JP2015197388A - フラックスゲート型磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、磁気抵抗効果素子の自由磁性層の飽和磁界を低減して分解能を向上させることができるフラックスゲート型磁気センサを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、励磁コイルと、前記励磁コイルの磁界が印加される磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄとを有するフラックスゲート型磁気センサ１０であって、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは、磁化方向が固定された固定磁性層４５と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層４７とを備え、自由磁性層４７は、ＮｉＦｅ層４７ｃとＣｏＦｅ層４７ｄとの積層構造を有し、ＣｏＦｅ層４７ｄのＣｏ組成比が５０ａｔ％〜８０ａｔ％であり、かつ、自由磁性層４７全体の膜厚に対するＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比が１５％〜３５％であることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、フラックスゲート型磁気センサに関し、特に磁気抵抗効果素子を用いたフラックスゲート型磁気センサに関する。

フラックスゲート型磁気センサは、磁気変調型磁界センサの一種であり、温度安定性が高く、また小型化及び高感度化が容易である。下記特許文献１にはフラックスゲート型磁気センサ（特許文献１では磁気センサデバイスと記載されている）に関する発明が開示されている。図１３は、特許文献１に記載されている従来例のフラックスゲート型磁気センサの断面図を示す。

図１３に示すように、従来例のフラックスゲート型磁気センサ１０１は、基板１１０の上に形成された磁気ヨーク１１１と、磁気抵抗効果素子１１２と、コイル１１３とを有して構成される。磁気抵抗効果素子１１２は、磁化方向が固定されている固定磁性層と、印加される磁界によって磁化方向が変化する自由磁性層とを有する。自由磁性層の磁化方向の変化により磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値が変化し、この抵抗変化に基づいて外部の磁界を検出できる。

従来例のフラックスゲート型磁気センサ１０１において、三角波状に変化する励磁電流がコイル１１３に常時供給されている。そして、コイル１１３から発生する誘導磁界が、磁気ヨーク１１１を通じて磁気抵抗効果素子１１２に印加される。コイル１１３から発生する磁界以外の外部磁界（被測定磁界）がない場合において、磁気抵抗効果素子１１２からの出力信号は、波形整形部やローパスフィルタ（ＬＰＦ）等の回路（図示しない）を通して、デューティ比が１：１の矩形信号として得られる。

外部磁界（被測定磁界）が印加されたときに、磁気抵抗効果素子１１２からの出力信号のデューティ比が変化し、デューティ比の差によって外部磁界（被測定磁界）の強度を検出することができる。

特開２０１３−１５２２０８号公報 特開２００６−８６２７５号公報

従来例のフラックスゲート型磁気センサ１０１において、外部磁界を検出する際の分解能を向上させるためには、コイル１１３に供給する励磁電流の周波数を上げる必要がある。しかし、周波数を上げるとコイル１１３のインピーダンスが大きくなり、センサ全体の消費電力が増大するという課題が生じる。

したがって、磁気抵抗効果素子１１２の自由磁性層として、より小さい磁界で飽和し易くすることが要求される。特許文献２には、薄膜磁気ヘッド等に用いられる磁気抵抗効果素子が開示されており、自由磁性層はＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層とを積層して構成されている。しかし、自由磁性層の飽和磁界を小さくするための組成、膜厚等の構成は開示されていない。

また、コイル１１３から発生する磁界の強度を大きくすることで、磁気抵抗効果素子１１２の自由磁性層を飽和し易くすることが可能である。この場合、コイル１１３に流す励磁電流を大きくする、または、コイルの巻き数を増やす等の方法により、コイル１１３から発生する磁界の強度を向上させることができる。しかし、励磁電流を大きくすると消費電力が増大し、また、コイルの巻き数を増大させることはフラックスゲート型磁気センサ１０１の小型化に反するという課題が生じる。

本発明は、上記課題を解決して、磁気抵抗効果素子の自由磁性層の飽和磁界を低減して分解能を向上させることができるフラックスゲート型磁気センサを提供することを目的とする。

