JPWO2011068146A1 - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、垂直磁界成分を簡単且つ適切に検知できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを提供することを目的とする。【解決手段】 本発明のＺ軸磁気センサ１は、基板２上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子Ｓと、外部からの垂直磁界成分Ｈ１を水平方向への磁界成分Ｈ２，Ｈ３に変換し、前記水平方向へ変換された磁界成分Ｈ２，Ｈ３を前記磁気抵抗効果素子Ｓに与える前記磁気抵抗効果素子Ｓと非接触の軟磁性体３と、を有することを特徴とするものである。【選択図】図３

Description

本発明は、垂直磁界成分を検知できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。

地磁気センサは、水平面内にて直交するＸ軸方向及びＹ軸方向と、前記水平面に直交する垂直方向（Ｚ軸方向）との磁界成分を夫々検知することができるように構成されている。

例えば下記特許文献にはホール素子を用いた磁気センサが開示されている。これら特許文献には、複数のホール素子の上部にフェライトチップを、下部にフェライト基板を配置し、各フェライトチップ間を水平方向に延出する磁性体で接続した磁気センサの構造が開示されている。

そして垂直磁界成分については、各フェライトチップ及び各フェライト基板を介してホール素子を貫通し、水平磁界成分については、磁性体の両端で垂直方向に曲げられてフェライトチップ及びフェライト基板を介してホール素子に貫通することが記載されている（例えば特許文献１の［００２１］欄、［００２２］欄）。

これら特許文献では、基板表面に対して垂直方向からの磁界成分を検知するホール素子を用いて、水平磁界成分を検知できるとしている。

しかしながらホール素子を用いた磁気センサでは、これら特許文献に示すように、フェライトチップ、フェライト基板及び磁性体を用いるために複雑な構成となり、また部品点数が多くなる問題があった。さらに、各フェライトチップ間を繋ぐ磁性体は水平方向に長く延ばされており、この結果、磁気センサの平面の大きさが従来よりも大きくなり小型化を促進できないといった問題もあった。また磁性体の両端位置にホール素子を離して配置しなければならないため上記した磁気センサの小型化を促進できないことに加えて設置の自由度が低い問題があった。このようにホール素子を用いて垂直磁界成分及び水平磁界成分を検知する磁気センサの構成では、生産効率を効果的に向上させることができなかった。

特開２００３−１４９３１２号公報 特開２００４−６１３８０号公報

上記したホール素子を用いた磁気センサに代えて、磁気抵抗効果（ＭＲ効果）を発揮する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた磁気センサでは、基板表面に平行な水平磁界成分を検知できるが基板表面に対して垂直方向の磁界成分を検知できない。このため磁気抵抗効果素子によって垂直磁界成分を検知できるようにするには、磁気抵抗効果素子を立てた状態にしたり（前記磁気抵抗効果素子を成膜した基板表面を垂直方向を向ける）、あるいは基板表面に水平方向から高さ方向に傾斜する傾斜面を設けて、前記傾斜面上に磁気抵抗効果素子を成膜する方法等が考えられる。

しかしながら、上記した構成はいずれも安価に製造することができず、また製造ばらつきが生じやすく安定した磁気検知特性を得ることができないといった問題があった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、垂直磁界成分を簡単且つ適切に検知できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを提供することを目的とする。

本発明における磁気センサは、
基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への磁界成分に変換し、前記水平方向へ変換された磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有することを特徴とするものである。

本発明では、簡単な構成により、垂直磁界成分を検知することが可能な磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを製造することができる。また安価に製造でき磁気センサの小型化も促進できる。

本発明では、前記磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体の下面端部の近傍に配置されていることが好ましい。

これにより、磁界強度が大きい水平方向に変換された磁界成分を、前記磁気抵抗効果素子に流入させることができ、よってセンサ出力を大きくでき、より効果的に垂直磁界成分を検知することが出来る。

また本発明では、複数の前記磁気抵抗効果素子が、前記軟磁性体の下面端部の両側近傍に夫々配置されていることが好ましい。これにより軟磁性体の両側に位置する磁気抵抗効果素子には、外部からの水平磁界成分（磁気センサの外方から流入し垂直磁界成分に対して直交する方向の外部磁界である）を検知しても、同じ抵抗変化を示すため出力が生じないように（前記水平磁界成分を検知しないように）制御することが出来る。一方、垂直磁界成分は軟磁性体にて水平方向への磁界成分に変換され、前記水平方向に変換された磁界成分は、軟磁性体の一方の側に設けられた磁気抵抗効果素子と、他方の側に設けられた磁気抵抗効果素子とに対して反対方向に与えられる。このため、前記水平方向に変換された磁界成分の作用により各磁気抵抗効果素子の抵抗変化を異なるものにでき、これら磁気抵抗効果素子から差動出力を得ることで、より高精度に、垂直磁界成分の検出が可能になる。

