JP2000514920A

JP2000514920A - 薄層磁界センサー

Info

Publication number: JP2000514920A
Application number: JP10504863A
Authority: JP
Inventors: グエンバンダウ，フレデリック; シュール，アラン; モンテーニュ，フランソワ
Original assignee: トムソン―セーエスエフ
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2000-11-07
Also published as: FR2750769B1; FR2750769A1; US6191581B1; EP0909391A1; WO1998001764A1

Abstract

(57)【要約】本発明の磁界センサーは、平面内で磁気異方性を有し、第１および第２の磁化容易軸（ＸＸ'，ＹＹ'）を有す薄膜平面素子（１）を有する。この薄膜平面素子は、その中を第１の方向に第１の測定電流が流れるための電気的接続（２，２'）と、第１の方向とは直交する第２の方向に電圧の測定を可能にする２つの電気的接続(３，３')とを有する。２つの磁化容易軸の大きさは概略等しい。第１の磁化容易軸と平行に、磁気抵抗素子とは絶縁して設けられ、その中を制御電流が流れるように構成した第１の導体（６）を有し、制御電流はセンサーが使用されていない時は素子の磁化の方向を第２の磁化容易軸と平行になるように磁界を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】薄層磁界センサー本発明は薄層磁界センサーに関するものである。１０^-6から１０^-1エルステッドの磁界を検知する信頼性のある磁界センサーは、高磁束磁気記録媒体の磁気偏差の検出および読み出しヘッドのために開発が要請されているものである。磁界に影響を与える物理的な事象の中で、磁気搬送現象は読み出しのための電子機器に容易に取り込むことができる点で優れている。現時点では２種類の現象が利用されている：磁性材料の磁気抵抗とホール効果である。フランス特許出願９３／１５５５１号は平面状の光反応性ホール効果素子を利用して微弱な磁界を測定するセンサーを開示するものである。これらのセンサーは強磁性体薄膜の異方性磁気抵抗の逆測定を基礎とするものである。図１は磁気反応性層を示す。電流Ｉは層の中をＸＸ'方向に流れ、抵抗をＹＹ'方向に測定する。この抵抗はセンサーに加えられた磁化Ｍと共に変化する。さらに、抵抗は磁化の方向がＸＸ'と成す角θに依存する。 ρ＝（Δρ／２）ｓｉｎ２θ ＹＹ'方向に測定された電圧はフィルムの磁化の方向と電流測定の方向が成す角θに下式で表わされるように依存する。Ｖ＝Ｉ（ΔＲ／２）ｓｉｎ５(２θ) ここで、ΔＲは基本的に材料とセンサーの実質的な厚さに依存する抵抗の異方性である。長手方向の測定を行う磁気抵抗センサーに比較して平面状のホール効果センサーが優れる点は、関連技術が大幅に単純化される点および低周波数雑音(およそ１Ｈｚ)の主な成分である温度ドリフトがおよそ４桁少なくなる点の２点である。このセンサーはセンサーがおかれた方向と直交する磁界成分のみを測定する構成にすることができる。センサーの大きさを磁気領域よりも小さくして壁面の動きによって生じるノイズを排除するようにすることも可能である。試作されたセンサーを用いて測定を行った結果、発明にかかるセンサーは４桁にわたる磁界の強さの範囲において線形性を示すことが示された(Ａ．シュール、Ｆ．グエンバンダウ、Ｊ．Ｒ．チャイルドレスによる「応用物理レター」６６、１９９５年５月１５日を参照)。しかし、磁気抵抗層の２つの磁化容易軸が同等である場合センサーを使用していない時に問題が生じる。本発明はこの問題を解決するものである。本発明は磁気抵抗を有し平面内で抵抗異方性を有する結晶材料でできた平面状の薄膜を有する磁界測定センサーで、第１と第２の磁化容易軸を有し、２つの磁化容易軸はおよそ等価であり、この素子には第１の方向に素子内に電流を流し電気的な測定を行うための第１の電気的接点と、第１の方向とは直角方向の電圧を測定する第２の電気的接点を有し、磁化容易軸と平行に設けられた第１の導体を有し、磁気抵抗材料から遮蔽して素子内に素子が使用されていない時に第２の磁化容易軸の方向と平行に磁化の方向を誘導する制御電流が流れるセンサーに関するものである。さらに、このような平面状ホール効果センサーはゼロでないゼロ磁界抵抗を有することが実験的に示されている。これには２つの理由が有ると考えられる。 ‐センサーを対称でなくしている形状誤差 ‐有効な層の結晶方向がそろっていないゼロ磁界抵抗のこのオフセットが温度に従って移動する交差方向の抵抗に等方性の成分をもたらし、交差状測定の重要な特徴を損なわせることになる。さらに、出力信号レベルが高くなり、同期検出モードでの測定装置の検出性能を損なうことになる。本発明はこの問題を解消するものである。さらに別の問題は、二軸コンパスの問題である。このために、同一平面上に２つの平面状ホール効果センサーを配置する。しかし、この構成は特定の要件を満たす必要がある。この為、本発明は以下のセンサーを含む。すなわち、 ‐磁化容易軸の方向が第１の磁気抵抗素子と平行であって、第１の磁気抵抗素子と同様な磁気抵抗材料からなる第２の抵抗素子と； ‐上記の素子に、第１の方向または第２の方向に第２の測定電流を流す電気接続手段と； ‐第２の電流と直角方向で第２の方向あるいは第１の方向と平行に電圧を測定する為の電気的接触と； ‐第２の磁化容易軸と平行に設けられ、制御電流を流すことができ、センサーが使用されていない時に第１の磁化容易軸と平行に素子の磁化の方向を決定する第２の導体。このような構成によって、２つの検出装置はいずれもそれぞれ磁界の１つの成分に反応する。このような２軸センサーの正確さは２つのセンサーの組み立て精度に依存することが理解される。ところで、磁界の２つの成分は組み合わせられた２つのセンサーによって測定される。したがって、測定の正確さは２つのセンサーの測定感度の誤差に支配される。大量生産においては直径の大きな基板が使用される。したがって、センサー毎の感度が大きく異なることが考えられる。この問題を解消するには、近接する位置から製作された２つのセンサーに印を付けておくか、あるいはセンサーの感度を測定することが必要になる。いずれの場合にも手間のかかる操作が必要であり、センサーのコストに反映されることになる。本発明によれば、２つのセンサーは同一の磁気抵抗層の互いに近接した位置から製作される。本発明のその他の目的と特徴は以下の記載および添付の図面からも明らかになるはずである。図１は、既に説明した平面状のホール効果磁気抵抗センサーを示す。図２は、本発明に係る単純化された実施例である。図３は、本発明に基づく２軸コンパスである。図４は、本発明に基づくセンサーの他の実施例を示す。図５は、本発明に基づく２軸のセンサーを組み込んだ３軸センサーである。図６ａおよび図６ｂは、２軸のセンサーと通常型のホール効果センサーを組み込んだ３軸センサーである。図２を参照しながら本発明に基づく単純化されたセンサーについて説明する。基板５は、平面ホール効果が得られる正方形又は長方形の磁気抵抗材料からなる薄膜である素子１を搭載している。この材料は層の面内において異方性を有し、結果として２つの磁化容易軸を有する。磁化容易軸は同一で互いに直行する軸ＸＸ'およびＹＹ'の向きに合わせられている。例として示せば、層厚は０．０１ μｍから１μｍ（例えば０．０２μｍ）であり、素子１の幅と長さは１０μｍから５０μｍの間（たとえば２０μｍ）である。素子１には、ＸＸ'方向に沿った両端部に電流を供給する装置と接続して素子内に測定電流ｉを流す為の接続パッド２，２’が設けられている。この電流は一定の大きさの直流であることが望ましい。素子１の側面、つまりＹＹ'軸の方向には接続エレメント３，３’が設けられている。これらの接続エレメントは電圧あるいは抵抗測定装置を接続する為のものである。接続パッド２，２'および３，３'は少なくとも素子１の幅一杯で素子と接している。さらに、接続パッドの幅は、ジョンソンノイズと電流の消費を押さえる為に急激に広がっている。これらの接続端子は素子１とは別の材料で作ることができる。素子１の上には導体６が設けられている。例えばこの導体はＸＸ'軸と平行である。導体は、絶縁層４によって素子１とは分離されている。導体６を流れる電流（直流又は交流）は素子１の内部に電流とは直行方向の磁界を生じさせる。導線と直行する方向に磁化の方向と向きを制御することは可能である。この制御に必要な磁界の強さは異方性磁界よりもはるかに小さく、測定されるべき磁界の強さよりもはるかに強い。素子１は立方結晶構造を有し層構造の平面内において四辺形の磁気−結晶構造を有する強磁性体の薄層である。そのような材料で作られた薄層は、面内に、互いに直行する方向に等価な２つの磁化容易軸を有する。現在の技術を用いればこのような薄層を製作することは可能である。本発明に基づく平面状のホール効果センサーにおいては、有効な部位はその大きさが磁気的に単一領域とみなすことができるほど小さな（１０ミクロンのオーダーの）正方形である。したがって、磁界が与えられていない時には、正方形の中の磁化は磁化容易軸の一方の向きに揃っている。センサーが異方性の大きさよりもわずかに小さな磁界中に置かれた場合、センサーはこの磁界のセンサーの平面内で磁化の方向とは直行する向きの磁界の成分にのみ反応する。センサーが反応する磁界の方向を制御するには、反応素子の磁化の方向を制御する必要がある。これが本発明において導体６を設け、導体中を電流（交流又は直流）を流す理由である。この電流は素子１の中に直行方向の磁界を生じさせる。誘導される磁界が導体とセンサーとの距離に依存しないよう、導体の幅は導体とセンサーとの距離に比較して大きいことが望ましい。図２に示した実施例の場合、導体はセンサーの上部に、例えばＸＸ'方向に搭載されている。導線のディメンジョンと、導線とセンサーとの距離は、導線と平行な方向の磁化を飽和状態にするに十分な磁界をセンサーに発生させるようなものでなければならない。磁化の方向は導線内を流れる電流の方向によって制御される。導体６内に制御電流＋Ｉを流した後、磁化の方向と向きは制御されセンサーは電圧Ｖ＋を発生させる。Ｖ＋＝Ｖ₀＋Ｓ・ｉ・Ｈ（１）Ｖ₀はオフセット電圧であり、Ｓはセンサーの感度(ボルト／テスラ・アンペア )、ｉはセンサー内の測定電流、Ｈは外部の磁界の電圧接点と平行な成分である。平面的な一軸異方性を有する動的材料を使用することは不用になる。したがって、本質的な四辺形の異方性を有する動的層を使用して、つまり大きさが同じで互いに直行する２つの磁化容易軸を有する材料から、磁界の異なる複数の成分を測定する平面状のホール効果センサーを同一層上に製作することが可能になる。それぞれの磁気抵抗素子が感度を有する方向は、制御導体６に流す電流によって制御することができる。磁界の測定は、センサーの磁化の向きをそろえるパルスＩの後で行うこともできるし、必要なら、パルスと同時にすることもできる。後者の場合には、センサーの感度は導体６を流れる電流の強さに依存する。このようなセンサーの場合、一軸異方性の原因は全て取り除いておかなければならない。特に、センサーの配置は結晶の対称性と整合するものでなければならない。電流‐Ｉが流れ、以前述べたのとは反対方向に磁化が飽和した場合、センサーは下記の信号を発生させる：Ｖ−＝Ｖ₀-Ｓ・ｉ・Ｈ（２）簡単な引き算Ｖ＋‐Ｖ−＝２・Ｓ・ｉ・Ｈによってオフセットを除去し信号の有効な部分のみを取り出すことができる。図３は図２で示したセンサーを２軸のコンパスに適用した例を示すものである。発明によれば、同一層上に磁界の少なくとも２つの異なる成分を測定するセンサーを製作することができる。好ましくはこれらは互いに直行する２つの成分である。