JP5066581B2 - 磁気センサ及び磁気センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えば地磁気センサとして使用される磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。磁気抵抗効果素子は感度軸方向からの磁場の強さに対して電気抵抗値が変動する。

地磁気センサでは、２軸または３軸に分解して磁気を検知する必要があるため、それぞれの軸の磁場の強さを検知する磁気センサは、他の軸に対しては感度を持たないようにする必要がある。また、磁場の強さを正確に検知するため、磁界強度に対してリニアな出力を持つセンサが求められる。

一方、携帯機器内には地磁気よりも強い磁場を発生する部材、例えばスピーカーなどが搭載されていることが多く、また機器の開閉や、メモリーカードの挿抜などによって機器内の磁場は変動することも多い。そのため、様々な方向から例えば携帯機器内で生じた数Ｏｅ程度の漏洩磁場がかかっても、正確に地磁気を測定できるように制御することが必要である。

下記の特許文献１に記載された発明では、複数の帯状の磁気抵抗効果膜を互いに平行に配置し、各磁気抵抗効果素子の端部間を永久磁石膜で接続して、つづら折り形状とした磁気センサが開示されている。

しかしながら特許文献１には、上記した地磁気センサに対する従来の課題についての認識がなく当然にそれを解決する手段は示されていない。
特開２００５−１８３６１４号公報

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に感度軸に対して直交する方向への磁気シールド効果を向上できるとともに、感度軸方向に対して安定した磁気感度を得ることが可能な磁気センサ及び磁気センサモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子幅方向に向けられた素子部を備え、
前記素子部と、前記素子幅方向に直交する素子長さ方向に中間永久磁石層とが設けられており、前記素子部と前記中間永久磁石層とで素子連結体が構成され、前記素子連結体は素子幅に比べて素子長さが長く形成されており、
軟磁性体が前記素子連結体と非接触にて配置され、
前記軟磁性体の前記素子長さ方向と同方向への長さ寸法は、前記素子連結体の素子長さより長く、前記軟磁性体は、前記素子連結体の素子長さ方向の両側から前記素子連結体の長さ方向に延出する延出部を備えていることを特徴とするものである。

上記の構成により、感度軸に対して直交する方向への磁気シールド効果を向上できるとともに、感度軸方向に対して安定した磁気感度を得ることが出来る。

本発明では、前記素子連結体中の素子部、外側永久磁石層、及び前記中間永久磁石層がすべて電気的に接続されており、素子連結体が複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部連結体の両側に設けられた外側永久磁石層間が非磁性接続層により電気的に接続されたミアンダ形状で形成されており、
各素子連結体の素子幅方向の両側方、真上、あるいは真下のいずれかに前記軟磁性体が前記各素子部と非接触で形成されていることが好ましい。ミアンダ形状とすることで素子抵抗を大きくでき消費電力の低減を図ることができる。また各素子部ごとに軟磁性体を配置したことで、感度軸に対して直交する方向への磁気シールド効果をより適切に向上できる。

また、前記非磁性接続層が、上記軟磁性体と絶縁膜を挟んで交差する交差部を有していることが好ましい。平面的に小さくでき、配線長による寄生抵抗を低減できる。

また本発明では、前記中間永久磁性層の素子長さ方向の長さよりも外側永久磁性層の素子長さ方向の長さが長く形成されていることが好ましい。外側永久磁石層を中間永久磁石層よりも長く形成することで、中央付近より外側のバイアス磁界が弱くなることを防ぐことができる。

また本発明では、前記中間永久磁性層および、外側永久磁性層の幅が前記素子幅より広く形成されていることが好ましい。これにより永久磁性層パターンの角部近傍でバイアス磁界が極端に強くなっている部分を素子部に直接影響を及ぼさないようにできる。

また本発明では、前記中間永久磁石層が、前記素子部の膜厚方向に形成された凹部に設けられていることが好ましい。

また本発明では、前記外側永久磁性層が、前記素子部の膜厚方向に形成された凹部を介して電気的に接続されていることが好ましい。

また本発明では、前記中間永久磁石層の上面及び前記外側永久磁石層の上面には永久磁石層より抵抗値が小さい非磁性低抵抗層が重ねて形成されていることが好ましい。これにより素子抵抗以外の寄生抵抗分を小さくできる。

