JP2011007673A - Geomagnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた地磁気センサに関する。 The present invention relates to a geomagnetic sensor using a magnetoresistive effect element.
磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。磁気抵抗効果素子は感度軸方向からの磁場の強さに対して電気抵抗値が変動する。 A magnetic sensor using a magnetoresistive effect element can be used as a geomagnetic sensor that detects geomagnetism incorporated in a portable device such as a mobile phone. The magnetoresistive element varies in electric resistance value with respect to the strength of the magnetic field from the sensitivity axis direction.
地磁気センサでは、2軸または3軸に分解して磁気を検知する必要があるため、それぞれの軸の磁場の強さを検知する磁気センサは、他の軸に対しては感度を持たないようにする必要がある。また、磁場の強さを正確に検知するため、磁界強度に対してリニアな出力を持つセンサが求められる。 The geomagnetic sensor needs to detect magnetism by splitting it into two or three axes, so the magnetic sensor that detects the strength of the magnetic field of each axis is not sensitive to the other axes. There is a need to. Further, in order to accurately detect the magnetic field strength, a sensor having a linear output with respect to the magnetic field strength is required.
また、携帯機器内には地磁気よりも強い磁場を発生する部材、例えばスピーカーなどが搭載されていることが多く、また機器の開閉や、メモリーカードの挿抜などによって機器内の磁場は変動することも多い。そのため、磁場の変動によっても、地磁気を精度良く検出できるようにすることが必要である。 In addition, mobile devices are often equipped with members that generate a magnetic field stronger than the geomagnetism, such as speakers, and the magnetic field in the device may fluctuate when the device is opened or closed, or when a memory card is inserted or removed. Many. Therefore, it is necessary to be able to detect the geomagnetism with high accuracy even when the magnetic field fluctuates.
また、磁場に晒されることで、地磁気センサの磁気特性が経時変化する問題がある。よって該磁場に対して耐性を有するセンサ構造が必要である。またこのような耐性を備えることで、携帯機器内の設定自由度が増し使い勝手を向上させることができる。 Moreover, there is a problem that the magnetic characteristics of the geomagnetic sensor change with time due to exposure to a magnetic field. Therefore, there is a need for a sensor structure that is resistant to the magnetic field. Moreover, by providing such resistance, the degree of freedom of setting in the portable device is increased, and usability can be improved.
下記の特許文献1,2に記載された発明では、複数の帯状の磁気抵抗効果膜を互いに平行に配置し、各磁気抵抗効果素子の端部間を永久磁石膜で接続して、つづら折り形状とした磁気センサが開示されている。なお特許文献2に記載された発明には、磁気抵抗効果膜(幅狭帯状部)の中央に、中央部バイアス磁石膜が設けられている。
In the inventions described in the following
しかしながら特許文献1,2には、上記した地磁気センサに対する従来の課題についての認識がなく当然にそれを解決する手段は示されていない。
However,
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に外乱磁場に強く且つ安定した検出精度を得ることができ、且つ高帯磁耐性の磁気センサを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention is to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic sensor that is particularly resistant to a disturbance magnetic field and that can obtain a stable detection accuracy and is resistant to high magnetic fields.
本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた地磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子部を備え、
前記素子部には、前記素子部の素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中位置に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部内に永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記永久磁石層とで素子連設体が構成され、前記感度軸方向が前記素子幅方向であり、
複数の前記素子連設体が前記素子幅方向に間隔を空けて並設され、隣接する前記素子連設体の前記素子長さ方向の端部同士が接続されてミアンダ状を成しており、
各素子連設体の間、及び前記素子幅方向の両側に位置する前記素子連設体の外側には、前記素子連設体と非接触の軟磁性体が設けられており、
前記素子連設体の素子長さ寸法はL1で、前記軟磁性体の前記素子連設体の素子長さ方向と同方向の長さ寸法はL2であり、
前記長さ寸法L2は、素子長さ寸法L1の1倍〜1.5倍に設定されていることを特徴とするものである。
The present invention is a geomagnetic sensor provided with a magnetoresistive effect element,
The magnetoresistive element has a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed, and a free magnetic layer whose magnetization direction is changed by receiving an external magnetic field laminated on the pinned magnetic layer via a nonmagnetic layer, An element portion in which the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer is a sensitivity axis direction;
In the element portion, a concave portion is formed toward the film thickness direction in the middle of the element length direction orthogonal to the element width direction of the element portion, and a permanent magnet layer is provided in the concave portion. And the permanent magnet layer constitute an element continuous body, and the sensitivity axis direction is the element width direction,
A plurality of the element continuous bodies are arranged in parallel in the element width direction, and the end portions in the element length direction of the adjacent element continuous bodies are connected to form a meander shape,
A soft magnetic body that is not in contact with the element connection body is provided between the element connection bodies and outside the element connection body located on both sides in the element width direction.
The element length dimension of the element continuous body is L1, and the length dimension of the soft magnetic body in the same direction as the element length direction of the element continuous body is L2.
The length dimension L2 is set to be 1 to 1.5 times the element length dimension L1.
本発明における素子連設体の間及び、素子連設体の外側に前記素子連設体と非接触にて設けられる軟磁性体は、感度軸方向に対して直交する方向から進入する漏洩磁場(外乱磁場)に対するシールド効果(遮蔽効果)を発揮するものである。また素子連結体は素子部と永久磁石とを交互に連設させた構成であり、感度軸方向からの磁場(以下、感度磁場と言う)に対するリニアリティを向上させることができる。さらに感度磁場は軟磁性体に一旦、集束した後、素子連設体に流入するが、このとき、軟磁性体の長さを長く設定しすぎると、広い範囲から磁場が集束されて強い磁場が永久磁石に印加されて帯磁し、バイアス効果が低下し、磁気感度が大きくなる方向に変化してしまい、地磁気の検出精度が不安定化しやすい。 In the present invention, the soft magnetic material provided between the element continuous bodies and outside the element continuous bodies in a non-contact manner with the element continuous bodies is a leakage magnetic field (see FIG. It exhibits a shielding effect (shielding effect) against a disturbance magnetic field. The element coupling body has a configuration in which element portions and permanent magnets are alternately arranged, and can improve the linearity with respect to a magnetic field from the sensitivity axis direction (hereinafter referred to as a sensitivity magnetic field). Furthermore, the sensitivity magnetic field once converges on the soft magnetic material and then flows into the element coupling body. At this time, if the length of the soft magnetic material is set too long, the magnetic field is focused from a wide range and a strong magnetic field is generated. When applied to a permanent magnet, it becomes magnetized, the bias effect is lowered, and the magnetic sensitivity is increased in the direction of increasing, and the detection accuracy of geomagnetism tends to become unstable.
そこで、上記したシールド効果とともに軟磁性体の帯磁性能を考慮して、後述する実験に基づいて軟磁性体の長さ寸法L2を、素子連設体の素子長さ寸法L1の1倍〜1.5倍の範囲内に設定することとしている。そして、本発明では、外乱磁場に強く且つ安定した検出精度を得ることができ、且つ高帯磁耐性の磁気センサにできることで、携帯機器内の設定自由度を高く出来るメリットがある。 Therefore, considering the magnetizing performance of the soft magnetic material together with the above-described shielding effect, the length L2 of the soft magnetic material is set to 1 to 1. The range is set to 5 times. And in this invention, there exists a merit which can make the setting freedom degree in a portable apparatus high by being able to obtain the strong and stable detection accuracy with respect to a disturbance magnetic field, and being able to make it a magnetic sensor with a high magnetic field tolerance.
本発明では、前記長さ寸法L2は、素子長さ寸法L1の1.1倍〜1.48倍に設定されていることが好ましい。 In the present invention, the length dimension L2 is preferably set to 1.1 to 1.48 times the element length dimension L1.
また本発明では、前記軟磁性体は、CoZrNbで形成されることが好ましい。
また本発明では、前記素子部は、下から前記固定磁性層、前記非磁性層及び前記フリー磁性層の順に積層されており、前記永久磁石層を配置するための前記凹部下には前記非磁性層及び前記固定磁性層が残されていることが好ましい。
In the present invention, the soft magnetic material is preferably formed of CoZrNb.
In the present invention, the element portion is laminated in order of the pinned magnetic layer, the nonmagnetic layer, and the free magnetic layer from the bottom, and the nonmagnetic portion is disposed under the recess for disposing the permanent magnet layer. It is preferable that the layer and the pinned magnetic layer remain.
本発明の地磁気センサによれば、外乱磁場に強く且つ安定した検出精度を得ることができると同時に、外部磁場環境下に設定されても出力の変化を抑制できる。 According to the geomagnetic sensor of the present invention, it is possible to obtain a strong and stable detection accuracy against a disturbance magnetic field, and at the same time, it is possible to suppress a change in output even when set in an external magnetic field environment.
図1(a)は本実施形態における地磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿って高さ方向(図示Z方向)に切断し矢印方向から見た部分断面図、図2は、図1に示すB−B線に沿って高さ方向(図示Z方向)に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、図3は、本実施形態の地磁気センサの回路図、である。 FIG. 1A is a plan view showing a portion of the magnetoresistive element of the geomagnetic sensor in the present embodiment, and FIG. 1B is a height direction (shown) along the line AA in FIG. 2 is a partial cross-sectional view cut in the Z direction and viewed from the arrow direction. FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view cut in the height direction (Z direction in the drawing) along the line BB shown in FIG. FIG. 3 is a circuit diagram of the geomagnetic sensor of the present embodiment.
本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えた地磁気センサ1は、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される。
The
地磁気センサ1は、図3に示すように、磁気抵抗効果素子2,3と固定抵抗素子4,5とがブリッジ接続されてなるセンサ部6と、センサ部6と電気接続された入力端子7、グランド端子8、差動増幅器9及び外部出力端子10等を備えた集積回路(IC)11とで構成される。なお、地磁気センサ1には、感度軸がX軸方向を向くX軸磁場検知部、感度軸がY軸方向を向くY軸磁場検知部、感度軸がZ軸方向を向くZ軸磁場検知部のいずれか2以上の検知部が設けられる。
As shown in FIG. 3, the
図1(a)に示すように、素子部12と中間永久磁石層60とが図示X方向に交互に形成され、図示X方向の両側に位置する素子部12の両側には、外側永久磁石層65が設けられる。素子部12、中間永久磁石層60及び外側永久磁石層65により帯状に延びる素子連設体61が構成される。図1(a)に示すように素子連設体61の素子長さ寸法L1は、素子幅W1に比べて長く形成されている。
As shown in FIG. 1A, the
素子連設体61は、素子幅方向(Y方向)に間隔を空けて複数本並設され、各素子連設体61の両端部に設けられた外側永久磁石層65間が電極層62にて接続されてミアンダ形状の磁気抵抗効果素子2,3が構成されている。
A plurality of
ミアンダ形状に形成された両端にある素子連設体61の端部には入力端子7、グランド端子8、出力取出し部14(図3参照)に接続される電極層62が接続されている。電極層62は永久磁石層60,65よりも低抵抗であり、Al、Au、Cr等の導電材料で形成される。
The
磁気抵抗効果素子2,3を構成する各素子部(GMR素子部)12は、全て図2に示す同じ積層構造で構成される。
Each element part (GMR element part) 12 which comprises the
素子部12は、例えば下から反強磁性層33、固定磁性層34、非磁性層35、およびフリー磁性層36の順に積層されて成膜され、フリー磁性層36の表面が保護層37で覆われている。素子部12は例えばスパッタにて成膜される。
The
反強磁性層33は、IrMn合金(イリジウム−マンガン合金)などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層34はCoFe合金(コバルト−鉄合金)などの軟磁性材料で形成されている。また固定磁性層34は積層フェリ構造で形成されることが好ましい。非磁性層35はCu(銅)などである。フリー磁性層36は、NiFe合金(ニッケル−鉄合金)などの軟磁性材料で形成されている。保護層37はTa(タンタル)などである。図2に示す素子部12の積層構成は一例であって他の積層構成であってもよい。
The
素子部12では、反強磁性層33と固定磁性層34との反強磁性結合により、固定磁性層34の磁化方向が固定されている。固定磁性層34の固定磁化方向は、素子幅方向(Y方向)に向いている。すなわち固定磁性層34の固定磁化方向は、素子連設体61の長手方向に対して直交している。
In the
一方、フリー磁性層36の磁化方向は、外部磁場により変動する。本実施形態では、永久磁石層60,65から素子部12に図示X方向へのバイアス磁界が作用している。よって素子部12を構成するフリー磁性層36の磁化は無磁場状態では図示X方向に向けられている。
On the other hand, the magnetization direction of the free
固定磁性層34の固定磁化方向と同一方向から外部磁場が作用してフリー磁性層36の磁化方向が前記外部磁場方向に変動すると、固定磁性層34の固定磁化方向とフリー磁性層36の磁化方向とが平行に近づき電気抵抗値が低下する。
When an external magnetic field acts from the same direction as the fixed magnetization direction of the fixed
一方、固定磁性層34の固定磁化方向と反対方向から外部磁場が作用してフリー磁性層36の磁化方向が前記外部磁場方向に変動すると、固定磁性層34の固定磁化方向とフリー磁性層36の磁化方向とが反平行に近づき電気抵抗値が増大する。
On the other hand, when an external magnetic field acts from a direction opposite to the fixed magnetization direction of the fixed
図1(b)に示すように磁気抵抗効果素子2,3は基板16上に図示しない絶縁下地層を介して形成される。磁気抵抗効果素子2,3上はAl2O3やSiO2等の絶縁層17に覆われる。また磁気抵抗効果素子2,3を構成する素子連設体61間も絶縁層17で埋められる。絶縁層17は例えばスパッタにて形成される。
As shown in FIG. 1B, the
図1(b)のように絶縁層17の上面は、例えばCMP技術を用いて平坦面に形成されている。ただし、絶縁層17の上面は、素子連設体61と基板16間の段差に倣って、凹凸面で形成されていてもよい。
As shown in FIG. 1B, the upper surface of the insulating
図1に示す実施形態では、磁気抵抗効果素子2,3を構成する各素子連設体61の間、及び最も外側に位置する素子連設体61の外側に軟磁性体18が設けられている。軟磁性体18は、各素子連設体61と非接触で配置されている。軟磁性体18は例えばスパッタやメッキにて薄膜形成される。軟磁性体18は、NiFe、CoFe、CoFeSiBやCoZrNb等で形成されるが、CoZrNbで形成されることが好適である。軟磁性体18の長さ寸法L2は素子連設体61の素子長さ寸法L1に対して1倍〜1.5倍の範囲内である。
In the embodiment shown in FIG. 1, the soft
