JP5149964B2 - 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及び磁気センサモジュールに関する。

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に対して電気抵抗値が変動する。

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、磁気抵抗効果素子に作用する感度軸方向からの磁場の強度（磁束密度）を、効果的に大きくできるような工夫は何らなされていない。
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、軟磁性体から磁気抵抗効果素子に作用する感度軸方向からの磁場の強度（磁束密度）を、効果的に大きくできるようにした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、所定の感度軸を有する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、磁気抵抗効果を発揮する素子部と、軟磁性体とを備え、
前記素子部と前記軟磁性体とが、前記感度軸の方向に前記軟磁性体、前記素子部、前記軟磁性体の順で並ぶように非接触で配置されており、
前記素子部の膜厚中心は、前記軟磁性体の膜厚中心よりも下方に位置しており、
前記軟磁性体の素子部側に向く側面はテーパ面で形成されることを特徴とするものである。

これにより、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度（磁束密度）を効果的に大きくでき、磁気検出精度を向上させることができる。

上記において、前記素子部の下面が前記軟磁性体の下面と同一面上か、あるいは素子部の上面が軟磁性体の下面以下に位置していることが、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度をより効果的に大きくでき好ましい。

あるいは本発明は、所定の感度軸を有する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、磁気抵抗効果を発揮する素子部と、軟磁性体とを備え、
前記素子部と前記軟磁性体とが、前記感度軸の方向に前記軟磁性体、前記素子部、前記軟磁性体の順で並ぶように非接触で配置されており、
前記素子部の膜厚中心は、前記軟磁性体の膜厚中心よりも上方に位置しており、
前記軟磁性体の素子部側に向く側面は逆テーパ面で形成されることを特徴とするものである。

これにより、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度（磁束密度）を効果的に大きくでき、磁気検出精度を向上させることができる。

上記において、前記素子部の下面は、前記軟磁性体の上面以上に位置していることが軟磁性体から素子部に及ぶ感度軸方向からの磁場の強度をより効果的に大きくできて好ましい。

上記の発明において、前記側面の下端部及び上端部のうち、前記素子部に近い側の端部は、鋭角形状で形成されていることが好ましい。これにより、素子部に近い側の端部に効果的に磁束を集中でき、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度をより効果的に大きくできる。

また上記の発明において、前記側面の下端部及び上端部のうち、前記素子部から遠い側の端部は、Ｒ形状で形成されていることが好ましい。これにより素子部から遠い側の端部から外部へ漏れる磁束量を減らし、素子部に近い側の端部に効果的に磁束を集中でき、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度をより効果的に大きくできる。

または本発明は、所定の感度軸を有する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、磁気抵抗効果を発揮する素子部と、軟磁性体とを備え、
前記素子部と前記軟磁性体とが、前記感度軸の方向に前記軟磁性体、前記素子部、前記軟磁性体の順で並ぶように非接触で配置されており、前記素子部と前記軟磁性体とは前記感度軸の方向にて対向しており、
前記軟磁性体の素子部側に向く側面は、下端部から前記素子部と感度軸方向で略対向する中間部まで逆テーパ面で形成され、前記中間部から上端部までテーパ面で形成されることを特徴とするものである。

これにより、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度（磁束密度）を効果的に大きくすることができるので、磁気検出精度を向上させることができる。

上記の発明において、少なくともテーパ面と逆テーパ面と中間部で形成される膜厚方向の断面形状は台形形状であれば良いが、前記中間部は、角形状で形成されていることが好ましい。これにより、中間部に効果的に磁束を集中でき、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度をより効果的に大きくできる。

また上記の発明において、前記側面の上端部及び下端部は、Ｒ形状で形成されていることが好ましい。これにより上端部及び下端部から外部へ漏れる磁束量を減らして、中間部に効果的に磁束を集中でき、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度をより効果的に大きくできる。

本発明では、前記素子部が複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部の端部間が接続されてミアンダ形状で形成されており、
各素子部の両側方に前記軟磁性体が設けられている構造であることが好適である。

また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である。

本発明の磁気センサによれば、軟磁性体から素子部に作用する感度軸方向からの磁場の強度（磁束密度）を大きくでき、磁気検出精度を向上させることができる。

図１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図（（ａ）は部分平面図、（ｂ）は、（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、本実施形態における軟磁性体間に形成される磁場の状態を説明するためのイメージ図、図３は、比較例における軟磁性体間に形成される磁場の状態を説明するためのイメージ図、図４は、本実施形態の好ましい軟磁性体の拡大断面図、図５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部分断面図、図６は、第３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部分拡大断面図、図７は他の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８は、図７に示すＢ−Ｂ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９は、磁気抵抗効果素子（素子部）を構成する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１０は、磁気抵抗効果素子（素子部）を構成する素子部を膜厚方向から切断した際の切断面を示す部分断面図、図１１は本実施形態の磁気センサの回路構成図、図１２は図８と同じ位置での断面を示し、図８と異なる形状の部分拡大断面図、図１３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１４は本実施形態における地磁気センサ（磁気センサモジュール）の斜視図、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。

地磁気センサ１は、図１１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、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。

磁気抵抗効果素子２，３は、図１（ａ）に示すように、素子幅Ｗ１に比べて素子長さＬ１が長く形成された図示Ｘ方向に細長い形状の複数の素子部１２がＸ方向に直交するＹ方向に所定の間隔を空けて並設され、各素子部１２の端部間が接続電極部１３により電気的に接続されてミアンダ形状となっている。ミアンダ形状に形成された両端にある素子部１２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１１参照）に接続される電極部１５が接続されている。接続電極部１３及び電極部１５は、Ａｌ、Ｔａ、Ａｕ等の非磁性導電材料である。接続電極部１３及び電極部１５はスパッタやメッキで形成される。

磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子部１２は、全て図１０に示す同じ積層構造で構成される。なお図１０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。

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。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１０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１０に示すように、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、素子部１２の長手方向と直交している。

一方、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。
図９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が作用してフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が外部磁場Ｙ１方向に向くと、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９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が作用してフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が外部磁場Ｙ２方向に向くと、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。

なお磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２は異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）であってもよい。ただし磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２をＧＭＲやＴＭＲとしたほうが、外部磁場に対する抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくでき、また抵抗変化率（ＭＲ比）の直線性を得ることができ、高精度な外部磁場検知を行うことが可能である。

図１（ｂ）に示すように磁気抵抗効果素子２，３は基板１６上に形成される。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。また磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２間も絶縁層１７で埋められる。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、絶縁層１７の上面は、素子部１２と基板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（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子部１２の間、及び最も外側に位置する素子部１２の外側に軟磁性体１８が設けられている。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。軟磁性体１８は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。図１（ａ）では軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２は素子部１２の素子幅Ｗ１より大きくなっているが特に限定されるものではない。

また、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は素子部１２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、素子部１２の長手方向（Ｘ方向）の両側から長手方向に延出する延出部１８ｇを備える。

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

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）が素子部１２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。

図１では接続電極部１３及び電極部１５は軟磁性延出部１８ｇと交差しているが、接続電極部１３及び電極部１５と軟磁性延出部１８ｇ間は絶縁層が形成されている。接続電極部１３及び電極部１５は軟磁性体１８と電気的に絶縁されていれば、下部、上部どちらに形成されてもよい。また、交差せず、接続電極部１３及び電極部１５が軟磁性延出部１８ｇの外側を迂回する形でもよい。

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、地磁気センサとして使用する場合は形状異方性を利用するため、２〜６μｍの範囲内であることが好適である（図１（ａ）参照）。また素子部１２の素子長さＬ１は、６０〜１００μｍの範囲内であることが好適である（図１（ａ）参照）。また、素子部１２の膜厚Ｔ１は、２００〜３００Åの範囲内であることが好適である（図１（ｂ）参照）。また軟磁性体１８の平均幅寸法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の範囲内であることが好適である（図１（ａ）参照）。また軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は、８０〜２００μｍの範囲内であることが好適である（図１（ａ）参照）。また、軟磁性体１８の膜厚Ｔ２は、０．２〜１μｍの範囲内であることが好適である（図１（ｂ）参照）。素子部１２のアスペクト比（素子長さＬ１／素子幅Ｗ１）は、地磁気センサとして使用する場合は１０以上であることが好適である。また軟磁性体１８のアスペクト比（長さ寸法Ｌ２／幅寸法Ｗ２）は、素子部１２のアスペクト比以上であると好適である。また軟磁性体１８の延出部１８ｇの長さ寸法Ｔ８は、２０μｍ以上であることが好適である（図１（ａ）参照）。

