JP2004354181A

JP2004354181A - Thin-film magnetic sensor

Info

Publication number: JP2004354181A
Application number: JP2003151524A
Authority: JP
Inventors: Nobukiyo Kobayashi; 伸聖小林; Kiwamu Shirakawa; 究白川; Yasushi Kaneda; 安司金田
Original assignee: Elect & Magn Alloys Res Inst; Daido Steel Co Ltd; Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Elect & Magn Alloys Res Inst; Daido Steel Co Ltd; Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP4334914B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To further improve sensitivity in the magnetic field of a GMR film in a thin-film magnetic sensor for arranging a thin-film yoke made of a soft magnetic material at both the sides of the GMR film having gigantic magnetoresistance effect. <P>SOLUTION: The thin-film magnetic sensor 20 comprises a pair of thin-film yokes 24, 24 that are made of a soft magnetic material and are allowed to oppose via gaps 24a; and the GMR film 26 that is formed between the gaps 24a so that the GMR film 26 can be electrically connected to the thin-film yokes 24, 24. In the thin-film magnetic sensor 20, GL/t<SB>f</SB>ratio is 20 or smaller, S<SB>f</SB>/S<SB>r</SB>ratio is 1 or smaller, (W<SB>m</SB>×t<SB>m</SB>/L<SP>2</SP>) ratio is 0.01 or smaller, FL/GL ratio is 20 or smaller, θ is 40° or higher and 90° or smaller, and/or W<SB>g</SB>/W<SB>f</SB>is 1 or smaller. Additionally, the tip section of the thin-film yokes 24, 24 may be made of a soft magnetic material having larger saturation magnetization than that of the rear end section. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位検出センサなどに好適な薄膜磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ：ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ＧａｉａｎｔＭＲ）センサ等に分類される。
【０００３】
これらの中でもＧＭＲセンサは、（１）ホールセンサやＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ_０（△ρ＝ρ_Ｈ−ρ_０：ρ_Ｈは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ_０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、（３）巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。
【０００４】
ＧＭＲ効果を示す材料としては、（１）強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、（２）強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、（３）スピン依存トンネル効果によってＭＲ効果が生ずるトンネル接合膜、（４）ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料、等が知られている。
【０００５】
これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。
【０００６】
一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、（２）電気比抵抗が桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と、低消費電力化が可能である、（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
【０００７】
そこでこの問題を解決するために、特許文献１には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、巨大磁気抵抗薄膜の磁界感度を上げる点が記載されている。また、同文献には、基板上に膜厚２μｍのパーマロイ薄膜（軟磁性膜）を形成し、パーマロイ薄膜にイオンビームエッチング装置を用いて幅約９μｍの隙間を作製し、隙間の部分にＣｏ_３８．６Ｙ_４１．０Ｏ_４７．４組成を有するナノグラニュラーＧＭＲ膜を積層する薄膜磁気センサの製造方法が記載されている。
【０００８】
また、特許文献２には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置した薄膜磁気抵抗素子において、磁界感度をさらに向上させるために、巨大磁気抵抗薄膜の膜厚を軟磁性薄膜の膜厚以下とする点が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−０８７８０４号公報の請求項１及び段落番号「００１９」
【特許文献２】
特開平１１−２７４５９９号公報の請求項１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
大きな飽和磁化を有し、透磁率の高い軟磁性材料は、磁界感度が極めて高く、相対的に弱い外部磁界で極めて大きな磁化を示す。そのため、軟磁性材料からなる薄膜ヨークで挟まれた狭いギャップ内に、薄膜ヨークと電気的に接続するように、大きな電気比抵抗を有し、かつ巨大磁気抵抗効果を有する薄膜（ＧＭＲ膜）を配置した薄膜磁気センサに対して外部磁界を作用させると、弱い外部磁界によって薄膜ヨークが磁化し、ＧＭＲ膜には、外部磁界の１００〜１００００倍の強い磁界が作用する。その結果、ＧＭＲ膜の磁界感度を著しく大きくすることができる。なお、ＧＭＲ膜としては、現在、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜が知られている。
【００１１】
また、特許文献２に記載されているように、ＧＭＲ膜の膜厚を薄膜ヨークの膜厚より薄くすると、薄膜ヨークから漏れる磁束が膜厚方向に分散するのが抑制されるので、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることができる。
【００１２】
しかしながら、ＧＭＲ膜の膜厚を薄膜ヨークの膜厚より薄くするだけでは、磁束の分散の抑制が不十分となる場合があり、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることが望まれている。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、高い電気比抵抗を有するＧＭＲ膜の両側に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを電気的に接続配置した薄膜磁気センサ（以下、単に「薄膜磁気センサ」という。）において、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、軟磁性材料からなり、かつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、該一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように前記ギャップ間に形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有するＧＭＲ膜と、前記薄膜ヨーク及び前記ＧＭＲ膜を支持する絶縁性・非磁性材料からなる絶縁基板とを備えた磁気センサであって、次のいずれか１以上の条件を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端側の膜厚（ｔ_ｆ）に対する前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔ_ｆ）が２０以下である。
（２）前記薄膜ヨークの後端側の断面積（Ｓ_ｒ）に対する前記薄膜ヨークの先端側の断面積（Ｓ_ｆ）の比（Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ）が１未満である。
（３）前記薄膜ヨークのギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、前記薄膜ヨークの横幅の平均値（Ｗ_ｍ）及び前記薄膜ヨークの膜厚の平均値（ｔ_ｍ）の積の比（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）が０．０１以下である（但し、Ｗ_ｍ＝（Ｗ_ｆ＋Ｗ_ｒ）／２、ｔ_ｍ＝（ｔ_ｆ＋ｔ_ｒ）／２。Ｗ_ｆ及びＷ_ｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅、ｔ_ｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚。）。
（４）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端に一定の横幅を有する平行部を備え、前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）に対する前記平行部のギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）が２０以下である。
（５）前記薄膜ヨークは、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁を備え、前記ギャップ長方向に対する前記外壁の角度（θ）が４０°以上９０°以下である。
（６）前記薄膜ヨークの先端側の横幅（Ｗ_ｆ）に対する前記ＧＭＲ膜の横幅（Ｗ_ｇ）の比（Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ）が１以下である。
（７）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる。
【００１５】
薄膜ヨークの先端側の膜厚に対するギャップ長の比（ＧＬ／ｔ_ｆ）を２０以下とすると、薄膜ヨーク先端から空間への磁束の分散が抑制される。また、薄膜ヨークの後端側断面積に対する先端側断面積の比（Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ）を１未満とすると、薄膜ヨーク先端の磁束密度を増大させることができる。また、薄膜ヨークのギャップ長方向の長さの２乗に対する、薄膜ヨークの横幅の平均値及び薄膜ヨークの膜厚の平均値の積の比（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）は、反磁界係数と相関があり、この値を０．０１以下にすると、薄膜ヨークのギャップ長方向の反磁界を小さくすることができる。但し、あまりのこの値が小さすぎると、つまり、Ｌが長すぎると、薄膜ヨークの磁気抵抗が大きくなりすぎ、ギャップ中を通る磁界が弱くなりすぎるので、この値は、好ましくは、１×１０^−６以下に留めるのがよい。
【００１６】
また、薄膜ヨークの先端に平行部を設け、ギャップ長に対する平行部のギャップ長方向の長さの比（ＦＬ／ＧＬ）を２０以下とすると、薄膜ヨークの先端から空間への磁束の分散が抑制される。また、薄膜ヨークにテーパ状の外壁を設け、外壁の角度（θ）を４０°以上９０°以下とすると、薄膜ヨーク先端の磁束密度増大させることができる。また、薄膜ヨークの先端側の横幅に対するＧＭＲ膜の横幅の比（Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ）を１以下とすると、薄膜ヨーク間の強い磁界のみがＧＭＲ膜に作用するため、磁界感度が向上する。さらに、薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる場合には、ギャップ長方向の反磁界を増大させることなく、ギャップ部に発生する磁界を増大させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）に、それぞれ、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０の平面図及び正面図を示す。
【００１８】
図１において、薄膜磁気センサ２０は、絶縁基板（図示せず）と、ギャップ２４ａを介して対向する一対の薄膜ヨーク２４、２４と、この一対の薄膜ヨーク２４、２４と電気的に接続されるようにギャップ２４ａ間に形成されたＧＭＲ膜２６とを備えている。また、各薄膜ヨーク２４、２４の後端（ギャップ２４ａに面していない端部）には、出力を取り出すための電極（図示せず）が接合される。さらに、薄膜ヨーク２４、２４及びＧＭＲ膜２６の上には、通常、これらを大気環境から遮断し、保護するための絶縁性・非磁性材料からなる保護膜（図示せず）が形成される。
【００１９】
初めに、絶縁基板について説明する。絶縁基板は、薄膜ヨーク２４、２４及びＧＭＲ膜２６を支持するためのものであり、絶縁性・非磁性材料からなる。絶縁基板の材質としては、具体的には、ガラス、あるいは、スパッタ膜によって表面を平坦化したアルミナ、熱酸化膜付Ｓｉ、アルミナ・チタンカーバイドなどのセラミックス等の高剛性材等が好適な一例として挙げられる。
【００２０】
絶縁基板の形状については、特に限定されるものではなく、薄膜磁気センサ２０の用途、要求特性等に応じて最適な形状を選択すれば良い。
【００２１】
薄膜磁気センサは、温度による基準電位の変動を防ぐため、通常、２個の素子を直列に接続し、中点電位を計測することによって外部磁界の検出を行うようになっている。また、薄膜磁気センサは、２つの素子の感磁軸が互いに直交するように配列させた直交形と、２個の素子の感磁軸が互いに平行になるように配列させた平行形に分類される。さらに、出力を倍にするために、４個の素子を用いてブリッジ回路を構成する場合もある。この場合、絶縁基板上に１個の素子のみを形成し、これを複数個組み合わせて用いても良く、あるいは、同一の絶縁基板上に複数個の素子を形成し、これらを接続して用いても良い。
【００２２】
次に、薄膜ヨーク２４、２４について説明する。薄膜ヨーク２４、２４は、ＧＭＲ膜２６の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨーク２４、２４には、透磁率μの高い材料を用いるのが好ましい。具体的には、その透磁率μは、１００以上が好ましく、さらに好ましくは、１０００以上である。
【００２３】
薄膜ヨーク２４、２４の材質としては、具体的には、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ_７４Ｓｉ_９Ａｌ_１７）、ハードパーム（Ｆｅ_１２Ｎｉ_８２Ｎｂ_６）、Ｃｏ_８８Ｎｂ_６Ｚｒ_６アモルファス合金、（Ｃｏ_９４Ｆｅ_６）_７０Ｓｉ_１５Ｂ_１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ_７５．６Ｓｉ_１３．２Ｂ_８．５Ｎｂ_１．９Ｃｕ_０．８）、ナノマックス（Ｆｅ_８３ＨＦ_６Ｃ_１１）、Ｆｅ_８５Ｚｒ_１０Ｂ_５合金、Ｆｅ_９３Ｓｉ_３Ｎ_４合金、Ｆｅ_７１Ｂ_１１Ｎ_１８合金、Ｆｅ_７１．３Ｎｄ_９．６Ｏ_１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_７０Ａｌ_１０Ｏ_２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_６５Ｆｅ_５Ａｌ_１０Ｏ_２０合金等が好適な一例として挙げられる。
【００２４】
次に、ＧＭＲ膜２６について説明する。ＧＭＲ膜２６は、外部磁界の変化を電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜２６のＭＲ比の絶対値は、外部磁界Ｈが数百（Ｏｅ）以下で、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。
【００２５】
また、本発明において、ＧＭＲ膜２６は、薄膜ヨーク２４、２４と直接、電気的に接続されるので、薄膜ヨーク２４、２４より高い電気比抵抗を有するものが用いられる。一般に、電気比抵抗が小さすぎる材料の場合には、薄膜ヨーク２４、２４間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、電気比抵抗が高すぎる材料の場合には、ノイズが増加し、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。ＧＭＲ膜２６の電気比抵抗は、１０^３Ωｃｍ以上１０^１２Ωｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０^４Ωｃｍ以上１０^１１Ωｃｍ以下である。
【００２６】
このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と高い電気比抵抗を有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。
【００２７】
ＧＭＲ膜２６として用いられる巨大磁気抵抗効果を有する金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、Ｃｏ−Ｙ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｆｅ−ＭｇＦ_２、ＦｅＣｏ−（ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＳｒＦ_２）、Ｆｅ−ＣａＦ_２等のフッ化物系ナノグラニュラー合金等が好適な一例として挙げられる。
【００２８】
次に、薄膜磁気センサ２０の形状及び材質、並びにＧＭＲ膜２６の形状について説明する。薄膜磁気センサ２０の磁界感度を向上させるためには、薄膜ヨーク２４、２４の形状及び材質は、ある一定の条件を満たしていることが望ましい。同様に、ＧＭＲ膜２６の形状は、薄膜ヨーク２４、２４との関係において、ある一定の条件を満たしていることが望ましい。具体的には、以下のような条件を満たしていることが好ましい。
【００２９】
（１）第１に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔ_ｆ）に対するギャップ２４ａのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔ_ｆ）は、２０以下が望ましい。ＧＬ／ｔ_ｆ比が２０を越える場合、すなわち、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔ_ｆ）に比べて、ギャップ長（ＧＬ）が相対的に長い場合には、薄膜ヨーク２４、２４から空間に向かって磁束が分散し、ＧＭＲ膜２６に作用する磁界が弱くなるので好ましくない。
【００３０】
ＧＬ／ｔ_ｆ比は、ギャップ２４ａ間に形成されるＧＭＲ膜２６の物理的性質が変化しない限り、及びＧＭＲ膜２６の形成に支障がない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、ＧＬ／ｔ_ｆ比は、好ましくは、５以下であり、さらに好ましくは、２以下である。
【００３１】
（２）第２に、薄膜ヨーク２４、２４の後端側の断面積（Ｓ_ｒ）に対する薄膜ヨークの２４、２４先端側の断面積（Ｓ_ｆ）の比（Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ）は、１未満が好ましい。Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を１未満とすると、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が増大し、ＧＭＲ膜２６に作用する磁界を強くすることができる。
【００３２】
Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比は、ＧＭＲ膜２６と薄膜ヨーク２４、２４との間の電気的接続が不安定にならない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比は、好ましくは、０．５以下であり、さらに好ましくは、０．１以下である。
【００３３】
なお、この第２条件は、単独で用いても良く、あるいは、上述した第１条件と組み合わせて用いても良い。
【００３４】
（３）第３に、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、薄膜ヨーク２４、２４の横幅の平均値（Ｗ_ｍ）及び薄膜ヨーク２４、２４の膜厚の平均値（ｔ_ｍ）の積の比（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）は、０．０１以下が好ましい。但し、Ｗ_ｍ＝（Ｗ_ｆ＋Ｗ_ｒ）／２、ｔ_ｍ＝（ｔ_ｆ＋ｔ_ｒ）／２である。また、Ｗ_ｆ及びＷ_ｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅であり、ｔ_ｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚である。
【００３５】
磁界中に棒状の磁性体を置くと、磁性体の両端に磁極が生じ、外部磁界とは逆方向の磁界（すなわち、「反磁界」）が生じる。反磁界の強さは、磁性体の形状に依存し、この形状に依存する因子を反磁界係数という。また、反磁界係数は、１／ｋ^２（但し、ｋは、磁性体の寸法比（＝長さ／直径））に比例することが知られている。すなわち、Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比は、反磁界係数に相関のある数値であり、この値が大きくなるほど反磁界は大きくなる。
【００３６】
本発明において、高い磁界感度を得るためには、Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比は、０．０１以下が好ましい。Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比が０．０１を越えると、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向の反磁界が相対的に大きくなり、薄膜ヨーク２４、２４の後端から流入・流出する磁界が減少するので好ましくない。Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比は、薄膜磁気センサ２０の形状が許す限りにおいて、小さい方が好ましい。ギャップ長方向の反磁界を小さくし、高い磁界感度を得るためには、Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比は、好ましくは、０．００３以下であり、さらに好ましくは、０．００２以下である。但し、Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比が小さくなりすぎると、すなわち、Ｌが相対的に長くなりすぎると、薄膜ヨーク２４、２４の磁気抵抗が大きくなりすぎ、ギャップ中を通る磁界が弱くなる。従って、Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２比は、１×１０^−６以上に留めるのがよい。
【００３７】
なお、この第３条件は、単独で用いても良く、あるいは、上述した第１条件又は第２条件のいずれか一方と組み合わせて用いても良い。さらに、第３条件に加えて、上述した第１条件及び第２条件の双方を組み合わせて用いても良い。
【００３８】
（４）第４に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端に、一定の横幅を有する平行部２４ｂ、２４ｂを備え、かつ、ギャップ２４ａのギャップ長（ＧＬ）に対する平行部２４ｂのギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）は、２０以下であることが望ましい。
【００３９】
薄膜ヨーク２４、２４の先端に平行部２４ｂ、２４ｂを設けると、薄膜ヨーク２４、２４の先端部分から空間への磁束の分散が抑制され、磁界感度を向上させることができる。磁束の分散を効果的に抑制するためには、ＦＬ／ＧＬ比は、好ましくは、１以上であり、さらに好ましくは、３以上である。
【００４０】
但し、ＦＬ／ＧＬ比が大きくなりすぎると、平行部２４ｂ、２４ｂから空間に漏れる磁束が増大し、磁界感度が低下する。高い磁界感度を得るためには、ＦＬ／ＧＬ比は、好ましくは、２０以下であり、さらに好ましくは、１５以下である。
【００４１】
なお、この第４条件は、単独で用いても良く、あるいは、上述した第１条件〜第３条件のいずれか１つと組み合わせて用いても良い。また、第１条件〜第２条件のいずれか２つと組み合わせて用いても良い。さらに、第４条件に加えて、上述した第１〜第３条件のすべてを組み合わせて用いても良い。
【００４２】
（５）第５に、薄膜ヨーク２４、２４は、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁２４ｃを備え、かつ、ギャップ長方向に対する外壁２４ｃの角度（θ）（以下、これを「外壁角度（θ）」という。）は、４０°以上９０°以下が望ましい。
【００４３】
薄膜ヨーク２４、２４にテーパ状の外壁２４ｃを設けると、後端から流入した磁束が先端側に向かうに従って絞られるために、先端側に行くほど磁束密度が高くなる。そのため、ＧＭＲ膜２６により強い磁界を作用させることができる。但し、外壁角度（θ）が４０°未満であると、磁界を高める作用が小さくなる。また、薄膜ヨーク２４、２４の先端に平行部２４ｂを有する場合において、ＦＬ／ＧＬ比が最適化されているときには、外壁角度（θ）が９０°に近づくほど、外壁２４ｃから空間への磁束の分散が抑制され、高い磁界感度が得られる。
【００４４】
なお、この第５条件は、単独で用いても良く、あるいは、上述した第１〜第４条件のいずれか１つと組み合わせて用いても良い。また、第１〜第４条件のいずれか２つと組み合わせて用いても良く、あるいは、第１〜第４条件のいずれか３つと組み合わせて用いても良い。さらに、第５条件に加えて、上述した第１〜第４条件のすべてを組み合わせて用いても良い。
【００４５】
（６）第６に、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の横幅（Ｗ_ｆ）に対するＧＭＲ膜２６の横幅（Ｗ_ｇ）の比（Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ）は、１以下が好ましい。薄膜ヨーク２４、２４の先端側の横幅に比べてＧＭＲ膜２６の横幅の方が広くなると、薄膜ヨーク２４、２４から漏れる磁束が横幅方向に分散するので好ましくない。Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比は、ＧＭＲ膜２６の物理的性質が変化しない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比は、好ましくは、０．９以下であり、さらに好ましくは、０．８以下である。
【００４６】
なお、この第６条件は、単独で用いても良く、あるいは、上述した第１〜第５条件のいずれか１つと組み合わせて用いても良い。また、第１〜第５条件のいずれか２つと組み合わせて用いても良く、第１〜第５条件のいずれか３つと組み合わせて用いても良く、あるいは、第１〜第５条件のいずれか４つと組み合わせて用いても良い。さらに、第６条件に加えて、上述した第１〜第５条件のすべてを組み合わせて用いても良い。
【００４７】
（７）第７に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなることが好ましい。
【００４８】
薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合、薄膜ヨーク２４、２４として飽和磁化Ｍｓの大きな材料を用いるほど、薄膜ヨーク２４、２４内に強い磁化が発生するので、ＧＭＲ膜２６に強い磁界を作用させることができる。薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合、薄膜ヨーク２４、２４の飽和磁化Ｍｓは、具体的には、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。
【００４９】
しかしながら、薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合において、その飽和磁化Ｍｓが１５（ｋＧａｕｓｓ）を越えると、磁界感度を高める効果に限界がある。
【００５０】
これに対し、薄膜ヨーク２４、２４の先端部分のみを、それ以外の部分より飽和磁化Ｍｓの大きい軟磁性材料で構成すると、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向に発生する反磁界を増大させることなく、薄膜ヨーク２４、２４の先端側部分の磁束を増大でき、かつ、飽和しにくくなるので、磁気抵抗も小さくできる。そのため、結果的に、磁界感度を向上させることができる。この方法は、後端側の断面積（Ｓ_ｒ）よりも先端側の断面積（Ｓ_ｆ）を小さくする場合に、特に有効な方法である。
【００５１】
この場合、薄膜ヨーク２４、２４の後端側を構成する軟磁性材料の飽和磁化（Ｍｓ_ｒ）に対する先端側を構成する軟磁性材料の飽和磁化（Ｍｓ_ｆ）の比（Ｍｓ_ｆ／Ｍｓ_ｒ）は、大きい程良い。
【００５２】
また、薄膜ヨーク２４、２４の先端側を構成する高飽和磁化材料からなる部分（図１中のハッチング領域）のギャップ長方向の長さ（Ｌ_ｆ）は、ＦＬと同程度で良い。
【００５３】
なお、図１には、薄膜ヨーク２４、２４の先端に形成された平行部２４ｂの一部が高飽和磁化材料で構成されている図が示されているが、これは単なる例示であり、平行部２４ｂ全体が高飽和磁化材料で構成されていても良い。あるいは、平行部２４ｂを越える領域が高飽和磁化材料で構成されていても良い。さらに、平行部２４ｂを備えていない薄膜ヨーク２４、２４の先端部分が高飽和磁化材料で構成されていても良い。
【００５４】
