JP4047955B2 - Magnetic impedance sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサに関し、特に高感度磁気センサである磁気インピーダンスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
最近の情報機器や計測・制御機器の急速な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置ではバルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)ヘッドと高性能化が進んできており、モータ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)センサに代わり微弱な表面磁束を感度良く検出できる磁気センサが必要となってきている。また、非破壊検査や紙幣検査に用いることができる高感度センサの需要も大きくなってる。さらに小型軽量の自動車用方位センサ、高精細カラーテレビやパーソナルコンピュータの表示管のアクティヴ磁気シールド用センサなどの需要も高くなっている。
【0003】
現在用いられている代表的な磁気検出素子として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)素子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。また、最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果(特開平6−176930号公報,特開平7−181239号公報,特開平7−333305号公報参照)や磁性薄膜の磁気インピーダンス効果(特開平8−75835号公報,日本応用磁気学会誌vol.20,553(1996)参照)を利用した高感度の磁気センサが提案されている。
【0004】
誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要であるため磁気ヘッド自体が大型化し、また、ディスクが小型化すると磁気ヘッドと媒体の相対速度が低下して検出感度が著しく低下するという問題がある。これに対して、強磁性膜による磁気抵抗効果(MR)素子が用いられるようになってきた。MR素子は磁束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するものであり、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。しかし、現在のMR素子の電気抵抗の変化率は約2%であり、またスピンバルブ素子を用いたMR素子でさえ電気抵抗の変化率が最大6%以下と小さく、数%の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は20Oe以上と大きい。従って磁気抵抗感度は0.1%/Oe以下の低感度である。また、最近、磁気抵抗変化率が数10%を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果(GMR)が見いだされてきた。しかし数10%の抵抗変化を得るためには数百Oeの外部磁界が必要であり、磁気センサとしての実用化はされていない。
【0005】
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、10-6Oeの高分解能と±1°の高指向性を持つ。しかし、検出感度を上げるために反磁界の小さな大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を小さくすることや応答速度を速くすることが難しく、また、消費電力が大きいという問題点を持つ。
【0006】
ホール素子を用いた磁界センサは電流の流れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、またSiやGaAsなどの半導体で構成されるため温度変化に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によって電子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度の温度特性が悪いという欠点を持つ。
【0007】
特開平6−176930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、マイクロ化、高速応答性を実現している。この磁気インピーダンス素子は時間的に急激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表皮効果を利用した円周磁束の時間変化に対する電圧のみを外部印加磁界による変化として検出することを基本原理としている磁気インピーダンス素子である。図16はその磁気インピーダンス素子の例を示したものである。この磁性線としてFeCoSiB 等の零磁歪の直径30μm程度のアモルファスワイヤ(線引後、張力アニールしたワイヤ)が用いられており、図17はワイヤのインピーダンス変化の印加磁界依存性を示したものである。長さ1mm程度の微小寸法のワイヤでも1MHz 程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧の振り幅がMR素子の1000倍以上である約100%/Oeの高感度で変化する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
磁気センサとして、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気センサが求められており、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。また、特開平6−176930号公報,特開平6−347489号公報に示されるものにおいてはバイアス磁界を加えることによりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線性が改善されること、およびアモルファスワイヤに負帰還コイルを巻き、アモルファスワイヤの両端の電圧に比例した電流をコイルに通電し負帰還を施すことにより、直線性と応答速度の優れたしかもセンサ部の温度変化に対して磁界検出感度の不変なセンサが提供できることを示している。
【0009】
しかしながらこの高感度磁気インピーダンス素子は直径30μm程度のアモルファスワイヤからなるため微細加工には適しておらず、超小型の磁気検出素子を提供することは困難であった。また、半田付けによる電極形成が容易でなく特別の工夫をしていた。さらにバイアスコイル、および負帰還コイルはともに細い銅線を巻き回しコイルを作製しなければならず小型化に限界があり、また生産性にも問題があった。
【0010】
一方、特開平8−75835号公報に記載されているものでは磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス素子を提案し、素子の小型化をはかっているが、センサ感度の直線性を改善するためのバイアス磁界印加方法としてハードマグネットを用いる方法と、単板の導体を用いる方法を提案している。バイアスにハードマグネットを用いる方法は作製方法が難しく、また、磁石の経時変化のためバイアス磁界をコントロールすることは容易ではない。また、単板の導体を用いてバイアスをかける方法は構造的には単純であり、またバイアス磁界のコントロールは電流量でコントロールできるが単板の導体であるため実用上必要なバイアス磁界を得るためには非常に大きな電流を流さなければならず、素子の発熱や断線等の問題を持っている。また、負帰還の機能を加えることについては考慮されていない。
【0011】
日本応用磁気学会誌vol.21,649−652(1997)によると、薄膜コイルを薄膜磁気コアの周囲に巻き回してバイアスコイルを形成しているが、この構造はバイアスコイル、および負帰還コイルを同時に持つ構造とはなっていない。また、薄膜コイルにAuを用いていることによりコスト面で問題である。本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、温度特性および量産性に優れた高感度磁気センサを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本願発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と該基板上に形成された薄膜磁気コアと該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極と第二の電極からなる磁気インピーダンスセンサにおいて、上記薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を媒介してバイアスコイルと負帰還コイルを、一定間隔をもって交互に且つ同一方向に巻回した構造を有することを特徴とする磁気インピーダンスセンサが提供される。また、上記バイアスコイルと負帰還コイルは薄膜コイルから構成され、これらの巻数を同一巻き数とすることもできる。磁気インピーダンスセンサを形成する場合、薄膜磁気コアの下面において該薄膜磁気コアから絶縁されて平行に配置された複数の薄膜導体と前記薄膜磁気コアの上面において該薄膜磁気コアから絶縁されて平行に配置された複数の薄膜導体とを有し、薄膜磁気コアの上面と下面の薄膜導体の先端部をそれぞれ電気的に接続して、上記バイアスコイルと負帰還コイルを形成する。上記薄膜磁気コアは、NiFe、CoFeNi、FeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeのめっき膜、あるいはCoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜により形成されている。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による各実施例を図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る磁気インピーダンス(MI)素子を用いた薄膜MIセンサの構造を模式的に示した正面図、図2は図1のA−B線に沿って切断した断面図であり、図3は図1のC−D線に沿って切断した断面図である。実際の薄膜MIセンサ全体は薄膜セラミックス板、ガラス板のような板状体の上に形成されているが、図1ではこれを省略して示している。図1、図2及び図3において、1は平面形状が長方形の薄板状に形成された薄膜磁気コアであるMIセンサ板である。このMIセンサ板としての薄膜磁気コアの形状は、幅20μm、厚さ5μm、長さ500μmである。該MIセンサ板1の周囲には、絶縁物層2、3を介して、バイアスコイル4と負帰還コイル5が同一方向に且つ交互に巻回されている。図には正確に示してはいないが、これらコイルの巻数は、それぞれ20ターンである。バイアスコイル4の両端には、バイアスコイル端子6、7が接続され、負帰還コイル5の両端には、負帰還コイル端子8、9が接続されている。MIセンサ板1の両端には、MIセンサ端子10、11が接続されている。これら端子はAu金属薄膜から成り、先端の巾広部は、外部配線用のパッドとなる。なお、12は、MIセンサ全体を覆う絶縁保護膜である。
【0014】
次に図4を用いて本発明に係る薄膜MIセンサの作製プロセスについて詳細に説明する。なお、図4は図2のA−B断面方向からみた状態で説明している。
図4の(a)はバイアスコイル、および負帰還コイルを構成するコイル下層部であり、それぞれのコイル部パターンの端部において図4の(e)に示すコイル上層部パターンのコイル端部と接続され、図1に示す連続したバイアスコイル4、および負帰還コイル5が構成される。
【0015】
図4の(a)に示すように、コイル下層部は、Al2O3 セラミックウェーハ、Siウェーハ、ガラスウェーハ等の表面平滑性を高めた非磁性基板20上に、50nm程度の厚さのCuスパッタ膜をめっき用のシード層とするために形成し、そのシード層の上に所定のコイル形状の反転パターンのフォトレジストパターンを形成後、フォトレジストパターンの間にCuめっきを約3μmの厚さだけ埋め込み、さらにフォトレジストパターンを有機溶剤等により除去後、Cuスパッタ膜のシード層をエッチングにより除去することによりコイルパターン21が形成される。一方、Cuスパッタ膜を約3μmの厚さだけ成膜し、その後、所定のコイル形状のフォトレジストパターンを形成し、フォトレジストパターンをエッチング用マスクとして、イオンミリング等のエッチング手段によりエッチングし、さらにフォトレジストパターンを有機溶剤等により除去することにより下層コイル部を作製することもできる。上記によるCuコイルの作製方法は導体ワイヤを巻回してコイルを作製する方法や導体薄帯を巻回してコイルを作製する方法に比べてコイル自体を小型化でき、かつコイルを磁気コアに近づけることができるためコイル効率を高めることが可能となる。
【0016】
図4の(b)に示すように、形成されたコイル下層部の上に絶縁物層3を被着する。図4の(c)は絶縁物層3の上に薄膜磁気コアが形成される。この薄膜磁気コアは、NiFe、CoFeNi等のめっき膜、あるいはCoZrNb、FeSiB 、CoSiB 等のアモルファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜などの軟磁性膜が用いられる。ここでNiFeめっき膜を薄膜磁気コアとして用いたときの作成例を示す。まず、50nm程度の厚さのNiFeスパッタ膜をめっき用のシード層とするために形成する。そのシード層の上に所定のコイル形状の反転パターンのフォトレジストパターンを形成し、その後、フォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約5μmの厚さだけ埋め込み、さらにフォトレジストパターンを有機溶剤等により除去後、NiFeスパッタ膜のシード層をエッチングにより除去することにより形成される。CoFeNiめっき膜を薄膜磁気コアとして用いたときも同様のプロセスで作成する。また、薄膜磁気コアを作成した後、回転磁場中、および静止磁場中で熱処理を行うと磁気特性の向上がはかれる。
【0017】
次に、CoZrNb、FeSib 、CoFeB 等のアモルファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜等の軟磁性膜を薄膜磁気コアとして用いる場合の作成プロセスを示す。たとえばCoZrNbスパッタ膜を約5μmの厚さだけ製膜し、その後、所定の磁気コア形状のフォトレジストパターンを形成し、フォトレジストパターンをエッチング用マスクとして用い、イオンミリング等のエッチング手段によりエッチングし、さらにフォトレジストパターンを有機溶剤等により除去することにより下層コイル部分を作製することもできる。一方、所定の薄膜磁気コアの反転形状を薄い金属板に作製し、それをスパッタマスクとして用いるメタルマスク法もあるが、この方法では微細の形状の磁気コアが得られにくく、その寸法精度も悪く好ましくはない。
【0018】
図4の(d)に示すように、薄膜磁気コアの上層に、絶縁物層2を形成する。この絶縁物層2は、次に形成されるコイル上層部分と薄膜磁気コアを電気的に絶縁するための絶縁膜である。成形方法は図4の(b)で示した絶縁物層3の場合と同様である。
次に図4の(e)に示すように、絶縁物層2の表面にバイアスコイル、および負帰還コイルを構成するコイル上層部を形成する。図4の(a)の説明で示したように、それぞれのコイル部の端部において図4の(a)に示すコイル下層部のコイル端部と接続され、連続したバイアスコイル4、および負帰還コイル5が構成される。作製方法は図4の(a)で示したコイル上層部の作成の場合と同様である。
【0019】
図4の(e)に示す工程が終了後、作製された磁気センサ部を保護するための絶縁保護膜12と磁気センサの駆動および検知するための周辺回路との電気的接続を得るためのワイヤーボンド用のボンディングパッド(バイアスコイル端子7、MIセンサ端子10,11等)を設けて図2の状態にする。絶縁保護膜12は、図4の(b)で示した絶縁物層3と同様にフォトレジストを露光、現像の工程を行い所定の絶縁物層の形状に形成後270℃、10時間の熱処理を行い硬化させたものを用いる。また、ポリイミドなどの樹脂を硬化させたものやSi02等の無機膜を所定の形状に形成したものを用いてもかまわない。ワイヤーボンド用のボンディングパッドは、Auめっき膜、あるいはAuスパッタ膜で作製される。その作製工程はCuコイルの場合とほぼ同様の工程で作製される。
このように図4の(a)から順に図4の(e)、図2まで薄膜プロセスが積み上げられて薄膜MIセンサが作成される。
【0020】
磁気インピーダンス効果(MI効果)は高透磁率磁性体に高周波電流を通電すると、その両端のインピーダンスが通電方向に印加した外部磁場によって変化する現象である。つまり、磁性体の内部インダクタンス分Liと、表皮効果によって電流周波数fとともに増加する抵抗分Rwによるインピーダンス
Z=Rw(μθ)+jωLi(μθ)・・・・・(1)
が、外部から磁界を印加することにより変化する磁性体の幅方向の透磁率μの関数として変化することによるものである。
薄膜の場合、表皮効果が顕著な高周波領域(膜厚d>2δ)における薄膜の抵抗Rwは直流抵抗をRdc とすると、
Rw=Rdc (d /2 δ)
と表すことができる。
一方、d>2δの場合、インダクタンスは、
L =Li(2 δ/d )
と表すことができる。
ここで、δは表皮の深さを示し、図5に示す値となる。
従って、薄膜のインピーダンスZは、
Z=Rdc (d /2 δ)+jωLi(2 δ/d )
となる。
ここで、薄膜の厚さは、d=2aであり、また幅W、長さlとすると、薄膜のインピーダンスZの絶対値は図6に示すものとなる。
ここで、表皮の深さδは図5の示すところであるので、薄膜のインピーダンスZの絶対値は透磁率μθの関数となる。
【0021】
図7の(a)に示されるように薄膜のパターンの幅方向に一軸異方性が付与されているとき、磁化ベクトルは幅方向を向いて磁区構造は180°磁壁を持つ構造となる。ところでこの薄膜の長さ方向に高周波電流を流した場合、幅方向の高周波磁界が生じるが、180°磁壁の移動は渦電流制動により妨げられる。また、高周波磁界方向と磁化ベクトルの向きが同じ方向であるため回転磁化は起こりにくい。このため磁束の変化は少なくμθは小さい。
【0022】
一方、薄膜パターンの長さ方向に外部磁界Hex を印可すると磁化ベクトルの向きが幅方向から傾くので、高周波電流により生じる磁界により磁化ベクトルの回転が起こり(回転磁化)磁束の変化が生じるのでμθが大きくなる。外部磁界Hex がパターンの異方性磁界Hkと同じになったときμθは最大となり、このときインピーダンスΖは最大となる。さらにHex が大きく(Hex >Hk)なると磁化ベクトルはHex に固定されるため磁化ベクトルの回転が抑制され、μθは小さくなっていき、それにともないZも小さくなっていく。
これらの現象を回転磁化モデルに基づき図7の(b)を用いて検証する。H θ=0の場合の回転角θ0は、図8に示す式(3)のエネルギー極小条件により定まる。
従って、
Hk = 2Ku/Msを用いて、
θ0 =Hex /Hk が得られる。
ここでH θによる回転角の変化|Δθ|>θ0 とすると幅方向の磁化変化分ΔΜは次式で表せられる。
ΔM=Ms COSθ0 Δθ ・・・・・(4)
またH θによる項を含めた全エネルギーは次式で表せられる。
E=−Ms( Hθ+Hk) COS[π/2−( θ0 + Δθ)]−Ms Hex COS( θ0 + Δθ)・・・・・(5)
(5)式を用い、図9に示す(7)式よりΔθを求め、(4)式に代入すると、図9に示す(6)式となる。
従ってHex <Hkでは磁界の増加とともにμθすなわちΖが増加し、Hex =Hkで最大値をとった後、磁界の増加とともに減少することが示される。
また、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときにはHex による幅方向のμθはほとんど変化しないのでMI効果は非常に小さくなる。
【0023】
次に、作成した薄膜MIセンサの特性について述べる。ここで薄膜磁気コアの寸法は幅20μm、厚さ5μm、長さ500μmであり、通電電流は10mAである。またバイアス用、負帰還用コイルは同一面上に交互に巻き回されており、その巻き数はそれぞれ20ターンである。バイアス用、負帰還用コイルを同一面上に交互に薄膜磁気コアに巻き回す構造により磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサとしての特性が安定する。図10は薄膜磁気コアをNiFeめっきで作成したときの薄膜磁気センサにセンサの長さ方向に0および30Oeの磁界(Hex )を印加したときのセンサ両端電極Ε(Ε=Ζ*I)の通電電流周波数特性である。Hex =0のときとHex =30OeのときのΕの差ΔΕは通電電流の周波数20MHz 付近で最大であった。図11は通電電流周波数を20MHz (10mA)一定としたときのインピーダンスの変化率の印加磁界(Hex )依存性を示したものである。印加磁界を大きくしていくとインピーダンスの変化率ΔΖ/Zoは大きくなり、素子の異方向性磁界HKのところでΔΖ/Zoは最大となり、さらにHex >HkではΔΖ/Zoは小さくなっていく。これらの結果は前述の理論式で示した特性となった。また、単位印加磁界あたりのインピーダンスの変化量(磁界感度)はHex =20Oe前後で最大となり1.5%/Oeの磁界感度を示した。
【0024】
磁気センサとして用いるときは最大感度のところに動作点を持ってくることによりセンサ感度を向上することができる。図12はバイアスコイルに電流を流すことにより薄膜磁性体に20Oeのバイアス磁界を加え動作点を変えたときのインピーダンスの変化率ΔΖ/Zoの印加磁界(Hex )依存性を示したものである。この図からわかるように20Oeのバイアス磁界を薄膜コイルを用いて磁気コアに印可することにより磁界0Oeのところに磁界感度が最大になるようなMI特性が得られた。
【0025】
図13はコイル起磁力(電流と巻き数の積)とバイアス磁界の関係を示したものである。薄膜コイルをバイアスコイルとして用いた場合、28(Oe/AT)のグラフの傾斜であり、比較として検討した30μm径のアモルファスワイヤに銅線を巻き回したバイアスコイルを作製した場合には2(Oe/AT)であった。薄膜コイルはNiFe薄膜コアに近接し、かつ緻密にコイルを形成できることにより銅線を巻き回したバイアスコイルに比べて電流を磁束に変換するコイル効率は10倍以上高いものであった。
【0026】
一方、バイアスコイルを用いて印加磁界0に最大感度を持ってくるように動作点を移動した場合、図12に示すように磁界に対するインピーダンスの変化(出力の変化)の直線性はあまり良くないものとなっている。この直線性を改善する方法として出力信号をフィードバックし負帰還コイルを用いて磁界に対する出力の非直線性を補正するだけの磁界を薄膜磁気コアに負帰還磁界として加えることにより出力信号を補正し直線性を得る方法がとられている。図14にリニア磁界MIセンサの電子回路のブロック図を示す。この回路により動作点を最大感度の点に移動し、出力信号をフィードバックし、薄膜コアに負帰還磁界を加え感度特性の直線性を高めている。
【0027】
図15は図14の回路を用いてバイアスコイル磁界20Oe、負帰還率50%の負帰還をかけたときの印加磁界に対する出力電圧の関係を示したものである。ここで通電電流の周波数は20MHz であり出力の増幅度は500倍である。図に示すように±3Oeの測定磁界内で優れた直線性を示し、かつ、10-5Oeの磁界分解能を示した。これらの結果はリニア磁界センサとして良好な特性である。また、比較としたアモルファスワイヤに銅線を巻き回した負帰還コイルを用いた素子の場合では、図と同等の直線を得るためには約300%の負帰還をかけなければならなかった。アモルファスワイヤに銅線を巻き回した負帰還コイルに対して、薄膜コイルは約1/6の負帰還率で同等の直線性を得られたのはバイアスコイルのところで述べたように薄膜コイルのコイル効率が高いことによるものである。
上記は測定の一例であり、その他のMIセンサの駆動方法として低消費電力駆動が可能なC−MOSICを用いてのパルス励磁型MI効果を用いることも可能である。さらに、バイアス磁界の印加方法もパルス励磁と連動したパルスを印加することが可能であり、これにより必要なバイアス磁界を得ることができる。
【0028】
以上、本発明を上述の実施の形態により説明したが、本発明の趣旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、バイアスコイル4と負帰還コイル5とを同巻数とせず、図18に示すように、負帰還コイル5を、バイアスコイル4を跨ぐ連結線5’で一部短絡接続し、バイアスコイル4と負帰還コイル5との巻数を変えても良い。もちろん、バイアスコイル4の一部を連結線で接続して、バイアスコイルと負帰還コイルとの巻数を変えるようにしても良い。そして、これらの変形や応用を本発明の範囲から排除するものではない。
【0029】
【発明の効果】
薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を介してバイアス用、および負帰還用薄膜コイルを形成した薄膜MIセンサ構造により、磁気センサの小型化・高信頼化・量産化が可能となり、かつ、上記のような構造に作製された薄膜コイルはコイル効率がよいため、少ない電流で必要なバイアス磁界が得られ、また、少ない負帰還量で磁界に対する出力の直線性の改善が可能となる。これらのことから高感度で感度の直線性が良く、温度特性の優れた薄膜リニア磁界センサを提供できる。
また、バイアス用薄膜コイル、および負帰還用薄膜コイルを交互に巻き回すことにより薄膜の磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサとしての特性が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る磁気インピーダンス(MI)素子を用いた薄膜MIセンサの構造を模式的に示した正面図である。
【図2】図2は、図1のA−B線に沿って切断した断面図である。
【図3】図3は、図1のC−D線に沿って切断した断面図である。
【図4】図4は、本発明に係る磁気インピーダンスセンサの製造工程を示す断面図である。
【図5】図5は、δの値を示す方程式図である。
【図6】図6は、インピーダンスの絶対値を示す方程式図である。
【図7】図7は、薄膜MIセンサの磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図8】図8は、EOの値を示す方程式である。
【図9】図9は、ΔM0 の値を示す方程式図である。
【図10】図10は、出力の通電電流周波数依存性を示す特性図である。
【図11】図11は、インピーダンス変化率の磁界依存性を示す特性図である。
【図12】図12は、20Oeのバイアス磁界を印加したときのインピーダンス変化率の磁界依存性を示す特性図である。
【図13】図13は、バイアス磁界強度のバイアスコイル起磁力依存性を示す特性図である。
【図14】図14は、本発明に係る磁気インピーダンスセンサを用いた回路ブロック図である。
【図15】図15は、本発明に係る磁気インピーダンスセンサのリニアセンシング特性を示す特性図である。
【図16】図16は、磁気インピーダンスセンサを用いた回路ブロック図である。
【図17】図17は、アモルファスワイヤのMI効果を示す特性図である。
【図18】図18は、別の実施の形態を示す正面図である。
【符号の説明】
1・・・・・MIセンサ板
2・・・・・絶縁物層
3・・・・・絶縁物層
4・・・・・バイアスコイル
5・・・・・負帰還コイル
6・・・・・バイアスコイル端子
7・・・・・バイアスコイル端子
8・・・・・負帰還コイル端子
9・・・・・負帰還コイル端子
10・・・・・MIセンサ端子
11・・・・・MIセンサ端子
12・・・・・絶縁保護膜
20・・・・・非磁性基板
21・・・・・コイルパターン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic impedance sensor that is a highly sensitive magnetic sensor.
[0002]
[Prior art]
With the recent rapid development of information equipment and measurement / control equipment, there is an increasing demand for small, low-cost, high-sensitivity, high-speed response magnetic sensors. For example, hard disk drives for computer external storage devices have been improved in performance from bulk type inductive magnetic heads to thin film magnetic heads and magnetoresistive effect (MR) heads. As the number of magnetic poles in the ring increases, a magnetic sensor capable of detecting a weak surface magnetic flux with high sensitivity is required instead of the conventionally used magnetoresistive effect (MR) sensor. In addition, there is an increasing demand for high-sensitivity sensors that can be used for nondestructive inspection and banknote inspection. In addition, there is a growing demand for compact and lightweight automobile orientation sensors, high-definition color televisions, and active magnetic shield sensors for display tubes of personal computers.
[0003]
Typical magnetic detection elements currently used include an inductive reproducing magnetic head, a magnetoresistive effect (MR) element, a fluxgate sensor, and a Hall element. Recently, the magneto-impedance effect of amorphous wires (see JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, JP-A-7-333305) and the magnetic impedance effect of a magnetic thin film (JP-A-8-75835). A high-sensitivity magnetic sensor using a gazette, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, vol.20, 553 (1996)) has been proposed.
[0004]
The induction type reproducing magnetic head requires a coil winding, so that the size of the magnetic head itself is increased. Further, when the disk is reduced in size, the relative speed between the magnetic head and the medium is decreased, and the detection sensitivity is significantly decreased. On the other hand, a magnetoresistive effect (MR) element using a ferromagnetic film has been used. The MR element detects not the time change of the magnetic flux but the magnetic flux itself, and the miniaturization of the magnetic head has been promoted. However, the current MR element has an electrical resistance change rate of about 2%, and even an MR element using a spin valve element has a small electrical resistance change rate of 6% or less and obtains a resistance change of several percent. The external magnetic field required for this is as large as 20 Oe or more. Therefore, the magnetoresistive sensitivity is as low as 0.1% / Oe or less. Recently, a giant magnetoresistance effect (GMR) using an artificial lattice having a magnetoresistance change rate of several tens of percent has been found. However, in order to obtain a resistance change of several tens of percent, an external magnetic field of several hundred Oe is required, and it has not been put into practical use as a magnetic sensor.
[0005]
A fluxgate sensor, which is a conventional high-sensitivity magnetic sensor, measures magnetism by utilizing the fact that the symmetrical BH characteristic of a high-permeability magnetic core such as Permalloy is changed by an external magnetic field. -6 High resolution of Oe and high directivity of ± 1 °. However, in order to increase the detection sensitivity, a large magnetic core with a small demagnetizing field is required, and it is difficult to reduce the overall size of the sensor and increase the response speed, and the power consumption is high.
[0006]
A magnetic field sensor using a Hall element utilizes a phenomenon in which, when a magnetic field is applied perpendicularly to the plane of current flow, an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current and applied magnetic fields, and an electromotive force is induced in the Hall element. It is a sensor. Although the Hall element is advantageous in terms of cost, the magnetic field detection sensitivity is low, and since it is composed of a semiconductor such as Si or GaAs, electrons or holes are scattered by scattering due to thermal oscillation of the lattice in the semiconductor against temperature changes. Since the mobility changes, the temperature characteristic of the magnetic field sensitivity is bad.
[0007]
As described in JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, and JP-A-7-333305, a magneto-impedance element has been proposed, which greatly improves magnetic field sensitivity, is miniaturized, and has high-speed response. Is realized. The basic principle of this magneto-impedance element is to detect only the voltage against the time change of the circumferential magnetic flux using the skin effect generated by applying a current that changes rapidly with time to the magnetic wire as a change due to the externally applied magnetic field. It is a magnetic impedance element. FIG. 16 shows an example of the magneto-impedance element. As this magnetic wire, an amorphous wire having a diameter of about 30 μm with a zero magnetostriction such as FeCoSiB (wire subjected to tension annealing after drawing) is used. FIG. 17 shows the applied magnetic field dependence of the impedance change of the wire. . Even if a wire with a minute dimension of about 1 mm in length is applied with a high frequency current of about 1 MHz, the amplitude of the wire voltage changes with a high sensitivity of about 100% / Oe, which is 1000 times or more that of the MR element.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As a magnetic sensor, there is a demand for a high-sensitivity magnetic sensor that is small, low-cost, excellent in output linearity with respect to the detected magnetic field, and excellent in temperature characteristics. A magnetic sensor that uses the magneto-impedance effect of amorphous wire is a highly sensitive magnetic field. The detection characteristics are shown. In addition, in the ones disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-176930 and 6-347490, the linearity of the applied magnetic field dependency of the impedance change is improved by applying a bias magnetic field, and the amorphous wire is negatively affected. By winding a feedback coil and applying negative feedback by applying a current proportional to the voltage across the amorphous wire to the coil, the linearity and response speed are excellent, and the magnetic field detection sensitivity is invariant to changes in the sensor temperature. It shows that the sensor can provide.
[0009]
However, since this high-sensitivity magneto-impedance element is made of an amorphous wire having a diameter of about 30 μm, it is not suitable for fine processing, and it has been difficult to provide an ultra-small magnetic detection element. Moreover, it is not easy to form electrodes by soldering, and special measures have been taken. Further, both the bias coil and the negative feedback coil have to be manufactured by winding a thin copper wire, and there is a limit to miniaturization, and there is a problem in productivity.
[0010]
On the other hand, what is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-75835 proposes a magnetic impedance element using a magnetic thin film to reduce the size of the element, but a bias magnetic field for improving the linearity of sensor sensitivity. A method using a hard magnet and a method using a single-plate conductor are proposed as an application method. A method using a hard magnet for the bias is difficult to manufacture, and it is not easy to control the bias magnetic field due to the change of the magnet over time. In addition, the method of applying a bias using a single-plate conductor is structurally simple, and the bias magnetic field can be controlled by the amount of current, but since it is a single-plate conductor, in order to obtain a practically necessary bias magnetic field. In this case, a very large current must be passed, which causes problems such as heat generation and disconnection of the element. Also, no consideration is given to adding a negative feedback function.
[0011]
Journal of Japan Society of Applied Magnetics vol. 21, 649-652 (1997), a thin film coil is wound around a thin film magnetic core to form a bias coil, but this structure is a structure having a bias coil and a negative feedback coil at the same time. Absent. Moreover, since Au is used for the thin film coil, there is a problem in terms of cost. The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a high-sensitivity magnetic sensor that is small in size and low in cost and excellent in output linearity, temperature characteristics, and mass productivity with respect to a detection magnetic field.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, the substrate comprises a substrate made of a non-magnetic material, a thin film magnetic core formed on the substrate, and a first electrode and a second electrode provided at both longitudinal ends of the thin film magnetic core. A magneto-impedance sensor having a structure in which a bias coil and a negative feedback coil are alternately wound at regular intervals in the same direction through an insulator around the thin-film magnetic core. Provided. Further, the bias coil and the negative feedback coil are constituted by thin film coils, and the number of turns can be the same. When forming a magneto-impedance sensor, a plurality of thin film conductors arranged in parallel and insulated from the thin film magnetic core on the lower surface of the thin film magnetic core and arranged in parallel and insulated from the thin film magnetic core on the upper surface of the thin film magnetic core The bias coil and the negative feedback coil are formed by electrically connecting the tip portions of the thin film conductors on the upper surface and the lower surface of the thin film magnetic core, respectively. The thin film magnetic core is formed of a NiFe, CoFeNi, FeP, FeNiP, FeCoP, FeNiCoP, CoB, NiCoB, FeNiCoB, FeCoB, CoFe plated film, or a CoZrNb, FeSiB, CoSiB amorphous sputtered film or a NiFe sputtered film. .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view schematically showing the structure of a thin film MI sensor using a magneto-impedance (MI) element according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line CD in FIG. The actual thin film MI sensor as a whole is formed on a plate-like body such as a thin film ceramic plate or glass plate, but this is omitted in FIG. 1, 2, and 3, reference numeral 1 denotes an MI sensor plate that is a thin-film magnetic core formed in a thin plate shape having a rectangular planar shape. The thin film magnetic core as the MI sensor plate has a width of 20 μm, a thickness of 5 μm, and a length of 500 μm. A bias coil 4 and a negative feedback coil 5 are wound around the MI sensor plate 1 alternately in the same direction via insulator layers 2 and 3. Although not shown correctly in the figure, each of these coils has 20 turns. Bias coil terminals 6 and 7 are connected to both ends of the bias coil 4, and negative feedback coil terminals 8 and 9 are connected to both ends of the negative feedback coil 5. MI sensor terminals 10 and 11 are connected to both ends of the MI sensor plate 1. These terminals are made of an Au metal thin film, and the wide portion at the tip serves as a pad for external wiring. Reference numeral 12 denotes an insulating protective film that covers the entire MI sensor.
[0014]
Next, a manufacturing process of the thin film MI sensor according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. Note that FIG. 4 is described in a state viewed from the cross-sectional direction of AB in FIG.
4A is a coil lower layer part constituting a bias coil and a negative feedback coil, and is connected to the coil end part of the coil upper layer part pattern shown in FIG. 4E at the end part of each coil part pattern. Thus, the continuous bias coil 4 and negative feedback coil 5 shown in FIG. 1 are configured.
[0015]
As shown in FIG. 4A, the coil lower layer is made of Al. 2 O Three A Cu sputtered film with a thickness of about 50 nm is formed on a non-magnetic substrate 20 with improved surface smoothness such as a ceramic wafer, Si wafer, glass wafer or the like to serve as a seed layer for plating. After forming a photoresist pattern with an inverted pattern of a predetermined coil shape, Cu plating is embedded in the photoresist pattern to a thickness of about 3 μm, and after removing the photoresist pattern with an organic solvent, etc., a Cu sputtered film seed The coil pattern 21 is formed by removing the layer by etching. On the other hand, a Cu sputtered film is formed to a thickness of about 3 μm, and then a predetermined coil-shaped photoresist pattern is formed. Using the photoresist pattern as an etching mask, etching is performed by an etching means such as ion milling. The lower coil part can also be produced by removing the photoresist pattern with an organic solvent or the like. The Cu coil production method described above can reduce the size of the coil itself and bring the coil closer to the magnetic core compared to the method of producing a coil by winding a conductor wire or the method of producing a coil by winding a conductor ribbon. Therefore, coil efficiency can be increased.
[0016]
As shown in FIG. 4B, the insulator layer 3 is deposited on the formed coil lower layer. In FIG. 4C, a thin film magnetic core is formed on the insulator layer 3. For this thin film magnetic core, a plated film such as NiFe or CoFeNi, an amorphous sputtered film such as CoZrNb, FeSiB or CoSiB, or a soft magnetic film such as a NiFe sputtered film is used. Here, an example of creation when a NiFe plating film is used as a thin film magnetic core is shown. First, a NiFe sputtered film having a thickness of about 50 nm is formed to serve as a seed layer for plating. On the seed layer, an inverted pattern of a photoresist pattern with a predetermined coil shape is formed. After that, NiFe plating is embedded in the photoresist pattern to a thickness of about 5 μm, and the photoresist pattern is removed with an organic solvent or the like. Thereafter, the NiFe sputtered film is formed by removing the seed layer by etching. The same process is used when a CoFeNi plating film is used as a thin film magnetic core. In addition, when a thin film magnetic core is formed and then heat treatment is performed in a rotating magnetic field and in a static magnetic field, the magnetic properties are improved.
[0017]
Next, a production process when an amorphous sputtered film such as CoZrNb, FeSib, or CoFeB or a soft magnetic film such as a NiFe sputtered film is used as a thin film magnetic core will be described. For example, a CoZrNb sputtered film is formed to a thickness of about 5 μm, and then a photoresist pattern having a predetermined magnetic core shape is formed. Using the photoresist pattern as an etching mask, etching is performed by etching means such as ion milling, Further, the lower layer coil portion can be produced by removing the photoresist pattern with an organic solvent or the like. On the other hand, there is a metal mask method in which a reverse shape of a predetermined thin film magnetic core is produced on a thin metal plate and used as a sputtering mask. However, this method makes it difficult to obtain a magnetic core with a fine shape, and its dimensional accuracy is poor. It is not preferable.
[0018]
As shown in FIG. 4D, the insulator layer 2 is formed on the thin film magnetic core. The insulator layer 2 is an insulating film for electrically insulating a coil upper layer portion to be formed next and the thin film magnetic core. The forming method is the same as in the case of the insulator layer 3 shown in FIG.
Next, as shown in FIG. 4E, a coil upper layer portion constituting a bias coil and a negative feedback coil is formed on the surface of the insulating layer 2. As shown in the explanation of FIG. 4A, the end of each coil portion is connected to the coil end of the lower coil portion shown in FIG. A coil 5 is configured. The manufacturing method is the same as in the case of forming the coil upper layer portion shown in FIG.
[0019]
After completion of the step shown in FIG. 4 (e), a wire for obtaining an electrical connection between the insulating protective film 12 for protecting the manufactured magnetic sensor portion and a peripheral circuit for driving and detecting the magnetic sensor. Bonding pads (bias coil terminal 7, MI sensor terminals 10, 11 etc.) are provided to obtain the state shown in FIG. The insulating protective film 12 is exposed to light and developed in the same manner as the insulating layer 3 shown in FIG. 4B to form a predetermined insulating layer shape, and then heat-treated at 270 ° C. for 10 hours. Use hardened material. Also, a cured resin such as polyimide or Si0 2 For example, an inorganic film formed in a predetermined shape may be used. A bonding pad for wire bonding is made of an Au plating film or an Au sputtered film. The manufacturing process is substantially the same as that of the Cu coil.
As described above, the thin film processes are stacked in order from FIG. 4A to FIG. 4E and FIG. 2 to produce a thin film MI sensor.
[0020]
The magneto-impedance effect (MI effect) is a phenomenon in which when a high-frequency magnetic material is energized with a high-frequency current, the impedance at both ends thereof is changed by an external magnetic field applied in the energizing direction. That is, the impedance due to the internal inductance Li of the magnetic material and the resistance Rw that increases with the current frequency f due to the skin effect.
Z = Rw (μθ) + jωLi (μθ) (1)
However, it is because it changes as a function of the magnetic permeability μ in the width direction of the magnetic material, which changes by applying a magnetic field from the outside.
In the case of a thin film, the resistance Rw of the thin film in the high frequency region where the skin effect is remarkable (film thickness d> 2δ) is DC resistance Rdc.
Rw = Rdc (d / 2 δ)
It can be expressed as.
On the other hand, when d> 2δ, the inductance is
L = Li (2 δ / d)
It can be expressed as.
Here, δ indicates the depth of the skin, which is the value shown in FIG.
Therefore, the impedance Z of the thin film is
Z = Rdc (d / 2δ) + jωLi (2δ / d)
It becomes.
Here, when the thickness of the thin film is d = 2a, and the width W and the length 1 are given, the absolute value of the impedance Z of the thin film is as shown in FIG.
Here, since the depth δ of the skin is as shown in FIG. 5, the absolute value of the impedance Z of the thin film is a function of the permeability μθ.
[0021]
As shown in FIG. 7A, when uniaxial anisotropy is imparted in the width direction of the thin film pattern, the magnetization vector faces the width direction, and the magnetic domain structure has a 180 ° domain wall. By the way, when a high-frequency current is passed in the length direction of this thin film, a high-frequency magnetic field is generated in the width direction, but the movement of the 180 ° domain wall is hindered by eddy current braking. Further, since the direction of the high-frequency magnetic field and the direction of the magnetization vector are the same, rotational magnetization is unlikely to occur. For this reason, the change in magnetic flux is small and μθ is small.
[0022]
On the other hand, when the external magnetic field Hex is applied in the length direction of the thin film pattern, the direction of the magnetization vector is tilted from the width direction. Therefore, the magnetization vector is rotated by the magnetic field generated by the high-frequency current (rotational magnetization). growing. When the external magnetic field Hex becomes the same as the anisotropic magnetic field Hk of the pattern, μθ becomes maximum, and at this time, the impedance Ζ becomes maximum. Further, when Hex increases (Hex> Hk), the magnetization vector is fixed to Hex, so that rotation of the magnetization vector is suppressed, μθ decreases, and Z decreases accordingly.
These phenomena are verified using FIG. 7B based on the rotational magnetization model. Rotation angle θ when H θ = 0 0 Is determined by the energy minimum condition of equation (3) shown in FIG.
Therefore,
Using Hk = 2Ku / Ms,
θ 0 = Hex / Hk is obtained.
Here, change of rotation angle by H θ | Δθ |> θ 0 Then, the magnetization change Δ 変 化 in the width direction is expressed by the following equation.
ΔM = Ms COSθ 0 Δθ (4)
The total energy including the term due to Hθ is expressed by the following equation.
E = −Ms (Hθ + Hk) COS [π / 2− (θ 0 + Δθ)] − Ms Hex COS (θ 0 + Δθ) (5)
When Δθ is obtained from the equation (7) shown in FIG. 9 using the equation (5) and substituted into the equation (4), the equation (6) shown in FIG. 9 is obtained.
Therefore, when Hex <Hk, μθ, that is, Ζ increases as the magnetic field increases, and after Hex = Hk reaches the maximum value, it decreases as the magnetic field increases.
Also, when the magnetization vector is oriented in the length direction of the thin film pattern, the MI effect is very small because μθ in the width direction due to Hex hardly changes.
[0023]
Next, the characteristics of the prepared thin film MI sensor are described. Here, the dimensions of the thin film magnetic core are a width of 20 μm, a thickness of 5 μm, a length of 500 μm, and an energization current of 10 mA. The bias and negative feedback coils are alternately wound on the same surface, and the number of turns is 20 turns. Bias and negative feedback coils are wound around a thin film magnetic core alternately on the same surface, so that a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field can be applied uniformly to each part of the magnetic core, and the characteristics as a magnetic sensor are stabilized. . Fig. 10 shows the energization of the sensor electrode Ε (Ε = Ζ * I) when a magnetic field (Hex) of 0 and 30 Oe is applied to the thin film magnetic sensor when the thin film magnetic core is made of NiFe plating. It is a current frequency characteristic. The difference ΔΕ between Hex = 0 and Hex = 30 Oe was the maximum at a current flow frequency of 20 MHz. FIG. 11 shows the dependence of the impedance change rate on the applied magnetic field (Hex) when the energization current frequency is constant at 20 MHz (10 mA). As the applied magnetic field is increased, the impedance change rate Δ イ ン ピ ー ダ ン ス / Z o Becomes larger, and ΔΖ / Z at the element's anisotropic magnetic field HK o Becomes the maximum, and ΔΖ / Z for Hex> Hk o Is getting smaller. These results were the characteristics shown by the above theoretical formula. Further, the amount of change in impedance per unit applied magnetic field (magnetic field sensitivity) was maximum around Hex = 20 Oe, indicating a magnetic field sensitivity of 1.5% / Oe.
[0024]
When used as a magnetic sensor, sensor sensitivity can be improved by bringing the operating point to the maximum sensitivity. FIG. 12 shows the rate of change in impedance ΔΖ / Z when the operating point is changed by applying a bias magnetic field of 20 Oe to the thin film magnetic material by passing a current through the bias coil. o This shows the dependence on the applied magnetic field (Hex). As can be seen from this figure, by applying a bias magnetic field of 20 Oe to the magnetic core using a thin film coil, an MI characteristic that maximizes the magnetic field sensitivity at a magnetic field of 0 Oe was obtained.
[0025]
FIG. 13 shows the relationship between the coil magnetomotive force (product of current and number of turns) and the bias magnetic field. When a thin film coil is used as a bias coil, the slope of the graph is 28 (Oe / AT). When a bias coil in which a copper wire is wound around an amorphous wire having a diameter of 30 μm examined as a comparison is 2 (Oe / AT). / AT). The thin-film coil is close to the NiFe thin-film core and can form the coil densely, so that the coil efficiency for converting the current into the magnetic flux is more than 10 times higher than that of the bias coil wound with the copper wire.
[0026]
On the other hand, when the operating point is moved so as to bring the maximum sensitivity to the applied magnetic field 0 using a bias coil, the linearity of the impedance change (output change) with respect to the magnetic field is not very good as shown in FIG. It has become. As a method of improving this linearity, the output signal is fed back to the thin film magnetic core as a negative feedback magnetic field by feeding back the output signal and correcting the nonlinearity of the output with respect to the magnetic field using a negative feedback coil. A way to get sex is taken. FIG. 14 shows a block diagram of an electronic circuit of the linear magnetic field MI sensor. This circuit moves the operating point to the point of maximum sensitivity, feeds back the output signal, and adds a negative feedback magnetic field to the thin film core to improve the linearity of the sensitivity characteristic.
[0027]
FIG. 15 shows the relationship of the output voltage to the applied magnetic field when negative feedback with a bias coil magnetic field of 20 Oe and a negative feedback rate of 50% is applied using the circuit of FIG. Here, the frequency of the energization current is 20 MHz, and the amplification factor of the output is 500 times. As shown in the figure, it exhibits excellent linearity within a measuring magnetic field of ± 3 Oe, and 10 -Five The magnetic field resolution of Oe is shown. These results are good characteristics as a linear magnetic field sensor. In addition, in the case of an element using a negative feedback coil in which a copper wire is wound around a comparative amorphous wire, about 300% negative feedback had to be applied in order to obtain a straight line equivalent to the figure. Compared to the negative feedback coil in which the copper wire is wound around the amorphous wire, the thin film coil can obtain the same linearity with a negative feedback factor of about 1/6. This is due to the high efficiency.
The above is an example of measurement, and it is also possible to use a pulse excitation type MI effect using a C-MOS IC capable of driving with low power consumption as another MI sensor driving method. Furthermore, a bias magnetic field application method can also apply a pulse in conjunction with pulse excitation, whereby a necessary bias magnetic field can be obtained.
[0028]
As mentioned above, although this invention was demonstrated by the above-mentioned embodiment, a various deformation | transformation is possible within the range of the meaning of this invention. For example, the bias coil 4 and the negative feedback coil 5 do not have the same number of turns, and as shown in FIG. 18, the negative feedback coil 5 is partially short-circuited by a connecting line 5 ′ across the bias coil 4. The number of turns with the negative feedback coil 5 may be changed. Of course, a part of the bias coil 4 may be connected by a connecting line to change the number of turns of the bias coil and the negative feedback coil. These modifications and applications are not excluded from the scope of the present invention.
[0029]
【The invention's effect】
The thin-film MI sensor structure in which a thin film coil for bias and negative feedback is formed through an insulator around the thin-film magnetic core enables the magnetic sensor to be downsized, highly reliable, and mass-produced. Since the thin film coil manufactured in such a structure has good coil efficiency, a necessary bias magnetic field can be obtained with a small current, and the output linearity with respect to the magnetic field can be improved with a small negative feedback amount. Therefore, a thin film linear magnetic field sensor with high sensitivity, good sensitivity linearity, and excellent temperature characteristics can be provided.
Further, by alternately winding the thin film coil for bias and the thin film coil for negative feedback, a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field can be applied uniformly to each part of the thin film magnetic core, and the characteristics as a magnetic sensor are stabilized. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view schematically showing the structure of a thin film MI sensor using a magnetic impedance (MI) element according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AB in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line CD in FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the magneto-impedance sensor according to the present invention.
FIG. 5 is an equation diagram showing the value of δ.
FIG. 6 is an equation diagram showing an absolute value of impedance.
FIG. 7 is a magnetic domain structure model diagram of a magnetic core part of a thin film MI sensor.
FIG. 8 is an equation showing the value of EO.
FIG. 9 is an equation diagram showing the value of ΔM0.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the dependence of the output on the current-carrying current frequency.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the magnetic field dependence of the impedance change rate.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the magnetic field dependence of the impedance change rate when a bias magnetic field of 20 Oe is applied.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the bias coil magnetomotive force dependence of the bias magnetic field strength.
FIG. 14 is a circuit block diagram using a magneto-impedance sensor according to the present invention.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing linear sensing characteristics of the magneto-impedance sensor according to the present invention.
FIG. 16 is a circuit block diagram using a magnetic impedance sensor.
FIG. 17 is a characteristic diagram showing the MI effect of an amorphous wire.
FIG. 18 is a front view showing another embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... MI sensor plate
2 ... Insulator layer
3. Insulator layer
4 ... Bias coil
5 ... Negative feedback coil
6 ... Bias coil terminal
7: Bias coil terminal
8 ... Negative feedback coil terminal
9: Negative feedback coil terminal
10 ... MI sensor terminal
11 ... MI sensor terminal
12 ... Insulating protective film
20 ... Non-magnetic substrate
21 ... Coil pattern

Claims (6)

非磁性体からなる基板と該基板上に形成された薄膜磁気コアと該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極と第二の電極からなる磁気インピーダンスセンサにおいて、上記薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を媒介してバイアスコイルと負帰還コイルを、一定間隔をもって交互に且つ同一方向に巻回した構造を有することを特徴とする磁気インピーダンスセンサ。A magnetic impedance sensor comprising a nonmagnetic substrate, a thin film magnetic core formed on the substrate, a first electrode and a second electrode provided at both longitudinal ends of the thin film magnetic core, wherein the thin film magnetic core A magnetic impedance sensor having a structure in which a bias coil and a negative feedback coil are alternately wound at regular intervals in the same direction with an insulator interposed therebetween . 上記バイアスコイルと負帰還コイルは薄膜コイルから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気インピーダンスセンサ。  2. The magneto-impedance sensor according to claim 1, wherein the bias coil and the negative feedback coil are formed of thin film coils. 上記バイアスコイルと負帰還コイルは薄膜磁気コアの周囲にそれぞれ同一回数巻回されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気インピーダンスセンサ。  2. The magneto-impedance sensor according to claim 1, wherein the bias coil and the negative feedback coil are respectively wound the same number of times around the thin film magnetic core. 薄膜磁気コアの下面において該薄膜磁気コアから絶縁されて平行に配置された複数の薄膜導体と前記薄膜磁気コアの上面において該薄膜磁気コアから絶縁されて平行に配置された複数の薄膜導体とを有し、薄膜磁気コアの上面と下面の薄膜導体の先端部をそれぞれ電気的に接続して、上記バイアスコイルと負帰還コイルを形成することを特徴とする請求項2に記載の磁気インピーダンスセンサ。  A plurality of thin film conductors arranged in parallel and insulated from the thin film magnetic core on the lower surface of the thin film magnetic core, and a plurality of thin film conductors arranged in parallel and insulated from the thin film magnetic core on the upper surface of the thin film magnetic core. 3. The magnetic impedance sensor according to claim 2, wherein the bias coil and the negative feedback coil are formed by electrically connecting the tip portions of the thin film conductors on the upper surface and the lower surface of the thin film magnetic core. 上記薄膜磁気コアは、NiFe、CoFeNi、FeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeのめっき膜、あるいはCoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気インピーダンスセンサ。  The thin film magnetic core is formed of a NiFe, CoFeNi, FeP, FeNiP, FeCoP, FeNiCoP, CoB, NiCoB, FeNiCoB, FeCoB, CoFe plated film, or a CoZrNb, FeSiB, CoSiB amorphous sputtered film or a NiFe sputtered film. The magneto-impedance sensor according to claim 1. 前記薄膜磁気コアが磁場中で熱処理が行われていることを特徴とする請求項1に記載の磁気インピーダンスセンサ。  2. The magnetic impedance sensor according to claim 1, wherein the thin film magnetic core is heat-treated in a magnetic field.
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