(57)【要約】【課題】検出対象とする信号磁場を高精度に、かつ安定して検出可能な磁気センサを提供する。【解決手段】ＭＲ素子１は、積層面に沿って配列された複数のＭＲ膜（積層体１１）と、それらのＭＲ膜を直列接続する導線とを備える。導線は、ＭＲ膜の各々を、その積層方向において挟むように対向配置された複数の上部電極１２および下部電極１３を含む。上部電極１２および下部電極１３は、隣り合う積層体１１同士の並び方向（Ｙ軸方向）に沿って延在する主部１２１，１３１と、積層面に沿ってＸ軸方向に延在する枝部１２２，１３２とをそれぞれ有し、枝部１２２が積層体１１の上面と接し、枝部１３２が積層体１１の下面と接している。読出電流は、上部電極１２から積層体１１を経由したのち下部電極１３へ流出する。このとき、上部電極１２の枝部１２２を通過するときの読出電流の向きと、下部電極１３の枝部１３２を通過するときの読出電流の向きとは逆向きとなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層面に沿って配列された複数の磁気抵抗効果膜と、
前記複数の磁気抵抗効果膜を直列接続する導線と
を有し、
前記導線は、前記磁気抵抗効果膜の各々を、その積層方向において挟むように対向配置された複数の上部電極および下部電極を含み、
前記上部電極および下部電極は、隣り合う前記磁気抵抗効果膜同士の並び方向に沿って延在する主部と、積層面に沿って前記主部の延在方向と交差する方向に延在する枝部とをそれぞれ含み、
前記上部電極の枝部は前記磁気抵抗効果膜の上面と接し、前記下部電極の枝部は前記磁気抵抗効果膜の下面と接している
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
一の前記磁気抵抗効果膜と接続された枝部を有する前記上部電極の主部は、隣り合う他の前記磁気抵抗効果膜と接続された枝部を有する前記下部電極の主部と接続されている
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記上部電極および下部電極の枝部の延在方向は、前記隣り合う磁気抵抗効果膜同士の並び方向と直交する方向である
請求項１または請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記上部電極の枝部および下部電極の枝部は、互いに等しい断面積を有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果膜は、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果（ＣＰＰ−ＧＭＲ）膜である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果膜は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子を備え、
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、積層面に沿って配列された複数の磁気抵抗効果膜と、これら複数の磁気抵抗効果膜を直列接続する導線とを有するものであり、
前記導線は、前記磁気抵抗効果膜の各々を、その積層方向において挟むように対向配置された複数の上部電極および下部電極を含み、
前記上部電極および下部電極は、隣り合う前記磁気抵抗効果膜同士の並び方向に沿って延在する主部と、積層面に沿って前記主部の延在方向と交差する方向に延在する枝部とをそれぞれ含み、
前記上部電極の枝部は前記磁気抵抗効果膜の上面と接し、前記下部電極の枝部は前記磁気抵抗効果膜の下面と接している
磁気センサ。
【請求項８】
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、
前記第１および第２の定電流源からの定電流によって前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器と
をさらに備え、
前記電圧降下の差分に基づいて前記信号磁場を検出する請求項７記載の磁気センサ。
【請求項９】
信号磁場によって抵抗変化を示す第１から第４の磁気抵抗効果素子と、
差分検出器と
を備え、
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、積層面に沿って配列された複数の磁気抵抗効果膜と、これら複数の磁気抵抗効果膜を直列接続する導線とを有し、
前記導線は、前記磁気抵抗効果膜の各々を、その積層方向において挟むように対向配置された複数の上部電極および下部電極を含み、
前記上部電極および下部電極は、隣り合う前記磁気抵抗効果膜同士の並び方向に沿って延在する主部と、積層面に沿って前記主部の延在方向と交差する方向に延在する枝部とをそれぞれ含み、
前記上部電極の枝部は前記磁気抵抗効果膜の上面と接し、前記下部電極の枝部は前記磁気抵抗効果膜の下面と接しており、
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、
前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、前記信号磁場に応じて互いに同じ向きに変化し、
前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、いずれも、前記信号磁場に応じて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、
前記差分検出器により、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第３の接続点と前記第４の接続点の間の電位差が検出される
磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場の変化を高感度に検出可能な磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、制御機器の回路に流れる微小な制御電流を正確に検知するにあたっては、その回路内に抵抗を直列接続し、この抵抗の電圧降下を測定する方法を用いる。しかし、この場合には、制御系とは異なる負荷が加わることとなり制御系に対して何らかの悪影響を与える可能性が生じてしまう。このため、制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法が用いられている。具体的には、例えば、トロイダルコアに被測定線を巻き、制御電流をその測定線に供給することによりトロイダルコアの中心部分に生じる磁束をホール素子によって検出する方法である。
【０００３】
ところが、上記の方法を実現する電流センサでは、小型化が困難であることや直線性あるいは高周波応答性の面で不十分であるなどの問題点が指摘されるようになった。このため、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を制御電流による誘導磁場中に配置し、その勾配を検出するようにした磁気センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、これに関連するものとして、ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを利用し、金属基板の表面等の探傷を行うようにした技術も開示されている。このようなＧＭＲ素子を用いた磁気センサであれば、比較的検出感度や応答性が向上するうえ、温度変化に対しても安定した検出特性が得られる。
【０００４】
