WO2010035873A1 - 磁界検出素子および信号伝達素子 - Google Patents

磁界検出素子および信号伝達素子 Download PDF

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WO2010035873A1
WO2010035873A1 PCT/JP2009/066948 JP2009066948W WO2010035873A1 WO 2010035873 A1 WO2010035873 A1 WO 2010035873A1 JP 2009066948 W JP2009066948 W JP 2009066948W WO 2010035873 A1 WO2010035873 A1 WO 2010035873A1
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magnetic field
bypass
magnetic
yoke
detection element
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PCT/JP2009/066948
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浩史 今谷
政昭 山元
真美子 仲
金田　安司
白川　究
Original Assignee
オムロン株式会社
財団法人電気磁気材料研究所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0011—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables comprising means, e.g. flux concentrators, flux guides, for guiding or concentrating the magnetic flux, e.g. to the magnetic sensor
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field detection element for detecting magnetic field strength and a signal transmission element for transmitting a signal by magnetic coupling.
  • a coil that generates a magnetic field according to an input signal and the strength of the magnetic field generated by the coil are detected by a bridge circuit including a magnetoresistive effect element (magnetic field detection element).
  • Magnetically coupled signal transmission elements are known.
  • the yoke made of a soft magnetic material having a large magnetic flux density is first magnetized, and the magnetic flux generated by the large magnetization is applied to the granular film showing a giant magnetoresistance effect.
  • Large electric resistance change can be realized with a small external magnetic field.
  • the magnetic field strength can be detected linearly by the non-linear magnetic flux increase characteristic accompanying the magnetization process of the soft magnetic material yoke film and the non-linear resistance value change characteristic in the magnetoresistive effect of the granular film.
  • the linear range is limited to a very narrow range.
  • Patent Document 3 discloses a technique for reducing a magnetic flux applied to a detection coil by providing a bypass in a magnetic path in order to detect a minute change in magnetic flux.
  • the range in which the change in magnetic flux can be detected is expanded by reducing the sensitivity, but the range of high linearity in the value of electrical resistance cannot be expanded, and the linearity of the magnetoresistive element is improved. I can't.
  • an object of the present invention is to provide a magnetic field detection element with high linearity and a signal transmission element with high linearity.
  • a magnetic field detection element is provided with a magnetoresistive effect portion made of a magnetoresistive effect material and electrically connected to both sides of the magnetoresistive effect portion.
  • a pair of yoke parts made of a soft magnetic material for supplying magnetic flux to the part, and part of the magnetic flux generated in the yoke part is guided to bypass the magnetoresistive effect part, so that the magnetic field strength is lower than that of the yoke part.
  • a bypass portion made of a soft magnetic material in which magnetic flux is saturated.
  • the bypass portion may be electrically insulated from the magnetoresistive effect portion and the yoke portion.
  • the bypass portion since the bypass portion is electrically separated, the electrical resistance of the magnetoresistive effect portion can be accurately detected, and the influence of the bypass portion on the detection accuracy is suppressed as much as possible.
  • the linearity of the change in electrical resistance with respect to the magnetic field strength of the part can be increased.
  • the magnetoresistive effect part and the yoke part are formed in a film shape on the same plane, and the bypass part at least partially overlaps the magnetoresistive effect part, It may be formed in a film shape with a gap between the yoke portion.
  • the semiconductor device can be manufactured by a general semiconductor manufacturing method in which a thin film material is laminated on a substrate by a fine processing technique.
  • reluctance of a magnetic path that bypasses the magnetoresistive effect portion via the bypass portion between the yoke portions at a magnetic field intensity at which the magnetic flux of the bypass portion is not saturated may be smaller than the reluctance of the magnetoresistive effect portion.
  • the bypass portion may partially saturate the magnetic flux with different magnetic field strengths.
  • the magnetic flux bypass ratio can be changed so that the resistance change characteristic of the magnetoresistive effect portion with respect to the external magnetic field becomes linear each time a part of the bypass portion is saturated.
  • the bypass portion may include portions having different lengths in the direction in which the magnetic flux is guided.
  • the magnetic field intensity at which the magnetic flux is saturated can be partially varied depending on the planar shape of the bypass portion.
  • the signal transmission element includes any one of the magnetic field detection elements and a coil that applies a magnetic field to the magnetic field detection element in accordance with an input signal.
  • the bypass part when the external magnetic field strength is low and the bypass part is not saturated, a part of the magnetic flux generated by the yoke part by the external magnetic field passes through the bypass part, and the magnetic flux passing through the magnetoresistive effect part is reduced.
  • the bypass portion when the external magnetic field increases, the bypass portion is saturated first, and all the magnetic flux generated in the yoke portion passes through the magnetoresistive effect portion. As a result, the shape of the electric resistance change curve of the magnetoresistive effect portion is deformed to improve the linearity.
  • FIG. 14 is a diagram showing a change in electric resistance with respect to the magnetic field intensity of the magnetic field detection element of FIGS. It is a perspective view of the magnetic field detection element of 6th Embodiment of this invention. It is a perspective view of the magnetic field detection element of 7th Embodiment of this invention.
  • FIG. 18 is a BH diagram of a material forming a bypass portion of the magnetic field detection element of FIG. It is a figure which shows the electrical resistance change with respect to the magnetic field intensity by the difference in the material of the bypass part of the magnetic field detection element of FIG. It is a side view of the magnetic field detection element of 8th Embodiment of this invention. It is a side view of the magnetic field detection element of 9th Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a circuit configuration of a signal transmission element (magnetically coupled isolator) 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the signal transmission element 1 is magnetically coupled to the primary side circuit 4 and the primary side circuit 4 having two exciting coils 3a and 3b that generate a magnetic field according to the currents input to the input terminals 2a and 2b.
  • the secondary side circuit 6 outputs a voltage corresponding to the input voltage to the output terminals 5a and 5b.
  • the secondary side circuit 6 includes two magnetic field detecting elements 7a and 7b whose electric resistance values change according to the strength of the magnetic field generated by the exciting coils 3a and 3b, and two fixed resistors 8a whose electric resistance values do not change. , 8b and connected to the power source Vcc.
  • FIG. 2 (plan view) shows a practical shape of the signal transmission element 1.
  • the signal transmission element 1 is formed by laminating each component on a silicon substrate 9 having an insulating film formed on the surface thereof.
  • the exciting coils 3a and 3b are formed so as to surround the magnetic field detecting elements 7a and 7b, respectively.
  • the magnetic field detecting elements 7a and 7b are magnetoresistive effect parts (hereinafter referred to as MR parts) 10a and 10b made of giant magnetoresistive effect materials.
  • the yoke portions 11a, 12a and 11b, 12b made of a soft magnetic material are arranged on both sides of the MR portions 10a, 10b so as to keep electrical contact.
  • This yoke part has an electrical resistivity that is significantly lower than that of the giant magnetoresistive material, and also serves as an electrode for supplying current to the MR part (so-called GIG).
  • the yoke portions 11a, 12a and 11b, 12b partially overlap the MR portions 10a, 10b, and a gap d is provided between the MR portions 10a, 10b and the yoke portions 11a, 12a, 11b, 12b.
  • bypass portions 13a and 13b made of a soft magnetic material, which are electrically insulated. Excitation coils 3a and 3b are arranged so as to wind outside the magnetic field detection elements 7a and 7b.
  • the gap d between the bypass parts 13a, 13b and the MR parts 10a, 10b and the yoke parts 11a, 12a, 11b, 12b may be an air layer, but actually, the bypass parts 13a, 13b and MR
  • Examples of the giant magnetoresistive material forming the MR portions 10a and 10b include nano granular thin film materials such as Co 39 Y 14 O 47 , Co 43 Al 24 O 33, and Co 35 Mg 20 F 45.
  • the specific electrical resistivity is 3 ⁇ 10 6 ⁇ m, 0.4 ⁇ 10 3 ⁇ m, and 1 ⁇ 10 6 ⁇ m.
  • Co X- (Y 2 O 3 ) (100-X) -based nanogranular alloys Co X- (Al 2 O 3 ) (100-X) -based nanogranular alloys, Co X- (Sm 2 O 3 ) (100-X) nanogranular alloy, Co X- (Dy 2 O 3 ) (100-X) nanogranular alloy, (FeCo) X- (Y 2 O 3 ) (100-X) Fluoride nano-granular such as nano-granular alloy, Fe) X- (MgF 2 ) (100-X) , (FeCo) X- (MgF 2 ) (100-X) , Fe X- (CaF 2 ) (100-X) Alloys can be used. In the description of the present application, the composition ratio is at%.
  • Examples of the soft magnetic material forming the yoke parts 11a, 12a, 11b, 12b and the bypass parts 13a, 13b include Co 77 Fe 5 Si 9 B 8 and Fe 78.5 Ni 21.5. Typical electrical specific resistances are 1.15 ⁇ m and 0.16 ⁇ m.
  • Other soft magnetic materials include permalloy (40-90% Ni—Fe alloy), sendust (Fe 74 Si 9 Al 17 ), hard palm (Fe 12 Ni 82 Nb 6 ), Co 88 Nb 6 Zr 6 amorphous alloy.
  • the yoke parts 11a, 11b and 12a, 12b are, for example, rectangular with a length in the longitudinal direction (magnetic flux direction) of the coil of 250 ⁇ m, a width of 80 ⁇ m, and a thickness of 0.5 ⁇ m, and the ends of each pair are 1 ⁇ m. They are formed in a film on the same plane so as to face each other with a gap G therebetween.
  • the MR portions 10a and 10b are formed to be electrically connected between the gaps G of the yoke portions 11a and 12a and 11b and 12b.
  • the bypass portions 13a and 13b have, for example, a length of 5 ⁇ m, a width of 5 ⁇ m, and a thickness of 0.1 ⁇ m, and 0.1 ⁇ m between the MR portions 10a and 10b and the yoke portions 11a, 12a, 11b, and 12b.
  • the gap d is formed.
  • FIG. 5 shows a configuration (magnetic circuit diagram) as a magnetic path reluctance of the magnetic field detection elements 7a and 7b.
  • the exciting coils 3a and 3b are generated, and the magnetic flux generated by the yoke portions 11a, 11b, 12a and 12b is initially transferred to the MR portions 10a and 10b and the bypass portions 13a and 13b.
  • the bypass parts 13a and 13b pass through the MR parts 10a and 10b by attracting a part of the large number of magnetic fluxes generated by the yoke parts 11a, 11b, 12a and 12b and bypassing the MR parts 10a and 10b. Reduce the number of magnetic flux.
  • the values of the reluctances R YOK , R GMR , and R BPS vary depending on the magnetic field strength.
  • the value of reluctance increases as the number of magnetic fluxes passing through increases in magnetic field strength. Since the magnetic flux saturates at a certain magnetic field strength, the reluctance value increases at a much larger rate than when the magnetic field strength is low, and the number of magnetic fluxes passing through further increases when fully saturated. No longer.
  • the reluctance R BPS of the bypass portions 13a and 13b increases rapidly with a lower magnetic field than other reluctances.
  • the reluctance R GMR of the MR units 10a and 10b is such that the length (magnetic path length) in the direction in which the magnetic flux of the MR units 10a and 10b is applied is G GMR , and the magnetic permeability of the MR units 10a and 10b is ⁇ GMR .
  • the thickness of the MR portions 10a and 10b can be expressed by the following equation, where t GMR is the thickness and the width (magnetic path width) of the MR portions 10a and 10b is W GMR .
  • R GMR G GMR / ( ⁇ GMR ⁇ t GMR ⁇ W GMR )
  • FIG. 6 shows a simulation result of a change in electric resistance between the yoke portions 11a and 11b including the MR portions 10a and 10b and the yoke portions 12a and 12b with respect to the intensity of the input magnetic field applied to the magnetic field detection elements 7a and 7b. Is shown as an MR ratio with the resistance when the magnetic field intensity is zero being taken as 100%. In the drawing, it is shown in comparison with the electric resistance of a magnetic field detecting element having a conventional configuration that includes only the MR portions 10a and 10b and the yoke portions 11a, 11b, 12a, and 12b and does not have the bypass portions 13a and 13b.
  • bypass parts 13a and 13b are electrically insulated from the MR parts 10a and 10b and the yoke parts 11a, 11b, 12a and 12b, they do not affect the electric resistance of the electric circuit including the MR parts 10a and 10b.
  • a nano granular film made of (FeCo) 30- (MgF 2 ) 70 having an MR ratio of 14% at 10 KOe is used as the MR portion 10
  • the magnetic flux density at 10 KOe is 12 KG as the yoke portions 11 and 12.
  • An amorphous Co 78 Fe 4 Si 9 B 9 film having a uniaxial induction magnetic anisotropy of about 20 Oe in the width direction and a magnetic permeability changing substantially linearly from a zero magnetic field to a saturation magnetic field was used.
  • the bypass portion 13 is made of an amorphous film made of the same material as that of the yoke portions 11 and 12.
  • the change characteristic of the MR ratio (the shape of the diagram) is expanded in the horizontal direction as compared with the conventional case.
  • the cross-sectional area (thickness ⁇ width) of the bypass portions 13a, 13b is sufficiently smaller than the cross-sectional area (thickness ⁇ width) of the yoke portions 11a, 11b, 12a, 12b, the input magnetic field becomes stronger.
  • the number of magnetic fluxes formed by the exciting coils 3a and 3b increases (the magnetic field strength applied to the magnetic field detecting elements 7a and 7b is increased by the exciting coils 3a and 3b), the bypass portions 13a and 13b saturate the magnetic flux. As a result, the magnetic flux can no longer be induced.
  • the magnetic field detection elements 7a and 7b when the strength of the input magnetic field is further increased, the bypass portions 13a and 13b are completely saturated before the yoke portions 11a, 11b, 12a, and 12b. As a result, after the bypass portions 13a and 13b are completely saturated, the increase in magnetic flux generated in the yoke portions 11a, 11b, 12a, and 12b passes through the MR portions 10a and 10b.
  • the reduction in the rate of change in electrical resistance due to the increase in reluctance of the MR portions 10a, 10b and the yoke portions 11a, 11b, 12a, 12b is compensated, and a highly linear change characteristic of the electrical resistance (MR ratio) is obtained. be able to. That is, the magnetic field detection elements 7a and 7b including the bypass portions 13a and 13b have a wider range in which good linearity can be obtained in the change characteristic of the electric resistance (MR ratio) with respect to the change of the input magnetic field than the conventional ones.
  • the ratio of the magnetic flux generated in the yoke portions 11a, 11b, 12a, and 12b to the bypass portions 13a and 13b and bypassing the MR portions 10 and 10b is low, the MR ratio characteristics of the MR portions 10a and 10b are reduced. Therefore, when the magnetic field strength is low, the reluctance (2R YOK + 2R GAP + R GMR ) between the yoke portions 11a-12a and 11b-12b via the 12b bypass portions 13a and 13b is reduced.
  • the reluctance (2R YOK + R GMR ) of the magnetic path through the MR units 10a and 10b is preferably small.
  • the gap G is formed from the yoke portions 11 and 12 in which the thickness of the opposing end portions forming the gap G is tapered and the taper portion on one side of the yoke portions 11 and 12.
  • the MR section 10 is formed by filling a magnetoresistive effect material by the middle of the above, and the bypass section 13 is formed so as to overlap the MR section 10 via an insulating film (not shown).
  • the yoke portions 11 and 12 are opposed to each other by forming a gap G having a length of 250 ⁇ m, a width of 80 ⁇ m, a thickness of 0.5 ⁇ m, and a thickness of 0.5 ⁇ m in a direction in which the magnetic flux is guided (a direction in which the MR portion 10 is sandwiched). . Further, the yoke portions 11 and 12 have a surface on the bypass portion 13 side inclined in a taper shape over the length of 2 ⁇ m from the end surface on the MR portion 10 side in the direction of guiding the magnetic flux, thereby forming a gap G. The thickness of the end is 0.3 ⁇ m.
  • the bypass portion 13 has a length in the direction of guiding the magnetic flux of 5 ⁇ m, that is, equal to the entire length including the portions covering the taper portions of the yoke portions 11 and 12 of the MR portion 10.
  • a gap d between the MR portion 10 and the bypass portion 13 is 0.05 ⁇ m.
  • a nano granular film having a film thickness of 0.3 ⁇ m in a gap G made of (FeCo) 30 — (MgF 2) 70 having an MR ratio of 10% at 10 KOe is used as the MR portion 10.
  • amorphous Co 78 Fe 4 Si 9 having a magnetic flux density of 12 KG at 10 KOe, uniaxial induction magnetic anisotropy of about 20 Oe in the width direction, and permeability changing substantially linearly from a zero magnetic field to a saturated magnetic field.
  • B 9 film was used.
  • the bypass portion 13 is made of the same material amorphous film as the yoke portions 11 and 12.
  • the thickness of the bypass portion 13 of the magnetic field detection element 7c of this embodiment is 0.2 ⁇ m, and the width of the bypass portion 13 is 80 ⁇ m, which is the same as that of the yoke portions 11 and 12, respectively, 40 ⁇ m, which is half, and 1 ⁇ 4.
  • strength of the input magnetic field of the electrical resistance (MR ratio) between the yoke part 11 including the MR part 10 and the yoke part 12 in the case of 20 ⁇ m and 10 ⁇ m of 1/8 is shown.
  • the bypass portion 13 extends the MR ratio curve in the horizontal axis direction. After the input magnetic field is strengthened and the bypass unit 13 is completely saturated, a curve is drawn that substantially matches the curve of the conventional magnetic field detection element without the bypass unit moved in the horizontal axis direction. Furthermore, in the present embodiment, the yoke portions 11 and 12 are also saturated at a magnetic field strength of about 20 (Oe). For this reason, at a magnetic field strength higher than this, the reduction rate of the MR ratio is greatly reduced.
  • the width of the bypass portion 13 is wider, the number of magnetic fluxes that bypass the bypass portion is increased, and the behavior changes greatly in a non-linear manner as the number of magnetic fluxes increases, so that the strength of the input magnetic field is saturated. Since the effect of improving the linearity at is increased, the range in which the MR ratio is linear is widened. At the same time, as the width of the bypass portion 13 is wider, the number of magnetic fluxes that bypass the bypass portion is increased, so that the rate of change of the MR ratio with respect to the change of the input magnetic field is reduced.
  • the linear range of the magnetic field strength that improves the MR ratio characteristics by the bypass portion 13 must be lower than the magnetic field strength at which the yoke portions 11 and 12 are saturated. That is, in this embodiment, when the linear range is made the widest, the linear range is from when the bypass portion 13 starts to saturate until the yoke portions 11 and 12 start to saturate.
  • the width of the bypass portion 13 of the magnetic field detection element 7c of the present embodiment is 80 ⁇ m
  • the thickness of the bypass portion 13 is 0.2 ⁇ m, 0.1 ⁇ m, and there is no bypass portion.
  • strength of the input magnetic field of the electrical resistance (MR ratio) between the yoke part 11 containing the MR part 10 and the yoke part 12 is shown.
  • the curve of the MR ratio when the width of the bypass portion 13 is 80 ⁇ m and the thickness is 0.1 ⁇ m is MR when the width of the bypass portion 13 is 40 ⁇ m and the thickness is 0.2 ⁇ m in FIG. It almost coincides with the ratio curve. That is, when other conditions are constant, the MR ratio characteristics are substantially the same if the cross-sectional area of the bypass portion 13 is the same.
  • the ease of saturation of the magnetic fluxes of the yoke parts 11 and 12 and the bypass part 13 also depends on the respective cross-sectional areas.
  • the cross-sectional area of the bypass part 13 should be smaller than the cross-sectional area of the yoke parts 11 and 12.
  • the cross-sectional area here refers to an effective cross-sectional area that limits the number of magnetic fluxes passing through each.
  • the reluctance (2R YOK + 2R GAP + R GMR) via the bypass unit 13 is selected by selecting the ratio between the cross-sectional area of the bypass unit 13 and the cross-sectional area of the yoke units 11 and 12. ) And the reluctance (2R YOK + R GMR ) of the magnetic path through the MR unit 10 can be adjusted.
  • the reluctance (2R YOK + 2R GAP + R GMR) via the bypass unit 13 can also be obtained by changing the overlapping area of the bypass unit 13 and the yoke units 11 and 12 as viewed from above. ) And the reluctance (2R YOK + R GMR ) of the magnetic path through the MR unit 10 can be adjusted.
  • the reluctance R GAP between the bypass portion 13 and the yoke portions 11 and 12 is also changed by changing the size of the gap d between the bypass portion 13 and the yoke portions 11 and 12. it can.
  • the bypass unit 13 is disposed so as to overlap one side of the MR unit 10, but the bypass unit 13 bypasses the MR unit 10 by inducing magnetic flux generated in the yoke units 11 and 12. Any form may be used as long as it is allowed.
  • the bypass portion 13 may be disposed on both sides or sides of the MR portion 10 (gap G between the yoke portions 11 and 12). Further, when the MR portion 10 occupies only a part of the gap G between the yoke portions 11 and 12, the bypass portion 13 may be disposed in the gap G between the yoke portions 11 and 12.
  • FIG. 11 shows a magnetic field detection element 7d according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 12 shows a magnetic field detection element 7e according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 13 shows a fifth embodiment of the present invention.
  • the magnetic field detection element 7f which is a form is shown.
  • the magnetic field detection element 7 d of the third embodiment is the same as that of the second embodiment except that the bypass portion 13 overlaps only the gap G portion of the MR portion 10.
  • the configuration is the same as that of the element 7c.
  • the bypass portion 13 of the magnetic field detection element 7d of the third embodiment is replaced with the length direction of the yoke portions 11 and 12, that is, the bypass portion 13 is a magnetic flux.
  • the bypass portion 13 has both ends in the width direction (a direction orthogonal to the direction in which the magnetic flux is guided) overlaps only the gap G portion, but is longer in the direction in which the magnetic flux is guided toward the inner side in the width direction.
  • the central portion of the direction has a substantially cross star shape that protrudes in a triangular shape and extends to a position where the tip faces the taper start portion of the yoke portions 11 and 12.
  • the magnetic field detection element 7f of the fifth embodiment is obtained by making the star shape of the bypass portion 13 of the magnetic field detection element 7e of the fourth embodiment more extreme, and the bypass of this embodiment.
  • the part 13 is pointed so that both ends in the width direction are zero in the direction of guiding the magnetic flux, and the triangular protrusion at the center in the width direction has a sharp shape with a small apex angle. That is, the length in the direction in which the bypass portion 13 guides the magnetic flux changes extremely.
  • FIG. 14 shows the magnetic field detection elements 7d, 7e, and 7f, and the conventional magnetic field detection element including only the MR section 10 and the yoke sections 11 and 12 without the bypass section 13, and the yoke section 11 and the yoke including the MR section 10.
  • 6 shows a simulation result of a change characteristic with respect to the intensity of an input magnetic field of an electrical resistance (MR ratio) between the unit 12 and the part 12.
  • the bypass unit 13 starts to saturate (the number of magnetic fluxes to be captured does not increase in proportion to the magnetic field strength) about 10 ( Up to Oe), the reduction rate of the MR ratio is small and the linearity is low.
  • the MR ratio is wide in a wide range from when the magnetic field strength is low to about 20 (Oe) at which the yoke portions 11 and 12 start to saturate. Decreases linearly, and the linearity is greatly improved as compared with the magnetic field detecting element 7d of the third embodiment.
  • the bypass portion 13 of the magnetic field detection elements 7e and 7f protrudes at the center in the width direction, when the input magnetic field is weak, the magnetic flux is attracted to this portion, and the magnetic flux is concentrated at the center in the width direction. For this reason, the width direction center part of the bypass part 13 is saturated earlier than another part with low magnetic field intensity
  • bypass portion 13 may be divided into a plurality of separated portions having different lengths in the direction in which the magnetic flux is guided. Moreover, you may change the thickness of the bypass part 13 to the width direction like the magnetic field detection element 7h of 7th Embodiment of this invention shown in FIG.
  • the shape of the curve of the electrical resistance change with respect to the magnetic field strength of the MR section 10 can also be changed by changing the material of the bypass section 13.
  • the bypass portion 13 of the magnetic field detection element 7i according to the eighth embodiment of the present invention shown in FIG. 17 is formed of different soft magnetic materials, and the difference in MR ratio change characteristics is verified.
  • the bypass portion 13 of the magnetic field detecting element 7i has a length of 5 ⁇ m, which is equal to the entire length of the MR portion 10, a thickness of 0.2 ⁇ m, a width of 80 ⁇ m which is equal to the MR portion 10 and the yoke portions 11, 12, and the MR portion 10 Is 0.05 ⁇ m.
  • FIG. 18 shows BH curves (changes in the number of magnetic fluxes with respect to the magnetic field strength) of three types of soft magnetic materials forming the bypass portion 13.
  • the normal material is a normal soft magnetic material thin film formed of a metal material under an orientation magnetic field, for example, an amorphous Co 78 Fe 4 Si 9 B 9 film, as in the yoke parts 11 and 12.
  • the first alternative material has the same composition as that of the yoke portions 11 and 12, but is different from the normal magnetic material manufacturing method in that it is formed while applying a random orientation magnetic field and uniaxially induced magnetic anisotropy is removed. .
  • the first alternative material has a non-linear BH characteristic such that the increasing rate of the magnetic flux density with respect to the increase of the input magnetic field gradually decreases.
  • the second alternative material is a random material obtained by adding more nonmagnetic elements such as Si and B to the material used in the yoke portions 11 and 12 such as Co 65 Fe 3 Si 15 B 17. Formed in a strong orientation magnetic field.
  • the second alternative material seems to have compressed the BH characteristic of the first alternative material by about one-half in the vertical axis direction so that the magnetic flux density with respect to the input magnetic field strength is halved. It is a characteristic.
  • FIG. 19 shows a yoke portion 11 including an MR portion 10 and a yoke portion for a magnetic field detecting element 7i in which the bypass portion 13 is formed of a material having different magnetic characteristics shown in FIG. 18 and a conventional magnetic field detecting element having no bypass portion.
  • the simulation result of the change with respect to the magnetic field intensity of the electrical resistance (MR ratio) between 12 is shown.
  • the bypass portion 13 made of the first alternative material can improve the linearity of the MR ratio as compared with the bypass portion 13 made of the normal material.
  • the bypass portion 13 made of the second alternative material is considered to give substantially the same MR ratio characteristics as those obtained by halving the cross-sectional area of the bypass portion 13 made of the first alternative material.
  • the non-linearity of the MR portion 10 and the yoke portions 11 and 12 can be more appropriately canceled out, and the yoke including the MR portion 10
  • the electric resistance (MR ratio) between the portion 11 and the yoke portion 12 can be changed linearly with respect to the magnetic field strength.
  • the crystal size and orientation may be varied depending on conditions such as a heat treatment method, thin film forming speed, temperature, and atmosphere gas. There is a way to adjust.
  • the material composition cobalt / iron-based amorphous materials, nickel / iron-based materials, iron / silicon-based materials, iron / silicon / aluminum-based materials, and the like can be applied.
  • the bypass portion 13 may be formed by arranging a plurality of materials having different magnetic characteristics in the direction in which the magnetic flux is guided.
  • the bypass unit 13 as a whole compensates for the non-linearity of the MR unit 10 and the yoke units 11 and 12 with respect to the magnetic field strength by changing the bypass amount nonlinearly with respect to the BH characteristics, that is, the magnetic field strength change. It can have properties that can be done.
  • the insulating film (insulating layer) 14 that insulates the MR section 10, the yoke sections 11 and 12, and the bypass section 13 is electrically conductive.
  • the number of magnetic fluxes bypassed by the bypass section 13 is also changed non-linearly by forming it with a semiconducting magnetic material having a very low rate, small magnetic permeability, and non-linear magnetic characteristics (BH curve).
  • the nonlinearity of the MR portion 10 and the yoke portions 11 and 12 can be compensated.
  • the material of the insulating film 14 include a MnZn ferrite film, a NiZn ferrite film, a CuZn ferrite film, and a CuZnMg ferrite film.

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Abstract

　磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部１０ａと、磁気抵抗効果部１０ａの両側に接続して配設され、磁気抵抗効果部１０ａに磁束を供給する、軟磁性材料からなる一対のヨーク部１１ａ，１２ａとを有する磁界検出素子７ａの線形性を高めるために、ヨーク部１１ａ，１２ａに発生した磁束の一部を誘導して磁気抵抗効果部１０ａを迂回させ、ヨーク部１１ａ，１２ａよりも低い磁界強度で磁束が飽和する、軟磁性材料からなるバイパス部１３ａを設ける。

Description

磁界検出素子および信号伝達素子
　本発明は、磁界強度を検出する磁界検出素子、および、磁気的結合により信号を伝達する信号伝達素子に関する。
　例えば、特許文献１に記載されているように、入力信号に応じた磁界を発生させるコイルと、コイルが発生した磁界の強度を、磁気抵抗効果素子（磁界検出素子）を含むブリッジ回路で検出する磁気結合型の信号伝達素子が公知である。
　また、特許文献２に記載されているように、巨大磁気抵抗効果（外部磁界により数％以上の電気抵抗変化を示す物質の総称）を示すグラニュラー膜の電気抵抗の変化率感度を高めるために、巨大磁気抵抗効果を示すグラニュラー膜の両側に大きな磁束を供給する軟磁性材料からなるヨーク膜の対を配置するグラニュラーインギャップ（ＧＩＧ）構造も周知である。
　そのようなＧＩＧ構造においては、外部磁界が印加されると、真っ先に大きな磁束密度を有する軟磁性材料からなるヨークが磁化し、その大きな磁化により発生した磁束が巨大磁気抵抗効果を示すグラニュラー膜に流入し、小さな外部磁界で大きな電気抵抗変化を実現できる。一方、ＧＩＧ構造では、軟磁性材料ヨーク膜の磁化過程に伴う非線形的な磁束の増加特性と、グラニュラー膜の磁気抵抗効果における非線形的な抵抗値の変化特性とにより、磁界強度をリニアに検出できる線形範囲が著しく狭い範囲に限定されている。
　特許文献３には、微小な磁束変化を検出するために、磁路にバイパスを設けることで、検出コイルに印加される磁束を低減する技術が開示されている。この技術では、感度を低下させることで磁束変化を検出できる範囲を拡げているが、電気抵抗の値において線形性の高い範囲を拡げることはできず、磁気抵抗効果素子の線形性を改善することはできない。
特表２０００－５１６７１４号公報 特開２００４－３５４１８１号公報 特開平８－２７９１１２号公報
　前記問題点に鑑みて、本発明は、線形性の高い磁界検出素子、および、線形性の高い信号伝達素子を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために、本発明による磁界検出素子は、磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部と、前記磁気抵抗効果部の両側に電気的に接続して配設され、前記磁気抵抗効果部に磁束を供給する、軟磁性材料からなる一対のヨーク部と、前記ヨーク部に発生した磁束の一部を誘導して前記磁気抵抗効果部を迂回させ、前記ヨーク部よりも低い磁界強度で磁束が飽和する、軟磁性材料からなるバイパス部とを有するものとする。
　この構成によれば、外部磁界強度が低くバイパス部が未飽和状態では、外部磁界によりヨーク部に発生した磁束の一部がバイパス部を通過し、磁気抵抗効果部を通る磁束が減じられる。一方、外部磁界が増加するとバイパス部がヨーク部より先に飽和し、ヨーク部に発生した磁束の増加分はすべて磁気抵抗効果部を通過する。結果として、磁気抵抗効果部の電気抵抗変化曲線の形状を変形させて線形性を向上させる。
　また、本発明の磁界検出素子において、前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部と電気的に絶縁されてもよい。
　この構成によれば、バイパス部が電気的に切り離されているので、磁気抵抗効果部の電気抵抗を正確に検出することができ、バイパス部が検出精度に与える影響を極力抑えて、磁気抵抗効果部の磁界強度に対する電気抵抗の変化の線形性を高くできる。
　また、本発明の磁界検出素子において、前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部は、同一平面上に膜状に形成され、前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部と少なくとも部分的に重なるように、前記ヨーク部との間に隙間を空けて膜状に形成されていてもよい。
　この構成によれば、基板上に微細加工技術によって薄膜材料を積層する一般的な半導体製造方法で製造できる。
　また、本発明の磁界検出素子は、前記バイパス部の磁束が飽和しない磁界強度において、前記ヨーク部の間の、前記バイパス部を介して前記磁気抵抗効果部を迂回する磁路のリラクタンスが、前記磁気抵抗効果部のリラクタンスより小さくてもよい。
　この構成によれば、磁界強度が低いときに多くの磁束が磁気抵抗効果部を迂回するので、バイパス部による磁気抵抗効果部の抵抗変化特性に与える影響が大きく、線形性を大きく改善できる。
　また、本発明の磁界検出素子において、前記バイパス部は、部分的に、異なる磁界強度で磁束が飽和してもよい。
　この構成によれば、バイパス部の一部が飽和する度に、外部磁界に対する磁気抵抗効果部の抵抗変化特性を線形にするように磁束のバイパスする割合を変化させられる。
　また、本発明の磁界検出素子において、前記バイパス部は、磁束を案内する方向の長さが異なる部分を含んでもよい。
　この構成によれば、バイパス部の平面的形状によって、磁束の飽和する磁界強度を部分的に異ならせることができる。
　また、本発明による信号伝達素子は、前記磁界検出素子のいずれかと、入力信号に応じて前記磁界検出素子に磁界を印加するコイルとを有するものとする。
　この構成によれば、入力と出力の伝達効率が良く、かつ、本発明によって線形性の良い入出力伝達も可能なため、結果的に高品位の信号伝達ができる。
　本発明によれば、外部磁界強度が低くバイパス部が未飽和状態では、外部磁界によりヨーク部が発生した磁束の一部がバイパス部を通過し、磁気抵抗効果部を通る磁束が減じられる。一方、外部磁界が増加するとバイパス部が先に飽和し、ヨーク部に発生した磁束はすべて磁気抵抗効果部を通過する。結果として、磁気抵抗効果部の電気抵抗変化曲線の形状を変形させ線形性を向上させる。
本発明の第１実施形態の信号伝達素子の電気回路図である。 図１の信号伝達素子の平面図である。 図２の磁界検出素子の斜視図である。 図３の磁界検出素子の平面図である。 図３の磁界検出素子の磁路リラクタンス図である。 図３の磁界検出素子の磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第２実施形態の磁界検出素子の側面図である。 図７の磁界検出素子の斜視図である。 図７の磁界検出素子のバイパス部の幅を変更したときの磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 図７の磁界検出素子のバイパス部の厚さを変更したときの磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第３実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第４実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第５実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 図１１～１３の磁界検出素子の磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第６実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第７実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第８実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 図１７の磁界検出素子のバイパス部を形成する材料のＢ－Ｈ線図である。 図１７の磁界検出素子のバイパス部の材料の違いによる磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第８実施形態の磁界検出素子の側面図である。 本発明の第９実施形態の磁界検出素子の側面図である。
　これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の信号伝達素子（磁気結合型アイソレータ）１の回路構成を示す。信号伝達素子１は、入力端子２ａ，２ｂに入力された電流に応じて磁界を発生させる２つの励磁コイル３ａ，３ｂを有する１次側回路４と、１次側回路４と磁気的に結合し、出力端子５ａ，５ｂに入力電圧に応じた電圧を出力する２次側回路６とを有する。
　２次側回路６は、励磁コイル３ａ，３ｂが発生した磁界の強度に応じて電気抵抗の値が変化する２つの磁界検出素子７ａ，７ｂと、電気抵抗の値が変化しない２つの固定抵抗８ａ，８ｂとで構成され、電源Ｖｃｃに接続されたブリッジ回路である。
　図２（平面図）に、信号伝達素子１の実際的形状を示す。信号伝達素子１は、表面に絶縁皮膜が形成されたシリコン基板９上に、各構成要素を積層して形成してなる。励磁コイル３ａ，３ｂは、磁界検出素子７ａ，７ｂをそれぞれ囲むように形成されている。
