(57)【要約】  基板と、それぞれ基板に配置されている磁気抵抗ブリッジおよび永久磁石とを備え、磁気抵抗ブリッジが２本以上の磁気抵抗アームを備え、各磁気抵抗アームが１つ以上の磁気抵抗素子で構成され、各磁気抵抗素子に磁気固定層が設けられ、全ての磁気抵抗素子の磁気固定層が同じ磁気モーメント方向を有し、永久磁石が、バイアス磁場を提供し、かつ、磁気抵抗素子の応答曲線のオフセットを零化するために各磁気抵抗アームに隣接して配置され、磁気抵抗グラジオメータが、ワイヤ・ボンディングを使用してＡＳＩＣまたは半導体チップパッケージのリードフレームに電気的に相互接続される可能性があるワイヤ・ボンド・パッドを含む、磁気抵抗磁場勾配センサを開示する【選択図】図７
2015511705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の磁気抵抗素子を含む複数の磁気抵抗アームを備える磁気抵抗ブリッジであって、前記磁気抵抗ブリッジの内部の各磁気抵抗素子が、同じ方向に揃えられた磁気モーメントを持つ磁気固定層を有する前記磁気抵抗ブリッジと、
前記磁気抵抗アームの各々に隣接して位置付けられ、前記磁気抵抗素子の伝達曲線のオフセットを零化するためにバイアス磁場を発生させる永久磁石と、
前記磁気抵抗ブリッジおよび前記永久磁石が堆積されている基板と、
磁気抵抗磁場グラジオメータセンサをボンド・ワイヤによってＡＳＩＣチップまたはパッケージ・リード・フレームの端子に電気的に相互接続するために使用されるワイヤ・ボンド・パッドと、
を備える磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗センサ素子がＭＴＪ素子である請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗素子が形状異方性を有する請求項２に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗素子が、同じ基板上で同じ工程を使用して作られ、同じ形状および同じ抵抗値を有する請求項３に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項５】
前記磁気抵抗ブリッジがハーフブリッジである請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗ブリッジがフルブリッジであり、前記磁気抵抗アームが同じ感知方向を有し、前記磁気抵抗アームが前記半導体基板上の２つの分離した空間位置の間に分布させられていて、それにより、直列接続されたアームが、その直列接続されたアームと電気的に接続されている前記磁気抵抗アームと半導体基板上で同じ空間位置に存在せず、前記磁気抵抗ブリッジが磁場の勾配を検出する請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗磁場グラジオメータの出力性能を制御するために磁化の強度が調節される請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗磁場グラジオメータがシングルチップ磁気抵抗磁場グラジオメータである請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項９】
永久磁石構造体の磁化の角度が、前記磁気抵抗磁場グラジオメータの出力性能を制御するために調節される請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【請求項１０】
