JP2004165333A

JP2004165333A - 磁気センサ、この磁気センサを用いた方位検知システム及び携帯通信端末

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Publication number: JP2004165333A
Application number: JP2002327957A
Authority: JP
Inventors: Taiko Ko; 太好高; Susumu Shirauchi; 進白内
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】小型・軽量で高感度な磁気センサを提供する。
【解決手段】少なくとも磁性体層（硬磁性体層４、磁界検知用軟磁性体層６）と非磁性体層５との積層構造を含む薄膜磁気抵抗効果素子２において、磁界検知用軟磁性体層６の低保磁力化を行っても十分な感度が得られない原因を考えたところ、磁界検知用軟磁性体層６の異方性磁界の強さに起因していることが判明したものであり、反面、磁界検知用軟磁性体層６の一部がこれに近接する硬磁性体層４からの静磁気的な結合等によって磁化固定層が存在し、この磁化固定層によって磁界検知用軟磁性体層６の磁区が比較的安定していることを見出したものであり、磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界６の強度を３Ｏｅ以下として極力異方性をつけないことで、地磁気センサ等に用いる場合でも十分な感度を得ることができ、小型・軽量で高感度な磁気センサ１を提供できるようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサ、この磁気センサを用いた方位検知システム及び携帯通信端末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
このような磁気センサに対して、最近では、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行なう原理のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録におけるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性がある。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえる。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子に関しては、静磁気相互作用の動作の向上を図った提案例がある（例えば、特許文献１参照）。また、従来からある巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）についても電流を膜面に垂直に流す構成が実現されており（ｃｐｐ型ＧＭＲ素子）、その応用面が広がってきている。
【０００５】
また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場合、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界を与えて高感度化を図るようにした提案例がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３００４００５号公報
【特許文献２】
特開平５−１５７５６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の場合、積層化により静磁気相互作用の動作の向上を図っているもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にもつながる対応策である。
【０００８】
また、例えば方位センサを実現する上で、ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのもあまり得策とはいえない。
【０００９】
結局、このような従来の磁気センサ類では、小型・軽量・低コスト化の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【００１０】
そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な磁気センサを提供することを目的とする。
【００１１】
併せて、このような磁気センサを利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システム又は携帯通信端末を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気センサは、少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含み、前記磁性体層のうちで磁化反転可能な保磁力を有する磁界検知用軟磁性体層の一部がこれに近接する硬磁性体層により磁化固定層を含む薄膜磁気抵抗効果素子を備え、前記磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界の強度が３Ｏｅ以下である。
【００１３】
従って、少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含む薄膜磁気抵抗効果素子において、磁界検知用軟磁性体層の低保磁力化を行っても十分な感度が得られない原因を考えたところ、磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界の強さに起因していることが判明したものであり、反面、磁界検知用軟磁性体層の一部がこれに近接する硬磁性体層からの静磁気的な結合等によって磁化固定層が存在し、この磁化固定層によって磁界検知用軟磁性体層の磁区が比較的安定しているものであり、磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界の強度を３Ｏｅ以下として極力異方性をつけないようにすることにより、地磁気センサ等に用いる場合でも十分な感度を得ることができ、小型・軽量で高感度な磁気センサを提供することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記硬磁性体層は、反強磁性体層と強磁性体層とによるＰＩＮ層構造よりなる。
【００１５】
従って、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、硬磁性体層が単層構造の場合だけでなく、反強磁性体層と強磁性体層とによるＰＩＮ層構造よりなる場合にも同様の作用・効果が得られるものであり、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の磁気センサにおいて、前記反強磁性体層は、人工反強磁性体層よりなる。
【００１７】
従って、請求項２記載の磁気センサを実現する上で、反強磁性体層が単層構造の場合だけでなく、所定材料の積層構造からなる人工反強磁性体層構造よりなる場合にも同様の作用・効果が得られるものであり、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界検知用軟磁性体層は、平面形状が円形形状又はドーナツ形状に形成されている。
【００１９】
従って、磁界検知用軟磁性体層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状とすることで、形状異方性に伴う磁気異方性が低減する上に、磁界の角度特性も向上する。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記硬磁性体層は、平面形状が円形形状又はドーナツ形状に形成されている。
【００２１】
従って、硬磁性体層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状とすることで、磁化固定層も含めて形状異方性に伴う磁気異方性が低減する上に、磁界の角度特性も向上する。
【００２２】
請求項６記載の発明は、前記薄膜磁気抵抗効果素子は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、金属磁性体層、非磁性体絶縁層及び金属磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子である。
【００２３】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子として構成されているので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び金属磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子である。
【００２５】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、薄膜磁気抵抗効果素子がｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子として構成されているので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界検知用軟磁性体層の両面に前記磁気固定層を持たせるように前記硬磁性体層を前記磁界検知用軟磁性体層の両面に積層配置させた。
【００２７】
従って、磁界検知用軟磁性体層の両面に磁気固定層を有する構造としたので、磁界検知用軟磁性体層の保磁力を極めて小さくする場合に好適な構成を提供できる。
【００２８】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の磁気センサにおいて、両面に積層配置される前記硬磁性体層は、その磁化方向が非平行状態となる角度を有する。
【００２９】
従って、硬磁性体層同士の磁化方向の関係が平行状態に限られず、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００３０】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の磁気センサにおいて、両面に積層配置される前記硬磁性体層は、その磁化方向が直交する。
【００３１】
従って、１つの磁気センサで磁界の２軸ベクトル検知が可能となる。
【００３２】
請求項１１記載の発明は、請求項１ないし１０記載の磁気センサにおいて、前記薄膜磁気抵抗効果素子の全面又はその一部が電磁シールド部材により覆われている。
【００３３】
従って、当該磁気センサを直流ないしは低周波領域で使用する場合に問題となる商用電源からのノイズ等を電磁シールド部材によってカットすることができる。
【００３４】
請求項１２記載の発明の方位検知システムは、地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３５】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３６】
請求項１３記載の発明の方位検知システムは、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の複数の磁気センサと、これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、を備える。
【００３７】
従って、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルを利用することで、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用することができる。特に、加速度センサ等を併用することなく、当該センサのみで使用中の運動を検知することができる。
【００３８】
請求項１４記載の発明の携帯通信端末は、表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサを備える。
【００３９】
従って、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサを備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差が少なくなる。また、当該磁気センサは受動的な部品であるので、他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部のように外来ノイズに敏感な箇所にも適合可能となる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気センサ１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【００４１】
本実施の形態の磁気センサ１は、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）２を磁気検知用の薄膜磁気抵抗効果素子に用いたもので、基本的には、石英、ガラス等の絶縁性の基板３上に積層させた硬磁性体層（磁性体層の一つ）４、非磁性体絶縁層（非磁性体層）５及び磁界検知用軟磁性体層（磁性体層の一つ）６の所定パターンによる積層構造として構成されている（積層順序は逆であってもよい）。ここに、磁界感知用軟磁性体層６は硬磁性体層４に対して直交するパターンで形成され、磁化反転容易な保磁力を有する層として、他層に比べて低い保磁力を持たせてあり、フリー層とも称される。
【００４２】
これらの層の具体例として、中程度の保磁力を持つ硬磁性体層４は例えばＣｏ_５０Ｆｅ_５０，Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５等により形成され、非磁性体絶縁層５はＡｌ−Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ−Ｏ，ＳｉＯ_２，Ｓｉ−Ｏ−Ｎ，ＺｎＯ，Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成され、磁界感知用軟磁性体層６はＦｅ_２０Ｎｉ_８０，Ｆｅ_２１Ｎｉ_７９等のパーマロイ、Ｍｏ−パーマロイ、Ｃｕ−Ｍｏパーマロイ、センダスト、ＣｏＺｒＮｂアモルファス等により形成されている。
【００４３】
本実施の形態で利用するＴＭＲ素子２は、基本的には、近年において見出された現象、即ち、強磁性体と絶縁膜と強磁性体との接合構造により形成されて、両強磁性体の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れる強磁性体トンネル効果という現象を利用したもので、例えば、特開平１０−９１９２５号公報、特開平１０−２５５２３１号公報中にも記載されているように、Ｓ．ＭａｅｋｓａｗａａｎｄＶ．Ｇａｆｖｅｒｔ等は、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，ＭＡＧ−１８，７０７（１９８２）において、磁性体／絶縁体／磁性体結合で両磁性層の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れることが規定されることを理論的、実験的に示している。
【００４４】
このような基本構成において、成膜表面の荒れ等によって磁界検知用軟磁性体層６中には非磁性体絶縁層５との界面に静電気的な固着部層７が発生する。この固着部層７は、隣接ないし近接する他層との磁気的な結合により本来の磁気特性より特性が劣化した層として発生する。
【００４５】
また、硬磁性体層４は図１中に矢印ａで示すようにそのパターン形状長手方向に磁化方向が設定されている。ここに、固着部層７の磁化方向は硬磁性体層４の磁化方向に倣うため、固着部層７の磁化方向も矢印ａで示す方向となる。磁界検知用軟磁性体層６の異方性磁界については後述する。
【００４６】
このような構成において、通常は、硬磁性体層４の保磁力以下の外部磁界によって、磁界検知用軟磁性体層６の磁化状態が変化し、その際の両者の磁化状態が平行又は反平行（磁化方向が逆向き）となるときに磁気抵抗は最小又は最大となるので、目的の磁界強度を検知するための磁気センサとして用いることができるものである。即ち、磁界検知用軟磁性体層６の磁化状態がそのまま当該磁気センサ１の特性を反映していることとなる。
【００４７】
しかしながら、磁気異方性を有するように作製したこの磁界検知用軟磁性体層を、比較のために単独層で試作し測定した場合と異なり、磁界検知用軟磁性体層６の磁化を忠実に反映するＭＲ曲線は保磁力の増大が見られたものである。これは、磁界検知用軟磁性体層６の固着部層７に起因するものと考えられ、通常は、この固着部層７を減らすことを主眼として、成膜時の平坦化及び各層膜厚等の最適化を行っているものである。
【００４８】
ところが、低保磁力化を行っても、地磁気センサ等に用いるには十分な感度が得られない場合があり、その原因を追求したところ、磁界検知用軟磁性体層６の異方性磁界の大きさが原因であることが判明したものである。即ち、通常であれば、バルクハウゼンノイズ等の低減ために異方性を或る程度つけておくことが必要とされているが、これに反して、本実施の形態では、磁界検知用軟磁性体層６の形状異方性、結晶磁気異方性、その他の異方性効果を含めた全体的な異方性磁界の強度を、その成膜時、磁場中アニール後の値として、３Ｏｅ以下としても問題がないことを見出したものである。
【００４９】
例えば、角度と回転磁界変化量との関係を示す図２に示すような磁界回転特性において、回転磁界変化量がある程度以上に大であればよいわけであるが、磁界検知用軟磁性体層６の異方性磁界の強度（保磁力）Ｈｋを、１，３，５，６の如く変化させてその結果を測定したところ、表１に示すように、３Ｏｅ以下としてもよいことが判明したものである。
【００５０】
【表１】

【００５１】
これは、近接する硬磁性体層４からの静磁気的な結合等によって、磁界検知用軟磁性体層６の界面の一部に磁化固定層が存在し、この磁化固定層によって、磁界検知用軟磁性体層６の磁区が比較的安定であることに起因するものである。よって、磁界検知用軟磁性体層６に関して極力異方性をつけないように条件を整えることにより本実施の形態の磁気センサ１が完成したものである。
【００５２】
このような磁界検知用軟磁性体層６の成膜条件の一例について簡単に説明する。
【００５３】
成膜条件１
スパッタリング時には、約１００Ｏｅ程度の静磁界中でスパッタリングを行う。その後、磁場中アニールにより約１ｋＯｅ、２８０℃で１時間アニールし（硬磁性体層４の容易軸方向）、さらに、約１ｋＯｅ、２００℃で１時間アニールし（硬磁性体層４の容易軸方向）、さらに、約１ｋＯｅ、１５０℃で１時間アニールした（硬磁性体層４の困難軸方向）。なお、硬磁性体層４や非磁性体絶縁層５の成膜方法やスパッタリング成膜方法については説明を省略する。この場合の磁界検知用軟磁性体層６の異方性磁界の強度は３Ｏｅであった。
【００５４】
なお、図１等では磁界検知用軟磁性体層６の磁化方向と硬磁性体層４の磁化方向とは略直交するようにした例で示しているが、同一方向（平行）であっても特に問題はない。
【００５５】
成膜条件２
この条件２では、スパッタリング時に磁界なしの状態でスパッタリングを行った。通常、スパッタリングにはマグネトロンスパッタリングが用いられるので、漏洩磁界により極わずかであって異方性がつくが、この条件２の場合には、磁界なしの状態としているので、磁界検知用軟磁性体層６として、極力異方性のついていない等方的な磁性膜とすることができ、異方性磁界の強度は１Ｏｅ以下となったものである。
【００５６】
なお、本発明の磁気センサは、固着部層を有する同等の構成の磁界検知用軟磁性体層に着目してなされたものであり、磁気抵抗効果素子としては、ＴＭＲ素子２に限らず、他の構成、例えば後述するようなｃｐｐ型ＧＭＲ素子等であってもよい。また、素子を作製する上では、マスク成膜法やフォトリソグラフィー法などを用いてもよく、特に、成膜に関しては、スパッタリング法に限らず、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法等であってもよい。また、４端子用素子構成に限らず、２端子用素子構成としてもよい。
【００５７】
本発明の第二の実施の形態を図３に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００５８】
図３は本実施の形態の磁気センサ１１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図、（ｃ）は硬磁性体層部分の概略縦断側面図である。本実施の形態では、硬磁性体層４を反強磁性体層４ａと強磁性体層４ｂとによるＰＩＮ層構造としたものである。強磁性体層４ｂは例えばＣｏ_５０Ｆｅ_５０，Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５、パーマロイ等により形成され、反強磁性体層４ａは例えばＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等により形成される。この他の点は、第一の実施の形態の場合の磁気センサ１の場合と同様である。
【００５９】
本実施の形態によれば、磁気センサを実現する上で、硬磁性体層が単層構造の場合だけでなく、反強磁性体層４ａと強磁性体層４ｂとによるＰＩＮ層構造よりなる場合にも同様に適用でき、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００６０】
なお、ＰＩＮ層構造をなす反磁性体層に関しては、人工反強磁性体層により構成してもよい。即ち、Ｆｅ／Ｃｒ等を１５〜３Åずつ数層分積層して人工反強磁性体層とし、その上に、強磁性体層４ｂを積層させたＰＩＮ層構造としてもよい。さらには、Ｃｏ／Ｃｕを１５〜３Åずつ数層分積層して人工反強磁性体層としてもよい。何れにしても、一般には、固溶しにくい磁性層／非磁性層のペアで実現できる。従って、反強磁性体層が単層構造の場合だけでなく、所定材料の積層構造からなる人工反強磁性体層構造よりなる場合にも同様に適用でき、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００６１】
本発明の第三の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態の磁気センサ２１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【００６２】
本実施の形態では、平面形状が真円形状とされた異方性磁界の強度が３Ｏｅ以下の磁界検知用軟磁性体層６を有する磁気センサ２１として構成されている。この他の点は、第一の実施の形態の磁気センサ１の場合と同様である。
【００６３】
本実施の形態によれば、磁界検知用軟磁性体層６の平面形状を矩形短冊状とした場合に比べ、真円形状とすることで、その形状異方性に伴う磁気異方性を低減させることができる上に、磁界の角度特性も向上させることができる。
【００６４】
なお、磁界検知用軟磁性体層６の平面形状としては真円形状に限らず、楕円形状等を含む円形形状であればよく、或いは、ドーナツ形状であってもよい。
【００６５】
本発明の第四の実施の形態を図５に基づいて説明する。図５は本実施の形態の磁気センサ３１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【００６６】
本実施の形態では、平面形状が真円形状とされた異方性磁界の強度が３Ｏｅ以下の磁界検知用軟磁性体層６、及び、平面形状が真円形状とされた硬磁性体層４を有する磁気センサ３１として構成されている。これらの大きさ、位置関係等は適宜でよいが、例えば、大きさ的には、磁界検知用軟磁性体層６の方が硬磁性体層４よりも大きく形成されている。
【００６７】
本実施の形態によれば、磁界検知用軟磁性体層６や硬磁性体層４の平面形状を矩形短冊状とした場合に比べ、真円形状とすることで、固着部層７を含めてその形状異方性に伴う磁気異方性を低減させることができる上に、磁界の角度特性も向上させることができる。
【００６８】
なお、磁界検知用軟磁性体層６や硬磁性体層４の平面形状としては真円形状に限らず、楕円形状等を含む円形形状であればよく、或いは、ドーナツ形状であってもよい。また、場合によっては、硬磁性体層４側のみ円形形状又はドーナツ形状に形成する構成としてもよい。
【００６９】
ところで、本実施の形態の場合、硬磁性体層４が円形形状等により非磁性体絶縁層５下に埋もれてしまうので、引出し電極を工夫する必要があるが、ここでは、半導体分野における多層配線技術が利用されている。即ち、基板３上に絶縁層３２、平坦化絶縁層３３を適宜パターンで形成するとともに、絶縁層３２中から硬磁性体層用引出し電極３４を絶縁層３２外に引出し、硬磁性体層４の真下において平坦化絶縁層３３を貫通するピラー部３４ａを介して電気的に接続させた構成とされている。
【００７０】
本発明の第五の実施の形態を図６に基づいて説明する。図６は本実施の形態の磁気センサ４１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【００７１】
本実施の形態の磁気センサ４１は、磁気抵抗効果素子としてｃｐｐ型ＧＭＲ素子（ｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子）４２を用いた適用例を示す。即ち、磁界検知用軟磁性体層６に隣接させてＣｕ等による非磁性体金属層４３を備え、電流を膜面に垂直に流す構成のものである。なお、非磁性体絶縁層５を設けない構成も可能である。
【００７２】
作用的には、第一ないし第三の実施の形態で示した場合と同様である。従って、薄膜磁気抵抗効果素子がｃｐｐ型ＧＭＲ素子４２として構成されているので、高精度な磁気センサ４１とすることができる。
【００７３】
本発明の第六の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は本実施の形態の磁気センサ５１の構成例を示す概略断面図である。
【００７４】
本実施の形態の磁気センサ５１は、硬磁性体層４Ａ、磁界検知用軟磁性体層６、硬磁性体層４Ｂのサンドイッチ積層構造によりＴＭＲ素子５２を構成することで、磁界検知用軟磁性体層６がその両面に磁化固定層を持つようにしたものである。７Ａ，７Ｂは非磁性体絶縁層、５３は熱酸化ＳｉＯ_２等による基板、５４はＴａ／Ｆｅ_２０Ｎｉ_８０等によるバッファ層である。なお、硬磁性体層４Ａ，４Ｂは前述したようなＰＩＮ層構造であってもよい。
【００７５】
ここに、本実施の形態の磁界検知用軟磁性体層６はその保磁力Ｈｋが極めて小さいものであって、例えば、異方性磁界の強度を０．１Ｏｅとした場合であれば保磁力Ｈｋを０．３程度とする。本実施の形態では保磁力、Ｈｋを３Ｏｅ以下とすることで有効である。磁界検知用軟磁性体層６の作製工程においては、無磁界（マグネトロンスパッタリング等における意図しない磁界は特に排除しない）で成膜するようにしている。
【００７６】
なお、本実施の形態のような磁気センサ５１を構成する場合、硬磁性体層４Ａ，４Ｂ同士の磁化方向の関係は、図７に示すように平行として同じあってもよいが、非平行状態となるように角度を持たせてもよい。特に、図８に示すように磁化方向が直交するようにすれば（厳密に９０°でなくてもよい）、１つの磁気センサ５１で磁界の２軸ベクトルの検知が可能となる。即ち、図８において、硬磁性体層４Ａ・磁界検知用軟磁性体層６間から得られる出力と硬磁性体層４Ｂ・磁界検知用軟磁性体層６間から得られる出力とは位相が９０°ずれたものとなり、比較弁別回路５５でそれらを弁別することにより、磁界の２軸ベクトルの検知が可能となる。なお、図面上では、２端子素子に与える電圧或いは電流に関しては省略している。
【００７７】
本発明の第七の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は本実施の形態の磁気センサ６１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【００７８】
本実施の形態の磁気センサ６１は、直流ないしは低周波領域での使用を想定したものであり、その際の商用電源からのノイズ等をカットするための電磁シールド部材で覆うようにしたものである。ここでは、一例として例えば図４に示した磁気センサ３１の構成例への適用例を示し、ＴＭＲ素子２の下部側、上面側が各々下部側電磁シールド部材６２、上部側電磁シールド部材６３で覆われている。これらの各々下部側電磁シールド部材６２、上部側電磁シールド部材６３としては、Ａｉ、Ｃｕ等の非磁性金属、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の絶縁体、誘電体、或いはこれらの複合体が用いられる。
【００７９】
このように、本実施の形態によれば、下部側電磁シールド部材６２、上部側電磁シールド部材６３で覆うことにより、当該磁気センサ６１を直流ないしは低周波領域で使用する場合に問題となる商用電源からのノイズ等を電磁シールド部材６２，６３によってカットすることができる。
【００８０】
なお、磁界検知用軟磁性体層６の表面は非磁性体絶縁層６４で覆われ、その中央部分には磁界検知用軟磁性体層６に対するワイヤボンディング用のスルーホール６４ａが形成され、このスルーホール６４ａに対応させて上部側電磁シールド部材６３には開口部６３ａが形成されている。この開口部６３ａの寸法は必要とされるシールド性能等により決定される。
【００８１】
なお、フリップチップ実装用の構成も可能であり、この場合には、電磁シールド部材６３の開口部６３ａの周辺部に絶縁部を設けることもできる。
【００８２】
本発明の第八の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気センサを利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば３つの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（前述した磁気センサ１，１１，２１，３１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向に独立して配置させた地磁気センサ７２が設けられている。これらの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力はデータ取り込み部７３を介して検知手段としての３磁気成分検知部７４に入力されている。この３磁気成分検知部７４は地磁気検知に関して、磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部７３を介して取り込まれた磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部７５と、この絶対値演算部７５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部７６とによる異常検知手段７７が設けられている。比較部７６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部７６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部７８が設けられている。
【００８３】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部７８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部７４から得られる検知結果とともに、この警報部７８の出力も通信部７９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。これにより、ＧＰＳシステムや後述の携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能となる。
【００８４】
なお、本実施の形態の方位検知システムでは、３つの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃを用いたが、３つ以上の磁気センサを３軸ベクトル以上の方向に独立に配置させて地磁気の方向検知を３軸以上のベクトル検知として行なうようにしてもよい。或いは、逆に、１つの磁気センサのみを用いる一軸ベクトル検知を行なう方位検知システムとして構成してもよい。
【００８５】
本発明の第九の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気センサを利用して構成したＧＰＳ対応の携帯通信端末としての携帯電話８１への適用例を示す。図１１は携帯電話８１の外観構成を示す概略正面図で、種々の構成例があるが、一例としてマイク部８２、入力操作部８３、スピーカ部８４、ＬＣＤ等による表示部８５等を備え、ヒンジ部８６により２つ折り構造とされている。
【００８６】
このような基本的な構成に加え、本実施の形態では、ＧＰＳ機能を発揮させるための地磁気の方位検知に利用する磁気センサ８７（前述した磁気センサ１，１１，２１，３１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）が表示部８５の裏面側に埋め込まれることにより搭載されている。
【００８７】
従って、携帯電話８１等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサ８７を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部８５の裏面側に埋め込み実装しているので、本実施の形態のような折り畳みタイプの携帯電話８１の場合であっても、表示面に近接又は一体化されるので、誤差が少なくなる。また、磁気センサ８７は受動的な部品であるので、他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部８５のように外来ノイズに敏感な箇所にも適合可能となる。
【００８８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の磁気センサによれば、少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含む薄膜磁気抵抗効果素子において、磁界検知用軟磁性体層の低保磁力化を行っても十分な感度が得られない原因を考えたところ、磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界の強さに起因していることが判明したものであり、反面、磁界検知用軟磁性体層の一部がこれに近接する硬磁性体層からの静磁気的な結合等によって磁化固定層が存在し、この磁化固定層によって磁界検知用軟磁性体層の磁区が比較的安定している点に着目し、磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界の強度を３Ｏｅ以下として極力異方性をつけないようにしたので、地磁気センサ等に用いる場合でも十分な感度を得ることができ、小型・軽量で高感度な磁気センサを提供することができる。
【００８９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、硬磁性体層が単層構造の場合だけでなく、反強磁性体層と強磁性体層とによるＰＩＮ層構造よりなる場合にも同様の作用・効果が得られるものであり、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００９０】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の磁気センサを実現する上で、反強磁性体層が単層構造の場合だけでなく、所定材料の積層構造からなる人工反強磁性体層構造よりなる場合にも同様の作用・効果が得られるものであり、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００９１】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁界検知用軟磁性体層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状としたので、形状異方性に伴う磁気異方性を低減させることができる上に、磁界の角度特性も向上させることができる。
【００９２】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４の何れか一記載の磁気センサにおいて、硬磁性体層の平面形状を円形形状（真円形状、楕円形状等）又はドーナツ形状としたので、磁化固定層も含めて形状異方性に伴う磁気異方性を低減させることができる上に、磁界の角度特性も向上させることができる。
【００９３】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子として構成されているので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００９４】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、薄膜磁気抵抗効果素子がｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子として構成されているので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００９５】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁界検知用軟磁性体層の両面に磁気固定層を有する構造としたので、磁界検知用軟磁性体層の保磁力を極めて小さくする場合に好適な構成を提供することができる。
【００９６】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の磁気センサにおいて、硬磁性体層同士の磁化方向の関係が平行状態に限られず、構成上ないしは作製上の自由度を向上させることができる。
【００９７】
請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の磁気センサにおいて、１つの磁気センサで磁界の２軸ベクトル検知を行わせることができる。
【００９８】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１ないし１０記載の磁気センサにおいて、当該磁気センサを直流ないしは低周波領域で使用する場合に問題となる商用電源からのノイズ等を電磁シールド部材によってカットすることができる。
【００９９】
請求項１２記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができ、さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【０１００】
請求項１３記載の発明の方位検知システムによれば、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルを利用することで、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用することができ、条件によっては、特に、加速度センサ等を併用することなく、当該センサのみで使用中の運動を検知することができる。また、回転運動の検知が可能であり、さらには、加速度センサ等を併用する一般的な使用法にも適用することができる。
【０１０１】
請求項１４記載の発明の携帯通信端末によれば、表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサを備えるので、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサを備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減化を図ることができ、特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化されるので、検知誤差を少なくすることができ、また、当該磁気センサは受動的な部品であるので、他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部のように外来ノイズに敏感な箇所にも適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【図２】その角度と回転磁界変化量との関係を示す磁界回転特性図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態の磁気センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図、（ｃ）はその硬磁性体層部分の概略縦断側面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態の磁気センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態の磁気センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【図６】本発明の第五の実施の形態の磁気センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【図７】本発明の第六の実施の形態の磁気センサを示す概略断面図である。
【図８】その変形例の磁気センサを示す概略断面図である。
【図９】本発明の第七の実施の形態の磁気センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【図１０】本発明の第八の実施の形態の方位検知システムの構成例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第九の実施の形態の携帯電話の構成例を示す概略正面図である。
【符号の説明】
１磁気センサ
２薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子
４，４Ａ，４Ｂ硬磁性体層（磁性体層）
４ａ反強磁性体層
４ｂ強磁性体層
５非磁性体絶縁層（非磁性体層）
６磁界感知用軟磁性体層（磁性体層）
１１，２１，３１，４１磁気センサ
４２薄膜磁気抵抗効果素子、ｃｐｐ型ＧＭＲ素子
５１，６１磁気センサ
７１磁気センサ
７４検知手段
７７異常検知手段
７８報知手段
８５表示部
８７磁気センサ

Claims

少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含み、前記磁性体層のうちで磁化反転可能な保磁力を有する磁界検知用軟磁性体層の一部がこれに近接する硬磁性体層により磁化固定層を含む薄膜磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁界検知用軟磁性体層の異方性磁界の強度が３Ｏｅ以下であることを特徴とする磁気センサ。
前記硬磁性体層は、反強磁性体層と強磁性体層とによるＰＩＮ層構造よりなることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
前記反強磁性体層は、人工反強磁性体層よりなることを特徴とする請求項２記載の磁気センサ。
前記磁界検知用軟磁性体層は、平面形状が円形形状又はドーナツ形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサ。
前記硬磁性体層は、平面形状が円形形状又はドーナツ形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載の磁気センサ。
前記薄膜磁気抵抗効果素子は、金属磁性体層、非磁性体絶縁層及び金属磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサ。
前記薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び金属磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサ。
前記磁界検知用軟磁性体層の両面に前記磁気固定層を持たせるように前記硬磁性体層を前記磁界検知用軟磁性体層の両面に積層配置させたことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサ。
両面に積層配置される前記硬磁性体層は、その磁化方向が非平行状態となる角度を有することを特徴とする請求項８記載の磁気センサ。
両面に積層配置される前記硬磁性体層は、その磁化方向が直交することを特徴とする請求項９記載の磁気センサ。
前記薄膜磁気抵抗効果素子の全面又はその一部が電磁シールド部材により覆われていることを特徴とする請求項１ないし１０記載の磁気センサ。
地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサと、
この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、
前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、
この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、
を備える方位検知システム。
３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の複数の磁気センサと、
これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、
を備える方位検知システム。
表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサを備える携帯通信端末。