DE102016102601A1

DE102016102601A1 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102016102601A1
Application number: DE102016102601.8A
Authority: DE
Inventors: Yosuke KOMASAKI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: US20160238674A1; CN105891739B; DE102016102601B4; CN105891739A; JP6202282B2; JP2016151448A; US10060992B2

Abstract

Ein Magnetsensor umfasst ein MR-Element sowie eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes. Das MR-Element umfasst eine Pinning-Magnetisierungsschicht, eine nichtmagnetische Schicht und eine freie Schicht, die entlang der Z-Richtung übereinander geschichtet sind. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst eine erste antiferromagnetische Schicht, eine ferromagnetische Schicht und eine zweite antiferromagnetische Schicht, die entlang der Z-Richtung übereinander geschichtet sind. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes weist eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche auf, die an entgegengesetzten Enden in der Z-Richtung angeordnet sind. Das MR-Element ist so platziert, dass die Gesamtheit des MR-Elements in einem Volumen enthalten ist, das ausgebildet wird, indem eine gedachte Ebene, die zur ersten Endfläche der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes äquivalent ist, weg von der zweiten Endfläche entlang der Z-Richtung verschoben wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetsensor, welcher ein magnetisches Detektionselement sowie eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst, wobei die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes ein Vormagnetisierungsfeld erzeugt, welches an das magnetische Detektionselement anzulegen ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den letzten Jahren wurden magnetische Sensorsysteme eingesetzt, um in verschiedenen Anwendungen eine physikalische Größe zu detektieren, die der Drehbewegung oder der linearen Bewegung eines sich bewegenden Objektes zugeordnet ist. Üblicherweise umfasst ein Magnetsensorsystem eine Skala und einen Magnetsensor, und der Magnetsensor ist konfiguriert, um ein Signal zu erzeugen, das der relativen Lagebeziehung zwischen der Skala und dem Magnetsensor zugeordnet ist.
Der Magnetsensor umfasst ein magnetisches Detektionselement, um ein zu detektierendes Magnetfeld zu detektieren. Im Folgenden wird das zu detektierende Magnetfeld als das Zielmagnetfeld bezeichnet. Die Patentschriften US 6,661,225 B2 , JP 2008-151759 A und JP 2012-185044 A offenbaren jeweils einen Magnetsensor, der ein sogenanntes Magnetowiderstands-(MR-)Spin-Ventil-Element als magnetisches Detektionselement verwendet. Das MR-Spin-Ventil-Element umfasst eine Pinning-Magnetisierungsschicht mit einer Magnetisierung, die in einer bestimmten Richtung gepinnt ist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, die abhängig vom Zielmagnetfeld variiert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Pinning-Magnetisierungsschicht und der freien Schicht angeordnet ist. Beispiele des MR-Spin-Ventil-Elements umfassen ein TMR-Element, in welchem die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelbarrierenschicht ist, und ein GMR-Element, in welchem die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische, leitfähige Schicht ist.
Einige Magnetsensoren weisen Mittel auf, um ein Vormagnetisierungsfeld an das magnetische Detektionselement anzulegen. Das Vormagnetisierungsfeld wird dazu verwendet, um es dem magnetischen Detektionselement zu erlauben, linear auf eine Schwankung der Feldstärke des Zielmagnetfeldes zu reagieren. Bei einem Magnetsensor, der ein MR-Spin-Ventil-Element verwendet, wird das Vormagnetisierungsfeld auch dazu verwendet, um zu bewirken, dass die freie Schicht ein einziger Weiss-Bezirk ist, und um die Magnetisierung der freien Schicht in eine bestimmte Richtung zu orientieren, wenn kein Zielmagnetfeld vorhanden ist.
Die Patentschriften US 6,661,225 B2 und JP 2008-151759 A offenbaren jeweils einen Magnetsensor, welcher ein MR-Spin-Ventil-Element umfasst, sowie einen Permanentmagneten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes.
JP 2012-185044 A offenbart einen Magnetsensor, welcher ein MR-Spin-Ventil-Element sowie eine antiferromagnetische Schicht umfasst, die nicht mit der freien Schicht des MR-Elements in Kontakt ist und zwischen der freien Schicht und sich selbst ein Austauschkopplungs-Magnetfeld induziert.
Magnetische Sensoren, die einen Permanentmagneten als das Mittel verwenden, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, wie z. B. die in den Patentschriften US 6,661,225 B2 und JP 2008-151759 A offenbarten, weisen die folgenden Probleme auf. Solche Magnetsensoren werden üblicherweise unter der Bedingung verwendet, dass die Feldstärke des Zielmagnetfeldes nicht die Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten übersteigt. Da jedoch Magnetsensoren in verschiedenen Umgebungen verwendet werden können, kann es vorkommen, dass ein äußeres Magnetfeld mit einer Feldstärke, welche die Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten übersteigt, vorübergehend am Permanentmagneten anliegt. Wenn ein solches äußeres Magnetfeld vorübergehend am Permanentmagneten anliegt, kann sich die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten von einer ursprünglichen Richtung ändern und danach von der ursprünglichen Richtung verschieden bleiben, nachdem das äußere Magnetfeld verschwunden ist. In einem solchen Fall unterscheidet sich die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes von einer gewünschten Richtung.
Andererseits weist, wie in JP 2012-185044 A beschrieben, ein Magnetsensor mit einer antiferromagnetischen Schicht, die mit der freien Schicht des MR-Magneten in Kontakt ist, das folgende erste und zweite Problem auf. Das erste Problem besteht darin, dass die antiferromagnetische Schicht mit der freien Schicht austauschgekoppelt ist, um eine magnetische Anisotropie in der freien Schicht zu erreichen, und in Folge dessen steigt die Koerzitivfeldstärke der freien Schicht, und die Linearität einer Reaktion des MR-Elements auf das Zielmagnetfeld kann sich daher möglicherweise verschlechtern. Das zweite Problem besteht darin, dass Atome, aus denen die antiferromagnetische Schicht besteht, wie z. B. Mn-Atome in einem Mn-basierten antiferromagnetischen Material wie z. B. IrMn, in die freie Schicht diffundieren können, und in Folge dessen kann das Änderungsverhältnis des Magnetowiderstandes des MR-Elements reduziert sein.
ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Magnetsensor bereitzustellen, der das Anlegen eines unveränderlichen Vormagnetisierungsfeldes an ein magnetisches Detektionselement erlaubt.
Ein Magnetsensor der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest ein magnetisches Detektionselement, um ein Zielmagnetfeld zu detektieren, sowie eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, das an das zumindest eine magnetische Detektionselement anzulegen ist. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst eine ferromagnetische Schicht und eine erste antiferromagnetische Schicht, die entlang einer ersten Richtung übereinander geschichtet sind, und weist eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche auf, die an entgegengesetzten Enden in der ersten Richtung angeordnet sind. Die ferromagnetische Schicht weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die an entgegengesetzten Enden in der ersten Richtung angeordnet sind. Die erste antiferromagnetische Schicht ist mit der ersten Oberfläche der ferromagnetischen Schicht in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht austauschgekoppelt. Das zumindest eine magnetische Detektionselement ist so platziert, dass zumindest ein Teil jedes des zumindest einen magnetischen Detektionselements in einem Volumen enthalten ist, das ausgebildet wird, indem eine gedachte Ebene, die zur ersten Endfläche der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes äquivalent ist, weg von der zweiten Endfläche entlang der ersten Richtung verschoben wird.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die ferromagnetische Schicht eine Magnetisierung in einer Richtung parallel zu einer zweiten Richtung aufweisen, die auf die erste Richtung orthogonal ist. Das Vormagnetisierungsfeld kann an einer Position, an welcher das zumindest eine magnetische Detektionselement platziert ist, eine Komponente in einer Richtung enthalten, die der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht entgegengesetzt ist.
