JP3731288B2 - Multilayer magnetic field detector - Google Patents

Description

ここで、Ｍsは磁化、θは磁化方向（容易磁化方向となす角度で表示）である。
【００１２】
反磁界Ｈdxは、駆動磁界Ｈよりもその絶対値が小さく、またＨと逆方向であり負号をもつ。反磁界Ｈdyと被検出磁界Ｈextとの関係も同様である。磁化の方向θは、Ｅが最小となるように異方性磁界Ｈkと被検出磁界Ｈext、反磁界Ｈdx、Ｈdy、そして駆動磁界Ｈのバランスで決まる。この磁化の方向θより、本素子のインピーダンス特性を決定する磁性膜の透磁率μが算出される。
【００１３】
この透磁率μの計算により、本素子のインピーダンス特性において異方性磁界Ｈkと一致する磁界の値の所でピークを示すことが分かる。さらに、素子感度に関しては、図３に示すように素子の幅方向に異方性（素子幅方向が磁化容易軸となる）を付与した場合に最も大きな素子インピーダンス変化が得られることも分かる。
【００１４】
異方性磁界Ｈkは、スパッタリング、真空蒸着等の薄膜作製技術による素子作製時の磁場中処理、あるいは磁性層間の交換相互作用により安定に制御できるため、薄膜作製技術により素子特性プロファイルをコントロールすることが可能となる。素子特性プロファイルをコントロールすることによって、高性能の磁界センサを得ることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、自動車、工作機械等の応用を考えた場合、磁界センサの特性として、温度特性、ＳＮ比に優れ、さらに直線性が良好でヒステリシスのないことが重要となる。例えば、自動車エンジンへの応用を考えた場合、エンジンオイル温度は１２０℃、１３０℃くらいまで上昇するのでセンサの温度特性は、非常に重要である。上述したアモルファス軟磁性膜単層素子や積層型素子では、直線性、高ＳＮ比、温度特性の点で不十分であり、さらに検出磁界の正負が判別できないという問題もあった。したがって、自動車、工作機械等において有用な磁界を利用した位置、距離、回転位置・速度等を検出するセンサ、あるいは地磁気検出による方位センサを実現するには、直線性、ＳＮ比、温度特性を改善する必要がある。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、その目的は、ＳＮに優れ高い検出分解能を有し、直線性が良好でかつ温度特性に優れた磁界検出素子を実現することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、素子の動作点を最適点にシフトさせる磁界バイアス手段を設けたことを特徴する。
【００１８】
外部磁界に対する素子のインピーダンスは、磁性膜の幅方向に付与された異方性磁界に対応する磁界値でピークを持つ特性プロファイルを有する。ここで注目すべきことは、ピークの右側のプロファイルとピークの左側のプロファイルとで、プロファイル形状、及び温度に対する安定性の点で大きく異なる点である。図９に、寸法が縦１ｍｍ、横１ｍｍの素子のインピーダンス特性を示す。
【００１９】
図９を見ると、左側のプロファイルでは直線性が悪く、ヒステリシスが発生するが、右側のプロファイルでは直線性は良好でヒステリシスも発生しない。さらには、素子寸法を１ｍｍ×１ｍｍよりも小さくしても、右側のプロファイルは直線性が良好で、ヒステリシスを示さないことが分かっている。また、右側特性プロファイルと左側特性プロファイルとで安定性（ＳＮ比、再現性）の点についても大きく異なり、右側特性プロファイルが左側特性プロファイルと比較して優れていることが分かった。
【００２０】
図１０に、各温度（雰囲気温度）に対するインピーダンス特性を示す。この結果を見ると、温度変化に対する特性変動についても、右側プロファイルのほうが左側プロファイルと比較して変動幅が小さいことが分かる。
【００２１】
以上より、ヒステリシスのない安定した特性を実現するためには、インピーダンス特性プロファイルにおいて右側プロファイルを利用すればよいことが分かる。そこで、本発明においては、右側特性プロファイルが利用できるように、異方性磁界以上の磁界を発生する磁界バイアス手段を設けた。これにより、素子動作点を右側特性プロファイルにシフトさせることができ、ＳＮに優れ高い検出分解能を有するセンサが実現できる。
【００２２】
次に、右側特性プロファイルが、左側特性プロファイルと比較して、「何故、ＳＮ比、温度特性、ヒステリシス、再現性の点で優れるのか？」を考えてみる。左側の特性プロファイルでは外部磁界に対して磁壁移動が支配的になることより、特性プロファイル形状が複雑になったり、あるいは外部磁界の増減に対してヒステリシスを有したり、あるいは温度変化に対して特性が大きく変化する等の問題が生ずる。一方、右側の特性プロファイルでは外部磁界に対して磁化回転が支配的になることより、特性プロファイルの非直線性、あるいはヒステリシスの問題は全く発生しない。さらに、温度変化に対する特性変化も左側の特性プロファイルと比較して小さくなる。これは、磁壁移動は磁界に対して不可逆過程であるのに対して、磁化回転は磁界に対して可逆過程であることに起因している。したがって、素子に磁界をバイアスして動作点を右側の特性プロファイル部分とすることが高精度の磁気センサを実現する上で重要となる。
【００２３】
なお、磁界をバイアスすることのメリットは上で述べたこと以外にもう１つある。上述のような構成の素子のインピーダンス変化は、正負どちらの磁界に対しても同じプロファイルを示す。したがって、素子をそのまま利用した場合には、検出する磁界の正負を判別することはできない。しかし、磁界をバイアスして、動作点を例えば図９に示すように右側特性の中間位置に設けてやれば、検出磁界の正負を判別することができる。
【００２４】
次に、本発明は、インピーダンス変化の中におけるインダクタンス変化のみを検出する手段を設けたことも特徴とする。そこで、この点について、説明する。
【００２５】
素子は外部からの磁界に対してインピーダンスが大きく変化する。先に述べたように、インピーダンス変化の内訳はインダクタンス変化と抵抗変化とに分けることができる。
【００２６】
図６、図７、図８に、雰囲気温度をパラメータとしてインピーダンス、インダクタンス、抵抗の磁界に対する変化を示す。これらの結果を見ると、インダクタンス成分は温度に対して特性変動が抵抗分と比較して小さいことが分かる。すなわち、インダクタンス分Ｌは、温度の影響を受けにくい磁性膜の透磁率のみによって、透磁率をμとした場合、Ｌ＝ｋμのように表される。なお、Ｋは形状により決定される定数である。一方、抵抗分は、磁性膜の透磁率と、温度の影響を受けやすい導体膜の抵抗率によって決定されている。そのため、雰囲気温度に対する安定性は抵抗分と比較してインダクタンス分が優れていると考えられる。したがって、素子のインダクタンス成分のみを検出する方式のセンサとすることにより、温度特性に優れた磁界センサを実現することができることが分かる。
【００２７】
以上述べてきたように、本発明は、磁性体層とこの磁性体層に覆われた導体層とを含む線状の素子に対し、その長さ方向の両端に駆動用の高周波電流源と、電気信号の検出器を並列接続した構成を有し、かつ前記磁性層には素子幅方向に磁気異方性が付与されており、素子面に平行な磁界を素子のインピーダンスの変化として検出する積層型磁界検出素子において、次のような点を特徴とすることができる。
【００２８】
（ｉ）素子の長手方向に直流磁界をバイアスする手段を有する。
【００２９】
（ｉｉ）外部磁界に対する素子インピーダンス変化の内インダクタンス変化分のみを検出する手段を有する。
【００３０】
（ｉｉｉ）（ｉ）または（ｉｉ）において、磁性層に付与された異方性磁界以上の直流磁界を加える磁界バイアス手段を有する。
【００３１】
（ｉｖ）（ｉｉｉ）において、素子の下面に硬質磁性層を設けることにより磁界バイアス手段を形成する。
【００３２】
（ｖ）（ｉｉｉ）において、素子の下面に軟磁性層を設けることにより磁界バイアス手段を形成したことを特徴とする積層型磁界検出素子。
【００３３】
（ｖｉ）（ｉｉｉ）において、素子周辺にパターンニングされた配線を設け、その配線に直流電流を通電し磁界バイアス手段とする。