本発明は、励磁コイルと、前記励磁コイルの磁界が印加される磁気抵抗効果素子とを有するフラックスゲート型磁気センサであって、前記事気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備え、前記自由磁性層は、ＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層との積層構造を有し、前記ＣｏＦｅ層のＣｏ組成比が５０ａｔ％〜８０ａｔ％であり、かつ、前記自由磁性層全体の膜厚に対する前記ＣｏＦｅ層の膜厚比が１５％〜３５％であることを特徴とする。

これによれば、ＣｏＦｅ層のＣｏ組成比を５０ａｔ％〜８０ａｔ％とすることで、自由磁性層の誘導磁気異方性が付与されやすくなり角型比が向上するため飽和磁界が低減される。また、ＮｉＦｅ層よりもＣｏＦｅ層の角型比が高いため、自由磁性層全体の膜厚に対するＣｏＦｅ層の膜厚比を１５％以上とすることで飽和磁界が小さくなり、ＣｏＦｅ層の膜厚比を３５％より大きくすると、ＣｏＦｅ層の大きな保磁力により飽和磁界が増加する。よって、自由磁性層全体の膜厚に対するＣｏＦｅ層の膜厚比を１５％〜３５％とすることにより、自由磁性層の飽和磁界を低減させることができる。

したがって、本発明のフラックスゲート型磁気センサによれば、磁気抵抗効果素子の自由磁性層の飽和磁界を低減して分解能を向上させることができる。

前記ＣｏＦｅ層は、第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層との積層構造を有し、前記第１のＣｏＦｅ層のＣｏ組成比が５０ａｔ％〜８０ａｔ％であり、前記第２のＣｏＦｅ層のＣｏ組成比が前記第１のＣｏＦｅ層よりも大きいことが好ましい。第２のＣｏＦｅ層のＣｏ組成比を前記第１のＣｏＦｅ層よりも大きくすることにより、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を大きくすることができるため、センサ出力を大きくすることができる。

前記ＣｏＦｅ層全体の膜厚に対する前記第１のＣｏＦｅ層の膜厚比が３０％〜１００％であることが好ましい。小さい飽和磁界を有する第１のＣｏＦｅ層の膜厚比を３０％〜１００％とすることにより、飽和磁界を低減させることができる。

前記ＣｏＦｅ層は、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０の組成を有することが好ましい。これによれば、自由磁性層の飽和磁界を低減するとともに、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を大きくすることができる。

前記磁気抵抗効果素子は、前記励磁コイルの磁界に対して交差する方向に延出して形成されていることが好ましい。これによれば、磁気抵抗効果素子の延出する方向に対して交差する方向に励磁コイルの磁界が印加されるため、励磁コイルの磁界に対して平行に磁気抵抗効果素子を形成する場合に比べて、飽和磁界を小さくすることができる。

本発明のフラックスゲート型磁気センサによれば、磁気抵抗効果素子の自由磁性層の飽和磁界を低減して分解能を向上させることができる。

本発明の実施形態におけるフラックスゲート型磁気センサの平面図である。 図１の励磁コイルを除いた状態におけるフラックスゲート型磁気センサの平面図である。 図１及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときのフラックスゲート型磁気センサの部分拡大断面図である。 本実施形態の変形例におけるフラックスゲート型磁気センサの部分拡大断面図である。 フラックスゲート型磁気センサの信号の例を示す説明図であり、（ａ）励磁コイルからの励磁信号の波形、（ｂ）外部磁界が印加されない場合における磁気抵抗効果素子の検出信号の波形、（ｃ）外部磁界が印加された場合における磁気抵抗効果素子の検出信号の波形である。 磁気抵抗効果素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。 ＣｏＦｅ層のＣｏ組成を変えたときの飽和磁界の変化を示すグラフである。 ＣｏＦｅ層のＣｏ組成と抵抗変化率との関係を示すグラフである。 自由磁性層に対するＣｏＦｅ層の膜厚比と飽和磁界との関係を示すグラフである。 ＣｏＦｅ層全体に対する第１のＣｏＦｅ層の膜厚比と、飽和磁界との関係を示すグラフである。 飽和磁界の低減効果を説明するために模式的に示すＢＨカーブの説明図である。 磁気抵抗効果素子の形状等を変えたときの飽和磁界を示すグラフである。 従来例のフラックスゲート型磁気センサの断面図である。