また図1(a)に示すように、軟磁性体18の長さ寸法L2を素子連設体61の素子長さ寸法L1よりも長く形成し、軟磁性体18には素子連設体61の長手方向(X方向)の両側から長手方向に延出する延出部18aを備えることが好適である。これにより図示X方向からの磁場(外乱磁場)に対する磁気シールド効果を高めることができる。
Further, as shown in FIG. 1A, the length L2 of the soft
図1(b)に示すように、軟磁性体18は、素子部12間にある絶縁層17上に形成される。また図示しないが軟磁性体18上及び軟磁性体18間は絶縁性の保護層にて覆われている。
As shown in FIG. 1B, the soft
各寸法について説明する。
磁気抵抗効果素子2,3を構成する素子部12の素子幅W1は、0.5〜5μmの範囲内である(図1(a)参照)。また各素子部12の素子長さ寸法L5は、1〜15μmの範囲内である(図1(a)参照)。また、素子部12の膜厚T2は、100〜1000Åの範囲内である(図1(b)参照)。
Each dimension will be described.
The element width W1 of the
中間永久磁石層60の長さ寸法L3は、1〜15μmの範囲内である(図1(a)参照)。また中間永久磁石層60の幅寸法W3は、1〜7μmの範囲内である(図1(a)参照)。中間永久磁石層60の膜厚は、100〜600Åの範囲内である。
The length L3 of the intermediate
外側永久磁石層65の長さ寸法L4は、1〜15μmの範囲内である(図1(a)参照)。また、外側永久磁石層65の幅寸法や膜厚は、中間永久磁石層60の幅寸法及び膜厚と等しいことが好ましい。
The length L4 of the outer
各素子連設体61間の素子幅方向への間隔T5は、1〜20μmの範囲内である(図1(b)参照)。
また素子連設体61の長さ寸法L1は、10〜100μmの範囲内である。
An interval T5 in the element width direction between the element
The length L1 of the element
また軟磁性体18の幅寸法W2は、1〜10μmの範囲内である(図1(a)参照)。また軟磁性体18の長さ寸法L2は、10〜100μmの範囲内である(図1(a)参照)。また、軟磁性体18の膜厚T3は、0.2〜3μmの範囲内である(図1(b)参照)。
Further, the width dimension W2 of the soft
図1の実施形態における各軟磁性体18間の距離(Y方向への距離)T1は1〜10μmである(図1(b)参照)。また、素子部12と隣接した位置にある軟磁性体18とのY方向への距離T4は、1〜5μmである(図1(b)参照)。また、軟磁性体18と素子部12間の高さ方向(Z方向)への距離T6は、0.1〜2μmである(図1(b)参照)。
The distance (distance in the Y direction) T1 between the soft
図1に示す地磁気センサ1は、図示Y方向(素子幅方向)と平行な方向からの地磁気を検知するためのものである。よって図示Y方向が感度軸方向であり、図示Y方向に直交するX方向(素子長さ方向)が素子連設体61の長手方向である。固定磁性層34の固定磁化方向は感度軸方向である図示Y方向に向けられている。
A
本実施形態では、図2の断面図に示すように、各素子部12を構成する反強磁性層33、固定磁性層34及び非磁性層35は永久磁石層60,65の形成位置で分断されておらず素子連設体61の素子長さ方向(図示X方向)の全域に延在している。すなわち、永久磁石層60,65の形成位置では、素子部12を構成する保護層37及びフリー磁性層36がイオンミリング等で削られて凹部63が形成されている。よって凹部63の底面63aには非磁性層35が露出している。そして、この凹部63内に永久磁石層60,65が設けられている。反強磁性層33、固定磁性層34、非磁性層35、フリー磁性層36及び保護層37の各層の界面はX−Y平面と平行な面である(図2)。
In the present embodiment, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the
凹部63の底面63aは、非磁性層35の膜厚方向(図示Z方向)の途中位置であることが好適である。底面63aを非磁性層35の膜厚方向の途中位置にすることで、凹部63(永久磁石層60,65)下にフリー磁性層36の一部が残されることが無い。すなわち凹部63の形成位置では、フリー磁性層36が全て除去される。また、凹部63をイオンミリング等で形成する際に、固定磁性層34の一部が削り取られる不具合も生じない。また、固定磁性層34と永久磁石層60,65との間に非磁性層35が介在することで、固定磁性層34と永久磁石層60,65間の磁気的結合を防止できる。
It is preferable that the
本実施形態では、図2に示すようにフリー磁性層36の全厚が、永久磁石層60,65と素子長さ方向(X方向)にて対向する。よって、永久磁石層60,65からフリー磁性層36の全体に適切に素子長さ方向(図示X方向)へのバイアス磁界を供給でき、フリー磁性層36の一軸異方性を向上できる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the total thickness of the free
また本実施形態では、図2に示すように固定磁性層34は永久磁石層60,65の形成位置で分断されることなく素子連設体61の素子長さ方向(図示X方向)の全域に形成された単一の層として構成されている。これにより固定磁性層の一軸異方性を強めることが出来る。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the pinned
ただし本実施形態では、凹部63下に位置する非磁性層35、固定磁性層34及び反強磁性層33を全て除去して、各素子部12を完全に分断し、各素子部12間及び両側の素子部12の外側に永久磁石層60,65を配置する構成にしてもよい。
However, in the present embodiment, the
