JPH11194161A - 磁気抵抗式センサ素子により外部磁界の方向を検出するためのセンサ装置 - Google Patents

磁気抵抗式センサ素子により外部磁界の方向を検出するためのセンサ装置

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JPH11194161A
JPH11194161A JP10268646A JP26864698A JPH11194161A JP H11194161 A JPH11194161 A JP H11194161A JP 10268646 A JP10268646 A JP 10268646A JP 26864698 A JP26864698 A JP 26864698A JP H11194161 A JPH11194161 A JP H11194161A
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angle
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    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 非常に大きい磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を呈す
る多層システムを有する少なくとも１つのセンサ素子に
より外部磁界の方向を検出するためのセンサ装置であっ
て、少なくとも１つの軟磁性の測定層と、予め定められ
た磁化方向を有する少なくとも１つの比較的硬いバイア
ス層と、それらの間に配置されている少なくとも１つの
非磁性の中間層とを含んでいるセンサ装置を、３６０°
の角度検出を可能とするように、また感度があまりに低
いという問題を減らすように構成する。 【解決手段】 少なくとも１つのセンサ素子Ｅ、Ｅ′が
少なくとも２つの素子部分Ｅj 、Ｅ1 ないしＥ4 、
Ｅ1 ′ないしＥ4 ′を含み、それらの多層システムＳが
共通の基板２の上に構成され、それらの磁化方向ｍ1 な
いしｍ4 が０°に等しくない、または１８０°に等しく
ない角度αを挟み、それらの測定信号ΔＲ１、ΔＲ２が
共通に評価される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非常に大きい磁気
抵抗効果（ＧＭＲ）を呈する多層システムを有する少な
くとも１つのセンサ素子により外部磁界の方向を検出す
るためのセンサ装置であって、少なくとも１つの軟磁性
の測定層と、予め定められた磁化方向を有する少なくと
も１つの比較的硬いバイアス層と、それらの間に配置さ
れている少なくとも１つの非磁性の中間層とを含んでい
るセンサ装置に関する。このようなセンサ装置は国際特
許第94/17426号明細書に記載されている。
【０００２】
【従来の技術】Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏおよびそれらの合
金のような強磁性の遷移金属から成る層のなかに、材料
を貫く磁界の大きさおよび方向と電気抵抗との関係が与
えられている。このような層において生ずる効果は“異
方性磁気抵抗（ＡＭＲ）”または“異方性磁気抵抗効
果”と呼ばれる。それは物理的に種々のスピンおよびＤ
帯のスピン極性を有する電子の相い異なる散乱断面積に
基づいている。電子は多数または少数電子と呼ばれる。
相応の磁気抵抗式センサのために、一般に層平面に磁化
を有するこのような磁気抵抗性材料から成る薄い層が設
けられる。センサを経て導かれる電流の方向に関する磁
化の回転の際の抵抗変化はその際に通常の等方性（＝オ
ーム性）抵抗の数パーセントであり得る。
【０００３】さらに、積層体として配置されている多く
の強磁性の層を含み、それらがそれぞれ金属の非磁性の
中間層により互いに隔てられ、それらの磁化がそれぞれ
好ましくは層平面に位置している磁気抵抗性の多層シス
テムは知られている。個々の層の厚みはその際に明らか
に伝導電子の平均自由行程よりも小さく選ばれている。
このような多層システムのなかにいま上記の異方性磁気
抵抗効果に対して追加的にいわゆる“巨大磁気抵抗効
果”または“巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）”が生ずる（たと
えばヨーロッパ特許出願公開第 0 483 373号公報を参
照）。このようなＧＭＲ効果は、強磁性層とそれに隣接
する中間層との間の境界面における多数および少数伝導
電子の相い異なる強さの散乱と、これらの層のなかの散
乱効果とに基づいている。ＧＭＲ効果はその際に等方性
の効果である。それは異方性の効果ＡＭＲよりも顕著に
大きい値であり得る。一般に、ＡＭＲ単層素子よりも顕
著に大きい値を（室温において）呈する磁気抵抗効果を
ＧＭＲ効果という。
【０００４】第１の形式の相応の、ＧＭＲ効果を呈する
多層システムでは、隣接する磁性層は外部磁界なしに相
互結合に基づいて磁気的に逆並列に配向されている。こ
の配向は外部磁界により並列な配向に転換され得る。そ
れにくらべて第２の形式のＧＭＲ多層システムは、存在
している磁気的に可能なかぎり軟らかい測定層よりも磁
気的に硬いいわゆるバイアス層を有する。測定層および
（または）バイアス層はそれぞれ積層体として積層され
ている多くの層により置換されていてもよい。しかし、
以下ではそれぞれ個々の層から出発して説明することに
する。
【０００５】測定層およびバイアス層は第２の形式のこ
のような多層システムでは非磁性の中間層により互いに
磁気的に脱結合されている。外部の磁界なしでは両方の
磁性層の磁化はなんらかの角度を挟んでおり、たとえば
逆並列である。外部の磁界Ｈm （＝測定層の層平面に
おける測定磁界成分）の影響のもとに軟磁性の測定層の
磁化Ｍm が磁界の方向に相応して配向され、他方にお
いて磁気的に硬いほうのバイアス層の配向は実際上不変
にとどまる。その際に両方の層の磁化方向の間の角度φ
が多層システムの抵抗を決定する。すなわち、並列な配
向の際には抵抗は小さく、また逆並列な配向の際には抵
抗は大きい。このことは、Ｍm とＨm との間の一義
的な関係が与えられているという事実の結果として出て
くる。最も簡単な場合にはその際に下式が成り立つ。
【数１】Ｍm ・Ｈm ＝Ｍm Ｈm （その際にベクトル量は文中では横拡大文字、図面中で
はゴシック文字で、またスカラー量は普通の文字により
示されている）。
【０００６】このようなＧＭＲ多層システムの磁気抵抗
信号ΔＲはその場合に次の式により与えられている。
【数２】ΔＲ＝Δ（１−ｃｏｓφ）
【０００７】この式から、ΔＲがφ＝φ0 およびφ＝−
φ0 に対して等しい値をとることは明らかである。しか
し、このことは角度φが１８０°の扇形部分のなかでの
み一義的に検出され得ることを意味する。さらに、外部
の測定磁界Ｈm とバイアス層の磁化により決定される
基準方向との間の角度をθとすると、角度感度ｄΔＲ／
ｄθ＝Δｓｉｎθがθ＝０およびθ＝πに対して非常に
低い（冒頭に記載した国際特許の明細書を参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
にあげられた特徴を有するセンサ装置を、３６０°の角
度検出を可能とするように、また感度があまりに低いと
いう問題を減らすように構成することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、少なくとも１つのセンサ素子が少なくとも２つの
素子部分を含み、それらの多層システムが共通の基板の
上に構成され、それらの磁化方向が０°に等しくない、
または１８０°に等しくない角度を挟み、それらの測定
信号が共通に評価されることにより解決される。
【００１０】本発明はその際に、２つの好ましくは等し
く構成されたセンサ素子部分により２つの共通に考察ま
たは評価すべきセンサ部分信号を取得し、これらのセン
サ部分信号により範囲０°ないし１８０°と１８０°な
いし３６０°との間の一義的な区別の可能性を提供する
という考察に基づいている。
【００１１】本発明によるセンサ装置の有利な実施態様
は請求項２以降にあげられている。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明を一層詳
細に説明する。図面中で相応する部分には同一の参照符
号が付されている。
【００１３】本発明によるセンサ装置は、有利に共通の
基板の上に薄膜技術で形成されている少なくとも２つの
センサ素子部分を含んでいる少なくとも１つのセンサ素
子を含んでいる。これらの素子部分の構成はそれ自体は
公知である（たとえばヨーロッパ特許出願公開第 0 483
373号公報またはドイツ特許出願公開第 42 32 244号、
42 43 357号または 42 43 358号公報を参照）。図１に
よれば各素子部分Ｅjは、基板２の上に取付けられた、
ＧＭＲ素子に対して典型的な多層システムＳを含んでい
る。この多層システムは有利に最下層として硬磁性層３
と、その上に取付けられ結合層として作用する中間層４
と、この中間層の上にデポジットされた強磁性またはフ
ェリ磁性の層５とを有する。この層５はその際に測定範
囲内では少なくともほぼ一定である磁化方向をその層平
面内に有するバイアス層をなしている。特別に反強磁性
に結合された層３ないし５はいわゆるバイアス層パケッ
トＰを形成する。このパケットの代わりに強磁性層およ
び直接に接する反強磁性層から成る磁気的に比較的硬い
サブシステムまたは単一のバイアス層のみが設けられて
いてよい。採用されている実施例によれば、この層パケ
ットは磁気的に可能なかぎり軟い磁界感応性の測定層７
から非磁性の中間層６を介して磁気的に少なくとも近似
的に脱結合されている。測定層には図面には示されてい
ない接続コンタクトが素子部分を介して流れる予定され
た電流を導くために取付けられている。層システムのこ
の構成はさらに保護層により覆われていてよい。少なく
ともその方向に関して検出されるべき（外部の）測定磁
界Ｈm は矢印付きの線により示されている。
【００１４】このようなＧＭＲセンサ素子部分Ｅj の抵
抗はその場合にバイアス層パケットＰにくらべての測定
層７の磁化の相対的な方位に関係する。この抵抗の変化
が、与えられている磁界の方向を決定するために、また
こうしてたとえば回転位置または絶対位置を決定するた
めに利用され得る（国際特許第94/17426号明細書も参
照) 。この抵抗変化は磁気抵抗効果の大きさΔＲr を定
める。その際に大きさΔＲr は下記のように定義されて
いる：
【数３】 ΔＲr ＝〔Ｒ（↑↓）−Ｒ（↑↑）〕／Ｒ（↑↑）
【００１５】ＧＭＲセンサ素子の磁界方向感度のゆえに
磁気抵抗効果ΔＲr はバイアス層または相応のバイアス
層パケットに関する測定層の逆並列な磁化方向と並列な
磁化方向との間の抵抗の相違を呈する。上記の式のなか
で測定層およびバイアス層の磁化の互いの向きは矢印の
向きにより示されている。一般に磁気抵抗効果は、その
大きさΔＲr が少なくとも２％（室温において）である
とき、ＧＭＲ効果と呼ばれる。
【００１６】有利に、大きい磁気抵抗効果を有するセン
サ素子部分Ｅj の層状の構成はいわゆる多層システムと
して構成されていてもよい。このようなシステムは、先
に説明された層システムとならんで別の層または層パケ
ットを含んでおり、また場合によっては一連の周期的に
繰り返す層を有することにより優れている（たとえばド
イツ特許出願公開第 42 43 358号公報を参照）。
【００１７】図２にはそれぞれ円状の横断面を有する２
つのセンサ素子部分Ｅ1 およびＥ2が示されている。共
通にこれらのセンサ素子部分は本発明によるセンサ装置
のセンサ素子Ｅを形成する。このようなセンサ装置はそ
の際に、たとえばブリッジとして接続され得る多くのこ
のような素子を有し得る。各素子部分のバイアス層の磁
化は統一的に共通の基板２の平面内に向けられ、ｍ1 ま
たはｍ2 により示されている。これらの磁化方向は各セ
ンサ素子部分に対して基準方向を定め、この基準方向に
関して指向性の外部磁界Ｈm の測定層の平面内に位置
している成分の方位角度θが測定される。図面からわか
るように、１つのセンサ素子に属する各素子部分Ｅ1 お
よびＥ2 のこれらの基準線または相応のバイアス層磁化
方向は互いに本発明により０°または１８０°に等しく
ない角度αを挟んでいなければならない。一般にこの角
度αに対しては少なくとも近似的にα＝（ｎ・４５°）
（ｎ＝１、２、３、５、６、７）が成り立っていなけれ
ばならず、その際±１０°の偏差が含まれているものと
する。図２の実施例の基礎となっている角度αが少なく
ともほぼ９０°であると特に有利である。この場合に対
して方位角度θに関係して、対応付けられているダイア
グラムに示されているような抵抗変化ΔＲ１またはΔＲ
２が得られる。これらのダイアグラムの共通の考察の際
に直ちに認識されるように、有利に角度θを分解能の損
失なしに一義的に０°〜３６０°の全角度範囲内で決定
することができる。そのために、図面には示されていな
い測定信号の評価装置が用いられる この評価装置はセ
ンサ素子部分Ｅ1 およびＥ2 の各々と個々に接続されて
いる。
【００１８】図３は本発明によるセンサ装置のセンサ素
子のセンサ素子部分Ｅj に対するそれ自体は公知の実施
例（ドイツ特許出願公開第195 07 303号公報を参照) を
示す。この素子部分は電流Ｉの案内方向に長く延びてい
る多数のストリップ状の部分片ｅa から成っている。図
３によれば５つのこれらの部分片はそれぞれ予め定めら
れた長さＬa および予め定められた幅Ｂa を有し、また
平行に並び合って幅ｗの相互中間空間を構成するように
配置されている。それらは電流案内方向に見て蛇行状に
接触橋絡片ｋにより相前後して接続されている。これら
の接触橋絡片は、部分片ｅa も接触橋絡片ｋも相応の構
造化により、たとえば電子リソグラフィにより共通の平
面的な層構成から作り出されることにより実現されてい
る。図面にはさらにセンサ素子部分Ｅj の非磁性の電流
接続帯が参照符号９を付して、また個々の部分片のバイ
アス層の磁化または基準方向が参照符号ｍa を付して示
されている。
【００１９】図３に示されている実施例の利点は一方で
は、数ｋΩの所望のインピーダンスレベルが達成可能で
あることにある。他方では、予め定められた形状によ
り、また測定層内の際立った優先方向により等方性の磁
化挙動をし得る。示されている形状の別の利点は、スト
リップ形態がバイアス層内の磁化の安定化に寄与し得る
ことにある。
【００２０】本発明によるセンサ装置のセンサ素子では
個々のセンサ素子部分のバイアス層またはバイアス層パ
ケット内で狭いところに種々の配向を有する磁化が刻み
込まれなければならない。有利にそのために、ドイツ特
許出願公開第195 20 172号、第195 20 178号または第19
5 20 206号公報に記載されているような磁化装置が用い
られ得る。これらの磁化装置では、磁化を設定するため
に、個々のセンサ素子部分の上側を延びてこれらに対応
付けられているストリップ導体を通る電流による磁界が
利用される。その際にストリップ導体は直接にもしくは
絶縁されてそのつどの多層システムの上に取付けられ、
またこれと接続されていてよく、またはこの多層システ
ムから隔てられてこれの上に置かれてよい。相応のスト
リップ導体の可能な実施例は図４に示されている。その
際に、平行に延びている２つの等しいセンサ素子Ｅおよ
びＥ′がそれぞれ４つの相前後して接続されているセン
サ素子部分Ｅ1 ないしＥ4 またはＥ′1 ないしＥ′4 を
有することから出発される。各センサ素子部分はその際
に図３による実施例に相応して構成されている。それぞ
れ２つの相前後して接続されているセンサ素子部分は図
２による互いに直交する磁化方向を有する。図面にはセ
ンサ素子の個々のセンサ素子部分Ｅ1 ないしＥ4 または
Ｅ′1 ないしＥ′4 の多層システムを覆うストリップ導
体装置１０または１０′のみが見える。ストリップ導体
装置１０または１０′はその際に個々のセンサ素子部分
の範囲内に、それぞれセンサ素子部分の対応付けられて
いる部分片（ｅa ）の上側を延びているストリップ導体
１０ａまたは１０ａ′を有する。センサ素子部分の範囲
内でストリップ導体１０ａおよび１０ａ′は並列接続さ
れている。そのつどの設定磁界を発生するためにストリ
ップ導体装置を介して案内すべき設定電流はＩe で示さ
れている。
【００２１】たとえば大きい面にスリットを切ることに
より得られる個々のストリップ導体のこのような並列回
路は比較的大きい面積の他のセンサ素子部分またはセン
サ素子に対しても有利に設けられ得る。すなわちそれに
より、屈曲した電流案内方向（図４を参照）の際に電流
が個々のストリップ導体の方向に流れ、それに対して斜
めな方向に流れないように強制されることが保証され得
る。磁化方向はその場合に相応に正確に決定され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサ装置の個々のセンサ素子部
分の断面図。
【図２】相補性の測定範囲を有する２つのセンサ素子部
分の平面図およびそれらの付属の測定信号曲線図。
【図３】センサ素子部分の特別な実施例の平面図。
【図４】図３によるセンサ素子部分を磁化するための導
体形状を示す平面図。
【符号の説明】
Ｅj 、Ｅ1 〜Ｅ4 、Ｅ1 ′〜Ｅ4 ′ センサ素子部分 Ｓ 多層システム Ｐ バイアス層パケット Ｈm 測定磁界 θ 方位角度 α 基準線の間の角度 ΔＲ１、ΔＲ２ 測定信号 ｍa 、ｍ1 、ｍ2 磁化 Ｉ 電流 ｅa 部分片 Ｌa 部分片の長さ Ｂa 部分片の幅 ｗ 中間空間の幅 ｋ 接触橋絡片 Ｅ、Ｅ′ センサ素子 Ｉe 設定電流 ２ 基板 ３ 硬磁性層 ４ 結合層 ５ バイアス層 ６ 脱結合層 ７ 測定層 ９ 電流端子 １０ １０′ ストリップ導体装置 １０ａ、１０ａ′ ストリップ導体

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非常に大きい磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を
    呈する多層システムを有する少なくとも１つのセンサ素
    子により外部磁界の方向を検出するためのセンサ装置で
    あって、少なくとも１つの軟磁性の測定層と、予め定め
    られた磁化方向を有する少なくとも１つの比較的硬いバ
    イアス層と、それらの間に配置されている少なくとも１
    つの非磁性の中間層とを含んでいるセンサ装置におい
    て、少なくとも１つのセンサ素子（Ｅ、Ｅ′）が少なく
    とも２つの素子部分（Ｅj 、Ｅ1ないしＥ4 、Ｅ1 ′な
    いしＥ4 ′）を含み、それらの多層システム（Ｓ）が共
    通の基板（２）の上に構成され、それらの磁化方向（ｍ
    1 ないしｍ4 ）が０°に等しくない、または１８０°に
    等しくない角度（α）を挟み、それらの測定信号（ΔＲ
    １、ΔＲ２）が共通に評価されることを特徴とする磁気
    抵抗式センサ素子により外部磁界の方向を検出するため
    のセンサ装置。
  2. 【請求項２】 センサ素子部分が互いに隔離されて共通
    の信号評価装置と接続されていることを特徴とする請求
    項１記載のセンサ装置。
  3. 【請求項３】 センサ素子の２つのセンサ素子部分の磁
    化方向（ｍ1 ないしｍ4 ）により挟まれる角度（α）が
    ２０°〜１６０°または２００°〜３４０°であること
    を特徴とする請求項１または２記載のセンサ装置。
  4. 【請求項４】 磁化方向（ｍ1 ないしｍ4 ）により挟ま
    れる角度（α）が少なくともほぼ（ｎ・４５°）±１０
    °（ｎ＝１、２、３、５、６または７）であることを特
    徴とする請求項３記載のセンサ装置。
  5. 【請求項５】 磁化方向（ｍ1 ないしｍ4 ）により挟ま
    れる角度（α）が少なくともほぼ９０°または２７０°
    であることを特徴とする請求項４記載のセンサ装置。
  6. 【請求項６】 センサ素子部分（Ｅj ）が同一の層構成
    および同一の形状を有することを特徴とする請求項１な
    いし５の１つに記載のセンサ装置。
  7. 【請求項７】 各センサ素子部分（Ｅj ）の測定層
    （７）および（または）バイアス層が複数の層から成る
    層パケットから形成されていることを特徴とする請求項
    １ないし６の１つに記載のセンサ装置。
  8. 【請求項８】 センサ素子部分（Ｅj ）の各多層システ
    ム（Ｓ）に、多層システムの少なくとも１つのバイアス
    層のなかの磁化を固定的に設定するための設定電流（Ｉ
    e ）を導くための少なくとも１つの導体帯（１０ａ）が
    対応付けられていることを特徴とする請求項１ないし７
    の１つに記載のセンサ装置。
  9. 【請求項９】 複数の電気的に並列に接続されている導
    体帯（１０ａ）がストリップ導体装置（１０、１０′）
    を形成することを特徴とする請求項１ないし８の１つに
    記載のセンサ装置。
JP10268646A 1997-09-24 1998-09-22 磁気抵抗式センサ素子により外部磁界の方向を検出するためのセンサ装置 Pending JPH11194161A (ja)

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US (1) US6313627B1 (ja)
EP (1) EP0905523B1 (ja)
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