(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023155954
(43)【公開日】2023-10-24
(54)【発明の名称】磁気センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/09 20060101AFI20231017BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20231017BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20231017BHJP
H10N 50/80 20230101ALI20231017BHJP
A61B 5/242 20210101ALI20231017BHJP
【ＦＩ】
G01R33/09
G01R33/02 V
G01R33/02 R
H01L43/08 P
H01L43/02 Z
A61B5/242
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022065484
(22)【出願日】2022-04-12
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】クルカルニ プラバンジャン ディリプ
(72)【発明者】
【氏名】岩崎 仁志
(72)【発明者】
【氏名】中谷 友也
【テーマコード（参考）】
2G017
4C127
5F092
【Ｆターム（参考）】
2G017AA01
2G017AC07
2G017AD55
2G017BA05
4C127AA10
4C127EE01
5F092AA01
5F092AB01
5F092AC08
5F092BB03
5F092BB04
5F092BB05
5F092BB09
5F092BB10
5F092BB17
5F092BB22
5F092BB31
5F092BB42
5F092BB53
5F092BC07
5F092BC13
5F092BC42
5F092FA08
(57)【要約】
【課題】微弱な磁界が検出できる磁気センサを提供すること。
【解決手段】本発明の磁気センサは、第１の磁性層１０２、非磁性層１０３及び第２の磁性層１０４を順次積層した多層膜を有する磁気抵抗素子１０であって、通電枢軸部１０ｂと当該通電枢軸部１０ｂの通電方向（第１方向）と面内直交する方向（第２方向）の面内側縁に設けられ且つ前記通電方向に沿って絶縁または高抵抗の領域で隔てられた複数の側方翼部１０ａ、１０ｃとを備える磁気抵抗素子１０と、通電枢軸部１０ｂの面内直交する方向（第２方向）に沿った両側にそれぞれ配置した一対の磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂであって、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂは磁気抵抗素子１０の膜厚方向（第１、第２方向と直交する第３方向）に、側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる部位を有するものである。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の磁気センサは、第１の磁性層１０２、非磁性層１０３及び第２の磁性層１０４を順次積層した多層膜を有する磁気抵抗素子１０であって、通電枢軸部１０ｂと当該通電枢軸部１０ｂの通電方向（第１方向）と面内直交する方向（第２方向）の面内側縁に設けられ且つ前記通電方向に沿って絶縁または高抵抗の領域で隔てられた複数の側方翼部１０ａ、１０ｃとを備える磁気抵抗素子１０と、通電枢軸部１０ｂの面内直交する方向（第２方向）に沿った両側にそれぞれ配置した一対の磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂであって、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂは磁気抵抗素子１０の膜厚方向（第１、第２方向と直交する第３方向）に、側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる部位を有するものである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の磁性層、非磁性層及び第２の磁性層を順次積層した多層膜を有する磁気抵抗素子であって、通電枢軸部と、当該通電枢軸部の通電方向と面内直交する方向の面内側縁に設けられ且つ前記通電方向に沿って絶縁または高抵抗の領域で隔てられた複数の側方翼部とを備える前記磁気抵抗素子と、
前記通電枢軸部の面内直交方向に沿った両側にそれぞれ配置した一対の磁束収束磁性体層であって、前記磁束収束磁性体層は、前記磁気抵抗素子の膜厚方向に、前記側方翼部と重なる部位を有する、
磁気センサ。
前記通電枢軸部の面内直交方向に沿った両側にそれぞれ配置した一対の磁束収束磁性体層であって、前記磁束収束磁性体層は、前記磁気抵抗素子の膜厚方向に、前記側方翼部と重なる部位を有する、
磁気センサ。
【請求項2】
更に、前記磁束収束磁性体層は前記通電枢軸部とは重ならない状態の領域を有する、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項3】
前記側方翼部の形状について、前記側方翼部と前記通電枢軸部との接続部において通電方向に沿った長さをＬｆ、隣接する前記側方翼部と前記通電枢軸部との接続部における通電方向に沿った間隔をＬｇとするとき、
Ｌｇ＜Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項２に記載の磁気センサ。
Ｌｇ＜Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項4】
前記通電枢軸部と前記側方翼部の形状について、前記通電枢軸部の面内直交方向長をＷ、前記側方翼部の前記通電枢軸部との接続幅をＬｆ、前記側方翼部の面内直交方向に沿った長さをＷｆとするとき、
Ｌｆ＜Ｗ 且つ Ｌｆ＜Ｗｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項１乃至３の何れかに記載の磁気センサ。
Ｌｆ＜Ｗ 且つ Ｌｆ＜Ｗｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項１乃至３の何れかに記載の磁気センサ。
【請求項5】
前記通電枢軸部の幅をＷ、前記側方翼部の延伸長さをＷｆとするとき、
Ｗ＜Ｗｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項１乃至４の何れかに記載の磁気センサ。
Ｗ＜Ｗｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項１乃至４の何れかに記載の磁気センサ。
【請求項6】
前記磁束収束磁性体層と前記磁気抵抗素子との間の界面は、絶縁または高抵抗の領域で隔てられている、
請求項１乃至５の何れかに記載の磁気センサ。
請求項１乃至５の何れかに記載の磁気センサ。
【請求項7】
前記磁束収束磁性体層と前記磁気抵抗素子は、膜厚方向で接している請求項１乃至５の何れかに記載の磁気センサ。
【請求項8】
前記通電枢軸部の通電方向を挟んで複数設けられた一対の前記磁束収束磁性体層の間隔をｇ、前記通電枢軸部の幅をＷ、前記側方翼部の前記通電枢軸部との接続幅をＬｆとするとき、
Ｗ＋２Ｌｆ≦ｇ 且つＷｆ＞Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項７に記載の磁気センサ。
Ｗ＋２Ｌｆ≦ｇ 且つＷｆ＞Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有する、
請求項７に記載の磁気センサ。
【請求項9】
さらに、前記通電枢軸部と膜厚方向で重なるように設けられた交流通電配線を有する、
請求項１乃至８の何れかに記載の磁気センサ
請求項１乃至８の何れかに記載の磁気センサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は磁気センサに関する。
【背景技術】
【0002】
ピコテスラ（ｐＴ）級の超微小磁界を検出できる高感度磁気センサとして、検出磁界を磁気抵抗素子に収束・集中させるＭＦＣ（Magnetic Flux Concentrator）を利用したＴＭＲ、ＧＭＲセンサが着目されている。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant MagnetoResistance）素子の両側にＭＦＣの磁束を効率よくＧＭＲ部に収束させるために、ＧＭＲ素子の一部をＭＦＣに重ねた構成が提案されている（特許文献１参照）。このような磁気センサを用いた脳磁計が特許文献２で提案されている。また、ＭＦＣは、例えば特許文献３に開示されている。
【0003】
ＧＭＲ素子とＭＦＣの重ね部は、その間に絶縁層を挟んでＧＭＲ部のみにセンス電流を通電する。ＧＭＲ素子は長方形であり、ＧＭＲ素子幅方向に均一な電流分布である。そのためＧＭＲの幅方向では、どの場所でも均一な抵抗変化が発生する。その結果、ＧＭＲ幅内で感度分布は均一になる。
一方、重ね部では、ＧＭＲでなくＭＦＣ部に信号磁束が集中して、重ね部ＧＭＲの信号磁束流入は少なく磁界検出には寄与しない。
一方、重ね部では、ＧＭＲでなくＭＦＣ部に信号磁束が集中して、重ね部ＧＭＲの信号磁束流入は少なく磁界検出には寄与しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】ＷＯ２０１９／２３９９３３ 段落０００９、請求項４
【特許文献2】特開２０１８－４８８３２号公報
【特許文献3】米国特許第７３５８７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に開示された磁気センサでは、ＧＭＲ幅に比べてＭＦＣギャップ部（重ね部無のＧＭＲ領域に相当）を狭くできるのでＭＦＣギャップ部のＧＭＲ領域に効率よく信号磁束を収束・増大できる。しかし、信号磁界が殆ど通らない重ね部にもＧＭＲ電流が流れる。そのため、ギャップ部よりも重ね部を広げて効率力よくＧＭＲ部に磁束を集めると、重ね部に流れるＧＭＲ電流分散によりＭＦＣギャップ内のＧＭＲ感度領域の電流が低下して、抵抗変化による出力電圧（抵抗変化×電流）が低下するという課題がある。
この課題は、例えば脳磁計のような非常に微弱な磁場を検出する必要のある用途では、克服すべき課題となっている。
本発明の目的は、例えば脳磁計のような非常に微弱な磁界が検出できる磁気センサを提供することを目的とする。
この課題は、例えば脳磁計のような非常に微弱な磁場を検出する必要のある用途では、克服すべき課題となっている。
本発明の目的は、例えば脳磁計のような非常に微弱な磁界が検出できる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】
【0006】
〔１〕本発明の磁気センサは、例えば図１、図２に示すように、第１の磁性層１０２、非磁性層１０３及び第２の磁性層１０４を順次積層した多層膜を有する磁気抵抗素子１０であって、通電枢軸部１０ｂと当該通電枢軸部１０ｂの通電方向（第１方向）と面内直交する方向（第２方向）の面内側縁に設けられ且つ前記通電方向に沿って絶縁または高抵抗の領域で隔てられた複数の側方翼部１０ａ、１０ｃとを備える磁気抵抗素子１０と、
通電枢軸部１０ｂの面内直交する方向（第２方向）に沿った両側にそれぞれ配置した一対の磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂであって、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂは磁気抵抗素子１０の膜厚方向（第１、第２方向と直交する第３方向）に、側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる部位を有するものである。
