JP2007047115A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 外部磁界発生コイルに複数の機能を持たせて検出磁界の分解能を高くし、小型化、薄型化した磁気センサを得る。
【解決手段】 一軸異方性を有するＣｏ系磁性材料、あるいはＦｅ系磁性材料を用いた板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子１を有し、その磁性薄膜素子１に高周波電流を通電することで外部磁界に応じ、磁性薄膜素子１のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサであって、センサ動作点の直流バイアス磁界を加えるＡＣ磁界、ＤＣ磁界印加兼用コイル７１具備し、前記コイルに直流電流と交流電流を同時に通電することで、直流バイアス磁界を印加しながら外部へ交流磁界を発生する磁気センサとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種の磁界検出、地磁気検出、あるいは磁気検出による非破壊検査に使用され、特に自動車部品検査、ＩＣの基板検査、船舶、航空機の非破壊検査、原子力発電等の非破壊検査等の分野で使用するのに好適な、微弱な低周波交流磁界を検出する磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサに関する。

磁気インピーダンス素子は、磁区構造を有した磁性薄膜素子に外部磁場を印加することで磁化回転が生じ、磁壁移動が起こることで透磁率が変化し、高周波電流を印加していた場合、磁性体のインピーダンスが変動する性質を利用した磁気センサである。

本出願人は、磁性層と導体層の構成においてＣｏ系磁性材料の組成比でインピーダンス変化が起きる素子を特許文献１において提案している。

さらに特許文献２において、抵抗辺を非磁性体にして小型化し、渦巻きコイル、薄膜コイル、磁性膜による磁気バイアス手段を提供している。非磁性基板上に高透磁率磁性膜を形成して構成され、直線が途中で複数回平行に折り返されて長手方向に対し垂直な方向となるように磁気異方性が付けられた素子を特許文献３において提供している。このように、複数回折り返すことで磁性膜の総延長を長くしても素子全体を短くし、小型化できる。また、高インピーダンスになり使用が容易な素子となる。また、特許文献４において高透磁率磁性膜の多層構造について開示している。

この磁気インピーダンス素子の製造方法は、以下のようにして行われる。先ず、ガラス基板にフォトレジストを使用し露光を行い、素子形状のレジストマスキングを作製して磁性膜をスパッターにて成膜を行う。その後、リフトオフ法にて磁性膜パターンニングをし、素子形状である１本の矩形型高透磁率磁性薄膜、または複数本の高透磁率磁性薄膜を形成し、磁場中熱処理を真空中で行い、磁性膜スパッター時の異方性を取り除き、かつ一軸異方性をパターンニングした磁性膜の幅方向に付与する。その後、前記同様の工程にて複数本の磁性薄膜を直列に繋ぐ導体膜のレジストマスキングを作製し、導体膜のパターニングを行い、Ｃｕ等の導体をスパッターし、導体パターンおよび外部接続電極を形成する。

特開平１０−９０３８０号公報 特開２００２−６０１５号公報 特開２０００−２０６２１７号公報 特開２０００−２０６２１６号公報

磁気検査による非破壊検査に磁気インピーダンス素子を用いる場合は、図１４のような構成が考えられる。図１４は、磁気インピーダンス素子を用いた磁気検査用の磁気センサの一例の説明図である。図１４に示すように、磁性薄膜素子５００と、その動作点を定めるために磁界を印加する目的のＤＣバイアスコイル４００からなる磁気インピーダンス素子と、非破壊検査のための外部に磁界を発生させるためのＡＣ励磁コイル３００とから構成される。ここで図示はしていないが、第３のコイルとして、更に素子に磁界を印加して素子の温度特性を改善するためのコイルも配置することが考えられる。

ここで、非破壊検査のために磁気センサを使用する場合、被検査物の微小な傷や微小検出物を検出する際、空間的な分解能は、その検出対象物の大きさに比例するため小さいことが望ましい。磁気インピーダンス素子自体は小さくできるので、このような磁気センサに使用するのは適している。ところが、このような磁気センサでは、外部に磁界を発生させるためのＡＣ励磁コイルが必要なため、このＡＣ励磁コイルを配置するスペースが必要になる。従って、磁気センサが小型化されず、被検査物との距離も遠くなることで、磁気インピーダンス素子を用いても空間分解能の面では余り期待できないという問題がある。

本発明の課題は、磁気インピーダンス素子を用いた磁気検査用の磁気センサの小型化、薄型化を図り、検出磁界の空間分解能を高くした磁気センサを提供することである。

本発明の磁気センサは、基板と、前記基板の上に形成された磁性薄膜素子と、前記基板に配置された平面コイルとで構成されている。ここで、前記平面コイルは、磁性薄膜素子が形成された基板の同一面か、あるいは裏面に導電薄膜で形成される。前記平面コイルは、線状の導電薄膜を折り返した形状であるミアンダ形状としている。前記導電薄膜の材質は、銅またはアルミニウムが望ましいが、特に限定されるものではない。

このように、本発明の磁気センサは、磁性薄膜素子に密着した平面コイルを具備しているので、前記平面コイルに直流電流と交流電流を同時に通電することで、磁気インピーダンス素子の動作点の設定のための直流バイアス磁界を印加し、かつ外部へ交流磁界を印加することができる。

前記磁性薄膜素子は、その材質を、一軸異方性を有する磁性材料としている。更に、磁化反転をスムーズに起こすために、前記磁性薄膜素子の端部に、微小穴、あるいは微小突起、あるいは微小のくぼみを形成する。なお、前記磁性導体素子の端部には、導体膜ラインが配置される。

即ち、本発明は、一軸異方性を有する磁性材料の板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子を有し、その磁性薄膜素子に高周波電流を通電することで外部磁界に応じ、磁性薄膜素子のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、磁性薄膜素子の動作点の直流バイアス磁界を加える平面コイルを具備し、その平面コイルに直流電流と交流電流を同時に通電することで直流バイアス磁界を印加しながら外部へ交流磁界を印加する磁気センサである。

また、本発明は、前記平面コイルは板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子が形成された基板と同一基板面に導電薄膜で形成される磁気センサである。

また、本発明は、前記平面コイルは、板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子が形成された基板の裏面に導電薄膜で形成される磁気センサである。

また、本発明は、前記平面コイルは、プリント基板、またはフレキシブルプリント配線基板（ＦＰＣ）にパターンニングされた導電薄膜からなり、板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子と電極が形成されたガラス基板チップとが積層された磁気センサである。

また、本発明は、前記平面コイルの導電薄膜の形状はミアンダ形状で磁性薄膜素子の長手方向に磁界を印加できるように配置される。この平面コイルに交流電流を加えることで、磁性薄膜素子の長手方向に交流磁界を発生できる磁気センサである。

また、本発明は、前記平面コイルの導電薄膜の材質を、銅、またはアルミニウムとする磁気センサである。

また、本発明は、前記磁性薄膜素子は、板状磁性薄膜が複数本、並行に並んだ形状で、その端部を電気的に導通するための導体膜ラインにて直列に接続された構造を有する磁気センサである。

また、本発明は、前記磁性薄膜素子は、板状磁性薄膜が１本で、その端部から電気的に導通し接続するための導体膜ラインと導体膜パッドを有する磁気センサである。

また、本発明は、前記板状磁性薄膜は、磁性薄膜、非磁性薄膜が積層された多層構造を有する磁気センサである。

また、本発明は、前記磁性薄膜素子は、板状磁性薄膜素子が複数本折り返されるように並んだ形状で、それぞれ複数本の折り返し部の両端部に微小穴または微小突起、あるいは微小くぼみを有する磁気センサである。

本発明によれば、磁性薄膜素子の動作点の直流バイアス磁界を加える平面コイルと外部に磁界を発生する平面コイルを同一の平面コイルで兼用し、その平面コイルに直流電流と交流電流を同時に通電することで、直流バイアス磁界を印加しながら外部へ交流磁界を発生できるので、小型の磁気センサを提供できる。磁気センサが小型化できることから、空間的な分解能を高くすることができ、被検査物の微小な傷や微小検査物を検出するのに適したピンポイントの測定も可能な磁気センサを提供できる。

本発明によれば、外部磁界発生コイルに複数の機能を持たせて検出磁界の空間分解能を高くし、小型化、薄型化した磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサを提供できる。

以下に、本発明の実施の形態による磁気センサについて説明する。

本発明の磁気センサは、一軸異方性を有する板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子を有し、その磁性薄膜素子に高周波電流を通電することで外部磁界に対応して、磁性薄膜素子のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサである。前記磁性薄膜素子の近傍に平面コイルを設け、前記平面コイルに直流電流と交流電流を同時に通電することで直流バイアス磁界を印加しながら外部へ交流磁界を発生させる。この外部への交流磁界は、非破壊検査において、被検査物へうず電流を発生させる。一軸異方性を有する磁性材料としては、Ｃｏ系磁性材料、あるいはＦｅ系磁性材料が良く知られているが、一軸異方性を付与できる高透磁率磁性材料であれば良い。

ここで、前記平面コイルは、板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子と同一基板面に導電薄膜で形成されるか、あるいは、板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子の同一基板の裏面に導電薄膜で形成される。更に、前記平面コイルは、プリント基板またはフレキシブルプリント基板にパターンニングされ、前記基板の上または下に磁性薄膜素子と電極パッドが形成されたガラス基板チップが搭載される構造としても良い。

また、前記平面コイルの導電薄膜は、ミアンダ形状で磁性薄膜素子の長手方向に磁界が印加されるパターンとすることで磁性薄膜素子の長手方向に交流磁界と直流磁界を印加できる。ここで、前記平面コイルの導電薄膜の材質は、銅、またはアルミニウムを用いれば良いが、これに限られない。

次に、前記磁性薄膜素子は、板状磁性薄膜が複数本折り返されるように並んだ形状で、それぞれ複数本の両端部に微小穴または微小突起、または微小くぼみを設けると良い。更に、前記磁性薄膜素子は、板状磁性薄膜が複数本、並行に並んだ形状で、その端部を電気的に導通するための導体膜ラインにて直列に接続された構造とする。

また、前記磁性薄膜素子は、板状の磁性薄膜が１本で、その端部から電気的に導通し接続するための導体膜ラインと電極パッドを有する構造としても良い。更に、前記板状磁性薄膜は、構造が磁性膜、非磁性膜からなる多層構造としても良い。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による磁気センサのＡＣバイアス、ＤＣバイアス兼用コイルの説明図である。図１に示すように、磁性薄膜素子１には、ＡＣバイアス、ＤＣバイアス兼用コイル７１が配置され、前記ＡＣバイアス、ＤＣバイアス兼用コイル７１には、発信器５とＤＣ電流源６との出力が加算器８にて加算された電流が流れる。ここで、ＡＣバイアス、ＤＣバイアス兼用コイル７１に流れるＤＣ成分は、ＤＣバイアス磁界２０として磁性薄膜素子１の動作点を定める作用をし、また発信器５によるＡＣ成分はＡＣ発生磁界２１となり、外部の被検査物に作用して渦電流を発生させる。ここで、前記被検査物は、非破壊検査を受ける物体である。

図２は、本発明による磁気センサの説明図である。図２の磁気センサは、磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子に、外部に磁界を発生するコイルと、磁性薄膜素子にＤＣバイアスを印加するコイルを一体化した構成である。

図２に示す磁性薄膜素子１は、厚さ２μｍ，長さ１ｍｍのＣｏＮｂＺｒを材質とする板状の磁性薄膜パターンであって、その端部には、導体膜ラインとしてＣｕを厚さ３μｍでパターン化し、磁性薄膜パターンをコの字状に取り囲むＧＮＤラインを設け、終端部に電極パッド１１を設ける。磁性薄膜素子１のもう一方の端部に、電極パッド１２を設けることで、外部より、キャリア電流を磁気インピーダンス素子３に通電できる構造となる。

外部に電気的に接続するための電極パッド１１，１２部分をマスクにより除き、それ以外の部分全体を、酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂）等の絶縁膜を導体膜厚み以上に（厚み３μｍ）形成し、研磨により平坦化処理し、ミアンダ形状のマスクをフォトレジスト工程にて使用して、ＡＣ磁界、ＤＣ磁界印加兼用コイル７を銅にて成膜する。

ＡＣ磁界、ＤＣ磁界印加兼用コイル７の終端には、磁性薄膜素子１と同様に、電極取り出し用の電極パッド１０を設けており、外部からＤＣ安定化電流源にて、図３に示すＤＣ電流を通電することで、磁性薄膜素子にバイアス磁界を印加し、且つ、発振器から図４に示すＡＣ電流を通電することで、ＡＣ磁界を発生させることができる。

図５は、本発明の磁気センサの第１の構成を示す図である。図５は、ガラス基板３ａに磁性薄膜素子１ａを付着させ、その上にミアンダ形状のＡＣ磁界、ＤＣ磁界印加兼用コイル２ａを作製した構造である。

図６は、本発明の磁気センサの第２の構成を示す図である。図６においては、ガラス基板３ａの表面に、磁性薄膜素子１ａを付着し、そのガラス基板３ａの裏面に、ミアンダ形状のＡＣ励磁、ＤＣバイアス兼用コイル２ａを作製したことで１チップ構造にすることができた。

また、図７は、本発明の磁気センサの第３の構成を示す図である。図７では、ミアンダ形状のＡＣ励磁、ＤＣバイアス兼用コイル２ａを、プリント基板４ａの上に銅パターンで作製し、その上に磁性薄膜素子１ａを付着させたガラス基板３ａを実装することで、ミアンダ形状のＡＣ励磁、ＤＣバイアス兼用コイル２ａの巻数を増やすことや回路基板との一体化も可能となる。なお、プリント基板４ａは、フレキシブル基板としても良い。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２による磁気センサの説明図である。図８の磁性薄膜素子１は、厚さ４μｍ、長さ１ｍｍのＣｏ系磁性薄膜パターンの板状磁性薄膜で、その磁性薄膜パターンは、複数本、並列に並べることで磁性薄膜素子１となる。磁性薄膜素子１の端部は、すべての磁性薄膜パターンが直列に接続できるように、導体膜ライン１３のＣｕ厚さ３μｍで接続し、最終短部分に電極パッド１１，１２を設けることで、外部より磁性薄膜素子にキャリア電流を通電できる構造となる。

外部の回路と電気的に接続するための電極パッド１１，１２部分をマスクにより除き、それ以外の部分全体をＳｉＯ₂等の絶縁膜を導体膜厚み以上に付着し、研磨により平坦化処理し、ミアンダ形状のマスクをフォトレジスト工程にて使用してミアンダ形状のＡＣ励磁、ＤＣバイアス兼用コイル２ａを、銅にて成膜する。前記ミアンダ形状のＡＣ励磁、ＤＣバイアス兼用コイル７の終端には、電極取り出し用の電極パッド１１，１２を設けており、外部からＤＣ安定化電流源にて図３に示すＤＣ電流を通電することで、磁性薄膜素子にバイアス磁界を印加する。且つ、発振器から図４に示すＡＣ電流を通電することで、ＡＣ磁界を発生させることができる。

図９は、本発明による磁気センサの多層膜の説明図である。図９に示すように、磁気センサの磁性薄膜は、磁性膜１４、非磁性膜１５、磁性膜１６の多層構造で、磁性膜１４と非磁性膜１５の電子交換作用を断ち切るため非磁性膜１５を挿入し、材料のバルクハウゼンジャンプを抑制している。また、図１０に示すような磁性薄膜のパターン端部に微小くぼみ１７を入れたパターン、図１１に示すような微小穴１８を設けたパターン、図１２に示すような微小突起１９を入れたパターンを磁区発生の核（nucleation site）として入れたことで、外部磁界の正負の磁界反転においてもヒステリシスが少ない磁性薄膜素子が得られている。

図１３は、本発明による磁気センサの動作の説明図であり、検出磁界の極性の変化に対して安定な特性を示している。

このようなことから、本発明のＡＣ−ＤＣが兼用の薄膜平面コイルにより、省スペースな超小型形状の外部磁界発生コイルを有する磁気センサが得られる。

本発明の磁気センサは、磁気検出による非破壊検査に利用され、特に自動車部品検査、ＩＣの基板検査、船舶、航空機の非破壊検査、原子力発電等の非破壊検査等の分野で利用される。

本発明による実施の形態１による磁気センサのＡＣバイアス、ＤＣバイアス兼用コイルの説明図。 本発明による磁気センサの説明図。 本発明による磁気センサのＤＣバイアス磁界を示す図。 本発明による磁気センサのＡＣ励磁磁界を示す図。 本発明による磁気センサの構成１を示す図。 本発明による磁気センサの構成２を示す図。 本発明による磁気センサの構成３を示す図。 本発明の実施の形態２による磁気センサの説明図(ミアンダ素子)。 本発明による磁気センサの多層膜の説明図。 本発明による磁気センサの磁気インピーダンス素子の凹素子の説明図。 本発明による磁気センサの磁気インピーダンス素子の微小穴素子の説明図。 本発明による磁気センサの磁気インピーダンス素子の凸素子の説明図。 本発明による磁気センサの動作の説明図。 磁気インピーダンス素子を用いた磁気検査用の磁気センサの一例の説明図。

符号の説明

１ 磁性薄膜素子
１ａ 磁性薄膜素子
２ａ ＡＣ磁界、ＤＣ磁界印加兼用コイル
３ 磁気センサ
３ａ ガラス基板
４ａ プリント基板
５ 発振器
６ ＤＣ電流源
７，７１ ＡＣ磁界、ＤＣ磁界印加兼用コイル
８ 加算器
１０，１１，１２ 電極パッド
１３ 導体膜ライン
１４ 磁性膜
１５ 非磁性膜
１６ 磁性膜
１７ 微小くぼみ
１８ 微小穴
１９ 微小突起
２０ ＤＣバイアス磁界
２１ ＡＣ発生磁界
２２ 磁界検出方向
１００ バイアス点
２００ ＡＣ磁界検出領域
３００ ＡＣ励磁コイル
４００ ＤＣバイアスコイル
５００ 磁性薄膜素子

Claims (11)

1. 一軸異方性を有する磁性材料の板状磁性薄膜からなる磁性薄膜素子と前記磁性薄膜素子への直流バイアス磁界を加える平面コイルを具備し、前記磁性薄膜素子に高周波電流を通電することで外部磁界に応じ、前記磁性薄膜素子のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサであって、前記平面コイルに直流電流と交流電流を同時に通電することで、前記直流バイアス磁界と外部への交流磁界を発生することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記平面コイルは、前記磁性薄膜素子と同一基板面に形成された導電薄膜からなることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記平面コイルは、前記磁性薄膜素子と同一基板の裏面に形成された導電薄膜からなることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
4. 前記平面コイルは、プリント基板、又はフレキシブル基板に形成された導電薄膜からなり、前記平面コイルが形成された基板と前記磁性薄膜素子が形成された基板とが積層されたことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
5. 前記平面コイルは前記磁性薄膜素子の長手方向に磁界が発生するように配置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記平面コイルがミアンダ形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
7. 前記平面コイルの導電薄膜の材料は銅またはアルミニウムであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
8. 前記磁性薄膜素子は複数の前記板状磁性薄膜が平行に配置され、前記板状磁性薄膜の端部が導体膜ラインにて電気的に直列に接続されたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
9. 前記磁性薄膜素子は一本の前記板状磁性薄膜からなり、前記板状磁性薄膜の端部から電気的に接続するための導体膜ラインと導体膜パッドを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
10. 前記板状磁性薄膜は磁性膜と非磁性膜との多層構造であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
11. 前記板状磁性薄膜は端部に微小穴、または微小突起、あるいは微小くぼみを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。

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