また、ＧＭＲ素子よりも高い抵抗変化率を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）素子を用いた磁気センサについての開発も進められている（例えば特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５６２１３７７号明細書
【特許文献２】特開平１１−１１２０５４号公報
【特許文献３】特開２００１−１０２６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では、より微弱な磁束の変化を検出可能であると共によりいっそうコンパクトな全体構成を有する磁気センサが強く求められるようになっている。しかしながら、ＧＭＲ素子やＭＴＪ素子を用いた磁気センサであっても、寸法の小型化に伴い、外部からのノイズ（不要な磁界など）の影響を受けやすくなるので、検出感度や応答性の面での安定性向上が課題となっている。これまでにも、ＧＭＲ素子の形状を細長い短冊状として形状異方性を高めるなど、いくつかの試みがなされているが、十分に安定した性能レベルに達しているとは言い難い状況である。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、コンパクトでありながら、検出対象とする信号磁場を高精度に、かつ安定して検出可能な磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の磁気抵抗効果素子は、積層面に沿って配列された複数の磁気抵抗効果膜と、これらの複数の磁気抵抗効果膜を直列接続する導線とを有する。ここで、導線は、磁気抵抗効果膜の各々を、その積層方向において挟むように対向配置された複数の上部電極および下部電極を含む。上部電極および下部電極は、隣り合う磁気抵抗効果膜同士の並び方向に沿って延在する主部と、積層面に沿って主部の延在方向と交差する方向に延在する枝部とをそれぞれ含み、上部電極の枝部が磁気抵抗効果膜の上面と接し、下部電極の枝部が磁気抵抗効果膜の下面と接している。
【０００９】
本発明の第１の磁気センサは、信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子を備える。第１および第２の磁気抵抗効果素子は、いずれも上記本発明の磁気抵抗効果素子と同様の構成を有する。
【００１０】
本発明の第２の磁気センサは、信号磁場によって抵抗変化を示す第１から第４の磁気抵抗効果素子と、差分検出器とを備える。第１から第４の磁気抵抗効果素子は、いずれも上記本発明の磁気抵抗効果素子と同様の構成である。ここでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されている。第１および第３の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、信号磁場に応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、いずれも、信号磁場に応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、差分検出器により、第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときの第３の接続点と第４の接続点の間の電位差が検出される。
【００１１】
本発明の磁気抵抗効果素子ならびに第１および第２の磁気センサでは、例えば上部電極に流入した読出電流が磁気抵抗効果膜を経由したのち下部電極へ流出する。ここで、磁気抵抗効果膜の上面と接する上部電極の枝部と、磁気抵抗効果膜の下面と接する下部電極の枝部とは積層方向において対向する位置にある（積層方向に投影すると互いに重なり合う位置にある）うえ、各枝部を流れる読出電流は互いに逆向きとなる。よって、上部電極の枝部の周囲に発生する誘導磁場と、下部電極の枝部の周囲に発生する誘導磁場とが互いにキャンセルし合う。ここでいう「逆向き」とは、完全に反平行な向き（互いの読出電流のなす角度が１８０°の状態）である場合に限定されるものではなく、互いの読出電流のなす角度（相対角度）が９０°超１８０°以下であることを意味する。但し、完全な反平行（読出電流同士の相対角度が１８０°）であれば、上部電極の枝部の周囲に発生する誘導磁場と、下部電極の枝部の周囲に発生する誘導磁場とが、よりいっそう低減されるので最も望ましい。また、各磁気抵抗効果膜が上部電極および下部電極の各枝部と接続されるので、各磁気抵抗効果膜が主部から遠ざかり、主部において生じる誘導磁場の、各磁気抵抗効果膜に対する影響が低減される。
【００１２】
本発明の磁気抵抗効果素子では、一の磁気抵抗効果膜と接続された枝部を有する上部電極の主部は、隣り合う他の磁気抵抗効果膜と接続された枝部を有する下部電極の主部と接続されるようにするとよい。各磁気抵抗効果膜を流れる読出電流の向きが全て同一方向に揃うので、信号磁場に対する各磁気抵抗効果膜の挙動のばらつきが低減され、より正確な信号磁場検出が可能となる。また、上部電極および下部電極の枝部の延在方向が、隣り合う磁気抵抗効果膜同士の並び方向と直交する方向であるとよい。この場合、磁気抵抗効果素子を主部から遠ざけつつ、枝部の長さを最も短くすることができるので、上部電極および下部電極の抵抗低減に有利となる。そのうえ、上部電極および下部電極の枝部が互いに平行に延在することとなるので、双方の枝部を流れる電流によって生ずる起電力の影響が十分に低減される。また、上部電極の枝部および下部電極の枝部は、互いに等しい断面積を有することが望ましい。各枝部の周囲に生じる誘導磁場が十分にキャンセルされるからである。また、磁気抵抗効果膜は、トンネル磁気抵抗効果膜であるとよい。より高い抵抗変化率が得られるからである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の磁気抵抗効果素子ならびに第１および第２の磁気センサによれば、互いに直列接続された複数の磁気抵抗効果素子の各々を、厚み方向において対向する上部電極の枝部と下部電極の枝部との間に配置するようにしたので、上部電極の枝部を流れる読出電流の向きと下部電極の枝部を流れる読出電流の向きとが互いに逆向きとなる。このため、上部電極の枝部の周囲に発生する誘導磁場と、下部電極の枝部の周囲に発生する誘導磁場とが互いにキャンセルし合うこととなり、磁気抵抗効果膜に対し、読出電流に起因する不要な誘導磁場の悪影響を低減することができる。また、各磁気抵抗効果膜を各枝部と接続するようにしたので、各磁気抵抗効果膜を主部から遠ざけることができる。こうしたことから、本発明では、高集積化した場合であっても、各磁気抵抗効果膜に対する読出電流に起因した誘導磁場の悪影響を低減することができ、信号磁場をより高精度に、かつ安定して検出することができる。
【００１４】
特に、上部電極の枝部および下部電極の枝部が、互いに等しい断面積を有するようにすれば、磁気抵抗効果膜に及ぶ不要な誘導磁場をより低減することができ、信号磁場の検出精度がより向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての磁気センサの全体構成を表す平面図である。
【図２】図１に示した磁気センサの要部構成を拡大して表す斜視図である。
【図３】図２に示した第１〜第４のＭＲ素子に含まれる積層体の積層構造を表す断面図である。
【図４】図１に示した磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す回路図である。
【図５】図１に示した磁気センサの製造方法を説明する一工程を表す断面図である。
【図６】図５に続く一工程を表す断面図である。
【図７】図６に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図８】図７に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図９】図８に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１０】図９に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１１】図１０に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１２】図１１に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１３】図１２に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１４】図１３に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１５】図１４に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１６】図１５に続く一工程を表す平面図および断面図である。
【図１７】第２の実施の形態としての磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す回路図である。
【図１８】第３の実施の形態としての磁気センサにおける積層体の構成を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
最初に、図１などを参照して、本発明における第１の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態の磁気センサの全体構成を表す上面図である。また、図２は、この磁気センサの要部構成を拡大して表す斜視図である。
【００１８】
本実施の形態の磁気センサは、基板１００の上に、第１〜第４の磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子１〜４、パッド５１〜５４、導線Ｌ１〜Ｌ６、差分検出器ＡＭＰ（後出）などが設けられたものである。この磁気センサは、ある回転面（ここではＸＹ平面）において変化する信号磁場Ｈｍの向きや大きさを検出するものである。例えば、パッド５１は電源Ｖｃｃ（後出）と接続され、パッド５２は接地され、パッド５３，５４は、差分検出器ＡＭＰの入力側端子とそれぞれ接続されている。
【００１９】
基板１００は、磁気センサ全体を支持する矩形状のものであり、例えば、ガラス、硅素（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）またはＡｌＴｉＣ（Ａｌ2 Ｏ3 −ＴｉＣ）などのセラミックスによって構成されている。なお、基板１００を覆うように、例えば酸化硅素（ＳｉＯ2 ）やＡｌ2 Ｏ3 などのセラミックスを含有する絶縁層（図示せず）を設けるようにしてもよい。
【００２０】
第１〜第４のＭＲ素子１〜４は、それぞれ、スピンバルブ構造を有する積層体１１，２１，３１，４１を複数（図１，２では、８つの場合を例示する）含んでいる。図１，２では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４が、積層体１１，２１，３１，４１を８つずつ含む場合について例示しているが、これに限定されるものではない。信号磁場Ｈｍが印加されると、第１および第３のＭＲ素子１，３の各抵抗値は、信号磁場Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４のＭＲ素子２，４の各抵抗値は、いずれも、信号磁場Ｈｍに応じて第１および第３のＭＲ素子１，３とは反対向きに変化する。なお、第１〜第４のＭＲ素子１〜４は、積層体１１，２１，３１，４１の構成を除き、他は実質的に同様の構成を有している。このため、以下では、積層体１１，２１，３１，４１の説明を除き、主に図２を参照して、第１〜第４のＭＲ素子１〜４を代表して第１のＭＲ素子１について説明を行う。
【００２１】
図２に示したように、例えば第１のＭＲ素子１では、複数の積層体１１（１１Ａ〜１１Ｈ）が、上部電極１２（１２Ａ〜１２Ｈ）、下部電極１３（１３Ａ〜１３Ｈ）および柱状の接続部１４（１４Ａ〜１４Ｈ）によって互いに直列接続されている。上部電極１２および下部電極１３は、隣り合う積層体１１同士の並び方向（Ｙ軸方向）に沿って延在する主部１２１，１３１と、積層面に沿って主部１２１，１３１の延在方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に延在する枝部１２２，１３２とをそれぞれ有している。枝部１２２および枝部１３２は、厚み方向（積層方向）において積層体１１を挟むように互いに対向して配置されており、それぞれ、積層体１１の上面および下面と接している。一の積層体１１と接続された枝部１２２を有する上部電極１２の主部１２１は、接続部１４を介し、隣り合う他の積層体１１と接続された枝部１３２を有する下部電極１３の主部１３１と接続されている。すなわち、例えば枝部１２２が積層体１１Ｈと接続された上部電極１２Ｈの主部１２１は、枝部１３２が積層体１１Ｇと接続された下部電極１３Ｇの主部１３１と、接続部１４Ｇによって接続されている。上部電極１２の枝部１２１および下部電極１３の枝部１３１は、互いに断面積が等しいことが望ましく、断面形状も互いに等しいことがより望ましい。
【００２２】
第１のＭＲ素子１の一端に位置する上部電極１２Ａは、積層体１１Ａと接続されると共に配線Ｌ１（図１参照）とも接続されている。また、第１のＭＲ素子１の他端に位置する下部電極１３Ｈは、積層体１１Ｈと接続されると共に配線Ｌ２（図１参照）とも接続されている。このような構成により、配線Ｌ１から読出電流が供給されると、その読出電流は積層体１１Ａ〜１１Ｈを順次経由して配線Ｌ２へ流れることとなる。その際、各積層体１１では、上部電極１２から下部電極１３へ向かう方向（−Ｚ方向）へ読出電流が流れる。上部電極１２、下部電極１３および接続部１４は、いずれも、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性の高導電性材料によって構成されている。
【００２３】
図１に示したように、第２〜第４のＭＲ素子２〜４は、第１のＭＲ素子１における上部電極１２、下部電極１３および接続部１４の各々に対応して、それぞれ上部電極２２，３２，４２、下部電極２３，３３，４３および接続部２４，３４，４４を備えている。第２のＭＲ素子２においては、その一端に位置する上部電極２２が配線Ｌ１と接続され、その他端に位置する下部電極２３は配線Ｌ３と接続されている。また、第３のＭＲ素子３においては、その一端に位置する上部電極３２が配線Ｌ３と接続され、その他端に位置する下部電極３３が配線Ｌ４と接続されている。さらに、第４のＭＲ素子４においては、その一端に位置する上部電極４２が配線Ｌ２と接続され、その他端に位置する下部電極４３が配線Ｌ４と接続されている。また、配線Ｌ２は、配線Ｌ５を介してパッド５３と接続されており、配線Ｌ３は、配線Ｌ６を介してパッド５４と接続されている。
【００２４】
配線Ｌ１〜Ｌ６は、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性の高導電性材料によって構成されている。配線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６は、例えば上部電極１２，２２，３２，４２と同じ階層に位置し、配線Ｌ２は、例えば下部電極１３，２３，３３，４３と同じ階層に位置する。なお、例えば配線Ｌ２および配線Ｌ５は、互いに異なる階層に位置するが、それらは厚み方向において銅などからなる柱状部材（図示せず）によって繋がれている。
【００２５】
次に、図３（Ａ），３（Ｂ）を参照して、積層体１１，２１，３１，４１の構成を説明する。図３（Ａ）に、積層体１１，３１の概略断面構成を表し、図３（Ｂ）に、積層体２１，４１の概略断面構成を表す。積層体１１，２１，３１，４１は、いずれも、上部電極１２，２２，３２，４２の側から、磁化自由層６１と、介在層６２と、磁化固着層６３と、反強磁性層６４とを順に有するものである。なお、磁化自由層６１の、上部電極１２，２２，３２，４２側の面を覆うように保護膜を設けるようにしてもよい。また、反強磁性層６４と基板１００との間に、シード層を設けるようにしてもよい。
【００２６】
磁化自由層６１は、信号磁場などの外部磁場に応じて磁化方向Ｊ６１が変化する軟質強磁性層であり、例えば＋Ｘ方向の磁化容易軸を有するものである。なお、第１〜第４のＭＲ素子１〜４における磁化自由層６１は、全て同方向（＋Ｘ方向）の磁化容易軸を有することが望ましい。磁化自由層６１は、例えばニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などによって構成される。
【００２７】
介在層６２は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）の薄膜を酸化処理して得られる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄いものである。この場合、積層体１１，２１，３１，４１は、ＭＴＪ膜あるいはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：tunnel Magneto-Resistive effect）膜と呼ばれるものとなる。
【００２８】
反強磁性層６４は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性層６４は、例えば＋Ｙ方向のスピン磁気モーメントと、−Ｙ方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、隣接するピンド層６３３の磁化Ｊ６３３の向きを、＋Ｙ方向または−Ｙ方向へ固定するように作用している。
【００２９】
磁化固着層６３は、介在層６２の側から順にピンド層６３１と、結合層６３２と、ピンド層６３３とを含むシンセティック構造をなしている。ピンド層６３３は、結合層６３２を介してピンド層６３１と間接交換結合している。すなわち、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の向きは、ピンド層６３３の磁化Ｊ６３３の向きと反平行となっている。但し、積層体１１，３１では、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIPが、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP と一致もしくはそれよりも大きな値を示すものとなっている。一方、積層体２１，４１では、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP が、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP よりも大きなものとなっている。ここでいう「総磁気モーメントＭIP 」および「総磁気モーメントＭOP 」は、それぞれ、ピンド層６３１，６３３を各々構成する材料の「単位体積あたりの磁気モーメントＭｓ」と、各ピンド層６３１，６３３の体積との積である。なお、図３（Ａ），３（Ｂ）では、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIPの大きさと、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOPの大きさとを、磁化Ｊ６３１，Ｊ６３３の向きを示す矢印の相対的な長さによって表現している。ここで、総磁気モーメントＭIPの大きさと、総磁気モーメントＭOPの大きさとの差異は、ピンド層６３１，６３３を、互いに異なる材料によって構成したり、それらの厚みが互いに異なるように構成したりすることによって実現可能である。
【００３０】
このように、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIPの大きさと、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOPの大きさとに差があることから、製造段階におけるアニール処理の際、例えば＋Ｙ方向に印加磁場が付与されつつ加熱されると、積層体１１，３１と積層体２１，４１とは、互いに異なった振る舞いを生じることとなる。すなわち、積層体１１，３１では、図３（Ａ）に示したように、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１が＋Ｙ方向へ固着されると共にピンド層６３３の磁化Ｊ６３３が−Ｙ方向へ固着される。これに対し、積層体２１，４１では、図３（Ｂ）に示したように、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１は−Ｙ方向へ固着されると共に、ピンド層６３３の磁化Ｊ６３３は＋Ｙ方向へ固着される。このように、積層体１１，３１と積層体２１，４１とでは、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の方向が互いに異なっているので、例えば＋Ｙ方向の信号磁場Ｈｍが付与されると、積層体１１，３１では、磁化Ｊ６１が磁化Ｊ６３１と平行な向きとなるので低抵抗状態となる。一方、積層体２１，４１では、磁化Ｊ６１が磁化Ｊ６３１と反平行な向きとなるので高抵抗状態となる。すなわち、この磁気センサでは、信号磁場Ｈｍが印加されると、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値は、第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値と逆向きの変化を示す。但し、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIPと、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOPとの差分の絶対値は、なるべく小さいほうが好ましい。総磁気モーメントの差分の絶対値が大きいと、信号磁場Ｈｍを検出する際、その信号磁場Ｈｍの付与によってピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の向きが僅かに変化し、磁化Ｊ６３１と磁化自由層６３の磁化Ｊ６３との相対角度が、本来あるべき大きさからずれてしまい、検出誤差として現れるからである。
【００３１】
ピンド層６３１，６３３は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ）などの強磁性材料からなり、結合層６３２は、ルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性の高導電性材料からなる。ピンド層６３１，６３３は、単層構造であってもよいし、複数層からなる多層構造であってもよい。
【００３２】
なお、積層体１１，３１におけるピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP とピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP との差分の絶対値は、積層体２１，４１におけるピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP とピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP との差分の絶対値と異なっていることが望ましい。後に説明するように、この磁気センサを製造する際に、磁化Ｊ６３１，Ｊ６３３の方向がより高精度に固着されるうえ、積層体１１，２１，３１，４１における抵抗変化率（ＭＲ比）の向上に有利となるからである。
【００３３】
図４は、磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す概略図である。第１のＭＲ素子１および第２のＭＲ素子２の一端同士が第１の接続点Ｐ１において接続され、第３のＭＲ素子３および第４のＭＲ素子４の一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続され、第１のＭＲ素子１の他端と第４のＭＲ素子４の他端とが第３の接続点Ｐ３において接続され、第２のＭＲ素子２の他端と第３のＭＲ素子３の他端とが第４の接続点Ｐ４において接続されることにより、ブリッジ回路が構成されている。ここで、第１の接続点Ｐ１は、導線Ｌ１によって電源Ｖｃｃと接続されており、第２の接続点Ｐ２は、導線Ｌ４を介して接地されている。第３の接続点Ｐ３および第４の接続点Ｐ４は、それぞれ、導線Ｌ５，Ｌ６を介して差分検出器ＡＭＰの入力側端子と接続されている。この差分検出器ＡＭＰは、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差（第１および第２のＭＲ素子１，２のそれぞれに生ずる電圧降下の差分）を検出し、差分信号Ｓ１として出力するものである。
【００３４】
次に、本実施の形態の磁気センサを使用し、差分信号Ｓ１に基づいて検出対象とする信号磁場Ｈｍを検出する方法について以下に説明する。
【００３５】
図４において、まず、信号磁場Ｈｍが印加されていない状態を考える。ここで、電源Ｖｃｃから読出電流Ｉ０を流したときの第１〜第４のＭＲ素子１〜４における各々の抵抗値をｒ１〜ｒ４とする。電源Ｖｃｃからの読出電流Ｉ０は、第１の接続点Ｐ１において読出電流Ｉ１および読出電流Ｉ２の２つに分流される。そののち、第１のＭＲ素子１と第３のＭＲ素子３とを通過した読出電流Ｉ１と、第２のＭＲ素子２と第４のＭＲ素子４とを通過した読出電流Ｉ２とが第２の接続点Ｐ２において合流する。この場合、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１×ｒ４＋Ｉ１×ｒ１＝Ｉ２×ｒ３＋Ｉ２×ｒ２
＝Ｉ１（ｒ４＋ｒ１）＝Ｉ２（ｒ３＋ｒ２）  ……（１）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１×ｒ４
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２×ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝（Ｖ−Ｉ１×ｒ４）−（Ｖ−Ｉ２×ｒ３）
＝Ｉ２×ｒ３−Ｉ１×ｒ４  ……（２）
ここで、（１）式から
Ｖ０＝ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）×Ｖ−ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）×Ｖ
＝｛ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）−ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）｝×Ｖ  ……（３）
となる。このブリッジ回路では、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で示された第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４間の電位差Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ増加したとすると、すなわち、信号磁場Ｈｍを印加したときの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１＝ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、信号磁場Ｈｍを印加した際の電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（ｒ３＋ΔＲ３）／（ｒ３＋ΔＲ３＋ｒ２＋ΔＲ２）−（ｒ４＋ΔＲ４）／（ｒ４＋ΔＲ４＋ｒ１＋ΔＲ１）｝×Ｖ  ……（４）
となる。すでに述べたように、この磁気センサでは、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３と第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、信号磁場Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。信号磁場Ｈｍが印加されることにより、第２および第４のＭＲ素子２，４では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、第１および第３のＭＲ素子１，３では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。
【００３６】
仮に、第１〜第４のＭＲ素子１〜４の全てが完全に同一の特性を有するものとした場合、すなわち、ｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒ４＝Ｒ、かつ、ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ３＝−ΔＲ４＝ΔＲであるとした場合、式（４）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２×Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２・Ｒ）｝×Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）×Ｖ
となる。
【００３７】
このように、外部磁場と抵抗変化量との関係が既知である第１〜第４のＭＲ素子１〜４を用いるようにすれば、信号磁場Ｈｍの大きさを測定することができる。
【００３８】
第１のＭＲ素子１では、図２において矢印で示したように、上部電極１２に流入した読出電流Ｉ１が積層体１１を経由したのち下部電極１３へ流出する。ここで、積層体１１の上面と接する上部電極１２の枝部１２２と、積層体１１の下面と接する下部電極１３の枝部１３２とは積層方向において対向する位置にあるうえ、枝部１２２，１３２を流れる読出電流Ｉ１は互いに逆向きとなる。よって、枝部１２２の周囲に発生する誘導磁場と、枝部１３２の周囲に発生する誘導磁場とが互いにキャンセルし合う。また、各積層体１１が上部電極１２の枝部１２２および下部電極１３の枝部１３２とそれぞれ接続されるので、各積層体１１が主部１２１，１３１からある程度の距離を有する位置に配置されることとなる。よって、主部１２１，１３１を流れる読出電流Ｉ１に起因した誘導磁場の、各積層体１１に及ぼす影響が弱まることとなる。第２〜第４のＭＲ素子２〜４についても同様である。
