JP2792523B2 - 磁気センサ - Google Patents

磁気センサ

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JP2792523B2
JP2792523B2 JP4041586A JP4158692A JP2792523B2 JP 2792523 B2 JP2792523 B2 JP 2792523B2 JP 4041586 A JP4041586 A JP 4041586A JP 4158692 A JP4158692 A JP 4158692A JP 2792523 B2 JP2792523 B2 JP 2792523B2
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magnetoresistive element
transistor
magnetoresistive
magnetic
collector
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秀人 今野
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物体の位置および回転
検出に用いられる集積化磁気センサに関し、特に、集積
回路中のコレクタ抵抗およびエミッタ抵抗を兼ねる磁気
検出素子としてMR素子パターンを用いる集積化磁気セ
ンサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の技術としては、磁電変換素子とし
て強磁性体磁気抵抗素子(以下MR素子という)を互い
に直交する様に配置し、直列接続した接続部より出力を
とり出し、かつ、両端に電圧供給端子を設けた構造が特
開昭50−28989に開示されており、また素子パタ
ーン形状としては直交させず、同一方向を向いたパター
ンを着磁媒体の磁極に対してある特定の配置を(π/
4)施すことによって、上記特許と同様の効果を得よう
とした構造が、特開昭50−81116に開示されてい
る。また、実公昭56−3610には上記特許において
ブリッジ構造を複数有する場合に、出力の位相差を得る
ため更にある特定の(π/8)距離を隔てる構造が開示
されている。これ以外にも図4に示すようなブリッジを
構成したもの等、これらの特許に関連した特許・実案が
開示されているが、いずれも強磁性体薄膜のMR素子が
直交する、あるいはある特定の距離を隔てることによっ
て出力の安定化を図っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この従来の集積化セン
サは、磁−電変換部はMR素子のみによるブリッジ回路
で構成され、出力の大きさはMR素子の磁気抵抗変化率
の大小にのみ依存する。この場合、プリアンプなどによ
って増幅をせずに電圧比較器等の回路に入力されると、
製造上のバラつきによって生じる抵抗素子精度のバラつ
きが電圧比較器への入力オフセット電圧として現われ
る。従って、製造上の抵抗値バラつきを0.2〜0.3
%以下程度の小さな数値に抑え込む必要が生じていた。
【0004】詳述すれば、磁気−電気変換のおおもとの
出力電圧発生部であるMR素子そのものの磁気抵抗変化
率がmax で2〜3%程であり、かつ温度特性によりこの
抵抗変化率が−0.4%/℃の割合で減少する。例え
ば、常温で2%の抵抗変化率を有する素子の場合、常温
+100℃の環境にさらされれば2%の0.4×100
%=40%出力が低下し、見かけ上(1−0.4)×2
=0.6×2=1.2%の抵抗変化率しか得られないこ
とになる。
【0005】この様に従来の磁気センサでは、その出力
がMR素子の磁気抵抗変化率の大小にのみ依存するの
で、出力電圧の変化が小さいという問題点がある。ま
た、製造上、抵抗値のばらつきを0.2〜0.3%以下
に小さくしなければならないという問題点がある。
【0006】本願発明は、磁気センサの出力を大きくす
ることで、設計上のマージンを大きくすることを目的と
する。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、互いに
ベースが接続された第1及び第2のトランジスタと、一
対の入力端子の一方と前記第1のトランジスタのコレク
タとの間に接続される第1の磁気抵抗素子と、前記一対
の入力端子の一方と前記第2のトランジスタのコレクタ
との間に接続される第2の磁気抵抗素子と、一対の入力
端子の他方と前記第1のトランジスタのエミッタとの間
に接続される第3の磁気抵抗素子と、前記一対の入力端
子の他方と前記第2のトランジスタのエミッタとの間に
接続される第4の磁気抵抗素子と、前記一対の入力端子
の一方に接続された抵抗器と、該抵抗器にコレクタが接
続され、前記第1及び第2のトランジスタのベースにエ
ミッタが接続され、かつ前記第1のトランジスタのコレ
クタにベースが接続された第3のトランジスタとを有