前記永久磁石構造体の角度が、前記磁気抵抗磁場グラジオメータの出力性能を制御するために調節される請求項１に記載の磁気抵抗磁場グラジオメータセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗磁場勾配センサ、より詳しくは、磁気抵抗磁場勾配センサを形成するための磁気トンネル接合磁気抵抗センサ素子の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場センサは、磁場、電流、位置、方位、および多くの他の物理的パラメータを測定するために最新システムにおいて広く使用されている。従来技術では、磁場を測定する多種のセンサが存在し、これらのセンサは、ホール効果素子、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子、または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子をよく使用する。
【０００３】
ホール効果センサは一般的に低感度を有するため、感度を高めるためにフラックスコンセントレータが度々使用される。フラックスコンセントレータは、センサのサイズおよび重量を増加させ、センサの線形性を減少させる可能性がある。さらに、ホール素子は、一般的に高い消費電力を有する。ＡＭＲ素子は、ホール素子よりも非常に高い感度を有するが、狭い線形範囲による困難を被り、セット／リセットコイルを使用してリセットされることが必要である。リセット動作は、結果として製造工程の複雑さを増大させ、コイルはセンサのサイズを増大させ、消費電力はリセット動作によって更に増加する。多層ＧＭＲセンサ素子は、ＡＭＲ素子よりも高い感度を有するが、これらの線形性範囲は低く、永久磁石によってバイアスをかけられない限り、応答曲線は磁場勾配の単極測定量だけをもたらし、双極磁場勾配が測定できない。
【０００４】
近年の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、産業上の利用において磁気抵抗センサとして容認されている。それらは磁場を測定するためトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を利用する多層装置であり、それらの素子はＡＭＲまたはＧＭＲ素子より高い抵抗変化率を有する。ホール効果センサと比較して、ＭＴＪ素子は、優れた温度安定性、より高い感度、より低い消費電力、より良い線形性を有し、フラックスコンセントレータを必要としない。ＡＭＲセンサに対して、ＭＴＪ素子は、改善された温度安定性、より高い感度、より広い線形性範囲を有し、セット／リセットコイル構造を必要としない。ＧＭＲセンサと比較して、ＭＴＪ素子は、より良い温度安定性、より高い感度、より低い消費電力、およびより広い線形性範囲を有する。
【０００５】
ＭＴＪ素子は高感度を有するものの、弱い磁場勾配を検出するために使用されるときにＭＴＪ素子は強い磁場によって妨害される可能性があり、高感度ＭＴＪ素子は低コスト大量生産に応じにくい。ＭＴＪ素子は多くの場合にブリッジの異なるアーム上でぴったり合い難いため、センサ歩留まりは、磁気抵抗ブリッジを構成するＭＴＪ磁気抵抗素子から出力されたオフセット値に依存する。完全シングルチップＭＴＪセンサブリッジの製造工程は、非常に複雑である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの問題を解決するために、本発明は、磁気抵抗磁場グラジオメータにおける感知素子としてＭＴＪ素子を利用し、その結果、高い感度、広い線形性範囲、低い消費電力、小さい体積、および良好な温度性能という利点をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、１つ以上の磁気抵抗素子を含む複数の磁気抵抗アームを備える磁気抵抗ブリッジであって、磁気抵抗ブリッジの内部の各磁気抵抗素子が同じ方向に揃えられた磁気モーメントを持つ磁気固定層を有する磁気抵抗ブリッジと、磁気抵抗アームの各々に隣接して位置付けられ、磁気抵抗素子の伝達曲線のオフセットを零化するためにバイアス磁場を発生させる永久磁石と、磁気抵抗ブリッジおよび永久磁石が堆積されている基板と、磁気抵抗磁場グラジオメータセンサをボンド・ワイヤによってＡＳＩＣチップまたはパッケージ・リード・フレームの端子に電気的に相互接続するために使用されるワイヤ・ボンド・パッドと、を備える磁気抵抗磁場勾配センサを開示する。
