JP5802565B2

JP5802565B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP5802565B2
Application number: JP2012007663A
Authority: JP
Inventors: 雅之尾花; 安藤　秀人; 秀人安藤; 真次杉原
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: JP2013148406A; EP2618169A3; EP2618169A2; US9261570B2; US20130181704A1; EP2618169B1

Description

本発明は、ヒステリシス及びリニアリティを改善した磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。

しかしながら素子部にバイアス磁界を供給するためのバイアス層を備える磁気センサでは、外部から非常に強い磁界が作用すると、印加磁界除去後に、出力（中点電位差）が変動し、ヒステリシス及びリニアリティが悪化する不具合が生じた。強磁場の作用により、バイアス層の着磁が破壊されたり揺らぎやすくなるためである。

ＷＯ２００９／０８４４３３号ＷＯ２０１１／０８９９７８号

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、ヒステリシス及びリニアリティを改善した磁気センサを提供することを目的とする。

本発明における磁気センサは、
下から固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層及び保護層の順に積層され、あるいは、下からフリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層及び保護層の順に積層された積層構造を有しＸ１−Ｘ２方向に延出して形成された非バイアス構造の素子部と、前記素子部に非接触にて配置された複数の軟磁性体と、を有し、
前記素子部の感度軸方向は前記Ｘ１−Ｘ２方向と直交するＹ１−Ｙ２方向であり、
各軟磁性体は、前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出し、前記素子部と厚さ方向にて非接触にて対向する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部からＸ１方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ２側に配置される第２の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部からＸ２方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ１側に配置される第３の部分とを有し、
Ｘ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの前記軟磁性体のうち、Ｘ１側に配置された第１の軟磁性体の前記第３の部分の一部と、前記Ｘ２側に配置された第２の軟磁性体の前記第２の部分の一部とが、Ｙ１−Ｙ２方向にギャップを介して対向しており、
前記第１の軟磁性体の前記第３の部分における、前記第２の軟磁性体の前記第２の部分と対向しない付け根部分、及び、前記第２の軟磁性体の前記第２の部分における、前記第１の軟磁性体の前記第３の部分と対向しない付け根部分は、夫々、平面視にて前記Ｙ１−Ｙ２方向にて前記素子部と対向しており、
前記付け根部分と対向する前記素子部の上面には電流をバイパスする電極層が配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、前記付け根部分と対向する前記素子部の上面に前記保護層を除去した状態で電極層を配置することで、この部分では素子部としての感度をもたないようにできる。そして本発明ではバイアス層を用いず、素子部をＸ１−Ｘ２方向に長く形成することで、磁場感知以外にも素子部を配置でき、形状異方性効果を適切に得ることができる。以上により従来に比べて強磁場耐性に優れ、ヒステリシス及びリニアリティを改善することができる。

本発明では、前記保護層の一部が残された状態で前記電極層が配置されることが好ましい。下から、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層及び保護層の順に積層された構成では、フリー磁性層が削れないため、形状異方性効果が効果的に発揮されてフリー磁性層の無磁場状態での磁化方向が適切にＸ１−Ｘ２方向に向いた状態で安定化し、ヒステリシス及びリニアリティを適切に改善することができる。

また本発明では、前記電極層は、前記素子部の上面にて前記Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けて配置され、前記間隔が、前記第１の軟磁性体の前記第３の部分と前記第２の軟磁性体の前記第２の部分とが前記ギャップを介して対向する部分であり、
前記各軟磁性体の前記第１の部分と前記電極層とが厚さ方向に非接触状態にて対向していることが好ましい。電極層を簡単に配置できる。また素子部に電流の流れる部分が、前記ギャップを介して各軟磁性体が対向する部分だけになり、ヒステリシス及びリニアリティを適切に改善することができる。

また本発明では、Ｘ１−Ｘ２方向に延出形成された前記素子部はＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて複数設けられ、各素子部の前記Ｘ１−Ｘ２方向の端部同士が導電層を介して接続されていることが好ましい。

また本発明では、前記積層構造及び感度軸方向が同じとされた非バイアス構造の前記素子部からなる、第１の磁気抵抗効果素子、第２の磁気抵抗効果素子、第３の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子を備え、
前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第４の磁気抵抗効果素子に配置された各軟磁性体は、前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体の構成であり、
前記第２の磁気抵抗効果素子及び前記第３の磁気抵抗効果素子に配置された各軟磁性体は、前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出し、前記素子部と厚さ方向にて非接触にて対向する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部からＸ２方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ２側に配置される第４の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部からＸ１方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ１側に配置される第５の部分とを有するとともに、Ｘ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの前記軟磁性体のうち、Ｘ１側に配置された第３の軟磁性体の前記第４の部分の一部と、前記Ｘ２側に配置された第４の軟磁性体の前記第５の部分の一部とが、Ｙ１−Ｙ２方向にギャップを介して対向しており、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子とが第１の出力部を介して直列に接続され、前記第３の磁気抵抗効果素子と前記第４の磁気抵抗効果素子とが第２の出力部を介して直列に接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第３の磁気抵抗効果素子とが入力部を介して接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子と前記第４の磁気抵抗効果素子とがグランドを介して接続されて、ブリッジ回路が構成されていることが好ましい。

本発明の磁気センサによれば、ヒステリシス及びリニアリティを改善することができる。

図１は、本実施形態における磁気センサの概略図（平面図）である。図２は、第１の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示した磁気センサの部分拡大平面図である。図３は、第２の磁気抵抗効果素子及び第３の磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示した磁気センサの部分拡大平面図である。図４は、図２とは別の実施形態を示す第１の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示した磁気センサの部分拡大平面図である。図５は、図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た磁気抵抗効果素子の部分拡大縦断面図である。図６は、図２のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た磁気センサの部分拡大縦断面図である。図７は、比較例における磁気センサの部分拡大平面図である。図８（ａ）は、実施例及び比較例における、ギャップと中点ズレ（ヒステリシス）との関係を示すグラフ、図８（ｂ）は、実施例及び比較例における、ギャップとリニアリティとの関係を示すグラフである。

図１は、本実施形態における磁気センサの概略図（平面図）であり、図２は、第１の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示した磁気センサの部分拡大平面図であり、図３は、第２の磁気抵抗効果素子及び第３の磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示した磁気センサの部分拡大平面図であり、図４は、図２とは別の実施形態を示す第１の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子の一部を拡大して示した磁気センサの部分拡大平面図であり、図５は、図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た磁気抵抗効果素子の部分縦断面図であり、図６は、図２のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た磁気センサの部分拡大縦断面図である。

本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサＳは、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして構成される。

各図に示すＸ１−Ｘ２方向、及びＹ１−Ｙ２方向は水平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。

図１に示すように磁気センサＳは、磁気抵抗効果素子の形成領域１３がその中心１３ａからＸ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向により４つの領域に分けられており、各領域内に第１の磁気抵抗効果素子１、第２の磁気抵抗効果素子２、第３の磁気抵抗効果素子３、第４の磁気抵抗効果素子４が形成されている。なお各磁気抵抗効果素子１〜４は、後述するように、素子部、電極層が連なってミアンダ形状で形成されるが、図１では、各磁気抵抗効果素子１〜４内の形状を省略して図示している。

図１示すように第１の磁気抵抗効果素子１及び第３の磁気抵抗効果素子３は入力端子（Ｖｄｄ）５に接続されている。また、第２の磁気抵抗効果素子２及び第４の磁気抵抗効果素子４はグランド端子（ＧＮＤ）６に接続されている。また、第１の磁気抵抗効果素子１と第２の磁気抵抗効果素子２との間には第１の出力端子（Ｖ１）７が接続されている。また、第３の磁気抵抗効果素子３と第４の磁気抵抗効果素子４との間には第２の出力端子（Ｖ２）８が接続されている。このように第１の磁気抵抗効果素子１、第２の磁気抵抗効果素子２、第３の磁気抵抗効果素子３及び第４の磁気抵抗効果素子４によりブリッジ回路が構成されている。

各磁気抵抗効果素子１〜４は、複数の素子部と、複数の電極層と、各素子部及び各電極層と非接触の複数の軟磁性体とを備えて構成される。

図２は第１の磁気抵抗効果素子１及び第４の磁気抵抗効果素子４を拡大して示したものである。

図２に示すように、複数の素子部９がＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置されている。各素子部９は非バイアス構造（ハードバイアス層が設けられていない構造）であり、Ｘ１−Ｘ２方向に直線状あるいは帯状に延出して形成される。各素子部９の幅寸法（Ｙ１−Ｙ２方向への寸法）は、０．５〜５μｍ程度、各素子部９の長さ寸法（Ｘ１−Ｘ２方向への寸法）は、２〜３００μｍ程度であり、各素子部９のアスペクト比（長さ寸法／幅寸法）は、４〜６００程度となっている。

各素子部９は図５（部分縦断面図）に示すように、基板１５表面の絶縁下地層１９上に形成される。

各素子部９は、例えば下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて成膜される。素子部９を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

図５に示す実施形態では、固定磁性層６１は第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂと、第１磁性層６１ａ及び第２磁性層６１ｂ間に介在する非磁性中間層６１ｃとの積層フェリ構造である。各磁性層６１ａ，６１ｂはＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層６１ｃはＲｕ等である。非磁性層６２はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成される。フリー磁性層６３は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層６４はＴａ（タンタル）などである。

本実施形態では固定磁性層６１を積層フェリ構造として、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である。図５に示すセルフピン止め型では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層６１を構成する各磁性層６１ａ，６１ｃを磁化固定している。なお、各磁性層６１ａ，６１ｂの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。

ただし図５の素子部９の積層構造は一例である。例えば下から反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層及び保護層の順に積層された積層構造を有する構成とすることもできる。かかる構成では、反強磁性層と固定磁性層との間で交換結合磁界（Hex）を生じさせて固定磁性層の磁化方向を固定することが可能である。また、下からフリー磁性層６３、非磁性材料層６２、固定磁性層６１、及び保護層６４の順に積層された積層構造とされてもよい。また固定磁性層６１は、第１の磁性層６１ａと第２の磁性層６１ｂとの磁化の大きさが同じで磁化方向が反平行である構成にできる。

各素子部９を構成する第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ；感度軸方向）はＹ２方向である（図２、図５参照）。この固定磁化方向（Ｐ）が固定磁性層６１の固定磁化方向である。

図２に示すように各素子部９の上面にはＸ１−Ｘ１方向に間隔Ｔ１を空けて電極層１６が配置されている。

図５に示すように、電極層１６の形成位置では、保護層６４の一部が削られており、それにより形成された凹み部６４ａ上に前記電極層１６が形成されている。

電極層１６は、素子部９及び保護層６４よりも電気抵抗値の低い非磁性導電材料で形成される。材質を特に限定するものでないが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ等の非磁性導電材料の単層あるいは積層構造で形成される。例えば電極層１６はＣｕとＡｌとの積層構造で形成される。

図２に示すように各電極層１６の幅寸法（Ｙ１−Ｙ２への寸法）は各素子部９の幅寸法よりも大きく形成されており、これにより電極層１６の電気抵抗をより小さくでき、また各電極層１６を各素子部９の上面に形成する際の位置合わせのマージンを広くとることが可能である。

なお上記したように保護層６４の一部を削り取るが、例えばエッチングにて行うことができる。保護層６４の一部を削り取る処理は、特に保護層６４表面の酸化層を削り取るためのものであり、これにより素子部９と電極層１６間の導通性を良好にできる。

またエッチング等により保護層６４の表面を削る際、図５に示すように保護層６４の一部が残るように制御することが好ましい。これによりフリー磁性層６３はエッチングの影響を受けず削られない。

図２に示すように複数の素子部９がＹ１−Ｙ２方向に並設され、各素子部９のＸ１−Ｘ２方向の端部間が電極層（導電層）１６により電気的に接続されて、ミアンダ形状とされている。

図２に示すように、各軟磁性体１２は、Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分１２ｅと、第１の部分１２ｅのＹ２側端部からＸ１方向に延出し、平面視にて素子部９のＹ２側に配置される第２の部分１２ｆと、第１の部分１２ｅのＹ１側端部からＸ２方向に延出し平面視にて素子部９のＹ１側に配置される第３の部分１２ｇと、を有して構成される。各軟磁性体１２はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。

各軟磁性体１２の第１の部分１２ｅは、図２に示すように各電極層１６と離間してその上方にて電極層１６と交差するように配置される。図５に示すように第１の部分１２ｅと電極層１６との間には絶縁層２５が介在し、第１の部分１２ｅと電極層１６とは電気的に非接触となっている。

ここで図１に示すＸ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの軟磁性体１２のうち、Ｘ１側に配置された軟磁性体１２を第１の軟磁性体１２ａ、Ｘ２側に配置された軟磁性体１２を第２の軟磁性体１２ｂと定義する。図２には、一組の軟磁性体１２にのみ符号１２ａ，１２ｂを付した。なお図２で第２の軟磁性体１２ｂとした軟磁性体１２は、その軟磁性体１２から見てＸ２側に隣接された軟磁性体１２との間ではＸ１側に位置するため第１の軟磁性体１２ａとなる。すなわち各軟磁性体において、左側に隣接する軟磁性体とのペアを考えれば、軟磁性体１２ｂであるし、右側に隣接する軟磁性体とのペアを考えれば、軟磁性体１２ａである。したがってＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた軟磁性体１２のうち、最もＸ１側に配置された軟磁性体１２及び最もＸ２側に配置された軟磁性体１２を除く全ての軟磁性体１２が、第１の軟磁性体１２ａにも第２の軟磁性体１２ｂにもなる。

さて図２で符号を付した第１の軟磁性体１２ａと第２の軟磁性体１２ｂを代表してみてみると、第１の軟磁性体１２ａの第３の部分１２ｇの一部と、第２の軟磁性体１２ｂの第２の部分１２ｆの一部とが、Ｙ１−Ｙ２方向にギャップＧを介して対向している。図２に示すように、第１の軟磁性体１２ａの第３の部分１２ｇと、第２の軟磁性体１２ｂの第２の部分１２ｆとがギャップＧを介して対向する位置には電極層１６が配置されていない。すなわち、平面視にて、電極層１６間の間隔Ｔ１の位置に、前記ギャップＧが位置している。

図２に示すように、外部磁界Ｈ１がＸ２方向に向けて作用したとき、外部磁界Ｈ１は、軟磁性体１２内、及び軟磁性体１２，１２間を通る矢印の磁路Ｍ１を形成する。このとき、図６に示すように、素子部９に対して第１の軟磁性体１２ａの第３の部分１２ｇから第２の軟磁性体１２ｂの第２の部分ｆとの間で、Ｙ２方向への外部磁界Ｈ２が漏れ、この外部磁界Ｈ２が素子部９に作用する。

このようにＸ２方向の外部磁界Ｈ１は、軟磁性体１２によりＹ２方向に変換されて素子部９に作用する。

上記したように、各素子部９の感度軸方向（Ｐ）は、Ｙ２方向である。またフリー磁性層６３の磁化方向は素子部９の形状異方性によりＸ１−Ｘ２方向である。そして、各素子部９にＹ２方向の外部磁界Ｈ２が作用することでフリー磁性層６３の磁化方向はＹ２方向を向く。この結果、固定磁性層６１の磁化方向とフリー磁性層６３の磁化方向が同方向となり、電気抵抗値は小さくなる。

図３は、本実施形態における第２の磁気抵抗効果素子２及び第３の磁気抵抗効果素子３の部分拡大平面図である。

図３に示す第２の磁気抵抗効果素子２及び第３の磁気抵抗効果素子３において、図２に示す第１の磁気抵抗効果素子１及び第４の磁気抵抗効果素子４と異なる点は軟磁性体１４の構成である。すなわち素子部９及び電極層１６の構成は図２と変わりがない。

図３に示すように各軟磁性体１４は、Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分１４ｅと、第１の部分１４ｅのＹ２側端部からＸ２方向に延出し、平面視にて素子部９のＹ２側に配置される第４の部分１４ｆと、第１の部分１４ｅのＹ１側端部からＸ１方向に延出し平面視にて素子部９のＹ１側に配置される第５の部分１４ｇと、を有して構成される。

ここで図３に示すＸ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの軟磁性体１４のうち、Ｘ１側に配置された軟磁性体１４を第３の軟磁性体１４ｃ、Ｘ２側に配置された軟磁性体１４を第４の軟磁性体１４ｄと定義する。図３には、一組の軟磁性体１４にのみ符号１４ｃ，１４ｄを付した。なお図３で第４の軟磁性体１４ｄとした軟磁性体１４は、その軟磁性体１４から見てＸ２側に隣接された軟磁性体１４との間ではＸ１側に位置するため第３の軟磁性体１４ｃとなる。したがってＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた軟磁性体１４のうち、最もＸ１側に配置された軟磁性体１４及び最もＸ２側に配置された軟磁性体１４を除く全ての軟磁性体１４が、第３の軟磁性体１４ｃにも第４の軟磁性体１４ｄにもなる。

さて図３で符号を付した第３の軟磁性体１４ｃと第４の軟磁性体１４ｄを代表してみてみると、第３の軟磁性体１４ｃの第４の部分１４ｆの一部と、第４の軟磁性体１４ｄの第５の部分１４ｇの一部とが、Ｙ１−Ｙ２方向にギャップＧを介して対向している。図３に示すように、第３の軟磁性体１４ｃの第４の部分１４ｆと、第４の軟磁性体１４ｄの第５の部分１４ｇとがギャップＧを介して対向する位置には電極層１６が配置されていない。

図３に示すように、外部磁界Ｈ１がＸ２方向に向けて作用したとき、外部磁界Ｈ１は、軟磁性体１２内、及び軟磁性体１２，１２間を通る矢印の磁路Ｍ２を形成する。このとき、素子部９に対して第３の軟磁性体１４ｃの第４の部分１４ｆから第４の軟磁性体１４ｄの第５の部分１４ｇとの間で、Ｙ１方向への外部磁界Ｈ３が漏れ、この外部磁界Ｈ３が素子部９に作用する。

このようにＸ２方向の外部磁界Ｈ１は、第２の磁気抵抗効果素子２及び第３の磁気抵抗効果素子３では、軟磁性体１２によりＹ１方向に変換されて素子部９に作用する。

上記したように、各素子部９の感度軸方向（Ｐ）は、Ｙ２方向である。またフリー磁性層６３の磁化方向は素子部９の形状異方性によりＸ１−Ｘ２方向である。そして、各素子部９にＹ１方向の外部磁界Ｈ３が作用することでフリー磁性層６３の磁化方向はＹ１方向を向く。この結果、固定磁性層６１の磁化方向とフリー磁性層６３の磁化方向が反対方向となり、電気抵抗値は増大する。

このように第１の磁気抵抗効果素子１及び第４の磁気抵抗効果素子４の電気抵抗値が小さくなると、第２の磁気抵抗効果素子２及び第３の磁気抵抗効果素子３の電気抵抗値は増大し、図１に示すブリッジ回路により差動出力を得ることができる。

ここで比較例の磁気センサついて説明する。図７は、比較例の磁気センサである。図７には第１の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子を示す。図７に示す素子部７１の構造は図５と同じであり、また軟磁性体１２の構造や、軟磁性体１２、素子部７１及び電極層７２の材質も本実施形態と同じである。比較例における第２の磁気抵抗効果素子２及び第３の磁気抵抗効果素子３は、図７に示す素子部７１及び電極層７２と図３に示す軟磁性体１４との組み合わせで構成される。

図７の比較例において図２に示す本実施形態と異なる点は、図２に示す実施形態では素子部９がＸ１−Ｘ２方向に長く形成されるのに対し、図７の比較例では素子部７１がＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて複数個に分離されている点である。そして図７では、各素子部７１の間を電極層７２で電気的に繋いでいる。

図７に示すように、Ｘ２方向の外部磁界Ｈ１が作用したとすると、第１の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子を構成する素子部７１には、Ｙ２方向への外部磁界Ｈ２が作用する。

しかしながら図７では、各素子部７１のＸ１−Ｘ２方向への長さ寸法が短いために形状異方性の効果が小さく無磁場状態（ここでいう無磁場状態とは外部磁界Ｈ２が素子部７１に作用していない状態を指す）でのフリー磁性層６３の磁化が揺らぎやすい。この結果、ヒステリシスの中点ズレが大きくなり、また良好なリニアリティを得ることができない問題があった。この問題を解決するためにハードバイアス層を用いることが考えられるが、ハードバイアス層は強磁場下で磁化方向を変位させられるため、耐強磁場では出力が変位するという問題が生じる。

これに対して本実施形態では、素子部９をＸ１−Ｘ２方向に長く形成することで、磁場感知以外にも素子部９を配置でき、形状異方性効果を十分に得ることができる。

加えて本実施形態は次の構成を備えている。すなわち図２に示すように、第１の軟磁性体１２ａの前記第３の部分１２ｇにおける、第２の軟磁性体１２ｂの第２の部分１２ｆと対向しない付け根部分１２ｇ１、及び、第２の軟磁性体１２ｂの第２の部分１２ｆにおける、第１の軟磁性体１２ａの第３の部分１２ｇと対向しない付け根部分１２ｆ１は、夫々、平面視にてＹ１−Ｙ２方向にて素子部９と対向している。そして各付け根部分１２ｆ１，１２ｇ１と対向する素子部９の上面には保護層６４が除去された状態で、電極層１６ａ，１６ｂ（図２にハッチングを入れた）が配置されている（図５も参照）。

このため前記付け根部分１２ｇ１，１２ｆ１とＹ１−Ｙ２方向にて対向する部分では素子部９よりも優先的に電極層１６に電流が流れ（バイアスする）、この部分では素子部９としての感度をもたないようにできる。電極層１６と重ならない素子部９を素子として機能させることができる。したがって付け根部分１２ｇ１，１２ｆ１付近から素子部９に向けて漏れ出る斜め成分（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の双方に対して傾く成分）の磁界が、付け根部分１２ｇ１，１２ｆ１付近の感度を持たない素子部９の部分に侵入しても磁気抵抗効果は生じにくく、感度を持つ素子部９の部分（電極層１６が重なっていない部分）には優先的にＹ１−Ｙ２方向に平行な外部磁界Ｈ２成分が侵入して磁気抵抗効果が発揮される。

また本実施形態では、従来のようにバイアス層を用いるものでなく素子部９は非バイアス構造とされる。

以上により本実施形態では従来に比べて強磁場耐性に優れ、しかも従来例や比較例に比べてヒステリシス及びリニアリティを効果的に改善することができる。

図４は、別の実施形態における磁気センサの部分拡大平面図である。図４では、各軟磁性体１２の第１の部分１２ｅと厚さ方向（高さ方向）で対向する素子部９の上面に電極層１６が形成されていない。すなわち図２でハッチングで示した電極層１６ａ，１６ｂが素子部９の上面に形成された構造となっている。

図４においても、付け根部分１２ｇ１，１２ｆ１付近から素子部９に向けて漏れ出る斜め成分（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の双方に対して傾く成分）の磁界が、付け根部分１２ｇ１，１２ｆ１から近い感度を持たない素子部９の部分に侵入しても磁気抵抗効果は生じにくく、感度を持つ素子部９の部分（電極層１６が重なっていない部分）には優先的にＹ１−Ｙ２方向に平行な外部磁界Ｈ２成分が侵入して磁気抵抗効果が発揮される。さらに図４においても素子部９はＸ１−Ｘ２方向に長く形成されて形状異方性効果を得ることが可能な非バイアス構造となっている。このため図４に示す構成においても、従来に比べて強磁場耐性に優れ、しかも従来例や比較例に比べてヒステリシス及びリニアリティを効果的に改善することができる。

ただし電極層１６を各軟磁性体１２の第１の部分１２ｅと対向する部分にも設け、電極層１６ａ，１６ｂを一体化した図２，図３に示す電極層１６とすることで、電極層１６を容易に形成できる。また図２，図３では感度を持つ必要のない素子部９上の全域に電極層１６を重ねているため、より効果的にヒステリシス及びにリアリティを改善することができる。

本実施形態では、電極層１６と素子部９とが適切に電気的に接続されれば、必ずしも保護層６４を削り込まなくてもよいが、保護層６４の表面には酸化層が形成されやすいので、前記酸化層を削り取って電極層１６を形成することで、電極層１６と素子部９間を適切に電気的に接続できる。また保護層６４は全部削ってフリー磁性層６３が露出してしまうよりも、保護層６４の一部を残してフリー磁性層６３が削られないようにすることが好ましい。これにより、形状異方性効果が適切に発揮されて無磁場状態でのフリー磁性層６３の磁化方向が適切にＸ１−Ｘ２方向に向いた状態で安定化し、ヒステリシス及びリニアリティ特性を効果的に改善することができる。

図２，図３に示す実施例及び図７に示す比較例を用い、ギャップＧを変化させたときのヒステリシスの中点ズレ及びリニアリティ特性を求めた。

実験では、実施例の磁気センサ及び比較例の磁気センサの夫々に、同じ大きさのＸ１−Ｘ２方向を向く外部磁界を作用させ、ヒステリシスループを得てその際の中点ズレを測定するとともに、外部磁界が作用して徐々に出力が上がっていったときの出力線と理想的な出力線（直線）との最大ずれ率を測定した。その実験結果を以下の表１に示す。

表１をグラフ化したものが図８である。図８（ａ）の中点ズレ及び図８（ｂ）のリニアリティはいずれも０（ｍｖ）、０（％）に近いほうが好ましい。

図８（ａ）（ｂ）の実験結果に示すように、いずれも実施例のほうが比較例に比べてヒステリシス及びリニアリティを改善できたことがわかった。

Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３外部磁界
Ｍ１、Ｍ２磁路
Ｐ感度軸方向
１〜４磁気抵抗効果素子
９素子部
１２、１４軟磁性体
１２ａ第１の軟磁性体
１２ｂ第２の軟磁性体
１２ｅ、１４ｅ第１の部分
１２ｆ第２の部分
１２ｇ第３の部分
１２ｆ１、１２ｇ１付け根部分
１４ｃ第３の軟磁性体
１４ｄ第４の軟磁性遺体
１４ｆ第４の部分
１４ｇ第５の部分
１６、１６ａ、１６ｂ電極層
６１固定磁性層
６２非磁性層
６３フリー磁性層
６４保護層

Claims

下から固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層及び保護層の順に積層され、あるいは、下からフリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層及び保護層の順に積層された積層構造を有しＸ１−Ｘ２方向に延出して形成された非バイアス構造の素子部と、前記素子部に非接触にて配置された複数の軟磁性体と、を有し、
前記素子部の感度軸方向は前記Ｘ１−Ｘ２方向と直交するＹ１−Ｙ２方向であり、
各軟磁性体は、前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出し、前記素子部と厚さ方向にて非接触にて対向する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部からＸ１方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ２側に配置される第２の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部からＸ２方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ１側に配置される第３の部分とを有し、
Ｘ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの前記軟磁性体のうち、Ｘ１側に配置された第１の軟磁性体の前記第３の部分の一部と、前記Ｘ２側に配置された第２の軟磁性体の前記第２の部分の一部とが、Ｙ１−Ｙ２方向にギャップを介して対向しており、
前記第１の軟磁性体の前記第３の部分における、前記第２の軟磁性体の前記第２の部分と対向しない付け根部分、及び、前記第２の軟磁性体の前記第２の部分における、前記第１の軟磁性体の前記第３の部分と対向しない付け根部分は、夫々、平面視にて前記Ｙ１−Ｙ２方向にて前記素子部と対向しており、
前記付け根部分と対向する前記素子部には電流をバイパスする電極層が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
前記保護層の一部が残された状態で前記電極層が配置される請求項１記載の磁気センサ。
前記電極層は、前記素子部の上面にて前記Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けて配置され、前記間隔が、前記第１の軟磁性体の前記第３の部分と前記第２の軟磁性体の前記第２の部分とが前記ギャップを介して対向する部分であり、
前記各軟磁性体の前記第１の部分と前記電極層とが厚さ方向に非接触状態にて対向している請求項１又は２に記載の磁気センサ。
Ｘ１−Ｘ２方向に延出形成された前記素子部はＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて複数設けられ、各素子部の前記Ｘ１−Ｘ２方向の端部同士が導電層を介して接続されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
前記積層構造及び感度軸方向が同じとされた非バイアス構造の前記素子部を備える第１の磁気抵抗効果素子、第２の磁気抵抗効果素子、第３の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子を備え、
前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第４の磁気抵抗効果素子に配置された各軟磁性体は、前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体の構成であり、
前記第２の磁気抵抗効果素子及び前記第３の磁気抵抗効果素子に配置された各軟磁性体は、前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出し、前記素子部と厚さ方向にて非接触にて対向する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部からＸ２方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ２側に配置される第４の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部からＸ１方向に延出し、平面視にて前記素子部のＹ１側に配置される第５の部分とを有するとともに、Ｘ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの前記軟磁性体のうち、Ｘ１側に配置された第３の軟磁性体の前記第４の部分の一部と、前記Ｘ２側に配置された第４の軟磁性体の前記第５の部分の一部とが、Ｙ１−Ｙ２方向にギャップを介して対向しており、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子とが第１の出力部を介して直列に接続され、前記第３の磁気抵抗効果素子と前記第４の磁気抵抗効果素子とが第２の出力部を介して直列に接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第３の磁気抵抗効果素子とが入力部を介して接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子と前記第４の磁気抵抗効果素子とがグランドを介して接続されて、ブリッジ回路が構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサ。