磁传感器、磁传感器阵列、磁场分布测定装置及位置确定装置制造方法及图纸

磁传感器(1)具备：角度传感器(10)，包含多个第1磁阻元件(111～114、121～124)，根据外部磁场的方向和基准方向所成的角度进行输出；以及磁场强度传感器(20)，包含多个第2磁阻元件(211～214、221～224)，基于外部磁场的强度进行输出，角度传感器(10)以及磁场强度传感器(20)相对于形成传感器的基准面的法线方向彼此相同，磁场强度传感器(20)根据外部磁场的方向和基准方向所成的角度而具有不同的输出特性，基于由角度传感器(10)感测到的外部磁场的方向和基准方向所成的角度与磁场强度传感器的输出来决定外部磁场的强度。的输出来决定外部磁场的强度。的输出来决定外部磁场的强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁传感器、磁传感器阵列、磁场分布测定装置及位置确定装置


[0001]本公开涉及使用了磁阻效应元件的磁传感器、磁传感器阵列、磁场分布测定装置以及位置确定装置。

技术介绍

[0002]作为以往的利用了磁隧道结元件(磁阻元件)的角度传感器，已知有如图26所示的第1角度传感器400。图26是示出以往的第1角度传感器的概略图。
[0003]如图26所示，第1角度传感器400由磁隧道结元件401构成。磁隧道结元件401包含磁化方向被固定的参考层402、绝缘层403以及磁化方向未被固定的自由层404。例如，磁铁等磁场源旋转，从而自由层404的磁化的朝向变化。即，自由层404的磁化的朝向根据外部磁场的方向和给定的基准方向的角度(外部磁场的角度)而变化。
[0004]图27是示出以往的第1角度传感器中的磁隧道结元件的磁阻的变化的图。如图27所示，第1角度传感器400的磁阻根据自由层404和参考层402的磁化的相对角度而变化。
[0005]图28是示出以往的第1角度传感器的输出特性的图。通过第1角度传感器400的磁阻变化，从而相对于外部磁场的角度的第1角度传感器400的输出特性用cos函数来表示。
[0006]例如，在0
°
、180
°
下，第1角度传感器400的输出是相同的值，在第1角度传感器400中难以唯一地决定外部磁场的角度。
[0007]因此，作为唯一地决定外部磁场的角度的结构，已知有如图29所示的第2角度传感器400A。图29是示出以往的第2角度传感器的概略俯视图。
[0008]如图29所示，第2角度传感器400A包含第1传感器410和第2传感器420。第1传感器410包含由磁隧道结元件401A、401B、401C、401D构成的桥电路。第2传感器420包含由磁隧道结元件401E、401F、401G、401H构成的桥电路。
[0009]磁隧道结元件401A～401H具有与上述的磁隧道结元件401大致相同的结构，但是参考层的磁化的朝向(AR2)有一部分不同。
[0010]具体地，在第2传感器中，与磁隧道结元件401A～401D对应的磁隧道结元件401E～401H的参考层的磁化的朝向(AR2)和磁隧道结元件401A～401D的参考层的磁化的朝向(AR2)相差90
°
。
[0011]图30是示出以往的第2角度传感器的输出特性的图。在如上述那样构成的情况下，如图30所示，第2传感器420的输出特性的相位相对于第1传感器的输出特性的相位偏移90
°
。
[0012]像这样，通过利用第1传感器410以及第2传感器420的两个输出，从而能够唯一地决定外部磁场的角度。
[0013]另外，作为按每个磁隧道结元件来固定参考层的磁化的朝向的方法，例如有日本特开平8
‑
226960号公报(专利文献1)、日本特开2002
‑
299728号公报(专利文献2)以及日本特开2013
‑
64666号公报(专利文献3)所公开的方法。
[0014]在专利文献1中公开了如下方法，即，在磁隧道结元件的附近设置通电用的导线，
在通过通电而产生了磁场的状态下进行退火，由此形成交换耦合，将参考层固定。根据该方法，通过对磁隧道结元件和通电用导线的几何配置下工夫，从而能够向所希望的方向固定参考层。
[0015]在专利文献2中，作为向所希望的方向固定参考层的方法，公开了如下方法，即，在使用磁铁阵列产生了磁场的状态下进行退火，由此形成交换耦合。
