JP2022515026A - 高磁場を二次元で検知する、磁気抵抗に基づいた検知回路 - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁場の検知においてｎ次の高調波を除去し、角度誤差を減らす。【解決手段】本開示は、直列に接続された主トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２を備えた主ハーフブリッジ１０１と、主ハーフブリッジ１０１に対して並列に接続されるとともに、直列に接続された副トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４を備えた第１副ハーフブリッジ１０２とを有し、出力電圧ＶｏｕｔがＴＭＲ１とＴＭＲ３の間の接続部及びＴＭＲ２とＴＭＲ４の間の接続部から取り出される回路部分１００を備えた磁気検知回路に関し、磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ３の基準磁化２３０がそれぞれ磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ２及びＴＭＲ４の基準磁化２３０に対してほぼ逆並列に配向されていて、第１副ハーフブリッジ１０２の検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１の検知軸線２５０と約１８０°／ｎの角度θ異なる。ｎは除去すべき高調波の次数である。この磁気検知回路は、角度誤差を低減し、大きな外部磁場を検知可能にする。

Description

本開示は、外部磁場を二次元で検知する、磁気抵抗センサ素子を使用する磁気検知回路に関する。本開示は、角度誤差を低減した形で強さの大きな外部磁場の検知に関する。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に基づく磁気角度センサは、市場に存在する競合技術と比べて、高い感度、広い範囲の出力抵抗、ＣＭＯＳプロセスへのより良い統合及びそれ以外の多くの魅力的な特徴を提供する。

そのような磁気角度センサは、典型的には、誘電性トンネル障壁によって分離された二つの磁気的に異なる強磁性層を備えた特別なＭＴＪ複数層フィルムを必要とする。それらの強磁性層の中の一方（検知層）は、軟磁性であり、外部磁場磁場によって容易に整列させられ、他方（基準層）は、硬磁性であり、その磁化方向をピニングされている。

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果は、検知層の磁化と基準層の磁化の間の相対的な角度の検知、それによって、外部磁場の方向の計測に用いられている。検知層と基準層の磁化の間の相対的な角度の変化は、ＭＴＪ積層体を介した導電率の変化を計測することによって決定可能である。ＭＴＪ複数層体の導電率は、検知層と基準層の正味の磁化方向の間の相対的な角度の余弦関数に従う。

図１は、ハーフブリッジ構成に配置された二つの磁気センサ素子２０を示す。そのハーフブリッジ回路１０は、入力電圧Ｖ_ｉｎの分数である出力電圧Ｖ_ｏｕｔを発生する。二つの磁気センサ素子２０の中の一方は、他方の磁気センサ素子２０の基準磁化２３０に対して逆方向にピニングされた基準磁化２３０を有する。両方のセンサ素子２０における検知磁化２１０は磁場方向６０に追従する。ハーフブリッジの検知軸線２５０は、磁気センサ２０の中の一方のピニング方向と、即ち、基準磁化２３０の方向と一致している。図１の例では、ハーフブリッジの検知軸線２５０は、上部の磁気センサ２０のピニング方向と一致している。検知軸線２５０に対して同一線上に加わる磁場が、正の磁場の強さに関する最大のＶ_ｉｎ／Ｖ_ｏｕｔ値と、負の磁場の強さに関する最小のＶ_ｉｎ／Ｖ_ｏｕｔ値とを提供する。それ以外の磁場方向に関するＶ_ｉｎ／Ｖ_ｏｕｔ値は、検知軸線２５０への磁場の投影に比例する。ハーフブリッジ１０は、２Ｄ磁場センサの基本的な機能素子である。フル２Ｄ磁場センサは、二つのハーフブリッジ回路１０から得てよく、それらの検知軸線は互いにほぼ直交する。入力電圧の大きさが同じである（Ｖ_ｉｎ１＝Ｖ_ｉｎ２）として、出力電圧の瞬間的な比率（Ｖ_ｏｕｔ１／Ｖ_ｏｕｔ２）の逆正接が磁場の角度を与える。同様に、それらの二つのハーフブリッジ回路１０の各々は、（四つのセンサ素子２０を備えた）フルブリッジで置換可能であり、その結果、ハーフブリッジ又はフルブリッジの（センサ素子２０の中の一方の基準磁化２３０の方向に相当する）検知軸線がそれに対応するセンサ素子２０に関するピニング方向２３１に対して平行であろう。

