JP2010101658A - Thin-film magnetic sensor - Google Patents

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JP2010101658A JP2008271372A JP2008271372A JP2010101658A JP 2010101658 A JP2010101658 A JP 2010101658A JP 2008271372 A JP2008271372 A JP 2008271372A JP 2008271372 A JP2008271372 A JP 2008271372A JP 2010101658 A JP2010101658 A JP 2010101658A
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Keiji Koyama
恵史 小山
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film magnetic sensor capable of detecting a minute magnetic field in the vicinity of a zero magnetic field even if the sensor is heated up to a temperature in an extent of 100 to 200°C, or a temperature not lower than the temperature. <P>SOLUTION: The thin-film magnetic sensor includes a GMR film having a giant magnetoresistance effect, and thin-film yokes comprising soft magnetic materials connected electrically to both ends of the GMR film. In the thin-film magnetic sensor, each thin-film yoke is composed of a multilayer film which includes at least two soft magnetic layers formed of the soft magnetic materials, and a nonmagnetic layer formed of a non-magnetic material formed between the soft magnetic layers. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a thin film magnetic sensor, and more particularly, detection of rotation information of an automobile axle, a rotary encoder, an industrial gear, etc., a stroke position of a hydraulic cylinder / pneumatic cylinder, a position / speed of a slide of a machine tool, etc. The present invention relates to a thin film magnetic sensor suitable for information detection, detection of current information such as arc current of an industrial welding robot, and a geomagnetic orientation compass.

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。   A magnetic sensor is an electromagnetic force (eg, current, voltage, power, magnetic field, magnetic flux, etc.), a mechanical quantity (eg, position, velocity, acceleration, displacement, distance, tension, pressure, torque, temperature, humidity, etc.), An electronic device that converts a detected amount such as a biochemical amount into a voltage via a magnetic field. Magnetic sensors are classified into Hall sensors, Anisotropic Magneto-Resistiity (AMR) sensors, Giant Magnetoresistance (GMR: Gaiant MR) sensors, etc., depending on the magnetic field detection method.

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(△ρ=ρ−ρ:ρは、外部磁界Hにおける電気比抵抗、ρ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。
Among these, GMR sensors are
(1) The maximum value of the rate of change in electrical resistivity compared to the AMR sensor (ie, MR ratio = Δρ / ρ 0 (Δρ = ρ H −ρ 0 : ρ H is the electrical resistivity in the external magnetic field H) ρ 0 is an extremely large electrical resistivity at zero external magnetic field)),
(2) The temperature change of the resistance value is small compared to the Hall sensor.
(3) Since the material having a giant magnetoresistance effect is a thin film material, it is suitable for microfabrication.
There are advantages such as. Therefore, the GMR sensor is expected to be applied as a high-sensitivity micromagnetic sensor used in computers, electric power, automobiles, home appliances, portable devices and the like.

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。   As a material exhibiting the GMR effect, a multilayer film of a ferromagnetic layer (for example, permalloy) and a nonmagnetic layer (for example, Cu, Ag, Au, etc.), an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer (fixed layer), A metal artificial lattice composed of a multilayer film (so-called “spin valve”) having a four-layer structure of a non-magnetic layer and a ferromagnetic layer (free layer); nanometer-sized fine particles composed of a ferromagnetic metal (for example, permalloy); , Metal-metal nanogranular material having a grain boundary phase made of nonmagnetic metal (for example, Cu, Ag, Au, etc.), tunnel junction film in which MR (Magneto-Resistivity) effect is produced by spin-dependent tunnel effect, nm size A metal-insulator nanogranular material having a ferromagnetic metal alloy fine particle and a grain boundary phase made of a nonmagnetic / insulating material is known.

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。   Among these, a multilayer film represented by a spin valve is generally characterized by high sensitivity in a low magnetic field. However, the multilayer film needs to be laminated with high accuracy with thin films made of various materials, so that the stability and yield are poor, and there is a limit in suppressing the manufacturing cost. For this reason, this type of multilayer film is used only for high value-added devices (for example, magnetic heads for hard disks), and is applied to magnetic sensors that are forced to compete with AMR sensors and Hall sensors with low unit prices. Is considered difficult. In addition, diffusion between the multilayer films is likely to occur, and the GMR effect is easily lost.

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。また、巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗変化は、磁界の方向に依存せず、等方的な特性を有するという問題がある。
On the other hand, nano-granular materials are generally easy to produce and have good reproducibility. Therefore, if this is applied to a magnetic sensor, the cost of the magnetic sensor can be reduced. In particular, metal-insulator nanogranular materials
(1) If the composition is optimized, a high MR ratio exceeding 10% is exhibited at room temperature.
(2) Since the electrical resistivity ρ is an order of magnitude higher, it is possible to simultaneously achieve the miniaturization and low power consumption of the magnetic sensor.
(3) Unlike spin valve films including antiferromagnetic films with poor heat resistance, they can be used in high-temperature environments.
There are advantages such as. However, the metal-insulator nanogranular material has a problem that the magnetic field sensitivity in a low magnetic field is very small. In addition, a change in electric resistance of the giant magnetoresistive thin film has a problem that it does not depend on the direction of the magnetic field and has isotropic characteristics.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、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Co38.641.047.4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。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 describes that a soft magnetic thin film is disposed on both ends of a giant magnetoresistive thin film to increase the magnetic field sensitivity of the giant magnetoresistive thin film. In this document, a permalloy thin film (soft magnetic film) having a thickness of 2 μm is formed on a substrate, a gap of about 9 μm is formed on the permalloy thin film using an ion beam etching apparatus, and Co 38.6 is formed in the gap. A method of manufacturing a thin film magnetic sensor in which nanogranular GMR films having a Y 41.0 O 47.4 composition are stacked is described.

