JP2005201775A - 共振型磁気センサとこれを用いた磁場検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部被測定磁場を単純な構造で、低消費電力、超小型、大量生産性であり、かつ高感度でデジタル化しやすい磁気センサとこれを用いた各種応用の装置を提供する。
【解決手段】振動板を基板に形成した共振型磁気センサとし、振動板の励振手段と共振周波数の検出手段とを備え、強磁性体薄膜が、振動板と基板とに空隙を介して対向配置して形成してあり、これらの振動板に形成された強磁性体薄膜Ａと基板側に形成された強磁性体薄膜Ｂとが外部被検出磁場により磁化し、これらの強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとの磁極間に働く磁気的力で振動板の共振周波数が変化し、その共振周波数の変化に基づく出力の変化から外部被検出磁場を知るようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、カンチレバなどの振動板の共振周波数が外部被検出磁場により変化し、この変化から外部被検出磁場を検出するようにした高感度で小型の共振型磁気センサとこれを用いた磁場検出装置に関するものである。

超小型のカンチレバなどの振動板がＭＥＭＳ技術で容易に形成できるので、センサ自体が超小型になりやすく、地磁気センサ、磁気記録再生用磁気ヘッド、エンコーダや磁気を利用した電流センサなどに好適な磁気センサとなり、また、これを用いた磁場検出装置では、やはり小型にできるので、携帯電話やカーナビなどに用いるハンディな方位表示装置、磁場測定装置、電流を非接触で検出する電流センサとして用いた電流表示装置などに用いられるものである。

従来、探針と板バネからなる磁気力顕微鏡用カンチレバを用い、探針を硬磁性薄膜でコ−ティングして、垂直磁気記録媒体の記録状態を測定する「磁気力顕微鏡用カンチレバー」があった（特開平６−２４９９３３）。

また、従来、記録ヘッドの磁界特性である飽和磁界を直接かつ高分解能に観察するために、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を利用した磁気ヘッド測定装置として、記録ヘッドに直流電流及び交流電流を合わせた電流を印加して、記録ヘッドから磁界を発生させ、測定点を走査するための探針を支持するカンチレバが所定の周波数と振幅で加振されるよう制御した状態で、探針を記録ヘッドに接近させ、電流印加に応じて記録ヘッドから発生する磁界が探針に及ぼす力学的相互作用に相当する信号を、カンチレバの振動周波数変化として検出する「磁気ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法」（特開２００３−２４８９１１）があった。

また、同様に磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を利用した磁気ヘッド測定装置として、磁気記録ヘッドに所定の搬送波周波数と変調周波数とで振幅変調された振幅変調電流を印加する電流印加手段と、磁性体を有する探針が取り付けられたカンチレバと、カンチレバを一定の振動振幅で振動させる振動手段などを有する「磁気記録ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法」（特開２００３−８５７１７）もあった。

しかし、従来の「磁気力顕微鏡用カンチレバー」（特開平６−２４９９３３）では、垂直磁気記録媒体からの外部被検出磁場を、硬磁性薄膜を有する探針の外部被検出磁場による引力と斥力が働くことで、その変位の大きさから検出するもので、外部被検出磁場の絶対値を計測するには、経時変化や周囲温度依存性に対する校正などの問題があった。

また、「磁気ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法」（特開２００３−２４８９１１）、（特開２００３−８５７１７）においては、カンチレバの周波数変化を検出するが、カンチレバの周波数と振幅を一定に制御すること、磁界発生に磁気ヘッドを用い、これに直流電流及び交流電流を合わせた電流を印加したりや所定の搬送波周波数と変調周波数とで振幅変調された振幅変調電流を印加するなど、非常に複雑で高度の技術を必要とするものであった。
特開平６−２４９９３３号公報 特開２００３−２４８９１１号公報 特開２００３−８５７１７号公報

本発明は、外部被測定磁場を単純な構造で、低消費電力、超小型、大量生産性であり、かつ高感度で信号出力をデジタル化しやすい磁気センサとこれを用いた各種応用の装置を提供すること目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる共振型磁気センサは、 振動板１０を形成した基板１を用いた共振型磁気センサにおいて、振動板１０の励振手段と共振周波数の検出手段とを備え、強磁性体薄膜２０が、振動板１０と基板１とに狭い空隙８０を介して対向配置して形成してあり、前記強磁性体薄膜２０のうちの振動板１０側の強磁性体薄膜Ａ（振動板１０に形成されている強磁性体薄膜）と基板１側の強磁性体薄膜Ｂとが、外部被検出磁場により磁化して、これらの強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとに空隙８０を挟んで外部被検出磁場による磁化のために一対の磁極６１,６２が生じ、これらの磁極６１,６２の間に働く磁気的力である吸引や斥力により振動板１０の共振周波数が変化し、その共振周波数の変化に基づく出力の変化から外部被検出磁場を知るようにしたものである。

強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとは、共に細長く形成しておくと外部被検出磁場により磁化したときに反磁界の影響が小さくなり、好都合である。

本発明の共振型磁気センサの動作原理は、次のようである。例えば、静電駆動などの励振手段でカンチレバ１１などの振動板１０を励振しておき、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとが共に、軟磁性体材料の場合を考えると、近接した空隙８０を介して対向配置して形成してある強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとが、外部被検出磁場に磁化され、空隙８０の介して互いに逆の磁極が現れるので、互いに磁気的力としての吸引力が働く。この吸引力は、基板１に固定形成した強磁性体薄膜Ｂの端に発生した磁極６２の周りで振動振動している強磁性体薄膜Ａの端に生じた強磁性体薄膜Ｂの磁極６２とは逆の磁極６１を持つカンチレバ１１のヤング率を大きくさせたことに相当するので、ピエゾ抵抗素子などを利用した検出手段により共振周波数を計測すると、カンチレバ１１の振動共振周波数は、外部被検出磁場が無い時に比べ大きくなる。このように外部被検出磁場が存在しないときより、存在するときの方が共振周波数が上昇し、その変化量は、外部被検出磁場に依存するので、外部被検出磁場を周波数変化量に対応させて計測することができる。周波数変化量は、位相の変化量に対応させることもできるので、位相の変化量まで、考慮すれば、更に微細な外部被検出磁場の大きさとその変化量などを計測することができる。

また、カンチレバ１１自体が強磁性体薄膜Ａで形成しても良いし、ＳｉＯ_２薄膜である石英薄膜でも良いし、更にＳｉ薄膜や石英薄膜などの多層構造の上に強磁性体薄膜Ａを形成しても良い。強磁性体薄膜Ａだけでカンチレバ１１を形成したときには、磁気感度が大きくなるが、強磁性体薄膜Ａのヤング率や膨張係数などの大きさに対する考慮、その温度依存性などを考慮して、複合材料が良いか、単独層が良いかなどを判断すべきである。

ＭＥＭＳ型のカンチレバ１１は一般に振動振幅が数ミクロンメートル以内であり、強磁性体薄膜Ａの端がカンチレバ１１の振動と共に、強磁性体薄膜Ｂの端にある磁極６２の位置から変位したとき、引き戻す力、すなわち復元力が発生する必要があるので、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂの空隙８０付近の厚みは、変位（振動振幅に対応）に対して、薄い方が良い。しかし、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのうち、空隙８０と反対側の領域では、磁束収束板の作用をするので、この領域では厚くても良く、必要に応じて、強磁性体の板や棒を張り付けても良い。

このように強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂは、磁束収束板の作用もするので、その配置とその方向は、被検出磁場のベクトル的な方向を知るのに重要である。

本発明の請求項２に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとが共に、軟磁性体材料から成る場合で、上述のように外部被検出磁場により空隙８０を介して対向するそれぞれの端部は互いに反対の磁極となるように磁化し、吸引力が働き、外部被検出磁場の存在でカンチレバ１１の共振周波数が大きくなるようにシフトする。

本発明の請求項３に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのうち、少なくとも一方が硬磁性体材料から成る場合であり、例えば、基板１側に形成されている強磁性体薄膜Ｂが硬磁性体材料で形成されていると、この硬磁性体材料を永久磁石にしておくことにより、空隙８０を介して対向する強磁性体薄膜Ａは、永久磁石となっている強磁性体薄膜Ｂのために、外部被検出磁場が存在しなくとも磁化されており、互いに吸引力が働いているので共振周波数は大きくなっている。この状態に、外部被検出磁場が作用した時に、その磁場の向きが、外部被検出磁場が無い時の両磁極６１,６２間の磁場を打ち消す方向であれば、共振周波数は下がり、反対に、外部被検出磁場が無い時の両磁極６１,６２間の磁場と同一方向であれば、両磁極６１,６２間の磁場が大きくなるので、外部被検出磁場が無い時に比べて、共振周波数は大きくなるようにシフトする。このように、磁界の方向、すなわち、例えば、地磁気センサとして利用したときには、南北を区別することができると言う利点がある。

このような関係は、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのどちらが硬磁性体材料でも成り立ち、更に、両方とも強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂであっても、外部被検出磁場が無い時でも、空隙８０を介した磁極６１,６２間には、磁気力が働いているので、それを外部被検出磁場が打ち消す方向であるか、助長する方向であるかにより、外部被検出磁場の向きを決定することができる。

本発明の請求項４に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのうち、少なくとも一方をコアとしてコイルを形成した場合で、上述のように少なくとも一方が、硬磁性体材料であれば、これを永久磁石にしておくことにより、外部被検出磁場の向きを知ることができるが、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂの両方とも軟磁性体材料であれば、外部被検出磁場の向き、すなわち、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂの長手方向のどちらから磁束が流入しているかが判らないという問題にぶつかる。このようなときに、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのうち、少なくとも一方をコアとしてコイルを形成しておけば、このコイルに直流電流を流したとき、コイルのコアとして用いた方の強磁性体薄膜２０に磁極を生じさせることができるので、上述のようにこの強磁性体薄膜２０を永久磁石のように扱うことができるから、外部被検出磁場の向きを知ることができる。

もちろん、コイルには直流電流ばかりでなく、交流電流を流しても交流電流の時々刻々変化する電流の向きが分かっているから、この向きと同期させてカンチレバ１１の振動の共振周波数のシフトを検出することにより、外部被検出磁場の向きを決定することができる。

このようにコイルに流す電流は、常に流しておく必要はなく、方向の判別時だけ流して、チェックするようにすることもできる。このように短時間電流を流すことにより、低消費電力の磁場の方向も検知できる磁気センサが達成される。

また、コイルに基準電流を流すことにより、所定の磁場を空隙８０に発生させることができるので、本磁気センサの校正用として使用することができる。これにより、初期校正や経時変化の校正などが可能となる。

コイルとしては、たとえば、１回巻きでもよく、強磁性体薄膜２０を導体で囲んでおけばよいので、強磁性体薄膜２０の上部は絶縁体を介してパターン化した金属導体薄膜を配し、強磁性体薄膜２０の下部は、高濃度の不純物をドープしたシリコン基板自体を利用すると構成が単純でよい。

本発明の請求項５に係わる共振型磁気センサは、振動板１０をカンチレバ１１とした場合である。振動版として、橋架構造やダイアフラム構造とすることもできるが、カンチレバ１１の構造は、その自由端の振動振幅が大きくなり、復元力を磁極６１,６２間の磁気力に由来する本共振型磁気センサには好適である。

本発明の請求項６に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとを二次元もしくは三次元的に延在し、それぞれ二次元もしくは三次元的の磁場情報を得るようにした場合であり、同一の基板１の同一平面内で任意の向きにカンチレバ１１が形成されていても、これが短ければ、これらのカンチレバ１１に形成されている強磁性体薄膜Ａや基板１側に形成されている強磁性体薄膜Ｂとは、磁束収束板の役目をしているので、強磁性体薄膜Ａも基板１に延在させて、その長手方向の向きを二次元的または三次元的に延ばしておくと、この方向からの磁束を導くことができる。このようにして外部被検出磁場の方向を知るようにすることができる。

本発明の請求項７に係わる共振型磁気センサは、基板１を半導体基板とし、この基板１に周辺回路の少なくとも一部を集積化した場合であり、たとえば、カンチレバ１１を励振するための発振回路、振動を検出したときの信号を増幅する増幅回路、共振周波数を検出して励振の周波数とするための制御回路、信号を増幅する回路、演算回路などの一部または全部をカンチレバ１１などの振動板１０が形成されている基板１と同一の半導体基板に集積形成した場合である。このようにすることにより、極めて小型の共振型磁気センサが提供される。

もちろん、共振型磁気センサのうちの実質的な磁気検出部分となるカンチレバ１１と強磁性体薄膜２０の構成領域と駆動周辺回路の集積化との製作上の歩留まり率やコストなどから、駆動周辺回路の一部または全部を別の半導体基板に形成した方が得ということもある。

本発明の請求項８に係わる共振型磁気センサは、振動板１０の励振は静電力駆動とし、共振周波数検出は、ピエゾ抵抗を利用した場合である。たとえば、シリコン単結晶の基板１を用いた場合は、カンチレバ１１に形成した金属の強磁性体薄膜Ａをコンデンサの一方の電極と見做し、基板１のシリコン単結晶を他方の電極と見做したコンデンサを形成して、これらの両電極間に励振交流電圧を印加することにより、カンチレバ１１を静電的に励振することができる。このときカンチレバ１１のヤング率が外部被検出磁場による磁極６１,６２間の吸引力により等価的に変化したことに相当し、外部被検出磁場の大きさ、向きなどに応じて共振周波数にシフトが生じる。また、カンチレバ１１の固定端付近には、少なくともシリコン薄膜を残しておき、この領域にピエゾ抵抗素子を形成しておき、振動によるこの抵抗変化からカンチレバ１１の振動を検出することができる。このようなカンチレバ１１を静電的に励振し、ピエゾ抵抗素子により振動検出することが、小型の共振型磁気センサを構成するのに好適である。

もちろん、共振周波数検出はピエゾ抵抗素子を用いないで、静電容量検出や光テコなどによることもできるが、静電容量検出は、超小型にするには静電容量が小さいために感度が小さく、光テコは、光源の必要性や光検出部の空間的寸法の大きさなどで、やはり小型化や低消費電力化には不向きと思われる。

本発明の請求項９に係わる磁場検出装置は、上述の請求項１から８のいずれかに記載の共振型磁気センサと、電源部と出力表示部と、必要な駆動周辺回路と演算回路などの周辺回路とを備えたもので、バッテリや太陽電池などの電源そのものや外部電源を利用するための端子や変圧回路などを含む電源部と、磁場の値やその方向の表示、電流センサとして利用したときに被測定電流表示などの表示部を設けている。また、この磁場検出装置は、基板１に、周辺回路として、振動板１０の励振回路や共振周波数検出して制御する制御回路や信号増幅回路などの駆動周辺回路、信号を処理して、メモリ部とのやり取りで必要な情報を出力する演算回路との少なくとも、それらの一部を形成してあるときには、新たにこれらを設ける必要はないが、共振型磁気センサ内に駆動周辺回路や演算回路などの周辺回路の一部または全部を有しないときには、センサの基板１外に別に設けて、必要な表示または外部出力ができるようにした出力表示部を設けた装置である。

本発明の共振型磁気センサは、強磁性体薄膜の外部被検出磁場による磁化により空隙を挟んで生じる磁極間に働く吸引力、最初から磁化している場合には、斥力も作用し、その大きさで、カンチレバなどの振動板の共振周波数のシフトから外部被検出磁場の大きさとその方向を知るものであり、外部被検出磁場の大きさを位相変化も含む周波数変化から直接変換するので、振動板の励振回路や振動検出回路では、振動振幅をそれほど問題にしなくとも良いこと、更に、周波数と位相の検出と制御に徹すれば良いことから、単純な回路で済み、信号出力のデジタル化が容易で、しかも、小型であり、強磁性体薄膜が磁束収束板の役目もするので、高感度であり、更に共振を利用するので、極めて低消費電力となるという利点がある。

本発明の共振型磁気センサは、少なくとも一方の強磁性体薄膜をコアにしてコイルを形成してあるので、特定の方向と大きさの磁場を発生できる。このようにして外部被検出磁場の方向と発生させた磁場の方向とが一致する成分が大きいか、逆方向の成分が大きいかなど、コイルに流す電流の向きと大きさにより、外部被検出磁場の方向と大きさとを測定することができる。また、コイルに流す電流として、矩形波交流にし、更に、これらの電流値を時分割で制御することもできるので、この電流の向きと大きさとに同期させて周波数や位相変化を検出することにより、高感度で、高速に外部被検出磁場の方向と大きさを決定することができるという利点がある。

本発明の共振型磁気センサは、一方の強磁性体薄膜を硬磁性体として、永久磁石にしておき、所定の方向に磁場を発生させることができるので、これは丁度、上述の一方の強磁性体薄膜をコアにしてコイルを形成して直流電流を流し、所定の方向に磁場を発生させる場合と同等であり、コイルを形成しなくとも外部被検出磁場の方向と大きさを決定することができるという利点がある。

本発明の共振型磁気センサは、一対の強磁性体薄膜を磁束収束板としても作用させているので、これらの強磁性体薄膜の長手方向が一番磁化されやすいことから、強磁性体薄膜の長手方向の長さが、カンチレバなどの振動板の大きさに比べ充分長いときには、強磁性体薄膜の長手方向の向きが到来する磁場の方向を決定する。したがって、同一基板上でも互いに直交する方向に強磁性体薄膜の長手方向を定めて、細長い強磁性体薄膜を形成すれば、容易に二次元的または三次元的な磁場の方向を知るように構成することができるという利点がある。

本発明の共振型磁気センサは、シリコン単結晶基板に形成できるので、同一チップ上に駆動用や演算用などの周辺回路を集積化できるという利点がある。

本発明の磁場検出装置は、上述の本発明の共振型磁気センサを用いるので、コンパクトで、極めて低消費電力で簡便かつ高感度、高精度の各種の磁場検出を利用した応用装置が提供できる。

シリコン単結晶上に磁束収束板を兼ねた強磁性体薄膜を振動板としてのカンチレバと基板側とに延在して形成し、このカンチレバを静電駆動により共振させて、このカンチレバの外部被検出磁場による共振周波数の変化を計測して、外部被検出磁場の大きさを知るようにした。共振周波数の変化の計測には、ピエゾ抵抗の変化、またはカンチレバと基板との間の励振時に利用する静電容量の変化を利用して実現した。また、外部被検出磁場の方向を知るのに、強磁性体薄膜の延在してある領域に強磁性体薄膜をコアとして、コイルを形成し、これに所定の電流を流すことにより磁場を発生させるようにし、この発生磁場と外部被検出磁場との合成磁場の大きさから外部被検出磁場方向の決定と種々の校正が行えるようにした。

図１は、本発明共振型磁気センサの一実施例の斜視概略図であって、ｎ型のＳＯＩ層２を有する基板１（ＳＯＩ基板）のＳＯＩ層２を主体してカンチレバ１１としての振動板１０を形成し、強磁性体薄膜２０を軟磁性体薄膜としてあり、強磁性体薄膜２０のうちの振動板側の強磁性体薄膜Ａと基板側の強磁性体薄膜Ｂとは、反磁界が小さくなるように細長く形成してあり、カンチレバ１１の励振手段として静電駆動型とし、共振周波数の検出手段としてピエゾ抵抗素子３０を利用し、さらに、外部被検出磁場の方向と大きさを決定および校正するための１巻のコイル４０を形成した場合である。また、図２には、図１のＸ−Ｘにおける横断面図の概略図を示す。

カンチレバ１１の励振手段としての静電駆動は、次のように構成されている。すなわち、強磁性体薄膜２０として金属の軟磁性体材料を使用し、カンチレバ１１のＳＯＩ層２には、ホウ素などのｐ型不純物の高濃度層１５が形成されてあり、この高濃度層１５と強磁性体薄膜Ａとは、絶縁膜５２のコンタクト孔を通してオーム性接触にしてあり、この強磁性体薄膜Ａから配線２００通して形成された励振用電極１０１と、基板１としてのＳＯＩ基板の下地層３にオーム性接触した他の励振用電極１０１’との間に、カンチレバの共振周波数の半分の周波数またはこの整数倍に等しい周波数の励振用の交流電圧を印加することにより、カンチレバ１１の高濃度層１５と空洞部７０を介して下地層３との間に交流電界が印加され、カンチレバ１１と下地層３との間に静電的な吸引力が働き、カンチレバ１１が励振される。カンチレバ１１と下地層３との間には、印加電界の正負のどちらでも静電的な吸引力が働くので、印加交流電圧の２倍の周波数で吸引力が働く。したがって、共振周波数の半分の周波数の交流電圧の励振で、カンチレバ１１の基本波が励振されることになる。

なお、本実施例では、カンチレバ１１は、ＳＯＩ層２を主体として形成してあり、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層である絶縁膜５０をエッチング除去して、空洞部７０を形成した場合である。

また、励振用電極１０１と他の励振用電極１０１’との両電極間に印加する交流電圧に、交流電圧のピーク間の２分の１以上の直流成分を重畳しておくと、正負の極性の交流電圧が発生しないから、交流電圧とカンチレバ１１の共振振動周波数とが一致することになる。

励振交流電圧波形は、必ずしも正弦波である必要はなく、矩形波や鋸歯状波などにしても良い。

図１に示した本発明の共振型磁気センサの一実施例を基に、外部被検出磁場の検出の動作を説明すると次のようである。

外部被検出磁場が図１に示したように、基板1上にまで延在した強磁性体薄膜Ａのうち、カンチレバ１１とは逆側から外部被検出磁場の磁束が導入された場合を考えると、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとが外部被検出磁場により磁化し、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとの間の空隙８０を挟んで互いに逆極性の磁極６１、６２が現れ、磁極６１はＮ極に、磁極６２はＳ極に帯磁するので、これらの磁極間に吸引力が働く。この吸引力は、カンチレバ１１の励振手段により、共振して振動しているカンチレバ１１の復元力が大きくなったことに対応するので、結局、カンチレバ１１のヤング率Ｅを大きくさせたことと等価になる。したがって、カンチレバ振動理論により、共振周波数ｆｒが大きくなる。

カンチレバ１１の共振周波数ｆｒは、カンチレバ１１の固定端付近に形成された共振周波数の検出手段としてピエゾ抵抗素子３０で検出される。ピエゾ抵抗素子３０は、例えば、ホウ素をＳＯＩ層２に高濃度に添加し、その両端から振動検出用電極１０２、１０２’ を形成してあるもので、カンチレバ１１が振動により曲がり、そのときの歪で抵抗値が変化することを利用したものであり、ホイートストンブリッジを用いたり、電流を流して振動検出用電極１０２、１０２’ 間の電圧変化を検出したりして、振動を検出するものである。

このような振動検出用電極１０２、１０２’ の電圧信号を周波数として検出して、共振周波数を制御する回路に導き、励振手段と組み合わせて自動的に共振させる。このときの周波数および位相変化から校正曲線を利用して外部被検出磁場を算出するものである。

また、上述のままでは、外部被検出磁場Ｈの向きが反対側から導入されても、磁極６１、６２間には、吸引力が働くので、共振周波数ｆｒは、大きくなり、外部被検出磁場Ｈの向きを検出することはできない。このために、実施例１の図１においては、基板側の強磁性体薄膜Ｂをコアとして、コイル４０が基板１とコイル用電極１０３、１０３’ 、１０３’’を介して１巻コイルとなるように形成してある。

このコイル４０に直流電流を流すと、強磁性体薄膜Ｂが一方向に磁化されるので、この磁化が外部被検出磁場Ｈによる磁化を助長させる方向なのか、それとも減少させる方向なのかにより、コイル４０に流す直流電流の方向と共振周波数ｆｒの変化、すなわち、共振周波数ｆｒが更に大きくなる方向であれば、既知であるコイル４０に流す直流電流による磁場の方向と外部被検出磁場Ｈの方向が一致しており、共振周波数ｆｒの変化が小さくなる方向であれば、コイル４０に流す直流電流による磁場の方向と逆方向であることになる。もちろん、コイル４０に流す電流は、パルス的でも良いし、交流電流であって、その交流電流の時間的な電流の流れる方向を知れば、外部被検出磁場Ｈの方向を知ることができることは、当然である。

また、コイル４０に流す電流が所定の大きさであれば、そのときのコイル４０により発生する磁界が分かるので、これを利用して、外部被検出磁場Ｈを校正したり、さらに、本発明の共振型磁気センサの経時変化などをも校正することができる。

図３には、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における平面概略図、図４には、図３のＸ−Ｘにおける横断面概略図を示してあり、外部被検出磁場Ｈの到来方向を３次元ベクトル的に検出できるようにした場合の例を示している。

実施例１の図１に示した共振型磁気センサのＳＯＩ基板に形成してある磁気検出部分に同等な磁気検出部分を直交するｘ軸とｙ軸に配置し、更に、ｚ軸に関しては、カンチレバ１１ｚは、ｘ軸に平行にしているが、強磁性体２１で軟磁性体の針をｚ軸に伸ばして配置してあり、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとも短く形成して、外部被検出磁場Ｈのｚ軸方向成分は、強磁性体２１の針で検出するようにした場合である。

この実施例では、更に、カンチレバ１１ｘと、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとしての強磁性体薄膜２０ｘがＸ軸方向に、カンチレバ１１ｙと強磁性体薄膜２０ｙがｙ軸方向に、更に、カンチレバ１１ｚと強磁性体薄膜２０ｚはＸ軸方向に延ばして配してあり、しかも、同一のＳＯＩ層２に形成してある場合である。

また、それぞれのカンチレバ１１ｘ、１１ｙ、１１ｚは、実施例１の図１の場合と同様に、ＳＯＩ層２を主体として形成してあり、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層である絶縁膜５０をエッチング除去して、空洞部７０ｘ、７０ｙ、７０ｚ が形成されている。

外部被検出磁場Ｈがある方向から到来すると、外部被検出磁場Ｈのうち、その直交するｘ、ｙ、ｚ軸方向成分が、それぞれの方向の強磁性体薄膜２０ｘ、２０ｙ、２０ｚや強磁性体２１の針を磁化させ、それぞれの空隙８０ｘ、８０ｙ、８０ｚを介して、磁極６１，６２が生じて、吸引力を生じる。これらの吸引力は、上述の実施例１で述べたように、共振周波数ｆｒを上昇させるので、これら変化から外部被検出磁場Ｈのｘ、ｙ、ｚ成分をベクトル的に算出するものである。この実施例でも、各強磁性体薄膜Ｂには、１巻のコイル４０ｘ、４０ｙ、４０ｚを形成してある。

図５に、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における平面概略図を示してあり、外部被検出磁場Ｈの到来方向と、カンチレバ１１の長手方向とは異なる場合で、しかも、同一の基板１に周辺回路の一部を形成した場合である。

先ず、この実施例では、強磁性体薄膜２０を基板１上に細長く延在して形成してあり、カンチレバ１１上の強磁性体薄膜Ａの長さは、基板１上に形成した部分の強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂの長さに比べれば無視できるようにして、基板１上に形成した部分の強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂの長さ方向の外部被検出磁場Ｈ成分を検出するようにしたものである。

このようにして、強磁性体薄膜Ａを配したカンチレバ１１の長さが充分小さければ、外部に配した強磁性体薄膜２０または、強磁性体２１の長手方向により、その方向の外部被検出磁場Ｈ成分を検出することができる。

また、周辺回路として、駆動周辺回路である励振手段の回路と周波数を検出する回路（励振・周波数検出回路）と、コイル４０を利用した磁場方向校正回路、および共振周波数ｆｒや位相を算出したり、励振手段に送る信号を作り、同期させたり、校正回路からの情報を基に外部被検出磁場Ｈの方向や大きさを算出したりする演算回路を搭載している場合である。

上述の実施例１、２および３の本発明共振型磁気センサにおいては、強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂの両方とも、軟磁性体で形成した場合のであるが、例えば、ここでは図示しないが、図１を例にとって説明すると、強磁性体薄膜Ａのみをアルニコ磁石用の磁性材料（Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ合金）などの硬磁性体で形成して、永久磁石としておくと、これにより、軟磁性体材料の強磁性体薄膜Ｂが磁化し、外部被検出磁場Ｈが無い場合でも、強磁性体薄膜Ａの磁極６１と強磁性体薄膜Ｂの生じた磁極６２との間に吸引力が働き、共振周波数ｆｒが磁化しない場合に比べ大きくなるが、外部被検出磁場Ｈが存在すると、その方向により、先の吸引力を助長させる方向なのか、それとも、吸引力を減少させる方向なのかにより、外部被検出磁場Ｈが方向が判定される。また、共振周波数ｆｒの変化の大きさにより、外部被検出磁場Ｈの大きさを求めることができる。

また、この実施例の場合でも、軟磁性体材料である強磁性体薄膜Ｂをコアとするコイル４０を形成しておき、これを用いて、センサの経時変化、特に、永久磁石となっている強磁性体薄膜Ａの減磁作用による経時変化を校正すると良い。

図６に、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における横断面概略図を示してあり、磁気記録再生や磁気探傷用の磁気ヘッドに好適なように形成して実施した場合で、振動板１０として、カンチレバ１１を用い、この上に形成した強磁性体薄膜２０としての強磁性体薄膜Ａと基板側に形成した強磁性体薄膜Ｂを主体に描いたものであり、実施例１の図１に示したような磁気検出部分における他の励振用電極などの電極やピエゾ抵抗素子３０などは、煩雑を避けるために図面では省略している。

この実施例５では、強磁性体薄膜２０としての強磁性体薄膜Ｂが基板１の側面を通り、裏面側にまで延在しており、強磁性体薄膜２０としての強磁性体薄膜Ａもカンチレバ１１側とは反対側の他端である磁気ヘッド端面５００まで磁束のリターンパスとして延在させてあり、この磁気ヘッド端面５００側の強磁性体薄膜Ａから外部被検出磁場Ｈが導入され、リターンパスを通して戻るようにしている。また、基板１の裏面側にまで延在させた強磁性体薄膜Ｂである強磁性体薄膜２０も、強磁性体薄膜Ａが配置されている側の基板１の端面に当たる磁気ヘッド端面５００まで延ばしてあり、ここに磁気抵抗が小さくなるように、ブロック状の軟磁性体からなる強磁性体２２を取り付けてある。このように強磁性体薄膜２０で、磁束のリターンパスを設けて、その途中に小さな空隙８０を設けているだけなので、磁気抵抗が小さくなり、極めて弱い磁場の検出が可能である。例えば、磁気探傷装置として利用する場合は、磁気ヘッド端面５００に、被検出体のクラックなどによる被検出強磁性体の磁場の乱れや電流を流した時の磁場の乱れなどなどから、クラックなどの位置がわかるものである。

図７に、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における横断面概略図を示してあり、導線６００に流れる電流の大きさを、この電流による磁場から計測するようにした電流センサに好適なように形成して実施した場合で、図６の場合と同様、実施例１の図１に示したような磁気検出部分における他の励振用電極などの電極やピエゾ抵抗素子３０などは、煩雑を避けるために図面では省略している。

この実施例６では、実施例５の図６におけるリターンパスとなる基板１の裏面に配した強磁性体薄膜２０としての強磁性体薄膜Ｂを無くし、その代わりに、磁束のリターンパスとして、強磁性体からなるヨーク２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃを、被検出電流を流す導線６００が通る穴３００を残して形成している。なお、導線６００が容易に穴３００の中に入れるように、例えば、ヨーク２５の中で、ヨーク２５ｃだけが、脱着可能なようにしておくと良い。

上述の実施例１から実施例６における本発明共振型磁気センサでは、基板１をＳＯＩ基板として、ＢＯＸ層であるＳｉＯ_２から成る絶縁膜５０を犠牲層としてエッチング除去して空洞部７０を形成してカンチレバ１１が形成されているが、必ずしもこの必要はない。例えば、基板１上にＳｉＯ_２などの熱膨張係数が小さく、安定な絶縁膜を形成しパターン化して、この下部にある基板１の一部をエッチング除去して空洞部７０を形成して、カンチレバ１１を形成しても良い。また、カンチレバ１１として、強磁性体薄膜Ａだけでも良い。しかし、このような場合、共振周波数の検出手段としてのピエゾ抵抗素子３０は、カンチレバ１１の固定端付近に、絶縁膜を介して高不純物濃度の多結晶シリコン薄膜などを堆積形成しておき、これをピエゾ抵抗素子３０として使用することもできる。

また、半導体の基板１上に、窒化シリコン膜などの犠牲層を形成して、その上に、カンチレバ１１となるＳｉＯ_２から成る絶縁膜を堆積させて形成してもよい。この場合、犠牲層としての窒化シリコン膜は、ＳｉＯ_２を侵し難いエッチング液を用いて、カンチレバ１１の下部のみエッチング除去されて空洞部７０が形成される。このような場合、カンチレバ１１の下部に当たる基板１の表面が平らのまま残るので、本発明共振型磁気センサに必要な周辺回路の一部をこの領域に形成しておくことが可能で、カンチレバ１１のアレーでは、集積度が上がり好都合である。

上述の実施例１から実施例６における本発明共振型磁気センサでは、共振周波数の検出手段としてのピエゾ抵抗素子３０を用いた場合であるが、励振手段として用いている励振用電極１０１、１０１’ 間の静電容量の変化を利用して検出することもできる。

また、上述の実施例１から実施例６における本発明共振型磁気センサでは、振動板１０としてカンチレバ１１を用いているが、これは両端支持の橋架構造にしたり、ダイアフラムに空隙８０を設けて、実施することもできる。

図８には、本発明共振型磁気センサを搭載した磁場検出装置の構成の概略をブロック図で示したもので、本発明共振型磁気センサは、磁気検出部分がある半導体のチップに信号増幅回路を集積化してある場合で、これに電源部、磁場方向と磁場校正用の回路、共振周波数制御回路、演算回路と出力表示部の必要な周辺回路を搭載して、磁場検出装置として実施した場合である。これらの周辺回路は、従来の公知の技術で実施される。

なお、磁場検出装置を磁気探傷装置や電流センサとしての電流表示装置として用いる場合は、磁場校正用の回路、演算回路や出力表示部に必要な周辺回路は、その応用目的に適合するように、設計することは当然である。

本発明の共振型磁気センサとこれを用いた磁場検出装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。

カンチレバなどの振動板の共振周波数の外部被検出磁場による変化から外部被検出磁場を検出するようにした高感度で小型の共振型磁気センサで、最近の半導体微細加工技術と集積化技術を組み合わせたＭＥＭＳ技術により、超小型で容易に、しかも画一的なものが大量生産できるので、安価となる。

本発明の共振型磁気センサは、地磁気センサ、磁気記録再生用や磁気探傷装置用磁気ヘッド、エンコーダや磁気を利用した電流センサなどに好適な磁気センサとして利用でき、また、これを用いた磁場検出装置は、携帯電話やカーナビ用の方位表示、磁場測定装置や電流を非接触で検出する電流センサとして用いた電流表示装置などに用いられ、高感度でハンディな磁場検出装置が達成できる。

本発明の共振型磁気センサは振動板の共振現象を利用するので、省エネ型となり、また、外部被検出磁場を周波数と位相で検出するので、デジタル情報として処理しやすく、これからの測定機器には、好都合である。

共振型磁気センサの実施例の斜視概略図である。（実施例１） 図１のＸ−Ｘにおける横断面図の概略図である。（実施例１） 共振型磁気センサの他の実施例における平面概略図である。（実施例２） 図３のＸ−Ｘにおける横断面概略図である。（実施例２） 共振型磁気センサの他の実施例における平面概略図である。（実施例３） 共振型磁気センサの他の実施例における横断面概略図である。（実施例５） 共振型磁気センサの他の実施例における横断面概略図である。（実施例６） 磁場検出装置の構成の概略を示すブロック図である。（実施例７）

符号の説明

１ 基板
２ ＳＯＩ層
３ 下地層
１０ 振動板
１１、１１ｘ、１１ｙ、１１ｚ カンチレバ
１５ 高濃度層
２０、２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ 強磁性体薄膜
２１，２２ 強磁性体
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ ヨーク
３０、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ ピエゾ抵抗素子
４０、４０ｘ、４０ｙ、４０ｚ コイル
５０、５１、５２ 絶縁膜
６０，６１，６２ 磁極
７０、７０ｘ、７０ｙ、７０ｚ 空洞部
８０、８０ｘ、８０ｙ、８０ｚ 空隙
１００ 電極
１０１、１０１’ 励振用電極
１０２、１０２’ 振動検出用電極
１０３、１０３’、 １０３’’ コイル用電極
２００ 配線
３００ 穴
５００ 磁気ヘッド端面
６００ 導線

Claims (9)

1. 振動板（１０）を形成した基板（１）を用いた共振型磁気センサにおいて、前記振動板（１０）の励振手段と共振周波数の検出手段とを備え、強磁性体薄膜（２０）が、振動板（１０）と基板（１）とに空隙（８０）を介して対向配置して形成してあり、前記強磁性体薄膜（２０）のうちの振動板（１０）側の強磁性体薄膜Ａと基板（１）側の強磁性体薄膜Ｂとが、外部被検出磁場により磁化して、これらの強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとに前記空隙（８０）を挟んで一対の磁極（６１,６２）が生じ、これらの磁極（６１,６２）の間に働く磁気的力により振動板（１０）の共振周波数が変化し、その共振周波数の変化に基づく出力の変化から外部被検出磁場を知るようにしたことを特徴とする共振型磁気センサ。
2. 強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとが共に、軟磁性体材料から成る請求項１に記載の共振型磁気センサ。
3. 強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのうち、少なくとも一方が硬磁性体材料から成る請求項１に記載の共振型磁気センサ。
4. 強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂのうち、少なくとも一方をコアとしてコイルを形成した請求項１から３のいずれかに記載の共振型磁気センサ。
5. 振動板（１０）をカンチレバ（１１）とした請求項１から４のいずれかに記載の共振型磁気センサ。
6. 強磁性体薄膜Ａと強磁性体薄膜Ｂとを二次元もしくは三次元的に延在し、それぞれ二次元もしくは三次元的の磁場情報を得るようにした請求項１から５のいずれかに記載の共振型磁気センサ。
7. 基板（１）を半導体基板とし、この基板（１）に周辺回路の少なくとも一部を集積化した請求項１から６のいずれかに記載の共振型磁気センサ。
8. 振動板（１０）の励振は、静電力駆動とし、共振周波数検出は、ピエゾ抵抗を利用した請求項１から７のいずれかに記載の共振型磁気センサ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の共振型磁気センサと、電源部と出力表示部と、必要な周辺回路とを具備したことを特徴とする磁場検出装置。

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