また、この第７条件は、単独で用いても良く、あるいは、上述した第１〜第６条件のいずれか１つと組み合わせて用いても良い。また、第１〜第６条件のいずれか２つと組み合わせて用いても良く、第１〜第６条件のいずれか３つと組み合わせて用いても良く、第１〜第６条件のいずれか４つと組み合わせて用いても良く、あるいは、第１〜第６条件のいずれか５つと組み合わせて用いても良い。さらに、第７条件に加えて、上述した第１〜第６条件のすべてを組み合わせて用いても良い。
【００５５】
さらに、上述した第１条件から第７条件までのいずれか１以上の条件に加えて、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚ｔ_ｆに対するＧＭＲ膜２６の膜厚（ｔ_ｇ）の比（ｔ_ｇ／ｔ_ｆ）が１以下という条件をさらに組み合わせても良い。ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比を１以下とすると、薄膜ヨーク２４、２４からの漏れ磁束の最も強い磁界のみがＧＭＲ膜へ作用させることができ、結果的に高感度となる。高い磁界感度を得るためには、ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比は、好ましくは、０．９以下であり、さらに好ましくは、０．８以下である。
【００５６】
本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０は、通常の薄膜積層技術を用いて製造することができる。すなわち、まず、絶縁基板の表面に、軟磁性材料からなる薄膜を堆積させ、エッチングにより上述した条件を満たす形状を備えた薄膜ヨーク２４、２４を形成する。次いで、ギャップ２４ａ近傍を除いてマスクし、ＧＭＲ膜２６を堆積させ、さらに電極及び保護膜を形成すると、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０が得られる。
【００５７】
あるいは、絶縁基板の表面に巨大磁気抵抗効果を有する材料からなる薄膜を堆積させ、エッチングにより所定の幅を有するＧＭＲ膜２６を形成する。次いで、ＧＭＲ膜２６の両側に軟磁性材料からなる薄膜を堆積させ、エッチングにより上述した条件を満たす形状を備えた薄膜ヨーク２４、２４を形成し、さらに電極及び保護膜を形成すると、本実施の形態に係る薄膜センサ２０が得られる。また、薄膜ヨーク２４、２４の先端に高飽和磁化材料を配置する場合には、軟磁性材料からなる薄膜の積層及びエッチングを所定回数繰り返せばよい。
【００５８】
本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨーク２４、２４が電気的に接続されているので、高い磁界感度を示す。しかも、薄膜ヨーク２４、２４及び／又はＧＭＲ膜２６の形状が最適化されているので、従来の薄膜磁気センサに比べて高い磁界感度を示す。
【００５９】
【実施例】
（実施例１）
無アルカリガラスからなる絶縁基板表面に、パーマロイ（８１％Ｎｉ−Ｆｅ、透磁率μ＝４０００、飽和磁化Ｍｓ＝１０（ｋＧａｕｓｓ））からなる軟磁性薄膜、及びＦｅＣｏ−ＭｇＦ_２からなるＧＭＲ膜を所定の順序で積層させることにより、図１に示す形状を有する薄膜磁気センサを作製した。
【００６０】
なお、本実施例においては、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔ_ｆ）及び後端側の膜厚（ｔ_ｒ）は、いずれも０．５μｍとした。また、薄膜ヨーク２４、２４の後端部の横幅Ｗ_ｒに対するギャップ長方向の長さ（Ｌ）の比（Ｌ／Ｗ_ｒ）は、１とした。また、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比は、０．１とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比は、０．００５５とし、ＦＬ／ＧＬ比は、１０とし、外壁角度θは、７０°とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比は、０．９とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比は、０．５とした。さらに、本実施例においては、ＧＬ／ｔ_ｆ比は、０．１から１００まで変化させた。
【００６１】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率△Ｒ／Ｒ_０（％）（但し、△Ｒ＝Ｒ（１Ｏｅ）−Ｒ（０Ｏｅ）、Ｒ_０＝Ｒ（０Ｏｅ））を測定した。図２に、その結果を示す。図２より、ＧＬ／ｔ_ｆ比が小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、ＧＬ／ｔ_ｆ比が小さくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４先端から空間への磁束の分散が抑制され、外部磁界により薄膜ヨーク内に発生した磁束がギャップ中のＧＭＲ膜に集中的に作用し、その電気抵抗が変化するためである。
【００６２】
実施例１の場合、ＧＬ／ｔ_ｆ比を２０以下とすると、電気抵抗変化率は、０．１（％）を越えた。また、ＧＬ／ｔ_ｆ比を８以下とすると、電気抵抗変化率は、０．４％を越えた。さらに、ＧＬ／ｔ_ｆ比を３以下とすると、電気抵抗変化率は、１％を越えた。
【００６３】
（実施例２）
ｔ_ｆ及びｔ_ｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗ_ｒ比を１とし、ＧＬ／ｔ_ｆ比を５とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、外壁角度θを７５°とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比を０．９とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比を０．５とし、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ（＝（Ｗ_ｆ×ｔ_ｆ）／（Ｗ_ｒ×ｔ_ｒ））比を０．０１から５まで変化させた以外は、実施例１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６４】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図３に、その結果を示す。図３より、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比が小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比が小さくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が高くなるためである。
【００６５】
本実施例の場合、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を１０以下とすると、電気抵抗変化率は、０．３（％）を越えた。また、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．３以下とすると、電気抵抗変化率は、０．４（％）を越えた。さらに、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．０７以下とすると、電気抵抗変化率は、０．７（％）を越えた。
【００６６】
（実施例３）
ｔ_ｆ及びｔ_ｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗ_ｒ比を１とし、ＧＬ／ｔ_ｆ比を５とし、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．１とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、外壁角度θを７５°とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比を０．９とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比を０．５とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を５×１０^−６から２×１０^−１まで変化させた以外は、実施例１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６７】
得られた薄膜磁気２０センサに対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図４に、その結果を示す。図４より、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比が約７×１０^−４以上の領域では、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比が小さくなるほど、ギャップ長方向の反磁界が小さくなるためである。一方、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比が７×１０^−４以下の領域では、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比小さくなるほど、電気抵抗変化率は若干低下した。これは、薄膜ヨーク２４、２４の長さ（Ｌ）が相対的に長くなりすぎると、薄膜ヨーク２４、２４から空間に分散する磁束が若干増大し、ギャップ磁界が相対的に低下するためである。
【００６８】
本実施例の場合、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．０１以下とすると、電気抵抗変化率は、０．２（％）を越えた。また、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．００２以下とすると、電気抵抗変化率は、０．３（％）を越えた。
【００６９】
（実施例４）
ｔ_ｆ及びｔ_ｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗ_ｒ比を２．０とし、ＧＬ／ｔ_ｆ比を５とし、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．２とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．０００３とし、外壁角度θを７９°とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比を０．９とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比を０．５とし、ＦＬ／ＧＬ比を０、１０又は４０とした以外は、実施例１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００７０】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図５に、その結果を示す。図５より、ＦＬ／ＧＬ比が１０前後において、電気抵抗変化率が極大を示すことが分かる。これは、ＦＬ／ＧＬ比が大きくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４の先端から漏れる磁束が少なくなるが、ＦＬ／ＧＬ比が相対的に大きくなりすぎると、平行部２４ｂ、２４ｂから空間に分散する磁束が増大するためである。
【００７１】
（実施例５）
ｔ_ｆ及びｔ_ｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗ_ｒ比を２．０とし、ＧＬ／ｔ_ｆ比を５とし、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．２とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．０００３とし、ＦＬ／ＧＬ比を２０とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比を０．９とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｆ比を０．５とし、外壁角度θを１２°、５０°又は８７°とした以外は、実施例１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００７２】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図６に、その結果を示す。図６より、外壁角度θが４０°を越えると、電気抵抗変化率が急激に増加することが分かる。これは、薄膜ヨーク２４、２４の先端に所定のＦＬ／ＧＬを有する平行部２４ｂ、２４ｂを備えている場合において、外壁角度θが４０°を越えると、薄膜ヨーク２４、２４先端から空間への磁束の分散が抑制されると同時に、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が増大するためである。
【００７３】
（実施例６）
ｔ_ｆ及びｔ_ｒを、それぞれ、０．５μｍとし、Ｌ／Ｗ_ｒ比を２とし、ＧＬ／ｔ_ｆ比を５とし、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．２とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｒ比を０．６とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．０００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比を０．２〜１．６まで変化させた以外は、実施例１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００７４】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図７に、その結果を示す。図７より、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比が１より大きくなると、急激に電気抵抗変化率が低下することがわかる。これは、ギャップの外にはみ出たＧＭＲ膜には、ギャップ中より弱い磁界しか印加されないためである。
【００７５】
（実施例７）
ｔ_ｆ及びｔ_ｒを、それぞれ、０．５μｍとし、Ｌ／Ｗ_ｒ比を２とし、ＧＬ／ｔ_ｆ比を５とし、Ｓ_ｆ／Ｓ_ｒ比を０．２とし、ｔ_ｇ／ｔ_ｒ比を０．７とし、（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比を０．０００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比を０．９とし、薄膜ヨークのＦＬ部分を、パーマロイ（飽和磁化Ｍｓ＝１０（ｋＧａｕｓｓ））より飽和磁化の大きなＣｏＦｅＳｉＢ系アモルファススパッタ膜により形成した以外は、実施例１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００７６】
なお、このＣｏＦｅＳｉＢ系アモルファススパッタ膜の組成を変え、飽和磁化Ｍｓが、それぞれ、１２（ｋＧａｕｓｓ）（試料Ｎｏ．２）及び１５（ｋＧａｕｓｓ）（試料Ｎｏ．３）の２種類を作製した。また、比較のため、ＦＬ部分が薄膜ヨーク本体と同一組成のパーマロイからなるもの（試料Ｎｏ．１）も作製した。
【００７７】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。表１に、その結果を示す。表１より、ＦＬ部の飽和磁化が大きくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、ＦＬ部の飽和磁化を大きくすることによって、薄膜ヨーク先端部分の磁束を増大でき、かつ磁気抵抗も小さくなるためである。
【００７８】
【表１】

