(57)【要約】【課題】検出精度の低下が抑制された磁気センサを提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子（１０）の抵抗値変化に基づいて、外部磁界を検出する磁気センサ。磁化方向が固定されたピン層（１７，１８）と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層（１５）と、自由層とピン層との間に設けられた非磁性の中間層（１６）と、を有する第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）、及び、自由層を有する第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）を有し、電源からグランドに向かって複数の第１磁気抵抗効果素子が直列接続されて第１ブリッジ回路が構成され、電源からグランドに向かって複数の第２磁気抵抗効果素子が直列接続されて第２ブリッジ回路が構成されており、第１ブリッジ回路の中点電位と第２ブリッジ回路の中点電位とに基づいて、２つの中点電位のいずれか一方を外部に出力する選択部（３０）を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁気抵抗効果素子（１０）の抵抗値変化に基づいて、外部磁界を検出する磁気センサであって、
複数の前記磁気抵抗効果素子（１０）として、磁化方向が固定されたピン層（１７，１８）と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層（１５）と、該自由層と前記ピン層との間に設けられた非磁性の中間層（１６）と、を有する第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）、及び、前記自由層を有する第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）を有し、
電源からグランドに向かって複数の前記第１磁気抵抗効果素子が直列接続されることで、第１ブリッジ回路が構成され、
電源からグランドに向かって複数の前記第２磁気抵抗効果素子が直列接続されることで、第２ブリッジ回路が構成されており、
前記第１ブリッジ回路の中点電位と前記第２ブリッジ回路の中点電位とに基づいて、２つの中点電位のいずれか一方を外部に出力する選択部（３０）を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記選択部は、
前記第１ブリッジ回路の中点電位と、前記第２ブリッジ回路の中点電位とを比較する比較部（３１）と、
前記第１ブリッジ回路の中点と出力端子（５０）との間に設けられた第１スイッチ（３３）と、
前記第２ブリッジ回路の中点と前記出力端子との間に設けられた第２スイッチ（３４）と、
前記比較部の出力信号に基づいて、前記第１スイッチと前記第２スイッチの開閉を制御する制御部（３２）と、を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子は同一の基板（１３）上に形成され、その基板上の平面形状が同一であり、
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子との間隔が一定であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子それぞれの自由層は、同一工程にて形成されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記中間層は導電性を有し、前記第１磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記中間層は絶縁性を有し、前記第１磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記外部磁界を形成する磁石を有し、
複数の前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に基づいて、被検出対象の回転による前記外部磁界の変動を検出することで、前記被検出対象の回転状態を検出することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記外部磁界は、被検出電流から生じており、
前記外部磁界の変動による複数の前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に基づいて、前記被検出電流を検出することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に基づいて、外部磁界を検出する磁気センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、軟磁性薄膜と巨大磁気抵抗薄膜とによって構成された薄膜磁気抵抗素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７４５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、巨大磁気抵抗薄膜は多層構造となっている。そのため、外部温度の変動によって、線膨張係数の相違に起因する熱応力が層間で発生し、それによって巨大磁気抵抗薄膜が損傷する虞がある。巨大磁気抵抗薄膜は、外部磁界を検出する磁気センサなどに適用されるが、上記した損傷が巨大磁気抵抗薄膜に生じると、磁気センサの検出精度が低下する虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、検出精度の低下が抑制された磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために、本発明は、複数の磁気抵抗効果素子（１０）の抵抗値変化に基づいて、外部磁界を検出する磁気センサであって、複数の磁気抵抗効果素子（１０）として、磁化方向が固定されたピン層（１７）と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層（１５）と、該自由層とピン層との間に設けられた非磁性の中間層（１６）と、を有する第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）、及び、自由層を有する第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）を有し、電源からグランドに向かって複数の第１磁気抵抗効果素子が直列接続されることで、第１ブリッジ回路が構成され、電源からグランドに向かって複数の第２磁気抵抗効果素子が直列接続されることで、第２ブリッジ回路が構成されており、第１ブリッジ回路の中点電位と第２ブリッジ回路の中点電位とに基づいて、２つの中点電位のいずれか一方を外部に出力する選択部（３０）を有することを特徴とする。
【０００７】
このように本発明によれば、第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）は多層構造から成り、第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）は単層構造から成る。そのため、線膨張係数の相違に起因して層間に生じる熱応力の総和が、第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）よりも第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）の方が小さくなる。したがって、第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）は、第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）よりも、熱応力によって損傷し難い。
【０００８】
上記したように、第１ブリッジ回路は、第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）によって構成され、第２ブリッジ回路は、第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）によって構成されている。そして、選択部（３０）は、第１ブリッジ回路の中点電位と第２ブリッジ回路の中点電位とに基づいて、２つの中点電位のいずれか一方を外部に出力する。これによれば、多層構造から成る第１磁気抵抗効果素子（１１ａ，１１ｂ）が上記した熱応力によって損傷し、第１ブリッジ回路の中点電位が、外部磁界に応じた信号にならなくなったとしても、単層構造から成る第２磁気抵抗効果素子（１２ａ，１２ｂ）によって構成された第２ブリッジ回路の中点電位を外部に出力することができる。したがって、磁気センサ（１００）の検出精度の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る磁気センサの概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１磁気抵抗効果素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】第２磁気抵抗効果素子の概略構成を示す断面図である。
【図４】磁気抵抗効果素子の平面形状を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図４に基づいて、本実施形態に係る磁気センサを説明する。なお、図２及び図３では、後述する磁気抵抗効果素子１１ａ〜１２ｂを簡略化して記載し、電流経路を破線で示している。
【００１１】
図１に示すように、磁気センサ１００は、要部として、磁気抵抗効果素子１０と、選択部３０と、を有する。磁気抵抗効果素子１１ａ〜１２ｂによって２つのブリッジ回路が形成され、そのブリッジ回路の中点電位が、選択部３０を介して外部に出力される。選択部３０は、２つの中点電位に基づいて、２つの中点電位の内のいずれか一方を外部に出力する。
【００１２】
磁気抵抗効果素子１０は、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂと、を有する。図２及び図３に示すように、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１２ｂは、半導体基板１３上に、酸化膜１４を介して積層された薄膜層から成る。第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂは、酸化膜１４上に順次積層された、自由層１５、中間層１６、固定層１７、磁石層１８から成り、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂは、酸化膜１４上に積層された自由層１５から成る。第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂの自由層１５、及び、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂの自由層１５は同一材料から成り、同一の製造工程にて、半導体基板１３の酸化膜１４上に形成される。
【００１３】
自由層１５は強磁性体である。自由層１５の磁化方向は固定されておらず、外部磁界によって、磁化方向が変動する性質を有する。したがって、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂは、電流の流動方向と自由層１５の磁化方向とによって抵抗値が変動する異方性磁気抵抗効果素子である。なお、固定層１７と磁石層１８が、特許請求の範囲に記載のピン層に相当する。
【００１４】
固定層１７も強磁性体である。しかしながら、その磁化方向は磁石層１８によって固定されており、外部磁界によって、磁化方向が変動しない性質を有する。本実施形態に係る中間層１６は、非磁性を有すると共に、導電性も有しており、自由層１５と固定層１７との間に電圧が印加されると、自由層１５と固定層１７との間に電流が流れるようになっている。このように、本実施形態に係る第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂは、巨大磁気抵抗効果素子である。
【００１５】
電流の流れ易さは、自由層１５と固定層１７の磁化方向に依存しており、自由層１５と固定層１７それぞれの磁化方向が平行の場合に最も流れ易く、反平行の場合に最も流れ難い。すなわち、平行の場合に磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が最も小さく変化し、反平行の場合に抵抗値が最も大きく変化する。本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１１ａの固定層１７の磁化方向と、第１磁気抵抗効果素子１１ｂの固定層１７の磁化方向とが反平行と成っており、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂの抵抗値の変化が反対になっている。すなわち、２つの第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂの一方の抵抗値が小さくなる場合、他方の抵抗値が大きくなり、一方の抵抗値が大きくなる場合、他方の抵抗値が大きくなる。
【００１６】
図２に示すように、層１５〜１８の側面と酸化膜１４の一部が第１絶縁膜１９によって被覆され、図３に示すように、自由層１５の側面と酸化膜１４の一部が第２絶縁膜２０によって被覆されている。そして、第１絶縁膜１９の表面、及び、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂそれぞれの磁石層１８の上面に、２つの磁石層１８を電気的に接続するように第１配線層２１が形成され、第２絶縁膜２０の表面、及び、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂそれぞれの自由層１５の上面に、２つの自由層１５を電気的に接続するように第２配線層２２が形成されている。また、図示しないが、磁気抵抗効果素子１１ａ，１２ａの自由層１５に電源が接続され、磁気抵抗効果素子１１ｂ，１２ｂの自由層１５にグランドが接続されている。これにより、２つの第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂが電源からグランドに向かって直列接続されて成る第１ハーフブリッジ回路が構成され、２つの第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂが電源からグランドに向かって直列接続されて成る第２ハーフブリッジ回路が構成されている。この第１ハーフブリッジ回路の中点電位は、第１配線層２１の電位であり、第２ハーフブリッジ回路の中点電位は、第２配線層２２の電位である。配線層２１，２２それぞれが、選択部３０に接続されている。
【００１７】
図４に示すように、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂそれぞれの半導体基板１３上の平面形状は、一本の線をつづら折りした形状を成し、同一となっている。そして、両者の間にできる限り隙間が生じない（ショートしない程度の隙間が形成される）ように、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂとが隣り合い、その間隔が、全長に渡って一定となっている。
【００１８】
選択部３０は、第１ハーフブリッジ回路の中点電位（以下、第１中点電位と示す）と第２ハーフブリッジ回路の中点電位（以下、第２中点電位と示す）とに基づいて、２つの中点電位のいずれか一方を外部に出力するものである。選択部３０は、比較部３１と、制御部３２と、スイッチ３３，３４と、を有する。
【００１９】
