JP3866467B2 - Magneto-impedance effect element - Google Patents

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界センサとして利用できる磁気インピーダンス効果素子に係り、特に感磁部の単位体積当たりの磁界検出感度が高く、素子幅Ｗと素子長さＬの比（アスペクト比）Ｗ／Ｌの値を任意に変化させたときに磁区構造が変化しない磁気インピーダンス効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器、計測機器、制御機器などの急速な発展に伴って、従来の磁束検出型のものより更に小型、高感度且つ高速応答性（高周波動作）の磁界センサが求められ、磁気インピーダンス効果（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ−Ｅｆｆｅｃｔ）を有する素子（磁気インピーダンス効果素子）が注目されるようになってきている。
【０００３】
磁気インピーダンス効果とは、図９に示す閉回路において、ワイヤ状の感磁部Ｍｉに電源ＥａｃからＭＨｚ帯域の交流電流Ｉａｃを印加している状態で、感磁部Ｍｉの素子長さ方向に外部磁界Ｈｅｘが印加されると、感磁部Ｍｉ両端に素材固有のインピーダンスによる出力電圧Ｅｍｉが発生し、出力電圧Ｅｍｉの振幅が外部磁界Ｈｅｘの強度に対応して数１０％の範囲で変化する、すなわちインピーダンス変化を起こす現象をいう。
【０００４】
磁気インピーダンス効果を有する軟磁性材料からなる感磁部Ｍｉは、素子の外周方向に励磁されるので反磁場がなく、また、磁化ベクトルが感磁部Ｍｉの素子長さ方向、すなわち交流電流Ｉａｃが流れる方向へわずかに回転するだけで透磁率が急激に変化するので、素子長さ方向の反磁場も小さく、感磁部Ｍｉの長さを１ｍｍ程度にしても磁界検知感度がほとんど劣化しない。
【０００５】
また、磁気インピーダンス効果素子は、１０-5Ｏｅ程度の高分解能を有する微弱磁界センサが得られるという特性や、数ＭＨｚ以上の励磁が可能であるために数百ＭＨｚの高周波励磁を振幅変調のキャリアとして自由に使用でき、磁界センサとして使用するときに、遮断周波数を１０ＭＨｚ以上に設定することが容易であるという特性や、消費電力を１０ｍＷ以下にすることができるという特性を持つ。
【０００６】
磁気インピーダンス効果素子の感磁部には、当初アモルファスワイヤーが用いられていた。しかし、アモルファスワイヤーは材料としての生産性には優れているが、磁界センサへの応用には、不適当な特性を多く有する。
【０００７】
たとえば、記録波長が数μｍ以下の記録媒体に対して数十μｍ以下の円形の先端では、先端部における形状的損失により磁束を素子に吸収できないこと、また、交流電流を流すための配線材を接続するための電極部の形成が困難であること、数十μｍの径のワイヤーは、曲がりやすく、素子の位置合わせが困難であること、または、壊れやすいことといった問題点があった。
【０００８】
そこで、磁気インピーダンス効果素子の感磁部を、軟磁性薄膜や軟磁性薄帯で構成することにより、前記感磁部を任意の厚さや幅、長さで形成することを可能にし、上記の問題点を解決することが提案されている。
【０００９】
しかし、磁気インピーダンス効果素子の感磁部の形状をワイヤーから薄膜あるいは薄帯に変更すると、磁区構造などの磁気特性が変化し、磁気インピーダンス効果特性も変化する。例えば、磁気インピーダンス効果素子の感磁部を軟磁性薄膜として形成したときの、磁界検出感度は、感磁部をワイヤーで形成したときに比べて、十数分の一に低下する。
【００１０】
図１０は、従来の薄膜磁気インピーダンス効果素子の斜視図である。図１０の磁気インピーダンス効果素子Ｍは、アルミナチタンカーバイドなどの非磁性材料からなる基板１１上に、軟磁性材料をスパッタ法や蒸着法などによって、薄膜形成することにより形成された感磁部１２、および感磁部１２の両端部に接合されているＣｕなどの導電性材料により形成された電極部１３，１３によって構成されている。感磁部１２は、略長方形状または線状にパターン形成されている。
【００１１】
感磁部１２を区切る点線は、感磁部１２内に形成された磁壁を表している。また、矢印は前記磁壁によって区切られたそれぞれの磁区の磁化方向を示している。なお、図１０の感磁部１２の素子長さをＬ、素子幅をＷとする。
【００１２】
図１１は、図１０の磁気インピーダンス効果素子の感磁部１２の磁区構造を示す概念平面図である。
【００１３】
図１１に示された図１０の磁気インピーダンス効果素子の感磁部１２は、静磁場中で形成され、あるいは、異方性の強い軟磁性材料を用いて形成されることにより、素子幅方向の磁気異方性を持たされている。したがって、素子幅方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ａが形成されている。なお、図１１の感磁部１２の素子長さをＬ、素子幅をＷ１と表す。
【００１４】
一方、感磁部１２の両側面には感磁部１２の素子長手方向に磁気モーメントが配向している還流磁区１２ｂが形成され、感磁部１２の静磁エネルギーを低下させている。
【００１５】
感磁部１２の素子幅Ｗ１と素子長さＬの比（アスペクト比）が大きいと、素子長手方向に磁気モーメントが配向している還流磁区１２ｂの総面積が、素子幅方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ａの総面積よりも、著しく狭くなる。
【００１６】
図１２に示すように、感磁部１２の素子幅をＷ１より小さいＷ２にすると、素子長手方向に磁気モーメントが配向している還流磁区１２ｂの総面積は、ほとんど変わらず、素子幅方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ａの総面積は減少し、磁区１２ａと磁区１２ｂの総面積の値が近くなる。
【００１７】
素子幅方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ａの総面積と、素子長手方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ｂの総面積が拮抗すると、すなわち、素子幅方向と素子長手方向の磁気異方性エネルギーがつり合うと、感磁部１２は、磁気異方性の方向が全体としてほぼ等方的な状態になる。つまり、感磁部１２の磁気モーメントがある方向に固定されにくくなり、交流電流によって励磁されたときに磁気モーメントの方向を変化させやすくなる。すなわち、感磁部１２の素子幅方向の透磁率μが増加する。
【００１８】
感磁部１２の素子幅方向の透磁率μが最大値をとるとき、感磁部１２のインピーダンスの大きさＺが最大となり、感磁部１２の両端からの出力電圧も最大になる。
【００１９】
すなわち、感磁部１２のアスペクト比Ｗ／Ｌを小さくしていくと、感磁部１２の磁気異方性の方向が全体としてほぼ等方的な状態になり、感磁部１２の素子長手方向に、外部磁界Ｈｅｘを印加しなくとも、或いはわずかに外部磁界Ｈｅｘを印加するだけで、感磁部１２の素子幅方向の透磁率μが最大になり、さらに感磁部１２の両端からの出力電圧Ｅｍｉが最大になる。
【００２０】
従って、図１３のグラフに示されるように感磁部１２のアスペクト比Ｗ／Ｌを０．５、０．２５、０．１と小さくしていくにつれて、駆動交流電流が与えられている感磁部１２に外部磁界Ｈｅｘを印加したときの、感磁部１２からの出力電圧Ｅｍｉを最大とする外部磁界Ｈｅｘの大きさの絶対値Ｈｐ1、Ｈｐ2、Ｈｐ3が小さくなっていく。
【００２１】
また、感磁部１２のアスペクト比Ｗ／Ｌを０．５、０．２５、０．１と小さくしていくにつれて、感磁部１２の両端からの出力電圧Ｅｍｉの最大値が大きくなる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示される従来の磁気インピーダンス効果素子では、素子幅方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ａの総面積と、素子長手方向に磁気モーメントが配向している磁区１２ｂの総面積を拮抗させることにより、素子幅方向と素子長手方向の磁気異方性エネルギーをつり合わせ、感磁部１２の磁気異方性の方向を全体としてほぼ等方的な状態にしている。
【００２３】
感磁部１２の素子長手方向に外部磁界が印加されると、素子長手方向に磁気モーメントが配向している還流磁区１２ｂの素子長手方向の透磁率が低いために、感磁部１２の透磁率の変化量が小さくなり、磁気インピーダンス効果素子の磁界検出感度が低下していた。
【００２４】
また、上述のように図１０の磁気インピーダンス効果素子では、感磁部１２のアスペクト比Ｗ／Ｌを小さくしていくにつれて、駆動交流電流が与えられている感磁部１２に外部磁界Ｈｅｘを印加したときの、感磁部１２からの出力電圧Ｅｍｉを最大とする外部磁界Ｈｅｘの大きさの絶対値Ｈｐが小さくなるので、製造時における感磁部１２の素子幅Ｗ及び素子長さＬのバラつきが、直接、磁気インピーダンス効果素子の特性のバラつきにつながるという問題も生じていた。
【００２５】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、磁気インピーダンス効果素子の感磁部に素子長手方向を磁化方向とする磁区が形成されることを抑えて磁界検出感度を向上させることができ、さらに、素子幅や素子長さがばらついても磁気インピーダンス効果特性への変化を抑えることのできる磁気インピーダンス効果素子を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気インピーダンス効果を有する軟磁性薄膜或いは薄帯を含む略長方形の感磁部と、前記感磁部の素子長手方向の両端部に接続されて駆動交流電流を与えるための電極部とが設けられている磁気インピーダンス効果素子において、
前記感磁部は、前記軟磁性薄膜或いは薄帯と、非磁性材料層とが交互に積層されたものであり、前記軟磁性薄膜或いは薄帯の磁化容易軸方向が、前記駆動電流が流される方向である素子長手方向と直交しており、
前記駆動交流電流が与えられている前記感磁部の素子長手方向に外部磁界を印加したときの前記感磁部の両端からの出力電圧を最大とする前記外部磁界の大きさの絶対値は、前記感磁部の素子幅Ｗと素子長さＬの比（アスペクト比）Ｗ／Ｌの値を任意に変化させたときに、一定の値を維持することを特徴とするものである。
【００２７】
また、前記軟磁性薄膜或いは薄帯には、前記磁化容易軸方向に平行な磁壁によって区切られる複数の磁区が形成されており、前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯には、前記複数の磁区がほぼ同じ幅で形成され、互いに重なる位置にある磁区の磁化方向は１８０度異なる方向を向いており、さらに前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯が、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されていることが好ましい。
【００２８】
また、前記軟磁性薄膜或いは薄帯には、前記磁化容易軸方向に平行な磁壁によって区切られる複数の磁区のみが形成され、磁化方向が素子長手方向となる磁区が形成されないことが好ましい。
【００２９】
また、前記感磁部が前記軟磁性薄膜或いは薄帯が前記非磁性材料層の上下に１層ずつ積層された構造であることが好ましい。
【００３０】
前記軟磁性薄膜或いは薄帯が前記非磁性材料層の上下に１層ずつ積層された構造であると、前記軟磁性薄膜或いは薄帯の各層の素子長手方向に外部磁界が印加されたときの、各軟磁性薄膜或いは薄帯間の素子幅方向の透磁率の変化のバラつきが抑えられ、外部磁界に対する反応特性が向上する。
【００３２】
本発明では、前記感磁部を構成する前記軟磁性薄膜或いは薄帯の磁化容易軸方向が、前記駆動電流が流される方向である素子長手方向と直交する方向であり、さらに、前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯が、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されている。
【００３３】
従って、前記感磁部には表面磁荷が現れないので、静磁エネルギーを下げるための軟磁性薄膜の両側面に素子長手方向の磁化を持つ還流磁区は形成されない。外部磁界が印加される方向である素子長手方向の透磁率が低い還流磁区が形成されなければ、前記感磁部の単位体積当たりの磁界検出感度が向上する。
【００３４】
また、前記感磁部の前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯が、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されていると、前記感磁部のアスペクト比Ｗ／Ｌを小さくしたときでも、素子長手方向に発生する形状磁気異方性の影響を受け難くなるので、素子長手方向に磁気モーメントが配向する磁区の形成を防ぐことができる。すると、駆動交流電流が与えられている前記感磁部に外部磁界を印加したときの、前記感磁部からの出力電圧を最大とする外部磁界の大きさの絶対値Ｈｐの変化を抑えることができるので、製造時における前記感磁部の素子幅Ｗや素子長さＬのバラつきが、直接、磁気インピーダンス効果素子の特性のバラつきにつながることがなくなる。
【００３５】
なお、本発明では、磁気インピーダンス効果素子の磁界検出感度を十分高くするために、前記感磁部の前記アスペクト比Ｗ／Ｌが０．３以下であることが好ましい。
【００３６】
また、前記感磁部に流される交流電流が前記軟磁性薄膜或いは薄帯に流れて、確実に磁気インピーダンス効果を発揮できるように、前記非磁性材料層は、前記軟磁性薄膜或いは薄帯の材料の比抵抗よりも大きな比抵抗を持つ材料を用いて形成されていることが好ましい。
【００３７】
前記非磁性材料層は、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＳｉＮのうち１種または２種以上から選択された非磁性材料によって形成されることが好ましい。
【００３８】
前記磁気インピーダンス素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜或いは薄帯は、１ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波領域において透磁率μが高くなくてはならない。さらに、外部磁界（放送電波の磁界成分）によって軟磁性薄膜或いは薄帯に応力がかかって磁気特性が劣化しないように、磁歪定数λが小さいことが好ましい。
【００３９】
前記が、このような性質を備えた薄膜磁性体として形成されるために、前記軟磁性薄膜は、以下に示すような微結晶軟磁性合金薄膜として形成されることが好ましい。
【００４０】
１．組成式が、ＦｅhＭiＯjで表され、アモルファス構造を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜。
【００４１】
ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗと希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素であり、ｈ、ｉ、ｊはａｔ％で、４５≦ｈ≦７０、５≦ｉ≦３０、１０≦ｊ≦４０、ｈ＋ｉ＋ｊ＝１００の関係を満足するもの。
【００４２】
Ｆｅは大きい飽和磁束密度Ｂｓを得るためのものであり、ＭはＯと化合し、比抵抗ρを大きくするためのものである。ｈ、ｉ、ｊが上記範囲であると、飽和磁束密度Ｂｓ、比抵抗ρ、透磁率μが大きい軟磁性合金を得ることができ、ｈ、ｉ、ｊが上記範囲を外れると、軟磁気特性が劣化する。
【００４３】
なお、上記組成において元素Ｍが希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素である場合には、ｈ、ｊはａｔ％で５０≦ｈ≦７０、１０≦ｊ≦３０であることがより好ましい。
【００４４】
２．組成式が、（Ｃｏ1-cＴc）xＭyＸzＯwで表される微結晶軟磁性合金薄膜。ただし、元素Ｔは、Ｆｅ、Ｎｉのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｇｅと希土類元素から選ばれる１種または２種以上の元素であり、Ｘは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる１種あるいは２種以上の元素であり、組成比は、ｃが、０≦ｃ≦０．７、ｘ，ｙ，ｚ，ｗは原子％で、３≦ｙ≦３０、０≦ｚ≦２０、７≦ｗ≦４０、２０≦ｙ＋ｚ＋ｗ≦６０の関係を満足し、残部がｘであるもの。
【００４５】
なお、軟磁性合金は、元素Ｍの酸化物を多量に含むアモルファス相に、Ｃｏと元素Ｔを主体とする微結晶相が混在し、さらに微結晶相は、元素Ｍの酸化物を含んだ構造を有するものであるとより好ましい。
【００４６】
３．ｂｃｃ−Ｆｅを主体とし、平均結晶粒径３０ｎｍ以下の微結晶粒組織が少なくとも５０％以上を占め、残部が非晶質からなる軟磁性薄膜。
【００４７】
前記軟磁性薄膜は、ＦｅとＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂからなる群より選ばれた１種以上の元素Ｍの窒化物もしくは炭化物を含み、ｂｃｃ−Ｆｅ結晶粒の周囲に前記元素Ｍの窒化物もしくは炭化物の微細な結晶粒が存在することが好ましい。
【００４８】
特に、組成式が、Ｔ100-d-e-f-gＸdＭeＺfＱgで表され、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏの１種または２種以上の結晶粒を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜であることが好ましい。
【００４９】
ただし、元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｘは、Ｓｉ、Ａｌのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素であり、ｄ、ｅ、ｆ、ｇはａｔ％で、０≦ｄ≦２５、１≦ｅ≦１０、０．５≦ｆ≦１５、０≦ｇ≦１０の関係を満足するもの。
【００５０】
ｄ、ｅ、ｆ、ｇが上記範囲内にあれば、透磁率μが大きく、保磁力Ｈｃも低く、磁歪定数λも小さい軟磁性合金薄膜を得ることができる。
【００５１】
または、組成式が、Ｔ100-p-q-e-f-gＳｉpＡｌqＭeＺfＱgで表され、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏの１種または２種以上の結晶粒を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜であることが好ましい。
【００５２】
ただし、元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素であり、ｐ、ｑ、ｅ、ｆ、ｇはａｔ％で、８≦ｐ≦１５、０≦ｑ≦１０、１≦ｅ≦１０、０．５≦ｆ≦１５、０≦ｇ≦１０の関係を満足するもの。
【００５３】
ｐ、ｑ、ｅ、ｆ、ｇが上記範囲内にあれば、透磁率μが大きく、保磁力Ｈｃも低く、磁歪定数λも小さい軟磁性合金を得ることができる。
【００５４】
また、前記感磁部が、以下に示すような非晶質軟磁性合金薄膜または薄帯として形成されていてもよい。
【００５５】
４．組成式が、（Ｆｅ1-aＣｏa）100-x-y（Ｓｉ1-bＢb）xＭyで示される非晶質軟磁性合金薄帯。
【００５６】
ただし、ＭはＣｒ、Ｒｕのうちいずれか一方、あるいは両方を含む元素であり、組成比を表すａ、ｂは０．０５≦ａ≦０．１、０．２≦ｂ≦０．８であり、ｘ、ｙはａｔ％で１０≦ｘ≦３５、０≦ｙ≦７の関係を満足するもの。
【００５７】
前記（Ｆｅ1-aＣｏa）100-x-y（Ｓｉ1-bＢb）xＭy系の軟磁性合金薄帯では、ａが０．０５≦ａ≦０．１の範囲を越えると、磁歪が大きくなるので好ましくない。また、ｂが０．２≦ｂ≦０．８の範囲を越えると、非晶質化が困難になり好ましくない。さらに、ｘが１０≦ｘ≦３５の範囲を越えると非晶質化が困難になり好ましくない。また、ｘ＞３５であると磁気特性が劣化するので好ましくない。
【００５８】
５．組成式が、ＣｏlＴａmＨｆnで表され、アモルファス構造を主体にした非晶質軟磁性合金薄膜。
【００５９】
ただし、ｌ、ｍ、ｎはａｔ％で、７０≦ｌ≦９０、５≦ｍ≦２１、６．６≦ｎ≦１５、１≦ｍ／ｎ≦２．５の関係を満足するもの。
【００６０】
前記ＣｏlＴａmＨｆn系の軟磁性合金薄膜においては、飽和磁束密度ＢｓはＣｏの含有量に依存しており、高い飽和磁束密度Ｂｓを得るには、７０≦ｌであることが必要である。しかし、ｌ＞９０であると、比抵抗ρが低くなるので好ましくない。
【００６１】
ＴａおよびＨｆは軟磁気特性を得るための元素であり、５≦ｍ≦２１、６．６≦ｎ≦１５とすることにより、飽和磁束密度Ｂｓが大きく、比抵抗ρも大きい軟磁性材料を得ることができる。また、Ｈｆは、Ｃｏ−Ｔａ系において発生する負の磁歪定数λを解消するための元素でもある。磁歪定数λは、Ｔａの含有量とＨｆの含有量の比に依存し、１≦ｍ／ｎ≦２．５の範囲内であると、磁歪定数λを良好に解消することができる。
【００６２】
６．組成式が、ＣｏaＺｒbＮｂcで表されるアモルファス構造を主体とした非晶質軟磁性合金薄膜。
【００６３】
ただし、ａ、ｂ、ｃはａｔ％で、７８≦ａ≦９１、０．５≦ｂ／ｃ≦０．８の関係を満足するもの。
【００６４】
飽和磁束密度ＢｓはＣｏの濃度に依存し、Ｂｓを大きくするためには、７８≦ａ≦９１にする必要がある。ａ＞９１であると、耐食性が低下すると共にアモルファス構造になりにくくなり、結晶化し始めるので好ましくない。また、ａ＜７８であると、Ｃｏどうしが隣接する割合が減り、軟磁気特性を示しにくくなるので好ましくない。透磁率μも、Ｃｏの濃度に依存し、７８≦ａ≦９１の範囲で高い値を示す。
【００９３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子を示す斜視図である。
【００９４】
図１の磁気インピーダンス効果素子Ｍは、アルミナチタンカーバイドなどの非磁性材料からなる基板２１上に、軟磁性薄膜２２、非磁性材料層２３、及び軟磁性薄膜２４が順次積層されて形成された感磁部２５、および感磁部２５の両端部にＣｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどの導電性材料により形成された電極部２６，２６によって構成されている。感磁部２５は、略長方形状または線状にパターン形成されている。また、感磁部２５はＵ字形状またはジグザグ状に形成されてもよい。
【００９５】
なお、図１では、電極部２６，２６が感磁部２５の素子長手方向の両端部に形成されているが、電極部２６，２６は、軟磁性薄膜２４の上面の両端部付近上にＣｕなどの導電性材料を積層して形成されてもよい。
【００９６】
磁気インピーダンス効果素子Ｍに電極部２６，２６から素子長手方向（Ｙ方向）に駆動交流電流を与え、感磁部２５を素子幅方向（Ｘ方向）に励磁する。この状態で、外部磁界Ｈｅｘが素子長手方向に印加されると、感磁部２５のインピーダンスが変化する。感磁部２５のインピーダンス変化を、電極部２６，２６間の電圧の変化として取り出す。
【００９７】
また、軟磁性薄膜２２及び２４の磁化容易軸方向は、素子幅方向（Ｘ方向）であり、前記駆動電流が流される方向である素子長手方向と直交している。
【００９８】
また、軟磁性薄膜２２及び２４には、磁化容易軸方向に平行な磁壁によって区切られる複数の磁区が形成されている。図１において、軟磁性薄膜２２及び２４を区切る点線は、軟磁性薄膜２２及び２４内に形成された磁壁を表している。また、矢印は前記磁壁によって区切られたそれぞれの磁区の磁化方向を示している。
【００９９】
非磁性材料層２３を介して隣接する軟磁性薄膜２２と軟磁性薄膜２４には、磁化容易軸に平行な磁壁によって区切られる複数の磁区が同じ幅で形成され、互いに重なる位置にある磁区の磁化方向は１８０度異なる方向を向いている。
【０１００】
図２は、図１の磁気インピーダンス効果素子の２−２線における断面図である。
【０１０１】
非磁性材料層２３を介して隣接する軟磁性薄膜２２と軟磁性薄膜２４は、その幅方向の両側端から発生する磁束Ｆによって互いに磁気的に結合されている。
【０１０２】
従って、感磁部２５には表面磁荷が現れないので、静磁エネルギーを下げるための軟磁性薄膜２２及び２４の両側面に素子長手方向の磁化を持つ還流磁区は形成されない。外部磁界が印加される方向である素子長手方向の透磁率が低い還流磁区が形成されなければ、感磁部２５の単位体積当たりの磁界検出感度が向上する。
【０１０３】
また、軟磁性薄膜２２と軟磁性薄膜２４とが、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されていると、軟磁性薄膜２２及び軟磁性薄膜２４は素子長手方向に発生する形状磁気異方性の影響を受けにくくなるので、感磁部２５の素子幅Ｗと素子長さＬの比（アスペクト比）が変化した場合でも、素子長手方向を磁化方向とする磁区の形成を抑えることができる。従って、感磁部２５のアスペクト比が変化した場合でも、駆動交流電流が与えられている感磁部２５に外部磁界を印加したときの感磁部２５からの出力電圧を最大とする外部磁界の大きさの絶対値Ｈｐの変化を抑えることができる。
【０１０４】
図３は、駆動交流電流が与えられている感磁部２５に印加した外部磁界Ｈｅｘと感磁部２５からの出力電圧Ｅｍｉの関係を示すグラフである。
【０１０５】
本発明の磁気インピーダンス効果素子では、感磁部２５のアスペクト比Ｗ／Ｌを０．５、０．２５、０．１と小さくしても、感磁部２５からの出力電圧Ｅｍｉを最大とする外部磁界Ｈｅｘの大きさの絶対値Ｈｐは変化しない。
【０１０６】
従って、製造時における感磁部２５の素子幅Ｗや素子長さＬのバラつきが、直接、磁気インピーダンス効果素子の特性のバラつきにつながることを防ぐことができる。
【０１０７】
また、感磁部２５のアスペクト比Ｗ／Ｌを０．５、０．２５、０．１と小さくしていくにつれて、感磁部２５の両端からの出力電圧Ｅｍｉの最大値が大きくなり、磁界検出感度が向上する。
【０１０８】
上述した、磁気インピーダンス効果素子の感磁部のアスペクト比Ｗ／Ｌを小さくしていくと、磁気インピーダンス効果素子の磁界検出感度が向上するという効果が得られるのは以下の理由による。
【０１０９】
前記感磁部は高周波数の交流電流によって励磁されるので、表皮効果が強く現れる。このとき、前記感磁部の素子幅Ｗ、素子長さＬ、比抵抗ρ、励磁周波数ω、素子幅方向の透磁率μと前記感磁部のインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜との間には、次の（数１）によって示される関係がある。
【０１１０】
【数１】

Figure 0003866467
【０１１１】
（数１）から、前記感磁部の素子幅Ｗ、素子長さＬ、比抵抗ρ、励磁周波数ωを一定としたとき、前記感磁部のインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜は、素子幅方向の透磁率μの１／２乗に比例することがわかる。
【０１１２】
素子長手方向に交流電流が与えられ、素子幅方向に励磁されている前記感磁部の素子長手方向に、外部磁界が印加されると、前記感磁部の素子幅方向の透磁率μが変化し、前記感磁部のインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜が変化する。前記感磁部のインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜の変化を測定することにより、前記感磁部に印加された外部磁界を検知する。
【０１１３】
アスペクト比Ｗ／Ｌが小さくなると、素子幅方向の透磁率μの変化に対するインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜の変化率が大きくなる。すなわち、前記感磁部の両端から引き出される出力電圧の大きさの変化が大きくなり、磁気インピーダンス効果素子の磁界検出感度が向上する。
【０１１４】
ただし、アスペクト比Ｗ／Ｌが小さくなりすぎると素子長手方向の形状磁気異方性が強くなり、感磁部２５の軟磁性薄膜２２，２４に素子長手方向を磁化方向とする磁区が形成される。軟磁性薄膜２２，２４の内部で素子長手方向を磁化方向とする磁区が支配的になると、素子幅方向の透磁率μの変化率が低下し、磁界検出感度が低下する。
【０１１５】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、素子長手方向に発生する形状磁気異方性の影響を受けにくいので、図４に示すグラフのように、従来の磁気インピーダンス効果素子よりも磁界検出感度が低下し始めるアスペクト比Ｗ／Ｌの値が小さくなり、磁界検出感度の最大値を大きくすることができる。
【０１１６】
なお、図１の磁気インピーダンス効果素子の感磁部２５は、非磁性材料層２３の上下に軟磁性薄膜２２と軟磁性薄膜２４とが積層された構造である。
【０１１７】
軟磁性薄膜２２及び２４が非磁性材料層２３の上下に１層ずつ積層された構造であると、軟磁性薄膜が３層以上積層される構造に比べて、各軟磁性薄膜間の、素子幅方向の透磁率の変化のバラつきが抑えられ、外部磁界に対する反応特性が向上する。
【０１１８】
なお、磁気インピーダンス効果素子の磁界検出感度を十分高くするために、感磁部２５のアスペクト比Ｗ／Ｌを０．３以下にすることが好ましい。
【０１１９】
本実施の形態では、感磁部２５は、素子幅Ｗを１００μｍ、素子長さＬを２ｍｍとして形成される。したがって、本実施の形態の磁気インピーダンス効果素子Ｍの感磁部２５のアスペクト比は、Ｗ／Ｌ＝０．１である。
【０１２０】
また、感磁部２５に流される交流電流が軟磁性薄膜２２及び２４に流れて、確実に磁気インピーダンス効果を発揮できるように、非磁性材料層２３は、軟磁性薄膜２２及び２４の材料の比抵抗よりも大きな比抵抗を持つ材料を用いて形成されていることが好ましい。
【０１２１】
非磁性材料層は、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＳｉＮのうち１種または２種以上から選択された非磁性材料によって形成される。
【０１２２】
また、感磁部２５の軟磁性薄膜２２及び２４は、例えば、組成式がＦｅ71.4Ａｌ5.8Ｓｉ13.1Ｈｆ3.3Ｃ4.5Ｒｕ1.9（ａｔ％）で表される、ｂｃｃ−Ｆｅの結晶粒を主体とし、ｂｃｃ−Ｆｅの周囲にＨｆＣの結晶粒が存在する結晶粒径５〜３０ｎｍの微結晶軟磁性合金薄膜である。
【０１２３】
この組成以外のＴ―Ｘ―Ｍ―Ｚ―Ｑ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｘは、Ｓｉ、Ａｌの内どちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素）の微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｔ−Ｍ−Ｘ―Ｏ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｎｉのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｇｅと希土類元素から選ばれる１種または２種以上の元素であり、Ｘは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏ等からなる結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｆｅ―Ｍ―Ｏ系（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗと希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅを主体とする結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜として、感磁部２５が形成されていてもよい。
【０１２４】
あるいは、Ｃｏ―Ｔａ―Ｈｆ系の非晶質軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ系の非晶質軟磁性合金薄膜として、感磁部２５が形成されていてもよい。
【０１２５】
なお、磁気インピーダンス効果素子Ｍの感磁部２５を軟磁性薄膜で構成することができると、一枚の基板上に同時に多数の感磁部２５を薄膜形成することができるので、素子の生産性が飛躍的に向上するという効果も得られる。ただし、感磁部２５を単ロール法などによって形成された薄帯によって形成してもよい。
【０１２６】
図５及び図６は、図１の磁気インピーダンス効果素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【０１２７】
図５は、アルミナチタンカーバイド、ガラス、セラミック、結晶化ガラスなどの非磁性材料からなる基板２１上に、軟磁性薄膜２２、非磁性材料層２３及び軟磁性薄膜２４を順次スパッタ法、蒸着法或いはメッキ法などによって成膜し、積層した状態を示す斜視図である。
【０１２８】
軟磁性薄膜２２及び２４は、例えば、組成式がＦｅ71.4Ａｌ5.8Ｓｉ13.1Ｈｆ3.3Ｃ4.5Ｒｕ1.9で表される、ｂｃｃ−Ｆｅの結晶粒を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜である。
【０１２９】
この組成以外のＴ―Ｘ―Ｍ―Ｚ―Ｑ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｘは、Ｓｉ、Ａｌの内どちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素）の微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｔ−Ｍ−Ｘ―Ｏ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｎｉのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｇｅと希土類元素から選ばれる１種または２種以上の元素であり、Ｘは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏ等からなる結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｆｅ―Ｍ―Ｏ系（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗと希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅを主体とする結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜として、軟磁性薄膜２２及び２４が形成されていてもよい。
【０１３０】
あるいは、Ｃｏ―Ｔａ―Ｈｆ系の非晶質軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ系の非晶質軟磁性合金薄膜として、軟磁性薄膜２２及び２４を形成してもよい。
【０１３１】
また、非磁性材料層２３は、軟磁性薄膜２２及び２４の材料の比抵抗よりも大きな比抵抗を持つ材料を用いて形成されていることが好ましい。
