JP2005056950A - Magnetoresistive element and magnetic sensor - Google Patents

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Kazuhiro Nishimura
和浩 西村
Ichiro Shibazaki
一郎 柴崎
Atsushi Okamoto
岡本  敦
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To constitute a magnetoresistive element as a structural body excellent in temperature characteristic by exactly measuring a change in weak magnetic field intensity even if all the magnetoresistive elements are disposed in a constant magnetic field. <P>SOLUTION: A three terminal magnetoresistive element or a four terminal magnetoresistive element is formed by a plurality of magnetoresistive elements in which a thin-film layer formed by growing a semiconductor crystal on a substrate is used as an operating layer of a magnetosensitive section. Impurities for increasing the number of carriers are doped in the operating layer to increase carriers, and the magnetoresistive effect of the plurality of magnetoresistive elements are made so that a change in magnetic reluctance rate to a change in magnetic flux density due to an external magnetic field differ from each other. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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 first terminal electrode 1, a second terminal electrode 2 (that is, an output terminal 2), and a third terminal electrode 3 as terminal electrodes for external connection, and the magnetoresistive elements 4, 5, A short-circuit electrode 6 is provided.

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 magnetoresistive elements 4 and 5 are connected in series, and the first terminal electrode 1 and the third terminal electrode 3 are connected to a constant voltage power source Vin (hereinafter, this connection form is referred to as a half-bridge circuit). Called).

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 permanent magnet 15. A magnetic printed matter 16 on which a magnetic pattern is printed is scanned facing the magnetoresistive elements 4 and 5. The magnetic pattern is composed of magnetic ink 17 containing magnetic powder.

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 magnetic ink 17 containing magnetic powder is scanned in the three-terminal magnetoresistive element including the half-bridge circuit of FIG. 24 will be described.

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 magnetic print 16 is scanned, the position changes in the order of positions P → Q → R in FIG. The scanning direction of the magnetic print 16 is from left to right.

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 magnetoresistive element 4 increases, and the resistance value of the magnetoresistive element 4 increases. As a result, the potential of the output terminal 2 is increased. The arrows in the figure represent magnetic field lines.

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 magnetoresistive elements 4 and 5 are equal and the resistance value is also the same. As a result, the output terminal 2 is in an intermediate state.

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 magnetoresistive element 5 increases, and the resistance value of the magnetoresistive element 5 increases. As a result, the potential of the output terminal 2 is lowered.

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 matter 16, a detection signal having a differential waveform as shown in FIG. 26 is obtained (hereinafter referred to as a spatial difference detection method). The advantages of this conventional spatial difference detection method are disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2.

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 magnetoresistive elements 4 and 5 are connected in series as shown in the half-bridge circuit of FIG. 24 and are also connected to a constant voltage power source Vin.

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 magnetoresistive elements 4 and 5 is adjusted to the distance between the peaks and valleys of the gear 18 made of iron or the like.

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 matter 16 described with reference to FIG. 25 can be applied as it is, and when the gear 18 is rotated, a sin waveform is applied to the output terminal 2 of the half bridge circuit as shown in FIG. can get.

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 first terminal electrode 7, a second terminal electrode 8, a third terminal electrode 9, and a fourth terminal electrode 10 as terminal electrodes for external connection, and further includes four magnetoresistive resistors. Elements 11, 12, 13, and 14 are provided.

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 magnetoresistive elements 11, 12, 13, and 14 are connected in a loop shape, and the first terminal electrode 7 and the third terminal electrode 9 are connected to a constant voltage power source Vin (hereinafter referred to as “the constant voltage power source Vin”). This connection form is called a full bridge circuit).

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.

特開昭52−73793号公報JP 52-73793 A 特開昭52−73794号公報JP-A-52-73794

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 magnetoresistive element 4 and the magnetic field in the magnetoresistive element 5 are different, the four-terminal magnetoresistive element in FIG. When the magnetic field at 13 and the magnetic fields at the magnetoresistive elements 12 and 14 are different, the detection can be performed efficiently.

