[go: up one dir, main page]

CN113811738A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
CN113811738A
CN113811738A CN202080035287.5A CN202080035287A CN113811738A CN 113811738 A CN113811738 A CN 113811738A CN 202080035287 A CN202080035287 A CN 202080035287A CN 113811738 A CN113811738 A CN 113811738A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
magnetic field
layer
magnetoresistive elements
external magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202080035287.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113811738B (zh
Inventor
久保田将司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Publication of CN113811738A publication Critical patent/CN113811738A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113811738B publication Critical patent/CN113811738B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/091—Constructional adaptation of the sensor to specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0052—Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0094—Sensor arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

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。

Description

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
技术领域
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。
背景技术
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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°。
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°。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
关于以往的磁隧道结元件，在J.Zhu and C.Park，“Magnetic tunneljunctions”，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。
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。
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。
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。
[数学式1]
Figure BDA0003349194860000031
在此，GP＝G(0°)意味着磁化M1和磁化M2平行，GAP＝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。
[数学式2]
Figure BDA0003349194860000032
在此，RP是磁化M1和磁化M2平行的情况下的隧道磁阻，RAP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。
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。
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。
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。
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方向，自由层的磁化朝着与参考层的膜面垂直的方向。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而利用自由层/隧道阻挡层的界面相互作用，因此设计自由度低，灵敏度和检测磁场范围的折衷(trade-off)大。
在左起第3个磁隧道结元件中，参考层的磁化朝着与膜面垂直的方向。自由层的磁化朝着与参考层的膜面平行的面内方向。所感测的外部磁场在与参考层的膜面垂直的方向上变化。在该结构中，检测磁场方向成为与膜面垂直的方向，因此不适合同时感测角度和磁场强度的元件的集成。
在第1个结构中，为了施加各向异性磁场，需要形状各向异性、磁铁或电磁铁，或者需要层叠界面处的相互作用，从而存在如下那样的问题，即，灵敏度和检测磁场范围的折衷大，设计自由度低。
作为能够改善上述那样的缺点的磁阻元件，开发了具有如以下所示的磁涡旋构造的磁阻元件。
在R.Antos，Y.Otani and J.Shibata，“Magnetic vortex dynamics”，J.Phys.Soc.Jpn.77，031004(2008)(非专利文献3)中，如图33所示，作为对磁场进行特殊响应的现象，公开了磁涡旋构造。
图33是示出以往的具有磁涡旋构造的磁阻元件中的磁滞回线的图。如图33所示，在具有磁涡旋构造的磁阻元件中的磁滞回线中，在磁化曲线的一部分出现线性的区域。
在M.Schneider，H.Hoffmann and J.Zweck，“Lorentz microscopy of circularferromagnetic permalloy nanodisks”，Appl.Phys.Lett.77，2909(2000)(非专利文献4)中，如图33所示，公开了具有磁涡旋构造的磁阻元件的磁构造与饱和磁场以及成核磁场的关系。
图34是示出以往的具有磁涡旋构造的磁阻元件的盘径与饱和磁场以及成核磁场的图。如图34所示，在具有磁涡旋构造的磁阻元件中，随着盘纵横比(＝自由层的膜厚/盘径)的增加而饱和磁场以及成核磁场变大。即，具有磁涡旋构造的磁阻元件的线性区域随着盘纵横比的增加而扩大。
如图35至图37所示，在美国专利申请公开第2008/0180865号说明书(专利文献4)中提出了如下方法，即，在巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)传感器中，为了得到奇函数型的线性的输入磁场-磁阻特性而使用磁涡旋构造。
图35是示出以往的组装了具有磁涡旋构造的磁阻元件的磁传感器的概略剖视图。图36是图35的磁传感器的概略俯视图。图37是示出图35所示的磁传感器的响应性的图。
如图35以及图36所示，在专利文献4中公开了如下构造，即，包含层叠部的磁阻要素301被由导磁性材料形成的下部屏蔽件310和上部屏蔽件320夹持，该层叠部依次层叠了参考层302、阻挡层303以及具有磁涡旋构造的自由层304。在参考层302中，朝着面内方向固定了磁化，在自由层304中，磁化成为涡旋状。
如图37所示，在与参考层302的膜面垂直的方向上流过的电流相对于磁场的变化呈大致直线地变化。
在美国专利申请公开第2015/0185297号说明书(专利文献5)、远藤基、大兼干彦、永沼博、安藤康夫、应用了磁涡旋构造的铁磁性隧道结磁场传感器、第39次日本磁学会学术演讲概要集10pE-12，277(2015)(非专利文献5)、T.Wurft，WRaberg，K.Prugl，A.Satz，G.Reiss and H.Bruckl，The influence of edge inhomogeneities on vortexhysteresis curves in magnetic tunnel junctions，IEEE Transactions on MagneticsAF-05，1(2017)(非专利文献6)中，也同样地公开了具有磁涡旋构造的磁阻元件。
在日本特开2012-110470号公报(专利文献6)中公开了如下技术，即，将由磁隧道结元件构成的TMR传感器阵列化而获得三维的磁场分布。
在日本特开2013-120080号公报(专利文献7)中公开了如下内容，即，使用由磁隧道结元件构成的TMR传感器和反馈线圈来测定磁场的大小。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-226960号公报
专利文献2：日本特开2002-299728号公报
专利文献3：日本特开2013-64666号公报
专利文献4：美国专利申请公开第2008/0180865号说明书
专利文献5：美国专利申请公开第2015/0185297号说明书
专利文献6：日本特开2012-110470号公报
专利文献7：日本特开2013-120080号公报
非专利文献
非专利文献1：J.Zhu and C.Park，“Magnetic tunnel junctions”，MaterialsToday 9，36(2006)
非专利文献2：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3：R.Antos，Y.Otani and J.Shibata，“Magnetic vortex dynamics”，J.Phys.Soc.Jpn.77，031004(2008)
非专利文献4：M.Schneider，H.Hoffmann and J.Zweck，“Lorentz microscopy ofcircular ferromagnetic permalloy nanodisks”，Appl.Phys.Lett.77，2909(2000)
非专利文献5：远藤基、大兼干彦、永沼博、安藤康夫、应用了磁涡旋构造的铁磁性隧道结磁场传感器、第39次日本磁学会学术演讲概要集10pE-12，277(2015)