【００７９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【００８０】
例えば、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークとを備えた本発明に係る素子は、磁気センサとして特に好適であるが、本発明に係る素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。
【００８１】
また、上記実施の形態では、薄膜ヨーク２４、２４の後端側を相対的に飽和磁化の小さい軟磁性材料で構成し、先端側を相対的に飽和磁化の大きい材料で構成した例について説明したが、薄膜ヨーク２４、２４を３種類以上の軟磁性材料からなる連続体で構成し、薄膜ヨーク２４、２４の後端側から先端側に向かって、飽和磁化Ｍｓを多段階に増大させても良い。
【００８２】
【発明の効果】
本発明に係る薄膜磁気センサは、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークが配置されていることに加えて、薄膜ヨークの形状及び材質、並びにＧＭＲ膜の形状が最適化されているので、従来の薄膜磁気センサに比べて、高い磁界感度を示すという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及び正面図である。
【図２】ＧＬ／ｔ_ｆ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図３】Ｗ_ｆ×ｔ_ｆ／Ｗ_ｒ×ｔ_ｒ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図４】（Ｗ_ｍ×ｔ_ｍ／Ｌ^２）比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図５】ＦＬ／ＧＬ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図６】外壁角度θと、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図７】Ｗ_ｇ／Ｗ_ｆ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【符号の説明】
２０薄膜磁気センサ
２４薄膜ヨーク
２４ａギャップ
２６ＧＭＲ膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin-film magnetic sensor, and more specifically, detection of rotation information of an axle of an automobile, a rotary encoder, an industrial gear, etc., a stroke position of a hydraulic cylinder / pneumatic cylinder, a position / speed of a slide of a machine tool, and the like. The present invention relates to a thin film magnetic sensor suitable for detecting information, detecting current information such as an arc current of an industrial welding robot, and detecting a geomagnetic direction.
[0002]
[Prior art]
The magnetic sensor includes an electromagnetic force (eg, current, voltage, power, magnetic field, magnetic flux, etc.), a mechanical quantity (eg, position, speed, acceleration, displacement, distance, tension, pressure, torque, temperature, humidity, etc.), It is an electronic device that converts a detected amount such as a biochemical amount into a voltage via a magnetic field. Magnetic sensors are classified into Hall sensors, anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors, giant magnetoresistive (GMR: Giant MR) sensors, and the like, according to the method of detecting a magnetic field.
[0003]
Among them, the GMR sensor has (1) the maximum value of the rate of change in electrical resistivity (that is, MR ratio = △ ρ / ρ) as compared with the Hall sensor or the AMR sensor. ₀ (△ ρ = ρ _H −ρ ₀ : Ρ _H Is the electrical resistivity in the external magnetic field H, ρ ₀ (2) The temperature change of the resistance value is smaller than that of the Hall sensor. (3) The material having the giant magnetoresistive effect is a thin film material. There are advantages such as being suitable for conversion. Therefore, the GMR sensor is expected to be applied as a high-sensitivity micro magnetic sensor used in computers, electric power, automobiles, home appliances, portable devices, and the like.
[0004]
Materials exhibiting the GMR effect include (1) a multilayer film of a ferromagnetic layer (for example, Permalloy) and a nonmagnetic layer (for example, Cu, Ag, Au, etc.), an antiferromagnetic layer, and a ferromagnetic layer (fixed). Layer), a non-magnetic layer and a ferromagnetic layer (free layer) having a four-layer structure (a so-called “spin valve”), a metal artificial lattice made of a metal artificial lattice, and (2) a ferromagnetic metal (for example, permalloy). A metal-metal nano-granular material comprising fine particles of a nanometer size and a grain boundary phase made of a non-magnetic metal (for example, Cu, Ag, Au, etc.); (3) a tunnel junction in which an MR effect is generated by a spin-dependent tunnel effect A film, a metal-insulating nanogranular material including (4) nm-sized ferromagnetic metal alloy fine particles and a grain boundary phase made of a nonmagnetic / insulating material are known.
[0005]
Among them, a multilayer film represented by a spin valve is generally characterized by high sensitivity in a low magnetic field. However, since a multilayer film needs to be laminated with thin films made of various materials with high precision, stability and yield are poor, and there is a limit in suppressing the manufacturing cost. Therefore, this kind of multilayer film is used only for a device having a large added value (for example, a magnetic head for a hard disk), and is applied to a magnetic sensor which is competing with an AMR sensor or a Hall sensor which is inexpensive. Is considered difficult. In addition, since there is a tendency that diffusion between the multilayer films easily occurs and the GMR effect is easily lost, there is a major disadvantage that heat resistance is poor.
[0006]
On the other hand, nanogranular materials are generally easy to produce and have good reproducibility. Therefore, if this is applied to a magnetic sensor, the cost of the magnetic sensor can be reduced. In particular, a metal-insulating nanogranular material (1) exhibits a high MR ratio exceeding 10% at room temperature if its composition is optimized, and (2) has a remarkably high electrical specific resistance. There are advantages such as miniaturization and low power consumption, and (3) it can be used in a high temperature environment unlike a spin valve film including an antiferromagnetic film having poor heat resistance. However, the metal-insulating nanogranular material has a problem that the magnetic field sensitivity in a low magnetic field is very small.
[0007]
In order to solve this problem, Patent Document 1 discloses that soft magnetic thin films are arranged at both ends of a giant magnetoresistive thin film to increase the magnetic field sensitivity of the giant magnetoresistive thin film. In the same document, a permalloy thin film (soft magnetic film) having a thickness of 2 μm is formed on a substrate, a gap of about 9 μm is formed in the permalloy thin film using an ion beam etching apparatus, and Co is formed in the gap. _38.6 Y _41.0 O _47.4 A method for manufacturing a thin-film magnetic sensor in which a nanogranular GMR film having a composition is laminated is described.
[0008]
Patent Document 2 discloses that in a thin-film magnetoresistive element in which soft magnetic thin films are disposed at both ends of a giant magnetoresistive thin film, the thickness of the giant magnetoresistive thin film is set to the thickness of the soft magnetic thin film in order to further improve the magnetic field sensitivity. The following points are described.
[0009]
[Patent Document 1]
Claim 1 of JP-A-11-087804 and paragraph number "0019"
[Patent Document 2]
Claim 1 of JP-A-11-274599
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
A soft magnetic material having high saturation magnetization and high magnetic permeability has extremely high magnetic field sensitivity and exhibits extremely high magnetization in a relatively weak external magnetic field. Therefore, a thin film (GMR film) having a large electric specific resistance and a giant magnetoresistive effect is provided in a narrow gap sandwiched between thin film yokes made of a soft magnetic material so as to be electrically connected to the thin film yoke. When an external magnetic field acts on the disposed thin-film magnetic sensor, the thin yoke is magnetized by the weak external magnetic field, and a strong magnetic field 100 to 10,000 times the external magnetic field acts on the GMR film. As a result, the magnetic field sensitivity of the GMR film can be significantly increased. As a GMR film, a metal-insulating nanogranular thin film is currently known.
[0011]
Further, as described in Patent Document 2, when the thickness of the GMR film is smaller than the thickness of the thin film yoke, dispersion of magnetic flux leaking from the thin film yoke in the thickness direction is suppressed. The magnetic field sensitivity can be further improved.
[0012]
However, simply making the thickness of the GMR film thinner than the thickness of the thin film yoke may not sufficiently suppress the dispersion of magnetic flux, and it is desired to further improve the magnetic field sensitivity of the GMR film.
[0013]
The problem to be solved by the present invention is a thin film magnetic sensor in which a thin film yoke made of a soft magnetic material is electrically connected and arranged on both sides of a GMR film having a high electric resistivity (hereinafter, simply referred to as “thin film magnetic sensor”). Is to further improve the magnetic field sensitivity of the GMR film.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a pair of thin film yokes made of a soft magnetic material and opposed to each other via a gap, and formed between the gap so as to be electrically connected to the pair of thin film yokes. A magnetic sensor comprising: a GMR film having a higher electrical resistivity than the soft magnetic material; and an insulating substrate made of an insulating and non-magnetic material for supporting the thin film yoke and the GMR film. The gist is to satisfy any one or more conditions.
(1) The thickness (t) on the tip side of the thin film yoke in contact with the GMR film _f ) To the gap length (GL) of the gap (GL / t) _f ) Is 20 or less.
(2) The cross-sectional area (S _r ) On the tip side of the thin film yoke (S) _f ) Ratio (S _f / S _r ) Is less than 1.
(3) The average value (W) of the width of the thin film yoke with respect to the square of the length (L) of the thin film yoke in the gap length direction. _m ) And the average value of the thickness of the thin film yoke (t _m ) Product ratio (W _m × t _m / L ² ) Is 0.01 or less (however, W _m = (W _f + W _r ) / 2, t _m = (T _f + T _r ) / 2. W _f And W _r Are the widths of the front and rear ends of the thin film yoke, respectively, t _r Is the film thickness on the rear end side of the thin film yoke. ).
(4) A parallel portion having a constant width is provided at the tip of the thin film yoke in contact with the GMR film, and the ratio (FL) of the length (FL) of the parallel portion in the gap length direction to the gap length (GL) of the gap is provided. / GL) is 20 or less.
(5) The thin film yoke has a tapered outer wall whose lateral width decreases linearly from the rear end side to the front end side, and the angle (θ) of the outer wall with respect to the gap length direction is 40 ° or more and 90 °. It is as follows.
(6) The lateral width (W _f ) With respect to the width (W) of the GMR film. _g ) Ratio (W _g / W _f ) Is 1 or less.
(7) The front end of the thin film yoke in contact with the GMR film is made of a soft magnetic material having a higher saturation magnetization than the rear end.
[0015]
The ratio of the gap length to the film thickness on the tip side of the thin film yoke (GL / t _f ) Is 20 or less, the dispersion of magnetic flux from the tip of the thin film yoke to the space is suppressed. Also, the ratio of the cross-sectional area on the front end side to the cross-sectional area on the rear end side of the thin film yoke (S _f / S _r ) Is less than 1, the magnetic flux density at the tip of the thin film yoke can be increased. The ratio of the product of the average value of the width of the thin film yoke and the average value of the film thickness of the thin film yoke to the square of the length of the thin film yoke in the gap length direction (W _m × t _m / L ² ) Has a correlation with the demagnetizing field coefficient. When this value is set to 0.01 or less, the demagnetizing field in the gap length direction of the thin film yoke can be reduced. However, if this value is too small, that is, if L is too long, the magnetic resistance of the thin film yoke becomes too large, and the magnetic field passing through the gap becomes too weak. ^-6 It is better to keep below.
