JP2006253411A - 磁気センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 携帯機器に使用する地磁気センサに使用した際に、ヒステリシスがなく低消費電力であ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5μm以上7μm未満であり、スペーサ層3の厚さが24Å、ピンド層4の厚さが22Å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5μm以上7μm未満であり、スペーサ層3の厚さが24Å、ピンド層4の厚さが22Åである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ヒステリシスがなく低消費電力であるとともに、携帯機器に組み込むのに有効な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)素子ともいう)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盤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、ピンド層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良く検出するために、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。
ところで、近年、携帯電話等の携帯機器ではユーザの現在位置又は目的地の方向を認識するための位置情報の提供サービスが開始されており、表示された地図の向きを実際の向きに合わせるための方位センサが携帯機器に搭載されるようになってきている。方位センサとして地磁気を検知する磁気センサが一般的に利用されている。
また、磁気センサは携帯電話等の携帯機器に使用されており、このような携帯機器は電池容量が限られているので、低消費電力であることが要求されている。
しかしながら、従来のGMR素子は、地磁気センサとしての方位分解能を向上させるため、GMR素子の抵抗変化率を大きくとる必要がある。そこで、素子幅が広いGMR素子とすることで、素子抵抗を小さくし、これにより抵抗変化率を大きくしている。即ち、従来のGMR素子は、例えば、素子幅が10μm、スペーサ層の厚さが28Å、ピンド層の厚さが30Åである。この従来のGMR素子を使用した磁気センサは高感度ではあるが、センス電流が大きくなるので、その結果、消費電力が大きくなるという問題点があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ヒステリシスがなく低消費電力であって、携帯機器に組み込まれる磁気方位センサに使用するのに適した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5μm以上7μm未満であり、スペーサ層の厚さが24Åであり、ピンド層の厚さが22Åであることを特徴とする。
本発明者は、GMR素子にヒステリシスが発生することを抑制し、低消費電力で、且つ、感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5μm以上7μm未満、スペーサ層の厚さを24Å、ピンド層の厚さを22Åにすることにより、ヒステリシスの発生を抑制しつつ低消費電力になることを見出した。本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、GMR素子の素子幅を従来よりも狭くすることにより、ヒステリシスがなく、またGMR素子の抵抗が大きくなることにより消費電力を少なくすることができる磁気センサを得ることができる。この磁気センサは、例えば、携帯電話の磁気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して具体的に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るGMR素子の断面図である。前述の如く、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層からなるピンド層4、PtMnからなるピニング層5及び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、ピンド層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軸と直交する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+ − Vout−)がセンサ出力Voutとして出力される。
この場合に、図10に示すようにフリー層2に作用する磁界において、GMR素子の素子幅を小さくすると、異方性磁界(Hk)16は大きくなり、このようにGMR素子の幅方向の外部磁界に対して異方性磁界(Hk)16が大きいとヒステリシスを抑制することができる。
また、図11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)19c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12に示すようにフリー層2の磁化方向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に小さい磁界の場合、GMR素子の感度の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がある。
本発明はこのような知見のもとで、GMR素子の幅を5μm以上7μm未満とし、スペーサ層の厚さを24Å、ピンド層の厚さを22Åとしたものである。
図5は、GMR素子の素子幅を5乃至10μmまで変化させたときの磁気センサの感度及び感度方向のずれの値をプロットしたグラフである。但し、このデータは、ピンド層の磁化の方向がGMR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9μm以上では、感度方向のずれが−20°を超えており、このように感度方向のずれが大きくなるとヒステリシスが発生し、磁気方位センサとしての使用は不可能になる。一方、GMR素子幅が5μm以上7μm未満においては、感度方向のずれの絶対値は小さく、ヒステリシスを抑制することが可能である。そこで、本発明においては、GMR素子幅を5μm以上7μm未満とした。
GMR素子幅が9〜10μmにおいて、ヒステリシスが発生し、磁気センサとして使用できない理由について説明する。図6は、X軸及びY軸に同一平面における磁気センサの測定方位をとって測定方位円を示した図である。実線は正しい測定方位を示し、破線はヒステリシスが発生した場合の測定方位を示している。図6に示すように、ヒステリシスが発生した状態で方位を測定すると、例えば、測定方位20が実線の円の●印から破線の円の×印へ移動してしまう。上述のように、ヒステリシスが発生すると、見かけ上オフセットがのったように見えたり、又は楕円となったりし、測定方位が必ず同じ場所となるわけではなく、方角がずれる。更に、感度が変化する等の精度の問題も発生する。また、測定器がどのように向きを変えてこちらの方向にきたかという経路によっても精度がばらつく。
次に、図7に、横軸にヒステリシス及びGMR素子幅をとり、縦軸に検出方位の精度又は繰り返し精度をとり、ヒステリシス及びGMR素子幅と検出方位の精度又は繰り返し精度との関係をプロットした概念図を示す。なお、エラーバーは繰り返し測定したときの最大値及び最小値を示している。図7に示すように、ヒステリシス及びGMR素子幅が大きくなると、精度が低下し、またエラーバー間の幅が広がり繰り返し精度も低下する。本発明においては、GMR素子幅を5μm以上7μm未満としているので、検出方位の精度の低下が防止され、且つヒステリシスを抑制できる。
図8はGMR素子の素子幅を5乃至10μmまで変化させたときの素子抵抗の値及びGMR素子幅が10μmの値で規格化された消費電力の値をプロットしたグラフ図である。また、このデータもピンド層の磁化の方向がGMR素子の長手方向に対して45°をなすものである。図8に示すように、GMR素子の素子幅が大きくなると素子抵抗が減少し、そのため、GMR素子の素子幅が大きくなるとGMR素子幅が10μmの値で規格化された消費電力は大きくなる。GMR素子の素子幅が7μm未満であれば、素子抵抗が1.7kΩ以上と極めて高く、このため、消費電力も0.45(規格値)以下と十分に小さい。そこで、本発明においては、抵抗が高く消費電力が少なくなるようGMR素子幅を5μm以上7μm未満とする。
図9は図5の感度及び図8の消費電力(規格値)を抽出してGMR素子の素子幅との関係を示すグラフ図である。この図9に示すように、GMR素子の素子幅が5μm以上7μm未満の場合は、それより素子幅が大きい場合と比して感度が若干劣るものの、消費電力は0.45(規格値)以下と極めて小さい。従って、本発明の実施形態のGMR素子の幅が5μm以上7μm未満の磁気センサは、低消費電力が要求される携帯機器に好適であることがわかる。
下記表1はGMR素子の幅を10.0μm、スペーサ層の厚さを28Å、ピンド層の厚さを30Åにした従来のGMR素子と、GMR素子の幅を5.0μm、スペーサ層の厚さを24Å、ピンド層の厚さを22Åにした本発明のGMR素子と、GMR素子の幅を6.0μm、スペーサ層の厚さを24Å、ピンド層の厚さを22Åにした本発明のGMR素子とについて、GMR素子の抵抗値及びGMR素子幅が10μmのときの値で規格化された消費電力の値を対比したものである。本発明のGMR素子は抵抗値が大きく低消費電力であるため、従来のGMR素子より、携帯電話等の低消費電力が要求される携帯機器へ使用される磁気センサに使用されるGMR素子として好適であることがわかる。
本発明は、携帯機器に組み込まれる磁気方位センサ等に用いることができる。
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;スピンバルブ層
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十
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
20;測定方位
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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5μm以上7μm未満であり、スペーサ層の厚さが24Åであり、ピンド層の厚さが22Åであることを特徴とする磁気センサ。
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2005
- 2005-03-10 JP JP2005067779A patent/JP2006253411A/ja active Pending
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