JP2008209224A - 磁気センサ - Google Patents
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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
【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(Fe74Si9Al17)、ハードパーム(Fe12Ni82Nb6)、Co88Nb6Zr6アモルファス合金、(Co94Fe6)70Si15B15アモルファス合金、ファインメット(Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8)、ナノマックス(Fe83HF6C11)、Fe85Zr10B5合金、Fe93Si3N4合金、Fe71B11N18合金、Fb71.3Nd9.6O19.1ナノグラニュラー合金、Co65Fe5Al10O20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(Fe74Si9Al17)、ハードパーム(Fe12Ni82Nb6)、Co88Nb6Zr6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。
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=Hk1)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。
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=Hk1)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。
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)
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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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