DE112020006325T5

DE112020006325T5 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE112020006325T5
Application number: DE112020006325.9T
Authority: DE
Inventors: Daizo Endo; Tatsunori SHINO
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2021131402A1; US20230020837A1; CN114729974A; JP2021103145A

Abstract

Ein Magnetsensor enthält: eine Sensitivschicht aus einem Weichmagnetmaterial mit uniaxialer magnetischer Anisotropie, wobei die Sensitivschicht so konfiguriert ist, dass sie ein magnetisches Feld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst; und eine Magnetschicht aus einem magnetisierten Hartmagnetmaterial, die so angeordnet ist, dass sie der Sensitivschicht gegenüberliegt. Die Magnetschicht ist so konfiguriert, dass sie eine magnetische Gleichstromvorspannung Hb in einer Richtung anlegt, die eine Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie in der Sensitivschicht schneidet, wobei die magnetische Gleichstromvorspannung Hb einen größeren Wert als ein anisotropes Magnetfeld Hk der Sensitivschicht hat.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor.
Hintergrund Kunst
Eine frühere Veröffentlichung im Stand der Technik offenbart ein Element mit magnetischem Impedanzeffekt,enthaltend: einen Dünnschichtmagneten aus einem auf einem nichtmagnetischen Substrat gebildeten Hartmagnetmaterialfilm; eine den Dünnschichtmagneten bedeckende Isolierschicht; und einen auf der Isolierschicht gebildeten Magneto-Sensitivteil, der aus einem oder mehreren rechteckigen Weichmagnetmaterialfolien mit uniaxialer Anisotropie besteht (siehe Patentdokument 1).
Eine andere frühere Veröffentlichung aus dem Stand der Technik offenbart einen Magnetsensor, enthaltend: einen Dünnschichtmagneten aus einer Hartmagnetmaterialschicht mit magnetischer Anisotropie in einer Richtung in der Ebene; einen Sensitivteil, der ein Sensitivelement enthält, das so konfiguriert ist, dass es ein Magnetfeld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst, wobei das Sensitivelement aus einer Weichmagnetmaterialschicht besteht, die auf die Hartmagnetmaterialschicht laminiert ist, wobei das Sensitivelement eine Längsrichtung und eine Querrichtung und eine uniaxiale magnetische Anisotropie in einer die Längsrichtung schneidenden Richtung aufweist, die Längsrichtung in einer Richtung eines durch den Dünnschichtmagneten erzeugten Magnetfeldes orientiert ist, wobei eine magnetische Vorspannung Hb, die ein an das Sensitivelement (Weichmagnetmaterialschicht) unter Verwendung des Dünnschichtmagneten angelegtes Magnetfeld ist, aus einem Bereich ausgewählt ist, der kleiner als ein anisotropes Magnetfeld Hk der Weichmagnetmaterialschicht ist (siehe Patentdokument 2).
Zitierliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2008-249406
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2019-100847

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Wenn jedoch die magnetische Vorspannung, die an das Sensitivelement (Weichmagnetmaterialschicht) angelegt wird, aus einem Bereich gewählt wird, der kleiner ist als das anisotrope Magnetfeld Hk der Weichmagnetmaterialschicht, kann das SN-Verhältnis, das ein Verhältnis zwischen Signal und Rauschen am Ausgang des Magnetsensors darstellt, abnehmen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abnahme des SN-Verhältnisses am Ausgang des Magnetsensors unter Ausnutzung des magnetischen Impedanzeffekts zu verringern.
Lösung der Aufgabe
Ein Magnetsensor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält: eine Sensitivschicht aus einem Weichmagnetmaterial mit uniaxialer magnetischer Anisotropie, wobei die Sensitivschicht so konfiguriert ist, dass sie ein Magnetfeld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst; und eine Magnetschicht aus einem magnetisierten Hartmagnetmaterial, die so angeordnet ist, dass sie der Sensitivschicht zugewandt ist, wobei die Magnetschicht so konfiguriert ist, dass sie eine magnetische Gleichstromvorspannung in einer Richtung anlegt, die eine Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie in der Sensitivschicht schneidet, wobei die magnetische Gleichstromvorspannung einen größeren Wert als ein anisotropes Magnetfeld der Sensitivschicht aufweist.
Die Magnetschicht kann so konfiguriert sein, dass sie als magnetische Gleichstromvorspannung ein Magnetfeld mit der größten Steigung in einer Magnetfeld-Impedanz-Kurve innerhalb eines Wertebereichs anlegt, der größer ist als das anisotrope Magnetfeld der Sensitivschicht, wobei die Magnetfeld-Impedanz-Kurve Magnetfelder, die an die Sensitivschicht angelegt sind, mit Änderungen der Impedanz der Sensitivschicht verknüpft.
Der Magnetsensor kann außerdem eine Führungsschicht enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie Magnetkraftlinien, die durch die Magnetschicht verlaufen, zu der Sensitivschicht leitet.
Ein Magnetsensor gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält: ein Sensitivelement aus einem Weichmagnetmaterial, wobei das Sensitivelement eine Längsrichtung und eine Querrichtung aufweist, wobei das Sensitivelement eine uniaxiale magnetische Anisotropie in einer Richtung aufweist, die die Längsrichtung schneidet, wobei das Sensitivelement so konfiguriert ist, dass es ein Magnetfeld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst; und einen Applikator, der so konfiguriert ist, dass er eine magnetische Gleichstromvorspannung in der Längsrichtung des Sensitivelements anlegt, wobei die magnetische Gleichstromvorspannung einem Sättigungsmagnetfeld des Sensitivelements entspricht.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann eine Abnahme des SN-Verhältnisses am Ausgang des Magnetsensors unter Ausnutzung des magnetischen Impedanzeffekts verringern.
Figurenliste

1A und 1B zeigen ein Beispiel für einen Magnetsensor gemäß einer Ausführungsform.
2A zeigt die Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld, das in Längsrichtung eines Sensitivelements des Magnetsensors angelegt wird, und einer in dem Sensitivelement erzeugten Impedanz. 2B zeigt die Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld, das in Längsrichtung des Sensitivelements des Magnetsensors angelegt wird, und den Änderungen der Impedanz des Sensitivelements in Abhängigkeit von Änderungen des externen Magnetfelds.
Die 3A und 3B veranschaulichen die Größe der magnetischen Vorspannung, die auf das Sensitivelement des Magnetsensors der vorliegenden Ausführungsform wirkt.
Die 4A bis 4D veranschaulichen die Beziehung zwischen der Stärke des an das Sensitivelement des Magnetsensors der vorliegenden Ausführungsform angelegten Magnetfeldes und den Veränderungen der magnetischen Domänen im Sensitivelement.
5 zeigt die Beziehung zwischen der Stärke des an das Sensitivelement des Magnetsensors der vorliegenden Ausführungsform angelegten Magnetfeldes und der Magnetisierungsstärke im Sensitivelement.
6 ist eine Fotografie, die den Zustand der magnetischen Domänen zeigt, wenn eine magnetische Gleichstromvorspannung der Größe A (+0,5 Oe) an das Sensitivelement des Magnetsensors angelegt wurde.
7 ist eine Fotografie, die den Zustand der magnetischen Domänen zeigt, wenn eine magnetische Gleichstromvorspannung der Größe B (+8,3 Oe) an das Sensitivelement des Magnetsensors angelegt wurde.
8 ist eine Fotografie, die den Zustand der magnetischen Domänen zeigt, wenn eine magnetische Gleichstromvorspannung mit einer Stärke C (+14,3 Oe) an das Sensitivelement des Magnetsensors angelegt wurde.
Die 9A bis 9C zeigen die Beziehung zwischen den vom Magnetsensor ausgegebenen Signalen und dem Rauschen und einem SN-Verhältnis.

Beschreibung der Ausführungsformen
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen, auf die in der nachfolgenden Beschreibung Bezug genommen wird, können die Abmessungen der einzelnen Komponenten, einschließlich Größe und Dicke, von den tatsächlichen abweichen.
(Konfiguration des Magnetsensors 1)
1A und 1B zeigen einen Beispielmagnetsensor 1 gemäß einer Ausführungsform; 1A ist eine Draufsicht und 1B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IB-IB in 1A.
Wie in 1B gezeigt, umfasst der Magnetsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Dünnschichtmagneten 20, der auf einem nichtmagnetischen Substrat 10 angeordnet ist und aus einem Hartmagnetmaterial (Hartmagnetmaterialschicht 103) besteht, und einen Sensitivabschnitt 30, der so laminiert ist, dass er dem Dünnschichtmagneten 20 zugewandt ist und aus einem Weichmagnetmaterial (Weichmagnetmaterialschicht 105) besteht, um ein Magnetfeld zu erfassen. Eine Querschnittsstruktur des Magnetsensors 1 wird in den folgenden Abschnitten näher erläutert.
Das Hartmagnetmaterial bezieht sich auf ein sogenanntes Material mit hoher Koerzitivfeldstärke, das, sobald es durch ein äußeres Magnetfeld magnetisiert wird, seinen magnetisierten Zustand auch nach Entfernen des äußeren Magnetfeldes beibehält. Das Weichmagnetmaterial ist ein sogenanntes Material mit niedriger Koerzitivfeldstärke, das durch ein äußeres Magnetfeld leicht magnetisierbar ist, aber nach Entfernen des äußeren Magnetfeldes schnell in einen nicht oder nur schwach magnetisierten Zustand zurückkehrt.
Die Elemente, aus denen der Magnetsensor 1 besteht (z. B. der Dünnschichtmagnet 20), werden mit zweistelligen Bezugszeichen bezeichnet, und die Schichten, die in diesen Elementen verarbeitet sind (z. B. die Hartmagnetmaterialschicht 103), werden mit Bezugszeichen im 100er-Bereich bezeichnet. Das Bezugszeichen für jede Schicht, die zu einem entsprechenden Element verarbeitet wird, steht in Klammern hinter der Bezugszeichen für das entsprechende Element. Zum Beispiel wird der Dünnschichtmagnet 20 als „Dünnschichtmagnet 20 (Hartmagnetmaterialschicht 103)“ bezeichnet. In den Figuren werden die Bezugszeichen als „20(103)“ dargestellt. Dies gilt auch für andere Elemente.
Unter Bezugnahme auf 1A wird eine planare Struktur des Magnetsensors 1 beschrieben. Beispielhaft hat der Magnetsensor 1 eine quadratische, ebene Form. Hier wird eine Beschreibung des Sensitivabschnitts 30 und der Joche 40 gegeben, die im obersten Teil des Magnetsensors 1 ausgebildet sind. Der empfindliche Abschnitt 30 enthält: mehrere Sensitivelemente 31, die jeweils eine streifenförmige, ebene Form mit Längs- und Querrichtungen aufweisen; Verbindungsabschnitte 32, die jeweils benachbarte Sensitivelemente 31 seriell in einem Schlangenmuster verbinden; und Abschlussabschnitte 33, die mit elektrischen Drähten verbunden sind. In dem gezeigten Beispiel sind zwölf Sensitivelemente 31 so angeordnet, dass ihre Längsrichtungen parallel zueinander sind. Die Sensitivelemente 31 sind Elemente mit magnetischem Impedanzeffekt.
Jedes Sensitivelement 31 als Beispiel für die Sensitivschicht hat z. B. eine Längslänge von 1 mm bis 2 mm, eine Querbreite von 50 µm bis 150 µm, eine Dicke (Dicke der Weichmagnetmaterialschicht 105) von 0,5 µm bis 5 µm. Der Abstand zwischen benachbarten Sensitivelementen 31 beträgt 50 µm bis 150 µm. Vorzugsweise ist die transversale Breite jedes Sensitivelements 31 kleiner als der Abstand zwischen benachbarten Sensitivelementen 31.
Jeder Verbindungsabschnitt 32 ist zwischen den Enden der jeweiligen benachbarten Sensitivelemente 31 angeordnet, um die jeweiligen benachbarten Sensitivelemente 31 seriell in einem Schlangenmuster zu verbinden. Da der in 1A dargestellte Magnetsensor 1 zwölf parallel angeordnete Sensitivelemente 31 umfasst, gibt es elf Verbindungsabschnitte 32. Die Anzahl der Verbindungsabschnitte 32 variiert in Abhängigkeit von der Anzahl der Sensitivelemente 31. Wenn beispielsweise vier Sensitivelemente 31 vorhanden sind, werden drei Verbindungsabschnitte 32 bereitgestellt. Wenn es nur ein Sensitivelement 31 gibt, wird kein Verbindungsabschnitt 32 vorgesehen. Die Breite des Verbindungsabschnitts 32 kann in Abhängigkeit von Faktoren wie der Größe der an den Sensitivabschnitt 30 angelegten Impulsspannung festgelegt werden. Zum Beispiel kann die Breite des Verbindungsabschnitts 32 die gleiche sein wie die des Sensitivelements 31.
Die Abschlussabschnitte 33 sind an (zwei) jeweiligen Enden der Sensitivelemente 31 angeordnet, die nicht mit einem Verbindungsabschnitt 32 verbunden sind. Der Anschlussbereich 33 kann eine Größe haben, die den Anschluss der elektrischen Drähte ermöglicht. Da der empfindliche Abschnitt 30 der vorliegenden Ausführungsform zwölf Sensitivelemente 31 umfasst, sind die beiden Abschlussabschnitte 33 in 1A auf der rechten Seite angeordnet. Wenn die Anzahl der Sensitivelemente 31 ungerade ist, können die beiden Abschlussabschnitte 33 jeweils auf der rechten und linken Seite angeordnet sein.
Die Sensitivelemente 31, die Verbindungsabschnitte 32 und die Abschlussabschnitte 33 des Sensitivteils 30 sind integral aus einer einzigen Weichmagnetmaterialschicht 105 gebildet. Da die Weichmagnetmaterialschicht 105 leitend ist, fließen elektrische Ströme von einem Abschlussabschnitt 33 zum anderen Abschlussabschnitt 33.
Man beachte, dass die Größe (Länge, Breite, Fläche, Dicke usw.) des Sensitivelements 31 und anderer Komponenten des Sensitivabschnitts 30, die Anzahl der Sensitivelemente 31, der Abstand zwischen benachbarten Sensitivelementen 31 und andere Parameter in Abhängigkeit von Faktoren wie der Stärke (Amplitude) der angelegten Impulsspannung, der Stärke des vom Magnetsensor 1 zu erfassenden Magnetfelds und der Art des für den Sensitivabschnitt 30 verwendeten Weichmagnetmaterials festgelegt werden.
Der Magnetsensor 1 umfasst ferner die Joche 40, die den Längsenden der Sensitivelemente 31 zugewandt sind. In diesem Beispiel umfasst der Magnetsensor 1 zwei Joche 40a, 40b, die den jeweiligen Längsenden jedes Sensitivelements 31 zugewandt sind. Im Folgenden können die Joche 40a, 40b einfach als Joche 40 bezeichnet werden, sofern eine Unterscheidung nicht erforderlich ist. Die Joche 40, die ein Beispiel für die Führungsschicht sind, induzieren (führen) Magnetkraftlinien zu den Längsenden der Sensitivelemente 31. Daher sind die Joche 40 aus einem Weichmagnetmaterial (Weichmagnetmaterialschicht 105) hergestellt, das die Magnetkraftlinien leicht überträgt. Das heißt, der Sensitivteil 30 und die Joche 40 bestehen aus der gleichen Weichmagnetmaterialschicht 105. Man beachte, dass die Joche 40 entfallen können, wenn die Magnetkraftlinien ausreichend durch die Sensitivelemente 31 in deren Längsrichtung verlaufen können.
Der Magnetsensor 1 hat eine ebene, quadratische Form von einigen Millimetern. Man beachte, dass die Größe des Magnetsensors 1 jeden anderen Wert annehmen kann.
In 1B wird ein Querschnittsaufbau des Magnetsensors 1 beschrieben. Der Magnetsensor 1 besteht aus dem nichtmagnetischen Substrat 10 und einer Laminierung aus einer Haftschicht 101, einer Steuerschicht 102, der Hartmagnetmaterialschicht 103 (dem Dünnschichtmagneten 20), einer dielektrischen Schicht 104 und der Weichmagnetmaterialschicht 105 (dem Sensitivteil 30 und den Jochen 40), die in dieser Reihenfolge auf das Substrat 10 laminiert sind.
Das Substrat 10 besteht aus einem nichtmagnetischen Material. Beispiele für das Substrat 10 sind ein Oxid-Substrat wie Glas und Saphir, ein Halbleitersubstrat wie Silizium und ein Metallsubstrat wie Aluminium, rostfreier Stahl und ein mit Nickelphosphor beschichtetes Metall.
Die Haftschicht 101 erhöht die Haftfähigkeit der Steuerschicht 102 auf dem Substrat 10. Die Haftschicht 101 kann aus einer Cr- oder Ni-Legierung bestehen. Beispiele für Cr- oder Ni-haltige Legierungen sind CrTi, CrTa und NiTa. Die Haftschicht 101 ist beispielsweise zwischen 5 nm und 50 nm dick. Die Haftschicht 101 kann entfallen, wenn die Kontrollschicht 102 eine ausreichende Haftfähigkeit auf dem Substrat 10 aufweist. Man beachte auch, dass das Zusammensetzungsverhältnis der Cr- oder Ni-Legierung hier nicht beschrieben wird. Dies gilt auch für andere Legierungen, die im Folgenden beschrieben werden.
Die Steuerschicht 102 steuert die magnetische Anisotropie des Dünnschichtmagneten 20, der aus der Hartmagnetmaterialschicht 103 gebildet ist, so dass sich die magnetische Anisotropie leicht in einer Richtung in der Ebene der Schicht entwickelt. Die Steuerschicht 102 kann aus Cr, Mo, W oder einer Legierung, die mindestens eines dieser Metalle enthält, bestehen (im Folgenden als Cr-haltige Legierung oder ähnliches bezeichnet, die die Steuerschicht 102 bildet). Beispiele für die Cr-haltige Legierung oder eine ähnliche Legierung, aus der die Steuerschicht 102 besteht, sind CrTi, CrMo, CrV und CrW. Die Kontrollschicht 102 ist beispielsweise zwischen 10 nm und 300 nm dick.
Die Hartmagnetmaterialschicht 103, die den Dünnschichtmagneten 20 als Beispiel für die Magnetschicht und den Applikator bildet, kann eine Legierung auf Co-Basis sein, die entweder Cr oder Pt oder beides enthält (im Folgenden als Co-Legierung bezeichnet, aus der der Dünnschichtmagnet 20 besteht). Beispiele für die Co-Legierung, aus der der Dünnschichtmagnet 20 besteht, sind CoCrPt, CoCrTa, CoNiCr und CoCrPtB. Die Co-Legierung, aus der der Dünnschichtmagnet 20 besteht, kann auch Fe enthalten. Die Hartmagnetmaterialschicht 103 ist z. B. 1 µm bis 3 µm dick.
Die Legierung, die Cr oder ähnliches enthält und die die Steuerschicht 102 bildet, hat eine kubisch-raumzentrierte Struktur (bcc). Daher hat das Hartmagnetmaterial (Hartmagnetmaterialschicht 103), das den Dünnschichtmagneten 20 bildet, vorzugsweise eine hexagonal dicht gepackte (hcp) Struktur, die das Kristallwachstum auf der Steuerschicht 102, die aus der Cr oder ähnliches enthaltenden Legierung mit der bcc-Struktur besteht, erleichtert. Ein solches Kristallwachstum auf der bcc-Struktur der Hartmagnetmaterialschicht 103 mit der hcp-Struktur kann leicht dazu führen, dass eine c-Achse der hcp-Struktur in der Richtung der Ebene ausgerichtet wird. Folglich kann der Dünnschichtmagnet 20, der aus der Hartmagnetmaterialschicht 103 besteht, leicht die magnetische Anisotropie in einer Richtung in der Ebene aufweisen. Man beachte, dass die Hartmagnetmaterialschicht 103 eine polykristalline Struktur hat, die aus einer Gruppe unterschiedlich ausgerichteter Kristallite besteht, und jeder Kristallit eine magnetische Anisotropie in einer Richtung in der Ebene aufweist. Diese magnetische Anisotropie ist von der magnetokristallinen Anisotropie abgeleitet.
Zur Erleichterung des Kristallwachstums der Cr-haltigen oder ähnlichen Legierung, die die Steuerschicht 102 bildet, und der Co-Legierung, die den Dünnschichtmagneten 20 bildet, kann das Substrat 10 auf 100°C bis 600°C erhitzt werden. Diese Erwärmung erleichtert das Kristallwachstum der Legierung, die Cr oder ähnliches enthält und die Steuerschicht 102 bildet, und erleichtert somit die Kristallorientierung der Hartmagnetmaterialschicht 103, so dass eine leichte Magnetisierungsachse in der Ebene der Hartmagnetmaterialschicht 103 mit der hcp-Struktur entsteht. Mit anderen Worten erleichtert die Erwärmung die Übertragung der in der Ebene liegenden magnetischen Anisotropie auf die Hartmagnetmaterialschicht 103.
Die dielektrische Schicht 104 besteht aus einem nichtmagnetischen Dielektrikum und sorgt für eine elektrische Isolierung zwischen dem Dünnschichtmagneten 20 und dem Sensitivteil 30. Beispiele für das Dielektrikum, das die dielektrische Schicht 104 bildet, sind Oxide wie SiO₂, Al₂O₃ und TiO₂ und Nitride wie Si₃N₄ und AlN. Die dielektrische Schicht 104 ist z. B. zwischen 0,1 µm und 30 µm dick.
Jedes Sensitivelement 31 des Sensitivabschnitts 30 ist mit uniaxialer magnetischer Anisotropie in einer Richtung versehen, die die Längsrichtung schneidet, z. B. in der Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung. Man beachte, dass die Richtung, die die Längsrichtung schneidet, eine Richtung sein kann, die um 45 Grad oder mehr in Bezug auf die Längsrichtung abgewinkelt ist.
Die Weichmagnetmaterialschicht 105, die das Sensitivelement 31 bildet, kann aus einer amorphen Legierung auf Co-Basis bestehen, die mit einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Nb, Ta oder W dotiert ist (im Folgenden als Co-Legierung bezeichnet, die das Sensitivelement 31 bildet). Beispiele für die Co-Legierung, die das Sensitivelement 31 bildet, sind CoNbZr, CoFeTa und CoWZr. Jede Weichmagnetmaterialschicht 105, aus der das Sensitivelement 31 besteht, ist z. B. 0,2 µm bis 2 µm dick.
Die Haftschicht 101, die Steuerschicht 102, die Hartmagnetmaterialschicht 103 und die dielektrische Schicht 104 sind so verarbeitet, dass sie eine quadratische, ebene Form haben (siehe 1). Zwei gegenüberliegende freiliegende Seiten des Dünnschichtmagneten 20 sind der Nordpol ((N) in 1B) und der Südpol ((S) in 1B). Eine Linie, die den Nord- und den Südpol des Dünnschichtmagneten 20 verbindet, ist in der Längsrichtung des Sensitivelements 31 des Sensitivteils 30 ausgerichtet. Der Ausdruck „in Längsrichtung ausgerichtet“ bedeutet, dass die Verbindungslinie zwischen den Nord- und Südpolen einen Winkel von 45 Grad oder weniger in Bezug auf die Längsrichtung aufweist. Je kleiner der Winkel zwischen der Verbindungslinie zwischen Nord- und Südpol und der Längsrichtung ist, desto besser.
Im Magnetsensor 1 treten die vom Nordpol des Dünnschichtmagneten 20 ausgehenden Magnetkraftlinien einmal aus dem Magnetsensor 1 aus. Dann durchlaufen einige der Magnetkraftlinien die Sensitivelemente 31 über das Joch 40a und verlassen den Magnetsensor 1 erneut über das Joch 40b. So kehren die durch die Sensitivelemente 31 hindurchgegangenen Magnetkraftlinien zusammen mit anderen Magnetkraftlinien, die nicht durch die Sensitivelemente 31 hindurchgegangen sind, zum Südpol des Dünnschichtmagneten 20 zurück. Mit anderen Worten legt der Dünnschichtmagnet 20 ein Magnetfeld in Längsrichtung der Sensitivelemente 31 an.
Die Nord- und Südpole des Dünnschichtmagneten 20 werden im Folgenden gemeinsam als „beide Magnetpole“ bezeichnet, und jeder der Nord- und Südpole wird im Folgenden als „Magnetpol“ bezeichnet, sofern die Unterscheidung nicht notwendig ist.
Wie in 1A dargestellt, hat jedes der Joche 40 (Joche 40a, 40b), von der Oberseite des Substrats 10 aus gesehen, eine Form, die sich bei Annäherung an den Sensitivteil 30 verengt. Diese Form soll das Magnetfeld auf den Sensitivteil 30 konzentrieren (die Magnetkraftlinien bündeln). Mit anderen Worten trägt diese Form zur weiteren Verbesserung der Empfindlichkeit bei, indem sie das Magnetfeld am Sensitivteil 30 verstärkt. Man beachte, dass die Joche 40 (Joche 40a, 40b) an den Abschnitten, die dem Sensitivabschnitt 30 zugewandt sind, nicht unbedingt verengt sind.
Der Abstand zwischen jedem der Joche 40 (Joche 40a, 40b) und dem Sensitivteil 30 kann z. B. zwischen 1 µm und 100 µm liegen.
(Verfahren zur Herstellung des Magnetsensors 1)
Es wird nun ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Magnetsensors 1 beschrieben.
Wie oben beschrieben, handelt es sich bei dem Substrat 10 um ein Substrat aus einem nichtmagnetischen Material, z. B. ein Oxid-Substrat wie Glas und Saphir, ein Halbleitersubstrat wie Silizium und ein Metallsubstrat wie Aluminium, rostfreier Stahl und ein mit Nickelphosphor beschichtetes Metall. Das Substrat 10 kann mit linearen Rillen oder linearen Vorsprüngen und Vertiefungen mit einem Krümmungsradius Ra von z. B. 0,1 nm bis 100 nm mit Hilfe einer Poliermaschine oder ähnlichem hergestellt werden. Die Richtung dieser linearen Rillen oder linearen Vorsprünge und Vertiefungen kann mit der Richtung ausgerichtet sein, die die Nord- und Südpole des Dünnschichtmagneten 20 verbindet, der aus der Hartmagnetmaterialschicht 103 besteht. Dadurch wird das Kristallwachstum in der Hartmagnetmaterialschicht 103 in Richtung der Rillen erleichtert. Dies wiederum trägt dazu bei, dass die leichte Magnetisierungsachse des Dünnschichtmagneten 20, der aus der Hartmagnetmaterialschicht 103 besteht, in Richtung der Rillen ausgerichtet ist (Richtung, die die Nord- und Südpole des Dünnschichtmagneten 20 verbindet). Mit anderen Worten kann der Dünnschichtmagnet 20 leichter magnetisiert werden.
Als Beispiel wird angenommen, dass das hier behandelte Substrat 10 aus Glas mit einem Durchmesser von etwa 95 mm und einer Dicke von etwa 0,5 mm besteht. Ist der Magnetsensor 1 mehrere Millimeter groß und quadratisch, werden mehrere Magnetsensoren 1 in einer Charge auf dem Substrat 10 hergestellt und dann in einzelne Magnetsensoren 1 geteilt (geschnitten).
Nach der Reinigung des Substrats 10 werden die Haftschicht 101, die Steuerschicht 102, die Hartmagnetmaterialschicht 103 und die dielektrische Schicht 104 in dieser Reihenfolge auf einer Seite (im Folgenden als „Oberseite“ bezeichnet) des Substrats 10 aufgebracht (geschichtet), um so ein Laminat darauf zu bilden.
Zunächst werden die Haftschicht 101 aus einer Cr- oder Ni-Legierung, die Steuerschicht 102 aus einer Cr- oder ähnlichen Legierung und die Hartmagnetmaterialschicht 103 aus einer Co-Legierung, aus der der Dünnschichtmagnet 20 besteht, nacheinander in dieser Reihenfolge abgeschieden (geschichtet). Diese Abscheidung kann durch ein Sputtering-Verfahren oder ähnliches erfolgen. Das Substrat 10 wird so bewegt, dass es nacheinander mehreren Targets aus den jeweiligen Materialien zugewandt ist, wobei die Haftschicht 101, die Steuerschicht 102 und die Hartmagnetmaterialschicht 103 in dieser Reihenfolge auf das Substrat 10 laminiert werden. Wie oben beschrieben, kann das Substrat 10 während der Bildung der Steuerschicht 102 und der Hartmagnetmaterialschicht 103 auf z.B. 100°C bis 600°C erhitzt werden, um das Kristallwachstum zu erleichtern.
Das Substrat 10 kann während des Aufbringens der Haftschicht 101 erwärmt werden oder auch nicht. Das Substrat 10 kann vor dem Aufbringen der Haftschicht 101 erwärmt werden, um Feuchtigkeit oder Ähnliches zu entfernen, die an der Oberseite des Substrats 10 anhaftet.
Dann wird die dielektrische Schicht 104, z. B. ein Oxid wie SiO₂, Al₂O₃ und TiO₂ oder ein Nitrid wie Si₃N₄ und AlN, aufgebracht (geschichtet). Die Abscheidung der dielektrischen Schicht 104 kann durch ein Plasma-CVD-Verfahren, ein reaktives Sputtering-Verfahren oder Ähnliches erfolgen.
Ein Fotolack-Muster (Resist-Muster) wird mit einer bekannten Fotolithografie-Technik hergestellt. Das Resistmuster enthält Öffnungen an den Stellen, an denen der Sensitivteil 30 und die Joche 40 (Joche 40a, 40b) gebildet werden sollen.
Anschließend wird die Weichmagnetmaterialschicht 105 aus der Co-Legierung, aus der das Sensitivelement 31 besteht, aufgebracht (geschichtet). Die Weichmagnetmaterialschicht 105 kann z. B. durch ein Sputterverfahren abgeschieden werden.
Dann wird das Resistmuster entfernt, und auch die Weichmagnetmaterialschicht 105 auf dem Resistmuster wird entfernt (abgehoben). Infolgedessen werden der empfindliche Abschnitt 30 und die Joche 40 (Joche 40a, 40b), die aus der Weichmagnetmaterialschicht 105 bestehen, gebildet. Mit anderen Worten werden der Sensitivteil 30 und die Joche 40 durch eine einzige Ablagerung der Weichmagnetmaterialschicht 105 gebildet.
Danach wird die Weichmagnetmaterialschicht 105 mit uniaxialer magnetischer Anisotropie in der Breitenrichtung (Querrichtung) der Sensitivelemente 31 des Sensitivteils 30 versehen (siehe 1A). Diese Verleihung der uniaxialen magnetischen Anisotropie an die Weichmagnetmaterialschicht 105 kann beispielsweise durch eine Wärmebehandlung bei 400°C in einem rotierenden Magnetfeld von 3 kG (0,3T) (Wärmebehandlung in einem rotierenden Magnetfeld) und eine anschließende Wärmebehandlung bei 400°C in einem statischen Magnetfeld von 3 kG (0,3T) (Wärmebehandlung in einem statischen Magnetfeld) erfolgen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Weichmagnetmaterialschicht 105, aus der die Joche 40 bestehen, eine ähnliche uniaxiale magnetische Anisotropie verliehen. Die Joche 40 müssen jedoch nicht mit der uniaxialen magnetischen Anisotropie versehen werden, da die Joche 40 nur als magnetischer Kreis dienen sollen.
Dann wird die Hartmagnetmaterialschicht 103, aus der der Dünnschichtmagnet 20 besteht, magnetisiert. Diese Magnetisierung der Hartmagnetmaterialschicht 103 kann durch Anlegen eines Magnetfeldes erfolgen, das größer ist als die Koerzitivkraft der Hartmagnetmaterialschicht 103 in einem statischen Magnetfeld oder einem gepulsten Magnetfeld, bis die Magnetisierung der Hartmagnetmaterialschicht 103 gesättigt ist.
Anschließend werden mehrere auf dem Substrat 10 gebildete Magnetsensoren 1 in einzelne Magnetsensoren 1 unterteilt (geschnitten). Mit anderen Worten werden das Substrat 10, die Haftschicht 101, die Steuerschicht 102, die Hartmagnetmaterialschicht 103, die dielektrische Schicht 104 und die Weichmagnetmaterialschicht 105 so geschnitten, dass jeder Magnetsensor 1 eine quadratische ebene Form hat, wie in der Draufsicht von 1A gezeigt. Dies führt dazu, dass die magnetischen Pole (Nordpol und Südpol) des Dünnschichtmagneten 20 an den jeweiligen seitlichen Seiten der geteilten (geschnittenen) Hartmagnetmaterialschicht 103 freiliegen. So wird die magnetisierte Hartmagnetmaterialschicht 103 zum Dünnschichtmagneten 20. Dieses Teilen (Schneiden) kann durch ein Würfelschneidverfahren, ein Laserschneidverfahren oder ähnliches erfolgen.
Man beachte, dass ein Ätzschritt, bei dem Teile der Haftschicht 101, der Steuerschicht 102, der Hartmagnetmaterialschicht 103, der dielektrischen Schicht 104 und der Weichmagnetmaterialschicht 105 zwischen benachbarten Magnetsensoren 1 auf dem Substrat 10 entfernt werden, um diese Schichten in eine quadratische, ebene Form zu bringen (ebene Form des in 1 gezeigten Magnetsensors 1), vor dem Schritt der Aufteilung der mehreren Magnetsensoren 1 in einzelne Magnetsensoren 1 erfolgen kann. Dann kann das freigelegte Substrat 10 geteilt (geschnitten) werden.
Alternativ dazu können nach der Bildung des Laminats die Haftschicht 101, die Steuerschicht 102, die Hartmagnetmaterialschicht 103 und die dielektrische Schicht 104 so bearbeitet werden, dass sie eine quadratische, ebene Form haben (ebene Form des in 1 dargestellten Magnetsensors 1).
Im Vergleich zu diesen Methoden umfasst die oben beschriebene Herstellungsmethode vereinfachte Schritte.
Der Magnetsensor 1 ist damit hergestellt. Man beachte, dass die Verleihung der uniaxialen magnetischen Anisotropie an die Weichmagnetmaterialschicht 105 und/oder die Magnetisierung des Dünnschichtmagneten 20 für jeden Magnetsensor 1 oder mehrere Magnetsensoren 1 nach dem Schritt der Aufteilung der Magnetsensoren 1 in einzelne Magnetsensoren 1 erfolgen kann.
Ohne die Steuerschicht 102 müsste die Hartmagnetmaterialschicht 103 nach ihrer Abscheidung auf 800°C oder mehr erhitzt werden, um ein Kristallwachstum zu bewirken und dadurch die magnetische Anisotropie in der Ebene zu erzeugen. Im Gegensatz dazu entfällt durch die Bereitstellung der Steuerschicht 102, wie in dem Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, die Notwendigkeit, ein solches Kristallwachstum bei einer hohen Temperatur von 800°C oder mehr zu bewirken, da die Steuerschicht 102 das Kristallwachstum erleichtern kann.
Die Verleihung der uniaxialen magnetischen Anisotropie an die Sensitivelemente 31 kann durch eine Magnetron-Sputter-Methode während des Schichtens der Weichmagnetmaterialschicht 105 der Co-Legierung, aus der das Sensitivelement 31 besteht, anstelle der vorgenannten Wärmebehandlung im rotierenden Magnetfeld und der Wärmebehandlung im statischen Magnetfeld erfolgen. Bei der Magnetron-Sputter-Methode wird mit Hilfe von Magneten ein Magnetfeld erzeugt, und die durch Entladung erzeugten Elektronen werden auf die Oberfläche eines Targets begrenzt. Das Verfahren erhöht so die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen zwischen den Elektronen und einem Gas, um die Ionisierung des Gases zu erleichtern und so die Abscheiderate zu erhöhen. Das Magnetfeld, das durch die im Magnetron-Sputter-Verfahren verwendeten Magnete gebildet wird, verleiht der Weichmagnetmaterialschicht 105 gleichzeitig mit ihrer Abscheidung die uniaxiale magnetische Anisotropie. Das Magnetron-Sputterverfahren erlaubt es, den Schritt der Verleihung der uniaxialen magnetischen Anisotropie durch die Wärmebehandlung im rotierenden Magnetfeld und die Wärmebehandlung im statischen Magnetfeld auszulassen.
(Merkmale des Magnetsensors 1)
Die Eigenschaften des Magnetsensors 1 der vorliegenden Ausführungsform werden nun beschrieben.
2A zeigt die Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld H (Oe), das in Längsrichtung des Sensitivelements 31 des Magnetsensors 1 angelegt wird, und einer Impedanz Z (Ω), die in dem Sensitivelement 31 erzeugt wird. 2B veranschaulicht die Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld H (Oe), das in Längsrichtung des Sensitivelements 31 des Magnetsensors 1 angelegt wird, und den Änderungen der Impedanz Z des Sensitivelements 31 relativ zu den Änderungen des Magnetfelds H (ΔZ/ΔH (Ω/Oe)). Man beachte, dass 2A und 2B die Ergebnisse sowohl für die positive als auch für die negative Richtung des Magnetfelds H zeigen. Man beachte auch, dass 2A und 2B die Ergebnisse zeigen, die durch Anlegen eines 50 MHz-Hochfrequenzstroms an das Sensitivelement 31 des Magnetsensors 1 erhalten wurden.
Wie in 2A gezeigt, ändert sich die Impedanz des Sensitivelements 31 im Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform in Abhängigkeit von der Größe des an das Sensitivelement 31 angelegten externen Magnetfelds H. Genauer gesagt erhöht sich in diesem Beispiel die Impedanz Z mit einer Zunahme des Magnetfelds H im Bereich von -12 (Oe) über 0 (Oe) bis +12 (Oe). Beispielsweise nimmt die Impedanz Z mit einem Anstieg des Magnetfeldes H im Bereich über 12 (Oe) ab (d. h. größer als +12 (Oe) oder kleiner als -12 (Oe)). In diesem Fall kann das Magnetfeld H, bei dem die Impedanz Z einen Maximalwert annimmt, als anisotropes Magnetfeld Hk bezeichnet werden.
Das anisotrope Magnetfeld Hk bezeichnet die Größe des Magnetfeldes, bei der das Magnetfeld in der Magnetisierungskurve in Richtung einer harten Magnetisierungsachse in einem Weichmagnetmaterial, das aufgrund seiner uniaxialen magnetischen Anisotropie eine leichte Magnetisierungsachse und die harte Magnetisierungsachse aufweist, die Sättigung erreicht. Mit anderen Worten ist das anisotrope Magnetfeld Hk definiert als die Stärke des Magnetfeldes, das die Ausrichtung der Spins in eine bestimmte Richtung bewirkt; das anisotrope Magnetfeld Hk drückt als Magnetfeld die Energie aus, die die Ausrichtung der Spins in eine bestimmte Richtung in dem Weichmagnetmaterial bewirkt.
2B entspricht den Ergebnissen der Differenzierung der in 2A gezeigten Daten, d. h. der Darstellung der Steigung des in 2A gezeigten Graphen. So ist in 2B der Wert (Steigung) von ΔZ/ΔH bei dem Magnetfeld H = das anisotrope Magnetfeld Hk gleich 0.
(Auswahl der magnetischen Vorspannung)
In dem Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird das Magnetfeld H mit einer großen Steigung in der in 2A gezeigten Magnetfeld-Impedanz-Charakteristik immer an das Sensitivelement 31 unter Verwendung des Dünnschichtmagneten 20 angelegt, um die Erfassungsempfindlichkeit für einen Bereich zu verbessern, in dem die Stärke des zu erfassenden Magnetfelds nahe 0 (Oe) liegt. Mit anderen Worten wird unter Verwendung des Dünnschichtmagneten 20, der ein Permanentmagnet ist, eine unidirektionale magnetische Vorspannung (Gleichstrom (DC) magnetische Vorspannung) an jedes Sensitivelement 31 angelegt, das den Sensitivabschnitt 30 bildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Dünnschichtmagnet 20 so konfiguriert, dass er die magnetische Vorspannung entlang der Längsrichtung an jedes Sensitivelement 31 anlegt, das eine uniaxiale magnetische Anisotropie in der Querrichtung aufweist.
Nun wird die Größe der magnetischen Vorspannung beschrieben, die von dem Dünnschichtmagneten 20 an jedes Sensitivelement 31 des Sensitivteils 30 in dem Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform geliefert wird.
3A und 3B veranschaulichen die Größe der magnetischen Vorspannung Hb, die an das Sensitivelement 31 des Magnetsensors 1 der vorliegenden Ausführungsform angelegt wird. 3A ist eine Vergrößerung eines Teils von 2A, in dem das Magnetfeld H positive Werte annimmt, und 3B ist eine Vergrößerung eines Teils von 2B, in dem das Magnetfeld H positive Werte annimmt. Dementsprechend stellt in 3A die horizontale Achse das Magnetfeld H (Oe) und die vertikale Achse die Impedanz Z (Ω) dar, und in 3B stellt die horizontale Achse das Magnetfeld H (Oe) und die vertikale Achse die Steigung ΔZ/ΔH (Ω/Oe) dar.
Für einen herkömmlichen Magnetsensor 1 wurde die Größe der magnetischen Vorspannung Hb auf der Grundlage eines Bereichs bestimmt, in dem der Betrag der Änderung ΔZ der Impedanz Z relativ zum Betrag der Änderung ΔH des angelegten Magnetfelds H in 3A am steilsten ist (d. h. ein Bereich, in dem die Steigung ΔZ/ΔH in 3B am größten ist). Im Falle des Sensitivelements 31 mit den in den 2A bis 3B gezeigten Eigenschaften ist der herkömmliche Magnetsensor 1 daher so ausgelegt, dass die magnetische Vorspannung Hb aus einem Bereich ausgewählt wird, der kleiner als das anisotrope Magnetfeld Hk ist (siehe z. B. Punkt B in 3A).
Im Gegensatz dazu ist der Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform so ausgelegt, dass die magnetische Vorspannung Hb, die durch den Dünnschichtmagneten 20 an das Sensitivelement 31 angelegt wird, aus einem Bereich ausgewählt wird, der größer ist als das anisotrope Magnetfeld Hk (Hk < Hb). Man beachte, dass eine geeignete Größe der magnetischen Vorspannung Hb für jeden Magnetsensor 1 variiert, abhängig von Faktoren wie den jeweiligen Materialien für die Sensitivelemente 31, den Dünnschichtmagneten 20 und die Joche 40, den Formen dieser Materialien, ihrer gegenseitigen Positionsbeziehung und der Größe und Frequenz der an die Sensitivelemente 31 angelegten elektrischen Ströme. Diese Beziehungen werden also nur auf der Grundlage relativer Beziehungen und nicht auf der Grundlage absoluter Werte bestimmt.
(Gründe für die Auswahl der magnetischen Gleichstromvorspannung)
Nun werden die Gründe für die Auswahl der magnetischen Vorspannung Hb aus dem Bereich, der größer ist als das anisotrope Magnetfeld Hk (Hk < Hb), beschrieben.
Die 4A bis 4D zeigen die Beziehung zwischen der Stärke des Magnetfeldes H, das an das Sensitivelement 31 des Magnetsensors 1 der vorliegenden Ausführungsform angelegt wird, und den Veränderungen der magnetischen Domänen im Sensitivelement 31. Hier wird davon ausgegangen, dass das Sensitivelement 31 in einem Ausgangszustand, in dem das Magnetfeld H gleich 0 ist, bereits eine uniaxiale magnetische Anisotropie in seiner Querrichtung aufweist.
4A zeigt eine beispielhafte magnetische Domänenstruktur des Sensitivelements 31 in dem Zustand, in dem das Magnetfeld H sehr schwach und nahe 0 ist (bezeichnet als „anfänglicher Permeabilitätsbereich“, auf den weiter unten näher eingegangen wird). 4B zeigt eine beispielhafte magnetische Domänenstruktur des Sensitivelements 31 in dem Zustand, in dem das Magnetfeld H stärker ist als der in 4A gezeigte Zustand (bezeichnet als „irreversibler Domänenwandbewegungsbereich“, der unten näher erläutert wird). 4C zeigt eine beispielhafte magnetische Domänenstruktur des Sensitivelements 31 in dem Zustand, in dem das Magnetfeld H stärker ist als der in 4B gezeigte Zustand (bezeichnet als „Rotationsmagnetisierungsbereich“, der unten näher erläutert wird). 4D zeigt eine beispielhafte magnetische Domänenstruktur des Sensitivelements 31 in dem Zustand, in dem das Magnetfeld H stärker ist als der in 4C gezeigte Zustand (als „Sättigungsbereich“ bezeichnet, der unten näher erläutert wird).
5 zeigt die Beziehung zwischen der Stärke des an das Sensitivelement 31 des Magnetsensors 1 der vorliegenden Ausführungsform angelegten Magnetfeldes und der Magnetisierungsstärke im Sensitivelement 31. In 5 stellt die horizontale Achse das Magnetfeld H (Oe) und die vertikale Achse die Magnetisierung M (a.u.) dar. 5 zeigt auch die Beziehung zwischen dem Magnetfeld H und der Magnetisierung M in Bezug auf den Anfangspermeabilitätsbereich, den Bereich der irreversiblen magnetischen Domänenwandbewegung, den Rotationsmagnetisierungsbereich und die oben beschriebene Sättigung.
Das äußere Magnetfeld H, das an das Sensitivelement 31 angelegt wird und von 0 bis zu einem Magnetfeld Hw der Domänenwandbewegung reicht (Einzelheiten siehe unten), wird als „Anfangspermeabilitätsbereich“ bezeichnet.
Im anfänglichen Permeabilitätsbereich werden in dem Sensitivelement 31 mehrere magnetische Domänen mit unterschiedlichen Ausrichtungen der Magnetisierung M gebildet. Genauer gesagt umfasst das Sensitivelement 31: eine erste magnetische Domäne D1 und eine zweite magnetische Domäne D2, wobei die Magnetisierung M in Richtung der leichten Achse der Magnetisierung (Querrichtung) ausgerichtet ist; und eine dritte magnetische Domäne D3 und eine vierte magnetische Domäne D4, wobei die Magnetisierung M in Richtung der harten Achse der Magnetisierung (Längsrichtung) ausgerichtet ist. Die erste magnetische Domäne D1 und die zweite magnetische Domäne D2 sind einander gegenüberliegend, und die dritte magnetische Domäne D3 und die vierte magnetische Domäne D4 sind ebenfalls einander gegenüberliegend. Diese vier magnetischen Bereiche sind in der Abbildung im Uhrzeigersinn angeordnet, kreisförmig vom ersten magnetischen Bereich D1 zum dritten magnetischen Bereich D3 zum zweiten magnetischen Bereich D2 zum vierten magnetischen Bereich D4 zum ersten magnetischen Bereich D1. Somit bilden diese vier magnetischen Bereiche zusammen einen geschlossenen magnetischen Bereich mit einer kreisförmigen Ausrichtung der Magnetisierung M.
Makroskopisch gesehen umfasst das Sensitivelement 31 mehrere magnetische Verschlussdomänen, die in Längsrichtung angeordnet sind. In jeder magnetischen Schließungsdomäne ist jeder Bereich der ersten magnetischen Domäne D1 und der zweiten magnetischen Domäne D2, die sich entlang der leichten Magnetisierungsachse erstrecken, größer als jeder Bereich der dritten magnetischen Domäne D3 und der vierten magnetischen Domäne D4, die sich entlang der harten Magnetisierungsachse erstrecken, basierend auf der oben genannten Beziehung zwischen der leichten Magnetisierungsachse und der harten Magnetisierungsachse.
Im anfänglichen Permeabilitätsbereich bleiben die magnetischen Domänen, die jede magnetische Abschlussdomäne bilden, relativ zu Änderungen des Magnetfeldes H konstant. Mit anderen Worten bleibt, wenn das Magnetfeld H im Bereich von 0 bis zum Domänenwandbewegungsmagnetfeld Hw liegt, die in 4A gezeigte magnetische Domänenstruktur auch bei einer Erhöhung des Magnetfeldes H unverändert.
Das äußere Magnetfeld H, das an das Sensitivelement 31 angelegt wird und vom Magnetfeld der Domänenwandbewegung Hw bis zu einem Magnetfeld der Magnetisierungsrotation Hr reicht (Einzelheiten siehe unten), wird als „irreversibler Bereich der Domänenwandbewegung“ bezeichnet.
Sobald das Magnetfeld H das Domänenwandbewegungsmagnetfeld Hw überschreitet, das auf der Grundlage der Eigenschaften (wie Material, Struktur und Abmessungen) der Weichmagnetmaterialschicht 105, die das Sensitivelement 31 bildet, bestimmt wird, tritt in jeder magnetischen Abschlussdomäne eine Domänenwandbewegung auf, wobei sich die Positionen der Domänenwände zwischen den jeweiligen benachbarten magnetischen Domänen aufgrund der Wirkung des Magnetfelds H bewegen. Während dieser Bewegung bewegen sich in jeder magnetischen Abschlussdomäne die Domänenwände zwischen der vierten magnetischen Domäne D4 mit der gleichen Ausrichtung der Magnetisierung M wie das Magnetfeld H und den ersten und zweiten magnetischen Domänen D1, D2, die an die vierte magnetische Domäne D4 angrenzen, so dass die Fläche der vierten magnetischen Domäne D4 zunimmt. Außerdem bewegen sich die Domänenwände zwischen der dritten magnetischen Domäne D3 mit einer dem Magnetfeld H entgegengesetzten Ausrichtung der Magnetisierung M und den ersten und zweiten magnetischen Domänen D1, D2, die an die dritte magnetische Domäne D3 angrenzen, so dass die Fläche der dritten magnetischen Domäne D3 abnimmt. Infolgedessen vergrößert sich die Fläche der vierten magnetischen Domäne D4 im Vergleich zu derjenigen im anfänglichen Permeabilitätsbereich, der in 4A dargestellt ist, und die Flächen der verbleibenden ersten bis dritten magnetischen Domänen D1-D3 verringern sich im Vergleich zu denen im anfänglichen Permeabilitätsbereich.
Die Bewegung der Domänenwände im Bereich der irreversiblen Domänenwandbewegung erfolgt diskontinuierlich mit einem Anstieg des Magnetfelds H. Infolgedessen ändert sich die Magnetisierung M des Sensitivelements 31 als Ganzes relativ zum Magnetfeld H stufenweise (zackig) und nicht linear oder gekrümmt, wie durch einen vergrößerten Ausschnitt in 5 angedeutet. Diese Beziehung zwischen dem Magnetfeld H und der Magnetisierung M wird als Barkhausen-Effekt bezeichnet.
Im Bereich der irreversiblen Domänenwandbewegung ändern sich die Flächenverhältnisse der magnetischen Domänen, die jede magnetische Verschlussdomäne bilden, weiterhin allmählich im Verhältnis zu den Änderungen des Magnetfelds H. Genauer gesagt nimmt, wenn das Magnetfeld H im Bereich zwischen dem Magnetfeld der Domänenwandbewegung Hw und dem Magnetisierungsrotationsmagnetfeld Hr liegt, die Fläche der vierten magnetischen Domäne D4 allmählich zu, während die Flächen der ersten bis dritten magnetischen Domäne D1-D3 mit einer Zunahme des Magnetfelds H allmählich abnehmen.
Das äußere Magnetfeld H, das vom Magnetisierungsrotationsmagnetfeld Hr bis zum anisotropen Magnetfeld Hk reicht, wird als „Rotationsmagnetisierungsbereich“ bezeichnet.
Sobald das Magnetfeld H das Magnetisierungsrotationsmagnetfeld Hr übersteigt, das auf der Grundlage der Eigenschaften (wie Material, Struktur und Abmessungen) der Weichmagnetmaterialschicht 105, die das Sensitivelement 31 bildet, bestimmt wird, findet eine Magnetisierungsrotation in jeder magnetischen Verschlussdomäne statt, wodurch sich die Ausrichtung der Magnetisierung M in jeder der ersten bis dritten magnetischen Domänen D1-D3, die anders als das Magnetfeld H ausgerichtet war, allmählich so dreht, dass sie in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld H ausgerichtet ist, während die Positionen der Domänenwände zwischen benachbarten magnetischen Domänen im Wesentlichen fest sind. Während dieser Drehung bleibt die vierte magnetische Domäne D4 unverändert, da ihre Magnetisierungsausrichtung bereits auf die Ausrichtung des Magnetfelds H ausgerichtet ist.
Während sich im Bereich der Rotationsmagnetisierung die Bereiche der magnetischen Domänen, die jede magnetische Abschlussdomäne bilden, relativ zu den Änderungen des Magnetfelds H kaum ändern, ändert sich die Ausrichtung der Magnetisierung M in den ersten bis dritten magnetischen Domänen D1-D3 weiterhin allmählich. Genauer gesagt ändert sich, wenn das Magnetfeld H im Bereich zwischen dem Magnetisierungsrotationsmagnetfeld Hr und dem anisotropen Magnetfeld Hk liegt, die Ausrichtung der Magnetisierung M der vierten magnetischen Domäne D4 nicht zusammen mit einer Zunahme des Magnetfelds H, sondern die Ausrichtung der Magnetisierung M der verbleibenden ersten bis dritten magnetischen Domänen D1-D3 dreht sich allmählich, so dass sie mit der Ausrichtung des Magnetfelds H ausgerichtet ist.
Im Rotationsmagnetisierungsbereich dreht sich jedoch die Ausrichtung der Magnetisierung M der ersten bis dritten magnetischen Domäne D1-D3 kontinuierlich. Somit weisen im Rotationsmagnetisierungsbereich die Änderungen der Magnetisierung M des Sensitivelements 31 als Ganzes relativ zum Magnetfeld H eine in 5 gezeigte gekrümmte Form auf. Im Rotationsmagnetisierungsbereich verlangsamt sich die Rate der Zunahme der Magnetisierung M des Sensitivelements 31 als Ganzes relativ zur Zunahme des Magnetfelds H, wenn das Magnetfeld H zunimmt, und wird in der Nähe des anisotropen Magnetfelds Hk, wo die Magnetisierung M einen Maximalwert annimmt, im Wesentlichen flach.
Der Bereich, in dem das von außen angelegte Magnetfeld H das anisotrope Magnetfeld Hk übersteigt, wird als „Sättigung“ bezeichnet.
Sobald das Magnetfeld H das oben genannte anisotrope Magnetfeld Hk übersteigt, wird die Ausrichtung der Magnetisierung M in jeder abschließenden magnetischen Domäne auf die Ausrichtung des Magnetfelds H ausgerichtet, d. h. auf die Ausrichtung der Magnetisierung M in der vierten magnetischen Domäne D4. Infolgedessen verschwinden die Domänenwände, die zwischen benachbarten magnetischen Domänen vorhanden waren, was dazu führt, dass das Sensitivelement 31 nur eine (einzige) magnetische Domäne aufweist.
Nach der Sättigung ändert sich die Magnetisierung M des Sensitivelements 31 als Ganzes nicht mehr in Abhängigkeit von den Änderungen des Magnetfelds H und nimmt einen im Wesentlichen konstanten Wert an, da sich die Struktur der magnetischen Domäne von mehreren geschlossenen magnetischen Domänen zu einer einzigen magnetischen Domäne ändert.
Der Zustand der magnetischen Domänen im eigentlichen Sensitivelement 31 wird nun beschrieben.
6-8 sind Fotografien, die den Zustand der magnetischen Domänen zeigen, wenn die gleichmagnetische Vorspannung Hb mit unterschiedlichen Beträgen an das Sensitivelement 31 des Magnetsensors 1 angelegt wurde. 6 zeigt den Zustand der magnetischen Domäne, wenn die gleichmagnetische Vorspannung Hb mit einer Größe A (+0,5 Oe) an das Sensitivelement 31 angelegt wurde. 7 zeigt den Zustand des magnetischen Bereichs, wenn die magnetische Gleichstromvorspannung Hb mit einer Größe B (+8,3 Oe) an das Sensitivelement 31 angelegt wurde. 8 zeigt den Zustand des magnetischen Bereichs, wenn die magnetische Gleichstromvorspannung Hb mit einer Größe C (+14,3 Oe) an das Sensitivelement 31 angelegt wurde. Die Fotos der 6-8 wurden mit Neomagnesia Lite von Neoark Corporation aufgenommen. Die oben beschriebene 3A zeigt ebenfalls diese Größen A-C.
Aus 6 ist ersichtlich, dass mehrere magnetische Domänen, die sich jeweils entlang der Querrichtung des Sensitivelements 31 erstrecken (entsprechend der ersten und zweiten magnetischen Domäne D1, D2), in der Längsrichtung angeordnet sind. Auch wenn es schwer zu erkennen ist, kann man aus 6 ersehen, dass mehrere magnetische Domänen, die sich jeweils entlang der Längsrichtung des Sensitivelements 31 erstrecken (entsprechend der dritten und vierten magnetischen Domäne D3, D4), in der Längsrichtung an beiden transversalen Enden des Sensitivelements 31 angeordnet sind. In diesem Beispiel ist die Größe A (+0,5 Oe) der magnetischen Gleichstromvorspannung Hb in dem in 5 dargestellten Anfangspermeabilitätsbereich enthalten. Daher wird die in 6 gezeigte magnetische Domänenstruktur des Sensitivelements 31 als in dem in 4A gezeigten Zustand befindlich betrachtet.
Aus 7 ist ersichtlich, dass mehrere magnetische Domänen, die an einem transversalen Ende (linkes Ende in 7) des Sensitivelements 31 (entsprechend der vierten magnetischen Domäne D4) vorhanden sind, größer sind als in 6 gezeigt. In der Zwischenzeit ist aus 7 ersichtlich, dass mehrere magnetische Domänen, die sich entlang der Querrichtung des Sensitivelements 31 erstrecken (entsprechend den ersten und zweiten magnetischen Domänen D1, D2), und mehrere magnetische Domänen, die am anderen transversalen Ende (rechtes Ende in 7) des Sensitivelements 31 vorhanden sind (entsprechend der dritten magnetischen Domäne D3), kleiner sind als in 6 dargestellt. In diesem Beispiel ist die Größe B (+8,3 Oe) der magnetischen Gleichstromvorspannung Hb im Bereich der irreversiblen Domänenwandbewegung oder im Bereich der Rotationsmagnetisierung enthalten, wie in 5 dargestellt. Daher wird die magnetische Domänenstruktur des in 7 dargestellten Sensitivelements 31 als in dem in 4B oder 4C dargestellten Zustand befindlich betrachtet.
Aus 8 ist ersichtlich, dass das Sensitivelement 31 als Ganzes eine magnetische Domäne (einzige magnetische Domäne) darstellt, da das gesamte Sensitivelement 31 eine im Wesentlichen gleichmäßige Konzentration aufweist. In diesem Beispiel ist die Größe C (+14,3 Oe) der magnetischen Gleichstromvorspannung Hb in der in 5 dargestellten Sättigung enthalten. Daher wird die in 8 dargestellte magnetische Domänenstruktur des Sensitivelements 31 als in dem in 4D dargestellten Zustand befindlich betrachtet.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die Größe des Magnetfeldes H, das an jedes Sensitivelement 31 unter Verwendung des Dünnschichtmagneten 20 angelegt wird, d.h. die Größe der magnetischen Gleichstromvorspannung Hb einen größeren Wert als das anisotrope Magnetfeld Hk des Sensitivelements 31. Mit anderen Worten wird in der vorliegenden Ausführungsform die Größe der obigen magnetischen Vorspannung Hb so gewählt, dass sie die Größe eines Sättigungsmagnetfeldes ist, bei dem die Magnetfeld-Magnetisierungseigenschaften in der Weichmagnetmaterialschicht 105, die das Sensitivelement 31 bildet, gesättigt sind. Mit anderen Worten wird in der vorliegenden Ausführungsform die Impedanz Z (jede Änderung des extern angelegten Magnetfeldes H wird gemessen) in dem Zustand gemessen, in dem das Sensitivelement 31 die in den 4A und 8 gezeigte Einzelmagnetdomänenstruktur aufgrund der Anwendung der magnetischen Gleichstromvorspannung Hb aufweist.
Die 9A bis 9C veranschaulichen die Beziehung zwischen den vom Magnetsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Signalen und dem Rauschen sowie das SN-Verhältnis. 9A zeigt ein Diagramm im Zusammenhang mit Signalen, wobei die horizontale Achse die Stärke des an den Magnetsensor 1 angelegten externen Magnetfelds H (Oe) und die vertikale Achse die dem Signalausgang entsprechende Spannung (Vrms) darstellt. 9B zeigt ein Rauschdiagramm, bei dem die horizontale Achse die Stärke des an den Magnetsensor 1 angelegten externen Magnetfelds H (Oe) und die vertikale Achse die dem Rauschausgang entsprechende Spannung (mVrms) darstellt. 9C zeigt ein Diagramm, das dem SN-Verhältnis zugeordnet ist, das auf der Grundlage der in 9A gezeigten Magnetfeld-Signal-Charakteristik und der in 9B gezeigten Magnetfeld-Rausch-Charakteristik erhalten wurde, wobei die horizontale Achse die Stärke des an den Magnetsensor 1 angelegten externen Magnetfelds H (Oe) darstellt und die vertikale Achse das SN-Verhältnis (dB) darstellt. Man beachte, dass die vertikale Achse in 9C eine logarithmische Skala ist. Die Daten, die in den Diagrammen in 9A-9C verwendet werden, wurden durch Anlegen von gepulsten Spannungen an den Magnetsensor 1 und Messen von Änderungen der Ausgangsspannung des Magnetsensors 1 gewonnen. In diesem Beispiel wurde die Kalibrierung so vorgenommen, dass die Signalspannung 0 ist, wenn das Magnetfeld H 0 ist.
Die Signalspannung ist proportional zu ΔZ/ΔH, was ein Verhältnis zwischen dem Betrag der Änderung ΔH im Magnetfeld H und dem Betrag der Änderung ΔZ in der Impedanz Z ist. Das heißt, das Diagramm von 9A kann als entsprechend der oben beschriebenen 3B angesehen werden. In diesem Beispiel ist zu erkennen, dass ein Maximalwert der in 9A gezeigten Signalspannung in der Nähe von ±8 (Oe) liegt oder, mit anderen Worten, die Steigung von ΔZ/ΔH ist bei etwa ±8 (Oe) maximal. In diesem Beispiel ist auch zu erkennen, dass ein Minimalwert der in 9A gezeigten Signalspannung bei ± 10 (Oe) liegt oder, mit anderen Worten, dass die Steigung von ΔZ/ΔH bei etwa ± 10 (Oe) minimal ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das anisotrope Magnetfeld Hk des Sensitivelements 31 in dem in diesem Experiment verwendeten Magnetsensor 1 bei ±10 (Oe) liegt.
Vergleicht man die SN-Verhältnisse zwischen den Fällen, in denen das Magnetfeld H beispielsweise Werte von -10 (Oe) bis +10 (Oe) annimmt, und den Fällen, in denen das Magnetfeld H negative Werte unter -10 (Oe) oder positive Werte über +10 (Oe) annimmt (9C), so ist zu erkennen, dass der letztere Fall geringere Schwankungen im SN-Verhältnis aufweist als der erste Fall. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass eine Verringerung des SN-Verhältnisses am erhaltenen Ausgang reduziert werden kann, wenn die magnetische Gleichstromvorspannung Hb, die durch den Dünnschichtmagneten 20 an das Sensitivelement 31 im Magnetsensor 1 angelegt wird, größer ist als das anisotrope Magnetfeld Hk der Weichmagnetmaterialschicht 105, die das Sensitivelement 31 bildet.
(Sonstige Anmerkungen)
Während die vorstehende Beschreibung ein Beispiel verwendet, bei dem das anisotrope Magnetfeld Hk positive Werte annimmt, ist die vorliegende Erfindung natürlich auch auf Fälle anwendbar, in denen das anisotrope Magnetfeld Hk negative Werte annimmt. In solchen Fällen kann der Magnetsensor 1 so ausgelegt sein, dass die vom Dünnschichtmagneten 20 an das Sensitivelement 31 angelegte Gleichstromvorspannung Hb aus dem Bereich unterhalb des anisotropen Magnetfeldes Hk (Hb < Hk) gewählt wird.
Während in der vorliegenden Ausführungsform die magnetische Gleichstromvorspannung Hb an das Sensitivelement 31 unter Verwendung eines Dünnschichtmagneten 20 aus einem Permanentmagneten angelegt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann die magnetische Gleichstromvorspannung Hb an das Sensitivelement 31 unter Verwendung eines Elektromagneten oder dergleichen angelegt werden.
Während die vorstehende Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel verwendet, bei dem der Dünnschichtmagnet 20, der empfindliche Abschnitt 30 (Sensitivelemente 31) und dergleichen integral auf das Substrat 10 laminiert sind, um den Magnetsensor 1 zu bilden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann eine Konfiguration angenommen werden, in der ein Magnetabschnitt, der aus dem Dünnschichtmagneten 20 oder ähnlichem besteht, und das Sensitivelement 31 voneinander getrennt sind.
Während die vorstehende Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel verwendet, bei dem der Magnetsensor 1 die Sensitivelemente 31 in Form eines Dünnfilms enthält, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung auf einen Magnetsensor 1 mit linearen Sensitivelementen 31 anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Magnetsensor
10: Substrat
20: Dünnschichtmagnet
30: Sensitivteil
31: Sensitivelement
32: Verbindungsabschnitt
33: Abschlussabschnitt
40 (40a, 40b): Joch
101: Haftschicht
102: Kontrollschicht
103: Hartmagnetmaterialschicht
104: Dielektrische Schicht
105: Weichmagnetmaterialschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008249406 [0003]
JP 2019100847 [0003]

Claims

Magnetsensor, enthaltend: eine Sensitivschicht aus einem Weichmagnetmaterial mit uniaxialer magnetischer Anisotropie, wobei die Sensitivschicht so konfiguriert ist, dass sie ein Magnetfeld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst; und eine Magnetschicht aus einem magnetisierten Hartmagnetmaterial, die so angeordnet ist, dass sie der Sensitivschicht zugewandt ist, wobei die Magnetschicht so konfiguriert ist, dass sie eine magnetische Gleichstromvorspannung in einer Richtung anlegt, die eine Richtung der uniaxialen magnetischen Anisotropie in der Sensitivschicht schneidet, wobei die magnetische Gleichstromvorspannung einen größeren Wert als ein anisotropes Magnetfeld der Sensitivschicht aufweist.
Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetschicht so konfiguriert ist, dass sie als magnetische Gleichstromvorspannung ein Magnetfeld mit der größten Steigung in einer Magnetfeld-Impedanz-Kurve innerhalb eines Wertebereichs anlegt, der größer ist als das anisotrope Magnetfeld der Sensitivschicht, wobei die Magnetfeld-Impedanz-Kurve an die Sensitivschicht angelegte Magnetfelder mit Änderungen der Impedanz der Sensitivschicht verknüpft.
Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Führungsschicht umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie durch die Magnetschicht verlaufende Magnetkraftlinien zu der Sensitivschicht führt.
Magnetsensor, enthaltend: ein Sensitivelement aus einem Weichmagnetmaterial, wobei das Sensitivelement eine Längsrichtung und eine Querrichtung aufweist, wobei das Sensitivelement eine uniaxiale magnetische Anisotropie in einer die Längsrichtung schneidenden Richtung aufweist, wobei das Sensitivelement so konfiguriert ist, dass es ein Magnetfeld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst; und einen Applikator, der so konfiguriert ist, dass er eine magnetische Gleichstromvorspannung in der Längsrichtung des Sensitivelements anlegt, wobei die magnetische Gleichstromvorspannung einem Sättigungsmagnetfeld des Sensitivelements entspricht.