JP2017181240A - 磁界検出装置およびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 各抵抗変化部の磁気抵抗効果素子の温度特性による検知出力の変動を抑制できるようにした磁界検出装置およびその調整方法を提供する。【解決手段】 第１の抵抗変化部Ｒ１、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４でフルブリッジ回路が構成されている。各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４では、磁気抵抗効果素子１０と通電路２１，２２，２３，２４とが直列に接続され、且つ互いに平行に対向している。電圧Ｖｄｄが与えられると、通電路２１，２２，２３，２４を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４により矯正磁界Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が誘導され、磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層の磁化ＦがＸ１方向に対して傾けられる。これにより、温度特性を改善するように調整できる。【選択図】図１

Description

本発明は、固定磁性層の固定磁化の向きが相違する磁気抵抗効果素子を組み合わせて構成されたものであり、磁気抵抗効果素子の温度特性による検知出力の変動を抑制できる磁界検出装置およびその製造方法に関する。

電流検知装置などには電流磁界を検知するための磁界検出装置が使用されている。磁界検出装置は、固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とが積層された磁気抵抗効果素子すなわちＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）が使用されている。磁界検出装置は、固定磁性層の固定磁化の向きが逆向きである２種の磁気抵抗効果素子が直列に接続されて、２種の磁気抵抗効果素子の中点から出力が得られる。

磁気抵抗効果素子は、各層を成膜して多層膜構造とした後に、トリミングして長尺形状などとするが、磁界検出装置では、固定磁化の向きが逆となる２種の磁気抵抗効果素子の特性のばらつきにより、外部磁界が作用していないときにも中点からわずから出力が得られてしまうなどの問題がある。

そこで、それぞれの磁気抵抗効果素子の実質的な長さを調整することで、固定磁化の向きが相違する２種の磁気抵抗効果素子の基本的な抵抗値を合わせる調整が行われている。しかし、磁気抵抗効果素子は、温度変化により抵抗変化が変動する特性を有しており、この温度特性については、磁気抵抗効果素子の実質的な長さを変化させることで調整することができない。

一方で、特許文献１と特許文献２には、自由磁性層にバイアス磁界を与える発明が記載されている。

特許文献１に記載の磁界検出装置は、その図７に記載されているように、ＴＭＲ素子において、固定層の磁化ベクトルと測定すべき外部磁界の向きをＹ軸方向とするとともに、Ｙ軸方向にバイアス電流を流して、この電流で誘導されるバイアス磁界をＸ方向へ印加している。自由層にバイアス磁界を与えることで、図６に記載されているように、外部磁界の検出可能範囲を広げるとともに、ヒステリシスを小さくしようとしている。

特許文献２に記載された磁界検出装置は、図１に示すように、互いに直列に接続されている磁気抵抗効果素子が斜めに配置されており、その上に位置する平面コイルに流れる電流でバイアス磁界を誘導し、それぞれの磁気抵抗効果素子の自由層にバイアス磁界を与えている。これにより検知出力のリニアリティを改善しようとしている。

特開２０１０−１４５２４１号公報 特開２００６−２９８９９号公報

特許文献１と特許文献２には、バイアス電流から誘導されるバイアス磁界によって、自由磁性層にバイアス磁界を与える発明が記載されている。しかし、いずれの特許文献にも、磁気抵抗効果素子の温度変化による抵抗値の変動をどのようにして改善できるかは記載されていない。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、温度変化による特性の変動を修正することができる磁界検出装置およびその調整方法を提供することを目的としている。

本発明は、それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られる磁界検出装置において、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とが積層されて構成され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きが逆向きであり、
前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きとが、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾いていることを特徴とするものである。

また、本発明の磁界検出装置は、それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続され、第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部とが直列に接続され、２つの直列群が並列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られ、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との中点から第２の中点出力が得られる磁界検出装置において、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とが積層されて構成され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きが逆向きで、前記第３の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きが前記第２の抵抗変化部と同じで、前記第４の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きが前記第１の抵抗変化部と同じであり、
前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第３の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向き、および前記第４の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きが、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾いていることを特徴とするものである。

本発明の磁界検出装置は、前記磁気抵抗効果素子は長尺形状で、前記固定磁性層の固定磁化の向きが前記磁気抵抗効果素子の短幅方向に設定されており、
前記磁気抵抗効果素子の前記自由磁性層の磁化を長手方向に設定する縦バイアス磁界と、前記自由磁性層の磁化の向きを、前記縦バイアス磁界の磁化方向から傾かせる矯正磁界が設けられているものである。

例えば、前記磁気抵抗効果素子に前記縦バイアス方向と平行に延びる通電路が設けられ、前記通電路に流れる電流によって前記矯正磁界が誘導されるものである。
この場合に、前記通電路に流れる電流を調整する調整部を有するものが好ましい。

あるいは、本発明の磁界検出装置は、前記磁気抵抗効果素子の側方に配置された永久磁石によって前記矯正磁界が誘導されるものである。

次に、本発明は、それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られる磁界検出装置の調整方法において、
前記磁気抵抗効果素子を、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とを積層して構成し、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きを逆向きとし、
前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きとを、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾けて、温度特性の調整を行うことを特徴とするものである。

また本発明は、それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続され、第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部とが直列に接続され、２つの直列群が並列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られ、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との中点から第２の中点出力が得られる磁界検出装置の調整方法において、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とを積層して構成し、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きを逆向きとし、前記第３の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きを前記第２の抵抗変化部と同じで、前記第４の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きを前記第１の抵抗変化部と同じとし、
前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第３の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向き、および前記第４の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きを、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾けて、温度特性の調整を行うことを特徴とするものである。

本発明の磁界検出装置の調整方法は、外部磁界が作用していないときに、単位温度変化当たりの前記中点電位の変動量をゼロに近づける調整を行うものである。

本発明の磁界検出装置の調整方法は、前記磁気抵抗効果素子を長尺形状で、前記固定磁性層の固定磁化の向きを前記磁気抵抗効果素子の短幅方向に設定し、
前記磁気抵抗効果素子の前記自由磁性層の磁化を長手方向に設定する縦バイアス磁界と、前記自由磁性層の磁化の向きを、前記縦バイアス磁界の磁化方向から傾かせる矯正磁界を設けるものである。

例えば、前記磁気抵抗効果素子に前記縦バイアス方向と平行に延びる通電路を設け、前記通電路に流れる電流によって前記矯正磁界を誘導する。
この場合に、前記通電路に流れる電流を調整することが好ましい。

また、本発明の磁界検出装置の調整方法は、前記磁気抵抗効果素子の側方に配置された永久磁石によって前記矯正磁界を誘導するものである。

本発明は、固定磁性層の固定磁化が互いに逆向きである２種の抵抗変化部が直列に接続されてその中点から出力を得ているが、直列に接続された抵抗変化部を構成する磁気抵抗効果素子の自由磁性層を全て同じ向きに傾かせることで、中点電圧の温度特性を改善でき、例えば外部磁界が作用していないときの、前記中点電圧の単位温度変化当たりの変動量をゼロに近づけることを可能にしている。

したがって、本発明は、ブリッジ回路を構成する抵抗変化部の温度特性を改善することができる。

また、自由磁性層に電流磁界を与えて、自由磁性層の磁化を斜めに向けるための矯正磁界を生成し、このとき、電流磁界を誘導する電流量を調整することで、温度特性に関する調整を簡単に行えるようになる。

本発明の第１の実施の形態の磁界検出装置を示す平面図、 図１に示す磁界検出装置において、第１の抵抗変化部を構成する通電路と磁気抵抗効果素子を示す断面図、 磁界検出装置の回路図、 本発明の第２の実施の形態の磁界検出装置の抵抗変化部を示す平面図、 本発明の第３の実施の形態の磁界検出装置の抵抗変化部を示す平面図、 磁気抵抗効果素子の膜構成の一例を示す説明図、 調整前の磁気抵抗効果素子の特性を示す線図、 磁気抵抗効果素子の実質的な抵抗の長さを調整したときの特性を示す線図、 磁気抵抗効果素子の自由磁性層の磁化の向きを調整したときの特性を示す線図、 磁気抵抗効果素子の実質的な抵抗の長さと自由磁性層の磁化の向きの双方を調整したときの特性を示す線図、

＜第１の実施の形態の磁界検出装置１＞
図１と図２に示す第１の実施の形態の磁界検出装置１は、基板の表面であるＸ−Ｙ平面に沿って形成された薄膜の積層体で構成されている。

磁界検出装置１は、第１の抵抗変化部Ｒ１、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４を有している。

第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２は直列に接続され、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４は直列に接続されている。第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２との直列群と、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４との直列群とが平行に接続されている。

第１の抵抗変化部Ｒ１と第３の抵抗変化部のＹ１側の端部に交番電圧（交流電圧：駆動電圧）Ｖｄｄが印加され、第２の抵抗変化部Ｒ２のＹ２側の端部と、第４の抵抗変化部Ｒ４のＹ２側の端部とが、接地電位Ｇｎｄに設定されている。

