(57)【要約】【課題】面内の２軸方向における磁界検出を行う角度磁気センサを提供する。【解決手段】一体化された角度磁気センサ２００は、面内の二軸で定義される磁界角度を検出するものであり、基体上に設けられた２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０と一のＭＲ検出素子２１５とを備える。ＡＭＲ検出素子２０５，２１０は、それぞれの出力電圧がリファレンス軸２２０に対する磁界方向２２５のなす角度θに基づく第１および第２の三角関数に従って変化するように、正しい位置に配置される。ＭＲ検出素子２１５は、その出力電圧がリファレンス軸に対する磁界角度の象限を表示するように、リファレンス軸２２０に対して所定の方向に固定された磁化を有する。象限の表示とは、三角関数（正弦関数もしくは余弦関数）で表される。【選択図】図４
2011503540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内の二軸で定義される磁界角度を決定するための角度磁気センサであって、
基体上に設けられた第１および第２のＡＭＲ検出素子と、１以上のＭＲ検出素子とを備え、
前記第１のＡＭＲ検出素子の出力電圧は、リファレンス軸に対する前記磁界角度に基づく第１の三角関数に従って変化し、
前記第２のＡＭＲ検出素子の出力電圧は、リファレンス軸に対する前記磁界角度に基づく第２の三角関数に従って変化し、
前記ＭＲ検出素子は、前記リファレンス軸に対して所定の方向に固定されたリファレンス磁化を有することで、その出力電圧が前記リファレンス軸に対する前記磁界角度の象限を表示するように構成されている
角度磁気センサ。
【請求項２】
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子は、それぞれ、前記基体上に設けられて一のホイートストンブリッジを構成するように接続された４つのＡＭＲ材料構造からなり、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子のうちの一方の前記ホイートストンブリッジは、前記第１の三角関数と前記第２の三角関数との位相が異なるように他方の前記ホイートストンブリッジに対して所定の角度をなすように配置されている
請求項１記載の角度磁気センサ。
【請求項３】
前記ＭＲ検出素子は、前記基体上に設けられた巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造を有する
請求項１記載の角度磁気センサ。
【請求項４】
前記ＭＲ検出素子は、前記基体上に設けられた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を有する
請求項１記載の角度磁気センサ。
【請求項５】
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子、ならびに前記ＭＲ検出素子とそれぞれ接続された磁界角度算出部を備え、
前記磁界角度を決定するために、前記第１および第２のＡＭＲ検出素子、ならびに前記ＭＲ検出素子の各出力電圧信号が入力されるように構成されている
請求項１記載の角度磁気センサ。
【請求項６】
前記第１の三角関数は正弦関数であり、前記第２の三角関数は余弦関数である
請求項５記載の角度磁気センサ。
【請求項７】
前記磁界角度は、前記第２のＡＭＲ検出素子の出力電圧に対する前記第１のＡＭＲ検出素子の出力電圧の比の関数である
請求項５記載の角度磁気センサ。
【請求項８】
前記関数は、前記比の逆正接関数で表わされる
請求項７記載の角度磁気センサ。
【請求項９】
前記磁界角度算出部は、前記比の逆正接関数の大きさと前記第１および第２のＡＭＲ検出素子のうちの少なくとも一方の符号（sign）として磁界角度を決定する
請求項８記載の角度磁気センサ。
【請求項１０】
角度磁気センサの製造方法であって、
基体を用意する工程と、
前記基体上に第１および第２のＡＭＲ検出素子を形成する工程と、
前記基体上に１以上のＭＲ検出素子を形成する工程と
を備え、
前記第１のＡＭＲ検出素子の出力電圧がリファレンス軸に対する磁界角度に基づく第１の三角関数に従って変化し、前記第２のＡＭＲ検出素子の出力電圧が前記リファレンス軸に対する前記磁界角度に基づく第２の三角関数に従って変化するように、前記第１および第２のＡＭＲ検出素子を配置し、
前記ＭＲ検出素子を、前記リファレンス軸に対して所定の方向に固定されたリファレンス磁化を有することで、その出力電圧が前記リファレンス軸に対する前記磁界角度の象限を表示するように構成する
角度磁気センサの製造方法。
【請求項１１】
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子を形成するステップは、
前記基体上に、それぞれ４つのＡＭＲ材料構造を形成するステップと、
前記４つのＡＭＲ材料構造を相互に接続することにより一のホイートストンブリッジをそれぞれ構成するステップと、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子のうちの一方の前記ホイートストンブリッジを、前記第１の三角関数と前記第２の三角関数との位相が異なるように他方の前記ホイートストンブリッジに対して所定の角度をなすように配置するステップと
とを含む請求項１０記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１２】
前記基体上に４つのＡＭＲ材料構造を形成するステップは、
前記基体上に誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体層の上にシード層を形成するステップと、
前記基体上に、強磁性膜誘電体層を形成するステップと
を含む請求項１１記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１３】
前記ＭＲ検出素子を、前記基体上に設けられた巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造を有するように形成する
請求項１０記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１４】
前記ＭＲ検出素子を形成する工程は、
前記基体上に誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体層の上にシード層を形成するステップと、
前記シード層の上に反強磁性層を形成するステップと、
前記反強磁性層の上にシンセティックピンド層を形成するステップと、
前記シンセティックピンド層の上に導電体層を形成するステップと、
前記導電体層の上にフリー層を形成するステップと
を含む請求項１３記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１５】
前記シンセティックピンド層を形成するステップは、
前記反強磁性層の上に第１の反平行構造を形成するステップと、
前記第１の反平行構造の上に非磁性スペーサ層を形成するステップと、
前記非磁性スペーサ層の上に第２の反平行構造を形成するステップと
を含む請求項１４記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１６】
前記ＭＲ検出素子を形成する工程は、
フォトマスクを利用し、大きなアスペクト比を有すると共に互いに長軸方向の異なる大きな矩形状の複数のＧＭＲストライプを形成するステップと、
エッチングにより、前記複数のＧＭＲストライプの各々の輪郭を明確化するステップと
を含む請求項１５記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１７】
前記ＭＲ検出素子を形成する工程は、
前記ＭＲ検出素子に対し局部磁界を印加するステップと、
前記ＭＲ検出素子の熱アニールを行うことにより、ＧＭＲストライプごとに異なる所定の方向へ固定されたリファレンス層の交換磁化を得るステップと
を含む請求項１６記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１８】
前記局部磁界として、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界を用いる
請求項１７記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項１９】
前記ＭＲ検出素子を、前記基体上に設けられた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を有するように形成する
請求項１０記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２０】
