專利名稱：磁場(chǎng)檢測(cè)器、和使用磁場(chǎng)檢測(cè)器的電流檢測(cè)器件、位置檢測(cè)器件與旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于由巨磁電阻效應(yīng)或隧道磁電阻效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)檢測(cè)器，和使用磁場(chǎng)檢測(cè)器的電流檢測(cè)器件、位置檢測(cè)器件與旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器件。
背景技術(shù)：
磁電阻(MR)效應(yīng)是一種電阻隨向鐵磁材料施加的磁場(chǎng)而改變的現(xiàn)象，并且用于磁場(chǎng)檢測(cè)器和磁頭。近年來(lái)，人工晶格膜，如Fe/Cr、Co/Cu已經(jīng)作為表現(xiàn)出非常大的磁電阻效應(yīng)的巨磁電阻(GMR)效應(yīng)材料廣為人知了。
而且，人們也知道了一種稱為自旋閥膜的膜，該膜具有包括鐵磁層、非磁性層、鐵磁層以及反鐵磁層的結(jié)構(gòu)，其中非磁性金屬層具有基本上消除鐵磁層之間切換的連接功能的厚度，與反鐵磁層相鄰的鐵磁層的磁矩被特定鐵磁層與反鐵磁層之間的切換的連接固定為所謂的固定層，而僅另一鐵磁層的自旋構(gòu)成容易被外磁場(chǎng)反向的自由層。反鐵磁材料由FeMn、IrMn、PtMn等形成。在這種情況下，兩個(gè)鐵磁層之間的切換的連接很弱，以致于在微弱的小磁場(chǎng)下可將自旋反轉(zhuǎn)。從而可提供高靈敏性的磁電阻元件，將其用作高密度磁記錄和讀出頭。上述自旋閥膜通過(guò)在膜表面內(nèi)提供電流來(lái)使用。
另一方面，已知可利用向與膜表面垂直的方向上提供電流的垂直磁電阻效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生更大的磁電阻效應(yīng)。
另外，已知由于鐵磁隧道耦合引起的隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)，其利用在鐵磁膜、絕緣膜和鐵磁膜的三層膜中在垂直于膜表面的方向上隧道電流強(qiáng)度因?qū)蓚€(gè)鐵磁層的自旋設(shè)置成與外磁場(chǎng)平行或反平行而不同的事實(shí)。
近年來(lái)，使用GMR或TMR元件作為磁場(chǎng)檢測(cè)器也開始了研究。在本文中，研究帶有由兩個(gè)不同矯頑力的鐵磁層夾持的非磁性金屬層的偽自旋閥型磁電阻元件和上述自旋閥型的磁電阻元件。在作為磁檢測(cè)器的應(yīng)用中，隨構(gòu)成每個(gè)元件的兩個(gè)鐵磁層的磁化方向形成的相對(duì)角度響應(yīng)于外磁場(chǎng)改變來(lái)改變電阻值。電阻值的這種改變通過(guò)在提供恒流時(shí)讀出電壓改變信號(hào)而檢測(cè)到。讀出過(guò)程使用GMR或TMR效應(yīng)來(lái)執(zhí)行。
GMR元件的磁電阻變化小于TMR元件的磁電阻變化，為了獲得大的改變率，需要反復(fù)設(shè)置鐵磁層和非磁性層的疊層結(jié)構(gòu)。而且，在垂直于膜表面的方向上提供電流的GMR元件不需要加長(zhǎng)。由于GMR元件電阻小于TMR元件的，但是，需要電流量增加來(lái)產(chǎn)生大的輸出信號(hào)。結(jié)果，增加了功率消耗。另外，在如上所述向膜表面內(nèi)的方向上提供電流的GMR元件中，需要元件中有足夠的電流路徑，因此要求增加元件長(zhǎng)度以產(chǎn)生大的磁電阻效應(yīng)。
由于上述原因，磁場(chǎng)檢測(cè)器需要使用可產(chǎn)生大輸出信號(hào)并可按任意形狀提供的TMR元件。
另外，已經(jīng)提出一種技術(shù)，其中不把單個(gè)磁電阻元件用于測(cè)量，而是使用4個(gè)磁電阻元件形成橋路，并且?guī)в邢喾创呕较虻墓潭▽拥脑M合一起，形成高輸出磁場(chǎng)檢測(cè)器(見日本專利No.3017061)。
專利文獻(xiàn)1日本專利No.3017061發(fā)明內(nèi)容上述磁電阻元件的使用使得可以基于磁電阻元件的電壓變化測(cè)量外磁場(chǎng)。而且，通過(guò)使用上述橋路技術(shù)，可產(chǎn)生大輸出信號(hào)。
但是，自由層的飽和磁場(chǎng)依賴于自由層的厚度和形狀，因此容易受到由于制造過(guò)程中的重復(fù)性引起的變化的影響，導(dǎo)致每個(gè)檢測(cè)器之間不同。如上所述，需要TMR元件用作磁電阻元件。但是，在這種情況下元件電阻對(duì)隧道絕緣層的厚度敏感，因此容易受到由于制造過(guò)程中的重復(fù)性引起的變化的影響，導(dǎo)致每個(gè)檢測(cè)器之間不同。因此在電阻變化率和飽和磁場(chǎng)改變的情況下，根據(jù)特定變化量檢測(cè)到的磁場(chǎng)產(chǎn)生誤差。另外，電阻變化率和飽和磁場(chǎng)也隨工作溫度改變。結(jié)果檢測(cè)器的靈敏度和分辨率也改變。
在已有技術(shù)中，為了校準(zhǔn)它們，要求使用磁場(chǎng)發(fā)生器施加磁場(chǎng)測(cè)量每個(gè)檢測(cè)器的輸出信號(hào)和飽和磁場(chǎng)。而且，為了校準(zhǔn)元件特性隨溫度的改變，要求對(duì)每個(gè)溫度進(jìn)行上述測(cè)量以校準(zhǔn)輸出信號(hào)。
但是，在傳統(tǒng)的磁場(chǎng)檢測(cè)器中，檢測(cè)靈敏度和分辨率的改變不容易被檢測(cè)到和校準(zhǔn)，為了執(zhí)行該檢測(cè)和校準(zhǔn)，要求巨磁場(chǎng)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生已知的外磁場(chǎng)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種磁場(chǎng)檢測(cè)器和檢測(cè)方法以及使用該檢測(cè)器和檢測(cè)方法的物理量測(cè)量器件，其中無(wú)論何時(shí)需要都可用單個(gè)檢測(cè)器校準(zhǔn)檢測(cè)器的靈敏度和分辨率。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件，其特征在于參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件每一個(gè)都具有疊層結(jié)構(gòu)，該疊層結(jié)構(gòu)包括一方面是由反鐵磁層和其磁化方向由反鐵磁層固定的鐵磁材料形成的固定層、另一方面是由非磁性層和其磁化方向由外磁場(chǎng)改變的鐵磁材料形成的自由層，參考磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下固定層的磁化方向與自由層的磁化方向彼此平行或反平行，磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下固定層的磁化方向與自由層的磁化方向彼此不同。
在上述磁場(chǎng)檢測(cè)器中，可在任何時(shí)候不使用磁場(chǎng)發(fā)生器校準(zhǔn)電阻改變率。而且，通過(guò)在向其施加外磁場(chǎng)時(shí)參考不存在磁場(chǎng)情況下的具有磁場(chǎng)響應(yīng)的磁電阻元件，可在同一檢測(cè)器中比較輸出信號(hào)，從而甚至在元件靈敏度改變的情況下都可產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)。


圖1是描述磁電阻元件的自由層和固定層的磁化方向的圖；圖2是描述磁電阻元件的元件電阻對(duì)外磁場(chǎng)的依賴性的圖；
圖3是描述根據(jù)第一實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖4是表示根據(jù)第一實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的磁電阻元件的截面結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖；圖5是描述根據(jù)第一實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的輸出信號(hào)的圖；圖6是描述根據(jù)第二實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖7是描述根據(jù)第三實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖8是描述根據(jù)第四實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖9是描述根據(jù)第四實(shí)施方式的另一磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖10是描述根據(jù)第五實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖11是描述根據(jù)第五實(shí)施方式的另一磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的平面圖；圖12是描述根據(jù)第六實(shí)施方式的電流檢測(cè)器件的透視圖；圖13是描述根據(jù)第七實(shí)施方式的位置檢測(cè)器件的透視圖；圖14是描述根據(jù)第八實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器件的側(cè)視圖；圖15是描述根據(jù)第九實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的圖；圖16是描述根據(jù)第九實(shí)施方式的差分放大器電路的示例的電路圖；圖17是描述根據(jù)第十實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的圖；圖18是表示根據(jù)第十實(shí)施方式的輸出波形的圖；圖19是描述根據(jù)第十一實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的圖；圖20是描述乘除電路的示例的電路圖；圖21是描述根據(jù)第十二實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的圖；圖22是描述根據(jù)第十三實(shí)施方式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的配置的圖；圖23是描述磁電阻元件的元件電阻對(duì)外磁場(chǎng)的依賴性的圖；圖24是描述加法器電路的示例的電路圖。
參考序號(hào)說(shuō)明1，41檢測(cè)元件；2，12，22，32不存在磁場(chǎng)的情況下第二鐵磁層的磁化方向；2a，32a施加磁場(chǎng)時(shí)第二鐵磁層的磁化方向；3，13，23，33第一鐵磁層的磁化方向；4，7，8，14，16，24，26，34，36，44，77，88，110金屬布線；5磁屏蔽；6用于磁場(chǎng)應(yīng)用的金屬布線；11，21，51參考元件；31飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件；52磁電組元件；61襯底；62，67布線層；63反鐵磁層；64第一鐵磁層；65非磁性層；66第二鐵磁層；100要被測(cè)量的物體；102布線；103，104磁體；105齒輪；106齒輪齒；109元件周圍的周邊電路；110布線；201電阻電壓轉(zhuǎn)換電路；202加減放大器電路；203乘除電路；204恒流源；205加法電路；206減法電路；207差分放大器電路；208，209恒壓源；210輸出調(diào)整電路；211校準(zhǔn)元件；221開關(guān)；230.231.232.233反向放大器電路；240，241，242，243，245OP放大器；250，251，252，253，255電阻器；260晶體管具體實(shí)施方式
參考圖1首先說(shuō)明使用自旋閥型磁電阻元件的磁場(chǎng)檢測(cè)器的具體檢測(cè)操作。
圖1是表示磁電阻元件52的自由層和固定層的磁化方向的簡(jiǎn)圖。圖1中，自旋閥型磁電阻元件的自由層的磁化方向2與固定層的磁化方向3形成90°的角度。一旦在沿著自旋閥型磁電阻元件的固定層的磁化方向3的方向上施加磁場(chǎng)，自由層的磁化方向由外磁場(chǎng)改變。在該過(guò)程中，根據(jù)如此改變的自由層的磁化方向2a與固定層的磁化方向3所成的角度，磁電阻元件的電阻線性改變。
具體說(shuō)，在固定層的磁化方向3為0°并且一施加外磁場(chǎng)H時(shí)由自由層的磁化方向2a形成的角度為θ的情況下，元件電阻的改變與cosθ成反比。在自由層是具有單軸各向異性的軟鐵磁層的情況下，cosθ＝|Hk|/H。具體說(shuō)，在施加大于|Hk|的外磁場(chǎng)的情況下，自由層的磁化方向2a被固定在與固定層的磁化方向平行或反平行的方向上，并且元件電阻不再變化。換言之，Hk是自由層的飽和磁場(chǎng)。
結(jié)果，在自由層的磁化方向2與固定層的磁化方向3形成90°的角度的情況下，如圖2所示，元件電阻R如下給出R＝Rm+ΔR/2×H/|Hk|(-|Hk|≤H≤|Hk|)
其中Rm是元件電阻可假設(shè)的最大電阻值與不存在磁場(chǎng)情況下的最小電阻值的中間值。而且，ΔR是元件的磁電阻改變。該元件電阻R正比于外磁場(chǎng)，因此通過(guò)取得元件電阻，可檢測(cè)外磁場(chǎng)的強(qiáng)度。順便提及，檢測(cè)到的外磁場(chǎng)是固定層的磁化方向3的方向分量。而且，固定層的磁化方向中可檢測(cè)的磁場(chǎng)區(qū)，即工作區(qū)按-|Hk|≤H≤|Hk|給出。
通過(guò)上述依賴于外磁場(chǎng)的元件電阻，可從元件的電流或電壓檢測(cè)磁場(chǎng)。
參考附圖，下面描述本發(fā)明的實(shí)施形式的具體例子。
實(shí)施形式1圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的平面圖。所示磁場(chǎng)檢測(cè)器具有一個(gè)檢測(cè)磁電阻元件1(此后稱為檢測(cè)元件)和一個(gè)參考磁電阻元件11(此后稱為參考元件)。元件1，11的截面結(jié)構(gòu)在圖4的簡(jiǎn)圖中示出。圖4中，在襯底61上形成布線層62，然后形成反鐵磁層63。接著，形成其磁化方向由反鐵磁層63固定的鐵磁材料的第一鐵磁層64(固定層)。另外，形成構(gòu)成隧道絕緣層的非磁性層65，在該非磁性層65上形成磁化方向由外磁場(chǎng)改變的鐵磁材料的第二鐵磁層66(自由層)。在第二鐵磁層66上形成布線層67。在這種情況下，示出一種順序堆疊反鐵磁層63、第一鐵磁層64、非磁性層65和第二鐵磁層66的配置。但是，本發(fā)明不限于該配置，還可以通過(guò)依次堆疊第二鐵磁層66、非磁性層65、第一鐵磁層64和反鐵磁層63來(lái)配置元件。
圖3中，元件1，11都具有矩形形狀。元件1，11不必要具有相同寬高比，而是可具有相同面積，以保證相等的元件電阻。
由于矩形元件形狀，每個(gè)元件1，11的第二鐵磁層66的磁化方向2，12因磁形狀各向異性而沿著元件的長(zhǎng)度方向。另一方面，在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，檢測(cè)元件1的第一鐵磁層64的磁化方向3在元件平面內(nèi)正交于檢測(cè)元件1的第二鐵磁層66的磁化方向2。另外，在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，參考元件11的第一鐵磁層64的磁化方向13平行于參考元件11的第二鐵磁層66的磁化方向12。
而且，元件1，11的第一鐵磁層64的磁化方向3，13彼此相同。
另外，形成元件1，11的第一鐵磁層64和第二鐵磁層66并將其分別連接于信號(hào)檢測(cè)線4，44，14，16，作為布線層62，67，這些布線層連接于檢測(cè)電路。
元件1，11的第一鐵磁層64和第二鐵磁層66由鐵磁材料形成。具有鐵磁性的材料包括以Co，Ni，F(xiàn)e作為主要成份的金屬，如Co，F(xiàn)e，Co-Fe合金，Co-Ni合金，Co-Fe-Ni合金，F(xiàn)e-Ni合金或諸如Ni-Mn-Sb或Co2-Mn-Ge的合金。
而且，構(gòu)成隧道絕緣層的非磁性層65由任何絕緣材料或例如金屬氧化物形成，諸如Ta2O5，SiO2或MgO或者氟化物。
元件1，11的第一鐵磁層64通過(guò)與反鐵磁層63如上所述堆疊而將其磁化方向固定。具體說(shuō)，反鐵磁層63固定第一鐵磁層64的自旋方向，從而第一鐵磁層64的磁化方向分別維持在方向3，13上。構(gòu)成反鐵磁層的材料包括Ir-Mn，Ni-Mn，Ni-O，F(xiàn)e-Mn，Pt-Mn等。
上述每個(gè)膜都通過(guò)例如DC磁控管濺射形成。而且，可選擇地通過(guò)分子束外延(MBE)、各種濺射工藝、化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝或蒸汽沉積形成。
元件1，11通過(guò)例如光刻形成。在這種情況下，形成構(gòu)成第二鐵磁層66、非磁性層65和第一鐵磁層64的膜，之后通過(guò)光抗蝕劑形成所需圖案。此后，通過(guò)離子研磨或反應(yīng)離子蝕刻獲得元件形狀。而且，可使用電子束或聚焦離子束光刻來(lái)形成圖案。
另外，例如由Al層形成布線4，44，14，16。
按需要在同一襯底上同時(shí)使用相同的工藝形成檢測(cè)元件1和參考元件11。使用膜形成方法和上述光刻同時(shí)形成這些元件伴隨非常小的變化，在磁電阻測(cè)量中基本上不產(chǎn)生變化問(wèn)題。
元件1，11的第一鐵磁層的磁化方向3，13由例如下述方法設(shè)置。磁場(chǎng)檢測(cè)器被加熱到等于或高于反鐵磁層與第一鐵磁層之間的明顯交換作用消失的阻擋(blocking)溫度，并且在所需方向上施加外磁場(chǎng)，以產(chǎn)生第一鐵磁層的飽和磁化。在這種情況下，磁場(chǎng)檢測(cè)器被冷卻到阻擋溫度或其以下，從而在第一鐵磁層中獲得所需方向的磁化。
根據(jù)本實(shí)施形式，檢測(cè)元件1和參考元件11的第一鐵磁層的磁化方向3，13彼此平行，因此在熱處理時(shí)在相同方向上施加磁場(chǎng)。通過(guò)按這種方式施加均勻的磁場(chǎng)，可形成根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
在這種情況下，元件1，11的形狀不必要一定是矩形，只要第二鐵磁層的磁化方向可按需要限定即可。
而且，元件1，11分別是所需的TMR元件。這使得可以產(chǎn)生大輸出信號(hào)并且同時(shí)減少元件尺寸。
參考圖3，5，接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的檢測(cè)操作。
在磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)通過(guò)布線4，44，14，16分別向圖3所示的元件1，11供應(yīng)預(yù)定電流I。在將外磁場(chǎng)H施加到與第一鐵磁層3，13相同的方向上的情況下，在外磁場(chǎng)H下檢測(cè)元件1的元件電阻R由等式(1)給出、輸出電壓V由等式(2)給出。
R＝Rm+ΔR/2×H/|Hk| (1)V＝I×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)(2)其中Rm是從外部源施加的飽和磁場(chǎng)下的元件電阻，ΔR是測(cè)量元件1的磁電阻改變，Hk是飽和磁場(chǎng)的強(qiáng)度，H是施加的外磁場(chǎng)的強(qiáng)度，I是在測(cè)量元件1中流動(dòng)的電流強(qiáng)度，V是施加到測(cè)量元件的電壓。
另一方面，在參考元件11中，第二和第一鐵磁層在不存在磁場(chǎng)的情況下的磁化方向12，13與在外磁場(chǎng)H下的磁化方向相同，從而即便在施加外磁場(chǎng)H的情況下，參考元件11的第二鐵磁層的磁化方向12和第一鐵磁層的磁化方向13保持相同，并且參考元件11的元件電阻假設(shè)為與負(fù)磁場(chǎng)情況下檢測(cè)元件1的電阻的飽和值相同的值。由此，分別由等式(3)，(4)給出在參考元件11中獲得的元件電阻R1和輸出電壓V1R1＝Rm-ΔR/2 (3)V1＝I×(Rm-ΔR/2)(4)檢測(cè)元件1和參考元件11之間的輸出電壓之差ΔV1由等式(5)表達(dá)
ΔV1＝I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2(5)該等式修改為H＝(2×ΔV1/I×ΔR-1)×Hk(6)其中V，V1，ΔV1、外磁場(chǎng)H和飽和磁場(chǎng)Hk的關(guān)系如圖5所示。而且，ΔR/2是在不存在磁場(chǎng)的情況下參考元件11和檢測(cè)元件1的輸出信號(hào)之差，并且通過(guò)確定不存在磁場(chǎng)的情況下輸出信號(hào)之差，可在測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)確定ΔR。具體說(shuō)，甚至在測(cè)量時(shí)ΔR由于溫度變化等而改變的情況下，容易確定ΔR的準(zhǔn)確值。而且，V，V1，Hk是已知值，因此可使用等式(6)確定外磁場(chǎng)H。
上述輸出信號(hào)還可通過(guò)將從檢測(cè)元件1和參考元件11獲得的輸出信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)數(shù)字運(yùn)算獲得。
根據(jù)本實(shí)施形式，向每個(gè)元件1，11供應(yīng)預(yù)定電流。但是，這些電流對(duì)于每個(gè)元件1，11而言不必是預(yù)定的。在這種情況下，只要供給元件1，11的電流之間的強(qiáng)度比已知，可使用等式(3)到(6)確定外磁場(chǎng)H。
而且，盡管根據(jù)本實(shí)施形式，檢測(cè)元件1的第二鐵磁層的磁化方向2與第一鐵磁層的磁化方向3在元件平面內(nèi)彼此正交，但其不必要是如此正交的。除非第二鐵磁層的磁化方向2與第一鐵磁層的磁化方向1彼此平行或反平行，可由外磁場(chǎng)H改變?cè)娮?，從而可檢測(cè)外磁場(chǎng)H。
而且，根據(jù)本實(shí)施方式，參考元件11的第一鐵磁層的磁化方向13與參考元件11的第二鐵磁層的磁化方向12平行，并且可選地可彼此反平行。在它們反平行的情況下，參考元件11的元件電阻假設(shè)為與在正磁場(chǎng)下檢測(cè)元件1的電阻飽和值相同的值。
根據(jù)本實(shí)施形式，使用參考元件11和檢測(cè)元件1的差分檢測(cè)，因此獲得大輸出信號(hào)。而且，從檢測(cè)元件1和參考元件11在不存在磁場(chǎng)的情況下的輸出信號(hào)之差獲得電阻改變率ΔR。因此，甚至在由于制造時(shí)的重復(fù)性而改變?cè)娮杌蛘哂捎跍囟榷淖冊(cè)碾娮柚档那闆r下，可獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。
而且，元件1，11的第一鐵磁層的磁化方向3，13彼此相同，因此可容易地制造根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
另外，參考元件11可包括用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
要求參考元件11的磁屏蔽5由磁導(dǎo)率高的材料形成，如NiFe層。而且可使用Co，Ni或Fe作為主要成分的其他合金。