また各軟磁性体１８間の距離（Ｙ１−Ｙ２方向への距離）Ｔ３は、軟磁性体の幅寸法Ｗ２以上で２〜８μｍであることが好適である（図１（ｂ）参照）。また、素子部１２と隣接した位置にある軟磁性体１８とのＹ１−Ｙ２方向への距離Ｔ４は、０〜３μｍであることが好適である（図１（ｂ）参照）。また、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であることが好適である（図１（ｂ）参照）。

本実施形態における磁気センサ１は、縦方向（Ｙ方向；素子幅方向）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、横方向（Ｘ方向）が素子部１２の長手方向である。素子部１２と軟磁性体１８とが、感度軸の方向に、軟磁性体１８、素子部１２、軟磁性体１８の順で並ぶように非接触で配置されている。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Ｙ方向に向けられている。

本実施形態では、素子部１２の両側であって、素子部１２の上方に非接触の軟磁性体１８が設けられている。軟磁性体１８は、素子部１２と同様に、素子長さ方向（図示Ｘ方向）に細長い形状である。

そして本実施形態では図１（ｂ）に示すように軟磁性体１８の図示Ｙ方向の両側面１８ａ，１８ａがテーパ面で形成される。よって軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２は、下面から上面に向けて徐々に小さくなっている。

このため図２に示すように、感度軸方向（Ｙ方向）から外部磁場（地磁気）が作用したときに、軟磁性体１８の内部で磁束が、先細る下端部１８ｂ付近に集中しやすくなり、軟磁性体１８の下端部１８ｂに近い位置に設けられた素子部１２に作用する外部磁場（地磁気）の強度（磁束密度）を効果的に大きくできる。

図３は比較例である。図３では、軟磁性体１８の側面１８ａがテーパ面でなく垂直面である。この場合でも、軟磁性体１８から素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度（磁束密度）は、磁性層を備える素子部１２方向にやや大きくなるものの、図２の実施形態のように下端部１８ｂが先細る形状でないため、図２の実施形態ほど軟磁性体１８の下端部１８ｂに磁束を集中させることができず、本実施形態に比べて、素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度（磁束密度）を効果的に大きくすることができない。

これに対して上記したように本実施形態では、軟磁性体１８から素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度（磁束密度）を効果的に大きくできるので、磁気検出精度を向上させることができる。

図４に示すように軟磁性体１８の下端部１８ｂは、鋭角形状であることが好ましい。これにより、下端部１８ｂに効果的に磁束を集中でき、軟磁性体１８から素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度（磁束密度）をより効果的に大きくできる。

また、図１（ｂ）、図２では、軟磁性体１８の上端部１８ｃは鈍角形状である。すなわち上端部１８ｃに角があってもよいが、図４のように上端部１８ｃをＲ形状で形状したほうが、上端部１８ｃ付近から漏れる磁場（地磁気）の磁束量を減らすことができ、下端部１８ｂに、より効果的に磁束を集中でき、軟磁性体１８から素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度をより効果的に大きくすることができる。

図１、図２，図４に示す軟磁性体１８は、例えば、次の方法で形成できる。まず図１（ｂ）に示す絶縁層１７の上面全体に軟磁性体層をスパッタ等で成膜し、続いて、軟磁性体１８と相似形状のレジスト層を軟磁性体層上に設けて、レジスト層に覆われていない軟磁性体層を除去すれば本実施形態の軟磁性体１８の両端面１８ａ，１８ａがテーパ面とされた形状を得ることが出来る。また図４のように上端部１８ｃをＲ形状にするには、例えばイオンミリングを上端部１８ｃに対して行うことで得ることが出来る。

