JPH11101861A

JPH11101861A - 磁気抵抗効果型センサ

Info

Publication number: JPH11101861A
Application number: JP9259710A
Authority: JP
Inventors: Haruki Yamane; 治起山根; Mitsuro Mita; 充郎見田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】センサ材料によらずに高検出感度を示す新規
構成の実現を図る。【解決手段】ＧＭＲ素子１０ａ、バイアス磁界発生源
１２ａ、抵抗検出回路１４、交流電源１８、外部磁界検
出部２０および電流磁界変換回路２１を具えている。外
部磁界は、ＧＭＲ素子により電気抵抗の変化として検出
される。抵抗検出回路は、ＧＭＲ素子に電流を流して、
その電流の変化量をＧＭＲ素子の電気抵抗変化として検
出する。抵抗検出回路は、ＧＭＲ素子の電気抵抗に対応
した大きさの電気信号を出力する。また、このＧＭＲ素
子に近接させてバイアス磁界発生源を設けてある。交流
電源によりこのバイアス磁界発生源にバイアス電流を流
して、このバイアス磁界発生源を電磁石として機能させ
る。バイアス磁界発生源により、ＧＭＲ素子に対して一
定の方向ａに、バイアス電流に対応した大きさのバイア
ス磁界が印加される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、巨大磁気抵抗効
果を利用した磁気抵抗効果型センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】巨大磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効
果型センサは、例えば文献１「特開平６−１１１２５
２」および文献２「特開平５−１１４７６１」に開示さ
れている。文献１に開示されている磁気抵抗効果型セン
サは、順次に積層した反強磁性体層、第１強磁性体層、
非磁性体層および第２強磁性体層の構造を具えている。
反強磁性体層は、交換バイアス磁界を発生させて、この
層に接触する第１強磁性体層の磁化を固定する。また、
文献２に開示されている磁気抵抗効果型センサは、順次
に積層した第１強磁性体層、非磁性体層および第２強磁
性体層の構造を具えている。第１強磁性体層の保磁力
は、第２強磁性体層の保磁力に比べて大きくしてある。

【０００３】これら磁気抵抗効果型センサでは、第１強
磁性体層の磁化の向きが固定されており、第２強磁性体
層の磁化が外部の磁界に応じて自在に向きを変える。こ
の場合、両者の磁化のなす角度に応じて、これら各層中
の伝導電子のスピン散乱の割合が変化する。従って、磁
気抵抗効果型センサの電気抵抗値は外部から加えられる
磁界に応答して変化する。

【０００４】このように、磁気抵抗効果型センサを用い
ると、外部磁界の変化を電気抵抗値の変化として検出す
ることができる。通常の磁気抵抗効果型センサの検出感
度は、第２強磁性体層の磁気特性によって決定される。
一般に、第２強磁性体層としては軟磁気特性の優れた材
料が用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、比較的
大きな電気抵抗値の変化率を示すセンサ材料の開発は非
常に困難である。従って、従来より、センサ材料によら
ずに高検出感度を示すような、新規な構成の磁気抵抗効
果型センサの出現が望まれていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明の磁気
抵抗効果型センサによれば、順次に積層した第１強磁性
体層、非磁性体層および第２強磁性体層を具えており、
向きが固定された第１強磁性体層の磁化と外部磁界に従
い向きが変化する第２強磁性体層の磁化とのなす角度に
応じて異なる電気抵抗を示す巨大磁気抵抗効果素子と、
バイアス電流に対応した大きさのバイアス磁界を巨大磁
気抵抗効果素子に印加するバイアス磁界発生源と、バイ
アス電流としての交流電流を供給する交流電源と、巨大
磁気抵抗効果素子の電気抵抗に対応した大きさの電気信
号を出力する抵抗検出回路と、電気信号の変化に応じて
バイアス電流の値を検出することにより、外部磁界の変
化を検出する外部磁界検出部とを具えることを特徴とす
る。

【０００７】巨大磁気抵抗効果素子の電気抵抗は、第２
強磁性体層の磁化の向きの変化に応じて変化し、外部か
ら印加される磁界に対してヒステリシス特性を示す。巨
大磁気抵抗効果素子に対しては、外部磁界の検出時に、
バイアス磁界発生源によってバイアス磁界が印加され
る。このバイアス磁界は、好ましくは、一定の繰り返し
周期の交流磁界とするのが良い。従って、外部磁界が無
い場合には、巨大磁気抵抗効果素子の電気抵抗は一定の
繰り返し周期のパルス波形を示す。

【０００８】そして、外部磁界が存在するとき、巨大磁
気抵抗効果素子の電気抵抗のパルス幅およびパルスの立
ち上がりタイミングが変化する。外部磁界検出部は、こ
の電気抵抗の変化をバイアス電流の変化として検出する
ように構成されている。このように構成してあるので、
この発明の磁気抵抗効果型センサにより外部磁界を検出
することができる。しかも、バイアス電流の変化を検出
すればよいから、検出感度はバイアス磁界発生源の制御
能力のみに依存する。従って、検出感度の向上が比較的
容易に達成される。

【０００９】この発明の磁気抵抗効果型センサにおい
て、好ましくは、第１強磁性体層の磁化が、バイアス磁
界に応じて、第２強磁性体層の磁化の向きと同じ向きの
状態と、第２強磁性体層の磁化の向きと逆向きの状態と
の間で切り替わるように構成するのが良い。

【００１０】また、好ましくは、交換バイアス磁界を発
生させることにより第１強磁性体層の磁化の向きを固定
する反強磁性体層を当該第１強磁性体層に接触させて具
えているのが良い。

【００１１】あるいは、また、第１強磁性体層の保磁力
が第２強磁性体層の保磁力に比べて大きくなるように構
成してもよい。この場合には、反強磁性体層が不要とな
るので、作製が容易になる。

【００１２】また、バイアス磁界発生源としてのバイア
ス電流層を巨大磁気抵抗効果素子に設けておき、交流電
源によってバイアス電流層に交流電流を流すことによ
り、第１強磁性体層の磁化の方向に沿って印加される交
流磁界を発生させるように構成するのが好適である。

【００１３】さらに、第１強磁性体層とバイアス電流層
との間に、交換バイアス磁界により当該第１強磁性体層
の磁化の向きを固定する絶縁性の反強磁性体層を具えて
いるのが良い。従って、第１強磁性体層の磁化の向きを
交換バイアス磁界により固定する一方で、第１強磁性体
層とバイアス電流層との間を絶縁分離させることができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、この発明の
実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明が理解
できる程度に、構成、配置関係および大きさが概略的に
示されているに過ぎない。また、以下に記載する数値等
の条件や材料は単なる一例に過ぎない。従って、この発
明は、この実施の形態に何ら限定されることがない。

【００１５】［第１の実施の形態］図１は、磁気抵抗効
果型センサの構成を示す平面図である。磁気抵抗効果型
センサは、巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子と
略称する。）１０ａ、バイアス磁界発生源１２ａ、抵抗
検出回路１４、交流電源１８、外部磁界検出部２０およ
び電流磁界変換回路２１を具えている。磁気抵抗効果型
センサは外部磁界を検出するための装置である。外部磁
界は、ＧＭＲ素子１０ａにより電気抵抗の変化として検
出される。このＧＭＲ素子１０ａには、抵抗検出回路１
４が導線によって結合されている。抵抗検出回路１４
は、ＧＭＲ素子１０ａに電流を流して、その電流の変化
量をＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗変化として検出する。
そして、抵抗検出回路１４は、ＧＭＲ素子１０ａの電気
抵抗に対応した大きさの電気信号を出力する。

【００１６】また、このＧＭＲ素子１０ａに近接させて
バイアス磁界発生源１２ａを設けてある。この構成例で
は、バイアス磁界発生源１２ａとしてソレノイドコイル
を具えている。このソレノイドコイルと交流電源１８と
の間が導線によって結合されている。そして、交流電源
１８によりソレノイドコイルにバイアス電流を流して、
このソレノイドコイルを電磁石として機能させる。従っ
て、バイアス磁界発生源１２ａにより、ＧＭＲ素子１０
ａに対して一定の方向（図１の矢印ａで示す方向）に、
バイアス電流に対応した大きさのバイアス磁界（交流磁
界）が印加される。

【００１７】また、外部磁界検出部２０は、抵抗検出回
路１４から出力される電気信号の変化に応じて、交流電
源１８で発生されるバイアス電流の値を検出する装置で
ある。このように、バイアス電流の値を検出することに
より外部磁界の変化が検出される。また、外部磁界検出
部２０は、検出したバイアス電流に比例した大きさの電
流信号を電流磁界変換回路２１に出力する。電流磁界変
換回路２１は、外部磁界検出部２０から出力される電気
信号を磁界に変換する回路である。このように構成して
あるので、この磁気抵抗効果型センサによって、外部磁
界に比例した大きさの磁界が検出される。

【００１８】次に、ＧＭＲ素子１０ａの構成について説
明する。図２は、ＧＭＲ素子１０ａの第１構造を示す断
面図である。図２は、図１に示すＩ−Ｉ線の位置の切り
口の断面を示す図である。

【００１９】ＧＭＲ素子１０ａは、基板１６の上に反強
磁性体層２８、第１強磁性体層２２、非磁性体層２４お
よび第２強磁性体層２６を順次に積層させて具えてい
る。基板１６はガラス基板である。反強磁性体層２８と
して、２７．０ｎｍの膜厚のＮｉＯ層を用いている。ま
た、第１強磁性体層２２は、２．０ｎｍの膜厚のＮｉ₃₅
Ｆｅ₂₀Ｃｏ₄₅層である。また、非磁性体層２４は、２．
０ｎｍの膜厚のＣｕ層である。さらに、第２強磁性体層
２６は、１０．０ｎｍの膜厚のＮｉ₃₅Ｆｅ₂₀Ｃｏ₄₅層で
ある。

【００２０】これら各層の成膜はスパッタ法によって行
う。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて微細加工
を施して、直方体形状の積層構造を形成する。各層の主
面形状は、長辺が５０μｍおよび短辺が３０μｍの長方
形形状とする。尚、第１強磁性体層２２および第２強磁
性体層２６の各々の磁化容易軸が上述の長辺に沿う方向
に配向されるように形成する。

