JP2005056950A - Magnetoresistive element and magnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗素子、および、磁気センサに関し、特に、紙幣等の磁気パターンの検出や歯車の回転検出等を行うための、高感度で温度安定性に優れた磁気抵抗素子に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic sensor, and more particularly, to a magnetoresistive element having high sensitivity and excellent temperature stability for detecting magnetic patterns such as banknotes and detecting rotation of gears.
磁電変換素子は、一般に、素子の入力端子間にバイアスをかけ、周囲の磁界の変化に応じて、素子内を流れるキャリアの行路が変化することで、出力端子に起電力が生じたり、素子の抵抗値が変化したりすることでの磁界強度の測定を行える素子のことをいう。その素子の抵抗値が変化する素子として、磁気抵抗素子がある。 In general, a magnetoelectric conversion element applies a bias between the input terminals of an element, and a path of a carrier flowing in the element changes according to a change in a surrounding magnetic field. An element that can measure the magnetic field intensity by changing the resistance value. There exists a magnetoresistive element as an element from which the resistance value of the element changes.
その磁気抵抗素子の用途としては、紙幣等に代表されるような磁気印刷物の磁気パターンを検出したり、強磁性体からなる歯車の回転を検出したりする検出素子として磁気センサに備えられている。磁気印刷物は、磁気インクを用いて磁気パターンが印刷されている。この印刷された磁気パターンは、基体の表面若しくは内部に形成された磁性体微粒子(以下、磁性紛という)からなる平面構造をなしている。 As the use of the magnetoresistive element, the magnetic sensor is provided as a detection element for detecting a magnetic pattern of a magnetic printed matter represented by a bill or the like, or detecting a rotation of a gear made of a ferromagnetic material. . A magnetic pattern is printed on the magnetic print using magnetic ink. This printed magnetic pattern has a planar structure made of magnetic fine particles (hereinafter referred to as magnetic powder) formed on the surface or inside of the substrate.
従来の磁気抵抗素子は、上記のような用途に対して、3端子或いは4端子の磁気抵抗素子として構成されている。 The conventional magnetoresistive element is configured as a three-terminal or four-terminal magnetoresistive element for the above-described applications.
図23は、従来の3端子磁気抵抗素子の構成例を示す。 FIG. 23 shows a configuration example of a conventional three-terminal magnetoresistive element.
3端子磁気抵抗素子は、外部接続用の端子電極として、第1端子電極1、第2端子電極2(すなわち、出力端子2)、第3端子電極3を有し、磁気抵抗素子4,5、短絡電極6が設けられている。
The three-terminal magnetoresistive element has a
図24に示すように、磁気抵抗素子4,5は直列接続され、第1端子電極1と第3端子電極3とは定電圧電源Vinに接続されている(以下、この接続形態をハーフブリッジ回路という)。
As shown in FIG. 24, the
このような3端子磁気抵抗素子は磁気パターンの検出や歯車の回転検出に、また、4端子磁気抵抗素子は歯車の回転検出に使用されることが多い。 Such a three-terminal magnetoresistive element is often used for magnetic pattern detection and gear rotation detection, and a four-terminal magnetoresistive element is often used for gear rotation detection.
図25、図26は、3端子磁気抵抗素子を用いて、紙幣等の磁気パターンを検出する原理を示す。 25 and 26 show the principle of detecting a magnetic pattern such as banknotes using a three-terminal magnetoresistive element.
磁気抵抗素子(MR素子)4,5は、永久磁石15により形成される一様なバイアス磁界中に近接配置されている。この磁気抵抗素子4,5に対向して、磁気パターンが印刷された磁気印刷物16が走査される。磁気パターンは、磁性紛を含有する磁気インク17によって構成されている。
The magnetoresistive elements (MR elements) 4 and 5 are arranged close to each other in a uniform bias magnetic field formed by the
図24のハーフブリッジ回路からなる3端子磁気抵抗素子において、磁性紛を含有した磁気インク17が走査された場合の検出信号について説明する。
A detection signal when the
磁気印刷物16が走査されると、図25の位置P→Q→Rのように変化する。磁気印刷物16の走査方向は、左から右である。
When the
図25(a)の状態では、磁気抵抗素子4の直下の磁束密度が増加し、磁気抵抗素子4の抵抗値が増加する。その結果、出力端子2の電位が高くなる。図中矢印は、磁力線を表している。
In the state of FIG. 25A, the magnetic flux density immediately below the
図25(b)の状態では、磁気抵抗素子4および5の直下の磁束密度は等しく抵抗値も同じである。その結果、出力端子2は中間状態となる。
In the state of FIG. 25 (b), the magnetic flux densities immediately below the
図25(c)の状態では、磁気抵抗素子5の直下の磁束密度が増加し、磁気抵抗素子5の抵抗値が増加する。その結果、出力端子2の電位は低くなる。
In the state of FIG. 25C, the magnetic flux density immediately below the
このように、磁気印刷物16が走査されることにより、図26に示すような微分型波形の検出信号が得られる(以下、空間差分検出法という)。なお、この従来の空間差分検出法の長所は、特許文献1、特許文献2に開示されている。
Thus, by scanning the magnetic printed
図27は、3端子磁気抵抗素子を用いて、歯車の回転を検出する原理を示す。 FIG. 27 shows the principle of detecting the rotation of a gear using a three-terminal magnetoresistive element.
磁気抵抗素子4,5は、図24のハーフブリッジ回路に示したように直列に接続されるともに、定電圧電源Vinに接続されている。
The
図29に示すように磁気抵抗素子4,5の中心間距離を、鉄等からなる歯車18の山谷間距離に合わせるようにする。
As shown in FIG. 29, the distance between the centers of the
このように配置すると、図25で説明した磁気印刷物16の走査時の原理がそのまま適用でき、歯車18を回転させると、図28に示すようにsin型の波形がハーフブリッジ回路の出力端子2に得られる。
With this arrangement, the principle of scanning of the magnetic printed
図30は、従来の4端子磁気抵抗素子の構成例を示す。 FIG. 30 shows a configuration example of a conventional four-terminal magnetoresistive element.
この4端子磁気抵抗素子は、外部接続用の端子電極として、第1端子電極7、第2端子電極8、第3端子電極9、第4端子電極10を有し、さらに、4個の磁気抵抗素子11,12,13,14が設けられている。
This four-terminal magnetoresistive element has a
この4端子磁気抵抗素子において、磁気抵抗素子11,12,13,14はループ状に接続されており、第1端子電極7、第3端子電極9は定電圧電源Vinに接続されている(以下、この接続形態をフルブリッジ回路という)。
In this four-terminal magnetoresistive element, the
図32は、4端子磁気抵抗素子を使用した場合の例を示す。 FIG. 32 shows an example when a four-terminal magnetoresistive element is used.
図31に示したフルブリッジ回路の出力端子(−)8には、図33に示すような出力信号の波形が得られ、出力端子(+)10には図34に示すような出力信号の波形が得られる。 The output signal waveform as shown in FIG. 33 is obtained at the output terminal (−) 8 of the full bridge circuit shown in FIG. 31, and the waveform of the output signal as shown in FIG. 34 is obtained at the output terminal (+) 10. Is obtained.
図34の出力信号の波形は、図33の出力信号の波形に対して位相が半周期ずれているものであり、出力端子(−)8と出力端子(+)10との間で出力電圧を得るのが一般的である。 The waveform of the output signal in FIG. 34 has a phase shifted by a half cycle with respect to the waveform of the output signal in FIG. 33, and the output voltage is changed between the output terminal (−) 8 and the output terminal (+) 10. It is common to get.
このようにすると、出力信号の振幅は図26の波形に比べて2倍となり、最終的に図35に示すような出力信号の波形が得られる。この歯車の回転検出も空間差分検出法によるものである。 In this way, the amplitude of the output signal is twice that of the waveform of FIG. 26, and finally the waveform of the output signal as shown in FIG. 35 is obtained. The rotation detection of the gear is also based on the spatial difference detection method.
以上述べたような、図24の3端子磁気抵抗素子については磁気抵抗素子4における磁界と磁気抵抗素子5における磁界とが異なる場合において、図31の4端子磁気抵抗素子については磁気抵抗素子11,13における磁界と磁気抵抗素子12,14における磁界とが異なる場合において、それぞれ効率良く検出することができる。
For the three-terminal magnetoresistive element in FIG. 24 as described above, when the magnetic field in the
しかし、第1の問題として、これら3端子磁気抵抗素子、4端子磁気抵抗素子は、磁気抵抗素子の全てが一様な磁界中に置かれた場合、その磁界強度を正確に測定できないという問題点がある。 However, the first problem is that these three-terminal magnetoresistive elements and four-terminal magnetoresistive elements cannot accurately measure the magnetic field strength when all of the magnetoresistive elements are placed in a uniform magnetic field. There is.
すなわち、3端子磁気抵抗素子において、その素子全体が一様な磁界中の置かれると、磁気抵抗素子4,5は共に同じように抵抗値が増加するため、出力端子2から出力信号が得られない、という現象が生じる。また、4端子磁気抵抗素子についても、同様な問題が発生する。
That is, in a three-terminal magnetoresistive element, when the entire element is placed in a uniform magnetic field, the
第2の問題として、3端子磁気抵抗素子のおいては、磁気抵抗素子3の抵抗値と磁気抵抗素子4の抵抗値とが異なると、出力端子2には入力電圧Vinの1/2(Vin/2)からずれてしまい、さらに、各磁気抵抗素子の抵抗値の温度係数が異なると、出力端子2の出力電圧値は温度ドリフトを生じる。
As a second problem, in the three-terminal magnetoresistive element, when the resistance value of the
抵抗値の温度係数が異なる原因としては、動作層である半導体の電気伝導率の温度変化を決める不純物濃度の磁気抵抗素子3と磁気抵抗素子4との不均一性が考えられる。
The cause of the difference in the temperature coefficient of the resistance value may be nonuniformity between the
図24に示すようなハーフブリッジ回路で構成された3端子磁気抵抗素子においては、抵抗値の温度係数が異なると、出力端子2から出力される出力電圧は、温度ドリフトすることになる。
In a three-terminal magnetoresistive element configured with a half bridge circuit as shown in FIG. 24, if the temperature coefficient of the resistance value is different, the output voltage output from the
また、図31に示すようなフルブリッジ回路で構成された4端子磁気抵抗素子においては、磁気抵抗素子11の抵抗値と磁気抵抗素子12の抵抗値が異なった場合、或いは、磁気抵抗素子13の抵抗値と磁気抵抗素子14の抵抗値が異なった場合について、出力端子8,10は、磁界がゼロの場合でも、出力電圧がゼロにならず、オフセット電圧が発生する、という問題がある。
Further, in the four-terminal magnetoresistive element configured by a full bridge circuit as shown in FIG. 31, when the resistance value of the
さらに、それら従来の3端子磁気抵抗素子や4端子磁気抵抗素子を永久磁石の一面に装着して磁気センサとして構成し、磁気印刷物の磁気パターンの検出を行う場合において、従来の空間差分検出法では、磁気パターンのエッジ部分の検出、すなわち、パターンの有無のみの検出しかできず、磁気パターン内部に含まれる磁性紛の微弱な濃淡変化に対応した磁束の変化を忠実にかつ高精度に検出することが不可能である。 Furthermore, when the conventional 3-terminal magnetoresistive element or 4-terminal magnetoresistive element is mounted on one surface of a permanent magnet and configured as a magnetic sensor to detect a magnetic pattern of a magnetic print, Detecting the edge part of the magnetic pattern, that is, only detecting the presence or absence of the pattern, faithfully and accurately detecting the change in magnetic flux corresponding to the slight shading change of the magnetic powder contained in the magnetic pattern Is impossible.
そこで、本発明の目的は、一様或いは一定な磁界中に全ての磁気抵抗素子が配置された場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定することができると共に、温度特性に優れた構造体として構成することが可能な、磁気抵抗素子、および、磁気センサを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to accurately measure a weak change in magnetic field strength even when all magnetoresistive elements are arranged in a uniform or constant magnetic field and to have excellent temperature characteristics. An object of the present invention is to provide a magnetoresistive element and a magnetic sensor that can be configured as a structure.
本発明によれば、3端子磁気抵抗素子又は4端子磁気抵抗素子を、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする複数個の磁気抵抗素子により構成し、動作層にはキャリアを増加させるための不純物を添加させたので、各磁気抵抗素子間の磁気的および電気的な特性を揃えることが可能となり、また、それら複数個の磁気抵抗素子の磁気抵抗効果は、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なるようにしたので、全ての磁気抵抗素子が一様或いは一定な磁界中に置かれた場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定することができると共に、温度特性に優れた構造体として構成することができる。 According to the present invention, a three-terminal magnetoresistive element or a four-terminal magnetoresistive element is constituted by a plurality of magnetoresistive elements having a thin film layer obtained by growing a semiconductor crystal on a substrate as an operating layer of a magnetosensitive portion. Since an impurity for increasing carriers is added to the layer, the magnetic and electrical characteristics between the magnetoresistive elements can be made uniform, and the magnetoresistive effect of the plurality of magnetoresistive elements is Since the rate of change in magnetic resistance with respect to the change in magnetic flux density due to an external magnetic field is made different from each other, even if all magnetoresistive elements are placed in a uniform or constant magnetic field, the weak change in magnetic field strength can be accurately detected. In addition, the structure can be configured as a structure having excellent temperature characteristics.
また、本発明によれば、3端子磁気抵抗素子又は4端子磁気抵抗素子を備えた磁気センサとして構成することにより、磁気パターンのエッジ部分の検出すなわちパターンの有無の検出のみならず、磁気パターン内部の微弱な濃淡変化の検出も行うことが可能となり、さらに、歯車の回転検出等を行う場合にも高精度な検出を行うことができる。 Further, according to the present invention, by configuring as a magnetic sensor including a three-terminal magnetoresistive element or a four-terminal magnetoresistive element, not only detection of the edge portion of the magnetic pattern, that is, detection of the presence or absence of the pattern, It is also possible to detect a slight change in shading, and it is also possible to perform highly accurate detection even when detecting rotation of a gear or the like.