図２のイメージ図に示すように、軟磁性体１８の両側面１８ａをテーパ面とすると、軟磁性体１８間で発生する感度軸方向への磁場の強度は、軟磁性体１８の膜厚中心から上方向よりも下方向のほうが大きくなるので、素子部１２の膜厚中心を、軟磁性体１８の膜厚中心よりも下方向に設置することで、軟磁性体１８から素子部１２に作用する感度軸方向からの磁場の強度を大きくできる。

ただし、素子部１２の下面を軟磁性体１８の下面と同一面上か、あるいは、素子部１２の上面を軟磁性体１８の下面以下に設置したほうが、軟磁性体１８から素子部１２に作用する磁場の強度をより効果的に大きくできて好適である。より好ましくは、図１（ｂ）に示すように、素子部１２を軟磁性体１８の下方（素子部１２と軟磁性体１８間の高さ方向に間隔が空いている）に位置させる。

図１，図２，図４に示す実施形態では、軟磁性体１８が、素子部１２よりも上方に位置する。これに対して図５に示す実施形態では軟磁性体１８が素子部１２の両側であって、素子部１２よりも下方に位置している。

図５に示すように軟磁性体１８の感度軸方向（Ｙ方向）に向く両端面１８ａ，１８ａは逆テーパ面で形成される。すなわち軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２は、下面から上面に向うにしたがって徐々に大きくなっている。図５に示すように軟磁性体１８の間には絶縁層３０が設けられ、軟磁性体１８の上面と絶縁層３０の上面とが平坦化面で形成されている。

図５に示すように、軟磁性体１８上及び絶縁層３０上には絶縁層３１が形成され、その絶縁層３１上に、ちょうど軟磁性体１８の間に位置するように素子部１２が形成される。絶縁層３１の形成は必須でない。すなわち絶縁層３１は形成されなくてもよいが、軟磁性体１８と素子部１２が接触する可能性があれば薄い絶縁層３１を設けることが好適である。

図５に示す実施形態では、軟磁性体１８の側面１８ａが逆テーパ面で形成されるので、上端部１８ｃが先細る形状となっている。よって図２とは逆で、軟磁性体１８の内部では上端部１８ｃに磁束を集中させることができ、上端部１８ｃに近い位置に形成された素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度を効果的に大きくでき、磁気検出精度を向上させることができる。

図５に示す実施形態では、軟磁性体１８の上端部１８ｃが鋭角形状で形成されることが好ましい。また軟磁性体１８の下端部１８ｂがＲ形状で形成されることが好ましい。

図５に示す軟磁性体１８は例えば次の方法で形成できる。まず両側面にテーパ面を備える絶縁層３０を基板１６上に形成し、絶縁層３０間から絶縁層３０上にかけてスパッタ等で軟磁性体層を形成する。続いて、ＣＭＰ技術等を用いて軟磁性体層を削り、軟磁性体層の上面と絶縁層３０の上面を同一の平坦化面に形成する。これにより絶縁層３０間に両側面１８ａ，１８ａが逆テーパ面で形成された軟磁性体１８を形成することが出来る。

図５に示すように、軟磁性体１８の両側面１８ａを逆テーパ面とすると、軟磁性体１８間で発生する感度軸方向への磁場の強度は、軟磁性体１８の膜厚中心から下方向よりも上方向のほうが大きくなるので、素子部１２の膜厚中心を、軟磁性体１８の膜厚中心よりも上方向に設置することで、軟磁性体１８から素子部１２に作用する感度軸方向からの磁場の強度を大きくできる。

ただし、素子部１２の下面を軟磁性体１８と感度軸方向で対向する位置より軟磁性体１８の上面以上に設置したほうが、軟磁性体１８から素子部１２に作用する磁場の強度をより効果的に大きくできて好適である。より好ましくは、図５に示すように、素子部１２を軟磁性体１８よりも上方（素子部１２と軟磁性体１８間に高さ方向に間隔を空ける）に位置させる。

