(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化反転がピン止めされた少なくとも一層のピン止め強磁性層と、磁化が外部の磁界に対して自在に反転する少なくとも一層のフリー強磁性層とを具備する磁気抵抗効果多層膜を２つ並列させて同一の基板上に配置し、それぞれのピン止め強磁性層の磁化の向きをほぼ正反対向きとし、一方の磁気抵抗効果多層膜の下に硬質磁性層を配置し、前記基板上に前記一方の磁気抵抗効果素子と前記他方の磁気抵抗効果素子を接続する導体部を形成してなり、前記並列に設けた磁気抵抗効果多層膜のうち、硬質磁性層を配置した側の磁気抵抗効果多層膜のピン止め層の保磁力を他方の磁気抵抗効果多層膜のピン止め磁性層の保磁力よりも大きくしたことを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【請求項２】
ピン止め強磁性層が硬磁性を示す強磁性体を主体としてなることを特徴とする請求項１に記載の巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【請求項３】
ピン止め強磁性層にα-Ｆｅ２Ｏ３を主体としてなる保磁力増大層が接触されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【請求項４】
回転軸に磁石を取り付け、この磁石の近傍に請求項１〜３のいずれかに記載の複数の磁気抵抗効果多層膜を備えたことを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【請求項５】
磁化反転がピン止めされた少なくとも一層のピン止め強磁性層と、磁化が外部の磁界に対して自在に反転する少なくとも一層のフリー強磁性層とを具備する磁気抵抗効果多層膜素子を複数基板上に形成し、並列する２つの磁気抵抗効果多層膜素子の内、一方の下に硬質磁性層を設け、基板全体に硬質磁性層の保磁力よりも大きな磁界を印加して全磁気抵抗効果多層膜素子を着磁した後、先に印加した磁界よりも小さく向きが正反対で、かつ硬質強磁性層を設けていない磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の保磁力よりも大きな磁界で基板全体を着磁することで、硬質磁性層を設けた磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の磁化の向きと、硬質磁性層を設けていない磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の磁化の向きとをほぼ正反対向きにするように着磁されてなることを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【請求項６】
磁化反転がピン止めされた少なくとも一層のピン止め強磁性層と、磁化が外部の磁界に対して自在に反転する少なくとも一層のフリー強磁性層とを具備する磁気抵抗効果多層膜を同一の基板上に２つ並列に形成し、一方の磁気抵抗効果多層膜の下に硬質磁性層を配置し、前記基板上に前記一方の磁気抵抗効果素子と前記他方の磁気抵抗効果素子を接続する導体部を形成し、各磁気抵抗効果素子のピン止め磁性層を磁気ヘッドで個々に着磁するとともに、前記着磁の際に、隣接する一方の磁気抵抗効果素子のピン止め強磁性層の磁化の向きと他方の磁気抵抗効果素子のピン止め強磁性層の磁化の向きを正反対向きになるように着磁し、前記並列に設けた磁気抵抗効果多層膜のうち、硬質磁性層を配置した側の磁気抵抗効果多層膜のピン止め層の保磁力を他方の磁気抵抗効果多層膜のピン止め磁性層の保磁力よりも大きくしたことを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【請求項７】