図２は、磁気センサ素子２０のＭＴＪ複数層体の断面図の例を示す。その最も簡単な構造では、複数層体が、強磁性基準層２３と強磁性検知層２１の間に挟まれたトンネル障壁スペーサ層２２を備える。強磁性基準層２３は、ピニング方向２３１にピニングされた基準磁化２３０を有する。強磁性検知層２１は、基準磁化２３０に相対的に向きを自由に変えられる検知磁化２１０を有する。外部磁場６０がセンサ素子２０に対して存在する場合、基準磁化２３０は、ほぼピニング方向２３１に固定されたままである一方、検知磁化２１０は、外部磁場６０の方向に偏向される。基準磁化２３０のピニングは、基準磁化２３０（ピニング磁場）と交換結合する（反強磁性層などの）ピニング層２４によって実現可能である。

従って、外部磁場６０の方向は、ハーフブリッジ回路１０に直流電圧Ｖ_ｉｎを印加し（図１を参照）、分圧器の比率（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_ｏｕｔ）を計測することによって、計測可能である。理想的な条件の下では、分圧器の比率Ｖ_ｉｎ／Ｖ_ｏｕｔは、外部磁場の角度の余弦関数に従う。

二次元（２Ｄ）で磁場を検知する用途では、基準磁化２３０は、通常、面内（基準層２３の面内）にある。２Ｄ磁場センサは、基準磁化２３０を互いに９０°回転させた二つのハーフブリッジ１０を配備することによって得られる。そのため、２Ｄ磁場センサは、基準磁化２３０の方向が直交する二つのハーフブリッジ１０を組み合わせたものである。磁場センサの感度を向上させるとともに、差分出力を提供するために、ハーフブリッジ１０の各々をフルブリッジに置換し得る（図３を参照）。通常は、一つのフルブリッジが二つのハーフブリッジ１０を備え、一方のハーフブリッジの検知軸線２５０が他方のハーフブリッジの検知軸線２５０に対して１８０°の方向に配向されている。外部磁場６０の角度は、直交するハーフブリッジ（又はフルブリッジ）からの分圧器の比率Ｖ_ｉｎ／Ｖ_ｏｕｔの逆正接関数を求めることによって計測可能である。

理想的な条件の下では、２Ｄ磁場センサにおける各々の（理想的な）センサ素子２０の基準磁化２３０は、その方向が、少なくとも外部磁場６０の有効計測範囲内において外部磁場６０によって影響されないように、無限の硬磁性を持つべきである。「理想的な」センサ素子２０の検知磁化２１０も、その方向が完全に外部磁場６０の方向に磁化されるように、完全に軟磁性であるべきである。

しかし、実際には、「理想的でない」センサ素子２０では、検知層２１は有限の磁気異方性を有する。その検知磁化２１０は、基準層２３からの有限の漂遊磁場にさらされる可能性がある。それは、検知磁化２１０が外部磁場６０と整列した場合に角度誤差を引き起こし、そのため、磁場検知時に角度誤差を引き起こす。それらの角度誤差は、外部磁場の強さが低下した時に角度誤差が増大するので、外部磁場の強さが小さい時の動作マージンを制限する。

更に、「理想的でない」センサ素子２０では、基準磁化２３０が有限の硬磁性を有し、そのため、外部磁場６０によって（ほんの僅かでも）偏向される可能性がある。そのことも、検知磁化２１０の整列時に角度誤差を生じさせる。それらの角度誤差は、外部磁場６０の強さに応じて増大し、そのため、磁気センサ素子２０及び磁気センサ素子２０に基づく２Ｄ磁場センサの高磁場での動作マージンを制限する。外部磁場６０の大きな（少なくとも５０Ｏｅを上回る）強さに関して、基準磁化２３０の有限の硬磁性が、ハーフブリッジ１０又はフルブリッジからの出力信号Ｖ_ｏｕｔの特徴的な「三角」歪を引き起こす（図４を参照）。その歪は、外部磁場６０の向きに対して相対的な検知磁化２１０の向きの角度誤差に起因する。

図４は、検知軸の方向２５０に対する外部磁場６０の向き（Ｈ_ｅｘｔ角度）の関数としてハーフブリッジ（フルブリッジ）式検知回路１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎを図示した波形図である。特に、図４は、「綺麗な」正弦曲線（実線１１）に対応する「理想的な」センサ素子２０を備えたハーフブリッジ（又はフルブリッジ）式検知回路１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを出力電圧Ｖ_ｏｕｔの特徴的な「三角」歪を有する（破線１２）「理想的でない」センサ素子２０を備えたハーフブリッジ（又はフルブリッジ）式検知回路１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔと比較している。

図５は、「理想的でない」センサ素子２０によって引き起こされる角度のずれを示す。見てとれるとおり、歪に、より大きな高調波が生じている。

図６は、ハーフブリッジ１０を備えた図１の磁気角度検知用ブリッジ回路の変化形態を図示していて、ハーフブリッジ１０のセンサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２は、それぞれ別のセンサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４と直列に接続されている。特に、センサ素子ＴＭＲ１がセンサ素子ＴＭＲ３と直列に接続され、センサ素子ＴＭＲ２がセンサ素子ＴＭＲ４と直列に接続されている。その結果得られる電圧Ｖ_ｏｕｔは、電圧Ｖ_ｉｎを四つの全てのセンサ素子ＴＭＲ１、ＴＭＲ２、ＴＭＲ３及びＴＭＲ４に印加した時に直列に接続されたセンサ素子ＴＭＲ４とＴＭＲ２を介した降下電圧である。

出力信号Ｖ_ｏｕｔにおける高次の高調波を除去するために、センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４の基準磁化２３０をそれぞれセンサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２の向きに対して相対的に６０°動いて（シフトして）よい。言い換えると、センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４の検知軸線２５０は、３次の高調波を除去するために、センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２の検知軸線２５０に対して相対的に６０°動かされている。ｎが除去すべき高調波の次数であるとして、１８０°／ｎの規則に従って、５次の高調波を除去するために、センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４の検知軸線２５０をセンサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２の検知軸線２５０に対して相対的に３６°動かされるなどであることに留意されたい。

しかし、直列に接続されたハーフブリッジ形態で配置されたＴＭＲに基づくセンサ素子２０を備えた磁場センサは、大きなＴＭＲ値に対して大きな角度誤差を有する。それは、ＴＭＲ効果のコンダクタンスに応じた角度依存性に起因する。言い換えると、ＴＭＲ効果では、導電率が（例えば、ＧＭＲ効果の場合のように）抵抗率ではなく、外部磁場の角度の余弦に従うので、（図６に例示されている通り）センサ素子２０の位相が１８０°／ｎ動かされているＴＭＲに基づくセンサ素子２０を備えたハーフブリッジの直列配置形態は最適ではない。

本発明では、面内において外部磁場の向きを検知する磁気検知回路は、
直列に接続された主トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２を備えた主ハーフブリッジと、
主ハーフブリッジに対して並列に接続された第１副ハーフブリッジであって、直列に接続された副トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４を備え、出力電圧がＴＭＲ１とＴＭＲ３の間の接続部及びＴＭＲ２とＴＭＲ４の間の接続部から取り出される第１副ハーフブリッジと、
を有する回路部分を備え、
各センサ素子ＴＭＲ１、ＴＭＲ２、ＴＭＲ３及びＴＭＲ４が、ピニング方向にピニングされた基準磁化を有する強磁性基準層と、自由な方向に配向可能な検知磁化を有する強磁性検知層との間に挟まれたトンネル障壁スペーサ層を備え、
磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ３の基準磁化が、それぞれ磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ２及びＴＭＲ４の基準磁化に対してほぼ逆並列の方向に配向されていて、
この第１副ハーフブリッジは、ｎが除去すべき高調波の次数であるとして、主ハーフブリッジの検知軸と約１８０°／ｎの角度異なる検知軸線を有する。

従来技術と比べて、ここで開示した磁気検知回路は、出力信号におけるｎ次の高調波を著しくより良好に除去することを提供するとともに、角度誤差を低減した形で強さの大きな外部磁場を検知可能にする。

本発明は、例として挙げられ、図面に図示された実施形態の記述の助けを借りて、より良く理解される。

ハーフブリッジ構成に配置され、ハーフブリッジの検知軸が上部のセンサ素子のピニング方向と一致する二つの磁気センサ素子の模式図である。 センサ素子に関するＴＭＲ複数層体の例の断面図である。 検知軸を１８０°回転させた二つのハーフブリッジから組み立てられたフルブリッジの模式図である。 図１のハーフブリッジ式検知回路の出力電圧を外部磁場の向きの関数として図示した波形図である。 完全な余弦曲線状の出力からの現実のハーフブリッジの角度のずれを外部磁場の角度の関数として示す。 副検知分岐部が直列に接続された従来技術の模式図である。 磁気角度検知用ブリッジ回路の実施形態の模式図である。 検知軸を互いに９０°回転させた二つのハーフブリッジ回路を備えたフル２Ｄセンサ装置回路の模式図である。 図７と図６の検知用ブリッジ回路に関して角度誤差を外部磁場の強さの関数としてシミュレーションの比較を示す。 図７と図６の検知用ブリッジ回路に関して角度誤差を外部磁場の強さの関数としてシミュレーションの比較を示す。 図７と図６の検知用ブリッジ回路に関して角度誤差を外部磁場の強さの関数としてシミュレーションの比較を示す。 磁場検知用フルブリッジ回路の一つの実施形態の模式図である。 磁場検知用フルブリッジ回路の別の実施形態の模式図である。 磁場検知用フルブリッジ回路の更に別の実施形態の模式図である。

図７は、一つの実施形態による面内において外部磁場の向きを検知する磁気検知用ブリッジ回路１００を示す。この磁気検知回路は、二つの直列に接続された主トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２を備えた主ハーフブリッジ回路１０１を有する回路部分１００を備える。この回路部分１００は、更に、二つの直列に接続された副トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４を備えた第１副ハーフブリッジ１０２を有する。この第１副ハーフブリッジ１０２は、主ハーフブリッジ回路１０１に対して並列に接続されている。

各トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１、ＴＭＲ２、ＴＭＲ３及びＴＭＲ４は、図２に図示されている通り、強磁性基準層２３と強磁性検知層２１の間に挟まれたトンネル障壁スペーサ層２２を備えている。この強磁性基準層２３は、ピニング方向２３１にピニングされた基準磁化２３０を有する。この強磁性検知層２１は、基準磁化２３０に対して相対的に自由な方向に向きを変えられる検知磁化２１０を有する。外部磁場６０が存在すると、基準磁化２３０がほぼピニング方向２３１に固定されたままである一方、検知磁化２１０は外部磁場６０の方向に偏向される。磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ３の基準磁化２３０は、それぞれ磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ２及びＴＭＲ４の基準磁化２３０に対してほぼ逆並列に配向されている。

入力電圧Ｖ_ｉｎは、主ハーフブリッジ回路１０１と第１副ハーフブリッジ１０２を介して印加される。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、ＴＭＲ１とＴＭＲ３の間の接続部とＴＭＲ２とＴＭＲ４の間の接続部から取り出される。この回路部分１００は分圧器として動作し、その際、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは入力電圧Ｖ_ｉｎの分数である。図８は、二つのハーフブリッジ回路１００と１００’を備えたフルブリッジ式２Ｄセンサ装置回路３０の一つの例を示す。このハーフブリッジ回路の中の一方の検知軸線２５０は、他方のフルブリッジ回路１００’の検知軸線２５０に対してほぼ直交方向に配向されている。外部磁場６０の向きは、各回路部分１００、１００’に等しい電圧Ｖ_ｉｎを印加して、それらの出力Ｖ_ｏｕｔの比率の逆正接関数を計算することによって計測可能である。

一つの実施形態では、第１副ハーフブリッジ１０２は、その検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１の検知軸線２５０と約１８０°／ｎの角度θ異なるように構成され、ここで、ｎは、除去すべき高調波の次数である。

一つの実施形態では、第１副ハーフブリッジ１０２は、三次高調波を除去するために、第２ハーフブリッジ１０２の検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１の検知軸線２５０と約６０°の角度θ異なるように構成される。

別の実施形態では、第１副ハーフブリッジ１０２は、五次高調波を除去するために、その検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１の検知軸線２５０と約３６°の角度θ異なるように構成される。

図９ａから図９ｃは、ここで提案した図７の「並列式」回路部分１００（曲線ＳＰ）と図６の「直列式」磁気角度検知用ブリッジ回路（曲線ＳＯ）に関して、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの強さの関数としてシミュレーションしたＶ_ｏｕｔの角度誤差を比較している。シミュレーションは、３．６ｋＯｅのピニング磁場と５０％（図９ａ）、１００％（図９ｂ）及び２００％（図９ｃ）のＴＭＲに関して実施された。図９ａから図９ｃは、更に、シミュレーションした曲線ＳＰ及びＳＯを図１の「従来の」磁気角度検知用ブリッジ回路１０（曲線ＳＣ）に関する外部磁場Ｈ_ｅｘｔの強さの関数としてシミュレーションしたＶ_ｏｕｔの角度誤差と比較している。ここで提案した図７の「並列式」回路部分１００と図６の「直列式」磁気検知回路に関する回転磁場６０に対する電気応答は、三次高調波だけを除去するとの仮定の下に成された。従って、第１副ハーフブリッジ１０２の検知軸線２５０は、主ハーフブリッジの検知軸線２５０に対して６０°回転されている。

図９ａから図９ｃは、図１の標準的なハーフブリッジ回路１０と比べて、図６と７の磁気角度検知用ハーフブリッジ回路が、より高次の高調波が除去されているために、大きな外部磁場Ｈ_ｅｘｔに関する著しく小さい角度誤差によって特徴付けられることを示す。

図７の「並列式」回路部分１００は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの（０から９００Ｏｅの）範囲全体に渡って図１の「従来の」回路１０の出力Ｖ_ｏｕｔよりも小さい角度誤差を有する。図６の「直列式」磁気検知回路の出力Ｖ_ｏｕｔは、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの（０から１２００Ｏｅの）範囲全体に渡って図１の「従来の」回路１０の出力Ｖ_ｏｕｔよりも小さい角度誤差を有する。そのため、図６と７の両方の磁気検知回路は、角度誤差における改善を示している。

ＴＭＲが増大すると、図１の「従来」の回路１０、図７の「並列式」回路部分１００及び図６の「直列式」磁気検知回路に関して、出力Ｖ_ｏｕｔにおける角度誤差が増大する結果となっている。しかし、図９ａから図９ｃに見られるとおり、図７の「並列式」回路部分１００に関する角度誤差の増大が図６の「直列式」回路に関する増大よりもずっと小さくなっている。

従って、これらのシミュレーションにより示される通り、第１副ハーフブリッジ１０２が主ハーフブリッジ１０１に対して並列に接続されている場合に、出力信号Ｖ_ｏｕｔにおける三次高調波の除去が、より広い範囲の外部磁場Ｈ_ｅｘｔ及びＴＭＲに関して、より効率的である。同じことが、より高次の高調波の除去にも言える。

図１０は、別の実施形態による磁気検知用フルブリッジ回路２００を示す。この検知用ブリッジ回路２００は、並列に接続された、図７の回路部分のような二つの回路部分１００、１００’を備えている。一方の回路部分１００が、トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１、ＴＭＲ２、ＴＭＲ３及びＴＭＲ４で表示され、他方の回路部分１００’が、トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１’、ＴＭＲ２’、ＴＭＲ３’及びＴＭＲ４’で表示されている。

磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ３の基準磁化２３０は、磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ２及びＴＭＲ４の基準磁化２３０に対してほぼ逆並列（反対向きで平行）に配向されている。同様に、磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１’及びＴＭＲ３’の基準磁化２３０は、磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ２’及びＴＭＲ４’の基準磁化２３０に対してほぼ逆並列に配向されている。

入力電圧Ｖ_ｉｎは、二つの並列の回路部分１００、１００’を介して印加される。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、ＴＭＲ１とＴＭＲ３の間の接続部及びＴＭＲ１’とＴＭＲ３’の間の接続部及びＴＭＲ２’とＴＭＲ４’の間の接続部から取り出される。従って、磁気検知回路２００は、分圧器として動作して、差分出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、所与の磁場角度に関して入力電圧Ｖ_ｉｎの分数である。

図８に図示した回路と同様に、全てのＴＭＲ素子のピニング方向が９０°回転されている二つの検知回路２００がフル２Ｄ角度センサを構成する。外部磁場６０の向きは、各検知回路２００に等しい電圧Ｖ_ｉｎを印加して、それらの差分出力電圧Ｖ_ｏｕｔの比率の逆正接関数を計算することによって計測可能である。

一つの実施形態では、回路部分１００、１００’の第１副ハーフブリッジ１０２、１０２’は、その検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１、１０１’の検知軸線２５０と約１８０°／ｎの角度θ異なるように構成され、ここで、ｎは除去すべき高調波の次数である。

一つの実施形態では、回路部分１００、１００’の第１副ハーフブリッジ１０２、１０２’は、三次高調波を除去するために、その検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１、１０１’の検知軸線２５０と約６０°の角度θ異なるように構成されている。

別の実施形態では、回路部分１００、１００’の第１副ハーフブリッジ１０２、１０２’は、五次高調波を除去するために、その検知軸線２５０が主ハーフブリッジ１０１、１０１’の検知軸線２５０と約３６°の角度θ異なるように構成されている。

一方の回路部分１００における主ハーフブリッジ１０１、１０１’は、それらの検知軸線２５０が互いにほぼ１８０°の方向を向くように構成されている。

図１１は、図１０の磁気検知回路２００の変化形態を図示していて、一方の主ハーフブリッジ１０１は、その検知軸線２５０が他方の主ハーフブリッジ１０１’の検知軸線２５０に対して約１８０°－１８０°／ｎ_１の角度θの方向を向くように構成されている。

第１副ハーフブリッジ１０２は、その検知軸線２５０の方向が第１主ハーフブリッジ１０１の検知軸線２５０の方向と約１８０°／ｎ_１の角度θ異なるように構成されている。第１副ハーフブリッジ１０２’は、その検知軸線２５０の方向が第１主ハーフブリッジ１０１’の検知軸線２５０の方向と約１８０°／ｎ_２の角度θ異なるように構成されている。

図１１の磁気検知回路２００の構成は、ｎ_１次とｎ_２次の高調波を同時に除去可能にする。

本発明が上述した実施例に限定されず、それ以外の実施例も特許請求の範囲内で可能であることを理解されたい。

例えば、主トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２の各々は、直列に接続された複数のトンネル磁気抵抗センサ素子から構成し得る。副トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４の各々は、直列に接続された複数のトンネル磁気抵抗センサ素子から構成し得る。

図１２は、一つの実施形態による回路部分１００を備えた磁気検知用ハーフブリッジ回路を示す。この回路部分１００は、主ハーフブリッジ１０１、第１副ハーフブリッジ１０２及び第２副ハーフブリッジ１０３を備えていて、両方の副ハーフブリッジ１０２、１０３は、主ハーフブリッジ１０１に対して並列に接続されている。第１副ハーフブリッジ１０２の検知軸線２５０の方向は、主ハーフブリッジ１０１の検知軸線２５０の方向と約１８０°／ｎ_１の角度θ異なる。第２副ハーフブリッジ１０３の検知軸線２５０の方向は、主ハーフブリッジ１０１と第１副ハーフブリッジ１０２の検知軸線２５０の平均的な方向と約１８０°／ｎ_２の角度θ異なる。この回路部分１００の構成は、ｎ_１次とｎ_２次の高調波を同時に除去可能である。

このハーフブリッジ回路１００は、主ハーフブリッジ１０１に対して並列に接続された複数の副ハーフブリッジ１０２、１０３等から構成し得る。追加的に接続される各副ハーフブリッジは、その検知軸線２５０の方向が主ハーフブリッジ１０１とそれ以外の全ての副ハーフブリッジの全ての検知軸線２５０の平均的な方向と約１８０°／ｎの角度θ異なるように構成され、ここで、ｎは、追加の副ハーフブリッジ毎に異なるものとなり得る。この構成は、複数の高調波の除去を可能にする。追加的に接続される各副ハーフブリッジのハーフブリッジ電気抵抗は、ｎ次の高調波を最適に除去するように調整しなければならない。

例えば、回路部分１００は、検知軸線２５０の方向が主ハーフブリッジ１０１と副ハーフブリッジ１０２の検知軸線２５０の平均的な方向と約１８０°／ｎ_３の角度θ異なる（図示されていない）第三の副ハーフブリッジを備え得る。そのような構成は、ｎ１次、ｎ２次及びｎ３次の高調波を同時に除去可能にし、例えば、６０°の角度が３次の高調波をふるい落とし、４５°の角度が４次の高調波をふるい落とし、３６°の角度が５次の高調波をふるい落とし、３０°の角度が６次の高調波をふるい落とすなどである。ｎの値は、好ましくは、２よりも大きい。

図１２の複数のハーフブリッジ回路１００は、図１０及び１１に図示された回路のように、改善された磁気検知用フルブリッジ回路２００を得るために、並列に接続し得る。

１０ 磁気検知用ハーフブリッジ回路
１１ 余弦状の出力曲線
１２ 歪んだ出力曲線
１００、１００’ 磁気検知用ハーフブリッジ回路
１０１、１０１’ 主ハーフブリッジ
１０２、１０２’ 第１副ハーフブリッジ
１０３ 第２副ハーフブリッジ
２１ 強磁性検知層
２１０ 検知磁化
２０ ＭＴＪ複数層フィルム
２２ トンネル障壁層
２３ 強磁性基準層
２００ 磁気検知回路
２３０ 基準磁化
２３１ ピニング方向
２５０ 検知軸線
２４ ピニング層
３００ フル２Ｄセンサ装置回路
６０、Ｈ_ｅｘｔ 外部磁場
ＴＭＲ１、ＴＭＲ２ 主センサ素子
ＴＭＲ１’、ＴＭＲ２’ 主センサ素子
ＴＭＲ３、ＴＭＲ４ 主センサ素子
ＴＭＲ３’、ＴＭＲ４’ 主センサ素子
ＳＣ 図１の回路に関するシミュレーション
ＳＰ 図７の回路に関するシミュレーション
ＳＯ 図６の回路に関するシミュレーション
θ 角度

Claims (9)

1. 直列に接続された主トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ２を備えた主ハーフブリッジ（１０１）と、
   主ハーフブリッジ（１０１）に対して並列に接続された第１副ハーフブリッジ（１０２）であって、直列に接続された副トンネル磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ３及びＴＭＲ４を備え、出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）がＴＭＲ１とＴＭＲ３の間の接続部及びＴＭＲ２とＴＭＲ４の間の接続部から取り出される第１副ハーフブリッジ（１０２）と、
   を有する回路部分（１００）を備えた、面内において外部磁場（６０）の向きを検知する磁気検知用ハーフブリッジ回路であって、
   各センサ素子ＴＭＲ１、ＴＭＲ２、ＴＭＲ３及びＴＭＲ４が、ピニング方向（２３１）にピニングされた基準磁化（２３０）を有する強磁性基準層（２３）と自由な方向に向きを変えられる検知磁化（２１０）を有する強磁性検知層（２１）との間に挟まれたトンネル障壁スペーサ層（２２）を備え、
   磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ１及びＴＭＲ３の基準磁化（２３０）が、それぞれ磁気抵抗センサ素子ＴＭＲ２及びＴＭＲ４の基準磁化（２３０）に対してほぼ逆並列に配向されていて、
   第１副ハーフブリッジ（１０２）の検知軸線（２５０）が、主ハーフブリッジ（１０１）の検知軸線（２５０）と約１８０°／ｎの角度（θ）異なり、ここで、ｎは、除去すべき高調波の次数である、
   磁気検知用ハーフブリッジ回路。
2. 前記第１副ハーフブリッジ（１０２）は、三次の高調波を除去するために、その検知軸線（２５０）が主ハーフブリッジ（１０１）の検知軸線（２５０）と約６０°の角度（θ）異なるように構成されている、請求項１に記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
3. 前記第１副ハーフブリッジ（１０２）は、五次の高調波を除去するために、その検知軸線（２５０）が主ハーフブリッジ（１０１）の検知軸線（２５０）と約３６°の角度（θ）異なるように構成されている、請求項１に記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
4. 複数の副ハーフブリッジ（１０２、１０３）を備え、各副ハーフブリッジ（１０２、１０３）が主ハーフブリッジ（１０１）に対して並列に接続されていて、
   各副ハーフブリッジ（１０２、１０３）は、その検知軸線（２５０）がそれ以外の全てのハーフブリッジの平均的な検知軸線（２５０）と約１８０°／ｎの角度（θ）異なるように構成されている、
   請求項１から３までのいずれか一つに記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
5. ｎが副ハーフブリッジ（１０２、１０３）毎に異なる、請求項４に記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
6. ｎが２よりも大きい、請求項５に記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
7. 並列に接続された複数の回路部分（１００）を有する、請求項１から６までのいずれか一つに記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
8. ハーフブリッジ回路部分（１００）の中の一つにおける主ハーフブリッジと副ハーフブリッジ（１０１、１０２、１０３）がフルブリッジで構成されていて、主ハーフブリッジ（１０１）の検知軸線（２５０）の間の角度が１８０°である、請求項４から６までのいずれか一つ及び請求項７に記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。
9. ハーフブリッジ回路部分（１００）の中の一つにおける主ハーフブリッジと副ハーフブリッジ（１０１、１０２、１０３）がフルブリッジで構成されていて、主ハーフブリッジ（１０１）の検知軸線（２５０）の間の角度が１８０°－１８０°／ｎである、請求項４から６までのいずれか一つ及び請求項７に記載の磁気検知用ハーフブリッジ回路。

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