JP2000512763A - ホイートストンブリッジを備える磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁界センサは、少なくともひとつの素子が磁気抵抗効果を示す、ホイートストンブリッジの形態（１）における複数の抵抗素子（１１ａ，１１ａ’，１１ｂ，１１ｂ’）と、測定電流を第１の点（５）から前記ブリッジ（１）を通して第２の点（７）に通過させる手段と、前記抵抗素子をバイアス電流により磁気的にバイアスする目的のため、前記抵抗素子（１１ａ，１１ａ’，１１ｂ，１１ｂ’）に近接して延びるが電気的にそれから絶縁される伝導性のトラック（１９）とを備え、前記第２の点（７）は、前記測定電流が前記バイアス電流としても使用されるよう、前記伝導性のトラック（１９）に電気的に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】 ホイートストンブリッジを備える磁界センサ 本発明は、少なくともひとつの素子が磁気抵抗効果を示す、ホイートストンブ リッジの形態における複数の抵抗素子と、 測定電流を第１の点から前記ブリッジを通して第２の点に通過させる手段と、 前記抵抗素子をバイアス電流により磁気的にバイアスする目的のため、前記抵 抗素子に近接して延びるが電気的にそれから絶縁される伝導性のトラックとを備 える磁界センサに関する。 このタイプの磁界センサは、とりわけ、 磁気テープ、ディスクまたはカードの形式の磁気媒体から生ずる磁束を解読す るのに使用されうるところの、磁気ヘッドとして、 たとえば自動車、航空機、航海またはパーソナルナビゲーションシステムで、 地球上の磁界を検出するためのコンパスにおいて、 医学スキャナにおける場センサとして、およびさまざまな他の応用におけるホ ール探針（Hall probe）の交替品として、 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）におけるメモリセルとして、 電流センサ、すなわち、それによって、電流により発生される磁界が検出され るところのセンサとして、 利用されうる。 磁気抵抗（magneto-resistance）は、物体（body）の電気抵抗が、磁束によっ て影響を与えられる現象である。特に、物体の電気抵抗は、変化する磁束に応答 して、あらかじめ決められた態様で変化し、そのような物体をして、磁界センサ における磁気−電気変換器として使用するのに適したものにせしめる。もっとも 、どの抵抗性の物体の場合でも、そのような物体の電気抵抗はまた、他の環境要 素、特に温度によって、影響を与えられうる。それゆえに、（感度上の）実際の 適用における問題は、変化する磁束に由来する変換器信号と他の環境源から生ず る（不所望な）変換器信号との間の区別のつけられる何らかの手段を工夫するこ とに ある。 ひとつのアプローチは、ホイートストンブリッジの配置で多数の磁気抵抗素子 を接続することである。もし、一対の抵抗素子が、他の環境要素ではなく与えら れた磁束に（反対の極性の意味で）逆の反応を有するように磁気的にバイアスさ れることができると、これら２つの抵抗素子の電気抵抗の減算比較は、にせの環 境要素のどんな不所望な応答も消去をもたすだろうし、同時に、いかなる磁束へ の応答もみせるだろう。 このようにホイートストンブリッジを利用する磁界センサは、先行技術から知 られている。もっとも、そのような既知のセンサの間のうちで、それら磁気抵抗 素子を磁気的にバイアスすることについていえば、さまざまの異なるアプローチ がある。 たとえば、 （ａ） 日本国特許出願（公開）Ｎｏ．６１−７１１（Ａ）においては、そのホ イートストンブリッジにおけるそれら磁気抵抗素子のそれぞれは、その磁 気抵抗素子の近くに配置され適切に極性をつけた永久磁石を使用して、定 められた方向に磁気的にバイアスされる。 （ｂ） 一方、フィリップス エレクトロニクス コンポーネンツ アンド マ テリアルス テクニカル パブリケーション ２６８（１９８８）におけ る、表題を“磁気抵抗センサ”とする論文において、その個々の抵抗素子 は、いわゆる“バーバーポール（barber pole）”（この用語で、この分 野において一般に知られ理解されており、したがって、ここでは、それ以 上の説明はなされない）を使用して、バイアスされる。 上記のケース（ａ）のように永久磁石を基礎とするバイアスの使用は、大いに 不満がある。すなわち、それら永久磁石の強さや位置に、極めて慎重な調整が要 求されるのみならず、それら永久磁石それ自体が、受容できないほど、温度変化 に敏感である。加えて、その永久磁石の使用は、必然的に、そのようにバイアス されたどのような磁界センサも、かさばったものにし、小型化の達成の範囲に限 界を設ける。その一方、ケース（ｂ）におけるバイアス方法は、いわゆる異方性 の磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を示す抵抗素子にとって適しているかもしれないが、 しかし、相当に大きな（それゆえに、より興味深い）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効 果を示す抵抗素子との連係には利用することができない。すなわち、これは、Ｇ ＭＲ効果はＧＭＲ抵抗素子中の電流の流れの方向に依存せず、それゆえバーバー ポールは使用できないからである。 これに代わって磁気抵抗素子をバイアスする他の手段は、それら素子にバイア ス磁界を発生するよう、それら素子に近接して延びる、電流を伝える導体の使用 を伴う（いわゆる、電流バイアス）。この導体によって導かれる経路の形式は、 それぞれの抵抗素子のバイアス電流の方向を決定し、それゆえ、それぞれの素子 のバイアスの方向は、あらかじめ決定されることができる。 前の段落において言及したアプローチは、上述した選択（ａ）と関連した課題 を軽減するけれども、著しい不利は、前記別個の電流を伝える導体を通るバイア ス電流が必要であるという現実のために、余分な電気的パワーを消費することで ある。そうした余分な電力消費（それに伴う抵抗損の増大）は、装置の小型化の 試みを妨げる。 本発明の目的は、改良された磁界センサを提供することにある。特に、本発明 の目的は、そのようなセンサが、ホイートストンブリッジの形態においてＧＭＲ 抵抗素子の使用と両立できることである。さらに、本発明の目的は、そのセンサ が、満足できる結果を生じさせ、小型化への傾向と両立できる、新規なバイアス 手段を利用することである。 これらの、および他の目的は、冒頭の段落において述べたセンサであって、前 記第２の点は、前記測定電流が前記バイアス電流としても使用されるよう、前記 伝導性のトラックに電気的に接続されていることに特徴づけられるセンサで達成 される。 本発明に従うこのセンサは、上記で提示した目的の、すばらしくコンパクトな 実現をもたらす。なぜなら、その測定電流はバイアス電流としても使用されるか ら、このセンサの電力消費は有利に低く保たれる。加えて、外部への電気的な接 続の数は減り、そして、このセンサを作動させるための電気的な必要物の量は、 最小のものに保たれる。 ここに用いた“ホイートストンブリッジ（Wheatstone bridge）”の用語は、 完全（full）あるいは半（half）ホイートストンブリッジのいずれをもいうこと を意図したものであることは、明確に留意されるべきである。前者においては、 ２つの分枝は、第１および第２の点の間に並行に接続され、それぞれの分枝は、 ２つの直列接続された抵抗素子を有する。その一方、半ホイートストンブリッジ においては、ひとつのそのような分枝だけが第１および第２の点の間に接続され る。“磁気抵抗素子（magneto-resistive element）”あるいは“抵抗素子（res istive element）”（便法）の用語は、与えられる磁界に応答してその有効抵抗 が変化するところの、いかなるタイプのセンサ素子をもいうことを意図したもの であることもまた、留意されるべきである。特に、スピン−トンネル接合は、こ の用語の範囲内に入るものとして考えられるべきである。 本発明に従うセンサの好適な実施態様においては、前記ホイートストンブリッ ジにおける前記抵抗素子のそれぞれは、磁気抵抗効果を示す。そうした実施態様 は、通常の抵抗素子と磁気抵抗素子の双方を含むところのブリッジに比し、増大 した感度を有する。 磁気抵抗効果は、さまざまな材料形態で実現されうる。特に、ＧＭＲ効果は、 たとえば、非強磁性的な結合の磁性多層体（たとえば、Ｃｏ／ＣｕおよびＦｅ／ Ｃｒ）、交換バイアス（exchange-biased）のスピン−バルブ多層体（たとえば 、ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ）、および不連続のＮｉＦｅ／Ａｇ多層 体などの構造で達成されうる。たとえば、文書“磁性薄膜および多層体システム ：分析と工業的応用”マテリアルス サイエンスのスプリンガーシリーズ、ユー ．ハートマン（U.Hartmann）（編集）、スプリンガーベルラージ(Springer Verl ag)（1977）参照。おおむね、そのような材料形態および構造のすべてが、本発 明に従うセンサの磁気抵抗素子に首尾よく利用されうる。 もし、そう望むなら、前記ホイートストンブリッジにおける前記抵抗素子の（ いくつかまたはすべての）近くに、軟磁性材料（soft-magnetic material(s)） が、それらの素子の位置で発生させる磁気バイアス磁界を増強するために蒸着（ deposit）されうる。 本発明に従うセンサのさらなる工夫は、いくつかのまたはすべての前記抵抗素 子の近くで、前記伝導性のトラックは幅の狭い部分を有することに特徴づけられ る。概して、これは、その近傍の抵抗素子の位置でのバイアス磁界の強さを増大 するのに役立つだろう。 本発明に従うセンサのさらに他の工夫は、いくつかのまたはすべての前記抵抗 素子の近くで、前記伝導性のトラックはコイル形状（たとえば、平面的なコイル ）に巻かれていることに特徴づけられる。これは、それら抵抗素子の位置でのバ イアス磁界の強さを増大するのに役立つ。 本発明に従うセンサの詳細な実施態様は、 前記抵抗素子は、第１の平面に配置され、 前記伝導性のトラックは、この第１の平面と実質的に並行で、介在する電気的 な絶縁層によりその第１の平面から隔てられた第２の平面内で延びている、こと に特徴づけられる。そのような平面的な形態の有利な点は、それが最小の層（す なわち、基体、構造化されたブリッジの層、おおい隠す絶縁層、および構造化さ れた伝導性トラックの層）を必要とすることである。 前の段落で述べられた創作に富んだセンサの凝った工夫は、そのセンサが、前 記第１の平面と実質的に並行で、介在する電気的な絶縁層により、前記第２の平 面から遠いその第１の平面の面側で、前記第１の平面から隔てられた第３の平面 を含み、この第３の平面は、前記ホイートストンブリッジにおける前記抵抗素子 を磁気的にバイアスする目的のために第２のバイアス電流を伝えるのに役立つ第 ２の伝導性のトラックを有し、この第２の伝導性のトラックは、前記測定電流が その第２のバイアス電流としても使用されるよう、前記第２の平面のバイアス電 流が前記第２の平面の前記伝導性のトラックを通過した後にこの第２の伝導性の トラックを通るように、前記第２の平面の前記伝導性のトラックに電気的に接続 されることに特徴づけられる。そのような実施態様は、ひとつで、かつ同一の電 流によって、２重の（すなわち、両側からの）バイアスを使用し、それゆえに、 前の段落で述べた単一の（すなわち、片側だけの）バイアスよりも、より強いバ イアス効果をもたらす。 前の２つの段落で述べたようなセンサの有利な実施態様において、前記第１お よび第２の平面は、バイア接続（via connection）によって電気的に接続される （請求の範囲第６項で主張される構造の場合においては、前記第２および第３の 平面もまた、バイア接続の手段によって電気的に接続される）。そのような実施 態様は、この創作に富んだセンサが薄膜技術を用いて製造される場合に、特に、 適している。２点間の好適なバイア接続のための製造方法は、この分野において 良く知られており、一般的に、その２つの点の間の（介在する絶縁体を通る）細 い孔のエッチングと、その後になされる、この孔の伝導性ペーストによる充填か らなる。 本発明に従うセンサの他の採用されうる実施態様は、前記抵抗素子は積み重ね 形態で互いの上に配置され、前記伝導性のトラックは隣接した抵抗素子間をサン ドイッチ配置で延びる経路に続くことに特徴づけられる。そのような積み重ね形 態は、それら抵抗素子の厚みは、一般に、少なくとも、それらの横寸法よりも、 大きさの小さなオーダなので、上述した平面的な形態よりも一層コンパクトであ るという利点を有する。 ここに述べたこの平面的な、および積み重ねの実施態様の２つとも、この分野 で良く知られた標準的な薄膜蒸着および構造化技術を用いて製造されることがで き、したがって、ここでは、それ以上の説明はなされない。 本発明、およびそれに伴う利点は、代表的な実施態様および添付の概略的な図 面の助けをかりて、さらに、明らかにされるであろう。ここに、 図１は、本発明に従う磁界センサの平面図を示し、 図２は、磁束ガイドおよび電気的結合を有する、本発明に従う磁気読み出しヘ ッド（磁界センサ）の透視図を表す。 実施態様１ 図１は、本発明に従う磁界センサの詳細な実施態様（平面的な実施態様）の平 面図を示す。このセンサは、（完全）ホイートストンブリッジ１を含み、そのホ イートストンブリッジ１は、第１の点５と第２の点の間に並列に接続され第１の 平面（plane）９内に配置された２つの分枝３ａ，３ｂを有する。この平面９は 、ここでは、概略的に表現されているが、しかし、それは、ホイートストンブリ ッジ１がその上に設けられるところの電気的な絶縁基体の平面であると考えられ てよい。このブリッジ１は、電気的な導体１３によって第１の点５に渡される電 流Ｉが分岐３ａを通る電流Ｉ_aおよび分岐３ｂを通る電流Ｉ_bに分割されるよう、 構成される。それぞれの分枝３ａ，３ｂを通過した後、これらの電流Ｉ_a，Ｉ_bは 、第２の点７で再結合し、電気的な導体１５によって運び去られる。これら分岐 ３ａ，３ｂのそれぞれは、２つの直列に接続された磁気抵抗素子１１ａ，１１ａ ’；１１ｂ，１１ｂ’を含み、ここに、それらは、電流Ｉ_aがその素子１１ａ， １１ａ’を通過するよう、および電流Ｉ_bがその素子１１ｂ，１１ｂ’を通過す るように配置される。 この詳細な実施態様においては、これら素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ ｂ’は、ＧＭＲ効果を示す。この目的のため、これらの素子は、たとえば、４ｎ ｍＣｏ₂₀Ｎｉ₆₅Ｆｅ₁₅／１．５ｎｍＣｏ₉₅Ｆｅ₅／１．５ｎｍＣｕ／１．５ｎｍ Ｃｏ₉₅Ｆｅ₅／４ｎｍＣｏ₂₀Ｎｉ₆₅Ｆｅ₁₅で構成されうる（この代わりとして、 Ｃｕは、たとえば、ＣｕＡｇ合金によって置き替えられてよい）。 基体９は、ここでは、Ｓｉ（１００）で構成される。素子１１ａ，１１ａ’； １１ｂ，１１ｂ’は、分岐３ａ，３ｂを形成するための、Ｃｕのトラックによっ て互いに相互接続される。素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ｂ’のそれぞれ は、おおよそ８μｍの横寸法と、おおよそ５０ｎｍの厚さを有するのに対し、そ のＣｕトラックは、約０．５μｍの厚さで１０μｍの幅である。ブリッジ１全体 は、横の大きさが１×１ｍｍ²ほどである。 本発明に従って、電気的な導体１５は、第２の点７から、第１の平面７と平行 に延在していてかつそれから電気的に絶縁された第２の平面（plane）１７に、 延びている。そのような構成は、たとえば、絶縁材質（たとえば、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｓ ｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮなど）の被覆をする層をブリッジ１の上に設けること によって、および、点７からこの絶縁層を通るバイア接続１５を設けることによ って、達成されうる。すなわち、この第２の平面１７は、そのとき、基体９から 遠い方の側の、その絶縁層の主要な面と考えられてよい。その接続が第２の平面 １７に出れば、その電気的な導体１５は、第２の平面１７内に配置されて連続的 に４つの磁気抵抗素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ｂ’のそれぞれの上を直 線的に通過する、伝導性のトラック１９と接触する。 ここに、描かれているように、このトラック１９は、それら素子１１ａ，１１ ａ’；１１ｂ，１１ｂ’のそれぞれの上を、それらの長手軸と並行に延びるよう に、通過する。測定電流Ｉが第２の点７からこのトラック１９中を通るとき、測 定電流Ｉ（Ｉ_aおよびＩ_bの和である）は、それら素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ ，１１ｂ’それぞれに、バイアス磁界を発生する。矢印２５ａ，２５ａ’；２５ ｂ，２５ｂ’は、（電磁気学において良く知られた“右手の法則”を用いて確か められるとおり）素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ｂ’のそれぞれに対する 、これらのバイアス磁界のそれぞれの方向を表している。したがって、このトラ ック１９は、矢印の対（２５ａ，２５ａ’），（２５ｂ，２５ｂ’），（２５ａ ，２５ｂ）および（２５ａ’，２５ｂ’）のそれぞれが、２つの反対に向けられ た矢印を含むように、形づけられている。 この詳細なケースにおいては、第１の平面９と第２の平面１７間の絶縁層は、 約０．５μｍの厚さを有する。トラック１９は、（おおよそ）１０μｍ幅で１μ ｍ厚のＣｕのストリップの形をとる。Ｉが、おおよそ５ｍＡの値を有すると仮定 すると、それぞれの素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ｂ’で発生する磁気バ イアス磁界Ｈは、おおよそ０．２５ｋＡ／ｍの値を有する。 以下のことに、留意されるべきである。すなわち、 図におけるそれら抵抗素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ｂ’の描写は、概 略的なものである。実際は、比較的コンパクトな範囲に比較的大きな抵抗を達成 するため、薄い曲がりくねったトラックのように素子それぞれを具現化すること は、有利である。 “平面（plane）”９，１７は、一般に、数理的な観念での平面は必要とされ ず、典型的には、比較的に小さな表面不規則（伝導性トラックなどの敷設される レリーフに起因するもの）は、出るであろう。したがって、この用語“平面（pl ane）”は、物理的な観念での平面と実質上みなされるものの意と解されるべき である。 実施態様２ 実施態様１（図１参照）と他の点では等しい実施態様において、第３の平面が 、その平面９の下方に、すなわち平面１７から遠い、平面９の一側に、配置され る。バイア接続は、その場合には、トラック９の端子点２７から、間に介在する 間隔を経て、そしてその第３の平面に延びる。ここに、そのバイア接続は、第２ の伝 導性のトラックの開始点に接続される。この第２の伝導性のトラックは、抵抗素 子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ，１１ｂ’のそれぞれの下方で（まさに、トラック １９が、それらの上方で延びているごとくに）連続的に延びるところの経路に続 く。 この点２７からこの第３の平面へのバイア接続の結果、この第２の伝導性のト ラックを通るバイアス電流は、トラック１９を通るバイアス電流と等しくなる。 この第２の伝導性のトラックの形状は、その第２の伝導性のトラックが発生する 局部的なバイアス磁界もまた、（それぞれの抵抗素子１１ａ，１１ａ’；１１ｂ ，１１ｂ’のそれぞれの位置で考察したとき）前記方向２５ａ，２５ａ’；２５ ｂ，２５ｂ’となるように選ばれる。この方法においては、トラック１９により 生成されるそのバイアスは、増強され、２重化される。 実施態様３ 図２は、本発明に従う、磁気抵抗性の磁気読み出しヘッド（磁界センサ）の一 部の概略的な透視図を表す。このヘッドは、電気的な結合６５を備える変換器Ｓ （たとえば、実施態様１で述べたような平面的なホイートストンブリッジ、ある いは請求の範囲第９項で述べられたような積み重ねセンサ（stacked sensor）） を含む。このヘッドは、磁気回路を形成するために、変換器Ｓに関連して配置さ れた磁束ガイド５９，５９’を追加的に含む。それら端部の面６１，６１’は、 このヘッドの極面の一部を形成し、磁気ギャップ６３が前記面６１，６１’の間 に設置されている。 もし、たとえば、磁気テープ、ディスクまたはカードなどの磁気媒体が、その 面６１，６１’の前をそのすぐ近くで通過すると、その媒体に磁気的に貯蔵され た情報は、上述した磁気回路に変化する磁束を発生し、ここに、磁束はまた変換 器Ｓを通しても導かれる。この変換器Ｓは、この変化する磁束を、電気的な結合 ６５を介して測定されうる電気的な抵抗変化に書き換える。 このヘッドはまた、磁気媒体への磁気的情報の記録に用いることのできる電気 的なコイルを含みうる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくともひとつの素子が磁気抵抗効果を示す、ホイートストンブリッジの 形態における複数の抵抗素子と、 測定電流を第１の点から前記ブリッジを通して第２の点に通過させる手段と 、 前記抵抗素子をバイアス電流により磁気的にバイアスする目的のため、前記 抵抗素子に近接して延びるが電気的にそれから絶縁される伝導性のトラックと を備える磁界センサにおいて、 前記第２の点は、前記測定電流が前記バイアス電流としても使用されるよう 、前記伝導性のトラックに電気的に接続されることを特徴とする磁界センサ。 ２．前記ブリッジにおける前記抵抗素子のそれぞれは、磁気抵抗効果を示す、こ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の磁界センサ。 ３．軟磁性体が、前記抵抗素子の少なくともひとつの近くに、その素子の位置で 発生させる磁気バイアス磁界を増強するために置かれる、ことを特徴とする請 求の範囲第１項または第２項に記載の磁界センサ。 ４．前記抵抗素子の少なくともひとつの近くで、前記伝導性のトラックは幅の狭 い部分を有する、ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか に記載の磁界センサ。 ５．前記抵抗素子の少なくともひとつの近くで、前記伝導性のトラックはコイル 形状に巻かれている、ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいず れかに記載の磁界センサ。 ６．前記抵抗素子は、第１の平面に配置され、 前記伝導性のトラックは、この第１の平面と実質的に並行で、介在する電気 的な絶縁層によりその第１の平面から隔てられた第２の平面内で延びている、 ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の磁界セン サ。 ７．前記第１の平面と実質的に並行で、介在する電気的な絶縁層により、前記第 ２の平面から遠いその第１の平面の側で、前記第１の平面から隔てられた第３ の平面を含み、この第３の平面は、前記ホイートストンブリッジにおける前記 抵抗素子を磁気的にバイアスする目的のために第２のバイアス電流を伝えるの に役立つ第２の伝導性のトラックを有し、この第２の伝導性のトラックは、前 記測定電流がその第２のバイアス電流としても使用されるよう、前記第２の平 面のバイアス電流が前記第２の平面の前記伝導性のトラックを通過した後にこ の第２の伝導性のトラックを通るように、前記第２の平面の前記伝導性のトラ ックに電気的に接続される、ことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の磁界 センサ。 ８．２つの平面が電気的に接続され、その接続はバイア接続によってなされてい る、ことを特徴とする請求の範囲第６項または第７項に記載の磁界センサ。 ９．前記抵抗素子は積み重ね形態で互いの上に配置され、前記伝導性のトラック は隣接した抵抗素子間をサンドイッチ配置で延びる経路に続く、ことを特徴と する請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の磁界センサ。