Die erste Endfläche der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes kann eine erste Endregion, eine zweite Endregion und eine mittlere Region umfassen, die jeweils einen Flächeninhalt aufweisen. Die erste Endregion umfasst ein erstes Ende der ersten Endfläche, wobei das erste Ende eines von entgegengesetzten Enden der ersten Endfläche in der zweiten Richtung ist. Die zweite Endregion umfasst ein zweites Ende der ersten Endfläche, wobei das zweite Ende das andere der entgegengesetzten Enden der ersten Endfläche in der zweiten Richtung ist. Die mittlere Region ist zwischen der ersten Endregion und der zweiten Endregion angeordnet, grenzt entlang einer ersten, zur zweiten Richtung orthogonalen Grenzlinie an die erste Endregion an, und grenzt entlang einer zweiten, zur zweiten Richtung orthogonalen Grenzlinie an die zweite Endregion an. Das zumindest eine magnetische Detektionselement kann so platziert sein, dass die Gesamtheit aus dem zumindest einen magnetischen Detektionselement in einem Volumen enthalten ist, das ausgebildet wird, indem eine gedachte Ebene, die zur mittleren Region äquivalent ist, weg von der zweiten Endfläche der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes entlang der ersten Richtung verschoben wird. Der Abstand zwischen dem ersten Ende und der ersten Grenzlinie sowie der Abstand zwischen dem zweiten Ende und der zweiten Grenzlinie können beide 10 % oder 35 % des Abstandes zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende sein.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann das zumindest eine magnetische Detektionselement zumindest ein Magnetowiderstandselement sein. Das zumindest eine Magnetowiderstandselement kann eine Pinning-Magnetisierungsschicht, welche eine Magnetisierung aufweist, die in einer bestimmten Richtung gepinnt ist, eine freie Schicht, welche eine Magnetisierung aufweist, die abhängig vom Zielmagnetfeld variiert, sowie eine nichtmagnetische Schicht umfassen, die zwischen der Pinning-Magnetisierungsschicht und der freien Schicht angeordnet ist. Die Pinning-Magnetisierungsschicht, die nichtmagnetische Schicht und die freie Schicht können entlang der ersten Richtung übereinander geschichtet sein. Der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann ferner eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfassen, um dem zumindest einen Magnetowiderstandselement Strom zuzuführen, wobei die erste und zweite Elektrode auf entgegengesetzten Seiten des zumindest einen Magnetowiderstandselements in der ersten Richtung angeordnet sind. In diesem Fall kann die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes zwischen der ersten Elektrode und dem zumindest einen Magnetowiderstandselement angeordnet sein.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes ferner eine zweite antiferromagnetische Schicht umfassen, die mit der zweiten Oberfläche der ferromagnetischen Schicht in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht austauschgekoppelt ist.
In der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes des Magnetsensors der vorliegenden Erfindung wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht durch die Austauschkopplung zwischen der ersten antiferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Schicht bestimmt. In dieser Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes kehrt die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht, sogar wenn vorübergehend ein äußeres Magnetfeld mit einer hohen Feldstärke anliegt, die ausreicht, um die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht umzukehren, beim Verschwinden eines solchen äußeren Magnetfeldes zu einer ursprünglichen Richtung zurück. Daher erlaubt der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung das Anlegen eines unveränderlichen Vormagnetisierungsfeldes an das magnetische Detektionselement.
Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung genauer ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration eines Magnetsensorsystems einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Magnetsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein Schaltkreisdiagramm des Magnetsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnittes des in 2 gezeigten Magnetsensors.
5 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Abschnittes des in 2 gezeigten Magnetsensors.
6 ist eine Seitenansicht, welche ein Beispiel für die Konfiguration der in 2 gezeigten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes darstellt.
7 ist eine Seitenansicht, welche ein Beispiel für die Konfiguration des in 2 gezeigten MR-Elements darstellt.
8 ist eine Draufsicht, welche die Lagebeziehung zwischen der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und dem MR-Element im in 2 gezeigten Magnetsensor darstellt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Lagebeziehung zwischen der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und dem MR-Element im in 2 gezeigten Magnetsensor darstellt.
10 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve eines Permanentmagneten darstellt.
11 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve der in 6 gezeigten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes darstellt.
12 ist eine Kennlinie, welche die Feldstärkeverteilung einer Bezugskomponente eines Vormagnetisierungsfeldes in der in 9 gezeigten Bezugsebene darstellt.
13 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnittes eines Magnetsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
14 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration eines Magnetsensorsystems einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Zuerst wird auf 1 Bezug genommen, um ein Beispiel für ein Magnetsensorsystem zu beschreiben, welches einen Magnetsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst. 1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration des Magnetsensorsystems der ersten Ausführungsform darstellt. Das in 1 gezeigte Magnetsensorsystem umfasst den Magnetsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform sowie eine Drehskala 50, um ein Zielmagnetfeld zu erzeugen, d. h. ein vom Magnetsensor 1 zu detektierendes Magnetfeld. In Reaktion auf eine Drehbewegung eines sich bewegenden Objektes (nicht dargestellt), dreht sich die Drehskala 50 um eine vorbestimmte zentrale Achse C in einer Drehrichtung D. Die relative Lagebeziehung zwischen der Drehskala 50 und dem Magnetsensor 1 wird dadurch in der Drehrichtung D geändert. Das Magnetsensorsystem detektiert eine physikalische Größe, die der relativen Lagebeziehung zwischen der Drehskala 50 und dem Magnetsensor 1 zugeordnet ist. Genauer gesagt detektiert das Magnetsensorsystem als die zuvor erwähnte physikalische Größe die Drehposition und/oder die Drehgeschwindigkeit des zuvor erwähnten sich bewegenden Körpers, der sich mit der Drehskala 50 bewegt.
Wie in 1 gezeigt ist die Drehskala 50 ein mehrpolig magnetisierter Magnet mit einer Vielzahl von Paaren aus N- und S-Pol, die abwechselnd in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. In dem in 1 gezeigten Beispiel weist die Drehskala 50 sechs N- und S-Pol-Paare auf. Der Magnetsensor 1 ist so platziert, dass er der äußeren Umfangsoberfläche der Drehskala 50 zugewandt ist.
Die Richtung des Zielmagnetfeldes variiert periodisch mit der variierenden relativen Lagebeziehung zwischen der Drehskala 50 und dem Magnetsensor 1. In der ersten Ausführungsform ändert sich die Richtung des Zielmagnetfeldes, wenn sich die Drehskala 50 dreht. In dem in 1 gezeigten Beispiel bewirkt eine Drehung der Drehskala 50, dass sich die Richtung des Zielmagnetfeldes sechs Mal dreht, das heißt um sechs Perioden ändert.
Der Magnetsensor 1 wird nun unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Magnetsensors 1. 3 ist ein Schaltkreisdiagramm des Magnetsensors 1. Der Magnetsensor 1 umfasst zumindest ein magnetisches Detektionselement, um das Zielmagnetfeld zu detektieren, und zumindest eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, welches an das zumindest eine magnetische Detektionselement anzulegen ist. In der ersten Ausführungsform ist das zumindest eine magnetische Detektionselement zumindest ein Magnetowiderstands-(MR-)Element. Die erste Ausführungsform setzt ein MR-Spin-Ventil-Element als MR-Element ein. Wie später ausführlich beschrieben wird, umfasst das MR-Spin-Ventil-Element eine Pinning-Magnetisierungsschicht, eine freie Schicht und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Pinning-Magnetisierungsschicht und der freien Schicht angeordnet ist. Die Pinning-Magnetisierungsschicht, die nichtmagnetische Schicht und die freie Schicht sind entlang einer ersten Richtung übereinander geschichtet. In einer ersten Ausführungsform ist die erste Richtung als Z-Richtung definiert. Die X- und Y-Richtung sind zwei Richtungen, die senkrecht zur Z-Richtung und orthogonal aufeinander sind.
Wie hierin verwendet ist jede aus der X-, Y- und Z-Richtung so definiert, dass sie eine bestimmte Richtung und die dazu entgegengesetzte Richtung umfasst, wie durch die Pfeile mit zwei Spitzen in 2 angezeigt. Andererseits ist die Richtung eines beliebigen Magnetfeldes oder einer Magnetisierung so definiert, dass sie eine einzige bestimmte Richtung anzeigt.
In der ersten Ausführungsform umfasst der Magnetsensor 1 insbesondere vier MR-Elemente 10A, 10B, 10C und 10D als das zumindest eine MR-Element. Der Magnetsensor 1 umfasst als die zumindest eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes ferner vier Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20A, 20B, 20C und 20D, welche den MR-Elementen 10A, 10B, 10C beziehungsweise 10D entsprechen. Die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20A, 20B, 20C und 20D erzeugen jeweilige Vormagnetisierungsfelder, die an die entsprechenden MR-Elemente 10A, 10B, 10C und 10D anzulegen sind. Im Folgenden wird die Bezugszahl 10 verwendet, um beliebige der MR-Elemente zu repräsentieren, und die Bezugszahl 20 wird verwendet, um beliebige der Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes zu repräsentieren.
