JP6064656B2 - センサ用磁気抵抗素子、およびセンサ回路 - Google Patents
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Description
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層(15)と、
ピン層と前記フリー層との間に挟まれてピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層(14)とが積層され、
フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
フリー層の面内方向の異方性磁界が50[mT]〜75[mT]の範囲に設定されていることを特徴とする。
前記2つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路である。
前記4つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路である。
図1は本発明のセンサ用磁気抵抗素子が適用される磁気センサ10の第1実施形態を示す。
Sは感度(mV/V・mT)、Hkは垂直磁化膜の面内方向の異方性磁界である。Hcntは、中心磁界であって、図2中の性能指数1のグラフのうち性能指数が100となる異方性磁界の値を示している。
(1)図2の性能指数2のグラフのうち性能指数が20以上である範囲としてHk=75[mT]〜100[mT]を選択し、面内方向の異方性磁界(Hk)が75[mT]〜100[mT]である垂直磁化膜をフリー層15としてTMR素子を構成する。ここで、図2中の性能指数2のグラフのうち異方性磁界(Hk)が75[mT]〜100[mT]である範囲では、前記勾配が性能指数1のグラフに比べて小さい。これにより、磁場の検出範囲が広くなるため、例えば、特許公報3605880の明細書に記載のごとく、フェライト磁石を用いて回転角度を検出する非接触型の回転角度センサの適用に適したTMR素子を構成することができる。したがって、回転角度の検出に適した磁気センサ10を提供することができる。
(2)図2の性能指数3のグラフのうち性能指数が20以上である範囲としてHk=100[mT]〜500[mT]を選択し、面内方向の異方性磁界(Hk)が100[mT]〜500[mT]である垂直磁化膜をフリー層15としてTMR素子を構成する。これにより、強磁場の検出が可能であるため、例えば、特許公報4415784号公報に記載のごとく、大電流の検知に適したTMR素子を構成することができる。したがって、大電流の検知に適した磁気センサ10を提供することができる。
(3)図2の性能指数4のグラフのうち性能指数が20以上である範囲としてHk=500[mT]〜1000[mT]を選択し、面内方向の異方性磁界(Hk)が500[mT]〜1000[mT]である垂直磁化膜をフリー層15として用いてTMR素子を構成する。
(1)垂直磁気異方性を持つFM−NMの合金によってフリー層15を構成する。FM−NMの合金とは、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)のうち少なくとも1つの強磁性金属と、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Os(オーステニウム)、Ir(イリジウム)、Pt(プラチナ)、Au(金)のうち少なくとも1つの非磁性金属とを溶かし合わせた合金である。
(2)垂直磁気異方性を持つFM−FMの合金によってフリー層15を構成する。FM−FMの合金とは、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)のうち異なる2つ以上の強磁性金属を溶かし合わせた合金のことである。
上記第1の実施形態では、フリー層15よりもピン層13を基板11側に形成した例について説明したが、これに代えて、図4に示すように、フリー層15をピン層13よりも基板11側に形成してもよい。図4において、図1と同一符号は、同一のものを示し、その説明を省略する。
上記第1の実施形態では、垂直磁気異方性を持つFM/NMの積層膜をフリー層15として用いてTMR素子を構成した例について説明したが、これに代えて、本第3実施形態では、次のように、TMR素子を構成する。
(1)面内方向の磁気異方性を持つFM−NMの合金によって第1のフリー層15cを構成する。FM−NMの合金とは、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)のうち少なくとも1つの強磁性金属と、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Os(オーステニウム)、Ir(イリジウム)、Pt(プラチナ)、Au(金)のうち少なくとも1つの非磁性金属とを溶かし合わせた合金である。
(2)面内方向の磁気異方性を持つFM−FMの合金によって第1のフリー層15cを構成する。FM−FMの合金とは、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)のうち異なる2つ以上の強磁性金属を溶かし合わせた合金のことである。
上記第3の実施形態では、フリー層15よりもピン層13を基板11側に形成した例について説明したが、これに代えて、図6に示すように、フリー層15をピン層13よりも基板11側に形成してもよい。この場合、第2のフリー層15dよりも第1のフリー層15cを基板11側に形成してもよい。図6において、図1と同一符号は、同一のものを示し、その説明を省略する。
上記第1の実施形態では、ピン層13の磁化方向を基板11の面内方向に設定した例について説明したが、これに代えて、本実施形態では、図7に示すように、ピン層13の磁化方向を基板11の面内方向に対する垂直方向に設定する。
本第6実施形態では、2つの磁気センサ10を用いてハーフブリッジ回路を構成する例について説明する。
本第7実施形態では、4つの磁気センサ10を用いてフルブリッジ回路を構成する例について説明する。
上記第1〜第7実施形態では、センサ用磁気抵抗素子としてTMR素子を構成した例について説明したが、これに代えて、中間層14としての導電性膜を有するGMR素子(Giant Magneto Resistance)をセンサ用磁気抵抗素子として構成してもよい。
11 基板
12 下地層
13 ピン層
14 中間層
15 フリー層
15c 第1のフリー層
15d 第2のフリー層
16 キャップ層
20 ハーフブリッジ回路(センサ回路)
30 フルブリッジ回路(センサ回路)
Claims (15)
- 磁化方向が固定されているピン層(13)と、
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層(15)と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟まれて前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層(14)とが積層され、
前記フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記フリー層の面内方向の異方性磁界が50[mT]〜75[mT]の範囲に設定されていることを特徴とするセンサ用磁気抵抗素子。 - 磁化方向が固定されているピン層(13)と、
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層(15)と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟まれて前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層(14)とが積層され、
前記フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記フリー層の面内方向の異方性磁界が75[mT]〜100[mT]の範囲に設定されていることを特徴とするセンサ用磁気抵抗素子。 - 磁化方向が固定されているピン層(13)と、
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層(15)と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟まれて前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層(14)とが積層され、
前記フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記フリー層の面内方向の異方性磁界が100[mT]〜500[mT]の範囲に設定されていることを特徴とするセンサ用磁気抵抗素子。 - 磁化方向が固定されているピン層(13)と、
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層(15)と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟まれて前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層(14)とが積層され、
前記フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記フリー層の面内方向の異方性磁界が500[mT]〜1000[mT]の範囲に設定されていることを特徴とするセンサ用磁気抵抗素子。 - 前記フリー層は、
強磁性膜と非磁性膜とが積層されている積層構造体、
Fe、Co、Niのうち1以上の金属とRu、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Auのうち1以上の金属とからなる合金、
および、Fe、Co、Niのうち2つ以上の金属からなる合金、のうちいずれか1つから構成されており、
前記強磁性膜は、Fe、Co、Niのうちいずれか1つの金属、或いはFe、Co、Niのうち2つ以上からなる合金によって構成されており、
前記非磁性膜は、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Auのうちいずれか1つの金属、或いはRu、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Auのうち2つ以上の金属からなる合金によって構成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 - 前記フリー層は、薄膜状に形成されてその面内方向に対して垂直方向の磁気異方性を有する第1のフリー層(15c)と、薄膜状に形成されてその面内方向の磁気異方性を有する第2のフリー層(15d)とが積層されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。
- 前記第1のフリー層は、
強磁性膜と非磁性膜とが積層されている積層構造体、
Fe、Co、Niのうち1以上の金属とRu、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Auのうち1以上の金属とからなる合金、
および、Fe、Co、Niのうち2つ以上の金属からなる合金、のうちいずれか1つから構成されており、
前記強磁性膜は、Fe、Co、Niのうちいずれか1つの金属、或いはFe、Co、Niのうち2つ以上からなる合金によって構成されており、
前記非磁性膜は、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Auのうちいずれか一つの金属、或いはRu、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Auのうち2つ以上の金属からなる合金によって構成されていることを特徴とする請求項6に記載のセンサ用磁気抵抗素子。 - 前記第2のフリー層は、Fe、Co、Niのうちいずれか1つの金属、或いはFe、Co、Niのうち2つ以上の金属からなる合金であることを特徴とする請求項6または7に記載のセンサ用磁気抵抗素子。
- 前記ピン層、前記フリー層、および前記中間層が基板(11)に対して積層されており、
前記ピン層が前記フリー層よりも前記基板側に配置されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 - 前記ピン層、前記フリー層、および前記中間層が基板(11)に対して積層されており、
前記フリー層が前記ピン層よりも前記基板側に配置されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 - 前記ピン層および前記フリー層の磁化安定化方向は、前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記ピン層の面直方向の異方性磁界は、前記フリー層の面直方向の異方性磁界よりも大きいことを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 - 前記ピン層、前記フリー層、および前記中間層は、前記中間層としての電気絶縁性膜を有するTMR素子を構成していることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。
- 前記ピン層、前記フリー層、および前記中間層は、前記中間層としての導電性膜を有するGMR素子を構成していることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。
- 請求項1ないし13のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子を2つ以上備え、
前記2つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路。 - 請求項1ないし13のいずれか1つに記載のセンサ用磁気抵抗素子を4つ以上備え、
前記4つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路。
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