DE102016105325A1

DE102016105325A1 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE102016105325A1
Application number: DE102016105325.2A
Authority: DE
Inventors: Yosuke KOMASAKI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2016-09-29
Also published as: US20160282144A1; US20180180685A1; US10613161B2; US9921275B2; CN105988092B; JP2016176911A; CN105988092A

Abstract

Ein Magnetsensor umfasst ein MR-Element und zwei Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes. Die beiden Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes sind entlang einer ersten Richtung voneinander beabstandet und so konfiguriert, dass sie zusammenwirken, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen. Jede Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst eine ferromagnetische Schicht und eine antiferromagnetische Schicht, die entlang einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung übereinander geschichtet sind. Eine Elementplatzierungsregion ist zwischen den beiden Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes ausgebildet, wenn sie in der zweiten Richtung in einer gedachten Ebene betrachtet wird, die senkrecht auf die zweite Richtung ist und das MR-Element schneidet. Die Elementplatzierungsregion umfasst eine mittlere Region und zwei Endregionen. Das MR-Element ist so platziert, dass es innerhalb der mittleren Region in der gedachten Ebene liegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetsensor, welcher ein magnetisches Detektionselement sowie zwei Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst, wobei die beiden Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes so konfiguriert sind, dass sie zusammenwirken, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, 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 U.S.-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014/0292322 A1 offenbart 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 TMP-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 U.S.-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014/0292322 A1 offenbart einen Magnetsensor, welcher ein MR-Spin-Ventil-Element sowie ein Paar von Permanentmagneten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst, die einander gegenüberliegen, wobei das MR-Element dazwischen liegt.
Magnetische Sensoren, die ein Paar von Permanentmagneten als das Mittel verwenden, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, wie z. B. die in der U.S.-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014/0292322 A1 offenbarten, weisen die folgenden Probleme auf. Solche Magnetsensoren werden üblicherweise unter der Bedingung verwendet, dass die Feldstärke des Zielmagnetfeldes nicht die Koerzitivfeldstärke der Permanentmagneten übersteigt. Da die Magnetsensoren jedoch in verschiedenen Umgebungen verwendet werden können, kann es vorkommen, dass ein äußeres Magnetfeld mit einer Feldstärke, welche die Koerzitivfeldstärke der Permanentmagneten übersteigt, vorübergehend an den Permanentmagneten anliegt. Wenn ein solches äußeres Magnetfeld vorübergehend an den Permanentmagneten anliegt, kann sich die Magnetisierungsrichtung der 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.
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 erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und eine zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes, die so konfiguriert sind, dass sie zusammenwirken, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, das an das zumindest eine magnetische Detektionselement anzulegen ist. Die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes sind entlang einer ersten Richtung um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet. Jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfasst eine ferromagnetische Schicht und eine erste antiferromagnetische Schicht, die entlang einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung übereinander geschichtet sind. Die ferromagnetische Schicht weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die an entgegengesetzten Enden in der zweiten Richtung angeordnet sind. Die erste antiferromagnetische Schicht ist mit der ersten Oberfläche der ferromagnetischen Schicht in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht austauschgekoppelt.
Jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die einander in einer dritten Richtung, die sowohl auf die erste Richtung als auch auf die zweite Richtung orthogonal ist, entgegengesetzt sind. Hier werden eine erste gedachte Gerade und eine zweite gedachte Gerade in einer gedachten Ebene definiert, die senkrecht auf die zweite Richtung ist und das zumindest eine magnetische Detektionselement schneidet. Die erste gedachte Gerade geht durch das erste Ende jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes hindurch, wenn sie in der zweiten Richtung betrachtet wird. Die zweite gedachte Gerade geht durch das zweite Ende jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes hindurch, wenn sie in der zweiten Richtung betrachtet wird. Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes so positioniert, dass sie eine Elementplatzierungsregion in der gedachten Ebene definieren. Die Elementplatzierungsregion ist zwischen der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes angeordnet, wenn sie in der ersten Richtung betrachtet wird, und zwischen der ersten gedachten Geraden und der zweiten Gedachten Geraden angeordnet, wenn sie in der zweiten Richtung betrachtet wird.
Die Elementplatzierungsregion umfasst eine erste Endregion, eine zweite Endregion und eine mittlere Region, die jeweils einen Flächeninhalt aufweisen. Die erste Endregion ist näher an der ersten gedachten Geraden angeordnet als die mittlere Region. Die zweite Endregion ist näher an der zweiten gedachten Geraden angeordnet als die mittlere Region. Die mittlere Region ist zwischen der ersten Endregion und der zweiten Endregion angeordnet, grenzt entlang einer ersten, zur ersten gedachten Geraden parallelen Grenzlinie an die erste Endregion an, und grenzt entlang einer zweiten, zur zweiten gedachten Geraden parallelen Grenzlinie an die zweite Endregion an. Das zumindest eine magnetische Detektionselement ist so platziert, dass die Gesamtheit des zumindest einen magnetischen Detektionselements in der mittleren Region in der gedachten Ebene liegt.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die ferromagnetische Schicht eine Magnetisierung in einer Richtung aufweisen, die zur ersten Richtung parallel ist. Das Vormagnetisierungsfeld an einer Position, an der das zumindest eine magnetische Detektionselement platziert ist, kann eine Komponente in derselben Richtung enthalten wie die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung können der Abstand zwischen der ersten gedachten Geraden und der ersten Grenzlinie sowie der Abstand zwischen der zweiten gedachten Geraden und der zweiten Grenzlinie jeweils 30 % des Abstandes zwischen der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes sein.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann die gedachte Ebene die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes schneiden.