Der Magnetsensor 1 umfasst ferner ein Substrat (nicht dargestellt), zwei obere Elektroden 31 und 32 sowie zwei untere Elektroden 41 und 42. Die unteren Elektroden 41 und 42 sind auf dem nicht dargestellten Substrat platziert. Die obere Elektrode 31 weist einen Basisteil 310 sowie zwei Zweigteile 311 und 312 auf, die vom Basisteil 310 abzweigen. Die obere Elektrode 32 weist einen Basisteil 320 sowie zwei Zweigteile 321 und 322 auf, die vom Basisteil 320 abzweigen. Die untere Elektrode 41 weist einen Basisteil 410 sowie zwei Zweigteile 411 und 412 auf, die vom Basisteil 410 abzweigen. Die untere Elektrode 42 weist einen Basisteil 420 sowie zwei Zweigteile 421 und 422 auf, die vom Basisteil 420 abzweigen. Der Zweigteil 311 der oberen Elektrode 31 ist dem Zweigteil 411 der unteren Elektrode 41 entgegengesetzt.
Der Zweigteil 312 der oberen Elektrode 31 ist dem Zweigteil 421 der unteren Elektrode 42 entgegengesetzt. Der Zweigteil 321 der oberen Elektrode 32 ist dem Zweigteil 412 der unteren Elektrode 41 entgegengesetzt. Der Zweigteil 322 der oberen Elektrode 32 ist dem Zweigteil 422 der unteren Elektrode 42 entgegengesetzt.
Das MR-Element 10A ist auf dem Zweigteil 411 der unteren Elektrode 41 platziert. Das MR-Element 10B ist auf dem Zweigteil 421 der unteren Elektrode 42 platziert. Das MR-Element 10C ist auf dem Zweigteil 422 der unteren Elektrode 42 platziert. Das MR-Element 10D ist auf dem Zweigteil 412 der unteren Elektrode 41 platziert. Die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20A, 20B, 20C und 20D sind auf den MR-Elementen 10A, 10B, 10C beziehungsweise 10D platziert. Der Zweigteil 311 der oberen Elektrode 31 ist auf der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20A angeordnet. Der Zweigteil 312 der oberen Elektrode 31 ist auf der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20B angeordnet. Der Zweigteil 322 der oberen Elektrode 32 ist auf der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20C angeordnet. Der Zweigteil 321 der oberen Elektrode 32 ist auf der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20D angeordnet.
Die obere Elektrode 31 und die untere Elektrode 41 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10A in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet und führen dem MR-Element 10A Strom zu. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20A ist zwischen der oberen Elektrode 31 und dem MR-Element 10A angeordnet.
Die obere Elektrode 31 und die untere Elektrode 42 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10B in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet und führen dem MR-Element 10B Strom zu. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20B ist zwischen der oberen Elektrode 31 und dem MR-Element 10B angeordnet.
Die obere Elektrode 32 und die untere Elektrode 42 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10C in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet und führen dem MR-Element 10C Strom zu. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20C ist zwischen der oberen Elektrode 32 und dem MR-Element 10C angeordnet.
Die obere Elektrode 32 und die untere Elektrode 41 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10D in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet und führen dem MR-Element 10D Strom zu. Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20D ist zwischen der oberen Elektrode 32 und dem MR-Element 10D angeordnet.
Die oberen Elektroden 31 und 32 entsprechen jeweils der ersten Elektrode der vorliegenden Erfindung. Die unteren Elektroden 41 und 42 entsprechen jeweils der zweiten Elektrode der vorliegenden Erfindung.
Wie in 2 gezeigt umfasst der Basisteil 310 der oberen Elektrode 31 eine erste Ausgangsanschlussstelle E1. Der Basisteil 320 der oberen Elektrode 32 umfasst eine zweite Ausgangsanschlussstelle E2. Der Basisteil 410 der unteren Elektrode 41 umfasst eine Energieversorgungsanschlussstelle V. Der Basisteil 420 der unteren Elektrode 42 umfasst eine Masseanschlussstelle G.
Das MR-Element 10A und das MR-Element 10B sind seriell über die obere Elektrode 31 verbunden. Das MR-Element 10C und das MR-Element 10D sind seriell über die obere Elektrode 32 verbunden.
Wie in 3 gezeigt ist ein Ende des MR-Elements 10A mit der Energieversorgungsanschlussstelle V verbunden. Das andere Ende des MR-Elements 10A ist mit der ersten Ausgangsanschlussstelle E1 verbunden. Ein Ende des MR-Elements 10B ist mit der ersten Ausgangsanschlussstelle E1 verbunden. Das andere Ende des MR-Elements 10B ist mit der Masseanschlussstelle G verbunden. Die MR-Elemente 10A und 10B stellen einen Halbbrückenschaltkreis dar. Ein Ende des MR-Elements 10C ist mit der zweiten Ausgangsanschlussstelle E2 verbunden. Das andere Ende des MR-Elements 10C ist mit der Masseanschlussstelle G verbunden. Ein Ende des MR-Elements 10D ist mit der Energieversorgungsanschlussstelle V verbunden. Das andere Ende des MR-Elements 10D ist mit der zweiten Ausgangsanschlussstelle E2 verbunden. Die MR-Elemente 10C und 10D stellen einen Halbbrückenschaltkreis dar. Die MR-Elemente 10A, 10B, 10C und 10D stellen einen Wheatstone-Brückenschaltkreis dar.
Eine Energieversorgungsspannung einer vorbestimmten Höhe ist an die Energieversorgungsanschlussstelle V1 angelegt. Die Masseanschlussstelle G ist mit Masse verbunden. Jedes der MR-Elemente 10A, 10B, 10C und 10D weist abhängig vom Zielmagnetfeld einen unterschiedlichen Widerstand auf. Die Widerstände der MR-Elemente 10A und 10C variieren phasengleich. Die Widerstände der MR-Elemente 10B und 10D variieren mit einer Phasendifferenz von 180 ° zu den Widerständen der MR-Elemente 10A und 10C. Die erste Ausgangsanschlussstelle E1 gibt ein erstes Detektionssignal aus, welches dem Potential am Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen 10A und 10B entspricht. Die zweite Ausgangsanschlussstelle E2 gibt ein zweites Detektionssignal aus, welches dem Potential am Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen 10D und 10C entspricht. Das erste und zweite Detektionssignal variiert abhängig vom Zielmagnetfeld. Das zweite Detektionssignal ist zum ersten Detektionssignal um 180 ° phasenverschoben. Der Magnetsensor 1 erzeugt ein Ausgangssignal durch eine Berechnung, die das Bestimmen der Differenz zwischen dem ersten Detektionssignal und dem zweiten Detektionssignal umfasst. Zum Beispiel wird das Ausgangssignal des Magnetsensors 1 erzeugt, indem eine vorbestimmte Offset-Spannung zu einem Signal addiert wird, das durch das Subtrahieren des zweiten Detektionssignals vom ersten Detektionssignal erhalten wird. Das Ausgangssignal des Magnetsensors 1 variiert abhängig vom Zielmagnetfeld.
Die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 wird nun unter Bezugnahme auf 4 bis 6 ausführlich beschrieben. 4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines in 2 gezeigten Abschnittes des Magnetsensors 1. 5 ist eine vergrößerte Seitenansicht des in 2 gezeigten Abschnittes des Magnetsensors 1. 6 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel für die in 2 gezeigte Konfiguration der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 darstellt. In 4 und 5 wird die Bezugszahl 30 verwendet, um eine der oberen Elektroden (ersten Elektroden) zu repräsentieren, und die Bezugszahl 40 wird verwendet, um eine der unteren Elektroden (zweiten Elektroden) zu repräsentieren.
Wie in 6 gezeigt, weist die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 eine erste Endfläche 20a und eine zweite Endfläche 20b auf, die an entgegengesetzten Enden in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet sind. Wie in 5 gezeigt, ist die erste Endfläche 20a der unteren Elektrode 40 zugewandt und ist mit dem MR-Element 10 in Kontakt. Die zweite Endfläche 20b ist mit der oberen Elektrode 30 in Kontakt.
Wie in 6 gezeigt, umfasst die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 eine ferromagnetische Schicht 22 und eine erste antiferromagnetische Schicht 21, die entlang der ersten Richtung übereinander geschichtet sind. Die ferromagnetische Schicht 22 weist eine erste Oberfläche 22a und eine zweite Oberfläche 22b auf, die an entgegengesetzten Enden in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet sind. Die erste antiferromagnetische Schicht 21 ist mit der ersten Oberfläche 22a der ferromagnetischen Schicht 22 in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht 22 austauschgekoppelt. In dem in 6 gezeigten Beispiel umfasst die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 ferner eine zweite antiferromagnetische Schicht 23, die mit der zweiten Oberfläche 22b der ferromagnetischen Schicht 22 in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht 22 austauschgekoppelt ist. In diesem Beispiel sind die erste antiferromagnetische Schicht 21, die ferromagnetische Schicht 22 und die zweite antiferromagnetische Schicht 23 in dieser Reihenfolge entlang der ersten Richtung übereinander geschichtet.
Die ferromagnetische Schicht 22 weist eine Magnetisierung in einer Richtung parallel zu einer zweiten Richtung auf, die zur ersten Richtung (Z-Richtung) orthogonal ist. In der ersten Ausführungsform ist die zweite Richtung die Y-Richtung. In der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 von der Austauschkopplung zwischen der ferromagnetischen Schicht 22 und der ersten und zweiten antiferromagnetischen Schicht 21 und 23 bestimmt. Der Hohlpfeil in 5 zeigt die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 an. Auf Basis der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 22 erzeugt die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 Magnetfelder einschließlich eines Vormagnetisierungsfeldes Hb, welches an das MR-Element 10 anzulegen ist. Die gebogenen Pfeile in 5 repräsentieren die von der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 erzeugten Magnetfelder. An der Position, an der das MR-Element 10 platziert ist, enthält das Vormagnetisierungsfeld Hb als Hauptkomponente eine Komponente, die zur zweiten Richtung (Y-Richtung) parallel und in einer Richtung orientiert ist, die der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 entgegengesetzt ist.
Die ferromagnetische Schicht 22 ist aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet, das eines oder mehrere Elemente enthält, das/die aus der Gruppe bestehend aus Co, Fe und Ni ausgewählt ist/sind. Beispiele eines solchen ferromagnetischen Materials umfassen CoFe, CoFeB und CoNiFe. Die ferromagnetische Schicht 22 kann aus einem Stapel aus zwei oder mehreren Schichten ausgebildet sein, in welchem jeweils zwei aneinander angrenzende Schichten aus unterschiedlichen ferromagnetischen Materialien ausgebildet sind. Beispiele eines solchen Stapels, welcher die ferromagnetische Schicht 22 ausbildet, umfassen einen Stapel aus einer Co-Schicht, einer CoFe-Schicht und einer Co-Schicht sowie einen Stapel aus einer Co₇₀Fe₃₀-Schicht, einer Co₃₀Fe₇₀-Schicht und einer Co₇₀Fe₃₀-Schicht. Es ist zu beachten, dass Co₇₀Fe₃₀ eine Legierung repräsentiert, die 70 Atomprozent Co und 30 Atomprozent Fe enthält, und Co₃₀Fe₇₀ eine Legierung repräsentiert, die 30 Atomprozent Co und 70 Atomprozent Fe enthält. Die erste und zweite antiferromagnetische Schicht 21 und 23 sind jeweils aus einem antiferromagnetischen Material wie z. B. IrMn oder PtMn ausgebildet. Die ferromagnetische Schicht 22 weist vorzugsweise eine Dicke von 8 nm oder mehr auf. Unter der Annahme, dass die ferromagnetische Schicht 22 aus CoFe ausgebildet ist und eine Dicke von 8 nm aufweist, kann die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 ein Vormagnetisierungsfeld Hb erzeugen, welches eine Feldstärke in der Größenordnung von 10 Oe aufweist. Es ist zu beachten, dass 1 Oe = 79,6 A/m.
Die zweite antiferromagnetische Schicht 23 ist keine wesentliche Komponente der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 und kann weggelassen werden.
Ein Beispiel für die Konfiguration des MR-Elements 10 wird nun unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration des MR-Elements 10 darstellt. Das MR-Element 10 umfasst zumindest eine Pinning-Magnetisierungsschicht 13 mit einer Magnetisierung, die in einer bestimmten Richtung gepinnt ist, einer freien Schicht 15 mit einer Magnetisierung, die abhängig vom Zielmagnetfeld variiert, und eine nichtmagnetische Schicht 14, die zwischen der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 und der freien Schicht 15 angeordnet ist.
In dem in 7 gezeigten Beispiel umfasst das MR-Element 10 ferner eine Unterschicht 11, eine antiferromagnetische Schicht 12 und eine Schutzschicht 16. In diesem Beispiel sind die Unterschicht 11, die antiferromagnetische Schicht 12, die Pinning-Magnetisierungsschicht 13, die nichtmagnetische Schicht 14, die freie Schicht 15 und die Schutzschicht 16 entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) in der angeführten Reihenfolge übereinander geschichtet, wenn sie von der unteren Elektrode 40 aus betrachtet werden. Die Unterschicht 11 und die Schutzschicht 16 sind leitfähig. Die Unterschicht 11 ist bereitgestellt, um die Wirkungen der Kristallachse des nicht dargestellten Substrats zu eliminieren und um die Kristallinität und Orientierbarkeit der Schichten zu verbessern, die über der Unterschicht 11 auszubilden sind. Die Unterschicht 11 kann zum Beispiel aus Ta oder Ru ausgebildet sein. Die antiferromagnetische Schicht 12 dient dazu, die Magnetisierungsrichtung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 mittels Austauschkopplung mit der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 zu pinnen. Die antiferromagnetische Schicht 12 ist aus einem antiferromagnetischen Material wie z. B. IrMn oder PtMn ausgebildet.
Die Magnetisierung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 ist in einer bestimmten Richtung durch die Austauschkopplung zwischen der antiferromagnetischen Schicht 12 und der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 gepinnt. In dem in 7 gezeigten Beispiel umfasst die Pinning-Magnetisierungsschicht 13 eine äußere Schicht 131, eine nichtmagnetische Zwischenschicht 132 und eine innere Schicht 133, die in dieser Reihenfolge auf der antiferromagnetischen Schicht 12 übereinander geschichtet sind, und wird daher als sogenannte synthetische Pinning-Schicht ausgebildet. Die äußere Schicht 131 und die innere Schicht 133 sind jeweils aus einem ferromagnetischen Material wie z. B. CoFe, CoFeB oder CoNiFe ausgebildet. Die äußere Schicht 131 ist mit der antiferromagnetischen Schicht 12 austauschgekoppelt, und daher ist deren Magnetisierungsrichtung gepinnt. Die äußere Schicht 131 und die innere Schicht 133 sind antiferromagnetisch miteinander gekoppelt, und ihre Magnetisierungen sind daher in einander entgegengesetzten Richtungen gepinnt. Die nichtmagnetische Zwischenschicht 132 induziert eine antiferromagnetische Austauschkopplung zwischen der äußeren Schicht 131 und der inneren Schicht 133, um die Magnetisierungen der äußeren Schicht 131 und der inneren Schicht 133 in einander entgegengesetzten Richtungen zu pinnen. Die nichtmagnetische Zwischenschicht 132 ist aus einem nichtmagnetischen Material wie z. B. Ru ausgebildet. Wenn die Pinning-Magnetisierungsschicht 13 die äußere Schicht 131, die nichtmagnetische Zwischenschicht 132 und die innere Schicht 133 umfasst, bezieht sich die Magnetisierungsrichtung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 auf die der inneren Schicht 133.
Wenn das MR-Element 10 ein TMR-Element ist, ist die nichtmagnetische Schicht 14 eine Tunnelbarrierenschicht. Die Tunnelbarrierenschicht kann ausgebildet werden, indem ein Teil oder eine gesamte Magnesiumschicht oxidiert wird. Wenn das MR-Element 10 ein GMR-Element ist, ist die nichtmagnetische Schicht 14 eine nichtmagnetische, leitfähige Schicht. Die freie Schicht 15 ist zum Beispiel aus einem weichmagnetischen Material wie z. B. CoFe, CoFeB, NiFe, oder CoNiFe ausgebildet. Die Schutzschicht 16 ist bereitgestellt, um die darunter angeordneten Schichten zu schützen. Die Schutzschicht 16 kann zum Beispiel aus Ta, Ru, W, oder Ti ausgebildet sein.
Die Unterschicht 11 ist mit der unteren Elektrode 40 verbunden, und die Schutzschicht 16 ist mit der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 verbunden. Das MR-Element 10 ist konfiguriert, um von der unteren Elektrode 40 und der oberen Elektrode 30, die mit der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 verbunden ist, mit Strom versorgt zu werden. Der Strom fließt in eine Richtung, welche die Schichten schneidet, aus denen das MR-Element 10 besteht, wie z. B. die erste Richtung (Z-Richtung), die zu den Schichten, aus denen das MR-Element 10 besteht, senkrecht ist.
