JP2003121522A - 薄膜磁界センサ - Google Patents
薄膜磁界センサInfo
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Abstract
度と方向を同時に正確に測定する巨大磁気抵抗薄膜を用
いた薄膜磁界センサを提供する。 【解決手段】 2個のセンサ基本素子3の端子間に導体
膜11を介して巨大磁気抵抗薄膜12が形成されてい
る。各軟磁性薄膜には端子13、14、15、16が接
続されている。これ等端子の中で、端子13、15間に
は入力端子として一定電圧が印加され、端子14、16
間は出力端子として電圧を計測する様になっている。つ
まり、電気的にはセンサ基本素子3と巨大磁気抵抗薄膜
をアームとするブリッジ回路が形成されている。巨大磁
気抵抗薄膜12は磁気的には軟磁性薄膜1と分離されて
おり、センサ基本素子間の抵抗値変化はそのまま出力端
子14、16間の電圧変化として現れる。これ等センサ
基本素子を周回してコイル7および端子8が形成されて
いる。
Description
定する磁界センサに関し、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、磁界の
大きさと方向を精密に測定するための薄膜磁界センサに
関する。
1−87804号公報および特開平11−274599
号公報に記載された薄膜磁界センサを示す。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%の大きな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印加磁界に対する電気抵抗値の
変化幅は大きいが、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いので、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100Oe以下の小さな磁界での電気抵抗
値の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
薄膜部分の値とほぼ等しい。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大きな電気抵抗値変
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おり、従来材
料である異方的磁気抵抗効果材料に比して2倍以上大き
い。
薄膜の電気抵抗測定値をもとにして、印加された磁界の
絶対値および方向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。
抗変化が磁界の方向に依存せず、等方的な特性を有する
ことである。すなわち、図2に示されるように、図1の
構成では、磁界の正負の2つの方向に対して同じ電気抵
抗変化を示し、磁界の方向を特定することが出来ない。
図1の構成のままでは、磁界の大きさのみを検出するセ
ンサとしては利用できるが、磁界の方向を特定する必要
のある、地磁気の方向を読み取る方位センサや、着磁し
た磁性体の相対角度を読み取る角度センサなどには用い
ることが出来ない。
を図る必要があることである。図1の構成で磁界強度を
読み取るには両側の軟磁性薄膜に接続された電気端子間
の抵抗絶対値を読み取り、その値から磁界強度を決定す
る必要があるが、抵抗絶対値には、例えば温度変化、経
時的な変化等不確定な要因を含み易く、その結果読み取
られた磁界強度には誤差を含み易い。
にともなう誤差を低減する必要があることである。図1
に用いられる軟磁性薄膜には、残留磁化の可及的に少な
い磁性材料が選択されるが、それでも素子が磁界中に置
かれた場合には、その磁界強度に応じて何がしかの残留
磁化が残ってしまう。この残留磁化は、あたかも外部の
磁界強度が変化したのと同様の効果を巨大磁気抵抗薄膜
の抵抗値に与えるため、結果的に、残留磁化に対応する
磁界強度は読み取りの誤差となる。
の影響を排除して、磁界の強度と方向を正確に測定する
ことができる磁界センサを提供することを課題としてい
る。
め、第一発明は、空隙によって2分割された軟磁性薄
膜、該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄
膜、2分割された該軟磁性薄膜の各々に電気的に接続さ
れた電気端子、該軟磁性薄膜および該巨大磁気抵抗薄膜
を周回して巻かれたコイル、該電気端子間の抵抗値測定
手段、および該コイルに所定の電流値を流す手段からな
ることを特徴とする薄膜磁界センサに関する。
つのアームを形成してなり、該電気端子間の抵抗値の計
測がブリッジ出力電圧の計測により行われることを特徴
とする薄膜磁界センサに関する。
よび巨大磁気抵抗薄膜を周回して巻かれた導体薄膜より
なることを特徴とする薄膜磁界センサに関する。
薄膜の磁化が飽和に達しない範囲の絶対値が実質的に相
等しく、且つ方向が正および負方向の2つの電流であっ
て、正方向の電流を流した時の電気端子間の抵抗値Rp
と負方向の電流を流した時の該電気端子間の抵抗値Rm
の差(Rp−Rm)をもって、磁界センサ周辺の磁界強
度の絶対値および極性を決定することを特徴とする薄膜
磁界センサに関する。
性薄膜の磁化を実質的に飽和させる電流値を含むことを
特徴とする薄膜磁界センサに関する。
磁化が実質的に飽和する正方向の電流を流し、続いて飽
和に達しない範囲の所定の正の電流を流した時の端子間
抵抗値をRppおよび所定の負の電流を流した時の該端
子間抵抗値Rpmを計測し、ついで軟磁性薄膜の磁化が
実質的に飽和する負の方向の電流を流し、さらに飽和に
達しない範囲の所定の負の電流を流した時の該端子間抵
抗値Rmmおよび所定の正の電流を流した時の該端子間
抵抗値Rmpを計測し、これらの抵抗値から、((Rp
p+Rmp)/2−(Rpm+Rmm)/2)をもっ
て、磁界センサ周辺の磁界強度絶対値および極性を決定
することを特徴とする薄膜磁界センサに関する。
構成は、図1の構成の磁界センサを周回するコイルおよ
びそのコイルに所定の電流を流す手段を設けたものであ
る。
よる利点の第一は、正確な値の磁界を軟磁性薄膜および
巨大磁気抵抗薄膜に作用させることができることであ
る。つまり、第一発明の様に空芯のコイル中に流れる電
流によって生じる磁界は、ビオ・サバールの法則に従う
のみであり、コイルの形状さえ安定していれば温度、経
時変化を含めて常に一定の磁界を作用させることが可能
である。この正確な値の磁界をもとにし、これを参照し
て周辺の磁界強度を決定することができる。この場合、
コイルは線状の導体または薄膜状の導体でも良い。
ことにより、軟磁性薄膜および巨大磁気抵抗薄膜に作用
する磁界の方向を選択できることである。これを参照し
て周辺磁界の方向判定を行うことが可能である。
である。コイルに流す電流を実質的に軟磁性薄膜の磁化
を実質的に飽和させる値の電流とすることにより、残留
磁界の値は強制的に定まった磁化の値とすることができ
る。
段として、直接抵抗値を測ることなく、ブリッジ回路の
一つのアームにこの電気端子を置いて、ブリッジ出力電
圧を計測することにより、抵抗値の計測を、より容易な
電圧の計測に置き換えるものである。
磁性薄膜および巨大磁気抵抗薄膜を周回して巻かれた導
体薄膜技術を適用するものである。この様な導体薄膜技
術を適用することにより、軟磁性薄膜および巨大磁気抵
抗薄膜に接近した形でのコイルを実現することができ
る。コイルに、ある電流を流した場合に発生する磁界強
度は、コイルとの距離に反比例するので、軟磁性薄膜お
よび巨大磁気抵抗薄膜に所定の磁界強度を与えるに必要
な電流の値は、コイルが接近する方が少なくて済む。セ
ンサとしての消費電力はコイルに流す電流が支配要因で
あるので、このコイル技術により、消費電力の少ない、
小型の磁界センサの実現が可能となる。
する具体的な構成を表している。つまり、電流値として
は、前記軟磁性薄膜および巨大磁気抵抗薄膜が飽和に達
しない範囲の、絶対値が実質的に相等しく、方向が正お
よび負方向の2つの電流を流した時の抵抗値の差をもと
にして、磁界強度と方向を決定するものである。この様
な構成とすることにより、抵抗値の絶対値の変動は抵抗
値の差によって除外される。また、この抵抗値の差の符
号は外部から印加された磁界の符号に一致するため、磁
界の方向判定は容易に実現できることになる。
具体的構成を示している。つまり、コイルに流す電流を
実質的に軟磁性薄膜および巨大磁気抵抗薄膜を飽和させ
る値の電流とすることにより、残留磁界の値は強制的に
定まった磁化の値とすることができる。
決定すると同時に、残留磁化による誤差の解消を行う具
体的構成を示している。つまり、前記コイルには、先
ず、軟磁性薄膜および巨大磁気抵抗薄膜が実質的に飽和
する様な正方向の電流をコイルに与える。この操作によ
り、軟磁性薄膜および巨大磁気抵抗薄膜中には既に存在
していた磁化を解消して強制的に、一つの方向の磁化が
与えられる。続いて、前記飽和の電流から飽和しない範
囲の所定の正の電流に連続的に電流を減少させ、その状
態での端子間抵抗値をRppとする。引き続き、所定の
負の電流まで連続的に電流を変化させ、その状態での端
子間抵抗値Rpmを計測する。ついで、軟磁性薄膜およ
び巨大磁気抵抗薄膜が実質的に飽和する様な負の方向の
電流を与える。この操作により、軟磁性薄膜および巨大
磁気抵抗薄膜中には前記磁化を解消して強制的に、逆の
方向の磁化が与えられる。続いて飽和に達しない範囲の
所定の負の電流を与え、その状態での端子間抵抗値Rm
mを測定する。さらに、所定の正の電流まで、電流値を
連続的に変化させ、この状態での端子間抵抗値Rmpを
計測する。これ等の抵抗値から、((Rpp+Rmp)
/2−(Rpm+Rmm)/2)をもって、磁界センサ
周辺の磁界強度絶対値および極性を決定することによ
り、磁化の影響を除外した上で、外部磁界の正確な値と
方向を決定することが可能である。
実施形態について説明する。図3は第一の実施形態を示
している。1は例えば、Co77Fe5Si9B8の組
成を有する軟磁性薄膜である。この材料は飽和磁束密度
が12kGと極めて大きく、他方保磁力は0.07Oe
と極めて小さい特長を有している。それ等軟磁性薄膜の
間には細いスリットが設けられており、そのスリットを
埋める様に、例えばCo39Y14O47の成分を持つ
巨大磁気抵抗薄膜2が形成されている。軟磁性薄膜1と
巨大磁気抵抗薄膜2で構成する部分をセンサ基本素子3
と呼ぶ。軟磁性薄膜1の比抵抗の値は巨大磁気抵抗薄膜
2の比抵抗よりも100分の1以下の低い値であるた
め、軟磁性薄膜1に付けられた端子5、5’の間で測定
した電気抵抗の値は、実質的に巨大磁気抵抗薄膜2の抵
抗値に等しい。6はこの抵抗値の測定部であり、定電流
を流した場合の端子間の発生電圧を計測することにより
測定される。
成されている。コイル7の両端は端子8、8’に接合さ
れている。9は所定の電流を流すための電流発生部(定
電流源)である。
抗薄膜2を挟んで2つの軟磁性薄膜1により、全体とし
てセンサ基本素子3を形成している。センサ基本素子3
を周回して例えば、銅の導体薄膜7が形成されている。
これ等は一連の薄膜プロセスにより形成される。
素子の下側部分の導体薄膜7が、適宜フォトレジストお
よびスパッタを用いて枕木状に形成される。枕木の間を
埋める様に、また枕木の上を覆うように図示しない絶縁
膜例えば、SiO2がスパッタにより形成される。Si
O2が形成されたままでは、SiO2の上部の面は枕木
パターンのままの凹凸が残るので、SiO2の面はラッ
ピングにより平坦化される。その上から軟磁性薄膜1お
よび巨大磁気抵抗薄膜2がフォトレジストおよびスパッ
タにより形成される。導体薄膜7の端部は柱状に導体膜
がスパッタにより積み上げられる。その上から再び図示
しない絶縁膜がスパッタ形成される。更にその上に導体
薄膜7の上側部分がスパッタ形成される。
は、2個のセンサ基本素子3が用いられている。それ等
センサ基本素子の端子間に導体膜11を介して巨大磁気
抵抗薄膜12が形成されている。各軟磁性薄膜には端子
13、14、15、16が接続されている。これ等端子
の中で、端子13、15間には入力端子として一定電圧
が印加され、端子14、16間は出力端子として電圧を
計測する様になっている。つまり、電気的にはセンサ基
本素子3と、巨大磁気抵抗薄膜12を導体膜11で挟ん
だ素子とをアームとするブリッジ回路が形成されてい
る。
薄膜1と分離されており、センサ基本素子間の抵抗値変
化はそのまま出力端子14、16間の電圧変化として現
れる。これ等センサ基本素子を周回してコイル7および
端子8、8’が形成されている。図5においてコイル7
は薄膜コイルであるが、簡単のため実線で表している。
ある。図6は、図3の構成について、コイルの電流が零
の場合に電気抵抗値が外部磁界強度によってどう変化す
るかの一例を示したものである。
約250kΩ、磁界強度を増すに従って抵抗値は暫減
し、5Oeの場合には約240kΩとなる。
イルに電流を流した場合の抵抗値変化を示している。図
6と図7は横軸を1Oe=5mAで置き換えるとほぼ完
全に一致する。つまり、外部からの磁界変化とコイルに
流す電流の作る磁界はほぼ等価となる。
置いて電流を流した場合の抵抗値変化を示している。図
8によれば、電流が−5mAの時に発生する磁界強度は
−1Oeとなり、この場合には外部からの磁界を丁度キ
ャンセルすることが分かる。従って、図8に示す様に、
−5mAのバイアスを持った形となることが言える。
(この場合には8mA)を流した場合には、抵抗値は各
々Rp、およびRmとなる。このRmとRpの差を取れ
ば、その量は外部から印加された磁界強度がある限界内
の場合には磁界強度と比例関係にある。
部磁界強度との関係を示すもので、±2Oeまではリニ
アな関係になっている。ここで特筆すべきは、Hが±2
Oeの場合には、Hが正、負に対応して(Rm−Rp)
も正、負となり、符号も含めてリニアな関係になってい
ることである。つまり、本発明がめざした、磁界強度の
絶対値および符号の検出が可能になっている。ここで、
磁界強度を検出する時に流す電流値の選択については、
図7において、電流値と抵抗値がリニアに変化している
部分のほぼ中央を狙えば、磁界強度の測定範囲のリニア
な部分を最大化することができる。
原因で残留磁化が残ってしまった場合の対処である。コ
イルに実質的に軟磁性薄膜を飽和させる様な電流を流す
ことにより、意図的に軟磁性材料をある方向に磁化させ
ることにより一つの安定状態にすることが可能である。
仮に何がしかの残留磁化が残っていても、コイルに強制
的にある磁化方向に飽和させる様な電流を流すことによ
り、一つの安定状態となる。また、飽和させる様な電流
を逆に流してやれば、逆方向に磁化されたもうひとつの
安定状態になる。つまり、飽和させる電流を流すこと
は、過去の履歴をすべて忘れさせる効果がある。
ず、軟磁性薄膜を飽和させる電流Isを流す。Isを流
した後は、そのまま、飽和に達しない電流+Imに下げ
る。これは図10において、IsからImに向かう矢印
にそって移動することを意味している。ここで、抵抗値
Rppの測定を行う。続いて、電流値を+Imから−I
mまで連続的に変化させる。そこでの抵抗値をRpmと
する。次に、飽和させる電流Isを逆方向に流す。−I
sから今度は徐々に零に向かって電流値を減少させ、−
Imの電流値での抵抗値をRmmとする。更に、−Im
から+Imに連続的に電流を変化させてRmpを測定す
る。この操作では、いわゆるBHカーブのヒステリシス
曲線の丁度境界線上を移動することに相当するので、軟
磁性材料がそれ以前に保有していた残留磁化の影響はす
べてキヤンセルされる。その様にして得られた抵抗値に
つき、(Rmm+Rpm)/2と、(Rmp+Rpp)
/2の差をとってやることにより、残留磁化の影響を除
外して純粋な外部の磁界強度の測定が可能になる。
の正確な値と方向を決定すると同時に、残留磁化による
測定誤差の解消を行うことができる。
磁気抵抗薄膜を周回する薄膜コイルを使用するので、消
費電力の少ない、小型の磁界センサの実現が可能とな
る。
変化率と磁界の関係を示すグラフ。
センサの斜視図。
図。
て、コイルの電流が零の時の電気抵抗値と磁界の関係を
示すグラフ。
て、磁界が零の時の電気抵抗値とコイル電流の関係を示
すグラフ。
て、磁界が1Oeの時の電気抵抗値とコイル電流の関係
を示すグラフ。
示すグラフ。ここに、ΔRは、コイルに流す電流が、軟
磁性薄膜の磁化が飽和に達しない範囲の絶対値が実質的
に相等しく且つ方向が正および負方向の2つの電流であ
って、正方向の電流を流した時の該電気端子間の抵抗値
Rpと負方向の電流を流した時の電気端子間の抵抗値R
mの差(Rm−Rp)である。
を除外して純粋な外部の磁界強度の測定を行う方法を説
明するための電気抵抗値とコイル電流の関係を示すグラ
フ。
Claims (6)
- 【請求項1】 空隙によって2分割された軟磁性薄膜
と、 該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜と、 2分割された該軟磁性薄膜の各々に電気的に接続された
電気端子と、 該軟磁性薄膜および該巨大磁気抵抗薄膜を周回して巻か
れたコイルと、 該電気端子間の抵抗値測定手段と、 および該コイルに所定の電流値を流す手段からなること
を特徴とする薄膜磁界センサ。 - 【請求項2】 電気端子がブリッジ回路の一つのアーム
を形成してなり、該電気端子間の抵抗値の計測がブリッ
ジ出力電圧の計測により行われることを特徴とする請求
項1記載の薄膜磁界センサ。 - 【請求項3】 コイルが、軟磁性薄膜および巨大磁気抵
抗薄膜を周回して巻かれた導体薄膜よりなることを特徴
とする請求項1又は2のいずれか1項記載の薄膜磁界セ
ンサ。 - 【請求項4】 コイルに流す電流が、軟磁性薄膜の磁化
が飽和に達しない範囲の絶対値が実質的に相等しく且つ
方向が正および負方向の2つの電流であって、 正方向の電流を流した時の電気端子間の抵抗値Rpと負
方向の電流を流した時の該電気端子間の抵抗値Rmの差
(Rm−Rp)をもって、磁界センサ周辺の磁界強度の
絶対値および極性を決定することを特徴とする請求項1
乃至3のいずれか1項記載の薄膜磁界センサ。 - 【請求項5】 コイルに流す電流値が、軟磁性薄膜の磁
化を実質的に飽和させる電流値を含むことを特徴とする
請求項1乃至4のいずれか1項記載の薄膜磁界センサ。 - 【請求項6】 コイルに、先ず軟磁性薄膜の磁化が実質
的に飽和する正方向の電流を流し、 続いて飽和に達しない範囲の所定の正の電流を流した時
の端子間抵抗値Rppおよび所定の負の電流を流した時
の該端子間抵抗値Rpmを計測し、 ついで軟磁性薄膜の磁化が実質的に飽和する負の方向の
電流を流し、 さらに飽和に達しない範囲の所定の負の電流を流した時
の該端子間抵抗値Rmmおよび所定の正の電流を流した
時の端子間抵抗値Rmpを計測し、 これらの抵抗値から、((Rpp+Rmp)/2−(R
pm+Rmm)/2)をもって、磁界センサ周辺の磁界
強度絶対値および極性を決定することを特徴とする請求
項1乃至5のいずれか1項記載の薄膜磁界センサ。
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