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 zweiten Richtung übereinander geschichtet sein. Die gedachte Ebene kann die ferromagnetische Schicht jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes sowie die freie Schicht des zumindest einen Magnetowiderstandselements schneiden.
Beim Magnetsensor der vorliegenden Erfindung kann jede aus der ersten und zweiten 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 jeder aus der ersten und zweiten 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 jeder aus der ersten und zweiten 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 Querschnittsansicht des Abschnittes des in 2 gezeigten Magnetsensors.
6 ist ein erklärendes Diagramm, welches die Lagebeziehung zwischen dem MR-Element und der in 4 und 5 gezeigten ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes darstellt.
7 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve eines Permanentmagneten darstellt.
8 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve jeder aus der in 4 bis 6 gezeigten ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes darstellt.
9 ist eine Kennlinie, welche die Feldstärkeverteilung einer Bezugskomponente eines Vormagnetisierungsfeldes in einer Bezugsebene für ein erstes Magnetsensormodell darstellt.
10 ist eine Kennlinie, welche die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes in der Bezugsebene für ein zweites Magnetsensormodell darstellt.
11 ist eine Kennlinie, welche die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes in der Bezugsebene für ein drittes Magnetsensormodell darstellt.
12 ist ein erklärendes Diagramm, welches die Lagebeziehung von MR-Elementen mit einer ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
13 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 eine erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes und eine zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes, die so konfiguriert sind, dass sie zusammenwirken, 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.
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 ferner vier Paare aus ersten und zweiten Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21A, 22A), (21B, 22B), (21C, 22C) und (21D, 22D), die den MR-Elementen 10A, 10B, 10C beziehungsweise 10D entsprechen, als die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes. Die vier Paare aus ersten und zweiten Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21A, 22A), (21B, 22B), (21C, 22C) und (21D, 22D) erzeugen jeweilige Vormagnetisierungsfelder, die an die entsprechenden MR-Elemente 10A, 10B, 10C und 10D anzulegen sind.
Die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21A und die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22A sind um einen vorbestimmten Abstand entlang einer ersten Richtung voneinander beabstandet, wobei das MR-Element 10A dazwischen liegt. Nun werden eine X-, Y- und Z-Richtung wie in 2 gezeigt definiert. Die X-, Y- und Z-Richtungen sind orthogonal aufeinander. In der ersten Ausführungsform ist die erste Richtung die Y-Richtung.
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.
Ähnlich der Lagebeziehung zwischen dem MR-Element 10A und der oben beschriebenen ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21A und 22A sind die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21B und die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22B um einen vorbestimmten Abstand entlang der ersten Richtung (Y-Richtung) voneinander beabstandet, wobei das MR-Element 10B dazwischen liegt. Die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21C und die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22C sind um einen vorbestimmten Abstand entlang der ersten Richtung (Y-Richtung) voneinander beabstandet, wobei das MR-Element 10C dazwischen liegt. Die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21D und die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22D sind um einen vorbestimmten Abstand entlang der ersten Richtung (Y-Richtung) voneinander beabstandet, wobei das MR-Element 10D dazwischen liegt.
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 positioniert. 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 liegt dem Zweigteil 411 der unteren Elektrode 41 gegenüber. Der Zweigteil 312 der oberen Elektrode 31 liegt dem Zweigteil 421 der unteren Elektrode 42 gegenüber. Der Zweigteil 321 der oberen Elektrode 32 liegt dem Zweigteil 412 der unteren Elektrode 41 gegenüber. Der Zweigteil 322 der oberen Elektrode 32 liegt dem Zweigteil 422 der unteren Elektrode 42 gegenüber.
Das MR-Element 10A und die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21A und 22A sind zwischen dem Zweigteil 411 der unteren Elektrode 41 und dem Zweigteil 311 der oberen Elektrode 31 angeordnet. Die obere Elektrode 31 und die untere Elektrode 41 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10A in der Z-Richtung angeordnet und führen dem MR-Element 10A Strom zu.
Das MR-Element 10B und die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21B und 22B sind zwischen dem Zweigteil 421 der unteren Elektrode 42 und dem Zweigteil 312 der oberen Elektrode 31 angeordnet. Die obere Elektrode 31 und die untere Elektrode 42 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10B in der Z-Richtung (Z-Richtung) angeordnet und führen dem MR-Element 10B Strom zu.
Das MR-Element 10C und die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21C und 22C sind zwischen dem Zweigteil 422 der unteren Elektrode 42 und dem Zweigteil 322 der oberen Elektrode 32 angeordnet. Die obere Elektrode 32 und die untere Elektrode 42 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10C in der Z-Richtung angeordnet und führen dem MR-Element 10C Strom zu.
Das MR-Element 10D und die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21D und 22D sind zwischen dem Zweigteil 412 der unteren Elektrode 41 und dem Zweigteil 321 der oberen Elektrode 32 angeordnet. Die obere Elektrode 32 und die untere Elektrode 41 sind auf entgegengesetzten Seiten des MR-Elements 10D in der Z-Richtung angeordnet und führen dem MR-Element 10D Strom zu.
