CN113874744A - 磁化测定装置及磁化测定方法 - Google Patents
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Abstract
磁化测定装置具备：电流供给部，其针对在第1方向上具有单轴磁各向异性、并且在与第1方向交叉的第2方向上施加有偏置磁场的由软磁体形成的试样，供给周期性变化的电流；光照射部，其向试样的表面照射相对于电流具有预先规定的延迟时间、并且具有预先规定的偏振面的直线偏振光的脉冲光；和测定部，其基于在试样的表面进行了反射的脉冲光的反射光，对延迟时间内的试样的磁化进行测定。由此使得测定与周期性变化的电流的供给相对应的试样的磁化的时间变化成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及磁化测定装置及磁化测定方法。
背景技术
作为现有技术，专利文献1中公开了利用纵向克尔效应的磁化测定方法。在该磁化测定方法中，针对由磁性体膜等形成的试样，向磁性体照射从激光源发出的直线偏振光的光，利用光量检测器来检测与由克尔效应导致的磁化的大小所对应的偏振面的旋转角成比例的反射光的光量，由此对试样的磁化进行测定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-308211号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在针对具有单轴磁各向异性、并且施加有规定的偏置磁场的试样而供给脉冲电流等周期性变化的电流的情况下，试样的磁化有时与电流的供给相对应地发生经时变化。
本发明的目的在于，使得测定与周期性变化的电流的供给相对应的试样的磁化的时间变化成为可能。
用于解决课题的手段
应用了本发明的磁化测定装置具备：电流供给部，前述电流供给部针对在第1方向上具有单轴磁各向异性、并且在与该第1方向交叉的第2方向上施加有偏置磁场的由软磁体形成的试样，供给周期性变化的电流；光照射部，前述光照射部向前述试样的表面照射相对于前述电流具有预先规定的延迟时间、并且具有预先规定的偏振面的直线偏振光的脉冲光；和测定部，前述测定部基于在前述试样的表面进行了反射的前述脉冲光的反射光，对前述延迟时间内的该试样的磁化进行测定。
此处，其特征可以在于，前述电流供给部针对前述试样供给具有预先规定的重复周期的脉冲电流。
另外，其特征可以在于，前述光照射部以入射至前述试样的前述脉冲光的行进方向及在该试样的表面被反射的前述反射光的行进方向与前述第1方向或前述第2方向平行的方式照射该脉冲光。
从其他的观点理解的话，应用了本发明的磁化测定方法为：针对在第1方向上具有单轴磁各向异性、并且在与该第1方向交叉的第2方向上施加有偏置磁场的由软磁体形成的试样，供给周期性变化的电流，向前述试样的表面照射相对于前述电流具有预先规定的延迟时间、并且具有预先规定的偏振面的直线偏振光的脉冲光，基于在前述试样的表面进行了反射的前述脉冲光的反射光，对前述延迟时间内的该试样的磁化进行测定。
发明的效果
根据本发明，能够测定与周期性变化的电流的供给相对应的试样的磁化的时间变化。
附图说明
[图1]为对应用了本实施方式的磁化测定装置进行说明的概略图。
[图2](a)～(b)为对磁传感器的构成的一个例子进行说明的图。
[图3]为示出在感应元件的长边方向上施加的磁场、与在利用电流供给部向磁传感器供给脉冲电流的情况下磁传感器所产生的电压变化之间的关系的图。
[图4]为表示在供给脉冲电流的情况下的感应元件的磁化的变化的示意图。
[图5]为示出利用电流供给部向磁传感器供给的脉冲电流、与利用脉冲激光器向磁传感器中的感应元件的表面照射的脉冲光之间的关系的时序图。
[图6]为表示将改变脉冲光的延迟时间而测得的磁化的测定结果组合而得到的、感应元件中的磁化的时间变化的一个例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明的实施方式进行说明。
(磁化测定装置1的构成)
图1为对应用了本实施方式的磁化测定装置1进行说明的概略图。磁化测定装置1针对磁传感器100的后述的感应元件31等，对磁化的变化量进行时间分解测定。需要说明的是，关于作为利用磁化测定装置1来测定磁化的对象的磁传感器100，在后续段落中详细说明。
磁化测定装置1具备：脉冲激光器2，其朝向磁传感器100射出脉冲光；和偏光片3，其使从脉冲激光器2射出的脉冲光成为具有预先规定的偏振面的直线偏振光。另外，磁化测定装置1具备：检测装置4，其对从脉冲激光器2射出的光在磁传感器100的表面进行了反射的反射光进行检测；和检偏振器5，其使具有预先规定的偏振面的反射光朝向检测装置4透过。此外，磁化测定装置1具备电流供给部7，其向磁传感器100供给脉冲电流。
在磁化测定装置1中，从脉冲激光器2射出的脉冲光从偏光片3通过，照射至磁传感器100(更具体而言为感应元件31)的表面，在后文中对详情进行说明。然后，在磁光克尔效应的作用下，在感应元件31的表面进行了反射的脉冲光的反射光的偏振面根据感应元件31的表面上的磁化的状态而旋转，从检偏振器5通过并入射至检测装置4。在检测装置4中，基于反射光的检测结果，对磁传感器100(感应元件31)的表面上的磁化进行测定。
脉冲激光器2以预先规定的周期朝向感应元件31的表面射出具有预先规定的脉冲宽度及波长的脉冲光。
基于脉冲激光器2的脉冲光的振荡周期与利用电流供给部7向磁传感器100供给的脉冲电流的周期相等。附带说明的话，对于基于脉冲激光器2的脉冲光而言，以相对于利用电流供给部7供给的脉冲电流的上升沿而言具有预先规定的延迟时间T(参见后述的图5)的方式，使用示波器(未图示)等同步装置进行同步。
另外，基于脉冲激光器2的脉冲光的脉冲宽度优选与利用电流供给部7向磁传感器100供给的脉冲电流的脉冲宽度相比充分地小。基于脉冲激光器2的脉冲光的脉冲宽度虽然根据基于电流供给部7的脉冲电流的脉冲宽度等的不同也不同，但可以设定为例如0.5ns～20ns的范围。
作为脉冲激光器2，没有特别限定，可以使用能进行脉冲振荡的固体激光器(例如，Nd-YAG激光器等)、气体激光器(例如，CO2激光器等)、半导体激光器等。
偏光片3使从脉冲激光器2射出的脉冲光成为具有预先规定的偏振面的直线偏振光。需要说明的是，在使用射出直线偏振光的激光器作为脉冲激光器2的情况下，磁化测定装置1可以不具有偏光片3。
在本实施方式中，由脉冲激光器2及偏光片3构成了向磁传感器100(感应元件31)的表面照射具有预先规定的偏振面的脉冲光的光照射部。
检偏振器5使从脉冲激光器2射出并在感应元件31的表面进行了反射的脉冲光的反射光中的具有特定偏振面的光朝向检测装置4通过。从检偏振器5通过的光的偏振面可以设定为例如与从偏光片3通过的光的偏振面垂直的方向。在该情况下，从检偏振器5通过的光的强度(光量)与在感应元件31的表面上因磁光克尔效应而旋转的偏振面的旋转角相对应。
检测装置4为测定部的一个例子，其对从检偏振器5通过的反射光的光量进行检测，基于检测结果来对感应元件31的表面上的磁化进行测定。作为检测装置4，可以使用例如对反射光的光量进行检测的CCD(电荷耦合器件(Charge Coupled Device))照相机。另外，检测装置4也可以对反射光的偏振面的角度进行检测，基于检测结果来对感应元件31的表面上的磁化进行测定。在该情况下，磁化测定装置1可以不具有检偏振器5。
需要说明的是，关于利用检测装置4对感应元件31的表面上的磁化进行测定的方法，在后续段落中详细说明。
电流供给部7由具有例如电源及脉冲发生器等的电路构成，与磁传感器100的后述端子部33(参见后述的图2(a))连接。而且，电流供给部7以预先规定的周期向磁传感器100供给具有预先规定的脉冲宽度的脉冲电流。
