JPH08503778A - 磁性反転導体と一又は複数の磁気抵抗レジスタとからなる磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気抵抗効果を基にしたセンサが、薄層装置に一体として組み込まれた蛇行状磁性反転導体（６）を備えている。該磁気抵抗層ストリップには、前記導体の蛇行構造に適用するようにされ正負の傾きが交互に変わるバーバーポール構造（３）を有する領域（１）が設けられている。該領域（１）の磁化を反転させるために必要とされる電流は、特に微弱である。領域（１）の磁化を周期的に反転させることにより、ドリフトのない交流電圧がセンサの出力信号として確保される。ドリフトがないということは、磁界センサを使用して微弱な磁界を測定するための前提条件である。

Description

【発明の詳細な説明】 磁性反転導体と一又は複数の磁気抵抗レジスタとからなる磁界センサ 一般に知られているように、強度の弱い磁界、例えば地球の磁界等は、異方性 磁気抵抗効果を利用したセンサにより測定可能である。しかし温度変化が大きい 場合には、磁界感度が十分であっても、著しくゼロ点が移動（zero drift）する 為に多くの問題が生じる。 フィリップ コンポーネンツ（Philips Components）のTechnical Informatio n 901 228には、磁気抵抗センサブリッジのゼロ点移動（zero drift）を除去す るための１つの方法が記載されている。ここでの磁気抵抗センサブリッジは、巻 回されたコイルに配置されている。コイルを流れる交互方向の短電流パルスは十 分な磁界を発生させて、対応する方向に磁気抵抗膜ストリップの自己磁化を行う 。センサの信号は、磁化方向が反転するに応じその極性を変化させるので、磁界 に比例する交流成分が定常成分から分離されセンサブリッジのゼロ電圧を含むと き、センサブリッジのゼロ点移動も除去される。しかしこのようなコイルの製造 はコストが嵩み、またその インダクタンスにより測定頻度が制限されてしまう。コイル内のセンサ素子の調 節は、空間の３つ磁界成分の全てを装置で測定しようとする場合は特にコスト高 となる。 本発明の目的は、最小のゼロ点移動しか発生させず、主に薄膜技術を用いるこ とによりコスト効果的に製造し得、測定頻度の制限がセンサ素子によって発生し ないことを特徴とする磁界センサを提案することにある。 上記目的は、請求の範囲に記載される薄膜装置によって達成される。最も単純 な場合として、一又は複数の磁気抵抗膜ストリップを有する一つの磁界依存性抵 抗を高導電性薄膜導体ストリップ上に絶縁状態でその長手方向に対して直角に設 けることで十分である。しかしこのような高導電性薄膜導体ストリップには、蛇 行構造（meandering structure）が設けられている。互いに隣接し交番的に磁界 を変化させる蛇行ストリップを有するにも拘らず、測定されるべき磁界の影響を 受ける全ての範囲で等方的に抵抗を変化させるように、電流に対する抵抗を形成 するために、磁気抵抗膜ストリップの長手方向に対して反対の傾斜角を有するバ ーバーポール（Barber pole）構造を有する領域に該磁気抵抗膜ストリップが分 割されている。好適にも、高導電性薄膜導体ストリップを蛇行させることにより 、磁化方向を反転させるための 電流はほとんど必要でない。さらに、互いに隣接して配置される蛇行ストリップ の磁界が、互いに対向する方向性のために大きく打ち消し合うので、センサチッ プの外部に存在する浮遊磁界は著しく低い。従って磁界センサを互いに直近で作 動させることが可能である。同じ理由で再磁化導体も非常に低いインダクタンス しか有さず、従ってインダクタンスによる測定頻度の制限はもはや発生しない。 磁界センサを磁気抵抗レジスタで作動させる場合には、該磁気抵抗レジスタに 定電流が供給される。磁気抵抗レジスタの電圧は、出力信号として測定される。 高導電性薄膜導体ストリップを一つの方向に流れる電流パルスにより、磁気抵抗 レジスタの領域内の自己磁化が或一つのの状態として生じる。この段階に於いて 、あるとき測定されるべき磁界は、磁気抵抗レジスタの抵抗値を増大させる。こ のことは、磁界の存在しない場合に比べ出力信号が大きいことを意味する。前回 のパルスに対して反対方向の電流パルスが高導電性導体薄膜ストリップに供給さ れるときには、自己磁化方向が反転する。従って測定されるべき磁界は抵抗を低 下させ、出力電圧は磁界が存在しない場合に比して小さい。常時パルス方向が変 動するので、測定されるべき磁界に比例した振幅を有するＡ Ｃ電圧がこうして出力に現れる。