JP5899012B2

JP5899012B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP5899012B2
Application number: JP2012057222A
Authority: JP
Inventors: 雅之尾花; 真次杉原; 安藤　秀人; 秀人安藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: EP2639594A3; US20130241545A1; US8941378B2; JP2013190345A; EP2639594A2; EP2639594B1

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。

特許文献１には、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が開示されている。特許文献１では、垂直磁界成分を軟磁性体により水平磁界成分に変換し、その変換された水平磁界成分を磁気抵抗効果素子に流入可能なように、軟磁性体及び磁気抵抗効果素子を配置している。

ＷＯ２０１１／０６８１４６号

上記したように磁気センサは、例えば携帯電話に組み込まれて、スピーカ等からの外乱磁界を受ける。

このとき、磁気抵抗効果素子の感度軸方向から外乱磁界が作用し、その際、垂直磁界成分の地磁気が流入すると、軟磁性体により変換された水平磁界成分（地磁気）に外乱磁界が上乗せされて（水平磁界成分がバイアスされて）、磁気抵抗効果素子の感度が、外乱磁界が生じていない状態と対比して変化してしまい、地磁気を精度良く検出できない問題があった。

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、平面方向からの外乱磁界をシールドでき、外乱磁界の有無に対する磁気抵抗効果素子の感度変化を低減できる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、外部から進入する前記基板に垂直な方向からの垂直磁界成分を前記基板に対して水平な方向への水平磁界成分に変換し、前記水平磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える軟磁性体と、を有し、
前記軟磁性体は、前記磁気抵抗効果素子と高さ方向にて間隔を空けて配置されており、
前記基板のなす面に水平な面内にて直交する２方向を、Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向としたとき、
前記磁気抵抗効果素子は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されるとともに、Ｙ１−Ｙ２方向に感度軸を備えており、
前記軟磁性体は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出する第１軟磁性部と、前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第２軟磁性部とが一体となって形成されており、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１軟磁性部からＹ１−Ｙ２方向の水平磁界成分を受けることが可能な位置に配置され、
前記磁気抵抗効果素子には、前記第２軟磁性部と高さ方向にて対向する位置、あるいは前記第１軟磁性部と前記第２軟磁性部との交差部と高さ方向にて対向する位置に電流をバイパスする電極層が配置されていることを特徴とするものである。

本発明では、Ｘ１−Ｘ２方向からの外乱磁界を第１軟磁性部によりシールドできるとともに、磁気抵抗効果素子の感度軸方向であるＹ１−Ｙ２方向からの外乱磁界を第２軟磁性部によりシールドできる。したがって、従来に比べて、外乱磁界の有無に対する磁気抵抗効果素子の感度変化を小さくでき、垂直磁界成分を高精度に検出することができる。

本発明ではまた、電極層が配置された磁気抵抗効果素子の部分では感度をもたないようにできる。したがって電極層を第２軟磁性部と高さ方向で対向する位置や第１軟磁性部と第２軟磁性部との交差部と高さ方向で対向する位置に設けることで、より効果的に、Ｙ１−Ｙ２方向からの外乱磁界の有無に対する磁気抵抗効果素子の感度変化を小さくできる。

また本発明では、前記軟磁性体は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出しＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けた複数の前記第１軟磁性部と、Ｙ１−Ｙ２方向に延出しＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数の前記第２軟磁性部とが一体となって構成されており、
前記磁気抵抗効果素子は、前記垂直な方向からの矢視にて、前記第１軟磁性部のＹ１側部側に位置してＹ１方向への水平磁界成分を受ける第１磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置してＹ２方向への水平磁界成分を受ける第２磁気抵抗効果素子とを有している構成にできる。

また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子と同じ構成の第３磁気抵抗効果素子、及び、前記第１磁気抵抗効果素子と同じ構成の第４磁気抵抗効果素子とを備えて、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、Ｘ１−Ｘ２方向からの外乱磁界を第１軟磁性部によりシールドできるとともに、磁気抵抗効果素子の感度軸方向であるＹ１−Ｙ２方向からの外乱磁界を第２軟磁性部によりシールドできる。したがって、従来に比べて、水平磁界成分の外乱磁界の有無に対する磁気抵抗効果素子の感度変化を小さくでき、垂直磁界成分を高精度に検出することができる。

図１は、第１実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図である。図２は、図１に示すＺ軸磁気センサの一部を示す部分斜視図である。図３（ａ）は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って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であり、図３（ｂ）は、図１に示すＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見たＺ軸磁気センサの部分縦断面図である。図４は、図１に示すＣ−Ｃ線に沿って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である。図５は、第２実施形態におけるＺ軸磁気センサの平面図である。図６は、第３実施形態におけるＺ軸磁気センサの部分斜視図である。図７は、比較例におけるＺ軸磁気センサの平面図である。図８（ａ）（ｂ）は、実施例及び比較例におけるオフセット磁界感度変化を示すグラフである。

図１は、第１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軸磁気センサの一部を示す部分斜視図、図３（ａ）は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って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であり、図３（ｂ）は、図１に示すＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見たＺ軸磁気センサの部分縦断面図、図４は、図１に示すＣ−Ｃ線に沿って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、基板２のなす面に水平な面内にて直交する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。

Ｚ軸磁気センサ１は、図３に示すように、シリコン等の基板２上に形成された第１磁気抵抗効果素子Ｓ１〜第４磁気抵抗効果素子Ｓ４と、軟磁性体３とを有して構成される。各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４と軟磁性体３との間には絶縁層４が設けられ、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４と軟磁性体３とは基板２に垂直な方向（高さ方向；Ｚ１−Ｚ２）にて間隔を空けて配置されている。

図１に示すように基板上には複数の第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、複数の第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、複数の第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び複数の第４磁気抵抗効果素子Ｓ４が規則的に配列されている。

図１に示すように各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は、例えばＹ２方向が感度軸方向Ｐである。感度軸方向Ｐは、Ｙ１方向であってもよい。

図１に示すように、軟磁性体３は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出しＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けて配置された複数本の第１軟磁性部３ａと、Ｙ１−Ｙ２方向に延出しＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて配置された複数本の第２軟磁性部３ｂとが交差する部分にて一体となって格子状に形成されている。軟磁性体３をスパッタ法、蒸着法、めっき法等で形成することができる。各第１軟磁性部３ａは、Ｙ１−Ｙ２方向の幅よりもＸ−Ｘ２方向の長さのほうが長い。また、各第２軟磁性部３ｂは、Ｘ１−Ｘ２方向の幅よりもＹ１−Ｙ２方向の長さのほうが長い。また、第１軟磁性部３ａと第２軟磁性部３ｂとの交差部については、第１軟磁性部３ａ及び第２軟磁性部３ｂ双方の領域と定義できる。

図１に示すように、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔をあけてＸ１−Ｘ２方向に延出して形成されている。このとき、複数の第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び複数の第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は、夫々、平面視（基板２に対して垂直な方向からの矢視）にて、各第１軟磁性部３ａのＹ１側部３ｃ側に配置されており、複数の第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び複数の第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は、夫々、平面視にて、各第１軟磁性部３ａのＹ２側部３ｄ側に配置されている。

各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は、Ｙ１−Ｙ２方向の幅よりもＸ１−Ｘ２方向の長さのほうが長く形成される。また各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４のＸ１−Ｘ２方向の長さは、第２軟磁性部３ｂとの交差部の両側にはみ出して、第１軟磁性部３ａから後述する水平磁界成分を受け取ることができる長さ寸法とされる。

図３に示すように、各第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び各第４磁気抵抗効果素子Ｓ４はその一部あるいは全部が、第１軟磁性部３ａのＹ１側部３ｃから外方にはみ出すように形成される。また、各第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び各第３磁気抵抗効果素子Ｓ３はその一部あるいは全部が、第１軟磁性体３ａのＹ２側部３ｄから外方にはみ出すように形成される。あるいは、各第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び各第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は、第１軟磁性部３ａのＹ１側部３ｃ側に形成されるが、各第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び各第４磁気抵抗効果素子Ｓ４の全域が第１軟磁性部３ａの下に配置される構成にもできる。同様に、各第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び各第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は、第１軟磁性部３ａのＹ２側部３ｄ側に形成されるが、各第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び各第３磁気抵抗効果素子Ｓ３の全域が第１軟磁性部３ａの下に配置される構成にもできる。

図１に示すように、複数の第１磁気抵抗効果素子Ｓ１は、Ｘ１−Ｘ２方向の端部間が導電層１６により電気的に接続されて、ミアンダ形状とされている。複数の第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、複数の第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び複数の第４磁気抵抗効果素子Ｓ４においても同様である。

図１に示すように最もＹ１側に位置する第１磁気抵抗効果素子Ｓ１のＸ２側部と最もＹ１側に位置する第３磁気抵抗効果素子Ｓ３のＸ１側部とが接続配線層１７を介して入力端子Ｖｄｄに接続されている。また、最もＹ２側に位置する第３磁気抵抗効果素子Ｓ３のＸ２側部と最もＹ２側に位置する第４磁気抵抗効果素子Ｓ４のＸ１側部とが接続配線層１７を介してグランド端子ＧＮＤに接続されている。また複数の第１磁気抵抗効果素子Ｓ１のうちで最もＹ２側に位置する第１磁気抵抗効果素子Ｓ１のＸ１側部と、複数の第２磁気抵抗効果素子Ｓ２のうちで最もＹ１側に位置する第２磁気抵抗効果素子Ｓ２のＸ１側部とが接続配線層１７を介して第１出力端子Ｖ１に接続されている。また、複数の第３磁気抵抗効果素子Ｓ３のうちで最もＹ２側に位置する第３磁気抵抗効果素子Ｓ３のＸ２側部と、複数の第４磁気抵抗効果素子Ｓ４のうちで最もＹ１側に位置する第４磁気抵抗効果素子Ｓ４のＸ２側部とが接続配線層１７を介して第２出力端子Ｖ２に接続されている。これにより第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４を備えるブリッジ回路が構成されている。

図３に示すように、垂直磁界成分Ｈ１は、軟磁性体３に集磁され、上面３ｅから軟磁性体３の内部に進入する。前記垂直磁界成分Ｈ１は、軟磁性体３内を通過し、下面３ｆの端部近傍から外方に発せられるときに、Ｙ１方向への水平磁界成分Ｈ２とＹ２方向への水平磁界成分Ｈ３とに変換される。水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３の方向は、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の各層の界面に平行な方向であり、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は、水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３の作用により電気抵抗値が変動する。

図３（ａ）（ｂ）に示すように第１磁気抵抗効果素子Ｓ１及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４には、感度軸方向Ｐとは逆方向のＹ１方向への水平磁界成分Ｈ２が流入して電気抵抗値は大きくなる。一方、図３（ａ）（ｂ）に示すように第２磁気抵抗効果素子Ｓ２及び第３磁気抵抗効果素子Ｓ３には、感度軸方向Ｐと同方向のＹ２方向への水平磁界成分Ｈ３が流入して電気抵抗値は小さくなる。垂直磁界成分Ｈ１が流入した際、図１に示す磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４を備えたブリッジ回路により出力を得ることができ、垂直磁界成分を検出することができる。

図４を用いて磁気抵抗効果素子の積層構造について説明する。なお図４は、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１の積層構造を示すが、他の磁気抵抗効果素子Ｓ２〜Ｓ４についても同じ積層構造で構成される。

図４に示すように、磁気抵抗効果素子Ｓ１は、基板２上に、例えば下から非磁性下地層６０、固定磁性層６１、非磁性層６２、フリー磁性層６３及び保護層６４の順に積層されて成膜される。磁気抵抗効果素子Ｓ１を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

図４に示す実施形態では、固定磁性層６１は第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂと、第１磁性層６１ａ及び第２磁性層６１ｂ間に介在する非磁性中間層６１ｃとの積層フェリ構造である。各磁性層６１ａ，６１ｂはＣｏＦｅ合金などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層６１ｃはＲｕ等である。非磁性層６２はＣｕなどの非磁性材料で形成される。フリー磁性層６３は、ＮｉＦｅ合金などの軟磁性材料で形成されている。保護層６４はＴａなどである。

本実施形態では固定磁性層６１を積層フェリ構造として、第１磁性層６１ａと第２磁性層６１ｂとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である。図４に示すセルフピン止め型では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層６１を構成する各磁性層６１ａ，６１ｂを磁化固定している。なお、各磁性層６１ａ，６１ｂの磁化固定力は、外部磁界が作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。

ただし図４の磁気抵抗効果素子の積層構造は一例である。例えば下から反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層及び保護層の順に積層された積層構造を有する構成とすることもできる。かかる構成では、反強磁性層と固定磁性層との間で交換結合磁界（Hex）を生じさせて固定磁性層の磁化方向を固定することが可能である。また、下からフリー磁性層６３、非磁性材料層６２、固定磁性層６１、及び保護層６４の順に積層された積層構造とされてもよい。また固定磁性層６１は、第１の磁性層６１ａと第２の磁性層６１ｂとの磁化の大きさが同じで磁化方向が反平行である構成にできる。

磁気抵抗効果素子を構成する第２磁性層６１ｂの固定磁化方向（Ｐ；感度軸方向）はＹ２方向である（図１、図４参照）。この固定磁化方向（Ｐ）が固定磁性層６１の固定磁化方向である。

図１、図２、図４に示すように各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の上面にはＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けて複数の電極層１８が配置されている。なお図２は、磁気抵抗効果素子Ｓ１，Ｓ２の部分の斜視図であるが、第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は図２に示す第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と同様の斜視図で示され、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３は図２に示す第２磁気抵抗効果素子Ｓ２と同様の斜視図で示される。

図４に示すように、電極層１８の形成位置では、保護層６４の一部が削られており、それにより形成された凹み部６４ａ上に前記電極層１８が形成されている。

電極層１８は、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４と接触する面に形成された層（図４では保護層６４）よりも電気抵抗値の低い非磁性導電材料で形成される。材質を特に限定するものでないが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ等の非磁性導電材料の単層あるいは積層構造で形成される。例えば電極層１８はＣｕとＡｌとの積層構造で形成される。なお導電層１６や接続配線層１７も電極層１８と同様の材質で形成される。

図１、図２に示すように各電極層１８の幅寸法（Ｙ１−Ｙ２への寸法）は各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の幅寸法よりも大きく形成されており、これにより電極層１８の電気抵抗をより小さくでき、また各電極層１８を各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の上面に形成する際の位置合わせのマージンを広くとることが可能である。

なお上記したように保護層６４の一部を削り取るが、例えばエッチングにて行うことができる。保護層６４の一部を削り取る処理は、特に保護層６４表面の酸化層を削り取るためのものであり、これにより各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４と電極層１８間の導通性を良好にできる。

またエッチング等により保護層６４の表面を削る際、図４に示すように保護層６４の一部が残るように制御することが好ましい。これによりフリー磁性層６３はエッチングの影響を受けず削られない。

図１、図２、図４に示すように、各電極層１８と、各第２軟磁性部３ｂとは絶縁層４を挟んで高さ方向にて対向している。また各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の形成位置によっては、各電極層１８の一部あるいは全部が、第１軟磁性層３ａと第２軟磁性層３ｂとの交差位置と高さ方向で対向した状態とされていてもよい。

本実施形態では、電気抵抗値の低い電極層１８に、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４よりも優先的に電流が流れる（バイパスする）。このため電極層１８の形成位置では素子としての感度をもたないようにできる。そして電極層１８と重ならない磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の部分を素子として機能させることができる。

本実施形態の磁気センサ１は、図３に示すように外部から進入する高さ方向（Ｚ）からの垂直磁界成分Ｈ１を検知するものであり、垂直磁界成分Ｈ１は例えば地磁気であり磁界としての大きさは非常に小さい。

一方、磁気センサ１が組み込まれる携帯電話等にはスピーカなどから比較的大きな磁界が生じ、それが外乱磁界として磁気センサ１に進入する。

本実施形態では、格子状に形成された軟磁性体３により外乱磁界を適切にシールドすることが可能になる。

今、図１，図２に示すようにＸ１−Ｘ２方向から外乱磁界Ｈ４が磁気センサ１に進入すると、外乱磁界Ｈ４は優先的にＸ１−Ｘ２方向に延出しＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けた複数本の第１軟磁性部３ａ内を通るため、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に対する外乱磁界Ｈ４のシールド効果を高めることができる。

また図１、図２に示すように、Ｘ１−Ｘ２方向に直交するＹ１−Ｙ２方向から外乱磁界Ｈ５が磁気センサ１に進入すると、外乱磁界Ｈ５は優先的にＹ１−Ｙ２方向に延出しＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数本の第２軟磁性部３ｂ内を通るため、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に対する外乱磁界Ｈ５のシールド効果を高めることができる。

特にＹ１−Ｙ２方向は各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の感度軸方向Ｐに一致するため、外乱磁界Ｈ５がシールドされずに、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に作用し、このとき、図３に示す垂直磁界成分Ｈ３が磁性体３により水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３に変換されて、水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３が各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に進入したとすると、水平磁界成分Ｈ２，Ｈ３に外乱磁界Ｈ５が上乗せされてしまう。この結果、外乱磁界Ｈ５が作用した状態（オフセット磁界あり）で垂直磁界成分を検出するときと、外乱磁界Ｈ５が作用していない状態（オフセット磁界なし）で垂直磁界成分を検出するときとで、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の感度が変化してしまい、地磁気を精度良く検出できない問題が生じる。

これに対して、本実施形態では、感度軸方向Ｐと同方向のＹ１−Ｙ２方向に延出する第２軟磁性部３ｂをＸ１−Ｘ２方向に延出する第１軟磁性部３ａと一体化して形成したことで、外乱磁界Ｈ５を適切に第２軟磁性部３ｂによりシールドでき、外乱磁界Ｈ５の有無に対する各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の感度変化を小さくでき、地磁気を精度良く検出することが可能になる。

また本実施形態では、図５のように、Ｘ１−Ｘ２方向に延出形成された磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に対して、第２軟磁性部３ｂと高さ方向で対向する位置に電極層１８を形成しない構成とすることもできるが、図１、図２、図４で示したように、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４には各第２軟磁性部３ｂと高さ方向で対向する位置に夫々、電極層１８を設けたほうが好ましい。これにより、電極層１８の位置では、素子として機能させないようにでき、仮に非常に強い外乱磁界Ｈ５がＹ１−Ｙ２方向から進入し、このとき第２軟磁性部３ｂが磁気飽和するなどして外乱磁界成分が各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に漏れ出しても、素子として機能しない部分に漏洩しやすいため、外乱磁界Ｈ５の強さに係らず、外乱磁界Ｈ５の有無に対する各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４の感度変化を効果的に小さくできる。

また本実施形態では、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４をＸ１−Ｘ２方向に長く形成することで、形状異方性効果を十分に得ることができる。これにより、無磁場のときに、Ｘ１−Ｘ２方向を向く異方性をフリー磁性層６３に付与できる。また本実施形態では、磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４に対してバイアス層を用いるものでなく各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４は非バイアス構造とされる。本実施形態では、各磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４にバイアス層（永久磁石層）を設けて、フリー磁性層６３にバイアス磁界を与えて、フリー磁性層６３の磁化方向をＸ１−Ｘ２方向に向ける構成とすることもできるが、バイアス層を設けた構成では、強い磁界が進入すると、その方向にバイアス層の磁化方向が倣ってしまい、感度ばらつき、検出精度の低下が発生しやすくなる。本実施形態では、外乱磁界Ｈ４，Ｈ５を軟磁性体３によりシールドできるが、軟磁性体３からの漏洩磁界等の影響を小さくすべく、形状異方性を付与した非バイアス構造の磁気抵抗効果素子Ｓ１〜Ｓ４を用いることで、外乱磁場耐性に優れ、ヒステリシス及びリニアリティを効果的に改善することができる。

また図１では、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１、第２磁気抵抗効果素子Ｓ２、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４によりブリッジ回路を構成していたが、第３磁気抵抗効果素子Ｓ３及び第４磁気抵抗効果素子Ｓ４は設けられておらず（例えば固定抵抗とすることができる）、第１磁気抵抗効果素子Ｓ１と第２磁気抵抗効果素子Ｓ２とを備える構成とすることもできる。

また図６に示す構成は、本実施形態における磁気センサの最小単位を示す。すなわち図６では、一本の第１軟磁性部３ａと一本の第２軟磁性部３ｂとが交差して設けられ、第１軟磁性部３ａの下方であって、垂直磁界成分が流入したときに第１軟磁性部３ａからＹ１−Ｙ２方向の水平磁界成分を受けることが可能な位置に一つの磁気抵抗効果素子Ｓを配置した構成である。図６の構成においても、第２軟磁性部３ｂがない構成に比べて、第２軟磁性部３ｂを設けることで、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の外乱磁界を軟磁性体３により効果的にシールドでき、垂直磁界成分の検出精度を向上させることができる。

実験では、図１に示す実施例の磁気センサと、図７に示す比較例の磁気センサとを用いた。

図７に示す比較例では図１と異なって軟磁性体３にＹ１−Ｙ２方向に延出する第２軟磁性部３ｂが設けられていない（Ｘ１−Ｘ２方向の両側にて配置されたＹ１−Ｙ２方向に延出する軟磁性体を除く）。その他の構成は図１と同じである。