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 erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes wird nun unter Bezugnahme auf 4 und 5 ausführlich beschrieben. 4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines in 2 gezeigten Abschnittes des Magnetsensors 1. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Abschnittes des Magnetsensors 1. In der folgenden Beschreibung wird die Bezugszahl 10 verwendet, um beliebige MR-Elemente zu repräsentieren. Die Bezugszahlen 21 und 22 werden verwendet, um beliebige der ersten Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes beziehungsweise beliebige der zweiten Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes zu repräsentieren. Die Bezugszahlen 30 und 40 werden verwendet, um eine der oberen Elektroden beziehungsweise eine der unteren Elektroden zu repräsentieren. 4 und 5 stellen ein MR-Element 10, eine erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 zum Erzeugen eines an das MR-Element 10 anzulegenden Vormagnetisierungsfeldes sowie eine obere Elektrode 30 und eine untere Elektrode 40 zur Stromzufuhr an das MR-Element 10 dar.
Wie in 5 gezeigt, umfasst jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 eine ferromagnetische Schicht 24 und eine erste antiferromagnetische Schicht 23, die entlang einer zweiten Richtung, die auf die erste Richtung (Y-Richtung) orthogonal ist, übereinander geschichtet sind. In der ersten Ausführungsform ist die zweite Richtung die Z-Richtung. Die ferromagnetische Schicht 24 weist eine erste Oberfläche 24a und eine zweite Oberfläche 24b auf, die an entgegengesetzten Enden in der zweiten Richtung (Z-Richtung) angeordnet sind. Die erste antiferromagnetische Schicht 23 ist mit der ersten Oberfläche 24a der ferromagnetischen Schicht 24 in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht 24 austauschgekoppelt. In dem in 5 gezeigten Beispiel umfasst jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 ferner eine zweite antiferromagnetische Schicht 25, die mit der zweiten Oberfläche 24b der ferromagnetischen Schicht 24 in Kontakt ist und mit der ferromagnetischen Schicht 24 austauschgekoppelt ist. In diesem Beispiel sind die erste antiferromagnetische Schicht 23, die ferromagnetische Schicht 24 und die zweite antiferromagnetische Schicht 25 in dieser Reihenfolge entlang der zweiten Richtung (Z-Richtung) übereinander geschichtet.
In der ersten Ausführungsform umfasst der Magnetsensor 1 eine isolierende Schicht 20, die zwischen der unteren Elektrode 40 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 liegt. 2 und 4 zeigen keine Darstellung der isolierenden Schicht 20 und stellen die Anordnung der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schematisch dar. Die isolierende Schicht 20 liegt auf der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 40. Die erste antiferromagnetische Schicht 23 liegt auf der oberen Oberfläche der isolierenden Schicht 20. Die obere Oberfläche der zweiten antiferromagnetischen Schicht 25 ist mit der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 30 in Kontakt. Die isolierende Schicht 20 hat die Funktion zu verhindern, dass die obere Elektrode 30 und die untere Elektrode 40 durch die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 oder 22 elektrisch miteinander verbunden sind, sowie die Funktion, die Positionen der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 in der Z-Richtung einzustellen. Der Magnetsensor 1 kann statt der isolierenden Schicht 20 eine weitere isolierende Schicht umfassen, die zwischen der oberen Elektrode 30 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 liegt. Alternativ dazu kann der Magnetsensor 1 sowohl die isolierende Schicht 20 als auch die zuvor genannte andere isolierende Schicht umfassen.
Die ferromagnetische Schicht 24 weist eine Magnetisierung in einer Richtung parallel zur ersten Richtung (Y-Richtung) auf. Die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 24 wird von der Austauschkopplung zwischen der ferromagnetischen Schicht 24 und jeder aus der ersten und zweiten antiferromagnetischen Schicht 23 und 25 bestimmt. In der ersten Ausführungsform sind die ferromagnetische Schicht 24 der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und die ferromagnetische Schicht 24 der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 in derselben Richtung magnetisiert. Die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 wirken zusammen, um auf Basis der Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten 24 Magnetfelder einschließlich eines Vormagnetisierungsfeldes Hb, welches an das MR-Element 10 anzulegen ist, zu erzeugen. An der Position, an der das MR-Element 10 platziert ist, enthält das Vormagnetisierungsfeld Hb als Hauptkomponente eine Komponente, die zur ersten Richtung (Y-Richtung) parallel und in derselben Richtung wie die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten 24 orientiert ist.
In jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 ist die ferromagnetische Schicht 24 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 24 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 24 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 23 und 25 sind jeweils aus einem antiferromagnetischen Material wie z. B. IrMn oder PtMn ausgebildet. Die ferromagnetische Schicht 24 weist vorzugsweise eine Dicke von 8 nm oder mehr auf. Unter der Annahme, dass die ferromagnetische Schicht 24 aus CoFe ausgebildet ist und eine Dicke von 8 nm aufweist, können die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 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 25 ist keine wesentliche Komponente jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 und kann weggelassen werden.
Wie in 4 gezeigt weist jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die einander in der X-Richtung entgegengesetzt sind. Die X-Richtung ist sowohl zur ersten Richtung (Y-Richtung) als auch zur zweiten Richtung (Z-Richtung) orthogonal und entspricht der dritten Richtung in der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden das erste Ende und das zweite Ende der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 durch die Symbole E11 beziehungsweise E12 gekennzeichnet. Das erste Ende und das zweite Ende der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 wird durch die Symbole E21 beziehungsweise E22 gekennzeichnet. Wenn sie vom MR-Element 10 aus betrachtet werden, sind die ersten Enden E11 und E21 auf derselben Seite in der dritten Richtung (X-Richtung) angeordnet.
In dem in 4 gezeigten Beispiel weist die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 eine erste Endfläche 21a auf, die der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 zugewandt ist. Die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 weist eine zweite Endfläche 22a auf, die der ersten Endfläche 21a gegenüberliegt.
In dem in 4 gezeigten Beispiel hat sowohl die erste als auch die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 die Form eines rechteckigen Prismas und ist rechtwinklig, wenn sie in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird. Alternativ dazu können die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22, wenn sie in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet werden, jeweils in Form eines Vielecks sein, das kein Rechteck ist oder können jeweils so geformt sein, dass zumindest ein Teil ihres äußeren Randes gekrümmt ist. In dem in 4 gezeigten Beispiel haben alle aus den ersten Enden E11 und E21 sowie den zweiten Enden E12 und E22 die Form einer Ebene. Alternativ dazu kann zumindest eines aus den ersten und zweiten Enden E11, E21, E12 und E22 die Form einer Linie oder eines Punktes haben.
Ein Beispiel für die Konfiguration des MR-Elements 10 wird nun unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. In der ersten Ausführungsform wird ein Spin-Ventil-Element als das MR-Element 10 verwendet. 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 5 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 zweiten 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 5 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 oberen Elektrode 30 verbunden. Das MR-Element 10 ist konfiguriert, um von der unteren Elektrode 40 und der oberen Elektrode 30 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 zweite 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-Elementes 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 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 der Richtung 10AP entgegengesetzt. 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 zu den Richtungen 10AP und 10BP 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 dieselbe wie die Richtung 10AP, während die Richtung 10DP der Magnetisierung der Pinning-Magnetisierungsschicht 13 des MR-Elements 10D dieselbe ist wie die Richtung 10BP. 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 den Richtungen 10CP und 10DP (derselben Richtung wie der zu den Richtungen 10AP und 10BP parallelen 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 jedem der vier Paare aus einer ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21A, 22A), (21B, 22B), (21C, 22C) und (21D, 22D) 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 positioniert sind, eine Komponente in einer Richtung parallel zur Y-Richtung (der ersten 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, die eine Richtung parallel zur Y-Richtung ist, parallel oder beinahe parallel zur in 1 gezeigten zentralen Achse C.
Nun wird auf 2 und 4 bis 6 Bezug genommen, um die Lagebeziehung zwischen dem magnetischen Detektionselement (MR-Element 10) und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 zu beschreiben. 6 ist ein erklärendes Diagramm, das die Lagebeziehung zwischen dem MR-Element 10 und der in 4 und 5 gezeigten ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 darstellt. In 5 und 6 repräsentiert das Symbol P eine gedachte Ebene, die senkrecht auf die zweite Richtung (Z-Richtung) ist und zumindest ein magnetisches Detektionselement schneidet. Die gedachte Ebene P kann beide oder keine aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schneiden. In letzterem Fall können die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 an derselben Position oder an unterschiedlichen Positionen in der zweiten Richtung (Z-Richtung) angeordnet sein. Alternativ dazu kann die gedachte Ebene P eine aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schneiden, wobei sie die andere aber nicht schneidet.
Beispielsweise stellen 2, 4 und 5 den Fall dar, in dem die gedachte Ebene P sowohl die erste als auch die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schneidet. In diesem Fall kann, wie in 5 gezeigt, die gedachte Ebene P die ferromagnetische Schicht 24 jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 sowie die freie Schicht 15 des MR-Elements 10 schneiden.
Nun werden eine erste gedachte Gerade L1 und eine zweite gedachte Gerade L2 in der gedachten Ebene P wie in 6 gezeigt definiert. Die erste Gerade L1 ist eine Gerade, die durch die ersten Enden E11 und E21 der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 hindurchgeht, wenn sie in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird. Die zweite gedachte Gerade L2 ist eine Gerade, die durch die zweiten Enden E12 und E22 der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 hindurchgeht, wenn sie in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird. In 6 werden die erste und zweite gedachte Gerade L1 und L2 durch unterbrochene Linien gezeigt. Die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 sind vorzugsweise so geformt und positioniert, dass die erste und zweite gedachte Gerade L1 und L2 parallel zur ersten Richtung (Y-Richtung) liegen.
Wenn zumindest ein Teil des ersten Endes E11 in der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die erste gedachte Gerade L1 durch die Position des ersten Endes E11 in der gedachten Ebene P hindurch. Wenn das erste Ende E11 außerhalb der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die erste gedachte Linie L1 durch die Position einer vertikalen Projektion des ersten Endes E11 auf der gedachten Ebene P hindurch.
Wenn zumindest ein Teil des ersten Endes E21 in der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die erste gedachte Gerade L1 durch die Position des ersten Endes E21 in der gedachten Ebene P hindurch. Wenn das erste Ende E21 außerhalb der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die erste gedachte Gerade L1 durch die Position einer vertikalen Projektion des ersten Endes E21 auf der gedachten Ebene P hindurch.
Wenn zumindest ein Teil des zweiten Endes E12 in der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die zweite gedachte Gerade L2 durch die Position des zweiten Endes E12 in der gedachten Ebene P hindurch. Wenn das zweite Ende E12 außerhalb der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die erste gedachte Gerade L1 durch die Position einer vertikalen Projektion des zweiten Endes E12 auf der gedachten Ebene P hindurch.
Wenn zumindest ein Teil des zweiten Endes E22 in der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die zweite gedachte Gerade L2 durch die Position des zweiten Endes E22 in der gedachten Ebene P hindurch. Wenn das zweite Ende E22 außerhalb der gedachten Ebene P angeordnet ist, geht die zweite gedachte Gerade L2 durch die Position einer vertikalen Projektion des zweiten Endes E22 auf der gedachten Ebene P hindurch.
