JP2008209224A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ハーフブリッジに備えられる一対の磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきを抑制した磁気センサを提供する。
【解決手段】磁気センサ１０において、共通の基板１４上に配置された一対の第１磁気抵抗素子１６、第２磁気抵抗素子１８が、その第１磁気抵抗素子１６の薄膜ヨーク３０、３２の感磁方向すなわち中心線Ｃ１の方向と第２磁気抵抗素子１８の薄膜ヨーク３０、３２の感磁方向すなわち中心線Ｃ２の方向とが相互に平行な方向となるように配置されていることから、一対の磁気抵抗素子１６、１８は基板１４上において一面に同時に成膜されたＧＭＲ膜のうち同じ方向のＧＭＲ膜が一対の磁気抵抗素子１６、１８のＧＭＲ膜３４としてそれぞれ用いられるので、一対の第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１および第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２の間のばらつきがそれぞれ好適に抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の磁気抵抗素子が直列に接続されたハーフブリッジを備える磁気センサに関するものである。

磁性薄膜から成る一対の磁気抵抗素子が直列に接続されたハーフブリッジを備える磁気センサが知られている。たとえば特許文献１に記載された磁気センサがそれである。このような磁気センサでは、各磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきが避けられないので、そのハーフブリッジの中点電圧のオフセットを発生させるという問題があった。ハーフブリッジの中点電圧にオフセットが発生すると、中点電圧の電圧範囲内で信号電圧成分の割合が少なくなり、磁気センサの磁気検出感度が低下する。

これに対し、調整抵抗を外部に接続して抵抗値を一定の範囲内としたり、特許文献１に記載されているように、製造時において、各磁気抵抗素子をトリミングすることによってそれら各磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきを一定の範囲内とすることが行われていた。
特開２００５−３３７８１０号公報

しかしながら、上記従来の磁気センサにおいて、調整抵抗を外部に接続する場合には、部品をさらに必要として価格や寸法形状が増加する。また、各磁気抵抗素子にトリミングを施す場合には、トリミング可能なパターン形状を必要としたり製造工程が複雑となったりして価格が上昇するという欠点があった。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、一対の磁気抵抗素子を構成する磁性薄膜は、スパッタリング等により基板の一面に成膜された磁性薄膜からホトリソグラフィーを利用して所定のパターンに形成されたものであるが、上記基板の一面に成膜された磁性薄膜には、その面方向において抵抗値の異方性が存在し、その異方性の影響を回避するために、電流を印加する方向をそろえるよう同じ方向のパターンで一対の磁気抵抗素子を構成すると、基板上でハーフブリッッジを構成する一対の磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきを効果的に抑制できることを見いだした。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の目的とするところは、ハーフブリッジに備えられる一対の磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきを抑制した磁気センサを提供することにある。

前記目的を達成するための請求項１に係る発明の要旨とするところは、所定パターンの磁気抵抗薄膜をそれぞれ有する一対の磁気抵抗素子が直列に接続されたハーフブリッジを共通の基板上に備え、それら一対の磁気抵抗素子の間の中点から出力される信号に基づいて外部磁界を検出する磁気センサであって、前記所定パターンの一対の磁気抵抗薄膜の感磁方向が、前記基板の一面上に成膜された磁性薄膜内において同じ方向であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、（ａ）前記一対の磁気抵抗素子は、軟磁性材料からなり且つ所定の間隙を介して配置された一対の薄膜ヨークと、該一対の薄膜ヨーク間の間隙において該一対の薄膜ヨークを電気的に接続するように形成されたＧＭＲ膜とから成るものであり、（ｂ）それら一対の磁気抵抗素子が、該一対の磁気抵抗素子のＧＭＲ膜の感磁方向が相互に平行な方向となるように配置されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記一対の磁気抵抗素子は、外部磁界に対する抵抗値変化の割合である感度が相互に異なるものであることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記中点から出力される信号は、増幅器を介して増幅された後、Ａ／Ｄ変換器を介してデジタル信号に変換されるものであることを特徴とする。