また本発明では、平面視にて直交する２方向の一方を前後方向、他方を左右方向としたとき、
前記軟磁性体は前記前後方向に延出形成されており、前記磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体よりも短く形成され、複数の前記磁気抵抗効果素子が前記軟磁性体の前記左右方向の両側に配置されていることが好ましい。これにより、一つの軟磁性体に対して複数の磁気抵抗効果素子を配置することができ、磁気センサの小型化を促進することが可能である。また磁気抵抗効果素子に対する配置の自由度が高い。例えば左右方向に配置される磁気抵抗効果素子は、左右方向に相対向するように配置してもよいし、前後方向にずらして配置してもよい。

また本発明では、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層され磁化方向が変動可能なフリー磁性層とを有し、各磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は同じ方向であり、各磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が構成されていることが好ましい。

本発明によれば複数の磁気抵抗効果素子を用いてフルブリッジ回路を構成できる。また各磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向を全て同じ方向に設定できるので同一基板上に複数の磁気抵抗効果素子を簡単且つ適切に形成することができる。また、外部からの水平磁界成分に対しては全ての磁気抵抗効果素子の抵抗値を同じにでき、ブリッジ回路から出力が出ないように出来る。また垂直磁界成分に対しては、上記したように、軟磁性体にて変換された水平方向への磁界成分が、軟磁性体の左側に配置された磁気抵抗効果素子と右側に配置された磁気抵抗効果素子とで異なる方向に流入するため、左側の磁気抵抗効果素子と右側の磁気抵抗効果素子とで抵抗値が異なる。したがって例えば入力端子と第１出力端子との間に、及び第２出力端子とグランド端子との間に、前記左側の磁気抵抗効果素子を接続し、入力端子と第２出力端子との間に、及び第１出力端子とグランド端子との間に、前記右側の磁気抵抗効果素子を接続することで、第１出力端子及び第２出力端子から異なる出力を得ることができ、垂直磁界成分を適切に検知することが可能になる。

また本発明では、前記軟磁性体は、間隔を空けて複数本設けられ、平面視にて、前記間隔内に位置する前記磁気抵抗効果素子は、前記間隔の中心位置よりもどちらかの前記軟磁性体に寄って形成されていることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子には、寄った側の軟磁性体から適切に水平方向へ変換された磁界成分（第１の磁界成分）が供給され、一方、離れた側の軟磁性体から発生した前記第１の磁界成分に対して反平行の磁界成分（第２の磁界成分）の影響を小さくでき、前記磁気抵抗効果素子に供給された前記第１の磁界成分が第２の磁界成分によりキャンセルされたりあるいは極端に小さくなるのを抑制でき、適切に垂直磁界成分を検知することが出来る。

また本発明では、平面視にて直交する２方向の一方を前後方向、他方を左右方向としたとき、第１の軟磁性体は前記左右方向に間隔を空けて複数本設けられ、各第１の軟磁性体は、前記前後方向に延出形成されており、各第１の軟磁性体の前後方向の両端側に、前記左右方向に平行な第２の軟磁性体が形成されていることが好ましい。

上記により、直交する２方向の水平磁界成分が適切に吸収されるため、磁気抵抗効果素子に対する外部からの水平磁界成分の影響をより効果的に小さくできる。よって、磁気抵抗効果素子の水平磁界成分に対する感度をより効果的に見かけ上、低下させることが可能になる。これにより相対的に垂直磁界成分に対する感度を向上させることが可能になり、より高精度に垂直磁界成分を検知することができる。

また本発明では、前記基板上に前記磁気抵抗効果素子が形成され、前記磁気抵抗効果素子上から前記基板上にかけて絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記軟磁性体が形成されていることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子及び軟磁性体を簡単且つ適切に形成することができ、また、磁気抵抗効果素子を軟磁性体の下面端部近傍に適切に配置でき、軟磁性体から磁気抵抗効果素子に水平方向に変換された磁界成分を適切に供給することができる。

本発明によれば、簡単な構成により、垂直磁界成分を検知することが可能な磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを製造することができる。また安価に製造でき磁気センサの小型化も促進できる。

本実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図、 図１に示すＺ軸磁気センサから軟磁性体及び第２の軟磁性体を除去した平面図、 図１に示すＡ−Ａ線から高さ方向に切断し矢印方向から見たＺ軸磁気センサの部分拡大縦断面図、 本実施形態におけるＺ軸磁気センサの回路図、 本実施形態における磁気抵抗効果素子の部分縦断面図、 Ｚ軸磁気センサ、Ｘ軸磁気センサ、Ｙ軸磁気センサを備える地磁気センサの概念図（平面図）、 本実施形態の軟磁性体から発せられる磁界強度を示す図、 別の実施形態における軟磁性体と磁気抵抗効果素子との配置を示す部分縦断面図、 別の実施形態における軟磁性体と磁気抵抗効果素子とを示す部分平面図、 （ａ）は、Ｙ軸磁気センサの部分平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＹ軸磁気センサをＢ−Ｂ線に沿って高さ方向に切断し矢印方向から見た部分縦断面図、 本実施形態におけるＺ軸磁気センサを用いた印加磁界と出力との関係を示したグラフ。

図１は本実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図、図２は、図１に示すＺ軸磁気センサから軟磁性体及び第２の軟磁性体を除去した平面図、図３は図１に示すＡ−Ａ線から高さ方向に切断し矢印方向から見たＺ軸磁気センサの部分拡大縦断面図、図４は本実施形態におけるＺ軸磁気センサの回路図、図５は、本実施形態における磁気抵抗効果素子の部分縦断面図、図６は、Ｚ軸磁気センサ、Ｘ軸磁気センサ、Ｙ軸磁気センサを備える地磁気センサの概念図（平面図）、図７は、本実施形態の軟磁性体から発せられる磁界成分強度を示す図、図８は、別の実施形態における軟磁性体と磁気抵抗効果素子との配置を示す部分縦断面図、図９は、別の実施形態における軟磁性体と磁気抵抗効果素子とを示す部分平面図、図１０は、Ｙ軸磁気センサの部分平面図、である。

本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えたＺ軸磁気センサ１は、例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして構成される。

各図に示すＸ軸方向、及びＹ軸方向は水平面内にて直交する２方向を示し、Ｚ軸方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。Ｙ１−Ｙ２方向を「前後方向」とし、Ｙ１方向を前方、Ｙ２方向を後方とする。またＸ１−Ｘ２方向を「左右方向」とし、Ｘ１方向を右方向、Ｘ２方向を左方向とする。

Ｚ軸磁気センサ１は、図１，図３に示すように、基板２上に形成された磁気抵抗効果素子Ｓと、第１の軟磁性体３とを有して構成される。

図３に示すようにシリコン等で形成された基板２上に図示しない絶縁層を介して複数の磁気抵抗効果素子Ｓが形成される。

図５に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ（ＧＭＲ素子）は、例えば下から反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、およびフリー磁性層３６の順に積層されて成膜され、フリー磁性層３６の表面が保護層３７で覆われている。磁気抵抗効果素子Ｓは例えばスパッタにて成膜される。

反強磁性層３３は、ＩｒＭｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層３４はＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。また固定磁性層３４は積層フェリ構造で形成されることが好ましい。非磁性層３５はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層３６は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層３７はＴａ（タンタル）などである。図５に示す磁気抵抗効果素子Ｓの積層構成は一例であって他の積層構成であってもよい。

磁気抵抗効果素子Ｓでは、反強磁性層３３と固定磁性層３４との反強磁性結合により、固定磁性層３４の磁化方向（Ｐ方向）が固定されている。本実施形態は後述するように磁気抵抗効果素子Ｓが前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延出した形状であり、図５に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が、例えば右方向（Ｘ１）に向いている。一方、フリー磁性層３６の磁化方向は、外部磁界により変動する。フリー磁性層３６は形状磁気異方性により、無磁場成分状態（外部磁界の作用がない状態）では、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に向けられている。

固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と同一方向から外部磁界が作用してフリー磁性層３６の磁化方向が前記外部磁界方向に変動すると、固定磁性層３４の固定磁化方向とフリー磁性層３６の磁化方向とが平行に近づき電気抵抗値が低下する。

一方、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と反対方向から外部磁界が作用してフリー磁性層３６の磁化方向が前記外部磁界方向に変動すると、固定磁性層３４の固定磁化方向とフリー磁性層３６の磁化方向とが反平行に近づき電気抵抗値が増大する。ＧＭＲ素子以外に、非磁性層３５が絶縁層で形成されたＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）を構成することも出来る。

図１，図２に示すように基板２上には複数の磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１８が形成されている。図１，図２に示すように、これら各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１８は左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の幅寸法よりも前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に沿って長く延出した形状となっている。各磁気抵抗効果素子Ｓ１−Ｓ１８で前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への長さ寸法が異なるが、これは、図２に示す入力端子（Ｖｄｄ）と第２出力端子（Ｖ２）間に直列に接続される複数の磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を合わせたトータルの素子長さと、入力端子（Ｖｄｄ）と第１出力端子（Ｖ１）間に直列に接続される複数の磁気抵抗効果素子Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を合わせたトータルの素子長さと、グランド端子（ＧＮＤ）と第２出力端子（Ｖ２）間に直列に接続される複数の磁気抵抗効果素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を合わせたトータルの素子長さと、グランド端子（ＧＮＤ）と第１出力端子（Ｖ１）間に直列に接続される複数の磁気抵抗効果素子Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８を合わせたトータルの素子長さとを同じとするためである。