比較部３１は、上記した２つの中点電位を比較するものである。第１中点電位と第２中点電位とを比較した結果、その差分、若しくは、比が、所定の値の範囲（感度差の範囲）に収まっている場合、第１ハーフブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂが正常であると判断して、第１制御信号を制御部３２に出力する。これとは反対に、所定の値の範囲に収まっていない場合、比較部３１は、第１ハーフブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂに損傷が生じたと判断して、第２制御信号を制御部３２に出力する。なお、本実施形態に係る比較部３１は、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂに損傷が生じたと判断した場合、その故障を知らせる故障信号を外部に出力し、ユーザーに故障を知らせる機能も果たす。
【００２０】
制御部３２は、比較部３１の出力信号に基づいてスイッチ３３，３４を開閉制御するものである。制御部３２は、第１制御信号を受け取ると、第１スイッチ３３を閉状態、第２スイッチ３４を開状態にする。これとは反対に、制御部３２は、第２制御信号を受け取ると、第１スイッチ３３を開状態、第２スイッチ３４を閉状態にする。
【００２１】
図１に示すように、第１スイッチ３３は、第１ハーフブリッジ回路の中点（第１配線層２１）と出力端子５０との間に設けられ、第２スイッチ３４は、第２ハーフブリッジ回路の中点（第２配線層２２）と出力端子５０との間に設けられている。したがって、比較部３１から制御部３２に第１制御信号が入力され、第１スイッチ３３が閉状態、第２スイッチ３４が開状態になると、第１中点電位だけが出力端子５０を介して外部に出力される。これとは反対に、比較部３１から制御部３２に第２制御信号が入力され、第１スイッチ３３が開状態、第２スイッチ３４が閉状態になると、第２中点電位だけが出力端子５０を介して外部に出力される。
【００２２】
次に、本実施形態に係る磁気センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂは多層構造から成り、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂは単層構造から成る。そのため、線膨張係数の相違に起因して層間に生じる熱応力の総和が、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂよりも第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂの方が小さくなる。したがって、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂは、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂよりも、熱応力によって損傷し難い。
【００２３】
上記したように、比較部３１は、第１ハーフブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂが正常であると判断した場合、第１制御信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、第１制御信号を受け取ると、第１スイッチ３３を閉状態、第２スイッチ３４を開状態とする。これにより、第１中点電位だけが出力端子５０を介して外部に出力される。
【００２４】
これとは反対に、比較部３１は、第１ハーフブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂに損傷が生じたと判断した場合、第２制御信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、第２制御信号を受け取ると、第１スイッチ３３を開状態、第２スイッチ３４を閉状態とする。これにより、第２中点電位だけが出力端子５０を介して外部に出力される。
【００２５】
このように、多層構造から成る第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂが上記した熱応力によって損傷し、第１中点電位が外部磁界に応じた信号にならなくなったとしても、単層構造から成る第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂによって構成された第２ハーフブリッジ回路の中点電位（第２中点電位）が外部に出力される。したがって、磁気センサ１００の検出精度の低下が抑制される。
【００２６】
第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂそれぞれの半導体基板１３上の平面形状が同一となっている。そして、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂとが隣り合い、その間隔が、全長に渡って一定となっている。これによれば、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子それぞれの平面形状が異なり、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子との間隔が不定である構成と比べて、半導体基板１３の体格の増大が抑制される。また、本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂの間にできる限り隙間が生じないように、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂと第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂとが隣り合っている。これによれば、余分な隙間が生じ難いので、半導体基板１３の体格の増大が更に効果的に抑制される。この結果、磁気センサ１００の体格の増大が抑制される。
【００２７】
第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂの自由層１５、及び、第２磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂの自由層１５は、同一の製造工程にて形成される。これによれば、第１磁気抵抗効果素子の自由層、及び、第２磁気抵抗効果素子の自由層が異なる製造工程にて形成される製造方法と比べて、磁気センサ１００の製造方法が簡素化される。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００２９】
本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂが巨大磁気抵抗効果素子である例を示した。しかしながら、第１磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂとしては、中間層１６が絶縁性を有するトンネル磁気抵抗効果素子を採用することもできる。
【００３０】
本実施形態では、磁気センサ１００の用途として、特に限定しなかった。しかしながら、磁気センサ１００としては、外部磁界を形成する磁石（図示略）を有し、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化に基づいて被検出対象の回転による外部磁界の変動を検出することで、被検出対象の回転状態を検出する回転センサを採用することができる。また、磁気センサ１００としては、複数の磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化に基づいて被検出電流から生じた外部磁界の変動を検出することで、被検出電流を検出する電流センサを採用することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・磁気抵抗効果素子
１１ａ，１１ｂ・・・第１磁気抵抗効果素子
１２ａ，１２ｂ・・・第２磁気抵抗効果素子
１５・・・自由層
１６・・・中間層
１７・・・固定層
１８・・・磁石層
３０・・・選択部
１００・・・磁気センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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