JP4649600B2 - 磁気抵抗センサーを用いた磁場測定方法および磁場測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗センサーを用いた外部磁場の値の測定方法、および測定装置に関する。

現在、電子スピン効果に基づく磁気抵抗を有する様々な種類の磁気抵抗センサーが知られている。どのような条件下においても、磁気抵抗を有する材料の電気抵抗値は、磁場の存在により変化する。

磁気抵抗として、具体的には、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、および超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）が知られている。

今日、巨大磁気抵抗は、主に読出ヘッド（リードヘッド）に用いられる。

より最近の技術であるトンネル磁気抵抗は、とりわけ磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用のビルディングブロックとしての使用が意図されている。

磁気抵抗センサーは、例えば磁気符号化の用途の関連では、永久磁石から生じた磁場の測定に用いることができる。磁気抵抗センサーは、また、地球磁場のような弱い磁場の測定に、あるいは、電流値を推測するために電流から生じた磁場を測定する際に、用いることができる。

とはいえ、磁気抵抗素子による測定の信頼性および正確性は、温度に起因するドリフト（このようなドリフトは可逆である）、あるいは、経年変化や放射線照射などのその他の要因に起因するドリフト（このようなドリフトは不可逆とすることができる）により悪化する。さらに、製造時に、磁気抵抗素子の特性に分布が生じることがある。

ＧＭＲ、ＴＭＲ、ＣＭＲの磁気抵抗素子では、印加された磁場の関数として変化する抵抗値Ｒが存在する。その変化は、ＧＭＲではＲの５％から１０％の範囲にわたり、ＴＭＲではＲの２５％から５０％の範囲にわたり、ＣＭＲでは数百パーセントに達することがある。

ＧＭＲ、ＴＭＲ、あるいはＣＭＲなどの磁気抵抗素子は、抵抗値について熱ドリフトを示す。この熱ドリフトは、２以上の同様の素子によるブリッジ回路を用いることによって、ある程度まで補償可能である。

しかしやはり、このような素子は、素子に含まれる磁性材料のキュリー温度が有限値であることに起因して、磁場の感度の係数についてドリフトを示す。このドリフトは、複数の素子による回路を単に用いることでは補償できない。

上述した、磁場の感度の係数についてのドリフトの効果を補償するために、負のフィードバックの印加によりセンサーを常に同じポイントで動作させる提案が既になされている。しかし、この方法そのままでは全ての問題は解決されないし、負のフィードバックの印加に必要な電力による、大きな電力消費を伴う。

また、温度依存性を有する構成部品を含んだ電気回路により感度のドリフトを補償する提案がなされている。このような方法は、センサーの製造過程によって感度が変化しやすいことから実現が難しい。この方法では、温度の関数として複数の較正点が要求される。

感度のドリフトが小さいと考えられる場合においても、例えば、磁気抵抗がヒステリシスを示す事態が考えられ、これにより、得られる測定の質が乱されることがある。

本発明は、上述した問題を改善し、特に、磁気抵抗センサーを用いた際に、より正確で信頼性がおける磁場の測定を可能にすることを目的とする。

本発明は、特に、磁気抵抗タイプのセンサーの感度に関するどのようなドリフトも系統的かつ正確に補正することを目的とする。

本発明は、また、磁気抵抗素子の履歴を無視できる、従ってヒステリシスに関する問題を回避できる、補正のシンプルな方法を提供することを目的とする。

本発明は、また、例えば、既知の信号処理およびブリッジ回路技術と互換性がある。

上記目的は、磁気抵抗センサーを用いて外部磁場の値を測定する方法であって、正または負の第１の極性を有し、磁気抵抗センサーを飽和させるのに十分な大きさを有する第１の値を示す少なくとも１つの補助磁場パルスを、外部磁場の各測定に先んじて、磁気抵抗センサーを含む空間にその場（in situ）で印加する第１のステップと、前記補助磁場パルスにセンサーを飽和させない所定値を与え、磁気抵抗センサーの抵抗を測定することで外部磁場の値を決定する第２のステップと、を含むことを特徴とする。

前記所定値は、ゼロに等しいことが好ましい。

上記方法によれば、特に、磁気抵抗センサーのヒステリシスに関する全ての問題が回避される。

どのようなセンサー感度のドリフトでも系統的かつ正確に補正するために、上記方法では、より具体的には、外部磁場の各測定に先んじてその場（in situ）で行われる第１のステップが、正の極性を有し、センサーを飽和させるのに十分な大きさを有する第１の値を示す第１の補助磁場パルスを印加して、高飽和時のセンサーの抵抗の最大値（Ｒ_max）を測定する第１のサブステップと、負の極性を有し、センサーを飽和させるのに十分な大きさを有する第２の値を示す第２の補助磁場パルスを印加して、低飽和時のセンサーの抵抗の最小値（Ｒ_min）を測定する第２のサブステップと、を含み、上記第２のステップの間に、センサーを飽和させない前記補助磁場の所定値を印加して磁気抵抗センサーの実効抵抗（Ｒ_eff）を測定し、その値から外部磁場の値が決定される補正抵抗（Ｒ_cor）を決めるために、実効抵抗（Ｒ_eff）を、予め測定した高飽和最大値（Ｒ_max）と低飽和最小値（Ｒ_min）とにより自動的に較正してもよい。

第１のサブステップは第２のサブステップよりも時系列的に先んじて行われてもよいし、この順序は逆であってもよい。

飽和を飽和させない補助磁場の所定値は、好ましくはゼロに等しい。

好ましい実施態様では、補正抵抗（Ｒ_cor）は以下の式により得られる：

上記式において、Ｒ_{ref max}およびＲ_{ref min}は、それぞれ、センサーを較正するために選ばれた規定の温度における抵抗の高飽和時の最大参照値と、当該較正温度における抵抗の低飽和時の最小参照値である。

補助磁場パルスは、磁気抵抗センサーの近傍に配置された誘導コイルにより発生させてもよい。

別のとりうる実施形態では、補助磁場パルスは、電流が供給された、磁気抵抗センサーの近傍に配置された導電シートにより発生される。

一つの具体的な実施形態では、上記方法は、較正表に記録された較正値による予備的な予備補正のステップをさらに含み、第２のステップの間に、実際に測定された抵抗値（Ｒ_eff）と較正表に記憶された較正値との比較により補正抵抗値（Ｒ_cor）が決定される。

好ましくは、予備的な予備補正のステップは周期的に繰り返される。

本発明の方法における別のとりうる実施形態では、外部磁場は、磁気抵抗センサーの抵抗値Ｒを所定値とするように、第２のステップで補助磁場を印加する負のフィードバックによって測定される。この所定値は、第１のステップの間に決定された磁気抵抗センサーの抵抗の極値Ｒ_minとＲ_maxとの中間の値である。

本発明の方法は、また、磁気抵抗センサーの抵抗について第１のステップの間に決定された低飽和時の最小値Ｒ_minおよび高飽和時の最大値Ｒ_maxと、所定の許容値とを比較する比較ステップ、ならびに、当該所定の許容値について不一致が検出された時に警告を発するステップを含んでいてもよい。

本発明は、また、磁気抵抗センサーを用いた磁場装置を提供する。この装置は、少なくとも１つの磁気抵抗センサーと、前記磁気抵抗センサーの抵抗を測定する測定手段と、前記磁気抵抗センサーを含む空間に補助磁場を発生させる磁場発生手段と、制御手段とを含むことを特徴とする。前記制御手段は、第一に、正または負である第１の極性と、前記磁気抵抗センサーを飽和させるのに十分な大きさとを有する第１の値を示す補助磁場パルスを印加するように前記磁場発生手段を選択的に制御し、第二に、前記測定手段による磁気抵抗センサーの抵抗の測定を選択的に制御する。

前記装置は、磁気抵抗センサーの抵抗の補正値を記憶する記憶手段をさらに含んでいてもよい。

前記磁気抵抗センサーは、以下の種類から選ばれる少なくとも１つの磁気抵抗を有していてもよい：異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、および超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）。

前記装置は、前記発生手段により印加される前記補助磁場パルスの値の許容性を検証する検証手段と、前記検証手段に応じる警告手段とをさらに含んでいてもよい。

一つの具体的な実施態様では、前記磁気抵抗センサーの抵抗を測定する測定手段が、前記磁気抵抗センサーの抵抗の測定値を参照値Ｒ_refとするのに必要な電流を測定する手段を含んでいてもよい。参照値Ｒ_refは、補助磁場パルスを発生させる前記発生手段が駆動されている間に測定された磁気抵抗センサーの磁気抵抗の極値Ｒ_minとＲ_maxとの間に位置し、前記参照値Ｒ_refは、前記極値Ｒ_minおよびＲ_maxと一次結合している。

別の具体的な実施態様によると、前記装置は、外部磁場の各測定に先んじてその場（in situ）で用いられる処理装置であって、正の極性を有し前記センサーを飽和させるのに十分な大きさを有した第１の値を示す第１の補助磁場パルスを印加する磁場発生手段、および、前記センサーの抵抗の高飽和時の最大値Ｒ_maxを測定する測定手段と、負の極性を有し前記センサーを飽和させるのに十分な大きさを有した第２の値を示す第２の補助磁場パルスを印加する磁場発生手段、および、前記センサーの抵抗の低飽和時の最小値Ｒ_minを測定する測定手段とを含む第１の処理装置と、前記センサーを飽和させない前記補助磁場の所定値を印加する手段、前記磁気抵抗センサーの実効抵抗（Ｒ_eff）を測定する測定手段、および、外部磁場の値が決定される補正抵抗（Ｒ_cor）を決定するために、測定した実効抵抗（Ｒ_eff）を、予め測定した高飽和最大値（Ｒ_max）と低飽和最小値（Ｒ_min）とにより自動的に較正する較正手段を含む処理装置と、を含んでいる。

本発明のその他の特徴および利点を、例を挙げ、添付する図面を参照しながら、具体的な実施態様を示す以下の記載により明らかにする。

本発明の方法および装置は、特に、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、または超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）を利用した磁気抵抗センサーに適用される。

本発明は、とりわけスピンバルブ型の抵抗素子を有する巨大磁気抵抗に好適である。

図１に、スピンバルブ構造を有するＧＭＲ型の磁気抵抗センサー１０の一例を示す。

スピンバルブは、典型的には、「硬い」あるいは「固定された」層２２、即ち、外部磁場に対してほとんど感受性を示さない層と、磁場に対して感受性が高い「軟らかい」あるいは「自由な」層２１とを有する。

固定層２２は、高い保磁力を示す強磁性層の組み合わせ、あるいは、強磁性層と結合した人工的な反強磁性層の任意の混成体により構成されていてもよい。

自由層は、非常に軟らかい磁性材料により形成される。

自由表面から見て、図１の磁気抵抗センサー１０は、例えば、タンタルからなる保護層１１と、ＮｉＦｅ層１２およびＣｏＦｅ層１３を含む自由磁性層２１とを含む。自由層２１は、外部磁場の方向に磁化される。

固定磁性層２２は、銅からなる分離層１４によって、自由磁性層２１から分離されている。分離層１４から見て、固定磁性層２２は、ＣｏＦｅ層１５とＩｒＭｎ層１６を含む。固定層２２は、製造時に規定された磁化方向を有する。タンタル層１７は、回路とするために加えられる上部の層を成長させる前駆体としての役割を担ってもよい。

図２に、ＧＭＲ型センサーの典型的な応答曲線を示す。このセンサーは、全ての磁気抵抗素子と同様に、磁場の関数として抵抗を測定した際の典型的な形状の曲線を示す。

図２に示すような曲線では、負の飽和レベルａ１、センサーの抵抗が非直線的に増加する斬進的な脱飽和（セグメントａ２）、これに続く準直線部（セグメントｃ１）、これに続く別の非直線部（セグメントｂ２）、および、高飽和レベル（セグメントｂ１）が示されている。

様々な種類のドリフトの効果により、３つの値：低飽和レベルａ１の抵抗、準直線域ｃ１の傾き（この傾きは感度に対応している）、および高飽和レベルｂ１の抵抗、は、変化する。

ＧＭＲが磁場Ｈにさらされたとき、その抵抗の変化の具合Ｒ＝ｆ（Ｈ）は、図２に示す曲線の典型的な形状を示す。この形状では、抵抗は、平行に磁化された２つの層２１および２２に対応する低飽和値Ｒ_minから、反平行に配列した状態にある上記２つの層の磁化に対応する高飽和値Ｒ_maxへと進む。

この型のセンサーの注目すべき特性は、温度の変化に比例して応答が変化することである。

本発明者らは、幅広い温度範囲、典型的には−２００℃〜２００℃、にわたって、高抵抗値および低抵抗値を標準化したときに、全ての曲線Ｒ＝ｆ（Ｈ）が再現可能であることを見出した。

図２によれば、作動域Ｃの幅は一定であるとみなせ、それ故、感度は、測定域Ａに位置するであろう低飽和値Ｒ_minと、測定域Ｂに位置するであろう高飽和値Ｒ_maxとの間の差の結果であるとみなせる。

本発明の方法は、極値Ｒ_minおよびＲ_maxに基づき、磁場測定に対して自動的な較正が行われるというこの特性を利用している。

従って外部磁場の測定を行うにあたっては、３つの独立した測定が必要となる：低抵抗（Ｒ_min）の測定、高抵抗の測定（Ｒ_max）、および実効抵抗（Ｒ_eff）の測定である。

高抵抗および低抵抗の測定は、ＧＭＲに正または負の磁場パルスを印加することにより行う。これらのパルスは、センサーを飽和するために十分に強くなければならない。

高抵抗および低抵抗の値は、時系列的に任意の順序で測定できる。しかしながら、用いた材料がヒステリシスを示す場合は、測定する際に、その直前の状態について知っておく必要がある。

作動域Ｃは、センサーがこの区域において十分な感度を示すか、即ち、センサーの最大感度のｘ％以上であるか、という基準に基づいて、最初に選ばれる。好ましくは、ｘ％はおよそ７０％であってもよい。作動域Ｃにおける磁場軸方向の幅をｄＨｃとすると、飽和域は、成分の各種類に対して次のように決定される：区域ＡおよびＢは、測定に望まれる正確さによって、以下のように決定される。

高測定ポイント（区域Ｂ）は、測定された抵抗が以下の範囲にあるように磁場に対応する：Ｒ_max−（Ｒ_max−Ｒ_min）／（Ｒ_min＋Ｒ_max）×ｕ から Ｒ_max
低測定ポイント（区域Ａ）は、測定された抵抗が以下の範囲にあるように磁場に対応する：Ｒ_min から Ｒ_min＋（Ｒ_max−Ｒ_min）／（Ｒ_min＋Ｒ_max）×ｕ

ｕの値は望ましい正確さを与える。ｕがおよそ０．０１に等しいときに測定の正確さは１％となる。

区域Ａと区域Ｃとの間、あるいは、区域Ｂと区域Ｃとの間の差は、作動域に極大の磁場を印加したときに重複を避けるために十分でなければならない。これは、区域Ａと区域Ｃとの間、あるいは、区域Ｂと区域Ｃとの間の磁場の差が、ｄＨｃ／２以上であることを意味している。

変動の効果を補償するための抵抗への補正値Ｒ_corは、以下の式により得られる：

ここで、Ｒ_{ref max}およびＲ_{ref min}は、センサーを較正するために選択された規定の温度において得られた値である。

外部磁場の値は、Ｒ_corから、一般的な式により決定することができる。

図３は、本発明を実施する装置の第１の実施態様である。

棒状の磁気抵抗センサー５が、その端部に配置された接続子１および２を介して、センサー５の抵抗を測定する装置５０に接続されている。

磁気抵抗センサーは誘導コイル６内に配置されており、誘導コイルの端部３および４は、様々な電流時におけるパルスの供給に適した電流発生器４０に接続されている。電流発生器４０と結びついた誘導コイル６は、コイル６を流れる電流に比例した磁場を、磁気抵抗センサー５に選択的に印加する補助磁場パルスの発生器を構成する。この比例の係数はコイル６の幾何的な特徴に従っており、従来の電磁気学の公式により算出できる。

磁気抵抗センサー５の抵抗を測定するための電流発生器４０および装置５０は、制御処理回路６０に接続され、制御処理回路６０は、メモリ回路７０および出力装置８０と連係可能となっている。

制御処理回路６０は、とりわけ上述したように抵抗の極値Ｒ_minおよびＲ_maxを測定するために、電流発生器４０を選択的に制御する役割を担う。制御処理回路６０は、また、電流発生器４０の駆動時にＲ_minおよびＲ_maxの値を測定し、かつ、電流発生器４０の非駆動時に作動域内の抵抗Ｒを測定するために、抵抗測定装置５０を選択的に制御する役割を担う。

予備的な較正ステップにおいて、規定の温度における磁気抵抗センサー５の磁場の関数としての抵抗曲線プロットを確立し、メモリー７０に記憶させることもできる。センサー５の磁気抵抗の値は、電流発生器４０を用いて、測定範囲内の異なる磁場に対して求めることができる。電流発生器４０は、また、高飽和または低飽和レベルを求める際に、コイル６を介して正または負の磁場パルスを送るのにも用いられる。センサー５における抵抗値曲線を確立する操作の間、電流発生器４０は、単に、誘導コイル６への予め定められた電流値を供給する役割を担っている。

予備的な較正ステップは、センサー５の経時変化を考慮するために、その後、定期的に繰り返すことができる。

適切である場合には、磁気抵抗センサー５は、測定方法の本質を変化させることがないように、半ブリッジあるいは全ブリッジで接続された複数の素子により構築されていてもよい。

図４に、集積型に形成され、略Ｃ字状の形状を有する磁気抵抗センサー３２を含む別の実施態様を示す。導電トラック３１は電流を供給する役割を担い、導電トラック３４は電圧を測定して、図３に示す装置５０のような抵抗測定装置により、磁気抵抗センサー３２の抵抗を測定する役割を担う。

金属線３３、例えばＴｉ／Ａｕあるいは銅からなる、は、磁気抵抗素子３２上に、中間絶縁層（図４には示さず）を狭持するように配置された電流シートを構成している。図４に示す電流シート３３は、センサー３２の基板３５にそれ自体一体化されている。そうでない場合には、電流シート３３は、センサー３２から独立して、単にセンサー３２の近傍に配置されていてもよい。電流シート３３は、図３の発生器４０のような電流発生器に接続されている。また、図３の素子６０、７０および８０は、図示はしていないが、図４の実施態様においても含まれる。

図４の実施態様では、図３に示す実施態様についても同様であるが、電流シート３３を用いて電流発生器６０によりセンサー３２上に発生させた磁場は、上記電流シート３３を流れる電流Ｉに比例する。

磁気抵抗センサー３２と電流シート３３との間の距離がｄで示されるとき、生じる磁場は、αＩ／２ｄで与えられる。αは、統合の程度であり、電流線の積算により算出される。

従って、距離ｄを１００ナノメーター（ｎｍ）とし、センサーの幅ｗを５マイクロメーター（μｍ）とした場合、磁気抵抗の飽和に必要とされる５ミリテスラ（ｍＴ）を発生させるためには、５０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を流すことが必要である。電流シート３の厚さは二次的な効果を有する。当該厚さは５０ｎｍから数マイクロメーターの範囲としてもよい。

上述した導電シート３３には電流が供給される。導電シート３３は、当該シートと磁気抵抗センサー３２との間に置かれる絶縁性材料の中間層とともに一体化されて、磁気抵抗センサー３２の上または下に配置される。別の実施態様では、電流が供給された導電シート３３は、基板３５における磁気抵抗センサー３２が配置された面とは反対側の面上に位置していてもよい。

図５に、Ｒ_{ref max}およびＲ_{ref min}の値を決定できる較正ステップの概要を示す。これらの値は、同じではあるが必ずしも判別しているとは限らない温度に対応している。また、これらの値は、変動の効果が除かれた補正抵抗値Ｒ_corを算出するための上記式（Ｉ）に用いられる。

ステップ１０１は、電流発生器４０からコイル６（図３）または電流シート３３（図４）へ、正の電流パルスを送ることに対応している。

ステップ１０２は、正の電流パルスが印加される間に、装置５０によりＲ_{ref max}の値を測定することに対応している。

ステップ１０３は、続いて、電流発生器４０からコイル６（図３）または電流シート３３（図４）へ、負の電流パルスを送ることに対応している。

ステップ１０４は、負の電流パルスが印加される間に、装置５０によりＲ_{ref min}の値を測定することに対応している。

図６に、外部磁場の値を決定するための本発明の測定方法における主ステップの概要を示す。この主ステップでは、最初に、磁気抵抗センサーを含む空間を飽和させる補助磁場パルスを印加する。次に、補助磁場パルスをゼロに戻し、磁気抵抗センサーの抵抗値を測定して外部磁場の値を決定する。

図６に示す方法では、較正表との比較は行われない。

ステップ２０１では、磁気抵抗センサーをその最大抵抗値に飽和させるために、補助磁場パルスを発生させる部材（コイル６または電流シート３３）に、電流発生器４０により、正の電流パルスが印加される。

ステップ２０２では、センサーの高飽和時の最大抵抗（Ｒ_max）を、抵抗測定装置５０により測定する。

ステップ２０３では、磁気抵抗センサーをその最小抵抗値に飽和させるために、補助磁場パルスを発生させる部材（コイル６または電流シート３３）に、電流発生器４０により、負の電流パルスが印加される。

ステップ２０４では、センサーの低飽和時の最小抵抗（Ｒ_min）を、抵抗測定装置５０により測定する。

ステップ２０５は、許容値との比較を行うステップである。

本発明の方法は、測定される磁場が磁気抵抗センサーの作動域内にある範囲で、行われるべきである。

印加された外部磁場が磁気抵抗を飽和させるほど十分に強い場合、磁場パルスによるＲ_minおよびＲ_maxの測定はもはや不可能となる。これが、本発明の方法に、測定が有効か否かを検証するステップ２０５を組み込むことが必要な理由である。

この検証を実行する一つの方法は、例えば、比（Ｒ_max−Ｒ_min）／（Ｒ_max＋Ｒ_min）に最小値を設定することである。

これとは別に、磁気抵抗の温度範囲についての既知の知識から、Ｒ_minおよびＲ_maxの許容範囲を設定することも可能である。

これらの検証によって、磁気抵抗が適切に発現したか、と、全システムの中でうまく機能しないその他の部分によって、あるいは補助磁場の望まない印加によって発生したような強い磁場が存在しないかどうか、とを裏付けることが可能となる。

テスト２０５によって、Ｒ_maxおよびＲ_minについて決定された値が許容される値ではないと示された場合、本方法は、不正または誤りであることを検出するステップ２０８に移動し、新しくＲ_minおよびＲ_maxを決定することを試みるために、入力のステップ２０１に戻る。

数回、典型的には３回、の試行の後、テスト２０５により、Ｒ_maxおよびＲ_minの値が未だ許容値に対応していないとされた場合、不正検知ステップ２０８が、ステップ２０９における警告を発する。

テスト２０５によって、Ｒ_maxおよびＲ_minについて決定された値が許容される値であると示された場合、本発明の方法はステップ２０６となる。ステップ２０６では、電流発生器４０を非駆動とし、素子に補助磁場を発生させるための電流を供給しない状態で、抵抗の実効値Ｒ_effを測定装置５０により測定する。

ステップ２０７は、予め測定した値Ｒの標準化に対応している。このステップ２０７の間に、値Ｒ_corが、変動の効果を補正した抵抗を与えるために計算される。そして、外部磁場の値が、この値Ｒ_corに基づいて決定される。

本発明の測定装置を、２つの測定点のみにより較正することができる。磁気抵抗センサーを内蔵する本発明の装置が最初に駆動されるとき、このような較正が行われる。

そうでない場合、補助磁場の発生装置の存在（電流発生器４０ならびにコイル６または電流シート３０）により、もし望むのであれば、較正表を作ることによって、センサーの精度良い予備較正の実行が可能となる。この操作は、外部磁場の存在しない状態でなされなければならず、補助磁場のみがこの較正操作に用いられる。

電流発生器４０は、その後、磁場の傾斜をもたらすための、電流の傾斜を発生させるために用いられる。そして、各電流値について、磁気抵抗センサーの抵抗が測定装置５０により測定され、表が作成される。これにより、磁場の関数としての磁気抵抗の応答曲線が得られる。

外部磁場を測定している間、磁場の関数としての抵抗Ｒの値に関する表にされた曲線は、温度変動に起因するアフィン補正の後に、リファレンスとなる。用語「アフィン補正」は、抵抗Ｒの実効値が、温度に依存する感度の係数により重み付けされ、平均抵抗値の変化に対応する量により相殺されることを意味している。

この予備較正ステップは自動的に、定期的に行うことができ、これによりＧＭＲの経時変化が補償される。

およそ環境温度における使用では、月に一度程度の周期で行うことで対応できる。センサーが、１４０℃を超える高温サイクルにさらされる場合、より短い周期で行うことを考える必要がある。

予備較正ステップでは、特に、磁気抵抗の応答における非直線性が補正される。

図７に、較正表を決定するプロセスの概要を示す。

ステップ３０１では、最大の負電流が、電流発生器４０により印加される。

ステップ３０２では、磁気抵抗センサーの抵抗Ｒの値が、測定デバイス４０により、このような条件で測定される。その後、ステップ３０３において、測定された抵抗値が印加電流の大きさの関数として記憶される。

ステップ３０４では、電流発生器４０を介して、電流の増加分が印加される。

テスト３０５により、電流の増加分が、最大の正電流と等しいかどうかが決定される。もし等しくない場合は、プロセスはステップ３０２に戻り、抵抗値Ｒが再測定される。さもなくば、テスト３０５の応答が肯定的である場合、プロセスはステップ３０６となり、較正表は終了する。

図８は、図６に示す方法と基本的に同様の方法を用いた本発明に基づき、外部磁場の値を決定することに対応するフローチャートである。この方法でも、また、上述したようにセットアップした較正表との比較を実施している。

図８のフローチャートにおけるステップ４０１から４０６、ならびに、４０８および４０９は、それぞれ、図６のフローチャートにおけるステップ２０１から２０６、ならびに、２０８および２０９と類似であり、これらのステップについて再び説明しない。

これに対して、図８では、抵抗値Ｒが補助磁場の存在しない状態で測定されるステップ４０６の後に、ステップ４０７として、上記式（Ｉ）を適用して補正値Ｒ_corを決定するために抵抗値Ｒの標準化が行われる。その後、Ｒ_corの値と、予備較正された表に記録された値との比較が、ステップ４１０において、測定された外部磁場を決定するために行われる。

図９に、本発明の測定方法の別の形態を示す。この方法では、極値の測定による較正方法が、印加された磁場の測定と、負のフィードバックにより連係している。

図９のフローチャートにおけるステップ５０１から５０５、ならびに、５０８および５０９は、それぞれ、図６のフローチャートにおけるステップ２０１から２０５、ならびに、２０８および２０９と同様であり、これらのステップについて再び説明しない。

図９に示す方法では、センサーの抵抗の極値Ｒ_maxおよびＲ_minが、正の磁場パルスおよび負の磁場パルスを用いて測定されるとともに、テスト５０５により許容できるとされた場合、当該方法は実効抵抗値を測定するステップ５０６に移動する。実効値は、ステップ５１０において、所定の中間参照値、例えばＲ_ref＝（Ｒ_min＋Ｒ_max）／２、におけるＲ_refと比較される。

次に、ステップ５０７において、測定した抵抗Ｒを上記所定の中間値Ｒ_refにもっていくために、名目上の補償電流が、補助磁場の印加の形で、電流発生器４０により素子（コイル６または電流シート３３）に印加される。

ステップ５０６は、ステップ５１０において、測定値と所定の中間値との差が望ましい測定誤差を下回るまで、繰り返される。ステップ５１０の結果として続くステップ５１１は、測定対象の磁場の値の決定に対応している。

図９に示す形態では、消費電力が大きく、応答時間も長くなる。しかし、温度ドリフトに対して卓越した補償を行うことができる。

図１０に、ヒステリシスを示す磁気抵抗に対する本発明の方法の応用を示す。

最初のステップ６０１では、補助磁場パルスが電流発生器４０によって印加される。当該パルスは、例えば、正のパルスであるが、負のパルスであってもよい。

ステップ６０２は、電流発生器４０によって供給された電流を元に戻すことに対応している。

ステップ６０３は、測定装置５０によって磁気抵抗センサーの抵抗値Ｒを測定することに対応している。

ステップ６０１の間に印加される予備的な磁場パルスによって、外部磁場を測定するステップ６０３を進める前に、磁気抵抗の磁気的な履歴が定められる。

図１は、一例として、ＧＭＲ型磁気抵抗センサーを構成する素子を示す断面図である。 図２は、一例として、図１に示すセンサーのようなＧＭＲ型センサーとして典型的な応答曲線を示す図である。 図３は、本発明に基づき磁場の値を測定する測定装置の第１のとりうる実施形態（誘導コイルを利用）を示す図である。 図４は、本発明に基づき磁場の値を測定する測定装置の第２のとりうる実施形態（集積磁気抵抗センサーを利用）を示す図である。 図５は、本発明の方法に照らして実施できる較正プロセスの一例を示すフローチャートである。 図６は、較正表を利用しない本発明の実施形態において、外部磁場の値を決定できる測定ダイアグラムの一例を示すフローチャートである。 図７は、本発明の方法の具体的な実施形態に照らして、較正表を決定できる方法を示すフローチャートである。 図８は、較正表を利用する本発明の具体的な実施形態に基づき外部磁場の値を決定できる測定ダイアグラムの一例を示すフローチャートである。 図９は、負のフィードバックを用いた、本発明の方法の実施形態の別の一例を示すフローチャートである。 図１０は、用いた磁気抵抗センサーの履歴を考慮する必要がない、本発明の方法により実施されるステップを示すフローチャートである。

Claims (17)

1. 磁気抵抗センサーを用いた外部磁場の値の測定方法であって、以下の第１および第２のステップを含むことを特徴とする方法。
   前記外部磁場の各測定に先立って、前記磁気抵抗センサーを含む空間に少なくとも１つの補助磁場パルスを、その場で印加するステップであって、正の極性および前記センサーを飽和させるのに十分な大きさを有する第１の値を示す第１の補助磁場パルスを印加し、高飽和時の前記センサーの抵抗の最大値（Ｒ_max）を測定する第１のサブステップと、負の極性および前記センサーを飽和させるのに十分な大きさを有する第２の値を示す第２の補助磁場パルスを印加し、低飽和時の前記センサーの抵抗の最小値（Ｒ_min）を測定する第２のサブステップと、を、それ自体で含む第１のステップ、
   および、
   前記センサーを飽和しない前記補助磁場の所定値が印加され、前記磁気抵抗センサーの実効抵抗（Ｒ_eff）が測定されるとともに、
   前記外部磁場の値が決定される補正抵抗値（Ｒ_cor）を決めるために、前記実効抵抗（Ｒ_eff）の測定が、既に測定された高飽和および低飽和時の最大値および最小値（Ｒ_max、Ｒ_min）により自動的に較正され、
   前記所定値がゼロに等しく、
   前記補正抵抗値（Ｒ _cor ）が、以下の式より得られる、第２のステップ。
   

   

   ここで、Ｒ _{ref max} およびＲ _{ref min} は、それぞれ、前記センサーを較正するために選択された規定の温度における高飽和時の最大参照抵抗、および、前記較正温度における低飽和時の最小参照抵抗である。
2. 前記第１のサブステップが、前記第２のサブステップよりも時系列的に先んじて行われる請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のサブステップが、前記第１のサブステップよりも時系列的に先んじて行われる請求項１に記載の方法。
4. 前記補助磁場パルスが、前記磁気抵抗センサー（５）の近傍に位置する誘導コイル（６）によりつくられる請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記補助磁場パルスが、電流（６）が供給され、前記磁気抵抗センサー（３２）の近傍に位置する導電シートによりつくられる請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
6. 前記外部磁場は、
   前記磁気抵抗センサーの抵抗Ｒが、前記第１のステップの間に決定された前記磁気抵抗センサーの前記抵抗値の極値Ｒ_minとＲ_maxとの間の中間の所定の値となるように、前記第２のステップの間に補助磁場を印加する負のフィードバックにより、測定される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
7. 前記第１のステップの間に決定された前記磁気抵抗センサーの低飽和時の最小抵抗Ｒ_minおよび高飽和時の最大抵抗Ｒ_maxと、所定の許容値とを比較するステップと、
   当該所定の許容値との不一致が検出された際に警告を発するステップと、をさらに含む請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記磁気抵抗センサー（５；３２）が、以下の種類から選ばれる少なくとも１種の磁気抵抗を含む請求項１〜７のいずれかに記載の方法：異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）；巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）；トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）；および超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）。
9. 磁気抵抗センサーにより磁場を測定する装置であって、
   少なくとも１つの磁気抵抗センサー（１０；５；３２）と、
   当該磁気抵抗センサーの抵抗を測定する測定手段（５０）と、
   前記磁気抵抗センサー（１０；５；３２）を含む空間に補助磁場を発生させる発生手段（４０，６；３３）と、
   第一に、正または負の第１の極性と前記磁気抵抗センサー（１０；５；３２）を飽和させるのに十分な大きさとを有する第１の値を示す第１の補助磁場パルスを印加するように当該発生手段（４０，６）を選択的に制御し、第二に、当該測定手段（５０）により、前記磁気抵抗センサー（１０；５；３２）の抵抗値の測定を選択的に制御する制御手段（６０）と、を含み、
   前記外部磁場の各測定に先んじて、その場で用いられる処理装置であって、正の極性を有し前記センサー（１０；５；３２）を飽和させるのに十分な大きさを有する第１の値を示す第１の補助磁場パルスを印加する発生手段、および、前記センサー（１０；５；３２）の抵抗の高飽和時の最大値Ｒ _max を測定する測定手段と、負の極性を有し前記センサーを飽和させるのに十分な大きさを有した第２の値を示す第２の補助磁場パルスを印加する発生手段、および、前記センサー（１０；５；３２）の抵抗の低飽和時の最小値Ｒ _min を測定する測定手段と、を含む第１の処理装置と、
   前記センサー（１０；５；３２）を飽和させない前記補助磁場の所定値を印加する手段、前記磁気抵抗センサー（１０；５；３２）の実効抵抗Ｒ _eff を測定する測定手段、および、前記外部磁場の値が決定される補正抵抗Ｒ _cor を決めるために、測定した実効抵抗Ｒ _eff を、予め測定した高飽和最大値Ｒ _max と低飽和最小値Ｒ _min とにより自動的に較正する較正手段を含む、処理装置と、をさらに含み、
   前記較正手段において、前記補正抵抗Ｒ _cor が以下の式より得られることを特徴とする装置。
   

   

   ここで、Ｒ _{ref max} およびＲ _{ref min} は、それぞれ、前記センサーを較正するために選択された規定の温度における高飽和時の最大参照抵抗、および、前記較正温度における低飽和時の最小参照抵抗である。
10. 前記磁気抵抗センサー（１０；５；３２）の抵抗の較正値を記憶する記憶手段（７０）をさらに含む請求項９に記載の装置。
11. 前記磁気抵抗センサー（５；３２）が、以下の種類から選ばれる少なくとも１種の磁気抵抗を含む請求項９または１０に記載の装置：異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）；巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）；トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）；および超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）。
12. 補助磁場を発生させる前記発生手段が、前記磁気抵抗センサー（５）の近傍に位置する誘導コイル（６）を含む請求項９〜１１のいずれかに記載の装置。
13. 補助磁場を発生させる前記発生手段が、電流（３３）が供給され、前記磁気抵抗センサー（３２）の近傍に位置する導電シートを含む請求項９〜１１のいずれかに記載の装置。
14. 前記電流が供給される導電シート（３３）が、絶縁性材料の中間層を間に置いて一体化する処理により、前記磁気抵抗センサー（３２）の上または下に配置されている請求項１３に記載の装置。
15. 前記電流が供給される導電シート（３３）が、基板（３５）における、前記磁気抵抗センサー（３２）が配置された面とは反対側の面に位置する請求項１３に記載の装置。
16. 前記発生手段（６，３３）が補助磁場パルスを印加する間に測定された抵抗値が許容できるかを検証する手段と、
    許容性を検証する当該手段に応じる警告手段（８０）と、をさらに含む請求項９〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記磁気抵抗センサー（５；３２）の抵抗を測定する測定手段（５０）が、測定した前記磁気抵抗センサー（５；３２）の抵抗を、前記補助磁場を発生させる前記手段（４０）が駆動しているときに測定された前記磁気抵抗センサー（５；３２）の磁気抵抗の極値（Ｒ_min、Ｒ_max）の間にある参照値（Ｒ_ref）にもってくるのに必要な電流を測定する手段を含み、
    前記参照値（Ｒ_ref）は、前記極値（Ｒ_min、Ｒ_max）の一次結合である請求項９〜１６のいずれかに記載の装置。

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