(57)【要約】【課題】本発明は、被測定磁界の方向のずれに起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制するとともに、外部磁界によるバイアス磁界の方向の変化を防止して、自由磁性層の磁化方向を制御することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。【解決手段】１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂと、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの上に設けられたコイル２７とを有し、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂはそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備え、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの固定磁性層の磁化方向４５ａは互いに逆方向に向けられるとともに、自由磁性層の磁化方向４７ａは互いに逆方向に向けられており、コイル２７を構成する配線は、自由磁性層の延在方向に対して交差していることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された１対の磁気抵抗効果素子と、前記１対の磁気抵抗効果素子の上に絶縁層を介して設けられたコイルとを有し、
前記１対の磁気抵抗効果素子はそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備え、前記１対の磁気抵抗効果素子によりハーフブリッジ回路を構成しており、
前記１対の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに逆方向に向けられるとともに、前記自由磁性層の磁化方向は互いに逆方向に向けられており、
前記コイルを構成する配線は、前記自由磁性層の延在方向に対して交差していることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記コイルは、前記絶縁層の上において巻回された平面コイルであり、
前記１対の磁気抵抗効果素子は、前記コイルの平面中心を挟んで前記コイルと重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子は帯状に延在する複数の素子部を有し、前記複数の素子部がミアンダ形状に接続されており、
前記自由磁性層の磁化方向は前記素子部の延在方向に向けられており、
平面視において、前記コイルを構成する配線は前記素子部の延在方向に対して交差して設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
第１のハーフブリッジ回路及び第２のハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路が、前記基板に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第１のハーフブリッジ回路を構成する一方の前記磁気抵抗効果素子と、前記第２のハーフブリッジ回路を構成する一方の前記磁気抵抗効果素子とは、前記自由磁性層の磁化方向が同じ方向に向けられていることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１のハーフブリッジ回路を構成する１対の前記磁気抵抗効果素子同士を結ぶ仮想線と、前記第２のハーフブリッジ回路を構成する１対の前記磁気抵抗効果素子同士を結ぶ仮想線とが交差して前記フルブリッジ回路が形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関し、特に自由磁性層にバイアス磁界が印加される磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、被測定電流から発生する磁界を磁気センサにより検出して、被測定電流の大きさを測定する電流センサが開示されている。外部磁界を検出する磁気センサには、例えばＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子が用いられる。
【０００３】
図１３は、特許文献１に記載されている従来例の磁気センサの平面図である。図１３に示すように従来例の磁気センサ１０１は、複数の磁気抵抗効果素子１２１ａ〜１２１ｄを有して構成される。センサチップ１０２ａに形成された１対の磁気抵抗効果素子１２１ａ、１２１ｂによりハーフブリッジ回路が構成され、センサチップ１０２ｂに形成された１対の磁気抵抗効果素子１２１ｃ、１２１ｄによりハーフブリッジ回路が構成される。２つのハーフブリッジ回路によりフルブリッジ回路１２５が構成されている。
【０００４】
各磁気抵抗効果素子１２１ａ〜１２１ｄは、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層と、磁化方向が固定された固定磁性層とを有する。外部磁界が印加されたときに自由磁性層の磁化方向１３３が変化し、これにより磁気抵抗効果素子１２１ａ〜１２１ｄの電気抵抗値が変動する。磁気センサ１０１は、各磁気抵抗効果素子１２１ａ〜１２１ｄの電気抵抗値により外部磁界を検出することができる。
【０００５】
図１３に示すように、各磁気抵抗効果素子１２１ａ〜１２１ｄを挟んでハードバイアス層１２２が設けられており、ハードバイアス層１２２から発生するバイアス磁界１３２が自由磁性層に印加される。
【０００６】
バイアス磁界１３２が自由磁性層に印加されると、外部磁界が無磁界になった際に、自由磁性層の磁化方向１３３がバイアス磁界１３２の方向に向けられる。これにより、自由磁性層の磁化方向１３３を所定の方向に制御することができ、再現性良く外部磁界を検出することができる。
【０００７】
図１３に示すように、センサチップ１０２ａの磁気抵抗効果素子１２１ａ、１２１ｂにおいて、固定磁性層の磁化方向１３１は互いに逆方向に向けられるとともに、自由磁性層の磁化方向１３３は互いに逆方向に向けられている。これにより、バイアス磁界１３２に対して傾いた状態で被測定磁界の向きが印加された場合であっても、磁気抵抗効果素子１２１ａ、１２１ｂの感度が互いに逆向きに変化するため、センサ出力の直線性の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１２／１７２９４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来例の磁気センサ１０１において、バイアス磁界１３２はハードバイアス層１２２の磁化方向に向けられている。そのため、ハードバイアス層１２２の磁化方向と異なる方向に強い外部磁界が印加された場合には、ハードバイアス層１２２の磁化方向がずれてしまい、バイアス磁界１３２の方向がずれてしまうことがある。
【００１０】
強磁界によるハードバイアス層１２２の磁化方向の変化は不可逆的な変化であるため、外部磁界が無磁界になってもバイアス磁界１３２の方向は戻らず、バイアス磁界１３２の方向の変化により、自由磁性層の磁化方向１３３もずれてしまう。自由磁性層の磁化方向１３３がずれてしまうと、磁気センサ１０１の感度の変化や、オフセットの発生等、磁気センサ１０１の特性の劣化が生じてしまう。また、ハードバイアス層１２２の磁化方向の変化は不可逆的な変化であり、ハードバイアス層１２２の磁化方向が一旦変化すると、各磁気抵抗効果素子１２１ａ〜１２１ｄの特性を回復させることが困難であるという課題が発生する。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決して、被測定磁界の方向のずれに起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制するとともに、外部磁界によるバイアス磁界の方向の変化を防止して、自由磁性層の磁化方向を制御することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の磁気センサは、基板に形成された１対の磁気抵抗効果素子と、前記１対の磁気抵抗効果素子の上に絶縁層を介して設けられたコイルとを有し、前記１対の磁気抵抗効果素子はそれぞれ、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備え、前記１対の磁気抵抗効果素子によりハーフブリッジ回路を構成しており、前記１対の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに逆方向に向けられるとともに、前記自由磁性層の磁化方向は互いに逆方向に向けられており、前記コイルを構成する配線は、前記自由磁性層の延在方向に対して交差していることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、１対の磁気抵抗効果素子の自由磁性層の磁化方向が逆方向に向けられている。よって、被測定磁界がバイアス磁界に対して傾いて印加された場合においても、一方の磁気抵抗効果素子の自由磁性層では、被測定磁界に対してバイアス磁界がプラス方向に作用し、他方の磁気抵抗効果素子の自由磁性層では被測定磁界に対してバイアス磁界がマイナス方向に作用する。したがって、１対の磁気抵抗効果素子の感度が互いに逆向きに変化するため、１対の磁気抵抗効果素子の感度変化が相殺されてセンサ出力の直線性の低下が抑制される。
【００１４】
また、コイルに電流を流すことでバイアス磁界を発生させることができ、外部から強磁界が印加された場合であっても、バイアス磁界の方向が不可逆的に変化することを抑制できる。よって、外部磁界が無磁界の際に、自由磁性層の磁化方向をバイアス磁界の向きに一定に制御することが可能となる。さらに、各磁気抵抗効果素子に設けられたハードバイアス層を着磁してバイアス磁界の方向を決定する構成に対して、コイルの形状、コイルに流す電流の向きでバイアス磁界の方向を容易に制御可能であり、１対の磁気抵抗効果素子の自由磁性層に対して互いに逆方向にバイアス磁界を作用させることができる。
【００１５】
したがって、本発明の磁気センサによれば、被測定磁界の方向のずれに起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制するとともに、外部磁界によるバイアス磁界の方向の変化を防止して、自由磁性層の磁化方向を制御することが可能である。
【００１６】
前記コイルは、前記絶縁層の上において巻回された平面コイルであり、前記１対の磁気抵抗効果素子は、前記コイルの平面中心を挟んで前記コイルと重なる位置に設けられていることが好ましい。これによれば、１対の磁気抵抗効果素子の上のコイルを流れる電流が互いに逆方向に流れるため、コイルにより発生するバイアス磁界が１対の磁気抵抗効果素子の自由磁性層に対して互いに逆方向に作用する。よって、１つのコイルにより自由磁性層の磁化方向を確実に逆方向に向けることができる。
【００１７】
前記磁気抵抗効果素子は、帯状に延在する複数の素子部を有し、前記複数の素子部がミアンダ形状に接続されており、前記自由磁性層の磁化方向は前記素子部の延在方向に向けられており、平面視において、前記コイルを構成する配線は前記素子部の延在方向に対して交差して設けられていることが好ましい。これによれば、自由磁性層の磁化方向が、素子部の形状異方性により素子部の延在方向に向けられるとともに、異なる方向に強磁界が印加されて自由磁性層の磁化方向がずれた場合であっても、バイアス磁界を素子部の延在方向に印加して自由磁性層の磁化方向のずれを防止することができる。
【００１８】
第１のハーフブリッジ回路及び第２のハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路が、前記基板に形成されることが好ましい。これによれば、２つのハーフブリッジ回路のそれぞれにおいてセンサ出力の直線性の低下が抑制されるため、２つのハーフブリッジ回路を有するフルブリッジ回路においてもセンサ出力の直線性の低下が抑制される。また、フルブリッジ回路を構成する各磁気抵抗効果素子に対して１つのコイルによりバイアス磁界を印加することができ、容易に自由磁性層の磁化方向を制御することができる。
【００１９】