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 magnetoresistive elements 4 and 5 both increase in resistance in the same manner, so that an output signal can be obtained from the output terminal 2. The phenomenon of not occurring occurs. The same problem occurs with a four-terminal magnetoresistive element.

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 magnetoresistive element 3 and the resistance value of the magnetoresistive element 4 are different, the output terminal 2 has 1/2 of the input voltage Vin (Vin / 2), and if the temperature coefficient of the resistance value of each magnetoresistive element is different, the output voltage value of the output terminal 2 causes a temperature drift.

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 magnetoresistive element 3 and the magnetoresistive element 4 having an impurity concentration that determines the temperature change of the electrical conductivity of the semiconductor that is the operation layer.

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 output terminal 2 will drift in temperature.

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 magnetoresistive element 11 and the resistance value of the magnetoresistive element 12 are different, When the resistance value and the resistance value of the magnetoresistive element 14 are different, the output terminals 8 and 10 have a problem that the output voltage does not become zero and an offset voltage is generated even when the magnetic field is zero.

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-terminal magnetoresistive element 100.

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-terminal magnetoresistive element 100 includes two magnetoresistive elements 30 and 31, terminal electrodes 1 and 3 for applying a DC voltage Vin, and a terminal electrode 2 for outputting an output voltage Vout as an output signal. Consists of

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 magnetoresistive element 30 has a structure having a short-circuit electrode, and the magnetoresistive element 31 has a structure not having a short-circuit electrode.

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-terminal magnetoresistive element 100. The magnetoresistive element 30 and the magnetoresistive element 31 are connected in series via the terminal electrode 2, and a constant voltage power source Vin (= 5 V) is connected between the terminal electrodes 1 and 3.

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 magnetoresistive elements 30 and 31 are transfer molded using an epoxy resin to form a three-terminal magnetoresistive element 100.

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-terminal magnetoresistive element 100.

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。   Reference numeral 19 denotes an operation layer of the magnetoresistive elements 30 and 31. Reference numeral 20 denotes an electrode corresponding to the terminal electrode 1 of the terminal electrodes 1, 2 and 3. 21 is a mold resin. Reference numeral 22 denotes a terminal connected to each of the terminal electrodes 1, 2, and 3.

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 operation layer 19 of the magnetoresistive elements 30 and 31 preferably has as high an electron mobility as possible in order to obtain a high magnetoresistance change rate, and is made of Si, GaAs, InSb, InAs, or a mixed crystal system thereof. InAsSb and the like are preferable.

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 magnetoresistive elements 30 and 31 may be any material as long as it exhibits a solid shape. For example, a semiconductor, a dielectric, a ceramic, or a glass substrate can be used. Further, when a substrate such as GaAs, Si, InP, or GaP is used among the semiconductor substrates, high electron mobility can be obtained particularly in the operation layer 19, which is particularly preferable.

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 operation layer 19, it may be performed simultaneously with the formation of the operation layer 19, or may be implanted using an ion implantation method after film formation. For example, in the case of a III-V group compound semiconductor such as InSb or InAs, an impurity to be used may be a group IV element such as Si or Sn or a group VI element typified by Se, Te, or S. Of these, Si and Sn are particularly preferable.

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 operating layer 19 has an effect of improving the temperature characteristics of the manufactured magnetoresistive elements 30 and 31.

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/cmから1×1018/cmとすることが好ましく、さらに好ましくは、5×1016/cmから5×1017/cm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 operation layer 19, a vacuum deposition method is generally used, but a molecular beam epitaxy (MBE) method is a particularly preferable method because it has high controllability of the film thickness and composition of the thin film. For this reason, there is almost no difference in the characteristics of a plurality of elements arranged in the magnetic pattern detection device of the present invention.

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 electrode 20 is a Cu single layer, Ti / Au, Ni / Au, Cr / Cu, Cu / Ni / Au, Ti / Au / Ni, Cr / Au / Ni, Cr / Ni / Au / Ni. It is good also as such lamination | stacking. The electrode material may be any material as long as it can withstand the operating conditions and environmental conditions in which the manufactured element is used.

