JP3341237B2

JP3341237B2 - 磁気センサ素子

Info

Publication number: JP3341237B2
Application number: JP09138399A
Authority: JP
Inventors: 昭夫高山; 多美雄梅原; 昭代湯口; 英樹加藤
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000284030A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気センサに関し、
特に高感度磁気センサである磁気インピーダンスセンサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の情報機器や計測・制御機器の急速
な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の
磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえ
ば、コンピューターの外部記憶装置のハードディスク装
置ではバルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘ
ッド、磁気抵抗効果(MR) ヘッドと高性能化が進んでき
ており、モーターの回転センサであるロータリーエンコ
ーダーではマグネットリングの着磁密度が高いものが要
求されているので、従来用いられている磁気抵抗効果(M
R)センサに代わり微弱な表面磁束を感度良く検出できる
磁気センサが必要となってきている。また、非破壊検査
や紙幣検査に用いることができる高感度センサの需要も
大きくなっている。

【０００３】現在、用いられている代表的な磁気検出素
子として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)素
子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。ま
た、最近、アモルファスワイヤーの磁気インピーダンス
効果（特開平6-176930公報、特開平7-181239公報、特開
平7-333305公報）や、磁性薄膜の磁気インピーダンス効
果（特開平8-75835 公報、日本応用磁気学会誌vol.20,5
53(1996)参照）を利用した高感度の磁気センサが提案さ
れている。

【０００４】誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要
であるため磁気ヘッド自体が大型し、また、小型化する
とコイルの巻数が減り検出感度が著しく低下するという
問題がある。これに対して、強磁性膜による磁気抵抗効
果(MR)素子が用いられるようになってきた。MR素子は磁
束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するものであ
り、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。
しかし、現在のMR素子、たとえばスピンバルブ素子を用
いたMR素子でさえ電気抵抗の変化率が最大６％以下と小
さく、また数％の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は
1.6kA/m 以上と大きい。従って磁気抵抗感度は0.001 %/
(A/m) 以下の低感度である。また、最近、磁気抵抗変化
率が数10％を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果(GM
R) が見いだされてきた。しかし、数10％の抵抗変化を
得るためには数十A/m の外部磁界が必要であり、磁気セ
ンサとしての実用化は実現されていない。

【０００５】フラックスゲートセンサはパーマロイ等の
高透磁率磁心の対称なB-H 特性が外部磁界によって変化
することを利用して磁気の測定を行うものであり、高分
解能と±１°の高指向性を有する。しかし、検出感度を
あげるために大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を
小さくすることが難しく、また、消費電力が大きいとい
う問題点がある。

【０００６】ホール素子を用いた磁界センサは電流の流
れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両
方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起
電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール
素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、
また、SiやGaAsなどの半導体で構成されるため温度変化
に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によって電
子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度の温度
特性が悪いという欠点を持つ。

【０００７】特開平6-176930公報、特開平7-181239公
報、特開平7-333305公報により磁気インピーダンス素子
が提案され大幅な磁界感度の向上を実現している。この
磁気インピーダンス素子は、時間的に変化する電流を磁
性線に印加することによって生じる円周磁束の時間変化
に対する電圧のみを、外部印加磁界による変化として検
出することを基本原理としている磁気インピーダンス素
子である。図１３はその磁気インピーダンス素子の例を
示したものである。図１３の磁気インピーダンス素子１
では、磁性線２としてFeCoSiB 等の零磁歪の直径30μm
程度のアモルファスワイヤ（線引後、張力アニールした
ワイヤ）が用いられている。図１４はワイヤ（例えば図
１３の磁性線２）のインピーダンス変化の印加磁界依存
性を示したものである。長さ1mm 程度の微小寸法のワイ
ヤでも1MHz程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧
の振幅がMR素子の100 倍以上である約0.1%/(A/m)の高感
度で変化する。この現象はNiFe薄膜などの軟磁性薄膜に
も見られる現象である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】磁気センサとしては、
小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線
性、温度特性に優れた高感度磁気センサが求められてお
り、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利
用した磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。ま
た、特開平6-176930公報、特開平6-347489公報において
はバイアス磁界を加えることによりインピーダンス変化
の印加磁界依存性の直線性が改善されること、およびア
モルファスワイヤに負帰還コイルを巻き、アモルファス
ワイヤの両端の電圧に比例した電流をコイルに通電し負
帰還を施すことにより、直線性の優れたしかもセンサ部
の温度変化に対して磁界検出感度の不変なセンサ（高感
度磁気インピーダンス素子）を提供できることが示され
ている。