【０１３２】
非磁性材料層２３は、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＳｉＮのうち１種または２種以上から選択された非磁性材料を用いて形成される。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、軟磁性薄膜２２、非磁性材料層２３、及び軟磁性層２４の成膜をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて行った。成膜時の条件は以下の範囲である。
【０１３４】
高周波電力：２００〜４００（Ｗ）
Ａｒガス圧：５０（ｓｃｃｍ）
成膜時圧力：３〜７（ｍＴｏｒｒ）
成膜時静磁場強度：７９０以上（Ａ／ｍ）
成膜速度：１０〜３３．５（ｎｍ／分）
なお、標準条件は、高周波電力が４００（Ｗ）、Ａｒガス圧が５０（ｓｃｃｍ）、成膜時圧力が７（ｍＴｏｒｒ）、成膜時静磁場強度が４７４０（Ａ／ｍ）、成膜速度が３３．５（ｎｍ／分）である。また、基板の冷却は間接冷却によって行った。
【０１３５】
次に、軟磁性薄膜２２、非磁性材料層２３、及び軟磁性薄膜２４をフォトリソグラフィーおよびエッチングによって、図６に示されるようにパターン形成して感磁部２５を形成する。このとき、感磁部２５を素子幅Ｗと素子長さＬの比Ｗ／Ｌ（アスペクト比）が、０．３以下になるように略長方形にパターン形成する。
【０１３６】
感磁部２５は、素子幅Ｗを１００μｍ、素子長さＬを２ｍｍとして形成される。したがって、本実施の形態の磁気インピーダンス効果素子Ｍの感磁部２５のアスペクト比は、Ｗ／Ｌ＝０．１である。
【０１３７】
なお、感磁部２５は、基板２１上一面に形成されるが、図６ではそのうち一部のみを示している。
【０１３８】
本実施の形態では、感磁部２５をパターン形成した後、感磁部２５の素子幅方向に静磁場Ｈ２をかけ、熱処理にかける。このように、軟磁性薄膜２２および２４の成膜後、静磁場中で熱処理を施すことによって、感磁部２５の軟磁性薄膜２２及び２４の磁化容易軸方向を素子幅方向（Ｙ方向）に揃えている。
【０１３９】
なお、軟磁性薄膜２２及び軟磁性薄膜２４を成膜するときに、図１の磁気インピーダンス効果素子が完成したときに素子幅方向となる図５の矢印方向に静磁場Ｈ１をかけてもよい。このように磁場中成膜を行なったときには、成膜後の静磁場中熱処理の工程を省略することが可能である。または、磁場中成膜後に、静磁場中熱処理の代りに回転磁場中、または無磁場中熱処理を行なってもよい。
【０１４０】
静磁場中熱処理、あるいは回転磁場中または無磁場中熱処理の条件は、以下の範囲である。
【０１４１】
静磁場強度：０〜７９０００（Ａ／ｍ）
熱処理温度：５４０〜６７５（℃）
熱処理時間：２０〜３０（分）
昇温レート：１０〜１４（℃／分）
なお、標準条件は、静磁場強度が７９０００（Ａ／ｍ）、熱処理温度が５７５（℃）、熱処理時間が３０（分）、昇温レートが１３．６（℃／分）である。
【０１４２】
なお、本実施の形態では、図５のように軟磁性薄膜２２、非磁性材料層２３、及び軟磁性薄膜２４を順次成膜した後に、図６のように、感磁部２５をパターン形成した後で、静磁場中熱処理を施しているが、軟磁性薄膜２２、非磁性材料層２３、及び軟磁性薄膜２４の成膜後、感磁部２５をパターン形成する前、すなわち、図５の状態で、静磁場中熱処理を施し、その後、感磁部２５をパターン形成しても同じように、感磁部２５の素子幅方向（Ｘ方向）に感磁部２５の軟磁性薄膜２２及び２４の磁化容易軸方向を素子幅方向（Ｘ方向）に揃えることができる。
【０１４３】
感磁部２５をパターン形成し、磁場中熱処理を施した後に、図１のように、感磁部２５の両端部に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどの導電性材料からなる電極部２６，２６をスパッタ法、フォトリソグラフィー、およびエッチングによって形成する。
【０１４４】
電極部２６，２６を形成後、基板２１を切断し、図１のような個々の磁気インピーダンス効果素子Ｍとする。
【０１４５】
なお、図６では、磁気インピーダンス効果素子の感磁部２５は、非磁性材料層２３の上下に軟磁性薄膜２２と軟磁性薄膜２４とが積層された構造であるが、軟磁性薄膜２４上にさらに非磁性磁性層及び軟磁性薄膜を積層する工程を繰り返し行なうことにより、軟磁性薄膜が３層以上積層された感磁部を形成してもよい。
【０１４６】
ただし、軟磁性薄膜２２及び２４が非磁性材料層２３の上下に１層ずつ積層された構造であると、軟磁性薄膜が３層以上積層された構造に比べて、各軟磁性薄膜間の、素子幅方向の透磁率の変化のバラつきが抑えられ、外部磁界に対する反応特性が向上する。
【０１４７】
図７は、本実施の形態において用いられたＲＦマグネトロンスパッタ装置の内部構造を示す構成図である。
【０１４８】
図７に示されるように、マグネトロンスパッタ装置３１のチャンバー３２内には、ターゲット３３、３４を取り付けるための電極部３５と、ターゲット３３、３４と対向する位置に、基板保持部３６とが設けられている。なお基板保持部３６上には、基板２１が置かれている。
【０１４９】
ターゲット３３は軟磁性材料、ターゲット３４は非磁性材料からなっている。また、ターゲット３３とターゲット３４の間には遮蔽板３７が設けられている。
【０１５０】
電極部３５内には、放電用磁石（図示せず）が設けられており、この放電用磁石から発生する磁場によって、ターゲット３３、３４の表面には、エロージョン領域（図示しない）が形成される。
【０１５１】
また、チャンバー３２には、ガス導入口３８と、ガス排気口３９とが設けられており、ガス導入口３８からＡｒ（アルゴン）ガスが導入される。
【０１５２】
電極部３５に、高周波電源（ＲＦ電源）４０から高周波が印加されることによって、電場と磁場の相互作用により、マグネトロン放電が発生し、ターゲット３３及び３４がスパッタされる。
【０１５３】
薄膜が積層される基板２１が軟磁性材料からなるターゲット３３の下の領域Ａにあるときには、軟磁性薄膜が成膜され、非磁性材料からなるターゲット３４の下の領域Ｂにあるときには、非磁性材料層が成膜される。
【０１５４】
まず、軟磁性材料からなるターゲット３３の下の領域Ａに基板２１を配置する。基板保持部３６は、矢印方向に回転している。基板保持部３６が回転することによって、基板２１上に軟磁性薄膜２２が成膜されながら、基板２１が非磁性材料からなるターゲット３４の下の領域Ｂに移動し、軟磁性薄膜２２上に非磁性材料層２３が成膜される。基板保持部３６はさらに回転し続けて、基板２１は再びターゲット３３の下の領域Ａに移動し、非磁性材料層２３上に軟磁性薄膜２４が成膜されて、図５の状態になる。
【０１５５】
さらに、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を稼動し続け、基板保持部３６を回転させ続けることにより、非磁性材料層と軟磁性薄膜を任意の層数だけ積層することができる。
【０１５６】
なお、磁場中成膜を行なう場合には、基板保持部３６を挟んで、成膜中の軟磁性薄膜に静磁場をかけるための磁石を設置する。前記磁石は、例えば、Ｓｍ−Ｃｏなどの硬磁性材料または電磁石などによって形成されている。
【０１５７】
なお、スパッタ装置としては、図７に示すようなＲＦマグネトロンスパッタ装置３１以外に、ＲＦ２極スパッタ装置、ＲＦ３極スパッタ装置、イオンビームスパッタ装置、または対向ターゲット式スパッタ装置など既存のものを任意に使用してよい。
【０１５８】
また、本発明における軟磁性薄膜２２及び２４、非磁性材料層２３の成膜方法には、スパッタ法の他に蒸着法、ＭＢＥ（モレキュラー−ビーム−エピタキシー）法、ＩＣＢ（イオン−クラスター−ビーム）法またはメッキ法などを使用してもよい。
【０１５９】
また、感磁部２５を、軟磁性薄帯を用いて形成する場合には、例えば、図８に示す液体急冷装置Ｃを用いる。
【０１６０】
まず、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の軟磁性材料が、石英からなるノズル４１に投入され、ノズル４１の周囲に設けられたヒータ４２により加熱され、溶融される。この溶融合金４３をノズルの上部から加えられた圧力により高速回転している冷却ロール４４上に射出させて接触急冷することにより、軟磁性薄帯４５を形成する。
【０１６１】
得られた軟磁性薄帯４５を素子幅Ｗと素子長さＬの比（アスペクト比）Ｗ／Ｌが、０．３以下になるように、略長方形に切断する。この軟磁性薄帯４５の少なくとも一方の面に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＳｉＮなどの非磁性材料層を、スパッタ、蒸着、塗布などの方法により形成する。
【０１６２】
次に、基板上に順次前記非磁性材料層を積層した軟磁性薄帯を少なくとも２枚以上接着積層して感磁部を形成した後、この感磁部を素子幅方向の静磁場中で熱処理にかける。
【０１６３】
さらに、前記感磁部の両端部に電極部を形成すると、図１のような磁気インピーダンス効果素子が得られる。
【０１６４】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明によれば、前記感磁部を構成する前記軟磁性薄膜或いは薄帯の磁化容易軸方向が、前記駆動電流が流される方向である素子長手方向と直交する方向であり、さらに、前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯が、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されている。
【０１６５】
従って、前記感磁部には表面磁荷が現れないので、静磁エネルギーを下げるための軟磁性薄膜の両側面に素子長手方向の磁化を持つ還流磁区は形成されない。外部磁界が印加される方向である素子長手方向の透磁率が低い還流磁区が形成されなければ、前記感磁部の単位体積当たりの磁界検出感度が向上する。
【０１６６】
また、前記感磁部の前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯が、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されていると、前記感磁部のアスペクト比Ｗ／Ｌを小さくしたときでも、素子長手方向に発生する形状磁気異方性の影響を受け難くなるので、素子長手方向に磁気モーメントが配向する磁区の形成を防ぐことができる。すると、駆動交流電流が与えられている前記感磁部に外部磁界を印加したときの、前記感磁部からの出力電圧を最大とする外部磁界の大きさの絶対値Ｈｐの変化を抑えることができるので、製造時における前記感磁部の素子幅Ｗや素子長さＬのバラつきが、直接、磁気インピーダンス効果素子の特性のバラつきにつながることがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子を示す斜視図、
【図２】図１の磁気インピーダンス効果素子の２-２線における断面図、
【図３】本発明の磁気インピーダンス効果素子に印加する外部磁界と、出力電圧との関係を示すグラフ、
【図４】本発明の磁気インピーダンス効果素子と従来の磁気インピーダンス効果素子の感磁部のアスペクト比と磁界検出感度との関係を示すグラフ、
【図５】基板上に、軟磁性薄膜、非磁性材料層、及び軟磁性薄膜が順次積層された状態を示す斜視図、
【図６】図５の軟磁性薄膜、非磁性材料層、及び軟磁性薄膜をパターン形成した状態を示す斜視図、
【図７】本発明の磁気インピーダンス効果素子の製造方法を実施するために用いることができるＲＦマグネトロンスパッタ装置の断面図、
【図８】軟磁性薄帯を形成するための液体急冷装置を示す斜視図、
【図９】磁気インピーダンス効果素子に駆動交流電流を与え、外部磁界を印加する方法を示す概念図、
【図１０】従来の磁気インピーダンス効果素子を示す斜視図、
【図１１】従来の磁気インピーダンス効果素子の感磁部の磁区構造を示す概念平面図、
【図１２】従来の磁気インピーダンス効果素子の感磁部の磁区構造を示す概念平面図、
【図１３】従来の磁気インピーダンス効果素子の磁気インピーダンス効果特性を示すグラフ、
【符号の説明】
２１ 基板
２２，２４ 軟磁性薄膜
２３ 非磁性材料層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magneto-impedance effect element that can be used as a magnetic field sensor, and particularly has a high magnetic field detection sensitivity per unit volume of a magnetosensitive part, and a ratio of an element width W to an element length L (aspect ratio) W / L. Magneto-impedance effect element whose magnetic domain structure does not change when the phase is changed arbitrarily For child Related.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the rapid development of information equipment, measuring equipment, control equipment, etc., there is a demand for a magnetic field sensor that is smaller, more sensitive, and faster in response (high-frequency operation) than the conventional magnetic flux detection type. An element (magnetoimpedance effect element) having (Magneto-Impedance-Effect) has been drawing attention.
[0003]
In the closed circuit shown in FIG. 9, the magneto-impedance effect means that an external current is applied in the element length direction of the magnetic sensing part Mi in a state where an alternating current Iac in the MHz band is applied from the power source Eac to the wire-like magnetic sensing part Mi. When the magnetic field Hex is applied, an output voltage Emi due to material-specific impedance is generated at both ends of the magnetic sensing part Mi, and the amplitude of the output voltage Emi changes in a range of several tens of percent corresponding to the intensity of the external magnetic field Hex. That is, a phenomenon that causes an impedance change.
[0004]
The magnetosensitive part Mi made of a soft magnetic material having a magneto-impedance effect is excited in the outer peripheral direction of the element, so there is no demagnetizing field, and the magnetization vector is in the element length direction of the magnetosensitive part Mi, that is, the alternating current Iac is Since the magnetic permeability changes abruptly by only a slight rotation in the flowing direction, the demagnetizing field in the element length direction is also small, and even when the length of the magnetic sensitive part Mi is about 1 mm, the magnetic field detection sensitivity hardly deteriorates.
[0005]
The magneto-impedance effect element is 10 -Five The characteristic is that a weak magnetic field sensor having a resolution as high as Oe can be obtained, and since excitation of several MHz or more is possible, high frequency excitation of several hundred MHz can be freely used as an amplitude modulation carrier, and can be used as a magnetic field sensor. Sometimes, it has a characteristic that it is easy to set the cutoff frequency to 10 MHz or more and a characteristic that power consumption can be made 10 mW or less.
[0006]
An amorphous wire was initially used for the magnetic sensitive part of the magneto-impedance effect element. However, the amorphous wire is excellent in productivity as a material, but has many characteristics that are inappropriate for application to a magnetic field sensor.
[0007]
For example, with a circular tip having a recording wavelength of several μm or less and a circular tip of several tens of μm or less, magnetic flux cannot be absorbed by the element due to a shape loss at the tip, and a wiring material for flowing an alternating current is used. There is a problem that it is difficult to form an electrode portion for connection, and a wire having a diameter of several tens of μm is easily bent, and it is difficult to align elements, or it is easily broken.
[0008]
Therefore, by configuring the magnetosensitive part of the magneto-impedance effect element with a soft magnetic thin film or a soft magnetic ribbon, the magnetosensitive part can be formed with an arbitrary thickness, width and length, and the above-mentioned problems It has been proposed to solve the problem.
[0009]
However, when the shape of the magnetosensitive part of the magneto-impedance effect element is changed from a wire to a thin film or a thin strip, the magnetic characteristics such as the magnetic domain structure change, and the magneto-impedance effect characteristics also change. For example, the magnetic field detection sensitivity when the magnetosensitive part of the magneto-impedance effect element is formed as a soft magnetic thin film is reduced to one-tenth compared with when the magnetosensitive part is formed of a wire.
[0010]
FIG. 10 is a perspective view of a conventional thin film magnetoimpedance effect element. The magneto-impedance effect element M in FIG. 10 includes a magnetosensitive portion 12 formed by forming a soft magnetic material into a thin film by sputtering or vapor deposition on a substrate 11 made of a nonmagnetic material such as alumina titanium carbide. And electrode portions 13 and 13 formed of a conductive material such as Cu bonded to both ends of the magnetic sensing portion 12. The magnetic sensitive part 12 is patterned in a substantially rectangular shape or linear shape.
[0011]
A dotted line that divides the magnetic sensing part 12 represents a domain wall formed in the magnetic sensing part 12. The arrows indicate the magnetization directions of the respective magnetic domains separated by the domain wall. In addition, the element length of the magnetic sensitive part 12 of FIG.
[0012]
FIG. 11 is a conceptual plan view showing the magnetic domain structure of the magnetic sensing part 12 of the magneto-impedance effect element shown in FIG.
[0013]
The magnetosensitive part 12 of the magneto-impedance effect element shown in FIG. 10 shown in FIG. 11 is formed in a static magnetic field, or is formed using a soft magnetic material having strong anisotropy. Has magnetic anisotropy. Therefore, the magnetic domain 12a in which the magnetic moment is oriented in the element width direction is formed. In addition, the element length of the magnetic sensitive part 12 of FIG. 11 is represented as L, and an element width is represented as W1.
[0014]
On the other hand, reflux magnetic domains 12b having magnetic moments oriented in the longitudinal direction of the element of the magnetic sensing part 12 are formed on both side surfaces of the magnetic sensing part 12, thereby reducing the magnetostatic energy of the magnetic sensing part 12.
[0015]
When the ratio (aspect ratio) between the element width W1 and the element length L of the magnetosensitive portion 12 is large, the total area of the reflux magnetic domains 12b in which the magnetic moment is aligned in the longitudinal direction of the element is aligned with the magnetic moment in the element width direction. It is significantly narrower than the total area of the magnetic domains 12a.
[0016]
As shown in FIG. 12, when the element width of the magnetic sensing portion 12 is set to W2, which is smaller than W1, the total area of the return magnetic domain 12b in which the magnetic moment is oriented in the element longitudinal direction is hardly changed, and the magnetic field is magnetized in the element width direction. The total area of the magnetic domains 12a where the moments are oriented decreases, and the value of the total area of the magnetic domains 12a and 12b becomes closer.
[0017]
When the total area of the magnetic domains 12a in which the magnetic moment is oriented in the element width direction and the total area of the magnetic domains 12b in which the magnetic moment is oriented in the element longitudinal direction are antagonized, that is, the magnetic difference between the element width direction and the element longitudinal direction is When the isotropic energy is balanced, the magnetic sensitive portion 12 is in a substantially isotropic state as a whole in the direction of magnetic anisotropy. That is, it becomes difficult to fix the magnetic moment of the magnetic sensing part 12 in a certain direction, and it becomes easy to change the direction of the magnetic moment when excited by an alternating current. That is, the magnetic permeability μ in the element width direction of the magnetic sensitive part 12 increases.
[0018]
When the magnetic permeability μ in the element width direction of the magnetic sensing part 12 takes the maximum value, the impedance magnitude Z of the magnetic sensing part 12 becomes maximum, and the output voltage from both ends of the magnetic sensing part 12 also becomes maximum.
[0019]
That is, as the aspect ratio W / L of the magnetic sensing part 12 is reduced, the direction of the magnetic anisotropy of the magnetic sensing part 12 becomes substantially isotropic as a whole, and the longitudinal direction of the element of the magnetic sensing part 12 In addition, the magnetic permeability μ in the element width direction of the magnetosensitive part 12 is maximized without applying the external magnetic field Hex or only slightly applying the external magnetic field Hex. The voltage Emi is maximized.
[0020]
Therefore, as shown in the graph of FIG. 13, the magnetosensitive element to which the drive AC current is applied as the aspect ratio W / L of the magnetosensitive part 12 is decreased to 0.5, 0.25, and 0.1. The absolute value Hp of the magnitude of the external magnetic field Hex that maximizes the output voltage Emi from the magnetic sensing part 12 when the external magnetic field Hex is applied to the part 12 1 , Hp 2 , Hp Three Is getting smaller.
[0021]
Further, as the aspect ratio W / L of the magnetic sensing unit 12 is decreased to 0.5, 0.25, and 0.1, the maximum value of the output voltage Emi from both ends of the magnetic sensing unit 12 increases.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional magneto-impedance effect element shown in FIG. 10, the total area of the magnetic domains 12a in which the magnetic moment is aligned in the element width direction and the total area of the magnetic domains 12b in which the magnetic moment is aligned in the element longitudinal direction are antagonized. As a result, the magnetic anisotropy energy in the element width direction and the element longitudinal direction are balanced, and the direction of the magnetic anisotropy of the magnetic sensing portion 12 is made substantially isotropic as a whole.
[0023]
When an external magnetic field is applied in the longitudinal direction of the element of the magnetic sensing portion 12, the permeability of the reflux magnetic domain 12b in which the magnetic moment is oriented in the longitudinal direction of the element is low. As a result, the magnetic field detection sensitivity of the magneto-impedance effect element has decreased.
[0024]
As described above, in the magneto-impedance effect element shown in FIG. 10, the external magnetic field Hex is applied to the magnetic sensing part 12 to which the drive AC current is applied as the aspect ratio W / L of the magnetic sensing part 12 is decreased. In this case, the absolute value Hp of the magnitude of the external magnetic field Hex that maximizes the output voltage Emi from the magnetic sensing section 12 is reduced, and therefore the variation in the element width W and the element length L of the magnetic sensing section 12 at the time of manufacture. However, there has also been a problem that the characteristic of the magneto-impedance effect element directly varies.
[0025]
The present invention is for solving the above-described conventional problems, and it is possible to improve the magnetic field detection sensitivity by suppressing the formation of magnetic domains having the longitudinal direction of the element as the magnetization direction in the magnetosensitive part of the magneto-impedance effect element. In addition, even if the element width and element length vary, the magneto-impedance effect element can suppress the change to the magneto-impedance effect characteristic. Child The purpose is to provide.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a substantially rectangular magnetic sensing portion including a soft magnetic thin film or a ribbon having a magnetoimpedance effect, and an electrode portion connected to both ends of the longitudinal direction of the element to provide a driving AC current. In the magneto-impedance effect element provided with
The magnetically sensitive portion is formed by alternately laminating the soft magnetic thin film or ribbon and the non-magnetic material layer, and the drive current flows in the easy axis direction of the soft magnetic thin film or ribbon. Perpendicular to the longitudinal direction of the element Cage ,
The absolute value of the magnitude of the external magnetic field that maximizes the output voltage from both ends of the magnetic sensitive part when an external magnetic field is applied in the longitudinal direction of the element of the magnetic sensitive part to which the driving AC current is applied is: A constant value is maintained when the ratio of the element width W to the element length L (aspect ratio) W / L of the magnetosensitive portion is arbitrarily changed. It is characterized by this.
[0027]
The soft magnetic thin film or ribbon is formed with a plurality of magnetic domains separated by domain walls parallel to the easy axis of magnetization, and the soft magnetic thin film or ribbon adjacent via the nonmagnetic material layer. The plurality of magnetic domains are formed with substantially the same width, and the magnetization directions of the magnetic domains in positions overlapping each other are different from each other by 180 degrees, and the soft magnetic thin film adjacent to each other via the nonmagnetic material layer or It is preferable that the ribbons are magnetically coupled to each other by magnetic flux generated from both side ends in the width direction.
[0028]
Preferably, the soft magnetic thin film or ribbon is formed with only a plurality of magnetic domains separated by a domain wall parallel to the easy axis direction, and no magnetic domain is formed in which the magnetization direction is the longitudinal direction of the element.
[0029]
Further, it is preferable that the magnetically sensitive portion has a structure in which the soft magnetic thin film or the thin ribbon is laminated one above the other on the nonmagnetic material layer.
[0030]
When the soft magnetic thin film or ribbon has a structure in which one layer is laminated above and below the nonmagnetic material layer, an external magnetic field is applied in the longitudinal direction of the element of each layer of the soft magnetic thin film or ribbon. Variations in the magnetic permeability in the element width direction between the respective soft magnetic thin films or ribbons are suppressed, and the response characteristics to an external magnetic field are improved.
[0032]
In the present invention, the easy magnetic axis direction of the soft magnetic thin film or ribbon constituting the magnetic sensitive part is a direction orthogonal to the longitudinal direction of the element that is the direction in which the drive current flows, and the nonmagnetic material The soft magnetic thin films or ribbons adjacent to each other through the layers are magnetically coupled to each other by magnetic flux generated from both side ends in the width direction.
[0033]
Accordingly, since no surface magnetic charge appears in the magnetosensitive portion, no reflux magnetic domain having magnetization in the longitudinal direction of the element is formed on both sides of the soft magnetic thin film for reducing the magnetostatic energy. Unless a reflux magnetic domain having a low magnetic permeability in the longitudinal direction of the element, which is the direction in which the external magnetic field is applied, is formed, the magnetic field detection sensitivity per unit volume of the magnetic sensitive part is improved.
[0034]
Further, when the soft magnetic thin film or ribbon adjacent to each other through the nonmagnetic material layer of the magnetic sensing portion is magnetically coupled to each other by magnetic flux generated from both side ends in the width direction, Even when the aspect ratio W / L of the portion is reduced, it is difficult to be affected by the shape magnetic anisotropy generated in the longitudinal direction of the element, and therefore it is possible to prevent the formation of magnetic domains in which the magnetic moment is oriented in the longitudinal direction of the element. Then, a change in the absolute value Hp of the magnitude of the external magnetic field that maximizes the output voltage from the magnetic sensitive part when an external magnetic field is applied to the magnetic sensitive part to which a driving AC current is applied can be suppressed. As a result, variations in the element width W and the element length L of the magnetosensitive portion at the time of manufacture do not directly lead to variations in the characteristics of the magneto-impedance effect element.
[0035]
In the present invention, in order to sufficiently increase the magnetic field detection sensitivity of the magneto-impedance effect element, it is preferable that the aspect ratio W / L of the magnetic sensitive portion is 0.3 or less.
[0036]
Further, the non-magnetic material layer is made of a material of the soft magnetic thin film or ribbon so that an alternating current flowing in the magnetosensitive portion flows through the soft magnetic thin film or ribbon and can surely exhibit a magnetic impedance effect. It is preferable to use a material having a specific resistance larger than the specific resistance.
[0037]
The nonmagnetic material layer is made of, for example, SiO. 2 , Al 2 O Three , Cr 2 O Three The nonmagnetic material is preferably selected from one or more of SiN.
[0038]
The soft magnetic thin film or ribbon constituting the magnetic sensing element of the magneto-impedance element must have a high magnetic permeability μ in a high frequency region of 1 MHz to several hundreds of MHz. Further, it is preferable that the magnetostriction constant λ is small so that the external magnetic field (the magnetic field component of the broadcast radio wave) does not deteriorate the magnetic characteristics due to stress applied to the soft magnetic thin film or the ribbon.
[0039]
Since the above is formed as a thin film magnetic body having such properties, the soft magnetic thin film is preferably formed as a microcrystalline soft magnetic alloy thin film as described below.
[0040]
1. The composition formula is Fe h M i O j A microcrystalline soft magnetic alloy thin film mainly composed of an amorphous structure.
[0041]
However, M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W and rare earth elements, and h, i, and j are at% and 45 ≦ h ≦ 70. Those satisfying the relationship of 5 ≦ i ≦ 30, 10 ≦ j ≦ 40, and h + i + j = 100.
[0042]
Fe is used to obtain a large saturation magnetic flux density Bs, and M is combined with O to increase the specific resistance ρ. When h, i, j is in the above range, a soft magnetic alloy having a large saturation magnetic flux density Bs, specific resistance ρ, and magnetic permeability μ can be obtained. When h, i, j is out of the above range, soft magnetic properties are obtained. Deteriorates.
[0043]
In the above composition, when the element M is one or more elements selected from rare earth elements, h and j are at% and 50 ≦ h ≦ 70 and 10 ≦ j ≦ 30. preferable.
[0044]
2. The composition formula is (Co 1-c T c ) x M y X z O w A microcrystalline soft magnetic alloy thin film represented by However, the element T is an element containing one or both of Fe and Ni, and the element M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, P, C, W, One or more elements selected from B, Al, Ga, Ge and rare earth elements, and X is one selected from Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Os, Ir, Pt, Pd, or It is an element of two or more, and the composition ratio is such that c is 0 ≦ c ≦ 0.7, x, y, z, and w are atomic%, 3 ≦ y ≦ 30, 0 ≦ z ≦ 20, 7 ≦ w ≦ 40, 20 ≦ y + z + w ≦ 60, and the balance is x.
[0045]
The soft magnetic alloy has a structure in which a microcrystalline phase mainly composed of Co and element T is mixed in an amorphous phase containing a large amount of an oxide of element M, and the microcrystalline phase contains an oxide of element M. It is more preferable that it has.
[0046]
3. A soft magnetic thin film mainly composed of bcc-Fe, having a fine crystal grain structure with an average crystal grain size of 30 nm or less occupying at least 50% and the balance being amorphous.
[0047]
The soft magnetic thin film includes Fe and one or more elements M nitrides or carbides selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Hf, V, W, Mo, and Nb, and includes bcc-Fe crystal grains. It is preferable that fine crystal grains of nitride or carbide of the element M exist around.
[0048]
In particular, the composition formula is T 100-defg X d M e Z f Q g It is preferably a microcrystalline soft magnetic alloy thin film mainly composed of one kind or two or more kinds of crystal grains of bcc-Fe, bcc-FeCo, and bcc-Co.
[0049]
However, the element T is an element containing one or both of Fe and Co, the element X is an element containing either one or both of Si and Al, and the element M is Ti, Zr, One or more elements selected from Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W. The element Z is an element including one or both of C and N. Q is Cr, It is one or more elements selected from Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au, and d, e, f, and g are at%, and 0 ≦ d ≦ 25, 1 ≦ e ≦ 10 , 0.5 ≦ f ≦ 15, 0 ≦ g ≦ 10.
[0050]
If d, e, f, and g are within the above ranges, a soft magnetic alloy thin film having a large magnetic permeability μ, a low coercive force Hc, and a small magnetostriction constant λ can be obtained.
[0051]
Alternatively, the composition formula is T 100-pqefg Si p Al q M e Z f Q g It is preferably a microcrystalline soft magnetic alloy thin film mainly composed of one kind or two or more kinds of crystal grains of bcc-Fe, bcc-FeCo, and bcc-Co.
[0052]
However, the element T is an element containing one or both of Fe and Co, and the element M is one or more selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W. The element Z is an element containing one or both of C and N, and Q is one or two selected from Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au. P, q, e, f, and g are at%, 8 ≦ p ≦ 15, 0 ≦ q ≦ 10, 1 ≦ e ≦ 10, 0.5 ≦ f ≦ 15, 0 ≦ g Those satisfying the relation of ≦ 10.
[0053]
If p, q, e, f, and g are within the above ranges, a soft magnetic alloy having a large magnetic permeability μ, a low coercive force Hc, and a small magnetostriction constant λ can be obtained.
[0054]
Further, the magnetically sensitive part may be formed as an amorphous soft magnetic alloy thin film or a thin ribbon as shown below.
[0055]
4). The composition formula is (Fe 1-a Co a ) 100-xy (Si 1-b B b ) x M y Amorphous soft magnetic alloy ribbon indicated by
[0056]
However, M is an element containing one or both of Cr and Ru, and a and b representing the composition ratio are 0.05 ≦ a ≦ 0.1 and 0.2 ≦ b ≦ 0.8. , X and y are at% and satisfy the relationship of 10 ≦ x ≦ 35 and 0 ≦ y ≦ 7.
[0057]
(Fe 1-a Co a ) 100-xy (Si 1-b B b ) x M y In a soft magnetic alloy ribbon of the type, if a exceeds the range of 0.05 ≦ a ≦ 0.1, the magnetostriction increases, which is not preferable. On the other hand, if b exceeds the range of 0.2 ≦ b ≦ 0.8, it is not preferable because amorphization becomes difficult. Furthermore, when x exceeds the range of 10 ≦ x ≦ 35, it becomes difficult to make the material amorphous. Further, x> 35 is not preferable because the magnetic characteristics deteriorate.
[0058]
5). The composition formula is Co l Ta m Hf n An amorphous soft magnetic alloy thin film mainly composed of an amorphous structure.
[0059]
However, l, m, and n are at% and satisfy the relationship of 70 ≦ l ≦ 90, 5 ≦ m ≦ 21, 6.6 ≦ n ≦ 15, and 1 ≦ m / n ≦ 2.5.
[0060]
Co l Ta m Hf n In the soft magnetic alloy thin film, the saturation magnetic flux density Bs depends on the Co content, and 70 ≦ l is necessary to obtain a high saturation magnetic flux density Bs. However, it is not preferable that l> 90 because the specific resistance ρ is low.
[0061]
Ta and Hf are elements for obtaining soft magnetic properties. By setting 5 ≦ m ≦ 21 and 6.6 ≦ n ≦ 15, a soft magnetic material having a large saturation magnetic flux density Bs and a large specific resistance ρ is obtained. be able to. Hf is also an element for eliminating the negative magnetostriction constant λ generated in the Co—Ta system. The magnetostriction constant λ depends on the ratio of the content of Ta and the content of Hf, and the magnetostriction constant λ can be satisfactorily eliminated when it is in the range of 1 ≦ m / n ≦ 2.5.
