JP2012127788A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来よりも少ないチップ数で複数軸の外部磁界検知を可能とする磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する複数の磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３と、各磁気抵抗効果素子と絶縁層４を介して非接触の位置に設けられた軟磁性体３とを有し、平面視にて前記軟磁性体３のＸ１−Ｘ２の両側に夫々、固定磁性層の固定磁化方向Ｐ１が、Ｘ１−Ｘ２方向に向けられた磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３が配置されており、磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ３と磁気抵抗効果素子Ｓ２とで固定磁化方向Ｐ１が互いに逆方向にされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子と軟磁性体とを備える磁気センサに関する。

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。

例えば特許文献１に示すように、磁気抵抗効果素子と軟磁性体とを備えた磁気センサでは、軟磁性体を設けたことで、感度軸方向からの検出磁界に対する検出精度を向上させ、感度軸方向に対して直交する外乱磁場に対する磁気シールド効果を向上させることができるとしている（［００６２］欄）。

しかしながら、特許文献１の図１に示すように、Ｘ磁場検知部、Ｙ磁場検知部、及びＺ磁場検知部の３つのチップを設けなければならず、磁気センサの小型化を効果的に促進できない。

また特許文献２には、垂直磁界の検知を可能とする磁気センサの構造が開示されているが、水平磁界の検知構造については何も記載されていない。

ＷＯ２０１０／０１０８７２ 特開２００３−１４９３１２号公報

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、従来よりも少ないチップ数で複数軸の外部磁界検知を可能とする磁気センサを提供することを目的とする。

本発明における磁気センサは、
磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する複数の磁気抵抗効果素子と、各磁気抵抗効果素子と絶縁層を介して非接触の位置に設けられた軟磁性体とを有し、
平面視にて前記軟磁性体の第１の水平方向の両側に夫々、固定磁性層の固定磁化方向が、前記第１の水平方向に向けられた前記磁気抵抗効果素子が配置されており、前記軟磁性体の両側に配置された前記磁気抵抗効果素子同士、あるいは、前記軟磁性体の同じ側面側に配置された前記磁気抵抗効果素子同士で、前記固定磁化方向が互いに逆方向にされていることを特徴とするものである。

これにより少なくとも第１の水平方向からの外部磁界を検知できるとともに、外乱磁場耐性を強化できる。そして、このチップ構成を用いれば、従来よりも少ないチップ数で複数軸の外部磁界検知を可能とする。具体的には１チップか２チップの構成で、３軸検知が可能な磁気センサを構成することが可能になる。

本発明では、前記軟磁性体の同じ側面側に配置され、且つ前記固定磁化方向が互いに逆方向の第１の磁気抵抗効果素子及び第２の磁気抵抗効果素子と、前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子と反対側の前記軟磁性体の側面側に配置され、前記第１の磁気抵抗効果素子と同じ固定磁化方向を備える第３の磁気抵抗効果素子とを有し、
前記第２の磁気抵抗効果素子と前記第３の磁気抵抗効果素子とにより、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能な第１のブリッジ回路が構成され、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第３の磁気抵抗効果素子とにより、前記軟磁性体の膜厚方向からの垂直磁界を検知可能な第２のブリッジ回路が構成されることが好ましい。このように本発明では、１チップで、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能な第１のブリッジ回路と、垂直磁界を検知可能な第２のブリッジ回路とを構成できる。

また本発明では、前記軟磁性体、前記第１の磁気抵抗効果素子、前記第２の磁気抵抗効果素子及び前記第３の磁気抵抗効果素子を有するチップを２つ用意し、一方の前記チップを９０度回転させて各磁気抵抗効果素子の固定磁化方向を前記第１の水平方向に直交する第２の水平方向に向けて、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能な前記第１のブリッジ回路と、垂直磁界を検知可能な前記第２のブリッジ回路とともに、前記第２の水平方向からの水平磁界を検知可能な第３のブリッジ回路が構成されることが好ましい。これにより、簡単な構成で且つ２チップにて、第１の水平方向からの水平磁界を検知可能な第１のブリッジ回路、垂直磁界を検知可能な第２のブリッジ回路、第２の水平方向からの水平磁界を検知可能な第３のブリッジ回路を構成できる。

