JP2013117543A - 所定の温度係数を有する抵抗器 - Google Patents

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】本発明の材料スタック５０は、反強磁性層５２と、反強磁性層の上に配設された第１のピンド層５４と、ピンド層の上に配設された非磁性層５６と、非磁性層の上に配設された第２のピンド層５８と、前記反強磁性層と前記第２のピンド層の間に挿入される１以上の他の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、前記材料スタックは自由層を含まない。
【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。

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。

従来技術の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子の層を示す図である。 本発明によって抵抗器を形成する材料スタックの層を示す図である。 図２の抵抗器を有する抵抗分圧器の概略図である。 図２の抵抗器を２つ有するホイートストンブリッジの概略図である。 図２の抵抗器を２つ有する電流センサの図である。 図２の抵抗器を２つ有する磁界センサの図である。

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。

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、Ａｌ_２Ｏ_３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。

Claims (3)

1. 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、
   前記反強磁性層と前記第２のピンド層の間に挿入される１以上の他の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、前記材料スタックは自由層を含まない、
   材料スタック。
2. 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。
3. 前記電気抵抗は所定の温度係数を有する、請求項１に記載の材料スタック。