図６に示す実施形態では、素子部１２と軟磁性体１８とが感度軸方向（Ｙ方向）にて対向している。図６に示すように、軟磁性体１８の感度軸方向（Ｙ方向）に向く両側面１８ａ，１８ａは下端部１８ｂから素子部１２と感度軸方向で略対向する中間部１８ｄまで逆テーパ面１８ｅで形成され、中間部１８ｄから上端部１８ｃまでテーパ面１８ｆで形成される。

図６に示す実施形態では、中間部１８ｄが先細り形状であるため、軟磁性体１８の内部の磁束が中間部１８ｄに集中しやすくなる。特に、中間部１８ｄを角形状（特に鋭角形状が好適である）で形成し、下端部１８ｂ及び上端部１８ｃをＲ形状で形成することで、軟磁性体１８の内部の磁束を中間部１８ｄにより効果的に集中することが可能である。

よって、中間部１８ｄと感度軸方向で略対向した位置にある素子部１２に作用する磁場（地磁気）の強度（磁束密度）を効果的に大きくでき、磁気検出精度を向上させることができる。

図６に示す軟磁性体１８は例えば次のような方法で形成できる。まず図５と同様の製造方法を用いて、両側面が逆テーパ面となる軟磁性体１８を形成する。次に、図１（ｂ）と同様の製造方法を用いて、両側面がテーパ面となる軟磁性体１８を両側面が逆テーパ面の軟磁性体１８上に重ねて形成する。次に、軟磁性体１８を保護した状態で、絶縁層３０上に素子部１２を形成する。

図１（ａ）に示すように、感度軸方向の両側に設けられた軟磁性体１８の両側には、さらに点線で示された軟磁性体２５が設けられていてもよい。

軟磁性体１８は、感度軸方向に直交する方向（Ｘ方向）の外乱磁場に対して磁気シールド効果を発揮するが、この磁気シールド効果を高めるために、軟磁性体１８のさらに両側に軟磁性体２５を設けた場合でも、本実施形態の適用が可能である。すなわち軟磁性体２５の感度軸方向の両側面についても図１（ｂ）に示すテーパ面で形成したほうがよい。図５の実施形態に適用する場合には、軟磁性体２５の両側面を逆テーパ面で形成し、図６の実施形態に適用する場合には、軟磁性体２５の両側面を逆テーパ面１８ｅとテーパ面１８ｆとで形成する。

また図１（ｂ）で示した軟磁性体１８のテーパ面、図５で示した軟磁性体１８の逆テーパ面、図６で示した軟磁性体の逆テーパ面１８ｅ及びテーパ面１８ｆは、少なくとも素子部１２側に向く側面に形成し、それ以外の側面に形成しなくてもよい。すなわち例えば図１（ｂ）で言えば、最も両側に位置する軟磁性体１８の外側を向く側面１８ａ（図１（ｂ）では、符号Ｘ，Ｙで示した）は例えば垂直面であってもよい。ただし、素子部１２側に向く側面１８ａと同じようにテーパ面で形成したほうが製造方法を簡単にでき好ましい。図５，図６についても同様である。

図７に示す他の実施形態では、磁気抵抗効果素子２，３は、素子部１２と、中間永久磁石層２１と、外側永久磁石層２３とを備えて構成される。中間永久磁石層２１及び外側永久磁石層２３はＣｏＰｔやＣｏＰｔＣｒ等であり例えばスパッタ成膜されたものである。

図７に示すように、素子長さ方向（Ｘ方向）に複数の素子部１２が素子長さ方向に間隔を空けて並設され、各素子部１２の間に空けられた間隔内に中間永久磁石層２１が介在している。これにより各素子部１２が中間永久磁石層２１を介して連結された図示Ｘ方向に帯状に延びる素子連結体２２が構成される。素子連結体２２は、素子幅方向（Ｚ方向）に間隔を空けて複数本並設され、各素子連結体２２の端部に外側永久磁石層２３が形成されている。

図７に示すように、素子連結体２２の長手方向の両側に設けられた外側永久磁石層２３間が、Ａｌ、Ａｕ、あるいはＣｕ等の良導体で形成された電極層１９により接続されている。電極層１９は、Ｙ方向に直線状（帯状）で形成される。