提供磁屏蔽5來(lái)保護(hù)參考元件11免受外磁場(chǎng)的影響。結(jié)果，只要參考元件的第二鐵磁層的磁化方向12與第一鐵磁層的磁化方向13彼此平行或反平行，可任意設(shè)置磁化方向。
實(shí)施形式2根據(jù)本實(shí)施形式，如圖6所示，通過(guò)添加一組具有與第一實(shí)施形式1的檢測(cè)元件1和參考元件11相同配置的元件形成橋路。添加的檢測(cè)元件41和參考元件51分別具有與檢測(cè)元件1和參考元件11相同的配置，因此不再說(shuō)明。而且，檢測(cè)元件1和41的第一和第二鐵磁層的磁化方向相同。在這種情況下，可通過(guò)從布線7到77提供電流并測(cè)量布線8和88之間的電勢(shì)差來(lái)獲得ΔV1。
根據(jù)本實(shí)施形式，將元件形成為橋路，因此可獲得更大輸出。
實(shí)施形式3圖7是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的平面圖。根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器還包括在根據(jù)第一實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器中的參考元件21。本實(shí)施形式中，與第一實(shí)施形式相同的組成部件分別加上相同的參考序號(hào)。元件1，11，21具有與第一實(shí)施形式相同的堆疊結(jié)構(gòu)。本實(shí)施形式中，元件1，11，21都按矩形形成。元件1，11，21不必具有相同的寬高比，但要具有相同面積，以均衡元件電阻。
在元件1，11，21的第一鐵磁層的磁化方向3，13，23中，磁化方向3和磁化方向13彼此平行，并且磁化方向13和磁化方向23彼此反平行。在不存在磁場(chǎng)的情況下檢測(cè)元件1的第二鐵磁層的磁化方向2與第一鐵磁層的磁化方向3在元件平面內(nèi)正交。而且，參考元件11，21的第二鐵磁層的磁化方向12，22在不存在磁場(chǎng)的情況下分別與各自的第一鐵磁層的磁化方向13，23平行和反平行。
元件1，11，21的第二和第一鐵磁層連接于信號(hào)檢測(cè)布線4，44，14，16，24，26，并進(jìn)一步連接于檢測(cè)電路。連接于檢測(cè)元件1的布線4，44之一連接于元件的第二鐵磁層，另一個(gè)連接于其第一鐵磁層。參考元件11，21的布線14，16，24，26也連接于相似位置。
元件1，11，21優(yōu)選是TMR元件，從而在減小元件尺寸的同時(shí)可輸出大的輸出信號(hào)。
元件1，11，21的第一鐵磁層的磁化方向3，13，23可像第一實(shí)施形式那樣通過(guò)例如熱處理確定。盡管未示出，但布線正好形成在元件的上方或下方，并且電流按所需方向提供，以在不低于阻擋溫度下產(chǎn)生第一鐵磁層的飽和磁化，該阻擋溫度是反鐵磁層與第一鐵磁層之間的磁交互作用消失的溫度。在這種情況下，溫度被降低到阻擋溫度或以下，從而在第一鐵磁層中獲得所需方向的磁化。磁場(chǎng)不限于通過(guò)向布線供給電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而可以是局部施加的磁場(chǎng)。
關(guān)于上述第一鐵磁層的磁化方向3，13，23，可通過(guò)例如向其施加外磁場(chǎng)由局部熱處理來(lái)確定磁化方向3，13，之后可通過(guò)在相反方向施加的磁方向進(jìn)行元件21的局部熱處理來(lái)確定磁化方向23。
參考圖7，接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的操作。
通過(guò)布線4，14，24在檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)向圖7所示的元件1，11，21的每一個(gè)提供預(yù)定電流I。在處理過(guò)程中，在外磁場(chǎng)H下檢測(cè)元件1的元件電阻從等式(1)確定，輸出電壓從等式(2)確定。在這種情況下，參考元件11是第二鐵磁層的磁化方向12與第一鐵磁層的磁化方向13彼此平行，而參考元件21是第二鐵磁層的磁化方向22與第一鐵磁層的磁化方向23彼此反平行。結(jié)果參考元件11，21假設(shè)為與在正和負(fù)磁場(chǎng)下的檢測(cè)元件1的電阻飽和值相同的值。參考元件11，21中獲得的輸出電壓V1，V2分別由等式(5)和(6)表示。
V1＝I×(Rm-ΔR/2) (7)V2＝I×(Rm+ΔR/2) (8)結(jié)果，在檢測(cè)元件1和參考元件11中獲得的輸出電壓之差ΔV1如下給出
ΔV1＝I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2(9)按相似形式，檢測(cè)元件1和參考元件21中獲得的輸出電壓之差ΔV2如下給出ΔV2＝I×(1-H/|Hk|)×ΔR/2(10)另外，ΔV1和ΔV2之差如下給出ΔV1-ΔV2＝I×ΔR×H/|Hk|在該等式中，ΔR可每次從兩個(gè)參考元件11，21的輸出信號(hào)之差確定。這可由于如下事實(shí)根據(jù)本實(shí)施形式的元件的飽和磁場(chǎng)是預(yù)定的已知值，電阻改變率可通過(guò)確定飽和磁場(chǎng)中磁電阻來(lái)獲得。因此甚至在由于溫度或元件之間的電阻值變化而產(chǎn)生的電阻值改變效應(yīng)而改變電阻改變率的狀況下，可在每次測(cè)量時(shí)從參考元件11，21的輸出確定電阻改變率。從而可使用電阻改變率在實(shí)際工作環(huán)境下準(zhǔn)確檢測(cè)外磁場(chǎng)。
上述輸出信號(hào)還可通過(guò)在將從檢測(cè)元件1和參考元件11，21獲得的輸出信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)數(shù)字運(yùn)算獲得。
根據(jù)本實(shí)施形式，向元件1，11，21各自供應(yīng)預(yù)定電流。但是該電流對(duì)于每個(gè)元件1，11，21而言不必是預(yù)定的。在這種情況下，只要供給元件1，11，21的電流之間的強(qiáng)度比已知，可使用上述等式確定外磁場(chǎng)H。
根據(jù)本實(shí)施形式，使用兩個(gè)參考元件11，21和檢測(cè)元件1之間的差分檢測(cè)，因此獲得大輸出信號(hào)。
而且，根據(jù)本實(shí)施形式，從參考元件11，21獲得電阻改變率ΔR，因此，甚至在由于元件制造時(shí)的重復(fù)性而改變?cè)娮杌蛘哂捎跍囟榷淖冊(cè)碾娮柚档那闆r下，可獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。
而且，由于獲得檢測(cè)元件1的輸出信號(hào)的最大和最小值，可實(shí)現(xiàn)更高可靠性和準(zhǔn)確度。
另外，參考元件11，21可包括用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
磁屏蔽5由類似于第一實(shí)施形式中使用的材料的材料形成。
提供磁屏蔽5來(lái)保護(hù)參考元件11，21免受外磁場(chǎng)的影響。只要參考元件11的第二鐵磁層的磁化方向12與第一鐵磁層的磁化方向13平行并且參考元件21的第二鐵磁層的磁化方向22與第一鐵磁層的磁化方向23反平行，可任意設(shè)置參考元件11，21的第二鐵磁層的磁化方向12，22。
而且，可配置按類似于第二實(shí)施形式的方式使用檢測(cè)元件1和參考元件11，21的橋路來(lái)檢測(cè)ΔV1和ΔV2。
實(shí)施形式4圖8是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的平面圖。本實(shí)施形式所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器除了圖3和第一實(shí)施形式的配置外，還包括向檢測(cè)元件1施加磁場(chǎng)的布線6。該布線6設(shè)置成與第二鐵磁層的磁化方向2平行，正好在檢測(cè)元件1的上方。這里，與圖3所示相同的組成部件分別用相同參考序號(hào)表示，不再說(shuō)明。
在這種情況下，提前在不存在磁場(chǎng)的情況下向正好設(shè)置在檢測(cè)元件1上方的布線6提供預(yù)定電流。結(jié)果，向檢測(cè)元件1施加已知的磁場(chǎng)。在該處理中，檢測(cè)元件1的第二鐵磁層的磁化方向根據(jù)由施加的磁場(chǎng)在磁化方向2a上施加的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。
在通過(guò)在布線6中流動(dòng)的電流施加磁場(chǎng)H’并且向檢測(cè)元件1提供預(yù)定電流I的情況下，檢測(cè)元件1的輸出電壓V3如下給出V3＝I×(Rm+ΔR/2×H’/|Hk|) (11)按上述方式，提供給參考元件11的預(yù)定電流I的輸出電壓從等式(4)確定，從而輸出電壓之間之差為V3-V1＝I×(1+H’/|Hk|)×ΔR/2(12)其中H’和I是已知值，因此只要Hk是已知的，可使用等式(12)準(zhǔn)確確定ΔR。而且，在Hk未知的情況下，可從等式(12)使用已知值I和H’通過(guò)根據(jù)第一實(shí)施形式中所述方法從檢測(cè)元件1和參考元件11在不存在磁場(chǎng)的情況下的輸出信號(hào)之間之差確定ΔR來(lái)確定Hk。在這種缺少外磁場(chǎng)的情況下，甚至在僅有布線電流磁場(chǎng)H’的一個(gè)點(diǎn)的情況下可檢測(cè)到飽和磁場(chǎng)。
上述飽和磁場(chǎng)不必要在不存在磁場(chǎng)的情況下檢測(cè)，但是如果施加的話，可通過(guò)例如在兩個(gè)不同的點(diǎn)處施加布線電流磁場(chǎng)-H’或+H’達(dá)到外磁場(chǎng)的程度并保持不變來(lái)檢測(cè)。這種檢測(cè)可按需要執(zhí)行，如在溫度改變時(shí)測(cè)量外磁場(chǎng)之前或期間。
使用由上述方法確定的飽和磁場(chǎng)，由與第一實(shí)施形式相同的方法檢測(cè)外磁場(chǎng)。
在這種情況下，還可通過(guò)使用檢測(cè)元件1和參考元件11利用與圖6中所述相同的方法以及第二實(shí)施方式配置橋路來(lái)檢測(cè)飽和磁場(chǎng)。
上述輸出信號(hào)還可通過(guò)在將從檢測(cè)元件1和參考元件11獲得的輸出信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)數(shù)字運(yùn)算獲得。
根據(jù)本實(shí)施形式，可向檢測(cè)元件1任意施加外磁場(chǎng)的配置使得可在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下檢測(cè)飽和磁場(chǎng)。結(jié)果，可按需要在任何時(shí)候僅通過(guò)檢測(cè)器檢測(cè)飽和磁場(chǎng)。從而，可按需要校準(zhǔn)檢測(cè)器的分辨率而不使用外部磁場(chǎng)發(fā)生器。
另外，如圖9所示，除了圖7的配置外，還設(shè)置用于將磁場(chǎng)施加到檢測(cè)元件1的布線6。圖9中，與圖7相同的組成部件分別以相同參考序號(hào)表示，不再說(shuō)明。如上這樣做，檢測(cè)元件1的第二鐵磁層的飽和磁場(chǎng)可不用圖7的配置中也存在的外磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)。
而且，圖8和9中，參考元件11，21可包括用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
提供磁屏蔽5可使參考元件11，21的第二鐵磁層設(shè)置為任意磁化方向。
實(shí)施形式5圖10是表示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的平面圖。這里所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器除了類似于圖3和第一實(shí)施形式所示的檢測(cè)器的配置外，還包括用于檢測(cè)飽和磁場(chǎng)的磁電阻元件31(以后稱為飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件)，其表現(xiàn)出與檢測(cè)元件1相同的對(duì)于外磁場(chǎng)的磁電阻效應(yīng)。在這種情況下，檢測(cè)元件1和飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31配置成具有相同形狀。
順便提及，檢測(cè)元件1和飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31不特別限定于其配置，只要其具有相同的磁電阻效應(yīng)特性。與圖3所示相同的組成部件分別用相同參考序號(hào)表示，不再說(shuō)明。
而且，在飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31正上方設(shè)置用于施加磁場(chǎng)的布線6。例如將布線6設(shè)置為平行于在檢測(cè)元件1的正上方的第二鐵磁層的磁化方向2。
而且，優(yōu)選通過(guò)相同工藝同時(shí)在同一襯底上形成檢測(cè)元件1、參考元件11和飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31。根據(jù)膜形成方法和上述光刻工藝，同時(shí)處理工藝伴隨有非常小的變化，在磁電阻測(cè)量中基本上不產(chǎn)生變化問(wèn)題。
接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的檢測(cè)操作。
磁場(chǎng)檢測(cè)器的檢測(cè)操作類似于第一實(shí)施形式中的檢測(cè)操作。
另外，可通過(guò)類似于第四實(shí)施形式的方法檢測(cè)飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31的第二鐵磁層的飽和磁場(chǎng)。檢測(cè)元件1和飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31具有相同磁電阻效應(yīng)特性，因此可通過(guò)確定飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31的飽和磁場(chǎng)確定檢測(cè)元件1的飽和磁場(chǎng)。
根據(jù)本實(shí)施形式，檢測(cè)元件1和用于獲得第二鐵磁層的飽和磁場(chǎng)的飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31是彼此獨(dú)立的。因此，可在檢測(cè)外磁場(chǎng)期間在任何時(shí)候確定飽和磁場(chǎng)。從而，在測(cè)量期間分辨率的校準(zhǔn)是可能的，并且可以更高準(zhǔn)確度測(cè)量外磁場(chǎng)。
而且，可不中斷外磁場(chǎng)的測(cè)量來(lái)執(zhí)行磁場(chǎng)檢測(cè)器的分辨率校準(zhǔn)。
如圖11所示，除圖7的配置外還提供飽和磁場(chǎng)檢測(cè)元件31。圖11中，與圖7中相同的組成部件分別用相同的參考序號(hào)表示，不再說(shuō)明。如上這樣做，在測(cè)量外磁場(chǎng)期間檢測(cè)元件1的第二鐵磁層的飽和磁場(chǎng)可不用外磁場(chǎng)甚至由圖7所示配置來(lái)檢測(cè)。
而且，圖10，11中，參考元件11，21可包括用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
提供磁屏蔽5可使參考元件11，21的第二鐵磁層設(shè)置為任意磁化方向。
實(shí)施形式6
圖12是表示根據(jù)本實(shí)施形式的電流檢測(cè)器件的透視圖。這里所示的電流檢測(cè)器件例如使用圖3和第一實(shí)施形式所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器，與要被測(cè)量的電流在其中流動(dòng)的布線102設(shè)置成預(yù)定距離。盡管僅示出一個(gè)檢測(cè)元件1，但電流檢測(cè)器件包括第一實(shí)施形式所示的所有組件，如用于輸出檢測(cè)和信號(hào)處理的外圍電路109。而且，它包括用于供電和向外部設(shè)備輸出信號(hào)的布線110。
電流檢測(cè)器件中的檢測(cè)元件1設(shè)置在從流過(guò)要被測(cè)量的電流的布線102產(chǎn)生的外磁場(chǎng)方向與檢測(cè)方向一致的位置上。具體說(shuō)，檢測(cè)元件1的第一鐵磁層的磁化方向與外磁場(chǎng)的方向一致。
接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的電流檢測(cè)器件的電流檢測(cè)操作。
當(dāng)要被測(cè)量的電流i在布線102中流動(dòng)時(shí)，電流用于在垂直于布線的方向上產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)H的強(qiáng)度表示為H＝k×i/R，其中k是正比例常數(shù)，R是離開布線的距離。在這種情況下，一旦布線和電流檢測(cè)器件中的檢測(cè)元件1之間的距離被測(cè)量，正比例常數(shù)k為已知的。因此，通過(guò)由第四實(shí)施形式所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器測(cè)量磁場(chǎng)H，可檢測(cè)布線電流i。在該過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)器件的電源經(jīng)布線110提供，并且檢測(cè)信號(hào)經(jīng)外圍電路109和布線110被輸出到外部設(shè)備，如顯示單元。
而且，根據(jù)其他實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器當(dāng)然可用作電流檢測(cè)器。
根據(jù)本實(shí)施形式，本發(fā)明所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器的使用使得甚至在溫度改變或者在電流檢測(cè)期間每個(gè)檢測(cè)器特性變化的情況下都可能產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)并校準(zhǔn)檢測(cè)器的分辨率，因此可高準(zhǔn)確度地檢測(cè)電流。
實(shí)施形式7圖13是表示根據(jù)本實(shí)施形式的位置檢測(cè)器的透視圖。這里所示的位置檢測(cè)器例如使用圖3和第一實(shí)施形式所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器，要被測(cè)量的物體100周期性地包括磁體103。順便提及，要被測(cè)量的物體100包括磁體103的情況部分在圖中示出。相鄰的磁體例如具有相反極性。盡管這種情況下僅示出一個(gè)檢測(cè)元件1，但位置檢測(cè)器包括圖3和第一實(shí)施形式所示的所有組件，與第六實(shí)施形式類似，包括用于輸出檢測(cè)和信號(hào)處理的外圍電路109。而且，它包括用于供電和向外部設(shè)備輸出信號(hào)的布線110。
接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的位置檢測(cè)器的位置檢測(cè)操作。
要被測(cè)量的物體移動(dòng)，來(lái)自其中包括的磁體103的磁通量改變位置檢測(cè)器的磁場(chǎng)。由于磁體在要被測(cè)量的物體中周期設(shè)置，通過(guò)位置檢測(cè)器的磁體可通過(guò)用移動(dòng)檢測(cè)器的磁場(chǎng)改變來(lái)計(jì)數(shù)。與第六實(shí)施形式同樣，用于電流檢測(cè)器件的操作的電源經(jīng)布線110提供，并且檢測(cè)信號(hào)經(jīng)外圍電路109和布線110被輸出到外部設(shè)備。結(jié)果由要被測(cè)量的物體跨過(guò)的距離可被測(cè)量。該移動(dòng)不必要是線性的，例如還可檢測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)量。
而且，根據(jù)其他實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器當(dāng)然可用作位置檢測(cè)器。
根據(jù)本實(shí)施形式的位置檢測(cè)器不限于上述配置，而是可具有能夠檢測(cè)來(lái)自要被測(cè)量的物體的磁通量改變的任何配置。
在本實(shí)施形式中，根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)檢測(cè)器的使用使得甚至在溫度改變或者在位置檢測(cè)期間每個(gè)檢測(cè)器特性變化的情況下都可能產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)并校準(zhǔn)檢測(cè)器的分辨率，因此可高準(zhǔn)確度地允許位置檢測(cè)。
實(shí)施形式8圖14是表示根據(jù)本實(shí)施形式的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器的側(cè)面圖。這里所示的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器例如包括圖3和第一實(shí)施形式所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器，和在朝向要被測(cè)量的物體的方向上被磁化的永磁體104。要被測(cè)量的物體是具有高磁導(dǎo)率的軟鐵磁材料的齒輪105。盡管這種情況下僅示出一個(gè)檢測(cè)元件1，但旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器包括圖3和第一實(shí)施形式所示的所有組件，與第六實(shí)施形式類似，包括用于輸出檢測(cè)和信號(hào)處理的外圍電路109。而且，它包括用于供電和向外部設(shè)備輸出信號(hào)的布線110。
檢測(cè)元件1設(shè)置在可檢測(cè)由永磁體104和齒輪105產(chǎn)生的外磁場(chǎng)的方向上。例如檢測(cè)元件1的第一鐵磁層的磁化方向朝向齒輪105的中心。
接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)操作。
該旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器包括在朝向要被測(cè)量的物體的方向上磁化的永磁體104，因此構(gòu)成要被測(cè)量的物體的齒輪105的齒106由來(lái)自磁體104的磁通量磁化。在齒輪105由這樣磁化的齒106旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)檢測(cè)器101中的磁場(chǎng)變化。通過(guò)檢測(cè)由于齒106的旋轉(zhuǎn)引起的磁場(chǎng)變化，通過(guò)磁場(chǎng)檢測(cè)器101的齒數(shù)可進(jìn)行計(jì)數(shù)。結(jié)果，要被測(cè)量的物體的旋轉(zhuǎn)量可被測(cè)量。與第六實(shí)施形式中一樣，用于操作電流檢測(cè)器的電源經(jīng)布線110提供，并且檢測(cè)信號(hào)經(jīng)外圍電路109和布線110被輸出到外部設(shè)備。這樣不僅旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且還可檢測(cè)出適合于線性移動(dòng)的物體所跨越的距離。
根據(jù)本實(shí)施形式的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器不限于上述配置，而是可具有能夠檢測(cè)來(lái)自要被測(cè)量的物體的磁通量改變的任何配置。
根據(jù)本實(shí)施形式，不用在要被測(cè)量的物體中設(shè)置用于檢測(cè)磁場(chǎng)的任何磁體，就可以進(jìn)行高準(zhǔn)確度的位置檢測(cè)。而且，可利用現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)部件，只要其具有齒輪形狀，齒輪是具有大磁導(dǎo)率的軟鐵磁材料的實(shí)施形式9圖15表示第一實(shí)施形式的示于圖3中的磁場(chǎng)檢測(cè)器的電路配置的特定例子，以及表示根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的電路框圖。參考圖15，描述本實(shí)施形式的配置。該圖所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器是包括根據(jù)第一實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的電路配置的例子，具有一個(gè)檢測(cè)元件1和參考元件11。包括在電路中的元件1，11的結(jié)構(gòu)和制造方法類似于第一實(shí)施形式的。
根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201和加減放大器電路202構(gòu)成。
電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201具有分別連接于元件1，11的恒流電路204。而且，加減放大器電路202包括用于差分地放大從檢測(cè)元件1和參考元件11產(chǎn)生的輸出電壓并根據(jù)從檢測(cè)元件1和參考元件11產(chǎn)生的輸出電壓之差而輸出電壓的差分放大器電路207。例如差分放大器電路207被配置成包括OP放大器245和電阻器255的電路，如圖16所示。在這種情況下，圖中相同參考序號(hào)表示相似的OP放大器和電阻器。
參考圖15，接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路的檢測(cè)操作。
在電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201中，將恒流電路204連接于元件1，11的每一個(gè)，其中在檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)流動(dòng)預(yù)定電流I。在外磁場(chǎng)H下來(lái)自檢測(cè)元件1的輸出電壓由等式(2)給出。在參考元件11中，第二鐵磁層的磁化方向12平行于第一鐵磁層的磁化方向13，其電阻值等于檢測(cè)元件在負(fù)磁場(chǎng)下電阻的飽和值。由檢測(cè)元件1和參考元件11產(chǎn)生的輸出電壓V，V1分別由等式(2)，(4)表示。
V＝I×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)(2)V1＝I×(Rm-ΔR/2) (4)加減放大器電路202差分放大從檢測(cè)元件1和參考元件11產(chǎn)生的輸出電壓。假設(shè)加減放大器電路202的放大因子是α，輸出電壓Vout從等式(5)和放大因子α如下給出。
Vout＝α×I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2 (13)其中，α，I和|Hk|是設(shè)置的值并且是已知的，ΔR可從不存在磁場(chǎng)的情況下檢測(cè)元件1和參考元件11的輸出信號(hào)之差獲得。因此，可獲得輸出電壓Vout和H之間的對(duì)應(yīng)性。例如0外磁場(chǎng)下的Vout假設(shè)為如下值。
Vout＝α×I×ΔR/2 (14)其中，假設(shè)α設(shè)置為2/(I×ΔR)，從而輸出電壓Vout是1V，關(guān)系維持Vout＝(1+H/|Hk|)。因此，電路可配置成對(duì)于H＝-|Hk|，Vout＝0V，而對(duì)于H＝|Hk|，Vout＝2V。
本實(shí)施形式包括電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓，以及加減放大器電路，用于放大從參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的電壓之間之差。
結(jié)果，使用檢測(cè)元件1和參考元件11的輸出使差分檢測(cè)成為可能，從而可獲得更大的輸出信號(hào)。而且，從不存在磁場(chǎng)的情況下檢測(cè)元件1和參考元件11的輸出信號(hào)之差獲得電阻改變率ΔR。甚至在由于制造時(shí)的重復(fù)性而改變?cè)娮杌蛘哂捎跍囟榷淖冊(cè)碾娮柚档那闆r下，可獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。
而且，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置放大因子α，可獲得所需的輸出電壓。
另外，如第一實(shí)施形式中所述，參考元件11可包括用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
要求參考元件11的磁屏蔽5由任何高磁導(dǎo)率的材料構(gòu)成，例如NiFe層。而且其他包含Co，Ni，F(xiàn)e作為主要成份的合金都可使用。
提供磁屏蔽5可使參考元件11不受外磁場(chǎng)的影響。因此，參考元件的第二鐵磁層的磁化方向12和第一鐵磁層的磁化方向13可任意設(shè)置，只要它們彼此平行或反平行。
另外，提供電阻電壓轉(zhuǎn)換電路和加減放大器電路可構(gòu)成用非常簡(jiǎn)單電路配置來(lái)操作的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
而且，其中電阻電壓轉(zhuǎn)換電路和加減放大器電路以及乘除電路由設(shè)置在同一襯底上的磁電阻元件、雙極晶體管和電阻器形成的配置使得其能夠抑制外部噪聲和包括在加減放大器電路中的晶體管和電阻器的溫度改變的影響。該電阻器優(yōu)選使用諸如金屬氧化物膜的電阻率隨溫度變化小的材料配置。
實(shí)施形式10圖17是表示根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路的電路框圖。圖中所示的磁場(chǎng)檢測(cè)電路等效于根據(jù)第九實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路，包括向檢測(cè)元件1施加磁場(chǎng)的布線6和用于施加磁場(chǎng)的電路。除了向檢測(cè)元件1施加磁場(chǎng)的布線6和施加磁場(chǎng)的電路外，本實(shí)施形式類似于第九實(shí)施形式，因此不做說(shuō)明。
在圖17所示的磁場(chǎng)檢測(cè)電路中，向檢測(cè)元件1施加磁場(chǎng)的布線6包括恒流源204和開關(guān)221。開關(guān)221是半導(dǎo)體開關(guān)，例如適合于與來(lái)自磁場(chǎng)檢測(cè)電路外部的輸入信號(hào)同步進(jìn)行開關(guān)。
接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路的檢測(cè)操作。首先，在開關(guān)221斷開而施加外磁場(chǎng)H的情況下，假設(shè)加減放大器電路202的放大因子是α，輸出電壓Vout由等式(15)參考等式(9)給出。
Vout(H)＝α×I×(1+H/|Hk|)×ΔR/2(15)接著，當(dāng)開關(guān)221接通時(shí)，電流磁場(chǎng)H’由流經(jīng)恒流源204的電流產(chǎn)生，從而輸出電壓Vout如下給出Vout(H+H’)＝α×I×(1+(H’+H)/|Hk|)×ΔR/2(16)Vout(H+H’)-Vout(H)＝α×I×ΔR/2×H’/|Hk| (17)其中，α，I和H’是已知的，因此輸出信號(hào)之間之差是Hk和ΔR的函數(shù)。
在Hk已知的情況下，例如，ΔR可從輸出信號(hào)之差獲得。而且通過(guò)從與零外磁場(chǎng)相關(guān)的值確定ΔR，可確定Hk。并且，在α＝2/(I×ΔR)的情況下，獲得等式Vout(H)＝1+H/|Hk| (18)Vout(H+H’)＝1+(H’+H)/|Hk|(19)輸出波形的一個(gè)例子如圖18所示。按這種方式，H’/|Hk|和|Hk|可從差分Vout輸出確定。
根據(jù)本實(shí)施形式，外磁場(chǎng)可任意施加于檢測(cè)元件的配置使得可在沒(méi)有任何外磁場(chǎng)的情況下檢測(cè)飽和磁場(chǎng)。結(jié)果，可按需要在任何時(shí)候僅通過(guò)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)飽和磁場(chǎng)。從而，可在任何需要之時(shí)使用外磁場(chǎng)發(fā)生器校準(zhǔn)檢測(cè)器的分辨率。
并且，根據(jù)本實(shí)施形式，參考元件11和檢測(cè)元件1之間的差分檢測(cè)的使用可產(chǎn)生大輸出信號(hào)。而且，由于從不存在磁場(chǎng)的情況下的檢測(cè)元件1和參考元件11之間的輸出信號(hào)之差獲得電阻改變?chǔ)，甚至在由于制造時(shí)的重復(fù)性而改變?cè)娮杌蛘哂捎跍囟榷淖冊(cè)碾娮柚档那闆r下，可獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。
而且，元件1，11的第一鐵磁層具有相同的磁化方向3，13，因此根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器容易制造。
另外，參考元件11可包括用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
要求參考元件11的磁屏蔽5由高磁導(dǎo)率的材料構(gòu)成，例如NiFe層。而且其他包含Co，Ni，F(xiàn)e作為主要成份的合金都可使用。
提供磁屏蔽5可使參考元件11不受外磁場(chǎng)的影響。因此，參考元件的第二鐵磁層的磁化方向12和第一鐵磁層的磁化方向13可任意設(shè)置，只要它們彼此平行或反平行。
另外，提供電阻電壓轉(zhuǎn)換電路和加減放大器電路可構(gòu)成用非常簡(jiǎn)單的配置來(lái)操作的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
而且，電阻電壓轉(zhuǎn)換電路和加減放大器電路以及乘除電路使用設(shè)置在同一襯底上的磁電阻元件、雙極晶體管和電阻器形成，從而能夠抑制外部噪聲和包括在加減放大器電路中的晶體管和電阻器的溫度改變的影響。由電阻率隨溫度變化小的材料諸如金屬氧化物膜的電阻器來(lái)按需要提供電阻。
實(shí)施形式11圖19是表示根據(jù)本發(fā)明第十一實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路的電路框圖。這里所示的磁場(chǎng)檢測(cè)電路是包括根據(jù)第三實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的電路配置的例子，并且包括檢測(cè)元件1和參考元件11，21。包括在電路中的元件1，11，21的結(jié)構(gòu)和制造方法類似于第三實(shí)施形式。
根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201和加減放大器電路202以及乘除電路203構(gòu)成。
電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201類似于第九實(shí)施形式中，通過(guò)將恒流電路204連接于元件1，11，21而構(gòu)成。
加減放大器電路202是用于差分地放大從檢測(cè)元件1和參考元件11，12獲得的輸出電壓的電路。根據(jù)本實(shí)施形式，加減放大器電路202包括連接于參考元件11，21以輸出輸出電壓之差V到乘除電路203的減法電路206和連接于檢測(cè)元件1和參考元件11以將輸出電壓V1和V之差ΔV1輸出到乘除電路203的差分放大器電路207。減法電路206和差分放大器電路207每一個(gè)由OP放大器和電阻器構(gòu)成。例如圖16所示。
乘除電路203是用于對(duì)輸入作除法的電路，其中為3個(gè)輸入，即ΔV1、V-和來(lái)自電壓源208的轉(zhuǎn)換電壓Va輸出ΔV1×Va/V-。內(nèi)部等效電路的例子如圖20所示。該等效電路由包括OP放大器245、電阻器255和晶體管260的電路構(gòu)成。圖中，相同參考序號(hào)分別表示相似的OP放大器、電阻器和晶體管。
參考圖19，接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路的檢測(cè)操作。恒流I在電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201的元件1，11，21中流動(dòng)。在外磁場(chǎng)H下檢測(cè)元件1的輸出電壓由等式(2)給出。在參考元件11中，第二鐵磁層的磁化方向12與第一鐵磁層的磁化方向13彼此平行，而參考元件21中第二鐵磁層的磁化方向22與第一鐵磁層的磁化方向23彼此反平行。結(jié)果，參考元件11，21的輸出電壓由等式(7)(8)給出，如同檢測(cè)元件1的電阻在正負(fù)磁場(chǎng)下的飽和值。在檢測(cè)元件1和參考元件11，21中，向加減放大器電路202輸出由等式(2)，(7)，(8)表示的輸出電壓V，V1，V2V＝I×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|) (2)V1＝I×(Rm-ΔR/2) (7)V2＝I×(Rm+ΔR/2) (8)在加減放大器電路202中，差分放大檢測(cè)元件1和參考元件11，21中獲得的輸出電壓。根據(jù)本實(shí)施形式，輸出參考元件11，21的輸出電壓之間之差V與放大值ΔV1。在該過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置減法電路206的放大因子為α，并且差分放大器電路207的放大因子為α，來(lái)自差分放大器電路207的輸出由等式(9)如下給出。
α×ΔV1＝α×I×ΔR×(1+H/|Hk|)/2 (20)以類似方式，減法電路206的輸出如下給出V-＝α(V2-V1)＝α×I×ΔR (21)乘除電路203是用于將到此的輸入進(jìn)行除法并為3個(gè)輸入ΔV1、V-和Va輸出ΔV1×Va/V-。
同時(shí)，從等式(2)，(20)，(21)，對(duì)于在向其施加磁場(chǎng)H時(shí)跨越測(cè)量元件的電勢(shì)差V維持下面等式。
Vout＝ΔV1×Va/V-＝Va×(1+H/|Hk|)/2 (22)其中|Hk|和Va是已知值，因此通過(guò)確定輸出電壓可確定外磁場(chǎng)H。
可按能夠確定輸出電壓強(qiáng)度的方式任意設(shè)置Va。在該過(guò)程中，獲得其中假設(shè)外磁場(chǎng)H從-|Hk|向|Hk|變化的、Vout從0V到Va變化的電路。
另外，在對(duì)于給定方向的外磁場(chǎng)需要正輸出、對(duì)于相反方向的外磁場(chǎng)需要負(fù)輸出的情況下，增加輸出調(diào)整電路210以從該輸出減去Va/4。輸出調(diào)整電路210的內(nèi)部電路例如是圖16所示的差分放大器電路并連接于恒壓源209來(lái)進(jìn)行減法。從等式(22)得到下面的等式。
Vout＝ΔV1×Va/V-Va/4＝Va×(1/2+H/|Hk|)/2 (23)結(jié)果，獲得其中假設(shè)外磁場(chǎng)H從-|Hk|向|Hk|變化的、Vout從-Va/2到Va/2變化的電路。具體說(shuō)，通過(guò)設(shè)置Va為2V，對(duì)于H＝|Hk|，輸出電壓為1V，對(duì)于H＝-|Hk|輸出電壓為-1V。
根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路包括電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將第一參考磁電阻元件的電阻、第二參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；加減放大器電路，用于放大電阻電壓轉(zhuǎn)換電路中從第一參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的輸出電壓之間之差，以及放大從第一參考磁電阻元件的電阻和第二參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的輸出電壓之間之差，并分別將其作為第一和第二電壓輸出；以及乘除電路，用于輸出第一電壓和第二電壓之除商，作為第三電壓。
結(jié)果，使用檢測(cè)元件1和參考元件11的輸出使差分檢測(cè)成為可能，從而可獲得更大的輸出信號(hào)。而且，甚至在由于電阻值隨溫度改變的效應(yīng)以及元件之間電阻變化的情況而使得電阻改變率被改變的狀況下，可使用在參考元件11，21的實(shí)際操作環(huán)境中的電阻改變率自動(dòng)糾正該改變，從而可準(zhǔn)確且瞬時(shí)檢測(cè)外磁場(chǎng)。
另外，提供電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，加減放大器電路和乘除電路可構(gòu)成具有簡(jiǎn)單電路配置并同步操作的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
而且，電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，加減放大器電路以及乘除電路使用設(shè)置在同一襯底上的磁電阻元件、雙極晶體管和電阻器形成，從而能夠抑制外部噪聲和包括在加減放大器電路和乘除電路中的晶體管和電阻器的溫度改變的影響。
使用的電阻器優(yōu)選由電阻率隨溫度變化小的材料諸如金屬氧化物膜來(lái)構(gòu)成。
另外，參考元件11，21中可設(shè)置用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
磁屏蔽5由與第一實(shí)施形式類似的材料構(gòu)成。
提供磁屏蔽5可使參考元件11，21不受外磁場(chǎng)的影響。因此，只要參考元件11的第二鐵磁層的磁化方向12和第一鐵磁層的磁化方向13彼此平行，同時(shí)參考元件21中的第二鐵磁層的磁化方向22和第一鐵磁層的磁化方向23彼此反平行，那么可任意設(shè)置參考元件11，21中的第二鐵磁層的磁化方向12，13。
順便提及，盡管在根據(jù)本實(shí)施方式的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201中使用3個(gè)恒流源，檢測(cè)元件1和參考元件11，21可與一個(gè)電源串聯(lián)連接。
而且，本實(shí)施方式所示的加減放大器電路的放大因子是一個(gè)例子，當(dāng)然將不同放大因子組合來(lái)產(chǎn)生所需輸出的結(jié)構(gòu)也是可行的。
而且，根據(jù)本實(shí)施方式，恒壓源208，209被描述為獨(dú)立恒壓源，以有利于理解電路圖。但是，當(dāng)然可由電阻來(lái)分割諸如Vcc的外部電壓。
實(shí)施形式12第十二實(shí)施形式是第十一實(shí)施形式的改型，包括兩個(gè)其中第一鐵磁層的磁化方向和第二鐵磁層的磁化方向彼此平行且具有相等的外部磁響應(yīng)特性的參考元件11a，11b以及參考元件21，參考元件21中，第一鐵磁層的磁化方向和第二鐵磁層的磁化方向彼此反平行并且具有與參考元件11a相同的特性。按這種方式，通過(guò)使用3個(gè)參考元件11a，11b，21和檢測(cè)元件1配置圖21所示的電路獲得磁場(chǎng)檢測(cè)電路。
下面說(shuō)明該電路配置。根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)電路包括電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201，加減放大器電路202a，202b以及乘除電路203。
檢測(cè)元件1與電阻器250和OP放大器240一起構(gòu)成反相放大器電路230。電阻器250的一端連接于恒壓源(未示出)。參考元件11a，11b，21分別與電阻器251，252，253、OP放大器241，242，243和反相放大器電路231，232，233配置。每個(gè)電阻器251，252，253的一端像電阻器250一樣連接于恒壓源(未示出)。
電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201包括反相放大器電路230，231，232，233。
反相放大器電路230，231的輸出被輸入到加減放大器電路202a。而且，反相放大器電路232，233的輸出被輸入到加減放大器電路202b。加減放大器電路202a，202b各自都是例如圖6所示的差分放大器電路。
加減放大器電路202a，202b各自分別輸出反相放大器電路230，231的輸出之間與反相放大器電路232，233的輸出之間之差。
接著加減放大器電路202a，202b的輸出被輸入到乘除電路203中。加減放大器電路202a，202b以及乘除電路203的配置類似于第十一實(shí)施形式中，因此不再說(shuō)明。
此電路配置包括具有檢測(cè)元件1和參考元件11，21的反相放大器電路來(lái)替代恒流電路，并且元件電阻改變以從恒壓源提供的恒壓Vcc的放大因子改變的形式被檢測(cè)和放大。更具體說(shuō)，假設(shè)電阻器250的電阻值是R22，使用檢測(cè)元件1的反相放大器電路230的輸出電壓VH1如下給出VH1＝Vcc×(Rm+ΔR/2×H/|Hk|)/R22 (24)類似地，假設(shè)電阻器251，252的電阻值分別是R21，R23，包括參考元件11a，11b的反相放大器電路231，232的輸出電壓VH2，VH3如下給出VH2＝Vcc×(Rm-ΔR/2)/R21 (25)VH3＝Vcc×(Rm-ΔR/2)/R23 (26)而且假設(shè)電阻器253的電阻值是R24，包括參考元件21的反相放大器電路233的輸出電壓VH4如下給出VH4＝Vcc×(Rm+ΔR/2)/R24 (27)參考元件11a，11b，21和檢測(cè)元件1具有完全相同的配置，除了第二鐵磁層和第一鐵磁層的磁化方向。而且，電阻器250，251，252，253按需要具有相同電阻值，以消除輸出調(diào)整。但是，在電阻值不同的情況下可在隨后階段調(diào)整輸出。
接著，在加減放大器電路202a，202b中執(zhí)行加法和減法運(yùn)算以及放大。在加減放大器電路202a，202b中使用的電阻器可具有不同電阻值。但是通過(guò)使用具有完全相同電阻值的4個(gè)電阻器，放大因子可被設(shè)置為1(unity)。在這種情況下，假設(shè)電阻器250，251，252，253的電阻值是R21并彼此相等，則加減電路的輸出電壓之間之差由等式(28)，(29)給出VH1-VH2＝Vcc×(1+H/|Hk|)×ΔR/R21/2(28)VH4-VH3＝Vcc×ΔR/R21 (29)另外，乘除電路203的輸出由下面等式給出Vout＝(VH1-VH2)×Va/(VH4-VH3)＝Va ×(1+H/|Hk|)/2(30)而且提供輸出調(diào)整電路210使得可以相對(duì)于H從-|Hk|改變到|Hk|，將Vout的輸出范圍設(shè)置在-Va/2到Va/2。
根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)測(cè)量電路包括具有與第一參考磁電阻元件相同的外磁場(chǎng)響應(yīng)特性的第三參考磁電阻元件的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，以將第一參考磁電阻元件的電阻、第二參考磁電阻元件的電阻、第三參考磁電阻元件的電阻以及磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；加減放大器電路，用于放大由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第一參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的電壓之間之差以及由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第二參考磁電阻元件的電阻和第三參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的電壓之間之差，并且輸出第一電壓和第二電壓；乘除電路，用于輸出第一電壓與第二電壓之除商。
由于使用參考元件11和檢測(cè)元件1的差分檢測(cè)的性能，可獲得大輸出信號(hào)。而且，甚至在由于電阻值隨溫度改變的效應(yīng)以及元件之間電阻值變化的情況而使得電阻改變率被改變的狀況下，可使用在參考元件11，21的實(shí)際操作環(huán)境中的電阻改變率自動(dòng)糾正該改變，從而可準(zhǔn)確且瞬時(shí)檢測(cè)外磁場(chǎng)。
另外，提供電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，加減放大器電路和乘除電路可構(gòu)成具有同步操作的簡(jiǎn)單配置的磁場(chǎng)檢測(cè)器。而且，其中電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，加減放大器電路以及乘除電路由設(shè)置在同一襯底上的磁電阻元件、雙極晶體管和電阻器形成的配置使其能夠抑制來(lái)自外部源的噪聲和包括在加減放大器電路和乘除電路中的晶體管和電阻器的溫度改變的影響。按需要由電阻率隨溫度變化小的材料諸如金屬氧化物膜的電阻器等來(lái)提供電阻。
另外，可僅用恒壓源而不用任何恒流源來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，因此可簡(jiǎn)化電路。
實(shí)施形式13圖22是表示根據(jù)本發(fā)明第十三實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的電路框圖。這里所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器是其中根據(jù)第十實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器還包括具有磁屏蔽的校準(zhǔn)磁電阻元件211(此后稱為校準(zhǔn)元件)的電路配置的例子。包括在電路中的元件1，11，21的結(jié)構(gòu)和制造方法類似于第三實(shí)施形式，因此不再說(shuō)明。
首先說(shuō)明校準(zhǔn)元件211。校準(zhǔn)元件211是通過(guò)與檢測(cè)元件1相同方法制造的并具有相同結(jié)構(gòu)的元件，該元件還包括磁屏蔽5。磁屏蔽5由與第一實(shí)施形式類似的材料形成。該配置允許準(zhǔn)確確定元件的電阻，同時(shí)不施加外磁場(chǎng)。通過(guò)在不施加外磁場(chǎng)的情況下準(zhǔn)確確定電阻值，可以更高準(zhǔn)確度測(cè)量外磁場(chǎng)。參考圖23，下面說(shuō)明該原理。
關(guān)于元件電阻對(duì)外磁場(chǎng)的依賴性，考慮假設(shè)零外磁場(chǎng)下電阻值為Rm的情況，按R＝Rm外磁場(chǎng)由于環(huán)境和噪聲產(chǎn)生輕微的改變(ΔH)。在這種情況下，對(duì)于零外磁場(chǎng)，元件電阻R＝Roffset≠Rm。如果在該條件下測(cè)量，如圖23所述，檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生大小為ΔH的誤差。從而，沒(méi)有施加外磁場(chǎng)時(shí)確定電阻值Roffset并糾正誤差，結(jié)果更準(zhǔn)確檢測(cè)外磁場(chǎng)成為可能。在該過(guò)程中，假設(shè)與參考元件211的第一鐵磁層的磁化方向平行或反平行地施加的外磁場(chǎng)下飽和磁場(chǎng)分別為Hk+和Hk-，并且以恒流I提供給檢測(cè)元件1的電壓為Voffset。由于直線的傾斜相同，等式如下獲得。
ΔH/(Hk+-Hk-)＝(Roffset-Rm)/ΔR(31)Voffset＝IRoffset(32)其中，Hk+-Hk-＝2|Hk，因此通過(guò)測(cè)量確定Roffset，ΔR，可從等式(31)準(zhǔn)確確定磁場(chǎng)電阻特性的偏移量ΔH。
參考圖22，接著說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)檢測(cè)器的檢測(cè)操作。圖22所示的磁場(chǎng)檢測(cè)器由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201、加減放大器電路202c，202d、乘除電路203a，203b以及加減放大器電路207c構(gòu)成。
電阻電壓轉(zhuǎn)換電路201通過(guò)連接恒流電路204于檢測(cè)元件1、參考元件11，21、校準(zhǔn)元件211構(gòu)成，這些元件在檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)分別被供給恒流I。檢測(cè)元件1、參考元件11，21的操作類似于第十一實(shí)施形式，不再說(shuō)明。校準(zhǔn)元件211具有磁屏蔽5覆蓋的結(jié)構(gòu)，因此橫跨其產(chǎn)生的電壓Voffset等于零外磁場(chǎng)下檢測(cè)元件1的電壓V。
接著配置加減放大器電路202c，其由用于放大檢測(cè)元件1和參考元件11的輸出之間之差的差分放大器電路207a和用于計(jì)算參考元件11，21之差的減法電路206構(gòu)成。差分放大器電路207a和減法電路206的具體操作類似于第十一實(shí)施形式，不再說(shuō)明。連接于差分放大器電路207a和減法電路206的乘除電路203a具有與第十一實(shí)施形式相似的配置，類似于第十一實(shí)施形式中的等式(23)，產(chǎn)生如下輸出Vout1＝(V-V1)×Va/V-＝Va×{1+2H/(Hk+-Hk-)}/2 (33)接著加減放大器電路202d包括用于輸出參考元件11，21的輸出之和V+的加法電路205和用于放大加法電路205的輸出與Voffset的2倍的值之間之差的差分放大器電路207b?？蓪⒓臃娐?05的電路配置成例如圖24所示。圖24所示電路由OP放大器245和電阻器255構(gòu)成。在這種情況下，圖中相同參考序號(hào)代表相似的OP放大器和電阻器。
在這種情況下，對(duì)于V+維持下面的等式。
V+＝V1+V2＝2×I×Rm(34)差分放大器電路207b放大來(lái)自具有磁屏蔽的校準(zhǔn)元件211的輸入到2倍大，并輸出此2倍的211的輸入與來(lái)自加法電路205的輸入之差。輸出電壓由等式(35)從等式(32)和(34)給出。
(2×Voffset-V+)2×I×Roffset-2×I×Rm(35)假設(shè)恒壓源208的輸出是Va/2，由于加減放大器電路202d和減法電路206產(chǎn)生由減法電路206進(jìn)行分割的加減放大器電路202d的輸出，故連接于電路202d和206的乘除電路203b的輸出從等式(21)，(31)，(35)如下給出Vout2＝Va×ΔH/(Hk+-Hk-) (36)用于輸出乘除電路203a和乘除電路203b之間的輸出之差的加減放大器電路207c的輸出Vout從等式(33)，(36)如下給出。
Vout＝Va×{1/2+(H-ΔH)/(Hk+-Hk-)}(37)另外使用輸出調(diào)整電路210減去Va/2，Vout＝Va×{(H-ΔH)/(Hk+-Hk-)}(38)換言之，該磁場(chǎng)檢測(cè)器可排除與R＝Rm相關(guān)的外磁場(chǎng)的微小改變(ΔH)的誤差。
而且，在Va例如設(shè)置為2V的情況下，1V到-1V的電壓輸出可在Hk+和Hk-之間獲得。
根據(jù)本實(shí)施形式的磁場(chǎng)測(cè)量器件包括具有與磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件相同外磁場(chǎng)響應(yīng)特性并且由磁屏蔽的校準(zhǔn)磁電阻元件構(gòu)成的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將第一參考磁電阻元件的電阻、第二參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻以及校準(zhǔn)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；第二加減放大器電路，用于作為第四電壓輸出一方面的電壓之和與另一方面的2倍高的電壓之間之差，該電壓之和是由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第一參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的電壓與由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第二參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的電壓之和，而該2倍高的電壓是從校準(zhǔn)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換的電壓的2倍高的電壓；第二乘除電路，用于輸出第二電壓和第四電壓之間之差，作為第五電壓；以及減法電路，用于輸出第三電壓和第五電壓之間之差。
結(jié)果，可使用具有磁屏蔽的校準(zhǔn)元件211和檢測(cè)元件1的輸出之間的差分檢測(cè)，從而獲得大輸出信號(hào)。而且，甚至在由于電阻值隨溫度改變的效應(yīng)以及元件之間電阻變化的情況而使得電阻改變率被改變的狀況下，可使用在具有磁屏蔽的校準(zhǔn)元件211的實(shí)際操作環(huán)境中的電阻改變率自動(dòng)糾正該改變，從而可準(zhǔn)確且瞬時(shí)檢測(cè)外磁場(chǎng)。
另外，提供電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，加減放大器電路和乘除電路可構(gòu)成具有同步操作的簡(jiǎn)單電路配置的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
而且，電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，加減放大器電路以及乘除電路由設(shè)置在同一襯底上的磁電阻元件、雙極晶體管和電阻器形成，從而能夠抑制來(lái)自外部源的噪聲和包括在加減放大器電路和乘除電路中的晶體管和電阻器的溫度改變的影響。按需要通過(guò)由電阻率隨溫度變化小的材料諸如金屬氧化物膜構(gòu)成的電阻器來(lái)提供電阻。
另外，具有磁屏蔽的校準(zhǔn)元件211的提供使得能夠通過(guò)在不施加外磁場(chǎng)的情況下確定電阻值Roffset并將其用作參考值來(lái)更準(zhǔn)確的測(cè)量外磁場(chǎng)。
