KR20150056064A - 자기 검지 장치 - Google Patents

Abstract

자계 유도층에서 제 1 방향으로 유도된 자계가, 유도 방향과 직교하는 제 2 방향으로 감도축을 가지는 자기센서에서 검지되는 것으로서, 제 2 방향의 자계 성분에 대한 감도를 저하시킬 수 있고, 게다가 외부로부터의 강한 자장의 영향을 받기 어려운 구조의 자기 검지 장치를 제공한다.
Z방향의 자계 성분이 자계 유도층(30)으로 유도되고, 자기센서(20)에 대하여 그 감도축 방향과 동일한 X방향으로 부여되어 검지 출력이 얻어진다. 복수의 자기센서(20)로 브리지 회로가 조직되어, X방향의 자계 성분에 대해서는 출력이 나오지 않도록 구성되어 있다. 다만, X방향의 외부 자계가 자계 유도층(30)으로 끌어 들여짐으로써 X방향의 감도에 편차가 생기는 경우가 있다. 그래서, 자계 유도층(30)의 제 1 부분(31)의 연자기 특성을 열화시켜, 투자율을 저하시키고 있다.

Description

자기 검지 장치{MAGNETIC DETECTING DEVICE}

본 발명은, GMR 소자 등의 자기센서에 의해, 그 감도축과 직교하는 방향의 자계 성분을 검지하는 자기 검지 장치에 관한 것이다.

특허문헌 1과 특허문헌 2에 기재된 자기 검지 장치는, 감도축이 수평 방향으로 향해진 자기저항효과소자로 브리지 회로가 구성되어 있고, 자기저항효과소자에는, 수직 방향으로 연장되는 연자성 재료로 형성된 자성체가 대향하여 설치되어 있다. 수직 방향의 자계 성분은, 자성체에 의해 유도되고, 자성체의 하단부로부터의 누설 자속 중의 수평 방향 성분이 자기저항효과소자에서 검지된다. 이것에 의해, 수직 방향의 자계의 강도를 검지하는 것이 가능해지고 있다.

이 자기 검지 장치에서는, 외부 자계의 수평 방향 성분에 의거하는 검지 출력이 본래의 검지 출력에 중첩되지 않는 것이 필요하다. 그 때문에, 수평 방향의 자계 성분에서 개개의 자기저항효과소자의 저항값이 변화해도, 그 변화를 상쇄할 수 있도록 브리지 회로가 구성되어 있다.

일본국 공개특허 특개2009-276159호 공보 국제공개 WO 2011/068146 A1

상기 자기 검지 장치는, 수직 방향의 자계를 유도하기 위한 자성체가, 투자율(透磁率)이 높은 연자성 재료로 형성되어 있다. 그런데, 자성체의 투자율이 높으면, 본래는 검지하지 않아야 할 수평 방향의 자계 성분에 대하여 감도의 편차가 발생한다는 과제가 생긴다.

즉, 이 종류의 자기 검지 장치는, 복수의 자기저항효과소자에 수평 방향의 자계 성분이 동일한 강도로 작용한 경우에는, 자기저항효과소자의 저항값이 변화되어도, 저항값의 변화가 서로 상쇄되어 검지 출력으로서 나타나지 않도록 되어 있다. 그러나, 자성체의 투자율이 높으면, 수평 방향의 자계 성분이 자성체로 끌어 들여지기 때문에, 개개의 자기저항효과소자에 부여되는 수평 방향의 자계 강도에 편차가 발생하기 쉬워진다. 이 편차가 커지면, 브리지 회로에서 저항값의 변화를 상쇄할 수 없게 되어, 본래는 감지하지 않아야 할 수평 방향의 자계 강도에 따른 검지 출력이 검지 노이즈가 되어 나타나버린다.

그래서, 상기 자성체의 연자기 특성을 약간 열화시켜 투자율을 내림으로써, 수평 방향의 자계 성분이 자성체로 끌어 들여지기 어렵게 하는 대책이 생각된다. 그러나, 자성체의 연자기 특성을 열화시키면 보자력이 커져, 비교적 큰 외부 자계가 부여되었을 때에 자성체 내에 자화(磁化)가 잔류하기 쉬워진다. 그 결과, 수직 방향의 자계 성분을 검지할 때에, 검지 출력에 오프셋 성분이 중첩하고, 또 감도의 편차가 발생하게 된다.

본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것이며, 자기센서의 감도축으로 향하는 자계 성분이 노이즈로서 중첩되기 어렵고, 또 외부로부터 강한 자계가 작용했을 때의 영향을 받기 어려운 구조의 자기 검지 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은, 제 1 방향의 자계 성분을 유도하는 자계 유도층과, 상기 자계 유도층의 단부가 대향하는 가상면 상에 위치하여 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 감도축을 가지는 자기센서가 설치된 자기 검지 장치에 있어서,

상기 자계 유도층은, 상기 자기센서와 대향하는 제 1 부분과, 상기 자기센서로부터 떨어진 제 2 부분을 가지고 있고, 제 1 부분의 투자율이 제 2 부분보다 낮은 것을 특징으로 하는 것이다.

또 본 발명은, 제 2 부분의 보자력이 제 1 부분보다 낮은 것이 된다.

본 발명은, 상기 자계 유도층은, 철을 포함하는 합금으로 형성되어 있고, 철의 함입량은, 제 1 부분이 제 2 부분보다 적은 것으로서 구성할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 검지 장치는, 상기 자계 유도층은, 상기 제 2 부분보다 상기 자기센서로부터 떨어진 제 3 부분을 가지고 있고, 제 3 부분의 투자율이 제 2 부분보다 낮은 것이 바람직하다.

이 경우도, 제 2 부분의 보자력이 제 3 부분보다 낮은 것이 된다.

본 발명은, 상기 자계 유도층은, 철을 포함하는 합금으로 형성되어 있고, 철의 함입량은, 제 3 부분이 제 2 부분보다 적은 것으로서 구성할 수 있다.

본 발명은, 상기 제 1 부분의 철의 함유량이 11질량% 이상이고 14질량% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 부분의 제 1 방향에서의 두께 치수가, 상기 자계 유도층의 동방향에서의 두께 치수의 45% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명은, 예를 들면 상기 자기센서는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성층을 사이에 두고 적층된 자기저항효과소자를 가지고 있고, 상기 고정 자성층의 고정 자화가 제 2 방향으로 향해져 있는 것이다.

본 발명의 자기 검지 장치는, 제 1 방향의 자계 성분을 유도하는 자계 유도층의 제 1 부분의 투자율을 낮게 설정하고 있다. 이것에 의해, 제 2 방향의 자계 성분이 자계 유도층으로 끌어 들여지기 어려워져, 제 2 방향의 자계 성분에 대한 자기센서의 감도의 편차를 억제할 수 있다. 그 때문에, 본래의 검지 방향이 아닌 제 2 방향의 자계 성분에 의한 검지 노이즈를 저감할 수 있게 된다.

또한, 제 2 부분의 연자기 특성을 높게 해 둠으로써, 자계 유도층의 전체에서의 연자기 특성을 높게 유지할 수 있고, 전체적으로 보자력을 작게 할 수 있으며, 큰 외부 자계가 부여되더라도, 자계 유도층에 큰 자화가 잔류할 수 없게 하고 있다. 이것에 의해, 검지 출력의 오프셋의 발생이나 감도의 편차의 발생을 방지할 수 있게 된다.

도 1은, 본 발명의 실시형태의 자기 검지 장치의 전체 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는, 도 1에 나타낸 자기 검지 장치의 등가 회로도이다.
도 3은, 자기 검지 장치에 설치되어 있는 자기센서의 확대 단면도이다.
도 4의 (A)는, 자계 유도층으로 유도된 자계 성분이 제 1 저항 변화부와 제 2 저항 변화부에서 검지되는 동작을 나타낸 설명도, (B)는, 자계 유도층으로 유도된 자계 성분이 제 3 저항 변화부와 제 4 저항 변화부에서 검지되는 동작을 나타낸 설명도이다.
도 5의 (A)는, 제 1 저항 변화부와 제 2 저항 변화부에 제 2 방향의 외부 자계가 인가된 상태를 나타낸 설명도, (B)는, 제 3 저항 변화부와 제 4 저항 변화부에 제 2 방향의 외부 자계가 인가된 상태를 나타낸 설명도이다.
도 6은, 자계 유도층과 자기센서의 배치의 변형예를 나타낸 설명도이다.
도 7은, 자계 유도층의 구조를 나타낸 설명도이다.
도 8은, 오프셋과 감도를 설명하기 위한 설명도이다.
도 9는, 제 2 방향의 자계 성분의 감도를 나타낸 선도이다.
도 10은, 자계 유도층에 큰 외부 자계를 부여했을 때의 검지 출력의 오프셋의 변화량을 나타낸 선도이다.
도 11은, 자계 유도층에 큰 외부 자계를 부여했을 때의 검지 출력의 감도의 변화율을 나타낸 선도이다.

도 1에 나타낸 자기 검지 장치(Sz)는 외부 자계 중 Z방향(제 1)의 성분을 검지하는 것이다. 자기 검지 장치(Sz)는, 외부 자계 중 X방향(제 2 방향)의 성분을 검지하는 자기 검지 장치(Sx) 및 Y방향의 성분을 검지하는 자기 검지 장치(Sy)와 조합되어, 직교하는 3방향의 외부 자계를 검지할 수 있는 것이 된다. 이 자기센서는 지(地)자기센서 등으로서 사용된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 자기 검지 장치(Sz)는, 제 1 저항 변화부(1)와 제 2 저항 변화부(2) 및 제 3 저항 변화부(3)와 제 4 저항 변화부(4)로 구성되어 있다.

도 2의 등가 회로도에도 나타내어져 있는 바와 같이, 제 1 저항 변화부(1)와 제 3 저항 변화부(3)가 직렬로 접속되고, 제 2 저항 변화부(2)와 제 4 저항 변화부(4)가 직렬로 접속되어 있다. 제 2 저항 변화부(2)와 제 3 저항 변화부(3)는 배선부(5a)를 통하여 단자(5)에 접속되고, 단자(5)에 전원 전압(Vcc)이 인가된다. 제 1 저항 변화부(1)와 제 4 저항 변화부(4)의 접속부는, 배선부(6a)를 통하여 단자(6)에 접속되고, 단자(6)는 접지되어 있다. 제 1 저항 변화부(1)와 제 3 저항 변화부(3)의 접속 중간부는, 배선부(7a)를 통하여 제 1 검지 단자(7)에 접속되고, 제 2 저항 변화부(2)와 제 4 저항 변화부(4)의 접속 중간점은, 배선부(8a)를 통하여 제 2 검지 단자(8)에 접속되어 있다. 제 1 검지 단자(7)의 출력과 제 2 검지 단자(8)의 출력의 차동 출력이 자기 검지 장치(Sz)의 검지 출력이 된다.

제 1 저항 변화부(1) 내지 제 4 저항 변화부(4)에는, Y방향으로 가늘고 긴 자기센서(20)가 2개씩 설치되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 저항 변화부(1)에서는, 2개의 자기센서(20)의 Y1측의 단부가 도통 연결층(9a)에 의해 접속되고, 제 1 저항 변화부(1)는 자기센서(20)가 소위 미앤더(meander) 패턴으로 접속되어, Y방향으로의 자기센서의 실질적인 치수가 길게 되어 있다. 마찬가지로, 제 2 저항 변화부(2)에서는, 2개의 자기센서(20)의 Y1측의 단부가 도통 연결층(9b)으로 접속되고, 제 3 저항 변화부(3)에서는, 2개의 자기센서(20)의 Y1측의 단부가 도통 연결층(9c)으로 접속되고, 제 4 저항 변화부(4)에서는, 2개의 자기센서(20)의 Y1측의 단부가 도통 연결층(9d)으로 접속되어 있다. 저항 변화부(2, 3, 4)에서는, 각각 자기센서(20)가 미앤더 패턴으로 접속되어 있다.

배선부(5a, 6a, 7a, 8a)와 단자(5, 6, 7, 8) 및 도통 연결층(9a, 9b, 9c, 9d)은, 구리나 은 등의 저(低)저항 재료로 형성되어 있다.

도 3에는, 자기센서(20)를 Y-Z면과 평행한 절단면으로 절단한 단면도가 나타내어져 있다. 기판(11)의 표면에 절연 베이스층(12)이 형성되고, 그 위에 금속이 다층으로 적층된 자기센서(20)가 형성되어 있다. 자기센서(20)를 구성하는 금속층은 스퍼터 공정이나 CVD공정으로 성막되어 있다.

자기센서(20)는, 거대 저항 효과를 발휘하는 자기저항효과소자층(GMR층)이고, 절연 베이스층(12) 위에, 고정 자성층(22)과 비자성층(23)과 프리 자성층(24)이 순서대로 적층되며, 프리 자성층(24)이 보호층(25)으로 덮여 있다.

고정 자성층(22)은, 제 1 고정층(22a)과 제 2 고정층(22b) 및 제 1 고정층(22a)과 제 2 고정층(22b)의 사이에 위치하는 비자성 중간층(22c)을 가지는 적층 페리 구조이다. 제 1 고정층(22a)과 제 2 고정층(22b)은, CoFe 합금(코발트-철 합금) 등의 연자성 재료로 형성되어 있다. 비자성 중간층(22c)은 Ru(루테늄) 등이다.

적층 페리 구조의 고정 자성층(22)은, 제 1 고정층(22a)과 제 2 고정층(22b)의 자화가 반(反)평행하게 고정된 소위 셀프 핀 구조이다. 셀프 핀 구조는, 고정 자성층(22)의 자화를 고정하기 위해 반강(反强)자성층을 이용하고 있지 않다. 반강자성층을 이용하는 것은, 반강자성층과 고정 자성층을 적층하고, 자장 중에서 열처리함으로써, 고정 자성층의 자화를 고정하지만, 적층 페리 구조의 고정 자성층(22)에서는, 자화 중에서 열처리를 행하지 않고, 제 1 고정층(22a)과 제 2 고정층(22b)의 반강자성 결합에 의해, 자화의 방향이 고정되어 있다.

고정 자성층(22)의 자화의 고정 방향은 제 2 고정층(22b)의 자화 방향이고, 모든 저항 변화부(1, 2, 3, 4)에 있어서, 고정 자성층(22)의 고정 자화(P)의 방향이 제 2 방향인 X2 방향으로 향해져 있다.

도 3에 나타낸 비자성층(23)은 Cu(구리) 등의 비자성 재료로 형성되어 있다. 프리 자성층(24)은, NiFe 합금(니켈-철 합금) 등의 연자성 재료로 형성되어 있다. 프리 자성층(24)은, 종방향(Y방향)의 길이 치수가 횡방향(X방향)의 폭 치수보다 충분히 크고, 그 형상 이방성에 의해, 자화가 X2 방향으로 향하여 정렬되어 있다. 따라서, 프리 자성층(24)의 자화를 종방향으로 정렬하기 위한 종(縱) 바이어스 부여 구조를 구비하고 있지 않다. 고정 자성층(22)이 적층 페리 구조이며, 자장 중의 열처리가 불필요하면, 프리 자성층(24)의 자기 이방성을 유지하기 쉽게 되어 있다. 프리 자성층(24)을 덮는 보호층(25)은 Ta(탄탈) 등으로 형성되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 모든 저항 변화부(1, 2, 3, 4)에는, 각각의 자기센서(20)에 대하여 Z방향으로부터 대향하는 자계 유도층(30)이 설치되어 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 자계 유도층(30)은 복수 설치되어 있고, Y방향으로 직선적으로 연장되어 서로 평행하게 배치되어 있다. 또한, 도 4와 도 5에 나타낸 바와 같이, 자계 유도층(30)은, Z방향으로 일어서는 것처럼 벽체 형상으로 형성되어 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 자기센서(20)는 프리 자성층(24)이 보호층(25)으로 덮여 있으나, 보호층(25) 위에 도시하지 않은 절연층이 형성되어 있고, 이 절연층의 상면이 평탄면으로 가공되어, 그 위에 자계 유도층(30)이 도금 공정 등에 의해 형성된다.

자계 유도층(30)은 연자성 재료로 형성되어 있다. 도 4(A)에 나타낸 바와 같이, 제 1 저항 변화부(1)와 제 2 저항 변화부(2)에서는, 자계 유도층(30)의 하단면(30a)에 대하여 거리를 두고 대향하는 가상면(가상 평면)(21) 위에 자기센서(20)가 배치되어 있다. 자기센서(20)의 중심은, 하단면(30a)의 X방향의 폭 중심에 대하여 X1 방향으로 위치가 어긋나 배치되어 있다. 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 제 3 저항 변화부(3)와 제 4 저항 변화부(4)에서도, 자계 유도층(30)의 하단면(30a)에 대하여 거리를 두고 대향하는 가상면(가상 평면)(21) 위에 자기센서(20)가 배치되어 있고, 자기센서(20)의 중심은, 하단면(30a)의 X방향의 폭 중심에 대하여 X2 방향으로 위치가 어긋나 배치되어 있다.

도 4의 (A),(B)에서는, 자계 유도층(30)의 하단면(30a)과 자기센서(20)의 일부가 Z방향으로 중복하도록 자기센서(20)가 배치되어 있다. 다만, 도 6의 실시형태에 나타낸 바와 같이, 제 1 저항 변화부(1)와 제 2 저항 변화부(2)에 있어서, 자기센서(20)가 자계 유도층(30)의 하단면(30a)과 Z방향으로 중복하지 않도록, 자기센서(20)가 배치되어 있어도 된다. 이것은, 제 3 저항 변화부(3)와 제 4 저항 변화부(4)에 있어서도 동일하다.

또한, 도 6의 실시형태에 있어서, 가상면(21)이 자계 유도층(30)의 하단면(30a)과 동일면에 위치해도 된다. 이 경우도, 자계 유도층(30)으로 제 1 방향(Z방향)의 자계가 유도되었을 때에, 하단면(30a)으로부터의 누설 자계의 제 2 방향(X방향)의 성분을 자기센서(20)로 검지할 수 있다.

즉, 본 발명에서는, 자계 유도층(30)의 하단면(단면)(30a)과 대향하며 또한 자계 유도층(30)과 수직으로 형성된 가상면(21)을 상정했을 때에, 이 가상면(21) 상에 자기센서(20)가 배치되고, 또한 하단면(30a)의 폭 중심에 대하여 자기센서(20)가 제 2 방향을 향하여 위치가 어긋나 있는 것이 필요하다. 가상면(21)은, 예를 들면, 기판의 표면이나 그 외 자기센서(20)를 지지하는 지지 부재의 표면이다.

또한, 제 1 저항 변화부(1) 및 제 2 저항 변화부(2)에 있어서, 자기센서(20)가 하단면(30a)의 중심으로부터 X1 방향으로 위치가 어긋나는 위치 어긋남 거리와, 제 3 저항 변화부(3) 및 제 4 저항 변화부(4)에 있어서, 자기센서(20)가 하단면(30a)의 중심으로부터 X2 방향으로 위치가 어긋나는 위치 어긋남 거리에서는, 절대값이 서로 동등하게 설정된다.

도 4에는, 자기 검지 장치(Sz)가 Z1 방향의 자계 성분(Hv)을 검지하고 있는 상태가 나타내어져 있다. Z1 방향의 자계 성분(Hv)은 자계 유도층(30)으로 유도되지만, 자계 유도층(30)의 하단면(30a)으로부터 나온 자계가 평면적으로 분산된다. 도 4(A)에 나타낸 바와 같이, 제 1 저항 변화부(1)와 제 2 저항 변화부(2)에서는, 자기센서(20)에서, X1 방향으로 향하는 자계 성분(Hh1)이 검지된다. 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 제 3 저항 변화부(3)와 제 4 저항 변화부(4)에서는, 자기센서(20)에서, X2 방향으로 향하는 자계 성분(Hh2)이 검지된다.

저항 변화부(1, 2, 3, 4)에 있어서, 모든 자기센서(20)는, 고정 자성층(22)의 고정 자화(P)의 방향이 X2 방향이다. 도 4(A)에 나타낸 제 1 저항 변화부(1)와 제 2 저항 변화부(2)에서는, Z1 방향으로의 자계 성분(Hv)의 강도가 높아짐에 따라, 자기센서(20)의 전기 저항값이 커지고, 도 4(B)에 나타낸 제 3 저항 변화부(3)와 제 4 저항 변화부(4)에서는, Z1 방향으로의 자계 성분(Hv)의 강도가 높아짐에 따라, 자기센서(20)의 전기 저항값이 작아진다.

그 결과, 도 2의 등가 회로도에 나타낸 바와 같이, 직렬로 접속된 제 3 저항 변화부(3)와 제 1 저항 변화부(1)의 중간에 위치하는 검지 단자(7)의 전압이 변동되고, 직렬로 접속된 제 2 저항 변화부(2)와 제 4 저항 변화부(4)의 중간에 위치하는 검지 단자(8)의 전압이 변동된다. 검지 단자(7)와 검지 단자(8)에서 전압의 변화가 역극성이 되기 때문에, 검지 단자(7)와 검지 단자(8)의 전압의 차동(差動)을 취함으로써, Z1 방향의 자계 성분(Hv)의 강도를 검지할 수 있다.

또한, Z2 방향으로 향하는 자계 성분도 자계 유도층(30)으로 유도되고, 이때, 각각의 자기센서(20)에서, X방향의 자계 성분이 검지된다. 따라서, Z2 방향의 자계강도 역시 검지하는 것이 가능하다.

한편, 자기 검지 장치(Sz)는, 제 2 방향인 X방향의 자계 성분에 대해서는 기본적으로 감도를 갖지 않도록 구성되어 있다.

도 5(A)에 나타낸 제 1 저항 변화부(1) 및 제 2 저항 변화부(2)와, 도 5(B)에 나타낸 제 3 저항 변화부(3) 및 제 4 저항 변화부(4)에서, 자기센서(20)의 고정 자성층(22)의 고정 자화(P)의 방향이 동일하다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 자기 검지 장치(Sz)에 대하여 X2 방향으로의 자계 성분(HvO)이 부여되면, 모든 저항 변화부(1, 2, 3, 4)에 있어서 저항값이 저하되기 때문에, 제 1 검지 단자(7)와 제 2 검지 단자(8)의 전위는 변화하지 않는다. 따라서 자기 검지 장치(Sz)의 검지 출력은 변화하지 않는다. 이것은, X1 방향으로의 자계 성분이 작용했을 때도 동일하다.

그러나, 자계 유도층(30)은 투자율이 높은 연자성 재료로 형성되어 있기 때문에, 도 5(B)에 나타낸 바와 같이, X2 방향의 자계 성분(HvO)의 일부의 성분(Hvx)이 자계 유도층(30)으로 유도되기 쉽다. 일부의 성분(Hvx)이 자계 유도층(30)으로 유도되면, 모든 자기센서(20)에 부여되는 자계 성분(HvO)의 크기가 균일해지지는 않는다. 그 결과, 본래는 검지하지 않아야 할 제 2 방향(X방향)의 자계 성분에 감도를 갖게 되고, X방향의 자계 성분에 대한 출력이, 본래 검지해야 할 제 1 방향인 Z방향의 자계 성분의 검지 출력에 노이즈로서 중첩하게 된다.

그래서, 본 발명의 제 1 실시형태의 자계 유도층(30)은, 도 7(A)에 나타낸 바와 같이, 하단면(30a)을 포함하여 자기센서(20)에 대향하는 제 1 부분(31)과, 자기센서(20)로부터 떨어진 제 2 부분(32)에서, 연자성 재료의 조성을 다르게 하여, 제 1 부분(31)의 투자율을 제 2 부분(32)보다 낮게 하고 있다. 그 결과, X방향의 자계 성분이 자계 유도층(30)으로 끌어 들여지기 어렵게 하고 있다.

제 1 부분(31)을 구성하고 있는 자성 재료의 투자율을 저하시키기 위해서는, 연자기 특성을 열화시키는 것이 필요해지기 때문에, 제 1 부분(31)은 제 2 부분(32)과 비교하여 보자력이 약간 커진다. 보자력이 커지면, 외부로부터 큰 자계가 부여되었을 때에 자계 유도층(30)의 내부에 자화가 잔류하기 쉬워진다. 다만, 제 2 부분(32)은 연자기 특성이 높은 자성 재료로 형성되어 있기 때문에, 자계 유도층(30)의 전체로서는 보자력이 너무 커지는 것을 억제할 수 있고, 자계 유도층(30)에 큰 잔류 자화가 생기는 것을 억제할 수 있도록 하고 있다.

본 발명의 제 2 실시형태의 자계 유도층(30)은, 도 7(B)에 나타낸 바와 같이, 자기센서(20)에 대향하는 제 1 부분(31)과, 그것보다 자기센서(20)로부터 떨어진 제 2 부분(32)과, 한층 더 자기센서(20)로부터 떨어진 제 3 부분(33)으로 구성되어 있다. 그리고, 제 1 부분(31)과 제 3 부분(33)은, 제 2 부분(32)보다 연자기 특성이 열화한 것으로, 투자율이 낮아져 있다.

도 7(B)에 나타낸 실시형태에 있어서도, 제 1 부분(31)의 투자율이 낮기 때문에, X방향의 자계 성분이 자계 유도층(30)으로 끌어 들여지기 어렵게 되어있다. 또한, 자계 유도층(30)이 3층 구조이면, 외부로부터의 큰 자계가 작용했을 때에 자계 유도층(30)에 잔류 자화가 남기 어려워진다.

자계 유도층(30)은 철을 포함하는 연자성 재료로 형성되어 있다. 도 7(A)의 실시형태에서는, 제 1 부분(31)의 철의 함유량을 제 2 부분(32)보다 저하시킴으로써, 제 1 부분(31)의 연자기 특성을 약간 열화시켜 투자율을 저하시킬 수 있다. 도 7(B)의 실시형태에서는, 제 1 부분(31)과 제 3 부분(33)의 철의 함유량을 제 2 부분(32)보다 저하시킴으로써, 투자율을 내릴 수 있다.

자계 유도층(30)이, NiFe 합금(니켈-철 합금)으로 형성되는 경우에, 제 2 부분(32)은, 제 1 부분(31)과 제 3 부분(33)보다 투자율이 높아지고, 또한 보자력이 가능한 한 낮아지도록, 철을 15∼17질량% 포함하는 것으로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 제 1 부분(31)과 제 3 부분(33)은, 철의 함유량이 11질량% 이상이고 14질량% 이하인 것이 바람직하다.

자계 유도층(30)이, FeCoNi 합금(철-코발트-니켈 합금)으로 형성되는 경우에는, 제 2 부분(32)은, 제 1 부분(31)과 제 2 부분(33)보다 투자율이 높아지고, 또한 보자력이 가능한 한 낮아지도록, Ni가 80∼85질량%이고, Co가 3질량% 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 제 1 부분(31)과 제 3 부분(33)은, Ni가 86∼92질량%이고 Co가 3질량% 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 실시형태에서는, 자기센서로서 자기저항효과소자층이 사용되고, 고정 자성층의 고정 자화(P)의 방향이 감도축으로 되어 있다. 그러나, 본 발명에서는, 제 2 방향(X방향)으로 감도축을 가지는 것이면, 자기센서가 다른 소자로 예를 들면 홀 소자 등으로 구성되어도 된다.

또한, 자기센서가 자기저항효과소자층인 경우에, 고정 자성층을 적층 페리 구조가 아닌, 반강자성층과 고정 자성층이 적층되어, 반강자성 결합으로 고정 자성층의 자화가 고정되는 것이어도 된다. 또 프리 자성층은, 자기 이방성으로 자화가 정렬되어 있는 것이 아닌, Y방향으로의 바이어스 자계를 부여하는 바이어스 구조를 구비하고 있는 것이어도 된다.

[실시예]

표 1과 도 9 내지 도 11에는 자료번호가 1∼9로 나타내어져 있다. 자기 검지 장치(Sz)는 1개의 웨이퍼에 복수개가 함께 형성된다. 상기 자료번호 1∼9는 웨이퍼 번호이며, 동일한 자료번호의 자기 검지 장치(Sz)가 각각 복수개 형성된다. 실시예에서는, 각각의 자기 검지 장치(Sz)를 사용하고, 검지 감도와 검지 출력의 오프셋에 대하여 측정하였다. 자기센서(20)의 X방향의 폭 치수는 2㎛, Y방향의 길이 치수를 150mm로 하였다. 자계 유도층(30)은, Z방향의 높이 치수를 95㎛로 하고, X방향의 폭 치수를 5㎛로 하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 자료 1∼9의 각각은, 자계 유도층(30)의 구성이 상이하다. 표 1 중에서, 「Bot」는 제 1 부분(31)의 Z방향의 높이 치수, 「Mid」는 제 2 부분(32)의 Z방향의 높이 치수, 「Top」은 제 3 부분(33)의 Z방향의 높이 치수를 나타내고 있다. 단위는 모두「㎛」이다.

자기 검지 장치(Sz)에 사용되고 있는 자계 유도층(30)은, NiFe 합금이지만, 도 9 내지 도 11에 나타낸 바와 같이, 자료 1∼9에서는, 자계 유도층(30)의 제 1 부분(31)(Bot)과 제 2 부분(32)(Mid) 및 제 3 부분(33)(Top)의 각각의 부분에서 철의 양(질량%)이 상이하다.

도 9 내지 10에 있어서의 「Avg」는, 동일한 웨이퍼로 구성된 복수의 자기 검지 장치(Sz)로부터 얻어진 검지 출력의 감도나 오프셋 변화량 혹은 감도의 변화율의 평균값이며, 「3σ」는 그 표준 편차이다.

도 9는, 각 자료 1∼9에 나타내어져 있는 자기 검지 장치(Sz)에 X1 방향과 X2 방향의 자계를 번갈아 부여하였을 때의 검지 출력의 감도를 나타내고 있다. 자료 1∼9의 각각에 있어서 복수개씩의 자기 검지 장치(Sz)가 사용되어 검지 출력의 감도가 측정되며, 각각의 자료마다의 검지 출력의 감도의 평균값(Avg)과 표준 편차(3σ)가 나타내어져 있다. 여기에서, 검지 감도란, X방향의 측정 자계를 변화시켰을 때에, 가로축을 측정 자계의 크기로 하고 세로축을 검지 출력의 크기로 하여, 변화 직선을 구했을 때에, 그 변화 직선의 기울기를 의미하고 있다. 이것은 뒤에 설명하는 도 8의 감도(St)와 동일한 사고 방식으로 구해진다.

도 9에서는, 제 1 부분(31)의 철의 양이 많아 투자율이 높아지고 있는 자료 2와 자료 8에서, 검지 출력의 감도의 편차가 커진 것을 알 수 있다. 이것은, X1 방향의 자계 성분과 X2 방향의 자계 성분이 부여되었을 때에, 어느 것의 자계 유도층(30)으로 자계 성분이 끌어 들여지며, 그 결과, 복수의 자기센서(20)에 부여되는 X방향의 자계 성분의 크기에 편차가 생기는 것을 의미하고 있다.

도 9에서, 자료 1, 3, 4, 5, 6, 7, 9가 본 발명의 실시예이며, 자료 2, 8이 비교예다.

도 10과 도 11은, 각 자료 1∼9 마다 복수개씩 작성된 자기 검지 장치(Sz)에 설치된 자계 유도층(30)의 잔류 자화의 영향을 나타내고 있다. 각각의 자기 검지 장치(Sz)의 자계 유도층(30)에 대하여 상방으로부터 자석을 접근시켜 이반시키고, 자계 유도층(30)에 대하여 Z1 방향으로의 500mT(밀리테슬라)의 자계를 부여한다. 그 후에, 각각의 자계 검지 장치(Sz)에 대하여 Z방향으로 0.5mT(밀리테슬라)의 강도의 측정 자계를 부여했을 때의 검지 출력을 측정하였다. 또한, 500mT의 자계를 부여하기 전에, 마찬가지로 측정 자계를 부여하여 검지 출력을 측정하고 있으며, 이때의 출력을 오리지널의 검지 출력으로 하고 있다.

도 10은, 500mT의 자계를 부여한 직후의 검지 출력과, 오리지널의 검지 출력에서의 오프셋의 변화량이며, 오프셋의 변화량을 자계 강도(μT)로 치환하여 나타내고 있다. 도 11은, 500mT의 자계를 부여한 직후의 검지 출력의 감도와, 오리지널의 검지 출력의 감도의 차이를, 오리지널의 감도에 대한 비율(%)로 나타낸 감도변화율을 나타내고 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 측정용의 Z방향의 외부 자계를 부여했을 때의 오리지널의 검지 출력의 측정 자계(H)의 강도에 대한 변화 직선을 Lo로 하고, 500mT의 자계를 접근시켜 이반시킨 후의 검지 출력의 검지 출력의 측정 자계(H)의 강도에 대한 변화 직선을 Ls로 하면, 오프셋의 변화량이 Of이고, 검지 감도는, 변화 직선(Lo, Ls)의 기울기이다.

도 10과 도 11에서, 자계 유도층(30)을 3층 구조로 하면, 외부 자계에 대한 내력(耐力)이 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 제 1 부분(31)의 철의 함유량이 11질량% 이상이고 14질량% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 부분(31)의 제 1 방향(Z방향)에서의 두께 치수가, 상기 자계 유도층(30)의 동방향에서의 두께 치수의 45% 이하인 것이 바람직하다. 하한은, 자료 5에서 16%이다.

Sz: 자기센서 Z: 제 1 방향
X: 제 2 방향 1: 제 1 저항 변화부
2: 제 2 저항 변화부 3: 제 3 저항 변화부
4: 제 4 저항 변화부 11: 기판
20: 자기센서 20a: 제 1 자기 검지부
20b: 제 2 자기 감지부 20c: 비감지부
21: 가상면 22: 고정 자성층
23: 비자성층 24: 프리 자성층
30: 자계 유도층 31: 제 1 부분
32: 제 2 부분 33: 제 3 부분

Claims (9)

1. 제 1 방향의 자계 성분을 유도하는 자계 유도층과, 상기 자계 유도층의 단부가 대향하는 가상면 상에 위치하여 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 감도축을 가지는 자기센서가 설치된 자기 검지 장치에 있어서,
   상기 자계 유도층은, 상기 자기센서와 대향하는 제 1 부분과, 상기 자기센서로부터 떨어진 제 2 부분을 가지고 있고, 제 1 부분의 투자율이 제 2 부분보다 낮은 것을 특징으로 하는 자기 검지 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   제 2 부분의 보자력이 제 1 부분보다 낮은 자기 검지 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 자계 유도층은, 철을 포함하는 합금으로 형성되어 있고, 철의 함입량은, 제 1 부분이 제 2 부분보다 적은 자기 검지 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 자계 유도층은, 상기 제 2 부분보다 상기 자기센서로부터 떨어진 제 3 부분을 가지고 있고, 제 3 부분의 투자율이 제 2 부분보다 낮은 자기 검지 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   제 2 부분의 보자력이 제 3 부분보다 낮은 자기 검지 장치.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 자계 유도층은, 철을 포함하는 합금으로 형성되어 있고, 철의 함입량은, 제 3 부분이 제 2 부분보다 적은 자기 검지 장치.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 제 1 부분의 철의 함유량이 11질량% 이상이고 14질량% 이하인 자기 검지 장치.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 제 1 부분의 제 1 방향에서의 두께 치수가, 상기 자계 유도층의 동방향에서의 두께 치수의 45% 이하인 자기 검지 장치.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 자기센서는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성층을 통하여 적층된 자기저항효과소자를 가지고 있고, 상기 고정 자성층의 고정 자화가 제 2 방향으로 향해져있는 자기 검지 장치.

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