Im MR-Element 10 variiert die Magnetisierung der freien Schicht 15 abhängig vom an der freien Schicht 15 anliegenden Magnetfeld. Genauer gesagt variieren die Richtung und Größe der Magnetisierung der freien Schicht 15 abhängig von der Richtung und Größe des an der freien Schicht 15 anliegenden Magnetfeldes. Der Widerstand des MR-Elements 10 variiert abhängig von der Richtung und Größe der Magnetisierung der freien Schicht 15. Wenn die freie Schicht 15 zum Beispiel eine Magnetisierung einer konstanten Größe aufweist, weist das MR-Element 10 einen minimalen Widerstand auf, wenn die Magnetisierung der freien Schicht 15 in derselben Richtung ist wie die der Pinning-Magnetisierungsschicht 13, und weist einen maximalen Widerstand auf, wenn die Magnetisierung der freien Schicht 15 in der entgegengesetzten Richtung zu der der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 ist.
Nun wird auf 2 Bezug genommen, um die Magnetisierungsrichtungen der Pinning-Magnetisierungsschichten 13 der MR-Elemente 10A bis 10D zu beschreiben. In 2 zeigen die Pfeile mit den Bezeichnungen 10AP, 10BP, 10CP und 10DP die Magnetisierungsrichtungen der Pinning-Magnetisierungsschichten 13 der MR-Elemente 10A, 10B, 10C beziehungsweise 10D an. Wie in 2 gezeigt, ist die Richtung 10AP der Magnetisierung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 des MR-Elements 10A eine dritte Richtung parallel zur X-Richtung. Die Richtung 10AP verläuft in 2 nach links. Die Richtung 10BP der Magnetisierung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 des MR-Elements 10B ist eine vierte, der dritten Richtung entgegengesetzte Richtung. Die Richtung 10BP verläuft in 2 nach rechts. In diesem Fall variiert das Potential am Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen 10A und 10B abhängig von der Feldstärke einer Komponente des Zielmagnetfeldes in einer zur dritten und vierten Richtung parallelen Richtung, d. h. in der X-Richtung. Die erste Ausgangsanschlussstelle E1 gibt das erste Detektionssignal aus, welches dem Potential am Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen 10A und 10B entspricht. Das erste Detektionssignal repräsentiert die Feldstärke der Komponente des Zielmagnetfeldes in der X-Richtung.
Wie in 2 gezeigt, ist die Richtung 10CP der Magnetisierung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 des MR-Elements 10C die oben genannte dritte Richtung, und die Richtung 10DP der Magnetisierung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 des MR-Elements 10D ist die oben genannte vierte Richtung. In diesem Fall variiert das Potential am Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen 10C und 10D abhängig von der Feldstärke der Komponente des Zielmagnetfeldes in der Richtung parallel zu der dritten und vierten Richtung, d. h. in der X-Richtung. Die zweite Ausgangsanschlussstelle E2 gibt das zweite Detektionssignal aus, welches dem Potential am Verbindungspunkt zwischen den MR-Elementen 10C und 10D entspricht. Das zweite Detektionssignal repräsentiert die Feldstärke der Komponente des Zielmagnetfeldes in der X-Richtung.
Was das MR-Element 10A und das MR-Element 10D betrifft, weisen ihre jeweiligen Pinning-Magnetisierungsschichten 13 Magnetisierungen in einander entgegengesetzten Richtungen auf. Was das MR-Element 10B und das MR-Element 10C betrifft, weisen ihre jeweiligen Pinning-Magnetisierungsschichten 13 Magnetisierungen in einander entgegengesetzten Richtungen auf. Daher weist das zweite Detektionssignal eine Phasendifferenz von 180 ° in Bezug auf das erste Detektionssignal auf.
Unter Berücksichtigung der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente 10A bis 10D und anderer Faktoren, können sich die Magnetisierungsrichtungen der Pinning-Magnetisierungsschichten 13 der MR-Elemente 10A bis 10D geringfügig von den oben beschriebenen Richtungen unterscheiden.
Nun wird das Vormagnetisierungsfeld Hb, das von jeder der Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20A bis 20D erzeugt wird, unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. In 2 zeigt der Pfeil mit der Bezeichnung Hb die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes Hb an der Position des MR-Elements 10 an, das nächstgelegen zum Pfeil ist. Wie in 2 gezeigt, enthält das Vormagnetisierungsfeld Hb an jeder der Positionen, an denen die MR-Elemente 10A bis 10D platziert sind, eine Komponente in einer Richtung parallel zur Y-Richtung (der zweiten Richtung). Die Richtung ist in 2 nach oben rechts gerichtet. Das Vormagnetisierungsfeld Hb wird dazu verwendet, um zu bewirken, dass die freie Schicht 15 einen einzigen Weiss-Bezirk aufweist, und um die Magnetisierung der freien Schicht 15 in eine bestimmte Richtung zu orientieren, wenn die Feldstärke der Komponente des Zielmagnetfeldes in der X-Richtung, d. h. in der Richtung parallel zur Magnetisierungsrichtung der Pinning-Schicht 13, null ist.
In dem in 1 gezeigten Magnetsensorsystem ist der Magnetsensor 1 platziert, um der Außenumfangsoberfläche der Drehskala 50 in einer solchen Position zugewandt zu sein, dass die Z-Richtung parallel oder beinahe parallel zu einer Geraden ist, welche die Position des Magnetsensors 1 und der zentralen Achse C verbindet, während die X-Richtung parallel oder beinahe parallel zu einer gedachten Ebene ist, die auf die zentrale Achse C orthogonal ist. In diesem Fall ist die Richtung der Hauptkomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb an der Position des MR-Elements 10, d. h. die Y-Richtung, parallel oder beinahe parallel zur in 1 gezeigten zentralen Achse C.
Die Lagebeziehung zwischen dem magnetischen Detektionselement (dem MR-Element 10) und der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 wird nun unter Bezugnahme auf 2, 5, 8 und 9 beschrieben. 8 ist eine Draufsicht, welche die Lagebeziehung zwischen der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 und dem MR-Element 10 in dem in 2 gezeigten Magnetsensor 1 darstellt. 9 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Lagebeziehung zwischen der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 und dem MR-Element 10 in dem in 2 gezeigten Magnetsensor darstellt. Zuerst wird das Volumen S wie folgt definiert. Das Volumen S ist, wie in 5 und 9 gezeigt, ein Volumen, das ausgebildet wird, indem eine gedachte Ebene, welche zu der ersten Endfläche 20a der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 orthogonal ist, weg von der zweiten Endfläche 20b entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) verschoben wird. Das zumindest eine magnetische Detektionselement ist so platziert, dass zumindest ein Teil jedes des zumindest einen magnetischen Detektionselements im Volumen S enthalten ist. In der ersten Ausführungsform ist insbesondere ein MR-Element 10 als das zumindest eine magnetische Detektionselement so platziert, dass dessen Gesamtheit im Volumen S enthalten ist.
Wie in 8 und 9 gezeigt umfasst die erste Endfläche 20a der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 eine erste Endregion R1, eine zweite Endregion R2 und eine mittlere Region R3, die jeweils einen Flächeninhalt aufweisen. Die erste Endregion R1 umfasst ein erstes Ende 20a1 der ersten Endfläche 20a. Das erste Ende 20a1 ist eines aus entgegengesetzten Enden der ersten Endfläche 20a in der zweiten Richtung (Y-Richtung). Die zweite Endregion R2 umfasst ein zweites Ende 20a2 der ersten Endfläche 20a. Das zweite Ende 20a2 ist das andere der entgegengesetzten Enden der ersten Endfläche 20a in der zweiten Richtung (Y-Richtung). Die mittlere Region R3 ist zwischen der ersten Endregion R1 und der zweiten Endregion R2 angeordnet, grenzt entlang einer ersten Grenzlinie L1, die zur zweiten Richtung orthogonal ist, an die erste Endregion R1 an, und grenzt entlang einer zweiten Grenzlinie L2, die zur zweiten Richtung orthogonal ist, an die zweite Endregion R2 an. In 8 werden die erste und zweite Grenzlinie L1 und L2 jeweils als unterbrochene Linien aus abwechselnd langen und kurzen Stücken gezeigt.
