JP2019516094A - セット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ａｍｒ）センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、基板（１４０）と、交換バイアス層（１３０）と、ＡＭＲ層（１１０）と、バーバーポール電極（１２２）とを備えるセット／リセットデバイス（１００）のない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサを含む。交換バイアス層（１３０）は基板（１４０）上に堆積され、ＡＭＲ層（１１０）は交換バイアス層（１３０）上に堆積される。ＡＭＲ層（１１０）は複数のグループのＡＭＲストリップで構成され、各グループのＡＭＲストリップはいくつかのＡＭＲストリップで構成される。バーバーポール電極（１２２）は、規則的に各ＡＭＲストリップ上に配置される。ＡＭＲセンサ（１００）は、リセット／セットコイルを必要とすることなく、交換バイアス層（１３０）を用いることで結合を実現する。コイルが使用されないので、チップの電力消費量は大いに減少し、製造プロセスはより簡単になり、改善された歩留まりおよびより低コストをもたらす。【選択図】図２

Description

本発明は、基板に配設される少なくとも１つのタイプの異方性磁気抵抗デバイスを含む磁場のベクトル分布を検出するように構成された磁気抵抗センサに関し、この磁気抵抗デバイスは、伝導性バーを介して直列に接続された複数の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子を含む。磁気抵抗デバイスは、弱い磁場における感度を改善し、線形動作範囲を拡張するバーバーポール（Ｂａｒｂｅｒ−ｐｏｌｅ）電極構造を採用する。また、反強磁性層の交換結合特性が使用され、リセット／セットデバイス（リセットまたはセットするためのデバイス）がキャンセルされ、それによってセンサの電力消費量およびコストをさらに下げる。

異方性磁気抵抗（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＡＭＲ）効果は、強磁性材料の磁化強度と電流方向との間の挟角が変化するときに強磁性材料における特定の抵抗（比抵抗）が変化する現象を指す。ＡＭＲ効果は、最初、１８５７年にトムソンによって発見された。ＡＭＲ効果を用いることによって提供されるセンサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサと呼ばれる。

一般に、バーバーポール電極と呼ばれる構造は、現在のＡＭＲセンサの設計に採用されている。具体的には、アルミニウム、銅、および金などのいくつかの金属伝導性電極がＡＭＲストリップ上に配設され、これらの電極は、ＡＭＲストリップの長軸に対して４５°の構造を形成するように配置されている。図１に示すように、バーバーポール電極は、電極の構造を変更することによって電流方向を変化させる目的を実現し、これは他の方法に比べて小さい容積および低電力消費で有利であり、それによって広く適用されている。特許のＤＥ３４４２２７８Ａ１には、バーバーポール電極についての説明がある。

ＡＭＲセンサは、センサをバイアスするのに使用している間にさらなる磁場を必要としており、センサの線形性および安定性を改善するように、同時に温度ドリフトをなくし、センサの信号対ノイズ比を改善するようになっている。ＤＥ４２２１３８５Ｃ２は、永久磁石を外部から加えることによってバイアスを実現するように磁気抵抗層構造の近くに巨視的な永久磁石を加えるように提案した。しかしながら、方法には、センサ・サイズの制限および複雑な組立てという欠陥がある。したがって、外部から加えられる永久磁石は、磁気抵抗フィルムの近くに配設されているとともに絶縁膜によって磁気抵抗フィルムから隔離されている永久磁石フィルムと徐々で置き換えられている。前述の方法は、永久磁石層の磁区は制御が難しく、バルクハウゼン雑音が生成されるという欠陥を有する。別の方法は、反強磁性層の交換結合作用を用いてバイアスするものであり、この方法は、米国特許出願公開第２０１５００６１６５８号に述べられている。

加えて、ＡＭＲセンサが作動中に外部の大きい磁場によって干渉を受ける場合、ＡＭＲストリップ上の磁区分布は破壊されることになり、ＡＭＲストリップ上の磁区は、いくつかの方向に沿ってランダムに分布するようになる。したがって、センサの感度が低下、減衰、またはさらに故障する。現時点で一般的な方法は、例えば、米国特許出願公開第２０１３０３００４０８号であり、以下の目的を実現するためにＡＭＲセンサ上にセット／リセットコイルを堆積するものであり、このセンサは、高感度モードで働くことが可能であり、出力応答曲線の極性は逆であり、線形性は、垂直軸効果および温度の影響を低減するように改善されている。しかしながら、この方法は、電力消費量の増大および最大測定磁場の制限という欠陥を有する。

前述の課題を解決するために、本発明は、本発明は、セット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサを提供する。このセンサは、基板と、交換バイアス層と、ＡＭＲ層と、バーバーポール電極とを備える。この交換バイアス層は基板上に堆積され、ＡＭＲ層は交換バイアス層上に堆積される。ＡＭＲ層は複数のグループのＡＭＲストリップで構成され、バーバーポール電極は規則的に各ＡＭＲストリップ上に配置される。

さらに、各グループのＡＭＲストリップは、いくつかのＡＭＲストリップで構成される。

さらに、いくつかのＡＭＲストリップは、グループのＡＭＲストリップを形成するように直列に接続される。

さらに、複数のグループのＡＭＲストリップは、互いに平行であり、または複数のグループのＡＭＲストリップは、平行方向および直交方向に配置される。

さらに、各グループのＡＭＲストリップのうちのいくつかのＡＭＲストリップ上のバーバーポール電極とそれぞれのいくつかのＡＭＲストリップとの間に、同じ挟角が形成される。

さらに、ＡＭＲストリップとＡＭＲストリップ上に配置されたバーバーポール電極との間の挟角は±４５°である。

さらに、交換バイアス層は、反強磁性材料で作製されている。

さらに、ＡＭＲストリップとＡＭＲストリップ上に配置されるバーバーポール電極は抵抗感知素子を形成し、抵抗感知素子はホイートストーンブリッジを形成するようにワイヤを介して接続される。

さらに、複数の抵抗感知素子は、２タイプの抵抗感知素子を備え、一方のタイプの抵抗感知素子では、ＡＭＲストリップとＡＭＲストリップ上に配置されたバーバーポール電極との間の挟角は４５であり、他方のタイプの抵抗感知素子では、ＡＭＲストリップとＡＭＲストリップ上に配置されたバーバーポール電極との間の挟角は−４５°であり、２タイプの抵抗感知素子は近くて交互に配置される。

本発明のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサは、以下の有益な効果を有する。

１．本発明は、リセット／セット（するための）コイルを必要とすることなく、交換バイアス層を用いることで結合を実現する。コイルが使用されないので、チップの電力消費量は大いに減少し、製造プロセスはより簡単になり、それによって製品の歩留まりを改善し、製造コストを下げる。

２．ＡＭＲストリップは、同じチップの平行方向および直交方向の両方向に配置される。４５°の磁気アニーリングの後、チップは、単軸動作から二軸動作へ切り替えることができ、複数の方向の磁場は、同時に測定することができる。

３．本設計は勾配効果を有さず、磁場はより正確に測定される。

４．他の設計と比べて、本設計は、抵抗器ペアなどを採用し、抵抗調整プロセスを必要としない。

本発明の実施形態または従来技術における技術的解決手段をより明確に説明するために、実施形態または従来技術についての説明に使用される添付図面を以下に簡単に紹介する。以下の説明における添付図面は、本発明のいくつかの実施形態に過ぎないことは明らかである。当業者は、創作的努力なしに、これらの添付図面に従って他の添付図面を得ることもできる。

バーバーポール電極の概略構造図である。 本発明によるセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサチップの概略構造図である。 図２の部分拡大概略図である。 ＡＭＲストリップとバーバー・ポール電極との間の接続の概略図である。 ホイートストーンブリッジを形成する回路の概略図である。 本発明に含まれるチップの断面図である。 ＡＭＲストリップの磁気アニーリング方向および交換結合磁化の概略図である。 近くに交互に配置された抵抗器ユニットの設計の説明図である。 従来のセンサにおける抵抗器ユニットの設計の説明図である。

図面において、１００はセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、１０１は電極、１０２は電極、１０３は電極、１０４は電極、１１０はＡＭＲ層、１２０はワイヤ、１２２はバーバーポール電極、１３０は交換バイアス層、１４０は基板、２００はＡＭＲセンサチップ、３００はＡＭＲセンサチップである。

本発明の実施形態における技術的解決手段を、上記実施形態に関して本発明の実施形態の添付図面を参照して以下に明確かつ完全に説明する。記載した実施形態が、本発明の実施形態の全部ではなく一部にすぎないことは明らかである。本発明の実施形態に基づいて創作的努力なしに当業者によって得られる他の実施形態の全部は、本発明の保護範囲に属する。

本発明のセンサ１００の構造は、図２および図３に示されており、複数のグループのＡＭＲストリップ１１０は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向（図中のＸ軸方向）に配置される。バーバーポール電極１２２は、あるルールの下で（規則的に）ＡＭＲストリップに配置される。バーバーポール電極およびＡＭＲストリップは、抵抗感知素子を形成するように±４５°の角度で概して配置されている。例えば、Ｒ１のいくつかのＡＭＲストリップおよびＡＭＲストリップ上のバーバーポール電極は、＋４５°の同じ挟角を形成する。バーバーポール電極およびＡＭＲストリップは、共同でチップの抵抗感知素子を形成する。複数のそのような抵抗感知素子は、ホイートストーンブリッジを形成するようにワイヤ１２０を介して接続され、そして、ホイートストーンブリッジは、チップ全体を形成するように４つの電極（１０１、１０２、１０３、１０４）に接続されており、それによって最終的に図４および図５に示すような構造を形成する。

図６は、本発明に含まれるチップの断面図を示す。交換バイアス層１３０は基板１４０上に堆積され、ＡＭＲ層１１０は交換バイアス層１３０の上に堆積される。従来のＡＭＲセンサが作動中に外部の大きな磁場によって干渉を受ける場合、ＡＭＲストリップ内の磁区分布は破壊されることになり、センサの感度は減衰させられるようになっている。現在の方法は、ＡＭＲセンサ上にセット／リセットコイルを堆積するものであり、電流がＡＭＲセンサを通過するとき、ＡＭＲストリップ内の磁区方向は、コイルが発生する磁場を用いて１つの方向に再統一され、それによって、センサの高感度および再現性を確実にする。本発明では、交換バイアス層１３０は、反強磁性材料（ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎなど）で作製される。磁気抵抗層の磁気モーメントは、交換バイアス層１３０とＡＭＲ層１１０の間の交換結合作用を用いることによって元の位置で安定になされておりおよび安定化されている。したがって、外部磁場からの干渉は回避され、それによって高感度および高再現性の目的が、本発明においてセット／リセットコイルなしで実現することもできる。

チップに関する交換結合作用は、以下にさらに示される。図７に示されるように、ＡＭＲセンサチップ２００および３００は、互いに隣接して配置される。これらのチップは、同じ設計を使用し、チップ２００におけるＡＭＲストリップの長軸がＸ方向に沿っており、一方、チップ３００のＡＭＲストリップの長軸はＹ方向に沿っているという差にすぎない。交換結合を実現するために、まず、交換バイアス層を磁気的にアニールすることが必要である。外部磁場Ｈｅは、アニーリング中に印加され、外部磁場とＸ軸方向との間の挟角は４５°である。磁気アニーリングが完了した後に、反強磁性層と磁気抵抗層の間の交換結合作用のためにチップ２００および３００の各ストリップ上に磁化ベクトルＫが存在する。磁化ベクトルＫの方向は、Ｈｅの方向と一致する。また、Ｘ軸方向の成分ＫｘおよびＹ軸方向の成分Ｋｙがそれぞれ存在する。したがって、１つのアニーリングプロセスによって、異なる感度方向を有する２つのチップ２００および３００は、同時に測定機能を実現することができ、それによって保護プロセスを大いに簡単化している。

加えて、センサは、概して、通常働くためにフルブリッジまたはハーフブリッジ構造を形成する複数の抵抗器要素を必要とする。従来のセンサにおける異なる磁気抵抗素子は、異なる位置に設けられる。図９に示すように、抵抗器要素Ｒ１とＲ２の間には水平方向に位置ずれｄが存在する。この場合には、とても小さな距離内で、測定された外部磁場が均一でなく、強度のばらつきを有する場合、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４間の抵抗不整合の問題がある。したがって、センサの出力は影響を受け、すなわち、いわゆる「勾配効果」が生じる。本特許に含まれるチップは、図８に示されるように、抵抗器ユニットが近くて交互に配置されるように設計されており、それによって位置ずれをなくし、より精密な磁場測定を実現する。

本発明の好ましい実施形態が、上述されている。本発明の原理から逸脱することなくいくつかの改良および修正がさらになされてもよいことを当業者は指摘するはずである。これらの改良および修正も、本発明の保護範囲と考えられる。

Claims (8)

1. セット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサであって、基板と、交換バイアス層と、ＡＭＲ層と、バーバーポール電極とを備え、該交換バイアス層は該基板上に堆積され、該ＡＭＲ層は該交換バイアス層上に堆積され、該ＡＭＲ層は複数のグループのＡＭＲストリップで構成され、各グループのＡＭＲストリップはいくつかのＡＭＲストリップで構成され、該バーバーポール電極は規則的に各ＡＭＲストリップ上に配置される、セット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
2. 前記いくつかのＡＭＲストリップは、グループのＡＭＲストリップを形成するように直列に接続される、請求項１に記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
3. 前記複数のグループのＡＭＲストリップは、互いに平行である、請求項２に記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
4. 同じグループのＡＭＲストリップ内の各ＡＭＲストリップと該ＡＭＲストリップ上に位置する前記バーバーポール電極との間に、同じ挟角が形成される、請求項３に記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
5. 前記各ＡＭＲストリップと前記ＡＭＲストリップ上に配置される前記バーバーポール電極との間の挟角は±４５°である、請求項４に記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
6. 前記交換バイアス層は、反強磁性材料で作製されている、請求項１から５のいずれかに記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
7. 前記ＡＭＲストリップと前記ＡＭＲストリップ上に配置される前記バーバーポール電極は抵抗感知素子を形成し、該抵抗感知素子はホイートストーンブリッジを形成するようにワイヤを介して接続される、請求項６に記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。
8. 前記抵抗感知素子は、２タイプの抵抗感知素子を備え、一方のタイプの抵抗感知素子では、前記ＡＭＲストリップと前記ＡＭＲストリップ上に配置された前記バーバーポール電極との間の挟角は４５°であり、他方のタイプの抵抗感知素子では、前記ＡＭＲストリップと前記ＡＭＲストリップ上に配置された前記バーバーポール電極との間の挟角は−４５°であり、該２タイプの抵抗感知素子は、近くて交互に配置される、請求項７に記載のセット／リセットデバイスのない異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ。