JP2017053655A - 薄膜磁界センサおよびアレイ型薄膜磁界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気バイアス機構としての薄膜磁石からの漏洩磁界が極めて小さい薄膜磁界センサおよびそのような薄膜磁界センサを複数個有するアレイ型薄膜磁界センサを提供する。【解決手段】薄膜磁界センサ１０は、外部磁場に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗薄膜１と、磁気抵抗薄膜１の両側に配された一対の軟磁性薄膜２と、磁気抵抗薄膜１に対して磁気バイアスを与える薄膜磁石３とを有する。薄膜磁石３は基板４上に形成され、軟磁性薄膜２は、薄膜磁石３の上に形成されるとともに、薄膜磁石３の少なくとも磁極を含む部分を覆うように設けられている。また、薄膜磁界センサ１０を基板上に複数個配置することにより、アレイ型薄膜磁界センサが形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果を利用した薄膜磁界センサに関し、特に、磁気バイアス機構としての薄膜磁石を有する薄膜磁界センサおよびそれを用いたアレイ型薄膜磁界センサに関する。

磁気抵抗素子は、ホール素子や半導体型磁気抵抗素子に比べて微小磁界に対する感度が高く、これを利用した薄膜磁界センサが広く用いられている。このような薄膜磁界センサとしては、特許文献１および特許文献２に提案されたものが知られている。

図９は、特許文献１に記載された薄膜磁界センサの構造を示す斜視図である。この薄膜磁界センサは、外部磁場に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗薄膜３１と、その磁気抵抗薄膜３１の両側に配された一対の軟磁性薄膜３２と、軟磁性薄膜３２の下に設けられた薄膜磁石である一対の硬磁性薄膜３３とを有している。硬磁性薄膜３３と軟磁性薄膜３２は、基板上に積層されており、磁気抵抗薄膜３１は、一対の軟磁性薄膜３２の間および一対の硬磁性薄膜３３の間に介在されるように基板３４上に形成されている。

図９の薄膜磁界センサにおいて、軟磁性薄膜３２は、外部磁場を収束し磁気抵抗薄膜３１の磁気感度を高める機能を有し、硬磁性薄膜３３は、磁気抵抗薄膜３１に磁気バイアスを印加するための磁界発生源としての機能を有する。硬磁性薄膜３３から磁気バイアスを印加することにより、磁界の大きさばかりでなく磁界の方向も検出することができる。

また、特許文献１には、硬磁性薄膜が軟磁性薄膜に接していても離れていてもよく、さらには一対の硬磁性薄膜のうちどちらか一つでも磁気バイアスを付与できると記載されている。

図１０は、特許文献２に記載された薄膜磁界センサの構造を示す図である。この薄膜磁界センサは、磁気抵抗素子４１と、２個の薄膜磁石４２，４３が同一チップ上に形成され、薄膜磁石４２，４３は、磁気抵抗素子４１を挟んで両側に異極が対向するように配置されている。このように、磁気抵抗素子４１と２個の薄膜磁石４２，４３を同一基板上に作成するため、位置合わせ精度が高く、また間隔をあけて配置された２個の薄膜磁石４２，４３の極間で発生した平行磁界をバイアス磁界として利用するので、正負の磁界検出が対称性良く高精度でできるとしている。

特開２００３−０７８１８７号公報 特開平０６−１４８３０１号公報

しかしながら、従来の薄膜磁界センサは、磁界発生源である薄膜磁石から外部への漏洩磁界が少なからず存在し、その影響により微小磁界の計測が困難な場合がある。例えば、金属のような高い電気導電性を有する構造体が移動していて、その移動する構造体中から発生する微小磁界を計測するような場合、薄膜磁界センサの薄膜磁石からの漏洩磁界が存在すると、構造体には誘導電流が生じ、それによって生成される磁界の影響が無視できない。

また、薄膜磁石を有する薄膜磁界センサを複数個、同一基板上に並べるようなアレイ型薄膜磁界センサにおいては、薄膜磁石の漏洩磁界が近接する他の薄膜磁界センサと磁気的に干渉し合うおそれがある。

したがって、本発明は、磁気バイアス機構としての薄膜磁石からの漏洩磁界が極めて小さい薄膜磁界センサおよびそのような薄膜磁界センサを複数個有するアレイ型薄膜磁界センサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（５）を提供する。
（１）外部磁場に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗薄膜と、
前記磁気抵抗薄膜の両側に配された一対の軟磁性薄膜と、
前記磁気抵抗薄膜に対して磁気バイアスを与える薄膜磁石と
を有し、
前記薄膜磁石は基板上に形成され、前記軟磁性薄膜は、前記薄膜磁石の上に形成されるとともに、前記薄膜磁石の少なくとも磁極を含む部分を覆うように設けられていることを特徴とする薄膜磁界センサ。

（２）前記軟磁性薄膜および前記薄膜磁石は、少なくとも一方が絶縁性材料で構成され、前記軟磁性薄膜は、前記薄膜磁石とが直接接するように設けられることを特徴とする（１）に記載の薄膜磁界センサ。

（３）前記軟磁性薄膜および前記薄膜磁石は、いずれも導電性材料で構成され、前記軟磁性薄膜と前記薄膜磁石との間に電気的絶縁膜が介在されていることを特徴とする（１）に記載の薄膜磁界センサ。

（４）前記軟磁性薄膜の厚みは、前記薄膜磁石の厚み以上であり、前記軟磁性薄膜の前記薄膜磁石の磁極端部からはみ出た領域の幅は、前記軟磁性薄膜の厚みの１０倍以下であることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の薄膜磁界センサ。

（５）基板上に、（１）から（４）のいずれかに記載の薄膜磁界センサが複数個、周期的または非周期的に配置されてなることを特徴とするアレイ型薄膜磁界センサ。

本発明によれば、磁気バイアス機構としての薄膜磁石からの漏洩磁界が極めて小さい薄膜磁界センサおよびそのような薄膜磁界センサを複数個有するアレイ型薄膜磁界センサが提供される。

本発明の一実施形態に係る薄膜磁界センサを示す平面図および断面図である。 本発明の他の実施形態に係る薄膜磁界センサを示す断面図である。 薄膜磁界センサの電気抵抗の外部磁場依存性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る薄膜磁界センサの一部を拡大して示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る薄膜磁界センサの一部を拡大して示す断面図である。 図２の薄膜磁界センサにおいて、薄膜磁石のエッジに勾配を設けた例を示す断面図である。 本発明の薄膜磁界センサの漏れ磁界特性を示す図である。 薄膜磁界センサを同一の基板上に複数個一括して形成したアレイ型薄膜磁界センサを示す平面図である。 特許文献１に記載された薄膜磁界センサの構造を示す斜視図である。 特許文献２に記載された薄膜磁界センサの構造を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜磁界センサを示す平面図および断面図である。この薄膜磁界センサ１０は、外部磁場に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗薄膜１と、その磁気抵抗薄膜１の両側に配された一対の軟磁性薄膜２と、磁気抵抗薄膜１に磁気バイアスを与える薄膜磁石３とを有している。

薄膜磁石３は基板４上に形成されており、軟磁性薄膜２は薄膜磁石３の上に形成されている。このとき、軟磁性薄膜２は、薄膜磁石３の少なくとも磁極を含む部分を覆うように設けられている。すなわち、軟磁性薄膜２は、薄膜磁石３の少なくとも磁極を含む部分の上面、側面、端面を覆うように設けられている。

具体的には、薄膜磁石３は、基板４上にＹ方向に延びるように短冊状に形成されており、その長手方向の概ね両端部に磁極が形成される。薄膜磁石３の上の中央にはＸ方向に延びるように磁気抵抗薄膜１が形成されている。磁気抵抗薄膜１のＸ方向の長さは薄膜磁石３のＸ方向の長さよりも短くなっている。本例では、軟磁性薄膜２は、磁気抵抗薄膜１の両側に薄膜磁石３の上面および側面の大部分、および端面の全部を覆うように形成されて、これにより薄膜磁石３の少なくとも磁極が軟磁性薄膜２に覆われている。

図１の例では、軟磁性薄膜２および薄膜磁石３のうち少なくとも一方が絶縁性材料の場合であり、このため、図１（ｂ）に示すように、軟磁性薄膜２と薄膜磁石３とが直接接するように設けられる。

これに対して、軟磁性薄膜２および薄膜磁石３の両方が導電性材料（金属材料）の場合は、図２に示すように、軟磁性薄膜２と薄膜磁石３との間に電気的絶縁膜５を介在させる。

基板４としては、適宜の厚み（例えば約０．５ｍｍ）を有し、表面に鏡面研磨を施したガラスを用いることができる。また、半導体ＩＣ回路と一体形成する場合には、基板４として、表面に熱酸化膜を形成したシリコン、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ＳｉＣ、サファイア、化合物半導体等が好適である。

薄膜磁石３は、磁気抵抗薄膜１に対して磁気バイアスを与えるため、外部に大きな磁界を生成する能力を有している。したがって、薄膜磁石３の材料としては、大きな最大磁束密度と高い保磁力を有するものが選択され、金属系のＳｍＣｏ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｎ系磁石、あるいは、鉄酸化物系のハードフェライト磁石を好適に用いることができる。

軟磁性薄膜２は、約数千の高い透磁率を有し、多くの磁力線を収束して、磁気抵抗薄膜１の両側に強い磁界を付与する機能を有する。軟磁性薄膜２の厚みは、薄膜磁石３の厚み以上であることが望ましい。軟磁性薄膜２の材料としては、高い透磁率を有するＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＳｉＡｌ、ＦｅＮｉＮｂ系等の金属合金、あるいは酸化物系のソフトフェライトを好適に用いることができる。

薄膜磁石３がＳｍＣｏ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｎ系磁石等の金属系であり、軟磁性薄膜２の材料がＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＳｉＡｌ、ＦｅＮｉＮｂ系等の金属系の場合には、上述した図２に示すように、これらの間に電気的絶縁膜５を形成する。電気的絶縁膜５としては、ＳｉＯ_２膜やＡｌ_２Ｏ_３膜等を用いることができる。

磁気抵抗薄膜１は、外部磁界に対して高い電気抵抗変化を示すものであり、その厚みは、例えば約０．５μｍである。磁気抵抗薄膜１の材料としては、磁気巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果により、外部磁界に応じて数１０％以上の高い電気抵抗変化を示すものが好ましく、ＣｏＡｌＯ系、ＣｏＹＯ系、ＦｅＭｇＦ系、ＦｅＣｏＭｇＦ系、ＦｅＣｏＡｌＦ系のナノグラニュラー合金等を好適に用いることができる。

磁気抵抗薄膜１、軟磁性薄膜２、および薄膜磁石３は、真空蒸着、スパッタリング等の公知の薄膜形成技術、およびフォトリソグラフィー、エッチング等の公知の微細加工技術により、所望の微細パターンに形成することができる。

本例の場合は、基板４上に薄膜磁石３を成膜し、短冊状に加工した後、薄膜磁石３およびその外側の基板４の領域に、直接または電気的絶縁膜５を介して軟磁性薄膜２を成膜し、その後、軟磁性薄膜２を所定形状に加工し、一対の軟磁性薄膜２の間の空隙に磁気抵抗薄膜１を形成することにより、図１または図２に示すパターンの薄膜磁界センサ１０が得られる。

また、薄膜磁石３および軟磁性薄膜２は、所定の工程における磁場中熱処理により、任意の一軸異方性磁界と保磁力を付与することができる。

次に、以上のように構成される薄膜磁界センサ１０の動作について動作原理を含めて説明する。

磁気抵抗薄膜１は、上述したように、巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果により、外部磁界に応じて数１０％以上の高い電気抵抗変化を示す。また、その磁気抵抗薄膜１の両側に設けられている一対の軟磁性薄膜２は、約数千の高い透磁率を有しており、多くの磁力線を収束するため、磁気抵抗薄膜１には強い磁界が加わる。したがって、磁気抵抗薄膜１と軟磁性薄膜２の組合せにより、外部の小さな磁界変化に対して、より大きな磁気抵抗変化を得ることができる。