【００３９】
次に、図５〜図１６を参照して、磁気センサの製造方法について説明する。なお、図５〜図１６は、第１のＭＲ素子１と第２のＭＲ素子２との境界部分近傍を拡大して表すものである。また、図７（Ａ）〜図１６（Ａ）は、上面から眺めた図であり、図７（Ｂ）〜図１６（Ｂ）は、図７（Ａ）〜図１６（Ａ）の各々に示した切断線に対応する断面図である。
【００４０】
まず、図５に示したように、上記した所定材料からなる基板１００を用意し、必要に応じてその表面に絶縁層Ｚ１を設ける。次に、絶縁層Ｚ１を全面に亘って覆うように、のちに下部電極１３，２３，３３，４３となる金属膜Ｍ１を、銅などの所定の材料によって形成する。さらに、金属膜Ｍ１を全面に亘って覆うように、のちに積層体１１，３１となるＭＲ膜Ｓ１を形成する。ＭＲ膜Ｓ１は、例えばスパッタリング法により、金属膜Ｍ１の上に反強磁性層６４、ピンド層６３３、結合層６３２、ピンド層６３１、介在層６２および磁化自由層６１を順次積層することにより得られる。但し、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP が、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP と一致もしくはそれよりも大きくなるように形成する。なお、ＭＲ膜Ｓ１を成膜する際には、所定の大きさの磁場を、例えば後述するアニール処理によってピンド層６３１，６３３の磁化Ｊ６３１，６３３が固着される方向に沿って印加するようにしてもよい。さらに、必要に応じて、ＭＲ膜Ｓ１を全面に亘って覆うように、保護膜Ｃとしてカーボンなどのハードマスクを形成する。
【００４１】
こののち、図６に示したように、第１のＭＲ素子１および第３のＭＲ素子３が形成されることとなる領域Ｒ１のみを覆うように、レジストマスクＲＭ１を選択的に形成する。そののち、図７（Ａ），７（Ｂ）に示したように、領域Ｒ１における保護膜ＣおよびＭＲ膜Ｓ１を残すように、露出した領域の保護膜ＣおよびＭＲ膜Ｓ１をミリングによって選択的に除去する。ここでのミリングは、金属膜Ｍ１に到達した時点で終了する。
【００４２】
続いて、レジストマスクＲＭ１を溶解除去したのち、全面に亘って覆うように、のちに積層体２１，４１となるＭＲ膜Ｓ２を形成する（図８（Ａ），８（Ｂ）参照）。なお、ＭＲ膜Ｓ２は、例えばＭＲ膜Ｓ１と同様の手順により形成することができる。但し、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOPが、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP よりも大きくなるように形成する点が異なる。ＭＲ膜Ｓ２を形成したのち、図９（Ａ），９（Ｂ）に示したように、第２のＭＲ素子２および第４のＭＲ素子４が形成されることとなる領域Ｒ２のみを覆うように、レジストマスクＲＭ２を選択的に形成する。そののち、図１０（Ａ），１０（Ｂ）に示したように、領域Ｒ２におけるＭＲ膜Ｓ２を残すように、露出した領域のＭＲ膜Ｓ２をミリングによって選択的に除去する。ここでのミリングは、金属膜Ｍ１もしくは保護膜Ｃに到達した時点で終了する。
【００４３】
次いで、図１１（Ａ），１１（Ｂ）に示したように、レジストマスクＲＭ２を溶解除去すると共に保護膜Ｃをアッシングにより除去したのち、アニール処理を行う。詳細には、例えば＋Ｙ方向に印加磁場Ｈ１を印加しつつ、所定の温度（例えば２５０℃）に加熱することにより、ピンド層６３１，６３３の磁化Ｊ６３１，６３３の方向の設定を一括して行う。この際、上記した総磁気モーメントＭIP と総磁気モーメントＭOP とのバランス（大小関係）により、積層体１１，３１における磁化Ｊ６３１は＋Ｙ方向となる一方、積層体２１，４１における磁化Ｊ６３１は−Ｙ方向となる。但し、ここでの印加磁場Ｈ１は、磁化固着層６３のシンセティック構造を維持可能な程度の強度、すなわちピンド層６３１とピンド層６３３との間接交換結合が維持される程度の強度とすることが好ましい。
【００４４】
アニール処理ののち、ＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２をパターニングすることにより、所定の位置に、所定の平面形状および寸法を有する柱状の積層体１１，２１，３１，４１を形成し、さらにその周囲を埋めるようにＡｌ2 Ｏ3 などによって絶縁層Ｚ２を形成する（図１２（Ａ），１２（Ｂ）参照）。なお、図１２（Ａ），１２（Ｂ）では、積層体３１，４１を図示していない。
【００４５】
さらに、図１３（Ａ），１３（Ｂ）に示したように、所定の位置に立設するように接続部１４，２４，３４，４４（但し、ここでは接続部３４，４４を図示せず）を形成したのち、図１４（Ａ），１４（Ｂ）に示したように、積層体１１，２１，３１，４１および接続部１４，２４，３４，４４、ならびにその近傍領域をレジストマスクＲＭ３によって選択的に覆い、未保護領域の金属膜Ｍ１に対するミリングを行う。その結果、下部電極１３，２３，３３，４３、および導線Ｌ２を得る。
【００４６】
こののち、図１５（Ａ），１５（Ｂ）に示したように、ミリングによって金属膜Ｍ１を除去した領域を埋めるようにＡｌ2 Ｏ3 などによって絶縁層Ｚ３を形成したのち、レジストマスクＲＭ３を溶解除去する。
【００４７】
続いて、図１６（Ａ），１６（Ｂ）に示したように、積層体１１，２１，３１，４１および接続部１４，２４，３４，４４の上面と接するように所定形状の上部電極１２，２２，３２，４２（ここでは上部電極１２，２２のみ図示する）を形成すると共に、導線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６（ここでは導線Ｌ３のみ図示する）を形成する。最後に、パッド５１〜５４を形成するなど、所定の工程を経ることで本実施の形態の磁気センサが完成する。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態では、第１のＭＲ素子１において、互いに直列接続された複数の積層体１１の各々を、厚み方向において対向する上部電極１２の枝部１２２と下部電極１３の枝部１３２との間に配置するようにした。これにより、上部電極１２の枝部１２２を流れる読出電流Ｉ１の向きと下部電極１３の枝部１３２を流れる読出電流Ｉ１の向きとを互いに逆向きとすることができる。このため、上部電極１２の枝部１２２の周囲に発生する誘導磁場と、下部電極１３の枝部１３２の周囲に発生する誘導磁場とが互いにキャンセルし合うこととなり、積層体１１に対し、読出電流Ｉ１に起因する不要な誘導磁場の悪影響を低減することができる。また、本実施の形態では、各積層体１１を枝部１２２，１３２と接続するようにしたので、各積層体１１を主部から遠ざけることができる。よって、主部１２１，１３１を流れる読出電流Ｉ１に起因する誘導磁場が各積層体１１に対し悪影響を低減することができる。第２〜第４のＭＲ素子２〜４についても同様である。以上の理由により、本実施の形態の磁気センサによれば、コンパクトな構成でありながら、高精度な磁場検出を行うことができる。これに対し、上述した特許文献３においては、例えば図１〜図４において一見すると本実施の形態と同様の構成を有するように思われるものの、上部電極および下部電極が本実施の形態における主部および枝部に相当する部分を有していない。このため、上部電極および下部電極を流れる読出電流は実質的に一方向である。さらに、特許文献３においては、隣り合う磁気トンネル抵抗素子同士の間の領域を延在する上部電極が、積層面内方向において磁気トンネル抵抗素子に対応する高さ位置に存在している。このため、上部電極を流れる読出電流による誘導磁場と下部電極を流れる読出電流による誘導磁場とが十分に打ち消し合わないものと考えられる。
【００４９】
また、本実施の形態では、シンセティック構造をなす磁化固着層６３におけるピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP とピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP との大小関係を調整することにより、印加磁場Ｈ１に対して第１および第３のＭＲ素子１，３と第２および第４のＭＲ素子２，４とが互いに異なる（反対の）挙動を示すような構成とした。このため、同一基板上においてフルブリッジ接続された第１〜第４のＭＲ素子１〜４を備えた磁気センサを、容易、かつ高精度に製造することが可能となる。これは、レーザ照射装置や電子ビーム照射装置などの特殊設備を用いなくともこの磁気センサを製造可能であるうえ、アニール処理の際、一方向の印加磁場Ｈ１を付与することにより、磁化固着層６３の磁化方向を設定することができるからである。そのような磁気センサは、コンパクトな構成でありながら、信号磁場Ｈｍに対し、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値と第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値とが互いに反対向きに変化することにより、良好な磁場検出を可能とするものである。
【００５０】
＜変形例１＞
次に、本実施の形態における磁気センサの第１の変形例について説明する。上記実施の形態では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４における積層体１１，２１，３１，４１の磁化固着層６３を全てシンセティック構造としたが、次のようにしてもよい。すなわち、第１および第３のＭＲ素子１，３における磁化固着層６３を、シンセティック構造ではなく、単一もしくは複数の強磁性材料層によって構成してもよい。その際、第２および第４のＭＲ素子２，４は、上記実施の形態と同様のシンセティック構造とする。すなわち、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭOP がピンド層６３１の総磁気モーメントＭIP よりも大きくなるようにする。
【００５１】
このような構成の本変形例においても、上記実施の形態と同様、製造段階において一方向の印加磁場Ｈ１を付与しつつ加熱することにより、第１および第３のＭＲ素子１，３における磁化Ｊ６３１の向きと、第２および第４のＭＲ素子２，４における磁化Ｊ６３１の向きとを相対的に逆平行とすることができる。よって、上記実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
［第２の実施の形態］
次に、図１７などを参照して、本発明における第２の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。図１７は、本実施の形態の磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す概略図である。本実施の形態の磁気センサは、第１のＭＲ素子１を第２の定電流源ＣＧ２に置き換えると共に第２のＭＲ素子２を第１の定電流源ＣＧ１に置き換えたことを除き、他は上記第１の実施の形態と同様の構成を備えるものである。なお、本実施の形態において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００５３】
第１の定電流源ＣＧ１および第２の定電流源ＣＧ２は、互いに等しい値の定電流Ｉ１，Ｉ２を第３および第４のＭＲ素子３，４にそれぞれ供給するものである。
【００５４】
このような本実施の形態の磁気センサであっても、以下のようにして差分信号Ｓ１に基づき信号磁場Ｈｍを検出することが可能である。
【００５５】
図１７において、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に所定の電圧を印加した際の定電流源ＣＧ１，ＣＧ２からの定電流をそれぞれＩ３，Ｉ４とし、第３および第４のＭＲ素子３，４の抵抗値をそれぞれＲ３，Ｒ４とする。信号磁場Ｈｍが印加されていない場合、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ４は、
Ｖ４＝Ｉ４×Ｒ４
であり、第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ３は、
Ｖ３＝Ｉ３×Ｒ３
となる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差は、
Ｖ０＝Ｖ３−Ｖ４
＝Ｉ３×Ｒ３−Ｉ４×Ｒ４  …（５）
となる。
【００５６】
ここで、定電流Ｉ３と定電流Ｉ４とが互いに等しい（すなわちＩ３＝Ｉ４＝Ｉｃである）場合には、式（５）は、
Ｖ０＝Ｉｃ×（Ｒ３−Ｒ４）  …（６）
となる。
【００５７】
この回路では、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより抵抗変化量が得られる。例えば信号磁場Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ３，Ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ３，ΔＲ４だけ増加したとすると、式（５）は、
Ｖ０＝Ｖ３−Ｖ４
＝Ｉｃ×（Ｒ３−Ｒ４）
＝Ｉｃ×｛（Ｒ３＋ΔＲ３）−（Ｒ４＋ΔＲ４）｝  …（７）
となる。
【００５８】
仮に、第３および第４のＭＲ素子３，４が全く同一の特性を有する場合、すなわち、
Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ
かつ
ΔＲ３＝−ΔＲ４＝ΔＲ
であると仮定した場合、式（７）は、
Ｖ０＝Ｉｃ×（Ｒ３＋ΔＲ３−Ｒ４−ΔＲ４）
＝Ｉｃ×（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉｃ×（２×ΔＲ）  …（８）
となる。したがって、外部磁界と抵抗変化量との関係が既知である第３および第４のＭＲ素子３，４を用いるようにすれば、信号磁場Ｈｍの大きさを測定することができる。
【００５９】
第３および第４のＭＲ素子３，４では、図２に示した第１の実施の形態における第１のＭＲ素子１と同様、上部電極３２，４２に流入した読出電流Ｉ３，Ｉ４が積層体３１，４１を経由したのち下部電極３３，４３へ流出する。ここで、積層体３１，４１の上面と接する上部電極３２，４２の枝部と、積層体３１，４１の下面と接する下部電極３３，４３の枝部とは積層方向において対向する位置にあるうえ、各枝部を流れる読出電流Ｉ３，Ｉ４は互いに逆向きとなる。よって、上部電極３２，４２の枝部の周囲に発生する誘導磁場と、下部電極３３，４３の枝部の周囲に発生する誘導磁場とが互いにキャンセルし合う。また、各積層体３１，４１が上部電極３２，４２の枝部および下部電極３３，４３の枝部とそれぞれ接続されるので、各積層体３１，４１が、上部電極３２，４２の主部および下部電極３３，４３の主部からある程度の距離を有する位置に配置されることとなる。よって、それらの主部を流れる読出電流Ｉ３，Ｉ４に起因した誘導磁場の、各積層体３１，４１に及ぼす影響が弱まることとなる。
【００６０】
以上の理由により、本実施の形態の磁気センサにおいても、コンパクトな構成でありながら、高精度な磁場検出を行うことができる。
【００６１】
［第３の実施の形態］
次に、図１８を参照して、本発明における第３の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。本実施の形態の磁気センサは、第１〜第４のＭＲ素子１〜４が、それぞれ複数の積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａを含むことを除き、他は上記第１の実施の形態と同様の構成を備えるものである。なお、本実施の形態において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００６２】
図１８（Ａ）は、積層体１１Ａ，３１Ａの断面構成を表す模式図であり、図１８（Ｂ）は、積層体２１Ａ，４１Ａの断面構成を表す模式図である。
【００６３】
積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａは、反強磁性層６４と、磁化固着層６３Ａと、介在層６２と、磁化自由層６１Ａとが順に積層されたものである。磁化固着層６３Ａは、ピンド層６３１とピンド層６３３とが結合層６３２を介して反強磁性的に交換結合したシンセティック構造からなる。但し、ピンド層６３１とピンド層６３３との総磁気モーメントの差分は実質的に零となっている。なお、磁化固着層６３Ａは、シンセティック構造に限らず、単一もしくは複数の強磁性材料層によって構成されてもよい。
【００６４】
磁化自由層６１Ａは、介在層６２の側から順に強磁性層６１１と、結合層６１２と、強磁性層６１３とを含んでいる。強磁性層６１１および強磁性層６１３は、結合層６１２を介して間接交換結合しており、いずれもＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの軟質磁性材料によって構成されている。結合層６１２は、結合層６３２と同様、非磁性の高導電性材料によって構成されている。積層体１１Ａ，３１Ａにおいては、強磁性層６１１が、強磁性層６１３と同じ、もしくは強磁性層６１３よりも大きな総磁気モーメントを有している。一方、積層体２１Ａ，４１Ａにおいては、強磁性層６１３が、強磁性層６１１よりも大きな総磁気モーメントを有している。このため、例えば＋Ｙ方向に信号磁場Ｈｍが付与されると、積層体１１Ａ，３１Ａでは、図１８（Ａ）に示したように、相対的に大きな総磁気モーメントを有する強磁性層６１１の磁化Ｊ６１１が信号磁場Ｈｍと同方向（＋Ｙ方向）へ向くこととなる。よって、相対的に小さな総磁気モーメントを有する強磁性層６１３の磁化Ｊ６１３は、それと反対方向（−Ｙ方向）へ向くこととなる。一方、積層体２１Ａ，４１Ａでは、図１８（Ｂ）に示したように、相対的に大きな総磁気モーメントを有する強磁性層６１３の磁化Ｊ６１３が信号磁場Ｈｍと同方向（＋Ｙ方向）へ向く。よって、相対的に小さな総磁気モーメントを有する強磁性層６１１の磁化Ｊ６１１は、それと反対方向（−Ｙ方向）へ向く。ここで、各積層体の抵抗状態は磁化Ｊ６１１と磁化Ｊ６３１との相対角度に依存するので、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の向きが＋Ｙ方向であるとすれば、積層体１１Ａ，３１Ａでは低抵抗状態となり、積層体２１Ａ，４１Ａでは高抵抗状態となる。したがって、このような積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａを備えた本実施の形態の磁気センサにおいても、上記第１の実施の形態における磁気センサと同様に機能する。
【００６５】
このように、本実施の形態では、第１および第３のＭＲ素子１，３における積層体１１Ａ，３１Ａと、第２および第４のＭＲ素子２，４における積層体２１Ａ，４１Ａとを、信号磁場Ｈｍに対して互いに異なる挙動を示すものとしたので、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態では、磁化固着層６３Ａをシンセティック構造としたが、単一もしくは複数の強磁性材料層によって形成するようにしてもよい。
【００６６】
＜変形例２＞
次に、第３の実施の形態における磁気センサの変形例（変形例２）について説明する。第３の実施の形態では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４における積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａの磁化自由層６１Ａを全てシンセティック構造としたが、次のようにしてもよい。すなわち、第１および第３のＭＲ素子１，３における磁化自由層６１Ａを、シンセティック構造ではなく、単一もしくは複数の強磁性材料層によって構成してもよい。その際、第２および第４のＭＲ素子２，４における磁化自由層６１Ａを、第３の実施の形態と同様のシンセティック構造とする。すなわち、第２および第４のＭＲ素子２，４における磁化自由層６１Ａにおいては、強磁性層６１３の総磁気モーメントが強磁性層６１１の総磁気モーメントよりも大きくなるようにする。
【００６７】
このような構成の本変形例においても、第１および第３のＭＲ素子１，３における積層体１１Ａ，３１Ａと、第２および第４のＭＲ素子２，４における積層体２１Ａ，４１Ａとが、信号磁場Ｈｍに対して互いに異なる挙動を示すので、第３の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、各ＭＲ素子において、基板上に複数の積層体を２列に並べるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。１列または３列以上の配列状態としてもよいし、曲線を描くように配列してもよい。
【００６９】
また、上記実施の形態等では、ＭＲ素子としてトンネル磁気抵抗効果膜を有するトンネルＭＲ素子を例に挙げて説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばＣＰＰ（current-perpendicular-to-plane）−ＧＭＲ膜（ＣＰＰ型ＧＭＲ膜）を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子を採用することもできる。その場合、介在層を、トンネルバリア層ではなく、例えば銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などの高導電性の非磁性材料層とする必要がある。
【符号の説明】
【００７０】
１００…基板、１〜４…第１〜第４のＭＲ素子、１１，２１，３１，４１…積層体、１２，２２，３２，４２…上部電極、１３，２３，３３，４３…下部電極、１４，２４，３４，４４…接続部、６１…磁化自由層、６１１，６１３…強磁性層、６１２…結合層、６２…介在層、６３…磁化固着層、６３１，６３３…ピンド層、６３２…結合層、６４…反強磁性層、Ｈｍ…信号磁場、Ｈ１…印加磁場、Ｌ１〜Ｌ６…配線、Ｐ１〜Ｐ４…接続部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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