【００３４】
（ｖｉｉ）（ｉｉｉ）において、素子周辺に硬質磁性層を設けることにより磁界バイアス手段を形成する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００３６】
本発明に係る積層形磁界検出素子は、磁界感応部素子（軟磁性層と導体層との積層構造素子）、バイアス磁界発生部、インダクタンス検出部、高周波電源の４つの部材よりなる。
【００３７】
本発明の代表的な実施形態の構成を図１１に示す。このように、素子１００の両端に高周波電源１０１が接続され、素子１００に所定の高周波電流を供給する。素子１００の両端には、インダクタンス検出回路１０２も接続されており、素子１００におけるインダクタンス変化を検出する。なお、この実施形態では、素子１００にバイアス磁界発生部が含まれている。
【００３８】
素子１００の磁界感応部は、Ｓｉ単結晶などからなる基板２１５上に形成され、導電体からなる導体層２１２を軟質磁性体からなる軟質磁性層２１１で覆った構造である。軟質磁性層２１１はＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢ等のアモルファス軟磁性体により形成されており、一方導体層２１２はＣｕ、Ａｌ等の、軟質磁性層２１１に比べて導電率が１桁以上高い導電体で形成されている。各層は、真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜作製技術により作製される。また、軟質磁性層２１１は、素子の幅方向に直流磁場を印加した状態で作製されるため、素子の幅方向が軟質磁性層２１１の容易磁化方向となっている。ここでは、軟質磁性層２１１をＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢとしたが、これ以外にＮｉＦｅ，ＣｏＮｂＺｒ等の、保磁力が１ Ｏｅ以下の軟磁性材料で置き換えてもかまわない。また、導体層２１２はＣｕ等の導電体以外に、Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｏ等の導電体でもかまわない。
【００３９】
軟質磁性層２１１の下方には、絶縁層２１３が形成されている。この絶縁層２１３は、軟質磁性層２１１の下方にのみ設けてもよいし、素子両端のパッド部として形成された導体層２１２の下方にまで延長し、素子１００の全面に設けてもよい。
【００４０】
絶縁層２１３の下には、磁界バイアス用の磁石である硬質磁性層２１４が形成されている。硬質磁性層２１４はＣｏＰｔ、ＦｅＰｔよりなる。そして、この硬質磁性層２１４の端部からは漏洩磁界が発生し、この漏洩磁界が絶縁層２１３を介して上部に作製された素子１００にバイアス磁界として印加される。ここで、素子に印加される漏洩磁界（バイアス磁界）の大きさは、磁性層である素子の軟質磁性層２１１に付与された異方性磁界より大きな値となる必要がある。そこで、硬質磁性層２１４を調整して、バイアス磁界の大きさを調整する。調整方法は、硬質磁性層２１４の厚み、あるいは組成の調整により行う。
【００４１】
なお、ここでは磁界バイアス用として硬質磁性層２１４を採用したが、軟質磁性層を用いてもよい。軟質磁性層の組成は、ＦｅＳｉＢ，ＣｏＳｉＢ，ＦｅＣｏＳｉＢ等の、保磁力が１ Ｏｅ以下のアモルファス軟磁性材料ならばどれでもよい。
【００４２】
本実施形態の積層型磁界検出素子の動作について説明する。まず、この素子１００の導体層２１２の両端は高周波電源１０１に結線されており、ここから高周波電流を印加する。
【００４３】
この状態において、基板２１０面に平行に被検出磁界Ｈｅｘｔが印加されると、これにより軟質磁性層２１１の磁化状態が変化し、素子１００の幅方向の透磁率μが変化する。この透磁率μの変化により、素子１００両端のインピーダンスＺが変化する。
【００４４】
そのインピーダンス変化Ｚ（内訳：インダクタンスＬと抵抗Ｒ）の中からインダクタンスＬ分をインダクタンス検出回路１０２によりピックアップする。インダクタンス検出回路１０２は、例えば素子１００の両端電圧における振幅と位相の変化を検出して、インダクタンスの変化量を検出する。そして、インダクタンスＬ分は、透磁率の変化、被検出磁界Ｈｅｘｔと対応しているので、インダクタンスの変化量を読みとれば、被検出磁界Ｈｅｘｔの大きさがわかる。
【００４５】
さらに、素子インダクタンス特性の右側プロファイルを利用するために素子長手方向に直流磁界をバイアスして動作点をシフトさせる。このために、バイアス磁界の大きさは軟質磁性層２１１に付与された異方性磁界Ｈｋより大きな値としている。外部から検出磁界が加わると、素子インダクタンス特性の右側プロファイルが動くことになる。
【００４６】
このように、磁界に対する素子インピーダンス変化の中からインダクタンス成分を抽出することにより、温度特性に優れた磁界センサを達成している。さらに、磁性層に付与された異方性磁界Ｈｋ以上の直流磁界を発生する磁界バイアス部を設け素子特性の動作点をシフトさせ素子特性右側プロファイルを利用することにより、検出磁界の正負（方向）が判別でき、高ＳＮ比、ヒステリシスのない、直線性が良好で、再現性に優れた磁界センサを実現することができた。
【００４７】
元来、外部磁界に対して素子インピーダンスが変化するという素子は、磁気抵抗効果を用いたＭＲ素子、あるいはホール効果を用いたホール素子などと比較して、高感度の点で優れていると言われていた。しかし、温度特性、出力の再現性、あるいはＳＮ比の点では同程度であり、より一層の改善が求められていた。今回、本発明では上記問題を解決し、小型で高感度な実用性の高い磁界検出素子を実現することができた。
【００４８】
これにより、自動車内等悪い環境下で使用する場合においても、高精度に磁界検出が可能となる。また、薄膜素子であることより、基板としてＳｉを用いれば回路一体化が可能となり、磁気センサを用いたシステム全体のコストダウンが可能となる。
【００４９】
なお、この実施形態では、磁界バイアス部として磁界感応部の下に絶縁層を介して磁界バイアス用の層を設けたが、これに限らず各種の手法があるので以下に記述する。
【００５０】
（１） 素子下面に磁界バイアス層を配置する方法
図１２に示すように、素子１００の下面に絶縁層２１３を介して硬質磁性層２１４を設ける構造とすることにより磁界のバイアスを行う。硬質磁性層２１４の端面からは漏洩磁界が発生しその上部の素子に磁界が加わることになる。
【００５１】
なお、ここでは硬質磁性層２１４を素子下面に配置したが、硬質磁性層２１４に代えて軟質磁性層を配置して磁界バイアスをする方法もある。このように、軟質磁性層を配置した場合には、外部から磁界が印加されない時には漏洩磁界が発生しない。しかし、外部から磁界が印加されると、軟磁性層の磁化され端部には磁荷が発生する。そして、この磁荷により漏洩磁界が発生しこれがバイアス磁界となる。
【００５２】
（２） 素子にバイアス導線を配置する方法
図１３に示すように素子の近くに２本のバイアス導線３１０を平行に配置し、これらバイアス導線３１０に同一の方向に直流電流を通電する方法がある。バイアス導線３１０から直流磁界が発生し、この磁界がバイアス磁界となり素子１００の動作点をシフトさせることができる。特に、素子寸法を数ｍｍサイズまで小さくし、２本のバイアス導線３１０の間隙を狭くすることで、素子１００に効果的に磁界が加えられることになり、本方法はより効果的になる。
【００５３】
さらには、図１４に示すように、素子が作製されている基板の面とは反対側の面（基板裏面）にバイアス導線３１１を作製し、バイアス磁界を発生させる方法もある。この方法では、バイアス導線３１１は素子１００の直下で素子１００の幅方向に配置され、導線の幅は素子の長手方向の寸法より大きくする。こうすることにより、磁界を効率良く素子１００に加えることができる。
【００５４】
（３） 素子にバイアスコイルを配置する方法
図１５に示すように素子周囲に導線を巻いてコイル３１２を形成する。このコイル３１２に直流電流を通電し直流磁界を発生させる。この磁界がバイアス磁界となり素子１００の動作点をシフトさせることができる。
【００５５】
（４） 素子の両端に硬質磁性層を配置する方法