【０００９】また、特開平7-248365公報には、アモルフ
ァスワイヤとワイヤにバイアス磁界を加えるためのコイ
ルにより磁気検出部を構成し、これを２つ平行に配置し
た一対の磁気検出部を備え、差動駆動することにより感
度の向上を図るように構成した磁気センサが提案されて
いる。

【００１０】しかしながら、この高感度磁気インピーダ
ンス素子は直径30μm 程度のアモルファスワイヤからな
るため微細加工には適しておらず、超小型の磁気検出素
子を提供することは困難であった。また、バイアスコイ
ルおよび負帰還コイルはともに細い銅線を巻き回して作
製しなければならず小型化するには限界があり、かつ、
ワイヤの表面には酸化膜が形成されていることから電極
の半田付け性が悪いなど生産性の面でも問題があった。
特に、特開平7-248365公報に示されているように、差動
駆動の場合は２個の磁気検出素子を用いるため、ますま
す、小型化は難しく、生産性も悪くなっている。さら
に、それぞれのアモルファスワイヤの周囲にバイアスコ
イル・負帰還コイルを巻き回さなければならず、このた
め２本のワイヤの間隔はコイルを巻き回すに必要なだけ
のスペースが必要であり、その分だけワイヤ間の距離が
開くため、小さな局所磁界を正確に検出することは難し
くなる。

【００１１】一方、小型化の試みとして特開平8-75835
公報では磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス素子を提
案し、素子の小型化をはかっている。また、発明者らは
特願平9-269084において薄膜コイルを薄膜磁気コアの周
囲に立体的に巻き回しバイアスコイルと負帰還コイルを
具備した小型の磁気インピーダンス素子を提案してい
る。ところが、これらの発明においても、差動駆動回路
に用いるためには、２つのチップを用いなければならな
い。このため、２本の薄膜磁気コアの間隔が開いてしま
うためアモルファスワイヤの場合と同様に小さな局所磁
界を正確に検出することは難しくなる。

【００１２】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので
あり、小型で低コスト、高出力、かつ、検出磁界に対す
る出力の直線性、温度特性に優れた高感度の磁気センサ
素子を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載に係る磁気
センサ素子の発明は、電気的に直列に接続される２個の
長手状の薄膜磁気コアを非磁性体よりなる基板上に並列
に配置して構成される連結薄膜磁気コアを２個、前記基
板を共通にして、並列に配置し、前記２個の連結薄膜磁
気コアのそれぞれの両端に第１電極と第２電極を設け、
かつ前記２個の連結薄膜磁気コアのそれぞれに絶縁体を
介して、かつ並列配置された２個の薄膜磁気コアが共通
して内側になるようにして、薄膜バイアスコイル及び薄
膜負帰還コイルのそれぞれを、同一平面に、交互に同一
方向に、一定なコイル間隔をもって同一回数巻回して設
けることにより２個の磁気インピーダンス素子を形成
し、両磁気インピーダンス素子の差動出力を取出す構造
としたことを特徴とする。請求項２記載に係る磁気セン
サ素子の発明は、電気的に直列に接続される３個以上の
長手状の薄膜磁気コアを非磁性体よりなる基板上に並列
に配置して構成される連結薄膜磁気コアを２個、前記基
板を共通にして、並列に配置し、前記２個の連結薄膜磁
気コアのそれぞれの両端に第１電極と第２電極を設け、
かつ前記２個の連結薄膜磁気コアのそれぞれに絶縁体を
介して、かつ並列配置された３個以上の薄膜磁気コアが
共通して内側になるようにして、薄膜バイアスコイル及
び薄膜負帰還コイルのそれぞれを、同一平面に、交互に
同一方向に、一定なコイル間隔をもって同一回数巻回し
て設けることにより２個の磁気インピーダンス素子を形
成し、両磁気インピーダンス素子の差動出力を取出す構
造としたことを特徴とする。請求項３記載の発明は、請
求項１又は２に記載の構成において、前記２個の磁気イ
ンピーダンス素子は、連結薄膜磁気コアの第１、第２電
極、薄膜バイアスコイル、薄膜負帰還コイルの電極のう
ち、それぞれの電極の一つが共通に接続されていること
を特徴とする。請求項１から請求項３までのどれかに記
載の発明によれば、差動駆動用の磁気センサ素子が作製
できるため、局所磁界が正確に検出することができ、ま
た、全体のチップサイズを大きくすることが無く、差動
駆動用の磁気センサ素子が作製でき、磁気センサの小型
化、量産化が可能となる。また、センサヘッドとなる２
本の薄膜磁気コアの間隔を一定で、狭くでき、かつ、全
体のチップサイズを大きくすることなく、差動駆動用の
磁気センサ素子を作製でき、磁気センサの小型化、量産
化が可能となる。

【００１４】請求項４記載の発明は、請求項１から３の
うちのどれかに記載の構成において、前記薄膜磁気コア
は、NiFe、CoFe、NiFeP 、FeCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNi
CoB、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも１種が選択
されためっき膜により形成されていることを特徴とす
る。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項１から４の
うちのどれかに記載の構成において、前記薄膜磁気コア
は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のいずれかから形成される
アモルファススパッタ膜、またはNiFeスパッタ膜により
形成されていることを特徴とする。

【００１６】さらに、上記磁気インピーダンス素子にお
いて、薄膜磁気コアの電極、薄膜バイアスコイルの電
極、薄膜負帰還コイルの電極のうち、アース電極となる
部分を共通とした構造にすることにより、センサモジュ
ール作製工程でのワイヤーボンディングなどによるセン
サ駆動回路との接続工数の削減が可能となる。また、上
記のような構造に作製された薄膜コイルはコイル効率が
よいため、少ない電流で必要なバイアス磁界が得られ、
また、少ない負帰還量で磁界に対する出力の直線性の改
善が可能となる。また、バイアス用薄膜コイル、および
負帰還用薄膜コイルを交互に巻き回わすことにより薄膜
の磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、および負帰
還磁界を加えることができ磁気センサとしての特性が安
定する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図６
に基づき、図１〜図５、図７〜図１２を参照して説明す
る。まず、参考例（参考例１）としての薄膜磁気インピ
ーダンスセンサ（薄膜MIセンサ３）を図１及び図２に基
づいて説明する。図１は、参考例１の薄膜磁気インピー
ダンスセンサ（薄膜MIセンサ３）の構造を模式的に示す
平面図である。この薄膜MIセンサ３は、２個の薄膜磁気
コア４を有している。１個の薄膜磁気コア４の寸法は幅
20μm 、厚さ3 μm 、長さ2000μm である。１個の薄膜
磁気コア４には絶縁膜を介して薄膜磁気コア４にバイア
ス用薄膜コイル５（薄膜バイアスコイル）、負帰還用薄
膜コイル６（薄膜負帰還コイル）が立体的に巻き回され
ており、図示しない共通の基板（図２の非磁性基板20が
相当する）と共に１個の薄膜MI素子３ａを構成してい
る。バイアス用、負帰還用薄膜コイル５，６は交互に巻
き回されており、その巻き数はそれぞれ42ターンであ
る。また、それぞれの電極部の一部にはワイヤーボンド
用のAuのパッドが施されている。前記構成の薄膜MI素子
３ａが、前記図示しない基板を共通にして２個設けられ
て、一つのチップ（換言すれば、一つのチップで２個の
磁気インピーダンス素子の機能を有するようになってお
り、複合的な磁気インピーダンス素子を構成してい
る。）に作製されており、そのチップの寸法は2.3mm ×
1.6mm になっている。

【００１８】各薄膜磁気コア４の長手方向両端には、第
１電極７と第２電極８が設けられており、各薄膜磁気コ
ア４から差動出力を取出し得るようになっている。ま
た、バイアス用薄膜コイル５（薄膜バイアスコイル）、
負帰還用薄膜コイル６（薄膜負帰還コイル）は、後述す
る図２の薄膜MIセンサ３の作製プロセスの説明により明
らかなように絶縁膜９（絶縁体）を介して一定間隔をも
って同一平面に、交互に同一方向に、かつ上述したよう
にそれぞれ同一回数巻回されたものになっている。図１
の薄膜MIセンサ３では第１電極７が接地される（すなわ
ち、第１電極７がアース端子とされる）ようになってい
る。

【００１９】図２は薄膜MIセンサ３の作製プロセスであ
り図１のＡ−Ａ線に沿う断面で示している。図２(a) 〜
(e) を用いて薄膜MIセンサ３の詳細な構造と作製プロセ
スを示す。図２(a) から順に図２(e) まで薄膜プロセス
が積み上げられて薄膜MIセンサ３が作製される。図２
(a) に示すように、非磁性基板20上にはバイアス用薄膜
コイル５、および負帰還用薄膜コイル６を構成するコイ
ル下層部21が設けられ、それぞれのコイル部の端部にお
いて図２(e) に示すコイル上層部22のコイル端部と接続
され、上下連続したバイアス用薄膜コイル５及び負帰還
用薄膜コイル６が構成される。

【００２０】コイル下層部21はAl2O3 セラミックウェー
ハー、Siウェーハー、ガラスウェーハー等の表面平滑性
を高めた非磁性基板（非磁性体基板）20上に、50nm程度
の厚さのCuスパッタ膜をめっき用のシード層とするため
に形成し、そのシード層の上に所定のコイル形状の反転
パターンのフォトレジストパターンを形成した後、フォ
トレジストパターンの間にCuめっきを約3 μm の厚さだ
け埋め込み、さらにフォトレジストパターンを有機溶剤
等により除去した後、 Cu スパッタ膜のシード層をエッ
チングにより除去することにより形成される。

【００２１】なお、コイル下層部21の作製は、 Cu スパ
ッタ膜を約3 μm の厚さだけ製膜し、その後、所定のコ
イル形状のフォトレジストパターンを形成し、フォトレ
ジストパターンをエッチング用マスクとして、イオンミ
リング等のエッチング手段によりエッチングし、さらに
フォトレジストパターンを有機溶剤等により除去するこ
とにより果たすこともできる。上記によるCuコイルの作
製方法は導体ワイヤを巻き回してコイルを作製する方法
や導体薄帯を巻き回してコイルを作製する方法に比べて
コイル自体を小型化でき、かつコイルを磁気コアに近づ
けることができるためコイル効率を高めることが可能と
なる。

【００２２】図２(b) の9aはコイル下層部21と薄膜磁気
コア４を電気的に絶縁するための絶縁膜である。この絶
縁膜9aは、フォトレジストを露光、現像の工程を行い所
定の絶縁膜9aの形状に形成した後、270 ℃、10時間の熱
処理を行い硬化させたものである。また、絶縁膜9aとし
てポリイミドなどの樹脂を硬化させたものやSiO2などの
無機膜を所定の形状に形成したものを用いてもかまわな
い。図２(c) の薄膜磁気コア４は、NiFe、CoFe、NiFeP
、FeCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeの
群の内から少なくとも１種が選択されためっき膜（軟磁
性膜）により形成されている。なお、薄膜磁気コア４
は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のいずれかから形成される
アモルファススパッタ膜（軟磁性膜）、またはNiFeスパ
ッタ膜（軟磁性膜）により形成するようにしてもよい。

【００２３】ここで、NiFeめっき膜を薄膜磁気コア４と
して用いたときの作製例を示す。まず、50nm程度の厚さ
のNiFeスパッタ膜をめっき用のシード層とするために形
成する。そのシード層の上に所定のコイル形状の反転パ
ターンのフォトレジストパターンを形成し、その後、フ
ォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約3 μm の厚
さだけ埋め込み、さらに、フォトレジストパターンを有
機溶剤等により除去した後、 NiFe スパッタ膜のシード
層をエッチングにより除去することにより形成される。
CoFeNiめっき膜を薄膜磁気コア４として用いたときも同
様のプロセスで作製する。また、薄膜磁気コア４を作製
した後、回転磁場中、および静止磁場中で熱処理を行う
と磁気特性の向上がはかれる。

【００２４】次に、CoZrNb、FeSiB 、CoFeB 等のアモル
ファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜等の軟磁性膜を薄膜
磁気コア４として用いる場合の作製プロセスを示す。た
とえばCoZrNbスパッタ膜を約3 μm の厚さだけ製膜し、
その後、所定の薄膜磁気コア４の形状のフォトレジスト
パターンを形成し、フォトレジストパターンをエッチン
グ用マスクとして用い、イオンミリング等のエッチング
手段によりエッチングし、さらにフォトレジストパター
ンを有機溶剤等により除去することによりコイル下層部
21を作製することもできる。一方、所定の薄膜磁気コア
４の反転形状を薄い金属板に作製し、それをスパッタマ
スクとして用いるメタルマスク法もあるが、この方法で
は微細の形状の薄膜磁気コア４が得られにくく、その寸
法精度も悪く好ましくはない。

【００２５】図２(d) の9bはコイル上層部22と薄膜磁気
コア４を電気的に絶縁するための絶縁膜である。作製方
法は図２(b) で示した絶縁膜9aの場合と同様である。図
２(e) の22はバイアス用薄膜コイル５及び負帰還用薄膜
コイル６を構成する前記コイル上層部であり、図4(a)の
説明で示したようにそれぞれのコイル部の端部において
図２(a) に示すコイル下層部21のコイル端部と接続さ
れ、連続したバイアス用薄膜コイル５、および負帰還用
薄膜コイル６が構成される。作製方法は図２(a) で示し
たコイルの場合と同様である。

【００２６】最後に、図示されてないが、作製された磁
気センサ部を保護するための保護層と磁気センサ（本薄
膜MIセンサ３）の駆動および検知するための周辺回路と
の電気的接続を得るためのワイヤーボンド用のボンディ
ングパッドを作製する。保護層は図２(b) で示した絶縁
膜9aと同様にフォトレジストを露光、現像の工程を行い
所定の形状に形成後、270 ℃、10時間の熱処理を行い硬
化させたものである。また、ポリイミドなどの樹脂を硬
化させたり、SiO2などの無機膜を所定の形状に形成した
りしてもかまわない。Auめっき膜、あるいはAuスパッタ
膜で作製される。その作製工程はCuコイルの場合とほぼ
同様の工程で作製される。

【００２７】図３に示す薄膜MIセンサ３（参考例２）
は、図１の構造の薄膜MIセンサ３のアース端子（第１電
極７、バイアス用薄膜コイル５の一方の端子及び負帰還
用薄膜コイル６の一方の端子）を共通とした構造のもの
であり、これにより、センサ駆動回路に接続する端子の
数が少なくなるため組立工数の減少に寄与することにな
る。

【００２８】図４に示す薄膜MIセンサ３（参考例３）
は、薄膜磁気コア４の長手方向両端に設けられた第１電
極７と第２電極８を備えた薄膜MI素子３ａにおいて、薄
膜磁気コア４の中間点に第３電極10を設け、さらに、薄
膜磁気コア４における第１電極７と第３電極10との間の
部分及び第２電極８と第３電極10との間の部分にはそれ
ぞれ絶縁膜９を介してバイアス用薄膜コイル５および負
帰還用薄膜コイル６（計２本のバイアス用薄膜コイル５
および計２本の負帰還用薄膜コイル６）を形成してい
る。バイアス用薄膜コイル５と負帰還用薄膜コイル６は
一定間隔をもって同一平面に交互に同一方向に巻回さ
れ、かつ、それぞれ同一回数巻回している。図４に示す
薄膜MIセンサ３は、第１電極７と第２電極８から差動出
力を取出す構造になっている。

【００２９】図５に示す薄膜MIセンサ３（参考例４）
は、図４の構造の薄膜MIセンサ３のアース端子（第３電
極10、図５左側のバイアス用薄膜コイル５の右側の端
子、図５右側のバイアス用薄膜コイル５の左側の端子、
図５左側の負帰還用薄膜コイル６の右側の端子、及び図
５右側の負帰還用薄膜コイル６の左側の端子、計５つの
端子）を共通とした構造のものであり、これにより、セ
ンサ駆動回路に接続する端子の数が少なくなるため組立
工数の減少に寄与することになる。