なお、本発明では、各中間永久磁石層、外側永久磁石層は素子部対して絶縁膜を介して形成されても、直接電気的に接合する形で形成されてもよいが、作成プロセスの簡便性、バイアス磁界印加特性から直接素子部に対して電気的に接合する形で形成することが好ましい。

本発明における磁気センサモジュールは、上記のいずれかに記載の磁気センサを複数有し、少なくとも前記複数の磁気センサのうち一組の磁気抵抗効果素子の感度軸が直交するように各磁気抵抗効果素子が配置されていることを特徴とするものである。例えば、本発明の磁気センサモジュールは地磁気センサとして使用できる。

本発明の磁気センサによれば、感度軸と直交する方向への磁気シールド効果を向上できるとともに、感度軸方向からの磁場に対して安定した磁気感度を得ることが可能である。

図１（ａ）は第１実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分断面図、図２は第２実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図３は、図２に示すＤ−Ｄ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、図４は好ましい磁気抵抗効果素子の形態の特に素子部の部分を示す部分拡大平面図、図５は、磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向及びフリー磁性層の磁化方向と、電気抵抗値との関係を説明するための図、図６は、磁気抵抗効果素子を膜厚方向から切断した際の切断面を示す断面図、図７は、本実施形態の磁気センサの回路図、である。

本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサ１を用いた磁気センサモジュールは例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして使用される。

前記地磁気センサ１は、図７に示すように、磁気抵抗効果素子２，３と固定抵抗素子４，５とがブリッジ接続されてなるセンサ部６と、前記センサ部６と電気接続された入力端子７、グランド端子８、差動増幅器９及び外部出力端子１０等を備えた集積回路（ＩＣ）１１とで構成される。

図１に示すように、素子部１２と中間永久磁石層６０とで図示Ｘ方向に帯状に延びる素子連結体６１が構成される。図１に示すように素子連結体６１の素子長さＬ１は、素子幅Ｗ１に比べて長く形成されている。素子連結体６１の図示Ｘ方向の両側には外側永久磁石層６５が設けられる。

前記素子連結体６１は、素子幅方向（Ｙ方向）に間隔を空けて複数本並設され、各素子連結体６１の両端部に設けられた外側永久磁石層６５間が電極層６２にて接続されてミアンダ形状の磁気抵抗効果素子２，３が構成されている。

ミアンダ形状に形成された両端にある素子連結体６１の一方には入力端子７、グランド端子８、出力取出し部１４（図７参照）に接続される電極層６２が接続されている。前記電極層６２は永久磁石層６０，６５よりも低抵抗であり、Ａｌ、Ｔａ、Ａｕ等の非磁性導電材料で形成される。

前記磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子部１２は、全て図６に示す同じ積層構造で構成される。なお図６は、素子幅Ｗ１と平行な方向から膜厚方向に切断した切断面を示している。

前記素子部１２は、例えば下から反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、およびフリー磁性層３６の順に積層されて成膜され、フリー磁性層３６の表面が保護層３７で覆われている。前記素子部１２は例えばスパッタにて形成される。

反強磁性層３３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層３４はＣｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性層３５はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層３６は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層３７はＴａ（タンタル）などである。上記構成では非磁性層３５がＣｕ等の非磁性導電材料で形成された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であるが、Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁材料で形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）であってもよい。また図６に示す素子部１２の積層構成は一例であって他の積層構成であってもよい。例えば、下からフリー磁性層３６、非磁性層３５、固定磁性層３４、反強磁性層３３及び保護層３７の順に積層されてもよい。

素子部１２では、反強磁性層３３と固定磁性層３４との反強磁性結合により、固定磁性層３４の磁化方向が固定されている。図１及び図６に示すように、前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子幅方向（Ｙ方向）に向いている。すなわち固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子連結体６１の長手方向に対して直交している。