図３に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２との中点から第１の中点出力Ｏｕｔ１が得られ、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４との中点から第２の中点出力Ｏｕｔ２が得られる。第１の中点出力Ｏｕｔ１と第２の中点出力Ｏｕｔ２は、差動増幅器３に与えられて、第１の中点出力Ｏｕｔ１と第２の中点出力Ｏｕｔ２との差が求められ、検知出力となる。

図１に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３、第４の抵抗変化部Ｒ４には、それぞれ磁気抵抗効果素子１０が複数設けられている。全ての磁気抵抗効果素子１０は、左右方向（Ｘ方向）に長手方向が向けられた長尺形状であり、且つ互いに平行に形成されている。

第１の抵抗変化部Ｒ１には、複数の通電路２１が形成されている。個々の通電路２１は左右方向（Ｘ方向）に長手方向が向けられた長尺形状である。同様に、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４にも、長手方向がＸ方向に向けられた長尺形状の通電路２２，２３，２４が形成されている。

図２（Ａ）には、第１の抵抗変化部Ｒ１に配列している磁気抵抗効果素子１０と通電路２１の一部が示されている。磁気抵抗効果素子１０の上に絶縁層が形成され、その上に通電路２１が形成されている。図１と図２（Ａ）に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１では、それぞれの磁気抵抗効果素子１０のＸ１側の端部が、接続部２６ａを介してその上に位置する通電路２１のＸ１側の端部に接続されている。図１に示すように、それぞれの磁気抵抗効果素子１０のＸ２側の端部は、接続部２６ｂを介してその上の通電路２１に接続されている。その通電路２１は、Ｙ２方向に延びて、Ｙ２側に隣接する他の磁気抵抗効果素子１０の上に重ねられている。この構造により、第１の抵抗変化部Ｒ１のミアンダパターンの各行で、通電路２１と磁気抵抗効果素子１０とが、直列に接続され、さらに、通電路２１と磁気抵抗効果素子１０とが、接続部２６ａで折り返されて互いに平行に対向している。

図３に示す電源部２から直流または交流の駆動電圧が与えられると、第１の抵抗変化部Ｒ１とそれぞれの通電路２１に電流が流れる。例えば、図２（Ａ）に示されるように、通電路２１に電流Ｉ１がＸ１方向に流れているとき、その下に位置する磁気抵抗効果素子１０には逆向きのＸ２方向の電流Ｉａが流れる。

図２（Ｂ）には、第２の抵抗変化部Ｒ２に配列している磁気抵抗効果素子１０と通電路２２の一部が示されている。図１と図２（Ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０のＸ２側の端部は、接続部２７ｂを介してその上に位置する通電路２２のＸ２側の端部に接続されている。図１に示すように、それぞれの磁気抵抗効果素子１０のＸ１側の端部は、接続部２７ａを介してその上の通電路２２に接続されている。その通電路２２は、Ｙ１方向に延びて、Ｙ１側に隣接する他の磁気抵抗効果素子１０の上に重ねられている。この構造により、第２の抵抗変化部Ｒ２でも、通電路２２と磁気抵抗効果素子１０とが、直列に接続され、さらに通電路２２と磁気抵抗効果素子１０が、接続部２７ｂで折り返されて互いに平行に対向している。

第２の抵抗変化部Ｒ２においても、ミアンダパターンで配列しているそれぞれの通電路２２にＸ１方向の電流Ｉ２が流れると、磁気抵抗効果素子１０に、Ｘ２方向の電流Ｉｂが流れる。

図１に示すように、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４での磁気抵抗効果素子１０と通電路２３または２４との接続構造は、第２の抵抗変化部Ｒ２とほぼ同じである。第３の抵抗変化部Ｒ３でも、それぞれの通電路２３にＸ１方向の電流Ｉ３が流れると、磁気抵抗効果素子１０にＸ２方向の電流が流れる。同様に、第４の抵抗変化部Ｒ４でも、それぞれの通電路２４にＸ１方向の電流Ｉ４が流れると、磁気抵抗効果素子１０にＸ２方向の電流が流れる。

図６には、それぞれの抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を構成する磁気抵抗効果素子１０の積層構造が説明されている。

磁気抵抗効果素子１０は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であり、基板の上に絶縁下地層が形成され、その上にシード層９が形成されている。シード層９の上に、固定磁性層１１と非磁性層１２と自由磁性層１３さらに反強磁性層１４が順に積層され、反強磁性層１４が保護層および絶縁層１５で覆われている。

固定磁性層１１は、第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂ、ならびに第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂとの間に位置する非磁性中間層１１ｃを有する積層フェリ構造である。第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂは、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）で形成されている。非磁性中間層１１ｃはＲｕ（ルテニウム）で形成されている。

積層フェリ構造の固定磁性層１１は、第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂの磁化が反平行に固定されたいわゆるセルフピン構造である。積層フェリ構造の固定磁性層１１は、磁場中で熱処理を行うことなく、第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂの反強磁性結合により、磁化の向きを固定することができる。固定磁性層１１の固定磁化の方向は第２の固定層１１ｂの磁化方向である。

図１に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１と第４の抵抗変化部Ｒ４では、全ての磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向がＹ２方向である。第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３では、全ての磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向がＹ１方向である。

非磁性層１２はＣｕ（銅）などの非磁性導電材料で形成されている。自由磁性層１３は第１強磁性層１３ａと第２強磁性層１３ｂおよび第３強磁性層１３ｃが積層されて構成されている。第１強磁性層１３ａと第３強磁性層１３ｃはＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）で形成され、第２強磁性層１３ｂはＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）で形成されている。

自由磁性層１３の第３強磁性層１３ｃに、反強磁性層１４が直接に接触して積層されている。反強磁性層１４は、ＩｒＭｎ合金（イリジウム・マンガン合金）で形成されている。ＩｒＭｎ合金（イリジウム・マンガン合金）を磁場中で成膜することで、アニール処理を行うことなく自由磁性層１３との間で交換結合が可能である。なお、反強磁性層１４としてＰｔＭｎ（白金・マンガン合金）などを使用することが可能である。この場合には、膜の規則化のためにアニール処理が必要になる。

反強磁性層１４と第３強磁性層１３ｃとの界面での反強磁性結合によって、自由磁性層１３に交換結合磁界Ｈｅｘが作用する。図１において破線の矢印で示すように、自由磁性層１３に対して交換結合磁界ＨｅｘがＸ１方向に作用する。交換結合磁界Ｈｅｘおよび長尺形状の自由磁性層１３の形状異方性によって、自由磁性層１３の磁化がＸ１方向へ揃えられる。

保護層および絶縁層１５はＴａ（タンタル）で形成されている。保護層および絶縁層１５の上に通電路２１，２２，２３，２４が形成される。通電路２１，２２，２３，２４は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などの非磁性の導電性材料で形成されており、例えばＣｕとＡｌとの積層構造である。

磁気抵抗効果素子１０は、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向が感度軸方向である。自由磁性層１３の磁化が固定磁化Ｐｉｎと平行に向けられると、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が極小となり、磁化が固定磁化Ｐｉｎと反平行に向けられると、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が極大になる。

＜第１の実施の形態の磁界検出装置１の動作＞
次に、第１の実施の形態の磁界検出装置１の動作を説明する。

電源部２から駆動電圧Ｖｄｄが与えられ、第１の抵抗変化部Ｒ１において、通電路２１にＸ１方向の電流Ｉ１が流れると、図２（Ａ）に示すように、電流磁界による矯正磁界Ｈ１が磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３に対してＹ２方向に与えられる。図１に示すように、自由磁性層１３の磁化をＸ１方向へ向けようとする交換結合磁界Ｈｅｘおよび形状異方性と、前記矯正磁界Ｈ１との合成力により、自由磁性層１３の磁化Ｆは、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向と直交するＸ１方向に対してややＹ２方向に傾く斜めの向きとなる。

第２の抵抗変化部Ｒ２においても、磁気抵抗効果素子１０に対して、交換結合磁界ＨｅｘがＸ１方向に作用する。第１の抵抗変化部Ｒ１の通電路２１にＸ１方向の電流Ｉ１が流れると、図２（Ｂ）に示すように磁気抵抗効果素子１０に対して矯正磁界Ｈ２がＹ２方向に作用する。よって、第２の抵抗変化部Ｒ２においても、自由磁性層１３の磁化Ｆは、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向と直交するＸ１方向に対してややＹ２方向に傾いて斜めに向けられる。

第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４においても、交換結合磁界ＨｅｘがＸ１方向に作用し、矯正磁界Ｈ３とＨ４がＹ２方向へ作用するため、自由磁性層１３の磁化Ｆは、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向と直交するＸ１方向に対してややＹ２方向に傾く斜めに向けられる。

磁界検出装置１では、直列に接続されている第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２とで、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎが逆向きであるが、第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２とで、自由磁性層１３の磁化Ｆが同じＹ２方向へ傾けられている。後に説明するように、第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２とで自由磁性層１３の磁化Ｆを同じ方向へ傾けることによって、第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２を構成する磁気抵抗効果素子１０の温度特性を改善でき、中点出力Ｏｕｔ１の単位温度変化に対する出力の変動量をゼロに近づけるように調整することが可能となる。

すなわち、第１の抵抗変化部Ｒ１を構成する磁気抵抗効果素子１０と、第２の抵抗変化部Ｒ２を構成する磁気抵抗効果素子１０は、膜の積層構造が同じであり、同時に成膜されるために、同じ温度特性を持つものとなる。したがって、抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２において、磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３の磁化Ｆを同じ方向へ傾けることで、磁気抵抗効果素子１０の温度特性による中点出力Ｏｕｔ１の変動を抑制できるようになる。

同様に、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４でも磁気抵抗効果素子１０の膜構成が同じであるが、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きが互いに逆である。ここでも、２つの抵抗変化部Ｒ３，Ｒ４において、磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１１の磁化ＦをＸ１方向に対して同じ向きに傾かせることで、中点出力Ｏｕｔ２の単位温度変化に対する出力の変動量をゼロに近づけるように調整することが可能となる。

ここで、図１と図３に示すＶｄｄ−Ｏｕｔ１−Ｇｎｄに外部磁界Ｂが作用したときの直列回路の抵抗値を計算すると、Ｒ１とＲ２とで感度軸が逆向きのため、（Ｒ１−α１・Ｈ１）＋（Ｒ２＋α２・Ｈ２）である。α１とα２は磁気抵抗効果素子１０の抵抗変化率であるが、Ｒ１とＲ２は同じ感度を有する同じ構造の磁気抵抗効果素子１０で構成されているため、α１＝α２である。Ｈ１はＲ１に作用する磁界の強さで、Ｈ２はＲ２に作用する磁界の強さであり、Ｈ１＝Ｈ２である。したがって、外部磁界Ｂが変化しても、前記直列回路の抵抗値は、（Ｒ１−α１・Ｈ１）＋（Ｒ２＋α２・Ｈ２）＝Ｒ１＋Ｒ２で変化することがない。したがって、通電路２１，２２に流れる電流は一定となり、矯正磁界Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４の大きさも常に一定となる。

ただし、ノイズなどの影響で矯正磁界Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４に変動が生じるのを
防止するために、電源部２を定電流回路としてもよい。

また、図３に示すように、電源部２から与えられる電流値を可変する電流調整部（可変抵抗器）４を設けると、通電部２１，２２，２３，２４に流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を調整して、自由磁性層の磁化Ｆの傾き角度を、温度特性を改善するための適正値となるように調整することが可能になる。

図１に示すように、磁界検出装置１に対してＹ１方向の外部磁界（被測定磁界）Ｂが作用すると、全ての抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において、自由磁性層１３の磁化Ｆが時計方向へ回転させられる。第１の抵抗変化部Ｒ１では、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が大きくなり、第２の抵抗変化部Ｒ２では、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が小さくなる。また、第３の抵抗変化部Ｒ３では抵抗値が小さくなり、第４の抵抗変化部Ｒ４で抵抗値が大きくなる。

よって第１の中点出力Ｏｕｔ１の電圧が低下し、第２の中点出力Ｏｕｔ２の電圧が上昇して、差動増幅器３の検知出力が低下する。図１とは逆に外部磁界ＢがＹ２方向に与えられると、第１の中点出力Ｏｕｔ１が大きくなり、第２の中点出力Ｏｕｔ２が小さくなって、差動増幅器３から得られる検知出力が逆位相となる。

差動増幅器３で得られる検知出力によって外部磁界Ｂの大きさと向きを検知することが可能になる。

＜第２の実施の形態の磁界検出装置１０１＞
図４に本発明の第２の実施の形態の磁界検出装置１０１の第１の抵抗変化部Ｒ１の構造が示されている。

図４に示す第１の抵抗変化部Ｒ１では、磁気抵抗効果素子１０の配置が図１に示す第１の実施の形態と同じである。複数の磁気抵抗効果素子１０は、導電パターン１１１によってミアンダ形状に接続され、全ての磁気抵抗効果素子１０が直列に接続されている。そして、電源部２から導電パターン１１１を介して磁気抵抗効果素子１０に電圧が印加されている。

第１の抵抗変化部Ｒ１では、磁気抵抗効果素子１０と絶縁された通電路１２１が、それぞれの磁気抵抗効果素子１０と平行に重ねられて形成されている。通電路１２１に与えられる電流Ｉ１０１によって矯正磁界Ｈ２が誘導される。磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３の磁化Ｆは、交換結合磁界Ｈｅｘおよび形状異方性と、矯正磁界Ｈ２との合成により、Ｘ１方向に対して斜めに傾けられる。

第２の実施の形態の磁界検出装置１０１では、第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４の構成が、図４に示す第１の抵抗変化部Ｒ１と同じである。また各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のブリッジの接続構造も図１と同じである。

各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４における磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きは図１と同じである。そして、全ての抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において矯正磁界Ｈ２が同じ向き（Ｙ２方向）に作用し、自由磁性層１３の磁化ＦがＸ１方向に対して傾けられている。

第２の実施の形態においても、電源部２から各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に重ねられている通電路１２１に与えられる電流Ｉ１０１の電流量を調整する可変抵抗器などの調整部を設けることで、矯正磁界Ｈ２の大きさを可変し、自由磁性層１３の磁化Ｆの傾き角度を、温度特性を改善するのに適正な値に調整することが可能である。

＜第３の実施の形態の磁界検出装置２０１＞
図５に本発明の第３の実施の形態の磁界検出装置２０１の第１の抵抗変化部Ｒ１の構造が示されている。

図５に示す第１の抵抗変化部Ｒ１は、磁気抵抗効果素子１０の配置が図１に示す第１の実施の形態および図４に示す第２の実施の形態と同じである。複数の磁気抵抗効果素子１０は、導電パターン１１１によってミアンダ形状に接続され、全ての磁気抵抗効果素子１０が直列に接続されている。そして、電源部２から導電パターン１１１を介して磁気抵抗効果素子１０に電圧が印加されている。

それぞれの磁気抵抗効果素子１０を挟んでＹ方向の両側に永久磁石２１１が配置されており、永久磁石２１１から磁気抵抗効果素子１０に矯正磁界Ｈ２が与えられている。磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３の磁化Ｆは、交換結合磁界Ｈｅｘおよび形状異方性と、矯正磁界Ｈ２との合成により、Ｘ１方向に対して斜めに傾けられている。

なお、図５に示す第３の実施の形態の磁界検出装置２０１では、磁気抵抗効果素子１０として、自由磁性層１３に重ねられた反強磁性層１４が存在しておらず、自由磁性層１３に交換結合磁界Ｈｅｘが作用していないものであってもよい。この場合も、図５に示すように、永久磁石２１１によって、それぞれの磁気抵抗効果素子１０に斜めに向くバイアス磁界を与えることで、自由磁性層１３の磁化ＦをＸ１方向に対して斜めの向きに設定することが可能になる。

第３の実施の形態の磁界検出装置２０１では、第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４の構成が、図５に示す第１の抵抗変化部Ｒ１と同じである。またブリッジの接続構造も図１と同じである。

各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４における磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きは図１と同じである。そして、全ての抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において矯正磁界Ｈ２が同じ向きに傾けられている。

＜抵抗変化部の特性の調整＞
図７は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値などが未調整である磁界検出装置１（１０１，２０１）の各抵抗変化部の特性を示している。図８は、磁気抵抗効果素子１０の実質的な長さを調整したときの各抵抗変化部の特性を示している。図９は、全ての抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において、磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３の磁化ＦをＸ１方向に対して斜めに向けて温度特性を改善する調整を行ったときの各抵抗変化部の特性を示している。図１０は、全ての抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において、磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３の磁化ＦをＸ１方向に対して斜めに向けて温度特性を改善し、さらに、磁気抵抗効果素子１０の実質的な長さを調整したときの各抵抗変化部の特性を示している。

図７ないし図１０の各図において（Ａ）は、外部磁界Ｂの変化に対する各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値の変化を示している。横軸は、外部磁界Ｂの磁場Ｈｙの強さ（ｍＴ）を示しており、Ｙ１方向の磁場（Ｈｙ）の強さがプラス側で、Ｙ２方向の磁場（Ｈｙ）の強さがマイナス側である。縦軸は各抵抗変化部の抵抗値（Ω）を示している。

各図の（Ａ）において実線で示すグラフは、Ｖｄｄ−Ｏｕｔ１間の抵抗値の変化であり、第１の抵抗変化部Ｒ１の抵抗値の変化を示している。一点鎖線で示すグラフは、Ｖｄｄ−Ｏｕｔ２間の抵抗値の変化であり、第３の抵抗変化部Ｒ３の抵抗値の変化を示している。細かな破線で示すグラフは、ＧＮＤ−Ｏｕｔ１間の抵抗値の変化であり、第２の抵抗変化部Ｒ２の抵抗値の変化を示している。粗い破線で示すグラフは、ＧＮＤ−Ｏｕｔ２間の抵抗値の変化であり、第４の抵抗変化部Ｒ４の抵抗値の変化を示している。

各図の（Ｂ）は、外部磁界の変化に対する各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を示している。横軸は、外部磁界Ｂの磁場Ｈｙの強さ（ｍＴ）を示しており、Ｙ１方向の磁場（Ｈｙ）の強さがプラス側で、Ｙ２方向の磁場（Ｈｙ）の強さがマイナス側である。縦軸は各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗温度係数（ＴＣＲ：ｐｐｍ／℃）を示している。

抵抗温度係数は、基準温度Ｔを２５℃、そのときの抵抗値をＲとし、任意温度Ｔａを８５℃とし、そのときの抵抗値をＲａとしたときに、（Ｒａ−Ｒ）／Ｒ÷（Ｔａ−Ｔ）×１００００００（ｐｐｍ／℃）で求められる。

各図の（Ｂ）でも、実線で示すグラフは、第１の抵抗変化部Ｒ１のＴＣＲの変化を示している。一点鎖線で示すグラフは、第３の抵抗変化部Ｒ３のＴＣＲの変化を示している。細かな破線で示すグラフは、第２の抵抗変化部Ｒ２のＴＣＲの変化を示している。粗い破線で示すグラフは、第４の抵抗変化部Ｒ４のＴＣＲの変化を示している。

各図の（Ｃ）は、外部磁界Ｂの磁場（Ｈｙ）の大きさと図１に示すようなフルブリッジ回路の出力との関係を示している。横軸は外部磁界Ｂの磁場（Ｈｙ）の大きさであり、Ｙ１方向の磁場の強さがプラス側で、Ｙ２方向の磁場の強さがマイナス側である。縦軸はフルブリッジ回路の出力であるが、ここでの出力は、（第２の中点出力Ｏｕｔ２）−（第１の中点出力Ｏｕｔ１）（ｍＶ）である。また、（Ｃ）では、基準温度Ｔ＝２５℃のときの検知出力が実線で示され、任意温度Ｔａ＝８５℃のときの検知出力が一点鎖線で示されている。

各図の（Ｄ）は、外部磁界Ｂの磁場（Ｈｙ）の大きさに対する、検知出力の温度特性の変化を示している。横軸は外部磁界Ｂの磁場（Ｈｙ）の大きさであり、Ｙ１方向の磁場の強さがプラス側で、Ｙ２方向の磁場の強さがマイナス側である。縦軸は、（Ｃ）に示されている（８５℃での検知出力）−（２５℃での検知出力）を温度差（８５℃−２５℃＝６０℃）で除した値（μＶ／℃）である。

図７は無調整の状態であり、図７（Ａ）（Ｂ）で、出力の交点がゼロ磁場に一致しておらず、しかも（Ｄ）に示すように、外部磁界Ｂが作用していないゼロ磁場において、単位温度変化当たりのブリッジ出力の変動値δがマイナス側に大きくずれている。その結果、温度変化があったときの出力の変動が、外部磁場がプラス側とマイナス側とでアンバランスになる。

図８は、各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を構成する磁気抵抗効果素子１０をトリミングし、あるいはストライプ状の磁気抵抗効果素子１０の途中に低抵抗材料のバイパスを付加するなどして実質的な抵抗の長さを変化させて調整した結果を示している。図８（Ａ）では、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きがＹ２方向である抵抗変化部Ｒ１，Ｒ４のそれぞれの抵抗値を上げて、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きがＹ１方向である抵抗変化部Ｒ３，Ｒ３のそれぞれの抵抗値を下げることで、ゼロ磁場の状態で検知出力が交差するように調整している。この調整により、図８（Ｂ）に示すように、ゼロ磁場のときに、温度が変化しても、フルブリッジでの検知出力（Ｏｕｔ２−Ｏｕｔ１）をゼロに設定することが可能になる。

しかし、図８（Ｂ）（Ｄ）に示すように温度特性は調整することができず、図８（Ｄ）に示すように、単位温度変化当たりのブリッジ出力のマイナス側の変動値δがさらに大きくなっている。

図９では、図１と図４および図５に示すように、各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４における磁気抵抗効果素子１０の自由磁性層１３の磁化Ｆの向きを、Ｘ１方向に対して全て同じ方向であるＹ２方向へ傾かせている。その結果、図８（Ｄ）に示すように、単位温度変化当たりのブリッジ出力のマイナス側の変動値δをゼロに接近させることができ、温度が上昇しているときと温度が低下しているときとで、外部磁界に対するブリッジ出力の変動の差を少なくできる。

なお、この場合に、図９（Ａ）に示すように出力の交点が外部磁界のプラス側へシフトし、図９（Ｃ）に示すように、それぞれでの温度でブリッジ出力がゼロになる点が、外部磁界Ｂの磁場（Ｈｙ）のプラス側にシフトするが、この点は処理回路上で、出力にバイアス電圧を与えることなどで解消することができる。

図１０は、各抵抗変化部Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を構成する磁気抵抗効果素子１０の実質的な抵抗の長さをトリミングや低抵抗材料のバイパスの付加で調整し、さらに全ての抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において、自由磁性層１３の磁化Ｆの向きを全てＸ１方向の同じ方向へ傾けさせている。

これにより、図１０（Ｄ）に示すように、単位温度変化に対するブリッジ出力の変動値をほぼゼロに一致させることが可能になる。

Ｂ 外部磁界
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４ 矯正磁界
Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ 電流
Ｏｕｔ１ 第１の中点出力
Ｏｕｔ２ 第２の中点出力
Ｐｉｎ 固定磁性層の固定磁化
Ｆ 自由磁性層の磁化
Ｒ１ 第１の抵抗変化部
Ｒ２ 第２の抵抗変化部
Ｒ３ 第３の抵抗変化部
Ｒ４ 第４の抵抗変化部
Ｖｄｄ 駆動電圧
１，１０１，１０２ 磁界検出装置
２ 電源部
３ 差動増幅部
１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 固定磁性層
１２ 非磁性層
１３ 自由磁性層
２１，２２，２３，２４ 通電路

Claims (13)

1. それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られる磁界検出装置において、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とが積層されて構成され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きが逆向きであり、
   前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きとが、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾いていることを特徴とする磁界検出装置。
2. それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続され、第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部とが直列に接続され、２つの直列群が並列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られ、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との中点から第２の中点出力が得られる磁界検出装置において、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とが積層されて構成され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きが逆向きで、前記第３の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きが前記第２の抵抗変化部と同じで、前記第４の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きが前記第１の抵抗変化部と同じであり、
   前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第３の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向き、および前記第４の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きが、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾いていることを特徴とする磁界検出装置。
3. 前記磁気抵抗効果素子は長尺形状で、前記固定磁性層の固定磁化の向きが前記磁気抵抗効果素子の短幅方向に設定されており、
   前記磁気抵抗効果素子の前記自由磁性層の磁化を長手方向に設定する縦バイアス磁界と、前記自由磁性層の磁化の向きを、前記縦バイアス磁界の磁化方向から傾かせる矯正磁界が設けられている請求項１または２記載の磁界検出装置。
4. 前記磁気抵抗効果素子に前記縦バイアス方向と平行に延びる通電路が設けられ、前記通電路に流れる電流によって前記矯正磁界が誘導される請求項３記載の磁界検出装置。
5. 前記通電路に流れる電流を調整する調整部を有する請求項４記載の磁界検出装置。
6. 前記磁気抵抗効果素子の側方に配置された永久磁石によって前記矯正磁界が誘導される請求項３記載の磁界検出装置。
7. それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られる磁界検出装置の調整方法において、
   前記磁気抵抗効果素子を、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とを積層して構成し、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きを逆向きとし、
   前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きとを、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾けて、温度特性の調整を行うことを特徴とする磁界検出装置の調整方法。
8. それぞれが磁気抵抗効果素子を有する第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが直列に接続され、第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部とが直列に接続され、２つの直列群が並列に接続されて電圧が印加され、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部の中点から第１の中点出力が得られ、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との中点から第２の中点出力が得られる磁界検出装置の調整方法において、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化が固定された固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とを積層して構成し、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の向きを逆向きとし、前記第３の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きを前記第２の抵抗変化部と同じで、前記第４の抵抗変化部の前記固定磁性層の固定磁化の向きを前記第１の抵抗変化部と同じとし、
   前記第１の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第２の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きと、前記第３の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向き、および前記第４の抵抗変化部の前記自由磁性層の磁化の向きを、前記固定磁化と直交する向きに対して同じ方向へ傾けて、温度特性の調整を行うことを特徴とする磁界検出装置の調整方法。
9. 外部磁界が作用していないときに、単位温度変化当たりの前記中点電位の変動量をゼロに近づける調整を行う請求項７または８記載の磁界検出装置の調整方法。
10. 前記磁気抵抗効果素子を長尺形状で、前記固定磁性層の固定磁化の向きを前記磁気抵抗効果素子の短幅方向に設定し、
    前記磁気抵抗効果素子の前記自由磁性層の磁化を長手方向に設定する縦バイアス磁界と、前記自由磁性層の磁化の向きを、前記縦バイアス磁界の磁化方向から傾かせる矯正磁界を設ける請求項７ないし９のいずれかに記載の磁界検出装置の調整方法。
11. 前記磁気抵抗効果素子に前記縦バイアス方向と平行に延びる通電路を設け、前記通電路に流れる電流によって前記矯正磁界を誘導する請求項１０記載の磁界検出装置の調整方法。
12. 前記通電路に流れる電流を調整する請求項１１記載の磁界検出装置の調整方法。
13. 前記磁気抵抗効果素子の側方に配置された永久磁石によって前記矯正磁界を誘導する請求項１０記載の磁界検出装置の調整方法。

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