JP2009145228A - 薄膜磁気抵抗素子及び薄膜磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】面内におけるいかなる方向の外部磁場に対しても応答を示し、かつ外部磁場の方向を検出可能で、スイッチ素子として利用可能な薄膜磁気抵抗素子を提供すること、及びこれを用いた実用的な薄膜磁気センサを提供すること。
【解決手段】薄膜磁気抵抗素子については、絶縁基板１上に形成された内側軟磁性膜２、外側軟磁性膜３、薄膜磁気抵抗素子４及び必要な配線５を有し、内側軟磁性膜２の外縁部と外側軟磁性膜３の内縁部との間の間隙６内に磁気抵抗効果膜４が形成され、外側軟磁性膜３は、互いに直交する方向に形成された切欠部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにより、４個の扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに分割されているという構成にする。薄膜磁気センサについては、この薄膜磁気抵抗素子を可変抵抗部とするブリッジ回路を組むという構成にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜磁気抵抗素子及び薄膜磁気センサに係り、特に、面内におけるいかなる方向の外部磁場に対しても応答を示し、かつ外部磁場の方向を検出可能で、スイッチ素子として利用可能な薄膜磁気抵抗素子とこれを用いた薄膜磁気センサとに関する。

従来より、スイッチ動作を行う磁気センサとしては、ホールＩＣ及びＭＲ素子が広く用いられている。ホールＩＣは、ホール素子とホール素子の出力を整形する回路とを一体にパッケージングしたものであり、位置検出などに適用される。一方、ＭＲ素子は、同一平面内に所要の間隙を介して第１及び第２の軟磁性膜の端面を対向に配置し、これら第１及び第２の軟磁性膜の端面間の間隙内にナノグラニュラー合金薄膜などの磁気抵抗効果膜を形成したものであり、磁気ヘッドやサーボモータ又はロータリエンコーダ等における磁気センサなどに適用される。

上述のように、ホールＩＣは、ホール素子とホール素子の出力を整形する回路とからなるので、センサモジュールが大形かつ高価であり、しかも感度の異方性が高いという特質を有する。これに対して、ＭＲ素子は、出力整形用の回路を備える必要がないので小型かつ安価に実施できるが、感度の異方性が高いという点においてはホールＩＣと同様であり、従来より、面内におけるいかなる方向の磁場に対しても応答を示すＭＲ素子の開発が求められている。

本発明は、かかる技術的な課題を解決するためになされたものであり、その目的は、面内におけるいかなる方向の外部磁場に対しても応答を示し、かつ外部磁場の方向を検出可能で、スイッチ素子として利用可能な薄膜磁気抵抗素子を提供すること、及びこれを用いた実用的な薄膜磁気センサを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、薄膜磁気抵抗素子については、第１に、絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された内側軟磁性膜、外側軟磁性膜、磁気抵抗効果膜及び前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出するための配線とを有し、前記外側軟磁性膜は、前記内側軟磁性膜の外周を取り囲むように配置された４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなり、各扇状外側軟磁性膜の間に形成されるスリット状の切欠部は、前記内側軟磁性膜の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成されており、前記内側軟磁性膜の外縁部と前記外側軟磁性膜の内縁部との間には一定間隔の間隙が設けられていて、当該間隙内に前記磁気抵抗効果膜が形成されているという構成にした。

内側軟磁性膜及び磁気抵抗効果膜の外周に４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなる外側軟磁性膜を配置すると、内側軟磁性膜及び磁気抵抗効果膜の外周の大部分を外側軟磁性膜にて取り囲むことができるので、全周にわたって外部磁場の印加方向に応じた外側軟磁性膜の飽和磁束密度をもたせることができ、面内におけるいかなる方向の外部磁場に対しても応答を示す薄膜磁気抵抗素子となる。また、かかる構成によると、一方向の外部磁場を薄膜磁気抵抗素子に印加したとき、当該外部磁場の方向に配置された２つの扇状外側軟磁性膜と内側軟磁性膜とから検出されるＭＲ比と、これと直交する方向に配置された他の２つの扇状外側軟磁性膜と内側軟磁性膜とから検出されるＭＲ比との差を大きくすることができるので、外部磁場の方向を検出することも可能になる。

