JP7023428B1 - 磁気センサ素子、磁気センサおよび磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

磁気センサ素子（２）は、ピン層（２１）と、第１非磁性層（２２）と、第１磁性層（２３）と、フリー層（２４）とを備えている。ピン層（２１）は、固着した磁化の向きを有している。第１非磁性層（２２）は、ピン層（２１）に重ねられている。第１磁性層（２３）は、ピン層（２１）とで第１非磁性層（２２）を挟み込んでいる。フリー層（２４）は、第１非磁性層（２２）がピン層（２１）に重ねられた方向に沿って配置されている。第１磁性層（２３）およびフリー層（２４）の各々は、ピン層（２１）よりも外部磁界によって変化しやすい磁化の向きを有している。ピン層（２１）および第１磁性層（２３）は、間接交換相互作用によって結合されている。

Description

本開示は、磁気センサ素子、磁気センサおよび磁気センサ装置に関するものである。

ＡＴＭ（ＡＴＭ：Automated Teller Machine）等に投入された紙幣の真贋の判別のために、紙幣に印刷された磁気インクによる磁気パターンを検出するための磁気センサ装置が用いられている。磁気センサ装置は、例えば、磁気センサ素子および磁気センサ素子にバイアス磁界を印加するための磁石を備えている。磁気センサ装置は、例えば、磁石と、磁気センサ素子とを備えている。磁石は、被検出物（紙幣）に交差する交差磁界を生成する。磁気センサ素子は、磁石と被検出物である紙幣との間に設けられている。磁気センサ装置は、交差磁界内に搬送される被検出物の磁気成分による交差磁界の変化を抵抗値の変化として出力するように構成されている。

紙幣の印刷に用いられる磁気インクには、一般的に、微小な軟磁性体が用いられている。無磁化状態において軟磁性体が環境磁場に与える磁場変動は、小さい。このため、軟磁性体が環境磁場に与える磁場変動の増大のために、バイアス磁界がさらに印加されることがある。軟磁性体による磁場変動およびバイアス磁界による磁場変動に基づいて、磁場変動が検出される。しかしながら、軟磁性体の磁化に必要なバイアス磁界による磁場の強度に対して、磁性体の移動によって変動する磁場の強度は、例えば、１／１０００程度である。したがって、磁場の微小な変化に対して鋭敏に反応する高い感度を有する磁気センサ素子が求められている。

例えば、特開２００６－０１９３８３号公報（特許文献１）に記載の磁気検出素子（磁気センサ素子）は、スピンバルブ型のＧＭＲ素子（ＧＭＲ：Giant Magnetic Resistance）である。磁気検出素子は、バイアス磁界下においてヒステリシスが低減された磁気センサとして用いられる。磁気検出素子は、磁気検出素子の抵抗値に基づいて磁気を検出するように構成されている。磁気検出素子の抵抗値は、固着層（ピン層）の磁化の向きと自由層（フリー層）の磁化の向きとの角度差によって定まる。

特開２００６－０１９３８３号公報

上記公報に記載の磁気検出素子では、測定可能な磁界強度の上限は、自由層の異方性磁界強度（Ｈｋ）である。このため、磁気検出素子のダイナミックレンジが十分に大きくない。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分に大きいダイナミックレンジを有する磁気センサ素子、磁気センサおよび磁気センサ素子を提供することである。

本開示の磁気センサ素子は、ピン層と、第１非磁性層と、第１磁性層と、フリー層とを備えている。ピン層は、固着した磁化の向きを有している。第１非磁性層は、ピン層に重ねられている。第１磁性層は、ピン層とで第１非磁性層を挟み込んでいる。フリー層は、第１非磁性層がピン層に重ねられた方向に沿って配置されている。第１磁性層およびフリー層の各々は、ピン層よりも外部磁界によって変化しやすい磁化の向きを有している。ピン層および第１磁性層は、間接交換相互作用によって結合されている。バイアス磁界の方向は、被検出磁界の方向に沿い、かつピン層の磁化の向きと直交する。

本開示の磁気センサ素子によれば、ダイナミックレンジを十分に大きくすることができる。

実施の形態１に係る磁気センサの構成を概略的に示す上面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 実施の形態１に係る磁気センサ素子に外部磁界が印加されていない状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態１に係る磁気センサ素子に外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態１に係る磁気センサ素子に図４に示される外部磁界よりも大きい外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態１に係る磁気センサ素子にバイアス磁界が印加されていない場合の被検出磁界とＭＲ比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態１に係る磁気センサ素子に８０Ｏｅのバイアス磁界が印加された場合の被検出磁界とＭＲ比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態１の変型例に係る磁気センサ素子に外部磁界が印加されていない状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態１の変型例に係る磁気センサ素子に外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態１の変型例に係る磁気センサ素子に図９に示される外部磁界よりも大きい外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 比較例に係る磁気センサにバイアス磁界が印加されていない場合の被検出磁界とＭＲ比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態２に係る磁気センサの構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る磁気センサ素子に外部磁界が印加されていない状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態２に係る磁気センサ素子に外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態２に係る磁気センサ素子に図１４に示される外部磁界よりも大きい外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態２に係る磁気センサ素子に図１５に示される外部磁界よりも大きい外部磁界が印加されている状態における磁気センサ素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 実施の形態２に係る磁気センサ素子にバイアス磁界が印加されていない場合の被検出磁界とＭＲ比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態２に係る磁気センサ素子に１５０Ｏｅのバイアス磁界が印加された場合の被検出磁界とＭＲ比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態３に係る磁気センサの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態４に係る磁気センサの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態４に係る磁気センサの構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る磁気センサの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態６に係る磁気センサの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態６の変形例に係る磁気センサの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態７に係る磁気センサ装置の構成を概略的に示す側面図である。 実施の形態７に係る磁気センサ装置の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態７に係る磁気センサ装置の構成および磁力線を概略的に示す側面図である。 実施の形態７の変形例に係る磁気センサ装置の構成および磁力線を概略的に示す側面図である。 被検出物がない状態における実施の形態７に係る磁気センサ装置の第１磁気センサ素子に印加された磁力線を概略的に示す側面図である。 被検出物がない状態における実施の形態７に係る磁気センサ装置の第２磁気センサ素子に印加された磁力線を概略的に示す側面図である。 被検出物が接近した状態における実施の形態７に係る磁気センサ装置の第１磁気センサ素子に印加された磁力線を概略的に示す側面図である。 被検出物が接近した状態における実施の形態７に係る磁気センサ装置の第２磁気センサ素子に印加された磁力線を概略的に示す側面図である。 被検出物が遠ざかるように移動した状態における実施の形態７に係る磁気センサ装置の第１磁気センサ素子に印加された磁力線を概略的に示す側面図である。 被検出物が遠ざかるように移動した状態における実施の形態７に係る磁気センサ装置の第２磁気センサ素子に印加された磁力線を概略的に示す側面図である。 実施の形態８に係る磁気センサ装置の構成を概略的に示す上面図である。

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１～図４を用いて、実施の形態１に係る磁気センサ素子２および磁気センサ１００の構成を説明する。

図１に示されるように、磁気センサ１００は、基板１と、磁気センサ素子２とを含んでいる。基板１には、磁気センサ素子２が電気的に接続されている。基板１は、例えば、熱酸化シリコンが設けられたシリコン基板、石英基板である。基板１は、例えば、ウエハプロセスに用いられるものであってもよい。

磁気センサ素子２は、被検出物の被検出磁界５０１（磁気パターン）を検知するための磁気センサ素子である。磁気センサ素子２は、バイアス磁界４０１および被検出磁界５０１が印加されるように構成されている。バイアス磁界４０１は、後述される外部磁界生成部によって生成される磁界である。バイアス磁界４０１および被検出磁界５０１は、外部磁界６０１である。

図２に示されるように、磁気センサ素子２は、ピン層２１と、第１非磁性層２２と、第１磁性層２３と、フリー層２４とを備えている。本実施の形態において、磁性層は、トンネリング効果を利用したトンネル絶縁膜２５をさらに備えている。

本実施の形態において、ピン層２１、第１非磁性層２２、第１磁性層２３、トンネル絶縁膜２５およびフリー層２４は、順に積層されている。ピン層２１、第１非磁性層２２、第１磁性層２３、トンネル絶縁膜２５およびフリー層２４は、例えば、スパッタリング法による成膜によって形成されている。例えば、トンネル絶縁膜２５、第１磁性層２３、第１非磁性層２２およびピン層２１は、フリー層２４の上に順に形成される。例えば、第１非磁性層２２、第１磁性層２３、トンネル絶縁膜２５およびフリー層２４は、ピン層２１の上に順に形成されてもよい。

図１および図３に示されるように、ピン層２１は、固着した磁化の向き２１１を有している。外部磁界６０１が印加されていない状態において、重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、ピン層２１の磁化の向き２１１は、フリー層２４の磁化の向き２４１と直交している。

本実施の形態において、外部磁界６０１が磁気センサ素子２に印加されていない状態におけるピン層２１の磁化の向き２１１がＹ軸方向ＤＲ２である。第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向がＺ軸方向ＤＲ３である。Ｙ軸方向ＤＲ２およびＺ軸方向ＤＲ３の各々に交差する方向がＸ軸方向ＤＲ１である。

図示されないが、ピン層２１は、互いに接合された反強磁性膜および強磁性膜を含んでいる。反強磁性膜は、例えば、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）である。強磁性膜は、例えば、コバルト白金（ＣｏＰｔ）である。反強磁性膜および強磁性膜が互いに接合されることで、強磁性膜の磁化の向きが反響磁性膜の接合面における磁化の向きに固定される。このため、ピン層２１の磁化の向き２１１は固定されている。ピン層２１には、強磁界中において、反強磁性膜のブロッキング温度以上の温度によって熱処理が施される。熱処理が施されたピン層２１は、冷却される。これにより、ピン層２１の磁化の向き２１１は、熱処理が施された際に印加されていた強磁界の向きに固定される。

第１非磁性層２２は、ピン層２１に重ねられている。第１非磁性層２２は、ピン層２１および第１磁性層２３に接触している。第１非磁性層２２の材料は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）である。

第１磁性層２３は、ピン層２１とで第１非磁性層２２を挟み込んでいる。このため、ピン層２１および第１磁性層２３は、間接交換相互作用によって結合されている。具体的には、間接交換相互作用によるピン層２１と第１磁性層２３との結合強度は、ピン層２１と第１磁性層２３との距離（第１非磁性層２２の厚み）に応じて余弦関数的に変動（振動）する。言い換えると、第１非磁性層２２の膜厚が制御されることによって、間接交換相互作用による結合の強度が制御される。

間接交換相互作用によるピン層２１と第１磁性層２３との結合の向きは、ピン層２１と第１磁性層２３との距離（第１非磁性層２２の厚み）に応じて余弦関数的に変動（振動）する。言い換えると、第１非磁性層２２の膜厚が制御されることによって、間接交換相互作用による結合の向きが制御される。望ましくは、間接交換相互作用によるピン層２１と第１磁性層との結合の向きが平行または反平行になるように、第１非磁性層２２の膜厚が制御される。例えば、第１非磁性層２２が厚み０．４ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）である場合、間接交換相互作用による結合の向きは平行である。また、第１非磁性層２２が厚み０．９ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）である場合、間接交換相互作用による結合の向きは反平行である。

本実施の形態において、第１非磁性層２２は、厚み０．９ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）である。このため、外部磁界６０１が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、ピン層２１の磁化の向き２１１に対して逆（反平行）である。なお、後述されるように、外部磁界６０１が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、ピン層２１の磁化の向き２１１と同じ（平行）であってもよい。

第１磁性層２３は、ピン層２１よりも外部磁界６０１によって変化しやすい磁化の向きを有している。第１磁性層２３の材料は、例えば、トンネル絶縁膜２５の材料が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である場合に高いＭＲ比（ＭＲ比：Magneto Resistance ratio）を有するコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）である。第１磁性層２３の材料は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）であってもよい。

フリー層２４は、第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）に沿って配置されている。フリー層２４は、ピン層２１よりも外部磁界６０１によって変化しやすい磁化の向きを有している。フリー層２４の磁化容易軸の向き（磁化の向き２４１）は、ピン層２１の磁化の向き２１１を固定する方法と同様の方法によって設定される。

望ましくは、フリー層２４の材料は、例えば、トンネル絶縁膜２５の材料が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である場合に高いＭＲ比（ＭＲ比：Magneto Resistance ratio）を有するコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）である。フリー層２４の材料は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）であってもよい。フリー層２４の材料は、フリー層２４が外部磁界６０１（図４参照）に対して鋭敏に反応する材料であれば、適宜に決められてもよい。フリー層２４の材料は、軟磁性体としての特性を有する磁性体であってもよい。軟磁性体として特性を有する材料は、例えば、パーマロイと呼ばれるニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、アモルファス軟磁性体であるコバルト鉄シリコンボロン（ＣｏＦｅＳｉＢ）等である。

第１磁性層２３およびフリー層２４は、トンネル絶縁膜２５を挟み込んでいる。トンネル絶縁膜２５は、第１磁性層２３およびフリー層２４に接触している。トンネル絶縁膜２５の材料は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。トンネル絶縁膜２５の材料は、例えば、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）であってもよい。トンネル絶縁膜２５は、金属膜がスパッタリングによって成膜された後に自然酸化されることで形成されてもよい。

本実施の形態に係る磁気センサ素子２は、ＴＭＲ素子（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance）として構成されている。ＴＭＲ素子である磁気センサ素子２の抵抗値は、トンネル絶縁膜２５を挟み込む第１磁性層２３およびフリー層２４の角度差によって定まる。第１磁性層２３の磁化の向き２３１およびフリー層２４の磁化の向き２４１の角度差がθであり、トンネル絶縁膜２５のトンネルスピン分極率がαである場合、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒは式（１）によって示される。

Ｒ＝Ｒ０／（１＋αｃｏｓθ） 式（１）
次に、図３～図５を用いて、実施の形態１に係る磁気センサ素子２の動作を説明する。

図３では、磁気センサ素子２には、外部磁界６０１（図４参照）が印加されていない。外部磁界６０１が印加されていない状態において、ピン層２１の磁化の向き２１１は、Ｙ軸正方向に平行である。外部磁界６０１が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、Ｙ軸正方向に平行または反平行である。図３では、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、Ｙ軸正方向に反平行である。外部磁界６０１が印加されていない状態において、ピン層２１の磁化の向き２１１は、Ｘ軸正方向に平行である。

本実施の形態において、外部磁界６０１が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１とフリー層２４の磁化の向き２４１との角度差θは、９０°に設定されている。すなわち、外部磁界６０１が印加されていない状態において、重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、ピン層２１の磁化の向き２１１は、フリー層２４の磁化の向き２４１と直交するように設定されている。外部磁界６０１が印加されていない状態において、上記の式（１）より、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒは、Ｒ０である。

図４では、磁気センサ素子２には、外部からの磁界としてＸ軸正方向に平行な外部磁界６０１が印加されている。磁気センサ素子２には、例えば、５０Ｏｅ（１０００／（４π）Ａ／ｍ）の外部磁界６０１が印加されている。ピン層２１の磁化の向き２１１および第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、外部磁界６０１によって変化する。具体的には、ピン層２１の磁化の向き２１１および第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、Ｘ軸方向ＤＲ１に向かって回転する。

より詳細には、ピン層２１の磁化の向き２１１が固着されていることにより、ピン層２１は単磁区である。このため、Ｘ軸方向ＤＲ１に平行な外部磁界６０１に対するピン層２１の磁化は、磁化の向き２１１の回転として生じる。言い換えると、ピン層２１の磁化の向き２１１に直交した向き（Ｙ軸方向ＤＲ２）の外部磁界６０１がピン層２１に印加されることで、ピン層２１の磁化の向き２１１は回転する。ピン層２１と同様に、第１磁性層２３に外部磁界６０１が印加されることで、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は回転する。なお、フリー層２４の磁化容易軸方向と外部磁界６０１の向きとは平行であるため、フリー層２４の磁化の向き２４１はＸ軸方向ＤＲ１（外部磁界６０１の向き）に固定されたままである。

なお、ピン層２１の異方性磁界と第１磁性層２３の異方性磁界とが異なっているため、ピン層２１の磁化の向き２１１の回転しやすさと第１磁性層２３の磁化の向き２３１の回転しやすさとは異なっている。望ましくは、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、ピン層２１の磁化の向き２１１よりも回転しやすい。

以上より、磁気センサ素子２に外部磁界６０１が印加されることで、ピン層２１の磁化の向き２１１および第１磁性層２３の磁化の向き２３１は回転し、フリー層２４の磁化の向き２４１は回転しない。このため、第１磁性層２３の磁化の向き２３１とフリー層２４の磁化の向き２４１との角度差θは、９０°よりも小さくなる。このため、式（１）から、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒは、Ｒ０よりも減少する。

図５では、磁気センサ素子２には、図４に示されたよりも大きい外部磁界６０１が印加されている。外部磁界６０１の磁界強度の増加に伴って、第１磁性層２３およびフリー層２４が回転する。これにより、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、Ｘ軸方向ＤＲ１（外部磁界６０１の向き）と一致する。また、第１磁性層２３の磁化の向き２３１とフリー層２４の磁化の向き２４１とが平行になる。このため、式（１）から、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒは、Ｒ０／（１＋α）になる。なお、抵抗値Ｒは、第１磁性層２３の磁化の向き２３１とフリー層２４の磁化の向き２４１とが平行になったときに最小値となる。

以上より、磁気センサ素子２は、磁気センサ素子２に印加される外部磁界６０１が０Ｏｅから大きくなるにつれて抵抗値Ｒが小さくなるように構成されている。また、磁気センサ素子２は、磁気センサ素子２に印加される外部磁界６０１が０Ｏｅから小さくなるにつれて抵抗値Ｒが小さくなるように構成されている。言い換えると、磁気センサ素子２は、外部磁界６０１が０Ｏｅにおいて抵抗値Ｒが最大となり、かつ外部磁界６０１が０Ｏｅから離れるにつれて抵抗値Ｒが小さくなるように構成されている。磁気センサ素子２の抵抗値は、外部磁界６０１に対して０Ｏｅを中心とした対称な特性を有している。

次に、図６および図７を用いて、バイアス磁界４０１による動作を説明する。
被検出磁界５０１は、０Ｏｅを中心とした振幅を有する信号である。被検出磁界５０１の振幅は、例えば、５Ｏｅである。このため、図６に示されるように、仮に磁気センサ素子２にバイアス磁界４０１が印加されないことにより磁気センサ素子２の抵抗値が被検出磁界５０１が０Ｏｅのときに最大になる場合、被検出磁界５０１の振幅内において、ある１つの抵抗値に対して正負の２つの被検出磁界５０１が対応することがある。よって、仮に磁気センサ素子２にバイアス磁界４０１が印加されないことにより磁気センサ素子２の抵抗値が被検出磁界５０１が０Ｏｅのときに最大になる場合、被検出磁界５０１が正確に検出されないことがある。

これに対して、図７に示されるように、本実施の形態では、磁気センサ素子２にバイアス磁界４０１が印加されることで、磁気センサ素子２の磁界－抵抗の特性は、バイアス磁界４０１の磁界強度分負方向にシフトされる。言い換えると、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒが最大となる磁界強度が０Ｏｅからバイアス磁界４０１の磁界強度分負方向にシフトされる。バイアス磁界４０１の磁界強度は、被検出磁界５０１の振幅よりも大きい。これにより、被検出磁界５０１の強度は、磁気センサ素子２の抵抗値に対して一対一に対応する。

バイアス磁界４０１の磁界強度は、例えば、８０Ｏｅである。バイアス磁界４０１の磁界強度が８０Ｏｅである場合、被検出磁界５０１の磁界強度が－８０Ｏｅであるときに磁気センサ素子２の抵抗値が最大になる。バイアス磁界４０１の磁界強度が８０Ｏｅである場合、例えば、被検出磁界５０１の磁界強度が２０Ｏｅ以上１５０Ｏｅの範囲において、磁気センサ素子２の抵抗値の変化が大きい。すなわち、バイアス磁界４０１の磁界強度が８０Ｏｅである場合、被検出磁界５０１の磁界強度が２０Ｏｅ以上１５０Ｏｅの範囲において、磁気センサ素子２の感度が高い。

次に、図８～図１０を用いて、実施の形態１の変形例に係る磁気センサ素子２の構成を説明する。

図８に示されるように、実施の形態１の変形例に係る磁気センサ素子２では、外部磁界６０１が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、ピン層２１の磁化の向き２１１と同じ（平行）である。図８～図１０に示されるように、外部磁界６０１が印加されていない状態において第１磁性層２３の磁化の向き２３１がピン層２１の磁化の向き２１１と同じ（平行）である場合も、第１磁性層２３の磁化の向き２３１がピン層２１の磁化の向き２１１と逆（反平行）である場合と同様に、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は外部磁界６０１によってＸ軸方向ＤＲ１に平行になる。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ素子２によれば、図３に示されるように、ピン層２１および第１磁性層２３は、間接交換相互作用によって結合されている。このため、第１磁性層２３の磁化の向き２３１の回転に必要な印加磁界の強度をフリー層２４が単体で回転する場合の印加磁界の強度である異方性磁界強度よりも大きくすることができる。よって、磁気センサ素子２が測定可能な磁界強度の上限をフリー層２４の異方性磁界強度よりも大きくすることができる。したがって、ダイナミックレンジを十分に大きくすることができる。

図３に示されるように、第１磁性層２３およびフリー層２４は、トンネル絶縁膜２５を挟み込んでいる。このため、磁気センサ素子２をスピンバルブ型のＴＭＲ素子として構成することができる。よって、磁気センサ素子２の感度が向上する。

図３に示されるように、外部磁界６０１（図４参照）が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、ピン層２１の磁化の向き２１１と同じおよびピン層２１の磁化の向き２１１に対して逆のいずれかである。このため、外部磁界６０１が印加されていない状態において、ピン層２１と第１磁性層２３との間接交換相互作用による結合強度を大きくすることができる。したがって、ダイナミックレンジをさらに大きくすることができる。

図３に示されるように、外部磁界６０１（図４参照）が印加されていない状態において、重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、ピン層２１の磁化の向き２１１は、フリー層２４の磁化の向き２４１と直交している。このため、外部磁界６０１が印加されていない状態におけるピン層２１の磁化の向き２１１とフリー層２４の磁化の向き２４１との角度差θを大きくすることができる。よって、ピン層２１の磁化の向き２１１とフリー層２４の磁化の向き２４１とが同じになるために必要な外部磁界６０１の強度を大きくすることができる。したがって、ダイナミックレンジをさらに大きくすることができる。

本実施の形態に係る磁気センサ素子２と、被検出磁界５０１に直交するバイアス磁界４０１が印加される比較例に係る磁気センサ素子とを比較しながら、本実施の形態に係る磁気センサ素子２の効果を説明する。なお、比較例に係る磁気センサ素子は、特に言及しない限り本実施の形態に係る磁気センサ素子２と同様の構成を有している。

比較例に係る磁気センサ素子は、Ｙ軸方向ＤＲ２に沿った外部磁界６０１が印加されるように構成されている。図１１に示されるように、比較例に係る磁気センサ素子では、外部磁界６０１の強度の増加に伴い、第１磁性層２３の磁化方向は反平行から平行の状態に遷移するが、一定の強度よりも低い範囲では反平行のまま維持される。このため、フリー層２４の磁化の向き２４１によって磁気センサ素子２の抵抗値が定まる。すなわち、フリー層２４の異方性磁界強度が磁気センサ素子２の抵抗値変化が起こる磁界強度の範囲である。フリー層２４の異方性磁界強度によって定まる磁界強度の範囲は、例えば、－５Ｏｅ以上５Ｏｅ以下である。したがって、５Ｏｅ以上の外部磁界６０１が磁気センサ素子２に印加された場合、磁気センサ素子２の出力が飽和し得る。５Ｏｅ以上のＹ軸方向ＤＲ２に沿った被検出磁界５０１は出力が飽和し得る。さらに、５Ｏｅ以上のＹ軸方向ＤＲ２に沿ったバイアス磁界４０１が印加された場合、被検出磁界５０１がどのような方向であっても出力が飽和し得る。

これに対して、本実施の形態では、図４および図７に示されるように、磁気センサ素子２には、Ｘ軸方向ＤＲ１に沿った外部磁界６０１が印加されるように構成されている。このため、Ｘ軸方向ＤＲ１に沿ったバイアス磁界４０１の磁界強度の増加に対して、Ｙ軸方向ＤＲ２に沿ったピン層２１の磁化の向き２１１および第１磁性層２３の磁化の向き２３１がＸ軸方向ＤＲ１に沿うように徐々に変化することができる。よって、第１磁性層２３の磁化の向き２３１とフリー層２４の磁化の向き２４１とが徐々に変化することができる。これにより、磁気センサ素子２の抵抗も徐々に変化することができる。したがって、磁気センサ素子２の抵抗の変化が上限に達するまでに必要な外部磁界を大きくすることができる。すなわち、磁気センサ素子２のダイナミックレンジを大きくすることができる。

さらに、比較例では、最も高い感度の０Ｏｅ磁場においてフリー層２４が複数の磁区に分かれる。このため、測定範囲での磁界の変化に対する抵抗変化は、フリー層２４の磁区構造の変化によって引き起こされる。磁区構造の変化によって、ヒステリシスが生じることがある。よって、磁気センサ１００の出力にもヒステリシスが生じることがある。

これに対して、本実施の形態では、第１磁性層２３およびフリー層２４が単磁区であり、かつ第１磁性層２３の磁化の向き２３１の回転によって抵抗値が定まるため、ヒステリシスが生じることを抑制することができる。

実施の形態２．
次に、図１２および図１３を用いて、実施の形態２に係る磁気センサ素子２の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１２および図１３に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ素子２は、第２磁性層２６と、第２非磁性層２７とをさらに備えている。ピン層２１、第１非磁性層２２、第１磁性層２３、トンネル絶縁膜２５、第２磁性層２６、第２非磁性層２７およびフリー層２４は、順に積層されている。

第２磁性層２６は、第１磁性層２３に対してピン層２１とは反対側に配置されている。第２磁性層２６は、第１磁性層２３とでトンネル絶縁膜２５を挟み込んでいる。第２磁性層２６は、フリー層２４とで第２非磁性層２７を挟み込んでいる。第２磁性層２６の材料は、第１磁性層２３の材料と同じであってもよい。第２磁性層２６の材料は、例えば、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）等である。

第２磁性層２６の磁化の向き２６１は、フリー層２４の磁化の向き２４１とは逆である。第２磁性層２６の磁化の向き２６１は、Ｘ軸方向ＤＲ１の負方向を向いている。

第２非磁性層２７は、フリー層２４および第２磁性層２６に接触して挟み込まれている。第２非磁性層２７の材料は、第１非磁性層２２の材料と同じであってもよい。第１非磁性層２２の材料は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）である。第１非磁性層２２の材料は、第１非磁性層２２を挟み込んでいる部材（フリー層２４および第２磁性層２６）に対して間接交換相互作用を生じさせる材料であることが望ましい。

次に、図１３～図１６を用いて、実施の形態２に係る磁気センサ素子２の動作を説明する。

本実施の形態に係る磁気センサ素子２の抵抗値は、第１磁性層２３の磁化の向き２３１と第２磁性層２６の磁化の向き２６１の角度差θによって定まる。図１３に示されるように、外部磁界６０１が印加されていない状態において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１と第２磁性層２６の磁化の向き２６１との角度差θは９０°であるため、式（１）より、抵抗値ＲはＲ０である。

図１４に示されるように、磁気センサ素子２に、例えば、５０Ｏｅのバイアス磁界４０１（外部磁界６０１）が印加される。バイアス磁界４０１が５０Ｏｅ印加された状態においても、第２磁性層２６の磁化の向き２６１は、Ｘ軸負方向を向いた状態で維持される。これは、外部磁界６０１に沿った磁化の向きを有するフリー層２４と第２非磁性層２７を介して間接交換相互作用によって結合している第２磁性層２６は、外部磁界６０１に対して容易軸的に振る舞うためである。言い換えると、第２磁性層２６は、磁化反転に対して大きなヒステリシスを有している。このため、第２磁性層２６の磁化の向きは、第１磁性層２３の磁化の向きよりも遅れて回転する。

これに対して、第１磁性層２３の磁化の向き２３１は、外部磁界６０１の増加に伴って、外部磁界６０１に沿う方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に向かって回転する。このため、第１磁性層２３の磁化の向き２３１と第２磁性層２６の磁化の向き２６１の角度差θは、大きくなる。よって、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒは、Ｒ０よりも大きくなる。

続いて、図１５に示されるように、磁気センサ素子２に例えば、３００Ｏｅのバイアス磁界４０１（外部磁界６０１）が印加される。これにより、第２磁性層２６の磁化の向き２６１は、バイアス磁界４０１に沿う方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）に向かって回転する。これにより、第１磁性層２３の磁化の向き２３１と第２磁性層２６の磁化の向き２６１との角度差θは１８０°になる。よって、式（１）より、抵抗値Ｒは、最大であるＲ０／（１－α）になる。

続いて、図１６に示されるように、磁気センサ素子２に例えば、３００Ｏｅよりも大きいバイアス磁界４０１（外部磁界６０１）が印加される。これにより、第２磁性層２６の磁化の向き２６１は、バイアス磁界４０１に平行になる。第１磁性層２３の磁化の向き２３１、フリー層２４の磁化の向き２４１および第２磁性層２６の磁化の向き２６１の全ては、バイアス磁界４０１に平行になる。

第２磁性層２６の磁化の向き２６１が外部磁界６０１に沿って回転する過程において、第１磁性層２３の磁化の向き２３１と第２磁性層２６の磁化の向き２６１との角度差θが小さくなる。このため、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒが減少する。最終的に、角度差θが０°になることで、抵抗値Ｒは最小であるＲ０／（１＋α）になる。

具体的には、図１７に示されるように、０Ｏｅから３００Ｏｅにおいて、磁気センサ素子２の抵抗値が増加する。また、３００Ｏｅから７００Ｏｅにおいて、磁気センサ素子２の抵抗値が減少する。０Ｏｅから－３００Ｏｅにおいて、磁気センサ素子２の抵抗値が増加する。また、－３００Ｏｅから－７００Ｏｅにおいて、磁気センサ素子２の抵抗値が減少する。したがって、磁気センサ素子２の特性は、Ｍ字状である。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、図１８に示されるように、磁気センサ素子２の動作時に磁気センサ素子２にバイアス磁界４０１が印加される。例えば、１５０Ｏｅのバイアス磁界４０１が磁気センサ素子２に印加される。なお、１５０Ｏｅのバイアス磁界４０１が印加された場合、３００Ｏｅ以上７００Ｏｅ以下の領域において第２磁性層２６が容易軸的な振る舞いをするため、ヒステリシスが大きい。このため、３００Ｏｅ以上７００Ｏｅ以下の領域は、磁気センサ素子２の利用に適さない。

なお、第１非磁性層２２の厚みが、フリー層２４の磁化の向き２４１と第１磁性層２３の磁化の向き２３１とが同じ向き（平行）の状態でフリー層２４と第１磁性層２３とを間接交換相互作用によって結合させる厚みである場合、第２磁性層２６はフリー層２４と同様に動作する。言い換えると、第１非磁性層２２の厚みが、フリー層２４の磁化の向き２４１と第１磁性層２３の磁化の向き２３１とが同じ向き（平行）の状態でフリー層２４と第１磁性層２３とを間接交換相互作用によって結合させる厚みである場合、磁気センサ素子２は実施の形態１と同様に動作する。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ素子２によれば、図１３に示されるように、第２磁性層２６は、フリー層２４とで第２非磁性層２７を挟み込んでいる。第２磁性層２６の磁化の向き２６１は、フリー層２４の磁化の向き２４１とは逆である。このため、磁気センサ素子２への外部磁界６０１の印加に対する磁気センサ素子２の抵抗値の変化の特性が、第２非磁性層２７および第２磁性層２６を含んでいない場合（実施の形態１）と比べて逆である。よって、第２非磁性層２７および第２磁性層２６を加えるという素子形成プロセスの追加のみによって、磁気センサ素子２の特性を大きく変更することができる。

実施の形態３．
次に、図１９を用いて、実施の形態３に係る磁気センサ素子２の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１９に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ素子２では、第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、ピン層２１、第１非磁性層２２および第１磁性層２３の各々の形状は、円形である。このため、ピン層２１および第１磁性層２３の面内方向（Ｘ軸方向ＤＲ１およびＹ軸方向ＤＲ２）において、ピン層２１および第１磁性層２３は単磁区である。また、ピン層２１および第１磁性層２３の面直方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）において、ピン層２１および第１磁性層２３は困難軸である。なお、ピン層２１、第１磁性層２３および第１磁性層２３の各々の形状は、真円に限られず、楕円形であってもよい。また、ピン層２１、第１磁性層２３および第１磁性層２３の各々の形状は、ラウンドした角部を有する矩形であってもよい。

第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、第２非磁性層２７、第２磁性層２６およびフリー層２４の形状は、矩形である。矩形の長辺は、外部磁界６０１（図４参照）の向きに沿って延在している。

第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、トンネル絶縁膜２５の形状は、円形であってもよいし矩形であってもよい。

図１９では、Ｚ軸方向ＤＲ３から見て、ピン層２１および第１磁性層２３は、フリー層２４よりも小さいが、フリー層２４よりも大きくてもよい。なお、Ｚ軸方向ＤＲ３から見てピン層２１および第１磁性層２３がフリー層２４よりも大きい場合には、半導体プロセスによって磁気センサ素子２を容易に形成することができる。

図１９では、下部（フリー層２４）から上部（ピン層２１）に向かって積層されることで磁気センサ素子２が製造されているため、下部（フリー層２４）が矩形であり上部（ピン層２１）が円形である。積層の順序が逆である場合には、円形の部材および矩形の部材の配置も逆であることが望ましい。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ素子２によれば、図１９に示されるように、第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、ピン層２１および第１磁性層２３の各々の形状は、円形である。このため、ピン層２１および第１磁性層２３の面内方向（Ｘ軸方向ＤＲ１およびＹ軸方向ＤＲ２）において、ピン層２１および第１磁性層２３は単磁区である。よって、ピン層２１および第１磁性層２３の面内方向（Ｘ軸方向ＤＲ１およびＹ軸方向ＤＲ２）において、どの方向に対してもピン層２１および第１磁性層２３の磁化の向き２３１の外部磁界６０１（図４参照）に対する回転しやすさは同じである。したがって、磁気センサ素子２のヒステリシスを低減することができる。

図１９に示されるように、第１非磁性層２２がピン層２１に重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）から見て、フリー層２４の形状は、矩形である。矩形の長辺は、外部磁界６０１（図４参照）の向きに沿って延在している。一般に、磁性体の形状のアスペクト比は、磁性体の磁気特性に影響を与える。具体的には、矩形の磁性体の容易軸の方向は、長辺方向である。また、矩形の磁性体の困難軸の方向は、短辺方向である。このため、矩形の磁性体は、矩形の短辺方向よりも長辺方向に沿って磁化しやすい。よって、磁性体の保持力は、矩形の短辺方向よりも長辺方向に沿って大きくなる。本実施の形態において、矩形の長辺が外部磁界６０１の向きに沿って延在しているため、フリー層２４は外部磁界６０１が印加される方向に沿って容易軸を有している。このため、フリー層２４の保持力が増加する。よって、フリー層２４の磁化の向き２４１がさらに固定され得る。したがって、フリー層２４の磁化の向き２４１を安定させることができる。

さらに、磁気センサ素子２が第２磁性層２６をさらに含んでいる場合には、第１磁性層２３の磁化方向の反転によって、第２磁性層２６の磁化反転は高い保磁力を有している。このため、磁気センサ素子２の抵抗値が増加する測定可能領域を広くすることができる。

実施の形態４．
次に、図２０および図２１を用いて、実施の形態４に係る磁気センサ素子２および磁気センサ１００の構成を説明する。実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２０に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ素子２のピン層２１は、第１ピン部２１ａと、第２ピン部２１ｂとを含んでいる。第１ピン部２１ａとは第２ピン部２１ｂとは、フリー層２４に対して同じ側に配置されている。第１非磁性層２２は、第１非磁性部２２ａと、第２非磁性部２２ｂとを含んでいる。第１磁性層２３は、第１磁性部２３ａと、第２磁性部２３ｂとを含んでいる。トンネル絶縁膜２５は、第１トンネル絶縁部２５ａと、第２トンネル絶縁部２５ｂとを含んでいる。第１トンネル絶縁部２５ａおよび第２トンネル絶縁部２５ｂは、第２磁性層２６の同一の面に接続されている。望ましくは、第１トンネル絶縁部２５ａおよび第２トンネル絶縁部２５ｂは、第２非磁性層２７の長手方向に沿って並べられている。この場合、第１トンネル絶縁部２５ａおよび第２トンネル絶縁部２５ｂを第２非磁性層２７上に配置しやすい。

第１ピン部２１ａ、第１非磁性部２２ａ、第１磁性部２３ａおよび第１トンネル絶縁部２５ａは、順に積層されている。第２ピン部２１ｂ、第２非磁性部２２ｂ、第２磁性部２３ｂおよび第２トンネル絶縁部２５ｂは、順に積層されている。第１トンネル絶縁部２５ａおよび第２トンネル絶縁部２５ｂは、第２磁性層２６の上に積層されている。

説明の便宜のため、積層された第１ピン部２１ａ、第１非磁性部２２ａ、第１磁性部２３ａおよび第１トンネル絶縁部２５ａを第１の上部構成Ｕ１と呼ぶ。説明の便宜のため、積層された第２ピン部２１ｂ、第２非磁性部２２ｂ、第２磁性部２３ｂおよび第２トンネル絶縁部２５ｂを第２の上部構成Ｕ２と呼ぶ。説明の便宜のため、積層された第２磁性層２６、第２非磁性層２７およびフリー層２４を下部構成Ｌ１と呼ぶ。第１の上部構成Ｕ１および第２の上部構成Ｕ２の各々は、下部構成Ｌ１上に配置されている。下部構成Ｌ１の上面視における形状は矩形であるが、下部構成Ｌ１の形状はオーバーエッチングによって部分的に曲線形状を含んでいてもよい。

次に、図２１を用いて、実施の形態４に係る磁気センサ１００の構成を説明する。
図２１に示されるように、磁気センサ１００は、基板１と、磁気センサ素子２と、配線部材３とを含んでいる。配線部材３は、第１配線部３１と、第２配線部３２とを含んでいる。第１配線部３１は、第１ピン部２１ａに電気的に接続されている。第２配線部３２は、第２ピン部２１ｂに電気的に接続されている。磁気センサ１００は、電流を第１配線部３１、第１の上部構成Ｕ１、下部構成Ｌ１および第２の上部構成Ｕ２および第２配線部３２の順に流すように構成されている。このため、第１の上部構成Ｕ１と第２の上部構成Ｕ２とは、直列に電気的に接続されている。

本実施の形態において、磁気センサ素子２の抵抗値Ｒは、第１磁性部２３ａの磁化の向きとフリー層２４の磁化の向き２４１との相対角度および第２磁性部２３ｂの磁化の向きとフリー層２４の磁化の向き２４１との相対角度によって定まる。本実施の形態では、被検出磁界５０１の強度の空間分布に対して、第１磁性部２３ａの磁化の向きおよび第２磁性部２３ｂの強度が小さい。このため、第１磁性部２３ａの磁化の向きとフリー層２４の磁化の向き２４１との相対角度および第２磁性部２３ｂの磁化の向きとフリー層２４の磁化の向き２４１との相対角度とは、同じである。よって、電流が第１トンネル絶縁部２５ａを通過する際の抵抗値は、電流が第２トンネル絶縁部２５ｂを通過する際の抵抗値と同じである。したがって、本実施の形態に係る磁気センサ装置１０００では、１つの磁気センサ素子２によって、２つの磁気センサ素子２が直列に電気的に接続されたものと同一の効果が得られる。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ素子２によれば、図２０に示されるように、第１ピン部２１ａとは第２ピン部２１ｂとは、フリー層２４に対して同じ側に配置されている。このため、第１配線部３１および第２配線部３２の各々をフリー層２４に対して同じ側において、第１ピン部２１ａおよび第２ピン部２１ｂの各々にそれぞれ電気的に接続することができる。よって、第１配線部３１と第２配線部３２とが磁気センサ素子２を挟み込むように電気的に接続される場合よりも、配線の工程を低減することができる。したがって、磁気センサ装置１０００のコストを低減することができる。

より詳細には、仮に下部構成Ｌ１に電極４が接続される場合には、トンネル絶縁膜２５が下部構成Ｌ１に積層される前に配線部材３が下部構成Ｌ１に電気的に接続されることがある。この場合、磁気センサ素子２の製造工程の増加、配線部材３の接続による下部構成Ｌ１のウエハ面の粗面化、配線部材３の接続による下部構成Ｌ１の汚染等によって、下部構成Ｌ１の膜質が低下する可能性がある。また、仮に下部構成Ｌ１に電極４が接続される場合には、下部構成Ｌ１とピン層２１とがコンタクトされることがある。この場合、下部構成Ｌ１にさらにコンタクト用の領域を設ける必要がある。以上より、仮に下部構成Ｌ１に電極４が接続される場合には、磁気センサ素子２の製造コストが増加する。これに対して、本実施の形態では、第１ピン部２１ａおよび第２ピン部２１ｂの各々に電極４が接続されるため、配線の工程を低減することができる。このため、磁気センサ素子２の製造コストの増加を抑制することができる。

実施の形態５．
次に、図２２を用いて、実施の形態５に係る磁気センサ１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態４と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態４と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２２に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ１００は、基板１と、磁気センサ素子２と、配線部材３と、電極４とを含んでいる。磁気センサ素子２は、複数設けられている。基板１には、複数の磁気センサ素子２が接続されている。複数の磁気センサ素子２同士は、基板１上において互いに電気的に接続されている。すなわち、複数の磁気センサ素子２は、アレイとして構成されている。

本実施の形態では、第１の磁気センサ素子２０１ａ～第９の磁気センサ素子２０１ｉが設けられている。第１の磁気センサ素子２０１ａ～第３の磁気センサ素子２０１ｃは、Ｘ軸方向ＤＲ１に沿って配置されている。第１の磁気センサ素子２０１ａ～第３の磁気センサ素子２０１ｃは、直列に電気的に接続されている。第４の磁気センサ素子２０１ｄ～第６の磁気センサ素子２０１ｆは、Ｘ軸方向ＤＲ１に沿って配置されている。第４の磁気センサ素子２０１ｄ～第６の磁気センサ素子２０１ｆは、直列に電気的に接続されている。第７の磁気センサ素子２０１ｇ～第９の磁気センサ素子２０１ｉは、Ｘ軸方向ＤＲ１に沿って配置されている。第７の磁気センサ素子２０１ｇ～第９の磁気センサ素子２０１ｉは、直列に電気的に接続されている。第１の磁気センサ素子２０１ａ～第３の磁気センサ素子２０１ｃ、第４の磁気センサ素子２０１ｄ～第６の磁気センサ素子２０１ｆおよび第７の磁気センサ素子２０１ｇ～第９の磁気センサ素子２０１ｉは、Ｙ軸方向ＤＲ２に沿って配置されている。第１の磁気センサ素子２０１ａ～第３の磁気センサ素子２０１ｃ、第４の磁気センサ素子２０１ｄ～第６の磁気センサ素子２０１ｆおよび第７の磁気センサ素子２０１ｇ～第９の磁気センサ素子２０１ｉは、互いに並列に電気的に接続されている。望ましくは、複数の磁気センサ素子２は、複数の磁気センサ素子２の各々の長手方向が同じ方向に沿うように配置されている。なお、磁気センサ１００の角度、数および配列ならびに配線部材３による回路設計等は、上記に限られない。また、アレイの端部等の磁気センサ素子２は、配線部材３によって電気的に接続されていなくてもよい。

電極４は、第１入力電極部４１と、出力電極部４３とを含んでいる。配線部材３は、第１入力電極部４１とおよび出力電極部４３の各々に接続されている。このため、複数の磁気センサ素子２は、第１入力電極部４１とおよび出力電極部４３の間に配線されている。磁気センサ１００は、第１入力電極部４１とおよび出力電極部４３の間の複数の磁気センサ素子２の抵抗変化に基づいて磁気変化を測定するように構成されている。

配線部材３および電極４の材料は、例えば、アルミニウム－ケイ素合金（Ａｌ－Ｓｉ合金）、銅（Ｃｕ）等である。配線部材３および電極４の材料はこれらに限られず、導電性を有する薄膜であればよい。

なお、磁気センサ１００は、４つの電極４の間の複数の磁気センサ素子２の抵抗変化に基づいて磁気変化を測定するように構成されていてもよい。

次に、実施の形態５に係る磁気センサ１００の動作を説明する。
本実施の形態では、複数の磁気センサ素子２の各々に電流が流れる。このため、磁気センサ１００は、複数の磁気センサ素子２の各々の外部磁場による抵抗値Ｒの変化の和に基づいて、被検出磁界５０１を測定する。なお、複数の磁気センサ１００の各々は外部磁場の磁場勾配に対して十分に小さいため、第１磁性層２３の磁化の向き２３１とフリー層２４の磁化の向き２４１との相対角度に基づく抵抗値は、複数の磁気センサ１００の各々において同じと見なせる。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ１００によれば、図２２に示されるように、複数の磁気センサ素子２同士は、基板１上において互いに電気的に接続されている。このため、複数の磁気センサ素子２の全体の抵抗値を、複数の磁気センサ素子２によって平均化することができる。複数の磁気センサ素子２の各々に流れる電流に含まれるノイズはランダムノイズであるため、抵抗値が平均化されることによって電流に含まれるノイズを低減することができる。したがって、磁気センサ１００が検出する被検出磁界のノイズを低減することができる。

図２２に示されるように、複数の磁気センサ素子２同士は、基板１上において互いに電気的に接続されている。このため、複数の磁気センサ素子２同士を直列または並列に電気的に接続することによって、磁気センサ１００の抵抗値を変更することができる。

実施の形態６．
次に、図２３および図２４を用いて、実施の形態６に係る磁気センサ１００の構成を説明する。実施の形態６は、特に説明しない限り、上記の実施の形態５と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態５と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２３に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ１００は、複数の磁気センサ素子２を含む第１アレイ２０ａと、複数の磁気センサ素子２を含む第２アレイ２０ｂとを含んでいる。第１アレイ２０ａに流れる電流の向きは、第２アレイ２０ｂに流れる電流の向きとは逆である。

電極４は、第１入力電極部４１と、第２入力電極部４２と、出力電極部４３とを含んでいる。第１入力電極部４１は、第１アレイ２０ａの第１端に電気的に接続されている。第２入力電極部４２は、第２アレイ２０ｂの第１端に電気的に接続されている。第２入力電極部４２は、接地されていてもよい。出力電極部４３は、第１アレイ２０ａの第２端および第２アレイ２０ｂの第２端に電気的に接続されている。出力電極部４３は、第１アレイ２０ａと第２アレイ２０ｂとの間に配置されている。

なお、図２３では、第１アレイ２０ａおよび第２アレイ２０ｂはＸ軸方向ＤＲ１に沿って配置されているが、図２４に示されるようにＹ軸方向ＤＲ２に沿って配置されていてもよい。また、磁気センサ１００は、３つ以上のアレイを含んでいてもよい。

次に、実施の形態６に係る磁気センサ１００の動作を説明する。
本実施の形態において、バイアス磁界４０１は、第１バイアス磁界４０１ａおよび第２バイアス磁界４０１ｂを含んでいる。第１バイアス磁界４０１ａの向きは、第２バイアス磁界４０１ｂの向きとは逆である。第１バイアス磁界４０１ａは、Ｘ軸正方向に沿った成分を有している。第２バイアス磁界４０１ｂは、Ｘ軸負方向に沿った成分を有している。望ましくは、第１バイアス磁界４０１ａの大きさは、第２バイアス磁界４０１ｂの大きさと同じである。なお、被検出磁界５０１の向きは、Ｘ軸正方向に沿っている。

これにより、第１アレイ２０ａの抵抗値の正負は、第２アレイ２０ｂの抵抗値の正負と逆になる。また、第１アレイ２０ａの抵抗値の絶対値は、第２アレイ２０ｂの抵抗値の絶対値と同じになる。第１入力電極部４１に電圧が印加される。第２入力電極部４２が接地されているため、出力電極部４３に印加される電圧は、第１入力電極部４１に印加された電圧の半分である。

被検出磁界５０１がＸ軸正方向に沿って磁気センサ１００に印加されることで、第１アレイ２０ａに印加される外部磁界６０１の大きさは第１バイアス磁界４０１ａ単体よりも大きくなり、第２アレイ２０ｂに印加される外部磁界６０１の大きさは第２バイアス磁界４０１ｂ単体よりも小さくなる。このため、第１アレイ２０ａの抵抗値が減少し、第２アレイ２０ｂの抵抗値が増加する。よって、出力電極部４３の電圧が上昇する。なお、被検出磁界５０１がＸ軸負方向に沿って磁気センサ１００に印加された場合には、第１アレイ２０ａの抵抗値が増加し、第２アレイ２０ｂの抵抗値が減少する。よって、出力電極部４３の電圧が低下する。言い換えると、それぞれ逆の出力特性を有する第１アレイ２０ａおよび第２アレイ２０ｂがブリッジ接続されている。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ１００によれば、図２３に示されるように、磁気センサ素子２は、複数の磁気センサ素子２を含む第１アレイ２０ａと、複数の磁気センサ素子２を含む第２アレイ２０ｂとを含んでいる。このため、１つの磁気センサ素子２または１つのアレイを含んでいる場合と比べて、被検出磁界５０１が印加された場合における磁気センサ１００の抵抗値の変化が２倍になる。よって、２倍の出力電圧を得ることができる。したがって、磁気センサ１００の感度が向上する。

さらに、磁気センサ素子２が第２磁性層２６および第２非磁性層２７をさらに含んでいる場合、検出磁界の変化に対する抵抗値の変化が逆の特性になるため、出力電圧も逆の特性になる。このため、逆の特性を有する出力電圧によって被検出磁界５０１を検出することができる。

実施の形態７．
次に、図２５～図２７を用いて、実施の形態７に係る磁気センサ装置１０００の構成を説明する。実施の形態７は、特に説明しない限り、上記の実施の形態６と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態６と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２５に示されるように、磁気センサ装置１０００は、移動する被検出物７の磁気パターンを検出するための磁気センサ装置である。被検出物７は、例えば、磁気インク等の磁性体が印字された紙幣等のシート状の物体である。また、被検出物７は、例えば、微小な磁性パターンが形成された紙幣等の印刷媒体である。磁気センサ装置１０００は、被検出物７をＸ軸方向ＤＲ１に沿って移動させるように構成されている。

磁気センサ装置１０００は、磁気センサ１００と、バイアス磁界４０１（図２７参照）を生じさせるための磁界生成部６とを備えている。

図２６に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ装置１０００の磁気センサ１００は、磁界生成部６に重なるように配置されている。複数の磁気センサ素子２は、第１磁気センサ素子２ａと、第２磁気センサ素子２ｂとを含んでいる。第１磁気センサ素子２ａと第２磁気センサ素子２ｂとは、移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に沿った隙間を空けて配置されている。第１磁気センサ素子２ａと第２磁気センサ素子２ｂとは、磁界生成部６の中心を中心としてＹ軸方向ＤＲ２において線対称に配置されている。

第１磁気センサ素子２ａと第２磁気センサ素子２ｂの間隔の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に沿った中心の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）における位置は、磁界生成部６の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に沿った中心８の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）における位置と同じである。第１磁気センサ素子２ａのピン層２１および第２磁気センサ素子２ｂのピン層２１の各々は、Ｙ軸方向ＤＲ２に平行に配置されている。

電極４は、図示されない金属ワイヤ等によって図示されない増幅回路、信号処理回路およびバイアス電圧回路等の外部回路に電気的に接続されている。

磁界生成部６は、例えば、永久磁石、電磁石、電流線等である。磁界生成部６が電流線である場合、バイアス磁界４０１は、電流線から発せられる磁界である。また、バイアス電圧は、ヨーク（継鉄）の適切な配置によって実現されてもよい。

次に、図を用いて、実施の形態７に係る磁気センサ装置１０００の動作を説明する。
図２７では、磁界生成部６は、永久磁石である。磁界生成部６のＮ極は、Ｓ極よりもＺ軸方向ＤＲ３正方向に配置されている。図２８に示されるように、磁界生成部は、電流線であってもよい。

図２７に示されるように、ＸＺ平面から見て、磁界生成部６のＮ極から発せられた磁力線６０は、磁界生成部６のＮ極側のＸＹ平面から磁界生成部６の外部へと放出される。磁界生成部６の外部へと放出された磁力線６０は、磁界生成部６のＳ極側のＸＹ平面から磁界生成部６に侵入する。

磁界生成部６の上方においては、磁力線６０のＸ軸方向ＤＲ１の磁界成分よりもＺ軸方向ＤＲ３の磁界成分の方が大きい。言い換えると、磁力線６０の主成分は、磁界生成部６の上方においてＺ軸方向ＤＲ３に沿っている。磁気センサ素子２は、磁力線６０の主成分がＺ軸方向ＤＲ３に沿っている領域に配置されることが望ましい。また、被検出物７は、磁力線６０の主成分がＺ軸方向ＤＲ３に沿っている領域を通過する。これにより、磁力線６０の主成分は、被検出物７に交差する。

より詳細には、図２９に示されるように、第１磁気センサ素子２ａの位置において、磁力線６０は、Ｚ軸方向ＤＲ３からＸ軸負方向に傾いている。このため、第１磁気センサ素子２ａに対して、磁力線６０は、Ｘ軸負方向に向いたバイアス磁界４０１として作用している。また、図３０に示されるように、第２磁気センサ素子２ｂの位置において、磁力線６０は、Ｚ軸方向ＤＲ３からＸ軸正方向に傾いている。このため、第２磁気センサ素子２ｂに対して、磁力線６０は、Ｘ軸正方向に向いたバイアス磁界４０１として作用している。

図３１に示されるように、被検出物７がＸ軸負方向から第１磁気センサ素子２ａに接近することで、磁力線６０は、被検出物７の磁気パターンに向かって傾く。これにより、第１磁気センサ素子２ａに作用するバイアス磁界４０１のＸ軸負方向の大きさが大きくなる。

図３２に示されるように、被検出物７がＸ軸負方向から第２磁気センサ素子２ｂに接近することで、磁力線６０は、被検出物７の磁気パターンに向かって傾く。これにより、第２磁気センサ素子２ｂに作用するバイアス磁界４０１のＸ軸正方向の大きさが小さくなる。

図３３に示されるように、被検出物７がＸ軸正方向に向かって第１磁気センサ素子２ａから離れるように移動することで、磁力線６０は、被検出物７の磁気パターンに向かって傾く。これにより、第１磁気センサ素子２ａに作用するバイアス磁界４０１のＸ軸負方向の大きさが小さくなる。

図３４に示されるように、被検出物７がＸ軸正方向に向かって第２磁気センサ素子２ｂから離れるように移動することで、磁力線６０は、被検出物７の磁気パターンに向かって傾く。これにより、第２磁気センサ素子２ｂに作用するバイアス磁界４０１のＸ軸正方向の大きさが大きくなる。

以上より、磁気パターンを有する被検出物７が磁気センサ素子２に対して近づくようにまたは遠ざかるように移動することで、磁気センサ素子２に作用するバイアス磁界４０１（外部磁界６０１）が変化する。このため、磁気センサ素子２の抵抗値が変化する。よって、磁気センサ素子２の抵抗値の変化に基づいて、被検出物７の磁気パターンを検知することができる。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ装置１０００によれば、図２５および図２６に示されるように、第１磁気センサ素子２ａと第２磁気センサ素子２ｂの間隔の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に沿った中心の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）における位置は、磁界生成部６の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に沿った中心８の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）における位置と同じである。このため、第１磁気センサ素子２ａおよび第２磁気センサ素子２ｂは、基板１上において、磁界生成部６の移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）に沿った中心に対して線対称に配置されている。よって、第１磁気センサ素子２ａの動作は、第２磁気センサ素子２ｂの動作と反対の動作になる。したがって、第１磁気センサ素子２ａおよび第２磁気センサ素子２ｂの和であるブリッジ出力は、磁気センサ素子２が１つである場合と比べて、２倍になる。これにより、磁気センサ素子２が１つである場合と比べて、磁気センサ装置１０００から２倍の出力を得ることができる。

実施の形態８．
次に、図３５を用いて、実施の形態８に係る磁気センサ装置１０００の構成を説明する。実施の形態８は、特に説明しない限り、上記の実施の形態７と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態７と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３５に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ装置１０００では、磁気センサ１００は、複数設けられている。複数の磁気センサ１００は、重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）および移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）の各々に直交する方向（Ｙ軸方向ＤＲ２）に沿って繰り返し配置されている。

複数の磁気センサ１００の基板１の各々は、互いに同じであることが望ましいが、その限りではない。複数の磁気センサ１００の磁界生成部６の各々は、互いに同じであることが望ましいが、その限りではない。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る磁気センサ装置１０００によれば、図３５に示されるように、複数の磁気センサ１００は、重ねられた方向（Ｚ軸方向ＤＲ３）および移動方向（Ｘ軸方向ＤＲ１）の各々に直交する方向（Ｙ軸方向ＤＲ２）に沿って繰り返し配置されている。このため、被検出物７の磁気の有無を複数の磁気センサ１００が繰り返し配置された方向（Ｙ軸方向ＤＲ２）に沿って線状に検知することができる。

被検出物７がＸ軸方向ＤＲ１に沿って移動するため、複数の磁気センサ１００によるＹ軸方向ＤＲ２に沿った出力をＸ軸方向ＤＲ１に沿って連続的に取り出すことで、磁性体のＸＹ平面における分布を取得することができる。例えば、磁気インクによって印刷された磁気パターンを有する紙幣等の磁気パターン（磁性体の分布）を取得することができる。

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はないと考えられるべきである。本開示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。

１ 基板、２ 磁気センサ素子、６ 磁界生成部、７ 被検出物、８ 中心、２１ ピン層、２２ 第１非磁性層、２３ 第１磁性層、２４ フリー層、２５ トンネル絶縁膜、２６ 第２磁性層、２７ 第２非磁性層、１００ 磁気センサ、１０００ 磁気センサ装置。

Claims (12)

1. 固着した磁化の向きを有するピン層と、
   前記ピン層に重ねられた第１非磁性層と、
   前記ピン層とで前記第１非磁性層を挟み込んでいる第１磁性層と、
   前記第１非磁性層が前記ピン層に重ねられた方向に沿って配置されたフリー層とを備え、
   前記第１磁性層および前記フリー層の各々は、前記ピン層よりも外部磁界によって変化しやすい磁化の向きを有しており、
   前記ピン層および前記第１磁性層は、間接交換相互作用によって結合されており、
   バイアス磁界の方向は、被検出磁界の方向に沿い、かつ前記ピン層の磁化の向きと直交する、磁気センサ素子。
2. 第２非磁性層と、
   前記第１磁性層に対して前記ピン層とは反対側に配置され、かつ前記フリー層とで前記第２非磁性層を挟み込んでいる第２磁性層とをさらに備え、
   前記第２磁性層の磁化の向きは、前記フリー層の磁化の向きとは逆である、請求項１に記載の磁気センサ素子。
3. トンネリング効果を利用したトンネル絶縁膜をさらに備え、
   前記第１磁性層および前記フリー層は、前記トンネル絶縁膜を挟み込んでいる、請求項１または２に記載の磁気センサ素子。
4. 前記重ねられた方向から見て、前記ピン層および前記第１磁性層の各々の形状は、円形である、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気センサ素子。
5. 前記重ねられた方向から見て、前記フリー層の形状は、矩形であり、
   前記矩形の長辺は、前記外部磁界の向きに沿って延在している、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気センサ素子。
6. 前記外部磁界が印加されていない状態において、前記第１磁性層の磁化の向きは、前記ピン層の磁化の向きと同じおよび前記ピン層の磁化の向きに対して逆のいずれかである、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気センサ素子。
7. 前記外部磁界が印加されていない状態において、前記重ねられた方向から見て、前記ピン層の磁化の向きは、前記フリー層の磁化の向きと直交している、請求項６に記載の磁気センサ素子。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の前記磁気センサ素子と、
   基板とを備え、
   前記磁気センサ素子は、複数設けられており、
   前記基板には、複数の磁気センサ素子が接続されており、
   複数の前記磁気センサ素子同士は、前記基板上において互いに電気的に接続されている、磁気センサ。
9. 移動する被検出物の磁気パターンを検出するための磁気センサ装置であって、
   請求項８に記載の前記磁気センサと、
   前記外部磁界に含まれるバイアス磁界を生じさせるための磁界生成部とを備え、
   前記磁気センサは、前記磁界生成部に重なるように配置されており、
   前記複数の磁気センサ素子は、前記被検出物の移動方向に沿って互いに間隔を空けて配置された第１磁気センサ素子と、第２磁気センサ素子とを含み、
   前記第１磁気センサ素子と前記第２磁気センサ素子の間隔の前記移動方向に沿った中心の前記移動方向における位置は、前記磁界生成部の前記移動方向に沿った中心の前記移動方向における位置と同じである、磁気センサ装置。
10. 前記磁気センサは、複数設けられており、
    複数の磁気センサは、前記重ねられた方向および前記移動方向の各々に直交する方向に沿って繰り返し配置されている、請求項９に記載の磁気センサ装置。
11. 移動する被検出物の磁気パターンを検出するための磁気センサ装置であって、
    固着した磁化の向きを有するピン層と、
    前記ピン層に重ねられた第１非磁性層と、
    前記ピン層とで前記第１非磁性層を挟み込んでいる第１磁性層と、
    前記第１非磁性層が前記ピン層に重ねられた方向に沿って配置されたフリー層とを備え、
    前記第１磁性層および前記フリー層の各々は、前記ピン層よりも外部磁界によって変化しやすい磁化の向きを有しており、
    前記ピン層および前記第１磁性層は、間接交換相互作用によって結合されている、磁気センサ素子と、
    基板とを備え、
    前記磁気センサ素子は、複数設けられており、
    前記基板には、複数の磁気センサ素子が接続されており、
    複数の前記磁気センサ素子同士は、前記基板上において互いに電気的に接続されている磁気センサと、
    前記外部磁界に含まれるバイアス磁界を生じさせるための磁界生成部とを備え、
    前記磁気センサは、前記磁界生成部に重なるように配置されており、
    前記複数の磁気センサ素子は、前記被検出物の移動方向に沿って互いに間隔を空けて配置された第１磁気センサ素子と、第２磁気センサ素子とを含み、
    前記第１磁気センサ素子と前記第２磁気センサ素子の間隔の前記移動方向に沿った中心の前記移動方向における位置は、前記磁界生成部の前記移動方向に沿った中心の前記移動方向における位置と同じである、磁気センサ装置。
12. 前記磁気センサは、複数設けられており、
    複数の磁気センサは、前記重ねられた方向および前記移動方向の各々に直交する方向に沿って繰り返し配置されている、請求項１１に記載の磁気センサ装置。

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