JP2008249556A

JP2008249556A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2008249556A
Application number: JP2007092486A
Authority: JP
Inventors: Susumu Haratani; 進原谷; Hitoshi Yamaguchi; 仁山口; Naoki Ota; 尚城太田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Also published as: US7956609B2; US20080238420A1

Abstract

【課題】ＭＲｖｓ．外部磁界曲線におけるヒステリシスが抑制されかつ線形性に優れた磁気センサを提供する。
【解決手段】積層方向Ｚから見て細長形状のフリー層５５を有するスピンバルブＧＭＲ素子５０と、積層方向Ｚから見て細長形状の永久磁石層４０と、を備える。永久磁石層４０はフリー層５５と並列に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気抵抗効果を利用する磁気センサに関する。

従来より、例えば、特許文献１等に開示されるように磁気抵抗効果を利用した種々の磁気センサが知られている。
特開２００２−３１０６５９号公報

従来の磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子が示すＭＲｖｓ．外部磁界曲線には大きなヒステリシスがあった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線におけるヒステリシスが抑制された磁気センサを提供することを目的とする。

本発明にかかる磁気センサは、積層方向から見て細長形状のフリー層を有するスピンバルブＧＭＲ素子と、積層方向から見て細長形状の永久磁石層と、を備え、永久磁石層の長手方向とフリー層の長手方向とが互いに平行に配置され、かつ、永久磁石層とフリー層とが、フリー層の長手方向に対して交差する方向に離間して配置されている。

本発明によれば、永久磁石層によりフリー層に対して効率的にバイアス磁界が印加されるため、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線のヒステリシス性が抑制される。

ここで、永久磁石層を一対備え、一対の永久磁石層は、フリー層の長手方向と交差しかつフリー層の積層方向と交差する方向からフリー層を挟むように配置されていることが好ましい。

この場合、２つの永久磁石層によりバイアス磁界を効率よくフリー層に対して印加できる。また、２つの永久磁石層の同時形成も可能である。

また、永久磁石層はフリー層上に配置されていることも好ましい。

この場合、１つの永久磁石層でフリー層の全体に対して十分なバイアス磁界の印加が可能である。

また、永久磁石層がフリー層に対して及ぼすバイアス磁界の向きは、フリー層の長手方向と略平行であることが好ましい。また、フリー層の長手方向は磁化容易軸方向であることが好ましい。

これにより、スピンバルブＧＭＲ素子のフリー層に対して効果的にバイアス磁界を掛けることができる。

本発明によれば、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線におけるヒステリシスが抑制された磁気センサが提供される。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る磁気センサ１の概略斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

磁気センサ１は、±Ｘ方向における外部磁界の強さを検出する磁気センサである。この磁気センサ１は、主として、基板１０、電極パッド２０、リード３０、ＧＭＲストライプ（磁気抵抗効果素子）５０、及び、永久磁石層４０を主として備える。

基板１０は、板状のものであり、例えば、アルミナ基板、ＡｌＴｉＣ上にアルミナ絶縁層を形成した基板、Ｓｉ基板上に絶縁膜を形成した基板、熱酸化Ｓｉ基板等を使用できる。

電極パッド２０は、基板１０上に互いに離間して一対設けられている。材質は特に限定されないが、例えば、Ａｕ等の金属が挙げられる。

ＧＭＲストライプ（スピンバルブＧＭＲ素子）５０は、基板１０上に積層され、積層方向から見て細長形状を呈している。ＧＭＲストライプ５０は電極パッド２０、２０間に配置され、ＧＭＲストライプ５０の長手方向は電極パッド２０、２０間を結ぶ方向と平行とされている。積層方向から見たＧＭＲストライプ５０のアスペクト比、すなわち、（図１のＹ方向の長さ／Ｘ方向の長さ）は特に限定されないが、ＭＲ比を向上させる観点から例えば、アスペクト比は１０以上が好ましい。

ＧＭＲストライプ５０の厚みは、通常２００〜７００ｎｍ程度である。また、積層方向から見て、ＧＭＲストライプ５０の長手方向（Ｙ方向）の長さは例えば、５〜２００ｎｍとすることができ、幅方向（Ｘ方向）の長さは例えば、２〜３０ｎｍとすることができる。

図２に示すように、ＧＭＲストライプ５０は、基板１０側から順に、下地層５１、反強磁性層５２、ピンド層５３、非磁性導体層５４、フリー層５５、非磁性導体層５６、ピンド層５７、反強磁性層５８を備えている。

下地層５１は必要に応じて形成されるものであり、例えば、材料としては、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｉＣｒ等が挙げられる。

反強磁性層５２、５６の材料としては、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＮｉＯ等の材料を用いることができる。

ピンド層５３、５７及びフリー層５５の材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅＢ等の強磁性材料やその積層体を用いることができる。

ピンド層５３、５７はそれぞれ反強磁性層５２、５６と接触しており、反強磁性層５２、５６との交換結合により磁化の方向がピン止めされている。ピンド層５３、５７の磁化の方向は、図１の矢印Ｂに示すようにＸ方向とされることが好ましい。

非磁性導体層５４、５６の材料としては、Ｃｕ等の金属材料を用いることができる。

各層の厚みは特に限定されず、ＭＲ効果を発揮できる厚みであれば良い。

永久磁石層４０は、積層方向から見て細長形状を有する膜である。また、永久磁石層４０のＹ方向長さは、ＧＭＲストライプ５０のY方向長さの８０％以上が好ましい。

本実施形態では、永久磁石層４０、４０の長手方向とＧＭＲストライプ５０の長手方向とが互いに平行に配置され、かつ、永久磁石層４０、４０とＧＭＲストライプ５０とが、ＧＭＲストライプ５０の長手方向に対して交差する方向に離間して配置されている。また、一対の永久磁石層４０、４０は、ＧＭＲストライプ５０を、ＧＭＲストライプ５０の長手方向と交差しかつＧＭＲストライプ５０の積層方向と交差する方向、すなわちＸ方向にＧＭＲストライプ５０を挟むように配置されている。

永久磁石層４０の材料としては、例えば、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＴａ等の高保磁力を有する硬磁性体が使用できる。

永久磁石層４０、４０には、それぞれ図１の矢印Ａ方向、すなわち、永久磁石層４０及びフリー層５５の長手方向と平行な方向への磁化が与えられている。これにより、ＧＭＲストライプ５０のフリー層５５に対して、永久磁石層４０、４０の磁化の向きと反対方向、すなわち、図１の矢印Ｃ方向への磁界が作用する。すなわち、フリー層５５の長手方向と略平行にバイアス磁界が作用する。通常、フリー層５５の長手方向がフリー層の磁化容易軸となる。永久磁石層４０の磁化の大きさは、ＧＭＲストライプ５０のフリー層５５に対して、フリー層５５の保磁力以上の磁界が作用するように設定される。

リード３０は、ＧＭＲストライプ５０の両端部にそれぞれ接触すると共に、各電極パッド２０に接触している。リード３０の材料としては、Ａｕ等の金属材料が挙げられる。

さらに、図２に示すように、ＧＭＲストライプ５０と永久磁石層４０との間及びＧＭＲストライプ５０上及び永久磁石層４０上には、アルミナ、シリカ等から形成された非磁性絶縁層７０が形成されている。

このような磁気センサ１は、例えば、基板１０上に公知の方法によりＧＭＲ膜を形成した後にフォトリソグラフィー法等によりＧＭＲストライプ５０を形成し、その後、フォトリソグラフィー法により永久磁石層４０、リード３０を形成し、非磁性絶縁層を形成すればよい。

このような磁気センサ１によれば、永久磁石層４０により、ＧＭＲストライプ５０のフリー層５５に対して図１のＣ方向へのバイアス磁界が印加され、フリー層５５が単磁区化されやすい。したがって、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線の中間部（ＭＲの変化幅の内の２５％〜７５％の部分；詳細は後述）での線形性が高く、また、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線のヒステリシスも抑制される。さらに、バイアス磁界印加方向への磁気異方性が大きくなるため、後述のＨｙｓが小さくなる。

具体的には、まず、永久磁石層４０の長手方向とフリー層５５の長手方向とが互いに平行に配置され、かつ、永久磁石層４０とフリー層５５とがフリー層５５の長手方向に対して交差する方向に離間して配置されているので、永久磁石層４０をＧＭＲストライプ５０の長手方向（Ｙ方向）の両側に配置するのに比べて、フリー層５５の全体と永久磁石層４０との距離を近づけやすく、十分な磁界をＧＭＲストライプ５０に対して与えやすい。

