JP2002131407A5 - - Google Patents
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Description
【発明の名称】薄膜磁界センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、および２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９からなり、端子３および端子４と端子８および端子９は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサ。
【請求項２】所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜２１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２２、２分割された軟磁性薄膜２１の各々に電気的に接続された端子２３および端子２４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜２６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２７、および２分割された導体膜２６の各々に電気的に接続された端子２８および端子２９からなり、端子３および端子４、端子８および端子９、端子２３および端子２４、端子２８および端子２９は、各々ブリッジ回路の４つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサ。
【請求項３】所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜３１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜３２、および２分割された軟磁性薄膜３１の各々に電気的に接続された端子３３および端子３４からなり、端子３および端子４、端子３３および端子３４は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成し、且つまた軟磁性薄膜３１の平面上の面積は、軟磁性薄膜１の平面上の面積に比して１／１０以下であることを特徴とする薄膜磁界センサ。
【請求項４】空隙に接する線と並行な線に沿って測った軟磁性薄膜１の幅寸法の少なくとも一部は、その軟磁性薄膜１が空隙に接する線の幅よりも大であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜磁界センサ。
【請求項５】軟磁性薄膜１の磁気特性は一軸異方性であって、その磁化容易軸方向は、実質的に、空隙に接する線と並行な方向であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、空間中の磁界を測定する薄膜磁界センサに関し、巨大磁気抵抗薄膜、例えばナノグラニュラー巨大磁気抵抗効果薄膜を用いて、磁界を精密に測定するための薄膜磁界センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、特開平１１−８７８０４号公報および特開平１１−２７４５９９に記載された磁界センサを示す。図中、巨大磁気抵抗薄膜と書かれた部分は、１０ｋＯｅの磁界の印加に対して、約１０％の電気抵抗変化を示す金属−絶縁体ナノグラニュラー巨大磁気抵抗薄膜である。この例のように、巨大磁気抵抗薄膜の場合には、一般の磁気抵抗効果材料に比して電気抵抗値の変化幅は大であるが、前記の通り電気抵抗変化を起こさせるための印加磁界は大きく、巨大磁気抵抗薄膜のみを単独で用いる場合には、一般に磁界センサとして利用されるような小さな磁界での電気抵抗値変化は期待できない。図１の構成は、それを補うものである。すなわち、軟磁性薄膜は周辺の磁束を集める役割を担っており、適切な軟磁性薄膜の寸法を選定することにより、原理的には、軟磁性薄膜周辺の磁界の大小に拘わらず、巨大磁気抵抗薄膜部分に対して軟磁性薄膜の飽和磁束密度以内で、いかようにも大きな磁束密度を印加することが可能である。また、図１の構成を電気抵抗の観点から見ると、軟磁性薄膜間の電気抵抗値は、軟磁性薄膜部分と巨大磁気抵抗薄膜部分の電気抵抗値の和になっているが、巨大磁気抵抗薄膜の電気比抵抗の値は、軟磁性薄膜のそれに比して１００倍以上大きいため、実質的に軟磁性薄膜間の電気抵抗値は巨大磁気抵抗薄膜部分の値と等しい。つまり、軟磁性薄膜間の電気抵抗値には、巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗値変化が直接現れる。図２は、このような図１の構成の電気抵抗変化の例を示すものであり、数Ｏｅの小さな磁界において約６％の電気抵抗値変化を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明が目的とする、巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗測定値をもとにして、印加された磁界の絶対値を計測する磁界センサを実現する場合には、図１の構成では、大きな問題があることが判明した。それは、巨大磁気抵抗薄膜の温度による電気抵抗値変化の問題である。前記の通り、図１の構成の場合には検出したい磁界の大小に対しては選択の余地がある。しかし、いかに感度を高めたとしても、それは感動する磁界に対する選択であり、巨大磁気抵抗薄膜の持つ電気抵抗変化以上の変化幅を得ることは、原理的にできない。現実に図１の構成の場合の電気抵抗変化幅は、他の要因を含めて更に圧縮されてほぼ６％程度となっている。この６％の電気抵抗値変化に対して、巨大磁気抵抗薄膜の温度による変化があれば、その電気抵抗値変化分だけは印加された磁界を推定する場合の不確定要素となる。図３は温度特性の実例を示している。この図から明らかな通り、巨大磁気抵抗薄膜の温度による電気抵抗値変化は、磁界印加による抵抗変化よりむしろ大であり、図１の構成のままでは、磁界の絶対値を計測する磁界センサとしては利用が難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の特徴とするところは、下記の点にある。第１発明は、所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、および２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９からなり、端子３および端子４と端子８および端子９は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサを提供する。
【０００５】
第２発明は、所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜２１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２２、２分割された軟磁性薄膜２１の各々に電気的に接続された端子２３および端子２４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜２６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２７、および２分割された導体膜２６の各々に電気的に接続された端子２８および端子２９からなり、端子３および端子４、端子８および端子９、端子２３および端子２４、端子２８および端子２９は、各々ブリッジ回路の４つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサを提供する。
【０００６】
第３発明は、所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜３１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜３２、および２分割された軟磁性薄膜３１の各々に電気的に接続された端子３３および端子３４からなり、端子３および端子４、端子３３および端子３４は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成し、且つまた軟磁性薄膜３１の平面上の面積は、軟磁性薄膜１の平面上の面積に比して１／１０以下であることを特徴とする薄膜磁界センサを提供する。
【０００７】
第４発明は、空隙に接する線と並行な線に沿って測った軟磁性薄膜１の幅寸法の少なくとも一部は、その軟磁性薄膜１が空隙に接する線の幅よりも大であることを特徴とする第１発明ないし第３発明のいずれかに記載の薄膜磁界センサを提供する。
【０００８】
第５本発明は、軟磁性薄膜１の磁気特性は一軸異方性であって、その磁化容易軸方向は、実質的に、空隙に接する線と並行な方向であることを特徴とする第１発明ないし第３発明のいずれかに記載の薄膜磁界センサを提供する。
【０００９】
【作用】
本発明の作用は下記の通りである。
第一発明の構成は、巨大磁気抵抗薄膜の持つ電気抵抗値変化の中で、温度、湿度および経時的な原因による変化を除外し、磁界による変化のみを抽出することによって、精度の高い磁界センサを実現するものである。すなわち、巨大磁気抵抗薄膜および構造を同一とする２系統の素子によるブリッジ回路を形成し、その中の一方の素子は巨大磁気抵抗薄膜の両側に軟磁性薄膜を配置することによって磁界に対する感度を高め、他方の素子は巨大磁気抵抗薄膜をそのまま用いることにより磁界に対する感度を実質的に零としている。ブリッジ回路の出力電圧はこれら素子の電気抵抗値の差に比例するものであるから、結果的に、巨大磁気抵抗薄膜の持つ温度変化を始めその他の湿度、経時変化等の変動要因は出力電圧より除外され、磁界による電気抵抗値変化のみが出力に現れる。そのため磁界の絶対値の検出が精度良く実現可能になり、また同時に極めて小さな磁界の検出も可能になる。
【００１０】
第２発明の構成は、さらに精度が高く、且つ磁界感度の高い薄膜磁界センサを実現するものである。すなわち、巨大磁気抵抗薄膜の両側に軟磁性薄膜を配置した素子と、巨大磁気抵抗薄膜の両側に導体膜を配置した素子を、各々２個用いてブリッジ回路を構成することによって、ブリッジ出力電圧は、第１発明の構成よりも更に２倍大きくすることが可能となり、より精度が高く、且つより磁界感度の高い薄膜磁界センサが実現可能となる。
【００１１】
第３発明の構成は、利用する材料の観点から、薄膜磁界センサの精度を更に高めるものである。すなわち、ブリッジを構成する素子中の巨大磁気抵抗薄膜部分の材質・構造が全く同じでも、巨大磁気抵抗薄膜を挟んでいる材料が異なる場合には、接触電位差、あるいは熱起電力等により微小な電気抵抗値の違いが出る場合がある。第３発明の構成によれば、これ等の問題を含めて、２つの構造の磁界印加による抵抗変化以外の要因による巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗値変化を、厳密な意味で相殺することができ、これにより更に精度の高い薄膜磁界センサが実現できる。
【００１２】
第４発明の構成は、構造の面から、より小型で高精度の薄膜磁界センサを実現するものである。磁界センサとしての感度を高く、しかも、形状的に小型化するためには、巨大磁気抵抗薄膜の両側に軟磁性薄膜を配置した構造において、軟磁性薄膜の有効面積を一定とした上で、軟磁性薄膜部分の小型化を計る必要がある。第４発明の構成により、感度が高く、また形状的により小型の磁界センサの実現が可能になる。
【００１３】
第５発明の構成は、残留磁化の面から薄膜磁界センサの精度を、さらに高めるものである。つまり、印加された磁界の計測を完了し、外部磁界が取り去られた後で、軟磁性薄膜中に磁化が残留する場合には、この残留磁化は、巨大磁気抵抗薄膜に対して外部磁界印加と同様の作用を及ぼすことになり、磁界の検出精度の低下を来たす。このため、第５発明の構成では、軟磁性薄膜を巨大磁気抵抗薄膜の検出磁界と直交する方向に磁化させることにより、軟磁性薄膜中の残留磁化を減らして、より高精度に磁界を計測することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、図面に基づき、本発明の種々の実施形態につき説明する。尚、各図において同一の要素は同じ番号を付してあり、説明の重複を避けている。
【００１５】
［実施例１］
図４は、本発明の第１の実施例を示す。この図および以降の図では、理解を助けるため、巨大磁気抵抗薄膜の部分を点々の印、軟磁性薄膜の部分を斜め線、導体薄膜部分を白ぬき、として区別している。５は、軟磁性薄膜１、巨大磁気抵抗薄膜２および電気端子３、４を含めた素子を表しており、公知技術である図１の構成と同一である。素子５の作用についての記述は本文中の段落０００２に述べたので、ここでは重複を避けて本発明の具体内容の記述のみを行う。１は軟磁性薄膜で、１５ｋＧ以上の高い飽和磁束密度と、０．５Ｏｅ以下の低い保磁力を持つパーマロイである。その他の材料を含めて、軟磁性薄膜１の具体的な材料名およびその代表特性は表１に示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
軟磁性薄膜１の厚さはｔ＝１μｍである。軟磁性薄膜１には、空隙長ｇで示した空隙が形成されている。空隙長ｇの寸法はｇ＝１μｍである。空隙に接する軟磁性薄膜１の幅ｗの寸法はｗ＝１００μｍである。その軟磁性薄膜１の空隙を埋めるように巨大磁気抵抗薄膜２が形成されている。巨大磁気抵抗薄膜２の材質は、Ｃｏ３９Ｙ１４Ｏ４７である。この材料を含め、巨大磁気抵抗薄膜２として可能な材料名およびその代表特性は表２に示す。
【００１８】
【表２】
【００１９】
ここでの軟磁性薄膜１の厚さｔ、空隙長ｇおよび空隙に接する軟磁性薄膜１の幅ｗの寸法については、磁気的な条件と電気的な条件の両面からの要求される特性を満たすように選択する必要があるが、本発明の特徴は広い範囲に亙って目的とする性能を得る事にある。すなわち、寸法の選択範囲は大変広い。磁気的な条件としては、空隙長ｇが広すぎる場合、例えば軟磁性薄膜の厚さｔの数倍以上の場合には、軟磁性薄膜１が周辺の磁束を集めて空隙部分に磁束を十分に集中させる事が出来ない。一方、軟磁性薄膜の厚さｔについては、機能上はいかに厚くても本発明の機能を発揮するが、軟磁性薄膜を形成する装置の持つ単位時間当たりの堆積能力、あるいは軟磁性薄膜が基板に形成された場合の応力により、軟磁性薄膜が基板から剥離するなど、現実的な制約条件で厚さの限界は決まってくる。逆に軟磁性薄膜の厚さｔが１０ｎｍ以下の場合には、軟磁性薄膜の磁気特性が劣化するので、実質的に１０ｎｍが厚さの下限である。電気的な条件としては、軟磁性薄膜１の幅ｗは、磁気センサの小型化および電気抵抗の絶対値として周辺回路が扱いやすい値、例えば数１０ｋΩから数１００ＭΩの範囲となることを勘案して設定する必要がある。電気抵抗の絶対値は、巨大磁気抵抗薄膜の電気比抵抗および空隙長ｇに比例し、軟磁性薄膜の幅ｗおよび軟磁性薄膜の厚さｔに反比例するので、比較的設計での自由度は大であり、具体的な軟磁性薄膜の幅ｇは、最大数ｍｍから最小数μｍの広い範囲での実現の可能性がある。
【００２０】
空隙を挟んで２分割された両側の軟磁性薄膜１には、各々Ｃｕによる電気端子３および４が接続されている。この電気端子部分の材質は、磁気的には大きな影響を持たないので、電気的な導通性を中心として決定して良く、軟磁性薄膜の材質を共通に利用することも可能であり、また実際に外部との接続に供せられる部分にのみ、表面にＣｕ膜を形成すること等も可能である。５は軟磁性薄膜１、巨大磁気抵抗薄膜２、ならびに電気端子３および４を含めた素子を表している。電気端子３と４の間の電気抵抗値をＲａと表す。図５は、軟磁性薄膜１の長さ寸法Ｌをパラメータとして、素子５の印加磁界と電気抵抗値変化の関係の一例を示したものであり、長さ寸法Ｌを大きくすることにより、より小さな磁界において感動させることが可能であることが分かる。図６は素子５の温度による抵抗値変化を示したものである。図５の印加磁界と電気抵抗値との関係は、印加磁界の絶対値を取れば、ある大きさの磁界まではほぼリニアな変化になっている。また、図６の温度と電気抵抗値の変化について、室温付近でリニアな関係とみなす。そこで、印加磁界零で、且つ温度２２℃の場合の抵抗値をＲ０とし、印加磁界の絶対値をＨ、温度をＴとすれば、抵抗値Ｒａは式１のように表現できる。
【００２１】
Ｒａ＝Ｒ０（１＋ｒＭＨ＋ｒＴ（Ｔ−２５）） （１）
ここに、ｒＭは電気抵抗値の印加磁界による変化の微係数、ｒＴは電気抵抗値の温度係数である。表３は、軟磁性薄膜の各長さ寸法ＬについてｒＭの値および式１が成立する磁界Ｈの範囲、およびｒＴの値を示している。
【００２２】
【表３】
【００２３】
６は、軟磁性薄膜１と実質的に同じ厚さｔ´を持った導体膜である。導体膜６の材料はＣｕである。Ｃｕ材料は、極く弱い反磁性を示すがほとんど磁気的には透明とみなされる。導体膜６には軟磁性薄膜１の空隙長ｇと実質的に等しい寸法の空隙長ｇ′が形成されている。空隙に接する導体膜６の幅ｗ´は、実質的に空隙に接する軟磁性薄膜１の幅ｗと同一である。素子５のＬに対応する長さ寸法は任意である。その導体膜６の空隙を埋めるように、巨大磁気抵抗薄膜７が形成されている。巨大磁気抵抗薄膜７の材質は、巨大磁気抵抗薄膜２と同一である。空隙を挟んで２分割された両側の導体膜６には、各々電気端子８および９が接続されている。１０は、導体膜６、巨大磁気抵抗薄膜７、および電気端子８、９を含めた素子を表している。電気端子８、９間の電気抵抗をＲｂと表す。
【００２４】
素子１０については、導体膜６が磁気的な作用を持たないため、巨大磁気抵抗薄膜７に印加される磁束密度は、巨大磁気抵抗薄膜７の置かれる環境の磁束密度そのものである。図７は、印加磁界によるＲｂの変化を示すもので、実質的に印加磁界による電気抵抗値変化は零とみなされる。一方、温度に対する変化としては、図６に示す温度係数と同じ温度係数を示す。従って、式１に対応して素子１０の場合の電気抵抗値Ｒｂの式を示すと、式２のようになる。
Ｒｂ＝Ｒ ０ （１＋ｒ Ｔ （Ｔ−２５）） （２）
【００２５】
１１は電気抵抗値Ｒｃを持つ第１の抵抗器であり、第１の抵抗器１１には電気端子１２および１３が接続されている。１４は電気抵抗値Ｒｄを持つ第２の抵抗器である。第２の抵抗器１４には、電気端子１５および１６が接続されている。第１の抵抗器と第２の抵抗器については、それ等の間で抵抗値およびその温度係数は、精密に一致したものを利用する。式１、２と同様にして、電気抵抗の温度係数をｒＴ′とすれば、式３および４を得る。
Ｒｃ＝Ｒ ０ （１＋ｒ Ｔ ´（Ｔ−２５）） （３）
Ｒｄ＝Ｒ ０ （１＋ｒ Ｔ ´（Ｔ−２５）） （４）
【００２６】
端子４、８および２０間、端子３、１２および１７間、端子９、１６および１８間、端子１３、１５および１９間は電気的に相互接続されている。図８は、図４の構成を電気的等価回路として表したものであり、全体として一つのブリッジ回路を形成している。素子５および素子１０は、ブリッジ回路の２つのアームを形成している。端子１７と１８間には駆動電圧が印加され、端子１９、２０間にはブリッジの出力電圧が現れる。図８の回路において、端子１７、１８間に電圧Ｖ０を印加した場合に、端子１９、２０間に現れる電圧Ｖ２は、式５で表される。
Ｖ ２ ＝（ＲａＲｄ−ＲｂＲｃ）Ｖ ０ ／（（Ｒａ＋Ｒｂ）・（Ｒｃ＋Ｒｄ）） （５）
【００２７】
式５のＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄに各々式１、２、３、４を代入し、２次の微小量を省略すれば、Ｖ２の温度に関係する項はすべて相殺され、式６を得る。
Ｖ ２ ＝ｒ Ｔ ＨＶ ０ ／４ （６）
【００２８】
ここに、Ｖ０、ｒＴ、Ｒ０はあらかじめ決定できる定数であり、Ｖ２の測定値を得れば、目的とする磁界は式７のように決定できる。
Ｈ＝４Ｖ ２ ／（Ｖ ０ ｒ Ｔ ） （７）
【００２９】
ブリッジ回路出力Ｖ２として、Ｖ０に対してどの程度のレベルまで安定に検出可能かは、ブリッジ回路出力電圧の増幅器の安定性等で決定されるが、一般にＶ２／Ｖ０＝１ｘ１０−５は容易に実現可能である。従って、式７において、Ｖ２／Ｖ０＝１ｘ１０−５および表３のｒＴの値を代入すれば、本発明によって可能な磁界の分解能を得る。結果は表４の通りである。
【００３０】
【表４】
【００３１】
表４の分解能は、従来技術のＦｌｕｘＧａｔｅセンサの分解能に匹敵する。このＦｌｕｘＧａｔｅセンサは、磁性材料の飽和特性を利用するもので、センサ構造としてもまた周辺回路の構成としてもかなり複雑でまた大型のものである。本発明の構成は、これらの磁界センサに比して極めて簡単、且つ小型軽量であり、本発明の効用は極めて高い。
【００３２】
［実施例２−１］
図９は、本発明の第２の実施例の一つを示す。図中、各々、素子２５は、図４で述べた素子５と、素子３０は素子１０と同等の素子である。全体の回路としては、素子２５が第１の抵抗器を、素子３０が第２の抵抗器をそれぞれ置き換えた形になっている。図９を等価回路として表せば、全体として図８に示した回路と同じ回路となるが、図９の場合は、Ｒｄ＝ＲａおよびＲｃ＝Ｒｂが成立している。式６と同じく式５に、式１、２を代入すれば、式８を得る。
Ｖ ２ ＝ｒ Ｔ ＨＶ ０ ／２ （８）
【００３３】
ここに式８の値は式６の２倍になっている。従って、図９の構成によれば、図４の構成に比してより正確な磁界の大きさの推定が可能であり、また検出可能な磁界の分解能も更に２倍まで高めることができる。
【００３４】
［実施例２−２］
図１０は、本発明の第２の実施例の他の一つを示す。図１０では、素子５および素子２５を並行して配置し、それ等の間に素子１０および素子３０を配置することにより、全体として占有面積の有効利用を計っている。また、端子４と端子８、端子２４と端子２８、および端子３と端子９、端子２３と端子２９は各々共通になっており、これ等の端子間の接続を省略して構造の簡単化を計っている。外部回路への接続端子である１７、１８、１９、２０については、端子３と９、端子２３と２９および端子４と８、端子２４および２８に直接接続はされていないが、素子５および素子２５を通して電気的に接続されており、電気機能的には図６と同様の機能を持っている。図１０の場合には、巨大磁気抵抗薄膜の置かれている角度が、素子５と素子１０および素子２５と素子３０とで直交している。素子１０および素子３０については、図７に示した通り、磁界に対する感度はほとんど零であるが、図１０のように配置することにより、素子５の長手方向に加えられた磁界に対して更に厳密に素子１０および素子３０の電気抵抗変化を零とすることができる。
【００３５】
［実施例３］
図１１は、本発明の第３の実施例を示す。この実施例の第１実施例との違いは、図４で示した６の導体膜として１の軟磁性薄膜と共通の材料を使用している事である。図４では、素子５および素子１０の持つ電気抵抗変化の中で、磁界による変化以外のものをできるだけ等しくし、ブリッジ回路において相殺させることが必要である。このためには、先ず、巨大磁気抵抗薄膜そのものの材質、構造を共通化することであるが、巨大磁気抵抗薄膜そのものが全く同じであっても、それに接触する材料によっては微細な電気抵抗値の違いが出る可能性がある。その原因となるのは、接触電位差、あるいは熱起電力等である。図１１に示す実施例３では、巨大磁気抵抗薄膜に接触させる材質を、素子５と素子３５で共通の軟磁性薄膜とすることにより、この問題を回避している。しかし、素子３５の軟磁性薄膜３１の寸法を大きくすると、必然的に巨大磁気抵抗薄膜３２に加わる磁束密度も大きくなり、素子５と素子３２の抵抗値の差としての磁界センサの感度を低下させてしまう。実施例３では、素子３５の軟磁性薄膜３１の面積を、素子５の軟磁性薄膜１の面積の１／１０以下とすることで、この問題を回避している。この構成によれば、素子３５の導体部分が非磁性体である場合のブリッジ出力電圧に対し、少なくとも９０％以上の出力電圧を確保でき、しかも磁界印加以外の要因による抵抗の変化を、素子５と素子３５で厳密に相殺することができ、高精度の薄膜磁界センサの実現が可能になる。
【００３６】
［実施例４］
図１２は、本発明の第４の実施例を示す。実施例１において、素子５については、軟磁性薄膜のＬ寸法を大きくすることにより、感動する磁界の感度を高められることを述べた。軟磁性薄膜１の持つ機能は、周辺の磁束を集めて巨大磁気抵抗薄膜部分に集中させることであるが、周辺の磁束を集める機能は、ほぼ軟磁性薄膜の面積に比例する。従って、図４に示す構成の場合には、小さな磁界での感度を持たせるためには、どうしてもＬ寸法を大きくする必要があり、磁界センサの全体の寸法が大きくなってしまうことは避けられない。図１２の構成によれば、軟磁性薄膜が巨大磁気抵抗薄膜と接する幅ｗに比して大きなｗｘの幅の部分を設けることにより、軟磁性薄膜の占有面積の有効利用を計り、全体として小型でしかも磁界感度の高い磁気センサが実現できる。
【００３７】
［実施例５］
図１３は本発明の第５の実施例である。軟磁性薄膜では、外部磁界が加わっても、外部磁界を除いた後は磁化が残留し難いが、保磁力Ｈｃの範囲で、磁化が残留してしまう可能性がある。この残留磁化は、検出する磁界の直接誤差となるものであるから、可及的に残留磁化のない材料が望ましい。表１に示した通りＣｏ７７Ｆｅ５Ｓｉ９Ｂ ９ 材料は、パーマロイに比しても１／６程度の低いＨｃを有し、この値は磁化困難軸方向に励磁した場合に得られる。一般的に、一軸異方性を有する磁性材料の困難軸方向の磁化過程は磁化回転によるため、ヒステリシスは発生せず、Ｈｃはほぼ零となる。したがって、困難軸方向では残留磁化は発生しない。本発明の第５の構成によれば、一軸異方性を有する材料の困難軸方向を磁界検出方向とするため、外部から印加された磁界が取り去られた後も軟磁性薄膜中に残留磁化が少なく、従って、正確な磁界の計測が可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明によれば次のような効果が得られる。
【００３９】
巨大磁気抵抗薄膜の有する電気抵抗値の温度変化等、磁界印加による電気抵抗値変化以外は、すべてブリッジ回路の中で相殺されてブリッジ出力としては出ないため、従来技術では問題であった巨大磁気抵抗薄膜の温度等による電気抵抗値変化が除外されて、純粋に磁界の印加による変化分が検出可能である。
【００４０】
ブリッジ回路の持つ微小な電気抵抗値変化の検出機能が利用出来るため、極めて小さな変化に対応する、高い分解能での磁界検出が可能である。
【００４１】
２つの巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置された材料の違いによって生じる微小な抵抗値の違いを避けるため、２つの巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置する材料を同一とすることにより、磁界以外の要因による電気抵抗値変化は、更に厳密に相殺される。
【００４２】
巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置する軟磁性薄膜の長さを減らし、その代わりに幅を広く取ることにより、磁界センサの感度を低下させることなく、磁界センサ全体としての小型化が可能である。
【００４３】
巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置する軟磁性薄膜として、残留磁化が少ない一軸異方性を持った材料を適用することにより、検出すべき磁界を除いた後の残留磁化による磁界検出精度の低下を防止することができる。
【００４４】
本発明の薄膜磁界センサは、構造が単純で小型化が可能であり、また優れた磁界感度を有するので、次世代の高性能磁界センサーとして、その工業的意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による薄膜磁界センサ
【図２】同上の磁界印加による抵抗値の変化
【図３】同上の抵抗値の温度特性
【図４】本発明の第１の実施例
【図５】本発明の第１の実施例の素子５の磁界と抵抗変化との関係
【図６】本発明の第１の実施例の素子５および素子１０の抵抗値温度特性
【図７】本発明の第１の実施例の素子１０の磁界と抵抗変化との関係
【図８】同上の電気的等価回路
【図９】本発明の第２の実施例の１
【図１０】本発明の第２の実施例の２
【図１１】本発明の第３の実施例
【図１２】本発明の第４の実施例
【図１３】本発明の第５の実施例
【符号の説明】
１：第１の軟磁性薄膜
２：第１の巨大磁気抵抗薄膜
３：第１の軟磁性薄膜に接続される電気端子の１つ
４：第１の軟磁性薄膜に接続される他の電気端子
５：上記１〜４を含めた素子
６：第１の導体膜
７：第２の巨大磁気抵抗薄膜
８：第１の導体膜に接続される電気端子の１つ
９：第１の導体膜に接続される他の電気端子
１０：上記６〜９を含めた素子
１１：第１の抵抗器
１２：第１の抵抗器に接続される電気端子の１つ
１３：第１の抵抗器に接続される他の電気端子
１４：第２の抵抗器
１５：第２の抵抗器に接続される電気端子の１つ
１６：第２の抵抗器に接続される他の電気端子
１７：駆動電圧を与えられる電気端子の１つ
１８：駆動電圧を与えられる他の電気端子
１９：ブリッジ出力の電気端子の１つ
２０：ブリッジ出力の他の電気端子
２１：第２の軟磁性薄膜
２２：第３の巨大磁気抵抗薄膜
２３：第２の軟磁性薄膜に接続される電気端子の１つ
２４：第２の軟磁性薄膜に接続される他の電気端子
２５：上記２１〜２４を含めた素子
２６：第２の導体膜
２７：第４の巨大磁気抵抗薄膜
２８：第２の導体膜に接続される電気端子の１つ
２９：第２の導体膜に接続される他の電気端子
３０：上記２６〜２９を含めた素子
３１：第３の軟磁性薄膜
３２：第５の巨大磁気抵抗膜
３３：第３の軟磁性薄膜に接続される電気端子の１つ
３４：第３の軟磁性薄膜に接続される他の電気端子
３５：上記３１〜３４を含めた素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、および２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９からなり、端子３および端子４と端子８および端子９は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサ。
【請求項２】所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜２１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２２、２分割された軟磁性薄膜２１の各々に電気的に接続された端子２３および端子２４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜２６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２７、および２分割された導体膜２６の各々に電気的に接続された端子２８および端子２９からなり、端子３および端子４、端子８および端子９、端子２３および端子２４、端子２８および端子２９は、各々ブリッジ回路の４つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサ。
【請求項３】所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜３１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜３２、および２分割された軟磁性薄膜３１の各々に電気的に接続された端子３３および端子３４からなり、端子３および端子４、端子３３および端子３４は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成し、且つまた軟磁性薄膜３１の平面上の面積は、軟磁性薄膜１の平面上の面積に比して１／１０以下であることを特徴とする薄膜磁界センサ。
【請求項４】空隙に接する線と並行な線に沿って測った軟磁性薄膜１の幅寸法の少なくとも一部は、その軟磁性薄膜１が空隙に接する線の幅よりも大であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜磁界センサ。
【請求項５】軟磁性薄膜１の磁気特性は一軸異方性であって、その磁化容易軸方向は、実質的に、空隙に接する線と並行な方向であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、空間中の磁界を測定する薄膜磁界センサに関し、巨大磁気抵抗薄膜、例えばナノグラニュラー巨大磁気抵抗効果薄膜を用いて、磁界を精密に測定するための薄膜磁界センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、特開平１１−８７８０４号公報および特開平１１−２７４５９９に記載された磁界センサを示す。図中、巨大磁気抵抗薄膜と書かれた部分は、１０ｋＯｅの磁界の印加に対して、約１０％の電気抵抗変化を示す金属−絶縁体ナノグラニュラー巨大磁気抵抗薄膜である。この例のように、巨大磁気抵抗薄膜の場合には、一般の磁気抵抗効果材料に比して電気抵抗値の変化幅は大であるが、前記の通り電気抵抗変化を起こさせるための印加磁界は大きく、巨大磁気抵抗薄膜のみを単独で用いる場合には、一般に磁界センサとして利用されるような小さな磁界での電気抵抗値変化は期待できない。図１の構成は、それを補うものである。すなわち、軟磁性薄膜は周辺の磁束を集める役割を担っており、適切な軟磁性薄膜の寸法を選定することにより、原理的には、軟磁性薄膜周辺の磁界の大小に拘わらず、巨大磁気抵抗薄膜部分に対して軟磁性薄膜の飽和磁束密度以内で、いかようにも大きな磁束密度を印加することが可能である。また、図１の構成を電気抵抗の観点から見ると、軟磁性薄膜間の電気抵抗値は、軟磁性薄膜部分と巨大磁気抵抗薄膜部分の電気抵抗値の和になっているが、巨大磁気抵抗薄膜の電気比抵抗の値は、軟磁性薄膜のそれに比して１００倍以上大きいため、実質的に軟磁性薄膜間の電気抵抗値は巨大磁気抵抗薄膜部分の値と等しい。つまり、軟磁性薄膜間の電気抵抗値には、巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗値変化が直接現れる。図２は、このような図１の構成の電気抵抗変化の例を示すものであり、数Ｏｅの小さな磁界において約６％の電気抵抗値変化を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明が目的とする、巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗測定値をもとにして、印加された磁界の絶対値を計測する磁界センサを実現する場合には、図１の構成では、大きな問題があることが判明した。それは、巨大磁気抵抗薄膜の温度による電気抵抗値変化の問題である。前記の通り、図１の構成の場合には検出したい磁界の大小に対しては選択の余地がある。しかし、いかに感度を高めたとしても、それは感動する磁界に対する選択であり、巨大磁気抵抗薄膜の持つ電気抵抗変化以上の変化幅を得ることは、原理的にできない。現実に図１の構成の場合の電気抵抗変化幅は、他の要因を含めて更に圧縮されてほぼ６％程度となっている。この６％の電気抵抗値変化に対して、巨大磁気抵抗薄膜の温度による変化があれば、その電気抵抗値変化分だけは印加された磁界を推定する場合の不確定要素となる。図３は温度特性の実例を示している。この図から明らかな通り、巨大磁気抵抗薄膜の温度による電気抵抗値変化は、磁界印加による抵抗変化よりむしろ大であり、図１の構成のままでは、磁界の絶対値を計測する磁界センサとしては利用が難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の特徴とするところは、下記の点にある。第１発明は、所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、および２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９からなり、端子３および端子４と端子８および端子９は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサを提供する。
【０００５】
第２発明は、所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜７、２分割された導体膜６の各々に電気的に接続された端子８および端子９、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜２１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２２、２分割された軟磁性薄膜２１の各々に電気的に接続された端子２３および端子２４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ導体膜２６、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２７、および２分割された導体膜２６の各々に電気的に接続された端子２８および端子２９からなり、端子３および端子４、端子８および端子９、端子２３および端子２４、端子２８および端子２９は、各々ブリッジ回路の４つのアームを形成することを特徴とする薄膜磁界センサを提供する。
【０００６】
第３発明は、所定の空隙長を持つ空隙によって２分割され、所定の膜厚および空隙に接する所定の幅を持つ軟磁性薄膜１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２、２分割された軟磁性薄膜１の各々に電気的に接続された端子３および端子４、前記空隙長と実質的に等しい空隙長を持つ空隙によって２分割され、前記膜厚と実質的に等しい膜厚、および前記空隙に接する幅と実質的に等しい幅を持つ軟磁性薄膜３１、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜３２、および２分割された軟磁性薄膜３１の各々に電気的に接続された端子３３および端子３４からなり、端子３および端子４、端子３３および端子３４は、各々ブリッジ回路の２つのアームを形成し、且つまた軟磁性薄膜３１の平面上の面積は、軟磁性薄膜１の平面上の面積に比して１／１０以下であることを特徴とする薄膜磁界センサを提供する。
【０００７】
第４発明は、空隙に接する線と並行な線に沿って測った軟磁性薄膜１の幅寸法の少なくとも一部は、その軟磁性薄膜１が空隙に接する線の幅よりも大であることを特徴とする第１発明ないし第３発明のいずれかに記載の薄膜磁界センサを提供する。
【０００８】
第５本発明は、軟磁性薄膜１の磁気特性は一軸異方性であって、その磁化容易軸方向は、実質的に、空隙に接する線と並行な方向であることを特徴とする第１発明ないし第３発明のいずれかに記載の薄膜磁界センサを提供する。
【０００９】
【作用】
本発明の作用は下記の通りである。
第一発明の構成は、巨大磁気抵抗薄膜の持つ電気抵抗値変化の中で、温度、湿度および経時的な原因による変化を除外し、磁界による変化のみを抽出することによって、精度の高い磁界センサを実現するものである。すなわち、巨大磁気抵抗薄膜および構造を同一とする２系統の素子によるブリッジ回路を形成し、その中の一方の素子は巨大磁気抵抗薄膜の両側に軟磁性薄膜を配置することによって磁界に対する感度を高め、他方の素子は巨大磁気抵抗薄膜をそのまま用いることにより磁界に対する感度を実質的に零としている。ブリッジ回路の出力電圧はこれら素子の電気抵抗値の差に比例するものであるから、結果的に、巨大磁気抵抗薄膜の持つ温度変化を始めその他の湿度、経時変化等の変動要因は出力電圧より除外され、磁界による電気抵抗値変化のみが出力に現れる。そのため磁界の絶対値の検出が精度良く実現可能になり、また同時に極めて小さな磁界の検出も可能になる。
【００１０】
第２発明の構成は、さらに精度が高く、且つ磁界感度の高い薄膜磁界センサを実現するものである。すなわち、巨大磁気抵抗薄膜の両側に軟磁性薄膜を配置した素子と、巨大磁気抵抗薄膜の両側に導体膜を配置した素子を、各々２個用いてブリッジ回路を構成することによって、ブリッジ出力電圧は、第１発明の構成よりも更に２倍大きくすることが可能となり、より精度が高く、且つより磁界感度の高い薄膜磁界センサが実現可能となる。
【００１１】
第３発明の構成は、利用する材料の観点から、薄膜磁界センサの精度を更に高めるものである。すなわち、ブリッジを構成する素子中の巨大磁気抵抗薄膜部分の材質・構造が全く同じでも、巨大磁気抵抗薄膜を挟んでいる材料が異なる場合には、接触電位差、あるいは熱起電力等により微小な電気抵抗値の違いが出る場合がある。第３発明の構成によれば、これ等の問題を含めて、２つの構造の磁界印加による抵抗変化以外の要因による巨大磁気抵抗薄膜の電気抵抗値変化を、厳密な意味で相殺することができ、これにより更に精度の高い薄膜磁界センサが実現できる。
【００１２】
第４発明の構成は、構造の面から、より小型で高精度の薄膜磁界センサを実現するものである。磁界センサとしての感度を高く、しかも、形状的に小型化するためには、巨大磁気抵抗薄膜の両側に軟磁性薄膜を配置した構造において、軟磁性薄膜の有効面積を一定とした上で、軟磁性薄膜部分の小型化を計る必要がある。第４発明の構成により、感度が高く、また形状的により小型の磁界センサの実現が可能になる。
【００１３】
第５発明の構成は、残留磁化の面から薄膜磁界センサの精度を、さらに高めるものである。つまり、印加された磁界の計測を完了し、外部磁界が取り去られた後で、軟磁性薄膜中に磁化が残留する場合には、この残留磁化は、巨大磁気抵抗薄膜に対して外部磁界印加と同様の作用を及ぼすことになり、磁界の検出精度の低下を来たす。このため、第５発明の構成では、軟磁性薄膜を巨大磁気抵抗薄膜の検出磁界と直交する方向に磁化させることにより、軟磁性薄膜中の残留磁化を減らして、より高精度に磁界を計測することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、図面に基づき、本発明の種々の実施形態につき説明する。尚、各図において同一の要素は同じ番号を付してあり、説明の重複を避けている。
【００１５】
［実施例１］
図４は、本発明の第１の実施例を示す。この図および以降の図では、理解を助けるため、巨大磁気抵抗薄膜の部分を点々の印、軟磁性薄膜の部分を斜め線、導体薄膜部分を白ぬき、として区別している。５は、軟磁性薄膜１、巨大磁気抵抗薄膜２および電気端子３、４を含めた素子を表しており、公知技術である図１の構成と同一である。素子５の作用についての記述は本文中の段落０００２に述べたので、ここでは重複を避けて本発明の具体内容の記述のみを行う。１は軟磁性薄膜で、１５ｋＧ以上の高い飽和磁束密度と、０．５Ｏｅ以下の低い保磁力を持つパーマロイである。その他の材料を含めて、軟磁性薄膜１の具体的な材料名およびその代表特性は表１に示す。
【００１６】
【表１】
軟磁性薄膜１の厚さはｔ＝１μｍである。軟磁性薄膜１には、空隙長ｇで示した空隙が形成されている。空隙長ｇの寸法はｇ＝１μｍである。空隙に接する軟磁性薄膜１の幅ｗの寸法はｗ＝１００μｍである。その軟磁性薄膜１の空隙を埋めるように巨大磁気抵抗薄膜２が形成されている。巨大磁気抵抗薄膜２の材質は、Ｃｏ３９Ｙ１４Ｏ４７である。この材料を含め、巨大磁気抵抗薄膜２として可能な材料名およびその代表特性は表２に示す。
【００１８】
【表２】
ここでの軟磁性薄膜１の厚さｔ、空隙長ｇおよび空隙に接する軟磁性薄膜１の幅ｗの寸法については、磁気的な条件と電気的な条件の両面からの要求される特性を満たすように選択する必要があるが、本発明の特徴は広い範囲に亙って目的とする性能を得る事にある。すなわち、寸法の選択範囲は大変広い。磁気的な条件としては、空隙長ｇが広すぎる場合、例えば軟磁性薄膜の厚さｔの数倍以上の場合には、軟磁性薄膜１が周辺の磁束を集めて空隙部分に磁束を十分に集中させる事が出来ない。一方、軟磁性薄膜の厚さｔについては、機能上はいかに厚くても本発明の機能を発揮するが、軟磁性薄膜を形成する装置の持つ単位時間当たりの堆積能力、あるいは軟磁性薄膜が基板に形成された場合の応力により、軟磁性薄膜が基板から剥離するなど、現実的な制約条件で厚さの限界は決まってくる。逆に軟磁性薄膜の厚さｔが１０ｎｍ以下の場合には、軟磁性薄膜の磁気特性が劣化するので、実質的に１０ｎｍが厚さの下限である。電気的な条件としては、軟磁性薄膜１の幅ｗは、磁気センサの小型化および電気抵抗の絶対値として周辺回路が扱いやすい値、例えば数１０ｋΩから数１００ＭΩの範囲となることを勘案して設定する必要がある。電気抵抗の絶対値は、巨大磁気抵抗薄膜の電気比抵抗および空隙長ｇに比例し、軟磁性薄膜の幅ｗおよび軟磁性薄膜の厚さｔに反比例するので、比較的設計での自由度は大であり、具体的な軟磁性薄膜の幅ｇは、最大数ｍｍから最小数μｍの広い範囲での実現の可能性がある。
【００２０】
空隙を挟んで２分割された両側の軟磁性薄膜１には、各々Ｃｕによる電気端子３および４が接続されている。この電気端子部分の材質は、磁気的には大きな影響を持たないので、電気的な導通性を中心として決定して良く、軟磁性薄膜の材質を共通に利用することも可能であり、また実際に外部との接続に供せられる部分にのみ、表面にＣｕ膜を形成すること等も可能である。５は軟磁性薄膜１、巨大磁気抵抗薄膜２、ならびに電気端子３および４を含めた素子を表している。電気端子３と４の間の電気抵抗値をＲａと表す。図５は、軟磁性薄膜１の長さ寸法Ｌをパラメータとして、素子５の印加磁界と電気抵抗値変化の関係の一例を示したものであり、長さ寸法Ｌを大きくすることにより、より小さな磁界において感動させることが可能であることが分かる。図６は素子５の温度による抵抗値変化を示したものである。図５の印加磁界と電気抵抗値との関係は、印加磁界の絶対値を取れば、ある大きさの磁界まではほぼリニアな変化になっている。また、図６の温度と電気抵抗値の変化について、室温付近でリニアな関係とみなす。そこで、印加磁界零で、且つ温度２２℃の場合の抵抗値をＲ０とし、印加磁界の絶対値をＨ、温度をＴとすれば、抵抗値Ｒａは式１のように表現できる。
【００２１】
Ｒａ＝Ｒ０（１＋ｒＭＨ＋ｒＴ（Ｔ−２５）） （１）
ここに、ｒＭは電気抵抗値の印加磁界による変化の微係数、ｒＴは電気抵抗値の温度係数である。表３は、軟磁性薄膜の各長さ寸法ＬについてｒＭの値および式１が成立する磁界Ｈの範囲、およびｒＴの値を示している。
【００２２】
【表３】
６は、軟磁性薄膜１と実質的に同じ厚さｔ´を持った導体膜である。導体膜６の材料はＣｕである。Ｃｕ材料は、極く弱い反磁性を示すがほとんど磁気的には透明とみなされる。導体膜６には軟磁性薄膜１の空隙長ｇと実質的に等しい寸法の空隙長ｇ′が形成されている。空隙に接する導体膜６の幅ｗ´は、実質的に空隙に接する軟磁性薄膜１の幅ｗと同一である。素子５のＬに対応する長さ寸法は任意である。その導体膜６の空隙を埋めるように、巨大磁気抵抗薄膜７が形成されている。巨大磁気抵抗薄膜７の材質は、巨大磁気抵抗薄膜２と同一である。空隙を挟んで２分割された両側の導体膜６には、各々電気端子８および９が接続されている。１０は、導体膜６、巨大磁気抵抗薄膜７、および電気端子８、９を含めた素子を表している。電気端子８、９間の電気抵抗をＲｂと表す。
【００２４】
素子１０については、導体膜６が磁気的な作用を持たないため、巨大磁気抵抗薄膜７に印加される磁束密度は、巨大磁気抵抗薄膜７の置かれる環境の磁束密度そのものである。図７は、印加磁界によるＲｂの変化を示すもので、実質的に印加磁界による電気抵抗値変化は零とみなされる。一方、温度に対する変化としては、図６に示す温度係数と同じ温度係数を示す。従って、式１に対応して素子１０の場合の電気抵抗値Ｒｂの式を示すと、式２のようになる。
Ｒｂ＝Ｒ ０ （１＋ｒ Ｔ （Ｔ−２５）） （２）
【００２５】
１１は電気抵抗値Ｒｃを持つ第１の抵抗器であり、第１の抵抗器１１には電気端子１２および１３が接続されている。１４は電気抵抗値Ｒｄを持つ第２の抵抗器である。第２の抵抗器１４には、電気端子１５および１６が接続されている。第１の抵抗器と第２の抵抗器については、それ等の間で抵抗値およびその温度係数は、精密に一致したものを利用する。式１、２と同様にして、電気抵抗の温度係数をｒＴ′とすれば、式３および４を得る。
Ｒｃ＝Ｒ ０ （１＋ｒ Ｔ ´（Ｔ−２５）） （３）
Ｒｄ＝Ｒ ０ （１＋ｒ Ｔ ´（Ｔ−２５）） （４）
【００２６】
端子４、８および２０間、端子３、１２および１７間、端子９、１６および１８間、端子１３、１５および１９間は電気的に相互接続されている。図８は、図４の構成を電気的等価回路として表したものであり、全体として一つのブリッジ回路を形成している。素子５および素子１０は、ブリッジ回路の２つのアームを形成している。端子１７と１８間には駆動電圧が印加され、端子１９、２０間にはブリッジの出力電圧が現れる。図８の回路において、端子１７、１８間に電圧Ｖ０を印加した場合に、端子１９、２０間に現れる電圧Ｖ２は、式５で表される。
Ｖ ２ ＝（ＲａＲｄ−ＲｂＲｃ）Ｖ ０ ／（（Ｒａ＋Ｒｂ）・（Ｒｃ＋Ｒｄ）） （５）
【００２７】
式５のＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄに各々式１、２、３、４を代入し、２次の微小量を省略すれば、Ｖ２の温度に関係する項はすべて相殺され、式６を得る。
Ｖ ２ ＝ｒ Ｔ ＨＶ ０ ／４ （６）
【００２８】
ここに、Ｖ０、ｒＴ、Ｒ０はあらかじめ決定できる定数であり、Ｖ２の測定値を得れば、目的とする磁界は式７のように決定できる。
Ｈ＝４Ｖ ２ ／（Ｖ ０ ｒ Ｔ ） （７）
【００２９】
ブリッジ回路出力Ｖ２として、Ｖ０に対してどの程度のレベルまで安定に検出可能かは、ブリッジ回路出力電圧の増幅器の安定性等で決定されるが、一般にＶ２／Ｖ０＝１ｘ１０−５は容易に実現可能である。従って、式７において、Ｖ２／Ｖ０＝１ｘ１０−５および表３のｒＴの値を代入すれば、本発明によって可能な磁界の分解能を得る。結果は表４の通りである。
【００３０】
【表４】
表４の分解能は、従来技術のＦｌｕｘＧａｔｅセンサの分解能に匹敵する。このＦｌｕｘＧａｔｅセンサは、磁性材料の飽和特性を利用するもので、センサ構造としてもまた周辺回路の構成としてもかなり複雑でまた大型のものである。本発明の構成は、これらの磁界センサに比して極めて簡単、且つ小型軽量であり、本発明の効用は極めて高い。
【００３２】
［実施例２−１］
図９は、本発明の第２の実施例の一つを示す。図中、各々、素子２５は、図４で述べた素子５と、素子３０は素子１０と同等の素子である。全体の回路としては、素子２５が第１の抵抗器を、素子３０が第２の抵抗器をそれぞれ置き換えた形になっている。図９を等価回路として表せば、全体として図８に示した回路と同じ回路となるが、図９の場合は、Ｒｄ＝ＲａおよびＲｃ＝Ｒｂが成立している。式６と同じく式５に、式１、２を代入すれば、式８を得る。
Ｖ ２ ＝ｒ Ｔ ＨＶ ０ ／２ （８）
【００３３】
ここに式８の値は式６の２倍になっている。従って、図９の構成によれば、図４の構成に比してより正確な磁界の大きさの推定が可能であり、また検出可能な磁界の分解能も更に２倍まで高めることができる。
【００３４】
［実施例２−２］
図１０は、本発明の第２の実施例の他の一つを示す。図１０では、素子５および素子２５を並行して配置し、それ等の間に素子１０および素子３０を配置することにより、全体として占有面積の有効利用を計っている。また、端子４と端子８、端子２４と端子２８、および端子３と端子９、端子２３と端子２９は各々共通になっており、これ等の端子間の接続を省略して構造の簡単化を計っている。外部回路への接続端子である１７、１８、１９、２０については、端子３と９、端子２３と２９および端子４と８、端子２４および２８に直接接続はされていないが、素子５および素子２５を通して電気的に接続されており、電気機能的には図６と同様の機能を持っている。図１０の場合には、巨大磁気抵抗薄膜の置かれている角度が、素子５と素子１０および素子２５と素子３０とで直交している。素子１０および素子３０については、図７に示した通り、磁界に対する感度はほとんど零であるが、図１０のように配置することにより、素子５の長手方向に加えられた磁界に対して更に厳密に素子１０および素子３０の電気抵抗変化を零とすることができる。
【００３５】
［実施例３］
図１１は、本発明の第３の実施例を示す。この実施例の第１実施例との違いは、図４で示した６の導体膜として１の軟磁性薄膜と共通の材料を使用している事である。図４では、素子５および素子１０の持つ電気抵抗変化の中で、磁界による変化以外のものをできるだけ等しくし、ブリッジ回路において相殺させることが必要である。このためには、先ず、巨大磁気抵抗薄膜そのものの材質、構造を共通化することであるが、巨大磁気抵抗薄膜そのものが全く同じであっても、それに接触する材料によっては微細な電気抵抗値の違いが出る可能性がある。その原因となるのは、接触電位差、あるいは熱起電力等である。図１１に示す実施例３では、巨大磁気抵抗薄膜に接触させる材質を、素子５と素子３５で共通の軟磁性薄膜とすることにより、この問題を回避している。しかし、素子３５の軟磁性薄膜３１の寸法を大きくすると、必然的に巨大磁気抵抗薄膜３２に加わる磁束密度も大きくなり、素子５と素子３２の抵抗値の差としての磁界センサの感度を低下させてしまう。実施例３では、素子３５の軟磁性薄膜３１の面積を、素子５の軟磁性薄膜１の面積の１／１０以下とすることで、この問題を回避している。この構成によれば、素子３５の導体部分が非磁性体である場合のブリッジ出力電圧に対し、少なくとも９０％以上の出力電圧を確保でき、しかも磁界印加以外の要因による抵抗の変化を、素子５と素子３５で厳密に相殺することができ、高精度の薄膜磁界センサの実現が可能になる。
【００３６】
［実施例４］
図１２は、本発明の第４の実施例を示す。実施例１において、素子５については、軟磁性薄膜のＬ寸法を大きくすることにより、感動する磁界の感度を高められることを述べた。軟磁性薄膜１の持つ機能は、周辺の磁束を集めて巨大磁気抵抗薄膜部分に集中させることであるが、周辺の磁束を集める機能は、ほぼ軟磁性薄膜の面積に比例する。従って、図４に示す構成の場合には、小さな磁界での感度を持たせるためには、どうしてもＬ寸法を大きくする必要があり、磁界センサの全体の寸法が大きくなってしまうことは避けられない。図１２の構成によれば、軟磁性薄膜が巨大磁気抵抗薄膜と接する幅ｗに比して大きなｗｘの幅の部分を設けることにより、軟磁性薄膜の占有面積の有効利用を計り、全体として小型でしかも磁界感度の高い磁気センサが実現できる。
【００３７】
［実施例５］
図１３は本発明の第５の実施例である。軟磁性薄膜では、外部磁界が加わっても、外部磁界を除いた後は磁化が残留し難いが、保磁力Ｈｃの範囲で、磁化が残留してしまう可能性がある。この残留磁化は、検出する磁界の直接誤差となるものであるから、可及的に残留磁化のない材料が望ましい。表１に示した通りＣｏ７７Ｆｅ５Ｓｉ９Ｂ ９ 材料は、パーマロイに比しても１／６程度の低いＨｃを有し、この値は磁化困難軸方向に励磁した場合に得られる。一般的に、一軸異方性を有する磁性材料の困難軸方向の磁化過程は磁化回転によるため、ヒステリシスは発生せず、Ｈｃはほぼ零となる。したがって、困難軸方向では残留磁化は発生しない。本発明の第５の構成によれば、一軸異方性を有する材料の困難軸方向を磁界検出方向とするため、外部から印加された磁界が取り去られた後も軟磁性薄膜中に残留磁化が少なく、従って、正確な磁界の計測が可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明によれば次のような効果が得られる。
【００３９】
巨大磁気抵抗薄膜の有する電気抵抗値の温度変化等、磁界印加による電気抵抗値変化以外は、すべてブリッジ回路の中で相殺されてブリッジ出力としては出ないため、従来技術では問題であった巨大磁気抵抗薄膜の温度等による電気抵抗値変化が除外されて、純粋に磁界の印加による変化分が検出可能である。
【００４０】
ブリッジ回路の持つ微小な電気抵抗値変化の検出機能が利用出来るため、極めて小さな変化に対応する、高い分解能での磁界検出が可能である。
【００４１】
２つの巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置された材料の違いによって生じる微小な抵抗値の違いを避けるため、２つの巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置する材料を同一とすることにより、磁界以外の要因による電気抵抗値変化は、更に厳密に相殺される。
【００４２】
巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置する軟磁性薄膜の長さを減らし、その代わりに幅を広く取ることにより、磁界センサの感度を低下させることなく、磁界センサ全体としての小型化が可能である。
【００４３】
巨大磁気抵抗薄膜の両側に配置する軟磁性薄膜として、残留磁化が少ない一軸異方性を持った材料を適用することにより、検出すべき磁界を除いた後の残留磁化による磁界検出精度の低下を防止することができる。
【００４４】
本発明の薄膜磁界センサは、構造が単純で小型化が可能であり、また優れた磁界感度を有するので、次世代の高性能磁界センサーとして、その工業的意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による薄膜磁界センサ
【図２】同上の磁界印加による抵抗値の変化
【図３】同上の抵抗値の温度特性
【図４】本発明の第１の実施例
【図５】本発明の第１の実施例の素子５の磁界と抵抗変化との関係
【図６】本発明の第１の実施例の素子５および素子１０の抵抗値温度特性
【図７】本発明の第１の実施例の素子１０の磁界と抵抗変化との関係
【図８】同上の電気的等価回路
【図９】本発明の第２の実施例の１
【図１０】本発明の第２の実施例の２
【図１１】本発明の第３の実施例
【図１２】本発明の第４の実施例
【図１３】本発明の第５の実施例
【符号の説明】
１：第１の軟磁性薄膜
２：第１の巨大磁気抵抗薄膜
３：第１の軟磁性薄膜に接続される電気端子の１つ
４：第１の軟磁性薄膜に接続される他の電気端子
５：上記１〜４を含めた素子
６：第１の導体膜
７：第２の巨大磁気抵抗薄膜
８：第１の導体膜に接続される電気端子の１つ
９：第１の導体膜に接続される他の電気端子
１０：上記６〜９を含めた素子
１１：第１の抵抗器
１２：第１の抵抗器に接続される電気端子の１つ
１３：第１の抵抗器に接続される他の電気端子
１４：第２の抵抗器
１５：第２の抵抗器に接続される電気端子の１つ
１６：第２の抵抗器に接続される他の電気端子
１７：駆動電圧を与えられる電気端子の１つ
１８：駆動電圧を与えられる他の電気端子
１９：ブリッジ出力の電気端子の１つ
２０：ブリッジ出力の他の電気端子
２１：第２の軟磁性薄膜
２２：第３の巨大磁気抵抗薄膜
２３：第２の軟磁性薄膜に接続される電気端子の１つ
２４：第２の軟磁性薄膜に接続される他の電気端子
２５：上記２１〜２４を含めた素子
２６：第２の導体膜
２７：第４の巨大磁気抵抗薄膜
２８：第２の導体膜に接続される電気端子の１つ
２９：第２の導体膜に接続される他の電気端子
３０：上記２６〜２９を含めた素子
３１：第３の軟磁性薄膜
３２：第５の巨大磁気抵抗膜
３３：第３の軟磁性薄膜に接続される電気端子の１つ
３４：第３の軟磁性薄膜に接続される他の電気端子
３５：上記３１〜３４を含めた素子
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