[0016]在专利文献3中，作为向所希望的方向固定参考层的方法，公开了如下方法，即，在施加了磁场的状态下进行基于激光照射的退火，由此形成交换耦合。
[0017]在此，在角度传感器中，作为用于检测角度的高精度化的设计思想，要求尽量排除非预期的磁各向异性，使得自由层的磁化方向追随检测磁场方向。由此，磁隧道结元件自然而然地在磁饱和区域中使用。因此，角度传感器的设计思想(检测角度的高精度化、磁各向异性的降低)与一般的线性传感器的设计思想(输入磁场范围的扩大、磁各向异性的增大)相反。因此，仅使用角度传感器难以精度良好地感测外部磁场的强度。
[0018]关于以往的磁隧道结元件，在J.Zhu and C.Park，“Magnetic tunnel junctions”，Materials Today 9，36(2006)(非专利文献1)示出了如下内容，即，如图31所示，表示隧道磁阻(TMR)效应的隧道磁阻比(TMR比)由夹着绝缘层配置的自由层的磁化M1和参考层的磁化M2的相对角度来决定。
[0019]图31是示出在以往的磁隧道结元件中夹着绝缘层配置的自由层的磁化M1的朝向和参考层的磁化M2的朝向的概略图。
[0020]在图31中公开了如下的磁阻元件500，即，包含依次层叠了参考层502、阻挡层503以及自由层504的层叠部501。自由层504的磁化M1和参考层502的磁化M2的相对角度为θ。
[0021]基于隧道磁阻(TMR)效应的电导使用阻挡层的上侧(M1)和下侧(M2)的铁磁性体层的磁化的相对角度θ而用以下的式(1a)来表示。
[0022][数学式1][0023][0024]在此，G
P
＝G(0
°
)意味着磁化M1和磁化M2平行，G
AP
＝G(180
°
)意味着磁化M1和磁化M2反平行。TMR比用以下所示的Julliere模型(Julliere
’
s model)的式(2a)来表示。
[0025][数学式2][0026][0027]在此，RP是磁化M1和磁化M2平行的情况下的隧道磁阻，R
AP
是磁化M1和磁化M2反平行的情况下的隧道磁阻。P1、P2是参考层202以及自由层204的自旋极化率。
[0028]图32是示出以往的各种磁隧道结元件、这些磁隧道结元件中的线性控制方法以及它们的特征的图。
[0029]在安藤康夫、“使用了TMR的生物磁传感器的开发”、第5次岩崎会议“关系到社会基础提高的磁传感器及其应用”、平成29年11月27日(非专利文献2)中，如图32所示，示出了各种磁隧道结元件中的线性控制方法以及它们的特征。为了控制线性，向与检测磁场方向正交的方向对自由层施加各向异性磁场。
[0030]在图32中，从左侧起依次公开了三种磁隧道结元件。在左起第1个磁隧道结元件中，参考层的磁化朝着与膜面平行的面内方向，自由层的磁化也朝着面内方向。所感测的外部磁场在与参考层的膜面平行的方向上变化。在该结构中，为了向自由层施加磁各向异性，需要使用形状各向异性，或者利用磁铁或电磁铁施加偏置磁场。此外，若各向异性磁场的方向和检测磁场的方向从90
°
偏移，则传感器输出的线性变差。
[0031]在左起第2个磁隧道结元件中，参考层的磁化朝着与膜面平行的面内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁传感器，具备：角度传感器，包含多个第1磁阻元件，根据外部磁场的方向和基准方向所成的角度进行输出；以及磁场强度传感器，包含多个第2磁阻元件，基于所述外部磁场的强度进行输出，所述角度传感器以及所述磁场强度传感器相对于形成传感器的基准面的法线方向彼此相同，所述磁场强度传感器根据所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度而具有不同的输出特性，基于由所述角度传感器感测到的所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度与所述磁场强度传感器的输出来决定所述外部磁场的强度。2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，所述角度传感器以及所述磁场强度传感器设置在同一基板上。3.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其中，作为相对于所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度的输出特性，所述角度传感器具有用cos函数表示的输出特性，作为相对于所述外部磁场的强度的输出特性，所述磁场强度传感器具有用直线表示的输出特性，所述磁场强度传感器的输出特性中的相对于所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度的非线性分布大致恒定。4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其中，所述多个第1磁阻元件以及所述多个第2磁阻元件在俯视的情况下具有圆形形状。5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中，所述多个第2磁阻元件各自包含在与膜面平行的给定的面内方向上磁化被固定的参考层、以及绕着与所述膜面垂直的轴呈涡旋状地被磁化且涡旋的中心根据外部磁场进行移动的自由层。6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁传感器，其中，所述角度传感器包含相对于所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度的输出特性相互不同的第1传感器以及第2传感器，所述第1传感器以及所述第2传感器各自包含多个所述第1磁阻元件，所述第1磁阻元件具有磁化方向被固定的参考层、以及磁化的方向根据所述外部磁场的方向而变化的自由层，所述第1传感器中的所述参考层的磁化方向和所述第2传感器中的所述参考层的磁化方向不同。7.根据权利要求6所述的磁传感器，其中，所述第1传感器中的所述参考层的磁化方向和所述第2传感器中的所述参考层的磁化方向相差90
°
，将所述第1传感器中的输出设为Vout1，单位为mV，将所述第2传感器中的输出设为Vout2，单位为mV，将所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度设为θ，在该情况下，根据下述式(1)来计算所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度，
[数学式1]θ＝tan
‑1(Vout2/Vout1)
…
式(1)8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁传感器，其中，所述磁场强度传感器包含相对于所述外部磁场的强度的输出特性相互不同的第3传感器以及第4传感器，所述第3传感器以及所述第4传感器各自包含在与膜面平行的给定的面内方向上磁化被固定的参考层、以及绕着与所述膜面垂直的轴呈涡旋状地被磁化且涡旋的中心根据外部磁场进行移动的自由层，所述第3传感器中的所述参考层的磁化方向和所述第4传感器中的所述参考层的磁化方向不同。9.根据权利要求8所述的磁传感器，其中，所述第3传感器中的所述参考层的磁化方向和所述第4传感器中的所述参考层的磁化方向相差90
°
。10.根据权利要求9所述的磁传感器，其中，将所述第3传感器中的输出设为Vout3，单位为mV，将所述第4传感器中的输出设为Vout4，单位为mV，将所述外部磁场的方向和所述基准方向所成的角度设为θ，将θ＝0
°
下的所述第3传感器的灵敏度设为G3，单位为mV/mT，将θ＝0
°
下的所述第4传感器的灵敏度设为G4，单位为mV/mT，将由所述第3传感器检测的所述外部磁场的强度设为B3，将由所述第4传感器检测的所述外部磁场的强度设为B4，在该情况下，在成为θ＝0
°
、90
°
、180
°
、270
°
以外的情况下根据以下的式(2)以及式(3)来计算所述外部磁场的强度，在成为θ＝0
°
、180
°
的情况下根据所述式(2)来计算所述外部磁场的强度，在成为θ＝90
°
、270
°
的情况下根据所述式(3)来计算所述外部磁场的强度，[数学式2]B3＝Vout3/G3cosθ
…

【专利技术属性】
技术研发人员：久保田将司，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：