図２に示すように各磁気抵抗効果素子Ｓ間は非磁性導電材料の接続部４にて電気的に接続されている。また図２に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ９の前方端部から非磁性導電材料で形成された配線層５が引き出されて、配線層５の右側端部に前記配線層５とは一体あるいは別体の入力端子（Ｖｄｄ）を構成する電極パッド６が形成されている。また、図２に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ１３，Ｓ１４の端部から非磁性導電材料で形成された配線層５が引き出されて、配線層５の右側端部に前記配線層５とは一体あるいは別体の第１出力端子（Ｖ１）を構成する電極パッド７が形成されている。また、図２に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ８，Ｓ１８の端部から非磁性導電材料で形成された配線層５が引き出されて、配線層５の右側端部に前記配線層５とは一体あるいは別体のグランド端子（ＧＮＤ）を構成する電極パッド８が形成されている。また、図２に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ３，Ｓ４の後方端部から非磁性導電材料で形成された配線層５が引き出されて、配線層５の右側端部に前記配線層５とは一体あるいは別体の第２出力端子（Ｖ２）を構成する電極パッド９が形成されている。

上記した接続部４，配線層５，電極パッド６〜９は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の非磁性導電材料で形成される。

図２に示すように、各磁気抵抗効果素子Ｓは接続部４を介して蛇行するように配置されており、図２に示す入力端子（Ｖｄｄ）と第２出力端子（Ｖ２）間、入力端子（Ｖｄｄ）と第１出力端子（Ｖ１）間、グランド端子（ＧＮＤ）と第２出力端子（Ｖ２）間、及びグランド端子（ＧＮＤ）と第１出力端子（Ｖ１）間に夫々、直列に接続された磁気抵抗効果素子Ｓトータルの素子長さを長くでき電気抵抗値を高めることができる。

図３に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ上から基板２上にかけて絶縁層１０が形成されている。絶縁層１０の上面１０ａはＣＭＰ技術等を用いて平坦化面に形成されている。

図３に示すように、絶縁層１０の上面１０ａには、複数の第１の軟磁性体３が形成されている。各第１の軟磁性体３は図１に示すように、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の幅寸法よりも前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に沿って長く延出した形状で形成される。各第１の軟磁性体３の前後方向への長さ寸法は同じである。図３に示すように、各第１の軟磁性体３の前方（Ｙ１）の端部が、左右方向（Ｙ１−Ｙ２）に平行に形成された第２の軟磁性体１１にて磁気的に接続されている。また、各第１の軟磁性体３の後方（Ｙ２）の端部が、左右方向（Ｙ１−Ｙ２）に平行に形成された第２の軟磁性体１２にて磁気的に接続されている。

図１に示す実施形態では、各第１の軟磁性体３と第２の軟磁性体１１，１２とが一体に形成されている。各第１の軟磁性体３及び第２の軟磁性体１１，１２はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。なお各第１の軟磁性体３と第２の軟磁性体１１，１２とを別体で形成することも可能であり、かかる場合、第１の軟磁性体３と第２の軟磁性体１１，１２とを異なる軟磁性材料で形成することができ、また、第１の軟磁性体３と第２の軟磁性体１１，１２との間に多少の間隔を設けてもよい（第１の軟磁性体３と第２の軟磁性体１１，１２とが磁気的に接続されていない）。ただし、各第１の軟磁性体３と第２の軟磁性体１１，１２とを一体に形成することが外部からの水平磁界成分に対する磁気シールド効果が大きく（後記）、しかも形成を容易化でき好適である。

図３に示すように、各第１の軟磁性体３の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）における幅寸法Ｔ１に比べて高さ寸法Ｔ２（高さ方向（Ｚ１−Ｚ２）における寸法）のほうが長く形成されている。Ｔ２／Ｔ１は、１．５〜４程度である。

図３に示すように、各第１の軟磁性体３は水平面に平行な上面３ａと下面３ｂと、上面３ａ及び下面３ｂ間を繋ぎ垂直面である側面３ｃ，３ｃとを有して構成される。なお側面３ｃ，３ｃは垂直面でなく下方に向けて徐々に幅寸法Ｔ１が広がる傾斜面とすることも出来る。図３に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ１は、第１の軟磁性体３の下面３ｂの左端部３ｂ１近傍に配置されている。一方、磁気抵抗効果素子Ｓ９，Ｓ１０は、第１の軟磁性体３の下面３ｂの右端部３ｂ２近傍に配置されている。

図１，図３に示すように、各磁気抵抗効果素子Ｓと第１の軟磁性体３との間には左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に間隔Ｔ３が設けられる（図３参照）。なお、多少、磁気抵抗効果素子Ｓと第１の軟磁性体３とが平面視にてオーバーラップしていてもよいが、磁気抵抗効果素子Ｓと第１の軟磁性体３とは非接触状態を維持する。

図１，図３に示すように、入力端子（Ｖｄｄ）と、第２出力端子（Ｖ２）間に直列接続される磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及び、第１出力端子（Ｖ１）とグランド端子（ＧＮＤ）間に直列接続される磁気抵抗効果素子Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８は、全て各第１の軟磁性体３に対して下面３ｂの左側端部３ｂ１近傍に配置され、第２出力端子（Ｖ２）とグランド端子（ＧＮＤ）間に直列接続される磁気抵抗効果素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８及び、入力端子（Ｖｄｄ）と第１出力端子（Ｖ１）間に直列接続される磁気抵抗効果素子Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３は、全て各第１の軟磁性体３に対して下面３ｂの右側端部３ｂ２近傍に配置されている。