磁化の方向であり、従って磁界に感度を有する方向は、図２に示した導体６のような導体によってセンサー毎に制御される。図３は同一の層に設けられた２つの磁気抵抗素子１と１０を示す。素子１の電極２と２'は素子１の磁化容易軸であるＸＸ'軸の方向に並んでいる。電極３，３’は、もう一方の磁化容易軸であるＹＹ'方向に並んでいる。素子１０の場合は、電極１２、１２'はＹＹ'軸の方向に並んでおり、電極１３，１３'はＸＸ'軸の方に並んでいる。電圧測定装置が電極３，３’および電極１３，１３’に接続されている。ＹＹ'軸に平行な導体６が素子１の上に搭載され、ＸＸ'軸に平行な導体１６が素子１０の上に搭載されている。これらの導体は素子１および１０から絶縁されている。導体には制御電流Ｉが流れる。図１に示した例によれば、導体６と１６は電流Ｉが流れる同様な導体である。磁界測定装置（たとえばコンパス）として使用する為に、磁界の２つの成分を測定することができる。センサー１と１０に関しては、制御電流Ｉによって２つのセンサーの磁化の方向が互いに直行するように直行する向きの導体６と１６に電流を流さなければならない。このようにして２つのセンサーを、磁界の互いに直行する２つの成分に対して感度を有するようにすることができる。素子１および１０は、基板Ｓの上にフォトリソグラフィーまたはエッチングの手法で製作することができる。次に絶縁層４を２つのセンサーの上に形成する。制御すべきセンサーの磁化の方向と向きを制御する為の高い導電性を有する金属の導線（金、銀、銅、アルミニウム等）は、絶縁層または基板の裏面に形成すればよい。図３からも分かるように、それぞれのセンサーに対応する導体６と１６は互いに直行する。したがって、２つのセンサーの磁化の向きは互いに直行する。図３に示した例では、センサーを流れる電流は共にｉであった。接続は、リソグラフの工程中に製作される良導電性で、好ましくは非磁性の材料（金、銀、銅、アルミニウム等）からなる導線Ｆ１によって行われる。図４は、本発明による他のセンサーを示すものである。２つの磁気抵抗素子１、１０には同一方向ＹＹ'の電流が流れる。図４によれば、２つのセンサーは接続導体Ｆ１によって直列につながれており、同じ電流ｉが、同じ向きに流れる。接点３、３’および１３、１３'における電圧測定はＸＸ'と平行な方向について行う。しかし、本発明において重要なことであり、図３および図４に示す例に共通することは、素子１および１０の上に設けられた導体６および１６は、一方はＸＸ'と平行で他方はＹＹ'と平行（すなわち、これらは互いに直行する）ことである。当初述べたように、これらの方向ＸＸ'およびＹＹ'は、素子１および１０の磁化容易軸の方向と一致していることに注意されたい。これらの条件下では、導体６および１６は素子１および１０に互いに直行し、それぞれの方向が磁化容易軸の方向と一致する向きの磁界を発生する。一体構成（monolithic integration）の２軸コンパスがこのようにして実現される。基板が半導体（例えばシリコン）であれば、読み出しに必要な電気的構成をすべて基板上に一体形成することも可能である。図３の装置の場合、導体６および１６がセンサーに対しておかれている位置との関係で、図２に関連して説明したオフセットの除去方法を適用することが可能になる。さらに、同一のマスク工程で２つのセンサーを形成する上記の製造工程によって、センサー相互の位置を正確に位置決めすることが可能になる。すなわち、２軸コンパスの角解像度が、複合構造のコンパスに比較して向上する。最後に、磁気抵抗材料の配置が結晶構造的視点から不正確であることは、オフセットを除去する工程によって大部分矯正され、配置の不正確さに起因する影響は、少なくとも一桁以上小さくすることができる。本願発明によれば、それぞれの素子１および１０の感度をあらかじめ測定することなく、磁界の方向を決定することができる２軸コンパスを実現する為の一組の平面ホール効果センサーを得ることができる。２つの素子によって直行する２つの磁界の成分を測定することができる。２つのセンサーは同時に同一の基板の上に形成される。それらは互いに近接している為、製造パラメータは同一である。つまり、２つのセンサーの感度は同一である。磁界の向きを決定する為には２つの測定の比率を求めることで充分である。結果は、従って、それぞれの素子の感度に依存しない。本発明は、均一なデポジション形成が困難な大表面基板上に低コストで大量のコンパスを製造するのに極めて好適である。さらに、本発明はセンサーの素子に直行する向きの磁化を行う為に導線を必要とする。本発明においては、この導線はまたオフセットの除去とそれによる角度精度の向上に使用される。本発明はまた３軸磁界方向センサーとしても利用することができる。図５はそのようなセンサーの概要を示すものである。図５のセンサーは、ＸＹ平面内には２つの測定素子（１、１０）を有し、それぞれがＸＹ平面内において対応する方向（Ｘ，Ｙ）の磁界成分を測定する上述した第１の２軸センサーを有する。それぞれの磁界センサーは、図においては磁界抵抗素子１、１０によって示されている。この第１のセンサーはＸＹ平面内において磁界の成分を測定する。同様にＸＹ平面と直行するＸＺ平面にある２つの測定素子（１'，１０'）を有する第２の２軸センサーがある。第２の２軸センサーはＸＺ平面内における磁界の成分を測定する。２組のセンサーを使用することで３次元空間における磁界の向きを決定することが可能になる。このようなセンサーは、従来の手法では３つのセンサーを組み合わせなければならなかったのに対して、２つのセンサーの組合わせ（好ましくは直角方向の組み合わせ）だけで充分な為に、製造が容易である。図６ａおよび図６ｂは、２軸のセンサー一つと従来型のホール効果センサーを１つ有し、すべてのセンサーが同一の基板上に構成された３軸センサーの例を示すものである。ホール効果センサーは、基板７上に移動性の高い電子を有する材料からなる層２０を有する。この層２０は、例えば、ドープされた半導体材料である。その層は絶縁層２１で被覆され、その上に磁気抵抗素子１および１０、さらに図には示されていない電気接点が形成される。絶縁層４は少なくとも素子１および１０を被覆する。ここでも素子１および１０の上部には導体（６、１６）が設けられている。最後に、接続２２、２２'，２３，２３'によってホール効果素子２０が接続される。図面を単純化する為に、素子１および１０の接続は省略してある。素子１および１０を有するセンサーは上述と同様に機能し、ＸＹ平面の磁界成分を測定する。層２０を有する従来型のホール効果センサーはＺ軸方向の磁界を測定する。したがって、この組み合わせによって３次元空間の磁界の向きが測定されることになる。上記の説明において、導体に流れる電流の向きを逆転させる為に導体６、１６にスイッチ手段が設けられても良いことに留意する必要がある。磁気抵抗素子には電圧測定装置が設けられていても良く、差分回路によって２つの方向に流れる制御電流について測定した電圧の差を測定することもできる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年７月８日（１９９８．７．８）【補正内容】明細書薄層磁界センサー本発明は薄層磁界センサーに関するものである。１０^-6から１０^-1エルステッドの磁界を検知する信頼性のある磁界センサーは、高磁束磁気記録媒体の磁気偏差の検出および読み出しヘッドのために開発が要請されているものである。磁界に影響を与える物理的な事象の中で、磁気搬送現象は読み出しのための電子機器に容易に取り込むことができる点で優れている。現時点では２種類の現象が利用されている：磁性材料の磁気抵抗とホール効果である。フランス特許出願９３／１５５５１号は平面状の光反応性ホール効果素子を利用して微弱な磁界を測定するセンサーを開示するものである。この特許出願を本発明に最も近い先行技術としてあげることができる。米国特許第４,９８７,５０９号は互いに平行するように設けた２つの磁気抵抗素子と、分極領域を発生させ、使用されていない時に、素子の磁界の方向を決定する、２つの磁気抵抗素子の間に設けた導体からなるシステムを開示する。これらのセンサーは強磁性体薄膜の異方性磁気抵抗の逆測定を基礎とするものである。図１は磁気反応性層を示す。電流Ｉは層の中をＸＸ'方向に流れ、抵抗をＹＹ'方向に測定する。この抵抗はセンサーに加えられた磁化Ｍと共に変化する。さらに、抵抗は磁化の方向がＸＸ'と成す角θに依存する。 ρ＝（Δρ／２）ｓｉｎ２θ ＹＹ'方向に測定された電圧はフィルムの磁化の方向と電流測定の方向が成す角θに下式で表わされるように依存する。Ｖ＝Ｉ（ΔＲ／２）ｓｉｎ５(２θ) ここで、ΔＲは基本的に材料とセンサーの実質的な厚さに依存する抵抗の異方性である。長手方向の測定を行う磁気抵抗センサーに比較して平面状のホール効果センサーが優れる点は、関連技術が大幅に単純化される点および低周波数雑音(およそ１Ｈｚ)の主な成分である温度ドリフトがおよそ４桁少なくなる点の２点である。このセンサーはセンサーがおかれた方向と直交する磁界成分のみを測定する構成にすることができる。センサーの大きさを磁気領域よりも小さくして壁面の動きによって生じるノイズを排除するようにすることも可能である。試作されたセンサーを用いて測定を行った結果、発明にかかるセンサーは４桁にわたる磁界の強さの範囲において線形性を示すことが示された(Ａ．シュール、Ｆ．グエンバンダウ、Ｊ．Ｒ．チャイルドレスによる「応用物理レター」６６、１９９５年５月１５日を参照)。しかし、磁気抵抗層の２つの磁化容易軸が同等である場合（同じ値を持つ場合）センサーを使用していない時に問題が生じる。本発明はこの問題を解決するものである。本発明は磁気抵抗を有し平面内で抵抗異方性を有する結晶材料でできた平面状の薄膜を有する磁界測定センサーで、第１と第２の磁化容易軸を有し、２つの磁化容易軸の値はおよそ同一であり、この素子には第１の方向に素子内に電流を流し電気的な測定を行うための第１の電気的接点と、第１の方向とは直角方向の電圧を測定する第２の電気的接点を有し、磁化容易軸と平行に設けられた第１の導体を有し、磁気抵抗材料から遮蔽して素子内に素子が使用されていない時に第２の磁化容易軸の方向と平行に磁化の方向を誘導する制御電流が流れるセンサーに関するものである。さらに、このような平面状ホール効果センサーはゼロでないゼロ磁界抵抗を有することが実験的に示されている。これには２つの理由が有ると考えられる。 ‐センサーを対称でなくしている形状誤差 ‐有効な層の結晶方向がそろっていないゼロ磁界抵抗のこのオフセットが温度に従って移動する交差方向の抵抗に等方性の成分をもたらし、交差状測定の重要な特徴を損なわせることになる。さらに、出力信号レベルが高くなり、同期検出モードでの測定装置の検出性能を損なうことになる。本発明はこの問題を解消するものである。さらに別の問題は、二軸コンパスの問題である。このために、同一平面上に２つの平面状ホール効果センサーを配置する。しかし、この構成は特定の要件を満たす必要がある。この為、本発明は以下のセンサーを含む。すなわち、 ‐磁化容易軸の方向が第１の磁気抵抗素子と平行であって、第１の磁気抵抗素子と同様な磁気抵抗材料からなる第２の抵抗素子と； ‐前記第２の素子に、第１の方向または第２の方向に第２の測定電流を流す電気接続手段と； ‐第２の電流と直角方向で第２の方向あるいは第１の方向と平行に電圧を測定する為の電気的接触と； ‐第２の磁化容易軸と平行に設けられ、制御電流を流すことができ、センサーが使用されていない時に第１の磁化容易軸と平行に素子の磁化の方向を決定する第２の導体。このような構成によって、２つの検出装置はいずれもそれぞれ磁界の１つの成分に反応する。このような２軸センサーの正確さは２つのセンサーの組み立て精度に依存することが理解される。ところで、磁界の２つの成分は組み合わせられた２つのセンサーによって測定される。