本発明は、2個の磁気抵抗素子が直列に接続されることにより、外部電圧印加用の第1および第2の入力端子と、出力信号を取り出す1個の出力端子との3端子を有する3端子磁気抵抗素子であって、前記各磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、該動作層の組成は、InxGa1−xAsySb1−y(0≦x≦1、0≦y≦1)であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、前記第1の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子と、前記出力端子と前記第2の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子とは、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具えることによって、3端子磁気抵抗素子を構成する。 In the present invention, two magnetoresistive elements are connected in series, thereby having three terminals of first and second input terminals for applying an external voltage and one output terminal for taking out an output signal. Each of the magnetoresistive elements is a thin film magnetoresistive element having a thin film layer obtained by growing a semiconductor crystal on a substrate as an operating layer of the magnetosensitive portion, and the operation of the semiconductor thin film magnetoresistive element. The layer is a semiconductor thin film to which an impurity for increasing carriers is added as an operating layer, and the composition of the operating layer is InxGa1-xAsySb1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) The impurity is silicon or tin, the magnetoresistive element connected between the first input terminal and the output terminal, and the magnetoresistive element connected between the output terminal and the second input terminal. A magnetoresistive element is an external magnetic field. By magnetoresistance ratio comprises different magnetoresistive each other with respect to a change in flux density, constituting a three-terminal magneto-resistance element.
ここで、前記第1の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有し、前記出力端子と前記第2の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有しない構成としてもよい。 Here, the magnetoresistive element connected between the first input terminal and the output terminal has a short-circuit electrode, and the magnetism connected between the output terminal and the second input terminal. The resistance element may not have a short-circuit electrode.
前記第1の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子の抵抗値と、前記出力端子と前記第2の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しくしてもよい。 A resistance value of the magnetoresistive element connected between the first input terminal and the output terminal, and a resistance value of the magnetoresistive element connected between the output terminal and the second input terminal. And may be equal to each other.
本発明は、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用して信号検出を行う磁気センサであって、上記3端子磁気抵抗素子と、前記3端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段とを具え、ここで、前記3端子磁気抵抗素子を構成する2個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の互いに異なる磁気抵抗効果に基づいて、該3端子磁気抵抗素子を構成する出力端子から出力される出力信号を検出することによって、磁気センサを構成してもよい。 The present invention is a magnetic sensor for detecting a signal by utilizing a magnetoresistive effect of a magnetoresistive element, the three-terminal magnetoresistive element and a magnetic field applying means for applying an external magnetic field to the three-terminal magnetoresistive element. Here, all the two magnetoresistive elements constituting the three-terminal magnetoresistive element are mounted on the same surface of the magnetic field applying means and disposed in a constant magnetic field of the external magnetic field. In the configuration, the magnetic sensor may be configured by detecting an output signal output from an output terminal configuring the three-terminal magnetoresistive element based on different magnetoresistive effects of the magnetoresistive elements.
本発明は、4個の磁気抵抗素子が閉ループ回路内で接続されることにより、外部電圧印加用の第1および第2の入力端子と、出力信号を取り出す2個の出力端子との4端子を有し、該4端子が該閉ループ回路内の一方向に沿って、第1の入力端子、第1の出力端子、第2の入力端子、第2の出力端子の順に接続されて構成された4端子磁気抵抗素子であって、該磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、該動作層の組成がInxGa1−xAsySb1−y(0≦x≦1、0≦y≦1)であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、前記閉ループ回路内の前記第1の入力端子から前記一方向に沿って前記第2の出力端子を介して該第1の入力端子に至るまで接続される前記4個の磁気抵抗素子を順に、第1、第2、第3、第4の磁気抵抗素子とするとき、前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第3の磁気抵抗素子と前記第4の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具え、かつ、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第1の磁気抵抗素子と前記第3の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で対向接続された前記第2の磁気抵抗素子と前記第4の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに等しい磁気抵抗効果を具えることによって、4端子磁気抵抗素子を構成する。 In the present invention, four terminals, that is, first and second input terminals for applying an external voltage and two output terminals for extracting an output signal are provided by connecting four magnetoresistive elements in a closed loop circuit. The four terminals are configured to be connected in the order of the first input terminal, the first output terminal, the second input terminal, and the second output terminal along one direction in the closed loop circuit. The magnetoresistive element is a thin film magnetoresistive element having a thin film layer obtained by growing a semiconductor crystal on a substrate as an operating layer of a magnetosensitive portion, and the operating layer of the semiconductor thin film magnetoresistive element The semiconductor thin film to which an impurity for increasing carriers is added is used as an operating layer, and the composition of the operating layer is InxGa1-xAsySb1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). Is silicon or tin, and in the closed loop circuit The four magnetoresistive elements connected from the first input terminal to the first input terminal through the second output terminal along the one direction are sequentially arranged in the first, second, When the third and fourth magnetoresistive elements are used, the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element that are adjacently connected in the closed loop circuit are adjacently connected in the closed loop circuit. In addition, the third magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element have magnetoresistive effects having different magnetoresistance change rates with respect to changes in magnetic flux density due to an external magnetic field, and are opposed to each other in the closed loop circuit. The first magnetoresistive element and the third magnetoresistive element, and the second magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element that are oppositely connected in the closed loop circuit are respectively Magnetic flux density due to external magnetic field By magnetoresistance ratio comprises equal magnetoresistive each other with respect to reduction to form a four-terminal magneto-resistance element.
ここで、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第1の磁気抵抗素子と前記第3の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有し、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第2の磁気抵抗素子と前記第4の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有しない構成としてもよい。 Here, the first magnetoresistive element and the third magnetoresistive element that are oppositely connected in the closed loop circuit have a short-circuit electrode, and the second magnetoresistive that is oppositely connected in the closed loop circuit. The resistor element and the fourth magnetoresistive element may be configured without a short-circuit electrode.
前記閉ループ回路内で対向接続された前記第1の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第3の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しく、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第2の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第4の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しくしてもよい。 The resistance value of the first magnetoresistive element that is oppositely connected in the closed loop circuit and the resistance value of the third magnetoresistive element are equal to each other, and the second magnetoresistance element is oppositely connected in the closed loop circuit. The resistance value of the magnetoresistive element and the resistance value of the fourth magnetoresistive element may be equal to each other.
前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第1の磁気抵抗素子の抵抗値と前記第2の磁気抵抗素子の抵抗値とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第3の磁気抵抗素子の抵抗値と前記第4の磁気抵抗素子の抵抗値とは、それぞれ互いに等しくしてもよい。 The resistance value of the first magnetoresistive element and the resistance value of the second magnetoresistive element that are adjacently connected in the closed loop circuit, and the third magnetoresistance that is adjacently connected in the closed loop circuit The resistance value of the element and the resistance value of the fourth magnetoresistive element may be equal to each other.
本発明は、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用して信号検出を行う磁気センサであって、上記4端子磁気抵抗素子と、前記4端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段とを具え、ここで、前記4端子磁気抵抗素子を構成する4個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の磁気抵抗効果に基づいて、該4端子磁気抵抗素子を構成する前記第1の出力端子および前記第2の出力端子から出力される出力信号を検出することによって、磁気センサを構成してもよい。 The present invention is a magnetic sensor for performing signal detection using the magnetoresistive effect of a magnetoresistive element, wherein the 4-terminal magnetoresistive element and a magnetic field applying means for applying an external magnetic field to the 4-terminal magnetoresistive element Here, all the four magnetoresistive elements constituting the four-terminal magnetoresistive element are mounted on the same surface of the magnetic field applying means and disposed in a constant magnetic field of the external magnetic field. In the configuration, based on the magnetoresistive effect of each of the magnetoresistive elements, by detecting output signals output from the first output terminal and the second output terminal constituting the four-terminal magnetoresistive element, A magnetic sensor may be configured.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の第1の実施の形態を、図1〜図17に基づいて説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[3端子磁気抵抗素子]
(基本構成)
まず、本発明に係る3端子磁気抵抗素子の概略構成について説明する。
図1は、3端子磁気抵抗素子100の構成例を示す。
[3-terminal magnetoresistive element]
(Basic configuration)
First, a schematic configuration of the three-terminal magnetoresistive element according to the present invention will be described.
FIG. 1 shows a configuration example of a three-
3端子磁気抵抗素子100は、2個の磁気抵抗素子30,31と、直流電圧Vinを印加するための端子電極1,3と、出力信号としての出力電圧Voutを出力するための端子電極2とから構成される。
The three-
磁気抵抗素子30は、短絡電極を有する構造とし、磁気抵抗素子31は、短絡電極を有しない構造とした。
The
図2は、3端子磁気抵抗素子100の回路構成を示す。磁気抵抗素子30と磁気抵抗素子31とは端子電極2を介して直列接続されており、定電圧電源Vin(=5V)が端子電極1,3間に接続されている。
FIG. 2 shows a circuit configuration of the three-
このように構成された磁気抵抗素子30,31は、エポキシ樹脂を用いてトランスファーモールドされて、3端子磁気抵抗素子100として構成される。
The thus configured
図3は、モールドされた3端子磁気抵抗素子100の実装構成を示す。
FIG. 3 shows a mounting configuration of the molded three-
19は、磁気抵抗素子30,31の動作層である。20は、上記端子電極1,2,3のうちの端子電極1に相当する電極である。21は、モールド樹脂である。22は、端子電極1,2,3と各々接続された端子である。
磁気抵抗素子30,31の動作層19は、高い磁気抵抗変化率を得るためにできるだけ高い電子移動度を有していることが好ましく、Si,GaAs、InSbやInAsおよびこれらの混晶系であるInAsSbなどが好ましい。
The
磁気抵抗素子30,31の基板は、固体形状を示すものであればどんな材料でもよく、例えば半導体でも誘電体でもセラミックでもガラス基板でも用いることができる。また、半導体基板の中でもGaAs、Si、InP、GaPなどの基板を用いると、特に動作層19で高い電子移動度が得られるようになり、特に好ましいものとなる。
The substrate of the
動作層19中にキャリアを増加させるための不純物を添加する方法としては、動作層19を形成する際に同時に行ってもよいが、成膜後にイオン注入法を用いて打ち込んでもよい。用いられる不純物は、例えば、InSbやInAsのようなIII−V族化合物半導体の場合は、Si、SnのようなIV族元素やSe、Te、Sに代表されるVI族元素を添加するとよい。その中でも特にSi、Snが好ましい。
As a method of adding an impurity for increasing carriers into the
動作層19にキャリアを増加させるための不純物を添加することで、作製した磁気抵抗素子30,31の温度特性を改善する効果がある。
Adding an impurity for increasing carriers to the
しかし、あまりに多くの不純物を添加してしまうと、磁気抵抗素子の感度を左右する電子移動度を低下させてしまうという問題があるため、添加するキャリアの数は、4×1016/cm3から1×1018/cm3とすることが好ましく、さらに好ましくは、5×1016/cm3から5×1017/cm3とするのがよい。 However, if too many impurities are added, there is a problem in that the electron mobility that affects the sensitivity of the magnetoresistive element is lowered. Therefore, the number of added carriers is from 4 × 10 16 / cm 3. It is preferably 1 × 10 18 / cm 3 , more preferably 5 × 10 16 / cm 3 to 5 × 10 17 / cm 3 .
動作層19を形成する方法としては、真空蒸着法が一般的に用いられるが、分子線エピタキシー(MBE)法は薄膜の膜厚や組成の制御性が高く特に好ましい方法である。このため、本発明における磁気パターン検出装置に配置される複数の素子の特性差はほとんど無い。
As a method for forming the
電極20に用いられる電極材料は、Cu単層やTi/Au、Ni/Au、Cr/Cu、Cu/Ni/Au、Ti/Au/Ni、Cr/Au/Ni、Cr/Ni/Au/Niのような積層としてもよい。この電極材料は、作製した素子の使用される動作条件と環境条件に耐えられる材質であれば、どのような材料を用いてもかまわない。
The electrode material used for the
また、電極20を形成する方法としては、電子ビーム蒸着や抵抗化熱蒸着といった一般的な真空蒸着法や、スパッタ法やメッキ法によって形成してもよい。また、電極形成後に電極動作層とのオーミック接触性を良好にするために、急昇温熱アニール(RTA)法を用いて熱処理することも好ましい。
The
薄膜形成法の1例として、分子線エピタキシー法を用いて、基板としてGaAsを用いて動作層としてSnドープInSb薄膜を形成する場合の詳細について述べる。 As an example of the thin film forming method, details will be described in the case where a Sn-doped InSb thin film is formed as an operation layer using GaAs as a substrate using a molecular beam epitaxy method.
まず、厚さ0.35μmのGaAs基板23にAsを照射しながら650℃で加熱し表面酸素を脱離させる。次に、580℃で温度を下げてGaAsバッファ層を200nmの厚さで形成する。次に、Asを照射しながら400℃まで温度を下げた後、SnとIn、Sbを同時に基板に照射しながら動作層19の膜厚1μmからなるSnドープInSb薄膜6を形成した。この際、InSb薄膜6の電子濃度は、7×1016/cm3になるようにSnセル温度を調節した。
First, the surface oxygen is desorbed by heating at 650 ° C. while irradiating the
(製造方法)
次に、3端子磁気抵抗素子100の製造方法について説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the three-
図4(a)〜(e)は、3端子磁気抵抗素子100の作製工程を示す。
4A to 4E show a manufacturing process of the three-
3端子磁気抵抗素子100の作製プロセスは、通常のフォトリソグラフィーの技術を用いることができる。
The manufacturing process of the three-
まず、図4(a)に示すように、InSb/GaAs基板のInSb表面にフォトレジストをスピンコータで均一に塗布する。フォトレジストの塗布条件は、100cpの粘度で3200rpmの回転速度で20秒間回転すると、2.5μmの厚さとなる。 First, as shown in FIG. 4A, a photoresist is uniformly coated on the InSb surface of the InSb / GaAs substrate by a spin coater. The photoresist coating condition is 2.5 μm thickness when rotated for 20 seconds at a rotational speed of 3200 rpm with a viscosity of 100 cp.