なお磁気センサを構成する各磁気抵抗効果素子の感度軸方向はいずれもＹ２方向とした。

実験では、実施例及び比較例の各磁気センサに対して、Ｚ方向（高さ方向）に−６Ｏｅ〜＋６Ｏｅの垂直磁界を印加し、感度（オフセット磁界の印加なし）を算出した。なお−６Ｏｅとは、図３に示すＺ１方向に作用する６Ｏｅの垂直磁界を指し、＋６Ｏｅとは、図３に示すＺ２方向に作用する６Ｏｅの垂直磁界を指す。−６Ｏｅから＋６Ｏｅまで垂直磁界の大きさを変化させてヒステリシスループを測定し、その際、得られるＭＲ変化量（単位磁界あたりの抵抗変化量）が「感度」である。

続いて、Ｙ１−Ｙ２方向に５Ｏｅのオフセット磁界（外乱磁界）を印加し続けた状態で、Ｚ方向（高さ方向）に−６Ｏｅ〜＋６Ｏｅの垂直磁界を印加して、感度を算出した。Ｙ１方向にオフセット磁界を印加した場合の実験結果が図８（ａ）で、Ｙ２方向にオフセット磁界を印加した場合の実験結果が図８（ｂ）である。

図８（ａ）（ｂ）に示す横軸は、オフセット磁界の有無に対する感度変化（％）を示し、感度変化は、［（感度（オフセット磁界印加）／感度（オフセット磁界印加なし）−１）×１００（％）］で示される。縦軸は頻度を示している。

図８（ａ）に示すように、比較例での感度変化ピークは５％程度であるのに対し、実施例では、３％程度に小さくできた。また図８（ｂ）に示すように、比較例での感度変化ピークは−３．５％程度であるのに対し、実施例では、−２〜−２．５％程度に小さくできた（絶対値で比較）。
このように、実施例のほうが比較例に比べて感度変化を小さくできることがわかった。

Ｈ１垂直磁界成分
Ｈ２、Ｈ３水平磁界成分
Ｈ４、Ｈ５外乱磁界
Ｐ感度軸方向
Ｓ１〜Ｓ４磁気抵抗効果素子
１Ｚ軸磁気センサ
３軟磁性体
３ａ第１軟磁性部
３ｂ第２軟磁性部
３ｃＹ１側部
３ｄＹ２側部
４絶縁層
１６導電層
１８電極層
６１固定磁性層
６１ａ、６１ｂ磁性層
６２非磁性層
６３フリー磁性層
６４保護層

Claims

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、外部から進入する前記基板に垂直な方向からの垂直磁界成分を前記基板に対して水平な方向への水平磁界成分に変換し、前記水平磁界成分を前記磁気抵抗効果素子に与える軟磁性体と、を有し、
前記軟磁性体は、前記磁気抵抗効果素子と高さ方向にて間隔を空けて配置されており、
前記基板のなす面に水平な面内にて直交する２方向を、Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向としたとき、
前記磁気抵抗効果素子は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出して形成されるとともに、Ｙ１−Ｙ２方向に感度軸を備えており、
前記軟磁性体は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出する第１軟磁性部と、前記Ｙ１−Ｙ２方向に延出する第２軟磁性部とが一体となって形成されており、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１軟磁性部からＹ１−Ｙ２方向の水平磁界成分を受けることが可能な位置に配置され、
前記磁気抵抗効果素子には、前記第２軟磁性部と高さ方向にて対向する位置、あるいは前記第１軟磁性部と前記第２軟磁性部との交差部と高さ方向にて対向する位置に電流をバイパスする電極層が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
前記軟磁性体は、Ｘ１−Ｘ２方向に延出しＹ１−Ｙ２方向に間隔を空けた複数の前記第１軟磁性部と、Ｙ１−Ｙ２方向に延出しＸ１−Ｘ２方向に間隔を空けた複数の前記第２軟磁性部とが一体となって構成されており、
前記磁気抵抗効果素子は、前記垂直な方向からの矢視にて、前記第１軟磁性部のＹ１側部側に位置してＹ１方向への水平磁界成分を受ける第１磁気抵抗効果素子と、前記軟磁性体のＹ２側部側に位置してＹ２方向への水平磁界成分を受ける第２磁気抵抗効果素子とを有している請求項１記載の磁気センサ。
前記第１磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子、前記第２磁気抵抗効果素子と同じ構成の第３磁気抵抗効果素子、及び、前記第１磁気抵抗効果素子と同じ構成の第４磁気抵抗効果素子とを備えて、ブリッジ回路が構成されている請求項２記載の磁気センサ。