JP2011102730A

JP2011102730A - 磁気センサ

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Publication number: JP2011102730A
Application number: JP2009257174A
Authority: JP
Inventors: 太好 ▲高▼; Hiroyoshi Ko
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP5434494B2

Abstract

【課題】ＴＭＲ素子などのスピントロニクス素子を用いた磁気センサに関し、ノイズを低減し、かつ、高感度化を図ることができる磁気センサを提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子群を用いた磁気センサ２０は、検知素子１０を直列に接続して磁気抵抗素子群８ａ、８ｂ、８ｃとし、これらを並列に配置してセル９として磁気抵抗素子群を連動する。基準抵抗１１を直列に配置することにより、磁気抵抗値の変化につれて出力変化を実現する。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気センサに関する。さらに詳述すると、トンネル磁気抵抗効果素子等のスピントロニクス素子を用いた磁気センサに関する。

従来、各種の磁気抵抗素子を用いたセンサとして、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子など）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。例えば、ＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易であり、その改良も盛んに行われている。このＭＩ素子の場合には、高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができるもので、回路技術を駆使する必要があるが、センサ感度は高い特長を有する。

磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた磁気センサ（磁気抵抗センサ）の素子として、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）等が知られている。ＧＭＲ（Giant magnetic resistance）素子とは、強磁性層と非強磁性層とが交互に複数層形成され、隣接する２つの磁性層の磁化方向が、外部磁界の強さに応じて平行な場合と反平行な場合とで変化する抵抗を利用して磁気検知を行うものである。また、ＴＭＲ（tunnel Magneto-Resistance）素子とは、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることで、このときの磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行うものである。

これらの磁気抵抗素子は磁化の向きと強度が所定の向きに固定されたピンド層（固定層）と、磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層（自由層）とを備えている。磁気センサとして外部磁界を検知する時は固定されたピンド層の磁化方向に対して外部磁界の向きに応じて変化するフリー層の磁化方向の相対関係と磁化の強度に応じて抵抗値は変化することを利用して磁界の方向を検知するものである。

このような磁気抵抗素子を用いた磁気センサに関し、例えば、特許文献１及び特許文献２には、検知対象への分解能を高めるため、センサとしての磁気抵抗素子を直列に複数配置した磁気センサが開示されている。また、特許文献３には、ＴＭＲ素子からなる磁気抵抗素子を有し、センサを平面に配置していても磁面の平面以外のＺ軸方向のベクトル成分を検知可能な磁気センサが開示されている。

これまでＴＭＲ素子等のスピントロニクス素子は、磁界に対する変化率は大きいが、電子デバイス特有の低周波ノイズが大きいと考えられていたが、近年、検知に必要な素子の面積の微小化が進み、微細加工の限界まで検知素子として機能させることができることがわかってきた。しかしながら、ＴＭＲ素子などのスピントロニクス素子を用いた磁気センサにおけるノイズの低減および高感度化のための技術は検討の余地が残されていた。

そこで本発明は、磁気抵抗素子を用いた磁気センサであって、磁気抵抗素子を並列または直列に接続して磁気抵抗素子群とし、該磁気抵抗素群を並列に接続したセルを検知部として備えることにより、高感度化を図ることができる磁気センサを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１に記載の磁気センサは、磁気抵抗素子を用いた磁気センサであって、磁気抵抗素子を並列または直列に接続して磁気抵抗素子群とし、該磁気抵抗素群を並列に接続したセルを検知部として備えるものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気センサにおいて、検知部は、セルをさらに並列および／または直列に接続したものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサにおいて、検知部の近傍に交流磁界印加部を設け、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサにおいて、検知部を圧電素子とともに基板に配置し、圧電素子に交流電圧を印加して基板を振動させ、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させるものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサにおいて、検知部の近傍に硬磁性材料からなる硬磁性体部を有する可動部を設け、該可動部の駆動により硬磁性体部を変位させ、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させるものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサにおいて、検知部の近傍に軟磁性材料からなる軟磁性体部およびコイル部材を有する可動部を設け、コイル部材へ直流電流を印加して軟磁性体部が磁化された状態で可動部を駆動させることにより軟磁性体部を変位させ、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させるものである。

