JP2002525592A - 磁界測定センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、磁界を計るためのセンサーに関するものである。本発明のセンサーは、数層の電気的な半導体の層より成っており、ホール調査と比較してより高い計測感度を有している。前述の層は、逆方向に接続されているパワーダイオードの形に配置されており、陽極層と陰極層とその２つの層を囲む本質導電層より成っている。陽極層はいくつかの陽極層域に絶縁部分によって細分される。これらの陽極層域は互いに絶縁されている。陰極層は、反対側をドープ塗料で絶縁された絶縁部分の反対側に注水域を有している。電子ビームは、注入電圧を前述の注水器域に印加することによって、注射器域と陽極の間で形成される。電子ビームは、均一な部分的電流の形で接地された陽極層域の全域に配送される。本質導電層において形成された磁場のそばで、電子ビームはその流れを変えさせられ、接地された陽極層域で異なる強さの部分的電流になる。磁場は、これらの部分的電流の力の違いを計ることによって計測されることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 当発明は、多層電子半導体層よりなる磁界測定センサーである。

【０００２】 磁界測定センサーは、今日多方面に利用されている。例を取れば、オートマ技
術、制御技術、計測技術がある。センサーは、接触することなく間隔を測定し、
回転数を決定し、位置を確認するために使われる。情報技術では、たとえば、固
定プレートに磁気的にプールされているデジタルデータをミニ磁界センサーが読
み取る。分解不能の材料分析には、高感度磁界センサーが、物質不良欠陥を感知
する。また、医学上の診断にも超高感度センサーが導入され、生体磁力の量化に
一役買っている。

【０００３】 広く多岐にわたる応用に対応すべく、センサーが満たすべき諸条件も多種多様で
ある。いろいろな材質（金属、半導体、超伝導体）のセンサー、多様な物理原理
に基づくセンサーが必要になる。

【０００４】 各センサーは、大まかに次ぎのようにタイプ分けできる。 ―フィールドプレート、音響ゾンデ、磁気ダイオード、半導体磁気トランジスタ
ー、 ―金属と絶縁体からなる、磁気抵抗性均質層・粒状層並びに層組織 ―超伝導体のSQUIDS

【０００５】 最もよく利用されるセンサータイプ ＮｉＳｂ針付ＩｎＳｂ製フィールドプレート シリジウムまたはIII/Ｖ半導体の音響ゾンデ 均質な薄磁気金属層、たとえばNiFeよりなる磁気抵抗性AMRセンサー 最低二層の磁気金属層と一層の非金属層からなるGMRセンサー 作業温度が４Kから８０Kにわたる超伝導体NbまたはYBCOからなるSQUIDS

【０００６】 磁界や磁界の変化に応じてセンサーの感度は、前記一覧の上から下へ徐々に増
大する。

【０００７】 各センサータイプの機能に関して、以下手短に述べる。

【０００８】 フィールドプレート〔１〕の抵抗変化の原因、音響圧［２］の原因は、電荷が
磁界上を動く際、電荷に生じるローレンツ力である。

【０００９】 AMRセンサー［３］では、抵抗の変化は、先導電子の磁気拡散に基づく。磁気
拡散は、電流方向に比例した磁気化の方向にしたがって変化する。

【００１０】 GMR［４］では、機能は、また、境界面における非等方性の拡散に依拠するが
、非等方性拡散は、両磁気化が相互に形成する角度に依存している。

【００１１】 SQUIDS［５］では、磁気の働きは、超伝導体リングにおける磁気流が要素流体
量子の倍量でなければならないという原理によって決定される。

【００１２】 当発明の課題は、高感度で、極小の磁界の測定や磁界変化の測定にも対応でき
る磁界測定のセンサーを創出することにある。このセンサーは、さらに、室温で
作動可能であり、決してヒステリシス現象を生じないものでなければならない。

【００１３】 この課題の解決には、該当センサーは、１の条件、すなわち、遮断方向に始動
されるダイオードもしくはピンダイオードの形で配列された、多層の電気半導層
からなるという条件を満たしていなければならない。このような層配列は、一陽
極層、一陰極層、その間に、ある独自伝導層となっている。陽極層は、例えば、
帯状絶縁部分によって、相互に絶縁した陽極層の領域に区分されている。陰極層
は、絶縁部分に向かい合う領域上に、対立して設定されたインゼクタ領域を示し
ている。陽極層と陰極層は、遮断圧によって結合されているため、層配列は遮断
方向にバイアス電圧がかけられている。陰極層のインゼクタ領域では、注入（イ
ンゼクション）電圧がかけられる。それによって、インゼクタ領域と陽極の間に
、電子ビームが形成されるが、それは、注入（インゼクション）された電子が、
陰極のインゼクタ領域から反対側の陽極に移動するためである。その際、熱拡散
によって電子ビームの分散が生じる。この分散した電子ビームは、互いに絶縁さ
れた各陽極層領域に、均一にぶつかる。陽極層領域は、それぞれ各電流計を通し
て、接地がなされている。したがって、陽極層領域数に応じて、全電子ビームの
対応した一定部分が、それぞれ各陽極層に当たるわけである。電子ビームのこの
部分は、電流という形で、各電流計により測定できる。

【００１４】 一方、独自伝導層においては、磁界が、インゼクタ領域と陽極層間を動く電子
ビームの拡散方向に、向かって位置している。その場合、流れる電子にはローレ
ンツ力が働き、ローレンツ力は、電子ビームを回折させる。この電子ビームの回
折の影響で、相互に絶縁した陽極層領域に、全電子ビームの量のうちの、別々の
部分がぶつかることになり、結果として、陽極層領域の部分電流がそれに伴って
変化する。このような部分電流の変化から、磁界が算定される。

【００１５】 当磁界測定センサーの機能について、以下の2つの製造型を例に取り、図解で
詳細に解説する。

【００１６】 図１は、磁界測定センサーの立体像を示す。センサーは、電気半導層からなる
一連の層からなる。最上層は、この例では、ｐ^＋に設定された層でできた陰極層
２である。最下層は、この例では、ｎ^＋に設定された層でできた陽極層4である
。これらの層の間に独自伝導層３が配される。

【００１７】 陽極層４は、複数の相互に絶縁された陽極層領域に分けられる。ここで示され
た例では、陽極層４は、２つの陽極層、４ａと４ｂに分割される。陽極層領域４
ａと４ｂの間には、この両領域を相互に絶縁するために、絶縁部分５が位置する
。絶縁部分５は、このモデル例では、絶縁ベルトという形を取る。

【００１８】 陰極層２には、陽極層４の絶縁部分５に向かい合った部分で、いわゆるインゼ
クタ領域１がある。インゼクタ領域は、この場合、ｎ^＋に設定されている。

【００１９】 図２は、当センサーの、この一まとまりの層に電気がとおっている状態を示す
。このひとまとまりの層は、ここでは断面図で表される。左側には、ｐ^＋に設定
された陰極層２が見えるが、陰極層2には、その中央に、ｎ^＋に設定されたイン
ゼクタ領域１が付加されている。右側は、絶縁部分５によって相互に絶縁された
両陽極層領域４ａと４ｂを示す。陽極と陰極の間には、独自伝導層３がある。各
陽極層領域４ａ、４ｂは、ここで図式的に示した電流計８ａ、８ｂによって接地
されている。上部陽極層領域４ａの電流計を流れる電流は、この場合、Ｊｌによ
って示され、下部陽極層領域４ｂを流れる電流は、Ｊｒによって示される。

【００２０】 陰極層２と、負の電圧−Ｕ２をかける遮断電圧源７は結合されている。遮断電
圧は、独自伝導層の通常の材質、つまり、独自伝導層が剰余伝導率 約１０^‐4
Ω−cm^−１、500m厚さである場合、約１００Vになる。インゼクタ領域１は、こ
の領域に負の電圧−U1をかけるインゼクタ電圧源６と結合されている。負の電圧
−U１は陰極ポテンシャルより幾分低めに設定されている。

【００２１】 続いて、センサーの機能について、図３をもとに解説する。図３は、図２と同
じ像を示す。電子ビームの動きと磁界が付加されている。

【００２２】 遮断電圧U₂の負荷によって陰極層２と陽極層４の間には、磁界が生じるが、そ
の大きさは、 E=Ｕ₂／L (1) Lは、独自伝導層３の厚さを示す。

【００２３】 インゼクション電圧U１によって、インゼクタ領域１と、陽極層領域４ａと４
ｂからなる陽極層４との間に、電子ビーム９が形成される。それは、インゼクタ
領域１から注入（インゼクション）された電子が陽極層４に流動するためである
。電子の流動速度ｖＤは、電子の可動性μｅと先行の磁界 Ｅｘによって得られ
る。 ｖD= μeEx (2)

【００２４】 それにより、陰極と陽極の間の距離L上の流動時間 tDは、次ぎのようになる。 tD=L／vD (3)

【００２５】 この時間内に、流動する電子ビーム９は、熱拡散によって広がる。このことは
、図３において、電子ビーム９の、左方陰極層２から、右方陽極層４への動きに
よって示される。陽極層４において、これは、カーブ１１に示されるように、つ
りがね状電荷分散となる。陽極層における電荷分散は、バリアンツ ＜ｙ²＞^1/2
を示す。その算定は、次ぎの通り。 ＜y^２＞^１/２=(D tD)^1/2 (4)

【００２６】 アインシュタイン連関を用いると、 μe=(q/ｋT)D (5)

【００２７】 前述の（１）から（３）までの等式によって、次の式が得られる。 ＜y^２＞^１/２=(kT/qU２)^1/2L (６)

【００２８】 このとき、この等式では、ｋがボルツマン定数、Ｔが温度、ｑが電子の初期電
荷を示す。

【００２９】 ３００Ｋの室温では、Ｕ₂＝１００Ｖの遮断電圧、Ｌ＝３００μmの独自伝導層
幅によって、ヴァリアンツ＜ｙ^２＞^1/２＝4.8μｍの電子ビーム拡張が得られ、5
00μ ｍの幅Ｌでは、ヴァリアンツ＜ｙ^２＞^1/2＝８μｍの拡張が得られる。

【００３０】 これらビーム拡張の大きさが、インゼクタ領域１の幅と絶縁部分５の幅を固定
する。つまり、これらの幅は、拡張＜ｙ２＞1/2を超えてはならない。だが、そ
れは、上述の例に挙げた数値で、容易に実現可能である。

【００３１】 陰極層２のインゼクタ領域１が、陽極層４の絶縁部分５と向かいあって配列さ
れているため、また、陽極層４が同じ大きさの陽極層４ａと４ｂに分割されてい
るため、このシンメトリックな配列により、２つの同じ大きさの電流ＪｌとＪｒ
が、陽極層４ａならびに４ｂに向かうことになる。これらの電流は、電流計８ａ
及び８ｂによって計測される。

【００３２】 大きさBの磁界１０が、独自伝導層３における電子ビーム９の拡散方向に垂直
に位置するとすれば、電子ビームは回折される。電子ビーム中に浮動する電子に
は、ローレンツ力が働く。ローレンツ力は、電子斜フィールド Eyのように作用
する。 Ey=(μｅＢ)Ex (7)

【００３３】 これは、陽極層４に達する電子に対しては、回折ｙBへと導く。 ＹＢ＝（μｅＢ）Ｌ （８）

【００３４】 ここで提示された例においては、陽極層４の電圧分散が上に押し上げられたカ
ーブになる。これは、図３の点線の電圧分散カーブ１２で示される。それによっ
て、陽極層領域４ａの電流Jlが増加し、陽極層領域４ｂの電流Ｊrが減少する。
したがって、電流の対称性は損なわれる。

【００３５】 陽極層４における電子ビーム９の回折ＹＢが、電子ビーム分散のヴァリアンツ
＜ｙ²＞^1/2と同じようになるとすれば、非対称であることがはっきりしてくるが
、それは、電流商Ｑｊ（Ｂ）によって得られる。 Ｑｊ（Ｂ）＝（Jr−Jl）/（Jr＋Jl） （９） Ｑｊ（Ｂ）は、ほぼ値１を取る。

【００３６】 磁界Ｂｌがそこに加わる。 Bl＝（１/μｅ）（kT/ｑＵ₂）^1/２ （１０）

【００３７】 これらの等式は、もはや電子の浮動距離、つまり、独自伝導層３の幅Ｌを含ま
ない。電流商Ｑｊ（Ｂ）は、磁界が存在しない場合、値０になる。電流商は、磁
界が等式（１０）にしたがって値Ｂｌへ変化すると、値−１あるいは＋１に単調
に変化する。

【００３８】 センサーの磁界感度は、次の上昇によって表される。 δQＪ（Ｂ）/Ｂ＝ｌ/Ｂｌ＝μｅ（ｑＵ₂/ｋＴ）^1/2 （１１）

【００３９】 すでに前述した数値およびシリジウム中の電子の可動性 ｅ＝1000ｃｍ2Ｖ⁻¹
ｓ⁻¹によって、6，2Ｔ⁻¹の磁界感度値が得られる。対応する数値は、例えば、
音響ゾンデ 0，1Ｔ−1で得られる。したがって、該当のゾンデは、音響ゾンデと
比較して、ファクター（ｑＵ2/ｋＴ）^1/2＝６２感度の向上が期待できる。

【００４０】 前図で示されたセンサーでは、陽極層４は、バンド状の絶縁部分５によって分
離された、２つの同じ大きさの陽極層領域４ａと４ｂに区分された。そのため、
陰極層２の、絶縁部分５に向かい合ったインゼクタ領域1は、同じく帯様の形で
ある。こうした形態のセンサーは、インゼクタ領域の縦方向へ伸びる、磁界の場
コンポーネントしか測定できない。（図３では、これは、図の平面の中へ、ある
いは、平面から外へと伸びる磁界の場コンポーネント）

【００４１】 図４は、磁界測定センサーの新型製造モデルを示す。ここでは、陽極層は、４
つの同じ大きさの陽極層領域４ａ、ｂ、ｃ、ｄに分割される。対応する絶縁部分
５は、さらに、２つの直角に交差する帯5ａと５ｂから成る。陰極層２のインゼ
クタ領域１は、ここでは、直接絶縁部分５ａと５ｂの交差点に向き合って配列さ
れた、正方面の形になっている。

【００４２】 それによって、磁界の両コンポーネントを、電子ビーム９の拡散方向に垂直に
決定することが可能である。さらに、陽極層領域４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの電流
J１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４が測定される。一方の磁界コンポーネントを決定するに
は、差 Ｊｒ−Ｊｌが作られ、もう一方のコンポーネントを決定するには、差Ｊ
ｏ−Ｊｕが作られる。その際、もし、図４から、電流のそれぞれの記号を選択す
るなら、 Ｊｒ＝Ｊ１＋Ｊ４ （１１） Ｊｌ＝Ｊ２＋Ｊ３ （１２） Ｊｏ＝Ｊ１＋Ｊ２ （１３） Ｊｕ＝Ｊ３＋Ｊ４ （１４）

【００４３】 磁界がないとき、提示された対称的な配列において、全ての４つの総電流は、
等式（１１）から（１４）と同じ大きさであり、したがって、差電流Ｊｒ−Ｊｌ
とＪｏ−Ｊｕは、ゼロである。

【図面の簡単な説明】

【図１】センサーの立体図

【図２】電圧のかかった状態のセンサーの断面図

【図３】図２と同様の図、ただし、電子ビームと磁界の動きが加えられている
。

【図４】磁界測定センサーの、もう一つの製造モデル

【符号の説明】

１ インゼクタ領域 ２ 陰極層 ３ 独自伝導層 ４ 陽極層 ４ａ、ｂ、ｃ、ｄ 陽極層領域 ５ 絶縁部分 ５ａ、ｂ 新型製造モデルの交差する絶縁部分 ６ インゼクション電圧源 ７ 遮断電圧源 ８ａ,ｂ，ｃ，ｄ 電流計 ９ 電子ビーム 磁界 磁界のない電圧分配カーブ 磁界によってずれた電圧分配カーブ Ｌ 独自伝導層の幅＝陰極と陽極の距離 Ｕ1 インゼクタ電圧 Ｕ2 遮断電圧 ｖＤ 電子の浮動速度 ｔＤ 電子の浮動時間 ｅ 電子の運動 ＥＸ ｘ方向（陰極と陽極）の電磁場 Ｅｙ 電気斜場 ＜ｙ^２＞^１/２ 電圧分散のヴァリアンツ ｙＢ 電気斜場による電子の回折の大きさ 旧型製造型式： Ｊｌ 陽極層領域4ａにおける電流 Ｊｒ 陽極層４ｂにおける電流 Ｑｊ 電流商 Ｂ１ 磁界 新型製造モデル： J1 陽極層４ａの電流 J2 陽極層４ｂの電流 J3 陽極層４ｃの電流 J4 陽極層４ｄの電流 Jr 両右方陽極層領域の電流 Jl 両左方陽極層領域の電流 Jo 両上方陽極層領域の電流 Ju 両下方陽極層領域の電流

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多層電気半導層からなる磁界測定センサー 特性 センサーは、遮断方向で始動されるダイオードを形成する、連続するプラナー半
   導層からなる一連の層で構成されている。 一連の層の内訳は、 −１陰極層（２） −１陽極層（４） −その間の独自伝導層（３） 陽極層（４）は、絶縁部分（５）によって相互に絶縁された陽極層領域（４a，b
   ，c，d）に分割されている。 陰極層（２）には、陽極層（４）上の絶縁部分（５）に向かい合う領域に、向き
   合ったインジェクション領域（１）がある。 インジェクション領域（１）は、陰極層（２）においては、インジェクション圧
   源で結合されている。 陰極層（２）は、遮断圧源で結合され、陽極層領域（４a，b，c，d）は、それぞ
   れ電流計（８a，b，c，d）によって接地されている。
2. 【請求項２】 請求項１に基づくセンサー 特性 −陰極層（２）は、ｐ^＋に設定された層からなる。 −陽極層（４）は、ｎ^＋に設定された層からなる。 −インゼクタ領域（１）はｎ^＋に設定された層からなる。
3. 【請求項３】 請求項１に基づくセンサー 特性 −陰極層（２）は、ｎ^＋に設定された層からなる。 −陽極層（４）は、ｐ^＋に設定された層からなる。 −インゼクタ領域（１）は、ｐ^＋に設定された層からなる。
4. 【請求項４】 上記請求項のうちの１つに基づくセンサー 特性 陽極層（４）は、帯状絶縁部分（５）によって、２つの平行する陽極層領域（４
   ａ、ｂ）に分割されている。
5. 【請求項５】 上記請求項のうちの１つに基づくセンサー 特性 陽極層（４）は、２つの帯状の、垂直に交差する絶縁部分（５）によって、４つ
   の平行な陽極領域（４ａ、ｂ、ｃ、ｄ）に分割される。
6. 【請求項６】 上記請求項のうちの１つに基づくセンサー 特性 低い設定とホール及び電子の高い可動性を備えた半導体素材から成る。
7. 【請求項７】 １から５までの請求項のうちの１つに基づくセンサー 特性 シリジウムから製造
8. 【請求項８】 １から５までの請求項のうちの１つに基づくセンサー 特性 センサーは、元素周期組織III主要グループの元素とV主要グループの元素である
   、半導素材から成る。