而且參考元件11，21可具有用于屏蔽外磁場(chǎng)的磁屏蔽5。
磁屏蔽5由與第一實(shí)施形式類似的材料構(gòu)成。
提供磁屏蔽5可使參考元件11，21不受外磁場(chǎng)的影響。結(jié)果，只要參考元件11中第二鐵磁層的磁化方向12和第一鐵磁層的磁化方向13彼此平行，并且參考元件21中的第二鐵磁層的磁化方向22和第一鐵磁層的磁化方向23彼此反平行，那么可在任意方向上設(shè)置參考元件11，21的第二鐵磁層的磁化方向12，13。
上面說(shuō)明了磁場(chǎng)檢測(cè)器和使用該磁場(chǎng)檢測(cè)器的電流檢測(cè)器件、位置檢測(cè)器件以及旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器件。本發(fā)明不限于這些，可廣泛應(yīng)用于其他類似檢測(cè)器，該檢測(cè)器包括產(chǎn)生磁場(chǎng)或在改變磁場(chǎng)時(shí)被移動(dòng)的物體的位置和移動(dòng)量的檢測(cè)器，還可應(yīng)用于圖案化的磁性元件，如磁存儲(chǔ)器件、磁記錄頭或磁記錄介質(zhì)以及要被測(cè)量的物體改變磁場(chǎng)的功率檢測(cè)器等。
而且，上面的說(shuō)明涉及包括3或4個(gè)隧道磁電阻元件的磁場(chǎng)檢測(cè)器。但是，檢測(cè)器可包括任何數(shù)目的隧道磁電阻元件。另外，這些元件可形成例如橋路。盡管可按需要使用隧道磁電阻元件，但本發(fā)明不限于此，可適用于包括一個(gè)磁化方向被固定的鐵磁層的巨磁電阻元件或其他磁電阻元件。
權(quán)利要求
1.一種磁場(chǎng)檢測(cè)器，具有參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件，參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件每一個(gè)都具有疊層結(jié)構(gòu)，該疊層結(jié)構(gòu)包括反鐵磁層；磁化方向由反鐵磁層固定的鐵磁材料的第一層；非磁性層；以及磁化方向適合于由外磁場(chǎng)改變的鐵磁材料的第二層，其特征在于參考磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下第一層的磁化方向與第二層的磁化方向彼此平行或反平行，以及磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下第一層的磁化方向與第二層的磁化方向彼此不同。
2.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于參考磁電阻元件的第一層的磁化方向與磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的第一層的磁化方向彼此平行或反平行。
3.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于參考磁電阻元件被磁屏蔽。
4.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括多個(gè)參考磁電阻元件，其特征在于第一參考磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下第一層的磁化方向與第二層的磁化方向彼此平行，第二參考磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下第一層的磁化方向與第二層的磁化方向彼此反平行。
5.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于包括可向磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件施加已知磁場(chǎng)的磁場(chǎng)施加布線。
6.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件形成在同一襯底上。
7.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括可施加已知磁場(chǎng)的磁場(chǎng)施加布線，并且還包括具有與磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件相同的外磁場(chǎng)響應(yīng)特性的飽和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件。
8.如權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；以及加減放大器電路，用于放大由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓之間之差。
9.如權(quán)利要求8所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于包括可向磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件施加已知磁場(chǎng)的磁場(chǎng)施加布線。
10.如權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將第一參考磁電阻元件的電阻、第二參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；加減放大器電路，用于分別放大由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第一參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓之間之差、以及由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第一參考磁電阻元件的電阻和第二參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓之間之差，并輸出第一和第二電壓；以及乘除電路，用于輸出第一電壓和第二電壓之分度，作為第三電壓。
11.如權(quán)利要求4所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括包含具有與第一參考磁電阻元件相同的外磁場(chǎng)響應(yīng)特性的第三參考磁電阻元件的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將第一參考磁電阻元件的電阻、第二參考磁電阻元件的電阻、第三參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；加減放大器電路，用于分別放大由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第一參考磁電阻元件的電阻和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓之間之差、以及由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第二參考磁電阻元件的電阻和第三參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓之間之差，并輸出第一和第二電壓；以及乘除電路，用于輸出第一電壓和第二電壓之分度。
12.如權(quán)利要求9所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，包括包含具有與磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件相同的外磁場(chǎng)響應(yīng)特性的磁屏蔽校準(zhǔn)磁電阻元件的電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將第一參考磁電阻元件的電阻、第二參考磁電阻元件的電阻、磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件的電阻和校準(zhǔn)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換為電壓；第二加減放大器電路，用于作為第四電壓輸出一個(gè)差值，該差值是一方面的電壓之和與另一方面的2倍高的電壓之差，該電壓之和是由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從第一參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓和從第二參考磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓之和，而2倍高的電壓是由電阻電壓轉(zhuǎn)換電路從校準(zhǔn)磁電阻元件的電阻轉(zhuǎn)換得到的電壓的2倍高的電壓；第二乘除電路，用于輸出第二電壓和第四電壓之間之差，作為第五電壓；以及減法電路，用于輸出第三電壓和第五電壓之差。
13.如權(quán)利要求8所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于電阻電壓轉(zhuǎn)換電路、加減放大器電路和乘除電路設(shè)置在同一襯底上。
14.如權(quán)利要求8所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于電阻電壓轉(zhuǎn)換電路包括恒流源、電阻器和磁電阻元件。
15.如權(quán)利要求11所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器，其特征在于電阻電壓轉(zhuǎn)換電路包括恒壓源、電阻器和磁電阻元件。
16.一種電流檢測(cè)器件，使用權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
17.一種位置檢測(cè)器件，使用權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
18.一種旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器件，使用權(quán)利要求1所述的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
全文摘要
一種磁場(chǎng)檢測(cè)器，具有參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件。參考磁電阻元件和磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件每一個(gè)都具有疊層結(jié)構(gòu)，該疊層結(jié)構(gòu)包括反鐵磁層、磁化方向由反鐵磁層固定的鐵磁材料的固定層、非磁性層、以及磁化方向適合于由外磁場(chǎng)改變的鐵磁材料的自由層。參考磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下固定層的磁化方向與自由層的磁化方向彼此平行或反平行，磁場(chǎng)檢測(cè)磁電阻元件使得在不存在磁場(chǎng)的情況下固定層的磁化方向與自由層的磁化方向彼此不同。從而，可提供一種無(wú)論何時(shí)需要都能夠獨(dú)自校準(zhǔn)檢測(cè)器的靈敏性和分辨率的磁場(chǎng)檢測(cè)器。
文檔編號(hào)G01R33/09GK1918477SQ20048004186
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2004年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月19日
發(fā)明者長(zhǎng)永隆志, 小林浩, 黑巖丈晴, 拜山沙德克, 古川泰助 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社