前記複数の磁気抵抗効果多層膜のうち、少なくとも１つの磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層を硬質磁性層から形成してなることを特徴とする請求項５または６に記載の巨大磁気抵抗効果素子センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置センサ、角度センサ等に適用される巨大磁気抵抗効果素子センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気抵抗効果型素子（ＭＲ素子）として、異方性磁気抵抗効果現象を用いたＡＭＲ（Anisotropic Magnetoresistance）素子と、伝導電子のスピン依存散乱現象を用いたＧＭＲ（Giant Magnetoresistance：巨大磁気抵抗効果）素子とが知られており、ＧＭＲ素子の１つの具体例として、低外部磁界で高磁気抵抗効果を示すスピンバルブ（Spin-Valve）素子が米国特許第５１５９５１３号明細書に示されている。
【０００３】
ところで、ＭＲ素子を用いた角度センサ、位置センサ等の非接触型ポテンショメータや各種磁気センサは、直流、あるいはごく低い周波数で動作するために、ＭＲ素子の出力電圧のうち、ＤＣオフセットの分（磁場により抵抗変化しない分）を除去するために、ハイパスフィルタを使えないという問題がある。
ここで、ＤＣオフセットとは、ＭＲ素子抵抗を磁場によって変化しない項Ｒ0と磁場により変化する項ΔＲの和（Ｒ0＋ΔＲ）とした場合に、Ｖ＝（Ｒ0＋ΔＲ）ｉ（ｉは素子に流れる電流）で示される出力電圧におけるＲ0ｉで示される分であり、この分を除去しないと後の回路において信号の増幅等の処理ができない問題がある。
【０００４】
このため従来、図６に示すように磁場に対する抵抗変化の符号が異なるＭＲ素子１とＭＲ素子２を直列接続し、接続したＭＲ素子１、２の端部に端子Ａ、Ｃを設け、更にＭＲ素子１とＭＲ素子２との間に中間端子Ｂを設けてＭＲ素子１とＭＲ素子２の差動出力を取ることができる回路構成が採用されている。従って、ＭＲ素子１の出力を端子ＡＢ間から、Ｖ1＝（Ｒ0＋ΔＲ）ｉの式に基づいて測定し、ＭＲ素子２の出力を端子ＢＣ間から、Ｖ2＝（Ｒ0−ΔＲ）ｉの式に基づいて測定し、差動出力としてＶ1−Ｖ2＝２ΔＲｉを得るならば、磁場によって変化しない抵抗分をキャンセルして磁場により抵抗が変化した分のみを検出することができる。
【０００５】
また、図７に示すようにＭＲ素子３、４、５、６を用いてブリッジ回路を構成し、ＭＲ素子３、５を互いに抵抗変化の符号が同じ素子とし、ＭＲ素子４、６を前記ＭＲ素子３、５に対して抵抗変化の符号が異なる逆相の素子とし、ＭＲ素子３、６間に端子ａを設け、ＭＲ素子４、５間に端子ｂを設け、ＭＲ素子３、４間に端子ｃを設け、ＭＲ素子５、６間に端子ｄを設けて構成することにより、各端子間の差動出力を利用して磁場によって変化しない抵抗分をキャンセルし、磁場により抵抗が変化した分のみを検出することができる。
【０００６】
ところで、従来、ＡＭＲ素子を用いて図６に示す構成の回路を組む場合の具体的な構成として、図８に示すように、Ｎｉ-Ｆｅ合金（パーマロイ）等の磁性膜で形成した短冊状のパターン７と８を互いの対応部分の電流が流れる部分を直交させるように配置し、パターン７の端部に端子Ｄをパターン８の端部に端子Ｅをパターン７、８の接続部に中間端子Ｆを設けた構成が知られている。
このような回路構成に用いられるＡＭＲ素子７、８は、抵抗が電流ｉと磁化Ｍ（図８の矢印Ｍに示す方向のもの）のなす角度θに依存するので、図８に示すようにパターン７と８で互いの対応部分に流れる電流を直交させるように配置することが必要になる。この例の回路において磁化Ｍに対してＡＭＲ素子７、８の抵抗変化は、
Ｒ1＝Ｒ0−ΔＲ SIN2（９０−θ）、Ｒ2＝Ｒ0−ΔＲ SIN2θの両式から、以下の（Ｉ）式に示す
Ｒ＝Ｒ1−Ｒ2＝ΔＲ[SIN2θ−SIN2（９０−θ）]＝−ΔＲCOS２θ・・・（Ｉ）式の関係となり、抵抗変化を得ることができる。
（ただし、これらの式において、Ｒ1はＡＭＲ素子７の抵抗、Ｒ2はＡＭＲ素子８の抵抗、Ｒ0はＡＭＲ素子７、８において磁場により変化しない抵抗分をそれぞれ示す。）
【０００７】
図８に示す回路構成のセンサであるならば、例えば、ＡＭＲ素子７、８を形成した面に隣接した磁石を回転させてＡＭＲ素子７、８の磁化を一様に回転させるような場合（非接触ポテンショメータの動作に相当する場合）、ＡＭＲ素子７の部分ではθ（磁化Ｍの方向と回路電流ｉの方向とのなす角度）が大きくなる方向に回転すると、逆にＡＭＲ素子８の部分ではθが小さくなることになり、ＡＭＲ素子７とＡＭＲ素子８の出力の位相を逆にすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ＡＭＲ素子７、８に代えて、ＧＭＲ素子の中でも低外部磁界で高磁気抵抗効果を示すスピンバルブ素子を用いると、その磁気抵抗変化分が大きいので、大きな出力を得ることができ、高感度のセンサを構成できると思われるが、スピンバルブ素子は、その抵抗変化分が磁化Ｍと電流のなす角度θに依存しないので、図８に示すような回路構造は採用できない問題がある。
【０００９】
次に、スピンバルブ素子を用いた磁気センサの一例として、特開平６−６０３３６号公報に開示されている図９に示す磁気抵抗センサがある。
この図９に示す磁気抵抗センサ１０は、非磁性の基板１１にフリー強磁性層１２と非磁性層１３とピン止め強磁性層１４と反強磁性層１５を積層して構成されるものであり、ピン止め強磁性層１４の磁化の向き１６が反強磁性層１５による磁気的交換結合により固定されるとともに、フリー強磁性層１２の磁化の向き１７が、印加磁界がない時にピン止め強磁性層１４の磁化の向き１６に対して直角に向けられている。ただし、このフリー強磁性層１２の磁化の向き１７は固定されないので外部磁界により回転できるようになっている。
図９に示す構造に対して印加磁界ｈを付加すると、印加磁界ｈの方向に応じてフリー強磁性層１２の磁化の向き１７が点線矢印の如く回転するので、フリー強磁性層１２とピン止め強磁性層１４との間で磁化に角度差が生じることになるために、抵抗変化が起こり、これにより磁場検出ができるようになっている。
【００１０】
図９に示す磁気センサ１０にあっては、ピン止め強磁性層１４とフリー強磁性層１２のそれぞれの磁化の方向のなす角φに抵抗が依存し、φ＝０゜のときに抵抗が最小、φ＝１８０゜の時に最大となる。
従って本発明者は、ピン止め強磁性層１４の磁化方向が全く正反対の向きの磁気センサを一対、基板上に並設して磁気センサを構成するならば、それらの各磁気センサはフリー強磁性層がいずれも同じ方向に磁化を回転したとしても逆相の出力信号を得ることができると考え、スピンバルブ素子を用いた角度センサ、位置センサ等の非接触型ポテンショメータを構成することが可能と考えた。
【００１１】
しかしながら、これまで知られているスピンバルブ素子は反強磁性層１５による一方向異方性によりピン止め強磁性層１４の磁化を固定するものであり、ピン止め強磁性層１４の磁化の方向を磁場中成膜や磁場中アニールによって決定する必要があるために、基板上に隣接した一対の磁気センサにおいてそれぞれのピン止め強磁性層の磁化の向きを違えるように製造することは不可能であった。
【００１２】
従って従来では、対になる逆相のスピンバルブ素子を別々のウエハで作製し、それぞれのウエハを切断してスピンバルブ素子を得た上で逆相のスピンバルブ素子どうしを隣り合わせに並設して磁気センサを組み立てる必要があり、コスト高になる問題がある。また、同一のウエハから切り出したスピンバルブ素子であればほぼ同じ抵抗を持つが、別々のウエハから切り出したスピンバルブ素子は抵抗が微妙にばらつく問題があり、抵抗がばらつくようであると、図７に示すようなブリッジ接続構造を採用できない問題がある。
次に、図６に示す回路構造ではＭＲ素子２（あるいは１）を、図７に示す回路構造ではＭＲ素子３、５（あるいはＭＲ素子４、６）をそれぞれ磁性膜で覆うなどの手段によって外部磁界からシールドしてしまうことにより、それらの素子を単なる抵抗として扱うという方法もあるが、この構造では前述した如くＤＣオフセットを除去できるものの、出力として半分程度しか取り出せない問題がある。
【００１３】
また、前記スピンバルブ素子を製造する場合に、磁場中アニールのための磁場発生用導体パターンを形成し、この導体パターンに電流を流して磁場を発生させながらアニールすることによってピン止め強磁性層の磁化の向きを制御しようとする試みも考えられるが、余分な導体パターンをフォトリソグラフィ技術を用いて形成することになり、コスト高になる問題がある。
