(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気貨幣検出器ヘッドに用いられる単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップであって、
前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、磁気励起素子より上に取り付けられ、チップの感知方向が前記チップの表面に平行であり、前記磁気励起素子によって前記チップに生成された磁気励起場の方向が前記チップの前記表面に垂直であり、
前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、
基板と、前記基板に堆積された磁気バイアス構造体と、磁気抵抗素子と、入力端子および出力端子と、を備え、
前記磁気抵抗素子は、少なくとも１つのＭＴＪユニットで構成され、
前記ＭＴＪユニットは、少なくとも１つのＭＴＪストリングで構成され、
前記ＭＴＪストリングは、少なくとも１つのＭＴＪで構成され、
前記磁気抵抗素子および前記少なくとも１つのＭＴＪの感知方向が前記チップの感知方向と同じであり、
前記磁気バイアス構造体によって前記チップに生成されたバイアス磁場の方向が前記チップの前記感知方向に垂直であり、
前記磁気励起素子によって前記磁気バイアス構造体に生成された磁場は、前記磁気バイアス構造体の保磁力の半分未満であり、０．１Ｔ未満である、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子は、並列接続もしくは直列接続された少なくとも２つのＭＴＪユニットで構成され、前記ＭＴＪユニットは、前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの前記感知方向に垂直もしくは平行である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪユニットの間の中心距離は、２００μｍ〜８００μｍであり、および／または、
前記ＭＴＪユニットは、並列接続もしくは直列接続された少なくとも２つのＭＴＪストリングで構成され、前記ＭＴＪストリングは、前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの前記感知方向に垂直もしくは水平である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪストリングの間の中心距離は、２０μｍ〜１００μｍであり、および／または、
前記ＭＴＪストリングは、並列接続もしくは直列接続された少なくとも２つのＭＴＪで構成され、前記ＭＴＪは、前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの前記感知方向に垂直もしくは水平である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪの間の中心距離は、１μｍ〜２０μｍである、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項３】
上から見た前記ＭＴＪの形状は、楕円であり、前記ＭＴＪの長軸の長さと短軸の長さとの比は、３より大きく、前記ＭＴＪの短軸は、前記チップの前記感知方向に平行である、請求項１に記載のＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項４】
外部磁場が存在しない場合、前記ＭＴＪの中の自由層の磁化方向は、前記磁気バイアス構造体の作用の下で、前記ＭＴＪの前記長軸の方向に平行である、請求項３に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項５】
前記磁気バイアス構造体は、塊状または層状であり、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉまたはＦｅで構成される合金で作られている、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項６】
前記磁気バイアス構造体は、２つの隣接するＭＴＪストリングの間にある永久磁石で構成され、
前記永久磁石の磁化方向に沿って、前記ＭＴＪの両側に前記永久磁石が設けられ、
前記磁気励起素子によって前記永久磁石に生成された磁場は、前記永久磁石の保磁力の半分未満であり、０．１Ｔ未満である、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項７】
前記磁気バイアス構造体は、前記ＭＴＪに堆積された磁性膜で構成され、前記磁気励起素子によって前記磁性膜に生成された磁場は、前記磁性膜の保磁力の半分未満であり、０．１Ｔ未満である、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項８】
前記磁気バイアス構造体は、前記ＭＴＪに堆積された交換相互作用層で構成され、前記交換相互作用層は、反強磁性層、および、前記反強磁性層と弱く結合した強磁性層を備える、請求項７に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項９】
前記入力端子および前記出力端子は、両方共に、２つのワイヤボンディングパッドを少なくとも備え、各ワイヤボンディングパッドは、前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの両端に位置している、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項１０】