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。   In Patent Document 2, in order to further improve magnetic field sensitivity in a thin film magnetoresistive element in which soft magnetic thin films are arranged at both ends of a giant magnetoresistive thin film, the thickness of the giant magnetoresistive thin film is set to the thickness of the soft magnetic thin film. The following points are described.

また、特許文献3には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に、軟磁性薄膜と反強磁性薄膜からなる積層膜が配置された磁界センサが開示されている。同文献には、反強磁性薄膜から生じたバイアス磁界が巨大磁気抵抗薄膜に印加されるので、外部磁界の大きさ及び極性を同時に検出できる点が記載されている。   Patent Document 3 discloses a magnetic field sensor in which a laminated film composed of a soft magnetic thin film and an antiferromagnetic thin film is arranged at both ends of a giant magnetoresistive thin film. This document describes that since the bias magnetic field generated from the antiferromagnetic thin film is applied to the giant magnetoresistive thin film, the magnitude and polarity of the external magnetic field can be detected simultaneously.

さらに、特許文献4には、巨大磁気抵抗薄膜を用いた磁気センサではないが、(Co1-xFex)84(Si0.480.52)16で構成される厚さ0.1μmの磁性薄膜と、SiO2ターゲットを用いて成膜した厚さ0.05μmの絶縁薄膜を交互に積層した多層膜からなる高周波低損失磁性薄膜が開示されている。同文献には、複素透磁率の実数部の値はFe濃度に対してほぼ一定であるが、虚数部はFe濃度が増えるほど(すなわち、飽和磁束密度が増えるほど)小さくなる点が記載されている。 Further, although Patent Document 4 does not describe a magnetic sensor using a giant magnetoresistive thin film, a magnetic thin film having a thickness of 0.1 μm composed of (Co 1-x Fe x ) 84 (Si 0.48 B 0.52 ) 16 and Discloses a high-frequency, low-loss magnetic thin film composed of a multilayer film formed by alternately laminating 0.05 μm thick insulating thin films formed using a SiO 2 target. This document describes that the value of the real part of the complex permeability is almost constant with respect to the Fe concentration, but the imaginary part becomes smaller as the Fe concentration increases (that is, as the saturation magnetic flux density increases). Yes.

特開平11−087804号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-087804 特開平11−274599号公報JP 11-274599 A 特開2003−078187号公報JP 2003-078187 A 特開平9−74015号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-74015

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。
A soft magnetic material having a large saturation magnetization and a high magnetic permeability has a very high magnetic field sensitivity and exhibits a very large magnetization in a relatively weak external magnetic field. Therefore, when a thin film yoke made of a soft magnetic material is brought close to both ends of the GMR film, the external magnetic field is amplified by the thin film yoke, and a strong magnetic field 100 to 10,000 times the external magnetic field acts on the GMR film. As a result, the magnetic field sensitivity of the GMR film can be significantly increased.
Further, the strength of the magnetic field generated in the GMR film also depends on the shape of the thin film yoke. As the shape of the thin film yoke is elongated, a stronger magnetic field is generated in the GMR film. This is because the demagnetizing field in the magnetosensitive direction is reduced by elongating the shape of the thin film yoke. The “magnetic sensitivity direction” refers to an external magnetic field application direction when the magnetic field sensitivity of the GMR film is maximized.

しかしながら、このようなGMR膜を備えた薄膜磁気センサを所定の温度以上に加熱すると、ゼロ磁場近傍の微少磁界でセンサが反応しなくなる(不感帯が発生する)という現象が発生する。この現象が発生する温度は、薄膜ヨーク材料により異なるが、おおむね100〜200℃程度の温度である。この程度の温度は、電子部品の基板実装プロセスで通常に曝される温度であり、実用上大きな問題となる。   However, when a thin film magnetic sensor having such a GMR film is heated to a predetermined temperature or more, a phenomenon occurs in which the sensor does not react (a dead zone occurs) with a minute magnetic field in the vicinity of the zero magnetic field. The temperature at which this phenomenon occurs varies depending on the thin film yoke material, but is generally about 100 to 200 ° C. This level of temperature is a temperature that is normally exposed in the board mounting process of electronic components, which is a serious problem in practical use.

本発明が解決しようとする課題は、100〜200℃程度又はそれ以上の温度に加熱されても、ゼロ磁場近傍の微少磁界を検出することが可能な薄膜磁気センサを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a thin film magnetic sensor capable of detecting a minute magnetic field in the vicinity of a zero magnetic field even when heated to a temperature of about 100 to 200 ° C. or higher.

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膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料を含む薄膜ヨークとを備え、
前記薄膜ヨークは、少なくとも2層以上の前記軟磁性材料からなる軟磁性層と、前記軟磁性層の間に形成された非磁性材料からなる非磁性層とを含む多層膜からなる
ことを要旨とする。
In order to solve the above problems, a thin film magnetic sensor according to the present invention provides:
A GMR film having a giant magnetoresistance effect;
A thin film yoke including a soft magnetic material electrically connected to both ends of the GMR film,
The gist of the invention is that the thin-film yoke is composed of a multilayer film including at least two soft magnetic layers made of the soft magnetic material and a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material formed between the soft magnetic layers. To do.

薄膜ヨークとして、軟磁性層と非磁性層とが交互に積層した多層膜を用いると、100〜200℃又はそれ以上の温度に加熱しても、ゼロ磁場近傍において不感帯が発生しにくくなる。これは、薄膜ヨークとして軟磁性層と非磁性層が交互に積層された多層膜を用いることによって、軟磁性層の磁壁の固着が抑制されるためと考えられる。   When a multilayer film in which soft magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately stacked is used as the thin film yoke, a dead zone is unlikely to occur in the vicinity of the zero magnetic field even when heated to a temperature of 100 to 200 ° C. or higher. This is presumably because sticking of the domain wall of the soft magnetic layer is suppressed by using a multilayer film in which soft magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately laminated as the thin film yoke.

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膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料を含む薄膜ヨークとを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Thin film magnetic sensor]
The thin film magnetic sensor according to the present invention includes a GMR film having a giant magnetoresistance effect, and a thin film yoke including a soft magnetic material electrically connected to both ends of the GMR film.

[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。
[1.1 GMR film]
The GMR film is for sensing a change in the external magnetic field as a change in the electric resistance R and consequently detecting it as a change in the voltage, and is made of a material having a giant magnetoresistance (GMR) effect. In order to detect a change in the external magnetic field with high sensitivity, the absolute value of the MR ratio of the GMR film is preferably as large as possible. Specifically, the absolute value of the MR ratio of the GMR film is preferably 5% or more, and more preferably 10% or more.

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。 Further, since the GMR film is directly electrically connected to the thin film yoke, a GMR film having a higher electric specific resistance ρ than the thin film yoke is used. In general, if the electrical specific resistance ρ of the GMR film is too small, the thin film yoke is electrically short-circuited, which is not preferable. On the other hand, when the electrical specific resistance ρ of the GMR film is too high, noise increases and it becomes difficult to detect a change in the external magnetic field as a voltage change. Specifically, the electrical resistivity ρ of the GMR film is preferably 10 3 μΩcm or more and 10 12 μΩcm or less, and more preferably 10 4 μΩcm or more and 10 11 μΩcm or less.

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。   There are various materials satisfying such conditions, and among them, the above-described metal-insulator nanogranular material is particularly suitable. Metal-insulator nanogranular materials not only have high MR ratio and high electrical resistivity ρ, but also MR ratio does not fluctuate greatly due to slight composition fluctuations, so that thin films with stable magnetic properties can be reproduced. There is an advantage that it can be manufactured at low cost.

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−Y23系ナノグラニュラー合金、Co−Al23系ナノグラニュラー合金、Co−Sm23系ナノグラニュラー合金、Co−Dy23系ナノグラニュラー合金、FeCo−Y23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。
As a metal-insulator nanogranular material used as a GMR film, specifically,
(1) Co-Y 2 O 3 system nano granular alloy, Co-Al 2 O 3 system nano granular alloy, Co-Sm 2 O 3 system nano granular alloy, Co-Dy 2 O 3 system nano granular alloy, FeCo-Y 2 O 3 system Oxide nanogranular alloys such as nanogranular alloys,
(2) Fluoride-based nanogranular alloys such as Fe—MgF 2 , FeCo—MgF 2 , Fe—CaF 2 , FeCo—AlF 3 ,
and so on.

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。   The shape and dimensions of the GMR film are not particularly limited, and are determined so that the desired magnetic field sensitivity can be obtained. In general, since the resistance value is proportional to the length of the resistor and inversely proportional to the cross-sectional area, the electrical resistance R is increased as the thickness of the GMR film is decreased, the length is decreased, or the lateral width is decreased. Can do. By increasing the electrical resistance R, the power consumption of the device can be reduced. However, if the electrical resistance R of the GMR film becomes too high, an impedance failure may occur with the amplifier.

[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。
[1.2 Thin film yoke]
The thin film yokes face each other through a gap, and the GMR film is electrically connected to the thin film yoke in or near the gap.
Here, “near the gap” refers to a region affected by the large amplified magnetic field generated at the tip of the thin film yoke. Since the magnetic field generated between the thin film yokes is the largest in the gap, it is most preferable to form the GMR film in the gap. However, when the magnetic field acting on the GMR film is sufficiently large in practice, This means that all or part of the gap may be outside the gap (for example, the upper surface side or the lower surface side of the thin film yoke).

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、軟磁性材料を含む。本発明において、薄膜ヨークは、少なくとも2層以上の軟磁性材料からなる軟磁性層と、軟磁性層の間に形成された非磁性材料からなる非磁性層とを含む多層膜からなる。この点が、従来の薄膜磁気センサとは異なる。   The thin film yoke is for increasing the magnetic field sensitivity of the GMR film and includes a soft magnetic material. In the present invention, the thin film yoke is composed of a multilayer film including a soft magnetic layer made of at least two soft magnetic materials and a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material formed between the soft magnetic layers. This is different from conventional thin film magnetic sensors.

[1.2.1 軟磁性層]
弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、軟磁性層には、透磁率μ及び/又は飽和磁化Msの高い軟磁性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。
[1.2.1 Soft magnetic layer]
In order to obtain a high magnetic field sensitivity to a weak magnetic field, it is preferable to use a soft magnetic material having a high permeability μ and / or saturation magnetization Ms for the soft magnetic layer. Specifically, the magnetic permeability μ is preferably 100 or more, and more preferably 1000 or more. The saturation magnetization Ms is preferably 5 (kGauss) or more, and more preferably 10 (kGauss) or more.

軟磁性層の材料としては、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)70Si1515アモルファス合金、ファインメット(Fe75.6Si13.28.5Nb1.9Cu0.8)、ナノマックス(Fe83Hf611)、Fe85Zr105合金、Fe93Si34合金、Fe711118合金、Fe71.3Nd9.619.1ナノグラニュラー合金、Co70Al1020ナノグラニュラー合金、Co65Fe5Al1020合金等が好適である。
軟磁性層の積層数は、特に限定されるものではなく、2層以上であればよい。この場合、各軟磁性層の材料は、互いに同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。
Specific examples of materials for the soft magnetic layer include permalloy (40 to 90% Ni—Fe alloy), sendust (Fe 74 Si 9 Al 17 ), hard palm (Fe 12 Ni 82 Nb 6 ), and Co 88 Nb 6. Zr 6 amorphous alloy, (Co 94 Fe 6 ) 70 Si 15 B 15 amorphous alloy, fine met (Fe 75.6 Si 13.2 B 8.5 Nb 1.9 Cu 0.8 ), nanomax (Fe 83 Hf 6 C 11 ), Fe 85 Zr 10 B 5 alloy, Fe 93 Si 3 N 4 alloy, Fe 71 B 11 N 18 alloy, Fe 71.3 Nd 9.6 O 19.1 nano granular alloy, Co 70 Al 10 O 20 nano granular alloy, Co 65 Fe 5 Al 10 O 20 alloy and the like are suitable. is there.
The number of laminated soft magnetic layers is not particularly limited, and may be two or more. In this case, the materials of the soft magnetic layers may be the same or different from each other.

軟磁性層の厚さは、薄膜磁気センサを加熱した後に発生する不感帯の大きさに影響を与える。一般に、軟磁性層の厚さが厚くなるほど、不感帯の幅が大きくなる。不感帯の許容幅は、用途により異なるが、一般的には1[Oe]以下が好ましい。そのためには、軟磁性層の厚さは、0.6μm以下が好ましい。
また、より高感度のセンサとして用いるためには、不感帯の幅は、検出できない程度まで低下させる必要がある。そのためには、軟磁性層の厚さは、0.3μm以下が好ましい。
The thickness of the soft magnetic layer affects the size of the dead zone generated after heating the thin film magnetic sensor. Generally, as the thickness of the soft magnetic layer increases, the width of the dead zone increases. The allowable width of the dead zone varies depending on the application, but is generally preferably 1 [Oe] or less. For this purpose, the thickness of the soft magnetic layer is preferably 0.6 μm or less.
Further, in order to use as a sensor with higher sensitivity, it is necessary to reduce the width of the dead zone to such an extent that it cannot be detected. For this purpose, the thickness of the soft magnetic layer is preferably 0.3 μm or less.

一般に、軟磁性層の厚さが薄くなるほど、不感帯は発生しにくくなる。しかしながら、軟磁性層の厚さが薄くなりすぎると、不感帯抑制効果が飽和するだけでなく、均一な薄膜の形成が困難となる。従って、軟磁性層の厚さは、10nm以上が好ましい。
各軟磁性層の厚さは、互いに同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。不感帯の幅を狭くし、あるいは、均一な薄膜の形成を容易化するためには、各軟磁性層の厚さは、それぞれ上述した範囲とするのが好ましい。
In general, as the thickness of the soft magnetic layer decreases, the dead zone is less likely to occur. However, if the thickness of the soft magnetic layer becomes too thin, not only the dead zone suppression effect is saturated, but also it becomes difficult to form a uniform thin film. Therefore, the thickness of the soft magnetic layer is preferably 10 nm or more.
The thicknesses of the soft magnetic layers may be the same or different from each other. In order to reduce the width of the dead zone or facilitate the formation of a uniform thin film, the thickness of each soft magnetic layer is preferably in the above-described range.

軟磁性層の総厚さは、薄膜磁気センサの磁界感度に影響を与える。一般に、軟磁性層の総厚さが厚くなるほど、外部磁界が大きく増幅されるので、高い磁界感度が得られる。そのためには、軟磁性層の総厚さは、GMR膜の厚さの0.5倍以上が好ましい。高感度を得るためには、軟磁性層の総厚さは、厚いほど良い。
軟磁性層の総厚さは、各軟磁性層の厚さと積層数により制御することができる。
The total thickness of the soft magnetic layer affects the magnetic field sensitivity of the thin film magnetic sensor. In general, as the total thickness of the soft magnetic layer increases, the external magnetic field is greatly amplified, so that high magnetic field sensitivity can be obtained. For this purpose, the total thickness of the soft magnetic layer is preferably 0.5 times or more the thickness of the GMR film. In order to obtain high sensitivity, the total thickness of the soft magnetic layer is preferably as thick as possible.
The total thickness of the soft magnetic layers can be controlled by the thickness of each soft magnetic layer and the number of stacked layers.

[1.2.2 非磁性層]
非磁性層は、少なくとも各軟磁性層の間に配置される。非磁性層は、加熱による軟磁性層の磁壁の固着を抑制する作用があると考えられている。
非磁性層を構成する非磁性材料は、特に限定されるものではなく、種々の非磁性材料を用いることができる。
非磁性材料としては、具体的には、
(1)Cu、Al、Nb、Mo、W、Zr、Cr、Pt、Ag、Au、又はこれらのいずれか2種以上を含む合金からなる金属系非磁性材料、
(2)SiO2、MgO、Al23、ZrO2、又はこれらのいずれか2種以上を含む固溶体若しくは化合物からなる酸化物系非磁性材料、
(3)MgF2、AlF3、又はこれらのいずれか2種以上を含む固溶体若しくは化合物からなるフッ化物系非磁性材料、
(4)BNなどの窒化物系非磁性材料、
(5)C、Siなどの非磁性材料、
(6)上述した(1)〜(5)の組み合わせ、
などがある。
非磁性層の積層数は、特に限定されるものではなく、1層以上であれば良い。非磁性層は、少なくとも軟磁性層の中間に形成されていれば良い。最外面は、軟磁性層又は非磁性層のいずれであっても良い。2層以上の非磁性層を含む場合、各非磁性層の材料は、互いに同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。
[1.2.2 Nonmagnetic layer]
The nonmagnetic layer is disposed at least between the soft magnetic layers. The nonmagnetic layer is considered to have an action of suppressing the fixation of the domain wall of the soft magnetic layer by heating.
The nonmagnetic material constituting the nonmagnetic layer is not particularly limited, and various nonmagnetic materials can be used.
Specifically, as a non-magnetic material,
(1) Cu, Al, Nb, Mo, W, Zr, Cr, Pt, Ag, Au, or a metal-based nonmagnetic material made of an alloy containing any two or more of these,
(2) SiO 2 , MgO, Al 2 O 3 , ZrO 2 , or an oxide-based nonmagnetic material comprising a solid solution or compound containing any two or more of these,
(3) MgF 2 , AlF 3 , or a fluoride-based nonmagnetic material comprising a solid solution or compound containing any two or more of these,
(4) Nitride-based nonmagnetic materials such as BN,
(5) Nonmagnetic materials such as C and Si,
(6) The combination of (1) to (5) described above,
and so on.
The number of nonmagnetic layers stacked is not particularly limited, and may be one or more. The nonmagnetic layer may be formed at least in the middle of the soft magnetic layer. The outermost surface may be either a soft magnetic layer or a nonmagnetic layer. When two or more nonmagnetic layers are included, the materials of the respective nonmagnetic layers may be the same as or different from each other.

非磁性層の厚さは、薄膜磁気センサを加熱した後に発生する不感帯の大きさに影響を与える。一般に、非磁性層の厚さが薄くなりすぎると、非磁性層を中間層として介在させる効果が小さくなり、不感帯の幅が大きくなる。不感帯の幅を1[Oe]以下にするためには、非磁性層の厚さは、0.02μm以上が好ましい。
また、不感帯の幅を検出できない程度まで低下させるためには、非磁性層の厚さは、0.05μm以上が好ましい。
The thickness of the nonmagnetic layer affects the size of the dead zone generated after the thin film magnetic sensor is heated. In general, when the thickness of the nonmagnetic layer becomes too thin, the effect of interposing the nonmagnetic layer as an intermediate layer is reduced, and the width of the dead zone is increased. In order to make the dead zone width 1 [Oe] or less, the thickness of the nonmagnetic layer is preferably 0.02 μm or more.
In order to reduce the width of the dead zone to such an extent that it cannot be detected, the thickness of the nonmagnetic layer is preferably 0.05 μm or more.

一般に、非磁性層の厚さが厚くなるほど、不感帯は発生しにくくなる。しかしながら、非磁性層の厚さが厚くなりすぎると、不感帯抑制効果が飽和するだけでなく、感磁部とのマッチングが悪くなる。従って、非磁性層の厚さは、隣接する軟磁性層の内、厚い方の厚さの2倍以下が好ましい。
非磁性層が2層以上ある場合、各非磁性層の厚さは、互いに同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。不感帯の幅を狭くし、あるいは、感磁部とのマッチングを良好にするためには、各非磁性層の厚さは、それぞれ上述した範囲とするのが好ましい。
In general, as the thickness of the nonmagnetic layer increases, the dead zone is less likely to occur. However, if the thickness of the nonmagnetic layer becomes too thick, not only the dead zone suppression effect is saturated, but also the matching with the magnetic sensitive portion becomes worse. Therefore, the thickness of the nonmagnetic layer is preferably not more than twice the thickness of the adjacent soft magnetic layers.
When there are two or more nonmagnetic layers, the thickness of each nonmagnetic layer may be the same or different. In order to reduce the width of the dead zone or to improve the matching with the magnetic sensitive portion, the thickness of each nonmagnetic layer is preferably set in the above-described range.

[1.2.3 薄膜ヨークの形状]
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。
本発明において、薄膜ヨークの形状は、特に限定されるものではなく、種々の形状を用いることができる。また、薄膜ヨークの形状は、左右対称であっても良く、あるいは、非対称であっても良い。
[1.2.3 Shape of thin-film yoke]
The thin film yoke has an effect of amplifying the external magnetic field and increasing the magnetic field sensitivity of the GMR film. This amplification effect can be enhanced not only by the material of the thin film yoke but also by optimizing the shape.
In the present invention, the shape of the thin film yoke is not particularly limited, and various shapes can be used. The shape of the thin film yoke may be bilaterally symmetric or asymmetric.

[2. 薄膜磁気センサの作用]
一般に、GMR膜を用いた薄膜磁気センサは、GMR膜をヨーク形状に加工した軟磁性膜で挟み込む構造を備えている。センサの感度は、薄膜ヨークの形状で任意に設計できる。また、薄膜ヨークで磁束を集めることにより、微弱な磁界も検出できるという特徴がある。従来のGMR膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、薄膜ヨークには、軟磁性材料のみからなる薄膜が用いられている。
しかしながら、このような薄膜磁気センサを所定の温度以上に加熱すると、ゼロ磁場近傍の微少磁界でセンサが反応しなくなるという現象が発生する。これは、薄膜ヨークを所定の温度以上に加熱することによって、薄膜ヨークの磁壁が固着されるためである。軟磁性材料を加熱することによって磁壁が固着されるのは、加熱により軟磁性材料中の磁性原子が拡散し、磁性原子自身の自発磁化によって磁性原子が一方向に揃い、異方性(誘導異方性)が生じるためと考えられる(例えば、H.Fujimori et al., J.Appl.Phys. 52, p1893(1981)参照)。
[2. Action of thin film magnetic sensor]
In general, a thin film magnetic sensor using a GMR film has a structure in which a GMR film is sandwiched between soft magnetic films processed into a yoke shape. The sensitivity of the sensor can be arbitrarily designed by the shape of the thin film yoke. In addition, a weak magnetic field can be detected by collecting magnetic flux with a thin film yoke. In a conventional thin film magnetic sensor using a GMR film, a thin film made of only a soft magnetic material is used for the thin film yoke.
However, when such a thin film magnetic sensor is heated to a predetermined temperature or higher, a phenomenon that the sensor does not react with a minute magnetic field in the vicinity of the zero magnetic field occurs. This is because the magnetic wall of the thin film yoke is fixed by heating the thin film yoke to a predetermined temperature or higher. The domain wall is fixed by heating the soft magnetic material because the magnetic atoms in the soft magnetic material are diffused by heating, and the magnetic atoms are aligned in one direction due to the spontaneous magnetization of the magnetic atoms themselves. (See, for example, H. Fujimori et al., J. Appl. Phys. 52, p1893 (1981)).

これに対し、薄膜ヨークを軟磁性材料からなる軟磁性層と非磁性材料からなる非磁性層との多層膜構造とすると、加熱による磁壁の固着を抑制することができる。特に、各軟磁性層の厚さをある一定値以下にすると、不感帯の幅をほぼゼロにすることができる。
これは、
(1)軟磁性層を非磁性層で分断することによって、上下の軟磁性層の磁壁が静磁的に結合して磁壁対を形成するため、及び
(2)磁壁対により磁壁のエネルギー密度が低下し、磁壁の移動が容易化するため、
と考えられる。
さらに、軟磁性層を非磁性層で分断することによって、微少磁界における磁壁の移動が容易となるだけでなく、大きな交流磁界が作用する環境下における損失も低減することができる。そのため、薄膜磁気センサの高周波特性も改善することができる。
On the other hand, when the thin film yoke has a multilayer structure of a soft magnetic layer made of a soft magnetic material and a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material, it is possible to suppress the adhesion of the domain wall due to heating. In particular, when the thickness of each soft magnetic layer is set to a certain value or less, the width of the dead zone can be made substantially zero.
this is,
(1) By dividing the soft magnetic layer by the nonmagnetic layer, the domain walls of the upper and lower soft magnetic layers are magnetostatically coupled to form a domain wall pair, and (2) the energy density of the domain wall is reduced by the domain wall pair. And the domain wall moves easily,
it is conceivable that.
Furthermore, dividing the soft magnetic layer with the nonmagnetic layer not only facilitates the movement of the domain wall in a minute magnetic field, but also reduces the loss in an environment where a large alternating magnetic field acts. Therefore, the high frequency characteristics of the thin film magnetic sensor can also be improved.

(実施例1〜21、比較例1)
[1. 試料の作製]
GMR膜の両端に、軟磁性層と非磁性層との積層膜からなる各種の薄膜ヨークが形成された薄膜磁気センサを作製した(実施例1〜21)。比較として、薄膜ヨークが軟磁性層のみからなる薄膜磁気センサも作製した(比較例1)。
軟磁性層のサイズは、幅20μm×長さ200μm×厚さ0.1μm〜1μmとした。 非磁性層には、各種金属系非磁性材料を用いた。
GMR膜には、FeCo−MgF2ナノグラニュラー合金を用いた。GMR膜のサイズは、膜厚=500nm、幅=ヨーク幅、ギャップ間隔=1μmとした。
[2. 試験方法]
得られた薄膜磁気センサに対して200℃×30分の加熱処理を行った。加熱前及び加熱後にMR特性を計測し、不感帯の発生の有無を調べた。
(Examples 1 to 21, Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
Thin film magnetic sensors in which various thin film yokes made of a laminated film of a soft magnetic layer and a nonmagnetic layer were formed on both ends of a GMR film (Examples 1 to 21). For comparison, a thin film magnetic sensor in which the thin film yoke is composed only of the soft magnetic layer was also manufactured (Comparative Example 1).
The size of the soft magnetic layer was 20 μm wide × 200 μm long × 0.1 μm to 1 μm thick. Various metal-based nonmagnetic materials were used for the nonmagnetic layer.
For the GMR film, an FeCo—MgF 2 nanogranular alloy was used. The size of the GMR film was such that the film thickness = 500 nm, the width = yoke width, and the gap interval = 1 μm.
[2. Test method]
The obtained thin film magnetic sensor was heat-treated at 200 ° C. for 30 minutes. The MR characteristics were measured before and after heating, and the presence or absence of the dead zone was examined.

[3. 結果]
表1に、結果を示す。なお、表1には、軟磁性層の組成、膜厚及び積層数(軟磁性層の数)、並びに、非磁性層の組成及び膜厚も併せて示した。また、図1(a)及び図1(b)に、それぞれ、比較例1で得られた薄膜磁気センサの加熱前及び加熱後のMR特性を示す。なお、図1中、「●」は、磁界を増加させたときのMR比であり、「○」は、磁界を減少させたときのMR比である。
薄膜ヨークが軟磁性層のみからなる場合であっても、図1(a)に示すように、200℃に加熱する前は、不感帯は発生せず、微少磁界でも高感度を示した。しかしながら、200℃に加熱した後は、図1(b)に示すように、約3[Oe]の不感帯が発生した。
これに対し、薄膜ヨークを積層膜とすると、材質、膜厚及び積層数によらず、不感帯の発生を抑制することができた。
[3. result]
Table 1 shows the results. Table 1 also shows the composition, film thickness and number of layers (number of soft magnetic layers) of the soft magnetic layer, and the composition and film thickness of the nonmagnetic layer. FIGS. 1A and 1B show MR characteristics before and after heating of the thin film magnetic sensor obtained in Comparative Example 1, respectively. In FIG. 1, “●” indicates the MR ratio when the magnetic field is increased, and “◯” indicates the MR ratio when the magnetic field is decreased.
Even when the thin film yoke is composed only of a soft magnetic layer, as shown in FIG. 1A, no dead zone was generated before heating to 200 ° C., and high sensitivity was exhibited even in a minute magnetic field. However, after heating to 200 ° C., a dead zone of about 3 [Oe] occurred as shown in FIG.
On the other hand, when the thin film yoke is a laminated film, the generation of the dead zone can be suppressed regardless of the material, the film thickness, and the number of laminated layers.

Figure 2010101658
Figure 2010101658

(実施例22〜42)
[1. 試料の作製]
非磁性層として、各種の非金属系非磁性材料を用いた以外は、実施例1〜21と同様の薄膜磁気センサを作製した。
[2. 試験方法]
得られた磁気センサに対して200℃×30分の加熱処理を行った。加熱後にMR特性を計測し、不感帯の発生の有無を調べた。
(Examples 22 to 42)
[1. Preparation of sample]
Thin film magnetic sensors similar to those in Examples 1 to 21 were prepared except that various nonmetallic nonmagnetic materials were used as the nonmagnetic layer.
[2. Test method]
The obtained magnetic sensor was heat-treated at 200 ° C. for 30 minutes. MR characteristics were measured after heating, and the presence or absence of a dead zone was examined.

[3. 結果]
表2に、結果を示す。なお、表2には、軟磁性層の組成、膜厚及び積層数(軟磁性層の数)、並びに、非磁性層の組成及び膜厚も併せて示した。
表2より、薄膜ヨークを積層膜とすると、材質、膜厚及び積層数によらず、不感帯の発生を抑制できることがわかる。
[3. result]
Table 2 shows the results. Table 2 also shows the composition, film thickness and number of layers (number of soft magnetic layers) of the soft magnetic layer, and the composition and film thickness of the nonmagnetic layer.
From Table 2, it can be seen that when the thin film yoke is a laminated film, the generation of the dead zone can be suppressed regardless of the material, the film thickness, and the number of laminated layers.

Figure 2010101658
Figure 2010101658

(参考例1、2)
[1. 試料の作製]
GMR膜の両端に、材料及び厚さの異なる薄膜ヨークが形成された薄膜磁気センサを作製した。但し、薄膜ヨークは、軟磁性層の厚さの効果を調べるために積層せず、軟磁性層のみとした。軟磁性層には、150℃以上に加熱することで同程度の不感帯が発生する(Co94Fe6)70Si1515(参考例1)、又はCo88Zr6Nb6(参考例2)を用いた。ヨークサイズは、幅20μm×長さ200μm×厚さ0.1〜1μmとした。
GMR膜には、FeCo−MgF2ナノグラニュラー合金を用いた。GMR膜のサイズは、膜厚=500nm、幅=ヨーク幅、ギャップ間隔=1μmとした。
[2. 試験方法]
得られた薄膜磁気センサに対して200℃×30分の加熱処理を行った。加熱後にMR特性を計測し、不感帯の幅を求めた。
(Reference Examples 1 and 2)
[1. Preparation of sample]
A thin film magnetic sensor in which thin film yokes of different materials and thicknesses were formed on both ends of the GMR film was manufactured. However, the thin film yoke was not laminated in order to investigate the effect of the thickness of the soft magnetic layer, and only the soft magnetic layer was used. In the soft magnetic layer, the same dead zone is generated when heated to 150 ° C. or higher (Co 94 Fe 6 ) 70 Si 15 B 15 (Reference Example 1), or Co 88 Zr 6 Nb 6 (Reference Example 2). Was used. The yoke size was 20 μm wide × 200 μm long × 0.1-1 μm thick.
For the GMR film, an FeCo—MgF 2 nanogranular alloy was used. The size of the GMR film was set such that the film thickness = 500 nm, the width = yoke width, and the gap interval = 1 μm.
[2. Test method]
The obtained thin film magnetic sensor was heat-treated at 200 ° C. for 30 minutes. MR characteristics were measured after heating to determine the width of the dead zone.

[3. 結果]
図2に、軟磁性層の厚さと不感帯幅の関係を示す。図2より、軟磁性層の厚さが薄くなるほど、不感帯の幅が狭くなることがわかる。不感帯の許容幅は用途により異なるが、一般的には1[Oe]以下が好ましい。また、より高感度のセンサを得るためには、不感帯の幅を検出できない程度まで低下させるのが望ましい。
図2より、
(1)軟磁性層の厚さを0.6μm以下にすると、不感帯の幅を1[Oe]以下にすることができる、
(2)軟磁性層の厚さを0.3μm以下にすると、不感帯の幅をほぼゼロにすることができる、
ことがわかる。
[3. result]
FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the soft magnetic layer and the dead band width. From FIG. 2, it can be seen that the width of the dead zone becomes narrower as the thickness of the soft magnetic layer becomes thinner. Although the allowable width of the dead zone varies depending on the application, it is generally preferably 1 [Oe] or less. In order to obtain a sensor with higher sensitivity, it is desirable to reduce the dead band width to such an extent that it cannot be detected.
From FIG.
(1) When the thickness of the soft magnetic layer is 0.6 μm or less, the width of the dead zone can be 1 [Oe] or less.
(2) When the thickness of the soft magnetic layer is 0.3 μm or less, the width of the dead zone can be made almost zero.
I understand that.

(実施例43〜47)
[1. 試料の作製]
GMR膜の両端に、軟磁性層と非磁性層の積層膜からなる薄膜ヨークが形成された薄膜磁気センサを作製した。軟磁性層には、(Co94Fe6)70Si1515を用いた。軟磁性層のサイズは、幅20μm×長さ200μm×厚さ0.1μmとし、軟磁性層の積層数は10層とした。
非磁性層には、Cu(実施例43)、Mo(実施例44)、W(実施例45)、SiO2(実施例46)、又はMgF2(実施例47)を用い、厚さは、0.002〜0.1μmとした。
GMR膜には、FeCo−MgF2ナノグラニュラー合金を用いた。GMR膜のサイズは、膜厚=500nm、幅=ヨーク幅、ギャップ間隔=1μmとした。
[2. 試験方法]
得られた薄膜磁気センサに対して200℃×30分の加熱処理を行った。加熱後にMR特性を計測し、不感帯の幅を求めた。
(Examples 43 to 47)
[1. Preparation of sample]
A thin film magnetic sensor in which a thin film yoke composed of a laminated film of a soft magnetic layer and a nonmagnetic layer was formed on both ends of the GMR film was produced. (Co 94 Fe 6 ) 70 Si 15 B 15 was used for the soft magnetic layer. The size of the soft magnetic layer was 20 μm wide × 200 μm long × 0.1 μm thick, and the number of soft magnetic layers was ten.
For the nonmagnetic layer, Cu (Example 43), Mo (Example 44), W (Example 45), SiO 2 (Example 46), or MgF 2 (Example 47) is used. The thickness was 0.002 to 0.1 μm.
For the GMR film, an FeCo—MgF 2 nanogranular alloy was used. The size of the GMR film was set such that the film thickness = 500 nm, the width = yoke width, and the gap interval = 1 μm.
[2. Test method]
The obtained thin film magnetic sensor was heat-treated at 200 ° C. for 30 minutes. MR characteristics were measured after heating to determine the width of the dead zone.

[3. 結果]
参考例1、2でヨーク厚さを薄くすれば、不感帯幅が減少することがわかった。しかし、単純にヨークを薄くすることはヨークの体積減少につながり、GMR部に印加される磁界が低下する。そこで、薄い軟磁性層の間に非磁性層を挿入し、積層することを試みた。
図3に、非磁性層の厚さと不感帯幅の関係を示す。図3より、非磁性層の厚さが厚くなるほど、不感帯の幅が狭くなることがわかる。不感帯の許容幅は用途により異なるが、一般的には1[Oe]以下が好ましい。また、より高感度のセンサを得るためには、不感帯の幅を検出できない程度まで低下させるのが望ましい。
図3より、
(1)非磁性層の厚さを0.02μm以上にすると、不感帯の幅を1[Oe]以下にすることができる、
(2)非磁性層の厚さを0.05μm以上にすると、不感帯の幅をほぼゼロにすることができる、
ことがわかる。
[3. result]
It was found that if the yoke thickness was reduced in Reference Examples 1 and 2, the dead band width decreased. However, simply reducing the thickness of the yoke leads to a decrease in the volume of the yoke, and the magnetic field applied to the GMR section is reduced. Therefore, an attempt was made to insert a nonmagnetic layer between thin soft magnetic layers and stack them.
FIG. 3 shows the relationship between the thickness of the nonmagnetic layer and the dead band width. From FIG. 3, it can be seen that as the thickness of the nonmagnetic layer increases, the width of the dead zone becomes narrower. Although the allowable width of the dead zone varies depending on the application, it is generally preferably 1 [Oe] or less. In order to obtain a sensor with higher sensitivity, it is desirable to reduce the dead band width to such an extent that it cannot be detected.
From FIG.
(1) When the thickness of the nonmagnetic layer is 0.02 μm or more, the width of the dead zone can be 1 [Oe] or less.
(2) When the thickness of the nonmagnetic layer is 0.05 μm or more, the width of the dead zone can be made almost zero.
I understand that.

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。   The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

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。
The thin film magnetic sensor according to the present invention detects rotation information of automobile axles, rotary encoders, industrial gears, etc., detects position / velocity information such as hydraulic cylinder / pneumatic cylinder stroke positions, machine tool slides, It can be used for detection of current information such as arc current of an industrial welding robot, a geomagnetic compass, and the like.
A magnetoresistive element having a GMR film and thin film yokes disposed at both ends thereof is particularly suitable as a magnetic sensor. However, the use of the magnetoresistive element is not limited to this, but a magnetic memory, magnetic It can also be used as a head or the like.

図1(a)及び図1(b)は、ぞれぞれ、軟磁性層のみからなる薄膜ヨークを備えた薄膜磁気センサ(比較例1)の加熱前及び200℃加熱後のMR特性を示す図である。1 (a) and 1 (b) show MR characteristics before heating and after heating at 200 ° C., respectively, of a thin film magnetic sensor (Comparative Example 1) provided with a thin film yoke made of only a soft magnetic layer. FIG. 軟磁性層のみからなる薄膜ヨークを備えた薄膜磁気センサ(参考例1、2)の200℃×30分加熱後の軟磁性層厚さと不感帯幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the soft magnetic layer thickness after 200 degreeC x 30 minute heating of a thin film magnetic sensor (Reference Examples 1 and 2) provided with the thin film yoke which consists only of a soft magnetic layer, and a dead zone width | variety. 軟磁性層と非磁性層の積層膜からなる薄膜ヨークを備えた薄膜磁気センサ(実施例43〜47)の200℃×30分加熱後の非磁性層厚さと不感帯幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the nonmagnetic layer thickness after 200 degreeC * 30 minute heating and a dead zone width | variety of the thin film magnetic sensor (Examples 43-47) provided with the thin film yoke which consists of a laminated film of a soft magnetic layer and a nonmagnetic layer. .

Claims (5)

巨大磁気抵抗効果を有するGMR膜と、
前記GMR膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料を含む薄膜ヨークとを備え、
前記薄膜ヨークは、少なくとも2層以上の前記軟磁性材料からなる軟磁性層と、前記軟磁性層の間に形成された非磁性材料からなる非磁性層とを含む多層膜からなる
薄膜磁気センサ。
A GMR film having a giant magnetoresistance effect;
A thin film yoke including a soft magnetic material electrically connected to both ends of the GMR film,
The thin film yoke is a thin film magnetic sensor comprising a multilayer film including at least two layers of a soft magnetic layer made of the soft magnetic material and a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material formed between the soft magnetic layers.
前記軟磁性層の厚さは、それぞれ0.6μm以下である請求項1に記載の薄膜磁気センサ。   The thin film magnetic sensor according to claim 1, wherein each of the soft magnetic layers has a thickness of 0.6 μm or less. 前記非磁性層の厚さは、それぞれ0.02μm以上である請求項1又は2に記載の薄膜磁気センサ。   3. The thin film magnetic sensor according to claim 1, wherein each of the nonmagnetic layers has a thickness of 0.02 μm or more. 前記軟磁性層の総厚さは、前記GMR膜の厚さの0.5倍以上である請求項1から3までのいずれかに記載の薄膜磁気センサ。   4. The thin film magnetic sensor according to claim 1, wherein a total thickness of the soft magnetic layer is 0.5 times or more of a thickness of the GMR film. 前記GMR膜は、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなる請求項1から4までのいずれかに記載の薄膜磁気センサ。   The thin film magnetic sensor according to claim 1, wherein the GMR film is made of a metal-insulator nanogranular material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102354451A (en) * 2011-07-08 2012-02-15 华南理工大学 Portable vehicle detector
JP2012069428A (en) * 2010-09-24 2012-04-05 Research Institute For Electromagnetic Materials Thin film dielectric

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