また本発明は、第２に、前記第１の薄膜磁気抵抗素子において、前記内側軟磁性膜の外縁部が円形で、前記外側軟磁性膜の内縁部及び外縁部が円弧形であるという構成にした。

かかる構成によると、外側軟磁性膜の幅を径方向に関して一定にできるので、外部磁場に対する応答の均等性を高めることができる。

一方、本発明は、薄膜磁気センサに関しては、絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された内側軟磁性膜、外側軟磁性膜、磁気抵抗効果膜及び前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出するための配線とを有し、前記外側軟磁性膜は、前記内側軟磁性膜の外周を取り囲むように配置された４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなり、各扇状外側軟磁性膜の間に形成されるスリット状の切欠部は、前記内側軟磁性膜の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成されており、前記内側軟磁性膜の外縁部と前記外側軟磁性膜の内縁部との間には一定間隔の間隙が設けられていて、当該間隙内に前記磁気抵抗効果膜が形成された第１薄膜磁気抵抗素子を可変抵抗部とし、絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された内側非磁性金属膜、外側軟磁性膜、磁気抵抗効果膜及び前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出するための配線とを有し、前記外側軟磁性膜は、前記内側軟磁性膜の外周を取り囲むように配置された４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなり、各扇状外側軟磁性膜の間に形成されるスリット状の切欠部は、前記内側軟磁性膜の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成されており、前記内側非磁性金属膜の外縁部と前記外側軟磁性膜の内縁部との間には一定間隔の間隙が設けられていて、当該間隙内に前記磁気抵抗効果膜が形成された第２薄膜磁気抵抗素子を固定抵抗部とし、前記可変抵抗部の外側軟磁性膜と前記固定抵抗部の外側軟磁性膜とが離間して設けられたブリッジ回路からなるという構成にした。

第１薄膜磁気抵抗素子は、その外側軟磁性膜に作用する磁場が飽和磁束密度に達したとき、磁気抵抗効果膜を介して外側軟磁性膜から内側軟磁性膜に磁束が流れるので、磁気抵抗効果膜の抵抗値の変化を可変抵抗として利用できる。これに対して、第２薄膜磁気抵抗素子は、外側軟磁性膜及び磁気抵抗効果膜の内側に軟磁性膜ではなく非磁性金属膜が形成されており、その外側軟磁性膜に作用する磁場が飽和磁束密度に達した後も、磁気抵抗効果（ＭＲ効果）が緩やかに発現されるので、固定抵抗として利用できる。よって、これらの可変抵抗及び固定抵抗を用いてブリッジ回路を構成すると、印加される磁場の大きさ及び方向を検出可能な薄膜磁気センサとすることができる。また、ブリッジ回路を構成することから、零位法によって磁気抵抗効果膜に作用する磁場の変動を検出できると共に、電源電圧の変動や検出器の入力インピーダンス若しくは膜由来の特性変化などの影響を除去することができ、高精度な薄膜磁気センサとすることができる。

本発明の薄膜磁気抵抗素子は、内側軟磁性膜の外周を大部分にわたって取り囲むように外側軟磁性膜を形成したので、面内におけるあらゆる方向の外部磁場に対して応答するスイッチ素子として利用することができる。また、外側軟磁性膜を４個の同形同大の扇状外側軟磁性膜の集合から構成し、各扇状外側軟磁性膜の間にスリット状の切欠部を形成するので、外部磁場の方向を検出することができる。

