JP2006019484A - 磁気センサ - Google Patents
磁気センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006019484A JP2006019484A JP2004195478A JP2004195478A JP2006019484A JP 2006019484 A JP2006019484 A JP 2006019484A JP 2004195478 A JP2004195478 A JP 2004195478A JP 2004195478 A JP2004195478 A JP 2004195478A JP 2006019484 A JP2006019484 A JP 2006019484A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- sensitivity
- thickness
- magnetic field
- gmr element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 66
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 40
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 54
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 21
- 239000010408 film Substances 0.000 description 18
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 14
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 8
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229910019222 CoCrPt Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
【課題】 地磁気センサに使用した際に、ヒステリシスがなく高感度で、且つ、感度の方向のずれを小さくすることができる磁気センサを提供する。
【解決手段】 磁気抵抗効果素子は、基板1上に配置された1又は複数個の磁気抵抗効果素子と、基板1上に配置された永久磁石とを有する。この磁気抵抗効果素子は、フリー層2と、このフリー層2の上に形成されたスペーサ層3と、このスペーサ層3の上に形成されたピンド層4とを有し、磁気抵抗効果素子の幅が7乃至8μmであり、スペーサ層の厚さが28乃至34Åである。また、フリー層2の厚さが125Å、ピンド層4の厚さが30Åである。
【選択図】 図1
【解決手段】 磁気抵抗効果素子は、基板1上に配置された1又は複数個の磁気抵抗効果素子と、基板1上に配置された永久磁石とを有する。この磁気抵抗効果素子は、フリー層2と、このフリー層2の上に形成されたスペーサ層3と、このスペーサ層3の上に形成されたピンド層4とを有し、磁気抵抗効果素子の幅が7乃至8μmであり、スペーサ層の厚さが28乃至34Åである。また、フリー層2の厚さが125Å、ピンド層4の厚さが30Åである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ヒステリシスが少なく地磁気に対して高感度であると共に、感度の方向を制御できる磁気センサに関する。
磁気センサにおいて、巨大磁気抵抗素子(以下、GMR(Giant Magneto-Resistive)素子という)が使用されている。このGMR素子は、図1に示すように、例えば、石英ガラスからなる基板1上に、CoZrNb層、NiFe層及びCoFe層の3層構造からなるフリー層2,Cuからなるスペーサ層3、CoFeからなるピンド層4,PtMnからなるピニング層5並びにTiからなるキャッピング層6がこの順に形成されている。フリー層2は、外部磁界に反応して磁化方向が変化し、ピンド層4は磁化方向が固定(ピン止め)されており、このGMR素子に外部から磁界が印加された場合に、フリー層2の磁化方向が、ピンド層4と平行の同一方向にそろったときに、スペーサ層3に電子を流すと伝導電子は散乱されにくく抵抗が低くなり、フリー層2の磁化方向が、ビンド層4と平行の逆方向になったときに、スペーサ層3に電子を流すと伝導電子は散乱されやすく、抵抗が高くなる。このように、ピンド層4の磁化の方向とフリー層2の磁化の方向との相対関係に応じた抵抗値を示すので、この抵抗値を測定することにより外部磁界を検出することができる。
このような磁気センサにおいて、地磁気を基準として絶対方位を検出するような方位地磁気センサとして使用する場合、微小の外部磁界を精度よく検出するために、外部磁界が磁気センサに印加されていない場合のフリー層の磁化の方向を所定の向き(初期状態の向き)に安定的に維持する必要がある。そこで、一般的には、薄膜のフリー層の平面視での形状を長方形にすると共に、その長辺(長軸)を初期状態の向きに一致させることにより、磁化の向きが長手方向に揃う形状異方性を利用してフリー層の各磁区の磁化の向きを初期状態の向きに一致させるようにしている。また、外部磁界が消滅したときに、フリー層の磁化の向きが長期安定的に初期状態の向きに復帰するように、フリー層の長手方向の両端部に永久磁石膜であるバイアス磁石膜を配置し、このバイアス膜により初期状態の向きの磁界をフリー層に印加するようになっている。
なお、GMR素子の感度は、GMR素子のMR比と、ピンニングと無磁界でのフリー層2の磁化とのなす角と、フリー層2の磁化の容易性で決定される。また、GMR素子の微小磁界の感度方向は無磁界でのフリー層2の磁化と垂直な方向である。
しかしながら、従来の磁気抵抗効果素子は、例えば、素子幅が5μm、フリー層の厚さが125Å、スペーサ層の厚さが24Å、ピンド層の厚さが22Åである。この従来の磁気抵抗効果素子を使用した磁気センサにおいては、ヒステリシスはないが、感度が低いため、方位地磁気センサとしては不十分という難点があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、磁気方位センサに使用した際に、ヒステリシスがなく高感度で、且つ、感度の方向のずれを小さくすることができる磁気センサを提供することを目的とする。
本発明に係る磁気センサ素子は、基板上に配置された1又は複数個の磁気抵抗効果素子と、前記基板上に配置された永久磁石とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、フリー層と、このフリー層の上に形成されたスペーサ層と、このスペーサ層の上に形成されたピンド層とを有し、前記磁気抵抗効果素子の幅が7乃至8μmであり、スペーサ層の厚さが28乃至34Åであることを特徴とする。
この磁気センサにおいて、前記フリー層の厚さが125Å、前記ピンド層の厚さが30Åであることが好ましい。
本発明者は、GMR素子の高感度化に伴いヒステリシスが発生することを抑制し、また、感度角度の方向を制御するため、GMR素子の素子幅の大きさと、フリー層、スペーサ層及びピンド層の各層厚の関係に着目し、鋭意実験研究を行った結果、GMR素子の素子幅を7乃至8μm、スペーサ層の厚さを28乃至34Åにすることにより、ヒステリシスの発生を抑制しつつ磁気センサ素子の感度を高めることができ、更に、感度方向のずれを0°に近づけられることを見出したものである。本願発明はこのような知見にもとづいてなされたものである。
本発明によれば、Cuの感度依存性に基づき、GMR素子の素子幅を従来より大きくし、スペーサ層の厚さを従来より厚くしたので、異方性磁界(Hk)を小さくすることにより生じるヒステリシスがなく、高感度で、且つ、感度の方向のずれを抑制することができる磁気センサを得ることができ、この磁気センサは、例えば、1°単位から16方位以上の精度が要求される磁化方位センサに使用するのに有効である。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照にして具体的に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るGMR素子の断面図である。前述のごとく、このGMR素子は、例えば、石英ガラスからなる基板1(例えば、2mm角:図2参照)上に、CoZrNb層、NiFe層及びCoFe層の3層構造からなるフリー層2,Cu又はCu合金からなるスペーサ層3、CoFeからなるピンド層4,PtMnからなるピニング層5並びにTiからなるキャッピング層6がこの順に形成されている。
フリー層2は、外部磁界に反応し磁化方向が変化する磁性層である。スペーサ層3は、Cu又はCu合金からなる金属薄膜である。ピンド層4は、CoFe磁性層により構成された強磁性体であり、磁化の向きが固定されている。ピニング層5は、ビンド層4上に積層されPtを45乃至55mol%含むPtMn合金からなる反強磁性体層である。また、フリー層2、スペーサ層3、ピンド層4、ピニング層5,キャッピング層6を総称してスピンバルブ膜7という。
図2は上述のGMR素子を用いたX軸、Y軸の2軸の磁気センサを示す平面図である。この磁気センサは所定の厚さを有する1辺2mmの正方形状の石英ガラス基板1上に、X軸方向の磁界を検出するX軸磁気センサを構成するX軸GMR素子9と、X軸と直行するY軸方向の磁界を検出するY軸磁気センサを構成するY軸GMR素子10とが配置されている。これらのX軸GMR素子9及びY軸GMR素子10は図1に示すスピンバルブ膜7を含む層構成を有する。
図3は上記各GMR素子9,10の平面形状を示す平面図である。各GMR素子9,10においては、帯状の複数個のスピンバルブ膜7が相互に平行に配置されており、これらのスピンバルブ膜7の両端部には、複数個のスピンバルブ膜7を直列に接続する複数個のバイアス磁石膜11が設けられている。バイアス磁石膜11は高保磁力及び高角型比を有するCoCrPt等の硬質強磁性体の薄膜からなる。
図4は図2に示すX軸GMR素子9及びY軸GMR素子10をブリッジ接続した配線図である。このようなブリッジ接続において、電流電源を使用して一方の端子i+(12)にVi+を、他方の端末i−(13)にVi−を夫々印加させる。更に、一方の端子O+(14)からVoutが、他方の端子O−(15)からVout−が取り出され、取り出された電位差(Vout+ − Vxout−)がセンサ出力Voutとして出力される。
この場合に、図11に示すようにフリー層2に作用する磁界において、GMR素子の素子幅を大きくすると異方性磁界(Hk)16が小さくなり、幅方向の外部磁場が加わると、フリー層2の磁化の幅方向の成分は大きくなりGMR素子の感度が上がる。しかし、外部磁界に対してHkが小さすぎるとヒステリシスが生じてしまう。
また、図12に示すようにGMR素子の各層間において、フリー層2に作用する磁界は、(1)ピンド層4が作る静磁界結合(Hs)19Cと、(2)ピンド層4と空間的距離に依存する交換結合磁界(Hin)18と、(3)バイアス磁石膜11が作る静磁界結合(Hm)とがある。ピンド層4を厚くすると静磁界結合(Hs)19が強くなり、スペーサ層3を薄くすると交換結合磁界(Hin)18が強くなる。このGMR素子のGMR素子幅を大きくすると、ピンド層4からの静磁界結合19が弱くなる性質がある。また、フリー層2を厚くすると、いずれの影響も小さくなる。
フリー層2に作用する磁界と感度方向において、図13に示すようにフリー層の磁化方向Dは、磁化の履歴とフリー層2に作用する磁界で決定される。フリー層2に作用する磁界に対し、地磁気のように十分小さい磁界の場合、GMR素子の感度方向はピンニングと関係なく、無磁場での磁化方向と鉛直方向となる。フリー層2に作用する磁界を小さくするほど感度が上がる反面、ヒステリシスが生じやすくなる問題点がある。
本発明はこのような背景のもとで、磁気抵抗効果素子の幅を7乃至8μmとし、スペーサ層の厚さを28乃至34Åとしたものである。更に、フリー層の厚さを125Å、ピンド層の厚さを30Åとしたものである。
図5は、本発明の実施の形態に係るGMR素子の素子幅を5μm乃至10μmで変化させたときの磁気センサの感度と感度方向のずれとをプロットしたグラフである。但し、このデータは、ピン層の磁化の方向が磁気抵抗効果素子の長手方向に対して45°をなすものである。図5に示すように、GMR素子幅を大きくすることにより地磁気センサの感度は上がるものの、感度方向がずれてGMR素子幅が9μm以上ではセンサにおける素子の抵抗の割合が下がり、感度は頭打ちとなる。そして、図5において、GMR素子幅が7乃至8μmの場合に、感度は高い値を維持しつつ、感度方向のずれが小さくなる。そこで、本発明においては、GMR素子幅を7乃至8μmとする。
図6及び図7は、GMR素子のスペーサ層の膜厚を変化させたときの夫々感度方向のずれ及び感度をプロットしたグラフである。但し、図において、◆は従来のようにGMR素子幅が5μmの場合、■はGMR素子幅が7.5μmの場合のものである。また、このデータも、ピン層の磁化の方向が磁気抵抗効果素子の長手方向に対して45°をなすものである。図6及び図7に示すように、感度が最も高く、且つ、感度のずれが最も少ない値はGMRスペーサ膜の厚さが28Åのときである。そして、GMR素子のスペーサ層の厚さが34Åになるまで、感度が高く、スペーサ層の厚さがこの34Åを超えると、若干感度が低下していく。これに対し、感度方向のずれは、GMR素子のスペーサ層の厚さが28乃至34Åであれば、0°に近い値を有しており、GMR素子のスペーサ層の厚さが34Åを超えると、前記ずれが大きくなる。そこで、本発明においては、スペーサ層の厚さを28乃至34Åにする。
なお、フリー層及びピンド層の厚さは、感度に対して影響はなく、Cuスペーサ層の厚さが感度にとって重要である。
図8は横軸に各層をとり、縦軸に各層の層厚による感度依存性をとって、感度に対する各層の層厚の影響を示すグラフ図である。この図8に示すように、Cuスペーサ層の厚さが感度に最も強く影響し、Cuスペーサ層の層厚を適切化することが重要である。
また、図9は、横軸に各層をとり、縦軸に各層の層厚による感度軸依存性をとって、感度軸に対する各層の層厚の影響を示すグラフ図である。この図9に示すように、Cuスペーサ層の厚さが感度軸に最も強く影響し、Cuスペーサ層の層厚を適切化することが重要であることがわかる。
換言すると、Cuスペーサ層以外のフリー層及びピンド層の厚さについては、感度及び感度軸に対する影響が小さい。