次に、図4(b)に示すように、InSbのメサエッチング用のフォトマスクを用いて、露光・現像した後、塩酸・過酸化水素系のエッチング液で所望の形状25にInSb薄膜をメサエッチングする。
Next, as shown in FIG. 4B, after exposure and development using a photomask for mesa etching of InSb, an InSb thin film is formed into a desired
ここでは、ウェットエッチング法を用いて動作層19のエッチングを行った例を紹介したが、イオンミリングや反応性イオンエッチング法のドライエッチングによってメサエッチングを行ってもよい。
Here, an example in which the
次に、図4(c)に示すように、再度、フォトレジストを塗布した後に、短絡電極6を形成するための露光・現像を行い、真空蒸着法により電極を蒸着し、リフトオフ法で短絡電極6を形成する。フォトレジストによりレジストパターンを形成した後に、電子ビーム法により短絡電極6として、50nm厚のTiと、400nm厚のAuと、50nm厚のNiとからなる積層電極を形成し、リフトオフ法を用いて所望の形状の短絡電極6を作製する。
Next, as shown in FIG. 4C, after applying the photoresist again, exposure and development for forming the short-
次に、図4(d)に示すように、保護膜として窒化シリコン薄膜26を300nmの厚さでプラズマCVD法により形成し、電極パッド部分のみの窒化シリコン膜を、反応性イオンエッチング装置を用いて除去した。
Next, as shown in FIG. 4D, a silicon nitride
最後に、図4(e)に示すように、短絡電極6の形成方法と同様にして、電極パッド部27を形成した。電極パッドとして、50nm厚のTiと、400nm厚のAuとからなる積層電極とした。動作層19との接触を改善するために、不活性ガス雰囲気で500℃×2分間の熱処理を行った。電極パッド部27と図1の端子電極1,2,3は同じものである。
Finally, as shown in FIG. 4E, the
そして、ダイシングにて素子チップに切り離した後、リードフレーム上に該素子チップをダイボンディングし、Au線ワイヤにて素子チップ上の電極とリードフレームとを接続した。その後、エポキシ樹脂にてトランスファーモールドを行うことにより、3端子磁気抵抗素子を完成させた。 Then, after being separated into element chips by dicing, the element chips were die-bonded on the lead frame, and the electrodes on the element chip and the lead frame were connected by Au wire wires. Thereafter, transfer molding was performed with an epoxy resin to complete a three-terminal magnetoresistive element.
図5は、その作製された3端子磁気抵抗素子100を示す。
FIG. 5 shows the manufactured three-
メサエッチング後のInSb薄膜の幅(素子幅)28をWとし、短絡電極6間の距離(素子長)29をLとすると、L/Wを形状因子とする。
When the width (element width) 28 of the InSb thin film after mesa etching is W and the distance (element length) 29 between the short-
(磁気特性)
次に、磁気抵抗素子30の磁気特性について説明する。
(Magnetic properties)
Next, the magnetic characteristics of the
図6は、磁気抵抗素子30の磁気特性である磁気抵抗効果を示す。磁気抵抗素子30に電磁石で一様な磁場をかけて、磁気抵抗変化率ΔR/R0と磁束密度との関係を測定した。
FIG. 6 shows a magnetoresistive effect that is a magnetic characteristic of the
図6において、ΔR=RB−R0であり、RBは磁場中での抵抗値、R0は磁場無しでの抵抗値である。 6, a ΔR = R B -R 0, R B is the resistance in a magnetic field, R 0 is the resistance in those without a magnetic field.
図7は、磁束密度2000(G)における磁気抵抗変化率と形状因子L/Wとをプロットし直したグラフを示す。このグラフから、形状因子L/Wが0.3程度から磁気抵抗変化率が急激に低下することがわかる。この結果より、磁気抵抗素子30の形状因子L/W=0.2、磁気抵抗素子31の形状因子L/W=25とした。
FIG. 7 shows a graph obtained by re-plotting the magnetoresistance change rate and the shape factor L / W at a magnetic flux density of 2000 (G). From this graph, it can be seen that the rate of change in magnetoresistance sharply decreases when the shape factor L / W is about 0.3. From this result, the shape factor L / W of the
図8は、3端子磁気抵抗素子100の磁気特性を測定する構成を示す。
FIG. 8 shows a configuration for measuring the magnetic characteristics of the three-
3端子磁気抵抗素子100を希土類磁石15(8mm×6mm×4.5mm)のN極側に貼り付けた状態で、電磁石33の一様な磁界中に入れた。希土類磁石15の表面磁束密度は約2.5kGである。電磁石33の磁界を変化させ、端子電極2(すなわち、出力端子2)の電圧(Vout)を測定した。電磁石33の磁界の方向は、図中矢印を正方向とした。
The three-
図9は、3端子磁気抵抗素子100の磁気特性の測定結果として、磁束密度と出力電圧Voutとの関係を示す。
FIG. 9 shows the relationship between the magnetic flux density and the output voltage Vout as a measurement result of the magnetic characteristics of the three-
縦軸は、出力端子2の電圧(Vout)からVin/2を引いたもの(以下、信号出力電圧と略す)、すなわち、Vout−Vin/2値である。横軸は、電磁石33で印加した磁界の磁束密度である。
The vertical axis represents a value obtained by subtracting Vin / 2 from the voltage (Vout) of the output terminal 2 (hereinafter abbreviated as a signal output voltage), that is, a Vout−Vin / 2 value. The horizontal axis represents the magnetic flux density of the magnetic field applied by the
電磁石33の磁界の正方向は、希土類磁石N極からの磁力線を打ち消す方向であり、図6および図7の磁気特性から、磁気抵抗素子30の抵抗値は減少する。磁気抵抗素子31は、磁束の変化に対してほとんど感度がないため、図6および図7の磁気特性から、抵抗値もほとんど変化しない。その結果、図2に示した回路の出力端子2の電位は高くなる。
The positive direction of the magnetic field of the
一方、電磁石33の磁界に負方向は希土類磁石15のN極からの磁力線を増加方向であり、磁気抵抗素子30の抵抗値は増加する。その結果、出力端子2の電位は低下する。出力信号の出力電圧Voutは、電磁石33の印加磁界に対して線形であり、一様な磁界を検出できることがわかる。
On the other hand, the negative direction with respect to the magnetic field of the
さらに、磁気抵抗素子30と磁気抵抗素子31の抵抗値を等しくすることにより、磁束密度がゼロのときに、Vout=Vin/2とすることができた。
Furthermore, by making the resistance values of the
(温度依存性)
次に、3端子磁気抵抗素子100の温度依存性について説明する。
(Temperature dependence)
Next, the temperature dependence of the three-
