JP2018096895A - 磁場検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より優れた磁場検出性能を有する磁場検出装置を提供する。
【解決手段】この磁場検出装置は、第1の方向において第1の長さを有するように延在し、第1の方向と実質的に直交する第2の方向において第1の長さよりも短い第1の幅を有する第1の軟磁性体と、第1の方向において第1の軟磁性体と離間して対向するように配置され、第1の方向において第2の長さを有するように延在し、第2の方向において第2の長さよりも短い第2の幅を有する第2の軟磁性体と、第1の方向において第1の軟磁性体と第2の軟磁性体との間に設けられ、第1の方向において第3の長さを有し、第2の方向において第3の長さよりも長い第3の幅を有するように延在する磁気検出素子とを備える。
【選択図】図1A
【解決手段】この磁場検出装置は、第1の方向において第1の長さを有するように延在し、第1の方向と実質的に直交する第2の方向において第1の長さよりも短い第1の幅を有する第1の軟磁性体と、第1の方向において第1の軟磁性体と離間して対向するように配置され、第1の方向において第2の長さを有するように延在し、第2の方向において第2の長さよりも短い第2の幅を有する第2の軟磁性体と、第1の方向において第1の軟磁性体と第2の軟磁性体との間に設けられ、第1の方向において第3の長さを有し、第2の方向において第3の長さよりも長い第3の幅を有するように延在する磁気検出素子とを備える。
【選択図】図1A
Description
本発明は、磁気検出素子を用いて磁場を検出する磁場検出装置に関する。
外部磁場を検出する磁場検出装置(磁界検出装置)として、ホール素子や磁気抵抗効果素子を利用したものが知られている(例えば特許文献1参照)。
ところで、近年、磁場検出の性能向上が求められている。したがって、より優れた磁場検出性能を有する磁場検出装置を提供することが望ましい。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置は、第1の方向において第1の長さを有するように延在し、第1の方向と実質的に直交する第2の方向において第1の長さよりも短い第1の幅を有する第1の軟磁性体と、第1の方向において第1の軟磁性体と離間して対向するように配置され、第1の方向において第2の長さを有するように延在し、第2の方向において第2の長さよりも短い第2の幅を有する第2の軟磁性体と、第1の方向において第1の軟磁性体と第2の軟磁性体との間に設けられ、第1の方向において第3の長さを有し、第2の方向において第3の長さよりも長い第3の幅を有するように延在する磁気検出素子とを備える。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置では、第1の方向を長手方向とする第1の軟磁性体および第2の軟磁性体が互いに離間して配置され、それら第1の軟磁性体と第2の軟磁性体との間に、第1の方向と直交する第2の方向を長手方向とする磁気検出素子が配置されるようにした。このため、第1の軟磁性体および第2の軟磁性体がいずれも磁気ヨークとして振舞うこととなり、例えば第1の方向に沿った外部磁場成分が増強される。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置では、第3の幅は、第1の幅および第2の幅の少なくとも一方と同等以下であることが好ましく、第1の幅および第2の幅の双方と同等以下であることがより好ましい。また、第1の幅と第2の幅とが実質的に同一であるとよい。また、第1の軟磁性体と第2の軟磁性体との間隔は第3の幅よりも狭いことが望ましい。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置では、第1の幅および第2の幅が例えば10μm以上100μm以下であり、第1の幅に対する第1の長さの比が例えば3以上20以下であり、第2の幅に対する第2の長さの比が例えば3以上20以下であるとよい。第1の長さと第2の長さとが実質的に同一であってもよい。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置では、第1の軟磁性体は、第1の方向および第2の方向の双方と実質的に直交する第3の方向において第1の厚さを有し、第2の軟磁性体は第3の方向において第2の厚さを有し、磁気検出素子は第3の方向において第1の厚さおよび第2の厚さの少なくとも一方と同等以下の第3の厚さを有するとよい。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置では、磁気検出素子は、第1の方向において、第1の軟磁性体の延長上に配置され、第2の軟磁性体の延長上に配置され、または第1の軟磁性体および第2の軟磁性体の双方の延長上に配置されているとよい。また、検出対象とする検出対象磁場の方向は、例えば第1の方向と実質的に一致しているとよい。
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置によれば、第1の軟磁性体および第2の軟磁性体が磁気ヨークとして機能し、検出対象となる磁場に対してその増強を行うことができる。したがって、本発明の一実施の形態としての磁場検出装置は、高い磁場検出性能を発揮することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
1対の軟磁性層と、その間に配置された磁気検出素子とを備えた磁場検出装置の例。
2.第2の実施の形態
基板上に、1対の軟磁性層に挟まれた複数の磁気検出素子を備えた磁場検出装置の例)。
3.実験例
4.その他の変形例
1.第1の実施の形態
1対の軟磁性層と、その間に配置された磁気検出素子とを備えた磁場検出装置の例。
2.第2の実施の形態
基板上に、1対の軟磁性層に挟まれた複数の磁気検出素子を備えた磁場検出装置の例)。
3.実験例
4.その他の変形例
<1.第1の実施の形態>
[磁場検出装置1の構成]
最初に、図1A,図1Bおよび図2などを参照して、本発明における第1の実施の形態としての磁場検出装置1の構成について説明する。図1Aは、磁場検出装置1の全体構成例を表す斜視図である。図1Bは、図1Aに示したIB−IB線に沿った矢視方向における磁場検出装置1の断面構成例を表すものである。さらに、図1Cは、磁場検出装置1の全体構成例を表す平面図である。図2は、図1Aおよび図1Bに示した磁気検出素子20の断面構成例を表すものである。
[磁場検出装置1の構成]
最初に、図1A,図1Bおよび図2などを参照して、本発明における第1の実施の形態としての磁場検出装置1の構成について説明する。図1Aは、磁場検出装置1の全体構成例を表す斜視図である。図1Bは、図1Aに示したIB−IB線に沿った矢視方向における磁場検出装置1の断面構成例を表すものである。さらに、図1Cは、磁場検出装置1の全体構成例を表す平面図である。図2は、図1Aおよび図1Bに示した磁気検出素子20の断面構成例を表すものである。
磁場検出装置1は、自らに及ぶ外部磁場の有無や方向、強度などを検出するデバイスであり、例えば電子コンパスに搭載されるものである。ここで、例えば外部磁場など、検出対象とする検出対象磁場の方向が、X軸方向と実質的に一致しているとよい。磁場検出装置1は、X軸方向およびY軸方向の双方に広がる基体10の上に、例えばX軸方向において対向配置された1対の軟磁性層11,12と、X軸方向において軟磁性層11と軟磁性層12との間に設けられた磁気検出素子20とを備えている。磁場検出装置1は、さらに、磁気検出素子20へセンス電流を供給するためのリード21,22を有している。なお、図1Cおよび図2では、リード21,22の図示を省略している。なお、X軸方向は本発明の「第1の方向」に対応する一具体例であり、Y軸方向は本発明の「第2の方向」に対応する一具体例である。また、本明細書では、X軸およびY軸の双方と直交する方向であるZ軸方向を厚さ方向ともいう。
(軟磁性層11,12)
軟磁性層11,12は、いずれも、X軸方向を長手方向とする略直方体状の部材である。軟磁性層11,12は、いずれも、例えばニッケル鉄合金(NiFe)などの高飽和磁束密度を有する軟磁性金属材料により構成されている。なお、軟磁性層11の構成材料と軟磁性層12の構成材料とは実質的に同一であってもよいし、異なっていてもよい。
軟磁性層11,12は、いずれも、X軸方向を長手方向とする略直方体状の部材である。軟磁性層11,12は、いずれも、例えばニッケル鉄合金(NiFe)などの高飽和磁束密度を有する軟磁性金属材料により構成されている。なお、軟磁性層11の構成材料と軟磁性層12の構成材料とは実質的に同一であってもよいし、異なっていてもよい。
軟磁性層11は、図1Cに示したように、XY平面における平面形状が例えば矩形である。その場合、X軸方向に沿って第1の長さLX1(以下、単に長さLX1という。)を有し、Y軸方向に沿って第1の幅LY1(以下、単に幅LY1という。)を有する。また、図1Bに示したように、Z軸方向に沿って第1の厚さLZ1(以下、単に厚さLZ1という。)を有する。長さLX1は例えば100μm以下、好ましくは12μm程度である。幅LY1は例えば100μm以下、好ましくは4μm程度である。また、厚さLZ1は例えば10μm以下であり、長さLX1および幅LY1のいずれよりも小さい寸法であることが望ましい。
軟磁性層12は、図1Cに示したように、XY平面における平面形状が例えば軟磁性層11と同様、例えば矩形である。その場合、X軸方向に沿って第2の長さLX2(以下、単に長さLX2という。)を有し、Y軸方向に沿って第2の幅LY2(以下、単に幅LY2という。)を有する。また、図1Bに示したように、Z軸方向に沿って第2の厚さLZ2(以下、単に厚さLZ2という。)を有する。長さLX2は例えば100μm以下、好ましくは12μm程度である。幅LY2は例えば100μm以下、好ましくは4μm程度である。また、厚さLZ2は例えば10μm以下であり、長さLX2および幅LY2のいずれよりも薄いことが望ましい。
(磁気検出素子20)
磁気検出素子20は、例えば外部磁場の方向や強度に応じて抵抗変化を示す磁気抵抗効果(MR;Magneto-Resistive effect)素子が用いられる。磁気検出素子20は、図1Cに示したように、XY平面における平面形状が例えば楕円形(elliptical shape)である。その場合、X軸方向に沿って第3の長さLX3(以下、単に長さLX3という。)を有し、Y軸方向に沿って第3の幅LY3(以下、単に幅LY3という。)を有する。また、図1Bに示したように、Z軸方向に沿って第3の厚さLZ3(以下、単に厚さLZ3という。)を有する。磁気検出素子20の平面形状は楕円形(elliptical shape)に限定されず、例えば矩形やオーバル形状(oval-shape)、あるいは菱形であってもよい。
磁気検出素子20は、例えば外部磁場の方向や強度に応じて抵抗変化を示す磁気抵抗効果(MR;Magneto-Resistive effect)素子が用いられる。磁気検出素子20は、図1Cに示したように、XY平面における平面形状が例えば楕円形(elliptical shape)である。その場合、X軸方向に沿って第3の長さLX3(以下、単に長さLX3という。)を有し、Y軸方向に沿って第3の幅LY3(以下、単に幅LY3という。)を有する。また、図1Bに示したように、Z軸方向に沿って第3の厚さLZ3(以下、単に厚さLZ3という。)を有する。磁気検出素子20の平面形状は楕円形(elliptical shape)に限定されず、例えば矩形やオーバル形状(oval-shape)、あるいは菱形であってもよい。
磁気検出素子20は、例えば図2に示したように、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造を有するCPP(Current Perpendicular to Plane)型のMR素子であり、センス電流が自らの内部を積層方向に流れるものである。具体的には、磁気検出素子20は、図2に示したように、反強磁性層31と、一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層32と、特定の磁化方向を発現しない中間層33と、外部磁場に応じて変化する磁化を有する磁化自由層34とが順に積層された積層体を含むものである。なお、反強磁性層31、磁化固着層32,中間層33および磁化自由層34は、いずれも単層構造であってもよいし、複数層からなる多層構造であってもよい。このようなMR素子においては、その積層方向(例えばZ軸方向)と直交する膜面内(XY平面内)に沿った磁束の変化に応じて抵抗変化が生じる。
反強磁性層31は、白金マンガン合金(PtMn)やイリジウムマンガン合金(IrMn)などの反強磁性材料により構成されるものである。反強磁性層31は、例えば隣接する磁化固着層32の磁化の向きと実質的に同じ方向のスピン磁気モーメントと、それと正反対の方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固着層32の磁化の向きを、一定方向へ固定するように作用する。
磁化固着層32は、例えばコバルト(Co)やコバルト鉄合金(CoFe)、コバルト鉄ボロン合金(CoFeB)などの強磁性材料からなる。本実施の形態では、磁化固着層32の磁化方向はX軸方向と一致していることが望ましい。
中間層33は、磁気検出素子20が磁気トンネル接合(MTJ:magnetic tunneling junction)素子である場合、例えば酸化マグネシウム(MgO)からなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄いものである。MgOからなるトンネルバリア層は、例えば、MgOからなるターゲットを用いたスパッタリング処理のほか、マグネシウム(Mg)の薄膜の酸化処理、あるいは酸素雰囲気中でマグネシウムのスパッタリングを行う反応性スパッタリング処理などによって得られる。また、MgOのほか、アルミニウム(Al),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf)の各酸化物もしくは窒化物を用いて中間層33を構成することも可能である。また、磁気検出素子20が例えばGMR(Giant Magnetoresistive)素子である場合、中間層33は銅(Cu)、ルテニウム(Ru)または金(Au)などの非磁性高導電性材料により構成される。
磁化自由層34は軟質強磁性層であり、例えば磁化固着層32の磁化の向きと実質的に直交する磁化容易軸を有するものである。磁化自由層34は、例えばコバルト鉄合金(CoFe)、ニッケル鉄合金(NiFe)あるいはコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)などによって構成される。本実施の形態では、磁化自由層34の磁化容易軸の方向はY軸方向と一致していることが望ましい。磁気検出素子20において、長さLX3が幅LY3よりも小さいと、磁化自由層34の磁化容易軸の方向をY軸方向と一致させやすくなる。
(リード21,22)
リード21は磁気検出素子20の一部(例えば磁化自由層34の上面)と接するようにXY平面において延在し、リード22は磁気検出素子20の他の一部(例えば反強磁性層31の下面)と接するようにXY平面において延在している。リード21,22は、例えば銅やアルミニウム(Al)などの、高導電性非磁性材料により形成されている。
リード21は磁気検出素子20の一部(例えば磁化自由層34の上面)と接するようにXY平面において延在し、リード22は磁気検出素子20の他の一部(例えば反強磁性層31の下面)と接するようにXY平面において延在している。リード21,22は、例えば銅やアルミニウム(Al)などの、高導電性非磁性材料により形成されている。
ここで、磁気検出素子20の幅LY3は、軟磁性層11の幅LY1および軟磁性層12の幅LY2の少なくとも一方と実質的に同じであるか、幅LY1および幅LY2の少なくとも一方よりも実質的に狭くなっている。幅LY3は、特に、幅LY1および幅LY2の双方と実質的に同等以下の寸法であるとよい。すなわち、下記の条件式(1)および条件式(2)の少なくとも一方、を満たすことが望ましい。
LY3≦LY1 ……(1)
LY3≦LY2 ……(2)
LY3≦LY2 ……(2)
また、本実施の形態では、幅LY1と幅LY2とが実質的に同一であることが望ましい。幅LY1および幅LY2は、例えば4μm程度である。
また、本実施の形態では、軟磁性層11と軟磁性層12との間隔XGは、幅LY1〜LY3のいずれよりも狭いことが望ましい(図1C参照)。間隔XGは、例えば0.4μm程度である。
また、本実施の形態では、軟磁性層11において長さLX1は幅LY1よりも大きく、軟磁性層12において長さLX2は幅LY2よりも大きいとよい。さらに、磁気検出素子20において、長さLX3は、幅LY3よりも小さいとよい。ここで、幅LY1および幅LY2が、いずれも例えば10μm以上100μm以下であるとき、下記の条件式(3)および条件式(4)を満たすことが望ましい。長さLX1は長さLX2と実質的に同一であってもよい。
3≦LX1/LY1≦20 ……(3)
3≦LX2/LY2≦20 ……(4)
3≦LX2/LY2≦20 ……(4)
さらに本実施の形態では、図1Cに示したように、磁気検出素子20の厚さLZ3は、厚さLZ1および厚さLZ2の少なくとも一方と同等以下であるとよい。
本実施の形態では、磁気検出素子20が、X軸方向において軟磁性層11の延長上に配置され、もしくは、軟磁性層12の延長上に配置されているとよい。あるいは、磁気検出素子20が、X軸方向において軟磁性層11および軟磁性層12の双方の延長上に配置されていてもよい。
(信号検出回路)
磁場検出装置1は、例えば図3に示した信号検出回路を有している。この信号検出回路は、例えば電圧印加部101と、磁気検出素子20と、抵抗変化検出部102と、信号処理部103とを含んでいる。磁気検出素子20には、電圧印加部101と、抵抗変化検出部102とが接続されている。信号処理部103は抵抗変化検出部102と接続されている。
磁場検出装置1は、例えば図3に示した信号検出回路を有している。この信号検出回路は、例えば電圧印加部101と、磁気検出素子20と、抵抗変化検出部102と、信号処理部103とを含んでいる。磁気検出素子20には、電圧印加部101と、抵抗変化検出部102とが接続されている。信号処理部103は抵抗変化検出部102と接続されている。
[磁場検出装置1の作用効果]
磁場検出装置1では、上記の信号検出回路により、磁場検出装置1に及ぶ外部磁場に応じた出力が得られる。具体的には、上記の信号検出回路において、電圧印加部101により、リード21とリード22との間に所定の電圧を印加することで、そのときの磁気検出素子20の電気抵抗に対応したセンス電流が流れる。磁気検出素子20の電気抵抗は、磁気検出素子20の磁化状態、すなわち、磁化固着層32の磁化の向きに対する磁化自由層34の磁化の向きによって変化する。磁気検出素子20を流れるセンス電流は抵抗変化検出部102において検出され、抵抗変化検出部102により信号処理部103へ信号が出力される。さらに、信号処理部103において抵抗変化検出部102からの出力に基づいた信号が生成されて外部へ出力される。これにより、磁場検出装置1に及ぶ外部磁場に応じた出力が信号検出回路から得られる。
磁場検出装置1では、上記の信号検出回路により、磁場検出装置1に及ぶ外部磁場に応じた出力が得られる。具体的には、上記の信号検出回路において、電圧印加部101により、リード21とリード22との間に所定の電圧を印加することで、そのときの磁気検出素子20の電気抵抗に対応したセンス電流が流れる。磁気検出素子20の電気抵抗は、磁気検出素子20の磁化状態、すなわち、磁化固着層32の磁化の向きに対する磁化自由層34の磁化の向きによって変化する。磁気検出素子20を流れるセンス電流は抵抗変化検出部102において検出され、抵抗変化検出部102により信号処理部103へ信号が出力される。さらに、信号処理部103において抵抗変化検出部102からの出力に基づいた信号が生成されて外部へ出力される。これにより、磁場検出装置1に及ぶ外部磁場に応じた出力が信号検出回路から得られる。
本実施の形態の磁場検出装置1では、いずれもX軸方向を長手方向とする軟磁性層11と軟磁性層12とが、X軸方向において並ぶように互いに離間して配置される。そして、軟磁性層11と軟磁性層12との間に、X軸方向と直交するY軸方向を長手方向とする磁気検出素子20が配置されるようにした。このため、軟磁性層11および軟磁性層12がいずれも磁気ヨークとして振舞うこととなる。その結果、例えばX軸方向に沿った外部磁場を磁場検出装置1に対して印加すると、磁気検出素子20に及ぶX軸方向に沿った外部磁場成分F(図1B,図1C参照)が軟磁性層11および軟磁性層12によって増強される。したがって、この磁場検出装置1は高い磁場検出性能を発揮することができる。磁気検出素子20において磁化固着層32の磁化方向をX軸方向と一致させると共に磁化自由層34の磁化容易軸方向をY軸方向と一致させるようにすれば、感磁方向に沿って軟磁性層11および軟磁性層12が配置されることとなる。このため、磁場検出装置1は、より高い磁場検出機能を発揮することができる。
<2.第2の実施の形態>
次に、図4を参照して、本発明における第2の実施の形態としての磁場検出装置1Aの構成について説明する。図4は、磁場検出装置1Aの全体構成例を表す斜視図である。
次に、図4を参照して、本発明における第2の実施の形態としての磁場検出装置1Aの構成について説明する。図4は、磁場検出装置1Aの全体構成例を表す斜視図である。
本実施の形態の磁場検出装置1Aでは、基体10の上に、複数の磁気検出素子20と、複数の軟磁性層11と、複数の軟磁性層12とを設けるようにした。それに伴い、リード21,22もそれぞれ複数設けるようにした。磁場検出装置1Aは、これらの点を除き、他は上記第1の実施の形態における磁場検出装置1と実質的に同様の構成を有する。
具体的には図4に示したように、基体10の上に、X軸方向において軟磁性層11と軟磁性層12とが隙間を空けて交互に並ぶものが、Y軸方向において隣り合うように2列設けられている。さらに、X軸方向における軟磁性層11と軟磁性層12との隙間の各々には、磁気検出素子20が1つずつ配置されている。なお、図4では、2行3列で配列された6つの磁気検出素子20と、それらを挟むように配置された合計8つの軟磁性層11,12を例示しているが、磁気検出素子20および軟磁性層11,12の個数と、それらの配列の形態とについては図4に示したものに限定されるものではない。但し、複数の磁気検出素子20は、全て同一の階層に設けられているとよい。複数の磁気検出素子20は、例えば、複数のリード21と複数のリード22とによって全体として直列に接続されている。こうすることにより、磁場検出装置1Aでは、磁場検出装置1と比較して全体の出力を増大させることができる。
<3.実験例>
[3.1 実験例1−1〜1−6]
次に、図1Aに示した磁場検出装置1に対し0.1mTの外部磁場を+X方向に印加し、磁気検出素子20の、図1Aに示したIB−IB線上における磁場強度を求め、エンハンス率を算出した。ここで、幅LY1および幅LY2は、実験例1−1〜1−6のいずれにおいても10μmとした。一方、長さLX1および長さLX2については、実験例1−1では10μm、実験例1−2では30μm、実験例1−3では100μm、実験例1−4では200μm、実験例1−5では400μm、実験例1−6では1400μmとした。すなわち、アスペクト比LX1/LY1,LX2/LY2(以下、まとめてアスペクト比LX/LYとする。)を、実験例1−1では1、実験例1−2では3、実験例1−3では10、実験例1−4では20、実験例1−5では40、実験例1−6では140とした。間隔XGについては、全ての実験例において5μmとした。厚さLZ1および厚さLZ2については、全ての実験例において1μmとした。
[3.1 実験例1−1〜1−6]
次に、図1Aに示した磁場検出装置1に対し0.1mTの外部磁場を+X方向に印加し、磁気検出素子20の、図1Aに示したIB−IB線上における磁場強度を求め、エンハンス率を算出した。ここで、幅LY1および幅LY2は、実験例1−1〜1−6のいずれにおいても10μmとした。一方、長さLX1および長さLX2については、実験例1−1では10μm、実験例1−2では30μm、実験例1−3では100μm、実験例1−4では200μm、実験例1−5では400μm、実験例1−6では1400μmとした。すなわち、アスペクト比LX1/LY1,LX2/LY2(以下、まとめてアスペクト比LX/LYとする。)を、実験例1−1では1、実験例1−2では3、実験例1−3では10、実験例1−4では20、実験例1−5では40、実験例1−6では140とした。間隔XGについては、全ての実験例において5μmとした。厚さLZ1および厚さLZ2については、全ての実験例において1μmとした。
実験例1−1〜1−6のシミュレーション結果を図5Aに示す。図5Aにおいて、横軸はアスペクト比LX/LY [−]を表し、縦軸はエンハンス率[%]、すなわち印加した外部磁場の強度に対する図1A中のIB−IB線上における磁場強度の比、を表す。図5Aに示したように、アスペクト比の増大に伴って指数関数的にエンハンス率が向上することがわかった。
その一方、アスペクト比の増大によって磁気検出素子20が設置可能な基体10上に領域は減少する。実験例1−1〜1−6について、アスペクト比LX/LY [−]と、基体10上において単位面積あたりに設置可能な磁気検出素子20の個数との関係を図5Bに示す。図5Bにおいて、横軸はアスペクト比LX/LY [−]を表し、縦軸は単位面積あたりに設置可能な磁気検出素子の個数の平方根[1/μm2]を表す。図5Bに示したように、アスペクト比の増大に伴い、単位面積あたりに設置可能な磁気検出素子の個数の平方根は指数関数的に減少することがわかった。
磁気検出素子の性能を表す分解能は、下記の式(5)で求められる。
分解能[T]=ノイズ電圧[V]/磁気感度[V/T] ……(5)
分解能[T]=ノイズ電圧[V]/磁気感度[V/T] ……(5)
ここで、ノイズ電圧は磁気検出素子の占有面積の平方根に比例する一方、磁気感度はエンハンス率に比例する。したがって、基体上に、磁気検出素子と共に軟磁性層を配置することのメリットを考える場合、以下の式(6)のように定義される指数FOM(factor of merits)を判断材料とすることが望ましい。指数FOMとは、基体上において単位面積あたりいくつの磁気検出素子を配置できるかを表す数値、すなわち単位面積あたりに設置可能な磁気検出素子の個数と、軟磁性層の存在によって変化するエンハンス率との関係により定まる、磁気検出素子と共に軟磁性層を配置することのメリットを表すものである。
(FOM)=(エンハンス率)*(単位面積あたりに設置可能な磁気検出素子の個数)0.5 ……(6)
このように定義される指数FOMとアスペクト比との関係を図5Cに示す。図5Cにおいて、横軸はアスペクト比LX/LY [−]を表し、縦軸は指数FOM[arb.]を表す。図5Cに示したように、アスペクト比が3以上20以下である場合に、高い指数FOMが得られることがわかった。すなわち、磁場検出装置1では、アスペクト比が3以上20以下である場合に、より良好な分解能が得られることがわかった。
[3.2 実験例2−1〜2−6]
次に、間隔XGを10μmとしたことを除き、他は実験例1−1〜1−6と同様の条件で実験例1−1〜1−6と同様の評価をおこなった。その結果を図6A〜図6Cにそれぞれ示す。なお、図6A〜図6Cはそれぞれ図5A〜図5Cに対応する結果である。
次に、間隔XGを10μmとしたことを除き、他は実験例1−1〜1−6と同様の条件で実験例1−1〜1−6と同様の評価をおこなった。その結果を図6A〜図6Cにそれぞれ示す。なお、図6A〜図6Cはそれぞれ図5A〜図5Cに対応する結果である。
図6A〜図6Cに示したように、実験例2−1〜2−6においてもアスペクト比が3以上20以下である場合に、より良好な分解能が得られることがわかった。
[3.3 実験例3−1〜3−6]
次に、幅LY1および幅LY2を100μmとし、長さLX1および長さLX2を実験例3−1では100μm、実験例3−2では300μm、実験例3−3では1000μm、実験例3−4では2000μm、実験例3−5では4000μm、実験例3−6では14000μmとし、間隔XGを50μmとしたことを除き、他は実験例1−1〜1−6と同様の条件で実験例1−1〜1−6と同様の評価をおこなった。その結果を図7A〜図7Cにそれぞれ示す。なお、図7A〜図7Cはそれぞれ図5A〜図5Cに対応する結果である。
次に、幅LY1および幅LY2を100μmとし、長さLX1および長さLX2を実験例3−1では100μm、実験例3−2では300μm、実験例3−3では1000μm、実験例3−4では2000μm、実験例3−5では4000μm、実験例3−6では14000μmとし、間隔XGを50μmとしたことを除き、他は実験例1−1〜1−6と同様の条件で実験例1−1〜1−6と同様の評価をおこなった。その結果を図7A〜図7Cにそれぞれ示す。なお、図7A〜図7Cはそれぞれ図5A〜図5Cに対応する結果である。
図7A〜図7Cに示したように、実験例3−1〜3−6においてもアスペクト比が3以上20以下である場合に、より良好な分解能が得られることがわかった。
<4.その他の変形例>
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各図面では、軟磁性層11の寸法と軟磁性層12の寸法とが実質的に同じである場合を示したが、両者が互いに異なるようにしてもよい。また、本発明は、図1Cに示したように、幅LY3が幅LY1および幅LY2の双方と同等以下である場合に限定されない。本発明は、幅LY3が幅LY1もしくは幅LY2のいずれか一方と同等以下である場合、または幅LY3が幅LY1および幅LY2の双方よりも大きい場合も含む概念である。
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各図面では、軟磁性層11の寸法と軟磁性層12の寸法とが実質的に同じである場合を示したが、両者が互いに異なるようにしてもよい。また、本発明は、図1Cに示したように、幅LY3が幅LY1および幅LY2の双方と同等以下である場合に限定されない。本発明は、幅LY3が幅LY1もしくは幅LY2のいずれか一方と同等以下である場合、または幅LY3が幅LY1および幅LY2の双方よりも大きい場合も含む概念である。
また、上記実施の形態等では、図1Bに示したように磁気検出素子20およびリード21,22の全てが軟磁性層11,12と同じ階層に存在する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、例えば図8Aに示した磁場検出装置1Bのように、磁気検出素子20およびリード21,22の全てが軟磁性層11,12と異なる階層に存在するものも含む。磁場検出装置1Bでは、軟磁性層11,12とリード21とのギャップZGは例えば10μm以下である。また、本発明では、例えば図8Bに示した磁場検出装置1Cのように、磁気検出素子20のみが軟磁性層11,12と同じ階層に存在し、リード21,22が軟磁性層11,12と異なる階層に存在するようにしてもよい。さらに本発明では、例えば図8Cに示した磁場検出装置1Dのように、軟磁性層11と軟磁性層12とが互いに異なる階層に存在するようにしてもよい。
また上記実施の形態等では、磁気検出素子としてスピンバルブ構造を有するCPP型MR素子を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。磁気検出素子として例えばCIP(Current in Plane)型MR素子や磁気トンネル接合(MTJ素子)素子を用いてもよいし、MR素子以外の、感磁方向がX軸方向である磁気検出素子(例えばホール素子)などのセンサを用いてもよい。
1,1A〜1D…磁場検出装置、10…基体、11,12…軟磁性層、20…磁気検出素子、21〜22…リード。
Claims (12)
- 第1の方向において第1の長さを有するように延在し、前記第1の方向と実質的に直交する第2の方向において前記第1の長さよりも短い第1の幅を有する第1の軟磁性体と、
前記第1の方向において前記第1の軟磁性体と離間して対向するように配置され、前記第1の方向において第2の長さを有するように延在し、前記第2の方向において前記第2の長さよりも短い第2の幅を有する第2の軟磁性体と、
前記第1の方向において前記第1の軟磁性体と前記第2の軟磁性体との間に設けられ、前記第1の方向において第3の長さを有し、前記第2の方向において前記第3の長さよりも長い第3の幅を有するように延在する磁気検出素子と
を備えた
磁場検出装置。 - 前記第3の幅は、前記第1の幅および前記第2の幅の少なくとも一方と同等以下である
請求項1記載の磁場検出装置。 - 前記第3の幅は、前記第1の幅および前記第2の幅の双方と同等以下である
請求項2記載の磁場検出装置。 - 前記第1の幅と前記第2の幅とが実質的に同一である
請求項2または請求項3に記載の磁場検出装置。 - 前記第1の軟磁性体と前記第2の軟磁性体との間隔は、前記第3の幅よりも狭い
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 前記第1の幅に対する前記第1の長さの比が3以上20以下であり、
前記第2の幅に対する前記第2の長さの比が3以上20以下である
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 前記第1の幅および前記第2の幅が10μm以上100μm以下である
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 前記第1の長さと前記第2の長さとが実質的に同一である
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 前記第1の軟磁性体は、前記第1の方向および前記第2の方向の双方と実質的に直交する第3の方向において第1の厚さを有し、
前記第2の軟磁性体は、前記第3の方向において第2の厚さを有し、
前記磁気検出素子は、前記第3の方向において前記第1の厚さおよび前記第2の厚さの少なくとも一方と同等以下の第3の厚さを有する
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 前記磁気検出素子は、前記第1の方向において、前記第1の軟磁性体の延長上に配置され、前記第2の軟磁性体の延長上に配置され、または前記第1の軟磁性体および前記第2の軟磁性体の双方の延長上に配置されている
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 検出対象とする検出対象磁場の方向は前記第1の方向と実質的に一致している
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 前記磁気検出素子は、前記第1の方向と実質的に一致した磁化方向を有する磁化固着層と、中間層と、前記第2の方向と実質的に一致した磁化容易軸を有する磁化自由層とを含む磁気抵抗効果素子である
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の磁場検出装置。
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