JP2021021657A - 磁界測定装置および磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感受素子に印加するバイアス磁界を低減する。【解決手段】磁界測定装置は、軟磁性体で構成され、長手方向と短手方向とを有し、長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する磁気センサ１と、感受素子に、所定の大きさのパルス電圧を印加する電圧印加部３と、パルス電圧が印加されることで生じる感受素子の電圧変化を測定する電圧測定部５と、電圧印加部３により印加されるパルス電圧の大きさに応じて、電圧測定部５による測定結果から感受素子に印加される磁界を算出する磁界算出部７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、磁界測定装置および磁気センサに関する。

公報記載の従来技術として、非磁性基板上に形成された硬磁性体膜からなる薄膜磁石と、前記薄膜磁石の上を覆う絶縁層と、前記絶縁層上に形成された一軸異方性を付与された一個または複数個の長方形状の軟磁性体膜からなる感磁部とを備えた磁気インピーダンス効果素子が存在する（特許文献１参照）。
また、公報記載の従来技術として、磁性体を有する磁気検出素子と、磁性体にパルス電圧を印加する回路とを備え、パルス電圧の印加により生じた磁性体の磁束変化を検出し外部磁界の大きさを求める磁界検出方法が存在する（特許文献２参照）。

特開２００８−２４９４０６号公報 再公表特許２０１２／１７６４５１号

ところで、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を用いた磁界測定装置では、感受素子にパルス電圧を印加し、感受素子に生じた電圧変化に基づいて、磁界を測定する場合がある。この場合、感受素子に生じる電圧の変化量が磁界の変化量に対して直線的に変化するように、感受素子にバイアス磁界を印加する場合がある。
本発明は、感受素子に印加するバイアス磁界を低減することを目的とする。

本発明が適用される磁界測定装置は、軟磁性体で構成され、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する磁気センサと、前記感受素子に、所定の大きさのパルス電圧を印加する電圧印加部と、前記パルス電圧が印加されることで生じる前記感受素子の電圧変化を測定する電圧測定部と、前記電圧印加部により印加される前記パルス電圧の大きさに応じて、前記電圧測定部による測定結果から前記感受素子に印加される磁界を算出する磁界算出部とを備える。
ここで、前記磁気センサは、硬磁性体で構成され前記感受素子の前記長手方向にバイアス磁界を印加する薄膜磁石をさらに備え、前記バイアス磁界は、２Ｏｅ以下であることを特徴とすることができる。
また、前記感受素子の前記長手方向にバイアス磁界を印加する薄膜磁石を備えないことを特徴とすることができる。
さらに、前記磁気センサは、前記短手方向に間隙を介して配置され、つづら折り状に直列接続される複数の前記感受素子を備えることを特徴とすることができる。
さらにまた、前記磁気センサは、それぞれの前記感受素子の前記短手方向の幅が、隣接する当該感受素子同士の幅と比較して小さいことを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明が適用される磁気センサは、非磁性の基板と、前記基板上に積層される軟磁性体からなり、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する感受部とを備え、前記感受部は、パルス電圧が印加された場合に前記感受素子に生じる電圧変化が、当該パルス電圧の大きさによって異なることを特徴とする。

本発明によれば、感受素子に印加するバイアス磁界を低減することが可能となる。

本実施の形態が適用される磁界測定装置を説明する図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本実施の形態が適用される磁気センサの一例を説明する図である。 磁界測定装置において、磁気センサの感受素子の長手方向に印加された磁界と、電圧印加部によりパルス電圧が印加された際に磁気センサに生じる電圧変化との関係を説明する図である。 磁界測定装置において、磁気センサの感受素子の長手方向に印加された磁界と、電圧印加部によりパルス電圧が印加された際に磁気センサに生じる電圧変化との関係を説明する図である。 （ａ）〜（ｅ）は、磁気センサの製造方法の一例を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（磁界測定装置５００の構成）
図１は、本実施の形態が適用される磁界測定装置５００を説明する図である。磁界測定装置５００は、所謂磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサ１と、磁気センサ１に対してパルス電圧を印加する電圧印加部３と、磁気センサ１に生じた電圧変化を測定する電圧測定部５と、電圧測定部５による電圧変化の測定結果に基づいて磁気センサ１で感受される磁界の変化を算出する磁界算出部７とを備えている。なお、図１には、磁界測定装置５００の構成に加えて、電圧印加部３に印加されるパルス電圧、電圧測定部５により測定される磁気センサ１の電圧変化の波形、および電圧測定部５により変換され磁界算出部７へ出力される電圧のピーク値をホールドした波形を例示している。

電圧印加部３は、例えば電源およびパルスジェネレータ等を有する回路により構成され、磁気センサ１に並列に接続される。そして、電圧印加部３は、予め定めた波形（振幅、パルス幅、周期）のパルス電圧を生成し、磁気センサ１の後述する端子部３３（図２（ａ）参照）の一方に印加する。
電圧印加部３により印加するパルス電圧の大きさ（振幅）は、例えば１Ｖ〜２０Ｖとすることができる。また、電圧印加部３により印加するパルス電圧のパルス幅は、例えば１０ｎｓ〜１００ｎｓとすることができる。さらに、電圧印加部３により印加するパルス電圧の繰り返し周期は、例えば、１ＭＨｚ〜５０ＭＨｚとすることができる。なお、電圧印加部３により印加するパルス電圧の各条件は、磁界測定装置５００の回路構成、磁気センサ１の後述する感受素子３１（図２（ａ）参照）の形状、測定したい磁界の大きさ等によって設定される。

電圧測定部５は、電圧印加部３によりパルス電圧が印加された際に磁気センサ１から出力される電圧変化を測定する。付言すると、電圧印加部３によりパルス電圧が印加されると、磁気センサ１の感受素子３１には、所定のパルス電流が流れ、磁界に応じて電圧変化が生じる。電圧測定部５は、この電圧変化を測定する。この例では、電圧測定部５は、パルス電圧が印加された際に磁気センサ１から出力されるオーバーシュート電圧のピーク値を測定する。電圧測定部５は、例えば、磁気センサ１から出力される電圧を直流変換するピークホールド回路により構成される。そして、電圧測定部５は、測定した電圧変化に関する信号を磁界算出部７へ出力する。

磁界算出部７は、電圧測定部５により測定された磁気センサ１の電圧変化に基づいて、磁気センサ１で感受される磁界を算出する。詳細については後述するが、磁界算出部７は、電圧印加部３により磁気センサ１に印加される電圧の大きさに対応させて、磁気センサ１の電圧変化と、磁気センサ１で感受される外部磁界との関係を記憶している。そして、磁界算出部７は、この関係を利用して、電圧測定部５により測定された磁気センサ１の電圧変化から、磁気センサ１で感受される磁界を算出する。

（磁気センサ１の構成）
図２（ａ）〜（ｂ）は、本実施の形態が適用される磁気センサ１の一例を説明する図である。図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩＢ−ＩＩＢ線での断面図である。
図２（ｂ）に示すように、本実施の形態が適用される磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に設けられた硬磁性体（硬磁性体層１０３）で構成された薄膜磁石２０と、薄膜磁石２０に対向して積層され、軟磁性体（軟磁性体層１０５）で構成され磁場を感受する感受部３０とを備える。なお、磁気センサ１の断面構造については、後に詳述する。

ここで、硬磁性体とは、外部磁界によって磁化されると、外部磁界を取り除いても磁化された状態が保持される、いわゆる保磁力の大きい材料である。一方、軟磁性体とは、外部磁界によって容易に磁化されるが、外部磁界を取り除くと速やかに磁化がないか又は磁化が小さい状態に戻る、いわゆる保磁力の小さい材料である。

なお、本明細書においては、磁気センサ１を構成する要素（薄膜磁石２０など）を二桁の数字で表し、要素に加工される層（硬磁性体層１０３など）を１００番台の数字で表す。そして、要素の数字に対して、要素に加工される層の番号を（ ）内に表記する。例えば薄膜磁石２０の場合、薄膜磁石２０（硬磁性体層１０３）と表記する。図においては、２０（１０３）と表記する。他の場合も同様である。

図２（ａ）により、磁気センサ１の平面構造を説明する。磁気センサ１は、一例として四角形の平面形状を有する。ここでは、磁気センサ１の最上部に形成された感受部３０及びヨーク４０を説明する。感受部３０は、平面形状が長手方向と短手方向とを有する短冊状である複数の感受素子３１と、隣接する感受素子３１をつづら折りに直列接続する接続部３２と、電線が接続される端子部３３とを備える。ここでは、１２個の感受素子３１が、長手方向が並列するように配置されている。感受素子３１が、磁気インピーダンス効果素子である。
感受素子３１は、例えば、長手方向の長さが１ｍｍ〜２ｍｍ、短手方向の幅が５０μｍ〜１５０μｍ、厚さ（軟磁性体層１０５の厚さ）が０．５μｍ〜５μｍである。また、隣接する感受素子３１同士の間隔は、５０μｍ〜１５０μｍである。なお、感受素子３１の短手方向の幅は、隣接する感受素子３１同士の間隔と比較して小さいことが好ましい。

接続部３２は、隣接する感受素子３１の端部間に設けられ、隣接する感受素子３１をつづら折りに直列接続する。図２（ａ）に示す磁気センサ１では、１２個の感受素子３１が並列に配置されているため、接続部３２は１１個ある。接続部３２の数は、感受素子３１の数によって異なる。例えば、感受素子３１が４個であれば、接続部３２は３個である。また、感受素子３１が１個であれば、接続部３２を備えない。なお、接続部３２の幅は、電圧印加部３により感受部３０に印加するパルス電圧大きさ等によって設定すればよい。例えば、接続部３２の幅は、感受素子３１と同じであってもよい。

端子部３３は、接続部３２で接続されていない感受素子３１の端部（２個）にそれぞれ設けられている。端子部３３は、電線を接続しうる大きさであればよい。なお、本実施の形態の感受部３０は、感受素子３１が１２個であるため、２個の端子部３３は、図２（ａ）において右側に設けられている。感受素子３１の数が奇数の場合には、２個の端子部３３を左右に分けて設ければよい。

そして、感受部３０の感受素子３１、接続部３２及び端子部３３は、１層の軟磁性体層１０５で一体に構成されている。軟磁性体層１０５は、導電性であるので、一方の端子部３３から他方の端子部３３に電流が流れる。
なお、感受部３０において感受素子３１等の大きさ（長さ、幅、面積、厚さ等）、感受素子３１の数、感受素子３１同士の間隔等は、電圧印加部３（図１参照）により印加されるパルス電圧の大きさ（振幅）、磁気センサ１により感受したい磁界の大きさ、感受部３０に用いる軟磁性体材料の種類等によって設定される。

さらに、磁気センサ１は、感受素子３１の長手方向の端部に対向して設けられたヨーク４０を備える。ここでは、感受素子３１の長手方向の両端部に対向してそれぞれが設けられた２個のヨーク４０ａ、４０ｂを備える。なお、ヨーク４０ａ、４０ｂをそれぞれ区別しない場合は、ヨーク４０と表記する。ヨーク４０は、感受素子３１の長手方向の端部に磁力線を誘導する。このため、ヨーク４０は、磁力線が透過しやすい軟磁性体（軟磁性体層１０５）で構成されている。つまり、感受部３０及びヨーク４０は、一層の軟磁性体層１０５により形成されている。なお、感受素子３１の長手方向に磁力線が十分透過する場合には、ヨーク４０を備えなくてもよい。

以上のことから、磁気センサ１の大きさは、平面形状において数ｍｍ角である。なお、磁気センサ１の大きさは、他の値であってもよい。

次に、図２（ｂ）により、磁気センサ１の断面構造を説明する。磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３（薄膜磁石２０）、誘電体層１０４、軟磁性体層１０５（感受部３０及びヨーク４０）が、この順に積層されて構成されている。

基板１０は、非磁性体からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキを施した金属等の金属基板が挙げられる。
密着層１０１は、基板１０に対する制御層１０２の密着性を向上させるための層である。密着層１０１としては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金を用いるのがよい。Ｃｒ又はＮｉを含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＴａ、ＮｉＴａ等が挙げられる。密着層１０１の厚さは、例えば５ｎｍ〜５０ｎｍである。なお、基板１０に対する制御層１０２の密着性に問題がなければ、密着層１０１を設けることを要しない。なお、本明細書においては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金の組成比を示さない。以下同様である。

制御層１０２は、硬磁性体層１０３で構成される薄膜磁石２０の磁気異方性が膜の面内方向に発現しやすいように制御する層である。制御層１０２としては、Ｃｒ、Ｍｏ若しくはＷ又はそれらを含む合金（以下では、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金と表記する。）を用いるのがよい。制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＭｏ、ＣｒＶ、ＣｒＷ等が挙げられる。制御層１０２の厚さは、例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。

薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３は、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ又はＰｔのいずれか一方又は両方を含む合金（以下では、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いることがよい。薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＮｉＣｒ、ＣｏＣｒＰｔＢ等が挙げられる。なお、Ｆｅが含まれていてもよい。硬磁性体層１０３の厚さは、例えば１μｍ〜３μｍである。

制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金は、ｂｃｃ（body-centered cubic（体心立方格子））構造を有する。よって、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体（硬磁性体層１０３）は、ｂｃｃ構造のＣｒ等を含む合金で構成された制御層１０２上において結晶成長しやすいｈｃｐ（hexagonal close-packed（六方最密充填））構造であるとよい。ｂｃｃ構造上にｈｃｐ構造の硬磁性体層１０３を結晶成長させると、ｈｃｐ構造のｃ軸が面内に向くように配向しやすい。よって、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０が面内方向に磁気異方性を有するようになりやすい。なお、硬磁性体層１０３は結晶方位の異なる集合からなる多結晶であり、各結晶が面内方向に磁気異方性を有する。この磁気異方性は結晶磁気異方性に由来するものである。

なお、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金及び薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金の結晶成長を促進するために、基板１０を１００℃〜６００℃に加熱するとよい。この加熱により、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金が結晶成長しやすくなり、ｈｃｐ構造を持つ硬磁性体層１０３が面内に磁化容易軸を持つように結晶配向されやすくなる。つまり、硬磁性体層１０３の面内に磁気異方性が付与されやすくなる。

誘電体層１０４は、非磁性の誘電体で構成され、薄膜磁石２０と感受部３０との間を電気的に絶縁する。誘電体層１０４を構成する誘電体としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物、又は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等の窒化物等が挙げられる。また、誘電体層１０４の厚さは、例えば０．１μｍ〜３０μｍである。

感受部３０における感受素子３１は、長手方向に交差する方向、例えば直交する短手方向に一軸磁気異方性が付与されている。なお、長手方向に交差する方向とは、長手方向に対して４５°を超えた角度を有すればよい。
感受素子３１を構成する軟磁性体層１０５としては、Ｃｏを主成分とした合金に高融点金属Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ等を添加したアモルファス合金（以下では、感受素子３１を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いるのがよい。感受素子３１を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＦｅＴａ、ＣｏＷＺｒ等が挙げられる。感受素子３１を構成する軟磁性体層１０５の厚さは、例えば、それぞれ０．２μｍ〜２μｍである。

密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、及び誘電体層１０４は、平面形状が四角形（図２参照）になるように加工されている。そして、露出した側面のうち、対向する二つの側面において、薄膜磁石２０がＮ極（図２（ｂ）における（Ｎ））及びＳ極（図２（ｂ）における（Ｓ））となっている。なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、感受部３０における感受素子３１の長手方向に向くようになっている。ここで、長手方向に向くとは、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度が４５°未満であることをいう。なお、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度は、小さいほどよい。

磁気センサ１において、薄膜磁石２０のＮ極から出た磁力線は、一旦磁気センサ１の外部に出る。そして、一部の磁力線が、ヨーク４０ａを介して感受素子３１を透過し、ヨーク４０ｂを介して再び外部に出る。そして、感受素子３１を透過した磁力線が感受素子３１を透過しない磁力線とともに薄膜磁石２０のＳ極に戻る。つまり、薄膜磁石２０は、感受素子３１の長手方向に磁界を印加する。
なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とをまとめて両磁極と表記し、Ｎ極とＳ極とを区別しない場合は磁極と表記する。

なお、図２（ａ）に示すように、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）は、基板１０の表面側から見た形状が、感受部３０に近づくにつれて狭くなっていくように構成されている。これは、感受部３０に磁界を集中させる（磁力線を集める）ためである。つまり、感受部３０における磁界を強くして感度のさらなる向上を図っている。なお、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）の感受部３０に対向する部分の幅を狭くしなくてもよい。

ここで、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）と感受部３０との間隔は、例えば１μｍ〜１００μｍであればよい。

（磁気センサ１の特性）
続いて、磁気センサ１の特性について説明する。
図３および図４は、磁界測定装置５００において、磁気センサ１の感受素子３１の長手方向に印加された磁界と、電圧印加部３によりパルス電圧が印加された際に磁気センサ１に生じる電圧変化との関係を説明する図である。図３および図４は、磁気センサ１に対して電圧印加部３によりパルス電圧を印加し、磁気センサ１から出力される電圧Ｖの変化を電圧測定部５により測定することにより得られる。図３および図４において、横軸が磁界Ｈ（Ｏｅ）、縦軸が電圧Ｖ（Ｖ）である。この例では、電圧Ｖとして、パルス電圧が印加された際に磁気センサ１から出力されるオーバーシュート電圧のピーク値（図１も参照）を用いている。

図３は、電圧印加部３が印加するパルス電圧の大きさを異ならせた場合の、磁界Ｈと磁気センサ１の電圧Ｖとの関係を示している。図３においては、パルス電圧の違いによる特徴を比較しやすくするため、磁界Ｈが０Ｏｅのときの電圧Ｖを０Ｖにずらしている。また、図４は、磁気センサ１の感受素子３１の短手方向の幅を異ならせた場合の、磁界Ｈと磁気センサ１の電圧Ｖとの関係を示している。図４においては、感受素子３１の短手方向の幅の違いによる特徴を比較しやすくするため、磁界Ｈが０Ｏｅのときの電圧Ｖを０Ｖにずらしている。
なお、図３では、磁界Ｈのプラス方向およびマイナス方向の変化に対する電圧Ｖの変化を示している。一方、図４では、磁界Ｈのプラス方向の変化に対する電圧Ｖの変化を示しており、磁界Ｈのマイナス方向の変化に対する電圧Ｖの変化については省略している。

図３および図４おいて、電圧印加部３が印加するパルス電圧のパルス幅は６０ｎｓ、繰り返し周期は２ＭＨｚとなっている。また、図３では、電圧印加部３が印加するパルス電圧の大きさを５Ｖ、７Ｖ、１０Ｖと変化させている。一方、図４では、電圧印加部３が印加するパルス電圧の大きさは、１０Ｖである。

また、図３および図４に特性を示す磁気センサ１は、感受部３０およびヨーク４０が、厚さ１．５μｍのＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃からなる軟磁性体層１０５により構成されている。図３に特性を示す磁気センサ１は、それぞれの感受素子３１の短手方向の幅が１５０μｍ、長手方向の長さが２ｍｍ、隣接する感受素子３１同士の間隔は、７５μｍである。一方、図４では、それぞれの感受素子３１の短手方向の幅を５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍと変化させている。

図３に示すように、磁気センサ１の電圧Ｖは、磁界Ｈが０の場合（Ｈ＝０）を境界としてプラス方向またはマイナス方向に磁界Ｈの絶対値が大きくなるに従い、増加、減少と変化している。また、磁界Ｈの変化量に対する電圧Ｖの変化量（すなわち、グラフの傾き）は、磁界Ｈの大きさによって異なっている。

したがって、印加する磁界Ｈの変化量ΔＨに対して電圧Ｖの変化量ΔＶが急峻な部分（すなわち、ΔＶ／ΔＨ）が大きい部分を用いれば、磁界Ｈの微弱な変化を電圧Ｖの変化量ΔＶとして取り出すことができる。図３では、磁界Ｈの変化量ΔＨに対する電圧Ｖの変化量ΔＶ（ΔＶ／ΔＨ）が最も大きくなる磁界Ｈを、磁界Ｈｂとして示している。磁気センサ１では、磁界Ｈｂの近傍における磁界Ｈの変化量ΔＨが高精度に測定できる。磁界Ｈｂは、バイアス磁界と呼ばれることがあり、本実施の形態の磁気センサ１では、このバイアス磁界Ｈｂが薄膜磁石２０によって感受素子３１の長手方向に印加されている。また、以下の説明では、磁気センサ１の電圧Ｖが極大値をとる磁界Ｈを、異方性磁界Ｈｋと表記する場合がある。

ここで、本実施の形態の磁気センサ１では、図３に示すように、磁界Ｈの変化に対する電圧Ｖの変化が、電圧印加部３が印加するパルス電圧の大きさによって異なる。具体的には、図３に示すように、電圧印加部３が印加するパルス電圧が大きいほど、異方性磁界Ｈｋが小さくなり、これに伴ってバイアス磁界Ｈｂが小さくなる傾向がある。さらに、電圧印加部３が印加するパルス電圧が大きいほど、異方性磁界Ｈｋにおける電圧Ｖの極大値が大きくなる傾向がある。
付言すると、本実施の形態の磁気センサ１では、電圧印加部３が印加するパルス電圧が大きいほど、バイアス磁界Ｈｂの近傍における電圧Ｖの変化量ΔＶが急峻となる。これにより、磁気センサ１の感度が向上する。

また、本実施の形態の磁気センサ１では、磁界Ｈの変化に対する電圧Ｖの変化が、感受素子３１の短手方向の幅によって異なる。具体的には、図４に示すように、感受素子３１の短手方向の幅が小さいほど、異方性磁界Ｈｋが小さくなり、これに伴ってバイアス磁界Ｈｂが小さくなる傾向がある。さらに、感受素子３１の短手方向の幅が小さいほど、異方性磁界Ｈｋにおける電圧Ｖの極大値が小さくなる傾向がある。

このように、本実施の形態では、電圧印加部３により磁気センサ１に印加するパルス電圧の大きさ、または磁気センサ１における感受素子３１の短手方向の幅を調整することにより、異方性磁界Ｈｋやバイアス磁界Ｈｂを調整することができる。これにより、磁気センサ１の感度を所望の範囲に調整しやすくなる。

付言すると、本実施の形態では、電圧印加部３により磁気センサ１に印加するパルス電圧を大きくするとともに、感受素子３１の短手方向の幅を小さくすることで、異方性磁界Ｈｋおよびバイアス磁界Ｈｂを小さく調整することができる。これにより、感受素子３１にバイアス磁界Ｈｂを印加するために用いる薄膜磁石２０を小型化したり、薄膜磁石２０として用いる材料の自由度を向上させたりすることができる。特に、バイアス磁界Ｈｂが０に近い場合には、磁気センサ１の構成から薄膜磁石２０を省略することが可能になる。
本実施の形態では、パルス電圧または感受素子３１の短手方向の幅を調整してバイアス磁界Ｈｂを小さくする観点から、バイアス磁界Ｈｂは、２Ｏｅ以下であることが好ましく、１Ｏｅ以下であることがより好ましい。

また、他の観点からすると、本実施の形態の磁気センサ１では、隣接する感受素子３１同士の間隔と比較してそれぞれの感受素子３１の短手方向の幅が小さいことが好ましい。これにより、隣接する感受素子３１同士の間隔と比較してそれぞれの感受素子３１の短手方向の幅が大きい場合と比べて、上述したように異方性磁界Ｈｋやバイアス磁界Ｈｂを小さく調整することができるのに加え、それぞれの感受素子３１に磁束が集まりやすくなる。これにより、磁気センサ１の感度が向上する。

（磁界測定装置５００による磁界の測定方法）
続いて、上述した図１等も参照して、磁気センサ１の感受部３０で感受される磁界Ｈを磁界測定装置５００により測定する測定方法の一例について説明する。
本実施の形態の磁界測定装置５００では、磁界算出部７が、電圧印加部３により磁気センサ１に印加されるパルス電圧の大きさに応じた、磁気センサ１の電圧Ｖと、磁気センサ１で感受される磁界Ｈとの相関関係を予め記憶している。

磁界測定装置５００により磁界Ｈを測定する場合、電圧印加部３が、予め定めた波形のパルス電圧を磁気センサ１に供給する。これにより、磁気センサ１の感受素子３１には、パルス電流が流れる。そして、磁気センサ１には、感受素子３１に印加される磁界Ｈに応じた電圧変化が生じる。

次いで、電圧測定部５が、磁気センサ１に生じた電圧変化（電圧Ｖ）を測定し、測定結果を磁界算出部７に出力する。

次いで、磁界算出部７が、電圧測定部５から取得した電圧Ｖに変化が生じた場合、その変化量（ΔＶ）に基づいて、磁気センサ１の感受部３０で感受された磁界Ｈの変化量（ΔＨ）を算出する。
すなわち、図３および図４に示したように、磁界Ｈが変化すると、磁気センサ１から出力される電圧Ｖが変化する。また、磁界Ｈの変化に対する電圧Ｖの変化は、電圧印加部３により印加されるパルス電圧の大きさによって異なる。

磁界算出部７は、電圧印加部３により印加されるパルス電圧の大きさに対応する磁界Ｈと電圧Ｖとの相関関係を予め記憶することで、パルス電圧の大きさおよび電圧測定部５にて測定される電圧Ｖの変化量ΔＶから、感受部３０で感受された磁界Ｈの変化量ΔＨを算出することができる。
なお、磁界Ｈと電圧Ｖとの相関関係は、例えば、磁界測定装置５００の磁気センサ１を磁界発生装置内にセットし、磁気センサ１に対し所定のパルス電圧を印加して、磁界Ｈと磁気センサ１から出力される電圧Ｖとの関係を測定することで得られる。

（磁気センサ１の製造方法）
次に、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する。
図５（ａ）〜（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する図である。図５（ａ）〜（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法における工程を示す。図５（ａ）〜（ｅ）は、代表的な工程であって、他の工程を含んでもよい。そして、工程は、図５（ａ）〜（ｅ）の順に進む。図５（ａ）〜（ｅ）は、図２（ｂ）に示した磁気センサ１の断面図に対応する。

基板１０は、上述したように、非磁性材料からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキなどを施した金属等の金属基板である。基板１０には、研磨機などを用いて、例えば曲率半径Ｒａが０．１ｎｍ〜１００ｎｍの筋状の溝又は筋状の凹凸が設けられていてもよい。なお、この筋状の溝又は筋状の凹凸の筋の方向は、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向に設けられているとよい。このようにすることで、硬磁性体層１０３における結晶成長が、溝の方向へ促進される。よって、硬磁性体層１０３により構成される薄膜磁石２０の磁化容易軸がより溝方向（薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向）に向きやすい。つまり、薄膜磁石２０の着磁をより容易にする。

ここでは、基板１０は、一例として直径約９５ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍのガラスとして説明する。磁気センサ１の平面形状が数ｍｍ角である場合、基板１０上には、複数の磁気センサ１が一括して製造され、後に個々の磁気センサ１に分割（切断）される。図５（ａ）〜（ｅ）では、中央に表記する一個の磁気センサ１に着目するが、左右に隣接する磁気センサ１の一部を合わせて示す。なお、隣接する磁気センサ１間の境界を一点鎖線で示す。

図５（ａ）に示すように、基板１０を洗浄した後、基板１０の一方の面（以下、表面と表記する。）上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３及び誘電体層１０４を順に成膜（堆積）して、積層体を形成する。

まず、Ｃｒ又はＮｉを含む合金である密着層１０１、Ｃｒ等を含む合金である制御層１０２、及び、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金である硬磁性体層１０３を順に連続して成膜（堆積）する。この成膜は、スパッタリング法などにより行える。それぞれの材料で形成された複数のターゲットに順に対面するように、基板１０を移動させることで密着層１０１、制御層１０２及び硬磁性体層１０３が基板１０上に順に積層される。前述したように、制御層１０２及び硬磁性体層１０３の形成では、結晶成長を促進するために、基板１０を例えば１００℃〜６００℃に加熱するとよい。

なお、密着層１０１の成膜では、基板１０の加熱を行ってもよく、行わなくてもよい。基板１０の表面に吸着している水分などを除去するために、密着層１０１を成膜する前に、基板１０を加熱してもよい。

次に、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物、又は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等の窒化物等である誘電体層１０４を成膜（堆積）する。誘電体層１０４の成膜は、プラズマＣＶＤ法、反応性スパッタリング法などにより行える。

そして、図５（ｂ）に示すように、感受部３０が形成される部分及びヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）が形成される部分を開口とするフォトレジストによるパターン（レジストパターン）１１１を、公知のフォトリソグラフィ技術により形成する。

そして、図５（ｃ）に示すように、感受素子３１を構成するＣｏ合金である軟磁性体層１０５を成膜（堆積）する。軟磁性体層１０５の成膜は、例えばスパッタリング法を用いて行える。

図５（ｄ）に示すように、レジストパターン１１１を除去するとともに、レジストパターン１１１上の軟磁性体層１０５を除去（リフトオフ）する。これにより、軟磁性体層１０５による感受部３０及びヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）が形成される。つまり、感受部３０とヨーク４０とが、１回の軟磁性体層１０５の成膜で形成される。

この後、軟磁性体層１０５には、感受部３０の感受素子３１（図２（ａ）参照）の幅方向に一軸磁気異方性を付与する。この軟磁性体層１０５への一軸磁気異方性の付与は、例えば３ｋＧ（０．３Ｔ）の回転磁場中における４００℃での熱処理（回転磁場中熱処理）と、それに引き続く３ｋＧ（０．３Ｔ）の静磁場中における４００℃での熱処理（静磁場中熱処理）とで行える。この時、ヨーク４０を構成する軟磁性体層１０５にも同様の一軸磁気異方性が付与される。しかし、ヨーク４０は、磁気回路としての役割を果たせばよく、一軸磁気異方性が付与されなくてもよい。

次に、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３を着磁する。硬磁性体層１０３に対する着磁は、静磁場中又はパルス状の磁場中において、硬磁性体層１０３の保磁力より大きい磁界を、硬磁性体層１０３の磁化が飽和するまで印加することで行える。

この後、図５（ｅ）に示すように、基板１０上に形成された複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割（切断）する。つまり、図２（ａ）の平面図に示したように、平面形状が四角形になるように、基板１０、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４及び軟磁性体層１０５を切断する。すると、分割（切断）された硬磁性体層１０３の側面に薄膜磁石２０の磁極（Ｎ極及びＳ極）が露出する。こうして、着磁された硬磁性体層１０３は、薄膜磁石２０になる。この分割（切断）は、ダイシング法やレーザカッティング法などにより行える。

なお、図５（ｅ）の複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の前に、基板１０上において隣接する磁気センサ１の間の密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４及び軟磁性体層１０５を、平面形状が四角形（図２（ａ）に示した磁気センサ１の平面形状）になるようにエッチング除去してもよい。そして、露出した基板１０を分割（切断）してもよい。
また、図５（ａ）の積層体を形成する工程の後に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４を、平面形状が四角形（図２（ａ）に示した磁気センサ１の平面形状）になるように加工してもよい。
なお、図５（ａ）〜（ｅ）に示した製造方法は、これらの製造方法に比べ、工程が簡略化される。

このようにして、磁気センサ１が製造される。なお、軟磁性体層１０５への一軸磁気異方性の付与及び／又は薄膜磁石２０の着磁は、図５（ｅ）の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の後に、磁気センサ１毎又は複数の磁気センサ１に対して行ってもよい。

なお、制御層１０２を備えない場合には、硬磁性体層１０３を成膜後、８００℃以上に加熱して結晶成長させることで、面内に磁気異方性を付与することが必要となる。しかし、第１の実施の形態が適用される磁気センサ１のように、制御層１０２を備える場合には、制御層１０２により結晶成長が促進されるため、８００℃以上のような高温による結晶成長を要しない。

また、感受素子３１への一軸磁気異方性の付与は、上記の回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う代わりに、感受素子３１を構成するＣｏ合金である軟磁性体層１０５の堆積時にマグネトロンスパッタリング法を用いて行ってもよい。マグネトロンスパッタリング法では、磁石（マグネット）を用いて磁界を形成し、放電によって発生した電子をターゲットの表面に閉じ込める。これにより、電子とガスとの衝突確率を増加させてガスの電離を促進し、膜の堆積速度を向上させる。このマグネトロンスパッタリング法に用いられる磁石（マグネット）が形成する磁界により、軟磁性体層１０５の堆積と同時に、軟磁性体層１０５に一軸磁気異方性が付与される。このようにすることで、回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う一軸磁気異方性を付与する工程が省略できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に反しない限りにおいては様々な変形や組み合わせを行っても構わない。

例えば、本実施の形態では、感受素子３１の長手方向にバイアス磁界を印加する薄膜磁石２０を、非磁性の基板１０と感受部３０との間に設けたが、これに限定されるものではない。例えば、感受素子３１の長手方向にバイアス磁界を印加する要素を磁気センサ１とは別体として設けてもよい。また、例えば、磁気センサ１の構成や電圧印加部３により印加されるパルス電圧の大きさ等の関係によってバイアス磁界が０に近い場合には、感受素子３１の長手方向にバイアス磁界を印加する要素を設けなくてもよい。

１…磁気センサ、３…電圧印加部、５…電圧測定部、７…磁界算出部、１０…基板、２０…薄膜磁石、３０…感受部、３１…感受素子、３２…接続部、３３…端子部、４０、４０ａ、４０ｂ…ヨーク、１０１…密着層、１０２…制御層、１０３…硬磁性体層、１０４…誘電体層、１０５…軟磁性体層、５００…磁界測定装置

Claims (6)

1. 軟磁性体で構成され、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する磁気センサと、
   前記感受素子に、所定の大きさのパルス電圧を印加する電圧印加部と、
   前記パルス電圧が印加されることで生じる前記感受素子の電圧変化を測定する電圧測定部と、
   前記電圧印加部により印加される前記パルス電圧の大きさに応じて、前記電圧測定部による測定結果から前記感受素子に印加される磁界を算出する磁界算出部と
   を備える磁界測定装置。
2. 前記磁気センサは、硬磁性体で構成され前記感受素子の前記長手方向にバイアス磁界を印加する薄膜磁石をさらに備え、
   前記バイアス磁界は、２Ｏｅ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁界測定装置。
3. 前記感受素子の前記長手方向にバイアス磁界を印加する薄膜磁石を備えないことを特徴とする請求項１に記載の磁界測定装置。
4. 前記磁気センサは、前記短手方向に間隙を介して配置され、つづら折り状に直列接続される複数の前記感受素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁界測定装置。
5. 前記磁気センサは、それぞれの前記感受素子の前記短手方向の幅が、隣接する当該感受素子同士の幅と比較して小さいことを特徴とする請求項４に記載の磁界測定装置。
6. 非磁性の基板と、
   前記基板上に積層される軟磁性体からなり、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する感受部とを備え、
   前記感受部は、パルス電圧が印加された場合に前記感受素子に生じる電圧変化が、当該パルス電圧の大きさによって異なることを特徴とする磁気センサ。