JP5210983B2 - 地磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた地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。

また、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、磁場の変動によっても、地磁気を精度良く検出できるようにすることが必要である。

また、磁場に晒されることで、地磁気センサの磁気特性が経時変化する問題がある。よって該磁場に対して耐性を有するセンサ構造が必要である。またこのような耐性を備えることで、携帯機器内の設定自由度が増し使い勝手を向上させることができる。

下記の特許文献１，２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。なお特許文献２に記載された発明には、磁気抵抗効果膜（幅狭帯状部）の中央に、中央部バイアス磁石膜が設けられている。

しかしながら特許文献１，２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 特開２００６−６６８２１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、特に外乱磁場に強く且つ安定した検出精度を得ることができ、且つ高帯磁耐性の磁気センサ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地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部を備え、
前記素子部には、前記素子部の素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中位置に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部内に永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記永久磁石層とで素子連設体が構成され、前記感度軸方向が前記素子幅方向であり、
複数の前記素子連設体が前記素子幅方向に間隔を空けて並設され、隣接する前記素子連設体の前記素子長さ方向の端部同士が接続されてミアンダ状を成しており、
各素子連設体の間、及び前記素子幅方向の両側に位置する前記素子連設体の外側には、前記素子連設体と非接触の軟磁性体が設けられており、
前記素子連設体の素子長さ寸法はＬ１で、前記軟磁性体の前記素子連設体の素子長さ方向と同方向の長さ寸法はＬ２であり、
前記長さ寸法Ｌ２は、素子長さ寸法Ｌ１の１倍〜１．５倍に設定されていることを特徴とするものである。

本発明における素子連設体の間及び、素子連設体の外側に前記素子連設体と非接触にて設けられる軟磁性体は、感度軸方向に対して直交する方向から進入する漏洩磁場（外乱磁場）に対するシールド効果（遮蔽効果）を発揮するものである。また素子連結体は素子部と永久磁石とを交互に連設させた構成であり、感度軸方向からの磁場（以下、感度磁場と言う）に対するリニアリティを向上させることができる。さらに感度磁場は軟磁性体に一旦、集束した後、素子連設体に流入するが、このとき、軟磁性体の長さを長く設定しすぎると、広い範囲から磁場が集束されて強い磁場が永久磁石に印加されて帯磁し、バイアス効果が低下し、磁気感度が大きくなる方向に変化してしまい、地磁気の検出精度が不安定化しやすい。

そこで、上記したシールド効果とともに軟磁性体の帯磁性能を考慮して、後述する実験に基づいて軟磁性体の長さ寸法Ｌ２を、素子連設体の素子長さ寸法Ｌ１の１倍〜１．５倍の範囲内に設定することとしている。そして、本発明では、外乱磁場に強く且つ安定した検出精度を得ることができ、且つ高帯磁耐性の磁気センサにできることで、携帯機器内の設定自由度を高く出来るメリットがある。

本発明では、前記長さ寸法Ｌ２は、素子長さ寸法Ｌ１の１．１倍〜１．４８倍に設定されていることが好ましい。

また本発明では、前記軟磁性体は、ＣｏＺｒＮｂで形成されることが好ましい。
また本発明では、前記素子部は、下から前記固定磁性層、前記非磁性層及び前記フリー磁性層の順に積層されており、前記永久磁石層を配置するための前記凹部下には前記非磁性層及び前記固定磁性層が残されていることが好ましい。

本発明の地磁気センサによれば、外乱磁場に強く且つ安定した検出精度を得ることができると同時に、外部磁場環境下に設定されても出力の変化を抑制できる。

（ａ）は本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、 図１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、 本実施形態の磁気センサの回路図、 軟磁性体の有無と、直交磁場印加による感度変化ＰＰ（％）との関係を示すグラフ、 軟磁性体の有無と、漏洩／感度比との関係を示すグラフ、 軟磁性体の長さ寸法Ｌ２と直交磁場印加による感度変化ＰＰ（％）との関係を示すグラフ、 軟磁性体の素子長さＬ２と、漏洩／感度比との関係を示すグラフ、 軟磁性体の長さ寸法Ｌ２を変化させたときの、感度磁場の大きさと感度変化率との関係を示すグラフ、 軟磁性体の膜厚を変化させたときの、感度磁場の大きさと感度変化率との関係を示すグラフ、 永久磁石層の膜厚と感度との関係を示すグラフ、 直交磁場印加による感度変化ＰＰを求める際の模式図、 漏洩／感度比を求める際の模式図、 感度を求める際の模式図、 ＲＨ波形の模式図、

図１（ａ）は本実施形態における地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、図１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３は、本実施形態の地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地磁気センサ１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１は、図３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。なお、地磁気センサ１には、感度軸がＸ軸方向を向くＸ軸磁場検知部、感度軸がＹ軸方向を向くＹ軸磁場検知部、感度軸がＺ軸方向を向くＺ軸磁場検知部のいずれか２以上の検知部が設けられる。

図１（ａ）に示すように、素子部１２と中間永久磁石層６０とが図示Ｘ方向に交互に形成され、図示Ｘ方向の両側に位置する素子部１２の両側には、外側永久磁石層６５が設けられる。素子部１２、中間永久磁石層６０及び外側永久磁石層６５により帯状に延びる素子連設体６１が構成される。図１（ａ）に示すように素子連設体６１の素子長さ寸法Ｌ１は、素子幅Ｗ１に比べて長く形成されている。

素子連設体６１は、素子幅方向（Ｙ方向）に間隔を空けて複数本並設され、各素子連設体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設体６１の端部には入力端子７、グランド端子８、出力取出し部１４（図３参照）に接続される電極層６２が接続されている。電極層６２は永久磁石層６０，６５よりも低抵抗であり、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の導電材料で形成される。

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

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成膜される。

反強磁性層３３は、ＩｒＭｎ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ＣｏＦｅ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。また固定磁性層３４は積層フェリ構造で形成されることが好ましい。非磁性層３５はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層３６は、ＮｉＦｅ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。図２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。

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。固定磁性層３４の固定磁化方向は、素子幅方向（Ｙ方向）に向いている。すなわち固定磁性層３４の固定磁化方向は、素子連設体６１の長手方向に対して直交している。

一方、フリー磁性層３６の磁化方向は、外部磁場により変動する。本実施形態では、永久磁石層６０，６５から素子部１２に図示Ｘ方向への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。

固定磁性層３４の固定磁化方向と同一方向から外部磁場が作用してフリー磁性層３６の磁化方向が前記外部磁場方向に変動すると、固定磁性層３４の固定磁化方向とフリー磁性層３６の磁化方向とが平行に近づき電気抵抗値が低下する。

一方、固定磁性層３４の固定磁化方向と反対方向から外部磁場が作用してフリー磁性層３６の磁化方向が前記外部磁場方向に変動すると、固定磁性層３４の固定磁化方向とフリー磁性層３６の磁化方向とが反平行に近づき電気抵抗値が増大する。

図１（ｂ）に示すように磁気抵抗効果素子２，３は基板１６上に図示しない絶縁下地層を介して形成される。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を構成する素子連設体６１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、素子連設体６１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に示す実施形態では、磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子連設体６１の間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に軟磁性体１８が設けられている。軟磁性体１８は、各素子連設体６１と非接触で配置されている。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等で形成されるが、ＣｏＺｒＮｂで形成されることが好適である。軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は素子連設体６１の素子長さ寸法Ｌ１に対して１倍〜１．５倍の範囲内である。

また図１（ａ）に示すように、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を素子連設体６１の素子長さ寸法Ｌ１よりも長く形成し、軟磁性体１８には素子連設体６１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１８ａを備えることが好適である。これにより図示Ｘ方向からの磁場（外乱磁場）に対する磁気シールド効果を高めることができる。

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。

各寸法について説明する。
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、０．５〜５μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また各素子部１２の素子長さ寸法Ｌ５は、１〜１５μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、素子部１２の膜厚Ｔ２は、１００〜１０００Åの範囲内である（図１（ｂ）参照）。

中間永久磁石層６０の長さ寸法Ｌ３は、１〜１５μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また中間永久磁石層６０の幅寸法Ｗ３は、１〜７μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。中間永久磁石層６０の膜厚は、１００〜６００Åの範囲内である。

外側永久磁石層６５の長さ寸法Ｌ４は、１〜１５μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、外側永久磁石層６５の幅寸法や膜厚は、中間永久磁石層６０の幅寸法及び膜厚と等しいことが好ましい。

各素子連設体６１間の素子幅方向への間隔Ｔ５は、１〜２０μｍの範囲内である（図１（ｂ）参照）。
また素子連設体６１の長さ寸法Ｌ１は、１０〜１００μｍの範囲内である。

また軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２は、１〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は、１０〜１００μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、軟磁性体１８の膜厚Ｔ３は、０．２〜３μｍの範囲内である（図１（ｂ）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１〜１０μｍ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Ｙ方向への距離Ｔ４は、１〜５μｍ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Ｔ６は、０．１〜２μｍである（図１（ｂ）参照）。

図１に示す地磁気センサ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）が素子連設体６１の長手方向である。固定磁性層３４の固定磁化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、図２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素子連設体６１の素子長さ方向（図示Ｘ方向）の全域に延在している。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が形成されている。よって凹部６３の底面６３ａには非磁性層３５が露出している。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。反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、フリー磁性層３６及び保護層３７の各層の界面はＸ−Ｙ平面と平行な面である（図２）。

凹部６３の底面６３ａは、非磁性層３５の膜厚方向（図示Ｚ方向）の途中位置であることが好適である。底面６３ａを非磁性層３５の膜厚方向の途中位置にすることで、凹部６３（永久磁石層６０，６５）下にフリー磁性層３６の一部が残されることが無い。すなわち凹部６３の形成位置では、フリー磁性層３６が全て除去される。また、凹部６３をイオンミリング等で形成する際に、固定磁性層３４の一部が削り取られる不具合も生じない。また、固定磁性層３４と永久磁石層６０，６５との間に非磁性層３５が介在することで、固定磁性層３４と永久磁石層６０，６５間の磁気的結合を防止できる。

本実施形態では、図２に示すようにフリー磁性層３６の全厚が、永久磁石層６０，６５と素子長さ方向（Ｘ方向）にて対向する。よって、永久磁石層６０，６５からフリー磁性層３６の全体に適切に素子長さ方向（図示Ｘ方向）へのバイアス磁界を供給でき、フリー磁性層３６の一軸異方性を向上できる。

また本実施形態では、図２に示すように固定磁性層３４は永久磁石層６０，６５の形成位置で分断されることなく素子連設体６１の素子長さ方向（図示Ｘ方向）の全域に形成された単一の層として構成されている。これにより固定磁性層の一軸異方性を強めることが出来る。

ただし本実施形態では、凹部６３下に位置する非磁性層３５、固定磁性層３４及び反強磁性層３３を全て除去して、各素子部１２を完全に分断し、各素子部１２間及び両側の素子部１２の外側に永久磁石層６０，６５を配置する構成にしてもよい。

本実施形態では、上記したように、各素子連設体６１間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に素子連設体６１とは非接触の軟磁性体１８が設けられている。

ここで軟磁性体１８を設けた本実施形態と、軟磁性体１８を設けていない従来例とを次の実験により比較した。

実験では、図１，図２に示す磁気抵抗効果素子２，３を形成した。素子連設体６１の素子長さ寸法Ｌ１を５４μｍとした。また、素子部１２の素子幅Ｗ１を２μｍ、素子部１２の素子長さＬ５を３μｍ、永久磁石層６０，６５の幅寸法Ｗ３を３μｍ、長さ寸法Ｌ３，Ｌ４を３μｍ、膜厚を３００Åとした。永久磁石層６０，６５にはＣｏＰｔを用いた。各素子連設体６１を構成する素子部１２の数を７とし、素子連設体６１の数を１０として図１（ａ）に示すミアンダ形状の磁気抵抗効果素子２，３を形成した。

実施形態における軟磁性体１８をＣｏＺｒＮｂで形成し、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を１００μｍとし、幅寸法Ｗ２を５μｍとした。また軟磁性体１８の膜厚Ｔ３を７５００Åとした（図１（ｂ）参照）。

また図１（ｂ）に示す、間隔（距離）Ｔ１を６μｍ、Ｔ４を２μｍ、Ｔ５を９μｍとした。さらに、素子部１２の膜厚Ｔ２を２３５Åとし、間隔Ｔ６を０．３μｍとした。

そして軟磁性体１８を設けた場合（本実施形態）と軟磁性体１８を設けない場合（比較例）との直交磁場（外乱磁場）印加による感度変化ｐｐ及び漏洩／感度比を測定した。

「直交磁場印加による感度変化ｐｐ」は、次のようにして求められる。図１１の模式図（グラフ）に示す「Ｈｈ」は、感度軸方向（Ｙ方向）からの磁場を指す。「Ｈｖ」は、感度軸方向と直交する方向（Ｘ方向）からの漏洩磁場（直交磁場；外乱磁場）を指す。図１１に示す「Ｈｖ＝５Ｏｅ ｓｌｏｐｅ」のグラフは、直交磁場を５Ｏｅ印加した状態で、感度軸方向から−６Ｏｅ〜６Ｏｅの範囲内の磁場を印加したときの抵抗変化を示している。また、図１１に示す「Ｈｖ＝−５Ｏｅ ｓｌｏｐｅ」のグラフは、直交磁場を−５Ｏｅ印加した状態（上記のＨｖ＝５Ｏｅ印加した方向とは逆方向から５Ｏｅ印加）で、感度軸方向から−６Ｏｅ〜６Ｏｅの範囲内の磁場を印加したときの抵抗変化を示している。また、図１１に示す「Ｈｖ＝０Ｏｅ ｓｌｏｐｅ」のグラフは、直交磁場を印加しない状態で、感度軸方向から−６Ｏｅ〜６Ｏｅの範囲内の磁場を印加したときの抵抗変化を示している。ここで、１Ｏｅは約８０Ａ／ｍである。

そして、（直交磁場を５Ｏｅ印加した状態での抵抗変化曲線の傾き量（Ω／Ｏｅ）−直交磁場を−５Ｏｅ印加した状態での抵抗変化曲線の傾き量（Ω／Ｏｅ））×１００／漏洩磁場を印加しない状態（０Ｏｅ）での抵抗変化曲線の傾き量（Ω／Ｏｅ）にて、直交磁場印加による感度変化ｐｐ（％）を求めた。

ここで、「直交磁場印加による感度変化ｐｐ」は、小さいほど、直交磁場の影響が小さいことを意味する。

続いて、「漏洩／感度比」では、図１２に示すように、感度軸方向とは直交する方向から−５Ｏｅ〜５Ｏｅの漏洩磁場（直交磁場；外乱磁場）を印加して抵抗変化曲線を求めた。「漏洩／感度比」は、（直交方向の感度）／（感度軸方向の感度）の比であり、（Ｓｌｏｐｅ Ｖ／Ｓｌｏｐｅ ｈ）×１００（％）で求めることが出来る。なお、「Ｓｌｏｐｅ ｈ」は、図１１の「Ｈｖ＝０ Ｓｌｏｐｅ」と同じものである。
ここで、「漏洩／感度比」は、小さいほど、直交磁場の影響が小さいことを意味する。

図４，図５に示すように、「直交磁場印加による感度変化ｐｐ」及び「漏洩／感度比」は、軟磁性体を設けることで小さくできることがわかった。

このように、各素子連設体６１の間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に軟磁性体１８を配置することで、直交磁場耐性が向上し、良好なシールド効果（遮蔽効果）を発揮できることがわかった。

このシールド効果は、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を素子連設体６１よりも長く延ばし、図１（ａ）に示すように軟磁性体１８の長手方向の両側に素子連設体６１の両端よりも外側にはみ出す延出部１８ａを設けることでより効果的に向上させることができる。

次に本実施形態では軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を以下の実験により規定した。
実験では、図１，図２に示す磁気抵抗効果素子２，３を形成した。また各寸法は、図４、図５の実験と同じとした。ただし、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を６０μｍ、８０μｍ、１００μｍとした。

図６は、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２と、直交磁場（外乱磁場）印加による感度変化ｐｐとの関係を示すグラフ、図７は、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２と、漏洩／感度比との関係を示すグラフである。

図６、図７に示すように軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２が１００μｍになると、直交磁場（外乱磁場）印加による感度変化ｐｐ及び漏洩／感度比が大きくなることがわかった。

次に、前記軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を６０μｍ、８０μｍ、１００μｍ、１２０μｍと変化させた状態で、感度軸方向（図１（ａ）のＹ方向）から外部磁場（以下、感度磁場と言う）を印加し、感度磁場の大きさと感度変化率とを測定した。なお、軟磁性体１８の長さ寸法以外の各寸法は、図４、図５の実験と同じとした。またこの感度変化率の実験では、直交磁場（Ｘ方向からの外乱磁場）は印加していない。その実験結果が図８に示されている。

ここで、「感度変化率」は、図８に示す横軸の大きさの磁場を数ｓｅｃ印加して磁場印加前後の感度を測定して求めることが出来る。

感度は、図１３のグラフにて求めることが出来る。すなわち図１３に示すように感度は、感度（Ｇ）＝（Ｓｌｏｐｅ／ｆｕｌｌ Ｓｃａｌｅ）×１００（％）で求めることが出来る。

そして、感度変化率＝｛（Ｇ後−Ｇ前）／Ｇ前｝×１００（％）（ここで「Ｇ前」は、磁場印加前の感度（％／Ｏｅ）であり、「Ｇ後」は、磁場印加後の感度（％／Ｏｅ）である）で示される。

図８に示すように、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２が長くなるほど感度変化率の変動が大きくなった。また軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を６０μｍとした実施例では、感度磁場が２００Ｏｅ程度になってもほとんど感度が変化しないことがわかった。

各素子連設体６１の間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に軟磁性体１８を配置することで、感度磁場は一旦、軟磁性体に集束してから素子連設体６１に流入する。しかしながら、軟磁性体１８の長さ寸法を長くしすぎると、感度磁場が広い範囲で集束されて永久磁石に強い磁場が、永久磁石の磁化方向の直交方向に印加されて、永久磁石の磁化が回転する（帯磁する）。そのため、ハードバイアス効果が減少し、磁気抵抗効果素子の感度が大きくなる方向に変化する。地磁気は０．２４〜０．６６Ｏｅ程度である。したがって、地磁気の変化は無視できるが、数百Ｏｅ単位の強い感度磁場が長時間、印加され続けると、永久磁石が帯磁して、磁気特性が徐々に変化する。軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を適切に設定し、すなわち図８に示すように、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を短くすることで、磁気特性を抑え、数百Ｏｅ程度の強い感度磁場に対する感度変化率を小さくできる。

よって本実施形態では、軟磁性体１８のシールド効果とともに永久磁石の帯磁を考慮して軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を素子連設体の素子長さ寸法Ｌ１の１倍〜１．５倍の範囲内に設定することとした。

そして携帯電話等の携帯機器の内部には数百Ｏｅ程度（具体的には２００〜３００Ｏｅ程度）の磁場が存在するが、本実施形態によれば、携帯機器内部の感度磁場に対して、永久磁石の帯磁を抑制でき、また軟磁性体１８のシールド効果も高いため、地磁気の検出精度を向上でき、携帯機器内部での設定自由度を高めることが可能である。

また図６ないし図８の実験に示すように、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を６０μｍ、８０μｍとすると好ましい結果が得られた。このとき、素子連設体の素子長さ寸法Ｌ１は、５４μｍに固定しているので、本実施形態では、軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２を素子連設体の素子長さ寸法Ｌ１の１．１倍〜１．４８倍の範囲内に設定することがより好ましいとした。

次に図１，図２に示す磁気抵抗効果素子２，３を形成し、このとき、軟磁性体１８の膜厚Ｔ３（図１（ｂ）参照）を変化させて、感度磁場の大きさと磁気抵抗効果素子の感度変化率との関係を求めた。軟磁性体１８をＣｏＺｒＮｂで形成し、軟磁性体１８の膜厚Ｔ３を０．７５μｍあるいは０．５μｍとした。また、軟磁性体１８の膜厚以外の各寸法は図４，図５の実験と同様に設定した。その実験結果が図９に示されている。

図９に示すように軟磁性体１８の膜厚Ｔ３が変化しても、感度変化率はほぼ同じになることがわかった。

次に図１，図２に示す磁気抵抗効果素子２，３を形成し、永久磁石層６０，６５の膜厚を変化させたときの感度を測定した。実験では、図１に示すように、各素子連設体６１の間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に軟磁性体１８を配置した。また感度軸方向に−６Ｏｅから＋６Ｏｅで磁場を掃印して感度を測定した。また永久磁石層６０，６５の膜厚以外の各寸法は図４，図５の実験と同様に設定した。その実験結果が図１０に示されている。

図１０に示すように、永久磁石層６０，６５の膜厚が厚くなると磁気抵抗効果素子の感度が徐々に低下することがわかった。

本実施形態では、図１に示すように、素子部１２と永久磁石層６０，６５とで素子連設体６１を形成するが、これによりＲＨ波形の線形性（リニアリティ）を確保できる。しかしながら永久磁石層６０，６５を厚く形成しすぎると、素子部１２に供給されるバイアス磁界が強くなりすぎ、ＲＨ波形の傾斜が小さくなる（ＲＨ波形が寝てくる）ため、出力低下を招き好ましくない（図１４参照）。そこで本実施形態では、永久磁石層６０，６５の膜厚調整や、あるいは、永久磁石層６０，６５の膜厚をある程度厚く形成しても磁気抵抗効果素子の感度を上げるために、素子連設体６１の本数を増やす等して、シールド性、感度、線形性といった地磁気センサの性能調整を行い、これにより高性能な地磁気センサに出来る。

１ 地磁気センサ
２、３ 磁気抵抗効果素子
４、５ 固定抵抗素子
６ センサ部
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
３５ 非磁性層
３６ フリー磁性層
３７ 保護層
６０ 中間永久磁石層
６１ 素子連設体
６５ 外側永久磁石層
６２ 電極層
６３ 凹部
Ｌ１ 素子連設体の素子長さ寸法
Ｌ２ 軟磁性体の長さ寸法

Claims (4)

1. 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部を備え、
   前記素子部には、前記素子部の素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中位置に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部内に永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記永久磁石層とで素子連設体が構成され、前記感度軸方向が前記素子幅方向であり、
   複数の前記素子連設体が前記素子幅方向に間隔を空けて並設され、隣接する前記素子連設体の前記素子長さ方向の端部同士が接続されてミアンダ状を成しており、
   各素子連設体の間、及び前記素子幅方向の両側に位置する前記素子連設体の外側には、前記素子連設体と非接触の軟磁性体が設けられており、
   前記素子連設体の素子長さ寸法はＬ１で、前記軟磁性体の前記素子連設体の素子長さ方向と同方向の長さ寸法はＬ２であり、
   前記長さ寸法Ｌ２は、素子長さ寸法Ｌ１の１倍〜１．５倍に設定されていることを特徴とする地磁気センサ。
2. 前記長さＬ２は、素子長さ寸法Ｌ１の１．１倍〜１．４８倍に設定されている請求項１記載の地磁気センサ。
3. 前記軟磁性体は、ＣｏＺｒＮｂで形成される請求項１又は２に記載の地磁気センサ。
4. 前記素子部は、下から前記固定磁性層、前記非磁性層及び前記フリー磁性層の順に積層されており、前記永久磁石層を配置するための前記凹部下には前記非磁性層及び前記固定磁性層が残されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の地磁気センサ。

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