In dem in 5 und 6 gezeigten Beispiel schneidet die gedachte Ebene P die ersten Enden E11 und E21 sowie die zweiten Enden E12 und E22, die alle die Form einer Ebene haben. In diesem Fall geht die erste gedachte Gerade L1 durch die Positionen der ersten Enden E11 und E21 in der gedachten Ebene P hindurch, und die zweite gedachte Gerade L2 geht durch die Positionen der zweiten Enden E12 und E22 in der gedachten Ebene P hindurch.
Die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 sind so angeordnet, um eine Elementplatzierungsregion R in der gedachten Ebene P zu definieren. Die Elementplatzierungsregion R ist, wenn sie in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird, zwischen der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 sowie zwischen der ersten gedachten Geraden L1 und der zweiten gedachten Geraden L2 angeordnet.
Die Elementplatzierungsregion R ist eine Region, die, von einem Teil des Umfanges der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21, wenn diese in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird, von einem Teil des Umfanges der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22, wenn diese in der zweiten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird, der ersten gedachten Geraden L1 und der zweiten gedachten Geraden L2 umgeben ist.
In dem in 5 und 6 gezeigten Beispiel sind die erste Endfläche 21a der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und die zweite Endfläche 22a der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 parallel zur zweiten Richtung (Z-Richtung). Die gedachte Ebene P schneidet die erste Endfläche 21a und die zweite Endfläche 22a. In diesem Fall ist die Elementplatzierungsregion R eine Region, die von der ersten Endfläche 21a, der zweiten Endfläche 22a, der ersten gedachten Geraden L1 und der zweiten gedachten Geraden L2 umgeben ist.
Wie in 6 gezeigt umfasst die Elementplatzierungsregion R eine erste Endregion R1, eine zweite Endregion R2 und eine mittlere Region R3, die jeweils eine Fläche aufweisen. Die erste Endregion R1 ist näher an der ersten gedachten Geraden L1 angeordnet als die mittlere Region R3. Die zweite Endregion R2 ist näher an der zweiten gedachten Geraden L2 angeordnet als die mittlere Region R3. Die mittlere Region R3 ist zwischen der ersten Endregion R1 und der zweiten Endregion R2 angeordnet, grenzt entlang einer ersten Grenzlinie B1, die parallel zur ersten gedachten Geraden L1 ist, an die erst Endregion R1 an und grenzt entlang einer zweiten Grenzlinie B2, die zur zweiten gedachten Geraden L2 parallel ist, an die zweite Endregion R2 an. In 6 sind die erste und zweite Grenzlinie B1 und B2 durch gepunktete Linien gezeigt.
Das zumindest eine magnetische Detektionselement ist so platziert, dass die Gesamtheit des zumindest einen magnetischen Detektionselements innerhalb der mittleren Region R3 in der gedachten Ebene P liegt. In der ersten Ausführungsform ist insbesondere ein MR-Element 10 als das zumindest eine magnetische Detektionselement so platziert, dass die Gesamtheit des MR-Elements 10 innerhalb der mittleren Region R3 in der gedachten Ebene P liegt.
Wie in 6 gezeigt ist der Abstand zwischen der ersten gedachten Geraden L1 und der ersten Grenzlinie B1 durch das Symbol D1 gekennzeichnet, der Abstand zwischen der zweiten gedachten Geraden L2 und der zweiten Grenzlinie B2 ist durch das Symbol D2 gekennzeichnet, und der Abstand zwischen der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 ist durch das Symbol G1 gekennzeichnet. Die Abstände D1 und D2 sind beide vorzugsweise 30 % des Abstandes G1. Die Gründe dafür werden später ausführlich beschrieben.
2 und 4 bis 6 stellen ein Beispiel dar, in dem lediglich ein MR-Element 10 innerhalb der mittleren Region R3 angeordnet ist. Alternativ dazu kann, wie später in Bezug auf eine zweite Ausführungsform beschrieben wird, eine Vielzahl von MR-Elementen 10 innerhalb der mittleren Region R3 angeordnet sein.
Die Funktion und die Wirkungen des Magnetsensors 1 und des Magnetsensorsystems gemäß der ersten Ausführungsform werden nun beschrieben. In der ersten Ausführungsform umfasst jede der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 die ferromagnetische Schicht 24 und die erste antiferromagnetische Schicht 23. Die erste antiferromagnetische Schicht 23 ist mit der ferromagnetischen Schicht 24 austauschgekoppelt. Dadurch wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 24 bestimmt. Die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 wirken zusammen, um das Vormagnetisierungsfeld Hb, welches an das MR-Element 10 anzulegen ist, auf Basis der Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten 24 der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 zu erzeugen.
Die Wirkungen des Magnetsensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform werden nun im Vergleich zu einem Magnetsensor eines Vergleichsbeispiels beschrieben. Der Magnetsensor des Vergleichsbeispiels verwendet ein Paar aus Permanentmagneten als das Mittel zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes anstelle der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22. Zuerst werden unter Bezugnahme auf 7 und 8 Vergleiche zwischen einer Magnetisierungskurve eines Permanentmagneten und jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 angestellt. 7 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve eines Permanentmagneten darstellt. 8 ist eine Kennlinie, welche die Magnetisierungskurve jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 darstellt. Hier ist anzunehmen, dass die Magnetisierungskurve der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und die Magnetisierungskurve der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22 miteinander übereinstimmen. In jeder der 7 und 8 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 der Permanentmagneten nicht übersteigt. Jedoch kann es vorkommen, dass ein äußeres Magnetfeld mit einer Feldstärke, welche die Koerzitivfeldstärke der Permanentmagneten übersteigt, vorübergehend an den Permanentmagneten anliegt, weil der Magnetsensor in verschiedenen Umgebungen verwendet werden kann. Wenn ein solches äußeres Magnetfeld vorübergehend an den Permanentmagneten anliegt, kann sich die Magnetisierungsrichtung der 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 7 gezeigt, ist die Magnetisierungsrichtung der 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 an den Permanentmagneten anliegt. Andererseits, wenn ein äußeres Magnetfeld mit einem negativen Wert, welches außerhalb der Reichweite HS des Zielmagnetfeldes liegt, vorübergehend an den Permanentmagneten anliegt, ist die Magnetisierungsrichtung der 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 der Permanentmagneten hinausgeht, an die Permanentmagneten die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes von einer gewünschten Richtung ändern.
