JP2009229380A - 薄膜磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＭＲ膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、高磁界と低磁界の双方を適切な分解能で同時に測定することが可能な磁気センサを提供すること。
【解決手段】巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、前記ＧＭＲ膜の一端に電気的に接続された第１軟磁性材料からなる第１薄膜ヨークと、前記ＧＭＲ膜の他端に電気的に接続された第２軟磁性材料からなる第２薄膜ヨークとを備え、前記第１薄膜ヨークは、見かけの透磁率が前記第２薄膜ヨークとは異なる薄膜磁気センサ。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに好適な薄膜磁気センサに関する。

磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ： Anisotropic Magneto-Resistiity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Gaiant MR）センサ等に分類される。

これらの中でもＧＭＲセンサは、
（１）ＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ_０（△ρ＝ρ_Ｈ−ρ_０：ρ_Ｈは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ_０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。

ＧＭＲ効果を示す材料としては、強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−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）効果が生ずるトンネル接合膜、ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料等が知られている。

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗ρが桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。

そこでこの問題を解決するために、特許文献１には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、巨大磁気抵抗薄膜の磁界感度を上げる点が記載されている。また、同文献には、基板上に膜厚２μｍのパーマロイ薄膜（軟磁性膜）を形成し、パーマロイ薄膜にイオンビームエッチング装置を用いて幅約９μｍの隙間を作製し、隙間の部分にＣｏ_38.6Ｙ_41.0Ｏ_47.4組成を有するナノグラニュラーＧＭＲ膜を積層する薄膜磁気センサの製造方法が記載されている。

また、特許文献２には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置した薄膜磁気抵抗素子において、磁界感度をさらに向上させるために、巨大磁気抵抗薄膜の膜厚を軟磁性薄膜の膜厚以下とする点が記載されている。

特開平１１−０８７８０４号公報 特開平１１−２７４５９９号公報

大きな飽和磁化を有し、透磁率の高い軟磁性材料は、磁界感度が極めて高く、相対的に弱い外部磁界で極めて大きな磁化を示す。そのため、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを近づけると、外部磁界が薄膜ヨークによって増幅され、ＧＭＲ膜には、外部磁界の１００〜１００００倍の強い磁界が作用する。その結果、ＧＭＲ膜の磁界感度を著しく大きくすることができる。
また、ＧＭＲ膜に発生する磁界の強さは、薄膜ヨークの形状にも依存し、薄膜ヨークの形状を細長くするほど、ＧＭＲ膜には強い磁界が発生する。これは、薄膜ヨークの形状を細長くすることによって、感磁方向の反磁界が小さくなるためである。なお、「感磁方向」とは、ＧＭＲ膜の磁界感度が最大となるときの外部磁界印加方向をいう。

ここで、磁気センサは、一般に、検出素子を直交配置したブリッジ又はハーフブリッジにより構成されている。また、磁気センサは、通常、使用磁場範囲内で直線的な出力特性が得られるものが選定される。ＧＭＲ膜を用いた磁気センサの最大出力は、ＧＭＲ膜の材料の物性で決まるので、磁場検出感度は、薄膜ヨークの形状磁気異方性（反磁界）で決定される。そのため、広い磁場範囲で使用する場合には、その分、磁場分解能が悪くなる。逆に、磁場分解能の良いセンサは、小さな磁場で飽和してしまうので、微少な磁場範囲内でしか使用することができない。

例えば、磁性体の磁気特性を測定するような場合、磁化が飽和するような強磁界領域はラフに測定し、磁化が急激に変動する保磁力付近は、精密に測定するのが望ましい。このような場合の磁場測定には、高磁界用と低磁界用の２種類の磁気センサを組み合わせて使用する必要がある。しかしながら、２種類のセンサを使用することは、設置スペースが２倍以上必要になるため、微少領域の磁場測定が困難になり、コスト面からも好ましくない。

本発明が解決しようとする課題は、ＧＭＲ膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、高磁界と低磁界の双方を適切な分解能で同時に測定することが可能な磁気センサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサは、
巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
前記ＧＭＲ膜の一端に電気的に接続された第１軟磁性材料からなる第１薄膜ヨークと、
前記ＧＭＲ膜の他端に電気的に接続された第２軟磁性材料からなる第２薄膜ヨークとを備え、
前記第１薄膜ヨークは、見かけの透磁率が前記第２薄膜ヨークとは異なる
ことを要旨とする。

薄膜磁気センサに外部磁界が作用すると、第１薄膜ヨーク及び第２薄膜ヨークの双方で外部磁界が増幅され、増幅された磁界が、それぞれ、ＧＭＲ膜に作用する。すなわち、ＧＭＲ膜に作用する磁界は、第１薄膜ヨークで増幅された磁界と第２薄膜ヨークで増幅された磁界の和となる。
第１薄膜ヨークと第２薄膜ヨークの見かけの透磁率を非同一にした場合において、薄膜磁気センサに低磁界が作用したときには、外部磁界Ｈに応じて、双方の薄膜ヨークの磁化が変化する。見かけの透磁率が大きい薄膜ヨークは、微少な外部磁界でも磁化が大きく変化する。その作用として、ギャップ内に大きな磁化が生ずる。そのため、低磁界領域の磁気特性を高精度に測定することができる。
一方、見かけの透磁率が小さい薄膜ヨークは、微少な外部磁界に対する磁化の変化量は少ないものの、広い外部磁界の範囲で磁化が変化する。従って、薄膜磁気センサに高磁界が作用すると、やがて見かけの透磁率が大きい薄膜ヨークの磁化が先に飽和し、それ以降は、見かけの透磁率が小さい薄膜ヨークの磁化のみが外部磁界に応じて変化する。そのため、高磁界領域の磁気特性を広範囲に渡って測定することができる。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 薄膜磁気センサ］
本発明に係る薄膜磁気センサは、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、ＧＭＲ膜の一端に電気的に接続された第１軟磁性材料からなる第１薄膜ヨークと、ＧＭＲ膜の他端に電気的に接続された第２軟磁性材料からなる第２薄膜ヨークとを備えている。

［１．１ ＧＭＲ膜］
ＧＭＲ膜は、外部磁界の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜のＭＲ比の絶対値は、大きいほど良い。ＧＭＲ膜のＭＲ比の絶対値は、具体的には、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。

また、ＧＭＲ膜は、薄膜ヨークと直接、電気的に接続されるので、ＧＭＲ膜には、薄膜ヨークより高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、ＧＭＲ膜の電気比抵抗ρが小さすぎると、薄膜ヨーク間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、ＧＭＲ膜の電気比抵抗ρが高すぎる場合には、ノイズが増加し、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。ＧＭＲ膜の電気比抵抗ρは、具体的には、１０³μΩｃｍ以上１０¹²μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０⁴μΩｃｍ以上１０¹¹μΩｃｍ以下である。

このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と高い電気比抵抗ρを有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。

ＧＭＲ膜として用いられる金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、
（１）Ｃｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金等の酸化物系ナノグラニュラー合金、
（２）Ｆｅ−ＭｇＦ₂、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂、Ｆｅ−ＣａＦ₂、ＦｅＣｏ−ＡｌＦ₃等のフッ化物系ナノグラニュラー合金、
などがある。

ＧＭＲ膜の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、目的とする磁界感度が得られるように定める。一般に、抵抗値は抵抗体の長さに比例し、断面積に反比例するので、ＧＭＲ膜の膜厚を薄くしたり、長さを短く、あるいは横幅を狭くするほど、電気抵抗Ｒを大きくすることができる。この電気抵抗Ｒを大きくすることにより、デバイスの消費電力を下げることができる。しかし、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒが高くなりすぎると、増幅器との間でインピーダンス不良を起こす場合がある。

［１．２ 薄膜ヨーク］
薄膜ヨークは、ギャップを介して対向しており、ＧＭＲ膜は、ギャップ内又はその近傍において、薄膜ヨークと電気的に接続される。
ここで、「ギャップ近傍」とは、薄膜ヨーク先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域をいう。薄膜ヨーク間に発生する磁界は、ギャップ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜は、ギャップ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップ外（例えば、薄膜ヨークの上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。

薄膜ヨークは、ＧＭＲ膜の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨークには、透磁率（真の透磁率）μ及び／又は飽和磁化Ｍｓの高い材料を用いるのが好ましい。具体的には、その透磁率μは、１００以上が好ましく、さらに好ましくは、１０００以上である。また、その飽和磁化Ｍｓは、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。

薄膜ヨークの材質としては、具体的には、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（Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8）、ナノマックス（Ｆｅ₈₃ＨＦ₆Ｃ₁₁）、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀合金等が好適である。

薄膜ヨークは、外部磁界を増幅させ、ＧＭＲ膜の磁界感度を高める作用がある。この増幅作用は、薄膜ヨークの材質だけでなく、形状を最適化することによっても高めることができる。
さらに、左右の薄膜ヨーク（第１薄膜ヨーク、第２薄膜ヨーク）の形状及び材質（第１軟磁性材料、第２軟磁性材料）を最適化し、左右の薄膜ヨークの見かけの透磁率を非同一にすると、低磁界領域は高精度に、かつ、高磁界領域はラフであるが広範囲に渡って計測可能な磁気センサが得られる。

ここで、「見かけの透磁率」とは、反磁界を含んだ磁化曲線の傾きをいい、反磁界のない材料物性である「真の透磁率」とは異なる。薄膜ヨークの材料や形状を変化させると、薄膜ヨークの真の透磁率及び／又は反磁界係数が変化し、見かけの透磁率を制御することができる。
左右の薄膜ヨークの見かけの透磁率を非同一にした場合、見かけの透磁率が相対的に大きい薄膜ヨークは、主として低感度領域を高精度に計測するために機能する。一方、見かけの透磁率が相対的に小さい薄膜ヨークは、主として高磁界領域をラフではあるが広範囲に計測するために機能する。

左右の薄膜ヨーク（第１薄膜ヨーク、第２薄膜ヨーク）の見かけの透磁率を変化させる方法としては、以下のような方法がある。
（１）第１薄膜ヨークを構成する第１軟磁性材料及び第２薄膜ヨークを構成する第２軟磁性材料として同一材料を用い、第１薄膜ヨークの感磁方向の長さと第２薄膜ヨークの感磁方向の長さを非同一にする第１の方法。
（２）第１薄膜ヨークを構成する第１軟磁性材料及び第２薄膜ヨークを構成する第２軟磁性材料として同一材料を用い、第１薄膜ヨークに、感磁方向に対して垂直方向の長さ（幅）が第２薄膜ヨークの幅とは異なる部分を持たせる第２の方法。例えば、一方のヨークにのみ切り欠きを設ける場合がこれに該当する。「切り欠き」とは、薄膜ヨークの一部分を切除した部分をいい、例えば、
（ａ）一定の幅で薄膜ヨークを切除する切り欠き（スリット）、
（ｂ）くさび形に薄膜ヨークを切除する切り欠き、
（ｃ）薄膜ヨークに段差をつけるための切り欠き、
（ｄ）凹面状に薄膜ヨークを切除する切り欠き、
などがある。
（３）第１の方法と第２の方法とを組み合わせる第３の方法。
（４）第１薄膜ヨークと第２薄膜ヨークを同一形状とし、第１軟磁性材料として第２軟磁性材料とは真の透磁率が異なる材料を用いる第４の方法。
（５）第１薄膜ヨークと第２薄膜ヨークの形状を非同一とし、かつ、第１軟磁性材料として第２軟磁性材料とは真の透磁率が異なる材料を用いる第５の方法。

なお、本発明に係る薄膜磁気センサは、単独で使用することもできるが、複数個の薄膜磁気センサを電気的に接続して使用しても良い。
例えば、２個の薄膜磁気センサを直列に接続し、かつ、２個の薄膜センサの感磁軸が互いに直交するように配置しても良い（ハーフブリッジ）。このような構成を取ると、中点電位を計測することによって、温度による基準電位の変動の影響を受けることなく、外部磁界を検出することができる。
また、例えば、４個の薄膜磁気センサを用いて、ブリッジ回路を構成しても良い（フルブリッジ）。ブリッジ回路を構成すると、中点電位の差分を取ることによって、その出力を、２個の薄膜磁気センサを用いた場合の２倍にすることができる。

［２． 具体例］
［２．１ 具体例１］
図１に、本発明に係る薄膜磁気センサの第１の具体例を示す。図１において、薄膜磁気センサ１０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜１２と、ＧＭＲ膜１２の一端に電気的に接続された第１軟磁性材料からなる第１薄膜ヨーク１４ａと、ＧＭＲ膜１２の他端に電気的に接続された第２軟磁性材料からなる第２薄膜ヨーク１４ｂとを備えている。
図１に示す例において、第１薄膜ヨーク１４ａ及び第２薄薄膜ヨーク１４ｂは、同一の材料からなり、感磁方向に対して垂直方向の長さ（幅Ｗ）は同一になっている。一方、第１薄膜ヨーク１４ａの感磁方向の長さＬ₁は、第２薄膜ヨーク１４ｂの感磁方向の長さＬ₂より長くなっている。そのため、第１薄膜ヨーク１４ａの見かけの透磁率は、第２薄膜ヨーク１４ｂより大きくなっている。

［２．２ 具体例２］
図２に、本発明に係る薄膜磁気センサの第２の具体例を示す。図２において、薄膜磁気センサ２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜２２と、ＧＭＲ膜２２の一端に電気的に接続された第１軟磁性材料からなる第１薄膜ヨーク２４ａ、ＧＭＲ膜２２の他端に電気的に接続された第２軟磁性材料からなる第２薄膜ヨーク２４ｂとを備えている。
図２に示す例において、第１薄膜ヨーク２４ｂ及び第２薄膜ヨーク２４ｂは、同一の材料からなる。
一方、第１薄膜ヨーク２４ａはＴ字型を呈しているのに対し、第２薄膜ヨーク２４ｂは四角形になっている。Ｔ字型を呈する第１薄膜ヨーク２４ａの縦棒部分の長さＬ₁及び横棒部分の長さＬ₂、並びに、第２薄膜ヨーク２４ｂの長さＬ₃は、Ｌ₁＞Ｌ₂＞Ｌ₃になっている。さらに、第１薄膜ヨーク２４ａの縦棒部分の幅Ｗ₁及び横棒部分の幅Ｗ₂、並びに、第２薄膜ヨーク２４ｂの幅Ｗ₃は、Ｗ₁＜Ｗ₂＝Ｗ₃になっている。
そのため、見かけの透磁率は、第１薄膜ヨーク２４ａの縦棒部分＞第１薄膜ヨーク２４ａの横棒部分＞第２薄膜ヨーク２４ｂの順になっている。

［３． 薄膜磁気センサの製造方法］
本発明に係る薄膜磁気センサは、フォトリソグラフィ技術を用いて、各薄膜を所定の順序で積層することにより得られる。
この場合、各薄膜の形成方法として、スパッタリング、真空蒸着といった各種ＰＶＤ、めっき、ＣＶＤ等の公知の方法を用いることができる。
また、所定の形状を有する薄膜は、
（１）基板表面全面に、所定の組成を有する薄膜を形成し、所定の形状パターンに従って、薄膜の不要部分をエッチング（例えば、Ａｒイオンビームエッチング、薬品によるウエットエッチング、あるいは反応性エッチングなど）により除去する方法、あるいは、
（２）基板表面にフォトレジスト等を用いて、所定の形状パターンを有するマスクを形成し、マスクの表面全体に所定の組成を有する薄膜を形成し、マスクを除去する方法、
により作製することができる。

［４． 薄膜磁気センサの作用］
磁性体の内部は、小さな磁区に分かれており、外部磁界Ｈがゼロの状態では、各磁区の磁化はバラバラの方向を向いている。そのため、磁性体全体では、磁化Ｍはゼロとなる。この磁性体に外部磁界Ｈが作用すると、外部磁界Ｈが大きくなるに従い、磁性体の磁化Ｍが磁界方向に揃ってくる。外部磁界が臨界値（Ｈ_k）に達したときには、磁性体の磁化方向と磁界方向が完全に平行になり、それ以上外部磁界Ｈを大きくしても、磁性体の磁化Ｍは増えなくなる（飽和する）。

ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを配置した場合において、外部磁界Ｈによって薄膜ヨークが磁化すると、薄膜ヨークは、磁化Ｍの強さに比例した磁界を発生させる。すなわち、薄膜ヨークで外部磁界が増幅され、増幅された磁界がギャップ内のＧＭＲ膜に作用する。薄膜磁気センサにおいては、ＧＭＲ膜の両端に一対の薄膜ヨーク（第１薄膜ヨーク及び第２薄膜ヨーク）が配置されるので、ＧＭＲ膜に作用する磁界Ｈ_gapは、第１薄膜ヨークで増幅された磁界と第２薄膜ヨークで増幅された磁界の和となる。

従来の薄膜磁気センサにおいて、左右の薄膜ヨークは、材質及び形状が同一であり、見かけの透磁率が同一になっている。そのため、左右の薄膜ヨークの磁化Ｍは、同一の外部磁界Ｈ_kで飽和する。その結果、ギャップ内の磁界Ｈ_gapは、外部磁界がＨ_kに達するまで、ほぼ直線的に変化する。
これに対し、左右の薄膜ヨークの材質及び／又は形状を非同一とし、見かけの透磁率を非同一にすると、左右の薄膜ヨークの磁化Ｍは、互いに異なる外部磁界Ｈ_kで飽和する。その結果、外部磁界Ｈの強さに対するギャップ内の磁界Ｈ_gapの傾きが、外部磁界Ｈの強さに応じて変化する。

図３（ａ）に、第１薄膜ヨークの見かけの透磁率が第２薄膜ヨークより大きい場合における、各薄膜ヨークの磁化曲線（Ｍ−Ｈカーブ）の模式図を示す。なお、図３（ａ）中、Ｈ_1kは、第１薄膜ヨークの磁化Ｍ₁が飽和する時の外部磁界を表し、Ｈ_2kは、第２薄膜ヨークの磁化Ｍ₂が飽和する時の外部磁界を表す。
また、図３（ｂ）に、このような場合における、外部磁界に応じて薄膜ヨークが磁化する過程の模式図を示す。さらに、図３（ｃ）に、このような場合における、外部磁界Ｈと、第１薄膜ヨーク−第２薄膜ヨーク間のギャップ内に発生する磁界Ｈ_gapとの関係を示す。

外部磁界ＨがゼロからＨ_1kまでの間（低磁界領域）にある場合、第１薄膜ヨークの磁化Ｍ₁の強さ及び第２薄膜ヨークの磁化Ｍ₂の強さは、それぞれ、外部磁界Ｈの強さに応じて変化する。一方、外部磁界がＨ_1kからＨ_2kまでの間（高磁界領域）にある場合、第１薄膜ヨークの磁化Ｍ₁は既に飽和しており、見かけの透磁率が小さい第２薄膜ヨークの磁化Ｍ₂の強さのみが、外部磁界Ｈの強さに応じて変化する。
その結果、ギャップ内の磁界Ｈ_gapは、２つの磁化曲線の合成曲線に比例し、図３（ｃ）に示すように、Ｈ_1kの前後で合成曲線の傾きが変化する。

従って、第１薄膜ヨークの見かけの透磁率を第２薄膜ヨークより大きくした場合において、薄膜磁気センサに低磁界が作用したときには、外部磁界に応じて双方の薄膜ヨークの磁化が変化する。見かけの透磁率が大きい薄膜ヨークは、微少な外部磁界でも磁化が大きく変化する。その作用として、ギャップ内に大きな磁化が生ずる。そのため、低磁界領域の磁気特性を高精度に測定することができる。
一方、見かけの透磁率が小さい薄膜ヨークは、微少な外部磁界に対する磁化の変化量は少ないものの、広い外部磁界の範囲で磁化が変化する。従って、薄膜磁気センサに高磁界が作用すると、やがて見かけの透磁率が大きい第１薄膜ヨークの磁化Ｍ₁が先に飽和し、それ以降は、見かけの透磁率が小さい第２薄膜ヨークの磁化Ｍ₂のみが外部磁界に応じて変化する。そのため、高磁界領域の磁気特性を広範囲に渡って測定することができる。

さらに、薄膜ヨークに段差や切り欠きを設けると、薄膜ヨークは、反磁界係数が小さく、感度の大きい領域（高感度部）と、反磁界係数が大きく、感度の小さい領域（低感度部）が電気的に直列に接続された状態となる。その結果、見かけの透磁率が異なる２つのヨークが電気的に直列に接続された状態となり、ヨークの磁化曲線が２段階に変化する。
このような薄膜ヨークをＧＭＲ膜の片側又は両側に配置すると、各部の見かけの透磁率の大きさに応じて、外部磁界Ｈに対するギャップ内の磁界Ｈ_gapの傾きを多段階に変化させることができる。そのため、外部磁界の強さに応じて、薄膜磁気センサの感度を多段階に変化させることができる。

同様に、左右の薄膜ヨークの材質を変えると、その形状が同一であっても、左右の薄膜ヨークの見かけの透磁率を変化させることができる。また、左右の薄膜ヨークの材質を変えると同時に、形状も変えると、その材質及び形状に応じて、見かけの透磁率を多段階に変化させることができる。そのため、外部磁界の強さに応じて、薄膜磁気センサの感度を多段階に変化させることができる。

（実施例１）
図１に示す薄膜磁気センサ１０を作製し、ＭＲ特性を評価した。なお、ＧＭＲ膜１２には、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂ナノグラニュラー合金を用い、第１、第２薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂには、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金を用いた。
また、第１、第２薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの各部の寸法は、以下の通りである。薄膜ヨークの厚さは、１μｍとした。
第１薄膜ヨーク１４ａの長さＬ₁×幅Ｗ：１００μｍ×３０μｍ
第２薄膜ヨーク１４ｂの長さＬ₂×幅Ｗ： ２０μｍ×３０μｍ

図４に、得られた薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す。図４より、|Ｈ|≦１００(Ｏｅ)の低磁界領域の傾きが大きく、|Ｈ|＞１００(Ｏｅ)の高磁界領域の傾きが小さくなっていることがわかる。これは、低磁界領域は高精度に、高磁界領域はラフではあるが広範囲に渡って、磁界を測定できることを示している。

（実施例２）
図２に示す薄膜磁気センサ２０を作製し、ＭＲ特性を評価した。なお、ＧＭＲ膜２２には、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂ナノグラニュラー合金を用い、薄膜ヨーク２４、２４には、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金を用いた。
また、第１、第２薄膜ヨーク２４ａ、２４ｂの各部の寸法は、以下の通りである。薄膜ヨークの厚さは、１μｍとした。
第１薄膜ヨーク２４ａの縦棒部の長さＬ₁×縦棒部の幅Ｗ₁：１００μｍ×１０μｍ
第１薄膜ヨーク２４ａの横棒部の長さＬ₂×横棒部の幅Ｗ₂：４０μｍ×３０μｍ
第２薄膜ヨーク２４ｂの長さＬ₃×幅Ｗ₃： ２０μｍ×３０μｍ

図５に、得られた薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す。図５より、|Ｈ|≦５０(Ｏｅ)の低磁界領域、５０＜|Ｈ|≦２００(Ｏｅ)の中磁界領域、|Ｈ|＞２００（Ｏｅ）の高磁界領域の順に、傾きが小さくなっていることがわかる。これは、低磁界領域は高精度に、中磁界領域は中程度の精度に、高磁界領域はラフではあるが広範囲に渡って、磁場を測定できることを示している。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る薄膜磁気センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図である。 図３（ａ）は、第１薄膜ヨークの見かけの透磁率が第２薄膜ヨークより大きい場合における、各薄膜ヨークの磁化曲線（Ｍ−Ｈカーブ）の模式図である。図３（ｂ）は、このような場合における、外部磁界に応じて薄膜ヨークが磁化する過程の模式図である。図３（ｃ）は、このような場合における、外部磁界Ｈと、第１薄膜ヨーク−第２薄膜ヨーク間のギャップ内に発生する磁界Ｈ_gapとの関係を示す図である。 図１に示す薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す図である。 図２に示す薄膜磁気センサのＭＲ特性を示す図である。

符号の説明

１０、２０ 薄膜磁気センサ
１２、２２ ＧＭＲ膜
１４ａ、２４ａ 第１薄膜ヨーク
１４ｂ、２４ｂ 第２薄膜ヨーク

Claims (4)

1. 巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
   前記ＧＭＲ膜の一端に電気的に接続された第１軟磁性材料からなる第１薄膜ヨークと、
   前記ＧＭＲ膜の他端に電気的に接続された第２軟磁性材料からなる第２薄膜ヨークとを備え、
   前記第１薄膜ヨークは、見かけの透磁率が前記第２薄膜ヨークとは異なる
   薄膜磁気センサ。
2. 前記第１軟磁性材料は、前記第２軟磁性材料と同一材料からなり、
   前記第１薄膜ヨークは、感磁方向の長さが前記第２薄膜ヨークとは異なる
   請求項１に記載の薄膜磁気センサ。
3. 前記第１軟磁性材料は、前記第２軟磁性材料と同一材料からなり、
   前記第１薄膜ヨークは、感磁方向に対して垂直方向の長さ（幅）が前記第２薄膜ヨークとは異なる部分を持つ
   請求項１又は２に記載の薄膜磁気センサ。
4. 前記第１薄膜ヨークは、前記第２薄膜ヨークと同一又は異なる形状を有し、
   前記第１軟磁性材料は、真の透磁率が前記第２軟磁性材料とは異なる材料からなる
   請求項１に記載の薄膜磁気センサ。

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