あるいは本発明では、１チップ内に、
第１の軟磁性体の前記第１の水平方向における両側に配置された各磁気抵抗効果素子の固定磁性層が互いに逆方向に固定磁化されて、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能なブリッジ回路が構成され、
前記第１の軟磁性体とは別の第２の軟磁性体が設けられ、平面視にて前記第２の軟磁性体の第１の水平方向に対して直交する第２の水平方向の両側に前記固定磁性層の固定磁化方向が、前記第２の水平方向に向けられた前記磁気抵抗効果素子が配置されており、前記第２の軟磁性体における前記第２の水平方向の両側に配置された各磁気抵抗効果素子の固定磁性層が互いに逆方向に固定磁化されて、前記第２の水平方向からの水平磁界を検知可能なブリッジ回路が構成され、
前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体とは別の第３の軟磁性体が設けられ、平面視にて前記第３の軟磁性体の両側に前記固定磁性層が同じ方向に固定磁化された各磁気抵抗効果素子が配置されて、前記第３の軟磁性体の膜厚方向からの垂直磁界を検知可能なブリッジ回路が構成されている形態にも出来る。

本発明では、前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、
前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であることが好ましい。セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層を構成する第１磁性層と第２磁性層とを反平行に磁化固定できる。したがって、同じチップ内に固定磁化方向が異なる各磁気抵抗効果素子を適切に形成することが可能になる。

本発明の磁気センサによれば、従来よりも少ないチップ数で複数軸の外部磁界検知を可能とする。

図１（ａ）は第１実施形態における磁気センサの基本構成を示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分縦断面図、図１（ｃ）は、磁気センサの回路構成図である。 図２は、本実施形態における磁気センサの全体を示す平面図である。 図３は第２実施形態における磁気センサの平面図である。 図４は各磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。 図５は図４に示す素子部をＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大縦断面図である。

図１（ａ）は第１実施形態における磁気センサの基本構成を示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分縦断面図、図１（ｃ）は、磁気センサの回路構成図である。なお図１（ｂ）では、本来、絶縁層４に隠れて見えない磁気抵抗効果素子Ｓ１を透視して図示している。図２は、本実施形態における磁気センサの全体を示す平面図、図３は第２実施形態における磁気センサの平面図である。図４は各磁気抵抗効果素子の拡大平面図、図５は図４に示す素子部をＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大縦断面図である。

図１に示す本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサ１は、複数軸の磁界検知に用いられ、特に用途を限定するものでないが、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして構成される。

各図に示すＸ軸方向、及びＹ軸方向は水平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ軸方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。Ｘ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向のどちらか一方が「第１の水平方向」、他方が「第２の水平方向」であるが、この実施形態ではＸ１−Ｘ２方向を「第１の水平方向」とし、Ｙ１−Ｙ２方向を「第２の水平方向」として説明する。

磁気センサ１は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、基板２上に形成された複数の磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３と、軟磁性体３とを有して構成される。

図１（ｂ）に示すようにシリコン等で形成された基板２上に図示しない絶縁層を介して各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３が形成される。

図４に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ（ＧＭＲ素子）は、Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けてＹ１−Ｙ２方向に延出して形成された複数の素子部１０と、各素子部１０間を接続する導電性の接続部１３とを有して構成される。図４に示すように磁気抵抗効果素子Ｓはミアンダ形状で形成されている。導電性の接続部１３は永久磁石層（ハードバイアス層）とすることができる。あるいは図４では図示しない永久磁石層を配置することも可能である。図４に示す磁気抵抗効果素子Ｓの構成は一例であって、素子部１０、永久磁石層、及び接続部の配置を限定するものでない。

図５に示すように素子部１０は、例えば下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて成膜される。第１素子部９を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

図５に示す実施形態では、固定磁性層６１は第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂと、第１磁性層６１ａ及び第２磁性層６１ｂ間に介在する非磁性中間層６１ｃとの積層フェリ構造である。各磁性層６１ａ，６１ｂ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。非磁性中間層６１ｃはＲｕ等である。非磁性層６２はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成される。本実施形態では、磁気抵抗効果素子ＳをＴＭＲ素子とすることも可能であり、かかる場合、非磁性層６２は絶縁層である。フリー磁性層６３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６４はＴａ（タンタル）などである。

本実施形態では固定磁性層６１を積層フェリ構造として、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め構造である。ただし、反強磁性層を固定磁性層に接して形成し、磁場中熱処理によって反強磁性層と固定磁性層との間に交換結合磁界Ｈｅｘを生じさせて、固定磁性層を所定の方向に磁化固定する構造であってもよい。例えば図６に示すセルフピン止め構造では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層６１を構成する各磁性層６１ａ，６１ｂを磁化固定している。なお、各磁性層６１ａ，６１ｂの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。