図１６に示すように素子１００の長手方向の両端に、素子１００を挟んで、硬質磁性層（磁石）３１３を配置形成する。この硬質磁性層からは磁界が発生しこの磁界がバイアス磁界となり素子の動作点をシフトさせることができる。
【００５６】
【実施例】
「実施例１」
実施例１の素子の斜視図を図１７に示す。また、素子断面図を図１８に示す。素子１００は基板２１５上に形成されている。まず、磁界バイアス用の硬質磁性層２１４が基板２１５上に形成される。その上に、絶縁層２１３を介して、磁界感応部が形成されている。
【００５７】
磁界感応部は、導体層２１２を軟質磁性層２１１で上下から覆った構造である。導体層２１２と軟質磁性層２１１は、直接接触している。軟質磁性層２１１はＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢ等のアモルファス軟質磁性体により形成されており、一方導体層２１２はＣｕ、Ａｌ等の、軟質磁性層２１１に比べて導電率が１桁以上高い導電体で形成されている。各層は、真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜作製技術により作製される。また軟質磁性層２１１は、素子の幅方向に直流磁場を印加した状態で作製されるため、素子の幅方向が軟質磁性層２１１の容易磁化方向となっている。
【００５８】
絶縁層２１３の下には磁界バイアス用の硬質磁性層２１４が形成されている。硬質磁性層２１４はＣｏＰｔ、ＦｅＰｔよりなる。硬質磁性層の端部からは漏洩磁界が発生し、この漏洩磁界が絶縁層を介して上部に作製された磁界感応部に印加されることになる。磁界感応部に印加される漏洩磁界（バイアス磁界）の大きさが軟質磁性層２１１に付与された異方性磁界より大きな値となるように調整し、素子インピーダンス特性においてピークより右側プロファイルの中間に素子動作点がくるようにした。調整方法は、硬質磁性層の厚み、あるいは組成により行った。
【００５９】
素子の動作は以下のようである。この素子の導体層２１２の両端は高周波電源１０１に結線され、高周波電流が印加される。このとき、素子に外部から被検出直流磁界が与えられると、軟質磁性層２１１の透磁率が変化する。この透磁率変化に基づき素子のインピーダンスＺ（内訳：インダクタンスＬと抵抗Ｒの変化）が変化する。
【００６０】
ここで、硬質磁性層２１４端部に発生する磁荷による磁界バイアスにより素子の動作点はピークより右側の特性プロファイルの中間に設定されている。したがって、検出磁界によるインピーダンス変化は右側の特性プロファイル上を動くことになる。このインピーダンス変化量の中からインダクタンスＬの変化量のみを、インダクタンス検出回路１０２により検出することによって、被検出磁界の磁界強度を検出する。
【００６１】
なお、この素子については、素子作製後磁場中熱処理を実施した。熱処理温度２８０℃、印加磁界２ｋＯｅ、熱処理時間３０ｍｉｎである。この磁場中熱処理により、磁性膜の磁気特性の熱ダメージに対する安定化を図ることができる。
【００６２】
「実施例２」
実施例２の説明を以下に行う。図１９は、第２実施例の斜視図である。素子１００は、基板２１０上に軟質磁性層２１１と導体層２１２で形成されている。軟質磁性層２１１の寸法は長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ、導体層２１２の上下の位置にある部分の厚さがそれぞれ２μｍであり、導体層２１２は長さ４ｍｍ、幅１００μｍ、厚さ２μｍである。軟質磁性層２１１と導体層２１２は真空蒸着法等の薄膜作製技術により作製され、互いに密着している。また、基板２１０と軟質磁性層２１１の下面も同様に密着している。軟質磁性層２１１は保磁力が１ Ｏｅ以下のＦｅＣｏＳｉＢのアモルファス軟磁性体で形成され、その磁化容易軸は素子１００の幅方向につけられている。また、導体層２１２はＣｕで形成されている。この素子１００の導体層２１２は軟質磁性層２１１よりも長く取り出され、素子１００の長さ方向の両端に配線用の電極を構成する。素子の外側両端には、磁界バイアス用の配線２２０が配置されている。これらの配線は低抵抗であるＣｕで形成されている。各々の配線には直流電流が通電されている。電流の通電方向は各々同じである。ここでは、素子１００の寸法は１ｍｍ角サイズと小さいので、２本のバイアス導線の間隙は数ｍｍと狭い。したがって、素子１００に効果的に磁界が加えられることになる。
【００６３】
この素子の作製手順を図２０に示す。基板上にまず軟質磁性層２１１を成膜する。次に素子導体層２１２と磁界バイアス用の配線２２０を成膜し、最後に軟質磁性層２１１を成膜する。素子のインピーダンス特性においてピークを示す磁界を決定する一軸磁気異方性は、成膜時に素子の幅方向に磁界を印加することにより付与する。
【００６４】
「実施例３」
本発明の実施例３を図２１に示す。これは素子１００を上部から見た図である。積層化された細線２３０がつづら折りされ、その両端には電極取り出し用のパッド２２３が形成されている。素子の寸法は、細線２３０の幅が５０μｍ、最も長い部分の長さが３ｍｍ、折り返し部分の長さが４００μｍ、厚さが６μｍである。つづら折り（ミアンダ）状にパターンニングすることにより、素子インピーダンスを大きくすることができ、インダクタンス検出回路１０２とのマッチングを向上させることができる。素子１００の断面構造を断面２５０でカットしたのが図２２である。
【００６５】
この素子の細線２３０は図２２のようにシリコン基板２１５上に軟質磁性層２１１、導体層２１２、で構成されている。導体層２１２はＣｕ，Ａｌ等の導電体であり、膜厚が３μｍである。軟質磁性層２１１には、磁化容易軸が線幅方向に付与されている。軟質磁性層２１１は、ＦｅＣｏＳｉＢ，ＣｏＳｉＢよりなり、膜厚は２μｍである。バイアス磁界発生層２１４が基板２１５の裏面に形成されている。このバイアス磁界発生層２１４は、硬質磁性材料、あるいは軟質磁性材料よりなり、膜厚は数μｍである。本実施例に見られる素子は、フォトリソグラフィー技術によりシリコン基板２１５上に形成される。
【００６６】
「実施例４」
実施例４の説明を以下に行う。図２３は、本実施例の素子を上から見た図である。素子１００は、シリコン単結晶の基板２１５上につづら折り（ミアンダ）状に形成されている。その両端には配線取り出し用のボンディングパッドを形成している。ボンディングパット上には駆動用の高周波電源１０１とインダクタンス検出回路１０２が並列に接続される。
【００６７】
図２４は、図２３の素子１００の細線部における断面図である。磁界バイアス層（硬質磁性層）２１４である第一層上には絶縁層２１３である第二層が形成される。その後、第二層上には軟質磁性層２１１である第三層、導体層２１２である第四層、軟質磁性層２１１である第五層が配置される。硬質磁性層２１４はＦｅＰｔ層、絶縁層２１３はＳｉＯ２層、軟質磁性層２１１はＣｏＳｉＢ層、導体層２１２はＣｕ層より各々形成される。なお、この素子は実施例１から実施例３において示した素子とは異なり、導体層２１２の周囲（サイドも含む）を軟質磁性層２１１が覆う断面構造とはなっていない。導体層２１２の上下を軟質磁性層２１１が挟む単なるサンドイッチ構造である。
【００６８】
本素子の作製手順を以下に述べる。第一層、第二層、第三層、第四層、第五層と順次成膜していく。成膜は真空蒸着、あるいはスパッタリングにより行う。パターンニングは第五層までの成膜が終わった段階で、レーザートリミング装置を用いて、レーザー描画によるパターニングを行う。この作製方法はフォトリソグラフィ技術による作製と比較してより簡便な手法であり、量産化を考えた場合有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の磁界検出素子の構成を示す図である。
【図２】 図１に示す従来の磁界検出素子の出力特性を示す図である。
【図３】 導体層を有する従来の磁界検出素子の構成を示す図である。
【図４】 図３に示す従来の磁界検出素子の出力特性を示す図である。
【図５】 磁化分布モデルを示す図である。
【図６】 雰囲気温度をパラメータとした外部磁界変化に対するインピーダンス変化を示す図である。
【図７】 雰囲気温度をパラメータとした外部磁界変化に対するインダクタンス変化を示す図である。
【図８】 雰囲気温度をパラメータとした外部磁界変化に対する抵抗変化を示す図である。
【図９】 外部磁界変化に対するインピーダンス変化を示す図である。
【図１０】 雰囲気温度に対するインピーダンス変化を示す図である。
【図１１】 実施形態の積層型磁界検出素子の構成を示す図である。
【図１２】 磁界バイアス発生のための構成例を示す図である。
【図１３】 磁界バイアス発生のための他の構成例を示す図である。
【図１４】 磁界バイアス発生のためのさらに他の構成例を示す図である。
【図１５】 磁界バイアス発生のためのさらに他の構成例を示す図である。
【図１６】 磁界バイアス発生のためのさらに他の構成例を示す図である。
【図１７】 実施例１の積層型磁界検出素子の構成を示す図である。
【図１８】 実施例１の積層型磁界検出素子の断面構成を示す図である。
【図１９】 実施例２の積層型磁界検出素子の構成を示す図である。
【図２０】 実施例２の積層型磁界検出素子の作製手順を示す図である。
【図２１】 実施例３の積層型磁界検出素子の平面構成を示す図である。
【図２２】 実施例３の積層型磁界検出素子の断面構成を示す図である。
【図２３】 実施例４の積層型磁界検出素子の平面構成を示す図である。
【図２４】 実施例４の積層型磁界検出素子の断面構成を示す図である。
【符号の説明】
１００ 素子、１０１ 高周波電源、１０２ インダクタンス検出回路、２１１ 軟質磁性層、２１２ 導体層、２１３ 絶縁層、２１４ 硬質磁性層、２１５ 基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stacked magnetic field detection element that detects a magnetic field applied from the outside by using impedance change in a magnetic layer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a magnetic field detection element (magnetic sensor) for detecting a magnetic field is known and used in various fields. In particular, magnetic field detectors that can detect low magnetic fields with high sensitivity include magnetic field sensors that detect the absolute amount of magnetism in analog, position sensors that detect the position of an object in a non-contact manner, distance sensors that detect the distance to an object, and rotation. Used for digitally detected rotation sensors, magnetic heads, and the like.
[0003]
As such a magnetic field detection element, an element using an amorphous soft magnetic thin film such as FeCoSiB, CoSiB, CoNbZr or the like is conventionally known. This conventional magnetic sensor will be described with reference to FIG.
[0004]
In this magnetic field detection element, a sine wave current from an AC power source 950 is applied to both ends of a magnetic thin film 900 that is an amorphous magnetic single layer thin film. The frequency of the sine wave current is 10 MHz to 100 MHz. As a result, the magnetic permeability μ of the amorphous magnetic single layer thin film changes according to the detected magnetic field, and the resistance R and inductance L of the magnetic thin film 900 change accordingly. Thereby, the impedance Z of this element (magnetic thin film 900) changes with (1) Formula.
[0005]
[Expression 1]
Z = √ {R ² + (ΩL) ² } (1)
Here, R is the resistance of the element, L is the inductance of the element, and ω is the driving angular frequency. The relationship between the magnetic field to be detected and the permeability, and the relationship between the permeability and the impedance can be determined in advance.
[0006]
Therefore, the magnitude of the detected magnetic field can be detected by detecting the voltage change accompanying the change ΔZ / Z of the impedance Z by the detector 951. The change of the impedance Z with respect to the applied magnetic field (detected magnetic field) is as shown in FIG. 2, and the rate of change of the impedance with respect to the detected magnetic field up to the normally used peak on the positive side is several. 10%.
[0007]
Here, the present applicant has proposed, in JP-A-8-320362, an element having a laminated structure in which a magnetic layer surrounds a nonmagnetic conductor layer instead of an amorphous magnetic film single layer element. In this element, as shown in FIG. 3, an elongated plate-like conductor layer 963 is wrapped on a substrate 960 by magnetic films 961 and 962 having a two-layer structure to form a sandwich structure as a whole. Then, a sine wave current is applied from the AC power source 950 to the conductor layer 963.
