JPH11505966A - 磁気抵抗性ブリッジ素子のブリッジ回路を有する磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本センサは複数個の薄膜ブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４）のブリッジ回路（Ｂ１）を有する。すべてのブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）が同一の層構造および同一のジオメトリをもって共通の基板（１３）の上に構成されていなければならず、またＧＭＲ効果を示さなければならない。さらに各ブリッジ素子はバイアス層部と、バイアス層部で磁化の所定のオリエンテーション方向を固定的に設定するために、設定電流（Ｉ_e）を導くために設けられている導体層（６ｉ）とを有していなければならない。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気抵抗性ブリッジ素子のブリッジ回路を有する磁界センサ 本発明は、外部の少なくともほぼ均等な磁界を検出するためのセンサであって 、ブリッジに結線された薄膜構造を有する磁気祇抗性ブリッジ素子を有し、この ブリッジを経てブリッジ電流が導かれ、またこのブリッジから測定電圧が取り出 されるセンサに関する。このようなセンサはドイツ実用新案登録第 9312674.3号 明細書に示されている。 Ｎｉ、ＦｅまたはＣｏおよびそれらの合金のような強磁性遷移金属から成る層 では、電気抵抗と材料を貫く磁界の大きさおよび方向との間に関係が与えられる 。このような層に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。この効果は物理的には相い異なるスピンおよび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。このような電子は従っ て多数または少数電子と呼ばれる。このような磁気抵抗性センサに対しては一般 にこのような磁気抵抗材料から成る薄膜が層平面内で磁化されて設けられている 。電流方向に対して磁化を回転する際の抵抗変化はその場合に通常の等方性（＝ オーム）抵抗の数パーセントとなる（冒頭に記載したドイツ実用新案登録明細書 参照）。 さらに少し前から、積層体として配置された複数の強磁性層を含み、それらの 層がそれぞれ金属の中間層により互いに隔離され、またそれらの磁化がそれぞれ 層平面内で行われている磁気抵抗性多層システムが知られている。個々の層の厚 みはその際に伝導電子の平均自由行程長よりも明らかに小さく選ばれている。こ のような多層システムにおいては、前記の異方性の磁気抵抗効果ＡＭＲに加えて いわゆるジャイアント磁気抵抗効果またはジャイアント磁気抵抗ＧＭＲが発生す る（たとえばヨーロッパ特許出願公開第 0483373号明細書参照）。このようなＧ ＭＲ効果は、強磁性層とこ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特に合金の使用の際の層内部の散乱効 果とに基づいている。ＧＭＲ効果はその際に等方性効果である。この効果は異方 性効果ＡＭＲよりも著しく大きく、通常の等方性抵抗の７０％までの値をとり得 る。ＧＭＲ効果を示すこのような多層システムにおいては隣接する金属磁性層が 先ず互いに逆に磁化され、その際に外部磁界の影響のもとに初期の逆並列の磁化 方向が並列磁化方向に変換する。この磁界センサではこのような事実が利用され る。 冒頭に記載したドイツ実用新案登明細書から、ホイートストンブリッジとして 接続されているブリッジ素子（センサ素子）を有する磁界センサが知られている 。これらのセンサ素子は異方性の磁気抵抗ＡＭＲを示し、このようなセンサのブ リッジ回路においては目的に即して、個々のセンサ素子においてＡＭＲ層の磁気 抵抗効果がそれぞれの層の磁化とそれを通って流れる電流の方向との間の角度に 関係するという事実が利用される。個々のセンサ素子は相応の構造化によりブリ ッジ回路に結線され、対として対角線上にある両ブリッジ素子の電流方向が両ブ リッジ枝路から逆向きであるようにブリッジ回路として接続され得る。 本発明の課題は、冒頭に記載した特徴を有する磁界センサを、センサの受信範 囲内で少なくともほぼ均等（＝均一）な磁界の１つまたはそれ以上のベクトル成 分を高い感度で測定可能であり、その際に少なくとも部分的にブリッジ素子の温 度の影響および機械的応力の影響に関して補償されている測定信号が得られるよ うに構成することにある。さらにセンサは比較的簡単に製造可能でなければなら ない。 この課題は本発明によれば、すべてのブリッジ素子が同一の層構造および同一 のジオメトリをもって共通の基板の上に構成され、また高い磁気抵抗効果（ＧＭ Ｒ）を示し、ブリッジ素子の各々にバイアス層部および導体層が設けられ、その 際にこの導体層が、バイアス層部で磁化の所定のオリエンテーション方向が固定 的に設定可能であるように、所定の方向および強さの設定電流を導くために設け られることにより解決される。 装置のこの構成と結び付けられる利点は特に、等しい構造を有するＧＭＲセン サ素子を非常に小さい寸法のブリッジ回路に構成することを初めて大規模の産業 的使用に対して是認できる費用で実現可能にしたことにある。なぜならば、個々 のブリッジ素子にそれぞれ対応する導体路部分を通る設定電流により非常に狭い 場所で所定の磁化のオリエンテーション方向が個々のブリッジ素子のそれぞれの バイアス層部に簡単な仕方で“定着”し得るからである。すなわち、単独の磁気 的により硬い層または特に人工的な反強磁性体（ドイツ特許出願公開第4243358 号明細書参照）とみなすべき層システムから成るブリッジ素子の他の磁気層にく らべてより硬いバイアス層部が設定電流により生じさせられる磁界により有利な ことに簡単な仕方で一回で磁化される。設定電流はその際に、それによりバイア ス層部の磁化のために十分に強い磁界が得られるように高く選ばれる。設定電流 の磁界はその際に場合によっては外部の支持または補助磁界により重畳される。 これに対してバイアス層部の所定の磁気的な硬さ（保磁力）に基づいて検出すべ き外部の磁界構成成分はバイアス層部を反転磁化することはない。 これらのブリッジ素子のブリッジ回路により、さらに、外部の磁界成分に関係 して少なくとも広範囲に温度補償されかつ機械的応力に関して補償された測定信 号が得られる。このことは共通の基板上に並び合う各個のブリッジ素子の等しい 薄膜構造により達成される。薄膜構造とは、各ブリッジ素子が個々の層の所定の 厚みを有する所定の層列を有することを意味する。層列およびすべてのブリッジ 素子からの相応する層の厚みはその際に等しい。このような層列は有利なことに 簡単に実現され得る。 本発明による設定装置の有利な実施態様は主請求項に従属する請求項に記載さ れている。 以下、図面を参照して本発明を一層詳細に説明する。 図１は本発明による磁界センサのブリッジ回路の結線図、 図２はこのようなセンサの個々のブリッジ素子のＧＭＲ層構造の斜視図、 図３は本発明によるブリッジ素子の横断面図、 図４および図５は本発明による磁界センサのブリッジ回路の平面図、 図６は図４に示す多数の磁界センサの平面図、 図７はブリッジ素子のバイアス層部のヒステリシス曲線のそれぞれ概略図であ る。図面中で対応する部分には同一の符号が付されている。 本発明による磁界センサに対しては有利には図１に示されているそれ自体は公 知のブリッジ回路が用いられる。図示のブリッジ回路Ｂはブリッジ回路の２つの 接続点Ａ１とＡ２との間に並列接続されている２つのブリッジ枝路Ｚ１およびＺ ２を含んでいる。ブリッジ回路Ｂを介して接続点Ａ１およびＡ２にブリッジ電流 Ｉ_oが導かれなければならない。ブリッジ枝路Ｚ１およびＺ２の各々は直列に接 続されている２つのセンサ素子Ｅ₁およびＥ₂またはＥ₃およびＥ₄を含んでいる。 各ブリッジ枝路の両素子の間にブリッジ回路の各１つの測定点Ｐ₁またはＰ₂が位 置している。これらの測定点から測定電圧Ｕ_mが取り出される。 ブリッジ回路Ｂの個々のブリッジ素子Ｅ_j（ここで１≦ｊ≦４）はＧＭＲ効果 を示すそれ自体は公知の多層システムから構成されていなければならない（たと えばヨーロッパ特許出願公開第 0483373号またはドイツ特許出願公開第 4232244 号、第 4243357号および第 4243358号明細書参照）。この多層システムはそれぞ れなかんずく磁化ｍ_fjの所定のオリエンテーション方向を有するバイアス層部を 有する。