また図３に示すように、第１の軟磁性体３と磁気抵抗効果素子Ｓとの間には高さ方向（Ｚ１−Ｚ２）に間隔Ｔ４が設けられる（図３参照）。

本実施形態では、各第１の軟磁性体３の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）における幅寸法Ｔ１は、３〜１０μｍ程度、高さ方向（Ｚ１−Ｚ２）における高さ寸法Ｔ２は、５〜１５μｍ程度、間隔Ｔ３は、−１〜１μｍ程度、間隔Ｔ４は、０．２〜０．５μｍ程度である。

図３に示すように、垂直磁界成分Ｈ１は、第１の軟磁性体３に集磁され、上面３ａから第１の軟磁性体３の内部に進入する。前記垂直磁界成分Ｈ１は、第１の軟磁性体３内を通過し、下面３ｂの端部３ｂ１，３ｂ２や端部３ｂ１，３ｂ２近傍（端部３ｂ１，３ｂ２に近い下面３ｂや側面３ｃ）から外方に発せられるときに、水平方向の磁界成分Ｈ２，Ｈ３に変換される（以下、右方向の磁界成分Ｈ２，左方向の磁界成分Ｈ３と称する場合がある）。磁界成分Ｈ２，Ｈ３の方向は、磁気抵抗効果素子Ｓの各層の界面に平行な方向であり、磁気抵抗効果素子Ｓは、磁界成分Ｈ２，Ｈ３の作用により抵抗値が変動する。

図５で説明したように各磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は右方向（Ｘ１）である。したがって、軟磁性体３から右方向の磁界成分Ｈ２が流入する磁気抵抗効果素子Ｓ（図３に示す磁気抵抗効果素子Ｓ９，Ｓ１０）はフリー磁性層３６の磁化方向が右方向（Ｘ１）を向くため、固定磁性層３４とフリー磁性層３６の磁化方向が同じとなり電気抵抗値が小さくなる。一方、軟磁性体３から左方向の変換磁界成分Ｈ３が流入する磁気抵抗効果素子Ｓ（図３に示す磁気抵抗効果素子Ｓ１）はフリー磁性層３６の磁化方向が左方向（Ｘ２）を向くため、固定磁性層３４とフリー磁性層３６の磁化方向が反平行となり電気抵抗値が大きくなる。図４に示すブリッジ回路では、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ１４〜Ｓ１８の電気抵抗値が小さくなり、磁気抵抗効果素子Ｓ４〜Ｓ８，Ｓ９〜Ｓ１３の電気抵抗値が大きくなる。このため、第１出力端子（Ｖ１）の電位は中点電位よりも小さくなり、第２出力端子（Ｖ２）での電位は中点電位よりも大きくなり、差動出力を得ることで、垂直磁界成分Ｈ１の検知が可能になる。

本実施形態におけるＺ軸磁気センサ１は、磁気抵抗効果素子Ｓと第１の軟磁性体３とを有して構成されるものであり、簡単な構成により、垂直磁界成分Ｈ１を検知することが可能になる。また磁気抵抗効果素子Ｓと第１の軟磁性体３との組み合わせは、後述するＸ軸磁気センサやＹ軸磁気センサでも同様に用いられるものであり３軸の磁気センサを構成するうえで、Ｚ軸磁気センサ１にだけ特別な部材が必要となるわけではない。したがって、安価に製造できる。またＺ軸磁気センサ１の小型化を促進できる。図１，図３に示すように、第１の軟磁性体３の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の幅寸法Ｔ１を短く形成でき、また第１の軟磁性体３の下面端部３ｂ１，３ｂ２近傍に、磁気抵抗効果素子Ｓを配置できる。したがって磁気抵抗効果素子Ｓ及び第１の軟磁性体３をコンパクトに配置できＺ軸磁気センサ１の小型化を促進できる。また、Ｚ軸磁気センサ１を、Ｘ軸磁気センサ及びＹ軸磁気センサと同程度の大きさで形成することができる。

本実施形態において垂直磁界成分Ｈ１を検知できるのは、第１の軟磁性体３に集磁された垂直磁界成分Ｈ１が第１の軟磁性体３内を通過し、下面端部３ｂ１，３ｂ２近傍から出るときに水平方向への磁界成分Ｈ２，Ｈ３に変換されるからである。この変換効率を高めるには、第１の軟磁性体３における高さ寸法Ｔ２の幅寸法Ｔ１に対するアスペクト比（Ｔ２／Ｔ１）を１．５倍〜４倍程度に大きくすることが必要である。これにより、第１の軟磁性体３の上面３ａや上面３ａに近い側面３ｃ，３ｃが上方向から下方向（Ｚ１方向からＺ２方向）に向かう垂直磁界成分Ｈ１の主たる集磁面として適切に機能し、一方、下面３ｂや下面３ｂに近い側面３ｃ，３ｃが、第１の軟磁性体３内を通過した磁界を放出する主たる放出面として機能し、このとき棒磁石等と同様に下面３ｂから磁界が周囲に広がって発生し、水平方向への磁界成分を磁気抵抗効果素子Ｓの近傍にて生じさせることが可能になる。