前記第１のハーフブリッジ回路を構成する一方の前記磁気抵抗効果素子と、前記第２のハーフブリッジ回路を構成する一方の前記磁気抵抗効果素子とは、前記自由磁性層の磁化方向が同じ方向に向けられていることが好ましい。これによれば、第１のハーフブリッジ回路の出力変動と第２のハーフブリッジ回路の出力変動とが、フルブリッジ回路により相殺されて、センサ出力の直線性の低下を確実に抑制することができる。
【００２０】
前記第１のハーフブリッジ回路を構成する１対の前記磁気抵抗効果素子同士を結ぶ仮想線と、前記第２のハーフブリッジ回路を構成する１対の前記磁気抵抗効果素子同士を結ぶ仮想線とが交差して前記フルブリッジ回路が形成されていることが好ましい。これによれば、各磁気抵抗効果素子に対する被測定磁界のばらつきが生じた場合に、各磁気抵抗効果素子の抵抗値の誤差をフルブリッジ回路により吸収して、センサ出力の誤差を低減することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の磁気センサによれば、被測定磁界の方向のずれに起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制するとともに、外部磁界によるバイアス磁界の方向の変化を防止して、自由磁性層の磁化方向を制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態における磁気センサの平面図である。
【図２】図１のコイルを除いた状態における磁気センサの平面図であり、各磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。
【図３】図１及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。
【図４】４つの磁気抵抗効果素子から構成されるフルブリッジ回路の回路図である。
【図５】磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気抵抗効果素子の部分拡大断面図である。
【図７】本実施形態の磁気センサ及び比較例の磁気センサにおいて、被測定磁界が傾いて印加されたときの検出方法を示し、（ａ）本実施形態の第１の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図、（ｂ）本実施形態の第２の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図、（ｃ）比較例の第１の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図、（ｄ）比較例の第２の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図、である。
【図８】（ａ）実施例の磁気センサにおける被測定磁界の傾きとセンサ出力の線形性との関係を示すグラフ、（ｂ）比較例の磁気センサにおける被測定磁界の傾きとセンサ出力の線形性との関係を示すグラフである。
【図９】磁気センサの出力の線形性を説明するためのグラフである。
【図１０】（ａ）実施例の磁気センサにおけるコイル磁場とヒステリシスとの関係を示すグラフ、（ｂ）磁気センサの出力のヒステリシスを説明するためのグラフである。
【図１１】第２の実施形態の磁気センサの平面図である。
【図１２】第３の実施形態の磁気センサにおいて、２つの磁気抵抗効果素子から構成されるハーフブリッジ回路の回路図である。
【図１３】従来例の電流センサの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、具体的な実施形態について説明をする。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。
【００２４】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における磁気センサの平面図である。図２は、図１のコイルを除いた状態における磁気センサの平面図であり、各磁気抵抗効果素子の構成を示す平面図である。図３は、図１及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。図４は、４つの磁気抵抗効果素子から構成されるフルブリッジ回路の回路図である。
【００２５】
本実施形態の磁気センサは、例えば磁気比例式の電流センサに用いることができ、電流線の近傍に配置されて、電流線を流れる電流によって発生する被測定磁界を検出して、電流値を測定することができる。
【００２６】
図２に示すように、本実施形態の磁気センサ１０は、基板１５に形成された４つの磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄを有して構成される。また、図１及び図３に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの上には、絶縁層１６を介してコイル２７が設けられている。コイル２７を覆って保護層１７が設けられている。
【００２７】
図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂ、及び磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄは互いに対角に位置して配線２２によって接続されている。また、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは接続端子２３に電気的に接続される。
【００２８】
図４に示すように、接続された磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとで第１のハーフブリッジ回路５１を構成し、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄとで第２のハーフブリッジ回路５２を構成する。そして、図４に示すように、入力端子（Ｖｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に、第１のハーフブリッジ回路５１と第２のハーフブリッジ回路５２とが並列に接続されてフルブリッジ回路５３を構成している。
【００２９】
第１のハーフブリッジ回路５１の中点電圧（Ｖ1）と、第２のハーフブリッジ回路５２の中点電圧（Ｖ2）が取り出されて、中点電圧（Ｖ1）と中点電圧（Ｖ2）との差分（Ｖ1−Ｖ2）が、差動増幅器５４により増幅されて出力電圧（Ｖｏｕｔ）として出力される。
【００３０】
図５は、磁気抵抗効果素子の平面図である。なお、図５は、磁気抵抗効果素子２１ａの構成について示しているが、他の磁気抵抗効果素子２１ｂ〜２１ｄについても同様の構成である。図５に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａは、Ｘ１−Ｘ２方向に帯状に延在する複数の素子部３１を有して構成される。複数の素子部３１は、Ｙ１−Ｙ２方向に間隔を設けて配置されており、複数の素子部３１同士が連結部３２によってミアンダ形状に接続されている。
【００３１】
本実施形態において、磁気抵抗効果素子２１ａの各素子部３１は、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が用いられており、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変動する自由磁性層とを備える。なお、図５には固定磁性層及び自由磁性層は図示せず、固定磁性層の磁化方向４５ａと自由磁性層の磁化方向４７ａを矢印で示している。
【００３２】
図５に示すように、固定磁性層の磁化方向４５ａは素子部３１の延在方向に対して直交する方向に向けられており、自由磁性層の磁化方向４７ａは、素子部３１の形状異方性により素子部３１の延在方向に向けられる。固定磁性層の磁化方向４５ａと自由磁性層の磁化方向４７ａとは、磁気抵抗効果素子２１ａの面内方向に向けられており、外部磁界が印加されていない状態において互いに直交する方向に向けられる。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態において、第１のハーフブリッジ回路５１を構成する磁気抵抗効果素子２１ａ及び磁気抵抗効果素子２１ｂの固定磁性層の磁化方向４５ａは互いに逆方向に向けられている。また、磁気抵抗効果素子２１ａ及び磁気抵抗効果素子２１ｂの自由磁性層の磁化方向４７ａについても互いに逆方向に向けられている。第２のハーフブリッジ回路５２を構成する磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄにおいても、同様の磁化方向で構成されている。ただし、磁気抵抗効果素子２１ａと２１ｃとは、それらの固定層の磁化方向も自由磁性層の磁化方向も互いに逆方向に向けられている。また、磁気抵抗効果素子２１ｂと２１ｄについても同様に、それらの固定層の磁化方向も自由磁性層の磁化方向も互いに逆方向に向けられている。
【００３４】
図２に示すように、自由磁性層の磁化方向４７ａと固定磁性層の磁化方向４５ａとのなす角度をθとする。磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに磁界が印加されて自由磁性層の磁化方向４７ａが固定磁性層の磁化方向４５ａに平行に近づくと、角度θが小さくなり電気抵抗が低下する。一方、自由磁性層の磁化方向４７ａが固定磁性層の磁化方向４５ａと反平行に近づくと、角度θが大きくなり電気抵抗値が増大する。
【００３５】
例えば、図２のＹ１方向に外部の被測定磁界が印加された場合、磁気抵抗効果素子２１ａの自由磁性層の磁化方向４７ａはＹ１方向に変化して電気抵抗値が増大し、磁気抵抗効果素子２１ｂの自由磁性層の磁化方向４７ａはＹ１方向に変化して電気抵抗値が減少する。これにより、図４に示す第１のハーフブリッジ回路５１の中点電位（Ｖ1）が減少する。反対に、第２のハーフブリッジ回路５２の中点電位（Ｖ2）は増大する。この差分（Ｖ1−Ｖ2）により、被測定磁界を検出することができる。これは、２つのハーフブリッジの対応する磁気抵抗効果素子２１ａと２１ｃ、また、磁気抵抗効果素子２１ｂと２１ｄとで、固定磁性層の磁化方向が反対にされているためである。これにより、対応する磁気抵抗効果素子２１ａと２１ｃ、また、磁気抵抗効果素子２１ｂと２１ｄとでは抵抗の増減が反対になる。
【００３６】
図１及び図３に示すように、本実施形態において各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの上にコイル２７が設けられている。図１に示すように、コイル２７は、絶縁層１６の上においてコイル配線２７ａが巻回された平面コイルである。コイル２７は、コイル配線２７ａが長円状に連続して巻回されたスパイラルコイルを形成しており、Ｙ１−Ｙ２方向に延在する複数の直線部２７ｂと、複数の直線部２７ｃと、直線部２７ｂ、２７ｃ同士を接続する湾曲部２７ｄ、２７ｅを有している。
【００３７】
図１及び図３に示すように、コイル配線２７ａには端子部２８ａ、２８ｂが接続されている。図３に示すように、コイル２７を覆う保護層１７の一部に開口部が形成されており、端子部２８ａ、２８ｂは開口部において保護層１７から露出して設けられている。端子部２８ａ、２８ｂに電源（図示しない）が接続されて、コイル２７に電流が流され、直線部２７ｂと直線部２７ｃとに互いに反対方向に電流が流される。
【００３８】
図１及び図２に示すように、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂがコイル２７の平面中心Ｏを挟んで、コイル２７と重なる位置に設けられている。図３に示すように、第１のハーフブリッジ回路５１を構成する一方の磁気抵抗効果素子２１ａは、コイル２７の直線部２７ｂと重なる位置に配置され、第１のハーフブリッジ回路５１を構成する他方の磁気抵抗効果素子２１ｂは、直線部２７ｃと重なる位置に配置される。磁気抵抗効果素子２１ａ及び磁気抵抗効果素子２１ｂの素子部３１（図３には図示しない）はＸ１−Ｘ２方向に延在しており、コイル２７を構成するコイル配線２７ａは、素子部３１の自由磁性層の延在方向に対して平面視において交差して配置される。
【００３９】
コイル２７に電流を流すことによりバイアス磁界２９が発生して、直線部２７ｂにおいて発生するバイアス磁界２９は磁気抵抗効果素子２１ａに印加され、直線部２７ｃにおいて発生するバイアス磁界２９は磁気抵抗効果素子２１ｂに印加される。このようにコイル２７と１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂとを配置することにより、バイアス磁界２９は１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂに対して互いに逆方向に作用する。自由磁性層の磁化方向４７ａはバイアス磁界２９の方向に向けられて、図３に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａの自由磁性層の磁化方向４７ａはＸ２方向に、磁気抵抗効果素子２１ｂの自由磁性層の磁化方向４７ａはＸ１方向に、互いに逆方向に向けられる。
【００４０】
本実施形態の磁気センサ１０によれば、コイル２７に電流を流すことでバイアス磁界２９を発生させるため、バイアス磁界２９と異なる方向に外部から強磁界が印加され自由磁性層の結晶磁気異方性磁界の方向に偏移が生じた場合であっても、結晶磁気異方性の方向をバイアス磁界２９の方向に向け直すことができる。結晶磁気異方性とは形状にかかわらず、磁性材料そのものが持つ磁気的異方性のことをいう。自由磁性層には形状磁気異方性と結晶磁気異方性の双方が作用する。よって、外部磁界が無磁界の際に、自由磁性層の磁化方向４７ａをバイアス磁界２９の方向に一定に制御することが可能となる。
【００４１】
また、従来例の磁気センサ１０１のようにハードバイアス層１２２を着磁してバイアス磁界１３２の方向を決定する構成に対して、コイル２７の形状、コイル２７に流す電流の向きでバイアス磁界２９の方向を制御することができる。よって、１つの基板１５上に設けられた１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂに対してそれぞれ異なる方向にバイアス磁界２９を作用させることが容易であり、バイアス磁界２９によって自由磁性層の磁化方向４７ａを互いに逆方向に向けることができる。
【００４２】
なお、バイアス磁界２９は、常時コイル２７に電流を流して発生させることができ、被測定磁界が無磁界の場合には、自由磁性層の磁化方向４７ａをバイアス磁界２９の方向に一定に維持することができる。また、バイアス磁界２９の印加方法は、これに限定されず、一定の時間ごとにコイル２７に電流を流してバイアス磁界２９を発生させて、自由磁性層の磁化方向４７ａを定期的に修正する、若しくは、自由磁性層の磁化方向４７ａのずれを検知した場合にバイアス磁界２９を発生させて、自由磁性層の磁化方向４７ａをリセットする等の方法であっても良い。
【００４３】
また、図３には第１のハーフブリッジ回路５１を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂについて示しているが、第２のハーフブリッジ回路５２を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄについても、同様にバイアス磁界２９が印加される。図１及び図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１ｃは直線部２７ｃと重なる位置に、磁気抵抗効果素子２１ｄは直線部２７ｂと重なる位置に配置されている。よって、バイアス磁界２９は磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄに対して互いに逆方向に作用する。図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１ｃの自由磁性層の磁化方向４７ａはＸ１方向に、磁気抵抗効果素子２１ｄの自由磁性層の磁化方向４７ａはＸ２方向に、互いに逆方向に向けられる。
【００４４】
本実施形態において、第１のハーフブリッジ回路５１を構成する一方の磁気抵抗効果素子２１ａ、及び第２のハーフブリッジ回路５２を構成する一方の磁気抵抗効果素子２１ｄに対して一つのコイル２７によりバイアス磁界２９が印加されて、自由磁性層の磁化方向４７ａが同一の方向に向けられている。磁気抵抗効果素子２１ｂと磁気抵抗効果素子２１ｃにおいても同様である。したがって、図４に示すフルブリッジ回路５３を構成したときに、第１のハーフブリッジ回路５１と第１のハーフブリッジ回路５１との間の誤差の発生が抑制され、センサ出力の直線性の低下を確実に抑制することができる。
【００４５】
図２に示すように、第１のハーフブリッジ回路５１を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂ同士を仮想線２４で結び、第２のハーフブリッジ回路５２を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄ同士を仮想線２５で結ぶ。本実施形態において、仮想線２４と仮想線２５とが交差するように各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄが配置されてフルブリッジ回路５３が構成される。
【００４６】
このように配置することにより、基板１５面内において被測定磁界の強度や方向に分布が発生した場合に、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの出力誤差をフルブリッジ回路５３により吸収して、磁気センサ１０のセンサ出力の誤差を抑制することができる。
【００４７】
図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気抵抗効果素子の部分拡大断面図である。なお、図６は、磁気抵抗効果素子２１ａの構成について示しているが、他の磁気抵抗効果素子２１ｂ〜２１ｄについても同様の構成である。
【００４８】
図６に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａは、膜面内に印加される被測定磁界を検知することができる磁気抵抗効果膜４３を有して構成される。磁気抵抗効果膜４３は、絶縁膜４２及びシード層４９を介してシリコン基板４１の上面に形成されている。図６に示すように、磁気抵抗効果膜４３は、固定磁性層４５、非磁性層４６、及び自由磁性層４７の順に積層されており、自由磁性層４７の表面が保護膜４８で覆われて構成されている。
【００４９】
本実施形態において、固定磁性層４５は第１強磁性層４５ｃ／非磁性結合層４５ｅ／第２強磁性層４５ｄからなる、いわゆるセルフピン型の積層構成となっている。第１強磁性層４５ｃがシード層４９と直接接する。また、第２強磁性層４５ｄが非磁性層４６と直接接する。第１強磁性層４５ｃと第２強磁性層４５ｄの磁化は導電電子により間接的な交換相互作用（ＲＫＫＹ的相互作用）により１８０°異なる方向に向けられている。この場合、第２強磁性層４５ｄの磁化方向が、図２や図５の固定磁性層の磁化方向となる。磁気抵抗効果に寄与するのは、図６の非磁性層４６をはさむ自由磁性層４７と第２強磁性層４５ｄの相対的な磁化方向の関係であるからである。
【００５０】
本実施形態において、絶縁膜４２はシリコン基板４１を熱酸化したシリコン酸化膜や、スパッタ法等で成膜したアルミナ膜、酸化膜等であってもよい。固定磁性層４５の第１強磁性層４５ｃと第２強磁性層４５ｄは、Ｃｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料などで形成されている。非磁性結合層４５ｅは導電性のＲｕ等を用いる。非磁性層４６は、Ｃｕ（銅）などである。自由磁性層４７は、保磁力が小さく透磁率が大きいＮｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護膜４８は、Ｔａ（タンタル）などである。
【００５１】
図６に示すように、固定磁性層４５の磁化方向４５ａは、シリコン基板４１に平行な状態でＹ１方向またはＹ２方向に固定されており、外部磁界の印加によって固定磁性層４５の磁化方向４５ａは変動しない。また、自由磁性層４７の磁化方向４７ａは外部から印加される磁界によって変化する。外部磁界が印加されていない状態において、自由磁性層４７の磁化方向４７ａは素子部３１の形状異方性によりＸ１−Ｘ２方向に向き、固定磁性層４５の磁化方向４５ａと自由磁性層４７の磁化方向４７ａとは直交する。
【００５２】
本実施形態によれば、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄが、いわゆるセルフピン型の積層構成であるため、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄを同一基板１５に形成することが容易である。第１磁性層（あるいは第２磁性層）の成膜時の磁界方向に磁化方向がならうからである。他の磁性層である第２磁性層（あるいは第１磁性層）は第１磁性層と反対の方向を向く。ＲＫＫＹ的相互作用が第１、第２磁性層間に働くからである。よって、複数のセンサチップに分けて磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄを形成した場合に比べて、センサチップの取り付けずれの発生を防止することができるため、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄ同士の固定磁性層４５の磁化方向４５ａのばらつき及び自由磁性層４７の磁化方向４７ａのばらつきを抑えることができる。また、図４に示す第１のハーフブリッジ回路５１及び第２のハーフブリッジ回路５２を有するフルブリッジ回路５３が、同一基板１５上に形成されるため、製造工程が簡略化される。
【００５３】
また、１つのコイル２７は、同一基板１５に形成された磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの全てに重なる位置に設けられて、コイル２７を構成するコイル配線２７ａが磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの自由磁性層４７の延在方向に対して交差している。これにより、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれにハードバイアス層を設けてバイアス磁界２９を印加する場合に比べて、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄに印加されるそれぞれのバイアス磁界２９の強度・方向のばらつきを低減して、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄ同士の自由磁性層４７の磁化方向４７ａのばらつきを抑えることができる。
【００５４】
図７は、本実施形態の磁気センサにおいて、被測定磁界が傾いて作用したときの検出方法を示し、図７（ａ）は、本実施形態の第１の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図であり、図７（ｂ）は、本実施形態の第２の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図である。また、図７（ｃ）は、比較例の磁気センサにおける第１の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図であり、図７（ｄ）は、比較例の磁気センサにおける第２の磁気抵抗効果素子に作用する磁界を説明するための模式平面図である。
【００５５】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、外部の被測定磁界３０が固定磁性層４５の磁化方向４５ａに対して傾けて印加された場合を示す。比較例の磁気センサは、磁気抵抗効果素子２２１ａ及び磁気抵抗効果素子２２１ｂの自由磁性層の磁化方向（図７には省略して示す）が同じ方向に向けられている構成が異なる。図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示すように、磁気抵抗効果素子２２１ａ及び磁気抵抗効果素子２２１ｂに対してバイアス磁界２２９が同一方向に印加されている。
【００５６】
図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示すように、被測定磁界２３０が傾いて印加されており、バイアス磁界２２９は、被測定磁界２３０と平行なバイアス磁界の第１成分２２９ａを含む。このバイアス磁界の第１成分２２９ａは、バイアス磁界２２９に対してプラス方向に作用する。このため、磁気抵抗効果素子２２１ａ及び磁気抵抗効果素子２２１ｂのいずれも感度が低下する。また、被測定磁界２３０が１８０°逆にかかった場合、このバイアス磁界の第１成分２２９ａは、バイアス磁界２２９に対してマイナス方向に作用する。このため磁気抵抗効果素子２２１ａ及び磁気抵抗効果素子２２１ｂのいずれも感度が増加する。したがって、磁気抵抗効果素子２２１ａ、２２１ｂにより、図４に示す第１のハーフブリッジ回路５１と同様に構成すると、被測定磁界が傾いて印加されると傾かないときに比較して抵抗変化の形が変化し直線性が劣化し測定誤差が大きくなる。
【００５７】
これに対し、本実施形態の磁気センサ１０は、固定磁性層４５の磁化方向４５ａが逆方向に向けられるとともに自由磁性層４７の磁化方向４７ａが逆方向に向けられている。よって、磁気抵抗効果素子２１ａ及び磁気抵抗効果素子２１ｂに対してバイアス磁界２９は互いに逆方向に印加される。図７（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａにおいて、バイアス磁界の第１成分２９ａはバイアス磁界２９に対してプラス方向に作用するため、磁気抵抗効果素子２１ａの感度が低下する。また、図７（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子２１ｂにおいて、バイアス磁界の第１成分２９ａはバイアス磁界２９に対してマイナス方向に作用するため、磁気抵抗効果素子２１ｂの感度が増加する。したがって、図４に示す第１のハーフブリッジ回路５１において、磁気抵抗効果素子２１ａの感度が低下するとともに、磁気抵抗効果素子２１ｂの感度が増加する方向に変化する。そのため、第１のハーフブリッジ回路５１により、磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの出力感度の変化が相殺され、センサ出力の直線性の低下が抑制される。被測定磁界３０が１８０°逆にかかった場合も磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの出力感度の変化が相殺され、センサ出力の直線性の低下が抑制される。
【００５８】
なお、図７では第１のハーフブリッジ回路５１を構成する磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂについて示したが、第１のハーフブリッジ回路５１及び第２のハーフブリッジ回路５２を有するフルブリッジ回路５３が、基板１５に形成された場合であっても、同様の効果を奏する。２つのハーフブリッジ回路５１、５２のそれぞれにおいてセンサ出力の直線性の低下が抑制されるため、２つのハーフブリッジ回路５１、５２を有するフルブリッジ回路５３においてもセンサ出力の直線性の低下が抑制される。
【００５９】
＜実施例＞
図８（ａ）は実施例の磁気センサにおける被測定磁界の傾きとセンサ出力の線形性との関係を示すグラフであり、図８（ｂ）は比較例の磁気センサにおける被測定磁界の傾きとセンサ出力の線形性との関係を示すグラフである。また、図９は、センサ出力の線形性を説明するための模式的なグラフである。実施例の磁気センサは、第１の実施形態に示す磁気センサ１０と同様の構成であり、比較例の磁気センサは、磁気抵抗効果素子２２１ａ及び磁気抵抗効果素子２２１ｂ（図１０では図示しない）の自由磁性層の磁化方向が、同じ方向に向けられている構成が異なる。
【００６０】
図９に示すように、理想状態のセンサ出力５６は、被測定磁界の大きさに比例して直線的に変化する。これに対して実際のセンサ出力５８は、被測定磁界の傾き等に起因して理想状態のセンサ出力５６からずれた値を示し、完全に直線とはならない。図９に示すように、測定範囲におけるセンサ出力のレンジを「ＦＳ」として、測定範囲における最大被測定磁界における理想状態のセンサ出力５６と実際のセンサ出力５８との差を「ΔＶf」とする。図８に示す「線形性」は、［線形性］＝［ΔＶf］／［ＦＳ］×１００（％）で算出した値である。「線形性」の値が大きいほど、理想状態のセンサ出力５６に対する誤差が大きくセンサ出力の直線性が低下することを示している。
【００６１】
図８（ｂ）に示すように、バイアス磁界２２９を同一方向に印加した比較例の磁気センサにおいては、被測定磁界の傾きが大きくなるにしたがって線形性の値が増大しており、±２０°傾いたときに４％〜４．５％程度の線形性を示す。つまり、センサ出力の直線性が低下することを示している。これに対して、図８（ａ）に示すように、本実施例の磁気センサ１０は、被測定磁界の傾きが±２０°の範囲において線形性は０．３％以下に抑制されている。よって、本実施例の磁気センサ１０は、センサ出力の直線性の低下を抑制することが可能である。
【００６２】
以上のように、本実施例の磁気センサ１０は、被測定磁界３０の方向のずれに起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制するとともに、外部磁界によるバイアス磁界２９の方向の変化を防止して、自由磁性層４７の磁化方向４７ａを制御することが可能である。
【００６３】
図１０（ａ）は、実施例の磁気センサにおけるコイル磁場とヒステリシスとの関係を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、磁気センサの出力のヒステリシスを説明するためのグラフである。
【００６４】
実施例の磁気センサは、自由磁性層４７のヒステリシスのため、図１０（ｂ）に示すように、センサ出力のヒステリシスが発生する。また、外部から強磁場が印加された場合、自由磁性層４７が多磁区化してヒステリシスが増大してしまうという課題が生じる。
【００６５】
図１０（ａ）のグラフに示す［ヒステリシス］の値は、図１０（ｂ）に示すように、被測定磁界を１往復フルスケール（ＦＳ）で印加した場合のヒステリシスの大きさを示し、［ヒステリシス］＝［ΔＶh］／［ＦＳ］×１００（％ＦＳ）の式で算出した。
【００６６】
図１０（ａ）のグラフに示すように、コイル２７に流れる電流を大きくしてコイル磁場を大きくするにしたがって、自由磁性層に印加されるバイアス磁界２９が大きくなり、ヒステリシスが減少する傾向を示す。本実施例において、コイル磁場が２．７ｍＴ以上の範囲で、ヒステリシスをほぼ０とすることができる。ただし、コイル磁場を大きくするとセンサ感度が低下する傾向にある。本実施例の磁気センサでは、コイル２７に流れる電流を変えてコイル磁場を調整することにより、センサ感度を維持するとともに、ヒステリシスを低減して良好な検出精度を実現することができる。
【００６７】
また、外部から強磁場が印加され自由磁性層４７が多磁区化した場合には、コイル２７からパルス状の強い磁場を印加することにより、自由磁性層４７の磁区を単磁区に初期化（リセット）することができる。これにより、磁気センサ１０のヒステリシス低減することができる。なお、パルス状のコイル磁場を印加することによる自由磁性層４７の初期化（リセット）は、上述のセンサ検出と併用することができる。例えば、通常の外部磁界の検出時には、図１０（ａ）に示すような０．５ｍＴ〜２．０ｍＴ程度のコイル磁場を常時印加し、一定の周期で外部磁界の検出を中断して、パルス状の強いコイル磁場を印加することにより、自由磁性層４７の初期化を行うことができる。
【００６８】
＜第２の実施形態＞
図１１は、第２の実施形態の磁気センサ１１を示す。図１１は、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの上に形成されたコイルを除いた状態を示しており、本実施形態においても図１と同様に、各磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄの上にコイル２７が設けられている。図１１に示すように、本実施形態の磁気センサ１１は、第１のハーフブリッジ回路５１を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂが、Ｙ１側において隣り合って配置され、第２のハーフブリッジ回路５２を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄがＹ２側において隣り合って配置されている。
【００６９】
このような構成であっても、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの固定磁性層４５の磁化方向４５ａが互いに逆方向に向けられるとともに、自由磁性層の磁化方向４７ａが互いに逆方向に向けられている。よって、図７（ａ）、（ｂ）と同様に、磁気抵抗効果素子２１ａの感度変化と磁気抵抗効果素子２１ｂの感度変化とが相殺されて、センサ出力の直線性の低下を抑制することができる。
【００７０】
また、図１と同様にコイル２７を設けることで、コイル２７に電流を流すことでバイアス磁界２９を発生させて、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの自由磁性層４７に対して互いに逆方向にバイアス磁界２９を印加することができる。これにより、外部から強磁界が印加された場合であっても、１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの自由磁性層４７の磁化方向４７ａを互いに逆方向に向けることができる。
【００７１】
第２の実施形態の磁気センサ１１において、被測定磁界３０の方向のずれに起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制するとともに、外部磁界によるバイアス磁界２９の方向の変化を防止して、自由磁性層４７の磁化方向４７ａを制御することが可能である。
【００７２】
＜第３の実施形態＞
図１２は、第３の実施形態の磁気センサを示し、２つの磁気抵抗効果素子から構成されるハーフブリッジ回路の回路図である。第１の実施形態の磁気センサ１０及び第２の実施形態の磁気センサ１１は、４つの磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄでフルブリッジ回路５３を構成しているが、本実施形態の磁気センサ１２は、２つの磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂを有する１つのハーフブリッジ回路５１で構成されている点が異なる。この場合、アンプの入力端子で、磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの中点につながる端子（（＋）端子）と異なる（−）端子は、抵抗を介してＧＮＤ（接地）あるいは一定電圧につながれている。
【００７３】
本実施形態のように、１つのハーフブリッジ回路５１であっても被測定磁界を検出することが可能である。１つのハーフブリッジ回路５１を構成する１対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂを形成し、固定磁性層４５の磁化方向４５ａを互いに逆方向に向けるとともに、自由磁性層の磁化方向４７ａを互いに逆方向に向けるように配置することで、被測定磁界を検出することができる。図１２に示すように、被測定磁界が印加されたときの中点電位（Ｖ１）の変動が差動増幅器５４により増幅されて、センサ出力として出力される。
【符号の説明】
【００７４】
１０、１１、１２  磁気センサ
１５  基板
１６  絶縁層
２１ａ〜２１ｄ  磁気抵抗効果素子
２４、２５  仮想線
２７  コイル
２７ａ  コイル配線
２７ｂ、２７ｃ  直線部
２７ｄ、２７ｅ  湾曲部
２８ａ、２８ｂ  端子部
２９  バイアス磁界
２９ａ  バイアス磁界の第１成分
３０  被測定磁界
３１  素子部
３２  連結部
４３  磁気抵抗効果膜
４５  固定磁性層
４５ａ  固定磁性層の磁化方向
４７  自由磁性層
４７ａ  自由磁性層の磁化方向
５１  第１のハーフブリッジ回路
５２  第２のハーフブリッジ回路
５３  フルブリッジ回路
５４  差動増幅器
５６  理想状態のセンサ出力
５８  実際のセンサ出力
【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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