通電枢軸部１０ｂの面内直交する方向（第２方向）に沿った両側にそれぞれ配置した一対の磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂであって、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂは磁気抵抗素子１０の膜厚方向（第１、第２方向と直交する第３方向）に、側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる部位を有するものである。
【0007】
このように構成された装置においては、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂと重なる磁気抵抗素子の領域を側方翼部１０ａ、１０ｃに限定して、通電枢軸部１０ｂを磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂのギャップｇ内に位置させることにより、重ね部にリークする電流が低減され、通電枢軸部１０ｂのみに電流が集中する。その結果、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂと重なる磁気抵抗素子の領域による磁気抵抗効果低減の悪影響が抑制され、磁気センサの磁気信号検出感度が向上する。
【0008】
〔２〕本発明の磁気センサ〔１〕において、好ましくは、側方翼部１０ａ、１０ｃは通電枢軸部１０ｂとは重ならない状態の領域を有するとよい。
〔３〕本発明の磁気センサ〔２〕において、好ましくは、側方翼部１０ａ、１０ｃの形状について、側方翼部１０ａ、１０ｃの通電枢軸部１０ｂとの接続幅をＬｆ、隣接する側方翼部１０ａ、１０ｃの間の間隔をＬｇとするとき、
Ｌｇ＜Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
〔３〕本発明の磁気センサ〔２〕において、好ましくは、側方翼部１０ａ、１０ｃの形状について、側方翼部１０ａ、１０ｃの通電枢軸部１０ｂとの接続幅をＬｆ、隣接する側方翼部１０ａ、１０ｃの間の間隔をＬｇとするとき、
Ｌｇ＜Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
【0009】
〔４〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔３〕において、好ましくは、通電枢軸部１０ｂと側方翼部１０ａ、１０ｃの形状について、通電枢軸部１０ｂの幅をＷ、側方翼部１０ａ、１０ｃの通電枢軸部１０ｂとの接続幅をＬｆ、側方翼部１０ａ、１０ｃの延伸長さをＷｆとするとき、
Ｗ＞Ｌｆ 且つ Ｗｆ＞Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
〔５〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔４〕の何れかにおいて、好ましくは、通電枢軸部１０ｂの幅をＷ、側方翼部１０ａ、１０ｃの延伸長さをＷｆとするとき、
Ｗ＜Ｗｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
Ｗ＞Ｌｆ 且つ Ｗｆ＞Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
〔５〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔４〕の何れかにおいて、好ましくは、通電枢軸部１０ｂの幅をＷ、側方翼部１０ａ、１０ｃの延伸長さをＷｆとするとき、
Ｗ＜Ｗｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
【0010】
〔６〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔５〕の何れかにおいて、好ましくは、磁束収束磁性体層１１ａ、１１ｂと磁気抵抗素子１０との間の界面は、絶縁または高抵抗の領域で隔てられているとよい。
〔７〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔５〕の何れかにおいて、例えば図９に示すように、好ましくは、磁束収束磁性体層９１１ａ、９１１ｂと磁気抵抗素子９１０は、膜厚方向で接しているとよい。
〔８〕本発明の磁気センサ〔７〕において、好ましくは、通電枢軸部９１０ｂの通電方向を挟んで複数設けられた一対の磁束収束磁性体層９１１ａ、９１１ｂの間隔をｇ、通電枢軸部９１０ｂの幅をＷ、側方翼部９１０ａ、９１０ｃの通電枢軸部９１０ｂとの接続幅をＬｆとするとき、
Ｗ＋２Ｌｆ≦ｇ 且つＷｆ＞Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
〔９〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔８〕の何れかにおいて、好ましくは、例えば図１１に示すように、さらに、通電枢軸部１０ｂと膜厚方向で重なるように設けられた交流通電用の配線層１６を有するとよい。
〔７〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔５〕の何れかにおいて、例えば図９に示すように、好ましくは、磁束収束磁性体層９１１ａ、９１１ｂと磁気抵抗素子９１０は、膜厚方向で接しているとよい。
〔８〕本発明の磁気センサ〔７〕において、好ましくは、通電枢軸部９１０ｂの通電方向を挟んで複数設けられた一対の磁束収束磁性体層９１１ａ、９１１ｂの間隔をｇ、通電枢軸部９１０ｂの幅をＷ、側方翼部９１０ａ、９１０ｃの通電枢軸部９１０ｂとの接続幅をＬｆとするとき、
Ｗ＋２Ｌｆ≦ｇ 且つＷｆ＞Ｌｆ
なる関係式が成立する形状を有するとよい。
〔９〕本発明の磁気センサ〔１〕乃至〔８〕の何れかにおいて、好ましくは、例えば図１１に示すように、さらに、通電枢軸部１０ｂと膜厚方向で重なるように設けられた交流通電用の配線層１６を有するとよい。
【発明の効果】
【0011】
本発明の磁気センサによれば、磁気抵抗素子の膜厚方向に、側方翼部と重なる状態で設けられると共に、通電枢軸部とは重ならない状態で設けられた磁束収束磁性体層とを備えるので、通電枢軸部に流れるＧＭＲ電流が磁気抵抗素子と側方翼部と重なる領域に分散せず、微弱な磁界が検出できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第１の実施形態を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の形状が先端部で楕円形の場合を示している。
【図3】本発明の第１の変形実施例を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の第１方向に沿った繰り返しの位相が異なる場合を示している。
【図4】本発明の第２の変形実施例を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の形状が長方形の場合を示している。
【図5】本発明の第３の変形実施例を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の形状が先端部で楕円形であって、中央軸部との接続端での幅より先端部と中央軸部との接続端の間の領域で幅が広くなる形状の場合を示している。
【図6】磁気抵抗素子の電流分布の計算例を示す図で、併せて感磁素子通電枢軸部１０ｂ中心からの第２方向距離と電流との関係を示してある。
【図7】Ｌｆをパラメータとした、感磁素子通電枢軸部１０ｂ中心からの第２方向距離と電流との関係を示す図である。
【図8】（Ａ）は感磁素子側方翼部１０ａ域の電流Ｉｗと漏れ電流Ｉｗｆの比Ｉｗｆ／ＩｗとＬｆ／Ｗの関係を示す図、（Ｂ）は図６から求めた漏れ電流Ｉｗｆと感磁素子側方翼部域電流Ｉｗの比であるＩｗｆ／Ｉｗと、Ｌｇ／Ｌｆの関係を示す図である。
【図9】本発明の第２の実施形態を示すもので、（Ａ）は第１方向と第２方向からなる平面図、（Ｂ）は第３方向と第２方向からならＢ－Ｂ箇所の断面図である。
【図10】本発明の第３の実施形態を示す、第１方向と第２方向からなる平面図である。
【図11】本発明の第３の実施形態を示す、第３方向と第２方向からならＡ－Ａ箇所の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に図面を参照して実施形態について説明する。
【実施例0014】
（第１実施例）
第１実施例による磁気センサについて図１～図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す磁気センサユニットの平面図で、左右の側方延伸部の形状が先端部で楕円形の場合を示している。図２は、図１に示す切断線Ａ－Ａで切断した断面図である。なお、図１は図２に示す切断線Ｂ－Ｂで切断した断面から上方向を向いた平面図である。
図において、第１実施例による磁気センサは、磁気抵抗素子膜１０、磁性体層１１、基板１２、絶縁層を備えており、これに定電流源２０と信号電圧検出部２２が接続される。なお、絶縁層は図１では図示を省略し、図２に絶縁層１５ａ、１５ｂとして図示している。
第１実施例による磁気センサについて図１～図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す磁気センサユニットの平面図で、左右の側方延伸部の形状が先端部で楕円形の場合を示している。図２は、図１に示す切断線Ａ－Ａで切断した断面図である。なお、図１は図２に示す切断線Ｂ－Ｂで切断した断面から上方向を向いた平面図である。
図において、第１実施例による磁気センサは、磁気抵抗素子膜１０、磁性体層１１、基板１２、絶縁層を備えており、これに定電流源２０と信号電圧検出部２２が接続される。なお、絶縁層は図１では図示を省略し、図２に絶縁層１５ａ、１５ｂとして図示している。
【0015】
磁気抵抗素子膜１０は、平面方向には感磁素子通電枢軸部１０ｂ、感磁素子側方翼部１０a、１０ｃで構成されると共に、膜厚方向には下地層１０１、ピン層１０２、中間層１０３、自由層１０４、キャップ層１０５が基板１２に積層されている。基板１２には、シリコン基板やＧａＡｓ基板、アルミナ基板、ガラス基板等が用いられる。
座標系の表示に関しては、第１方向が感磁素子通電枢軸部１０ｂの長手方向で、ＧＭＲ通電方向となっている。第２方向は感磁素子通電枢軸部１０ｂの幅方向で、感磁素子側方翼部１０a、１０ｃの長手方向にもなっている。第３方向は、磁気抵抗素子膜１０の膜厚方向である。
座標系の表示に関しては、第１方向が感磁素子通電枢軸部１０ｂの長手方向で、ＧＭＲ通電方向となっている。第２方向は感磁素子通電枢軸部１０ｂの幅方向で、感磁素子側方翼部１０a、１０ｃの長手方向にもなっている。第３方向は、磁気抵抗素子膜１０の膜厚方向である。
【0016】
感磁素子通電枢軸部１０ｂは、磁気センサの機能的中心部位であり、その第１方向両端に定電流源２０と接続する電極部が設けられている。感磁素子通電枢軸部１０ｂの長手方向の長さは、感磁素子通電枢軸部１０ｂの幅方向よりも十分長くすることにより（例えば、１０倍以上）、検出磁界が無い状態で自由層１０４の磁化も長手方向に安定化する。ピン層磁化を幅と方向に固着すると、検出磁界が加わると磁気センサーの抵抗は線形に変化する。その抵抗変化に応じた電圧変化を検出できる。
感磁素子側方翼部１０a、１０ｃは、感磁素子通電枢軸部１０ｂの第２方向端から延伸した磁気抵抗素子１０の部位であり、感磁素子側方翼部１０ａは第２方向の＋方向（図１中、上方向）、感磁素子側方翼部１０ｃは第２方向の－方向（図１中、下方向）に延伸する。感磁素子側方翼部１０a、１０ｃは、第１方向に沿って、絶縁領域１５を挟んで複数設ける。
感磁素子側方翼部１０a、１０ｃは、感磁素子通電枢軸部１０ｂの第２方向端から延伸した磁気抵抗素子１０の部位であり、感磁素子側方翼部１０ａは第２方向の＋方向（図１中、上方向）、感磁素子側方翼部１０ｃは第２方向の－方向（図１中、下方向）に延伸する。感磁素子側方翼部１０a、１０ｃは、第１方向に沿って、絶縁領域１５を挟んで複数設ける。
【0017】
Ｌｆは、感磁素子側方翼部１０ａが感磁素子通電枢軸部１０ｂと接する部位の長さである。Ｌｇは、感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃの隣接する感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃ間の間隔である。Ｗｆは、感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃの感磁素子通電枢軸部１０ｂとの接続部位から延伸した終点まで延伸長さである。Ｗは、感磁素子通電枢軸部の幅である。なお、図１に示す実施例では、感磁素子側方翼部１０ｃと接する部位の長さもＬｆとしたが、感磁素子側方翼部１０aと感磁素子側方翼部１０ｃのＬｆは異なってよい。
