JP5467210B2

JP5467210B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP5467210B2
Application number: JP2009246851A
Authority: JP
Inventors: 秀人安藤; 真次杉原
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: JP2011095004A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

近年、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が磁気エンコーダに使用されている（特許文献１）。そして、この磁気エンコーダを応用した流量検知用の磁気センサが開発されている。この磁気センサは、磁束発生源である磁石に所定の間隔をおいて配置され、磁石から発生する磁束が印加されることにより磁気検知する。

特開２００８−１５１７５９号公報

上記のような磁気センサは、原理的に磁束発生源（磁石）との間の間隔（Ｇａｐ）が広がると、磁束が発散して磁束密度が小さくなる。その結果、磁気センサに十分な磁束密度が印加されず動作できなくなることが考えられる。一方で、磁束発生源及び磁気センサを収容するユニットには小型化の要求があり、ユニット設計の自由度を向上させるために、磁気センサには、低磁束密度検知、すなわち広いＧａｐでも磁気検知できることが強く求められている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、磁束発生源（磁石）との間の間隔（Ｇａｐ）が広くても磁気検知することができる、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気センサは、第１の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる、固定磁性層を含まずバイアスのかかっていない積層構造を有する第１磁気抵抗効果素子、及び平面視において前記第１磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜で構成された第１磁気検知素子と、前記第１の方向と異なる第２の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる、固定磁性層を含まずバイアスのかかっていない積層構造を有する第２磁気抵抗効果素子、及び平面視において前記第２磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜で構成された第２磁気検知素子と、が同一基板上に設けられており、ブリッジ回路を構成し、前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子ではそれぞれ、前記感度軸方向の外部磁界が作用すると、前記一対のフリー磁性層の磁化方向が前記外部磁界の方向に向き、平行に近づいて抵抗値が低下することを特徴とする。

この構成によれば、特定の方向の外部磁界に対してはヨーク効果を発揮し、特定の方向と異なる方向の外部磁界に対してはシールド効果を発揮する。これにより、磁束発生源（磁石）との間の間隔（Ｇａｐ）が広くても磁気検知することができる。

また、感度軸方向が異なる磁気検知素子（第１磁気検知素子、第２磁気検知素子）を配置するので、異なる方向の外部磁界が混在する環境において微弱な外部磁界でも個々の感度軸方向の外部磁界を感度良く磁気検知することが可能となる。これにより、複雑な形状の磁束発生源（磁石）の磁気検知を正確に行うことができる。

本発明の磁気センサにおいては、前記第１の方向と前記第２の方向とが直交することが好ましい。

本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の幅が、２μｍ〜１０μｍであることが好ましい。

本発明の磁気センサにおいては、前記軟磁性膜の幅が、５０μｍ〜１５０μｍであることが好ましい。

本発明の磁気センサにおいては、前記軟磁性膜を構成する材料が、ＣｏＺｒＮｂ、ＮｉＦｅ、Ｃｏ合金、及びＮｉ，Ｆｅを含む合金からなる群より選ばれたものであることが好ましい。

本発明の磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子と、平面視において前記磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜と、で構成された磁気検知素子を具備するので、磁束発生源（磁石）との間の間隔（Ｇａｐ）が広くても磁気検知することができる。

本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子を説明するための図である。磁気抵抗効果素子のパターン幅と検知磁界シフト量との間の関係を示す図である。（ａ）は、軟磁性膜のパターン幅とセンサ検知外部磁束密度との間の関係を示す図であり、（ｂ）は、軟磁性膜のパターン幅と磁束密度増幅率との間の関係を示す図である。磁気センサと磁束発生源（磁石）との間の間隔（Ｇａｐ）を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける回路を説明するための図である。（ａ），（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の磁場−抵抗値特性を示す図である。本発明の構成を有しない一つの磁気検出素子による磁気検知出力を示す図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサによるθ成分を検知した際の磁気検知出力を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサによるＲ成分を検知した際の磁気検知出力を示す図である。（ａ）は、θ成分検知素子とＲ成分検知素子の中点電圧の出力を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁気検知出力を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサに用いる磁気抵抗効果素子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子を説明するための図である。

図１に示すように、基板１上（同一基板上）には、磁気検出素子である第１素子２と、磁気検出素子である第２素子３とが設けられている。第１素子２は、外部磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子２１と、平面視において磁気抵抗効果素子２１を挟持するように配置された一対の軟磁性膜２２とから構成されている。また、第２素子３は、外部磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子３１と、平面視において磁気抵抗効果素子３１を挟持するように配置された一対の軟磁性膜３２とから構成されている。基板１には、通常のプリント配線板に用いられる基板を用いることができる。また、図中の参照符号４は電極パッドを示す。

