JP5973498B2 - 磁場角センサおよび磁気トンネル接合素子 - Google Patents
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Description
複数の磁気トンネル接合素子は、第1ホイートストンブリッジ回路と第2ホイートストンブリッジ回路とを構成し、外部磁場が存在しない環境下では、第1ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第1端子間の第1差分測定電圧、および第2ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第1端子間の第2差分測定電圧はともに零ボルトである。
第1ホイートストンブリッジ回路の第1枝路は、第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むと共に、該第1枝路に結合された第2枝路は、第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、第1ホイートストンブリッジ回路の第3枝路は、第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むと共に、該第3枝路に結合された第4枝路は、第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むものである。
第2ホイートストンブリッジ回路の第1枝路は、第1タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも1つと、この素子に直列に結合された第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子とを含み、第2ホイートストンブリッジ回路の第1枝路に結合された第2枝路は、第2タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、第2ホイートストンブリッジ回路の第3枝路は、第2タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、第2ホイートストンブリッジ回路の第3枝路に結合された第4枝路は、第3タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも1つと、この素子に直列に結合された第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子とを含むものである。
これにより、360度の測定範囲にわたって磁場角を精度良く測定することが可能になる。
θ=arctan(ΔU1 /ΔU2 )
(ΔU1 =A・sin(θ)、ΔU2 =A・cos(θ)、θは磁場角、Aは均一化された第1,第2差分測定電圧)
RB =R+∂R・{1−cos(θ)/2} …(2)
RC =R+∂R・{1−cos(π/4−θ)/2} …(3)
ここに、Rは、フリー層およびピンドリファレンス層の磁化方向が平行であるときの抵抗値、∂Rは、フリー層およびピンドリファレンス層の磁化方向が反平行に変化したときの抵抗値の変化量、θは、リファレンス軸(X)と印加磁界による磁気モーメントとがなす角度をそれぞれ表している。
ここで、VA はMTJ素子206b,207aの接続点(出力端子215c)での電位、RA はMTJ素子206a,206bからなる第1タイプのMTJ素子アレイ(A)の抵抗、RC はMTJ素子207a,207bからなる第3タイプのMTJ素子アレイ(C)の抵抗、4V0 は電圧源の電圧レベルをそれぞれ表す。
ここで、VB はMTJ素子208b,209aの接続点(出力端子215d)での電位、RA はMTJ素子209a,209bからなる第1タイプのMTJ素子アレイ(A)の抵抗、RC はMTJ素子208a,208bからなる第3タイプのMTJ素子アレイ(C)の抵抗をそれぞれ表す。
ここで、VC はMTJ素子211b,212aの接続点(出力端子220c)での電位、RA はMTJ素子211aからなる第1タイプのMTJ素子アレイ(A)の抵抗、RB はMTJ素子212a,212bからなる第2タイプのMTJ素子アレイ(B)の抵抗、RC はMTJ素子211bからなる第3タイプのMTJ素子アレイ(C)の抵抗をそれぞれ表す。
ここで、VD はMTJ素子213b,214aの接続点(出力端子220d)での電位、RA はMTJ素子214aからなる第1タイプのMTJ素子アレイ(A)の抵抗、RB はMTJ素子213a,213bからなる第2タイプのMTJ素子アレイ(B)の抵抗、RC はMTJ素子214bからなる第3タイプのMTJ素子アレイ(C)の抵抗をそれぞれ表す。
=k1 ∂R[{cos(π/4−θ)−cos(π/4+θ)}/2]
=k1 ∂R(√2/2)・sin(θ) …(8)
ΔV2 =k2 {(RA +RC )/2}−RB
=k2 ∂R[[cos(θ)−{cos(π/4−θ)−cos(π/4−θ)}/2]/2]
=k2 ∂R{(1−√2/2)/2}cos(θ) …(9)
ここで、k1 ,k2 は定数、RA はMTJ素子214aからなる第1タイプのMTJ素子アレイ(A)の抵抗、RB はMTJ素子213a,213bからなる第2タイプのMTJ素子アレイ(B)の抵抗、∂Rはフリー層の磁化方向がピンドリファレンス層の磁化方向に対して反平行に変化したときの抵抗の変化量、θはリファレンス軸(X)と印加磁界による磁気モーメントとの間の角度それぞれ表す。
Claims (32)
- 360度の測定範囲にわたって磁場角を測定するための磁場角センサであって、
互いに同一の基板上にパターン形成された複数の磁気トンネル接合素子を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成されたピンドシンセティック複合層とを有すると共に、第1タイプ,第2タイプ,第3タイプに分割され、
前記第1タイプの磁気トンネル接合素子の各長軸は、リファレンス軸(X)方向に対して第1の角度を有し、前記第2タイプの磁気トンネル接合素子の各長軸は、前記リファレンス軸方向に対して平行であり、前記第3タイプの磁気トンネル接合素子の各長軸は、前記リファレンス軸方向に対して第1の角度とは異なる第2の角度を有し、
前記ピンドシンセティック複合層は、前記磁気トンネル接合素子の長軸方向に沿って整列した磁化方向を有し、
前記複数の磁気トンネル接合素子は、第1ホイートストンブリッジ回路と第2ホイートストンブリッジ回路とを構成し、
外部磁場が存在しない環境下では、前記第1ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第1端子間の第1差分測定電圧、および前記第2ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第1端子間の第2差分測定電圧はともに零ボルトであり、
前記第1ホイートストンブリッジ回路の第1枝路は、前記第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むと共に、該第1枝路に結合された第2枝路は、前記第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第1ホイートストンブリッジ回路の第3枝路は、前記第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むと共に、該第3枝路に結合された第4枝路は、前記第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第1枝路は、前記第1タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも1つと、この素子に直列に結合された前記第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子とを含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第1枝路に結合された第2枝路は、前記第2タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第3枝路は、前記第2タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第3枝路に結合された第4枝路は、前記第3タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも1つと、この素子に直列に結合された前記第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子とを含む
ことを特徴とする磁場角センサ。 - 前記第2の角度の大きさは第1の角度のそれと絶対値が同じであり、かつ、その方向が逆向きである
ことを特徴とする請求項1記載の磁場角センサ。 - 第1の角度および第2の角度の絶対値は、15度から65度の範囲である
ことを特徴とする請求項2記載の磁場角センサ。 - 前記複数の磁気トンネル接合素子がそれぞれ電気的に接続された上部電極および下部電極を備え、前記磁気トンネル接合素子の各長軸は前記上部電極および前記下部電極の長手方向に対して垂直である
ことを特徴とする請求項1記載の磁場角センサ。 - 前記複数の磁気トンネル接合素子は、それぞれ上部電極と下部電極との間に並列に接続され、
前記上部電極および下部電極はそれぞれ矩形状であり、前記複数の磁気トンネル接合素子の各長軸は前記上部電極および下部電極の長手方向に垂直である
ことを特徴とする請求項1記載の磁場角センサ。 - 前記複数の磁気トンネル接合素子は、それぞれ上部電極と下部電極との間に並列に接続され、
前記上部電極および下部電極はそれぞれ矩形状であり、前記複数の磁気トンネル接合素子の各長軸は前記上部電極および下部電極の長手方向に平行である
ことを特徴とする請求項1記載の磁場角センサ。 - 前記各ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第2端子間に電源供給源が設けられ、2つのホイートストンブリッジ回路にバイアス電圧を供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場角センサ。 - 前記第1差分測定電圧および第2差分測定電圧は、互いに等しい大きさを持つように均一化され、磁場角は次式により表される
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場角センサ。
θ=arctan(ΔU1 /ΔU2 )
(ΔU1 =A・sin(θ)、ΔU2 =A・cos(θ)、θは磁場角、Aは均一化された第1,第2差分測定電圧) - 前記反強磁性層は、IrMn,PtMn,FeMnおよびNiOからなる群から選択された材料により形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場角センサ。 - 前記ピンドシンセティック複合層は、
前記反強磁性層上に形成されたピンド層と、
前記ピンド層上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成されたリファレンス層と
を有することを特徴とする請求項1に記載の磁場角センサ。 - 前記ピンド層は、0に近い磁歪定数および正の値の磁歪定数から選択された第1の磁歪定数を有する軟磁性層である
ことを特徴とする請求項10に記載の磁場角センサ。 - 前記ピンド層は、Ni(ニッケル),Fe(鉄),Co(コバルト)およびB(ボロン)からなる群から選択された軟磁性材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項11に記載の磁場角センサ。 - 前記スペーサ層は非磁性材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項10に記載の磁場角センサ。 - 前記スペーサ層は、Ru(ルテニウム),Rh(ロジウム)およびCr(クロム)からなる群から選択された非磁性材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項13に記載の磁場角センサ。 - 前記リファレンス層は、大きな磁歪定数を有する材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項10に記載の磁場角センサ。 - 前記リファレンス層は、CoFeB,CoFeとCoFeBおよびCoFeの多層構造からなる群から選択されたものである
ことを特徴とする請求項15に記載の磁場角センサ。 - 複数個が互いに接続されると共にアレイ状に整列されることにより、360度の測定範囲にわたって磁場角を測定するための磁場角センサを構成し、かつ互いに同一の基板上にパターン形成されると共に、それぞれトンネル接合を流れる検出電流に垂直方向の磁場角に応答する磁気トンネル接合素子であって、
前記磁気トンネル接合素子は、前記基板上に、反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成されたピンドシンセティック複合層とを有すると共に、第1タイプ,第2タイプ,第3タイプのうちのいずれかのタイプの素子であり、
前記第1タイプの磁気トンネル接合素子の各長軸は、リファレンス軸(X)方向に対して第1の角度を有し、前記第2タイプの磁気トンネル接合素子の各長軸は、前記リファレンス軸方向に対して平行であり、前記第3タイプの磁気トンネル接合素子の各長軸は、前記リファレンス軸方向に対して第1の角度とは異なる第2の角度を有し、
前記ピンドシンセティック複合層は、前記磁気トンネル接合素子の長軸方向に沿って整列した磁化方向を有し、
前記磁気トンネル接合素子は、複数個が互いに接続されることにより第1ホイートストンブリッジ回路と第2ホイートストンブリッジ回路とを構成し、
外部磁場が存在しない環境下では、前記第1ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第1端子間の第1差分測定電圧、および前記第2ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第1端子間の第2差分測定電圧はともに零ボルトであり、
前記第1ホイートストンブリッジ回路の第1枝路は、前記第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むと共に、該第1枝路に結合された第2枝路は、前記第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第1ホイートストンブリッジ回路の第3枝路は、前記第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含むと共に、該第3枝路に結合された第4枝路は、前記第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第1枝路は、前記第1タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも1つと、この素子に直列に結合された前記第3タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子とを含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第1枝路に結合された第2枝路は、前記第2タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第3枝路は、前記第2タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子を含み、
前記第2ホイートストンブリッジ回路の第3枝路に結合された第4枝路は、前記第3タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも1つと、この素子に直列に結合された前記第1タイプの少なくとも1つの磁気トンネル接合素子とを含む
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の角度の大きさは前記第1の角度のそれと絶対値が同じであり、かつ、その方向が逆向きである
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第1の角度および第2の角度の絶対値は、15度から65度の範囲である
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 長軸が、磁場角センサを構成すると共に複数の磁気トンネル接合素子に共通の上部電極および下部電極の長手方向に対して垂直である
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 上部電極と下部電極との間に並列に接続され、
前記上部電極および下部電極はそれぞれ矩形状にパターニングされており、それぞれ長さ方向が、タイプ別に分割された複数の磁気トンネル接合素子の各長手方向に垂直となっている
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 長軸が、磁場角センサを構成すると共に複数の磁気トンネル接合素子に共通の上部電極および下部電極の長手方向に対して平行である
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記各ホイートストンブリッジ回路の対向する2つの第2端子間に電源供給源が設けられ、2つのホイートストンブリッジ回路にバイアス電圧を供給する
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第1差分測定電圧および第2差分測定電圧は、互いに等しい大きさを持つように均一化され、磁場角は次式により表される
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。
θ=arctan(ΔU1 /ΔU2 )
(ΔU1 =A・sin(θ)、ΔU2 =A・cos(θ)、θは磁場角、Aは均一化された第1,第2差分測定電圧) - 前記反強磁性層は、IrMn,PtMn,FeMnおよびNiOからなる群から選択された材料により形成されている
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記ピンドシンセティック複合層は、
前記反強磁性層上に直接に形成されたピンド層と、
前記ピンド層上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成されたリファレンス層と
を有することを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記ピンド層は、0に近い磁歪定数および正の値の磁歪定数から選択された第1の磁歪定数を有する軟磁性層である
ことを特徴とする請求項26に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記ピンド層は、Ni(ニッケル),Fe(鉄),Co(コバルト)およびB(ボロン)からなる群から選択された軟磁性材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項27に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記スペーサ層は非磁性材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項26に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記スペーサ層は、Ru(ルテニウム),Rh(ロジウム)およびCr(クロム)からなる群から選択された非磁性材料により形成されたものである
ことを特徴とする請求項29に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記リファレンス層は、大きな磁歪定数を有する材料により形成されている
ことを特徴とする請求項26に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記リファレンス層は、CoFeB,CoFeとCoFeBおよびCoFeの多層構造からなる群から選択されたものである
ことを特徴とする請求項31に記載の磁気トンネル接合素子。
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