[0008]
FIG. 4 shows element impedance characteristics of the stacked element with respect to an external magnetic field. Thus, the impedance change is more than twice the external magnetic field (detected magnetic field) of 10 Oe, and the impedance change rate at both ends of the element is 100% or more with respect to the detected magnetic field. : Several tens of percent). Also, the driving frequency can be reduced by an order of magnitude from 1 MHz to 10 MHz as compared with a single layer film element (driving frequency: 10 MHz to 100 MHz).
[0009]
Here, output characteristics of the multilayer element shown in FIG. 3 will be described. The amorphous magnetic films 961 and 962 are given magnetic anisotropy. By providing this magnetic anisotropy, an easy magnetization axis (a direction in which magnetization is easy) and a hard magnetization axis (a direction in which magnetization is difficult) are generated in the planes of the magnetic films 961 and 962, and the energy difference between the two is anisotropic. Defined as a magnetic field Hk. This anisotropic magnetic field Hk represents the degree of magnetic anisotropy. The anisotropic magnetic field Hk coincides with the value of the magnetic field showing a peak in the element output characteristics. Therefore, the magnetic anisotropy (anisotropic magnetic field Hk) imparted to the magnetic film is considered to be one of the important factors determining the profile of the element characteristics.
[0010]
The reason why the magnetic anisotropy determines the element characteristic profile (the anisotropic magnetic field Hk coincides with the value of the magnetic field showing a peak in the element output characteristic) will be described from the theoretical viewpoint. As shown in FIG. 5, the magnetization state of the magnetic film of the element is determined by the detected magnetic field Hext, the anisotropic magnetic field Hk, the applied driving magnetic field H, and the demagnetizing fields Hdx and Hdy generated in the opposite direction to the driving magnetic field H. Is done. Using this, the formula of magnetic energy E in the entire element is as shown in the following formula (2).
[0011]
[Expression 2]

Here, Ms is the magnetization, and θ is the magnetization direction (indicated by an angle formed with the easy magnetization direction).
[0012]
The absolute value of the demagnetizing field Hdx is smaller than that of the driving magnetic field H, and is opposite to H and has a negative sign. The relationship between the demagnetizing field Hdy and the detected magnetic field Hext is the same. The magnetization direction θ is determined by the balance of the anisotropic magnetic field Hk, the detected magnetic field Hext, the demagnetizing fields Hdx and Hdy, and the driving magnetic field H so that E is minimized. From the magnetization direction θ, the magnetic permeability μ of the magnetic film that determines the impedance characteristics of the element is calculated.
[0013]
From the calculation of the magnetic permeability μ, it can be seen that the impedance characteristic of this element shows a peak at the value of the magnetic field that matches the anisotropic magnetic field Hk. Furthermore, with respect to device sensitivity, it can be seen that the largest change in device impedance can be obtained when anisotropy is provided in the width direction of the device as shown in FIG.
[0014]
Since the anisotropic magnetic field Hk can be controlled stably by processing in the magnetic field at the time of device fabrication by sputtering, vacuum deposition or other thin film fabrication technology, or by exchange interaction between magnetic layers, the device characteristic profile should be controlled by thin film fabrication technology. Is possible. By controlling the element characteristic profile, a high-performance magnetic field sensor can be obtained.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Here, when considering application to automobiles, machine tools, etc., it is important that the magnetic field sensor has excellent temperature characteristics and SN ratio, good linearity, and no hysteresis. For example, when considering application to an automobile engine, the engine oil temperature rises to about 120 ° C. and about 130 ° C., so the temperature characteristic of the sensor is very important. The above-mentioned amorphous soft magnetic film single layer element and laminated element are insufficient in terms of linearity, high S / N ratio, and temperature characteristics, and there is also a problem that the positive / negative of the detected magnetic field cannot be determined. Therefore, in order to realize a sensor that detects the position, distance, rotational position / speed, etc. using a magnetic field useful in automobiles, machine tools, etc., or an azimuth sensor by geomagnetic detection, the linearity, SN ratio, and temperature characteristics are improved. There is a need to.
[0016]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a magnetic field detection element having excellent SN and high detection resolution, excellent linearity, and excellent temperature characteristics.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is characterized in that magnetic field biasing means for shifting the operating point of the element to the optimum point is provided.
[0018]
The impedance of the element with respect to the external magnetic field has a characteristic profile having a peak at a magnetic field value corresponding to the anisotropic magnetic field applied in the width direction of the magnetic film. What should be noted here is that the profile on the right side of the peak and the profile on the left side of the peak differ greatly in terms of profile shape and temperature stability. FIG. 9 shows impedance characteristics of an element having dimensions of 1 mm in length and 1 mm in width.
[0019]
Referring to FIG. 9, the left profile has poor linearity and hysteresis, but the right profile has good linearity and no hysteresis. Furthermore, it has been found that even when the element size is smaller than 1 mm × 1 mm, the profile on the right side has good linearity and no hysteresis. Further, the right characteristic profile and the left characteristic profile also differ greatly in terms of stability (S / N ratio, reproducibility), and it was found that the right characteristic profile is superior to the left characteristic profile.
[0020]
FIG. 10 shows impedance characteristics with respect to each temperature (atmosphere temperature). From this result, it can be seen that the fluctuation width of the characteristic profile with respect to the temperature change is smaller in the right profile than in the left profile.
[0021]
From the above, it can be seen that the right profile may be used in the impedance characteristic profile in order to realize a stable characteristic without hysteresis. Therefore, in the present invention, a magnetic field biasing means for generating a magnetic field higher than the anisotropic magnetic field is provided so that the right characteristic profile can be used. Thereby, the element operating point can be shifted to the right characteristic profile, and a sensor having excellent SN and high detection resolution can be realized.
[0022]
Next, consider why the right characteristic profile is superior to the left characteristic profile in terms of SN ratio, temperature characteristics, hysteresis, and reproducibility. In the characteristic profile on the left, the domain wall motion becomes dominant with respect to the external magnetic field, so the shape of the characteristic profile becomes complicated, or there is hysteresis with respect to the increase and decrease of the external magnetic field, or the characteristics with respect to temperature changes. This causes problems such as a large change. On the other hand, in the characteristic profile on the right side, the magnetization rotation is dominant with respect to the external magnetic field, so that there is no problem of nonlinearity of the characteristic profile or hysteresis. Further, the characteristic change with respect to the temperature change is also smaller than the characteristic profile on the left side. This is because the domain wall motion is an irreversible process with respect to the magnetic field, whereas the magnetization rotation is a reversible process with respect to the magnetic field. Therefore, it is important to realize a highly accurate magnetic sensor by biasing the element with a magnetic field and setting the operating point as the characteristic profile portion on the right side.
[0023]
There is another merit of biasing the magnetic field in addition to the above. The change in impedance of the element configured as described above shows the same profile for both positive and negative magnetic fields. Therefore, when the element is used as it is, it is not possible to determine whether the magnetic field to be detected is positive or negative. However, if the magnetic field is biased and the operating point is provided at an intermediate position of the right characteristic as shown in FIG. 9, for example, it is possible to determine whether the detected magnetic field is positive or negative.
[0024]
Next, the present invention is characterized in that means for detecting only an inductance change in an impedance change is provided. Therefore, this point will be described.
[0025]
The impedance of the element changes greatly with respect to the magnetic field from the outside. As described above, the breakdown of the impedance change can be divided into an inductance change and a resistance change.
[0026]
6, 7, and 8 show changes in impedance, inductance, and resistance with respect to the magnetic field using the ambient temperature as a parameter. From these results, it can be seen that the inductance component has a smaller characteristic variation with respect to the temperature than the resistance component. That is, the inductance L is expressed as L = kμ, where μ is the magnetic permeability of the magnetic film that is not easily affected by temperature. K is a constant determined by the shape. On the other hand, the resistance is determined by the magnetic permeability of the magnetic film and the resistivity of the conductor film that is easily affected by temperature. For this reason, it is considered that the stability with respect to the atmospheric temperature is superior in inductance compared to resistance. Therefore, it can be seen that a magnetic field sensor having excellent temperature characteristics can be realized by using a sensor that detects only the inductance component of the element.
[0027]
As described above, the present invention relates to a linear element including a magnetic layer and a conductor layer covered with the magnetic layer, a high-frequency current source for driving at both ends in the length direction, A laminate in which electrical signal detectors are connected in parallel, and the magnetic layer is provided with magnetic anisotropy in the element width direction, and detects a magnetic field parallel to the element surface as a change in the impedance of the element. The magnetic field detecting element can be characterized as follows.
[0028]
(I) It has means for biasing a DC magnetic field in the longitudinal direction of the element.
[0029]
(Ii) It has means for detecting only the amount of change in the internal impedance of the change in the element impedance with respect to the external magnetic field.
[0030]
(Iii) In (i) or (ii), there is provided a magnetic field biasing means for applying a DC magnetic field equal to or higher than the anisotropic magnetic field applied to the magnetic layer.
[0031]
(Iv) In (iii), a magnetic field biasing means is formed by providing a hard magnetic layer on the lower surface of the element.
[0032]
(V) A laminated magnetic field detecting element according to (iii), wherein a magnetic field biasing means is formed by providing a soft magnetic layer on the lower surface of the element.
[0033]
(Vi) In (iii), a patterned wiring is provided around the element, and a direct current is applied to the wiring to form magnetic field bias means.
[0034]
(Vii) In (iii), a magnetic field biasing means is formed by providing a hard magnetic layer around the element.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0036]
The laminated magnetic field detecting element according to the present invention is composed of four members: a magnetic field sensitive element (a laminated structure element of a soft magnetic layer and a conductor layer), a bias magnetic field generating part, an inductance detecting part, and a high frequency power source.
[0037]
The configuration of a representative embodiment of the present invention is shown in FIG. Thus, the high frequency power supply 101 is connected to both ends of the element 100 to supply a predetermined high frequency current to the element 100. An inductance detection circuit 102 is also connected to both ends of the element 100 to detect an inductance change in the element 100. In this embodiment, the element 100 includes a bias magnetic field generator.
[0038]
The magnetic field sensitive part of the element 100 is formed on a substrate 215 made of Si single crystal or the like, and has a structure in which a conductor layer 212 made of a conductor is covered with a soft magnetic layer 211 made of a soft magnetic material. The soft magnetic layer 211 is formed of an amorphous soft magnetic material such as FeCoSiB or CoSiB, while the conductor layer 212 is formed of a conductor such as Cu or Al that has a conductivity higher than that of the soft magnetic layer 211 by one digit or more. ing. Each layer is produced by a thin film production technique such as vacuum vapor deposition or sputtering. Further, since the soft magnetic layer 211 is manufactured in a state where a DC magnetic field is applied in the width direction of the element, the width direction of the element is the easy magnetization direction of the soft magnetic layer 211. Here, the soft magnetic layer 211 is made of FeCoSiB or CoSiB. However, it may be replaced with a soft magnetic material having a coercive force of 1 Oe or less, such as NiFe or CoNbZr. The conductor layer 212 may be made of a conductor such as Al, Fe, or Co in addition to a conductor such as Cu.
[0039]
An insulating layer 213 is formed below the soft magnetic layer 211. The insulating layer 213 may be provided only below the soft magnetic layer 211, or may be provided below the conductor layer 212 formed as a pad portion at both ends of the element and provided on the entire surface of the element 100.
[0040]
Under the insulating layer 213, a hard magnetic layer 214, which is a magnetic field bias magnet, is formed. The hard magnetic layer 214 is made of CoPt or FePt. A leakage magnetic field is generated from the end of the hard magnetic layer 214, and this leakage magnetic field is applied as a bias magnetic field to the element 100 formed above via the insulating layer 213. Here, the magnitude of the leakage magnetic field (bias magnetic field) applied to the element needs to be larger than the anisotropic magnetic field applied to the soft magnetic layer 211 of the element which is a magnetic layer. Therefore, the magnitude of the bias magnetic field is adjusted by adjusting the hard magnetic layer 214. The adjustment method is performed by adjusting the thickness or composition of the hard magnetic layer 214.
[0041]
Here, the hard magnetic layer 214 is used for the magnetic field bias, but a soft magnetic layer may be used. The composition of the soft magnetic layer may be any amorphous soft magnetic material having a coercive force of 1 Oe or less, such as FeSiB, CoSiB, and FeCoSiB.
[0042]
The operation of the multilayer magnetic field detection element of this embodiment will be described. First, both ends of the conductor layer 212 of the element 100 are connected to the high frequency power source 101, and a high frequency current is applied thereto.
[0043]
In this state, when the detected magnetic field Hext is applied parallel to the surface of the substrate 210, the magnetization state of the soft magnetic layer 211 is changed, and the permeability μ in the width direction of the element 100 is changed. Due to the change in the magnetic permeability μ, the impedance Z at both ends of the element 100 changes.
[0044]
An inductance L component is picked up by the inductance detection circuit 102 from the impedance change Z (breakdown: inductance L and resistance R). For example, the inductance detection circuit 102 detects changes in the inductance by detecting changes in the amplitude and phase of the voltage across the element 100. Since the inductance L corresponds to the change in magnetic permeability and the detected magnetic field Hext, the magnitude of the detected magnetic field Hext can be found by reading the amount of change in inductance.
[0045]
Further, in order to use the right profile of the element inductance characteristic, the operating point is shifted by biasing a DC magnetic field in the element longitudinal direction. For this reason, the magnitude of the bias magnetic field is set to a value larger than the anisotropic magnetic field Hk applied to the soft magnetic layer 211. When a detection magnetic field is applied from the outside, the right profile of the element inductance characteristic moves.
[0046]
In this way, a magnetic field sensor having excellent temperature characteristics is achieved by extracting an inductance component from changes in element impedance with respect to a magnetic field. Further, a magnetic field bias unit that generates a DC magnetic field greater than the anisotropic magnetic field Hk applied to the magnetic layer is provided to shift the operating point of the element characteristic and use the element characteristic right profile, thereby detecting the positive / negative (direction) of the detected magnetic field. Thus, a magnetic field sensor having a high SN ratio, no hysteresis, good linearity and excellent reproducibility could be realized.
[0047]
Originally, an element whose element impedance changes with respect to an external magnetic field is superior in terms of high sensitivity compared to an MR element using a magnetoresistive effect or a Hall element using a Hall effect. It was broken. However, the temperature characteristics, output reproducibility, and SN ratio are similar, and further improvement has been demanded. This time, the present invention has solved the above-mentioned problems and has realized a small and highly sensitive magnetic field detecting element with high practicality.
[0048]
Thereby, even when used in a bad environment such as in an automobile, the magnetic field can be detected with high accuracy. Moreover, since it is a thin film element, if Si is used as a substrate, circuit integration becomes possible, and the cost of the entire system using a magnetic sensor can be reduced.
[0049]
In this embodiment, the magnetic field bias layer is provided with a magnetic field bias layer below the magnetic field sensitive portion via an insulating layer. However, the present invention is not limited to this, and various methods are described below.
[0050]
(1) Method of arranging a magnetic field bias layer on the lower surface of the element
As shown in FIG. 12, the magnetic field is biased by providing a structure in which a hard magnetic layer 214 is provided on the lower surface of the element 100 with an insulating layer 213 interposed therebetween. A leakage magnetic field is generated from the end face of the hard magnetic layer 214, and a magnetic field is applied to the element above it.
[0051]
Although the hard magnetic layer 214 is disposed on the lower surface of the element here, there is a method in which a soft magnetic layer is disposed in place of the hard magnetic layer 214 to perform magnetic field bias. As described above, when the soft magnetic layer is disposed, no leakage magnetic field is generated when no magnetic field is applied from the outside. However, when a magnetic field is applied from the outside, the soft magnetic layer is magnetized and a magnetic charge is generated at the end. This magnetic charge generates a leakage magnetic field, which becomes a bias magnetic field.
[0052]
(2) A method of arranging a bias conductor in the element
As shown in FIG. 13, there is a method in which two bias conducting wires 310 are arranged in parallel near the element and a direct current is supplied to these bias conducting wires 310 in the same direction. A DC magnetic field is generated from the bias conducting wire 310, and this magnetic field becomes a bias magnetic field, and the operating point of the element 100 can be shifted. In particular, by reducing the element size to several millimeters and narrowing the gap between the two bias conductors 310, a magnetic field is effectively applied to the element 100, and this method becomes more effective.
[0053]
Further, as shown in FIG. 14, there is a method in which a bias magnetic field 311 is formed on a surface (substrate back surface) opposite to the surface of the substrate on which the element is manufactured to generate a bias magnetic field. In this method, the bias conducting wire 311 is arranged in the width direction of the device 100 immediately below the device 100, and the width of the conducting wire is larger than the longitudinal dimension of the device. By doing so, a magnetic field can be efficiently applied to the element 100.
[0054]
(3) Method of arranging a bias coil in the element
As shown in FIG. 15, a coil 312 is formed by winding a conducting wire around the element. A direct current is passed through the coil 312 to generate a direct magnetic field. This magnetic field becomes a bias magnetic field, and the operating point of the element 100 can be shifted.
[0055]
(4) Method of disposing hard magnetic layers at both ends of the element
As shown in FIG. 16, hard magnetic layers (magnets) 313 are arranged and formed on both ends of the element 100 in the longitudinal direction with the element 100 interposed therebetween. A magnetic field is generated from this hard magnetic layer, and this magnetic field becomes a bias magnetic field, and the operating point of the element can be shifted.
[0056]
【Example】
"Example 1"
A perspective view of the element of Example 1 is shown in FIG. FIG. 18 shows a cross-sectional view of the element. The element 100 is formed on the substrate 215. First, a hard magnetic layer 214 for magnetic field bias is formed on the substrate 215. A magnetic field sensitive part is formed thereon via an insulating layer 213.
[0057]
The magnetic field sensitive part has a structure in which the conductor layer 212 is covered with the soft magnetic layer 211 from above and below. The conductor layer 212 and the soft magnetic layer 211 are in direct contact. The soft magnetic layer 211 is formed of an amorphous soft magnetic material such as FeCoSiB or CoSiB, while the conductor layer 212 is formed of a conductor such as Cu or Al having a conductivity higher by one digit or more than the soft magnetic layer 211. ing. Each layer is produced by a thin film production technique such as vacuum vapor deposition or sputtering. Further, since the soft magnetic layer 211 is manufactured in a state where a DC magnetic field is applied in the width direction of the element, the width direction of the element is the easy magnetization direction of the soft magnetic layer 211.
[0058]
A hard magnetic layer 214 for magnetic field bias is formed under the insulating layer 213. The hard magnetic layer 214 is made of CoPt or FePt. A leakage magnetic field is generated from the end of the hard magnetic layer, and this leakage magnetic field is applied to the magnetic field sensitive part formed on the upper part through the insulating layer. Adjustment is made so that the magnitude of the leakage magnetic field (bias magnetic field) applied to the magnetic field sensitive part is larger than the anisotropic magnetic field applied to the soft magnetic layer 211, and the element impedance characteristic is in the middle of the right profile from the peak. The element operating point came to come. The adjustment method was performed according to the thickness or composition of the hard magnetic layer.
[0059]
The operation of the element is as follows. Both ends of the conductor layer 212 of this element are connected to the high frequency power source 101 and a high frequency current is applied. At this time, when a detected DC magnetic field is applied to the element from the outside, the magnetic permeability of the soft magnetic layer 211 changes. Based on this change in magnetic permeability, the impedance Z (breakdown: changes in inductance L and resistance R) of the element changes.
[0060]
Here, the operating point of the element is set in the middle of the characteristic profile on the right side of the peak due to the magnetic field bias caused by the magnetic charge generated at the end of the hard magnetic layer 214. Therefore, the impedance change due to the detected magnetic field moves on the right characteristic profile. By detecting only the change amount of the inductance L from the change amount of the impedance by the inductance detection circuit 102, the magnetic field strength of the detected magnetic field is detected.
[0061]
This element was subjected to heat treatment in a magnetic field after the element was manufactured. The heat treatment temperature is 280 ° C., the applied magnetic field is 2 kOe, and the heat treatment time is 30 minutes. This heat treatment in a magnetic field can stabilize the magnetic properties of the magnetic film against thermal damage.
[0062]
"Example 2"
The second embodiment will be described below. FIG. 19 is a perspective view of the second embodiment. The element 100 is formed of a soft magnetic layer 211 and a conductor layer 212 on a substrate 210. The soft magnetic layer 211 has a length of 2 mm, a width of 1 mm, and thicknesses of portions above and below the conductor layer 212 of 2 μm. The conductor layer 212 has a length of 4 mm, a width of 100 μm, and a thickness of 2 μm. The soft magnetic layer 211 and the conductor layer 212 are produced by a thin film production technique such as a vacuum deposition method and are in close contact with each other. Further, the lower surface of the substrate 210 and the soft magnetic layer 211 are also in close contact. The soft magnetic layer 211 is formed of an FeCoSiB amorphous soft magnetic material having a coercive force of 1 Oe or less, and its easy axis is set in the width direction of the element 100. The conductor layer 212 is made of Cu. The conductor layer 212 of the element 100 is taken out longer than the soft magnetic layer 211 and constitutes wiring electrodes at both ends in the length direction of the element 100. Magnetic field bias wirings 220 are arranged at both ends of the element. These wirings are made of Cu having a low resistance. A direct current is applied to each wiring. The direction of current flow is the same. Here, since the dimension of the element 100 is as small as 1 mm square, the gap between the two bias conductors is as narrow as several mm. Therefore, a magnetic field is effectively applied to the element 100.
[0063]
A manufacturing procedure of this element is shown in FIG. First, the soft magnetic layer 211 is formed on the substrate. Next, the element conductor layer 212 and the magnetic field bias wiring 220 are formed, and finally the soft magnetic layer 211 is formed. Uniaxial magnetic anisotropy that determines a magnetic field that exhibits a peak in the impedance characteristics of the element is imparted by applying a magnetic field in the width direction of the element during film formation.
[0064]
"Example 3"
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. This is a view of the element 100 as viewed from above. The laminated thin wires 230 are folded, and pads 223 for taking out electrodes are formed at both ends thereof. Regarding the dimensions of the element, the width of the thin wire 230 is 50 μm, the length of the longest portion is 3 mm, the length of the folded portion is 400 μm, and the thickness is 6 μm. By patterning in a zigzag (meander) shape, the element impedance can be increased, and matching with the inductance detection circuit 102 can be improved. FIG. 22 shows the cross-sectional structure of the element 100 cut along a cross-section 250.
[0065]
The thin wire 230 of this element is composed of a soft magnetic layer 211 and a conductor layer 212 on a silicon substrate 215 as shown in FIG. The conductor layer 212 is a conductor such as Cu or Al and has a thickness of 3 μm. The soft magnetic layer 211 has an easy magnetization axis in the line width direction. The soft magnetic layer 211 is made of FeCoSiB or CoSiB and has a thickness of 2 μm. A bias magnetic field generation layer 214 is formed on the back surface of the substrate 215. The bias magnetic field generation layer 214 is made of a hard magnetic material or a soft magnetic material and has a thickness of several μm. The element found in this embodiment is formed on the silicon substrate 215 by photolithography.
[0066]
Example 4
Example 4 will be described below. FIG. 23 is a top view of the device of this example. The element 100 is formed in a meander shape on a silicon single crystal substrate 215. Bonding pads for wiring extraction are formed at both ends. On the bonding pad, a driving high-frequency power source 101 and an inductance detection circuit 102 are connected in parallel.
[0067]
24 is a cross-sectional view of the thin line portion of the element 100 of FIG. On the first layer which is the magnetic field bias layer (hard magnetic layer) 214, the second layer which is the insulating layer 213 is formed. Thereafter, a third layer that is the soft magnetic layer 211, a fourth layer that is the conductive layer 212, and a fifth layer that is the soft magnetic layer 211 are disposed on the second layer. The hard magnetic layer 214 is formed of a FePt layer, the insulating layer 213 is formed of a SiO 2 layer, the soft magnetic layer 211 is formed of a CoSiB layer, and the conductor layer 212 is formed of a Cu layer. Unlike the elements shown in the first to third embodiments, this element does not have a cross-sectional structure in which the soft magnetic layer 211 covers the periphery (including the side) of the conductor layer 212. It is a simple sandwich structure in which the soft magnetic layer 211 is sandwiched above and below the conductor layer 212.
[0068]
A manufacturing procedure of this element will be described below. The first layer, the second layer, the third layer, the fourth layer, and the fifth layer are sequentially formed. Film formation is performed by vacuum evaporation or sputtering. Patterning is performed by laser drawing using a laser trimming apparatus at the stage where the film formation up to the fifth layer is completed. This manufacturing method is a simpler method than manufacturing by a photolithography technique, and is effective when considering mass production.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional magnetic field detection element.
FIG. 2 is a diagram showing output characteristics of the conventional magnetic field detection element shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional magnetic field detection element having a conductor layer.
4 is a diagram showing output characteristics of the conventional magnetic field detection element shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a magnetization distribution model.
FIG. 6 is a diagram showing an impedance change with respect to an external magnetic field change using an ambient temperature as a parameter.
FIG. 7 is a diagram showing an inductance change with respect to an external magnetic field change using an ambient temperature as a parameter.
FIG. 8 is a diagram showing a resistance change with respect to an external magnetic field change using an ambient temperature as a parameter.
FIG. 9 is a diagram showing an impedance change with respect to an external magnetic field change.
FIG. 10 is a diagram showing a change in impedance with respect to an ambient temperature.
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a multilayer magnetic field detection element according to an embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example for generating a magnetic field bias.
FIG. 13 is a diagram illustrating another configuration example for generating a magnetic field bias.
FIG. 14 is a diagram showing still another configuration example for generating a magnetic field bias.
FIG. 15 is a diagram showing still another configuration example for generating a magnetic field bias.
FIG. 16 is a diagram showing still another configuration example for generating a magnetic field bias.
FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a multilayer magnetic field detection element of Example 1.
18 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the multilayer magnetic field detection element of Example 1. FIG.
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a multilayer magnetic field detection element of Example 2.
20 is a diagram showing a manufacturing procedure of the multilayer magnetic field detection element of Example 2. FIG.
FIG. 21 is a diagram illustrating a planar configuration of a multilayer magnetic field detection element of Example 3.
22 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the multilayer magnetic field detection element of Example 3. FIG.
FIG. 23 is a diagram illustrating a planar configuration of a multilayer magnetic field detection element of Example 4.
24 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the multilayer magnetic field detection element of Example 4. FIG.
[Explanation of symbols]
100 elements, 101 high frequency power source, 102 inductance detection circuit, 211 soft magnetic layer, 212 conductor layer, 213 insulating layer, 214 hard magnetic layer, 215 substrate.

Claims (2)

A linear element including a magnetic layer and a conductor layer covered with the magnetic layer has a configuration in which a driving high-frequency current source and an electric signal detector are connected to both ends in the length direction. In the stacked magnetic field detection element, the magnetic layer is provided with magnetic anisotropy in the element width direction, and detects a detected magnetic field parallel to the element surface as a change in the impedance of the element.
Have a magnetic field biasing means for biasing DC magnetic field in the longitudinal direction of the element,
This magnetic field biasing means
A laminated magnetic field detecting element characterized by biasing a DC magnetic field having a magnitude that shifts the detection range of the detected magnetic field to a point where the impedance of the element monotonously decreases as the detected magnetic field increases. . The laminated magnetic field detection element according to claim 1,
  A multilayer magnetic field detection element having an inductance detection circuit for detecting an inductance of the element, and detecting a detected magnetic field by detecting the inductance of the element by the inductance circuit.

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