したがって、測定の正確さは２つのセンサーの測定感度の誤差に支配される。大量生産においては直径の大きな基板が使用される。したがって、センサー毎の感度が大きく異なることが考えられる。この問題を解消するには、近接する位置から製作された２つのセンサーに印を付けておくか、あるいはセンサーの感度を測定することが必要になる。いずれの場合にも手間のかかる操作が必要であり、センサーのコストに反映されることになる。本発明によれば、２つのセンサーは同一の磁気抵抗層の互いに近接した位置から製作される。本発明のその他の目的と特徴は以下の記載および添付の図面からも明らかになるはずである。図１は、既に説明した平面状のホール効果磁気抵抗センサーを示す。図２は、本発明に係る単純化された実施例である。図３は、本発明に基づく２軸コンパスである。図４は、本発明に基づくセンサーの他の実施例を示す。図５は、本発明に基づく２軸のセンサーを組み込んだ３軸センサーである。図６ａおよび図６ｂは、２軸のセンサーと通常型のホール効果センサーを組み込んだ３軸センサーである。図２を参照しながら本発明に基づく単純化されたセンサーについて説明する。基板Ｓは、平面ホール効果が得られる正方形又は長方形の磁気抵抗材料からなる薄膜である素子１を搭載している。この材料は層の面内において異方性を有し、結果として２つの磁化容易軸を有する。磁化容易軸は互いに直行する軸ＸＸ' およびＹＹ'の向きに合わせられている。例として示せば、層厚は０．０１μｍから１μｍ（例えば０．０２μｍ）であり、素子１の幅と長さは１０μｍから５０μｍの間（たとえば２０μｍ）である。素子１には、ＸＸ'方向に沿った両端部に電流を供給する装置と接続して素子内に測定電流ｉを流す為の接続パッド２，２’が設けられている。この電流は一定の大きさの直流であることが望ましい。素子１の側面、つまりＹＹ'軸の方向には接続エレメント３，３’が設けられている。これらの接続エレメントは電圧あるいは抵抗測定装置を接続する為のものである。接続パッド２，２'および３，３'は少なくとも素子１の幅一杯で素子と接している。さらに、接続パッドの幅は、ジョンソンノイズと電流の消費を押さえる為に急激に広がっている。これらの接続端子は素子１とは別の材料で作ることができる。素子１の上には導体６が設けられている。例えばこの導体はＸＸ'軸と平行である。導体は、絶縁層４によって素子１とは分離されている。導体６を流れる電流（直流又は交流）は素子１の内部に電流とは直行方向の磁界を生じさせる。導線と直行する方向に磁化の方向と向きを制御することは可能である。この制御に必要な磁界の強さは異方性磁界よりもはるかに小さく、測定されるべき磁界の強さよりもはるかに強い。素子１は立方結晶構造を有し層構造の平面内において四辺形の磁気−結晶構造を有する強磁性体の薄層である。そのような材料で作られた薄層は、面内に、互いに直行する方向に同じ大きさの２つの磁化容易軸を有する。現在の技術を用いればこのような薄層を製作することは可能である。本発明に基づく平面状のホール効果センサーにおいては、有効な部位はその大きさが磁気的に単一領域とみなすことができるほど小さな（１０ミクロンのオーダーの）正方形である。したがって、磁界が与えられていない時には、正方形の中の磁化は磁化容易軸の一方の向きに揃っている。センサーが異方性の大きさよりもわずかに小さな磁界中に置かれた場合、センサーはこの磁界のセンサーの平面内で磁化の方向とは直行する向きの磁界の成分にのみ反応する。センサーが反応する磁界の方向を制御するには、反応素子の磁化の方向を制御する必要がある。これが本発明において導体６を設け、導体中を電流（交流又は直流）を流す理由である。この電流は素子１の中に直行方向の磁界を生じさせる。誘導される磁界が導体とセンサーとの距離に依存しないよう、導体の幅は導体とセンサーとの距離に比較して大きいことが望ましい。図２に示した実施例の場合、導体はセンサーの上部に、例えばＸＸ'方向に搭載されている。導線のディメンジョンと、導線とセンサーとの距離は、導線と平行な方向の磁化を飽和状態にするに十分な磁界をセンサーに発生させるようなものでなければならない。磁化の方向は導線内を流れる電流の方向によって制御される。導体６内に制御電流＋Ｉを流した後、磁化の方向と向きは制御されセンサーは電圧Ｖ＋を発生させる。Ｖ＋＝Ｖ₀＋Ｓ・ｉ・Ｈ（１）Ｖ₀はオフセット電圧であり、Ｓはボルト／テスラ・アンペアセンサーの感度、ｉはセンサー内の測定電流、Ｈは外部の磁界の電圧接点と平行な成分である。平面的な一軸異方性を有する動的材料を使用することは不用になる。したがって、本質的な四辺形の異方性を有する動的層を使用して、つまり大きさが同じで互いに直行する２つの磁化容易軸を有する材料から、磁界の異なる複数の成分を測定する平面状のホール効果センサーを同一層上に製作することが可能になる。それぞれの磁気抵抗素子が感度を有する方向は、制御導体６に流す電流によって制御することができる。磁界の測定は、センサーの磁化の向きをそろえるパルスＩの後で行うこともできるし、必要なら、パルスと同時にすることもできる。後者の場合には、センサーの感度は導体６を流れる電流の強さに依存する。このようなセンサーの場合、一軸異方性の原因は全て取り除いておかなければならない。特に、センサーの配置は結晶の対称性と整合するものでなければならない。電流-Ｉが流れ、以前述べたのとは反対方向に磁化が飽和した場合、センサーは下記の信号を発生させる：Ｖ−＝Ｖ₀-Ｓ・ｉ・Ｈ（２）簡単な引き算Ｖ＋ - Ｖ−＝２・Ｓ・ｉ・Ｈによってオフセットを除去し信号の有効な部分のみを取り出すことができる。図３は図２で示したセンサーを２軸のコンパスに適用した例を示すものである。発明によれば、同一層上に磁界の少なくとも２つの異なる成分を測定するセンサーを製作することができる。好ましくはこれらは互いに直行する２つの成分である。磁化の方向であり、従って磁界に感度を有する方向は、図２に示した導体６のような導体によってセンサー毎に制御される。