一方、前記フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）は、外部磁場により変動する。なお、永久磁石層６０，６５から素子部１２には図示Ｘ方向からバイアス磁界が作用している。よって素子部１２を構成するフリー磁性層３６の磁化は無磁場状態では図示Ｘ方向に向けられている。

図５に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と同一方向から外部磁場Ｙ１が作用して前記フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が前記外部磁場Ｙ１方向に向くと、前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）とが平行に近づき電気抵抗値が低下する。

一方、図５に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と反対方向から外部磁場Ｙ２が作用して前記フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が前記外部磁場Ｙ２方向に向くと、前記固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）とが反平行に近づき電気抵抗値が増大する。

図１（ｂ）に示すように前記磁気抵抗効果素子２，３は基板１６上に形成される。前記磁気抵抗効果素子２，３上はＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の絶縁層１７に覆われる。また前記磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子連結体６１間も前記絶縁層１７で埋められる。前記絶縁層１７は例えばスパッタにて形成される。

図１（ｂ）のように前記絶縁層１７の上面は、例えばＣＭＰ技術を用いて平坦面に形成されている。ただし、前記絶縁層１７の上面は、前記素子連結体６１と前記基板１６間の段差に倣って、凹凸面で形成されていてもよい。

図１に示すように、磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子連結体６１の間、及び最も外側に位置する素子連結体６１の外側に軟磁性体１８が設けられている。前記軟磁性体１８は例えばスパッタやメッキにて薄膜形成される。前記軟磁性体１８は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。前記軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は前記素子連結体６１の素子長さＬ１よりも長く、図１（ａ）に示すように、軟磁性体１８は、前記素子連結体６１の長手方向（Ｘ方向）の両側から前記長手方向に延出する延出部１８ａを備える。

図１（ｂ）に示すように、前記軟磁性体１８は、前記素子部１２間にある絶縁層１７上に形成される。また図示しないが前記軟磁性体１８上及び前記軟磁性体１８間は絶縁性の保護層にて覆われている。

各寸法について説明する。
前記磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２の素子幅Ｗ１は、２〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また前記素子部１２の素子長さＬ５は、１〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、前記素子部１２の膜厚Ｔ２は、２００〜４００Åの範囲内である（図１（ｂ）参照）。前記素子部１２のアスペクト比（素子長さＬ５／素子幅Ｗ１）は、０．１〜４である。

前記中間永久磁石層６０の長さ寸法Ｌ３は、０．５〜５μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また前記中間永久磁石層１３の幅寸法Ｗ３は、３〜１２μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。Ｗ３はＷ１より広いことが好ましい。前記中間永久磁石層１３の膜厚は、１５０〜１０００Åの範囲内である。

前記外側永久磁石層６５の長さ寸法Ｌ４は、５〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、前記外側永久磁石層１５の膜厚は、前記中間永久磁石層１３の膜厚と等しいことが好ましい。

各素子連結体６１間の素子幅方向への間隔Ｔ５は、２〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。

また前記素子連結体６１の長さ寸法Ｌ１は、５０〜２００μｍの範囲内である。
また前記軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２は、この実施形態では、地磁気センサとして使用する場合、１〜６μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また前記軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は、８０〜２００μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、前記軟磁性体１８の膜厚Ｔ３は、０．２〜１μｍの範囲内である（図１（ｂ）参照）。前記軟磁性体１８の延出部１８ａの長さ寸法Ｔ８は、１０μｍ以上である（図１（ａ）参照）。

図１の実施形態における各軟磁性体１８間の距離（Ｙ方向への距離）Ｔ１は、軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２以上で２〜８μｍである（図１（ｂ）参照）。また、前記素子部１２と隣接した位置にある軟磁性体１８とのＹ方向への距離Ｔ４は、０＜Ｔ４＜３μｍである（図１（ｂ）参照）。また、前記軟磁性体１８と素子部１２間の高さ方向（Ｚ方向）への距離Ｔ５は、０．１〜１μｍである（図１（ｂ）参照）。

