JP6427588B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサに関する。

従来、予め定められた一方向の磁気の有無を検出するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が知られていた。また、磁気抵抗素子と、磁気収束部とを組み合わせた磁気センサが知られていた（例えば、特許文献１〜７参照）。
特許文献１ 特開２００６−３１１６号公報
特許文献２ 特開２００６−１０４６１号公報
特許文献３ 特開平７−１６９０２６号公報
特許文献４ 特開２００２−７１３８１号公報
特許文献５ 特開２００４−６７５２号公報
特許文献６ 特開２００３−２８２９９６号公報
特許文献７ 国際公開第２０１１／０６８１４６号パンフレット

ＴＭＲ素子は、外部磁場に略比例した抵抗値を生じる線形領域と、外部磁場に関わらず所定の抵抗値を生じる飽和領域とを有する。ＴＭＲ素子を用いた磁気センサでは、線形領域でなければ外部磁場を正確に検出できない。そのため、外部磁場の検出範囲は、ＴＭＲ素子の飽和磁場の大きさに制限されていた。ＴＭＲ素子の感磁軸方向とは異なる方向の磁場を、磁気収束部により感磁軸方向に集める磁気センサの場合、１つのＴＭＲ素子が感磁軸方向の磁場と感磁軸方向とは異なる方向の磁場の両方を検出することになり、磁場の飽和が生じやすい問題がある。

本発明の第１の態様においては、基板と、基板上又は基板内に配置され、１又は複数の磁気収束部材を有する磁気収束部と、磁気収束部材の近傍に配置され、且つ、基板の平面に平行な方向の感磁軸を有する複数の磁気検出部と、複数の磁気検出部の出力から、基板の平面に平行な第１の軸の方向の外部磁場、基板の平面に平行で且つ第１の軸と垂直な第２の軸の方向の外部磁場及び基板に平面に垂直な第３の軸の方向の外部磁場のうちの少なくとも２つの方向の外部磁場を演算する演算部とを備え、磁気収束部は、複数の磁気検出部の各磁気検出部で、感磁軸方向と異なる方向の外部磁場を感磁軸方向の磁場に変換し、各磁気検出部は、基板の平面に平行に配列された複数の磁気抵抗素子を含み、複数の磁気抵抗素子の各磁気抵抗素子は、外部磁場により磁化の方向が変化するフリー層と、磁化が固定されたピンド層と、フリー層とピンド層との間に設けられたスペーサ層との積層構造を含み、複数の磁気抵抗素子に含まれる一の磁気抵抗素子のフリー層の長手方向と、一の磁気抵抗素子に隣り合う少なくとも１つの磁気抵抗素子のフリー層の長手方向とが同じ方向であり、一の磁気抵抗素子に隣り合う少なくとも１つの磁気抵抗素子は、一の磁気抵抗素子のフリー層の長手方向に配列される磁気センサを提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

磁気検出部１１０の平面図の一例を示す。 磁気検出部１１０の断面図の一例を示す。 磁気検出部１１０の断面図の一例を示す。 磁気検出部１１０の断面図の一例を示す。 磁気検出部１１０の構成の一例を示す。 磁気検出部１１５の一例を示す。 磁気検出部に外部磁場を印加した時の抵抗変化率を示す。 縦直列の検出磁場のレンジが広くなる理由を説明するための図である。 フリー層２３に印加されるバイアス磁場を説明するための図である。 磁気センサ１００の一例を示す。 磁気センサ１００の構成の一例を示す。 磁気センサ１００の動作を説明するための図である。 磁気センサ１００の構成の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、磁気検出部１１０の平面図の一例を示す。平面図とは、Ｚ軸方向の正側から見た図を指す。図２から図４は、それぞれ図１の磁気検出部１１０のＡ−Ａ´線における断面図の一例を示す。磁気検出部１１０は、基板１０、磁気抵抗素子２０、下部電極３０、上部電極４０及び素子分離絶縁膜５０を備える。図１では、基板１０及び素子分離絶縁膜５０を省略している。磁気検出部１１０は、外部磁場を検出する。

基板１０は、シリコン基板、化合物半導体基板及びセラミック基板のいずれであってもよい。また、基板１０は、ＩＣを搭載したシリコン基板であってよい。

磁気抵抗素子２０は、基板１０の上方に形成される。本例の磁気検出部１１０は、複数の磁気抵抗素子２０ａ〜２０ｄを有し、基板１０の平面に平行な方向に配列される。それぞれの磁気抵抗素子２０は、ピンド層２１、スペーサ層２２及びフリー層２３を備える。磁気抵抗素子２０は、ＴＭＲ素子である。ＴＭＲ素子とは、磁性体薄膜の間に極薄の絶縁膜を挟んだ素子を指す。ＴＭＲ素子の抵抗は、絶縁膜を挟む磁性体薄膜の磁化の向きによって変化する。本例の磁気抵抗素子２０のフリー層は、平面視で、長さＬ、幅Ｗの矩形の断面を有する。平面視とは、Ｚ軸の正側方向から見た場合を指す。複数の磁気抵抗素子２０は、磁気抵抗素子２０の長手方向（Ｙ軸方向）に配列される。磁気抵抗素子２０は、互いに電気的に接続されてよい。なお、磁気抵抗素子２０は、平面視で、少なくともフリー層２３の断面が矩形であればよい。本例では、磁気抵抗素子２０の長手方向は、フリー層２３の長手方向と同一である。

ピンド層２１は、磁化が予め定められた方向に固定された磁性材料からなる。ピンド層２１は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の材料の組み合わせにより形成される。本明細書において、ピンド層２１の磁化が固定された方向の軸を感磁軸と称する。

スペーサ層２２は、ピンド層２１上に形成された薄膜の絶縁体である。例えば、スペーサ層２２は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の絶縁材料で形成される。

フリー層２３は、外部磁場に応じて磁化の向きが変化する磁性体である。例えば、フリー層２３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の材料の組み合わせにより形成される軟磁性材料である。フリー層２３は、スペーサ層２２上に形成される。例えば、フリー層２３の磁化の方向は、フリー層２３の形状異方性によって生じ、磁気抵抗素子２０の長手方向（Ｙ軸方向）である。本例のフリー層２３の磁化の方向は、フリー層２３の配列方向と同一である。

下部電極３０は、基板１０と磁気抵抗素子２０との間に設けられる。下部電極３０は、隣り合う２つの磁気抵抗素子２０のピンド層２１を互いに接続する。例えば、本例の下部電極３０は、磁気抵抗素子２０ａと磁気抵抗素子２０ｂ、及び、磁気抵抗素子２０ｃと磁気抵抗素子２０ｄとをそれぞれ接続する。下部電極３０は、例えば、非磁性体から形成される。

上部電極４０は、磁気抵抗素子２０上に設けられる。上部電極４０は、隣り合う２つの磁気抵抗素子２０が有するフリー層２３を互いに接続する。例えば、本例の上部電極４０は、磁気抵抗素子２０ｂと磁気抵抗素子２０ｃとを接続する。即ち、隣り合う磁気抵抗素子２０は、下部電極３０又は上部電極４０のいずれか一方により電気的に接続される。本例の下部電極３０及び上部電極４０は、平面視で矩形状の断面を有するが、これに限られない。また、下部電極３０及び上部電極４０の幅は同一であってよい。

素子分離絶縁膜５０は、隣り合う磁気抵抗素子２０のフリー層をそれぞれ電気的に分離する。素子分離絶縁膜５０は、一般的な半導体製造工程で用いられる絶縁材料により形成される。例えば、素子分離絶縁膜５０は、二酸化シリコンＳｉＯ_２で形成される。

以上の通り、磁気検出部１１０は、感磁軸と直交する方向に磁化され、且つ、配列されたフリー層２３を有する。これにより、磁気検出部１１０は、感磁軸と同じ方向の磁場を正確に検出できる。

図２において、下部電極３０により接続された２つの磁気抵抗素子２０の側面は、素子分離絶縁膜５０により完全に分離される。完全に分離するとは、隣り合う磁気抵抗素子２０を、互いに接触しないように、物理的に分離することを指す。例えば、磁気抵抗素子２０ａと磁気抵抗素子２０ｂとの間において、ピンド層２１、スペーサ層２２及びフリー層２３が完全にエッチングされる。

図３において、下部電極３０により接続された２つの磁気抵抗素子２０は、ピンド層２１の側面で互いに接続される。例えば、磁気抵抗素子２０ａと磁気抵抗素子２０ｂとの間において、スペーサ層２２及びフリー層２３が完全にエッチングされる。一方、磁気抵抗素子２０ａと磁気抵抗素子２０ｂとの間において、ピンド層２１は完全にはエッチングされず、一部が残されてよい。また、下部電極３０を設けずに、ピンド層２１をピンド層兼下部電極として用いてもよい。

図４において、下部電極３０により接続された２つの磁気抵抗素子２０は、ピンド層２１及びスペーサ層２２の側面で互いに接続される。例えば、磁気抵抗素子２０ａと磁気抵抗素子２０ｂとの間において、フリー層２３が完全にエッチングされる一方で、スペーサ層２２は完全にはエッチングされず一部が残される。下部電極３０を設けずに、ピンド層２１をピンド層兼下部電極として用いてもよい。

即ち、隣り合う磁気抵抗素子２０において、少なくともフリー層２３が素子分離絶縁膜５０により完全に分離されていれば、ピンド層２１又はスペーサ層２２が互いに接触していてもよい。また、ピンド層２１及びスペーサ層２２は、平面視で、四角形、正方形、平行四辺形、台形、三角形、多角形、円形及び楕円形のいずれの形状であってもよい。

図５は、磁気検出部１１０の一例を示す。図６は、磁気検出部１１５の一例を示す。本例の磁気検出部１１０は、図１に示した磁気検出部１１０と基本的に同一の構造を有する。

磁気検出部１１０及び磁気検出部１１５のピンド層２１は、いずれもＸ軸方向に感磁軸を有する。また、磁気検出部１１０及び磁気検出部１１５のフリー層２３は、いずれもＹ軸方向に長手方向を有し、且つ、Ｙ軸方向に磁化の方向を有する。よって、磁気検出部１１０及び磁気検出部１１５のいずれの場合であっても、ピンド層２１の磁化の方向とフリー層２３の磁化の方向は直交する。また、隣り合う磁気抵抗素子２０は、下部電極３０又は上部電極４０のいずれかによって電気的に接続される。本例の上部電極４０の幅は、下部電極３０の幅よりも大きい。上部電極４０の幅は、下部電極３０の幅と同一、又は、下部電極３０の幅よりも小さくてよい。

しかし、磁気検出部１１０と磁気検出部１１５とは、磁気抵抗素子２０の配列方向が異なる。磁気検出部１１０では、フリー層２３はＹ軸方向に配列される。即ち、複数の磁気抵抗素子２０に含まれる一の磁気抵抗素子２０のフリー層２３の長手方向（Ｙ軸）と、一の磁気抵抗素子２０に隣り合う少なくとも１つの磁気抵抗素子２０のフリー層２３の長手方向（Ｙ軸）とが同じ方向であり、且つ、一の磁気抵抗素子２０に隣り合う少なくとも１つの磁気抵抗素子２０は、一の磁気抵抗素子２０のフリー層２３の長手方向（Ｙ軸）に配列される。また、フリー層２３は、ピンド層２１の感磁軸（Ｘ軸）と直交する方向であるフリー層２３の長手方向（Ｙ軸）に配列される。本例におけるフリー層２３の配列方法を縦直列と称する。

一方、磁気検出部１１５では、フリー層２３はＸ軸方向に配列される。即ち、一の磁気抵抗素子２０に隣り合う磁気抵抗素子２０は、一の磁気抵抗素子２０のフリー層２３の短手方向（Ｘ軸）に配列される。また、フリー層２３は、ピンド層２１の感磁軸（Ｘ軸）と平行な方向であるフリー層２３の短手方向（Ｘ軸）に配列される。本例におけるフリー層２３の配列方法を横直列と称する。

図７は、磁気検出部１１０及び磁気検出部１１５に外部磁場を印加した時の抵抗変化率を示す。横軸は磁気検出部に印加する外部磁場（μＴ）、縦軸は抵抗変化率（％）を示す。太線は、縦直列の昇磁場抵抗及び降磁場抵抗を示す。昇磁場抵抗変化率とは、磁気検出部に印加する外部磁場の強さを小さい値から大きい値に徐々に上昇させたときの抵抗変化率を指す。一方、降磁場抵抗変化率とは、磁気検出部に印加する外部磁場の強さを大きい値から小さい値に徐々に下降させたときの抵抗変化率を指す。また、一点鎖線は横直列の昇磁場抵抗変化率を示し、点線は横直列の降磁場抵抗変化率を示す。

縦直列の抵抗変化率を示す曲線は、横直列の抵抗変化率を示す曲線と比較して傾きが小さい。即ち、縦直列では、印加磁場の変化に対する抵抗変化率の変化量が、横直列と比較して小さい。ここで、磁気検出部１１０及び磁気検出部１１５の抵抗変化率は、一定の大きさを超えると飽和する。そのため、印加磁場の絶対値が一定の大きさ以上になると、抵抗変化率の変化を検出できなくなる。しかしながら、縦直列の場合、横直列の場合よりも抵抗変化率の傾きが小さいので、横直列の場合よりも検出できる印加磁場の最大値が大きくなる。よって、縦直列の場合、横直列の場合よりも、磁場飽和が生じにくく、検出磁場のレンジが広い。

更に、縦直列では、昇磁場抵抗変化率を示す曲線と降磁場抵抗変化率を示す曲線とが重なっている。一方、横直列では、印加磁場が０の周辺で、昇磁場抵抗変化率と降磁場抵抗変化率との間に差が生じている。よって、縦直列は、横直列と比較して、昇磁場抵抗変化率と降磁場抵抗変化率の差、つまりヒステリシスが小さい。縦直列の場合、ヒステリシスが小さいので、印加磁場が昇磁場である場合と降磁場である場合との誤差が小さく、検出の精度が高い。

図８は、縦直列が横直列と比較して、検出磁場のレンジが広くなる理由を説明するための図である。縦直列では、フリー層２３の長手方向（Ｙ軸方向）にフリー層２３を配列するので、磁気抵抗素子２０のフリー層２３が作る磁場は隣り合う磁気抵抗素子２０のフリー層２３の磁化方向（Ｙ軸方向）に沿った磁場を作る。

間隔Ｌ_ｆは、フリー層２３同士の間隔を示す。間隔Ｌ_ｆが小さければ小さい程、隣り合うフリー層２３からの影響が大きい。間隔Ｌ_ｆは、使用する材料等により、任意の大きさに設定されてよい。間隔Ｌ_ｆは、１５μｍ以下であってよく、５μｍ又は１０μｍであってよい。また、間隔Ｌ_ｆは０μｍより大きい値であればよい。フリー層２３の磁化方向にバイアス磁場がかかると、フリー層２３の磁化方向が回転しにくくなる。よって、縦直列の場合は、横直列の場合と比較して、印加磁場に対する抵抗変化率が小さくなり、磁場レンジが拡大する。

図９は、フリー層２３に印加されるバイアス磁場を説明するための図である。各磁気抵抗素子２０のフリー層２３は、隣り合うフリー層２３に対してバイアス磁石として働く。即ち、各フリー層２３の両端には、Ｙ軸方向に配列するＮ極及びＳ極で構成されたバイアス磁石が擬似的に形成される。フリー層２３同士の間隔Ｌ_ｆが小さければ小さい程、隣り合うフリー層２３からの磁場の影響が大きくなり、バイアス効果が大きくなる。このようなバイアス効果は、縦直列の場合に生じる。

図１０は、磁気センサ１００の一例を示す。磁気センサ１００は、磁気収束部６５、磁気検出部７０ａ〜７０ｃ及びメタル配線８０ａ〜８０ｃを備える。本例の磁気検出部７０は、縦直列で配置された磁気検出部１１０と同一のＴＭＲ素子を有する。磁気検出部７０は、縦直列で配置された磁気検出部１１０を少なくとも１つ有していればよく、全ての磁気検出部１１０が縦直列で配置される必要はない。磁気センサ１００は、入力された外部磁場を検出する。外部磁場は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの方向に一様な外部磁場Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙ、Ｂ_Ｚに分けて考えられる。

磁気収束部６５は、入力された外部磁場を磁気検出部７０に収束する。磁気収束部６５は、基板１０上又は基板１０内に配置される。磁気収束部６５は、１又は複数の磁気収束部材６０を有する。本例の磁気収束部６５は、磁気収束部材６０ａ〜６０ｆを有する。

磁気収束部材６０ａ〜６０ｆは、磁気検出部７０ａ〜７０ｃとメタル配線８０ａ〜８０ｄの上に形成される。また、磁気収束部材６０ａ〜６０ｆは、Ｚ軸方向に厚みを有し、Ｙ軸方向に長手方向を有する直方体である。本例の磁気収束部材６０の角は、直角であるが、４つの角の少なくとも１つの角が丸まっていたり、面取されていたりしてもよい。磁気収束部材６０ａ〜６０ｆの形状は、平面視で、四角形、正方形、平行四辺形、台形、三角形、多角形、円形及び楕円形のいずれの形状であってもよい。磁気収束部材６０ａ〜６０ｆは、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅなどの軟磁性材料で形成されてよい。磁気収束部材６０ａ〜６０ｆは、Ｘ軸方向に並んで配置される。本例の磁気収束部材６０ａ、６０ｃ及び６０ｅは、磁気収束部材６０ｂ、６０ｄ及び６０ｆに対してＹ軸方向の正側にずれて配置される。磁気収束部材６０ａ〜６０ｆは、基板１０に対して略平行で、且つ、互いに略平行である。

磁気検出部７０は、磁気収束部材６０の近傍に配置され、且つ、基板１０の平面に平行な方向の感磁軸を有する。磁気検出部７０は、＋Ｘ軸方向に磁化されたピンド層２１を有する。本例の磁気検出部７０ａ〜７０ｃは、磁気収束部材６０ｂ、６０ｄ及び６０ｆのそれぞれＸ軸の正側に対応して配置される。本例の磁気検出部７０は、平面視で、Ｙ軸方向に長手方向を有する矩形である。磁気検出部７０は、平面視で、四角形、正方形、平行四辺形、台形、三角形、多角形、円形及び楕円形のいずれの形状であってもよい。

メタル配線８０は、磁気検出部７０同士をそれぞれ接続する。メタル配線８０ａ〜８０ｄに電流ｉを流すと、磁気検出部７０ａ〜７０ｃにそれぞれ電流ｉが流れる。磁気検出部７０ａ〜７０ｃに流れる電流ｉにより、外部磁場により変化した磁気検出部７０ａ〜７０ｃの抵抗値を検出できる。

磁気検出部７０は、感磁軸の方向に印加された磁場に反応する。そのため、磁気検出部７０は、感磁軸の向きがＸ軸方向の時に、Ｘ軸方向に印加された磁場を検出するが、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に印加された磁場には不感である。この場合、磁気検出部７０の磁気抵抗Ｒ_ＴＭＲは、以下のように表される。
Ｒ_ＴＭＲ＝Ｒ_０＋ΔＲ_Ｘ
ここで、Ｒ_０は外部磁場に依らない磁気検出部７０の抵抗値を示す。また、ΔＲ_Ｘは外部磁場Ｂ_Ｘの大きさに応じた磁気検出部７０の抵抗変化量を示す。

外部磁場Ｂ_Ｘは、磁気収束部材６０ｂで収束されて、磁気検出部７０ａをＸ軸方向の正側に向かって横切る。同様に、外部磁場Ｂ_Ｘは、磁気検出部７０ｂ、７０ｃを横切る。即ち、外部磁場Ｂ_Ｘは、磁気検出部７０ａ〜７０ｃによって検出される。メタル配線８０ａ〜８０ｄを介して電流ｉを流すと、磁気検出部７０ａ〜７０ｃが検出した外部磁場Ｂ_Ｘを検出できる。

外部磁場Ｂ_Ｙの磁路について、３つの磁気収束部材６０ｃ、６０ｄ及び６０ｅと磁気検出部７０ｂとで示す。外部磁場Ｂ_Ｙは、−Ｙ軸方向に突出した磁気収束部材６０ｄに入力されると、磁気収束部材６０ｃ及び６０ｅのそれぞれに分岐して流れる。磁気収束部材６０ｄから磁気収束部材６０ｃに流れる磁路では、外部磁場Ｂ_Ｙは、Ｘ軸方向の負側に流れる。一方、磁気収束部材６０ｄから磁気収束部材６０ｅに流れる磁路では、外部磁場Ｂ_Ｙは、Ｘ軸方向の正側に流れる。即ち、外部磁場Ｂ_Ｙは、Ｘ軸方向に変換されて、磁気検出部７０ｂを横切る。同様に、磁気収束部材６０ｂ及び６０ｆに入力された外部磁場Ｂ_Ｙは、Ｘ軸方向に変換されて、磁気検出部７０ａ、７０ｃを横切る。これにより、外部磁場Ｂ_Ｙは、磁気検出部７０ａ〜７０ｃにより検出される。そして、メタル配線８０ａ〜８０ｄを介して電流ｉを流すと、磁気検出部７０ａ〜７０ｃが検出した外部磁場Ｂ_Ｙを検出できる。

外部磁場Ｂ_Ｚの磁路について、磁気収束部材６０ｂと磁気検出部７０ａとで示す。例えば、磁気検出部７０が磁気収束部材６０に対してＺ軸の負側に形成されている場合、外部磁場Ｂ_Ｚは、磁気検出部７０ａをＸ軸方向の負側に向かって横切り、磁気収束部材６０ｂに収束される磁路が形成される。即ち、外部磁場Ｂ_Ｚは、Ｘ軸方向に変換されて、磁気検出部７０ａを横切る。同様に、磁気収束部材６０ｄ及び６０ｆに入力される外部磁場Ｂ_Ｚは、Ｘ軸方向に変換されて、磁気検出部７０ｂ、７０ｃを横切る。これにより、外部磁場Ｂ_Ｚは、磁気検出部７０ａ〜７０ｃにより検出される。そして、メタル配線８０ａ〜８０ｄを介して電流ｉを流すと、磁気検出部７０ａ〜７０ｃが検出した外部磁場Ｂ_Ｚを検出できる。

以上の通り、磁気センサ１００は、磁気収束部材６０ａ〜６０ｆにより、外部磁場の向きを感磁軸の方向に変換することで、３軸方向の磁場を検出できる。本例の磁気検出部７０ａ〜７０ｃの磁気抵抗Ｒ_ＴＭＲは、以下のように表される。
Ｒ_ＴＭＲ＝Ｒ_０＋ΔＲ_Ｘ＋ΔＲ_Ｙ−ΔＲ_Ｚ
ここで、ΔＲ_Ｙは外部磁場Ｂ_Ｙの大きさに応じた抵抗変化量、ΔＲ_Ｚは外部磁場Ｂ_Ｚの大きさに応じた抵抗変化量である。ΔＲ_Ｚだけ符号が異なるのは、外部磁場Ｂ_Ｚの場合、磁気検出部７０ａ〜７０ｃを横切るＸ軸方向に変換された磁場が、Ｘ軸方向の負側を向いているためである。

図１１は、磁気センサ１００の構成の一例を示す。図１１（ａ）は、磁気センサ１００の平面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示す。

本例の磁気センサ１００は、磁気収束部材６０ａ〜６０ｃ及びＸ軸方向に感磁軸を有する磁気検出部７０ａ〜７０ｅを備える。磁気センサ１００は、直交する３軸の磁気信号をそれぞれ検出する。本例の磁気検出部７０ａ〜７０ｅは、それぞれ同一の構造を備える。

磁気収束部材６０ａ〜６０ｃは、互いに平行に、Ｘ軸方向に並んで配置される。磁気収束部材６０ａ及び磁気収束部材６０ｃは、磁気収束部材６０ｂを挟んで設けられる。また、磁気収束部材６０ａ及び磁気収束部材６０ｃは、磁気収束部材６０ｂに対して、Ｙ軸方向の正側にずれて配置される。より詳細には、一方の端点１６１を含むＹ軸方向に直交する平面（ＸＺ平面）が、磁気収束部材６０ａ及び磁気収束部材６０ｃに交差せず、同時に、他方の端点１６２を含むＹ軸方向に直交する平面（ＸＺ平面）が、磁気収束部材６０ａ及び磁気収束部材６０ｃに交差するように配置される。これにより、磁気収束部材６０ｂの長手方向に外部磁場Ｂ_Ｙを入力したときに、磁気収束部材６０ｂから磁気収束部材６０ａ、及び、磁気収束部材６０ｂから磁気収束部材６０ｃにそれぞれ磁束成分が形成されるようになる。ここで、端点１６１及び端点１６２は、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ｂのＹ軸方向の正側の端点及び負側の端点を指す。

第１の仮想平面６１は、基板平面１１に略平行な、任意の仮想的な平面を示す。本例の第１の仮想平面６１は、磁気収束部材６０ａ〜６０ｃにおけるＺ軸方向の負側の底面に対応する。しかし、磁気収束部材６０ａ〜６０ｃにおけるＺ軸方向の負側の底面は、それぞれ第１の仮想平面６１と異なる平面であってよい。第１の仮想平面６１と重なる磁気収束部材６０の形状は、矩形に限らず、Ｙ軸方向に略平行な向きに長手方向を有する四角形、平行四辺形、台形のいずれであってもよい。磁気収束部材６０ａ〜６０ｃのＺ軸方向の厚みは、同一であっても、それぞれが異なってもよい。

第１のエッジ間距離Ｌａｂは、第１の範囲Ｒ１で、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ａ及び磁気収束部材６０ｂが、Ｘ軸方向に沿って最も短くなる距離である。第２のエッジ間距離Ｌｂｃは、第２の範囲Ｒ２で、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ｂ及び第３の磁気収束部材６０ｃが、Ｘ軸方向に沿って最も短くなる距離である。ここで、第１の範囲Ｒ１とは、磁気収束部材６０ａと磁気収束部材６０ｂとの間において、Ｙ軸方向に直交する平面が、磁気収束部材６０ａと、磁気収束部材６０ｂと、いずれにも交差するＹ軸方向に沿った範囲である。また、第２の範囲Ｒ２とは、磁気収束部材６０ｃと磁気収束部材６０ｂとの間において、Ｙ軸方向に直交する平面が、磁気収束部材６０ｃと、磁気収束部材６０ｂと、いずれにも交差するＹ軸方向に沿った範囲である。

本例の第１のエッジ間距離Ｌａｂは、第２のエッジ間距離Ｌｂｃと略等しい。例えば、第１エッジ間距離Ｌａｂ及び第２のエッジ間距離Ｌｂｃは、いずれか１つの距離の０．７倍以上１．３倍以下の範囲であってよい。この範囲であれば、磁気センサ１００は、３軸方向の外部磁場に対する各々の感度のばらつきを小さく抑えられる。

磁気検出部７０ａ及び７０ｂは、平面視で、磁気収束部材６０ａと磁気収束部材６０ｂとの間に配置される。磁気検出部７０ａ及び７０ｂは、少なくとも１部が第１の範囲Ｒ１に配置されていればよく、その全てが、第１の範囲Ｒ１内に配置されてもよい。

磁気検出部７０ｄ及び７０ｅは、平面視で、磁気収束部材６０ｂと磁気収束部材６０ｃとの間に配置される。また、磁気検出部７０ｄ及び７０ｅは、少なくとも１部が第２の範囲Ｒ２に配置されていればよく、その全てが、第２の範囲Ｒ２内に配置されてもよい。

磁気検出部７０ｃは、平面視で、磁気収束部材６０ｂに覆われることにより、３軸方向の磁場に対して不感となるように配置される。磁気検出部７０ｃは、磁気収束部材６０ｂの短手方向の中央に配置されてよい。また、磁気検出部７０ｃは、磁気収束部材６０ａ〜６０ｃの内、少なくとも１つの磁気収束部材６０に覆われて配置されていればよい。例えば、磁気収束部材６０ｂのＸ軸方向の長さ（幅）は、磁気検出部７０ｃの全てを覆い、尚且つ、磁気検出部７０ｃに対して十分な磁気シールド効果をもたらす範囲であればよい。磁気収束部材６０ｂの幅は、好ましくは磁気検出部７０ｃの幅の１．５倍以上、より好ましくは３倍以上あればよい。

磁気検出部７０ａは、磁気収束部材６０ａと磁気収束部材６０ｂとの間に配置され、磁気収束部材６０ａに近接するように配置される。また、磁気検出部７０ｂは、磁気収束部材６０ａと磁気収束部材６０ｂとの間に配置され、磁気収束部材６０ｂに近接するように配置される。近接するとは、磁気検出部７０の感磁軸の方向に外部磁場を変更するように、磁気収束部材６０が配置されることを指す。例えば、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ａの形状と、磁気収束部材６０ｂの形状とが互いに最も近くなる辺の中間となる線を仮想中線ＶＭとすると、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ａが、仮想中線ＶＭよりも、磁気収束部材６０ａに近くなるように配置される。

また、磁気検出部７０ａは、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ａの形状と、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ａの形状とが互いに最も近くなる辺の距離Ｍ１１が、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ｂの形状と、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ａの形状とが互いに最も近くなる辺の距離Ｍ１２よりも短くなるように配置される。同様に、磁気検出部７０ｂは、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ｂの形状が、仮想中線ＶＭよりも、磁気収束部材６０ｂに近くなるように配置される。

第２の仮想平面７１は、基板平面１１に略平行な、任意の仮想的な平面である。第２の仮想平面７１は、磁気検出部７０ａ〜７０ｅのＺ軸方向の負側の底面に対応する。また、磁気検出部７０ａ〜７０ｅは、各々の底面が第２の仮想平面７１に接するように配置されているが、各々の一部が第２の仮想平面７１に交差するように配置されていてもよい。また、磁気検出部７０ａ〜７０ｅのＺ軸方向の厚みは、同一であっても、それぞれが異なってもよい。

磁気検出部７０ａ〜７０ｅの配置を規定するために、第１〜第４の中線間距離Ｌ１〜Ｌ４、第１、２の仮想中線ＶＭ１、２及び第１〜第４の仮想線Ｉ１〜Ｉ４が用いられる。

第１の仮想中線ＶＭ１は、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ａと、磁気収束部材６０ｂとが互いに最も近くなる辺の中間となる線である。第１の中線間距離Ｌ１は、第１の仮想中線ＶＭ１と、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ａのＸ軸方向に垂直に横切る２つの端辺の中間点同士を結ぶ線との距離である。また、第２の中線間距離Ｌ２は、第１の仮想中線ＶＭ１と、第２の仮想平面７１に重なる第２の磁気抵抗素子７０ｂのＸ軸方向に垂直に横切る２つの端辺の中間点同士を結ぶ線との距離である。

同様に、第２の仮想中線ＶＭ２は、第１の仮想平面６１に重なる磁気収束部材６０ｂと、磁気収束部材６０ｃと、が互いに最も近くなる辺の中間となる線である。第３の中線間距離Ｌ３は、第２の仮想中線ＶＭ２と、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ｄのＸ軸方向に垂直に横切る２つの端辺の中間点同士を結ぶ線との距離である。また、第４の中線間距離Ｌ４は、第２の仮想中線ＶＭ２と、第２の仮想平面７１に重なる磁気検出部７０ｅのＸ軸方向に垂直に横切る２つの端辺の中間点同士を結ぶ線との距離である。

また、第１の仮想線Ｉ１は、第１の範囲Ｒ１内にある磁気検出部７０ａのＹ軸方向の端点間の中点を含むＸ軸方向に平行な直線である。第２の仮想線Ｉ２は、第１の範囲Ｒ１内にある第２の磁気抵抗素子７０ｂのＹ軸方向の端点間の中点を含むＸ軸方向に平行な直線である。また、第３の仮想線Ｉ３は、第２の範囲Ｒ２内にある磁気検出部７０ｄのＹ軸方向の端点間の中点を含むＸ軸方向に平行な直線である。第４の仮想線Ｉ４は、第２の範囲Ｒ２内にある磁気検出部７０ｅのＹ軸方向の端点間の中点を含むＸ軸方向に平行な直線である。

第１の中線間距離Ｌ１は、第１の仮想線Ｉ１と第１の仮想中線ＶＭ１の交点と、第１の仮想線Ｉ１と交わる磁気検出部７０ａの２つの端点の中点と、で結ぶ線分の長さである。また、第２の中線間距離Ｌ２は、第２の仮想線Ｉ２と第１の仮想中線ＶＭ１の交点と、第２の仮想線Ｉ２と交わる第２の磁気抵抗素子７０ｂの２つの端点の中点と、で結ぶ線分の長さである。同様に、第３の中線間距離Ｌ３は、第３の仮想線Ｉ３と第２の仮想中線ＶＭ２の交点と、第３の仮想線Ｉ３と交わる磁気検出部７０ｃの２つの端点の中点と、で結ぶ線分の長さである。また、第４の中線間距離Ｌ４は、第４の仮想線Ｉ４と第２の仮想中線ＶＭ２の交点と、第４の仮想線Ｉ４と交わる磁気検出部７０ｄの２つの端点の中点と、で結ぶ線分の長さである。

磁気検出部７０ａ、７０ｂ、７０ｄ及び７０ｅと、磁気収束部材６０ａ〜６０ｃとは、第１の中線間距離Ｌ１と、第２の中線間距離Ｌ２と、第３の中線間距離Ｌ３と、第４の中線間距離Ｌ４とが略等しくなるように配置される。例えば、第１〜第４の中線間距離Ｌ１〜Ｌ４は、いずれか１つの距離の０．７倍以上１．３倍以下の範囲にあってよい。この範囲では、磁気センサ１００は、３軸方向の外部磁場に対する各々の感度のばらつきを小さく抑えられる。

図１２は、係る磁気センサ１００の動作を説明するための図である。矢印は、外部磁場の進行する磁路を示す。

外部磁場Ｂ_Ｘは、磁気収束部材６０ａに収束されて、磁気検出部７０ａと磁気抵抗素子７０ｂをＸ軸方向の正側に横切り、磁気収束部材６０ｂに収束されて通り、磁気検出部７０ｄと磁気検出部７０ｅをＸ軸方向の正側に横切り、磁気収束部材６０ｃに収束される。このとき、磁気検出部７０ａ、７０ｂ、７０ｄ及び７０ｅは、外部磁場Ｂ_Ｘを検出する。

外部磁場Ｂ_Ｙは、Ｙ軸の負側に突出した磁気収束部材６０ｂを通り、磁気収束部材６０ａ及び６０ｃに分岐する。磁気収束部材６０ｂから磁気収束部材６０ａに流れる磁路では、磁気抵抗素子７０ｂ及び７０ａをＸ軸方向の負側に横切る。一方、磁気収束部材６０ｂから磁気収束部材６０ｃに流れる磁路では、磁気抵抗素子７０ｄ及び７０ｅをＸ軸方向の正側に横切る。このとき、磁気検出部７０ａ、７０ｂ、７０ｄ及び７０ｄは、外部磁場Ｂ_Ｙの大きさに比例して方向変換されたＸ軸方向の磁場を検出する。

外部磁場Ｂ_Ｚでは、磁気検出部７０ａをＸ軸の負側に向かって横切り、磁気収束部材６０ａに収束される磁路と、磁気抵抗素子７０ｂをＸ軸方向の正側に横切り、磁気収束部材６０ｂに収束される磁路とが形成される。また、外部磁場Ｂ_Ｚでは、磁気検出部７０ｄをＸ軸方向の負側に横切り、磁気収束部材６０ｂに収束される磁路と、磁気検出部７０ｅをＸ軸方向の正側に横切り、磁気収束部材６０ｃに収束される磁路とが形成される。このとき、磁気検出部７０ａ、７０ｂ、７０ｄ及び７０ｅは、Ｚ軸方向から入力された磁場の大きさに比例して方向変換されたＸ軸方向の磁場を検出する。

図１３は、係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、出力端子Ａ〜Ｅ及びＳ、並びに演算部９０を備える。

出力端子Ｓは、磁気検出部７０ａ〜７０ｅの一方の端子が電気的に１点に結合された端子である。端子を１点に結合することにより、出力端子数を減らすことができる。出力端子Ａ〜Ｅは、磁気検出部７０ａ〜７０ｅの他方の端子が各々に接続された出力端子を示す。そして、出力端子Ａ−Ｓ間、Ｂ−Ｓ間、Ｃ−Ｓ間、Ｄ−Ｓ間、Ｅ−Ｓ間の磁気抵抗をＲ_Ａ、Ｒ_Ｂ、Ｒ_Ｃ、Ｒ_Ｄ、Ｒ_Ｅとすると、それぞれの磁気抵抗は以下のようになる。
Ｒ_Ａ＝Ｒ_０＋ΔＲ_Ｘ−ΔＲ_Ｙ−ΔＲ_Ｚ ・・・（数１）
Ｒ_Ｂ＝Ｒ_０＋ΔＲ_Ｘ−ΔＲ_Ｙ＋ΔＲ_Ｚ ・・・（数２）
Ｒ_Ｃ＝Ｒ_０＋ΔＲ_Ｘ＋ΔＲ_Ｙ−ΔＲ_Ｚ ・・・（数３）
Ｒ_Ｄ＝Ｒ_０＋ΔＲ_Ｘ＋ΔＲ_Ｙ＋ΔＲ_Ｚ ・・・（数４）
Ｒ_Ｅ＝Ｒ_０ ・・・（数５）

（数１）〜（数４）式の磁気抵抗は、いずれも３軸方向の外部磁場の大きさに応じた抵抗変化量ΔＲ_Ｘ、ΔＲ_Ｙ、ΔＲ_Ｚを含む。ΔＲ_Ｘ、ΔＲ_Ｙ、ΔＲ_Ｚの符号は、磁気検出部７０ａ、７０ｂ、７０ｄ及び７０ｅを横切るＸ軸方向の磁場の向きに対応している。（数５）式の磁気抵抗は、３軸方向の外部磁場に不感であるため、３軸成分のいずれの抵抗変化量も含まない。

演算部９０は、端子Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれに接続される。演算部９０は、磁気検出部７０ａ〜７０ｅの各出力に基づいて演算する。例えば、（数１）から（数５）式の磁気抵抗から、各軸の磁場の大きさに応じた抵抗変化量に相当する出力信号Ｓを取り出すと、
（数１）−（数５）式により、
Ｓ_Ａ＝Ｒ_Ａ−Ｒ_Ｅ＝ΔＲ_Ｘ−ΔＲ_Ｙ−ΔＲ_Ｚ・・・（数６）
（数２）−（数５）式により、
Ｓ_Ｂ＝Ｒ_Ｂ−Ｒ_Ｅ＝ΔＲ_Ｘ−ΔＲ_Ｙ＋ΔＲ_Ｚ・・・（数７）
（数３）−（数５）式により、
Ｓ_Ｃ＝Ｒ_Ｃ−Ｒ_Ｅ＝ΔＲ_Ｘ＋ΔＲ_Ｙ−ΔＲ_Ｚ・・・（数８）
（数４）−（数５）式により、
Ｓ_Ｄ＝Ｒ_Ｄ−Ｒ_Ｅ＝ΔＲ_Ｘ＋ΔＲ_Ｙ＋ΔＲ_Ｚ・・・（数９）
となる。

さらに、（数６）＋（数７）＋（数８）＋（数９）式により、
４ΔＲ_Ｘ＝Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ＋Ｓ_Ｃ＋Ｓ_Ｄ
−（数６）−（数７）＋（数８）＋（数９）式により、
４ΔＲ_Ｙ＝−Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ＋Ｓ_Ｃ＋Ｓ_Ｄ
−（数６）＋（数７）−（数８）＋（数９）式により、
４ΔＲ_Ｚ＝−Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ−Ｓ_Ｃ＋Ｓ_Ｄ
となる。

以上の通り、本例の演算部９０は、磁気検出部７０ａ〜７０ｅのそれぞれの出力に基づいて、３軸方向の外部磁場の大きさに応じた抵抗変化量ΔＲ_Ｘ、ΔＲ_Ｙ、ΔＲ_Ｚを取り出せる。つまり、磁気検出部７０ａ〜７０ｅの各抵抗値に関する連立方程数式を解くことで、３軸方向の外部磁場が得られる。このように本実施形態に係る磁気センサ１００は、簡易な構成で３軸方向の外部磁場を検出できるので、機器のさらなる小型化や省スペース化を実現できる。

なお、本明細書において、磁気検出部７０は、絶縁層のスペーサ層２２を有するＴＭＲ素子を用いたが、スペーサ層２２が導電層で形成された巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＧＭＲ）素子を用いてもよい。磁気検出部７０としてＧＭＲ素子を用いる場合の外部磁場の検出方法は、磁気検出部７０としてＴＭＲ素子を用いる場合と同様である。磁気検出部７０としてＧＭＲ素子を用いた場合でも、磁気センサ１００は、大きな磁場レンジと、小さなヒステリシスを達成できる。また、磁気センサ１００は、簡易な構成で３軸方向の外部磁場を検出できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 基板、１１ 基板平面、２０ 磁気抵抗素子、２１ ピンド層、２２ スペーサ層、２３ フリー層、３０ 下部電極、４０ 上部電極、５０ 素子分離絶縁膜、６０ 磁気収束部材、６１ 第１の仮想平面、６５ 磁気収束部、７０ 磁気検出部、７１ 第２の仮想平面、８０ メタル配線、９０ 演算部、１００ 磁気センサ、１１０ 磁気検出部、１１５ 磁気検出部、１６１ 端点、１６２ 端点

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上又は前記基板内に配置され、複数の磁気収束部材を有する磁気収束部と、
   前記複数の磁気収束部材の近傍に配置され、且つ、前記基板の平面に平行な方向の感磁軸を有する複数の磁気検出部と、
   前記複数の磁気検出部の出力から、前記基板の平面に平行な第１の軸の方向の外部磁場、前記基板の平面に平行で且つ前記第１の軸と垂直な第２の軸の方向の外部磁場及び前記基板に平面に垂直な第３の軸の方向の外部磁場のうちの少なくとも２つの方向の外部磁場を演算する演算部と
   を備え、
   前記複数の磁気検出部は、前記第１の軸の方向に前記感磁軸を有する第１の磁気検出部および第２の磁気検出部を有し、
   前記磁気収束部は、前記第２の軸の方向および前記第３の軸の方向の内いずれか一方の外部磁場を前記感磁軸と同じ向きに変換して、前記第１の磁気検出部に入力し、
   前記磁気収束部は、前記いずれか一方の外部磁場を前記感磁軸と反対の向きに変換して、第２の磁気検出部に入力し、
   前記第１の磁気検出部および前記第２の磁気検出部は、前記基板の平面に平行に配列された複数の磁気抵抗素子を含み、
   前記複数の磁気抵抗素子の各磁気抵抗素子は、前記外部磁場により磁化の方向が変化するフリー層と、磁化が固定されたピンド層と、前記フリー層と前記ピンド層との間に設けられたスペーサ層と
   の積層構造を含み、
   前記複数の磁気抵抗素子に含まれる一の磁気抵抗素子の前記フリー層の長手方向と、前記一の磁気抵抗素子に隣り合う少なくとも１つの磁気抵抗素子の前記フリー層の長手方向とが同じ方向であり、
   前記少なくとも１つの磁気抵抗素子は、前記一の磁気抵抗素子の前記フリー層の長手方向に配列される
   磁気センサ。
2. 前記感磁軸方向と前記ピンド層の磁化方向とが同じ方向である請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記一の磁気抵抗素子と前記少なくとも１つの磁気抵抗素子のフリー層は、前記感磁軸と直交する方向に配列され、且つ、前記感磁軸と直交する方向に長手方向を有する請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記複数の磁気抵抗素子は、互いに電気的に接続される請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 外部磁場が印加されていないときの前記一の磁気抵抗素子のフリー層の磁化方向と前記一の磁気抵抗素子に隣り合う前記磁気抵抗素子のフリー層の磁化方向とが同じである請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記磁気抵抗素子のフリー層と、当該磁気抵抗素子に隣り合う前記磁気抵抗素子のフリー層との間の間隔が１５μｍ以下である請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記演算部は、
   前記複数の磁気検出部の出力から、第１から第３の軸の方向の外部磁場を演算する請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
8. 前記スペーサ層は、絶縁層である請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
9. 前記スペーサ層は、導電層である請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。

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