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 electrode 20 may be formed by a general vacuum vapor deposition method such as electron beam vapor deposition or resistance thermal vapor deposition, a sputtering method or a plating method. Further, in order to improve the ohmic contact with the electrode operation layer after forming the electrode, it is also preferable to perform heat treatment using a rapid temperature rising thermal annealing (RTA) method.

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/cm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 GaAs substrate 23 with a thickness of 0.35 μm. Next, the temperature is lowered at 580 ° C. to form a GaAs buffer layer with a thickness of 200 nm. Next, the temperature was lowered to 400 ° C. while irradiating As, and then a Sn-doped InSb thin film 6 having a thickness of 1 μm of the operation layer 19 was formed while simultaneously irradiating the substrate with Sn, In, and Sb. At this time, the Sn cell temperature was adjusted so that the electron concentration of the InSb thin film 6 was 7 × 10 16 / cm 3 .

(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-terminal magnetoresistive element 100 will be described.

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-terminal magnetoresistive element 100. FIG.

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-terminal magnetoresistive element 100 can use a normal photolithography technique.

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 shape 25 with a hydrochloric acid / hydrogen peroxide etching solution. Etch.

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 operation layer 19 is etched using the wet etching method has been introduced, but mesa etching may be performed by dry milling using ion milling or reactive ion etching.

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-circuit electrode 6 are performed, the electrode is deposited by the vacuum deposition method, and the short-circuit electrode is formed by the lift-off method. 6 is formed. After forming a resist pattern with a photoresist, a stacked electrode made of 50 nm thick Ti, 400 nm thick Au, and 50 nm thick Ni is formed as the short-circuit electrode 6 by the electron beam method, and desired using a lift-off method. The short-circuit electrode 6 having the shape is produced.

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 thin film 26 having a thickness of 300 nm is formed as a protective film by plasma CVD, and a silicon nitride film only on the electrode pad portion is formed using a reactive ion etching apparatus. Removed.

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 electrode pad portion 27 was formed in the same manner as the method for forming the short-circuit electrode 6. As an electrode pad, a laminated electrode made of 50 nm thick Ti and 400 nm thick Au was used. In order to improve the contact with the operation layer 19, heat treatment was performed at 500 ° C. for 2 minutes in an inert gas atmosphere. The electrode pad portion 27 and the terminal electrodes 1, 2, and 3 in FIG. 1 are the same.

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-terminal magnetoresistive element 100.

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-circuit electrodes 6 is L, L / W is the shape factor.

(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 magnetoresistive element 30 will be described.

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/R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 magnetoresistive element 30. A uniform magnetic field was applied to the magnetoresistive element 30 with an electromagnet, and the relationship between the magnetoresistance change rate ΔR / R 0 and the magnetic flux density was measured.

図6において、ΔR=R−Rであり、Rは磁場中での抵抗値、R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 magnetoresistive element 30 was set to 0.2, and the shape factor L / W of the magnetoresistive element 31 was set to 25.

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-terminal magnetoresistive element 100.

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-terminal magnetoresistive element 100 was placed in the uniform magnetic field of the electromagnet 33 with the rare earth magnet 15 (8 mm × 6 mm × 4.5 mm) attached to the N pole side. The rare earth magnet 15 has a surface magnetic flux density of about 2.5 kG. The magnetic field of the electromagnet 33 was changed, and the voltage (Vout) of the terminal electrode 2 (that is, the output terminal 2) was measured. As for the direction of the magnetic field of the electromagnet 33, the arrow in the figure is the positive direction.

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-terminal magnetoresistive element 100.

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 electromagnet 33.

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 electromagnet 33 is a direction that cancels out the lines of magnetic force from the rare earth magnet N-pole, and the resistance value of the magnetoresistive element 30 decreases from the magnetic characteristics of FIGS. Since the magnetoresistive element 31 has almost no sensitivity to changes in magnetic flux, the resistance value hardly changes from the magnetic characteristics shown in FIGS. As a result, the potential of the output terminal 2 of the circuit shown in FIG.

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 electromagnet 33 is the direction in which the magnetic field lines from the N pole of the rare earth magnet 15 increase, and the resistance value of the magnetoresistive element 30 increases. As a result, the potential of the output terminal 2 decreases. It can be seen that the output voltage Vout of the output signal is linear with respect to the applied magnetic field of the electromagnet 33 and a uniform magnetic field can be detected.

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 magnetoresistive element 30 and the magnetoresistive element 31 equal, it was possible to satisfy Vout = Vin / 2 when the magnetic flux density was zero.

(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-terminal magnetoresistive element 100 will be described.

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-terminal magnetoresistive element 100 is not attached to the rare earth magnet 15). As a result of measuring the value of Vout−Vin / 2 as the output voltage of the output signal in the temperature range of −60 ° C. to + 160 ° C., it is found that the value becomes zero and there is almost no temperature drift.

(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-terminal magnetoresistive element 100 is configured and a magnetic pattern is detected will be described as an application example.

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 MR head 36 as a magnetic sensor including a three-terminal magnetoresistive element 100 for obtaining a signal proportional to a change in magnetic flux due to an actual magnetic pattern (hereinafter referred to as an absolute magnetic flux change amount detection). The schematic structure of is shown.

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 head 36 on which the three-terminal magnetoresistive element 100 is mounted.

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 MR head 36 is manufactured as the MR head 36 by inserting the rare earth magnet 15 having the three-terminal magnetoresistive element 100 attached to the N pole side surface into the CAN 34 and potting with the epoxy resin 35. In actual detection of the magnetic pattern, the one sealed with CAN 34 is used.

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 MR head 36 is fixed to the printed circuit board 37, and as shown in FIG. 2, it is connected to the constant voltage power source Vin between the terminal electrodes 1 and 3 of the half bridge circuit. The printed circuit board 37 has a DC amplifier circuit (inverted amplifier circuit) as shown in FIG. 13 for amplifying the output signal (output voltage Vout) output from the output terminal 2 of the three-terminal magnetoresistive element 100 of the MR head 36. ) 150 is formed.

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 magnetic print 38 is scanned in the direction of the arrow shown in FIG. 12 and passes below the three-terminal magnetoresistive element 100 that constitutes the MR head 36.

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 DC amplifier circuit 150.

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 DC amplifier circuit 150 is configured by amplifier circuits 151 and 152 connected in two stages, and its input terminal is connected to the output terminal 2 of the three-terminal magnetoresistive element 100 constituting the MR head 36. The output signal 41 (Vp) is output from the output terminal 40 of the second stage amplifier circuit 152. The output signal 41 is amplified by direct current amplification, so that the gain is about 10,000 times.

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 magnetic ink 39 constituting the magnetic pattern, four types (A, B, C, D) having different magnetic powder contents are prepared. One of the magnetic inks 39 has a width of 0.8 mm and a length of 8.0 mm. Four magnetic inks 39 are arranged in the order of A, B, C, and D at intervals of 4.5 mm and printed on the magnetic printed matter 38 to form a magnetic pattern.

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 magnetic print 38 on which such a magnetic pattern is formed is substantially in contact with the MR head 36 provided with the three-terminal magnetoresistive element 100, scanning is performed in the direction of the arrow in FIG. .

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 MR head 36. It can be seen that signals are detected in proportion to the amount of magnetic powder contained in the magnetic patterns A, B, C, and D. Therefore, it can be seen that the difference in the magnetic pattern, that is, the content of the magnetic powder in the magnetic printed matter 38 can be detected accurately and faithfully.

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 magnetic ink 39 containing magnetic powder formed on a magnetic print 38 using the MR head 36 of FIG. 11 will be described.

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 matter 38 is scanned, it moves from left to right as indicated by positions A → B → C. The arrows in the figure represent the lines of magnetic force applied from the magnet 15.

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-terminal magnetoresistive element 100 to the magnetic powder contained in the magnetic ink is farther than the range exerted by the magnetic lines of force of the magnet 15, so that the magnetic flux density immediately below the three-terminal magnetoresistive element 100 is Is not affected by the magnetic ink 38.

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 magnet 15 are drawn into the magnetic powder, so that the three-terminal magnetic resistance is generated by the magnetic interaction between the magnetic lines of force and the magnetic powder. The magnetic flux density immediately below the element 100 increases, and the resistance value of one magnetoresistive element 30 increases. If the magnetic powder has the same magnetic permeability, the magnetic flux density changes in proportion to the content of the magnetic powder contained in the magnetic pattern.

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-terminal magnetoresistive element 100 is not affected by the magnetic ink 38.

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 output terminal 40 of FIG.

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 magnetoresistive element 30 and the magnetoresistive element 31 constituting the three-terminal magnetoresistive element 100 are equal, the output voltage 2 is Vin / 2. Note that the position A corresponds to the position A in FIG.

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 magnetoresistive element 30 increases, the output voltage 2 becomes lower than Vin / 2. Note that the position B corresponds to the position B in FIG.

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 magnetoresistive element 30 and the magnetoresistive element 31 are equal, the output voltage 2 is Vin / 2. Note that the position C corresponds to the position C in FIG.

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 magnetic print 38 in this way, an output signal as shown in FIG. 17 is obtained. In the output signal 41, the magnetic flux density immediately below the three-terminal magnetoresistive element 100 is changed by the magnetic interaction generated when the magnetic field of the magnetic ink 38 constituting the magnetic pattern approaches a constant magnetic field from the magnet 15, It is measured in proportion to the changed magnetic flux density. As described above, since the three-terminal magnetoresistive element 100 can obtain the signal output voltage Vp proportional to the change in the magnetic flux density, the output signal 41 is the degree of shading of the magnetic powder contained in the magnetic pattern printed on the banknote or the like. It is detected as a highly accurate signal that is proportional to

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-terminal magnetoresistive element 100 is not limited to the magnetic pattern detection process as described above, and can be applied to other detection processes such as the above-described rotation detection of the gear.

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-terminal magnetoresistive element 200.

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-terminal magnetoresistive element 200 applies two magnetoresistive elements 42 and 44 having the same magnetic characteristics, two magnetoresistive elements 43 and 45 having the same magnetic characteristics, and a DC voltage Vin. It consists of terminal electrodes 7 and 9 and terminal electrodes 8 and 10 for outputting an output voltage Vout as an output signal.

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 magnetoresistive elements 42 and 44 have a structure having a short-circuit electrode, and the shape factor L / W = 0.2 in FIG. 7 is set. The magnetoresistive elements 43 and 45 have a structure having no short-circuit electrode, and the shape factor L / W = 25 in FIG. 7 is set. The resistance values of the magnetoresistive elements 42, 43, 44, 45 are all made equal.

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-terminal magnetoresistive element 200 was transfer molded with epoxy resin to complete the magnetoresistive element 46.

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-terminal magnetoresistive element 200. The magnetoresistive elements 42, 43, 44, 45 are connected in a loop, and the terminal electrodes 7, 9 are connected to a constant voltage power source Vin (= 5V).

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-terminal magnetoresistive element 200.

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-terminal magnetoresistive element 200, it was placed in the uniform magnetic field of the electromagnet 33 in a state of being attached to the N pole side of the rare earth magnet 15. The surface magnetic flux density of the rare earth magnet 15 was about 2.5 kG. The magnetic field of the electromagnet 33 was changed, and the voltage (Vout) between the terminal electrode 8 (output terminal 8) (−) and the terminal electrode 10 (output terminal 10) (+) was measured. As for the direction of the magnetic field of the electromagnet 33, the arrow in the figure is the positive direction.

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-terminal magnetoresistive element 200.

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 electromagnet 33. The positive direction of the magnetic field of the electromagnet 33 is a direction that promotes the magnetic field lines from the north pole of the rare earth magnet 15, and the resistance values of the magnetoresistive elements 42 and 43 increase. Since the magnetoresistive elements 43 and 45 are hardly sensitive to changes in magnetic flux, their resistance values hardly change. As a result, the potential of the output terminal 8 (−) decreases and the potential of the output terminal 10 (+) increases. When the voltage (Vout) between the output terminal 8 (−) and the output terminal 10 (+) is taken as the output voltage, the output voltage is linear with respect to the applied magnetic field of the electromagnet 33 and has a uniform magnetic field. It can be detected. Note that the output voltage of the four-terminal magnetoresistive element 200 can be doubled as compared with the signal output voltage of the three-terminal magnetoresistive element 100 of the first example described above.

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 rare earth magnet 15 and the direction of the magnetic field of the electromagnet 33 are reversed, the voltage (Vout) between the output terminal 8 (−) and the output terminal 10 (+) is increased. It has a negative inclination with respect to the direction of the magnetic field of the electromagnet 33.

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 magnetoresistive elements 42, 43, 44 and 45 are all equal, Vout = 0 can be obtained when the magnetic flux density is zero.

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 magnetoresistive elements 42, 43, 44, 45 are all made equal, but the resistance value of the magnetoresistive element 42 and the resistance value of the magnetoresistive element 43 are made equal, Even when the resistance value of the magnetoresistive element 45 is made equal, and the resistance value of the magnetoresistive element 42 and the resistance value of the magnetoresistive element 44 are different, Vout = 0 can be set when the magnetic flux density is zero, In addition, magnetic characteristics as shown in FIG. 21 can be obtained.

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-terminal magnetoresistive element 200 were also measured in the same manner as in the first example described above, but there was almost no temperature drift of the output voltage.

(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-terminal magnetoresistive element 250, a structure as shown in FIG. The magnetoresistive elements 42 and 44 having the same magnetic characteristics and the magnetoresistive elements 43 and 45 having the same magnetic characteristics are arranged close to each other in the same direction. Thereby, simplification of a manufacturing process, improvement of electrical characteristics, and the like can be achieved. Further, even in such a structure, the magnetic characteristics and the temperature dependence were measured, but were the same as the characteristics of the four-terminal magnetoresistive element 200 in FIG.

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.

