JP5631378B2 - Magnetic field detection method - Google Patents

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Description

この発明は、磁気抵抗効果を利用して外部から印加された磁界を検出する磁界検出装置および磁界検出方法に関する。   The present invention relates to a magnetic field detection device and a magnetic field detection method for detecting a magnetic field applied from the outside using a magnetoresistance effect.

外部から印加された磁界を検出する磁界検出素子として、ホール素子のほかに磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子には、金属の磁気抵抗効果を利用したAMR(Anisotropic Magneto-Resistance)素子、巨大磁気抵抗効果を利用したGMR(Giant Magneto-Resistance)素子、およびトンネル磁気抵抗効果を利用したTMR(Tunnel Magneto-Resistance)素子などがある。特に、他に比べて大きなMR比が得られるGMR素子およびTMR素子が注目されている。   In addition to the Hall element, a magnetoresistive effect element is known as a magnetic field detection element for detecting a magnetic field applied from the outside. The magnetoresistive effect element includes an AMR (Anisotropic Magneto-Resistance) element utilizing a magnetoresistive effect of a metal, a GMR (Giant Magneto-Resistance) element utilizing a giant magnetoresistive effect, and a TMR (TMR using a tunnel magnetoresistive effect). Tunnel Magneto-Resistance) element. In particular, GMR elements and TMR elements that can obtain a larger MR ratio than others are drawing attention.

特公平8−21166号公報(特許文献1)は、スピンバルブ構造を有したGMR素子およびTMR素子について開示する。スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子は、非磁性の薄膜層によって仕切られた強磁性体の第1の薄膜層(自由層)および第2の薄膜層(固着層)を有する。印加磁界が0の場合、強磁性体の第1の薄膜層の磁化方向は、強磁性体の第2の薄膜層の磁化方向に対して直交するように設定され、強磁性体の第2の薄膜層の磁化方向は固定されている。第2の薄膜層の磁化方向を固定させるために、高電気抵抗の反強磁性体の薄膜層が強磁性体の第2の薄膜層に直接、接触して付着される。代替構造として、反強磁性体の薄膜層を、高飽和保磁力かつ高電気抵抗を有する強磁性の層にすることもできる。   Japanese Patent Publication No. 8-21166 (Patent Document 1) discloses a GMR element and a TMR element having a spin valve structure. A magnetoresistive effect element having a spin valve structure has a first thin film layer (free layer) and a second thin film layer (fixed layer) of ferromagnetic material partitioned by a nonmagnetic thin film layer. When the applied magnetic field is 0, the magnetization direction of the first thin film layer of the ferromagnetic material is set to be orthogonal to the magnetization direction of the second thin film layer of the ferromagnetic material. The magnetization direction of the thin film layer is fixed. In order to fix the magnetization direction of the second thin film layer, a high electrical resistance antiferromagnetic thin film layer is deposited in direct contact with the ferromagnetic second thin film layer. As an alternative structure, the antiferromagnetic thin film layer may be a ferromagnetic layer having high coercivity and high electrical resistance.

また、特開2005−236134号公報(特許文献2)に開示される磁気抵抗効果素子では、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて変化し、かつ、この外部磁界が0のときに固着層の磁化方向と平行となる磁化方向を示す自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体が設けられる。この磁気抵抗効果素子ではさらに、固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するために、永久磁石または固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインが設けられる。適切な強さのバイアス磁界を印加することによって外部磁界に対する読出電流の抵抗変化を線形とすることができる。   Further, in the magnetoresistive effect element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-236134 (Patent Document 2), a fixed layer having a magnetization direction fixed in a fixed direction, an external magnetic field that changes according to an external magnetic field, and the external A stacked body is provided that includes a free layer having a magnetization direction parallel to the magnetization direction of the pinned layer when the magnetic field is 0, and an intermediate layer sandwiched between the pinned layer and the free layer. The magnetoresistive element further includes a bias current line extending in the magnetization direction of the permanent magnet or the pinned layer in order to apply a bias magnetic field in a direction orthogonal to the magnetization direction of the pinned layer. By applying a bias magnetic field having an appropriate strength, the resistance change of the read current with respect to the external magnetic field can be made linear.

特公平8−21166号公報Japanese Examined Patent Publication No. 8-21166 特開2005−236134号公報JP-A-2005-236134

しかし、磁気抵抗効果素子に隣接して電流線を設置してバイアス磁界を印加する場合、電流線と磁気抵抗効果素子との間の電気的な絶縁を保つために絶縁膜を設ける必要がある。絶縁膜の絶縁性および耐久性は絶縁膜の膜厚を厚くするほど向上する。   However, when a current line is installed adjacent to the magnetoresistive effect element and a bias magnetic field is applied, it is necessary to provide an insulating film in order to maintain electrical insulation between the current line and the magnetoresistive effect element. The insulating properties and durability of the insulating film are improved as the thickness of the insulating film is increased.

一方、一様な電流Iから距離rだけ離れた場所に発生する磁界Hは、アンペアの法則によって、H=I/(2πr)で与えられる。ここで、πは円周率である。したがって、絶縁膜を厚くするほど電流線と磁気抵抗効果素子の間の距離rが大きくなるので、バイアス磁界を一定に保つためには電流線に流す電流Iを増加させる必要がある。   On the other hand, the magnetic field H generated at a distance r from the uniform current I is given by H = I / (2πr) according to Ampere's law. Here, π is the circumference ratio. Therefore, the thicker the insulating film, the larger the distance r between the current line and the magnetoresistive effect element. Therefore, in order to keep the bias magnetic field constant, it is necessary to increase the current I flowing through the current line.

上記の理由で、絶縁膜の絶縁性や耐久性をより向上させるために膜厚を厚くするほど、磁気抵抗効果素子に所望のバイアス磁界を印加するのに必要な電流が増大することになる。このため、磁界検出装置の消費電力が増大してしまうという問題がある。   For the above reason, the current required to apply a desired bias magnetic field to the magnetoresistive effect element increases as the film thickness is increased in order to further improve the insulation and durability of the insulating film. For this reason, there exists a problem that the power consumption of a magnetic field detection apparatus will increase.

この発明は、かかる課題を解決されるためになされたものである。この発明の目的は、消費電力が小さくかつ磁界の検出精度の高い磁界検出装置および磁界検出方法を提供することである。   The present invention has been made to solve such problems. An object of the present invention is to provide a magnetic field detection device and a magnetic field detection method with low power consumption and high magnetic field detection accuracy.

この発明は要約すれば、外部磁界を検出するための磁界検出装置であって、1または複数の検出素子と、バイアス電流供給部と、測定部と、演算部とを備える。1または複数の検出素子の各々は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第1の強磁性体膜、磁化方向が一定の第2の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子である。バイアス電流供給部は、1または複数の検出素子の各々に対して、第1の強磁性体膜の磁化方向を変化させるために、第1および第2の強磁性体膜のいずれかに膜面方向のバイアス電流を供給する。測定部は、1または複数の検出素子の各々において、第1の強磁性体膜の磁化方向の変化に応じた検出素子の電気特性を測定する。演算部は、測定部で測定された1または複数の検出素子の各々の電気特性に基づいて外部磁界を算出する。   In summary, the present invention is a magnetic field detection device for detecting an external magnetic field, and includes one or a plurality of detection elements, a bias current supply unit, a measurement unit, and a calculation unit. Each of the one or more detection elements includes a first ferromagnetic film whose magnetization direction changes according to an external magnetic field, a second ferromagnetic film whose magnetization direction is constant, and a space between these ferromagnetic films. A tunnel magnetoresistive element including a tunnel insulating film sandwiched between layers. The bias current supply unit has a film surface on one of the first and second ferromagnetic films in order to change the magnetization direction of the first ferromagnetic film for each of the one or more detection elements. Supply directional bias current. The measurement unit measures the electrical characteristics of the detection element according to the change in the magnetization direction of the first ferromagnetic film in each of the one or more detection elements. The calculation unit calculates an external magnetic field based on the electrical characteristics of each of the one or more detection elements measured by the measurement unit.

この発明によれば、トンネル磁気抵抗効果素子の一方の電極にバイアス電流を流すので、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力でバイアス磁界をトンネル磁気抵抗効果素子に印加することができる。また、外部磁界に応じてバイアス磁界の大きさを変化させることによって、磁界検出精度を向上させることができる。   According to the present invention, since a bias current flows through one electrode of the tunnel magnetoresistive effect element, a bias magnetic field can be applied to the tunnel magnetoresistive effect element with less power consumption than when a separate bias current wiring layer is provided. Can be applied. Further, the magnetic field detection accuracy can be improved by changing the magnitude of the bias magnetic field in accordance with the external magnetic field.

この発明の実施の形態1による磁界検出装置1の構成を示す模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the magnetic field detection apparatus 1 by Embodiment 1 of this invention. 図1の磁界検出装置1の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the magnetic field detection apparatus 1 of FIG. 図1のIII−III線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line of FIG. 検出素子10の接合部の構成を詳しく示す断面図である。3 is a cross-sectional view illustrating in detail a configuration of a joint portion of the detection element 10. 外部磁界Hexとバイアス磁界Hbとが平行の場合における外部磁界Hexと素子抵抗Rとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the external magnetic field Hex and element resistance R in case the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb are parallel. 外部磁界Hexとバイアス磁界Hbとが垂直の場合における外部磁界Hexと素子抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the external magnetic field Hex and element resistance in case the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb are perpendicular | vertical. 外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbの方向と磁化方向との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the direction of the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb, and a magnetization direction. 図1の磁界検出装置1の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the magnetic field detection apparatus 1 of FIG. 図1の磁界検出装置1による外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection procedure of the external magnetic field Hex by the magnetic field detection apparatus 1 of FIG. 実施の形態1の変形例1による外部磁界Hexの検出方法を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a method of detecting an external magnetic field Hex according to the first modification of the first embodiment. FIG. 実施の形態1の変形例1による外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing a procedure for detecting an external magnetic field Hex according to the first modification of the first embodiment. 実施の形態1の変形例2によるTMR素子の構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a configuration of a TMR element according to a second modification of the first embodiment. FIG. 実施の形態1の変形例3によるTMR素子の構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a configuration of a TMR element according to a third modification of the first embodiment. FIG. この発明の実施の形態2による磁界検出装置2の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the magnetic field detection apparatus 2 by Embodiment 2 of this invention. 図14の磁界検出装置2の要部の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the principal part of the magnetic field detection apparatus 2 of FIG. この発明の実施の形態2の変形例による磁界検出装置2Aの構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of 2 A of magnetic field detection apparatuses by the modification of Embodiment 2 of this invention. 図16の磁界検出装置2Aの要部の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the principal part of the magnetic field detection apparatus 2A of FIG. この発明の実施の形態3による磁界検出装置3の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the magnetic field detection apparatus 3 by Embodiment 3 of this invention. 図18の磁界検出装置3の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the magnetic field detection apparatus 3 of FIG. 図18、図19の磁界検出装置3による外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection procedure of the external magnetic field Hex by the magnetic field detection apparatus 3 of FIG. 18, FIG. この発明の実施の形態3の変形例1による磁界検出装置3Aの構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of 3 A of magnetic field detection apparatuses by the modification 1 of Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3の変形例2による磁界検出装置3Bを構成および動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a structure and operation | movement of the magnetic field detection apparatus 3B by the modification 2 of Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4による磁界検出装置4の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the magnetic field detection apparatus 4 by Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4による磁界検出装置4Aの動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the magnetic field detection apparatus 4A by Embodiment 4 of this invention. 図24の磁界検出装置4Aによる外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection procedure of the external magnetic field Hex by the magnetic field detection apparatus 4A of FIG. この発明の実施の形態5による磁界検出装置5の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the magnetic field detection apparatus 5 by Embodiment 5 of this invention. 図26の磁界検出装置5によって外部磁界Hexの方向を検知する手順を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the procedure which detects the direction of the external magnetic field Hex by the magnetic field detection apparatus 5 of FIG. この発明の実施の形態5の変形例による磁界検出装置5Aの構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of 5 A of magnetic field detection apparatuses by the modification of Embodiment 5 of this invention. この発明の実施の形態6による回転角センサ6の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the rotation angle sensor 6 by Embodiment 6 of this invention.

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

[実施の形態1]
(磁界検出装置1の構成)
図1は、この発明の実施の形態1による磁界検出装置1の構成を示す模式的に示す平面図である。
[Embodiment 1]
(Configuration of magnetic field detection device 1)
FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a magnetic field detection apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention.

図2は、図1の磁界検出装置1の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。
図3は、図1のIII−III線に沿う断面図である。以下、図1〜図3を参照して、磁界検出装置1の構成について説明する。なお、以下の説明では、座標軸の方向をX軸方向、Y軸方向、Z軸方向で表わす。単にX軸方向、Y軸方向、Z軸方向と記載したときは+方向と−方向の両方向を意味するものとし、+方向と−方向を区別して方向を表示するときは+X方向、−X方向のように符号を付して記載するものとする。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a configuration of the magnetic field detection device 1 of FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. Hereinafter, the configuration of the magnetic field detection apparatus 1 will be described with reference to FIGS. In the following description, the directions of the coordinate axes are represented by the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. When written simply as X-axis direction, Y-axis direction, or Z-axis direction, it means both the + direction and-direction, and when displaying the direction by distinguishing + direction and-direction, + X direction, -X direction It shall be described with a reference numeral.

磁界検出装置1は、磁界を検出する検出素子10と、電圧源21と、抵抗素子22と、差動増幅回路23と、参照電圧源24と、制御部25と、バイアス電流供給部としての電流源31とを含む。ここで、電圧源21、抵抗素子22、差動増幅回路23、および参照電圧源24は、検出素子10の抵抗値を測定するための測定部20を構成する。   The magnetic field detection device 1 includes a detection element 10 that detects a magnetic field, a voltage source 21, a resistance element 22, a differential amplifier circuit 23, a reference voltage source 24, a control unit 25, and a current as a bias current supply unit. Source 31. Here, the voltage source 21, the resistance element 22, the differential amplifier circuit 23, and the reference voltage source 24 constitute a measurement unit 20 for measuring the resistance value of the detection element 10.

検出素子10は、基板40上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)であり、絶縁層14を挟んで上部に位置する上部電極18と下部に位置する下部電極17とを含む。検出素子10の上部電極18は、コンタクトホールに形成された導電部46を介在して配線層43と接続される。配線層43は、基板40上に形成された測定部20と電気的に接続される。図2には、測定部20を構成する半導体素子の代表としてMOS(Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタ29が示されている。   The detection element 10 is a tunnel magnetoresistive effect element (TMR element) formed on the substrate 40, and includes an upper electrode 18 located at the upper part and a lower electrode 17 located at the lower part with the insulating layer 14 in between. The upper electrode 18 of the detection element 10 is connected to the wiring layer 43 through a conductive portion 46 formed in the contact hole. The wiring layer 43 is electrically connected to the measurement unit 20 formed on the substrate 40. FIG. 2 shows a MOS (Metal-Oxide Semiconductor) transistor 29 as a representative of the semiconductor elements constituting the measurement unit 20.

また、検出素子10の下部電極17は、コンタクトホールに形成された導電部44を介在して配線層41と接続され、コンタクトホールに形成された導電部45を介在して配線層42と接続される。配線層41は電流源31と接続され、配線層42は接地GNDに接続される。図2には、電流源31を構成する半導体素子の代表としてMOSトランジスタ39が示される。また、コンタクトホールに形成された導電部44および導電部45は、検出素子10の接合部を跨いでY軸方向の両側に設けられる。   Further, the lower electrode 17 of the detection element 10 is connected to the wiring layer 41 via a conductive portion 44 formed in the contact hole, and is connected to the wiring layer 42 via a conductive portion 45 formed in the contact hole. The The wiring layer 41 is connected to the current source 31 and the wiring layer 42 is connected to the ground GND. FIG. 2 shows a MOS transistor 39 as a representative of the semiconductor elements constituting the current source 31. The conductive portion 44 and the conductive portion 45 formed in the contact hole are provided on both sides in the Y-axis direction across the joint portion of the detection element 10.

上記の配線層41〜43は、導電性の材料で形成されていればよいが、シリコン集積回路などで使用される配線材料で形成されるのが好ましい。たとえば、Al、AlSi、AlSiCu、AlCuなどの材料で形成される。コンタクトホールに形成された導電部44〜46についても、導電性の材料で形成されていいればよいが、好ましくはW,Ti,Co,Si,Ta,Mo,Ru,Pt,Auなどを含む導電性の金属材料で形成される。   The wiring layers 41 to 43 may be formed of a conductive material, but are preferably formed of a wiring material used in a silicon integrated circuit or the like. For example, it is made of a material such as Al, AlSi, AlSiCu, AlCu. The conductive portions 44 to 46 formed in the contact holes may be formed of a conductive material, but preferably include conductive materials including W, Ti, Co, Si, Ta, Mo, Ru, Pt, Au, and the like. Formed of a metallic material.

図4は、検出素子10の接合部の構成を詳しく示す断面図である。図4を参照して、検出素子10は、基板側から順に、非磁性導体11、反強磁性層12、強磁性層(固着層)13、絶縁層14、強磁性層(自由層)15、および非磁性導体16が積層されて形成される。非磁性導体11、反強磁性層12、および強磁性層13が下部電極17に含まれ、強磁性層(自由層)15および非磁性導体16が上部電極に含まれる。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing in detail the configuration of the joint of the detection element 10. Referring to FIG. 4, detection element 10 includes, in order from the substrate side, nonmagnetic conductor 11, antiferromagnetic layer 12, ferromagnetic layer (fixed layer) 13, insulating layer 14, ferromagnetic layer (free layer) 15, And the nonmagnetic conductor 16 is laminated | stacked and formed. The nonmagnetic conductor 11, the antiferromagnetic layer 12, and the ferromagnetic layer 13 are included in the lower electrode 17, and the ferromagnetic layer (free layer) 15 and the nonmagnetic conductor 16 are included in the upper electrode.

強磁性層(固着層)13の磁化方向は、反強磁性層12との交換結合により1方向に固定されている。一方、強磁性層(自由層)15の磁化方向は外部磁場に応じて変化する。このようなスピンバルブ構造を有した磁気抵抗素子の抵抗は、強磁性層(固着層)13の磁化方向と強磁性層(自由層)15の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。つまり、外部磁界に影響されて強磁性層(自由層)15の磁化方向が変化することによって素子抵抗が変化する。このため、外部磁界を素子抵抗によって検知することが可能になる。   The magnetization direction of the ferromagnetic layer (pinned layer) 13 is fixed in one direction by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 12. On the other hand, the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15 changes according to the external magnetic field. The resistance of the magnetoresistive element having such a spin valve structure changes according to the angle formed by the magnetization direction of the ferromagnetic layer (pinned layer) 13 and the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15. In other words, the element resistance changes as the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15 changes due to the influence of the external magnetic field. For this reason, the external magnetic field can be detected by the element resistance.

一般に、TMR素子では自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが平行の場合に抵抗は最小値となり、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが反平行の場合に抵抗は最大値となる。なお、TMR素子の場合、各層の厚みが素子のパターンサイズに対して1/100以下であり形状異方性の影響を強く受ける。したがって、基板40に垂直方向(図1〜図3のZ軸方向)に磁化方向を変化させることは非常に難しく、強磁性層(自由層)15の磁化方向は基板面内方向に限られる。また、基板40に垂直方向に外部磁界を印加した場合には、強磁性層(自由層)15の磁化方向の変化は無視できるので、結果として素子抵抗の変化も無視できる。   In general, in the TMR element, the resistance is the minimum value when the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer are parallel, and the resistance is the maximum value when the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer are antiparallel. It becomes. In the case of a TMR element, the thickness of each layer is 1/100 or less with respect to the pattern size of the element and is strongly influenced by shape anisotropy. Therefore, it is very difficult to change the magnetization direction in the direction perpendicular to the substrate 40 (Z-axis direction in FIGS. 1 to 3), and the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15 is limited to the in-plane direction of the substrate. Further, when an external magnetic field is applied in the direction perpendicular to the substrate 40, the change in the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15 can be ignored, and as a result, the change in element resistance can also be ignored.

上記のTMR素子の構造は、たとえば、反強磁性層12としてIrMn、強磁性層(固着層)13としてNiFeまたはCoFe、絶縁層14としてAl23、強磁性層(自由層)15としてNiFeを用いることによって構成できる。この他、反強磁性層12として、FeMn、IrMn、PtMnを用いることができる。また、強磁性層13,15として、Co、Fe、CoFe合金、CoNi合金、CoFeNi合金、などのCo、Ni、Feを主成分として含む金属や、NiMnSb、Co2MnGeなどの合金などを用いることができる。TMR素子として所望の性能が得られる材料であれば特段の制約はない。また、トンネル絶縁膜として用いられる絶縁層14は、非磁性層の絶縁体であればよい。たとえば、絶縁層14として、Ta25、SiO2、MgOなどの金属の酸化物や、弗化物などを用いることができる。 The structure of the above TMR element is, for example, IrMn as the antiferromagnetic layer 12, NiFe or CoFe as the ferromagnetic layer (fixed layer) 13, Al 2 O 3 as the insulating layer 14, and NiFe as the ferromagnetic layer (free layer) 15. Can be configured. In addition, FeMn, IrMn, and PtMn can be used as the antiferromagnetic layer 12. Further, as the ferromagnetic layers 13 and 15, a metal containing Co, Ni, Fe such as Co, Ni, Fe such as Co, Fe, CoFe alloy, CoNi alloy, CoFeNi alloy, an alloy such as NiMnSb, Co 2 MnGe, or the like is used. Can do. There is no particular limitation as long as it is a material capable of obtaining desired performance as a TMR element. The insulating layer 14 used as the tunnel insulating film may be an insulator of a nonmagnetic layer. For example, a metal oxide such as Ta 2 O 5 , SiO 2 , MgO, fluoride, or the like can be used for the insulating layer 14.

なお、実施の形態1の場合と異なり、強磁性層(自由層)15が下部電極に含まれ、強磁性層(固着層)13および反強磁性層12が上部電極に含まれるように構成することもできる。また、強磁性層(自由層)15は、図4のように単一の磁性層であってもよいし、図4と異なって2種類以上の磁性層が積層された構造であってもよい。   Unlike the first embodiment, the ferromagnetic layer (free layer) 15 is included in the lower electrode, and the ferromagnetic layer (fixed layer) 13 and the antiferromagnetic layer 12 are included in the upper electrode. You can also Further, the ferromagnetic layer (free layer) 15 may be a single magnetic layer as shown in FIG. 4, or may have a structure in which two or more kinds of magnetic layers are laminated unlike FIG. .

また、上記の各層は、たとえばDCマグネトロンスパッタリングにより形成される。その他、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、各種スパッタ法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、蒸着法などによって各層を形成してもよい。   Moreover, each said layer is formed by DC magnetron sputtering, for example. In addition, each layer may be formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method, various sputtering methods, a chemical vapor deposition (CVD) method, a vapor deposition method, or the like.

上記の素子構造は、たとえば、フォトリソグラフィーによるパターンニングとエッチングとよって作製される。この場合、積層膜を形成後、フォトリソグラフィーを用いてフォトレジストによる所望のパターンを形成する。その後、パターンニングされたフォトレジストをマスクにしてイオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより素子の形状が得られる。なお、フォトリソグラフィーに代えて電子線リソグラフィーを用いても良いし、集束イオンビーム加工を用いてもよい。   The above element structure is produced, for example, by photolithography patterning and etching. In this case, after forming the laminated film, a desired pattern is formed by a photoresist using photolithography. Thereafter, the element shape is obtained by ion milling or reactive ion etching using the patterned photoresist as a mask. Note that electron beam lithography may be used instead of photolithography, or focused ion beam processing may be used.

再び図1〜図3を参照して、測定部20の構成について説明する。図1の抵抗素子22および電圧源21は、配線層43と配線層42との間に直列に接続される。また、配線層43は差動増幅回路23の+端子に接続される。一方、差動増幅回路23の−端子には、参照電圧源24によって参照電圧Vrefが与えられる。差動増幅回路23は、抵抗素子22および検出素子10の接続ノードNd1の電圧Vd1と参照電圧Vrefとの差を増幅して制御部25に出力する。   The configuration of the measurement unit 20 will be described with reference to FIGS. 1 to 3 again. The resistance element 22 and the voltage source 21 in FIG. 1 are connected in series between the wiring layer 43 and the wiring layer 42. The wiring layer 43 is connected to the + terminal of the differential amplifier circuit 23. On the other hand, the reference voltage Vref is applied to the negative terminal of the differential amplifier circuit 23 by the reference voltage source 24. The differential amplifier circuit 23 amplifies the difference between the voltage Vd1 of the connection node Nd1 of the resistance element 22 and the detection element 10 and the reference voltage Vref and outputs the amplified difference to the control unit 25.

上記のように検出素子10と抵抗素子20とからなるハーフブリッジを構成することによって、検出素子10の上部電極18と下部電極17との間の抵抗値に応じた大きさの出力電圧Voutが制御部25に出力される。   By configuring a half bridge composed of the detection element 10 and the resistance element 20 as described above, the output voltage Vout having a magnitude corresponding to the resistance value between the upper electrode 18 and the lower electrode 17 of the detection element 10 is controlled. Is output to the unit 25.

制御部25は、コンピュータによって構成され、演算部26と記憶部27とを含む。演算部26は、差動増幅回路23の出力電圧Voutに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、図8、図9を参照して後述する。記憶部27は、差動増幅回路23の出力など演算部26の処理に必要なデータを記憶する。また、制御部25は、電圧源21および電流源31の動作を制御する。なお、実施の形態1の場合と異なり、演算部26を演算増幅器などを利用してアナログ回路で構成することもできる。   The control unit 25 is configured by a computer and includes a calculation unit 26 and a storage unit 27. The computing unit 26 calculates the magnitude of the unknown external magnetic field based on the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. A specific calculation method will be described later with reference to FIGS. The storage unit 27 stores data necessary for processing of the arithmetic unit 26 such as an output of the differential amplifier circuit 23. The control unit 25 controls the operation of the voltage source 21 and the current source 31. Note that, unlike the case of the first embodiment, the arithmetic unit 26 may be configured by an analog circuit using an operational amplifier or the like.

電流源31は、配線層41と配線層42との間に接続される。電流源31によって下部電極17にY軸方向のバイアス電流Ibを流すことによって、検出素子10の接合部にはX軸方向のバイアス磁界Hbが印加される。   The current source 31 is connected between the wiring layer 41 and the wiring layer 42. By applying a bias current Ib in the Y-axis direction to the lower electrode 17 by the current source 31, a bias magnetic field Hb in the X-axis direction is applied to the junction of the detection element 10.

実施の形態1の磁界検出装置1では、未知の外部磁界に加えてバイアス磁界Ibを印加できるので、後述するように磁界の感度を調整することが可能になり、測定誤差を低減させて精度よく外部磁界を検出することができる。また、強磁性層(自由層)15に直近の下部電極17にバイアス電流Ibを流すので、わずかの電流でTMR素子に磁界を印加することが可能であり、消費電力の節約ができる。   In the magnetic field detection apparatus 1 according to the first embodiment, since the bias magnetic field Ib can be applied in addition to the unknown external magnetic field, it becomes possible to adjust the sensitivity of the magnetic field as will be described later, reducing the measurement error and accurately. An external magnetic field can be detected. Further, since the bias current Ib is passed through the lower electrode 17 closest to the ferromagnetic layer (free layer) 15, it is possible to apply a magnetic field to the TMR element with a slight current, and power consumption can be saved.

たとえば、検出素子10に対して20Oeのバイアス磁界Hbを印加することを考える。この場合、検出素子10を保護するために0.1μmの絶縁膜を介して設けられた配線に電流を流す場合には、アンペアの法則により1mAのバイアス電流Ibが必要である。   For example, consider applying a bias magnetic field Hb of 20 Oe to the detection element 10. In this case, in order to pass a current through a wiring provided via a 0.1 μm insulating film in order to protect the detection element 10, a bias current Ib of 1 mA is required according to Ampere's law.

一方、検出素子10の下部電極17に電流を流す場合には、バイアス電流Ibを小さくすることができる。たとえば、非磁性導体11の比抵抗が下部電極17を構成する他の層(反強磁性層12および強磁性層13)の比抵抗よりも十分小さいために、下部電極17を流れるバイアス電流Ibが主として非磁性導体11を流れる場合を考える。この場合、反強磁性層12および強磁性層13の全体の厚みを10nmとすると、絶縁層14よりも10nm下の位置に形成された非磁性導体11に主としてバイアス電流Ibが流れることになる。したがって、0.1mAのバイアス電流Ibで上記の場合と略同じ20Oeのバイアス磁界Hbを得ることができ、低消費電力化が可能になる。特に後述する参照素子のように大きな電流を印加する場合に顕著な効果がある。   On the other hand, when a current is passed through the lower electrode 17 of the detection element 10, the bias current Ib can be reduced. For example, since the specific resistance of the nonmagnetic conductor 11 is sufficiently smaller than the specific resistance of the other layers (the antiferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 13) constituting the lower electrode 17, the bias current Ib flowing through the lower electrode 17 is Consider a case where the current mainly flows through the nonmagnetic conductor 11. In this case, if the total thickness of the antiferromagnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 13 is 10 nm, the bias current Ib mainly flows through the nonmagnetic conductor 11 formed at a position 10 nm below the insulating layer 14. Therefore, a bias magnetic field Hb of approximately 20 Oe as in the above case can be obtained with a bias current Ib of 0.1 mA, and power consumption can be reduced. In particular, there is a remarkable effect when a large current is applied as in a reference element described later.

(磁界検出装置1の動作)
次に、磁界検出装置1の動作について説明する。
(Operation of Magnetic Field Detection Device 1)
Next, the operation of the magnetic field detection device 1 will be described.

実施の形態1の磁界検出装置1では、図4の強磁性層(自由層)15の磁化方向は、外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbによって決まる。また、検出素子10(TMR素子)の抵抗値は、強磁性層(自由層)15の磁化方向と強磁性層(固着層)13の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。   In the magnetic field detection device 1 of the first embodiment, the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15 in FIG. 4 is determined by the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb. Further, the resistance value of the detection element 10 (TMR element) changes according to the angle formed by the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) 15 and the magnetization direction of the ferromagnetic layer (fixed layer) 13.

まず、外部磁界Hexの方向とバイアス磁界Hbの方向とが平行または反平行の場合(外部磁界Hex方向とバイアス電流Ibの方向とが垂直の場合)について説明する。この場合、外部磁界Hexに応じた適切な大きさのバイアス磁界Hbを生成することによって、検出素子10(TMR素子)で測定可能な外部磁界Hexの範囲をシフトすることができる。   First, the case where the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias magnetic field Hb are parallel or antiparallel (when the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias current Ib are perpendicular) will be described. In this case, by generating a bias magnetic field Hb having an appropriate magnitude according to the external magnetic field Hex, the range of the external magnetic field Hex that can be measured by the detection element 10 (TMR element) can be shifted.

図5は、外部磁界Hexとバイアス磁界Hbとが平行の場合における外部磁界Hexと素子抵抗Rとの関係を示す図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between the external magnetic field Hex and the element resistance R when the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb are parallel to each other.

図5を参照して、検出素子10(TMR素子)は、バイアス磁界Hbが存在しない場合において、−Hk〜Hk(Hk:飽和磁界)の範囲内で線形領域を有する(図5の破線)。外部磁界HexがHex≦−HkまたはHex≧Hkとなる飽和領域では、自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とが平行または反平行となって素子抵抗Rが外部磁界Hexに依存しなくなる。−Hk〜Hkの線形領域における素子抵抗Rの変化量をΔRとし、素子抵抗Rの最大値と最小値の平均値をRmとすると、素子抵抗Rの最大値はRm+ΔR/2と表わされ、素子抵抗Rの最小値はRm−ΔR/2と表わされる。最も大きな抵抗変化ΔRを得るためには、固着層の磁化方向が外部磁界Hexの方向と平行または反平行であり、外部磁界Hexが0のときの自由層の磁化方向は固着層の磁化方向と垂直であることが望ましい。   Referring to FIG. 5, detection element 10 (TMR element) has a linear region within the range of −Hk to Hk (Hk: saturation magnetic field) when there is no bias magnetic field Hb (broken line in FIG. 5). In the saturation region where the external magnetic field Hex is Hex ≦ −Hk or Hex ≧ Hk, the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer are parallel or antiparallel, and the element resistance R does not depend on the external magnetic field Hex. When the change amount of the element resistance R in the linear region of −Hk to Hk is ΔR, and the average value of the maximum value and the minimum value of the element resistance R is Rm, the maximum value of the element resistance R is expressed as Rm + ΔR / 2. The minimum value of the element resistance R is expressed as Rm−ΔR / 2. In order to obtain the largest resistance change ΔR, the magnetization direction of the pinned layer is parallel or antiparallel to the direction of the external magnetic field Hex, and the magnetization direction of the free layer when the external magnetic field Hex is 0 is the magnetization direction of the pinned layer. It is desirable to be vertical.

ここで、たとえば、外部磁界Hexの大きさを測定する場合には、外部磁界Hexの大きさと抵抗値R、すなわち外部磁界Hexと検出信号とが比例関係にあることが望ましい。そのため、外部磁界Hexの大きさを測定する場合には、検出素子10(TMR素子)が線形領域となる範囲(−Hk〜Hk)が測定可能範囲となる。このとき、バイアス磁界Hbを外部磁界Hexと反平行の方向に印加することで、検出素子10(TMR素子)の線形領域は、(−Hk−Hb)〜(+Hk−Hb)の範囲へ移動する。すなわち、磁界検出装置1の測定可能範囲は、バイアス磁界Hb分だけシフトする。   Here, for example, when measuring the magnitude of the external magnetic field Hex, it is desirable that the magnitude of the external magnetic field Hex and the resistance value R, that is, the external magnetic field Hex and the detection signal are in a proportional relationship. Therefore, when measuring the magnitude of the external magnetic field Hex, a range (-Hk to Hk) in which the detection element 10 (TMR element) is a linear region is a measurable range. At this time, by applying the bias magnetic field Hb in a direction antiparallel to the external magnetic field Hex, the linear region of the detection element 10 (TMR element) moves to a range of (−Hk−Hb) to (+ Hk−Hb). . That is, the measurable range of the magnetic field detection device 1 is shifted by the bias magnetic field Hb.

このように、測定対象の外部磁界Hexの変動範囲に応じて、適切な大きさバイアス電流Ibを流してバイアス磁界Hbを生成することによって、磁界検出装置1は、大きな直流成分を含む外部磁界Hexに対して、微小な交流成分を検出することができる。   As described above, the magnetic field detection device 1 generates the bias magnetic field Hb by supplying the bias current Ib having an appropriate magnitude according to the fluctuation range of the external magnetic field Hex to be measured. On the other hand, a minute alternating current component can be detected.

次に、外部磁界Hexの方向とバイアス磁界Hbの方向とが垂直の場合(外部磁界Hex方向とバイアス電流Ibの方向とが平行または反平行の場合)について説明する。この場合、バイアス磁界Hbは、自由層の磁化ベクトルをバイアス磁界Hbの方向へ保持するように機能する。すなわち、自由層の磁化ベクトルは、バイアス磁界Hbによりその向きの変化を妨げされられるので、外部磁界Hexに対する自由層の磁化ベクトルの応答性(感度)が低下する。この結果、バイアス磁界Hbが増加するにつれて、外部磁界Hexに対する検出素子10(TMR素子)の抵抗値Rの変化率(dR/dHex:感度)が小さくなる。   Next, a case where the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias magnetic field Hb are perpendicular (when the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias current Ib are parallel or anti-parallel) will be described. In this case, the bias magnetic field Hb functions to hold the magnetization vector of the free layer in the direction of the bias magnetic field Hb. That is, since the magnetization vector of the free layer is prevented from changing its direction by the bias magnetic field Hb, the response (sensitivity) of the magnetization vector of the free layer to the external magnetic field Hex is lowered. As a result, as the bias magnetic field Hb increases, the rate of change (dR / dHex: sensitivity) of the resistance value R of the detection element 10 (TMR element) with respect to the external magnetic field Hex decreases.

図6は、外部磁界Hexとバイアス磁界Hbとが垂直の場合における外部磁界Hexと素子抵抗との関係を示す図である。   FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the external magnetic field Hex and the element resistance when the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb are perpendicular to each other.

図6を参照して、検出素子10(TMR素子)は、バイアス磁界Hbが存在しない場合において、−Hk〜Hk(Hk:飽和磁界)の範囲内で線形領域を有する(図6の破線)。一方、バイアス電流Ibによってバイアス磁界Hbが生成されると、検出素子10(TMR素子)の線形領域は、−Hkb〜Hkb(Hkb:バイアス磁界Hbを受けた場合における飽和磁界)へ拡大する(図6の実線)。   Referring to FIG. 6, detection element 10 (TMR element) has a linear region within the range of −Hk to Hk (Hk: saturation magnetic field) when there is no bias magnetic field Hb (broken line in FIG. 6). On the other hand, when the bias magnetic field Hb is generated by the bias current Ib, the linear region of the detection element 10 (TMR element) is expanded from −Hkb to Hkb (Hkb: saturation magnetic field when the bias magnetic field Hb is received) (FIG. 6 solid line).

図5の場合と同様に、外部磁界Hexの大きさを測定する場合には、検出素子10(TMR素子)が線形領域となる範囲が測定可能範囲となる。そのため、バイアス磁界Hbを印加することで、磁界検出装置1の測定可能範囲は、Hkb/Hk倍だけ拡大することになる。   As in the case of FIG. 5, when measuring the magnitude of the external magnetic field Hex, the range in which the detection element 10 (TMR element) is a linear region is the measurable range. Therefore, by applying the bias magnetic field Hb, the measurable range of the magnetic field detection device 1 is expanded by Hkb / Hk times.

このように、外部磁界Hexの方向とバイアス磁界Hbの方向とが垂直の場合には、測定対象の外部磁界Hexの変動量に応じて、適切なバイアス磁界Hbを選択することで、磁界検出装置1は、その測定範囲を拡大させ、より広い範囲の外部磁界Hexを検出することができる。   Thus, when the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias magnetic field Hb are perpendicular, the magnetic field detection device is selected by selecting an appropriate bias magnetic field Hb according to the amount of fluctuation of the external magnetic field Hex to be measured. 1 can expand the measurement range and detect the external magnetic field Hex in a wider range.