以下、図面を参照して、具体的な実施形態のフラックスゲート型磁気センサについて説明をする。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。

図１は、本発明の実施形態におけるフラックスゲート型磁気センサの平面図である。図２は、図１の励磁コイルを除いた状態におけるフラックスゲート型磁気センサの平面図である。また、図３は、図１及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときのフラックスゲート型磁気センサの部分拡大断面図である。

本実施形態のフラックスゲート型磁気センサ１０は、例えば電流センサ等に用いられる。フラックスゲート型磁気センサ１０は、電流線の近傍に配置されて、電流線を流れる電流によって発生する外部磁界を検出することによって電流値を測定することができる。

図２に示すように、本実施形態のフラックスゲート型磁気センサ１０は、基板１５に形成された４つの磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄを有して構成される。また、図１に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの上には、励磁コイル２７が形成されている。図３に示すように、励磁コイル２７を覆うようにヨーク３０が設けられており、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄと励磁コイル２７との間は、絶縁層１７ａを介して絶縁されており、励磁コイル２７とヨーク３０とは絶縁層１７ｂを介して絶縁されている。なお、図１及び図２は、ヨーク３０を省略して示している。本実施形態において、励磁コイル２７に電流を流すことによって磁界が発生し、励磁コイル２７の磁界は、ヨーク３０に集められて各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに印加される。

図１に示すように、励磁コイル２７は、配線が同一平面で巻回された平面コイルであり、Ｘ１−Ｘ２方向に直線状に延びる直線部２７ａ、２７ｂと、直線部２７ａ、２７ｂ同士を接続する湾曲部２７ｃ、２７ｄとを有し長円状に形成されている。また、励磁コイル２７にはコイル端子２８ａ、２８ｂが設けられており、コイル端子２８ａ、２８ｂに外部の電源回路（図示しない）が接続されて励磁電流が入力される。励磁コイル２７は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、またはＣｕＮｉ等の合金材料を用いて形成される。

図１及び図２に示すように、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは、励磁コイル２７の直線部２７ｂと重なる位置において、直線部２７ｂの延在方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に並んで配置されている。図２に示すように、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは、基板１５に設けられた接続端子２３に配線２２を介して接続される。

図２に示すように、入力端子（Ｖｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとが直列に接続されて、第１のハーフブリッジ回路を構成している。同様に、入力端子（Ｖｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄとが直列に接続されて、第２のハーフブリッジ回路を構成している。そして、図２に示すように、入力端子（Ｖｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に、第１のハーフブリッジ回路と第２のハーフブリッジ回路とが並列に接続されてフルブリッジ回路を構成している。

第１のハーフブリッジ回路の中点電位（Ｏｕｔ１）と、第２のハーフブリッジ回路の中点電位（Ｏｕｔ２）とが取り出されて、中点電位（Ｏｕｔ１）と中点電位（Ｏｕｔ２）との差分（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）が、差動増幅器（図示しない）により増幅されてフラックスゲート型磁気センサ１０の出力信号として出力される。

図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄはそれぞれ、Ｘ１−Ｘ２方向に帯状に延在し、細長い矩形状に形成された複数の素子部２４を有して構成される。複数の素子部２４は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を設けて配置されており、複数の素子部２４同士が、連結部２５によってミアンダ形状に接続されている。連結部２５は、非磁性体であるＣｕ等の材料が用いられる。

本実施形態において、各素子部２４は、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が用いられており、それぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備える。図２には固定磁性層及び自由磁性層は図示せず、固定磁性層の磁化方向４５ａと自由磁性層の磁化方向４７ａを矢印で示している。

図２に示すように、固定磁性層の磁化方向４５ａは素子部２４の延在方向に対して直交する方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に向けられており、自由磁性層の磁化方向４７ａは、素子部２４の形状異方性により素子部２４の延在方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に向けられる。固定磁性層の磁化方向４５ａと自由磁性層の磁化方向４７ａとは、それぞれ磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの面内方向に向けられており、外部磁界が印加されていない状態において互いに直交する方向に向けられている。

図２に示すように、自由磁性層の磁化方向４７ａと固定磁性層の磁化方向４５ａとのなす角度をθとする。磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに磁界が印加されて自由磁性層の磁化方向４７ａが固定磁性層の磁化方向４５ａに平行に近づくと、角度θが小さくなり電気抵抗が低下する。一方、自由磁性層の磁化方向４７ａが固定磁性層の磁化方向４５ａと反平行に近づくと、角度θが大きくなり電気抵抗値が増大する。各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの抵抗変化によって外部磁界が検出される。

なお、図３に示すように、励磁コイル２７の上に絶縁層１７ｂを介してヨーク３０が設けられており、励磁コイル２７の上面及び側面はヨーク３０に覆われている。ヨーク３０の側部は、励磁コイル２７がその上に形成された保護層１６ｂと同じ面に形成されている。本実施形態において、ヨーク３０は例えばＮｉＦｅ等の軟磁性体で形成されている。ヨーク３０を設けることにより、励磁コイル２７から発生する磁界がヨーク３０に集められ、ヨーク３０から流出する磁界が、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに効率良く印加される。なお、本実施形態において、保護層１６ａ〜１６ｄとして例えばＳｉＯ_２を用いることができ、絶縁層１７ａ、１７ｂとして例えばポリイミド樹脂を用いることができる。

図４は、本実施形態の変形例におけるフラックスゲート型磁気センサの部分拡大断面図である。図４に示すように、本変形例において、ヨーク３０の側部が励磁コイル２７よりも下方に延びて形成されており、ヨーク３０は、基板１５の上に設けられた保護層１６ａまで達している。こうすれば、励磁コイル２７から発生する磁界が効率良くヨーク３０に集められ、ヨーク３０から流出する磁界が確実に磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに印加される。

図５は、フラックスゲート型磁気センサの信号の例を示す説明図であり、図５（ａ）は励磁コイルからの励磁信号の波形、図５（ｂ）は外部磁界が印加されない場合における磁気抵抗効果素子の検出信号の波形、図５（ｃ）は外部磁界が印加された場合における磁気抵抗効果素子の検出信号の波形である。

本実施形態において、示す励磁コイル２７には、三角波発生回路（図示しない）が接続されており、図５（ａ）に示すような三角波状の交流電流が励磁コイル２７に常時印加される。図１及び図３に示すように、励磁コイル２７は各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄと重なる位置に設けられており、三角波状の電流による誘導磁界が、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに印加される。励磁コイル２７の磁界は、各素子部２４の延在方向と直交する方向（Ｙ１−Ｙ２方向）、すなわち固定磁性層の磁化方向４５ａと平行または反平行方向に印加される。

励磁コイル２７の磁界以外の外部磁界が印加されない場合において、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄからの出力信号は、コンパレータ、波形整形部、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）などの回路（図示しない）を通して、図５（ｂ）に示すような、矩形波状の信号となって得られる。図５（ｂ）に示すように、外部磁界が印加されない場合における出力信号のデューティ比（Ｔ_ｐ：Ｔ_ｎ）は１：１である。

フラックスゲート型磁気センサ１０に測定対象の外部磁界が印加された場合、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの抵抗値が変化して、ブリッジ回路から取り出される中点電位が変化する。これにより、中点電位のずれ量に応じて出力信号がシフトするため、図５（ｃ）に示すように、コンパレータ、波形整形部、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）などの回路（図示しない）を通して得られる出力信号のデューティ比（Ｔ_ｐ：Ｔ_ｎ）が変化する。このＴ_ｐとＴ_ｎとの差が、被測定磁界の強さを表す。

図５（ｃ）に示すように、出力信号のデューティ比（Ｔ_ｐ：Ｔ_ｎ）によって外部磁界が検出されるため、より応答速度（時間分解能）をあげるためには、図５（ａ）に示す励磁電流の周波数を高くする必要がある。磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄには励磁電流と同じ周波数で磁界印加されるため、フラックスゲート型磁気センサ１０全体の消費電力や小型化を犠牲にすることなく、励磁電流の周波数を上げて分解能を向上させるためには、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの自由磁性層を、より小さい磁界で飽和し易くすることが求められる。そのため、自由磁性層の飽和磁界を低減することが必要である。

図１１は、模式的に示すＢＨカーブの説明図である。本実施形態において、図１１に示すように、最大磁束密度Ｂ_ｍ１、Ｂ_ｍ２となるときの磁界を飽和磁界Ｈ_ｓ１、Ｈ_ｓ２とする。

図６は、磁気抵抗効果素子の積層構造を示す部分拡大断面図であり、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄを構成する素子部２４について示している。図６に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは、膜面内に印加される被測定磁界を検知することができる磁気抵抗効果膜４３を有して構成される。磁気抵抗効果膜４３は、絶縁膜４２及びシード層４９を介してシリコン基板４１の上面に形成されている。図６に示すように、磁気抵抗効果膜４３は、固定磁性層４５、非磁性層４６、及び自由磁性層４７の順に積層されており、自由磁性層４７の表面が保護膜４８で覆われて構成されている。

本実施形態において、固定磁性層４５は第１の固定磁性層４５ｃ／非磁性結合層４５ｅ／第２の固定磁性層４５ｄからなる、いわゆるセルフピン型の積層構成となっている。第１の固定磁性層４５ｃがシード層４９と接しており、また、第２の固定磁性層４５ｄが非磁性層４６と接する。第１の固定磁性層４５ｃと第２の固定磁性層４５ｄの磁化は伝導電子により間接的な交換相互作用（ＲＫＫＹ的相互作用）により１８０°異なる方向に向けられている。この場合、第２の固定磁性層４５ｄの磁化方向が、図２に示す固定磁性層の磁化方向４５ａとなる。磁気抵抗効果に寄与するのは、非磁性層４６をはさむ自由磁性層４７と第２の固定磁性層４５ｄとの相対的な磁化方向の関係であるからである。

本実施形態において、絶縁膜４２はシリコン基板４１を熱酸化したシリコン酸化膜であり、スパッタ法等で成膜したアルミナ膜、酸化膜等であってもよい。固定磁性層４５の第１の固定磁性層４５ｃと第２の固定磁性層４５ｄは、ＣｏＦｅ合金（コバルト鉄合金）などの軟磁性材料などで形成されている。非磁性結合層４５ｅは導電性のＲｕ等が用いられる。非磁性層４６は、Ｃｕ（銅）等である。自由磁性層４７は、保磁力が小さく透磁率が大きいＮｉＦｅ合金（ニッケル鉄合金）などの軟磁性材料が用いられる。本実施形態において、自由磁性層４７は、ＮｉＦｅ層４７ｃとＣｏＦｅ層４７ｄとが積層された構成となっている。保護膜４８は、Ｔａ（タンタル）などである。

図７は、ＣｏＦｅ層のＣｏ組成を変えたときの自由磁性層の飽和磁界の変化を示すグラフである。また、図８は、ＣｏＦｅ層のＣｏ組成と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎ）との関係を示すグラフである。表１は、図７及び図８における磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの膜構成を示す一例である。

表１に示すように、自由磁性層４７のＣｏＦｅ層４７ｄをＣｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}（ｘ＝３０〜１００）としてＣｏ組成を変化させており、ＣｏＦｅ層４７ｄ以外の層構成（組成、膜厚）は変えていない。また、ＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚はいずれも１．０ｎｍ（１０Å）である。図７に示すように、ＣｏＦｅ層４７ｄのＣｏ比率をＣｏ３０ａｔ％から増やすにしたがって飽和磁界Ｈ_ｓが減少する傾向を示し、Ｃｏ５０ａｔ％〜８０ａｔ％の範囲で飽和磁界Ｈ_ｓがほぼ一定となる。Ｃｏ８０ａｔ％以上に増やすと飽和磁界Ｈ_ｓが増大する傾向を示す。

図１１は、飽和磁界の低減効果を説明するために模式的に示すＢＨカーブの説明図である。例えば点線で示すカーブがＣｏ４０ａｔ％以下としたときのＢＨカーブであり、実線で示すカーブがＣｏ５０ａｔ％〜８０ａｔ％としたときのＢＨカーブである。Ｃｏ量を増やすことにより、自由磁性層４７の誘導磁気異方性が大きくなり、図１１に実線で示すように角型比（Ｂ_ｒ／Ｂ_ｍ）が向上する。これにより、飽和磁界Ｈ_ｓが小さくなるようにＢＨカーブが変化する。また、Ｃｏ８０ａｔ％以上に増やすと保磁力が増大する効果が支配的となり飽和磁界Ｈ_ｓが増大する。

以上のように、ＣｏＦｅ層４７ｄのＣｏ組成比を５０ａｔ％〜８０ａｔ％とすることにより、自由磁性層４７の角型比（Ｂ_ｒ／Ｂ_ｍ）が向上する効果によって、飽和磁界Ｈ_ｓを低減させることができる。

また、図８に示すように、Ｃｏ組成比を増やすことにより抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎ）が大きくなる傾向を示し、Ｃｏ９０ａｔ％で最大となる。磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの高出力化の観点からＣｏ組成比を大きくすることが好ましいといえる。

図９は、自由磁性層に対するＣｏＦｅ層の膜厚比と飽和磁界との関係を示すグラフである。図９のグラフにおいて、ＣｏＦｅ層４７ｄの組成は、飽和磁界Ｈ_ｓが小さく、かつ、ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが比較的大きい組成であるＣｏ_７０Ｆｅ_３０としている。また、ＮｉＦｅ層４７ｃの膜厚は３．０ｎｍ（３０Å）に固定して、ＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚を変化させたときの結果を示す。このときの膜構成の一例を表２に示す。

図９に示すように、自由磁性層４７全体の膜厚（ＮｉＦｅ層４７ｃとＣｏＦｅ層４７ｄとの合計膜厚）に対するＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比を、０％から１５％に大きくするにしたがって、飽和磁界Ｈ_ｓが減少する傾向を示す。これは、Ｃｏ量が増加することにより、自由磁性層４７の誘導磁気異方性が大きくなり、角型比（Ｂ_ｒ／Ｂ_ｍ）が向上する効果により、飽和磁界Ｈ_ｓが減少するといえる。また、ＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比が１５％から３５％の範囲で、飽和磁界Ｈ_ｓが５Ｏｅ以下となりほぼ一定の値となっている。ＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比を３５％より大きくすると、保磁力が増大する効果が支配的となり飽和磁界Ｈ_ｓが増大する。

以上の結果から、ＣｏＦｅ層４７ｄのＣｏ組成比を５０ａｔ％〜８０ａｔ％とすることで、自由磁性層４７の誘導磁気異方性が付与されやすくなり角型比が向上するため飽和磁界Ｈ_ｓが低減される。また、ＮｉＦｅ層４７ｃよりもＣｏＦｅ層４７ｄの角型比が高いため、自由磁性層４７全体の膜厚に対するＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比を１５％以上とすることで飽和磁界Ｈ_ｓが小さくなり、ＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比を３５％より大きくすると、ＣｏＦｅの大きな保磁力により飽和磁界が増加する。よって、自由磁性層４７全体の膜厚に対するＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比を１５％〜３５％とすることにより、自由磁性層４７の飽和磁界Ｈ_ｓを低減させることができる。

したがって、本実施形態のフラックスゲート型磁気センサ１０によれば、ＣｏＦｅ層４７ｄのＣｏ組成比を５０ａｔ％〜８０ａｔ％とし、かつ、自由磁性層４７全体の膜厚に対するＣｏＦｅ層４７ｄの膜厚比を１５％〜３５％とすることにより、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの自由磁性層４７の飽和磁界Ｈ_ｓを低減して分解能を向上させることができる。

図１０は、ＣｏＦｅ層を第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層との積層構造として、ＣｏＦｅ層全体に対する第１のＣｏＦｅ層の膜厚比と、飽和磁界との関係を示すグラフである。図６及び図７の結果から、第１のＣｏＦｅ層は、小さい飽和磁界Ｈ_ｓを示すＣｏ_７０Ｆｅ_３０とし、第２のＣｏＦｅ層は、ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが最大となるＣｏ_９０Ｆｅ_１０とした。また、第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層との合計膜厚は１．０ｎｍ（１０Å）として、第１のＣｏＦｅ層の膜厚比を変化させた。このときの膜構成の一例を表３に示す。

第１のＣｏＦｅ層（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）は、第２のＣｏＦｅ層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）と比較して小さい飽和磁界Ｈ_ｓを有するため、図１０に示すように、第１のＣｏＦｅ層（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）の膜厚比を大きくするに従い飽和磁界Ｈ_ｓが小さくなる傾向を示す。膜厚比３０％〜１００％の範囲において、飽和磁界Ｈ_ｓは約４．４〜４．５Ｏｅでほぼ一定の値を示す。

また、第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層との積層構造として、第２のＣｏＦｅ層のＣｏ組成比を前記第１のＣｏＦｅ層よりも大きくすることにより、第１のＣｏＦｅ層により飽和磁界Ｈ_ｓを低減させるとともに、第２のＣｏＦｅ層により磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎ）を大きくすることができるため、センサ出力を大きくすることができる。

図１２は、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄを構成する素子部２４の形状を種々に変化させたときの飽和磁界Ｈ_ｓを示すグラフである。素子部２４を、図２に示すようなストライプ状（矩形状）に形成し、複数の素子部２４を非磁性体の連結部２５により接続した構成と、非磁性体の連結部２５を用いずに素子部２４をミアンダ状に連続して形成した構成とを比較して示している。また、それぞれの構成について、素子部２４を、励磁コイル２７から発生する磁界に対して直交する方向に延出して形成したものと、平行方向に延出して形成したものについて示している。

図１２に示すように、素子部２４をミアンダ状に形成した場合に比べ、ストライプ状（矩形状）に形成した方が、小さい飽和磁界Ｈ_ｓを示している。また、素子部２４を、励磁コイル２７から発生する磁界に対して直交する方向に延出して形成することにより、平行方向に延出して形成した場合に比べて小さい飽和磁界Ｈ_ｓを示している。

したがって、図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは、細長く延出する矩形状の素子部２４が複数本配列するとともに、素子部２４同士が非磁性体の連結部２５により接続された構成とすることで、飽和磁界Ｈ_ｓを低減することができる。さらに、各素子部２４を、励磁コイル２７の磁界と直交する方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に延出して形成することにより、飽和磁界Ｈ_ｓを低減することができ、フラックスゲート型磁気センサ１０の分解能を向上させることができる。

１０、１１ フラックスゲート型磁気センサ
１５ 基板
２１ａ〜２１ｄ 磁気抵抗効果素子
２４ 素子部
２５ 連結部
２７ 励磁コイル
２７ａ、２７ｂ 直線部
３０ ヨーク
４１ シリコン基板
４３ 磁気抵抗効果膜
４５ 固定磁性層
４５ａ 固定磁性層の磁化方向
４５ｃ 第１の固定磁性層
４５ｄ 第２の固定磁性層
４６ 非磁性層
４７ 自由磁性層
４７ａ 自由磁性層の磁化方向
４７ｃ ＮｉＦｅ層
４７ｄ ＣｏＦｅ層
４８ 保護膜

Claims (5)

1. 励磁コイルと、前記励磁コイルの磁界が印加される磁気抵抗効果素子とを有するフラックスゲート型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た固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備え、前記自由磁性層は、ＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層との積層構造を有し、
   前記ＣｏＦｅ層のＣｏ組成比が５０ａｔ％〜８０ａｔ％であり、かつ、前記自由磁性層全体の膜厚に対する前記ＣｏＦｅ層の膜厚比が１５％〜３５％であることを特徴とするフラックスゲート型磁気センサ。
2. 前記ＣｏＦｅ層は、第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層との積層構造を有し、
   前記第１のＣｏＦｅ層のＣｏ組成比が５０ａｔ％〜８０ａｔ％であり、前記第２のＣｏＦｅ層のＣｏ組成比が前記第１のＣｏＦｅ層よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
3. 前記ＣｏＦｅ層全体の膜厚に対する前記第１のＣｏＦｅ層の膜厚比が３０％〜１００％であることを特徴とする請求項２に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
4. 前記ＣｏＦｅ層は、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０の組成を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフラックスゲート型磁気センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子は、前記励磁コイルの磁界に対して交差する方向に延出して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の入力装置。