JP6842741B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関し、特にフリー磁性層にバイアス磁界が印加される磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関する。

ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect、巨大磁気抵抗効果）素子には、磁界が印加されるとフリー磁性層が多磁区化して、磁界が除かれた後にも所定の初期状態に戻らないという問題がある。その対策として、バイアス磁界を印加するハードバイアス層が設けられた構成や、フリー磁性層に隣接する反強磁性材料層が設けられた構成のＧＭＲ素子が提案されている。これらの構造を備えたＧＭＲ素子では、ＧＭＲ素子の延在方向（ストライプ方向）に沿ってバイアス磁界を印加することにより、フリー磁性層が多磁区化することを抑制している。

バイアス磁界を印加することによりフリー磁性層が多磁区化することを抑制できるが、大きな磁界が印加されるとＧＭＲ素子を備えた磁気センサのオフセットが変動するという問題が生じる。バイアス磁界の強度を大きくすることによってフリー磁性層の多磁区化によるオフセットの変動を抑制できるが、バイアス磁界を大きくすると磁気センサの出力が小さくなってしまい、応答速度が低下するという問題がある。

バイアス磁界を印加しないノンバイアス構造のＧＭＲ素子において、フリー磁性層の磁化状態を初期化するリセットコイルを備えた磁気センサが提案されている。例えば、特許文献１には、フリー磁性層の磁化方向が、ＧＭＲ素子の感度軸方向に直交する方向、すなわちＧＭＲ素子の延在方向（ストライプの長手方向）に向けられるように、リセット磁界を印加するリセットコイルを備えた磁気センサが記載されている。

国際公開ＷＯ２０１５／１２５６９９号

特許文献１に記載の磁気センサは、ＧＭＲ素子の延在方向すなわちストライプの長手方向において一様なリセット磁界を印加するために、ＧＭＲ素子に対して十分な大きさのリセットコイルを形成する必要がある。また、磁気平衡式の磁気センサを構成する場合、リセットコイルに加えて、被測定電流からの誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルを形成する必要がある。したがって、電流センサのサイズが大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は、フリー磁性層の磁化状態を効率よくリセットすることができる磁気センサの提供を目的としている。
また本発明は、リセットコイルなどを設けることなく、フリー磁性層の磁化状態をリセットできる磁気センサの提供を目的としている。

上記の課題を解決するために本発明者らが検討した結果、フリー磁性層にバイアス磁界が印加されているＧＭＲ素子の感度方向（バイアス磁界と直交する方向）に交番磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化状態がリセットされて、初期の磁化状態に近づくという知見を得た。この知見に基づく本発明は、以下の構成を備えている。

本発明は、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子が設けられている磁気センサにおいて、
前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に位置する非磁性材料層とを有し、
前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部と、
前記フリー磁性層に、前記バイアス磁界と交差する向きの交番磁界を印加する交番磁界印加部と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明の磁気センサは、前記磁気抵抗効果素子が、帯状に延在する複数の素子部がミアンダ形状に接続されており、
前記バイアス磁界印加部は、前記素子部の延在方向に前記バイアス磁界を印加し、
前記交番磁界印加部は、前記交番磁界を、前記素子部の延在方向と直交する前記磁気抵抗効果素子の感度軸方向に印加する、ものであっても良い。
本発明の磁気センサは、素子部のバイアス磁界の印加方向に直交する方向に交番磁界を印加することにより、効率よくフリー磁性層を初期の磁化状態にリセットすることができる。

本発明の磁気センサでは、前記ブリッジ回路は、第１のハーフブリッジ回路および第２のハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路として構成できる。

また、前記バイアス磁界は、ハードバイアス磁界またはエクスチェンジバイアス磁界である。

本発明の磁気センサは、例えば、前記磁気抵抗効果素子に与えられる被測定磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記フィードバックコイルに与えられるキャンセル電流を制御するとともにそのキャンセル電流を検知する検知回路とを備えており、
前記フィードバックコイルが前記交番磁界印加部として使用されるものである。
フィードバックコイルを交番磁界印加部として用いることにより、交番磁界を印加するために別のコイルを設ける必要がなくなり、磁気センサのサイズを小さくすることができる。

例えば、前記フィードバックコイルは、前記キャンセル電流が与えられない時間に前記交番磁界を発生する交番磁界印加部として使用される。

本発明の磁気センサは、磁気シールドをさらに備えており、
前記磁気シールドは、前記被測定磁界を減衰させ、前記キャンセル磁界と前記交番磁界を増強するものが好ましい。

本発明は、バイアス磁界が印加されたフリー磁性層に、バイアス磁界と交差する向きの交番磁界を印加することにより、フリー磁性層を初期の磁化状態にリセットすることができる。したがって、オフセット値が一定に保持された、高精度な磁気センサとすることができる。
また、本発明は、フィードバックコイルを備え、このフィードバックコイルを交番磁界印加部として使用することで、リセットコイルなどを別途に設ける必要がなくなる。

本発明の実施形態に係る磁気平衡式の磁気センサの構成の概略を示す概念図 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサを示す説明図 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサを示す説明図 図２に示す磁気平衡式の磁気センサを示す断面図 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す説明図 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の膜構成を示す説明図 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の他の膜構成を示す説明図 （Ａ）磁気抵抗効果素子にハードバイアスを印加するバイアス磁界印加部の構成を示す図、（Ｂ）磁気抵抗効果素子にエクスチェンジバイアスを印加するバイアス磁界印加部の構成を示す図 実施例の磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子であるＧＭＲ素子の感度軸に直交する方向のＲ−Ｈ曲線を示すグラフ バイアス磁界と逆方向にフリー磁性層が完全に反転する磁界を印加した後、比例式出力のオフセット評価を１０回繰り返した際における、初期に対するオフセット変動量の推移を示したグラフ

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る磁気センサの構成の概略を示す概念図である。磁気センサ１は、フルブリッジ回路１１０と、フィードバックコイル１２１とを備えている。フルブリッジ回路１１０は、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ａからなるハーフブリッジ回路１１１Ａと、磁気抵抗効果素子１２２ｃと磁気抵抗効果素子１２２ｄからなるハーフブリッジ回路１１１Ｂとが並列に接続された構成である。ハーフブリッジ回路１１１Ａおよびハーフブリッジ回路１１１Ｂはそれぞれ、一端が電源電圧Ｖｄｄに接続され、他端が接地電位ＧＮＤに接続されている。磁気抵抗効果素子１２２ａおよび磁気抵抗効果素子１２２ｃのＰｉｎ方向（Ｘ１方向）と、磁気抵抗効果素子１２２ｂおよび磁気抵抗効果素子１２２ｄのＰｉｎ方向（Ｘ２方向）とは、１８０度異なっている。

フルブリッジ回路１１０に外部磁界Ｈが印加されると、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄのフリー磁性層４４（図６、図７参照）の向きが外部磁界Ｈの方向に倣うように変化する。このとき、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗値は、固定磁性層（第２磁性層）４２ｃの固定磁化方向とフリー磁性層４４の磁化方向との、相対角度に応じて変化する。このため、ハーフブリッジ回路１１１Ｂの中点端子１３１の出力電位（Ｏｕｔ１）と、ハーフブリッジ回路１１１Ａの中点端子１３２の出力電位（Ｏｕｔ２）との差動出力（Ｏｕｔ１）−（Ｏｕｔ２）が、図中にＨで示した矢印方向（感度軸方向、Ｘ１−Ｘ２軸方向）の磁界の検知出力（検知出力電圧）Ｖｓとして得られる。検知出力Ｖｓは増幅器１２４にて増幅され、フィードバックコイル１２１に与えられる。

フルブリッジ回路１１０を構成する磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄのそれぞれには、上述した感度軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）と直交する、図中にＢで示した矢印方向（バイアス磁界方向、Ｙ２方向）にバイアス磁界が印加されている。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄのフリー磁性層にバイアス磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化をＹ方向に揃え、好ましくはフリー磁性層の磁化を単磁区化し、外部磁界が与えられたときに、フリー磁性層の磁化が外部磁界の方向へ向きやすくなる。

ただし、フリー磁性層に予想外の大きな外部磁界が印加され、フリー磁性層の磁化が強制的に外部磁界の方向へ向けられると、その後に外部磁界がゼロ（無磁界）になったときに、ヒステリシスによってフリー磁性層の初期の磁化状態、すなわちバイアス磁界の向きに揃えられた状態に戻らないことがある。この場合、外部磁界がゼロ（無磁界）の状態における差動出力（Ｏｕｔ１）−（Ｏｕｔ２）が０ではなくなり、検知出力Ｖｓにオフセットが生じることによって、磁気センサ１の測定精度が低下する。

そこで、磁気センサ１は、フリー磁性層の磁化状態を初期化するために、フィードバックコイル１２１から、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに対して、感度軸方向に交番磁界を印加する。バイアス磁界ＢがＹ２方向に印加されている状態で、感度軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に交番磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化状態を初期化できるようにしている。このとき、バイアス磁界Ｂが印加されているため、交番磁界印加後にフリー磁性層の磁化方向が初期と逆向きに向いてしまうことを防止できる。これにより、フリー磁性層に大きな外部磁界が印加された場合に生じる検知出力Ｖｓのオフセットを解消して、測定精度を高くすることが可能になる。

このときの交番磁界は、フリー層に印加された外乱である前記外部磁界よりも絶対値が小さくても、フリー磁性層に、感度軸方向へ向きの異なる磁界を繰り返して与えることで、フリー磁性層の磁化状態を初期化するリセット処理が可能である。

図１に示すように、フィードバックコイル１２１には、発振器１４０が並列して接続されている。この発振器１４０がフィードバックコイル１２１に交流電流を印加することにより、フィードバックコイル１２１から磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに対して、交番磁界を印加することができる。発振器１４０がフィードバックコイル１２１に交流電流を印加するタイミングは、例えば、磁気センサ１の異常が検知された場合、または一定時間経過ごと、あるいは磁界検知中に定期的に行なうなどが挙げられる。なお、磁界検知中に交番磁界を発生させると、交番磁界が発生している間、磁界を検知することができないが、その後にフリー磁性層が初期化された精度の高い測定を行うことが可能となる。磁気センサ１の制御は、図示しないＣＰＵ等により行う。異常の検知は、例えば、記憶保持手段等にあらかじめ格納されている正常プロセスとの比較に基づいて行う。

本実施形態の磁気センサ１は、フィードバック磁界を発生させるフィードバックコイル１２１を、交番磁界印加部として用いている。このため、フィードバックコイル１２１とは別に交番磁界印加部を備えたものと比較して、磁気センサ１のサイズを小さくすることができる。

図２及び図３は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式の磁気センサを示す説明図である。本実施の形態においては、磁気センサ１は、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気センサ１は、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界（被測定磁界）を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備えている。このフィードバック回路１２は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとを有する。

フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。フィードバックコイル１２１は、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界とキャンセル磁界の両方が生じるように設けられていることが好ましい。

磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、被測定電流Ｉからの誘導磁界（被測定磁界）の印加により抵抗値が変化する。この４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気センサを実現することができる。検出感度を良好にする観点から、図２及び図３に示すようにフルブリッジ回路とすることが好ましいが、フルブリッジ回路の代わりに１つのハーフブリッジ回路を備えた磁気センサとして実施することもできる。

この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図２に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｃとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｄとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２２ｄ間の接続点からもう一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。

これらの２つの出力は増幅器１２４を含む制御回路に送られ、フィードバックコイル１２１に、電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた出力（Ｏｕｔ１）と出力（Ｏｕｔ２）の電圧差をゼロにするように設定される。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出回路（検出抵抗Ｒ）で被測定電流が測定される。

図４は、図２に示す磁気センサを示す断面図である。図４に示すように、本実施の形態に係る磁気センサにおいては、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板２１上に形成されている。図４に示す構成においては、フィードバックコイル１２１が、磁気シールド３０と磁界検出ブリッジ回路１１０の間に配置され、磁気シールド３０が被測定電流Ｉに近い側に配置されている。すなわち、導体１１に近い側から磁気シールド３０、フィードバックコイル１２１、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを導体１１から最も遠ざけることができ、被測定電流Ｉから磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることができる。また、磁気シールド３０を最も導体１１に近づけることができるので、誘導磁界の減衰効果をより高めることができる。したがって、フィードバックコイルからのキャンセル磁界を小さくすることができ、検知動作のダイナミックレンジを広げることができる。

図４に示す層構成について詳細に説明する。図４に示す磁気センサにおいては、基板２１上に絶縁層である熱シリコン酸化膜２２が形成されている。熱シリコン酸化膜２２上には、アルミニウム酸化膜２３が形成されている。アルミニウム酸化膜２３は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板２１としては、シリコン基板などが用いられる。

アルミニウム酸化膜２３上には、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが形成されており、磁界検出ブリッジ回路１１０が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとしては、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。本発明に係る磁気センサにおいて用いられる磁気抵抗効果素子の膜構成については後述する。

磁気抵抗効果素子としては、図３の拡大図に示すように、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン（ストライプ）の素子が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有するＧＭＲ素子であることが好ましい。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターンの長手方向（ストライプ長手方向）に対して直交する方向（ストライプ幅方向）である。このミアンダ形状においては、誘導磁界（被測定磁界）及びキャンセル磁界がストライプ長手方向に直交する方向（ストライプ幅方向）に沿うように印加される。また、フリー磁性層の磁化を初期化するための交番磁界もストライプ長手方向に直交する方向に印加される。

このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン（Ｐｉｎ）方向の幅が１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。

また、アルミニウム酸化膜２３上には、電極２４が形成されている。電極２４は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。

磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ及び電極２４を形成したアルミニウム酸化膜２３上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。

ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜２７が形成されている。シリコン酸化膜２７は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。

シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１が形成されている。フィードバックコイル１２１は、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、フィードバックコイル１２１は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。

また、シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１の近傍にコイル電極２８が形成されている。コイル電極２８は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。

フィードバックコイル１２１及びコイル電極２８を形成したシリコン酸化膜２７上には、絶縁層としてポリイミド層２９が形成されている。ポリイミド層２９は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。

ポリイミド層２９上には、磁気シールド３０が形成されている。磁気シールド３０を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。

ポリイミド層２９上には、シリコン酸化膜３１が形成されている。シリコン酸化膜３１は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。ポリイミド層２９及びシリコン酸化膜３１の所定の領域（コイル電極２８の領域及び電極２４の領域）にコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド３２，２６がそれぞれ形成されている。コンタクトホールの形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。電極パッド３２，２６は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。

このような構成を有する磁気センサにおいては、図４に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界（被測定磁界）Ａを磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄで受け、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル１２１からキャンセル磁界Ｂを発生し、２つの磁界（誘導磁界Ａ、キャンセル磁界Ｂ）を相殺して磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに印加する磁界が零になるように適宜調整する。

本発明の磁気センサにおいては、図４に示すように、フィードバックコイル１２１に隣接して磁気シールド３０を有する。磁気シールド３０は、被測定電流Ｉから生じ磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに印加される誘導磁界を減衰させる（磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにおいては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が逆方向）と共に、フィードバックコイル１２１からのキャンセル磁界Ｂをエンハンスする（磁気シールド３０においては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が同方向）ことができる。したがって、磁気シールド３０が磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル１２１に流す電流を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。また測定動作のダイナミックレンジを広げることができる。また、この磁気シールド３０により、外部磁界の影響を低減させることができる。

さらに、フィードバックコイル１２１から交番磁界を発生して、フリー磁性層の磁化を初期化するリセット処理を行うときに、磁気シールド３０は、交番磁界をエンハンスする効果を発揮でき、フリー磁性層に対して感度軸方向に絶対値の大きな交番磁界を与えて、フリー磁性層の初期化を行うことができる。

上記構成を有する磁気センサは、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いる。これにより、高感度の磁気センサを実現することができる。また、この磁気センサは、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子で構成されている。また、上記構成を有する磁気センサは、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この磁気センサは、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。

本発明の磁気センサにおいては、図５に示すように、中点電位（Ｏｕｔ１）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ａの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向）が互いに１８０°異なっており（反平行）、中点電位（Ｏｕｔ２）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２２ｄの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向）が互いに１８０°異なっている（反平行）。また、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化率は同じである。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、強磁性固定層に対する印加磁界の角度が同一である場合、同一磁界強度で同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。

このように配置された４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する磁気平衡式電流センサにおいて、磁気検出ブリッジ回路の２つの出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）の電圧差がゼロになるようにフィードバックコイル１２１から磁気抵抗効果素子にキャンセル磁界を印加し、その際にフィードバックコイル１２１に流れる電流値を検出することにより、被測定電流により生じた誘導磁界を測定する。

図５に示すように、矢印方向に被測定電流Ｉが流れると、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄには、それぞれ誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが印加される。このとき、被測定電流により発生する誘導磁界とキャンセル磁界の合成磁界強度がゼロとなる時に、磁気検出ブリッジ回路の中点電位差がゼロとなる。

図６は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の膜構成を示す図である。磁気検出素子１２２ａ〜１２２ｄ（図１〜図３参照）は、図６に示すように、基板４０表面側から、下地層４１、固定磁性層４２、非磁性材料層４３、フリー磁性層４４、および保護層４５の順に積層された構成とすることができる。これらの層は例えばスパッタ工程で成膜される。

下地層４１は、ＮｉＦｅＣｒ合金（ニッケル・鉄・クロム合金）あるいはＣｒなどで形成されている

固定磁性層４２は、第１磁性層４２ａおよび第２磁性層４２ｃと、第１磁性層４２ａと第２磁性層４２ｃと間に位置する非磁性中間層４２ｂと、で構成されたセルフピン止め構造となっている。第１磁性層４２ａの固定磁化方向と、第２磁性層４２ｃの固定磁化方向とは、相互作用により反平行となっている。非磁性材料層４３に隣接する第２磁性層４２ｃの固定磁化方向が、固定磁性層４２の固定磁化方向である。この固定磁化方向が延びる方向は、磁気検出素子１２２ａ〜１２２ｄの感度軸方向である。

第１磁性層４２ａおよび第２磁性層４２ｃは、ＦｅＣｏ合金（鉄・コバルト合金）で形成される。ＦｅＣｏ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。非磁性材料層４３に接する第２磁性層４２ｃはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）に寄与する層である。非磁性中間層４２ｂはＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。Ｒｕからなる非磁性中間層４２ｂの膜厚は、３〜５Åまたは８〜１０Åであることが好ましい。

非磁性材料層４３は、Ｃｕ（銅）などである。
フリー磁性層４４は、その材料および構造が限定されるものではない。例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いて、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
保護層４５は、Ｔａ（タンタル）などで形成される。

図７は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の他の膜構成を示す図である。同図に示す、磁気検出素子１２２ａ〜１２２ｄ（図１〜図３参照）は、フリー磁性層４４と保護層４５との間に、反強磁性層４６が設けられている点において、図６に示した膜構成とは異なっている。

反強磁性層４６は、ｘ−Ｍｎ合金（ｘ・マンガン合金、ｘ＝Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｎｉ）、ｘ−Ｃｒ合金（ｘ・クロム合金、ｘ＝Ａｌ，Ｐｔ，Ｍｎ）およびｘ−Ｏ（ｘの酸化物、ｘ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）などを用いることができる。これらの中では、ＰｔＭｎ合金（白金・マンガン合金）およびＩｒＭｎ合金（イリジウム・マンガン合金）が好ましい。

反強磁性層４６を無磁場中または弱磁場中でアニール処理して規則化し、フリー磁性層４４のとの間（界面）で交換結合を生じさせる。この交換結合によって、フリー磁性層４４にバイアス磁界を印加することができる。

続いて、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部について説明する。バイアス磁界印加部としては、ハードバイアス層によりハードバイアスを印加するハードバイアス構成および、反強磁性層によりエクスチェンジバイアスを印加するエクスチェンジバイアス構成が挙げられる。

図８（Ａ）に示すハードバイアス構成では、一対の磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂとハードバイアス層（バイアス磁界印加部）５３とが交互に配置されている。磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂは、一方のハードバイアス層５３側から他方のハードバイアス層５３側に向って帯状に延在する複数の素子部５７を有している。複数の素子部５７は、一対のハードバイアス層５３間において平行に配置されており、隣接する素子部５７間が導電部５８によってミアンダ形状に接続されている。各磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂにおいて、平面視において素子部５７の延在方向に対する直交方向がＰｉｎ方向になっている。

このハードバイアス構成では、各ハードバイアス層５３が素子部５７の延在方向に平行な一方向に着磁されている。したがって、磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂに対して同一方向のバイアス磁界が印加される。

ハードバイアス構成では、他の一対の磁気抵抗効果素子１２２ｃ、１２２ｄも、磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂ同様、ハードバイアス層５３と交互に配置されている。

図８（Ｂ）に示すエクスチェンジバイアスを印加する構成では、ハードバイアス層を形成することなく、一対の磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂに互いに逆向きのバイアス磁界を印加するように構成されている。このエクスチェンジバイアス構成でも、上記ハードバイアス構成と同様に、帯状に延在する複数の素子部６６を平行に配置して、複数の素子部６６間を導電部６７によってミアンダ形状に接続している。各磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂにおいて、平面視において素子部６６の延在方向に対する直交方向がＰｉｎ方向になっている。

エクスチェンジバイアス構成では、フリー磁性層４４と反強磁性層４６（図７参照）の界面における交換結合により、反強磁性層４６からフリー磁性層４４に対して、素子部６６の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。

一対の磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂでは、フリー磁性層と反強磁性層の界面における交換結合により、反強磁性層からフリー磁性層に対して、素子部６６の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。フリー磁性層及び反強磁性層は、一対の磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂの製造プロセスにおいて磁界を印加しながら成膜されている。このとき、一対の磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂで磁界の印加方向を逆にしてフリー磁性層と反強磁性層を成膜することで、磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂで互いに逆向きのバイアス磁界を印加することを可能にしている。他の一対の磁気抵抗効果素子１２２ｃ、１２２ｄにおいても同様に、素子部６６の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。

図９は、本実施例の磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子であるＧＭＲ素子の感度軸に直交する方向のＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。同図に示すように、ＧＭＲ素子のヒステリシスにより、その抵抗値は磁界の強度が変化する方向によって異なる。例えば、図９に示すＲ−Ｈ曲線のＧＭＲ素子では、ゼロ磁界における抵抗値には、磁界が変化する方向によって１０Ω程度の差がある。このゼロ磁界におけるＧＭＲ素子の抵抗値の差は、磁気センサ１のオフセット、すなわち、ゼロ磁界における中点１３１と中点１３２からとの出力に差が生じる原因となる（図１参照）。そこで、磁界が変化する方向によらず所定の抵抗値となるバイアス磁界（Ｈｅｘ）を印加することにより、ＧＭＲ素子のヒステリシスに起因する磁気センサのオフセットを小さくすることができる。

しかし、ＧＭＲ素子に大きな磁界が印加された場合、ＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁化状態が初期状態から変化する。そして、大きな磁界が取り除かれて、バイアス磁界（Ｈｅｘ）が印加された状態となっても、印加された大きな磁界の影響によって、磁化状態が初期状態には戻らない場合がある。このように、大きな磁界が印加された場合、ＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁化状態が初期状態に戻らず、抵抗が所定値からずれてしまうと、磁気センサにオフセットが生じる。

なお、ＧＭＲ素子のフリー磁性層に印加するバイアス磁界を十分に大きくすれば、ＧＭＲ素子に大きな磁界が印加された場合にも、フリー磁性層の磁化状態を初期状態のまま維持することができる。しかし、ＧＭＲ素子に印加するバイアス磁界を大きくすることは、磁気センサの出力が小さくなってしまい、応答速度が低下することから好ましくない。

そこで、磁気センサに大きな磁界を印加してオフセットを生じさせた後、感度軸方向に交番磁界を印加することによる変化を調べるため、以下の測定を行った。
＜測定条件＞
Ｖｄｄ：５Ｖ
印加した大きな磁界：バイアス磁界と逆方向に２０ｍＴ
繰り返し測定した磁界（フリー磁性層の初期化するための交番磁界）：感度軸方向すなわちバイアス磁界と交差する方向に±２ｍＴ
＜ＧＭＲ素子の膜構成（Å）＞
下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４２Å）／第１磁性層：６０ＦｅＣｏ（１９Å）／非磁性中間層：Ｒｕ（３．６Å）／第２磁性層：９０ＣｏＦｅ（２４Å）／非磁性材料層：Ｃｕ（２０Å）／フリー磁性層：９０ＣｏＦｅ（１０Å）／８２．５ＮｉＦｅ（７０Å）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８０Å）／保護層：Ｔａ（１００Å）
＜形状＞
４μｍ幅×８０μｍ長さ×９本 のミアンダ形状
なお、磁気シールド３０は設けていない。

図１０は、バイアス磁界と逆方向にフリー磁性層が完全に反転する大きな強度の外部磁界を印加して、検知出力にオフセットが生じる状態に至った後に、バイアス磁界の方向と交差する方向である感度軸方向に±２ｍＴの交番磁界を繰り返して与えたときの評価を示している。横軸の測定回は、＋２ｍＴと−＋２ｍＴの交番磁界を一周期与えたときを１回とした。
同図に示すように、交番磁界を１回与えた状態では、フリー磁性層反転後のヒステリシスの影響によってオフセット変動量が大きい。しかし、交番磁界を２回以上与えることで、オフセット変動量が急激に減少し、３回目以降はオフセット変動量がゼロ近傍で安定した。

この結果から、フリー磁性層にＥｘＢｉａｓが印加された状態で、バイアス方向と逆方向の大きな外乱磁界を与えた後であっても、感度方向に交番磁界を複数回与えることで、フリー磁性層の磁化方向を、初期状態に戻すことが可能である。

１：磁気センサ
１１０：フルブリッジ回路
１１１Ａ，１１１Ｂ：ハーフブリッジ回路
１２：フィードバック回路
１２１：フィードバックコイル
１２２ａ〜１２２ｄ：磁気抵抗効果素子（素子部）
１３１，１３２：中点端子
１４０：発振器
２１：基板
２２：熱シリコン酸化膜
２３：アルミニウム酸化膜
２４：電極
２５，２９：ポリイミド層
２６，３２：電極パッド
２７，３１：シリコン酸化膜
２８：コイル電極
３０：磁気シールド
４０：基板
４１：下地層
４２：固定磁性層、４２ａ：第１磁性層、４２ｃ：第２磁性層、４２ｂ：非磁性中間層
４３：非磁性材料層
４４：フリー磁性層
４５：保護層
４６：反強磁性層（バイアス磁界印加部）
５３：ハードバイアス層（バイアス磁界印加部）
５７，６６:素子部
５８，６７：導電部
Ａ：誘導磁界
Ｂ：キャンセル磁界
Ｖｄｄ：電源電圧
ＧＮＤ：接地電位
Ｈ：外部磁界

Claims (7)

1. 基板に、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子が設けられている磁気センサにおいて、
   前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に位置する非磁性材料層とを有し、
   前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部と、
   前記フリー磁性層に、前記バイアス磁界と交差する向きの交番磁界を印加する交番磁界印加部と、を備えていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気抵抗効果素子は、帯状に延在する複数の素子部がミアンダ形状に接続されており、
   前記バイアス磁界印加部は、前記素子部の延在方向に前記バイアス磁界を印加し、
   前記交番磁界印加部は、前記交番磁界を、前記素子部の延在方向と直交する前記磁気抵抗効果素子の感度軸方向に印加する、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記ブリッジ回路は、第１のハーフブリッジ回路および第２のハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路である請求項１または２記載の磁気センサ。
4. 前記バイアス磁界が、ハードバイアス磁界またはエクスチェンジバイアス磁界である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子に与えられる被測定磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記フィードバックコイルに与えられるキャンセル電流を制御するとともにそのキャンセル電流を検知する検知回路とを備えており、
   前記フィードバックコイルが前記交番磁界印加部として使用される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記フィードバックコイルは、前記キャンセル電流が与えられない時間に前記交番磁界を発生する交番磁界印加部として使用される請求項５記載の磁気センサ。
7. 磁気シールドをさらに備えており、
   前記磁気シールドは、前記被測定磁界を減衰させ、前記キャンセル磁界と前記交番磁界を増強する請求項５または６記載の磁気センサ。