次に、外部磁界Hexの方向とバイアス磁界Hbの方向とが垂直の場合(外部磁界Hex方向とバイアス電流Ibの方向とが平行または反平行の場合)で、自由層が飽和状態である場合について説明する。この場合、外部磁界の大きさに拘らず、検出素子10(TMR素子)の抵抗値は固着層の磁化ベクトルと自由層の磁化ベクトルとのなす角度で決定される。すなわち、抵抗値Rは、固着層の磁化ベクトルと自由層の磁化ベクトルとのなす角度θとして、(1)式で表される。   Next, when the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias magnetic field Hb are perpendicular (when the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias current Ib are parallel or antiparallel), and the free layer is saturated. explain. In this case, regardless of the magnitude of the external magnetic field, the resistance value of the detection element 10 (TMR element) is determined by the angle formed by the magnetization vector of the fixed layer and the magnetization vector of the free layer. That is, the resistance value R is expressed by equation (1) as an angle θ between the magnetization vector of the pinned layer and the magnetization vector of the free layer.

R=Rm+(ΔR/2)×cosθ …(1)
図7は、外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbの方向と磁化方向との関係を説明するための図である。
R = Rm + (ΔR / 2) × cos θ (1)
FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the direction of the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb and the magnetization direction.

図7を参照して、固着層の磁化ベクトルMpの方向はY軸方向に固定される。また、Y軸方向に外部磁界Hexが印加され、バイアス電流をY軸方向に流すことによって、自由層を含む上部電極18には、X軸方向のバイアス磁界Hbが印加される。この結果、自由層の磁化ベクトルMfの方向は、外部磁界Hexとバイアス磁界Hbとの合成磁界Hの方向に一致する。結果として、固着層の磁化ベクトルMpと自由層の磁化ベクトルMfとのなす角θによって、上式(1)のように素子抵抗Rが決まる。   Referring to FIG. 7, the direction of magnetization vector Mp of the pinned layer is fixed in the Y-axis direction. Further, an external magnetic field Hex is applied in the Y-axis direction and a bias current is caused to flow in the Y-axis direction, whereby a bias magnetic field Hb in the X-axis direction is applied to the upper electrode 18 including the free layer. As a result, the direction of the magnetization vector Mf of the free layer coincides with the direction of the combined magnetic field H of the external magnetic field Hex and the bias magnetic field Hb. As a result, the element resistance R is determined by the angle θ formed by the magnetization vector Mp of the pinned layer and the magnetization vector Mf of the free layer as shown in the above equation (1).

ここで、上記のようにバイアス磁界Hbによってある一定以上の磁界を自由層に印加するようにすれば、磁界に対する素子抵抗Rのヒステリシスを非常に小さくすることができる。この理由は次のとおりである。   Here, if a magnetic field of a certain level or more is applied to the free layer by the bias magnetic field Hb as described above, the hysteresis of the element resistance R with respect to the magnetic field can be made extremely small. The reason for this is as follows.

一般に、ヒステリシスは磁区の生成/消滅と磁壁の移動によって説明できる。磁界がほとんどかからない状態では、磁区を形成したほうが系の自由エネルギーが小さくなるのでヒステリシスが生じることになる。これに対して、ある一定以上のバイアス磁界Hbをかけて自由層のスピンをできるだけ単一磁区になるようにすれば、磁化過程をほぼ磁化ベクトルの回転のみとすることができる。この結果、ヒステリシスを抑制することができる。   In general, hysteresis can be explained by magnetic domain generation / annihilation and domain wall movement. In a state where almost no magnetic field is applied, the formation of magnetic domains results in a hysteresis because the free energy of the system becomes smaller. On the other hand, if the spin of the free layer is set to a single magnetic domain as much as possible by applying a bias magnetic field Hb of a certain level or more, the magnetization process can be substantially only the rotation of the magnetization vector. As a result, hysteresis can be suppressed.

なお、自由層の磁化ベクトルの方向は形状異方性の影響も受ける。図1、図7の場合、自由層を含む上部電極18の形状を簡単のため正方形としている。これに対して、形状異方性の影響を抑制するために上部電極18の形状を円形とすることもできる。   The direction of the magnetization vector of the free layer is also affected by shape anisotropy. In the case of FIGS. 1 and 7, the shape of the upper electrode 18 including the free layer is a square for simplicity. On the other hand, the shape of the upper electrode 18 can be circular in order to suppress the influence of shape anisotropy.

あるいは、逆に、上部電極18の形状を長方形とし、長辺を短辺に比べてかなり長くすることで形状異方性の影響を大きくすることができる。これによって、自由層に形成された各磁区の磁化方向が概略揃うので、ヒステリシスの影響を抑制することができる。   Or, conversely, the shape of the upper electrode 18 is rectangular, and the influence of shape anisotropy can be increased by making the long side considerably longer than the short side. As a result, the magnetization directions of the magnetic domains formed in the free layer are roughly aligned, so that the influence of hysteresis can be suppressed.

(磁界検出装置1による外部磁界の検出手順)
以下、磁界検出装置1によって外部磁界Hexの大きさを検出する具体的に手順について説明する。以下の例は、外部磁界Hexの方向とバイアス磁界Hbの方向とが垂直の場合(外部磁界Hex方向とバイアス電流Ibの方向とが平行または反平行の場合)である。
(External magnetic field detection procedure by the magnetic field detection device 1)
Hereinafter, a specific procedure for detecting the magnitude of the external magnetic field Hex by the magnetic field detection device 1 will be described. In the following example, the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias magnetic field Hb are perpendicular (when the direction of the external magnetic field Hex and the direction of the bias current Ib are parallel or antiparallel).

図8は、図1の磁界検出装置1の動作を説明するための図である。図8では、バイアス磁界Hbを生成するための磁界発生部32が示されている。実施の形態1の場合、磁界発生部32は検出素子10の下部電極17である。磁界発生部32によって、検出素子10にバイアス磁界Hbが生成される。なお、磁界発生部32として、バイアス電流Ibの供給用の電流線を下部電極17と独立に設けた場合も、以下に示す手順によって外部磁界Hexを検出することできる。   FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the magnetic field detection device 1 of FIG. FIG. 8 shows a magnetic field generator 32 for generating the bias magnetic field Hb. In the case of the first embodiment, the magnetic field generator 32 is the lower electrode 17 of the detection element 10. The magnetic field generator 32 generates a bias magnetic field Hb in the detection element 10. Even when a current line for supplying the bias current Ib is provided independently of the lower electrode 17 as the magnetic field generator 32, the external magnetic field Hex can be detected by the following procedure.

図8を参照して、外部磁界Hexの方向をX軸方向とし、バイアス磁界Hbの方向をX軸方向とする。このとき、バイアス電流Ibの方向はY軸方向になる。また、固着層の磁化ベクトルMpの方向をX軸方向(外部磁界Hexの方向に対して平行または反平行)とする。また、自由層の磁化ベクトルMfの方向は、外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbがいずれも印加されていない場合、形状異方性を利用して、Y軸方向になるようにする。すなわち、自由層の磁化ベクトルMfの方向は、固着層の磁化ベクトルMpの方向と直交するようにする。   Referring to FIG. 8, the direction of external magnetic field Hex is the X-axis direction, and the direction of bias magnetic field Hb is the X-axis direction. At this time, the direction of the bias current Ib is the Y-axis direction. The direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer is set to the X-axis direction (parallel or antiparallel to the direction of the external magnetic field Hex). The direction of the magnetization vector Mf of the free layer is set to the Y-axis direction using shape anisotropy when neither the external magnetic field Hex nor the bias magnetic field Hb is applied. That is, the direction of the magnetization vector Mf of the free layer is set to be orthogonal to the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer.

原理的には、自由層の磁化方向は任意の一定方向、たとえば、X軸方向とY軸方向との間の45度の方向であれば以下に示す方法で未知の外部磁界Hexを測定可能である。しかしながら、前述の式(1)に示すように、磁気トンネル抵抗は自由層の磁化方向と固着層の磁化方向とのなす角θの余弦(cosθ)で決まる。したがって、磁界が0の状態のときの自由層の磁化方向をY軸方向にすることによって、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とを直交(θ=90°)させたほうが磁界に対する応答性がほぼ線形になって良好になるので好ましい。   In principle, the unknown external magnetic field Hex can be measured by the following method if the magnetization direction of the free layer is an arbitrary fixed direction, for example, a 45 degree direction between the X-axis direction and the Y-axis direction. is there. However, as shown in the above equation (1), the magnetic tunnel resistance is determined by the cosine (cos θ) of the angle θ formed by the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer. Therefore, by making the magnetization direction of the free layer when the magnetic field is zero the Y-axis direction, the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer are orthogonal (θ = 90 °) to respond to the magnetic field. It is preferable because the property becomes almost linear and good.

図9は、図1の磁界検出装置1による外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。以下、図8、図9を参照して、外部磁界Hexの検出手順について説明する。なお、制御部25の記憶部27には、複数の既知の外部磁界Hexに対して下記と同様の手順で測定した測定結果が記憶されているとする。   FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for detecting the external magnetic field Hex by the magnetic field detection apparatus 1 of FIG. Hereinafter, the procedure for detecting the external magnetic field Hex will be described with reference to FIGS. It is assumed that the storage unit 27 of the control unit 25 stores measurement results obtained by measuring a plurality of known external magnetic fields Hex in the same procedure as described below.

図9のステップS101で、外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbがいずれも印加されていない場合(Hex=0,Hb=0)に、制御部25は、差動増幅回路23の出力電圧Vout(1)をA/D(Analog to Digital)変換して記憶部27に記憶させる。   When neither the external magnetic field Hex nor the bias magnetic field Hb is applied at Step S101 in FIG. 9 (Hex = 0, Hb = 0), the control unit 25 outputs the output voltage Vout (1) of the differential amplifier circuit 23. Is A / D (Analog to Digital) converted and stored in the storage unit 27.

次のステップS102で、磁界検出装置1に未知の外部磁界Hexが印加される。
次のステップS103で、制御部25は、このときの差動増幅回路23の出力電圧Vout(2)に基づいてバイアス電流Ibの初期値を決定する。具体的には、制御部25は、記憶部27に記憶された既知の外部磁界に対する測定結果の中から、類似の出力電圧が得られたときに設定したバイアス電流Ibの値を初期値として選択する。
In the next step S102, an unknown external magnetic field Hex is applied to the magnetic field detection device 1.
In the next step S103, the control unit 25 determines an initial value of the bias current Ib based on the output voltage Vout (2) of the differential amplifier circuit 23 at this time. Specifically, the control unit 25 selects, as an initial value, the value of the bias current Ib set when a similar output voltage is obtained from the measurement results for known external magnetic fields stored in the storage unit 27. To do.

次のステップS104で、制御部25は、電流源31よってステップS103で決定したバイアス電流Ibの初期値を下部電極17に供給する。これによって、バイアス磁界Hbが発生する。制御部25は、このときの差動増幅回路23の出力電圧Vout(3)をA/D変換して記憶部27に記憶させる。   In the next step S <b> 104, the control unit 25 supplies the initial value of the bias current Ib determined in step S <b> 103 by the current source 31 to the lower electrode 17. As a result, a bias magnetic field Hb is generated. The control unit 25 performs A / D conversion on the output voltage Vout (3) of the differential amplifier circuit 23 at this time and stores it in the storage unit 27.

次のステップS104で、制御部25は、ステップS101で記憶した出力電圧Vout(1)とステップS104で記憶した出力電圧Vout(3)との差の絶対値が所定の閾値以内となるか否かを判定する。所定の閾値を超える場合(ステップS105でNO)、ステップS106に進む。そして、ステップS106で制御部25は、出力電圧Vout(1)と出力電圧Vout(3)との差の絶対値が小さくなるようにバイアス電流Ibの値を変更する。その後、ステップS104,S105を再度実行する。   In the next step S104, the control unit 25 determines whether or not the absolute value of the difference between the output voltage Vout (1) stored in step S101 and the output voltage Vout (3) stored in step S104 is within a predetermined threshold value. Determine. If the predetermined threshold is exceeded (NO in step S105), the process proceeds to step S106. In step S106, the control unit 25 changes the value of the bias current Ib so that the absolute value of the difference between the output voltage Vout (1) and the output voltage Vout (3) becomes small. Thereafter, steps S104 and S105 are executed again.

一方、ステップS104で、出力電圧Vout(1)と出力電圧Vout(3)との差の絶対値が所定の閾値以下の場合(ステップS105でYES)、制御部25は処理をステップS107に進める。そして、ステップS107で制御部25は、現在のバイアス電流Ibの値に予め設定された換算係数K0を掛けることによって外部磁界Hexの大きさを算出する。   On the other hand, when the absolute value of the difference between the output voltage Vout (1) and the output voltage Vout (3) is equal to or smaller than the predetermined threshold value (YES in step S105), the control unit 25 advances the process to step S107. In step S107, the control unit 25 calculates the magnitude of the external magnetic field Hex by multiplying the current value of the bias current Ib by a preset conversion coefficient K0.

ここで、換算係数K0は、既知の外部磁界Hex0に対して上記と同様の処理を行なったときに得られたバイアス電流Ibの値をIb0としたとき、K0=Hex0/Ib0によって求めることができる。好ましくは、複数の既知の外部磁界に対して上記と同様の手順によって複数のバイアス電流Ibをそれぞれ決定し、各外部磁界と対応するバイアス電流との比によって求めた換算係数を予め記憶部27に記憶しておく。そして、未知の外部磁界Hexに対して得られたバイアス電流Ibに最も近い場合を選び出して実際に使用する換算係数を決定してもよい。あるいは、未知の外部磁界Hexから得られたバイアス電流に基づいて、記憶部27に記憶された複数の換算係数を補間することによって実際に使用する換算係数を決定してもよい。   Here, the conversion coefficient K0 can be obtained by K0 = Hex0 / Ib0, where Ib0 is the value of the bias current Ib obtained when the same processing as described above is performed on the known external magnetic field Hex0. . Preferably, a plurality of bias currents Ib are respectively determined for a plurality of known external magnetic fields by the same procedure as described above, and a conversion coefficient obtained by a ratio between each external magnetic field and the corresponding bias current is stored in the storage unit 27 in advance. Remember. Then, the conversion coefficient to be actually used may be determined by selecting the case closest to the bias current Ib obtained for the unknown external magnetic field Hex. Alternatively, the conversion factor to be actually used may be determined by interpolating a plurality of conversion factors stored in the storage unit 27 based on the bias current obtained from the unknown external magnetic field Hex.

(まとめ)
以上のとおり、実施の形態1の磁界検出装置1によれば、検出素子10(TMR素子)の一方の電極である下部電極17にバイアス電流Ibを流すので、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力で検出素子10(TMR素子)にバイアス磁界Hbを印加することができる。また、外部磁界Hexに応じてバイアス磁界Hbの大きさを変化させることによって、検出素子10(TMR素子)の線形領域をシフトさせたり、磁界感度を変化させたりすることができ、これによって磁界検出精度を向上させることができる。
(Summary)
As described above, according to the magnetic field detection device 1 of the first embodiment, since the bias current Ib flows through the lower electrode 17 that is one electrode of the detection element 10 (TMR element), a separate bias current wiring layer is provided. Compared to the case, the bias magnetic field Hb can be applied to the detection element 10 (TMR element) with less power consumption. Further, by changing the magnitude of the bias magnetic field Hb in accordance with the external magnetic field Hex, the linear region of the detection element 10 (TMR element) can be shifted and the magnetic field sensitivity can be changed, thereby detecting the magnetic field. Accuracy can be improved.

[実施の形態1の変形例1]
図10は、実施の形態1の変形例1による外部磁界Hexの検出方法を説明するための図である。図10の変形例1の磁界検出装置1Aは、X軸方向にバイアス磁界Hb1,Hb2を印加する磁界発生部32に加えて、Y軸方向にバイアス磁界Hb0を印加する磁界発生部35をさらに含む点で、図8の磁界検出装置1と異なる。また、図10では、未知の外部磁界Hexの方向をX軸方向とし、固着層の磁化ベクトルMpの方向をX軸方向(外部磁界Hexの方向に対して平行または反平行)とする。その他の、図10の磁界検出装置1Aの構成は図8の磁界検出装置1の構成と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
[Variation 1 of Embodiment 1]
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of detecting the external magnetic field Hex according to the first modification of the first embodiment. A magnetic field detection apparatus 1A of Modification 1 of FIG. 10 further includes a magnetic field generation unit 35 that applies a bias magnetic field Hb0 in the Y-axis direction in addition to the magnetic field generation unit 32 that applies the bias magnetic fields Hb1 and Hb2 in the X-axis direction. This is different from the magnetic field detection device 1 of FIG. In FIG. 10, the direction of the unknown external magnetic field Hex is the X-axis direction, and the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer is the X-axis direction (parallel or antiparallel to the direction of the external magnetic field Hex). The other configuration of the magnetic field detection device 1A of FIG. 10 is the same as that of the magnetic field detection device 1 of FIG. 8, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

磁界発生部35は、たとえば、検出素子10(TMR素子)の近傍に永久磁石を配置することによって実現できる。磁界発生部35によるバイアス磁界Hb0は、自由層の飽和磁界Hk(図5、図6参照)以上に設定される。図7で説明したように、これによって単一の磁区が形成されるので素子抵抗Rのヒステリシスを非常に小さくすることができる。   The magnetic field generator 35 can be realized, for example, by arranging a permanent magnet in the vicinity of the detection element 10 (TMR element). The bias magnetic field Hb0 by the magnetic field generator 35 is set to be equal to or higher than the saturation magnetic field Hk (see FIGS. 5 and 6) of the free layer. As described with reference to FIG. 7, since a single magnetic domain is formed by this, the hysteresis of the element resistance R can be made extremely small.

外部磁界Hexが印加されていない状態では、バイアス磁界Hb0を印加することによって自由層の磁化方向Mfと固着層の磁化方向Mpとを概略直交させる。この状態で外部磁界Hexが印加された場合、図7に関連して説明したように、素子抵抗Rは、前述の(1)式に従って固着層の磁化ベクトルMpと自由層の磁化ベクトルMfとのなす角θによって決まる。したがって、測定された素子抵抗Rから、(1)式に従って角θを算出すれば、Hex=Hb0/tanθによって外部磁界Hexの大きさを求めることができる。   In a state where the external magnetic field Hex is not applied, the magnetization direction Mf of the free layer and the magnetization direction Mp of the pinned layer are approximately orthogonal by applying the bias magnetic field Hb0. When the external magnetic field Hex is applied in this state, as described with reference to FIG. 7, the element resistance R is determined by the magnetization vector Mp of the fixed layer and the magnetization vector Mf of the free layer according to the above equation (1). It depends on the angle θ made. Therefore, if the angle θ is calculated from the measured element resistance R according to the equation (1), the magnitude of the external magnetic field Hex can be obtained by Hex = Hb0 / tan θ.