[0062]
6). The composition formula is Co a Zr b Nb c An amorphous soft magnetic alloy thin film mainly composed of an amorphous structure represented by
[0063]
However, a, b, and c are at% and satisfy the relationship of 78 ≦ a ≦ 91 and 0.5 ≦ b / c ≦ 0.8.
[0064]
The saturation magnetic flux density Bs depends on the Co concentration. In order to increase Bs, it is necessary to satisfy 78 ≦ a ≦ 91. If a> 91, the corrosion resistance is lowered and an amorphous structure is hardly formed and crystallization starts, which is not preferable. Further, when a <78, the ratio of adjacent Cos decreases, and it becomes difficult to show soft magnetic characteristics, which is not preferable. The magnetic permeability μ also depends on the Co concentration and shows a high value in the range of 78 ≦ a ≦ 91.
[0093]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a magneto-impedance effect element according to an embodiment of the present invention.
[0094]
The magneto-impedance effect element M in FIG. 1 has a feeling that a soft magnetic thin film 22, a nonmagnetic material layer 23, and a soft magnetic thin film 24 are sequentially laminated on a substrate 21 made of a nonmagnetic material such as alumina titanium carbide. It is comprised by the magnetic part 25 and the electrode parts 26 and 26 formed with electroconductive materials, such as Cu, Ni, Ti, and Cr, at the both ends of the magnetic sensitive part 25. The magnetic sensitive part 25 is patterned in a substantially rectangular shape or linear shape. Moreover, the magnetic sensitive part 25 may be formed in a U shape or a zigzag shape.
[0095]
In FIG. 1, the electrode portions 26 and 26 are formed at both end portions of the magnetosensitive portion 25 in the element longitudinal direction. It may be formed by laminating conductive materials such as.
[0096]
A driving AC current is applied to the magneto-impedance effect element M from the electrode portions 26 and 26 in the longitudinal direction (Y direction) of the element, thereby exciting the magnetosensitive portion 25 in the element width direction (X direction). In this state, when the external magnetic field Hex is applied in the longitudinal direction of the element, the impedance of the magnetic sensing unit 25 changes. A change in impedance of the magnetic sensing unit 25 is taken out as a change in voltage between the electrode units 26 and 26.
[0097]
Further, the easy axis directions of the soft magnetic thin films 22 and 24 are the element width direction (X direction), and are orthogonal to the element longitudinal direction, which is the direction in which the drive current flows.
[0098]
The soft magnetic thin films 22 and 24 are formed with a plurality of magnetic domains separated by domain walls parallel to the easy axis direction. In FIG. 1, a dotted line that separates the soft magnetic thin films 22 and 24 represents a domain wall formed in the soft magnetic thin films 22 and 24. The arrows indicate the magnetization directions of the respective magnetic domains separated by the domain wall.
[0099]
In the soft magnetic thin film 22 and the soft magnetic thin film 24 that are adjacent to each other through the nonmagnetic material layer 23, a plurality of magnetic domains separated by a domain wall parallel to the easy axis of magnetization are formed with the same width, and the magnetizations of the magnetic domains in positions overlapping each other The direction is different by 180 degrees.
[0100]
2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of the magneto-impedance effect element of FIG.
[0101]
The soft magnetic thin film 22 and the soft magnetic thin film 24 which are adjacent to each other through the nonmagnetic material layer 23 are magnetically coupled to each other by a magnetic flux F generated from both side ends in the width direction.
[0102]
Accordingly, since no surface magnetic charge appears in the magnetic sensing portion 25, no reflux magnetic domain having magnetization in the longitudinal direction of the element is formed on both side surfaces of the soft magnetic thin films 22 and 24 for reducing the magnetostatic energy. Unless a reflux magnetic domain having a low magnetic permeability in the element longitudinal direction, which is the direction in which the external magnetic field is applied, is not formed, the magnetic field detection sensitivity per unit volume of the magnetic sensing unit 25 is improved.
[0103]
Further, when the soft magnetic thin film 22 and the soft magnetic thin film 24 are magnetically coupled to each other by the magnetic flux generated from both ends in the width direction, the soft magnetic thin film 22 and the soft magnetic thin film 24 are generated in the longitudinal direction of the element. Therefore, even when the ratio (aspect ratio) between the element width W and the element length L of the magnetic sensing portion 25 is changed, the magnetic domain having the element longitudinal direction as the magnetization direction is formed. Can be suppressed. Therefore, even when the aspect ratio of the magnetic sensing unit 25 changes, the external magnetic field that maximizes the output voltage from the magnetic sensing unit 25 when an external magnetic field is applied to the magnetic sensing unit 25 to which the drive AC current is applied. A change in the absolute value Hp of the size can be suppressed.
[0104]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the external magnetic field Hex applied to the magnetic sensing unit 25 to which the drive AC current is applied and the output voltage Emi from the magnetic sensing unit 25.
[0105]
In the magneto-impedance effect element of the present invention, even if the aspect ratio W / L of the magnetic sensing part 25 is reduced to 0.5, 0.25, 0.1, the output voltage Emi from the magnetic sensing part 25 is maximized. The absolute value Hp of the magnitude of the external magnetic field Hex does not change.
[0106]
Accordingly, it is possible to prevent variations in the element width W and the element length L of the magnetosensitive portion 25 during manufacture from directly leading to variations in the characteristics of the magneto-impedance effect element.
[0107]
Further, as the aspect ratio W / L of the magnetic sensing unit 25 is decreased to 0.5, 0.25, and 0.1, the maximum value of the output voltage Emi from both ends of the magnetic sensing unit 25 increases, and the magnetic field Detection sensitivity is improved.
[0108]
The reason why the magnetic field detection sensitivity of the magneto-impedance effect element is improved when the aspect ratio W / L of the magneto-sensitive part of the magneto-impedance effect element is reduced is as follows.
[0109]
Since the magnetic sensitive part is excited by a high frequency alternating current, the skin effect appears strongly. At this time, the element width W, the element length L, the specific resistance ρ, the excitation frequency ω, the permeability μ in the element width direction, and the impedance magnitude | Z | There is a relationship represented by the following (Equation 1).
[0110]
[Expression 1]
Figure 0003866467
[0111]
From (Equation 1), when the element width W, the element length L, the specific resistance ρ, and the excitation frequency ω of the magnetosensitive part are constant, the impedance magnitude | Z | It can be seen that this is proportional to the 1/2 power of the magnetic permeability μ.
[0112]
When an external magnetic field is applied in the element longitudinal direction of the magnetosensitive part that is given an alternating current in the element longitudinal direction and excited in the element width direction, the magnetic permeability μ in the element width direction of the magnetosensitive part changes. However, the magnitude | Z | of the magnetosensitive part changes. The external magnetic field applied to the magnetic sensitive part is detected by measuring the change in the magnitude | Z | of the magnetic sensitive part.
[0113]
As the aspect ratio W / L decreases, the rate of change of the impedance magnitude | Z | with respect to the change in the magnetic permeability μ in the element width direction increases. That is, the change in the magnitude of the output voltage drawn from both ends of the magnetic sensing part is increased, and the magnetic field detection sensitivity of the magneto-impedance effect element is improved.
[0114]
However, if the aspect ratio W / L becomes too small, the shape magnetic anisotropy in the longitudinal direction of the element becomes strong, and magnetic domains having the longitudinal direction of the element as the magnetization direction are formed in the soft magnetic thin films 22 and 24 of the magnetic sensitive portion 25. . When the magnetic domain having the longitudinal direction of the element as the magnetization direction is dominant inside the soft magnetic thin films 22 and 24, the rate of change of the magnetic permeability μ in the element width direction is lowered, and the magnetic field detection sensitivity is lowered.
[0115]
Since the magneto-impedance effect element of the present invention is not easily affected by the shape magnetic anisotropy generated in the longitudinal direction of the element, the magnetic field detection sensitivity is lower than that of the conventional magneto-impedance effect element as shown in the graph of FIG. The value of the starting aspect ratio W / L decreases, and the maximum value of the magnetic field detection sensitivity can be increased.
[0116]
1 has a structure in which a soft magnetic thin film 22 and a soft magnetic thin film 24 are laminated on top and bottom of a nonmagnetic material layer 23. The magnetosensitive effect element 25 shown in FIG.
[0117]
When the soft magnetic thin films 22 and 24 have a structure in which one layer is laminated on the top and bottom of the nonmagnetic material layer 23, the element width between the soft magnetic thin films is smaller than that in the structure in which three or more soft magnetic thin films are laminated. The variation in the magnetic permeability in the direction is suppressed, and the response characteristics to the external magnetic field are improved.
[0118]
In order to sufficiently increase the magnetic field detection sensitivity of the magneto-impedance effect element, it is preferable to set the aspect ratio W / L of the magnetic sensing portion 25 to 0.3 or less.
[0119]
In the present embodiment, the magnetic sensing portion 25 is formed with an element width W of 100 μm and an element length L of 2 mm. Therefore, the aspect ratio of the magnetic sensing portion 25 of the magneto-impedance effect element M of the present embodiment is W / L = 0.1.
[0120]
Further, the non-magnetic material layer 23 is made of a material ratio of the soft magnetic thin films 22 and 24 so that an alternating current flowing through the magnetic sensing portion 25 flows to the soft magnetic thin films 22 and 24 and can surely exhibit the magnetic impedance effect. It is preferable to use a material having a specific resistance greater than the resistance.
[0121]
The nonmagnetic material layer is, for example, SiO. 2 , Al 2 O Three , Cr 2 O Three , And a nonmagnetic material selected from one or more of SiN.
[0122]
Further, the soft magnetic thin films 22 and 24 of the magnetic sensing portion 25 have, for example, a composition formula of Fe 71.4 Al 5.8 Si 13.1 Hf 3.3 C 4.5 Ru 1.9 This is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film having a crystal grain size of 5 to 30 nm, mainly composed of bcc-Fe crystal grains and having HfC crystal grains around bcc-Fe.
[0123]
T—X—M—Z—Q system other than this composition (the element T is an element containing one or both of Fe and Co, and the element X is one or both of Si and Al) The element M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W, and the element Z is one of C and N Alternatively, Q is an element including both, and Q is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film of one or more elements selected from Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au), Co-T —M—X—O system (the element T is an element containing one or both of Fe and Ni, and the element M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, One selected from P, C, W, B, Al, Ga, Ge and rare earth elements or X is a composition of one or more elements selected from Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Os, Ir, Pt, Pd), bcc-Fe, bcc A microcrystalline soft material comprising a crystal phase of 10 to 30 nm in crystal grain size made of FeCo, bcc-Co, etc. and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure A magnetic alloy thin film or a Fe-MO system (M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W and rare earth elements), bcc -A microcrystalline soft magnetic alloy thin film comprising a crystal phase mainly composed of Fe and a crystal phase of 10 to 30 nm and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure As an example, the magnetic sensing part 25 may be formed.
[0124]
Alternatively, the magnetosensitive portion 25 may be formed as a Co—Ta—Hf-based amorphous soft magnetic alloy thin film or a Co—Zr—Nb-based amorphous soft magnetic alloy thin film.
[0125]
If the magnetosensitive part 25 of the magneto-impedance effect element M can be composed of a soft magnetic thin film, a large number of magnetosensitive parts 25 can be formed simultaneously on a single substrate, so that the productivity of the element is improved. There is also an effect that drastically improves. However, you may form the magnetic sensing part 25 with the thin strip formed by the single roll method.
[0126]
5 and 6 are perspective views for explaining a method of manufacturing the magneto-impedance effect element shown in FIG.
[0127]
FIG. 5 shows that a soft magnetic thin film 22, a nonmagnetic material layer 23, and a soft magnetic thin film 24 are sequentially formed on a substrate 21 made of a nonmagnetic material such as alumina titanium carbide, glass, ceramic, or crystallized glass by sputtering, vapor deposition, or It is a perspective view which shows the state which formed into a film by the plating method etc. and was laminated | stacked.
[0128]
The soft magnetic thin films 22 and 24 have, for example, a composition formula of Fe 71.4 Al 5.8 Si 13.1 Hf 3.3 C 4.5 Ru 1.9 This is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film mainly composed of bcc-Fe crystal grains.
[0129]
T—X—M—Z—Q system other than this composition (the element T is an element containing one or both of Fe and Co, and the element X is one or both of Si and Al) The element M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W, and the element Z is one of C and N Alternatively, Q is an element including both, and Q is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film of one or more elements selected from Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au), Co-T —M—X—O system (the element T is an element containing one or both of Fe and Ni, and the element M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, One selected from P, C, W, B, Al, Ga, Ge and rare earth elements or X is a composition of one or more elements selected from Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Os, Ir, Pt, Pd), bcc-Fe, bcc A microcrystalline soft material comprising a crystal phase of 10 to 30 nm in crystal grain size made of FeCo, bcc-Co, etc. and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure A magnetic alloy thin film or a Fe-MO system (M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W and rare earth elements), bcc -A microcrystalline soft magnetic alloy thin film comprising a crystal phase mainly composed of Fe and a crystal phase of 10 to 30 nm and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure As an example, the soft magnetic thin films 22 and 24 may be formed.
[0130]
Alternatively, the soft magnetic thin films 22 and 24 may be formed as a Co—Ta—Hf amorphous soft magnetic alloy thin film or a Co—Zr—Nb amorphous soft magnetic alloy thin film.
[0131]
The nonmagnetic material layer 23 is preferably formed using a material having a specific resistance larger than that of the soft magnetic thin films 22 and 24.
[0132]
The nonmagnetic material layer 23 is made of, for example, SiO. 2 , Al 2 O Three , Cr 2 O Three , Using a nonmagnetic material selected from one or more of SiN.
[0133]
In the present embodiment, the soft magnetic thin film 22, the nonmagnetic material layer 23, and the soft magnetic layer 24 are formed using an RF magnetron sputtering apparatus. The conditions during film formation are in the following range.
[0134]
High frequency power: 200 to 400 (W)
Ar gas pressure: 50 (sccm)
Deposition pressure: 3-7 (mTorr)
Static magnetic field strength during film formation: 790 or more (A / m)
Deposition rate: 10-33.5 (nm / min)
The standard conditions are: high frequency power is 400 (W), Ar gas pressure is 50 (sccm), film forming pressure is 7 (mTorr), film forming static magnetic field strength is 4740 (A / m), film forming speed. Is 33.5 (nm / min). The substrate was cooled by indirect cooling.
[0135]
Next, the soft magnetic thin film 22, the nonmagnetic material layer 23, and the soft magnetic thin film 24 are patterned by photolithography and etching as shown in FIG. At this time, the magnetosensitive portion 25 is patterned in a substantially rectangular shape so that the ratio W / L (aspect ratio) of the element width W and the element length L is 0.3 or less.
[0136]
The magnetic sensitive part 25 is formed with an element width W of 100 μm and an element length L of 2 mm. Therefore, the aspect ratio of the magnetic sensing portion 25 of the magneto-impedance effect element M of the present embodiment is W / L = 0.1.
[0137]
In addition, although the magnetic sensitive part 25 is formed in the one surface on the board | substrate 21, only one part is shown in FIG.
[0138]
In the present embodiment, after patterning the magnetic sensing part 25, a static magnetic field H2 is applied in the element width direction of the magnetic sensing part 25 and subjected to heat treatment. As described above, after the soft magnetic thin films 22 and 24 are formed, the easy magnetization axis direction of the soft magnetic thin films 22 and 24 of the magnetosensitive portion 25 is set to the element width direction (Y direction) by performing heat treatment in a static magnetic field. Aligned.
[0139]
When the soft magnetic thin film 22 and the soft magnetic thin film 24 are formed, the static magnetic field H1 may be applied in the direction of the arrow in FIG. 5 which is the element width direction when the magnetoimpedance effect element in FIG. 1 is completed. When film formation is performed in a magnetic field as described above, the heat treatment process in a static magnetic field after film formation can be omitted. Alternatively, after film formation in a magnetic field, heat treatment in a rotating magnetic field or no magnetic field may be performed instead of heat treatment in a static magnetic field.
[0140]
The conditions for the heat treatment in a static magnetic field, or the heat treatment in a rotating magnetic field or no magnetic field are in the following ranges.
[0141]
Static magnetic field strength: 0 to 79000 (A / m)
Heat treatment temperature: 540-675 (° C)
Heat treatment time: 20-30 (min)
Temperature increase rate: 10-14 (° C / min)
Standard conditions are a static magnetic field strength of 79000 (A / m), a heat treatment temperature of 575 (° C.), a heat treatment time of 30 (min), and a temperature increase rate of 13.6 (° C./min).
[0142]
In this embodiment, after the soft magnetic thin film 22, the nonmagnetic material layer 23, and the soft magnetic thin film 24 are sequentially formed as shown in FIG. 5, the magnetically sensitive portion 25 is patterned as shown in FIG. Later, heat treatment was performed in a static magnetic field, but after forming the soft magnetic thin film 22, the nonmagnetic material layer 23, and the soft magnetic thin film 24, before patterning the magnetosensitive portion 25, that is, in the state of FIG. Thus, even if heat treatment is performed in a static magnetic field, and then the magnetic sensing portion 25 is patterned, the soft magnetic thin films 22 and 24 of the magnetic sensing portion 25 are arranged in the element width direction (X direction) of the magnetic sensing portion 25 in the same manner. The easy axis direction can be aligned with the element width direction (X direction).
[0143]
After patterning the magnetic sensitive portion 25 and performing heat treatment in a magnetic field, as shown in FIG. 1, electrode portions 26 made of a conductive material such as Cu, Ni, Ti, Cr are formed on both ends of the magnetic sensitive portion 25, as shown in FIG. 26 is formed by sputtering, photolithography, and etching.
[0144]
After forming the electrode parts 26, 26, the substrate 21 is cut to obtain individual magneto-impedance effect elements M as shown in FIG.
[0145]
In FIG. 6, the magnetosensitive part 25 of the magneto-impedance effect element has a structure in which a soft magnetic thin film 22 and a soft magnetic thin film 24 are laminated on top and bottom of a nonmagnetic material layer 23. Furthermore, a magnetic sensitive part in which three or more layers of soft magnetic thin films are laminated may be formed by repeating the process of laminating the nonmagnetic magnetic layer and the soft magnetic thin film.
[0146]
However, when the soft magnetic thin films 22 and 24 are laminated one by one above and below the nonmagnetic material layer 23, the soft magnetic thin films 22 and 24 have a structure between three soft magnetic thin films compared to a structure in which three or more soft magnetic thin films are laminated. Variations in the magnetic permeability change in the element width direction are suppressed, and the response characteristics to an external magnetic field are improved.
[0147]
FIG. 7 is a block diagram showing the internal structure of the RF magnetron sputtering apparatus used in the present embodiment.
[0148]
As shown in FIG. 7, in the chamber 32 of the magnetron sputtering apparatus 31, an electrode part 35 for attaching the targets 33, 34 and a substrate holding part 36 are provided at positions facing the targets 33, 34. ing. The substrate 21 is placed on the substrate holder 36.
[0149]
The target 33 is made of a soft magnetic material, and the target 34 is made of a nonmagnetic material. A shielding plate 37 is provided between the target 33 and the target 34.
[0150]
A discharge magnet (not shown) is provided in the electrode portion 35, and an erosion region (not shown) is formed on the surfaces of the targets 33 and 34 by a magnetic field generated from the discharge magnet. .
[0151]
Further, the chamber 32 is provided with a gas introduction port 38 and a gas exhaust port 39, and Ar (argon) gas is introduced from the gas introduction port 38.
[0152]
When a high frequency is applied to the electrode unit 35 from a high frequency power source (RF power source) 40, a magnetron discharge is generated by the interaction between the electric field and the magnetic field, and the targets 33 and 34 are sputtered.
[0153]
When the substrate 21 on which the thin film is laminated is in the region A under the target 33 made of a soft magnetic material, the soft magnetic thin film is formed, and when it is in the region B under the target 34 made of a nonmagnetic material, it is nonmagnetic. A material layer is deposited.
[0154]
First, the substrate 21 is disposed in the region A under the target 33 made of a soft magnetic material. The substrate holder 36 rotates in the direction of the arrow. When the substrate holding part 36 rotates, the soft magnetic thin film 22 is formed on the substrate 21, and the substrate 21 moves to the region B under the target 34 made of a nonmagnetic material. A magnetic material layer 23 is formed. The substrate holding part 36 continues to rotate further, the substrate 21 moves again to the region A under the target 33, the soft magnetic thin film 24 is formed on the nonmagnetic material layer 23, and the state shown in FIG.
[0155]
Furthermore, by continuing to operate the RF magnetron sputtering apparatus and continuing to rotate the substrate holder 36, the nonmagnetic material layer and the soft magnetic thin film can be stacked in an arbitrary number of layers.
[0156]
When film formation is performed in a magnetic field, a magnet for applying a static magnetic field to the soft magnetic thin film being formed is provided with the substrate holder 36 interposed therebetween. The magnet is made of, for example, a hard magnetic material such as Sm—Co or an electromagnet.
[0157]
In addition to the RF magnetron sputtering apparatus 31 as shown in FIG. 7, an existing sputtering apparatus such as an RF bipolar sputtering apparatus, an RF tripolar sputtering apparatus, an ion beam sputtering apparatus, or an opposed target sputtering apparatus can be arbitrarily used. You can do it.
[0158]
In addition, as a method for forming the soft magnetic thin films 22 and 24 and the nonmagnetic material layer 23 in the present invention, an evaporation method, an MBE (molecular beam epitaxy) method, an ICB (ion-cluster beam) in addition to the sputtering method. A method or a plating method may be used.
[0159]
Moreover, when forming the magnetic sensitive part 25 using a soft magnetic ribbon, the liquid quenching apparatus C shown in FIG. 8 is used, for example.
[0160]
First, an Fe—Co—Si—B-based soft magnetic material is put into a nozzle 41 made of quartz, and is heated and melted by a heater 42 provided around the nozzle 41. A soft magnetic ribbon 45 is formed by injecting the molten alloy 43 onto a cooling roll 44 rotating at a high speed by the pressure applied from the upper part of the nozzle and rapidly cooling the contact.
[0161]
The obtained soft magnetic ribbon 45 is cut into a substantially rectangular shape so that the ratio (aspect ratio) W / L of the element width W to the element length L is 0.3 or less. On at least one surface of the soft magnetic ribbon 45, SiO 2 , Al 2 O Three , Cr 2 O Three A nonmagnetic material layer such as SiN is formed by a method such as sputtering, vapor deposition, or coating.
[0162]
Next, after forming at least two soft magnetic ribbons on which a nonmagnetic material layer is sequentially laminated to form a magnetic sensitive portion, the magnetic sensitive portion is heat-treated in a static magnetic field in the element width direction. Call it.
[0163]
Further, when electrode portions are formed at both ends of the magnetic sensitive portion, a magneto-impedance effect element as shown in FIG. 1 is obtained.
[0164]
【The invention's effect】
According to the present invention described in detail above, the easy magnetization axis direction of the soft magnetic thin film or ribbon constituting the magnetosensitive portion is a direction orthogonal to the longitudinal direction of the element, which is the direction in which the drive current flows. Furthermore, the soft magnetic thin films or ribbons that are adjacent to each other through the nonmagnetic material layer are magnetically coupled to each other by magnetic flux generated from both ends in the width direction.
[0165]
Accordingly, since no surface magnetic charge appears in the magnetosensitive portion, no reflux magnetic domain having magnetization in the longitudinal direction of the element is formed on both sides of the soft magnetic thin film for reducing the magnetostatic energy. Unless a reflux magnetic domain having a low magnetic permeability in the longitudinal direction of the element, which is the direction in which the external magnetic field is applied, is formed, the magnetic field detection sensitivity per unit volume of the magnetic sensitive part is improved.
