JP4026050B2

JP4026050B2 - 磁界検出素子

Info

Publication number: JP4026050B2
Application number: JP2002086100A
Authority: JP
Inventors: 宏之阿部; 倫夫中居; 義秋池田; 賢一荒井
Original assignee: NEC Tokin Corp; Miyagi Prefectural Government.
Current assignee: Tokin Corp; Miyagi Prefectural Government.
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003282995A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界検出素子に関し、特に、高直線性・低バイアス型磁気インピーダンス型磁界検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の情報機器や計測・制御機器の急速な発展に伴い、小型・低コストで高感度・高速応答の磁気センサの要求が、ますます大きくなっている。例えば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置では、バルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドと高性能化が進んできている。
【０００３】
さらに、モーターの回転センサであるロータリーエンコーダでは、マグネットリングの磁極数が多くなり、従来用いられている磁気抵抗効果（ＭＲ）センサに代わり、より微弱な表面磁束を、感度良く検出できる磁気センサが必要となってきている。
【０００４】
また、非破壊検査や紙幣検査、さらに生体磁場計測に用いることができる高感度磁気センサの需要も大きくなっている。
【０００５】
現在用いられている代表的な磁気検出素子として、誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。
【０００６】
また、最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサが提案されている（特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、及び特開平７−３３３３０５号公報，参照）。
【０００７】
また、磁性薄膜の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサも提案されている（特開平８−７５８３５号公報、日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．２０、５５３（１９９６）参照）。
【０００８】
誘導型再生磁気ヘッドは、コイル巻線が必要であるため、磁気ヘッド自体が大型化する。また、小型化すると、磁気ヘッドと媒体の相対速度が低い場合、検出感度が著しく低下するという問題がある。これに対し、強磁性膜による磁気抵抗効果（ＭＲ）素子は、磁束の時間変化ではなく、磁束そのものを検出するものであり、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。
【０００９】
しかし、現在のＭＲ素子の電気抵抗の変化率は約２％、スピンバルブ素子を用いたＭＲ素子でさえ、電気抵抗の変化率が最大６％以下と小さい。また、数％の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は、１６００Ａ／ｍ以上と大きい。従って、磁気抵抗感度は０．００１％／（Ａ／ｍ）以下と、低感度である。
【００１０】
また、最近、磁気抵抗変化率が、数１０％を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が見いだされた。しかし、数１０％の抵抗変化を得るためには、数万Ａ／ｍの外部磁界が必要である。
【００１１】
従来の高感度磁気センサであるフラックスゲートセンサは、フェライト、パーマロイ等の高透磁率磁心の対称なＢ−Ｈ特性が、外部磁界によって変化することを利用して、磁気の測定を行うものであり、高分解能と±１°の高指向性を持つ。しかし、検出感度をあげるために、大型の磁心を必要とするため、センサ全体の寸法を小さくすることが難しく、さらに、消費電力が大きいという問題点を持つ。
【００１２】
ホール素子を用いた磁界センサは、電流の流れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両方向に対して垂直な方向に電界が生じて、ホール素子に起電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール素子は、コスト的には有利であるが、磁界検出感度が低い。また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体で構成されるため、温度変化に対して、半導体内の格子の熱振動による散乱によって、電子または正孔の移動度が変化するため、磁界感度の温度特性が悪いという欠点を持つ。
【００１３】
一方、特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報に記載されているように、磁気インピーダンス素子が提案され、大幅な磁界感度の向上を実現している。この磁気インピーダンス素子は、時間的に変化する電流を磁性線に印加することによって生じる、円周磁束の時間変化に対する、電圧のみを外部印加磁界による変化として検出することを基本原理としている磁気インピーダンス素子である。
【００１４】
この磁性線として（ＦｅＣｏＳｉＢ）等、零磁歪の直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤ（線引後、張力アニールしたワイヤ）が用いられており、長さ１ｍｍ程度の微小寸法のワイヤでも、１ＭＨｚ程度の高周波電流を通電すると、ワイヤの電圧の振幅が、ＭＲ素子の１０００倍以上である約１００％／Ｏｅの高感度で変化する。
【００１５】
また、特開平８−３２０３６２号公報、特開平１１−１０９００６号公報に記載されている薄膜型磁気インピーダンス素子は、基板上にスパッタ法、または、めっき法により、磁性体を含む薄膜構造体を形成し、ここに高周波電流を通電することにより、磁気インピーダンス効果を得ている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の薄膜磁気インピーダンス素子において、素子の動作点を保持するために外部から与えなければならない磁界（バイアス磁界）が大きく、電気回路設計が複雑であるとともに、素子駆動に要する消費電力が大きいというデメリットがあった。
【００１７】
そこで、本発明の一技術的課題は、素子インピーダンス特性の、外部磁界に対し単調減少する部分が、低磁界側に現われる特性を有する素子を作製することができ、この部分を、磁界測定に利用することで、素子駆動消費電力を大幅に増加させることなしに、広い測定領域を有する素子を作製することができる磁界検出素子を提供することにある。
【００１８】
また、本発明のもう一つの技術的課題は、外部磁界に対し単調減少する測定領域において、広い直線領域を確保することが可能であり、広い磁界領域において、フィードバック回路なしで精度の高い測定ができる磁界検出素子を提供することにある。
【００１９】
また、本発明のさらにもう一つの技術的課題は、細線素子であるため、素子インピーダンスを高くして、駆動電力を小さくでき、装置の小型化に有効である磁界検出素子を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁界検出素子は、薄膜磁気インピーダンス素子における上記デメリットを克服するものである。
【００２１】
具体的には、磁界検出領域である外部磁界の増加に伴い、素子インピーダンスが減少する領域が、従来素子のバイアス磁界よりも低い磁界に発生するという、従来に無い新規な素子を実現し、従来素子よりも素子駆動に要する消費電力を低くした。
【００２２】
また、前記素子は、検出範囲の広域化をもたらすため、複雑な電気回路による補正なしで、直線性のよい磁界検出が実現可能である。
【００２３】
本発明は、上記課題を解決するために、
（１）薄膜磁性体に、高周波電源から交流電流を供給し、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出する磁界検出素子において、外部磁界の絶対値の増加に対して、インピーダンスが減少する電気的特性を利用して、磁界を検出するように構成し、磁区構造により発現する磁壁の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁が、通電方向に対して傾斜していることによって、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示すことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明では、（２）上記（１）記載の薄膜磁性体において、磁区構造により発現する磁壁の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁と通電方向とのなす角度の小角側が、０〜３０°（０は含まず）であることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明では、（３）上記（１）又は（２）記載の薄膜磁性体は、通電方向に垂直な素子断面の長辺／短辺で定義したアスペクト比と、素子の幅、膜厚および長さを、所定の値に規定したことによって、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示すことを特徴としている。
【００２７】
また、本発明では、（４）上記（１）、（２）、又は（３）記載の薄膜磁性体は、磁性体薄膜の通電方向に垂直な素子断面のアスペクト比が、３以上８以下、磁性体薄膜の幅が、５μｍ以上１５μｍ以下、磁性体薄膜の膜厚が、１．５μｍ以上３．５μｍ以下、磁性体薄膜の長さが、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴としている。
【００２８】
また、本発明では、（５）上記（１）、（２）、（３）又は（４）記載の薄膜磁性体は、外部磁界を検出する際に、高周波電源から供給される交流電流の周波数が、１０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下であることを特徴としている。
【００２９】
さらに、本発明では、（６）上記（１）、（２）、（３）、（４）又は（５）記載の薄膜磁性体は、単層の磁性体で構成される薄膜磁性体、または、磁性体と非磁性体を交互に積層した薄膜磁性体であることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
まず、本発明の原理について説明する。
【００３２】
ここでは、センサ素子は高周波電流の通電方向を長手方向、これと直交する方向を幅方向とする。磁性体は通電する高周波電流により励磁されるが、この際に重要なのは、通電電流の発生する磁界方向である幅方向の高周波透磁率である。薄膜幅方向の高周波透磁率が、外部磁界により変化する現象を、バイアス磁化現象という。この場合、外部磁界に応じて、センサ素子のインピーダンスが大きく変化する。磁性薄膜型の磁気インピーダンス素子を構成する際は、このバイアス磁化現象を発生させるために、検出すべき外部磁界と異なる方向に磁気異方性を付与することで、この特性を実現している。しかし、この場合、センサ素子の動作点であるバイアス磁界は、素子材料に固有の異方性磁界Ｈｋにより規定され、Ｈｋが大きな材料を用いた場合に、アモルファスワイヤ並みの低バイアス素子を実現するのは困難であった。
【００３３】
本発明では、磁性体薄膜において、磁区の傾きを、通電方向と一致しない任意の角度とし、または、通電方向に垂直な素子断面のアスペクト比と、素子の幅、膜厚および長さを、所定の値に限定することで、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する磁気−インピーダンス素子において、高い直線性と低いバイアス磁界を実現した。その条件は、請求項の通りである。
【００３４】
本発明は、１０ＭＨｚ程度の駆動周波数においても有効であり、広い用途に応用可能である。
【００３５】
図１は、本発明の実施の形態による磁界検出素子の磁区構造を示す図である。この図において、１は薄膜磁性体素子、２は磁区、３は磁壁、４は環流磁区、５は通電方向、θは磁壁３と通電方向５とのなす角である。このように、薄膜磁性体素子１の端部に生じる環流磁区４が生成する磁壁３を省き、薄膜表面の磁壁３が通電方向５に対してなす角度の小角側を、０°以上３０°以下とすることにより、素子の動作点となるバイアス磁界を低減し、同時に、直線領域を広げ、素子駆動のための消費電力が少なく、検出可能磁界領域の広い磁界検出素子を実現できる。
【００３６】
また、上記した磁性体単層構造のほかに、磁性体と非磁性体を交互に積層した構造とすることも可能である。
【００３７】
図２は、本発明の実施の形態による磁界検出素子の模式図であり、図２（ａ）は、その斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、ｗは磁性膜の幅、ｔは厚さ（膜厚）を夫々表している。
【００３８】
これらの図において、１１は磁界検出素子、１２は基板（例えば、ガラス）、１３は、その基板１２上に形成される磁性膜または、磁性膜と非磁性膜からなる積層膜、１４はキャリア電流、１５は外部磁界Ｈｅｘｔ、１６と１７は、１３の両端に設けられた電極パット、１８は高周波電源である。
【００３９】
次に、本発明の具体例について説明する。
【００４０】
（例１）
磁界検出素子の磁性体材料組成は、Ｃｏ_８５Ｎｂ_１２Ｚｒ_３であり、Ａｒ雰囲気下のＲＦスパッタ法で、ガラス基板上に成膜後、リフトオフ法でパターニングした。また、イオンミリング法でのパターニングも可能である。成膜後に、磁性膜を磁界中熱処理し、素子幅方向に磁気異方性を付与した。磁界中熱処理条件は、▲１▼回転磁界中熱処理（４０ｋＡ／ｍ、４００℃、２時間）▲２▼静磁界中熱処理（４０ｋＡ／ｍ、４００℃、１時間）である。素子の磁界検出特性は、ヘルムホルツコイルで外部磁界Ｈｅｘｔを印加した際のインピーダンス変化を測定することで、評価した。インピーダンス測定は、ネットワークアナライザ（例えばＨＰ４３９６Ｂ）を用いて、反射法で行なった。
【００４１】
図３に、寸法が、長さ２ｍｍ、膜厚３．０μｍ、幅２５μｍの磁界検出素子の磁気−インピーダンス特性（絶対値）を示した。キャリア周波数は、９０ＭＨｚである。外部磁界の変化に対して、インピーダンスが、近似的に直線で変化する領域を直線変化領域といい、その領域で磁界を検出する。
【００４２】
従来、磁界検出には、図３中にＡと示したインピーダンスが増加する直線変化領域が使われていた。本発明では、図３中にＢと示したインピーダンスが減少する直線変化領域を磁界検出に用いる。インピーダンスが減少する直線変化領域は、増加する直線変化領域よりも、バイアス磁界が大きいという欠点はあるが、磁界範囲が広いという長所がある。図３の素子では、バイアス磁界は約２倍、直線変化領域は約３倍になっている。さらに、磁界検出素子を、請求項２から７に限定することによって、直線変化領域を狭めることなく、バイアス磁界を低減することができる。
【００４３】
図４は、本発明の実施例を示す磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘｔ（１×１０２Ａ／ｍ）に対する、磁気−インピーダンスの特性図である。素子寸法は、膜厚２．０μｍ、長さ２ｍｍ、幅１０μｍで、キャリア周波数は９０ＭＨｚである。この素子の通電方向に対する磁壁の傾きは、約２０°であり、本発明の請求範囲内で、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を持った磁界検出素子が実現している。
【００４４】
図３の素子と比較すると、直線変化領域の拡大と同時に、バイアス磁界が低減している。
【００４５】
図５は、図４と同じ組成、同じ製法の素子の、キャリア周波数９０ＭＨｚにおける磁気−インピーダンス特性である。この素子の寸法は、長さ２ｍｍ、幅２５μｍ、膜厚２．５μｍである。この素子の通電方向に対する磁壁の傾きは、約４０°であり、本発明の条件外である。図４と図５から、本発明の請求範囲内で、インピーダンスの直線変化領域の拡大と、バイアス磁界の低減が、有効に実現していることがわかる。
【００４６】
より広い直線変化領域を得るには、磁壁と通電方向のなす角度が、２０°以下であることがより好ましい。
【００４７】
（例２）
図６は、例２の素子と同組成で、同条件で作製した素子のキャリア周波数９０ＭＨｚでの、磁気−インピーダンス特性である。素子の寸法は、長さ２ｍｍ、幅１５μｍ、膜厚１．５μｍである。長さ、幅、膜厚、キャリア周波数は、本発明の請求項の範囲内に入っているが、幅／膜厚で定義したアスペクト比（＝１０）が範囲外である。図４と図６から、インピーダンスの直線変化領域の拡大とバイアス磁界の低減が、本発明の請求範囲において、有効に実現していることがわかる。
【００４８】
幅／膜厚で定義したアスペクト比、素子の長さ、幅、膜厚およびキャリア周波数のいずれか１つでも請求項の範囲外の値であると、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示さず、直線変化領域は狭く、バイアス磁界は高くなる。
【００４９】
断面形状は、製造方法により矩形、台形、かまぼこ型等になり得るが、いずれの場合も、幅の最大値と膜厚の最大値により、特性は規定される。
【００５０】
（例３）
１．０，１．５，２．０，３．０μｍの各膜厚において、センサ幅が１０，１５，２０，２５μｍで、各センサ幅でセンサ長が０．２，０．５，１，２ｍｍの磁界検出素子を例１と同じ方法で作製した。これら、８０形状の素子の磁気インピーダンス特性を、ネットワークアナライザを用い、反射法で測定した。その結果、表１に示した１０種の素子が本発明の範囲内で、直線変化領域の拡大と、バイアス磁界の提言を実現している。特に、下記表１の試料２，３，及び４の素子は、外部磁界の絶対値に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少するため，試料1、５〜１０の素子よりも直線変化領域が広く、バイアス磁界が小さい。
【００５１】
【表１】

【００５２】
尚、上記表１は、８０形状の素子のなかで、本発明の範囲内で、直線変化領域の拡大とバイアス磁界の提言を実現している素子の寸法と、キャリア周波数５０ＭＨｚと９０ＭＨｚのときの直線変化領域とバイアス磁界とを示している。
【００５３】
また、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５５】
（イ）磁気インピーダンス効果を利用した磁界検出素子について、磁気異方性の容易軸を通電方向に対し直角方向（幅方向）あるいは通電方向と一致しない任意の角度方向とし、さらに通電方向に対する素子断面アスペクト比（幅／厚さ）を、３以上８以下、磁性体薄膜の幅を、５μｍ以上１５μｍ以下、磁性体薄膜の膜厚を、１．５μｍ以上３．５μｍ以下、磁性体薄膜の長さを、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるように作製する。このことにより、素子インピーダンス特性の、外部磁界に対し単調減少する部分が、低磁界側に現われる特性を有する素子を作製することができ、この部分を、磁界測定に利用することで、素子駆動消費電力を大幅に増加させることなしに、従来に比べて３倍以上広い測定領域を有する素子を作製することができる。
【００５６】
（ロ）外部磁界に対し単調減少する測定領域において、従来に比べて、２倍以上広い直線領域を確保することが可能であり、広い磁界領域において、フィードバック回路なしで精度の高い測定を可能にする。
【００５７】
（ハ）細線素子であるため、素子インピーダンスを高くして、駆動電力を小さくできる。また小型化に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による磁界検出素子の磁区構造を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態による磁界検出素子の模式図である。
【図３】磁界検出素子の外部磁界とインピーダンスの関係を示す図である。
【図４】本発明の例１による磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘｔに対するインピーダンスの特性図である。
【図５】本発明の条件外の磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘｔに対するインピーダンスの特性図である。
【図６】本発明の例２における、条件外の磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘｔに対するインピーダンスの特性図である。
【符号の説明】
１薄膜磁性体素子
２磁区
３磁壁
４環流磁区
５通電方向
θ 磁壁と通電方向とのなす角
１１磁界検出素子
１２基板（例えば、ガラス）
１３磁性膜（または、磁性体と非磁性体からなる積層膜）
１４キャリア電流
１５外部磁界Ｈｅｘｔ
１６、１７電極パッド
１８高周波電源

Claims

薄膜磁性体に、高周波電源から交流電流を供給し、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出する磁界検出素子において、外部磁界の絶対値の増加に対して、インピーダンスが減少する電気的特性を利用して、磁界を検出するように構成し、前記薄膜磁性体において、磁区構造により発現する磁壁の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁が、通電方向に対して傾斜していることによって、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示すことを特徴とする磁界検出素子。
請求項１に記載の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体において、磁区構造により発現する磁壁の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁と通電方向とのなす角度の小角側が、０°〜３０°（０は含まず）であることを特徴とする磁界検出素子。
請求項１又は２に記載の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、通電方向に垂直な素子断面の長辺／短辺で定義したアスペクト比と、素子の幅、膜厚および長さを、所定の値に規定したことによって、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示すことを特徴とする磁界検出素子。
請求項１〜３の内のいずれか一つに記載の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、磁性体薄膜の通電方向に垂直な素子断面のアスペクト比が、３以上８以下、磁性体薄膜の幅が、５μｍ以上１５μｍ以下、磁性体薄膜の膜厚が、１．５μｍ以上３．５μｍ以下、磁性体薄膜の長さが、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする磁界検出素子。
請求項１〜４の内のいずれか一つに記載の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、外部磁界を検出する際に、高周波電源から供給される交流電流の周波数が、１０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下であることを特徴とする磁界検出素子。
請求項１〜５の内のいずれか一つに記載の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、単層の磁性体で構成される薄膜磁性体、または、磁性体と非磁性体を交互に積層した薄膜磁性体であることを特徴とする磁界検出素子。