JP5898986B2 - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部磁界に対して磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子を備え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。

磁気センサは、特許文献１に示されるように、磁性層及び非磁性層の積層構造を備える素子部と、前記素子部に非接触の複数の軟磁性体とを備える。素子部の両側に軟磁性体が配置され、外部磁界の方向は軟磁性体により変換されて素子部に流入するようになっている。

ところで磁気センサに求められる性能としては高感度のものから汎用性（低感度）のものまで様々である。磁気センサとして求められる性能は、ＡＳＩＣ（集積回路）の出力要求によって変ってくる。従来では、異なる性能ごとに、例えば素子部を介した軟磁性体間のギャップを調整したり、また素子部のアスペクト比を変更等して、所定の性能が得られるように調整していた。

ＷＯ２０１１／０８９９７８号

しかしながら、求められる性能が変ると、その都度、軟磁性体と素子部との間のギャップ調整や素子部のアスペクト調整等の基本構成を変更する従来の調整方法では、調整に時間がかかりすぎ、設計変更に多大なる負担がかかっていた。

また軟磁性体は、素子部に対するヨークとしての機能のほかに外乱磁場（ノイズ）に対するシールド機能も備えるため、これら機能の良好なバランスを軟磁性体の配置により満たすことが必要であるが、例えば、磁気センサの感度（出力）を落とすべく、各軟磁性体間のギャップを広げると、感度のばらつきが大きくなり、また外乱磁場耐性が低下する等の問題もあった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、従来に比べて簡単且つ適切に出力感度の調整を可能とした磁気センサ及びその製造方法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、
外部磁界により磁気抵抗効果を発揮する第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とが出力端子を介して直列に接続されており、
前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子には磁性層と非磁性層とを積層してなる同じ素子部が配置されており、互いに直交するＸ１−Ｘ２方向およびＹ１−Ｙ２方向を有する平面において、前記素子部は前記Ｘ１−Ｘ２方向に延在し、前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向に変換する複数の第１の軟磁性体が配置され、前記第２の磁気抵抗効果素子には、前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向とは逆方向の前記Ｙ２方向に変換する複数の第２の軟磁性体が配置されており、
前記素子部に対して、前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体は夫々、非接触であり、
前記第１の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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２の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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３の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第１の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第２の部分のＸ２側端部と、他方の前記第３の部分のＸ１側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
前記第２の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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４の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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５の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第２の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第４の部分のＸ１側端部と、他方の前記第５の部分のＸ２側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
前記第１の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果と前記第２の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果とは逆極性であり、
前記第１の磁気抵抗効果素子にはさらに、任意の数の前記第２の軟磁性体が配置され、前記第１の磁気抵抗効果素子において、直列に接続された、磁気抵抗効果が逆極性の第１の逆極性素子として機能し、前記第２の磁気抵抗効果素子にはさらに、任意の数の前記第１の軟磁性体が配置され、前記第２の磁気抵抗効果素子において、直列に接続された、磁気抵抗効果が逆極性の第２の逆極性素子として機能することを特徴とするものである。

また本発明は、外部磁界により磁気抵抗効果を発揮する第１の磁気抵抗効果素子と、前記第１の磁気抵抗効果素子とは磁気抵抗効果が逆極性の第２の磁気抵抗効果素子とを出力端子を介して直列に接続してなる磁気センサの製造方法において、
前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子には磁性層と非磁性層とを積層してなる同じ素子部を配置し、互いに直交するＸ１−Ｘ２方向およびＹ１−Ｙ２方向を有する平面において、前記素子部は前記Ｘ１−Ｘ２方向に延在し、前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記素子部と非接触で前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向に変換する複数の第１の軟磁性体を配置し、前記第２の磁気抵抗効果素子には、前記素子部と非接触で前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向とは逆方向の前記Ｙ２方向に変換する複数の第２の軟磁性体を配置し、
前記第１の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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２の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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３の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第１の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第２の部分のＸ２側端部と、他方の前記第３の部分のＸ１側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
前記第２の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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４の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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５の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第２の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第４の部分のＸ１側端部と、他方の前記第５の部分のＸ２側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子との直列回路で構成される素子構成に対して、感度調整のために、前記第１の磁気抵抗効果素子を構成する一部の前記第１の軟磁性体に代えて前記第２の軟磁性体を配置して前記第１の磁気抵抗効果素子に磁気抵抗効果が逆極性となる第１の逆極性素子を直列に接続し、前記第２の磁気抵抗効果素子を構成する一部の前記第２の軟磁性体に代えて前記第１の軟磁性体を配置して前記第２の磁気抵抗効果素子に磁気抵抗効果が逆極性となる第２の逆極性素子を直列に接続したことを特徴とするものである。

これにより、素子部を介して対向する軟磁性体間のギャップや素子部のアスペクト比等の基本構成を変更することなく、高感度の素子構成から、逆極性素子に一部を変更していくことで簡単且つ適切に感度調整を行うことができる。

また本発明では、ＡＳＩＣの出力要求に応じて、各磁気抵抗効果素子と各逆極性素子との間で前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体の数を調整することが好ましい。これにより、所望の感度（出力）を得ることができる。

また本発明では、前記第１の軟磁性体は、前記Ｘ２方向への外部磁界を、前記Ｙ１方向へ変換できるように配置されており、前記第２の軟磁性体は、前記Ｘ２方向への外部磁界を、前記Ｙ２方向へ変換できるように配置されていることが好ましい。

また本発明では、前記第１の磁気抵抗効果素子と同じ素子構成の第４の磁気抵抗効果素子と、前記第２の磁気抵抗効果素子と同じ素子構成の第３の磁気抵抗効果素子とをさらに有し、前記第１の磁気抵抗効果素子、前記第２の磁気抵抗効果素子、前記第３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より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、高感度の素子構成から、逆極性素子に一部を変更していくことで簡単且つ適切に感度調整を行うことができる。

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（ａ）は、図１に示す点線で囲んだＡ内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２（ｂ）（ｃ）は、第１の磁気抵抗効果素子１と第１の逆極性素子２１との配置を示す模式図である。 図３（ａ）は、本実施形態における磁気センサの回路構成図であり、図３（ｂ）は、高感度の磁気センサの回路構成図である。 図４は、図２（ａ）に示すＢ−Ｂ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５は、図２（ａ）のＣ−Ｃ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６は、図２（ａ）とは異なる素子部の構成を示す磁気センサの部分拡大平面図である。

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（ａ）は、図１に示す点線で囲んだＡ内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（ａ）は、本実施形態における磁気センサの回路構成図であり、図３（ｂ）は、高感度の磁気センサの回路構成図であり、図４は、図２（ａ）に示すＢ−Ｂ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り、図５は、図２（ａ）のＣ−Ｃ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り、図６は、図２（ａ）とは異なる素子部の構成を示す磁気センサの部分拡大平面図である。

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（紙面）内にて直交する２方向を示し、Ｚ方向は前記水平面（紙面）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１３ｅ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、主として第１の磁気抵抗効果素子１が設けられた第１の領域１３ａ、主として第２の磁気抵抗効果素子２が設けられた第２の領域１３ｂ、主として第３の磁気抵抗効果素子３が設けられた第３の領域１３ｃ、主として第４の磁気抵抗効果素子４が設けられた第４の領域１３ｄ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を用いて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、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（ａ）は、第１の領域１３ａに主として形成された第１の磁気抵抗効果素子１及び第２の領域１３ｂに主として形成された第２の磁気抵抗効果素子２を拡大して示したものである。

図２（ａ）に示すように、第１の磁気抵抗効果素子１では、素子部９が、Ｘ１−Ｘ２方向に直線状あるいは帯状に延出して形成されている。素子部９は、例えば非バイアス構造（ハードバイアス層が設けられていない構造）である。素子部９の幅寸法（Ｙ１−Ｙ２方向への寸法）は、０．５〜５μｍ程度、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、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。

素子部９は図４（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。

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４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４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，６１ｂ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。上記では、固定磁性層６１を積層フェリ構造としたが、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとの磁化の大きさは同じとしてもよい。

ただし図４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。

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（ａ）、図４参照）。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（ａ）に示すように素子部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４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。センス電流は、電極層１６を流れ、電極層１６の下の素子部をバイパスするため、電極層１６下の素子部には電流が流れず素子として機能していない。

図２（ａ）に示すように電極層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４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。

なお図２（ａ）では図示していないが、第１の磁気抵抗効果素子１において、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（ａ）に示すように、各第１の軟磁性体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２の部分１２ｆと、第１の部分１２ｅ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３の部分１２ｇと、を有して構成される。各第１の軟磁性体１２はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。なお図２（ａ）では第１の磁気抵抗効果素子１を構成する２つの第１の軟磁性体１２にのみ、符号１２ｅ、１２ｆ、１２ｇを付した。

各第１の軟磁性体１２の第１の部分１２ｅは、図２（ａ）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４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第１の軟磁性体１２のうち、Ｘ１側に配置された第１の軟磁性体１２をＸ１側軟磁性体１２ａ、Ｘ２側に配置された第１の軟磁性体１２をＸ２側軟磁性体１２ｂと定義する。図２（ａ）には、一組の第１の軟磁性体１２にのみ符号１２ａ，１２ｂを付した。なお図２（ａ）でＸ２側軟磁性体１２ｂとした第１の軟磁性体１２は、その第１の軟磁性体１２から見てＸ２側に隣接された第１の軟磁性体１２との間ではＸ１側に位置するためＸ１側第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、Ｘ２側軟磁性体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、Ｘ１側軟磁性体１２ａである。したがってＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた第１の軟磁性体１２のうち、最もＸ１側に配置された第１の軟磁性体１２及び最もＸ２側に配置された第１の軟磁性体１２を除く全ての第１の軟磁性体１２が、Ｘ１側軟磁性体１２ａにもＸ２側軟磁性体１２ｂにもなる。

さて図２（ａ）で符号を付したＸ１側軟磁性体１２ａとＸ２側軟磁性体１２ｂを代表してみてみると、Ｘ１側軟磁性体１２ａの第２の部分１２ｆの一部と、Ｘ２側軟磁性体１２ｂの第３の部分１２ｇ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（ａ）に示すように、Ｘ１側軟磁性体１２ａの第２の部分１２ｆと、Ｘ２側軟磁性体１２ｂの第３の部分１２ｇ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（ａ）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、第１の軟磁性体１２内、及び第１の軟磁性体１２，１２間を通る矢印の磁路Ｍ１を形成する。このとき、図５に示すように、素子部９に対してＸ１側軟磁性体１２ａの第２の部分１２ｆからＸ２側軟磁性体１２ｂの第２の部分１２ｇとの間で、Ｙ１方向（第１の方向）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、第１の軟磁性体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、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Ｈ２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、電気抵抗値は大きくなる。

一方、図２（ａ）に示す第２の磁気抵抗効果素子２において、第１の磁気抵抗効果素子１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の構成は第１の磁気抵抗効果素子１と変わりがない。

図２（ａ）に示すように第２の磁気抵抗効果素子２を構成する各第２の軟磁性体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４の部分１４ｆと、第１の部分１４ｅ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５の部分１４ｇと、を有して構成される。なお図２（ａ）では、二つの第２の軟磁性体１４にのみ、符号１４ｅ、１４ｆ、１４ｇを付した。ここで図２（ａ）に示すＸ１−Ｘ２方向にて隣接する二つの第２の軟磁性体１４のうち、Ｘ１側に配置された第２の軟磁性体１４をＸ１側軟磁性体１４ｃ、Ｘ２側に配置された第２の軟磁性体１４をＸ２側軟磁性体１４ｄと定義する。図２（ａ）には、一組の第２の軟磁性体１４にのみ符号１４ｃ，１４ｄを付した。なお図２（ａ）でＸ２側軟磁性体１４ｄとした第２の軟磁性体１４は、その第２の軟磁性体１４から見てＸ２側に隣接された第２の軟磁性体１４との間ではＸ１側に位置するためＸ１側軟磁性体１４ｃ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、Ｘ２側軟磁性体１４ｄであるし、右側に隣接する軟磁性体とのペアを考えれば、Ｘ１側軟磁性体１４ｃである。したがってＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた第２の軟磁性体１４のうち、最もＸ１側に配置された第２の軟磁性体１４及び最もＸ２側に配置された第２の軟磁性体１４を除く全ての第２の軟磁性体１４が、Ｘ１側軟磁性体１４ｃにもＸ２側軟磁性体１４ｄにもなる。

さて図２（ａ）で符号を付したＸ１側軟磁性体１４ｃとＸ２側軟磁性体１４ｄを代表してみてみると、Ｘ１側軟磁性体１４ｃの第５の部分１４ｇの一部と、Ｘ２側軟磁性体１４ｄの第４の部分１４ｆ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（ａ）に示すように、Ｘ１側軟磁性体１４ｃの第５の部分１４ｇと、Ｘ２側軟磁性体１４ｄの第４の部分１４ｆ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２（ａ）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、第２の軟磁性体１４内、及び第２の軟磁性体１４，１４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Ｘ１側軟磁性体１４ｃの第５の部分１４ｇからＸ２側軟磁性体１４ｄの第４の部分１４ｆとの間で、Ｙ２方向（第２の方向）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では、第２の軟磁性体１４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Ｈ３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、電気抵抗値は低下する。

このように第１の磁気抵抗効果素子１の磁気抵抗効果と第２の磁気抵抗効果素子２の磁気抵抗効果とは逆極性となっている。

図２（ａ）に示すように第１の磁気抵抗効果素子１を構成する素子部９と、第２の磁気抵抗効果素子２を構成する素子部９とは導電性の接続層２０を介して電気的に接続されている。接続層２０は図１に示す第１の出力端子７にまで繋がっている。

図１に示す第４の領域１３ｄに設けられた第４の磁気抵抗効果素子４は、第１の磁気抵抗効果素子１と同じ素子構成であり、第３の領域１３ｃに設けられた第３の磁気抵抗効果素子３は、第２の磁気抵抗効果素子２と同じ素子構成である。

上記のように外部磁界Ｈ１が作用して、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の電気抵抗値が増大すると、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の電気抵抗値は減少し、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。

本実施形態の磁気センサＳにおいて、第１の領域１３ａを第１の磁気抵抗効果素子１のみで、第２の領域１３ｂを第２の磁気抵抗効果素子２のみで、第３の領域１３ｃを第３の磁気抵抗効果素子３のみで、第４の領域１３ｄを第４の磁気抵抗効果素子４のみで構成することで高感度型の磁気センサＳにすることができる。図３（ｂ）が高感度型の磁気センサＳの回路構成図である。図２（ａ）に示す素子部９のアスペクト比や素子部９を介した軟磁性体１２間のギャップＧは、感度及び外部磁場耐性を考慮して予め決められている。これらの基本構成は、次に説明する感度調整においても変えることはない。

ところで磁気センサＳの感度（出力）は、ＡＳＩＣ（集積回路）の出力要求に応じて変えなければならない。例えば、タイプＡのＡＳＩＣでは、１Ｖの印加電圧で１ｍＴの印加磁界のとき、ＯＵＴ１の出力要求があり、タイプＢのＡＳＩＣでは、１Ｖの印加電圧で１ｍＴの印加磁界のとき、ＯＵＴ２の出力要求があり、出力ＯＵＴ１＞出力ＯＵＴ２の関係であったとする。

このとき、タイプＡのＡＳＩＣを使用した場合に、その出力要求に応じて、図３（ｂ）に示す高感度型の磁気センサＳを用いることができても、出力をタイプＡよりも低く抑えるタイプＢのＡＳＩＣを使用した場合では、図３（ｂ）に示す高感度型の磁気センサＳを用いることができない。設計的に軟磁性体の形状や、軟磁性体１２，１４間の距離等を変更することで、ΔＲ／Ｒを小さくすることも可能であるが、所望のΔＲ／Ｒとするために数多くの実験として最適な形状や寸法を選択しなければならない。本実施形態での方法を用いることで、トライアンドエラーなしに容易にΔＲ／Ｒを調整できる。

そこで本実施形態では、磁気センサＳのギャップＧや素子部９のアスペクト比、材質等の基本構成はそのままに、感度調整を行う。

すなわち本実施形態では図２（ａ）に示すように、第１の磁気抵抗効果素子１を構成する一部の第１の軟磁性体１２に代えて第２の軟磁性体１４を配置した。例えば図３（ｂ）の高感度型では、第１の磁気抵抗効果素子１にＮ１個の第１の軟磁性体１２を用いた場合、Ｎ１個の一部を第２の軟磁性体１４に置き換える。これにより、第１の磁気抵抗効果素子１に磁気抵抗効果が逆極性となる第１の逆極性素子２１が直列に接続された状態となる。すなわち第１の逆極性素子２１では、第２の磁気抵抗効果素子２と同様に、素子部９にＹ２方向の外部磁界Ｈ３が作用し、逆極性素子２１での電気抵抗値は減少する。

一方、第２の磁気抵抗効果素子２を構成する一部の第２の軟磁性体１４に代えて第１の軟磁性体１２を配置した。図３（ｂ）の高感度型では、第２の磁気抵抗効果素子２にＮ２個の第２の軟磁性体１４を用いた場合、Ｎ２個の一部を第１の軟磁性体１２に置き換える。これにより、第２の磁気抵抗効果素子２に磁気抵抗効果が逆極性となる第２の逆極性素子２２が直列に接続された状態となる。すなわち第２の逆極性素子２２では、第１の磁気抵抗効果素子１と同様に、素子部９にＹ１方向の外部磁界Ｈ２が作用し、逆極性素子２２での電気抵抗値は増大する。

第３の磁気抵抗効果素子３は、第２の磁気抵抗効果素子２と同様に、一部の第２の軟磁性体１４に代えて第１の軟磁性体１２が配置されて、磁気抵抗効果が逆極性となる第２の逆極性素子２２が直列に接続された状態となる。また第４の磁気抵抗効果素子４は、第１の磁気抵抗効果素子１と同様に、一部の第１の軟磁性体１２に代えて第２の軟磁性体１４が配置され、磁気抵抗効果が逆極性となる第１の逆極性素子２１が直列に接続された状態となる。

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を構成する第１の軟磁性体１２の数は、Ｎ１個で、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を構成する第２の軟磁性体１４の数は、Ｎ２個であるが、Ｎ１及びＮ２は同数であり、また各磁気抵抗効果素子１〜４と各逆極性素子２１，２２との間での第１の軟磁性体１２と第２の軟磁性体１４との交換数も同数とされることが中点電位ずれを小さくでき好適である。

また本実施形態では、各磁気抵抗効果素子１〜４を構成する素子部９が全て同じ素子構成であり、各磁気抵抗効果素子１〜４の抵抗値Ｒ_GMRは略同一である。

図３（ａ）は、図３（ｂ）の高感度型の磁気センサＳにおける各磁気抵抗効果素子１〜４の一部を逆極性素子２１，２２に交換した結果、感度調整された磁気センサＳの回路構成図である。

ここで、図３（ｂ）に示す高感度型の磁気センサＳにおいて、図２（ａ）に示す外部磁界Ｈ１が作用したとき、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の抵抗変化ΔＲ_GMRは略同一の値となり、よって第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の抵抗変化率は、ΔＲ_GMR／Ｒ_GMRとなる。一方、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の抵抗変化−ΔＲ_GMRは略同一の値となり、よって第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の抵抗変化率は、−ΔＲ_GMR／Ｒ_GMRとなる。

そして図３（ｂ）に示す高感度型の磁気センサＳのブリッジ回路における抵抗変化率はΔＲ_total（高感度）／Ｒ_totalとなる。

一方、図３（ａ）に示すように、各磁気抵抗効果素子１〜４の一部を逆極性素子２１，２２に交換して直列に接続した状態では、ブリッジ回路における素子抵抗は高感度型のときと同様にＲ_totalで変わりがない。一方、抵抗変化ΔＲについては、各磁気抵抗効果素子１〜４の一部を逆極性素子２１，２２としたことで、ΔＲ_total（高感度）よりも小さいΔＲ_total（感度調整）となる。したがって、図３（ａ）に示す感度調整された磁気センサＳのブリッジ回路における抵抗変化率はΔＲ_total（感度調整）／Ｒ_totalとなるが、この値は、ΔＲ_total（高感度）／Ｒ_totalよりも小さくなり、感度が低下した状態になる。

例えば、図３（ｂ）に示す高感度型の磁気センサＳの各磁気抵抗効果素子１〜４において、各素子抵抗が４ｋΩであるとする。一方、図３（ａ）に示す感度調整型の磁気センサＳでは、各磁気抵抗効果素子１〜４の素子抵抗を３ｋΩにし、各逆極性素子２１，２２の素子抵抗を１ｋΩに調整すると、図３（ａ）に示す磁気センサＳの感度を、図３（ｂ）に示す高感度型に比べて１／２に小さくすることができる。

本実施形態では、磁気センサＳの構成及び磁気センサＳの製造方法において、図３（ａ）と図３（ｂ）との間で、素子部９を介して対向する軟磁性体間のギャップＧや素子部９のアスペクト比等の基本構成を変更しない。したがって図３（ａ）と図３（ｂ）との間で、ブリッジ回路のブリッジ抵抗Ｒ_totalを変更せず、また優れた外乱磁場耐性を維持しつつ、簡単且つ適切に感度調整を行うことが可能である。

図２（ａ）に示す実施形態では、素子部９をＸ１−Ｘ２方向に長く延出させた非バイアス構造とされていたが、図６のように、磁性層と非磁性層の積層構造かなる素子部を複数に分断した素子片２３と、各素子片２３の間をバイアス層（永久磁石層）２４や電極層で接続した素子部構造としてもよい。

また第１の磁気抵抗効果素子１と第１の逆極性素子２１とを接続する際、図２（ｃ）のように第１の磁気抵抗効果素子１を構成する領域と第１の逆極性素子２１を構成する領域を細分化せずに、図２（ｂ）のように第１の磁気抵抗効果素子１を構成する領域と第１の逆極性素子２１を構成する領域をできる限り、まとめて配置したほうが小型化を促進できる。第２の磁気抵抗効果素子２〜第４の磁気抵抗効果素子４においても同様である。

また本実施形態の磁気センサＳは地磁気センサに限らず他の用途にも適用可能であるが、地磁気センサに効果的に適用できる。地磁気の場合、地球上の場所によって水平成分の地磁気の大きさが異なる。地磁気は北極及び南極に近づくほど水平成分が小さくなるので、図３（ｂ）に示すような高感度型の磁気センサＳが必要とするニーズと、また汎用品としてＡＳＩＣの価格をできるだけ抑え、それに合わせて磁気センサＳの感度を図３（ｂ）の高感度型よりも低感度とするニーズとがあり、本実施形態によれば、必要とされる感度が得られるように、素子の基本構成を変更することなく、逆極性素子２１，２２の領域を増減することで簡単且つ適切に感度調整を行うことができる。

Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３ 外部磁界
Ｍ１、Ｍ２ 磁路
Ｐ 感度軸方向
Ｓ 磁気センサ
１〜４ 磁気抵抗効果素子
９ 素子部
１２ 第１の軟磁性体
１４ 第２の軟磁性体
１６ 電極層
２１ 第１の逆極性素子
２２ 第２の逆極性素子
６１ 固定磁性層
６２ 非磁性層
６３ フリー磁性層
６４ 保護層

Claims (5)

1. 外部磁界により磁気抵抗効果を発揮する第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とが出力端子を介して直列に接続されており、
   前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子には磁性層と非磁性層とを積層してなる同じ素子部が配置されており、互いに直交するＸ１−Ｘ２方向およびＹ１−Ｙ２方向を有する平面において、前記素子部は前記Ｘ１−Ｘ２方向に延在し、前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向に変換する複数の第１の軟磁性体が配置され、前記第２の磁気抵抗効果素子には、前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向とは逆方向の前記Ｙ２方向に変換する複数の第２の軟磁性体が配置されており、
   前記素子部に対して、前記第１の軟磁性体及び前記第２の軟磁性体は夫々、非接触であり、
   前記第１の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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２の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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３の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第１の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第２の部分のＸ２側端部と、他方の前記第３の部分のＸ１側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
   前記第２の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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４の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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５の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第２の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第４の部分のＸ１側端部と、他方の前記第５の部分のＸ２側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
   前記第１の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果と前記第２の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果とは逆極性であり、
   前記第１の磁気抵抗効果素子にはさらに、任意の数の前記第２の軟磁性体が配置され、前記第１の磁気抵抗効果素子において、直列に接続された、磁気抵抗効果が逆極性の第１の逆極性素子として機能し、前記第２の磁気抵抗効果素子にはさらに、任意の数の前記第１の軟磁性体が配置され、前記第２の磁気抵抗効果素子において、直列に接続された、磁気抵抗効果が逆極性の第２の逆極性素子として機能することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の軟磁性体は、前記Ｘ２方向への外部磁界を、前記Ｙ１方向へ変換できるように配置されており、前記第２の軟磁性体は、前記Ｘ２方向への外部磁界を、前記Ｙ２方向へ変換できるように配置されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記第１の磁気抵抗効果素子と同じ素子構成の第４の磁気抵抗効果素子と、前記第２の磁気抵抗効果素子と同じ素子構成の第３の磁気抵抗効果素子とをさらに有し、前記第１の磁気抵抗効果素子、前記第２の磁気抵抗効果素子、前記第３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よりブリッジ回路が構成された請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 外部磁界により磁気抵抗効果を発揮する第１の磁気抵抗効果素子と、前記第１の磁気抵抗効果素子とは磁気抵抗効果が逆極性の第２の磁気抵抗効果素子とを出力端子を介して直列に接続してなる磁気センサの製造方法において、
   前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子には磁性層と非磁性層とを積層してなる同じ素子部を配置し、互いに直交するＸ１−Ｘ２方向およびＹ１−Ｙ２方向を有する平面において、前記素子部は前記Ｘ１−Ｘ２方向に延在し、前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記素子部と非接触で前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向に変換する複数の第１の軟磁性体を配置し、前記第２の磁気抵抗効果素子には、前記素子部と非接触で前記素子部に対して前記外部磁界の方向を前記Ｙ１方向とは逆方向の前記Ｙ２方向に変換する複数の第２の軟磁性体を配置し、
   前記第１の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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２の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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３の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第１の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第２の部分のＸ２側端部と、他方の前記第３の部分のＸ１側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
   前記第２の軟磁性体はそれぞれ、前記素子部と交差して前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第１の部分と、前記第１の部分のＹ２側端部から前記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４の部分と、前記第１の部分のＹ１側端部から前記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５の部分とを有し、前記Ｘ１−Ｘ２方向に隣接する前記第２の軟磁性体どうしの間で、一方の前記第４の部分のＸ１側端部と、他方の前記第５の部分のＸ２側端部とが、平面視にて前記素子部を挟んで前記Ｙ１−Ｙ２方向に対向しており、
   前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子との直列回路で構成される素子構成に対して、感度調整のために、前記第１の磁気抵抗効果素子を構成する一部の前記第１の軟磁性体に代えて前記第２の軟磁性体を配置して前記第１の磁気抵抗効果素子に磁気抵抗効果が逆極性となる第１の逆極性素子を直列に接続し、前記第２の磁気抵抗効果素子を構成する一部の前記第２の軟磁性体に代えて前記第１の軟磁性体を配置して前記第２の磁気抵抗効果素子に磁気抵抗効果が逆極性となる第２の逆極性素子を直列に接続したことを特徴とする磁気センサの製造方法。
5. ＡＳＩＣの出力要求に応じて、各磁気抵抗効果素子と各逆極性素子との間で前記第１の軟磁性体と前記第２の軟磁性体の数を調整する請求項４記載の磁気センサの製造方法。

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