JP2004333217A - Magnetic field detector - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界検出装置に係り、特に、磁石薄膜によるバイアス印加構造を複合化した磁界検出装置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伴い、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。例えば、コンピュータの外部記憶装置である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)ヘッドへと高性能化が進んできている。
【0003】
しかしながら、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、よ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、さらに生体磁場計測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。
【0004】
このような状況の中、小型で高感度な磁気センサが各種開発されている。
【0005】
現在用いられている代表的な磁気検出素子としては、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(下記特許文献1、2又は3)が提案されており、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(下記特許文献4、下記非特許文献1参照)も提案されている。
【0006】
これらの磁気センサの中で、高感度で、しかも、ICチップ内部にモールドして1チップ化することが可能な磁気センサとして、磁気抵抗効果(MR)素子と磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサがある。しかし、これらの磁気センサは、バイアス磁界という直流磁界をあらかじめセンサ素子に印加しておかなければ、センサの動作点を確保することができない。
【0007】
そのバイアス磁界を印加する方法としては、コイル等の導体に電流を流してバイアス磁界を発生させる方法、磁石を複合化させてバイアス磁界を発生させる方法、交換結合を利用してバイアス磁界と同等の効果を生じさせる方法が知られている。
【0008】
磁石を複合化させる方法の中でも、磁石膜あるいは磁石層を使用する方法として、磁界検出方向が90°違う並列したMR素子に対して夫々の素子から45°の角度となる方向に磁界を発生する1枚の磁石膜でバイアス磁界を印加する方法(下記特許文献5参照)、磁界検出方向が90°違う並列した磁気インピーダンス素子に対して夫々の素子から45°の角度となる方向に磁界を発生する1枚の磁石膜でバイアス磁界を印加する方法(下記特許文献6参照)、磁界検出素子の上下左右の少なくともいずれか一方に磁石層を配置する方法(下記特許文献7参照)、さらに、1本の磁気インピーダンス素子の両端部に接触するように、磁石層を1個ずつ配置させることでバイアス磁界を印加する方法(下記特許文献8参照)がある。
【0009】
また、バルク磁石、あるいはシート磁石により、バイアス磁界を印加する方法として、磁気インピーダンスセンサに積層させる構造(下記特許文献9、10参照)等がある。
【0010】
【特許文献1】
特開平6−176930号公報
【特許文献2】
特開平7−181239号公報
【特許文献3】
特開平7−333305号公報
【特許文献4】
特開平8−75835号公報
【特許文献5】
特許2923959号公報
【特許文献6】
特開2001−305201号公報
【特許文献7】
特開2000−206127号公報
【特許文献8】
特開2000−162295号公報
【特許文献9】
特開2002−43649号公報
【特許文献10】
特開2002−55148号公報
【非特許文献1】
日本応用磁気学会誌vol.20,553(1996)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、バイアス磁界が必要な磁界検出装置に対して、磁石薄膜を用いてバイアス磁界を印加する構造を採用した場合に生じる問題、すなわち、センサ駆動電流を供給する電極構造と磁石薄膜の配置の際に生じる干渉に起因して、素子構造が複雑化する問題、素子サイズが大きくなる問題、および複雑化した素子構造により制御が困難になる高周波の特性インピーダンス制御の問題を同時に解決できるようにする。
【0012】
すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、インピーダンス変化を利用した磁界検出装置において、小型化・低消費電力化を図ることができるとともに、特性インピーダンスの制御が可能であり、高周波特性の良好な磁界検出装置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】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕磁性体に直接高周波を通電し外部磁界によるインピーダンス変化を利用する磁界検出装置において、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に接続される導電性の磁石薄膜とを備え、前記磁石薄膜にバイアス磁界印加と同時に電気回路の機能を持たせることを特徴とする。
【0014】
〔2〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜を素子駆動回路における導電路の一部として用いることを特徴とする。
【0015】
〔3〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁気インピーダンス素子と前記磁石薄膜の間の特性インピーダンスを制御することにより、高周波特性を改善することを特徴とする。
【0016】
〔4〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜を前記磁気インピーダンス素子の左右の何れか一方に配置することを特徴とする。
【0017】
〔5〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜をスロットラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成することを特徴とする。
【0018】
〔6〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜を前記磁気インピーダンス素子の左右に配置し、前記磁石薄膜をコプレーナラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成することを特徴とする。
【0019】
〔7〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜を前記磁気インピーダンス素子の下部に絶縁膜を介して配置することを特徴とする。
【0020】
〔8〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、絶縁構造を導入して電気的に分割した磁石薄膜を用いることを特徴とする。
【0021】
〔9〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜を前記磁気インピーダンス素子の上下に絶縁膜を介して配置し、前記磁石薄膜を電極として用いることを特徴とする。
【0022】
〔10〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜を磁界検出素子の通電電極とすることを特徴とする。
【0023】
〔11〕上記〔10〕記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜に電極材料を積層して形成することを特徴とする。
【0024】
〔12〕上記〔1〕記載の磁界検出装置において、前記磁気インピーダンス素子の周囲にほぼ半楕円形状に形成される2個の磁石薄膜を備えることを特徴とする。