請求項１に係る発明の磁気センサによれば、共通の基板上に配置された一対の磁気抵抗素子において、所定パターンの一対の磁気抵抗薄膜の感磁方向が、前記基板の一面上に成膜された磁性薄膜内において同じ方向であることから、一対の磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきが好適に抑制される。したがって、その一対の磁気抵抗素子が直列接続されることによって構成されるハーフブリッジの中点から出力される信号のオフセットが好適に抑制されるので、磁気センサの磁気検出感度が高められる。

請求項２に係る発明の磁気センサによれば、共通の基板上に配置された一対のの磁気抵抗素子のＧＭＲ膜の感磁方向が相互に平行な方向となるように配置されていることから、一対の磁気抵抗素子は基板上において同時に成膜されたＧＭＲ膜のうち同じ方向のＧＭＲ膜が一対の薄膜ヨークの間でそれぞれ用いられるので、一対の磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきが好適に抑制される。

また、請求項３に係る発明の磁気センサによれば、前記一対の磁気抵抗素子は、外部磁界に対する抵抗値変化の割合である感度が相互に異なるものであることから、一対の磁気抵抗素子の長手方向すなわち感磁方向が同じであっても、外部磁界を検出することが可能となる。

また、請求項４に係る発明の磁気センサによれば、前記中点から出力される信号は、増幅器を介して増幅された後、Ａ／Ｄ変換器を介してデジタル信号に変換されるものであることから、高い磁気検出感度で外部磁界に応じたデジタル信号を得ることができる。

ここで、好適には、前記磁気抵抗薄膜は、磁界の変化に応じて抵抗値を変化させる鉄、ニッケル、ニッケルコバルト等の磁性材料から、スパッタリング或いは蒸着等により基板の一面に成膜された薄膜であり、たとえばホトリソグラフィー技術によって所定のパタ−ンに形成される。この磁気抵抗薄膜には、感磁方向に平行な長手状のパターンが設けられたり、感磁方向において磁束を最も集中させるための一対の薄膜ヨークが設けられたりして、外部磁界の検出のための方向性が備えられる。ＧＭＲ薄膜はこの磁気抵抗薄膜の一種である。

また、前記ＧＭＲ薄膜すなわち外部磁界に応じて抵抗値を変化させる磁気抵抗薄膜は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す材料が蒸着或いはスパッタリングによって基板上の一対の薄膜ヨークの間に薄膜状に固着されたものである。そのＧＭＲ薄膜に用いられる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す材料としては、パーマロイ等の強磁性材料層とCu、Ag、Au等の非磁性材料層との多層膜、或いは、半強磁性材料層、強磁性材料層( 固定層) 、非磁性材料層および強磁性材料層( 自由層) の4 層構造を備えた多層膜から構成される人工格子[ 所謂スピンバルブ] 、パーマロイ等の強磁性金属からなるnmサイズの微粒子と非磁性金属から成る粒界層とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity ）効果が生じるトンネル接合膜、nmサイズの強磁性金属合金微粒子と非磁性・絶縁材料からなる粒界層とを備えた金属−酸化物系ナノグラニュラー材料、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料等が、知られている。

また、前記基板は、ガラス、磁器で代表されるセラミックス等の絶縁体基板が好適に用いられるが、Ｃｕ、Ａｌ等の金属から成る導電性基板であっても絶縁性下地層を介して薄膜ヨークおよびＧＭＲ薄膜が固着されることにより用いられる。また、上記基板には非磁性材料又は非磁性絶縁材料が好適に用いられる。前記一対の磁気抵抗素子は共通の基板上に配置されることがよいが、必ずしも共通の基板上に配置されなくてもよく、別々の基板上に配置された後に組み合わせられてもよい。

また、前記薄膜ヨークは、外部磁束を集めてＧＭＲ薄膜に集中させることによりＧＭＲ薄膜の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料が蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、或いはＰＶＤ等によって基板上に薄膜状に固着され、ホトリソグラフィーを用いて所定のパターンに形成されたものである。弱磁界に対する高い磁気感度を得るためには、好適には１００以上、さらに好適には１０００以上の透磁率μを有する材料を用いることが望ましい。また、好適には、５（kGauss）以上、さらに好適には１０（kGauss）以上飽和磁化Ｍｓを有する材料を用いることが望ましい。この前記薄膜ヨークとしては、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ_７４Ｓｉ_９Ａｌ_１７）、ハードパーム（Ｆｅ_１２Ｎｉ_８２Ｎｂ_６）、Ｃｏ_８８Ｎｂ_６Ｚｒ_６アモルファス合金、（Ｃｏ_９４Ｆｅ_６）_７０Ｓｉ_１５Ｂ_１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ_７５．６Ｓｉ_１３．２Ｂ_８．５Ｎｂ_１．９Ｃｕ_０．８）、ナノマックス（Ｆｅ_８３ＨＦ_６Ｃ_１１）、Ｆｅ_８５Ｚｒ_１０Ｂ_５合金、Ｆｅ_９３Ｓｉ_３Ｎ_４合金、Ｆｅ_７１Ｂ_１１Ｎ_１８合金、Ｆｂ_７１．３Ｎｄ_９．６Ｏ_１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_６５Ｆｅ_５Ａｌ_１０Ｏ_２０合金等が、好適に用いられる。

また、前記一対の磁気抵抗素子をそれぞれ構成する一対の薄膜ヨークは、好適には、その長手寸法よりも幅寸法が小さい矩形形状や台形を備える、中心線を基準とする線対称形状であって、前記複数の磁気抵抗素子は、上記一対の薄膜ヨークが連ねられることによって全体として長手状を成し、その長手方向の感磁方向を備えるものである。感磁方向とは、上記中心線方向すなわち長手方向である。

また、前記ハーフブリッジは、単独で信号を出力するものであってもよいし、フルブリッジの一部( 半分）を構成するものであってもよい。

また、前記磁気センサでは、その一対の磁気抵抗素子のＧＭＲ薄膜の感磁方向すなわち中心線方向が相互に平行な方向となるように配置されて構成されているが、その平行な方向とは、ＧＭＲ薄膜の抵抗値の異方性が抑制されて一対の磁気抵抗素子間の抵抗値のばらつきが改善されるという作用が得られる程度に方向性が揃うという意味であるので、一定の範囲内であればよく、たとえば±５°以内であれば一定の効果が得られる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は概念を示すために、適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例である磁気センサ１０のセンサ部１２の内部を示す図である。センサ部１２は、たとえばガラス、磁器で代表されるセラミックス等の電気絶縁性材料から成る共通の基板１４の一面に配置された、相互の長手方向が平行となるように所定間隔を隔てた位置に配置され且つ直列接続された第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８から成るハーフブリッジ２６と、＋電源端子２０および接地電源端子２２と、ハーフブリッジ２６の中点に接続されてそのハーフブリッジ２０の中点の電位( 分圧電位）を出力する出力端子２４とを備えている。

上記＋電源端子２０は第１磁気抵抗素子１６に接続されるとともに上記接地電源端子２２は第２磁気抵抗素子１８に接続されることにより、ハーフブリッジ２６の中点には、第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１および第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２により電源電圧Ｖccが分圧された分圧電圧ｖが発生し、その分圧電圧ｖ[ ＝Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２)]が出力端子２４から出力されるようになっている。上記第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は、磁気抵抗効果を有する材料を含み、特に感磁方向の外部磁界の強さに応じて抵抗値を低下させる性質を有する。

図２において、第１磁気抵抗素子１６は、絶縁性材料から成る基板１４上において、１直線上に１μｍ前後の所定の間隙を隔てて形成された軟磁性材料製の一対の薄膜ヨーク３０および３２と、それらの一対の薄膜ヨーク３０および３２の間隙においてそれらの一対の薄膜ヨーク３０および３２を相互に接続するように設けられた、上記軟磁性材料よりも高い電気比抵抗を有し且つ巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ薄膜３４とからそれぞれ構成されている。これらのＧＭＲ薄膜３４、一対の薄膜ヨーク３０および３２、導体配線３６は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により０．１乃至３μｍ程度の厚みで固着され且つホトリソグラフィーにより幅寸法が７５μｍ、一対の長さ寸法が１５０μｍ程度の所定のパターンとされた薄膜であり、このましくは、ＧＭＲ薄膜３４よりも、薄膜ヨーク３０および３２が厚く形成されている。図２において、厚膜或いは薄膜で構成された導体配線３６が上記薄膜ヨーク３０および３２に接続されている。なお、基板１４とＧＭＲ薄膜３４や一対の薄膜ヨーク３０および３２との間には、絶縁や平滑性を確保するためなどの必要に応じて下地層が形成され、上記ＧＭＲ薄膜３４や一対の薄膜ヨーク３０および３２の上には、耐久性向上等のために必要に応じて保護層が形成される。

上記ＧＭＲ薄膜３４は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す材料，たとえば、パーマロイ等の強磁性金属からなるnmサイズの微粒子と非磁性金属から成る粒界層とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity ）効果が生じるトンネル接合膜、nmサイズの強磁性金属合金微粒子と非磁性・絶縁材料からなる粒界層とを備えた金属−酸化物系ナノグラニュラー材料、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料等の等方性材料が用いられる。

また、上記薄膜ヨーク３０および３２は、外部磁束を集めてＧＭＲ薄膜３４に集中させることによりそのＧＭＲ薄膜３４の磁界感度を高めるために、中心線Ｃを基準とした線対称の長手状に形成されている。その薄膜ヨーク３０および３２は、長手寸法よりも幅寸法が小さく、それら薄膜ヨーク３０および３２を含む第１磁気抵抗素子１６は、上記一対の薄膜ヨーク３０および３２が連ねられることによって全体として長手状を成し、その長手方向すなわち中心線Ｃ１方向が一対の薄膜ヨーク３０および３２の磁化容易方向であり、第１磁気抵抗素子１６の感磁方向となる。この薄膜ヨーク３０および３２は、たとえば、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ_７４Ｓｉ_９Ａｌ_１７）、ハードパーム（Ｆｅ_１２Ｎｉ_８２Ｎｂ_６）、Ｃｏ_８８Ｎｂ_６Ｚｒ_６アモルファス合金等の透磁率μが１０００以上の軟磁性材料から構成される。上記第１磁気抵抗素子１６は、図２に示すように、ホトリソグラフィを用いて所定の小さなパターンに形成された薄膜から構成されるので、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等の他の磁気センサに比較して大幅に小型化されている。

第２磁気抵抗素子１８は、上記第１磁気抵抗素子１６と共通の基板１４上において、第１磁気抵抗素子１６と同じ工程で成膜され且つパターニングされ、第１磁気抵抗素子１６と同時に製造されて、第１磁気抵抗素子１６と同様に構成されており、第２磁気抵抗素子１８の薄膜ヨーク３０および３２は、それらの中心線Ｃ２が上記第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ１と平行となるように配置されている。このように、第２磁気抵抗素子１８は第１磁気抵抗素子１６と同じ工程で同時に製造され、第１磁気抵抗素子１６のＧＭＲ薄膜３４と第２磁気抵抗素子１８のＧＭＲ薄膜３４とは共通のＧＭＲ薄膜から同じ方向となるようにパターニングされたものであるので、ＧＭＲ薄膜の抵抗値の異方性の影響が回避されている。このため、磁気センサ１０のセンサ部１２間における第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１と第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２との間のばらつきが従来よりも大幅に小さくなっている。

ここで、第１磁気抵抗素子１６の一対の薄膜ヨーク３０および３２の全長はたとえば７００μｍと長く形成されているのに対し、第２磁気抵抗素子１８の一対の薄膜ヨーク３０および３２の全長はたとえば５０μｍと短くなるように形成されていることから、第１磁気抵抗素子１６のゲインは第２磁気抵抗素子１８のゲインよりも大幅に大きくされているので、同じ中心線Ｃ１およびＣ２方向( 感磁方向) の外部磁界を受けても抵抗値の変化が相違し、感磁方向の外部磁界の強さに応じて中点の電位を変化させるようになっている。

したがって、本実施例では、第２磁気抵抗素子１８が第１磁気抵抗素子１６のゲインに比較して大幅に小さいゲインとされている他は、それら第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は相互に同様に構成された磁気抵抗素子から構成されている。なお、ゲインは、外部磁界の変化に対する抵抗値の変化の割合であり、感度と同じである。

上記第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は、単体では、図３に示す特性を備えている。すなわち、ＧＭＲ薄膜３４を構成する磁性材料は微細化された等方的性質を示し、無磁界ではランダムな磁化方向となって電子の通過の妨げとなって抵抗値が高くなるが、磁界が付与されると磁化方向が一定となって電子の通過が容易となり抵抗値が低くなる性質がある。このため、図３に示すように、感磁方向の外部磁界Ｈ（Ｏｅ）が零であれば最大抵抗値を示すが、外部磁界Ｈが正方向および負方向に大きくなるにしたがって抵抗値がそれぞれ低下する磁気抵抗特性を備えている。このため、たとえば感磁方向の外部磁界Ｈ（Ｏｅ）が正弦波状に増減すると、第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の抵抗値が２等辺三角形状のややなまった擬似的な三角波の波形に示されるように外部磁界の回転周期の２倍の周期で周期的に変化する。

図１に戻って、センサ部１２は、たとえば、中央部に上記基板１４が固着され、その基板１４上の＋電源端子２０、接地電源端子２２、および出力端子２４がボンディングワイヤにより接続された複数本のリードを備えたリードフレームが、そのリードフレームの外周部を除いて中央部を樹脂を用いてモールドされることにより、樹脂パッケージ状に構成されている。

以上のように構成されたセンサ部１２において、地磁気或いは角度測定対象物とともに回転する磁石から発生させられる磁界等の外部磁界Ｈの角度ωが変化すると、第１磁気抵抗素子１６の一対の薄膜ヨーク３０および３２と第２磁気抵抗素子１８の一対の薄膜ヨーク３０および３２とは、透磁率μが高いことから磁気レンズとして機能し、外部磁界Ｈの磁束が集められるとともに、一対の薄膜ヨーク３０と３２との間の内部磁界である中心磁界ＨＣ１およびＨＣ２が高められ、それぞれのＧＭＲ薄膜３４の抵抗値が変化させられるが、ゲインが相違するので抵抗値の変化率が相違し、出力端子２４からは上記外部磁界Ｈの角度ωに応じた信号ｖが出力される。この信号ｖは増幅器３８により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４０によりデジタル信号に変換される。

外部磁界Ｈの回転角を検出する場合は、上記のように構成され一対のハーフブリッジ２６が、第１磁気抵抗素子１６の長手方向が直交するように配置される。この場合、それら一対のうちの一方のハーフブリッジ２６の中点から出力される信号ｖ１( ＝sin ω) と、他方のハーフブリッジ２６の中点から出力される信号ｖ２( ＝cos ω) とは、相互に９０度の位相差で正弦波状に変化させられるので、それら信号ｖ１と信号ｖ２との信号差に基づいて上記外部磁界Ｈの角度ωが測定される。

上述のように、本実施例の磁気センサ１０によれば、共通の基板１４上に配置された一対の第１磁気抵抗素子１６、第２磁気抵抗素子１８が、その第１磁気抵抗素子１６の薄膜ヨーク３０、３２の感磁方向すなわち中心線Ｃ１の方向と第２磁気抵抗素子１８の薄膜ヨーク３０、３２の感磁方向すなわち中心線Ｃ２の方向とが相互に平行な方向となるように配置されていることから、一対の磁気抵抗素子１６、１８は基板１４上において一面に同時に成膜されたＧＭＲ膜のうち同じ方向のＧＭＲ膜が一対の磁気抵抗素子１６、１８のＧＭＲ膜３４としてそれぞれ用いられるので、一対の第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１および第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２の間のばらつきがそれぞれ好適に抑制される。したがって、それら一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８が直列接続されることによって構成されるハーフブリッジ２６の中点電圧のオフセットが好適に抑制されるので、磁気センサ１０の磁気検出感度が高められる。

たとえば、第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の設計抵抗値が５００ｋΩであり、第１磁気抵抗素子１６の飽和磁界が１０Ｏｅ（感度：０．８％／Ｏｅ）、第２磁気抵抗素子１８の飽和磁界が２５０Ｏｅ（感度：０．０３２％／Ｏｅ）であり、電源電圧Ｖccが５Ｖである作動条件下において、本実施例のように第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１と第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２との相互間にばらつきが少なく、図５の分布の平均値である、抵抗値Ｒ１が５００．２２ｋΩ、抵抗値Ｒ２が４９９．６９ｋΩである場合のハーフブリッジ２６のオフセット電圧Ｖoff ( 設計上の中点の電位たとえば２．５Ｖからのずれ値）は０．００１３Ｖである。このとき、１０Ｏｅの飽和磁界をかけたときの信号電圧( 中点電位の変化) は０．１０４Ｖである。これらの合計の電圧出力が５Ｖに増幅されると、その５Ｖのうち０．１Ｖのオフセット電圧Ｖoff と４．９Ｖの信号電圧Ｖs とで構成されるので、それが１０２５ｂｉｔ／５ＶでＡ／Ｄ変換されると、１００４ｂｉｔが信号電圧Ｖsの変換に割り当てられ、１０ｍＯｅ／ｂｉｔの磁気検出感度が得られる。すなわち、図１のハーフブリッジ２６では、図４の従来例のハーフブリッジ６０の倍の磁気検出感度が得られる。

しかし、図４に示すように、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ１と第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ２とが直交するように第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８が配置された従来のハーフブリッジ６０において、第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１と第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２との相互間にばらつきが比較的大きく、図６の分布の平均値である、抵抗値Ｒ１が５１６．６０ｋΩ、抵抗値Ｒ２が４８６．１９ｋΩである場合では、上記同様の作動条件下においてハーフブリッジ６０のオフセット電圧Ｖoff は０．０７５８Ｖである。このとき、１０Ｏｅの飽和磁界をかけたときの信号電圧( 中点電位の変化) は０．１０４Ｖである。これらの合計の電圧出力が５Ｖに増幅されると、その５Ｖのうち２．１Ｖのオフセット電圧Ｖoff と２．９Ｖの信号電圧Ｖs とで構成されるので、それが１０２５ｂｉｔ／５ＶでＡ／Ｄ変換されると、５９４ｂｉｔが信号電圧Ｖs の変換に割り当てられ、１７ｍＯｅ／ｂｉｔの磁気検出感度が得られる。すなわち、図４の従来例のハーフブリッジ６０では、図１のハーフブリッジ２６の半分の磁気検出感度しか得られない。

また、同一感度の一対の磁気抵抗素子を平行にならべても出力が出ないところ、本実施例の磁気センサ１０によれば、一対の磁気抵抗素子１６、１８は、外部磁界Ｈに対する抵抗値変化の割合である感度が相互に異なるものであることから、一対の磁気抵抗素子１６、１８の長手方向すなわち感磁方向が同じであっても、外部磁界Ｈを検出することが可能となる。

また、本実施例の磁気センサ１０によれば、ハーフブリッジ２６の出力信号ｖ１は、増幅器３８を介して増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４０を介してデジタル信号に変換されるものであることから、高い検出感度で外部磁界Ｈに応じたデジタル信号を得ることができる。

［実験１］
図５および図６は、本発明者等が行った抵抗値分布の測定結果を示している。この実験では、図１に示すハーフブリッジ２６および図４に示すハーフブリッジ６０の各１０５個について、第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１および第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２をそれぞれ測定値し、全測定値の分布を示したものである。図５の上段には、ハーフブリッジ２６の第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１の分布が示され、下段にはハーフブリッジ２６の第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２の分布が示されている。図６の上段には、ハーフブリッジ６０の第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１の分布が示され、下段にはハーフブリッジ６０の第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２の分布が示されている。図５および図６から明らかなように、図１に示すハーフブリッジ２６の第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１と第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２との間には、きわめて小さな抵抗値差しか存在しない。しかし、図４に示すハーフブリッジ６０の第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１と第２磁気抵抗素子１８の抵抗値Ｒ２との間には、３０Ω程度の比較的大きな抵抗値差が存在する。

［実験２］
図７は、直列接続された第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８のうち、一定のゲイン( 外部磁界変化に対する抵抗値変化の割合）すなわち感度を備えた第１磁気抵抗素子１６とゲインが異なる複数種類の第２磁気抵抗素子１８とを用いて作成された複数種類のハーフブリッジ２６について、外部磁界Ｈを零値( Ｈ＝０）から第１磁気抵抗素子１６の抵抗値Ｒ１が初期値５００ｋΩから８％低下する値( Ｒ−ΔＲ１) まで変化させたとき( Ｈ＝Ｈ_ｋ１）の、第１磁気抵抗素子１６の抵抗値変化ΔＲ１と第２磁気抵抗素子１８の抵抗値変化ΔＲ２との間の比である感度比ＳＲ( ＝ΔＲ１／ΔＲ２）と信号電圧Ｖs （ハーフブリッジ２６の中点電位の変化量）との関係を示している。図７から明らかなように、感度比ＳＲが１５以上であれば十分な磁気検出感度が得られる。言い換えると、感度が１５倍以上の１対の磁気抵抗素子を平行に並べることで、十分な磁気検出を行うことができる。

以下、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において実施例相互に共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図８の磁気センサ７０は、直列接続された第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８から成る３個のハーフブリッジ２６が、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ１間が４５°となるように、共通の基板１４内の３箇所に順次配置されることにより構成されたものである。本実施例によれば、基板１４の面内の外部磁界の回転角を所定の高い分解能で測定することができる。なお、感磁方向の異なるハーフブリッジを同一面内に複数個配置すれば角度センサとして機能し、高い分解能を実現できる。

図９の磁気センサ７２は、直列接続された第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８から成る複数個のハーフブリッジ２６が、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ１間が平行となるように、共通の基板１４の一辺に沿って複数箇所に順次配置されることにより構成されたものである。本実施例によれば、上記基板１４の一辺に沿って直線的に相対移動する磁石の位置を所定の高い分解能で測定することができる。

図１０の磁気センサ７４は、複数の基板１４ａ、１４ｂ、１４ｃ内にそれぞれ配置され、直列接続された第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８から成る３個のハーフブリッジ２６から構成されている。各基板１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ１間が互いに直角となるように、ｘ−ｙ−ｚ三次元直交座標系のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸平行となるように配置されている。三次元空間の磁界の方向を測定することができる。

図１１の磁気センサ７６は、一定の感磁方向Ｂを有する第１磁気抵抗素子７８と、その第１磁気抵抗素子７８よりもゲインは小さいがその感磁方向Ｂと平行な感磁方向Ｂを有する第２磁気抵抗素子８０とが直列に接続されたハーフブリッジ８２を共通の基板８４上に備えている。これら第１磁気抵抗素子７８および第２磁気抵抗素子８０は、基板８４の一面にスパッタリングなどによって一挙に成膜された鉄、ニッケル、ニッケルコバルトのような強磁性体材料の薄膜からホトエッチングによって所定のパターンに同時に形成され、磁界の方向の変化に応じて抵抗値が変化する磁気特性を備えている。本実施例の第１磁気抵抗素子７８は、基板８４の一辺に平行な一定の方向Ｂ( 感磁方向）に対して平行となる複数本の平行線部８６と、それら平行線部８６を直列に接続する円弧状の円弧線部８８とを有する蛇行パターンを備え、たとえば図３に示すようにその平行線部８６に平行な方向の外部磁界に対して最も感応して抵抗値が低くなる性質を備えている。第２磁気抵抗素子８０も同様に、基板８４の一辺に平行な一定の方向Ｂの複数本の平行線部８６とそれら平行線部を直列に接続する円弧状の円弧線部８８とを有するパターンを備え、平行線部８６に平行な方向の外部磁界に対して最も感応して抵抗値が低くなる性質を備えている。上記平行線部８６は、第１磁気抵抗素子７８および第２磁気抵抗素子８０を構成する蛇行パターンの主要部である。

本実施例の第２磁気抵抗素子８０では、第１磁気抵抗素子７８と同様の抵抗値としつつその第１磁気抵抗素子７８よりもゲインを小さくするため、第１磁気抵抗素子７８よりも線幅を小さく且つ平行線部８６の本数が少なく全長が短いパタ−ンとされている。本実施例においても、基板８４上に成膜された強磁性体材料の薄膜から同じ方向の平行線部８６を形成するパターンで第１磁気抵抗素子７８および第２磁気抵抗素子８０が形成されているので、第１磁気抵抗素子７８と第２磁気抵抗素子８０との間の抵抗値のばらつきが抑制されるので、図１の磁気センサ１０と同様の効果が得られる。

以上、本発明を図面に基づいて詳細に説明したが、それはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の一実施例である磁気センサのセンサ部の内部構成を示す図である。 図１の基板上に配置された磁気抵抗素子の構造を拡大して説明する図である。 図１の基板上に配置された磁気抵抗素子の感磁方向の外部磁界と抵抗値との関係を示す特性図である。 従来のハーフブリッジの構成を説明する図である。 図１に示すハーフブリッジにおいて、第１磁気抵抗素子と第２磁気抵抗素子のそれぞれの抵抗値分布を相互に対比して示す図である。 図４に示す従来のハーフブリッジにおいて、第１磁気抵抗素子と第２磁気抵抗素子のそれぞれの抵抗値分布を相互に対比して示す図である。 図１に示すハーフブリッジにおいて、一定のゲインを有する第１磁抵抗素子と複数種類のゲインを有する第２磁気抵抗素子とを組み合わせて構成した複数種類のハーフブリッジについて、外部磁界Ｈを零値( Ｈ＝０）からＨ_ｋ１値まで変化させたときの、感度比ＳＲ( ＝ΔＲ１／ΔＲ２）と信号電圧Ｖs との関係をそれぞれ測定した実験１の結果を示す図である。 本発明の他の実施例の磁気センサの構成を説明する図である。 本発明の他の実施例のセンサ部の構成を説明する図である。 本発明の他の実施例のセンサ部の構成を説明する図である。 本発明の他の実施例のセンサ部の構成を説明する図である。

符号の説明

１０：磁気センサ
１６、７８：第１磁気抵抗素子( 磁気抵抗素子)
１８、８０：第２磁気抵抗素子( 磁気抵抗素子)
３０、３２：薄膜ヨーク
３４：ＧＭＲ薄膜( 磁気抵抗薄膜)
８６：平行線部( 磁気抵抗薄膜)
８８：円弧線部( 磁気抵抗薄膜)

Claims (4)

1. 所定パターンの磁気抵抗薄膜をそれぞれ有する一対の磁気抵抗素子が直列に接続されたハーフブリッジを共通の基板上に備え、該一対の磁気抵抗素子の間の中点から出力される信号に基づいて外部磁界を検出する磁気センサであって、
   前記所定パターンの一対の磁気抵抗薄膜の感磁方向が、前記基板の一面上に成膜された磁性薄膜内において同じ方向であることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記一対の磁気抵抗素子は、軟磁性材料からなり且つ所定の間隙を介して配置された一対の薄膜ヨークと、該一対の薄膜ヨーク間の間隙において該一対の薄膜ヨークを電気的に接続するように形成されたＧＭＲ膜とから成るものであり、
   該一対の磁気抵抗素子が、該一対の磁気抵抗素子のＧＭＲ膜の感磁方向が相互に平行な方向となるように配置されていることを特徴とする請求項１の磁気センサ。
3. 前記一対の磁気抵抗素子は、外部磁界に対する抵抗値変化の割合である感度が相互に異なるものであることを特徴とする請求項１または２の磁気センサ。
4. 前記中点から出力される信号は、増幅器を介して増幅された後、Ａ／Ｄ変換器を介してデジタル信号に変換されるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの磁気センサ。

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