特許 6193212 シングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6193212

(24)【登録日】2017年8月18日

(45)【発行日】2017年9月6日

(54)【発明の名称】シングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20170828BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20170828BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/06 R

   H01L43/08 Z

   H01L43/08 B

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-502982(P2014-502982)

(86)(22)【出願日】2012年5月23日

(65)【公表番号】特表2014-515470(P2014-515470A)

(43)【公表日】2014年6月30日

(86)【国際出願番号】CN2012075956

(87)【国際公開番号】WO2012136158

(87)【国際公開日】20121011

【審査請求日】2015年1月23日

(31)【優先権主張番号】201110315913.9

(32)【優先日】2011年10月18日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】514116947

【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000040

【氏名又は名称】特許業務法人池内・佐藤アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】ディーク、ジェイムス ジーザ

(72)【発明者】

【氏名】ジン、インシク

(72)【発明者】

【氏名】レイ、シャオフォン

(72)【発明者】

【氏名】シェン、ウェイフォン

(72)【発明者】

【氏名】シュエ、ソンシュン

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０６４６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１３４１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１６３４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１５２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２３５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５３３１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２５７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４８０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１１１６４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−１９０８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７１７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１２８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０８４４３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６８２２４４３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開平０５−２８１３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３３４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３４５４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２２７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１３７８０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに直交する２つの感知軸であるＸ軸およびＹ軸と、
前記Ｙ軸に沿った感知方向を有し、基準素子と、前記基準素子よりも感度が高い感知素子とを含む基準ブリッジセンサと、
前記Ｘ軸に沿った感知方向を有し、感知素子のみを含むプッシュプルブリッジセンサとを含み、
前記基準ブリッジセンサと前記プッシュプルブリッジセンサとが、同一の基板上に配置され、
異なる種類のブリッジが直交方向に感度を有し、
前記基準ブリッジセンサはフルブリッジセンサであり、前記プッシュプルブリッジセンサはフルブリッジセンサであり、
バイアス磁場を作り出すために永久磁石をさらに含み、
前記永久磁石のバイアス磁場と、前記基準フルブリッジセンサの感知素子および基準素子の形状異方性との組み合わせには、前記基準フルブリッジセンサの感知素子および基準素子の感度を異ならせる作用があり、また、前記永久磁石のバイアス磁場と、前記プシュプルフルブリッジセンサの感知素子の形状異方性との組み合わせには、前記プシュプルフルブリッジセンサの感知素子の自由層の磁化方向を規定する作用があり、
前記永久磁石のバイアス磁場は、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に対して４５°の角度となるように配列されている、シングルチップ型２軸磁界センサ。

【請求項2】

前記基準ブリッジセンサの基準素子の感度を下げるために、前記基準ブリッジセンサの基準素子を覆う遮蔽体をさらに含み、前記遮蔽体は、磁気透過性が高い軟質の強磁性材料からなる、請求項１に記載のシングルチップ型２軸磁界センサ。

【請求項3】

前記基準ブリッジセンサの感知素子の感度を高めるために、前記基準ブリッジセンサの感知素子の間および周りの領域に軟質の強磁性構造体をさらに含む、請求項１に記載のシングルチップ型２軸磁界センサ。

【請求項4】

互いに直交する２つの感知軸であるＸ軸およびＹ軸と、
前記Ｙ軸に沿った感知方向を有し、基準素子と、前記基準素子よりも感度が高い感知素子とを含む基準ブリッジセンサと、
前記Ｘ軸に沿った感知方向を有し、感知素子のみを含むプッシュプルブリッジセンサとを含み、
前記基準ブリッジセンサと前記プッシュプルブリッジセンサとが、同一の基板上に配置され、
異なる種類のブリッジが直交方向に感度を有し、
前記基準ブリッジセンサはハーフブリッジセンサであり、前記プッシュプルブリッジセンサはハーフブリッジセンサであり、
バイアス磁場を作り出すために永久磁石をさらに含み、
前記永久磁石のバイアス磁場と、前記基準ハーフブリッジセンサの感知素子および基準素子の形状異方性との組み合わせには、前記基準ハーフブリッジセンサの感知素子および基準素子の感度を異ならせる作用があり、また、前記永久磁石のバイアス磁場と、前記プシュプルハーフブリッジセンサの感知素子の形状異方性との組み合わせには、前記プシュプルハーフブリッジセンサの感知素子の自由層の磁化方向を規定する作用があり、
前記永久磁石のバイアス磁場は、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に対して４５°の角度となるように配列されている、シングルチップ型２軸磁界センサ。

【請求項5】

前記基準ブリッジセンサの基準素子の感度を下げるために、前記基準ブリッジセンサの基準素子を覆う遮蔽体をさらに含み、前記遮蔽体は、磁気透過性が高い軟質の強磁性材料からなる、請求項４に記載のシングルチップ型２軸磁界センサ。

【請求項6】

前記基準ブリッジセンサの感知素子の感度を高めるために、前記基準ブリッジセンサの感知素子の間および周りの領域に軟質の強磁性構造体をさらに含む、請求項４に記載のシングルチップ型２軸磁界センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁界センサブリッジ、特にシングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気センサは、これらに限定されないが磁界の強度、電流、位置、動き、向きなどを含む物理パラメータを測定または検出するために、現代のシステムにおいて幅広く使用されている。先行技術においては、磁界や他のパラメータを測定するための数多くの様々な種類のセンサが存在する。しかしながら、それらの全てには、例えば、サイズが大きすぎる点、感度および／またはダイナミックレンジが不十分である点、コスト、信頼性、および他の要因といった当該技術で公知な様々な問題がある。そのため、改良型の磁気センサ、特に、半導体装置や集積回路の一体化が容易にできるセンサおよびその製造方法に対するニーズが継続的にある。

【0003】

磁気トンネル接合（ＭＴＪ,Magnetic Tunnel Junction）センサには、高感度、小型、低コスト、および低電力消費といった利点がある。ＭＴＪセンサは標準的な半導体製造プロセスと互換性があるが、歩留まりが十分で且つ安価に高感度のセンサを製造する方法の開発は十分なされていない。特に、ＭＴＪセンサの磁気応答のオフセットに起因する歩留まりの問題や、ＭＴＪ素子を組み合わせてブリッジセンサを形成する際にＭＴＪ素子の磁気抵抗応答をマッチングさせることの難しさは、困難な問題であることが分かっている。同様に、単一の半導体基板に集積された２軸磁界センサの製造方法も難しいことが分かっている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、標準的な半導体プロセスを利用した、２軸リニアセンサチップの大量生産方法を開示する。この２軸センサは、磁界の直交成分を感知する２つの異なる磁気センサブリッジを形成するために、同一の半導体基板に配置されたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を使用し得る。２軸感知能力は、センサの形状によって左右される。永久磁石によってセンサがより安定するため、永久磁石はウエハレベルで、またはパッケージング後に初期化され得る。永久磁石バイアス式ブリッジは、同じ方向に初期化された感知素子および基準素子の固定層を用いるため、複数の磁気材料層の積層または局所的な磁気アニーリングといった特別な処理を必要としない。

【0005】

本発明は、シングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサを開示する。この磁界センサは、Ｙ軸に沿った感知方向を有する基準ブリッジセンサと、Ｘ軸に沿った感知方向を有するプッシュプルブリッジセンサとを含み、Ｘ軸とＹ軸は相互に直交している。

【0006】

基準ブリッジセンサは、基準素子と感知素子とを含む基準フルブリッジセンサであり、プッシュプルセンサは、感知素子のみを含むフルブリッジであることが好ましい。

【0007】

また、シングルチップ型２軸センサは、基準フルブリッジセンサの基準素子と感知素子の感度を異ならせるために、基準ブリッジの基準素子と感知素子に対して異なるバイアス磁界をもたらすのに用いられ、プッシュプルフルブリッジセンサの感知素子の自由層の磁化方向にバイアスをかけるためにも用いられる永久磁石をさらに含む。

【0008】

さらに、基準フルブリッジセンサの感知素子と基準素子は、それらの感度が異なるように異なった形状異方性を有し、プッシュプルフルブリッジセンサの感知素子は、当該感知素子の自由層の磁化方向を制御する形状異方性を有する。

【0009】

あるいは、基準ブリッジセンサは、基準素子と感知素子とを含む基準ハーフブリッジセンサであり、プッシュプルセンサは、感知素子のみを含むハーフブリッジである。

【0010】

また、シングルチップ型２軸磁界センサは、基準ハーフブリッジセンサの基準素子と感知素子の感度を異ならせるために、基準ハーフブリッジの基準素子と感知素子に対して異なるバイアス磁界をもたらすのに用いられ、プッシュプルハーフブリッジセンサの感知素子の自由層の磁化方向にバイアスをかけるためにも用いられる永久磁石をさらに含む。

【0011】

また、基準ハーフブリッジセンサの感知素子と基準素子は、それらの感度が異なるように異なった形状異方性を有し、また、プッシュプルハーフブリッジセンサの感知素子は、当該感知素子の自由層の磁化方向を制御する形状異方性を有する。

【0012】

基準ブリッジセンサは、基準アームと感知アームとを含むことが好ましい。

【0013】

さらなる最適化として、前記基準アームは、その基準素子の感度を下げるために当該基準素子を覆う遮蔽体を含み、この遮蔽体は、磁気透過性が高い軟質の強磁性材料からなる。

【0014】

基準ブリッジの感知素子は、当該感知素子の感度を高めるために、当該感知素子の間および周りの領域に軟質の強磁性構造体をさらに含むことが好ましい。

【0015】

上記の本発明の好ましい改良点の全てを統合して、低コストでシングル半導体チップにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は磁気トンネル接合の概略図である。

【図2】図２は、基準層の磁化が負のＨ方向を向いているスピンバルブ感知素子の磁気抵抗応答の概略図である。

【図3】図３は、いくつかの磁気トンネル接合部を一つにまとめて磁気抵抗感知素子として用いるための手法の図である。

【図4】図４は、基準フルブリッジリニア磁気抵抗センサの概略図である。

【図5】図５は、クロスバイアス磁界をもたらすために、永久磁石構造を用いる基準フルブリッジセンサの図である。

【図6】図６は、基準センサブリッジの感知方向が固定層の磁化の設定方向と平行であることを示す図である。

【図7】図７は、感知方向に垂直な磁界成分に対する基準ブリッジの感知素子の応答を示す。

【図8】図８は、基準フルブリッジ磁気抵抗センサの例示的な伝達曲線を示す。

【図9】図９は、プッシュプルフルブリッジリニア磁気抵抗センサの概略図である。

【図10】図１０は、平衡磁化が、固定層の磁化方向である軸に垂直に印加された磁界の成分に対して回転されているプッシュプルセンサブリッジの感知方向を示す図である。

【図11】図１１は、固定層の磁化方向と平行に並んだ磁界に対するプッシュプルブリッジの応答を示す図である。

【図12】図１２は、固定層の磁化方向に対して垂直に並んだ磁界に対するプッシュプルブリッジの応答を示す図である。

【図13】図１３は、プッシュプルフルブリッジ磁気抵抗センサの例示的な伝達曲線を示す。

【図14】図１４は、永久磁石の磁化が４５°で並んでいる場合の永久磁石のバイアス磁界の方向を示す図である。

【図15】図１５は、永久磁石の磁化が０°で並んでいる場合の永久磁石のバイアス磁界の方向を示す図である。

【図16】図１６は、モノリシックな２軸磁界センサを製造するために、基準フルブリッジセンサとプッシュプルフルブリッジセンサの両方を用いたチップのイメージ配置図である。

【発明の詳細な説明】

【0017】

磁気トンネル結合：
図１は、ＭＴＪ素子における機能層の概略断面図を示す。通常、ＭＴＪ１は、上部強磁性または合成反強磁性（Synthetic Antiferromagnetic, ＳＡＦ）層１０、または下部強磁性またはＳＡＦ層１１のいずれか、および２つの強磁性層の間にトンネルバリア層１２を含む。この例では、上部強磁性またはＳＡＦ層１０は、その磁化が外部から印加される磁界に応じて移動するため自由磁気層からなる。しかしながら、下部強磁性またはＳＡＦ層１１は、その磁化の方向が１つの方向に固定されており、通常の動作状態では分極方向が変化しないため固定磁気層である。通常、ピニングは、強磁性またはＳＡＦ固定層を、反強磁性層１３の上で、またはその真下で成長させることによって実現される。多くの場合、ＭＴＪは導電性のシード層１４上に生成され、導電層１５によってその頂上が覆われている。シード層１４とキャップ層１５との間で測定したＭＴＪの抵抗１６は、自由層１０と固定層１１の磁化の相対配向を表すものである。上部強磁性またはＳＡＦ層１０における磁化方向が、下部強磁性層１１における磁化方向と平行な場合、抵抗１６はセル全体に渡り低抵抗状態にある。上部強磁性層１０における磁化方向が、下部強磁性層１２における磁化方向と逆平行の場合、抵抗１６はセル全体に渡り高抵抗状態にある。当該技術で公知な手法を用いて、ＭＴＪ１の抵抗が、印加磁界に応じて高抵抗状態と低抵抗状態の間で直線的に変化するようにできる。

【0018】

磁界のリニア測定に適したＧＭＲまたはＭＴＪ磁気センサ素子の磁気抵抗伝達曲線の一般的な形状を図２に模式的に示す。当該伝達曲線は、低抵抗値Ｒ_L（２１）、高抵抗値Ｒ_H（２２）のそれぞれで飽和状態になる。Ｒ_Lでは、固定層と自由層の磁化方向は並んでおり（２８）、Ｒ_Hでは、固定層と自由層の磁化方向は逆平行である（２９）。飽和点の間の領域では、伝達曲線は印加磁界Ｈに線形に従属している。多くの場合、伝達曲線は、Ｈ＝０の点に関して対称形をしていない。通例、飽和磁界２６、２７は、Ｒ_Lの飽和領域がＨ＝０の点に近くなるように、Ｈ₀（２５）の量だけオフセットされている。Ｈ₀（２５）の値は、「オレンジピール(Orange Peel)」または「ニールカップリング(Neel Coupling)」と呼ばれることが多く、その範囲は一般的に１〜２５Ｏｅである。この値は、ＧＭＲおよびＭＴＪ構造内の強磁性フィルムの粗さに関係し、材料や製造方法によって左右される。不飽和領域において、伝達曲線は、下記のように近似され得る。

【0019】

【数1】

【0020】

ホイートストンブリッジを形成するには、図３に示すようにＭＴＪ素子１を鎖状に相互接続することが望ましい。これらの鎖によってノイズが低減し、センサの堅牢性が改善する。鎖が長い場合は、当該鎖の接合部の数により各ＭＴＪ素子に対するバイアス電圧が減少する。これにより大きな電圧出力を生成するのに必要な電流が少なくなるため、ショットノイズが低減し、また、各センサが受ける電圧ストレスが減少することから、センサの静電気放電による破損に対する耐性が向上する。さらに、前記鎖におけるＭＴＪの数を増やし、個々のＭＴＪ素子の互いに相関関係にないランダムな振る舞いを平均化することによりノイズが減少する。

【0021】

２つの異なる種類のフルブリッジセンサは、ニールカップリングを補償し、固定層１１の磁化に平行および垂直な磁界に対する感応性を提供する。これらを基準ブリッジ、回転磁化ブリッジと呼ぶ。先ず、基準ブリッジと回転磁化ブリッジを説明し、次に、それらを組み合わせてモノリシックな２軸センサにする方法を説明する。

【0022】

図４は、基準ブリッジセンサの概略図を示す。ここで、２つのセンサ素子は、印加磁界に強く従属した伝達曲線を有する。これらの素子４０、４１を感知アームと呼ぶ。別の２つのセンサ素子４２、４３は、印加磁界への従属が弱い伝達曲線を有する。これらの素子４２、４３を基準アームと呼ぶ。さらに、センサは、基板上に配置した時、電圧バイアス（Ｖ_bias、４４）用のパッド、アース（ＧＮＤ、４５）、および２つのハーフブリッジ中間タップ（Ｖ１、４６、Ｖ２、４７）に接触している必要がある。中間タップにおける電圧は、下記のように与えられる。

【0023】

【数2】

【0024】

ブリッジセンサの出力は下記のように定義される。

【0025】

【数3】

【0026】

Ｈが下記の条件を満たす場合、前記出力は線形になる。

【0027】

【数4】

【0028】

「＜＜」が等級（order of magnitude）を表すとした場合、下記のようになる。

【0029】

【数5】

【0030】

ブリッジセンサを構築する上で、ブリッジの感知腕および基準腕の相対感度を設定するのに用いる方法は考慮すべき重要な点である。磁気抵抗素子の感度は、印加磁界の関数である抵抗の変化として定義される。これは下記のように表され得る。

【0031】

【数6】

【0032】

感知腕に対して基準腕の磁気抵抗を減らすのは実際的ではない。そのため、Ｈ_Sを変更することによって、感度を最も容易に調整できる。これは下記の様々な手法の１つまたはいくつかの組み合わせによって実現してもよい。

【0033】

遮蔽：ここでは、印加磁界を減衰させるために、ブリッジの基準腕の上に透過性の高い強磁性板を配置している
形状異方性の安定化：基準ＭＴＪ素子と感知ＭＴＪ素子の大きさは異なっており、それ故に形状異方性も異なっている。最も一般的な方法は、感知ＭＴＪ素子に対してよりも基準ＭＴＪ素子に対して、感知軸に平行な方向における反磁場係数がはるかに大きくなるように、基準ＭＴＪ素子を感知ＭＴＪ素子よりも長く且つ細くすることであろう
交換バイアス：この手法では、ＭＴＪ素子の自由層を隣接する反強磁性層または永久磁石層に交換連結させることによって、感知軸に平行な方向に有効磁界が作られる。交換バイアスの強度を低減するために、自由層と、自由層がバイアスを交換する層との間に、ＣｕまたはＴａなどの物質からなる薄いスペーサー層を設置することが望ましい場合がある。

【0034】

例示的な層シーケンスとしては、下記が挙げられる。

【0035】

ａ．シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／スペーサー／ＡＦ２／キャップ．．．
ｂ．シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／スペーサー／ＰＭ／キャップ．．．
ｃ．シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／ＡＦ２／キャップ．．．
ｄ．シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／ＰＭ／キャップ．．．。

【0036】

ここで、ＡＦ１およびＡＦ２は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎなどの反強磁性材料である。ＦＭは、強磁性層、またはこれらに限定されないがＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、およびＮｉＦｅＣｏを含む多くの様々な強磁性合金となり得るものからなる多重層を表すのに用いられる。バリアは、スピン偏極トンネルとの互換性がある任意の絶縁材料であり得る。概して、スペーサーは非磁気層であり、多くの場合、Ｔａ、ＲｕまたはＣｕの薄層である。ＦＭ２によって自由層上にもたらされる交換バイアス磁界に垂直な方向にＦＭ／Ｒｕ／ＦＭの固定層を設定することができるようにするため、別々の反強磁性層ＡＦ１およびＡＦ２は、ＡＦ２の遮蔽温度(Blocking Temperature)がＡＦ１の遮蔽温度よりも低くなるように選択されるのが一般的である。

【0037】

磁界バイアス：この手法では、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、およびＰｔの合金などの永久磁石材料を、センサ基板上に、またはＭＴＪの積層物中に配置し、ＭＴＪ素子の伝達曲線にバイアスをかける迷磁場を生成するのに用いられる。永久磁石によるバイアスの利点は、ブリッジの製造後に、大きな磁界を用いて永久磁石を初期設定することができるという点である。非常に重要なさらなる利点は、ＭＴＪセンサ素子の応答を安定させ、且つそれを線形化するために、ＭＴＪセンサ素子から分域を取り除くのにバイアス磁界を用いることができるという点である。これらの利点によって、下記で説明する変種を製造できるよう設計に対して調整を加える際に、大きな柔軟性が得られる。階層状の設計の場合、下記の模式的な層シーケンスを取ることが可能である：
シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／薄スペーサー／ＰＭ／キャップ．．．。

【0038】

他の手法としては、バイアス磁石を、ＭＴＪ素子と並列に用いることが挙げられる。

【0039】

【数7】

【0040】

Ｈ_crossを規定するための好ましい方法を図５に示す。ここで、磁気抵抗基準センサ５０は、２つの広幅の磁石５１の間にある狭い隙間に位置している。この配列によって、基準センサを、印加磁界に対して比較的感応性がないものにする大きなクロスバイアス磁界５２が生成される。ＭＴＪ感知素子５３は、比較的細く且つ長い永久磁石５４の間にある広幅の隙間に位置しており、これによって弱いクロスバイアス磁界５５が生成される。予想されるように、弱いクロスバイアス磁界５５によって、ＭＴＪ感知素子の感度が高くなる。ＭＴＪ基準素子とＭＴＪ感知素子は、図４に示したものと同様な形で配列され、ホイートストンブリッジを形成している。永久磁石は５６の方向に初期設定されており、固定層は、永久磁石に垂直な、５７の方向に設定されている。

【0041】

基準ブリッジセンサ配列の簡易な分析から、センサは、図６および図７に示すＭＴＪ固定層の磁化方向５７に平行な軸に沿って印加された磁界に対する感応性があることが分かる。

【0042】

図６に示すように、ここで、ＭＴＪ感知素子６０は、固定層の磁化が設定されている方向５７に平行な磁界６１に晒されている。その磁化に垂直な成分を印加磁界６１が有しているため、自由層の磁化方向６４は印加磁界６１の方向に回転する。固定層の磁化方向５７に対して自由層の磁化方向が回転するため、ＭＴＪ感知素子６０の抵抗が変化する。

【0043】

図７は、磁界６５を、ＭＴＪ６７の長軸６６に平行に印加した場合を示す。自由層の磁化方向６８に垂直な成分が磁界６５にはないため、Ｘ軸６６に沿って並んでいる自由層の磁化方向６８は回転力を受けていない。そのため、感知素子６７の抵抗は、固定層の磁化方向５７に垂直なｘ軸６６に沿って印加された磁界に対応して変化しない。そのため、この基準ブリッジの設計では、固定層の磁化方向５７に平行な軸に沿って印加された磁界に対してのみ感応性がある。なお、永久磁石６９のバイアスを用いる場合、その磁化は主に、固定層の磁化方向５７に垂直な方向に設定される。

【0044】

図８は、基準ブリッジセンサの例示の伝達曲線７０を示す。なお、固定層の磁化方向に沿って印加された磁界Ｈｙ（７１）は正から負に傾斜しているため、伝達曲線は負のピーク７３および正のピーク７２を経験する。７２および７３の間において、伝達曲線７０は印加磁界７１の広い範囲に渡って直線的である。

【0045】

プッシュプルブリッジセンサ：
プッシュプルブリッジセンサは、下記の感知素子の自由層にバイアスをかけるための方法の任意のもの、またはそれらを組み合わせることで構築可能である。

【0046】

形状異方性エネルギー：ＭＴＪ素子は、磁気異方性エネルギーを用いて自由層の磁化の方向を設定することができる。これは、通例、ＭＴＪにおいて長さが幅よりも大きくなるように設定し、磁化が長方向に沿って並ぶようにすることで実現される
永久磁石バイアス：自由層の磁化の方向に並ぶバイアス磁界を生成可能な永久磁石がＭＴＪの近傍に配置され得る
オンチップコイル：導電性コイルを加工して、それをＭＴＪの上または下の層としてもよく、電流がそれを流れて磁界を生成し、それにより自由層の磁化の方向にバイアスをかけることができる
ニールカップリング：ニールカップリングからのオフセット磁界を用いて、自由層の方向にバイアスをかけてもよい。

【0047】

交換バイアス：この方法では、ＭＴＪ素子の自由層が、近隣の反強磁性層に弱く交換連結され、効果が形成される。交換バイアスの強度を弱めるために、ＣｕまたはＴａ層を自由層と反強磁性層との間に設置してバイアス磁界の強度を設定することができる。

【0048】

具体例については、シングルチップブリッジセンサ（中国特許出願ＣＮ２０１１２００９７０４２．３）を参照されたい。

【0049】

図９は、プッシュプルブリッジセンサの概略図を示す。ここで、印加磁界によって２つのセンサ素子Ｒ１２（８０）およびＲ２１（８１）の抵抗が増加し、他方の２つのセンサ素子Ｒ１１（８２）およびＲ２２（８３）の抵抗が低下するように、２つのセンサＲ１２およびＲ２１は、センサＲ２２およびＲ１１に対して回転されている。これによってブリッジの出力が２倍になる。印加磁界の方向を逆にすることで応答が変化するため、Ｒ２２とＲ１１の対の抵抗が増加する一方、Ｒ２１およびＲ１２の対の抵抗は低下する。応答は依然として２倍となるが、出力の極性は変化する。ブリッジの応答を高めるために、測定磁界に対する応答が反対のセンサ対（一方がプッシュで他方がプル）を用いることが、本ブリッジが「プッシュプル」と呼ばれる理由である。

【0050】

中間タップにおける電圧は下記のように与えられる。

【0051】

【数8】

【0052】

ブリッジセンサの出力は下記のように定義される。

【0053】

【数9】

【0054】

プッシュプル配列において、異なる素子についてのＭＴＪ応答は下記のように近似され得る。

【0055】

【数10】

【0056】

回転磁化プッシュプルブリッジの主な特徴を説明するために、回転ＭＴＪ素子とまっすぐな永久磁石バイアス構造を用いた設計について述べる。他の実施形態、特にバイアスを伴わないものは二軸センサへの統合がより容易である。

【0057】

図１０に概略イメージを示す。ここで、永久磁石バー９０の磁化は、ピニング軸の方向９１に沿って並んでいる。そのため、永久磁石バー９０は、ＭＴＪ素子９２および９３にバイアス磁界を提供し、それによってＭＴＪ素子９２および９３の自由層の磁化方向の全てが、ピニング方向９１に沿って並んだ共通の成分を有することになる。磁化を揃えるためにバイアス磁界を使用することに加え、ＭＴＪ素子９２は、ピニング方向９１に対して＋４５°回転されており、ＭＴＪ素子９３はピニング方向９１に対して−４５°回転されている。

【0058】

プッシュプルの動作原理を図１１および図１２に示す。

【0059】

図１１は、印加磁界６１がピニング方向の軸５７に平行である場合を示す。この場合、素子９２、９３の磁化１０１、１０２の双方は、ピンド方向に平行または逆平行のいずれかの方向に向かって同じ量回転する。応答によって、素子９２、９３の抵抗が同じ量変化する。これは共通モードであり、ブリッジセンサの出力は変化しない。そのため、ブリッジには、ピニング軸５７に平行または逆平行に並ぶ磁界成分に対する感応性がない。

【0060】

しかしながら、図１２に示すように、印加磁界６５がピニング方向５６に垂直である場合、素子９２、９３の抵抗はさらなる変化を呈する。この場合、磁化１０４、１０５は、印加磁界６５に平行な磁化の成分を形成するように回転する。これによって、素子９３の磁化はピニング方向５７から離れる方向に回転し、素子９２の磁化はピニング方向５７に向かって回転する。そのため、ＭＴＪ９３の抵抗は増加し、ＭＴＪ９２の抵抗は低下する。抵抗の変化は、この時に既に共通モードではなく、それらはブリッジの出力に加わる。垂直の印加磁界６５の方向を逆にすることによっても同様に、素子９３の抵抗が低下し、素子９２の抵抗が増加し、ブリッジ出力の極性が変化する。

【0061】

【数11】

【0062】

この式（１８）は基準ブリッジの感度に近いため、設計は、基準ブリッジと同じ基板を使用する場合と互換性があるものになる。

【0063】

プッシュプルブリッジの例示の伝達曲線１１０を図１３に示す。なお、固定層の方向に対して垂直に印加された磁界Ｈｘ（１１１）は、正から負に傾斜しているため、伝達曲線は負のピーク１１２および正のピーク１１３を経験する。１１２と１１３の間では、伝達曲線１１０は直線である。この応答は、感知軸が回転してないという点以外は基準ブリッジの応答と同一である。この観測は、ＧＭＲまたはＭＴＪ磁界感知素子からなる基準磁化ブリッジおよび回転磁化ブリッジを用いたモノリシックな２軸ブリッジ磁界センサの開発を可能にする。基準ブリッジおよび回転ブリッジのピニング方向は共通しているため、バイアス磁界を使用しない２軸設計は単純明快である。そのため、下記の説明では永久磁石のバイアスを使用した場合を想定している。

【0064】

シングルチップ型２軸センサの設計：
永久磁石からの磁界は、図１４および図１５に示す磁化の境界の状態により永久磁石板の端部で形成される名目上の磁気に起因するものと考えられる。磁気は、永久磁石スラブの端部の向きに対する残留磁化「Ｍ_r」の大きさおよび向きによって変化する。

【0065】

【数12】

【0066】

これらの名目上の磁気は、下記に従って磁界を生成する。

【0067】

【数13】

【0068】

永久磁石スラブ１２０と１２２の間では、磁界の方向は、永久磁石スラブの残留磁化の方向ではなく、前記磁気の位置によって決まる。バイアス磁界１２１および１２３の大きさのみが、永久磁石スラブの磁化１２０および１２２の向きによって決まる。この手法によって、永久磁石バイアス式二軸磁界センサを構成することができる。

【0069】

図１６は、永久磁石バイアス式二軸磁界センサの概略イメージを示す。プッシュプルブリッジ１３０と基準ブリッジ１３１の双方を、同一の基板上に並列に配置することが可能であり、同一の工程ステップを用いてそれらを同時に製造することができる。この設計では、プッシュプルブリッジ１３２の永久磁石バーは、基準ブリッジ１３３の永久磁石バーに対して９０°回転している。そして、永久磁石がピニング方向に対して４５°に設定されている場合、ブリッジセンサ１３０、１３１の双方において適切な永久磁石バイアスが得られる。プッシュプルブリッジ１３０は、Ｘ軸に沿った磁界１３４の成分に対する感応性があり、基準ブリッジ１３１は、Ｙ軸方向に沿った磁界１３４の成分に対する感応性がある。

【0070】

上記に示した概念を用いることで、シングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサを得ることができる。

【0071】

本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明に様々な変更を加えることができるのは当業者には明らかである。また、本発明は、本発明の変更および変種を含むことを意図するものである。そのような変更および変種は添付の請求項およびそれらの同等物の範囲に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】