(57)【要約】【課題】互いに抵抗温度係数異なる材料によって形成された複数の機能素子の間で、磁界検出時の温度変動による出力信号の変化を抑制し、正確に印加磁界を検出できると共に、小型、薄型化、低コスト化が可能な磁気デバイスを提供する。【解決手段】  機能素子ＡおよびＣの上には、機能素子ＡおよびＣ（磁気インピーダンス素子）を加熱するための加熱手段３３ａ，３３ｂが形成される。加熱手段３３ａ，３３ｂは、例えば帯状の磁性体３２Ａ，３２Ｃに重ねて形成されるヒータ線であればよい。こうした加熱手段３３ａ，３３ｂは、磁性体３２Ａ，３２Ｃの下側（基板側）に形成しても、また、磁性体３２Ａ，３２Ｃの上側に形成しても良い。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄがホイートストンブリッジ回路を成すように接続されてなる磁気デバイスであって、
前記機能素子ＢまたはＤを介して互いに接続される前記機能素子ＡおよびＣは、少なくとも帯状の磁性体を有する磁気インピーダンス素子または磁気抵抗素子であり、
前記機能素子ＢおよびＤは、少なくとも帯状の非磁性体を有する非感磁素子であり、
前記帯状の磁性体は長手方向に沿った方向を感磁方向とし、
前記機能素子ＡおよびＣを加熱する加熱手段、および前記機能素子ＡおよびＣのうち、少なくともいずれか一方の温度を検出する温度センサとを備えたことを特徴とする磁気デバイス。
【請求項２】
前記加熱手段は、少なくとも前記磁性体の形成領域においては、前記磁性体の長手方向と直交する方向に沿って通電されるヒータ線であることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記機能素子ＡおよびＣは、長手方向が互いに平行になるように複数の前記磁性体を所定の間隔を空けて並列させ、それぞれの前記磁性体の端部どうしを接続したメアンダ形状を成すことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記温度センサによって検出した温度と、前記機能素子Ａ，Ｃと前記機能素子Ｂ，Ｄとの間の抵抗温度係数の差に基づいて、磁界を印加しない状態での前記機能素子Ａ，Ｃと前記機能素子Ｂ，Ｄとの抵抗値が同一になるように、前記加熱手段を制御する温度補償回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁場を検出するための磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部磁場を検出して動作する磁気デバイス、例えば磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた磁気スイッチの一例として、図１に示すように、Ｘ方向に感度を有する２つの機能素子１２，１３と、Ｙ方向に感度を有する２つの機能素子１１，１４とをホイートストンブリッジ回路を成すように接続したものが知られている。こうした磁気スイッチは、ブリッジ電圧Ｖを図２に示すように比較器２１で判断し、所定の設定電圧を超えるとスイッチング動作を行う仕組みである。
【０００３】
ところが、ＭＲ素子には、印加磁界の方向と、素子の磁化容易軸の方向に角度差θがあると、抵抗の変化量が異なるという性質がある。このため、例えば図３に示すように磁界ＨがＸ方向ともＹ方向とも異なる方向で印加されたときのブリッジ電圧は、印加磁界をＸ方向とＹ方向のベクトル成分に分解して、Ｘ成分で印加されたときのブリッジ電圧と、Ｙ成分で印加されたときのブリッジ電圧とを合成した値となる。
【０００４】
例えば、印加磁界の大きさとブリッジ電圧との関係の一例を示した図４によれば、同じ２０（Ｏｅ）の大きさの磁界を印加した場合でも、印加角度が９０°の場合はブリッジ電圧が＋６ｍＶ、印加角度が０°の場合はブリッジ電圧が−６ｍＶ、印加角度が６０°の場合はブリッジ電圧が＋２ｍＶを示している。
【０００５】
このように、磁界の印加によるブリッジ電圧の大きさは、印加磁界の大きさのみならず印加角度にも依存しているので、磁界の印加角度によっては期待した磁界の大きさではスイッチング動作を行わない場合があった。
【０００６】
そこで、例えば、図１においてＸ方向に感度を有する２つの機能素子１２，１３と、Ｙ方向に感度を有する２つの機能素子１１，１４のうち、いずれか１組の機能素子を非磁性体で形成することによって、一方の方向（望まない方向）を向いた磁界に対する感度を無くした磁気デバイスも知られている。しかしながら、このようなＸ方向とＹ方向をそれぞれ検出する機能素子のうち、いずれか一方向の機能素子を非磁性体で形成すると、磁性体によって形成した機能素子との間で抵抗温度係数が異なってしまうため、印加された磁界を正しく検出できない虞があった。
【０００７】
このような、機能素子を構成する材料の違いに起因する抵抗温度係数の差を補うため、例えば、特許文献１には、磁性体からなる機能素子と抵抗値を合致させる調整用抵抗を、非磁性体からなる機能素子に接続した磁気デバイスが記載されている。
また、特許文献２には、感温性半導体を用いる事によって、機能素子を構成する材料の違いに起因する抵抗温度係数の差を無くした磁気デバイスが記載されている。
【特許文献１】特開平９−１３３５４９号公報
【特許文献２】特開昭６０−２５２２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された磁気デバイスでは、サイズの大きい抵抗を付加する必要があるため、磁気デバイスのサイズが大きくなり、小型、薄型化が困難になるという課題があった。また、特許文献２に記載された磁気デバイスでは、バナジウム酸化物などの特殊な金属酸化物を用いるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストも高くなってしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、互いに抵抗温度係数異なる材料によって形成された複数の機能素子の間で、磁界検出時の温度変動による出力信号の変化を抑制し、正確に印加磁界を検出できると共に、小型、薄型化、低コスト化が可能な磁気デバイス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】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の磁気デバイスは、４つの機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄがホイートストンブリッジ回路を成すように接続されてなる磁気デバイスであって、前記機能素子ＢまたはＤを介して互いに接続される前記機能素子ＡおよびＣは、少なくとも帯状の磁性体を有する磁気インピーダンス素子または磁気抵抗素子であり、前記機能素子ＢおよびＤは、少なくとも帯状の非磁性体を有する非感磁素子であり、前記帯状の磁性体は長手方向に沿った方向を感磁方向とし、前記機能素子ＡおよびＣを加熱する加熱手段、および前記機能素子ＡおよびＣのうち、少なくともいずれか一方の温度を検出する温度センサとを備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の磁気デバイスは、請求項１において、前記加熱手段は、少なくとも前記磁性体の形成領域においては、前記磁性体の長手方向と直交する方向に沿って通電されるヒータ線であることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の磁気デバイスは、請求項１または２において、前記機能素子ＡおよびＣは、長手方向が互いに平行になるように複数の前記磁性体を所定の間隔を空けて並列させ、それぞれの前記磁性体の端部どうしを接続したメアンダ形状を成すことを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の磁気デバイスは、請求項１ないし３いずれか１項において、前記温度センサによって検出した温度と、前記機能素子Ａ，Ｃと前記機能素子Ｂ，Ｄとの間の抵抗温度係数の差に基づいて、磁界を印加しない状態での前記機能素子Ａ，Ｃと前記機能素子Ｂ，Ｄとの抵抗値が同一になるように、前記加熱手段を制御する温度補償回路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、互いに直交する２方向の両方の成分を含む角度の磁界が加わった場合でも、４つの機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうち、機能素子ＢおよびＤを非磁性材料によって形成した非感磁素子とすることで、一方の方向を向いた磁界に対する感度を無くしている。これにより、望まない方向の磁界成分をキャンセルすることが可能になる。
【００１２】
そして、機能素子ＡおよびＣと機能素子ＢおよびＤとを互いに抵抗温度係数が異なる材料で形成しても、機能素子ＡおよびＣの抵抗値が、機能素子ＢおよびＤの抵抗値と同じになる温度まで、加熱手段によって加熱されるので、周囲の温度変化によらず、印加された磁界を常に正しく検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る磁気デバイスの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１４】
図５は、本発明の磁気デバイスの構成を示す平面図である。本発明の磁気デバイス３０は、例えば、基板３１の一面側３１ａに４つの機能素子Ａ〜Ｄを備えている。このうち、機能素子ＡおよびＣは、磁界によって電気抵抗が変化する磁気インピーダンス素子（ＭＩ）を構成している。また、機能素子ＢおよびＤは、磁界によって電気抵抗の変化を伴わない非感磁素子を構成している。これら、磁気インピーダンス素子を成す機能素子ＡおよびＣは、それぞれ非感磁素子を成す機能素子ＢまたはＤを介して互いに接続され、これら４つの機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによってホイートストンブリッジ回路Ｒを成している（図６参照）。
なお、機能素子ＡおよびＣは、磁気インピーダンス素子（ＭＩ）の代わりに、磁気抵抗素子であってもよい（以下、機能素子ＡおよびＣとして磁気インピーダンス素子の代わりに磁気抵抗素子を用いることができる）。
【００１５】
機能素子ＡおよびＣは、それぞれ多数の磁性体３２Ａ，３２Ｃを有している。この磁性体３２Ａ，３２Ｃは、それぞれが細長く延びる帯状を成し、これら多数の磁性体３２Ａ，３２Ｃは、長手方向が互いに平行になるように所定の間隔を空けて並列されている。そして、これら多数の磁性体３２Ａ，３２Ｃは、メアンダ形状（つづら折れ形状）を成すように、端部どうしが接続されている。多数の磁性体３２Ａ，３２Ｃを、このようなメアンダ形状（つづら折れ形状）にすることによって、機能素子ＡおよびＣは高感度に磁場を検出することが可能になる。
【００１６】
機能素子ＢおよびＤは、それぞれ多数の非磁性体３２Ｂ，３２Ｄを有している。この非磁性体３２Ｂ，３２Ｄも、磁性体３２Ａ，３２Ｃと同様にそれぞれが細長く延びる帯状を成し、これら多数の非磁性体３２Ｂ，３２Ｄは、長手方向が互いに平行になるように所定の間隔を空けて並列されている。そして、これら多数の非磁性体３２Ｂ，３２Ｄも、メアンダ形状（つづら折れ形状）を成すように、端部どうしが接続されている。
【００１７】
機能素子ＡおよびＣは、帯状の磁性体３２Ａ，３２Ｃの長手方向がＹ方向に沿って延びるように、基板３１の一面側３１ａに形成される。一方、機能素子ＢおよびＤは、帯状の非磁性体３２Ｂ，３２Ｄの長手方向が、Ｙ方向に対して直角を成すＸ方向に沿って延びるように、基板３１の一面側３１ａに形成される。これにより、機能素子ＡおよびＣは、Ｙ方向に沿って感磁方向が設定される。
【００１８】
機能素子ＡおよびＣの上には、機能素子ＡおよびＣ（磁気インピーダンス素子）を加熱するための加熱手段３３ａ，３３ｂが形成される。加熱手段３３ａ，３３ｂは、例えば帯状の磁性体３２Ａ，３２Ｃに重ねて形成されるヒータ線であればよい。こうした加熱手段３３ａ，３３ｂは、磁性体３２Ａ，３２Ｃの下側（基板側）に形成しても、また、磁性体３２Ａ，３２Ｃの上側に形成しても良い。
【００１９】
加熱手段３３ａ，３３ｂを成すヒータ線は、少なくとも磁性体３２Ａ，３２Ｃの形成領域においては、磁性体３２Ａ，３２Ｃの長手方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に沿って通電されるように形成されている。即ち、加熱手段３３ａ，３３ｂを成すヒータ線は、少なくとも磁性体３２Ａ，３２Ｃの形成領域においては、線状のヒータ線の延長方向が磁性体３２Ａ，３２Ｃの長手方向と直交する方向に沿って配線される。
【００２０】
更に、機能素子ＡおよびＣに重ねて、または近傍には、温度センサ３４ａ，３４ｂが形成されている。温度センサ３４ａ，３４ｂは、機能素子ＡおよびＣの温度を検出して温度信号として出力する。
【００２１】
図６は、図５に示した磁気デバイスの電気的な接続状態を簡単に示した回路図である。磁気インピーダンス素子を成す機能素子ＡおよびＣは、それぞれ非感磁素子を成す機能素子ＢまたはＤを介して互いに接続され、これら４つの機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによってホイートストンブリッジ回路を構成している。また、機能素子Ａ−Ｂ間，Ｃ−Ｄ間にはセンス電流が印加される（Ｖｃｃ，ＧＮＤ）。そして、機能素子Ａ−Ｃ間，Ｂ−Ｄ間から磁界の検出信号が出力される（Ｖ１，Ｖ２）。
【００２２】
また、加熱手段３３ａ，３３ｂおよび温度センサ３４ａ，３４ｂは、それぞれ温度補償回路３５に接続される。この温度補償回路３５は、温度センサ３４ａ，３４ｂによって検出した機能素子ＡおよびＣの温度が機能素子ＢおよびＤよりも低い時に、加熱手段３３ａ，３３ｂに通電して機能素子ＡおよびＣを加熱する。これにより、温度補償回路３５は、磁気インピーダンス素子を成す機能素子ＡおよびＣと、非感磁素子を成す機能素子ＢおよびＤとの抵抗値が同じになるようにする。
【００２３】
以上のような構成の本発明の磁気デバイス３０の作用を説明する。機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからなるホイートストンブリッジ回路Ｒに、例えば、パルス信号などのセンス電流を与えた状態で、図５中のＹ方向に向いた磁場が存在する場合、帯状の磁性体３２Ａ，３２Ｃからなる機能素子ＡおよびＣのインピーダンスが増大する。これにより、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１から出力されるパルスの波高値が減少し、反対にＯＵＴ２から出力されるパルスの波高値が増大する。なお、こうしたＯＵＴ１、ＯＵＴ２の取り出し位置は、図５に示した位置に限定されるものではなく、ホイートストンブリッジ回路の構成に応じて適切な位置に設定されれば良い。
【００２４】
また、図５中のＸ方向に向いた磁場が存在する場合、帯状の磁性体３２Ａ，３２Ｃからなる機能素子ＡおよびＣのインピーダンスが減少する。これにより、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ２から出力されるパルスの波高値が減少し、反対にＯＵＴ１から出力されるパルスの波高値が増大する。これにより、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１とＯＵＴ２からそれぞれリファレンス信号を得て、Ｘ方向の磁場強度と、Ｙ方向の磁場強度とを検出することができる。
【００２５】
そして、例えば、図５においてＸ方向とＹ方向の間で斜めに傾斜した角度、即ちＸ方向の成分とＹ方向の成分とを両方含む角度の磁界が磁気デバイス３０に加わった場合でも、４つの機能素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうち、機能素子ＢおよびＤを非磁性材料によって形成した非感磁素子とすることで、一方の方向（図５においてはＸ方向）を向いた磁界に対する感度を無くしている。これにより、例えば、磁気デバイス３０を磁気スイッチング素子として用いた時に、Ｘ方向とＹ方向の間で斜めに傾斜した角度の磁界が加わっても、望まない方向の磁界成分をキャンセルし、確実にスイッチング動作を行うことが可能になる。
【００２６】
このように、機能素子ＡおよびＣと機能素子ＢおよびＤとを互いに異なる材料、即ち、機能素子ＡおよびＣを磁性体３２Ａ，３２Ｃから構成し、機能素子ＢおよびＤを非磁性体３２Ｂ，３２Ｄから構成すると、互いの抵抗温度係数が異なっているため、このままでは周囲の温度の変化によって印加された磁界を正しく検出できない。
【００２７】
そこで、機能素子ＡおよびＣの温度をそれぞれ温度センサ３４ａ，３４ｂによって検出し、検出した温度情報（温度信号）を温度補償回路３５に入力する。温度補償回路３５は、入力された機能素子ＡおよびＣの温度情報に基づいて、機能素子ＡおよびＣの磁界が印加されない状態での抵抗値が、機能素子ＢおよびＤの抵抗値と同じになる温度まで、加熱手段３３ａ，３３ｂに通電を行い、機能素子ＡおよびＣを加熱させる。
【００２８】
一般的に、非磁性体の抵抗温度係数は、磁性体の抵抗温度係数より大きいため、加熱手段３３ａ，３３ｂを機能素子ＡおよびＣに重なる位置に形成し、磁気インピーダンス素子である機能素子ＡおよびＣを加熱するようにすればよい。
【００２９】
なお、機能素子ＢおよびＤを成す非磁性体の温度係数が、機能素子ＡおよびＣを成す磁性体の抵抗温度係数よりも小さい場合、機能素子ＢおよびＤ（非磁性体）と重なる位置に加熱手段（ヒータ線）をそれぞれ形成してもよい。この場合、加熱手段（ヒータ線）によって機能素子ＢおよびＤを加熱する構成となる。この場合も、加熱手段（ヒータ線）の長手方向と機能素子ＢおよびＤ（非磁性体）の長手方向とが互いに直交する構成でも、互いに平行する構成であってもよい。
【００３０】
このように、磁性体からなる機能素子ＡおよびＣの抵抗値を、非磁性体からなる機能素子ＢおよびＤの抵抗値と同じになる温度まで、機能素子ＡおよびＣを加熱手段３３ａ，３３ｂによって加熱する事により、機能素子ＡおよびＣと機能素子ＢおよびＤとを、互いに抵抗温度係数が異なる材料で形成しても、周囲の温度変化によらず、印加された磁界を常に正しく検出することが可能になる。
【００３１】
なお、温度補償回路３５は加熱手段３３ａ，３３ｂの通電量制御のために、予め実測しておいた機能素子ＡおよびＣの抵抗温度係数をＥＥＰＲＯＭ等の記憶領域に保存しておき、温度センサ３４ａ，３４ｂによって検出された温度情報とこの抵抗温度係数から、最適な通電量を算出し、加熱手段３３ａ，３３ｂを制御すれば良い。
【００３２】
そして、加熱手段３３ａ，３３ｂを成すヒータ線を、磁性体３２Ａ，３２Ｃの長手方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に沿って通電されるように形成することで、ヒータ線を流れる電流によって発生する磁界が、機能素子ＡおよびＣに影響を与えないようにすることができる。これにより、加熱手段３３ａ，３３ｂを機能素子ＡおよびＣにそれぞれ重ねて形成することが可能になり、磁気デバイス３０の小型化を図ることが可能になる。
【００３３】
以上のような本発明の磁気デバイスを構成する各部の具体例と、その製造方法を述べる。
まず、例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、または、これら合金からなる磁性体３２Ａ，３２Ｃを、所定のパターンで基板３１の一面側３１ａに成膜し、機能素子ＡおよびＣを形成する。基板３１は、例えば、シリコンウエハが挙げられる。また、磁性体３２Ａ，３２Ｃを所定のパターン（例えばメアンダ形状）にするには、例えば、フォトリソグラフィー法、メッキ法、スパッタリング法、およびこれらの組み合わせが好適である。
【００３４】
次に、例えばＣｒからなる非磁性体３２Ｂ，３２Ｄを、所定のパターンで基板３１の一面側３１ａに成膜し、機能素子ＢおよびＤを形成する。このとき、磁性体３２Ａ，３２Ｃと非磁性体３２Ｂ，３２Ｄは、基準となる温度において、抵抗が互いに等しくなるように設計する。例えば−２０℃から８５℃までの温度範囲を動作対象とするならば、−２０℃での電気抵抗を等しくする。
【００３５】
続いて、機能素子ＡおよびＣに重ねて加熱手段３３ａ，３３ｂを形成する。加熱手段３３ａ，３３ｂは、ヒータ線、例えばニクロム線であればよい。また、加熱手段３３ａ，３３ｂを成すヒータ線を所定のパターン（例えばメアンダ形状）にするには、例えば、フォトリソグラフィー法、メッキ法、スパッタリング法、およびこれらの組み合わせが好適である。こうした加熱手段３３ａ，３３ｂは、機能素子ＡおよびＣの上面でなく、下面に形成しても良い。
【００３６】
次に、機能素子ＡおよびＣに重ねて、または近傍に温度センサ３４ａ，３４ｂを形成する。温度センサ３４ａ，３４ｂの材料としては、例えば、Ｐｔが好ましい。温度センサ３４ａ，３４ｂの形成方法としては、例えば、フォトリソグラフィー法、メッキ法、スパッタリング法、およびこれらの組み合わせが好適である。
【００３７】
温度補償回路３５の動作設定にあたって、例えば、非磁性体としてＣｒの抵抗温度係数は２７００ｐｐｍ、磁性体としてパーマロイの抵抗温度係数は２６００ｐｐｍである。この値は、製造方法、ロットにより、多少のバラツキが見込まれるため、作製後に抵抗温度係数を実測することが望ましい。
【００３８】
例えば、０℃での抵抗がＣｒ、パーマロイとも１０００Ωであった場合、５０℃での抵抗は、それぞれ、１１３５Ω、１１３０Ωとなる。このとき、パーマロイの磁界に対する変化率は通常２から３％程度であり、抵抗換算では２２Ωとなる。ホイートストンブリッジ回路Ｒのバランスが保持できないならば、磁界に対する抵抗変化率は、温度に対する抵抗変化率のオフセット（５Ω）が付加された状態となる。
【００３９】
この状態で加熱手段３３ａ，３３ｂを用いて、機能素子ＡおよびＣの温度を２℃昇温させることにより、それぞれの抵抗値は１１３５Ω、１１３５．２Ωとなり、ホイートストンブリッジ回路Ｒのバランスを保つことが可能となり、磁界に対する抵抗変化のみを正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来の磁気デバイスに用いられる磁気抵抗ブリッジを示す模式図である。
【図２】従来の磁気デバイスを示すブロック図である。
【図３】磁気抵抗ブリッジに斜めから磁界が印加される様子を示す模式図である。
【図４】従来の磁気デバイスによるブリッジ電圧の角度依存性の一例を示すグラフである。
【図５】本発明に係る磁気デバイスの一例を示す平面図である。
【図６】本発明に係る磁気デバイスの電気的接続を簡単に示す回路図である。
【符号の説明】
【００４１】
３０  磁気デバイス、３１  基板、３２Ａ，３２Ｃ  磁性体、３２Ｂ，３２Ｄ  非磁性体、３３ａ，３３ｂ  加熱手段、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ  機能素子。
【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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