利用电流供给部7供给的脉冲电流的脉冲宽度可以设定为例如20ns～200ns。另外，利用电流供给部7供给的脉冲电流的重复周期可以设定为例如1MHz～50MHz。
需要说明的是，磁化测定装置1除了包含图1所示的各构成以外，还可以包含使从脉冲激光器2射出的脉冲光、在磁传感器100的表面进行了反射的反射光等进行反射的镜子、使这些光聚光于感应元件31表面的透镜等光学部件。
(磁传感器100的构成)
接着，对作为利用本实施方式的磁化测定装置1来测定磁化的变化的试样的磁传感器100进行说明。图2(a)～(b)为对磁传感器100的构成的一个例子进行说明的图。图2(a)为俯视图，图2(b)为沿图2(a)中的IIB-IIB线的截面图。
如图2(b)所示，磁传感器100具备：薄膜磁铁20，其设置于非磁性的基板10上，并且由硬磁体(硬磁体层103)构成；和感应部30，其与薄膜磁铁20相对地层叠，由软磁体(软磁体层105)构成，并对磁场进行感应。
此处，硬磁体为所谓的矫顽力大的材料，即，若被外部磁场磁化，则即使去除外部磁场也保持被磁化了的状态。另一方面，软磁体为所谓的矫顽力小的材料，即，容易被外部磁场磁化，但若去除外部磁场，则会迅速恢复到没有磁化或磁化小的状态。
需要说明的是，本说明书中，将构成磁传感器100的要素(薄膜磁铁20等)用两位数表示，将被加工成要素的层(硬磁体层103等)用100系列的数字表示。而且，对于要素的数字，将被加工成要素的层的编号记载在()内。例如薄膜磁铁20的情况下，记载为薄膜磁铁20(硬磁体层103)。图中，记载为20(103)。其他情况也是同样的。
利用图2(a)，对磁传感器100的平面结构进行说明。作为一个例子，磁传感器100具有四边形的平面形状。此处，对形成于磁传感器100的最上部的感应部30及磁轭40进行说明。感应部30具备：平面形状为具有长边方向和短边方向的长方形的多个感应元件31；将相邻的感应元件31串联连接成曲折状的连接部32；和与电线连接的端子部33。此处，4个感应元件31以长边方向并列的方式配置。感应元件31为磁阻抗效应元件。
连接部32设置于相邻的感应元件31的端部之间，将相邻的感应元件31串联连接成曲折状。在图2(a)所示的磁传感器100中，并列地配置有4个感应元件31，因此连接部32为3个。
端子部33分别设置于未被连接部32连接的感应元件31的端部(2个)。端子部33为能将电线连接的大小即可。在本实施方式中，在磁化测定装置1(参见图1)中对感应元件31的磁化进行测定的情况下，介由电线而在端子部33上连接电流供给部7。
而且，感应部30的感应元件31、连接部32及端子部33由1层软磁体层105一体地构成。软磁体层105是导电性的，因此，利用电流供给部7来供给脉冲电流时，从一个端子部33向另一个端子部33流通脉冲电流。
此外，磁传感器100具备分别与感应元件31的长边方向的两端部相对地设置的2个磁轭40a、40b。需要说明的是，在不将磁轭40a、40b分别区分开的情况下，记载为磁轭40。磁轭40将磁力线诱导至感应元件31的长边方向的端部。因此，磁轭40由磁力线容易透过的软磁体(软磁体层105)构成。即，感应部30及磁轭40由一层软磁体层105形成。
接下来，利用图2(b)，对磁传感器100的截面结构进行说明。磁传感器100是在非磁性的基板10上依次层叠硬磁体层103(薄膜磁铁20)、电介质层104、软磁体层105(感应部30及磁轭40)而构成的。另外，磁传感器100可以在基板10与硬磁体层103之间具有：以薄膜磁铁20容易在面内方向上呈现磁各向异性的方式进行控制的控制层101、用于提高基板10与控制层101的密合性的密合层102。
基板10为由非磁体形成的基板，例如可举出玻璃、蓝宝石这样的氧化物基板、硅等半导体基板、或铝、不锈钢、实施了镍磷镀覆的金属等金属基板。
构成薄膜磁铁20的硬磁体层103由例如以Co为主成分、并且包含Cr或Pt中的任一者或两者的合金(下文中，记载为构成薄膜磁铁20的Co合金。)构成。作为构成薄膜磁铁20的Co合金，可举出CoCrPt、CoCrTa、CoNiCr、CoCrPtB等。需要说明的是，也可以包含Fe。硬磁体层103是由晶体取向不同的集合形成的多晶，各晶体在面内方向上具有磁各向异性。该磁各向异性来源于晶体磁各向异性。
电介质层104由非磁性的电介质构成，使薄膜磁铁20与感应部30之间电绝缘。作为构成电介质层104的电介质，可举出SiO2、Al2O3、TiO2等氧化物、或Si3N4、AlN等氮化物等。
对于感应部30中的感应元件31，沿着与长边方向交叉的方向、例如与长边方向正交的短边方向赋予了单轴磁各向异性。需要说明的是，所谓与长边方向交叉的方向，相对于长边方向具有超过45°的角度即可。在本实施方式中，该与长边方向交叉的方向对应于第1方向。
作为构成感应元件31的软磁体层105，使用在以Co为主成分的合金中添加高熔点金属Nb、Ta、W等而成的非晶合金(下文中，记载为构成感应元件31的Co合金。)为宜。作为构成感应元件31的Co合金，可举出CoNbZr、CoFeTa、CoWZr等。
硬磁体层103、及电介质层104以平面形状成为四边形(参见图2)的方式进行了加工。于是，在露出的侧面中的两个相对的侧面中，薄膜磁铁20成为N极(图2(b)中的(N))及S极(图2(b)中的(S))。需要说明的是，将薄膜磁铁20的N极与S极连结的线朝向感应部30中的感应元件31的长边方向。此处，朝向长边方向是指：将N极与S极连结的线与长边方向所成的角度小于45°。
磁传感器100中，从薄膜磁铁20的N极发出的磁力线先向磁传感器100的外部发出。然后，一部分磁力线介由磁轭40a透过感应元件31，并介由磁轭40b而再次向外部发出。然后，透过了感应元件31的磁力线与未透过感应元件31的磁力线一同返回至薄膜磁铁20的S极。即，薄膜磁铁20在感应元件31的长边方向上施加磁场(偏置磁场)。在本实施方式中，该长边方向对应于第2方向。
(磁传感器100的特性)
接着，对磁传感器100的特性进行说明。对于图2(a)～(b)所示的磁传感器100而言，利用电流供给部7来供给脉冲电流时，电压产生变化。另外，因脉冲电流的供给而在磁传感器100中产生的电压的变化量根据对磁传感器100的感应元件31施加的磁场H的大小而不同。
图3为示出在感应元件31的长边方向上施加的磁场、与在利用电流供给部7向磁传感器100供给脉冲电流的情况下磁传感器100所产生的电压变化之间的关系的图。图3可通过下述方式得到：针对磁传感器100，利用电流供给部7来供给脉冲电流，利用未图示的电压测定装置对从磁传感器100输出的电压V的变化进行测定。图3中，横轴为磁场H(Oe)，纵轴为电压V(V)。在该例中，作为电压V，使用在供给脉冲电流时从磁传感器1输出的过冲电压的峰值。
如图3所示，对于磁传感器1的电压V而言，以磁场H为0的情况(H＝0)作为边界，随着磁场H的绝对值在正向或负向上变大而发生增加、减少这样的变化。另外，相对于磁场H的变化量而言的电压V的变化量(即，曲线图的斜率)根据磁场H的大小而不同。
因此，在磁传感器100中，使用电压V的变化量ΔV相对于施加的磁场H的变化量ΔH陡峭的部分(即，ΔV/ΔH)大的部分时，能够将磁场H的微弱变化作为电压V的变化量ΔV而提取出来。图3中，将相对于磁场H的变化量ΔH而言的电压V的变化量ΔV(ΔV/ΔH)最大的磁场H表示为磁场Hb。磁传感器100中，能够高精度地测定磁场Hb的附近的磁场H的变化量ΔH。磁场Hb有时被称为偏置磁场，在磁传感器100中，该偏置磁场Hb是利用薄膜磁铁20而在感应元件31的长边方向上施加的。另外，在以下的说明中，有时将磁传感器1的电压V取极大值的磁场H记载为各向异性磁场Hk。
图4为表示在供给脉冲电流的情况下的感应元件31的磁化的变化的示意图。
对磁传感器100供给脉冲电流时，如图4所示，在感应元件31的短边方向上生成励磁磁场h。推测在该励磁磁场h的作用下，感应元件31的磁矩与脉冲电流的供给相对应地变动，感应元件31的磁化M发生变化。
根据本实施方式的磁化测定装置1，能够测定这样的与脉冲电流的供给相对应的感应元件31的磁化M的时间变化。
(基于磁化测定装置1的磁化测定方法)
接着，对利用磁化测定装置1对磁传感器100(感应元件31)的磁化进行测定的方法进行说明。
图5为示出利用电流供给部7向磁传感器100供给的脉冲电流、与利用脉冲激光器2向磁传感器100中的感应元件31的表面照射的脉冲光之间的关系的时序图。
如上所述，磁化测定装置1利用电流供给部7，以预先规定的重复周期，介由端子部33向磁传感器100供给脉冲电流。由此，沿着长边方向向磁传感器100的感应元件31流通脉冲电流。
另外，磁化测定装置1利用脉冲激光器2，向磁传感器100中的感应元件31的表面照射脉冲光。如图5所示，脉冲激光器2以相对于利用电流供给部7供给的脉冲电流的上升沿而言具有预先规定的延迟时间T的方式，与脉冲电流的周期同步地照射脉冲光。
如上所述，从脉冲激光器2射出的脉冲光通过偏光片3而成为具有预先规定的偏振面的直线偏振光。而且，在向感应元件31供给脉冲电流后经过延迟时间T之后，已成为直线偏振光的脉冲光入射至感应元件31的表面。
此处，在本实施方式中，以入射至感应元件31的表面的脉冲光的行进方向及在感应元件31的表面被反射的反射光的行进方向与感应元件31的短边方向平行的方式，向感应元件31照射脉冲光。在本实施方式中，通过使入射至感应元件31的表面的脉冲光的行进方向及在感应元件31的表面被反射的反射光的行进方向与感应元件31的短边方向(与施加偏置磁场Hb的方向正交的方向)平行，从而如后文所述那样能够利用检测装置4对偏振面因纵向克尔效应而发生了旋转的反射光进行检测。
需要说明的是，在本实施方式的说明中，所谓脉冲光的行进方向及反射光的行进方向与感应元件31的短边方向平行，是指在将脉冲光及反射光投影至感应元件31的表面时的行进方向与感应元件31的短边方向相同。脉冲光的行进方向可以利用例如未图示的反射镜等光学构件来控制。
在感应元件31的表面上，脉冲光发生反射。根据感应元件31的磁化M，脉冲光的反射光的偏振面因磁光克尔效应(该例中为纵向克尔效应)而发生旋转。然后，反射光从检偏振器5通过并入射至检测装置4。
检测装置4对从检偏振器5通过并入射的反射光的强度(光量)进行检测，基于此来对感应元件31的表面的延迟时间T内的磁化M进行测定。
如上所述，从检偏振器5通过的光的偏振面与从偏光片3通过的光的偏振面垂直。在该情况下，从检偏振器5通过并向检测装置4入射的反射光的强度(光量)与在感应元件31的表面上因磁光克尔效应而旋转的反射光的偏振面的旋转角相对应。另外，在感应元件31的表面上旋转的反射光的偏振面的旋转角与感应元件31的表面上的磁化M的状态相对应。
因此，检测装置4能够通过对反射光的强度(光量)进行检测，从而基于此得到感应元件31的表面上的磁化M。附带说明的话，检测装置4能够基于反射光来测定从脉冲电流的上升沿起经过延迟时间T后的感应元件31的表面上的磁化M。
另外，磁化测定装置1中，可以一点一点地改变向感应元件31照射脉冲光的延迟时间T来测定磁化M，将各延迟时间T内的磁化M的测定结果组合，由此得到相对于脉冲电流的供给而言的磁化M的时间变化。
图6为表示将改变脉冲光的延迟时间T而测得的磁化M的测定结果组合而得到的、感应元件31中的磁化M的时间变化的一个例子的图。需要说明的是，图6为用于进行说明的一个例子，不一定准确。另外，图6中，用虚线示出了利用电流供给部7来对磁传感器100供给脉冲电流的时机。
如图6所示，本实施方式的磁化测定装置1中，能够确认感应元件31的磁化M相对于向磁传感器100供给脉冲电流的时机(例如，脉冲电流的上升沿、下降沿)而言如何变化。
需要说明的是，在磁化测定装置1中，改变延迟时间T来测定磁化M，并将测定结果组合而得到磁化M的时间变化的情况下，优选针对各延迟时间T进行多次磁化M的测定，使用多个测定结果的平均值。通过针对各延迟时间T进行多次磁化M的测定，能够降低各延迟时间T内的测定结果的误差。
如以上说明的那样，根据本实施方式的磁化测定装置1，能够测定在向磁传感器100供给脉冲电流等周期性变化的电流的情况下感应元件31所产生的磁化M的经时变化。
需要说明的是，在本实施方式中，作为要供给的周期性变化的电流，电流供给部7向磁传感器100供给了具有预先规定的重复周期的脉冲电流，但并不限定于此。电流供给部7也可以供给例如具有预先规定的频率的高频电流作为周期性变化的电流。在该情况下，磁化测定装置1中，针对高频电流的特定相位而改变延迟时间T来测定磁化M，由此能够确认感应元件31的磁化M相对于高频电流的相位而言如何变化。
另外，在本实施方式中，以入射至感应元件31的表面的脉冲光的行进方向及在感应元件31的表面被反射的反射光的行进方向与感应元件31的短边方向平行的方式，利用脉冲激光器2照射了脉冲光，但并不限定于此。例如，也可以以入射至感应元件31的表面的脉冲光的行进方向及在感应元件31的表面被反射的反射光的行进方向与感应元件31的长边方向平行的方式，利用脉冲激光器2照射脉冲光。
此外，在本实施方式中，作为基于磁化测定装置1的磁化M的测定对象(试样)，示例了磁传感器100的感应元件31，但并不限定于此。作为基于磁化测定装置1的磁化M的测定对象，只要是在预先规定的第1方向上具有单轴磁各向异性、并且在与第1方向交叉的第2方向上施加有偏置磁场的软磁体，就没有特别限定。另外，向作为测定对象的软磁体施加偏置磁场的构成可以如磁传感器100的薄膜磁铁20那样与测定对象(感应元件31)为一体，也可以是与测定对象分开的物体。
附图标记说明
1…磁化测定装置，2…脉冲激光器，3…偏光片，4…检测装置，5…检偏振器，7…电流供给部，20…薄膜磁铁，30…感应部，31…感应元件，100…磁传感器。
Claims (4)
1.磁化测定装置，其具备：
电流供给部，所述电流供给部针对在第1方向上具有单轴磁各向异性、并且在与所述第1方向交叉的第2方向上施加有偏置磁场的由软磁体形成的试样，供给周期性变化的电流；
光照射部，所述光照射部向所述试样的表面照射相对于所述电流具有预先规定的延迟时间、并且具有预先规定的偏振面的直线偏振光的脉冲光；和
测定部，所述测定部基于在所述试样的表面进行了反射的所述脉冲光的反射光，对所述延迟时间内的所述试样的磁化进行测定。
2.如权利要求1所述的磁化测定装置，其特征在于，所述电流供给部针对所述试样供给具有预先规定的重复周期的脉冲电流。
3.如权利要求1或2所述的磁化测定装置，其特征在于，所述光照射部以入射至所述试样的所述脉冲光的行进方向及在所述试样的表面被反射的所述反射光的行进方向与所述第1方向或所述第2方向平行的方式照射所述脉冲光。
4.磁化测定方法，其中，
针对在第1方向上具有单轴磁各向异性、并且在与所述第1方向交叉的第2方向上施加有偏置磁场的由软磁体形成的试样，供给周期性变化的电流，
向所述试样的表面照射相对于所述电流具有预先规定的延迟时间、并且具有预先规定的偏振面的直线偏振光的脉冲光，
基于在所述试样的表面进行了反射的所述脉冲光的反射光，对所述延迟时间内的所述试样的磁化进行测定。
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