JP2006019484A

JP2006019484A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2006019484A
Application number: JP2004195478A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Aiso; 功吉相曽
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-19

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

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。

特開２００２−２９９７２８号公報

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。

ＧＭＲ素子の断面図である。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。２軸の磁気センサのＧＭＲ素子を表す平面図である。磁気センサのブリッジ接続を示す図である。ＧＭＲ素子の素子幅を５μｍ乃至１０μｍで変化させたときの感度をプロットしたグラフである。ＧＭＲ素子のスペーサ膜厚を変化させたときの感度をプロットしたグラフである。ＧＭＲ素子のスペーサの膜厚を変化させたときの感度方向のずれをプロットしたグラフである。各層厚による感度依存性を示すグラフ図である。各層厚による感度軸依存性を示すグラフ図である。各層厚による感度Ｈｉｎ依存性を示すグラフ図である。ＧＭＲ素子幅においてフリー層に作用する磁界を示す図である。ＧＭＲ膜中においてフリー層に作用する磁界を示す図である。ＧＭＲ素子のフリー層に作用する磁界と感度方向を示す図である。

符号の説明

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

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。