JPH0238881A

JPH0238881A - 磁気センサ

Info

Publication number: JPH0238881A
Application number: JP63191562A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ota; 大田　俊彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-07-28
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1990-02-08

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、運動する磁性体の速度、回転数、回転速度の
検出などに用いられる磁気センサに係り、特に強磁性体
薄膜の異方性磁気抵抗効果を利１１］シた磁気センサに
関する。

（従来の技術）磁気抵抗効果を利用した磁気センサとしては、半導体の
ホール効果を利用したものと、強磁性体の異方性磁気抵
抗効果を利用したものとがある。

強磁性体の異方性磁気抵抗効果とは、ＦＣ−Ｎ：（鉄−
ニッケル）　、　Ｇｏ−Ｎｌ　　（コバルト−ニッケル
）などの高透磁率材料からなる薄膜の電気抵抗が、外部
磁界の磁気モーメントと高透磁率部材に流れる電流との
なす角により変化する現象をいう。そして、強磁性体の
異方性磁気抵抗効果を利用した磁電変換素子である強磁
性磁気抵抗効果素子（以下、ＭＰ、素子と称す）を用い
た磁気センサは、ホール効果を利用した磁気センサより
も検出感度が良いことから、近年、幅広い分野で利用さ
れている。

また、ｈｉ　Ｒ素子を用いた磁気センサを利用して、回
転体の回転数、回転角、回転速度などを検出する方法に
ついても、特公昭６０−４５８０４号公報などに開示さ
れているように、種々提案されている。

たとえば特公昭Ｇｏ−４５８０４号公報では、第４図に
示す方法が例示されている。この方法では、回転軸１を
有し、外周面に着磁されたプラスチックマグネット２が
配役さ・れた円柱状の回転体３の近傍に、基板４上に形
成されたＭＲ素子５を配置している。そして、電源６か
らリード線７を介して一定電圧を印加してこのＭＲ素子
５に電流（センサス電流）を流し、異方性磁気抵抗効果
によるセンサス電流の大きさの変化を検知し、この検知
結果に基づいて回転体３の回転数、回転角、回転速度な
どを検出するものである。

強磁性体の異方性磁気抵抗効果を利用した磁気センサに
用いるＭＲ水素子、従来から、たとえばガラス基板など
の電気絶縁性基板上に強磁性体薄膜を形成し、この薄膜
を所望の形状にバターニングすることにより得ている。

このときＭＲ水素子は、電気抵抗として数百にΩのスト
ライブが必要となる。これは、ＭＲ水素子用いた磁気セ
ンサでは実用上、数１０＋ｇＶの出力が要求される場合
が多く、センサの消費電力やＭＲｌｇＴ−に流れる電流
密度の限界（Ｓハ比）を考慮すると、センサス電流の大
きさは数μへ程度となり、またＭＲ水素子両端に印加す
る電圧はｔＶ程度となるためである。

このストライブは、通常、連続折返しパターンとして形
成するが、たとえばＦｅ−Ｎｊの薄膜を用いてＩＭΩの
ＭＲ水素子作製する場合、ｒｅ−旧の比抵抗は２５μΩ
ｃ１程度であるため、薄膜の断面積を１０μｓ　Ｘ　　
Ｏ，０４μ−としても、長さ１６０ｃ■ものストライブ
が必要となる。そして小形のセンサを得るためには、こ
の長大なストライブを有するＭＲ水素子、たとえば５１
−角のチップサイズの中に収納する必要がある。

しかしながら、ストライブの連続折返しパターンのピッ
チをｌＯμ腸程度とし、隣のストライブとの間隙を限界
までつめてストライプ幅を１０μ自として５ｍｍ角のチ
ップに収納したとしても、膜厚０．０４μ傷での反磁界
の強さＨｄは３００８程度と大きなものとなる。このた
め、従来のＭＲ水素子用いた磁気センサでは、検出感度
の向上を図ることが困難であった。

ここで、ＭＲ水素子用いた磁気センサの検出感度につい
て説明する。

ＭＲ索子では、センサス電流の流れる方向と直角で素子
面と水平な方向の磁束を受けた場合、前述したようにそ
の電気抵抗の大きさが減少する。

このとき、〜ＩＲ索子の電気抵抗の大きさは外部磁界の
強さが大きくなるとともに減少するが、第５図に示すよ
うに、外部磁界の強さがある値を越えると変化しなくな
る。ＭＲ水素子電気抵抗の大きさが変化しなくなるとき
の外部磁界の強さを、飽和磁界の強さＨｓという。なお
、第５図において縦軸は電気抵抗の大きさ（単位：Ω）
であり、横軸は外部磁界の強さ（単位：Ｏｅ）である。

また、異方性磁気抵抗効果によるＭＲ水素子電気抵抗の
大きさの変化量は、もとの電気抵抗の大きさの数％であ
る。

そして、ＭＲＩ：子を用いた磁気センサの検出感度は、
このＭＲ水素子飽和磁界の強さＨ５に左右される。すな
わち、検出したい磁界の強さＨｅよりＭＲ水素子飽和磁
界の強さＨｓが小さければ、異方性磁気抵抗効果による
数％の電気抵抗の変化量すべてを検出することができる
。一方、検出したい磁界の強さＨｅよりＭＲ水素子飽和
磁界の強さＨｓが大きければ、検出することができる電
気抵抗の変化量は、検出したい磁界の強さＨｅよりＭＲ
水素子飽和磁界の強さＨｓが小さい場合に比して少なく
なる。

また、ＭＲ水素子飽和磁界の強さＩｓは、ＭＲ水素子材
料固有の異方性磁界の強さＨｋと、材料の形状に依存す
る反磁界の強さＨｄとの和として表される。たとえば旧
８０Ｆｅ２０の異方性磁界の強さＨｋは２〜３０Ｂであ
るため、もし反磁界の強さＨｄを０とすることができれ
ば、非常に高感度の磁気センサを得ることができる。

なお、反磁界は、外部磁界中に置かれた磁性体が磁化し
たときに外部磁界と垂直な方向の磁性体表面に磁荷が現
れ、この磁荷のつくる磁界が外部磁界と反対方向である
ことから生じる。このため、その強さは膜厚に比例し、
ストライプ幅に反比例する。したがって、ＭＲ水素子膜
厚を薄くすることにより反磁界の強さを小さくすること
ができるが、この場合には膜質を安定させることが極め
て困難となり、量産に適さないという難点が生じる。

したがって、ＭＲ素子を用いた磁気センサの検出感度を
向上させるためには、ＭＲ素子の膜厚は現状程度とした
ままでＭＲ素子に生じる反磁界の強さＨｄを小さくして
、ＭＲ素子の飽和磁界の強さＨｓを小さくすることが望
ましい。

しかしながら、ＭＲ素子を用いた実際の磁気センサでは
、前述したように高電気抵抗のものが必要とされるため
に、反磁界の強さＨｄをａｏｏｅ程度にするのが限界で
あった。

（発明が角￥決しようとする課題）このように、ＭＲ素子を用いた磁気センサの検出感度を
向上させるためには、ＭＲ素子の膜厚は現状程度とした
ままでＭＲ素子に生じる反磁界の強さＨｄをできるだけ
小さくすることが望ましい。しかしながら、ＭＲ素子を
用いた従来の磁気センナでは、ＭＲ素子の長大なストラ
イブを小さなスペースに収納しなければならないことか
ら、ＭＲ素子に生じる反磁界の強さＨｄを３００　ｅ程
度にするのが限界であった。

本発明は、かかる従来技術の課題を解決すべくなされた
もので、ＭＲ素子のストライブ幅や膜厚を現状程度とし
た場合でも、このＭＲ素子に生じる反磁界の強さＨｄが
従来に比して小さく、したがって検出感度が向上された
磁気センサを提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）すなわち、本発明の磁気センサは、受感部として、異方
性磁気抵抗効果を有する磁性体からなる電気抵抗体を備
えた磁気センサにおいて、電気抵抗体の膜面と略平行に
、この電気抵抗体と電気的に絶縁され、磁気的には一体
化された軟磁性体層を配置したことを特徴としている。

（作　用）本発明の磁気センサでは、異方性磁気抵抗効果を有する
磁性体からなる電気抵抗体の膜面と略平行に、この電気
抵抗体と電気的には絶縁され、磁気的には一体化された
軟磁性体層が配置されている。

したがって、従来、電気抵抗体の磁界と垂直な方向の表
面に生じた磁荷により形成されていた反磁界は、軟磁性
体層の磁界と垂直な方向の表面に生じる磁荷により形成
される。そして、軟磁性体層の磁界と垂直な方向の幅は
、電気抵抗体の磁界と垂直な方向の幅より広いため、本
発明の磁気センサに生じる反磁界の強さは、従来に比し
て小さくなる。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する
。

第１図は、本発明に係る磁気センサの一実施例を示す斜
視図である。

同図に示すように、磁気センサ１０は、電気絶縁性の軟
磁性体層であるＮｌＺｎフェライト基板１１上に、電気
抵抗体である膜厚０．０３μ−のＮ１−Ｆｅ薄膜１２が
、Ｙ字状の折返しパターンとして形成されている。そし
て、このＮｉ−Ｆｅ　＊膜１２上には、パターンの一部
を除いて銅薄膜１３が形成されている。

Ｎ　Ｉ　Ｚ　ｎフェライト基板１１の大きさは　１イン
チ×Ｉインチｘ　　０．３ｍｍであり、この基板上に形
成されたＮ１−Ｐｅ薄膜１２は、幅が２０μｍで長さが
＋００μｌの受感部１４と、受感部１４の横方向の一側
面の両端に設けられた幅が１０μｍで長さが５０μｍの
狭窄部１５ａ、１５ｂと、狭窄部１５ａ、１５ｂからへ
の字状に広がるボンディング１１５１６　ａ　。

１６ｂとを有している。そして、狭窄部１５ａ、１５ｂ
上およびボンディング部１６ａ、１６ｂ上には、銅薄膜
１３が形成されている。

ボンディング部１６ａ、１．、６　ｂには、センサス電
流を供給するための直２ｉ９Ｅ電源１７と、この直流電
源１７に対して直列接続された抵抗１８とが、リード線
１９ａ、１９ｂを介してインジウム半田２０により接続
されている。そして、リード線１９ａとリードｔｌ１９
ｂとの間の電圧が異方性磁気抵抗効果により変化するの
を検知するために、直流電源１７と抵抗１８とに対して
並列に電圧計２１が接続されている。

このような磁気センサ１０は、たとえば次のようにして
得ることができる。

まず、ＮｉＺｎフェライト母仮を用意し、この−面を鏡
面研磨して１インチ×１インチＸ　　Ｏ，ｇｔｉ層の旧
Ｚｎフェライト基板１１を得る。次いで、真空蒸着装置
により、Ｎｌ８３Ｆｅ１７シｔ％ブロックを電子銃加熱
して、ＮｉＺｎフェライト基板１１の鏡面研磨した面に
Ｎｉｌ’ｅを蒸着させて、膜厚０．０３μ■に成膜する
。このときの真空度は２　Ｘ　１０　＝　Ｔｏｒｒ程度
、基板温度は２５０℃程度であり、磁界はかけない。こ
のようにして得られたＮｊ−Ｆｃ　ＩＩを、フォトリソ
グラフィ技術などを用いてＹ字状の折返しパターンにペ
ターニングして、Ｎ＋−Ｆｃ薄膜１２を得る。

この後、受感部１４を除く旧−Ｆｅ薄膜１２上に、導電
層として銅薄膜１３を形成し、この銅薄膜１３のボンデ
ィング部１６ａ、１６ｂに、リード線１９ａ、１９ｂを
介して、センサス電流を供給するための電源１７と抵抗
１８とを直列接続し、また受感部１４に流れるセンサス
電流の大きさの変化を検知することにより外部磁界の強
さの変化を検出するための電圧計２１を並列接続する。

磁気センサ１０では、電圧計２１の変化をみることによ
り、外部磁界の強さの変化を検出することができる。

以上説明した本実施例の磁気センサ１０における受感部
１４の電気抵抗の大きさを、外部磁界の強さの関数とし
て測定したところ、第２図に破線で示す測定結果が得ら
れた。なお、第２図において縦軸は電気抵抗の大きさ（
単位：　ｋΩ）であり、横軸は外部磁界の強さ（単位：
Ｏｅ）である。そして、この受感部１４の飽和磁界の強
さＨｓは１８０ｅであった。

次に、磁気センサ１０の比較例として、１インチ×　１
インチｘ　Ｑ、３ｇ＋ｓのＩ／ｉＺｎフェライト基板に
代え、同一形状のガラス基板を用いて従来と同様の構成
とした以外は、磁気センサ１０を得た方法と同一の方法
および同一の条件で、同一形状の磁気センサを得た。

この磁気センサにおける受感部の電気抵抗の大きさを、
磁気センサ１０の場合と同一の方法により、外部磁界の
強さの関数として測定したところ、第２図に実線で示す
測定結果が得られた。そして、この受へ部の飽和磁界の
強さＨＳは３００ｅであり、磁気センナ１０に比して大
きかった。

次に、本発明に係る磁気センサの他の実施例について説
明する。

第３図は、本発明に係る磁気センサの他の実施例を示す
斜視図である。

同図に示すように、磁気センサ３０は、ガラス基板３１
上に導電性の軟磁性体層である膜厚２μ腸のＦｃ１ｌＯ
ＮＩ２０のスパッタ膜３２が成膜されており、このＦｃ
８ＯＮｊ２０のスパッタ膜３２上には、電気絶縁層であ
る膜厚０，１５μｍの８１０２のスパッタ膜３３が成膜
されている。８１０２のスパッタ膜３３上には、電気抵
抗体である膜厚（１，（１３μ厘のＮｉ−Ｆｅの真空蒸
着膜３４が、Ｙ字状の折返しパターンとして形成されて
いる。そして、旧−Ｆｅ薄膜３４上には、パターンの一
部を除いて銅薄膜３５が形成されている。

このＮｉ−Ｆｅ薄膜３４は前述したＮ１−Ｆｅ　Ｒ膜１
２と同一形状を何しており、銅薄膜３５はＮ１−Ｆｅ薄
膜３４の受感部３６を除いた部分に形成されている。ボ
ンディング部３７ａ、３７ｂには、センサス電流を供給
するためのＩＩＩ流電源３８と、この直流型ｉ’Ｘ３８
に対して直列接続された抵抗３９とが、リード線４０ａ
、４０ｂを介してインジウム半田４１により接続されて
いる。そして、リード線４０ａとリード線４０ｂとの間
の電圧が異方性磁気抵抗効果により変化するのを検知す
るために、直流電源３８と抵抗３９に対して並列に電圧
計４２が接続されている。

この磁気センサ３０における受感部３６の電気抵抗の大
きさを、磁気センサ１０の場合と同一の方法により、外
部磁界の強さの関数として１ｌ１１定したところ、Ｎ！
−Ｐｃ　ｌ１ｆｉ　３４とＦｃ８（ｌＮｆ２０のスパッ
タ膜３２との絶縁不良を起こすものが多かったが、絶縁
がなされていたものでは、受感部３６の飽和磁界の強さ
ＨＳは１５０Ｐであった。

なお、以上説明した実施例では、折返しパターンからな
るストライブを有していない受感部を用いた磁気センサ
を例にとり説明したが、受感部の形状は実施例に例示し
た形状に限定されるものではなく、比較例からも明らか
なように、折返しパターンからなるストライプを有する
ＭＲ素子を用いた磁気センサであっても同様に、受感部
の飽和磁界の強さを従来に比して小さくすることができ
る。

また、実施例では、軟磁性体層として電気絶縁性のＮｉ
Ｚｎフェライト基板や、導電性のＦｅ８ＯＮ１２Ｑスパ
ツタ膜を用いたが、本発明に用いる軟磁性体層はこれら
に限定されるものではなく、電気抵抗体と電気的には絶
縁され磁気的には一体化された軟磁性体層であれば、い
かなる組成のものであっても、また、いかなる方法によ
り得たものであってもよい。

すなわち、本発明に用いる軟磁性体層は、電気絶縁性の
軟磁性体基板あるいは電気絶縁性の軟磁性体膜であれば
よく、これらを電気抵抗体の膜面と略平行に隣接配置す
ることにより、所望の効果を得ることができる。さらに
、電気抵抗体の膜面と略平行に、電気絶縁層を介して導
電性の軟磁性体層を隣接配置してもよい。このときの電
気絶縁層は５１０２膜に限定されるものではない。また
、導電性の軟磁性体層は、導電性の軟磁性体基板あるい
は導電性の軟磁性体膜であればよい。

なお、電気絶縁層を介して導電性の軟磁性体層を配置す
る場合、電気絶縁層の組成およびその厚さは、電気抵抗
体と軟磁性体層とを磁気的に一体化させ得るものとする
。このときの厚さは、−船釣には０．２μ腹程度である
が、電気的および磁気的に所望の効果が得られるもので
あれば、０．２μ■程度より薄くてもよい。０．２μ謂
程度より厚いと、電気抵抗体と軟磁性体層とを磁気的に
一体化させることが困難となり、電気抵抗体に生じる反
磁界の強さを小さくすることが困難となるため、実用上
好ましくない。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の磁気センサでは、異方性
磁気抵抗効果を有する磁性体からなる電気抵抗体の飽和
磁界の強さが、従来に比して小さい。

したがって、本発明によれば、従来の磁気センサに比し
て検出感度の向上された磁気センサを得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る磁気センサの一実施例を示す斜視
図、第２図は第１図に示した磁気センサおよびこの磁気
センサに対する比較例の磁気センサの異方性磁気抵抗効
果の特性を示す図、第３図は本発明に係る磁気センサの
他の実施例を示す斜視図、第４図は磁気センサの一利用
法を示す斜視図、第５図は強磁性体の異方性磁気抵抗効
果の特性を示す図である。１０．３０・・・磁気センサ、　　１１・・・Ｎ　Ｉ　
Ｚ　ｎフェライト暴板、　　１２．３４−　　Ｎｉ−Ｐ
ｅ薄膜、　　１４．３６・・・受感部、　　３２・・Ｐ
ｃ８ＯＮＩ２０のスパッタ膜。出願人　　　　　株式会社　東芝

Claims

【特許請求の範囲】

（１）受感部として、異方性磁気抵抗効果を有する磁性
体からなる電気抵抗体を備えた磁気センサにおいて、前記電気抵抗体の膜面と略平行に、この電気抵抗体と電
気的には絶縁され、磁気的には一体化された軟磁性体層
を配置したことを特徴とする磁気センサ。