非专利文献6：T.Wurft，W.Raberg，K.Prugl，A.Satz，G.Reiss and H.Bruckl，Theinfluence of edge inhomogeneities on vortex hysteresis curves in magnetictunnel junctions，IEEE Transactions on Magnetics AF-05，1(2017)
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1至专利文献7、非专利文献1至6中的任一者记载的磁传感器中，关于针对以未知的角度输入的外部磁场而高精度地测定磁场的角度和磁场的大小这两者，均未充分地进行研究。
本公开是鉴于上述那样的问题而完成的，本公开的目的在于，提供一种能够检测外部磁场的角度并且还能够基于检测到的角度来检测外部磁场的强度的磁传感器、磁传感器阵列、磁场分布测定装置以及位置确定装置。
用于解决课题的手段
基于本公开的磁传感器具备：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，基于上述外部磁场的强度进行输出。上述角度传感器以及上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。上述磁场强度传感器根据上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度而具有不同的输出特性。基于由上述角度传感器感测到的上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度与上述磁场强度传感器的输出来决定上述外部磁场的强度。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述角度传感器以及上述磁场强度传感器优选设置在同一基板上。
在上述基于本公开的磁传感器中，作为相对于上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度的输出特性，上述角度传感器优选具有用cos函数表示的输出特性，作为相对于上述外部磁场的强度的输出特性，上述磁场强度传感器优选具有用直线表示的输出特性。进而，上述磁场强度传感器的输出特性中的相对于上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度的非线性分布优选大致恒定。在此，非线性定义为在某个外部磁场角度下将计测磁场范围内的输出变动幅度(全量程)作为分母并将计测输出和理想直线的偏移量作为分子而进行了％FS表示。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述多个第1磁阻元件以及上述多个第2磁阻元件也可以在俯视的情况下具有圆形形状。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述多个第2磁阻元件各自优选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、以及绕着与上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。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述角度传感器优选包含相对于上述外部磁场的方向和上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。此外，上述第1传感器以及上述第2传感器各自优选包含多个上述第1磁阻元件，上述第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上述外部磁场的方向而变化的自由层。在该情况下，优选上述第1传感器中的上述参考层的磁化方向和上述第2传感器中的上述参考层的磁化方向不同。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述第1传感器中的上述参考层的磁化方向和上述第2传感器中的上述参考层的磁化方向也可以相差90°。在该情况下，优选地，在将上述第1传感器中的输出设为Vout1(mV)，将上述第2传感器中的输出设为Vout2(mV)，将上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度设为θ的情况下，根据下述式(1)来计算上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度。
[数学式3]
θ＝tan-1(Vout2/Vout1) …式(1)
在上述基于本公开的磁传感器中，上述磁场强度传感器优选包含相对于上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。此外，上述第3传感器以及上述第4传感器各自优选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、以及绕着与上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。在该情况下，优选上述第3传感器中的上述参考层的磁化方向和上述第4传感器中的上述参考层的磁化方向不同。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述第3传感器中的上述参考层的磁化方向和上述第4传感器中的上述参考层的磁化方向也可以相差90°。
在上述基于本公开的磁传感器中，优选地，将上述第3传感器中的输出设为Vout3(mV)，将上述第4传感器中的输出设为Vout4(mV)，将上述外部磁场的方向和上述基准方向所成的角度设为θ，将θ＝0°下的上述第3传感器的灵敏度设为G3(mV/mT)，将θ＝0°下的上述第4传感器的灵敏度设为G4(mV/mT)，将由上述第3传感器检测的上述外部磁场的强度设为B3，将由上述第4传感器检测的上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)来计算上述外部磁场的强度，在成为θ＝0°、180°的情况下根据上述式(2)来计算上述外部磁场的强度，在成为θ＝90°、270°的情况下根据上述式(3)来计算上述外部磁场的强度。
[数学式4]
B3＝Vout3/G3cosθ …式(2)
[数学式5]
B4＝Vout4/G4sinθ …式(3)
在上述基于本公开的磁传感器中，上述多个第1磁阻元件也可以包含一对以上的构成半桥电路的一对第1磁阻元件。在该情况下，上述一对第1磁阻元件各自优选具有磁化方向被固定的参考层、以及磁化的方向根据上述外部磁场的方向而变化的自由层，优选在上述一对第1磁阻元件中，一个第1磁阻元件中的上述参考层的磁化方向和另一个第1磁阻元件中的上述参考层的磁化方向为相反方向。进而，上述多个第2磁阻元件也可以包含一对以上的构成半桥电路的一对第2磁阻效应元件。在该情况下，上述一对第2磁阻效应元件各自优选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、以及绕着与上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，优选在上述一对第2磁阻元件中，一个第2磁阻元件中的上述参考层的磁化方向和另一个第2磁阻元件中的上述参考层的磁化方向为相反方向。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述多个第1磁阻元件也可以包含一组以上的构成第1半桥电路的上述一对第1磁阻元件和构成第2半桥电路的上述一对第1磁阻元件。在该情况下，优选由上述第1半桥电路以及上述第2半桥电路构成了全桥电路。进而，优选构成上述第1半桥电路的上述一对第1磁阻元件之中一个第1磁阻元件中的上述参考层的磁化方向和构成上述第2半桥电路的上述一对第1磁阻元件之中一个第1磁阻元件中的上述参考层的磁化方向为相同朝向。此外，上述多个第2磁阻元件也可以包含一组以上的构成第3半桥电路的上述一对第2磁阻元件和构成第4半桥电路的上述一对第2磁阻元件。在该情况下，优选由上述第3半桥电路以及上述第4半桥电路构成了全桥电路。进而，优选构成上述第3半桥电路的上述一对第2磁阻元件之中一个第2磁阻元件中的上述参考层的磁化方向和构成上述第4半桥电路的上述一对第2磁阻元件之中一个第2磁阻元件中的上述参考层的磁化方向为相同朝向。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述多个第1磁阻元件各自也可以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、以及绕着与上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。
在上述基于本公开的磁传感器中，也可以是，还具备：第1消除磁场产生部以及第2消除磁场产生部，产生将赋予给上述磁场强度传感器的上述外部磁场抵消的消除磁场；以及电流控制部，对流过上述第1消除磁场产生部以及上述第2消除磁场产生部的电流进行控制。在该情况下，上述电流控制部优选基于由上述角度传感器感测到的上述外部磁场的方向和基准方向所成的角度对上述电流进行控制。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述磁场强度传感器优选包含相对于上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。此外，上述第3传感器以及上述第4传感器各自优选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、以及绕着与上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，优选上述第3传感器中的上述参考层的磁化方向和上述第4传感器中的上述参考层的磁化方向不同。进而，优选上述外部磁场被由上述第1消除磁场产生部产生的第1消除磁场和由上述第2消除磁场产生部产生的第2消除磁场的合成磁场抵消。在该情况下，上述第1消除磁场的方向优选与上述第3传感器中的上述参考层的磁化方向平行，上述第2消除磁场的方向优选与上述第4传感器中的上述参考层的磁化方向平行。
在上述基于本公开的磁传感器中，上述第2消除磁场产生部、上述第1消除磁场产生部以及上述磁场强度传感器优选被依次层叠。进而，优选在上述第2消除磁场产生部与上述第1消除磁场产生部之间设置有第1绝缘层，优选在上述第1消除磁场产生部与上述磁场强度传感器之间设置有第2绝缘层。
基于本公开的传感器阵列具备多个上述磁传感器。多个上述磁传感器配置为矩阵状。
在上述基于本公开的传感器阵列中，上述磁传感器优选包含第1区域和环绕上述第1区域的周围的第2区域。在该情况下，优选在上述第1区域形成有上述角度传感器以及上述磁场强度传感器中的一者，优选在上述第2区域形成有上述角度传感器以及上述磁场强度传感器中的另一者。进而，上述第1区域以及第2区域优选相对于通过上述第1区域的中心的假想线具有线对称的形状。