本実施形態では、上記したように、各素子連設体61間、及び最も外側に位置する素子連設体61の外側に素子連設体61とは非接触の軟磁性体18が設けられている。
In the present embodiment, as described above, the soft
ここで軟磁性体18を設けた本実施形態と、軟磁性体18を設けていない従来例とを次の実験により比較した。
Here, the present embodiment in which the soft
実験では、図1,図2に示す磁気抵抗効果素子2,3を形成した。素子連設体61の素子長さ寸法L1を54μmとした。また、素子部12の素子幅W1を2μm、素子部12の素子長さL5を3μm、永久磁石層60,65の幅寸法W3を3μm、長さ寸法L3,L4を3μm、膜厚を300Åとした。永久磁石層60,65にはCoPtを用いた。各素子連設体61を構成する素子部12の数を7とし、素子連設体61の数を10として図1(a)に示すミアンダ形状の磁気抵抗効果素子2,3を形成した。
In the experiment,
実施形態における軟磁性体18をCoZrNbで形成し、軟磁性体18の長さ寸法L2を100μmとし、幅寸法W2を5μmとした。また軟磁性体18の膜厚T3を7500Åとした(図1(b)参照)。
The soft
また図1(b)に示す、間隔(距離)T1を6μm、T4を2μm、T5を9μmとした。さらに、素子部12の膜厚T2を235Åとし、間隔T6を0.3μmとした。
Further, as shown in FIG. 1B, the interval (distance) T1 was 6 μm, T4 was 2 μm, and T5 was 9 μm. Furthermore, the film thickness T2 of the
そして軟磁性体18を設けた場合(本実施形態)と軟磁性体18を設けない場合(比較例)との直交磁場(外乱磁場)印加による感度変化pp及び漏洩/感度比を測定した。
Then, the sensitivity change pp and the leakage / sensitivity ratio due to application of an orthogonal magnetic field (disturbance magnetic field) when the soft
「直交磁場印加による感度変化pp」は、次のようにして求められる。図11の模式図(グラフ)に示す「Hh」は、感度軸方向(Y方向)からの磁場を指す。「Hv」は、感度軸方向と直交する方向(X方向)からの漏洩磁場(直交磁場;外乱磁場)を指す。図11に示す「Hv=5Oe slope」のグラフは、直交磁場を5Oe印加した状態で、感度軸方向から−6Oe〜6Oeの範囲内の磁場を印加したときの抵抗変化を示している。また、図11に示す「Hv=−5Oe slope」のグラフは、直交磁場を−5Oe印加した状態(上記のHv=5Oe印加した方向とは逆方向から5Oe印加)で、感度軸方向から−6Oe〜6Oeの範囲内の磁場を印加したときの抵抗変化を示している。また、図11に示す「Hv=0Oe slope」のグラフは、直交磁場を印加しない状態で、感度軸方向から−6Oe〜6Oeの範囲内の磁場を印加したときの抵抗変化を示している。ここで、1Oeは約80A/mである。 The “sensitivity change pp by application of orthogonal magnetic field” is obtained as follows. “Hh” shown in the schematic diagram (graph) of FIG. 11 indicates a magnetic field from the sensitivity axis direction (Y direction). “Hv” indicates a leakage magnetic field (orthogonal magnetic field; disturbance magnetic field) from a direction (X direction) orthogonal to the sensitivity axis direction. The graph of “Hv = 5 Oe slope” shown in FIG. 11 shows a change in resistance when a magnetic field in the range of −6 Oe to 6 Oe from the sensitivity axis direction is applied in a state where an orthogonal magnetic field is applied at 5 Oe. Further, the graph of “Hv = −5 Oe slope” shown in FIG. 11 shows a state in which an orthogonal magnetic field is applied with −5 Oe (application of 5 Oe from a direction opposite to the direction in which Hv = 5 Oe is applied), and −6 Oe from the sensitivity axis direction. The change in resistance is shown when a magnetic field within a range of ˜6 Oe is applied. Further, the graph of “Hv = 0 Oe slope” shown in FIG. 11 shows a change in resistance when a magnetic field in the range of −6 Oe to 6 Oe from the sensitivity axis direction is applied in a state where no orthogonal magnetic field is applied. Here, 1 Oe is about 80 A / m.
そして、(直交磁場を5Oe印加した状態での抵抗変化曲線の傾き量(Ω/Oe)−直交磁場を−5Oe印加した状態での抵抗変化曲線の傾き量(Ω/Oe))×100/漏洩磁場を印加しない状態(0Oe)での抵抗変化曲線の傾き量(Ω/Oe)にて、直交磁場印加による感度変化pp(%)を求めた。 And, (the amount of inclination of the resistance change curve when the orthogonal magnetic field is applied with 5 Oe (Ω / Oe) −the amount of inclination of the resistance change curve when the orthogonal magnetic field is applied with −5 Oe) (Ω / Oe)) × 100 / leakage Sensitivity change pp (%) due to application of an orthogonal magnetic field was determined based on the amount of slope (Ω / Oe) of the resistance change curve when no magnetic field was applied (0 Oe).
ここで、「直交磁場印加による感度変化pp」は、小さいほど、直交磁場の影響が小さいことを意味する。 Here, “sensitivity change pp due to application of orthogonal magnetic field” means that the smaller the influence of the orthogonal magnetic field, the smaller the effect.
続いて、「漏洩/感度比」では、図12に示すように、感度軸方向とは直交する方向から−5Oe〜5Oeの漏洩磁場(直交磁場;外乱磁場)を印加して抵抗変化曲線を求めた。「漏洩/感度比」は、(直交方向の感度)/(感度軸方向の感度)の比であり、(Slope V/Slope h)×100(%)で求めることが出来る。なお、「Slope h」は、図11の「Hv=0 Slope」と同じものである。
ここで、「漏洩/感度比」は、小さいほど、直交磁場の影響が小さいことを意味する。
Subsequently, in the “leakage / sensitivity ratio”, as shown in FIG. 12, a resistance change curve is obtained by applying a leakage magnetic field (orthogonal magnetic field; disturbance magnetic field) of −5 Oe to 5 Oe from a direction orthogonal to the sensitivity axis direction. It was. The “leakage / sensitivity ratio” is a ratio of (sensitivity in the orthogonal direction) / (sensitivity in the sensitivity axis direction) and can be obtained by (Slope V / Slope h) × 100 (%). “Slope h” is the same as “Hv = 0 Slope” in FIG.
Here, the “leakage / sensitivity ratio” means that the smaller the influence of the orthogonal magnetic field is, the smaller the “leakage / sensitivity ratio” is.
図4,図5に示すように、「直交磁場印加による感度変化pp」及び「漏洩/感度比」は、軟磁性体を設けることで小さくできることがわかった。 As shown in FIGS. 4 and 5, it was found that “sensitivity change pp by application of orthogonal magnetic field” and “leakage / sensitivity ratio” can be reduced by providing a soft magnetic material.
このように、各素子連設体61の間、及び最も外側に位置する素子連設体61の外側に軟磁性体18を配置することで、直交磁場耐性が向上し、良好なシールド効果(遮蔽効果)を発揮できることがわかった。
Thus, by arranging the soft
このシールド効果は、軟磁性体18の長さ寸法L2を素子連設体61よりも長く延ばし、図1(a)に示すように軟磁性体18の長手方向の両側に素子連設体61の両端よりも外側にはみ出す延出部18aを設けることでより効果的に向上させることができる。
This shielding effect is achieved by extending the length L2 of the soft
次に本実施形態では軟磁性体18の長さ寸法L2を以下の実験により規定した。
実験では、図1,図2に示す磁気抵抗効果素子2,3を形成した。また各寸法は、図4、図5の実験と同じとした。ただし、軟磁性体18の長さ寸法L2を60μm、80μm、100μmとした。
Next, in the present embodiment, the length dimension L2 of the soft
In the experiment,
図6は、軟磁性体18の長さ寸法L2と、直交磁場(外乱磁場)印加による感度変化ppとの関係を示すグラフ、図7は、軟磁性体18の長さ寸法L2と、漏洩/感度比との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the length dimension L2 of the soft
図6、図7に示すように軟磁性体18の長さ寸法L2が100μmになると、直交磁場(外乱磁場)印加による感度変化pp及び漏洩/感度比が大きくなることがわかった。
As shown in FIGS. 6 and 7, it was found that when the length L2 of the soft
次に、前記軟磁性体18の長さ寸法L2を60μm、80μm、100μm、120μmと変化させた状態で、感度軸方向(図1(a)のY方向)から外部磁場(以下、感度磁場と言う)を印加し、感度磁場の大きさと感度変化率とを測定した。なお、軟磁性体18の長さ寸法以外の各寸法は、図4、図5の実験と同じとした。またこの感度変化率の実験では、直交磁場(X方向からの外乱磁場)は印加していない。その実験結果が図8に示されている。
Next, in the state where the length L2 of the soft
ここで、「感度変化率」は、図8に示す横軸の大きさの磁場を数sec印加して磁場印加前後の感度を測定して求めることが出来る。 Here, the “sensitivity change rate” can be obtained by applying a magnetic field having the horizontal axis shown in FIG. 8 for several seconds and measuring the sensitivity before and after applying the magnetic field.
感度は、図13のグラフにて求めることが出来る。すなわち図13に示すように感度は、感度(G)=(Slope/full Scale)×100(%)で求めることが出来る。 The sensitivity can be obtained from the graph of FIG. That is, as shown in FIG. 13, the sensitivity can be obtained by sensitivity (G) = (Slope / full Scale) × 100 (%).
そして、感度変化率={(G後−G前)/G前}×100(%)(ここで「G前」は、磁場印加前の感度(%/Oe)であり、「G後」は、磁場印加後の感度(%/Oe)である)で示される。 Sensitivity change rate = {(after G-before G) / before G} × 100 (%) (where “before G” is the sensitivity before applying the magnetic field (% / Oe), and “after G” is , Sensitivity after application of magnetic field (% / Oe).
図8に示すように、軟磁性体18の長さ寸法L2が長くなるほど感度変化率の変動が大きくなった。また軟磁性体18の長さ寸法L2を60μmとした実施例では、感度磁場が200Oe程度になってもほとんど感度が変化しないことがわかった。
As shown in FIG. 8, the variation in the sensitivity change rate becomes larger as the length L2 of the soft
各素子連設体61の間、及び最も外側に位置する素子連設体61の外側に軟磁性体18を配置することで、感度磁場は一旦、軟磁性体に集束してから素子連設体61に流入する。しかしながら、軟磁性体18の長さ寸法を長くしすぎると、感度磁場が広い範囲で集束されて永久磁石に強い磁場が、永久磁石の磁化方向の直交方向に印加されて、永久磁石の磁化が回転する(帯磁する)。そのため、ハードバイアス効果が減少し、磁気抵抗効果素子の感度が大きくなる方向に変化する。地磁気は0.24〜0.66Oe程度である。したがって、地磁気の変化は無視できるが、数百Oe単位の強い感度磁場が長時間、印加され続けると、永久磁石が帯磁して、磁気特性が徐々に変化する。軟磁性体18の長さ寸法L2を適切に設定し、すなわち図8に示すように、軟磁性体18の長さ寸法L2を短くすることで、磁気特性を抑え、数百Oe程度の強い感度磁場に対する感度変化率を小さくできる。
By arranging the soft
よって本実施形態では、軟磁性体18のシールド効果とともに永久磁石の帯磁を考慮して軟磁性体18の長さ寸法L2を素子連設体の素子長さ寸法L1の1倍〜1.5倍の範囲内に設定することとした。
Therefore, in the present embodiment, the length L2 of the soft
そして携帯電話等の携帯機器の内部には数百Oe程度(具体的には200〜300Oe程度)の磁場が存在するが、本実施形態によれば、携帯機器内部の感度磁場に対して、永久磁石の帯磁を抑制でき、また軟磁性体18のシールド効果も高いため、地磁気の検出精度を向上でき、携帯機器内部での設定自由度を高めることが可能である。
A magnetic field of about several hundred Oe (specifically, about 200 to 300 Oe) exists inside a mobile device such as a mobile phone. According to the present embodiment, the magnetic field is permanent with respect to the sensitivity magnetic field inside the mobile device. Since the magnetism of the magnet can be suppressed and the shielding effect of the soft
また図6ないし図8の実験に示すように、軟磁性体18の長さ寸法L2を60μm、80μmとすると好ましい結果が得られた。このとき、素子連設体の素子長さ寸法L1は、54μmに固定しているので、本実施形態では、軟磁性体18の長さ寸法L2を素子連設体の素子長さ寸法L1の1.1倍〜1.48倍の範囲内に設定することがより好ましいとした。
Further, as shown in the experiments of FIGS. 6 to 8, preferable results were obtained when the length L2 of the soft
次に図1,図2に示す磁気抵抗効果素子2,3を形成し、このとき、軟磁性体18の膜厚T3(図1(b)参照)を変化させて、感度磁場の大きさと磁気抵抗効果素子の感度変化率との関係を求めた。軟磁性体18をCoZrNbで形成し、軟磁性体18の膜厚T3を0.75μmあるいは0.5μmとした。また、軟磁性体18の膜厚以外の各寸法は図4,図5の実験と同様に設定した。その実験結果が図9に示されている。
Next, the
図9に示すように軟磁性体18の膜厚T3が変化しても、感度変化率はほぼ同じになることがわかった。
As shown in FIG. 9, it has been found that even if the film thickness T3 of the soft
次に図1,図2に示す磁気抵抗効果素子2,3を形成し、永久磁石層60,65の膜厚を変化させたときの感度を測定した。実験では、図1に示すように、各素子連設体61の間、及び最も外側に位置する素子連設体61の外側に軟磁性体18を配置した。また感度軸方向に−6Oeから+6Oeで磁場を掃印して感度を測定した。また永久磁石層60,65の膜厚以外の各寸法は図4,図5の実験と同様に設定した。その実験結果が図10に示されている。
Next, the
図10に示すように、永久磁石層60,65の膜厚が厚くなると磁気抵抗効果素子の感度が徐々に低下することがわかった。 As shown in FIG. 10, it has been found that the sensitivity of the magnetoresistive effect element gradually decreases as the thickness of the permanent magnet layers 60 and 65 increases.
本実施形態では、図1に示すように、素子部12と永久磁石層60,65とで素子連設体61を形成するが、これによりRH波形の線形性(リニアリティ)を確保できる。しかしながら永久磁石層60,65を厚く形成しすぎると、素子部12に供給されるバイアス磁界が強くなりすぎ、RH波形の傾斜が小さくなる(RH波形が寝てくる)ため、出力低下を招き好ましくない(図14参照)。そこで本実施形態では、永久磁石層60,65の膜厚調整や、あるいは、永久磁石層60,65の膜厚をある程度厚く形成しても磁気抵抗効果素子の感度を上げるために、素子連設体61の本数を増やす等して、シールド性、感度、線形性といった地磁気センサの性能調整を行い、これにより高性能な地磁気センサに出来る。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
1 地磁気センサ
2、3 磁気抵抗効果素子
4、5 固定抵抗素子
6 センサ部
7 入力端子
8 グランド端子
9 差動増幅器
10 外部出力端子
11 集積回路
12 素子部
14 出力取出し部
16 基板
17 絶縁層
18 軟磁性体
33 反強磁性層
34 固定磁性層
35 非磁性層
36 フリー磁性層
37 保護層
60 中間永久磁石層
61 素子連設体
65 外側永久磁石層
62 電極層
63 凹部
L1 素子連設体の素子長さ寸法
L2 軟磁性体の長さ寸法
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子部を備え、
前記素子部には、前記素子部の素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中位置に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部内に永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記永久磁石層とで素子連設体が構成され、前記感度軸方向が前記素子幅方向であり、
複数の前記素子連設体が前記素子幅方向に間隔を空けて並設され、隣接する前記素子連設体の前記素子長さ方向の端部同士が接続されてミアンダ状を成しており、
各素子連設体の間、及び前記素子幅方向の両側に位置する前記素子連設体の外側には、前記素子連設体と非接触の軟磁性体が設けられており、
前記素子連設体の素子長さ寸法はL1で、前記軟磁性体の前記素子連設体の素子長さ方向と同方向の長さ寸法はL2であり、
前記長さ寸法L2は、素子長さ寸法L1の1倍〜1.5倍に設定されていることを特徴とする地磁気センサ。 A geomagnetic sensor having a magnetoresistive element,
The magnetoresistive element has a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed, and a free magnetic layer whose magnetization direction is changed by receiving an external magnetic field laminated on the pinned magnetic layer via a nonmagnetic layer, An element portion in which the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer is a sensitivity axis direction;
In the element portion, a concave portion is formed toward the film thickness direction in the middle of the element length direction orthogonal to the element width direction of the element portion, and a permanent magnet layer is provided in the concave portion. And the permanent magnet layer constitute an element continuous body, and the sensitivity axis direction is the element width direction,
A plurality of the element continuous bodies are arranged in parallel in the element width direction, and the end portions in the element length direction of the adjacent element continuous bodies are connected to form a meander shape,
A soft magnetic body that is not in contact with the element connection body is provided between the element connection bodies and outside the element connection body located on both sides in the element width direction.
The element length dimension of the element continuous body is L1, and the length dimension of the soft magnetic body in the same direction as the element length direction of the element continuous body is L2.
The length dimension L2 is set to be 1 to 1.5 times the element length dimension L1.
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