なお、フリー層にかかるバイアス磁界はピンド層からの静磁界結合(Hs)及び交換結合(Hin)がある。ピンド層からの静磁界結合(Hs)は素子形状に依存するので、単独に計測することは困難である。しかし、交換結合(Hin)は形状を問わず、任意のパターンで容易に計測できる。図10は、各層の膜厚による交換結合(Hin)の依存性を示す。この交換結合(Hin)もCuスペーサ層の層厚と極めて強い相関関係があることがわかる。なお、図5は、前述のごとく、素子幅により感度が大きく影響されることを示しており、素子形状(幅)の変化によって、ピンド層からの静磁界結合(Hs)が変動したことが推測される。よって、素子のバイアス調整は、素子幅とスペーサ層の厚さが重要である。
下記表1は、図1乃至4に示す構造のGMR素子において、センサ素子幅を5.0μm、スペーサ層の厚さを24Å、ピンド層の厚さを22Åにした従来のGMR素子と、センサ素子幅を7.5μm、スペーサ層の厚さを28Å、ピンド層の厚さを30Åにした本発明のGMR素子とについて、センサの感度及び感度方向を対比したものである。本発明のGMR素子は、感度及び感度方向のずれのいずれにおいても、従来のGMR素子より優れている。
1;石英ガラス基板、2;フリー層、3;スペーサ層、4;ピンド層、5;ピニング層、6;キャッピング層、7;スピンバルブ膜、9;X軸GMR素子、10;Y軸GMR素子、11;バイアス磁石膜、12;端子i+、13;端子i−、14;端子O+、15;端子O−、16;異方性磁界、17;ピンド層の磁界方向、18;交換結合、19;静磁界結合
Claims (1)
- 基板上に配置された1又は複数個の磁気抵抗効果素子と、前記基板上に配置された永久磁石とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、フリー層と、このフリー層の上に形成されたスペーサ層と、このスペーサ層の上に形成されたピンド層とを有し、前記磁気抵抗効果素子の幅が7乃至8μmであり、スペーサ層の厚さが28乃至34Åであることを特徴とする磁気センサ。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004195478A JP2006019484A (ja) | 2004-07-01 | 2004-07-01 | 磁気センサ |
TW093121410A TWI283082B (en) | 2003-07-18 | 2004-07-16 | Magnetic sensor and manufacturing method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004195478A JP2006019484A (ja) | 2004-07-01 | 2004-07-01 | 磁気センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006019484A true JP2006019484A (ja) | 2006-01-19 |
Family
ID=35793465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004195478A Pending JP2006019484A (ja) | 2003-07-18 | 2004-07-01 | 磁気センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006019484A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007220367A (ja) * | 2006-02-14 | 2007-08-30 | Alps Electric Co Ltd | 磁気スイッチ |
JP2018504782A (ja) * | 2015-01-16 | 2018-02-15 | クロッカス・テクノロジー・ソシエテ・アノニム | 改善されたプログラミング性及び低い読取り消費電力で磁場を検出するマグネティック・ロジック・ユニット(mlu)セル |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002299728A (ja) * | 2001-01-24 | 2002-10-11 | Yamaha Corp | 磁気センサ及びその製造方法 |
WO2004048986A2 (de) * | 2002-11-27 | 2004-06-10 | Robert Bosch Gmbh | Magnetoresistives sensorelement und verfahren zur reduktion des winkelfehlers eines magnetoresistiven |
-
2004
- 2004-07-01 JP JP2004195478A patent/JP2006019484A/ja active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002299728A (ja) * | 2001-01-24 | 2002-10-11 | Yamaha Corp | 磁気センサ及びその製造方法 |
WO2004048986A2 (de) * | 2002-11-27 | 2004-06-10 | Robert Bosch Gmbh | Magnetoresistives sensorelement und verfahren zur reduktion des winkelfehlers eines magnetoresistiven |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007220367A (ja) * | 2006-02-14 | 2007-08-30 | Alps Electric Co Ltd | 磁気スイッチ |
JP4689489B2 (ja) * | 2006-02-14 | 2011-05-25 | アルプス電気株式会社 | 磁気スイッチ |
JP2018504782A (ja) * | 2015-01-16 | 2018-02-15 | クロッカス・テクノロジー・ソシエテ・アノニム | 改善されたプログラミング性及び低い読取り消費電力で磁場を検出するマグネティック・ロジック・ユニット(mlu)セル |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5152495B2 (ja) | 磁気センサーおよび携帯情報端末装置 | |
JP6193212B2 (ja) | シングルチップ2軸ブリッジ型磁界センサ | |
KR100800279B1 (ko) | 스핀 밸브형 거대 자기 저항 효과 소자를 가진 방위계 | |
US20210382123A1 (en) | Magneto-resistive element and magnetic sensor | |
US6771472B1 (en) | Structure to achieve thermally stable high sensitivity and linear range in bridge GMR sensor using SAF magnetic alignments | |
TW200415808A (en) | Magnetic sensor and manufacturing method therefor | |
JP6842741B2 (ja) | 磁気センサ | |
JP2010286236A (ja) | 原点検出装置 | |
JP2003008101A (ja) | トンネル磁気抵抗効果素子及びこの素子を用いた方位検知システム | |
EP3236276B1 (en) | Magnetic field sensor with multiple axis sense capability | |
TW201327956A (zh) | 磁感應器 | |
JP2006269955A (ja) | 磁界検出装置 | |
JP2008306112A (ja) | 磁気抵抗効果膜、磁気センサ及び回転角度検出装置 | |
CN113227814B (zh) | 磁性隧道结包括具有固有各向异性的自由层的tmr传感器 | |
JP2017103378A (ja) | 磁気抵抗効果素子及び磁気センサ、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気センサの製造方法 | |
JP2005183614A (ja) | 磁気センサ | |
KR20230117352A (ko) | Z축의 자기장을 감지하기 위한 자기 저항 요소 | |
WO2015129235A1 (ja) | 磁気センサ | |
JP4482866B2 (ja) | 巨大磁気抵抗素子を持った方位計 | |
JP2006010579A (ja) | 磁気センサ | |
JP4331630B2 (ja) | 磁気センサ | |
JP2003215222A (ja) | 磁気抵抗効果素子センサ | |
JP2006019484A (ja) | 磁気センサ | |
JP6116694B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子を備えた磁界検出器、および電流検出器 | |
JP2006253411A (ja) | 磁気センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070604 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100420 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100422 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100824 |