JP4575602B2

JP4575602B2 - Magnetic sensing element

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Publication number: JP4575602B2
Application number: JP2001002306A
Authority: JP
Inventors: 太好高
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: JP2002207071A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気検知素子及びこの素子を用いた方位検知システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
具体的にこのような素子を利用した磁気検知手段又は方法として、以下のような提案例がある。
【０００４】
例えば、特開平６−１７６９３０号公報によれば、磁気インダクタンス素子の磁性線に、直流又は時間的に変化する電流を通電した状態で焼鈍を行なうことで、感度が改良された高感度センサが提案されている。また、特開平６−２５３５７３号公報によれば、モータ駆動電流を磁気インダクタンスセンサで検知することにより、高精度に制御できる電流検出回路が提案されている。特開平７−１８１２３９９号公報によれば、通電電流を高周波化することで、ブリッジ回路なしで検知できるようにした磁気インピーダンス素子が提案されている。特開平９−３１８７１９号公報によれば、磁気インピーダンス素子を発振回路内に接続することにより検知感度の向上を図った磁気センサ回路が提案されている。特開平１０−３０７１４５号公報によれば、一対の磁気センサと磁性体とで構成したリード板でタイヤのスチールベルトの残留磁化を外部より差動検知するようにしたタイヤ回転位置検知装置が提案されている。さらに、特開平１１−１０９００６号公報によれば、センサ部に高周波電流を流し、その時のインピーダンス変化が磁界強度に比例する素子に負帰還コイルを設け、磁界に対する出力の直線性を向上させるようにした磁気インピーダンスセンサが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の磁気検知センサ類では、小型・軽量化の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【０００６】
そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な磁気検知素子を提供することを目的とする。
【０００７】
併せて、上記磁気検知素子を利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の関連技術は、磁性層を有するトンネル磁気抵抗効果素子又は巨大磁気抵抗効果素子を用い、磁気検知部がその膜面に対して垂直方向に電流を流すことにより磁気を検知する平板状の磁気検知素子であって、当該素子の一面に配されて抗磁力が前記磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が前記磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補助用軟磁性膜を備える。
【０００９】
従って、元々薄膜技術等を用いて作製されるトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）又は巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を用いることで、小型・軽量化を図ることができる上に、当該素子の一面に配されて抗磁力が磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補助用軟磁性膜を備えることで、抗磁力の差を利用することで磁力検知を機能分離して行なえることから、センサとしての磁界感度を向上させることができる。磁界感知補助用軟磁性膜は当該素子の一面であれば、上面であっても底面であってもよい。
【００１０】
第２の関連技術は、第１の関連技術の磁気検知素子において、前記磁界感知補助用軟磁性膜が前記磁気検知部に複数の磁性膜としてアレイ状に個別に形成されるとともに、前記磁性層がこれらの複数の磁性膜と交差する１本の共通電極として形成されている。
【００１１】
従って、アレイ化を簡単に図ることができ、利用用途を広げることができる。
【００１２】
第３の関連技術は、第１又は２の関連技術の磁気検知素子において、前記磁気検知部近傍に高透磁率層が配され、前記磁界感知補助用軟磁性膜に接続されている。
【００１３】
従って、磁界感知補助用軟磁性膜に接続された高透磁率層を磁気検知部近傍に有するので、高透磁率層が磁束シンクとして機能し、より一層の高感度化を図ることができる。
【００１４】
第４の関連技術は、第１，２又は３の関連技術の磁気検知素子において、前記磁気検知部近傍にバルク型磁性体が配されている。
【００１５】
従って、磁性薄膜よりはるかに低い透磁率、抗磁率が実現でき、また、扱える磁束量も大きいことから飽和しにくい特性を有するバルク型磁性体を磁気検知部近傍に有するので、より一層の高感度化を図ることができる。
【００１６】
第５の関連技術は、第３の関連技術の磁気検知素子において、前記高透磁率層上にバルク型磁性体が配されていることを特徴とする。
【００１７】
従って、バルク型磁性体を磁気検知部近傍の高透磁率層上に有するので、より一層の高感度化を図ることができる。
【００１８】
第６の関連技術は、第１ないし５の何れかの関連技術の磁気検知素子において、前記磁界感知補助用軟磁性膜は、非磁性層上に、複数の軟磁性層の積層構造として形成されている。
【００１９】
従って、非磁性層上に、複数の軟磁性層の積層構造として磁界感知補助用軟磁性膜を形成することで、還流磁区を形成することを防ぐことができ、よって、低ノイズ化と高周波化（高速サンプリング化）を図ることができ、素子能力をより一層向上させることができる。
【００２０】
第７の関連技術は、第１ないし６の何れかの関連技術の磁気検知素子において、前記磁界感知補助用軟磁性膜は、平面形状が円形状に形成されている。
【００２１】
従って、磁界感知補助用軟磁性膜を平面形状が円形状（真円形状、楕円形状等）とすることで、静磁エネルギーをより小さくするようにできるので、磁荷の発生が少なくなり、磁区の安定を見込め、よって、低ノイズ化ないしは高感度化を図ることができ、素子能力をより一層向上させることができる。
【００２２】
請求項１記載の発明は、絶縁性の基板上に順に積層された第１磁性層、絶縁層、第２磁性層を有するトンネル磁気抵抗効果素子又は巨大磁気抵抗効果素子を用い、磁気検知部がその膜面に対して垂直方向に電流を流すことにより磁気を検知する平板状の磁気検知素子であって、前記第２磁性層の上面に配されて抗磁力が前記第２磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が前記第２磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補助用軟磁性膜を備え、前記磁界感知補助用軟磁性膜が複数の部分に分割されて形成されている。
【００２３】
従って、磁界感知補助用軟磁性膜を複数の部分に分割して形成することで、個々の大きさを小さくすれば還流磁区の発生を抑制でき、低ノイズ化を実現でき、さらには、異方性を揃えて一層の高感度化を図ることができる。
【００２４】
請求項２記載の発明は、絶縁性の基板上に順に積層された第１磁性層、絶縁層、第２磁性層を有するトンネル磁気抵抗効果素子又は巨大磁気抵抗効果素子を用い、磁気検知部がその膜面に対して垂直方向に電流を流すことにより磁気を検知する平板状の磁気検知素子であって、前記第２磁性層の上面に配されて抗磁力が前記第２磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が前記第２磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補助用軟磁性膜を備え、前記磁界感知補助用軟磁性膜に複数の切り込みが形成されている。
【００２５】
従って、磁界感知補助用軟磁性膜を複数の切り込みにより分割状に形成することで、個々の大きさを小さくすれば還流磁区の発生を抑制でき、低ノイズ化を実現でき、さらには、異方性を揃えて一層の高感度化を図ることができる。
【００２６】
第８の関連技術は、第１ないし７の何れかの関連技術、または請求項１または２に記載の磁気検知素子において、前記磁気検知部の磁化状態を所定の状態に戻すリセット用磁界発生手段を備える。
【００２７】
従って、例えば一時的な強磁界の影響による磁気検知部の着磁で動作点が変化して誤った検知を行なうようなケースでも、リセット用磁界発生手段を利用して磁気検知部の磁化状態を所定の状態に戻すことで、それ以降、正常な検知動作を行わせることができる。
【００２８】
第９の関連技術は、第８の関連技術の磁気検知素子において、前記リセット用磁界発生手段が、前記磁気検知部近傍に一体に形成されたリセット電流用配線部を含む。
【００２９】
従って、磁気検知部近傍に一体に形成されたリセット電流用配線部を利用することで、第８の関連技術を容易に実現できる。
【００３０】
第１０の関連技術は、第８の関連技術の磁気検知素子において、前記リセット用磁界発生手段が、前記磁気検知部に対してリセット磁界を発生させる外部コイルを含む。
【００３１】
従って、磁気検知部に対してリセット磁界を発生させる外部コイルを利用することで、第８の関連技術を容易に実現できる。
【００３２】
第１１の関連技術の方位検知システムは、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする第１ないし７の何れかの関連技術、または請求項１または２に記載の複数の磁気検知素子と、これらの磁気検知素子の検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、前記磁気検知素子の検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３３】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な前記記載の磁気検知素子の検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルが利用されるが、この際、磁気検知素子の検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。
【００３４】
第１２の関連技術の方位検知システムは、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする第８，９又は１０の関連技術の複数の磁気検知素子と、これらの磁気検知素子の検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、前記磁気検知素子の検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、前記異常検知手段により異常が検知された場合には前記磁気検知部の磁化状態を所定の状態に戻すよう前記リセット用磁界発生手段にリセット電流を流すリセット手段と、を備える。
【００３５】
従って、基本的には第１１の関連技術と同様であるが、特に、検知結果に異常が検知された場合には、リセット用磁界発生手段にリセット電流を流して磁気検知部の磁化状態を所定の状態に戻してリセットすることで、それ以降の誤った検知動作を回避することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子１は、ＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）２を磁気検知部に用いたもので、基本的には、図５に示すように絶縁性の基板３上に積層させた第１層４と、絶縁膜による第２層５と、第３層６と、第４層７との所定のパターンの接合構造により形成されて、第１層４から第２層５を介して第３層６にトンネル電流が流れる構造のＴＭＲ素子２を磁気検知部８に備える。ここに、第４層７が磁界感知補助用軟磁性膜及び電極として機能し、第３層６が磁性層として機能し、第１層４が磁性層及び電極として機能する。
【００３７】
本実施の形態で利用するＴＭＲ素子は、近年において見出された現象、即ち、強磁性体と絶縁膜と強磁性体との接合構造により形成されて、両強磁性体の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れる強磁性体トンネル効果という現象を利用したもので、例えば、特開平１０−９１９２５号公報、特開平１０−２５５２３１号公報中にも記載されているように、Ｓ．Ｍaeksawa and Ｖ．Ｇafvert等は、ＩＥＥＥＴrans.Ｍagn.,ＭＡＧ−18,707(1982)において、磁性体／絶縁体／磁性体結合で両磁性層の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れることが規定されることを理論的、実験的に示している。
【００３８】
このようなＴＭＲ素子２を含む磁気検知素子１に関する詳細構成をその作製方法を含めて説明する。まず、図１に示すように、石英、ガラス等の絶縁性の基板、或いは、絶縁層付きのＳｉ基板等の基板３上に第１層４として一般的な無磁歪組成のＦｅ２０−Ｎｉ８０膜をスパッタリング法により０．１μｍ膜厚で成膜する。Ｆｅ２０−Ｎｉ８０膜自体は磁気抵抗効果素子膜であるが、第１層４としては、スピン偏磁率の高い磁性部材であればＦｅ２０−Ｎｉ８０膜以外の膜であってもよい。抗磁力のような磁気特性は、目的とする磁界強度に応じて選択すればよい。また、Ｆｅ２０−Ｎｉ８０膜に関しては、メッキ法によっても作製できる。また、第１層４の膜厚を０．１μｍとしたが、感度その他必要な条件に応じて、適宜膜厚に設定すればよい。
【００３９】
次に、半導体製造工程に用いられる一般的なフォトリソグラフィ技術とＣＦ_４＋Ｈ_２を用いたＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）により、第１層４を図２に示すようにパターン化する。ここでは、第１層４をＴＭＲ素子２の一方の電極として機能させるため直線状で、かつ、磁気抵抗効果素子として機能できるサイズである幅１０μｍ×長さ１ｍｍのパターン形状とした。もっとも、第１層４の寸法、形状は目的に応じて適宜変更してもよい。また、エッチング処理としてはウェットエッチング法であってもよく、この場合にはエッチング液として王水を用いればよい。
【００４０】
つづいて、図３に示すように、このような第１層４の上に第２層５の絶縁トンネル層としてＡｌ_２Ｏ_３膜をスパッタリング法により成膜する。この成膜にはＥＢ法（電子ビーム法）やＣＶＤ法（化学気相成長法）などを用いてもよい。そして、第１層４の場合と同様に、一般的なフォトリソグラフィ技術とＣＦ_４＋Ｈ_２を用いたＲＩＥ法により第２層５をパターン化する。この第２層５の絶縁材料としては、ＳｉＯ_２等の他の絶縁材料でも機能するが、特性上はＡｌ_２Ｏ_３膜が優れている。Ａｌを成膜した後で、大気中や真空中でプラズマ酸化させる方法であってもよい。絶縁トンネル層である第２層５のエッチングとしては、ウェットエッチングでもよいが、基板３もエッチングされてしまう場合には基板３の裏面側をレジストなどにより保護する必要がある。
【００４１】
また、基板３としては、石英以外の絶縁基板やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やポリイミドなどを利用したフレキシブル絶縁基板であってもよい。設計ルールによっては、フォトリソグラフィ工程によらず、最初から金属マスクを用いて成膜させる工程によってもよい。
【００４２】
この後、図４に示すように、絶縁トンネル層である第２層５の上に、第３層６としてＦｅ−Ｃｏ５０膜をスパッタ法により成膜し、第１層４の場合と同様にフォトリソグラフィ法により第１層４のパターンに直交するパターンにパターン化する。この第３層６も第１層４の場合と同様にスピン偏極率の高い材料であれば他の材料であってもよく、さらには、他の反強磁性膜を設けて交換相互層構造、即ち、スピンバルブ構造を採るようにしてもよい。
【００４３】
さらに、本実施の形態では、図５に示すように、第３層６上に磁界感知補助用軟磁性膜としての第４層７を形成するものである。この第４層７は第１層４の抗磁力よりも低い抗磁力を有し、かつ、異方性軸も第１層４の異方性軸とは独立するように形成されている。より具体的には、成膜条件を変えて作成したＮｉ−Ｆｅ膜や、他の磁性材料であるＣｕＭｏパーマロイ膜やＣｏＺｒＮｂアモルファス膜などにより形成され、この際、成膜時の着磁方法を変更し、或いは、焼鈍条件を第１層４から第３層６までの成膜時と第４層７の成膜時とで変えることで、異方性軸を独立させるようにしている。本実施の形態では、第４層７は例えばＣｏＺｒＮｂアモルファス膜により形成されている。
【００４４】
このような構成の磁気検知素子１は第１層４と第４層７とを電極として磁気検知部８に対して膜面に垂直方向に電流を流した場合の電流の変化を微小電流計（図示せず）より検出する検知方式を採る。この検知動作において、当該磁気検知部８に対しては検知対象となる外部磁界が印加される。この場合、当該磁気検知素子１の一面に配されて、かつ成膜条件を変え、抗磁力が第１層４の抗磁力よりも低く設定しており、その異方性軸が第１層４の異方性軸とは、独立して、この場合、９０°ずらして設定された第４層７（磁界感知補助用軟磁性膜）を備えているので、元々の抗磁力の差と磁性膜の容易軸と困難軸方向での磁化の差を利用でき、磁界感度が増し、さらに、ＭＲ変化に関しては第３層６が大きいことが知られており、センサとして最適な機能分離ができ、磁界感度を向上させることができる。即ち、高感度化を図ることができる。また、本実施の形態の磁気検知素子１によれば、基本的にＴＭＲ素子２を磁気検知部８に利用して構成されているので、センサの小型・軽量化を図ることができる上に、上述のように高感度に検知できるので、後述する方位検知システム等に適用すると、極めて効果的となる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、磁気検知部８にＴＭＲ素子２を備えた構成としたが、ＴＭＲ素子２に限らず、磁気検知部の膜面に対して垂直方向に電流を流す検知方式のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を利用する場合にも同様に構成できる。
【００４６】
本発明の第二の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。第一の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも順次同様とする）。
【００４７】
本実施の形態の磁気検知素子１１では、磁界感知補助用軟磁性膜として機能する第４層７を第４層７ａ〜７ｆで示す如く複数個（例えば、６個）に分割しつつ並列に配置させることで、磁気検知部８に関して、下層の第１層４を１本の共通電極として交差するアレイ状構成としたものである。第３層６も第４層７に対応してアレイ状構成とされている。結果として、各第４層７ａ〜７ｆ（各第３層）毎に第１層４との間でＴＭＲ素子を構成することとなる。
【００４８】
製造方法としては、第一の実施の形態の場合と同様に第１層４及び第２層５を形成した後、前述の場合と同様に、Ｆｅ−Ｃｏ５０膜をスパッタリング法により成膜し、さらに、ＣｏＺｒＮｂアモルファス膜を成膜し、かつ、フォトリソグラフィ法により複数に分割するパターン化処理により第４層７ａ〜７ｆ（第３層も）を形成することにより作製される。
【００４９】
この場合の磁気検知素子１１に対する検知回路構成例としては、図７に示すように、各々電極としても機能する各第４層７ａ〜７ｆに対して第１層４との間には直流電源１３が接続されているとともに、各第４層７ａ〜７ｆに対してスイッチング回路１４を介して微小電流計１５が接続されており、スイッチング回路１３のスイッチング動作により各検知点１２ａ〜１２ｆ毎に個別に第４層７ａ〜７ｆでの磁性変化が個別のＴＭＲ素子のＭＲ率の変化として確実かつ高感度に検知される。
【００５０】
従って、本実施の形態の磁気検知素子１１によれば、検知点１２ａ〜１２ｆが複数点としてアレイ状に配列されているので、第一の実施の形態の場合と同様の効果が得られる上に、利用用途を適宜広げることができ、より実用的となる。
【００５１】
本発明の第三の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子２１は、磁気検知部８、ここではＴＭＲ素子２の近傍に位置させて高透磁率層２２をスパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法或いはゾルゲル法で形成するようにしたものである。このような高透磁率層２２の透磁率は１００以上であることが望ましく、具体的には、ＣｏＺｒＮｂ膜、ＮｉＣｏＦｅ膜、ＦｅＮｉ膜等により形成される。また、製法としても、フォトリソ法、マスクデポ法、貼り合せ法なども適宜用い得る。そして、このような高透磁率層２２は第４層７の磁界感知補助用軟磁性膜に電気的に接続された形で完成する。
【００５２】
本実施の形態の磁気検知素子２１によれば、高透磁率層２２が磁束シンクとして機能するので、より一層の高感度化を図ることができる。
【００５３】
本発明の第四の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子３１は、磁気検知部８の近傍に位置する高透磁率層２２上にＭｎ−Ｚｎフェライトブロックをダイシング加工したものをバルク型磁性体３２として形成したものである。バルク型磁性体３２としては、Ｍｎ−Ｚｎフェライトブロックをダイシング加工したものに限られない。
【００５４】
一般に、バルク型磁性体は、磁性薄膜よりはるかに低い透磁率、抗磁率が実現できることが知られており、また、扱える磁束量も大きいことから飽和しにくい特性を有する。従って、本実施の形態の磁気検知素子３１によれば、バルク型磁性体３２を高透磁率層２２上に有することにより、より一層の高感度化を図ることができる。
【００５５】
なお、バルク型磁性体３２は必ずしも高透磁率層２２上に形成する必要はなく、要は、磁気検知部８の近傍に形成されていればよい。
【００５６】
本発明の第五の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子４１は、磁界感知補助用軟磁性膜としての第４層４２をＴｉ，Ｔａ，ＳｉＯ_２などの非磁性層（図示せず）を介して複数の軟磁性層（例えば、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ膜、Ｆｅ−Ｎｉ膜など）を積層させた積層構造として形成したものである。
【００５７】
本実施の形態の磁気検知素子４１によれば、第４層（磁界感知補助用軟磁性膜）４２が非磁性層を介して複数の軟磁性層の積層構造として形成されていることにより、還流磁区を形成することを防げるので、低ノイズ化と高周波化（即ち、高速サンプリング化）とを図ることができ、素子機能をより一層向上させることができる。
【００５８】
本発明の第六の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子５１は、例えば、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ膜、Ｆｅ−Ｎｉ膜などによる磁界感知補助用軟磁性膜としての第４層５２の平面形状を楕円状の円形形状に形成したものである。なお、楕円形状に限らず、例えば、真円形状であってもよい。
【００５９】
本実施の形態の磁気検知素子５１によれば、第４層（磁界感知補助用軟磁性膜）５２が円形形状に形成されていることにより、静磁エネルギーをより小さくするようにできるので、磁荷の発生が少なくなり、磁区が安定化するため、低ノイズ化を実現できる。結果として、素子の高感度化を図ることができる。
【００６０】
本発明の第七の実施の形態を図１２に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子６１は、磁界感知補助用軟磁性膜としての第４層６２をその長手方向に複数の部分６２ａ，６２ｂ，…，６２ｎに分割形成したものである。より具体的には、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ膜による第４層（磁界感知補助用軟磁性膜）６２を０．５μｍ×０．５μｍ程度の大きさの部分６２ａ，６２ｂ，…，６２ｎにより形成される。各部分６２ａ，６２ｂ，…，６２ｎがこの程度の大きさであれば、還流磁区の発生を抑制でき、ほぼ単磁区構成となるので、この結果、低ノイズ化を図ることができる。同時に、異方性も揃えやすくなり、素子の高感度化を図ることができる。
【００６１】
なお、図１２に示したような完全分割構成に限らず、例えば、図１３に示す磁気検知素子７１のように、その長手方向に複数の切り込み７１ａ，７１ｂ，…，７１ｎを形成することにより、分割的な形状とした場合でも、還流磁区の発生を抑制でき、低ノイズ化を図ることができる。
【００６２】
本発明の第八の実施の形態を図１４に基づいて説明する。本実施の形態の磁気検知素子８１は、例えば、図８に示した構成の磁気検知素子２１に加えて、その磁気検知部８の各磁性層（第１層４、第３層６、第４層７等）の磁化状態を所定の状態、ここでは、初期の状態に戻すためのリセット用磁界発生手段としてのリセット電流用配線部８２が磁気検知部８及び高透磁率層２２の近傍の全長以上に亘って形成されている。
【００６３】
このような構成の磁気検知素子８１によれば、例えば、後述する方位検知システムに利用してその測定値に異常が生じたことが検知されたような場合に、このリセット電流用配線部８２を通じてリセット電流を流し、磁気検知部８の各磁性層（第１層４、第３層６、第４層７等）の磁化状態を初期の状態に戻すことで、以降は正常に検知動作を行わせることが可能となる。即ち、一時的な強磁界の影響によるＴＭＲ素子２部分の着磁に伴う動作点の変化をキャンセルでき、キャンセル後は正常に機能させることができる。後述の地磁気検知用の方位検知システムへの適用の場合に限らず、通常の磁気センサとしての適用の場合にも有用となる。
【００６４】
なお、リセット用磁界発生手段としては、素子上に一体に設けたリセット電流用配線部８２に限らず、例えば、図１５に示すように、当該素子８１を通過させることによりリセット用磁界を発生させる外部コイル８３を利用するようにしてもよい。
【００６５】
本発明の第九の実施の形態を図１６に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気検知素子を利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば３つの磁気検知素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃ（前述した磁気検知素子１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向に独立して配置させた地磁気センサ９２が設けられている。これらの磁気検知素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃの検知出力はデータ取り込み部９３を介して検知手段としての３磁気成分検知部９４に入力されている。この３磁気成分検知部９４は地磁気検知に関して、磁気検知素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部９３を介して取り込まれた磁気検知素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部９５と、この絶対値演算部９５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部９６とによる異常検知手段９７が設けられている。比較部９６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部９６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部９８が設けられている。
【００６６】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部９８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部９４から得られる検知結果とともに、この警報部９８の出力も通信部９９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。
【００６７】
さらに、本システムを構築する上で、３つの磁気検知素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃとして図１４や図１５に示した磁気検知素子８１を利用するようにすれば、比較部９６により検知結果に異常が検知された場合には、リセット電流用配線部８２又は外部コイル８３を利用してリセット手段（図示せず）によりリセット電流を流すことにより、磁気検知部８の磁化状態を初期状態にリセットするようにすれば、リセット以降は正常に地磁気検知動作を行わせることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態の方位検知システムでは、３つの磁気検知素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃを用いたが、３つ以上の磁気検知素子を３軸ベクトル以上の方向に独立に配置させて地磁気の方向検知を３軸以上のベクトル検知として行なうようにしてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
第１の関連技術の磁気検知素子によれば、元々薄膜技術等を用いて作製されるトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）又は巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を用いるようにしたので、小型・軽量化を図ることができる上に、当該素子の一面に配されて抗磁力が磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補助用軟磁性膜を備えるので、抗磁力の差を利用することで磁力検知を機能分離して行なえることから、センサとしての磁界感度を向上させることができる。
【００７０】
第２の関連技術によれば、アレイ化を簡単に図ることができ、利用用途を広げることができる。
【００７１】
第３の関連技術によれば、磁界感知補助用軟磁性膜に接続された高透磁率層を磁気検知部近傍に有するので、高透磁率層が磁束シンクとして機能し、より一層の高感度化を図ることができる。
【００７２】
第４の関連技術によれば、磁性薄膜よりはるかに低い透磁率、抗磁率が実現でき、また、扱える磁束量も大きいことから飽和しにくい特性を有するバルク型磁性体を磁気検知部近傍に有するので、より一層の高感度化を図ることができる。
【００７３】
第５の関連技術によれば、バルク型磁性体を磁気検知部近傍の高透磁率層上に有するので、より一層の高感度化を図ることができる。
【００７４】
第６の関連技術によれば、非磁性層上に、複数の軟磁性層の積層構造として磁界感知補助用軟磁性膜を形成するようにしたので、還流磁区を形成することを防ぐことができ、よって、低ノイズ化と高周波化（高速サンプリング化）を図ることができ、素子能力をより一層向上させることができる。
【００７５】
第７の関連技術によれば、磁界感知補助用軟磁性膜を平面形状が円形状としたので、静磁エネルギーをより小さくするようにできるので、磁荷の発生が少なくなり、磁区の安定を見込めることから、低ノイズ化ないしは高感度化を図ることができ、素子能力をより一層向上させることができる。
【００７６】
請求項１記載の発明によれば、磁界感知補助用軟磁性膜を複数の部分に分割して形成するようにしたので、個々の大きさを小さくすれば還流磁区の発生を抑制でき、低ノイズ化を実現でき、さらには、異方性を揃えて一層の高感度化を図ることができる。
【００７７】
請求項２記載の発明によれば、磁界感知補助用軟磁性膜を複数の切り込みにより分割状に形成するようにしたので、個々の大きさを小さくすれば還流磁区の発生を抑制でき、低ノイズ化を実現でき、さらには、異方性を揃えて一層の高感度化を図ることができる。
【００７８】
第８の関連技術によれば、例えば一時的な強磁界の影響による磁気検知部の着磁で動作点が変化して誤った検知を行なうようなケースでも、リセット用磁界発生手段を利用して磁気検知部の磁化状態を所定の状態に戻すことができるようにしたので、それ以降、正常な検知動作を行わせることができる。
【００７９】
第９の関連技術によれば、磁気検知部近傍に一体に形成されたリセット電流用配線部を利用することで、第８の関連技術を容易に実現することができる。
【００８０】
第１０の関連技術によれば、磁気検知部に対してリセット磁界を発生させる外部コイルを利用することで、第８の関連技術を容易に実現することができる。
【００８１】
第１１の関連技術の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な前記記載の磁気検知素子の検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルが利用されるが、この際、磁気検知素子の検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができる。
【００８２】
第１２の関連技術の方位検知システムによれば、基本的には第１１の関連技術と同様であるが、特に、検知結果に異常が検知された場合には、リセット用磁界発生手段にリセット電流を流して磁気検知部の磁化状態を所定の状態に戻してリセットすることで、それ以降の誤った検知動作を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を示す第１層が成膜された基板の縦断正面図である。
【図２】第1層のパターン形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図３】第１層上に成膜された第２層のパターン形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図４】第２層上に成膜された第３層のパターン形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図５】第３層上に成膜された第４層のパターン形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態の磁気検知素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図７】測定回路を示す平面図である。
【図８】本発明の第三の実施の形態の磁気検知素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の磁気検知素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図１０】本発明の第五の実施の形態の磁気検知素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図１１】本発明の第六の実施の形態の磁気検知素子を示す平面図である。
【図１２】本発明の第七の実施の形態の磁気検知素子を示す平面図である。
【図１３】その変形例の磁気検知素子を示す平面図である。
【図１４】本発明の第八の実施の形態の磁気検知素子を示す平面図である。
【図１５】その変形例の磁気検知素子を示す平面図である。
【図１６】本発明の第九の実施の形態の方位検知システムを示す概略システム構成図である。
【符号の説明】
１磁気検知素子
２トンネル磁気効果抵抗素子
３磁性層
７磁界感知補助用軟磁性膜
８磁気検知部
１１磁気検知素子
２１磁気検知素子
２２高透磁率層
３１磁気検知素子
３２バルク型磁性体
４１磁気検知素子
４２磁界感知補助用軟磁性膜
５１磁気検知素子
５２磁界感知補助用軟磁性膜
６１磁気検知素子
６２磁界感知補助用軟磁性膜
６２ａ，６２ｂ，…，６２ｎ部分
７１磁気検知素子
７２磁界感知補助用軟磁性膜
７２ａ，７２ｂ，…，７２ｎ切り込み
８１磁気検知素子
９１磁気検知素子
９４検知手段
９７異常検知手段
９８報知手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensing element such as a geomagnetic sensor for magnetic field measurement and navigation, and an orientation detection system using this element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of magnetic sensor, a magnetoresistive effect element (MR element), a magnetic impedance element (MI element), a fluxgate sensor, a semiconductor Hall effect sensor, and the like are used. Among these, recently developed MI sensors have been actively improved in recent years because they can be easily thinned and miniaturized by using magnetoresistive elements called MI elements. In the case of an MR element, the magnetic field strength can be detected by a change in the high frequency impedance caused by a magnetic field when a high frequency current is passed through the MR element.
[0003]
Specific examples of magnetic sensing means or methods using such elements include the following proposed examples.
[0004]
For example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 6-176930, a high-sensitivity sensor with improved sensitivity is proposed by annealing a magnetic wire of a magnetic inductance element while a direct current or a time-varying current is applied. Has been. Japanese Patent Laid-Open No. 6-253573 proposes a current detection circuit that can be controlled with high accuracy by detecting a motor drive current with a magnetic inductance sensor. According to Japanese Patent Laid-Open No. 7-181399, a magneto-impedance element has been proposed in which an energization current is increased in frequency so that it can be detected without a bridge circuit. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-318719 proposes a magnetic sensor circuit in which the detection sensitivity is improved by connecting a magnetic impedance element in an oscillation circuit. According to Japanese Patent Laid-Open No. 10-307145, a tire rotation position detection device is proposed in which a residual plate magnetization of a tire steel belt is differentially detected from the outside with a lead plate composed of a pair of magnetic sensors and a magnetic body. ing. Further, according to Japanese Patent Laid-Open No. 11-109006, a high-frequency current is passed through the sensor unit, and a negative feedback coil is provided in an element in which the impedance change at that time is proportional to the magnetic field strength, so that the linearity of the output with respect to the magnetic field is improved. A magnetic impedance sensor has been proposed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, such conventional magnetic detection sensors are still not sufficient in terms of size and weight reduction and sensitivity, and there is much room for improvement.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a small, lightweight, and highly sensitive magnetic sensing element.
[0007]
In addition, an object of the present invention is to provide an azimuth detection system that is effective for a navigation system and the like because the magnetic detection element can be used to improve the accuracy of geomagnetic detection.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
First 1 Related technologies This is a flat magnetic sensing element that uses a tunnel magnetoresistive effect element or a giant magnetoresistive effect element having a magnetic layer, and in which the magnetic sensing part senses magnetism by flowing a current in a direction perpendicular to the film surface. A magnetic field assisting sensor that is disposed on one surface of the element and whose coercive force is lower than the coercive force of the magnetic layer and whose anisotropy axis is set independently of the anisotropy axis of the magnetic layer. A soft magnetic film is provided.
[0009]
Therefore, by using a tunnel magnetoresistive effect element (TMR element) or a giant magnetoresistive effect element (GMR element) originally produced by using a thin film technology or the like, the element can be reduced in size and weight, and the element. Provided with a soft magnetic film for assisting magnetic field sensing in which the coercive force is lower than the coercive force of the magnetic layer and the anisotropy axis is set independently of the anisotropy axis of the magnetic layer. Thus, the magnetic field detection as a sensor can be improved because the magnetic force detection can be performed by separating the functions by utilizing the difference in coercive force. The soft magnetic film for assisting magnetic field sensing may be the upper surface or the bottom surface as long as it is one surface of the element.
[0010]
First 2 Related technologies Is First 1 Related technologies In the magnetic sensing element, the magnetic field sensing assisting soft magnetic film is individually formed as an array in the magnetic sensing part as a plurality of magnetic films, and the magnetic layer intersects with the plurality of magnetic films. Are formed as common electrodes.
[0011]
Therefore A Lay can be easily achieved, and the usage can be expanded.
[0012]
First 3 Related technologies Is First 1 or 2 Related technologies In this magnetic sensing element, a high permeability layer is disposed in the vicinity of the magnetic sensing part and connected to the magnetic field sensing assisting soft magnetic film.
[0013]
Therefore, since the high magnetic permeability layer connected to the soft magnetic film for assisting magnetic field sensing is provided in the vicinity of the magnetic detection portion, the high magnetic permeability layer functions as a magnetic flux sink, and further higher sensitivity can be achieved.
[0014]
First 4 Related technologies Is First 1, 2 or 3 Related technologies In this magnetic sensing element, a bulk type magnetic body is disposed in the vicinity of the magnetic sensing portion.
[0015]
Therefore, a magnetic permeability and coercivity much lower than those of magnetic thin films can be realized, and since the amount of magnetic flux that can be handled is large, a bulk type magnetic body having characteristics that are difficult to saturate is provided in the vicinity of the magnetic detection unit, thereby further increasing sensitivity. Can be achieved.
[0016]
First 5 Related technologies Is First 3 Related technologies In the magnetic sensing element, a bulk type magnetic body is disposed on the high permeability layer.
[0017]
Therefore, since the bulk type magnetic body is provided on the high permeability layer in the vicinity of the magnetic detection portion, it is possible to further increase the sensitivity.
[0018]
First 6 Related technologies Is First Any one of 1 to 5 Related technologies In this magnetic sensing element, the magnetic field sensing assisting soft magnetic film is formed as a laminated structure of a plurality of soft magnetic layers on a nonmagnetic layer.
[0019]
Therefore , Non By forming a soft magnetic film for assisting magnetic field sensing as a laminated structure of a plurality of soft magnetic layers on the magnetic layer, it is possible to prevent the formation of a return magnetic domain, and therefore, low noise and high frequency (high-speed sampling) The device capability can be further improved.
[0020]
First 7 Related technologies Is First Any one of 1 to 6 Related technologies In the magnetic sensing element, the magnetic field sensing assisting soft magnetic film has a circular planar shape.
[0021]
Therefore , Magnetism The magnetic field for assisting field sensing has a circular shape (perfect circle shape, ellipse shape, etc.) so that the magnetostatic energy can be made smaller, so the generation of magnetic charge is reduced and the magnetic domain is stabilized. Therefore, low noise or high sensitivity can be achieved, and the device capability can be further improved.
[0022]
The invention of claim 1 , Absolutely A tunnel magnetoresistive effect element or a giant magnetoresistive effect element having a first magnetic layer, an insulating layer, and a second magnetic layer laminated in order on an edged substrate, and the magnetic sensing portion is perpendicular to the film surface A magnetic sensing element that detects magnetism by passing an electric current through the upper surface of the second magnetic layer, the coercive force is lower than the coercive force of the second magnetic layer, and A magnetic field sensing assisting soft magnetic film having an isotropic axis set independently of the anisotropic axis of the second magnetic layer, and the magnetic field sensing assisting soft magnetic film is divided into a plurality of portions; ing.
[0023]
Therefore , Magnetism By forming the soft magnetic film for assisting field sensing into a plurality of parts, if the individual size is reduced, the generation of the return magnetic domain can be suppressed, noise can be reduced, and anisotropy can be achieved. Even higher sensitivity can be achieved.
[0024]
The invention according to claim 2 A first magnetic layer, an insulating layer, and a second layer sequentially stacked on an insulating substrate; A plate-like magnetic sensing element that uses a tunnel magnetoresistive effect element or a giant magnetoresistive effect element having a magnetic layer, and the magnetism sensing part senses magnetism by flowing a current in a direction perpendicular to the film surface, On the second magnetic layer The coercive force is arranged on the surface Second Lower than the coercive force of the magnetic layer, and its anisotropic axis is Second A magnetic field sensing auxiliary soft magnetic film set independently of the anisotropic axis of the magnetic layer is provided, and a plurality of cuts are formed in the magnetic field sensing auxiliary soft magnetic film.
[0025]
Therefore , Magnetism By forming the soft magnetic film for assisting the field sensing into a plurality of cuts, it is possible to suppress the generation of the return magnetic domain by reducing the size of each, and to realize low noise. Even higher sensitivity can be achieved.
[0026]
Eighth related technology Is First 1 to 7 Either Related technology, or claim 1 or 2 In the magnetic sensing element described above, a reset magnetic field generating means for returning the magnetization state of the magnetic sensing unit to a predetermined state is provided.
[0027]
Therefore, for example, even in the case where the operating point changes due to the magnetization of the magnetic detection unit due to a temporary strong magnetic field and erroneous detection is performed, the magnetic field of the magnetic detection unit is changed using the reset magnetic field generation means. By returning to the predetermined state, normal detection operation can be performed thereafter.
[0028]
Ninth related technology Is Eighth related technology In this magnetic detection element, the reset magnetic field generation means includes a reset current wiring portion integrally formed in the vicinity of the magnetic detection portion.
[0029]
Therefore, by using the reset current wiring portion integrally formed in the vicinity of the magnetic detection portion, Eighth related technology Can be realized easily.
[0030]
Tenth related technology Is Eighth related technology In the magnetic sensing element, the reset magnetic field generation means includes an external coil that generates a reset magnetic field to the magnetic detection unit.
[0031]
Therefore, by using an external coil that generates a reset magnetic field for the magnetic detection unit, Eighth related technology Can be realized easily.
[0032]
Eleventh related technology The azimuth detection system is independently arranged in the direction of three or more axes vector and detects geomagnetism. First 1 to 7 Either Related technology, or claim 1 or 2 A plurality of magnetic detection elements described above, detection means for detecting vectors of three or more axes based on detection outputs of these magnetic detection elements, an absolute value of detection output of the magnetic detection elements, and a preset threshold value An abnormality detecting means for determining whether or not there is an abnormality in the detection result, and an informing means for notifying that if an abnormality is detected by the abnormality detecting means.
[0033]
Therefore, when applied to an orientation detection system that uses geomagnetism as a detection target, it is basically a high-sensitivity sensor that is independently arranged in the direction of three or more axes. Said A vector of three or more axes detected based on the detection output of the described magnetic detection element is used. At this time, the absolute value of the detection output of the magnetic detection element is a threshold obtained by adding a measurement margin to the measured geomagnetic intensity. Whether or not there is an abnormality in the detection result is determined by comparing the two, and when an abnormality is detected, the fact is notified so that the use of the erroneous detection result can be prevented beforehand.
[0034]
12th related technology The azimuth detection system is independently arranged in the direction of three or more axes vector and detects geomagnetism. 8th , 9 Or 10 related technologies A plurality of magnetic detection elements, detection means for detecting vectors of three or more axes based on the detection outputs of these magnetic detection elements, an absolute value of the detection output of the magnetic detection elements, and a preset threshold value An abnormality detection means for determining whether or not there is an abnormality in the detection result, an informing means for notifying that if an abnormality is detected by the abnormality detection means, and an abnormality detected by the abnormality detection means Comprises a reset means for causing a reset current to flow through the reset magnetic field generating means so as to return the magnetization state of the magnetic detection unit to a predetermined state.
[0035]
So basically Eleventh related technology However, in particular, when an abnormality is detected in the detection result, a reset current is supplied to the reset magnetic field generating means to reset the magnetization state of the magnetic detection unit to a predetermined state. Subsequent erroneous detection operations can be avoided.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The magnetic sensing element 1 of the present embodiment uses a TMR element (tunnel magnetoresistive effect element) 2 as a magnetic sensing part, and is basically laminated on an insulating substrate 3 as shown in FIG. The first layer 4, the second layer 5 made of an insulating film, the third layer 6, and the fourth layer 7 are formed to have a predetermined pattern joining structure. The TMR element 2 having a structure in which a tunnel current flows through the third layer 6 is provided in the magnetic detector 8. Here, the fourth layer 7 functions as a soft magnetic film and an electrode for assisting magnetic field sensing, the third layer 6 functions as a magnetic layer, and the first layer 4 functions as a magnetic layer and an electrode.
[0037]
The TMR element used in the present embodiment is a phenomenon found in recent years, that is, formed by a junction structure of a ferromagnet, an insulating film, and a ferromagnet, and has a relative angle of magnetization of both ferromagnets. This phenomenon utilizes the phenomenon of the ferromagnetic tunnel effect in which the tunnel effect appears depending on the S.P., for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-91925 and 10-255231. Maeksawa and V. Gafvert et al., IEEE Trans. Magn., MAG-18, 707 (1982) stipulate that the tunnel effect appears depending on the relative angle of magnetization of both magnetic layers in the magnetic / insulator / magnetic coupling. Is shown theoretically and experimentally.
[0038]
A detailed configuration relating to the magnetic sensing element 1 including such a TMR element 2 will be described including a manufacturing method thereof. First, as shown in FIG. 1, an Fe20-Ni80 film having a general non-magnetostrictive composition is formed as a first layer 4 on an insulating substrate such as quartz or glass, or a substrate 3 such as a Si substrate with an insulating layer. A film having a thickness of 0.1 μm is formed by sputtering. Although the Fe20-Ni80 film itself is a magnetoresistive effect element film, the first layer 4 may be a film other than the Fe20-Ni80 film as long as it is a magnetic member having a high spin magnetic permeability. Magnetic properties such as coercive force may be selected according to the intended magnetic field strength. In addition, the Fe20-Ni80 film can also be produced by a plating method. Moreover, although the film thickness of the 1st layer 4 was 0.1 micrometer, what is necessary is just to set to a film thickness suitably according to sensitivity and other required conditions.
[0039]
Next, general photolithography technology and CF used in the semiconductor manufacturing process ₄ + H ₂ The first layer 4 is patterned as shown in FIG. 2 by the RIE method (reactive ion etching method) using the above. Here, the first layer 4 has a pattern shape of a width of 10 μm × a length of 1 mm which is a linear shape so as to function as one electrode of the TMR element 2 and can function as a magnetoresistive effect element. However, the size and shape of the first layer 4 may be appropriately changed according to the purpose. The etching process may be a wet etching method. In this case, aqua regia may be used as an etching solution.
[0040]
Subsequently, as shown in FIG. 3, Al is formed as an insulating tunnel layer of the second layer 5 on the first layer 4. ₂ O ₃ A film is formed by a sputtering method. For this film formation, an EB method (electron beam method), a CVD method (chemical vapor deposition method), or the like may be used. Then, as in the case of the first layer 4, a general photolithography technique and CF ₄ + H ₂ The second layer 5 is patterned by the RIE method using. As an insulating material of the second layer 5, SiO 2 ₂ It works with other insulating materials such as Al. ₂ O ₃ The membrane is excellent. A method of performing plasma oxidation in the air or in a vacuum after depositing Al may be used. Etching of the second layer 5 which is an insulating tunnel layer may be wet etching, but if the substrate 3 is also etched, it is necessary to protect the back side of the substrate 3 with a resist or the like.
[0041]
The substrate 3 may be an insulating substrate other than quartz or a flexible insulating substrate using PET (polyethylene terephthalate) or polyimide. Depending on the design rule, a film forming process using a metal mask from the beginning may be used instead of the photolithography process.
[0042]
Thereafter, as shown in FIG. 4, an Fe—Co 50 film is formed as a third layer 6 on the second layer 5 which is an insulating tunnel layer by a sputtering method. A pattern is formed into a pattern orthogonal to the pattern of the first layer 4 by lithography. The third layer 6 may be made of other materials as long as the material has a high spin polarization as in the case of the first layer 4, and further, an anti-ferromagnetic film is provided to form an exchange mutual layer structure. That is, a spin valve structure may be adopted.
[0043]
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, a fourth layer 7 is formed on the third layer 6 as a soft magnetic film for assisting magnetic field sensing. The fourth layer 7 has a coercive force lower than the coercive force of the first layer 4 and is formed so that the anisotropic axis is independent of the anisotropic axis of the first layer 4. More specifically, it is formed with a Ni-Fe film created by changing the film formation conditions, a CuMo permalloy film or a CoZrNb amorphous film, which is another magnetic material, and the magnetization method at the time of film formation is changed. Alternatively, the anisotropic axis is made independent by changing the annealing condition between the first layer 4 to the third layer 6 and the fourth layer 7. In the present embodiment, the fourth layer 7 is formed of, for example, a CoZrNb amorphous film.
[0044]
The magnetic sensing element 1 having such a configuration is a microammeter (change in current when a current is passed in the direction perpendicular to the film surface with respect to the magnetic sensing unit 8 using the first layer 4 and the fourth layer 7 as electrodes. A detection method that detects from (not shown) is adopted. In this detection operation, an external magnetic field to be detected is applied to the magnetic detection unit 8. In this case, the coercive force is set to be lower than the coercive force of the first layer 4, the coercive force is set to be lower than the coercive force of the first layer 4. In this case, since the fourth layer 7 (soft magnetic film for assisting magnetic field sensing) set by shifting by 90 ° is provided, in this case, the difference in coercive force from the original and the magnetic film It is known that the difference in magnetization between the easy axis and the hard axis can be used, the magnetic field sensitivity is increased, and the third layer 6 is known to be large with respect to the MR change. Sensitivity can be improved. That is, high sensitivity can be achieved. In addition, according to the magnetic sensing element 1 of the present embodiment, since the TMR element 2 is basically used for the magnetic sensing unit 8, it is possible to reduce the size and weight of the sensor. Since it can be detected with high sensitivity as described above, it is extremely effective when applied to an azimuth detection system described later.
[0045]
In the present embodiment, the TMR element 2 is provided in the magnetic detection unit 8. However, the detection is not limited to the TMR element 2, and the GMR is a detection method in which a current flows in a direction perpendicular to the film surface of the magnetic detection unit. The same configuration can be made when an element (giant magnetoresistive element) is used.
[0046]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is also omitted (the same applies to the subsequent embodiments in order).
[0047]
In the magnetic sensing element 11 of the present embodiment, the fourth layer 7 functioning as a magnetic field sensing assisting soft magnetic film is divided into a plurality (for example, six) as shown by the fourth layers 7a to 7f and arranged in parallel. Thus, the magnetic detection unit 8 has an array configuration in which the lower first layer 4 intersects as one common electrode. The third layer 6 also has an array configuration corresponding to the fourth layer 7. As a result, a TMR element is formed between the first layer 4 and each of the fourth layers 7a to 7f (each third layer).
[0048]
As a manufacturing method, after forming the first layer 4 and the second layer 5 as in the case of the first embodiment, the Fe—Co50 film is formed by the sputtering method as described above, The CoZrNb amorphous film is formed, and the fourth layers 7a to 7f (also the third layer) are formed by a patterning process that is divided into a plurality of parts by photolithography.
[0049]
As an example of a detection circuit configuration for the magnetic detection element 11 in this case, as shown in FIG. 7, a DC power supply 13 is provided between the first layer 4 and the fourth layers 7 a to 7 f that also function as electrodes. Are connected to each of the fourth layers 7a to 7f via the switching circuit 14, and the switching circuit 13 performs switching operation to individually detect each of the detection points 12a to 12f. Magnetic changes in the fourth layers 7a to 7f are detected reliably and with high sensitivity as changes in the MR ratio of individual TMR elements.
[0050]
Therefore, according to the magnetic sensing element 11 of the present embodiment, since the detection points 12a to 12f are arranged in an array as a plurality of points, the same effect as in the case of the first embodiment can be obtained. , The usage can be expanded as appropriate, and it becomes more practical.
[0051]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The magnetic sensing element 21 of the present embodiment is positioned in the vicinity of the magnetic sensing unit 8, here the TMR element 2, and the high permeability layer 22 is formed by sputtering, CVD, plating, or sol-gel method. Is. The magnetic permeability of such a high magnetic permeability layer 22 is desirably 100 or more. Specifically, it is formed of a CoZrNb film, a NiCoFe film, an FeNi film, or the like. Further, as a manufacturing method, a photolithography method, a mask deposition method, a bonding method, or the like can be used as appropriate. Such a high magnetic permeability layer 22 is completed in the form of being electrically connected to the magnetic sensing auxiliary soft magnetic film of the fourth layer 7.
[0052]
According to the magnetic sensing element 21 of the present embodiment, since the high permeability layer 22 functions as a magnetic flux sink, it is possible to further increase the sensitivity.
[0053]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The magnetic sensing element 31 of the present embodiment is obtained by forming a bulk magnetic body 32 by dicing a Mn—Zn ferrite block on the high permeability layer 22 located in the vicinity of the magnetic sensing unit 8. The bulk type magnetic body 32 is not limited to a dicing processed Mn—Zn ferrite block.
[0054]
In general, it is known that a bulk type magnetic body can realize a magnetic permeability and a coercivity much lower than those of a magnetic thin film, and has a characteristic that it is difficult to saturate due to a large amount of magnetic flux that can be handled. Therefore, according to the magnetic sensing element 31 of the present embodiment, the bulk type magnetic body 32 is provided on the high magnetic permeability layer 22, so that further enhancement of sensitivity can be achieved.
[0055]
Note that the bulk type magnetic body 32 is not necessarily formed on the high magnetic permeability layer 22, and may be formed in the vicinity of the magnetic detection unit 8.
[0056]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the magnetic sensing element 41 of the present embodiment, the fourth layer 42 as a magnetic field sensing assisting soft magnetic film is formed of Ti, Ta, SiO. ₂ And a plurality of soft magnetic layers (for example, a Co—Zr—Nb film, an Fe—Ni film, etc.) are stacked through a nonmagnetic layer (not shown).
[0057]
According to the magnetic sensing element 41 of the present embodiment, the fourth layer (magnetic field assisting soft magnetic film) 42 is formed as a laminated structure of a plurality of soft magnetic layers with a nonmagnetic layer interposed therebetween. Since it is possible to prevent the formation of magnetic domains, it is possible to achieve low noise and high frequency (that is, high speed sampling), and further improve the element function.
[0058]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the magnetic sensing element 51 of the present embodiment, for example, the planar shape of the fourth layer 52 as a soft magnetic film for assisting magnetic field sensing, such as a Co—Zr—Nb film or an Fe—Ni film, is formed into an elliptical circular shape. It is what. The shape is not limited to an elliptical shape, and may be a perfect circular shape, for example.
[0059]
According to the magnetic sensing element 51 of the present embodiment, since the fourth layer (soft magnetic film for assisting magnetic field sensing) 52 is formed in a circular shape, the magnetostatic energy can be further reduced. Since the generation of load is reduced and the magnetic domain is stabilized, low noise can be realized. As a result, the sensitivity of the element can be increased.
[0060]
A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the magnetic sensing element 61 of the present embodiment, a fourth layer 62 as a magnetic field sensing assisting soft magnetic film is divided into a plurality of portions 62a, 62b,..., 62n in the longitudinal direction. More specifically, for example, a fourth layer (soft magnetic film for assisting magnetic field sensing) 62 made of an Fe—Ni film is formed by portions 62a, 62b,..., 62n having a size of about 0.5 μm × 0.5 μm. The If each of the portions 62a, 62b,..., 62n is of such a size, the generation of the return magnetic domain can be suppressed and a substantially single domain configuration can be achieved, and as a result, noise can be reduced. At the same time, anisotropy is easily aligned, and the sensitivity of the element can be increased.
[0061]
12 is not limited to a completely divided configuration as shown in FIG. 12, for example, by forming a plurality of cuts 71a, 71b,..., 71n in the longitudinal direction like the magnetic sensing element 71 shown in FIG. Even when the shape is divided, the generation of the return magnetic domain can be suppressed, and the noise can be reduced.
[0062]
An eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. For example, in addition to the magnetic sensing element 21 having the configuration shown in FIG. 8, the magnetic sensing element 81 of the present embodiment includes each magnetic layer (first layer 4, third layer 6, fourth layer) of the magnetic sensing unit 8. The reset current wiring portion 82 as a reset magnetic field generating means for returning the magnetization state of the layer 7 and the like to a predetermined state, here, the initial state is the total length in the vicinity of the magnetic detection portion 8 and the high permeability layer 22. It is formed over the above.
[0063]
According to the magnetic detection element 81 having such a configuration, for example, when it is detected that an abnormality has occurred in the measurement value by using it in an azimuth detection system, which will be described later, through the reset current wiring portion 82. By passing a reset current and returning the magnetization state of each magnetic layer (the first layer 4, the third layer 6, the fourth layer 7, etc.) of the magnetic detection unit 8 to the initial state, the detection operation is normally performed thereafter. It becomes possible to make it. That is, the change in the operating point due to the magnetization of the TMR element 2 due to the influence of the temporary strong magnetic field can be canceled, and after the cancellation, it can function normally. The present invention is useful not only for application to an orientation detection system for geomagnetism detection described later but also for application as a normal magnetic sensor.
[0064]
The reset magnetic field generating means is not limited to the reset current wiring portion 82 provided integrally on the element, and for example, as shown in FIG. 15, the reset magnetic field is generated by passing the element 81 through. An external coil 83 may be used.
[0065]
A ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment shows an example of application to an azimuth detection system for geomagnetism detection that is configured using the magnetic detection element as in each of the embodiments described above. First, for example, three magnetic sensing elements 91a, 91b, 91c (any of the above-described magnetic sensing elements 1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81) may be arranged in the xyz three-axis vector direction. An independent geomagnetic sensor 92 is provided. Detection outputs of these magnetic detection elements 91a, 91b, and 91c are input to a three-magnetic component detection unit 94 as detection means via a data capturing unit 93. The three-magnetic component detector 94 detects a three-axis vector component based on detection outputs of the magnetic detection elements 91a, 91b, and 91c with respect to geomagnetic detection. On the other hand, an absolute value calculation unit 95 that calculates the absolute value of the detection output of the magnetic detection elements 91a, 91b, and 91c acquired via the data acquisition unit 93, and the absolute value calculated by the absolute value calculation unit 95 An abnormality detection means 97 is provided which includes a comparison unit 96 that compares the magnitude with a threshold value obtained by adding a measurement margin to a comparative geomagnetic intensity having a predetermined magnitude. The comparison unit 96 determines that the detection result is abnormal when the calculated absolute value exceeds the threshold value. On the output side of the comparison unit 96, an alarm unit 98 is provided as a notification unit that operates based on the abnormality detection output.
[0066]
Thereby, according to the azimuth detection system of the present embodiment, when a detection result having a size exceeding a preset threshold value with a measurement margin added to the measured geomagnetic intensity is obtained, Since the fact that there is an abnormality in the measured value is notified through the alarm unit 98, the use of an erroneous detection result can be prevented beforehand. More practically, a system configuration may be employed in which the output of the alarm unit 98 is notified to the user of the system through the communication unit 99 together with the detection result obtained from the three magnetic component detection unit 94.
[0067]
Furthermore, in constructing this system, if the magnetic detection element 81 shown in FIGS. 14 and 15 is used as the three magnetic detection elements 91a, 91b, 91c, the comparison unit 96 detects an abnormality in the detection result. When detected, the magnetization state of the magnetic detection unit 8 is reset to the initial state by causing the reset current to flow by reset means (not shown) using the reset current wiring unit 82 or the external coil 83. By doing so, the geomagnetic detection operation can be normally performed after the reset.
[0068]
In the azimuth detection system according to the present embodiment, three magnetic detection elements 91a, 91b, and 91c are used. However, the direction of geomagnetism is obtained by independently arranging three or more magnetic detection elements in directions of three or more axes. Detection may be performed as vector detection of three or more axes.
[0069]
【The invention's effect】
First 1 Related technologies According to this magnetic sensing element, since the tunnel magnetoresistive effect element (TMR element) or the giant magnetoresistive effect element (GMR element) originally manufactured by using a thin film technology or the like is used, a reduction in size and weight is achieved. In addition, the magnetic field is arranged on one surface of the element, the coercive force is lower than the coercive force of the magnetic layer, and the anisotropy axis is set independently of the anisotropy axis of the magnetic layer. Since the soft magnetic film for assisting sensing is provided, magnetic force detection can be performed by separating the functions by utilizing the difference in coercive force, so that the magnetic field sensitivity as a sensor can be improved.
[0070]
First 2 Related technologies According to A Lay can be easily achieved, and the usage can be expanded.
[0071]
First 3 Related technologies According to , Magnetism Since the high magnetic permeability layer connected to the soft magnetic film for assisting detection of the field is provided in the vicinity of the magnetic detection portion, the high magnetic permeability layer functions as a magnetic flux sink, so that further enhancement of sensitivity can be achieved.
[0072]
First 4 Related technologies According to , Magnetism The magnetic sensor has a magnetic permeability and coercivity that are much lower than those of a conductive thin film, and because it has a large amount of magnetic flux that can be handled, it has a bulk-type magnetic body that is difficult to saturate. Can be planned.
[0073]
First 5 Related technologies According to , Ba Since the luc-type magnetic body is provided on the high permeability layer in the vicinity of the magnetic detection portion, it is possible to further increase the sensitivity.
[0074]
First 6 Related technologies According to , Non Since the magnetic field sensing assisting soft magnetic film is formed on the magnetic layer as a laminated structure of a plurality of soft magnetic layers, it is possible to prevent the formation of the return magnetic domain, thereby reducing noise and increasing the frequency ( High-speed sampling) can be achieved, and the device capability can be further improved.
[0075]
First 7 Related technologies According to , Magnetism Since the planar shape of the soft magnetic film for assisting field sensing is circular, the magnetostatic energy can be made smaller, so that the generation of magnetic charge is reduced and the stability of the magnetic domain can be expected. Sensitivity can be increased, and the device capability can be further improved.
[0076]
Claim 1 According to the described invention , Magnetism Since the soft magnetic film for assisting field detection is formed by dividing it into multiple parts, if the size of each is reduced, the generation of the return magnetic domain can be suppressed, noise can be reduced, and anisotropic Even higher sensitivity can be achieved with the same characteristics.
[0077]
Claim 2 According to the described invention , Magnetism Since the soft magnetic film for assisting the detection of the field is divided into a plurality of cuts, the generation of the return magnetic domain can be suppressed by reducing the size of each, and noise can be reduced. Even higher sensitivity can be achieved with the same characteristics.
[0078]
Eighth related technology According to , Example For example, even in a case where the operating point changes due to the magnetization of the magnetic detection unit due to a temporary strong magnetic field and erroneous detection is performed, the magnetization state of the magnetic detection unit is set to a predetermined value by using the reset magnetic field generation means. Since the state can be restored, normal detection operation can be performed thereafter.
[0079]
Ninth related technology According to the above, by utilizing the reset current wiring portion integrally formed in the vicinity of the magnetic detection portion, Eighth related technology Can be easily realized.
[0080]
Tenth related technology By using an external coil that generates a reset magnetic field for the magnetic detection unit, Eighth related technology Can be easily realized.
[0081]
Eleventh related technology According to the azimuth detection system, when applied to an azimuth detection system that detects geomagnetism, it is basically a high-sensitivity sensor that is independently arranged in the direction of three or more axes. Said A vector of three or more axes detected based on the detection output of the magnetic detection element described above is used. At this time, the absolute value of the detection output of the magnetic detection element is a threshold value obtained by adding a measurement margin to the measured geomagnetic intensity. Whether or not there is an abnormality in the detection result is determined by comparing the two, and when an abnormality is detected, the fact is notified so that the use of the erroneous detection result can be prevented beforehand.
[0082]
12th related technology According to the direction detection system, basically Eleventh related technology However, in particular, when an abnormality is detected in the detection result, a reset current is supplied to the reset magnetic field generating means to reset the magnetization state of the magnetic detection unit to a predetermined state. Subsequent erroneous detection operations can be avoided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal front view of a substrate on which a first layer is formed according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a pattern shape of a first layer, (a) is a plan view, and (b) is a longitudinal front view.
3A and 3B show a pattern shape of a second layer formed on the first layer, wherein FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a longitudinal front view.
4A and 4B show a pattern shape of a third layer formed on the second layer, wherein FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a longitudinal front view.
5A and 5B show a pattern shape of a fourth layer formed on the third layer, wherein FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a longitudinal front view.
6A and 6B show a magnetic sensing element according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a longitudinal front view.
FIG. 7 is a plan view showing a measurement circuit.
8A and 8B show a magnetic sensing element according to a third embodiment of the present invention, in which FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a longitudinal front view.
9A and 9B show a magnetic sensing element according to a fourth embodiment of the present invention, where FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a longitudinal front view.
10A and 10B show a magnetic sensing element according to a fifth embodiment of the present invention, where FIG. 10A is a plan view and FIG. 10B is a longitudinal front view.
FIG. 11 is a plan view showing a magnetic sensing element according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a plan view showing a magnetic sensing element according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a plan view showing a magnetic sensing element of the modified example.
FIG. 14 is a plan view showing a magnetic sensing element according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a plan view showing a magnetic sensing element of the modification.
FIG. 16 is a schematic system configuration diagram showing an orientation detection system according to a ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Magnetic sensing element
2 Tunnel magneto-resistance element
3 Magnetic layer
7 Soft magnetic film for assisting magnetic field sensing
8 Magnetic detector
11 Magnetic sensing element
21 Magnetic sensing element
22 High permeability layer
31 Magnetic sensing element
32 Bulk type magnetic material
41 Magnetic sensing element
42 Soft magnetic film for assisting magnetic field sensing
51 Magnetic sensing element
52 Soft magnetic film for assisting magnetic field sensing
61 Magnetic sensing element
62 Soft magnetic film for assisting magnetic field sensing
62a, 62b, ..., 62n part
71 Magnetic sensing element
72 Soft Magnetic Film for Assisting Magnetic Field Sensing
72a, 72b, ..., 72n
81 Magnetic sensing element
91 Magnetic sensing element
94 Detection means
97 Abnormality detection means
98 Notification means

Claims

First magnetic layer, which are sequentially stacked insulation resistance on the substrate, an insulating layer, using a tunnel magneto-resistance effect element or a giant magnetoresistive effect element having a second magnetic layer, the magnetic detection unit is perpendicular to the film plane A plate-shaped magnetic sensing element that detects magnetism by passing a current in a direction,
The coercive force disposed on the upper surface of the second magnetic layer is lower than the coercive force of the second magnetic layer, and the anisotropy axis is set independently of the anisotropy axis of the second magnetic layer. Provided with a soft magnetic film for assisting magnetic field sensing,
The magnetic sensing element according to claim 1, wherein the magnetic field sensing assisting soft magnetic film is divided into a plurality of portions.

A tunnel magnetoresistive effect element or a giant magnetoresistive effect element having a first magnetic layer, an insulating layer, and a second magnetic layer laminated in order on an insulating substrate is used, and the magnetic sensing portion is perpendicular to the film surface. A plate-like magnetic sensing element that detects magnetism by passing a current through
The coercive force disposed on the upper surface of the second magnetic layer is lower than the coercive force of the second magnetic layer, and the anisotropy axis is set independently of the anisotropy axis of the second magnetic layer. Provided with a soft magnetic film for assisting magnetic field sensing,
A magnetic sensing element comprising a plurality of cuts formed in the magnetic field sensing assisting soft magnetic film.