JP2005056950A - 磁気抵抗素子、および、磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 一定な磁界中に全ての磁気抵抗素子が配置された場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定し、温度特性に優れた構造体として構成すること。
【解決手段】 ３端子磁気抵抗素子又は４端子磁気抵抗素子を、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする複数個の磁気抵抗素子により構成し、動作層にはキャリアを増加させるための不純物を添加させ、また、それら複数個の磁気抵抗素子の磁気抵抗効果は、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子、および、磁気センサに関し、特に、紙幣等の磁気パターンの検出や歯車の回転検出等を行うための、高感度で温度安定性に優れた磁気抵抗素子に関する。

磁電変換素子は、一般に、素子の入力端子間にバイアスをかけ、周囲の磁界の変化に応じて、素子内を流れるキャリアの行路が変化することで、出力端子に起電力が生じたり、素子の抵抗値が変化したりすることでの磁界強度の測定を行える素子のことをいう。その素子の抵抗値が変化する素子として、磁気抵抗素子がある。

その磁気抵抗素子の用途としては、紙幣等に代表されるような磁気印刷物の磁気パターンを検出したり、強磁性体からなる歯車の回転を検出したりする検出素子として磁気センサに備えられている。磁気印刷物は、磁気インクを用いて磁気パターンが印刷されている。この印刷された磁気パターンは、基体の表面若しくは内部に形成された磁性体微粒子（以下、磁性紛という）からなる平面構造をなしている。

従来の磁気抵抗素子は、上記のような用途に対して、３端子或いは４端子の磁気抵抗素子として構成されている。

図２３は、従来の３端子磁気抵抗素子の構成例を示す。

３端子磁気抵抗素子は、外部接続用の端子電極として、第１端子電極１、第２端子電極２（すなわち、出力端子２）、第３端子電極３を有し、磁気抵抗素子４，５、短絡電極６が設けられている。

図２４に示すように、磁気抵抗素子４，５は直列接続され、第１端子電極１と第３端子電極３とは定電圧電源Ｖｉｎに接続されている（以下、この接続形態をハーフブリッジ回路という）。

このような３端子磁気抵抗素子は磁気パターンの検出や歯車の回転検出に、また、４端子磁気抵抗素子は歯車の回転検出に使用されることが多い。

図２５、図２６は、３端子磁気抵抗素子を用いて、紙幣等の磁気パターンを検出する原理を示す。

磁気抵抗素子（ＭＲ素子）４，５は、永久磁石１５により形成される一様なバイアス磁界中に近接配置されている。この磁気抵抗素子４，５に対向して、磁気パターンが印刷された磁気印刷物１６が走査される。磁気パターンは、磁性紛を含有する磁気インク１７によって構成されている。

図２４のハーフブリッジ回路からなる３端子磁気抵抗素子において、磁性紛を含有した磁気インク１７が走査された場合の検出信号について説明する。

磁気印刷物１６が走査されると、図２５の位置Ｐ→Ｑ→Ｒのように変化する。磁気印刷物１６の走査方向は、左から右である。

図２５（ａ）の状態では、磁気抵抗素子４の直下の磁束密度が増加し、磁気抵抗素子４の抵抗値が増加する。その結果、出力端子２の電位が高くなる。図中矢印は、磁力線を表している。

図２５（ｂ）の状態では、磁気抵抗素子４および５の直下の磁束密度は等しく抵抗値も同じである。その結果、出力端子２は中間状態となる。

図２５（ｃ）の状態では、磁気抵抗素子５の直下の磁束密度が増加し、磁気抵抗素子５の抵抗値が増加する。その結果、出力端子２の電位は低くなる。

このように、磁気印刷物１６が走査されることにより、図２６に示すような微分型波形の検出信号が得られる（以下、空間差分検出法という）。なお、この従来の空間差分検出法の長所は、特許文献１、特許文献２に開示されている。

図２７は、３端子磁気抵抗素子を用いて、歯車の回転を検出する原理を示す。

磁気抵抗素子４，５は、図２４のハーフブリッジ回路に示したように直列に接続されるともに、定電圧電源Ｖｉｎに接続されている。

図２９に示すように磁気抵抗素子４，５の中心間距離を、鉄等からなる歯車１８の山谷間距離に合わせるようにする。

このように配置すると、図２５で説明した磁気印刷物１６の走査時の原理がそのまま適用でき、歯車１８を回転させると、図２８に示すようにｓｉｎ型の波形がハーフブリッジ回路の出力端子２に得られる。

図３０は、従来の４端子磁気抵抗素子の構成例を示す。

この４端子磁気抵抗素子は、外部接続用の端子電極として、第１端子電極７、第２端子電極８、第３端子電極９、第４端子電極１０を有し、さらに、４個の磁気抵抗素子１１，１２，１３，１４が設けられている。

この４端子磁気抵抗素子において、磁気抵抗素子１１，１２，１３，１４はループ状に接続されており、第１端子電極７、第３端子電極９は定電圧電源Ｖｉｎに接続されている（以下、この接続形態をフルブリッジ回路という）。

図３２は、４端子磁気抵抗素子を使用した場合の例を示す。

図３１に示したフルブリッジ回路の出力端子（−）８には、図３３に示すような出力信号の波形が得られ、出力端子（＋）１０には図３４に示すような出力信号の波形が得られる。

図３４の出力信号の波形は、図３３の出力信号の波形に対して位相が半周期ずれているものであり、出力端子（−）８と出力端子（＋）１０との間で出力電圧を得るのが一般的である。

このようにすると、出力信号の振幅は図２６の波形に比べて２倍となり、最終的に図３５に示すような出力信号の波形が得られる。この歯車の回転検出も空間差分検出法によるものである。

特開昭５２−７３７９３号公報 特開昭５２−７３７９４号公報

以上述べたような、図２４の３端子磁気抵抗素子については磁気抵抗素子４における磁界と磁気抵抗素子５における磁界とが異なる場合において、図３１の４端子磁気抵抗素子については磁気抵抗素子１１，１３における磁界と磁気抵抗素子１２，１４における磁界とが異なる場合において、それぞれ効率良く検出することができる。

しかし、第１の問題として、これら３端子磁気抵抗素子、４端子磁気抵抗素子は、磁気抵抗素子の全てが一様な磁界中に置かれた場合、その磁界強度を正確に測定できないという問題点がある。

すなわち、３端子磁気抵抗素子において、その素子全体が一様な磁界中の置かれると、磁気抵抗素子４，５は共に同じように抵抗値が増加するため、出力端子２から出力信号が得られない、という現象が生じる。また、４端子磁気抵抗素子についても、同様な問題が発生する。

第２の問題として、３端子磁気抵抗素子のおいては、磁気抵抗素子３の抵抗値と磁気抵抗素子４の抵抗値とが異なると、出力端子２には入力電圧Ｖｉｎの１／２（Ｖｉｎ／２）からずれてしまい、さらに、各磁気抵抗素子の抵抗値の温度係数が異なると、出力端子２の出力電圧値は温度ドリフトを生じる。

抵抗値の温度係数が異なる原因としては、動作層である半導体の電気伝導率の温度変化を決める不純物濃度の磁気抵抗素子３と磁気抵抗素子４との不均一性が考えられる。

図２４に示すようなハーフブリッジ回路で構成された３端子磁気抵抗素子においては、抵抗値の温度係数が異なると、出力端子２から出力される出力電圧は、温度ドリフトすることになる。

また、図３１に示すようなフルブリッジ回路で構成された４端子磁気抵抗素子においては、磁気抵抗素子１１の抵抗値と磁気抵抗素子１２の抵抗値が異なった場合、或いは、磁気抵抗素子１３の抵抗値と磁気抵抗素子１４の抵抗値が異なった場合について、出力端子８，１０は、磁界がゼロの場合でも、出力電圧がゼロにならず、オフセット電圧が発生する、という問題がある。

さらに、それら従来の３端子磁気抵抗素子や４端子磁気抵抗素子を永久磁石の一面に装着して磁気センサとして構成し、磁気印刷物の磁気パターンの検出を行う場合において、従来の空間差分検出法では、磁気パターンのエッジ部分の検出、すなわち、パターンの有無のみの検出しかできず、磁気パターン内部に含まれる磁性紛の微弱な濃淡変化に対応した磁束の変化を忠実にかつ高精度に検出することが不可能である。

そこで、本発明の目的は、一様或いは一定な磁界中に全ての磁気抵抗素子が配置された場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定することができると共に、温度特性に優れた構造体として構成することが可能な、磁気抵抗素子、および、磁気センサを提供することにある。

本発明によれば、３端子磁気抵抗素子又は４端子磁気抵抗素子を、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする複数個の磁気抵抗素子により構成し、動作層にはキャリアを増加させるための不純物を添加させたので、各磁気抵抗素子間の磁気的および電気的な特性を揃えることが可能となり、また、それら複数個の磁気抵抗素子の磁気抵抗効果は、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なるようにしたので、全ての磁気抵抗素子が一様或いは一定な磁界中に置かれた場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定することができると共に、温度特性に優れた構造体として構成することができる。

また、本発明によれば、３端子磁気抵抗素子又は４端子磁気抵抗素子を備えた磁気センサとして構成することにより、磁気パターンのエッジ部分の検出すなわちパターンの有無の検出のみならず、磁気パターン内部の微弱な濃淡変化の検出も行うことが可能となり、さらに、歯車の回転検出等を行う場合にも高精度な検出を行うことができる。

本発明は、２個の磁気抵抗素子が直列に接続されることにより、外部電圧印加用の第１および第２の入力端子と、出力信号を取り出す１個の出力端子との３端子を有する３端子磁気抵抗素子であって、前記各磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、該動作層の組成は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、前記第１の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子と、前記出力端子と前記第２の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子とは、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具えることによって、３端子磁気抵抗素子を構成する。

ここで、前記第１の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有し、前記出力端子と前記第２の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有しない構成としてもよい。

前記第１の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子の抵抗値と、前記出力端子と前記第２の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しくしてもよい。

本発明は、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用して信号検出を行う磁気センサであって、上記３端子磁気抵抗素子と、前記３端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段とを具え、ここで、前記３端子磁気抵抗素子を構成する２個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の互いに異なる磁気抵抗効果に基づいて、該３端子磁気抵抗素子を構成する出力端子から出力される出力信号を検出することによって、磁気センサを構成してもよい。

本発明は、４個の磁気抵抗素子が閉ループ回路内で接続されることにより、外部電圧印加用の第１および第２の入力端子と、出力信号を取り出す２個の出力端子との４端子を有し、該４端子が該閉ループ回路内の一方向に沿って、第１の入力端子、第１の出力端子、第２の入力端子、第２の出力端子の順に接続されて構成された４端子磁気抵抗素子であって、該磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、該動作層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、前記閉ループ回路内の前記第１の入力端子から前記一方向に沿って前記第２の出力端子を介して該第１の入力端子に至るまで接続される前記４個の磁気抵抗素子を順に、第１、第２、第３、第４の磁気抵抗素子とするとき、前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具え、かつ、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で対向接続された前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに等しい磁気抵抗効果を具えることによって、４端子磁気抵抗素子を構成する。

ここで、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有し、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有しない構成としてもよい。

前記閉ループ回路内で対向接続された前記第１の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第３の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しく、前記閉ループ回路内で対向接続された前記第２の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第４の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しくしてもよい。

前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第１の磁気抵抗素子の抵抗値と前記第２の磁気抵抗素子の抵抗値とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第３の磁気抵抗素子の抵抗値と前記第４の磁気抵抗素子の抵抗値とは、それぞれ互いに等しくしてもよい。

本発明は、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用して信号検出を行う磁気センサであって、上記４端子磁気抵抗素子と、前記４端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段とを具え、ここで、前記４端子磁気抵抗素子を構成する４個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の磁気抵抗効果に基づいて、該４端子磁気抵抗素子を構成する前記第１の出力端子および前記第２の出力端子から出力される出力信号を検出することによって、磁気センサを構成してもよい。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明の第１の実施の形態を、図１〜図１７に基づいて説明する。

[３端子磁気抵抗素子]
（基本構成）
まず、本発明に係る３端子磁気抵抗素子の概略構成について説明する。
図１は、３端子磁気抵抗素子１００の構成例を示す。

３端子磁気抵抗素子１００は、２個の磁気抵抗素子３０，３１と、直流電圧Ｖｉｎを印加するための端子電極１，３と、出力信号としての出力電圧Ｖoutを出力するための端子電極２とから構成される。

磁気抵抗素子３０は、短絡電極を有する構造とし、磁気抵抗素子３１は、短絡電極を有しない構造とした。

図２は、３端子磁気抵抗素子１００の回路構成を示す。磁気抵抗素子３０と磁気抵抗素子３１とは端子電極２を介して直列接続されており、定電圧電源Ｖｉｎ（＝５Ｖ）が端子電極１，３間に接続されている。

このように構成された磁気抵抗素子３０，３１は、エポキシ樹脂を用いてトランスファーモールドされて、３端子磁気抵抗素子１００として構成される。

図３は、モールドされた３端子磁気抵抗素子１００の実装構成を示す。

１９は、磁気抵抗素子３０，３１の動作層である。２０は、上記端子電極１，２，３のうちの端子電極１に相当する電極である。２１は、モールド樹脂である。２２は、端子電極１，２，３と各々接続された端子である。

磁気抵抗素子３０，３１の動作層１９は、高い磁気抵抗変化率を得るためにできるだけ高い電子移動度を有していることが好ましく、Ｓｉ，ＧａＡｓ、ＩｎＳｂやＩｎＡｓおよびこれらの混晶系であるＩｎＡｓＳｂなどが好ましい。

磁気抵抗素子３０，３１の基板は、固体形状を示すものであればどんな材料でもよく、例えば半導体でも誘電体でもセラミックでもガラス基板でも用いることができる。また、半導体基板の中でもＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＰなどの基板を用いると、特に動作層１９で高い電子移動度が得られるようになり、特に好ましいものとなる。

動作層１９中にキャリアを増加させるための不純物を添加する方法としては、動作層１９を形成する際に同時に行ってもよいが、成膜後にイオン注入法を用いて打ち込んでもよい。用いられる不純物は、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓのようなIII−Ｖ族化合物半導体の場合は、Ｓｉ、ＳｎのようなIV族元素やＳｅ、Ｔｅ、Ｓに代表されるVI族元素を添加するとよい。その中でも特にＳｉ、Ｓｎが好ましい。

動作層１９にキャリアを増加させるための不純物を添加することで、作製した磁気抵抗素子３０，３１の温度特性を改善する効果がある。

しかし、あまりに多くの不純物を添加してしまうと、磁気抵抗素子の感度を左右する電子移動度を低下させてしまうという問題があるため、添加するキャリアの数は、４×１０^１６／ｃｍ^３から１×１０^１８／ｃｍ^３とすることが好ましく、さらに好ましくは、５×１０^１６／ｃｍ^３から５×１０^１７／ｃｍ^３とするのがよい。

動作層１９を形成する方法としては、真空蒸着法が一般的に用いられるが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法は薄膜の膜厚や組成の制御性が高く特に好ましい方法である。このため、本発明における磁気パターン検出装置に配置される複数の素子の特性差はほとんど無い。

電極２０に用いられる電極材料は、Ｃｕ単層やＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｃｒ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉのような積層としてもよい。この電極材料は、作製した素子の使用される動作条件と環境条件に耐えられる材質であれば、どのような材料を用いてもかまわない。

また、電極２０を形成する方法としては、電子ビーム蒸着や抵抗化熱蒸着といった一般的な真空蒸着法や、スパッタ法やメッキ法によって形成してもよい。また、電極形成後に電極動作層とのオーミック接触性を良好にするために、急昇温熱アニール（ＲＴＡ）法を用いて熱処理することも好ましい。

薄膜形成法の１例として、分子線エピタキシー法を用いて、基板としてＧａＡｓを用いて動作層としてＳｎドープＩｎＳｂ薄膜を形成する場合の詳細について述べる。

まず、厚さ０．３５μｍのＧａＡｓ基板２３にＡｓを照射しながら６５０℃で加熱し表面酸素を脱離させる。次に、５８０℃で温度を下げてＧａＡｓバッファ層を２００ｎｍの厚さで形成する。次に、Ａｓを照射しながら４００℃まで温度を下げた後、ＳｎとＩｎ、Ｓｂを同時に基板に照射しながら動作層１９の膜厚１μｍからなるＳｎドープＩｎＳｂ薄膜６を形成した。この際、ＩｎＳｂ薄膜６の電子濃度は、７×１０^１６／ｃｍ^３になるようにＳｎセル温度を調節した。

（製造方法）
次に、３端子磁気抵抗素子１００の製造方法について説明する。

図４（ａ）〜（ｅ）は、３端子磁気抵抗素子１００の作製工程を示す。

３端子磁気抵抗素子１００の作製プロセスは、通常のフォトリソグラフィーの技術を用いることができる。

まず、図４（ａ）に示すように、ＩｎＳｂ／ＧａＡｓ基板のＩｎＳｂ表面にフォトレジストをスピンコータで均一に塗布する。フォトレジストの塗布条件は、１００ｃｐの粘度で３２００ｒｐｍの回転速度で２０秒間回転すると、２．５μｍの厚さとなる。

次に、図４（ｂ）に示すように、ＩｎＳｂのメサエッチング用のフォトマスクを用いて、露光・現像した後、塩酸・過酸化水素系のエッチング液で所望の形状２５にＩｎＳｂ薄膜をメサエッチングする。

ここでは、ウェットエッチング法を用いて動作層１９のエッチングを行った例を紹介したが、イオンミリングや反応性イオンエッチング法のドライエッチングによってメサエッチングを行ってもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、再度、フォトレジストを塗布した後に、短絡電極６を形成するための露光・現像を行い、真空蒸着法により電極を蒸着し、リフトオフ法で短絡電極６を形成する。フォトレジストによりレジストパターンを形成した後に、電子ビーム法により短絡電極６として、５０ｎｍ厚のＴｉと、４００ｎｍ厚のＡｕと、５０ｎｍ厚のＮｉとからなる積層電極を形成し、リフトオフ法を用いて所望の形状の短絡電極６を作製する。

次に、図４（ｄ）に示すように、保護膜として窒化シリコン薄膜２６を３００ｎｍの厚さでプラズマＣＶＤ法により形成し、電極パッド部分のみの窒化シリコン膜を、反応性イオンエッチング装置を用いて除去した。

最後に、図４（ｅ）に示すように、短絡電極６の形成方法と同様にして、電極パッド部２７を形成した。電極パッドとして、５０ｎｍ厚のＴｉと、４００ｎｍ厚のＡｕとからなる積層電極とした。動作層１９との接触を改善するために、不活性ガス雰囲気で５００℃×２分間の熱処理を行った。電極パッド部２７と図１の端子電極１，２，３は同じものである。

そして、ダイシングにて素子チップに切り離した後、リードフレーム上に該素子チップをダイボンディングし、Ａｕ線ワイヤにて素子チップ上の電極とリードフレームとを接続した。その後、エポキシ樹脂にてトランスファーモールドを行うことにより、３端子磁気抵抗素子を完成させた。

図５は、その作製された３端子磁気抵抗素子１００を示す。

メサエッチング後のＩｎＳｂ薄膜の幅（素子幅）２８をＷとし、短絡電極６間の距離（素子長）２９をＬとすると、Ｌ／Ｗを形状因子とする。

(磁気特性)
次に、磁気抵抗素子３０の磁気特性について説明する。

図６は、磁気抵抗素子３０の磁気特性である磁気抵抗効果を示す。磁気抵抗素子３０に電磁石で一様な磁場をかけて、磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_０と磁束密度との関係を測定した。

図６において、ΔＲ＝Ｒ_Ｂ−Ｒ_０であり、Ｒ_Ｂは磁場中での抵抗値、Ｒ_０は磁場無しでの抵抗値である。

図７は、磁束密度２０００（Ｇ）における磁気抵抗変化率と形状因子Ｌ／Ｗとをプロットし直したグラフを示す。このグラフから、形状因子Ｌ／Ｗが０．３程度から磁気抵抗変化率が急激に低下することがわかる。この結果より、磁気抵抗素子３０の形状因子Ｌ／Ｗ＝０．２、磁気抵抗素子３１の形状因子Ｌ／Ｗ＝２５とした。

図８は、３端子磁気抵抗素子１００の磁気特性を測定する構成を示す。

３端子磁気抵抗素子１００を希土類磁石１５（８ｍｍ×６ｍｍ×４．５ｍｍ）のＮ極側に貼り付けた状態で、電磁石３３の一様な磁界中に入れた。希土類磁石１５の表面磁束密度は約２．５ｋＧである。電磁石３３の磁界を変化させ、端子電極２（すなわち、出力端子２）の電圧（Ｖｏｕｔ）を測定した。電磁石３３の磁界の方向は、図中矢印を正方向とした。

図９は、３端子磁気抵抗素子１００の磁気特性の測定結果として、磁束密度と出力電圧Ｖoutとの関係を示す。

縦軸は、出力端子２の電圧（Ｖout）からＶｉｎ／２を引いたもの（以下、信号出力電圧と略す）、すなわち、Ｖout−Ｖｉｎ／２値である。横軸は、電磁石３３で印加した磁界の磁束密度である。

電磁石３３の磁界の正方向は、希土類磁石Ｎ極からの磁力線を打ち消す方向であり、図６および図７の磁気特性から、磁気抵抗素子３０の抵抗値は減少する。磁気抵抗素子３１は、磁束の変化に対してほとんど感度がないため、図６および図７の磁気特性から、抵抗値もほとんど変化しない。その結果、図２に示した回路の出力端子２の電位は高くなる。

一方、電磁石３３の磁界に負方向は希土類磁石１５のＮ極からの磁力線を増加方向であり、磁気抵抗素子３０の抵抗値は増加する。その結果、出力端子２の電位は低下する。出力信号の出力電圧Ｖoutは、電磁石３３の印加磁界に対して線形であり、一様な磁界を検出できることがわかる。

さらに、磁気抵抗素子３０と磁気抵抗素子３１の抵抗値を等しくすることにより、磁束密度がゼロのときに、Ｖout＝Ｖｉｎ／２とすることができた。

（温度依存性）
次に、３端子磁気抵抗素子１００の温度依存性について説明する。

図１０は、磁束密度がゼロの場合（希土類磁石１５に３端子磁気抵抗素子１００を貼り付けていない状態）における出力信号の出力電圧Ｖoutの温度依存性の測定結果を示す。温度が−６０℃〜＋１６０℃の範囲で、出力信号の出力電圧としてＶout−Ｖｉｎ／２の値を測定した結果、その値はゼロとなり、温度ドリフトがほとんど無いことがわかる。

（磁気センサ）
次に、応用例として、３端子磁気抵抗素子１００を備えた磁気センサを構成して、磁気パターンを検出する例について説明する。

図１１および図１２は、実際の磁気パターンによる磁束の変化に比例した信号を得る（以下、絶対磁束変化量検出という）ための、３端子磁気抵抗素子１００を備えた磁気センサとしてのＭＲヘッド３６の概略構成を示す。

図１１は、３端子磁気抵抗素子１００が実装されたＭＲヘッド３６の構成例を示す。

ＭＲヘッド３６は、３端子磁気抵抗素子１００がＮ極側の面に貼り付けられた希土類磁石１５を、ＣＡＮ３４の中に挿入し、エポキシ樹脂３５でポッティングすることにより、ＭＲヘッド３６として作製する。実際の磁気パターンの検出においては、このようにＣＡＮ３４で封止したものが使用される。

そして、図１２に示すように、ＭＲヘッド３６をプリント基板３７に固定し、図２に示したように、ハーフブリッジ回路の端子電極１，３間で定電圧電源Ｖｉｎに接続する。このプリント基板３７には、ＭＲヘッド３６の３端子磁気抵抗素子１００の出力端子２から出力された出力信号（出力電圧Ｖout）を増幅するための図１３に示すような直流増幅回路（反転増幅回路）１５０が形成されている。

磁気印刷物３８は、図１２に示す矢印方向に走査され、ＭＲヘッド３６を構成する３端子磁気抵抗素子１００の下方を通過する。

図１３は、直流増幅回路１５０の構成例を示す。

直流増幅回路１５０は、２段接続された増幅回路１５１，１５２によって構成され、その入力端子はＭＲヘッド３６を構成する３端子磁気抵抗素子１００の出力端子２と接続されている。また、２段目の増幅回路１５２の出力端子４０からは、出力信号４１（Ｖｐ）が出力される。この出力信号４１は、直流増幅によって増幅されることにより、増幅率が約１０，０００倍の値となる。

図１４は、磁気検出に用いられる磁気パターンの構成例を示す。

磁気パターンを構成する磁気インク３９として、磁性紛の含有量の異なる４種類（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を用意する。磁気インク３９の１本の大きさは、幅０．８ｍｍ、長さ８．０ｍｍである。この磁気インク３９を４本、４．５ｍｍの間隔でＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ順番に並べて磁気印刷物３８上に印刷することにより、磁気パターンを形成する。

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４種類の磁気インク３９に含まれる磁性紛の含有量は、Ａ＝５０％、Ｂ＝４０％、Ｃ＝２０％、Ｄ＝１０％である。

そして、このような磁気パターンが形成された磁気印刷物３８を、３端子磁気抵抗素子１００を備えたＭＲヘッド３６に略接触させた状態で、図１２の矢印方向に走査して、信号検出を行う。

図１５は、ＭＲヘッド３６により検出された磁気パターンに対応した信号波形を示す。磁気パターンＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの磁性紛の含有量の大小に比例して、信号が検出されていることがわかる。従って、磁気パターン、すなわち、磁気印刷物３８の磁性紛の含有量の違いを正確にかつ忠実に検出できることがわかる。

図１６は、磁気パターンの信号検出原理を示す。

ここでは、図１１のＭＲヘッド３６を用いて、磁気印刷物３８に形成された磁性紛を含有した磁気インク３９からなる磁気パターンの信号を検出する原理について説明する。

図１６において、磁気印刷物３８は走査されると、位置Ａ→Ｂ→Ｃのように左から右へ移動する。図中矢印は、磁石１５から印加される磁力線を表している。

図１６（ａ）では、３端子磁気抵抗素子１００から磁気インクに含まれる磁性紛までの距離が、磁石１５の磁力線が及ぼす範囲に比べて遠いため、３端子磁気抵抗素子１００の直下の磁束密度は、磁気インク３８の影響を受けることがない。

図１６（ｂ）では、磁性粉の透磁率が空気に比べてかなり大きいため、磁石１５の磁力線が磁性粉に引き込まれる状態になるため、磁力線と磁性粉の磁気的相互作用によって３端子磁気抵抗素子１００の直下の磁束密度が増加し、一方の磁気抵抗素子３０の抵抗値が増加する。同じ透磁率の磁性紛であれば、磁気パターンに含まれる磁性粉の含有量に比例して磁束密度は変化する。

図１６（ｃ）では、図１６（ａ）と同様に、３端子磁気抵抗素子１００の直下の磁束密度は、磁気インク３８の影響を受けることがない。

図１７は、図１３の出力端子４０に現れる出力信号４１（信号出力電圧Ｖｐ）の検出原理を示す。

図１７の位置Ａでは、３端子磁気抵抗素子１００を構成する磁気抵抗素子３０と磁気抵抗素子３１との抵抗値は等しいので、出力電圧２は、Ｖｉｎ／２である。なお、位置Ａは、図１６（ａ）の位置Ａに対応する。

図１７の位置Ｂでは、磁気抵抗素子３０の抵抗値が増加するので、出力電圧２はＶｉｎ／２より低くなる。なお、位置Ｂは、図１６（ｂ）の位置Ｂに対応する。

図１７の位置Ｃでは、磁気抵抗素子３０と磁気抵抗素子３１との抵抗値は等しいので、出力電圧２は、Ｖｉｎ／２である。なお、位置Ｃは、図１６（ｃ）の位置Ｃに対応する。

このように磁気印刷物３８が走査されることにより、図１７に示すような出力信号が得られる。この出力信号４１は、磁石１５からの一定な磁界が磁気パターンを構成する磁気インク３８の磁性紛が近づくことにより生じる磁気的相互作用によって３端子磁気抵抗素子１００の直下の磁束密度が変化し、この変化した磁束密度に比例して測定されるものである。前述したように３端子磁気抵抗素子１００は、磁束密度の変化に比例した信号出力電圧Ｖｐが得られるので、出力信号４１は、紙幣等に印刷された磁気パターンに含まれる磁性紛の濃淡の度合いに忠実に比例した高精度な信号として検出されることになる。

なお、３端子磁気抵抗素子１００は、上述したような磁気パターンの検出処理に限られるものではなく、他の検出処理、例えば前述した歯車の回転検出等にも応用できる。

次に、本発明の第２の実施の形態を、図１８〜図２２に基づいて説明する。
[４端子磁気抵抗素子]
本例は、４端子磁気抵抗素子を作製した場合の例である。

図１８は、４端子磁気抵抗素子２００の構成を示す。

４端子磁気抵抗素子２００は、同一の磁気特性をもつ２個の磁気抵抗素子４２，４４と、同一の磁気特性をもつ２個の磁気抵抗素子４３，４５と、直流電圧Ｖｉｎを印加するための端子電極７，９と、出力信号としての出力電圧Ｖoutを出力するための端子電極８，１０とから構成される。

磁気抵抗素子４２，４４は、短絡電極を有する構造とし、図７の形状因子Ｌ／Ｗ＝０．２に設定する。磁気抵抗素子４３，４５は、短絡電極を有しない構造とし、図７の形状因子Ｌ／Ｗ＝２５に設定する。磁気抵抗素子４２，４３，４４，４５の抵抗値をすべて等しくする。

この４端子磁気抵抗素子２００をエポキシ樹脂にてトランスファーモールドを行い、磁気抵抗素子４６を完成させた。

図１９は、４端子磁気抵抗素子２００の回路構成を示す。磁気抵抗素子４２，４３，４４，４５は、ループ状に接続されており、端子電極７，９を定電圧電源Ｖｉｎ（＝５Ｖ）に接続した。

図２０は、４端子磁気抵抗素子２００の磁気特性の測定例を示す。

４端子磁気抵抗素子２００の磁気特性を測定するために、希土類磁石１５のＮ極側に貼り付けた状態で電磁石３３の一様な磁界中に入れた。希土類磁石１５の表面磁束密度は約２．５ｋＧであった。電磁石３３の磁界を変化させ、端子電極８（出力端子８）（−）と端子電極１０（出力端子１０）(＋）との間の電圧（Ｖout）を測定した。電磁石３３の磁界の方向は、図中矢印を正方向とした。

図２１は、４端子磁気抵抗素子２００の磁気特性の測定結果として、磁束密度と出力電圧Ｖoutとの関係を示す。

縦軸は、出力端子８（−）と出力端子１０（＋）との間の電圧（Ｖout）、横軸は電磁石３３で印加した磁界の磁束密度である。電磁石３３の磁界の正方向は、希土類磁石１５のＮ極からの磁力線を助長する方向であり、磁気抵抗素子４２，４３の抵抗値は増加する。磁気抵抗素子４３，４５は、磁束の変化に対してほとんど感度がないため、抵抗値もほとんど変化しない。その結果、出力端子８（−）の電位は低下し、出力端子１０（＋）の電位は増加する。出力電圧として、出力端子８（−）と出力端子１０（＋）との間の電圧（Ｖｏｕｔ）をとると、出力電圧は、電磁石３３の印加磁界に対して線形であり、一様な磁界を検出できることがわかる。なお、４端子磁気抵抗素子２００の出力電圧は、前述した第１の例の３端子磁気抵抗素子１００の信号出力電圧に比べて２倍の出力を得ることができる。

前述した図８のように、希土類磁石１５の磁界の向きと電磁石３３の磁界の向きとを逆にすると、出力端子８（−）と出力端子１０（＋）との間の電圧（Ｖout）が電磁石３３の磁界の向きに対して、負の傾きをもつことになる。

さらに、磁気抵抗素子４２，４３，４４，４５の抵抗値をすべて等しくしたので、磁束密度がゼロのときに、Ｖout＝０とすることができる。

本例では、磁気抵抗素子４２，４３，４４，４５の抵抗値をすべて等しくしたが、磁気抵抗素子４２の抵抗値と磁気抵抗素子４３の抵抗値を等しくし、磁気抵抗素子４４の抵抗値と磁気抵抗素子４５の抵抗値とを等しくし、磁気抵抗素子４２の抵抗値と磁気抵抗素子４４の抵抗値とが異なる場合でも、磁束密度がゼロのときに、Ｖout＝０とすることができ、かつ、図２１に示すような磁気特性も得ることができる。

また、４端子磁気抵抗素子２００の出力電圧の温度特性についても、前述した第１の例と同様に測定したが、出力電圧の温度ドリフトがほとんど無い。

（変形例）
４端子磁気抵抗素子２５０の変形例として、図２２に示すような構造を作製した。同一の磁気特性をもつ磁気抵抗素子４２，４４と、同一の磁気特性をもつ磁気抵抗素子４３，４５とを、それぞれ同一方向に近接して配設した。これにより、製造工程の簡素化、電気的特性の改善等を図ることができる。また、このような構造においても、磁気特性および温度依存性を測定したが、上述した図１８の４端子磁気抵抗素子２００の特性と同等であった。

本発明は、磁気抵抗素子、および、磁気センサに関し、特に、紙幣等の磁気パターンの検出や歯車の回転検出等を行うための、高感度で温度安定性に優れた磁気抵抗素子に関する。これにより、一定な磁界中に全ての磁気抵抗素子が配置された場合においても、微弱な磁界強度の変化を正確に測定することができると共に、温度特性に優れた構造体として構成することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態である、３端子磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。 ３端子磁気抵抗素子を構成するハーフブリッジ回路の接続形態を示す回路図である。 モールドされた３端子磁気抵抗素子の外観構成を示す構成図である。 本発明に適用した磁気抵抗素子の作製工程を説明する工程図である。 磁気抵抗素子の形状因子（Ｌ／Ｗ）を説明するための平面図である。 磁気抵抗素子の磁束密度−磁気抵抗変化率の関係を示すグラフである。 磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率−形状因子の関係を示すグラフである。 ３端子磁気抵抗素子の磁気特性を測定する構成を示す説明図である。 ３端子磁気抵抗素子の磁束密度−出力信号の検出電圧との関係を示すグラフである。 ３端子磁気抵抗素子の温度−出力信号電圧との関係を示すグラフである。 磁気センサとして、３端子磁気抵抗素子を用いたＭＲヘッドの構造を示す説明図である。 磁気パターンの検出方法を示す説明図である。 ＭＲヘッドに接続された直流増幅器を示す回路図である。 測定に用いられる磁気パターンの形状を示す説明図である。 磁気パターンの検出信号を示す波形図である。 従来の磁気パターン検出法である空間差分検出法の原理を示す説明図である。 従来の空間差分検出法で検出される出力信号を示す波形図である。 本発明の第２の実施の形態である、４端子磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。 ４端子磁気抵抗素子を構成するフルブリッジ回路の接続形態を示す回路図である。 ４端子磁気抵抗素子の磁気特性を測定する構成を示す説明図である。 ４端子磁気抵抗素子の磁束密度−検出電圧の関係を示すグラフである。 ４端子磁気抵抗素子の変形例を示す平面図である。 従来の３端子磁気抵抗素子を示す構成図である。 ３端子磁気抵抗素子の回路図である。 従来の磁気パターン検出法である空間差分検出法の原理を示す説明図である。 従来の空間差分検出法で検出された出力信号を示す波形図である。 ３端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法の原理を示す説明図である。 ３端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法で検出された出力信号を示す波形図である。 ２個の磁気抵抗素子と歯車の山谷との配置関係を示す説明図である。 従来の４端子磁気抵抗素子を示す構成図である。 ４端子磁気抵抗素子の回路図である。 ４端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法の原理を示す説明図である。 ４端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法での出力端子（−）で検出された出力信号を示す波形図である。 ４端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法での出力端子（＋）で検出された出力信号の波形を示す波形図である。 ４端子磁気抵抗素子を用いた歯車の回転検出法での出力端子（−）と出力端子（＋）とで検出された出力信号の差分信号を示す波形図である。

符号の説明

１ 端子電極（入力端子）
２ 端子電極（出力端子）
３ 端子電極（入力端子）
４ 磁気抵抗素子
５ 磁気抵抗素子
６ 短絡電極
７ 端子電極（入力端子）
８ 端子電極（出力端子）
９ 端子電極（入力端子）
１０ 端子電極（出力端子）
１１ 磁気抵抗素子
１２ 磁気抵抗素子
１３ 磁気抵抗素子
１４ 磁気抵抗素子
１５ 希土類磁石
１６ 磁気印刷物
１７ 磁気インク
１８ 歯車
１９ 動作層
２０ 端子電極
２１ モールド樹脂
２２ 端子
２３ ＧａＡｓ基板
２４ ＩｎＳｂ薄膜
２５ メサエッチングしたＩｎＳｂ薄膜
２６ 窒化シリコン薄膜
２７ 電極パッド部
２８ 素子幅
２９ 素子長
３０ 磁気抵抗素子
３１ 短絡電極を有しない磁気抵抗素子
３２ ３端子磁気抵抗素子
３３ 電磁石
３４ ＣＡＮ
３５ エポキシ樹脂
３６ ＭＲヘッド
３７ プリント基板
３８ 磁気印刷物
３９ 磁気インク
４０ 直流増幅後の出力端子
４１ 検出信号
４２ 磁気抵抗素子
４３ 短絡電極を有しない磁気抵抗素子
４４ 磁気抵抗素子
４５ 短絡電極を有しない磁気抵抗素子
４６ ４端子磁気抵抗素子
１００ ３端子磁気抵抗素子
１５０ 直流増幅回路
１５１，１５２ 増幅回路
２００，２５０ ４端子磁気抵抗素子

Claims (9)

1. ２個の磁気抵抗素子が直列に接続されることにより、外部電圧印加用の第１および第２の入力端子と、出力信号を取り出す１個の出力端子との３端子を有する３端子磁気抵抗素子であって、
   前記各磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、
   該動作層の組成は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、
   前記第１の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子と、前記出力端子と前記第２の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子とは、外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具えたことを特徴とする３端子磁気抵抗素子。
2. 前記第１の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有し、
   前記出力端子と前記第２の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子は短絡電極を有しないことを特徴とする請求項１記載の３端子磁気抵抗素子。
3. 前記第１の入力端子と前記出力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子の抵抗値と、前記出力端子と前記第２の入力端子との間に接続された前記磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の３端子磁気抵抗素子。
4. 磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用して信号検出を行う磁気センサであって、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の３端子磁気抵抗素子と、
   前記３端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段と
   を具え、
   ここで、前記３端子磁気抵抗素子を構成する２個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の互いに異なる磁気抵抗効果に基づいて、該３端子磁気抵抗素子を構成する出力端子から出力される出力信号を検出することを特徴とする磁気センサ。
5. ４個の磁気抵抗素子が閉ループ回路内で接続されることにより、外部電圧印加用の第１および第２の入力端子と、出力信号を取り出す２個の出力端子との４端子を有し、該４端子が該閉ループ回路内の一方向に沿って、第１の入力端子、第１の出力端子、第２の入力端子、第２の出力端子の順に接続されて構成された４端子磁気抵抗素子であって、
   該磁気抵抗素子は、基板上に半導体結晶を成長させた薄膜層を感磁部の動作層とする薄膜磁気抵抗素子であり、該半導体薄膜磁気抵抗素子の動作層にはキャリアを増加させるための不純物が添加されている半導体薄膜を動作層とし、
   該動作層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、前記不純物が珪素あるいは錫であり、
   前記閉ループ回路内の前記第１の入力端子から前記一方向に沿って前記第２の出力端子を介して該第１の入力端子に至るまで接続される前記４個の磁気抵抗素子を順に、第１、第２、第３、第４の磁気抵抗素子とするとき、
   前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに異なる磁気抵抗効果を具え、かつ、
   前記閉ループ回路内で対向接続された前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とは、並びに、該閉ループ回路内で対向接続された前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とは、それぞれ外部磁界による磁束密度の変化に対する磁気抵抗変化率が互いに等しい磁気抵抗効果を具えたことを特徴とする４端子磁気抵抗素子。
6. 前記閉ループ回路内で対向接続された前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有し、
   前記閉ループ回路内で対向接続された前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とは、短絡電極を有しないことを特徴とする請求項５記載の４端子磁気抵抗素子。
7. 前記閉ループ回路内で対向接続された前記第１の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第３の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しく、
   前記閉ループ回路内で対向接続された前記第２の磁気抵抗素子の抵抗値と、前記第４の磁気抵抗素子の抵抗値とは、互いに等しいことを特徴とする請求項５又は６記載の４端子磁気抵抗素子。
8. 前記閉ループ回路内で隣接接続された前記第１の磁気抵抗素子の抵抗値と前記第２の磁気抵抗素子の抵抗値とは、並びに、該閉ループ回路内で隣接接続された前記第３の磁気抵抗素子の抵抗値と前記第４の磁気抵抗素子の抵抗値とは、それぞれ互いに等しいことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の４端子磁気抵抗素子。
9. 磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用して信号検出を行う磁気センサであって、
   請求項５ないし８のいずれかに記載の４端子磁気抵抗素子と、
   前記４端子磁気抵抗素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段と
   を具え、
   ここで、前記４端子磁気抵抗素子を構成する４個全ての磁気抵抗素子が、前記磁界印加手段の同一面に装着され、かつ、該外部磁界の一定な磁場内に配置された構成において、前記各磁気抵抗素子の磁気抵抗効果に基づいて、該４端子磁気抵抗素子を構成する前記第１の出力端子および前記第２の出力端子から出力される出力信号を検出することを特徴とする磁気センサ。

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