JP2012198038A - 磁性体部材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導体損に起因した消費電力を大幅に軽減でき、また温度変化に伴う電圧検出誤差を大幅に軽減でき、自在な形状に加工できる微細構造の磁性体部材を実現すること。
【解決手段】ワイヤ状に形成された導体部と、この導体部を内包するように形成された磁性体部とで構成された磁性体部材であり、フォトリソグラフィ微細加工技術を使用して製造することを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性体部材とその製造方法に関し、詳しくは、たとえば磁気センサとして用いられる磁性体部材の磁気検出感度の改善に関する。

磁気センサとして、非特許文献１にも記載されているように、アモルファス材料（ワイヤ）のＭＩ（Magneto-Impedance:磁気インピーダンス）効果を用いたものが実用化されている。アモルファス材料は、一般の金属材料とは異なり結晶構造を持たないものであり、一様な内部構造で、理想的な軟磁気特性を有している。

アモルファスワイヤにパルス電流が印加されると、アモルファスワイヤのインピーダンスは、磁気インピーダンス効果に基づき、微小な外部磁界に対してきわめて大きな変化を示す。これは、アモルファスワイヤの表面には、磁区を構成する電子スピンが円周方向に配列されていることに基づく。

図４は、このようなアモルファスワイヤを用いた従来の磁気センサの一例を示す構成説明図である。図４において、アモルファスワイヤ１の両端には、パルス電流印加回路２が接続されている。アモルファスワイヤ１の外周には、長手方向に沿って検出コイル３が巻回されていて、検出コイル３の両端間には電圧検出回路４が接続されている。

アモルファスワイヤ１にパルス電流印加回路２からパルス電流が印加されると、パルス電流の作る磁界によって、アモルファスワイヤ１の表面に配列されている電子スピンが円周方向に変化する。そのときの磁界の変化を、電圧検出回路４により、検出コイル３に誘起される誘導電圧の大きさとして検出する。

一方、アモルファスワイヤ１に外部磁界が加わると、パルス電流の無い場合の電子スピンの状態が長手方向に向くように変化し、パルス電流印加回路２からパルス電流が印加されたときに検出コイル３に誘起される誘導電圧の大きさも変化する。

図５は、図４に示すアモルファスワイヤ１の内部における電子スピンの状態説明図である。
図５において、（Ａ）は「外部磁界無し」、「パルス電流無し」の状態を示している。アモルファスワイヤ１の内部に形成されている多数の磁区の電子スピンは、長手方向に沿って互い違いに１８０度の向きになるように配列されている。

（Ｂ）は「外部磁界有り」、「パルス電流無し」の状態を示している。アモルファスワイヤ１の内部に形成されている多数の磁区の電子スピンは、長手方向に沿って外部磁界の向きに、外部磁界の大きさに依存した傾きで配列される。

（Ｃ）は「外部磁界無し」、「パルス電流有り」の状態を示している。アモルファスワイヤ１の内部に形成されている多数の磁区の電子スピンは、パルス電流の作る磁界によって全てが一定の円周方向を向くように変化する。

（Ｄ）は「外部磁界有り」、「パルス電流有り」の状態を示している。（Ｃ）の状態から外部磁界が加わることにより、パルス電流が加わったときに検出コイルに発生する誘導電圧の大きさが変化する。その差に基づき加わった外部磁界の大きさを検出できる。

本蔵 義信、外２名、「アモルファス材料のMI効果を利用した方位センサ ワンチップ電子コンパスＩCの概要と使い方」、トランジスタ技術、２００３年１２月号 ｐ．１３８−１４２

しかし、図４の構成のアモルファスワイヤ１によれば、アモルファス磁性体の抵抗成分によるパルス電流の導体損で消費電力が大きくなり、また発熱によってアモルファスワイヤ１の温度を変化させることから、温度変化に伴って電圧検出感度も変化し、検出誤差を生じてしまうという問題がある。そのため、磁性体はなるべく電気伝導率の高いものを使用する必要がある。

また、アモルファス磁性体は加工性が悪く、微細構造の磁性体を自在な形状に加工することは困難である。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、導体損に起因した温度変化に伴う電圧検出誤差を大幅に軽減でき、自在な形状に加工できる微細構造の磁性体部材を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
ワイヤ状に形成された導体部と、この導体部を内包するように形成された磁性体部とで構成されたことを特徴とする磁性体部材である。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の磁性体部材において、
前記磁性体部は、高透磁性を有する磁性ナノ粒子を含む絶縁性物質であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
第１の磁性体層を形成する工程と、
第１の磁性体層上にワイヤ状の導体層を形成する工程と、
このワイヤ状の導体層を覆うように第２の磁性体層を形成する工程、
を含むことを特徴とする磁性体部材の製造方法である。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の磁性体部材の製造方法において、
前記磁性体層は、高透磁性を有する磁性ナノ粒子を含む絶縁性物質であることを特徴とする。

これらにより、導体損に起因した消費電力の増加と温度変化に伴う電圧検出誤差を大幅に軽減でき、自在な形状に加工できる微細構造の磁性体部材を実現できる。

また、磁性体は電気伝導体である必要が無くなるため、従来では電気伝導率が低いもしくは絶縁体であるために使用できなかった磁性材料も使用可能となる。

本発明に基づく磁性体部材の一実施例を用いた磁気センサの構成説明図である。 本発明に基づく磁性体部材の製造方法の一実施例を示す工程図である。 本発明に基づく磁性体部材の一実施例を用いた磁気センサの製造方法の具体例を示す工程図である。 アモルファスワイヤを用いた従来の磁気センサの一例を示す構成説明図である。 図４に示すアモルファスワイヤ１の内部における電子スピンの状態説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく磁性体部材の一実施例を用いた磁気センサの構成説明図であり、図４と共通する部分には同一符号を付けている。図１において、第１の磁性体層５の上にはワイヤ状に形成された導体部６が設けられるとともに、この導体部６を覆って内包するように第２の磁性体層７が設けられている。

これら磁性体層５、７としては、たとえば、Ｆｅ（鉄）やアモルファス磁性体などの磁性ナノ粒子（φ１００ｎｍサイズ）が感光性のポリイミドに混合されたものを用いる。また、導体部６としては、たとえばＣｕ（銅）を用いる。

磁性体層５、７および導体部６は、公知の微細半導体製造工程を用いることにより、所望の形状の磁性体部材として一体化構成できる。

導体部６の両端には、パルス電流印加回路２が接続されている。そして、これら磁性体層５、７および導体部６で一体化構成される磁性体部材の外周には検出コイル３が巻き付けられ、検出コイル３の両端間には電圧検出回路４が接続されている。

このように構成において、導体部６にパルス電流印加回路２からパルス電流を流すと、パルス電流の作る磁界によって導体部６の周辺の磁性体層５、７表面の電子スピンが円周方向に変化する。電圧検出回路４は、その時の磁界の変化を、検出コイル３に発生する誘導電圧の大きさに基づいて検出する。

図１の構成によれば、パルス電流印加回路２から出力されるパルス電流は電気抵抗の小さい導体部６のみに流れ、導体部６の周辺の比較的大きな抵抗成分を有する磁性体層５、７に流れることはない。

これにより、従来のようなアモルファス磁性体の抵抗成分によるパルス電流の導体損が生じて発熱することはないので、パルス電流の印加によって磁性体部材の温度が変化することもなく、温度変化に伴う電圧検出感度の変化に起因する検出誤差の発生をほぼ解消できて、高精度で高感度の安定した磁気測定が行える。

そして、導体部６と磁性体層５、７とを分けていることにより、磁性体層５、７は電導性を有していなくてもよく、アモルファス磁性体の代わりに、高い透磁性を持った磁性ナノ粒子をたとえば感光性ポリイミドのような絶縁性物質と混ぜたものを使用できる。

中心導体となる導体部６と感光性ポリイミドによる磁性体層５、７の部分は、図２に示すようにフォトリソグラフ工程でパターンニングすることができるため、自由に形状を決められる。

図２は、本発明に基づく磁性体部材の製造方法の一実施例を示す工程図である。
まず、工程（ａ）において、第１の磁性体層５として、Ｆｅ（鉄）やアモルファス磁性体などの磁性ナノ粒子（φ１００ｎｍサイズ）を感光性のポリイミドに混ぜ合わせて、Ｓｉ（シリコン）基板８の上にスピンコートする。

工程（ｂ）において、第１の磁性体層５の上にレジスト９を塗布し、このレジスト９をフォトリソ工程で導体部６の所定の形状にパターンニングする。

工程（ｃ）において、所定の形状にパターンニングされたレジスト９の上に、中心導体となる導体部６としてたとえばＣｕ（銅）をスパッタする。

工程（ｄ）において、中心導体となる導体部６以外の部分を、レジスト９とともにリフトオフにより除去する。

工程（ｅ）において、第１の磁性体層５と導体部６の上に、第１の磁性体層５と同様に磁性ナノ粒子と感光性のポリイミドが混ぜ合わされたものを、第２の磁性体層７として塗布する。

工程（ｆ）において、第２の磁性体層７の上に形成しようとしている磁性体部材の形状のマスク１０を設け、第１の磁性体層５と第２の磁性体層７を構成している感光性ポリイミドを紫外線により露光フォトリソグラフィ工程で露光する。

工程（ｇ）において、第１の磁性体層５と第２の磁性体層７を構成している感光性ポリイミドのキュア（イミド化）を行い、紫外線で露光した部分を現像して除去する。

これにより、図１に示すように、長手方向にワイヤ状に形成された導体部６と、この導体部６を内包するように形成された第１の磁性体層５と第２の磁性体層７よりなる磁性体部とで構成された所定の形状の磁性体部材が得られる。

なお、図１の検出コイル３も、図３に示すように、フォトリソ微細加工技術で形成することができ、ＭＩ効果を応用した微小構造の磁気センサを生産性良く量産できる。

図３は、本発明に基づく磁性体部材の一実施例を用いた磁気センサの製造方法の具体例を示す工程図である。

まず、工程（ａ）において、Ｓｉ（シリコン）基板１１の上にＳｉＯ_２などの絶縁膜１２を形成し、その上に検出コイル３の下側電極パターンとなるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｔｉなどの金属層３ａをスパッタする。

工程（ｂ）において、フォトリソグラフとイオンミリング加工などを用いて金属層３ａを所定のパターンに加工し、検出コイル３の複数の下側電極パターン３ａを形成する。

工程（ｃ）において、検出コイル３の下側電極パターン３ａと磁性体層５を絶縁するたとえばポリイミドなどの絶縁層１３をスピンコートする。

工程（ｄ）において、絶縁層１３上に、前述した図２の工程図に示した製造方法に基づいて、磁性体層５、７および導体部６よりなる図１に示すような所定の形状の磁性体部材を作成する。

工程（ｅ）において、絶縁層１３および磁性体部材を覆うように、たとえばポリイミドなどの絶縁層１４を塗布し、必要に応じて研磨などの平坦化処理を行って平坦化する。

工程（ｆ）において、絶縁層１４および１３にオゾンやプラズマによるアッシング（Ashing:灰化）加工を行い、検出コイル３のそれぞれの下側電極パターン３ａに連通するように複数のスルーホール１４ａを開ける。

工程（ｇ）において、スルーホール１４ａ内部にたとえば金メッキを行って充填し、一端が下側電極パターン３ａに接続されて他端がスルーホール１４ａの開口部に露出し、検出コイル３の下側電極パターン３ａと次の工程に示す上側電極パターン３ｃとを電気的にも機械的にも連結する連結柱３ｂを形成する。

工程（ｈ）において、スルーホール１４ａが形成され検出コイル３の連結柱３ｂが充填形成された絶縁層１４の上に、検出コイル３の上側電極パターンとなるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｔｉなどの金属層３ｃをスパッタする。

工程（ｉ）において、フォトリソグラフとＲＩＥ加工により金属層３ｃを所定のパターンに加工して、検出コイル３の複数の上側電極パターン３ｃを形成する。

これにより、図１と同様に構成されるＭＩ効果を応用した微小構造の磁気センサが得られる。

なお、検出コイルは、多重に巻き付けた多層コイルとすることで、検出感度を高めることもできる。

このように構成される磁性体部材は、導体部と周辺の磁性体が分離されて、導体部を内包するように導体部の外周が磁性体で覆われているので、導体部は磁性体である必要はなく、導体部を抵抗値の低い金属にすることで導体損のきわめて少ない低消費電力の磁気センサが実現できる。

また、磁性体は導体に限らなくてもよいので、磁性体として導電率を気にする必要はなく、高い透磁性を持った磁性ナノ粒子を絶縁性物質と混ぜたものなどのような透磁率の高い材料を使用できる。

特に、磁性ナノ粒子と混ぜる絶縁性物質として感光性ポリイミドを使用することでフォトリソグラフィ微細加工技術が採用でき、検出コイルも含めて全体が１ｍｍ以下に凝縮された超小型化の磁界センサを作成できる。

さらに、フォトリソグラフィ微細加工技術を使用することにより、回路の形状を自在に作成できることから、３Ｄ立体磁性回路も作成できる。

以上説明したように、本発明によれば、導体損に起因した温度変化に伴う電圧検出誤差を大幅に軽減でき、自在な形状に加工できる微細構造の磁性体部材を実現でき、方位センサなどの各種の磁気センサとして好適である。

２ パルス電流印加回路
３ 検出コイル
３ａ 下側電極パターン
３ｂ 連結柱
３ｃ 上側電極パターン
４ 電圧検出回路
５ 第１の磁性体層
６ 導体部
７ 第２の磁性体層
８、１１ Ｓｉ（シリコン）基板
９ レジスト
１０ マスク
１２、１３、１４ 絶縁膜
１４ａ スルーホール

Claims (4)

1. ワイヤ状に形成された導体部と、この導体部を内包するように形成された磁性体部とで構成されたことを特徴とする磁性体部材。
2. 前記磁性体部は、高透磁性を有する磁性ナノ粒子を含む絶縁性物質であることを特徴とする請求項１に記載の磁性体部材。
3. 第１の磁性体層を形成する工程と、
   第１の磁性体層上にワイヤ状の導体層を形成する工程と、
   このワイヤ状の導体層を覆うように第２の磁性体層を形成する工程、
   を含むことを特徴とする磁性体部材の製造方法。
4. 前記磁性体層は、高透磁性を有する磁性ナノ粒子を含む絶縁性物質であることを特徴とする請求項３記載の磁性体部材の製造方法。