複数の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップが前記ワイヤボンディングパッドを介して互いに電気接続されてセンサチップ結合体を形成し、前記センサチップ結合体の感知ゾーン面積は、前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのうち１つのチップの感知ゾーン面積より大きい、請求項９に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項１１】
前記ワイヤボンディングパッドは、長さが１５μｍ〜２０００μｍであり、幅が１５μｍ〜１０００μｍである、請求項９に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項１２】
前記基板は、電気接続を実現する電気接続導体が上に設けられ、前記電気接続導体の幅は、１０μｍ以上である、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項１３】
前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、長さが５００μｍ〜３０００μｍであり、幅が２０μｍ〜１５００μｍである、請求項１に記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップと、信号処理回路と、磁気励起素子と、出力ピンと、回路板と、を備え、
前記磁気励起素子は、被測定空間内で前記チップの感知方向に外部磁場を生成するために、前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップより下に取り付けられ、磁気励起場を提供するため使用され、
前記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、前記外部磁場を感知し、前記外部磁場を電気信号に変換し、
前記信号処理回路は、前記回路板を通して前記出力ピンに転送される前記電気信号を変換する、磁気貨幣検出器ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場センサの分野、詳しくは、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップと、このチップに基づいて製造された磁気貨幣検出器ヘッドとに関する。
【背景技術】
【０００２】
日常生活の中で、磁気貨幣検出器ヘッドは、非常に幅広い範囲に応用され、たとえば、磁気貨幣検出器ヘッドは、自動販売機および現金計数機のような機器において必要とされる。現代の主流の磁気貨幣検出器ヘッド技術では、感光材料としてアンチモン化インジウムを利用する磁気ヘッドが使用され、磁力線は、検出表面に垂直であり、紙幣が磁気ヘッドを通過するとき、磁場が変化し、紙幣の真正性の識別は、磁場の変化を検出することにより実現される。しかしながら、このような磁気ヘッドは、低感度、低信号対雑音比、大きいサイズ、低下した温度安定性、および、低下した信頼性をもつ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップおよび磁気貨幣検出器ヘッドを提供すること、感度、信号対雑音比、温度安定性、および信頼性を高めること、および磁気ヘッドのサイズを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明が提供する単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、
磁気励起素子より上に取り付けられ、チップの感知方向がチップの表面に平行であり、磁気励起素子によってチップ上に生成された磁気励起場の方向がチップの表面に平行である単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップを含み、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、
基板と、基板に堆積された磁気バイアス構造体と、磁気抵抗素子と、入力および出力端子とを含み、
磁気抵抗素子は、少なくとも１つのＭＴＪユニットで構成され、
ＭＴＪユニットは、少なくとも１つのＭＴＪストリングで構成され、
ＭＴＪストリングは、少なくとも１つのＭＴＪで構成され、
磁気抵抗素子およびＭＴＪの感知方向は、チップの感知方向と同じであり、
磁気励起素子によってチップに生成されたバイアス磁場の方向は、チップの感知方向に垂直である。
【０００５】
好ましくは、
磁気抵抗素子は、並列接続もしくは直列接続された少なくとも２つのＭＴＪユニットで構成され、ＭＴＪユニットは、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの感知方向に垂直もしくは平行である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪユニットの間の中心距離は、２００μｍ〜８００μｍであり、
および／または、
ＭＴＪユニットは、並列接続もしくは直列接続された少なくとも２つのＭＴＪストリングで構成され、ＭＴＪストリングは、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの感知方向に垂直もしくは水平である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪストリングの間の中心距離は、２０μｍ〜１００μｍであり、
および／または、
ＭＴＪストリングは、並列接続もしくは直列接続された少なくとも２つのＭＴＪで構成され、ＭＴＪは、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの感知方向に垂直もしくは水平である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪの間の中心距離は、１μｍ〜２０μｍである。
【０００６】
好ましくは、上から見たＭＴＪの形状は、楕円であり、このＭＴＪの長軸の長さと短軸の長さとの比は、３より大きく、ＭＴＪの短軸は、チップの感知方向に平行である。
【０００７】
好ましくは、外部磁場が存在しない場合、ＭＴＪの中の自由層の磁化方向は、磁気バイアス構造体の作用の下で、ＭＴＪの長軸の方向に平行である。
【０００８】
好ましくは、磁気バイアス構造体は、塊状または層状であり、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉまたはＦｅで構成される合金で作られる。
【０００９】
好ましくは、磁気バイアス構造体は、２つの隣接するＭＴＪストリングの間にある永久磁石で構成され、永久磁石の磁化方向に沿って、ＭＴＪの両側に永久磁石が設けられ、磁気励起素子によって永久磁石に生成された磁場は、永久磁石の保磁力の半分未満であり、０．１Ｔ未満である。
【００１０】
好ましくは、磁気バイアス構造体は、ＭＴＪに堆積された磁性膜で構成され、磁気励起素子によって磁性膜に生成された磁場は、磁性膜の保磁力の半分未満であり、０．１Ｔ未満である。
【００１１】
好ましくは、磁気バイアス構造体は、ＭＴＪに堆積された交換相互作用層で構成され、交換相互作用層は、反強磁性層、および、反強磁性層と弱く結合した強磁性層を含む。
【００１２】
好ましくは、入力端子および出力端子は、両方共に、２つのワイヤボンディングパッドを少なくとも含み、各ワイヤボンディングパッドは、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの両端に位置している。
【００１３】
好ましくは、複数の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、ワイヤボンディングパッドを介して互いに電気接続されてセンサチップ結合体を形成し、センサチップ結合体の感知ゾーン面積は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのうち１つのチップの感知ゾーン面積より大きい。
【００１４】
好ましくは、ワイヤボンディングパッドは、長さが１５μｍ〜２０００μｍであり、幅が１５μｍ〜１０００μｍである。
【００１５】
好ましくは、基板は、電気接続を実現する電気接続導体が上に設けられ、電気接続導体の幅は、１０μｍ以上である。
【００１６】
好ましくは、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、長さが５００μｍ〜３０００μｍであり、幅が２０μｍ〜１５００μｍである。
【００１７】
本発明は、さらに対応して磁気貨幣検出器ヘッドを提供し、磁気ヘッドは：
上記のうちいずれか１つによる単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのうち少なくとも１つと、信号処理回路と、磁気励起素子と、出力ピンと、回路板とを含み、
磁気励起素子は、被測定空間内でチップの感知方向に外部磁場を生成するために、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップより下に取り付けられ、磁気励起場を提供するため使用され、
単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、外部磁場を感知し、外部磁場を電気信号に変換し、
信号処理回路は、回路板を通して出力ピンに転送される電気信号を変換する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明において提供された具体的な実施形態によれば、本発明は、以下の技術的効果を開示する：
【００１９】
本発明は、感知方向がチップの表面に平行であり、磁気励起素子によってチップに生成された磁気励起場の方向がチップの表面に垂直であり、チップの磁気抵抗素子がＭＴＪで構成され、磁気抵抗素子およびＭＴＪの感知方向がチップの感知方向と同じであり、磁気励起素子によってチップに生成されたバイアス磁場がチップの感知方向に垂直である、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップを提供する。本発明のチップは、高感度、高信号対雑音比、小さなサイズ、高い温度安定性、および高信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明もしくは従来技術の実施形態における技術的解決手段をより明瞭に説明するために、実施形態を記載するため使用される添付図面を以下で簡単に紹介する。当然ながら、以下の説明における添付図面は、本発明の単なるある種の実施形態であり、当業者は、創造的な努力なしでこれらの添付図面に従って他の図面を得ることができる。
【００２１】
【図１】単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの概略図。
【図２】２つ以上の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの間の接続モードの概略図。
【図３（ａ）】ＭＴＪの概略構成図。
【図３（ｂ）】抵抗値と外部磁場との間の関係曲線を示す図。
【図４（ａ）】単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの応用の１つの概略図。
【図４（ｂ）】図４（ａ）に対応するセンサチップの出力電圧と外部磁場との間の関係曲線を示す図。
【図５（ａ）】単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの応用の別の概略図。
【図５（ｂ）】図５（ａ）に対応するセンサチップの出力電圧と外部磁場との間の関係曲線を示す図。
【図６】第１の磁気バイアス方法において形成されたＭＴＪユニットの概略図。
【図７】第１の磁気バイアス方法におけるＭＴＪとこのＭＴＪに隣接する永久磁石の位置関係を示す図。
【図８】第１の磁気バイアス方法におけるＭＴＪの概略構成図。
【図９】第２の磁気バイアス方法において形成されたＭＴＪユニットの概略図。
【図１０】第２の磁気バイアス方法におけるＭＴＪの概略構成図。
【図１１】第３の磁気バイアス方法におけるＭＴＪの概略構成図。
【図１２】複数のＭＴＪの間の接続モードの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態における技術的解決手段は、本発明の実施形態において添付図面を参照して以下で明瞭かつ完全に説明される。説明される実施形態が本発明の実施形態の全部ではなく単に一部であることは、明白である。創造的な努力なしで本発明の実施形態に基づいて当業者によって導き出された他の実施形態全ては、本発明の保護範囲に属する。
【００２３】
本発明の実施形態は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）磁場センサチップを提供する。図１は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の概略図である。実際の応用では、チップの長さは、５００μｍ〜３０００μｍであることがあり、幅は、２０μｍ〜１５００μｍであることがあり、上記サイズに限定されるものではない。チップの中の全てのコンポーネントは、基板１０２に位置し、基板１０２は、集積回路を作り上げることができるシリコン、セラミックおよび樹脂のような材料から構成されることがある。シリコン基板が本発明において使用される。磁気抵抗素子１０８は、ＭＴＪ（磁気トンネル接合）ユニット１０９で構成され、または、直列接続もしくは並列接続された少なくとも２つのＭＴＪユニット１０９で構成される。図１に表された磁気抵抗素子１０８は、並列接続された５つのＭＴＪユニット１０９で構成される。１つのＭＴＪユニット１０９は、１つのＭＴＪストリングで構成され、または、並列接続もしくは直列接続された２つ以上のＭＴＪストリングで構成される。各ＭＴＪストリングは、１つのＭＴＪで構成され、または、並列接続もしくは直列接続された２つ以上のＭＴＪで構成される。単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、従来型の抵抗器と同様に、それぞれの端子が入力端子および出力端子であり、各端子が少なくとも２つのワイヤボンディングパッドをもつ２つの端子を有する。ワイヤボンディングパッドは、複数の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの間で電気接続のため使用されることもあり、チップは、センサチップ結合体を形成し、センサチップ結合体の感知ゾーン面積は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの１つのチップの感知ゾーン面積より大きい。
【００２４】
図１における１０４および１０５は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの一方の端子の２つのワイヤボンディングパッドであり、１０６および１０７は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのもう一方の端子の２つのワイヤボンディングパッドである。好ましくは、ワイヤボンディングパッド１０４〜１０７は、長さが１５μｍ〜２０００μｍであり、幅が１５μｍ〜１０００μｍである。パッド同士、および、パッドと磁気抵抗素子とは、電気接続導体１０３を介して互いに接続され、電気接続導体１０３は、幅が１０μｍ以上である高導電率材料で作られている。
【００２５】
上記チップは、磁気励起素子より上に取り付けられ、磁気励起素子によってチップに生成された磁気励起場の方向は、チップの表面に垂直である。チップは、基板に堆積された磁気バイアス構造体（図示せず）をさらに含む。磁気バイアス構造体は、塊状または層状でもよく、使用される材料は、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉもしくはＦｅで構成された合金でもよい。
【００２６】
磁気励起素子によってチップに生成されたバイアス磁場の方向は、磁気抵抗素子を線形ゾーンにおいて動作させ、ＭＴＪのヒステリシスを低減するためにチップの感知方向に垂直である。本発明では、チップの感知方向は、チップの表面に平行であり、磁気抵抗素子およびＭＴＪの感知方向は、チップの感知方向と同じである。
【００２７】
本発明は、感知素子として、高感度、小さなサイズ、低コストおよび低消費電力という利点を有するＭＴＪを使用する。ＭＴＪの具体的な構造体が図３（ａ）に表され、トンネル層３０３は、強磁性自由層３０２と磁気ピン止め層３０４との間にあり、磁気ピン止め層３０４の磁化方向３０５は、磁気バイアス構造体の中に設けられたバイアス磁場の方向に垂直である。バイアス磁場の作用の下で、外部磁場が存在しない場合、強磁性自由層３０２の磁化方向は、バイアス磁場の方向と同じである。外部磁場が存在する場合、強磁性自由層３０２の磁化方向は、外部磁場と一緒に変化するものである。ＭＴＪの２つの端子のＡ端部およびＢ端部は、マクロレベルでの抵抗の特性を表し、抵抗値は、強磁性自由層３０２の磁化方向の変化と共に変化するものであり、強磁性自由層３０２の磁化方向が矢印３０７によって示されるように磁気ピン止め層３０４の磁化方向３０５に平行であり、ならびに、強磁性自由層３０２が飽和まで磁化されているとき、Ａ端部とＢ端部との間の抵抗は、Ｒｍｉｎとして表示された最小値であり、この点で、外部磁場は、Ｈｓａｔ−として表示され、強磁性自由層３０２の磁化方向が矢印３０６によって示されるように磁気ピン止め層３０４の磁化方向３０５に逆平行であり、ならびに、強磁性自由層３０２が飽和まで磁化されているとき、Ａ端部とＢ端部との間の抵抗は、Ｒｍａｘとして表示された最大値であり、この点で、外部磁場は、Ｈｓａｔ＋として表示され、図３（ｂ）に表されているとおりである。ＭＴＪの抵抗値は、外部磁場と共にＲｍｉｎとＲｍａｘとの間で直線的に変化する。その結果、ＭＴＪの抵抗値の変化を通じて外部磁場に関する測定を達成することが実現可能である。
【００２８】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の応用、および出力電圧と外部磁場との間の関係曲線の概略図である。単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の２つの端子は、図４（ａ）に示されたＣ端部およびＤ端部であり、電流源４０２と単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１とは、ループを作る。外部磁場が図４（ｂ）に示されたようにＨｓａｔ＋に達するとき、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の抵抗は、最小値であり、この点で、ＴＭＲ磁場センサチップのＣ端部とＤ端部との電位差は、Ｖｍａｘとして表示された最大値であり、外部磁場が図４（ｂ）に示されたようにＨｓａｔ−に達するとき、ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の抵抗は、最小値であり、この点で、ＴＭＲ磁場センサチップのＣ端部とＤ端部との電位差は、Ｖｍｉｎとして表示された最小値である。
【００２９】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の応用および出力電圧と外部磁場との間の関係曲線の別の概略図である。単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の２つの端子は、図５（ａ）に示されたＥ端部およびＦ端部であり、電流源５０３、従来型の抵抗器５０２、および単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１は、直列のループを作る。外部磁場が図５（ｂ）に示されたようにＨｓａｔ＋に達するとき、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の抵抗は、最大値であり、この点で、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのＥ端部とＦ端部との電位差は、Ｖｍａｘ１として表示された最大値であり、外部磁場が図５（ｂ）に示されたようにＨｓａｔ−に達するとき、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の抵抗は、最小値であり、この点で、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのＥ端部とＦ端部との電位差は、Ｖｍｉｎ１として表示された最小値である。
【００３０】
本発明における磁気バイアス構造体は、複数の形式を有する。
【００３１】
図６を参照すると、第１の形式では、磁気バイアス構造体は、２つの隣接するＭＴＪストリングの間にあり、チップに一体化された永久磁石で構成される。１２個のＭＴＪ  ６０１は、１つのＭＴＪストリング６０２を作り、ＭＴＪ  ６０１は、磁場センサチップ１０１の感知方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪ  ６０１の間の中心距離は、１μｍ〜２０μｍであり、本実施形態では、６μｍである。７個のＭＴＪストリング６０２が直列接続されて１つのＭＴＪユニットを作り上げ、ＭＴＪストリング６０２は、磁場センサチップ１０１の感知方向に垂直である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪストリングの間の中心距離６０５は、２０μｍ〜１００μｍであり、本実施形態では、５４μｍである。５個のＭＴＪユニット１０９が並列接続されて１つの磁気抵抗素子１０８を作り上げ、２つの隣接するＭＴＪユニット１０９の間の中心距離は、２００μｍ〜８００μｍであり、本実施形態では、４２９μｍである。ＭＴＪユニット１０９は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の感知方向に垂直である方向に沿って配置される。２つの隣接するＭＴＪストリング６０２の間で、永久磁石６０３がチップに一体化され、導電性材料から作られた電気接続導体６０４は、２つの隣接するＭＴＪストリング６０２の間で電気接続を実現する。
【００３２】
図７は、第１の形式における永久磁石６０３の位置とＭＴＪ  ６０１の位置との関係を示す。永久磁石６０３の磁化方向７０３は、磁場センサチップの感知方向に垂直であり、ＭＴＪ  ６０１の長軸の方向、すなわち、磁化容易軸に平行であり、このようにして、ＭＴＪ  ６０１のヒステリシスを低減することができる。永久磁石６０３の磁化方向７０３に沿って、ＭＴＪ  ６０１の両側は、両方共に永久磁石６０３が設けられている。ＭＴＪ  ６０１は、楕円の形状をなし、このＭＴＪの長軸の長さと短軸の長さとの比は、３より大きい。長軸７０１は、ＭＴＪ  ６０１の磁化容易軸であり、短軸７０２は、ＭＴＪ  ６０１の磁化困難軸である。磁気励起素子によって磁化された永久磁石６０３に故障を引き起こさないように、磁気励起素子によって永久磁石６０３に生成された磁場は、永久磁石６０３の保磁力の半分未満であるべきであり、０．１Ｔ未満となるであろう。
【００３３】
図８は、図７におけるＭＴＪ  ６０１の概略構造図であり、このＭＴＪ  ６０１は、磁性自由層８０１と、トンネルバリア層８０２と、ピン止め層８０３と、反強磁性層８０４とで構成される。ＭＴＪ  ６０１の長軸８０５のサイズおよび短軸８０６のサイズは、それぞれ、１０μｍおよび１．５μｍである。トンネルバリア層８０２は、おおよそＭｇＯもしくはＡｌ２Ｏ３から構成され、ＭＴＪ  ６０１の抵抗の大半を作り上げる。反強磁性層８０４とピン止め層８０３との間の交換結合効果は、ピン止め層８０３の磁化方向を決定する。本実施形態では、ピン止め層８０３の磁化方向は、短軸８０６の方向に平行である。磁性自由層８０１の磁化方向は、外部磁場による影響を受け、外部磁場が存在しない場合、磁性自由層８０１の磁化方向は、永久磁石６０３の磁化方向７０３に平行である。チップに接近する紙幣が存在するとき、紙幣と磁気貨幣検出器ヘッドの中に設けられた磁石との作用の下で、磁性自由層８０１の磁化方向は、変化するものであり、トンネル効果に従って、ＭＴＪ  ６０１の抵抗もこれに応じて変化し、その結果、紙幣の検出が信号変換を通じて達成され得る。
【００３４】
図９を参照すると、第２の形式では、磁気バイアス構造体は、ＭＴＪに堆積された磁性膜で構成され、１２個のＭＴＪ  ９０１は、直列接続されて１つのＭＴＪストリング９０２を作り上げ、ＭＴＪ  ９０１は、磁場センサチップの感知方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪ  ９０１の間の中心距離は、１μｍ〜２０μｍであり、本実施形態では、６μｍである。７個のＭＴＪストリング９０２は、直列接続されて１つのＭＴＪユニット１０９を作り上げ、ＭＴＪストリング９０２は、磁場センサチップの感知方向に垂直である方向に沿って配置され、２つの隣接するＭＴＪストリング９０２の間の中心距離９０４は、２０μｍ〜１００μｍであり、本実施形態では、５４μｍである。５個のＭＴＪユニット１０９は、並列接続されて１つの磁気抵抗素子１０８を作り上げ、ＭＴＪユニット１０９は、磁場センサチップの感知方向に垂直である方向に沿って配置されている。導電性材料から構成された電気接続導体９０３は、２つの隣接するＭＴＪストリング９０２の間に電気接続を実現する。
【００３５】
図１０は、図９におけるＭＴＪ  ９０１の概略構成図であり、ＭＴＪ  ９０１は、磁気バイアス構造体を形成する磁性膜１００１と、磁性自由層１００２と、トンネルバリア層１００３と、ピン止め層１００４と、反強磁性層１００５とで構成される。ＭＴＪ  ９０１の長軸の長さと短軸の長さとの比は、３より大きく、長軸および短軸のサイズは、それぞれ、３０μｍおよび１．５μｍである。磁性膜１００１の磁化方向は、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップの感知方向に垂直であり、かつ、ＭＴＪ  ９０１の長軸の方向に平行であり、ＭＴＪのヒステリシスを低減するため使用される。形状異方性に従って、ＭＴＪ  ９０１の長軸は、ＭＴＪの磁化容易軸の方向である。トンネルバリア層１００３は、概してＭｇＯもしくはＡｌ２Ｏ３から構成され、ＭＴＪ  ９０１の抵抗の大半を作り上げる。反強磁性層１００５とピン止め層１００４との間の交換結合効果は、ピン止め層１００４の磁化方向を決定する。磁気励起素子によって磁化された磁性膜１００１に故障を引き起こさないように、磁気励起素子によって磁性膜１００１に生成された磁場は、磁性膜１００１の保磁力の半分未満であるべきであり、０．１Ｔ未満となるであろう。
【００３６】
本実施形態では、ピン止め層１００４の磁化方向は、短軸１００８の方向に平行である。磁性自由層１００２の磁化方向は、外部磁場による影響を受け、外部磁場が存在しない場合、磁性自由層１００２の磁化方向は、磁性膜１００１の磁化方向１００６に平行であり、紙幣がチップに接近しているとき、紙幣と磁気貨幣検出器内に設けられた磁石との相互作用の下で、磁性自由層１００２の磁化方向は、変化するものであり、トンネル効果に従って、ＭＴＪ  ９０１の抵抗もこれに応じて変化する。従って、紙幣の検出は、信号変換を通して実現され得る。
【００３７】
第３の形式は、以下のとおりである：図１０における磁性膜１００１は、交換相互作用層で置換されてもよく、このようにして形成されたＭＴＪは、図１１に示されたとおりであり、この方法を用いて形成された磁気抵抗素子ユニットの構造は、図９における磁気抵抗ユニット１０９の構造と同じである。ＭＴＪ  １１１０は、交換相互作用層１１００と、磁性自由層１１０３と、トンネルバリア層１１０４と、ピン止め層１１０５と、反強磁性層１１０６とで構成され、交換相互作用層１１００は、反強磁性層１１０１、および、反強磁性層１１０１と弱く結合された強磁性層１１０２とで構成され、強磁性層１１０２は、磁性自由層１１０３と反強磁性層１１０１との間に位置している。ＭＴＪは、楕円の形状をなし、ＭＴＪ  １１１０の長軸の長さと短軸の長さとの比は、３より大きく、本実施形態では、長軸１１０７の長さおよび短軸１１０８の長さは、それぞれ、３０μｍおよび１．５μｍである。反強磁性層１１０１との交換結合効果の下で、強磁性層１１０２の磁化方向は、ＴＭＲ磁場センサチップの感知方向に垂直であり、かつ、ＭＴＪ  １１１０の長軸の方向に平行であり、ヒステリシスを低減する。磁性自由層１１０３の磁化方向は、外部磁場による影響を受け、外部磁場が存在しない場合、磁性自由層１１０３の磁化方向は、強磁性層１１０２の磁化方向１１０９に平行であり、紙幣がチップに接近しているとき、紙幣と磁気貨幣検出器内に設けられた磁石との相互作用の下で、磁性自由層１１０３の磁化方向は、変化するものであり、トンネル効果に従って、ＭＴＪ  １１１０の抵抗もこれに応じて変化し、従って、紙幣の検出は、信号変換を通して実現され得る。
【００３８】
図１２は、磁気抵抗ストリングの断面図であり、ＭＴＪ間の接続モードを示す。下部電極１２０２は、基板１２０４より上に位置し、ＭＴＪ  １２０１の下部と電気接続され、上部電極１２０３は、ＭＴＪ  １２０１の上部と電気接続されている。上部電極および下部電極は、磁場センサチップの感知方向の向きに沿って交互に配置され、このようにして、ＭＴＪストリングの中のＭＴＪ  １２０１の間に電気相互接続を形成し、２つの隣接するＭＴＪ  １２０１の間の距離は、１２０５である。
【００３９】
本発明は、上記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップを使用して製造された磁気貨幣検出器ヘッドをさらに提供し、磁気ヘッドは、具体的には：
信号処理回路と、磁気励起素子と、出力ピンと、回路板と、上記単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのうち少なくとも１つとを含む。
【００４０】
磁気励起素子は、被測定空間内のチップの感知方向に外部磁場を生成するために、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップより下に取り付けられ、磁気励起場を設けるため使用され、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップは、外部磁場を感知し、外部磁場を電気信号に変換し、信号処理回路は、電気信号を変換し、これが回路板を通って出力ピンに転送される。
【００４１】
感知ゾーンの面積を増大するために、複数の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップを一体として接続して、センサチップ結合体を形成することを実現可能である。図２は、２つ以上の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１の接続方法の概略図である。各入力もしくは出力端子は、２つのボンディングパッドを有するので、複数の単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップ１０１は、ワイヤボンディングを用いて電気相互接続を実現でき、図２における２０１、２０２および２０３は、ワイヤボンディングのための相互接続ラインである。
【００４２】
上記センサチップ結合体は、磁気貨幣検出器ヘッドに応用されることがあり、感知ゾーンの面積は、貨幣検出の範囲を増大し、かつ、貨幣検出の効率を改善するように、単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップのうち１つのセンサチップの感知面積より大きい。
【００４３】
以上、本発明に従って実施される単一磁気抵抗器ＴＭＲ磁場センサチップと、このチップに基づいて製造された磁気貨幣検出器ヘッドとを詳細に紹介し、本発明の原理および実施態様は、具体的な例を通して本明細書に記載され、上記実施形態に関する説明は、本発明の方法および核となるアイデアを理解しやすいように設けられているに過ぎず、同時に、当業者は、本発明のアイデアに従う具体的な実施態様および応用範囲の観点で本発明を変形することができる。結論として、明細書の内容は、本発明の制限と解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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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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