JPH0217476A

JPH0217476A - 差動型磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JPH0217476A
Application number: JP63168386A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Okabe; 岡部　弘高; Takao Maruyama; 丸山　隆男
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1988-07-05
Publication date: 1990-01-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、磁界検知に用いられる磁気抵抗効果素子に関
するものである。

〔従来の技術〕

磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と呼ぶ）は、ＮｉＦ
ｅ、ＮｉＣｏなどの強磁性体内において、流れる電流と
磁化の向きのなす角度によって抵抗が変化することを利
用して磁界検知を行なう素子である。ＭＲ素子を用いた
磁界検知素子として、特開昭５０−２８９８９に、互い
に接続され、互いに直交した２個の電流通路を有する磁
電変換素子が開示されている。この例においては、素子
を充分飽和させるに充分な外部磁界を印加し、この外部
磁界を２個の電流通路を含む平面内で回転させると、角
度変化に対して正弦波状の抵抗変化を示し、外部磁界印
加角度が検出できる。

また、特開昭５０−５６２５０には前記磁電変換素子に
バイアス磁界を加えた磁界検出装置が開示されている。

この例においては、バイアス磁界印加角度から正負４５
度の角度範囲の外部磁界印加角度に対して抵抗の直線的
な変化が得られる。これらの磁界検知素子では外部磁界
の向きにＭＲ素子の磁化を揃えることにより磁界角度を
検知するので、外部磁界の強度としてはＭＲ素子を飽和
磁化させるに充分な大きさが要求される。一般に、ＭＲ
素子を飽和磁化させるためには、ＭＲ素子に用いる磁性
体自体の磁気異方性磁界と、ＭＲ素子をパターン化する
ことにより生ずる形状異方性磁界の和より大きな磁界強
度が必要である。ＭＲ素子として用いられるＮｉＦｅ、
ＮｉＣｏでは、材料自体の異方性磁界が数Ｏｅから数１
００ｅである。さらに、パターン化することによる形状
異方性磁界は、例えば−最に用いられるストライプパタ
ーンでは、パターン幅１０μｍ、パターン厚さ５００Ａ
の磁気ヘッド用では約５００ｅにもなる。そのため、外
部磁界強度としては一般に１０００ｅ以上が必要である
。以上のような飽和磁化させる強度の磁界に対し、単独
のＭＲ素子では印加角度θと出力は５ｉｎ２θ型の関係
を示す。

一方、強度１０ｅ程度の外部磁界に対してバイアス磁界
が印加された単独のＭＲ素子では、磁界印加角度θと出
力はｓｉｎθ型の関係を示す。電圧値が最大値から最小
値まで変化する範囲内、あるいは、最小値から最大値ま
で変化する範囲内では、電圧値と角度が１対１に対応す
る。従って、この範囲内で電圧値から外部磁界印加角度
を検知することが出来る。また、バイアス磁界が印加さ
れた単独のＭＲ素子に対して外部磁界の印加角度が変化
しない場合、ＭＲ素子の両端電圧は、外部磁界強度に比
例する。よって、ＭＲ素子両端電圧値から外部磁界強度
を計算できる。

以上のように、１０ｅ程度の磁界でも、磁界印加角度や
磁界強度の検知は可能である。しかし、磁界が小さくな
るほど素子抵抗の変化は小さく、従って出力電圧の変化
も小さくなり、数ｍｏｅ程度の磁界ではＭＲ素子の出力
変化は、増幅器のノイズと同等にまで小さくなることが
ある。そこで、ＭＲ素子の出力をできるだけ大きくする
ために、ＭＲ素子を直列に接続したり、ＭＲ素子を長く
して、素子抵抗を大きくするか、ＭＲ素子に流す電流を
大きくすることで単位磁界に対する出力電圧を大きくす
る方法が収られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、素子抵抗や、ＭＲ素子に流す電流の増加は、Ｍ
Ｒ素子に印加する電圧の増加をまねき、数１０ｍ０ｅの
磁界検知のためには数１０Ｖもの電圧を印加しなければ
ならないこともあり、微少な磁界検知を困難にする原因
となっていた。また、素子の固有抵抗に対し、抵抗の変
化分は１％程度なので、抵抗の変化分のみを検出するた
めに、外部磁界が印加されていないときの出力分を差し
引く手段が必要であった。本発明の目的は、このような
従来の欠点を除去し、印加電圧は同じで、素子出力を２
倍にすることができる差動型磁気抵抗効果素子を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の差動型磁気抵抗効果素子は、差動出力を取り出
せる２個の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子
に個別にバイアス磁界を印加する手段を備え、前記バイ
アス磁界は前記磁気抵抗効果素子の磁化の向きを互いに
平行で、かつ磁化の同一方向の回転に対し、一方の磁気
抵抗効果素子は、抵抗値が増加し、もう一方の磁気抵抗
効果素子では抵抗値が減少する様に設定されることを特
徴としている。

〔作用〕

第３図は、本発明の差動型磁気抵抗効果素子の原理を示
す模式図である。ｌａ、ｌｂはＭＲ素子、２．２ａ、２
ｂはＭＲ素子の磁化、３はバイアス磁界、４は外部磁界
、５はセンス電流、９は電圧源、１０は抵抗、１１は増
幅器である。第３図においてＭＲ素子１ａ、ｌｂは磁化
容易軸がストライプの長手方向となるようにパターン化
され、ストライプ長手方向にセンス電流５が供給され、
ストライプの幅方向にバイアス磁界３が印加されている
。ＭＲ素子の磁化２はバイアス磁界３によりストライプ
長手方向からθ−４５度だけ回転する。２つのＭＲ素子
で磁化は各々４５度回転し、平行になっている。

この状態で１０ｅ以下程度の微少な外部磁界４を印加す
ると、ＭＲ素子１ａ、ｌｂの磁化２は同じ方向２ｂに回
転する。ＭＲ素子１ａでは、素子の磁化２は素子長手方
向に回転するので、素子抵抗は大きくなり、素子の両端
電圧は大きくなる。

しかし、もう一方のＭＲ素子１ｂでは、素子の磁化２は
素子短軸方向に回転することになるので、素子抵抗は小
さくなり、素子の両端電圧は小さくなる。外部磁界４の
向きが逆の場合にはＭＲ素子の磁化２は２ａの方向に回
転するのでＭＲ素子１ｂでは、素子抵抗は大きくなり、
素子の両端電圧は大きくなり、ＭＲ素子１ａで、素子抵
抗は小さくなり、素子の両端電圧は小さくなる。

第４図は外部磁界４の印加角度とＭＲ素子出力の関係を
示すグラフである。外部磁場４の印加角度に対して電圧
は正弦波状の変化を示すが、２つのＭＲ素子の一方の抵
抗が増加すると、もう一方のＭＲ素子の抵抗が減少する
ので、素子の出力の変化は、外部磁界４の回転にしてπ
だけ位相ずれを生じる。よって２個のＭＲ素子を２辺と
する第３図のブリッジによって、第４図実線のようにＭ
Ｒ素子の固有抵抗による電圧骨が打ち消され、外部磁界
４による２つのＭＲ素子の電圧の変化分のみの和を得る
ことが出来る。

また、外部磁界４の印加角度一定で磁界強度が変化する
場合には、第５図に示すように、磁界強度対する電圧変
化は、極性が逆なので、差動出力は、２つのＭＲ素子の
出力変化分の和になる。

なお、以上では、２つのＭＲ素子が直交している例で説
明をしたが、磁気抵抗効果素子の磁化の向きを互いに平
行で、かつ磁化の同一方向の回転に対し、一方の磁気抵
抗効果素子は抵抗値が増加し、もう一方の磁気抵抗効果
素子では抵抗値が減少する様に設定される条件を満たす
構成としては、他にも第６図、第７図に示すようなもの
がある。すなわち、ＭＲ素子の磁化２とストライプ長手
方向のなす角をθ、２つのＭＲ素子のなす角をθＰとし
てθとθｐ　／　２の和がπ／２を満たすものである。

第８図に示したθ−４５度、６０２１８０度、第９図に
示したθ＝４５度、θｐ＝ｏ度でも、磁化の同一方向の
回転に対し、一方の磁気抵抗効果素子は抵抗値が増加し
、もう一方の磁気抵抗効果素子では抵抗値が減少する。

ＭＲ素子の磁化２の向きは、例えば第８図のＭＲ素子１
ａでは、バイアス磁界３の方向に対して、短軸方向を境
にして２ａ、、’）、“　　′うに二通りが存在するの
で、最初に直流磁界を加えて初期設定を行なう必要があ
る。しかし、２ａを向く場合には、２つのＭＲ素子の磁
化が反対方向を向くために、実際には、このように向か
せることは困難である。また、最大感度が得られる磁界
の印加角度は、磁化と垂直な方向なので、第８図のＭＲ
素子１ａの磁化が２ｂの方向に向き２つのＭＲ素子の磁
化が直交したときには、２つの素子で、同時に最大感度
を得ることが出来ない。第９図でＭＲ素子１ａが２ｂを
向いて、２つのＭＲ素子の磁化が直交しないときも同様
である。以上のことから、２つのＭＲ素子は非平行配置
でなければならない。

〔実施例〕

次に第１図から第２図を参照して本発明の実施例につい
て説明する。第１図はバイアス磁界発生手段として永久
磁石を使用した実施例である。第１図において、基板６
上に、幅２０μｍのすだれ状のＭＲ素子１ａ、ｌｂが構
成されている。ＭＲ素子には、異方性磁界５０ｅ、膜厚
４０ｏ八、パターン幅２０μｒ口のＮｉＦｅを用いてい
る。すだれ状ＭＲ素子１本の長さは１　＋＋ｕｎ、それ
を８本組み合わせて１つのＭＲ素子を構成した。このと
きの素子抵抗は、約２にΩであった。ＭＲ素子の両端に
は厚さ０．２μｍのＡｕ膜の電極８が形成されており、
このような素子２つをＭＲ素子長手方向が互いに９０度
の角度をなすように配置した。また基板６上には、各Ｍ
Ｒ素子を挟むように２組４個の永久磁石７が配置され、
ＭＲ素子の長平方向に垂直な方向にバイアス磁界３を印
加している。

２つのすだれ状のＭＲ素子が、ブリッジの２辺を形成す
るように抵抗１０と共に外部回路が形成される。すなわ
ち、電圧源９によって１ｍＡのセンス電流５が供給され
、ＭＲ素子の差動電圧が増幅器１１に接続される。

第１図の構成においては、ＭＲ素子１を飽和磁化させる
には最低２５０ｅの磁界が必要であり、永久磁石７の発
生するバイアス磁界３によって、ＭＲ素子の磁化２は、
ＭＲ素子長手方向に対して約４５度傾いている。また、
その方向は、外部から直流磁界を印加することによって
、２つのＭＲ。

素子の磁化が平行な状態に初期化されている。外部から
磁界４が印加されると、ＭＲ素子の磁化２は回転しＭＲ
素子１ａでは抵抗が減少し、したがってＭＲ素子と抵抗
１０の電圧比が変わり、Ｍ　Ｒ素子の電圧は減少する。

一方ＭＲ素子１ｂでは抵抗が増加し、ＭＲ素子の電圧は
増加する。外部磁界無しの状態では２つのＭＲ素子の端
子間電圧は同じであり、ブリッジ出力は外部磁界４によ
る素子抵抗の変化分のみが和となって増幅器１１に接続
され１００倍に増幅して取り出される。

次に、この差動型磁気抵抗効果素子の製造方法を簡単に
説明する。まず、基板６上に、Ｎ　ｉ、　Ｆ　ｅ膜とＡ
ｕ膜を蒸着法によって連続成膜し、フォトリソグラフィ
ーとイオンエツチングによって、すだれ状のパターンに
形成した後、化学エツチングにより電極８となる部分以
外のＡｕＭを除去し、Ｎ１ｃｅ膜を露出させてＭＲ素子
とする。その後、ＭＲ素子上にＳ　ｉ　０２膜を成膜し
、ＭＲ素子を保護し、基板６を所定の形状に切断した後
、永久磁石７を基板６に接着した。

以上の実施例では、最大感度２■１０ｅ、磁界の最小分
会能１ｍｏｅ、磁界の角度分解能では約０．３度であり
、単独素子に比べ２倍の分解能が得られた。

第２図はバイアス磁界発生手段として特開昭４９−７４
５２２に開示された磁気変換器のソフトフィルｌ−バイ
アス法を使用した実施例である。

すなわち、ＭＲ素子部は磁気抵抗効果を有する膜（以後
、磁気抵抗効果膜と呼ぶ）の他に、磁気分離膜、ソフト
フィルム膜の三層構造に形成され、磁気抵抗効果膜とソ
フトフィルム膜の磁気的結合によって、磁気抵抗効果膜
にバイアス磁界が印加される。ソフトフィルムバイアス
法では、センス電流の向きによってバイアス磁界の向き
が規定されるので、すだれ状のＭＲ素子部は一方向のみ
、電極と互い違いの構成を収った。すだれ状ＭＲ素子１
本の長さは１　ａｍ、それを４本組み合わせて１つのＭ
Ｒ素子を構成した。このときの素子抵抗は、約１にΩで
あった。

ソフトフィルムバイアス法を用いた差動型磁気抵抗効果
素子の製造方法は以下の通り。まず１．基板６上に、Ｎ
ｉＦｅ膜、Ｔｉ膜（磁気分離膜）を蒸着法によって連続
成膜し、続いてＲＦマグネトロンスパッタリングにより
ＣｏＺｒＭｏ膜（ソフトフィルム）を成膜する。さらに
Ａｕ膜を蒸着法によって成膜し、フォトリソグラフィー
とイオンエツチングによって、すだれ状のパターンに形
成した後、化学エツチングにより電極８となる部分以外
のＡｕ膜を除去し、ＭＲ素子１とする。その後、ＭＲ素
子１上に５ｉ０２膜を成膜し、ＭＲ素子１を保護し、基
板６を所定の形状に切断した。

ＮｉＦｅ膜厚は４０ＯＡ　、Ｔｉｇ厚は２０　ＯＡ、Ｃ
ｏＺｒＭｏ膜厚６００　Ａであり、１．０ｍＡの電流を
流したとき、ＣｏＺｒＭｏ膜は飽和磁化し、ＮｉＦｅ膜
に印加されたバイアス磁界３で、ＭＲ素子の磁化２は長
手方向から約４５度傾くように膜厚を設定した。

ソフトフィルムバイアス法を用いた実施例では、最大感
度１■１０ｅ、磁界の最小分解能２ｍｏｅ、磁界の角度
分解能では約０．５度が得られた。ソフトフィルムバイ
アス法ではソフトフィルムを飽和磁化させるため、ある
値以上の電流密度が必要になる。ここではｌＯｍＡの電
流か最低必要であるため、単独のＭＲ素子の両端電圧は
、約１０■であり、さらに素子抵抗を大きくしたり、電
流を大きくするには電圧源を大きくしなければならず、
実用性に問題が生じる。本発明による差動型磁気抵抗効
果素子は電圧源はそのままでＭＲ素子出力を２倍にする
ことが出来た。

以上の２つの実施例では、電圧源を用いたが、第１０図
に示すように、電圧源を取り除き、抵抗の代わりに電流
源１２を接続し、ＭＲ素子に定電流を流して、抵抗変化
を電圧変化に変換する構成によっても同様の効果が得ら
れることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明による差動型磁気抵抗効果素子で
は、単独素子に比べ２倍の出力変化が得られ、分解能も
２倍になるという効果がある。また、検知する磁界が小
さくなればなるほど、素子自体の出力を大きくすること
は重要であるが、本発明の差動型磁気抵抗効果素子は素
子の抵抗増加による印加電圧の増加をまねかないという
特徴を有している。さらに２つの同じＭＲ素子を使用す
ることによって、交流磁界検知時に誘導を打ち消すとい
う効果も得られる。

フ、第５図は外部磁界強度とＭＲ素子出力の関係を示す
グラフ、第６図２第７図、第８図、第９図はこのＭＲ素
子の配置構成例を示す図、第１０図は電流源を用いた差
動回路構成の例を示す図である。

図中において、１．ｌａ、ｌｂ・・・ＭＲ素子、２．２
ａ、２ｂ・・・ＭＲ素子の磁化、３・・・バイアス磁界
、４・・・外部磁界、５・・・センス電流、６・・・基
板、７・・・永久磁石、８・・・電極、９・・・電圧源
、１０・・・抵抗、１１・・・増幅器、１２・・・電流
源である。

Claims

【特許請求の範囲】２個の磁気抵抗効果素子を各々一辺とするブリッジ回路
と、前記磁気抵抗効果素子に個別にバイアス磁界を印加
する手段を備え、前記バイアス磁界によって、前記磁気
抵抗効果素子の磁化が（ａ）２個の磁気抵抗効果素子の
磁化は、各々の磁化長手方向からの回転角が同じ、（ｂ）２個の磁気抵抗効果素子の磁化は、互いに平行か
つ同じ向きを向いている、（ｃ）２個の磁化の同一方向の回転に対し、一方の磁気
抵抗効果素子は抵抗値が増加し、もう一方の磁気抵抗効
果素子では抵抗値が減少する、の条件を満たすように回転された状態にあることを特徴
とする差動型磁気抵抗効果素子。