Im Gegensatz dazu kehrt, wie aus 8 ersichtlich, bei jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 der ersten Ausführungsform die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 24 sogar dann, wenn vorübergehend ein äußeres Magnetfeld anliegt, das eine Feldstärke aufweist, die ausreichend hoch ist, um die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 24 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 jeder der Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 die zweite antiferromagnetische Schicht 25 bereitgestellt wird.
Wie in 6 gezeigt, ist in der ersten Ausführungsform zumindest ein MR-Element 10 so platziert, dass die Gesamtheit des zumindest einen MR-Elements 10 innerhalb der mittleren Region R3 in der gedachten Ebene P liegt. 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 dem MR-Element 10 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22. Solche vorteilhaften Wirkungen werden nun ausführlich beschrieben.
Zuerst wird eine Bezugskomponente wie folgt definiert. Die Bezugskomponente ist eine Komponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in derselben Richtung wie die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 24 in der gedachten Ebene P. Die Bezugskomponente ist eine Hauptkomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb, welches an das MR-Element 10 anzulegen ist.
Als nächstes werden Simulationsergebnisse beschrieben. Die Simulation untersuchte die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der gedachten Ebene P für ein erstes bis drittes Modell des Magnetsensors 1. Im ersten Modell weisen die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22, die in 6 gezeigt sind, eine Länge von 8,8 μm in der X-Richtung auf und sind um einen Abstand G1 von 2 μm voneinander beabstandet. Im zweiten Modell weisen die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 eine Länge von 8,8 μm in der X-Richtung auf und sind um einen Abstand G1 von 3 μm voneinander beabstandet. Im dritten Modell weisen die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 eine Länge von 18,8 μm in der X-Richtung auf und sind um einen Abstand G1 von 2 μm voneinander beabstandet. In jedem aus dem ersten bis dritten Modell schneidet die gedachte Ebene P die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22.
9 bis 11 sind Kennlinien, welche die Feldstärkeverteilungen der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der gedachten Ebene P jeweils für das erste bis dritte Modell des Magnetsensors 1 darstellen. In jeder der 9 bis 11 repräsentiert die horizontale Achse Positionen auf einer Geraden, die parallel zur X-Richtung ist und durch einen Mittelpunkt der mittleren Region R3 in der gedachten Ebene P, die in 6 gezeigt wird, hindurchgeht. Der Mittelpunkt der mittleren Region R3 ist der Punkt, der äquidistant von der ersten Endfläche 21a und der zweiten Endfläche 22a sowie äquidistant von der ersten Grenzlinie B1 und der zweiten Grenzlinie B2 angeordnet ist. Auf der horizontalen Achse jeder der 9 bis 11 wird die Position des Mittelpunkts der mittleren Region R3 als 0 μm angenommen, und negative Werte repräsentieren Positionen, die auf der Seite der ersten gedachten Geraden L1 in Bezug auf den Mittelpunkt der mittleren Region R3 sind, während positive Werte Positionen repräsentieren, die auf der Seite der zweiten gedachten Geraden L2 in Bezug auf den Mittelpunkt der mittleren Region R3 sind. Die vertikale Achse in jeder der 9 bis 11 repräsentiert die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der gedachten Ebene P. In 9 bis 11 ist die Feldstärke der Bezugskomponente des Vormagnetisierungsfeldes Hb in der gedachten Ebene P normiert, sodass ihr Maximalwert 100 % ist. In jeder der 9 bis 11 repräsentieren die beiden unterbrochenen Linien L1 und L2 die Positionen der ersten und zweiten gedachten Geraden L1 beziehungsweise L2, die in 6 gezeigt sind. Die gepunktete Linie B1 repräsentiert die Positionen der ersten Grenzlinie B1, die dadurch festgelegt ist, dass der Abstand D1 zwischen der ersten gedachten Geraden L1 und der ersten Grenzlinie B1 in 6 auf 30 % des Abstandes G1 eingestellt ist. Die gepunktete Linie B2 repräsentiert die Position der zweiten Grenzlinie B2, die dadurch festgelegt ist, dass der Abstand D2 zwischen der zweiten gedachten Geraden L2 und der zweiten Grenzlinie B2 in 6 auf 30 % des Abstands G1 eingestellt ist.
In jeder der 9 bis 11 repräsentiert die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen den Linien B1 und B2 die Feldstärkeverteilung davon in der mittleren Region R3, die dadurch festgelegt ist, dass die beiden Abstände D1 und D2 auf 30 % des Abstandes G1 eingestellt sind. Die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen den Linien L1 und B1 repräsentiert die Feldstärkeverteilung davon in der ersten Endregion R1. Die Feldstärkeverteilung der Bezugskomponente zwischen der Geraden L2 und B2 repräsentiert die Feldstärkeverteilung davon in der zweiten Endregion R2.
Wie in 9 bis 11 gezeigt, sinkt die Feldstärke der Bezugskomponente in der ersten Endregion R1 und der zweiten Endregion R2 mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt der mittleren Region R3 stark ab. Daher ist der Änderungsgradient der Feldstärke der Bezugskomponente gegenüber der Positionsänderung entlang der dritten Richtung (X-Richtung) in der ersten und zweiten Endregion R1 und R2 deutlich größer als in der mittleren Region R3. Dementsprechend ist es durch das Platzieren des MR-Elements 10, sodass dessen Gesamtheit in der mittleren Region R3 liegt, möglich, ein Vormagnetisierungsfelde Hb mit größerer Homogenität an das MR-Element 10 anzulegen und eine Schwankung des Vormagnetisierungsfeldes Hb in Reaktion auf eine Schwankung der relativen Lagebeziehung zwischen dem MR-Element 10 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 Vergleich zu dem Fall zu reduzieren, wenn das MR-Element 10 so platziert ist, dass zumindest ein Teil davon innerhalb der ersten Endregion R1 oder der zweiten Endregion R2 liegt, wenn es in der dritten Richtung (Z-Richtung) betrachtet wird.
9 bis 11 zeigen an, dass die Feldstärke der Bezugskomponente in der mittleren Region R3 im Bereich von 80 % bis 100 % der maximalen Feldstärke der Bezugskomponente in der gedachten Ebene P liegt, wenn beide Abstände D1 und D2 auf 30 % des Abstandes G1 eingestellt sind. Aus Sicht der Reduzierung einer Schwankung der Feldstärke der Bezugskomponente in der mittleren Region R3, in welcher das MR-Element 10 platziert ist, ist es bevorzugt, dass beide Abstände D1 und D2 30 % des Abstandes G1 sind.
Um zu erlauben, dass die Gesamtheit des MR-Elements 10 innerhalb der mittleren Region R3 in der gedachten Ebene P liegt, wenn beide Abstände D1 und D2 30 % des Abstandes G1 sind, muss der Abstand zwischen der ersten gedachten Geraden L1 und der zweiten gedachten Geraden L2, die in 6 gezeigt sind, zumindest 60 % des Abstandes G1 plus die Breite des MR-Elements 10 in der X-Richtung sein. Indem der Abstand zwischen der ersten gedachten Geraden L1 und der zweiten gedachten Geraden L2 minimiert wird, während die obige Voraussetzung erfüllt ist, wird das Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes Hb mit hoher Homogenität an das MR-Element 10 möglich, während gleichzeitig die Größe des gesamten Magnetsensors 1 minimiert wird.
Wenn die gedachte Ebene P keine aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schneidet, nimmt die Feldstärke der Bezugskomponente in der mittleren Region R3 mit zunehmendem Abstand von der gedachten Ebene P zu jeder der ersten und zweiten Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 ab. Nun wird die Feldstärke der Bezugskomponente im Mittelpunkt der mittleren Region R3 unter der Annahme, dass die gedachte Ebene P die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schneitet, als die Bezugsfeldstärke bezeichnet. Um ein Abnehmen der Feldstärke der Bezugskomponente in der mittleren Region R3 zu reduzieren, wenn die gedachte Ebene P keine aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 schneidet, weisen die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 vorzugsweise eine solche Lagebeziehung zur gedachten Ebene P auf, dass die Feldstärke der Bezugskomponente im Mittelpunkt der mittleren Region R3 80 % oder mehr der Bezugsfeldstärke ist.
Einige Lesekopfeinheiten in Magnetköpfen zur Verwendung in magnetischen Laufwerken sind so strukturiert, dass sie ein MR-Element und ein Paar von Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes umfassen, die so angeordnet sind, dass die Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes einander gegenüberliegen, wobei das MR-Element dazwischen liegt. In solchen Lesekopfeinheiten sind ein Ende des MR-Elements und ein Ende jeder aus dem Paar von Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes in der dem Medium zugewandten Oberfläche, die eine dem aufzeichnenden Medium zugewandte Oberfläche des Magnetkopfes ist, fluchtend ausgerichtet. Im Gegensatz dazu ist die Anordnung des MR-Elements 10 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 gemäß der ersten Ausführungsform so, dass ein Ende des MR-Elements 10 nicht mit einem Ende jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 fluchtend ausgerichtet ist. Daher erfüllen die Lesekopfeinheiten in Magnetköpfen die Voraussetzung bezüglich der Anordnung des MR-Elements 10 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 der ersten Ausführungsform nicht. Für die Lesekopfeinheiten in Magnetköpfen ist das Platzieren des MR-Elements an einer solchen Position, dass die Voraussetzung bezüglich der Anordnung des MR-Elements 10 und der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 der ersten Ausführungsform erfüllt ist, nicht vorstellbar, weil eine solche Platzierung des MR-Elements ein Ende des MR-Elements von der dem Medium zugewandten Oberfläche weg bringen und dadurch die Empfindlichkeit des MR-Elements verringern würde.