本発明の第1の実施の形態である、3端子磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the 3 terminal magnetoresistive element which is the 1st Embodiment of this invention. 3端子磁気抵抗素子を構成するハーフブリッジ回路の接続形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection form of the half bridge circuit which comprises a 3 terminal magnetoresistive element. モールドされた3端子磁気抵抗素子の外観構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the external appearance structure of the molded 3 terminal magnetoresistive element. 本発明に適用した磁気抵抗素子の作製工程を説明する工程図である。It is process drawing explaining the manufacturing process of the magnetoresistive element applied to this invention. 磁気抵抗素子の形状因子(L/W)を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the shape factor (L / W) of a magnetoresistive element. 磁気抵抗素子の磁束密度−磁気抵抗変化率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the magnetic flux density-magnetoresistance change rate of a magnetoresistive element. 磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率−形状因子の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the magnetoresistive change rate-form factor of a magnetoresistive element. 3端子磁気抵抗素子の磁気特性を測定する構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure which measures the magnetic characteristic of a 3 terminal magnetoresistive element. 3端子磁気抵抗素子の磁束密度−出力信号の検出電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the magnetic flux density of a 3 terminal magnetoresistive element-the detection voltage of an output signal. 3端子磁気抵抗素子の温度−出力信号電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature-output signal voltage of a 3 terminal magnetoresistive element. 磁気センサとして、3端子磁気抵抗素子を用いたMRヘッドの構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of MR head using a 3 terminal magnetoresistive element as a magnetic sensor. 磁気パターンの検出方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detection method of a magnetic pattern. MRヘッドに接続された直流増幅器を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the direct current amplifier connected to MR head. 測定に用いられる磁気パターンの形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shape of the magnetic pattern used for a measurement. 磁気パターンの検出信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the detection signal of a magnetic pattern. 従来の磁気パターン検出法である空間差分検出法の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the spatial difference detection method which is the conventional magnetic pattern detection method. 従来の空間差分検出法で検出される出力信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the output signal detected by the conventional space difference detection method. 本発明の第2の実施の形態である、4端子磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the 4 terminal magnetoresistive element which is the 2nd Embodiment of this invention. 4端子磁気抵抗素子を構成するフルブリッジ回路の接続形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection form of the full bridge circuit which comprises a 4-terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子の磁気特性を測定する構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure which measures the magnetic characteristic of a 4-terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子の磁束密度−検出電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic flux density-detection voltage relationship of a 4-terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of 4 terminal magnetoresistive element. 従来の3端子磁気抵抗素子を示す構成図である。It is a block diagram which shows the conventional 3 terminal magnetoresistive element. 3端子磁気抵抗素子の回路図である。It is a circuit diagram of a 3 terminal magnetoresistive element. 従来の磁気パターン検出法である空間差分検出法の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the spatial difference detection method which is the conventional magnetic pattern detection method. 従来の空間差分検出法で検出された出力信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the output signal detected by the conventional space difference detection method. 3端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the rotation detection method of the gearwheel using a 3 terminal magnetoresistive element. 3端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法で検出された出力信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the output signal detected by the rotation detection method of the gearwheel using a 3 terminal magnetoresistive element. 2個の磁気抵抗素子と歯車の山谷との配置関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning relationship between two magnetoresistive elements and the crests and valleys of a gear. 従来の4端子磁気抵抗素子を示す構成図である。It is a block diagram which shows the conventional 4 terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子の回路図である。It is a circuit diagram of a 4-terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the rotation detection method of the gearwheel using a 4 terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法での出力端子(−)で検出された出力信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the output signal detected by the output terminal (-) in the rotation detection method of the gearwheel using a 4 terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法での出力端子(+)で検出された出力信号の波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the waveform of the output signal detected by the output terminal (+) by the rotation detection method of the gearwheel using a 4 terminal magnetoresistive element. 4端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法での出力端子(−)と出力端子(+)とで検出された出力信号の差分信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the difference signal of the output signal detected by the output terminal (-) and the output terminal (+) in the rotation detection method of the gearwheel using a 4 terminal magnetoresistive element.

符号の説明Explanation of symbols

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 Magnetoresistive element 5 Magnetoresistive element 6 Short-circuit electrode 7 Terminal electrode (input terminal)
8 Terminal electrode (Output terminal)
9 Terminal electrode (input terminal)
10 Terminal electrode (output terminal)
11 magnetoresistive element 12 magnetoresistive element 13 magnetoresistive element 14 magnetoresistive element 15 rare earth magnet 16 magnetic print 17 magnetic ink 18 gear 19 operation layer 20 terminal electrode 21 mold resin 22 terminal 23 GaAs substrate 24 InSb thin film 25 mesa-etched InSb thin film 26 Silicon nitride thin film 27 Electrode pad portion 28 Element width 29 Element length 30 Magnetoresistive element 31 Magnetoresistive element 32 having no short-circuit electrode Three-terminal magnetoresistive element 33 Electromagnet 34 CAN
35 Epoxy resin 36 MR head 37 Printed circuit board 38 Magnetic printed matter 39 Magnetic ink 40 Output terminal 41 after DC amplification Detection signal 42 Magnetoresistive element 43 Magnetoresistive element 44 without short-circuited electrode Magnetoresistive element 45 Magnetoresistance without short-circuiting electrode Element 46 Four-terminal magnetoresistive element 100 Three-terminal magnetoresistive element 150 DC amplifier circuit 151,152 Amplifier circuit 200,250 Four-terminal magnetoresistive element

Claims (9)

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.
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、互いに等しいことを特徴とする請求項1又は2記載の3端子磁気抵抗素子。   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. The three-terminal magnetoresistive element according to claim 1 or 2, characterized by being equal to each other. 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、
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.
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.
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いことを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の4端子磁気抵抗素子。   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 8. The four-terminal magnetoresistive element according to claim 5, wherein a resistance value of the element and a resistance value of the fourth magnetoresistive element are equal to each other. 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、
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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