磁気抵抗膜ストリップの抵抗値を徐々に移動さ せる温度等の種々の変化によっても、ＡＣ出力電圧は影響を受けない。しかし出 力ＡＣ電圧の振幅が増大するにつれ、磁気抵抗効果の低減が温度として観測され る。 従って本発明の他の実施例に於いては、さらに別の高導電性薄膜ストリップが 各磁気抵抗薄膜ストリップの下に設けられている。これらの高導電性薄膜ストリ ップを流れる電流は、印加された測定されるべき磁界が該電流によって丁度打ち 消されるように、センサ出力電圧によって制御されている。しかしこの目的のた めに必要とされる回路は、本発明の主題ではない。この場合磁気抵抗センサは、 ゼロ点検出器として機能する。装置の出力量は、装置の温度に依存しない補償電 流の量である。同様にセンサは変調されないので、非線形性はもはやセンサ特性 曲線の役割を担うことはない。 本発明のさらに他の実施例に於いては、単一の磁気抵抗レジスタが使用される のみならず、複数の領域を備えた四つの並列した磁気抵抗レジスタが上記の薄層 再磁化導体及び高導電性補償導体上に設けられており、該領域には磁気抵抗膜ス トリップの長手方向に対して交互に正負角を形成するバーバーポール構造が設け られており、 該領域は夫々正及び負のバーバーポール構造角から始まるようになっている。四 つのレジスタは、ホイーストンブリッジを形成するように接続されている。再磁 化導体が交互に反対方向となっているパルスによって再び作動される場合には、 ＡＣ電圧信号がブリッジの出力に発生する。該ブリッジの等しくない値を生じ得 る四つの抵抗値から発生する直流電圧信号が一つだけこの信号に重畳される。し かしこの直流電圧成分は、単一レジスタを使用した場合よりも著しく小さく、よ り単純な評価を可能とする。勿論、測定されるべき磁界の補償をここで行うこと も可能である。 ブリッジ装置は、偶数領域からなる四つのレジスタを備えたものとすることが できる。バーバーポール構造の角度配置順だけをレジスタ毎に変える。再磁化方 向は、再磁化導体を流れる最初の、しかも強い電流パルスによって領域内で設定 される。このようにセンサブリッジは磁場を感知でき、また再磁化をさらに行う こと無く従来方法で使用することができる。ブリッジの四つのレジスタは全て同 一の領域を備えているので、センサ装置の温度が変化し得る場合には、全てのレ ジスタで同一変化の発生が期待できる。このことは層電圧が可変的であること、 及びこれに起因する磁気歪によって、発生する変化 成分にも当てはまる。従ってセンサブリッジは、公知のセンサブリッジ装置と比 較してゼロ点が低くなっており、従って従来操作に於けるより小さい磁界を測定 するのにも適している。こうして再磁化導体を流れる定電流は、一定の安定化磁 界を発生させる役割を担うこともでき、この磁界を介して一定のセンサ感度が設 定される。従って本発明の装置は、磁界測定のための異なる評価方法へ応用する にも好適に使用することができる。 本発明を実施例を参照しつつ以下で詳細に述べる。平面状再磁化導体上の磁気 抵抗レジスタが図１に示されている。図２は、平面状補償導体が装置にどのよう にして追加的に設けられているのかを示している。図３は、センサブリッジ、再 磁化導体及び補償導体を備えた複合装置を示す。 図１は、膜基盤に設けられ両端部の接続部から電流Ｉ_Mを供給することのでき る蛇行状の高導電性平面状薄膜導体６を示している。磁気抵抗膜ストリップの絶 縁領域は、この薄膜導体６上に配置されており、それらの長手方向軸は該薄膜導 体６の蛇行ストリップに対し直角となっている。磁気抵抗薄膜ストリップの領域 １の長手方向に対して交互に負角３と正角４とを形成するバーバーポール構造が 領域１に設けられている。該領域１はすべて、 良好な導電性を有する非磁性接続部２によって電気的に連続的に接続されており 、一個のレジスタを形成している。該連続接続部は、接触面５に電気的に接続す ることができる。磁界センサの作動中にここから定電流が供給される。矢符で示 されたた方向に再磁化導体６を流れる電流パルスに従って、対応する矢符で示さ れるように再磁化方向が領域１内で発生する。測定されるべき外部磁界Ｈ。は、 図示された再磁化方向に、全ての領域１の抵抗値を該磁界の無い状態に比べて増 大させる。再磁化導体６を反対方向に流れる電流パルスは、全ての領域１の磁化 を反転させる。従って外部磁界Ｈ_eによって抵抗が減少することとなる。周期的 に再磁化が発生する場合に、Ｈ_eの磁界強度に比例する振幅を持つＡＣ電圧を磁 気抵抗レジスタから取り出すことができる。磁気抵抗領域を再磁化するには一定 の最小磁界強度が必要となる。再磁化電流によって発生した磁界強度は、薄膜導 体の幅に反比例する。蛇行形状の為に該幅は著しく小さくなっており、従って再 磁化に必要な電流の値は著しく低い。磁気抵抗導体が多数の領域１に分割されて いるので、高い抵抗値を容易に実現することができる。抵抗の変化量は抵抗値に 比例し、またこれは比例係数として出力ＡＣ電圧の一部となるので、高い出力電 圧幅をも確保することが できる。同様に接続部２によってに蛇行状に構築された磁気抵抗レジスタの利点 は、センサ部材を小寸法のチップ表面に収容することができるという点である。 図２で示される装置は、磁気抵抗領域１の下に、良好な導電性を有する膜状蛇 行部７を配置している点で図１に示されたものと異なっている。この蛇行部７を 流れる電流Ｉ_kの磁界は、領域１の位置に於ける外部磁界Ｈ_eとは反対方向となっ ている。該外部磁界が該領域１の位置で相殺される値に電流Ｉ_kを確実に設定す る信号を磁気抵抗レジスタの出力ＡＣ電圧から誘導することができる。 このようにして確立された補償電流Ｉ_kは、センサの出力信号となる。ここで磁 気抵抗レジスタは、ゼロ点検出器としてのみ機能する。従って特性曲線に於ける 温度依存性及び非線形性は除去される。 図３に於いて磁気抵抗レジスタの領域１は、ブリッジ回路を形成するように接 続ライン２及び１０によって夫々接続されている。接触面８は、ブリッジの作動 電圧用に設けられており、接触部９はブリッジの出力電圧用に設けられている。 図２の場合と同様、再磁化導体６及び補償ライン７がここでも設けられている。 勿論、ブリッジ出力のＡＣ電圧信号を電流Ｉ_kを制御するために使用すれば、測 定されるべき外部磁界を補償することも可能 である。 図３に於いて各ブリッジレジスタは、偶数個の領域１を備えている。唯一の違 いは、夫々隣接する領域１のバーバーポール構造の角度である。このようにこの ブリッジレジスタは全く同一の素子を組み合わせたものとなっている。温度変化 が生じると、抵抗は同じ値だけ変化する。このことは磁化方向の回転によって生 じる磁気歪による抵抗変化にも当てはまる。これまでに知られている磁気抵抗ブ リッジ装置に於いては、この値の違いは、ブリッジの出力電圧のゼロ点移動を主 とし示していた。従って提案されブリッジは、直流電圧で作動させた場合のゼロ 点移動を著しく低減させる。このように好適な方法に従えば、連続的周期的に領 域１を再磁化することなくブリッジ−センサを作動させることができる。この場 合再磁化導体６を流れる直流電流は、領域１の場所に定磁界を発生させ、こうし て確立された磁化の方向を安定化させるために使用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 再磁化ラインと、バーバーポール構造を有する膜ストリップによって形 成された一又は複数の磁気抵抗レジスタとからなる磁界センサであって、一又は 複数の並列した磁気抵抗膜ストリップが磁気的に分離された領域（１）を備えて おり、該領域は互いに接続され前記膜ストリップの長手方向に対して交互に正角 （４）及び負角（３）を成すバーバーポール構造（３，４）を有しており、高導 電性薄膜導体ストリップ（６）が、再磁化ラインとしての役割を果たし、長手方 向が前記磁気抵抗膜ストリップの長手方向に対して角度を形成し、しかも該膜ス トリップと絶縁され該膜ストリップの下に蛇行状に配置されていることを特徴と する磁界センサ。 ２． 前記磁気抵抗膜ストリップの長手方向と前記高導電性薄膜導体ストリッ プの長手方向との成す角度が９０゜であることとを特徴とする請求項１に記載の 磁界センサ。 ３． 複数の同一の並列した磁気抵抗膜ストリップが蛇行状に接続されて、全 体として単一のレジスタを形成し ていることを特徴とする請求項１及び２に記載の磁界センサ。 ４． センサに外部から影響を及ぼす磁界を補償するために、さらに、前記磁 気抵抗レジスタ膜ストリップの長手方向と一致する長手方向を有する高導電性膜 ストリップが他の層と絶縁状態で磁気抵抗膜ストリップの下に設けられており、 接続導体が各２つの磁気抵抗膜ストリップ間の面に延びており、その結果さらに 他の蛇行を形成していることを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ。 ５． 複数の領域（１）を備えた四つの並列した磁気抵抗膜ストリップが設け られており、該膜ストリップは正角（３）及び負角（４）が交互に変わるバーバ ーポール構造を有する領域（１）から始まり、ホイーストンブリッジを形成する ように接続されていることを特徴とする請求項１又は４に記載の磁界センサ。 ６． 各ブリッジレジスタは、複数の磁気抵抗膜ストリップ備えていることを 特徴とする請求項５に記載の磁界センサ。