【００３０】ここで、本発明の一実施の形態を図６に基
づき、図１〜図５を参照して説明する。この実施の形態
の薄膜MIセンサ３（磁気センサ素子）は、図６に示すよ
うに、非磁性基板20〔図２参照〕上に２個（図６では上
下２個）並列配置されてなる図６上側、下側の薄膜MI素
子３ａ〔本発明の２個の磁気インピーダンス素子を構成
する。〕からなる。図６上側、下側の薄膜MI素子３ａ
は、各々連結薄膜磁気コア〔本発明の２個の連結薄膜磁
気コアを構成する。〕を有し、各々の連結薄膜磁気コア
は、並列に配置された２個の薄膜磁気コア４から構成さ
れている。図６上側の薄膜MI素子３ａの２個の薄膜磁気
コア４は互いに電気的に直列に接続され、これと同様に
図６下側の薄膜MI素子３ａの２個の薄膜磁気コア４も互
いに電気的に直列に接続されている。そして、図６上
側、下側の薄膜MI素子３ａ（２個の連結薄膜磁気コア）
のそれぞれの両端には、図６に示すように第１電極７と
第２電極８が設けられており、差動出力を取出し得る
〔段落「００１８」及び「００２８」参照〕ようになっ
ている。また、上側の薄膜MI素子３ａの連結薄膜磁気コ
ア（並列に配置された２個の薄膜磁気コア４，４）に
は、図６に示すように、絶縁体〔図１、図４、図５の絶
縁体９に相当し、図６では符号の記載が省略されてい
る〕を介して、バイアス用薄膜コイル５（薄膜バイアス
コイル）〔図１〜図５参照〕及び負帰還用薄膜コイル６
（薄膜負帰還コイル）〔図１〜図５参照〕のそれぞれが
巻回して設けられている。バイアス用薄膜コイル５及び
負帰還用薄膜コイル６は、段落「００１８」及び「００
２８」で説明したように、絶縁体を介して一定間隔〔コ
イル間隔〕をもって同一平面に、交互に同一方向に、か
つ、それぞれ同一回数巻回している。なお、出願当初の
明細書の段落「００１３」に示されるように構成し、例
えば、図６の並列に配置された２個の薄膜磁気コア４，
４に代えて、並列に配置され、かつ互いに電気的に直列
に接続される３個以上からなる薄膜磁気コアを設け、当
該３個以上の薄膜磁気コアからなる連結薄膜磁気コアを
２個備えて前記薄膜MIセンサ３に対応する薄膜MIセンサ
（磁気センサ素子）を構成するようにしてもよい。

【００３１】つぎに、図１に示す構造に作製した薄膜MI
センサ３の特性について述べる。ここで、一つの薄膜磁
気コア４の寸法は上述したように幅20μm 、厚さ3 μm
、長さ2000μm であり、また、バイアス用、負帰還用
薄膜コイル５，６は上述したように同一面上に交互に巻
き回されており、その巻き数はそれぞれ42ターンであ
る。バイアス用、負帰還用薄膜コイル５，６を同一面上
に交互に薄膜磁気コア４に巻き回わす構造になっている
ことにより、薄膜磁気コア４の各部位に均等にバイアス
磁界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサ
としての特性が安定する。素子全体のチップサイズは2.
3mm ×1.6mm であり、非常に小型にできている。通電電
流を20MHz - 40mAp-p の正弦波としたときの、一つの薄
膜磁気コア４の磁界−インピーダンス特性を図７に示
す。印加磁界を大きくしていくと、インピーダンスの変
化率ΔZ/Z0は大きくなり、素子の異方性磁界Hkのところ
で最大となり、さらにHex ＞HkではΔZ/Z0は小さくなっ
ていく。また、単位印加磁界あたりのインピーダンスの
変化量（磁界感度）はHex=200A/m前後で最大となり、0.
4%/(A/m)の磁界感度を示した。

【００３２】つぎに、磁気MI素子（例えば前記薄膜MI素
子３ａ）を２個使用する差動駆動方式の磁気センサの駆
動原理を図８及び図９を用い、図１を参照して簡単に示
す。差動駆動の磁気センサ回路は、バイアス用薄膜コイ
ル５および負帰還用薄膜コイル６を持つ磁気MI素子（薄
膜MI素子３ａ）を２個使用し、発振回路、検波回路（ダ
イオードブリッジ）、増幅回路、負帰還抵抗から構成さ
れる。発振器で高周波通電電流を２個の磁気MI素子（薄
膜MI素子３ａ）に印加し、外部磁界を加えると素子（薄
膜MI素子３ａひいては薄膜磁気コア４）のインピーダン
スが変化する。２個の磁気MI素子（薄膜MI素子３ａ）に
はそれぞれ正反対のバイアス磁界を加える。たとえば、
一方の磁気MI素子（例えば図１上側の薄膜MI素子３ａ）
には正のバイアス磁界を加えたときには図８のように正
の傾きを示す。また、このとき、他方の磁気MI素子（例
えば図１下側の薄膜MI素子３ａ）には負のバイアス磁界
を加えるため、図９のような負の傾きを示す。これらを
検波し、オペアンプで差動検出する事により、外部磁界
の変化は差動成分になるため、２個の磁気MI素子（薄膜
MI素子３ａ）の出力が加算された磁気センサの傾きが現
れ、また、同相成分である磁気MI素子（薄膜MI素子３
ａ）の温度変化などを排除できる。

【００３３】図１に示す薄膜MI素子を２個用い、差動駆
動できるように配置し、磁気センサの回路方式を図１０
に示す差動駆動回路30として磁界検出用磁気センサ31を
構成した。磁界検出用磁気センサ31は、２個の薄膜MI素
子３ａに高周波電流を供給する発振回路部32を有してい
る。差動駆動回路30は、ダイオードD1-1，D1-2，D2-1，
D2-2等からなる検波部（符号省略）を有する検出回路部
33と、検出回路部33からの信号を差動増幅して出力する
増幅部34とからなっている。増幅部34の出力部と負帰還
用薄膜コイル６は負帰還部35を介して接続されており、
増幅部34からの出力信号が負帰還用薄膜コイル６に負帰
還されるようになっている。

【００３４】上記回路構成の磁界検出用磁気センサ31を
用い、バイアスコイル磁界240(A/m)、負帰還率40% の負
帰還をかけたときの、印加磁界に対するセンサ（磁界検
出用磁気センサ31）の出力電圧の関係を図１１に示す。
ここで通電電流はパルスの幅5ns のパルス波でパルス電
流は35mAであり出力の増幅度は25倍である。

【００３５】センサ特性は±80(A/m) の測定磁界内で優
れた直線性を示し、出力は25mV/(A/m)の高出力を示し、
かつ、10^-3(A/m) の磁界分解能を示した。また、図１２
に示すように感度特性の温度特性は0.1%/ ℃の良好な特
性を示した。これらの結果はリニア磁界センサとして良
好な特性を示すものである。また、アモルファスワイヤ
に銅線を巻き回した負帰還コイルを用いた素子の場合で
は、図１１と同等の直線性を得るためには約300%の負帰
還をかけなければならない。アモルファスワイヤに銅線
を巻き回した負帰還コイルに対して、薄膜コイル（バイ
アス用、負帰還用薄膜コイル５，６）が約1/6 の負帰還
率で同等の直線性を得られたのは、上述したようにコイ
ル（バイアス用、負帰還用薄膜コイル５，６）を磁気コ
ア（薄膜磁気コア４）に近づけることができ薄膜コイル
（バイアス用、負帰還用薄膜コイル５，６）のコイル効
率が高くなることによるものである。

【００３６】

【発明の効果】本発明の請求項１〜５のうちのどれかに
記載の発明によれば、全体のサイズを小型化して差動型
の磁気センサを作製できる。このため、微小空間に発生
している磁界の測定でも、同一の非磁性基板上にある２
個の磁気インピーダンス素子に等しい磁界を印加できる
ので、各々の磁気インピーダンス素子からの均等な出力
を差動的に取出せる。更に上述したように小型化される
ことにより量産性の向上を図ることができる。また、上
記磁気インピーダンス素子において、薄膜磁気コアの電
極、薄膜バイアスコイル、薄膜負帰還コイルの電極のう
ち、それぞれの電極の一つが共通に接続できる構造とし
たので、外部回路との接続箇所が少なくなるため、磁気
センサの作成工程でのワイヤボンディングなどによるセ
ンサ駆動回路との接続工数の削減が可能となると共に信
頼性が高い磁気センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例１としての磁気センサ素子（薄膜MIセン
サ）を模式的に示す平面図である。

【図２】薄膜MIセンサの作製プロセスを示す図である。

【図３】参考例２としてのアース端子を共通とした構造
の磁気センサ素子（薄膜MIセンサ）を模式的に示す平面
図である。

【図４】参考例３としての薄膜磁気コアの中間点に第３
電極を設けた磁気センサ素子（薄膜MIセンサ）を模式的
に示す平面図である。

【図５】図４の構造の薄膜MIセンサのアース端子を共通
とした磁気センサ素子（薄膜MIセンサ）〔参考例４〕を
模式的に示す平面図である。

【図６】本発明の一実施の形態であり、２個の薄膜磁気
コアの各々が２個の薄膜磁気コアから構成された磁気イ
ンピーダンス素子（薄膜MIセンサ）を模式的に示す平面
図である。

【図７】図１の磁気インピーダンス素子の磁界−インピ
ーダンス特性を示す図である。

【図８】２個のMI素子のうち一方（例えば図１上側の薄
膜MI素子）に正のバイアス磁界を加えたときの外部磁界
−振幅特性を示す図である。

【図９】２個の磁気センサ素子のうち他方（例えば図１
下側の薄膜MI素子）に正のバイアス磁界を加えたときの
外部磁界−振幅特性を示す図である。

【図１０】図１に示す薄膜MIセンサを２個用いて構成し
た磁界検出用磁気センサを示す回路図である。

【図１１】図１０の磁界検出用磁気センサの出力電圧特
性を示す図である。

【図１２】図１０の磁界検出用磁気センサの温度−出力
変動特性を示す図である。

【図１３】従来の磁気インピーダンス素子の一例を模式
的に示す図である。

【図１４】図１３の磁性線のインピーダンス変化の印加
磁界依存性を示す図である。

【符号の説明】

３薄膜MIセンサ（磁気センサ素子）３ａ薄膜MI素子（磁気インピーダンス素子）４薄膜磁気コア５バイアス用薄膜コイル（薄膜バイアスコイル）６負帰還用薄膜コイル（薄膜負帰還コイル）７第１電極８第２電極 10 第３電極

フロントページの続き (72)発明者加藤英樹静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−１ミネベア株式会社開発技術センター内 (56)参考文献特開平９−133742（ＪＰ，Ａ) 比嘉孝治、外５名，パルス電流励磁によるスパッタ薄膜マイクロＭＩセンサ, 日本応用磁気学会誌，日本，社団法人日本応用磁気学会，1997年４月15日，Ｖｏｌ．21，Ｎｏ．４−２，649−652 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 33/02 G01R 33/04 - 33/05 G11B 5/31 G11B 5/33

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的に直列に接続される２個の長手状
の薄膜磁気コアを非磁性体よりなる基板上に並列に配置
して構成される連結薄膜磁気コアを２個、前記基板を共
通にして、並列に配置し、前記２個の連結薄膜磁気コアのそれぞれの両端に第１電
極と第２電極を設け、かつ前記２個の連結薄膜磁気コアのそれぞれに絶縁体を
介して、かつ並列配置された２個の薄膜磁気コアが共通
して内側になるようにして、薄膜バイアスコイル及び薄
膜負帰還コイルのそれぞれを、同一平面に、交互に同一
方向に、一定なコイル間隔をもって同一回数巻回して設
けることにより２個の磁気インピーダンス素子を形成
し、両磁気インピーダンス素子の差動出力を取出す構造とし
たことを特徴とする磁気センサ素子。
【請求項２】電気的に直列に接続される３個以上の長
手状の薄膜磁気コアを非磁性体よりなる基板上に並列に
配置して構成される連結薄膜磁気コアを２個、前記基板
を共通にして、並列に配置し、前記２個の連結薄膜磁気コアのそれぞれの両端に第１電
極と第２電極を設け、かつ前記２個の連結薄膜磁気コアのそれぞれに絶縁体を
介して、かつ並列配置された３個以上の薄膜磁気コアが
共通して内側になるようにして、薄膜バイアスコイル及
び薄膜負帰還コイルのそれぞれを、同一平面に、交互に
同一方向に、一定なコイル間隔をもって同一回数巻回し
て設けることにより２個の磁気インピーダンス素子を形
成し、両磁気インピーダンス素子の差動出力を取出す構造とし
たことを特徴とする磁気センサ素子。
【請求項３】前記２個の磁気インピーダンス素子は、
連結薄膜磁気コアの第１、第２電極、薄膜バイアスコイ
ル、薄膜負帰還コイルの電極のうち、それぞれの電極の
一つが共通に接続されていることを特徴とする請求項１
又は２に記載の磁気センサ素子。
【請求項４】前記薄膜磁気コアは、NiFe、CoFe、NiFe
P 、FeCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeの
群の内から少なくとも１種が選択されためっき膜により
形成されていることを特徴とする請求項１から３のうち
のどれかに記載の磁気センサ素子。
【請求項５】前記薄膜磁気コアは、CoZrNb、FeSiB 、
CoSiB のいずれかから形成されるアモルファススパッタ
膜、またはNiFeスパッタ膜により形成されていることを
特徴とする請求項１から４のうちのどれかに記載の磁気
センサ素子。