図７に示す構成にて磁気抵抗効果素子２，３をミアンダ形状にすることが可能である。図７に示すように、素子連結体２２の間の領域、及び素子連結体２２の素子幅方向の両側に位置する素子連結体２２の外側に、夫々、素子連結体２２の長手方向（Ｘ方向）に延びる軟磁性体１８が配置されている。そして、図７に示すように、軟磁性体１８の下側に電極層１９が位置している。前述のように電極層１９は軟磁性体１８と電気的に絶縁されていれば、下部、上部どちらに形成されてもよい。また、交差せず、電極層１９が軟磁性１８の外側を迂回する形でもよい。

また図８に示すように、中間永久磁石層２１上には中間永久磁石層２１よりも抵抗値が小さい低抵抗層２０が重ねて形成されていることが好ましい。低抵抗層２０はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性導電材料で形成されることが好適である。低抵抗層２０は、中間永久磁石層２１上にスパッタやメッキ等で形成される。素子抵抗を大きくするために複数の素子部１２を連結してミアンダ形状としているが、中間永久磁石層２１の抵抗は寄生抵抗であるため、本実施形態のように中間永久磁石層２１上に低抵抗層２０を重ねて形成することで、寄生抵抗を低減できる。外側永久磁石層２３も寄生抵抗になるが、図７で示すように外側永久磁石層２３上には電極層１９が重ねられているので、寄生抵抗を効果的に低減できる。

図７に示す実施形態でも図１，図５及び図６で説明した軟磁性体１８の側面形態を適用できる。

また、図８では素子部１２を完全に除去し、中間永久磁石層２１、低抵抗層２０を形成しているが、図１２のように、保護層３７及びフリー磁性層３６を完全に除去し、非磁性層３５を介して中間永久磁石層２１とで接続することで、端面での接触から、面接触となることで寄生抵抗成分を減らし、固定磁性層３４を切断することによる固定磁性層の磁区の乱れをなくなることにより、固定磁性層の磁化方向が一様となるため、フリー磁性層との磁化角度差による磁気抵抗変化を効果的に発生させることが出来る。

また図１３に示すように、永久磁石層２１間に挟まれた部分の素子部１２のアスペクト比（素子長さＬ３／素子幅Ｗ１）が大きくなると、永久磁石層２１からのバイアス磁界が素子部１２の全体に適切に供給されなくなる。このため感度軸方向に対して直交方向（Ｘ方向）から磁界を作用させ、磁界強度を徐々に強くしていったときの抵抗変化領域にヒステリシスが生じやすくなる。よって直交方向からの磁界（外乱磁場）に対する抵抗変化領域が広がることで、外乱磁場耐性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素子部１２のアスペクト比は小さいことが好ましい。具体的には素子部１２のアスペクト比は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。

本実施形態における磁気センサ１は例えば、図１４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１１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１４の構成以外に、図１４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。

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図（（ａ）は部分平面図、（ｂ）は、（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）、 本実施形態の軟磁性体間に形成される磁場の状態を説明するためのイメージ図、 比較例の軟磁性体間に形成される磁場の状態を説明するためのイメージ図、 本実施形態の好ましい軟磁性体の拡大断面図、 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部分断面図、 第３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部分拡大断面図、 他の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７に示すＢ−Ｂ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、 磁気抵抗効果素子（素子部）を構成する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（素子部）を構成する素子部を膜厚方向から切断した際の切断面を示す部分断面図、 本実施形態の磁気センサの回路構成図、 図８と同じ位置での断面を示し、図８と異なる形状の部分拡大断面図、 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、 本実施形態における地磁気センサ（磁気センサモジュール）の斜視図、

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
１３ 接続電極部
１４ 出力取出し部
１５ 電極部
１６ 基板
１７、３０、３１ 絶縁層
１８ 軟磁性体
１８ａ 側面
１８ｂ 下端部
１８ｃ 上端部
１８ｄ 中間部
１８ｅ 逆テーパ面
１８ｆ テーパ面
１９ 電極
２０ 低抵抗層
２１ 中間永久磁石層
２２ 素子連結体
２３ 外側永久磁石層
３３ 反強磁性層
３４ 固定磁性層
３５ 非磁性層
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

Claims (12)

1. 所定の感度軸を有する磁気抵抗効果素子を備えた地磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を発揮する素子部と、軟磁性体とを備え、
   前記素子部と前記軟磁性体とが、前記感度軸の方向に前記軟磁性体、前記素子部、前記軟磁性体の順で並ぶように非接触で配置されており、
   前記素子部の膜厚中心は、前記軟磁性体の膜厚中心よりも下方に位置しており、
   前記軟磁性体の素子部側に向く側面は下方に向けて徐々に前記側面間の幅寸法が広がるテーパ面で形成されており、
   前記感度軸の直交方向にて対向する前記軟磁性体の両側端部は、前記素子部の両側端部より前記直交方向に長く延びており、前記軟磁性体は前記感度軸方向からの地磁気に対する集束効果と、前記直交方向からの磁場に対する磁気シールド効果とを発揮することを特徴とする地磁気センサ。
2. 前記素子部の下面が前記軟磁性体の下面と同一面上に位置している請求項１記載の地磁気センサ。
3. 前記素子部の上面が前記軟磁性体の下面以下に位置している請求項１記載の地磁気センサ。
4. 所定の感度軸を有する磁気抵抗効果素子を備えた地磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を発揮する素子部と、軟磁性体とを備え、
   前記素子部と前記軟磁性体とが、前記感度軸の方向に前記軟磁性体、前記素子部、前記軟磁性体の順で並ぶように非接触で配置されており、
   前記素子部の膜厚中心は、前記軟磁性体の膜厚中心よりも上方に位置しており、
   前記軟磁性体の素子部側に向く側面は上方に向けて徐々に前記側面間の幅寸法が広がる逆テーパ面で形成されており、
   前記感度軸の直交方向にて対向する前記軟磁性体の画側端部は、前記素子部の両側端部より前記直交方向に長く延びており、前記軟磁性体は前記感度軸方向からの地磁気に対する集束効果と、前記直交方向からの磁場に対する磁気シールド効果とを発揮することを特徴とする地磁気センサ。
5. 前記素子部の下面は、前記軟磁性体の上面以上に位置している請求項４記載の地磁気センサ。
6. 前記側面の下端部及び上端部のうち、前記素子部に近い側の端部は、鋭角形状で形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の地磁気センサ。
7. 前記側面の下端部及び上端部のうち、前記素子部から遠い側の端部は、Ｒ形状で形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の地磁気センサ。
8. 所定の感度軸を有する磁気抵抗効果素子を備えた地磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を発揮する素子部と、軟磁性体とを備え、
   前記素子部と前記軟磁性体とが、前記感度軸の方向に前記軟磁性体、前記素子部、前記軟磁性体の順で並ぶように非接触で配置されており、前記素子部と前記軟磁性体とは前記感度軸の方向にて対向しており、
   前記軟磁性体の素子部側に向く側面は、下端部から前記素子部と感度軸方向で略対向する中間部に向けて徐々に前記側面間の幅寸法が広がる逆テーパ面で形成され、前記中間部から上端部に向けて徐々に前記側面間の幅寸法が狭くなるテーパ面で形成されており、
   前記感度軸の直交方向にて対向する前記軟磁性体の両側端部は、前記素子部の両側端部より前記直交方向に長く延びており、前記軟磁性体は前記感度軸方向からの地磁気に対する集束効果と、前記直交方向からの磁場に対する磁気シールド効果とを発揮することを特徴とする地磁気センサ。
9. 前記中間部は、角形状で形成されている請求項８記載の地磁気センサ。
10. 前記側面の上端部及び下端部は、Ｒ形状で形成されている請求項８又は９に記載の地磁気センサ。
11. 前記素子部が複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部の端部間が接続されてミアンダ形状で形成されており、
    各素子部の両側方に前記軟磁性体が設けられている請求項１ないし１０のいずれかに記載の地磁気センサ。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の地磁気センサを複数有し、少なくとも前記複数の地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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