JP4801881B2 - Resonance type magnetic sensor and magnetic field detection device using the same - Google Patents
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本発明は、カンチレバなどの振動板の共振周波数が外部被検出磁場により変化し、この変化から外部被検出磁場を検出するようにした高感度で小型の共振型磁気センサとこれを用いた磁場検出装置に関するものである。 The present invention is a highly sensitive and small resonance type magnetic sensor in which the resonance frequency of a diaphragm such as a cantilever is changed by an external detected magnetic field, and the external detected magnetic field is detected from this change, and magnetic field detection using the same. It relates to the device.
超小型のカンチレバなどの振動板がMEMS技術で容易に形成できるので、センサ自体が超小型になりやすく、地磁気センサ、磁気記録再生用磁気ヘッド、エンコーダや磁気を利用した電流センサなどに好適な磁気センサとなり、また、これを用いた磁場検出装置では、やはり小型にできるので、携帯電話やカーナビなどに用いるハンディな方位表示装置、磁場測定装置、電流を非接触で検出する電流センサとして用いた電流表示装置などに用いられるものである。 Since a diaphragm such as an ultra-small cantilever can be easily formed by MEMS technology, the sensor itself is likely to be ultra-small, and is suitable for a geomagnetic sensor, a magnetic head for magnetic recording / reproducing, an encoder, a current sensor using magnetism, and the like. Since the magnetic field detection device using the sensor can be reduced in size, it is possible to reduce the size of the magnetic field detection device. Therefore, the current used as a handy direction display device, a magnetic field measurement device, and a current sensor for detecting current in a non-contact manner for a mobile phone or a car navigation system. It is used for a display device or the like.
従来、探針と板バネからなる磁気力顕微鏡用カンチレバを用い、探針を硬磁性薄膜でコ−ティングして、垂直磁気記録媒体の記録状態を測定する「磁気力顕微鏡用カンチレバー」があった(特開平6−249933)。 Conventionally, there has been a “cantilever for magnetic force microscope” that uses a magnetic force microscope cantilever composed of a probe and a leaf spring to measure the recording state of a perpendicular magnetic recording medium by coating the probe with a hard magnetic thin film. (Unexamined-Japanese-Patent No. 6-249933).
また、従来、記録ヘッドの磁界特性である飽和磁界を直接かつ高分解能に観察するために、磁気力顕微鏡(MFM)を利用した磁気ヘッド測定装置として、記録ヘッドに直流電流及び交流電流を合わせた電流を印加して、記録ヘッドから磁界を発生させ、測定点を走査するための探針を支持するカンチレバが所定の周波数と振幅で加振されるよう制御した状態で、探針を記録ヘッドに接近させ、電流印加に応じて記録ヘッドから発生する磁界が探針に及ぼす力学的相互作用に相当する信号を、カンチレバの振動周波数変化として検出する「磁気ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法」(特開2003−248911)があった。 Conventionally, as a magnetic head measuring apparatus using a magnetic force microscope (MFM), a direct current and an alternating current are combined with a recording head in order to directly and highly observe a saturation magnetic field that is a magnetic field characteristic of the recording head. Applying current to generate a magnetic field from the recording head and controlling the cantilever that supports the probe for scanning the measurement point to vibrate with a predetermined frequency and amplitude, the probe is applied to the recording head. A magnetic head measuring device and a measuring method applied to the device for detecting a signal corresponding to a mechanical interaction of a magnetic field generated from a recording head in response to a current applied to a probe as a change in vibration frequency of the cantilever (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-248911).
また、同様に磁気力顕微鏡(MFM)を利用した磁気ヘッド測定装置として、磁気記録ヘッドに所定の搬送波周波数と変調周波数とで振幅変調された振幅変調電流を印加する電流印加手段と、磁性体を有する探針が取り付けられたカンチレバと、カンチレバを一定の振動振幅で振動させる振動手段などを有する「磁気記録ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法」(特開2003−85717)もあった。 Similarly, as a magnetic head measuring apparatus using a magnetic force microscope (MFM), a current applying means for applying an amplitude-modulated current modulated with a predetermined carrier frequency and modulation frequency to a magnetic recording head, and a magnetic material There is also a “magnetic recording head measuring device and a measuring method applied to the same” (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-85717) having a cantilever to which the probe is attached and a vibrating means for vibrating the cantilever with a constant vibration amplitude.
しかし、従来の「磁気力顕微鏡用カンチレバー」(特開平6−249933)では、垂直磁気記録媒体からの外部被検出磁場を、硬磁性薄膜を有する探針の外部被検出磁場による引力と斥力が働くことで、その変位の大きさから検出するもので、外部被検出磁場の絶対値を計測するには、経時変化や周囲温度依存性に対する校正などの問題があった。 However, in the conventional “cantilever for magnetic force microscope” (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-249933), an externally detected magnetic field from a perpendicular magnetic recording medium is caused by an attractive force and a repulsive force due to the externally detected magnetic field of a probe having a hard magnetic thin film. Thus, the detection is based on the magnitude of the displacement, and measuring the absolute value of the externally detected magnetic field has problems such as calibration with respect to change with time and ambient temperature dependency.
また、「磁気ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法」(特開2003−248911)、(特開2003−85717)においては、カンチレバの周波数変化を検出するが、カンチレバの周波数と振幅を一定に制御すること、磁界発生に磁気ヘッドを用い、これに直流電流及び交流電流を合わせた電流を印加したりや所定の搬送波周波数と変調周波数とで振幅変調された振幅変調電流を印加するなど、非常に複雑で高度の技術を必要とするものであった。
本発明は、外部被測定磁場を単純な構造で、低消費電力、超小型、大量生産性であり、かつ高感度で信号出力をデジタル化しやすい磁気センサとこれを用いた各種応用の装置を提供すること目的としている。 The present invention provides a magnetic sensor having a simple structure for an external magnetic field to be measured, low power consumption, ultra-compact size, mass productivity, high sensitivity, and easy digitization of signal output, and devices for various applications using the same. The purpose is to do.
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる共振型磁気センサは、 振動板10を形成した基板1を用いた共振型磁気センサにおいて、振動板10の励振手段と共振周波数の検出手段とを備え、強磁性体薄膜20が、振動板10と基板1とに狭い空隙80を介して対向配置して形成してあり、前記強磁性体薄膜20のうちの振動板10側の強磁性体薄膜A(振動板10に形成されている強磁性体薄膜)と基板1側の強磁性体薄膜Bとが、外部被検出磁場により磁化して、これらの強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとに空隙80を挟んで外部被検出磁場による磁化のために一対の磁極61,62が生じ、これらの磁極61,62の間に働く磁気的力である吸引や斥力により振動板10の共振周波数が変化し、その共振周波数の変化に基づく出力の変化から外部被検出磁場を知るようにしたものである。
In order to achieve the above object, a resonance type magnetic sensor according to claim 1 of the present invention is a resonance type magnetic sensor using the substrate 1 on which the vibration plate 10 is formed. The ferromagnetic
強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとは、共に細長く形成しておくと外部被検出磁場により磁化したときに反磁界の影響が小さくなり、好都合である。 If both the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B are formed to be long and narrow, it is advantageous because the influence of the demagnetizing field is reduced when magnetized by the external detected magnetic field.
本発明の共振型磁気センサの動作原理は、次のようである。例えば、静電駆動などの励振手段でカンチレバ11などの振動板10を励振しておき、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとが共に、軟磁性体材料の場合を考えると、近接した空隙80を介して対向配置して形成してある強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとが、外部被検出磁場に磁化され、空隙80の介して互いに逆の磁極が現れるので、互いに磁気的力としての吸引力が働く。この吸引力は、基板1に固定形成した強磁性体薄膜Bの端に発生した磁極62の周りで振動振動している強磁性体薄膜Aの端に生じた強磁性体薄膜Bの磁極62とは逆の磁極61を持つカンチレバ11のヤング率を大きくさせたことに相当するので、ピエゾ抵抗素子などを利用した検出手段により共振周波数を計測すると、カンチレバ11の振動共振周波数は、外部被検出磁場が無い時に比べ大きくなる。このように外部被検出磁場が存在しないときより、存在するときの方が共振周波数が上昇し、その変化量は、外部被検出磁場に依存するので、外部被検出磁場を周波数変化量に対応させて計測することができる。周波数変化量は、位相の変化量に対応させることもできるので、位相の変化量まで、考慮すれば、更に微細な外部被検出磁場の大きさとその変化量などを計測することができる。
The operating principle of the resonance type magnetic sensor of the present invention is as follows. For example, when the diaphragm 10 such as the
また、カンチレバ11自体が強磁性体薄膜Aで形成しても良いし、SiO2薄膜である石英薄膜でも良いし、更にSi薄膜や石英薄膜などの多層構造の上に強磁性体薄膜Aを形成しても良い。強磁性体薄膜Aだけでカンチレバ11を形成したときには、磁気感度が大きくなるが、強磁性体薄膜Aのヤング率や膨張係数などの大きさに対する考慮、その温度依存性などを考慮して、複合材料が良いか、単独層が良いかなどを判断すべきである。
Further, the
MEMS型のカンチレバ11は一般に振動振幅が数ミクロンメートル以内であり、強磁性体薄膜Aの端がカンチレバ11の振動と共に、強磁性体薄膜Bの端にある磁極62の位置から変位したとき、引き戻す力、すなわち復元力が発生する必要があるので、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bの空隙80付近の厚みは、変位(振動振幅に対応)に対して、薄い方が良い。しかし、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bのうち、空隙80と反対側の領域では、磁束収束板の作用をするので、この領域では厚くても良く、必要に応じて、強磁性体の板や棒を張り付けても良い。
The
このように強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bは、磁束収束板の作用もするので、その配置とその方向は、被検出磁場のベクトル的な方向を知るのに重要である。 Thus, since the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B also act as a magnetic flux converging plate, their arrangement and direction are important to know the vector direction of the detected magnetic field.
本発明の請求項2に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとが共に、軟磁性体材料から成る場合で、上述のように外部被検出磁場により空隙80を介して対向するそれぞれの端部は互いに反対の磁極となるように磁化し、吸引力が働き、外部被検出磁場の存在でカンチレバ11の共振周波数が大きくなるようにシフトする。
The resonance type magnetic sensor according to
本発明の請求項3に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bのうち、少なくとも一方が硬磁性体材料から成る場合であり、例えば、基板1側に形成されている強磁性体薄膜Bが硬磁性体材料で形成されていると、この硬磁性体材料を永久磁石にしておくことにより、空隙80を介して対向する強磁性体薄膜Aは、永久磁石となっている強磁性体薄膜Bのために、外部被検出磁場が存在しなくとも磁化されており、互いに吸引力が働いているので共振周波数は大きくなっている。この状態に、外部被検出磁場が作用した時に、その磁場の向きが、外部被検出磁場が無い時の両磁極61,62間の磁場を打ち消す方向であれば、共振周波数は下がり、反対に、外部被検出磁場が無い時の両磁極61,62間の磁場と同一方向であれば、両磁極61,62間の磁場が大きくなるので、外部被検出磁場が無い時に比べて、共振周波数は大きくなるようにシフトする。このように、磁界の方向、すなわち、例えば、地磁気センサとして利用したときには、南北を区別することができると言う利点がある。
The resonance type magnetic sensor according to claim 3 of the present invention is a case where at least one of the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B is made of a hard magnetic material, for example, formed on the substrate 1 side. When the ferromagnetic thin film B is made of a hard magnetic material, the ferromagnetic thin film A facing through the gap 80 becomes a permanent magnet by making the hard magnetic material a permanent magnet. The ferromagnetic thin film B is magnetized even if there is no external detected magnetic field, and the resonance frequency is increased because the attractive force works on each other. In this state, when an external detected magnetic field is applied, if the direction of the magnetic field is a direction that cancels the magnetic field between the
このような関係は、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bのどちらが硬磁性体材料でも成り立ち、更に、両方とも強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bであっても、外部被検出磁場が無い時でも、空隙80を介した磁極61,62間には、磁気力が働いているので、それを外部被検出磁場が打ち消す方向であるか、助長する方向であるかにより、外部被検出磁場の向きを決定することができる。
Such a relationship holds whether the ferromagnetic thin film A or the ferromagnetic thin film B is a hard magnetic material, and even if both are the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B, the externally detected magnetic field Even when there is no magnetic field, since the magnetic force is acting between the
本発明の請求項4に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bのうち、少なくとも一方をコアとして用い、コイルを形成して前記コアに磁極を生じさせるようにした場合で、上述のように少なくとも一方が、硬磁性体材料であれば、これを永久磁石にしておくことにより、外部被検出磁場の向きを知ることができるが、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bの両方とも軟磁性体材料であれば、外部被検出磁場の向き、すなわち、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bの長手方向のどちらから磁束が流入しているかが判らないという問題にぶつかる。このようなときに、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bのうち、少なくとも一方をコアとして用い、コイルを形成しておけば、このコイルに直流電流を流したとき、コイルのコアとして用いた方の強磁性体薄膜20に磁極を生じさせることができるので、上述のようにこの強磁性体薄膜20を永久磁石のように扱うことができるから、外部被検出磁場の向きを知ることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, at least one of the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B is used as a core, and a coil is formed to generate a magnetic pole in the core . In some cases, if at least one is a hard magnetic material as described above, the direction of the externally detected magnetic field can be known by making it a permanent magnet. If both of the thin body films B are soft magnetic materials, it cannot be determined from the direction of the externally detected magnetic field, that is, the longitudinal direction of the ferromagnetic thin film A or the ferromagnetic thin film B. I run into a problem. In such a case, if at least one of the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B is used as a core and a coil is formed, when a direct current is passed through the coil, the coil is used as the core of the coil. Since a magnetic pole can be generated in the existing ferromagnetic
もちろん、コイルには直流電流ばかりでなく、交流電流を流しても交流電流の時々刻々変化する電流の向きが分かっているから、この向きと同期させてカンチレバ11の振動の共振周波数のシフトを検出することにより、外部被検出磁場の向きを決定することができる。
Of course, since not only the direct current but also the direction of the alternating current that changes every time when the alternating current is applied to the coil is known, the shift of the resonance frequency of the vibration of the
このようにコイルに流す電流は、常に流しておく必要はなく、方向の判別時だけ流して、チェックするようにすることもできる。このように短時間電流を流すことにより、低消費電力の磁場の方向も検知できる磁気センサが達成される。 In this way, the current flowing through the coil need not always flow, but can be checked only when the direction is determined. Thus, a magnetic sensor that can detect the direction of a magnetic field with low power consumption is achieved by passing a current for a short time.
また、コイルに基準電流を流すことにより、所定の磁場を空隙80に発生させることができるので、本磁気センサの校正用として使用することができる。これにより、初期校正や経時変化の校正などが可能となる。 In addition, since a predetermined magnetic field can be generated in the air gap 80 by supplying a reference current to the coil, the magnetic sensor can be used for calibration. This makes it possible to perform initial calibration, calibration of changes over time, and the like.
コイルとしては、たとえば、1回巻きでもよく、強磁性体薄膜20を導体で囲んでおけばよいので、強磁性体薄膜20の上部は絶縁体を介してパターン化した金属導体薄膜を配し、強磁性体薄膜20の下部は、高濃度の不純物をドープしたシリコン基板自体を利用すると構成が単純でよい。
For example, the coil may be wound once, and the ferromagnetic
本発明の請求項5に係わる共振型磁気センサは、振動板10をカンチレバ11とした場合である。振動版として、橋架構造やダイアフラム構造とすることもできるが、カンチレバ11の構造は、その自由端の振動振幅が大きくなり、復元力を磁極61,62間の磁気力に由来する本共振型磁気センサには好適である。
The resonance type magnetic sensor according to claim 5 of the present invention is a case where the diaphragm 10 is a
本発明の請求項6に係わる共振型磁気センサは、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとを二次元平面上に配置するか、もしくは前記二次元平面上の強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bのそれぞれから三次元的な立体配置になるように強磁性体を延在させて配置形成してあり、前記二次元平面上に配置した場合には、その二次元平面内での磁場の大きさと方向を、前記三次元的な立体配置させた場合には、前記二次元平面に対して直交する方向を含む三次元的な方向の磁場の大きさと方向をも計測できるようにした場合であり、同一の基板1の同一平面内で任意の向きにカンチレバ11が形成されていても、これが短ければ、これらのカンチレバ11に形成されている強磁性体薄膜Aや基板1側に形成されている強磁性体薄膜Bは、磁束収束板の役目をしているので、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bも基板1に延在させて、その長手方向の向きを二次元的または三次元的に延ばしておくと、この方向からの磁束を導くことができる。このようにして外部被検出磁場の方向を知るようにすることができる。
In the resonance type magnetic sensor according to the sixth aspect of the present invention, the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B are arranged on a two-dimensional plane, or the ferromagnetic thin film A on the two-dimensional plane is strong. Ferromagnetic materials are extended and formed so as to form a three-dimensional configuration from each of the magnetic thin films B, and when arranged on the two-dimensional plane, When the size and direction of the magnetic field are arranged in the three-dimensional configuration, the magnitude and direction of the magnetic field in the three-dimensional direction including the direction orthogonal to the two-dimensional plane can be measured . Even if the
本発明の請求項7に係わる共振型磁気センサは、基板1を半導体基板とし、この基板1に周辺回路の少なくとも一部を集積化した場合であり、たとえば、カンチレバ11を励振するための発振回路、振動を検出したときの信号を増幅する増幅回路、共振周波数を検出して励振の周波数とするための制御回路、信号を増幅する回路、演算回路などの一部または全部をカンチレバ11などの振動板10が形成されている基板1と同一の半導体基板に集積形成した場合である。このようにすることにより、極めて小型の共振型磁気センサが提供される。
The resonance type magnetic sensor according to claim 7 of the present invention is a case where the substrate 1 is a semiconductor substrate, and at least a part of peripheral circuits are integrated on the substrate 1, for example, an oscillation circuit for exciting the
もちろん、共振型磁気センサのうちの実質的な磁気検出部分となるカンチレバ11と強磁性体薄膜20の構成領域と駆動周辺回路の集積化との製作上の歩留まり率やコストなどから、駆動周辺回路の一部または全部を別の半導体基板に形成した方が得ということもある。
Of course, the drive peripheral circuit is obtained from the manufacturing yield rate and cost of the
本発明の請求項8に係わる共振型磁気センサは、振動板10の励振は静電力駆動とし、共振周波数検出は、ピエゾ抵抗を利用した場合である。たとえば、シリコン単結晶の基板1を用いた場合は、カンチレバ11に形成した金属の強磁性体薄膜Aをコンデンサの一方の電極と見做し、基板1のシリコン単結晶を他方の電極と見做したコンデンサを形成して、これらの両電極間に励振交流電圧を印加することにより、カンチレバ11を静電的に励振することができる。このときカンチレバ11のヤング率が外部被検出磁場による磁極61,62間の吸引力により等価的に変化したことに相当し、外部被検出磁場の大きさ、向きなどに応じて共振周波数にシフトが生じる。また、カンチレバ11の固定端付近には、少なくともシリコン薄膜を残しておき、この領域にピエゾ抵抗素子を形成しておき、振動によるこの抵抗変化からカンチレバ11の振動を検出することができる。このようなカンチレバ11を静電的に励振し、ピエゾ抵抗素子により振動検出することが、小型の共振型磁気センサを構成するのに好適である。
In the resonance type magnetic sensor according to claim 8 of the present invention, the vibration plate 10 is driven by electrostatic force, and the resonance frequency is detected by using a piezoresistor. For example, when the silicon single crystal substrate 1 is used, the metal ferromagnetic thin film A formed on the
もちろん、共振周波数検出はピエゾ抵抗素子を用いないで、静電容量検出や光テコなどによることもできるが、静電容量検出は、超小型にするには静電容量が小さいために感度が小さく、光テコは、光源の必要性や光検出部の空間的寸法の大きさなどで、やはり小型化や低消費電力化には不向きと思われる。 Of course, the resonance frequency detection can be performed by capacitance detection or optical lever without using a piezoresistive element, but the capacitance detection is low in sensitivity because the capacitance is small for ultra-small size. The optical lever seems to be unsuitable for miniaturization and low power consumption due to the necessity of a light source and the size of the spatial dimension of the light detection unit.
本発明の請求項9に係わる磁場検出装置は、上述の請求項1から8のいずれかに記載の共振型磁気センサと、電源部と出力表示部と、必要な駆動周辺回路と演算回路などの周辺回路とを備えたもので、バッテリや太陽電池などの電源そのものや外部電源を利用するための端子や変圧回路などを含む電源部と、磁場の値やその方向の表示、電流センサとして利用したときに被測定電流表示などの表示部を設けている。また、この磁場検出装置は、基板1に、周辺回路として、振動板10の励振回路や共振周波数検出して制御する制御回路や信号増幅回路などの駆動周辺回路、信号を処理して、メモリ部とのやり取りで必要な情報を出力する演算回路との少なくとも、それらの一部を形成してあるときには、新たにこれらを設ける必要はないが、共振型磁気センサ内に駆動周辺回路や演算回路などの周辺回路の一部または全部を有しないときには、センサの基板1外に別に設けて、必要な表示または外部出力ができるようにした出力表示部を設けた装置である。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a magnetic field detection apparatus including the resonance type magnetic sensor according to any one of the first to eighth aspects, a power supply unit, an output display unit, a necessary drive peripheral circuit, an arithmetic circuit, and the like. It is equipped with a peripheral circuit, and it is used as a power supply unit including a power supply itself such as a battery and a solar cell, a terminal for using an external power supply, a transformer circuit, etc., a magnetic field value and its direction, and a current sensor. Sometimes a display section for displaying the current to be measured is provided. Further, the magnetic field detection device processes signals on the substrate 1 as peripheral circuits, such as an excitation circuit for the diaphragm 10, a control circuit for detecting and controlling the resonance frequency, and a signal amplification circuit, and a signal. When at least a part of the arithmetic circuit that outputs necessary information is exchanged with the sensor, it is not necessary to provide them newly. When there is no part or all of the peripheral circuit, an apparatus provided with an output display unit that is separately provided outside the sensor substrate 1 so as to enable necessary display or external output.
本発明の共振型磁気センサは、強磁性体薄膜の外部被検出磁場による磁化により空隙を挟んで生じる磁極間に働く吸引力、最初から磁化している場合には、斥力も作用し、その大きさで、カンチレバなどの振動板の共振周波数のシフトから外部被検出磁場の大きさとその方向を知るものであり、外部被検出磁場の大きさを位相変化も含む周波数変化から直接変換するので、振動板の励振回路や振動検出回路では、振動振幅をそれほど問題にしなくとも良いこと、更に、周波数と位相の検出と制御に徹すれば良いことから、単純な回路で済み、信号出力のデジタル化が容易で、しかも、小型であり、強磁性体薄膜が磁束収束板の役目もするので、高感度であり、更に共振を利用するので、極めて低消費電力となるという利点がある。 The resonance type magnetic sensor of the present invention has an attractive force acting between magnetic poles generated by sandwiching a gap due to magnetization of a ferromagnetic thin film by an external detected magnetic field. Now, knowing the magnitude and direction of the externally detected magnetic field from the shift of the resonance frequency of the diaphragm such as a cantilever, the magnitude of the externally detected magnetic field is directly converted from the frequency change including the phase change. In the plate excitation circuit and vibration detection circuit, the vibration amplitude does not have to be a significant problem, and furthermore, it is sufficient to focus on frequency and phase detection and control. It is easy and small in size, and the ferromagnetic thin film also serves as a magnetic flux converging plate. Therefore, there is an advantage that it is highly sensitive and further uses a resonance, so that the power consumption is extremely low.
本発明の共振型磁気センサは、少なくとも一方の強磁性体薄膜をコアにしてコイルを形成してあるので、特定の方向と大きさの磁場を発生できる。このようにして外部被検出磁場の方向と発生させた磁場の方向とが一致する成分が大きいか、逆方向の成分が大きいかなど、コイルに流す電流の向きと大きさにより、外部被検出磁場の方向と大きさとを測定することができる。また、コイルに流す電流として、矩形波交流にし、更に、これらの電流値を時分割で制御することもできるので、この電流の向きと大きさとに同期させて周波数や位相変化を検出することにより、高感度で、高速に外部被検出磁場の方向と大きさを決定することができるという利点がある。 In the resonance type magnetic sensor of the present invention, since the coil is formed with at least one of the ferromagnetic thin films as a core, a magnetic field having a specific direction and magnitude can be generated. Depending on the direction and magnitude of the current flowing in the coil, such as whether the direction of the externally detected magnetic field and the direction of the generated magnetic field coincide with each other or whether the component in the opposite direction is large, the externally detected magnetic field Can be measured. Also, the current flowing through the coil can be a rectangular wave alternating current, and furthermore, these current values can be controlled in a time-sharing manner, so that the frequency and phase change can be detected in synchronization with the direction and magnitude of this current. There is an advantage that the direction and magnitude of the externally detected magnetic field can be determined with high sensitivity and high speed.
本発明の共振型磁気センサは、一方の強磁性体薄膜を硬磁性体として、永久磁石にしておき、所定の方向に磁場を発生させることができるので、これは丁度、上述の一方の強磁性体薄膜をコアにしてコイルを形成して直流電流を流し、所定の方向に磁場を発生させる場合と同等であり、コイルを形成しなくとも外部被検出磁場の方向と大きさを決定することができるという利点がある。 In the resonance type magnetic sensor of the present invention, one ferromagnetic thin film is used as a permanent magnet, and a permanent magnet can be generated to generate a magnetic field in a predetermined direction. This is equivalent to the case where a coil is formed using a body thin film as a core and a direct current is passed to generate a magnetic field in a predetermined direction, and the direction and magnitude of an external detected magnetic field can be determined without forming a coil. There is an advantage that you can.
本発明の共振型磁気センサは、一対の強磁性体薄膜を磁束収束板としても作用させているので、これらの強磁性体薄膜の長手方向が一番磁化されやすいことから、強磁性体薄膜の長手方向の長さが、カンチレバなどの振動板の大きさに比べ充分長いときには、強磁性体薄膜の長手方向の向きが到来する磁場の方向を決定する。したがって、同一基板上でも互いに直交する方向に強磁性体薄膜の長手方向を定めて、細長い強磁性体薄膜を形成すれば、容易に二次元的または三次元的な磁場の方向を知るように構成することができるという利点がある。 In the resonance type magnetic sensor of the present invention, since the pair of ferromagnetic thin films also act as a magnetic flux concentrating plate, the longitudinal direction of these ferromagnetic thin films is most easily magnetized. When the length in the longitudinal direction is sufficiently longer than the size of a diaphragm such as a cantilever, the direction of the magnetic field in which the longitudinal direction of the ferromagnetic thin film comes is determined. Therefore, if the longitudinal direction of the ferromagnetic thin film is determined in the direction orthogonal to each other on the same substrate, and the elongated ferromagnetic thin film is formed, the direction of the two-dimensional or three-dimensional magnetic field can be easily known. There is an advantage that you can.
本発明の共振型磁気センサは、シリコン単結晶基板に形成できるので、同一チップ上に駆動用や演算用などの周辺回路を集積化できるという利点がある。 Since the resonance type magnetic sensor of the present invention can be formed on a silicon single crystal substrate, there is an advantage that peripheral circuits for driving and arithmetic can be integrated on the same chip.
本発明の磁場検出装置は、上述の本発明の共振型磁気センサを用いるので、コンパクトで、極めて低消費電力で簡便かつ高感度、高精度の各種の磁場検出を利用した応用装置が提供できる。 Since the magnetic field detection device of the present invention uses the above-described resonance type magnetic sensor of the present invention, it is possible to provide an application device that is compact and uses various magnetic field detections that are simple, extremely sensitive, highly sensitive, and highly accurate.
シリコン単結晶上に磁束収束板を兼ねた強磁性体薄膜を振動板としてのカンチレバと基板側とに延在して形成し、このカンチレバを静電駆動により共振させて、このカンチレバの外部被検出磁場による共振周波数の変化を計測して、外部被検出磁場の大きさを知るようにした。共振周波数の変化の計測には、ピエゾ抵抗の変化、またはカンチレバと基板との間の励振時に利用する静電容量の変化を利用して実現した。また、外部被検出磁場の方向を知るのに、強磁性体薄膜の延在してある領域に強磁性体薄膜をコアとして、コイルを形成し、これに所定の電流を流すことにより磁場を発生させるようにし、この発生磁場と外部被検出磁場との合成磁場の大きさから外部被検出磁場方向の決定と種々の校正が行えるようにした。 A ferromagnetic thin film that doubles as a magnetic flux converging plate is formed on a silicon single crystal so as to extend to the cantilever as a vibration plate and the substrate side, and this cantilever is resonated by electrostatic drive to detect the external detection of this cantilever By measuring the change in resonance frequency due to the magnetic field, the magnitude of the externally detected magnetic field was determined. Measurement of the change in resonance frequency was realized by using a change in piezoresistance or a change in capacitance used during excitation between the cantilever and the substrate. Also, in order to know the direction of the externally detected magnetic field, a magnetic field is generated by forming a coil using a ferromagnetic thin film as a core in the extended region of the ferromagnetic thin film and passing a predetermined current through it. The direction of the external detected magnetic field can be determined and various calibrations can be performed from the magnitude of the combined magnetic field of the generated magnetic field and the external detected magnetic field.
図1は、本発明共振型磁気センサの一実施例の斜視概略図であって、n型のSOI層2を有する基板1(SOI基板)のSOI層2を主体してカンチレバ11としての振動板10を形成し、強磁性体薄膜20を軟磁性体薄膜としてあり、強磁性体薄膜20のうちの振動板側の強磁性体薄膜Aと基板側の強磁性体薄膜Bとは、反磁界が小さくなるように細長く形成してあり、カンチレバ11の励振手段として静電駆動型とし、共振周波数の検出手段としてピエゾ抵抗素子30を利用し、さらに、外部被検出磁場の方向と大きさを決定および校正するための1巻のコイル40を形成した場合である。また、図2には、図1のX−Xにおける横断面図の概略図を示す。
FIG. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of the resonance type magnetic sensor of the present invention, and a diaphragm as a
カンチレバ11の励振手段としての静電駆動は、次のように構成されている。すなわち、強磁性体薄膜20として金属の軟磁性体材料を使用し、カンチレバ11のSOI層2には、ホウ素などのp型不純物の高濃度層15が形成されてあり、この高濃度層15と強磁性体薄膜Aとは、絶縁膜52のコンタクト孔を通してオーム性接触にしてあり、この強磁性体薄膜Aから配線200通して形成された励振用電極101と、基板1としてのSOI基板の下地層3にオーム性接触した他の励振用電極101’との間に、カンチレバの共振周波数の半分の周波数またはこの整数倍に等しい周波数の励振用の交流電圧を印加することにより、カンチレバ11の高濃度層15と空洞部70を介して下地層3との間に交流電界が印加され、カンチレバ11と下地層3との間に静電的な吸引力が働き、カンチレバ11が励振される。カンチレバ11と下地層3との間には、印加電界の正負のどちらでも静電的な吸引力が働くので、印加交流電圧の2倍の周波数で吸引力が働く。したがって、共振周波数の半分の周波数の交流電圧の励振で、カンチレバ11の基本波が励振されることになる。
The electrostatic drive as the excitation means of the
なお、本実施例では、カンチレバ11は、SOI層2を主体として形成してあり、SOI基板のBOX層である絶縁膜50をエッチング除去して、空洞部70を形成した場合である。
In this embodiment, the
また、励振用電極101と他の励振用電極101’との両電極間に印加する交流電圧に、交流電圧のピーク間の2分の1以上の直流成分を重畳しておくと、正負の極性の交流電圧が発生しないから、交流電圧とカンチレバ11の共振振動周波数とが一致することになる。
In addition, if an AC voltage applied between both the
励振交流電圧波形は、必ずしも正弦波である必要はなく、矩形波や鋸歯状波などにしても良い。 The excitation AC voltage waveform is not necessarily a sine wave, and may be a rectangular wave, a sawtooth wave, or the like.
図1に示した本発明の共振型磁気センサの一実施例を基に、外部被検出磁場の検出の動作を説明すると次のようである。 Based on one embodiment of the resonance type magnetic sensor of the present invention shown in FIG. 1, the operation of detecting the externally detected magnetic field will be described as follows.
外部被検出磁場が図1に示したように、基板1上にまで延在した強磁性体薄膜Aのうち、カンチレバ11とは逆側から外部被検出磁場の磁束が導入された場合を考えると、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとが外部被検出磁場により磁化し、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとの間の空隙80を挟んで互いに逆極性の磁極61、62が現れ、磁極61はN極に、磁極62はS極に帯磁するので、これらの磁極間に吸引力が働く。この吸引力は、カンチレバ11の励振手段により、共振して振動しているカンチレバ11の復元力が大きくなったことに対応するので、結局、カンチレバ11のヤング率Eを大きくさせたことと等価になる。したがって、カンチレバ振動理論により、共振周波数frが大きくなる。
Considering the case where the magnetic flux of the external detected magnetic field is introduced from the side opposite to the
カンチレバ11の共振周波数frは、カンチレバ11の固定端付近に形成された共振周波数の検出手段としてピエゾ抵抗素子30で検出される。ピエゾ抵抗素子30は、例えば、ホウ素をSOI層2に高濃度に添加し、その両端から振動検出用電極102、102’ を形成してあるもので、カンチレバ11が振動により曲がり、そのときの歪で抵抗値が変化することを利用したものであり、ホイートストンブリッジを用いたり、電流を流して振動検出用電極102、102’ 間の電圧変化を検出したりして、振動を検出するものである。
The resonance frequency fr of the
このような振動検出用電極102、102’ の電圧信号を周波数として検出して、共振周波数を制御する回路に導き、励振手段と組み合わせて自動的に共振させる。このときの周波数および位相変化から校正曲線を利用して外部被検出磁場を算出するものである。
Such a voltage signal of the
また、上述のままでは、外部被検出磁場Hの向きが反対側から導入されても、磁極61、62間には、吸引力が働くので、共振周波数frは、大きくなり、外部被検出磁場Hの向きを検出することはできない。このために、実施例1の図1においては、基板側の強磁性体薄膜Bをコアとして、コイル40が基板1とコイル用電極103、103’ 、103’’を介して1巻コイルとなるように形成してある。
Further, as described above, even if the direction of the external detected magnetic field H is introduced from the opposite side, an attractive force acts between the
このコイル40に直流電流を流すと、強磁性体薄膜Bが一方向に磁化されるので、この磁化が外部被検出磁場Hによる磁化を助長させる方向なのか、それとも減少させる方向なのかにより、コイル40に流す直流電流の方向と共振周波数frの変化、すなわち、共振周波数frが更に大きくなる方向であれば、既知であるコイル40に流す直流電流による磁場の方向と外部被検出磁場Hの方向が一致しており、共振周波数frの変化が小さくなる方向であれば、コイル40に流す直流電流による磁場の方向と逆方向であることになる。もちろん、コイル40に流す電流は、パルス的でも良いし、交流電流であって、その交流電流の時間的な電流の流れる方向を知れば、外部被検出磁場Hの方向を知ることができることは、当然である。
When a direct current is passed through the
また、コイル40に流す電流が所定の大きさであれば、そのときのコイル40により発生する磁界が分かるので、これを利用して、外部被検出磁場Hを校正したり、さらに、本発明の共振型磁気センサの経時変化などをも校正することができる。
Further, if the current flowing through the
図3には、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における平面概略図、図4には、図3のX−Xにおける横断面概略図を示してあり、外部被検出磁場Hの到来方向を3次元ベクトル的に検出できるようにした場合の例を示している。 FIG. 3 is a schematic plan view of another embodiment of the resonance type magnetic sensor of the present invention. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. An example in which the direction can be detected in a three-dimensional vector is shown.
実施例1の図1に示した共振型磁気センサのSOI基板に形成してある磁気検出部分に同等な磁気検出部分を直交するx軸とy軸に配置し、更に、z軸に関しては、カンチレバ11zは、x軸に平行にしているが、強磁性体21で軟磁性体の針をz軸に伸ばして配置してあり、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとも短く形成して、外部被検出磁場Hのz軸方向成分は、強磁性体21の針で検出するようにした場合である。
A magnetic detection portion equivalent to the magnetic detection portion formed on the SOI substrate of the resonance type magnetic sensor shown in FIG. 1 of the first embodiment is arranged on the x-axis and the y-axis that are orthogonal to each other. 11z is parallel to the x-axis, but the
この実施例では、更に、カンチレバ11xと、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bとしての強磁性体薄膜20xがX軸方向に、カンチレバ11yと強磁性体薄膜20yがy軸方向に、更に、カンチレバ11zと強磁性体薄膜20zはX軸方向に延ばして配してあり、しかも、同一のSOI層2に形成してある場合である。
In this embodiment, the
また、それぞれのカンチレバ11x、11y、11zは、実施例1の図1の場合と同様に、SOI層2を主体として形成してあり、SOI基板のBOX層である絶縁膜50をエッチング除去して、空洞部70x、70y、70z が形成されている。
Further, each of the
外部被検出磁場Hがある方向から到来すると、外部被検出磁場Hのうち、その直交するx、y、z軸方向成分が、それぞれの方向の強磁性体薄膜20x、20y、20zや強磁性体21の針を磁化させ、それぞれの空隙80x、80y、80zを介して、磁極61,62が生じて、吸引力を生じる。これらの吸引力は、上述の実施例1で述べたように、共振周波数frを上昇させるので、これら変化から外部被検出磁場Hのx、y、z成分をベクトル的に算出するものである。この実施例でも、各強磁性体薄膜Bには、1巻のコイル40x、40y、40zを形成してある。
When the external detected magnetic field H comes from a certain direction, the orthogonal x, y, z-axis direction components of the external detected magnetic field H are the ferromagnetic
図5に、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における平面概略図を示してあり、外部被検出磁場Hの到来方向と、カンチレバ11の長手方向とは異なる場合で、しかも、同一の基板1に周辺回路の一部を形成した場合である。
FIG. 5 is a schematic plan view of another embodiment of the resonance type magnetic sensor according to the present invention. The arrival direction of the externally detected magnetic field H is different from the longitudinal direction of the
先ず、この実施例では、強磁性体薄膜20を基板1上に細長く延在して形成してあり、カンチレバ11上の強磁性体薄膜Aの長さは、基板1上に形成した部分の強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bの長さに比べれば無視できるようにして、基板1上に形成した部分の強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bの長さ方向の外部被検出磁場H成分を検出するようにしたものである。
First, in this embodiment, the ferromagnetic
このようにして、強磁性体薄膜Aを配したカンチレバ11の長さが充分小さければ、外部に配した強磁性体薄膜20または、強磁性体21の長手方向により、その方向の外部被検出磁場H成分を検出することができる。
In this way, if the length of the
また、周辺回路として、駆動周辺回路である励振手段の回路と周波数を検出する回路(励振・周波数検出回路)と、コイル40を利用した磁場方向校正回路、および共振周波数frや位相を算出したり、励振手段に送る信号を作り、同期させたり、校正回路からの情報を基に外部被検出磁場Hの方向や大きさを算出したりする演算回路を搭載している場合である。
In addition, as a peripheral circuit, a circuit (excitation / frequency detection circuit) for detecting a frequency and a circuit of an excitation means that is a driving peripheral circuit, a magnetic field direction calibration circuit using the
上述の実施例1、2および3の本発明共振型磁気センサにおいては、強磁性体薄膜Aと強磁性体薄膜Bの両方とも、軟磁性体で形成した場合のであるが、例えば、ここでは図示しないが、図1を例にとって説明すると、強磁性体薄膜Aのみをアルニコ磁石用の磁性材料(Fe−Al−Ni合金)などの硬磁性体で形成して、永久磁石としておくと、これにより、軟磁性体材料の強磁性体薄膜Bが磁化し、外部被検出磁場Hが無い場合でも、強磁性体薄膜Aの磁極61と強磁性体薄膜Bの生じた磁極62との間に吸引力が働き、共振周波数frが磁化しない場合に比べ大きくなるが、外部被検出磁場Hが存在すると、その方向により、先の吸引力を助長させる方向なのか、それとも、吸引力を減少させる方向なのかにより、外部被検出磁場Hが方向が判定される。また、共振周波数frの変化の大きさにより、外部被検出磁場Hの大きさを求めることができる。
In the above-described resonant magnetic sensors of the first, second, and third embodiments of the present invention, both the ferromagnetic thin film A and the ferromagnetic thin film B are formed of a soft magnetic material. However, when taking FIG. 1 as an example, only the ferromagnetic thin film A is formed of a hard magnetic material such as a magnetic material for an alnico magnet (Fe—Al—Ni alloy) and is used as a permanent magnet. Even if the ferromagnetic thin film B of soft magnetic material is magnetized and there is no external detected magnetic field H, the attractive force is generated between the
また、この実施例の場合でも、軟磁性体材料である強磁性体薄膜Bをコアとするコイル40を形成しておき、これを用いて、センサの経時変化、特に、永久磁石となっている強磁性体薄膜Aの減磁作用による経時変化を校正すると良い。
Also in this embodiment, the
図6に、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における横断面概略図を示してあり、磁気記録再生や磁気探傷用の磁気ヘッドに好適なように形成して実施した場合で、振動板10として、カンチレバ11を用い、この上に形成した強磁性体薄膜20としての強磁性体薄膜Aと基板側に形成した強磁性体薄膜Bを主体に描いたものであり、実施例1の図1に示したような磁気検出部分における他の励振用電極などの電極やピエゾ抵抗素子30などは、煩雑を避けるために図面では省略している。
FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of another embodiment of the resonance type magnetic sensor according to the present invention, which is suitable for a magnetic head for magnetic recording / reproducing and magnetic flaw detection. The
この実施例5では、強磁性体薄膜20としての強磁性体薄膜Bが基板1の側面を通り、裏面側にまで延在しており、強磁性体薄膜20としての強磁性体薄膜Aもカンチレバ11側とは反対側の他端である磁気ヘッド端面500まで磁束のリターンパスとして延在させてあり、この磁気ヘッド端面500側の強磁性体薄膜Aから外部被検出磁場Hが導入され、リターンパスを通して戻るようにしている。また、基板1の裏面側にまで延在させた強磁性体薄膜Bである強磁性体薄膜20も、強磁性体薄膜Aが配置されている側の基板1の端面に当たる磁気ヘッド端面500まで延ばしてあり、ここに磁気抵抗が小さくなるように、ブロック状の軟磁性体からなる強磁性体22を取り付けてある。このように強磁性体薄膜20で、磁束のリターンパスを設けて、その途中に小さな空隙80を設けているだけなので、磁気抵抗が小さくなり、極めて弱い磁場の検出が可能である。例えば、磁気探傷装置として利用する場合は、磁気ヘッド端面500に、被検出体のクラックなどによる被検出強磁性体の磁場の乱れや電流を流した時の磁場の乱れなどなどから、クラックなどの位置がわかるものである。
In Example 5, the ferromagnetic thin film B as the ferromagnetic
図7に、本発明共振型磁気センサの他の一実施例における横断面概略図を示してあり、導線600に流れる電流の大きさを、この電流による磁場から計測するようにした電流センサに好適なように形成して実施した場合で、図6の場合と同様、実施例1の図1に示したような磁気検出部分における他の励振用電極などの電極やピエゾ抵抗素子30などは、煩雑を避けるために図面では省略している。
FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of another embodiment of the resonance type magnetic sensor of the present invention, which is suitable for a current sensor in which the magnitude of the current flowing through the conducting wire 600 is measured from the magnetic field generated by this current. As in the case of FIG. 6, the electrodes such as other excitation electrodes and the
この実施例6では、実施例5の図6におけるリターンパスとなる基板1の裏面に配した強磁性体薄膜20としての強磁性体薄膜Bを無くし、その代わりに、磁束のリターンパスとして、強磁性体からなるヨーク25、25a、25b、25cを、被検出電流を流す導線600が通る穴300を残して形成している。なお、導線600が容易に穴300の中に入れるように、例えば、ヨーク25の中で、ヨーク25cだけが、脱着可能なようにしておくと良い。
In the sixth embodiment, the ferromagnetic thin film B as the ferromagnetic
上述の実施例1から実施例6における本発明共振型磁気センサでは、基板1をSOI基板として、BOX層であるSiO2から成る絶縁膜50を犠牲層としてエッチング除去して空洞部70を形成してカンチレバ11が形成されているが、必ずしもこの必要はない。例えば、基板1上にSiO2などの熱膨張係数が小さく、安定な絶縁膜を形成しパターン化して、この下部にある基板1の一部をエッチング除去して空洞部70を形成して、カンチレバ11を形成しても良い。また、カンチレバ11として、強磁性体薄膜Aだけでも良い。しかし、このような場合、共振周波数の検出手段としてのピエゾ抵抗素子30は、カンチレバ11の固定端付近に、絶縁膜を介して高不純物濃度の多結晶シリコン薄膜などを堆積形成しておき、これをピエゾ抵抗素子30として使用することもできる。
In the resonance type magnetic sensor according to the first to sixth embodiments of the present invention, the cavity 1 is formed by etching and removing the substrate 1 as an SOI substrate and the insulating
また、半導体の基板1上に、窒化シリコン膜などの犠牲層を形成して、その上に、カンチレバ11となるSiO2から成る絶縁膜を堆積させて形成してもよい。この場合、犠牲層としての窒化シリコン膜は、SiO2を侵し難いエッチング液を用いて、カンチレバ11の下部のみエッチング除去されて空洞部70が形成される。このような場合、カンチレバ11の下部に当たる基板1の表面が平らのまま残るので、本発明共振型磁気センサに必要な周辺回路の一部をこの領域に形成しておくことが可能で、カンチレバ11のアレーでは、集積度が上がり好都合である。
Alternatively, a sacrificial layer such as a silicon nitride film may be formed on the semiconductor substrate 1 and an insulating film made of SiO 2 serving as the cantilever 11 may be deposited thereon. In this case, the silicon nitride film as the sacrificial layer is etched away only under the
上述の実施例1から実施例6における本発明共振型磁気センサでは、共振周波数の検出手段としてのピエゾ抵抗素子30を用いた場合であるが、励振手段として用いている励振用電極101、101’ 間の静電容量の変化を利用して検出することもできる。
In the resonance type magnetic sensor of the present invention in the first to sixth embodiments described above, the
また、上述の実施例1から実施例6における本発明共振型磁気センサでは、振動板10としてカンチレバ11を用いているが、これは両端支持の橋架構造にしたり、ダイアフラムに空隙80を設けて、実施することもできる。
Moreover, in the resonance type magnetic sensor of the present invention in the above-described first to sixth embodiments, the
図8には、本発明共振型磁気センサを搭載した磁場検出装置の構成の概略をブロック図で示したもので、本発明共振型磁気センサは、磁気検出部分がある半導体のチップに信号増幅回路を集積化してある場合で、これに電源部、磁場方向と磁場校正用の回路、共振周波数制御回路、演算回路と出力表示部の必要な周辺回路を搭載して、磁場検出装置として実施した場合である。これらの周辺回路は、従来の公知の技術で実施される。 FIG. 8 is a block diagram showing an outline of the configuration of a magnetic field detection device equipped with the resonance type magnetic sensor of the present invention. The resonance type magnetic sensor of the present invention is a signal amplification circuit on a semiconductor chip having a magnetic detection portion. When the power supply unit, the magnetic field direction and magnetic field calibration circuit, the resonance frequency control circuit, the necessary peripheral circuits for the arithmetic circuit and the output display unit are mounted on this, and implemented as a magnetic field detection device It is. These peripheral circuits are implemented by a conventionally known technique.
なお、磁場検出装置を磁気探傷装置や電流センサとしての電流表示装置として用いる場合は、磁場校正用の回路、演算回路や出力表示部に必要な周辺回路は、その応用目的に適合するように、設計することは当然である。 When the magnetic field detection device is used as a magnetic flaw detection device or a current display device as a current sensor, the peripheral circuit necessary for the magnetic field calibration circuit, arithmetic circuit and output display unit is adapted to the application purpose. It is natural to design.
本発明の共振型磁気センサとこれを用いた磁場検出装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。 The resonance type magnetic sensor of the present invention and the magnetic field detection apparatus using the same are not limited to the present embodiment, and various modifications can be made while the gist, operation, and effect of the present invention are the same.
カンチレバなどの振動板の共振周波数の外部被検出磁場による変化から外部被検出磁場を検出するようにした高感度で小型の共振型磁気センサで、最近の半導体微細加工技術と集積化技術を組み合わせたMEMS技術により、超小型で容易に、しかも画一的なものが大量生産できるので、安価となる。 A highly sensitive and small resonant magnetic sensor that detects the externally detected magnetic field from the change in the resonant frequency of the diaphragm such as a cantilever due to the externally detected magnetic field. It combines the latest semiconductor microfabrication technology and integration technology. The MEMS technology can be manufactured in a small size, easily and uniformly, and can be mass-produced.
本発明の共振型磁気センサは、地磁気センサ、磁気記録再生用や磁気探傷装置用磁気ヘッド、エンコーダや磁気を利用した電流センサなどに好適な磁気センサとして利用でき、また、これを用いた磁場検出装置は、携帯電話やカーナビ用の方位表示、磁場測定装置や電流を非接触で検出する電流センサとして用いた電流表示装置などに用いられ、高感度でハンディな磁場検出装置が達成できる。 The resonance type magnetic sensor of the present invention can be used as a magnetic sensor suitable for a geomagnetic sensor, a magnetic head for magnetic recording / reproducing or a magnetic flaw detector, an encoder or a current sensor using magnetism, and a magnetic field detection using the magnetic sensor. The apparatus is used for a directional display for a mobile phone or a car navigation system, a magnetic field measuring apparatus, a current display apparatus used as a current sensor for detecting current without contact, and the like, and a highly sensitive and handy magnetic field detecting apparatus can be achieved.
本発明の共振型磁気センサは振動板の共振現象を利用するので、省エネ型となり、また、外部被検出磁場を周波数と位相で検出するので、デジタル情報として処理しやすく、これからの測定機器には、好都合である。 Since the resonance type magnetic sensor of the present invention uses the resonance phenomenon of the diaphragm, it becomes an energy saving type, and since the external detected magnetic field is detected by frequency and phase, it can be easily processed as digital information. Convenient.
1 基板
2 SOI層
3 下地層
10 振動板
11、11x、11y、11z カンチレバ
15 高濃度層
20、20x、20y、20z 強磁性体薄膜
21,22 強磁性体
25、25a、25b、25c ヨーク
30、30x、30y、30z ピエゾ抵抗素子
40、40x、40y、40z コイル
50、51、52 絶縁膜
60,61,62 磁極
70、70x、70y、70z 空洞部
80、80x、80y、80z 空隙
100 電極
101、101’ 励振用電極
102、102’ 振動検出用電極
103、103’、 103’’ コイル用電極
200 配線
300 穴
500 磁気ヘッド端面
600 導線
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