JP4171979B2 - Magneto-impedance element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁界検出を行なう磁気センサおよびそれを用いた電流センサ、特に磁気インピーダンス効果を利用した高感度磁気インピーダンス素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報機器や計測・制御機器の高性能化,小型薄型化,低コスト化が急速に進み、これらの急速な発展に伴い、それらに用いられる磁気センサ,電流センサなどにも小型,低コスト,高感度などの要求が高まっている。
従来から用いられている磁気センサとしてはホール素子、磁気抵抗効果素子(MR素子)、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)、フラックスセンサなどが知られており、また電流センサとしてはカレントトランスを用いた方式などが知られている。
【0003】
例えばコンピュータの外部記憶装置となるハードディスク装置に用いられる磁気ヘッドには、従来のバルクタイプの誘導型磁気ヘッドからMRヘッドへと高性能化が進んでおり、現在では巨大磁気抵抗効果(GMR)を適用しようとする研究が活発に行なわれている。また、モータの回転センサであるロータリエンコーダではマグネットリングの微小化に伴い、外部に漏れる磁束が微弱になっており、現在のMR素子に代わり高感度な磁気センサが要求されている。ブレーカなども従来の機械式に代わり、電流センサを用いた電子式の開発が進んでいるが、従来のカレントトランスを用いた方式では小型化が困難であり、また感度,検出レンジなどの点で、磁気センサの高感度化,大レンジ化が求められている。
【0004】
これらの要求を満たすために、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果(MI効果ともいう)を用いた磁気インピーダンスセンサが、例えば特許文献1に提案された。磁気インピーダンス効果とは、磁性体に高周波電流を通電した状態で外部磁界が変化すると磁性体の透磁率が変化し、それに伴い磁性体のインピーダンスが、磁界0のときと比較して数十〜数百%変化する現象である。このような効果を利用するセンサでは、磁性体の両端の電圧を測定することにより、数百マイクロテスラ(μT)程度の微小な外部磁界変化を検出することができる。
上記のような磁気インピーダンス効果は、アモルファスワイヤだけでなく磁性薄帯や磁性薄膜でも同様に見られ、特に薄膜については小型,薄型が可能であり信頼性,量産性に優れるため、様々な構造のものが提案されており、その1つに例えば特許文献2に示すものがある。
【0005】
薄膜を用いた磁気インピーダンス素子は、磁気異方性を付与され、一軸異方性を誘導した高透磁率軟磁性膜を短冊状に加工した薄膜磁気コアで構成される。磁気異方性は磁性膜の成膜時に磁界を印加しながら行ない、さらに回転磁界中や静止磁界中で150〜400℃程度の熱処理をすることにより誘導される。磁化容易軸の方向は、一般的には短冊状構造の短軸(線幅)方向である。磁気インピーダンス素子は、その長さ方向成分の磁界によってインピーダンスが変化するという特性を示す。このときの磁気インピーダンス特性は図7(a)に示すように、磁場の正負でそれぞれインピーダンスのピークをとり、磁場の正負で対称であるという特性を示す。また、その変化率は数十〜数百%と非常に大きな変化を示す。
【0006】
図7(a)は磁化容易軸が線幅の場合の特性であるが、長さ方向に磁気異方性を付与しても、磁気インピーダンス特性が発現する。その時の特性は図7(b)に示すように、磁界0のときインピーダンスが最も大きく、磁界の絶対値が大きくなるにつれて減少する特性になる。この場合もインピーダンスは磁界の正負で対称になる。この場合の検出磁界方向も、薄膜磁気コアの長さ方向成分である。
これらの磁気インピーダンス特性におけるインピーダンスの変化は、薄膜磁気コアに高周波電流を印加している状態での透磁率が変化することによって引き起こされるものである。インピーダンスを抵抗成分とインダクタンス成分とに分離すると両者ともに透磁率が変化することによって変化するが、絶対値の大きい抵抗成分がその変化には支配的である。透磁率変化による抵抗変化は、基本的には高周波電流が磁性体中を流れるときに発生する表皮効果に起因するため、表皮効果を大きくするためには高周波電流の周波数を上げるか、または薄膜磁気コアである磁性体の膜厚を厚くする方法が有効となる。
【0007】
以上のように、磁気インピーダンス素子は磁界に対してインピーダンスが大きく変化することが特徴であるが、素子にバイアス磁界を印加し、磁界に対してインピーダンスの変化が大きい点で動作させることにより、さらに磁界に対して高感度に応答するセンサとなる。図7(a)に示すA点はそのバイアス点(バイアス磁界)を示すが、このバイアス磁界を印加するためには、素子の周りにコイル(バイアスコイル)を形成し、そのコイルに電流を印加することで磁界を発生させることが必要である。また、磁場の検出レンジを拡大する目的で負帰還磁界をかける方式についても、コイルが必要になる。アモルファスワイヤを用いた場合、そのワイヤの周りに直接Cuワイヤなどを巻き、コイルを形成する構造がとられているが、薄膜で形成した磁気インピーダンス素子と同一基板上にコイルを薄膜で形成するものもある(例えば、特許文献3参照)。
【0008】
上述のように、磁気インピーダンス素子はバイアスコイルにより感度を制御し、負帰還コイルにより測定レンジを拡大することができるが、特に薄膜で成形した磁気インピーダンス素子の場合は、バイアスコイルや負帰還コイルも同一基板上に形成しなければ、小形,軽量化のメリットを生かすことができない。しかし、その場合下部コイルの上に絶縁膜を介して磁性膜を形成し、さらに絶縁膜を介して上部コイルを形成した上に上部コイルと下部コイルを電気的に接続する、というようにプロセスが複雑になるので、素子間の特性バラツキの制御が難しく、信頼性の面で不安定になり、量産性において不利となる。
【0009】
これに対して、図7(a)に示したような特性カーブで、磁気インピーダンスがピークをとる磁場は異方性磁場に相当するので、磁性膜の磁気異方性を制御することにより、所定の外部磁場における感度を変化させることができる。すなわち、弱磁場領域での感度を上げるには異方性磁場を小さくして、磁気インピーダンス特性のピーク位置を内側にずらせば良い。逆に強磁場領域での感度を上げるには異方性磁場を大きくして、磁気インピーダンス特性のピーク位置を外側にずらせば良い。さらに、測定レンジを広げたい場合には、短冊状磁性膜の長さ方向に磁気異方性を付与して図7(b)のような「Λ」形の磁気インピーダンス特性を実現させることもできる。このような磁気異方性を変化させるものとして、例えば特許文献4に示すものがある。
【0010】
【特許文献1】
特開平06−281712号公報(第2−4頁、図1)
【特許文献2】
特開平08−075835号公報(第4頁、図1)
【特許文献3】
特開平11−109006号公報(第3−4頁、図1)
【特許文献4】
特開2002−189067号公報(第2−3頁、図1)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献4に示すものは、PZT圧電素子の歪みをセンサに直接伝達する構造になっていないので、効率が良くないという難点がある。
したがって、この発明の課題は、PZT圧電素子の歪みをセンサに直接伝達できるようにして、効率良く磁気異方性を制御できるようにすることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項1の発明は、非磁性基板に高透磁率磁性の短冊状またはつづら折れ形状に加工した磁性体薄膜に高周波電流を印加し、外部磁界によって磁性膜のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、絶縁体または半導体基板上に圧電体薄膜を形成し、その上に磁性薄膜を形成し、その上にさらに別の圧電体薄膜を形成することを特徴とする。このように磁性膜を圧電体薄膜でサンドウィッチしたバイモルフ型構造とすることで、圧電体薄膜に並列に電圧を印加して伸縮させ、磁性膜の上下両面に均等に応力をかけることができるだけでなく、応力印加時における磁性膜の反りの問題を解消することができる。
【0013】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、磁性体をアモルファス磁性体とすることを特徴とする。アモルファス磁性体としてはCo系,Fe系のものが知られているが、結晶磁気異方性が存在しないため、応力による磁気異方性が支配的である。このため、磁歪の逆効果により、磁気異方性を制御することが容易である。
請求項3の発明は同じく請求項の発明において、磁性膜が超磁歪軟磁性材料からなることを特徴とする。ラーベス相金属間化合物REFe 2 (RE=Tb,Sm,Dy)は超磁歪材料として知られており、なかでもTbFe 2 とDyFe 2 を合金化した(Tb,Dy)Fe 2 は超磁歪でありながら軟磁性材料を持つ材料であるが、通常の磁性体に比べて100〜1000倍の磁歪を示す。したがって、これらの材料を用いることにより、圧電体の伸縮による応力で磁気異方性が敏感に変化する磁気検出素子を実現可能である。
【0014】
請求項4の発明は、請求項1の発明において、圧電体薄膜として強誘電体薄膜を用いることを特徴とする。Pb(Zr,Ti)O 3 、いわゆるPZT等の強誘電体薄膜は、結晶構造の近い基板上にエピタキシャル成長することが知られており、また適当なバッファ層を介することにより、Si基板上などにもエピタキシャル成長させることが可能である。これらの強誘電体薄膜は、従来のZnO圧電薄膜などに比べて高い圧電率を示すことが期待され、より低い電圧で磁性膜に応力をかけることで、容易に感度特性の制御を可能とする。
また、請求項5の発明は同じく請求項1の発明において、圧電体薄膜として圧電性高分 子膜を用いることを特徴とする。加工性の良い圧電性高分子膜上に磁性膜を形成し、それを例えばIC基板上に接着することによりICと一体化されるだけでなく、磁気異方性の変化により感度特性の制御も可能となる。接着剤としてヤング率の低い材料を用いることにより、圧電体の歪みを基板に伝わり難くすることもできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の原理構成図である。
図示のように、磁気インピーダンス効果を示すアモルファス磁性膜1が、PZT圧電体基板2上に形成されている。磁性膜1はここではつづら折れ形状をしているが、これは例えばマグネトロンスパッタ法により、PZT基板2の全面に成膜した厚さ4μmのアモルファス磁性膜上に、感光ポリイミドを塗布してフォトリソグラフ技術によりつづら折れパターンに現像し、それをマスクとしてイオンビームエッチングすることにより加工したものである。Au電極3aおよび3bを圧電基板の側面に形成し、これを通して電圧を印加することにより、基板を歪ませる。その結果、磁性膜1に応力がかかり磁気異方性が変化するために、磁気インピーダンス特性のピーク位置がシフトする。
【0016】
図2は、上記の方法により磁気インピーダンス特性のピーク位置を制御した結果を示すグラフである。磁気異方性の制御に就いて、以下に具体的に説明する。
例えば磁性膜として、マグネトロンスパッタ法で成膜したCoHfTaPdアモルファス磁性膜を用い、成膜後300℃,48000A/mで1h静止磁界処理をし、1つの短冊を0.2mm(w)×1mm(l)×4μm(t)に加工すると、短冊の幅(w)方向に約800A/mの異方性磁場を持つ磁気インピーダンス特性が得られる(図2イ参照)。PZT基板のサイズは0.1mm(w)×1mm(l)×0.5mm(t)とした。
【0017】
次に、PZT基板の幅方向に100Vの電圧を印加したときの歪みδw/wは、圧電歪定数d33=285×10-12〔m/V〕を用いて、
δw/w=d33×V/w=285×10-12〔m/V〕
×100〔V〕/(0.1×10-3〔m〕)
=2.85×10-4
となる。PZT基板上の磁性膜もこれと同じだけ歪むと仮定すると、CoHfTaPdアモルファス磁性膜のヤング率Yは約88GPaであるから、磁性膜にかかる幅方向の応力σは、
σ=Y×δw/w=88×109〔N/m2〕×2.85×10-4
=2.5×107〔N/m2
となる。
【0018】
CoHfTaPdアモルファス磁性膜の飽和磁歪λsは−2×10-6程度なので、この応力による磁気異方性エネルギーの変化量ΔKは、
ΔK=(3/2)×λs×σ=(3/2)×(−2×10-6)×2.5
×107=−75〔J/m3
となる。一方、磁性膜が歪む前に持っていた幅方向の磁気異方性エネルギーK0は、異方性磁場Hk0が800A/m、飽和磁化Msが約1〔T〕であるから、
0=(1/2)×Hk0×Ms=(1/2)×800〔A/m〕×1〔T〕
=400〔J/m3
【0019】
よって、歪み後の磁性膜が歪む前に持つ幅方向の磁気異方性エネルギーKは、
K=K0+ΔK=400〔J/m3〕−75〔J/m3〕=325〔J/m3
に減少し、これによる異方性磁場Hkは、
Hk=2×K/Ms=2×325〔J/m3〕/1〔T〕=650〔A/m〕
となって、磁気インピーダンス特性のピーク位置は約150A/m内側にシフトするという結果になる(図2ロ参照)。これにより、低磁場領域での感度が向上し、例えばインピーダンス変化量ΔZが100Ωの素子の場合、25%以上の感度向上が見込まれる。
【0020】
PZT基板の幅方向に印加する電圧をさらに増加させ、例えば550Vにすると、磁気異方性エネルギーの変化量ΔKは、
ΔK=−412.5〔J/m3
となって、磁性膜が歪む前に持っていた幅方向の磁気異方性エネルギーを打ち消し、逆に長さ方向に磁気異方性を持つようになる。このとき、磁性膜の磁気インピーダンス特性はゼロ磁場にピークを持つ「Λ形」のカーブとなり(図2ハ参照)、「V形」に比較してより広いレンジでの磁場検出が可能となる。
【0021】
この実施例では、磁性膜としてCo系アモルファス磁性膜を用いたが、Fe系のアモルファス磁性膜を用いても良い。Fe系の場合、10-4オーダーの正の磁歪定数を持つので、Co系に比べて低い電圧で磁気異方性を大きく変化させることが可能である。また、(Tb,Dy)Fe2等の超磁歪軟磁性材料を用いることにより、さらに敏感に磁気異方性を変化させることができる。
圧電体基板に関しては、この実施例ではPZTを材料として用いたが、他の圧電性材料を用いても良い。また、電極は基板の幅方向の側面に形成したが、長さ方向に電極を形成して歪みを制御しても良く、さらに互いに電気的に接触しないように4つの側面全てに電極を形成し、幅方向と長さ方向の歪みにより磁性膜の磁気異方性を制御することも可能である。
【0022】
図3に図1の変形例を示す。
これは、圧電性高分子膜2a上に磁性膜1を成膜し、つづら折れ形状に加工した例である。金属電極3a,3bを高分子膜2aの両端に形成し、これに電圧を印加することにより高分子膜2aを収縮させ、磁性膜1に応力をかけて磁気異方性を制御する。高分子膜2aは自由に曲げることができるので、用途に応じた形状で使用できる特徴がある。例えば、電線に流れる電流が作る周回磁場を検出する場合、電線の周りを巻くような形で使用すると、磁場を効率良く受けることができる。
【0023】
図4に図1の別の変形例を示す。
これは、Al23基板2b上にマグネトロンスパッタ法でPZT薄膜4を成膜した後、その上につづら折れ形状に加工した磁性膜1を形成したものである。PZT薄膜4への電圧印加は電極3a,3bによって行なうが、PZT薄膜4が厚さ方向に一様に伸縮するように、上面だけでなく側面全体を覆うように電極3a,3bを形成している。電極は長さ方向の側面に形成しても良いし、互いに電気的に接触しないように4つの側面全てに形成しても良い。これにより、磁性膜/圧電体の積層構造を非常に小型化できる。ここでは、基板としてAl23を用いているが、ガラスやSrTiO3等の絶縁体基板を用いることもでき、またSi基板上に直接または適当なバッファ層を介して形成することも可能であるので、IC基板にオンチップで形成することで、小型化のメリットが生かされる。また、圧電体薄膜としてPZT薄膜を用いたが、他の強誘電膜やZnO薄膜、AlN薄膜を使用することも可能である。さらに、圧電性高分子膜上に磁性膜を形成し、それを接着剤で基板に貼り付けることにより、より簡単な方法で同様の構成を実現することもできる。
【0024】
図5にこの発明の実施形態を示す。
これは、基板2c上にPZT薄膜4を成膜し、さらに磁性膜1を成膜してつづら折れ形状に加工し、加工後の磁性膜1の隙間を絶縁体5で埋め、その上に再度PZT薄膜4aを成膜したものである。そして、PZT薄膜4,4aの側面を覆うように電極3a,3bを形成し、これに電圧を印加してPZT薄膜4,4aを歪ませ、磁性膜1に応力をかけることにより、磁気インピーダンス特性のピーク位置を制御する。電極の位置は、長さ方向の側面に形成しても良いし、4つの側面全てに形成しても良い。基板2cは図4と同じくAl23基板でも良く、他の非磁性板でも良い。
このようなバイモルフ型構造とすることにより、磁性膜1の上面と下面に等しい応力をかけられるので、厚さ方向の応力分布の均一性を増すことができる。これにより、磁性膜1の上,下面での伸び率の違いにより膜が反るという問題も解決することができる。圧電体薄膜としてPZT薄膜を用いたが、他の強誘電薄膜やZnO薄膜,AlN薄膜,圧電性高分子膜等を用いることもできる。
【0025】
図6にこの発明の別の原理構成を示す。
これは、チューブ状のPZT圧電体2dの円周上に磁性膜1を成膜してつづら折れ形状に加工し、PZTチューブ2dの上,下面に電極3a,3bをそれぞれ形成したものである。そして、この電極3a,3bを通してPZT圧電体2dに電圧を印加し、チューブ高さ方向に伸縮させることにより、磁性膜1に応力を掛けて磁気インピーダンス特性のピーク位置を制御する。磁性膜1はPZTチューブ2dを回転させながらマグネトロンスパッタ法により成膜し、また感光性ポリイミドのパターニングプロセスも同様に回転させながら行なう。加工は、PZTチューブ2dを回転させながらイオンビームエッチングしても良いが、ウエットエッチの方が簡便である。この実施例の磁気検出素子は、特に電線を電流が流れることで生じる磁場を検知する用途に適している。すなわち、電線6を図示のようにPZTチューブ2dの穴に通すことにより、電線の周囲に生じる周回磁場を効率良く受けることが可能である。
【0026】
【発明の効果】
この発明によれば、バイアスコイルや負帰還コイルを形成するための複雑なプロセスを必要とせずに、感度の調整や測定レンジの切り替えが可能な磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子を実現できる。また、圧電体の形状を適宜選択することで、用途に応じて最適な形態の磁気インピーダンス素子を提供することができる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の原理構成図
【図2】 図1の磁気インピーダンス特性を示す特性図
【図3】 図1の変形例を示す構成図
【図4】 図1の別の変形例を示す構成図
【図5】 この発明の実施の形態を示す構成図
【図6】 この発明の別の原理構成を示す構成図
【図7】 磁気インピーダンス特性の一般的な例を示す特性図
【符号の説明】
1…磁性膜、2…PZT基板、2a…圧電性高分子膜、2b…Al23基板、2c…基板、2d…チューブ状圧電体、3a,3b…電極、4,4a…PZT薄膜、5…絶縁体、6…電線。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor for detecting a magnetic field and a current sensor using the same, and more particularly to a high-sensitivity magneto-impedance element using the magneto-impedance effect.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high performance, downsizing, thinning, and low cost of information equipment and measurement / control equipment have rapidly progressed. With these rapid developments, magnetic sensors and current sensors used in them have become small and low cost. Demand for high sensitivity is increasing.
Known magnetic sensors include Hall elements, magnetoresistive effect elements (MR elements), giant magnetoresistive effect elements (GMR elements), flux sensors, and the like, and current transformers are used as current sensors. Known methods.
[0003]
For example, magnetic heads used in hard disk drives, which are external storage devices for computers, have been improved in performance from conventional bulk type induction type magnetic heads to MR heads. At present, the giant magnetoresistive effect (GMR) is achieved. There is an active research to apply. Further, in a rotary encoder which is a rotation sensor of a motor, the magnetic flux leaking to the outside becomes weak with the miniaturization of the magnet ring, and a highly sensitive magnetic sensor is required instead of the current MR element. Development of electronic devices using current sensors instead of conventional mechanical devices is also progressing for breakers, etc., but it is difficult to reduce the size with conventional current transformer methods, and in terms of sensitivity and detection range, etc. Therefore, high sensitivity and wide range of magnetic sensors are required.
[0004]
In order to satisfy these requirements, a magnetic impedance sensor using the magnetic impedance effect (also referred to as MI effect) of an amorphous wire has been proposed in, for example, Patent Document 1. The magnetic impedance effect means that when an external magnetic field changes in a state where a magnetic material is energized with a high-frequency current, the permeability of the magnetic material changes, and accordingly, the impedance of the magnetic material is several tens to several times that when the magnetic field is zero. It is a phenomenon that changes by 100%. In a sensor using such an effect, a minute external magnetic field change of about several hundred microtesla (μT) can be detected by measuring the voltage across the magnetic material.
The above-mentioned magneto-impedance effect is similarly observed not only in amorphous wires but also in magnetic ribbons and thin films. Especially, thin films can be made small and thin, and have excellent reliability and mass productivity. One of them is proposed, for example, as shown in Patent Document 2.
[0005]
A magneto-impedance element using a thin film is composed of a thin-film magnetic core in which a magnetic permeability is imparted and a high permeability soft magnetic film in which uniaxial anisotropy is induced is processed into a strip shape. The magnetic anisotropy is performed while applying a magnetic field when forming the magnetic film, and is further induced by heat treatment at about 150 to 400 ° C. in a rotating magnetic field or a static magnetic field. The direction of the easy axis of magnetization is generally the short axis (line width) direction of the strip structure. The magneto-impedance element has a characteristic that the impedance is changed by the magnetic field of the longitudinal component. As shown in FIG. 7A, the magneto-impedance characteristics at this time have characteristics in which the impedance peaks depending on whether the magnetic field is positive or negative, and are symmetric depending on whether the magnetic field is positive or negative. Moreover, the change rate shows a very large change of several tens to several hundreds%.
[0006]
FIG. 7A shows characteristics when the easy axis of magnetization is a line width, but magnetic impedance characteristics are exhibited even when magnetic anisotropy is applied in the length direction. As shown in FIG. 7B, the characteristic at that time is a characteristic in which the impedance is greatest when the magnetic field is 0 and decreases as the absolute value of the magnetic field increases. In this case as well, the impedance is symmetric with respect to the positive and negative magnetic fields. The detected magnetic field direction in this case is also a longitudinal component of the thin film magnetic core.
The change in impedance in these magnetic impedance characteristics is caused by a change in magnetic permeability when a high frequency current is applied to the thin film magnetic core. When the impedance is separated into a resistance component and an inductance component, both change due to a change in magnetic permeability, but a resistance component having a large absolute value is dominant in the change. The resistance change due to the permeability change is basically caused by the skin effect that occurs when high-frequency current flows in the magnetic material. To increase the skin effect, the frequency of the high-frequency current is increased, or the thin film magnetic property is increased. A method of increasing the film thickness of the magnetic material that is the core is effective.
[0007]
As described above, the magneto-impedance element is characterized in that the impedance greatly changes with respect to the magnetic field. However, by applying a bias magnetic field to the element and operating it at a point where the change in impedance is large with respect to the magnetic field, The sensor responds with high sensitivity to the magnetic field. A point A shown in FIG. 7A indicates the bias point (bias magnetic field). To apply this bias magnetic field, a coil (bias coil) is formed around the element, and a current is applied to the coil. It is necessary to generate a magnetic field by doing so. A coil is also required for a method of applying a negative feedback magnetic field for the purpose of expanding the magnetic field detection range. When an amorphous wire is used, a structure in which a Cu wire or the like is wound directly around the wire to form a coil is used, but the coil is formed on the same substrate as the magneto-impedance element formed on the thin film. (For example, refer to Patent Document 3).
[0008]
As described above, the sensitivity of the magneto-impedance element can be controlled by the bias coil and the measurement range can be expanded by the negative feedback coil. However, in the case of the magneto-impedance element formed by a thin film, the bias coil and the negative feedback coil are also available. If they are not formed on the same substrate, the advantages of small size and light weight cannot be utilized. However, in that case, the process is such that a magnetic film is formed on the lower coil via an insulating film, an upper coil is further formed via an insulating film, and the upper coil and the lower coil are electrically connected. Since it becomes complicated, it is difficult to control the characteristic variation between elements, and it becomes unstable in terms of reliability, which is disadvantageous in mass productivity.
[0009]
On the other hand, in the characteristic curve as shown in FIG. 7A, the magnetic field at which the magnetic impedance has a peak corresponds to an anisotropic magnetic field. Therefore, by controlling the magnetic anisotropy of the magnetic film, a predetermined value can be obtained. The sensitivity in the external magnetic field can be changed. That is, in order to increase the sensitivity in the weak magnetic field region, the anisotropic magnetic field may be reduced and the peak position of the magnetic impedance characteristic may be shifted inward. Conversely, in order to increase the sensitivity in the strong magnetic field region, the anisotropic magnetic field is increased and the peak position of the magnetoimpedance characteristic is shifted outward. Furthermore, when it is desired to extend the measurement range, magnetic anisotropy can be imparted in the length direction of the strip-shaped magnetic film to realize the “Λ” -shaped magneto-impedance characteristic as shown in FIG. 7B. . For example, Patent Document 4 discloses a technique for changing such magnetic anisotropy.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-06-281712 (page 2-4, FIG. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-075835 (page 4, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP 11-109006 A (page 3-4, FIG. 1)
[Patent Document 4]
JP 2002-189067 A (page 2-3, FIG. 1)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the structure disclosed in Patent Document 4 is not configured to directly transmit the strain of the PZT piezoelectric element to the sensor, there is a problem that the efficiency is not good.
Accordingly, an object of the present invention is to enable the magnetic anisotropy to be efficiently controlled by allowing the strain of the PZT piezoelectric element to be directly transmitted to the sensor.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is directed to applying a high frequency current to a magnetic thin film processed into a non-magnetic substrate in a highly magnetic permeability strip shape or a zigzag shape, and the impedance of the magnetic film by an external magnetic field. Is an element using the magneto-impedance effect, in which a piezoelectric thin film is formed on an insulator or semiconductor substrate, a magnetic thin film is formed thereon, and another piezoelectric thin film is formed thereon. It is characterized by that. In this way, the magnetic film has a bimorph structure sandwiched with a piezoelectric thin film, so that a voltage can be applied to the piezoelectric thin film in parallel to expand and contract, and stress can be applied evenly to the upper and lower surfaces of the magnetic film. The problem of warping of the magnetic film during application of stress can be solved.
[0013]
The invention of claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, the magnetic material is an amorphous magnetic material. Co-based and Fe-based amorphous magnetic materials are known, but since there is no magnetocrystalline anisotropy, magnetic anisotropy due to stress is dominant. For this reason, it is easy to control the magnetic anisotropy by the inverse effect of magnetostriction.
In invention also invention of claim 1 of claim 3, wherein the magnetic film is made of a giant magnetostrictive soft magnetic material. Laves phase intermetallic compound REFe 2 (RE = Tb, Sm, Dy) is known as a giant magnetostrictive material. Among them, TbFe 2 and DyFe 2 alloyed (Tb, Dy) Fe 2 is giant magnetostrictive. Although it is a material having a soft magnetic material, it exhibits a magnetostriction 100 to 1000 times that of a normal magnetic material. Therefore, by using these materials, it is possible to realize a magnetic detection element in which the magnetic anisotropy changes sensitively due to stress caused by expansion and contraction of the piezoelectric body.
[0014]
The invention of claim 4 is characterized in that, in the invention of claim 1, a ferroelectric thin film is used as the piezoelectric thin film . It is known that a ferroelectric thin film such as Pb (Zr, Ti) O 3 , so-called PZT, is epitaxially grown on a substrate having a close crystal structure, and on a Si substrate or the like through an appropriate buffer layer. Can also be epitaxially grown. These ferroelectric thin films are expected to show a higher piezoelectricity than conventional ZnO piezoelectric thin films, and by applying stress to the magnetic film at a lower voltage, it is possible to easily control the sensitivity characteristics. .
Further, the invention is also the invention of claim 1 of claim 5, characterized by using a piezoelectric high content child film as the piezoelectric thin film. Forming a magnetic film on a highly workable piezoelectric polymer film and bonding it to an IC substrate, for example, to integrate it with an IC, but also control sensitivity characteristics by changing magnetic anisotropy It becomes possible. By using a material having a low Young's modulus as the adhesive, it is possible to make it difficult to transmit the distortion of the piezoelectric body to the substrate.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing the principle of the present invention .
As shown in the figure, an amorphous magnetic film 1 showing a magnetoimpedance effect is formed on a PZT piezoelectric substrate 2. Here, the magnetic film 1 has a folded shape, which is formed by, for example, photolithography by applying photosensitive polyimide on an amorphous magnetic film having a thickness of 4 μm formed on the entire surface of the PZT substrate 2 by magnetron sputtering. It was developed into a folded pattern by a technique and processed by ion beam etching using it as a mask. The Au electrodes 3a and 3b are formed on the side surface of the piezoelectric substrate, and a voltage is applied through the Au electrodes 3a and 3b to distort the substrate. As a result, stress is applied to the magnetic film 1 and the magnetic anisotropy changes, so that the peak position of the magnetic impedance characteristic shifts.
[0016]
FIG. 2 is a graph showing the result of controlling the peak position of the magnetic impedance characteristic by the above method. The control of magnetic anisotropy will be specifically described below.
For example, as a magnetic film, a CoHfTaPd amorphous magnetic film formed by a magnetron sputtering method is used. After the film formation, a static magnetic field treatment is performed at 300 ° C. and 48000 A / m for 1 h, and one strip is 0.2 mm (w) × 1 mm (l ) × 4 μm (t), a magnetic impedance characteristic having an anisotropic magnetic field of about 800 A / m in the width (w) direction of the strip can be obtained (see FIG. 2A). The size of the PZT substrate was 0.1 mm (w) × 1 mm (l) × 0.5 mm (t).
[0017]
Next, the strain δw / w when a voltage of 100 V is applied in the width direction of the PZT substrate is determined using the piezoelectric strain constant d 33 = 285 × 10 −12 [m / V],
δw / w = d 33 × V / w = 285 × 10 −12 [m / V]
× 100 [V] / (0.1 × 10 −3 [m])
= 2.85 × 10 −4
It becomes. Assuming that the magnetic film on the PZT substrate is also distorted as much as this, the Young's modulus Y of the CoHfTaPd amorphous magnetic film is about 88 GPa, so the stress σ in the width direction applied to the magnetic film is
σ = Y × δw / w = 88 × 10 9 [N / m 2 ] × 2.85 × 10 −4
= 2.5 × 10 7 [N / m 2 ]
It becomes.
[0018]
Since the saturation magnetostriction λs of the CoHfTaPd amorphous magnetic film is about −2 × 10 −6 , the change amount ΔK of the magnetic anisotropy energy due to this stress is
ΔK = (3/2) × λs × σ = (3/2) × (−2 × 10 −6 ) × 2.5
× 10 7 = −75 [J / m 3 ]
It becomes. On the other hand, the magnetic anisotropy energy K 0 in the width direction before the magnetic film is distorted is that the anisotropic magnetic field Hk 0 is 800 A / m and the saturation magnetization Ms is about 1 [T].
K 0 = (1/2) × Hk 0 × Ms = (1/2) × 800 [A / m] × 1 [T]
= 400 [J / m 3 ]
[0019]
Therefore, the magnetic anisotropy energy K in the width direction before the distorted magnetic film is distorted is
K = K 0 + ΔK = 400 [J / m 3 ] −75 [J / m 3 ] = 325 [J / m 3 ]
The anisotropic magnetic field Hk due to this is
Hk = 2 × K / Ms = 2 × 325 [J / m 3 ] / 1 [T] = 650 [A / m]
As a result, the peak position of the magnetic impedance characteristic shifts inward by about 150 A / m (see FIG. 2B). Thereby, the sensitivity in a low magnetic field region is improved. For example, in the case of an element having an impedance variation ΔZ of 100Ω, a sensitivity improvement of 25% or more is expected.
[0020]
When the voltage applied in the width direction of the PZT substrate is further increased, for example, to 550 V, the change amount ΔK of the magnetic anisotropy energy is
ΔK = −412.5 [J / m 3 ]
Thus, the magnetic anisotropy energy in the width direction that the magnetic film had before being distorted is canceled, and conversely, it has magnetic anisotropy in the length direction. At this time, the magnetic impedance characteristic of the magnetic film becomes a “Λ-shaped” curve having a peak in a zero magnetic field (see FIG. 2C), and the magnetic field can be detected in a wider range than the “V-shaped”.
[0021]
In this embodiment, a Co-based amorphous magnetic film is used as the magnetic film, but an Fe-based amorphous magnetic film may be used. The Fe system has a positive magnetostriction constant on the order of 10 −4 , so that the magnetic anisotropy can be greatly changed at a lower voltage than the Co system. Further, by using a giant magnetostrictive soft magnetic material such as (Tb, Dy) Fe2, the magnetic anisotropy can be changed more sensitively.
Regarding the piezoelectric substrate, PZT is used as a material in this embodiment, but other piezoelectric materials may be used. In addition, although the electrodes are formed on the side surfaces in the width direction of the substrate, the electrodes may be formed in the length direction to control the strain, and the electrodes are formed on all four side surfaces so as not to be in electrical contact with each other. It is also possible to control the magnetic anisotropy of the magnetic film by strain in the width direction and the length direction.
[0022]
FIG. 3 shows a modification of FIG .
This is an example in which the magnetic film 1 is formed on the piezoelectric polymer film 2a and processed into a folded shape. Metal electrodes 3a and 3b are formed at both ends of the polymer film 2a, and a voltage is applied to the metal electrodes 3a and 3b to cause the polymer film 2a to contract, thereby applying stress to the magnetic film 1 to control magnetic anisotropy. Since the polymer film 2a can be bent freely, there is a feature that it can be used in a shape according to the application. For example, when detecting a circular magnetic field generated by a current flowing through an electric wire, the magnetic field can be efficiently received when used in such a manner that it is wound around the electric wire.
[0023]
FIG. 4 shows another modification of FIG .
In this example, a PZT thin film 4 is formed on an Al 2 O 3 substrate 2b by a magnetron sputtering method, and then a magnetic film 1 processed into a folded shape is formed thereon. Voltage application to the PZT thin film 4 is performed by the electrodes 3a and 3b. The electrodes 3a and 3b are formed so as to cover not only the upper surface but also the entire side surface so that the PZT thin film 4 expands and contracts uniformly in the thickness direction. Yes. The electrodes may be formed on the side surfaces in the length direction, or may be formed on all four side surfaces so as not to be in electrical contact with each other. Thereby, the laminated structure of the magnetic film / piezoelectric body can be very miniaturized. Here, Al 2 O 3 is used as the substrate, but an insulating substrate such as glass or SrTiO 3 can also be used, and it can also be formed directly on the Si substrate or via an appropriate buffer layer. Therefore, the advantage of downsizing can be utilized by forming the IC substrate on-chip. Further, although the PZT thin film is used as the piezoelectric thin film, other ferroelectric films, ZnO thin films, and AlN thin films can also be used. Furthermore, a similar configuration can be realized by a simpler method by forming a magnetic film on the piezoelectric polymer film and attaching it to the substrate with an adhesive.
[0024]
FIG. 5 shows an embodiment of the present invention .
This is because the PZT thin film 4 is formed on the substrate 2c, the magnetic film 1 is further formed into a zigzag shape, the gap of the processed magnetic film 1 is filled with the insulator 5, and the magnetic film 1 is again formed thereon. A PZT thin film 4a is formed. Then, the electrodes 3a and 3b are formed so as to cover the side surfaces of the PZT thin films 4 and 4a, and a voltage is applied to the electrodes 3a and 3b to distort the PZT thin films 4 and 4a. To control the peak position. The position of the electrode may be formed on the side surface in the length direction, or may be formed on all four side surfaces. The substrate 2c may be an Al 2 O 3 substrate as in FIG. 4, or another nonmagnetic plate.
By adopting such a bimorph type structure, equal stress can be applied to the upper surface and lower surface of the magnetic film 1, so that the uniformity of stress distribution in the thickness direction can be increased. As a result, the problem that the film warps due to the difference in elongation between the upper and lower surfaces of the magnetic film 1 can also be solved. Although the PZT thin film is used as the piezoelectric thin film, other ferroelectric thin films, ZnO thin films, AlN thin films, piezoelectric polymer films, and the like can also be used.
[0025]
FIG. 6 shows another principle configuration of the present invention .
In this example, the magnetic film 1 is formed on the circumference of a tube-shaped PZT piezoelectric body 2d and processed into a folded shape, and electrodes 3a and 3b are formed on the upper and lower surfaces of the PZT tube 2d, respectively. Then, a voltage is applied to the PZT piezoelectric body 2d through the electrodes 3a and 3b to expand and contract in the tube height direction, thereby applying stress to the magnetic film 1 to control the peak position of the magnetic impedance characteristic. The magnetic film 1 is formed by magnetron sputtering while rotating the PZT tube 2d, and the patterning process of the photosensitive polyimide is also performed while rotating. The processing may be performed by ion beam etching while rotating the PZT tube 2d, but wet etching is simpler. The magnetic detection element of this embodiment is particularly suitable for use in detecting a magnetic field generated by a current flowing through an electric wire. That is, by passing the electric wire 6 through the hole of the PZT tube 2d as shown, it is possible to efficiently receive the circular magnetic field generated around the electric wire.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a magnetic detection element using the magneto-impedance effect capable of adjusting sensitivity and switching the measurement range without requiring a complicated process for forming a bias coil and a negative feedback coil. Moreover, there is also an advantage that a magneto-impedance element having an optimum form can be provided according to the use by appropriately selecting the shape of the piezoelectric body.
[Brief description of the drawings]
1 is a diagram illustrating the principle of the present invention; FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating the magneto-impedance characteristics of FIG . 1; FIG . 3 is a configuration diagram illustrating a modification of FIG . 1; FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram showing another principle configuration of the present invention. FIG. 7 is a characteristic diagram showing a general example of magnetic impedance characteristics. Explanation】
1 ... magnetic film, 2 ... PZT substrate, 2a ... piezoelectric polymer film, 2b ... Al 2 O 3 substrate, 2c ... substrate, 2d ... tubular piezoelectric, 3a, 3b ... electrode, 4, 4a ... PZT thin film, 5 ... insulator, 6 ... electric wire.

Claims (5)

非磁性基板に高透磁率磁性の短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続してつづら折れ磁性薄膜パターンを形成し、これに高周波電流を印加することにより磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、
絶縁体または半導体基板上に圧電体薄膜を形成し、その上に磁性薄膜を形成し、その上にさらに別の圧電体薄膜を形成して磁性薄膜を圧電体薄膜で挟み込む構造とし、前記圧電体薄膜に電圧を印加して伸縮させ、前記磁性薄膜に応力をかけて磁気異方性を変化させることを特徴とする磁気インピーダンス素子。
Magnetic impedance effect, in which high magnetic permeability strip-like magnetic thin films or alternating magnetic thin film patterns are formed on a non-magnetic substrate to form a magnetic thin film pattern, and the high frequency current is applied to this to change the impedance of the magnetic material. An element that uses
A piezoelectric thin film is formed on an insulator or a semiconductor substrate, a magnetic thin film is formed thereon, another piezoelectric thin film is formed thereon, and the magnetic thin film is sandwiched between the piezoelectric thin films. A magneto-impedance element, wherein a voltage is applied to a thin film to expand and contract, and stress is applied to the magnetic thin film to change magnetic anisotropy.
前記磁性薄膜がアモルファス磁性材料からな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素子。 The magneto-impedance element according to claim 1, wherein the magnetic thin film is made of an amorphous magnetic material . 前記磁性薄膜がTbFe 2 ,DyFe 2 を含む超磁歪軟磁性材料からなることを特徴とする請求項に記載の磁気インピーダンス素子。Magneto-impedance element according to claim 1, wherein the magnetic thin film is characterized Rukoto such a super magnetostrictive soft magnetic material including TbFe 2, DyFe 2. 前記圧電体薄膜として強誘電体薄膜を用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素子。 The magneto-impedance element according to claim 1, wherein a ferroelectric thin film is used as the piezoelectric thin film . 前記圧電体薄膜として圧電性高分子膜を用い、これを基板に接着した構造とす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素子。2. The magneto-impedance element according to claim 1, wherein a piezoelectric polymer film is used as the piezoelectric thin film and is bonded to a substrate .
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