なお、アスペクト比の上限を４としたのは、４程度とすれば変換効率を非常に良好にでき、また４よりも大きくするとＺ軸磁気センサ１の低背化を阻害するためである。

本実施形態では、図１，図３に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓを第１の軟磁性体３の下面端部３ｂ１，３ｂ２の近傍に配置している。図３に第１の軟磁性体３の磁界強度を示す模式図が示されているが、下面端部３ｂ１，３ｂ２の近傍には強い磁界が発生しているため、磁気抵抗効果素子Ｓを下面端部３ｂ１，３ｂ２の近傍に配置することで、磁界強度が大きい水平方向への磁界成分Ｈ２，Ｈ３を磁気抵抗効果素子Ｓに作用させることが出来る。したがってセンサ出力を大きくでき、より効果的に垂直磁界成分Ｈ１を検知することが可能になる。

また本実施形態では図１，図３に示すように、複数の磁気抵抗効果素子Ｓが、第１の軟磁性体３の下面端部３ｂ１，３ｂ２近傍に夫々、配置されている。また、各磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は全て同じ方向に揃えられている。これにより、各磁気抵抗効果素子Ｓには外部からの水平磁界成分Ｈ４（図３参照）を検知しても、各磁気抵抗効果素子Ｓは全て同じ抵抗値を示すため、図４に示すフルブリッジ回路での出力端子Ｖ１，Ｖ２は中点電位のまま変動しない。一方、外部からの垂直磁界成分Ｈ１は第１の軟磁性体３にて水平方向への磁界成分Ｈ２，Ｈ３に変換されるが、第１の軟磁性体３の右側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓには、右方向の磁界成分Ｈ２が流入し、第１の軟磁性体３の左側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓには、左方向の磁界成分Ｈ３が流入する。このため第１の軟磁性体３の右側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓと左側に配置された磁気抵抗効果素子Ｓとで異なる抵抗変化を示し、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１８を用いて図４に示すブリッジ回路を組むことで、水平磁場成分Ｈ４の検知を抑制でき、一方、垂直磁界成分Ｈ１を適切に検出することが可能なＺ軸磁気センサ１を構成することが出来る。

また上記したように本実施形態では、全ての磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）を同じにできるから、全ての磁気抵抗効果素子Ｓを同じ基板２上に形成することができ、Ｚ軸磁気センサ１の製造を容易化できる。

また図１，図２に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１８及び第１の軟磁性体３は、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に平行に長く延びる形態であるが、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ１８は第１の軟磁性体３よりも短く形成される。このため第１の軟磁性体３の左右両側に磁気抵抗効果素子Ｓを配置するときに、磁気抵抗効果素子Ｓ１と磁気抵抗効果素子Ｓ９のように左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に相対向するように配置することも出来るし、磁気抵抗効果素子Ｓ１０，Ｓ２，Ｓ５のように、第１の軟磁性体３の前後方向にずらして（左右方向に相対向しないように）配置することもでき、磁気抵抗効果素子Ｓに対する配置の自由度が高い。

図１に示すように、第１の軟磁性体３は左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に間隔を空けて複数本、配列されている。そして図１の平面視に示すように、各第１の軟磁性体３の間に位置する磁気抵抗効果素子Ｓは、前記間隔内の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）における中心よりもどちらか一方の第１の軟磁性体３に寄って形成されている。例えば、磁気抵抗効果素子Ｓ９は、図１，図３に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ９から見て左側に位置する第１の軟磁性体３に寄っている。

図３に示すように各第１の軟磁性体３間には間隔Ｔ５が設けられており、具体的には、間隔Ｔ５は、１０〜２５μｍ程度である。また、磁気抵抗効果素子Ｓ９から見て離れた側にある右側の第１の軟磁性体３と前記磁気抵抗効果素子Ｓ９間の間隔Ｔ６は、７〜２２μｍ程度である。

このため図３に示す磁気抵抗効果素子Ｓ９には左側の第１の軟磁性体３からの右方向の磁界成分Ｈ２（第１の変換磁界成分）が流入するが、右側に位置する第１の軟磁性体３からの左方向の磁界成分Ｈ３（第２の変換磁界成分）は距離が離れているために流入せずあるいは流入しても小さく、磁気抵抗効果素子Ｓ９に供給された右方向の磁界成分Ｈ２が、左方向の変換磁界Ｈ３によりキャンセルされたりあるいは極端に小さくなるのを抑制でき、適切に垂直磁界成分Ｈ１を検知することが可能である。

また前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に長く延びる第１の軟磁性体３は、図１に示す前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に向く外部からの水平磁界成分Ｈ５を吸収し、水平磁界成分Ｈ５が磁気抵抗効果素子Ｓに流入しにくく出来る。