変形例1では、さらに、制御部25は、外部磁界Hexが印加されていない状態で、バイアス電流Ibを2通りの値に変化させ、これによって+X方向および−X方向(固着層の磁化方向Mpに対して平行および反平行)に既知バイアス磁界Hb1,Hb2を発生させる。そして、制御部25は、それらのバイアス磁界Hb1,Hb2に対応した素子抵抗を測定する。これによって、前述の式(1)のRm,ΔRを求めることができる。   In the first modification, the control unit 25 further changes the bias current Ib to two values in a state where the external magnetic field Hex is not applied, and thereby the + X direction and the −X direction (the magnetization direction Mp of the pinned layer). The known bias magnetic fields Hb1 and Hb2 are generated in parallel and anti-parallel to. And the control part 25 measures the element resistance corresponding to those bias magnetic fields Hb1 and Hb2. As a result, Rm and ΔR in the above equation (1) can be obtained.

続いて、バイアス電流Ibが流れていない状態で、未知の外部磁界Hexが印加される。制御部25は、このときの素子抵抗Rを測定し、測定した素子抵抗Rと、バイアス電流Ibを流したときに算出したRm,ΔRとを用いて、前述の式(1)の角θを算出する。算出した角θを用いると、より精度よく未知の外部磁界の大きさを測定することができる。この場合、1つの検出素子10で測定結果の補正を行なっていることになるので、回路の面積を削減することができる。また、同じ素子で補正ができるので、たとえば温度による感度の変化などをより正確に補正することができる。   Subsequently, an unknown external magnetic field Hex is applied in a state where the bias current Ib does not flow. The control unit 25 measures the element resistance R at this time, and uses the measured element resistance R and the Rm and ΔR calculated when the bias current Ib is passed, to calculate the angle θ of the above-described equation (1). calculate. By using the calculated angle θ, the magnitude of the unknown external magnetic field can be measured with higher accuracy. In this case, since the measurement result is corrected by one detection element 10, the circuit area can be reduced. Further, since correction can be performed using the same element, for example, a change in sensitivity due to temperature can be corrected more accurately.

図11は、実施の形態1の変形例1による外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。以下、具体的な測定手順を図11を参照して説明する。   FIG. 11 is a flowchart showing a procedure for detecting the external magnetic field Hex according to the first modification of the first embodiment. Hereinafter, a specific measurement procedure will be described with reference to FIG.

ステップS151で、制御部25は、磁界発生部35によって既知のバイアス磁界Hb0を+Y方向に印加する。バイアス磁界Hb0は、以下のステップS152,S153,S155の測定期間中、常に印加される。   In step S151, the control unit 25 applies a known bias magnetic field Hb0 in the + Y direction by the magnetic field generation unit 35. The bias magnetic field Hb0 is always applied during the measurement period of the following steps S152, S153, and S155.

次のステップS152で、制御部25は、電流源31によって、所定のバイアス電流Ib(1)を検出素子10に供給する。このバイアス電流Ib(1)によって生成されたバイアス磁界Hb1と前述のバイアス磁界Hb0との合成磁界が検出素子10に印加された状態で、制御部25は、差動増幅回路23の出力電圧Vout(1)をA/D変換して記憶部27に記憶させる。   In the next step S152, the control unit 25 supplies a predetermined bias current Ib (1) to the detection element 10 by the current source 31. In a state where the combined magnetic field of the bias magnetic field Hb1 generated by the bias current Ib (1) and the bias magnetic field Hb0 is applied to the detection element 10, the control unit 25 outputs the output voltage Vout ( 1) is A / D converted and stored in the storage unit 27.

次のステップS153で、制御部25は、電流源31によって、ステップS152と異なる大きさのバイアス電流Ib(2)を検出素子10に供給する。このバイアス電流Ib(2)によって生成されたバイアス磁界Hb2と前述のバイアス磁界Hb0との合成磁界が検出素子10に印加された状態で、制御部25は、差動増幅回路23の出力電圧Vout(2)をA/D変換して記憶部27に記憶させる。   In the next step S153, the control unit 25 supplies the bias current Ib (2) having a magnitude different from that in step S152 to the detection element 10 by the current source 31. In a state where the combined magnetic field of the bias magnetic field Hb2 generated by the bias current Ib (2) and the bias magnetic field Hb0 is applied to the detection element 10, the control unit 25 outputs the output voltage Vout ( 2) is A / D converted and stored in the storage unit 27.

次のステップS154で、制御部25の演算部26は、出力電圧Vout(1),Vout(2)に基づいて、前述の式(1)のRm,ΔRを算出する。具体的には、まず、演算部26は、出力電圧Vout(1),Vout(2)と、抵抗素子22の抵抗値と、電圧源21の出力電圧を用いて、ステップS152の場合の検出素子10の素子抵抗R(1)と、ステップS153の場合の検出素子10の素子抵抗R(2)を算出する。次に、演算部26は、バイアス磁界Hb1,Hb2の大きさと、バイアス磁界Hb0の大きさとから、ステップS152の場合における前述の式(1)の角θ(θ1と称する)と、ステップS153の場合における式(1)の角θ(θ2と称する)とを算出する。そして、演算部26は、算出した素子抵抗R(1),R(2)と角θ1,θ2とから、式(1)に従ってRmおよびΔRを算出する。   In the next step S154, the calculation unit 26 of the control unit 25 calculates Rm and ΔR of the above-described equation (1) based on the output voltages Vout (1) and Vout (2). Specifically, first, the calculation unit 26 uses the output voltages Vout (1) and Vout (2), the resistance value of the resistance element 22, and the output voltage of the voltage source 21 to detect the detection element in the case of step S152. The element resistance R (1) of 10 and the element resistance R (2) of the detection element 10 in the case of step S153 are calculated. Next, the calculation unit 26 calculates the angle θ (referred to as θ1) in the above-described equation (1) in the case of Step S152 and the case of Step S153 from the magnitudes of the bias magnetic fields Hb1 and Hb2 and the magnitude of the bias magnetic field Hb0. The angle θ (referred to as θ2) in the equation (1) in FIG. And the calculating part 26 calculates Rm and (DELTA) R according to Formula (1) from calculated element resistance R (1), R (2) and angle (theta) 1, (theta) 2.

次のステップS155で、制御部25は、バイアス電流Ibが検出素子10に供給されていない状態で、未知の外部磁界Hexが印加されたときの差動増幅回路23の出力電圧Vout(3)をA/D変換して記憶部27に記憶される。この間、検出素子10には、バイアス磁界Hb0と未知の外部磁界Hexとの合成磁界が印加されている。   In the next step S155, the control unit 25 outputs the output voltage Vout (3) of the differential amplifier circuit 23 when the unknown external magnetic field Hex is applied in a state where the bias current Ib is not supplied to the detection element 10. A / D converted and stored in the storage unit 27. During this time, a synthetic magnetic field of the bias magnetic field Hb0 and the unknown external magnetic field Hex is applied to the detection element 10.

次のステップS156で、制御部25の演算部26は、ステップS154で算出したRmおよびΔRと、ステップS155で測定した出力電圧Vout(3)とを用いて、未知の外部磁界Hexの大きさを算出する。具体的には、まず、演算部26は、出力電圧Vout(3)と抵抗素子22の抵抗値と電圧源21の出力電圧とを用いて、ステップS155の場合の検出素子10の素子抵抗R(3)を算出する。次に、演算部26は、算出した素子抵抗R(3)とステップS154で算出したRmおよびΔRとを用いて、式(1)に従って角θ(θ3と称する)を算出する。そして、演算部26は、算出した角θ3を用いて、Hex=Hb0/tanθ3によって外部磁界Hexの大きさを求める。こうして、温度による感度補正がなされたより正確な外部磁界Hexの測定が可能になる。   In the next step S156, the calculation unit 26 of the control unit 25 uses the Rm and ΔR calculated in step S154 and the output voltage Vout (3) measured in step S155 to determine the magnitude of the unknown external magnetic field Hex. calculate. Specifically, first, the calculation unit 26 uses the output voltage Vout (3), the resistance value of the resistance element 22, and the output voltage of the voltage source 21 to use the element resistance R ( 3) is calculated. Next, using the calculated element resistance R (3) and Rm and ΔR calculated in step S154, the calculation unit 26 calculates an angle θ (referred to as θ3) according to the equation (1). And the calculating part 26 calculates | requires the magnitude | size of the external magnetic field Hex by Hex = Hb0 / tan (theta) 3 using calculated angle | corner (theta) 3. In this way, it is possible to measure the external magnetic field Hex with more accurate sensitivity correction by temperature.

なお、バイアス磁界Hb0の発生方法としては、この変形例1で挙げたような永久磁石でもよいし、検出素子10(TMR素子)の下部電極を用いてバイアス電流を流す方法でもよい。もしくは、別途作製した配線に電流を流す方法でもよい。   As a method for generating the bias magnetic field Hb0, a permanent magnet as described in the first modification may be used, or a method in which a bias current is supplied using the lower electrode of the detection element 10 (TMR element) may be used. Alternatively, a method may be used in which a current is passed through a separately manufactured wiring.

また、バイアス磁界Hb1,Hb2の発生方法として、この変形例1のような検出素子10の下部電極を用いてバイアス電流Ibを流す方法であってもよいし、可動式の永久磁石を用いる方法であってもよい。   Further, as a method of generating the bias magnetic fields Hb1 and Hb2, a method of flowing the bias current Ib using the lower electrode of the detection element 10 as in Modification 1 may be used, or a method of using a movable permanent magnet. There may be.

[実施の形態1の変形例2]
図12は、実施の形態1の変形例2によるTMR素子の構成を示す断面図である。図12を参照して、変形例2によるTMR素子は、図4の反強磁性層12に代えて保磁力の大きな強磁性層12Aを含む点で、図4のTMR素子と異なる。その他の点については、図12のTMR素子の構成は図4のTMR素子の構成と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
[Modification 2 of Embodiment 1]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of the TMR element according to the second modification of the first embodiment. Referring to FIG. 12, the TMR element according to Modification 2 is different from the TMR element of FIG. 4 in that it includes a ferromagnetic layer 12A having a large coercive force instead of antiferromagnetic layer 12 of FIG. In other respects, the configuration of the TMR element in FIG. 12 is the same as the configuration of the TMR element in FIG. 4, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

図12のように保磁力の大きな強磁性層12Aを隣接して設けることによっても、強磁性層(固着層)13の磁化方向を一方向に固定することができる。   The magnetization direction of the ferromagnetic layer (fixed layer) 13 can be fixed in one direction also by providing the ferromagnetic layer 12A having a large coercive force adjacent to the ferromagnetic layer 12A as shown in FIG.

[実施の形態1の変形例3]
図13は、実施の形態1の変形例3によるTMR素子の構成を示す断面図である。図13を参照して、変形例3によるTMR素子は、図4の強磁性層(固着層)13が、2層の強磁性層13A,13Cとこれらの間に挟まれた非磁性層13Bによって構成される点で、図4のTMR素子と異なる。その他の点については、図12のTMR素子の構成は図4のTMR素子の構成と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
[Modification 3 of Embodiment 1]
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a TMR element according to the third modification of the first embodiment. Referring to FIG. 13, the TMR element according to Modification 3 includes a ferromagnetic layer (fixed layer) 13 shown in FIG. 4 by two ferromagnetic layers 13A and 13C and a nonmagnetic layer 13B sandwiched between them. This is different from the TMR element shown in FIG. In other respects, the configuration of the TMR element in FIG. 12 is the same as the configuration of the TMR element in FIG. 4, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

図13の固着層13では、薄い非磁性層13Bを挟んで積層された2層の強磁性層13A,13Cが互いに反強磁性結合をする。このような構造の固着層13は、SAF(Synthetic Anti-Ferroelectric)構造と呼ばれ、固着層13の磁化をより安定化することができる。非磁性層13BはRu、Cuなどの非磁性材料を用いて形成することができる。   In the pinned layer 13 of FIG. 13, the two ferromagnetic layers 13A and 13C stacked with the thin nonmagnetic layer 13B interposed therebetween are antiferromagnetically coupled to each other. The pinned layer 13 having such a structure is called a SAF (Synthetic Anti-Ferroelectric) structure, and can further stabilize the magnetization of the pinned layer 13. The nonmagnetic layer 13B can be formed using a nonmagnetic material such as Ru or Cu.

[実施の形態2]
実施の形態2では、TMR素子が磁界検出用の検出素子の他に、参照素子として利用される。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a TMR element is used as a reference element in addition to a detection element for detecting a magnetic field.

外部磁界Hexに比べて大きいバイアス磁界Hbを印加しているとみなせる場合に、バイアス磁界Hbの方向と固着層の磁化の方向を平行または反平行とすることで、TMR素子の抵抗を最小抵抗Rminまたは最大抵抗Rmaxに固定することができる。このようなTMR素子は、参照素子として図1の抵抗素子22の代わりに使用することができる。すなわち、同じ特性を有した複数のTMR素子を用意し、そのうちの一部を外部磁界Hexに応じた抵抗を発生させる検出素子として使用し、その他のTMR素子を参照素子として使用する。そして検出素子と参照素子の抵抗値の差から外部磁界Hexを求めることによって、周囲の温度によって変化するTMR素子の抵抗値の変化を補償して外部磁界Hexを正確に求めることが可能になる。以下、図14、図15を参照して具体的に説明する。   When it can be considered that a bias magnetic field Hb larger than the external magnetic field Hex is applied, the direction of the bias magnetic field Hb and the direction of magnetization of the pinned layer are made parallel or antiparallel, thereby reducing the resistance of the TMR element to the minimum resistance Rmin. Alternatively, the maximum resistance Rmax can be fixed. Such a TMR element can be used in place of the resistance element 22 of FIG. 1 as a reference element. That is, a plurality of TMR elements having the same characteristics are prepared, some of which are used as detection elements that generate a resistance corresponding to the external magnetic field Hex, and other TMR elements are used as reference elements. Then, by obtaining the external magnetic field Hex from the difference between the resistance values of the detection element and the reference element, it is possible to accurately obtain the external magnetic field Hex by compensating for the change in the resistance value of the TMR element that changes depending on the ambient temperature. Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIGS. 14 and 15.

図14は、この発明の実施の形態2による磁界検出装置2の構成を模式的に示す平面図である。   FIG. 14 is a plan view schematically showing the configuration of the magnetic field detection device 2 according to the second embodiment of the present invention.

図15は、図14の磁界検出装置2の要部の構成を模式的に示す模式的に示す斜視図である。   FIG. 15 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of the magnetic field detection device 2 of FIG.

磁界検出装置2は、図1の抵抗素子22に代えて、TMR素子である参照素子50を含む。すなわち、磁界検出装置2は、磁界を検出する検出素子10と、電圧源21と、抵抗素子として用いられる参照素子50と、電圧増幅回路23Aと、制御部25Aと、バイアス電流供給部としての電流源31、33とを含む。ここで、電圧源21および電圧増幅回路23Aが検出素子10の抵抗値を測定するための測定部20Aを構成する。   The magnetic field detection device 2 includes a reference element 50 that is a TMR element instead of the resistance element 22 of FIG. That is, the magnetic field detection device 2 includes a detection element 10 that detects a magnetic field, a voltage source 21, a reference element 50 that is used as a resistance element, a voltage amplification circuit 23A, a control unit 25A, and a current as a bias current supply unit. Sources 31, 33. Here, the voltage source 21 and the voltage amplification circuit 23 </ b> A constitute a measurement unit 20 </ b> A for measuring the resistance value of the detection element 10.

検出素子10は、基板40上に形成されたTMR素子であり、絶縁層14を挟んで上部に位置する上部電極18と下部に位置する下部電極17とを含む。実施の形態1の場合と同様に、上部電極18は強磁性層(自由層)を含み、下部電極17は強磁性層(固着層)を含む。検出素子10の上部電極18は、コンタクトホールに形成された導電部46を介在して配線層43と接続される。検出素子10の下部電極17は、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部44を介在して配線層41と接続され、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部45を介在して配線層42と接続される。コンタクトホールに形成された導電部44,45は、寄生抵抗を低減し、下部電極17上の電流分布を均一にするために、多数を並列して設けられている。導電部44および導電部45は、検出素子10の接合部を跨いでY軸方向の両側に設けられる。検出素子10の接合部の詳細な構成については実施の形態1と同様であるので説明を繰返さない。   The detection element 10 is a TMR element formed on the substrate 40, and includes an upper electrode 18 located at the upper part and a lower electrode 17 located at the lower part with the insulating layer 14 in between. As in the first embodiment, the upper electrode 18 includes a ferromagnetic layer (free layer), and the lower electrode 17 includes a ferromagnetic layer (fixed layer). The upper electrode 18 of the detection element 10 is connected to the wiring layer 43 through a conductive portion 46 formed in the contact hole. The lower electrode 17 of the detection element 10 is connected to the wiring layer 41 via a plurality of conductive portions 44 respectively formed in a plurality of contact holes, and has a plurality of conductive portions 45 formed respectively in the plurality of contact holes. Thus, the wiring layer 42 is connected. A large number of conductive portions 44 and 45 formed in the contact hole are provided in parallel in order to reduce parasitic resistance and make the current distribution on the lower electrode 17 uniform. The conductive portion 44 and the conductive portion 45 are provided on both sides in the Y-axis direction across the joint portion of the detection element 10. Since the detailed configuration of the joint of detection element 10 is the same as that of the first embodiment, description thereof will not be repeated.

参照素子50は、基板40上に形成されたTMR素子であり、絶縁層54を挟んで上部に位置する上部電極58と下部に位置する下部電極57とを含む。検出素子10の場合と同様に、上部電極58は強磁性層(自由層)を含み、下部電極57は強磁性層(固着層)を含む。固着層の磁化ベクトルMpの方向はY軸方向に固定される。参照素子50の上部電極58は、コンタクトホールに形成された導電部66を介在して配線層63と接続される。参照素子50の下部電極57は、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部64を介在して配線層61と接続され、複数のコンタクトホールにそれぞれ形成された複数の導電部65を介在して配線層62と接続される。コンタクトホールに形成された導電部64,65は、寄生抵抗を低減し、下部電極57上の電流分布を均一にするために、多数を並列して設けられている。導電部64および導電部65は、参照素子50の接合部を跨いでY軸方向の両側に設けられる。参照素子50の接合部の詳細な構成については検出素子10と同様であるので、説明を繰返さない。   The reference element 50 is a TMR element formed on the substrate 40, and includes an upper electrode 58 positioned on the upper side and a lower electrode 57 positioned on the lower side with the insulating layer 54 interposed therebetween. Similar to the detection element 10, the upper electrode 58 includes a ferromagnetic layer (free layer), and the lower electrode 57 includes a ferromagnetic layer (fixed layer). The direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer is fixed in the Y-axis direction. The upper electrode 58 of the reference element 50 is connected to the wiring layer 63 via a conductive portion 66 formed in the contact hole. The lower electrode 57 of the reference element 50 is connected to the wiring layer 61 through a plurality of conductive portions 64 formed in a plurality of contact holes, and has a plurality of conductive portions 65 formed in the plurality of contact holes, respectively. Thus, the wiring layer 62 is connected. A large number of conductive portions 64 and 65 formed in the contact hole are provided in parallel in order to reduce parasitic resistance and make the current distribution on the lower electrode 57 uniform. The conductive portion 64 and the conductive portion 65 are provided on both sides in the Y-axis direction across the joint portion of the reference element 50. Since the detailed configuration of the joint portion of reference element 50 is the same as that of detection element 10, description thereof will not be repeated.

検出素子10の配線層43と参照素子50の配線層63は一体で形成される。これによって、参照素子50および検出素子10は、この順でノードNd3と接地GNDとの間に電気的に直列に接続される。   The wiring layer 43 of the detection element 10 and the wiring layer 63 of the reference element 50 are integrally formed. Thereby, the reference element 50 and the detection element 10 are electrically connected in series between the node Nd3 and the ground GND in this order.

また、図14に示すように、検出素子10および参照素子50の下部電極17,57は、TMR素子の接合部付近は下部電極の幅を細く形成し、それ以外の部分は幅広に形成することが好ましい。この理由は次のとおりである。   Further, as shown in FIG. 14, the lower electrodes 17 and 57 of the detection element 10 and the reference element 50 are formed so that the width of the lower electrode is narrow in the vicinity of the junction of the TMR element, and the other parts are wide. Is preferred. The reason for this is as follows.

TMR素子の抵抗値の測定時に、下部電極17,57による電圧降下が接合抵抗による電圧降下に比べて無視できない程度に大きくなると、TMR素子の抵抗値の測定精度が悪くなる。そこで、下部電極17,57の抵抗を小さくする必要があるが、このために下部電極を構成する積層膜の膜厚を厚くすると積層膜のラフネスが増加することになる。この結果、下部電極の上に設けられるトンネル絶縁膜との界面のラフネスが増加するので、たとえばリーク電流増加によるMR比が低下したり、ネールカップリングによって磁界−抵抗特性にシフトがしょうじたりする。あるいは、後述する回転磁界の方向検知において、TMR素子の抵抗特性のサインカーブからのずれが大きくなるという問題が生じる。   When measuring the resistance value of the TMR element, if the voltage drop due to the lower electrodes 17 and 57 becomes so large that it cannot be ignored as compared with the voltage drop due to the junction resistance, the measurement accuracy of the resistance value of the TMR element deteriorates. Therefore, it is necessary to reduce the resistance of the lower electrodes 17 and 57. For this reason, increasing the film thickness of the laminated film constituting the lower electrode increases the roughness of the laminated film. As a result, the roughness of the interface with the tunnel insulating film provided on the lower electrode is increased. For example, the MR ratio is decreased due to an increase in leakage current, or a shift to the magnetic field-resistance characteristic is caused by nail coupling. Alternatively, in the direction detection of the rotating magnetic field described later, there arises a problem that the deviation of the resistance characteristic of the TMR element from the sine curve becomes large.

そこで、下部電極17,57の抵抗を小さくするために下部電極の配線幅を大きくする必要があるが、TMR素子の接合部近傍まで配線幅を大きくすると、バイアス磁界Hbの形成に寄与している接合部直下の電流成分以外の電流成分が増加することになるので好ましくない。したがって、TMR素子の接合部付近では下部電極の幅が狭く形成される。   Therefore, it is necessary to increase the wiring width of the lower electrode in order to reduce the resistance of the lower electrodes 17 and 57. However, increasing the wiring width to the vicinity of the junction of the TMR element contributes to the formation of the bias magnetic field Hb. Since current components other than the current component immediately below the junction increase, it is not preferable. Therefore, the width of the lower electrode is narrow in the vicinity of the junction of the TMR element.

次に、測定部20Aの構成について説明する。電圧源21は、配線層62と配線層42との間に接続される。これによって、直列接続された参照素子50および検出素子10に定電圧が印加される。定電圧印加の手段として、ツェナーダイオードなどを利用してもよい。   Next, the configuration of the measurement unit 20A will be described. The voltage source 21 is connected between the wiring layer 62 and the wiring layer 42. Thereby, a constant voltage is applied to the reference element 50 and the detection element 10 connected in series. A Zener diode or the like may be used as means for applying the constant voltage.

電圧増幅回路23Aの入力ノードは、一体形成された配線層43,63に接続される。電圧増幅回路23Aは、参照素子50および検出素子10の接続ノードNd1の電圧Vd1を増幅して出力電圧Voutとして制御部25に出力する。電圧増幅回路23Aは、実施の形態1と同様に、差動増幅回路と参照電圧源とによって構成することができる。このように検出素子10と参照素子50とからなるハーフブリッジを構成することによって、検出素子10の上部電極18と下部電極17との間の抵抗値に応じた大きさの出力電圧Voutが制御部25Aに出力される。   The input node of the voltage amplification circuit 23A is connected to the wiring layers 43 and 63 that are integrally formed. The voltage amplification circuit 23A amplifies the voltage Vd1 at the connection node Nd1 between the reference element 50 and the detection element 10 and outputs the amplified voltage Vd1 to the control unit 25 as the output voltage Vout. Similarly to the first embodiment, the voltage amplifier circuit 23A can be configured by a differential amplifier circuit and a reference voltage source. By configuring a half bridge composed of the detection element 10 and the reference element 50 in this way, the output voltage Vout having a magnitude corresponding to the resistance value between the upper electrode 18 and the lower electrode 17 of the detection element 10 is controlled by the control unit. To 25A.

制御部25Aは、コンピュータによって構成され、演算部26と記憶部27とを含む。演算部26は、電圧増幅回路23Aの出力電圧Voutに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、実施の形態1の場合と同様であるので説明を繰返さない。記憶部27は、電圧増幅回路23Aの出力電圧などを記憶する。また、制御部25Aは、電圧源21および電流源31,33などの動作を制御する。   The control unit 25 </ b> A is configured by a computer and includes a calculation unit 26 and a storage unit 27. The computing unit 26 calculates the magnitude of the unknown external magnetic field based on the output voltage Vout of the voltage amplification circuit 23A. Since the specific calculation method is the same as that in the first embodiment, description thereof will not be repeated. The storage unit 27 stores the output voltage of the voltage amplification circuit 23A and the like. Further, the control unit 25A controls the operation of the voltage source 21 and the current sources 31, 33 and the like.

電流源31は、配線層41と配線層42との間に接続される。電流源31は、下部電極17にY軸方向のバイアス電流を流すことによって検出素子10の接合部にX軸方向のバイアス磁界を生成する。また、電流源33は、配線層61と配線層62との間に接続される。電流源33は、下部電極57にX軸方向のバイアス電流Ibを流すことによって参照素子50の接合部にY軸方向のバイアス磁界Hbを生成する。   The current source 31 is connected between the wiring layer 41 and the wiring layer 42. The current source 31 generates a bias magnetic field in the X-axis direction at the junction of the detection element 10 by flowing a bias current in the Y-axis direction through the lower electrode 17. The current source 33 is connected between the wiring layer 61 and the wiring layer 62. The current source 33 generates a bias magnetic field Hb in the Y-axis direction at the junction of the reference element 50 by flowing a bias current Ib in the X-axis direction through the lower electrode 57.

測定部20Aおよび電流源31,33は、外部ノイズの影響やサージに対する耐性を向上する観点から、検出素子10および参照素子50(TMR素子)と同一基板上に設けられるのが好ましい。もしくは、エポキシ樹脂基板やセラミック基板などの別の基板にチップ部品の形で実装し、たとえばワイヤボンディングで電気的に接続されていてもよい。   The measurement unit 20A and the current sources 31 and 33 are preferably provided on the same substrate as the detection element 10 and the reference element 50 (TMR element) from the viewpoint of improving the influence of external noise and resistance to surge. Alternatively, it may be mounted in the form of a chip component on another substrate such as an epoxy resin substrate or a ceramic substrate and electrically connected, for example, by wire bonding.

次に、磁界検出装置2の動作について説明する。外部磁界Hexが変化すると、自由層の磁化の向きが変化し、固着層の磁化の向きとなす角度が変化するため、検出素子10の抵抗が変化する。このとき、検出素子10には、たとえば10Oe程度のバイアス磁界が発生するように下部電極17にバイアス電流が供給される。実施の形態1で説明したように、バイアス磁界にはヒステリシス低減などの効果がある。   Next, the operation of the magnetic field detection device 2 will be described. When the external magnetic field Hex changes, the magnetization direction of the free layer changes and the angle formed with the magnetization direction of the pinned layer changes, so that the resistance of the detection element 10 changes. At this time, a bias current is supplied to the lower electrode 17 so that the detection element 10 generates a bias magnetic field of about 10 Oe, for example. As described in the first embodiment, the bias magnetic field has effects such as hysteresis reduction.

一方、参照素子50の下部電極57にはX軸方向のバイアス電流Ibが供給され、たとえば、100Oeの磁界が生成される。これによって、外部磁界によらずに常に参照素子50の自由層の磁化方向を固着層の磁化方向に対して概略一定に保つようにして、参照素子50が基準抵抗として用いられる。TMR素子の抵抗について、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とのなす角度θについて前述の(1)式の関係があるので、好ましくは、自由層の磁化方向を固着層の磁化方向に対して平行または反平行とすることが好ましい。これによって、参照素子50の抵抗は、TMR素子の最大抵抗または最小抵抗を示すようになるので、外部磁界の影響を受けにくくなる。このため、実施の形態2では、参照素子50の下部電極57の磁化方向MpをY軸方向にしている。参照素子50を用いることによって、周囲の温度によって変化するTMR素子の抵抗値の変化を補償して外部磁界Hexを正確に求めることができる。   On the other hand, a bias current Ib in the X-axis direction is supplied to the lower electrode 57 of the reference element 50, and a magnetic field of, for example, 100 Oe is generated. As a result, the reference element 50 is used as a reference resistance so that the magnetization direction of the free layer of the reference element 50 is always kept substantially constant with respect to the magnetization direction of the pinned layer regardless of the external magnetic field. Regarding the resistance of the TMR element, the angle θ between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer has the relationship of the above-described equation (1). It is preferable to be parallel or antiparallel to the surface. As a result, the resistance of the reference element 50 exhibits the maximum resistance or the minimum resistance of the TMR element, and is thus less susceptible to the influence of an external magnetic field. For this reason, in the second embodiment, the magnetization direction Mp of the lower electrode 57 of the reference element 50 is set to the Y-axis direction. By using the reference element 50, it is possible to accurately determine the external magnetic field Hex by compensating for the change in the resistance value of the TMR element that varies depending on the ambient temperature.

[実施の形態2の変形例]
図16は、この発明の実施の形態2の変形例による磁界検出装置2Aの構成を模式的に示す平面図である。
[Modification of Embodiment 2]
FIG. 16 is a plan view schematically showing a configuration of a magnetic field detection device 2A according to a modification of the second embodiment of the present invention.

図17は、図16の磁界検出装置2Aの要部の構成を模式的に示す斜視図である。図16、図17の磁界検出装置2Aは、検出素子10の接合部近傍の下部電極17に複数の導電部48を介在して接続された配線層47と、参照素子50の接合部近傍の下部電極57に複数の導電部68を介在して接続された配線層67とをさらに含む点で、図14,14の磁界検出装置2と異なる。さらに、磁界検出装置2では、電圧源21が配線層42,62間に接続されていたのに対して、磁界検出装置2Aでは、電圧源21が配線層47,67間に接続される。この点でも変形例の磁界検出装置2Aは磁界検出装置2と異なる。その他の点については、磁界検出装置2Aは、図14,14の磁界検出装置2と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。   FIG. 17 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of the magnetic field detection device 2A of FIG. 16 and 17, the magnetic field detection device 2 </ b> A includes a wiring layer 47 connected to the lower electrode 17 near the joint of the detection element 10 via a plurality of conductive parts 48, and a lower part near the joint of the reference element 50. 14 and 14 differs from the magnetic field detection device 2 in that it further includes a wiring layer 67 connected to the electrode 57 via a plurality of conductive portions 68. Further, in the magnetic field detection device 2, the voltage source 21 is connected between the wiring layers 42 and 62, whereas in the magnetic field detection device 2A, the voltage source 21 is connected between the wiring layers 47 and 67. Also in this point, the magnetic field detection device 2A of the modified example is different from the magnetic field detection device 2. In other respects, magnetic field detection device 2A is similar to magnetic field detection device 2 in FIGS. 14 and 14, and therefore the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

図16,16に示すように、この変形例では、下部電極17,57の接合部近傍、すなわち、導電部44,45の中点近傍と導電部64,65の中点近傍とに電圧検出用の配線層47,48がさらに設けられる。これによって、下部電極17,57の抵抗による電圧降下の影響を抑制してTMR素子の接合抵抗をより精密に測定することができる。   As shown in FIGS. 16 and 16, in this modification, voltage detection is performed near the junction of the lower electrodes 17 and 57, that is, near the midpoint of the conductive portions 44 and 45 and near the midpoint of the conductive portions 64 and 65. Wiring layers 47 and 48 are further provided. Thereby, the influence of the voltage drop due to the resistance of the lower electrodes 17 and 57 can be suppressed, and the junction resistance of the TMR element can be measured more precisely.

[実施の形態3]
図18は、この発明の実施の形態3による磁界検出装置3の構成を模式的に示す平面図である。実施の形態3の磁界検出装置3は、2個の検出素子10A,10Bと2個の参照素子50A,50Bとによってブリッジを構成したものである。
[Embodiment 3]
FIG. 18 is a plan view schematically showing the configuration of the magnetic field detection device 3 according to the third embodiment of the present invention. The magnetic field detection device 3 according to the third embodiment has a bridge formed by two detection elements 10A and 10B and two reference elements 50A and 50B.

図18を参照して、磁界検出装置3は、磁界を検出する検出素子10A,10Bと、抵抗素子として用いられる参照素子50A,50Bと、電圧源21A,21Bと、差動増幅回路23と、制御部25Bと、バイアス電流供給部としての電流源31A,31B,33A,33Bとを含む。ここで、電圧源21A,21Bおよび差動増幅回路23が検出素子10A,10Bの抵抗値を測定するための測定部20Aを構成する。   Referring to FIG. 18, the magnetic field detection device 3 includes detection elements 10A and 10B that detect a magnetic field, reference elements 50A and 50B used as resistance elements, voltage sources 21A and 21B, a differential amplifier circuit 23, A control unit 25B and current sources 31A, 31B, 33A, and 33B as bias current supply units are included. Here, the voltage sources 21A and 21B and the differential amplifier circuit 23 constitute a measurement unit 20A for measuring the resistance values of the detection elements 10A and 10B.

検出素子10Aは、基板上に形成されたTMR素子であり、絶縁層14Aを挟んで上部に位置する上部電極18Aと下部に位置する下部電極17Aとを含む。また、検出素子10Bは、基板上に形成されたTMR素子であり、絶縁層14Bを挟んで上部に位置する上部電極18Bと下部に位置する下部電極17Bとを含む。実施の形態1の場合と同様に、上部電極18A,18Bは強磁性層(自由層)を含み、下部電極17A,17Bは強磁性層(固着層)を含む。検出素子10A,10Bの接合部の詳細な構成については実施の形態1と同様であるので説明を繰返さない。   The detection element 10A is a TMR element formed on a substrate, and includes an upper electrode 18A located at the upper part and a lower electrode 17A located at the lower part with the insulating layer 14A interposed therebetween. The detection element 10B is a TMR element formed on a substrate, and includes an upper electrode 18B located at the upper part and a lower electrode 17B located at the lower part with the insulating layer 14B interposed therebetween. As in the case of the first embodiment, the upper electrodes 18A and 18B include a ferromagnetic layer (free layer), and the lower electrodes 17A and 17B include a ferromagnetic layer (fixed layer). Since the detailed configuration of the joint portion of detection elements 10A and 10B is the same as that of the first embodiment, description thereof will not be repeated.

参照素子50Aは、基板上に形成されたTMR素子であり、絶縁層54Aを挟んで上部に位置する上部電極58Aと下部に位置する下部電極57Aとを含む。参照素子50Bは、基板上に形成されたTMR素子であり、絶縁層54Bを挟んで上部に位置する上部電極58Bと下部に位置する下部電極57Bとを含む。検出素子10A,Bの場合と同様に、上部電極58A,58Bは強磁性層(自由層)を含み、下部電極57A,57Bは強磁性層(固着層)を含む。参照素子50A,50Bの接合部の詳細な構成については検出素子10A,10Bと同様であるので説明を繰返さない。   The reference element 50A is a TMR element formed on a substrate, and includes an upper electrode 58A located on the upper side and a lower electrode 57A located on the lower side with the insulating layer 54A interposed therebetween. The reference element 50B is a TMR element formed on a substrate, and includes an upper electrode 58B positioned at the upper part and a lower electrode 57B positioned at the lower part with the insulating layer 54B interposed therebetween. Similar to the detection elements 10A and B, the upper electrodes 58A and 58B include a ferromagnetic layer (free layer), and the lower electrodes 57A and 57B include a ferromagnetic layer (fixed layer). Since the detailed configuration of the joint portion of reference elements 50A and 50B is the same as that of detection elements 10A and 10B, description thereof will not be repeated.

検出素子10Aの上部電極18Aと参照素子50Aの上部電極58Aとは接続ノードNd1に接続される。これによって、参照素子50Aおよび検出素子10Aは、この順でノードNd3と接地GNDとの間に電気的に直列に接続されることになる。接続ノードNd1の電位Vd1は差動増幅回路23の−端子に入力される。   The upper electrode 18A of the detection element 10A and the upper electrode 58A of the reference element 50A are connected to the connection node Nd1. Thus, reference element 50A and detection element 10A are electrically connected in series between node Nd3 and ground GND in this order. The potential Vd1 of the connection node Nd1 is input to the − terminal of the differential amplifier circuit 23.

また、検出素子10Bの上部電極18Bと参照素子50Bの上部電極58Bとは接続ノードNd2に接続される。これによって、参照素子50Bおよび検出素子10Bは、この順でノードNd4と接地GNDとの間に電気的に直列に接続されることになる。接続ノードNd2の電位Vd2は差動増幅回路23の+端子に入力される。差動増幅回路23は、接続ノードNd1,Nd2間の電位差を増幅して制御部25Bに出力する。   The upper electrode 18B of the detection element 10B and the upper electrode 58B of the reference element 50B are connected to the connection node Nd2. Thus, reference element 50B and detection element 10B are electrically connected in series between node Nd4 and ground GND in this order. The potential Vd2 of the connection node Nd2 is input to the + terminal of the differential amplifier circuit 23. The differential amplifier circuit 23 amplifies the potential difference between the connection nodes Nd1 and Nd2 and outputs the amplified difference to the control unit 25B.

電圧源21Aは、参照素子50Aの下部電極57Aの一端と検出素子10Aの下部電極17Aの一端とに接続される。これによって、直列接続された参照素子50Aおよび検出素子10Aに定電圧が印加される。また、電圧源21Bは、参照素子50Bの下部電極57Bの一端と検出素子10Bの下部電極17Bの一端に接続される。これによって、直列接続された参照素子50Bおよび検出素子10Bに定電圧が印加される。   The voltage source 21A is connected to one end of the lower electrode 57A of the reference element 50A and one end of the lower electrode 17A of the detection element 10A. Thereby, a constant voltage is applied to the reference element 50A and the detection element 10A connected in series. The voltage source 21B is connected to one end of the lower electrode 57B of the reference element 50B and one end of the lower electrode 17B of the detection element 10B. Thereby, a constant voltage is applied to the reference element 50B and the detection element 10B connected in series.