Nun werden ein erstes Endvolumen R1S, ein zweites Endvolumen R2S und ein mittleres Volumen R3S wie folgt definiert. Wie in 9 gezeigt sind das erste Endvolumen R1S, das zweite Endvolumen R2S und das mittlere Volumen R3S Volumen, die ausgebildet werden, indem drei gedachte Ebenen, welche zur ersten Endregion R1, der zweiten Endregion R2 und der mittleren Region R3 äquivalent sind, weg von der zweiten Endfläche 20b der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) verschoben werden. Ein MR-Element 10 als das zumindest eine magnetische Detektionselement ist vorzugsweise so platziert, dass dessen Gesamtheit im mittleren Volumen R3S enthalten ist. Der folgende Abschnitt beschreibt ein Beispiel für eine solche Platzierung des MR-Elements 10.
Wie in 8 gezeigt, ist der Abstand zwischen dem ersten Ende 20a1 und der ersten Grenzlinie L1 durch das Symbol D1 gekennzeichnet, der Abstand zwischen dem zweiten Ende 20a2 und der zweiten Grenzlinie L2 ist durch das Symbol D2 gekennzeichnet, und der Abstand zwischen dem ersten Ende 20a1 und dem zweiten Ende 20a2 ist durch das Symbol D3 gekennzeichnet. Die Abstände D1 und D2 sind beide vorzugsweise 10 % des Abstandes D3, und noch bevorzugter 35 % des Abstandes D3. Die Gründe dafür werden später ausführlich beschrieben.
2, 4, 5, 8 und 9 stellen ein Beispiel dar, in dem lediglich ein MR-Element 10 im Volumen S oder im mittleren Volumen R3S angeordnet ist, welches durch eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 definiert ist. Alternativ dazu kann, wie später in Bezug auf eine zweite Ausführungsform beschrieben wird, eine Vielzahl von MR-Elementen 10 im Volumen S oder im mittleren Volumen R3S angeordnet sein, welche von einer Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 definiert ist.
Die Funktion und die Wirkungen des Magnetsensors 1 und des Magnetsensorsystems gemäß der ersten Ausführungsform werden nun beschrieben. In der ersten Ausführungsform umfasst die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 die ferromagnetische Schicht 22 und die erste antiferromagnetische Schicht 21. Die erste antiferromagnetische Schicht 21 ist mit der ferromagnetischen Schicht 22 austauschgekoppelt. Dadurch wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 bestimmt. Auf Basis der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 22 erzeugt die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 das Vormagnetisierungsfeld Hb, welches an das MR-Element 10 anzulegen ist.
Die Wirkungen des Magnetsensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform werden nun im Vergleich zu einem Magnetsensor eines Vergleichsbeispiels beschrieben. Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels verwendet einen Permanentmagneten als das Mittel zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes anstelle der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20. Zuerst werden unter Bezugnahme auf 10 und 11 Vergleiche zwischen einer Magnetisierungskurve des Permanentmagneten und der der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 angestellt. 10 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve des Permanentmagneten anzeigt. 11 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 anzeigt. In jeder der 10 und 11 repräsentiert die horizontale Achse das Magnetfeld, und die vertikale Achse repräsentiert die Magnetisierung. Sowohl für das Magnetfeld als auch die Magnetisierung repräsentieren positive Werte die Größe in einer vorbestimmten Richtung, während negative Werte die Größe in der der vorbestimmten Richtung entgegengesetzten Richtung repräsentieren. Pfeile in der Magnetisierungskurve zeigen die Richtung einer Änderung des Magnetfeldes an. Die Reichweite des Magnetfeldes, welche durch das Symbol HS angezeigt wird, repräsentiert die Reichweite des Zielmagnetfeldes.
Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels wird unter der Bedingung verwendet, dass die Feldstärke des Zielmagnetfeldes die Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten nicht übersteigt. Jedoch kann es vorkommen, dass ein äußeres Magnetfeld mit einer Feldstärke, welche die Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten übersteigt, vorübergehend am Permanentmagneten anliegt, weil der Magnetsensor in verschiedenen Umgebungen verwendet werden kann. Wenn ein solches äußeres Magnetfeld vorübergehend am Permanentmagneten anliegt, kann sich die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten von einer ursprünglichen Richtung ändern und danach sogar von der ursprünglichen Richtung verschieden bleiben, nachdem das äußere Magnetfeld verschwunden ist. Wie zum Beispiel in 10 gezeigt, ist die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten in einer positiven Richtung gepinnt, nachdem das äußere Magnetfeld verschwunden ist, wenn ein äußeres Magnetfeld mit einem positiven Wert, welches über die Reichweite HS des Zielmagnetfeldes hinausreicht, vorübergehend am Permanentmagneten anliegt. Andererseits, wenn ein äußeres Magnetfeld mit einem negativen Wert, welches außerhalb der Reichweite HS des Zielmagnetfeldes liegt, vorübergehend am Permanentmagneten anliegt, ist die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten in einer negativen Richtung gepinnt, nachdem das äußere Magnetfeld verschwunden ist. Daher kann beim Magnetsensor des Vergleichsbeispiels ein vorübergehendes Anlegen eines äußeren Magnetfeldes mit einer Feldstärke, die über die Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten hinausgeht, die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes von einer gewünschten Richtung ändern.
Im Gegensatz dazu kehrt, wie aus 11 ersichtlich, bei der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 der ersten Ausführungsform die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 sogar dann, wenn vorübergehend ein äußeres Magnetfeld anliegt, das eine Feldstärke aufweist, die ausreichend hoch ist, um die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 umzukehren, zu einer ursprünglichen Richtung zurück, nachdem ein solches äußeres Magnetfeld verschwunden ist. Daher erlaubt die erste Ausführungsform das Anlegen eines unveränderlichen Vormagnetisierungsfeldes Hb an das MR-Element 10. Diese vorteilhafte Wirkung wird dadurch verstärkt, indem der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 die zweite antiferromagnetische Schicht 23 bereitgestellt wird.
In der ersten Ausführungsform ist zumindest ein MR-Element 10 so platziert, dass zumindest ein Teil jedes des zumindest einen MR-Elements 10 in dem Volumen S enthalten ist (siehe 5 und 9), welches ausgebildet wird, indem eine gedachte Ebene, welche der ersten Endfläche 20a der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 entspricht, weg von der zweiten Endfläche 20b entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) verschoben wird. In der ersten Ausführungsform sind daher die ferromagnetische Schicht 22 und die erste antiferromagnetische Schicht 21, welche in der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 umfasst sind, und das MR-Element 10 in der ersten Richtung (Z-Richtung) fluchtend ausgerichtet. In der ersten Ausführungsform sind ferner die obere Elektrode 30 und die untere Elektrode 40 auf entgegengesetzten Seiten des zumindest einen MR-Elements 10 in der ersten Richtung (Z-Richtung) angeordnet, und die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 ist zwischen der oberen Elektrode 30 und dem zumindest einen MR-Element 10 angeordnet. Daher ist es gemäß der ersten Ausführungsform möglich, einen Stapel, welcher die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20, das MR-Element 10, die obere Elektrode 30 und die untere Elektrode 40 umfasst, einfach in einer geringen Anzahl von Schritten zu fertigen.
In der ersten Ausführungsform ist die Schutzschicht 16 des MR-Elements 10 zwischen der freien Schicht 15 des MR-Elements 10 und der ersten antiferromagnetischen Schicht 21 der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 angeordnet. In der ersten Ausführungsform berührt daher keine antiferromagnetische Schicht die freie Schicht 15. Die erste Ausführungsform weist daher nicht das Problem auf, das einem Kontakt einer antiferromagnetischen Schicht mit der freien Schicht 15 zugeordnet ist.
In der ersten Ausführungsform, wie in 9 gezeigt, ist zumindest ein MR-Element 10 so platziert, dass die Gesamtheit des zumindest einen MR-Elements 10 im mittleren Volumen R3S enthalten ist. Gemäß der ersten Ausführungsform ermöglicht dies das Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes Hb mit hoher Homogenität an das MR-Element 10 und reduziert auch eine Schwankung des Vormagnetisierungsfeldes Hb in Reaktion auf eine Schwankung der relativen Lagebeziehung zwischen der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 und dem MR-Element 10. Solche vorteilhaften Wirkungen werden nun ausführlich beschrieben.
Zuerst wird eine Bezugsebene RP wie folgt definiert. Wie in 9 gezeigt ist die Bezugsebene RP eine gedachte Ebene, welche die freie Ebene 15 des MR-Elements 10 schneidet und zur ersten Endfläche 20a der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 parallel ist. Ferner werden drei Regionen der Bezugsebene RP, welche das erste Endvolumen R1S, das zweite Endvolumen R2S und das mittlere Volumen R3S schneiden, als eine erste projektive Endregion R1P, eine zweite projektive Endregion R2P, beziehungsweise eine projektive mittlere Region R3P festgelegt. Eine Komponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 22 entgegengesetzten Richtung in der Bezugsebene RP wird als Bezugskomponente bezeichnet. Die Bezugskomponente ist eine Hauptkomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb, welche an das MR-Element 10 anzulegen ist.
12 ist eine Kennlinie, welche die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der Bezugsebene RP darstellt. In 12 repräsentiert die horizontale Achse Positionen auf einer Geraden in der Bezugsebene RP, wobei die Gerade parallel zur Y-Richtung ist und durch den Mittelpunkt der projektiven mittleren Region R3P in der X- und Y-Richtung hindurchgeht. Auf der horizontalen Achse von 12 wird der Mittelpunkt der projektiven mittleren Region R3P in der X- und Y-Richtung, der im Folgenden die zentrale Position genannt wird, als 0 μm angenommen, und Positionen, die relativ zur zentralen Position näher am ersten Ende 20a1 sind (siehe 8 und 9), werden von negativen Werten repräsentiert, während Positionen, die relativ zur zentralen Position näher am zweiten Ende 20a2 sind (siehe 8 und 9), von positiven Werten repräsentiert werden. Die vertikale Achse repräsentiert die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der Bezugsebene RP. In 12 ist die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb normiert, sodass sie an der zentralen Position 100 % ist.
In 12, wird der in 8 gezeigte Abstand D3 zwischen dem ersten Ende 20a1 und dem zweiten Ende 20a2 als 10 μm angenommen. In 12 repräsentieren die beiden Spitzenpositionen (die Positionen von ±5 μm) der Feldstärke der Bezugskomponente Positionen, an denen zwei zum ersten Ende 20a1 und zum zweiten Ende 20a2 äquivalente, gedachte Geraden die Bezugsebene RP schneiden, wenn die beiden gedachten Geraden weg von der zweiten Endfläche 20b der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) verschoben werden. Ferner repräsentieren in 12 die mit L11 und L12 bezeichneten Positionen der Geraden Positionen, an denen eine zur ersten Grenzlinie L1 äquivalente, gedachte Gerade, die zwischen der ersten Endregion R1 und der mittleren Region R3, die in 8 gezeigt werden, angeordnet ist, die Bezugsebene RP schneidet, wenn die gedachte Gerade weg von der zweiten Endfläche 20b der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) verschoben wird. Die Position der Geraden L11 entspricht dem Fall, in dem der in 8 gezeigte Abstand D1 zwischen dem ersten Ende 20a1 und der ersten Grenzlinie L1 auf 10 % des Abstandes D3 eingestellt ist. Die Position der Geraden L12 entspricht dem Fall, in dem der Abstand D1 auf 35 % des Abstandes D3 eingestellt ist.
Auf ähnliche Weise repräsentieren die Positionen der mit L21 und L22 bezeichneten Geraden Positionen, an denen eine zur zweiten Grenzlinie L2 äquivalente, gedachte Gerade, die zwischen der zweiten Endregion R2 und der mittleren Region R3, die in 8 gezeigt werden, angeordnet ist, die Bezugsebene RP schneidet, wenn die gedachte Gerade weg von der zweiten Endfläche 20b der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 entlang der ersten Richtung (Z-Richtung) verschoben wird. Die Position der Geraden L21 entspricht dem Fall, in dem der in 8 gezeigte Abstand D2 zwischen dem zweiten Ende 20a2 und der zweiten Grenzlinie L2 auf 10 % des Abstandes D3 eingestellt ist. Die Position der Geraden L22 entspricht dem Fall, in dem der Abstand D2 auf 35 % des Abstandes D3 eingestellt ist.
Die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen den Geraden L11 und L21 repräsentiert die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente in der projektiven mittleren Region R3P, wenn beide Abstände D1 und D2 10 % des Abstandes D3 sind. Die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen den Geraden L12 und L22 repräsentiert die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente in der mittleren Region R3P, wenn beide Abstände D1 und D2 35 % des Abstandes D3 sind. Die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen der Geraden L11 und der Position von –5 μm oder zwischen der Geraden L12 und der Position von –5 μm repräsentiert die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente in der ersten projektiven Endregion R1P. Die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen der Geraden L21 und der Position von 5 μm oder zwischen der Geraden L22 und der Position von 5 μm repräsentiert die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente in der zweiten projektiven Endregion R2P.
Wie in 12 gezeigt, ist der Änderungsgradient der Feldstärke der Bezugskomponente gegenüber der Positionsänderung entlang der zweiten Richtung (Y-Richtung) in der projektiven mittleren Region R3P geringer als in der ersten und zweiten projektiven Endregion R1P und R2P. Daher ermöglicht das Platzieren des MR-Elements 10, sodass dessen Gesamtheit in dem mittleren Volumen R3S enthalten ist, das Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes Hb mit größerer Homogenität an das MR-Element 10 und reduziert eine Schwankung des Vormagnetisierungsfeldes Hb in Reaktion auf eine Schwankung der relativen Lagebeziehung zwischen der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 und dem MR-Element 10 im Vergleich zu dem Fall, wenn das MR-Element 10 so platziert ist, dass ein Teil oder die Gesamtheit des MR-Elements 10 außerhalb des mittleren Volumens S3S angeordnet ist.
Gemäß 12, liegt die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der projektiven mittleren Region R3P im Bereich von 100 % bis 300 % der Feldstärke der Bezugskomponente an der oben erwähnten zentralen Position, wenn beide Abstände D1 und D2 10 % des Abstandes D3 sind. Ferner liegt die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der projektiven mittleren Region R3P im Bereich von 100 % bis 120 % der Feldstärke der Bezugskomponente an der zentralen Position, wenn beide Abstände D1 und D2 35 % des Abstandes D3 sind. Vom Standpunkt der Reduzierung einer Schwankung der Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb im mittleren Volumen R3S, in welchem das MR-Element 10 platziert ist, sind beide Abstände D1 und D2 vorzugsweise 10 % des Abstandes D3 und noch bevorzugter 35 % des Abstandes D3.
[Zweite Ausführungsform]
Nun wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. 13 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnittes eines Magnetsensors gemäß der zweiten Ausführungsform. Der Magnetsensor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst acht MR-Elemente 10, vier Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20, ein Substrat (nicht dargestellt), zwei obere Elektroden (erste Elektroden) 30 sowie zwei untere Elektroden (zweite Elektroden) 40. In der zweiten Ausführungsform sind zwei MR-Elemente 10, die von der oberen und unteren Elektrode 30 und 40 parallel verbunden sind, an jeder der Positionen der MR-Elemente 10A, 10B, 10C und 10D platziert, die im Abschnitt über die ersten Ausführungsform beschrieben wurden.
In der zweiten Ausführungsform sind die beiden, parallel verbundenen MR-Elemente 10 so platziert, dass zumindest ein Teil jedes der beiden MR-Elemente 10 im Volumen S enthalten ist, welches von einer entsprechenden Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20 definiert ist. Die Pinning-Magnetisierungsschichten 13 der beiden MR-Elemente 10 sind in derselben Richtung magnetisiert. Die beiden MR-Elemente 10 sind vorzugsweise so platziert, dass die Gesamtheit jedes der beiden MR-Elemente 10 in dem im Abschnitt über die erste Ausführungsform beschriebenen mittleren Volumen R3S enthalten sind. In diesem Fall ist es möglich, Vormagnetisierungsfelder Hb mit hoher Homogenität an die beiden MR-Elemente 10 anzulegen und eine Feldstärkedifferenz zwischen den an die beiden MR-Elemente 10 anzulegenden Vormagnetisierungsfeldern Hb zu reduzieren.
Die verbleibende Konfiguration, Funktion und Wirkungen der zweiten Ausführungsform sind denen der ersten Ausführungsform ähnlich.
[Dritte Ausführungsform]
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 14 beschrieben. 14 ist eine perspektivische Ansicht, welche die allgemeine Konfiguration eines Magnetsensorsystems der dritten Ausführungsform darstellt. Das Magnetsensorsystem der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem der ersten Ausführungsform auf die folgende Weise. Das Magnetsensorsystem der dritten Ausführungsform weist eine lineare Skala 150 statt der Drehskala 50 auf. Die lineare Skala 150 weist eine Vielzahl von N- und S-Pol-Paaren auf, die abwechselnd in einer linearen Konfiguration angeordnet sind. Die lineare Skala 150 weist eine Seitenoberfläche auf, die parallel zu der Richtung ist, in welcher die N- und S-Pole angeordnet sind. Der Magnetsensor 1 ist so platziert, um der Seitenoberfläche der linearen Skala 150 zugewandt zu sein.
Eines aus der linearen Skala 150 und dem Magnetsensor 1 bewegt sich linear in einer vorbestimmten Richtung D in Reaktion auf die Bewegung eines sich bewegenden Objektes (nicht dargestellt). Dies bewirkt eine Änderung der Relativposition der linearen Skala 150 in Bezug auf den Magnetsensor 1 in der Richtung D. Die Richtung D ist die Richtung, in welcher die N- und S-Pole der linearen Skala 150 angeordnet sind. Das Magnetsensorsystem detektiert zum Beispiel die Position und/oder die Geschwindigkeit des zuvor erwähnten, sich bewegenden Körpers, der sich mit einem aus der linearen Skala 150 und dem Magnetsensor 1 bewegt, als die physikalische Größe, die der relativen Lagebeziehung zwischen der linearen Skala 150 und dem Magnetsensor 1 zugeordnet ist.
In der dritten Ausführungsform wird das Zielmagnetfeld von der linearen Skala 150 erzeugt, und die Richtung des Zielmagnetfeldes variiert bei Änderungen der Relativposition der linearen Skala 150 in Bezug auf den Magnetsensor 1.
Der Magnetsensor 1 kann auf dieselbe Weise konfiguriert sein wie die erste oder zweite Ausführungsform. Die restliche Konfiguration, Funktion und Wirkungen der dritten Ausführungsform sind ähnlich wie die der ersten und zweiten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehenden Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen können an diesen vorgenommen werden. Zum Beispiel müssen, solange die Anforderungen der beiliegenden Ansprüche erfüllt werden, die Form und Position der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 20, sowie die Anzahl, Form und Position des MR-Elements 10 nicht notwendigerweise wie in den jeweiligen Beispielen sein, die in den vorangehenden Ausführungsformen dargestellt wurden, und können frei gewählt werden.
Ferner kann das MR-Element 10 ausgebildet werden, indem die Unterschicht 11, die freie Schicht 15, die nichtmagnetische Schicht 14, die Pinning-Magnetisierungsschicht 13, die antiferromagnetische Schicht 12 sowie die Schutzschicht 16 in dieser Reihenfolge von unten übereinander geschichtet werden.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung angesichts der vorangehenden Beschreibungen in verschiedenen Formen und Modifikationen ausgeführt werden kann. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Patentansprüche und deren Äquivalente in anderen Formen als den vorangehenden, am meisten bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6661225 B2 [0003, 0005, 0007]
JP 2008-151759 A [0003, 0005, 0007]
JP 2012-185044 A [0003, 0006, 0008]

Claims

Magnetsensor (1), umfassend: zumindest ein magnetisches Detektionselement (10), um ein zu detektierendes Magnetfeld zu detektieren; und eine Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20), um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, das an das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) anzulegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20) eine ferromagnetische Schicht (22) und eine erste antiferromagnetische Schicht (21) umfasst, die entlang einer ersten Richtung (Z) übereinander geschichtet sind, und eine erste Endfläche (20a) und eine zweite Endfläche (20b) aufweist, die an entgegengesetzten Enden in der ersten Richtung (Z) angeordnet sind; die ferromagnetische Schicht (22) eine erste Oberfläche (22a) und eine zweite Oberfläche (22b) aufweist, die an entgegengesetzten Enden in der ersten Richtung (Z) angeordnet sind; die erste antiferromagnetische Schicht (21) mit der ersten Oberfläche (22a) der ferromagnetischen Schicht (22) in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht (22) austauschgekoppelt ist; und das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) so platziert ist, dass zumindest ein Teil jedes des zumindest einen magnetischen Detektionselements (10) in einem Volumen (S) enthalten ist, das bestimmt wird, indem eine gedachte Ebene, die zur ersten Endfläche (20a) der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20) äquivalent ist, weg von der zweiten Endfläche (20b) entlang der ersten Richtung (Z) verschoben wird.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei die ferromagnetische Schicht (22) eine Magnetisierung in einer Richtung parallel zu einer zweiten Richtung (Y) aufweist, die zur ersten Richtung (Z) orthogonal ist, und das Vormagnetisierungsfeld an einer Position, an der das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) platziert ist, eine Komponente in einer Richtung enthält, die der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht (22) entgegengesetzt ist.
Magnetsensor nach Anspruch 2, wobei die erste Endfläche (20a) der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20) eine erste Endregion (R1), eine zweite Endregion (R2) und eine mittlere Region (R3) aufweist, die jeweils einen Flächeninhalt aufweisen, die erste Endregion (R1) ein erstes Ende (20a1) der ersten Endfläche (20a) umfasst, wobei das erste Ende (20a1) eines aus entgegengesetzten Enden der ersten Endfläche (20a) in der zweiten Richtung (Y) ist, die zweite Endregion (R2) ein zweites Ende (20a2) der ersten Endfläche (20a) umfasst, wobei das zweite Ende (20a2) das andere der entgegengesetzten Enden der ersten Endfläche (20a) in der zweiten Richtung (Y) ist, die mittlere Region (R3) zwischen der ersten Endregion (R1) und der zweiten Endregion (R2) angeordnet ist, an die erste Endregion (R1) entlang einer ersten Grenzlinie (L1) angrenzt, die zur zweiten Richtung (Y) orthogonal ist, und an die zweite Endregion (R2) entlang einer zweiten Grenzlinie (L2) angrenzt, die zur zweiten Richtung (Y) orthogonal ist, und das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) so platziert ist, dass eine Gesamtheit des zumindest einen magnetischen Detektionselements (10) in einem Volumen (R3S) enthalten ist, das bestimmt wird, indem eine gedachte Ebene, die zur mittleren Region (R3) äquivalent ist, weg von der zweiten Endfläche (20b) der Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20) entlang der ersten Richtung (Z) verschoben wird.
Magnetsensor nach Anspruch 3, wobei ein Abstand (D1) zwischen dem ersten Ende (20a1) und der ersten Grenzlinie (L1) sowie ein Abstand (D2) zwischen dem zweiten Ende (20a2) und der zweiten Grenzlinie (L2) jeweils 10 % eines Abstandes (D3) zwischen dem ersten Ende (20a1) und dem zweiten Ende (20a2) betragen.
Magnetsensor nach Anspruch 3, wobei ein Abstand (D1) zwischen dem ersten Ende (20a1) und der ersten Grenzlinie (L1) sowie ein Abstand (D2) zwischen dem zweiten Ende (20a2) und der zweiten Grenzlinie (L2) jeweils 35 % eines Abstandes (D3) zwischen dem ersten Ende (20a1) und dem zweiten Ende (20a2) betragen.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) zumindest ein Magnetowiderstandselement (10) ist.
Magnetsensor nach Anspruch 6, wobei das zumindest eine Magnetowiderstandselement (10) – eine Pinning-Magnetisierungsschicht (13) mit einer Magnetisierung, die in einer bestimmten Richtung gepinnt ist, – eine freie Schicht (15) mit einer Magnetisierung, die abhängig vom zu detektierenden Magnetfeld variiert, sowie – eine nichtmagnetische Schicht (14), die zwischen der Pinning-Magnetisierungsschicht (13) und der freien Schicht (15) angeordnet ist, umfasst und die Pinning-Magnetisierungsschicht (13), die nichtmagnetische Schicht (14) und die freie Schicht (15) entlang der ersten Richtung (Z) übereinander geschichtet sind.
Magnetsensor nach Anspruch 7, welcher ferner eine erste Elektrode (30) und eine zweite Elektrode (40) umfasst, um dem zumindest einen Magnetowiderstandselement (10) Strom zuzuführen, wobei die erste und zweite Elektrode (30, 40) auf entgegengesetzten Seiten des zumindest einen Magnetowiderstandselements (10) in der ersten Richtung (Z) angeordnet sind, wobei die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20) zwischen der ersten Elektrode (30) und dem zumindest einen Magnetowiderstandselement (10) angeordnet ist.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (20) ferner eine zweite antiferromagnetische Schicht (23) umfasst, die mit der zweiten Oberfläche (22b) der ferromagnetischen Schicht (22) in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht (22) austauschgekoppelt ist.