JP2000292506A

JP2000292506A - 磁気インピーダンス素子

Info

Publication number: JP2000292506A
Application number: JP11101309A
Authority: JP
Inventors: Akio Takayama; 昭夫高山; Tamio Umehara; 多美雄梅原; Akiyo Yuguchi; 昭代湯口; Hideki Kato; 英樹加藤; Akira Goto; 後藤　　晃
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: JP3360168B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で低コスト、高出力、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の磁気イ
ンピーダンス素子を提供する。【解決手段】薄膜MIコア５は２個並列配置され、互い
に電気的に直列接続されている。薄膜MIセンサ４（薄膜
MI素子）のチップサイズを大きくせずに、そのインピー
ダンスを大きくできるため、小型で高出力の薄膜MIセン
サ４が得られる。薄膜MIコア５にはバイアス用薄膜コイ
ル11及び負帰還用薄膜コイル12が形成されており、小型
化・量産化が可能となる。構造上、コイルを薄膜MIセン
サ４に近づけられるのでコイル効率がよいため、少ない
電流で必要なバイアス磁界が得られ、かつ少ない負帰還
量で磁界に対する出力の直線性の改善が可能となる。

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、
特に高感度磁気センサである磁気インピーダンスセンサ
に関するものである。

【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
磁気センサーの要求がますます大きくなっている。たと
えば、コンピューター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
コーダーではマグネットリングの着磁密度が高いものが
要求されているので、従来用いられている磁気抵抗効果
(MR)センサー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センサーの
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ーの磁気インピーダンス
効果（特開平6-176930公報、特開平7-181239公報、特開
平7-333305公報）や、磁性薄膜の磁気インピーダンス効
果（特開平8-75835 公報、日本応用磁気学会誌vol.20,5
53(1996)参照）を利用した高感度の磁気センサが提案さ
れている。

【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し、また、小型化する
とコイルの巻数が減り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、たとえば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
1.6kA/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(GM
R) が見いだされてきた。しかし、数10％の抵抗変化を
得るためには数十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実現されていない。

【０００５】フラックスゲートセンサはパーマロイ等の
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°の高指向性を有する。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
う問題点がある。

【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公報、特開平7-181239公
報、特開平7-333305公報により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１２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。図１２の磁気インピーダンス素子１
では、磁性線２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）が用いられている。図１３はワイヤ（例えば図
１２の磁性線２）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】磁気センサとしては、
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公報、特開平6-347489公報において
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センサ（高感
度磁気インピーダンス素子）を提供できることが示され
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て作
製しなければならず小型化するには限界があり、かつ、
ワイヤの表面には酸化膜が形成されていることから電極
の半田付け性が悪いなど生産性の面でも問題があった。
さらに、大きなセンサ出力を得ることを目的に、素子の
インピーダンスを大きくするために素子の長さを長くす
ると磁気センサの小型化には適さなくなる。一方、ワイ
ヤをつづらおりに曲げて用いることも考えられるが、磁
性体であるワイヤを曲げると、その歪み応力により磁気
特性が劣化し、センサ出力が著しく悪くなる。また、ワ
イヤを数本に分割しそれらのワイヤを並列に配置し、電
気的に直列に接続して用いることも考えられるが、電極
の半田付けの問題等の生産性の問題を含んでいる。

【００１０】一方、小型化の試みとして特開平8-75835
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。この場合、センサ出力を大きくとるため、つまり、
インピーダンスの変化量ΔZ を大きくとるためには、イ
ンピーダンスの変化率ΔZ/Z 、素子の幅、厚みを一定と
すると素子の長さを長くしなければならない。このた
め、全体のチップサイズが大きくなるという問題点があ
る。

【００１１】また、「電子技術」（日刊工業新聞社） 1
992-12月号66〜69頁の図３に示されるような磁性薄膜を
つづらおり型に形成することにより磁気コアの長さを長
くする磁気インピーダンス（MI）素子が提案されている
が、この構造では、湾曲部の磁区構造が複雑となり、外
部から磁界が印加されたとき、湾曲部の磁壁が不均一な
動きをするバルクハウゼンジャンプに起因する素子の出
力電圧の急激な変化によるノイズの原因となる。

【００１２】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、高出力、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の磁気インピ
ーダンス素子を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
非磁性体からなる基板と、該基板上に形成され、その長
手方向両端に電極が設けられた薄膜磁気コアとからなる
磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアは
少なくとも２個以上、並列配置されてなり、かつ、前記
それぞれの薄膜磁気コアは互いに電気的に直列接続され
ていることを特徴とする。上記の構成のように薄膜磁気
コアは少なくとも２個以上、並列配置されてなり、か
つ、前記それぞれの薄膜磁気コアは互いに電気的に直列
接続すれば、全体のチップサイズを大きくすることがな
く、磁気インピーダンス素子のインピーダンスを大きく
することができ、それによりセンサ出力が大きくでき
る。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成において、前記薄膜磁気コアには絶縁体を介して薄膜
バイアスコイル及び薄膜負帰還コイルが形成されてお
り、該薄膜バイアスコイルと薄膜負帰還コイルは一定間
隔をもって同一平面に交互に同一方向に巻回され、か
つ、それぞれ同一回数巻回されていることを特徴とす
る。上記の磁気インピーダンス素子において、並列配置
された薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を介してバイアス
用、および負帰還用薄膜コイルを巻き回した構造とす
る。この構造により、磁気センサの小型化、量産化が可
能となり、かつ、上記のような構造に作製された薄膜コ
イルはコイル効率がよいため、少ない電流で必要なバイ
アス磁界が得られ、また、少ない負帰還量で磁界に対す
る出力の直線性の改善が可能となる。また、バイアス用
薄膜コイル、および負帰還用薄膜コイルを同一面上に交
互に巻き回わすことにより薄膜の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特性が安定する。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１または２
に記載の構成において、前記薄膜磁気コアは、NiFe、Co
Fe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB
、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも１
種が選択されためっき膜より形成されていることを特徴
とする。請求項４記載の発明は、請求項１または２に記
載の構成において、前記薄膜磁気コアは、CoZrNb、FeSi
B 、CoSiB のいずれかから形成されるアモルファススパ
ッタ膜、またはNiFeスパッタ膜により形成されているこ
とを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
の磁気インピーダンス素子を図１ないし図５に基づき、
図１０及び図１１を参照して説明する。まず、磁気イン
ピーダンス素子（以下、適宜、磁気インピーダンスをMI
として示す）の磁気インピーダンス効果（MI効果）及び
その特性等に関して説明する。

【００１７】MI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
通電電流の周波数ｆとともに増加する抵抗分Rwとによる
インピーダンスZ 〔式（１）で示される〕が、外部から
磁界を印加することにより該インピーダンスZ が変化す
る磁性体の幅方向の透磁率

【数１】の関数として変化することによるものである。

【００１８】

【数２】

【００１９】そして、磁性体が薄膜の場合、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 / 2δ）
と表せられる。また、膜厚ｄ》２δの場合、インダク
タンスL は、L = Li（ 2δ/ d ）と表せられる。こ
こで、δは表皮深さを示し、式(2) に示す値となる。

【００２０】

【数３】

【００２１】従って薄膜のインピーダンスZ は、Z = Rd
c (d / 2δ）＋j ωLi（ 2δ/ d ）となる。ここで、
薄膜の厚さを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Z は式(3) に示すものとなる。

【００２２】

【数４】

【００２３】ここで、表皮深さδは式(2) に示すもので
あるので薄膜のインピーダンスＺは透磁率

【数５】の関数となる。

【００２４】また、図１０に示されるように薄膜３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３の長さ方向に高周
波電流I_ac を流した場合、幅方向の高周波電流による磁
界が生じるが、180 °磁壁の移動は渦電流制動により妨
げられる。また、高周波電流による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

【数６】は小さい。

【００２５】一方、薄膜３のパターンの長さ方向に外部
磁界Hex （図１１）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、磁束の変化が生じるの
で透磁率

【数７】が大きくなる。外部磁界Hex が膜パターン（薄膜３のパ
ターン）の異方性磁界Hkと同じになったとき

【数８】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、

【数９】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。

【００２６】これらの現象を磁化回転モデルに基づき図
１１を用いて検証する。

【数１０】の場合、回転角θ₀ は次式(4) のエネルギー極小条件に
より定まる。

【００２７】 E₀ = -Ku cos²(π/2 -θ₀ ) - Ms Hex cos θ₀ … (4)

【００２８】従って、Hk = 2 Ku / Ms を用いて、θ
₀ = Hex / Hk が得られる。ここで

【数１１】による回転角の変化 Δθ《θ₀ とすると幅方向の磁
化変化分ΔM は次式(5)で表せられる。

【００２９】 ΔM = Ms cosθ₀ Δθ … (5) また、

【数１２】による項を含めた全エネルギーは次式で表せられる。

【００３０】

【数１３】

【００３１】この式(6) 及び次式(7) よりΔθを求め、
このΔθを式(5) に代入すると式(8) となる。

【００３２】

【数１４】

【００３３】従って、Hex ＜Hkでは磁界の増加とともに
透磁率

【数１５】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Hex による幅方向の

【数１６】はほとんど変化しないのでMI効果は非常に小さくなる。

【００３４】ここで、本発明の第１の実施の形態を説明
する。図１は第１の実施の形態の薄膜MIセンサ４（磁気
インピーダンス素子）の構造を示す模式図である。以
下、薄膜MIセンサ４は、２本の薄膜MI磁気コア５が間隔
を20μm にして並列に配置され、それぞれのコア５は電
気的に直列にCuのような非磁性導体６で連結されてい
る。この場合、センサ素子（薄膜MIセンサ４）全体の長
さを長くすることなく磁気コア（薄膜MI磁気コア５）の
合計の長さを２倍にできるためインピーダンスは２倍に
なり、かつ、外部からの磁界は２本の磁気コアに均一に
かかるためセンサ感度（薄膜MIセンサ４の感度）は２倍
になる。コア５は図示しない非磁性体からなる基板（図
７非磁性基板20参照）上に形成されている。

【００３５】図１で薄膜MI磁気コア５は、NiFe、CoFe、
NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP、CoB 、NiCoB 、FeN
iCoB 、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも１種が選
択されためっき膜（軟磁性膜）より形成されている。な
お、薄膜MI磁気コア５は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のい
ずれかから形成されるアモルファススパッタ膜（軟磁性
膜）、またはNiFeスパッタ膜（軟磁性膜）により形成す
るようにしてもよい。

【００３６】ここで、NiFeめっき膜を薄膜磁気コア（薄
膜MI磁気コア５）として用いたときの作製例を説明す
る。まず、200nm 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、その後、フォトレジストパターンの間
にNiFeめっきを約3μm の厚さだけ埋め込み、さらにフ
ォトレジストパターンを有機溶剤等により除去した後、
NiFeスパッタ膜のシード層をエッチングにより除去する
ことにより形成される。CoFeNiめっき膜を薄膜磁気コア
（薄膜MI磁気コア５）として用いたときも同様のプロセ
スで作製する。また、薄膜磁気コアを作製した後、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。

【００３７】図１で７は薄膜MI素子（薄膜MIセンサ４）
に高周波電流を流すための電極である。また、上述した
ようにCuのような非磁性導体６は、２本の薄膜MI磁気コ
ア５を電気的に直列に接続するための導体であるが、非
磁性導体６としてはAu、Al等の非磁性低抵抗導体でもよ
い。非磁性導体６にCuを用いた場合について説明する。
50nm程度の厚さのCuスパッタ膜をめっき用のシード層と
するために形成し、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た
後、フォトレジストパターンの間にCuめっきを約3 μm
の厚さだけ埋め込み、さらにフォトレジストパターンを
有機溶剤等により除去した後、 Cu スパッタ膜のシード
層をエッチングにより除去することにより形成される。
また、 Cu スパッタ膜を約3 μm の厚さだけ製膜し、そ
の後、所定のコイル形状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をエッチング用マスクと
して、イオンミリング等のエッチング手段によりエッチ
ングし、さらに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下層コイル部を作製することも
できる。この導体部の端部にはAuのワイヤボンディング
用パッドが形成される。その後、スライサーにより、そ
れぞれのチップに切断される。このときのチップサイズ
は2.3mm ×1.2mm であった。

【００３８】図１は、２本の薄膜MI磁気コア５を用いた
薄膜MIセンサ４を示しているが、図２に示すように薄膜
MI磁気コア５を３本、並列に配置して薄膜MIセンサ４を
構成してもよいし、図３に示すように４本以上の薄膜MI
磁気コア５を並列に配置して薄膜MIセンサ４を構成して
もよい。図２及び図３において、並列に配置された薄膜
MI磁気コア５の間隔は20μm であり、それぞれの薄膜MI
磁気コア５は電気的に直列にCuのような非磁性導体６で
連結されている。ところで、３本以上の素子（薄膜MI磁
気コア５）を近接して並列配置すると最も外側に位置す
る素子（薄膜MI磁気コア５）と内側に位置する素子（薄
膜MI磁気コア５）では、それぞれの素子が磁気的干渉を
起こし、それぞれの素子に均等に磁界がはいらないこと
が考えられる。ここで、図４は３本の素子（薄膜MI磁気
コア５）を並列配置し、一様磁界を印加したときの外側
の素子と内側の素子の磁束の差を見たものである。それ
ぞれの素子の間隔を変えたときに外側の素子に対する内
側の素子の磁束密度を％表示したものであり、素子の間
隔が狭くなると干渉の影響が見られるが、その差は、た
とえば間隔が５μm のときでも３％程度であり、ほとん
ど問題にならない量である。

【００３９】図５に２本の薄膜MI磁気コア５を並列に配
置し、それぞれの薄膜MI磁気コア５を電気的に直列に連
結して構成した薄膜MIセンサ４（図１）、および、３本
の薄膜MI磁気コア５を並列に配置し、それぞれの薄膜MI
磁気コア５を電気的に直列に連結して構成した薄膜MIセ
ンサ４（図２）の磁界−インピーダンス特性を示す。測
定電流は20MHz 、40mAp-p のsine波とした。また、比較
として１本の薄膜MI磁気コア５の場合の特性も示す。出
力値は２、３本の薄膜MI磁気コア５を直列接続した薄膜
MIセンサ４の出力値は１本の薄膜MI磁気コア５の場合に
比べて、２倍、３倍であった。

【００４０】次に、本発明の第２の実施の形態を図６な
いし図９に基づいて説明する。図６は本発明の薄膜MIセ
ンサ４の構造について絶縁膜を省いてその他の要素の配
置を示した平面図である。薄膜MIセンサ４の薄膜MI磁気
コア５の形状は幅20μm 、厚さ3 μm 、長さ2000μm で
あり、絶縁膜10を介して薄膜磁気コア（薄膜MI磁気コア
５）にバイアス用薄膜コイル11、負帰還用薄膜コイル12
が立体的に巻き回されている。バイアス用薄膜コイル1
1、負帰還用薄膜コイル12は交互に巻き回されており、
その巻き数はそれぞれ42ターンである。また、それぞれ
の電極部の一部にはワイヤボンド用のAuのパッドが施さ
れている。

【００４１】図７は薄膜MIセンサ４の作製プロセスであ
り図６の長手方向に沿う断面で示している。次に図７
(a) 〜(e) を用いて薄膜MIセンサ４の詳細な構造と作製
プロセスを説明する。図７(a) から順に図７(e) まで薄
膜プロセスが積み上げられて薄膜MIセンサ４が作製され
る。

【００４２】図７(a) にはバイアス用薄膜コイル11及び
負帰還用薄膜コイル12を構成するコイル下層部（下層コ
イル部21）を示し、それぞれのコイル部の端部において
図７(e) に示すコイル上層部22のコイル端部と接続さ
れ、連続したバイアス用薄膜コイル11及び負帰還用薄膜
コイル12が構成される。

【００４３】下層コイル部21は、Al2O3 セラミックウェ
ーハー、Siウェーハー、ガラスウェーハー等の表面平滑
性を高めた非磁性基板20上に、50nm程度の厚さのCuスパ
ッタ膜をめっき用のシード層とするために形成し、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た後、フォトレジストパタ
ーンの間にCuめっきを約3 μm の厚さだけ埋め込み、さ
らにフォトレジストパターンを有機溶剤等により除去し
た後、 Cu スパッタ膜のシード層をエッチングにより除
去することにより形成される。一方、 Cu スパッタ膜を
約3 μm の厚さだけ製膜し、その後、所定のコイル形状
のフォトレジストパターンを形成し、フォトレジストパ
ターンをエッチング用マスクとして、イオンミリング等
のエッチング手段によりエッチングし、さらにフォトレ
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
下層コイル部21を作製することもできる。

【００４４】上記によるCuコイル（バイアス用薄膜コイ
ル11及び負帰還用薄膜コイル12）の作製方法は導体ワイ
ヤを巻き回してコイルを作製する方法や導体薄帯を巻き
回してコイルを作製する方法に比べてコイル自体を小型
化でき、かつコイルを磁気コア（薄膜MI磁気コア５）に
近づけることができるためコイル効率を高めることが可
能となる。

【００４５】図７(b) の10a は下層コイル部と薄膜磁気
コアを電気的に絶縁するため形成するための絶縁膜であ
る。この絶縁膜10a はフォトレジストを露光、現像の工
程を行い所定の絶縁膜10a の形状に形成後270 ℃、10時
間の熱処理を行い硬化させたものである。また、ポリイ
ミドなどの樹脂を硬化させたものやSiO2などの無機膜を
所定の形状に形成したものを用いてもかまわない。

【００４６】図７(c) の５は前記薄膜MI磁気コアであ
り、NiFe、CoFe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、
CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeの群の内から少
なくとも１種が選択されためっき膜（軟磁性膜）より形
成されている。なお、薄膜MI磁気コア５は、CoZrNb、Fe
SiB 、CoSiB のいずれかから形成されるアモルファスス
パッタ膜（軟磁性膜）、またはNiFeスパッタ膜（軟磁性
膜）により形成するようにしてもよい。

【００４７】ここでNiFeめっき膜を薄膜MI磁気コア５と
して用いたときの作製例を示す。まず、50nm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、その後、フ
ォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約3 μm の厚
さだけ埋め込み、さらにフォトレジストパターンを有機
溶剤等により除去後、NiFe スパッタ膜のシード層をエ
ッチングにより除去することにより形成される。 CoFeN
i めっき膜を薄膜MI磁気コア５として用いたときも同様
のプロセスで作製する。また、薄膜MI磁気コア５を作製
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。

【００４８】次に、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を薄膜
MI磁気コア５として用いる場合の作製プロセスを示す。
たとえばCoZrNbスパッタ膜を約3 μm の厚さだけ成膜
し、その後、所定の磁気コア形状のフォトレジストパタ
ーンを形成し、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、イオンミリング等のエッチング手段
によりエッチングし、さらに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下層コイル部21を
作製することもできる。一方、所定の薄膜MI磁気コア５
の反転形状を薄い金属板に作製し、それをスパッタマス
クとして用いるメタルマスク法もあるが、この方法では
微細の形状の磁気コアが得られにくく、その寸法精度も
悪く好ましくはない。

【００４９】図７(d) の10b は上層コイル部（コイル上
層部22）と薄膜MI磁気コア５を電気的に絶縁するための
絶縁膜である。作製方法は図７(b) で示した絶縁膜10a
の場合と同様である。図７(e) はバイアス用薄膜コイル
11及び負帰還用薄膜コイル12を構成するコイル上層部22
であり、図７(a) の説明で示したようにそれぞれのコイ
ル部の端部において図７(a) に示すコイル下層部（下層
コイル部21）のコイル端部と接続され、連続したバイア
ス用薄膜コイル11及び負帰還用薄膜コイル12が構成され
る。作製方法は図７(a) で示したコイルの場合と同様で
ある。

【００５０】最後に、図示されていないが、作製された
磁気センサ部を保護するための保護層と磁気センサの駆
動および検知するための周辺回路との電気的接続を得る
ためのワイヤボンド用のボンディングパッドを作製す
る。保護層は図７(b) で示した絶縁膜10a と同様にフォ
トレジストを露光、現像の工程を行い所定の絶縁膜10a
の形状に形成後270 ℃、10時間の熱処理を行い硬化させ
たものである。また、ポリイミドなどの樹脂を硬化させ
たり、SiO2などの無機膜を所定の形状に形成してもかま
わない。電極部の一部に設けられているワイヤボンド用
のAuパッドはAuめっき膜、あるいはAuスパッタ膜で作製
される。その作製工程はCuコイルの場合とほぼ同様の工
程で作製される。

【００５１】つぎに、作製した薄膜MIセンサ４の特性に
ついて述べる。ここで薄膜MI磁気コア５の寸法は幅20μ
m 、厚さ3 μm 、長さ2000μm であり、その薄膜MI磁気
コア５が２本直列に接続されている。素子のチップサイ
ズは2.3mm ×0.8mm であった。また、バイアス用薄膜コ
イル11及び負帰還用薄膜コイル12は同一面上に交互に巻
き回されており、その巻き数はそれぞれ42ターンであ
る。バイアス用薄膜コイル11及び負帰還用薄膜コイル12
を同一面上に交互に薄膜MI磁気コア５に巻き回わす構造
により薄膜MI磁気コア５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
（薄膜MIセンサ４）としての特性が安定する。

【００５２】図６に示す薄膜MIセンサ４を２個用い、差
動駆動できるように配置し、磁気センサの回路方式は図
８に示す差動駆動回路30とし、磁界検出用磁気センサ31
を構成した。磁界検出用磁気センサ31は、２個の薄膜MI
センサ４に高周波電流を供給する発振回路部32を有して
いる。差動駆動回路30は、ダイオードD1-1，D1-2，D2-
1，D2-2等からなる検波部（符号省略）を有する検出回
路部33と、検出回路部33からの信号を差動増幅して出力
する増幅部34とからなっている。増幅部34の出力部と負
帰還用薄膜コイル12は負帰還部35を介して接続されてお
り、増幅部34からの出力信号が負帰還用薄膜コイル12に
負帰還されるようになっている。

【００５３】上記回路構成の磁界検出用磁気センサ31を
用い、バイアスコイル磁界240(A/m)、負帰還率40% の負
帰還をかけたときの、印加磁界に対するセンサ（磁界検
出用磁気センサ31）の出力電圧の関係を図９に示す。こ
こで通電電流はパルスの幅5ns のパルス波でパルス電流
は35mAであり出力の増幅度は25倍である。図に示すよう
に２本の磁気コア（薄膜MI磁気コア５）を並列に配置し
直列に接続したときの出力は、比較として測定した１本
の磁気コア（薄膜MI磁気コア５）の場合に比べて２倍の
出力となった。同様に、３本の磁気コア（薄膜MI磁気コ
ア５）を並列に配置し直列に接続したときの出力も３倍
となった。このときのチップサイズは2.3mm ×1.2mm で
あり、１本の磁気コアのチップサイズと同じ大きさであ
った。

【００５４】センサ特性は±80(A/m) の測定磁界内で優
れた直線性を示し、かつ、10^-3(A/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
性を示すものである。また、アモルファスワイヤに銅線
を巻き回した負帰還コイルを用いた素子の場合では、図
９と同等の直線性を得るためには約300%の負帰還をかけ
なければならない。アモルファスワイヤに銅線を巻き回
した負帰還コイルに対して、薄膜コイルは約1/6 の負帰
還率で同等の直線性を得れられたのは、バイアスコイル
のところで述べたように、コイルを磁気コア（薄膜MI磁
気コア５）に近づけることができ薄膜コイルのコイル効
率が高くなることによるものである。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、薄膜磁気コアは少なくとも２
個以上、並列配置されてなり、かつ、前記それぞれの薄
膜磁気コアは互いに電気的に直列接続されており、素子
のチップサイズを大きくすることなく、磁気インピーダ
ンス素子のインピーダンスを大きくできるため、小型で
高出力の磁気センサが得られる。薄膜磁気コアには絶縁
体を介して薄膜バイアスコイル及び薄膜負帰還コイルが
形成されており、磁気インピーダンス素子の小型化・量
産化が可能となり、かつ、上記のような構造に作製され
た薄膜コイルはコイル効率がよいため、少ない電流で必
要なバイアス磁界が得られ、また、少ない負帰還量で磁
界に対する出力の直線性の改善が可能となる。これらの
ことから高感度で感度の直線性が良く、温度特性のすぐ
れた薄膜リニア磁界センサを提供できる。さらに、バイ
アス用薄膜コイル、および負帰還用薄膜コイルを交互に
巻き回わすことにより薄膜の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
気センサとしての特性が安定する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気インピーダン
ス素子のコイルと絶縁膜を除いた要部を示す平面図であ
る。

【図２】３本の薄膜MIコアを用いた磁気インピーダンス
素子のコイルと絶縁膜を除いた要部を示す平面図であ
る。

【図３】４本以上の薄膜MIコアを用いた磁気インピーダ
ンス素子のコイルと絶縁膜を除いた要部を示す平面図で
ある。

【図４】３本の薄膜MI磁気コアを並列配置し、一様磁界
を印加したときの外側の素子と内側の素子の磁束の距離
に対する内側の素子の磁束密度を％表示した特性図であ
る。

【図５】薄膜MI磁気コアがそれぞれ１本、２本及び３本
である磁気インピーダンス素子の磁界−インピーダンス
特性を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態について絶縁膜を省
いてその他の要素の配置を示した平面図である。

【図７】薄膜MIセンサの作製プロセスを示す図である。

【図８】図１に示す薄膜MIセンサを２個用いて構成した
磁界検出用磁気センサを示す回路図である。

【図９】図８の磁界検出用磁気センサの出力電圧特性を
示す図である。

【図１０】薄膜MI素子の特性を説明するための磁区モデ
ルを示す図である。

【図１１】薄膜MI素子の特性を説明するための図であ
る。

【図１２】従来の磁気インピーダンス素子を模式的に示
す図である。

【図１３】図１２の磁性線のインピーダンス変化の印加
磁界依存性を示す図である。

【符号の説明】

４薄膜MIセンサ（薄膜インピーダンス素子）５薄膜MIコア（薄膜磁気コア）６非磁性導体

───────────────────────────────────────────────────── 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ー内 (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ー内 (72)発明者後藤晃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ー内Ｆターム(参考） 2G017 AA04 AC09 AD55 AD59 AD63 AD65 BA03 BA05 BA10 5E049 AA01 AA04 AA07 AC01 BA16 5E070 AA01 AB01 BA12 CB12 CB20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非磁性体からなる基板と、該基板上に形
成され、その長手方向両端に電極が設けられた薄膜磁気
コアとからなる磁気インピーダンス素子において、前記
薄膜磁気コアは少なくとも２個以上、並列配置されてな
り、かつ、前記それぞれの薄膜磁気コアは互いに電気的
に直列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。
【請求項２】前記薄膜磁気コアには絶縁体を介して薄
膜バイアスコイル及び薄膜負帰還コイルが形成されてお
り、該薄膜バイアスコイルと薄膜負帰還コイルは一定間
隔をもって同一平面に交互に同一方向に巻回され、か
つ、それぞれ同一回数巻回されていることを特徴とする
請求項１記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項３】前記薄膜磁気コアは、NiFe、CoFe、NiFe
P 、FeNiP 、FeCoP、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB
、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも１種が選択さ
れためっき膜より形成されていることを特徴とする請求
項１または２に記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項４】前記薄膜磁気コアは、CoZrNb、FeSiB 、
CoSiB のいずれかから形成されるアモルファススパッタ
膜、または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または２に記載の磁気インピーダン
ス素子。