JP4285695B2 - Thin film magnetic sensor and rotation sensor - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜磁気センサ及び回転センサに関し、さらに詳しくは、回転する外部磁界の回転角度、又は、回転角度と回転方向を検出可能な回転センサ、及び、このような回転センサに用いられる薄膜磁気センサに関する。   The present invention relates to a thin film magnetic sensor and a rotation sensor, and more specifically, a rotation sensor capable of detecting a rotation angle of a rotating external magnetic field, or a rotation angle and a rotation direction, and a thin film magnetic used in such a rotation sensor. It relates to sensors.

磁気センサは、電磁気力(例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。)、力学量(例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。)、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗(AMR)センサ、巨大磁気抵抗(GMR)センサ等に分類される。   A magnetic sensor is an electromagnetic force (eg, current, voltage, power, magnetic field, magnetic flux, etc.), a mechanical quantity (eg, position, velocity, acceleration, displacement, distance, tension, pressure, torque, temperature, humidity, etc.), An electronic device that converts a detected amount such as a biochemical amount into a voltage via a magnetic field. Magnetic sensors are classified into Hall sensors, anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors, giant magnetoresistive (GMR) sensors, etc., depending on the magnetic field detection method.

これらの中でもGMRセンサは、
(1)ホールセンサやAMRセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値(すなわち、MR比(=△ρ/ρ))が極めて大きい、
(2)ホールセンサに比べて電気抵抗値の温度変化が小さい、
(3)巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、GMRセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。
Among these, GMR sensors are
(1) The maximum value of the change rate of the electrical resistivity (that is, the MR ratio (= Δρ / ρ 0 )) is extremely large as compared with the Hall sensor or the AMR sensor.
(2) The temperature change of the electrical resistance value is small compared to the Hall sensor.
(3) Since the material having a giant magnetoresistance effect is a thin film material, it is suitable for microfabrication.
There are advantages such as. Therefore, the GMR sensor is expected to be applied as a high-sensitivity micromagnetic sensor used in computers, electric power, automobiles, home appliances, portable devices and the like.

GMR効果を示す材料としては、
(1)強磁性層(例えば、パーマロイ等)と非磁性層(例えば、Cu、Ag、Au等)の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層(固定層)、非磁性層及び強磁性層(自由層)の4層構造を備えた多層膜(いわゆる、「スピンバルブ」)からなる金属人工格子、
(2)強磁性金属(例えば、パーマロイ等)からなるnmサイズの微粒子と、非磁性金属(例えば、Cu、Ag、Au等)からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、
(3)スピン依存トンネル効果によってMR効果が生ずるトンネル接合膜、
(4)nmサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料、
等が知られている。
As a material showing the GMR effect,
(1) A multilayer film of a ferromagnetic layer (eg, permalloy) and a nonmagnetic layer (eg, Cu, Ag, Au, etc.), or an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer (fixed layer), a nonmagnetic layer, and a strong layer A metal artificial lattice composed of a multilayer film (so-called “spin valve”) having a four-layer structure of a magnetic layer (free layer),
(2) a metal-metal nanogranular material comprising nm-sized fine particles made of a ferromagnetic metal (eg, permalloy) and a grain boundary phase made of a nonmagnetic metal (eg, Cu, Ag, Au, etc.),
(3) a tunnel junction film in which an MR effect is generated by a spin-dependent tunnel effect;
(4) a metal-insulator nano-granular material comprising nanometer-sized ferromagnetic metal alloy fine particles and a grain boundary phase made of a nonmagnetic / insulating material,
Etc. are known.

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス(例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド)にのみ用いられ、単価の安いAMRセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、温度により多層膜間の拡散が生じやすく、GMR効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。   Among these, a multilayer film represented by a spin valve is generally characterized by high sensitivity in a low magnetic field. However, the multilayer film needs to be laminated with high accuracy with thin films made of various materials, so that the stability and yield are poor, and there is a limit in suppressing the manufacturing cost. For this reason, this type of multilayer film is used only for high value-added devices (for example, magnetic heads for hard disks), and is applied to magnetic sensors that are forced to compete with AMR sensors and Hall sensors with low unit prices. Is considered difficult. In addition, the diffusion between the multilayer films is likely to occur due to the temperature, and the GMR effect is easily lost.

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
(1)その組成を最適化すれば、室温において10%を越える高いMR比を示す、
(2)電気比抵抗が桁違いに高いので、磁気センサの低消費電力化が可能である、
(3)耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、〜kOe以上の巨大磁界下で数%のMR比を示すため、低磁界(百Oe以下)における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
On the other hand, nano-granular materials are generally easy to produce and have good reproducibility. Therefore, if this is applied to a magnetic sensor, the cost of the magnetic sensor can be reduced. In particular, metal-insulator nanogranular materials
(1) If the composition is optimized, a high MR ratio exceeding 10% is exhibited at room temperature.
(2) Since the electrical resistivity is an order of magnitude higher, the power consumption of the magnetic sensor can be reduced.
(3) Unlike spin valve films including antiferromagnetic films with poor heat resistance, they can be used in high-temperature environments.
There are advantages such as. However, since the metal-insulator nanogranular material exhibits an MR ratio of several percent under a giant magnetic field of ˜kOe or more, there is a problem that the magnetic field sensitivity in a low magnetic field (100 Oe or less) is very small.

そこでこの問題を解決するために、特許文献1には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、巨大磁気抵抗薄膜の磁界感度を上げる点が記載されている。また、同文献には、基板上に膜厚2μmのパーマロイ薄膜(軟磁性膜)を形成し、パーマロイ薄膜にイオンビームエッチング装置を用いて幅約9μmの隙間を作製し、隙間の部分にCo38.614.047.4組成を有するナノグラニュラーGMR膜(Co−Y−OナノグラニュラーGMR膜)を積層する薄膜磁気センサの製造方法が記載されている。 In order to solve this problem, Patent Document 1 describes that a soft magnetic thin film is disposed at both ends of a giant magnetoresistive thin film to increase the magnetic field sensitivity of the giant magnetoresistive thin film. In the same document, a permalloy thin film (soft magnetic film) having a thickness of 2 μm is formed on a substrate, a gap of about 9 μm in width is formed on the permalloy thin film using an ion beam etching apparatus, and Co 38 is formed in the gap portion. A method of manufacturing a thin film magnetic sensor in which a nano granular GMR film (Co—Y—O nano granular GMR film) having a composition of .6 Y 14.0 O 47.4 is stacked is described.

また、特許文献2には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置した薄膜磁気抵抗素子において、磁界感度をさらに向上させるために、巨大磁気抵抗薄膜の膜厚を軟磁性薄膜の膜厚以下とする点が記載されている。   In Patent Document 2, in order to further improve magnetic field sensitivity in a thin film magnetoresistive element in which soft magnetic thin films are arranged at both ends of a giant magnetoresistive thin film, the thickness of the giant magnetoresistive thin film is set to the thickness of the soft magnetic thin film. The following points are described.

特開平11−087804号公報の請求項1及び段落番号「0019」Claim 1 and paragraph number “0019” of JP-A-11-087804 特開平11−274599号公報の請求項1Claim 1 of JP-A-11-274599

大きな飽和磁化を有し、透磁率の高い軟磁性材料は、磁界感度が極めて高く、相対的に弱い外部磁界で極めて大きな磁化を示す。そのため、軟磁性材料からなる薄膜ヨークで挟まれた狭いギャップ内に、薄膜ヨークと電気的に接続するように、大きな電気抵抗を有し、かつ巨大磁気抵抗効果を有する薄膜(GMR膜)を配置した薄膜磁気センサに対して外部磁界を作用させると、弱い外部磁界によって薄膜ヨークが磁化し、GMR膜には、外部磁界の100〜10000倍の強い磁界が作用する。その結果、GMR膜の磁界感度を著しく大きくすることができる。なお、GMR膜としては、現在、金属−絶縁体系グラニュラー薄膜が知られている。   A soft magnetic material having a large saturation magnetization and a high magnetic permeability has a very high magnetic field sensitivity and exhibits a very large magnetization in a relatively weak external magnetic field. For this reason, a thin film (GMR film) having a large electric resistance and a giant magnetoresistance effect is arranged in a narrow gap sandwiched between thin film yokes made of soft magnetic material so as to be electrically connected to the thin film yoke. When an external magnetic field is applied to the thin film magnetic sensor, the thin film yoke is magnetized by the weak external magnetic field, and a strong magnetic field 100 to 10,000 times the external magnetic field is applied to the GMR film. As a result, the magnetic field sensitivity of the GMR film can be significantly increased. A metal-insulator granular thin film is currently known as the GMR film.

また、特許文献2に記載されているように、GMR膜の膜厚を薄膜ヨークの膜厚より薄くすると、薄膜ヨークから漏れる磁束が膜厚方向に分散するのが抑制されるので、GMR膜の磁界感度をさらに向上させることができる。   Further, as described in Patent Document 2, if the thickness of the GMR film is made thinner than the thickness of the thin film yoke, the magnetic flux leaking from the thin film yoke is suppressed from being dispersed in the film thickness direction. Magnetic field sensitivity can be further improved.

薄膜磁気センサには、いろいろな使い方、応用があり、一般にはより低い磁界で高い出力電圧を得るための高感度化の考え方で設計されている。すなわち、ギャップ長方向に印加される外部磁界に対する感度を上げるため、ギャップ長方向のヨーク長さLを、ギャップ長と垂直方向のヨーク幅最大値Wmaxよりも大きくすることが従来一般的である。それでも、有限寸法の薄膜ヨークである限り、この薄膜ヨークの最小飽和磁界は、せいぜい1〜5(Oe)となる。 Thin film magnetic sensors have a variety of uses and applications, and are generally designed with the idea of increasing sensitivity to obtain a high output voltage with a lower magnetic field. That is, in order to increase the sensitivity to an external magnetic field applied in the gap length direction, it is common in the art to make the yoke length L in the gap length direction larger than the yoke width maximum value W max in the direction perpendicular to the gap length. . Nevertheless, as long as the thin-film yoke has a finite size, the minimum saturation magnetic field of the thin-film yoke is at most 1 to 5 (Oe).

従って、電子コンパスのような地磁気〜0.5(Oe)maxを検出しつつ方位を調べる用途においては、薄膜ヨークの最小飽和磁界より小さな磁界で作動するため、薄膜ヨークとしては未飽和領域の比較的線形性の良い範囲を使い、地磁気方位に対し、正弦波状(余弦波状)の出力が得やすい。従って、この波形を角度に対し、均等に分割することで、高精度の回転センサを得やすい。 Therefore, in applications such as an electronic compass where the orientation is examined while detecting 0.5 (Oe) max , the magnetic field is operated with a magnetic field smaller than the minimum saturation magnetic field of the thin film yoke. It is easy to obtain a sine wave (cosine wave) output with respect to the geomagnetic direction using a range with good linearity. Therefore, it is easy to obtain a highly accurate rotation sensor by dividing the waveform equally with respect to the angle.

一方、工業用ロボットや自動車や工作機械等に使われる回転角度検出用磁気センサにおいては、外乱、磁気ノイズの影響を軽減するために、数十(Oe)〜数百(Oe)の比較的大きな磁界を薄膜磁気センサに対し、平行に付与することが一般的である。この場合、信号源である磁界は、薄膜磁気センサの最小飽和磁界と等しいか、もしくは、数倍大きな値とされている。なぜなら、信号源である磁界発生源と薄膜磁気センサとの距離(取付精度)がばらついても、出力電圧がほぼ一定に維持されるという実用的見地からである。   On the other hand, rotation angle detection magnetic sensors used in industrial robots, automobiles, machine tools, and the like are relatively large in the order of several tens (Oe) to several hundreds (Oe) in order to reduce the influence of disturbance and magnetic noise. In general, a magnetic field is applied to a thin film magnetic sensor in parallel. In this case, the magnetic field as a signal source is equal to or several times larger than the minimum saturation magnetic field of the thin film magnetic sensor. This is because the output voltage is maintained substantially constant even when the distance (mounting accuracy) between the magnetic field generation source, which is a signal source, and the thin film magnetic sensor varies.

すなわち、薄膜磁気センサの最小飽和磁界よりも小さな磁界で動作させようとすると、磁界発生源と薄膜磁気センサ間距離が少し変動しただけで、印加磁界が変動し、薄膜磁気センサからの出力に大きな変動が生じ、調整コストが上がったり、歩留まりが低下したり等の大きな問題が生ずるためである。   In other words, when trying to operate with a magnetic field smaller than the minimum saturation magnetic field of the thin film magnetic sensor, the applied magnetic field fluctuates with a slight change in the distance between the magnetic field generation source and the thin film magnetic sensor, and the output from the thin film magnetic sensor is large. This is because fluctuations occur, resulting in major problems such as an increase in adjustment cost and a decrease in yield.

しかしながら、従来の薄膜磁気センサでは、平行一様磁界の回転角度に応じた出力波形が孤立波となり、波形を分割して高精度角度分解を可能とする三角波状あるいは正弦波・余弦波状出力とならなかった。そのため、出力電圧から磁界の回転角度を正確に算出するためには、複雑な演算が必要となるという問題がある。また、これによって、演算速度が遅延したり、あるいは、演算回路が高コスト化するという問題がある。   However, in the conventional thin film magnetic sensor, the output waveform corresponding to the rotation angle of the parallel uniform magnetic field becomes an isolated wave, and if the waveform is divided into a triangular wave or sine wave / cosine wave output that enables high-precision angle resolution, There wasn't. Therefore, in order to accurately calculate the rotation angle of the magnetic field from the output voltage, there is a problem that complicated calculation is required. In addition, this causes a problem that the calculation speed is delayed or the calculation circuit is expensive.

本発明が解決しようとする課題は、数十(Oe)〜数百(Oe)程度の比較的大きな外部磁界が薄膜磁気センサ部に一様に印加される、最もシンプルな回転センサシステムにおいて、この外部磁界の回転角度に応じた薄膜磁気センサの出力が、三角波状もしくは正弦波・余弦波状出力となる薄膜磁気センサ及びこれを用いた回転センサを提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is that in a simplest rotation sensor system in which a relatively large external magnetic field of about several tens (Oe) to several hundreds (Oe) is uniformly applied to a thin film magnetic sensor unit. An object of the present invention is to provide a thin film magnetic sensor in which the output of the thin film magnetic sensor according to the rotation angle of the external magnetic field is a triangular wave, sine wave or cosine wave output, and a rotation sensor using the same.

上記課題を解決するために本薄膜磁気センサの原理、構造を再度詳細に検討し直した結果、本発明を成すに至った。本発明に係る薄膜磁気センサは、軟磁性材料からなり、かつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、該一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように前記ギャップ間に形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有するGMR膜と、前記薄膜ヨーク及び前記GMR膜を支持する絶縁性・非磁性材料からなる絶縁基板とを備え、前記薄膜ヨークは、ギャップ長方向の異方性磁界H(x)と、ギャップ長に対して垂直方向の異方性磁界H(y)との間に、
(x)≧H(y)
で表される関係があることを要旨とする。
As a result of reexamining the principle and structure of the thin film magnetic sensor again in order to solve the above problems, the present invention has been achieved. A thin film magnetic sensor according to the present invention is made of a soft magnetic material and is formed between a pair of thin film yokes opposed to each other through a gap and the gap so as to be electrically connected to the pair of thin film yokes. And a GMR film having a higher electrical resistivity than the soft magnetic material, and the thin film yoke and an insulating substrate made of an insulating / nonmagnetic material that supports the GMR film, wherein the thin film yoke has a different gap length direction. Between the isotropic magnetic field H k (x) and the anisotropic magnetic field H k (y) perpendicular to the gap length,
H k (x) ≧ H k (y)
It is summarized that there is a relationship represented by

また、本発明に係る回転センサは、本発明に係る薄膜磁気センサを備えていることを要旨とする。   The gist of the rotation sensor according to the present invention is that it includes the thin film magnetic sensor according to the present invention.

薄膜ヨークのギャップ長方向の異方性磁界H(x)を相対的に大きくすると、ギャップ長に対して垂直方向の磁界感度が高くなる。そのため、ギャップ長方向に対して斜め方向から数十〜数百(Oe)の比較的大きな外部磁界が作用すると、薄膜ヨークが外部磁界の入射角度に応じて磁化され、三角波状又は正弦波状の出力電圧が得られる。また、これによって、波形を角度に対して均等に分割することが可能となるので、高精度の回転センサが得られる。 When the anisotropic magnetic field H k (x) in the gap length direction of the thin film yoke is relatively increased, the magnetic field sensitivity in the direction perpendicular to the gap length is increased. Therefore, when a relatively large external magnetic field of several tens to several hundreds (Oe) from the oblique direction with respect to the gap length direction is actuated, the thin film yoke is magnetized according to the incident angle of the external magnetic field, and a triangular wave or sine wave output A voltage is obtained. Further, this makes it possible to divide the waveform equally with respect to the angle, so that a highly accurate rotation sensor can be obtained.

以下に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1(a)及び図1(b)に、それぞれ、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜磁気センサ20の平面図及び正面図を示す。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B are a plan view and a front view, respectively, of the thin film magnetic sensor 20 according to the first embodiment of the present invention.

図1において、薄膜磁気センサ20は、絶縁基板(図示せず)と、ギャップ24aを介して対向する一対の薄膜ヨーク24、24と、この一対の薄膜ヨーク24、24と電気的に接続されるようにギャップ24a間に形成されたGMR膜26とを備えている。GMR膜26は、ギャップ24aの中心に対して対称に配置されている。また、各薄膜ヨーク24、24の後端(ギャップ24aに面していない端部)には、出力を取り出すための電極(図示せず)が接合される。さらに、薄膜ヨーク24、24及びGMR膜26の上には、通常、これらを大気から遮断し、保護するための絶縁性・非磁性材料からなる保護膜(図示せず)が形成される。   In FIG. 1, the thin film magnetic sensor 20 is electrically connected to an insulating substrate (not shown), a pair of thin film yokes 24, 24 opposed via a gap 24a, and the pair of thin film yokes 24, 24. Thus, a GMR film 26 formed between the gaps 24a is provided. The GMR film 26 is disposed symmetrically with respect to the center of the gap 24a. Further, an electrode (not shown) for taking out the output is joined to the rear ends (end portions not facing the gap 24a) of the respective thin film yokes 24, 24. Further, a protective film (not shown) made of an insulating / nonmagnetic material is usually formed on the thin film yokes 24, 24 and the GMR film 26 to shield and protect them from the atmosphere.

初めに、絶縁基板について説明する。絶縁基板は、薄膜ヨーク24、24及びGMR膜26を支持するためのものであり、絶縁性・非磁性材料からなる。絶縁基板の材質としては、具体的には、ガラス、あるいは、スパッタ膜によって表面を平滑化したアルミナ、熱酸化膜付Si、アルミナ等の絶縁膜付アルミナ・チタンカーバイドなどのセラミックス等の高剛性材が好適な一例として挙げられる。   First, the insulating substrate will be described. The insulating substrate is for supporting the thin-film yokes 24 and 24 and the GMR film 26, and is made of an insulating / nonmagnetic material. Specifically, the material of the insulating substrate is glass or high-rigidity material such as alumina whose surface is smoothed by a sputtered film, Si with thermal oxide film, alumina with insulating film such as alumina, ceramics such as titanium carbide, etc. Is a suitable example.

絶縁基板の形状については、特に限定されるものではなく、薄膜磁気センサ20の用途、要求特性等に応じて最適な形状を選択すれば良い。   The shape of the insulating substrate is not particularly limited, and an optimal shape may be selected in accordance with the use of the thin film magnetic sensor 20, required characteristics, and the like.

次に、薄膜ヨーク24、24について説明する。薄膜ヨーク24、24は、GMR膜26の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨーク24、24には、透磁率μ及び/又は飽和磁化Msの高い材料を用いるのが好ましい。具体的には、その透磁率μは、100以上が好ましく、さらに好ましくは、1000以上である。また、その飽和磁界Msは、5(kGauss)以上が好ましく、さらに好ましくは、10(kGauss)以上である。   Next, the thin film yokes 24 and 24 will be described. The thin film yokes 24 and 24 are for increasing the magnetic field sensitivity of the GMR film 26 and are made of a soft magnetic material. In order to obtain high magnetic field sensitivity to a weak magnetic field, it is preferable to use a material having a high magnetic permeability μ and / or saturation magnetization Ms for the thin film yokes 24 and 24. Specifically, the magnetic permeability μ is preferably 100 or more, and more preferably 1000 or more. The saturation magnetic field Ms is preferably 5 (kGauss) or more, and more preferably 10 (kGauss) or more.

薄膜ヨーク24、24の材質としては、具体的には、パーマロイ(40〜90%Ni−Fe合金)、センダスト(Fe74SiAl17)、ハードパーム(Fe12Ni82Nb)、Co88NbZrアモルファス合金、(Co94Fe)70Si1515アモルファス合金、ファインメット(Fe75.6Si13.28.5Nb1.9Cu0.8)、ナノマックス(Fe83Hf11)、Fe85Zr10合金、Fe93Si合金、Fe711118合金、Fe71.3Nd9.619.1ナノグラニュラー合金、Co70Al1020ナノグラニュラー合金、Co65FeAl1020合金等が好適な一例として挙げられる。 Specifically, the materials of the thin film yokes 24, 24 are permalloy (40 to 90% Ni—Fe alloy), sendust (Fe 74 Si 9 Al 17 ), hard palm (Fe 12 Ni 82 Nb 6 ), Co 88 Nb 6 Zr 6 amorphous alloy, (Co 94 Fe 6 ) 70 Si 15 B 15 amorphous alloy, Finemet (Fe 75.6 Si 13.2 B 8.5 Nb 1.9 Cu 0.8 ), Nanomax (Fe 83 Hf 6 C 11 ), Fe 85 Zr 10 B 5 alloy, Fe 93 Si 3 N 4 alloy, Fe 71 B 11 N 18 alloy, Fe 71.3 Nd 9.6 O 19.1 nano granular alloy, Co 70 Al 10 Preferred examples include O 20 nanogranular alloy, Co 65 Fe 5 Al 10 O 20 alloy, and the like.

次に、GMR膜26について説明する。GMR膜26は、外部磁界の変化を電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、GMR膜26の△ρ/ρ(△ρ=ρ−ρ:ρは、磁界Hにおける電気比抵抗、ρは、磁界ゼロにおける電気比抵抗)と定義されるMR比の絶対値は、5%以上が好ましく、さらに好ましくは、10%以上である。 Next, the GMR film 26 will be described. The GMR film 26 is for detecting a change in the external magnetic field as a change in voltage, and is made of a material having a giant magnetoresistance effect. In order to detect the change of the external magnetic field with high sensitivity, Δρ / ρ 0 (Δρ = ρ H −ρ 0 : ρ H of the GMR film 26 is the electric resistivity in the magnetic field H, and ρ 0 is the magnetic field zero. The absolute value of the MR ratio defined as (electrical resistivity) is preferably 5% or more, more preferably 10% or more.

また、本発明において、GMR膜26は、薄膜ヨーク24、24と直接、電気的に接続されるので、薄膜磁気ヨーク24、24より高い電気比抵抗を有するものが用いられる。一般に、電気比抵抗が小さすぎる材料の場合には、薄膜ヨーク24、24間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、電気比抵抗が高すぎる材料の場合には、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。GMR膜26の電気比抵抗は、10μΩcm以上1012μΩcm以下が好ましく、さらに好ましくは、10μΩcm以上1011μΩcm以下である。 In the present invention, since the GMR film 26 is directly electrically connected to the thin film yokes 24 and 24, the GMR film 26 having a higher electrical resistivity than the thin film magnetic yokes 24 and 24 is used. In general, in the case of a material having an electric resistivity that is too small, the thin film yokes 24 and 24 are electrically short-circuited, which is not preferable. On the other hand, in the case of a material having an electrical resistivity that is too high, it is difficult to detect a change in the external magnetic field as a voltage change. The electrical specific resistance of the GMR film 26 is preferably 10 3 μΩcm or more and 10 12 μΩcm or less, and more preferably 10 4 μΩcm or more and 10 11 μΩcm or less.

このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いMR比と高い電気比抵抗を有するだけでなく、僅かな組成変動によって特性が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。   There are various materials that satisfy such conditions, and among them, the above-described metal-insulator nanogranular material is particularly suitable. A metal-insulator nanogranular material not only has a high MR ratio and a high electrical resistivity, but also has a characteristic that does not fluctuate greatly due to slight composition fluctuations. In addition, there is an advantage that it can be manufactured at a low cost.

GMR膜26として用いられる巨大磁気抵抗効果を有する金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、Co−Y系ナノグラニュラー合金、Co−Al系ナノグラニュラー合金、Co−Sm系ナノグラニュラー合金、Co−Dy系ナノグラニュラー合金、FeCo−Y系ナノグラニュラー合金、Fe−MgF、FeCo−MgF、Fe−CaF、(Fe、Co、Ni)−(MgF、CaF、SrF)等のフッ化物系ナノグラニュラー合金等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the metal-insulator nanogranular material having a giant magnetoresistance effect used as the GMR film 26 include a Co—Y 2 O 3 nanogranular alloy, a Co—Al 2 O 3 nanogranular alloy, and Co—Sm 2. O 3 based nano granular alloy, Co-Dy 2 O 3 system nano granular alloy, FeCo-Y 2 O 3 system nano granular alloy, Fe-MgF 2, FeCo- MgF 2, Fe-CaF 2, (Fe, Co, Ni) - ( Fluoride nanogranular alloys such as MgF 2 , CaF 2 , SrF 2 ) and the like are preferable examples.

次に、薄膜ヨーク24、24及びGMR膜26の形状について説明する。ギャップ長方向に対して斜め方向から外部磁界が作用した場合において、外部磁界の傾き角度に応じて、薄膜ヨーク24、24の磁化の強さを三角波状又は正弦波状に変化させるためには、薄膜ヨーク24、24及びGMR膜26は、以下のような条件を満たしていることが望ましい。   Next, the shapes of the thin film yokes 24 and 24 and the GMR film 26 will be described. In order to change the magnetization strength of the thin-film yokes 24, 24 to a triangular wave shape or a sine wave shape in accordance with the inclination angle of the external magnetic field when an external magnetic field acts obliquely with respect to the gap length direction, a thin film The yokes 24 and 24 and the GMR film 26 desirably satisfy the following conditions.

第1に、薄膜ヨーク24、24は、少なくとも、ギャップ長方向(以下、「x方向」という)の異方性磁界H(x)と、ギャップ長方向と垂直方向(以下、「y方向」という)の異方性磁界H(y)との間に、次の(1)式で表される関係を有するものである必要がある。
(x)≧H(y) ・・・(1)
First, the thin-film yokes 24 and 24 include at least an anisotropic magnetic field H k (x) in the gap length direction (hereinafter referred to as “x direction”) and a direction perpendicular to the gap length direction (hereinafter referred to as “y direction”). It is necessary to have a relationship represented by the following equation (1) with the anisotropic magnetic field H k (y).
H k (x) ≧ H k (y) (1)

異方性磁界Hは、磁性体内部の磁束密度Bを飽和させるに必要な最小の外部磁界の強さHである。すなわち、「異方性磁界Hが小さい」とは、より小さな外部磁界Hで磁性体の磁化が飽和する(すなわち、磁界感度が高い)ことを意味する。y方向の異方性磁界H(y)を相対的に小くする(すなわち、磁界感度を相対的に高くする)と、x方向に対して斜め方向から外部磁界が作用した場合であっても、薄膜ヨーク24、24が相対的に強く磁化される。その結果、外部磁界の傾き角度に応じて、薄膜ヨーク24、24の磁化の強さが三角波状又は正弦波状に変化する。 The anisotropic magnetic field H k is the minimum external magnetic field strength H required to saturate the magnetic flux density B inside the magnetic material. That is, “small anisotropy magnetic field H k ” means that the magnetization of the magnetic material is saturated with a smaller external magnetic field H (that is, the magnetic field sensitivity is high). If the anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction is made relatively small (that is, the magnetic field sensitivity is made relatively high), an external magnetic field acts from an oblique direction with respect to the x direction. However, the thin film yokes 24 and 24 are relatively strongly magnetized. As a result, the strength of magnetization of the thin-film yokes 24 and 24 changes in a triangular wave shape or a sine wave shape in accordance with the inclination angle of the external magnetic field.

第2に、薄膜ヨーク24、24は、x方向の長さLと、幅の平均値Waveと、厚さの平均値taveとの間に、次の(2)式で表される関係を有しているものが好ましい。
(Wave×tave)/L≧(L×tave)/Wave ・・・(2)
ここで、「幅の平均値Wave」とは、幅Wの長さL方向の積分値(すなわち、薄膜ヨークの平面の面積)を長さLで除した値をいう。また、「厚さの平均値tave」とは、厚さtのL方向の積分値(すなわち、薄膜ヨークの断面積)を長さLで除した値をいう。
Second, the thin film yokes 24 and 24 have a relationship expressed by the following equation (2) between the length L in the x direction, the average value W ave of the width, and the average value t ave of the thickness. The thing which has is preferable.
(W ave × t ave ) / L 2 ≧ (L × t ave ) / W ave 2 (2)
Here, the “average width W ave ” refers to a value obtained by dividing the integral value of the width W in the length L direction (that is, the plane area of the thin film yoke) by the length L. The “average thickness t ave ” refers to a value obtained by dividing the integral value of the thickness t in the L direction (that is, the cross-sectional area of the thin film yoke) by the length L.

(2)式は、以下のようにして求めることができる。すなわち、異方性磁界Hは、一般に、反磁界係数Nとの間に、次の(3)式に示す関係があることが知られている。
=N・4πI ・・・(3)
但し、Iは、飽和磁化の強さである。
Expression (2) can be obtained as follows. That is, it is known that the anisotropic magnetic field H k generally has a relationship represented by the following equation (3) between the demagnetizing field coefficient N d .
H x = N d · 4πI s (3)
However, I s is the strength of the saturation magnetization.

一方、円柱状の磁性体の反磁界係数Nは、一般に、次の(4)式で表されることが知られている。
=(1/k)(log2k−1) ・・・(4)
但し、kは、磁性体の直径(a)に対する長さ(L)の比(寸法比=L/a)を表す。
(4)式より、近似的に、次の(5)式の関係式を導くことができる。
=(a/L)(loge(L/a)−1)〜a/L=πa/πL
〜断面積/(長さ)×(1/π) ・・・(5)
On the other hand, the demagnetizing factor N d of the cylindrical magnetic body is generally known to be expressed by the following equation (4).
N d = (1 / k 2 ) (log e 2k−1) (4)
However, k represents the ratio (size ratio = L / a) of the length (L) to the diameter (a) of the magnetic material.
From the equation (4), the following relational equation (5) can be approximated.
N d = (a 2 / L 2 ) (log 2 (L / a) −1) to a 2 / L 2 = πa 2 / πL 2
~ Cross sectional area / (length) 2 × (1 / π) (5)

従って、(1)、(3)及び(5)式より、次の(6)式に示す関係式が得られる。
x方向の断面積/(長さ)≧y方向の断面積/(長さ) ・・・(6)
薄膜ヨーク24、24のx方向の長さをL、x方向から見た幅の平均値をWave、厚さの平均値をtaveとすると、x方向の断面積及び長さは、それぞれ、(Wave×tave)及びLであり、y方向の断面積及び長さは、それぞれ、(L×tave)及びWaveであるから、これを(6)式に代入すれば、(2)式が得られる。
Therefore, the following relational expression (6) is obtained from the expressions (1), (3) and (5).
x-direction cross-sectional area / (length) 2 ≧ y-direction cross-sectional area / (length) 2 (6)
When the length in the x direction of the thin film yokes 24, 24 is L, the average value of the width viewed from the x direction is W ave , and the average value of the thickness is t ave , the cross-sectional area and the length in the x direction are respectively (W ave × t ave ) and L, and the cross-sectional area and length in the y direction are (L × t ave ) and W ave , respectively, and if this is substituted into equation (6), (2 ) Formula is obtained.

(2)式は、x方向の異方性磁界H(x)をy方向の異方性磁界H(y)以上とする具体的手法の1つを表すものである。すなわち、(2)式の関係を満たすように、薄膜ヨーク24、24の長さ、幅及び厚さを定めると、薄膜ヨーク24、24の磁化の強さを、外部磁界の傾き角度に応じて三角波状又は正弦波状に変化させることができることを意味する。また、(2)式は、薄膜ヨーク24、24の形状は必ずしも対称な形状を有している必要はなく、(2)式の関係を満たす限り、多角形状や円形形状のように任意の形状を有していても良いことを意味する。 Equation (2) represents one of the specific methods for making the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction equal to or greater than the anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction. That is, when the length, width, and thickness of the thin film yokes 24 and 24 are determined so as to satisfy the relationship of the expression (2), the magnetization strength of the thin film yokes 24 and 24 is determined according to the inclination angle of the external magnetic field. It means that it can be changed into a triangular wave shape or a sine wave shape. In the formula (2), the shape of the thin-film yokes 24 and 24 does not necessarily have a symmetric shape. As long as the relationship of the formula (2) is satisfied, any shape such as a polygonal shape or a circular shape can be used. It may mean that it may have.

第3に、薄膜ヨーク24、24先端(GMR膜26と接する側)の厚さt、及び、薄膜ヨーク24、24の先端の幅W、並びに、GMR膜26の幅Wの内のいずれか小さいもの(本発明においては、これを「min(t、W、W)」と表す)と、ギャップ長GLとの間に、次の(7)式に示す関係があることが望ましい。
min(t、W、W)≦GL ・・・(7)
Thirdly, the thickness t f of the tips of the thin film yokes 24 and 24 (the side in contact with the GMR film 26), the width W f of the tips of the thin film yokes 24 and 24, and the width W g of the GMR film 26. There is a relationship represented by the following equation (7) between the smaller one (in the present invention, this is expressed as “min (t f , W f , W g )”) and the gap length GL. Is desirable.
min (t f , W f , W g ) ≦ GL (7)

一対の薄膜ヨーク24、24が、それぞれ、上述した第1の条件を満たす場合であっても、ギャップ長GL(すなわち、GMR膜26の長さ)が相対的に短い場合には、左右の薄膜ヨーク24、24が擬似的に一体のヨークとして動作し、ギャップ長方向に磁化しやすくなる。ギャップ長GLが相対的に短くなりすぎると、三角波状又は正弦波状の出力は得られない。   Even when the pair of thin film yokes 24 and 24 satisfy the first condition described above, if the gap length GL (that is, the length of the GMR film 26) is relatively short, the right and left thin films The yokes 24, 24 operate as pseudo integrated yokes and are easily magnetized in the gap length direction. If the gap length GL is relatively short, a triangular wave or sine wave output cannot be obtained.

これに対し、t≦GLであると、左右の薄膜ヨーク24、24gが擬似的に一体のヨークとして動作しにくくなるので、三角波状又は正弦波状の出力が得やすい。また、薄膜磁気センサ20は、薄膜を積層することにより作製されるので、一般に、t<W≦Wである。しかしながら、膜厚を厚くすることによって、t>W(又は、W)とすることもできる。この場合、W(又は、W)≦GLであれば、左右の薄膜ヨークが擬似的に一体のヨークとして作動することを抑制することができる。 On the other hand, if t f ≦ GL, the left and right thin film yokes 24 and 24g are unlikely to operate as a pseudo-integrated yoke, so that a triangular or sinusoidal output can be easily obtained. The thin-film magnetic sensor 20, because it is fabricated by laminating thin films, it is generally, t f <W g ≦ W f. However, it is also possible to satisfy t f > W f (or W g ) by increasing the film thickness. In this case, if W f (or W g ) ≦ GL, the left and right thin-film yokes can be prevented from operating as a pseudo integrated yoke.

第4に、GMR膜26の横幅Wは、薄膜ヨーク24、24の先端のヨーク幅W以下であることが望ましい。
GMR膜26の横幅Wは、薄膜ヨーク24、24の先端のヨーク幅Wを超えるものであっても良い。しかしながら、GMR膜26の横幅Wが薄膜ヨーク24、24先端のヨーク幅Wを超えると、薄膜ヨーク24、24から横幅方向に漏れる弱い磁束に感応するGMR膜領域が増加し、総合的な磁界感度が低下する。
従って、高い磁界感度が要求される場合には、薄膜ヨーク24、24の先端のヨーク幅Wに対するGMR膜26の横幅Wの比(W/W)は、1.0以下が好ましい。
Fourth, the width W g of the GMR film 26 is desirably less yoke width W f of the tip of the thin film yokes 24b and 24c.
The lateral width W g of the GMR film 26 may exceed the yoke width W f at the tips of the thin film yokes 24, 24. However, if the width W g of the GMR film 26 is greater than the yoke width W f of the thin film yokes 24b and 24c tip, it increases the GMR film region that is sensitive to weak magnetic flux leaking from the thin film yokes 24b and 24c in the lateral direction, a comprehensive Magnetic field sensitivity decreases.
Therefore, when high magnetic field sensitivity is required, the ratio (W g / W f ) of the lateral width W g of the GMR film 26 to the yoke width W f at the tips of the thin film yokes 24, 24 is preferably 1.0 or less. .

第5に、GMR膜26の厚さtは、薄膜ヨーク24、24の先端の厚さt以下であることが好ましい。
GMR膜26の厚さtは、薄膜ヨーク24、24の先端の厚さtを超えるものであっても良い。しかしながら、GMR膜26の厚さtが薄膜ヨーク24、24先端の厚さtを超えると、薄膜ヨーク24、24から厚さ方向に漏れる弱い磁束に感応するGMR膜領域が増加し、総合的な磁界感度が低下する。
従って、高い磁界感度が要求される場合には、薄膜ヨーク24、24の先端の厚さtに対するGMR膜26の厚さtの比(t/t)は、1.0以下が好ましい。
Fifth, the thickness t g of the GMR film 26 is preferably equal to or less than the thickness t f of the tips of the thin film yokes 24, 24.
The thickness t g of the GMR film 26 may exceed the thickness t f of the tips of the thin film yokes 24, 24. However, when the thickness t g of the GMR film 26 is greater than the thickness t f of the thin film yokes 24b and 24c tip, increases the GMR film region that is sensitive to weak magnetic flux leaking in the thickness direction from the thin film yokes 24b and 24c, total Magnetic field sensitivity is reduced.
Therefore, when high magnetic field sensitivity is required, the ratio (t g / t f ) of the thickness t g of the GMR film 26 to the thickness t f of the tips of the thin film yokes 24, 24 is 1.0 or less. preferable.

図1に示す薄膜磁気センサ20において、薄膜ヨーク24、24は、長さL、幅W、厚さtの矩形状を呈し、幅W及び厚さtは場所によらず一様であり、しかも、幅Wは、長さLより大きくなっている。従って、図1に示す薄膜ヨーク24、24は、第1及び第2の条件を満たしている。 In the thin film magnetic sensor 20 shown in FIG. 1, the thin film yokes 24 and 24 have a rectangular shape having a length L, a width W r , and a thickness t, and the width W r and the thickness t are uniform regardless of the location. In addition, the width W r is larger than the length L. Therefore, the thin film yokes 24 and 24 shown in FIG. 1 satisfy the first and second conditions.

また、GMR膜26の長さ(すなわち、ギャップ長GL)は、薄膜ヨーク24、24先端の厚さtより大きくなっており、第3の条件を満たしている。さらに、GMR膜26の横幅(W)は、薄膜ヨーク24、24の先端の横幅(W)より狭く、かつ、GMR膜26の厚さtは、薄膜ヨーク24、24の先端の厚さt(=t)より薄くなっており、上述した第4及び第5の条件を満たしている。 The length of the GMR film 26 (i.e., the gap length GL) is a thin film yokes 24b and 24c tip is larger than the thickness t f, it satisfies the third condition. Further, the lateral width (W g ) of the GMR film 26 is narrower than the lateral width (W f ) of the tips of the thin film yokes 24, 24, and the thickness t g of the GMR film 26 is the thickness of the tips of the thin film yokes 24, 24. It is thinner than t f (= t), and satisfies the above-described fourth and fifth conditions.

なお、図1においては、薄膜ヨーク24、24のギャップ24a側の端面が、薄膜ヨーク24、24の底面(あるいは、図示しない絶縁基板の表面)に垂直になっている状態が図示されているが、これは単なる例示であり、薄膜ヨーク24、24との電気的接触状態が安定して得られる限り、薄膜ヨーク24、24のギャップ24a側の端面は、絶縁基板の表面に垂直な面に対して傾いていても良い。但し、高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨーク24、24のギャップ24a側の端面は、絶縁基板の表面に対して垂直であることが好ましい。   1 shows a state in which the end surfaces of the thin film yokes 24, 24 on the gap 24a side are perpendicular to the bottom surfaces of the thin film yokes 24, 24 (or the surface of an insulating substrate (not shown)). This is merely an example, and as long as the electrical contact state with the thin film yokes 24, 24 can be stably obtained, the end surface of the thin film yokes 24, 24 on the gap 24a side is in a plane perpendicular to the surface of the insulating substrate. It may be inclined. However, in order to obtain high magnetic field sensitivity, the end faces of the thin film yokes 24, 24 on the gap 24a side are preferably perpendicular to the surface of the insulating substrate.

また、図1(b)においては、その断面形状が矩形状であるGMR膜26が図示されているが、これは単なる例示であり、薄膜ヨーク24、24との電気的接触状態が安定して得られる限り、GMR膜26の断面形状は、矩形状でなくても良い。   In FIG. 1B, the GMR film 26 whose cross-sectional shape is rectangular is illustrated, but this is merely an example, and the electrical contact state with the thin film yokes 24 and 24 is stable. As long as it is obtained, the cross-sectional shape of the GMR film 26 may not be rectangular.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る薄膜磁気センサについて説明する。図2(a)及び図2(b)に、それぞれ、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ40の平面図及び正面図を示す。   Next, a thin film magnetic sensor according to a second embodiment of the invention will be described. 2A and 2B are a plan view and a front view of the thin film magnetic sensor 40 according to the present embodiment, respectively.

図2において、薄膜磁気センサ40は、絶縁基板(図示せず)と、ギャップ44aを介して対向する一対の薄膜ヨーク44、44と、この一対の薄膜ヨーク44、44と電気的に接続されるようにギャップ44a間に形成されたGMR膜46とを備えている。また、各薄膜ヨーク44、44の後端(ギャップ44aに面していない端部)には、出力を取り出すための電極(図示せず)が接合される。さらに、薄膜ヨーク44、44及びGMR膜46の上には、通常、これらを大気から遮断し、保護するための絶縁性・非磁性材料からなる保護膜(図示せず)が形成される。   In FIG. 2, the thin film magnetic sensor 40 is electrically connected to an insulating substrate (not shown), a pair of thin film yokes 44 and 44 opposed via a gap 44a, and the pair of thin film yokes 44 and 44. Thus, a GMR film 46 formed between the gaps 44a is provided. Further, an electrode (not shown) for taking out the output is joined to the rear ends (end portions not facing the gap 44a) of the respective thin film yokes 44, 44. Further, a protective film (not shown) made of an insulating / nonmagnetic material is usually formed on the thin film yokes 44 and 44 and the GMR film 46 to shield and protect them from the atmosphere.

本実施の形態において、薄膜ヨーク44、44は、その先端の横幅(W)が後端の横幅(W)より狭い台形状になっている。薄膜ヨーク44、44の幅の平均値Wave(=(W+W)/2)は、ギャップ長方向の長さLより大きくなっており、上述した第1及び第2の条件を満たしている。 In the present embodiment, the thin film yokes 44 and 44 have a trapezoidal shape in which the lateral width (W f ) at the front end is narrower than the lateral width (W r ) at the rear end. The average value W ave (= (W f + W r ) / 2) of the widths of the thin film yokes 44, 44 is larger than the length L in the gap length direction, and satisfies the first and second conditions described above. Yes.

この場合、薄膜ヨーク44、44の先端の横幅(W)は、特に限定されるものではないが、先端の横幅(W)が小さくなりすぎると、相対的にギャップ長方向の感度が増すので好ましくない。従って、薄膜ヨーク44、44の先端の横幅は、ギャップ長方向の長さLの1/3以上が好ましく、さらに好ましくは、1/2以上である。 In this case, the lateral width (W f ) of the tips of the thin-film yokes 44, 44 is not particularly limited, but if the lateral width (W f ) of the tips is too small, the sensitivity in the gap length direction is relatively increased. Therefore, it is not preferable. Accordingly, the lateral width of the tips of the thin film yokes 44, 44 is preferably 1/3 or more of the length L in the gap length direction, more preferably 1/2 or more.

また、GMR膜46のギャップ長GLは、薄膜ヨーク44、44の先端の厚さtより大きくなっており、上述した第3の条件を満たしている。
また、GMR膜46の幅(W)は、薄膜ヨーク44、44の先端の横幅(W)と等しくなっており、上述した第4の条件を満たしている。
さらに、薄膜ヨーク44、44の断面形状は、ほぼ矩形状であるが、GMR膜46と接する先端の厚さtが後端の厚さtより若干薄くなっている。また、GMR膜46の厚さtは、薄膜ヨーク44、44の先端の厚さtより薄くなっており、上述した第5の条件を満たしている。
Further, the gap length GL of the GMR film 46, the leading end of the thin film yokes 44 and 44 is larger than the thickness t f, satisfies the third condition mentioned above.
Further, the width (W g ) of the GMR film 46 is equal to the lateral width (W f ) of the tips of the thin film yokes 44 and 44, and satisfies the above-described fourth condition.
Further, the sectional shape of the thin film yokes 44 and 44 is substantially rectangular, the thickness t f of the tip in contact with the GMR film 46 is slightly thinner than the thickness t r of the rear end. Further, the thickness t g of the GMR film 46 is thinner than the thickness t f of the tips of the thin film yokes 44 and 44, and satisfies the above-mentioned fifth condition.

なお、薄膜ヨーク44、44及びGMR膜46のその他の点、並びに、図示しない絶縁基板、電極及び保護膜については、それぞれ、第1の実施の形態に係る薄膜ヨーク24、24及びGMR膜26、並びに絶縁基板、電極及び保護膜と同様であるので、説明を省略する。   The other points of the thin film yokes 44 and 44 and the GMR film 46, and the insulating substrate, electrode and protective film (not shown) are the thin film yokes 24 and 24 and the GMR film 26 according to the first embodiment, respectively. In addition, since it is similar to the insulating substrate, the electrode, and the protective film, the description is omitted.

次に、本発明に係る薄膜磁気センサの製造方法について説明する。本発明に係る薄膜磁気センサ20(40)は、通常の薄膜積層技術を用いて製造することができる。すなわち、まず、絶縁基板の表面に、軟磁性材料からなる薄膜を堆積させ、エッチングにより上述した条件を満たす形状を備えた薄膜ヨーク24、24(44、44)を形成する。次いで、ギャップ24a(44a)近傍を除いてマスクし、GMR膜26(46)を堆積させ、さらに電極及び保護膜を形成すると、本発明に係る薄膜磁気センサ20(40)が得られる。   Next, a method for manufacturing a thin film magnetic sensor according to the present invention will be described. The thin film magnetic sensor 20 (40) according to the present invention can be manufactured using a normal thin film lamination technique. That is, first, a thin film made of a soft magnetic material is deposited on the surface of the insulating substrate, and thin film yokes 24 and 24 (44, 44) having a shape that satisfies the above-described conditions are formed by etching. Next, by masking except for the vicinity of the gap 24a (44a), depositing the GMR film 26 (46), and further forming an electrode and a protective film, the thin film magnetic sensor 20 (40) according to the present invention is obtained.

あるいは、絶縁基板の表面に巨大磁気抵抗効果を有する材料からなる薄膜を堆積させ、エッチングにより所定の幅を有するGMR膜26(46)を形成する。次いで、GMR膜26(46)の両側に軟磁性材料からなる薄膜を堆積させ、エッチングにより上述した条件を満たす形状を備えた薄膜ヨーク24、24(44、44)を形成し、さらに電極及び保護膜を形成すると、本発明に係る薄膜センサ20(40)が得られる。   Alternatively, a thin film made of a material having a giant magnetoresistance effect is deposited on the surface of the insulating substrate, and the GMR film 26 (46) having a predetermined width is formed by etching. Next, a thin film made of a soft magnetic material is deposited on both sides of the GMR film 26 (46) to form thin film yokes 24, 24 (44, 44) having a shape satisfying the above-described conditions by etching, and further, electrodes and protection When the film is formed, the thin film sensor 20 (40) according to the present invention is obtained.

次に、本発明に係る薄膜磁気センサの作用について説明する。従来の薄膜磁気センサにおいて、GMR膜の両端に形成される薄膜ヨークは、x方向の長さLが幅の最大値Wmaxより大きな形状を有している。このような構造を備えた薄膜磁気センサであっても、これに一様で平行であり、かつ薄膜磁気センサの最小飽和磁界と等しいか、あるいはそれ以上の回転磁界が作用すると、磁界の回転角度に応じた出力波形を得ることができる。 Next, the operation of the thin film magnetic sensor according to the present invention will be described. In the conventional thin film magnetic sensor, the thin film yoke formed on both ends of the GMR film has a shape in which the length L in the x direction is larger than the maximum value W max of the width. Even in a thin film magnetic sensor having such a structure, if a rotating magnetic field that is uniform and parallel to the thin film magnetic sensor and is equal to or more than the minimum saturation magnetic field of the thin film magnetic sensor acts, The output waveform according to the can be obtained.

しかしながら、このような従来の薄膜ヨークの場合、x方向の磁界感度が高すぎるために、回転磁界の回転角度が多少変動しただけでは外部出力はほとんど変化せず、回転角度が90°付近の高角度になった時に大きな出力変化が現れる。その結果、出力波形は、孤立波となる。   However, in the case of such a conventional thin film yoke, since the magnetic field sensitivity in the x direction is too high, the external output hardly changes even if the rotation angle of the rotating magnetic field is slightly changed, and the rotation angle is as high as about 90 °. A large output change appears when the angle is reached. As a result, the output waveform becomes an isolated wave.

これに対し、x方向の異方性磁界H(x)がy方向の異方性磁界H(y)以上となるように、薄膜ヨークの形状を定めると、x方向の感度が適度に低下するので、外部磁界がx方向より傾いた場合、その回転角に応じた磁界がGMR膜に到達する。その結果、三角波又は正弦波に近い出力波形が得られる。特に、x方向の異方性磁界H(x)が外部磁界とほぼ同等である場合には、三角波状又は正弦波状の出力波形が得やすくなる。従って、単純な数学的処理によって、高い精度で外部磁界の回転角度を算出することができるため、本発明に係る薄膜磁気センサを用いれば、シンプルな構造で、低コストにて高精度の回転センサが得られる。 On the other hand, if the shape of the thin-film yoke is determined so that the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction is greater than or equal to the anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction, the sensitivity in the x direction is moderate. Therefore, when the external magnetic field is tilted from the x direction, the magnetic field corresponding to the rotation angle reaches the GMR film. As a result, an output waveform close to a triangular wave or a sine wave is obtained. In particular, when the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction is substantially equal to the external magnetic field, a triangular or sinusoidal output waveform is easily obtained. Therefore, the rotation angle of the external magnetic field can be calculated with high accuracy by simple mathematical processing. Therefore, if the thin film magnetic sensor according to the present invention is used, the rotation sensor with a simple structure and low cost and high accuracy. Is obtained.

次に、本発明に係る回転センサについて説明する。上述した本発明に係る薄膜磁気センサは、雰囲気温度が一定である環境下においては、そのまま高精度の回転センサとして用いることができる。すなわち、薄膜磁気センサの両端に定電流源を接続し、その出力(電圧)変化を検出すれば、磁界の傾き角度を高精度で検出することができる。   Next, the rotation sensor according to the present invention will be described. The above-described thin film magnetic sensor according to the present invention can be used as a highly accurate rotation sensor as it is in an environment where the ambient temperature is constant. That is, if a constant current source is connected to both ends of the thin film magnetic sensor and a change in its output (voltage) is detected, the tilt angle of the magnetic field can be detected with high accuracy.

しかしながら、GMR膜の電気抵抗値は、外部磁界の強さのみならず、温度によっても大きく変動する。そのため、上述した薄膜磁気センサのみからなる回転センサを雰囲気温度が変動する環境下において使用した場合には、基準電位が変動するため、磁界の傾き角度を高精度で検出することが困難である。また、単一の薄膜磁気センサのみを用いた回転センサでは、得られる出力の大きさに限界があり、また、外部磁界の回転方向の検出も困難である。   However, the electrical resistance value of the GMR film varies greatly depending not only on the strength of the external magnetic field but also on the temperature. For this reason, when the rotation sensor including only the above-described thin film magnetic sensor is used in an environment where the ambient temperature varies, it is difficult to detect the tilt angle of the magnetic field with high accuracy because the reference potential varies. In addition, a rotation sensor using only a single thin film magnetic sensor has a limit in the magnitude of the output obtained, and it is difficult to detect the rotation direction of the external magnetic field.

そこで、このような場合には、1つの薄膜磁気センサと、参照抵抗及び/又は他の薄膜磁気センサとを組み合わせて用いるのが好ましい。具体的には、以下のような構成とするのがが好ましい。   Therefore, in such a case, it is preferable to use one thin film magnetic sensor in combination with a reference resistor and / or another thin film magnetic sensor. Specifically, the following configuration is preferable.

図3(a)に、第1の具体例を示す。図3(a)に示す回転センサ50は、本発明に係る薄膜磁気センサ52と、薄膜磁気センサ52に対して直列に接続された参照抵抗54とを備えている。参照抵抗54は、薄膜磁気センサ52の温度変化に起因する電気抵抗変化を補償する機能を有するものであり、その電気抵抗値の絶対値及び温度係数が薄膜磁気センサ52とほぼ同等であるものが用いられる。さらに、回転センサ50の両端には、一定の外部電圧V(V)を印加可能な電源(図示せず)が接続され、出力端子56は、薄膜磁気センサ52と参照抵抗54との接続部に設けられている。   FIG. 3A shows a first specific example. A rotation sensor 50 shown in FIG. 3A includes a thin film magnetic sensor 52 according to the present invention and a reference resistor 54 connected in series to the thin film magnetic sensor 52. The reference resistor 54 has a function of compensating for a change in electrical resistance caused by a temperature change of the thin film magnetic sensor 52, and the absolute value of the electrical resistance value and the temperature coefficient are substantially equivalent to those of the thin film magnetic sensor 52. Used. Further, a power source (not shown) capable of applying a constant external voltage V (V) is connected to both ends of the rotation sensor 50, and the output terminal 56 is connected to a connection portion between the thin film magnetic sensor 52 and the reference resistor 54. Is provided.

図3(a)に示す回転センサ50の両端にV(V)の一定の外部電圧が印加された場合において、外部磁界が作用しない時には、出力端子56から、約V/2(V)の出力が得られる。一方、回転センサ50に外部磁界が作用すると、その傾き角度に応じてGMR膜の抵抗値が変化するので、出力電圧が変動する。しかも、参照抵抗54が接続されているので、雰囲気温度が変動しても、温度変化に起因する出力変化は、参照抵抗54によって相殺される。そのため、出力端子56からは、外部磁界の回転角度に応じた出力変化のみが得られる。   When a constant external voltage of V (V) is applied to both ends of the rotation sensor 50 shown in FIG. 3A, when an external magnetic field does not act, an output of about V / 2 (V) is output from the output terminal 56. Is obtained. On the other hand, when an external magnetic field acts on the rotation sensor 50, the resistance value of the GMR film changes according to the tilt angle, so that the output voltage varies. Moreover, since the reference resistor 54 is connected, even if the ambient temperature fluctuates, the output change due to the temperature change is canceled by the reference resistor 54. For this reason, only an output change corresponding to the rotation angle of the external magnetic field can be obtained from the output terminal 56.

図3(b)に、第2の具体例を示す。図3(b)に示す回転センサ60は、本発明に係る第1の薄膜磁気センサ62aと、第1の薄膜磁気センサ62aに対して直列に接続された本発明に係る第2の薄膜磁気センサ62bとを備えている。また、第2の薄膜磁気センサ62bは、そのギャップ長方向が第1の薄膜磁気センサ62aのギャップ長に対して直角となるように配置されている。さらに、回転センサ60の両端には、一定の外部電圧V(V)を印加可能な電源(図示せず)が接続され、出力端子66は、第1の薄膜磁気センサ62aと第2の薄膜磁気センサ62bの接続部に設けられている。   FIG. 3B shows a second specific example. The rotation sensor 60 shown in FIG. 3B includes a first thin film magnetic sensor 62a according to the present invention and a second thin film magnetic sensor according to the present invention connected in series to the first thin film magnetic sensor 62a. 62b. The second thin film magnetic sensor 62b is arranged such that the gap length direction is perpendicular to the gap length of the first thin film magnetic sensor 62a. Further, a power source (not shown) capable of applying a constant external voltage V (V) is connected to both ends of the rotation sensor 60, and the output terminal 66 is connected to the first thin film magnetic sensor 62a and the second thin film magnetic. It is provided at the connection portion of the sensor 62b.

すなわち、回転センサ60は、図3(a)に示す回転センサ50において、参照抵抗54に代えて第2の薄膜磁気センサ62bを用いたものである。第1の薄膜磁気センサ62aと第2の薄膜磁気センサ62bとは、必ずしも同一の構成を備えたものである必要はないが、雰囲気温度の変動によらず外部磁界の回転角度を高精度で検出するためには、第2の薄膜磁気センサ62bは、第1の薄膜磁気センサ62aと同一の構成を備えているものが好ましい。   In other words, the rotation sensor 60 uses the second thin film magnetic sensor 62b instead of the reference resistor 54 in the rotation sensor 50 shown in FIG. The first thin film magnetic sensor 62a and the second thin film magnetic sensor 62b do not necessarily have the same configuration, but can detect the rotation angle of the external magnetic field with high accuracy regardless of the variation in the ambient temperature. For this purpose, the second thin film magnetic sensor 62b preferably has the same configuration as the first thin film magnetic sensor 62a.

図3(b)に示す回転センサ60の両端にV(V)の一定の外部電圧が印加された場合において、外部磁界が作用しない時には、出力端子66から、約V/2(V)の出力が得られる。   When a constant external voltage of V (V) is applied to both ends of the rotation sensor 60 shown in FIG. 3B, when an external magnetic field does not act, an output of about V / 2 (V) is output from the output terminal 66. Is obtained.

一方、回転センサ60に外部磁界が作用すると、その傾き角度に応じて第1の薄膜磁気センサ62aのGMR膜及び第2の薄膜磁気センサ62bのGMR膜の電気抵抗値がそれぞれ変化する。しかも、第1の薄膜磁気センサ62aと第2の薄膜磁気センサ62bは、そのギャップ長方向が互いに直角となるように直列に接続されているので、外部磁界の回転に起因する出力変化は、図3(a)に示す回転センサ50の約2倍となる。   On the other hand, when an external magnetic field acts on the rotation sensor 60, the electrical resistance values of the GMR film of the first thin film magnetic sensor 62a and the GMR film of the second thin film magnetic sensor 62b change according to the tilt angle. In addition, since the first thin film magnetic sensor 62a and the second thin film magnetic sensor 62b are connected in series so that the gap length directions are perpendicular to each other, the output change caused by the rotation of the external magnetic field is shown in FIG. This is about twice that of the rotation sensor 50 shown in FIG.

さらに、第2の薄膜磁気センサ62bは、第1の薄膜磁気センサ62aの参照抵抗としても機能するので、雰囲気温度の変動に伴う出力変化が相殺される。そのため、出力端子66からは、外部磁界の回転角度に応じた出力変化のみが得られる。   Furthermore, since the second thin film magnetic sensor 62b also functions as a reference resistance for the first thin film magnetic sensor 62a, output changes due to changes in ambient temperature are offset. Therefore, only an output change corresponding to the rotation angle of the external magnetic field can be obtained from the output terminal 66.

図3(c)に、第3の具体例を示す。図3(c)に示す回転センサ70は、本発明に係る第1の薄膜磁気センサ72aと、第1の参照抵抗74aと、本発明に係る第2の薄膜磁気センサ72bと、第2の参照抵抗74bとを用いて、ブリッジ回路を構成したものである。   FIG. 3C shows a third specific example. The rotation sensor 70 shown in FIG. 3 (c) includes a first thin film magnetic sensor 72a according to the present invention, a first reference resistor 74a, a second thin film magnetic sensor 72b according to the present invention, and a second reference. A bridge circuit is configured using the resistor 74b.

第2の薄膜磁気センサ72bは、その一端が第1の薄膜磁気センサ72aの一端に接続され、かつ、そのギャップ長方向が第1の薄膜磁気センサ72aのギャップ長と直角になるように配置されている。第1の参照抵抗74aは、第1の薄膜磁気センサ72aの温度変化に起因する出力変化を補償する機能を有するものであり、その一端が第1の薄膜磁気センサ72aの他端に接続されている。第2の参照抵抗74は、第2の薄膜磁気センサ72bの温度変化に起因する出力変化を補償する機能を有するものであり、その一端は、第2の薄膜磁気センサ72bの他端に接続され、その他端は、第1の参照抵抗74aの他端に接続されている。 The second thin film magnetic sensor 72b is arranged so that one end thereof is connected to one end of the first thin film magnetic sensor 72a and the gap length direction is perpendicular to the gap length of the first thin film magnetic sensor 72a. ing. The first reference resistor 74a has a function of compensating for an output change caused by a temperature change of the first thin film magnetic sensor 72a. One end of the first reference resistor 74a is connected to the other end of the first thin film magnetic sensor 72a. Yes. The second reference resistor 74 b is one having a function of compensating for output variations caused by temperature changes of the second thin film magnetic sensor 72b, one end is connected to the other end of the second thin film magnetic sensor 72b The other end is connected to the other end of the first reference resistor 74a.

さらに、第1の薄膜磁気センサ72aと第2の薄膜磁気センサ72bの接続部、及び、第1の参照抵抗7aと第2の参照抵抗7bの接続部の間には、一定の外部電圧V(V)を印加可能な電源(図示せず)が接続されている。また、第1の薄膜磁気センサ72aと第1の参照抵抗74aの接続部、及び、第2の薄膜磁気センサ72bと第2の参照抵抗74bの接続部には、それぞれ、出力端子76a及び76bが設けられている。 Further, the connection portion of the first thin-film magnetic sensor 72a and the second thin film magnetic sensor 72b, and between the connection portion of the first reference resistor 7 4 a and the second reference resistor 7 4 b, the constant A power supply (not shown) to which an external voltage V (V) can be applied is connected. Further, output terminals 76a and 76b are connected to the connection portion of the first thin film magnetic sensor 72a and the first reference resistor 74a and the connection portion of the second thin film magnetic sensor 72b and the second reference resistor 74b, respectively. Is provided.

この場合、第1の参照抵抗74a及び第2の参照抵抗74bには、その電気抵抗値の絶対値及び温度係数が、それぞれ、第1の薄膜磁気センサ72a及び第2の薄膜磁気センサ72bとほぼ同等であるものが用いられる。また、第1の薄膜磁気センサ72aと第2の薄膜磁気センサ72bは、必ずしも同一の構成を備えたものである必要はないが、雰囲気温度の変動によらず外部磁界の回転角度を高精度で検出するためには、第2の薄膜磁気センサ72bは、第1の薄膜磁気センサ72aと同一の構成を備えているものが好ましい。   In this case, each of the first reference resistor 74a and the second reference resistor 74b has an absolute value and a temperature coefficient that are substantially the same as those of the first thin film magnetic sensor 72a and the second thin film magnetic sensor 72b, respectively. Those that are equivalent are used. Further, the first thin film magnetic sensor 72a and the second thin film magnetic sensor 72b do not necessarily have the same configuration, but the rotation angle of the external magnetic field can be set with high accuracy regardless of the variation in the ambient temperature. In order to detect, it is preferable that the second thin film magnetic sensor 72b has the same configuration as the first thin film magnetic sensor 72a.

図3(c)に示す回転センサ70の対角線上にV(V)の一定の外部電圧が印加された場合において、外部磁界が作用しない時には、各出力端子76a及び76bから、それぞれ、約V/2(V)の出力が得られる。従って、その差分をとると、出力は、約0(V)となる。   When a constant external voltage of V (V) is applied on the diagonal line of the rotation sensor 70 shown in FIG. 3C, when the external magnetic field does not act, the output terminals 76a and 76b receive about V / V, respectively. An output of 2 (V) is obtained. Therefore, when the difference is taken, the output is about 0 (V).

一方、回転センサ70に外部磁界が作用すると、その傾き角度に応じて第1の薄膜磁気センサ72aのGMR膜及び第2の薄膜磁気センサ72bのGMR膜の電気抵抗値がそれぞれ変化する。しかも、第1の薄膜磁気センサ72a及び第2の薄膜磁気センサ72bには、それぞれ、参照抵抗74a及び74bが接続されているので、雰囲気温度が変動しても、温度変化に起因する出力変化が相殺される。そのため、出力端子76a及び76bからは、外部磁界の回転角度に応じた出力変化のみが得られる。   On the other hand, when an external magnetic field acts on the rotation sensor 70, the electrical resistance values of the GMR film of the first thin film magnetic sensor 72a and the GMR film of the second thin film magnetic sensor 72b change according to the tilt angle. In addition, since the reference resistors 74a and 74b are connected to the first thin film magnetic sensor 72a and the second thin film magnetic sensor 72b, respectively, even if the ambient temperature fluctuates, the output change caused by the temperature change occurs. Offset. Therefore, only the output change corresponding to the rotation angle of the external magnetic field can be obtained from the output terminals 76a and 76b.

また、第1の薄膜磁気センサ72a及び第2の薄膜磁気センサ72bは、それぞれ、参照抵抗74a及び74bと直列に接続されているので、各出力端子76a及び76bから得られる出力は、図3(a)に示す回転センサ50と同等である。しかしながら、第1の薄膜磁気センサ72a及び第2の薄膜磁気センサ72bは、そのギャップ長方向が互いに直角となるように接続され、かつ各出力端子76a、76bから得られる出力電圧の差分を取っているので、外部磁界の回転に起因する出力変化は、図3(a)に示す回転センサ50の約2倍となる。   Since the first thin film magnetic sensor 72a and the second thin film magnetic sensor 72b are connected in series with the reference resistors 74a and 74b, respectively, the outputs obtained from the output terminals 76a and 76b are shown in FIG. This is equivalent to the rotation sensor 50 shown in a). However, the first thin film magnetic sensor 72a and the second thin film magnetic sensor 72b are connected so that their gap length directions are perpendicular to each other, and the difference between the output voltages obtained from the output terminals 76a and 76b is taken. Therefore, the output change due to the rotation of the external magnetic field is about twice that of the rotation sensor 50 shown in FIG.

図3(d)に、第4の具体例を示す。図3(d)に示す回転センサ80は、本発明に係る第1の薄膜磁気センサ82aと、第2の薄膜磁気センサ82bと、第3の薄膜磁気センサ82cと、第4の薄膜磁気センサ82dとを用いて、ブリッジ回路を構成したものである。   FIG. 3D shows a fourth specific example. A rotation sensor 80 shown in FIG. 3 (d) includes a first thin film magnetic sensor 82a, a second thin film magnetic sensor 82b, a third thin film magnetic sensor 82c, and a fourth thin film magnetic sensor 82d according to the present invention. Are used to construct a bridge circuit.

すなわち、回転センサ80は、図3(c)に示す回転センサ70において、第1の参照抵抗74a及び第2の参照抵抗74bに代えて、それぞれ、第3の薄膜磁気センサ82c及び第4の薄膜磁気センサ82dを用いたものである。第3の薄膜磁気センサ82cは、そのギャップ長方向が第1の薄膜磁気センサ82aのギャップ長方向に対して直角となるように配置されている。また、第4の薄膜磁気センサ82dは、そのギャップ長方向が第2の薄膜磁気センサ82bのギャップ長に対して直角となるように配置されている。   That is, the rotation sensor 80 is the same as the rotation sensor 70 shown in FIG. 3C, but instead of the first reference resistor 74a and the second reference resistor 74b, the third thin film magnetic sensor 82c and the fourth thin film, respectively. The magnetic sensor 82d is used. The third thin film magnetic sensor 82c is arranged such that the gap length direction is perpendicular to the gap length direction of the first thin film magnetic sensor 82a. The fourth thin film magnetic sensor 82d is arranged such that the gap length direction is perpendicular to the gap length of the second thin film magnetic sensor 82b.

この場合、第1〜第4の薄膜磁気センサ82a〜82dは、必ずしも同一の構成を備えたものである必要はないが、雰囲気温度の変動によらず外部磁界の回転角度を高精度で検出するためには、第1〜第4の薄膜磁気センサ82a〜82dは、それぞれ、同一の構成を備えているものが好ましい。   In this case, the first to fourth thin film magnetic sensors 82a to 82d do not necessarily have the same configuration, but detect the rotation angle of the external magnetic field with high accuracy regardless of the variation in the ambient temperature. Therefore, it is preferable that the first to fourth thin film magnetic sensors 82a to 82d have the same configuration.

さらに、第1の薄膜磁気センサ82aと第2の薄膜磁気センサ82bの接続部、及び、第3の薄膜磁気センサ82cと第4の薄膜磁気センサ82dの接続部の間には、一定の外部電圧V(V)を印加可能な電源(図示せず)が接続されている。また、第1の薄膜磁気センサ82aと第3の薄膜磁気センサ82cの接続部、及び、第2の薄膜磁気センサ82bと第4の薄膜磁気センサ82dの接続部には、それぞれ、出力端子86a及び86bが設けられている。   Furthermore, there is a constant external voltage between the connection portion of the first thin film magnetic sensor 82a and the second thin film magnetic sensor 82b and between the connection portion of the third thin film magnetic sensor 82c and the fourth thin film magnetic sensor 82d. A power source (not shown) capable of applying V (V) is connected. Further, a connection portion between the first thin film magnetic sensor 82a and the third thin film magnetic sensor 82c and a connection portion between the second thin film magnetic sensor 82b and the fourth thin film magnetic sensor 82d are respectively connected to the output terminals 86a and 86a. 86b is provided.

図3(d)に示す回転センサ80の対角線上にV(V)の一定の外部電圧が印加された場合において、外部磁界が作用しない時には、各出力端子86a及び86bから、それぞれ、約V/2(V)の出力が得られる。従って、その差分をとると、出力は、約0(V)となる。   When a constant external voltage of V (V) is applied on the diagonal line of the rotation sensor 80 shown in FIG. 3D, when the external magnetic field does not act, the output terminals 86a and 86b receive about V / V, respectively. An output of 2 (V) is obtained. Therefore, when the difference is taken, the output is about 0 (V).

一方、回転センサ80に外部磁界が作用すると、その傾き角度に応じて第1〜第4の薄膜磁気センサ82a〜82dの電気抵抗値がそれぞれ変化する。しかも、第3の薄膜磁気センサ82c及び第4の薄膜磁気センサ82dは、それぞれ、第1の薄膜磁気センサ82a及び第2の薄膜磁気センサ82bの参照抵抗として機能するので、雰囲気温度が変動しても、温度変化に起因する出力変化が相殺される。そのため、出力端子86a及び86bからは、外部磁界の回転角度に応じた出力変化のみが得られる。   On the other hand, when an external magnetic field acts on the rotation sensor 80, the electrical resistance values of the first to fourth thin film magnetic sensors 82a to 82d change according to the inclination angle. In addition, since the third thin film magnetic sensor 82c and the fourth thin film magnetic sensor 82d function as reference resistances for the first thin film magnetic sensor 82a and the second thin film magnetic sensor 82b, respectively, the ambient temperature varies. However, the output change due to the temperature change is canceled out. For this reason, only output changes corresponding to the rotation angle of the external magnetic field can be obtained from the output terminals 86a and 86b.

また、第1の薄膜磁気センサ82aと第3の薄膜磁気センサ82cは、そのギャップ長方向が互いに直角となるように直列に接続されているので、出力端子86aから得られる出力は、図3(a)に示す回転センサ50の約2倍となる。同様に、第2の薄膜磁気センサ82bと第4の薄膜磁気センサ82dは、そのギャップ長方向が互いに直角となるように直列に接続されているので、出力端子86bから得られる出力は、図3(a)に示す回転センサ50の約2倍となる。さらに、第1の薄膜磁気センサ82a及び第2の薄膜磁気センサ82bは、そのギャップ長方向が互いに直角となるように接続され、かつ、各出力端子86a、86bから得られる出力電圧の差分を取っているので、外部磁界の回転に起因する出力変化は、図3(a)に示す回転センサ50の約4倍となる。   Further, since the first thin film magnetic sensor 82a and the third thin film magnetic sensor 82c are connected in series so that the gap length directions are perpendicular to each other, the output obtained from the output terminal 86a is as shown in FIG. The rotation sensor 50 shown in FIG. Similarly, since the second thin film magnetic sensor 82b and the fourth thin film magnetic sensor 82d are connected in series so that the gap length directions thereof are perpendicular to each other, the output obtained from the output terminal 86b is as shown in FIG. The rotation sensor 50 shown in FIG. Further, the first thin film magnetic sensor 82a and the second thin film magnetic sensor 82b are connected so that the gap length directions thereof are perpendicular to each other, and take the difference between the output voltages obtained from the output terminals 86a and 86b. Therefore, the output change due to the rotation of the external magnetic field is about four times that of the rotation sensor 50 shown in FIG.

さらに、出力端子86aからの中点電圧出力(I相)と、出力端子86bからの中点電圧出力(II相)とは、ちょうど、90°位相の異なる出力波形となるので、両者の差分を取ることによって、外部磁界の回転方向が時計回り(CW)か反時計回り(CCW)かの区別も付く。さらに、両者の出力値の比較演算(いわゆる、リサージュ波形)により、より高精度の回転角検出が可能となる。   Furthermore, since the midpoint voltage output (phase I) from the output terminal 86a and the midpoint voltage output (phase II) from the output terminal 86b have exactly 90 ° different output waveforms, the difference between the two is obtained. By taking this, it is possible to distinguish whether the rotation direction of the external magnetic field is clockwise (CW) or counterclockwise (CCW). Furthermore, the rotation angle can be detected with higher accuracy by comparing the output values of the two (so-called Lissajous waveform).

無アルカリガラスからなる絶縁基板上に、アモルファス((Co94Fe)82Si、透磁率μ=5000、飽和磁化Ms=13(kGauss))からなる軟磁性薄膜、及び、FeCo−MgFからなるGMR膜を所定の順序で積層し、微細加工することにより、図1に示す形状を有する薄膜磁気センサ20を作製した。なお、軟磁性薄膜の膜厚は1.0μm、ギャップ長は1.5μmとした。また、各薄膜ヨーク24、24は、ギャップ長方向の長さL=140μm、ギャップ長に対して垂直方向の幅W=400μmとした。 A soft magnetic thin film made of amorphous ((Co 94 Fe 6 ) 82 Si 9 B 9 , magnetic permeability μ = 5000, saturation magnetization Ms = 13 (kGauss)), and FeCo-MgF on an insulating substrate made of alkali-free glass A thin film magnetic sensor 20 having the shape shown in FIG. 1 was manufactured by laminating two GMR films in a predetermined order and finely processing them. The soft magnetic thin film had a thickness of 1.0 μm and a gap length of 1.5 μm. Each thin film yoke 24, 24 has a length L in the gap length direction of 140 μm and a width W in the direction perpendicular to the gap length of 400 μm.

また、本実施例においては、GMR膜26の横幅(W)は、50μmとし、膜厚(t)は、0.5μmとした。さらに、薄膜ヨーク24、24の端部に電極を形成し、さらにその表面に保護膜を形成し、薄膜磁気センサ20を得た。本実施例の場合、x方向の異方性磁界H(x)は50(Oe)、y方向の異方性磁界H(y)は10(Oe)であった。 In this embodiment, the lateral width (W g ) of the GMR film 26 is 50 μm, and the film thickness (t g ) is 0.5 μm. Furthermore, electrodes were formed at the ends of the thin film yokes 24, 24, and a protective film was further formed on the surface thereof to obtain the thin film magnetic sensor 20. In this example, the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction was 50 (Oe), and the anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction was 10 (Oe).

(比較例1)
薄膜ヨークの形状を、ギャップ長方向長さL=500μm、ギャップ長に対して垂直方向の幅W=200μmとした以外は、実施例1と同様の手順に従い、薄膜磁気センサを作製した。なお、比較例1の場合、x方向の異方性磁界H(x)は、10(Oe)であった。また、y方向の異方性磁界H(y)は、40(Oe)であった。
(Comparative Example 1)
A thin film magnetic sensor was fabricated according to the same procedure as in Example 1 except that the shape of the thin film yoke was changed to a gap length length L = 500 μm and a width W perpendicular to the gap length W = 200 μm. In the case of Comparative Example 1, the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction was 10 (Oe). The anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction was 40 (Oe).

実施例1で得られた2個の薄膜磁気センサを、それぞれ、そのギャップ長方向が互いに垂直となるように配置し、これらを直列に接続して回転センサを得た(図4(a)参照)。同様に、比較例1で得られた2個の薄膜磁気センサを用いて、回転センサを得た(図4(b)参照)。さらに、得られた回転センサに対し、電圧を印加しつつ、センサが配置された平面内において回転する100(Oe)の回転磁界を作用させ、磁気抵抗変化による中点電圧変化を測定した。   The two thin film magnetic sensors obtained in Example 1 were arranged so that their gap length directions were perpendicular to each other, and these were connected in series to obtain a rotation sensor (see FIG. 4A). ). Similarly, a rotation sensor was obtained using the two thin film magnetic sensors obtained in Comparative Example 1 (see FIG. 4B). Further, while applying a voltage to the obtained rotation sensor, a rotating magnetic field of 100 (Oe) rotating in a plane where the sensor was arranged was applied, and a change in the midpoint voltage due to a change in magnetoresistance was measured.

図5に、外部磁界の回転角度と、中点電圧との関係を示す。なお、図5において、縦軸は、中点電圧の最大値に対する比率を表す。また、図5には、この種の回転センサで得られる理想的な出力波形(倍正弦)も併せて示した。図5より、比較例1の回転センサの場合、その出力波形は、孤立波であるのに対し、実施例1の回転センサは、ほぼ三角波状の出力波形が得られていることがわかる。これは、x方向の異方性磁界H(x)を相対的に大きくすることによって、y方向の磁界感度が向上したためである。 FIG. 5 shows the relationship between the rotation angle of the external magnetic field and the midpoint voltage. In FIG. 5, the vertical axis represents the ratio of the midpoint voltage to the maximum value. FIG. 5 also shows an ideal output waveform (double sine) obtained by this type of rotation sensor. From FIG. 5, it can be seen that the output waveform of the rotation sensor of Comparative Example 1 is an isolated wave, whereas the rotation sensor of Example 1 has a substantially triangular wave output waveform. This is because the magnetic sensitivity in the y direction is improved by relatively increasing the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction.

ギャップ長を2.5μmとした以外は、実施例1と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ及び回転センサを作製した。本実施例の場合、x方向の異方性磁界H(x)は50(Oe)、y方向の異方性磁界H(y)は10(Oe)であった。得られた回転センサに対し、実施例1と同一の条件下で回転磁界を作用させ、磁気抵抗変化による中点電圧変化を測定した。 A thin film magnetic sensor and a rotation sensor were produced according to the same procedure as in Example 1 except that the gap length was 2.5 μm. In this example, the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction was 50 (Oe), and the anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction was 10 (Oe). A rotating magnetic field was applied to the obtained rotation sensor under the same conditions as in Example 1, and changes in the midpoint voltage due to changes in magnetoresistance were measured.

図6に、外部磁界の回転角度と、中点電圧との関係を示す。なお、図6には、理想的な出力波形(倍正弦)及び比較例1で得られた出力波形を併せて示した。図6より、ギャップ長GLを1.5μmから2.5μmに広げることにより、出力波形は、三角波から若干正弦波に近づいており、より良好な波形となることがわかる。これは、ギャップ長GLを広げることによって、左右の薄膜ヨークの干渉が軽減され、y方向の磁界感度が向上したためと考えられる。   FIG. 6 shows the relationship between the rotation angle of the external magnetic field and the midpoint voltage. FIG. 6 also shows an ideal output waveform (double sine) and the output waveform obtained in Comparative Example 1. From FIG. 6, it can be seen that by increasing the gap length GL from 1.5 μm to 2.5 μm, the output waveform is slightly closer to a sine wave from the triangular wave, and becomes a better waveform. This is presumably because the interference between the left and right thin film yokes was reduced by increasing the gap length GL, and the magnetic field sensitivity in the y direction was improved.

実施例1と同様の手順に従い、図2に示す形状を有する薄膜磁気センサ40を作製した。但し、本実施例の場合、ヨーク厚さは1.5μm、ギャップ長GLは、2.5μmとした。また、各薄膜ヨーク44、44は、ギャップ長方向の長さL=140μm、先端の幅W(=W)=200μm、後端の幅W=600μmとした。また、本実施例の場合、x方向の異方性磁界H(x)は、65(Oe)、y方向の異方性磁界H(y)は、6(Oe)であった。 In accordance with the same procedure as in Example 1, a thin film magnetic sensor 40 having the shape shown in FIG. However, in this embodiment, the yoke thickness was 1.5 μm and the gap length GL was 2.5 μm. Each thin-film yoke 44, 44 has a length L in the gap length direction of 140 μm, a front end width W f (= W g ) = 200 μm, and a rear end width W r = 600 μm. In the present example, the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction was 65 (Oe), and the anisotropic magnetic field H k (y) in the y direction was 6 (Oe).

さらに、実施例1と同様に、得られた2個の薄膜磁気センサを、それぞれ、そのギャップ長方向が互いに直角となるように配置し、これらを直列に接続して回転センサを得た。得られた回転センサに対し、100(Oe)の回転磁界を与え、磁気抵抗変化による中点電圧の変化を測定した。   Further, in the same manner as in Example 1, the obtained two thin film magnetic sensors were respectively arranged so that the gap length directions thereof were perpendicular to each other, and these were connected in series to obtain a rotation sensor. A rotation magnetic field of 100 (Oe) was applied to the obtained rotation sensor, and a change in the midpoint voltage due to a change in magnetoresistance was measured.

図7に、外部磁界の回転角度と、中点電圧との関係を示す。なお、図7には、理想的な出力波形(倍正弦)及び比較例1で得られた出力波形を併せて示した。図7より、ギャップ長GLを2.5μmにしたまま、薄膜ヨークの形状を台形状とすると、出力波形は三角波からさらに正弦波に近づき、良好な波形となることがわかる。これは、薄膜ヨークの形状を台形状とすることによって、x方向の異方性磁界H(x)がさらに増大し、かつ、y方向の磁界感度が向上したためである。 FIG. 7 shows the relationship between the rotation angle of the external magnetic field and the midpoint voltage. FIG. 7 also shows an ideal output waveform (double sine) and the output waveform obtained in Comparative Example 1. From FIG. 7, it can be seen that if the shape of the thin-film yoke is trapezoidal with the gap length GL being 2.5 μm, the output waveform is closer to a sine wave from the triangular wave and becomes a favorable waveform. This is because by making the shape of the thin film yoke trapezoidal, the anisotropic magnetic field H k (x) in the x direction is further increased, and the magnetic field sensitivity in the y direction is improved.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、2個以上の薄膜磁気センサを用いて回転センサを構成する場合、個別に薄膜磁気センサを作製し、これを適当な基板上に張り付けて、回転センサを作製しても良い。あるいは、同一基板上に、所定の位置関係を満たすように、2個以上の薄膜磁気センサを同時に形成し、これを回転センサとして用いても良い。   For example, when a rotation sensor is configured using two or more thin film magnetic sensors, the rotation sensor may be manufactured by individually manufacturing a thin film magnetic sensor and pasting the thin film magnetic sensor on an appropriate substrate. Alternatively, two or more thin film magnetic sensors may be simultaneously formed on the same substrate so as to satisfy a predetermined positional relationship and used as a rotation sensor.

本発明に係る回転センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ/空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出などに用いることができる。   The rotation sensor according to the present invention detects rotation information of automobile axles, rotary encoders, industrial gears, etc., stroke position of hydraulic / pneumatic cylinders, detection of position / speed information of machine tool slides, etc. It can be used for detection of current information such as arc current of a welding robot.

図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、図1(b)は、その正面図である。FIG. 1A is a plan view of a thin film magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a front view thereof. 図2(a)は、本発明の第2の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、図2(b)は、その正面図である。FIG. 2A is a plan view of a thin film magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a front view thereof. 本発明の一実施の形態に係る回転センサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the rotation sensor which concerns on one embodiment of this invention. 図4(a)は、実施例1で作製した回転センサの概略構成図、図4(b)は、比較例1で作製した回転センサの概略構成図である。4A is a schematic configuration diagram of the rotation sensor manufactured in Example 1, and FIG. 4B is a schematic configuration diagram of the rotation sensor manufactured in Comparative Example 1. 実施例1及び比較例1で得られた回転センサについて測定された、外部磁界の回転角度と、中点電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation angle of an external magnetic field measured about the rotation sensor obtained in Example 1 and Comparative Example 1, and a midpoint voltage. 実施例2及び比較例1で得られた回転センサについて測定された、外部磁界の回転角度と、中点電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation angle of an external magnetic field measured about the rotation sensor obtained in Example 2 and Comparative Example 1, and a midpoint voltage. 実施例3及び比較例1で得られた回転センサについて測定された、外部磁界の回転角度と、中点電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation angle of an external magnetic field measured about the rotation sensor obtained in Example 3 and Comparative Example 1, and a midpoint voltage.

符号の説明Explanation of symbols

20、40 薄膜磁気センサ
24、44 薄膜ヨーク
24a、44a ギャップ
26、46 GMR膜
50、60、70、80 回転センサ
52、62a、62b、72a、72b、82a〜82d 薄膜磁気センサ
54、74a、74b 参照抵抗
56、66、76a、76b、86a、86b 出力端子
20, 40 Thin film magnetic sensor 24, 44 Thin film yoke 24a, 44a Gap 26, 46 GMR film 50, 60, 70, 80 Rotation sensor 52, 62a, 62b, 72a, 72b, 82a-82d Thin film magnetic sensor 54, 74a, 74b Reference resistor 56, 66, 76a, 76b, 86a, 86b Output terminal

Claims (8)

軟磁性材料からなり、かつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、
該一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように前記ギャップ間に形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有するGMR膜と、
前記薄膜ヨーク及び前記GMR膜を支持する絶縁性・非磁性材料からなる絶縁基板とを備え、
前記薄膜ヨークは、ギャップ長方向の異方性磁界H(x)と、ギャップ長に対して垂直方向の異方性磁界H(y)との間に、
(x)≧H(y)
で表される関係がある薄膜磁気センサ。
A pair of thin film yokes made of a soft magnetic material and opposed to each other through a gap;
A GMR film formed between the gaps so as to be electrically connected to the pair of thin film yokes and having a higher electrical resistivity than the soft magnetic material;
An insulating substrate made of an insulating / nonmagnetic material that supports the thin film yoke and the GMR film;
The thin film yoke has an anisotropic magnetic field H k (x) in the gap length direction and an anisotropic magnetic field H k (y) in the direction perpendicular to the gap length,
H k (x) ≧ H k (y)
A thin film magnetic sensor with the relationship represented by
前記薄膜ヨークは、ギャップ長方向の長さLと、幅の平均値Waveと、厚さの平均値taveとの間に、
(Wave×tave)/L≧(L×tave)/Wave
で表される関係がある請求項1に記載の薄膜磁気センサ。
The thin film yoke has a length L in the gap length direction, an average value W ave of width, and an average value t ave of thickness,
(W ave × t ave ) / L 2 ≧ (L × t ave ) / W ave 2
The thin film magnetic sensor according to claim 1, wherein there is a relationship represented by:
前記薄膜ヨークは、その先端の厚さt、及び、その先端の幅W、並びに、前記GMR膜の幅Wの内のいずれか小さいもの(min(t、W、W))と、ギャップ長GLとの間に、
min(t、W、W)≦GL
で表される関係がある請求項1又は2に記載の薄膜磁気センサ。
The thin film yoke has a thickness t f at the tip, a width W f at the tip, or a width W g of the GMR film, which is smaller (min (t f , W f , W g )). ) And the gap length GL,
min (t f , W f , W g ) ≦ GL
The thin film magnetic sensor according to claim 1, wherein there is a relationship represented by:
請求項1から3までのいずれかに記載の薄膜磁気センサを備えた回転センサ。   A rotation sensor comprising the thin film magnetic sensor according to claim 1. 請求項1から3までのいずれかに記載の第1の薄膜磁気センサと、
前記第1の薄膜磁気センサに対して直列に接続され、かつ前記第1の薄膜磁気センサの温度変化に起因する電気抵抗変化を補償する機能を有する第1の参照抵抗と、
前記第1の薄膜磁気センサと前記第1の参照抵抗との接続部に設けられた出力端子とを備えた回転センサ。
The first thin film magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3,
A first reference resistor connected in series to the first thin film magnetic sensor and having a function of compensating for an electric resistance change caused by a temperature change of the first thin film magnetic sensor;
A rotation sensor comprising: an output terminal provided at a connection portion between the first thin film magnetic sensor and the first reference resistor.
前記第1の参照抵抗は、請求項1から3までのいずれかに記載の第2の薄膜磁気センサからなり、
該第2の薄膜磁気センサは、そのギャップ長方向が前記第1の薄膜磁気センサのギャップ長方向に対して直角となるように配置されている請求項5に記載の回転センサ。
The first reference resistor comprises the second thin film magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3,
6. The rotation sensor according to claim 5, wherein the second thin film magnetic sensor is arranged so that a gap length direction thereof is perpendicular to a gap length direction of the first thin film magnetic sensor.
請求項1から3までのいずれかに記載の第1の薄膜磁気センサと、
その一端が前記第1の薄膜磁気センサの一端に接続され、かつ、そのギャップ長方向が前記第1の薄膜磁気センサのギャップ長方向と直角になるように配置された請求項1から3までのいずれかに記載の第2の薄膜磁気センサと、
その一端が前記第1の薄膜磁気センサの他端に接続され、かつ前記第1の薄膜磁気センサの温度変化に起因する電気抵抗変化を補償する機能を有する第1の参照抵抗と、
その一端が前記第2の薄膜磁気センサの他端に接続され、その他端が前記第1の参照抵抗の他端に接続され、かつ前記第2の薄膜磁気センサの温度変化に起因する電気抵抗変化を補償する機能を有する第2の参照抵抗と、
前記第1の薄膜磁気センサと前記第1の参照抵抗との接続部、及び、前記第2の薄膜磁気センサと前記第の参照抵抗との接続部に設けられた出力端子とを備えた回転センサ。
The first thin film magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3,
4. One end of the first thin film magnetic sensor is connected to one end of the first thin film magnetic sensor, and the gap length direction of the first thin film magnetic sensor is perpendicular to the gap length direction of the first thin film magnetic sensor. A second thin film magnetic sensor according to any one of the above,
A first reference resistor having one end connected to the other end of the first thin film magnetic sensor and having a function of compensating for an electric resistance change caused by a temperature change of the first thin film magnetic sensor;
One end of the second thin film magnetic sensor is connected to the other end of the second thin film magnetic sensor, the other end is connected to the other end of the first reference resistor, and the resistance change due to the temperature change of the second thin film magnetic sensor. A second reference resistor having a function of compensating for
A rotation provided with a connection portion between the first thin film magnetic sensor and the first reference resistor, and an output terminal provided at a connection portion between the second thin film magnetic sensor and the second reference resistance. Sensor.
前記第1の参照抵抗は、請求項1から3までのいずれかに記載の第3の薄膜磁気センサからなり、
該第3の薄膜磁気センサは、そのギャップ長方向が前記第1の薄膜磁気センサのギャップ長方向に対して直角となるように配置されており、
前記第2の参照抵抗は、請求項1から3までのいずれかに記載の第4の薄膜磁気センサからなり、
該第4の薄膜磁気センサは、そのギャップ長が前記第2の薄膜磁気センサのギャップ長に対して直角となるように配置されている請求項7に記載の回転センサ。
The first reference resistor comprises the third thin film magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3,
The third thin film magnetic sensor is arranged such that the gap length direction is perpendicular to the gap length direction of the first thin film magnetic sensor,
The second reference resistor comprises the fourth thin film magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3,
The rotation sensor according to claim 7, wherein the fourth thin film magnetic sensor is arranged so that a gap length thereof is perpendicular to a gap length of the second thin film magnetic sensor.
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