[0016]
When a parallel portion is provided at the tip of the thin film yoke, and the ratio of the length of the parallel portion in the gap length direction to the gap length (FL / GL) is 20 or less, dispersion of magnetic flux from the tip of the thin film yoke to the space is suppressed. Is done. When a tapered outer wall is provided on the thin film yoke, and the angle (θ) of the outer wall is set to 40 ° or more and 90 ° or less, the magnetic flux density at the tip of the thin film yoke can be increased. The ratio of the width of the GMR film to the width of the tip of the thin film yoke (W _g / W _f If) is 1 or less, only the strong magnetic field between the thin film yokes acts on the GMR film, so that the magnetic field sensitivity is improved. Further, when the front end portion of the thin film yoke is made of a soft magnetic material having a higher saturation magnetization than the rear end side portion, the magnetic field generated in the gap portion can be increased without increasing the demagnetizing field in the gap length direction. it can.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1A and 1B are a plan view and a front view, respectively, of a thin-film magnetic sensor 20 according to an embodiment of the present invention.
[0018]
In FIG. 1, a thin-film magnetic sensor 20 is electrically connected to an insulating substrate (not shown), a pair of thin-film yokes 24 facing each other via a gap 24a, and the pair of thin-film yokes 24. GMR film 26 formed between gaps 24a as described above. Further, an electrode (not shown) for extracting an output is joined to a rear end (an end not facing the gap 24a) of each of the thin film yokes 24, 24. Further, on the thin film yokes 24, 24 and the GMR film 26, usually, a protection film (not shown) made of an insulating and non-magnetic material for shielding and protecting them from the air environment is formed.
[0019]
First, the insulating substrate will be described. The insulating substrate is for supporting the thin-film yokes 24, 24 and the GMR film 26, and is made of an insulating and non-magnetic material. As a material of the insulating substrate, specifically, glass, or a highly rigid material such as alumina, whose surface is flattened by a sputtered film, Si with a thermal oxide film, ceramics such as alumina / titanium carbide, and the like are preferable examples. No.
[0020]
The shape of the insulating substrate is not particularly limited, and an optimum shape may be selected according to the use of the thin-film magnetic sensor 20, required characteristics, and the like.
[0021]
In order to prevent a reference potential from fluctuating due to temperature, a thin-film magnetic sensor is usually configured to connect two elements in series and detect an external magnetic field by measuring a midpoint potential. The thin film magnetic sensors are classified into an orthogonal type in which the magnetic sensing axes of the two elements are arranged so as to be orthogonal to each other, and a parallel type in which the magnetic sensing axes of the two elements are arranged so as to be parallel to each other. You. Further, in order to double the output, a bridge circuit may be configured using four elements. In this case, only one element may be formed on the insulating substrate, and a plurality of these elements may be used in combination. Alternatively, a plurality of elements may be formed on the same insulating substrate and connected to each other. Is also good.
[0022]
Next, the thin film yokes 24 will be described. The thin film yokes 24, 24 are for increasing the magnetic field sensitivity of the GMR film 26, and are made of a soft magnetic material. In order to obtain high magnetic field sensitivity to a weak magnetic field, it is preferable to use a material having a high magnetic permeability μ for the thin film yokes 24, 24. Specifically, the magnetic permeability μ is preferably 100 or more, more preferably 1000 or more.
[0023]
As the material of the thin film yokes 24, 24, specifically, permalloy (40-90% Ni-Fe alloy), sendust (Fe ₇₄ Si ₉ Al ₁₇ ), Hard Palm (Fe ₁₂ Ni ₈₂ Nb ₆ ), Co ₈₈ Nb ₆ Zr ₆ Amorphous alloy, (Co ₉₄ Fe ₆ ) ₇₀ Si _Fifteen B _Fifteen Amorphous alloy, Finemet (Fe _75.6 Si _13.2 B _8.5 Nb _1.9 Cu _0.8 ), Nanomax (Fe ₈₃ HF ₆ C ₁₁ ), Fe ₈₅ Zr ₁₀ B ₅ Alloy, Fe ₉₃ Si ₃ N ₄ Alloy, Fe ₇₁ B ₁₁ N ₁₈ Alloy, Fe _71.3 Nd _9.6 O _19.1 Nano-granular alloy, Co ₇₀ Al ₁₀ O ₂₀ Nano-granular alloy, Co ₆₅ Fe ₅ Al ₁₀ O ₂₀ An alloy is a preferred example.
[0024]
Next, the GMR film 26 will be described. The GMR film 26 is for detecting a change in an external magnetic field as a change in voltage, and is made of a material having a giant magnetoresistance effect. In order to detect a change in the external magnetic field with high sensitivity, the absolute value of the MR ratio of the GMR film 26 is preferably several hundred (Oe) or less, preferably 5% or more, and more preferably 10% or more. It is.
[0025]
In the present invention, since the GMR film 26 is directly and electrically connected to the thin-film yokes 24, 24, a film having a higher electrical resistivity than the thin-film yokes 24, 24 is used. In general, a material having an electric resistivity that is too small is not preferable because an electrical short circuit occurs between the thin film yokes 24. On the other hand, if the material has too high an electric resistivity, noise increases, and it becomes difficult to detect a change in an external magnetic field as a voltage change. The electrical resistivity of the GMR film 26 is 10 ³ Ωcm or more 10 ¹² Ωcm or less, more preferably 10 Ωcm or less. ⁴ Ωcm or more 10 ¹¹ Ωcm or less.
[0026]
There are various materials satisfying such conditions, and among them, the above-mentioned metal-insulating nanogranular material is particularly preferable. Metal-insulating nano-granular materials not only have a high MR ratio and a high electrical resistivity, but also do not have a large fluctuation in the MR ratio due to slight compositional fluctuations. And it can be manufactured at low cost.
[0027]
As the metal-insulating nanogranular material having a giant magnetoresistance effect used for the GMR film 26, specifically, Co-Y ₂ O ₃ -Based nano-granular alloy, Co-Al ₂ O ₃ -Based nano-granular alloy, Co-Sm ₂ O ₃ -Based nano-granular alloy, Co-Dy ₂ O ₃ -Based nano-granular alloy, FeCo-Y ₂ O ₃ -Based nano-granular alloy, Fe-MgF ₂ , FeCo- (MgF ₂ , CaF ₂ , BaF ₂ , SrF ₂ ), Fe-CaF ₂ Preferred examples thereof include a fluoride-based nanogranular alloy.
[0028]
Next, the shape and material of the thin-film magnetic sensor 20 and the shape of the GMR film 26 will be described. In order to improve the magnetic field sensitivity of the thin-film magnetic sensor 20, it is desirable that the shapes and materials of the thin-film yokes 24, 24 satisfy certain conditions. Similarly, the shape of the GMR film 26 desirably satisfies certain conditions in relation to the thin films yokes 24, 24. Specifically, it is preferable that the following conditions are satisfied.
[0029]
(1) First, the thickness (t) of the thin film yokes 24, 24 in contact with the GMR film 26 on the tip side _f ) To the gap length (GL) of the gap 24a (GL / t). _f ) Is preferably 20 or less. GL / t _f If the ratio exceeds 20, that is, the film thickness (t _f If the gap length (GL) is relatively long as compared with the case (1), the magnetic flux is dispersed from the thin film yokes 24, 24 toward the space, and the magnetic field acting on the GMR film 26 is not preferable.
[0030]
GL / t _f The smaller the ratio, the better, as long as the physical properties of the GMR film 26 formed between the gaps 24a do not change and as long as the formation of the GMR film 26 is not hindered. To obtain high magnetic field sensitivity, GL / t _f The ratio is preferably 5 or less, more preferably 2 or less.
[0031]
(2) Second, the cross-sectional area (S _r ), The cross-sectional area (S _f ) Ratio (S _f / S _r ) Is preferably less than 1. S _f / S _r When the ratio is less than 1, the magnetic flux density at the tips of the thin films yokes 24, 24 increases, and the magnetic field acting on the GMR film 26 can be increased.
[0032]
S _f / S _r The smaller the ratio, the better, as long as the electrical connection between the GMR film 26 and the thin-film yokes 24, 24 does not become unstable. To obtain high magnetic field sensitivity, S _f / S _r The ratio is preferably less than or equal to 0.5, more preferably less than or equal to 0.1.
[0033]
Note that the second condition may be used alone or in combination with the first condition described above.
[0034]
(3) Third, the average value (W) of the width of the thin films yokes 24, 24 with respect to the square of the length (L) of the thin films yokes 24, 24 in the gap length direction. _m ) And the average value of the film thicknesses of the thin film yokes 24, 24 (t _m ) Product ratio (W _m × t _m / L ² ) Is preferably 0.01 or less. Where W _m = (W _f + W _r ) / 2, t _m = (T _f + T _r ) / 2. Also, W _f And W _r Are the lateral widths of the thin film yoke on the front end side and the rear end side, respectively, and t is _r Is the film thickness on the rear end side of the thin film yoke.
[0035]
When a bar-shaped magnetic material is placed in a magnetic field, magnetic poles are generated at both ends of the magnetic material, and a magnetic field in a direction opposite to the external magnetic field (that is, “anti-magnetic field”) is generated. The strength of the demagnetizing field depends on the shape of the magnetic body, and a factor depending on this shape is called a demagnetizing factor. The demagnetizing factor is 1 / k ² (However, k is known to be proportional to the dimensional ratio (= length / diameter) of the magnetic material). That is, W _m × t _m / L ² The ratio is a numerical value having a correlation with the demagnetizing coefficient, and the demagnetizing field increases as the value increases.
[0036]
In the present invention, in order to obtain high magnetic field sensitivity, W _m × t _m / L ² The ratio is preferably 0.01 or less. W _m × t _m / L ² If the ratio exceeds 0.01, the demagnetizing field in the gap length direction of the thin-film yokes 24, 24 becomes relatively large, and the magnetic field flowing in and out from the rear ends of the thin-film yokes 24, 24 is not preferable. W _m × t _m / L ² The ratio is preferably as small as the shape of the thin film magnetic sensor 20 allows. In order to reduce the demagnetizing field in the gap length direction and obtain high magnetic field sensitivity, W _m × t _m / L ² The ratio is preferably 0.003 or less, more preferably 0.002 or less. Where W _m × t _m / L ² If the ratio becomes too small, that is, if L becomes too long, the magnetic resistance of the thin film yokes 24, 24 becomes too large, and the magnetic field passing through the gap becomes weak. Therefore, W _m × t _m / L ² The ratio is 1 × 10 ^-6 It is better to keep it above.
[0037]
Note that the third condition may be used alone, or may be used in combination with any one of the first and second conditions described above. Furthermore, in addition to the third condition, both the above-described first condition and second condition may be used in combination.
[0038]
(4) Fourth, the thin film yokes 24, 24 in contact with the GMR film 26 are provided with

