DE102013102903A1

DE102013102903A1 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102013102903A1
Application number: DE102013102903.5A
Authority: DE
Inventors: Toshihide Suto
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: US8896304B2; JP2014016161A; JP5464237B2; DE102013102903B4; US20140009145A1

Abstract

Ein Magnetsensor enthält erste und zweite MR-Elemente und eine Elektrode, die die ersten und zweiten MR-Elemente elektrisch miteinander verbindet. Die Elektrode enthält einen ersten Abschnitt mit einer ersten Fläche, einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Fläche und einen Kopplungsabschnitt, der den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander koppelt. Die erste Fläche steht mit einer Endfläche des ersten MR-Elements in Kontakt. Die zweite Fläche steht mit einer Endfläche des zweiten MR-Elements in Kontakt. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche hat eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form. Der Durchmesser eines ersten Inkreises, der innerhalb des Außenrandes der ersten Fläche verläuft, und der Durchmesser des zweiten Inkreises, der innerhalb des Außenrandes der zweiten Fläche verläuft, sind größer als die Breite des Kopplungsabschnitts

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetsensor zur Verwendung beim Detektieren der Richtung eines externen Magnetfeldes.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den vergangenen Jahren sind Magnetsensoren weithin verwendet worden, um die Rotationsposition eines Objekts in verschiedenen Anwendungen zu detektieren, wie zum Beispiel zum Detektieren der Rotationsposition eines Lenkrades in einem Kraftfahrzeug. Linearcodierer zum Detektieren einer linearen Verschiebung eines Objekts arbeiten ebenfalls mit Magnetsensoren. Solche Systeme, die mit Magnetsensoren arbeiten, sind in der Regel mit einem Mittel (zum Beispiel einem Magneten) zum Erzeugen eines externen Magnetfeldes ausgestattet, dessen Richtung sich in Verbindung mit der Rotations- oder Linearbewegung des Objekts dreht. Magnetsensoren detektieren den Winkel, den die Richtung des externen Magnetfeldes in einer Referenzposition in Bezug auf eine Referenzrichtung bildet. Auf diese Weise wird die Rotationsposition oder die Linearverschiebung des Objekts detektiert.
Unter den bekannten Magnetsensoren befindet sich einer, der mit einem magnetoresistiven (MR) Spinventilelement arbeitet, wie es in EP 2284557 A1 und JP 2008-157844 A offenbart ist. Das MR-Spinventilelement enthält eine erste ferromagnetische Schicht, eine nichtmagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die in dieser Reihenfolge übereinander liegen. Die erste oder die zweite ferromagnetische Schicht ist eine magnetisierungsfixierte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, und die andere ist eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung eines externen Magnetfeldes variiert.
Unter den bekannten Magnetsensoren befindet sich des Weiteren einer, der mehrere in Reihe geschaltete MR-Elemente vom Current-Perpendicular-to-Plane (CPP)-Typ enthält, wie in EP 2284557 A1 offenbart ist. Mehrere MR-Filme (in einem Stapel), die in dieser europäischen Publikation offenbart sind, entsprechen den mehreren oben erwähnten MR-Elementen vom CPP-Typ. Ein MR-Element vom CPP-Typ funktioniert so, dass ein Strom zur Verwendung bei der Magnetsignaldetektion in einer Richtung eingespeist wird, die allgemein senkrecht zu den Ebenen von Schichten verläuft, die das MR-Element bilden.
Um mehrere MR-Elemente vom CPP-Typ in Reihe zu schalten, ist es notwendig, eine Elektrode zur elektrischen Verbindung zwischen jeweiligen Endflächen zweier benachbarter MR-Elemente bereitzustellen. Die Elektrode ist in der Regel so geformt, dass sie eine gleichbleibende Breite aufweist und in einer Richtung länglich verläuft, so dass sie über den zwei MR-Elementen angeordnet werden kann.
US-Patent Nr. 7,998,758 B2 und Kou et al., „Development of Highly Sensitive Terrestrial Sensor using TMR Junctions", Journal of the Magnetics Society of Japan, Band 32, Nr. 3, S. 361–365 (2008), offenbaren jeweils eine Elektrode, die mit einer Endfläche eines MR-Elements in Kontakt steht. Die Elektrode hat einen schmalen Abschnitt, der in einer Richtung länglich verläuft, und zwei breite Abschnitte, die eine größere Breite als der schmale Abschnitt haben und mit entgegengesetzten Enden des schmalen Abschnitts in der Längsrichtung gekoppelt sind. Die Elektrode ist so konfiguriert, dass ein Abschnitt, der sich in Längsrichtung gesehen in der Mitte des schmalen Abschnitts befindet, mit der Endfläche des MR-Elements in Kontakt steht.
Untersuchungen, die von den Autoren der vorliegenden Anmeldung vorgenommen wurden, haben gezeigt, dass ein Magnetsensor, der mehrere in Reihe geschaltete MR-Elemente vom CPP-Typ enthält, mit folgendem Problem behaftet sein kann, wenn die Elektrode, die mit den Endflächen der MR-Elemente in Kontakt steht, so geformt ist, dass sie eine konstante Breite hat und in einer Richtung länglich verläuft. Beim Ausdehnen oder Zusammenziehen der Elektrode oder des sie umgebenden Materials beispielsweise infolge einer Veränderung der Temperatur um den Magnetsensor werden mechanische Spannungen in der Elektrode erzeugt, was wiederum mechanische Spannungen in den MR-Elementen hervorruft, die mit der Elektrode in Kontakt stehen. Wenn die Elektrode so geformt ist, dass sie eine konstante Breite hat und in einer Richtung länglich verläuft, so weisen die mechanischen Spannungen, die in den MR-Elementen durch die Elektrode hervorgerufen werden, Anisotropie auf, so dass die Größenordnung der mechanischen Spannungen entsprechend der Richtung variiert. Wenn die erste und die zweite ferromagnetische Schicht der MR-Elemente eine magnetorestriktive Konstante ungleich null haben, so haben in diesem Fall die erste und die zweite ferromagnetische Schicht eine spannungsinduzierte magnetische Anisotropie. Die spannungsinduzierte magnetische Anisotropie kann eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit des Magnetsensors verursachen.
AUFGABE UND KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetsensor zur Verwendung beim Detektieren der Richtung eines externen Magnetfeldes bereitzustellen, wobei der Magnetsensor in der Lage ist, eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit zu verhindern, die auf eine Elektrode zurückzuführen ist, die mit Endflächen magnetoresistiver Elemente in Kontakt steht.
Ein Magnetsensor der vorliegenden Erfindung enthält erste und zweite magnetoresistive Elemente und eine Elektrode, die die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente elektrisch miteinander verbindet. Sowohl die ersten als auch die zweiten magnetoresistiven Elemente haben eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche, die einander in einer ersten Richtung gegenüberliegen, und enthalten eine erste ferromagnetische Schicht, eine nichtmagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die entlang der ersten Richtung zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche übereinander gelegt sind. Die ersten und die zweiten magnetoresistiven Elemente sind in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung ausgerichtet. Die Elektrode enthält einen ersten Abschnitt mit einer ersten Fläche, einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Fläche und einen Kopplungsabschnitt, der den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander koppelt. Mindestens ein Teil der ersten Fläche steht mit der ersten Endfläche des ersten magnetoresistiven Elements in Kontakt, und mindestens ein Teil der zweiten Fläche steht mit der ersten Endfläche des zweiten magnetoresistiven Elements in Kontakt. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche hat eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form. Sowohl ein erster Inkreis, der innerhalb des Außenrandes der ersten Fläche verläuft, als auch ein zweiter Inkreis, der innerhalb des Außenrandes der zweiten Fläche verläuft, hat einen Durchmesser größer als die Breite des Kopplungsabschnitts in einer dritten Richtung orthogonal zu der ersten und der zweiten Richtung.
In dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann sowohl die erste Endfläche des ersten magnetoresistiven Elements als auch die erste Endfläche des zweiten magnetoresistiven Elements eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form haben. In diesem Fall können die Mitte der ersten Endfläche des ersten magnetoresistiven Elements und die Mitte der ersten Fläche miteinander übereinstimmen, während die Mitte der ersten Endfläche des zweiten magnetoresistiven Elements und die Mitte der zweiten Fläche miteinander übereinstimmen können.
In dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung können sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche eine vierfach oder höher rotationssymmetrische Form haben. Des Weiteren können sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche eine vierfach oder geradzahlig-fach höher rotationssymmetrische Form haben. In diesem Fall kann das Verhältnis des Durchmessers des ersten Inkreises zur Breite des Kopplungsabschnitts und das Verhältnis des Durchmessers des zweiten Inkreises zur Breite des Kopplungsabschnitts in den Bereich von 1,5 bis 10 oder in den Bereich von 1,5 bis 5 fallen.
In dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die erste oder die zweite ferromagnetische Schicht eine magnetisierungsfixierte Schicht sein, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, und die andere kann eine freie Schicht sein, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung eines externen Magnetfeldes variiert.
Die Elektrode des Magnetsensors der vorliegenden Erfindung hat die Merkmale, dass sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form hat und der Durchmesser des ersten Inkreises, der innerhalb des Außenrandes der ersten Fläche verläuft, und der Durchmesser des zweiten Inkreises, der innerhalb des Außenrandes der zweiten Fläche verläuft, größer als die Breite des Kopplungsabschnitts in der dritten Richtung sind. Diese Merkmale verringern die Anisotropie mechanischer Spannungen, die in magnetoresistiven Elementen durch die Elektrode hervorgerufen werden, die mit den Endflächen der magnetoresistiven Elemente in Kontakt steht. Folglich ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit zu verhindern, die auf die Elektrode zurückzuführen ist.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung besser ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration eines Magnetsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein erläuterndes Schaubild, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln in der Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine Grundrissansicht, die erste und zweite MR-Elemente und eine Elektrode der Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration des Magnetsensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
5 ist eine Grundrissansicht, die eine in 4 gezeigte Wheatstone’sche-Brückenschaltung veranschaulicht.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Paar erster und zweiter MR-Elemente und eine erste Elektrode der Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
7A und 7B sind erläuternde Schaubilder, die einen Schritt eines Verfahrens zum Ausbilden mehrerer MR-Elemente und mehrerer Elektroden der Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
8A und 8B sind erläuternde Schaubilder, die einen Schritt veranschaulichen, der auf den Schritt von 7A und 7B folgt.
9A und 9B sind erläuternde Schaubilder, die einen Schritt veranschaulichen, der auf den Schritt von 8A und 8B folgt.
10A und 10B sind erläuternde Schaubilder, die einen Schritt veranschaulichen, der auf den Schritt von 9A und 9B folgt.
11A und 11B sind erläuternde Schaubilder, die einen Schritt veranschaulichen, der auf den Schritt von 10A und 10B folgt.
12A und 12B sind erläuternde Schaubilder, die einen Schritt veranschaulichen, der auf den Schritt von 11A und 11B folgt.
13A bis 13F sind Grundrissansichten, die Elektroden von mehreren Modellen veranschaulichen, die in einer ersten Simulation verwendet wurden.
14A und 14B sind erläuternde Schaubilder, die das Prinzip des Auftretens mechanischer Spannungen veranschaulichen, die für die erste Simulation angenommen wurden.
15 ist ein Kennliniendiagramm, das die Ergebnisse der ersten Simulation veranschaulicht.
16 ist ein Kennliniendiagramm, das die Ergebnisse einer zweiten Simulation veranschaulicht.
17 ist ein Kennliniendiagramm, das die Ergebnisse einer dritten Simulation veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zuerst wenden wir uns 1 bis 3 zu, um die allgemeine Konfiguration eines Magnetsensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration des Magnetsensors gemäß der Ausführungsform veranschaulicht. 2 ist ein erläuterndes Schaubild, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln in der Ausführungsform veranschaulicht. 3 ist eine Grundrissansicht, die erste und zweite MR-Elemente und eine sie verbindende Elektrode veranschaulicht, die in dem Magnetsensor gemäß der Ausführungsform enthalten sind.
Wie in 1 gezeigt, detektiert der Magnetsensor 1 gemäß der Ausführungsform den Winkel, den die Richtung eines externen Magnetfeldes MF in einer Referenzposition mit Bezug auf eine Referenzrichtung bildet. Die Richtung des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition dreht sich, vom Magnetsensor 1 aus betrachtet. In 1 ist ein zylindrischer Magnet 5 als ein Beispiel eines Mittels zum Erzeugen des externen Magnetfeldes MF gezeigt. Der Magnet 5 hat einen N-Pol und einen S-Pol, die mit Bezug auf eine virtuelle Ebene, die die Mittelachse des Zylinders enthält, symmetrisch angeordnet sind. Der Magnet 5 dreht sich um die Mittelachse des Zylinders. Folglich dreht sich die Richtung des durch den Magneten 5 erzeugten externen Magnetfeldes MF um ein Rotationszentrum C, das die Mittelachse des Zylinders enthält.
Die Referenzposition befindet sich innerhalb einer virtuellen Ebene parallel zu einer Endfläche des Magneten 5. Diese virtuelle Ebene wird im Weiteren als die Referenzebene bezeichnet. In der Referenzebene dreht sich die Richtung des durch den Magneten 5 erzeugten externen Magnetfeldes MF um die Referenzposition. Die Referenzrichtung befindet sich innerhalb der Referenzebene und schneidet die Referenzposition. In den folgenden Beschreibungen bezieht sich die Richtung des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition auf eine Richtung, die sich innerhalb der Referenzebene befindet. Der Magnetsensor 1 ist so angeordnet, dass er der Endfläche des Magneten 5 zugewandt ist.
Die Konfigurationen des Mittels zum Erzeugen des externen Magnetfeldes MF und des Magnetsensors 1 sind nicht auf das in 1 gezeigte Beispiel beschränkt. Das Mittel zum Erzeugen des externen Magnetfeldes MF und der Magnetsensor 1 brauchen nur so konfiguriert zu werden, dass die relative Position zwischen dem Mittel zum Erzeugen des externen Magnetfeldes MF und dem Magnetsensor 1 so variiert, dass sich die Richtung des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition, vom Magnetsensor 1 aus betrachtet, dreht. Zum Beispiel können der Magnet 5 und der Magnetsensor 1, die wie in 1 gezeigt angeordnet sind, so konfiguriert werden, dass: der Magnetsensor 1 sich dreht, während der Magnet 5 ortsfest ist; der Magnet 5 und der Magnetsensor 1 sich in entgegengesetzten Richtungen drehen; oder der Magnet 5 und der Magnetsensor 1 sich in derselben Richtung drehen, aber mit voneinander verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten.
Alternativ kann ein Magnet, der ein oder mehrere Paare von N- und S-Polen enthält, die abwechselnd in einer Ringform angeordnet sind, anstelle des Magneten 5 verwendet werden, und der Magnetsensor 1 kann in der Nähe des Außenumfangs des Magneten angeordnet sein. In diesem Fall dreht sich mindestens der Magnet oder der Magnetsensor 1.
Alternativ kann ein Magnetstreifen, der mehrere Paare von N- und S-Polen enthält, die abwechselnd in einer geraden Linie angeordnet sind, anstelle des Magneten 5 verwendet werden, und der Magnetsensor 1 kann in der Nähe des Umfangsrandes des Magnetstreifens angeordnet sein. In diesem Fall bewegt sich mindestens der Magnetstreifen oder der Magnetsensor 1 linear in der Richtung, in der die N- und S-Pole des Magnetstreifens ausgerichtet sind.
In den oben beschriebenen verschiedenen Arten von Konfigurationen des Mittels zum Erzeugen des externen Magnetfeldes MF und auch des Magnetsensors 1 gibt es die Referenzebene, die eine zuvor festgelegte Positionsbeziehung zu dem Magnetsensor 1 hat, und in der Referenzebene dreht sich die Richtung des externen Magnetfeldes MF, vom Magnetsensor 1 aus betrachtet, um die Referenzposition.
Der Magnetsensor 1 enthält einen ersten Erfassungsschaltkreis 10 und einen zweiten Erfassungsschaltkreis 20. Der erste Erfassungsschaltkreis 10 erzeugt ein erstes Signal, das dem Winkel entspricht, den die Richtung des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition mit Bezug auf die Referenzrichtung bildet. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 erzeugt ein zweites Signal, das dem Winkel entspricht, den die Richtung des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition mit Bezug auf die Referenzrichtung bildet. Um das Verständnis zu erleichtern, veranschaulicht 1 den ersten und den zweiten Erfassungsschaltkreis 10 und 20 als separate Komponenten. Allerdings können der erste und der zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 auch in einer einzelnen Komponente integriert sein. Des Weiteren sind zwar in 1 der erste und der zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 in einer Richtung parallel zu dem Rotationszentrum C übereinander gelegt, doch die Reihenfolge des Übereinanderlegens kann auch anders herum sein, als in 1 gezeigt.
Die Definitionen von Richtungen und Winkeln in dieser Ausführungsform werden nun mit Bezug auf 2 beschrieben. Zuerst wird eine Richtung, die parallel zu dem in 1 gezeigten Rotationszentrum C und von einer Endfläche des Magneten 5 zu dem Magnetsensor 1 verläuft, als die Z-Richtung definiert. Als Nächstes werden zwei Richtungen, die orthogonal zueinander und senkrecht zu der Z-Richtung verlaufen, als die X-Richtung und die Y-Richtung definiert. In 2 ist die X-Richtung als die Richtung nach rechts gezeigt, und die Y-Richtung ist als die Aufwärtsrichtung gezeigt. Die Richtung entgegen der X-Richtung wird als die -X-Richtung definiert, und die Richtung entgegen der Y-Richtung wird als die -Y-Richtung definiert.
In dieser Ausführungsform ist die Referenzposition PR die Position, in der der Magnetsensor 1 das externe Magnetfeld MF detektiert. Die Referenzrichtung DR soll X-Richtung sein. Der Winkel, den die Richtung DM des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition PR mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet, wird durch das Symbol θ bezeichnet. Die Richtung DM des externen Magnetfeldes MF soll sich in 2 entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Der Winkel θ wird mit einem positiven Wert ausgedrückt, wenn er aus der Referenzrichtung DR entgegen dem Uhrzeigersinn betrachtet wird, und wird mit einem negativen Wert ausgedrückt, wenn er aus der Referenzrichtung DR im Uhrzeigersinn betrachtet wird.
Sowohl der erste als auch der zweite Erfassungsschaltkreis 10 und 20 enthält mehrere magnetoresistive (MR) Elemente 50 und mehrere Elektroden 40 zum elektrischen Verbinden der mehreren MR-Elemente 50. Die mehreren MR-Elemente 50 und die mehreren Elektroden 40 sind auf der Oberseite eines nicht gezeigten Substrats montiert. Die planare Form (die Form in einer Grundrissansicht) jedes MR-Elements 50 ist zum Beispiel kreisförmig. In 2 zeigt das Bezugszeichen 11 die planare Form jedes MR-Elements 50 in dem ersten Erfassungsschaltkreis 10 an, während das Bezugszeichen 21 die planare Form jedes MR-Elements 50 in dem zweiten Erfassungsschaltkreis 20 anzeigt.
In dieser Ausführungsform weist insbesondere sowohl der erste als auch der zweite Erfassungsschaltkreis 10 mehrere Reihen von MR-Elementen auf. Jede der mehreren Reihen von MR-Elementen (im Weiteren „MR-Element-Reihen“) enthält mehrere in Reihe geschaltete MR-Elemente 50. In dieser Ausführungsform werden jeweils zwei MR-Elemente 50, die nebeneinander liegen und in einer Reihe von MR-Elementen (im Weiteren „eine MR-Element-Reihe“) in Reihe geschaltet sind, als ein erstes MR-Element 50A und ein zweites MR-Element 50B bezeichnet.
3 zeigt die planare Form der ersten und zweiten MR-Elemente 50A und 50B. Nun werden erste bis dritte Richtungen, die sich auf die Konfigurationen und Positionen der ersten und zweiten MR-Elemente 50A und 50B beziehen, folgendermaßen definiert. Wie später noch im Detail beschrieben wird, enthält jedes MR-Element 50 mehrere übereinander gelegte Schichten. Zuerst wird für die ersten und zweiten MR-Elemente 50A und 50B die Richtung, in der die oben erwähnten mehreren Schichten übereinander gelegt sind, als die erste Richtung D1 definiert. In dieser Ausführungsform verläuft die erste Richtung D1 parallel zu der Z-Richtung. Die ersten und zweiten MR-Elemente 50A und 50B sind in einer Richtung orthogonal zu der ersten Richtung D1 ausgerichtet. Diese Richtung wird als die zweite Richtung D2 definiert. Dann wird eine Richtung orthogonal zu der ersten Richtung D1 und der zweiten Richtung D2 als die dritte Richtung D3 definiert. Sowohl die ersten als auch die zweiten MR-Elemente 50A und 50B haben zwei Endflächen, die einander in der ersten Richtung D1 gegenüberliegen. Von den zwei Endflächen wird diejenige, die näher an der Oberseite des Substrats liegt, als die Unterseite bezeichnet, und diejenige, die von der Oberseite des Substrats weiter entfernt liegt, wird als die Oberseite bezeichnet. Im Weiteren wird auch bei allen anderen Komponenten, die zwei Endflächen haben, die einander in der ersten Richtung D1 gegenüberliegen, eine der zwei Endflächen, die näher an der Oberseite des Substrats liegt, als die Unterseite bezeichnet, und die andere, die von der Oberseite des Substrats weiter entfernt liegt, wird als die Oberseite bezeichnet.
Die mehreren Elektroden 40 enthalten mehrere erste Elektroden 40A, die die jeweiligen Unterseiten zweier benachbarter MR-Elemente 50 elektrisch miteinander verbinden, und mehrere zweite Elektroden 40B, die die jeweiligen Oberseiten zweier benachbarter MR-Elemente 50 elektrisch miteinander verbinden. Die ersten und zweiten MR-Elemente 50A und 50B sind in zwei Typen klassifiziert: solche, die durch eine Elektrode 40A in Reihe geschaltet werden, und die anderen, die durch eine Elektrode 40B in Reihe geschaltet werden. Sowohl die ersten als auch die zweiten Elektroden 40A und 40B entsprechen der „Elektrode, die die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente elektrisch miteinander verbindet“, gemäß der Erfindung.
Hier werden eine Endfläche des MR-Elements 50A und eine Endfläche des MR-Elements 50B, die durch die Elektrode 40A oder 40B elektrisch miteinander verbunden werden, als die erste Endfläche des MR-Elements 50A bzw. die erste Endfläche des MR-Elements 50B bezeichnet. Andererseits wird für jedes der MR-Elemente 50A und 50B die der ersten Endfläche gegenüberliegende Endfläche als die zweite Endfläche bezeichnet. Bei den MR-Elementen 50A und 50B, die durch die Elektrode 40A in Reihe geschaltet werden, sind ihre Unterseiten die ersten Endflächen, während ihre Oberseiten die zweiten Endflächen sind. Bei den MR-Elementen 50A und 50B, die durch die Elektrode 40B in Reihe geschaltet werden, sind ihre Oberseiten die ersten Endflächen, während ihre Unterseiten die zweiten Endflächen sind.
Jede der Elektroden 40A und 40B enthält einen ersten Abschnitt 41 mit einer ersten Fläche 41a, einen zweiten Abschnitt 42 mit einer zweiten Fläche 42a und einen Kopplungsabschnitt 43, der den ersten Abschnitt 41 und den zweiten Abschnitt 42 miteinander koppelt. 3 zeigt die planaren Formen des ersten Abschnitts 41, des zweiten Abschnitts 42 und des Kopplungsabschnitts 43 der Elektrode 40A. In 3 sind die Grenze zwischen dem ersten Abschnitt 41 und dem Kopplungsabschnitt 43 und die Grenze zwischen dem zweiten Abschnitt 42 und dem Kopplungsabschnitt 43 durch Strichlinien gezeigt. In der Elektrode 40A steht mindestens ein Teil der ersten Fläche 41a mit der ersten Endfläche (der Unterseite) des ersten MR-Elements 50A in Kontakt, und mindestens ein Teil der zweiten Fläche 42a steht mit der ersten Endfläche (der Unterseite) des zweiten MR-Elements 50B in Kontakt. Bei der Elektrode 40A ist die erste Fläche 41a die Oberseite des ersten Abschnitts 41, und die zweite Fläche 42a ist die Oberseite des zweiten Abschnitts 42.
Obgleich nicht veranschaulicht, sind der erste Abschnitt 41, der zweite Abschnitt 42 und der Kopplungsabschnitt 43 der Elektrode 40B in der gleichen Weise geformt wie die der Elektrode 40A. Jedoch ist bei der Elektrode 40B die erste Fläche 41a die Unterseite des ersten Abschnitts 41, und die zweite Fläche 42a ist die Unterseite des zweiten Abschnitts 42. In der Elektrode 40B steht mindestens ein Teil der ersten Fläche 41a mit der ersten Endfläche (der Oberseite) des ersten MR-Elements 50A in Kontakt, und mindestens ein Teil der zweiten Fläche 42a steht mit der ersten Endfläche (der Oberseite) des zweiten MR-Elements 50B in Kontakt. Die folgenden Beschreibungen bezüglich des erstes Abschnitts 41 (der ersten Fläche 41a), des zweiten Abschnitts 42 (der zweiten Fläche 42a) und des Kopplungsabschnitts 43 gelten sowohl für die Elektrode 40A als auch für die Elektrode 40B, sofern nicht ausdrücklich unterschieden wird.
Sowohl die erste Fläche 41a als auch die zweite Fläche 42a hat eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form. In dem in 3 gezeigten Beispiel hat sowohl die erste Fläche 41a als auch die zweite Fläche 42a eine vierfach rotationssymmetrische Form. Insbesondere haben die in 3 gezeigten ersten und zweiten Flächen 41a und 42a die Form eines Quadrats mit gerundeten Ecken.
Es ist zu beachten, dass eine n-fach rotationssymmetrische Form (n ist jede ganze Zahl größer oder gleich zwei) auch eine m-fach rotationssymmetrische Form ist, wobei m ein Teiler von n ist. Für diese Ausführungsform wird die rotationssymmetrische Form der ersten und zweiten Flächen 41a und 42a mit der höchsten der Rotationssymmetrie-Ordnungen ausgedrückt, die für diese Form gelten. Eine Kreisform kann als eine rotationssymmetrische Form angesehen werden, bei der der maximale Wert von n unendlich ist. Demnach ist eine Kreisform gemäß der für diese Ausführungsform verwendeten Definition in der dreifach oder höher rotationssymmetrischen Form enthalten.
Sowohl die erste Fläche 41a als auch die zweite Fläche 42a hat bevorzugt eine vierfach oder höher rotationssymmetrische Form und besonders bevorzugt eine vierfach oder geradzahlig-fach höhere rotationssymmetrische Form. Der Grund dafür wird später im Detail beschrieben.
Sowohl die erste Endfläche des ersten MR-Elements 50A als auch die erste Endfläche des zweiten MR-Elements 50B hat eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind sowohl die ersten als auch die zweiten MR-Elemente 50A und 50B in der planaren Form kreisförmig, und darum hat die erste Endfläche sowohl der ersten als auch der zweiten MR-Elemente 50A und 50B ebenfalls eine Kreisform. Bei jedem der ersten und zweiten MR-Elemente 50A und 50B hat die zweite Endfläche die gleiche Form wie die erste Endfläche.
In 3 bezeichnet das Symbol 41c die Mitte der ersten Fläche 41a, während das Symbol 42c die Mitte der zweiten Fläche 42a bezeichnet. Des Weiteren bezeichnet das Symbol 50Ac die Mitte der ersten Endfläche des ersten MR-Elements 50A, während das Symbol 50Bc die Mitte der ersten Endfläche des zweiten MR-Elements 50B bezeichnet. In dieser Ausführungsform stimmen, wie in 3 gezeigt, die Mitte 50Ac und die Mitte 41c im Wesentlichen miteinander überein, während die Mitte 50Bc und die Mitte 42c im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Des Weiteren ist in dem in 3 gezeigten Beispiel die erste Fläche 41a größer als die erste Endfläche des MR-Elements 50A, während die zweite Fläche 42a größer als die erste Endfläche des MR-Elements 50B ist.
In 3 bezeichnet das Symbol 41B einen ersten Inkreis, der innerhalb des Außenrandes der ersten Fläche 41a verläuft, während das Symbol 42B einen zweiten Inkreis bezeichnet, der innerhalb des Außenrandes der zweiten Fläche 42a verläuft. Wie in 3 gezeigt, sind der Durchmesser a1 des ersten Inkreises 41B und der Durchmesser a2 des zweiten Inkreises 42B größer als die Breite W des Kopplungsabschnitts 43 in der dritten Richtung D3. Das Verhältnis a1/W des Durchmessers a1 des ersten Inkreises 41B zur Breite W des Kopplungsabschnitts 43 und das Verhältnis a2/W des Durchmessers a2 des zweiten Inkreises 42B zur Breite W des Kopplungsabschnitts 43 fallen bevorzugt in den Bereich von 1,5 bis 10, besonders bevorzugt in den Bereich von 1,5 bis 5. Der Grund dafür wird später im Detail beschrieben.
Nun wird die Konfiguration des Magnetsensors 1 mit Bezug auf 4 im Detail beschrieben. 4 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration des Magnetsensors 1 veranschaulicht. Der erste Erfassungsschaltkreis 10 detektiert eine X-Richtungs-Komponente des externen Magnetfeldes MF in der Referenzposition PR und erzeugt ein erstes Signal S1, das mit der Stärke der Komponente verknüpft ist. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 detektiert eine Y-Richtungs-Komponente des externen Magnetfeldes MP in der Referenzposition PR und erzeugt ein zweites Signal S2, das mit der Stärke der Komponente verknüpft ist. Sowohl das erste als auch das zweite Signal S1 und S2 entsprechen dem Winkel θ.
Das erste und das zweite Signal S1 und S2 variieren periodisch mit der gleichen Signalperiode T. Das zweite Signal S2 unterscheidet sich von dem ersten Signal S1 in der Phase. Das zweite Signal S2 unterscheidet sich bevorzugt von dem ersten Signal S1 in der Phase um eine ungerade Zahl mal 1/4 der Signalperiode T. Jedoch kann im Hinblick auf die Produktionsgenauigkeit der MR-Elemente 50 und andere Faktoren die Differenz in der Phase zwischen dem ersten Signal S1 und dem zweiten Signal S2 geringfügig von einer ungeraden Zahl mal 1/4 der Signalperiode T abweichen. In dieser Ausführungsform unterscheidet sich das zweite Signal S2 von dem ersten Signal S1 in der Phase insbesondere um 1/4 der Signalperiode T. Die Wellenformen der ersten und zweiten Signale S1 und S2 folgen idealerweise einer Sinuskurve (einschließlich einer Sinuswellenform und einer Kosinuswellenform).
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 hat einen Ausgang zum Ausgeben des ersten Signals S1. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 hat einen Ausgang zum Ausgeben des zweiten Signals S2. Der Magnetsensor 1 enthält des Weiteren einen arithmetischen Schaltkreis 30. Der arithmetische Schaltkreis 30 hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die zwei Eingänge des arithmetischen Schaltkreises 30 sind mit den jeweiligen Ausgängen des ersten und des zweiten Erfassungsschaltkreises 10 und 20 verbunden.
Der arithmetische Schaltkreis 30 berechnet einen detektierten Wert θs, der dem Winkel θ entspricht. In dieser Ausführungsform ist der detektierte Wert θs der Wert des durch den Magnetsensor 1 detektierten Winkels θ. Der arithmetische Schaltkreis 30 kann beispielsweise durch einen Mikrocomputer implementiert werden. Wie der detektierte Wert θs berechnet wird, wird später im Detail beschrieben.
Der erste Erfassungsschaltkreis 10 hat eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 14 und einen Differenzschaltkreis 15. Die Wheatstone'sche Brückenschaltung 14 enthält einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Erdungsanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar in Reihe geschalteter MR-Element-Reihen R11 und R12 und ein zweites Paar in Reihe geschalteter MR-Element-Reihen R13 und R14. Jede der MR-Element-Reihen R11 bis R14 enthält mehrere in Reihe geschaltete MR-Elemente 50. Ein Ende jeder der MR-Element-Reihen R11 und R13 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Das andere Ende der MR-Element-Reihe R11 ist mit einem Ende der MR-Element-Reihe R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende der MR-Element-Reihe R13 ist mit einem Ende der MR-Element-Reihe R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende jeder der MR-Element-Reihen R12 und R14 ist mit dem Erdungsanschluss G1 verbunden. Eine Versorgungsspannung von zuvor festgelegter Größenordnung wird in den Stromversorgungsanschluss V1 eingespeist. Der Erdungsanschluss G1 ist geerdet. Der Differenzschaltkreis 15 gibt an den arithmetischen Schaltkreis 30 das erste Signal S1 aus, das dem Potenzialunterschied zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht.
Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 hat eine Schaltkreiskonfiguration ähnlich der des ersten Erfassungsschaltkreises 10. Genauer gesagt, hat der zweite Erfassungsschaltkreis 20 eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 24 und einen Differenzschaltkreis 25. Die Wheatstone'sche Brückenschaltung 24 enthält einen Stromversorgungsanschluss V2, einen Erdungsanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar in Reihe geschalteter MR-Element-Reihen R21 und R22 und ein zweites Paar in Reihe geschalteter MR-Element-Reihen R23 und R24. Jede der MR-Element-Reihen R21 bis R24 enthält mehrere in Reihe geschaltete MR-Elemente 50. Ein Ende jeder der MR-Element-Reihen R21 und R23 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V2 verbunden. Das andere Ende der MR-Element-Reihe R21 ist mit einem Ende der MR-Element-Reihe R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende der MR-Element-Reihe R23 ist mit einem Ende der MR-Element-Reihe R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende jeder der MR-Element-Reihen R22 und R24 ist mit dem Erdungsanschluss G2 verbunden. Eine Versorgungsspannung von zuvor festgelegter Größenordnung wird in den Stromversorgungsanschluss V2 eingespeist. Der Erdungsanschluss G2 ist geerdet. Der Differenzschaltkreis 25 gibt an den arithmetischen Schaltkreis 30 das zweite Signal S2 aus, das dem Potenzialunterschied zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht.
Alle MR-Elemente 50, die in der Wheatstone'schen Brückenschaltung 14 und 24 enthalten sind (im Weiteren als Brückenschaltungen bezeichnet), enthalten jeweils eine erste ferromagnetische Schicht, eine nichtmagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die entlang der ersten Richtung D1 zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche übereinander gelegt sind. In dieser Ausführungsform sind die MR-Elemente 50 MR-Spinventilelemente, genauer gesagt, TMR-Elemente. Anstelle der TMR-Elemente können auch GMR-Elemente verwendet werden. Die TMR-Elemente oder GMR-Elemente enthalten jeweils eine magnetisierungsfixierte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung DM des externen Magnetfeldes MF variiert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der magnetisierungsfixierten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist. Die erste oder die zweite ferromagnetische Schicht ist die magnetisierungsfixierte Schicht, und die andere ist die freie Schicht.
Für TMR-Elemente ist die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelsperrschicht. Für GMR-Elemente ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Die TMR-Elemente oder GMR-Elemente variieren hinsichtlich ihres Widerstandes in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht mit Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht bildet. Der Widerstand erreicht seinen kleinsten Wert, wenn der oben genannte Winkel 0° ist. Der Widerstand erreicht seinen größten Wert, wenn der oben genannte Winkel 180° ist. In 4 bezeichnen die vollschwarzen Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten der MR-Elemente 50, und die hohlen Pfeile bezeichnen die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente 50.
In dem ersten Erfassungsschaltkreis 10 sind die magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50, die in den MR-Element-Reihen R111 und R14 enthalten sind, in der X-Richtung magnetisiert, und die magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50, die in den MR-Element-Reihen R12 und R13 enthalten sind, sind in der -X-Richtung magnetisiert. In 2 bezeichnet der Pfeil DP1 die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50, die in den MR-Element-Reihen R11 und R14 enthalten sind. In diesem Fall variiert der Potenzialunterschied zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entsprechend der Stärke der X-Richtungs-Komponente des externen Magnetfeldes MF. Der erste Erfassungsschaltkreis 10 detektiert so die Stärke der X-Richtungs-Komponente des externen Magnetfeldes MF und erzeugt das erste Signal S1, das die Stärke anzeigt.
In dem zweiten Erfassungsschaltkreis 20 sind die magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50, die in den MR-Element-Reihen R21 und R24 enthalten sind, in der Y-Richtung magnetisiert, und die magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50, die in den MR-Element-Reihen R22 und R23 enthalten sind, sind in der -Y-Richtung magnetisiert. In 2 bezeichnet der Pfeil DP2 die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50, die in den MR-Element-Reihen R21 und R24 enthalten sind. In diesem Fall variiert der Potenzialunterschied zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entsprechend der Stärke der Y-Richtungs-Komponente des externen Magnetfeldes MF. Der zweite Erfassungsschaltkreis 20 detektiert so die Stärke der Y-Richtungs-Komponente des externen Magnetfeldes MF und erzeugt das zweite Signal S2, das die Stärke anzeigt.
Im Hinblick auf die Produktionsgenauigkeit der MR-Elemente 50 und andere Faktoren können die magnetisierungsfixierten Schichten der mehreren MR-Elemente 50 in den Erfassungsschaltkreisen 10 und 20 in Richtungen magnetisiert werden, die geringfügig von den oben beschriebenen Richtungen abweichen.
Es wird nun ein Beispiel der Konfigurationen der Brückenschaltungen und der MR-Element-Reihen mit Bezug auf 5 beschrieben. 5 ist eine Grundrissansicht, die die in 4 gezeigte Brückenschaltung 14 veranschaulicht. In dem in 5 gezeigten Beispiel besteht jede MR-Element-Reihe aus acht MR-Elementen 50 und mehreren Elektroden 40. Die mehreren Elektroden 40 enthalten mehrere erste Elektroden 40A und mehrere zweite Elektroden 40B.
In jeder MR-Element-Reihe sind die mehreren ersten Elektroden 40A mit einem Abstand zwischen allen benachbarten Elektroden auf einem (nicht gezeigten) Substrat so angeordnet, dass sie insgesamt eine Mäanderform ergeben. Zwei benachbarte MR-Elemente 50 sind auf dem ersten Abschnitt 41 und dem zweiten Abschnitt 42 jeder der ersten Elektroden 40A angeordnet. Auf diese Weise verbindet eine einzelne erste Elektrode 40A zwei benachbarte MR-Elemente 50 in Reihe.
Des Weiteren sind in jeder MR-Element-Reihe die mehreren zweiten Elektroden 40B mit einem Abstand zwischen allen benachbarten Elektroden auf den mehreren MR-Elementen 50 so angeordnet, dass sie insgesamt eine Mäanderform ergeben. Der erste Abschnitt 41 und der zweite Abschnitt 42 jeder der zweiten Elektroden 40B sind auf zwei benachbarten MR-Elementen 50 angeordnet, die nicht durch eine einzelne erste Elektrode 40A miteinander verbunden sind. Somit schaltet eine einzelne zweite Elektrode 40B zwei benachbarte MR-Elemente 50, die nicht durch eine einzelne erste Elektrode 40A verbunden sind, in Reihe. Auf diese Weise werden die mehreren MR-Elemente 50, die in jeder MR-Element-Reihe enthalten sind, über die mehreren ersten Elektroden 40A und die mehreren zweiten Elektroden 40B in Reihe geschaltet.
Die mehreren Elektroden 40, die in der in 5 gezeigten Brückenschaltung 14 enthalten sind, enthalten des Weiteren vier dritte Elektroden 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 zum elektrischen Verbinden zweier MR-Element-Reihen. Die dritten Elektroden 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 sind auf dem nicht gezeigten Substrat angeordnet.
Die Elektrode 40C1 verbindet das MR-Element 50, das sich an einem Ende der MR-Element-Reihe R11 befindet, elektrisch mit dem MR-Element 50, das sich an einem Ende der MR-Element-Reihe R13 befindet, und ist elektrisch mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Die Elektrode 40C2 verbindet das MR-Element 50, das sich an dem anderen Ende der MR-Element-Reihe R11 befindet, elektrisch mit dem MR-Element 50, das sich an einem Ende der MR-Element-Reihe R12 befindet, und ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Die Elektrode 40C3 verbindet das MR-Element 50, das sich an dem anderen Ende der MR-Element-Reihe R13 befindet, elektrisch mit dem MR-Element 50, das sich an einem Ende der MR-Element-Reihe R14 befindet, und ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Die Elektrode 40C4 verbindet das MR-Element 50, das sich an dem anderen Ende der MR-Element-Reihe R12 befindet, elektrisch mit dem MR-Element 50, das sich an dem anderen Ende der MR-Element-Reihe R14 befindet, und ist elektrisch mit dem Erdungsanschluss G1 verbunden.
Ein Teil jeder der Elektroden 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 in der Nähe des MR-Elements 50 kann die gleiche Form wie der erste Abschnitt 41 oder der zweite Abschnitt 42 der ersten Elektrode 40A haben. Die Brückenschaltung 24 ist in der gleichen Weise konfiguriert wie die in 5 gezeigte Brückenschaltung 14.
Es wird nun die Konfiguration der MR-Elemente 50 mit Bezug auf 6 beschrieben. 6 zeigt ein Paar erster und zweiter MR-Elemente 50A und 50B und eine erste Elektrode 40A, die diese MR-Elemente in Reihe schaltet. In dem in 6 gezeigten Beispiel ist jedes der MR-Elemente 50 (50A und 50B) wie ein Zylinder geformt und hat eine Oberseite und eine Unterseite. Bei jedem der in 6 gezeigten MR-Elemente 50 (50A und 50B) ist die Unterseite die erste Endfläche, während die Oberseite die zweite Endfläche ist. Jedes der MR-Elemente 50 (50A und 50B) enthält eine freie Schicht 51, eine nichtmagnetische Schicht 52, eine magnetisierungsfixierte Schicht 53 und eine antiferromagnetische Schicht 54, die in dieser Reihenfolge entlang der ersten Richtung D1 zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche übereinander gelegt sind, wobei sich die freie Schicht 51 der ersten Elektrode 40A am nächsten befindet. Die antiferromagnetische Schicht 54 besteht aus einem antiferromagnetischen Material und steht in Austauschkopplung mit der magnetisierungsfixierten Schicht 53, um die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 53 zu fixieren. Die erste Elektrode 40A verbindet die freie Schicht 51 des ersten MR-Elements 50A und die freie Schicht 51 des zweiten MR-Elements 50B elektrisch miteinander. Obgleich nicht gezeigt, verbindet die zweite Elektrode 40B die antiferromagnetischen Schichten 54 zweier benachbarter MR-Elemente 50, die nicht durch eine einzelne erste Elektrode 40A miteinander verbunden sind, elektrisch miteinander. Es ist zu beachten, dass die Anordnung der Schichten 51 bis 54 in den MR-Elementen 50 (50A und 50B) relativ zu der in 6 gezeigten Anordnung vertikal vertauscht werden kann.
Es wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben, wie der detektierte Wert θs zu berechnen ist. In dem in 4 gezeigten Beispiel verlaufen die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 der MR-Elemente 50 in dem zweiten Erfassungsschaltkreis 20 idealerweise orthogonal zu den Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 der MR-Elemente 50 in dem ersten Erfassungsschaltkreis 10. In diesem Fall hat das erste Signal S1 idealerweise eine Kosinuswellenform, die von dem Winkel θ abhängig ist, und das zweite Signal S2 hat idealerweise eine Sinuswellenform, die von dem Winkel θ abhängig ist. In diesem Fall unterscheidet sich das zweite Signal S2 von dem ersten Signal S1 in der Phase um 1/4 der Signalperiode T, d. h. um π/2 (90°).
Wenn der Winkel θ mindestens 0° beträgt und kleiner als 90° ist, und wenn der Winkel θ größer als 270° ist und maximal 360° beträgt, so nimmt das erste Signal S1 einen positiven Wert an. Wenn der Winkel θ größer als 90° und kleiner als 270° ist, so nimmt das erste Signal S1 einen negativen Wert an. Wenn des Weiteren der Winkel θ größer als 0° und kleiner als 180° ist, so nimmt das zweite Signal S2 einen positiven Wert an. Wenn der Winkel θ größer als 180° und kleiner als 360° ist, so nimmt das zweite Signal S2 einen negativen Wert an.
Auf der Grundlage des ersten und des zweiten Signals S1 und S2 berechnet der arithmetische Schaltkreis 30 den detektierten Wert θs, der dem Winkel θ entspricht. Genauer gesagt, berechnet der arithmetische Schaltkreis 30 θs beispielsweise anhand der folgenden Gleichung (1). Es ist zu beachten, dass „atan“ einen Arkustangens darstellt. θs = atan(S2/S1)... (1)
Der Terminus „atan (S2/S1)“ von Gleichung (1) stellt die Arkustangens-Berechnung zum Bestimmen von θs dar. Für θs im Bereich von 0° oder größer und kleiner als 360° gibt es zwei Lösungen von θs in Gleichung (1) mit einer Differenz von 180° im Wert. Welche der zwei Lösungen von θs in Gleichung (1) die wahre Lösung für θs ist, kann anhand der Kombination positiver und negativer Vorzeichen von S1 und S2 bestimmt werden. Genauer gesagt, wenn S1 einen positiven Wert hat, so ist θs mindestens 0° und kleiner als 90°, oder ist größer als 270° und maximal 360°. Wenn S1 einen negativen Wert hat, so ist θs größer als 90° und kleiner als 270°. Wenn S2 einen positiven Wert hat, so ist θs größer als 0° und kleiner als 180°. Wenn S2 einen negativen Wert hat, so ist θs größer als 180° und kleiner als 360°. Unter Verwendung von Gleichung (1), und auf der Grundlage der obigen Bestimmung der Kombination von positiven und negativen Vorzeichen von S1 und S2, bestimmt der arithmetische Schaltkreis 30 θs innerhalb des Bereichs von 0° oder größer und kleiner als 360°.
Ein Verfahren zum Ausbilden der mehreren MR-Elemente 50 (MR-Elemente 50A und 50B) und der mehreren Elektroden 40 (Elektroden 40A, 40B, 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4) wird nun mit Bezug auf 7A bis 12B beschrieben. 7A bis 12A sind Grundrissansichten, die jeweils einen Stapel von Schichten zeigen, die in dem Prozess zum Ausbilden der mehreren MR-Elemente 50 und der mehreren Elektroden 40 gebildet werden. 7B bis 12B zeigen Querschnitte entlang der Linie nB-nB (n ist eine ganze Zahl von 7 bis 12) in 7A bis 12A.
In dem Verfahren zum Ausbilden der mehreren MR-Elemente 50 und der mehreren Elektroden 40 wird zuerst ein Substrat 60 hergestellt, wie in 7A und 7B gezeigt. In dem in 7A und 7B gezeigten Beispiel hat das Substrat 60 einen Substratkorpus 61 und eine Isolierschicht 62, die auf der Oberseite des Substratkorpus 61 ausgebildet ist. Die Oberseite der Isolierschicht 62 bildet die Oberseite 60a des Substrats 60. Der Substratkorpus 61 kann aus einem Halbleiter oder einem isolierenden Material, wie zum Beispiel Glas, Keramik, Harz oder dergleichen, bestehen. Das Substrat 60 ist nicht auf eines beschränkt, das den Substratkorpus 61 und die Isolierschicht 62 aufweist, und braucht nur aus einem isolierenden Substrat zu bestehen.
8A und 8B zeigen den nächsten Schritt. In diesem Schritt werden zuerst die mehreren ersten Elektroden 40A und die dritten Elektroden 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 (nicht gezeigt) auf der Oberseite 60a des Substrats 60 ausgebildet. Als Nächstes wird eine Isolierschicht 63 um die Elektroden 40A, 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 auf der Oberseite 60a ausgebildet.
9A und 9B zeigen den nächsten Schritt. In diesem Schritt wird ein MR-Stapel 50P über den Elektroden 40A, 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 und der Isolierschicht 63 ausgebildet. Der MR-Stapel 50P ist ein Mehrschichtfilm, der später zu den mehreren MR-Elementen 50 zu strukturieren ist. Der MR-Stapel 50P enthält somit mehrere Filme, die später zu mehreren Schichten zu strukturieren sind, die jedes der mehreren MR-Elemente 50 bilden.
In dieser Ausführungsform können die mehreren MR-Elemente 50 zu der gleichen Konfiguration gebildet werden, außer dass die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 verschieden sind. Die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 können in dem Schritt fixiert werden, der in 9A und 9B gezeigt ist, oder nachdem der MR-Stapel 50P strukturiert wurde.
Um zum Beispiel die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 in dem in 9A und 9B gezeigten Schritt zu fixieren, werden separate MR-Stapel 50P für verschiedene Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 ausgebildet, wie unten beschrieben wird. Zuerst werden zwei MR-Stapel 50P ausgebildet, die den zwei MR-Element-Reihen entsprechen, die die gleiche Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schichten 53 haben. Zu diesem Zeitpunkt werden die Magnetisierungsrichtungen der Filme, die zu den magnetisierungsfixierten Schichten 53 werden sollen, fixiert, indem man jeden dieser Filme in einem Magnetfeld ausbildet oder indem man jeden dieser Filme einer Wärmebehandlung in einem Magnetfeld unterzieht. Anschließend werden weitere zwei MR-Stapel 50P, die weiteren zwei MR-Element-Reihen entsprechen, in der gleichen Weise nacheinander für jede andere Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schichten 53 ausgebildet. In diesem Fall muss ein Film, dessen Magnetisierungsrichtung früher fixiert werden soll, eine höhere Koerzivität haben als ein Film, dessen Magnetisierungsrichtung später fixiert werden soll. Es ist dadurch möglich, die Magnetisierungsrichtungen der Filme, die zu den magnetisierungsfixierten Schichten 53 werden sollen, in Richtungen zu fixieren, die von einer MR-Element-Reihe zur nächsten variieren.
Falls die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 nach der Strukturierung des MR-Stapels 50P fixiert werden, so können mehrere MR-Stapel 50P, die allen MR-Element-Reihen entsprechen, gleichzeitig ausgebildet werden. Wie die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 in diesem Fall zu fixieren sind, wird später beschrieben.
10A und 10B zeigen den nächsten Schritt. In diesem Schritt wird zuerst der MR-Stapel 50P geätzt und dadurch zu den mehreren MR-Elementen 50 (MR-Elemente 50A und 50B) strukturiert. Als Nächstes wird eine Isolierschicht 64 um die mehreren MR-Elemente 50 auf den Elektroden 40A, 40C1, 40C2, 40C3 und 40C4 und der Isolierschicht 63 ausgebildet.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Beispiels des Verfahrens zum Fixieren der Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 nach der Strukturierung des MR-Stapels 50P. In diesem Beispiel wird, wie unten beschrieben, das Fixieren der Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 für jede andere Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schichten 53 separat ausgeführt. Zuerst werden, während ein Magnetfeld in einer Richtung an einen Stapel angelegt wird, der die mehreren MR-Elemente 50 enthält, die mehreren MR-Elemente 50, die die magnetisierungsfixierten Schichten 52 enthalten, deren Magnetisierungen in jener Richtung fixiert werden sollen, lokal mit Laserlicht bestrahlt. Die Temperaturen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 jener MR-Elemente 50 werden dadurch angehoben und anschließend abgesenkt, so dass die Magnetisierungen der magnetisierungsfixierten Schichten 53 in jener Richtung fixiert werden. Anschließend wird der oben beschriebene Prozess wiederholt ausgeführt, wobei die Richtung des Magnetfeldes, das an den Stapel anzulegen ist, für jede andere Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schichten 53 variiert wird.
11A und 11B zeigen den nächsten Schritt. In diesem Schritt werden die mehreren zweiten Elektroden 40B auf den mehreren MR-Elementen 50 und der Isolierschicht 64 ausgebildet. Als Nächstes wird, wie in 12A und 12B gezeigt, ein Schutzfilm 65 ausgebildet, um die mehreren zweiten Elektroden 40B und die Isolierschicht 64 zu bedecken. Die MR-Elemente 50 und die Elektroden 40 werden durch eine Reihe von oben beschriebenen Schritten vollendet.
Es werden nun die Auswirkungen des Magnetsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Der Magnetsensor 1 gemäß der Ausführungsform enthält mehrere MR-Elemente 50 und mehrere Elektroden 40 zum elektrischen Verbinden der mehreren MR-Elemente 50 miteinander. Die mehreren Elektroden 40 enthalten mehrere Elektroden 40A und mehrere Elektroden 40B, von denen jede zwei benachbarte MR-Elemente 50 elektrisch miteinander verbindet. Wenn eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen der Elektroden 40A und 40B oder des umliegenden Materials eintritt, weil sich zum Beispiel die Temperatur um den Magnetsensor 1 ändert, so entstehen in einer solchen Struktur mechanische Spannungen in den Elektroden 40A und 40B, was wiederum mechanische Spannungen in den MR-Elementen 50 hervorruft, die mit den Elektroden 40A und 40B in Kontakt stehen. Wenn hier die Elektroden 40A und 40B so geformt sind, dass sie eine konstante Breite haben und in einer Richtung länglich sind, so haben die mechanischen Spannungen, die in den MR-Elementen 50 durch die Elektroden 40A und 40B hervorgerufen werden, Anisotropie dergestalt, dass die Größenordnung der mechanischen Spannungen entsprechend der Richtung variiert. Eine solche Anisotropie wird im Weiteren als die Anisotropie mechanischer Spannungen bezeichnet. Wenn mindestens eine der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schichten (die freie Schicht 51 und die magnetisierungsfixierte Schicht 53) der MR-Elemente 50 eine magnetorestriktive Konstante ungleich null hat, so haben in diesem Fall die eine oder die mehreren ferromagnetischen Schichten, die die magnetorestriktive Konstante ungleich null haben, eine spannungsinduzierte magnetische Anisotropie. Die spannungsinduzierte magnetische Anisotropie kann eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit des Magnetsensors 1 verursachen.
Im Gegensatz dazu machen es die folgenden Merkmale der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Anisotropie von mechanischen Spannungen zu verringern, die in den MR-Elementen 50 durch die Elektroden 40A und 40B hervorgerufen werden. Genauer gesagt, enthält in der Ausführungsform jede der Elektroden 40A und 40B den ersten Abschnitt 41 mit der ersten Fläche 41a, den zweiten Abschnitt 42 mit der zweiten Fläche 42a und den Kopplungsabschnitt 43. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 41a und 42a hat eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form. Dieses Merkmal wird als das erste Merkmal bezeichnet. Des Weiteren sind der Durchmesser a1 des ersten Inkreises 41B, der innerhalb des Außenrandes der ersten Fläche 41a verläuft, und der Durchmesser a2 des zweiten Inkreises 42B, der innerhalb des Außenrandes der zweiten Fläche 42a verläuft, größer als die Breite W des Kopplungsabschnitts 43. Dieses Merkmal wird als das zweite Merkmal bezeichnet. Das erste und das zweite Merkmal der Ausführungsform verringern die Anisotropie von mechanischen Spannungen, die in den MR-Elementen 50 durch die Elektroden 40A und 40B, die mit den Endflächen der MR-Elemente 50 in Kontakt stehen, hervorgerufen werden. Der Grund dafür wird unten im Detail beschrieben.
Was das erste Merkmal anbelangt, kann man sagen, dass „eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form“ im Vergleich mit einer zweifach oder niedriger rotationssymmetrischen Form eine höhere Isotropie aufweist. Somit trägt in dieser Ausführungsform das erste Merkmal zu einer Minderung der Anisotropie mechanischer Spannungen in den ersten und zweiten Flächen 41a und 42a bei. Wenn jedoch das zweite Merkmal nicht erfüllt ist, d. h. wenn die Durchmesser a1 und a2 nicht größer sind als die Breite W des Kopplungsabschnitts 43, so besteht die Tendenz, dass mechanische Spannungen von einem der ersten und zweiten Abschnitte 41 und 42 zum anderen übertragen werden. In diesem Fall wird die Anisotropie mechanischer Spannungen an den ersten und zweiten Flächen 41a und 42a höher. Im Gegensatz zu dem Fall, wo die Durchmesser a1 und a2 nicht größer als die Breite W des Kopplungsabschnitts 43 sind, trägt das zweite Merkmal in der Ausführungsform dazu bei zu verhindern, dass mechanische Spannungen von einem der ersten und zweiten Abschnitte 41 und 42 zum anderen übertragen werden. Somit verringern gemäß der Ausführungsform das erste und das zweite Merkmal in Kombination die Anisotropie mechanischer Spannungen an den ersten und zweiten Flächen 41a und 42a. Infolge dessen wird die Anisotropie mechanischer Spannungen ebenfalls an den ersten Endflächen der MR-Elemente 50A und 50B, die mit den Flächen 41a und 42a in Kontakt stehen, verringert.
