JP2022069895A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサにおいて、感受素子の短手方向の幅が長手方向の一端から他端に亘って等しい場合と比べて、感度を向上させる。【解決手段】磁気センサは、非磁性の基板と、前記基板上に設けられ、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、当該長手方向の両端部と比べて当該長手方向の中央部の幅が小さく、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とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気センサに関する。

公報記載の従来技術として、一軸異方性を付与された複数個の軟磁性体膜からなる感磁部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）。この磁気インピーダンス効果素子の感磁部は、長手方向の一端から他端に亘って短手方向の幅が等しい長方形状を有している。

特開２００８－２４９４０６号公報

長手方向と短手方向とを有し、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備えた磁気センサでは、感受素子の短手方向の幅が長手方向の一端から他端に亘って等しい場合、感度が不十分となる場合がある。
本発明は、磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサにおいて、感受素子の短手方向の幅が長手方向の一端から他端に亘って等しい場合と比べて、感度を向上させることを目的とする。

本発明が適用される磁気センサは、非磁性の基板と、前記基板上に設けられ、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、当該長手方向の両端部と比べて当該長手方向の中央部の幅が小さく、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とを備える。
また、前記感受素子は、前記短手方向の幅が前記長手方向の両端部から当該長手方向の中央部に亘って連続して小さくなっていることを特徴とすることができる。
また、前記短手方向に間隙を介して並ぶ複数の前記感受素子と、前記短手方向に隣接する前記感受素子の前記長手方向の端部を接続し、当該長手方向に沿って当該感受素子に近づくに従い当該短手方向の幅が狭くなっている接続部とを備えることを特徴とすることができる。
また、前記長手方向の両端部における前記感受素子の幅と、当該長手方向の中央部における当該感受素子の幅との比率が、１００：６０～１００：９０の範囲であることを特徴とすることができる。

本発明によれば、磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサにおいて、感受素子の短手方向の幅が長手方向の一端から他端に亘って等しい場合と比べて、感度を向上させることができる。

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。 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。 図１におけるＩＩＩ部の拡大図である。 磁気センサおよび従来の磁気センサにおける感受素子の形状と、磁気センサおよび従来の磁気センサの感受素子における磁界強度とを示した図である。 （ａ）～（ｂ）は、本実施の形態の磁気センサおよび従来の磁気センサについて、感受素子の長手方向に印加された磁界と感受部のインピーダンス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。
図１および図２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１は、平面図、図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面図である。
図２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（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および軟磁性体層１０５と比べて導電性の高い導電体層（高導電層１０６）で構成され磁場を感受する感受部３０とを備える。以下の説明では、二層の軟磁性体層（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）をそれぞれ区別しない場合には、単に軟磁性体層１０５と表記する。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１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およびヨーク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、電流供給のための電線が接続される端子部３３とを備える。ここでは、８個の感受素子３１が、長手方向が並列するように、短手方向に間隙を介して配置されている。また、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１が、磁気インピーダンス効果素子である。

接続部３２は、隣接する感受素子３１の長手方向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１に示す磁気センサ１では、８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７個である。
なお、感受素子３１および接続部３２の平面形状については、後段にて詳細に説明する。

端子部３３は、接続部３２で接続されていない感受素子３１の２個の端部にそれぞれ設けられている。端子部３３は、感受素子３１から引き出す引き出し部と、電流を供給する電線を接続するパッド部とを備える。引き出し部は、２個のパッド部を感受素子３１の短手方向に設けるために備えられている。引き出し部を設けずにパッド部を感受素子３１に連続するように設けてもよい。パッド部は電線を接続しうる大きさであればよい。なお、感受素子３１が８個であるため、２個の端子部３３は、図１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および端子部３３は、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と高導電層１０６とにより一体に構成されている。軟磁性体層１０５および高導電層１０６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に電流を流すことができる。
なお、感受素子３１の長さ、幅、並列させる個数等の上記した数値は一例であって、感受（計測）する磁界の値や用いる軟磁性体材料等によって変更してもよい。

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）を含んで構成されている。この例では、感受部３０及びヨーク４０は、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と高導電層１０６とにより構成されている。なお、感受素子３１の長手方向に磁力線が十分に透過する場合には、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を参照して、磁気センサ１の断面構造を詳述する。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からなる薄膜磁石２０、誘電体層１０４、軟磁性体層１０５と高導電層１０６とからなる感受部３０およびヨーク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などの半導体基板、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等が挙げられる。
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などが挙げられる。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の感受素子３１には、長手方向に交差する方向、例えば長手方向に直交する短手方向（すなわち、感受素子３１の幅方向）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。
感受部３０を構成する軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）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、感受部３０を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いるのがよい。感受部３０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（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）の厚さは、例えば、それぞれ０．２μｍ～２μｍである。図２に示す例では、下層軟磁性体層１０５ａの厚さと上層軟磁性体層１０５ｂの厚さが互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。
なお、ここでは、感受部３０の感受素子３１、接続部３２および端子部３３を同じ材料により構成しているが、これらを互いに異なる材料により構成してもよい。例えば、接続部３２および端子部３３に、感受素子３１と比べて導電性の高い材料を用いてもよい。この場合、接続部３２および端子部３３における抵抗を低減させることができる。

感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）としては、導電性が高い金属または合金を用いることが好ましく、導電性が高く且つ非磁性の金属または合金を用いることがより好ましい。具体的には、感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）としては、アルミニウム、銅、銀等の金属を用いるのがよい。感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）の厚さは、例えば、１０ｎｍ～５００ｎｍである。感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）の厚さは、軟磁性体層１０５として用いる感受素子３１を構成するＣｏ合金や高導電層１０６として用いる導電体の種類等によって変更できる。

密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、および誘電体層１０４は、平面形状が四角形（図１参照）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２つの側面において、薄膜磁石２０がＮ極（図２における（Ｎ））およびＳ極（図２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、長手方向を向くとは、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（後述するバイアス磁界Ｈｂ）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１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。

続いて、感受素子３１の平面形状について詳細に説明する。図３は、図１におけるＩＩＩ部の拡大図である。なお、図３に示す感受素子３１の長手方向と短手方向との比率は、必ずしも正確なものではない。
複数の感受素子３１は、互いに等しい平面形状を有している。それぞれの感受素子３１は、長手方向と短手方向とを有する短冊状の形状を有している。また、それぞれの感受素子３１は、短手方向の幅が、長手方向の両端部と長手方向の中央部とで異なっている。なお、本実施の形態の説明では、感受素子３１の短手方向の幅を、単に「感受素子３１の幅」等と表記する場合がある。

図３に示すように、本実施の形態では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と比較して、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が小さくなっている。具体的には、それぞれの感受素子３１は、短手方向の幅が、長手方向の両端部から長手方向の中央部に向かうに従い、連続して小さくなっている。

さらに付言すると、図３に示すように、それぞれの感受素子３１は、長手方向に沿って延び、短手方向に対向する２つの長辺部３１ａ、３１ｂを有している。そして、それぞれの感受素子３１では、長手方向の両端部から長手方向の中央部に向かうに従い、２つの長辺部３１ａ、３１ｂ同士の間隔が狭くなっている。
この例では、それぞれの感受素子３１の長辺部３１ａは、長手方向の一端から他端に亘って長辺部３１ｂとの間隔が連続して変化するように、長辺部３１ｂ側に凹むような湾曲形状を有している。同様に、それぞれの感受素子３１の長辺部３１ｂは、長手方向の一端から他端に亘って長辺部３１ａとの間隔が連続して変化するように、長辺部３１ａ側に凹むような湾曲形状を有している。

それぞれの感受素子３１の長手方向の長さは、特に限定されるものではないが、例えば、０．５ｍｍ～３ｍｍ程度である。また、それぞれの感受素子３１の短手方向の幅（Ｄ１、Ｄ２）は、特に限定されるものではないが、例えば、１０μｍ～３００μｍ程度である。
本実施の形態では、感受素子３１の長手方向の長さ等によっても異なるが、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２との比率（Ｄ１：Ｄ２）が、１００：６０～１００：９０の範囲であることが好ましい。長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１に対し、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が過度に小さい場合、感受部３０に電流を供給する際の抵抗が高くなる場合がある。また、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２とが近似している場合、後述する感度向上の効果が得られにくくなる。

続いて、上述した図１および図３を参照して、接続部３２の平面形状について詳細に説明する。
図３に示すように、それぞれの接続部３２は、短手方向に沿って延びる延伸部３２１を有している。ここで、単に短手方向または長手方向という場合には、感受素子３１の短手方向または長手方向を指す。また、それぞれの接続部３２は、延伸部３２１から長手方向に延び、感受素子３１の長手方向の端部と延伸部３２１とを接続するテーパ部３２２を有している。そして、接続部３２は、延伸部３２１と２つのテーパ部３２２とによって短手方向に並ぶ２つの感受素子３１における長手方向の端部同士を接続している。

延伸部３２１は、短手方向に沿って延びる短冊状の形状を有している。そして、延伸部３２１は、図３に示すように、接続する２つの感受素子３１に対し短手方向に突出している。付言すると、延伸部３２１の短手方向の長さは、２つの感受素子３１の短手方向の幅と、２つの感受素子３１同士の短手方向の間隔とを合わせた長さよりも長くなっている。
また、延伸部３２１の長手方向の幅は、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１よりも大きいことが好ましい。これにより、延伸部３２１の長手方向の幅が長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１よりも小さい場合と比較して、感受部３０に電流を供給する際の抵抗が低くなる。

テーパ部３２２は、長手方向に沿って感受素子３１の端部に近づくに従い短手方向の幅が狭くなる所謂テーパ形状を有している。付言すると、テーパ部３２２は、長手方向に沿って延びる２つの辺部３２２ａ、３２２ｂを有している。そして、テーパ部３２２では、長手方向に沿って感受素子３１の端部に近づくに従い、２つの辺部３２２ａ、３２２ｂ同士の間隔が狭くなっている。
また、この例では、テーパ部３２２のそれぞれの辺部３２２ａ、３２２ｂと長手方向とがなす傾斜角θａ、θｂが、１３５度となっている。傾斜角θａ、θｂは、延伸部３２１の短手方向の長さや感受素子３１の短手方向の幅等によっても異なるが、例えば、１１０度以上１５０度以下の範囲とすることができる。

本実施の形態の磁気センサ１では、接続部３２がテーパ部３２２を有することで、磁力線を感受素子３１の長手方向の端部に誘導しやすくなる。この結果、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１に磁界が集中して、磁束密度が高くなる。これにより、接続部３２がテーパ部３２２を有しない場合と比較して、磁気センサ１の感度を向上させることができる。

（磁気センサ１の作用）
続いて、本実施の形態の磁気センサ１の作用を、本実施の形態の磁気センサ１とは感受素子３１の形状が異なる従来の磁気センサ（以下、単に従来の磁気センサと表記する。）と比較しながら説明する。
図４は、磁気センサ１（図１参照）および従来の磁気センサにおける感受素子３１の形状と、磁気センサ１および従来の磁気センサの感受素子３１における磁界強度とを示した図である。図４では、本実施の形態の磁気センサ１の感受素子３１および磁界強度を「実施例」、従来の磁気センサの感受素子３１の形状および磁界強度を「比較例」として示している。また、図４では、磁気センサ１および従来の磁気センサの感受素子３１に対し予め定められた大きさの外部磁界を印加した場合に、感受素子３１における磁界強度を、長手方向に沿った分布として示している。

ここで、図４は、コンピュータを用いたシミュレーションにより得られたものである。具体的には、図１～図３に示した形状を有する本実施の形態の磁気センサ１について、感受部３０およびヨーク４０を、厚さ５００μｍのＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃からなる２層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と、厚さ３００ｎｍのＡｇからなる高導電体層１０６とにより構成した。
また、実施例の磁気センサ１では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１を９５μｍ、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２を６５μｍ、感受素子３１の長手方向に沿った長さを２ｍｍとした。なお、実施例の磁気センサ１では、図３等に示したように、感受素子３１の長辺部３１ａ、３１ｂは、湾曲形状を有しており、感受素子３１の幅は、長手方向の一端から長手方向の他端に亘って連続して変化している。そして、感受素子３１に対し長手方向に沿って１０Ｏｅの外部磁界を印加した場合に、感受素子３１における磁界強度をシミュレーションにより算出した。

また、従来の磁気センサ２については、感受素子３１の短手方向の幅を、長手方向の一端から他端に亘って８０μｍと一定にした以外は、本実施の形態の磁気センサ１と同様にした。そして、感受素子３１に対し１０Ｏｅの外部磁界を印加した場合に、感受素子３１にかかる磁界強度をシミュレーションにより算出した。

図４に示すように、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と比べて長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が小さい本実施の形態の磁気センサ１は、感受素子３１の幅が長手方向の一端から他端に亘って等しい従来の磁気センサと比較して、感受素子３１における磁界強度が長手方向に亘って均一になっている。
具体的には、従来の磁気センサでは、感受素子３１の長手方向の両端部における磁界強度が、長手方向の中央部における磁界強度と比べて極端に大きくなっている。これに対し、本実施の形態の磁気センサ１では、従来の磁気センサと比較して、感受素子３１の長手方向の両端部と長手方向の中央部とで、磁界強度の差が小さくなっている。

続いて、本実施の形態の磁気センサ１の作用として、感受部３０における感受素子３１の長手方向に印加された磁界と感受部３０のインピーダンスとの関係について、従来の磁気センサと比較しながら説明する。図５（ａ）～（ｂ）は、本実施の形態の磁気センサ１および従来の磁気センサについて、感受素子３１の長手方向に印加された磁界と感受部３０のインピーダンスとの関係を説明する図である。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶＢ部の拡大図である。

図５（ａ）～（ｂ）において、横軸が磁界Ｈ、縦軸がインピーダンスＺである。感受部３０のインピーダンスＺは、２個の端子部３３間に高周波電流を流して測定される。図５（ａ）～（ｂ）は、本実施の形態の磁気センサ１および従来の磁気センサに対し、感受部３０の端子部３３間に１００ＭＨｚの高周波電流を流して測定されたものである。図５（ａ）～（ｂ）では、本実施の形態の磁気センサ１を「実施例１」～「実施例４」、従来の磁気センサを「比較例」として示している。なお、図５（ａ）～（ｂ）に特性を示す実施例１～実施例４の磁気センサ１の構成材料および形状は、感受素子３１の幅を除いて、図４に特性を示した本実施の形態の磁気センサ１と同様である。また、図５（ａ）～（ｂ）に特性を示す比較例の従来の磁気センサの構成材料および形状は、図４に特性を示した従来の磁気センサと同様である。

実施例１～実施例４の磁気センサ１は、感受素子３１の幅（長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１および長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２）が互いに異なっている。具体的には、実施例１の磁気センサ１では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１を８５μｍ、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２を７５μｍとした。また、実施例２の磁気センサ１では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１を９０μｍ、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２を７０μｍとした。さらに、実施例３の磁気センサ１では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１を９５μｍ、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２を６５μｍとした。さらにまた、実施例４の磁気センサ１では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１を１００μｍ、長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２を６０μｍとした。

図５（ａ）～（ｂ）に示すように、磁気センサ１（および従来の磁気センサ）では、感受部３０のインピーダンスＺ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の変化に対するインピーダンスＺ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に対してインピーダンスＺの変化量ΔＺが急峻な部分（すなわち、ΔＺ／ΔＨが大きい部分）を用いれば、磁界Ｈの微弱な変化をインピーダンスＺの変化量ΔＺとして取り出すことができる。言い換えると、磁気センサ１では、感受素子３１に対し、薄膜磁石２０により感受素子３１の長手方向にΔＺ／ΔＨが最も大きくなる磁界Ｈ（以下、バイアス磁界Ｈｂと表記する場合がある。）を印加することで、バイアス磁界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。

なお、以下の説明では、バイアス磁界Ｈｂにおけるグラフの傾きΔＺ／ΔＨ（すなわち、最大のΔＺ／ΔＨ）を、Ｓ_maxと表記する場合がある。また、インピーダンスＺ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。さらに、グラフにおけるインピーダンスＺの最小値と最大値との差分（インピーダンスＺの変化量ΔＺの最大値）を、変化量ΔＺ_maxと表記する場合がある。

表１に、本実施の形態（実施例１～実施例４）の磁気センサ１および従来（比較例）の磁気センサについて、図５（ａ）～（ｂ）に示した磁界Ｈと感受部３０のインピーダンスＺとの関係に基づいて得られた異方性磁界Ｈｋ、変化量ΔＺ_maxおよびＳ_max（＝ΔＺ／ΔＨ）の値を示す。

ここで、磁界ＨとインピーダンスＺとの関係に基づいて磁界Ｈの変化量ΔＨを測定する磁気センサ１では、Ｓ_maxが大きいほど感度が高い。また、図５（ａ）～（ｂ）に示した磁界ＨとインピーダンスＺとの関係によれば、異方性磁界Ｈｋが小さいほど、または変化量ΔＺ_maxが大きいほど、インピーダンスＺの変化量ΔＺが急峻となり、Ｓ_maxが大きくなる傾向がある。すなわち、磁気センサ１では、異方性磁界Ｈｋが小さいほど、または変化量ΔＺ_maxが大きいほど感度が向上し、好ましい。

表１に示すように、実施例１～実施例４の磁気センサ１では、比較例の磁気センサと比較して、異方性磁界Ｈｋが小さくなっている。また、実施例１、２、４の磁気センサ１では、比較例の磁気センサと比較して、変化量ΔＺ_maxが大きくなっている。そして、実施例１～４の磁気センサ１では、比較例の磁気センサと比べて、Ｓ_maxが増加している。
上述したように、本実施の形態の磁気センサ１では、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と比べて長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が小さいことで、感受素子３１に磁界が集まりやすくなり磁界強度が均一になる。この結果、本実施の形態の磁気センサ１では、長手方向の一端から他端に亘って感受素子３１の幅が一定の場合と比較して、Ｓ_maxが増加し感度を向上させることができる。

（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６（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６（ａ）～（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法における工程を示す。そして、工程は、図６（ａ）～（ｅ）の順に進む。図６（ａ）～（ｅ）は、代表的な工程であって、他の工程を含んでもよい。図６（ａ）～（ｅ）は、図２に示した図１のＩＩ－ＩＩ線で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６（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６（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６（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。なお、本実施の形態では、レジストパターン１１１の形状を制御することによって、上述した感受素子３１および接続部３２の平面形状を実現することができる。

そして、図６（ｃ）に示すように、感受部３０を構成するＣｏ合金である下層軟磁性体層１０５ａ、軟磁性体層１０５と比較して導電性の高い導電体である高導電層１０６、及び感受素子３１を構成するＣｏ合金である上層軟磁性体層１０５ｂを順に成膜（堆積）する。軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および高導電層１０６の成膜は、例えばスパッタリング法を用いて行える。

図６（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（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および高導電層１０６を除去（リフトオフ）する。これにより、軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および高導電層１０６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、軟磁性体層１０５および高導電層１０６の成膜により同時に形成される。

この後、軟磁性体層１０５には、感受部３０の感受素子３１（図２参照）の短手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６（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１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、軟磁性体層１０５および高導電層１０６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６（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、軟磁性体層１０５および高導電層１０６を、平面形状が四角形（図１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６（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１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６（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６（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、本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、感受部３０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を説明したが、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な
変形を行っても構わない。
上述した磁気センサ１では、感受素子３１の幅が長手方向の一端から他端に亘って連続して変化するように、感受素子３１の長辺部３１ａ、３１ｂが湾曲した形状を有しているが、これに限られるものではない。例えば、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と比べて長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が小さくなっていれば、感受素子３１の幅が長手方向の一端から中央に向かって直線的に変化し、感受素子３１の長辺部３１ａ、３１ｂが中央部で折れ曲がる形状であってもよい。

また、上述した磁気センサ１では、複数の感受素子３１の全てにおいて、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と比べて長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が小さくなっているが、これに限られるものではない。磁気センサ１が感受素子３１を複数有する場合、少なくとも１つの感受素子３１において、長手方向の両端部における感受素子３１の幅Ｄ１と比べて長手方向の中央部における感受素子３１の幅Ｄ２が小さくなっていればよい。

さらにまた、上述した磁気センサ１では、接続部３２は、長手方向に沿って感受素子３１の端部に近づくに従い短手方向の幅が狭くなるテーパ部３２２を有しているが、これに限られるものではない。接続部３２は、例えば、テーパ部３２２を有さずに短手方向に沿って延びる矩形状の延伸部３２１のみから構成されていてもよい。
ただし、感受素子３１における磁束密度を高くし、感度を向上させる観点からは、接続部３２がテーパ部３２２を有することが好ましい。

さらに、上述した磁気センサ１では、感受部３０の感受素子３１、接続部３２および端子部３３が、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と高導電層１０６とにより構成されているが、これに限られるものではない。感受部３０の感受素子３１、接続部３２または端子部３３は、例えば、一層の軟磁性体層により構成されていてもよい。

１…磁気センサ、２０…薄膜磁石、３０…感受部、３１…感受素子、３１ａ、３１ｂ…長辺部、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、１０５ａ…下層軟磁性体層、１０５ｂ…上層軟磁性体層、１０６…高導電層、３２１…延伸部、３２２…テーパ部

Claims (4)

1. 非磁性の基板と、
   前記基板上に設けられ、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、当該長手方向の両端部と比べて当該長手方向の中央部の幅が小さく、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と
   を備える磁気センサ。
2. 前記感受素子は、前記短手方向の幅が前記長手方向の両端部から当該長手方向の中央部に亘って連続して小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記短手方向に間隙を介して並ぶ複数の前記感受素子と、
   前記短手方向に隣接する前記感受素子の前記長手方向の端部を接続し、当該長手方向に沿って当該感受素子に近づくに従い当該短手方向の幅が狭くなっている接続部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記長手方向の両端部における前記感受素子の幅と、当該長手方向の中央部における当該感受素子の幅との比率が、１００：６０～１００：９０の範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ。

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