parallel portions

24b, 24b having a constant lateral width at the tips, and the gap of the parallel portion 24b with respect to the gap length (GL) of the gap 24a. The ratio (FL / GL) of the length (FL) in the long direction is desirably 20 or less.
[0039]
When the

parallel portions

24b, 24b are provided at the distal ends of the thin film yokes 24, 24, the dispersion of magnetic flux from the distal end portions of the thin film yokes 24, 24 to the space can be suppressed, and the magnetic field sensitivity can be improved. In order to effectively suppress the dispersion of the magnetic flux, the FL / GL ratio is preferably 1 or more, and more preferably 3 or more.
[0040]
However, if the FL / GL ratio becomes too large, the magnetic flux leaking from the

parallel portions

24b, 24b into the space increases, and the magnetic field sensitivity decreases. In order to obtain high magnetic field sensitivity, the FL / GL ratio is preferably 20 or less, more preferably 15 or less.
[0041]
The fourth condition may be used alone, or may be used in combination with any one of the above-described first to third conditions. In addition, it may be used in combination with any two of the first condition and the second condition. Further, in addition to the fourth condition, all of the above-described first to third conditions may be used in combination.
[0042]
(5) Fifth, the thin-film yokes 24, 24 are provided with a tapered outer wall 24c whose lateral width decreases linearly from the rear end side to the front end side, and the angle of the outer wall 24c with respect to the gap length direction ( θ) (hereinafter referred to as “outer wall angle (θ)”) is preferably 40 ° or more and 90 ° or less.
[0043]
When the tapered outer wall 24c is provided on the thin film yokes 24, the magnetic flux flowing from the rear end is narrowed toward the front end, so that the magnetic flux density becomes higher toward the front end. Therefore, a stronger magnetic field can be applied to the GMR film 26. However, if the outer wall angle (θ) is less than 40 °, the effect of increasing the magnetic field is reduced. In the case where the thin film yokes 24, 24 have a parallel portion 24b at the tip thereof, when the FL / GL ratio is optimized, as the outer wall angle (θ) approaches 90 °, the magnetic flux from the outer wall 24c to the space increases. Dispersion is suppressed, and high magnetic field sensitivity is obtained.
[0044]
The fifth condition may be used alone, or may be used in combination with any one of the first to fourth conditions described above. Further, it may be used in combination with any two of the first to fourth conditions, or may be used in combination with any three of the first to fourth conditions. Further, in addition to the fifth condition, all of the above-described first to fourth conditions may be used in combination.
[0045]
(6) Sixth, the lateral width (W _f ) Of the GMR film 26 with respect to the width (W _g ) Ratio (W _g / W _f ) Is preferably 1 or less. If the lateral width of the GMR film 26 is wider than the lateral width of the thin film yokes 24, 24, the magnetic flux leaking from the thin film yokes 24, 24 is undesirably dispersed in the lateral width direction. W _g / W _f The smaller the ratio, the better, as long as the physical properties of the GMR film 26 do not change. To obtain high magnetic field sensitivity, W _g / W _f The ratio is preferably 0.9 or less, more preferably 0.8 or less.
[0046]
The sixth condition may be used alone or in combination with any one of the above-described first to fifth conditions. Further, it may be used in combination with any two of the first to fifth conditions, may be used in combination with any three of the first to fifth conditions, or may be used in combination with any one of the first to fifth conditions. You may use it in combination with one. Further, in addition to the sixth condition, all of the above-described first to fifth conditions may be used in combination.
[0047]
(7) Seventh, it is preferable that the leading end portions of the thin film yokes 24, 24 in contact with the GMR film 26 are made of a soft magnetic material having a larger saturation magnetization than the trailing end portion.
[0048]
When the entire thin film yokes 24, 24 are made of a single soft magnetic material, the stronger the material having a large saturation magnetization Ms is used as the thin film yokes 24, 24, the stronger the magnetization is generated in the thin film yokes 24, 24. A strong magnetic field. When the entire thin film yokes 24, 24 are made of a single soft magnetic material, the saturation magnetization Ms of the thin film yokes 24, 24 is specifically preferably 5 (kGauss) or more, more preferably 10 (kGauss) or more. It is.
[0049]
However, when the entire thin film yokes 24, 24 are made of a single soft magnetic material and the saturation magnetization Ms exceeds 15 (kGauss), there is a limit to the effect of increasing the magnetic field sensitivity.
[0050]
On the other hand, if only the leading end portions of the thin film yokes 24, 24 are made of a soft magnetic material having a larger saturation magnetization Ms than the other portions, the demagnetizing field generated in the gap length direction of the thin film yokes 24, 24 is increased. In addition, the magnetic flux at the front end portions of the thin-film yokes 24, 24 can be increased, and it is difficult to saturate, so that the magnetic resistance can be reduced. Therefore, as a result, the magnetic field sensitivity can be improved. In this method, the sectional area (S _r ), The cross-sectional area (S _f This is a particularly effective method for reducing the value of).
[0051]
In this case, the saturation magnetization (Ms) of the soft magnetic material constituting the rear end side of the thin film yokes 24, 24 _r ), The saturation magnetization (Ms) of the soft magnetic material constituting the tip side. _f ) Ratio (Ms _f / Ms _r ) Is bigger is better.
[0052]
In addition, the length (L) of the portion (hatched region in FIG. 1) of the thin-film yokes 24, 24 that is made of a highly-saturated magnetic material and constitutes the distal end side is defined as _f ) May be about the same as FL.
[0053]
FIG. 1 shows a diagram in which a part of the parallel portion 24b formed at the tip of the thin film yokes 24, 24 is made of a highly saturated magnetized material. The entire portion 24b may be made of a high saturation magnetization material. Alternatively, the region beyond the parallel portion 24b may be made of a high saturation magnetization material. Further, the tip portions of the thin film yokes 24, 24 having no parallel portion 24b may be made of a high saturation magnetization material.
[0054]
Further, the seventh condition may be used alone, or may be used in combination with any one of the above-described first to sixth conditions. Further, it may be used in combination with any two of the first to sixth conditions, may be used in combination with any three of the first to sixth conditions, or may be used in combination with any four of the first to sixth conditions. May be used, or may be used in combination with any five of the first to sixth conditions. Further, in addition to the seventh condition, all of the above-described first to sixth conditions may be used in combination.
[0055]
Further, in addition to any one or more conditions from the first condition to the seventh condition described above, the film thickness t on the tip side of the thin film yokes 24, 24 _f Of the GMR film 26 with respect to _g ) Ratio (t _g / T _f ) May be further combined. t _g / T _f When the ratio is 1 or less, only the strongest magnetic field of the leakage magnetic flux from the thin-film yokes 24, 24 can act on the GMR film, resulting in high sensitivity. To obtain high magnetic field sensitivity, t _g / T _f The ratio is preferably 0.9 or less, more preferably 0.8 or less.
[0056]
The thin-film magnetic sensor 20 according to the present embodiment can be manufactured using a normal thin-film lamination technique. That is, first, a thin film made of a soft magnetic material is deposited on the surface of the insulating substrate, and the thin film yokes 24, 24 having a shape satisfying the above-described conditions are formed by etching. Next, by masking except for the vicinity of the gap 24a, depositing the GMR film 26, and further forming an electrode and a protective film, the thin-film magnetic sensor 20 according to the present embodiment is obtained.
[0057]
Alternatively, a thin film made of a material having a giant magnetoresistance effect is deposited on the surface of the insulating substrate, and the GMR film 26 having a predetermined width is formed by etching. Next, a thin film made of a soft magnetic material is deposited on both sides of the GMR film 26, the thin films yokes 24, 24 having a shape satisfying the above-described conditions are formed by etching, and further, electrodes and a protective film are formed. The thin film sensor 20 according to the embodiment is obtained. When a high saturation magnetization material is disposed at the tips of the thin film yokes 24, the lamination and etching of a thin film made of a soft magnetic material may be repeated a predetermined number of times.
[0058]
The thin-film magnetic sensor 20 according to the present embodiment exhibits high magnetic field sensitivity because the thin-film yokes 24, 24 made of a soft magnetic material are electrically connected to both ends of the GMR film having a giant magnetoresistance effect. In addition, since the shapes of the thin-film yokes 24, 24 and / or the GMR film 26 are optimized, the magnetic field sensitivity is higher than that of a conventional thin-film magnetic sensor.
[0059]
【Example】
(Example 1)
A soft magnetic thin film made of permalloy (81% Ni—Fe, permeability μ = 4000, saturation magnetization Ms = 10 (kGauss)) on an insulating substrate surface made of alkali-free glass, and FeCo—MgF ₂ By laminating the GMR films made of in a predetermined order, a thin-film magnetic sensor having the shape shown in FIG. 1 was produced.
[0060]
In the present embodiment, the film thickness (t _f ) And the film thickness on the rear end side (t _r ) Is 0.5 μm. Also, the width W of the rear end of the thin film yokes 24, 24 _r (L / W) _r ) Is 1. Also, S _f / S _r The ratio is 0.1 and (W _m × t _m / L ² ) Ratio is 0.0055, FL / GL ratio is 10, outer wall angle θ is 70 °, W _g / W _f The ratio is 0.9 and t _g / T _f The ratio was 0.5. Further, in this embodiment, GL / t _f The ratio was varied from 0.1 to 100.
[0061]
An external magnetic field of 2 (Oe) is applied to the obtained thin-film magnetic sensor 20 in the gap length direction to change the electric resistance change rate R / R ₀ (%) (Provided that △ R = R (1Oe) -R (0Oe), R ₀ = R (0 Oe)). FIG. 2 shows the results. From FIG. 2, GL / t _f It can be seen that the smaller the ratio, the larger the rate of change in electrical resistance. This is GL / t _f As the ratio becomes smaller, the dispersion of the magnetic flux from the thin film yokes 24, 24 to the space is suppressed, and the magnetic flux generated in the thin film yoke by the external magnetic field acts more intensively on the GMR film in the gap, and the electric resistance changes. To do that.
[0062]
In the case of the first embodiment, GL / t _f When the ratio was 20 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 0.1 (%). Also, GL / t _f When the ratio was 8 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 0.4%. Further, GL / t _f When the ratio was set to 3 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 1%.
[0063]
(Example 2)
t _f And t _r Are set to 0.5 μm, respectively, and L / W _r The ratio is 1 and GL / t _f The ratio is set to 5 and (W _m × t _m / L ² ) Ratio is 0.005, FL / GL ratio is 10, outer wall angle θ is 75 °, W _g / W _f Ratio is 0.9 and t _g / T _f The ratio is 0.5 and S _f / S _r (= (W _f × t _f ) / (W _r × t _r )) A thin-film magnetic sensor 20 was manufactured according to the same procedure as in Example 1 except that the ratio was changed from 0.01 to 5.
[0064]
An external magnetic field of 2 (Oe) was applied to the obtained thin film magnetic sensor 20 in the gap length direction, and the rate of change in electric resistance was measured. FIG. 3 shows the result. From FIG. 3, S _f / S _r It can be seen that the smaller the ratio, the larger the rate of change in electrical resistance. This is S _f / S _r This is because the smaller the ratio, the higher the magnetic flux density at the tip of the thin film yokes 24, 24.
[0065]
In the case of this embodiment, S _f / S _r When the ratio was 10 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 0.3 (%). Also, S _f / S _r When the ratio was 0.3 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 0.4 (%). Furthermore, S _f / S _r When the ratio was 0.07 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 0.7 (%).
[0066]
(Example 3)
t _f And t _r Are set to 0.5 μm, respectively, and L / W _r The ratio is 1 and GL / t _f Suppose the ratio is 5 and S _f / S _r The ratio is 0.1, the FL / GL ratio is 10, the outer wall angle θ is 75 °, and W _g / W _f Ratio is 0.9 and t _g / T _f The ratio is 0.5, and (W _m × t _m / L ² ) Ratio of 5 × 10 ^-6 From 2 × 10 ^-1 A thin-film magnetic sensor 20 was manufactured according to the same procedure as in Example 1 except that the thickness was changed to.
[0067]
An external magnetic field of 2 (Oe) was applied to the obtained thin film magnetic 20 sensor in the gap length direction, and the rate of change in electric resistance was measured. FIG. 4 shows the results. From FIG. 4, (W _m × t _m / L ² ) Ratio is about 7 × 10 ^-4 In the above area, (W _m × t _m / L ² ) It can be seen that the smaller the ratio, the larger the rate of change in electrical resistance. This is (W _m × t _m / L ² This is because the smaller the ratio, the smaller the demagnetizing field in the gap length direction. On the other hand, (W _m × t _m / L ² ) Ratio 7 × 10 ^-4 In the following areas, (W _m × t _m / L ² ) As the ratio became smaller, the rate of change in electric resistance slightly decreased. This is because if the length (L) of the thin film yokes 24, 24 becomes too long, the magnetic flux dispersed from the thin film yokes 24, 24 into the space slightly increases, and the gap magnetic field relatively decreases. .
[0068]
In the case of this embodiment, (W _m × t _m / L ² ) When the ratio was 0.01 or less, the rate of change in electric resistance exceeded 0.2 (%). Also, (W _m × t _m / L ² ) When the ratio is 0.002 or less, the rate of change in electric resistance exceeds 0.3 (%).
[0069]
(Example 4)
t _f And t _r Are set to 0.5 μm, respectively, and L / W _r The ratio is 2.0 and GL / t _f Suppose the ratio is 5 and S _f / S _r The ratio is 0.2 and (W _m × t _m / L ² ) Ratio 0.0003, outer wall angle θ 79 °, W _g / W _f Ratio is 0.9 and t _g / T _f A thin-film magnetic sensor 20 was manufactured according to the same procedure as in Example 1 except that the ratio was set to 0.5 and the FL / GL ratio was set to 0, 10, or 40.
[0070]
An external magnetic field of 2 (Oe) was applied to the obtained thin film magnetic sensor 20 in the gap length direction, and the rate of change in electric resistance was measured. FIG. 5 shows the result. FIG. 5 shows that the electric resistance change rate shows a maximum when the FL / GL ratio is around 10. This is because, as the FL / GL ratio increases, the magnetic flux leaking from the tips of the thin film yokes 24, 24 decreases, but when the FL / GL ratio relatively increases relatively, the magnetic flux dispersed from the