【０００８】
好ましくは、磁気抵抗素子がＭＴＪ素子である。
【０００９】
好ましくは、磁気抵抗素子が形状異方性を有する。
【００１０】
好ましくは、磁気抵抗素子が、同じ基板上で同じ工程を使用して作られ、同じ形状および同じ抵抗値を有する。
【００１１】
好ましくは、磁気抵抗ブリッジがハーフブリッジである。
【００１２】
好ましくは、磁気抵抗ブリッジがフルブリッジであり、磁気抵抗ブリッジが勾配磁場を検出するように、磁気抵抗アームが同じ感知方向を有し、回路図内で互いに向かい合うアームが基板上で同じ空間位置にあり、回路図内で互いに隣接したアームが基板上で異なった空間位置にある。
【００１３】
好ましくは、磁化の強度および永久磁石の方向が磁気抵抗磁場グラジオメータの出力性能を制御するために調節される。
【００１４】
好ましくは、磁化の強度および永久磁石の方向が磁気抵抗磁場グラジオメータの出力性能を制御するために調節される。
【００１５】
上記特徴を採用することにより、本発明は、良好な外部ＤＣ磁場低感度、高勾配感度、広い線形性動作範囲、低電力散逸、小型サイズ、および良好な熱性能を有することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＭＴＪ磁気抵抗素子の概略図である。
【図２】ＭＴＪ磁気抵抗素子の線形応答を例示する図である。
【図３】等価的なＭＴＪ磁気抵抗素子２０を形成するために直列接続された複数のＭＴＪ素子を例示する図である。
【図４】ＭＴＪ素子１と永久磁石２２との相対位置を例示する図である。
【図５】磁場の磁束分布を示す図４に示されたようなＭＴＪ素子１および永久磁石２２の断面図である。
【図６】ＭＴＪ素子オフセットおよび飽和磁場の強度を制御するために使用される感知方向に関する永久磁石２２および様々な角度２３の概略図である。
【図７】ハーフブリッジ磁場グラジオメータの概略図である。
【図８】ハーフブリッジ磁場グラジオメータセンサの出力応答を例示する図である。
【図９】フルブリッジ磁場グラジオメータセンサの回路図を示す図である。
【図１０】フルブリッジ磁場グラジオメータの概略図である。
【図１１】フルブリッジ磁場グラジオメータセンサの出力応答を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、ＭＴＪ素子内の様々な層の機能を例示する図である。ＭＴＪ素子１は、概して、強磁性または合成反強磁性（ＳＡＦ）の上層５と、強磁性ＳＡＦ下層３と、２つの強磁性層の間にあるトンネルバリア４とを含む。この構成において、上方強磁性体（ＳＡＦ層）は、外部磁場７に応答して磁気モーメントが自由に方向を変更できる磁気自由層５を構成する。下方強磁性体（ＳＡＦ層）３は、その磁気モーメント方向８が一方向に堅固に固定されているので固定磁気層であり、そのため標準的な条件下では変化しない。通常、堅固に固定された強磁性層（ＳＡＦ層）３は、固定層と呼ばれる。固定層は、通常、反強磁性層２に隣接している。ＭＴＪ積層は、通常、導電性の下部電極層９の上に堆積され、ＭＴＪ構造体は、多くの場合、導電性の上部電極層６で施蓋されている。ＭＴＪの上部電極層６と下部電極層９との間で測定された抵抗１２の値は、自由層５および固定層３の磁気モーメントの代表的な相対方位である。自由層５の磁化方向７と固定層３の磁化方向８が平行であるとき、ＭＴＪ素子１の抵抗１２は低い。自由層５の磁化方向７と固定層３の磁化方向８が反平行であるとき、ＭＴＪ素子１の抵抗１２は高い。公知技術により、ＭＴＪ素子１の抵抗は、外部磁場が変化するにつれて、高抵抗状態と低抵抗状態との間で線形に変化させられることがある。
【００１８】
下部電極層９と上部電極層６とは、それぞれ反強磁性層２および自由層５に直接電気的に接触している。電極層は、概して、オーム計３４に電流を伝達できる非磁性導体材料からなる。オーム計３４は、トンネル接合全体を通じて既知電流（電圧）を印加し、電圧（または電流）が測定される。典型的に、トンネルバリア層４は、約１０００オーム程度で装置の抵抗の殆どを提供し、他の導体全ての抵抗は約１０オームである。下部電極層９は絶縁層１０の上部に堆積され、この絶縁層は基板１１に堆積され、絶縁層１０は電極層９より厚く、これらは異なる材料からなる。基板材料は、典型的に、シリコン、石英、耐熱ガラス、ＧａＡｓ、ＡｌＴｉＣ、または滑らかなウェハとして提供され得る他の材料である。集積回路の加工を容易にするため（このような磁気センサは必ずしも回路を必要としないことがあるが）、通常はシリコンが最良の選択である。
【００１９】
図２は、ＧＭＲまたはＭＴＪ磁気抵抗素子の線形応答を示す。飽和したときには、出力曲線１３が低抵抗１４ＲＬ状態または高抵抗１５ＲＨ状態のいずれかであることになる。飽和磁場の間の領域における応答曲線１３は、外部磁場１９（Ｈ）と共に線形に変化する。外部磁場１９は、感知軸２３と平行に印加される。固定層３の磁化８が感知軸２３と反平行に向けられるとき、磁場は負（−Ｈ）である。固定層３の磁化方向８が自由層５の磁化方向７と平行であるとき、伝達曲線１３は低抵抗状態にあり、固定層３の磁化方向８が自由層５の磁化方向７と反平行であるとき、伝達曲線１３は高抵抗状態にある。両者の間では、固定層３と自由層５との相対的な磁化角度に依存して出力曲線１３が線形である。出力曲線１３は、通常は、Ｈ＝０に関して対称性がない。典型的に、飽和磁場１７および１８は、低抵抗状態ＲＬ飽和点がＨ＝０により接近するように、Ｈ＝０の点１６に関してオフセットさせられている。オフセット値は、よく「オレンジピールカップリング」または「ニールカップリング」と呼ばれ、このオフセットの典型的な値は、通常１〜４０Ｏｅである。これはＭＴＪ素子の粗さに依存し、材料および製造工程に依存させる。
【００２０】
図２に示されるように、飽和領域１７と飽和領域１８との間で、出力曲線方程式は
【数１】
2015511705.tif 000003
として近似され得る。
【００２１】
ここで、ＨＳは飽和磁場である。ＨＳは、線形領域と正および負の飽和値との間の交点として定義され、その位置はＨＯに起因して非対称性である。
【００２２】
図２は、理想的な磁気抵抗応答曲線を示す。理想的な状態では、磁気抵抗Ｒが印加磁場Ｈに関して完全に線形に変化し、ヒステリシスが存在しない（実際は、磁気抵抗がヒステリシスと呼ばれる遅延現象を示す。ループ全体に対する磁気抵抗応答曲線、多くの場合に、共通磁気抵抗材料のヒステリシスは、応答曲線が実用上は直線とみなされ得るように、小さい）。現実の磁気抵抗センサの用途では、磁気センサ設計制約および材料欠陥のために、伝達曲線１３が真に線形ではないであろう。
【００２３】
図３に示されるように、幾つかのＭＴＪ素子１は、これらのサイズが小型であるため、感度を高め、１／Ｆノイズ（直列のＭＴＪ素子の個数が増えるにつれて減少する）を削減し、ＥＳＤ性能を改善した等価的なＭＴＪ磁気抵抗器を形成するために直列接続され得る。より複雑なＭＴＪ素子アレイ２０が磁気抵抗アームとして使用される。ＭＴＪ素子１は、サンドイッチ構造で下部電極９と上部電極６との間に着座し、電流は、ＭＴＪ素子２１を通って垂直に流れ、上部電極層６および下部電極層９において水平に流れる。下部電極９は絶縁層１０の上部にあり、絶縁層１０は基板１１の上部にある。ワイヤ・ボンド・パッドは、磁気抵抗アームを構成するＭＴＪ素子の各列の端部に着座する。これは、他の磁気抵抗アーム、または、オーム計３４もしくは他の電気回路コンポーネントが接続され得る位置である。ＭＴＪ磁気抵抗アーム２０を通って電流が流れる方向は、磁気抵抗または抵抗の値に影響しない。抵抗値は、磁気抵抗アーム２０の中のＭＴＪ素子１の個数の変更によって変化し得る。
【００２４】
ブリッジ回路は、多くの場合、容易に増幅可能である以上に、出力抵抗を電圧に変更するために使用される。これは、センサノイズを削減し、同相除去を改善し、温度変動を削減し、他の欠陥を改善することができる。上記のＭＴＪアーム２０は、ブリッジ回路にされる可能性がある。
【００２５】
図４に示されるように、ＭＴＪ素子１は２つの永久磁石２２の間に置かれる。永久磁石２２は、これらの間のギャップ３８（Ｇａｐ）と、幅（Ｗ）３９と、厚さ（ｔ）４０と、長さ（Ｌｙ）４１とを有する。永久磁石２２は、グラジオメータの感度軸２３に垂直である交差バイアス磁場（Ｈｃｒｏｓｓ）２７を提供するように設計される。永久磁石２２の磁化は、大きい磁場の印加により設定される可能性があり、結果として得られる永久磁石２２の磁場分布４３が図５に示される。
【００２６】
永久磁石２２のエッジ３５から生じる磁場は、図６に概略的に示されるように、境界条件の結果として形成する磁荷に起因すると考えられる。磁荷の量は、
【数２】
2015511705.tif 000004
として、磁気モーメントの大きさＭｒおよび方向θｍａｇ３７、ならびに関連付けられた永久磁石の方位角θｓｎｓ４４に依存する。
【００２７】
付加的に、磁荷の分布から生じる磁場は、
【数３】
2015511705.tif 000005
として定義され得る。
【００２８】
θｍａｇ＝θｒｅｆ＝π／２であるとき、ＭＴＪ素子１における磁場は、以下の式：
【数４】
2015511705.tif 000006
によって記述されるように残留モーメントＭｒに依存するだけである。
【００２９】
式４は、図４に示された幅Ｗ３９およびギャップＧ３８の関数であり、従って、ＭＴＪ素子１の飽和磁場は、永久磁石２２の寸法の変更によって変化し得る。
【００３０】
ＭＴＪ素子の感度方向２３に垂直な方向に沿って、永久磁石２２は、磁気抵抗素子のためのバイアス磁場：
【数５】
2015511705.tif 000007
を生成する。
【００３１】
ＭＴＪ素子の感度方向２３に対して平行に、永久磁石２２の磁場は、
【数６】
2015511705.tif 000008
である。
【００３２】
上記から分かるように、ニールカップリング磁場Ｈｏに対してＭＴＪ素子を補償し、それにより出力特性を修正して性能を改善することを目的として、永久磁石の厚さ、永久磁石の角度θｍａｇ３７およびθｓｎｓ４４を調節することでＨｏｆｆを変更することが可能である。他方、ＭＴＪ素子の飽和磁場を変更し、それにより感度を調節するべく、Ｈｃｒｏｓｓを調節することも可能である。
【００３３】
感度軸２３に関して角度θｓｎｓ  ４４で永久磁石２２を設定することにより、ＭＴＪ素子の応答曲線を零磁場の周りに集めるように、ＭＴＪ素子飽和磁場を設定し、同時にニールカップリングを相殺するために、Ｈｃｒｏｓｓ２７磁場とＨｏｆｆ２６磁場を同時に生成することが可能であり、この方法は、ブリッジの出力応答の対称性を最適化し、有効なニールカップリングを削減し、所望の感度を設定するものである。そのうえ、グラジオメータチップの準備後に、感度軸２３に関して角度θｍａｇ３７で残留磁化Ｍｒを設定することは、対称性を最適化する装置の微調整を可能にし、製造歩留まりの更なる改善を可能にする。
【００３４】
ＭＴＪ素子１は、概して、形状異方性Ｈｋを提供するために或る形状にパターン化される。一般的な形状は、細長い楕円、細長い矩形、細長い菱形などである。これに関して、ＭＴＪ素子１は、
【数７】
2015511705.tif 000009
により与えられる飽和磁場Ｈｓを有するものである。
【００３５】
ここに記載されているシングルＭＴＪ素子磁気抵抗応答曲線１は、
【数８】
2015511705.tif 000010
という感度を有する。
【００３６】
永久磁石およびＭＴＪ素子の形状を変更することにより、ＭＴＪ素子の応答曲線は修正され得る。
【００３７】
図７は、ハーフブリッジ型グラジオメータ構成を概略的に示す。図７に示されるように、２つのＭＴＪ素子Ｒ１およびＲ２は、ハーフブリッジとして構成された同じ感度方向を有し、磁気抵抗器が、基板１１と電気接点を有する絶縁層１０とに堆積され、グラジオメータの形成を可能にさせる。ブリッジ電気接点に接続するための多数の方法が存在する。これらは、典型的な構造体：集積化インチップ接続、ワイヤ・ボンディング、および、はんだバンピングを含む。永久磁石２２はＭＴＪ素子２０に対して傾斜し、２つのワイヤ・ボンド・パッド２８および２９の間で一定のバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加され、感度方向２３に沿った外部磁界Ｈにおける勾配が、異なる磁場をＭＴＪ素子Ｒ１およびＲ２に生じさせ、これらのＭＴＪ素子を異なった抵抗値にする。矢印８はＭＴＪ素子２０の固定層３の磁化方向を表し、ワイヤ・ボンド・パッド３０はグラジオメータ出力ＶＯＵＴを提供する。同じ基板に堆積されたとき、ＭＴＪ素子２０は、通常、おおよそ同じ抵抗を有するが、完全な一致を補償することは可能でなく、多くの場合は２つのＭＴＪ素子Ｒ１とＲ２との間に僅かな差が存在するので、異なった有効磁場Ｈ１およびＨ２が存在することがあり、ここで、Ｈ１およびＨ２は、以下のとおり記述できる。
【数９】
2015511705.tif 000011
【００３８】
かつ
【数１０】
2015511705.tif 000012
【００３９】
磁場ＨＣＭおよびＨｄＭは、コモンモード出力磁場値および差動モード出力磁場値である。
【００４０】
理想的には、Ｒ１＝Ｒ２、ＳＲ１＝ＳＲ２であり、ＭＴＪ素子Ｒ１およびＲ２は常に同じであり、ハーフブリッジ・バイアス電圧Ｖｂｉａｓを使ってバイアスをかけられ、コモンモード磁場ＨＣＭに対し、ハーフブリッジ出力電圧はＶＯＵＴ３０である：
【数１１】
2015511705.tif 000013
【００４１】
Ｖｂｉａｓ＝１Ｖを設定すると、コモンモード感度ＳＣＭ＝ｄＶ１／ｄＨＣＭ＝０が得られる。
【００４２】
出力はＨＣＭと共に変化せず、この出力は外部磁場勾配に感度があるだけであり、これは外部磁場妨害に対して出力を低感度にさせる。
【００４３】
差動モードＨｄＭに対して、
【数１２】
2015511705.tif 000014
と記述することができる。
【００４４】
理想的には、ＳＲ１＝ＳＲ２、Ｒ１＝Ｒ２であり、それ故に、
【数１３】
2015511705.tif 000015
である。
【００４５】
よって、差動モード磁場ＨｄＭに応答したグラジオメータ出力変化は、バイアスをかけられたＶｂｉａｓ＝１Ｖであるときに変化し、その感度は、
【数１４】
2015511705.tif 000016
であることが観測できる。
【００４６】
上記式から分かるように、差動モードにおけるハーフブリッジ型グラジオメータは、勾配磁場に応答するだけであり、これに比例する信号を出力するが、良好な磁場妨害防止機能も有する。典型的なハーフブリッジ型グラジオメータの測定結果が図８に示される。普通のハーフブリッジの事例とは違って、水平軸は勾配磁場を表現する。これらは異なった場所に位置し、かつ印加磁場が勾配を有しているので、抵抗器Ｒ１およびＲ２での磁場Ｈ１およびＨ２の強度は相違する。
【００４７】
Ｒ１とＲ２における小さい差は感度ＳＲ１およびＳＲ２の差を小さくし、これはコモンモード磁場ＨＣＭへの応答を引き起こす。それでもなお、コモンモード感度は差動モード感度より非常に小さく、望ましくないコモンモード応答への感度は、同相除去比ＣＭＲＲ：
【数１５】
2015511705.tif 000017
として定量化され得る。
【００４８】
優れた工程能力を用いると、ＣＭＲＲは４０ｄＢより良い。
【００４９】
図９は、フルブリッジ型磁場グラジオメータの回路図を示し、図１０は、フルブリッジ型ＭＴＪ磁場グラジオメータの物理的レイアウトを示す。図９に示されるように、フルブリッジ内の４本の磁気抵抗アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各々は、同じ感度方向を有する。磁気抵抗器は、これらの磁気抵抗器を電気的に接続するために使用され得る電気接点が用意された絶縁基板１０、１１に堆積される。ブリッジ回路を他のコンポーネントに接続するための多くの方法が存在する。典型的な方法は、チップスケール方法、ワイヤ・ボンディング、および、はんだバンピングを含む。図１０に示されるように、フルブリッジ構造では、Ｒ１とＲ４がチップ上で同じ物理的位置にあり、Ｒ２とＲ３がチップ上で同じ物理的位置にあり、ブリッジ内の全ての磁気抵抗アームが同じ感度方向を有し、永久磁石２２は傾斜してＭＴＪ素子２０の周りに置かれ、バイアス電圧Ｖｂｉａｓはボンド・パッド２８と２９との間に印加され、外部磁場Ｈの勾配は感度方向２３に沿って測定され、磁場方向に沿ってＭＴＪ磁気抵抗素子Ｒ１およびＲ２（Ｒ３およびＲ４）の様々なペアが異なる抵抗変化を示し、矢印８は４つのＭＴＪ素子２０全てに対する固定層磁化方向を示す。装置３２および３３の出力端子は、電圧差（Ｖ２−Ｖ１）を表し、ＶＯＵＴである。
【００５０】
理想的には、出力ＶＯＵＴは、差動モード磁場ＨｄＭに応答するだけである。差動モードに対して、その応答は、
【数１６】
2015511705.tif 000018
【数１７】
2015511705.tif 000019
と記述できる。
【００５１】
理想的な条件下で、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４、ＳＲ１＝ＳＲ２＝ＳＲ３＝ＳＲ４＝ＳＲであり、それ故に、
【数１８】
2015511705.tif 000020
である。
【００５２】
式中、ＲはＭＪＴ素子２０の抵抗値であり、ＳＲは磁気抵抗素子の感度である。フルブリッジ型およびハーフブリッジ型磁場グラジオメータは、コモンモード磁場に対して同じ低感度を有することが示され得るが、フルブリッジはハーフブリッジ型磁場グラジオメータの２倍の感度を有する。フルブリッジ型磁場グラジオメータの典型的な出力応答が図１１に示される。
【００５３】
上述したハーフブリッジ型グラジオメータおよびフルブリッジ型グラジオメータは、同じ工程ステップを使用して単一の基板上に作成され得る。このため、これらはシングルチップ磁気抵抗磁場グラジオメータと呼称され得る。これらは、様々な異なるパッケージング技術と互換性があり、マルチチップにもされ得る。例えば、磁気抵抗素子は、同じ工程ステップを使用して同じ基板上に作成され得るが、その後、電気的に接続された別個のチップにダイスカットされ、フルブリッジ型またはハーフブリッジ型グラジオメータ装置を生み出す。シングルチップまたはマルチチップのいずれのパッケージングが使用されても、ブリッジの外部ボンド・パッドは、両方のパッケージングがリードフレームに置かれ、そのリードフレームの出力ピンに電気的に接続されることがあるＡＳＩＣに接続され、または接続されず、その後、パッケージ化された装置を形成するためにカプセル化される。
【００５４】
以上の説明は、本発明の幾つかの異なった具体的な実施について記載するが、当然ながら、多くの変形例が本発明の範囲または趣旨を逸脱することなく実施される可能性がある。当業者は、本発明の目的または技術的範囲を逸脱することなく多くの変形例を構成することができる。
【図１】
2015511705.tif 000021
【図２】
2015511705.tif 000022
【図３】
2015511705.tif 000023
【図４】
2015511705.tif 000024
【図５】
2015511705.tif 000025
【図６】
2015511705.tif 000026
【図７】
2015511705.tif 000027
【図８】
2015511705.tif 000028
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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