或反平行地施加的外磁场下饱和磁场分别为Hk+和Hk-，并且以恒流I提供给检测元件1的电压为Voffset。由于直线的倾斜相同，等式如下获得。
ΔH/(Hk+-Hk-)＝(Roffset-Rm)/ΔR        (31)
Voffset＝IRoffset                          (32)
其中，Hk+-Hk-＝2|Hk，因此通过测量确定Roffset，ΔR，可从等式(31)准确确定磁场电阻特性的偏移量ΔH。
参考图22，接着说明根据本实施形式的磁场检测器的检测操作。图22所示的磁场检测器由电阻电压转换电路201、加减放大器电路202c，202d、乘除电路203a，203b以及加减放大器电路207c构成。
电阻电压转换电路201通过连接恒流电路204于检测元件1、参考元件11，21、校准元件211构成，这些元件在检测磁场时分别被供给恒流I。检测元件1、参考元件11，21的操作类似于第十一实施形式，不再说明。校准元件211具有磁屏蔽5覆盖的结构，因此横跨其产生的电压Voffset等于零外磁场下检测元件1的电压V。
接着配置加减放大器电路202c，其由用于放大检测元件1和参考元件11的输出之间之差的差分放大器电路207a和用于计算参考元件11，21之差的减法电路206构成。差分放大器电路207a和减法电路206的具体操作类似于第十一实施形式，不再说明。连接于差分放大器电路207a和减法电路206的乘除电路203a具有与第十一实施形式相似的配置，类似于第十一实施形式中的等式(23)，产生如下输出：
Vout1＝(V-V1)×Va/V-＝Va×{1+2H/(Hk+-Hk-)}/2      (33)
接着加减放大器电路202d包括用于输出参考元件11，21的输出之和V+的加法电路205和用于放大加法电路205的输出与Voffset的2倍的值之间之差的差分放大器电路207b。可将加法电路205的电路配置成例如图24所示。图24所示电路由OP放大器245和电阻器255构成。在这种情况下，图中相同参考序号代表相似的OP放大器和电阻器。
在这种情况下，对于V+维持下面的等式。
V+＝V1+V2＝2×I×Rm       (34)
差分放大器电路207b放大来自具有磁屏蔽的校准元件211的输入到2倍大，并输出此2倍的211的输入与来自加法电路205的输入之差。输出电压由等式(35)从等式(32)和(34)给出。
(2×Voffset-V+)2×I×Roffset-2×I×Rm    (35)
假设恒压源208的输出是Va/2，由于加减放大器电路202d和减法电路206产生由减法电路206进行分割的加减放大器电路202d的输出，故连接于电路202d和206的乘除电路203b的输出从等式(21)，(31)，(35)如下给出：
Vout2＝Va×ΔH/(Hk+-Hk-)             (36)
用于输出乘除电路203a和乘除电路203b之间的输出之差的加减放大器电路207c的输出Vout从等式(33)，(36)如下给出。
Vout＝Va×{1/2+(H-ΔH)/(Hk+-Hk-)}    (37)
另外使用输出调整电路210减去Va/2，
Vout＝Va×{(H-ΔH)/(Hk+-Hk-)}        (38)
换言之，该磁场检测器可排除与R＝Rm相关的外磁场的微小改变(ΔH)的误差。
而且，在Va例如设置为2V的情况下，1V到-1V的电压输出可在Hk+和Hk-之间获得。
根据本实施形式的磁场测量器件包括具有与磁场检测磁电阻元件相同外磁场响应特性并且由磁屏蔽的校准磁电阻元件构成的电阻电压转换电路，用于将第一参考磁电阻元件的电阻、第二参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻以及校准磁电阻元件的电阻转换为电压；第二加减放大器电路，用于作为第四电压输出一方面的电压之和与另一方面的2倍高的电压之间之差，该电压之和是由电阻电压转换电路从第一参考磁电阻元件的电阻转换的电压与由电阻电压转换电路从第二参考磁电阻元件的电阻转换的电压之和，而该2倍高的电压是从校准磁电阻元件的电阻转换的电压的2倍高的电压；第二乘除电路，用于输出第二电压和第四电压之间之差，作为第五电压；以及减法电路，用于输出第三电压和第五电压之间之差。
结果，可使用具有磁屏蔽的校准元件211和检测元件1的输出之间的差分检测，从而获得大输出信号。而且，甚至在由于电阻值随温度改变的效应以及元件之间电阻变化的情况而使得电阻改变率被改变的状况下，可使用在具有磁屏蔽的校准元件211的实际操作环境中的电阻改变率自动纠正该改变，从而可准确且瞬时检测外磁场。
另外，提供电阻电压转换电路，加减放大器电路和乘除电路可构成具有同步操作的简单电路配置的磁场检测器。
而且，电阻电压转换电路，加减放大器电路以及乘除电路由设置在同一衬底上的磁电阻元件、双极晶体管和电阻器形成，从而能够抑制来自外部源的噪声和包括在加减放大器电路和乘除电路中的晶体管和电阻器的温度改变的影响。按需要通过由电阻率随温度变化小的材料诸如金属氧化物膜构成的电阻器来提供电阻。
另外，具有磁屏蔽的校准元件211的提供使得能够通过在不施加外磁场的情况下确定电阻值Roffset并将其用作参考值来更准确的测量外磁场。
而且参考元件11，21可具有用于屏蔽外磁场的磁屏蔽5。
磁屏蔽5由与第一实施形式类似的材料构成。
提供磁屏蔽5可使参考元件11，21不受外磁场的影响。结果，只要参考元件11中第二铁磁层的磁化方向12和第一铁磁层的磁化方向13彼此平行，并且参考元件21中的第二铁磁层的磁化方向22和第一铁磁层的磁化方向23彼此反平行，那么可在任意方向上设置参考元件11，21的第二铁磁层的磁化方向12，13。
上面说明了磁场检测器和使用该磁场检测器的电流检测器件、位置检测器件以及旋转检测器件。本发明不限于这些，可广泛应用于其他类似检测器，该检测器包括产生磁场或在改变磁场时被移动的物体的位置和移动量的检测器，还可应用于图案化的磁性元件，如磁存储器件、磁记录头或磁记录介质以及要被测量的物体改变磁场的功率检测器等。
而且，上面的说明涉及包括3或4个隧道磁电阻元件的磁场检测器。但是，检测器可包括任何数目的隧道磁电阻元件。另外，这些元件可形成例如桥路。尽管可按需要使用隧道磁电阻元件，但本发明不限于此，可适用于包括一个磁化方向被固定的铁磁层的巨磁电阻元件或其他磁电阻元件。

Claims (18)

1.一种磁场检测器，具有参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件，参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件每一个都具有叠层结构，该叠层结构包括：
反铁磁层；
磁化方向由反铁磁层固定的铁磁材料的第一层；
非磁性层；以及
磁化方向适合于由外磁场改变的铁磁材料的第二层，
其特征在于：
参考磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下第一层的磁化方向与第二层的磁化方向彼此平行或反平行，以及
磁场检测磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下第一层的磁化方向与第二层的磁化方向彼此不同。
2.如权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于：参考磁电阻元件的第一层的磁化方向与磁场检测磁电阻元件的第一层的磁化方向彼此平行或反平行。
3.如权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于：参考磁电阻元件被磁屏蔽。
4.如权利要求1所述的磁场检测器，包括多个参考磁电阻元件，其特征在于：第一参考磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下第一层的磁化方向与第二层的磁化方向彼此平行，第二参考磁电阻元件使得在不存在磁场的情况下第一层的磁化方向与第二层的磁化方向彼此反平行。
5.如权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于：包括可向磁场检测磁电阻元件施加已知磁场的磁场施加布线。
6.如权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于：参考磁电阻元件和磁场检测磁电阻元件形成在同一衬底上。
7.如权利要求1所述的磁场检测器，包括可施加已知磁场的磁场施加布线，并且还包括具有与磁场检测磁电阻元件相同的外磁场响应特性的饱和磁场检测磁电阻元件。
8.如权利要求1所述的磁场检测器，包括：
电阻电压转换电路，用于将参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换为电压；以及
加减放大器电路，用于放大由电阻电压转换电路从参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换得到的电压之间之差。
9.如权利要求8所述的磁场检测器，其特征在于：包括可向磁场检测磁电阻元件施加已知磁场的磁场施加布线。
10.如权利要求4所述的磁场检测器，包括：
电阻电压转换电路，用于将第一参考磁电阻元件的电阻、第二参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换为电压；
加减放大器电路，用于分别放大由电阻电压转换电路从第一参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换得到的电压之间之差、以及由电阻电压转换电路从第一参考磁电阻元件的电阻和第二参考磁电阻元件的电阻转换得到的电压之间之差，并输出第一和第二电压；以及
乘除电路，用于输出第一电压和第二电压之分度，作为第三电压。
11.如权利要求4所述的磁场检测器，包括：
包含具有与第一参考磁电阻元件相同的外磁场响应特性的第三参考磁电阻元件的电阻电压转换电路，用于将第一参考磁电阻元件的电阻、第二参考磁电阻元件的电阻、第三参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换为电压；
加减放大器电路，用于分别放大由电阻电压转换电路从第一参考磁电阻元件的电阻和磁场检测磁电阻元件的电阻转换得到的电压之间之差、以及由电阻电压转换电路从第二参考磁电阻元件的电阻和第三参考磁电阻元件的电阻转换得到的电压之间之差，并输出第一和第二电压；以及
乘除电路，用于输出第一电压和第二电压之分度。
12.如权利要求9所述的磁场检测器，包括：
包含具有与磁场检测磁电阻元件相同的外磁场响应特性的磁屏蔽校准磁电阻元件的电阻电压转换电路，用于将第一参考磁电阻元件的电阻、第二参考磁电阻元件的电阻、磁场检测磁电阻元件的电阻和校准磁电阻元件的电阻转换为电压；
第二加减放大器电路，用于作为第四电压输出一个差值，该差值是一方面的电压之和与另一方面的2倍高的电压之差，该电压之和是由电阻电压转换电路从第一参考磁电阻元件的电阻转换得到的电压和从第二参考磁电阻元件的电阻转换得到的电压之和，而2倍高的电压是由电阻电压转换电路从校准磁电阻元件的电阻转换得到的电压的2倍高的电压；
第二乘除电路，用于输出第二电压和第四电压之间之差，作为第五电压；以及
减法电路，用于输出第三电压和第五电压之差。
13.如权利要求8所述的磁场检测器，其特征在于电阻电压转换电路、加减放大器电路和乘除电路设置在同一衬底上。
14.如权利要求8所述的磁场检测器，其特征在于电阻电压转换电路包括恒流源、电阻器和磁电阻元件。
15.如权利要求11所述的磁场检测器，其特征在于电阻电压转换电路包括恒压源、电阻器和磁电阻元件。
16.一种电流检测器件，使用权利要求1所述的磁场检测器。
17.一种位置检测器件，使用权利要求1所述的磁场检测器。
18.一种旋转检测器件，使用权利要求1所述的磁场检测器。
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