磁気抵抗効果素子２１，３１は、それぞれ特定の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有している。磁気抵抗効果素子２１は、図１に示す矢印Ｘ方向に感度軸を持つミアンダ形状を有する。すなわち、図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１は、略平行して形成された直線部２１ａと、直線部２１ａ同士を連接する連接部２１ｂとを有する。この直線部２１ａの延在方向に対して直交する方向（矢印Ｘ方向）が感度軸方向である。また、磁気抵抗効果素子３１は、図１に示す矢印Ｙ方向に感度軸を持つミアンダ形状を有する。同様に、磁気抵抗効果素子３１は、略平行して形成された直線部と、直線部同士を連接する連接部とを有する。この直線部の延在方向に対して直交する方向（図２における矢印Ｙ方向）が感度軸方向である。なお、図１においては、磁気抵抗効果素子２１の感度軸方向（矢印Ｘ方向）と磁気抵抗効果素子３１の感度軸方向（矢印Ｙ方向）とが直交している。

ここで、磁気抵抗効果素子２１，３１のパターン幅（Ｄ_１）と検知磁界シフト量との間の関係を調べた。すなわち、磁気抵抗効果素子のパターン幅（Ｄ_１）を２μｍから２０μｍまで変え、そのときの検知磁界シフト量（Ｏｅ）を磁界−抵抗変化特性（Ｒ−Ｈ特性）により調べた。その結果を図３に示す。図３から分かるように、感度軸方向に直交する方向の磁場に対しては、素子パターン幅により感度が変わらない（■印）。すなわち、感度軸方向に直交する方向の磁場に対しては、素子パターン幅に拘わらず、比較的小さい磁場でセンサが動作する。一方、感度軸方向の磁場に対しては、素子パターン幅により感度が変わり（◆印）、素子パターン幅が小さくなると、感度が低下する。すなわち、感度軸方向の磁場に対しては、素子パターン幅が相対的に大きいほど感度が良く、比較的小さい磁場でセンサが動作する。このような観点から、磁気抵抗効果素子の２１，３１の幅（素子パターン幅）は、Ｘ方向とＹ方向の検知磁界差が発生する１０μｍ以下の幅が好ましい。特に、磁気抵抗効果素子の２１，３１の幅（素子パターン幅）は、２μｍ〜１０μｍであることが好ましい。

磁気抵抗効果素子２１，３１としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、それぞれ外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる多層膜積層構造を有するＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることができる。すなわち、図１１に示すように、磁気抵抗効果素子２１，３１は、フリー磁性層／非磁性層／フリー磁性層の積層構造を有する。ここで、非磁性層を構成する材料としては、Ｃｕ、などが挙げられる。また、フリー磁性層を構成する材料としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金などの軟磁性材料が挙げられる。なお、磁気抵抗効果素子２１，３１は、フリー磁性層／非磁性層／フリー磁性層の積層構造を少なくとも有していれば良く、他の層が設けられていても良い。また、フリー磁性層の厚さとしては、１ｎｍ〜６ｎｍであることが好ましく、非磁性層の厚さとしては、１．８ｎｍ〜２．６ｎｍであることが好ましい。

ここで使用する磁気抵抗効果素子２１，３１は、装置内のセンサ設置の関係から特定の方向からの磁界を検知する必要がなく、極性も判別する必要がないので、固定磁性層（ピンド層）が不要であり、フリー磁性層／非磁性層／フリー磁性層の積層構造を採用している。このため、製造工程において、加熱下で磁場を印加して固定磁性層（ピンド層）を形成する必要がない。これにより、基板上にフォトリソグラフィ及びエッチングにより磁気抵抗効果素子をパターニングすることができ、製造工程を簡略化することができる。また、フォトリソグラフィでパターニングすることができるので、微細な領域にも磁気抵抗効果素子をパターニングすることができる。

例えば、フリー磁性層や非磁性層を形成する場合、基板上にフリー磁性層材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングでパターニングしてフリー磁性層を形成した後にレジスト層を除去する。

磁気抵抗効果素子２１，３１を挟持するように配置された一対の軟磁性膜２２，３２は、特定の方向の外部磁界を増幅すると共に、特定の方向と異なる方向の外部磁界を減衰させる。すなわち、軟磁性膜２２，３２は、特定の方向の外部磁界に対してはヨーク効果を発揮し、特定の方向と異なる方向（特定の方向と直交する方向）の外部磁界に対してはシールド効果を発揮する。軟磁性膜２２は、感度軸方向（矢印Ｘ方向）の外部磁界を増幅すると共に、感度軸方向に直交する方向（矢印Ｙ方向）の外部磁界をシールドする。一方、軟磁性膜３２は、感度軸方向（矢印Ｙ方向）の外部磁界を増幅すると共に、感度軸方向に直交する方向（矢印Ｘ方向）の外部磁界をシールドする。なお、軟磁性膜を構成する材料が、ＣｏＺｒＮｂ、ＮｉＦｅ、Ｃｏ合金、及びＮｉ，Ｆｅを含む合金からなる群より選ばれたものであることが好ましい。

ここで、軟磁性膜２２，３２のパターン幅（Ｄ_２，Ｄ_３）とセンサ検知外部磁束密度（Ｇ）との間の関係を調べた。すなわち、厚さ０．５μｍの軟磁性膜（ＣｏＺｒＮｂ膜）のパターン幅（Ｄ_２，Ｄ_３）を０（なし）、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍとし、そのときのセンサ検知外部磁束密度（Ｇ）を磁界−抵抗変化特性（Ｒ−Ｈ特性）により調べた。その結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）から分かるように、軟磁性膜のパターン幅が広くなるほどセンサの検知磁界が小さくなる（センサの高感度化）。このため、センサの高感度化の観点からは、軟磁性膜２２，３２のパターン幅（Ｄ_２，Ｄ_３）は、５０μｍ以上、特に５０μｍ〜１５０μｍであることが好ましい。

また、軟磁性膜２２，３２のパターン幅（Ｄ_２，Ｄ_３）と磁束密度増幅率との間の関係を調べた。すなわち、厚さ０．５μｍの軟磁性膜（ＣｏＺｒＮｂ膜）のパターン幅（Ｄ_２，Ｄ_３）を０（Reference）、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍとし、そのときの磁束密度の増幅率（Reference基準）を磁界−抵抗変化特性（Ｒ−Ｈ特性）により調べた。その結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）から分かるように、軟磁性膜のパターン幅が広くなるほど磁束密度の増幅率が高くなる（幅５０μｍで２倍、幅１５０μｍで４倍）。このため、磁束密度の増幅率の観点からは、軟磁性膜２２，３２のパターン幅（Ｄ_２，Ｄ_３）は、５０μｍ以上とし、各磁気検知システムで必要なセンサ感度に合わせて設定することが好ましい。

図４（ａ），（ｂ）の結果から、センサの高感度化の観点、磁束密度の増幅率の観点を考慮すると、軟磁性膜の幅は５０μｍ以上であることが好ましい。また、軟磁性膜の厚さは０．５μｍ以上であることが好ましい。

本発明の磁気センサの個々の磁気検知素子（第１素子２、第２素子３）においては、感度軸方向（第１素子２では矢印Ｘ方向、第２素子３では矢印Ｙ方向）の外部磁界が作用すると、一対のフリー磁性層の磁化方向が外部磁界方向に向く。これにより、両フリー磁性層の磁化方向が平行に近づいて抵抗値が低下する。この抵抗値の変化を出力とすることにより磁気検知することができる。このとき、磁気抵抗効果素子を挟持する一対の軟磁性膜により特定の方向の外部磁界を感度良く検知することができる。すなわち、一対の軟磁性膜が、特定の方向の外部磁界に対してヨーク効果を発揮し、特定の方向と異なる方向（ここでは特定の方向と直交する方向）の外部磁界に対してシールド効果を発揮する。これにより、磁束発生源（磁石）との間の間隔（Ｇａｐ）が広くても磁気検知することができる。

図１に示すように、感度軸方向が直交するように磁気検知素子（第１素子２、第２素子３）を配置することにより、異なる方向の外部磁界が混在する環境において微弱な外部磁界でも個々の感度軸方向の外部磁界を感度良く磁気検知することが可能となる。

ここで、図５に示すような磁束発生源（磁石）４１の磁気検知について説明する。図５において、磁石４１と磁気センサ４２との間の距離（磁石表面とセンサ中心との間の距離）をＧａｐとする。磁石４１は、歯車状（断面略十字状）であり、回転軸４１ａを中心に回転する。また、磁気センサ４２は、図１に示す構成を有しており、磁石４１のそれぞれの先端部が近接した際に磁気を検知するようになっている。すなわち、磁気センサ４２は、回転する磁石４１を回転角９０°毎に磁気検知するようになっている。なお、図１における矢印Ｘ方向が磁石回転方向（θ方向）であり、図１における矢印Ｙ方向が磁石半径方向（Ｒ方向）である。したがって、磁気センサ４２における第１素子２は、θ方向の成分（θ成分）を増幅して、Ｒ方向の成分（Ｒ成分）を減衰させるθ成分検知素子であり、磁気センサ４２における第２素子３は、Ｒ方向の成分（Ｒ成分）を増幅して、θ方向の成分（θ成分）を減衰させるＲ成分検知素子である。

また、磁気センサ４２において、第１素子２と第２素子３とは、図６に示すように電気的に接続されており、ブリッジ回路を構成している。そして、磁気センサ４２の出力は、図６に示すように、Ｒ成分検知素子とθ成分検知素子の中点電位としている。このような回路とすることにより、図５に示す４つの歯を持つ磁石４１に対して回転角９０°毎に磁気検知することができる。

ここでは、図５に示す磁石４１と磁気センサ４２との間の距離をそれぞれ５．１ｍｍ、６．１ｍｍ、７．１ｍｍと変えたときの磁気センサ４２の出力を調べた。なお、磁気センサ４２の磁気抵抗効果素子としては、図７（ａ），（ｂ）に示す特性を持つものを用いた。すなわち、磁気センサ４２の磁気抵抗効果素子は、感度軸方向に直交する方向の磁場−抵抗値の関係が図７（ｂ）に示す曲線であり、感度軸方向の磁場−抵抗値の特性曲線が図７（ａ）に示す曲線である。

図８は、本発明の構成を有しない一つの磁気検知素子で磁石４１の磁気検知をした場合を示す図である。図８から分かるように、Ｒ成分とθ成分とが混在した状態である。このような出力では、特に、Ｇａｐが７．１ｍｍの場合には、４つの歯を正確に磁気検知することは難しい（周期的なパルスとして出力することができない）。

一方、本発明の磁気センサ４２を用いた場合においては、θ成分検知素子である第１素子２のみの出力は図９（ａ）に示すようになる。すなわち、θ成分が増幅され、Ｒ成分が減衰されている。また、Ｒ成分検知素子である第２素子３のみの出力は図９（ｂ）に示すようになる。すなわち、Ｒ成分が増幅され、θ成分が減衰されている。そして、θ成分検知素子とＲ成分検知素子の中点電位は、図１０（ａ）に示すようになる。図１０（ａ）では、Ｇａｐが５．１ｍｍのものとＧａｐが７．１ｍｍのものを示している。この中点電位をパルス出力とすると、図１０（ｂ）に示すようになる。図１０（ｂ）から分かるように、Ｇａｐが５．１ｍｍでもＧａｐが７．１ｍｍでも、４つの歯を正確に磁気検知することができた（周期的なパルスとして出力することができた）。

このように、本発明の磁気センサによれば、感度軸方向が異なる磁気検知素子（第１素子２、第２素子３）を配置するので、異なる方向の外部磁界が混在する環境において微弱な外部磁界でも個々の感度軸方向の外部磁界を感度良く磁気検知することが可能となる。これにより、図５に示すような複雑な形状の磁束発生源（磁石）の磁気検知を正確に行うことができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、流量検知用の磁気センサに適用することが可能である。

１基板
２第１素子
３第２素子
４電極パッド
２１，３１磁気抵抗効果素子
２１ａ直線部
２１ｂ連接部
２２，３２軟磁性膜
４１磁石
４１ａ回転軸
４２磁気センサ

Claims

第１の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる、固定磁性層を含まずバイアスのかかっていない積層構造を有する第１磁気抵抗効果素子、及び平面視において前記第１磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜で構成された第１磁気検知素子と、前記第１の方向と異なる第２の方向に感度軸を持つミアンダ形状を有し、外部磁界に対して磁化変動する一対のフリー磁性層で非磁性層を挟持してなる、固定磁性層を含まずバイアスのかかっていない積層構造を有する第２磁気抵抗効果素子、及び平面視において前記第２磁気抵抗効果素子を挟持するように配置された一対の軟磁性膜で構成された第２磁気検知素子と、が同一基板上に設けられており、ブリッジ回路を構成し、前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子ではそれぞれ、前記感度軸方向の外部磁界が作用すると、前記一対のフリー磁性層の磁化方向が前記外部磁界の方向に向き、平行に近づいて抵抗値が低下することを特徴とする磁気センサ。
前記第１の方向と前記第２の方向とが直交することを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子の幅が、２μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
前記軟磁性膜の幅が、５０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気センサ。
前記軟磁性膜を構成する材料が、ＣｏＺｒＮｂ、ＮｉＦｅ、Ｃｏ合金、及びＮｉ，Ｆｅを含む合金からなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気センサ。