【００２１】また、上述したＧＭＲ素子１０ａの構造は
単なる一例に過ぎない。ＧＭＲ素子１０ａとして他の従
来構造を用いても構わない。例えば、積層順を逆にし
て、基板１６の上に第２強磁性体層２６、非磁性体層２
４、第１強磁性体層２２および反強磁性体層２８をこの
順序で積層させたものを用いてもよい。あるいは、ま
た、反強磁性体層２８、第１強磁性体層２２、非磁性体
層２４および第２強磁性体層２６の積層構造を積層単位
とし、複数の積層単位を順次に積層させた構造としても
よい。

【００２２】このように構成してあるので、上述の反強
磁性体層２８は交換バイアス磁界を発生させて、隣接す
る第１強磁性体層２２の磁化の向きを固定する。一方、
第２強磁性体層２６と反強磁性体層２８との間には、第
１強磁性体層２２および非磁性体層２４が設けられてい
る。従って、第２強磁性体層２６に及ぼす交換バイアス
磁界の影響は、第１強磁性体層２２に比べると小さい。

【００２３】よって、ＧＭＲ素子１０ａに印加される外
部磁界に応じて第２強磁性体層２６の磁化だけが自在に
向きを変化させる。ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗は、第
１強磁性体層２２の磁化と第２強磁性体層２６の磁化と
のなす角度に応じて変化する。つまり、ＧＭＲ素子１０
ａによって外部磁界を検出することができる。

【００２４】尚、第１強磁性体層２２の磁化と第２強磁
性体層２６の磁化とが同一の向きのとき（以下、この状
態を「平行」と称する。）、ＧＭＲ素子１０ａの電気抵
抗は最小となる。また、第１強磁性体層２２の磁化と第
２強磁性体層２６の磁化とが平行でかつ互いに反対の向
きのとき（以下、この状態を「反平行」と称する。）、
ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗は最大となる。

【００２５】従って、第１強磁性体層２２の磁化が、バ
イアス磁界に応じて、第２強磁性体層２６の磁化の向き
と同じ向きの状態と、第２強磁性体層２６の磁化の向き
と逆向きの状態との間で切り替わるように構成するとよ
い。このように構成すれば、抵抗検出回路１４で出力さ
れる電気信号が２値信号となるので、外部磁界検出部２
０の回路構成が簡略化される。

【００２６】次に、ＧＭＲ素子１０ａの磁気抵抗特性に
ついて説明する。図３は、ＧＭＲ素子１０ａの磁気抵抗
曲線を示すグラフである。グラフの横軸には、ＧＭＲ素
子１０ａに印加される磁界の強度を取ってある。磁界は
エルステッド（Ｏｅ）単位で表し、−４０Ｏｅ〜４０Ｏ
ｅの範囲を１０Ｏｅごとに目盛って示してある。尚、磁
界の正負は、第１強磁性体層２２の磁化の向きを正とし
て定めている。

【００２７】また、グラフの縦軸は、ＧＭＲ素子１０ａ
の電気抵抗値の増加率を示している。この増加率を縦軸
に（％）表示で表し、０．０％〜３．０％の範囲を０．
５％ごとに目盛って示してある。そして、第１強磁性体
層２２の磁化と第２強磁性体層２６の磁化とが平行であ
るときを基準すなわち０％としている。

【００２８】図３に示す測定結果は、通常の直流４端子
法に従って得たものである。各測定データは白丸記号で
示してある。測定の開始前に予め−５００Ｏｅ以下の磁
界を印加することにより、第１強磁性体層２２の磁化の
向きを固定しておく。そして、４０Ｏｅ〜−４０Ｏｅの
範囲の大きさの交流磁界を印加しながら、ＧＭＲ素子１
０ａの電気抵抗値を測定する。

【００２９】図３に示すように、ＧＭＲ素子１０ａの磁
気抵抗特性はほぼ矩形形状のヒステリシス曲線を描く。
ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗は、２０Ｏｅ程度の大きさ
の磁界が印加されるときに、低抵抗状態（０．１％程
度）から高抵抗状態（２．３％程度）へと変化する。ま
た、ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗は、−２０Ｏｅ程度の
大きさの磁界が印加されるときに、高抵抗状態から低抵
抗状態へと変化する。

【００３０】次に、磁気抵抗効果型センサの動作につ
き、図４および図５を参照して説明する。図４の上部の
グラフには、ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗のヒステリシ
ス曲線が示されている。横軸に磁界を取り、縦軸に電気
抵抗を取って示してある。図中の曲線ａがＧＭＲ素子１
０ａの電気抵抗のヒステリシス特性を示している。ま
た、図４の下部のグラフには、バイアス磁界とバイアス
電流との関係が示されている。横軸に磁界を取り、縦軸
にバイアス電流を取って示してある。また、図５の上部
のグラフには、バイアス電流の時間変化が示されてい
る。横軸に時間を取り、縦軸にバイアス電流を取って示
してある。また、図５の下部のグラフには、抵抗検出回
路１４から出力される電気信号の時間変化が示されてい
る。横軸に時間を取り、縦軸に電圧値を取って示してあ
る。

【００３１】図４の実線ｂで示すように、バイアス磁界
とバイアス電流とは比例関係にある。すなわち、バイア
ス電流の増減に伴ってバイアス磁界が増減する。この動
作例では、−Ｉ_a （Ｉ_a は正の整数）およびＩ_b （Ｉ_b
は正の整数）の間の電流値のバイアス電流を交流電源１
８により発生させている。バイアス電流がＩ_b のとき、
バイアス磁界発生源１２ａはＨ_b （Ｈ_b は正の整数）の
大きさのバイアス磁界を発生させる。また、バイアス電
流が−Ｉ_a のとき、バイアス磁界発生源１２ａは−Ｈ_a
（Ｈ_a は正の整数）の大きさのバイアス磁界を発生させ
る。バイアス電流が０（ゼロ）のときは、バイアス磁界
発生源１２ａはバイアス磁界を発生させない。そして、
バイアス電流がＩ_t （Ｉ_t は正の整数）のとき、バイア
ス磁界発生源１２ａはＨ_t （Ｈ_t は正の整数）の大きさ
のバイアス磁界を発生させる。

【００３２】そして、図５の実線ｃで示すように、交流
電源１８はノコギリ波状の波形のバイアス電流を発生さ
せる。よって、ＧＭＲ素子１０ａにはノコギリ波状の波
形の磁界が印加される。バイアス磁界発生源１２ａが発
生させる磁界は、−Ｈ_a の磁界とＨ_b の磁界との間を一
定の繰り返し周期で振動する交流磁界である。この交流
磁界は、第１強磁性体層２２の磁化の方向に沿って印加
される。その大きさは、ＧＭＲ素子１０ａを構成する第
２強磁性体層２６の磁化が反転可能な大きさとしてあ
る。例えば、この構成例のＧＭＲ素子１０ａの場合、磁
界−Ｈ_a を−３０Ｏｅとし、磁界Ｈ_b を３０Ｏｅとする
のが好適である。

【００３３】そして、磁界が−Ｈ_a からＨ_b に変化する
とき、ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗はＲ_L からＲ_H に変
化する。外部磁界が無い場合には、ちょうど、Ｈ_t の磁
界のところでこの電気抵抗の変化が起きる。また、磁界
がＨ_b から−Ｈ_a に変化するとき、ＧＭＲ素子１０ａの
電気抵抗はＲ_H からＲ_L に変化する。上述したように、
電気抵抗がＲ_L のときは、第１強磁性体層２２の磁化と
第２強磁性体層２６の磁化とが平行の状態となる。この
ときの磁化の状態が図６（Ａ）に示されている。図６
は、動作時のＧＭＲ素子１０ａの磁化の向きを示す断面
図である。図６（Ａ）は、低抵抗状態のときの磁化の様
子を示している。一方、図６（Ｂ）は、高抵抗状態のと
きの磁化の様子を示している。図６（Ｂ）に示すよう
に、高抵抗状態の場合（電気抵抗がＲ_H のとき）には、
第１強磁性体層２２の磁化と第２強磁性体層２６の磁化
とは反平行の状態となる。

【００３４】また、抵抗検出回路１４は、ＧＭＲ素子１
０ａの電気抵抗に比例した大きさの電気信号を出力す
る。図５の実線ｄで示すように、電気抵抗がＲ_L の場合
は電圧Ｖ_L の電気信号が出力される。また、電気抵抗が
Ｒ_H の場合は電圧Ｖ_H の電気信号が出力される。外部磁
界が無い場合には、バイアス電流が−Ｉ_a からＩ_b に変
化する際に、バイアス電流がＩ_t になったときに電気信
号の電圧がＶ_L からＶ_Hへと変化する。また、バイアス
電流がＩ_b になったときに電気信号の電圧がＶ_HからＶ_L
へと変化する。このように、バイアス電流の１周期分
の変化の間に、電気信号は１つの矩形状のパルス波形を
発生させる。このパルス波形のパルスが立ち上がるタイ
ミングを監視することにより、外部磁界の検出を行うこ
とが可能である。

【００３５】次に、ＧＭＲ素子１０ａに対して、バイア
ス磁界以外の外部磁界−△ｈ（△ｈは正の整数）が印加
される場合について説明する。この場合には、バイアス
磁界に外部磁界−△ｈが加えられる形となるので、磁界
Ｈ_t よりも大きな磁界が印加されないとＧＭＲ素子１０
ａの電気抵抗は変化しない。すなわち、（Ｈ_t ＋△ｈ）
の大きさの磁界が印加されるときに、ＧＭＲ素子１０ａ
の電気抵抗はＲ_L からＲ_H へと変化する。このとき、バ
イアス磁界発生源１２ａには、（Ｉ_t ＋△Ｉ）の大きさ
のバイアス電流を流す必要がある。従って、抵抗検出回
路１４の出力電気信号のパルスが立ち上がるタイミング
は、外部磁界が無い場合に比べると遅れる。外部磁界検
出部２０により、パルスの立ち上がるタイミングを監視
して、立ち上がり時のバイアス電流値を検出させる。こ
の結果、バイアス電流の増加分△Ｉが検出されるので、
外部磁界−△ｈの検出が可能となる。

【００３６】次に、ＧＭＲ素子１０ａに対して、バイア
ス磁界以外の外部磁界△ｈが印加される場合について説
明する。この場合には、バイアス磁界に外部磁界△ｈが
加えられる形となるので、磁界Ｈ_t よりも小さな磁界の
印加によりＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗が変化する。す
なわち、（Ｈ_t −△ｈ）の大きさの磁界が印加されると
きに、ＧＭＲ素子１０ａの電気抵抗はＲ_L からＲ_H へと
変化する。このとき、バイアス磁界発生源１２ａには、
（Ｉ_t −△Ｉ）の大きさのバイアス電流が流される。従
って、抵抗検出回路１４の出力電気信号のパルスが立ち
上がるタイミングは、外部磁界が無い場合に比べると速
くなる。外部磁界検出部２０により、パルスの立ち上が
るタイミングを監視して、立ち上がり時のバイアス電流
値を検出させる。この結果、バイアス電流の減少分−△
Ｉが検出されるので、外部磁界△ｈの検出が可能とな
る。

【００３７】このように、この構成例の磁気抵抗効果型
センサにより外部磁界の検出が可能である。また、バイ
アス電流の変化を検出すればよいから、検出感度はバイ
アス磁界発生源１２ａの性能のみに規定される。従っ
て、外部磁界の大きさが比較的小さくても十分な検出感
度が得られる。この磁気抵抗効果型センサは、例えば金
属探知センサとして利用することもできる。

【００３８】尚、この実施の形態では、バイアス磁界発
生源１２ａで発生させる交流磁界をノコギリ波形とした
が、これに限らなくてもよい。例えば、正弦波や三角波
などの波形の交流磁界としてもよい。

【００３９】また、第１強磁性体層２２および第２強磁
性体層２６として、例えばＦｅやＮｉやＣｏやこれらの
合金を用いてもよい。さらに、反強磁性体層２８とし
て、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＣｏＯ、アモルフ
ァスＦｅ₂ Ｏ₃ などを用いてもよい。

【００４０】［第２の実施の形態］次に、磁気抵抗効果
型センサの第２構造について説明する。この構成例は、
第１の実施の形態で説明したＧＭＲ素子１０ａの代わり
に別構造のＧＭＲ素子１０ｂを具えている。

【００４１】図７は、ＧＭＲ素子の第２構造を示す断面
図である。ＧＭＲ素子１０ｂは、基板１６の上に複数の
積層単位４０ｆ、４０ｅ、４０ｄ、４０ｃ、４０ｂおよ
び４０ａをこの順序で積層させて具えている（図７
（Ａ））。各積層単位４０ａ〜４０ｆはそれぞれ同じ構
造である。図７（Ｂ）に、積層単位４０ａの構造の一例
を示してある。

【００４２】積層単位４０ａは、順次に積層した第２強
磁性体層４２、非磁性体層４４、第１強磁性体層４６お
よび非磁性体層４８を有した積層構造である。そして、
第１強磁性体層４６の保磁力を第２強磁性体層４２の保
磁力に比べて大きくしてある。第２強磁性体層４２とし
て、１０．０ｎｍの膜厚のＮｉ₃₅Ｆｅ₂₀Ｃｏ₄₅層を用い
ている。また、第１強磁性体層４６として、６．０ｎｍ
の膜厚のＣｏ層を用いている。非磁性体層４４および４
８の各々は、それぞれ２．８ｎｍの膜厚のＣｕ層であ
る。

【００４３】上述した各層はスパッタ法により成膜す
る。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて微細加工
を施して、第１構造と同様の直方体形状とする。各層の
平面形状は、第１構造と同様の５０μｍ×３０μｍの長
方形形状である。

【００４４】尚、この第２構造のＧＭＲ素子１０ｂは６
層の積層単位を積層させて構成してあるが、この層数に
限らない。また、各積層単位を構成する層の積層順は逆
にしてもよい。

【００４５】この第２構造のＧＭＲ素子１０ｂでは、第
１強磁性体層４６の保磁力と第２強磁性体層４２の保磁
力との間に差をもたせてある。従って、第１構造のＧＭ
Ｒ素子１０ａが含むような反強磁性体層は不要である。
すなわち、第１強磁性体層４６の保磁力が比較的大きい
ので、この第１強磁性体層４６の磁化の向きは一方向に
固定される。そして、第２強磁性体層４２の保磁力は比
較的弱く設定してあるので、外部磁界に応じて第２強磁
性体層４２の磁化だけが自在に向きを変える。

【００４６】図８は、第２構造のＧＭＲ素子１０ｂの磁
気抵抗曲線を示すグラフである。図８に示すグラフの横
軸には、ＧＭＲ素子１０ｂに印加される磁界の強度を取
っている。磁界はエルステッド（Ｏｅ）単位で表し、−
４０Ｏｅ〜４０Ｏｅの範囲を１０Ｏｅごとに目盛って示
してある。尚、磁界の正負は、第１強磁性体層４６の磁
化の向きを正として定めている。

【００４７】また、図８に示すグラフの縦軸は、ＧＭＲ
素子１０ｂの電気抵抗値の増加率を示している。この増
加率を縦軸に（％）表示で表し、０．０％〜２．５％の
範囲を０．５％ごとに目盛って示してある。そして、第
１強磁性体層４６の磁化と第２強磁性体層４２の磁化と
が平行のときを基準すなわち０％としている。

【００４８】図８に示す測定結果は、通常の直流４端子
法に従って得たものである。各測定データは白丸記号で
示してある。測定の開始前に予め−５００Ｏｅ以下の大
きさの磁界を印加することにより、第１強磁性体層４６
の磁化の向きを固定している。そして、４０Ｏｅ〜−４
０Ｏｅの範囲の大きさの交流磁界を印加しながら、ＧＭ
Ｒ素子１０ｂの電気抵抗値を測定する。

【００４９】図８に示すように、ＧＭＲ素子１０ｂの磁
気抵抗特性はほぼ矩形形状のヒステリシス曲線を描く。
ＧＭＲ素子１０ｂの電気抵抗は、２０Ｏｅ程度の大きさ
の磁界が印加されるときに、低抵抗状態（０．１％程
度）から高抵抗状態（２．２％程度）に変化する。ま
た、ＧＭＲ素子１０ｂの電気抵抗は、−３０Ｏｅ程度の
大きさの磁界が印加されるときに、高抵抗状態から低抵
抗状態に変化する。

【００５０】尚、この第２構造のＧＭＲ素子１０ｂを用
いた磁気抵抗効果型センサの動作は、第１の実施の形態
と同様であるから説明を省略する。上述したように、こ
の構成例のＧＭＲ素子１０ｂは反強磁性体層が不要であ
るから比較的作製が容易である。

【００５１】［第３の実施の形態］次に、磁気抵抗効果
型センサの第３構造について説明する。この構成例は、
第１および第２の実施の形態で説明したバイアス磁界発
生源１２ａの代わりに別構造のバイアス磁界発生源１２
ｂを具えている。

【００５２】図９は、この実施の形態の磁気抵抗効果型
センサの構成を示す平面図である。また、図１０は、Ｇ
ＭＲ素子の第３構造を示す断面図である。図１０は、図
９に示すＪ−Ｊ線の位置の切り口の断面を示す図であ
る。

【００５３】この構成例では、バイアス磁界発生源１２
ｂとしてのバイアス電流層５０をＧＭＲ素子１０ｃに設
けてある。このバイアス電流層５０は、交流電流を流す
ことにより、第１強磁性体層２２の磁化の方向に沿って
印加される交流磁界（バイアス磁界）を発生させる膜体
である。このバイアス電流層５０は、ＧＭＲ素子１０ｃ
の上に設けてある。このバイアス電流層５０には、動作
時に交流電源１８によってバイアス電流が流される。バ
イアス電流層５０は、１．０μｍの膜厚のＣｕ層であ
る。

【００５４】図１０に示すように、ＧＭＲ素子１０ｃ
は、基板１６の上に反強磁性体層２８、第１強磁性体層
２２、非磁性体層２４および第２強磁性体層２６を順次
に積層させて具えている。また、ＧＭＲ素子１０ｃは、
第２強磁性体層２６の上に絶縁体層５２を具えている。
そして、この絶縁体層５２の上にバイアス電流層５０が
設けられている。従って、バイアス電流層５０とＧＭＲ
素子１０ｃとは絶縁体層５２によって絶縁分離されてい
る。

【００５５】また、ＧＭＲ素子１０ｃは、反強磁性体層
２８、第１強磁性体層２２、非磁性体層２４および第２
強磁性体層２６の各々の側面に接触させて抵抗検出用電
極５４を具えている。この抵抗検出用電極５４は、導線
によって抵抗検出回路１４に結合されている。この抵抗
検出用電極５４とバイアス電流層５０とは、非接触の状
態となるように設計してある。

【００５６】反強磁性体層２８、第１強磁性体層２２、
非磁性体層２４および第２強磁性体層２６の積層構造
は、第１構造のＧＭＲ素子１０ａと同一の構造である。
絶縁体層５２は、１．０μｍの膜厚のＳｉＯ₂ 層であ
る。このＳｉＯ₂ 層は、スパッタ法により第２強磁性体
層２６の上面に成膜される。そして、フォトリソグラフ
ィ技術を用いてパタン形成することにより、所定形状の
絶縁体層５２を完成させている。絶縁体層５２は直方体
形状の膜体である。絶縁体層５２は、下側の積層構造に
比べてＪ−Ｊ線に沿う方向のサイズが小さく形成されて
いる。

【００５７】上述の抵抗検出用電極５４は、第２強磁性
体層２６の露出している上面の部分から基板１６の上面
の一部にわたって設けられている。２つの抵抗検出用電
極５４は、積層構造の長辺に沿う側の側面にそれぞれ形
成されている。抵抗検出用電極５４は、Ｃｕ層をスパッ
タ法により成膜して形成する。このＣｕ層の膜厚は１．
０μｍである。図１０に示すように、絶縁体層５２の上
面が抵抗検出用電極５４の上面より高くなるように形成
してある。従って、絶縁体層５２の上面に設けられるバ
イアス電流層５０は、抵抗検出用電極５４と絶縁分離さ
れる。

【００５８】尚、抵抗検出用電極５４を形成した後に絶
縁体層５２の形成を行うようにしてもよい。この場合に
は、抵抗検出用電極５４としてのＣｕ層の成膜を行った
後に所定の微細加工を施す。すなわち、第２強磁性体層
２６の上面の一部が露出されるように、このＣｕ層の一
部分を除去する。その後に、この加工されたＣｕ層およ
び第２強磁性体層２６の上に絶縁体層５２としてのＳｉ
Ｏ₂ 層を成膜すればよい。

【００５９】また、各層は、逆の順に積層させてもよ
い。すなわち、基板１６の上にバイアス電流層５０、絶
縁体層５２、第２強磁性体層２６、非磁性体層２４、第
１強磁性体層２２および反強磁性体層２８をこの順序で
積層させる。

【００６０】尚、この第３構造のＧＭＲ素子１０ｃの磁
気抵抗特性は、第１構造のＧＭＲ素子１０ａの磁気抵抗
特性（図３）と同じであるから説明を省略する。

【００６１】上述のバイアス電流層５０には、図１０の
矢印で示される方向に沿ってバイアス電流５６が流れ
る。従って、バイアス電流層５０の周囲に磁界が発生す
る。この磁界は、第１強磁性体層２２の磁化の方向に沿
って印加される。この磁界が外部磁界に対してバイアス
磁界として作用するので検出感度の向上が図れる。

【００６２】そして、バイアス電流５６は交流電流であ
るからバイアス電流層５０の周囲に交流磁界が発生す
る。このように、バイアス磁界発生源１２ｂは第１構造
のバイアス磁界発生源１２ａと実質的に等価の働きをす
る。従って、再生原理や再生動作は、第１の実施の形態
と同じであるから説明を省略する。

【００６３】［第４の実施の形態］次に、磁気抵抗効果
型センサの第４構造について説明する。この構成例の磁
気抵抗効果型センサは、第３の実施の形態で説明したＧ
ＭＲ素子１０ｃの代わりに別構造のＧＭＲ素子１０ｄを
具えている。

【００６４】図１１は、ＧＭＲ素子の第４構造を示す断
面図である。ＧＭＲ素子１０ｄは、第２構造のＧＭＲ素
子１０ｂと同様に、基板１６の上に複数の積層単位４０
ｆ、４０ｅ、４０ｄ、４０ｃ、４０ｂおよび４０ａを順
次に積層させて具えている。各積層単位４０ａ〜４０ｆ
は、それぞれ同じ構造である。積層単位４０ａの構造
は、図７（Ｂ）に示した構造と同じである。

【００６５】第２の実施の形態で説明したように、各積
層単位を構成する第１強磁性体層４６の保磁力を第２強
磁性体層４２の保磁力に比べて大きくしてある。従っ
て、反強磁性体層が不要であり、作製が容易である。

【００６６】そして、これら６層の積層単位４０ａ〜４
０ｆの積層構造の上に絶縁体層５２を具えている。すな
わち、絶縁体層５２は、積層単位４０ａの上に設けられ
ている。この絶縁体層５２の上にバイアス電流層５０が
設けられている。また、ＧＭＲ素子１０ｄは、第３の実
施の形態の構成と同様に抵抗検出用電極５４を具えてい
る。この抵抗検出用電極５４は、各積層単位４０ａ〜４
０ｆの側面に接触させた状態で設けられている。

【００６７】尚、このＧＭＲ素子１０ｄの磁気抵抗特性
は、ＧＭＲ素子１０ｂの磁気抵抗特性（図８）と同じで
あるから、説明を省略する。また、再生原理や再生動作
も第１、第２および第３の実施の形態の構成例と同様で
ある。

【００６８】また、ＧＭＲ素子１０ｄは、基板１６の上
にバイアス電流層５０および絶縁体層５２をこの順序で
積層させて、この上側に各積層単位４０ａ〜４０ｆを順
次に積層させる構造としてもよい。

【００６９】［第５の実施の形態］次に、磁気抵抗効果
型センサの第５構造について説明する。この構成例の磁
気抵抗効果型センサは、第３の実施の形態で説明したＧ
ＭＲ素子１０ｃの代わりに別構造のＧＭＲ素子１０ｅを
具えている。

【００７０】図１２は、ＧＭＲ素子の第５構造を示す断
面図である。ＧＭＲ素子１０ｅは、基板１６の上に第２
強磁性体層２６、非磁性体層２４および第１強磁性体層
２２を順次に積層させて具えている。そして、この第１
強磁性体層２２の上に絶縁性の反強磁性体層５８が設け
られている。さらに、この絶縁性の反強磁性体層５８の
上にバイアス電流層５０を具えている。また、第２強磁
性体層２６、非磁性体層２４および第１強磁性体層２２
の側面に接触させて抵抗検出用電極５４を具えている。

【００７１】このように、この第５構造のＧＭＲ素子１
０ｅは、反強磁性体層（例えば第３構造を構成する反強
磁性体層２８）と絶縁体層（例えば第３構造の絶縁体層
５２）とを共通の膜体として構成している。従って、絶
縁性の反強磁性体層５８は、交換バイアス磁界により第
１強磁性体層２２の磁化の向きを固定する。また、絶縁
性の反強磁性体層５８は、バイアス電流層５０と第１強
磁性体層２２との間を絶縁分離させる。

【００７２】よって、この構成は、例えば第３構造のＧ
ＭＲ素子１０ｃに比べると層数を少なくできるから、作
製が容易である。絶縁性の反強磁性体層５８として、Ｎ
ｉＯ、ＣｏＯやアモルファスＦｅ₂ Ｏ₃ などを用いるの
が好適である。

【００７３】

【発明の効果】この発明の磁気抵抗効果型センサによれ
ば、動作時に、巨大磁気抵抗効果素子に対して交流磁界
が印加される。この交流磁界がバイアス磁界として作用
するので、外部磁界の変化が比較的小さくても、比較的
大きな電気抵抗の変化として検出することが可能であ
る。従って、高検出感度の磁気抵抗効果型センサが実現
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁気抵抗効果型センサの構成を示す図である。

【図２】ＧＭＲ素子の第１構造を示す図である。

【図３】ＧＭＲ素子の磁気抵抗曲線を示す図である。

【図４】動作の説明に供する図である。

【図５】動作の説明に供する図である。

【図６】動作時の磁化の様子を示す図である。

【図７】ＧＭＲ素子の第２構造を示す図である。

【図８】ＧＭＲ素子の磁気抵抗曲線を示す図である。

【図９】磁気抵抗効果型センサの構成を示す図である。

【図１０】ＧＭＲ素子の第３構造を示す図である。

【図１１】ＧＭＲ素子の第４構造を示す図である。

【図１２】ＧＭＲ素子の第５構造を示す図である。

【符号の説明】

１０ａ：ＧＭＲ素子１２ａ：バイアス磁界発生源１４：抵抗検出回路１６：基板１８：交流電源２０：外部磁界検出部２１：電流磁界変換回路２２：第１強磁性体層２４：非磁性体層２６：第２強磁性体層２８：反強磁性体層１０ｂ：ＧＭＲ素子４０ａ〜４０ｆ：積層単位４２：第２強磁性体層４４：非磁性体層４６：第１強磁性体層４８：非磁性体層１０ｃ：ＧＭＲ素子１２ｂ：バイアス磁界発生源５０：バイアス電流層５２：絶縁体層５４：抵抗検出用電極５６：バイアス電流１０ｄ：ＧＭＲ素子１０ｅ：ＧＭＲ素子５８：絶縁性の反強磁性体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】順次に積層した第１強磁性体層、非磁性
体層および第２強磁性体層を具えており、向きが固定さ
れた前記第１強磁性体層の磁化と外部磁界に従い向きが
変化する前記第２強磁性体層の磁化とのなす角度に応じ
て異なる電気抵抗を示す巨大磁気抵抗効果素子と、バイアス電流に対応した大きさのバイアス磁界を前記巨
大磁気抵抗効果素子に印加するバイアス磁界発生源と、前記バイアス電流としての交流電流を供給する交流電源
と、前記巨大磁気抵抗効果素子の電気抵抗に対応した大きさ
の電気信号を出力する抵抗検出回路と、前記電気信号の変化に応じて前記バイアス電流の値を検
出することにより、前記外部磁界の変化を検出する外部
磁界検出部とを具えることを特徴とする磁気抵抗効果型
センサ。
【請求項２】請求項１に記載の磁気抵抗効果型センサ
において、前記第１強磁性体層の磁化が、前記バイアス磁界に応じ
て、前記第２強磁性体層の磁化の向きと同じ向きの状態
と、前記第２強磁性体層の磁化の向きと逆向きの状態と
の間で切り替わることを特徴とする磁気抵抗効果型セン
サ。
【請求項３】請求項１に記載の磁気抵抗効果型センサ
において、交換バイアス磁界を発生させることにより前記第１強磁
性体層の磁化の向きを固定する反強磁性体層を当該第１
強磁性体層に接触させて具えていることを特徴とする磁
気抵抗効果型センサ。
【請求項４】請求項１に記載の磁気抵抗効果型センサ
において、前記第１強磁性体層の保磁力が前記第２強磁性体層の保
磁力に比べて大きいことを特徴とする磁気抵抗効果型セ
ンサ。
【請求項５】請求項１に記載の磁気抵抗効果型センサ
において、前記バイアス磁界発生源としてのバイアス電流層を前記
巨大磁気抵抗効果素子に設けてあり、前記交流電源によって前記バイアス電流層に交流電流を
流すことにより、前記第１強磁性体層の磁化の方向に沿
って印加される交流磁界を発生させることを特徴とする
磁気抵抗効果型センサ。
【請求項６】請求項５に記載の磁気抵抗効果型センサ
において、前記第１強磁性体層と前記バイアス電流層との間に、交
換バイアス磁界により当該第１強磁性体層の磁化の向き
を固定する絶縁性の反強磁性体層を具えていることを特
徴とする磁気抵抗効果型センサ。