[0166]
Further, when the soft magnetic thin film or ribbon adjacent to each other through the nonmagnetic material layer of the magnetic sensing portion is magnetically coupled to each other by magnetic flux generated from both side ends in the width direction, Even when the aspect ratio W / L of the portion is reduced, it is difficult to be affected by the shape magnetic anisotropy generated in the longitudinal direction of the element, and therefore it is possible to prevent the formation of magnetic domains in which the magnetic moment is oriented in the longitudinal direction of the element. Then, a change in the absolute value Hp of the magnitude of the external magnetic field that maximizes the output voltage from the magnetic sensitive part when an external magnetic field is applied to the magnetic sensitive part to which a driving AC current is applied can be suppressed. As a result, variations in the element width W and the element length L of the magnetosensitive portion at the time of manufacture do not directly lead to variations in the characteristics of the magneto-impedance effect element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a magneto-impedance effect element according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of the magneto-impedance effect element of FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the external magnetic field applied to the magneto-impedance effect element of the present invention and the output voltage;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the aspect ratio of the magnetosensitive part of the present invention and the conventional magnetoimpedance effect element and the magnetic field detection sensitivity;
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a soft magnetic thin film, a nonmagnetic material layer, and a soft magnetic thin film are sequentially laminated on a substrate;
6 is a perspective view showing a state in which the soft magnetic thin film, the nonmagnetic material layer, and the soft magnetic thin film of FIG. 5 are patterned;
FIG. 7 is a cross-sectional view of an RF magnetron sputtering apparatus that can be used for carrying out the method of manufacturing a magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 8 is a perspective view showing a liquid quenching device for forming a soft magnetic ribbon;
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a method for applying a driving AC current to a magneto-impedance effect element and applying an external magnetic field;
FIG. 10 is a perspective view showing a conventional magneto-impedance effect element;
FIG. 11 is a conceptual plan view showing a magnetic domain structure of a magnetic sensing part of a conventional magneto-impedance effect element;
FIG. 12 is a conceptual plan view showing a magnetic domain structure of a magnetosensitive part of a conventional magneto-impedance effect element;
FIG. 13 is a graph showing magneto-impedance effect characteristics of a conventional magneto-impedance effect element;
[Explanation of symbols]
21 Substrate
22, 24 Soft magnetic thin film
23 Non-magnetic material layer

Claims (16)

磁気インピーダンス効果を有する軟磁性薄膜或いは薄帯を含む略長方形の感磁部と、前記感磁部の素子長手方向の両端部に接続されて駆動交流電流を与えるための電極部とが設けられている磁気インピーダンス効果素子において、
前記感磁部は、前記軟磁性薄膜或いは薄帯と、非磁性材料層とが交互に積層されたものであり、前記軟磁性薄膜或いは薄帯の磁化容易軸方向が、前記駆動電流が流される方向である素子長手方向と直交しており、
前記駆動交流電流が与えられている前記感磁部の素子長手方向に外部磁界を印加したときの前記感磁部の両端からの出力電圧を最大とする前記外部磁界の大きさの絶対値は、前記感磁部の素子幅Ｗと素子長さＬの比（アスペクト比）Ｗ／Ｌの値を任意に変化させたときに、一定の値を維持することを特徴とする磁気インピーダンス効果素子。A substantially rectangular magnetic sensing part including a soft magnetic thin film or a ribbon having a magnetoimpedance effect, and an electrode part connected to both ends of the element longitudinal direction of the magnetic sensing part to provide a driving AC current are provided. In the magneto-impedance effect element,
The magnetically sensitive portion is formed by alternately laminating the soft magnetic thin film or ribbon and the non-magnetic material layer, and the drive current flows in the easy axis direction of the soft magnetic thin film or ribbon. is perpendicular to the longitudinal direction of the element is a direction,
The absolute value of the magnitude of the external magnetic field that maximizes the output voltage from both ends of the magnetic sensitive part when an external magnetic field is applied in the longitudinal direction of the element of the magnetic sensitive part to which the driving AC current is applied is: A magneto-impedance effect element , wherein a constant value is maintained when the value of the ratio (aspect ratio) W / L of the element width W and the element length L of the magnetosensitive portion is arbitrarily changed . 前記軟磁性薄膜或いは薄帯には、前記磁化容易軸方向に平行な磁壁によって区切られる複数の磁区が形成されており、前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯には、前記複数の磁区がほぼ同じ幅で形成され、互いに重なる位置にある磁区の磁化方向は１８０度異なる方向を向いており、さらに前記非磁性材料層を介して隣接する前記軟磁性薄膜或いは薄帯が、その幅方向の両側端から発生する磁束によって互いに磁気的に結合されている請求項１記載の磁気インピーダンス効果素子。  The soft magnetic thin film or ribbon is formed with a plurality of magnetic domains separated by a domain wall parallel to the easy axis direction of magnetization, and the soft magnetic thin film or ribbon adjacent via the nonmagnetic material layer has The plurality of magnetic domains are formed to have substantially the same width, and the magnetization directions of the magnetic domains in the overlapping positions are different from each other by 180 degrees, and the soft magnetic thin film or ribbon adjacent to each other via the nonmagnetic material layer. 2. The magneto-impedance effect element according to claim 1, wherein the magnetic impedance effect elements are magnetically coupled to each other by magnetic fluxes generated from both side ends in the width direction. 前記軟磁性薄膜或いは薄帯には、磁化容易軸方向に平行な磁壁によって区切られる複数の磁区のみが形成され、磁化方向が素子長手方向となる磁区が形成されない請求項１または２記載の磁気インピーダンス効果素子。  3. The magnetic impedance according to claim 1, wherein the soft magnetic thin film or ribbon is formed only with a plurality of magnetic domains separated by a domain wall parallel to the direction of the easy axis of magnetization, and no magnetic domain is formed in which the magnetization direction is the longitudinal direction of the element. Effect element. 前記感磁部が前記軟磁性薄膜或いは薄帯が前記非磁性材料層の上下に１層ずつ積層された構造である請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。  4. The magneto-impedance effect element according to claim 1, wherein the magnetically sensitive portion has a structure in which the soft magnetic thin film or the ribbon is laminated one above the other on the nonmagnetic material layer. 5. 前記感磁部の前記アスペクト比Ｗ／Ｌが０．３以下である請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。The magneto-impedance effect element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the aspect ratio W / L of the magnetic sensitive part is 0.3 or less. 前記非磁性材料層は、前記軟磁性薄膜の材料の比抵抗よりも大きな比抵抗を持つ材料を用いて形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。It said nonmagnetic material layer, a magnetic impedance effect element according to any of the soft magnetic thin film of claims 1 are formed by using a material having a large specific resistance than the resistivity of the material 5. 前記非磁性材料層は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＳｉＮのうち１種または２種以上から選択された非磁性材料によって形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。Said nonmagnetic material layer to one of SiO 2, Al 2 O 3, Cr 2 O 3, claims 1 and is formed by one or a non-magnetic material selected from two or more of SiN 6 The magneto-impedance effect element as described. 前記軟磁性薄膜は、ｂｃｃ−Ｆｅを主体とし、平均結晶粒径３０ｎｍ以下の微結晶粒組織が少なくとも５０％以上を占め、残部が非晶質からなる請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。The soft magnetic thin film is composed mainly of bcc-Fe, occupy an average grain size 30nm or less fine grain structure over at least 50%, the remainder of any one of claims 1 to 7 of amorphous Magneto-impedance effect element. 前記軟磁性薄膜は、ＦｅとＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂからなる群より選ばれた１種以上の元素Ｍの窒化物もしくは炭化物を含み、ｂｃｃ−Ｆｅ結晶粒の周囲に前記元素Ｍの窒化物もしくは炭化物の微細な結晶粒が存在する請求項８に記載の磁気インピーダンス効果素子。The soft magnetic thin film includes Fe and one or more elements M nitrides or carbides selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Hf, V, W, Mo, and Nb, and includes bcc-Fe crystal grains. 9. The magneto-impedance effect element according to claim 8 , wherein fine crystal grains of nitride or carbide of the element M are present around the element. 前記軟磁性薄膜は、組成式がＦｅhＭiＯjで表され、アモルファス構造を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜として形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗと希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素であり、ｈ、ｉ、ｊはａｔ％で、４５≦ｈ≦７０、５≦ｉ≦３０、１０≦ｊ≦４０、ｈ＋ｉ＋ｊ＝１００の関係を満足するものである。The soft magnetic thin film is represented by a compositional formula of Fe h M i O j, magneto-impedance effect described an amorphous structure to any one of claims 1 to 7 is formed as a microcrystalline soft magnetic alloy thin film mainly element.
However, M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W and rare earth elements, and h, i, and j are at% and 45 ≦ h ≦ 70. The relationship of 5 ≦ i ≦ 30, 10 ≦ j ≦ 40, h + i + j = 100 is satisfied. 前記軟磁性薄膜は、組成式が（Ｃｏ1-cＴc）xＭyＸzＯwで表される微結晶軟磁性合金薄膜として形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、元素Ｔは、Ｆｅ、Ｎｉのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｇｅと希土類元素から選ばれる１種または２種以上の元素であり、Ｘは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる１種あるいは２種以上の元素であり、組成比は、ｃが、０≦ｃ≦０．７、ｘ，ｙ，ｚ，ｗは原子％で、３≦ｙ≦３０、０≦ｚ≦２０、７≦ｗ≦４０、２０≦ｙ＋ｚ＋ｗ≦６０の関係を満足し、残部がｘである。The soft magnetic thin film, composition formula (Co 1-c T c) x M y X z O claims 1 are formed as a microcrystalline soft magnetic alloy thin film represented by w according to 7 or of Magneto-impedance effect element.
However, the element T is an element containing one or both of Fe and Ni, and the element M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, P, C, W, One or more elements selected from B, Al, Ga, Ge and rare earth elements, and X is one selected from Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Os, Ir, Pt, Pd, or It is an element of two or more, and the composition ratio is such that c is 0 ≦ c ≦ 0.7, x, y, z, and w are atomic%, 3 ≦ y ≦ 30, 0 ≦ z ≦ 20, 7 ≦ w The relationship of ≦ 40, 20 ≦ y + z + w ≦ 60 is satisfied, and the balance is x. 前記軟磁性薄膜は、組成式がＴ100-d-e-f-gＸdＭeＺfＱgで表され、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏの１種または２種以上の結晶粒を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜として形成されている請求項８または９のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｘは、Ｓｉ、Ａｌのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素であり、ｄ、ｅ、ｆ、ｇはａｔ％で、０≦ｄ≦２５、１≦ｅ≦１０、０．５≦ｆ≦１５、０≦ｇ≦１０の関係を満足するものである。The soft magnetic thin film is represented by a compositional formula of T 100-defg X d M e Z f Q g, and bcc-Fe, bcc-FeCo, one or more of crystal grains of the bcc-Co mainly magneto-impedance effect element according to any one of claims 8 or 9 is formed as a microcrystalline soft magnetic alloy thin film.
However, the element T is an element containing one or both of Fe and Co, the element X is an element containing either one or both of Si and Al, and the element M is Ti, Zr, One or more elements selected from Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W. The element Z is an element including one or both of C and N. Q is Cr, It is one or more elements selected from Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au, and d, e, f, and g are at%, and 0 ≦ d ≦ 25, 1 ≦ e ≦ 10 , 0.5 ≦ f ≦ 15 and 0 ≦ g ≦ 10 are satisfied. 前記軟磁性薄膜は、組成式がＴ100-p-q-e-f-gＳｉpＡｌqＭeＺfＱgで表され、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏの１種または２種以上の結晶粒を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜として形成されている請求項８または９のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素であり、ｐ、ｑ、ｅ、ｆ、ｇはａｔ％で、８≦ｐ≦１５、０≦ｑ≦１０、１≦ｅ≦１０、０．５≦ｆ≦１５、０≦ｇ≦１０の関係を満足するものである。The soft magnetic thin film is represented by a compositional formula of T 100-pqefg Si p Al q M e Z f Q g, bcc-Fe, bcc-FeCo, mainly one or more of crystal grains of the bcc-Co magneto-impedance effect element according to any one of claims 8 or 9 is formed as a microcrystalline soft magnetic alloy thin film it was.
However, the element T is an element containing one or both of Fe and Co, and the element M is one or more selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W. The element Z is an element containing one or both of C and N, and Q is one or two selected from Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au. P, q, e, f, and g are at%, 8 ≦ p ≦ 15, 0 ≦ q ≦ 10, 1 ≦ e ≦ 10, 0.5 ≦ f ≦ 15, 0 ≦ g The relationship of ≦ 10 is satisfied. 前記軟磁性薄帯は、組成式が（Ｆｅ1-aＣｏa）100-x-y（Ｓｉ1-bＢb）xＭyで示される非晶質軟磁性合金薄帯として形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、ＭはＣｒ、Ｒｕのうちいずれか一方、あるいは両方を含む元素であり、組成比を表すａ、ｂは０．０５≦ａ≦０．１、０．２≦ｂ≦０．８であり、ｘ、ｙはａｔ％で１０≦ｘ≦３５、０≦ｙ≦７の関係を満足するものである。The soft magnetic ribbon, claims formed as an amorphous soft magnetic alloy ribbon represented by the composition formula (Fe 1-a Co a) 100-xy (Si 1-b B b) x M y The magneto-impedance effect element according to any one of 1 to 7 .
However, M is an element containing one or both of Cr and Ru, and a and b representing the composition ratio are 0.05 ≦ a ≦ 0.1 and 0.2 ≦ b ≦ 0.8. , X and y satisfy the relationship of 10 ≦ x ≦ 35 and 0 ≦ y ≦ 7 in at%. 前記軟磁性薄膜は、組成式がＣｏlＴａmＨｆnで表され、アモルファス構造を主体にした非晶質軟磁性合金薄膜として形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、ｌ、ｍ、ｎはａｔ％で、７０≦ｌ≦９０、５≦ｍ≦２１、６．６≦ｎ≦１５、１≦ｍ／ｎ≦２．５の関係を満足するものである。The soft magnetic thin film is represented by a compositional formula of Co l Ta m Hf n, magnetic impedance according to any one of claims 1 to 7 is formed as an amorphous soft magnetic alloy thin film was amorphous structure mainly Effect element.
However, l, m, and n are at% and satisfy the relations of 70 ≦ l ≦ 90, 5 ≦ m ≦ 21, 6.6 ≦ n ≦ 15, and 1 ≦ m / n ≦ 2.5. 前記軟磁性薄膜は、組成式がＣｏaＺｒbＮｂcで表されるアモルファス構造を主体とした非晶質軟磁性合金薄膜として形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
ただし、ａ、ｂ、ｃはａｔ％で、７８≦ａ≦９１、０．５≦ｂ／ｃ≦０．８の関係を満足するものである。The soft magnetic thin film, magnetic impedance according to any one formula is Co a Zr b Nb claims 1 are formed as amorphous soft magnetic alloy thin film mainly composed of amorphous structure represented by c 7 Effect element.
However, a, b, and c are at% and satisfy the relationship of 78 ≦ a ≦ 91 and 0.5 ≦ b / c ≦ 0.8.
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