　磁界検出素子７ａ，７ｂは、さらに図３（斜視図）および図４（断面図）に詳しく示すように、巨大磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部（以下、ＭＲ部と称する）１０ａ，１０ｂと、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの両側にそれぞれ電気的な接触を保つよう配設されていて軟磁性材料からなるヨーク部１１ａ，１２ａおよび１１ｂ，１２ｂで構成されている。このヨーク部は前記巨大磁気抵抗効果材料よりも大幅に低い電気比抵抗を有しており、ＭＲ部へ電流を供給する電極も兼ねている（いわゆるＧＩＧ）。これに、ヨーク部１１ａ，１２ａおよび１１ｂ，１２ｂと、ＭＲ部１０ａ，１０ｂと部分的に重複し、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間に隙間ｄを空けて電気的に絶縁されて配置された軟磁性材料からなるバイパス部１３ａ，１３ｂとを有する。この磁界検出素子７ａ、７ｂの外側を巻くように励磁コイル３ａ、３ｂが配設されている。
　バイパス部１３ａ，１３ｂとＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間の隙間ｄは、空気層であってもよいが、実際的には、バイパス部１３ａ，１３ｂとＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間に形成した、非磁性の材料からなる絶縁膜（保護膜）である。
　ＭＲ部１０ａ，１０ｂを形成する巨大磁気抵抗効果材料としては、例えば、Ｃｏ３９Ｙ１４Ｏ４７をはじめＣｏ４３Ａｌ２４Ｏ３３やＣｏ３５Ｍｇ２０Ｆ４５等のナノグラニュラー薄膜材料があり、それぞれの典型的な電気比抵抗は、３×１０６μΩｍ、０．４×１０３μΩｍ、１×１０６μΩｍである。他にも、巨大磁気抵抗効果材料として、ＣｏＸ－（Ｙ２Ｏ３）（１００－Ｘ）系ナノグラニュラー合金、ＣｏＸ－（Ａｌ２Ｏ３）（１００－Ｘ）系ナノグラニュラー合金、ＣｏＸ－（Ｓｍ２Ｏ３）（１００－Ｘ）系ナノグラニュラー合金、ＣｏＸ－（Ｄｙ２Ｏ３）（１００－Ｘ）系ナノグラニュラー合金、（ＦｅＣｏ）Ｘ－（Ｙ２Ｏ３）（１００－Ｘ）系ナノグラニュラー合金、Ｆｅ）Ｘ－（ＭｇＦ２）（１００－Ｘ）、（ＦｅＣｏ）Ｘ－（ＭｇＦ２）（１００－Ｘ）、ＦｅＸ－（ＣａＦ２）（１００－Ｘ）等のフッ化物系ナノグラニュラー合金等が使用できる。尚、本願の記載における組成比はａｔ％である。
　また、ヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂおよびバイパス部１３ａ，１３ｂを形成する軟磁性材料としては、例えば、Ｃｏ７７Ｆｅ５Ｓｉ９Ｂ８やＦｅ７８．５Ｎｉ２１．５があり、それぞれの典型的な電気比抵抗は１．１５μΩｍ、０．１６μΩｍである。他にも、軟磁性材料として、パーマロイ（４０～９０％Ｎｉ－Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ７４Ｓｉ９Ａｌ１７）、ハードパーム（Ｆｅ１２Ｎｉ８２Ｎｂ６）、Ｃｏ８８Ｎｂ６Ｚｒ６アモルファス合金、（Ｃｏ９４Ｆｅ６）７０Ｓｉ１５Ｂ１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ７５．６Ｓｉ１３．２Ｂ８．５Ｎｂ１．９Ｃｕ０．８）、ナノマックス（Ｆｅ８３ＨＦ６Ｃ１１）、Ｆｅ８５Ｚｒ１０Ｂ５合金、Ｆｅ９３Ｓｉ３Ｎ４合金、Ｆｅ７１Ｂ１１Ｎ１８合金、Ｆｅ７１．３Ｎｄ９．６Ｏ１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ７０Ａｌ１０Ｏ２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ６５Ｆｅ５Ａｌ１０Ｏ２０合金等が使用できる。また、隙間ｄを形成する材料としては、例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの無機材料がある。
　ヨーク部１１ａ，１１ｂおよび１２ａ，１２ｂは、例えば、コイルの長手方向（磁束の方向）の長さが２５０μｍ、幅が８０μｍ、厚さが０．５μｍの長方形に、各対の端部が１μｍのギャップＧを空けてそれぞれ対向し合うように、同一平面上に膜状に形成されている。ＭＲ部１０ａ，１０ｂは、ヨーク部１１ａ，１２ａおよび１１ｂ，１２ｂのギャップＧの間に電気的に接続されて形成されている。
　バイパス部１３ａ，１３ｂは、例えば、長さが５μｍ、幅が５μｍ、厚さが０．１μｍであり、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間に０．１μｍの隙間ｄを空けて形成されている。
　図５に、磁界検出素子７ａ，７ｂの磁路リラクタンスとしての構成（磁気回路図）を示す。この磁路リラクタンスは、ヨーク部１１ａ，１１ｂのリラクタンスＲＹＯＫとヨーク部１２ａ，１２ｂのリラクタンスＲＹＯＫとの間に、ヨーク部１１ａ，１１ｂとバイパス部１３ａ，１３ｂとの間の空気または非磁性絶縁部のリラクタンスＲＧＡＰ、バイパス部１３ａ，１３ｂのリラクタンスＲＢＰＳ、および、バイパス部１３ａ，１３ｂとヨーク部１２ａ，１２ｂとの間の空気または非磁性絶縁部のリラクタンスＲＧＡＰが直列に接続されたものが、ＭＲ部１０ａ，１０ｂのリラクタンスＲＧＭＲと並列に接続されたものと考えることができる。
　これにより、磁界検出素子７ａ，７ｂでは、励磁コイル３ａ，３ｂが発生し、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂによって発生した磁束は、当初、ＭＲ部１０ａ，１０ｂとバイパス部１３ａ，１３ｂとに分かれる。つまり、バイパス部１３ａ，１３ｂは、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂによって発生した多数の磁束の一部を誘引して、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを迂回させることにより、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを通る磁束の数を低減する。
　但し、リラクタンスＲＹＯＫ，ＲＧＭＲ，ＲＢＰＳは、それぞれ、磁界強度によってその値が変化する。一般に、リラクタンスは、磁界強度の上昇に伴って通過する磁束数が増加すると、その値が上昇する。そして、ある磁界強度において磁束が飽和するため、リラクタンスの値は、磁界強度が低いときに比べて格段に大きな割合で増加するようになり、完全に飽和することで通過する磁束数がそれ以上増加しなくなる。特に、本発明においてバイパス部１３ａ，１３ｂのリラクタンスＲＢＰＳは他のリラクタンスよりも低い磁界で急増する。
　尚、ＭＲ部１０ａ，１０ｂのリラクタンスＲＧＭＲは、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの磁束が印加される方向の長さ（磁路長さ）をＧＧＭＲ、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの透磁率をμＧＭＲ、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの厚さをｔＧＭＲ、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの幅（磁路幅）をＷＧＭＲとして、次の式で表すことができる。
　　ＲＧＭＲ＝ＧＧＭＲ／（μＧＭＲ×ｔＧＭＲ×ＷＧＭＲ）
　図６に、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを含むヨーク部１１ａ，１１ｂとヨーク部１２ａ，１２ｂとの間の電気抵抗の、磁界検出素子７ａ，７ｂに印加される入力磁界の強さに対する変化のシミュレーション結果を、磁界強度がゼロのときの抵抗を１００％として表したＭＲ比で示す。尚、図中には、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂのみからなり、バイパス部１３ａ，１３ｂのない従来の構成の磁界検出素子の電気抵抗と比較して示す。尚、バイパス部１３ａ，１３ｂは、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂから電気的に絶縁されているので、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを含む電路の電気抵抗に影響しない。
　このシミュレーションでは、ＭＲ部１０として、１０ＫＯｅにおけるＭＲ比が１４％である（ＦｅＣｏ）３０－（ＭｇＦ２）７０からなるナノグラニュラー膜を、ヨーク部１１，１２として、１０ＫＯｅにおける磁束密度が１２ＫＧであり、幅方向に２０Ｏｅ程度の一軸誘導磁気異方性を有し、透磁率がゼロ磁界から飽和磁界まで略線形的に変化するアモルファスＣｏ７８Ｆｅ４Ｓｉ９Ｂ９膜を用いた。また、バイパス部１３は、ヨーク部１１，１２と同じ材質のアモルファス膜を用いた。
　ＭＲ部１０ａ，１０ｂは、通過する磁束数が増加すると、その電気抵抗が低下するが、入力磁界が小さく、バイパス部１３ａ，１３ｂが未飽和の場合、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂによって発生した磁束の一部がバイパス部１３ａ，１３ｂに誘導されるので、従来に比べてその電気抵抗の低下率が低い。図においては、ＭＲ比の変化特性（線図の形状）が従来と比べて横方向に拡がったものになる。
　しかしながら、バイパス部１３ａ，１３ｂの断面積（厚さ×幅）は、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの断面積（厚さ×幅）と比べて十分に小さいため、入力磁界が強くなり、励磁コイル３ａ，３ｂが形成する磁束数が増加（励磁コイル３ａ，３ｂによって形成され、磁界検出素子７ａ，７ｂに印加される磁界強度が上昇）すると、バイパス部１３ａ，１３ｂは、磁束が飽和して、それ以上磁束を誘導できなくなる。このため、入力磁界の強度が高くなると、バイパス部１３ａ，１３ｂによる磁束のバイパス効果が低くなり、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに発生した磁束の増加分の多くがＭＲ部１０ａ，１０ｂに誘導される。図においては、バイパス部１３ａ，１３ｂが飽和に近づくにつれ、グラフが従来に比べて横に拡がる度合いが小さくなり、結果的にＭＲ比の変化特性の線形性が改善される。
