JP4520353B2 - 薄膜磁気センサ - Google Patents

Description

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、地磁気方位コンパスなどに好適な薄膜磁気センサに関する。

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-Resistiity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Gaiant MR）センサ等に分類される。

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_０（△ρ＝ρ_Ｈ−ρ_０：ρ_Ｈは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ_０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。

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（Magneto-Resistivity）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。

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。

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ρ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同時に実現可能である、
（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。

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Ｃｏ_３８．６Ｙ_４１．０Ｏ_４７．４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。

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。

特開平１１−０８７８０４号公報の請求項１及び段落番号「００１９」 特開平１１−２７４５９９号公報の請求項１

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、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなる薄膜ヨークを電気的に接続すると、外部磁界が薄膜ヨークによって増幅され、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。
また、ＧＭＲ膜に発生する磁界の強さは、薄膜ヨークの形状にも依存し、薄膜ヨークの形状を細長くするほど、ＧＭＲ膜には強い磁界が発生する。これは、薄膜ヨークの形状を細長くすることによって、感磁方向の反磁界が小さくなるためである。なお、「感磁方向」とは、ＧＭＲ膜の磁界感度が最大となるときの外部磁界印加方向をいう。

しかしながら、薄膜ヨークを細長い形状にすると、これに応じてＧＭＲ膜の横幅も狭くなり、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒが増大する。特に、ＧＭＲ膜が金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなるときには、ＧＭＲ膜の横幅を狭くすることによって電気抵抗Ｒが著しく増大する。
ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒが適度に高いことは、薄膜磁気センサの超小型化と低消費電力化の点においては有利であるが、電気抵抗Ｒが高くなりすぎると、増幅器との間でインピーダンス不整合を起こす。市販の安価な増幅器を使用するためには、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒは、数ＭΩ以下とするのが好ましい。

この問題を解決するために、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒが所定の値となるように、ＧＭＲ膜の横幅を相対的に広くし、かつ、これに応じて薄膜ヨークの反磁界が所定の値以下となるように、薄膜ヨークを従来より細長くすることも考えられる。しかしながら、このような方法では、素子全体が大型化するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、ＧＭＲ膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、素子を大型化することなく、適度な電気抵抗Ｒと高い磁界感度とを同時に達成することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサは、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が電気的に接続された複数個の単位素子を備え、該複数個の単位素子は、前記薄膜ヨークの後端部において、電極を介して電気的に並列に接続されていることを要旨とする。

相対的に高い磁界感度と、相対的に高い電気抵抗Ｒを有するｎ個の単位素子を電気的に並列に接続すると、相対的に高い磁界感度を維持したまま、その合成抵抗を１／ｎに下げることができる。また、薄膜ヨークの全長を必要以上に細長くする必要がないので、センサ全体を小型化することができる。
同様に、適度な電気抵抗Ｒを有するＧＭＲ膜の両端に薄膜ヨークを電気的に接続し、感磁方向の反磁界係数が小さくなるように薄膜ヨークを磁気的に分割すると、適度な電気抵抗Ｒを維持したまま、磁界感度を高くすることができる。また、薄膜ヨークの全長を必要以上に細長くする必要がないので、センサ全体を小型化することができる。

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）上段に、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及び正面図を示す。
図１（ａ）において、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ１０は、ＧＭＲ膜１２の両端に薄膜ヨーク１４、１４が電気的に接続された複数個の単位素子１６…を備え、複数個の単位素子１６…は、薄膜ヨーク１４、１４の外側端部（ＧＭＲ膜１２が接続されている先端部とは反対側の端部）において、電極１８、１８を介して電気的に並列に接続されている。

各単位素子１６…は、感磁方向がほぼ平行になるように配置されている。ここで、「感磁方向がほぼ平行になるように配置されている」とは、高い磁界感度を得るためには、各単位素子１６…は、その感磁方向が完全に平行になるように配置されているのが好ましいが、実用上十分な磁界感度が得られる限りにおいて、各単位素子１６…は、感磁方向が若干ずれていても良いことを意味する。
各単位素子１６…は、同一形状を有しているのが好ましいが、適度な電気抵抗Ｒと実用上十分な磁界感度が得られる限りにおいて、互いに形状が異なっていても良い。
また、図１（ａ）に示す例においては、合計７個の単位素子１６…が記載されているが、これは単なる例示であり、その個数は、任意に選択することができる。

ＧＭＲ膜１２は、外部磁界の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に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（ＧＭＲ）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１２のＭＲ比の絶対値は、大きいほど良い。ＧＭＲ膜１２のＭＲ比の絶対値は、具体的には、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。

また、ＧＭＲ膜１２は、薄膜ヨーク１４、１４と直接、電気的に接続されるので、ＧＭＲ膜１２には、薄膜ヨーク１４、１４より高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、ＧＭＲ膜１２の電気比抵抗ρが小さすぎると、薄膜ヨーク１４、１４間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、ＧＭＲ膜１２の電気比抵抗ρが高すぎる場合には、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１２の電気比抵抗ρは、具体的には、１０^３μΩｃｍ以上１０^１２μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０^４μΩｃｍ以上１０^１１μΩｃｍ以下である。

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ρ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。

ＧＭＲ膜１２として用いられる金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、
（１）Ｃｏ−Ｙ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ_２Ｏ_３系ナノグラニュラー合金等の酸化物系ナノグラニュラー合金、
（２）Ｆｅ−ＭｇＦ_２、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ_２、Ｆｅ−ＣａＦ_２等のフッ化物系ナノグラニュラー合金、
などがある。

ＧＭＲ膜１２の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、目的とする磁界感度が得られるように定める。一般に、ＧＭＲ膜１２の横幅を狭くするほど、磁界感度は高くなるが、これに伴いＧＭＲ膜１２の電気抵抗Ｒが高くなりすぎ、増幅器との間でインピーダンス不良を起こす場合がある。
しかしながら、本実施の形態においては、単位素子１６…を並列接続することによって薄膜磁気センサ１０全体の電気抵抗Ｒを調整するので、ＧＭＲ膜１２の形状は、磁界感度の観点のみから定めることができる。

薄膜ヨーク１４、１４は、ギャップを介して対向している。ＧＭＲ膜１２は、ギャップ内又はその近傍において、薄膜ヨーク１４、１４と電気的に接続される。
ここで、「ギャップ近傍」とは、薄膜ヨーク１４、１４先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域をいう。薄膜ヨーク１４、１４間に発生する磁界は、ギャップ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜１２は、ギャップ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜１２に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップ外（例えば、薄膜ヨーク１４、１４の上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。

薄膜ヨーク１４、１４は、ＧＭＲ膜１２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１４、１４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、その飽和磁化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。

薄膜ヨーク１４、１４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（Ｆｅ_７４Ｓｉ_９Ａｌ_１７）、ハードパーム（Ｆｅ_１２Ｎｉ_８２Ｎｂ_６）、Ｃｏ_８８Ｎｂ_６Ｚｒ_６アモルファス合金、(Ｃｏ_９４Ｆｅ_６)_７０Ｓｉ_１５Ｂ_１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ_７５．６Ｓｉ_１３．２Ｂ_８．５Ｎｂ_１．９Ｃｕ_０．８）、ナノマックス（Ｆｅ_８３ＨＦ_６Ｃ_１１）、Ｆｅ_８５Ｚｒ_１０Ｂ_５合金、Ｆｅ_９３Ｓｉ_３Ｎ_４合金、Ｆｅ_７１Ｂ_１１Ｎ_１８合金、Ｆｅ_７１．３Ｎｄ_９．６Ｏ_１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_７０Ａｌ_１０Ｏ_２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_６５Ｆｅ_５Ａｌ_１０Ｏ_２０合金等が好適である。

薄膜ヨーク１４、１４は、外部磁界を増幅させ、ＧＭＲ膜１２の磁界感度を高める作用があるが、この増幅作用は、薄膜ヨーク１４、１４の材質だけでなく、形状を最適化することによっても高めることができる。ＧＭＲ膜１２の磁界感度をさらに高めるためには、薄膜ヨーク１４、１４の形状は、以下のような条件を満たしていることが好ましい。

第１に、薄膜ヨーク１４、１４は、ギャップ側の断面積が外部磁界の流入・流出端（外側の端部）の断面積以下であることが望ましい。ギャップ側の断面積を小さくすると、ギャップ先端における磁束密度が大きくなり、ＧＭＲ膜１２に強い磁界を作用させることができる。

第２に、薄膜ヨーク１４、１４は、外側端部の横幅Ｗに対するそのギャップ長方向の長さＬの比（Ｌ／Ｗ）が、適度に大きいことが望ましい。薄膜ヨーク１４、１４のギャップ長方向の長さが相対的に長くなるほど、ギャップ長方向に発生する反磁界が小さくなるので、外側の端面を外部磁界の流入・流出端として有効に機能させることができる。

第３に、各薄膜ヨーク１４、１４の形状は、ギャップを挟んで左右対称になっていることが望ましい。各薄膜ヨーク１４、１４の形状が左右非対称であると、磁気特性の悪い薄膜ヨークによって単位素子１６及びこれを含む薄膜磁気センサ１０の特性が支配されるので好ましくない。

第４に、ギャップを介して対向する各薄膜ヨーク１４、１４と、ＧＭＲ膜１２とが接触している最短距離（すなわち、「ギャップ長」）は、短いことが望ましい。ギャップ長が短くなるほど、薄膜ヨーク１４、１４の先端から漏れた磁束の空間への分散が抑制され、ＧＭＲ膜１２に強い磁界を作用させることができる。ギャップ長の長さは、ＧＭＲ膜１２に作用する磁界の大きさ、電気抵抗値仕様等に応じて、最適な長さとするのが好ましい。

なお、薄膜ヨーク１４、１４の厚さは、特に限定されるものではなく、薄膜ヨーク１４、１４の材質、単位素子１６…及びこれを備えた薄膜磁気センサ１０に要求される特性等に応じて、最適な厚さを選択すればよい。
また、図１（ａ）に示す例において、薄膜ヨーク１４、１４の先端側（ギャップ側）に平行部が設けられているが、この平行部は、なくても良い。但し、薄膜ヨーク１４、１４先端に平行部を設けると、薄膜ヨーク１４、１４先端における磁束の分散が抑制されるので、ＧＭＲ膜１２により強い磁界を作用させることができるという利点がある。

電極１８、１８は、出力を取り出すためのものであると同時に、各単位素子１６、１６…を電気的に並列に接続するためのものであり、導電性材料が用いられる。電極１８、１８の材質としては、具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等が好適である。また、電極１８、１８と薄膜ヨーク１４、１４の界面には、密着性向上と拡散防止のための膜（例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等からなる薄膜）を介在させるのが好ましい。電極１８、１８の形状は、特に限定されるものではなく、単位素子１６の大きさ、薄膜ヨーク１４、１４の形状等に応じて、最適な形状を選択すればよい。

図１（ａ）に示す構成を備えた薄膜磁気センサ１０は、単独で使用することもできるが、複数個の薄膜磁気センサ１０を電気的に接続して使用しても良い。
例えば、２個の薄膜磁気センサ１０を直列に接続し、かつ、２個の薄膜センサ１０の感磁軸が互いに直交するように配置しても良い。このような構成を取ると、中点電位を計測することによって、温度による基準電位の変動の影響を受けることなく、外部磁界を検出することができる。
また、例えば、４個の薄膜磁気センサ１０を用いて、ブリッジ回路を構成しても良い。ブリッジ回路を構成すると、中点電位の差分を取ることによって、その出力を、２個の薄膜磁気センサ１０を用いた場合の２倍にすることができる。

図１（ａ）に示す構成を備えた薄膜磁気センサ１０は、フォトリソグラフィ技術を用いて、各薄膜を所定の順序で積層することにより得られる。
この場合、各薄膜の形成方法として、スパッタリング、真空蒸着、ＰＣＤ、ＣＶＤ等の公知の方法を用いることができる。
また、所定の形状を有する薄膜は、
（１）基板表面全面に、所定の組成を有する薄膜を形成し、所定の形状パターンに従って、薄膜の不要部分をエッチング（例えば、Ａｒイオンビームエッチング、薬品によるウエットエッチング、あるいは反応性エッチングなど）により除去する方法、あるいは、
（２）基板表面にフォトレジスト等を用いて、所定の形状パターンを有するマスクを形成し、マスクの表面全体に所定の組成を有する薄膜を形成し、マスクを除去する方法、
により作製することができる。

次に、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ１０の作用について説明する。巨大磁気抵抗効果を示す各種の材料は、それぞれ、固有の電気比抵抗ρと、固有の磁界感度を有している。従って、図１（ｂ）に示すように、ＧＭＲ膜１２の両端に薄膜ヨーク１４、１４が電気的に接続された１個の単位素子１６を含む薄膜磁気センサ１０’において、ＧＭＲ膜１２として、低磁界における磁界感度が相対的に低い材料を用いたときには、磁界感度を高くするために、薄膜ヨーク１４、１４の形状を相対的に細長くする必要がある。

例えば、ＧＭＲ膜１２として、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料（例えば、ＣｏＦｅ−ＭｇＦ_２系）を用い、薄膜ヨーク１４、１４として、高透磁率材料（例えば、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金）を用いた場合において、薄膜ヨーク１４、１４の形状を相対的に細長し、かつ、各部の形状を最適化すると、図１（ｂ）の下段に示すように、外部磁界Ｈｋが約８（Ｏｅ）の時におけるＭＲ比は、約６％となる。
しかしながら、薄膜ヨーク１４、１４の形状を細長くすると、これに応じてＧＭＲ膜１２の電流が流れる方向の断面積も小さくなる。その結果、ゼロ磁界における薄膜磁気センサ１０’の電気抵抗Ｒ_ｍａｘは、約１６００（ｋΩ）に達する。薄膜磁気センサ１０’の電気抵抗Ｒが極端に高くなると、増幅器との間でインピーダンス不整合を生じ、Ｓ／Ｎ比が増大する。

一方、電気抵抗Ｒを下げるために、ＧＭＲ膜１２の横幅を広くすると、これに応じて薄膜ヨーク１４、１４の横幅を広くする必要がある。その結果、薄膜ヨーク１４、１４の反磁界が大きくなり、磁界感度が低下する。
また、ＧＭＲ膜１２の横幅を広くし、これに応じて薄膜ヨーク１４、１４の長さをさらに長くすれば、適度な電気抵抗Ｒと、高い磁界感度を両立させることはできる。しかしながら、この方法では、薄膜磁気センサ１０’全体の大型化は避けられない。

これに対し、図１（ａ）上段に示すように、電気抵抗Ｒは相対的に高いが、磁界感度の高いｎ個（ｎ≧２）の単位素子１６を電気的に並列に接続すると、磁界感度を高く維持したまま、薄膜磁気センサ１０全体の合成抵抗を１／ｎに下げることができる。また、合成抵抗の値は、並列接続する単位素子１６の個数を変えることによって、任意に調節することができる。その結果、適度な電気抵抗Ｒと高い磁界感度とを同時に達成することができる。
例えば、図１（ｂ）の下段に示す特性を有する７個の単位素子１６を並列接続すると、図１（ａ）の下段に示すように、約６％のＭＲ比を得るための外部磁界Ｈｋを約８（Ｏｅ）に維持したまま、ゼロ磁界における電気抵抗Ｒ_ｍａｘを、約２２９（ｋΩ）に下げることができる。しかも、磁界感度を高くするために、薄膜ヨーク１４、１４を必要以上に細長くする必要がないので、薄膜磁気センサ１０全体の大型化を回避できる。

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）上段に、本実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図及び正面図を示す。
図２（ａ）において、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０は、ＧＭＲ膜２２と、ＧＭＲ膜２２の両端に電気的に接続された薄膜ヨーク２４、２４とを備えている。また、薄膜ヨーク２４、２４の外側端部には、電極２８、２８が接続されている。

本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０は、感磁方向の反磁界が小さくなるように、少なくとも薄膜ヨーク２４、２４を複数個の領域に磁気的に分割する分割手段を備えている。
分割手段は、特に限定されるものではなく、薄膜ヨーク２４、２４の感磁方向の反磁界が結果的に小さくなるものであれば良い。このような分割手段としては、具体的には、
（１） 感磁方向に対してほぼ平行に形成された少なくとも１つのスリット、
（２） 感磁方向に対してほぼ平行に形成された少なくとも１つのスリット列、
（３） 感磁方向に対してほぼ平行に形成された少なくとも１列の小孔列、
などがある。

ここで、「スリット」とは、幅（ｗ）に対する長さ（Ｌ）の比（Ｌ／ｗ）が２以上であるものをいう。また、「スリット列」とは、Ｌ／ｗ比が相対的に小さいスリットが所定の間隔で一列に並んだものをいう。また、「小孔列」とは、Ｌ／ｗ比が２未満である小孔が所定の間隔で一列に並んだものをいう。
さらに、「感磁方向に対してほぼ平行」とは、スリット等は、感磁方向に対して完全に平行に形成されていることが望ましいが、感磁方向の反磁界が結果的に小さくなる限りにおいて、感磁方向から多少ずれた方向に形成されていても良いことを意味する。

上述したスリット等の分割手段は、薄膜ヨーク２４、２４の一端から他端に向かって貫通していても良い。あるいは、薄膜ヨーク２４、２４の反磁界が結果的に小さくなる限りにおいて、その一端又は両端が薄膜ヨーク２４、２４の中間で止まっているものでも良い。さらに、スリット等の分割手段は、薄膜ヨーク２４、２４を貫通し、ＧＭＲ膜２２内に達するものでも良く、あるいは、ＧＭＲ膜２２を貫通するものであっても良い。

図２（ａ）に示す例において、薄膜ヨーク２４、２４は、以下のような構成を備えている。
（１） 外側端部側と先端部側には、それぞれその横幅が均一である平行部を有している。
（２） 先端部側の平行部は、外側端部側の平行部より横幅が狭くなっている。
（３） 先端部側の平行部と外側端部側の平行部とは、横幅が連続して変化するテーパ部で繋がれている。
（４） 外側端部から、先端部側の平行部とテーパ部との境界線にかけて、感磁方向に対してほぼ平行に、合計４個のスリット２４ａ…が形成されている。
すなわち、薄膜ヨーク２４、２４は、先端部側の平行部を除き、合計４個のスリット２４ａ…によって、５つの領域に磁気的に分割されている。

なお、スリット２４ａ…の幅、形状等は、特に限定されるものではなく、薄膜ヨーク２４、２４の感磁方向の反磁界が所定の値となるように、最適なものを選択する。
また、図２（ａ）において、スリット２４ａ…の数は、単なる例示であり、ＧＭＲ膜２２及び薄膜ヨーク２４、２４の材質、薄膜磁気センサ２０に要求される特性等に応じて、任意に選択することができる。
ＧＭＲ膜２２、薄膜ヨーク２４、２４及び電極２８、２８の材質や形状、薄膜磁気センサ２０の使用方法、製造方法等については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ２０の作用について説明する。巨大磁気抵抗効果を示す各種の材料は、それぞれ、固有の電気比抵抗ρと、固有の磁界感度を有している。従って、図２（ｂ）に示すように、ＧＭＲ膜２２の両端に薄膜ヨーク２４’、２４’が電気的に接続された薄膜磁気センサ２０’において、ＧＭＲ膜２２として、相対的に電気比抵抗ρが高い材料を用いたときには、ＧＭＲ膜２２の電気抵抗Ｒを適度な値とするために、ＧＭＲ膜２２の横幅を相対的に広くする必要がある。

例えば、ＧＭＲ膜２２として、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料（例えば、ＣｏＦｅ−ＭｇＦ_２系）を用い、薄膜ヨーク２４’、２４’として、高透磁率材料（例えば、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金）を用いた場合において、ＧＭＲ膜２２の横幅を相対的に広くし、かつ、各部の形状を最適化すると、図２（ｂ）の下段に示すように、ゼロ磁界における薄膜磁気センサ２０’の電気抵抗Ｒ_ｍａｘを約２００（ｋΩ）にすることができる。
しかしながら、ＧＭＲ膜２２の横幅を広くすると、これに応じて薄膜ヨーク２４’、２４’の横幅も広くなる。その結果、磁界感度が低下し、約６％のＭＲ比を得るためには、約５０（Ｏｅ）の外部磁界Ｈｋが必要となる。

これに対し、図２（ａ）に示すように、適度な電気抵抗Ｒを有するＧＭＲ膜２２の両端に、相対的に横幅の広い薄膜ヨーク２４、２４を電気的に接続し、かつ、薄膜ヨーク２４、２４に、感磁方向に対してほぼ平行なスリット２４ａ…を形成すると、薄膜ヨーク２４、２４の感磁方向の反磁界を小さくすることができる。その結果、適度な電気抵抗Ｒと高い磁界感度とを同時に達成することができる。
例えば、図２（ｂ）の下段に示す特性を有する薄膜磁気センサ２０’において、薄膜ヨーク２４’、２４’に代えて、所定の形状を有するスリット２４ａ…が形成された薄膜ヨーク２４、２４を用いると、図２（ａ）の下段に示すように、ゼロ磁界における電気抵抗Ｒ_ｍａｘを約２００（ｋΩ）に維持したまま、約６％のＭＲ比を得るのに必要な外部磁界Ｈｋを１２（Ｏｅ）まで下げることができる。しかも、磁界感度を高くするために、薄膜ヨーク２４、２４を必要以上に細長くする必要がないので、薄膜磁気センサ２０全体の大型化を回避できる。

次に、本発明の第３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３上段に、本実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図及び正面図を示す。
図３において、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ３０は、ＧＭＲ膜３２と、ＧＭＲ膜３２の両端に電気的に接続された薄膜ヨーク３４、３４とを備えている。また、薄膜ヨーク３４、３４の外側端部には、電極３８、３８が接続されている。

本実施の形態に係る薄膜磁気センサ３０は、感磁方向の反磁界が小さくなるように、薄膜ヨーク３４、３４を複数個の領域に磁気的に分割するスリット（分割手段）３４ａ…を備えている。
薄膜ヨーク３４、３４は、具体的には、以下のような構成を備えている。
（１） 外側端部側と先端部側には、それぞれその横幅が均一である平行部を有している。
（２） 先端部側の平行部は、外側端部側の平行部より横幅が狭くなっている。
（３） 先端部側の平行部と外側端部側の平行部とは、横幅が連続して変化するテーパ部で繋がれている。
（４） 外側端部側の平行部と電極３８、３８が重なり合う境界線から、先端部側の平行部とＧＭＲ膜３２との境界線にかけて、感磁方向に対してほぼ平行に、合計４個のスリット３４ａ…が形成されている。
すなわち、薄膜ヨーク３４、３４は、外側端部の一部を除き、合計４個のスリット３４ａ…によって、５つの領域に磁気的に分割されている。
その他の点につては、第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ３０の作用について説明する。
図３に示すように、適度な電気抵抗Ｒを有するＧＭＲ膜３２の両端に、相対的に横幅の広い薄膜ヨーク３４、３４を電気的に接続し、かつ、薄膜ヨーク３４、３４に感磁方向に対してほぼ平行なスリット３４ａ…を形成すると、薄膜ヨーク３４、３４の感磁方向の反磁界を小さくすることができる。その結果、適度な電気抵抗Ｒと高い磁界感度とを同時に達成することができる。

例えば、図２（ｂ）の下段に示す特性を有する薄膜磁気センサ２０’において、薄膜ヨーク２４’、２４’に代えて、所定の形状を有するスリット３４ａ…が形成された薄膜ヨーク３４、３４を用いると、図３の下段に示すように、ゼロ磁界における電気抵抗Ｒ_ｍａｘをほぼ同等（約２４０（ｋΩ））に維持したまま、約６％のＭＲ比を得るのに必要な外部磁界Ｈｋを約１８（Ｏｅ）まで下げることができる。しかも、磁界感度を高くするために、薄膜ヨーク３４、３４を必要以上に細長くする必要がないので、薄膜磁気センサ３０全体の大型化を回避できる。

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。

本発明に係る薄膜磁気センサは、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、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、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。

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、正面図及びＭＲ特性を示す図であり、図１（ｂ）は、従来の薄膜磁気センサの平面図、正面図及びＭＲ特性を示す図である。 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、正面図及びＭＲ特性を示す図であり、図２（ｂ）は、従来の薄膜磁気センサの平面図、正面図及びＭＲ特性を示す図である。 図３は、本発明の第３の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、正面図及びＭＲ特性を示す図である。

符号の説明

１０、２０、３０ 薄膜磁気センサ
１２、２２、３２ ＧＭＲ膜
１４、２４、３４ 薄膜ヨーク
２４ａ、３４ａ スリット（分割手段）
１６ 単位素子

Claims (3)

1. 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が電気的に接続された複数個の単位素子を備え、
   該複数個の単位素子は、前記薄膜ヨークの後端部において、電極を介して電気的に並列に接続されている薄膜磁気センサ。
2. 前記薄膜ヨークは、その外側端部の合計断面積が、前記ＧＭＲ膜と接続される先端部の合計断面積以上である請求項１に記載の薄膜磁気センサ。
3. 前記ＧＭＲ膜は、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなる請求項１又は２に記載の薄膜磁気センサ。

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