【００１４】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、低外部磁界で高抵抗変化を示す巨大磁気抵抗効果素子を用いて磁気センサを構成し、抵抗変化分が磁化の角度に依存しないスピンバルブ素子などであってもセンサを組むことができるとともに、高感度なものを得ることができる巨大磁気抵抗効果素子センサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、磁化反転がピン止めされた少なくとも一層のピン止め強磁性層と、磁化が外部の磁界に対して自在に反転する少なくとも一層のフリー強磁性層とを具備する磁気抵抗効果多層膜を２つ並列させて同一の基板上に配置し、それぞれのピン止め強磁性層の磁化の向きをほぼ正反対向きとし、一方の磁気抵抗効果多層膜の下に硬質磁性層を配置し、前記基板上に前記一方の磁気抵抗効果素子と前記他方の磁気抵抗効果素子を接続する導体部を形成してなり、前記並列に設けた磁気抵抗効果多層膜のうち、硬質磁性層を配置した側の磁気抵抗効果多層膜のピン止め層の保磁力を他方の磁気抵抗効果多層膜のピン止め磁性層の保磁力よりも大きくしたことを特徴とする。
本発明において、ピン止め強磁性層が硬磁性を示す強磁性体を主体としてなることを特徴とする。次に、ピン止め強磁性層にα-Ｆｅ２Ｏ３を主体としてなる保磁力増大層を接触してなるものでも良い。
本発明において、回転軸に磁石を取り付け、この磁石の近傍に先のいずれかに記載の複数の磁気抵抗効果多層膜を備えたことを特徴とするものでも良い。
【００１６】
次に本発明においては、磁化反転がピン止めされた少なくとも一層のピン止め強磁性層と、磁化が外部の磁界に対して自在に反転する少なくとも一層のフリー強磁性層とを具備する磁気抵抗効果多層膜素子を複数基板上に形成し、並列する２つの磁気抵抗効果多層膜素子の内、一方の下に硬質磁性層を設け、基板全体に硬質磁性層の保磁力よりも大きな磁界を印加して全磁気抵抗効果多層膜素子を着磁した後、先に印加した磁界よりも小さく向きが正反対で、かつ硬質強磁性層を設けていない磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の保磁力よりも大きな磁界で基板全体を着磁することで、硬質磁性層を設けた磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の磁化の向きと、硬質磁性層を設けていない磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の磁化の向きとをほぼ正反対向きにするように着磁されてなることを特徴とする。
【００１７】
更に本発明においては、磁化反転がピン止めされた少なくとも一層のピン止め強磁性層と、磁化が外部の磁界に対して自在に反転する少なくとも一層のフリー強磁性層とを具備する磁気抵抗効果多層膜を同一の基板上に２つ並列に形成し、一方の磁気抵抗効果多層膜の下に硬質磁性層を配置し、前記基板上に前記一方の磁気抵抗効果素子と前記他方の磁気抵抗効果素子を接続する導体部を形成し、各磁気抵抗効果素子のピン止め磁性層を磁気ヘッドで個々に着磁するとともに、前記着磁の際に、隣接する一方の磁気抵抗効果素子のピン止め強磁性層の磁化の向きと他方の磁気抵抗効果素子のピン止め強磁性層の磁化の向きを正反対向きになるように着磁し、前記並列に設けた磁気抵抗効果多層膜のうち、硬質磁性層を配置した側の磁気抵抗効果多層膜のピン止め層の保磁力を他方の磁気抵抗効果多層膜のピン止め磁性層の保磁力よりも大きくしたことを特徴とする。
また、本発明において、前記複数の磁気抵抗効果多層膜のうち、少なくとも１つの磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層を硬質磁性層から形成してなることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の一形態について説明する。
図１は本発明に係る巨大磁気抵抗効果素子センサ２０の一形態を示すものであり、単結晶体または多結晶体からなる基板３０の上面の一部に、反強磁性材料もしくは硬質磁性材料により形成された平面矩形状の磁化ピン止め用薄膜層３１とピン止め強磁性層３２と非磁性層３３とフリー強磁性層３４を順次積層して磁気抵抗効果素子３５が構成されている。また、基板３０の上面の一部であって前記磁気抵抗効果素子３５の側方に、平面矩形状の硬質磁性層３６を介して反強磁性材料もしくは硬質磁性材料により形成された平面矩形状の磁化ピン止め用薄膜層３７とピン止め強磁性層３８と非磁性層３９とフリー強磁性層４０を順次積層して磁気抵抗効果素子４１が構成されている。なお、磁化ピン止め用薄膜層３７と３１を、ピン止め強磁性層３８と３２を、非磁性層３９と３３を、フリー強磁性層４０と３４をそれぞれ同一種類のものから構成する場合は、同時に成膜することができる。
また、基板３０上には磁気抵抗効果素子３５と磁気抵抗効果素子４１とを直列に接続する導体部４３が形成され、導体部４３の一端に端子Ｇが、他端に端子Ｉが、フリー強磁性層３４、４０の間の部分の導体部４３に端子Ｈがそれぞれ設けられている。
【００１９】
次に、磁気抵抗効果素子３５のピン止め強磁性層３２の磁化の向きは例えば図１（Ｂ）に矢印Ｊで示すように左向きとされ、磁気抵抗効果素子４１のピン止め強磁性層３８の磁化の向きは例えば矢印Ｋで示すように右向きとされている。即ち、磁気抵抗効果素子３５のピン止め強磁性層３２の磁化の向きと、磁気抵抗効果素子４１のピン止め強磁性層３８の磁化の向きは正反対向き（個々の磁化の向きが同一直線上にあって１８０゜異なる方向）にされている。なおここで、磁化の向きは完全に正反対向きではなくとも、数゜程度の方向ずれを有してもほぼ正反対向きになっていれば本願の目的を達成できる。
【００２０】
前記基板３０は、ガラス基板、好ましくは、ダイヤモンド型構造のＳｉ基板、岩塩型構造のＭｇＯ基板、スピネル型構造のＭｇＡｌ2Ｏ4基板、ガーネット型構造のガドリウムガーネット（Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）基板、あるいは、α-Ｆｅ2Ｏ3 と同じコランダム構造のサファイア基板（α-Ａｌ2Ｏ3）、α-Ｆｅ2Ｏ3単結晶基板などの六方晶系の材料からなるものを適用することができる。
前記磁化ピン止め用薄膜層３１は、それに隣接して形成されるピン止め強磁性層３２に磁気的交換結合力を作用させてピン止め強磁性層３２の保磁力を増大させてその磁化の向きをピン止めするためのものであり、この磁化ピン止め用薄膜層３１は、反強磁性体のα-Ｆｅ2Ｏ3（保磁力増大層）から、あるいは、Ｃｏ-Ｐｔ合金、Ｃｏ-Ｃｒ-Ｐｔ合金、Ｃｏ-Ｃｒ-Ｔａ合金、Ｃｏ等の硬質磁性材料（保磁力増大層）から形成される。
【００２１】
前記強磁性層３２、３４、３８、４０はいずれも強磁性体の薄膜からなるが、具体的にはＮｉ-Ｆｅ合金、Ｃｏ-Ｆｅ合金、Ｎｉ-Ｃｏ合金、Ｃｏ、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｏ合金等からなる。また、強磁性層３２、３８をＣｏ層から、強磁性層３４、４０をＮｉ-Ｆｅ合金層 から、あるいはＣｏ層とＮｉ-Ｆｅ合金層の積層構造から構成することもできる 。なお、Ｃｏ層とＮｉ-Ｆｅ合金層との２層構造とする場合は、非磁性層３３、３９側 に薄いＣｏ層を配置する構造とすることもできる。
【００２２】
また、非磁性層３３（あるいは３９）を強磁性層３２、３４（あるいは３８、４０）で挟む構造の巨大磁気抵抗効果発生機構にあっては、強磁性層３２、３４（あるいは３８、４０）を同種の材料から構成する方が、異種の材料から構成するよりも、伝導電子のスピン依存散乱以外の因子が生じる可能性が低く、より高い磁気抵抗効果を得られることに起因している。即ち、Ｎｉ-Ｆｅ とＣｕとで界面を構成するよりは、ＣｏとＣｕで界面を構成した方が大きなスピン依存散乱の効果が界面で得られ、大きなＭＲ効果が得られるからである。このようなことから、強磁性層３２（あるいは３８）をＣｏから構成した場合は、強磁性層３４（あるいは４０）の非磁性層３３（あるいは３９）側を所定の厚さでＣｏ層に置換した構造が好ましい。また、Ｃｏ層を特に区別して設けなくとも、強磁性層３４（あるいは４０）の非磁性層３３（あるいは３９）側にＣｏを多く含ませた合金状態とし、反対側に向かうにつれて徐々にＣｏ濃度が薄くなるような濃度勾配層としても良い。
【００２３】
前記非磁性層３３、３９は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇなどに代表される導電性の非磁性体からなり、２０〜４０Åの厚さに形成されている。ここで非磁性膜３３、３９の厚さが２０Åより薄いと、強磁性層３２（あるいは３８）と強磁性層３４（あるいは４０）との間で磁気的結合が起こり易くなる。また、非磁性層３３、３９が４０Åより厚いと磁気抵抗効果を生じる要因である非磁性層３３（あるいは３９）と強磁性層３２、３４（あるいは３８、４０）の界面で散乱される伝導電子の効率が低下し、電流の分流効果により磁気抵抗効果が低減されてしまうので好ましくない。
前記硬質磁性層３６は、Ｃｏ-Ｐｔ合金、Ｃｏ-Ｃｒ-Ｐｔ合金、Ｃｏ-Ｃｒ-Ｔａ合金などの硬質磁性材料から形成されたものが好ましい。
これらの材料において、Ｃｏ92Ｐｔ8合金の厚さ５ｎｍのものでは４７０ Ｏｅの保磁力を示し、Ｃｏ78Ｐｔ22合金の厚さ４０ｎｍのものでは１２００ Ｏｅを得、Ｃｏ75Ｃｒ18Ｐｔ7合金の厚さ２０ｎｍのものでは９００ Ｏｅを得、Ｃｏ86Ｃｒ12Ｔａ2合金の厚さ１０ｎｍのものでは８４０ Ｏｅをそれぞれ得ることができる。
【００２４】
次にこの例の構造において磁気抵抗効果素子３５のピン止め用薄膜層３２の保磁力をＨｃ1、磁気抵抗効果素子４１のピン止め強磁性層３８の保磁力をＨｃ2、硬質磁性層３６の保磁力をＨｃ3とした場合に、Ｈｃ1＜Ｈｃ2＜Ｈｃ3の関係を満足する必要がある。また、Ｈｃ1≧１００ Ｏｅであることが好ましく、Ｈｃ3−Ｈｃ1≧５０ Ｏｅの関係であることが好ましい。
【００２５】
ところで、図１に示す構造においては、磁気抵抗効果多層膜３５、４１を覆う被覆層などは省略したが、これらの層を覆って保護する被覆層を適宜設けても良いのは勿論であり、基板３０の上面に保護層やレベリング層を設けた上で前記磁気抵抗効果多層膜３５、４１を積層しても良い。
更に、磁気抵抗効果多層膜の他の積層構造として、ピン止め用薄膜層とピン止め強磁性層と非磁性層とフリー強磁性層の積層構造に加えて、更に非磁性層とピン止め強磁性層とピン止め用薄膜層を積層した構造を採用することもできるのは勿論である。
【００２６】
図１に示す構造において定常電流は、磁気抵抗効果素子３５、４１に与えられる。
図１に示す構造であるならば、ピン止め用薄膜層３１、３７の存在によりピン止め強磁性層３２、３８が磁気的交換結合を受けて保磁力が増大されてその磁化の向きがピン止めされ、他のフリー強磁性層３４、４０の磁化の回転が自由にされる結果、強磁性層３２と３４の間（あるいは３８と４０の間）に保磁力差が生じ、これに起因して巨大磁気抵抗効果が得られる。即ち、磁化の回転が自由にされたフリー強磁性層３４、４０に、図１（Ｂ）の矢印Ｈ方向に外部磁化が作用すると、強磁性層３４、４０の磁化の向きが容易に回転するので、回転に伴って磁気抵抗効果素子３５、３６に抵抗変化が生じる。また、ピン止め強磁性層３２、３８の磁化の向きは互いに正反対向きであるので、磁化の回転角度に応じてフリー強磁性層３４、４０の磁化の向きも回転するので、磁化の回転状態に応じて抵抗が変化する。
【００２７】
即ち、図１に示す構造であるならば、外部磁界により図１（Ｂ）に示すように角度θで磁化Ｈが作用した場合に、先に記載した（Ｉ）式の場合と同様に、
Ｒ＝Ｒ1−Ｒ2＝ΔＲ[SIN2θ−SIN2（９０−θ）] ＝−ΔＲCOS２θの関係が成立し、この（Ｉ）式に基づいてθの角度に応じた抵抗変化を得ることができる。
従ってこの抵抗変化を測定することにより、磁化Ｈの回転角度を検出することができる。しかも図１に示す構造では、従来のＡＭＲ素子に比べて格段に抵抗変化率の大きな磁気抵抗多層膜構造を採用しているので、大きな抵抗変化を得ることができ、高い感度で回転角度を検出できる。
なお、従来一般のＮｉ-ＦｅからなるＡＭＲ材料からなる膜構造を採用した場合に得られる磁気抵抗効果は３％程度であるのに対し、本願構造のようにＮｉ-Ｆｅ合金の強磁性層で非磁性層を挟み、ピン止め用薄膜層３１としてα-Ｆｅ2Ｏ3を用いた場合の構造では６％を容易に得ることができる。更に、Ｃｏ合金の強磁性層で非磁性層を挟み、ピン止め用薄膜層３１としてα-Ｆｅ2Ｏ3を用いた場合は、１２％程度の磁気抵抗効果を得ることができる。このことから、本願発明構造を採用することで従来材料によるよりも格段に大きな抵抗変化を利用することができ、よって高出力化できるので、感度の高いセンサを得ることができる。
【００２８】
また、図１に示す構造において、ピン止め用薄膜層３１、３７を反強磁性α-Ｆｅ2Ｏ3から構成すると、従来のスピンバルブ素子構造で用いられているピン止め用の反強磁性体のＦｅＭｎに比べてα-Ｆｅ2Ｏ3は元々酸化物であり耐食性に優れ、しかもα-Ｆｅ2Ｏ3の層は本発明者らが特開平７-７８０２２号明細書において開示した如くネール温度が高く（６７７℃）、ブロッキング温度も高い（３２０℃）ので、温度変動に強い特徴がある。これに対してＦｅＭｎのブロッキング温度は約１５０℃、ＮｉＯのブロッキング温度は約２５０℃であるのでα-Ｆｅ2Ｏ3に比べてこれらは明らかに耐熱性の面では劣ることになる。
【００２９】
次に、図１に示す構造の巨大磁気抵抗効果素子センサ２０の製造方法について以下に説明する。
図１に示す巨大磁気抵抗効果素子センサ２０は基板３０上にスパッタなどの成膜法により必要組成の膜を堆積し、不要部分をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることで製造することができる。そして、必要な膜の堆積を行ったならば、基板全体に硬質磁性増３６の保磁力よりも大きな磁界を印加して全素子を図１（Ｂ）の矢印Ｋ方向に磁化が向くように着磁する。この着磁操作の後に、硬質磁性層３６の保磁力よりも小さく、かつ磁気抵抗効果素子３５のピン止め強磁性層３２の保磁力よりも大きな磁界を基板全体に印加して、磁気抵抗効果素子３５を図１（Ｂ）の矢印Ｊ方向に磁化が向くように着磁する。この時、印加する磁界は硬質磁性層３６の保磁力より小さいので、磁気抵抗効果素子４１の磁化の向きはＫ方向を向いたままである。これらの着磁処理により図１（Ｂ）に示すように磁気抵抗効果素子３５、４１において各ピン止め強磁性層３２、３８の磁化の向きを正反対向きとすることができる。
【００３０】
次に図３は、巨大磁気抵抗効果素子センサの他の形態を示すもので、この形態の巨大磁気抵抗効果センサ５０は、先に説明した形態の巨大磁気抵抗効果センサ２０の硬質磁性層３６を省略した構造である。
この構造とした場合、ピン止め強磁性層３１、３７の磁化の向きを正反対向きとするためには、ピン止め強磁性層３７自身を硬質磁性材料あるいはα-Ｆｅ２Ｏ３から形成して図２に示すように磁気抵抗効果素子３５の幅Ｗと同じ幅のギャップＧを有する磁気ヘッド４５を用いて基板３０の裏側から磁場をかけて磁気抵抗効果素子３５の磁化ピン止め強磁性層３２に図１（Ｂ）の矢印Ｊ方向に磁化が向くように着磁する。この着磁操作の次に、同じ磁気ヘッド４５を用いて磁気抵抗効果素子４１の磁化ピン止め強磁性層３８に図１（Ｂ）の矢印Ｋ方向に向くように着磁する。
その他の構造は先に説明した形態の巨大磁気抵抗効果素子センサ２０と同等であり、同等の効果を奏する。
【００３１】
図４は、図１あるいは図３に示す構造の巨大磁気抵抗効果素子センサ２０あるいは５０を備えた角度センサの一例を示すもので、この例の角度センサ６０は、ケース６１を有し、この上部にケース６１を上下貫通して水平方向に回転自在にシャフト６１Ａが設けられ、シャフト６１Ａの下端に円盤状の磁石６２が取り付けられ、磁石６２の下方のケース内部に取付基板６３が設けられ、磁石６２の下方の取付基板６３上に先の構造の巨大磁気抵抗効果素子センサ２０あるいは５０が取り付けられて構成されている。
この例の角度センサ６０は、シャフト６１Ａの回転角度に応じて磁石６２が巨大磁気抵抗効果素子センサ２０あるいは５０に与える磁化の向きが変化するので、先に説明した機構を基にして抵抗変化が生じる。従って、この抵抗変化を基にすると、シャフト６１Ａの回動角度を知ることができ、角度センサとして機能させることができる。
図５は、この角度センサ６０から得られるシャフト回転角度に対応する磁化の向きの変化を示したもので、図５に示すようにシャフトの回転角度に応じたサインカーブ状の特性が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、磁気抵抗効果多層膜を２つ同一の基板上に並設し、それぞれのピン止め強磁性層の磁化の向きを正反対向きにし、一方の磁気抵抗効果多層膜の下に硬質磁性層を配置し、前記基板上に一方の磁気抵抗効果素子と他方の磁気抵抗効果素子を接続する導体部を形成し、並列に設けた磁気抵抗効果多層膜のうち、硬質磁性層を配置した側の磁気抵抗効果多層膜のピン止め層の保磁力を他方の磁気抵抗効果多層膜のピン止め磁性層の保磁力よりも大きくしてなるので、外部から作用する磁界が回転した場合、磁化の向きが異なる磁気抵抗効果多層膜の抵抗値が正反対の位相で変化するようになるので、この抵抗値の差を計測することで、外部磁界の磁化の向きの変化を検知することができる。また、ピン止め強磁性層とフリー強磁性層の組み合わせになる巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果多層膜を用いるので、大きな抵抗変化を得ることができ、高い感度で磁化の向きの変化を検知することができる。
【００３３】
また、本発明において、ピン止め強磁性層を硬質磁性体から構成するならば、ピン止め強磁性層の磁化の向きを着磁により自由な方向に制御できるので、並列に設けた磁気抵抗効果多層膜のピン止め強磁性層の磁化の向きを正反対方向に向けることが容易かつ確実にできるようになる。
更に、ピン止め用薄膜層の保磁力増大層として反強磁性α-Ｆｅ２Ｏ３を用いる ならば、大きな抵抗変化を得ることができ、かつ、センサとしてのヒステリシスも小さくできるので、高感度な検知ができるセンサを提供できる。
【００３４】
次に、ピン止め強磁性層とフリー強磁性層を有する磁気抵抗効果多層膜を同一の基板上に２つ並列に設け、一方の下にピン止め強磁性体の保磁力よりも更に保磁力の大きな硬質磁性層を配した構造に対して各磁気抵抗効果多層膜を段階的に磁場の強さと方向を変えて着磁することでピン止め強磁性層の磁化の向きを正反対向きとした構造を得ることができる。
また、ピン止め強磁性層自体を硬質磁性材料あるいは強磁性層にα-Ｆｅ２Ｏ３ などの保磁力増大層を接触させた構造の膜から構成するならば、各ピン止め強磁性層を磁気ヘッドで個々に着磁することで磁化の向きを自由に制御できるので、磁化の向きを正反対向きとしたピン止め強磁性層を有する構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る巨大磁気抵抗効果素子センサの第１の形態を示すもので、図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は平面図。
【図２】  第１図に示す巨大磁気抵抗効果センサの製造方法を説明するもので、磁気抵抗効果素子に対して着磁している状態を示す説明図。
【図３】  本発明に係る巨大磁気抵抗効果素子センサの第２の形態を示す断面図。
【図４】  本発明に係る巨大磁気抵抗効果センサを備えた角度センサの構成図。
【図５】  図４に示す角度センサで得られる出力特性を示す図。
【図６】  従来のＡＭＲ素子を用いたセンサの第１の例の回路図。
【図７】  従来のＡＭＲ素子を用いたセンサの第２の例の回路図。
【図８】  図６に示す回路を有する角度センサの一例を示す平面図。
【図９】  従来のスピンバルブ素子構造を示す分解斜視図。
【符号の説明】
２０、５０      巨大磁気抵抗効果素子センサ
３１、３７      ピン止め用薄膜層
３２、３８      ピン止め強磁性層
３３、３９      非磁性層
３４、４０      フリー強磁性層
３５、４１      磁気抵抗効果多層膜
４３            導体部
【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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