基于本公开的磁场分布测定装置具备：上述磁传感器；以及传感器移动机构，使上述磁传感器在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向中的至少任一方向上移动。
基于本公开的位置确定装置具备：上述磁传感器；以及移动体，具有磁场源，构成为能够移动。
发明效果
根据本公开，能够提供一种能够检测外部磁场的角度并且还能够基于检测到的角度来检测外部磁场的强度的磁传感器、磁传感器阵列、磁场分布测定装置以及位置确定装置。
附图说明
图1是示出实施方式1涉及的磁传感器的概略图。
图2是示出实施方式1涉及的第1磁阻元件的构造的概略剖视图。
图3是示出实施方式1涉及的第2磁阻元件的构造的概略剖视图。
图4是示出实施方式1涉及的第1磁阻元件的上部铁磁性层(自由层)中的磁化根据外部磁场而变化的样子的图。
图5是示出实施方式1涉及的第2磁阻元件的上部铁磁性层(自由层)中的涡旋状的磁化根据外部磁场而变化的样子的图。
图6是示出实施方式1涉及的角度传感器中包含的第1传感器以及第2传感器中的相对于外部磁场的角度的输出特性的图。
图7是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第3传感器以及第4传感器中的相对于外部磁场的角度的输出全量程特性的图。
图8是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第3传感器以及第4传感器中的相对于外部磁场的角度的输出的非线性的图。
图9是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第3传感器中的相对于磁场强度的输出特性的图。
图10是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第4传感器中的相对于磁场强度的输出特性的图。
图11是示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第1工序的图。
图12是示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第2工序的图。
图13是示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第3工序的图。
图14是示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第4工序的图。
图15是示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第5工序的图。
图16是示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第6工序的图。
图17是示出实施方式2涉及的磁传感器的概略图。
图18是示出实施方式2涉及的第2磁阻元件的构造的概略剖视图。
图19是示出实施方式3涉及的磁传感器的概略图。
图20是示出实施方式4涉及的磁传感器的概略立体图。
图21是示出实施方式4涉及的磁传感器的概略剖视图。
图22是示出实施方式5涉及的磁传感器阵列的概略俯视图。
图23是图22所示的磁传感器阵列的放大图。
图24是示出实施方式6涉及的磁场分布测定装置的图。
图25是示出实施方式7涉及的位置确定装置的图。
图26是示出以往的第1角度传感器的概略图。
图27是示出以往的第1角度传感器中的磁阻元件的磁阻的变化的图。
图28是示出以往的第1角度传感器的输出特性的图。
图29是示出以往的第2角度传感器的概略俯视图。
图30是示出以往的第2角度传感器的输出特性的图。
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。
图32是示出以往的各种磁阻元件和这些磁阻元件的特征的图。
图33是示出以往的具有磁涡旋构造的磁阻元件中的磁滞回线的图。
图34是示出以往的具有磁涡旋构造的磁阻元件的盘径与饱和磁场以及成核磁场的图。
图35是示出以往的组装了具有磁涡旋构造的磁阻元件的磁传感器的概略剖视图。
图36是图35的磁传感器的概略俯视图。
图37是示出图35所示的磁传感器的响应性的图。
具体实施方式
以下，参照图对本公开的实施方式进行详细地说明。另外，在以下所示的实施方式中，对于相同或公共的部分，在图中标注相同的附图标记，不再重复其说明。
(实施方式1)
图1是示出实施方式1涉及的磁传感器的概略图。参照图1对实施方式1涉及的磁传感器1进行说明。
磁传感器1包含角度传感器10、磁场强度传感器20以及计算部30。角度传感器10、磁场强度传感器20以及计算部30设置在同一基板61(参照图11)上。角度传感器10以及磁场强度传感器20以平面方式配置。即，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。在此，关于计算部的功能，除了设置在同一基板以外，还可以设置在与传感器分开准备的集成电路基板上。
角度传感器10是磁传感器1之中测定外部磁场的角度的部位。角度传感器10包含第1传感器11以及第2传感器12。
第1传感器11具有多个第1磁阻元件111、112、113、114。多个第1磁阻元件111、112、113、114在俯视的情况下具有圆形形状。由此，能够消除形状各向异性的角度依赖性，能够使输出特性变得适当。
多个第1磁阻元件111、112、113、114构成了全桥电路。
具体地，第1磁阻元件111的一侧与用于施加电源电压Vin的电极部P1连接。第1磁阻元件111的另一侧与用于导出输出电压V+的电极部P2连接。
第1磁阻元件112的一侧与用于导出输出电压V+的电极部P2连接。第1磁阻元件112的另一侧与作为接地电极的电极部P4连接。
第1磁阻元件113的一侧与用于施加电源电压Vin的电极部P1连接。第1磁阻元件113的另一侧与用于导出输出电压V-的电极部P3连接。
第1磁阻元件114的一侧与用于导出输出电压V-的电极部P3连接。第1磁阻元件114的另一侧与作为接地电极的电极部P4连接。
第1磁阻元件111以及第1磁阻元件112被串联连接，从而构成第1半桥电路。第1磁阻元件113以及第1磁阻元件114被串联连接，从而构成第2半桥电路。
第1半桥电路以及第2半桥电路被并联连接，从而构成全桥电路。在横轴取外部磁场且纵轴取输出时，第1磁阻元件111以及第1磁阻元件112的斜率为正。在横轴取外部磁场且纵轴取输出时，第1磁阻元件113以及第1磁阻元件114的斜率为正。
若在电极部P1与电极部P4之间施加电源电压Vin，则根据磁场强度而从电极部P2以及电极部P4导出输出电压V+、V-。输出电压V+、V-经由差动放大器(未图示)被差动放大。
如后所述，多个第1磁阻元件111、112、113、114各自包含作为参考层的下部铁磁性层105和作为自由层的上部铁磁性层107。在下部铁磁性层105中，在与膜面平行的给定的面内方向上磁化被固定。另一方面，在上部铁磁性层107中，磁化未被固定。
在多个第1磁阻元件111、112、113、114的各个第1磁阻元件中，下部铁磁性层105的磁化方向变得如箭头AR2所示。
具体地，在构成上述第1半桥电路的一对第1磁阻元件111、112中，第1磁阻元件111中的下部铁磁性层105的磁化方向和第1磁阻元件112中的下部铁磁性层105的磁化方向为相反方向。
同样地，在构成上述第2半桥电路的一对第1磁阻元件113、114中，第1磁阻元件113中的下部铁磁性层105的磁化方向和第1磁阻元件114中的下部铁磁性层105的磁化方向为相反方向。
此外，第1半桥电路中的第1磁阻元件111的下部铁磁性层105的磁化方向和第2半桥电路中的第1磁阻元件114的下部铁磁性层105的磁化方向为相同方向。
同样地，第1半桥电路中的第1磁阻元件112的下部铁磁性层105的磁化方向和第2半桥电路中的第1磁阻元件113的下部铁磁性层105的磁化方向为相同方向。
另外，在相对于基准方向DR1以角度θ施加外部磁场的情况下，第1磁阻元件111、112、113、114中的上部铁磁性层107的磁化方向(箭头AR1方向)也旋转角度θ。由此，角度传感器10的输出变化。
第2传感器12具有多个第1磁阻元件121、122、123、124。多个第1磁阻元件121、122、123、124在俯视的情况下具有圆形形状。由此，能够消除形状各向异性的角度依赖性，能够使输出特性变得适当。
多个第1磁阻元件121、122、123、124构成了全桥电路。第1磁阻元件121以及第1磁阻元件122被串联连接，从而构成第1半桥电路。第1磁阻元件123以及第1磁阻元件124被串联连接，从而构成第2半桥电路。另外，关于这些桥电路的连接结构，由于与第1传感器11大致相同，因此省略其说明。
第2传感器12与第1传感器11相比较，各第1磁阻元件121、122、123、124中的参考层(下部铁磁性层)的磁化方向不同于对应的第1磁阻元件111、112、113、114中的参考层(下部铁磁性层)的磁化方向。
具体地，各第1磁阻元件121、122、123、124中的参考层的磁化方向与对应的第1磁阻元件111、112、113、114中的参考层的磁化方向相差90°。
多个第1磁阻元件121、122、123、124各自也包含磁化未被固定的上部铁磁性层107(参照图2)、以及在给定的面内方向上磁化被固定的下部铁磁性层105。
在多个第1磁阻元件121、122、123、124的各个第1磁阻元件中，下部铁磁性层105的磁化方向变得如箭头AR4所示。
即使在第2传感器12中，在构成第1半桥电路的一对第1磁阻元件121、122中，第1磁阻元件121中的下部铁磁性层105的磁化方向和第1磁阻元件122中的下部铁磁性层105的磁化方向也为相反方向。
同样地，在构成上述第2半桥电路的一对第1磁阻元件123、124中，第1磁阻元件123中的下部铁磁性层105的磁化方向和第1磁阻元件124中的下部铁磁性层105的磁化方向也为相反方向。
此外，第1半桥电路中的第1磁阻元件121的下部铁磁性层105的磁化方向和第2半桥电路中的第1磁阻元件124的下部铁磁性层105的磁化方向为相同方向。
同样地，第1半桥电路中的第1磁阻元件122的下部铁磁性层105的磁化方向和第2半桥电路中的第1磁阻元件123的下部铁磁性层105的磁化方向为相同方向。
另外，在相对于基准方向DR1以角度θ施加外部磁场的情况下，第1磁阻元件121、122、123、124中的上部铁磁性层107的磁化方向(箭头AR3方向)也旋转角度θ。由此，角度传感器10的输出变化。
磁场强度传感器20是磁传感器1之中测定外部磁场的强度的部位。磁场强度传感器20包含第3传感器21以及第4传感器22。
第3传感器21具有多个第2磁阻元件211、212、213、214。多个第2磁阻元件211、212、213、214在俯视的情况下具有圆形形状。
多个第2磁阻元件211、212、213、214构成了全桥电路。第2磁阻元件211以及第2磁阻元件212被串联连接，从而构成第3半桥电路。第2磁阻元件213以及第2磁阻元件214被串联连接，从而构成第4半桥电路。另外，关于这些桥电路的连接结构，由于与第1传感器11大致相同，因此省略其说明。
如后所述，多个第2磁阻元件211、212、213、214各自包含作为参考层的下部铁磁性层205(参照图3)和作为自由层的上部铁磁性层207(参照图3)。下部铁磁性层205在与膜面平行的给定的方向上磁化被固定。上部铁磁性层207绕着与上述膜面垂直的轴呈涡旋状地被磁化。在施加了外部磁场的情况下，磁化涡旋的中心根据外部磁场进行移动。如前所述，具有磁构造的磁阻元件的线性区域随着盘纵横比(＝自由层的膜厚/盘径)的增加而扩大。通过使用这样的磁涡旋构造的磁阻元件，从而能够扩大输入磁场的范围。
在未施加外部磁场的状态下，在多个第2磁阻元件211、212、213、214的各个第2磁阻元件中，下部铁磁性层205的磁化方向变得如箭头AR5所示。
在构成上述第3半桥电路的一对第2磁阻元件211、212中，第2磁阻元件211中的下部铁磁性层205的磁化方向和第2磁阻元件212中的下部铁磁性层205的磁化方向为相反方向。
同样地，在构成上述第4半桥电路的一对第2磁阻元件213、214中，第2磁阻元件213中的下部铁磁性层205的磁化方向和第2磁阻元件214中的下部铁磁性层205的磁化方向为相反方向。
此外，第3半桥电路中的第2磁阻元件211的下部铁磁性层205的磁化方向和第4半桥电路中的第2磁阻元件214的下部铁磁性层205的磁化方向为相同方向。
同样地，第3半桥电路中的第2磁阻元件212的下部铁磁性层205的磁化方向和第4半桥电路中的第2磁阻元件213的下部铁磁性层205的磁化方向为相同方向。
第4传感器22具有多个第2磁阻元件221、222、223、224。多个第2磁阻元件221、222、223、224在俯视的情况下具有圆形形状。
多个第2磁阻元件221、222、223、224构成了全桥电路。第2磁阻元件221以及第2磁阻元件222被串联连接，从而构成第3半桥电路。第2磁阻元件223以及第2磁阻元件224被串联连接，从而构成第4半桥电路。另外，关于这些桥电路的连接结构，由于与第1传感器11大致相同，因此省略其说明。
第4传感器22与第3传感器21相比较，各第2磁阻元件221、222、223、224中的下部铁磁性层205的磁化方向不同于对应的第2磁阻元件211、212、213、214中的参考层的磁化方向。
具体地，各第2磁阻元件221、222、223、224中的参考层的磁化方向与对应的第2磁阻元件211、212、213、214中的参考层的磁化方向相差90°。
多个第2磁阻元件221、222、223、224各自也包含上部铁磁性层207(参照图3)、以及在给定的面内方向上磁化被固定的下部铁磁性层205。
在多个第2磁阻元件221、222、223、224的各个第2磁阻元件中，下部铁磁性层205的磁化方向变得如箭头AR6所示。
即使在第4传感器22中，在构成第3半桥电路的一对第2磁阻元件221、222中，第2磁阻元件221中的下部铁磁性层205的磁化方向和第2磁阻元件222中的下部铁磁性层205的磁化方向也为相反方向。
同样地，在构成上述第4半桥电路的一对第2磁阻元件223、224中，第2磁阻元件223中的下部铁磁性层205的磁化方向和第2磁阻元件224中的下部铁磁性层205的磁化方向也为相反方向。
此外，第3半桥电路中的第2磁阻元件221的下部铁磁性层205的磁化方向和第4半桥电路中的第2磁阻元件224的下部铁磁性层205的磁化方向为相同方向。
同样地，第3半桥电路中的第2磁阻元件222的下部铁磁性层205的磁化方向和第4半桥电路中的第2磁阻元件223的下部铁磁性层205的磁化方向为相同方向。
计算部30被输入来自角度传感器10的输出以及磁场强度传感器20的输出。具体地，计算部30被输入来自第1传感器11、第2传感器12、第3传感器21以及第4传感器22的输出。
如后所述，计算部30根据来自角度传感器10的输出来决定外部磁场的角度θ，并基于该决定的角度θ和磁场强度传感器20的输出来决定外部磁场的强度。
图2是示出实施方式1涉及的第1磁阻元件的构造的概略剖视图。参照图2对第1磁阻元件111的构造进行说明。另外，其它第1磁阻元件的构造与该第1磁阻元件111的构造大致相同，因此省略其说明。
如图2所示，第1磁阻元件111是使用了所谓的合成反铁磁性(SAF：syntheticanti-ferromagnetic)耦合的底部钉扎(Bottom-pinned)型的TMR元件。在此，作为一个例子示出了相同构造，但也可以是不使用SAF的情况、顶部钉扎(Top-pinned)型的TMR元件。
第1磁阻元件111包含下部电极层101、反铁磁性层102、铁磁性层103(钉扎层)、非磁性层104、下部铁磁性层105(参考层)、绝缘层106、上部铁磁性层107以及盖层(caplayer)108。
下部电极层101作为使反铁磁性层102的晶体适当地生长的种子层而发挥功能。作为下部电极层101，例如能够采用Ru和Ta的层叠膜。另外，下部电极层101能够采用由其它金属、合金构成的单一的金属膜、以及层叠了多种上述金属膜的层。
反铁磁性层102设置在下部电极层101上。作为反铁磁性层102，例如能够采用PtMn。另外，反铁磁性层102也可以是IrMn等包含Mn的合金。
铁磁性层103设置在反铁磁性层102上。作为铁磁性层103，例如能够采用CoFe。另外，铁磁性层103也可以是CoFeB等。铁磁性层103的磁化通过从反铁磁性层102作用的交换耦合磁场而被固定在给定的面内方向上。
非磁性层104设置在铁磁性层103上。非磁性层104例如能够采用Ru。
下部铁磁性层105设置在非磁性层104上。作为下部铁磁性层105，例如能够采用CoFeB。另外，铁磁性层103也可以是CoFe等。
上述的铁磁性层103、非磁性层104以及下部铁磁性层105形成了SAF构造。由此，作为第1参考层的下部铁磁性层105的磁化的方向被牢固地固定。
绝缘层106设置在下部铁磁性层105上。作为绝缘层，例如能够采用MgO。绝缘层106配置在上部铁磁性层107与下部铁磁性层105之间，作为隧道阻挡层而发挥功能。
上部铁磁性层107设置在绝缘层106上。作为上部铁磁性层107，例如能够采用CoFeB。另外，上部铁磁性层107也可以是NiFe等。
在上部铁磁性层107中，磁化未被固定，上部铁磁性层107作为自由层而发挥功能。上部铁磁性层107的磁化根据外部磁场而改变朝向。
盖层108设置在上部铁磁性层107上。例如，能够采用Ru和Ta的层叠膜。另外，盖层108能够采用由其它金属、合金构成的单一的金属膜、以及层叠了多种上述金属膜的层。
另外，上述中的下部电极层101、反铁磁性层102、铁磁性层103、非磁性层104、下部铁磁性层105、绝缘层106、上部铁磁性层107以及盖层108表示一个例子，可以由单层构成，也可以层叠多个层而构成。上述中的下部电极层101、反铁磁性层102、铁磁性层103、非磁性层104、下部铁磁性层105、绝缘层106、上部铁磁性层107以及盖层108能够适当地进行设定。
图3是示出实施方式1涉及的第2磁阻元件的构造的概略剖视图。参照图3对第2磁阻元件211的构造进行说明。另外，其它第2磁阻元件的构造与该第2磁阻元件211的构造大致相同，因此省略其说明。
如图3所示，第2磁阻元件211是使用了所谓的合成反铁磁性(SAF：syntheticanti-ferromagnetic)耦合的底部钉扎(Bottom-pinned)型的TMR元件。在此，作为一个例子示出了相同构造，但也可以是不使用SAF的情况、顶部钉扎(Top-pinned)型的TMR元件。
第2磁阻元件211包含下部电极层201、反铁磁性层202、铁磁性层203(钉扎层)、非磁性层204、下部铁磁性层205(参考层)、绝缘层206、上部铁磁性层207以及盖层208。
与第1磁阻元件111相比较，不同点在于，上部铁磁性层207呈涡旋状地被磁化，关于其它结构，大致相同。即，下部电极层201、反铁磁性层202、铁磁性层203、非磁性层204、下部铁磁性层205、绝缘层206以及盖层208是与上述的下部电极层101、反铁磁性层102、铁磁性层103、非磁性层104、下部铁磁性层105、绝缘层106以及盖层108大致相同的结构。因此，关于它们的详细说明，将进行省略。
上部铁磁性层207具有磁涡旋构造。上部铁磁性层207作为自由层而发挥功能。上部铁磁性层207的磁化根据外部磁场而改变朝向。
图4是示出实施方式1涉及的第1磁阻元件的上部铁磁性层(自由层)中的磁化根据外部磁场而变化的样子的图。另外，在图4中，示出对上部铁磁性层107以及下部铁磁性层105各自进行了俯视的状态。
此外，图4作为一个例子而示出了由外部磁场的角度的变化引起的自由层107中的磁化的朝向的变化。作为参考层的下部铁磁性层105中被固定的磁化的朝向在图4中朝左。
在该情况下，图4中的左侧示出在0°方向(右方向，具体地，在图1、图17中为DR1方向)上施加外部磁场的情况，自由层107的磁化变得与参考层105的被固定的磁化的朝向反平行。向图中右侧示出外部磁场的角度各增加了45°的情况。图4中第3个示出在90°方向(上方向)上施加外部磁场的情况，自由层107的磁化相对于参考层105的磁化正交。图4中的中央示出在180°方向(左方向)上施加外部磁场的情况，自由层107的磁化变得与参考层105的被固定的磁化的朝向平行。图4中第7个示出在270°方向(下方向)上施加外部磁场的情况，自由层107的磁化相对于参考层105的磁化正交。图4中的右侧示出在360°方向(右方向)上施加外部磁场的情况，自由层107的磁化变得与参考层105的被固定的磁化的朝向反平行。
图5是示出实施方式1涉及的第2磁阻元件的上部铁磁性层(自由层)中的涡旋状的磁化根据外部磁场而变化的样子的图。
图5作为一个例子示出了由从0°或180°方向起的外部磁场的变化引起的自由层207中的涡旋状的磁化的朝向的变化。作为第2参考层的下部铁磁性层205中被固定的磁化的朝向在图5中朝左。
在该情况下，图5中的左侧示出在180°方向(负方向，具体地，在图1、图17中为相对于DR1方向成180°的方向)上外部磁场大的情况，图5中的中央示出未施加外部磁场的情况，图5中的右侧示出在0°方向(正方向，具体地，在图1、图17中为DR1方向)上外部磁场大的情况。另外，图5中的各涡旋状的磁化的状态与图33所示的磁化曲线的各位置所示的磁涡旋的状态大致对应。
如图5中的中央所示，在未施加外部磁场的情况下，在自由层207中，磁涡旋的中心位于自由层207的中央。
如图5中的左侧起第2个所示，若在负方向上施加外部磁场，则在自由层207中，磁涡旋的中心从自由层207的中央向图5中下方移动。进而，若向负方向的外部磁场变大，则如图5中的左起第1个所示，自由层207的磁通量密度饱和，自由层207的磁化变得与参考层205的被固定的磁化的朝向平行。
如图5中的左侧起第4个所示，若在正方向上施加外部磁场，则在自由层207中，磁涡旋的中心从自由层207的中央向图5中上方移动。进而，若向正方向的外部磁场变大，则如图5中的左起第5个所示，自由层207的磁通量密度饱和，自由层207的磁化变得与参考层105的被固定的磁化的朝向反平行。