図３は同一の層に設けられた２つの磁気抵抗素子１と１０を示す。素子１の電極２と２'は素子１の磁化容易軸であるＸＸ'軸の方向に並んでいる。電極３，３'は、もう一方の磁化容易軸であるＹＹ'方向に並んでいる。素子１０の場合は、電極１２、１２'はＹＹ'軸の方向に並んでおり、電極１３，１３'はＸＸ'軸の方に並んでいる。電圧測定装置が電極３，３'および電極１３，１３’に接続されている。ＹＹ'軸に平行な導体６が素子１の上に搭載され、ＸＸ'軸に平行な導体１６が素子１０の上に搭載されている。これらの導体は素子１および１０から絶縁されている。導体には制御電流Ｉが流れる。図１に示した例によれば、導体６と１６は電流Ｉが流れる同様な導体である。磁界測定装置（たとえばコンパス）として使用する為に、磁界の２つの成分を測定することができる。センサー１と１０に関しては、制御電流Ｉによって２つのセンサーの磁化の方向が互いに直行するように直行する向きの導体６と１６に電流を流さなければならない。このようにして２つのセンサーを、磁界の互いに直行する２つの成分に対して感度を有するようにすることができる。素子１および１０は、基板Ｓの上にフォトリソグラフィーまたはエッチングの手法で製作することができる。次に絶縁層４を２つのセンサーの上に形成する。制御すべきセンサーの磁化の方向と向きを制御する為の高い導電性を有する金属の導線（金、銀、銅、アルミニウム等）は、絶縁層または基板の裏面に形成すればよい。図３からも分かるように、それぞれのセンサーに対応する導体６と１６は互いに直行する。したがって、２つのセンサーの磁化の向きは互いに直行する。図３に示した例では、センサーを流れる電流は共にｉであった。接続は、リソグラフの工程中に製作される良導電性で、好ましくは非磁性の材料（金、銀、銅、アルミニウム等）からなる導線Ｆ１によって行われる。図４は、本発明による他のセンサーを示すものである。２つの磁気抵抗素子１、１０には同一方向ＹＹ'の電流が流れる。図４によれば、２つのセンサーは接続導体Ｆ１によって直列につながれており、同じ電流ｉが、同じ向きに流れる。接点３、３’および１３、１３'における電圧測定はＸＸ'と平行な方向について行う。しかし、本発明において重要なことであり、図３および図４に示す例に共通することは、素子１および１０の上に設けられた導体６および１６は、一方はＸＸ'と平行で他方はＹＹ'と平行（すなわち、これらは互いに直行する）ことである。当初述べたように、これらの方向ＸＸ'およびＹＹ'は、素子１および１０の磁化容易軸の方向と一致していることに注意されたい。これらの条件下では、導体６および１６は素子１および１０に互いに直行し、それぞれの方向が磁化容易軸の方向と一致する向きの磁界を発生する。一体構成（monolithic integration）の２軸コンパスがこのようにして実現される。基板が半導体（例えばシリコン）であれば、読み出しに必要な電気的構成をすべて基板上に一体形成することも可能である。図３の装置の場合、導体６および１６がセンサーに対しておかれている位置との関係で、図２に関連して説明したオフセットの除去方法を適用することが可能になる。さらに、同一のマスク工程で２つのセンサーを形成する上記の製造工程によって、センサー相互の位置を正確に位置決めすることが可能になる。すなわち、２軸コンパスの角解像度が、複合構造のコンパスに比較して向上する。最後に、磁気抵抗材料の配置が結晶構造的視点から不正確であることは、オフセットを除去する工程によって大部分矯正され、配置の不正確さに起因する影響は、少なくとも一桁以上小さくすることができる。本願発明によれば、それぞれの素子１および１０の感度をあらかじめ測定することなく、磁界の方向を決定することができる２軸コンパスを実現する為の一組の平面ホール効果センサーを得ることができる。２つの素子によって直行する２つの磁界の成分を測定することができる。２つのセンサーは同時に同一の基板の上に形成される。それらは互いに近接している為、製造パラメータは同一である。つまり、２つのセンサーの感度は同一である。磁界の向きを決定する為には２つの測定の比率を求めることで充分である。結果は、従って、それぞれの素子の感度に依存しない。本発明は、均一なデポジション形成が困難な大表面基板上に低コストで大量のコンパスを製造するのに極めて好適である。さらに、本発明はセンサーの素子に直行する向きの磁化を行う為に導線を必要とする。本発明においては、この導線はまたオフセットの除去とそれによる角度精度の向上に使用される。本発明はまた３軸磁界方向センサーとしても利用することができる。図５はそのようなセンサーの概要を示すものである。図５のセンサーは、ＸＹ平面内には２つの測定素子（１、１０）を有し、それぞれがＸＹ平面内において対応する方向（Ｘ，Ｙ）の磁界成分を測定する上述した第１の２軸センサーを有する。それぞれの磁界センサーは、図においては磁界抵抗素子１、１０によって示されている。この第１のセンサーはＸＹ平面内において磁界の成分を測定する。同様にＸＹ平面と直行するＸＺ平面にある２つの測定素子（１',１０'）を有する第２の２軸センサーがある。第２の２軸センサーはＸＺ平面内における磁界の成分を測定する。２組のセンサーを使用することで３次元空間における磁界の向きを決定することが可能になる。このようなセンサーは、従来の手法では３つのセンサーを組み合わせなければならなかったのに対して、２つのセンサーの組合わせ（好ましくは直角方向の組み合わせ）だけで充分な為に、製造が容易である。図６ａおよび図６ｂは、２軸のセンサー一つと従来型のホール効果センサーを１つ有し、すべてのセンサーが同一の基板上に構成された３軸センサーの例を示すものである。ホール効果センサーは、基板７上に移動性の高い電子を有する材料からなる層２０を有する。この層２０は、例えば、ドープされた半導体材料である。その層は絶縁層２１で被覆され、その上に磁気抵抗素子１および１０、さらに図には示されていない電気接点が形成される。絶縁層４は少なくとも素子１および１０を被覆する。ここでも素子１および１０の上部には導体（６、１６）が設けられている。最後に、接続２２、２２'，２３，２３'によってホール効果素子２０が接続される。図面を単純化する為に、素子１および１０の接続は省略してある。素子１および１０を有するセンサーは上述と同様に機能し、ＸＹ平面の磁界成分を測定する。層２０を有する従来型のホール効果センサーはＺ軸方向の磁界を測定する。したがって、この組み合わせによって３次元空間の磁界の向きが測定されることになる。上記の説明において、導体に流れる電流の向きを逆転させる為に導体６、１６にスイッチ手段が設けられても良いことに留意する必要がある。磁気抵抗素子には電圧測定装置が設けられていても良く、差分回路によって２つの方向に流れる制御電流について測定した電圧の差を測定することもできる。さらに、センサーの磁気抵抗素子は細長い形状でその長手方向に測定電流が流れるように構成されているものであっても良い。電圧測定用の端子はは細長い素子の平行する側部に設けられる。細長い素子の幅は、例えば数十ミクロンから数百ミクロンのオーダーである。請求の範囲１．第１および第２の磁化容易軸（ＸＸ'，ＹＹ'）を有し、平面内で抵抗異方性を有する磁気抵抗材料からなり、その中を第１の方向に第１の測定電流が流れるための電気的接続（２，２'）と、第１の方向とは直交する第２の方向に電圧の測定を可能にする２つの電気的接続(３，３')とを有する第１の平面薄層素子（１）を有し、２つの磁化容易軸の大きさは同等であり、第１の磁化容易軸と平行に磁気抵抗素子とは絶縁して設けられ、その中を制御電流が流れるように構成した第１の導体（６）を有し、制御電流はセンサーが使用されていない時は素子の磁化の方向を第２の磁化容易軸と平行になるように磁界を発生することを特徴とする磁界センサー。２．第１の方向が磁化容易軸の一つの方向と一致し、第２の方向が他の磁化容易軸の方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の磁界センサー。３．更に、 ‐第１の素子（１）と同様な磁気抵抗素子でできており、磁化容易軸の向きが第１の素子の磁化容易軸と平行な第２の素子（１０）と； ‐前記第２の素子に第１の方向あるいは第２の方向に、第２の測定電流を流す電気接続手段(１２，１２')と； ‐第２の電流と直角方向で第２の方向あるいは第１の方向と平行に電圧を測定する為の電気的接触(１３，１３')と； ‐第２の磁化容易軸と平行に設けられ制御電流を流すことができ、センサーが使用されていない時に第１の磁化容易軸と平行に素子の磁化の方向を決定する第２の導体(１６) を有することを特徴とする請求項２に記載の磁界センサー。４．第１の磁化容易軸と第２の磁化容易軸が互いに直行する請求項３に記載の磁界センサー。５．第１の素子（１）と第２の素子（２）とが同一の磁気抵抗結晶層上に形成された請求項３に記載の磁界センサー。６．第１の素子（１）と第２の素子（２）がその大きさと同程度の距離だけ離れて設けられた請求項５に記載の磁界センサー。７．導体（６、１６）にはスイッチ手段が設けられ、これによって導体を流れる電流の向きを逆転することができる請求項３に記載の磁界センサー。８．素子には電圧測定手段が設けられ、さらに２方向の制御電流間の電圧の差を求めることができる差分回路を有する請求項７に記載の磁界センサー。９．第２の測定電流は第１の磁化容易軸と平行に第２の素子内を流れ、電圧は第２の磁化容易軸と平行な方向に測定される請求項３に記載の磁界センサー。１０．第２の測定電流は第２の磁化容易軸と平行に第２の素子を流れ、電圧は第１の磁化容易軸と平行な向きに測定される請求項３に記載の磁界センサー。１１．磁気抵抗素子（１、１０）は細長い形状であり、長手方向に測定電流が流れ、電圧測定は長手に沿った両側面の間で行われ、素子の幅は数十ミクロンから数百ミクロンの間である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁界センサー。１２．第１と第２の導体が直列に接続され、同じ制御電流（Ｉ）が流れる請求項３に記載の磁界センサー。１３．第１と第２の素子の電気接点(２，２'，１２，１２')によって２つの素子に直列に同じ測定電流（ｉ）が流れる請求項３に記載の磁界センサー。１４． ‐磁気抵抗材料でできており第１の平面（ＸＹ）に位置し、電流を流しかつ電圧の測定を可能にする端子を有する２つの素子(１，１０)と、素子の磁化容易軸に平行に設けた導体を有する第１の２軸センサーと、 ‐磁気抵抗材料でできており第１の平面(ＸＹ)とは概略直行する第２の平面(ＸＺ)に位置し、電流を流しかつ電圧の測定を可能にする端子を有する２つの素子(１'，１０')と、素子の磁化容易軸に平行に設けた導体を有する第２の２軸センサーとを有する請求項３に記載の３軸磁界センサー。１５．基板（７）の一方の表面に、 ‐基板の表面に直角な方向の磁界の測定を可能にする高電子移動性材料からなるホール効果センサー（２０）と、 ‐同一の磁気抵抗材料層内に設けた２つの素子（１、１０）とそれらに設けられた端子、素子の上に搭載され基板の表面に平行な平面内において磁界の一つの成分を測定する為に制御電流を流すことのできる導体（６）とを有する請求項６に記載の３軸磁界センサー。【図１】【図２】【図３】【図４】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者シュール，アランフランス国Ｆ―94117 アルキュエイユセデックス，アヴニューデュプレジドンサルヴァドールアロンド，13，トムソン―セーエスエフエス．セー．ペ. イ. (72)発明者モンテーニュ，フランソワフランス国Ｆ―94117 アルキュエイユセデックス，アヴニューデュプレジドンサルヴァドールアロンド，13，トムソン―セーエスエフエス．セー．ペ. イ.

Claims

【特許請求の範囲】１．第１および第２の磁化容易軸（ＸＸ'，ＹＹ'）を有し、平面内で抵抗異方性を有する磁気抵抗材料からなり、その中を第１の方向に第１の測定電流が流れるための電気的接続（２，２'）と、第１の方向とは直交する第２の方向に電圧の測定を可能にする２つの電気的接続(３，３')とを有する第１の平面薄層素子（１）を有し、２つの磁化容易軸の大きさは同等であり、第１の磁化容易軸と平行に磁気抵抗素子とは絶縁して設けられ、その中を制御電流が流れるように構成した第１の導体（６）を有し、制御電流はセンサーが使用されていない時は素子の磁化の方向を第２の磁化容易軸と平行になるように磁界を発生することを特徴とする磁界センサー。２．第１の方向が磁化容易軸の一つの方向と一致し、第２の方向が他の磁化容易軸の方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の磁界センサー。３．更に、 ‐第１の素子（１）と同様な磁気抵抗素子でできており、磁化容易軸の向きが第１の素子の磁化容易軸と平行な第２の素子（１０）と； ‐上記の素子に第１の方向あるいは第２の方向に、第２の測定電流を流す電気接続手段(１２，１２')と； ‐第２の電流と直角方向で第２の方向あるいは第１の方向と平行に電圧を測定する為の電気的接触(１３，１３')と； ‐第２の磁化容易軸と平行に設けられ制御電流を流すことができ、センサーが使用されていない時に第１の磁化容易軸と平行に素子の磁化の方向を決定する第２の導体(１６) を有することを特徴とする請求項２に記載の磁界センサー。４．第１の磁化容易軸と第２の磁化容易軸が互いに直行する請求項３に記載の磁界センサー。５．第１の素子（１）と第２の素子（２）とが同一の磁気抵抗結晶層上に形成された請求項３に記載の磁界センサー。６．第１の素子（１）と第２の素子（２）がその大きさと同程度の距離だけ離れて設けられた請求項５に記載の磁界センサー。７．導体（６、１６）にはスイッチ手段が設けられ、これによって導体を流れる電流の向きを逆転することができる請求項１または請求項３に記載の磁界センサー。８．素子には電圧測定手段が設けられ、さらに２方向の制御電流間の電圧の差を求めることができる差分回路を有する請求項７に記載の磁界センサー。９．第２の測定電流は第１の磁化容易軸と平行に第２の素子内を流れ、電圧は第２の磁化容易軸と平行な方向に測定される請求項３に記載の磁界センサー。１０．第２の測定電流は第２の磁化容易軸と平行に第２の素子を流れ、電圧は第１の磁化容易軸と平行な向きに測定される請求項３に記載の磁界センサー。１１．磁気抵抗素子（１、１０）は細長い形状であり、長手方向に測定電流が流れ、電圧測定は長手に沿った両側面の間で行われ、素子の幅は数十ミクロンから数百ミクロンの間である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁界センサー。１２．第１と第２の導体が直列に接続され、同じ制御電流（Ｉ）が流れる請求項３に記載の磁界センサー。１３．第１と第２の素子の電気接点(２，２'，１２，１２')によって２つの素子に直列に同じ測定電流（ｉ）が流れる請求項３に記載の磁界センサー。１４． ‐磁気抵抗材料でできており第１の平面（ＸＹ）に位置し、電流を流しかつ直角方向に電圧の測定を可能にする端子を有する２つの素子(１，１０)と、素子の磁化容易軸に平行に設けた導体を有する第１の２軸センサーと、 ‐磁気抵抗材料でできており第１の平面(ＸＹ)とは概略直行する第２の平面(ＸＺ)に位置し、電流を流しかつ直角方向に電圧の測定を可能にする端子を有する２つの素子(１'，１０')と、素子の磁化容易軸に平行に設けた導体を有する第２の２軸センサーとを有する請求項３に記載の３軸磁界センサー。１５．基板（７）の一方の表面に、 ‐基板の表面に直角な方向の磁界の測定を可能にする半導体材料からなるホール効果センサー（２０）と、 ‐同一の磁気抵抗材料層内に設けた２つの素子(１、１０）とそれらに設けられた端子、素子の上に搭載され基板の表面に平行な平面内において磁界の一つの成分を測定する為に制御電流を流すことのできる導体（６）とを有する請求項６に記載の３軸磁界センサー。