電流源31A、31Bは、それぞれ検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bの両端に接続され、下部電極17A,17BにY軸方向のバイアス電流を供給する。これによって、検出素子10A,10Bの接合部には、それぞれX軸方向のバイアス磁界が生成される。また、電流源33A、33Bは、それぞれ参照素子50A,50Bの下部電極57A,57Bの両端に接続され、下部電極57A,57BにX軸方向のバイアス電流を供給する。これによって、参照素子50A,50Bの接合部には、それぞれY軸方向のバイアス磁界が生成される。   The current sources 31A and 31B are connected to both ends of the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B, respectively, and supply a bias current in the Y-axis direction to the lower electrodes 17A and 17B. As a result, a bias magnetic field in the X-axis direction is generated at the junction between the detection elements 10A and 10B. The current sources 33A and 33B are connected to both ends of the lower electrodes 57A and 57B of the reference elements 50A and 50B, respectively, and supply a bias current in the X-axis direction to the lower electrodes 57A and 57B. As a result, a bias magnetic field in the Y-axis direction is generated at the junction between the reference elements 50A and 50B.

制御部25Bは、コンピュータによって構成され、演算部26と記憶部27とを含む。演算部26は、差動増幅回路23の出力電圧Voutに基づいて未知の外部磁界の大きさを算出する。具体的な算出方法は、図19、図20を参照して後述する。記憶部27は、差動増幅回路23の出力などを記憶する。また、制御部25Aは、電圧源21A,21Bおよび電流源31A,31B,33A,33Bなどの動作を制御する。   The control unit 25B is configured by a computer and includes a calculation unit 26 and a storage unit 27. The computing unit 26 calculates the magnitude of the unknown external magnetic field based on the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. A specific calculation method will be described later with reference to FIGS. The storage unit 27 stores the output of the differential amplifier circuit 23 and the like. Further, the control unit 25A controls operations of the voltage sources 21A and 21B and the current sources 31A, 31B, 33A and 33B.

図19は、図18の磁界検出装置3の動作を説明するための図である。図19では、バイアス磁界Hbを生成するための磁界発生部32A,32B,34A,34Bが示されている。実施の形態3の場合、磁界発生部32A,32Bは、それぞれ検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bである。また、磁界発生部34A,34Bは、それぞれ参照素子50A,50Bの下部電極57A,57Bである。磁界発生部32A,32B,34A,34Bによって、それぞれTMR素子10A,10B,50A,50Bにバイアス磁界Hbが生成される。   FIG. 19 is a diagram for explaining the operation of the magnetic field detection device 3 of FIG. FIG. 19 shows magnetic field generators 32A, 32B, 34A, 34B for generating the bias magnetic field Hb. In the third embodiment, the magnetic field generators 32A and 32B are the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B, respectively. The magnetic field generators 34A and 34B are the lower electrodes 57A and 57B of the reference elements 50A and 50B, respectively. Bias magnetic field Hb is generated in TMR elements 10A, 10B, 50A, and 50B by magnetic field generators 32A, 32B, 34A, and 34B, respectively.

なお、磁界発生部32A,32B,34A,34Bとして、下部電極17A,17B,57A,57Bを用いずに、Al配線などによってバイアス電流Ibの供給用の電流線を接合部の近傍に設けた場合も、以下に示す手順によって外部磁界Hexを検出することできる。   When the current lines for supplying the bias current Ib are provided in the vicinity of the junction by Al wiring or the like as the magnetic field generators 32A, 32B, 34A, 34B without using the lower electrodes 17A, 17B, 57A, 57B. However, the external magnetic field Hex can be detected by the following procedure.

図19の場合、外部磁界Hexの方向はX軸方向であり、検出素子10A,10Bのバイアス磁界Hbの方向もX軸方向である。このとき、検出素子10A,10Bに供給するバイアス電流Ibの方向はY軸方向になる。また、参照素子50A,50Bのバイアス磁界Hbの方向はY軸方向であり、このときの参照素子50A,50Bへ供給するバイアス電流Ibの方向はX軸方向になる。   In the case of FIG. 19, the direction of the external magnetic field Hex is the X-axis direction, and the direction of the bias magnetic field Hb of the detection elements 10A and 10B is also the X-axis direction. At this time, the direction of the bias current Ib supplied to the detection elements 10A and 10B is the Y-axis direction. The direction of the bias magnetic field Hb of the reference elements 50A and 50B is the Y-axis direction, and the direction of the bias current Ib supplied to the reference elements 50A and 50B at this time is the X-axis direction.

さらに、検出素子10A,10Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向をX方向とし、参照素子50A,50Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向をY方向とする。また、外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbのいずれも印加されていない場合、検出素子10A,10Bの自由層の磁化ベクトルMpの方向をY方向とし、参照素子50A,50Bの自由層の磁化ベクトルMpの方向をY方向とする。電流源33A,33Bによって下部電極57A,57Bにバイアス電流Ibを流すことによって、外部磁界Hexが印加されていない状態では、参照素子50A,50Bの自由層の磁化方向は、固着層の磁化方向に対して平行または反平行になる。   Furthermore, the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer of the detection elements 10A and 10B is defined as the X direction, and the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer of the reference elements 50A and 50B is defined as the Y direction. When neither the external magnetic field Hex nor the bias magnetic field Hb is applied, the direction of the magnetization vector Mp of the free layer of the detection elements 10A and 10B is the Y direction, and the magnetization vector Mp of the free layer of the reference elements 50A and 50B Let the direction be the Y direction. By flowing a bias current Ib to the lower electrodes 57A and 57B by the current sources 33A and 33B, the magnetization direction of the free layer of the reference elements 50A and 50B is the same as the magnetization direction of the pinned layer when the external magnetic field Hex is not applied. Parallel or anti-parallel to it.

図20は、図18、図19の磁界検出装置3による外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。以下、図19、図20を参照して、外部磁界Hexの検出手順について説明する。   FIG. 20 is a flowchart showing a procedure for detecting the external magnetic field Hex by the magnetic field detection device 3 of FIGS. 18 and 19. Hereinafter, the procedure for detecting the external magnetic field Hex will be described with reference to FIGS. 19 and 20.

図20のステップS201で、制御部25Bは、電流源33A,33Bによって参照素子50A,50Bの下部電極に57A,57Bにバイアス電流Ibを流す。これによって、参照素子50A,50Bに十分大きいバイアス磁界Hb(たとえば100Oe)を生成し、参照素子50A,50Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行に固定する。   In step S201 in FIG. 20, the control unit 25B causes the current sources 33A and 33B to pass a bias current Ib through the lower electrodes of the reference elements 50A and 50B through 57A and 57B. Thus, a sufficiently large bias magnetic field Hb (for example, 100 Oe) is generated in the reference elements 50A and 50B, and the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the reference elements 50A and 50B are fixed in antiparallel.

次のステップS202で、制御部25Bは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bにバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bに十分大きいバイアス磁界Hb(たとえば100Oe)を生成し、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。   In the next step S202, the control unit 25B causes a bias current Ib to flow through the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B. Thereby, a sufficiently large bias magnetic field Hb (for example, 100 Oe) is generated in the detection elements 10A and 10B, and the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made antiparallel.

次のステップS203で、制御部25Bの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最小出力電圧Vminとなっている。さらに記憶部27は、最小出力電圧Vminより少し大きな電圧を最小測定電圧VLLとして記憶する。最小測定電圧VLLは、外部磁界HexをTMR素子の線形領域で測定するときの下限の出力電圧Voutである。   In the next step S203, the storage unit 27 of the control unit 25B stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the minimum output voltage Vmin. Further, the storage unit 27 stores a voltage slightly larger than the minimum output voltage Vmin as the minimum measurement voltage VLL. The minimum measurement voltage VLL is the lower limit output voltage Vout when the external magnetic field Hex is measured in the linear region of the TMR element.

次のステップS204で、制御部25Bは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bにバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bに十分大きいバイアス磁界Hb(たとえば100Oe)を生成し、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。   In the next step S204, the control unit 25B causes a bias current Ib to flow through the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B. Thereby, a sufficiently large bias magnetic field Hb (for example, 100 Oe) is generated in the detection elements 10A and 10B, and the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made parallel.

次のステップS205で、制御部25Bの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最大出力電圧Vmaxとなっている。さらに記憶部27は、最大出力電圧Vmaxより少し小さい電圧を最大測定電圧VHLとして記憶する。最大測定電圧VHLは、外部磁界HexをTMR素子の線形領域で測定するときの上限の出力電圧Voutである。なお、好ましくは、徐々にバイアス電流をIbを変えながら差動増幅回路23の出力電圧Voutを記録して、最小測定電圧VLLおよび最大測定電圧VHLを決定することもできる。   In the next step S205, the storage unit 27 of the control unit 25B stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the maximum output voltage Vmax. Further, the storage unit 27 stores a voltage slightly smaller than the maximum output voltage Vmax as the maximum measured voltage VHL. The maximum measurement voltage VHL is the upper limit output voltage Vout when the external magnetic field Hex is measured in the linear region of the TMR element. Preferably, the minimum measurement voltage VLL and the maximum measurement voltage VHL can be determined by recording the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23 while gradually changing the bias current Ib.

次のステップS206で、磁界検出装置3に既知の外部磁界Hexが印加される。
次のステップS207で、制御部25Bは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bに供給するバイアス電流Ibを変更しながら、差動増幅回路23の出力電圧Voutを取得する。そして、制御部25Bは、出力電圧Voutが最小測定電圧VLLと最大測定電圧VHLとの間になる最適なバイアス電流Ibの設定値を探索する。出力電圧Voutが最小測定電圧VLLと最大測定電圧VHLとの間になる場合、検出素子10A,10Bは線形領域で動作していることになる。
In the next step S206, a known external magnetic field Hex is applied to the magnetic field detection device 3.
In the next step S207, the control unit 25B acquires the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23 while changing the bias current Ib supplied to the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B. Then, the control unit 25B searches for an optimal setting value of the bias current Ib in which the output voltage Vout is between the minimum measurement voltage VLL and the maximum measurement voltage VHL. When the output voltage Vout is between the minimum measurement voltage VLL and the maximum measurement voltage VHL, the detection elements 10A and 10B are operating in the linear region.

次のステップS208で、制御部25Bの記憶部27は、ステップS207で探索した適切なバイアス電流Ibの設定値をそのときの外部磁界Hexに対応付けて記憶する。さらに、記憶部27は、これらの外部磁界Hex、バイアス電流Ibのときに得られる出力電圧Voutから算出された磁界感度(Hex/Vout)を記憶する。   In the next step S208, the storage unit 27 of the control unit 25B stores the set value of the appropriate bias current Ib searched in step S207 in association with the external magnetic field Hex at that time. Further, the storage unit 27 stores magnetic field sensitivity (Hex / Vout) calculated from the output voltage Vout obtained with the external magnetic field Hex and the bias current Ib.

以上のステップS206〜S208は、所定数の既知の外部磁界Hexについて繰返して実行される(ステップS209でNO)。所定数の既知の外部磁界Hexについての上記の測定が完了したら(ステップS209でYES)、ステップS210に進む。   The above steps S206 to S208 are repeatedly executed for a predetermined number of known external magnetic fields Hex (NO in step S209). When the above measurement for a predetermined number of known external magnetic fields Hex is completed (YES in step S209), the process proceeds to step S210.

ステップS210で、磁界検出装置3に未知の外部磁界Hexが印加される。
次のステップS211で、制御部25Bは、電流源31A,31Bによって記憶部27に記憶されたバイアス電流Ibの設定値のうち最も小さいものを検出素子10A,10Bに供給する。そして、そのときの差動増幅回路23の出力電圧Voutを取得する。
In step S210, an unknown external magnetic field Hex is applied to the magnetic field detection device 3.
In the next step S211, the control unit 25B supplies the smallest set value of the bias current Ib stored in the storage unit 27 by the current sources 31A and 31B to the detection elements 10A and 10B. Then, the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23 at that time is acquired.

次のステップS212で、制御部25Bは、取得した出力電圧Voutが最小測定電圧VLLと最大測定電圧VHLとの間の線形領域にあるか否かを判定する。出力電圧Voutが線形領域にない場合(ステップS212でNO)、ステップS213で他のバイアス電流Ibの設定値に変更して、ステップS211,S212を再度実行する。一方、出力電圧Voutが線形領域にある場合(ステップS212でYES)、ステップS214に進む。   In next step S212, the control unit 25B determines whether or not the acquired output voltage Vout is in a linear region between the minimum measurement voltage VLL and the maximum measurement voltage VHL. If the output voltage Vout is not in the linear region (NO in step S212), the setting value is changed to another bias current Ib in step S213, and steps S211 and S212 are executed again. On the other hand, if the output voltage Vout is in the linear region (YES in step S212), the process proceeds to step S214.

ステップS214で、制御部25Bの演算部26は、現在のバイアス電流Ibの設定値に対応する磁界感度を用いて、出力電圧Voutから外部磁界Hexの大きさを算出する。   In step S214, the calculation unit 26 of the control unit 25B calculates the magnitude of the external magnetic field Hex from the output voltage Vout using the magnetic field sensitivity corresponding to the current setting value of the bias current Ib.

次のステップS215では、S214での外部磁界Hexの検出後に、外部磁界Hexが印加されていない状態で、制御部25Bは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bにバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bに十分大きいバイアス磁界Hb(たとえば100Oe)を生成し、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。   In the next step S215, after the external magnetic field Hex is detected in S214, the control unit 25B is applied to the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B in a state where the external magnetic field Hex is not applied. A bias current Ib is supplied. Thereby, a sufficiently large bias magnetic field Hb (for example, 100 Oe) is generated in the detection elements 10A and 10B, and the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made antiparallel.

次のステップS216で、制御部25Bの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最小出力電圧Vminとなっている。   In the next step S216, the storage unit 27 of the control unit 25B stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the minimum output voltage Vmin.

次のステップS217で、制御部25Bは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bにバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bに十分大きいバイアス磁界Hb(たとえば100Oe)を生成し、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。   In the next step S217, the control unit 25B causes a bias current Ib to flow through the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B. Thereby, a sufficiently large bias magnetic field Hb (for example, 100 Oe) is generated in the detection elements 10A and 10B, and the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made parallel.

次のステップS218で、制御部25Bの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最大出力電圧Vmaxとなっている。   In the next step S218, the storage unit 27 of the control unit 25B stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the maximum output voltage Vmax.

次のステップS219で、演算部26は、ステップS203の最小出力電圧Vmin(1)、ステップS204の最大出力電圧Vmax(1)、ステップS216の最小出力電圧Vmin(2)、およびステップS218の最大出力電圧Vmax(2)を用いて、ステップS214で算出した未知外部磁界Hexの大きさの温度補正を行なう。具体的には、演算部26は、ステップS214の外部磁界Hexに(Vmax(2)−Vmin(2))/(Vmax(1)−Vmin(1))を乗ずることによって、最終的な温度補正後の外部磁界Hexを算出する。こうして、未知の外部磁界Hexの検出が完了する。   In the next step S219, the calculation unit 26, the minimum output voltage Vmin (1) in step S203, the maximum output voltage Vmax (1) in step S204, the minimum output voltage Vmin (2) in step S216, and the maximum output in step S218. Temperature correction of the magnitude of the unknown external magnetic field Hex calculated in step S214 is performed using the voltage Vmax (2). Specifically, the calculation unit 26 multiplies the external magnetic field Hex in step S214 by (Vmax (2) −Vmin (2)) / (Vmax (1) −Vmin (1)) to obtain a final temperature correction. The subsequent external magnetic field Hex is calculated. Thus, detection of the unknown external magnetic field Hex is completed.

以上の手順により、広い磁界範囲で、良好な精度で磁界を測定することができる。また、温度による感度の変化を補正することもできる。また、上記の検出手順によれば、磁界の印加方向が概略一定である磁界を高感度に測定することができるので、たとえば、磁界検出装置3を直流および交流の電流センサとして利用することができる。また、好ましくは、電流源31A,31B,33A,33Bから供給するバイアス電流Ibを、差動増幅回路23の出力電圧Voutを取得する直前に流し、出力電圧Voutの取得後に切断することによって、磁界検出装置3の消費電力をさらに小さくできる。また、上記の参照素子50A,50Bにおいて、自由層と固着層の磁化方向を反平行としていたが、逆に平行に設定してもよい。   By the above procedure, a magnetic field can be measured with good accuracy in a wide magnetic field range. It is also possible to correct changes in sensitivity due to temperature. Further, according to the above detection procedure, a magnetic field in which the direction of application of the magnetic field is approximately constant can be measured with high sensitivity, and therefore, for example, the magnetic field detection device 3 can be used as a direct current and alternating current sensor. . Preferably, the bias current Ib supplied from the current sources 31A, 31B, 33A, and 33B is flowed immediately before obtaining the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23, and is cut off after obtaining the output voltage Vout. The power consumption of the detection device 3 can be further reduced. In the reference elements 50A and 50B described above, the magnetization directions of the free layer and the pinned layer are antiparallel, but may be set parallel to each other.

[実施の形態3の変形例1]
図21は、この発明の実施の形態3の変形例1による磁界検出装置3Aの構成を模式的に示す平面図である。図21の磁界検出装置3Aは、電圧源21Bを含まない点で、図18の磁界検出装置3と異なる。磁界検出装置3Aでは、直列接続された検出素子10Bおよび参照素子50Bに電圧源21Aによって定電圧を印加するために、ノードNd3とノードNd4とが接続される。電圧源21Aの動作は、制御部25Cによって制御される。このように構成された変形例による磁界検出装置3Aは、磁界検出装置3と同様の作用効果を奏する。その他の点については、図21の磁界検出装置3Aは、図18の磁界検出装置3と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
[Modification 1 of Embodiment 3]
FIG. 21 is a plan view schematically showing a configuration of a magnetic field detection device 3A according to the first modification of the third embodiment of the present invention. The magnetic field detection device 3A in FIG. 21 is different from the magnetic field detection device 3 in FIG. 18 in that the voltage source 21B is not included. In the magnetic field detection device 3A, the node Nd3 and the node Nd4 are connected to apply a constant voltage to the detection element 10B and the reference element 50B connected in series by the voltage source 21A. The operation of the voltage source 21A is controlled by the control unit 25C. The magnetic field detection device 3 </ b> A according to the modified example configured as described above has the same effects as the magnetic field detection device 3. In other respects, magnetic field detection device 3A in FIG. 21 is similar to magnetic field detection device 3 in FIG. 18, and therefore the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

[実施の形態3の変形例2]
図22は、この発明の実施の形態3の変形例2による磁界検出装置3Bを構成および動作を説明するための図である。図22の磁界検出装置3Bは、検出素子50A,50Bが図19の場合からそれぞれ右回りに90度回転させた位置に配置されている点で、図19の磁界検出装置3と異なる。
[Modification 2 of Embodiment 3]
FIG. 22 is a diagram for explaining the configuration and operation of a magnetic field detection device 3B according to the second modification of the third embodiment of the present invention. The magnetic field detection device 3B of FIG. 22 differs from the magnetic field detection device 3 of FIG. 19 in that the detection elements 50A and 50B are arranged at positions rotated 90 degrees clockwise from the case of FIG.

すなわち、図22の場合、参照素子50A,50Bのバイアス磁界Hbの方向はX軸方向であり、このときの参照素子50A,50Bへ供給するバイアス電流Ibの方向はY軸方向になる。さらに、参照素子50A,50Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向を+X方向とし、外部磁界Hexおよびバイアス磁界Hbのいずれも印加されていない場合、参照素子50A,50Bの自由層の磁化ベクトルMfの方向を−X方向とする。電流源33A,33Bによって参照素子50A,50Bの下部電極57A,57Bに十分に大きなバイアス電流Ibを流すことによって、参照素子50A,50Bの自由層の磁化方向は、固着層の磁化方向に対して平行または反平行になる。その他の点については、図22の時間検出装置3Bは、図18、図19の磁界検出装置3と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。   That is, in the case of FIG. 22, the direction of the bias magnetic field Hb of the reference elements 50A and 50B is the X-axis direction, and the direction of the bias current Ib supplied to the reference elements 50A and 50B at this time is the Y-axis direction. Furthermore, when the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the reference elements 50A and 50B is the + X direction and neither the external magnetic field Hex nor the bias magnetic field Hb is applied, the magnetization vector Mf of the free layer of the reference elements 50A and 50B Let the direction be -X direction. By flowing a sufficiently large bias current Ib to the lower electrodes 57A and 57B of the reference elements 50A and 50B by the current sources 33A and 33B, the magnetization direction of the free layers of the reference elements 50A and 50B is relative to the magnetization direction of the pinned layer. Parallel or antiparallel. In other respects, the time detection device 3B in FIG. 22 is common to the magnetic field detection device 3 in FIGS. 18 and 19, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is not repeated.

一般に、TMR素子の固着層において各磁区の磁化方向を一方向に揃えるために、磁界を印加しながら固着層の形成されたチップのアニール処理を行なう。図19の磁界検出装置3の場合には、参照素子50A,50Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向と、検出素子10A,10Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向とが異なっていた。このため、検出素子10A,10Bと参照素子50A,50Bとを別個のチップに作製した後に磁界検出装置として実装する必要がある。   In general, in order to align the magnetization directions of the magnetic domains in one direction in the fixed layer of the TMR element, the chip on which the fixed layer is formed is annealed while applying a magnetic field. In the case of the magnetic field detection device 3 of FIG. 19, the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the reference elements 50A and 50B is different from the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the detection elements 10A and 10B. For this reason, it is necessary to mount the detection elements 10A and 10B and the reference elements 50A and 50B as separate magnetic chips after mounting them on separate chips.

これに対して、この変形例2による磁界検出装置3Bの場合には、参照素子50A,50Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向と、検出素子10A,10Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向とが同じX軸方向となっている。したがって、同一の基板上に参照素子50A,50Bと検出素子10A,10Bとを容易に形成することができる。   On the other hand, in the magnetic field detection device 3B according to the second modification, the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the reference elements 50A and 50B and the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the detection elements 10A and 10B Are in the same X-axis direction. Therefore, the reference elements 50A and 50B and the detection elements 10A and 10B can be easily formed on the same substrate.

[実施の形態4]
実施の形態1〜3では、電流源の出力電流を可変としていた。実施の形態4では、電流源31からは定電流を供給するようにし、電流経路に設けた抵抗によって検出素子10(1),10(2),10(3)(総称するとき、検出素子10とも称する)に供給するバイアス電流量を変化させる。これによって相対的な磁界感度のずれを低減することができる。
[Embodiment 4]
In the first to third embodiments, the output current of the current source is variable. In the fourth embodiment, a constant current is supplied from the current source 31, and the detection elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3) (referred to collectively as the detection element 10) by resistors provided in the current path. Also, the amount of bias current to be supplied is changed. As a result, a relative magnetic field sensitivity shift can be reduced.

図23は、この発明の実施の形態4による磁界検出装置4の構成を模式的に示す平面図である。図23の磁界検出装置4は、図14の磁界検出装置2に対応するものであり、検出素子10と参照素子50とによってハーフブリッジ回路を構成した例である。   FIG. 23 is a plan view schematically showing the configuration of the magnetic field detection device 4 according to the fourth embodiment of the present invention. The magnetic field detection device 4 in FIG. 23 corresponds to the magnetic field detection device 2 in FIG. 14, and is an example in which a half bridge circuit is configured by the detection element 10 and the reference element 50.

図23を参照して、磁界検出装置2は、磁界を検出する検出素子10(1),10(2),10(3)と、抵抗素子R1〜R6と、電圧源21と、抵抗素子として用いられる参照素子50と、差動増幅回路23と、参照電圧源24と、制御部25Dと、バイアス電流供給部としての電流源31、33とを含む。ここで、電圧源21、差動増幅回路23、および参照電圧源24が検出素子10の抵抗値を測定するための測定部20Aを構成する。検出素子10(1),10(2),10(3)および参照素子50の詳細な構成は、これまで説明した実施の形態1〜3の場合と同様であるので説明を繰返さない。   Referring to FIG. 23, magnetic field detection device 2 includes detection elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3) that detect magnetic fields, resistance elements R 1 to R 6, voltage source 21, and resistance elements. A reference element 50, a differential amplifier circuit 23, a reference voltage source 24, a control unit 25D, and current sources 31 and 33 as bias current supply units are used. Here, the voltage source 21, the differential amplifier circuit 23, and the reference voltage source 24 constitute a measuring unit 20A for measuring the resistance value of the detecting element 10. The detailed configurations of detection elements 10 (1), 10 (2), 10 (3) and reference element 50 are the same as those in the first to third embodiments described above, and therefore description thereof will not be repeated.

図23に示すように、検出素子10(1)の下部電極17(1)の一端はノードNd5に接続され、他端は従属接続された抵抗素子R1〜R3を介在して接地ノードGNDに接続される。検出素子10(2)の下部電極17(2)の一端はノードNd5に接続され、他端は従属接続された抵抗素子R4,R5を介在して接地ノードGNDに接続される。また、検出素子10(3)の下部電極17(3)の一端はノードNd5に接続され、他端は抵抗素子R6を介在して接地ノードGNDに接続される。ノードNd5と接地ノードGNDとの間には電流源31が接続される。したがって、電流源31から定電流が供給された場合に、検出素子10(1),10(2),10(3)には異なるバイアス電流が流れることになる。   As shown in FIG. 23, one end of the lower electrode 17 (1) of the detection element 10 (1) is connected to the node Nd5, and the other end is connected to the ground node GND via the subordinately connected resistance elements R1 to R3. Is done. One end of the lower electrode 17 (2) of the detection element 10 (2) is connected to the node Nd5, and the other end is connected to the ground node GND via the cascaded resistance elements R4 and R5. One end of the lower electrode 17 (3) of the detection element 10 (3) is connected to the node Nd5, and the other end is connected to the ground node GND via the resistance element R6. Current source 31 is connected between node Nd5 and ground node GND. Therefore, when a constant current is supplied from the current source 31, different bias currents flow through the detection elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3).

一方、検出素子10(1),10(2),10(3)の上部電極18(1),18(2),18(3)は、スイッチ71を介してノードNd1に接続される。ノードNd1は、参照素子50の上部電極58に接続される。また、参照素子50の下部電極57の一端(ノードNd3)とノードNd5との間に電圧源21が接続される。この場合、スイッチ71の切替によって、検出素子10(1),10(2),10(3)のいずれか1つと検出素子50とに対して電圧源21から定電圧が印加される。スイッチ71の切替は制御部25Dによって制御される。   On the other hand, the upper electrodes 18 (1), 18 (2), and 18 (3) of the detection elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3) are connected to the node Nd 1 through the switch 71. The node Nd1 is connected to the upper electrode 58 of the reference element 50. The voltage source 21 is connected between one end (node Nd3) of the lower electrode 57 of the reference element 50 and the node Nd5. In this case, by switching the switch 71, a constant voltage is applied from the voltage source 21 to any one of the detection elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3) and the detection element 50. Switching of the switch 71 is controlled by the control unit 25D.

差動増幅回路23は、ノードNd1の電圧Vd1と参照電圧源24から出力された参照電圧Vrefとの差電圧を増幅して出力電圧Voutとして制御部25Dに出力する。制御部25Dは、出力電圧Voutに基づいて外部磁界Hexを検出する。外部磁界Hexの検出手順は実施の形態1と同様であるので、説明を繰返さない。   The differential amplifier circuit 23 amplifies the difference voltage between the voltage Vd1 at the node Nd1 and the reference voltage Vref output from the reference voltage source 24, and outputs the amplified voltage to the control unit 25D as the output voltage Vout. The control unit 25D detects the external magnetic field Hex based on the output voltage Vout. Since the procedure for detecting external magnetic field Hex is the same as that in the first embodiment, description thereof will not be repeated.

ここで、抵抗素子R1〜R6として、既製の抵抗素子を外付けしてもよいし、基板内に抵抗素子を形成してもよい。もしくは、下部電極17の長さや幅を異なるように作製することで抵抗素子の代わりとしてもよい。なお、下部電極17の長さを長くして抵抗を高める場合には、電圧源21が接続されているノードNd5と反対側である、接地ノードGND側の下部電極17の長さを長く形成する。このほうが、素子抵抗の測定時の寄生抵抗を増大させることがないからである。   Here, as the resistance elements R1 to R6, off-the-shelf resistance elements may be externally attached, or the resistance elements may be formed in the substrate. Alternatively, the lower electrode 17 may be manufactured to have different lengths and widths to replace the resistance element. When the resistance is increased by increasing the length of the lower electrode 17, the length of the lower electrode 17 on the ground node GND side opposite to the node Nd5 to which the voltage source 21 is connected is increased. . This is because the parasitic resistance at the time of measuring the element resistance is not increased.

図24は、この発明の実施の形態4による磁界検出装置4Aの動作を説明するための図である。図24の磁界検出装置4Aは、図18、図19の磁界検出装置3に対応するものであり、検出素子10A(1)〜10A(3),10B(1)〜10B(3)と参照素子50A,50Bとによってフルブリッジ回路を構成した例である。以下では、検出素子10A(1)〜10A(3)について総称する場合、検出素子10Aと記載し、検出素子10B(1)〜10B(3)について総称する場合、検出素子10Bと記載する。   FIG. 24 is a diagram for explaining the operation of the magnetic field detection apparatus 4A according to the fourth embodiment of the present invention. A magnetic field detection device 4A in FIG. 24 corresponds to the magnetic field detection device 3 in FIGS. 18 and 19, and includes detection elements 10A (1) to 10A (3), 10B (1) to 10B (3) and a reference element. This is an example in which a full bridge circuit is configured by 50A and 50B. Hereinafter, the detection elements 10A (1) to 10A (3) are collectively referred to as the detection element 10A, and the detection elements 10B (1) to 10B (3) are collectively referred to as the detection element 10B.

図24の磁界検出装置4Aは、図19の磁界発生部32Aに代えて並列接続された磁界発生部32A(1)〜32A(3)を含み、磁界発生部32Bに代えて並列接続された磁界発生部32B(1)〜32B(3)を含む。さらに、磁界検出装置4Aは、図19の検出素子10Aに代えて並列接続された検出素子10A(1)〜10A(3)を含み、検出素子10Bに代えて並列接続された検出素子10B(1)〜10B(3)を含む。検出素子10A(1)〜10A(3),10B(1)〜10B(3)は、それぞれ磁界発生部32A(1)〜32A(3),32B(1)〜32B(3)によって生成されたバイアス磁界Hbを受ける。   The magnetic field detection device 4A of FIG. 24 includes magnetic field generation units 32A (1) to 32A (3) connected in parallel instead of the magnetic field generation unit 32A of FIG. 19, and includes magnetic fields connected in parallel instead of the magnetic field generation unit 32B. The generators 32B (1) to 32B (3) are included. Further, the magnetic field detection device 4A includes detection elements 10A (1) to 10A (3) connected in parallel instead of the detection element 10A of FIG. 19, and includes detection elements 10B (1) connected in parallel instead of the detection element 10B. ) -10B (3). The detection elements 10A (1) to 10A (3), 10B (1) to 10B (3) are generated by the magnetic field generators 32A (1) to 32A (3) and 32B (1) to 32B (3), respectively. A bias magnetic field Hb is received.

また、検出素子10A(1)〜10A(3)の接合部の電圧は、スイッチ71Aに切替えられて差動増幅回路23の−端子に与えられる。検出素子10B(1)〜10B(3)の接合部の電圧は、スイッチ71Bに切替えられて差動増幅回路23の+端子に与えられる。スイッチ71A,71Bの切替は制御部25Eによって制御される。図24の磁界検出装置4Aのその他の構成は、図19の磁界検出装置3と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。   Further, the voltage at the junction of the detection elements 10A (1) to 10A (3) is switched to the switch 71A and applied to the negative terminal of the differential amplifier circuit 23. The voltage at the junction of the detection elements 10B (1) to 10B (3) is switched to the switch 71B and applied to the + terminal of the differential amplifier circuit 23. Switching of the switches 71A and 71B is controlled by the control unit 25E. The other configuration of magnetic field detection device 4A in FIG. 24 is the same as that of magnetic field detection device 3 in FIG. 19, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

図25は、図24の磁界検出装置4Aによる外部磁界Hexの検出手順を示すフローチャートである。以下、図24、図25を参照して、外部磁界Hexの検出手順について説明する。なお、図25のフローチャートは、図20のフローチャートで一部のステップを変更したものであるので、共通する部分については詳細な説明を繰返さない。   FIG. 25 is a flowchart showing a procedure for detecting the external magnetic field Hex by the magnetic field detection device 4A of FIG. Hereinafter, the procedure for detecting the external magnetic field Hex will be described with reference to FIGS. 24 and 25. Note that the flowchart of FIG. 25 is obtained by changing some of the steps in the flowchart of FIG. 20, and therefore, a detailed description of common parts will not be repeated.

図25のステップS201で、制御部25Eは、電流源33A,33Bによって参照素子50A,50Bの下部電極に57A,57Bに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、参照素子50A,50Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行に固定する。   In step S201 of FIG. 25, the control unit 25E causes a sufficiently large bias current Ib to flow through the lower electrodes of the reference elements 50A and 50B by the current sources 33A and 33B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the reference elements 50A and 50B are fixed in antiparallel.

次のステップS202で、制御部25Eは、スイッチ71A,71Bを切替えて、バイアス電流が最も大きくなる検出素子10A(3),10B(3)の下部電極にバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。   In the next step S202, the control unit 25E switches the switches 71A and 71B to flow the bias current Ib to the lower electrodes of the detection elements 10A (3) and 10B (3) where the bias current becomes the largest. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made antiparallel.

次のステップS203で、制御部25Eの記憶部27は、最小出力電圧Vminおよび最小測定電圧VLLを記憶する。   In the next step S203, the storage unit 27 of the control unit 25E stores the minimum output voltage Vmin and the minimum measured voltage VLL.

次のステップS204で、制御部25Eは、電流源31A,31Bによって検出素子10A(3),10B(3)の下部電極に逆方向のバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。   In the next step S204, the control unit 25E supplies a reverse bias current Ib to the lower electrodes of the detection elements 10A (3) and 10B (3) by the current sources 31A and 31B. Thereby, the magnetization directions of the free layers and the fixed layers of the detection elements 10A and 10B are made parallel.

次のステップS205で、制御部25Eの記憶部27は、最大出力電圧Vmaxおよび最大測定電圧VHLを記憶する。   In the next step S205, the storage unit 27 of the control unit 25E stores the maximum output voltage Vmax and the maximum measured voltage VHL.

次のステップS206で、磁界検出装置3に既知の外部磁界Hexが印加される。
次のステップS207Aで、制御部25Eは、スイッチ71A,71Bを切替えながら、差動増幅回路23の出力電圧Voutを取得する。そして、制御部25Eは、出力電圧Voutが最小測定電圧VLLと最大測定電圧VHLとの間になるようなスイッチ切替条件を探索する。
In the next step S206, a known external magnetic field Hex is applied to the magnetic field detection device 3.
In the next step S207A, the control unit 25E acquires the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23 while switching the switches 71A and 71B. Then, the control unit 25E searches for a switch switching condition such that the output voltage Vout is between the minimum measurement voltage VLL and the maximum measurement voltage VHL.

次のステップS208Aで、制御部25Eの記憶部27は、ステップS207Aで探索したスイッチ切替条件をそのときの外部磁界Hexに対応付けて記憶する。さらに、記憶部27は、これらの外部磁界Hex、スイッチ切替条件のときに得られる出力電圧Voutから算出された磁界感度(Hex/Vout)を記憶する。   In the next step S208A, the storage unit 27 of the control unit 25E stores the switch switching condition searched in step S207A in association with the external magnetic field Hex at that time. Further, the storage unit 27 stores the magnetic field sensitivity (Hex / Vout) calculated from the external magnetic field Hex and the output voltage Vout obtained under the switch switching condition.

以上のステップS206〜S208は、所定数の既知の外部磁界Hexについて繰返して実行される(ステップS209でNO)。所定数の既知の外部磁界Hexについての上記の測定が完了したら(ステップS209でYES)、ステップS210に進む。   The above steps S206 to S208 are repeatedly executed for a predetermined number of known external magnetic fields Hex (NO in step S209). When the above measurement for a predetermined number of known external magnetic fields Hex is completed (YES in step S209), the process proceeds to step S210.

ステップS210で、磁界検出装置3に未知の外部磁界Hexが印加される。
次のステップS211Aで、制御部25Eは、スイッチ71A,71Bによって、記憶部27に記憶されたスイッチ切替条件のうちバイアス電流が最も小さい場合である検出素子10A(1),10B(1)にバイアス電流の供給を切替える。そして、そのときの差動増幅回路23の出力電圧Voutを取得する。
In step S210, an unknown external magnetic field Hex is applied to the magnetic field detection device 3.
In the next step S211A, the control unit 25E causes the switches 71A and 71B to bias the detection elements 10A (1) and 10B (1) that have the smallest bias current among the switch switching conditions stored in the storage unit 27. Switch the current supply. Then, the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23 at that time is acquired.

次のステップS212で、制御部25Eは、取得した出力電圧Voutが最小測定電圧VLLと最大測定電圧VHLとの間の線形領域にあるか否かを判定する。出力電圧Voutが線形領域にない場合(ステップS212でNO)、ステップS213Aでスイッチを切替えて、ステップS211,S212を再度実行する。一方、出力電圧Voutが線形領域にある場合(ステップS212でYES)、ステップS214に進む。   In next step S212, the control unit 25E determines whether or not the acquired output voltage Vout is in a linear region between the minimum measurement voltage VLL and the maximum measurement voltage VHL. If the output voltage Vout is not in the linear region (NO in step S212), the switch is switched in step S213A, and steps S211 and S212 are executed again. On the other hand, if the output voltage Vout is in the linear region (YES in step S212), the process proceeds to step S214.

ステップS214では、制御部25Eの演算部26は、現在のスイッチ切替条件に対応する磁界感度を用いて、出力電圧Voutから外部磁界Hexの大きさを算出する。   In step S214, the calculation unit 26 of the control unit 25E calculates the magnitude of the external magnetic field Hex from the output voltage Vout using the magnetic field sensitivity corresponding to the current switch switching condition.

次のステップS215では、S214での外部磁界Hexの検出後に、外部磁界Hexが印加されていない状態で、制御部25Eは、電流源31A,31Bによって検出素子10A(3),10B(3)の下部電極にバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。   In the next step S215, after the external magnetic field Hex is detected in S214, the control unit 25E uses the current sources 31A and 31B to detect the detection elements 10A (3) and 10B (3) in a state where the external magnetic field Hex is not applied. A bias current Ib is passed through the lower electrode. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made antiparallel.

次のステップS216で、制御部25Eの記憶部27は、最小出力電圧Vminを記憶する。   In the next step S216, the storage unit 27 of the control unit 25E stores the minimum output voltage Vmin.

次のステップS217で、制御部25Eは、電流源31A,31Bによって検出素子10A(3),10B(3)の下部電極にバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。   In the next step S217, the control unit 25E causes the bias current Ib to flow through the lower electrodes of the detection elements 10A (3) and 10B (3) by the current sources 31A and 31B. Thereby, the magnetization directions of the free layers and the fixed layers of the detection elements 10A and 10B are made parallel.

次のステップS218で、制御部25Eの記憶部27は、最大出力電圧Vmaxを記憶する。   In the next step S218, the storage unit 27 of the control unit 25E stores the maximum output voltage Vmax.

次のステップS219で、演算部26は、ステップS203の最小出力電圧Vmin(1)、ステップS204の最大出力電圧Vmax(1)、ステップS216の最小出力電圧Vmin(2)、およびステップS218の最大出力電圧Vmax(2)を用いて、ステップS214で算出した未知外部磁界Hexの大きさの温度補正を行なう。こうして、未知の外部磁界Hexの検出が完了する。   In the next step S219, the calculation unit 26, the minimum output voltage Vmin (1) in step S203, the maximum output voltage Vmax (1) in step S204, the minimum output voltage Vmin (2) in step S216, and the maximum output in step S218. Temperature correction of the magnitude of the unknown external magnetic field Hex calculated in step S214 is performed using the voltage Vmax (2). Thus, detection of the unknown external magnetic field Hex is completed.

以上の手順により、広い磁界範囲で、実施の形態3の場合よりもさらに良好な精度で磁界を測定することができる。また、実施の形態3の場合と同様に温度による感度の変化を補正することもできる。   With the above procedure, the magnetic field can be measured with a better accuracy than in the case of Embodiment 3 in a wide magnetic field range. Further, as in the case of the third embodiment, a change in sensitivity due to temperature can be corrected.

[実施の形態5]
実施の形態5の磁界検出装置5は、外部磁界Hexの基板面内成分の方向を検知する。
[Embodiment 5]
The magnetic field detection device 5 according to the fifth embodiment detects the direction of the in-substrate component of the external magnetic field Hex.

図26は、この発明の実施の形態5による磁界検出装置5の構成を模式的に示す平面図である。図26の磁界検出装置5は、図18の参照素子50A,50Bに代えて検出素子10C,10Dをそれぞれ設けた点で図18の磁界検出装置3と異なる。また、図26の磁界検出装置5において、検出素子10Aの固着層の磁化ベクトルMpの方向は−X方向であり、検出素子10Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向は+X方向である。また、図26の磁界検出装置5において、検出素子10Cの固着層の磁化ベクトルMpの方向は+Y方向であり、検出素子10Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向は−Y方向である。制御部25Fは、これら4つの検出素子10A〜10Dの素子抵抗に基づいて外部磁界の方向を検知する。その他の磁界検出装置5の構成は、図18の磁界検出装置3の構成と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。   FIG. 26 is a plan view schematically showing the configuration of the magnetic field detection device 5 according to the fifth embodiment of the present invention. The magnetic field detection device 5 in FIG. 26 differs from the magnetic field detection device 3 in FIG. 18 in that detection elements 10C and 10D are provided in place of the reference elements 50A and 50B in FIG. In the magnetic field detection device 5 of FIG. 26, the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the detection element 10A is the −X direction, and the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the detection element 10B is the + X direction. In the magnetic field detection device 5 of FIG. 26, the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the detection element 10C is the + Y direction, and the direction of the magnetization vector Mp of the fixed layer of the detection element 10B is the -Y direction. The control unit 25F detects the direction of the external magnetic field based on the element resistances of these four detection elements 10A to 10D. Since the configuration of other magnetic field detection devices 5 is the same as the configuration of magnetic field detection device 3 in FIG. 18, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

図27は、図26の磁界検出装置5によって外部磁界Hexの方向を検知する手順を示したフローチャートである。   FIG. 27 is a flowchart showing a procedure for detecting the direction of the external magnetic field Hex by the magnetic field detection device 5 of FIG.

図26、図27を参照して、ステップS301で、制御部25Fは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。また、制御部25Fは、電流源33A,33Bによって検出素子10C,10Dの下部電極17C,17Dに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10C,10Dの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。   Referring to FIGS. 26 and 27, in step S301, control unit 25F causes sufficiently large bias current Ib to flow through lower electrodes 17A and 17B of detection elements 10A and 10B by current sources 31A and 31B. Thereby, the magnetization directions of the free layers and the fixed layers of the detection elements 10A and 10B are made parallel. Further, the control unit 25F causes a sufficiently large bias current Ib to flow through the lower electrodes 17C and 17D of the detection elements 10C and 10D by the current sources 33A and 33B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10C and 10D are made antiparallel.

次のステップS302で、制御部25Fの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最小出力電圧Vminとなっている。   In the next step S302, the storage unit 27 of the control unit 25F stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the minimum output voltage Vmin.

次のステップS303で、制御部25Fは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。また、制御部25Fは、電流源33A,33Bによって検出素子10C,10Dの下部電極17C,17Dに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10C,10Dの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。   In the next step S303, the control unit 25F supplies a sufficiently large bias current Ib to the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made antiparallel. Further, the control unit 25F causes a sufficiently large bias current Ib to flow through the lower electrodes 17C and 17D of the detection elements 10C and 10D by the current sources 33A and 33B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the pinned layer of the detection elements 10C and 10D are made parallel.

次のステップS304で、制御部25Fの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最大出力電圧Vmaxとなっている。   In the next step S304, the storage unit 27 of the control unit 25F stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the maximum output voltage Vmax.

次のステップS305で、磁界検出装置5に未知の外部磁界Hexが印加される。
次のステップS306で、制御部25Fは、検出感度を考慮した所定の大きさのバイアス電流を検出素子10Aから10Dに供給したときの、差動増幅回路23の出力電圧Voutを取得して、記憶部27に記憶させる。
In the next step S305, an unknown external magnetic field Hex is applied to the magnetic field detection device 5.
In next step S306, the control unit 25F acquires and stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23 when a bias current having a predetermined magnitude in consideration of detection sensitivity is supplied from the detection elements 10A to 10D. Store in the unit 27.

次のステップS307で、外部磁界Hexの方向検知後で、外部磁界Hexが印加されていない状態で、制御部25Fは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。また、制御部25Fは、電流源33A,33Bによって検出素子10C,10Dの下部電極17C,17Dに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10C,10Dの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。   In the next step S307, after detecting the direction of the external magnetic field Hex, the control unit 25F is sufficiently applied to the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B in a state where the external magnetic field Hex is not applied. A large bias current Ib is supplied. Thereby, the magnetization directions of the free layers and the fixed layers of the detection elements 10A and 10B are made parallel. Further, the control unit 25F causes a sufficiently large bias current Ib to flow through the lower electrodes 17C and 17D of the detection elements 10C and 10D by the current sources 33A and 33B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10C and 10D are made antiparallel.

次のステップS308で、制御部25Fの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最小出力電圧Vminとなっている。   In the next step S308, the storage unit 27 of the control unit 25F stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the minimum output voltage Vmin.

次のステップS309で、制御部25Fは、電流源31A,31Bによって検出素子10A,10Bの下部電極17A,17Bに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10A,10Bの自由層と固着層の磁化方向を反平行にする。また、制御部25Fは、電流源33A,33Bによって検出素子10C,10Dの下部電極17C,17Dに十分大きいバイアス電流Ibを流す。これによって、検出素子10C,10Dの自由層と固着層の磁化方向を平行にする。   In the next step S309, the control unit 25F supplies a sufficiently large bias current Ib to the lower electrodes 17A and 17B of the detection elements 10A and 10B by the current sources 31A and 31B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the detection elements 10A and 10B are made antiparallel. Further, the control unit 25F causes a sufficiently large bias current Ib to flow through the lower electrodes 17C and 17D of the detection elements 10C and 10D by the current sources 33A and 33B. Thereby, the magnetization directions of the free layer and the pinned layer of the detection elements 10C and 10D are made parallel.

次のステップS310で、制御部25Fの記憶部27は、差動増幅回路23の出力電圧Voutを記憶する。このときの出力電圧Voutは、最大出力電圧Vmaxとなっている。   In the next step S310, the storage unit 27 of the control unit 25F stores the output voltage Vout of the differential amplifier circuit 23. The output voltage Vout at this time is the maximum output voltage Vmax.

次のステップS311で、演算部26は、ステップS302の最小出力電圧Vmin(1)、ステップS304の最大出力電圧Vmax(1)、ステップS308の最小出力電圧Vmin(2)、およびステップS308の最大出力電圧Vmax(2)を用いて、ステップS306で取得した出力電圧Voutの温度補正を行なう。具体的には、演算部26は、ステップS306で取得した出力電圧Voutに(Vmax(2)−Vmin(2))/(Vmax(1)−Vmin(1))を乗ずることによって、最終的な温度補正後の出力電圧Voutを求める。   In the next step S311, the calculation unit 26, the minimum output voltage Vmin (1) in step S302, the maximum output voltage Vmax (1) in step S304, the minimum output voltage Vmin (2) in step S308, and the maximum output in step S308. Using the voltage Vmax (2), the temperature correction of the output voltage Vout acquired in step S306 is performed. Specifically, the calculation unit 26 multiplies the output voltage Vout acquired in step S306 by (Vmax (2) −Vmin (2)) / (Vmax (1) −Vmin (1)), thereby obtaining a final value. The output voltage Vout after temperature correction is obtained.

次のステップS312で、演算部26は、温度補正後の出力電圧Voutを用いて、未知の外部磁界Hexの方向を算出する。外部磁界Hexの方向を算出する原理は以下のとおりである。   In the next step S312, the calculation unit 26 calculates the direction of the unknown external magnetic field Hex using the output voltage Vout after temperature correction. The principle of calculating the direction of the external magnetic field Hex is as follows.

前述の(1)式によれば、検出素子10A〜10Dの抵抗値はRA,RB,RC,RDは、
A=Rm+(ΔR/2)×cosθ
B=Rm+(ΔR/2)×cos(θ+180°)=Rm−(ΔR/2)×cosθ
C=Rm+(ΔR/2)×cos(θ+90°)=Rm−(ΔR/2)×sinθ
D=Rm+(ΔR/2)×cos(θ+270°)=Rm+(ΔR/2)×sinθ
と表わされる。したがって、RmおよびΔRの値を予め求めておけば、RAおよびRCを用いて角θを算出することができる。ここで、RmおよびΔRの値は、素子抵抗の最大値と最小値を用いて計算することができる。
According to the above equation (1), the resistance values of the detection elements 10A to 10D are R A , R B , R C , and R D , respectively.
R A = Rm + (ΔR / 2) × cos θ
R B = Rm + (ΔR / 2) × cos (θ + 180 °) = Rm− (ΔR / 2) × cos θ
R C = Rm + (ΔR / 2) × cos (θ + 90 °) = Rm− (ΔR / 2) × sin θ
R D = Rm + (ΔR / 2) × cos (θ + 270 °) = Rm + (ΔR / 2) × sinθ
It is expressed as Therefore, if the values of Rm and ΔR are obtained in advance, the angle θ can be calculated using R A and R C. Here, the values of Rm and ΔR can be calculated using the maximum value and the minimum value of the element resistance.

以上の方法により、温度による感度の変化を補正しつつ、磁界方向を高精度に検出することができる。   By the above method, the magnetic field direction can be detected with high accuracy while correcting the change in sensitivity due to temperature.

[実施の形態5の変形例]
図28は、この発明の実施の形態5の変形例による磁界検出装置5Aの構成を模式的に示す平面図である。図28の磁界検出装置5Aは、検出素子10Bの固着層の磁化ベクトルMpの方向が−X方向であり、検出素子10Dの固着層の磁化ベクトルMpの方向が+Y方向である点で、図15の磁界検出装置5と異なる。固着層の磁化ベクトルMpの方向は、基板面内の回転方向に隣接する検出素子同士が互いに直交していればよいので、図28の磁界検出装置5Aによっても、図26の磁界検出装置5と同様の作用効果を得ることができる。
[Modification of Embodiment 5]
FIG. 28 is a plan view schematically showing a configuration of a magnetic field detection device 5A according to a modification of the fifth embodiment of the present invention. The magnetic field detection device 5A of FIG. 28 is that the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer of the detection element 10B is the −X direction, and the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer of the detection element 10D is the + Y direction. Different from the magnetic field detection device 5 of FIG. As the direction of the magnetization vector Mp of the pinned layer is sufficient if the detection elements adjacent to each other in the rotation direction in the substrate plane are orthogonal to each other, the magnetic field detection device 5A of FIG. Similar effects can be obtained.

[実施の形態6]
図29は、この発明の実施の形態6による回転角センサ6の構成を模式的に示す図である。図29の回転角センサ6は、実施の形態5の磁界検出装置5を応用したものである。
[Embodiment 6]
FIG. 29 is a diagram schematically showing a configuration of the rotation angle sensor 6 according to the sixth embodiment of the present invention. The rotation angle sensor 6 of FIG. 29 is an application of the magnetic field detection device 5 of the fifth embodiment.

図29を参照して、回転角センサ6は、回転軸82の先端に取り付けられた永久磁石81と、基板83上に形成された検出素子83A〜83Dと、制御部84とを含む。検出素子83A〜83Dおよび制御部84が実施の形態5の磁界検出装置5に対応する。磁界検出装置5は、永久磁石81の回転によって生じる回転磁界のように、磁界の大きさが概略一定で磁界の方向が変化する場合に、磁界の印加方向を高精度に測定することができる。   Referring to FIG. 29, rotation angle sensor 6 includes a permanent magnet 81 attached to the tip of rotation shaft 82, detection elements 83 </ b> A to 83 </ b> D formed on substrate 83, and control unit 84. Detection elements 83A to 83D and control unit 84 correspond to magnetic field detection device 5 of the fifth embodiment. The magnetic field detection device 5 can measure the magnetic field application direction with high accuracy when the magnitude of the magnetic field is substantially constant and the direction of the magnetic field changes, such as a rotating magnetic field generated by the rotation of the permanent magnet 81.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1〜5 磁界検出装置、10 検出素子(TMR素子)、50 参照素子(TMR素子)、12 反強磁性層、12A 磁性層、14,54 トンネル絶縁層、13 強磁性層(固着層)、15 強磁性層(自由層)、17,57 下部電極、18,58 上部電極、20 測定部、21 電圧源、23 差動増幅回路、24 参照電圧源、25 制御部、26 演算部、27 記憶部、31,33 電流源、32,34 磁界発生部、40 基板、71 スイッチ、Hb バイアス磁界、Ib バイアス電流、Hex 外部磁界、Mf 磁化ベクトル(自由層)、Mp 磁化ベクトル(固着層)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-5 Magnetic field detection apparatus, 10 Detection element (TMR element), 50 Reference element (TMR element), 12 Antiferromagnetic layer, 12A Magnetic layer, 14,54 Tunnel insulating layer, 13 Ferromagnetic layer (pinned layer), 15 Ferromagnetic layer (free layer), 17, 57 Lower electrode, 18, 58 Upper electrode, 20 Measurement unit, 21 Voltage source, 23 Differential amplifier circuit, 24 Reference voltage source, 25 Control unit, 26 Calculation unit, 27 Storage unit , 31, 33 Current source, 32, 34 Magnetic field generator, 40 substrate, 71 switch, Hb bias magnetic field, Ib bias current, Hex external magnetic field, Mf magnetization vector (free layer), Mp magnetization vector (pinned layer).

Claims (2)

検出素子を用いて未知の外部磁界を検出する磁界検出方法であって、
前記検出素子は、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化する第1の強磁性体膜、磁化方向が一定の第2の強磁性体膜、およびこれらの強磁性体膜の間に挟まれたトンネル絶縁膜を含むトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記磁界検出方法は、前記検出素子に印加するバイアス磁界の複数の設定値を、複数の既知の外部磁界にそれぞれ対応付けて記憶するステップを備え、
前記複数の設定値の各々は、前記バイアス磁界と対応する既知の外部磁界とが共に印加された状態で測定された前記検出素子の電気特性が所定の最適範囲内になるような値に設定され、
前記磁界検出方法は、さらに、前記複数の設定値のいずれかの大きさのバイアス磁界と前記未知の外部磁界とを共に印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップを備え、
前記測定するステップでは、測定された前記検出素子の電気特性が前記最適範囲内になるまで前記バイアス磁界の設定値が変更され、
前記磁界検出方法は、
前記測定するステップで測定された前記検出素子の電気特性が前記最適範囲内になったときの電気特性に基づいて、前記未知の外部磁界の大きさを算出するステップと、
前記外部磁界の検出前に前記外部磁界が印加されていない状態で、補正用バイアス磁界を印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界の検出後に前記外部磁界が印加されていない状態で、前記補正用バイアス磁界を印加したときの前記検出素子の電気特性を測定するステップと、
前記外部磁界の検出前および検出後に前記補正用バイアス磁界に応じて測定された前記検出素子の電気特性を用いて、前記算出するステップで算出された前記未知の外部磁界の大きさを補正するステップとをさらに備える、磁界検出方法。
A magnetic field detection method for detecting an unknown external magnetic field using a detection element,
The detection element is sandwiched between a first ferromagnetic film whose magnetization direction changes according to the external magnetic field, a second ferromagnetic film whose magnetization direction is constant, and these ferromagnetic films A tunnel magnetoresistive element including a tunnel insulating film,
The magnetic field detection method includes a step of storing a plurality of setting values of a bias magnetic field applied to the detection element in association with a plurality of known external magnetic fields, respectively.
Each of the plurality of set values is set to a value such that the electrical characteristics of the detection element measured in a state where both the bias magnetic field and the corresponding known external magnetic field are applied are within a predetermined optimum range. ,
The magnetic field detection method further includes a step of measuring electrical characteristics of the detection element when a bias magnetic field of any one of the plurality of setting values and the unknown external magnetic field are applied together,
In the measuring step, the setting value of the bias magnetic field is changed until the measured electrical characteristics of the detection element are within the optimum range,
The magnetic field detection method includes:
Calculating the magnitude of the unknown external magnetic field based on the electrical characteristics when the electrical characteristics of the detection element measured in the measuring step are within the optimum range;
Measuring electrical characteristics of the detection element when a correction bias magnetic field is applied in a state where the external magnetic field is not applied before the detection of the external magnetic field;
Measuring the electrical characteristics of the detection element when the correction bias magnetic field is applied in a state where the external magnetic field is not applied after the detection of the external magnetic field;
The step of correcting the magnitude of the unknown external magnetic field calculated in the calculating step using the electrical characteristics of the detection element measured in accordance with the correction bias magnetic field before and after the detection of the external magnetic field. further comprising magnetic field detecting method and.
前記補正用バイアス磁界は、前記第1の強磁性体膜の磁化方向を前記第2の強磁性体膜の磁化方向と平行にする磁界と、反平行にする磁界との両方を含む、請求項に記載の磁界検出方法。 The correction bias magnetic field includes both a magnetic field that makes the magnetization direction of the first ferromagnetic film parallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic film, and a magnetic field that makes it antiparallel. 2. The magnetic field detection method according to 1.
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