JP2011137811A - 所定の温度係数を有する抵抗器 - Google Patents
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Abstract
【課題】巨大磁気抵抗効果(GMR)素子の温度係数と同じかまたは類似の温度係数を有する抵抗器を形成する材料スタックを提供する。
【解決手段】材料スタック50は、反強磁性層52、第1のピンド層54、非磁性層56、および第2のピンド層58を含む材料スタックとして与えられ、磁界が存在するときと存在しないときで通常同じ電気抵抗を有する。材料スタック50の電気抵抗は、抵抗分圧器またはホイートストンブリッジ装置で使用される、磁気抵抗効果素子と通常同じ温度係数を有する。
【選択図】図2
【解決手段】材料スタック50は、反強磁性層52、第1のピンド層54、非磁性層56、および第2のピンド層58を含む材料スタックとして与えられ、磁界が存在するときと存在しないときで通常同じ電気抵抗を有する。材料スタック50の電気抵抗は、抵抗分圧器またはホイートストンブリッジ装置で使用される、磁気抵抗効果素子と通常同じ温度係数を有する。
【選択図】図2
Description
本発明は、一般に電気抵抗器に関し、特に磁気抵抗効果素子の温度係数に従って選択された所定の温度係数を有する電気抵抗器に関する。
磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果(GMR)素子および異方性磁気抵抗効果(AMR)素子を含むがこれだけには限定されない様々な構成で製造されることが知られている。
図1を参照すると、従来技術のGMR素子10は、反強磁性層12、第1のピンド層14、第1の非磁性層16、第2のピンド層18、第2の非磁性層20および自由層22を含む複数の層を有して形成される。ある従来型GMR素子では、反強磁性層12はPtMnを含み、第1および第2のピンド層14、18はCoFeからなり、第1および第2の非磁性層16、20はIrとRuのうち選択された1つからなり、自由層22はNiFeからなる。しかし、当技術における通常の熟練者なら、GMR素子内に他の層および材料が与えられ得ることを理解するであろう。
磁気抵抗効果素子は、電流に応答する電流センサ、強磁性の対象物、例えば鉄歯車の歯の接近に応答する近接検出器、および外部磁界に応答する磁界センサを含むがこれだけには限定されない様々な用途で使用される。
上記の用途の各々において、1つまたは複数の磁気抵抗効果素子が、簡単な抵抗分圧器内またはホイートストンブリッジ装置内に結合され得る。抵抗分圧器装置またはホイートストンブリッジ装置のどちらにおいても、1つまたは複数の固定抵抗器も、1つまたは複数の磁気抵抗効果素子と共に使用され得る。この抵抗分圧器およびホイートストンブリッジ装置の各々は、1つまたは複数の磁気抵抗効果素子によって経験された磁界に比例する出力電圧信号をもたらす。
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の最大応答軸の方向に、磁界に通常比例して変化する電気抵抗を有する。しかし、この電気抵抗は、磁界だけでなく磁気抵抗効果素子の温度にも比例して変化する。温度の影響は、温度あたりの抵抗という単位の温度係数として特徴づけられ得る。
抵抗分圧器またはホイートストンブリッジ装置で使用されるとき、磁気抵抗効果素子の温度係数が、抵抗分圧器またはホイートストンブリッジの所期の出力電圧信号に悪影響を及ぼし得ることが理解されよう。具体的には、1つまたは複数の磁気抵抗効果素子と共に使用される1つまたは複数の抵抗器が、この1つまたは複数の磁気抵抗効果素子と同じ温度係数を有するのでなければ、抵抗分圧器およびホイートストンブリッジ装置の出力電圧信号は、磁界だけでなく温度の変化にも応答することになる。
電流センサ、近接検出器または磁界センサの開ループ装置は、1つまたは複数の磁界検出素子が回路の外部で生成された磁界にさらされる既知の回路装置である。電流センサ、近接検出器または磁界センサの閉ループ装置は、1つまたは複数の磁界検出素子の近傍に生じる磁界をゼロ近くに保つように、1つまたは複数の磁界検出素子が、外部で生成された磁界およびこの回路によって生成された逆磁界の両方にさらされる既知の回路装置である。閉ループ装置は、開ループ装置に対して、線形性の改善を含むがこれだけには限定されない一定の既知の利点を有する。逆に、開ループ装置は、閉ループ装置に対して、応答時間の改善を含むがこれだけには限定されない一定の既知の利点を有する。
本発明は、巨大磁気抵抗効果(GMR)素子の温度係数と同じかまたは類似の温度係数を有する抵抗器を形成する材料スタックを提供する。
本発明によれば、材料スタックは、反強磁性層、反強磁性層の上に配設された第1のピンド層、このピンド層の上に配設された非磁性層、および非磁性層の上に配設された第2のピンド層を含む。この材料スタックは、磁界が存在するときと存在しないときで通常同じ電気抵抗を有し、この電気抵抗は、磁気抵抗効果素子の温度係数と通常同じ温度係数を有する。
この特定の装置で、材料スタックは、温度変化にさらされたときでさえ、磁気抵抗効果素子のものと通常同じ電気抵抗をもたらす。
本発明の別の態様によれば、前述のように、回路は、巨大磁気抵抗効果素子および材料スタックを含む。特定の実施形態では、回路は、分圧器、ホイートストンブリッジ装置、電流に応答する電流センサ、強磁性の対象物の接近に応答する近接検出器、および回路の外部磁界に応答する磁界センサであり得る。
本発明の別の態様によれば、前述のように、回路は、巨大磁気抵抗効果素子および材料スタックを含む。特定の実施形態では、回路は、分圧器、ホイートストンブリッジ装置、電流に応答する電流センサ、強磁性の対象物の接近に応答する近接検出器、および回路の外部磁界に応答する磁界センサであり得る。
この特定の装置で、回路は、磁界に応答するが温度変化には一般に反応しない出力信号をもたらすことができる。
本発明自体ばかりでなく本発明の上記特徴も、以下の図面の詳細な説明から十分に理解されるであろう。
本発明自体ばかりでなく本発明の上記特徴も、以下の図面の詳細な説明から十分に理解されるであろう。
本発明の抵抗器を説明する前に、いくつかの予備的な概念および用語が説明される。本明細書に用いられる用語「上に配設された」は、上方向または下方向である必要性を示唆するのではなく、相対的な配置に言及するために使用される。例えば、第1の層の上に配設された第2の層と第1の層の組合せという表現は、第2の層が第1の層の上側にある必要性を意味するものではない。上記の組合せを単に裏返すことによって、第2の層が、第1の層の上側か下側の、どちらでもあり得ることが理解されよう。また、用語「上に配設された」は、物理的接触の必要性を示唆するものでもない。例えば、上記の第1と第2の層が接触している必要はない。
図2を参照すると、所定の温度係数を有する例示の抵抗器50が、反強磁性層52、第1のピンド層54、非磁性層56、および第2のピンド層58を含む材料スタックとして与えられる。反強磁性層52はPtMnを含み、第1および第2のピンド層54、58はCoFeからなり、非磁性層56はIrおよびRuのうち選択された1つを含む。抵抗器50が、図1の磁気抵抗効果素子10の層のほとんどを有することが理解されよう。しかし、抵抗器50には、図1の第2の非磁性層20および自由層22がない。したがって、抵抗器50は磁界に応答しない。しかし、抵抗器50は、図1の磁気抵抗効果素子10など磁気抵抗効果素子の温度係数と同じかまたは類似の温度係数を有する。代替実施形態では、第2のピンド層58上に非磁性層(図示せず)が設けられる。
抵抗器50が磁気抵抗効果素子10と同じ幅および奥行き寸法を有するのであれば、抵抗器50は、磁気抵抗効果素子10の温度係数と通常同じ温度係数を有する一方で、任意の特定の温度で磁気抵抗効果素子10の公称低抗値と異なる公称低抗値を有することがあり得る。しかし、他の実施形態では、磁気抵抗効果素子の公称低抗値と通常同じ公称低抗値を実現するために、抵抗器50は、やはり磁気抵抗効果素子10の温度係数と通常同じ温度係数を保つ一方で、幅および深さは、磁気抵抗効果素子10の幅および深さと異なって作成され得ることを理解されたい。しかし、他の実施形態では、抵抗器50の幅および深さは、生産能力内の任意の寸法を有するように作成され得て、任意の所望の抵抗を実現する。
特定の材料から形成された特定の層を有する特定の材料スタック50が説明されてきたが、図1のGMR素子10以外の他のGMR構造体と適合するために、材料スタック50によって設けられたのとほとんど同じ方法で、単にGMR構造体から関連した自由層および関連した非磁性層を除去することにより、他の材料スタックが設けられ得ることを理解されたい。
他の実施形態では、非磁性層56は、各々が同じかまたは異なる材料から形成された複数の非磁性層で構成され得ることを理解されたい。したがって、本明細書で使用される用語「非磁性層」は、単一の非磁性層と複数の非磁性層のどちらにも言及するように使用されるものである。
別の実施形態では、第2の非磁性層(図示せず)は、第2のピンド層58に隣接して設けられ得る。この第2の非磁性層は、図1の第2の非磁性層20と同じかまたは類似のものであり得る。この場合、単にGMR構造体から関連する自由層を除去することにより、図1のGMR素子10以外の他の材料スタックが与えられ得て、他のGMR構造体と適合され得ることを理解されたい。
他の実施形態では、1つまたは複数の他の層(図示せず)が、層52〜層58の間に挿入され得る。
次に図3を参照すると、分圧器回路70は、抵抗器72および磁気抵抗効果素子74を含む。抵抗器72は、例えば図2の抵抗器50として示された材料スタックとして与えられる。
次に図3を参照すると、分圧器回路70は、抵抗器72および磁気抵抗効果素子74を含む。抵抗器72は、例えば図2の抵抗器50として示された材料スタックとして与えられる。
抵抗器72が磁気抵抗効果素子74と同じ温度係数を有するので、抵抗分圧器70の出力電圧Voutは、一般に温度に応答しない。しかし、出力電圧Voutは、磁気抵抗効果素子74の近傍の磁界には応答する。
次に図4を参照すると、ホイートストンブリッジ回路100は、第1の抵抗器102、第2の抵抗器104、第1の磁気抵抗効果素子106および第2の磁気抵抗効果素子108を含む。第1および第2の抵抗器102、104は、例えば図2の抵抗器50として示されたような、それぞれの材料スタックとして各々与えられる。
抵抗器102、104が磁気抵抗効果素子106、108と同じ温度係数を有するので、ホイートストンブリッジ回路100のVout+とVout−の間の出力電圧差は、一般に温度に応答しない。しかし、この出力電圧差は、磁気抵抗効果素子106、108が置かれる磁界には応答する。
次に図5を参照すると、閉ループ電流センサ形式の電子回路150が示されている。電流センサ150は、第1の磁気抵抗効果素子152、第2の磁気抵抗効果素子155、第1の抵抗器168、および第2の抵抗器165を含む。抵抗器168、165は、図2の抵抗器50に従って材料スタックとして各々製作される。磁気抵抗効果素子152、155、抵抗器168、165は、シリコン基板154の表面154aの上に配設される。2次側導体164も、シリコン基板154の表面154aの上で磁気抵抗効果素子152、155の最も近くに配設される。さらなる1次側導体158は、図示のように、誘電体156によってシリコン基板154から絶縁される。
作動中、1次側導体158を通って1次電流160が流れ、それによって、1次側磁界162を生成する。2次側導体164を通って2次電流166が流れ、それによって、導体部分164aに2次側磁界165を生成する。1次電流160が1次側導体158を通るのと反対方向に、2次電流166が2次側導体部分164aを通るので、2次側磁界165は1次側磁界162と反対方向である。
ここではシリコン基板154に一体化された第1の電圧源174は、第1の抵抗器168および第1の磁気抵抗効果素子152を通る電流を供給し、したがって、第1の磁気抵抗効果素子152によって経験された磁界に関連する大きさを有する電圧をノード170に生成する。同様に、ここではシリコン基板154に一体化された第2の電圧源159も、第2の磁気抵抗効果素子155および第2の抵抗器165を通る電流を供給し、したがって、第2の磁気抵抗効果素子155によって経験された磁界に関連する大きさを有する電圧をノード171に生成する。特定の一実施形態では、第1の電圧源174および第2の電圧源159は同じ電圧を供給し、単一の電圧源によって与えられる。ノード170、171に結合された増幅器172は、ノード170と171の間の電圧差に応じて2次側導体164に2次電流166を供給する。
第1の磁気抵抗効果素子152は応答軸153を有し、第2の磁気抵抗効果素子155は応答軸157を有する。磁気抵抗効果素子152、155は、同じ方向に分極される。2次電流166は、第1および第2の磁気抵抗効果素子152、155の側を同じ方向に通る。したがって、2次側磁界165にさらされたとき、ノード170の電圧とノード171の電圧は、磁界に応じて反対方向に動く。
図示の特定の装置では、ノード170が増幅器172の反転入力に結合され、ノード171が増幅器172の非反転入力に結合される。増幅器172は、ノード170と171の間の電圧差に比例した2次電流166を生成する。ノード171の電圧は、1次側磁界162に応じて増加する傾向があり、ノード170の電圧は、減少する傾向がある。しかし、前述のように、2次側磁界165は、1次側磁界162に対抗する傾向がある。
第1の磁気抵抗効果素子152によって経験される磁界は、2次側磁界165と1次側磁界162の、応答軸153に沿った和である。同様に、第2の磁気抵抗効果素子155によって経験される磁界は、2次側磁界165と1次側磁界162の、応答軸157に沿った和である。2次側磁界165が1次側磁界162と反対方向であるため、2次側磁界165が1次側磁界162を打ち消す傾向がある。
増幅器172は、第1および第2の磁気抵抗効果素子152、155によって経験される合計の磁界が実質的にゼロガウスであるように、応答軸153、157に沿った1次側磁界162を打ち消すのに十分な2次側磁界165を生成するために必要なレベルで2次電流166を供給する。
2次電流166は、抵抗器176を通り、それによって、出力端子178と180の間に2次電流166に比例した出力電圧Voutを生成する。この装置で、出力電圧Voutは、必要に応じて、2次側磁界165に比例し、したがって1次電流160に比例する。
抵抗器176が温度係数を持った抵抗を有することが理解されよう。当技術の通常の熟練者は、この温度係数の影響を低減させるために使用され得る技術を理解するであろう。例えば、この影響を低減させるために、適切に適合されたフィードバック補償回路網を有するオペアンプ回路が使用され得る。
2つの磁気抵抗効果素子152、155、および2つの抵抗器168、165は、例えば図4に示されたようなホイートストンブリッジ回路をもたらす。抵抗器168、165が図2の抵抗器50に従って材料スタックとして与えられ、磁気抵抗効果素子152、155の温度係数と実質的に同じ温度係数を有するので、ノード170と171の間の電圧差は、実質的に温度変化に影響されず、したがって、出力電圧Voutは、同様に影響されないはずであるということを理解されたい。
閉ループ電流センサ150は、2つの磁気抵抗効果素子152、155および2つの抵抗器168、125を有するが、代替の閉ループ電流センサは、2つを上回るかまたは2つ未満の磁気抵抗効果素子および2つを上回るかまたは2つ未満の抵抗器を与えられ得ることが、当技術の通常の熟練者には理解されよう。
シリコン基板154が示されているが、SiGe、GaAsまたはInGaAsを含むがこれらには限定されない他の基板材料が、本発明から逸脱することなく、シリコン基板154の代りに使用され得ることも明白であろう。また、代替実施形態では、シリコン基板154は、Al2O3を含むがこれには限定されないセラミック材料で構成された別の基板(図示せず)と取り替えられ得る。この特定の実施形態では、図2の抵抗器50に従って材料スタックとして形成された磁気抵抗効果素子および抵抗器が、セラミック基板上で製作され得る。増幅器171に類似の回路が、例えばシリコン基板上に、例えば個別の基板(図示せず)上に形成され得て、これはセラミック基板にワイヤボンディングなどで結合され得る。
次に図6を参照すると、磁界センサ形式の電子回路200は、シリコン基板204、第1および第2の磁気抵抗効果素子202、205、ならびに第1および第2の抵抗器218、215を含み、シリコン基板204の表面204aの上に配設される。導体214も、シリコン基板204の表面204aの上で磁気抵抗効果素子の最も近くに配設される。第1および第2の抵抗器218、215は、図2の材料スタック50に従って材料スタックとして設けられる。磁界センサ200は、外部磁界240を検出し、かつ、磁界240に比例した出力信号Voutを供給するように適合される。
作動中、導体214の第1の部分214aを通って電流216が流れ、それによって、磁界217を生成する。磁界217は、外部磁界240に対して反対方向である。したがって、磁界217は、外部磁界240を打ち消す傾向がある。
ここではシリコン基板204に一体化された第1の電圧源224は、第1の抵抗器218および第1の磁気抵抗効果素子202を通る電流を供給し、したがって、第1の磁気抵抗効果素子202によって経験された磁界に関連する大きさを有する電圧をノード220に生成する。同様に、ここではシリコン基板204に一体化された第2の電圧源209も、第2の磁気抵抗効果素子205および第2の抵抗器215を通る電流を供給し、したがって、第2の磁気抵抗効果素子205によって経験された磁界に関連する大きさを有する電圧をノード221に生成する。一実施形態では、第1の電圧源224および第2の電圧源209は同じ電圧を供給し、単一の電圧源によって与えられる。増幅器221は、ノード220と221の間の電圧差に応じて2次側導体214に2次電流216を供給する。
第1の磁気抵抗効果素子202は応答軸203を有し、第2の磁気抵抗効果素子205は応答軸207を有する。第1および第2の磁気抵抗効果素子202、205は、同じ方向に分極される。電流216は、第1および第2の磁気抵抗効果素子202、205のそばを同じ方向に通る。したがって、磁界217にさらされたとき、ノード220の電圧がある電圧方向に動き、ノード221の電圧がもう一方の電圧方向に動く。
図示の特定の装置では、ノード220が増幅器222の反転入力に結合され、ノード221が増幅器222の非反転入力に結合される。外部磁界240に応じて、ノード221の電圧は増加する傾向があり、一方、ノード220の電圧は減少する傾向がある。しかし、前述のように、磁界217は、外部磁界240に対抗する傾向がある。
応答軸203、207が外部磁界240と整合され、かつ磁界217とも整合されるように、第1および第2の磁気抵抗効果素子202、205が配向される。第1および第2の磁気抵抗効果素子202、205によって経験される磁界は、それぞれ、磁界217と外部磁界240の、応答軸203、207に沿った和である。磁界217が、応答軸203、207に沿って外部磁界240と反対方向であるため、磁界217が外部磁界240を打ち消す傾向がある。増幅器221は、ノード220と221の間の電圧差に比例した電流216を生成する。したがって、増幅器222は、磁気抵抗効果素子202、205の各々によって経験される合計の磁界が実質的にゼロガウスであるように、応答軸203、207に沿った外部磁界240を打ち消すのに十分な磁界217を生成するために必要なレベルで電流216を供給する。
電流216は、抵抗器226を通り、それによって、出力端子228と230の間に電流216に比例した出力電圧Voutを生成する。この装置で、出力電圧Voutは、必要に応じて、外部磁界240を打ち消すのに必要な磁界217に比例し、したがって外部磁界240に比例する。
2つの磁気抵抗効果素子202、205、および2つの抵抗器218、215は、例えば図4に示されたようなホイートストンブリッジ回路をもたらす。抵抗器218、215が図2の抵抗器50に従って材料スタックとして与えられ、磁気抵抗効果素子202、205の温度係数と実質的に同じ温度係数を有するので、ノード220と221の間の電圧差は、実質的に温度変化に影響されず、したがって、出力電圧Voutは同様に影響されないはずであるということを理解されたい。
閉ループ磁界センサ200は、2つの磁気抵抗効果素子202、205および2つの抵抗器218、215を有して示されているが、代替装置では、閉ループ磁界センサが、2つを上回るかまたは2つ未満の磁気抵抗効果素子および2つを上回るかまたは2つ未満の抵抗器を有し得ることを理解されたい。
シリコン基板204が示されているが、SiGe、GaAsまたはInGaAsを含むがこれらには限定されない他の基板材料が、本発明から逸脱することなく、シリコン基板204の代りに使用され得ることも明白であろう。また、代替実施形態では、シリコン基板204は、Al2O3を含むがこれには限定されないセラミック材料で構成された別の基板(図示せず)と取り替えられ得る。この特定の実施形態では、図2の抵抗器50に従って材料スタックとして形成された磁気抵抗効果素子および抵抗器が、セラミック基板上で製作され得る。増幅器222に類似の回路が、例えばシリコン基板上に、例えば個別の基板(図示せず)上に形成され得て、これはセラミック基板にワイヤボンディングなどで結合され得る。
図5に閉ループ電流センサ150が示され、図6には閉ループ磁界センサ200が示されており、図2の材料スタック50に従って材料スタックとして形成された抵抗を有する開ループ装置が提供され得ることが理解されよう。その上、閉ループか開ループのどちらでも、例えば鉄歯車の歯によって生成された外部磁界に応答する近接検出器もまた、図2の材料スタック50に従って材料スタックとして形成された抵抗を有して提供され得る。
本明細書に引用された参照はすべて、それら全体の参照によって本明細書に合体される。
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、それらの概念を合体する他の実施形態が使用され得ることが、当技術の通常の熟練者には今や明白になるであろう。したがって、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであるということが悟られる。
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、それらの概念を合体する他の実施形態が使用され得ることが、当技術の通常の熟練者には今や明白になるであろう。したがって、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであるということが悟られる。
Claims (12)
- 反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に配設された第1のピンド層と、
前記ピンド層の上に配設された非磁性層と、
前記非磁性層の上に配設された第2のピンド層とを備える材料スタックであって、
前記材料スタックは、磁界が存在するときと存在しないときで同じ電気抵抗を有し、前記電気抵抗が、磁気抵抗効果素子の温度係数と同じ温度係数を有し、前記材料スタックは自由層を含まない、
前記磁気抵抗効果素子は、別の反強磁性層と、別の第1のピンド層と、別の非磁性層と、別の第2のピンド層とを備え、前記材料スタックは前記磁気抵抗効果素子に結合される、
材料スタック。 - 前記材料スタックの前記電気抵抗も、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗と同じ抵抗を有する、請求項1に記載の材料スタック。
- 前記反強磁性層はPtMnを含み、前記第1および第2のピンド層がCoFeからなり、前記非磁性層がIrまたはRuのうち選択された1つを含む、請求項1に記載の材料スタック。
- 磁気抵抗効果素子と、
反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に配設された第1のピンド層と、
前記ピンド層の上に配設された非磁性層と、
前記非磁性層の上に配設された第2のピンド層と、
を備える前記磁気抵抗効果素子に結合された材料スタックと、
を備え、前記材料スタックは、磁界が存在するときと存在しないときで同じ電気抵抗を有し、前記電気抵抗は、磁気抵抗効果素子の温度係数と同じ温度係数を有し、前記材料スタックは自由層を含まない、
前記磁気抵抗効果素子は、別の反強磁性層と、別の第1のピンド層と、別の非磁性層と、別の第2のピンド層とを備えている、
回路。 - 前記材料スタックの前記電気抵抗も、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗と同じ抵抗を有する請求項4に記載の回路。
- 前記反強磁性層はPtMnを含み、前記第1および第2のピンド層はCoFeからなり、前記非磁性層はIrまたはRuのうち選択された1つを含む、請求項4に記載の回路。
- 前記回路は、分圧器およびホイートストンブリッジのうち選択された1つを与える、請求項4に記載の回路。
- 前記回路は、電流センサ、近接検出器または磁界センサのうち選択された1つに供給され、前記電流センサが電流に応答し、前記近接検出器が強磁性物の接近に応答し、前記磁界センサが前記磁界センサの外部磁界に応答する、請求項4に記載の回路。
- 前記回路は、電流に応答する電流センサに供給される、請求項4に記載の回路。
- 前記回路は、外部磁界に応答する磁界センサに供給される、請求項4に記載の回路。
- 前記回路は、強磁性物の接近に応答する近接検出器に供給される、請求項4に記載の回路。
- 前記磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果(GMR)素子として与えられる、請求項4に記載の回路。
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