図10は、磁束密度がゼロの場合(希土類磁石15に3端子磁気抵抗素子100を貼り付けていない状態)における出力信号の出力電圧Voutの温度依存性の測定結果を示す。温度が−60℃〜+160℃の範囲で、出力信号の出力電圧としてVout−Vin/2の値を測定した結果、その値はゼロとなり、温度ドリフトがほとんど無いことがわかる。
FIG. 10 shows the measurement result of the temperature dependence of the output voltage Vout of the output signal when the magnetic flux density is zero (the state where the three-
(磁気センサ)
次に、応用例として、3端子磁気抵抗素子100を備えた磁気センサを構成して、磁気パターンを検出する例について説明する。
(Magnetic sensor)
Next, an example in which a magnetic sensor including the three-
図11および図12は、実際の磁気パターンによる磁束の変化に比例した信号を得る(以下、絶対磁束変化量検出という)ための、3端子磁気抵抗素子100を備えた磁気センサとしてのMRヘッド36の概略構成を示す。
11 and 12 show an
図11は、3端子磁気抵抗素子100が実装されたMRヘッド36の構成例を示す。
FIG. 11 shows a configuration example of the
MRヘッド36は、3端子磁気抵抗素子100がN極側の面に貼り付けられた希土類磁石15を、CAN34の中に挿入し、エポキシ樹脂35でポッティングすることにより、MRヘッド36として作製する。実際の磁気パターンの検出においては、このようにCAN34で封止したものが使用される。
The
そして、図12に示すように、MRヘッド36をプリント基板37に固定し、図2に示したように、ハーフブリッジ回路の端子電極1,3間で定電圧電源Vinに接続する。このプリント基板37には、MRヘッド36の3端子磁気抵抗素子100の出力端子2から出力された出力信号(出力電圧Vout)を増幅するための図13に示すような直流増幅回路(反転増幅回路)150が形成されている。
Then, as shown in FIG. 12, the
磁気印刷物38は、図12に示す矢印方向に走査され、MRヘッド36を構成する3端子磁気抵抗素子100の下方を通過する。
The
図13は、直流増幅回路150の構成例を示す。
FIG. 13 shows a configuration example of the
直流増幅回路150は、2段接続された増幅回路151,152によって構成され、その入力端子はMRヘッド36を構成する3端子磁気抵抗素子100の出力端子2と接続されている。また、2段目の増幅回路152の出力端子40からは、出力信号41(Vp)が出力される。この出力信号41は、直流増幅によって増幅されることにより、増幅率が約10,000倍の値となる。
The
図14は、磁気検出に用いられる磁気パターンの構成例を示す。 FIG. 14 shows a configuration example of a magnetic pattern used for magnetic detection.
磁気パターンを構成する磁気インク39として、磁性紛の含有量の異なる4種類(A、B、C、D)を用意する。磁気インク39の1本の大きさは、幅0.8mm、長さ8.0mmである。この磁気インク39を4本、4.5mmの間隔でA、B、C、D順番に並べて磁気印刷物38上に印刷することにより、磁気パターンを形成する。
As the
A、B、C、Dの4種類の磁気インク39に含まれる磁性紛の含有量は、A=50%、B=40%、C=20%、D=10%である。 The contents of the magnetic powder contained in the four types of magnetic inks A, B, C, and D are A = 50%, B = 40%, C = 20%, and D = 10%.
そして、このような磁気パターンが形成された磁気印刷物38を、3端子磁気抵抗素子100を備えたMRヘッド36に略接触させた状態で、図12の矢印方向に走査して、信号検出を行う。
Then, in a state where the
図15は、MRヘッド36により検出された磁気パターンに対応した信号波形を示す。磁気パターンA、B、C、Dの磁性紛の含有量の大小に比例して、信号が検出されていることがわかる。従って、磁気パターン、すなわち、磁気印刷物38の磁性紛の含有量の違いを正確にかつ忠実に検出できることがわかる。
FIG. 15 shows a signal waveform corresponding to the magnetic pattern detected by the
図16は、磁気パターンの信号検出原理を示す。 FIG. 16 shows the signal detection principle of the magnetic pattern.
ここでは、図11のMRヘッド36を用いて、磁気印刷物38に形成された磁性紛を含有した磁気インク39からなる磁気パターンの信号を検出する原理について説明する。
Here, the principle of detecting a magnetic pattern signal made of
図16において、磁気印刷物38は走査されると、位置A→B→Cのように左から右へ移動する。図中矢印は、磁石15から印加される磁力線を表している。
In FIG. 16, when the magnetic printed
図16(a)では、3端子磁気抵抗素子100から磁気インクに含まれる磁性紛までの距離が、磁石15の磁力線が及ぼす範囲に比べて遠いため、3端子磁気抵抗素子100の直下の磁束密度は、磁気インク38の影響を受けることがない。
In FIG. 16A, the distance from the three-
図16(b)では、磁性粉の透磁率が空気に比べてかなり大きいため、磁石15の磁力線が磁性粉に引き込まれる状態になるため、磁力線と磁性粉の磁気的相互作用によって3端子磁気抵抗素子100の直下の磁束密度が増加し、一方の磁気抵抗素子30の抵抗値が増加する。同じ透磁率の磁性紛であれば、磁気パターンに含まれる磁性粉の含有量に比例して磁束密度は変化する。
In FIG. 16B, since the magnetic permeability of the magnetic powder is considerably larger than that of air, the magnetic lines of force of the
図16(c)では、図16(a)と同様に、3端子磁気抵抗素子100の直下の磁束密度は、磁気インク38の影響を受けることがない。
In FIG. 16C, similarly to FIG. 16A, the magnetic flux density immediately below the three-
図17は、図13の出力端子40に現れる出力信号41(信号出力電圧Vp)の検出原理を示す。
FIG. 17 shows the detection principle of the output signal 41 (signal output voltage Vp) appearing at the
図17の位置Aでは、3端子磁気抵抗素子100を構成する磁気抵抗素子30と磁気抵抗素子31との抵抗値は等しいので、出力電圧2は、Vin/2である。なお、位置Aは、図16(a)の位置Aに対応する。
At position A in FIG. 17, since the resistance values of the
図17の位置Bでは、磁気抵抗素子30の抵抗値が増加するので、出力電圧2はVin/2より低くなる。なお、位置Bは、図16(b)の位置Bに対応する。
At position B in FIG. 17, since the resistance value of the
図17の位置Cでは、磁気抵抗素子30と磁気抵抗素子31との抵抗値は等しいので、出力電圧2は、Vin/2である。なお、位置Cは、図16(c)の位置Cに対応する。
At position C in FIG. 17, since the resistance values of the
このように磁気印刷物38が走査されることにより、図17に示すような出力信号が得られる。この出力信号41は、磁石15からの一定な磁界が磁気パターンを構成する磁気インク38の磁性紛が近づくことにより生じる磁気的相互作用によって3端子磁気抵抗素子100の直下の磁束密度が変化し、この変化した磁束密度に比例して測定されるものである。前述したように3端子磁気抵抗素子100は、磁束密度の変化に比例した信号出力電圧Vpが得られるので、出力信号41は、紙幣等に印刷された磁気パターンに含まれる磁性紛の濃淡の度合いに忠実に比例した高精度な信号として検出されることになる。
By scanning the
なお、3端子磁気抵抗素子100は、上述したような磁気パターンの検出処理に限られるものではなく、他の検出処理、例えば前述した歯車の回転検出等にも応用できる。
The three-
次に、本発明の第2の実施の形態を、図18〜図22に基づいて説明する。
[4端子磁気抵抗素子]
本例は、4端子磁気抵抗素子を作製した場合の例である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[4-terminal magnetoresistive element]
In this example, a four-terminal magnetoresistive element is manufactured.
図18は、4端子磁気抵抗素子200の構成を示す。
FIG. 18 shows the configuration of the four-
4端子磁気抵抗素子200は、同一の磁気特性をもつ2個の磁気抵抗素子42,44と、同一の磁気特性をもつ2個の磁気抵抗素子43,45と、直流電圧Vinを印加するための端子電極7,9と、出力信号としての出力電圧Voutを出力するための端子電極8,10とから構成される。
The four-
磁気抵抗素子42,44は、短絡電極を有する構造とし、図7の形状因子L/W=0.2に設定する。磁気抵抗素子43,45は、短絡電極を有しない構造とし、図7の形状因子L/W=25に設定する。磁気抵抗素子42,43,44,45の抵抗値をすべて等しくする。
The
この4端子磁気抵抗素子200をエポキシ樹脂にてトランスファーモールドを行い、磁気抵抗素子46を完成させた。
The four-
図19は、4端子磁気抵抗素子200の回路構成を示す。磁気抵抗素子42,43,44,45は、ループ状に接続されており、端子電極7,9を定電圧電源Vin(=5V)に接続した。
FIG. 19 shows a circuit configuration of the four-
図20は、4端子磁気抵抗素子200の磁気特性の測定例を示す。
FIG. 20 shows an example of measuring the magnetic characteristics of the four-
4端子磁気抵抗素子200の磁気特性を測定するために、希土類磁石15のN極側に貼り付けた状態で電磁石33の一様な磁界中に入れた。希土類磁石15の表面磁束密度は約2.5kGであった。電磁石33の磁界を変化させ、端子電極8(出力端子8)(−)と端子電極10(出力端子10)(+)との間の電圧(Vout)を測定した。電磁石33の磁界の方向は、図中矢印を正方向とした。
In order to measure the magnetic characteristics of the four-
図21は、4端子磁気抵抗素子200の磁気特性の測定結果として、磁束密度と出力電圧Voutとの関係を示す。
FIG. 21 shows the relationship between the magnetic flux density and the output voltage Vout as a measurement result of the magnetic characteristics of the four-
縦軸は、出力端子8(−)と出力端子10(+)との間の電圧(Vout)、横軸は電磁石33で印加した磁界の磁束密度である。電磁石33の磁界の正方向は、希土類磁石15のN極からの磁力線を助長する方向であり、磁気抵抗素子42,43の抵抗値は増加する。磁気抵抗素子43,45は、磁束の変化に対してほとんど感度がないため、抵抗値もほとんど変化しない。その結果、出力端子8(−)の電位は低下し、出力端子10(+)の電位は増加する。出力電圧として、出力端子8(−)と出力端子10(+)との間の電圧(Vout)をとると、出力電圧は、電磁石33の印加磁界に対して線形であり、一様な磁界を検出できることがわかる。なお、4端子磁気抵抗素子200の出力電圧は、前述した第1の例の3端子磁気抵抗素子100の信号出力電圧に比べて2倍の出力を得ることができる。
The vertical axis represents the voltage (Vout) between the output terminal 8 (−) and the output terminal 10 (+), and the horizontal axis represents the magnetic flux density of the magnetic field applied by the
前述した図8のように、希土類磁石15の磁界の向きと電磁石33の磁界の向きとを逆にすると、出力端子8(−)と出力端子10(+)との間の電圧(Vout)が電磁石33の磁界の向きに対して、負の傾きをもつことになる。
As shown in FIG. 8 described above, when the direction of the magnetic field of the
さらに、磁気抵抗素子42,43,44,45の抵抗値をすべて等しくしたので、磁束密度がゼロのときに、Vout=0とすることができる。
Further, since the resistance values of the
本例では、磁気抵抗素子42,43,44,45の抵抗値をすべて等しくしたが、磁気抵抗素子42の抵抗値と磁気抵抗素子43の抵抗値を等しくし、磁気抵抗素子44の抵抗値と磁気抵抗素子45の抵抗値とを等しくし、磁気抵抗素子42の抵抗値と磁気抵抗素子44の抵抗値とが異なる場合でも、磁束密度がゼロのときに、Vout=0とすることができ、かつ、図21に示すような磁気特性も得ることができる。
In this example, the resistance values of the
また、4端子磁気抵抗素子200の出力電圧の温度特性についても、前述した第1の例と同様に測定したが、出力電圧の温度ドリフトがほとんど無い。
Further, the temperature characteristics of the output voltage of the four-
(変形例)
4端子磁気抵抗素子250の変形例として、図22に示すような構造を作製した。同一の磁気特性をもつ磁気抵抗素子42,44と、同一の磁気特性をもつ磁気抵抗素子43,45とを、それぞれ同一方向に近接して配設した。これにより、製造工程の簡素化、電気的特性の改善等を図ることができる。また、このような構造においても、磁気特性および温度依存性を測定したが、上述した図18の4端子磁気抵抗素子200の特性と同等であった。
(Modification)
As a modification of the four-
本発明は、磁気抵抗素子、および、磁気センサに関し、特に、紙幣等の磁気パターンの検出や歯車の回転検出等を行うための、高感度で温度安定性に優れた磁気抵抗素子に関する。これにより、一定な磁界中に全ての磁気抵抗素子が配置された場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定することができると共に、温度特性に優れた構造体として構成することが可能となる。 The present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic sensor, and more particularly, to a magnetoresistive element having high sensitivity and excellent temperature stability for detecting magnetic patterns such as banknotes and detecting rotation of gears. As a result, even when all the magnetoresistive elements are arranged in a constant magnetic field, it is possible to accurately measure a weak change in magnetic field strength and to construct a structure having excellent temperature characteristics. It becomes.
1 端子電極(入力端子)
2 端子電極(出力端子)
3 端子電極(入力端子)
4 磁気抵抗素子
5 磁気抵抗素子
6 短絡電極
7 端子電極(入力端子)
8 端子電極(出力端子)
9 端子電極(入力端子)
10 端子電極(出力端子)
11 磁気抵抗素子
12 磁気抵抗素子
13 磁気抵抗素子
14 磁気抵抗素子
15 希土類磁石
16 磁気印刷物
17 磁気インク
18 歯車
19 動作層
20 端子電極
21 モールド樹脂
22 端子
23 GaAs基板
24 InSb薄膜
25 メサエッチングしたInSb薄膜
26 窒化シリコン薄膜
27 電極パッド部
28 素子幅
29 素子長
30 磁気抵抗素子
31 短絡電極を有しない磁気抵抗素子
32 3端子磁気抵抗素子
33 電磁石
34 CAN
35 エポキシ樹脂
36 MRヘッド
37 プリント基板
38 磁気印刷物
39 磁気インク
40 直流増幅後の出力端子
41 検出信号
42 磁気抵抗素子
43 短絡電極を有しない磁気抵抗素子
44 磁気抵抗素子
45 短絡電極を有しない磁気抵抗素子
46 4端子磁気抵抗素子
100 3端子磁気抵抗素子
150 直流増幅回路
151,152 増幅回路
200,250 4端子磁気抵抗素子
1 Terminal electrode (input terminal)
2 Terminal electrode (output terminal)
3 Terminal electrode (input terminal)
4
8 Terminal electrode (Output terminal)
9 Terminal electrode (input terminal)
10 Terminal electrode (output terminal)
11
35
Claims (9)
前記各磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、
該動作層の組成は、InxGa1−xAsySb1−y(0≦x≦1、0≦y≦1)であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、
前記第1の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子と、前記出力端子と前記第2の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子とは、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具えたことを特徴とする3端子磁気抵抗素子。 By connecting two magnetoresistive elements in series, a three-terminal magnetoresistive element having three terminals, that is, first and second input terminals for applying an external voltage and one output terminal for extracting an output signal Because
Each of the magnetoresistive elements is a thin film magnetoresistive element in which a thin film layer obtained by growing a semiconductor crystal on a substrate is used as an operating layer of the magnetosensitive portion. In order to increase carriers in the operating layer of the semiconductor thin film magnetoresistive element The semiconductor thin film to which the impurities of
The composition of the operating layer is InxGa1-xAsySb1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the impurity is silicon or tin.
The magnetoresistive element connected between the first input terminal and the output terminal and the magnetoresistive element connected between the output terminal and the second input terminal are caused by an external magnetic field. A three-terminal magnetoresistive element comprising magnetoresistive effects having different magnetoresistance change rates with respect to changes in magnetic flux density.
前記出力端子と前記第2の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有しないことを特徴とする請求項1記載の3端子磁気抵抗素子。 The magnetoresistive element connected between the first input terminal and the output terminal has a short-circuit electrode;
The three-terminal magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element connected between the output terminal and the second input terminal does not have a short-circuit electrode.
請求項1ないし3のいずれかに記載の3端子磁気抵抗素子と、
前記3端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段と
を具え、
ここで、前記3端子磁気抵抗素子を構成する2個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の互いに異なる磁気抵抗効果に基づいて、該3端子磁気抵抗素子を構成する出力端子から出力される出力信号を検出することを特徴とする磁気センサ。 A magnetic sensor that performs signal detection using the magnetoresistive effect of a magnetoresistive element,
A three-terminal magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 3,
Magnetic field applying means for applying an external magnetic field to the three-terminal magnetoresistive element,
Here, in the configuration in which all two magnetoresistive elements constituting the three-terminal magnetoresistive element are mounted on the same surface of the magnetic field applying means and are disposed in a constant magnetic field of the external magnetic field, A magnetic sensor for detecting an output signal output from an output terminal constituting the three-terminal magnetoresistive element based on different magnetoresistive effects of the magnetoresistive elements.
該磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、
該動作層の組成がInxGa1−xAsySb1−y(0≦x≦1、0≦y≦1)であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、
前記閉ループ回路内の前記第1の入力端子から前記一方向に沿って前記第2の出力端子を介して該第1の入力端子に至るまで接続される前記4個の磁気抵抗素子を順に、第1、第2、第3、第4の磁気抵抗素子とするとき、
前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第3の磁気抵抗素子と前記第4の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具え、かつ、
前記閉ループ回路内で対向接続された前記第1の磁気抵抗素子と前記第3の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で対向接続された前記第2の磁気抵抗素子と前記第4の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに等しい磁気抵抗効果を具えたことを特徴とする4端子磁気抵抗素子。 By connecting four magnetoresistive elements in a closed loop circuit, the magnetoresistive element has four terminals, ie, first and second input terminals for applying an external voltage and two output terminals for taking out an output signal, A four-terminal magnetoresistive element comprising four terminals connected in this order in the closed loop circuit in the order of a first input terminal, a first output terminal, a second input terminal, and a second output terminal Because
The magnetoresistive element is a thin film magnetoresistive element in which a thin film layer obtained by growing a semiconductor crystal on a substrate is used as an operating layer of the magnetosensitive portion, and the operating layer of the semiconductor thin film magnetoresistive element is used for increasing carriers. The operating layer is a semiconductor thin film to which impurities are added,
The composition of the operating layer is InxGa1-xAsySb1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the impurity is silicon or tin,
The four magnetoresistive elements connected in order from the first input terminal in the closed loop circuit to the first input terminal through the second output terminal along the one direction are sequentially arranged. When the first, second, third, and fourth magnetoresistive elements are used,
The first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element that are adjacently connected in the closed loop circuit, and the third magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element that are adjacently connected in the closed loop circuit The magnetoresistive element has a magnetoresistive effect in which the magnetoresistance change rate with respect to the change in magnetic flux density due to the external magnetic field is different from each other, and
The first magnetoresistive element and the third magnetoresistive element that are oppositely connected in the closed loop circuit, and the second magnetoresistive element that is oppositely connected in the closed loop circuit, and the fourth magnetoresistive element. A magnetoresistive element is a four-terminal magnetoresistive element characterized in that each magnetoresistive effect has the same magnetoresistance change rate with respect to a change in magnetic flux density due to an external magnetic field.
前記閉ループ回路内で対向接続された前記第2の磁気抵抗素子と前記第4の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有しないことを特徴とする請求項5記載の4端子磁気抵抗素子。 The first magnetoresistive element and the third magnetoresistive element oppositely connected in the closed loop circuit have a short-circuit electrode,
6. The four-terminal magnetoresistive element according to claim 5, wherein the second magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element that are oppositely connected in the closed loop circuit do not have a short-circuit electrode.
前記閉ループ回路内で対向接続された前記第2の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第4の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しいことを特徴とする請求項5又は6記載の4端子磁気抵抗素子。 The resistance value of the first magnetoresistive element that is oppositely connected in the closed loop circuit is equal to the resistance value of the third magnetoresistive element,
The 4-terminal according to claim 5 or 6, wherein a resistance value of the second magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element that are oppositely connected in the closed loop circuit are equal to each other. Magnetoresistive element.
請求項5ないし8のいずれかに記載の4端子磁気抵抗素子と、
前記4端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段と
を具え、
ここで、前記4端子磁気抵抗素子を構成する4個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の磁気抵抗効果に基づいて、該4端子磁気抵抗素子を構成する前記第1の出力端子および前記第2の出力端子から出力される出力信号を検出することを特徴とする磁気センサ。 A magnetic sensor that performs signal detection using the magnetoresistive effect of a magnetoresistive element,
A four-terminal magnetoresistive element according to any one of claims 5 to 8,
Magnetic field applying means for applying an external magnetic field to the four-terminal magnetoresistive element,
Here, in a configuration in which all four magnetoresistive elements constituting the four-terminal magnetoresistive element are mounted on the same surface of the magnetic field applying means and disposed in a constant magnetic field of the external magnetic field, A magnetic sensor for detecting an output signal output from the first output terminal and the second output terminal constituting the four-terminal magnetoresistive element based on a magnetoresistive effect of each magnetoresistive element .
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- 2003-07-31 JP JP2003284416A patent/JP2005056950A/en active Pending
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