JP2023051048A - 磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子を厚くしたり層数を増やしたりすることなく、平面コイル膜を複層として感度を向上させた磁気検出素子を提供する。【解決手段】非磁性基板上１１に少なくとも１つ以上設けられ、高周波電流が印加される線状の磁性薄膜１２と、磁性薄膜１２上に第１の絶縁層１３を介して設けられた積層平面コイル部とを備え、積層平面コイル部は、第１の絶縁層１３上に配置された下部平面コイル膜１４ａ、１５ａと、下部平面コイル膜１４ａ、１５ａ上に第２の絶縁層１６を介して配置された上部平面コイル膜１４ｂ、１５ｂとを含み、下部平面コイル膜１４ａ、１５ａと上部平面コイル膜１４ｂ、１５ｂは、コイル略中心部において第２の絶縁層１６に設けられたスルーホール１６ａ、１６ｂを介して電気的に直列に接続され、磁性薄膜１２と電気的に接続した電極１７ａ、１７ｂが、下部平面コイル膜１４ａ、１５ａと同一平面上に設けられていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、非磁性体基板上に線状の磁性薄膜がパターニングされた磁性薄膜集合体が積層された磁気検出素子に関する。

近年、微小な電流値の測定、高精度な地磁気方向の検出、微小な磁気媒体の検出を行うことのできる磁気センサのニーズが高まっている。高感度かつ高精度、さらに小型な磁気センサの開発が望まれている。磁気センサの方法には、ホール素子方式、磁気抵抗方式なども挙げられるが、上記のような微小な磁気の検出かつ小型化を図る際には、磁気インピーダンス方式もしくは、直交フラックスゲート方式が有効な方式である。

特許文献１では、磁性薄膜に直接高周波電流を通電することにより、磁性体内部の磁束が変化し、その磁束の外部磁界による変化を薄膜平面コイルにより誘導出力として取り出す構成が提案されている。この方法だと、スパッタリング、イオンミリング等の微細加工関連の装置のみで磁気検出素子部の作製が可能であり、複雑な工程を要することがない。

さらなる高感度化を図るために、出力を取り出す平面コイル膜のインダクタンスを増やすことが挙げられる。一般に、感度は平面コイル膜のインダクタンスに比例しており、平面コイル膜のターン数を増やすことにより、感度が向上する。１層のみでターン数を増やすためには、サイズを大きくする必要がある。そこで、特許文献１では平面コイル膜を２層化することにより、省スペースで高感度化を実現している。

特許４６２５７４３号公報

特許文献１のように、平面コイル膜を複層とすることにより、省スペースで感度を向上させることはできるが、素子が厚くなり、また、層数が増えることによりコストが高くなる。

特許文献１の構成によれば、磁性膜上に絶縁膜を介してコイル膜２層を積層する必要があり、図１０にその構成図を示すように、平面コイル膜の下に磁性薄膜の両端を電極へと引き出す配線層が設けられている。このとき、非磁性基板１上に、磁性薄膜２が１層、平面コイル膜３、４の２層、絶縁層５、６、７の３層に加え、配線層８が１層、配線層８を保護する絶縁層９の１層が存在し、計８層で構成されている。

非磁性基板上に少なくとも１つ以上の線状の磁性薄膜が形成され、前記磁性薄膜上には、第１の絶縁層を介して積層された下部平面コイル膜が形成され、前記下部平面コイル膜上には、第２の絶縁層を介して積層された上部平面コイル膜が形成され、下部平面コイル膜と上部平面コイル膜はコイル略中心部のスルーホールを介して直列に接続され、磁性薄膜と電気的に接続した電極が、下部平面コイル膜と同一平面上に位置しており、高周波電流を磁性薄膜に通電して駆動することを特徴とする磁気検出素子に関する。

本発明によれば、素子を厚くしたり層数を増やしたりすることなく、平面コイル膜を複層として磁気検出素子の感度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る磁気検出素子を示す分解斜視図。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子の電流の流れを説明するための分解斜視図。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子を含む磁気センサの回路図の一例。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子を含む磁気センサの回路図の他の例。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子におけるコイルターン数が変化したときの印加磁界と誘導出力電圧の関係。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子における磁場と誘導出力電圧の関係。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子において負帰還構成時における磁場と誘導出力電圧の関係。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子のコイルの膜厚、線幅、コイル線間距離を示す概略図。 本発明の一実施形態に係る磁気検出素子のコイル膜を４層設けた態様を説明する分解斜視図。 従来の磁気検出素子を示す分解斜視図。

以下、本発明に係る磁気検出素子の一実施形態について説明する。磁気検出素子１０は、図１の分解斜視図に示すようにガラスやセラミック等で形成された非磁性基板１１を有し、その非磁性基板１１上に線状の磁性薄膜１２が少なくとも１本以上形成されている。このとき、磁性薄膜１２は絶縁層１３を介し、積層平面コイル部の例として後述する第１の積層コイル１４と第２の積層コイル１５の略中心部の下部を通るように配設されている。この磁性薄膜１２の上に、第１の積層コイル１４と第２の積層コイル１５を含む各層が重なるように配設されている。

第１の積層コイル１４は、第１の下部平面コイル膜１４ａ上に絶縁層１６を介して第１の上部平面コイル膜１４ｂが配設されてその中心同士が接続された構成であり、第２の積層コイル１５は、第２の下部平面コイル膜１５ａ上に絶縁層１６を介して第２の上部平面コイル膜１５ｂが配設されてその中心同士が接続された構成である。

第１の下部平面コイル膜１４ａは第２の下部平面コイル膜１５ａと同一平面上（同層上）に位置しており、第１の上部平面コイル膜１４ｂは第２の上部平面コイル膜１５ｂと同一平面上（同層上）に位置している。

磁性薄膜１２の一端は絶縁層１３のスルーホール１３ａを介して電極１７ａへと電気的に直列に接続されており、磁性薄膜１２の他端は絶縁層１３のスルーホール１３ｂを介して電極１７ｂへと電気的に直列に接続されている。従って、磁性薄膜１２に流れる電流は、電極１７ａと１７ｂとを利用して取り出される。

電極１７ａ、１７ｂは第１の下部平面コイル膜１４ａと第２の下部平面コイル膜１５ａと同一平面上（同層上）に位置している。

第１の下部平面コイル膜１４ａはコイル略中心部に位置する絶縁層１６のスルーホール１６ａを介して第１の上部平面コイル膜１４ｂへと電気的に直列に接続されており、第２の下部平面コイル膜１５ａはコイル略中心部に位置する絶縁層１６のスルーホール１６ｂを介して第２の上部平面コイル膜１５ｂへと電気的に直列に接続されている。

また、第１の上部平面コイル膜１４ｂ、第２の上部平面コイル膜１５ｂが配置された層の上に、絶縁層１８が配設されている。

図２には、電流の流れを説明するために図１の分解斜視図の抜粋を示した分解斜視図であり、第１の下部平面コイル膜１４ａは同層上の電極１７ｃと、第１の上部平面コイル膜１４ｂは同層上の電極１７ｄと、第２の下部平面コイル膜１５ａは同層上の電極１７ｅと、第２の上部平面コイル膜１５ｂは同層上の電極１７ｆと直接接続されている。

図２に示す通り、例えば電極１７ｃから流入した電流は、第１の下部平面コイル膜１４ａから第１の上部平面コイル膜１４ｂを通り、電極１７ｄから流出する。また、例えば電極１７ｅから流入した電流は、第２の下部平面コイル膜１５ａから第２の上部平面コイル膜１５ｂを通り、電極１７ｆから流出する。

なお、本実施形態においては、第１の下部平面コイル膜１４ａが設けられた層（下部層）の電極を、図１に示す絶縁層１６に設けた電極を介して、第１の上部平面コイル膜１４ｂが設けられた層（上部層）と導通させ、さらに最表層の絶縁層１８に設けた電極から取り出せるように導通させることによって、最表層の電極から、下部層の電極への入出力が可能となっている。

具体的には、下部層の電極１７ａは、その直上にある絶縁層１６の電極を介して上部層の電極１７ａ’へと導通し、さらにその直上にある絶縁層１８の電極に導通している。また、下部層の電極１７ｂは、その直上にある絶縁層１６の電極を介して上部層の電極１７ｂ’へと導通し、さらにその直上にある絶縁層１８の電極に導通している。また、下部層の電極１７ｃは、その直上にある絶縁層１６の電極を介して上部層の電極１７ｃ’へと導通し、さらにその直上にある絶縁層１８の電極に導通している。また、下部層の電極１７ｅは、その直上にある絶縁層１６の電極を介して上部層の電極１７ｅ’へと導通し、さらにその直上にある絶縁層１８の電極に導通している。

また、本実施形態においては、第１の上部平面コイル膜１４ｂが設けられた層（上部層）の電極も、最表層の絶縁層１８に設けた電極から取り出せるように導通させることによって、最表層の電極から、上部層の電極への入出力が可能となっている。

具体的には、上部層の電極１７ｄは、その直上にある絶縁層１８の電極に導通している。また、上部層の電極１７ｆは、その直上にある絶縁層１８の電極に導通している。

また、第１の下部平面コイル膜１４ａと第１の上部平面コイル膜１４ｂの渦巻きの向きは同じであり、第２の下部平面コイル膜１５ａと第２の上部平面コイル膜１５ｂの渦巻きの向きも同じである。

磁性薄膜１２は、高透磁率、低保磁力である、Ｆｅ系、Ｃｏ系材料で形成されている。絶縁層１３、１６、１８は、一般に、熱硬化する光反応型のレジスト材であり、本発明における積層コイル１４、１５、電極１７は導電性金属膜であり、本実施形態においてはＣｕ系である。

第１の積層コイル１４、第２の積層コイル１５は磁束変化を誘導出力として取り出すため、または負帰還電流を印加するため、もしくはバイアス磁界を印加するためのいずれかのコイルとして使用される。

第１の積層コイル１４を、磁性薄膜１２の磁束変化を誘導出力として取り出すためのコイルとして使用する場合は、磁束が変化した際に、積層コイル１４内に電流が発生し、電極１７ｃまたは電極１７ｄへと流入する。電流が流入する電極は磁束の方向と積層コイルの渦巻きの向きにより決定する。

第１の積層コイル１４に負帰還電流を流すため、もしくは、磁気検出素子１０を磁気インピーダンス方式、または直交フラックスゲート方式で使用して磁性薄膜１２にバイアス磁界を印加するためのいずれかのコイルとして使用する場合は、電極１７ｃまたは電極１７ｄの一方の電極に外部回路から電流を流入させ、積層コイル１４を介して、電流が流入した方ではない電極１７ｃまたは電極１７ｄの他方の電極から外部回路へと流出させる。電流が流入する電極は負帰還電流を流す方向、バイアス磁界を印加する方向により決定される。

第２の積層コイル１５を、磁性薄膜１２の磁束変化を誘導出力として取り出すためのコイルとして使用する場合は、磁束が変化した際に、積層コイル１５内に電流が発生し、電極１７ｅまたは電極１７ｆへと流入する。電流が流入する電極は磁束の方向と積層コイルの巻きの方向により決定する。

第２の積層コイル１５に負帰還電流を流すため、もしくは、磁気検出素子１０を磁気インピーダンス方式、または直交フラックスゲート方式で使用して磁性薄膜１２へのバイアス磁界を印加するためのいずれかのコイルとして使用する場合は、電極１７ｅまたは電極１７ｆの一方の電極に外部回路から電流を流入させ、積層コイル１５を介して、電流が流入した方ではない電極１７ｅまたは電極１７ｆの他方の電極から外部回路へと流出させる。電流が流入する電極は負帰還電流を流す方向、バイアス磁界を印加する方向により決定される。

本実施形態において、第１の積層コイル１４と第２の積層コイル１５のターン数、線幅が同じであるため、磁気検出素子を１８０°回転させたとしても同様の特性を得ることができる。

図３、４にそれぞれ、本実施形態に係る磁気検出素子１０を含む磁気センサの概略回路構成の一例を示す。図３、４に示すいずれの構成ともに、発振部から周波数が２Ｆ成分の高周波の矩形波を生成し、分周器、励磁回路を介して周波数が１Ｆ成分の高周波電流が磁性薄膜へと印加される。矩形波の立ち上がり、または、立ち下がり時において、印可される外部磁界に対する磁性薄膜１２内部の磁束が変化し、それに伴う磁束変化を積層コイル１４または１５の一方、もしくは両方を使用して誘導出力として、検波部や増幅部を介して取り出す。

図３に示す構成は、磁気検出素子１０を直交フラックスゲートとして使用したときの構成であり、誘導出力を取り出すコイルとして第１の積層コイル１４、１５の両方を使用している。

図４に示す構成は、磁気検出素子１０を直交フラックスゲートとして使用し、負帰還電流をコイルに印加する構成であり、誘導出力を取り出すコイルとして第１の積層コイル１４を使用しており、負帰還電流を印加するコイルとして第２の積層コイル１５を使用している。

図３、４に示す構成においては、検波部として同期検波回路を示しているが、ダイオードを使用した整流回路を検波回路として使用しても良い。

次に、磁気検出素子１０を直交フラックスゲートとして使用したときの測定データについて、図５～７を用いて説明する。

図５に平面コイルのターン数を変化させたときの誘導出力電圧を示す。図５におけるコイルターン数Ａの条件とは、第１の下部平面コイル膜１４ａのみを、磁束変化を誘導出力として取り出す平面コイルとして使用したときである（コイルターン数：３０ターン）。コイルターン数Ｂの条件とは、第１の積層コイル１４または第２の積層コイル１５の一方のみを、磁束変化を誘導出力として取り出すコイルとして使用したときであり、コイルターン数条件がＡのときの２倍のインダクタンスとなる（コイルターン数：６０ターン）。コイルターン数Ｃの条件とは、第１の積層コイル１４と第２の積層コイル１５の両方を、磁束変化を誘導出力として取り出すコイルとして使用したときであり、コイルターン数Ａの４倍のインダクタンスとなる（コイルターン数：１２０ターン）。

このとき、第１の下部平面コイル膜１４ａ、第２の下部平面コイル膜１５ａ、第１の上部平面コイル膜１４ｂ、第２の上部平面コイル膜１５ｂのコイルターン数は同一である。

図５より、各構成の動作範囲における１Ｇあたりの誘導出力電圧はコイルのインダクタンスに概ね比例しており、平面コイルを２層化することで、１Ｇあたりの誘導出力電圧が向上することを確認した。図５の下表に示している誘導出力電圧はゼロ磁場下（波形中心部）での誘導出力電圧を示している。

このとき、コイルターン数と誘導出力電圧が完全に比例しないのは、コイルターン数が変化することでインピーダンスが変化し、検波部と励磁部の間で位相がわずかにずれて検波効率が変化したためである。

図６には、磁場と誘導出力電圧の関係を示す。図６より、印加磁界と誘導電圧は非直線であることが分かる。一方、図７に負帰還コイルを設けたときの印加磁界と誘導出力電圧の関係を示す。図７より、負帰還コイルを設けることで、印加磁界と誘導出力電圧の関係の直線性を向上することができることが分かる。このように、負帰還コイルと誘導出力を取り出すためのコイルを同時に設けることで、省スペースで誘導出力電圧の直線性を向上させることができる。

なお、第１の下部平面コイル膜１４ａと第１の上部平面コイル膜１４ｂ、または第２の下部平面コイル膜１５ａと第２の上部平面コイル膜１５ｂの間に電極を設け、外部回路へと接続できるようにすることで、コイルを分離して使用することもできる。

下部コイルと上部コイルを分離して使用することで、磁束変化を誘導出力として取り出すコイル、負帰還用コイル、バイアス磁界印加用コイルのターン数を状況により変化させることができる。

各コイルのインダクタンスを変えたい場合は、第１の積層コイル１４と第２の積層コイル１５に含まれるコイルのターン数を変化させれば良い。

また、平面コイル膜のインピーダンスを変化させるために、各平面コイル膜の膜厚ｔ、線幅ｗ、コイル間距離ｄ（図８参照）、コイル外形（真円、楕円、四角等）を変更させることができる。これらの調整でインピーダンスを変更して磁気検出素子１０の検出感度を向上させることができ、さらなる省スペース化を図ることができる。

また、磁性薄膜１２は、第１の積層コイル１４と第２の積層コイル１５の下部を通っていれば、必ずしも磁気検出素子１０の中心部に位置している必要はない。

なお、本発明は、平面コイル膜が２層のものに限られるものではなく、図９には４層の平面コイル膜が、磁性薄膜上に絶縁膜と交互に積層配置された態様を示しており、これらについても同様である。つまり、磁性薄膜３１と電気的に接続された電極３２が、平面コイル膜のうち最下部に配置された平面コイル膜３３と同一平面上（同層上）に位置していれば、配線層を無くすことが可能となる。

１、１１ 非磁性基板
２、１２、３１ 磁性薄膜
３、４、３３ 平面コイル膜
５、６、７、１３、１５、１８ 絶縁膜
８ 配線層
１０ 磁気検出素子
１７、３２ 電極
１４ 第１の積層コイル
１５ 第２の積層コイル
ｔ コイル膜厚
ｗ コイル線幅
ｄ コイル線間距離

Claims (4)

1. 非磁性基板上に少なくとも１つ以上設けられ、高周波電流が印加される線状の磁性薄膜と、
   前記磁性薄膜上に第１の絶縁層を介して設けられた積層平面コイル部と
   を備え、
   前記積層平面コイル部は、
   前記第1の絶縁層上に配置された下部平面コイル膜と、
   前記下部平面コイル膜上に第2の絶縁層を介して配置された上部平面コイル膜と
   を含み、
   前記下部平面コイル膜と前記上部平面コイル膜は、コイル略中心部において前記第２の絶縁層に設けられたスルーホールを介して電気的に直列に接続され、
   前記磁性薄膜と電気的に接続した電極が、前記下部平面コイル膜と同一平面上に設けられていることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記積層平面コイル部は、前記磁性薄膜に生じる磁束変化を誘導出力として取り出すため、または、前記磁性薄膜にバイアス磁界を印加するため、または、負帰還用のコイルであることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
3. 前記積層平面コイル部は、
   前記下部平面コイル膜と前記上部平面コイル膜とからなる第1の積層コイルと、前記下部平面コイル膜と前記上部平面コイルとからなる第２の積層コイルとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気検出素子。
4. 前記磁性薄膜に高周波電流が印加された状態で、前記積層平面コイル部から、前記磁性薄膜に外部磁界を印加することにより生じる磁束変化を誘導出力として取り出すことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気検出素子。
   

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