Folglich ist es gemäß der Ausführungsform möglich, die spannungsinduzierte magnetische Anisotropie, die durch die Elektroden 40A und 40B in der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schicht (der freien Schicht 51 und der magnetisierungsfixierten Schicht 53) der ersten und der zweiten MR-Elemente 50A und 50B hervorgerufen wird, zu verringern. Dies macht es möglich, eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit des Magnetsensors 1 zu verhindern, die auf die Elektroden 40A und 40B zurückzuführen ist.
Des Weiteren haben in der Ausführungsform die erste Endfläche des ersten MR-Elements 50A und die erste Endfläche des zweiten MR-Elements 50B jeweils eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form. Die Mitte 50Ac der ersten Endfläche des ersten MR-Elements 50A und die Mitte 41c der ersten Fläche 41a stimmen im Wesentlichen miteinander überein, während die Mitte 50Bc der ersten Endfläche des zweiten MR-Elements 50B und die Mitte 42c der zweiten Fläche 42a im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Gemäß der Ausführungsform tragen diese Merkmale ebenfalls zur Minderung der Anisotropie mechanischer Spannungen bei, die in den ersten und zweiten MR-Elementen 50A und 50B durch die Elektroden 40A und 40B hervorgerufen werden.
Die Auswirkungen der Ausführungsform werden nun ausführlicher mit Bezug auf Simulationsergebnisse beschrieben. Zuerst wird eine erste Simulation beschrieben. Die erste Simulation wurde ausgeführt, um zu bestätigen, dass die erste Fläche 41a und die zweite Fläche 42a, die jeweils eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form haben, zur Minderung der Anisotropie mechanischer Spannungen, die in den ersten und zweiten MR-Elementen 50A und 50B erzeugt werden, beitragen. Wenden wir uns nun 13A bis 14B zu, um mehrere Modelle zu beschreiben, die in der ersten Simulation verwendet wurden. Die mehreren Modelle waren ein Modell eines Vergleichsbeispiels und Modelle von ersten zu fünften praktischen Beispielen. 13A bis 13F sind Grundrissansichten, die die Elektroden der mehreren Modelle veranschaulichen, die in der ersten Simulation verwendet wurden. 13A zeigt die Elektrode des Vergleichsbeispiels, und 13B bis 13F zeigen die Elektroden der ersten bis fünften praktischen Beispiele.
Die Elektrode 240 des Vergleichsbeispiels enthält einen ersten Abschnitt 241 mit einer ersten Fläche 241a und einen zweiten Abschnitt 242 mit einer zweiten Fläche 242a. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 241a und 242a hat eine zweifach rotationssymmetrische Form, das heißt, eine rechteckige Form. Die Elektrode 240 des Vergleichsbeispiels hat keinen Kopplungsabschnitt, so dass der erste Abschnitt 241 und der zweite Abschnitt 242 direkt miteinander gekoppelt sind. Somit ist die Elektrode 240 des Vergleichsbeispiels so geformt, dass sie eine konstante Breite hat und in einer Richtung länglich verläuft.
Die Elektrode 140 jedes der ersten bis fünften praktischen Beispiele entspricht den Elektroden 40A und 40B der Ausführungsform. Die Elektrode 140 jedes der ersten bis fünften praktischen Beispiele enthält einen ersten Abschnitt 41 mit einer ersten Fläche 41a, einen zweiten Abschnitt 42 mit einer zweiten Fläche 42a und einen Kopplungsabschnitt 43, der den ersten Abschnitt 41 und den zweiten Abschnitt 42 miteinander koppelt. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 41a und 42a der Elektrode 140 des ersten praktischen Beispiels hat eine gleichseitig dreieckige Form, d. h. eine dreifach rotationssymmetrische Form. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 41a und 42a der Elektrode 140 des zweiten praktischen Beispiels hat eine quadratische Form, d. h. eine vierfach rotationssymmetrische Form. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 41a und 42a der Elektrode 140 des dritten praktischen Beispiels hat eine gleichseitige Fünfeckform, d. h. eine fünffach rotationssymmetrische Form. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 41a und 42a der Elektrode 140 des vierten praktischen Beispiels hat eine gleichseitige Sechseckform, d. h. eine sechsfach rotationssymmetrische Form. Sowohl die erste als auch die zweite Fläche 41a und 42a der Elektrode 140 des fünften praktischen Beispiels hat eine gleichseitige Achteckform, d. h. eine achtfach rotationssymmetrische Form.
Bei dem Modell des Vergleichsbeispiels sind zwei Elektroden 240 mit der Oberseite bzw. der Unterseite eines zylinderförmigen MR-Elements 50 verbunden. Gleichermaßen sind bei jedem der Modelle der ersten bis fünften praktischen Beispiele zwei Elektroden 140 mit der Oberseite bzw. der Unterseite eines zylinderförmigen MR-Elements 50 verbunden.
14A und 14B zeigen das Modell des Vergleichsbeispiels. 14A ist eine Querschnittsansicht, die das MR-Element 50A und die zwei Elektroden 240 zeigt. 14B ist eine Grundrissansicht, die die Elektrode 240 zeigt, die mit der Oberseite des MR-Elements 50A verbunden ist. Wie in 14A und 14B gezeigt, steht die erste Fläche 241a des ersten Abschnitts 241 von einer der zwei Elektroden 240 mit der Unterseite des MR-Elements 50A in Kontakt, während die erste Fläche 241a des ersten Abschnitts 241 der anderen der zwei Elektroden 240 mit der Oberseite des MR-Elements 50A in Kontakt steht. Die Mitte sowohl der Ober- als auch der Unterseite des MR-Elements 50A stimmt mit der Mitte eines Inkreises überein, der innerhalb von drei der vier Seiten (dem Außenrand) der ersten Fläche 241a außer der Seite, die mit der zweiten Fläche 242a in Kontakt steht, verläuft.
Bei jedem der Modelle der ersten bis fünften praktischen Beispiele steht außerdem die erste Fläche 41a des ersten Abschnitts 41 von einer der zwei Elektroden 140 mit der Unterseite des MR-Elements 50A in Kontakt, während die erste Fläche 41a des ersten Abschnitts 41 der anderen der zwei Elektroden 140 mit der Oberseite des MR-Elements 50A in Kontakt steht. Die Mitte sowohl der Ober- als auch der Unterseite des MR-Elements 50A stimmt mit der Mitte 41c (siehe 3) des ersten Inkreises 41B überein, der innerhalb des Außenrandes der ersten Fläche 41a verläuft. In 14B ist die Elektrode 140 (der erste Abschnitt 41, der zweite Abschnitt 42 und der Kopplungsabschnitt 43) des zweiten praktischen Beispiels mit durchbrochenen Linien gezeigt.
Nun wird mit Bezug auf 14A und 14B das Prinzip des Auftretens mechanischer Spannungen in dem MR-Element 50A beschrieben, was für die erste Simulation angenommen wurde. Hier wird das Prinzip des Auftretens mechanischer Spannungen anhand des Modells des in 14A und 14B gezeigten Vergleichsbeispiels beschrieben; jedoch gilt das gleiche Prinzip auch für die ersten bis fünften praktischen Beispiele. Wie in 14A und 14B gezeigt, treten äußere Kräfte auf, wenn die zwei Elektroden 240 (oder Elektroden 140) aufgrund einer Ausdehnung oder eines Zusammenziehens der zwei Elektroden 240 (oder Elektroden 140) oder des sie umgebenden Materials verformt werden, wodurch mechanische Spannungen in dem MR-Element 50A hervorgerufen werden. Die hohlen Pfeile in 14A und 14B bezeichnen die äußeren Kräfte. Die erste Simulation hat einen Fall angenommen, wo die zwei Elektroden 240 (oder Elektroden 140) durch Wärme ausgedehnt wurden, und hat das Spannungsverhältnis bestimmt. Das Spannungsverhältnis wurde als das Verhältnis σ₂/σ₃ der mechanischen Spannung σ₂ in der zweiten Richtung D2 zu der mechanischen Spannung σ₃ in der dritten Richtung D3 definiert, wobei die mechanischen Spannungen σ₂ und σ₃ in dem MR-Element 50A durch die zwei Elektroden 240 (oder Elektroden 140) hervorgerufen werden. Das Spannungsverhältnis stellt die Anisotropie mechanischer Spannungen dar, die in dem MR-Element 50A durch die Elektroden 240 (oder Elektroden 140) hervorgerufen werden, und man kann sagen, dass die Anisotropie mechanischer Spannungen umso geringer wird, je mehr sich das Spannungsverhältnis an 1 annähert.
15 zeigt das Ergebnis der ersten Simulation. In 15 stellt die horizontale Achse die Ordnung der Rotationssymmetrie dar, und die vertikale Achse stellt das Spannungsverhältnis dar. Das Spannungsverhältnis für eine zweifache Rotationssymmetrie ist das des Modells des Vergleichsbeispiels. Die Spannungsverhältnisse für eine dreifache, vierfache, fünffache, sechsfache bzw. achtfache Rotationssymmetrie sind jene der Modelle der ersten bis fünften praktischen Beispiele. Wie in 15 gezeigt, liegt das Spannungsverhältnis wenn die Ordnung der Rotationssymmetrie drei oder höher ist näher bei 1, als wenn die Ordnung der Rotationssymmetrie zwei ist. Dieses Ergebnis zeigt, dass die erste Fläche 41a mit einer dreifach oder höher rotationssymmetrischen Form die Anisotropie mechanischer Spannungen, die in dem MR-Element 50A erzeugt werden, besser vermindert als der Fall einer zweifach rotationssymmetrischen Form.
Die obigen Beschreibungen für die erste Fläche 41a und das erste MR-Element 50A gelten ebenfalls für die zweite Fläche 42a und das zweite MR-Element 50B. Somit tragen gemäß dieser Ausführungsform die erste Fläche 41a und die zweite Fläche 42a, die jeweils eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form haben, zur Minderung der Anisotropie der mechanischen Spannungen bei, die in den ersten und zweiten MR-Elementen 50A und 50B erzeugt werden.
Des Weiteren, wie in 15 gezeigt, liegt das Spannungsverhältnis, wenn die Ordnung der Rotationssymmetrie vier oder höher ist, näher bei 1, als wenn die Ordnung der Rotationssymmetrie drei ist. Es ist somit bevorzugt, dass sowohl die erste Fläche 41a als auch die zweite Fläche 42a eine vierfach oder höher rotationssymmetrische Form hat. Wenn die Ordnung der Rotationssymmetrie sechs oder acht ist, so ist das Spannungsverhältnis 1 oder höher, aber nicht höher als das Spannungsverhältnis in dem Fall, wo die Ordnung der Rotationssymmetrie vier ist. Obgleich nicht gezeigt, ist das Spannungsverhältnis, wenn die Ordnung der Rotationssymmetrie eine gerade Zahl von mindestens zehn ist, ebenfalls 1 oder höher, aber nicht höher als das Spannungsverhältnis in dem Fall, wo die Ordnung der Rotationssymmetrie vier ist. Somit ist es besonders bevorzugt, dass sowohl die erste Fläche 41a als auch die zweite Fläche 42a eine vierfach oder geradzahlig-fach höhere rotationssymmetrische Form hat. Es wird nun eine zweite Simulation beschrieben. Die zweite Simulation wurde ausgeführt, um die Beziehung des Verhältnisses a1/W des Durchmessers a1 des ersten Inkreises 41B zu der Breite W des Kopplungsabschnitts 43 und das Verhältnis a2/W des Durchmessers a2 des zweiten Inkreises 42B zu der Breite W des Kopplungsabschnitts 43 mit dem Spannungsverhältnis zu untersuchen. Die zweite Simulation verwendete das Modell des zweiten praktischen Beispiels, das in der Beschreibung der ersten Simulation angesprochen wurde. In diesem Modell sind a1 und a2 gleich, und somit sind a1/W und a2/W ebenfalls gleich. In der zweiten Simulation wurde das Spannungsverhältnis in der gleichen Weise wie in der ersten Simulation bestimmt, wobei das Verhältnis a1/W im Bereich von 1 bis 10 variiert wurde. Wenn das Verhältnis a1/W = 1 ist, so sind der Durchmesser a1 des ersten Inkreises 41B und die Breite W des Kopplungsabschnitts 43 gleich.
16 zeigt die Ergebnisse der zweiten Simulation. In 16 stellt die horizontale Achse das Verhältnis a1/W dar, und die vertikale Achse stellt das Spannungsverhältnis dar. Wie in 16 gezeigt, bewegt sich das Spannungsverhältnis mit zunehmendem Verhältnis a1/W näher in Richtung 1. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Anisotropie mechanischer Spannungen, die in dem MR-Element 50A erzeugt werden, umso mehr verringert werden kann, je größer die Verhältnisse a1/W und a2/W werden.
Des Weiteren wird, wie in 16 gezeigt, das Spannungsverhältnis signifikant verringert, wenn das Verhältnis a1/W 1,5 oder höher wird. Angesichts dessen ist es bevorzugt, dass die Verhältnisse a1/W und a2/W in den Bereich von 1,5 bis 10 fallen.
Jedoch führt das Verringern der Breite W des Kopplungsabschnitts 43 zum Zweck des Erhöhens der Verhältnisse a1/W und a2/W zu einer Erhöhung des Widerstandes des Kopplungsabschnitts 43, was eine Erhöhung des Widerstandes der MR-Element-Reihe zur Folge hat. Somit wird die Breite W des Kopplungsabschnitts 43 bevorzugt auf einen Bereich eingestellt, in dem der Widerstand der MR-Element-Reihe nicht die zulässige Obergrenze übersteigt. Im Allgemeinen ist es besonders bevorzugt, dass die Verhältnisse a1/W und a2/W in den Bereich von 1,5 bis 5 fallen, so dass der Widerstand des Kopplungsabschnitts 43 nicht übermäßig erhöht ist.
Es wird nun eine dritte Simulation beschrieben. Die dritte Simulation wurde ausgeführt, um die Beziehung zwischen dem Verhältnis W/L der Breite W zur Länge L des Kopplungsabschnitts 43 und dem Widerstand des Kopplungsabschnitts 43 zu untersuchen. Die Ergebnisse der dritten Simulation sind in 17 gezeigt. In 17 stellt die horizontale Achse das Verhältnis W/L dar, und die vertikale Achse stellt den Widerstand dar. Es ist zu beachten, dass der Widerstand in 17 in relativen Werten ausgedrückt ist, wobei angenommen wird, dass der Widerstand 1 ist, wenn das Verhältnis W/L 1 ist. Wie in 17 gezeigt, nimmt der Widerstand mit abnehmendem Verhältnis W/L zu. Das Verhältnis W/L kann bevorzugt verringert werden, um das Verhältnis a1/W und das Verhältnis a2/W zu erhöhen. Jedoch bewirkt dies eine Zunahme des Widerstands des Kopplungsabschnitts 43. Somit es ist bevorzugt, dass das Verhältnis W/L auf einen Bereich eingestellt wird, in dem der Widerstand der MR-Element-Reihe nicht die zulässige Obergrenze übersteigt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifizierungen daran vorgenommen werden. Zum Beispiel kann die erste Fläche 41a von der gleichen Größe wie, oder kleiner als, die erste Endfläche des MR-Elements 50A sein, und die zweite Fläche 42a kann von der gleichen Größe wie, oder kleiner als, die erste Endfläche des MR-Elements 50B sein.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung im Licht der obigen Beschreibungen in verschiedenen Formen und Modifizierungen ausgeführt werden kann. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente auch in anderen Formen als der oben beschriebenen, ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2284557 A1 [0003, 0004]
JP 2008-157844 A [0003]
US 7998758 B2 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kou et al., „Development of Highly Sensitive Terrestrial Sensor using TMR Junctions“, Journal of the Magnetics Society of Japan, Band 32, Nr. 3, S. 361–365 (2008) [0006]

Claims

Magnetsensor, der Folgendes umfasst: ein erstes magnetoresistives Element; ein zweites magnetoresistives Element; und eine Elektrode, die das erste und zweite magnetoresistive Element elektrisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass: sowohl das erste als auch das zweite magnetoresistive Element eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche aufweist, die einander in einer ersten Richtung gegenüberliegen, und eine erste ferromagnetische Schicht, eine nichtmagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die entlang der ersten Richtung zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche übereinander gelegt sind, enthält, die ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung ausgerichtet sind, die Elektrode einen ersten Abschnitt mit einer ersten Fläche, einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Fläche und einen Kopplungsabschnitt, der den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander koppelt, enthält, mindestens ein Teil der ersten Fläche mit der ersten Endfläche des ersten magnetoresistiven Elements in Kontakt steht, mindestens ein Teil der zweiten Fläche mit der ersten Endfläche des zweiten magnetoresistiven Elements in Kontakt steht, sowohl die erste als auch die zweite Fläche eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form hat, und sowohl ein erster Inkreis, der innerhalb eines Außenrandes der ersten Fläche verläuft, als auch ein zweiter Inkreis, der innerhalb eines Außenrandes der zweiten Fläche verläuft, einen Durchmesser größer als eine Breite des Kopplungsabschnitts in einer dritten Richtung orthogonal zu der ersten und der zweiten Richtung hat.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste Endfläche des ersten magnetoresistiven Elements als auch die erste Endfläche des zweiten magnetoresistiven Elements eine dreifach oder höher rotationssymmetrische Form hat.
Magnetsensor nach Anspruch 2, wobei eine Mitte der ersten Endfläche des ersten magnetoresistiven Elements und eine Mitte der ersten Fläche miteinander übereinstimmen, während eine Mitte der ersten Endfläche des zweiten magnetoresistiven Elements und eine Mitte der zweiten Fläche miteinander übereinstimmen.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche eine vierfach oder höher rotationssymmetrische Form hat.
Magnetsensor nach Anspruch 4, wobei sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche eine vierfach oder geradzahlig-fach höhere rotationssymmetrische Form hat.
Magnetsensor nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis des Durchmessers des ersten Inkreises zur Breite des Kopplungsabschnitts und das Verhältnis des Durchmessers des zweiten Inkreises zur Breite des Kopplungsabschnitts in den Bereich von 1,5 bis 10 fallen.
Magnetsensor nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis des Durchmessers des ersten Inkreises zur Breite des Kopplungsabschnitts und das Verhältnis des Durchmessers des zweiten Inkreises zur Breite des Kopplungsabschnitts in den Bereich von 1,5 bis 5 fallen.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste oder die zweite ferromagnetische Schicht eine magnetisierungsfixierte Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, und die andere eine freie Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung gemäß einer Richtung eines externen Magnetfeldes variiert.