　磁界検出素子７ａ，７ｂでは、入力磁界の強度がさらに高くなると、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂよりも先にバイパス部１３ａ，１３ｂが完全に飽和する。結果として、バイパス部１３ａ，１３ｂが完全に飽和してからは、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに発生した磁束の増加分はすべてＭＲ部１０ａ，１０ｂを通過する。以上の作用により、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂのリラクタンスの増加による電気抵抗の変化率の低下を補い、線形性の高い電気抵抗（ＭＲ比）の変化特性を得ることができる。つまり、バイパス部１３ａ，１３ｂを備える磁界検出素子７ａ，７ｂは、従来のものよりも、入力磁界の変化に対する電気抵抗（ＭＲ比）の変化特性において、良好な線形性が得られる範囲が広い。
　ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに発生した磁束の中でバイパス部１３ａ，１３ｂに誘導されてＭＲ部１０，１０ｂを迂回する磁束の割合が低いと、ＭＲ部１０ａ，１０ｂのＭＲ比の特性を変化させる余地が小さくなるので、磁界強度が低いときには、ヨーク部１１ａ－１２ａ間，１１ｂ－１２ｂ間の、１２ｂバイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋２ＲＧＡＰ＋ＲＧＭＲ）が、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋ＲＧＭＲ）に比べて小さいことが好ましい。
　しかしながら、バイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋２ＲＧＡＰ＋ＲＧＭＲ）がＭＲ部１０ａ，１０ｂを介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋ＲＧＭＲ）に比べて過度に低い場合、バイパス部１３ａ，１３ｂに多くの磁束が誘導され過ぎるため、図６のグラフにおいて、バイパス部１３ａ，１３ｂを有する場合のＭＲ比変化特性の線図が横に拡がり過ぎて、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの入力磁界に対する電気抵抗の変化率が小さくなるので、磁界強度の検出感度が低くなってしまう。また、バイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンスが高過ぎる場合、バイパス部１３ａ，１３ｂに磁束を誘導できず、ＭＲ部１０ａ，１０ｂをバイパスさせる効果がほとんどなくなるため、電気抵抗の変化特性を改善する効果が得られなくなる。このように、磁界検出素子７ａ，７ｂの好ましい特性を得るために、バイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋２ＲＧＡＰ＋ＲＧＭＲ）と、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋ＲＧＭＲ）とのバランスを考慮する必要がある。
　図７および図８に、本発明の第２実施形態である磁界検出素子７ｃを示す。第２実施形態の磁界検出素子７ｃは、ギャップＧを形成して対向する端部の厚みがテーパ状に小さくなったヨーク部１１，１２と、ヨーク部１１，１２の片側のテーパ部分からギャップＧの半ばまでに磁気抵抗効果材料を充填して形成されたＭＲ部１０と、ＭＲ部１０と不図示の絶縁膜を介して重なるように形成されたバイパス部１３とからなる。
　ヨーク部１１，１２は、磁束を案内する方向（ＭＲ部１０を挟み込む方向）の長さが２５０μｍ、幅が８０μｍ、厚さが０．５μｍで、１μｍのギャップＧを形成して対向している。また、ヨーク部１１，１２は、バイパス部１３側の面が、磁束を案内する方向にＭＲ部１０側の端面からそれぞれ２μｍ長さに渡ってテーパ状に傾斜しており、ギャップＧを形成する端部の厚みは０．３μｍである。バイパス部１３は、磁束を案内する方向の長さが５μｍ、つまり、ＭＲ部１０のヨーク部１１，１２のテーパ部を覆う部分を含む全長と等しく、。ＭＲ部１０とバイパス部１３との隙間ｄ（スパッタＳｉＯ２薄膜で形成された絶縁膜の厚み）は、０．０５μｍである。
　この磁界検出素子７ｃでは、ＭＲ部１０として、１０ＫＯｅにおけるＭＲ比が１４％である（ＦｅＣｏ）３０－（ＭｇＦ２）７０からなるギャップＧでの膜厚０．３μｍのナノグラニュラー膜を、ヨーク部１１，１２として、１０ＫＯｅにおける磁束密度が１２ＫＧであり、幅方向に２０Ｏｅ程度の一軸誘導磁気異方性を有し、透磁率がゼロ磁界から飽和磁界まで略線形的に変化するアモルファスＣｏ７８Ｆｅ４Ｓｉ９Ｂ９膜を用いた。また、バイパス部１３は、ヨーク部１１，１２と同じ材質アモルファス膜を用いた。
　図９に、本実施形態の磁界検出素子７ｃのバイパス部１３の厚みを０．２μｍとし、バイパス部１３の幅を、それぞれ、ヨーク部１１，１２と同じ８０μｍ、半分の４０μｍ、４分の１の２０μｍ、８分の１の１０μｍとしたものにおける、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の入力磁界の強度に対する変化の実測結果を示す。
　図示するように、磁界検出素子７ｃにおいても、第１実施形態と同様に、入力磁界が１０（Ｏｅ）より弱い範囲では、バイパス部１３によって、ＭＲ比の曲線が横軸方向に引き延ばされ、入力磁界が強くなってバイパス部１３が完全に飽和した後は、バイパス部のない従来の磁界検出素子の曲線を横軸方向に並行移動したものと略一致するような曲線が描かれる。さらに、本実施形態では、ヨーク部１１，１２も、約２０（Ｏｅ）の磁界強度において飽和している。このため、これ以上の磁界強度では、ＭＲ比の減少率が大きく低下している。
　さらに、バイパス部１３の幅が広い程、バイパス部を迂回する磁束数が多くなり、その挙動が磁束数の増加により非線形的に大きく変化するため、入力磁界の強度がバイパス部１３を飽和させる辺りにおける線形性を改善する効果が大きくなるので、ＭＲ比が線形となる範囲が広くなる。同時に、バイパス部１３の幅が広い程、バイパス部を迂回する磁束数が多くなるため、入力磁界の変化に対するＭＲ比の変化率は小さくなる。但し、ヨーク部１１，１２が飽和すると線形性が損なわれるので、バイパス部１３によるＭＲ比特性を改善する磁界強度の範囲は、ヨーク部１１，１２が飽和する磁界強度より低い範囲でなければならない。つまり、本実施形態において、線形範囲を最も広くした場合、その線形範囲は、バイパス部１３が飽和し始めてから、ヨーク部１１，１２が飽和し始めるまでとなる。
　図１０に、本実施形態の磁界検出素子７ｃのバイパス部１３の幅を８０μｍとし、バイパス部１３の厚みを０．２μｍとしたものと０．１μｍとしたもの、さらに、バイパス部のないものにおける、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の入力磁界の強度に対する変化の実測結果を示す。
　図示するように、バイパス部１３の厚みが大きい程、入力磁界の強度が低いときにＭＲ比の曲線を横方向に拡げる度合いが大きくなるため、バイパス部１３が飽和する入力磁界の強度が高くなる。さらに、図１０において、バイパス部１３の幅を８０μｍ、厚みを０．１μｍとした場合のＭＲ比の曲線は、図９における、バイパス部１３の幅を４０μｍ、厚みを０．２μｍとした場合ＭＲ比の曲線と略一致する。つまり、他の条件が一定の場合、バイパス部１３の断面積が同じであればＭＲ比の特性が略同じになる。
　また、ヨーク部１１，１２およびバイパス部１３の磁束の飽和し易さも、それぞれの断面積に依存する。本実施形態では、ヨーク部１１，１２とバイパス部１３とが同じ材質で形成されているので、バイパス部１３の断面積をヨーク部１１，１２の断面積より小さくすべきである。尚、ここにいう断面積とは、それぞれを通過する磁束数を制限する実効的な断面積を指す。
　したがって、磁界検出素子７ｃにおいて、バイパス部１３の断面積と、ヨーク部１１，１２の断面積との比を選択することによって、バイパス部１３を介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋２ＲＧＡＰ＋ＲＧＭＲ）と、ＭＲ部１０を介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋ＲＧＭＲ）とのバランスを調整できる。
　本実施形態の磁界検出素子７ｃにおいて、上面から見た、バイパス部１３とヨーク部１１，１２の重なる面積を変えることによっても、バイパス部１３を介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋２ＲＧＡＰ＋ＲＧＭＲ）と、ＭＲ部１０を介した磁路のリラクタンス（２ＲＹＯＫ＋ＲＧＭＲ）とのバランスを調整できる。
　また、本実施形態において、バイパス部１３と、ヨーク部１１，１２との間の隙間ｄの大きさを変えることによっても、バイパス部１３とヨーク部１１，１２との間のリラクタンスＲＧＡＰを変更できる。
　本実施形態では、バイパス部１３を、ＭＲ部１０の片側に重なるように配設しているが、バイパス部１３は、ヨーク部１１，１２に発生した磁束を誘導して、ＭＲ部１０を迂回させられるものであればいかなる形態であってもよい。例えば、バイパス部１３を、ＭＲ部１０（ヨーク部１１，１２のギャップＧ）の両側または側方に配設してもよい。また、ＭＲ部１０がヨーク部１１，１２のギャップＧの一部分のみを占有する場合、バイパス部１３をヨーク部１１，１２のギャップＧの中に配設してもよい。
　図１１に、本発明の第３実施形態である磁界検出素子７ｄを示し、図１２に、本発明の第４実施形態である磁界検出素子７ｅを示し、図１３に、本発明の第５実施形態である磁界検出素子７ｆを示す。
　第３実施形態の磁界検出素子７ｄは、図１１に示すように、バイパス部１３が、ＭＲ部１０のギャップＧの部分のみと重なるように形成されている他は、第２実施形態の磁界検出素子７ｃと同じ構成である。
　第４実施形態の磁界検出素子７ｅは、図１２に示すように、第３実施形態の磁界検出素子７ｄのバイパス部１３を、ヨーク部１１，１２の長さ方向、つまり、バイパス部１３が磁束を案内する方向に、不均一に拡張した形状を有する。具体的には、バイパス部１３は、幅方向（磁束を案内する方向に直交する方向）の両端がギャップＧの部分のみと重なるが、幅方向内側ほど磁束を案内する方向に長く、特に、幅方向中心部は、三角形状に突出し、先端がヨーク部１１，１２のテーパ開始部分に対向する位置まで延伸した、概略十字星形をなしている。
　第５実施形態の磁界検出素子７ｆは、図１３に示すように、第４実施形態の磁界検出素子７ｅのバイパス部１３の星形をより極端な形状にしたものであり、本実施形態のバイパス部１３は、幅方向両端部が磁束を案内する方向の長さがゼロになるように尖っており、幅方向中心部の三角形の突出部も頂角が小さい尖鋭な形状になっている。つまり、バイパス部１３が磁束を案内する方向の長さが極端に変化している。
　図１４に、磁界検出素子７ｄ，７ｅ，７ｆ、並びに、バイパス部１３を設けないＭＲ部１０とヨーク部１１，１２のみからなる従来の磁界検出素子について、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の入力磁界の強度に対する変化特性のシミュレーション結果を示す。
　第３実施形態の磁界検出素子７ｄは、第２実施形態の磁界検出素子７ｃと同様に、バイパス部１３が飽和し始める（捕捉する磁束数が磁界強度に比例して上昇しなくなる）約１０（Ｏｅ）までは、ＭＲ比の減少率が小さく、線形性が低い。しかしながら、第４実施形態の磁界検出素子７ｅおよび第５実施形態の磁界検出素子７ｆでは、磁界強度が低いときからヨーク部１１，１２が飽和し始める約２０（Ｏｅ）までの広い範囲でＭＲ比が直線的に減少しており、第３実施形態の磁界検出素子７ｄと比較して、線形性が大幅に改善されている。
　磁界検出素子７ｅ，７ｆのバイパス部１３は、幅方向の中央部が突出しているので、入力磁界が弱いときは、この部分に磁束が誘引され、幅方向中央部に磁束が集中する。このため、バイパス部１３の幅方向中央部は、低い磁界強度で他の部分よりも先に飽和する。さらに、磁界強度が上昇すると、バイパス部１３の飽和する範囲が中央部から幅方向両側および長さ方向に漸次拡がってゆく。これにより、バイパス部１３の飽和によりＭＲ比の線形性を改善する作用が、幅方向にタイミングをずらして部分的に発揮され、磁界強度が低いときから高いときまで、広い範囲でＭＲ比を直線的に変化させられる。
　同様に、バイパス部１３を部分的に異なる磁界強度において飽和させ、ＭＲ比の線形性を改善する効果を得るために、図１５に示す本発明の第６実施形態の磁界検出素子７ｇのように、バイパス部１３を、磁束を案内する方向に長さの異なる複数の分離された部分に分割して形成してもよい。また、図１５に示す本発明の第７実施形態の磁界検出素子７ｈのように、バイパス部１３の厚みを、幅方向に変化させてもよい。
　さらに、本発明では、バイパス部１３の材質を異ならせることによっても、ＭＲ部１０の磁界強度に対する電気抵抗変化の曲線の形状を変えることができる。ここでは、図１７に示す本発明の第８実施形態である磁界検出素子７ｉのバイパス部１３を、異なる軟磁性材料で形成して、ＭＲ比の変化特性の違いを検証する。
　磁界検出素子７ｉにおいて、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の材質および形状は、上述の第２実施形態と同じである。また、磁界検出素子７ｉのバイパス部１３は、長さがＭＲ部１０の全長と等しい５μｍ、厚みが０．２μｍ、幅がＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２と等しい８０μｍであり、ＭＲ部１０との間の隙間が０．０５μｍである。
　図１８は、バイパス部１３を形成する３種類の軟磁性材料のＢ－Ｈ曲線（磁界強度に対する磁束数の変化）を示す。通常材料は、上述の第２実施形態と同様に、ヨーク部１１，１２と同じく、金属材料を配向磁界下で形成した通常の軟磁性材料薄膜、例えばアモルファスＣｏ７８Ｆｅ４Ｓｉ９Ｂ９膜であり、磁界強度の増加に正比例して磁束数が線形的に増加し、入力磁界がある強度に達すると、飽和して、入力磁界が強くなっても磁束数が増加しなくなる特性を有する。第１の代替材料は、ヨーク部１１，１２と同じ組成であるが、通常の磁性材料の製法と異なり、ランダムな配向磁界を与えつつ形成し、一軸誘導磁気異方性を除去したものである。これにより、第１の代替材料は、入力磁界の増加に対する磁束密度の増加率が徐々に低下するような非線形のＢ－Ｈ特性を有する。また、第２の代替材料は、例えばＣｏ６５Ｆｅ３Ｓｉ１５Ｂ１７のように、ヨーク部１１，１２で使用した材料に、ＳｉやＢ等の非磁性元素をより多く添加した材料を、ランダムな配向磁界中で形成したものである。これにより、第２の代替材料は、第１の代替材料のＢ－Ｈ特性を、入力磁界強度に対する磁束密度が半分になるように、縦軸方向に約２分の１に圧縮したたような特性となっている。
　図１９に、バイパス部１３を図１８に示した磁気特性の異なる材料で形成した磁界検出素子７ｉ、および、バイパス部のない従来の磁界検出素子について、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の磁界強度に対する変化のシミュレーション結果を示す。図示するように、第１代替材料からなるバイパス部１３は、通常材料からなるバイパス部１３に比べて、ＭＲ比の線形性を高めることができる。第２の代替材料からなるバイパス部１３は、第１の代替材料からなるバイパス部１３の断面積を２分の１にしたものと略同様のＭＲ比特性を与えていると考えられる。
　このように、Ｂ－Ｈ特性が非線形な軟磁性材料によってバイパス部１３を形成することにより、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の非線形性をより適切に相殺して、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）を、磁界強度に対して線形に変化させるようにできる。バイパス部１３に非線形のＢ－Ｈ特性を付与する方法として、ランダムな配向磁界中で形成する他、熱処理による方法や、薄膜成形の速度、温度、雰囲気ガス等の条件によって結晶の大きさや配向性を調整する方法がある。また、材料組成についても、コバルト・鉄系のアモルファス、および、ニッケル・鉄系、鉄・シリコン系や鉄・シリコン・アルミ系等の材料が適用できる。
　さらに、図２０に示す本発明の第９実施形態の磁界検出素子７ｊのように、バイパス部１３を、磁束を案内する方向に、異なる磁気特性を有する複数の材料を並べて形成してもよい。これによって、バイパス部１３全体として、より好ましいＢ－Ｈ特性、つまり、磁界強度変化に対して非線形にバイパス量を変化させて、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の磁界強度に対する非線形性を補償できる特性を有し得る。
　さらに、図２１に示す本発明の第１０実施形態の磁界検出素子７ｋのように、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２と、バイパス部１３とを絶縁する絶縁膜（絶縁層）１４を、導電率が非常に小さく、小さな透磁率を有し、且つ、磁気特性（Ｂ－Ｈ曲線）が非線形な半導体的磁性材料で形成することによっても、バイパス部１３にバイパスされる磁束数を非線形に変化させて、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の非線形性を補償することができる。この絶縁膜１４の材料としては、例えば、ＭｎＺｎフェライト膜、ＮｉＺｎフェライト膜、ＣｕＺｎフェライト膜、ＣｕＺｎＭｇフェライト膜、等が挙げられる。
　　１…信号伝達素子
　　３ａ，３ｂ…励磁コイル
　　７ａ～７ｋ…磁界検出素子
　　１０，１０ａ，１０ｂ…磁気抵抗効果部（ＭＲ部）
　　１１，１１ａ，１１ｂ，１２，１２ａ，１２ｂ…ヨーク部
　　１３，１３ａ，１３ｂ…バイパス部
　　１４…絶縁膜

Claims (7)

  1. 　磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部と、
    　前記磁気抵抗効果部の両側に電気的に接続して配設され、前記磁気抵抗効果部に磁束を供給する、軟磁性材料からなる一対のヨーク部と、
    　前記ヨーク部に発生した磁束の一部を誘導して前記磁気抵抗効果部を迂回させ、前記ヨーク部よりも低い磁界強度で磁束が飽和する、軟磁性材料からなるバイパス部とを有する磁界検出素子。
  2. 　前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子。
  3. 　前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部は、同一平面上に膜状に形成され、
    　前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部と少なくとも部分的に重なるように、且つ、前記ヨーク部との間に隙間を空けて膜状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子。
  4. 　前記バイパス部の磁束が飽和しない磁界強度において、前記ヨーク部の間の、前記バイパス部を介して前記磁気抵抗効果部を迂回する磁路のリラクタンスが、前記磁気抵抗効果部のリラクタンスより小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子。
  5. 　前記バイパス部は、部分的に、異なる磁界強度で磁束が飽和することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子。
  6. 　前記バイパス部は、磁束を案内する方向の長さが異なる部分を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁界検出素子。
  7. 　請求項１に記載の磁界検出素子と、入力信号に応じて前記磁界検出素子に磁界を印加するコイルとを有することを特徴とする信号伝達素子。
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