JP2007517192A - マグネットセンサ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、多層積層部における少なくとも１つの磁気感応性センサ層（６）有しており、該センサ層においては電気的な抵抗が当該センサ層（６）の磁気感応性センサ素子（２，３，４，５）により外部磁界（Ｈ_ｅｘｔ）に依存して可変である、マグネットセンサ装置に関している。さらにここでは補助磁界（Ｍ_ｉｎｉ）を生成するためのバイアス層が設けられている。前記センサ素子はセンサ層（６）において微細構造化された測定ストライプ（２，３，４，５）から形成されており、当該マグネットセンサ装置は、バイアス層の磁化（Ｍ_ｉｎｉ）方向と外部磁界（Ｈ_ｅｓｔ）の方向が、微細構造化された測定ストライプ（２，３，４，５）の長手延在軸に対してほぼ直角に延在するように構成されている。

Description

本発明は請求項１の上位概念による、直線方向若しくは回転方向に可動な要素の運動をセンシングするためのマグネットセンサ装置に関する。

背景技術
磁気感応性の構成素子としていわゆるＧＭＲセンサ（ＧＭＲ＝Giant Magneto Resistance；巨大磁気抵抗）が公知であり、これは例えば比較的堅固なセンサとして自動車における回転角度の検出に用いられている。この巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）は１つの効果で特徴付けられており、この効果は磁性金属材料薄膜と非磁性金属材料薄膜が交互に積層された適切な薄膜系のもとで生じる。この薄膜系の電気抵抗の印加磁界への強い依存性はスピンに依存した漂遊電子に基づく。

それ自体公知とみなされる磁気抵抗センサにおいても、それらの作動点は例えば自動車への適用のケースで、種々異なって生成された補助磁界（バイアス磁界）によってずれる。ここでは取り付けられている硬磁性材料による巨視的な磁界生成と電流通流される磁界コイルの適用が公知手段としてあげられる。

例えばドイツ連邦共和国特許公開第１０１２８１３５号公報には次のような構想が記載されている。すなわち、硬磁性のバイアス層を磁気抵抗積層部の近傍、つまりその上側若しくは下側に堆積させる構想が記載されている。この硬磁性薄膜は主にその漂遊磁界によって磁気抵抗薄膜に結合され、その際にいわゆるバイアス磁界を生成する。このバイアス磁界はオフセット磁界として作用し、そのため内部磁界に重畳された外部磁界の変化が非常に弱い場合でも本来の測定値（これは積層系の抵抗値変化として検出される）の変化が良好に測定可能となり比較的大きな変化にも支障はない。

このようなマグネットセンサ装置を適用する場合の問題は、集積された硬磁性バイアス層を有するＧＭＲ多層センサのできるだけ高いセンシング感度をいかに保証するかにある。

発明の利点
本発明は、多層積層の少なくとも１つの磁気感応性センサ層を有し、該センサ層において電気的な抵抗が当該センサ層の磁気感応性センサ素子によって外部磁界に依存して可変であり、さらに補助磁界を生成するためのバイアス層を備えている、マグネットセンサ装置から出発している。本発明によれば有利には、前記センサ層におけるセンサ素子が微細構造化された測定ストライプから形成され、当該マグネットセンサ装置は、バイアス層の磁化方向と外部磁界の方向が、微細構造化された測定ストライプの長手延在軸線に対してほぼ直角に延在するように構成されている。

本発明のこの装置によれば、簡単な形式で積層構造におけるセンサ層のＧＭＲ特性曲線のシフトが一定の有利には厚みの薄いバイアス層によって非常に高度に達成される。この場合微細構造化された複数のストライプは、直線状に延在するか若しくは高い縦横比でメアンダー状に延在する。

有利には、微細構造化された測定ストライプは２〜１０μｍの幅を有しており、特に有利には５〜７μｍの幅を有している。別の有利な実施形態によれば、磁気感応性のセンサ層は[ＣｏＦｅ/Ｃｕ]_２０から形成され、バイアス層は硬磁性の薄膜としてＣｒ/ＣｏＣｒＰｔ若しくはＣｒ／ＣｏＳｍから形成される。

本発明によるマグネットセンサ装置は総じて次のことによって有利である。すなわち従来技法に比べて微細構造化を用いることにより、磁気軸上のＧＭＲ特性曲線のシフトがバイアス層の厚みを変えることなく変更可能となることである。特に予め設定された構想によって比較的僅かなバイアス層の厚みのもとでも特性曲線が最大限にシフトされる。というのもバイアス層の僅かな厚みによって、いわゆるバイアス層を介した短絡に基づいてＧＭＲ振幅と相応の感度を低減させる電流分流効果（Current-Shunting-effect）が低減されるからである。

図面
以下の明細書では本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、
図１は、測定ブリッジ回路の積層構造、特にセンサ素子として微細構造化された測定ストライプを備えたマグネットセンサ装置のセンサ層の基本原理図であり、
図２は、微細構造化されたストライプのＧＭＲ特性曲線の、測定ストライプ幅への依存性を表した図であり、
図３は、微細構造化されたストライプの方向に相対する、外部磁界の方向とバイアス磁界の方向の変化を表した図である。

実施例の説明
図１には、ＧＭＲマグネットセンサ装置１の基本原理図が示されている。この装置は多重積層ないし多層構造で作成される。冒頭で述べた外部磁界Ｈ_ｅｘｔの磁界変化の本来のセンシングに対しては、微細構造化された直線状の測定ストライプ２，３，４，５がセンサ素子としてセンサ層６内に設けられており、これらのストライプはホイーストンブリッジ回路に相互接続され、それによって回路点７，８，９，１０における測定ストライプ２，３，４，５の磁界に依存する抵抗値変化が相応に評価可能である。

さらに図には示されていないが硬磁性のバイアス層が図１によるＧＭＲマグネットセンサ装置１のセンサ層６の上側または下側に設けられており、この層によって磁気軸上での測定ストライプ２〜５のＧＭＲ特性曲線のシフトが達成可能である。図２のダイヤグラムには、ＧＭＲ特性曲線のシフトと振幅変化が測定ストライプ２〜５のμｍ単位の微細構造幅に依存してプロットされている。

さらに図２からは、特に特性曲線１２による効率的なバイアス磁界Ｈ_{ｓｈｉｆｔ}が７μｍ以下で上昇し、一定のバイアス層厚さにもかかわらず特性曲線１１が相応に大幅にシフトすることがわかる。それにより前述した測定ストライプ２〜５の微細構造幅が当該マグネット装置のＧＭＲ多層積層における硬磁性バイアス層の集積に対して有利であることがわかる。この依存性の主な原因は、ＧＭＲ特性曲線１１のシフトに対するＧＭＲ振幅とマグネット係数への影響としての形状異方性の影響である。

図３ではセンサ層６のＧＭＲ特性曲線が、測定ストライプ２〜５の方向に対する磁化Ｍ_ｉｎｉのバイアス層の様々な方向及び外部磁界Ｈ_ｅｘｔの様々な方向と共に相互に変化している。上部ダイヤグラム（ａ）では、外部磁界Ｈ_ｅｘｔが測定ストライプ２〜５の長手延在方向に対して垂直に位置していることを前提としており、それによりここではバイアス磁化Ｈ_ｍｉｎが外部磁界Ｈ_ｅｘｔに対して垂直に位置するケースでの特性曲線１３，１４がプロットされている。特性曲線１５，１６は、バイアス磁化Ｈ_ｍｉｎが外部磁界Ｈ_ｅｘｔに並行しているケースを表している。

図３の下部ダイヤグラム（ｂ）では、外部磁界Ｈ_ｅｘｔが測定ストライプ２〜５に対して並列に設けられていることが前提となっており、それによりここでは特性曲線１７，１８は、バイアス磁化Ｍ_ｉｎｉが外部磁界Ｈ_ｅｘｔに対して垂直に位置しているケースに存在し、特性曲線１９，２０は、バイア磁化Ｍ_ｉｎｉが外部磁界Ｈ_ｅｘｔに並行しているケースを表している。

最大のバイアス磁界は、バイアス磁化Ｍ_ｉｎｉも外部磁界Ｈ_ｅｘｔも微細構造化された測定ストライプ２〜５の長さ方向に対して垂直に配向されている、本発明によるケースにおいて同一のバイアス層厚さのもとで存在する。

測定ブリッジ回路の積層構造、特にセンサ素子として微細構造化された測定ストライプを備えたマグネットセンサ装置のセンサ層の基本原理図 微細構造化されたストライプのＧＭＲ特性曲線の、測定ストライプ幅への依存性を表した図 微細構造化されたストライプの方向に相対する、外部磁界の方向とバイアス磁界の方向の変化を表した図

Claims (5)

1. 多層積層の少なくとも１つの磁気感応性センサ層（６）を有し、該センサ層において電気的な抵抗が当該センサ層（６）の磁気感応性センサ素子（２，３，４，５）によって外部磁界（Ｈ_ｅｘｔ）に依存して可変であり、
   さらに補助磁界（Ｍ_ｉｎｉ）を生成するためのバイアス層を備えている、マグネットセンサ装置において、
   前記センサ層（６）におけるセンサ素子が微細構造化された測定ストライプ（２，３，４，５）から形成され、
   当該マグネットセンサ装置は、バイアス層の磁化（Ｍ_ｉｎｉ）方向と外部磁界（Ｈ_ｅｓｔ）の方向が、微細構造化された測定ストライプ（２，３，４，５）の長手延在軸線に対してほぼ直角に延在するように構成されていることを特徴とするマグネットセンサ装置。
2. 前記微細構造化されたストライプ（２，３，４，５）は、直線状に延在している、請求項１記載のマグネットセンサ装置。
3. 前記微細構造化されたストライプ（２，３，４，５）は、高い縦横比でもってメアンダー状に延在する、請求項１記載のマグネットセンサ装置。
4. 前記微細構造化されたストライプ（２，３，４，５）は、２から１０μｍの幅を有している、請求項１から３いずれか１項記載のマグネットセンサ装置。
5. 前記磁気感応性のセンサ層（６）は、[ＣｏＦｅ/Ｃｕ]_２０からなり、前記バイアス層は、硬磁性薄膜としてＣｒ/ＣｏＣｒＰｔ又はＣｒ/ＣｏＳｍから形成されている、請求項１から４いずれか１項記載のマグネットセンサ装置。

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