さらに、本実施形態では、一対の永久磁石層４０、４０でフリー層５５を挟むことにより効率的にフリー層５５への磁界の印加が可能となっている。そして、この永久磁石層４０、４０が同一高さにありこれらを同時に形成できるので、製造も容易である。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る磁気センサ１について図３及び図４を参照して説明する。本実施形態に係る磁気センサ１が第１実施形態と異なる点は、永久磁石層４０が一つであり、さらに、永久磁石層４０がＧＭＲストライプ５０の上に配置されている点である。詳しくは、永久磁石層４０は、図４に示すように、非磁性絶縁層７０を間に介してＧＭＲストライプ５０の上に配置されている。

本実施形態でも第１実施形態と同様の作用効果が奏される。また、永久磁石層４０がフリー層５５の上にあるので永久磁石層４０とＧＭＲストライプ５０のフリー層５５全体とを容易に近づけることができる、１つの永久磁石層４０でも十分なバイアス磁界（矢印Ｃ）をＧＭＲストライプ５０のフリー層５５に対して与えられる。

本実施形態は、上述の実施形態に限定されずにさまざまな変形態様が可能である。例えば、永久磁石層４０の位置は、永久磁石層４０の長手方向とフリー層５５の長手方向とが互いに平行に配置され、かつ、永久磁石層４０とフリー層５５とが、フリー層５５の長手方向に対して交差する方向に離間して配置されていればよく、例えば、図１及び図３において、永久磁石層４０をＹ軸周りに任意の角度に回転した位置に配置しても実施は可能である。また、永久磁石層４０の長手方向とフリー層５５の長手方向とが完全に平行でなくても実質的に平行であれば良い。

また、上記実施形態では、ＧＭＲストライプ５０として、反強磁性層／ピンド層／非磁性導体層／フリー層を備えたスピンバルブを２つ重ねたいわゆるデュアルスピンバルブ構造を採用しているが、スピンバルブを１つのみ備える構造でも構わない。

また、上記実施形態では、ＧＭＲストライプ５０の長手方向に電流が流れるいわゆるＣＩＰ構造であるが、ＧＭＲストライプ５０の積層方向に電流が流れるＣＰＰ構造でも構わない。

また、上記実施形態では非磁性導体層５４を用いたＧＭＲストライプ５０であるが、非磁性導体層５４に替えてＭｇＯ等の非磁性絶縁層を用いたＴＭＲストライプを採用しても実施可能である。また、スピンバルブでなく、いわゆるＡＭＲストライプでも実施は可能である。

そして、このような磁気センサは、図５の（ａ）に示すように回転部材１０２に貼り付けられ所定間隔（例えば等間隔）で着磁された記録媒体１０１からの磁界の変化を検出することにより回転エンコーダとして利用できる。また、図５の（ｂ）に示すように所定間隔（例えば等間隔）で着磁された記録媒体１０１と磁気センサ１とが相対運動する場合には、記録媒体１０１からの磁界を磁気センサ１が検出することによりリニアエンコーダとして利用できる。例えば、磁気センサ１は、レンズ１５０に取り付けられることができる。また、図５の（ｃ）に示すように、電線１０５の近傍に磁気センサ１を配置して電線から生じる誘導磁界を検出すれば電流センサとして利用できる。また、図５の（ｄ）に示すように、紙幣等の板１１０に軟磁性体１１２による印刷がされている場合に、永久磁石や電磁石１１４により軟磁性体１１２を着磁し、この磁界を検出することにより真贋センサ等として利用できる。また、軟磁性体製のギヤ１１６の歯を永久磁石や電磁石１１４により着磁してこの磁界を磁気センサ１で検出することによりギヤトゥースセンサとして利用できる。さらに、複数の磁気センサ１を直交方向に組み合わせることにより地磁気の方向を検出する方位センサとして利用することができる。

（実施例Ａ１〜Ａ３）
図１及び図２のような磁気センサを作成した。ＧＭＲストライプの平面サイズは１００μｍ×７．５μｍとした。また、フリー層の材質は、ＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１ｎｍ）とした。一対の永久磁石層の平面サイズは、それぞれ１００μｍ×２０μｍとし、ＧＭＲストライプと永久磁石との間隔は３０ｎｍとし、材質はＣｏＮｉＣｒとした。永久磁石層の厚みは、実施例Ａ１，Ａ２，Ａ３の順に２５、５０、１００μｍとした。これにより、フリー層に対して矢印Ｃ方向に永久磁石層の厚みに応じて異なる大きさの磁界が印加された。なお、この磁界の強さは、いずれもフリー層の保磁力よりも十分に大きい。

その後、Ｘ方向に外部磁界（−Ｈｅｘｔ〜＋Ｈｅｘｔ）を周期的に印加してパッド間の抵抗の変化を測定し、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線を得た（図６参照）。ここでＭＲｖｓ．外部磁界曲線は、外部磁界の最大値Ｈｅｘｔ＝約±２４０Ｏｅとした。そして、各曲線のＭＲの変化幅の内の２５〜７５％の中間部分Ａ（図６参照）において、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線の上側部分を直線Ｂでフィッティングし、永久磁石層の厚み毎に相関係数Ｒ^２を求めた。

また、各永久磁石層の厚み毎にＭＲｖｓ．外部磁界曲線からＨｙｓを求めた。ここで、図７に示すように、Ｈｙｓ（％）＝（Ｈｃ×フィッティング直線の傾き／ＭＲ比の５０％）×１００であり、ヒステリシスの度合いを表すものである。ここで、Ｈｃは、ＭＲ比の５０％の位置（縦軸）における上側曲線と下側曲線との外部磁界の差（横軸の値の差）の１／２である。また、ここでのＭＲ比とは、外部磁界の最大値ＨｅｘｔにおけるＭＲ（％）である。

（実施例Ａ４〜Ａ６）
ＧＭＲストライプの平面サイズをそれぞれ５０μｍ×７．５μｍとする以外は、実施例Ａ１〜Ａ３と同様とした。

（比較例Ａ１、Ａ２）
永久磁石層を設けない以外は実施例Ａ１、Ａ４と同様とした。

（実施例Ｂ１〜Ｂ６）
図３及び図４のように永久磁石層をフリー層の上にひとつ配置し、永久磁石層の平面サイズを９０μｍ×７．５μｍとし、永久磁石層のＧＭＲストライプとの距離は３０ｎｍとする以外は実施例Ａ１〜Ａ６と同様とした。

（比較例Ａ３、Ａ４）
永久磁石層を設けない以外は実施例Ｂ１、Ｂ４と同様とした。

結果を、図８〜図１１示す。永久磁石層を設けることにより相関係数Ｒ^２は向上し、Ｈｙｓは低下した。

図1は、第１実施形態にかかる磁気センサの概略斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３は、第２実施形態にかかる磁気センサの概略斜視図である。図４は、図１のＩＶ−ＩＶ断面図である。図５は、本実施形態にかかる磁気センサの使用状況を説明する概略説明図である。図６は、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線において、直線のフィッティングをする状況を示すグラフである。図７は、ＭＲｖｓ．外部磁界曲線において、Ｈｙｓを示すグラフである。図８は、実施例Ａ１〜Ａ６及び比較例Ａ１、Ａ２において永久磁石層の厚みとＨｙｓとの関係を示すグラフである。図９は、実施例Ａ１〜Ａ６及び比較例Ａ１、Ａ２において永久磁石層の厚みと相関係数Ｒ^２との関係を示すグラフである。図１０は、実施例Ｂ１〜Ｂ６及び比較例Ｂ１、Ｂ２において永久磁石層の厚みとＨｙｓとの関係を示すグラフである。図１１は、実施例Ｂ１〜Ｂ６及び比較例Ｂ１、Ｂ２において永久磁石層の厚みと相関係数Ｒ^２との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…磁気センサ、４０…永久磁石層、５３、５６…非磁性導体層（非磁性層）、５０…ＧＭＲストライプ（スピンバルブＧＭＲ素子）、５５…フリー層。

Claims

積層方向から見て細長形状のフリー層を有するスピンバルブＧＭＲ素子と、
積層方向から見て細長形状の永久磁石層と、を備え、
前記永久磁石層の長手方向と前記フリー層の長手方向とが互いに平行に配置され、かつ、前記永久磁石層と前記フリー層とが、前記フリー層の長手方向に対して交差する方向に離間して配置された磁気センサ。
前記永久磁石層を一対備え、前記一対の永久磁石層は、前記フリー層の長手方向に対して交差しかつ前記フリー層の積層方向と交差する方向から前記フリー層を挟むように配置されている請求項１記載の磁気センサ。
前記永久磁石層は前記フリー層上に配置されている請求項１記載の磁気センサ。
前記永久磁石層が前記フリー層に対して及ぼすバイアス磁界の向きは、前記フリー層の長手方向と略平行である請求項１〜３のいずれか記載の磁気センサ。
前記フリー層の長手方向は磁化容易軸方向である請求項４記載の磁気センサ。