本発明の薄膜磁気センサは、内側軟磁性膜の外周を大部分にわたって取り囲むように外側軟磁性膜が形成された第１薄膜磁気抵抗素子を可変抵抗として用い、当該第１薄膜磁気抵抗素子の内側軟磁性膜に代えて内側非磁性金属膜を備えた第２薄膜磁気抵抗素子を固定抵抗とするブリッジ回路をもって薄膜磁気センサとするので、面内におけるあらゆる方向の外部磁場を検出可能で、かつ、外部磁場の方向も検出可能な薄膜磁気センサとすることができる。

以下、本発明に係る薄膜磁気抵抗素子の一例を、図１乃至図５に基づいて説明する。図１は実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ部の断面形状の第１例を示す拡大断面図、図３は図１におけるＡ−Ａ部の断面形状の第２例を示す拡大断面図、図４は実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の外部磁場に対するＭＲ比の変化を示すグラフ図、図５は実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の外部磁場に対する出力電圧の変化を示すグラフ図である。

図１乃至図３に示すように、本例の薄膜磁気抵抗素子は、絶縁基板１と、当該絶縁基板１上に形成された内側軟磁性膜２、外側軟磁性膜３、磁気抵抗効果膜４及び磁気抵抗効果膜４の抵抗値を検出するための配線５とから主に構成されている。

絶縁基板１は、無機誘電体、プラスチックス又は非磁性セラミックスなどの高剛性の非磁性絶縁体をもって所要の形状及びサイズに形成される。

内側軟磁性膜２及び外側軟磁性膜３は、例えばＣｏ_７７Ｆｅ_５Ｓｉ_９Ｂ_８合金やパーマロイ合金（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）などの飽和磁束密度が高い軟磁性体をもって形成される。これら内側軟磁性膜２及び外側軟磁性膜３の形成方法としては、真空蒸着やスパッタリングなどの真空成膜法を用いることができる。図１に示すように、内側軟磁性膜２は平面形状が円形に形成されており、外側軟磁性膜３は平面形状が扇形に形成された４個の同形同大の扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの集合から構成されており、内側軟磁性膜２の周囲にこれを取り囲むように等分に配置されている。扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの内径は、内側軟磁性膜２の外径よりも大きく形成されており、内側軟磁性膜２の外縁部と扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの内縁部との間には、一定幅の弧状の間隙６が形成される。また、隣接して配置される扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの間には、スリット状の切欠部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられており、これらの各切欠部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、内側軟磁性膜２の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成される。

磁気抵抗効果膜４としては、パーマロイ合金系の磁気抵抗効果膜に比べて格段に大きなＭＲ比を有し、かつ１層で大きなＭＲ比が得られることから、絶縁体マトリクス中に強磁性微粒子を分散してなるグラニュラー磁性膜が形成される。グラニュラー磁性膜としては、３２ｖｏｌ％のＣｏＦｅ−ＭｇＦ_２やＣｏＹＯなどを挙げることができる。この磁気抵抗効果膜４は、図２に示すように、内側軟磁性膜２の外縁部と外側軟磁性膜３の内縁部との間の間隙６内にスパッタリングなどにより形成される。

なお、図２の例では、内側軟磁性膜２の外縁部と扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの内縁部とが絶縁基板１に対して傾斜する形状に形成されているが、これは磁気抵抗効果膜４をスパッタリングにて形成する場合に、間隙６内への磁気抵抗効果膜４の形成を容易にするためであり、例えばスパッタリング時の条件などを工夫することにより間隙６内に磁気抵抗効果膜４を密に形成できる場合には、各縁部を絶縁基板１に対して垂直に形成することもできる。

また、図２の例では、磁気抵抗効果膜４の内周端部及び外周端部が内側軟磁性膜２及び扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの上面側に重ね合わされているが、これは絶縁基板１上にまず内側軟磁性膜２及び扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成し、しかる後に磁気抵抗効果膜４を形成する場合の例であり、これとは逆に、まず絶縁基板１上に磁気抵抗効果膜４を形成し、しかる後に内側軟磁性膜２及び扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成する場合には、図３に示すように、内側軟磁性膜２の外周端部及び扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの内周端部を磁気抵抗効果膜４の上面側に重ね合わせることもできる。

配線５は、銅やアルミニウムなどの導電性に優れた金属材料にて形成される。この配線５の形成方法としても、真空蒸着やスパッタリングなどの真空成膜法を用いることができる。

図４及び図５に、本実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の試験例を示す。試料は、外側軟磁性膜３の外径φ１が１５０μｍ、内側軟磁性膜２の外径φ２が４０μｍ、間隙６の大きさＬが２μｍ、内側軟磁性膜２及び外側軟磁性膜３の厚みｔが１．５μｍのものを用いた。

外部磁場Ｈｅｘを変更しながら試料に係る薄膜磁気抵抗素子のＭＲ比の変化を測定したところ、図４に示す結果が得られた。但し、外部磁場Ｈｅｘの印加方位は、図１に示すｙ方向とし、内側軟磁性膜２と扇状外側軟磁性膜３ｂとの間で検出されるｙ方向のＭＲ比の変化ＭＲｙと、内側軟磁性膜２と扇状外側軟磁性膜３ａとの間で検出されるｘ方向のＭＲ比の変化ＭＲｘとを測定した。図４から明らかなように、試料に係る薄膜磁気抵抗素子は、外部磁場Ｈｅｘに応じたＭＲｙの変化が大きく、スイッチ素子として利用することができる。また、この図から明らかなように、試料に係る薄膜磁気抵抗素子は、ｙ方向に印加された外部磁場Ｈｅｘに対するｙ方向のＭＲ比の変化ＭＲｙとｘ方向のＭＲ比の変化ＭＲｙとの差が大きく、薄膜磁気抵抗素子に印加される外部磁場Ｈｅｘの方位を検出することができる。

一方、外部磁場Ｈｅｘを変更しながら試料に係る薄膜磁気抵抗素子の出力電圧の変化を測定したところ、図５に示す結果が得られた。この図から明らかなように、試料に係る薄膜磁気抵抗素子は、外部磁場Ｈｅｘの上昇に伴って出力電圧の上昇が徐々になまってゆき、外部磁場Ｈｅｘの大きさがある段階を超えると、出力電圧値が低下し始める。これは、外側軟磁性膜３が４個の扇状外側軟磁性膜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに分割されているので、外部磁場Ｈｅｘを例えばｙ方向に印加した場合、扇状外側軟磁性膜３ｂが飽和した段階で、磁束が扇状外側軟磁性膜３ａ側及び扇状外側軟磁性膜３ｃ側に流れるためである。

以下、前記実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子を利用した薄膜磁気センサの構成を、図６乃至図８を用いて説明する。図６は実施形態に係る薄膜磁気センサの構成図、図７は実施形態に係る薄膜磁気センサの等価回路図、図８は実施形態に係る薄膜磁気センサにおける外部磁場に対する可変抵抗部及び固定抵抗部の抵抗変化率特性を示すグラフ図である。

図６に示すように、本例の薄膜磁気センサは、絶縁基板１と、絶縁基板１上に形成された可変抵抗部１１及び固定抵抗部２１と、これら可変抵抗部１１及び固定抵抗部２１を相互に接続してブリッジ回路を構成する配線５とからなる。

可変抵抗部１１としては、図１乃至図３に示した薄膜磁気抵抗素子が用いられる。これに対して、固定抵抗部２１としては、可変抵抗部１１の内側軟磁性膜２に代えて非磁性金属膜２２を形成したものが用いられる。その他の部分の形状及びサイズについては、可変抵抗部１１と同様に形成される。

可変抵抗部１１は、先に説明したように外部磁場Ｈｅｘに対して図８に実線で示す抵抗変化率特性を有する。これに対して、固定抵抗部２１は、非磁性金属膜２２を備えているので、外側軟磁性膜３が飽和磁束密度に達したとき、磁気抵抗効果が緩やかに発現され、図８に破線で示す抵抗変化率を有する。したがって、これらの可変抵抗部１１及び固定抵抗部２１をもって図７に例示する等価回路に相当するブリッジ回路を構成すると、零位法によって磁気抵抗効果膜に作用する磁場の変動を検出できると共に、電源電圧の変動や検出器の入力インピーダンス若しくは非直線性などの影響を除去することができ、高精度にして実用的な薄膜磁気センサとすることができる。

実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の平面図である。 図１におけるＡ−Ａ部の断面形状の第１例を示す拡大断面図である。 図１におけるＡ−Ａ部の断面形状の第２例を示す拡大断面図である。 実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の外部磁場に対するＭＲ比の変化を示すグラフ図である。 実施形態に係る薄膜磁気抵抗素子の外部磁場に対する出力電圧の変化を示すグラフ図である。 実施形態に係る薄膜磁気センサの構成図である。 実施形態に係る薄膜磁気センサの等価回路図である。 実施形態に係る薄膜磁気センサにおける外部磁場に対する可変抵抗部及び固定抵抗部の抵抗変化率特性を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 絶縁基板
２ 内側軟磁性膜
３ 外側軟磁性膜
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 扇状外側軟磁性膜
４ 磁気抵抗効果膜
５ 配線
６ 間隙
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 切欠部
１１ 可変抵抗部
２１ 固定抵抗部
２２ 非磁性金属膜

Claims (3)

1. 絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された内側軟磁性膜、外側軟磁性膜、磁気抵抗効果膜及び前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出するための配線とを有し、前記外側軟磁性膜は、前記内側軟磁性膜の外周を取り囲むように配置された４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなり、各扇状外側軟磁性膜の間に形成されるスリット状の切欠部は、前記内側軟磁性膜の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成されており、前記内側軟磁性膜の外縁部と前記外側軟磁性膜の内縁部との間には一定間隔の間隙が設けられていて、当該間隙内に前記磁気抵抗効果膜が形成されていることを特徴とする薄膜磁気抵抗素子。
2. 前記内側軟磁性膜の外縁部が円形で、前記外側軟磁性膜の内縁部及び外縁部が円弧形であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜磁気抵抗素子。
3. 絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された内側軟磁性膜、外側軟磁性膜、磁気抵抗効果膜及び前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出するための配線とを有し、前記外側軟磁性膜は、前記内側軟磁性膜の外周を取り囲むように配置された４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなり、各扇状外側軟磁性膜の間に形成されるスリット状の切欠部は、前記内側軟磁性膜の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成されており、前記内側軟磁性膜の外縁部と前記外側軟磁性膜の内縁部との間には一定間隔の間隙が設けられていて、当該間隙内に前記磁気抵抗効果膜が形成された第１薄膜磁気抵抗素子を可変抵抗部とし、
   絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された内側非磁性金属膜、外側軟磁性膜、磁気抵抗効果膜及び前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出するための配線とを有し、前記外側軟磁性膜は、前記内側軟磁性膜の外周を取り囲むように配置された４個の扇状外側軟磁性膜の集合からなり、各扇状外側軟磁性膜の間に形成されるスリット状の切欠部は、前記内側軟磁性膜の中心を通り、かつ互いに直交する直線に沿って形成されており、前記内側非磁性金属膜の外縁部と前記外側軟磁性膜の内縁部との間には一定間隔の間隙が設けられていて、当該間隙内に前記磁気抵抗効果膜が形成された第２薄膜磁気抵抗素子を固定抵抗部とし、
   前記可変抵抗部の外側軟磁性膜と前記固定抵抗部の外側軟磁性膜とが離間して設けられたブリッジ回路からなることを特徴とする薄膜磁気センサ。

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