一方、薄膜磁石３は、外部に大きな磁界を生成する能力を有しており、磁気抵抗薄膜１の両側に対して磁気バイアスを与える。本来、磁気抵抗薄膜１は、外部磁場に対して偶関数的な磁気特性を有し、磁界の方向を特定することができないが、磁気バイアスが与えられることにより、零磁界の近傍において陰関数的な特性に変換されるため、磁界の方向を特定することができる。なお、この磁気バイアスは、薄膜磁石の材料組成、サイズ、特に厚みによって、任意に調整することが可能である。

図３は、薄膜磁界センサの電気抵抗の外部磁場依存性を示す図である。同図中の点線に示すように、薄膜磁石がない薄膜磁界センサに関しては、外部磁場に対して偶関数的な磁気特性が示されるが、薄膜磁石により磁気バイアスが与えられると、同図中の実線のように、零磁界の近傍において陰関数的な特性に変換される。例えば、ＳｍＣｏ系の厚みが１μｍの薄膜磁石により、約数Ｏｅ以上の磁界バイアスが磁気抵抗薄膜に印加される。

ところで、薄膜磁石３から生成される磁界は、薄膜磁界センサの外部にある計測対象物にも影響を及ぼすため、外部へ漏洩する磁界は極力小さくしなければならない。従来は、この点は考慮されておらず、上記特許文献１および２の薄膜磁界センサでは１Ｏｅ程度の漏洩磁界が発生し、微小磁界の測定が困難になる場合がある。

そこで、本実施形態では、薄膜磁石３の少なくとも磁極を含む部分を覆うように軟磁性薄膜２を設ける。すなわち、薄膜磁石３の少なくとも磁極を含む部分の上面、側面、端面を覆うように軟磁性薄膜２を設ける。具体的には、薄膜磁石３の上面の大部分、側面の大部分、端面の全部を軟磁性薄膜２で覆っている。薄膜磁石３からの漏洩磁界は、薄膜磁石３の磁極から放出されるため、少なくともその部分を軟磁性薄膜２で覆うことにより、薄膜磁石３から外部に漏洩する漏洩磁界を極めて小さくすることができる。

漏洩磁界をより小さくするためには、軟磁性薄膜２は低い磁気抵抗であることが好ましく、このように低い磁気抵抗を得る観点および製造上の観点から、軟磁性薄膜２の厚さを薄膜磁石３の厚さ以上にすることが望ましい。また、軟磁性薄膜２そのものの磁気抵抗を十分小さくするためには、その比透磁率が５００以上であることが好ましい。

図４は図１（ｂ）の薄膜磁界センサの一部を拡大して示す図であるが、上述したように、漏洩磁界をより小さくするためには、軟磁性薄膜２の厚みｔ_ｓｍが薄膜磁石３の厚みｔ_ｈｍ以上であることが望ましい他、薄膜磁石３の磁極の外側において軟磁性薄膜２が基板４に接する領域の幅、すなわち軟磁性薄膜２の薄膜磁石３の磁極端部からはみ出た領域の幅Ｗ_ｓｍは、軟磁性薄膜２の厚みｔ_ｓｍの１０倍以下であることが望ましい。Ｗ_ｓｍがｔ_ｓｍの１０倍を超えると、軟磁性薄膜２を経由して磁気抵抗薄膜１に向かう磁界が小さくなってしまう。

図５は、図２の軟磁性薄膜２と薄膜磁石３との間に電気的絶縁膜５を設けた薄膜磁界センサの一部を拡大して示す図であるが、同様に、軟磁性薄膜２の厚みｔ_ｓｍが薄膜磁石３の厚みｔ_ｈｍ以上であることが望ましい他、軟磁性薄膜２の薄膜磁石３の磁極端部からはみ出た領域の幅Ｗ_ｓｍーｓは、軟磁性薄膜２の厚みｔ_ｓｍの１０倍以下であることが望ましい。

上記図４、図５に示すように、製造上、軟磁性薄膜２は、薄膜磁石３のエッジ近傍において薄くなりやすく、それによって磁気抵抗が増加するおそれがある。これを抑制するためには、軟磁性薄膜２の成膜の際に、例えば、基板に対して斜め入射スパッタリングによる追加成膜を行うか、または、図６のように薄膜磁石３のエッジ部に予め勾配を設けることが効果的である。図６は、図２の軟磁性薄膜２と薄膜磁石３との間に電気的絶縁膜５を設けた薄膜磁界センサにおいて、薄膜磁石３のエッジ部に勾配３ａを設けた例であるが、図５に比べて薄膜磁石３のエッジ近傍における軟磁性薄膜２の厚みが厚いことがわかる。

図７は、本発明の薄膜磁界センサの漏れ磁界特性を示す図である。例えば、薄膜磁界センサの短冊状の薄膜磁石の長手方向において、ΔＨで表される漏洩磁界は、約０．１Ｏｅ以下と極めて小さな値であった。

さらに、形状、成膜方法、材料等を最適化することにより、漏洩磁界が０．０１Ｏｅ以下という極めて小さい値となることが期待される。

以上は、薄膜磁界センサ１０そのものについて説明したが、図８に示すように、公知の薄膜形成技術および微細加工技術により、以上のような薄膜磁界センサ１０を同一の基板１５上に複数個一括して形成して、アレイ型薄膜磁界センサ２０としてもよい。図８では薄膜磁界センサ１０を周期的に形成しているが、非周期的に形成してもよい。

上述したように、薄膜磁界センサ１０は薄膜磁石の漏洩磁界を小さくすることができるので、アレイ型薄膜磁界センサ２０において、一つの薄膜磁界センサ１０の薄膜磁石の漏洩磁界が、近接する他の薄膜磁界センサ１０と磁気的に干渉し合うことを有効に防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変形することが可能である。上記実施形態では薄膜磁石の上面の大部分、側面の大部分、端面の全部を軟磁性薄膜で被覆することで、薄膜磁石の少なくとも磁極を含む部分を軟磁性薄膜で被覆することを実現したが、薄膜磁石の磁極が被覆されていれば、それに限らない。また、上記実施形態では薄膜磁界センサの構成要素を単純化して示しているが、磁気抵抗薄膜、軟磁性薄膜、薄膜磁石の形状や配置については種々の形態をとることができ、また、それ以外の薄膜磁界センサの要素を付加することは許容される。

１；磁気抵抗薄膜
２；軟磁性薄膜
３；薄膜磁石
４；基板
５；電気的絶縁膜
１０；薄膜磁界センサ
１５；基板
２０；アレイ型薄膜磁界センサ

Claims (5)

1. 外部磁場に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗薄膜と、
   前記磁気抵抗薄膜の両側に配された一対の軟磁性薄膜と、
   前記磁気抵抗薄膜に対して磁気バイアスを与える薄膜磁石と
   を有し、
   前記薄膜磁石は基板上に形成され、前記軟磁性薄膜は、前記薄膜磁石の上に形成されるとともに、前記薄膜磁石の少なくとも磁極を含む部分を被覆するように設けられていることを特徴とする薄膜磁界センサ。
2. 前記軟磁性薄膜および前記薄膜磁石は、少なくとも一方が絶縁性材料で構成され、前記軟磁性薄膜は、前記薄膜磁石とが直接接するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の薄膜磁界センサ。
3. 前記軟磁性薄膜および前記薄膜磁石は、いずれも導電性材料で構成され、前記軟磁性薄膜と前記薄膜磁石との間に電気的絶縁膜が介在されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜磁界センサ。
4. 前記軟磁性薄膜の厚みは、前記薄膜磁石の厚み以上であり、前記軟磁性薄膜の前記薄膜磁石の磁極端部からはみ出た領域の幅は、前記軟磁性薄膜の厚みの１０倍以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の薄膜磁界センサ。
5. 基板上に、請求項１から請求項４のいずれかに記載の薄膜磁界センサが複数個、周期的または非周期的に配置されてなることを特徴とするアレイ型薄膜磁界センサ。

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