JP2000516724A

JP2000516724A - ホイートストンブリッジを有するセンサ

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Publication number: JP2000516724A
Application number: JP10529454A
Authority: JP
Inventors: デルデンマルティヌスヘルマヌスウィルヘルムスマリアファン; カールスミシェルフーバートレンッセン; マーセリヌスヨハネスマリアペルグロム; ドワレゲルジャンフランシスカスアーサーファン
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】本発明によるセンサは基板を有し、該基板上には複数の抵抗性素子（７_a、７_b、７_c、７_d）がホイートストンブリッジ構成（５）に配置され、ここで上記抵抗性素子の少なくとも１つは磁気抵抗効果を呈し、上記抵抗性素子（７_a、７_b、７_c、７_d）は枝部に設けられ、これら枝部は（ａ）電流入力端子（Ｉ_i）を第１電圧端子（Ｖ_Q）に；（ｂ）該第１電圧端子（Ｖ_Q）を電流出力端子（Ｉ_o）に；（ｃ）該電流出力端子（Ｉ_o）を第２電圧端子（Ｖ_R）に；（ｄ）該第２電圧端子（Ｖ_R）を前記電流入力端子（Ｉ_i）に各々接続し、ここで、当該センサは上述した第１ホイートストンブリッジ（５）に電気的に接続された第２ホイートストンブリッジ（５’）を有し、これら第１及び第２のホイートストンブリッジ（５、５’）は、一方のブリッジの或る枝部における磁気抵抗性素子が正の出力極性を有する場合に、他方のブリッジの同一の枝部における対応する磁気抵抗性素子が負の出力極性を有する点を除いて同一である。これら２つのホイートストンブリッジ（５、５’）からの出力信号を加算することにより、該センサの零点オフセットを決定し、削除することができる。この効果は従来のセンサに使用されている所謂フリッピング技術を使用することを要せずに達成される。

Description

【発明の詳細な説明】ホイートストンブリッジを有するセンサ技術分野本発明は、基板を有し、該基板上に複数の抵抗性素子がホイートストンブリッジ構成に配置されているようなセンサであって、これら抵抗性素子の少なくとも１つは磁気抵抗効果を呈し、これら抵抗性素子は枝部に設けられ、これら枝部が、（ａ）電流入力端子を第１電圧端子に；（ｂ）該第１電圧端子を電流出力端子に；（ｃ）該電流出力端子を第２電圧端子に；（ｄ）該第２電圧端子を前記電流入力端子に、各々接続するようなセンサに関する。背景技術このような形式のセンサは、なかでも、 − 例えば、自動車、航空、海洋又は個人用航法システムにおける地球磁場を検出するためのコンパスに； − 位置センサ及び／又は角度センサ（例えば、自動車応用分野の）に； − 医療スキャナにおける場センサとして、及び種々の他の応用分野におけるホール探針の置き換えとして； − 電流センサとして（ここでは、電流により発生される磁場が検出される）； − 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）内のメモリセルとして； − 磁気ヘッド（磁気テープ、磁気ディスク又は磁気カードの形態の記録媒体から発生する磁束を読み取るために使用することができる）として、使用することができる。磁気抵抗は、物体の電気抵抗が磁束に影響され得るという現象である。特に、該物体の電気抵抗は、変化する磁束に応答して予測可能な態様で変化するので、斯かる物体は磁場センサにおける磁気／電気変換素子としての使用に好適である。しかしながら、何れの抵抗体とも同様に、上記物体の電気抵抗も他の環境要因、特に温度、により影響を受ける。かくして、（敏感な）実際の用途における問題は、（変化する）磁束の結果としての変換素子信号と、他の環境源から発する（不所望な）変換素子信号との間の区別をつける何らかの手段を考え出すことである。一般的な対策は、少なくとも１つの磁気抵抗性素子をホイートストンブリッジ構成に含めることである。冒頭で特定したようなセンサは、例えば、フィリップス半導体データブックＳＣ１７（１９９５年）の「半導体センサ」の第３３〜３８頁から既知である。そこに述べられているセンサは、非常に弱い磁場の測定を可能にする所謂フリッピング（flipping）技術を採用している。この技術によると、当該ホイートストンブリッジの磁気抵抗性素子の各々における磁化方向が、外部フリッピング場を用いて周期的に反転される。このような周期的な反転により、上記ブリッジの出力信号の極性の、印加された磁場の関数としての、対応する反転が生じる。通常の出力と反転出力との加算により、上記ブリッジの零点オフセットを決定及び（電子的に）削除することが可能となるが、斯かるオフセットは理論的に当該ブリッジの製造の間にマスク位置合わせエラーにより生じるものである。上記既知のセンサは多くの不利な点を有している。特に、所要のフリッピング場を発生させるために、通常、比較的大きな電流（約１アンペア程度）が必要であるため、非常に大きな電力消費を生じ、結果として電源として電池を使用することの障害となる。加えて、上記フリッピング技術は、特に斯かる素子が異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づくものである場合、当該磁気抵抗性素子（又は複数の素子）の磁化への不安定化効果を有し、このような不安定化が雑音レベルの増加につながる。発明の開示本発明の目的は、これらの問題を軽減することにある。特に、本発明の１つの目的は、上述したようなフリッピング技術に頼ることなく弱い磁場を測定することができるようなセンサを提供することにある。上記及び他の目的は、冒頭で規定したようなセンサにおいて、当該センサが前記第１のホイートストンブリッジに電気的に接続される第２のホイートストンブリッジを有し、これら第１及び第２のホイートストンブリッジが、一方のブリッジの或る枝部における磁気抵抗性素子が正の出力極性を有する場合に他方のブリッジの同一の枝部における対応する磁気抵抗性素子が負の出力極性を有する点を除いて、同一であることを特徴とすることにより達成される。第１のブリッジにおける第１及び第２電圧端子Ｖ_Q、Ｖ_Rと、第２のブリッジにおける第１及び第２電圧端子Ｖ_Q’、Ｖ_R’との間の関係は、両ブリッジから取り出される出力信号に関して、Ｖ_Q−Ｖ_Rが第１のブリッジからの出力信号Ｖ_QRと見なされる場合、Ｖ_Q’−Ｖ_R’が第２のブリッジからの出力信号Ｖ_QR’と見なされることにより定義される。一旦この関係が定義されると、前段落における“対応する”なる用語の意味が明確となる。磁気抵抗性素子の“出力極性”は、このような素子の電気抵抗が、例えば或る方向で増加する磁場のような基準磁気刺激に応答して減少するか又は増加するかに依存して正又は負となる。通常、このような素子の電気抵抗は、一定のオフセット（如何なる出力極性も有さない）と、場変化部分（field-variableportion ；極性化手段により決まる或る出力極性を有する）とを含む。本発明は、第２のホイートストンブリッジにおける極性反転の結果として、該ブリッジが、フリッピング場の使用を必要とすることなく、実効的に第１のホイートストンブリッジの永久的な“反転（flipped）”版になるという洞察を利用している。結果として、本発明によるセンサは以下のものを含む多数の重要な効果を有している： − 両ブリッジにおける全ての磁気抵抗性素子が永久的に安定した磁化構成を有しているので、雑音レベルが低い； − フリッピング場を備えないため付加的な（かなりの）電流が必要とされないので、電力消費が少ない； − フリッピング場を周期的に発生させる必要がないので、電子回路が簡単になる； − フリッピング場周波数との不整合に遭遇することなく、交流磁場を測定することが可能となる。本発明によるセンサにおいては、第１及び第２のホイートストンブリッジの出力を加算することにより、零点オフセットを決定することができる。この零点オフセットを減算した後では、該二重ホイートストンブリッジ構成の出力信号は、単一の（既知の）ホイートストンブリッジからの出力信号より２倍大きいことになる。もし所望なら、この事実から、上記第１及び第２のホイートストンブリッジの面積を半分とすることができ、その結果、同一の正味の大きさを有し、単一のホイートストンブリッジと同一の出力レベルを有するセンサが得られる。通常、ホイートストンブリッジ内に存在する磁気抵抗性素子の数が多いほど、外部磁束に対して一層敏感になる。従って、本発明によるセンサの有利な実施例は、前記第１のホイートストンブリッジにおける前記抵抗性素子の全てが磁気抵抗効果を呈する（この場合、前記第２のホイートストンブリッジにおける抵抗性素子の全ても磁気抵抗効果を呈するであろう）ことを特徴とする。このようなセンサは、第１のホイートストンブリッジにおける枝部を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）なる連続した順序で横切った場合に、この連続する各枝部における抵抗性素子の極性が交互に正及び負となるような態様で実施化される。また、本発明によるセンサの特別な実施例は、前記抵抗性素子の少なくとも１つが異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を呈することを特徴とする。このようなＡＭＲ素子の出力極性は以下のようにして決定することができる： − 当該素子は、外部磁場がない場合は固定の磁化方向Ｍ₀を有すると仮定される； − 該素子には、前記基板の主面と平行に延び、且つ、Ｍ₀と鋭い方向角±θをなすように当該素子を横切る少なくとも１つの導電条片を有するような所謂理髪店看板柱構造が設けられる； − ＋θ又は−θなる方向角を選択することにより、関連するＡＭＲ素子の出力信号の極性を、本発明により必要とされるように、正又は負の極性を持つようにすることができる。θの符号は、例えば、平面図で見て（即ち、前記基板と直角に見て）Ｍ₀から時計方向の傾きの場合は正（＋）として定義することができ、Ｍ₀から反時計方向の傾きの場合は負（−）と定義することができる。この場合、θは鋭角であるから、このような定義は明確である。ＡＭＲは、例えばNiFe（パーマロイ）、FeNiCo及びCoFeのような磁気合金に見られる。理髪店看板柱構造は広く知られていると共に現状技術で応用されており、関連するＡＭＲ素子からの出力信号を線形化すること及び斯かる素子を磁気的にバイアスすることの両方をなすよう作用する。通常、上述したような理髪店看板柱は数個の互いに平行な斜めの条片からなるであろう。しかしながら、現在の小型化の傾向により、介在する斜めの条片を伴わずに、斜めの電気接点のみを有するＡＭＲ薄膜センサが出現した。このような斜めの接点もＭ₀と方向角±θをなし、ここで使用している“理髪店看板柱”なる用語の範囲に入ると解釈すべきである。上記２つの段落で言及した実施例の場合、θの値は好ましくは４５±５°である。この場合、斯かるセンサは最も敏感となる。本発明によるセンサの他の実施例は、前記抵抗性素子の少なくとも１つが巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を呈することを特徴とする。このようなＧＭＲ素子の出力極性は、以下のようにして決定することができる： − ＧＭＲ素子は、磁化Ｍ₁及びＭ₂を各々有する少なくとも２つの磁気部分を有すると仮定される； − 該素子は、Ｍ₁及びＭ₂が互いにベクトル角αをなすように磁気的にバイアスされる； − 基準磁場に応答してαが増加／減少する場合、該素子は正の／負の出力極性（これら２つの状況は、当該素子の電気抵抗の増加／減少に対応する）を有すると定義される。ＧＭＲは、反強磁性的に結合された磁気多層（例えば、Co/Cu及びFe/Cr）、交換バイアスされたスピン値多層（例えば、FeMn/NiFe/Cu/NiFe）、及び所謂硬／軟多層（即ち、相互に異なる磁気飽和保磁力の強磁性層を有するＧＭＲ多層）等の材料構造に見られる。上記磁気バイアスは、例えば、上記種々のＧＭＲ素子に近接して適切に配置された永久磁石を用いて達成することができる。しかしながら、一層満足のゆく磁気バイアス手段は、通常、ＧＭＲ素子に接近して走る電流を流す導体を使用する（例えば、ヨーロッパ特許出願第EP 97201143.1号（出願人整理番号：ＰＨＮ１６３２４）の記載参照）。前段落で参照した実施例の場合は、αの値は好ましくは９０±５°である。このようなセンサは実質的に履歴のない磁気抵抗特性を有している（磁化回転が磁壁変位より優勢であるからである）。本発明によるセンサにおいては、前記第１及び第２のホイートストンブリッジは直列又は並列に接続することができることに特に注意すべきである。本発明によれば、前記第１及び第２のホイートストンブリッジは前記基板上に異なる態様で設けることができる。例えば、上記２つのブリッジは並置して（第１図におけるように）、又は一方が他方に入れ子にされて（第２図におけるように）、又は一方が他方の上に積み重ねられるようにして設けることができる。各ブリッジにおける個々の抵抗性素子も、共面的であるか又は積み重ねられていてもよい。図面の簡単な説明本発明及び本発明の呈する作用効果を実施例及び添付図面を参照して説明するが、添付図面において：第１図は、本発明によるセンサの概括的実施例の平面図。第２図は、本発明によるセンサのＡＭＲ素子を用いた他の実施例の平面図。第３図は、第２図の第１及び第２ホイートストンブリッジの出力信号をグラフ的に示す。第４図は、反対の出力極性を持つ２つのＧＭＲ磁気抵抗性素子の平面図である。尚、各図における対応する部分は同一の符号により示してある。発明を実施するための最良の形態実施例１第１図は、本発明によるセンサの特別な実施例の一部の平面図を示す。該センサは主面３を備える基板１を有し、該主面上には第１ホイートストンブリッジ５が設けられている。ブリッジ５は、電流入力端子Ｉ_i、電流出力端子Ｉ_o、第１電圧端子Ｖ_Q及び第２電圧端子Ｖ_Rを有している。枝部（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）が端子対（Ｉ_i、Ｖ_Q）、（Ｖ_Q、Ｎ_o）、（Ｉ_o、Ｖ_R）、（Ｖ_R、Ｉ_i）の間に各々位置され、これら枝部が抵抗性素子７_a、７_b、７_c、７_dを各々含んでいる。この特別な例では、素子７_a、７_b、７_c、７_dの全てが磁気抵抗効果を呈する。これら素子の各々は或る出力極性（正又は負）を有している。この特別な例では、素子７_a及び７_cが正の出力極性（“＋”記号で概念的に示されている）を有する一方、素子７_b及び７_dは負の出力極性（“−”記号で概念的に示されている）を有している。本発明によれば、当該センサは上記第１ホイートストンブリッジ５に電気的に接続された第２ホイートストンブリッジ５’を有している（この場合、ブリッジ５、５’の電流端子が並列に接続されている）。該第２ブリッジ５’の特徴部分が第１ブリッジ５のものと対応する限りにおいて、これら特徴部分はアクセント（’）を付した同一の基本符号により示されている。第２ブリッジ５’は、第２ブリッジ５’における各磁気抵抗性素子７_a’、７_b ’、７_c’、７_d’が第１ブリッジ５における対応する磁気抵抗性素子７_a、７_b、７_c、７_dに対し反対の出力極性を有している点を除き、全ての点で第１ブリッジ５と同一である。結果として、ブリッジ５’における端子Ｖ_Q’、Ｖ_R’間の出力信号Ｖ_QR’は、ブリッジ５における端子Ｖ_Q、Ｖ_R間の出力信号Ｖ_QRに対して反対の極性を有することになり、このようにして、ブリッジ５’はブリッジ５を永久的に反転（flipped）したものと見なすことができる。実施例２第２図は、本発明によるセンサのＡＭＲ素子を用いた特別な実施例の平面図である。基板１の主面３には１対の並列接続されたホイートストンブリッジが設けられている。しかしながら、第１図のような並置状とは異なり、第２図のホイートストンブリッジは、面３上においてできる限り小さな空間を占めるように入れ子にされている。磁気抵抗性素子７_a、７_b、７_c、７_d、７_a’、７_b’、７_c’、７_d’は全てＡＭＲ素子である。このような各素子は理髪店看板柱構造を備え、この場合、該構造は面３と平行な面内に位置し且つ下側のＡＭＲ素子と斜めに交差する一連の金属条片９からなっている。上記の全ての斜め条片は図示のＸ軸と±４５°の角度をなしている。例示として、ベクトルＭ_0b、Ｍ_0c、Ｍ_ob’、M_oc’はＡＭＲ素子７_b、７_c、７_b ’、７_c’における零場磁化（zero-field magnetizations）を各々表している。素子７_bの場合は、上側の条片９はＭ_0bから反時計方向に傾けられ、素子７_cの場合は条片９はＭ_0cから時計方向に傾けられている。対照的に（本発明によれば）、素子７_b’の場合は条片９はＭ_0b’から時計方向に傾けられ、素子７_c’の場合は条片９はＭ_0c’から反時計方向に傾けられている。第３図は、第２図の２つのホイートストンブリッジからの出力Ｖ_QR及びＶ_QR’ の、図示Ｙ軸と平行に向けられた可変振幅の印加磁場Ｈ_Yの関数としての、グラフ表示である。両出力Ｖ_QR、Ｖ_QR’は直流オフセットＶ₀を有し、該オフセット上に場変化部分（field-variable portion）が重畳されている。この場変化部分に関する限り、Ｖ_QRはＶ_QR’の反転であるから、Ｖ_QRとＶ_QR’との加算は上記２つの場変化部分を相殺させて２Ｖ₀なる結果となり、これによりＶ₀の値を決定することができることは明らかである。この値Ｖ₀のＶ_QR又はＶ_QR’の何れかからの減算は、従って、オフセットが補正されたセンサ出力信号となる。実施例３第４図は、第１図に示したホイートストンブリッジ５からの２つの磁気抵抗性素子７_a、７_dの平面図を示す。両素子７_a、７_dはＧＭＲ素子である。ここに示すように、各素子７_a、７_dは、介在された非磁性層を伴う積み重ね構成の２つの磁気層（上側層及び下側層）を有している。これら上側層及び下側層は、素子７_aの場合は磁化Ｍ_1a、Ｍ_2aを各々有し、素子７_dの場合はＭ_1d、Ｍ_2dを各々有する。磁化Ｍ_1a、Ｍ_1dは、例えば、交換バイアス技術（exchange-biasing technique）を用いて固定にされ、他方、ベクトルＭ_2a、Ｍ_2dは自由に回転することができる。このようにして、これら素子はスピン値３重層（spin-value tri layers）として作用する。外部磁場がない場合は、Ｍ_1aとＭ_2aとの間のベクトル角α_a及びＭ_1dとＭ_2dとの間のベクトル角α_dは、共に９０°である（例えば、磁場中徐冷技術（magneti c annealing technique）を用いて達成される）。しかしながら、磁場Ｈが存在する場合は、α_aは減少し、α_dは増加する。結果として、素子７_a、７_bの出力極性は互いに反対となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ペルグロムマーセリヌスヨハネスマリアオランダ国 5656 アーアーアインドーフェンプロフホルストラーン６ (72)発明者ファンドワレゲルジャンフランシスカスアーサーオランダ国 5656 アーアーアインドーフェンプロフホルストラーン６【要約の続き】決定し、削除することができる。この効果は従来のセンサに使用されている所謂フリッピング技術を使用することを要せずに達成される。

Claims

【特許請求の範囲】１．基板を有するセンサであって、該基板上には複数の抵抗性素子がホイートストンブリッジ構成に配置され、ここで、前記抵抗性素子の少なくとも１つは磁気抵抗効果を呈し、前記抵抗性素子は枝部に設けられ、これら枝部が、（ａ）電流入力端子を第１電圧端子に；（ｂ）前記第１電圧端子を電流出力端子に；（ｃ）前記電流出力端子を第２電圧端子に；（ｄ）前記第２電圧端子を前記電流入力端子に、各々接続するようなセンサにおいて、当該センサが前記第１のホイートストンブリッジに電気的に接続される第２のホイートストンブリッジを有し、これら第１及び第２のホイートストンブリッジが、一方のブリッジの或る枝部における磁気抵抗性素子が正の出力極性を有する場合に他方のブリッジの同一の枝部における対応する磁気抵抗性素子が負の出力極性を有することを除いて、同一であることを特徴とするセンサ。２．請求項１に記載のセンサにおいて、前記第１のホイートストンブリッジにおける前記抵抗性素子の全てが磁気抵抗効果を呈することを特徴とするセンサ。３．請求項１又は請求項２に記載のセンサにおいて、前記抵抗性素子の少なくとも１つが異方性磁気抵抗効果を呈することを特徴とするセンサ。４．請求項１又は請求項２に記載のセンサにおいて、前記抵抗性素子の少なくとも１つが巨大磁気抵抗効果を呈することを特徴とするセンサ。