この実施形態では、第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ１；感度軸方向）がＸ１方向である。この固定磁化方向（Ｐ１）が固定磁性層６１の固定磁化方向である。

なお後述するように、本実施形態では全ての磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁化方向Ｐ１を同じ向きにせず一部を１８０度反転させており（図１（ａ））、このような構成は上記したセルフピン止め構造により効果的に得ることが可能である。しかしながら反強磁性層を用いた構成であっても、例えば、一方の磁気抵抗効果素子Ｓを反強磁性層／固定磁性層［第１の磁性層／非磁性中間層／第２の磁性層］の積層構造とし、他方の磁気抵抗効果素子Ｓを反強磁性層／固定磁性層［第１の磁性層／非磁性中間層／第２の磁性層／非磁性中間層／第３の磁性層］として、これら磁気抵抗効果素子Ｓに対して同じ磁場中熱処理を施すことで、一方の磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁化方向を規定する第２の磁性層の固定磁化方向Ｐ１と、他方の磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁化方向を規定する第３の磁性層の固定磁化方向Ｐ１とを逆向きにすることができる。

図１（ｂ）に示すように、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３上から基板２上にかけて絶縁層４が形成されている。絶縁層４の上面４ａはＣＭＰ技術等を用いて平坦化面に形成されている。

図１（ｂ）に示すように、絶縁層４の上面４ａには、軟磁性体３が形成されている。図１（ａ）に示すように、軟磁性体３は、Ｘ１−Ｘ２の幅寸法よりもＹ１−Ｙ２に沿って長く延出した形状で形成される。また、図１（ｂ）に示すように、軟磁性体３のＸ１−Ｘ２における幅寸法Ｔ１に比べて膜厚Ｔ２のほうが大きく形成されている。Ｔ２／Ｔ１は、１．５〜４程度である。

図１（ｂ）に示す各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３と軟磁性体３との間には、絶縁層４が介在するため、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３と軟磁性体３とは非接触である。なお図１（ａ）（図２、図３も同様）では絶縁層４を図示せず、軟磁性体３と各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３との位置関係を示している。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２は、共に軟磁性体３のＸ１側面３ａ側に配置されている。第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２との間にはＹ１−Ｙ２方向に所定の間隔が設けられている。図１（ｂ）に示すように各磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ２は、軟磁性体３のＸ１側面３ａからやや軟磁性体３の真下に入り込んでいるが、各磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ２のＸ２側面と軟磁性体３のＸ１側面３ａとがＺ１−Ｚ２方向で一致していてもよいし、あるいは、各磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ２のＸ２側面が、軟磁性体３のＸ１側面３ａよりもややＸ１側に離れて位置してもよい。

図１（ａ）に示す第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２に示される矢印Ｐ１は、図５で説明した固定磁性層６１の固定磁化方向（第２磁性層６１ｂの固定磁化方向；感度軸方向）を指す。図１（ａ）に示すように第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２の固定磁化方向Ｐ１は逆方向になっている。

一方、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３は、軟磁性体３のＸ２側面３ｂ側に配置されている。第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３のＹ１−Ｙ２方向における位置は、第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２との間のＹ１−Ｙ２方向の間隔内となっているが、これに限定されるものでない。ただし、図１（ａ）に示すように第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の配置を第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２の双方に対してＹ１−Ｙ２方向にずらした位置とすることで、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３における配線パターンの引き回しスペース等を適切に確保でき好適である。

図１（ｂ）に示すように第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３は、軟磁性体３のＸ２側面３ｂよりもやや軟磁性体３の真下に入り込んでいるが、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３のＸ１側面と軟磁性体３のＸ２側面３ｂとがＺ１−Ｚ２方向で一致していてもよいし、あるいは、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３のＸ１側面が、軟磁性体３のＸ２側面３ｂよりもややＸ２側に離れて位置してもよい。

後述する垂直磁界Ｈ３が軟磁性体３内を通り抜けて下面から漏れ出したときに水平磁界成分Ｈ４，Ｈ５が適切に各磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ３に入り込むように、軟磁性体３に対する各磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ３の位置が決められる。

図１（ａ）に示すように、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３における固定磁性層の固定磁化方向Ｐ１は第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と同じ方向となっている。

図１（ａ）では、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３が夫々、１個ずつ配置されているが、例えば軟磁性体３に対し、第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１を２個、第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２を２個、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３を４個、配置する。

そして図１（ｃ）のように、２個の第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２と２個の第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３とで第１のブリッジ回路１１を構成し、２個の第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と２個の第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３とで第２のブリッジ回路１２を構成する。

図１（ｃ）に示す第１のブリッジ回路１１は、図１（ａ）に示すＸ１−Ｘ２方向からの水平磁界Ｈ１を検知するためのものである。無磁場状態では、図５に示すフリー磁性層６３はＹ１−Ｙ２方向に向いている。フリー磁性層６３の磁化制御は永久磁石層によるバイアス磁界や形状異方性等で行なうことが可能である。

水平磁界Ｈ１が作用するとフリー磁性層６３の磁化方向が水平磁界Ｈ１の方向に変動する。図１（ａ）に示すように水平磁界Ｈ１はＸ１方向に向けて作用するので、第１のブリッジ回路１１を構成する第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の各フリー磁性層６３の磁化方向もＸ１方向を向く。このとき第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２の固定磁化方向Ｐ１はＸ２方向であるため、第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２の電気抵抗値は無磁場状態から大きくなり、一方、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の固定磁化方向Ｐ１はＸ１方向であるため、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の電気抵抗値は無磁場状態から小さくなる。これにより出力端子Ｖ１，Ｖ２の中点電位が変動して出力を得ることが出来る。

Ｘ１−Ｘ２方向の水平磁界Ｈ１に対して水平面内にて直交するＹ１−Ｙ２方向からの水平磁界Ｈ２に対して軟磁性体３が磁気シールド効果を発揮し、水平磁界Ｈ２が各磁気抵抗効果素子Ｓ２，Ｓ３に流入する磁界を減衰させることができる。また水平磁界Ｈ２が作用しても各磁気抵抗効果素子Ｓ２，Ｓ３の電気抵抗値は全て同じ値になるために、図１（ｃ）に示す第１のブリッジ回路１１にて出力変動が生じない。また図１（ｂ）に示すようにＺ１−Ｚ２方向からの垂直磁界Ｈ３が作用したとき、軟磁性体３のＸ１側面３ａ側に位置する第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２には、Ｘ１方向への水平磁界成分Ｈ４が作用し、軟磁性体３のＸ２側面３ｂ側に位置する第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３には、Ｘ２方向への水平磁界成分Ｈ５が作用する。

このため、第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の各固定磁化方向Ｐ１と、各フリー磁性層の磁化方向とが共に反平行になるため電気抵抗値は無磁場状態から大きくなるが、第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２と第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３とは同じ電気抵抗値となるため、図１（ｃ）に示す第１のブリッジ回路１１にて出力変動が生じない。

よって第１のブリッジ回路１１では、Ｘ１−Ｘ２方向からの水平磁界（成分）Ｈ１を検知するが、それ以外の方向からの外部磁界成分は検知せず、よって第１のブリッジ回路１１に対する外乱磁場耐性を強化できる。

また、図１（ｃ）に示す第２のブリッジ回路１２は、図１（ｂ）に示す垂直磁界Ｈ３を検知するためのものである。垂直磁界Ｈ３は、軟磁性体３の上面から下面方向に誘導されると、軟磁性体３の下面から漏れ出たときに一部が、Ｘ１方向への水平磁界成分Ｈ４とＸ２方向への水平磁界成分Ｈ５とに変換される。

図１（ｂ）に示すように、軟磁性体３のＸ１側面３ａ側に配置された第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１にはＸ１方向への水平磁界成分Ｈ４が作用し、軟磁性体３のＸ２側面３ｂ側に配置された第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３にはＸ２方向への水平磁界成分Ｈ５が作用する。第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１の固定磁化方向Ｐ１はＸ１方向であるため、Ｘ１方向への水平磁界成分Ｈ４を受けることで、第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１の電気抵抗値は無磁場状態から小さくなる。一方、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の固定磁化方向Ｐ１もＸ１方向であるが、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３にはＸ２方向への水平磁界成分Ｈ５が作用することで、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３の電気抵抗値は無磁場状態から大きくなる。これにより出力端子Ｖ３，Ｖ４の中点電位が変動して出力を得ることが出来る。

また、Ｘ１方向への水平磁界Ｈ１が作用したとき、第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３は、共に同じ電気抵抗値になるから、図１（ｃ）に示す第２のブリッジ回路１２にて出力変動が生じない。同様に、Ｙ１方向への水平磁界Ｈ２が作用したとき、第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３は、共に同じ電気抵抗値になるから、図１（ｃ）に示す第２のブリッジ回路１２にて出力変動が生じない。

よって第２のブリッジ回路１２では、垂直磁界（成分）Ｈ３を検知するが、それ以外の方向からの外部磁界成分は検知せず、よって第２のブリッジ回路１２に対する外乱磁場耐性を強化できる。

図２は、図１（ａ）に示した磁気センサ１の基本構成をもとにして２チップ１５，１６でＸ１−Ｘ２方向の水平磁界Ｈ１を検知する第１のブリッジ回路１１、垂直磁界Ｈ３を検知する第２のブリッジ回路１２のみならず、Ｙ１−Ｙ２方向の水平磁界Ｈ２を検知する第３のブリッジ回路を構成することができ、これにより３軸検知が可能な磁気センサにできる。

図２に示すように第１のチップ１５には、Ｙ１−Ｙ２方向に長く延びる軟磁性体３と、軟磁性体３のＸ１−Ｘ２方向の両側に配置された各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３とを有して構成される。図２に示すように第１のチップ１５には第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１が１個、第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２が２個、第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３が３個、配置されている。各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３の膜構成や軟磁性体３に対する形成位置は図１、図４、図５で示した通りである。

図２に示す第１のチップ１５と同じ構成の第２のチップ１６をもう一つ形成し、第２のチップ１６は第１のチップ１５に対して９０度回転させた状態で配置する。これにより第２のチップ１６に配置された各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３の固定磁化方向Ｐ１（感度軸方向）はＹ１−Ｙ２方向を向く。

図２に示す第１のチップ１５に設けられた２個の第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２と２個の第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３とでＸ１−Ｘ２方向の水平磁界を検知可能な第１のブリッジ回路１１を構成し、図２に示す第２のチップ１６に設けられた２個の第２の磁気抵抗効果素子Ｓ２と２個の第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３とで、Ｙ１−Ｙ２方向の水平磁界を検知可能な第３のブリッジ回路を構成し、第１のチップ１５にて残った第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３、及び第２のチップ１６にて残った第１の磁気抵抗効果素子Ｓ１と第３の磁気抵抗効果素子Ｓ３にて垂直磁界を検知可能な第２のブリッジ回路１２を構成することが出来る。

図３に示すように１チップ１７で３軸検知が可能な磁気センサを構成することもできる。

図３では、Ｙ１−Ｙ２方向に長く延びる第１の軟磁性体１８におけるＸ１−Ｘ２方向の両側に夫々、２個ずつ磁気抵抗効果素子Ｓ４〜Ｓ７が配置されている。磁気抵抗効果素子Ｓ４〜Ｓ７に示す太い矢印は固定磁化方向（感度軸方向）Ｐ１を示し、細い矢印は永久磁石層からのバイアス方向ＨＢを示している。固定磁化方向Ｐ１はＸ１−Ｘ２方向であり、バイアス方向ＨＢはＹ１−Ｙ２方向である。

図３に示すように、第１の軟磁性体１８のＸ１面側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓ４と磁気抵抗効果素子Ｓ６とは固定磁化方向Ｐ１が同じであるが、バイアス方向ＨＢが反対方向となっている。また、第１の軟磁性体１８のＸ２側面側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓ５と磁気抵抗効果素子Ｓ７とは固定磁化方向Ｐ１が同じで且つ、磁気抵抗効果素子Ｓ４，Ｓ６とは反対方向となっている。また磁気抵抗効果素子Ｓ５と磁気抵抗効果素子Ｓ７のバイアス方向ＨＢは反対方向となっている。これら磁気抵抗効果素子Ｓ４〜Ｓ７にてＸ軸検知のブリッジ回路が構成されている。すなわちＸ１−Ｘ２方向に外部磁界が作用すると、磁気抵抗効果素子Ｓ４及び磁気抵抗効果素子Ｓ６と、磁気抵抗効果素子Ｓ５及び磁気抵抗効果素子Ｓ７との間で電気抵抗値に差が出るため出力を得ることが可能になる。一方、Ｙ１−Ｙ２方向に水平磁界が作用したときと垂直磁界が作用したときとでは、出力変動が生じない。

また図３では、Ｘ１−Ｘ２方向に長く延びる第２の軟磁性体２０におけるＹ１−Ｙ２方向の両側に夫々、２個ずつ磁気抵抗効果素子Ｓ１２〜Ｓ１５が配置されている。磁気抵抗効果素子Ｓ１２〜Ｓ１５に示す太い矢印は固定磁化方向（感度軸方向）Ｐ１を示し、細い矢印は永久磁石層からのバイアス方向ＨＢを示している。固定磁化方向はＹ１−Ｙ２方向であり、バイアス方向ＨＢはＸ１−Ｘ２方向である。

図３に示すように、第２の軟磁性体２０のＹ１側面側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓ１２と磁気抵抗効果素子Ｓ１４とは固定磁化方向Ｐ１が同じであるが、バイアス方向ＨＢが反対方向となっている。また、第３の軟磁性体２０のＹ２側面側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓ１３と磁気抵抗効果素子Ｓ１５とは固定磁化方向Ｐ１が同じで且つ、磁気抵抗効果素子Ｓ１２，Ｓ１４とは反対方向となっている。また磁気抵抗効果素子Ｓ１３と磁気抵抗効果素子Ｓ１５のバイアス方向ＨＢは反対方向となっている。これら磁気抵抗効果素子Ｓ１２〜Ｓ１５にてＹ軸検知のブリッジ回路が構成されている。すなわちＹ１−Ｙ２方向に外部磁界が作用すると、磁気抵抗効果素子Ｓ１２及び磁気抵抗効果素子Ｓ１４と、磁気抵抗効果素子Ｓ１３及び磁気抵抗効果素子Ｓ１５との間で電気抵抗値に差が出るため出力を得ることが可能になる。一方、Ｘ１−Ｘ２方向に水平磁界が作用したときと垂直磁界が作用したときとでは、出力変動が生じない。

また図３では、Ｙ１−Ｙ２方向に長く延びる第３の軟磁性体１９のＸ１−Ｘ２方向の両側に夫々、２個ずつ磁気抵抗効果素子Ｓ８〜Ｓ１１が配置されている。磁気抵抗効果素子Ｓ８〜Ｓ１１に示す太い矢印は固定磁化方向（感度軸方向）Ｐ１を示し、細い矢印は永久磁石層からのバイアス方向ＨＢを示している。固定磁化方向はＸ１−Ｘ２方向であり、バイアス方向ＨＢはＹ１−Ｙ２方向である。

図３に示すように、第３の軟磁性体１９のＸ１−Ｘ２方向の両側に配置された各磁気抵抗効果素子Ｓ８〜Ｓ１１の固定磁化方向Ｐ１は全て同じ方向である。また磁気抵抗効果素子Ｓ８と磁気抵抗効果素子Ｓ９のバイアス方向ＨＢは同方向であるが、磁気抵抗効果素子Ｓ１０と磁気抵抗効果素子Ｓ１１のバイアス方向ＨＢは、磁気抵抗効果素子Ｓ８，Ｓ９に対して反対方向である。これら磁気抵抗効果素子Ｓ８〜Ｓ１１にてＺ軸検知のブリッジ回路が構成されている。すなわちＺ方向からの垂直磁界が作用すると、磁気抵抗効果素子Ｓ８及び磁気抵抗効果素子Ｓ１０と、磁気抵抗効果素子Ｓ９及び磁気抵抗効果素子Ｓ１１との間で電気抵抗値に差が出るため出力を得ることが可能になる。一方、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向に水平磁界が作用したときでは、出力変動が生じない。

図３に示すＺ軸検知のブリッジ回路では、軟磁性体１９の両側に配置される磁気抵抗効果素子Ｓ８〜Ｓ１１の固定磁化方向Ｐ１が全て同じ方向になるように制御すれば図３と異なる形態にすることもできる。例えば軟磁性体１９及び各磁気抵抗効果素子Ｓ８〜Ｓ１１を図３の状態から９０度回転させた配置にしてもよいし、Ｘ方向及びＹ方向の双方に対して斜め方向に配置してもよい。ただしＸ方向かＹ方向に揃えたほうが成膜回数を減らすことができ好適である。

図２、図３では、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１５を図５に示したセルフピン構造としているため、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層を構成する第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとを反平行に磁化固定できる。したがって、同じチップ内に固定磁化方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１５を適切に形成することが可能になる。

図３の構成では、各磁気抵抗効果素子Ｓ４〜Ｓ１５の固定磁化方向Ｐ１及びバイアス方向ＨＢにより計８回の成膜を要するが、磁気抵抗効果素子Ｓ４，Ｓ６に対するバイアス方向ＨＢ、磁気抵抗効果素子Ｓ５，Ｓ７，Ｓ８〜Ｓ１１に対するバイアス方向ＨＢ、磁気抵抗効果素子Ｓ１２，Ｓ１４に対するバイアス方向ＨＢ、及び、磁気抵抗効果素子Ｓ１３，Ｓ１５に対するバイアス方向ＨＢを夫々統一させることで、計４回の成膜回数に減らすことが出来る。

Ｈ１、Ｈ２、Ｈ４、Ｈ５ 水平磁界（成分）
Ｈ３ 垂直磁界
Ｐ１ 固定磁化方向（感度軸方向）
Ｓ、Ｓ１〜Ｓ１５ 磁気抵抗効果素子
１ 磁気センサ
２ 基板
３、１８〜２０ 軟磁性体
４ 絶縁層
１０ 素子部
１１、１２ ブリッジ回路
１５、１６、１７ チップ
６１ 固定磁性層
６１ａ、６１ｂ 磁性層
６１ｃ 非磁性中間層
６３ フリー磁性層

Claims (5)

1. 磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する複数の磁気抵抗効果素子と、各磁気抵抗効果素子と絶縁層を介して非接触の位置に設けられた軟磁性体とを有し、
   平面視にて前記軟磁性体の第１の水平方向の両側に夫々、固定磁性層の固定磁化方向が、前記第１の水平方向に向けられた前記磁気抵抗効果素子が配置されており、前記軟磁性体の両側に配置された前記磁気抵抗効果素子同士、あるいは、前記軟磁性体の同じ側面側に配置された前記磁気抵抗効果素子同士で、前記固定磁化方向が互いに逆方向にされていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記軟磁性体の同じ側面側に配置され、且つ前記固定磁化方向が互いに逆方向の第１の磁気抵抗効果素子及び第２の磁気抵抗効果素子と、前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子と反対側の前記軟磁性体の側面側に配置され、前記第１の磁気抵抗効果素子と同じ固定磁化方向を備える第３の磁気抵抗効果素子とを有し、
   前記第２の磁気抵抗効果素子と前記第３の磁気抵抗効果素子とにより、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能な第１のブリッジ回路が構成され、
   前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第３の磁気抵抗効果素子とにより、前記軟磁性体の膜厚方向からの垂直磁界を検知可能な第２のブリッジ回路が構成される請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記軟磁性体、前記第１の磁気抵抗効果素子、前記第２の磁気抵抗効果素子及び前記第３の磁気抵抗効果素子を有するチップを２つ用意し、一方の前記チップを９０度回転させて各磁気抵抗効果素子の固定磁化方向を前記第１の水平方向に直交する第２の水平方向に向けて、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能な前記第１のブリッジ回路と、垂直磁界を検知可能な前記第２のブリッジ回路とともに、前記第２の水平方向からの水平磁界を検知可能な第３のブリッジ回路を構成する請求項２記載の磁気センサ。
4. １チップ内に、
   第１の軟磁性体の前記第１の水平方向における両側に配置された各磁気抵抗効果素子の固定磁性層が互いに逆方向に固定磁化されて、前記第１の水平方向からの水平磁界を検知可能なブリッジ回路が構成され、
   前記第１の軟磁性体とは別の第２の軟磁性体が設けられ、平面視にて前記第２の軟磁性体の第１の水平方向に対して直交する第２の水平方向の両側に前記固定磁性層の固定磁化方向が、前記第２の水平方向に向けられた前記磁気抵抗効果素子が配置されており、前記第２の軟磁性体における前記第２の水平方向の両側に配置された各磁気抵抗効果素子の固定磁性層が互いに逆方向に固定磁化されて、前記第２の水平方向からの水平磁界を検知可能なブリッジ回路が構成され、
   前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体とは別の第３の軟磁性体が設けられ、平面視にて前記第３の軟磁性体の両側に前記固定磁性層が同じ方向に固定磁化された各磁気抵抗効果素子が配置されて、前記第３の軟磁性体の膜厚方向からの垂直磁界を検知可能なブリッジ回路が構成されている請求項１記載の磁気センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、
   前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサ。

Images