図１に示す磁気センサ１は、図示Ｙ方向（素子幅方向）と平行な方向からの地磁気を検知するためのものである。よって図示Ｙ方向が感度軸方向であり、図示Ｙ方向に直交するＸ方向（素子長さ方向）が素子連結体６１の長手方向である。固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は感度軸方向である図示Ｙ方向に向けられている。

本実施形態では、前記素子部１２と非接触の軟磁性体１８を設けている。前記軟磁性体１８は、素子連結体６１と同様に、素子長さ方向（図示Ｘ方向）に細長い形状である。なお軟磁性体１８の透磁率は素子部１２の透磁率よりも大きい。

さらに本実施形態における前記軟磁性体１８は、前記磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子連結体６１の素子長さ方向（Ｘ方向）の両側から前記素子長さ方向に延出する延出部１８ａを備える。

さらに本実施形態では、素子部１２と中間永久磁石層６０とで素子連結体６１を構成している。

ここで、図１（ａ）に示す中間永久磁石層６０及び外側永久磁石層６５が無く、中間永久磁石層６０及び外側永久磁石層の部分も素子部１２で形成された構造を比較例１とする。ただし比較例１は軟磁性体１８を有している。

また図１（ａ）に示す構造から軟磁性体１８を除去した構造を比較例２とする。ただし比較例２は、永久磁石層６０，６５を有している。

図９（ａ）は、上記した比較例１の構造における感度軸方向からの磁場（以下、感度磁場という）の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、図９（ｂ）は、上記した比較例１の構造における感度軸方向に対して直交方向からの磁場（以下、直交磁場と言う）の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフである。

ここで、微小な磁場（例えば地磁気など）を携帯機器（例えば携帯電話など）で感知する場合、実際には検知する磁場よりも携帯機器内部で発生する外乱磁場の方が大きく、値も一定では無い為、感度方向の抵抗変化は「実際に検知する磁場＋携帯機器内で発生する磁場」分の広範囲な直線性及び、感度直交方向からの磁場が加わったときにその線形性が崩れないことが要求される。また、感度直交方向の抵抗変化は「実際に検知する磁場＋携帯機器内で発生する磁場」の範囲内では抵抗変化が発生しないことが要求される。以降、「実際に検知する磁場＋携帯機器内で発生する磁場」の磁場領域を“感度領域”と定義する。

比較例１は軟磁性体１８を有するので直交磁場に対する磁気シールド効果が発揮される。このため、直交磁場を作用させない状態、直交磁場を第１方向から作用させた状態、及び直交磁場を第１方向とは逆方向の第２方向から作用させた状態の夫々において、感度磁場の強度Ｈを変化させても、図９（ａ）のように感度領域での感度ばらつきは小さいように見える。

しかしながら図９（ｂ）に示すように、感度領域での磁場範囲は、同範囲の直交磁場が作用したときに直交磁場に対して感度変化が大きくなる低磁場である。よって、低磁場内で一定でなく直交磁場が変動作用すると、感度磁場に対する感度ばらつきは大きくなってしまう。

なお比較例１の構造では磁気感度にヒステリシスを持つがヒステリシスについては後記する。

図１０（ａ）は、上記した比較例２の構造における感度軸方向からの磁場（以下、感度磁場という）の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、図１０（ｂ）は、上記した比較例２の構造における感度軸方向に対して直交方向からの磁場（以下、直交磁場と言う）の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフである。

比較例２は、比較例１と違って、軟磁性体１８を有さないので直交磁場に対して磁気シールド効果が無い。すなわち直交磁場は、シールドされず、そのまま素子部に作用する。一方、比較例２では素子部１２が永久磁石層６０，６５と交互に設けられるため、永久磁石層６０，６５により素子部１２の単磁区化が促進されている。しかしながら、比較例２の構造では永久磁石層６０，６５から素子部１２に作用するバイアス磁界の方向と、直交磁場の方向とが同方向であると、素子部１２に作用するバイアス磁界が見かけ上大きくなり、一方、素子部１２に作用するバイアス磁界の方向と、直交磁場の方向とが逆方向であると、素子部１２に作用するバイアス磁界が見かけ上小さくなる。このため、直交磁場が作用していない状態、直交磁場がバイアス磁界と同方向に作用する状態、及び、直交磁場がバイアス磁界と逆方向に作用する状態の夫々について感度磁場の強度Ｈを変化させたときのＭＲ比を調べると、図１０（ａ）に示すように、感度領域での感度ばらつきが非常に大きくなる。

その一方で、直交磁場の強度Ｈを変化させたときのＭＲ比を測定すると、感度変化する略Ｖ字の波形部分は、永久磁石層６０，６５によるバイアス磁界の影響で感度領域と同磁場範囲内からややシフトする。よって、直交磁場が一定でなく感度領域と同等の低磁場範囲で直交磁場成分が変動作用しても、感度磁場に対する感度のばらつきは図１０（ａ）の状態から比較例１ほど大きく変化しないが、直交磁場をシールドできないため、感度変化する波形部分は図９（ｂ）に比べて大きく変化し、このため、感度磁場に対する感度のばらつきを次に説明する実施形態ほど小さくはできない。

図１１（ａ）は、本実施形態の構造における感度軸方向からの磁場（以下、感度磁場という）の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、図１０（ｂ）は、本実施形態の構造における感度軸方向に対して直交方向からの磁場（以下、直交磁場と言う）の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフである。

本実施形態では軟磁性体１８により直交磁場に対して磁気シールド効果がある。また本実施形態における前記軟磁性体１８は、各素子連結体６１の素子長さ方向（Ｘ方向）の両側から前記素子長さ方向に延出する延出部１８ａを備えるため、直交磁場は、より効果的に、軟磁性体１８を通過しやすい。また永久磁石層６０，６５により素子部１２の単磁区化が促進される。したがって、直交磁場が作用していない状態、直交磁場がバイアス磁界と同方向に作用する状態、及び、直交磁場がバイアス磁界と逆方向に作用する状態の夫々について感度磁場の強度Ｈを変化させたときのＭＲ比を調べると、図１１（ａ）に示すように、感度領域での感度ばらつきが非常に小さくなる。

また図１１（ｂ）に示すように、直交磁場に対しては、永久磁石層６０，６５によるバイアス磁界の影響で感度変化する略Ｖ字の波形部分を感度領域と同磁場範囲内からシフトさせることが出来るとともに、波形部分を、軟磁性体１８による磁気シールド効果により小さくできる。よって、感度領域と同磁場範囲内での直交磁場（外乱磁場）が一定でなく変動作用しても、感度磁場に対する感度のばらつきを小さくできる。

以上により永久磁石層６０，６５及び軟磁性体１８を有する本実施形態では、直交磁場に対する磁気シールド効果を向上できるとともに、感度磁場に対する感度ばらつきを小さくでき安定した磁気感度を得ることが出来る。

ところで本実施形態のように、素子部１２と永久磁石層６０，６５とを交互に配列した構成では、素子部１２に永久磁石層６０，６５からのバイアス磁界が作用し、素子部１２のフリー磁性層３６の単磁区化が促進される。したがって図９の比較例１のように永久磁石層６０，６５を設けない形態に比べて磁気感度のヒステリシスの発生を小さくできる。

しかしながら、永久磁石層６０，６５間に挟まれた部分の素子部１２のアスペクト比（素子長さＬ５／素子幅Ｗ１）（図４参照）が大きくなると、永久磁石層６０，６５からのバイアス磁界を素子部１２の全体に適切に供給できず、素子部１２のフリー磁性層３６の単磁区化を適切に促進できない。このため比較例１よりヒステリシスは小さくなるものの、例えば、図１２のように、直交磁場に対して感度変化する波形部分にヒステリシスが生じやすくなる。よって直交磁場に対して感度変化領域が広がりやすくなり、図１２に示すように感度領域と同磁場範囲の直交磁場範囲内にヒステリシスの一部が入り込みやすくなる。よって外乱磁場耐性（磁気シールド効果）が低下しやすくなる。また感度磁場に対してもヒステリシスは生じやすくなり、感度磁場に対する磁場応答性が低下する。したがって、素子部１２の全体に適切にバイアス磁界を供給するために素子部１２のアスペクト比は小さいことが好ましく、３以下が好適であり、１より小さいことがより好ましい。これにより素子部１２に適切にバイアス磁界を供給するための永久磁性層膜厚も薄くすることができる。