本発明によれば、ノイズを低減し、かつ、磁気センサの高感度化を図ることができる。

ＴＭＲ層構成による検知用素子部の模式図である。ＧＭＲ層構成による検知用素子部の模式図である。検知素子を直列に配置した磁気センサの一例を示す模式図である。直列接続の際の配線方法の説明図である。検知素子を直列に配置した磁気センサの他の例を示す模式図である。検知素子を並列に配置した磁気センサの一例を示す模式図である。検知素子を並列に配置した磁気センサの他の例を示す模式図である。素子配列部を複合的に配置した磁気センサの一例を示す模式図である。交流磁界印加部を有する磁気センサの一例を示す模式図である。圧電素子を有する磁気センサの一例を示す模式図である。可動部を有する磁気センサの一例を示す模式図である。可動部を有する磁気センサの他の例を示す模式図である。

以下、本発明に係る構成を図１から図１２に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

（検知用素子部構成）
図１及び図２に検知用素子部（以下、磁気抵抗素子、検知素子、素子ともいう）の構成例を示す。図１に示す検知用素子部１０は、キャップ層６、フリー層５、トンネル層４、反強磁性（ＡＦＭ）層３、シード層２、基板１からなるＴＭＲ層構成による検知用素子部１０の一例である。

基板１としては、例えば、ＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。また、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ蒸着装置などを用いて、Ｔａなどのシード層２、ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＣｒＰｔＭｎ，ＣｏＭｎなどやそれらの合金などからなるＡＦＭ層３を構成する。なお、厚みは各設計値によって３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、もしくは、それ以上に設定されるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好適である。

トンネル層４は、例えば、Ａｌ−ＯやＭｇＯで構成され、厚みは０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計されるが、１ｎｍ〜４ｎｍが好適である。ここで、ＭｇＯによる構成とすると、比較的厚い膜厚であっても優れた磁気抵抗変化率特性が得られるため、抵抗値を大きくとりたい場合には厚みを厚くすることで実現可能となるメリットを有する。なお、図示はしないが、ＭｇＯ層をトンネル層４とする場合には、例えば、ＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポで作製後、アニール時に結晶化することも好ましい。このようにすることにより、ＭｇＯの再配列を促して、結晶性を高めることにより磁気抵抗変化率を著しく向上させることができるため、さらに検知性能の向上を図ることができる。

フリー層５は、例えば、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ等の軟磁気特性を有するもので構成することにより、センサ特性を発揮することが可能となる。また、キャップ層６としては、Ｔａなどを成膜する。

検知用素子部１０は、所望の形状にフォトリソ、ＥＢ露光等を用いた微細加工により形状を作製し、上下に電極を配して完成させる。

なお、本実施形態における検知用素子部１０は、図１に示すＴＭＲ層構成に限られるものではなく、例えば、図２に示すようなＧＭＲ層構成であっても良い。図２に示す検知用素子部１０は、トンネル層４に替えて非磁性金属層７を有し、その他の層構成は同様である。ここで、非磁性金属層７には、例えば、Ｃｕ，Ａｇなどが適している。また、図１および図２ともに、ＡＦＭ層３の上部にシンセティックフェリ層を設ける構成（スピンバルブ構成）とすることも好ましい。

（磁気センサ構成）
本発明に係る磁気センサ２０は、以下に詳細に説明するように、磁気抵抗素子よりなる磁気センサであって、２重階層を持って構成され、磁気抵抗素子を並列または直列になるセンサとして機能される群（磁気抵抗素子群）であって、それらの群どうしがさらに並列になるセンサをもってセルとしてなり、セルごとの機能状態に応じて出力の合成または分離を行なうものである。すなわち、センサを素子群で構成し、かつ配置しやすいように２重階層を持って構成されることから、適宜、ノイズ対信号出力を測定対象に合わせて検知可能とし、検知情報をより高度に得ることができるものである。

図３に本実施形態に係る磁気センサ２０の一例を示す。磁気センサ２０は、検知素子１０を直列に配置して磁気抵抗素子群８（８ａ，８ｂ，８ｃ．．．）とし、これらを並列に配置してセル（検知部、素子配列部）９とし、磁気抵抗素子群８を連動させるものである。このようにすることにより、素子数に比例して、抵抗値を高めることができる。また、基準抵抗（固定抵抗）１１を直列に配置することにより、磁気抵抗値の変化につれて出力変化を実現することが可能となる。

さらに、直列接続としていることにより、同一電圧であれば接続した素子分の電圧変化が得られることとなりセンサの高感度化への寄与が大きい。なお、直列接続の方法としては、図４（ａ）に示すように素子に対して互い違いに電流を流す方法、図４（ｂ）に示すように同一方向に電流を流す方法のいずれであっても良い。

