JP2006253411A

JP2006253411A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2006253411A
Application number: JP2005067779A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Aiso; 功吉相曽
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-09-21

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

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。

特開２００２−２９９７２８号公報

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。

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５乃至１０μｍで変化させたときの磁気センサの感度方向のズレの値をプロットしたグラフである。磁気センサの測定方位円を示す図である。ヒステリシス及びＧＭＲ素子幅を変化させたときの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である。ＧＭＲ素子の素子幅を５乃至１０μｍで変化させたときの磁気センサの素子抵抗の値及びＧＭＲ素子幅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である。ＧＭＲ素子の素子幅を５乃至１０μｍで変化させたときの磁気センサの感度の値及びＧＭＲ素子の幅が１０μｍのときの値で規格化された消費電力の値とをプロットしたグラフである。ＧＭＲ素子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

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。