parallel portions

24b, 24b to the space. Is to increase.
[0071]
(Example 5)
t _f And t _r Are set to 0.5 μm, respectively, and L / W _r The ratio is 2.0 and GL / t _f Suppose the ratio is 5 and S _f / S _r The ratio is 0.2 and (W _m × t _m / L ² ) Ratio 0.0003, FL / GL ratio 20 and W _g / W _f Ratio is 0.9 and t _g / T _f A thin-film magnetic sensor 20 was manufactured according to the same procedure as in Example 1, except that the ratio was 0.5 and the outer wall angle θ was 12, 50, or 87 °.
[0072]
An external magnetic field of 2 (Oe) was applied to the obtained thin film magnetic sensor 20 in the gap length direction, and the rate of change in electric resistance was measured. FIG. 6 shows the result. FIG. 6 shows that when the outer wall angle θ exceeds 40 °, the electrical resistance change rate sharply increases. This is because when the outer wall angle θ exceeds 40 ° when the

parallel portions

24b, 24b having a predetermined FL / GL are provided at the tips of the thin film yokes 24, 24, the space from the tips of the thin film yokes 24, 24 to the space is increased. This is because the dispersion of the magnetic flux is suppressed and the magnetic flux density at the tip of the thin film yokes 24, 24 increases.
[0073]
(Example 6)
t _f And t _r Are set to 0.5 μm, respectively, and L / W _r The ratio is 2 and GL / t _f Suppose the ratio is 5 and S _f / S _r The ratio is 0.2 and t _g / T _r The ratio is 0.6, and (W _m × t _m / L ² ) Ratio 0.0005, FL / GL ratio 10 and W _g / W _f A thin-film magnetic sensor 20 was manufactured according to the same procedure as in Example 1 except that the ratio was changed from 0.2 to 1.6.
[0074]
An external magnetic field of 2 (Oe) was applied to the obtained thin film magnetic sensor 20 in the gap length direction, and the rate of change in electric resistance was measured. FIG. 7 shows the result. According to FIG. _g / W _f It can be seen that when the ratio is greater than 1, the rate of change in electrical resistance sharply decreases. This is because only a weaker magnetic field is applied to the GMR film protruding outside the gap than in the gap.
[0075]
(Example 7)
t _f And t _r Are set to 0.5 μm, respectively, and L / W _r The ratio is 2 and GL / t _f Suppose the ratio is 5 and S _f / S _r The ratio is 0.2 and t _g / T _r The ratio is 0.7 and (W _m × t _m / L ² ) Ratio 0.0005, FL / GL ratio 10 and W _g / W _f The same procedure as in Example 1 was followed except that the ratio was 0.9 and the FL portion of the thin film yoke was formed of a CoFeSiB-based amorphous sputtered film having a saturation magnetization higher than that of permalloy (saturation magnetization Ms = 10 (kGauss)). A thin-film magnetic sensor 20 was manufactured.
[0076]
The composition of the CoFeSiB-based amorphous sputtered film was changed, and two types of saturation magnetization Ms, 12 (kGauss) (sample No. 2) and 15 (kGauss) (sample No. 3), were prepared. For comparison, a FL portion made of permalloy having the same composition as that of the thin film yoke main body (sample No. 1) was also manufactured.
[0077]
An external magnetic field of 2 (Oe) was applied to the obtained thin film magnetic sensor 20 in the gap length direction, and the rate of change in electric resistance was measured. Table 1 shows the results. From Table 1, it can be seen that the greater the saturation magnetization of the FL portion, the greater the rate of change in electrical resistance. This is because, by increasing the saturation magnetization of the FL portion, the magnetic flux at the tip of the thin film yoke can be increased, and the magnetic resistance also decreases.
[0078]
[Table 1]

[0079]
As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0080]
For example, an element according to the present invention including a GMR film and a thin film yoke disposed at both ends thereof is particularly suitable as a magnetic sensor, but the use of the element according to the present invention is not limited thereto. , A magnetic memory, a magnetic head, and the like.
[0081]
In the above-described embodiment, an example has been described in which the rear ends of the thin films yokes 24, 24 are formed of a soft magnetic material having a relatively small saturation magnetization, and the front ends are formed of a material having a relatively large saturation magnetization. However, even when the thin film yokes 24, 24 are formed of a continuous body made of three or more kinds of soft magnetic materials, and the saturation magnetization Ms is increased in multiple stages from the rear end side to the front end side of the thin film yokes 24, 24, good.
[0082]
【The invention's effect】
In the thin-film magnetic sensor according to the present invention, since the thin-film yokes made of a soft magnetic material are arranged at both ends of the GMR film, the shape and material of the thin-film yoke and the shape of the GMR film are optimized. This has the effect of exhibiting higher magnetic field sensitivity than the conventional thin film magnetic sensor.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a front view of a thin-film magnetic sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows GL / t _f It is a figure which shows the relationship between a ratio and the electric resistance change rate at the time of making the external magnetic field 2 (Oe) act.
FIG. 3 W _f × t _f / W _r × t _r It is a figure which shows the relationship between a ratio and the electric resistance change rate at the time of making the external magnetic field 2 (Oe) act.
FIG. 4 (W _m × t _m / L ² FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the ratio and the rate of change in electrical resistance when an external magnetic field 2 (Oe) is applied.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the FL / GL ratio and the rate of change in electrical resistance when an external magnetic field 2 (Oe) is applied.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an outer wall angle θ and a rate of change in electric resistance when an external magnetic field 2 (Oe) is applied.
FIG. 7 W _g / W _f It is a figure which shows the relationship between a ratio and the electric resistance change rate at the time of making the external magnetic field 2 (Oe) act.
[Explanation of symbols]
20 Thin film magnetic sensor
24 Thin film yoke
24a gap
26 GMR film

Claims

A pair of thin film yokes made of a soft magnetic material and opposed to each other via a gap,
A GMR film formed between the gaps so as to be electrically connected to the pair of thin film yokes and having a higher electrical resistivity than the soft magnetic material;
A magnetic sensor comprising: the thin film yoke and an insulating substrate made of an insulating and non-magnetic material that supports the GMR film,
A thin film magnetic sensor characterized by satisfying at least one of the following conditions.
(1) The ratio (GL / t _f ) of the gap length (GL) of the gap to the thickness (t _f ) of the tip of the thin film yoke in contact with the GMR film is 20 or less.
(2) The ratio (S _f / S _r ) of the cross-sectional area (S _f ) on the front end side of the thin film yoke to the cross-sectional area (S _r ) on the rear end side of the thin film yoke is less than 1.
(3) with respect to the square of the gap length direction of the length of the thin film yokes (L), the average value of the width of the thin film yokes (W _m) and the average value of the film thickness of the thin film yokes of the product of (t _m) the ratio _{_{^{(W m × t m / L}}} 2) is 0.01 or less _{_{_{_{(where, W m = (W f +}}}} W r) / 2, t m = (t f + t r) /2.W f and _{W r} respectively, the thin film yokes of the distal and the rear end side of the width, t _r is the rear end of the film thickness of the thin film yokes.).
(4) A parallel portion having a constant width is provided at the tip of the thin film yoke in contact with the GMR film, and the ratio (FL) of the length (FL) of the parallel portion in the gap length direction to the gap length (GL) of the gap is provided. / GL) is 20 or less.
(5) The thin film yoke has a tapered outer wall whose lateral width decreases linearly from the rear end side to the front end side, and the angle (θ) of the outer wall with respect to the gap length direction is 40 ° or more and 90 °. It is as follows.
(6) The ratio (W _g / W _f ) of the width (W _g ) of the GMR film to the width (W _f ) on the tip side of the thin film yoke is 1 or less.
(7) The front end of the thin film yoke in contact with the GMR film is made of a soft magnetic material having a higher saturation magnetization than the rear end.