前記ＭＲ検出素子を形成する工程は、
前記基体上に誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体層の上にシード層を形成するステップと、
前記シード層の上に、反強磁性層を形成するステップと、
前記反強磁性層の上に、シンセティックピンド層を形成するステップと、
前記シンセティックピンド層の上に、導電体層を形成するステップと、
前記導電体層の上に、フリー層を形成するステップと
を含む請求項１９記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２１】
前記シンセティックピンド層を形成するステップは、
前記反強磁性層の上に第１の反平行構造を形成するステップと、
前記第１の反平行構造の上に非磁性スペーサ層を形成するステップと、
前記非磁性スペーサ層の上に第２の反平行構造を形成するステップと
を含む請求項２０記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２２】
前記ＭＲ検出素子を形成する工程は、
フォトマスクを利用し、大きなアスペクト比を有すると共に互いに長軸方向の異なる大きな矩形状の複数のＭＴＪストライプを形成するステップと、
エッチングにより、前記複数のＭＴＪストライプの各々の輪郭を明確化するステップと
を含む請求項２１記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２３】
前記ＭＲ検出素子を形成する工程は、
前記ＭＲ検出素子に対し局部磁界を印加するステップと、
前記ＭＲ検出素子の熱アニールを行うことにより、ＧＭＲストライプごとに異なる所定の方向へ固定されたリファレンス層の交換磁化を得るステップと
を含む請求項２２記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２４】
前記局部磁界として、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界を用いる
請求項２３記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２５】
さらに
前記基体上に複数の半導体デバイスを形成し、相互に接続するステップと、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子ならびに一のＭＲ素子に対してバイアス電圧を供給するステップと、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子から第１および第２の出力電圧を、前記一のＭＲ素子から第３の出力電圧をそれぞれ受け取り、前記角度磁気センサに及ぶ磁界角度を決定するステップと
により磁界角度算出回路を形成する工程を含む
請求項１０記載の角度磁気センサの製造方法。
【請求項２６】
面内の二軸で定義される磁界角度を決定するための一体化された角度磁気センサ装置であって、
基体と、
前記基体上に設けられた第１および第２のＡＭＲ検出素子と、
前記基体上に設けられた１以上のＭＲ検出素子と、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子、ならびに前記ＭＲ検出素子とそれぞれ接続された磁界角度算出部と
を備え、
前記第１のＡＭＲ検出素子の出力電圧は、リファレンス軸に対する前記磁界角度に基づく第１の三角関数に従って変化し、
前記第２のＡＭＲ検出素子の出力電圧は、リファレンス軸に対する前記磁界角度に基づく第２の三角関数に従って変化し、
前記ＭＲ検出素子は、前記リファレンス軸に対して所定の方向に固定されたリファレンス磁化を有することで、その出力電圧が前記リファレンス軸に対する前記磁界角度の象限を表示するように構成され、
前記磁界角度算出部は、前記磁界角度を決定するために、前記第１および第２のＡＭＲ検出素子、ならびに前記ＭＲ検出素子の各出力電圧信号が入力されるように構成されている
角度磁気センサ装置。
【請求項２７】
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子は、それぞれ、前記基体上に設けられて一のホイートストンブリッジを構成するように接続された４つのＡＭＲ材料構造からなり、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子のうちの一方の前記ホイートストンブリッジは、前記第１の三角関数と前記第２の三角関数との位相が異なるように他方の前記ホイートストンブリッジに対して所定の角度をなすように配置されている
角度磁気センサ装置。
【請求項２８】
前記ＡＭＲ材料構造は、
前記基体上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層の上に設けられたシード層および強磁性膜誘電体層と
を含む請求項２７記載の角度磁気センサ装置。
【請求項２９】
前記ＭＲ検出素子は、前記基体上に設けられた巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造を有する
請求項２６記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３０】
前記ＭＲ検出素子は、
前記基体上に、誘電体層と、反強磁性層と、シンセティックピンド層と、導電体層と、フリー層とを順に含むものである
請求項２９記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３１】
前記シンセティックピンド層は、
前記反強磁性層の上に、第１の反平行構造と、非磁性スペーサ層と、第２の反平行構造とを順に含むものである
請求項３０記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３２】
前記ＭＲ検出素子は、
大きなアスペクト比を有すると共に互いに長軸方向の異なる大きな矩形状の複数のＧＭＲストライプを、フォトマスクを用いたパターニング処理により形成したのち、エッチングにより、複数のＧＭＲストライプの輪郭を明確化することにより得られたものである
請求項３０記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３３】
前記ＭＲ検出素子は、局部磁界を印加して熱アニールを行うことにより、前記ＧＭＲストライプごとに異なる所定の方向へリファレンス層の交換磁化が固定されたものである
請求項３２記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３４】
前記局部磁界は、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界である
請求項３３記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３５】
前記ＭＲ検出素子は、前記基体上に設けられた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を有する
請求項２６記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３６】
前記ＭＲ検出素子は、
前記基体、誘電体層と、反強磁性層と、シンセティックピンド層と、トンネリング層と、フリー層とを順に含むものである
請求項３５記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３７】
前記シンセティックピンド層は、
前記反強磁性層の上に、第１の反平行構造と、非磁性スペーサ層と、第２の反平行構造とを順に含むものである
請求項３６記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３８】
前記ＭＲ検出素子は、
大きなアスペクト比を有すると共に互いに長軸方向の異なる大きな矩形状の複数のＭＴＪストライプを、フォトマスクを用いたパターニング処理により形成したのち、エッチングにより、複数のＭＴＪストライプの輪郭を明確化することにより得られたものである
請求項３５記載の角度磁気センサ装置。
【請求項３９】
前記ＭＲ検出素子は、
局部磁界を印加して熱アニールを行うことにより、前記ＧＭＲストライプごとに異なる所定の方向へリファレンス層の交換磁化が固定されたものである
請求項３８記載の角度磁気センサ装置。
【請求項４０】
前記局部磁界は、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界である
請求項４９記載の角度磁気センサ装置。
【請求項４１】
前記磁界角度算出部は、前記第１および第２のＡＭＲ検出素子ならびに前記ＭＲ検出素子の各々に対しバイアス電圧を供給し、
前記第１および第２のＡＭＲ検出素子から第１および第２の出力電圧を、前記一のＭＲ素子から第３の出力電圧をそれぞれ受け取り、前記角度磁気センサに及ぶ磁界角度を決定するものである
請求項２６記載の角度磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自らに及ぶ磁界を検出するための磁気抵抗効果センサデバイスに関し、特に、面内の全方位（３６０°）に対応した磁界角度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、「磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を搭載した磁界角度センサ」（米国特許出願１１／７９９，７０６，出願日05/02/2007）を先に出願している。
【０００３】
磁気的な位置の検出は、一般的な方法になりつつある。静止した補償型センサまたは磁石を用い、それを回転移動または線形移動する対象物に取り付けることにより、結果として生じる磁界の相対的な方向を電子的に定量化することが可能である。また、ハネウェルアプリケーションノートＡＮ２１１「磁気位置センサのアプリケーション」では、ＡＭＲセンサを用いた磁気位置センサについて記載されている。
【０００４】
上記のＡＮ２１１では、図１に示したホイートストンブリッジを構成する４つのＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄを構成するために、パーマロイのような異方性磁気抵抗材料を用いている。各ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄは、磁気モーメントＭのベクトル２５ａ〜２５ｄと電流Ｉのベクトル２０ａ〜２０ｄとのなす角度をθとしたときに、ｃｏｓ2 （θ）に基づいて抵抗を変化させる能力を有している。
【０００５】
図１のセンサは、ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄによって構成されており、それらのＡＭＲ素子は、菱形をなすように、金属端子１２ａ〜１２ｄによって接続されている。金属端子１２ａおよび金属端子１２ｂは、直流ＤＣ電圧の供給電源１５とそれぞれ接続されている。残りの一対の対抗配置された金属端子１２ｃ，１２ｄは、測定点である。外部磁界が存在しないとき、側方の金属端子１２ｃ，１２ｄは、ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄの製造上の公差によるオフセット電圧を除き、互いに等しい電圧レベルにある。ホイートストンブリッジ５は、供給電圧Ｖｓ、ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄの抵抗の比、相対角度θの関数としての差分電圧ΔＶを生み出す。
【０００６】
ホイートストンブリッジ５は、０°を中心に＋４５°〜−４５°の角度範囲を測定可能なように組み立てられている。＋４５°〜＋９０°の角度範囲、もしくは−４５°〜−９０°の角度範囲についての測定を実施するには、２つの線形領域を利用するため、相対的に４５°の角度をなすように配置された２つのホイートストンブリッジを備えたセンサが必要となる。
【０００７】
図２は、全方位（３６０°）の角度検出を可能とする解決手段（solution）を表わしている。これは、２つのＡＭＲホイートストンブリッジを有するＡＭＲセンサ１００と、ホール効果センサ１０５とを備えている。モーター１１０がシャフト１１５を矢印１１６の方向へ回転させるようになっている。シャフト１１５の先端にはマグネット１２０が取り付けられており、シャフト１１５と同期して回転するようになっている。マグネット１２０では、磁束１２５がＮ極から放出されたのち、Ｓ極へ戻るようになっている。ＡＭＲセンサ１００は、シャフト１１５の回転軸１３０における延長上に、マグネット１２０をシャフト１１５との間に挟むように配置されている。磁束１２５は、その向きを維持しつつＡＭＲセンサ１００を通過する。シャフト１１５およびマグネット１２０の回転により、図３に示したように、ＡＭＲセンサ１００の出力がサインカーブ１３５およびコサインカーブ１４０を描くように変化する。
【０００８】
ホール効果センサ１０５は、ＡＭＲセンサ１００と同様に、シャフト１１５の回転軸１３０の延長上に配置されている。やはり、磁束１２５は、その向きを維持しつつホール効果センサを通過するようになっている。ほとんどのホール効果センサはケイ素系半導体材料によって構成されており、図３のベクトル波形１４５で表わされる磁界を形成するためにその内部を流れるバイアス電流とともに、磁束１２５のベクトルが平板（slab）を垂直に横切るときに、それに比例した電圧出力を生み出す。
【０００９】
ＡＭＲセンサ１００によって形成される正弦波形１３５および余弦波形１４０をなす出力と、ホール効果センサ１０５によって形成されるベクトル波形１４５をなす磁界とは、モーターコントロールユニットへ入力される。ＡＭＲセンサ１００におけるＡＭＲ効果の特徴は、ｃｏｓ2θに従う抵抗変化にある。ここでθは、磁化方向と電流方向とのなす角度である。上述したように、１つのＡＭＲセンサ１００が０〜９０°の角度範囲での角度検出が可能であるとき、２つのＡＭＲセンサを相対的に４５°傾いた状態で配置することにより、０〜１８０°の角度範囲での角度検出が可能となる。第１のＡＭＲホイートストンブリッジセンサ１００の信号出力電圧（Ｖａ）１３５は、Ｖａ＝（Ｖｓ／２）・（ｄＲ／Ｒ）・ｓｉｎ２θで表わされる。一方、第２のＡＭＲホイートストンブリッジセンサ１００の信号出力電圧（Ｖｂ）１４０は、位相が４５°異なっており、Ｖｂ＝（Ｖｓ／２）・（ｄＲ／Ｒ）・ｃｏｓ（２θ）で表わされる。ｄＲ／Ｒは、ＡＭＲ膜のＭＲ比である。すなわち、検出角度は、実際の磁界角度θもしくはθ＋１８０°となる。３６０°の全方位についての測定を行うために、ホール効果センサ１０５はベクトル波形１４５で表される信号出力電圧を出力する。信号出力電圧のベクトル波形１４５の符号表示は、磁界ベクトル１２５が占める第１象限に記載している。モーターコントローラは、ＡＭＲホイートストンブリッジセンサ１００から出力される正弦曲線１３５のアークタンジェントおよび余弦曲線１４０の関数として、ホール効果センサ１０５の信号出力電圧のベクトル波形１４５によって決定される象限で角度θを計算する。
【００１０】
高精度の全方位検出角度センサを実現するには、ひとつは、ホール効果センサ１０５の出力電圧が０Ｖとなるとき、ちょうど磁束１２５の角度を抽出するアークタンジェント方程式の端部に到達するように、ホール効果センサ１０５を、２組のＡＭＲホイートストンブリッジセンサ１００に対してほぼ完全な方向へ配向するように機械的に確実に調整しなければならない。このような厳密な配置を実現することは困難であり、多くの時間を要し、コスト的にも不利である。
【００１１】
非特許文献１には、プラズマ酸化されたアルミナ層からなるトンネルバリア層と、リファレンス層としての、ＣｏＦｅ−Ｒｕ−ＣｏＦｅからなる人工的な反強磁性物質層とを含む磁気トンネル接合の製造方法について記載されている。人工的な反強磁性物質層の磁気特性を調整することは個々の磁気トンネル接合のオンチップ磁化（初期化）、すなわち、実装した状態での磁化を可能とする。よって、複数のマスクを使用した工程や実装された発熱体を必要とすることなく、モノリシックのホイートストンブリッジの形成が可能となる。
【００１２】
非特許文献２は、磁気微細構造、単軸の一方向性の交換誘導磁気異方性、およびＰｔＭｎ／ＮｉＦｅからなる２層構造における構造変化、およびアニール時間の関数としての微小な要素に関する研究について言及している。
【００１３】
特許文献１は、強磁性薄膜を含み、第１および第２の感度方向を有する磁気方位センサを提供するものである。このセンサは非磁性中間層を有し、その非磁性中間層における一方の主面が磁化リファレンス層と接し、他方の主面が異方性強磁性材料からなるセンシング層と接するようになっている。このセンサは所定の長さおよび幅を有しており、幅方向が、磁化固定方向と相対的に平行となるように構成されている。このセンサにおけるリファレンス層の固定された磁化方向は、基板と実質的に平行となるように設定されるが、（検出動作中の）センシング層における磁化方向に対してはほぼ直交することとなる。アニールプロセスにより、所望の磁化方向が設定される。
【００１４】
非特許文献３は、全方位角度センサにおけるスピンバルブを用いたマイクロチップに関する設計、製造方法、および試験方法を開示している。４つのスピンバルブ抵抗体を備えた特別のホイートストンブリッジが、周辺環境により生じることが予想される熱ドリフトの補償を行うために用いられている。一方のハーフブリッジが他方のハーフブリッジよりも位相が９０°ずれている。その結果、磁界方向と出力との関係が正弦曲線および余弦曲線で表されることとなり、０〜３６０°の角度範囲における角度検出が可能となる。
【００１５】
特許文献２は、ＭＲ素子を用いた角度センサおよび回転速度センサについて開示している。その回転速度センサは、回転軸の周囲を回転可能な永久磁石と、少なくとも３つのホイートストンブリッジとを有する。各ホイートストンブリッジは、永久磁石の回転面と平行な面に延在する磁気抵抗効果ストリップラインを含んでいる。
【００１６】
特許文献３は、ＭＲ素子を各々含む２つのホイートストンブリッジを有する磁界センサについて開示している。２つのホイートストンブリッジは、互いに同一の構成を有している。但し、一方のホイートストンブリッジにおける所定のブランチに含まれるＭＲ素子が正の出力極性であるならば、他方のホイートストンブリッジにおける対応するブランチに含まれるＭＲ素子が負の出力極性となる。２つのホイートストリンブリッジの出力信号を加えることによって、センサ全体のゼロ点オフセットが決定され、除去される。
【００１７】
特許文献４は、ＭＲ素子を利用し、磁界の方向を検出する角度センサを開示している。この角度センサは、それぞれリファレンス磁化軸を有する２つの補正検出素子と電気的に接続された主検出素子を有している。このリファレンス磁化軸は、主検出素子のリファレンス磁化軸の方向に対して５°〜８５°の補正角度θをなしている。
【００１８】
特許文献５は、磁界方向を検出する磁気センサを提供するものである。この磁気センサは、少なくとも２つのＭＲ素子を備えており、それらは磁界方向を決定するために互いに非平行に配置されている。
【００１９】
特許文献６は、２つのホイートストンフルブリッジを構成する８つのＧＭＲ素子が回転対称配置されてなるＧＭＲ検出素子を開示している。このＧＭＲ検出素子は、特に、自動車におけるカムシャフトやクランクシャフトの絶対位置検出を行うための角度センサとして好適である。
【００２０】
特許文献７では、統合的な３次元磁気検出デバイスについて記述されている。  このデバイスは、所定の表面積を有する上面と、この上面と平行な面に対して傾斜した表面（斜面）とを有する基体を備えている。２つの磁気検出ユニットが（基体の）上面に配置され、互いに直交する第１および第２の検出方向での磁界検出を可能としている。さらに、第３の磁気検出ユニットは（基体の）斜面に設けられており、第１および第２の検出方向の双方と直交する第３の検出方向での磁界検出を可能としている。
【００２１】
特許文献８には、角度または位置を検出するためのＭＲセンサが例示されている。このＭＲセンサはＡＭＲ効果もしくはＧＭＲ効果を利用し、ある基準に対するセンサの位置（の検出）もしくは角度測定を行う際に回転する永久磁石の均質な（一様な）磁界方向を示すものである。その基準は、位置検出を行うために交互方向に周期的に磁化される。角度もしくは位置を表す数値は、２つのフルブリッジもしくは２つのハーフブリッジからの２つの出力信号の割合（quotient）に基づき、逆正接関数を利用して最適化される。２つの出力信号が微小な調和成分およびヒステリシス成分を有しているとすれば、それに起因した測定時のエラーが生じ得ることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許第７０５４１１４号明細書
【特許文献２】米国特許第５７９６２４９号明細書
【特許文献３】米国特許第６１００６８６号明細書
【特許文献４】米国特許第６６３３４６２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１４０３６３号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００６／０１０３３８１号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／００３５２９４号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／００８０６８３号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】「Angular Sensor Using Tunneling Magneto-resistive Junctions with an Artificial Antiferromagnet Reference Electrode and Improved Thermal Stability", Ruhrig, et al., , IEEE Transactions on Magnetics, Jan. 2004Volume: 40,  Issue: 1, pp.: 101- 104」
【非特許文献２】「Exchange Anisotropy and Micromagnetic Properties of PtMn/NiFe Bilayers", Pokhil, et al., Journal of Applied Physics, June 1, 2001, Vol.: 89, Issue: 11, pp.: 6588-6590」
【非特許文献３】「360( Angle Sensor Using Spin Valve Materials with SAF Structure', Wang et al., IEEE Transactions on Magnetics, Oct. 2005, Vol.: 41, Issue: 10」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、面内の２軸方向における磁界検出を行う角度磁気センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
少なくとも上記目的を達成するために、基体上に２つのＡＭＲ検出素子と少なくとも１つのＭＲ検出素子とを設ける。２つのＡＭＲ検出素子（第１および第２のＡＭＲ検出素子）は、互いに所定の相対角度をなすように配置されている。具体的には、第１のＡＭＲ検出素子の出力電圧が、リファレンス軸に対する磁界の角度に関する第１の三角関数（正弦関数）に従い、第２のＡＭＲ検出素子の出力電圧が、リファレンス軸に対する磁界の角度に関する第２の三角関数（余弦関数）に従うように構成されている。１つのＭＲ検出素子は、リファレンス軸に対してその出力電圧がリファレンス軸に対する磁界角度をある象限において表示されるようにするものである。その象限の表示は、三角関数（正弦関数または余弦関数）に従う。
【００２６】
この角度磁気センサ装置は、２つのＡＭＲ検出素子の各出力、および一のＭＲ検出素子の出力がそれぞれ入力される磁界角度算出部を備えている。この角度磁気センサ装置は、２つのＡＭＲ検出素子からの各出力および一のＭＲ検出素子からの出力に基づいて磁界角度を決定する。
【００２７】
２つのＡＭＲ検出素子の各々は、基体上に設けられ、かつホイートストンブリッジを構成するように接続された４つのＭＲ構造を含んでいる。２つのＡＭＲ検出素子のうちの一方におけるホイートストンブリッジは、第２の三角関数が、第１の三角関数がシフトしたものとなるように、姿勢の向きによって回転する。  各ＡＭＲ検出素子におけるＡＭＲ構造は、基体上に誘電体層を介して設けられている。誘電体層の上にはシード層と、強磁性誘電体層とが形成される。このシード層は、ＮｉＦｅＣｒ，ＮｉＣｒおよびＴａなどの金属からなる。強磁性層は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどを含む二元系合金もしくは三元系合金からなる。
【００２８】
一のＭＲ検出素子は、ＧＭＲ構造もしくは磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を有する。ＧＭＲ構造である場合、基体上に、誘電体層と、反強磁性層と、シンセティックピンド層と、非磁性導電層と、フリー層とが順に積層されたものとなる。
【００２９】
反強磁性層は、例えばＰｔ，Ｍｎ，Ｐｄなどを含む二元系合金もしくは三元系合金からなる。シンセティックピンド層は、反強磁性層の上に、第１の反平行構造と、非磁性スペーサ層と、第２の反平行構造とを順に有する。第１および第２の反平行構造は、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢなどを含む強磁性の二元系合金もしくは三元系合金からなる。非磁性スペーサ層は、Ｒｕなどの非磁性材料からなる。  フリー層は、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢなどを含む強磁性の二元系合金もしくは三元系合金からなる。
【００３０】
（ＧＭＲ構造を有する）一のＭＲ検出素子は、以下のようにして形成される。まず、長軸方向が互いに異なり、大きなアスペクト比を有する矩形の平面形状をなす複数のＧＭＲストライプをフォトマスクを使用したパターニング処理により形成したのち、各ＧＭＲストライプの輪郭をエッチングにより明確化する。次に、（エッチングされたＧＭＲストライプに対し）局所磁界を付与しつつ熱アニールする。これにより、リファレンス層の交換磁化が、ＧＭＲストライプごとに様々な方向へ設定される。局所磁界は、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界である。
【００３１】
一のＭＲ検出素子がＭＴＪを有する場合、そのＭＲ検出素子は、基体上に、下部電極と、導電層と、反強磁性層と、シンセティックピンド層と、トンネリング層と、フリー層とが順に積層されてパターニングされたのち、最上層に上部電極が形成されたものとなる。
【００３２】
反強磁性層は、例えばＰｔ，Ｍｎ，Ｐｄなどを含む二元系合金もしくは三元系合金からなる。シンセティックピンド層は、反強磁性層の上に、第１の反平行構造と、非磁性スペーサ層と、第２の反平行構造とを順に有する。第１および第２の反平行構造は、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢなどを含む強磁性の二元系合金もしくは三元系合金からなる。非磁性スペーサ層は、Ｒｕなどの非磁性材料からなる。  フリー層は、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢなどを含む強磁性の二元系合金もしくは三元系合金からなる。
【００３３】
（ＭＴＪ構造を有する）一のＭＲ検出素子は、以下のようにして形成される。まず、長軸方向が互いに異なり、大きなアスペクト比を有する矩形の平面形状をなす複数のＧＭＲストライプを、フォトマスクを使用したパターニング処理により形成したのち、各ＧＭＲストライプの輪郭をエッチングにより明確化する。次に、（エッチングされたＧＭＲストライプに対し）局部磁界を付与しつつ熱アニールする。これにより、リファレンス層の交換磁化が、ＧＭＲストライプごとに様々な方向へ設定される。局部磁界は、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界である。
【００３４】
この磁界角度算出回路は、２つのＡＭＲ検出素子、および一のＭＲ検出素子とそれぞれ接続され、バイアス電圧を印加するように構成されている。この磁界角度算出回路は、それに及ぶ磁界の角度を決定するために、２つのＡＭＲ検出素子からの第１および第２の出力電圧と、一のＭＲ検出素子からの第３の出力電圧とが入力されるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のＡＭＲセンサの概略図である。
【図２】２つのＡＭＲ検出素子および一のホール効果センサを備えた従来の磁界角度検出システムのブロック図である。
【図３】従来の磁界角度検出システムにおける２つのＡＭＲ検出素子およびホール効果センサの出力電圧を表す特性図である。
【図４】本発明の磁界角度検出センサにおける第１の具体例の概略図である。
【図５】本発明の磁界角度検出センサにおける第１の具体例の上面図である。
【図６】本発明の磁界角度検出センサにおける第１の具体例の２つのＡＭＲ検出素子およびＧＭＲセンサの出力電圧を表す特性図である。
【図７】本発明の磁界角度検出センサにおける第１の具体例のブロック図である。
【図８】本発明の磁界角度検出センサにおける第１の具体例の２つのＡＭＲ検出素子および一のＭＲセンサの出力電圧の符号を表す表である。
【図９】本発明の磁界角度検出センサにおける第２の具体例の概略図である。
【図１０】本発明の磁界角度検出センサにおける第２の具体例の上面図である。
【図１１】本発明の磁界角度検出センサにおける第２の具体例の２つのＡＭＲ検出素子およびＧＭＲセンサの出力電圧を表す特性図である。
【図１２】本発明の磁界角度検出センサにおける第２の具体例のブロック図である。
【図１３】本発明の磁界角度検出センサにおける第２の具体例の２つのＡＭＲ検出素子および一のＭＲセンサの出力電圧の符号を表す表である。
【図１４】本発明の磁界角度検出センサにおける断面図である。
【図１５】本発明の磁界角度検出センサの製造方法におけるプロセスを表す概略図である。
【図１６】図１５に続くプロセスを表す概略図である。
【図１７】図１６に続くプロセスを表す概略図である。
【図１８】本発明の磁界角度検出センサを備えた磁界角度検出システムの機能的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図４を参照して、本発明の第１の具体例としての磁界角度検出センサ２００について説明する。磁界角度検出センサ２００は、２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０と、ＭＲクワドラント（quadrant）センサ２１５とを備えている。第１のＡＭＲ検出素子２０５は、４つのＡＭＲ構造２０６〜２０９を有しており、それらはホイートストンブリッジを構成している。これら４つのＡＭＲ構造２０６〜２０９は、磁界角度検出センサ２００のリファレンス軸に対して所定の角度をなすように配置されている。その結果、第１のＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧Ｖout_AMR1は、リファレンス軸２２０に対する磁界角度（θ）２２５の第１の三角関数（正弦関数）としての挙動を示す。電源Ｖｄｄは、ＡＭＲ構造２０６とＡＭＲ構造２０７との接続点において接続されている。ＡＭＲセンサ構造２１３とＡＭＲセンサ構造２１４との接続点は接地と接続されている。ＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧は、ＡＭＲ構造２０６およびＡＭＲ構造２０８の接続点と、ＡＭＲ構造２０７およびＡＭＲ構造２０９の接続点との差分電圧（Ｖ1+）-（Ｖ1-）である。４つのＡＭＲ構造２０６−２０９の抵抗は、第１の三角関数ｓｉｎ（２θ）に応じて変化する。したがって、第１のＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧Ｖout_AMR1は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR1＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｓｉｎ（２θ）
【００３７】
第２のＡＭＲ検出素子２１０は、４つのＡＭＲ構造２１１−２１４を有しており、それらはホイートストンブリッジを構成している。ＡＭＲ構造２１１，２１４は、磁界角度検出センサ２００のリファレンス軸に対して平行に配置されている。ＡＭＲ構造２１２，２１３は、磁界角度検出センサ２００のリファレンス軸に対して直交するように配置されている。電源Ｖｄｄは、ＡＭＲ構造２１１とＡＭＲ構造２１２との接続点において接続されている。ＡＭＲセンサ構造２１３とＡＭＲセンサ構造２１４との接続点は接地と接続されている。第２のＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧は、ＡＭＲ構造２１１およびＡＭＲ構造２１３の接続点と、ＡＭＲ構造２１２およびＡＭＲ構造２１４の接続点との差分電圧（Ｖ2+）-（Ｖ2-）である。４つのＡＭＲ構造２１１−２１４の抵抗は、第２の三角関数ｃｏｓ（２θ）に応じて変化する。したがって、第２のＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧Ｖout_AMR2は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR2＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｃｏｓ（２θ）
【００３８】
周知のように、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０のＡＭＲ効果の特徴は、ＡＭＲ構造２０６−２０９，２１１−２１４の抵抗値が関数ｃｏｓ2 θに従って変化することにある。但し、θは磁化２２５の方向と電流方向とのなす角である。  さらに、１つのＡＭＲホイートストンブリッジでは０〜９０°の範囲においてのみ角度検出が可能であり、互いに４５°の角度をなす２つのＡＭＲセンサ（もしくは２つのＡＭＲホイートストンブリッジ）では０〜１８０°の範囲での検出が可能である。上記したように、第１のＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧信号Ｖout_AMR1は、Ｖout_AMR1＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｓｉｎ（２θ）のように表される。一方、第１のＡＭＲ検出素子２０５に対して４５°の角度をなすように配置された第２のＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧信号Ｖout_AMR2は、Ｖout_AMR2＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｃｏｓ（２θ）のように表される。ＡＭＲ構造２０６−２０９，２１１−２１４のＭＲ比は、外部磁界の存在しないときのＡＭＲ構造２０６−２０９，２１１−２１４の抵抗に対する、磁界ベクトルに起因した抵抗変化（ｄＲ／Ｒ）である。すなわち、測定角度は、現実の磁界角度θもしくはその正反対の方向である角度θ＋１８０°である。全方位（０−３６０°の範囲）での測定を行うために、磁界角度検出センサ２００の基体上に、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０と共にＭＲ検出素子２１５が配置される。ＭＲ検出素子２１５は、リファレンス層を含むＧＭＲ構造もしくはＡＭＲ構造をなすＭＲ構造２１６を有している。そのリファレンス層は、固定されており、リファレンス軸２２０に対する磁界ベクトルの角度θの関数ｓｉｎ（θ）に比例する抵抗が得られるようになっている。供給された電流はＭＲ検出素子２１５を通過し、ＭＲ検出素子２１５を通過する際の電圧降下が決まる。ＭＲ検出素子２１５の出力電圧Ｖout_GMR1は、リファレンス層の固定された磁化方向に依存して、以下の式で定まる。
Ｖout_GMR1＝Ａ・ｓｉｎ（θ）
Ｖout_GMR1＝Ａ・ｃｏｓ（θ）
ここで、Ａは、バイアス電流およびＧＭＲ膜のＭＲ比によって定まる振幅を表す。
【００３９】
図５は、本発明の磁界角度検出センサ２００における平面構成を表すものである。２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０は、それぞれ、ＡＭＲ構造２０６−２０９およびＡＭＲ構造２１１−２１４を備えている。これらのＡＭＲ構造２０６−２０９およびＡＭＲ構造２１１−２１４は、基体上に誘電体層、シード層、強磁性誘電体層を順に有している。このシード層は、例えばＮｉＦｅＣｒ，ＮｉＣｒＴａあるいはそれらと同等の合金からなる。強磁性層は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどを含む二元系合金もしくは三元系合金からなる。
【００４０】
ＡＭＲ検出素子２０５は、基体上にＡＭＲ構造２０６−２０９を有しており、それらが互いに接続されて１つのホイートストンブリッジを構成している。同様に、ＡＭＲ検出素子２１０は、基体上にＡＭＲ構造２１１−２１４を有しており、それらが互いに接続されて別の（第２の）ホイートストンブリッジを構成している。ＡＭＲ検出素子２１０における第２のホイートストンブリッジは、上述したように、リファレンス軸に対して平行に配置されている。ＡＭＲ検出素子２０５における第１のホイートストンブリッジは、方位角によって回転され、その結果、第２の三角関数が方位角によりシフトされた第１の三角関数と一致する。上述したように、第１のホイートストンブリッジは、４５°回転され、第１の三角関数がｓｉｎ（θ）となり、第２の三角関数がｃｏｓ（θ）となる。
【００４１】
ＡＭＲ構造２０６とＡＭＲ構造２０７との接続点と連結された端子２３０には電源電圧Ｖdd-1が供給される。ＡＭＲ構造２０８とＡＭＲ構造２０９との接続点と連結された端子２０６には、接地電圧が供給される。ＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧は、端子２３５の電圧Ｖ1+と端子２４０の電圧Ｖ1-との関係によって決まる。上述したように、ＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR1＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｓｉｎ（２θ）
【００４２】
ＡＭＲ構造２１１とＡＭＲ構造２１２との接続点と連結された端子２４５には電源電圧Ｖdd-2が供給される。ＡＭＲ構造２１３とＡＭＲ構造２１４との接続点と連結された端子２６０には、接地電圧が供給される。ＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧は、端子２５０の電圧Ｖ2+と端子２５５の電圧Ｖ2-との関係によって決まる。上述したように、ＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR2＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｃｏｓ（２θ）
【００４３】
基体上に、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０と共に一体化されたＭＲ検出素子２１５は、ＧＭＲ構造もしくはＡＭＲ構造をなしており、リファレンス軸に対する磁界ベクトルのなす角θの関数ｓｉｎ（θ）に比例して抵抗が変化する。  電流が端子２６５からＭＲ検出素子２１５へ供給される。ＭＲ検出素子２１５からの出力電圧２６５（Ｖout_GMR1）は、以下の式で定まる。
Ｖout_GMR1＝Ａ・ｓｉｎ（θ）
ここで、Ａは、バイアス電流およびＧＭＲ膜のＭＲ比によって定まる振幅を表す。
【００４４】
図６は、ＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧２７０（Ｖout_AMR1）、ＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧２７５（Ｖout_AMR2）、およびＭＲ検出素子２１５の出力電圧２８０（Ｖout_GMR1）を表す特性図である。これらは、いずれも、磁化２２５の向きとＡＭＲ検出素子２０５，２１０およびＭＲ検出素子２１５を通過する電流の向きとのなす角度θの関数として表されている。
【００４５】
図７を参照して、磁界角度検出センサ２００を説明する。この磁界角度検出センサ２００は、磁界角度を算出する演算部として、３つのアンプ３００，３０５，３１０とマイクロコントローラ３１５とを備える。この演算部は基体上に設けられている。ＡＭＲ検出素子２０５，２１０およびＭＲ検出素子２１５は、標準的な半導体製造技術を使用した従来の蒸着法により基体上に形成される。
【００４６】
第１のＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧Ｖout_AMR1（の信号）は、第１のアンプ３００へ入力される。第１のアンプ３００は、出力電圧Ｖout_AMR1を増幅し、調整する。第２のアンプ３０５は、第２のＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧Ｖout_AMR2（の信号）を増幅し、調整する。第３のアンプ３１０は、ＭＲ検出素子２１５の出力電圧Ｖout_GMR1（の信号）２８０を増幅し、調整する。  アンプ３００，３０５，３１０からの出力３２０，３２５，３３０は、マイクロコントローラ３１５へ入力される。
【００４７】
第１のアンプ３００の出力電圧３２０は、ＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧Ｖout_AMR1に比例する。出力電圧Ｖout_AMR1は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR1＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｓｉｎ（２θ）
【００４８】
同様に、アンプ３０５の出力電圧３２５は、ＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧Ｖout_AMR2に比例する。出力電圧Ｖout_AMR1は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR2＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｃｏｓ（２θ）
【００４９】
出力電圧Ｖout_AMR1と、出力電圧Ｖout_AMR2とは、互いに大きさが異なるが、それらは、リファレンス軸に対する印加磁界ベクトルのなす角度θに直接依存しており、ｓｉｎθまたはｃｏｓθで表される。アンプ３００，３０５のゲインは調整され、出力電圧３２０，３２５が互いに等しい大きさとなり、出力電圧３２０が（角度θの）正弦関数として、出力電圧３２５が（角度θの）余弦関数として変化することとなる。角度θは、出力電圧３２０と出力電圧３２５との逆正接関数として表される（θ＝arctan（V_AMR1／V_AMR2））。この逆正接関数は、マイクロコントローラ３１５におけるメモリーマップ回路を使用することにより、容易に決定される。結果として得られる角度θは、マイクロコントローラ（回路）３１５の出力３３５であるか、もしくは、マイクロコントローラ（回路）３１５の内部で交互に処理される。
【００５０】
ＡＭＲ検出素子２０５，２１０の出力電圧は、（その象限が既知であれば）角度θを高精度に決定するために使用可能である。これは、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０の出力電圧が３６０°ではなく１８０°までの範囲内に限られていることに起因する。こうした理由のため、第１象限と第３象限との区別、もしくは第２象限と第４象限との区別が不可能である。ＭＲ検出素子２１５の出力電圧Ｖout_GMR1はＡ・ｓｉｎ（θ）で与えられる。ここでＡは、バイアス電流およびＧＭＲ膜のＭＲ比によって定まる振幅を表す。リファレンス層におけるピンニング磁界が限定されていることから、ＭＲ検出素子２１５は理想的な正弦関数（曲線）から僅かに外れる。しかしながら、角度θの象限を決定するには十分である。
【００５１】
図８に示したように、２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０は磁界方向の角度をθとしたとき、θもしくはθ±１８０°の測定を可能とする。例えば、磁界角度が３０°の場合、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０は３０°もしくは−１５０°の測定値が導かれる。すなわち、３０°と−１５０°との見分けがつかない。  ＭＲ検出素子２１５を使用することにより、象限が容易に決定される。もし、角度が０°〜１８０°であれば、ＭＲ検出素子２１５の符号は正となる。反対に、角度が−１８０°〜０°であれば、ＭＲ検出素子２１５の符号は負となる。
【００５２】
図９を参照して、本発明の第２の具体例としての磁界角度検出センサ４００について説明する。磁界角度検出センサ４００の基本構造は、図４に示した第１の具体例としての磁界角度検出センサ２００と一致している。図４の磁界角度検出センサ２００に、追加のＭＲ検出素子４００が付加されている。図４の磁界角度検出センサ２００では、磁気角度ベクトル２２５は、ＭＲ検出素子２１５が識別することのできない０°または１８０°の値を示すのみである。特別な場合、ＭＲ検出素子４００は、磁気角度ベクトル２２５が０°または１８０°のいずれであるかの識別が可能となる。磁界角度検出センサ４００のＶout_GMR2が正のとき、角度が０°となる。磁界角度検出センサ４００のＶout_GMR2が負のとき、角度が１８０°となる。
【００５３】
図１０に示したように、第２のＭＲ検出素子４００は、基体上に、２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０と、ＭＲ検出素子２１５とを設けたものである。
第２のＭＲ検出素子４００は、ＧＭＲ構造またはＭＴＪ（磁気トンネル接合）構造を有している。それらのＧＭＲ構造またはＭＴＪ構造は、第１の素子２１５の固定リファレンス磁化と直交する固定されたリファレンス磁化を有しれおり、上述したように、リファレンス軸に対する磁界ベクトルのなす角度θの関数ｃｏｓ（θ）に比例した抵抗を示す。電流が端子４０５から第２のＭＲ検出素子４００を通過するように供給される。第２のＭＲ検出素子４００からの出力電圧Ｖout_GMR2は以下の式で定まる。
Ｖout_GMR2＝Ａ・ｃｏｓ（θ）
ここで、Ａは、バイアス電流およびＧＭＲ膜のＭＲ比によって定まる振幅を表す。
【００５４】
図１１は、図６と同様に、２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０およびＭＲ検出素子２１５の出力電圧の変化曲線２７０，２７５，２８０をそれぞれ表わす。第２のＭＲ検出素子４００の出力電圧Ｖout_GMR2（４１０）のプロットは、ＭＲ検出素子２１５の出力電圧Ｖout_GMR1（２８０）のサイン（符号）と出力電圧Ｖout_GMR2（４１０）のサイン（符号）とのコンビネーションが磁界ベクトルの角度θの値における０°と１８０°との区別をするための必要な情報をもたらすことを実証している。
【００５５】
図１２は、第２の具体例としての磁界角度検出センサ４００を表わす。磁界角度検出センサ４００は、２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０とＭＲ検出素子２１５，４００とを３つのアンプ３００，３０５，３１０と共に含み、それらは基体上に設けられている。第３のアンプ３１０は、ＭＲ検出素子４００の出力電圧Ｖout_GMR2を増幅し、調整する。４つのアンプ３００，３０５，３１０，４２０の出力（信号），３２５，３３０，４２０はマイクロコントローラ３１５に入力される。
【００５６】
上述したように、アンプ３００からの出力電圧３２０は、第１のＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧Ｖout_AMR1に比例する。なお、出力電圧Ｖout_AMR1は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR1＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｓｉｎ（２θ）
【００５７】
同様に、アンプ３０５からの出力電圧３２５は、第２のＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧Ｖout_AMR2に比例する。なお、出力電圧Ｖout_AMR2は、以下のように表せる。
Ｖout_AMR2＝（Ｖdd／２）×dR/R・ｃｏｓ（２θ）
【００５８】
第１のＡＭＲ検出素子２０５の出力電圧Ｖout_AMR1および第２のＡＭＲ検出素子２１０の出力電圧Ｖout_AMR2の大きさは異なっているが、リファレンス軸と印加磁界ベクトルとのなす角度θの正弦関数および余弦関数直接的に依存していることがわかる。第１のアンプ３００および第２のアンプ３０５のゲインは、出力電圧３２０と出力電圧３２５との最大値が等しくなり、出力電圧３２０が正弦関数として変化し、出力電圧３２５が余弦関数として変化するように調整される。角度θが、出力電圧３２０と出力電圧３２５との比の逆正接関数として求められる（θ＝arctan(V_AMR1/V_AMR2)。
【００５９】
逆正接関数は、マイクロコントローラ回路３１５においてメモリーマップを使用することで容易に決定される。得られる角度θは、マイクロコントローラ回路３１５の出力３３５であり、あるいは、マイクロコントローラ回路３１５の内部でさらに処理される。
【００６０】
２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０の出力電圧を用いることにより、（その象限が既知であれば）角度θを高精度に決定することが可能である。これは、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０の出力電圧が３６０°ではなく１８０°までの範囲内に限られていることに起因する。こうした理由のため、第１象限と第３象限との区別、もしくは第２象限と第４象限との区別が不可能である。ＭＲ検出素子２１５の出力電圧Ｖout_GMR1およびＭＲ検出素子４００の出力電圧Ｖout_GMR2はＡ・ｓｉｎ（θ）で与えられる。ここでＡは、バイアス電流およびＭＲ検出素子２１５のＭＲ比によって定まる振幅を表す。リファレンス層におけるピンニング磁界が限定されていることから、ＭＲ検出素子２１５，４００は理想的な正弦関数（曲線）から僅かに外れる。しかしながら、角度θの象限を決定するには十分である。
【００６１】
図１３に示したように、２つのＡＭＲ検出素子２０５，２１０は磁界方向の角度をθとしたとき、θもしくはθ±１８０°の測定を可能とする。例えば、磁界角度が３０°の場合、ＡＭＲ検出素子２０５，２１０は３０°もしくは−１５０°の測定値が導かれる。すなわち、３０°と−１５０°との見分けがつかない。  ＭＲ検出素子２１５を使用することにより、象限が容易に決定される。もし、角度が０°〜１８０°であれば、ＭＲ検出素子２１５の符号は正となる。反対に、角度が−１８０°〜０°であれば、ＭＲ検出素子２１５の符号は負となる。  さらに、上記のように、磁気角度ベクトルは、ＭＲ検出素子２１５が識別することのできない０°または１８０°の値を示すのみである。特別な場合、ＭＲ検出素子４００は、磁気角度ベクトル２２５が０°または１８０°のいずれであるかの識別が可能となる。第２のＭＲ検出素子４００のＶout_GMR2が正のとき、角度が０°となる。第２のＭＲ検出素子４００のＶout_GMR2が負のとき、角度が１８０°となる。
【００６２】
図１４，１５は、面の二軸方向における磁界角度を決定するための、一体化された角度磁気センサの製造方法を表わす。この方法は、基体４００を用意することから開始される（ボックス５００）。基体４００上に、集積回路４０５としての磁界角度算出回路を形成する（ボックス５０５）。集積回路４０５（磁界角度算出回路）は、アンプおよびマイクロプロセッサを含んでおり、上述したように、磁界角度を決定するものである。それらアンプおよびマイクロプロセッサは、基体４００に設けられた半導体デバイスの形成および相互接続によって構成される。  ２つのＡＭＲ検出素子４１０が基体の上に形成され（ボックス５１０）、互いに正しい向きとなるように配置される（ボックス５１５）。そうすることで、第１のＡＭＲ検出素子４１０の出力電圧が、リファレンス軸に対する磁界角度の関数である第１の三角関数（正弦関数）として変化する。また、第２のＡＭＲ検出素子４１０の出力電圧が、リファレンス軸に対する磁界角度の関数である第２の三角関数（余弦関数）として変化する。２つのＡＭＲ検出素子の各々を形成する工程では、基体４００上に４つのＡＭＲ構造４１０を形成する（ボックス５１０）。  ４つのＡＭＲ構造４１０は、ホイートストンブリッジを構成するように接続される。２つのＡＭＲ検出素子４１０のうちの一方のホイートストンブリッジは、他方のホイートストンブリッジに対して所定の角度をなすように配置される（ボックス５１５）。これにより、第２の三角関数は、第１の三角関数をシフトしたものとなる。
【００６３】
図１６は、２つのＡＭＲ検出素子のホイートストンブリッジにおける４つのＡＭＲ構造４１０の製造方法を表わしている（ボックス５１０）。４つのＡＭＲ構造４１０の形成工程（ボックス５１０）は、基体４００上への誘電体層４２０の形成（ボックス５３０）と、シード層４２５の形成（ボックス５３５）と、強磁性膜の堆積（ボックス５４０）とを含む。シード層は、例えばＮｉＦｅＣｒ，ＮｉＣｒＴａあるいはそれらと同等の合金からなる。強磁性層は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどを含む二元系合金もしくは三元系合金からなる。
【００６４】
４つのＡＭＲ構造４１０のフォトマスクは、大きな矩形状のＭＲ材料ストライプとなるようにパターニングされる（ボックス５４５）。４つのＡＭＲ構造４１０は、そののち、その輪郭を明確に画定するようにエッチングされる。ＡＭＲ構造４１０の電極は、２つのＡＭＲ検出素子４１０と、残りの２つのＡＭＲ検出素子４１０とを接続するように形成され（ボックス５５０）、その結果ホイートストンブリッジが形成される。
【００６５】
１もしくは２つのＭＲ検出素子４１５が基体上に形成され（ボックス５２０）、リファレンス軸に対して所定の角度をなすように配向される（ボックス５２５）。  その結果、リファレンス軸に対する磁界角度が、１つの象限に表示されるようになる。ＭＲ検出素子４１５は、ＧＭＲ構造またはＭＴＪ構造を有する。
【００６６】
図１７は、ＭＲ検出素子４１５の形成工程について記載したものである（ボックス５２０）。もしもＭＲ検出素子４１５がＧＭＲ構造である場合、誘電体材料４２０が基体上に堆積される（ボックス６００）。ＧＭＲ構造における誘電体材料４２０は、ＡＭＲ構造４１０と同じ材料である。もしもＭＲ検出素子４１５がＭＴＪ構造である場合、下部電極４３５が基体４００上に堆積される（ボックス６０５）。シード層４４０は、誘電体層４２０もしくは下部電極４３５の上に形成される（ボックス６１０）。このシード層は、ＡＭＲ構造４１０におけるシード層４２５と一致するものである。反強磁性層４４５はシード層４２５の上に形成され（ボックス６１５）、シンセティックピンド多層構造は反強磁性層４４５の上に形成される（ボックス６２０）。反強磁性層は、例えばＰｔ，Ｍｎ，Ｐｄなどを含む二元系合金もしくは三元系合金からなる。シンセティックピンド多層構造は、反強磁性層４４５の上にシンセティックピンド層４５０と、非磁性スペーサ層４５５と、第２の反平行層４６０とを順に形成することにより得られる。  第１および第２の反平行構造は、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢなどを含む強磁性の二元系合金もしくは三元系合金からなる。非磁性スペーサ層４５５は、Ｒｕなどの非磁性材料からなる。
【００６７】
もしもＭＲ検出素子４１５がＧＭＲ構造である場合、非磁性金属層４６５が第２の反平行層４６０の上に形成される（ボックス６２５）。また、ＭＲ検出素子４１５がＭＴＪ構造である場合、トンネルバリア層４７０が第２の反平行層４６０の上に形成される（ボックス６３０）。非磁性金属層４６５もしくはトンネルバリア層４７０の上には、フリー層４７５が形成される（ボックス６３５）。フリー層４７５は、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢなどを含む強磁性の二元系合金もしくは三元系合金からなる。フリー層４７５の上にはキャップ層が形成される（ボックス６４０）。
【００６８】
ＭＲ検出素子４１５は第１の熱アニールを行うために露出される（ボックス６４５）。ＭＲ検出素子４１５をパターニングするためのフォトマスクを用い、長軸方向が互いに異なり大きなアスペクト比を有する矩形の平面形状をなす複数のＧＭＲストライプをパターニング処理により形成したのち（ボックス６５０）、各ＧＭＲストライプの輪郭をエッチングにより明確化する（ボックス６５０）。  このＭＲ検出素子４１５のパターニング（ボックス６５０）は、図１６で説明したＡＭＲ構造４１０のパターニング（ボックス５４５）と一致する。
【００６９】
ＭＲ検出素子４１５を覆うように誘電体材料がリフィルされ（ボックス６５５）たのち、表面がＣＭＰ処理される（ボックス６６０）。上部電極が形成され（ボックス６６５）、パターニングされる（ボックス６７０）ことにより、ＭＲ検出素子４１５と磁界角度算出回路４０５との接続がなされる。第１および第２の反平行層４５０，４６０のリファレンス層の磁化方向を設定するために、局所的な磁界がＭＲ検出素子４１５に付与される（ボックス６７５）。ＭＲ検出素子４１５は熱アニールされ（ボックス８０）、これにより、リファレンス層の交換磁化が、ＭＲ検出素子４１５ごとに様々な方向へ設定される。局所磁界は、隣接した軟磁性層に起因する、形状異方性磁界、応力によって誘導される磁気歪みの異方性磁界、ハードバイアス磁界もしくは磁束集中磁界である。
【００７０】
図１８は、本発明の一体化角度磁気センサ７００を使用した、全方位に対応した角度検出ソリューションである。上述したように、角度磁気センサ７００は、２つのＡＭＲホイートストンブリッジセンサを備えている。モータ７１５がシャフト７２０を所定方向７２１へ回転させる。マグネット７０５は、シャフト７２０の一端部に設けられ、シャフト７２０と共に回転する。マグネット７０５からの磁束７１０はマグネット１２０のＮ極から放出されたのち、Ｓ極に戻るようになっている。角度磁気センサ７００は、シャフト７２０の延長上に、マグネット７０５をシャフト７２０との間に挟むように配置されている。磁束７１０は、その向きを維持しつつ角度磁気センサ７００を通過する。シャフト７２０の回転により、図６，１１示したように、ＡＭＲ検出素子の出力がサインカーブ２７０およびコサインカーブ２７５を描くように変化する。磁束の方向は、角度磁気センサ７００における磁界角度算出回路によって決定される。ＭＲ検出素子は、正弦波形および余弦波形を発現する。それらの正弦波形および余弦波形は磁束７１０の磁界角度の象限を決定する。
【００７１】
以上、特定の実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
２００，４００…磁界角度検出センサ、２０５，２１０，４１５…ＡＭＲ検出素子、２１５…ＭＲ検出素子、３００，３０５，３１０…アンプ、３２０，３２５，３３０…出力電圧、３１５…マイクロコントローラ、４０５…磁界角度算出回路。
【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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【国際調査報告】
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