[Zweite Ausführungsform]
Nun wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. 12 ist ein erklärendes Diagramm, welches die Lagebeziehung von MR-Elementen 10 mit ersten und zweiten Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 in einem Magnetsensor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Der Magnetsensor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst acht MR-Elemente 10, vier erste Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21, vier zweite Einheiten zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 22, ein Substrat (nicht dargestellt), zwei obere Elektroden 30 sowie zwei untere Elektroden 40. In der zweiten Ausführungsform sind zwei MR-Elemente 10, die durch die obere und untere Elektrode 30 und 40 parallel geschaltet 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 jeweils zwei MR-Elemente 10 so platziert, dass die Gesamtheit jedes der beiden MR-Elemente 10 in der mittleren Region R3 der in dem Abschnitt über die erste Ausführungsform beschriebenen Elementplatzierungsregion R liegt. Die Pinning-Magnetisierungsschichten 13 der beiden MR-Elemente 10 sind in derselben Richtung magnetisiert. Die zweite Ausführungsform macht 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 13 beschrieben. 13 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 Objekts (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 Formen und Positionen der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes 21 und 22 sowie die Anzahl, Form und Position des MR-Elementes 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 der Seite der unteren Elektrode 40 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.

Claims

I. Magnetsensor (1), umfassend: zumindest ein magnetisches Detektionselement (10), um ein zu detektierendes Magnetfeld zu detektieren; und eine erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21) und eine zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (22), die so konfiguriert sind, dass sie zusammenwirken, um ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, das an das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) anzulegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21) und die zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (22) entlang einer ersten Richtung (Y) um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet sind; jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) eine ferromagnetische Schicht (24) und eine erste antiferromagnetische Schicht (23) umfasst, die entlang einer zweiten Richtung (Z) orthogonal zur ersten Richtung (Y) übereinander geschichtet sind; die ferromagnetische Schicht (24) eine erste Oberfläche (24a) und eine zweite Oberfläche (24b) aufweist, die an entgegengesetzten Enden in der zweiten Richtung angeordnet sind; die erste antiferromagnetische Schicht (23) mit der ersten Oberfläche (24a) der ferromagnetischen Schicht (24) in Kontakt und mit der ferromagnetischen Schicht (24) austauschgekoppelt ist; jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) ein erstes Ende (E11, E21) und ein zweites Ende (E12, E22) aufweist, die einander in einer dritten Richtung (X) entgegengesetzt sind, die sowohl auf die erste Richtung (Y) als auch auf die zweite Richtung (Z) orthogonal ist; die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) so positioniert sind, dass sie eine Elementplatzierungsregion (R) in einer gedachten Ebene (P) definieren, die senkrecht auf die zweite Richtung (Z) ist und das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) schneidet, wobei die Elementplatzierungsregion (R), wenn sie in der zweiten Richtung (Z) betrachtet wird, zwischen der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21) und der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (22) und zwischen einer ersten gedachten Geraden (L1) und einer zweiten gedachten Geraden (L2), die in der gedachten Ebene (P) definiert sind, angeordnet ist, wobei die erste gedachte Gerade (L1), wenn sie in der zweiten Richtung (Z) betrachtet wird, durch das erste Ende (E11, E21) jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) hindurchgeht und die zweite gedachte Gerade (L2), wenn sie in der zweiten Richtung (Z) betrachtet wird, durch das zweite Ende (E12, E22) jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) hindurchgeht; die Elementplatzierungsregion (R) eine erste Endregion (Rl), eine zweite Endregion (R2) und eine mittlere Region (R3) umfasst, die jeweils einen Flächeninhalt aufweisen; die erste Endregion (R1) näher an der ersten gedachten Geraden (L1) als die mittlere Region (R3) angeordnet ist; die zweite Endregion (R2) näher an der zweiten gedachten Geraden (L2) als die mittlere Region (R3) angeordnet 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 (B1) angrenzt, die zur ersten gedachten Geraden (L1) parallel ist, und an die zweite Endregion (R2) entlang einer zweiten Grenzlinie (B2) angrenzt, die zur zweiten gedachten Geraden (L2) parallel ist, und das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) so platziert ist, dass eine Gesamtheit des zumindest einen magnetischen Detektionselements (10) innerhalb der mittleren Region (R3) in der gedachten Ebene (P) liegt.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei die ferromagnetische Schicht (24) eine Magnetisierung in einer Richtung parallel zur ersten Richtung (Y) aufweist; und das Vormagnetisierungsfeld an einer Position, an der das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) platziert ist, eine Komponente in derselben Richtung wie die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht (24) enthält.
Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand (D1) zwischen der ersten gedachten Geraden (L1) und der ersten Grenzlinie (B1) sowie ein Abstand (D2) zwischen der zweiten gedachten Geraden (L2) und der zweiten Grenzlinie (B2) beide 30 % des Abstandes (G1) zwischen der ersten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21) und der zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (22) sind.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die gedachte Ebene (P) die erste und zweite Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) schneidet.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zumindest eine magnetische Detektionselement (10) zumindest ein Magnetowiderstandselement (10) ist.
Magnetsensor nach Anspruch 5, 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) umfasst, die zwischen der Pinning-Magnetisierungsschicht (13) und der freien Schicht (15) angeordnet ist, und die Pinning-Magnetisierungsschicht (13), die nichtmagnetische Schicht (14) und die freie Schicht (15) entlang der zweiten Richtung (Z) übereinander geschichtet sind.
Magnetsensor nach Anspruch 6, wobei die gedachte Ebene (P) die ferromagnetische Schicht (24) jeder aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) sowie die freie Schicht (15) des zumindest einen Magnetowiderstandselements (10) schneidet.
Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede aus der ersten und zweiten Einheit zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes (21, 22) ferner eine zweite antiferromagnetische Schicht (25) umfasst, die mit der zweiten Oberfläche (24b) der ferromagnetischen Schicht (22) in Kontakt ist und mit der ferromagnetischen Schicht (24) austauschgekoppelt ist.