また、図５に示すように図３に示した磁気センサ２０に、さらにスイッチ（スイッチ部１３）を配置した構成とすることも好ましい。ここで、スイッチは、例えば、ＣＭＯＳ等で構成することができる。

以上のように素子群と連動させて動作させることにより磁気センサの高感度化および１／ｆノイズの低減を図ることができる。

また、図６に本実施形態に係る磁気センサ２０の他の例を示す。図６に示すように検知素子１０を並列に配置して磁気抵抗素子群８（８ａ，８ｂ，８ｃ．．．）とし、これらを並列に配置してセル（検知部、素子配列部）９とし、磁気抵抗素子群８をこれらを連動させることとしても良い。このように素子を並列に配置することにより、ノイズ低減、特に１／ｆノイズの低減を図ることができる。また、図７に示すように図６に示した磁気センサ２０に、さらにスイッチ（スイッチ部１３）を配置した構成とすることも好ましい。

さらに、図８に示すように、並列化した素子配列部９ａ（図６）と直列化した素子配列部９ｂ（図５に示すスイッチ部付きの構成）とを複合的に配置して、各素子配列部の配列をスイッチ部１４により適宜変更可能とする構成とすることも好ましい。このように構成した磁気センサ２０によれば、目的のノイズ特性と必要とされる信号出力、さらには検知可能な素子数を可変させることによりセンサとしての検知面積を適宜変更し、センサの検知性能の向上を図ることができる。例えば，信号が大きな領域についてのみ素子を機能させる等の検知方法が実現可能となる。

また、図８に示す例では、各素子の階層数を２としているが、それらをさらに群として並列化や直列化を行うことも好ましい。例えば、図１に示した検知素子１０のそれぞれを並列化した素子で置き換えるようにしても良い。このような微細な加工に際しては、例えば、電子ビーム露光プロセスや自己組織化膜を用いたパターンニングなどのナノメータ（ｎｍ）オーダでの微細加工を行うようにすれば良い。このように階層性を多重とすることにより、さらなるノイズの低減、高感度化が可能となる。

（その他の実施形態）
以下、本発明に係る磁気センサ２０のその他の実施の形態について説明する。上述の実施の形態と同様の点についての説明は省略する。また、検知素子の配列（直列、並列）、スイッチ部の有無等は、以下に説明する構成においても適宜組み合わせ可能なものである。

図９に示す磁気センサ２０は、検知素子１０に加えて、交流（ＡＣ）磁界印加用のコイル部（交流磁界印加部）１６と、コイル部１６への交流（ＡＣ）磁界印加用の電流源１７を付加したものである。このように構成することにより、検知素子１０に外部から交流磁界を重畳し、検知する実効的な周波数領域をシフトさせて検知を実現することができ、ノイズの低減、特に、１／ｆノイズの低減を図ることができる。

図１０に示す磁気センサ２０は、圧電素子１８を配置した基板１９に検知部を設け、圧電素子１８は、駆動用電圧印加用の電極部２１を備えるものである。このように構成した磁気センサ２０では、駆動用電圧源２２によって電極部２１に駆動用電圧（交流電圧）を印加して、圧電素子１８を駆動させ、基板１９全体を機械的に一定周期で振動させる。

さらに、直流（ＤＣ）磁界印加用コイル部２３と直流（ＤＣ）磁界印加用電流源２４を配置し、直流磁界を印加可能とすることも好ましい。なお、直流磁界印加用コイル部２３と直流磁界印加用電流源２４を配置した状態で、ＤＣ磁界印加の有無を選択可能とする構成としても良い。

このような構成とすることにより、外部に対して振動させることによりＡＣ分の成分が重畳された状態で検知できるためノイズ低減、特に、１／ｆノイズの低減を図ることができる。また、圧電素子による交流磁界の印加は簡便であり、磁気的には設計パラメータの自由度が大きく、効率的なノイズ低減が実現できる。

なお，本実施形態では、機械的に一定周期で振動を与える手段として圧電素子を配置したが、これに限られるものではなく、例えば、他のＭＥＭＳ技術等で用いられる駆動系（静電型駆動方式、電磁駆動方式など）を用いることも好ましい。

図１１（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す磁気センサ２０は、柔構造の梁部２５によりフレーム２６に固定された可動部２７上に硬磁性材料からなる硬磁性体部２８を配置したものであり、また、可動部２７は圧電素子を備えた圧電素子部および梁部２９とも接続されている。さらに、可動部２７は圧電素子印加用配線および電源（図示せず）によって、屈曲させることができ、結果として、硬磁性体部２８を変位させることができる。なお、可動部２７の全部または一部を硬磁性材料からなる磁性体で構成するようにしても良い。

すなわち、基板上３０の検知部９においては、硬磁性体部２８からの磁界強度が周期的に変動することとなるので、実質上ＡＣ磁界中において外来磁界を検知することとなる。よって、実効的な動作周波数をよりノイズ分、特に１／ｆノイズ成分が少ないところで機能させることが実現でき、その結果、より鋭敏な検知を実現することができる。また、測定対象に応じて屈曲の周波数を変化させることにより、測定の感度を高めることもできる。

このような構成とすることにより、可動部２７を大きく振幅させることができ、ノイズ低減の設計パラメータを大きく設定することができる。

図１２（ａ）に上面図、（ｂ）に断面図を示す磁気センサ２０は、柔構造の梁部２５によりフレーム２６に固定された可動部２７上に軟磁性材料からなる軟磁性体部３１および軟磁性体を磁化するためのコイル部３２を配置したものであり、また、可動部２７は圧電素子を備えた圧電素子部および梁部２９とも接続されている。さらに、可動部２７は圧電素子印加用配線および電源（図示せず）によって、屈曲させることができ、結果として、軟磁性体部３１およびコイル部３２を変位させることができる。また、コイル部３２は、ＤＣ電源部（図示せず）に接続されており、コイル部３２に電流を流すことにより軟磁性体部３１を磁化させることができる。なお、可動部２７の全部または一部を軟磁性材料からなる磁性体で構成するようにしても良い。

すなわち、基板上３０の検知部９においては、軟磁性体部３１およびコイル部３２による磁界の磁界強度が周期的に変動することとなるので、実質上ＡＣ磁界中において外来磁界を検知することとなる。よって、実効的な動作周波数をよりノイズ分、特に１／ｆノイズ成分が少ないところで機能させることが実現でき、その結果、より鋭敏な検知を実現することができる。また、測定対象に応じて屈曲の周波数を変化させることにより、測定の感度を高めることもできる。さらに、コイル部３２に流す電流をＤＣからＡＣとすることにより、２重の周期を重畳させることが可能となり、測定対象によってはノイズ分低減が実現可能となる。

このような構成とすることにより、ノイズ低減の設計パラメータをさらに大きく設定することができる。また、複数の周波数でのノイズ低減が可能となる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに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において種々変形実施可能である。

１基板
２シード層
３ＡＦＭ層
４トンネル層
５フリー層
６キャップ層
７非磁性金属層
８磁気抵抗素子群
９，９ａ，９ｂセル（素子配列部、検知部）
１０検知用素子部
１１基準抵抗
１２配線
１３，１４スイッチ部
１６交流磁界印加用コイル部
１７交流磁界印加用電流源
１８圧電素子
１９圧電素子を配置した基板
２０磁気センサ
２１駆動用電圧印加用電極部
２２駆動用電源
２３直流磁界印加用コイル部
２４直流磁界印加用電流源
２５梁部
２６フレーム
２７可動部
２８硬磁性体部
２９圧電素子部および梁部
３０素子部用基板
３１軟磁性体部
３２コイル部

特開平０４−１９２３８５号公報特開平０８−２３３８４１号公報特開２００９−２２２６５０号公報

Claims

磁気抵抗素子を用いた磁気センサであって、
前記磁気抵抗素子を並列または直列に接続して磁気抵抗素子群とし、
該磁気抵抗素群を並列に接続したセルを検知部として備えることを特徴とする磁気センサ。
前記検知部は、前記セルをさらに並列および／または直列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記検知部の近傍に交流磁界印加部を設け、
前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサ。
前記検知部を圧電素子とともに基板に配置し、
前記圧電素子に交流電圧を印加して前記基板を振動させ、前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサ。
前記検知部の近傍に硬磁性材料からなる硬磁性体部を有する可動部を設け、
該可動部の駆動により前記硬磁性体部を変位させ、前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサ。
前記検知部の近傍に軟磁性材料からなる軟磁性体部およびコイル部材を有する可動部を設け、
前記コイル部材へ直流電流を印加して前記軟磁性体部が磁化された状態で前記可動部を駆動させることにより前記軟磁性体部を変位させ、前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサ。