JP2000055995A - 磁気インピーダンス素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する感
度特性に優れた高感度磁気センサを提供すること。 【解決手段】 非磁性体からなる基板２０と該基板２０
上に形成された薄膜磁気コア１と該薄膜磁気コア１の長
手方向両端に設けられた第一の電極１０と第二の電極１
２からなる磁気インピーダンス素子であって、上記薄膜
磁気コア１は非磁性薄膜を介して複数の磁性膜が積層さ
れていることを特徴とする磁気インピーダンス素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気センサに関し、
特に薄膜磁気インピーダンス素子を用いた高感度磁気セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の情報機器や計測・制御機器の急速
な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の
磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえ
ば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置
では、バルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘ
ッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドと高性能化が進んで
きており、モーターの回転センサであるロータリーエン
コーダではマグネットリングの磁極数が多くなり従来用
いられている磁気抵抗効果（ＭＲ）センサに代わり微弱
な表面磁束を感度良く検出できる磁気センサが必要とな
ってきている。また、非破壊検査や紙幣検査に用いるこ
とができる高感度磁気センサの需要も大きくなってい
る。

【０００３】現在用いられている代表的な磁気検出素子
として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）素
子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。ま
た、最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効
果を利用した高感度の磁気センサが提案されており（特
開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９
号公報、特開平７−３３３３０５号公報参照）、また磁
性薄膜の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁
気センサも提案されている（特開平８−７５８３５号公
報、日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．２０，５５３（１９９
６）参照）。

【０００４】誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要
であるため磁気ヘッド自体が大型化し、また、小型化す
ると磁気ヘッドと媒体の相対速度が低下して検出感度が
著しく低下するという問題がある。これに対して、強磁
性膜による磁気抵抗効果（ＭＲ）素子が用いられるよう
になってきた。ＭＲ素子は磁束の時間変化ではなく磁束
そのものを検出するものであり、これにより磁気ヘッド
の小型化が進められてきた。しかし、現在のＭＲ素子の
電気抵抗の変化率は約２％であり、また、スピンバルブ
素子を用いたＭＲ素子でさえ電気抵抗の変化率が最大６
％以下と小さく、また数％の抵抗変化を得るのに必要な
外部磁界は１６００Ａ／ｍ以上と大きい。従って磁気抵
抗感度は０．００１％／（Ａ／ｍ）以下の低感度であ
る。また、最近、磁気抵抗変化率が数１０％を示す人工
格子による巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が見いだされて
きた。しかし数１０％の抵抗変化を得るためには数万Ａ
／ｍの外部磁界が必要であり、磁気センサとしての実用
化はされていない。

【０００５】従来の高感度磁気センサであるフラックス
ゲートセンサはフェライト、パーマロイ等の高透磁率磁
心の対称なＢ−Ｈ特性が外部磁界によって変化すること
を利用して磁気の測定を行うものであり、高分解能と±
１°の高指向性を持つ。しかし、検出感度をあげるため
に大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を小さくする
ことが難しく、また、消費電力が大きいという問題点を
持つ。

【０００６】ホール素子を用いた磁界センサは電流の流
れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両
方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起
電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール
素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、
また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体で構成されるため温
度変化に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によ
って電子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度
の温度特性が悪いという欠点を持つ。

【０００７】特開平６−１７６９３０号公報、特開平７
−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報
に記載されているように、磁気インピーダンス素子が提
案され大幅な磁界感度の向上を実現している。この磁気
インピーダンス素子は時間的に変化する電流を磁性線に
印加することによって生じる円周磁束の時間変化に対す
る電圧のみを外部印加磁界による変化として検出するこ
とを基本原理としている磁気インピーダンス素子であ
る。図１６はその磁気インピーダンス素子の例を示した
ものである。この磁性線として（ＦｅＣｏＳｉＢ）等の
零磁歪の直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤ（線引
後、張力アニールしたワイヤ）が用いられており、図１
７はワイヤのインピーダンス変化の印加磁界依存性を示
したものである。長さ１ｍｍ程度の微小寸法のワイヤで
も１ＭＨｚ程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧
の振幅がＭＲ素子の１００倍以上である約０．１％／
（Ａ／ｍ）の高感度で変化する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】磁気センサとして、小
型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、
温度特性に優れた高感度磁気センサが求められており、
アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用し
た磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。また、特
開平６−１７６９３０号公報、特開平６−３４７４８９
号公報に示されるものにおいてはバイアス磁界を加える
ことによりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線
性が改善されること、およびアモルファスワイヤに負帰
還コイルを巻き、アモルファスワイヤの両端の電圧に比
例した電流をコイルに通電し負帰還を施すことにより、
直線性の優れたしかもセンサ部の温度変化に対して磁界
検出感度の不変な磁気センサを提供できることを示され
ている。

【０００９】しかしながらこの高感度磁気インピーダン
ス素子は直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤからな
るため微細加工には適しておらず、超小型の磁気検出素
子を提供することは困難であった。また、バイアスコイ
ル、および負帰還コイルはともに細い銅線を巻き回しコ
イルを作製しなければならず小型化に限界があり、また
生産性にも問題があった。

【００１０】一方、小型化の試みとして特開平８−７５
９３５号公報では磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス
素子を提案し、素子の小型化をはかっている。また、発
明者らは特願平９−２６９０８４号において薄膜コイル
を薄膜磁気コアの周囲に立体的に巻き回しバイアスコイ
ルと負帰還コイルを具備した小型の磁気インピーダンス
素子を提案している。しかし、これらの発明はいずれも
磁性膜の構造は単層構造である。

【００１１】詳細は実施の形態で述べるが、図３の
（ａ）に示した磁区構造は理想的なものであり、実際に
は単層の薄膜パターンの幅方向に一軸異方性を付与した
ときには幅方向に反磁界が生じ、その反磁界エネルギー
を最小にするために磁区構造は図５に示すように磁化ベ
クトルが閉じた状態になる。しかし、磁化ベクトルが薄
膜パターンの長さ方向に向いているときにはＨｅｘによ
る幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効
果は非常に小さくなる。つまり、図５に示す９０°磁区
の部分のＭＩ効果は非常に小さいものであり、薄膜全体
のＭＩ効果を小さくしている。本発明は上記事情を鑑み
てなされたものであり、小型で低コスト、かつ、検出磁
界に対する感度特性に優れた高感度磁気センサを提供す
ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の本発明の目的を達
成するため、本願の請求項１に係る発明では、非磁性体
からなる基板と該基板上に形成された薄膜磁気コアと該
薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極と
第二の電極からなる磁気インピーダンス素子において、
上記薄膜磁気コアは非磁性薄膜を介して複数の磁性膜が
積層されていることを特徴とする磁気インピーダンス素
子を提供する。本願の請求項２に係る発明では、請求項
１に係る発明において、厚みがそれぞれ等しい複数の磁
性膜を積層せしめたことを特徴とする磁気インピーダン
ス素子を提供する。本願の請求項３に係る発明では、請
求項１に係る発明において、積層された磁性膜の厚みが
不揃いであることを特徴とする磁気インピーダンス素子
を提供する。本願の請求項４に係る発明では、請求項１
に係る発明において、複数枚の磁性膜が非磁性薄膜を介
して積層され、奇数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁
化の大きさの積の合計量と、偶数番目のそれぞれの磁性
膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量がおおむね等しい
ことを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供する。
本願の請求項５に係る発明では、請求項１又は２又は３
又は４に係る発明において、磁性膜間に介在する非磁性
膜が電気伝導体であることを特徴とする磁気インピーダ
ンス素子を提供する。本願の請求項６に係る発明では、
請求項１又は２又は３又は４に係る発明において、磁性
膜間に介在する非磁性膜が絶縁体であり、積層された磁
性膜の両方の端部は両端側でそれぞれ互いに電気的に接
続されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子
を提供する。本願の請求項７に係る発明では、請求項１
に係る発明において、薄膜磁気コアを構成する上記磁性
膜は、NiFe、CoFe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP
、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNiのめっき
膜により形成されていることを特徴とする磁気インピー
ダンス素子を提供する。本願の請求項８に係る発明で
は、請求項１に係る発明において、薄膜磁気コアを構成
する上記磁性膜は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルフ
ァススパッタ膜により形成されていることを特徴とする
磁気インピーダンス素子を提供する。本願の請求項９に
係る発明では、請求項１に係る発明において、薄膜磁気
コアを構成する上記磁性膜は、NiFeスパッタ膜により形
成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子
を提供する。このように構成された発明では、幅方向に
一軸異方性を持つ薄膜磁気インピーダンス素子を提供で
き、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を少なくとも２層
にすることにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化
ベクトルが結合し閉じた状態になる。この状態により薄
膜の内部磁化エネルギーは最小となり、また、２層構造
とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるように
なり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。これ
らのことから高感度の磁気インピーダンス素子を提供で
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を、
図面を参照して説明する。磁気インピーダンス効果( Ｍ
Ｉ効果) は高透磁率磁性体に高周波電流を通電すると、
その両端間のインピーダンスが通電方向に印加した外部
磁場によって変化する現象である。つまり、磁性体の内
部インダクタンス分Ｌｉと、表皮効果によって電流周波
数ｆとともに増加する抵抗分Ｒｗによるインピーダンス
Ｚ Z= Rw(μθ )+ j ωLi( μθ ) (1) が、外部から磁界を印加することにより変化する磁性体
の幅方向の透磁率μの関数として変化することによるも
のである。薄膜の場合、表皮効果が顕著な高周波領域
（膜厚ｄ》２δ）における薄膜の抵抗Ｒｗは直流抵抗を
Ｒｄｃとすると Rw = Rdc (d / 2 δ） と表すことができる。一方、 ｄ》２δの場合、インダ
クタンスは L = Li（2 δ/ d ） と表すことができる。ここで、δは表皮深さを示し、図
１に示す値となる。従って薄膜のインピーダンスは Z = Rdc (d / 2δ）＋j ωLi（2 δ/ d ） となる。ここで薄膜の厚さはｄ＝２ａとし、また、幅
Ｗ、長さｌとすると薄膜のインピーダンスは図２に示す
ものとなる。ここで表皮深さδは図１で示すところであ
るので、薄膜のインピーダンスＺは透磁率μθの関数と
なる。

【００１４】図３の（ａ）に示されるように薄膜のパタ
ーンの幅方向に一軸異方性が付与されているとき、磁化
ベクトルは幅方向を向いて磁区構造は１８０°磁壁を持
つ構造となる。ところで、この薄膜の長さ方向に高周波
電流を流した場合、幅方向の高周波磁界が生じるが、１
８０°磁壁の移動は渦電流制動により妨げられる。ま
た、高周波磁界方向と磁化ベクトルの向きが同じ方向で
あるため回転磁化は起こりにくい。このため磁束の変化
は少なく透磁率μθは小さい。

【００１５】一方、薄膜パターンの長さ方向に外部磁界
Ｈｅｘを印加すると磁化ベクトルの向きが幅方向から傾
くので、高周波電流により生じる磁界により磁化ベクト
ルの回転が起こり（回転磁化）磁束の変化が生じるので
透磁率μθが大きくなる。外部磁界Ｈｅｘが膜パターン
の異方性磁界Ｈｋと同じになったとき透磁率μθは最大
となり、このときインピーダンスＺは最大となる。さら
に外部磁界Ｈｅｘが大きく（Ｈｅｘ＞Ｈｋ）なると磁化
ベクトルはＨｅｘに固定されるため磁化ベクトルの回転
が抑制され、透磁率μθは小さくなっていき、それにと
もないインピーダンスＺも小さくなっていく。

【００１６】これらの現象を回転磁化モデルに基づき図
３の（ｂ）を用いて検証する。H θ＝０の場合回転角θ
０は次式のエネルギー極小条件により定まる。 E0 = -Ku cos2(π/2 - θ0) - Ms Hex cos θ0 (3) 従って、 Hk = 2 Ku / Ms を用いて θ0 = Hex / Hk が得られる。ここでＨθによる回転角の変化 Δθ《θ
０とすると幅方向の磁化変化分ΔＭは次式で表せられ
る。 ΔM = Ms cosθ0 Δθ (4) またＨθによる項を含めた全エネルギーは次式で表せら
れる。 E = -Ms( Hθ + Hk ) cos[π/2 - (θ0 + Δθ)] -Ms Hex cos ( θ0 + Δθ) (5) この（５）式を用い図４に示す（７）式よりΔθを求め
( ４) 式に代入すると、図４に示す（６）式となる。従
ってＨｅｘ＜Ｈｋでは磁界の増加とともに透磁率μθす
なわちインピーダンスＺが増加し、Ｈｅｘ＝Ｈｋで最大
値をとった後、磁界の増加とともに減少することが示さ
れる。また、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に
向いているときには外部磁界Ｈｅｘによる幅方向の透磁
率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さ
くなる。

【００１７】ところで、図３の（ａ）に示した磁区構造
は理想的なものであり、実際には単層の薄膜パターンの
幅方向に一軸異方性を付与したときには幅方向に反磁界
が生じ、その反磁界エネルギーを最小にするために磁区
構造は図５に示すように磁化ベクトルが閉じた状態にな
る。この磁区構造をとることにより磁性体薄膜の内部磁
化エネルギーは最小になり安定する。

【００１８】しかし、前述したように、磁化ベクトルが
薄膜パターンの長さ方向に向いているときには外部磁界
Ｈｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しない
のでＭＩ効果は非常に小さくなる。つまり、図５に示す
９０°磁区の部分のＭＩ効果は非常に小さいものであ
り、薄膜全体のＭＩ効果を小さくしている。

【００１９】図６に示すように、幅方向に一軸異方性を
付与し、かつ、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を２層
にすることにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化
ベクトルが結合し閉じた状態になる。この状態により薄
膜の内部磁化エネルギーは最小となり安定化する。ま
た、２層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成
されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大き
くなる。

【００２０】図６に示される磁気インピーダンス素子の
磁性膜はCoZrNb、FeSiB 、CoFeB 等のアモルファススパ
ッタ膜、NiFeスパッタ膜等の軟磁性膜が用いられる。た
とえば、NiFeスパッタ膜を用いた例を説明する。非磁性
・絶縁性基板上にNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さ
だけ成膜し、さらに、Ti等の非磁性膜を約１０ｎｍ成膜
し、最後にNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成
膜した。その後、所定の磁気コア形状のフォトレジスト
パターンを該薄膜上に形成し、該フォトレジストパター
ンをエッチング用マスクとして用い、イオンミーリング
等のエッチング手段によりエッチングする。そして、フ
ォトレジストパターンを有機溶剤等により除去すること
により磁気インピーダンス素子を作製した。

【００２１】このときの非磁性膜の厚さは上下の磁性膜
の交換結合を遮断できる厚さである必要があり、その厚
さは１０ｎｍ程度以上あれば良い。さらに、ＭＩ素子は
表皮効果の透磁率依存性を用いているため、中間の非磁
性膜にはTi、Ta、Cu、Al、Au、Ag、Pt等の導電性のある
薄膜を用いることが望ましい。なお、これを絶縁薄膜で
形成する場合は、積層された磁性膜の両方の端部を、両
端側でそれぞれ互いに電気的に接続して、積層された磁
性膜を電気的に並列接続させる。

【００２２】また、上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合
し全体の内部磁気エネルギーを最小にするためには、上
下の磁性膜の磁化の総量を等しくする必要がある。この
条件として、上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、下
層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2とすると、Ms1 ×t1
＝Ms2 ×t2を満たすことが必要となる。

【００２３】図７はTiを中間膜として用いNiFeスパッタ
膜約２．５μｍ×２層の構造で作製した薄膜磁気インピ
ーダンス素子に、素子の長さ方向に０および２．４ｋＡ
／ｍの外部磁界（Ｈｅｘ）を印加したときのセンサ両端
電極Ｅ（Ｅ＝Ｚ＊Ｉ）の通電電流周波数特性である。Ｈ
ｅｘ＝０のときと、Ｈｅｘ＝２．４ｋＡ／ｍのときのＥ
の差ΔＥは通電電流の周波数２０ＭＨｚ付近で最大であ
った。

【００２４】図８は本発明によるNiFeの２層薄膜磁気イ
ンピーダンス素子（２．５μｍ×２層）に通電電流周波
数を２０ＭＨｚ（１０ｍＡ）一定としたときのインピー
ダンスの変化率の印加磁界（Ｈｅｘ）依存性を示したも
のである。比較としてNiFe単層薄膜磁気インピーダンス
素子（５μｍ）の特性を併記する。印加磁界を大きくし
ていくとインピーダンスの変化率ΔＺ／Ｚ０は大きくな
り、素子の異方性磁界ＨｋのところでΔＺ／Ｚ０は最大
となり、さらにＨｅｘ＞ＨｋではΔＺ／Ｚ０は小さくな
っていく。これらの結果は前述の理論式で示した特性と
なった。また、インピーダンスの変化率は単層膜磁気イ
ンピーダンス素子の７５％に対して２層膜磁気インピー
ダンス素子は９０％と大きい値であった。このとき、単
位印加磁界あたりのインピーダンスの変化量（磁界感
度）はＨｅｘ＝１．６ｋＡ／ｍ前後で最大となり０．０
８％／（Ａ／ｍ）の磁界感度を示した。

【００２５】また、本発明に関する薄膜磁気インピーダ
ンス素子の作製方法としての他の実施例をあげる。所定
の薄膜磁気コアの反転形状を薄い金属板に作製し、その
金属板をスパッタマスクとして用い非磁性基板をマスク
し、NiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さ、Ti等の非磁
性膜を約１０ｎｍの厚さ、さらにNiFeスパッタ膜を約
２．５μｍの厚さだけ成膜し、磁気インピーダンス素子
を作製する方法もある。

【００２６】NiFe、CoFe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、Fe
NiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNi等の
めっき膜を磁性膜として用いた実施例を示す。まず、５
０ｎｍ程度の厚さのNiFeスパッタ膜をめっき用のシード
層とするために形成する。そのシード層の上に所定のコ
イル形状の反転パターンのフォトレジストパターンを形
成し、フォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約
２．５μｍの厚さだけ埋め込む。つぎに、Cuなどの非磁
性金属を約１０ｎｍめっき法にて堆積させる。さらに、
その上にNiFeめっきを約２．５μｍの厚さだけ埋め込
む。その後、フォトレジストパターンを有機溶剤等によ
り除去し、NiFeめっき膜のシード層をエッチングにより
除去することにより磁気インピーダンス素子形成され
る。CoFeNi等のめっき膜を薄膜磁気コアとして用いたと
きも同様のプロセスで作製する。

【００２７】また、上記のいずれの方法で作製した薄膜
磁気コアも、作製した後、回転磁場中、および静止磁場
中で熱処理を行うと磁気特性の向上がはかれる。

【００２８】３層以上の多層膜において、つまり非磁性
薄膜を介してｎ層（ｎ≧３）積層されており、膜の間の
非磁性膜が電気伝導体であり、また、それぞれ偶数番目
の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和が、それぞれ
奇数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和にお
おむね等しい場合にそれぞれの層の磁性膜の磁化ベクト
ルは静磁結合をし、こ薄膜の内部磁化エネルギーは最小
となり安定化する。また、この条件で多層構造とした薄
膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そ
のＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。

【００２９】図９は３層構造の場合の実施例であり、こ
のとき、最上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、第２
層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、最下層の磁性膜の
磁化をMs3 、厚みをt3、とすると、Ms1 ×t1＋Ms3 ×t3
＝Ms2 ×t2を満たすときそれぞれの磁性層の磁化ベクト
ルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成さ
れるようになる。

【００３０】図１０は４層構造の場合の実施の形態であ
り、このとき、最上層の磁性膜の磁化を Ms1、厚みをt
1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、第３層の
磁性膜の磁化をMs3 、厚みをt3、第４層の磁性膜の磁化
をMs4 、厚みをt4とすると、Ms1 ×t1＋Ms3 ×t3＝Ms2
×t2＋Ms4 ×t4を満たすときそれぞれの磁性層の磁化ベ
クトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構
成されるようになる。

【００３１】また、図示はしていないが、ｎ層構造の場
合、最上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、第２層の
磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、……… 第n 層の磁性
膜の磁化をMsn 、厚みをtn、とすると、偶数番目の磁性
膜の厚みと磁化の大きさの積の総和が、それぞれ奇数番
目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和におおむね
等しい条件を満たすとき、それぞれの磁性層の磁化ベク
トルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成
されるようになる。

【００３２】つぎに、２層薄膜磁気インピーダンス素子
を用いて作製した薄膜磁気インピーダンス素子の特性に
ついて述べる。図１１は本発明の実施の形態に用いられ
る薄膜磁気インピーダンス（ＭＩ）素子の構造を模式的
に示した正面図、図１２は図１１のＡ−Ｂ線に沿って切
断した断面図であり、図１３は図１１のＣ−Ｄ線に沿っ
て切断した断面図である。実際の薄膜ＭＩセンサ全体は
薄膜セラミックス板、ガラス板のような板状体の上に形
成されているが、図１１ではこれを省略して示してい
る。図１１、図１２及び図１３において、１は平面形状
が長方形の薄板状に形成された薄膜磁気コアであるＭＩ
センサ板である。このＭＩセンサ板としての薄膜磁気コ
アの形状は、幅２０μｍ、厚さ５μｍ、長さ５００μｍ
である。該ＭＩセンサ板１の周囲には、絶縁物層２、３
を介して、バイアスコイル４と負帰還コイル５が同一方
向に且つ交互に巻回されている。図には正確に示しては
いないが、これらコイルの巻数は、それぞれ２０ターン
である。バイアス用、負帰還用コイルを同一面上に交互
に薄膜磁気コアに巻き回わす構造により磁気コアの各部
位に均等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えるこ
とができ磁気センサとしての感度特性の直線性が向上す
る。バイアスコイル４の両端には、バイアスコイル端子
６、７が接続され、負帰還コイル５の両端には、負帰還
コイル端子８、９が接続されている。ＭＩセンサ板１の
両端には、ＭＩセンサ端子１０、１１が接続されてい
る。これら端子はＡｕ金属薄膜から成り、先端の巾広部
は、外部配線用のパッドとなる。なお、１２は、ＭＩセ
ンサ全体を覆う絶縁保護膜である。

【００３３】薄膜磁気インピーダンス素子を磁気センサ
として用いるときは最大感度のところに動作点を持って
くることによりセンサ感度を向上することができる。こ
のため、バイアスコイルに電流を流すことによりバイア
ス磁界を加え動作点を変えることができ、１．６ｋＡ／
ｍのバイアス磁界を薄膜コイルにを用いて磁気コアに印
加することにより印加磁界０のところに磁界感度が最大
になるようにした。

【００３４】一方、バイアスコイルを用いて印加磁界０
に最大感度を持ってくるように動作点を移動した場合、
磁界に対するインピーダンスの変化（出力の変化）の直
線性はあまり良くないものとなる。この直線性を改善す
る方法として出力信号をフィードバックし負帰還コイル
を用いて磁界に対する出力の非直線性を補正するだけの
磁界を薄膜磁気コアに負帰還磁界として加えることによ
り出力信号を補正し直線性を得る方法がとられる。図１
４にリニア磁界ＭＩセンサの出力検出部の電子回路のブ
ロック図を示す。この回路により動作点を最大感度の点
に移動し、出力信号をフィードバックし、薄膜コアに負
帰還磁界を加え感度特性の直線性を高めている。

【００３５】図１５は図１４の回路を用いてバイアスコ
イル磁界１．６ｋＡ／ｍ、負帰還率５０％の負帰還をか
けたときの印加磁界に対する出力電圧の関係を示したも
のである。ここで通電電流の周波数は２０ＭＨｚであり
出力の増幅度は５００倍である。図に示すように±２４
０Ａ／ｍの測定磁界内で優れた直線性を示し、かつ、１
０^-4Ａ／ｍの磁界分解能を示した。これらの結果はリニ
ア磁界センサとして良好な特性である。

【００３６】以上、本発明を上述の実施の形態により説
明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が
可能であり、これらの変形や応用を本発明の範囲から排
除するものではない。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本願の請求
項１乃至９に係る発明では、薄膜磁気インピーダンス素
子において、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を２層に
することにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化ベ
クトルが結合し閉じた状態にせしめ、この状態により薄
膜の内部磁化エネルギーを最小とし、また、２層構造と
した薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようにな
り、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。これら
のことから高感度の磁気インピーダンス素子を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、表皮深さδを表す方程式図である。

【図２】図２は、薄膜ＭＩ素子のインピーダンスを表す
方程式図である。

【図３】図３は、薄膜ＭＩ素子の磁気コア部の磁区構造
モデル図である。

【図４】図４は、ΔＭ０の値を示す方程式図である。

【図５】図５は、本発明の一実施形態の磁気コア部の磁
区構造モデル図である。

【図６】図６は、本発明の他の実施形態の磁気コア部の
磁区構造モデル図である。

【図７】図７は、薄膜ＭＩ素子の通電電流周波数特性図
である。

【図８】図８は、薄膜ＭＩ素子の印加磁界に対するイン
ピーダンス変化率を示す特性図である。

【図９】図９は、本発明のもう一つ他の実施形態の磁気
コア部の磁区構造モデル図である。

【図１０】図１０は、本発明のさらにもう一つ他の実施
形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。

【図１１】図１１は、本発明に用いる薄膜磁気インピー
ダンス素子の構造を模式的に示した正面図である。

【図１２】図１２は、図１のＡ−Ｂ線に沿って切断した
断面図である。

【図１３】図１３は、図１のＣ−Ｄ線に沿って切断した
断面図である。

【図１４】図１４は、本発明に係る薄膜ＭＩ素子を用い
た磁気センサの出力検出部の回路ブロック図である。

【図１５】図１５は、図１４の回路における印加磁界に
対するセンサ出力を示す特性図である。

【図１６】図１６は、磁性線からなるＭＩ素子を用いた
従来の磁気センサの回路ブロック図である。

【図１７】図１７は、図１６に示す磁性線のインピーダ
ンス変化の印加磁界依存性を示した特性図である。

【符号の説明】

１・・・・・ＭＩセンサ板 ２・・・・・絶縁物層 ３・・・・・絶縁物層 ４・・・・・バイアスコイル ５・・・・・負帰還コイル ６・・・・・バイアスコイル端子 ７・・・・・バイアスコイル端子 ８・・・・・負帰還コイル端子 ９・・・・・負帰還コイル端子 １０・・・・・ＭＩセンサ端子 １１・・・・・ＭＩセンサ端子 １２・・・・・絶縁保護膜 ２０・・・・・非磁性基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯口 昭代 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−１ ミネベ ア株式会社開発技術センタ−内 (72)発明者 加藤 英樹 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−１ ミネベ ア株式会社開発技術センタ−内 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB05 AC09 AD42 AD53 AD55 AD69 BA05 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC05 BA12 BA16 BA30 5E070 MM10

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非磁性体からなる基板と該基板上に形成
   された薄膜磁気コアと該薄膜磁気コアの長手方向両端に
   設けられた第一の電極と第二の電極からなる磁気インピ
   ーダンス素子において、上記薄膜磁気コアは非磁性薄膜
   を介して複数の磁性膜が積層されていることを特徴とす
   る磁気インピーダンス素子。
2. 【請求項２】 厚みがそれぞれ等しい複数の磁性膜を積
   層せしめたことを特徴とする請求項１に記載の磁気イン
   ピーダンス素子。
3. 【請求項３】 積層された磁性膜の厚みが不揃いである
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス
   素子。
4. 【請求項４】 複数枚の磁性膜が非磁性薄膜を介して積
   層され、奇数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大
   きさの積の合計量と、偶数番目のそれぞれの磁性膜の厚
   みと磁化の大きさの積の合計量がおおむね等しいことを
   特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。
5. 【請求項５】 磁性膜間に介在する非磁性膜が電気伝導
   体であることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４
   に記載の磁気インピーダンス素子。
6. 【請求項６】 磁性膜間に介在する非磁性膜が絶縁体で
   あり、積層された磁性膜の両方の端部は両端側でそれぞ
   れ互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求
   項１又は２又は３又は４に記載の磁気インピーダンス素
   子。
7. 【請求項７】 薄膜磁気コアを構成する上記磁性膜は、
   NiFe、CoFe、NiFeP、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB
   、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNiのめっき膜によ
   り形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁
   気インピーダンス素子。
8. 【請求項８】 薄膜磁気コアを構成する上記磁性膜は、
   CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルファススパッタ膜によ
   り形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁
   気インピーダンス素子。
9. 【請求項９】 薄膜磁気コアを構成する上記磁性膜は、
   NiFeスパッタ膜により形成されていることを特徴とする
   請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。