【0018】
磁気抵抗素子１０は、図２に示すように、第３方向に沿って、複数の積層体からなる。第３方向は、第１方向、第２方向と直交する。第３方向は膜厚方向である。
下地層１０１は基板１２上に成膜される層で、ピン層１０２の結晶性改善（結晶粒径増大、膜面垂直方向への結晶配向）の為に用いられる層であり、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒなどが用いられる。
ピン層１０２は磁化が固定された層で、例えばＩｒＭｎなどの反強磁性膜、ＣｏＦｅ、Ｒｕ、ＣｏＦｅの積層体である。ピン層１０２の十分な磁化固着は、ＩｒＭｎ等の反強磁性膜を中間層１０３との反対側に積層して、さらにピン層１０２は、反強磁性的な層間結合を発生させるＲｕ層等を間に挟んで積層化することで実現できることが知られている。ピン層１０２には磁気抵抗効果の発現に適したＣｏＦｅ合金等を用いることが好ましい。
中間層１０３はピン層１０２と自由層１０４の間に設けられる非磁性中間層であり、磁気抵抗効果発現に適したＣｕ等を用いる。
自由層１０４は磁化が信号磁界に応じて回転する層で、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、ＣｏＦｅとＮｉＦｅの積層構成等を用いる。
キャップ層１０５は、自由層１０４を覆うように積層されるもので、例えばＴａ、Ｒｕなどを用いる。
下地層１０１は基板１２上に成膜される層で、ピン層１０２の結晶性改善（結晶粒径増大、膜面垂直方向への結晶配向）の為に用いられる層であり、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒなどが用いられる。
ピン層１０２は磁化が固定された層で、例えばＩｒＭｎなどの反強磁性膜、ＣｏＦｅ、Ｒｕ、ＣｏＦｅの積層体である。ピン層１０２の十分な磁化固着は、ＩｒＭｎ等の反強磁性膜を中間層１０３との反対側に積層して、さらにピン層１０２は、反強磁性的な層間結合を発生させるＲｕ層等を間に挟んで積層化することで実現できることが知られている。ピン層１０２には磁気抵抗効果の発現に適したＣｏＦｅ合金等を用いることが好ましい。
中間層１０３はピン層１０２と自由層１０４の間に設けられる非磁性中間層であり、磁気抵抗効果発現に適したＣｕ等を用いる。
自由層１０４は磁化が信号磁界に応じて回転する層で、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、ＣｏＦｅとＮｉＦｅの積層構成等を用いる。
キャップ層１０５は、自由層１０４を覆うように積層されるもので、例えばＴａ、Ｒｕなどを用いる。
【0019】
磁気抵抗素子１０の上には、絶縁層１５ｂを挟んで、第３方向に沿って一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂを配置する。一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂは、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＭｏＣｕ、アモルファス合金などからなる軟磁性膜であり、磁束収束磁性回路（ＭＦＣ：magnetic flux concentrator）の一部をなす。ｇは第２方向に沿って一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂの間に存在する間隔で、感磁素子通電枢軸部の幅Ｗよりも大きいことが望ましい。一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂは、膜厚方向に沿って、磁気抵抗素子１０の感磁素子側方翼部１０a、１０ｃ部位と絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域を有する。なお、磁束収束磁性回路では、特許文献３に示されるような、図示しない磁気回路が一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂの近傍に設けられる。
感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃの部位では、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域を設ける。当該重なる領域を設けると、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂから感磁素子通電枢軸部１０ｂへの信号磁界の収束効率が増大して検出感度が増大する。
感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃの部位では、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域を設ける。当該重なる領域を設けると、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂから感磁素子通電枢軸部１０ｂへの信号磁界の収束効率が増大して検出感度が増大する。
【0020】
絶縁層１５ｂは、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂと、感磁素子側方翼部１０a、１０ｃ及び感磁素子通電枢軸部１０ｂの間に設けられるもので、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３などよりなる。その厚みは絶縁が安定して確保できる必要最小限とする。絶縁層１５ａは、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂを覆うように設けられる。
定電流源２０は、感磁素子通電枢軸部１０ｂの両端に設けられた電極部に接続され、感磁素子通電枢軸部１０ｂの第１方向に電流を流す。
信号電圧検出部２２は、感磁素子通電枢軸部１０ｂの両端に設けられた電極部に接続され、磁気抵抗素子１０に発生する電圧を検出することで、磁気抵抗素子１０の第２方向に加わる信号磁界に応じて磁気抵抗素子１０の抵抗が変化することを検出する。
定電流源２０は、感磁素子通電枢軸部１０ｂの両端に設けられた電極部に接続され、感磁素子通電枢軸部１０ｂの第１方向に電流を流す。
信号電圧検出部２２は、感磁素子通電枢軸部１０ｂの両端に設けられた電極部に接続され、磁気抵抗素子１０に発生する電圧を検出することで、磁気抵抗素子１０の第２方向に加わる信号磁界に応じて磁気抵抗素子１０の抵抗が変化することを検出する。
【0021】
このように構成された装置においては、定電流源２０からの給電により、感磁素子通電枢軸部１０ｂの第１方向に電流が流れる。磁気抵抗素子１０の抵抗が、第１方向と直交する第２方向に加わる信号磁界に応じて変化すると、磁気抵抗素子１０の電圧が変化する。その変化分を信号電圧検出部２２により検出することで、信号磁界が測定される。図１に示した４個の磁気センサユニットを用いて、特許文献１～２に記載さているようなホイットストーンブリッジを構成して、磁気センサとすることが好ましい。
【0022】
図３は、本発明の第１の変形実施例を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の第１方向に沿った繰り返しの位相が異なる場合を示している。第１の変形実施例では、磁気抵抗素子膜は、感磁素子通電枢軸部３１０ｂ、感磁素子側方翼部３１０a、３１０ｃで構成される。感磁素子側方翼部３１０aと感磁素子側方翼部３１０ｃは、第１方向に沿った繰り返しの位相が異なっている。
【0023】
図４は、本発明の第２の変形実施例を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の形状が長方形の場合を示している。第２の変形実施例では、磁気抵抗素子膜は、感磁素子通電枢軸部４１０ｂ、感磁素子側方翼部４１０a、４１０ｃで構成される。図１に示す実施例では感磁素子側方翼部１０ａの先端形状は大略楕円形としたが、感磁素子側方翼部４１０ａ、４１０ｃの先端形状は図４に示すように長方形でもよい。
【0024】
図５は、本発明の第３の変形実施例を示す磁気センサの平面図で、左右の側方延伸部の形状が先端部で楕円形であって、中央軸部との接続端での幅より先端部と中央軸部との接続端の間の領域で幅が広くなる形状の場合を示している。第３の変形実施例では、磁気抵抗素子膜は、感磁素子通電枢軸部５１０ｂ、感磁素子側方翼部５１０a、５１０ｃで構成される。図５に示すように、感磁素子側方翼部５１０a、５１０ｃは、感磁素子通電枢軸部５１０ｂとの境界から離れた位置で感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅Ｌｆよりも幅が少し広めの中太りの領域を有してよい。
【0025】
図６は、磁気抵抗素子１０の電流分布を計算した例をしめす図で、感磁素子通電枢軸部１０ｂ中心からの第２方向距離と電流との関係を示す図でもある。磁気抵抗素子１０の電流は厚み方向には均一として、感磁素子通電枢軸部１０ｂと感磁素子側方翼部１０ａ，１０ｃの電流分布を計算した。図１に示すように、感磁素子側方翼部１０ａと１０ｃは同じ形状とした。感磁素子通電枢軸部１０ｂの幅Ｗ＝５μｍ、感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅Ｌｆ＝０．５μｍ，隣接する感磁素子側方翼部の間の間隔Ｌｇ＝０．０５μｍとした。感磁素子側方翼部の延伸長さＷｆは１、３、１０μｍの３条件とした。
図中、－方向は感磁素子側方翼部１０ｃ側を、＋方向は感磁素子側方翼部１０ａ側を示している。感磁素子側方翼部の延伸長さＷｆを１、３、１０μｍと変えても感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃへの漏れ電流分布は同様であり（すべて重なっている）、感磁素子側方翼部１０ａ境界から概ね０．５μｍ離れた領域に限定される。この限定域は概ね感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅Ｌｆと一致する。０．５μｍよりも離れた箇所には電流が流れない。
図中、－方向は感磁素子側方翼部１０ｃ側を、＋方向は感磁素子側方翼部１０ａ側を示している。感磁素子側方翼部の延伸長さＷｆを１、３、１０μｍと変えても感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃへの漏れ電流分布は同様であり（すべて重なっている）、感磁素子側方翼部１０ａ境界から概ね０．５μｍ離れた領域に限定される。この限定域は概ね感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅Ｌｆと一致する。０．５μｍよりも離れた箇所には電流が流れない。
【0026】
図７は、感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅Ｌｆをパラメータとした、感磁素子通電枢軸部１０ｂ中心からの第２方向距離と電流との関係を示す図である。感磁素子通電枢軸部１０ｂの幅Ｗ＝５μｍ，感磁素子側方翼部の延伸長さＷｆ＝５μｍ，隣接する感磁素子側方翼部の間の間隔Ｌｇ＝０．０５μｍとした。接続幅Ｌｆが増大するにつれて、感磁素子側方翼部１０ａ、１０ｃ域への漏れ電流が増大する。
【0027】
図８（Ａ）は、感磁素子側方翼部１０ａ域の電流Ｉｗと漏れ電流Ｉｗｆの比であるＩｗｆ／Ｉｗと、前記接続幅Ｌｆと感磁素子通電枢軸部の幅Ｗの比であるＬｆ／Ｗの関係を示す図である。漏れ電流量はＬｆ／Ｗに比例して増大する。感磁素子通電枢軸部の幅Ｗに対して十分に前記接続幅Ｌｆを小さくすることが、電流を感磁素子通電枢軸部１０ｂ部に閉じ込めことに有効である。Ｌｆ／Ｗ～０．１とすると５％程度の漏れ電流に抑制できる。
【0028】
図８（Ｂ）は、図６から求めた漏れ電流Ｉｗｆと感磁素子側方翼部域電流Ｉｗの比であるＩｗｆ／Ｉｗと、隣接する感磁素子側方翼部の間の間隔Ｌｇと接続幅Ｌｆの比であるＬｇ／Ｌｆの関係を示す図である。Ｌｇ／Ｌｆを０．１から１まで増大すると、Ｉｗｆ／Ｉｗは若干低下するが、図７での関係に比べると変化は小さい。ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域の面積を確保して、ＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂから磁気抵抗素子１０への磁界収束効率を高めるために、Ｌｇ／Ｌｆは大きいことが望ましい。
【0029】
（第２実施例）
図９は、本発明の第２の実施例を示すもので、（Ａ）は第１方向と第２方向からなる平面図、（Ｂ）は第３方向と第２方向からならＢ－Ｂ箇所の断面図である。第２の実施例では、磁気抵抗素子膜は、感磁素子通電枢軸部９１０ｂ、感磁素子側方翼部９１０a、９１０ｃで構成されると共に、一対のＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂを備える。
磁気抵抗素子９１０の感磁素子通電枢軸部９１０ｂ部とＭＦＣ磁性層９１１ａの第２方向に沿ったギャップをｇ１、磁気抵抗素子９１０の感磁素子通電枢軸部９１０ｂ部とＭＦＣ磁性層９１１ｂの第２方向に沿ったギャップをｇ２として、ｇ１およびｇ２はＬｆよりも大きいことを特徴とする。図７、図８の説明から、ｇ１とｇ２がＬｆよりも大きいと、感磁素子通電枢軸部９１０ｂ、９１０ｃへの漏れ電流はｇ１およびｇ２の範囲に限定されて、一対のＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂとの重なる領域には漏れ電流が発生しない。ＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂの第２方向に沿ったギャップｇは、ｇ≧２Ｌｆ＋Ｗとする。
したがって、図に示すように、ＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域に絶縁層を除いて直接積層しても漏れ電流を抑制できる。あるいは、ピンホールなどの絶縁不良を気にすることなく絶縁層１５を薄くできる。ＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域でのギャップが狭まると磁気抵抗素子９１０の磁束収束効率をアップできる。
図９は、本発明の第２の実施例を示すもので、（Ａ）は第１方向と第２方向からなる平面図、（Ｂ）は第３方向と第２方向からならＢ－Ｂ箇所の断面図である。第２の実施例では、磁気抵抗素子膜は、感磁素子通電枢軸部９１０ｂ、感磁素子側方翼部９１０a、９１０ｃで構成されると共に、一対のＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂを備える。
磁気抵抗素子９１０の感磁素子通電枢軸部９１０ｂ部とＭＦＣ磁性層９１１ａの第２方向に沿ったギャップをｇ１、磁気抵抗素子９１０の感磁素子通電枢軸部９１０ｂ部とＭＦＣ磁性層９１１ｂの第２方向に沿ったギャップをｇ２として、ｇ１およびｇ２はＬｆよりも大きいことを特徴とする。図７、図８の説明から、ｇ１とｇ２がＬｆよりも大きいと、感磁素子通電枢軸部９１０ｂ、９１０ｃへの漏れ電流はｇ１およびｇ２の範囲に限定されて、一対のＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂとの重なる領域には漏れ電流が発生しない。ＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂの第２方向に沿ったギャップｇは、ｇ≧２Ｌｆ＋Ｗとする。
したがって、図に示すように、ＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域に絶縁層を除いて直接積層しても漏れ電流を抑制できる。あるいは、ピンホールなどの絶縁不良を気にすることなく絶縁層１５を薄くできる。ＭＦＣ磁性層９１１ａ、９１１ｂと絶縁層１５ｂを挟んで重なる領域でのギャップが狭まると磁気抵抗素子９１０の磁束収束効率をアップできる。
【0030】
（第３実施例）
図１０と図１１に第３の実施例を示す。図１、図２と同様に、図１０は第１方向と第２方向からなる平面図、図１１は第３方向と第２方向からなるＡ－Ａ箇所の断面図である。なお、図１０、図１１において、図１、図２と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。
配線層１６は、基板１２の一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂが製膜される側の面に形成されるもので、膜厚方向に感磁素子通電枢軸部１０ｂと重なる状態で配置されると共に、配線層１６の長手方向は感磁素子通電枢軸部１０ｂの通電方向と一致する。配線１６は交流電源２４に接続されて、感磁素子通電枢軸部１０ｂの通電方向に沿って交流を通電する。
特許文献２に示すように、配線１６に流れる交流により変調された信号を信号電圧検出部２２により検出する。交流変調によりノイズが低減され、ＳＮ比の増大が期待され、より微弱な磁界が検出可能となる。
図１０と図１１に第３の実施例を示す。図１、図２と同様に、図１０は第１方向と第２方向からなる平面図、図１１は第３方向と第２方向からなるＡ－Ａ箇所の断面図である。なお、図１０、図１１において、図１、図２と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。
配線層１６は、基板１２の一対のＭＦＣ磁性層１１ａ、１１ｂが製膜される側の面に形成されるもので、膜厚方向に感磁素子通電枢軸部１０ｂと重なる状態で配置されると共に、配線層１６の長手方向は感磁素子通電枢軸部１０ｂの通電方向と一致する。配線１６は交流電源２４に接続されて、感磁素子通電枢軸部１０ｂの通電方向に沿って交流を通電する。
特許文献２に示すように、配線１６に流れる交流により変調された信号を信号電圧検出部２２により検出する。交流変調によりノイズが低減され、ＳＮ比の増大が期待され、より微弱な磁界が検出可能となる。
【0031】
本発明の磁気センサによれば、例えば脳磁計や心磁計に必要とされるピコテスラ（ｐＴ）級の非常に微弱な磁界を検出できる。このような非常に微弱な磁界を取扱う領域の技術者からは、感磁素子通電枢軸部に更に感磁素子側方翼部を設けると、感磁素子側方翼部がアンテナとして作用して磁気ノイズが増大すると予想されていたが、意外なことに、感磁素子通電枢軸部に更に感磁素子側方翼部を設けた磁気センサの実証実験では磁気ノイズが増大しないことを発見した。
また、感磁素子通電枢軸部の幅Ｗを狭めた磁気センサを用いても、磁気抵抗特性の急峻な傾斜や、高感度を維持することを確認した。例えば、感磁素子通電枢軸部の幅方向の両側に感磁素子側方翼部を設けて、感磁素子側方翼部を含む第２方向長（Ｗｆ＋Ｗ＋Ｗｆ）を１０μｍ以上とすると、感磁素子通電枢軸部でのＧＭＲの抵抗は一定となり、感磁素子側方翼部の電流リークは増大しないことを確認した。
また、感磁素子通電枢軸部の幅Ｗを狭めた磁気センサを用いても、磁気抵抗特性の急峻な傾斜や、高感度を維持することを確認した。例えば、感磁素子通電枢軸部の幅方向の両側に感磁素子側方翼部を設けて、感磁素子側方翼部を含む第２方向長（Ｗｆ＋Ｗ＋Ｗｆ）を１０μｍ以上とすると、感磁素子通電枢軸部でのＧＭＲの抵抗は一定となり、感磁素子側方翼部の電流リークは増大しないことを確認した。
【0032】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、図１、図２で示す実施例では、磁気抵抗素子１０の膜厚方向に、絶縁体層１５ｂを介して側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる状態で設けられるものを示したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、磁気抵抗素子１０の膜厚方向に、高抵抗層を介して側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる状態で設けられるものでもよく、また磁気抵抗素子１０の膜厚方向に、絶縁体層又は高抵抗層を介しすることなく、直接側方翼部１０ａ、１０ｃと重なる状態で設けられてもよい。
また、例えば、感磁素子通電枢軸部、感磁素子側方翼部、一対のＭＦＣ磁性層の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することができる。また、本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、例えば、感磁素子通電枢軸部、感磁素子側方翼部、一対のＭＦＣ磁性層の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することができる。また、本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【0033】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施形態として上述した磁気センサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気センサ装置、診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の実施形態として上述した磁気センサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気センサ装置、診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【0034】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0035】
本発明の磁気センサは、磁気センサ装置、脳磁計や心磁計などの画像診断装置、非破壊検査装置に用いて好適である。
【符号の説明】
【0036】
１０、３１０、４１０、５１０、９１０ 感磁素子（ＭＲ素子）
１０ａ、３１０ａ、４１０ａ、５１０ａ、９１０ａ 感磁素子側方翼部（＋）
１０ｃ、３１０ｃ、４１０ｃ、５１０ｃ、９１０ｃ 感磁素子側方翼部（－）
１０ｂ、３１０ｂ、４１０ｂ、５１０ｂ、９１０ｂ 感磁素子通電枢軸部
１１ａ、３１１ａ、４１１ａ、５１１ａ、９１１ａ 磁束収束磁性体層（ＭＦＣ）
１１ｂ、３１１ｂ、４１１ｂ、５１１ｂ、９１１ｂ 磁束収束磁性体層（ＭＦＣ）
１２ 基板
１５ａ、１５ｂ 絶縁体層
１６ 配線層
２０ 定電流源
２２ 信号電圧検出部
２４ 交流電源
１０１ 下地層
１０２ ピン層（第１の磁性体層）
１０３ 中間層（非磁性体層）
１０４ フリー層（第２の磁性体層）
１０５ キャップ層
ｇ 一対のＭＦＣ磁性層の間に存在する第２方向に沿っての間隔
Ｌｆ 感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅
Ｌｇ 隣接する感磁素子側方翼部の間の間隔
Ｗ 感磁素子通電枢軸部の幅
Ｗｆ 感磁素子側方翼部の延伸長さ
第１方向 通電枢軸部の通電方向
第２方向 第１方向と直交する通電枢軸部の面内方向
第３方向 前記磁気抵抗素子の膜厚方向
１０ａ、３１０ａ、４１０ａ、５１０ａ、９１０ａ 感磁素子側方翼部（＋）
１０ｃ、３１０ｃ、４１０ｃ、５１０ｃ、９１０ｃ 感磁素子側方翼部（－）
１０ｂ、３１０ｂ、４１０ｂ、５１０ｂ、９１０ｂ 感磁素子通電枢軸部
１１ａ、３１１ａ、４１１ａ、５１１ａ、９１１ａ 磁束収束磁性体層（ＭＦＣ）
１１ｂ、３１１ｂ、４１１ｂ、５１１ｂ、９１１ｂ 磁束収束磁性体層（ＭＦＣ）
１２ 基板
１５ａ、１５ｂ 絶縁体層
１６ 配線層
２０ 定電流源
２２ 信号電圧検出部
２４ 交流電源
１０１ 下地層
１０２ ピン層（第１の磁性体層）
１０３ 中間層（非磁性体層）
１０４ フリー層（第２の磁性体層）
１０５ キャップ層
ｇ 一対のＭＦＣ磁性層の間に存在する第２方向に沿っての間隔
Ｌｆ 感磁素子側方翼部の感磁素子通電枢軸部との接続幅
Ｌｇ 隣接する感磁素子側方翼部の間の間隔
Ｗ 感磁素子通電枢軸部の幅
Ｗｆ 感磁素子側方翼部の延伸長さ
第１方向 通電枢軸部の通電方向
第２方向 第１方向と直交する通電枢軸部の面内方向
第３方向 前記磁気抵抗素子の膜厚方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