【0025】
〔13〕上記〔1〕〜〔12〕記載の何れか1項記載の磁界検出装置において、前記磁石薄膜として、SmCo5 合金を用いることを特徴とする。
【0026】
本発明によれば、磁性体に高周波電流を通電し、外部磁場に応じたインピーダンス変化を利用した磁界検出装置において、センサにあらかじめ印加しなければならないバイアス磁界を小型の磁石薄膜で印加するとともに、磁石薄膜を電気回路としても用いることにより、素子の小型化と低消費電力化を実現する。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0028】
図1は本発明の第1実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の左右いずれか片方に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【0029】
この図において、1は基板、2,4,6は電極パッド、3は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、5は磁石薄膜、7は磁石の磁化方向、8は高周波電流通電方向、9は磁界検出方向を示している。
【0030】
ここでは、磁界検出方向9に対し磁界検出部3の左右いずれか片方に配置した磁石薄膜5を導電路として用いるようにしている。
【0031】
図2は本発明の第2実施例を示す磁石薄膜をスロットラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成した構造の磁界検出装置の模式図である。
【0032】
この図において、11は基板、12,14,15,17は電極パッド、13は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、16は磁石薄膜、18は磁石の磁化方向、19は高周波電流通電方向、20は磁界検出方向を示している。
【0033】
このように、磁石薄膜16をスロットラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成するように構成している。
【0034】
図3は本発明の第3実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の左右両方に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【0035】
この図において、21は基板、22,24,25,27,28,30は電極パッド、23は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、26,29は磁石薄膜、31は磁石の磁化方向、32は高周波電流通電方向、33は磁界検出方向を示している。
【0036】
ここでは、磁石薄膜26,29をコプレーナラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成するようにしている。
【0037】
図4は本発明の第4実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の下側に絶縁膜を介して磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【0038】
この図において、41は基板、42,44は電極パッド、43は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、45は磁石薄膜、46は絶縁膜、47は磁石の磁化方向、48は高周波電流通電方向、49は磁界検出方向を示している。
【0039】
ここでは、磁界検出方向49に対し磁界検出部43の下側に絶縁膜46を介して磁石薄膜45を配置するようにしている。そして、磁石薄膜45を導電路として用いている。また、絶縁膜46の誘電率と膜厚を制御することにより、特性インピーダンスの制御が可能である。
【0040】
図5は本発明の第5実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の上下両方に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【0041】
この図において、51は基板、52は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、53は絶縁膜、54,55は磁石薄膜、56は磁石の磁化方向、57は磁界検出方向を示している。
【0042】
ここでは、磁石薄膜54,55をストリップラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成している。
【0043】
図6は本発明の第6実施例を示す磁界検出部を磁石薄膜に開けた穴の内部に配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【0044】
この図において、61は基板、62,64は接続電極、65,67は電極パッド、63は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、66,68は磁石薄膜、69は磁石の磁化方向、70は磁界検出方向を示している。
【0045】
ここでは、磁石薄膜66,68に開けた穴の形状をほぼ半楕円形状とすることにより、印加するバイアス磁界の均一化が可能となる。ここでは、磁石薄膜66,68を導電路として用いている。このように、磁石薄膜66,68を電気的に分断するために導入したスリット等の絶縁構造も請求の範囲に含まれる。
【0046】
上記したように、バイアス磁界が必要な磁界検出素子に対して、導電性の磁石薄膜を用いてバイアス磁界を印加すると同時に、この磁石薄膜を電気回路の一部として使用することにより、素子構造の簡素化を図る。更に、高周波駆動の磁気センサに対しては、特性インピーダンスを制御しやすい構造を提供可能とする。
【0047】
具体的には、磁界検出方向に対し、磁界検出部の左右いずれか片方あるいは左右両方に磁石薄膜を配置する。または、磁界検出部の上下いずれか片側あるいは上下両側に磁石薄膜を配置する。さらには、磁界検出部をリング状に囲むように磁石薄膜を配置した磁気インピーダンス素子において、この導電性の磁石薄膜を電極構造体として使用して素子構造を簡素化したり、表面実装用パッドとして使用したりすることにより素子構造の簡素化と小型化を実現する。さらには、磁界検出部と磁石薄膜の幾何学的配置を制御し特性インピーダンス制御を実現する。
【0048】
以下に、更に具体的な実施例を示す。
【0049】
(実施例1)
図7は本発明の実施例1の磁界検出素子と磁石薄膜のレイアウトと素子構造を示す図である。本実施例では、磁界検出素子の左右両側に磁石薄膜を配置したコプレーナ構造を有した磁界検出装置について説明する。
【0050】
この図において、71は磁界検出素子(磁気インピーダンス素子)、72は接続線、73,74は磁石薄膜(組成SmCo5 )、75,76,77は電極パッドである。各部の寸法も表示されている。
【0051】
上記した、磁界検出素子71の磁性体材料組成は、Co85Nb12Zr3 であり、RFスパッタ(Ar雰囲気)にてガラス基板上に成膜した。素子寸法は長さ2mm、幅20μm、膜厚2.1μmでありリフトオフ法あるいはイオンミリング法を用いてパターニングした。磁性膜は成膜後に磁界中熱処理を施し、磁気異方性を付与した。磁界中熱処理条件は、回転磁界中熱処理(40kA/m、400℃、2時間)、静磁界中熱処理(40kA/m、400℃、1時間)である。 磁石薄膜73,74の組成はSmCo5 であり、磁界中RFスパッタ(Ar雰囲気)にて磁界検出素子71の磁界中熱処理が終了した後に形成した。磁界中RFスパッタの磁界は磁石薄膜73,74に磁化させたい方向に磁界を印加し、その磁界強度は3500e以上になるようにした。磁石薄膜73,74のパターニングはリフトオフ法あるいはイオンミリング法を用いた。なお、本成膜条件における磁石薄膜73,74の残留磁束密度は0.81Tであった。
【0052】
電極パッド75,76,77および接続線72はTi/Cu薄膜で形成した。
【0053】
より詳細に説明すると、磁石薄膜73,74の寸法は、長さ3mm、幅1.5mmで、膜厚2.0μmである。2つの磁石薄膜73,74は、磁界検出素子71から左右に20μmずつ離した位置に配置した。磁界検出素子71と磁石薄膜73,74の間を電気的に接続する接続線72と電極パッド75,76,77の形成はすべての磁性膜が形成し終わった後に行なわれ、ここでは、ウエハプローブを用い反射法によりインピーダンスを測定するために、素子の一端にG−S−Gのプローブが接触するパッドを形成し、他端の磁界検出素子71と磁石薄膜73,74は短絡構造とした。
【0054】
素子の磁界検出特性の評価は、ヘルムホルツコイルにより外部磁界Hexを印加した際の素子インピーダンス変化を測定することにより行なった。測定はネットワークアナライザ(例えばHP4396B)を用いて反射法により測定した。
【0055】
上記した磁界検出素子特性の測定結果について説明する。
【0056】
図8は本発明の実施例1を示す磁界検出装置の外部磁界Hex(Oe)に対するインピーダンス(絶対値)の特性図である。図8における破線は、薄膜磁石を複合化する前の特性であり、外部磁界0の位置を対称軸として左右対称な特性となっている。また、図8における実線は、本実施例の磁石薄膜を複合化した際の特性であり、外部磁界0の位置で素子の動作点にあることが分かる。実線と破線を比較してわかるように、SmCo5 磁石薄膜73,74を導電路として使用してもその抵抗増加はわずかであり、磁石薄膜を導電路として使用したことによる特性劣化はみられないことがわかる。
【0057】
図9はSmCo5 磁石薄膜の残留磁束密度の環境劣化特性を示す図であり、横軸に85℃85%RH暴露時間〔hr〕、縦軸に残留磁束密度Br〔T〕を示している。測定は恒温恒湿槽を用い、85℃85%RHの高温高湿度環境で加速試験を行なったものである。結果として、85℃85%RH環境に175時間放置しても残留磁束密度の極端な劣化は観測されず、薄膜表面も光沢を維持したきれいな状態であった。
【0058】
この結果から、SmCo5 磁石薄膜の良好な耐環境性が示され、特別な保護膜を形成しなくても実用環境に耐えられると予想される。従って、次のような素子構造も有効である。すなわち、図10に示すように、図7に示したTi/Cu薄膜からなる接続線72を使わずに、磁石薄膜78(73,74と同じもの)を接続線として使用するようにしている。
【0059】
この際のバイアス磁界の乱れは、素子特性を極端に劣化させるほどではなく、Ti/Cu膜よりも耐環境性が高い素子を形成可能とするとともに、接続線の作製プロセスを省略できるという利点がある。
【0060】
(実施例2)
図11は本発明の実施例2の磁界検出素子と磁石薄膜のレイアウトと素子構造を示す図である。
【0061】
この図において、81は磁界検出素子(磁気インピーダンス素子)、82,83はSmCo5 磁石薄膜、84,85は電極パッドである。
【0062】
本発明の実施例2の磁界検出素子81は、小型薄型のバイアス印加構造の複合磁界検出素子を実現するが、本バイアス構造複合磁界検出素子81のメリットは、これに留まらず、素子実装の側面でも有効性を発揮する。以下にその実施例を示す。
【0063】
上記磁界検出素子81の磁性体材料組成は、Co85Nb12Zr3 であり、RFスパッタ(Ar雰囲気)にてガラス基板上に成膜した。素子寸法は長さ2mm、幅20μm、膜厚2.1μmでありリフトオフ法あるいはイオンミリング法を用いてパターニングした。磁性膜は成膜後に磁界中熱処理を施し、磁気異方性を付与した。磁界中熱処理条件は、回転磁界中熱処理(40kA/m、400℃、2時間)静磁界中熱処理(40kA/m、400℃、1時間)である。
【0064】
磁石薄膜82,83の組成はSmCo5 であり、磁界中RFスパッタ(Ar雰囲気)にて上記磁界検出素子81の磁界中熱処理が終了した後に形成した。磁界中スパッタの磁界は磁石薄膜82,83に磁化させたい方向に磁界を印加し、その磁界強度は3500e以上になるようにした。磁石薄膜82,83のパターニングはリフトオフ法あるいはイオンミリング法を用いた。なお、本成膜条件における磁石薄膜82,83の残留磁束密度は0.81Tであった。また、電極パッド84,85はTi/Cu薄膜で形成した。
【0065】
より詳細に説明すると、本バイアス構造複合磁界検出素子81の左右両側に磁石薄膜82,83を配置し、この磁石薄膜82,83上にハンダ接合に相性の良いCu薄膜を積層させ、これをプリント基板への表面実装用電極パッド84,85とした構造となっている。SmCo5 磁石薄膜82,83の寸法は、長さ3mm、幅1.5mmで、膜厚2.0μmである。2つの磁石薄膜82,83は、磁界検出素子から左右に20μmずつ離した位置に配置した。電極パッド84,85の形成はすべての磁性膜を形成し終わった後に行なわれた。
【0066】
本バイアス構造複合磁界検出素子81は、磁界検出素子端部を拡幅させ、その端部を各々別の磁石薄膜82,83に接続し、接続線とする構造となっている。
図11に示す素子構造は、実施例1と同じコプレーナ線路形状のように見えるが、電流経路から考えると、コプレーナ線路とは全く違う物である。本実施例によるセンサ素子を100MHz以上の高周波で駆動した場合は、電極として用いた磁石薄膜82,83間の浮遊容量の影響が大きくなり、センサ感度を低下させる。従って、本実施例の素子は、100MHz以下の周波数領域で駆動する素子に対し有効である。
【0067】
図12は本発明の磁気検出装置をプリント基板上に表面実装した模式図である。
【0068】
この図において、91は基板、92は磁界検出部(磁気インピーダンス素子)、93,94は接続線、95,96は磁石薄膜、97はプリント基板、98,99は回路パターン、101,102は回路パターン98,99と磁石薄膜95,96とを接続するハンダ(リフローハンダ工程によるハンダ付け)である。
【0069】
このように、磁気検出装置は、マウント装置による自動マウントとリフローハンダ工程、あるいは導電性樹脂を用いた表面実装プロセスに適した構造であり、プリント基板97への実装を容易にして、大量生産に適した磁気検出装置を簡易な構造で製造可能にすることができ、安価なバイアス構造複合化磁気検出装置を提供することができる。
【0070】
本発明によれば、上記したように、素子駆動回路における導電路の一部として用いたバイアス磁界を印加するための導電性を有する磁石薄膜と、磁界検出部とを電磁気的に結合するまで近接させることで、これらの間に生じる特性インピーダンスを制御することができる。
【0071】
磁石薄膜を電極として使用し、磁界検出部との間で、特性インピーダンスを一定とする制御が可能な伝送線路構造である、スロットラインを形成させることができる。
【0072】
磁石薄膜を電極として使用し、磁界検出部との間で、特性インピーダンスを一定とする制御可能な伝送線路である、コプレーナラインを形成することができる。
【0073】
磁石薄膜を電極として使用し、磁界検出部との間で、特性インピーダンスを一定とする制御可能な伝送線路である、ストリップ線路あるいはマイクロストリップ線路を形成することができる。
【0074】
磁界検出部より磁石薄膜の面積を大きくし、磁界検出部が薄膜磁石の磁極と近接しないように、かつ磁界検出部の端部と磁極が均一な距離になるように配置することができる。
【0075】
絶縁構造を導入して、電気的に分割した磁石薄膜を設けることができる。
【0076】
磁石薄膜に電極材料を積層し、これを磁界検出素子への通電電極とすることができる。
【0077】
磁石薄膜を磁界検出素子への通電電極として構成することができる。
【0078】
また、本発明によれば、バイアス磁界を磁石薄膜で印加するとともに、以下の特徴を有する。
【0079】
(1)磁石薄膜に導電性を有した磁石材料を使用する。
【0080】
(2)磁石薄膜に、バイアス磁界印加と同時に電気回路の機能を持たせることで、磁石薄膜と電気回路との干渉を除き、小型化と低消費電力化を図る。
【0081】
(3)センサ素子と磁石薄膜の間の特性インピーダンスを制御することにより、高周波特性を改善することができる。
【0082】
また、バイアスコイルが不要の小型・低消費電力磁気インピーダンスセンサが実現可能であり、携帯機器等への磁気センサの搭載に好適である。
【0083】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0084】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0085】
(A)バイアス磁界を不可欠とする磁界検出装置について、導電性の磁石薄膜を用いてバイアス磁界を印加すると同時にこの磁石薄膜を導電路として使用することで、電流によりバイアス磁界を発生させるコイルを付加しなくても動作点を確保するためのバイアス磁界が得られると同時に、電極構造の役割を磁石薄膜に受け持たせることで、磁界検出装置の構造を簡略化し、磁界検出装置の小型化を実現することができる。
【0086】
(B)磁界検出素子に、高周波電流を導入して駆動する磁界検出装置において、磁石薄膜を接地導体とし、伝送線路を構成することにより、特性インピーダンスを一定とした設計が可能となり、バイアス磁界構造を複合化した高周波駆動型磁界検出装置として有効である。伝送線路としては、スロットライン、コプレーナライン、ストリップライン、マイクロストリップラインが実現できる。
【0087】
(C)導電性の磁石薄膜を用いてバイアス磁界を印加すると同時にこの磁石薄膜を導電路として使用し、さらに磁石薄膜上に電極パッドを形成した構造とすることで、表面実装等の回路モジュール製造工程に適用可能な、小型磁界検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の左右いずれか片方に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【図2】本発明の第2実施例を示す磁石薄膜をスロットラインの接地電極として用い、高周波伝送線路を形成した構造の磁界検出装置の模式図である。
【図3】本発明の第3実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の左右両方に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【図4】本発明の第4実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の下側に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【図5】本発明の第5実施例を示す磁界検出方向に対し磁界検出部の上下両方に磁石薄膜を配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【図6】本発明の第6実施例を示す磁界検出部を磁石薄膜に開けた穴の内部に配置した構造の磁界検出装置の模式図である。
【図7】本発明の実施例1の磁界検出素子と磁石薄膜のレイアウトと素子構造を示す図である。
【図8】本発明の実施例1を示す磁界検出装置の外部磁界Hex(Oe)に対するインピーダンス(絶対値)の特性図である。
【図9】本発明の実施例1を示すSmCo5 磁石薄膜の残留磁束密度の環境劣化特性を示す図である。
【図10】本発明の実施例1の磁界検出素子と磁石薄膜のレイアウトと素子構造の変形例を示す図である。
【図11】本発明の実施例2の磁界検出素子と磁石薄膜のレイアウトと素子構造を示す図である。
【図12】本発明の磁気検出装置をプリント基板上に表面実装した模式図である。
【符号の説明】
1,11,21,41,51,61,91 基板
2,4,6,12,14,15,17,22,24,25,27,28,30
,42,44,65,67,75,76,77,84,85 電極パッド
3,13,23,43,52,63,92 磁界検出部(磁気インピーダンス素子)
5,16,26,29,45,54,55,66,68,78,95,96
磁石薄膜
7,18,31,47,56,69 磁石の磁化方向
8,19,32,48 高周波電流通電方向
9,20,33,49,57,70 磁界検出方向
46,53 絶縁膜
62,64 接続電極
71,81 磁界検出素子(磁気インピーダンス素子)
72,93,94 接続線
73,74,82,83 SmCo5 磁石薄膜
97 プリント基板
98,99 回路パターン
101,102 ハンダ(リフローハンダ工程によるハンダ付け)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic field detection device, and more particularly to a magnetic field detection device having a combined bias application structure using a magnet thin film.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art With the rapid development of information devices and measurement / control devices in recent years, there has been an increasing demand for magnetic sensors that are small, low-cost, have high sensitivity and high response speed. For example, in a hard disk drive which is an external storage device of a computer, the performance has been improved from a bulk type inductive magnetic head to a thin film magnetic head and a magnetoresistive (MR) head.
[0003]
However, a rotary encoder, which is a rotation sensor of a motor, has a large number of magnetic poles of a magnet ring, and a magnetic sensor capable of detecting a weaker surface magnetic flux with high sensitivity is required instead of a conventional magnetoresistive effect (MR) sensor. It has become to. In addition, demand for a high-sensitivity magnetic sensor that can be used for nondestructive inspection, banknote inspection, and biomagnetic field measurement is increasing.
[0004]
Under such circumstances, various small and highly sensitive magnetic sensors have been developed.
[0005]
Typical magnetic detecting elements currently used include an inductive reproducing magnetic head, a magnetoresistive (MR) element, a flux gate sensor, and a Hall element. Recently, a high-sensitivity magnetic sensor using the magneto-impedance effect of an amorphous wire (
[0006]
Among these magnetic sensors, a magnetic sensor using a magnetoresistive effect (MR) element and a magnetic impedance effect is a highly sensitive magnetic sensor that can be molded into an IC chip to form one chip. is there. However, these magnetic sensors cannot secure an operating point of the sensor unless a DC magnetic field called a bias magnetic field is applied to the sensor element in advance.
[0007]
As a method of applying the bias magnetic field, a method of generating a bias magnetic field by passing a current through a conductor such as a coil, a method of generating a bias magnetic field by combining magnets, and a method of generating a bias magnetic field using exchange coupling are equivalent to the bias magnetic field. Methods for producing the effect are known.
[0008]
Among the methods of combining magnets, as a method using a magnet film or a magnet layer, a magnetic field is generated in a direction at an angle of 45 ° from each element with respect to parallel MR elements whose magnetic field detection directions are different by 90 °. A method of applying a bias magnetic field with a single magnetic film (see
[0009]
Further, as a method of applying a bias magnetic field by using a bulk magnet or a sheet magnet, there is a structure in which a magnetic field is laminated on a magnetic impedance sensor (see
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-6-176930 [Patent Document 2]
JP-A-7-181239 [Patent Document 3]
JP-A-7-333305 [Patent Document 4]
JP-A-8-75835 [Patent Document 5]
Japanese Patent No. 2923959 [Patent Document 6]
JP 2001-305201 A [Patent Document 7]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-206127 [Patent Document 8]
JP 2000-162295 A [Patent Document 9]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-43649 [Patent Document 10]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-55148 [Non-Patent Document 1]
Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, vol. 20,553 (1996)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has a problem that occurs when a structure in which a bias magnetic field is applied using a magnet thin film is adopted for a magnetic field detection device requiring a bias magnetic field, that is, an electrode structure for supplying a sensor drive current and an arrangement of the magnet thin film. The problem that the device structure becomes complicated, the device size becomes large, and the problem of high-frequency characteristic impedance control that becomes difficult to control due to the complicated device structure due to the interference generated at the time of I do.
[0012]
That is, in view of the above-described circumstances, the present invention can achieve downsizing and low power consumption in a magnetic field detection device using an impedance change, control of characteristic impedance, and excellent high-frequency characteristics. It is an object to provide a magnetic field detection device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] A magnetic field detection device that uses a change in impedance due to an external magnetic field by applying a high frequency directly to a magnetic body, comprising: a magnetic impedance element; and a conductive magnet thin film connected to the magnetic impedance element. It is characterized in that an electric circuit function is provided simultaneously with the application of a bias magnetic field.
[0014]
[2] The magnetic field detecting device according to [1], wherein the magnet thin film is used as a part of a conductive path in an element driving circuit.
[0015]
[3] The magnetic field detection device according to the above [1], wherein high frequency characteristics are improved by controlling a characteristic impedance between the magnetic impedance element and the magnet thin film.
[0016]
[4] The magnetic field detecting device according to the above [1], wherein the magnet thin film is arranged on one of the left and right sides of the magneto-impedance element.
[0017]
[5] The magnetic field detecting device according to [1], wherein the magnet thin film is used as a ground electrode of a slot line to form a high-frequency transmission line.
[0018]
[6] The magnetic field detection device according to [1], wherein the magnet thin film is disposed on the left and right sides of the magnetic impedance element, and the magnet thin film is used as a ground electrode of a coplanar line to form a high-frequency transmission line. I do.
[0019]
[7] The magnetic field detecting device according to the above [1], wherein the magnet thin film is arranged below the magnetic impedance element via an insulating film.
[0020]
[8] The magnetic field detection device according to the above [1], characterized in that an insulating structure is introduced and a magnetic thin film that is electrically divided is used.
[0021]
[9] The magnetic field detecting device according to the above [1], wherein the magnet thin film is disposed above and below the magnetic impedance element via an insulating film, and the magnet thin film is used as an electrode.
[0022]
[10] The magnetic field detection device according to the above [1], wherein the magnet thin film is used as a current-carrying electrode of a magnetic field detection element.
[0023]
[11] The magnetic field detector according to the above [10], wherein an electrode material is laminated on the magnet thin film.
[0024]
[12] The magnetic field detection device according to [1], further comprising two magnet thin films formed in a substantially semi-elliptical shape around the magneto-impedance element.
[0025]
[13] In the magnetic field detecting device according to any one of [1] to [12] above, as the magnet thin, which comprises using the SmCo 5 alloy.
[0026]
According to the present invention, a high-frequency current is applied to a magnetic body, and in a magnetic field detection device using an impedance change according to an external magnetic field, a bias magnetic field that must be applied to a sensor in advance is applied with a small magnet thin film, By using the magnet thin film also as an electric circuit, miniaturization of the element and reduction in power consumption are realized.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0028]
FIG. 1 is a schematic view of a magnetic field detecting device according to a first embodiment of the present invention, which has a structure in which a magnet thin film is disposed on one of the right and left sides of a magnetic field detecting unit with respect to a magnetic field detecting direction.
[0029]
In this figure, 1 is a substrate, 2, 4, and 6 are electrode pads, 3 is a magnetic field detecting unit (magnetic impedance element), 5 is a magnet thin film, 7 is a magnet magnetization direction, 8 is a high-frequency current flowing direction, and 9 is a magnetic field. The detection direction is shown.
[0030]
Here, the magnet
[0031]
FIG. 2 is a schematic view of a magnetic field detecting device having a structure in which a high-frequency transmission line is formed using a magnet thin film as a ground electrode of a slot line according to a second embodiment of the present invention.
[0032]
In this figure, 11 is a substrate, 12, 14, 15, and 17 are electrode pads, 13 is a magnetic field detecting section (magnetic impedance element), 16 is a magnet thin film, 18 is a magnet magnetization direction, 19 is a high-frequency current flow direction, 20 Indicates a magnetic field detection direction.
[0033]
As described above, the high-frequency transmission line is formed by using the magnet
[0034]
FIG. 3 is a schematic view of a magnetic field detection device according to a third embodiment of the present invention, which has a structure in which magnet thin films are disposed on both the left and right sides of a magnetic field detection unit with respect to a magnetic field detection direction.
[0035]
In this figure, 21 is a substrate, 22, 24, 25, 27, 28, and 30 are electrode pads, 23 is a magnetic field detecting section (magnetic impedance element), 26 and 29 are magnet thin films, 31 is a magnetization direction of a magnet, and 32 is a magnet. The high-frequency current flowing direction and 33 indicate the magnetic field detection direction.
[0036]
Here, the magnet
[0037]
FIG. 4 is a schematic view of a magnetic field detection device according to a fourth embodiment of the present invention, which has a structure in which a magnet thin film is disposed below a magnetic field detection unit with respect to a magnetic field detection direction via an insulating film.
[0038]
In this figure, 41 is a substrate, 42 and 44 are electrode pads, 43 is a magnetic field detector (magnetic impedance element), 45 is a magnet thin film, 46 is an insulating film, 47 is a magnet magnetization direction, 48 is a high-frequency current flow direction,
[0039]
Here, the magnet
[0040]
FIG. 5 is a schematic view of a magnetic field detecting device according to a fifth embodiment of the present invention, which has a structure in which magnet thin films are disposed both above and below a magnetic field detecting unit with respect to a magnetic field detecting direction.
[0041]
In this figure, 51 is a substrate, 52 is a magnetic field detection unit (magnetic impedance element), 53 is an insulating film, 54 and 55 are magnet thin films, 56 is a magnet magnetization direction, and 57 is a magnetic field detection direction.
[0042]
Here, the high-frequency transmission lines are formed by using the magnet
[0043]
FIG. 6 is a schematic diagram of a magnetic field detecting device according to a sixth embodiment of the present invention, which has a structure in which a magnetic field detecting unit is arranged inside a hole formed in a magnet thin film.
[0044]
In this figure, 61 is a substrate, 62 and 64 are connection electrodes, 65 and 67 are electrode pads, 63 is a magnetic field detection unit (magnetic impedance element), 66 and 68 are magnet thin films, 69 is a magnet magnetization direction, and 70 is a magnetic field. The detection direction is shown.
[0045]
Here, by making the shape of the holes formed in the magnet
[0046]
As described above, a bias magnetic field is applied to a magnetic field detecting element requiring a bias magnetic field by using a conductive magnet thin film, and at the same time, the magnet thin film is used as a part of an electric circuit, so that the element structure is improved. Simplify. Further, it is possible to provide a structure in which the characteristic impedance can be easily controlled for a high frequency driven magnetic sensor.
[0047]
Specifically, the magnet thin film is disposed on one or both sides of the magnetic field detection unit with respect to the magnetic field detection direction. Alternatively, a magnet thin film is arranged on one of the upper and lower sides of the magnetic field detection unit or on both the upper and lower sides. Furthermore, in a magneto-impedance element in which a magnet thin film is arranged so as to surround the magnetic field detecting portion in a ring shape, the conductive magnet thin film can be used as an electrode structure to simplify the element structure or be used as a surface mounting pad. By doing so, the simplification and miniaturization of the element structure are realized. Further, the geometrical arrangement of the magnetic field detection unit and the magnet thin film is controlled to realize characteristic impedance control.
[0048]
Hereinafter, more specific examples will be described.
[0049]
(Example 1)
FIG. 7 is a diagram showing the layout and element structure of the magnetic field detecting element and the magnet thin film according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, a magnetic field detection device having a coplanar structure in which magnet thin films are arranged on both left and right sides of a magnetic field detection element will be described.
[0050]
In this figure, 71 is a magnetic field detecting element (magnetic impedance element), 72 is a connection line, 73 and 74 are magnet thin films (composition SmCo 5 ), and 75, 76 and 77 are electrode pads. The dimensions of each part are also displayed.
[0051]
The magnetic material composition of the magnetic
[0052]
The
[0053]
More specifically, the dimensions of the magnet
[0054]
The evaluation of the magnetic field detection characteristics of the element was performed by measuring a change in the element impedance when an external magnetic field Hex was applied by a Helmholtz coil. The measurement was performed by a reflection method using a network analyzer (for example, HP4396B).
[0055]
The measurement results of the above-described magnetic field detection element characteristics will be described.
[0056]
FIG. 8 is a characteristic diagram of impedance (absolute value) with respect to an external magnetic field Hex (Oe) of the magnetic field detection device according to the first embodiment of the present invention. The broken line in FIG. 8 is a characteristic before the thin film magnet is combined, and is a symmetrical characteristic with the position of the external
[0057]
FIG. 9 is a diagram showing the environmental degradation characteristics of the residual magnetic flux density of the SmCo 5 magnet thin film, in which the horizontal axis represents the exposure time at 85 ° C. and 85% RH [hr], and the vertical axis represents the residual magnetic flux density Br [T]. The measurement was performed by performing an acceleration test in a high temperature and high humidity environment of 85 ° C. and 85% RH using a constant temperature and humidity chamber. As a result, even when left in an environment of 85 ° C. and 85% RH for 175 hours, no extreme deterioration of the residual magnetic flux density was observed, and the surface of the thin film was in a beautiful state maintaining gloss.
[0058]
These results show that the SmCo 5 magnet thin film has good environmental resistance, and is expected to be able to withstand a practical environment without forming a special protective film. Therefore, the following element structure is also effective. That is, as shown in FIG. 10, the magnet thin film 78 (same as 73 and 74) is used as a connection line without using the
[0059]
The disturbance of the bias magnetic field at this time does not not only deteriorate the element characteristics extremely, but also enables an element having higher environmental resistance than the Ti / Cu film to be formed, and has an advantage that a process of manufacturing a connection line can be omitted. is there.
[0060]
(Example 2)
FIG. 11 is a diagram showing a layout and an element structure of a magnetic field detection element and a magnet thin film according to a second embodiment of the present invention.
[0061]
In this figure, 81 is a magnetic field detecting element (magnetic impedance element), 82 and 83 are SmCo 5 magnet thin films, and 84 and 85 are electrode pads.
[0062]
The magnetic
[0063]
The magnetic material composition of the magnetic
[0064]
The composition of the magnet
[0065]
More specifically, magnet
[0066]
The bias structure composite magnetic
The element structure shown in FIG. 11 looks like the same coplanar line shape as the first embodiment, but is completely different from the coplanar line in view of the current path. When the sensor element according to the present embodiment is driven at a high frequency of 100 MHz or more, the effect of the stray capacitance between the magnet
[0067]
FIG. 12 is a schematic diagram of the magnetic detection device of the present invention surface-mounted on a printed circuit board.
[0068]
In this figure, 91 is a substrate, 92 is a magnetic field detecting section (magnetic impedance element), 93 and 94 are connection lines, 95 and 96 are magnet thin films, 97 is a printed board, 98 and 99 are circuit patterns, 101 and 102 are circuits. This is a solder for connecting the
[0069]
As described above, the magnetic detection device has a structure suitable for automatic mounting by a mounting device and a reflow soldering process, or a surface mounting process using a conductive resin. A suitable magnetic detection device can be manufactured with a simple structure, and an inexpensive bias structure combined magnetic detection device can be provided.
[0070]
According to the present invention, as described above, the magnet thin film having conductivity for applying the bias magnetic field used as a part of the conductive path in the element drive circuit is brought into close proximity with the magnetic field detection unit until it is electromagnetically coupled. By doing so, the characteristic impedance generated between them can be controlled.
[0071]
By using a magnet thin film as an electrode, a slot line having a transmission line structure capable of controlling the characteristic impedance to be constant can be formed between the slot line and the magnetic field detection unit.
[0072]
Using a magnet thin film as an electrode, a coplanar line, which is a controllable transmission line with a constant characteristic impedance, can be formed with the magnetic field detection unit.
[0073]
Using a magnet thin film as an electrode, a strip line or a microstrip line, which is a controllable transmission line with a constant characteristic impedance, can be formed with the magnetic field detection unit.
[0074]
The area of the magnet thin film can be made larger than that of the magnetic field detection unit, and the magnetic field detection unit can be arranged so as not to be close to the magnetic pole of the thin film magnet, and so that the end of the magnetic field detection unit and the magnetic pole are at a uniform distance.
[0075]
An insulating structure can be introduced to provide an electrically divided magnet thin film.
[0076]
An electrode material is laminated on the magnet thin film, and this can be used as a current-carrying electrode for the magnetic field detecting element.
[0077]
The magnet thin film can be configured as a current-carrying electrode for the magnetic field detection element.
[0078]
According to the present invention, a bias magnetic field is applied by a magnet thin film, and the following features are provided.
[0079]
(1) Use a magnet material having conductivity for the magnet thin film.
[0080]
(2) By providing the magnet thin film with an electric circuit function simultaneously with the application of the bias magnetic field, interference between the magnet thin film and the electric circuit is eliminated, and miniaturization and low power consumption are achieved.
[0081]
(3) High-frequency characteristics can be improved by controlling the characteristic impedance between the sensor element and the magnet thin film.
[0082]
Further, a small-sized and low-power-consumption magnetic impedance sensor that does not require a bias coil can be realized, and is suitable for mounting a magnetic sensor on a portable device or the like.
[0083]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0085]
(A) For a magnetic field detection device that requires a bias magnetic field, a bias magnetic field is applied using a conductive magnet thin film, and at the same time, a coil that generates a bias magnetic field by current is added by using this magnet thin film as a conductive path. A bias magnetic field for securing the operating point can be obtained without the need for this, and at the same time, the role of the electrode structure is assigned to the magnet thin film, which simplifies the structure of the magnetic field detection device and reduces the size of the magnetic field detection device. can do.
[0086]
(B) In a magnetic field detecting device driven by introducing a high-frequency current to a magnetic field detecting element, by using a magnet thin film as a ground conductor and configuring a transmission line, it is possible to design the characteristic impedance to be constant, and to obtain a bias magnetic field structure. Is effective as a high-frequency drive type magnetic field detection device that combines the above. As transmission lines, slot lines, coplanar lines, strip lines, and microstrip lines can be realized.
[0087]
(C) By applying a bias magnetic field using a conductive magnet thin film and simultaneously using the magnet thin film as a conductive path and further forming an electrode pad on the magnet thin film, manufacturing a circuit module for surface mounting or the like. A small magnetic field detection device applicable to the process can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a magnetic field detecting device according to a first embodiment of the present invention, which has a structure in which a magnet thin film is disposed on one of right and left sides of a magnetic field detecting unit with respect to a magnetic field detecting direction.
FIG. 2 is a schematic view of a magnetic field detecting device having a structure in which a high-frequency transmission line is formed using a magnet thin film as a slot line ground electrode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a magnetic field detecting device according to a third embodiment of the present invention, having a structure in which magnet thin films are disposed on both the left and right sides of a magnetic field detecting unit with respect to a magnetic field detecting direction.
FIG. 4 is a schematic view of a magnetic field detection device according to a fourth embodiment of the present invention, which has a structure in which a magnet thin film is arranged below a magnetic field detection unit with respect to a magnetic field detection direction.
FIG. 5 is a schematic view of a magnetic field detection device according to a fifth embodiment of the present invention, which has a structure in which magnet thin films are disposed both above and below a magnetic field detection unit with respect to a magnetic field detection direction.
FIG. 6 is a schematic view of a magnetic field detection device according to a sixth embodiment of the present invention, which has a structure in which a magnetic field detection unit is disposed inside a hole formed in a magnet thin film.
FIG. 7 is a diagram illustrating a layout and an element structure of a magnetic field detection element and a magnet thin film according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram of impedance (absolute value) with respect to an external magnetic field Hex (Oe) of the magnetic field detection device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the environmental degradation characteristics of the residual magnetic flux density of the SmCo 5 magnet thin film showing Example 1 of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a modification of the layout and element structure of the magnetic field detection element and the magnet thin film according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a layout and an element structure of a magnetic field detection element and a magnet thin film according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram of the magnetic detection device of the present invention surface-mounted on a printed circuit board.
[Explanation of symbols]
1,11,21,41,51,61,91
, 42, 44, 65, 67, 75, 76, 77, 84, 85
5,16,26,29,45,54,55,66,68,78,95,96
Magnet
72, 93, 94
Claims (13)
(a)磁気インピーダンス素子と、
(b)該磁気インピーダンス素子に接続される導電性の磁石薄膜とを備え、
(c)前記磁石薄膜にバイアス磁界印加と同時に電気回路の機能を持たせることを特徴とする磁界検出装置。In a magnetic field detection device that applies a high frequency directly to a magnetic material and uses the impedance change due to an external magnetic field,
(A) a magnetic impedance element;
(B) a conductive magnet thin film connected to the magnetic impedance element,
(C) A magnetic field detecting device wherein the magnet thin film is provided with a function of an electric circuit simultaneously with the application of a bias magnetic field.
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