また本実施形態では、各第１の軟磁性体３の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側端部には左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に平行に延びる第２の軟磁性体１１，１２が設けられている。よって、第２の軟磁性体１１、１２にて、図１に示す左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に向く外部からの水平磁界成分Ｈ６を吸収でき、水平磁界成分Ｈ６が磁気抵抗効果素子Ｓに流入しにくく出来る。

このように、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）及び左右方向（Ｘ１−Ｘ２）からの水平磁界成分Ｈ５，Ｈ６を第１の軟磁性体３あるいは第２の軟磁性体１１，１２にて適切に吸収でき、磁気抵抗効果素子Ｓに対する外部からの水平磁界成分の影響をより効果的に小さくすることができる。よって磁気抵抗効果素子Ｓの水平磁界成分Ｈ５，Ｈ６に対する感度をより効果的に見かけ上、低下させることが可能になる。これにより、相対的に垂直磁界成分Ｈ１に対する感度を向上させることが可能になり、より効果的に垂直磁界成分Ｈ１を検知することが出来る。なお、水平磁界成分Ｈ５，Ｈ６が第２の軟磁性体１１，１２に吸収しきれず、その一部が磁気抵抗効果素子Ｓに流入しても、上記にて図３の水平磁界成分Ｈ４を用いて説明したように、各磁気抵抗効果素子Ｓの電気抵抗値をほぼ同じに出来、出力が出るのを抑制できる。このように本実施形態における磁気抵抗効果素子Ｓ、第１の軟磁性体３及び第２の軟磁性体１１，１２の構成により、より効果的に、水平磁界成分Ｈ５，Ｈ６を検知せず、垂直磁界成分Ｈ１のみを適切に検出することが可能なＺ軸磁気センサ１を構成することが可能になる。

図１１は本実施形態におけるＺ軸磁気センサ１を用いた印加磁界と出力との関係を示したグラフである。この実験には図１に示すＺ軸磁気センサ１の構造を使用した。図１１に示すようにＸ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向の各水平磁界が作用しても出力が非常に小さく、一方、垂直磁界（Ｚ方向の磁界成分）が作用することで出力変動が大きくなることがわかった。このように本実施形態のＺ軸磁気センサ１では、水平磁界成分に対する出力を極力小さくでき、垂直磁界成分のみを適切に検出できることがわかった。

図１０（ａ）は、Ｙ軸磁気センサ５０の平面図、図１０（ｂ）は、Ｙ軸磁気センサ５０をＢ−Ｂ線から高さ方向に切断し矢印方向から見た部分縦断面図を示す。

図１０（ａ）に示すように、図５と同じ積層構造で形成された素子部１４と中間永久磁石層６０とが左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に交互に形成され、左右方向の両側に位置する素子部１４の両側には、外側永久磁石層６５が設けられる。素子部１４、中間永久磁石層６０及び外側永久磁石層６５により帯状に延びる素子連設体６１が構成される。

図１０（ａ）に示すように、素子連設体６１は、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に間隔を空けて複数本並設され、各素子連設体６１の両端部に設けられた外側永久磁石層６５間が接続部６２にて接続されてミアンダ形状の磁気抵抗効果素子Ｓが構成されている。

この実施形態では、永久磁石層６０，６５から素子部１４に左右方向（Ｘ１−Ｘ２）へのバイアス磁界成分が作用している。よって素子部１４を構成するフリー磁性層３６の磁化は無磁場状態ではＸ１−Ｘ２方向に向けられている。一方、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）はＹ１−Ｙ２方向に向けられる。

図１０（ｂ）に示すように磁気抵抗効果素子Ｓは基板１６上に図示しない絶縁層を介して形成される。磁気抵抗効果素子Ｓ上はＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の絶縁層１７に覆われる。

図１０に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓを構成する各素子連設体６１の間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に軟磁性体１８が設けられている。軟磁性体１８は、各素子連設体６１と非接触で配置されている。軟磁性体１８は例えばスパッタやメッキにて薄膜形成される。軟磁性体１８は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成されるが、ＣｏＺｒＮｂで形成されることが好適である。

図１０（ｂ）に示すように、軟磁性体１８の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への幅寸法Ｔ７は、３〜１０μｍ程度で形成され、軟磁性体１８の高さ寸法Ｔ８は、０．５〜１．５μｍ程度で形成される。そして、Ｔ８／Ｔ７は、０．０５〜０．５程度である。このように、Ｙ軸磁気センサ５０に用いられる軟磁性体１８の高さ寸法Ｔ８は、Ｚ軸磁気センサ１に用いられる第１の軟磁性体３の高さ寸法Ｔ２に比べて小さく、幅寸法Ｔ７に対するアスペクト比（Ｔ８／Ｔ７）も小さい。このため、仮に、Ｙ軸磁気センサ５０に垂直磁界成分Ｈ１が作用しても、図３に示すように垂直磁界成分Ｈ１を水平方向への磁界成分Ｈ２，Ｈ３に変換する能力は小さく、Ｙ軸磁気センサ５０では垂直磁界成分Ｈ１を検知することはできない。一方、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に向く水平磁界成分Ｈ５が作用すると、各素子部１４のフリー磁性層３６の電気抵抗値が変動して、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への水平磁界成分Ｈ５を検知することができる。なお左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への水平磁界成分Ｈ６は、磁気シールドとなる軟磁性体１８に吸収されるため、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への水平磁界成分Ｈ６に対して素子部１４は見かけ上、感度が低下し、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への水平磁界成分Ｈ６を検知しない。このようにＹ軸磁気センサ５０は、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への水平磁界成分Ｈ５を検知する。

なお図示しないがＸ軸磁気センサは図１０（ａ）のＹ軸磁気センサ５０をＸ−Ｙ平面内にて９０度回転させた形態であり、Ｘ軸磁気センサは、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への水平磁界成分Ｈ６を検知する。

図６に示すように、本実施形態では、支持体７１上にＸ軸磁気センサ７０、Ｙ軸磁気センサ５０、Ｚ軸磁気センサ１を配置することが可能である。図６に示すように、Ｘ軸磁気センサ７０を構成する磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は、Ｘ１−Ｘ２方向、Ｙ軸磁気センサ５０を構成する磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は、Ｙ１−Ｙ２方向である。Ｚ軸磁気センサ１を構成する磁気抵抗効果素子Ｓの固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は、図６（ａ）に示すように、Ｙ１−Ｙ２方向であってもよいし、Ｘ１−Ｘ２方向であってもよいし、あるいは図６（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子ＳをＹ１−Ｙ２方向とＸ１−Ｘ２方向との間にて斜めに形成して、前記固定磁化方向（Ｐ方向）を斜めにしてもよい。

また図８に示すように、Ｚ軸磁気センサ１において、磁気抵抗効果素子Ｓと第１の軟磁性体３とを基板２の同一面上に形成してもよい。Ｘ軸磁気センサ７０、Ｙ軸磁気センサ５０についても同様である。また図３に示す絶縁層１０の上面１０ａを削り込み、その削り込んだ凹部上に前記第１の軟磁性体３を形成してもよい。これにより、第１の軟磁性体３の下面３ｂを図３よりも下方に下げることができる。

また図９に示すように、図１と違って、第２の軟磁性体１１，１２を設けず、各第１の軟磁性体３の間の間隔が前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に開放された形態とすることも可能である。

Ｈ１ 垂直磁界成分
Ｈ２、Ｈ３ 水平方向に変換された磁界成分
Ｈ４〜Ｈ６ 水平磁界成分
Ｐ 固定磁性層の固定磁化方向
Ｓ、Ｓ１〜Ｓ１８ 磁気抵抗効果素子
１ Ｚ軸磁気センサ
２、１６ 基板
３ 第１の軟磁性体
３ｂ （第１の軟磁性体の）下面
３ｂ１、３ｂ２ 下面端部
４ 接続部
５ 配線層
６〜９ 電極パッド
１０、１７ 絶縁層
１１、１２ 第２の軟磁性体
１４ 素子部
１８ 軟磁性体
３３ 反強磁性層
３４ 固定磁性層
３５ 非磁性層
３６ フリー磁性層
５０ Ｙ軸磁気センサ
７０ Ｘ軸磁気センサ
７１ 支持体

Claims (8)

1. 基板上に磁性層と非磁性層とが積層されて成る磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子と、外部からの垂直磁界成分を水平方向への磁界成分に変換し、前記水平方向へ変換された磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える前記磁気抵抗効果素子と非接触の軟磁性体と、を有することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体の下面端部の近傍に配置されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 複数の前記磁気抵抗効果素子が、前記軟磁性体の下面端部の両側近傍に夫々配置されている請求項２記載の磁気センサ。
4. 平面視にて直交する２方向の一方を前後方向、他方を左右方向としたとき、
   前記軟磁性体は前記前後方向に延出形成されており、前記磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体よりも短く形成され、複数の前記磁気抵抗効果素子が前記軟磁性体の前記左右方向の両側に配置されている請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層され磁化方向が変動可能なフリー磁性層とを有し、各磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は同じ方向であり、各磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が構成されている請求項３記載の磁気センサ。
6. 前記軟磁性体は、間隔を空けて複数本設けられ、平面視にて、前記間隔内に位置する前記磁気抵抗効果素子は、前記間隔の中心位置よりもどちらかの前記軟磁性体に寄って形成されている請求項１記載の磁気センサ。
7. 平面視にて直交する２方向の一方を前後方向、他方を左右方向としたとき、
   第１の軟磁性体は前記左右方向に間隔を空けて複数本設けられ、各第１の軟磁性体は、前記前後方向に延出形成されており、各第１の軟磁性体の前後方向の両端側に、前記左右方向に平行な第２の軟磁性体が形成されている請求項１記載の磁気センサ。
8. 前記基板上に前記磁気抵抗効果素子が形成され、前記磁気抵抗効果素子上から前記基板上にかけて絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記軟磁性体が形成されている請求項１記載の磁気センサ。

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