図２は図１の変形例である。図２に示す実施形態では、磁気抵抗効果素子２，３は、素子連結体６１の端部間を接続する電極層６２が、Ｙ方向に直線状（帯状）で形成され、前記電極層６２が、絶縁層を介し前記軟磁性体１８の下側を通っている。すなわち、電極層６２と軟磁性体１８とが高さ方向（図示Ｚ方向）にて交差している。素子連結体６１を接続する部分の電極層６２は軟磁性体１８と電気的に絶縁されていれば、下部での形成に限定されず、上部に形成されてもよい。

図１では、電極層６２が平面的に軟磁性体１８を迂回するように形成されていたが、図２では、電極層６２と軟磁性体１８とを高さ方向（図示Ｚ方向）にて交差させているため、磁気抵抗効果素子２，３の図示Ｘ方向への長さ寸法を小さくでき、電極層６２の配線抵抗も低減できる。また電極層６２と軟磁性体１８間の絶縁性（図１（ｂ）に示す絶縁層１７が介在している）が低く、仮にショートしたとしても、センサ特性にさほどの影響は無い。また電極層６２を非磁性の良導体で形成することで、電極層６２を永久磁石層で形成する形態に比べて寄生抵抗を低減できるし、永久磁石層で形成するとバイアス磁界の影響が軟磁性体１８に影響しシールド効果が低下するが、本実施形態では、そのような問題も生じない。

永久磁石層の好ましい形状について説明する。図３の断面図に示すように、各素子部１２を構成する反強磁性層３３、固定磁性層３４及び非磁性層３５は永久磁石層６０，６５の形成位置で分断されておらず一体化している。すなわち、永久磁石層６０，６５の形成位置では、素子部１２を構成する保護層３７及びフリー磁性層３６がイオンミリング等で削られて凹部６３が形成される。よって凹部６３の底面６３ａには非磁性層３５が露出している。なお非磁性層３５の一部まで削られて凹部６３が形成されてもよい。そして、この凹部６３内に永久磁石層６０，６５が設けられている。図３の構成により固定磁性層３４が分断されないため、固定磁性層３４の磁化を図示Ｙ方向に安定化でき、一軸異方性を向上させることができる。また固定磁性層３４及び反強磁性層３３まで分断して各素子部１２間に永久磁石層６０，６５を設けた構成では、永久磁石層６０，６５と素子部１２との電気的コンタクトは各側面となるため寄生抵抗が大きくなりやすいが、本実施形態のように永久磁石層６０，６５と素子部１２との電気的コンタクトが平面接触となることで寄生抵抗を低減させることが出来る。

また図１３に示すように中間永久磁石層６０の上面には、中間永久磁石層６０よりも抵抗値が小さい低抵抗層６４が重ねて形成されている。低抵抗層６４はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性の良導体で形成されることが好適である。低抵抗層６４は、中間永久磁石層６０と同様にスパッタあるいはメッキ等で形成される。図１３に示すように中間永久磁石層６０上に低抵抗層６４を重ねて形成することで、より効果的に、寄生抵抗を低減できる。なお外側永久磁石層６５上には上記したように低抵抗層としての電極層６２が重ねられて形成されており、磁気抵抗変化に寄与しない寄生抵抗成分を効果的に低減できる構成となっている。

図２、図３において素子部１２と中間永久磁石層６０が素子幅と直交方向に直列に接続されその外側に外側永久磁石層６５が形成される場合、素子中央において永久磁性層のバイアス磁界が積算されるため、外側のバイアス磁界が中央付近と比較すると弱くなる。そのため、外側永久磁石層６５の素子直交方向長さを中間永久磁石層６０長さより長くすることが好ましい。また、形成プロセスを分けることで、外側永久磁石層６５の膜厚を中間永久磁石層６０の膜厚より厚くすることでも同様の効果を得ることが出来る。

さらに中間永久磁石層６０および外側永久磁石層６５形成角部近傍では磁界が極端に強くなるため、素子幅Ｗ１よりも永久磁石層幅を広くすることで、磁界強度の最も強い部分を素子部に直接影響しないようにでき、パターン形成の合わせ精度のマージンも上げることが出来る。

磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２は一つだけでもよいが、複数設けてミアンダ形状にすることで、素子抵抗を大きくでき消費電力の低減を図ることができ好適である。

また、磁気抵抗効果素子２，３及び固定抵抗素子４，５は一つずつでもよいが、図７のようにブリッジ回路を構成し、出力取出し部１４から得られた出力を差動増幅器９にて差動出力とすることで、出力値を大きくでき高精度な磁場検知を行うことが出来る。

また、図１，図２では、軟磁性体１８は、素子連結体６１の両側方に設けられていたが、軟磁性体１８は、素子連結体６１の真上、あるいは真下に絶縁層を介して設けられる構造でもよい。

固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）を、同チップ内で変えたり、あるいは、同じ固定磁化方向（Ｐ方向）を備えるチップを２つ用いてフルブリッジの構成とすることも可能である。

本実施形態における磁気センサ１は例えば、図８に示す地磁気センサ（磁気センサモジュール）として使用される。Ｘ軸磁場検知部５０、Ｙ軸磁場検知部５１、Ｚ軸磁場検知部５２では、いずれも図７に示すブリッジ回路のセンサ部が設けられている。Ｘ軸磁場検知部５０では磁気抵抗効果素子２，３の素子部１２の固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が感度軸であるＸ方向を向いており、また、Ｙ軸磁場検知部５１では磁気抵抗効果素子２，３の素子部１２の固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が感度軸であるＹ方向を向いており、さらに、Ｚ軸磁場検知部５２では磁気抵抗効果素子２，３の素子部１２の固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が感度軸であるＺ方向を向いている。

Ｘ軸磁場検知部５０、Ｙ軸磁場検知部５１、Ｚ軸磁場検知部５２、及び集積回路（ＡＳＩＣ）５４はいずれも基台５３上に設けられる。Ｘ軸磁場検知部５０、及びＹ軸磁場検知部５１の磁気抵抗効果素子２，３の形成面はいずれもＸ−Ｙ平面であるが、Ｚ軸磁場検知部５２の磁気抵抗効果素子２，３の形成面はＸ−Ｚ平面であり、Ｚ軸磁場検知部５２の磁気抵抗効果素子２，３の形成面は、Ｘ軸磁場検知部５０、及びＹ軸磁場検知部５１の磁気抵抗効果素子２，３の形成面に対して直交した関係にある。

本実施形態では感度軸方向と直交する方向に対して磁気シールド効果があり、また感度軸方向に対しては適切な感度を備える。したがって、Ｘ軸磁場検知部５０、Ｙ軸磁場検知部５１、及びＺ軸磁場検知部５２のうち２以上の検知部を基台５３上に設けても、各検知部において、感度軸方向と直交方向からの磁場を適切に磁気シールドできるとともに、各検知部の感度軸方向からの地磁気を適切に検知できる。

図８の構成以外に、図８に示す地磁気センサと加速度センサ等を組み合わせたモジュールとすることもできる。

（ａ）は第１実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分断面図、 第２実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、 図２に示すＤ−Ｄ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、 好ましい磁気抵抗効果素子の形態の特に素子部の部分を示す部分拡大平面図、 磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向及びフリー磁性層の磁化方向と、電気抵抗値との関係を説明するための図、 磁気抵抗効果素子を膜厚方向から切断した際の切断面を示す断面図、 本実施形態の磁気センサの回路図、 本実施形態における地磁気センサモジュールの部分斜視図、 （ａ）は、比較例１（図１（ａ）に示す永久磁石層６０、６５が形成されておらず永久磁石層６０、６５の部分も素子部１２で形成された構造。ただし軟磁性体１８は設けられている）の構造における感度軸方向からの磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、（ｂ）は、上記した比較例１の構造における感度軸方向に対して直交方向からの磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、 （ａ）は、比較例２（図１（ａ）に示す軟磁性体１８が設けられていない構造。ただし永久磁石層６０、６５は設けられている）の構造における感度軸方向からの磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、（ｂ）は、上記した比較例２の構造における感度軸方向に対して直交方向からの磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、 （ａ）は、本実施形態（永久磁石層６０、６５及び軟磁性体１８の双方が設けられている）の構造における感度軸方向からの磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、（ｂ）は、上記した本実施形態の構造における感度軸方向に対して直交方向からの磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、 素子部のアスペクト比によりヒステリシスが生じることを説明するための直交磁場の強度Ｈと磁気抵抗効果素子の単位磁場当たりの抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を示すグラフ、

符号の説明

１ 磁気センサ
２、３ 磁気抵抗効果素子
４、５ 固定抵抗素子
６ ブリッジ回路
７ 入力端子
８ グランド端子
９ 差動増幅器
１０ 外部出力端子
１１ 集積回路
１２ 素子部
１４ 出力取出し部
１６ 基板
１７ 絶縁層
１８ 軟磁性体
３３ 反強磁性層
３４ 固定磁性層
３６ フリー磁性層
３７ 保護層
５０ Ｘ軸磁場検知部
５１ Ｙ軸磁場検知部
５２ Ｚ軸磁場検知部
６０ 中間永久磁石層
６５ 外側永久磁石層
６１ 素子連結体
６２ 電極層
６３ 凹部
６４ 低抵抗層
Ｌ１ 素子長さ
Ｌ２ （軟磁性体の）長さ寸法
Ｗ１ 素子幅
Ｗ２ （軟磁性体の）幅寸法

Claims (9)

1. 磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子幅方向に向けられた素子部を備え、
   前記素子部と、前記素子幅方向に直交する素子長さ方向に中間永久磁石層とが設けられており、前記素子部と前記中間永久磁石層とで素子連結体が構成され、前記素子連結体は素子幅に比べて素子長さが長く形成されており、
   軟磁性体が前記素子連結体と非接触にて配置され、
   前記軟磁性体の前記素子長さ方向と同方向への長さ寸法は、前記素子連結体の素子長さより長く、前記軟磁性体は、前記素子連結体の素子長さ方向の両側から前記素子連結体の素子長さ方向に延出する延出部を備えていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記素子連結体中の素子部、外側永久磁石層、及び前記中間永久磁石層がすべて電気的に接続されており、素子連結体が複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部連結体の両側に設けられた外側永久磁石層間が非磁性接続層により電気的に接続されたミアンダ形状で形成されており、
   各素子連結体の素子幅方向の両側方、真上、あるいは真下のいずれかに前記軟磁性体が前記各素子部と非接触で形成されている請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記非磁性接続層が、上記軟磁性体と絶縁膜を挟んで交差する交差部を有している請求項１記載の磁気センサ。
4. 前記中間永久磁性層の素子長さ方向の長さよりも外側永久磁性層の素子長さ方向の長さが長く形成されている請求項１記載の磁気センサ。
5. 前記中間永久磁性層および、外側永久磁性層の幅が前記素子幅より広く形成されている請求項１記載の磁気センサ。
6. 前記中間永久磁石層が、前記素子部の膜厚方向に形成された凹部に設けられている請求項１記載の磁気センサ。
7. 前記外側永久磁性層が、前記素子部の膜厚方向に形成された凹部を介して電気的に接続されている請求項１記載の磁気センサ。
8. 前記中間永久磁石層の上面及び前記外側永久磁石層の上面には永久磁石層より抵抗値が小さい非磁性低抵抗層が重ねて形成されている請求項１記載の磁気センサ。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気センサを複数有し、少なくとも前記複数の磁気センサのうち一組の磁気抵抗効果素子の感度軸が直交するように各磁気抵抗効果素子が配置されていることを特徴とする磁気センサモジュール。

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