図１中にはこれらの磁化が個々のブリッジ素子における矢線により示さ れている。図からわかるように、対角線上のブリッジ素子の両対Ｅ₁‐Ｅ₄および Ｅ₂‐Ｅ₃はそれぞれバイアス磁化ｍ_fjの等しい方向を有し、その際に一方の対の 磁化方向は他方の対の磁化方向と反対向きに延びている。。 各ブリッジ素子Ｅ_jのバイアス層により生ずるバイアス磁界はＨ_bjで示されて いる。ブリッジ回路Ｂの検出範囲内で少なくとも広範囲に均等（＝均一）な測定 すべき外部の磁界または相応の磁界成分はＨ_mを付された二重矢印により示され ている。 図２はＭＲ効果を有する公知の多層システムＳの原理的構成を示す（たとえば ヨーロッパ特許出願公開第0346817 号明細書参照）。この多層システムは、図示 の実施例では強磁性のバイアス層２ａ（たとえばＮｉＦｅから成る）とその下に 位置している反強磁性の追加層２ｂ（たとえばＦｅＭｎから成る）から構成され るバイアス層部２を含んでいる。このバイアス層部２にくらべて磁気的に軟らか い測定層３（たとえば相応により小さい保磁力を有するＮｉＦｅ合金から成る） は非磁性の中間層４（たとえばＣｕから成る）により隔てられている。図面中に はこれらの層の可能な磁化が矢線により示されている。このような多層システム は“エクスチェンジ・バイアスドシステム”とも呼ばれる。 ＧＭＲ効果を有するこのようなまたは他の多層システムはたとえばブリッジ素 子Ｅｊを本発明により構成するための基本システムとすることができる。好まし くはブリッジ素子Ｅｊはそれぞれ多数の磁性および非磁性層を有する。このよう な多層システムが図３中に示されているブリッジ素子Ｅｊに対して仮定されてい る。たとえば多数の層を有するバイアス層部２を含んでいるその多層システムＳ ′は、非磁性で特に絶縁性の材料から成るパッシベーション層５により覆われて いる。このパッシベーション層５の上にたとえばＣｕまたはＡｇのような非磁性 で電気的に良好に伝導する材料から成るメタライジングの形態で導体層６が被覆 されている。次いで、この導体層６を通る設定電流Ｉ_eにより、多層システムＳ ′のバイアス層部２のなかに磁化の優先方向が定着可能であるような方向および 強さの設定磁界Ｈ_eが生ぜしめられる。 図４および図５中にはそれぞれ共通の基板１３の上の本発明による磁界センサ １１または１２のブリッジ回路Ｂ１またはＢ２のそれぞれ４つのＧＭＲブリッジ 素子Ｅ_jの２つの配置可能性に対する相応の条片状の導体層６ｉ（ここで１≦ｉ ≦３または１≦ｉ≦４）が示されている。その際に図４によるブリッジ回路Ｂ１ はそのブリッジ素子Ｅ１ないしＥ４の矩形の配置を有し、他方において図５によ るブリッジ回路Ｂ２ではすべての４つのブリッジ素子Ｅ１ないしＥ４は並び合っ て配置されている。図５による実施例は有利なことにブリッジ素子の特に密な配 置を許す。ブリッジ回路Ｂ１に対しては導体層６ｉの３つの帯が、またブリッジ 回路Ｂ２に対しては導体層６ｉの４つの帯が必要である。そのつどの導体層を通 る個々の設定電流Ｉ_eの例示的に選ばれる方向は矢線により示されている。 個々のブリッジ素子を図４および図５によるブリッジ回路Ｂ１またはＢ２に結 線するため各素子は少なくとも２つの接触部を有するそのＧＭＲ層システムを設 けられる。これらの接触部は、ブリッジ電流が中央で層平面に対して平行に流れ るように共に相応の磁界に敏感な層システムの最も上の測定層に配置される（い わゆる“カレント・イン・プレイン（ＣＩＰ）システム”）か、もしくはブリッ ジ電流が中央で層平面に対して垂直に流れるようにそれぞれ接触部が最も上の測 定層および最も下の測定層に配置される（いわゆる“カレント・パーペンディキ ュラー、トゥー・プレイン（ＣＰＰ）システム”）。 一般に次いで、個々のバイアス層部を磁化するための導体層６ｉが被覆される 前に、それぞれ選ばれた層構造がさらに図３によるパッシベーション層５により 覆われる。 本発明による磁界センサを経済的に製造するため、有利には、多数の個別セン サが共通の基板、たとえばシリコン板の上に同時に製造される。図６は板状のＳ ｉ基板１３の上に２０個の本発明による磁界センサを有する相応の実施例を示す 。これらの磁界センサに対しては図４による実施形態１１が基礎とされている。 それらのそれぞれのブリッジ回路Ｂ１は図面中に平坦な長方形によってのみ示さ れている。すべてのブリッジ回路の導体層６ｉの接続は接触面１７ａと１７ｂと の間の蛇行状の導体路１６に通ずる。 もちろん、図５中に示されている本発明による磁界センサ１２によっても磁界 センサの相応のシステムを基板１３の上に共通に構成し得る。 本発明による磁界センサのこのようなシステムは特に簡単にエクスチェンジ・ バイアスド多層システムＳの図２中に示されている形式であるＧＭＲブリッジ素 子により実現できる。なぜならば、このようなシステムではバイアス層部２の固 定的な磁化のオリエンテーションのためにたとえば２０Ｏｅの小さい磁界しか必 要とされないからである。たとえば２０μｍの条片幅の導体路１６により、また 約２０ｍＡの電流によりバイアス層部２の２０Ｏｅの必要とされる値を生ぜしめ ることができる。 有利なことに、特に層システムのこのような構成の際にバイアス層部の磁化の 間に高い温度状態が設定され得る。たとえば、図２による層システムの前記のＦ ｅＭｎ層に対して約１５０℃への温度上昇が望ましい。このような温度上昇はた とえば加熱された空間に層システムを配置することにより行うことができる。し かし場合によっては、設定磁界Ｈ_eを発生する導体層６ｉにより加熱電力をもた らすことも可能である。これは（材料、断面積、電流Ｉ_eのような）導体パラメ ータの適当な選定により行うことができる。 特に硬磁性層を有するまたは人工的な反強磁性磁石として構成されたバイアス 層部を有する他の多層システムが用いられる場合には、はるかに高い場合によっ ては１００倍まで高い設定電流Ｉ_eが必要になり得る。その際に、場合によって は、生ずる損失熱がＧＭＲ多層システムの破壊に通じ得る危険がある。ここで必 要とされる比較的高い電流を低減するため、有利には強さＨ_Zの追加的な外部の 支持磁界が付け加えられる。この支持磁界Ｈ_zは磁石コイルまたは永久磁石のよ うな外部の磁界源により発生され、その際にその磁界方向は個々のブリッジ素子 に関して設定可能（特に反転可能）でなければならない。支持磁界Ｈ_zおよびそ の基礎となっている設定磁界Ｈ_eは、仮定されている実施例ではバイアス層部の 飽和磁界の強さＨ_sである磁界の強さの所定のしきい値の必要な超過を可能にす る。磁界関係は図７のダイアグラムに示されている。このダイアグラムには任意 の単位で横軸の方向に磁界の強さＨが、また縦軸の方向に磁化Ｍがとられている 。図示のヒステリシス曲線に対して大きさＨ_sは飽和磁界の強さまたはしきい値 磁界の強さを、Ｈ_eは保磁力を、またＨ_minは磁化Ｍが負の飽和磁化の値から磁界 の強さの増大と共に強く上昇し始める磁界の強さを示す。その際に大きさΔＨ＝ Ｈ_s−Ｈ_min≒２×（Ｈ_s−Ｈ_z）である。 いわゆる人工的な反強磁性磁石（ドイツ特許出願公開第4243358 号明細書参照 ）を有する層システムの場合には、飽和磁界の強さＨ_sである必要はないしきい 値の超過が必要である。 いま多層システムおよび特にそのバイアス層部をＨ_eに対して平行または逆平 行に向けられている外部の追加磁界Ｈ_zに曝すと、全磁界の強さＨ_gが多層システ ムに加わる。 Ｈ_g＝Ｈ_z＋Ｈ_e 磁界Ｈ_zに対しては好ましくはほぼ大きさ（Ｈ_s＋Ｈ_min）／２が選ばれ、また Ｈ_eはΔＨ／２よりもやや大きく選ばれる。ブリッジ素子Ｅ１およびＥ４（図１ による）にはその場合に全磁界 Ｈ_g＝＋｜Ｈ_z｜＋｜Ｈ_e｜ が生じ、他方においてブリッジ回路Ｅ２およびＥ３には相応して Ｈ_g＝＋｜Ｈ_z｜−｜Ｈ_e｜ が生ずる。 Ｈ_zおよびＩ_eがそれに応じて選ばれると、ブリッジ素子Ｅ１およびＥ４のバイ アス層部に対してしきい値Ｈが超過される。これはこのバイアス層部の磁化の所 望の永続的なオリエンテーションに通ずる。これに対してブリッジ素子Ｅ２お よびＥ３のバイアス層部に対しては、Ｈ_minが超過されないので、変化は生ぜし められない。それによってこの層部の磁化は影響されずにとどまる。いまＨ_zの 方向を反転すると、ブリッジ素子Ｅ１およびＥ４には Ｈ_g＝−｜Ｈ_z｜＋｜Ｈ_e｜ が生じ、Ｅ２およびＥ３に対しては相応して Ｈ_g＝−｜Ｈ_z｜−｜Ｈ_e｜ が生ずる。 この場合、ブリッジ素子Ｅ２およびＥ３のバイアス層部に対してしきい値Ｈ_s が超過され、このことはこのバイアス層部の磁化の所望の永続的なオリエンテー ションに通じ、他方においてブリッジ回路Ｅ１およびＥ４のバイアス層部に対し ては保磁力が超過されず、またこの層部の磁化は影響されずに、すなわち先行の プロセス工程に基づいて反対向きのオリエンテーションにとどまる。 図５のダイアグラムの基礎とされている実施例によれば、単独ではしきい値磁 界Ｈ_sを超過しないような磁界の強さＨ_zの外部の支持磁界が選ばれることから出 発している。もちろん、相応に高い支持磁界を用意し、また場合によっては設定 電流Ｉ_eの設定磁界により、場合によっては個々のブリッジ素子のしきい値磁界 Ｈ_sが到達されないような強さＨ_eの対向磁界を発生することも可能である。 こうして、本発明による磁界センサの相応の構成により基板の上にバイアス層 部の１８０°だけ回転された磁化が達成されることが確かめられる。このように してＧＭＲブリッジ素子を有するブリッジ回路の構成が実現可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外部の少なくともほぼ均等な磁界を検出するためのセンサであって、ブリッ ジに結線された薄膜構造を有する磁気抵抗性ブリッジ素子を有し、このブリッジ を経てブリッジ電流が導かれ、またこのブリッジ回路から測定電圧が取り出され るセンサにおいて、 −すべてのブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）が同一の層構造および同一の ジオメトリをもって共通の基板（１３）の上に構成され、また高い磁気抵抗効果 （ＧＭＲ）を示し、 また −ブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）の各々にバイアス層部（２）および導 体層（６、６ｉ）が設けられ、その際にこの導体層（６、６ｉ）が、バイアス層 部（２）で磁化（ｍ_fj）の所定のオリエンテーション方向が固定的に設定可能で あるように、所定の方向および強さの設定電流（Ｉ_e）を導くために設けられて いる ことを特徴とするセンサ。 ２．各々の対応するブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）の導体層（６、６ｉ ）の設定電流（Ｉ_e）によりバイアス層部（２）、がバイアス層の磁化（ｍ_fj） のオリエンテーション方向の固定的な設定を可能にする強さ（Ｈ_e）を有する磁 界にさらされることを特徴とする請求項１記載のセンサ。 ３．各ブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）が、導体層（６、６ｉ）の設定電 流（Ｉ_e）により発生すべき磁界（Ｈ_e）との重畳の際にバイアス層部（２）の磁 化（ｍ_fj）のオリエンテーション方向の固定的な設定を可能にするような強さ（ Ｈ_z）の支持磁界にさらされることを特徴とする請求項１記載のセンサ。 ４．所定の強さ（Ｈ_z）の支持磁界に共通に位置しているブリッジ素子（Ｅ１な いしＥ４；Ｅｊ）のうち２つの素子（Ｅ１、Ｅ４）のバイアス層部（２）でそれ らの所定の設定電流（Ｉ_e）に基づいて同時に磁化（Ｉ_e）の所定のオリエンテー ション方向および磁化（ｍ_fj）の所定のオリエンテーション方向が設定可能であ り、他方において他の素子（Ｅ２、Ｅ３）では他の設定電流に基づいてオリエン テーションが可能でないことを特徴とする請求項３記載のセンサ。 ５．ブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）のバイアス層部（２）のオリエンテ ーションの際の高い温度状態を設定するための手段が設けられていることを特徴 とする請求項１ないし４の１つに記載のセンサ。 ６．導体層（６、６ｉ）が電気的に良好に伝導する材料から成り、また層構造（ Ｓ、Ｓ′）を覆うパッシベーション層（５）の上に被覆されていることを特徴と する請求項１ないし５の１つに記載のセンサ。 ７．各ブリッジ素子（Ｅ１ないしＥ４；Ｅｊ）の層構造（Ｓ、Ｓ′）が磁界に敏 感な測定層（３）と測定層（３）にくらべて比較的磁気的に硬い少なくとも１つ のバイアス層（２ａ）を有するバイアス層部（２）とを有す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。