JP4334914B2 - 薄膜磁気センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、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、地磁気方位検出センサなどに好適な薄膜磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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： Anisotropic Magneto-Resistivity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Gaiant MR）センサ等に分類される。
【０００３】
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／ρ０（△ρ＝ρＨ−ρ０：ρＨは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、（２）ホールセンサに比べて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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、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。
【０００６】
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、磁気センサの超小型化と、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、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
【０００７】
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Ｃｏ３８．６Ｙ４１．０Ｏ４７．４組成を有するナノグラニュラー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。
【０００８】
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。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−０８７８０４号公報の請求項１及び段落番号「００１９」
【特許文献２】
特開平１１−２７４５９９号公報の請求項１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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、大きな電気比抵抗を有し、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−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜が知られている。
【００１１】
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。
【００１２】
しかしながら、ＧＭＲ膜の膜厚を薄膜ヨークの膜厚より薄くするだけでは、磁束の分散の抑制が不十分となる場合があり、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることが望まれている。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、高い電気比抵抗を有するＧＭＲ膜の両側に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを電気的に接続配置した薄膜磁気センサ（以下、単に「薄膜磁気センサ」という。）において、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、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た磁気センサであって、次の条件を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端側の膜厚（ｔ ｆ ）に対する前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔ ｆ ）が２０以下である。
（２）前記薄膜ヨークの後端側の断面積（Ｓ ｒ ）に対する前記薄膜ヨークの先端側の断面積（Ｓ ｆ ）の比（Ｓ ｆ ／Ｓ ｒ ）が１未満である。
（３）前記薄膜ヨークのギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、前記薄膜ヨークの横幅の平均値（Ｗｍ）及び前記薄膜ヨークの膜厚の平均値（ｔｍ）の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）が０．０１以下である（但し、Ｗｍ＝（Ｗｆ＋Ｗｒ）／２、ｔｍ＝（ｔｆ＋ｔｒ）／２。Ｗｆ及びＷｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅、ｔｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚。）。
（４）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端に一定の横幅を有する平行部を備え、前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）に対する前記平行部のギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）が２０以下である。
（５）前記薄膜ヨークは、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁を備え、前記ギャップ長方向に対する前記外壁の角度（θ）が４０°以上９０°以下である。
（６）前記薄膜ヨークの先端側の横幅（Ｗ ｆ ）に対する前記ＧＭＲ膜の横幅（Ｗ ｇ ）の比（Ｗ ｇ ／Ｗ ｆ ）が１以下である。
また、上記磁気センサは、さらに次の条件を備えていると良い。
（７）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる。
【００１５】
上記磁気センサにおいて、薄膜ヨークの先端側の膜厚に対するギャップ長の比（ＧＬ／ｔ ｆ ）を２０以下とすると、薄膜ヨーク先端から空間への磁束の分散が抑制される。また、薄膜ヨークの後端側断面積に対する先端側断面積の比（Ｓ ｆ ／Ｓ ｒ ）を１未満とすると、薄膜ヨーク先端の磁束密度を増大させることができる。また、薄膜ヨークのギャップ長方向の長さの２乗に対する、薄膜ヨークの横幅の平均値及び薄膜ヨークの膜厚の平均値の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）は、反磁界係数と相関があり、この値を０．０１以下にすると、薄膜ヨークのギャップ長方向の反磁界を小さくすることができる。但し、あまりにこの値が小さすぎると、つまり、Ｌが長すぎると、薄膜ヨークの磁気抵抗が大きくなりすぎ、ギャップ中を通る磁界が弱くなりすぎるので、この値は、好ましくは、１×１０−６以上に留めるのがよい。また、薄膜ヨークの先端に平行部を設け、ギャップ長に対する平行部のギャップ長方向の長さの比（ＦＬ／ＧＬ）を２０以下とすると、薄膜ヨークの先端から空間への磁束の分散が抑制される。また、薄膜ヨークにテーパ状の外壁を設け、外壁の角度（θ）を４０°以上９０°以下とすると、薄膜ヨーク先端の磁束密度増大させることができる。また、薄膜ヨークの先端側の横幅に対するＧＭＲ膜の横幅の比（Ｗ ｇ ／Ｗ ｆ ）を１以下とすると、薄膜ヨーク間の強い磁界のみがＧＭＲ膜に作用するため、磁界感度が向上する。
【００１６】
さらに、上記磁気センサにおいて、薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる場合には、ギャップ長方向の反磁界を増大させることなく、ギャップ部に発生する磁界を増大させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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、本発明の一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。
【００１８】
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。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、これらを大気環境から遮断し、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。
【００１９】
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坦化したアルミナ、熱酸化膜付Ｓｉ、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等が好適な一例として挙げられる。
【００２０】
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。
【００２１】
薄膜磁気センサは、温度による基準電位の変動を防ぐため、通常、２個の素子を直列に接続し、中点電位を計測することによって外部磁界の検出を行うようになっている。また、薄膜磁気センサは、２つの素子の感磁軸が互いに直交するように配列させた直交形と、２個の素子の感磁軸が互いに平行になるように配列させた平行形に分類される。さらに、出力を倍にするために、４個の素子を用いてブリッジ回路を構成する場合もある。この場合、絶縁基板上に１個の素子のみを形成し、これを複数個組み合わせて用いても良く、あるいは、同一の絶縁基板上に複数個の素子を形成し、これらを接続して用いても良い。
【００２２】
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。
【００２３】
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（Ｆｅ７４Ｓｉ９Ａｌ１７）、ハードパーム（Ｆｅ１２Ｎｉ８２Ｎｂ６）、Ｃｏ８８Ｎｂ６Ｚｒ６アモルファス合金、(Ｃｏ９４Ｆｅ６)７０Ｓｉ１５Ｂ１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ７５．６Ｓｉ１３．２Ｂ８．５Ｎｂ１．９Ｃｕ０．８）、ナノマックス（Ｆｅ８３ＨＦ６Ｃ１１）、Ｆｅ８５Ｚｒ１０Ｂ５合金、Ｆｅ９３Ｓｉ３Ｎ４合金、Ｆｅ７１Ｂ１１Ｎ１８合金、Ｆｅ７１．３Ｎｄ９．６Ｏ１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ７０Ａｌ１０Ｏ２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ６５Ｆｅ５Ａｌ１０Ｏ２０合金等が好適な一例として挙げられる。
【００２４】
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ＭＲ比の絶対値は、外部磁界Ｈが数百（Ｏｅ）以下で、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。
【００２５】
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、ノイズが増加し、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、１０３Ωｃｍ以上１０１２Ωｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０４Ωｃｍ以上１０１１Ωｃｍ以下である。
【００２６】
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ＭＲ比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。
【００２７】
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−Ｙ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｆｅ−ＭｇＦ２、ＦｅＣｏ−（ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２）、Ｆｅ−ＣａＦ２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。
【００２８】
次に、薄膜磁気センサ２０の形状及び材質、並びにＧＭＲ膜２６の形状について説明する。薄膜磁気センサ２０の磁界感度を向上させるためには、薄膜ヨーク２４、２４の形状及び材質は、ある一定の条件を満たしていることが望ましい。同様に、ＧＭＲ膜２６の形状は、薄膜ヨーク２４、２４との関係において、ある一定の条件を満たしていることが望ましい。具体的には、以下のような条件を満たしていることが好ましい。
【００２９】
（１） 第１に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔｆ）に対するギャップ２４ａのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔｆ）は、２０以下が望ましい。ＧＬ／ｔｆ比が２０を越える場合、すなわち、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔｆ）に比べて、ギャップ長（ＧＬ）が相対的に長い場合には、薄膜ヨーク２４、２４から空間に向かって磁束が分散し、ＧＭＲ膜２６に作用する磁界が弱くなるので好ましくない。
【００３０】
ＧＬ／ｔｆ比は、ギャップ２４ａ間に形成されるＧＭＲ膜２６の物理的性質が変化しない限り、及びＧＭＲ膜２６の形成に支障がない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、ＧＬ／ｔｆ比は、好ましくは、５以下であり、さらに好ましくは、２以下である。
【００３１】
（２） 第２に、薄膜ヨーク２４、２４の後端側の断面積（Ｓｒ）に対する薄膜ヨークの２４、２４先端側の断面積（Ｓｆ）の比（Ｓｆ／Ｓｒ）は、１未満が好ましい。Ｓｆ／Ｓｒ比を１未満とすると、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が増大し、ＧＭＲ膜２６に作用する磁界を強くすることができる。
【００３２】
Ｓｆ／Ｓｒ比は、ＧＭＲ膜２６と薄膜ヨーク２４、２４との間の電気的接続が不安定にならない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、Ｓｆ／Ｓｒ比は、好ましくは、０．５以下であり、さらに好ましくは、０．１以下である。
【００３３】
（３） 第３に、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、薄膜ヨーク２４、２４の横幅の平均値（Ｗｍ）及び薄膜ヨーク２４、２４の膜厚の平均値（ｔｍ）の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）は、０．０１以下が好ましい。但し、Ｗｍ＝（Ｗｆ＋Ｗｒ）／２、ｔｍ＝（ｔｆ＋ｔｒ）／２である。また、Ｗｆ及びＷｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅であり、ｔｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚である。
【００３４】
磁界中に棒状の磁性体を置くと、磁性体の両端に磁極が生じ、外部磁界とは逆方向の磁界（すなわち、「反磁界」）が生じる。反磁界の強さは、磁性体の形状に依存し、この形状に依存する因子を反磁界係数という。また、反磁界係数は、１／ｋ２（但し、ｋは、磁性体の寸法比（＝長さ／直径））に比例することが知られている。すなわち、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、反磁界係数に相関のある数値であり、この値が大きくなるほど反磁界は大きくなる。
【００３５】
本発明において、高い磁界感度を得るためには、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、０．０１以下が好ましい。Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比が０．０１を越えると、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向の反磁界が相対的に大きくなり、薄膜ヨーク２４、２４の後端から流入・流出する磁界が減少するので好ましくない。Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、薄膜磁気センサ２０の形状が許す限りにおいて、小さい方が好ましい。ギャップ長方向の反磁界を小さくし、高い磁界感度を得るためには、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、好ましくは、０．００３以下であり、さらに好ましくは、０．００２以下である。但し、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比が小さくなりすぎると、すなわち、Ｌが相対的に長くなりすぎると、薄膜ヨーク２４、２４の磁気抵抗が大きくなりすぎ、ギャップ中を通る磁界が弱くなる。従って、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、１×１０−６以上に留めるのがよい。
【００３６】
（４） 第４に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端に、一定の横幅を有する平行部２４ｂ、２４ｂを備え、かつ、ギャップ２４ａのギャップ長（ＧＬ）に対する平行部２４ｂのギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）は、２０以下であることが望ましい。
【００３７】
薄膜ヨーク２４、２４の先端に平行部２４ｂ、２４ｂを設けると、薄膜ヨーク２４、２４の先端部分から空間への磁束の分散が抑制され、磁界感度を向上させることができる。磁束の分散を効果的に抑制するためには、ＦＬ／ＧＬ比は、好ましくは、１以上であり、さらに好ましくは、３以上である。
【００３８】
但し、ＦＬ／ＧＬ比が大きくなりすぎると、平行部２４ｂ、２４ｂから空間に漏れる磁束が増大し、磁界感度が低下する。高い磁界感度を得るためには、ＦＬ／ＧＬ比は、好ましくは、２０以下であり、さらに好ましくは、１５以下である。
【００３９】
（５） 第５に、薄膜ヨーク２４、２４は、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁２４ｃを備え、かつ、ギャップ長方向に対する外壁２４ｃの角度（θ）（以下、これを「外壁角度（θ）」という。）は、４０°以上９０°以下が望ましい。
【００４０】
薄膜ヨーク２４、２４にテーパ状の外壁２４ｃを設けると、後端から流入した磁束が先端側に向かうに従って絞られるために、先端側に行くほど磁束密度が高くなる。そのため、ＧＭＲ膜２６により強い磁界を作用させることができる。但し、外壁角度（θ）が４０°未満であると、磁界を高める作用が小さくなる。また、薄膜ヨーク２４、２４の先端に平行部２４ｂを有する場合において、ＦＬ／ＧＬ比が最適化されているときには、外壁角度（θ）が９０°に近づくほど、外壁２４ｃから空間への磁束の分散が抑制され、高い磁界感度が得られる。
【００４１】
（６） 第６に、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の横幅（Ｗｆ）に対するＧＭＲ膜２６の横幅（Ｗｇ）の比（Ｗｇ／Ｗｆ）は、１以下が好ましい。薄膜ヨーク２４、２４の先端側の横幅に比べてＧＭＲ膜２６の横幅の方が広くなると、薄膜ヨーク２４、２４から漏れる磁束が横幅方向に分散するので好ましくない。Ｗｇ／Ｗｆ比は、ＧＭＲ膜２６の物理的性質が変化しない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、Ｗｇ／Ｗｆ比は、好ましくは、０．９以下であり、さらに好ましくは、０．８以下である。
【００４２】
（７） 第７に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなることが好ましい。
【００４３】
薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合、薄膜ヨーク２４、２４として飽和磁化Ｍｓの大きな材料を用いるほど、薄膜ヨーク２４、２４内に強い磁化が発生するので、ＧＭＲ膜２６に強い磁界を作用させることができる。薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合、薄膜ヨーク２４、２４の飽和磁化Ｍｓは、具体的には、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。
【００４４】
しかしながら、薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合において、その飽和磁化Ｍｓが１５（ｋＧａｕｓｓ）を越えると、磁界感度を高める効果に限界がある。
【００４５】
これに対し、薄膜ヨーク２４、２４の先端部分のみを、それ以外の部分より飽和磁化Ｍｓの大きい軟磁性材料で構成すると、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向に発生する反磁界を増大させることなく、薄膜ヨーク２４、２４の先端側部分の磁束を増大でき、かつ、飽和しにくくなるので、磁気抵抗も小さくできる。そのため、結果的に、磁界感度を向上させることができる。この方法は、後端側の断面積（Ｓｒ）よりも先端側の断面積（Ｓｆ）を小さくする場合に、特に有効な方法である。
【００４６】
この場合、薄膜ヨーク２４、２４の後端側を構成する軟磁性材料の飽和磁化（Ｍｓｒ）に対する先端側を構成する軟磁性材料の飽和磁化（Ｍｓｆ）の比（Ｍｓｆ／Ｍｓｒ）は、大きい程良い。
【００４７】
また、薄膜ヨーク２４、２４の先端側を構成する高飽和磁化材料からなる部分（図１中のハッチング領域）のギャップ長方向の長さ（Ｌｆ）は、ＦＬと同程度で良い。
【００４８】
なお、図１には、薄膜ヨーク２４、２４の先端に形成された平行部２４ｂの一部が高飽和磁化材料で構成されている図が示されているが、これは単なる例示であり、平行部２４ｂ全体が高飽和磁化材料で構成されていても良い。あるいは、平行部２４ｂを越える領域が高飽和磁化材料で構成されていても良い。さらに、平行部２４ｂを備えていない薄膜ヨーク２４、２４の先端部分が高飽和磁化材料で構成されていても良い。
【００４９】
また、この第７条件は、上述した第１〜第６条件のすべてと組み合わせて用いても良い。
【００５０】
さらに、上述した第１条件から第６条件まで、あるいは、第１条件から第７条件までに加えて、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚ｔｆに対するＧＭＲ膜２６の膜厚（ｔｇ）の比（ｔｇ／ｔｆ）が１以下という条件をさらに組み合わせても良い。ｔｇ／ｔｆ比を１以下とすると、薄膜ヨーク２４、２４からの漏れ磁束の最も強い磁界のみがＧＭＲ膜へ作用させることができ、結果的に高感度となる。高い磁界感度を得るためには、ｔｇ／ｔｆ比は、好ましくは、０．９以下であり、さらに好ましくは、０．８以下である。
【００５１】
本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０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を形成する。次いで、ギャップ２４ａ近傍を除いてマスクし、ＧＭＲ膜２６を堆積させ、さらに電極及び保護膜を形成すると、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０が得られる。
【００５２】
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を形成する。次いで、ＧＭＲ膜２６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を形成し、さらに電極及び保護膜を形成すると、本実施の形態に係る薄膜センサ２０が得られる。また、薄膜ヨーク２４、２４の先端に高飽和磁化材料を配置する場合には、軟磁性材料からなる薄膜の積層及びエッチングを所定回数繰り返せばよい。
【００５３】
本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨーク２４、２４が電気的に接続されているので、高い磁界感度を示す。しかも、薄膜ヨーク２４、２４及び／又はＧＭＲ膜２６の形状が最適化されているので、従来の薄膜磁気センサに比べて高い磁界感度を示す。
【００５４】
【実施例】
（実験１）
無アルカリガラスからなる絶縁基板表面に、パーマロイ（８１％Ｎｉ−Ｆｅ、透磁率μ＝４０００、飽和磁化Ｍｓ＝１０（ｋＧａｕｓｓ））からなる軟磁性薄膜、及びＦｅＣｏ−ＭｇＦ２からなるＧＭＲ膜を所定の順序で積層させることにより、図１に示す形状を有する薄膜磁気センサを作製した。
【００５５】
なお、本実験においては、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔｆ）及び後端側の膜厚（ｔｒ）は、いずれも０．５μｍとした。また、薄膜ヨーク２４、２４の後端部の横幅Ｗｒに対するギャップ長方向の長さ（Ｌ）の比（Ｌ／Ｗｒ）は、１とした。また、Ｓｆ／Ｓｒ比は、０．１とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比は、０．００５５とし、ＦＬ／ＧＬ比は、１０とし、外壁角度θは、７０°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比は、０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比は、０．５とした。さらに、本実験においては、ＧＬ／ｔｆ比は、０．１から１００まで変化させた。
【００５６】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率△Ｒ／Ｒ０（％）（但し、△Ｒ＝Ｒ（１Ｏｅ）−Ｒ（０Ｏｅ）、Ｒ０＝Ｒ（０Ｏｅ））を測定した。図２に、その結果を示す。図２より、ＧＬ／ｔｆ比が小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、ＧＬ／ｔｆ比が小さくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４先端から空間への磁束の分散が抑制され、外部磁界により薄膜ヨーク内に発生した磁束がギャップ中のＧＭＲ膜に集中的に作用し、その電気抵抗が変化するためである。
【００５７】
本実験の場合、ＧＬ／ｔｆ比を２０以下とすると、電気抵抗変化率は、０．１（％）を越えた。また、ＧＬ／ｔｆ比を８以下とすると、電気抵抗変化率は、０．４％を越えた。さらに、ＧＬ／ｔｆ比を３以下とすると、電気抵抗変化率は、１％を越えた。
【００５８】
（実験２）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を１とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、外壁角度θを７５°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、Ｓｆ／Ｓｒ（＝（Ｗｆ×ｔｆ）／（Ｗｒ×ｔｒ））比を０．０１から５まで変化させた以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００５９】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図３に、その結果を示す。図３より、Ｓｆ／Ｓｒ比が小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、Ｓｆ／Ｓｒ比が小さくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が高くなるためである。
【００６０】
本実験の場合、Ｓｆ／Ｓｒ比を１０以下とすると、電気抵抗変化率は、０．３（％）を越えた。また、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．３以下とすると、電気抵抗変化率は、０．４（％）を越えた。さらに、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．０７以下とすると、電気抵抗変化率は、０．７（％）を越えた。
【００６１】
（実験３）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を１とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．１とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、外壁角度θを７５°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を５×１０−６から２×１０−１まで変化させた以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６２】
得られた薄膜磁気２０センサに対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図４に、その結果を示す。図４より、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が約７×１０−４以上の領域では、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が小さくなるほど、ギャップ長方向の反磁界が小さくなるためである。一方、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が７×１０−４以下の領域では、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が小さくなるほど、電気抵抗変化率は若干低下した。これは、薄膜ヨーク２４、２４の長さ（Ｌ）が相対的に長くなりすぎると、薄膜ヨーク２４、２４から空間に分散する磁束が若干増大し、ギャップ磁界が相対的に低下するためである。
【００６３】
本実験の場合、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０１以下とすると、電気抵抗変化率は、０．２（％）を越えた。また、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．００２以下とすると、電気抵抗変化率は、０．３（％）を越えた。
【００６４】
（実験４）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２．０とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００３とし、外壁角度θを７９°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、ＦＬ／ＧＬ比を０、１０又は４０とした以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６５】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図５に、その結果を示す。図５より、ＦＬ／ＧＬ比が１０前後において、電気抵抗変化率が極大を示すことが分かる。これは、ＦＬ／ＧＬ比が大きくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４の先端から漏れる磁束が少なくなるが、ＦＬ／ＧＬ比が相対的に大きくなりすぎると、平行部２４ｂ、２４ｂから空間に分散する磁束が増大するためである。
【００６６】
（実験５）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２．０とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００３とし、ＦＬ／ＧＬ比を２０とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、外壁角度θを１２°、５０°又は８７°とした以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６７】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図６に、その結果を示す。図６より、外壁角度θが４０°を越えると、電気抵抗変化率が急激に増加することが分かる。これは、薄膜ヨーク２４、２４の先端に所定のＦＬ／ＧＬを有する平行部２４ｂ、２４ｂを備えている場合において、外壁角度θが４０°を越えると、薄膜ヨーク２４、２４先端から空間への磁束の分散が抑制されると同時に、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が増大するためである。
【００６８】
（実験６）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ、０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、ｔｇ／ｔｒ比を０．６とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．２〜１．６まで変化させた以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６９】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図７に、その結果を示す。図７より、Ｗｇ／Ｗｆ比が１より大きくなると、急激に電気抵抗変化率が低下することがわかる。これは、ギャップの外にはみ出たＧＭＲ膜には、ギャップ中より弱い磁界しか印加されないためである。
【００７０】
（実験７）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ、０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、ｔｇ／ｔｒ比を０．７とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、薄膜ヨークのＦＬ部分を、パーマロイ（飽和磁化Ｍｓ＝１０（ｋＧａｕｓｓ））より飽和磁化の大きなＣｏＦｅＳｉＢ系アモルファススパッタ膜により形成した以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００７１】
なお、このＣｏＦｅＳｉＢ系アモルファススパッタ膜の組成を変え、飽和磁化Ｍｓが、それぞれ、１２（ｋＧａｕｓｓ）（試料Ｎｏ．２）及び１５（ｋＧａｕｓｓ）（試料Ｎｏ．３）の２種類を作製した。また、比較のため、ＦＬ部分が薄膜ヨーク本体と同一組成のパーマロイからなるもの（試料Ｎｏ．１）も作製した。
【００７２】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。表１に、その結果を示す。表１より、ＦＬ部の飽和磁化が大きくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、ＦＬ部の飽和磁化を大きくすることによって、薄膜ヨーク先端部分の磁束を増大でき、かつ磁気抵抗も小さくなるためである。
【００７３】
【表１】
【００７４】
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。
【００７５】
例えば、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークとを備えた本発明に係る素子は、磁気センサとして特に好適であるが、本発明に係る素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。
【００７６】
また、上記実施の形態では、薄膜ヨーク２４、２４の後端側を相対的に飽和磁化の小さい軟磁性材料で構成し、先端側を相対的に飽和磁化の大きい材料で構成した例について説明したが、薄膜ヨーク２４、２４を３種類以上の軟磁性材料からなる連続体で構成し、薄膜ヨーク２４、２４の後端側から先端側に向かって、飽和磁化Ｍｓを多段階に増大させても良い。
【００７７】
【発明の効果】
本発明に係る薄膜磁気センサは、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークが配置されていることに加えて、薄膜ヨークの形状及び材質、並びにＧＭＲ膜の形状が最適化されているので、従来の薄膜磁気センサに比べて、高い磁界感度を示すという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及び正面図である。
【図２】 ＧＬ／ｔｆ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図３】 Ｗｆ×ｔｆ／Ｗｒ×ｔｒ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図４】 （Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図５】 ＦＬ／ＧＬ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図６】 外壁角度θと、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図７】 Ｗｇ／Ｗｆ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【符号の説明】
２０ 薄膜磁気センサ
２４ 薄膜ヨーク
２４ａ ギャップ
２６ ＧＭＲ膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、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、地磁気方位検出センサなどに好適な薄膜磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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： Anisotropic Magneto-Resistivity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Gaiant MR）センサ等に分類される。
【０００３】
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／ρ０（△ρ＝ρＨ−ρ０：ρＨは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、（２）ホールセンサに比べて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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、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。
【０００６】
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、磁気センサの超小型化と、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、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
【０００７】
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Ｃｏ３８．６Ｙ４１．０Ｏ４７．４組成を有するナノグラニュラー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。
【０００８】
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。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−０８７８０４号公報の請求項１及び段落番号「００１９」
【特許文献２】
特開平１１−２７４５９９号公報の請求項１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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、大きな電気比抵抗を有し、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−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜が知られている。
【００１１】
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。
【００１２】
しかしながら、ＧＭＲ膜の膜厚を薄膜ヨークの膜厚より薄くするだけでは、磁束の分散の抑制が不十分となる場合があり、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることが望まれている。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、高い電気比抵抗を有するＧＭＲ膜の両側に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを電気的に接続配置した薄膜磁気センサ（以下、単に「薄膜磁気センサ」という。）において、ＧＭＲ膜の磁界感度をさらに向上させることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、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た磁気センサであって、次の条件を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端側の膜厚（ｔ ｆ ）に対する前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔ ｆ ）が２０以下である。
（２）前記薄膜ヨークの後端側の断面積（Ｓ ｒ ）に対する前記薄膜ヨークの先端側の断面積（Ｓ ｆ ）の比（Ｓ ｆ ／Ｓ ｒ ）が１未満である。
（３）前記薄膜ヨークのギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、前記薄膜ヨークの横幅の平均値（Ｗｍ）及び前記薄膜ヨークの膜厚の平均値（ｔｍ）の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）が０．０１以下である（但し、Ｗｍ＝（Ｗｆ＋Ｗｒ）／２、ｔｍ＝（ｔｆ＋ｔｒ）／２。Ｗｆ及びＷｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅、ｔｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚。）。
（４）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端に一定の横幅を有する平行部を備え、前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）に対する前記平行部のギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）が２０以下である。
（５）前記薄膜ヨークは、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁を備え、前記ギャップ長方向に対する前記外壁の角度（θ）が４０°以上９０°以下である。
（６）前記薄膜ヨークの先端側の横幅（Ｗ ｆ ）に対する前記ＧＭＲ膜の横幅（Ｗ ｇ ）の比（Ｗ ｇ ／Ｗ ｆ ）が１以下である。
また、上記磁気センサは、さらに次の条件を備えていると良い。
（７）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる。
【００１５】
上記磁気センサにおいて、薄膜ヨークの先端側の膜厚に対するギャップ長の比（ＧＬ／ｔ ｆ ）を２０以下とすると、薄膜ヨーク先端から空間への磁束の分散が抑制される。また、薄膜ヨークの後端側断面積に対する先端側断面積の比（Ｓ ｆ ／Ｓ ｒ ）を１未満とすると、薄膜ヨーク先端の磁束密度を増大させることができる。また、薄膜ヨークのギャップ長方向の長さの２乗に対する、薄膜ヨークの横幅の平均値及び薄膜ヨークの膜厚の平均値の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）は、反磁界係数と相関があり、この値を０．０１以下にすると、薄膜ヨークのギャップ長方向の反磁界を小さくすることができる。但し、あまりにこの値が小さすぎると、つまり、Ｌが長すぎると、薄膜ヨークの磁気抵抗が大きくなりすぎ、ギャップ中を通る磁界が弱くなりすぎるので、この値は、好ましくは、１×１０−６以上に留めるのがよい。また、薄膜ヨークの先端に平行部を設け、ギャップ長に対する平行部のギャップ長方向の長さの比（ＦＬ／ＧＬ）を２０以下とすると、薄膜ヨークの先端から空間への磁束の分散が抑制される。また、薄膜ヨークにテーパ状の外壁を設け、外壁の角度（θ）を４０°以上９０°以下とすると、薄膜ヨーク先端の磁束密度増大させることができる。また、薄膜ヨークの先端側の横幅に対するＧＭＲ膜の横幅の比（Ｗ ｇ ／Ｗ ｆ ）を１以下とすると、薄膜ヨーク間の強い磁界のみがＧＭＲ膜に作用するため、磁界感度が向上する。
【００１６】
さらに、上記磁気センサにおいて、薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる場合には、ギャップ長方向の反磁界を増大させることなく、ギャップ部に発生する磁界を増大させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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、本発明の一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。
【００１８】
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。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、これらを大気環境から遮断し、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。
【００１９】
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坦化したアルミナ、熱酸化膜付Ｓｉ、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等が好適な一例として挙げられる。
【００２０】
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。
【００２１】
薄膜磁気センサは、温度による基準電位の変動を防ぐため、通常、２個の素子を直列に接続し、中点電位を計測することによって外部磁界の検出を行うようになっている。また、薄膜磁気センサは、２つの素子の感磁軸が互いに直交するように配列させた直交形と、２個の素子の感磁軸が互いに平行になるように配列させた平行形に分類される。さらに、出力を倍にするために、４個の素子を用いてブリッジ回路を構成する場合もある。この場合、絶縁基板上に１個の素子のみを形成し、これを複数個組み合わせて用いても良く、あるいは、同一の絶縁基板上に複数個の素子を形成し、これらを接続して用いても良い。
【００２２】
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。
【００２３】
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（Ｆｅ７４Ｓｉ９Ａｌ１７）、ハードパーム（Ｆｅ１２Ｎｉ８２Ｎｂ６）、Ｃｏ８８Ｎｂ６Ｚｒ６アモルファス合金、(Ｃｏ９４Ｆｅ６)７０Ｓｉ１５Ｂ１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ７５．６Ｓｉ１３．２Ｂ８．５Ｎｂ１．９Ｃｕ０．８）、ナノマックス（Ｆｅ８３ＨＦ６Ｃ１１）、Ｆｅ８５Ｚｒ１０Ｂ５合金、Ｆｅ９３Ｓｉ３Ｎ４合金、Ｆｅ７１Ｂ１１Ｎ１８合金、Ｆｅ７１．３Ｎｄ９．６Ｏ１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ７０Ａｌ１０Ｏ２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ６５Ｆｅ５Ａｌ１０Ｏ２０合金等が好適な一例として挙げられる。
【００２４】
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ＭＲ比の絶対値は、外部磁界Ｈが数百（Ｏｅ）以下で、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。
【００２５】
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、ノイズが増加し、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、１０３Ωｃｍ以上１０１２Ωｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０４Ωｃｍ以上１０１１Ωｃｍ以下である。
【００２６】
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ＭＲ比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。
【００２７】
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−Ｙ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ２Ｏ３系ナノグラニュラー合金、Ｆｅ−ＭｇＦ２、ＦｅＣｏ−（ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２）、Ｆｅ−ＣａＦ２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。
【００２８】
次に、薄膜磁気センサ２０の形状及び材質、並びにＧＭＲ膜２６の形状について説明する。薄膜磁気センサ２０の磁界感度を向上させるためには、薄膜ヨーク２４、２４の形状及び材質は、ある一定の条件を満たしていることが望ましい。同様に、ＧＭＲ膜２６の形状は、薄膜ヨーク２４、２４との関係において、ある一定の条件を満たしていることが望ましい。具体的には、以下のような条件を満たしていることが好ましい。
【００２９】
（１） 第１に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔｆ）に対するギャップ２４ａのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔｆ）は、２０以下が望ましい。ＧＬ／ｔｆ比が２０を越える場合、すなわち、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔｆ）に比べて、ギャップ長（ＧＬ）が相対的に長い場合には、薄膜ヨーク２４、２４から空間に向かって磁束が分散し、ＧＭＲ膜２６に作用する磁界が弱くなるので好ましくない。
【００３０】
ＧＬ／ｔｆ比は、ギャップ２４ａ間に形成されるＧＭＲ膜２６の物理的性質が変化しない限り、及びＧＭＲ膜２６の形成に支障がない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、ＧＬ／ｔｆ比は、好ましくは、５以下であり、さらに好ましくは、２以下である。
【００３１】
（２） 第２に、薄膜ヨーク２４、２４の後端側の断面積（Ｓｒ）に対する薄膜ヨークの２４、２４先端側の断面積（Ｓｆ）の比（Ｓｆ／Ｓｒ）は、１未満が好ましい。Ｓｆ／Ｓｒ比を１未満とすると、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が増大し、ＧＭＲ膜２６に作用する磁界を強くすることができる。
【００３２】
Ｓｆ／Ｓｒ比は、ＧＭＲ膜２６と薄膜ヨーク２４、２４との間の電気的接続が不安定にならない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、Ｓｆ／Ｓｒ比は、好ましくは、０．５以下であり、さらに好ましくは、０．１以下である。
【００３３】
（３） 第３に、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、薄膜ヨーク２４、２４の横幅の平均値（Ｗｍ）及び薄膜ヨーク２４、２４の膜厚の平均値（ｔｍ）の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）は、０．０１以下が好ましい。但し、Ｗｍ＝（Ｗｆ＋Ｗｒ）／２、ｔｍ＝（ｔｆ＋ｔｒ）／２である。また、Ｗｆ及びＷｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅であり、ｔｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚である。
【００３４】
磁界中に棒状の磁性体を置くと、磁性体の両端に磁極が生じ、外部磁界とは逆方向の磁界（すなわち、「反磁界」）が生じる。反磁界の強さは、磁性体の形状に依存し、この形状に依存する因子を反磁界係数という。また、反磁界係数は、１／ｋ２（但し、ｋは、磁性体の寸法比（＝長さ／直径））に比例することが知られている。すなわち、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、反磁界係数に相関のある数値であり、この値が大きくなるほど反磁界は大きくなる。
【００３５】
本発明において、高い磁界感度を得るためには、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、０．０１以下が好ましい。Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比が０．０１を越えると、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向の反磁界が相対的に大きくなり、薄膜ヨーク２４、２４の後端から流入・流出する磁界が減少するので好ましくない。Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、薄膜磁気センサ２０の形状が許す限りにおいて、小さい方が好ましい。ギャップ長方向の反磁界を小さくし、高い磁界感度を得るためには、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、好ましくは、０．００３以下であり、さらに好ましくは、０．００２以下である。但し、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比が小さくなりすぎると、すなわち、Ｌが相対的に長くなりすぎると、薄膜ヨーク２４、２４の磁気抵抗が大きくなりすぎ、ギャップ中を通る磁界が弱くなる。従って、Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２比は、１×１０−６以上に留めるのがよい。
【００３６】
（４） 第４に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端に、一定の横幅を有する平行部２４ｂ、２４ｂを備え、かつ、ギャップ２４ａのギャップ長（ＧＬ）に対する平行部２４ｂのギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）は、２０以下であることが望ましい。
【００３７】
薄膜ヨーク２４、２４の先端に平行部２４ｂ、２４ｂを設けると、薄膜ヨーク２４、２４の先端部分から空間への磁束の分散が抑制され、磁界感度を向上させることができる。磁束の分散を効果的に抑制するためには、ＦＬ／ＧＬ比は、好ましくは、１以上であり、さらに好ましくは、３以上である。
【００３８】
但し、ＦＬ／ＧＬ比が大きくなりすぎると、平行部２４ｂ、２４ｂから空間に漏れる磁束が増大し、磁界感度が低下する。高い磁界感度を得るためには、ＦＬ／ＧＬ比は、好ましくは、２０以下であり、さらに好ましくは、１５以下である。
【００３９】
（５） 第５に、薄膜ヨーク２４、２４は、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁２４ｃを備え、かつ、ギャップ長方向に対する外壁２４ｃの角度（θ）（以下、これを「外壁角度（θ）」という。）は、４０°以上９０°以下が望ましい。
【００４０】
薄膜ヨーク２４、２４にテーパ状の外壁２４ｃを設けると、後端から流入した磁束が先端側に向かうに従って絞られるために、先端側に行くほど磁束密度が高くなる。そのため、ＧＭＲ膜２６により強い磁界を作用させることができる。但し、外壁角度（θ）が４０°未満であると、磁界を高める作用が小さくなる。また、薄膜ヨーク２４、２４の先端に平行部２４ｂを有する場合において、ＦＬ／ＧＬ比が最適化されているときには、外壁角度（θ）が９０°に近づくほど、外壁２４ｃから空間への磁束の分散が抑制され、高い磁界感度が得られる。
【００４１】
（６） 第６に、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の横幅（Ｗｆ）に対するＧＭＲ膜２６の横幅（Ｗｇ）の比（Ｗｇ／Ｗｆ）は、１以下が好ましい。薄膜ヨーク２４、２４の先端側の横幅に比べてＧＭＲ膜２６の横幅の方が広くなると、薄膜ヨーク２４、２４から漏れる磁束が横幅方向に分散するので好ましくない。Ｗｇ／Ｗｆ比は、ＧＭＲ膜２６の物理的性質が変化しない限りにおいて、小さい程良い。高い磁界感度を得るためには、Ｗｇ／Ｗｆ比は、好ましくは、０．９以下であり、さらに好ましくは、０．８以下である。
【００４２】
（７） 第７に、ＧＭＲ膜２６と接する薄膜ヨーク２４、２４の先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなることが好ましい。
【００４３】
薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合、薄膜ヨーク２４、２４として飽和磁化Ｍｓの大きな材料を用いるほど、薄膜ヨーク２４、２４内に強い磁化が発生するので、ＧＭＲ膜２６に強い磁界を作用させることができる。薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合、薄膜ヨーク２４、２４の飽和磁化Ｍｓは、具体的には、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。
【００４４】
しかしながら、薄膜ヨーク２４、２４全体が単一の軟磁性材料からなる場合において、その飽和磁化Ｍｓが１５（ｋＧａｕｓｓ）を越えると、磁界感度を高める効果に限界がある。
【００４５】
これに対し、薄膜ヨーク２４、２４の先端部分のみを、それ以外の部分より飽和磁化Ｍｓの大きい軟磁性材料で構成すると、薄膜ヨーク２４、２４のギャップ長方向に発生する反磁界を増大させることなく、薄膜ヨーク２４、２４の先端側部分の磁束を増大でき、かつ、飽和しにくくなるので、磁気抵抗も小さくできる。そのため、結果的に、磁界感度を向上させることができる。この方法は、後端側の断面積（Ｓｒ）よりも先端側の断面積（Ｓｆ）を小さくする場合に、特に有効な方法である。
【００４６】
この場合、薄膜ヨーク２４、２４の後端側を構成する軟磁性材料の飽和磁化（Ｍｓｒ）に対する先端側を構成する軟磁性材料の飽和磁化（Ｍｓｆ）の比（Ｍｓｆ／Ｍｓｒ）は、大きい程良い。
【００４７】
また、薄膜ヨーク２４、２４の先端側を構成する高飽和磁化材料からなる部分（図１中のハッチング領域）のギャップ長方向の長さ（Ｌｆ）は、ＦＬと同程度で良い。
【００４８】
なお、図１には、薄膜ヨーク２４、２４の先端に形成された平行部２４ｂの一部が高飽和磁化材料で構成されている図が示されているが、これは単なる例示であり、平行部２４ｂ全体が高飽和磁化材料で構成されていても良い。あるいは、平行部２４ｂを越える領域が高飽和磁化材料で構成されていても良い。さらに、平行部２４ｂを備えていない薄膜ヨーク２４、２４の先端部分が高飽和磁化材料で構成されていても良い。
【００４９】
また、この第７条件は、上述した第１〜第６条件のすべてと組み合わせて用いても良い。
【００５０】
さらに、上述した第１条件から第６条件まで、あるいは、第１条件から第７条件までに加えて、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚ｔｆに対するＧＭＲ膜２６の膜厚（ｔｇ）の比（ｔｇ／ｔｆ）が１以下という条件をさらに組み合わせても良い。ｔｇ／ｔｆ比を１以下とすると、薄膜ヨーク２４、２４からの漏れ磁束の最も強い磁界のみがＧＭＲ膜へ作用させることができ、結果的に高感度となる。高い磁界感度を得るためには、ｔｇ／ｔｆ比は、好ましくは、０．９以下であり、さらに好ましくは、０．８以下である。
【００５１】
本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０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を形成する。次いで、ギャップ２４ａ近傍を除いてマスクし、ＧＭＲ膜２６を堆積させ、さらに電極及び保護膜を形成すると、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０が得られる。
【００５２】
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を形成する。次いで、ＧＭＲ膜２６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を形成し、さらに電極及び保護膜を形成すると、本実施の形態に係る薄膜センサ２０が得られる。また、薄膜ヨーク２４、２４の先端に高飽和磁化材料を配置する場合には、軟磁性材料からなる薄膜の積層及びエッチングを所定回数繰り返せばよい。
【００５３】
本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨーク２４、２４が電気的に接続されているので、高い磁界感度を示す。しかも、薄膜ヨーク２４、２４及び／又はＧＭＲ膜２６の形状が最適化されているので、従来の薄膜磁気センサに比べて高い磁界感度を示す。
【００５４】
【実施例】
（実験１）
無アルカリガラスからなる絶縁基板表面に、パーマロイ（８１％Ｎｉ−Ｆｅ、透磁率μ＝４０００、飽和磁化Ｍｓ＝１０（ｋＧａｕｓｓ））からなる軟磁性薄膜、及びＦｅＣｏ−ＭｇＦ２からなるＧＭＲ膜を所定の順序で積層させることにより、図１に示す形状を有する薄膜磁気センサを作製した。
【００５５】
なお、本実験においては、薄膜ヨーク２４、２４の先端側の膜厚（ｔｆ）及び後端側の膜厚（ｔｒ）は、いずれも０．５μｍとした。また、薄膜ヨーク２４、２４の後端部の横幅Ｗｒに対するギャップ長方向の長さ（Ｌ）の比（Ｌ／Ｗｒ）は、１とした。また、Ｓｆ／Ｓｒ比は、０．１とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比は、０．００５５とし、ＦＬ／ＧＬ比は、１０とし、外壁角度θは、７０°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比は、０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比は、０．５とした。さらに、本実験においては、ＧＬ／ｔｆ比は、０．１から１００まで変化させた。
【００５６】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率△Ｒ／Ｒ０（％）（但し、△Ｒ＝Ｒ（１Ｏｅ）−Ｒ（０Ｏｅ）、Ｒ０＝Ｒ（０Ｏｅ））を測定した。図２に、その結果を示す。図２より、ＧＬ／ｔｆ比が小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、ＧＬ／ｔｆ比が小さくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４先端から空間への磁束の分散が抑制され、外部磁界により薄膜ヨーク内に発生した磁束がギャップ中のＧＭＲ膜に集中的に作用し、その電気抵抗が変化するためである。
【００５７】
本実験の場合、ＧＬ／ｔｆ比を２０以下とすると、電気抵抗変化率は、０．１（％）を越えた。また、ＧＬ／ｔｆ比を８以下とすると、電気抵抗変化率は、０．４％を越えた。さらに、ＧＬ／ｔｆ比を３以下とすると、電気抵抗変化率は、１％を越えた。
【００５８】
（実験２）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を１とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、外壁角度θを７５°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、Ｓｆ／Ｓｒ（＝（Ｗｆ×ｔｆ）／（Ｗｒ×ｔｒ））比を０．０１から５まで変化させた以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００５９】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図３に、その結果を示す。図３より、Ｓｆ／Ｓｒ比が小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、Ｓｆ／Ｓｒ比が小さくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が高くなるためである。
【００６０】
本実験の場合、Ｓｆ／Ｓｒ比を１０以下とすると、電気抵抗変化率は、０．３（％）を越えた。また、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．３以下とすると、電気抵抗変化率は、０．４（％）を越えた。さらに、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．０７以下とすると、電気抵抗変化率は、０．７（％）を越えた。
【００６１】
（実験３）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を１とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．１とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、外壁角度θを７５°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を５×１０−６から２×１０−１まで変化させた以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６２】
得られた薄膜磁気２０センサに対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図４に、その結果を示す。図４より、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が約７×１０−４以上の領域では、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比小さくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が小さくなるほど、ギャップ長方向の反磁界が小さくなるためである。一方、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が７×１０−４以下の領域では、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比が小さくなるほど、電気抵抗変化率は若干低下した。これは、薄膜ヨーク２４、２４の長さ（Ｌ）が相対的に長くなりすぎると、薄膜ヨーク２４、２４から空間に分散する磁束が若干増大し、ギャップ磁界が相対的に低下するためである。
【００６３】
本実験の場合、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０１以下とすると、電気抵抗変化率は、０．２（％）を越えた。また、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．００２以下とすると、電気抵抗変化率は、０．３（％）を越えた。
【００６４】
（実験４）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２．０とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００３とし、外壁角度θを７９°とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、ＦＬ／ＧＬ比を０、１０又は４０とした以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６５】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図５に、その結果を示す。図５より、ＦＬ／ＧＬ比が１０前後において、電気抵抗変化率が極大を示すことが分かる。これは、ＦＬ／ＧＬ比が大きくなるほど、薄膜ヨーク２４、２４の先端から漏れる磁束が少なくなるが、ＦＬ／ＧＬ比が相対的に大きくなりすぎると、平行部２４ｂ、２４ｂから空間に分散する磁束が増大するためである。
【００６６】
（実験５）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２．０とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００３とし、ＦＬ／ＧＬ比を２０とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、ｔｇ／ｔｆ比を０．５とし、外壁角度θを１２°、５０°又は８７°とした以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６７】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図６に、その結果を示す。図６より、外壁角度θが４０°を越えると、電気抵抗変化率が急激に増加することが分かる。これは、薄膜ヨーク２４、２４の先端に所定のＦＬ／ＧＬを有する平行部２４ｂ、２４ｂを備えている場合において、外壁角度θが４０°を越えると、薄膜ヨーク２４、２４先端から空間への磁束の分散が抑制されると同時に、薄膜ヨーク２４、２４先端の磁束密度が増大するためである。
【００６８】
（実験６）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ、０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、ｔｇ／ｔｒ比を０．６とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．２〜１．６まで変化させた以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００６９】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。図７に、その結果を示す。図７より、Ｗｇ／Ｗｆ比が１より大きくなると、急激に電気抵抗変化率が低下することがわかる。これは、ギャップの外にはみ出たＧＭＲ膜には、ギャップ中より弱い磁界しか印加されないためである。
【００７０】
（実験７）
ｔｆ及びｔｒを、それぞれ、０．５μｍとし、Ｌ／Ｗｒ比を２とし、ＧＬ／ｔｆ比を５とし、Ｓｆ／Ｓｒ比を０．２とし、ｔｇ／ｔｒ比を０．７とし、（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比を０．０００５とし、ＦＬ／ＧＬ比を１０とし、Ｗｇ／Ｗｆ比を０．９とし、薄膜ヨークのＦＬ部分を、パーマロイ（飽和磁化Ｍｓ＝１０（ｋＧａｕｓｓ））より飽和磁化の大きなＣｏＦｅＳｉＢ系アモルファススパッタ膜により形成した以外は、実験１と同一の手順に従い、薄膜磁気センサ２０を作製した。
【００７１】
なお、このＣｏＦｅＳｉＢ系アモルファススパッタ膜の組成を変え、飽和磁化Ｍｓが、それぞれ、１２（ｋＧａｕｓｓ）（試料Ｎｏ．２）及び１５（ｋＧａｕｓｓ）（試料Ｎｏ．３）の２種類を作製した。また、比較のため、ＦＬ部分が薄膜ヨーク本体と同一組成のパーマロイからなるもの（試料Ｎｏ．１）も作製した。
【００７２】
得られた薄膜磁気センサ２０に対し、ギャップ長方向に２（Ｏｅ）の外部磁界を作用させ、電気抵抗変化率を測定した。表１に、その結果を示す。表１より、ＦＬ部の飽和磁化が大きくなるほど、電気抵抗変化率が大きくなることがわかる。これは、ＦＬ部の飽和磁化を大きくすることによって、薄膜ヨーク先端部分の磁束を増大でき、かつ磁気抵抗も小さくなるためである。
【００７３】
【表１】
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。
【００７５】
例えば、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークとを備えた本発明に係る素子は、磁気センサとして特に好適であるが、本発明に係る素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。
【００７６】
また、上記実施の形態では、薄膜ヨーク２４、２４の後端側を相対的に飽和磁化の小さい軟磁性材料で構成し、先端側を相対的に飽和磁化の大きい材料で構成した例について説明したが、薄膜ヨーク２４、２４を３種類以上の軟磁性材料からなる連続体で構成し、薄膜ヨーク２４、２４の後端側から先端側に向かって、飽和磁化Ｍｓを多段階に増大させても良い。
【００７７】
【発明の効果】
本発明に係る薄膜磁気センサは、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークが配置されていることに加えて、薄膜ヨークの形状及び材質、並びにＧＭＲ膜の形状が最適化されているので、従来の薄膜磁気センサに比べて、高い磁界感度を示すという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及び正面図である。
【図２】 ＧＬ／ｔｆ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図３】 Ｗｆ×ｔｆ／Ｗｒ×ｔｒ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図４】 （Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図５】 ＦＬ／ＧＬ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図６】 外壁角度θと、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【図７】 Ｗｇ／Ｗｆ比と、外部磁界２（Ｏｅ）を作用させたときの電気抵抗変化率との関係を示す図である。
【符号の説明】
２０ 薄膜磁気センサ
２４ 薄膜ヨーク
２４ａ ギャップ
２６ ＧＭＲ膜
Claims (2)
- 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た磁気センサであって、
次の条件を備えていることを特徴とする薄膜磁気センサ。
（１）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端側の膜厚（ｔ ｆ ）に対する前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）の比（ＧＬ／ｔ ｆ ）が２０以下である。
（２）前記薄膜ヨークの後端側の断面積（Ｓ ｒ ）に対する前記薄膜ヨークの先端側の断面積（Ｓ ｆ ）の比（Ｓ ｆ ／Ｓ ｒ ）が１未満である。
（３）前記薄膜ヨークのギャップ長方向の長さ（Ｌ）の２乗に対する、前記薄膜ヨークの横幅の平均値（Ｗｍ）及び前記薄膜ヨークの膜厚の平均値（ｔｍ）の積の比（Ｗｍ×ｔｍ／Ｌ２）が０．０１以下である（但し、Ｗｍ＝（Ｗｆ＋Ｗｒ）／２、ｔｍ＝（ｔｆ＋ｔｒ）／２。Ｗｆ及びＷｒは、それぞれ、前記薄膜ヨークの先端側及び後端側の横幅、ｔｒは、前記薄膜ヨークの後端側の膜厚。）。
（４）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端に一定の横幅を有する平行部を備え、前記ギャップのギャップ長（ＧＬ）に対する前記平行部のギャップ長方向の長さ（ＦＬ）の比（ＦＬ／ＧＬ）が２０以下である。
（５）前記薄膜ヨークは、その後端側から先端側に向かってその横幅が直線的に減少するテーパ状の外壁を備え、前記ギャップ長方向に対する前記外壁の角度（θ）が４０°以上９０°以下である。
（６）前記薄膜ヨークの先端側の横幅（Ｗ ｆ ）に対する前記ＧＭＲ膜の横幅（Ｗ ｇ ）の比（Ｗ ｇ ／Ｗ ｆ ）が１以下である。 - さらに、次の条件を備えていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜磁気センサ。
（７）前記ＧＭＲ膜と接する前記薄膜ヨークの先端部分が、後端側部分より飽和磁化の大きい軟磁性材料からなる。
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