し、前記第1のトランジスタのコレクタと第1の磁気抵
抗素子との接続点及び前記第2のトランジスタのコレク
タと第2の磁気抵抗素子との接続点を一対の出力端子と
したことを特徴とする磁気センサが得られる。
【0008】ここで、前記第1の磁気抵抗素子、前記第
2の磁気抵抗素子、前記第3の磁気抵抗素子、及び前記
第4の磁気抵抗素子は、同一の基板上に平行に形成され
ており、前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁気抵抗
素子とは、被検出媒体の磁極間距離Pに対して、(1/
2−1/3)P≦l≦(1/2+1/3)P、となる素
子間距離lで配置されている。さらに、前記第3の磁気
抵抗素子は、前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁気
抵抗素子との間で、前記第1の磁気抵抗素子に近接して
配置され、前記第4の磁気抵抗素子は、前記第1の磁気
抵抗素子と前記第2の磁気抵抗素子との間で、前記第2
の磁気抵抗素子に近接して配置されている
【0009】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1に本発明の一実施例の等価回路を示す。本実
施例の磁気センサは、外部磁界により抵抗率が変動する
磁気抵抗素子1、2、3、及び4、を有している。これ
らの磁気抵抗素子1、2、3、及び4は各々、トランジ
スタ5及び6のコレクタとエミッタとに接続されてい
る。また、磁気抵抗素子1と2との接続点は入力端子7
に接続され、磁気抵抗素子3と4との接続点はアースさ
れている。さらに、磁気抵抗素子1とトランジスタ5の
コレクタとの接続点、及び磁気抵抗素子2とトランジス
タ6のコレクタとの接続点はそれぞれ出力端子8及び9
に接続されている。さらにまた、トランジスタ5及び6
のベースは互いに接続されると共にトランジスタ10の
エミッタに接続され、トランジスタ10のコレクタは抵
抗11を介して入力端子7に、ベースは出力端子8にそ
れぞれ接続されている。
【0010】この磁気センサは通常Si基板上に他の集
積回路と共に構成される。即ち、図2に示すように、S
i基板20上に電気的接続部を除いて絶縁層を形成し、
磁気抵抗効果を有する強磁性体薄膜、例えば、Ni−F
e、Ni−Co、あるいはNi−Co−Fe薄膜等を磁
気抵抗素子1,2,3、及び4として真空蒸着、または
スパッタリング手法などにより形成されている。ここ
で、磁気抵抗素子1,2,3、及び4は磁気異方性を有
するように、長手方向が幅方向に対して十分長い(長手
方向長さ/幅方向長さ>50)形状となっている。これ
らの磁気抵抗素子1,2,3、及び4は、トランジスタ
5のエミッタ、コレクタ、トランジスタ6のコレクタ、
及びエミッタにそれぞれ接続されている。また、磁気抵
抗素子1と3、及び磁気抵抗素子2と4は、被検出媒体
の磁極に対して実質的に同じ位置となるようにそれぞれ
近接して設けられている。さらに、磁気抵抗素子1及び
3と磁気抵抗素子2及び4とは、被検出媒体の磁極間距
離Pに対して素子間距離lが、(1/2−1/3)P≦
l≦(1/2+1/3)Pとなるように配置されてい
る。
【0011】なお、図示していないが、磁気抵抗素子
1,2,3、及び4は、100Å厚のCr(クロム)膜
でその上面を覆われており、さらにSiO2等の絶縁性
薄膜がパッシベーション膜として形成されている。
【0012】次に、図1及び図2を参照して動作を説明
する。磁気抵抗素子1及び3に磁界が与えられ、磁気抵
抗素子1に流れる電流が増えた時(磁気抵抗素子1に対
して、検出磁界が印加され抵抗値が減少した時)、同時
にエミッタ抵抗を兼ねる素子3の抵抗値も減少する。磁
気抵抗素子1および3の抵抗値減少という相乗効果によ
り出力端子8−9間に電位差が生じる。また素子1,3
とは逆相にて素子2およびエミッタ抵抗を兼ねる素子4
も同時に抵抗値が減少する。したがって素子1および3
の抵抗変化が零の時、素子2および4の抵抗値が小とな
り、この時磁気抵抗変化率としてはmax 2〜3%/素子
が得られる。また、逆に素子2および4の抵抗変化が零
の時、素子1および3の抵抗値が2〜3%減少し、この
ことにより中点電位差V8-9 が変化する。
【0013】図3に、被検出媒体として4極マグネット
を使用したときの出力電圧V8-9 の変化を示す。4極マ
グネットは図3(a)に示すような円板状で、N極とS
極とが2個ずつ設けられている。ここで、磁極間距離P
は隣合うN極とS極との直線距離である。この4極マグ
ネットの外周に隣接して本実施例の磁気センサを配置す
る。そして、この4極マグネットを回転させることによ
り出力電圧V8-9 は変化する。図3(b)に従来のセン
サによる出力電圧の変化31と本実施例による出力電圧
の変化32とを示す。
【0014】従来のセンサにおいて、出力電圧は、電源
電圧V0 に対してVθ=V0 /2−(ΔR/4R0 ) c
os2θ・V0 で表わされる。ここで、ΔRは磁気抵抗素
子を電流方向と平行に飽和磁化したときの抵抗値と電流
方向と垂直に飽和磁化したときの抵抗値との差を表わ
す。また、2R0 は磁気抵抗素子を電流方向と平行に飽
和磁化したときの抵抗値と電流方向と垂直に飽和磁化し
たときの抵抗値との和を表わす。
【0015】上記式から出力電圧の最大変化量を求める
と、VOUTp-p(max) =|Vθ(θ=0) −V
θ(θ=π/2) |=(ΔR/2Ro )Vo −とな
る。
【0016】一方、本実施例の出力電圧は 1/2 VOUT
=ΔR・Ro ×(Vo −VBE)/Ro ・2Ro =(ΔR
/Ro )・(Vo −VBE)である。したがって、VOUT
=(ΔR/Ro )(Vo −VBE) −となる。上記
との比を求めると、/=2(Vo −VBE)/Vo
となる。通常VBEはSi基板の場合0.5〜0.7V程
度であるから上式で、例えばVBE=0.7Vの時、Vo
=5Vとすれば/=2×4.3/5=1.72とな
り従来の約1.7倍の出力を得ることができる。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁気抵抗素子をトランジスタのコレクタ側およびエミッ
タ側に配設してエミッタ側の抵抗は通常のエミッタ抵抗
を兼ねるようにしたことによって、従来に比べて磁気抵
抗変化を電圧変化に変換する効率が約70%向上する。
このことにより従来、磁気−電気への変換を磁気抵抗変
化率にのみ依存する出力電圧により行なっていたためそ
の出力電圧に限界があり、温度特性あるいは初期オフセ
ット電圧バラつきの許容範囲がたいへん狭かったが、本
発明による方式を用いることによって従来に比較して5
0〜70%程度、設計マージンを取ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の等価回路である。
【図2】本発明の一実施例に使用される回路の要部の平
面図である。
【図3】(a)は測定に使用された4局マグネットの平
面図、(b)は従来、及び本発明の一実施例の特性を示
すグラフである。
【図4】従来の磁気センサの等価回路である。
【符号の説明】
1,2 コレクタ側磁気抵抗素子 3,4 エミッタ側磁気抵抗素子 5,6 トランジスタ 7 Vcc 8,9 OUT10 トランジスタ 11 抵抗 19 グランド 20 チップ基板 31 本発明による出力電圧 32 従来の磁気センサによる出力電圧40〜43 磁気抵抗素子

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互いにベースが接続された第1及び第2
    のトランジスタと、一対の入力端子の一方と前記第1の
    トランジスタのコレクタとの間に接続される第1の磁気
    抵抗素子と、前記一対の入力端子の一方と前記第2のト
    ランジスタのコレクタとの間に接続される第2の磁気抵
    抗素子と、一対の入力端子の他方と前記第1のトランジ
    スタのエミッタとの間に接続される第3の磁気抵抗素子
    と、前記一対の入力端子の他方と前記第2のトランジス
    タのエミッタとの間に接続される第4の磁気抵抗素子
    と、前記一対の入力端子の一方に接続された抵抗器と、
    該抵抗器にコレクタが接続され、前記第1及び第2のト
    ランジスタのベースにエミッタが接続され、かつ前記第
    1のトランジスタのコレクタにベースが接続された第3
    のトランジスタとを有し、前記第1のトランジスタのコ
    レクタと第1の磁気抵抗素子との接続点及び前記第2の
    トランジスタのコレクタと第2の磁気抵抗素子との接続
    点を一対の出力端子としたことを特徴とする磁気セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記第1の磁気抵抗素子、前記第2の磁
    気抵抗素子、前記第3の磁気抵抗素子、及び前記第4の
    磁気抵抗素子が、同一の基板上に平行に形成されてお
    り、前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁気抵抗素子
    とが、被検出媒体の磁極間距離Pに対して、(1/2−
    1/3)P≦l≦(1/2+1/3)P、となる素子間
    距離lで配置され、前記第3の磁気抵抗素子が前記第1
    の磁気抵抗素子と前記第2の磁気抵抗素子との間で、前
    記第1の磁気抵抗素子に近接して配置され、前記第4の
    磁気抵抗素子が前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁
    気抵抗素子との間で、前記第2の磁気抵抗素子に近接し
    て配置されていることを特徴とする請求項1の磁気セン
    サ。
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