图6是示出实施方式1涉及的角度传感器中包含的第1传感器以及第2传感器中的相对于外部磁场的角度的输出特性的图。参照图6，对第1传感器11以及第2传感器12相对于外部磁场的角度θ的输出特性进行说明。
在像上述那样构成的第1传感器11中，相对于外部磁场的角度θ的输出特性用cos函数来表示。此外，即使在第2传感器12中，相对于外部磁场的角度θ的输出特性也用cos函数来表示。另外，在第2传感器12中，下部铁磁性层(参考层)105的磁化方向与第1传感器11相比较相差90°。因此，第2传感器12的输出特性与第1传感器11相比较成为相位偏移了90°的状态。
像这样，通过使相位偏移而从第1传感器11以及第2传感器12得到输出，由此能够对0°至360°的角度唯一地确定所输入的外部磁场的角度。
在该情况下，在将第1传感器11中的输出设为Vout1(mV)，将第2传感器12中的输出设为Vout2(mV)，将外部磁场的方向和基准方向所成的角度(外部磁场的角度)设为θ的情况下，根据下述式(1)来计算外部磁场的方向和基准方向所成的角度。
[数学式6]
θ＝tan-1(Vout2/Vout1) …式(1)
通过使用这样的式子，从而能够简便地计算外部磁场的角度。
图7是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第3传感器以及第4传感器中的相对于外部磁场的角度的输出特性的图。参照图7对第3传感器21以及第4传感器22相对于外部磁场的角度的输出特性进行说明。
在第4传感器22中，下部铁磁性层(参考层)205的磁化方向与第3传感器21相比较相差90°。由此，如图7所示，在第3传感器21的输出小的地方，第4传感器22的输出变高。此外，在第4传感器22的输出小的地方，第3传感器21的输出变高。即，通过使用下部铁磁性层205的磁化方向相互不同的第3传感器21以及第4传感器22，从而能够对一个传感器的灵敏度变低的区域用另一个传感器进行补充。
图8是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第3传感器以及第4传感器中的相对于外部磁场的角度的输出的非线性的图。参照图8对第3传感器21以及第4传感器22相对于外部磁场的角度的输出的非线性进行说明。
如图8所示，在相对于外部磁场的角度具有良好的灵敏度的范围内，第3传感器21以及第4传感器22相对于外部磁场的角度的输出的非线性变得大致恒定，几乎不变化。此外，第3传感器21以及第4传感器22相对于外部磁场的角度的输出的非线性小于0.5％FS。在此，非线性％FS(全量程百分比)定义为在某个外部磁场角度下将计测磁场范围内的输出变动幅度(全量程)作为分母并将计测输出和理想直线的偏移量作为分子而进行了百分比表示。
图9是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第3传感器中的相对于磁场强度的输出特性的图。在图9中，作为一个例子，示出了外部磁场的角度成为0°、180°、210°、240°、270°、300°、330°的情况下的第3传感器21中的相对于磁场强度的输出特性。
第3传感器21中的相对于磁场强度的输出特性用大致直线来表示。此外，第3传感器21中的相对于磁场强度的输出特性根据外部磁场的角度而不同。
图10是示出实施方式1涉及的磁场强度传感器中包含的第4传感器中的相对于磁场强度的输出特性的图。在图10中，作为一个例子，示出了外部磁场的角度成为0°、90°、120°、150°、270°、300°、330°的情况下的第4传感器22中的相对于磁场强度的输出特性。
第4传感器22中的相对于磁场强度的输出特性用大致直线来表示。此外，第4传感器22中的相对于磁场强度的输出特性根据外部磁场的角度而不同。
像这样，第3传感器21以及第4传感器22具有相互不同的灵敏度的输出特性，由此能够基于第3传感器21以及第4传感器22的输出来计算外部磁场的强度。此外，能够在外部磁场的角度为0°至360°的范围内计算外部磁场的强度。例如，在外部磁场的角度为0°的情况下，即使在第4传感器22的输出为0的情况下，也能够基于来自第3传感器21的输出来计算外部磁场的强度。
具体地，将第3传感器21中的输出设为Vout3(mV)，将第4传感器22中的输出设为Vout4(mV)，将外部磁场的方向和基准方向所成的角度设为θ，将θ＝0°下的第3传感器的灵敏度设为G3(mV/mT)，将θ＝0°下的第4传感器的灵敏度设为G4(mV/mT)，将由第3传感器21检测的外部磁场的强度设为B3，将由第4传感器22检测的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)来计算外部磁场的强度，在成为θ＝0°、180°的情况下根据式(2)来计算外部磁场的强度，在成为θ＝90°、270°的情况下根据式(3)来计算外部磁场的强度。
[数学式7]
B3＝Vout3/G3cosθ …式(2)
[数学式8]
B4＝Vout4/G4sinθ …式(3)
通过使用这样的式子计算外部磁场的强度，从而能够简便地决定磁场强度。
另外，上述的第3传感器21以及第4传感器22的与角度相应的灵敏度的输出特性保存在设置于计算部30的存储器。在磁传感器1中，像上述那样通过角度传感器10感测外部磁场的角度，并基于感测到的角度来选择与该角度对应的第3传感器21以及第4传感器22的与角度相应的灵敏度的输出特性。计算部30能够根据所选择的输出特性和来自第3传感器21以及第4传感器22的输出来决定外部磁场的强度。其结果是，在实施方式1涉及的磁传感器1中，能够检测外部磁场的角度，并且还能够基于检测到的角度来检测外部磁场的强度。
图11至图16是分别示出实施方式1涉及的磁传感器的制造工序的第1工序至第6工序的图。参照图11至图16对实施方式1涉及的磁传感器1的制造方法进行说明。
如图11所示，在磁传感器1的制造方法中的第1工序中，准备通过光刻以及干式蚀刻等在形成多个第1磁阻元件以及多个第2磁阻元件的形成区域形成了绝缘层62的基板61。作为基板61，例如能够采用Si晶片。绝缘层62由硅氧化膜构成。
接下来，在基板61的表面61a上形成基底膜63，使得覆盖绝缘层62。作为基底膜63，例如能够采用Cu。
接着，在基底膜63上对成为多个第1磁阻元件以及多个第2磁阻元件的TMR层叠膜64进行成膜。
具体地，从基底膜63侧起依次层叠下部电极膜、反铁磁性膜、铁磁性膜(成为钉扎层的膜)、非磁性膜、下部铁磁性膜(成为参考层的膜)、绝缘膜、上部铁磁性膜(成为自由层的膜)以及盖膜。
另外，下部电极膜、反铁磁性膜、铁磁性膜、非磁性膜、下部铁磁性膜、绝缘膜、上部铁磁性膜以及盖膜在TMR层叠膜64图案化后分别成为下部电极层101、201、反铁磁性层102、202、铁磁性层103、203、非磁性层104、204、下部铁磁性层105、205、绝缘层106、206、上部铁磁性层107、207以及盖层108、208。
在此，作为下部电极膜，例如对Ru/Ta进行成膜。作为下部电极膜的上层的铁磁性膜/反铁磁性膜，例如对CoFe/IrMn进行成膜。该层叠膜通过在后述的磁场中退火而产生交换耦合，作为钉扎层而发挥功能。
作为铁磁性膜的上层的非磁性膜，例如对Ru进行成膜，作为非磁性膜的上层的下部铁磁性膜，例如对CoFeB进行成膜。
下部铁磁性膜/非磁性膜/铁磁性膜构成了SAF构造。由下部铁磁性膜形成磁化被牢固地固定的参考层。
作为下部铁磁性膜的上层的绝缘膜，例如对MgO进行成膜，作为绝缘膜的上层的上部铁磁性膜，例如对CoFeB进行成膜。在上部铁磁性膜/MgO/下部铁磁性膜之中，由上部铁磁性膜形成作为自由层的上部铁磁性层107以及作为自由层的上部铁磁性层207。作为上部铁磁性膜的上层的盖膜，例如对Ta/Ru进行层叠。
接下来，将成膜了TMR层叠膜64的基板61在磁场中进行退火，在形成作为参考层的下部铁磁性层105、205的下部铁磁性膜中将磁化的方向固定。
具体地，局部地将基板61在磁场中进行退火，使得按照构成桥电路的第1磁阻元件的每个形成区域以及按照构成桥电路的第2磁阻元件的每个形成区域得到所希望的磁化方向。
更具体地，一边施加磁场使得在桥电路内按照每个第1磁阻元件形成区域或者按照每个第2磁阻元件形成区域如图1所示那样下部铁磁性层105、205的磁化方向相差180°，一边通过基于局部的激光照射的加热来进行退火。
一边施加磁场使得在传感器间如图1所示那样下部铁磁性层105、205的磁化方向相差90°，一边通过基于局部的激光照射的加热来进行退火。
如图12所示，在磁传感器1的制造方法中的第2工序中，使用光刻以及干式蚀刻将TMR层叠膜图案化为所希望的形状。由此，形成多个第1磁阻元件以及多个第2磁阻元件。另外，在图12至图16中，作为多个第1磁阻元件的一个例子而示出了第1磁阻元件111，作为多个第2磁阻元件的一个例子而示出了第2磁阻元件211。
多个第1磁阻元件以及多个第2磁阻元件形成为盘状(在俯视的情况下为圆形形状)。此时，使多个第2磁阻元件的盘径小于多个第1磁阻元件的盘径。具体地，第2磁阻元件的盘径设为大致500nm，第1磁阻元件的盘径设为2μm。
如图13所示，在磁传感器1的制造方法中的第3工序中，使用光刻以及干式蚀刻将基底膜63图案化，形成布线图案631、632。
如图14所示，在磁传感器1的制造方法中的第4工序中，在基板61的整个面对层间绝缘膜进行成膜。使用光刻以及干式蚀刻将所成膜的层间绝缘膜图案化。由此，形成层间绝缘层65使得覆盖多个第1磁阻元件、多个第2磁阻元件以及布线图案631、632，并且在层间绝缘层65设置接触孔65a、65b。
如图15所示，在磁传感器1的制造方法中的第5工序中，通过光刻以及剥离来形成第1布线部66以及第2布线部67。第1布线部66以及第2布线部67例如为Cu布线。
第1布线部66经由接触孔65a而与第1磁阻元件连接。第2布线部67经由接触孔65b而与第2磁阻元件连接。
如图16所示，在磁传感器1的制造方法中的第6工序中，在基板61的整个面对钝化膜进行成膜。钝化膜例如为SiO2膜。使用光刻以及干式蚀刻将钝化膜图案化，并且在所希望的位置形成开口部。
将像这样形成了角度传感器10以及磁场强度传感器20的基板61芯片化，并搭载到形成了计算部30的电路基板，从而制造磁传感器1。另外，还能够将形成了角度传感器10以及磁场强度传感器20的芯片本身作为磁传感器1来处理。
在对像上述那样制造的磁传感器1输入了O(角度)＝180°、B(磁场)＝10mT的外部磁场时，确认出能够使用角度传感器10中的第1传感器11的输出Vout1以及第2传感器12的输出Vout2并根据θ＝tan-1(Vout2/Vout1)来决定外部磁场的角度。此外，确认出能够使用磁场强度传感器20中的第3传感器21的输出Vout3以及第4传感器22的输出Vout4和θ＝0°下的第3传感器的灵敏度G3(mV/mT)以及第4传感器的灵敏度G4(mV/mT)并使用B3＝Vout3/G3cosθ、B4＝Vout4/G4sinθ的式子来决定磁场强度。
(实施方式2)
图17是示出实施方式2涉及的磁传感器的概略图。图18是示出实施方式2涉及的第2磁阻元件的构造的概略剖视图。参照图17以及图18对实施方式2涉及的磁传感器1A进行说明。
如图17以及图18所示，在实施方式2涉及的磁传感器1A中，第3传感器21以及第4传感器22中包含的多个第2磁阻元件211A～214A、221A～224A的结构不同。关于其它结构，大致相同。
第2磁阻元件211A～214A、221A～224A是如下的隧道连接元件，即，自由层的磁化构造不是磁涡旋构造，而是垂直磁化构造。即，第2磁阻元件211A～214A、221A～224A与第1磁阻元件111～114、121～124相比较，作为自由层的上部铁磁性层107的磁化的方向在未施加外部磁场的情况下朝向与膜面垂直的方向。
第2磁阻元件211A包含下部电极层101、反铁磁性层102、铁磁性层103、非磁性层104、下部铁磁性层105、绝缘层106、上部铁磁性层107A以及盖层108。
这些下部电极层101、反铁磁性层102、铁磁性层103、非磁性层104、下部铁磁性层105、绝缘层106、上部铁磁性层107A以及盖层108与实施方式1涉及的这些层大致相同。另外，作为反铁磁性层102，优选由IrMn等包含Mn的合金形成。
即使在由这样的第2磁阻元件211A～214A、221A～224A构成磁场强度传感器20A的情况下，实施方式2涉及的磁传感器1A也具有与实施方式1涉及的磁传感器1大致相同的效果。
(实施方式3)
图19是示出实施方式3涉及的磁传感器的概略图。参照图19对实施方式3涉及的磁传感器1B进行说明。
如图19所示，实施方式3涉及的磁传感器1B在与实施方式1涉及的磁传感器1相比较的情况下，磁场强度传感器20B的结构不同。关于其它结构，大致相同。
磁场强度传感器20B具备多个传感器31、32、33、34、35、36。传感器32、33、34、35、36是进行了旋转的传感器。
传感器31具备多个第2磁阻元件211B、212B、213B、214B。多个第2磁阻元件211B、212B、213B、214B构成了全桥电路。
多个第2磁阻元件211B、212B、213B、214B设置为在俯视下为以与基准方向DR1方向垂直的方向作为长边方向的矩形形状。多个第2磁阻元件211B、212B、213B、214B的层构造与实施方式1中的多个第1磁阻元件111、112、113、114大致相同。作为自由层的上部铁磁性层107的磁化方向AR7由偏置磁场AR9决定。作为参考层的下部铁磁性层105的磁化方向AR8朝向与实施方式1中的多个第1磁阻元件111、112、113、114相同的方向。
在使用偏置磁场将传感器31的输出线性化的情况下，在输入磁场的方向从偏置方向偏移的情况下，非线性增大。因此，在实施方式3中，配置有偏置方向不同的多个传感器，使得能够应对各种各样的输入磁场的方向。
传感器32是使传感器31按逆时针方向旋转了60°的传感器。传感器33是使传感器31按逆时针方向旋转了120°的传感器。传感器34是使传感器31按逆时针方向旋转了180°的传感器。传感器35是使传感器31按逆时针方向旋转了240°的传感器。传感器36是使传感器31按逆时针方向旋转了300°的传感器。
另外，多个传感器并不限于上述的6个传感器，可根据感测到的所希望的角度配置许多传感器。
在像这样构成磁场强度传感器20B的情况下，根据与由角度传感器10检测到的角度对应的传感器的输出来计算外部磁场的强度。
即使在像以上那样构成的情况下，实施方式3涉及的磁传感器1B也可得到与实施方式1涉及的磁传感器1大致相同的效果。
(实施方式4)
图20是示出实施方式4涉及的磁传感器的概略立体图。图21是示出实施方式4涉及的磁传感器的概略剖视图。另外，在图20中，方便起见，仅示出了磁传感器的结构的一部分。参照图20以及图21对实施方式4涉及的磁传感器1C进行说明。
如图20以及图21所示，实施方式4涉及的磁传感器1C与实施方式1涉及的磁传感器1相比较，不同点在于，还具备第1消除磁场产生部41、第2消除磁场产生部42以及电流控制部45。关于其它结构，大致相同。
第2消除磁场产生部42、第1消除磁场产生部41以及磁场强度传感器20被依次层叠。在第2消除磁场产生部42与第1消除磁场产生部41之间设置有第1绝缘层51。在第1消除磁场产生部41与磁场强度传感器20之间设置有第2绝缘层52。
第1消除磁场产生部41以及第2消除磁场产生部42由导电性构件构成。
第1消除磁场产生部41以及第2消除磁场产生部42通过在自身流过电流，从而产生将外部磁场M10消除的第1消除磁场M11以及第2消除磁场M12。外部磁场M10被第1消除磁场M11和第2消除磁场M12的合成磁场抵消。
第1消除磁场产生部41在与实施方式1涉及的第4传感器22的下部铁磁性层(参考层)中的被固定的磁化方向平行的方向上延伸。在第1消除磁场产生部41中，例如在与上述磁化方向平行的方向(AR11方向)上流过电流。
由此，第1消除磁场产生部41在与实施方式1涉及的第3传感器21中的下部铁磁性层(参考层)205的磁化方向平行的方向上产生第1消除磁场M11。
第2消除磁场产生部42在与实施方式1涉及的第3传感器21的下部铁磁性层(参考层)中的被固定的磁化方向平行的方向上延伸。在第2消除磁场产生部42中，例如在与上述磁化方向平行的方向(AR12方向)上流过电流。
由此，第2消除磁场产生部42在与实施方式1涉及的第4传感器22中的下部铁磁性层(参考层)205的磁化方向平行的方向上产生第2消除磁场M12。
电流控制部45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对电流进行控制。具体地，电流控制部45基于感测到的角度信息对电流量进行控制，使得上述的合成磁场的方向与外部磁场的方向相反。进而，电流控制部45对电流量进行控制，使得合成磁场和外部磁场被抵消。
在实施方式4涉及的磁传感器1C中，基于流过第1消除磁场产生部41以及第2消除磁场产生部42的电流量来计算外部磁场的强度，从而能够使感测精度提高。
此外，通过使第1消除磁场产生部41、第2消除磁场产生部42以及磁场强度传感器20层叠，从而能够将磁传感器1C整体上小型化。
(实施方式5)
图22是示出实施方式5涉及的磁传感器阵列的概略俯视图。图23是图22所示的磁传感器阵列的放大图。参照图22以及图23对实施方式5涉及的磁传感器阵列2进行说明。
如图22所示，磁传感器阵列2具备多个实施方式1涉及的磁传感器1。多个磁传感器1配置为矩阵状。多个磁传感器1配置在基材3上。
如图23所示，各磁传感器1包含第1区域R1和环绕该第1区域R1的周围的第2区域R2。在第1区域R1形成有角度传感器10。在第2区域R2形成有磁场强度传感器20。相对于通过第1区域R1的中心C1的给定的假想线VL1具有线对称的形状。另外，在实施方式5中，第1区域R1以及第2区域R2具有四边形形状，但是并不限定于此，也可以是圆形形状。
像这样，通过将第1区域R1以及第2区域R2设置为线对称，从而能够将磁传感器1内的磁场分布的影响最小化。其结果是，能够使外部磁场的角度以及强度的检测精度提高。
通过使用这样的磁传感器阵列2，从而能够计算从磁场源输入到各磁传感器1的外部磁场的角度以及强度。由此，能够感测从磁场源产生的外部磁场的角度分布以及强度分布。
另外，在实施方式5涉及的磁传感器阵列2中，例示并说明了多个磁传感器1以平面方式配置的情况，但是并不限定于此，也可以通过将多个基材3重叠配置，从而以三维方式配置多个磁传感器。
此外，例示并说明了在第1区域R1形成有角度传感器10且在第2区域R2形成有磁场强度传感器20的情况，但是并不限定于此，也可以在第1区域R1形成有磁场强度传感器20且在第2区域R2形成有角度传感器10。即，只要在第1区域R1形成有角度传感器10以及磁场强度传感器20中的一者，在第2区域R2形成有角度传感器10以及磁场强度传感器20中的另一者即可。
(实施方式6)
图24是示出实施方式6涉及的磁场分布测定装置的图。参照图24对实施方式6涉及的磁场分布测定装置4进行说明。
如图24所示，磁场分布测定装置4具备实施方式1涉及的磁传感器1和传感器移动机构70。传感器移动机构70设置为能够在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向中的至少任一方向上移动。传感器移动机构70包含X轴轨道71、Y轴轨道72以及Z轴轨道73。
X轴轨道71在X轴方向上延伸。X轴轨道71设置为能够通过Y轴轨道72而在Y轴方向上移动。X轴轨道71例如通过电机等驱动源而在Y轴轨道72上行走。
另外，所谓X轴方向，是水平方向上的任意的一个方向，所谓Y轴方向，是与X轴方向正交的方向。
Y轴轨道72沿着Y轴方向延伸。Y轴轨道72引导X轴轨道71在Y轴方向上的移动。Y轴轨道72设置在X轴方向上的X轴轨道71的一端。
Z轴轨道73沿着Z轴方向延伸。Z轴方向是上下方向，并与X轴方向以及Y轴方向正交。Z轴轨道73设置为能够把持磁传感器1。Z轴轨道73设置为能够在Z轴方向上移动。
像这样，在磁场分布测定装置4中，利用传感器移动机构70使磁传感器1移动，由此能够计算从磁场源在各位置处输入到磁传感器1的外部磁场的角度以及强度。由此，能够感测从磁场源产生的外部磁场的角度分布以及强度分布。此外，能够通过单个磁传感器1来感测外部磁场的角度分布以及强度分布，因此能够使磁场分布的检测分辨率提高。
(实施方式7)
图25是示出实施方式7涉及的位置确定装置的图。参照图25对实施方式7涉及的位置确定装置80进行说明。
如图25所示，实施方式7涉及的位置确定装置80具备移动体81和磁传感器1。
移动体81设置为能够移动。在实施方式7中，设置为能够在水平方向上移动。移动体81具有磁场源，磁传感器1根据移动体81的位置来计算从该磁场源产生的外部磁场的角度以及强度。由此，能够确定移动体81的位置。
这样的位置确定装置80例如能够组装到摄像机模块。在该情况下，移动体81是具有磁铁等磁场源且对透镜进行保持的透镜保持部。通过确定透镜保持部的位置，从而能够确定透镜的位置。基于所确定的透镜的位置，能够控制焦点。
另外，在上述的实施方式5至7中，作为磁传感器，例示并说明了使用实施方式1涉及的磁传感器1的情况，但是并不限定于此，也可以使用实施方式2至4涉及的磁传感器。
像这样，在存在多个实施方式的情况下，除了有特别记载的情况以外，从一开始就预定将各个实施方式的特征部分适当地组合的情况。
以上，此次公开的实施方式在所有的方面均为例示，而不是限制性的。本发明的范围由权利要求书示出，包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有的变更。
附图标记说明
1、1A、1B、1C：磁传感器；2：磁传感器阵列；3：基材；4：磁场分布测定装置；10：角度传感器；11：第1传感器；12：第2传感器；20、20A、20B：磁场强度传感器；21：第3传感器；22：第4传感器；30：计算部；31、32、33、34、35、36：传感器；41：第1消除磁场产生部；42：第2消除磁场产生部；45：电流控制部；51：第1绝缘层；52：第2绝缘层；61：基板；61a：表面；62：绝缘层；63：基底膜；64：层叠膜；65：层间绝缘层；65a、65b：接触孔；66：第1布线部；67：第2布线部；70：传感器移动机构；71：X轴轨道；72：Y轴轨道；73：Z轴轨道；80：位置确定装置；81：移动体；101：下部电极层(种子层)；102：反铁磁性层；103：磁性层(钉扎层)；104：非磁性层；105：下部铁磁性层(参考层)；106：绝缘层(阻挡层)；107、107A：上部铁磁性层(自由层)；108：盖层；111、112、113、114、121、122、123、124：第1磁阻元件；201：下部电极层(种子层)；202：反铁磁性层；203：磁性层(钉扎层)；204：非磁性层；205：下部铁磁性层(参考层)；206：绝缘层(阻挡层)；207：上部铁磁性层(自由层)；208：盖层；211、211A、211B、212、213、214、214A、221、222、223、224：第2磁阻元件；301：磁阻要素；302：参考层；303：阻挡层；304：自由层；310：下部屏蔽件；320：上部屏蔽件；400：第1角度传感器；400A：第2角度传感器；401、401A、401D、401E、401H：磁隧道结元件；402：参考层；403：绝缘层；404：自由层；410：第1传感器；420：第2传感器；500：磁阻元件；501：层叠部；502：参考层；503：阻挡层；504：自由层；631：布线图案。

Claims (20)

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…式(2)
[数学式3]
B4＝Vout4/G4sinθ…式(3)
11.根据权利要求1至10中任一项所述的磁传感器，其中，
所述多个第1磁阻元件包含一对以上的构成半桥电路的一对第1磁阻元件，
所述一对第1磁阻元件各自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，
在所述一对第1磁阻元件中，一个第1磁阻元件中的所述参考层的磁化方向和另一个第1磁阻元件中的所述参考层的磁化方向为相反方向，
所述多个第2磁阻元件包含一对以上的构成半桥电路的一对第2磁阻元件，
所述一对第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，
在所述一对第2磁阻元件中，一个第2磁阻元件中的所述参考层的磁化方向和另一个第2磁阻元件中的所述参考层的磁化方向为相反方向。
12.根据权利要求11所述的磁传感器，其中，
所述多个第1磁阻元件包含一组以上的构成第1半桥电路的所述一对第1磁阻元件和构成第2半桥电路的所述一对第1磁阻元件，
由所述第1半桥电路以及所述第2半桥电路构成全桥电路，
构成所述第1半桥电路的所述一对第1磁阻元件之中一个第1磁阻元件中的所述参考层的磁化方向和构成所述第2半桥电路的所述一对第1磁阻元件之中一个第1磁阻元件中的所述参考层的磁化方向为相同朝向，
所述多个第2磁阻元件包含一组以上的构成第3半桥电路的所述一对第2磁阻元件和构成第4半桥电路的所述一对第2磁阻元件，
由所述第3半桥电路以及所述第4半桥电路构成全桥电路，
构成所述第3半桥电路的所述一对第2磁阻元件之中一个第2磁阻元件中的所述参考层的磁化方向和构成所述第4半桥电路的所述一对第2磁阻元件之中一个第2磁阻元件中的所述参考层的磁化方向为相同朝向。
13.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其中，
所述多个第1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。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的磁传感器，其中，
还具备：
第1消除磁场产生部以及第2消除磁场产生部，产生将赋予给所述磁场强度传感器的所述外部磁场抵消的消除磁场；以及
电流控制部，对流过所述第1消除磁场产生部以及所述第2消除磁场产生部的电流进行控制，
所述电流控制部基于由所述角度传感器感测到的所述外部磁场的方向和基准方向所成的角度对所述电流进行控制。
15.根据权利要求14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，
所述外部磁场被由所述第1消除磁场产生部产生的第1消除磁场和由所述第2消除磁场产生部产生的第2消除磁场的合成磁场抵消，
所述第1消除磁场的方向与所述第3传感器中的所述参考层的磁化方向平行，
所述第2消除磁场的方向与所述第4传感器中的所述参考层的磁化方向平行。
16.根据权利要求14或15所述的磁传感器，其中，
所述第2消除磁场产生部、所述第1消除磁场产生部以及所述磁场强度传感器被依次层叠，
在所述第2消除磁场产生部与所述第1消除磁场产生部之间设置有第1绝缘层，
在所述第1消除磁场产生部与所述磁场强度传感器之间设置有第2绝缘层。
17.一种磁传感器阵列，其中，
具备多个权利要求1至16中任一项所述的磁传感器，
多个所述磁传感器配置为矩阵状。
18.根据权利要求17所述的磁传感器阵列，其中，
所述磁传感器包含第1区域和环绕所述第1区域的周围的第2区域，
在所述第1区域形成有所述角度传感器以及所述磁场强度传感器中的一者，
在所述第2区域形成有所述角度传感器以及所述磁场强度传感器中的另一者，
所述第1区域以及第2区域相对于通过所述第1区域的中心的假想线具有线对称的形状。
19.一种磁场分布测定装置，具备：
权利要求1至16中任一项所述的磁传感器；以及
传感器移动机构，使所述磁传感器在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向中的至少任一方向上移动。
20.一种位置确定装置，具备：
权利要求1至16中任一项所述的磁传感器；以及
移动体，具有磁场源，构成为能够移动。
CN202080035287.5A 2019-06-11 2020-02-18 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 Active CN113811738B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-108730 2019-06-11
JP2019108730 2019-06-11
PCT/JP2020/006210 WO2020250489A1 (ja) 2019-06-11 2020-02-18 磁気センサ、磁気センサアレイ、磁場分布測定装置、および位置特定装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113811738A true CN113811738A (zh) 2021-12-17
CN113811738B CN113811738B (zh) 2024-07-26

Family

ID=73781744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080035287.5A Active CN113811738B (zh) 2019-06-11 2020-02-18 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

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11774524B2 (zh)
JP (1) JP6984792B2 (zh)
CN (1) CN113811738B (zh)
DE (1) DE112020002831T5 (zh)
WO (1) WO2020250489A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116106801A (zh) * 2023-04-14 2023-05-12 珠海多创科技有限公司 磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法
CN116243222A (zh) * 2023-03-16 2023-06-09 珠海多创科技有限公司 一种磁电阻器件及其制造方法、磁传感装置

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11170806B2 (en) * 2019-12-27 2021-11-09 Western Digital Technologies, Inc. Magnetic sensor array with single TMR film plus laser annealing and characterization
JP7281492B2 (ja) * 2021-01-20 2023-05-25 Tdk株式会社 磁気センサの設計方法
US11630168B2 (en) * 2021-02-03 2023-04-18 Allegro Microsystems, Llc Linear sensor with dual spin valve element having reference layers with magnetization directions different from an external magnetic field direction
EP4067923A1 (en) 2021-03-29 2022-10-05 Crocus Technology S.A. Magnetic sensor device having an improved measurement range
US12188996B2 (en) * 2021-09-21 2025-01-07 Tdk Corporation Magnetic sensor device
US11805319B1 (en) * 2022-09-16 2023-10-31 Apple Inc. Self-organizing sensor system of cameras
JP7724248B2 (ja) * 2023-03-13 2025-08-15 Tdk株式会社 磁気センサ
JP7808579B2 (ja) * 2023-09-26 2026-01-29 Tdk株式会社 磁気センサ装置、磁気センサシステムおよび動作検出装置
CN117388768B (zh) * 2023-11-24 2024-06-04 珠海多创科技有限公司 磁阻元件及其制备方法、磁阻传感器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061440A1 (en) * 2001-02-01 2002-08-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Arrangement for measuring the magnetic field strength
JP2009085646A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Fdk Corp 磁界強度センサ
JP2012127736A (ja) * 2010-12-14 2012-07-05 Tdk Corp 磁気センサ
JP2016166741A (ja) * 2015-03-09 2016-09-15 Tdk株式会社 磁気センサ
US20180055417A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-01 Huami Inc. Biomechanical Motion Measurement
US20190277924A1 (en) * 2016-11-18 2019-09-12 Tsinghua University Optimized extremely-large magnetic field measuring method and device
CN113811169A (zh) * 2021-08-05 2021-12-17 惠州Tcl云创科技有限公司 一种移动终端折叠防磁干扰方法、装置、存储介质及设备

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5561368A (en) 1994-11-04 1996-10-01 International Business Machines Corporation Bridge circuit magnetic field sensor having spin valve magnetoresistive elements formed on common substrate
JP3498737B2 (ja) 2001-01-24 2004-02-16 ヤマハ株式会社 磁気センサの製造方法
US7356909B1 (en) 2004-09-29 2008-04-15 Headway Technologies, Inc. Method of forming a CPP magnetic recording head with a self-stabilizing vortex configuration
EP1860451B1 (en) 2005-03-17 2012-06-27 Yamaha Corporation 3-axis magnetic sensor and manufacturing method thereof
JP5298404B2 (ja) * 2005-03-28 2013-09-25 ヤマハ株式会社 三軸磁気センサおよびその製造方法
JP2011059103A (ja) * 2009-08-11 2011-03-24 Asahi Kasei Electronics Co Ltd 回転角度検出装置及び位置検出装置並びにその検出方法
JP5626678B2 (ja) 2010-11-24 2014-11-19 国立大学法人神戸大学 磁場分布取得装置
JP5429251B2 (ja) 2011-09-19 2014-02-26 株式会社デンソー 磁気センサ装置およびその製造方法
JP2013120080A (ja) 2011-12-06 2013-06-17 Murata Mfg Co Ltd 磁場測定方法及び磁場測定装置
US10989769B2 (en) * 2013-12-27 2021-04-27 Infineon Technologies Ag Magneto-resistive structured device having spontaneously generated in-plane closed flux magnetization pattern
CN106133934B (zh) * 2014-03-28 2018-11-02 阿尔卑斯电气株式会社 磁传感器及磁传感器的制造方法以及电流传感器
JP2016058609A (ja) * 2014-09-11 2016-04-21 ヤマハ株式会社 磁気センサ及び磁気センサの製造方法
JP2017003345A (ja) * 2015-06-08 2017-01-05 シャープ株式会社 磁場検出装置
DE102015121753B4 (de) * 2015-12-14 2021-10-21 Infineon Technologies Ag Magnetsensorbauelement und Verfahren für ein Magnetsensorbauelement mit einer magnetoresistiven Struktur
JP6536632B2 (ja) * 2016-12-09 2019-07-03 Tdk株式会社 角度センサおよび角度センサシステム
US10871381B2 (en) 2016-12-09 2020-12-22 Tdk Corporation Angle sensor and angle sensor system
DE102017129346A1 (de) * 2016-12-13 2018-06-14 Infineon Technologies Ag Magnetsensorschaltungen und -systeme und Verfahren zum Bilden von Magnetsensorschaltungen
JP6806133B2 (ja) * 2018-12-28 2021-01-06 Tdk株式会社 磁気センサ装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061440A1 (en) * 2001-02-01 2002-08-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Arrangement for measuring the magnetic field strength
US20030030432A1 (en) * 2001-02-01 2003-02-13 Reinhard Buchhold Arrangement for measuring the magnetic field strength
JP2009085646A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Fdk Corp 磁界強度センサ
JP2012127736A (ja) * 2010-12-14 2012-07-05 Tdk Corp 磁気センサ
JP2016166741A (ja) * 2015-03-09 2016-09-15 Tdk株式会社 磁気センサ
US20180055417A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-01 Huami Inc. Biomechanical Motion Measurement
US20190277924A1 (en) * 2016-11-18 2019-09-12 Tsinghua University Optimized extremely-large magnetic field measuring method and device
CN113811169A (zh) * 2021-08-05 2021-12-17 惠州Tcl云创科技有限公司 一种移动终端折叠防磁干扰方法、装置、存储介质及设备

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116243222A (zh) * 2023-03-16 2023-06-09 珠海多创科技有限公司 一种磁电阻器件及其制造方法、磁传感装置
CN116243222B (zh) * 2023-03-16 2023-09-29 珠海多创科技有限公司 一种磁电阻器件及其制造方法、磁传感装置
CN116106801A (zh) * 2023-04-14 2023-05-12 珠海多创科技有限公司 磁阻传感器、磁传感装置及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11774524B2 (en) 2023-10-03
CN113811738B (zh) 2024-07-26
US20210405132A1 (en) 2021-12-30
WO2020250489A1 (ja) 2020-12-17
JPWO2020250489A1 (ja) 2021-11-25
JP6984792B2 (ja) 2021-12-22
DE112020002831T5 (de) 2022-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6984792B2 (ja) 磁気センサ、磁気センサアレイ、磁場分布測定装置、および位置特定装置
EP1720027B1 (en) Magnetic field detector and current detection device, position detection device and rotation detection device using the magnetic field detector
US7054114B2 (en) Two-axis magnetic field sensor
JP4930627B2 (ja) 磁気センサ
JP7136340B2 (ja) 磁気抵抗素子および磁気センサ
JP5452006B2 (ja) 磁気デバイスの製造方法および磁場角度センサの製造方法
JP5544501B2 (ja) 電流センサ
JP2004163419A (ja) 磁気センサ、同磁気センサの製造方法及び同製造方法に適したマグネットアレイ
JP2008286739A (ja) 磁界検出器及び回転角度検出装置
JP2017103378A (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気センサ、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気センサの製造方法
JP2012255796A (ja) 磁気センサおよびその製造方法
JP2012063232A (ja) 磁界検出装置の製造方法および磁界検出装置
JP2005197364A (ja) 磁界検出素子、磁界検出器、磁界検出方法および磁界検出素子の製造方法
US20250244413A1 (en) Manufacturing method of magnetic sensor
US20250377418A1 (en) Magnetic sensor and manufacturing method thereof
US20250377422A1 (en) Magnetic sensor
US20250244418A1 (en) Magnetic sensor
JP2026014140A (ja) 磁気センサ
JP2025118313A (ja) 磁気センサ
JP2017058376A (ja) 電力検知センサ
WO2025203796A1 (ja) 磁気センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant