WO2020170746A1 - 磁気センサおよび磁気センサシステム - Google Patents

磁気センサおよび磁気センサシステム Download PDF

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WO2020170746A1
WO2020170746A1 PCT/JP2020/003321 JP2020003321W WO2020170746A1 WO 2020170746 A1 WO2020170746 A1 WO 2020170746A1 JP 2020003321 W JP2020003321 W JP 2020003321W WO 2020170746 A1 WO2020170746 A1 WO 2020170746A1
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WO
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magnetic
layer
sensing
magnetic sensor
magnetic field
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/003321
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English (en)
French (fr)
Inventor
竜徳 篠
大三 遠藤
Original Assignee
昭和電工株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor and a magnetic sensor system.
  • a thin film magnet made of a hard magnetic film formed on a non-magnetic substrate, an insulating layer covering the thin film magnet, and uniaxial anisotropy formed on the insulating layer are provided.
  • a magneto-impedance effect element provided with one or a plurality of rectangular shaped soft magnetic material films as described above (see Patent Document 1).
  • a magnetic sensor having a structure in which a dielectric layer is sandwiched by a sensing element that senses a magnetic field due to the magnetic impedance effect and a thin film magnet that applies a bias magnetic field to the sensing element supplies a high-frequency current to the sensing element. Then, the dielectric layer is polarized, and may act as a capacitor having an electrostatic capacitance. There has been proposed a technique for detecting a change in magnetic field using the property of the magnetic sensor as a capacitor.
  • the sensitivity may decrease when the current supplied to the sensing element is in the high frequency region.
  • a similar tendency is observed in magnetic sensors that use the property of capacitors.
  • the present invention has an object to suppress a decrease in sensitivity in a magnetic sensor and a magnetic sensor system capable of detecting a magnetic field by using a property as a capacitor.
  • a magnetic sensor to which the present invention is applied includes a conductive layer made of a conductor, a dielectric layer made of a dielectric and laminated on the conductive layer, and a plurality of soft layers laminated on the dielectric layer.
  • a sensing unit having a sensing element that has uniaxial magnetic anisotropy in a direction intersecting with and that senses a magnetic field by a magnetic impedance effect.
  • the capacitance may change according to the magnetic field sensed by the sensing element.
  • the conductive layer is made of a hard magnetic material and has magnetic anisotropy in an in-plane direction
  • the sensing element of the sensing unit has the longitudinal direction oriented in the direction of the magnetic field generated by the conductive layer.
  • a pair of magnetic fluxes that are laminated on the dielectric layer so as to face the longitudinal ends of the sensing elements and that induce a magnetic flux generated by the conductive layer to penetrate the sensing elements in the longitudinal direction.
  • a yoke may be further provided, and the yoke may be provided with a plurality of the soft magnetic material layers and the high conductive layer laminated between the soft magnetic material layers.
  • the sensing unit includes a first sensing unit including a plurality of sensing elements arranged in parallel on the dielectric layer, and a plurality of sensing elements arranged in parallel on the dielectric layer. It can be characterized in that it comprises a second susceptor which is insulated from the first susceptor. Further, the susceptor may have a shape in which the first susceptor and the second susceptor, in which a plurality of the susceptor elements are connected in a comb shape, are engaged with each other.
  • a magnetic sensor system to which the present invention is applied includes a conductive layer made of a conductor, a dielectric layer made of a dielectric and laminated on the conductive layer, and a dielectric layer A plurality of soft magnetic layers laminated on the body layer, and a highly conductive layer laminated between the plurality of soft magnetic layers and having higher conductivity than the soft magnetic layers, the longitudinal direction and the lateral direction being provided.
  • Direction and has a uniaxial magnetic anisotropy in a direction intersecting the longitudinal direction, and a sensing element that senses a magnetic field by a magnetic impedance effect, and a capacitance of the magnetic sensor.
  • a magnetic field calculation unit that calculates the amount of change in the magnetic field sensed by the sensing element based on the amount of change.
  • the present invention it is possible to suppress a decrease in sensitivity in a magnetic sensor and a magnetic sensor system capable of detecting a magnetic field using the property of a capacitor.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a magnetic sensor system 500 to which this embodiment is applied.
  • the magnetic sensor system 500 includes an oscillating circuit unit 510, a frequency measuring unit 530 that measures the frequency of an alternating current oscillated from the oscillating circuit unit 510, and a magnetic field described below based on the oscillating frequency measured by the frequency measuring unit 530.
  • the sensor 1 is provided with a magnetic field calculator 550 that calculates a magnetic field or a change in the magnetic field.
  • the oscillation circuit unit 510 includes a magnetic sensor 1 using a so-called magnetic impedance effect, a coil 513 connected in series to the magnetic sensor 1 and forming an LC resonance circuit together with the magnetic sensor 1, the magnetic sensor 1 and
  • the coil 513 is provided with a high frequency supply unit 515 that supplies a high frequency current.
  • the magnetic sensor 1 functions as a capacitor having the electrostatic capacitance C.
  • the coil 513 functions as an inductor having the inductance L.
  • the frequency measuring unit 530 is composed of an existing frequency counter using, for example, a crystal oscillator or the like. Then, frequency measuring section 530 measures the frequency of the alternating current oscillated from oscillation circuit section 510 and outputs it to magnetic field calculating section 550.
  • the magnetic field calculation unit 550 calculates the external magnetic field sensed by the magnetic sensor 1 or a change in the external magnetic field based on the frequency acquired from the frequency measurement unit 530. Although details will be described later, the magnetic field calculation unit 550 stores the relationship between the electrostatic capacitance C of the magnetic sensor 1 and the strength of the magnetic field sensed by the magnetic sensor 1. Then, the magnetic field calculation unit 550 calculates the electrostatic capacitance C of the magnetic sensor 1 from the frequency measured by the frequency measurement unit 530, and based on the electrostatic capacitance C, the magnetic field sensed by the magnetic sensor 1 or a change in the magnetic field. To calculate.
  • the magnetic sensor 1 to which the first embodiment is applied includes a thin film magnet 20 formed of a hard magnetic material (hard magnetic material layer 103) provided on a non-magnetic substrate 10, and a thin film magnet.
  • the soft magnetic material lower soft magnetic material layer 105a, upper soft magnetic material layer 105b
  • a conductive material high conductive layer 106 having higher conductivity than the soft magnetic material are stacked so as to face the magnet 20.
  • a sensing unit 30 that senses a magnetic field.
  • the two soft magnetic layers (the lower soft magnetic layer 105a and the upper soft magnetic layer 105b) are not distinguished from each other, they are simply referred to as the soft magnetic layer 105.
  • the sectional structure of the magnetic sensor 1 will be described in detail later.
  • the hard magnetic material is a material having a large coercive force that, when magnetized by an external magnetic field, maintains the magnetized state even if the external magnetic field is removed.
  • the soft magnetic material is a material having a small so-called coercive force, which is easily magnetized by an external magnetic field but quickly returns to a state of no magnetization or a small magnetization when the external magnetic field is removed.
  • elements constituting the magnetic sensor 1 are represented by two-digit numbers, and layers processed into the elements (such as the hard magnetic layer 103) are represented by numbers in the 100s. .. Then, with respect to the number of the element, the number of the layer processed into the element is described in (). For example, in the case of the thin film magnet 20, the thin film magnet 20 (hard magnetic layer 103) is referred to. In the figure, it is expressed as 20 (103). The same applies to other cases.
  • the planar structure of the magnetic sensor 1 will be described with reference to FIG.
  • the magnetic sensor 1 has, for example, a quadrangular planar shape.
  • the sensing unit 30 and the yoke 40 formed on the uppermost part of the magnetic sensor 1 will be described.
  • the sensing unit 30 has a shape in which a first sensing unit 30A and a second sensing unit 30B, each of which has a comb-tooth shape, are engaged with each other.
  • the first sensing unit 30A is a connection unit that connects in parallel a plurality of sensing elements 31a, each of which has a rectangular planar shape having a longitudinal direction and a lateral direction, and an adjacent sensing element 31a with a sensing element 31b described later interposed therebetween. 32a and the terminal part 33a to which the electric wire for current supply is connected.
  • the second sensing section 30B includes a plurality of sensing elements 31b, a connecting section 32b that connects adjacent sensing elements 31b in parallel with the sensing element 31a in between, and a terminal section to which an electric wire for supplying current is connected. 33b.
  • the sensitive element 31a and the sensitive element 31b are magneto-impedance effect elements.
  • the eight sensitive elements 31a forming the first sensitive section 30A and the eight sensitive elements 31b forming the second sensitive section 30B are alternately arranged in the lateral direction.
  • the first sensitive unit 30A and the second sensitive unit 30B when the first sensitive unit 30A and the second sensitive unit 30B are not distinguished, they may be simply referred to as the sensitive unit 30.
  • the sensitive element 31a, the connecting portion 32a, and the terminal portion 33a that configure the first sensitive portion 30A and the sensitive element 31b, the connecting portion 32b, and the terminal portion 33b that configure the second sensitive portion 30B are not distinguished, Each of them may be simply referred to as a sensing element 31, a connecting portion 32, and a terminal portion 33.
  • the sensing element 31a of the first sensing section 30A and the sensing element 31b of the second sensing section 30B are arranged with a gap therebetween and are not connected by the connecting section 32 or the like.
  • the magnetic sensor 1 no direct current flows in the circuit from the terminal portion 33a of the first sensing unit 30A to the terminal portion 33b of the second sensing unit 30B.
  • the direct current resistance between the first sensing unit 30A and the second sensing unit 30B is infinite.
  • the dielectric layer 104 is polarized, and thus the first sensing unit is interposed via the dielectric layer 104.
  • a high frequency current flows between 30A and the second sensing unit 30B.
  • the susceptor 30 has the first susceptor 30A and the second susceptor 30B that are arranged with a gap, and the direct current does not flow but the high-frequency current flows.
  • the degree of freedom in circuit design of the oscillation circuit unit 510 (see FIG. 1) including the sensor 1 is improved. Further, since the sensing unit 30 has a configuration in which a direct current does not flow and a high frequency current flows, the high frequency current supplied from the high frequency supply unit 515 can be used in the oscillation circuit unit 510.
  • the sensing element 31 has, for example, a length in the longitudinal direction of about 1 mm, a width in the lateral direction of several hundred ⁇ m, and a thickness (thickness of the soft magnetic layer 105) of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the spacing between the sensing elements 31 (the spacing between the sensing element 31a of the first sensing section 30A and the sensing element 31b of the second sensing section 30B) is 50 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the size of each sensing element 31 (length, area, thickness, etc.), the number of sensing elements 31, the spacing between the sensing elements 31, etc. are determined by the magnitude of the magnetic field to be sensed (measured) and the electrostatic capacitance described later. It is set according to the size of C and the like.
  • the connecting portion 32a of the first sensing unit 30A is provided at the right end of the sensing element 31a. Then, the connecting portion 32a connects the plurality of sensitive elements 31a in parallel in a comb shape.
  • the connecting portion 32b of the second sensitive portion 30B is provided at the left end of the sensitive element 31b.
  • the connecting portion 32b connects the plurality of sensitive elements 31b in parallel in a comb shape.
  • the terminal portion 33a of the first sensing unit 30A is provided at the upper end of the connecting portion 32a in FIG.
  • the terminal portion 33a includes a lead portion that is pulled out from the connecting portion 32a, and a pad portion that connects an electric wire that supplies a current.
  • the terminal portion 33b of the second sensitive portion 30B is provided at the right end portion of the sensitive element 31b located on the lower side in FIG.
  • the terminal portion 33b includes a lead portion that is pulled out from the sensitive element 31b, and a pad portion that connects an electric wire that supplies a current.
  • the terminal portion 33 may be provided such that the lead portion is not provided and the pad portion is continuous with the connection portion 32a or the sensing element 31b.
  • the pad portion may have a size that can connect an electric wire.
  • the positions of the terminal portion 33a and the terminal portion 33b are not limited to the positions shown in FIG. 2, and may be any positions as long as they can supply current to the first sensing unit 30A and the second sensing unit 30B, respectively
  • the sensing element 31, the connection portion 32, and the terminal portion 33 of the sensing unit 30 are integrated by the two soft magnetic layer 105 (the lower soft magnetic layer 105a and the upper soft magnetic layer 105b) and the high conductive layer 106. Is configured.
  • the above numerical values such as the length and width of the sensing element 31 (sensing elements 31a and 31b) and the number of the sensing elements 31 to be arranged in parallel are examples, and may be changed depending on the value of the magnetic field to be sensed (measured) and the soft magnetic material used. Good.
  • the magnetic sensor 1 includes a yoke 40 that is provided so as to face an end of the sensing element 31 in the longitudinal direction.
  • a yoke 40 that is provided so as to face an end of the sensing element 31 in the longitudinal direction.
  • it is provided with two yokes 40a and 40b, which are provided so as to face both ends in the longitudinal direction of the sensing element 31, respectively.
  • the yoke 40 guides a magnetic force line to the end of the sensing element 31 in the longitudinal direction. Therefore, the yoke 40 is configured to include a soft magnetic material (soft magnetic material layer 105) through which magnetic lines of force easily pass.
  • the sensing section 30 and the yoke 40 are composed of two layers of soft magnetic material layers 105 (a lower soft magnetic material layer 105a and an upper soft magnetic material layer 105b) and a high conductive layer 106.
  • the yoke 40 may not be provided when the magnetic force lines are sufficiently transmitted in the longitudinal direction of the sensing element 31.
  • the size of the magnetic sensor 1 is a few mm square when viewed two-dimensionally.
  • the size of the magnetic sensor 1 may be another value.
  • the magnetic sensor 1 includes an adhesion layer 101, a control layer 102, a hard magnetic layer 103 (thin film magnet 20 ), a dielectric layer 104, a soft magnetic layer 105, and a highly conductive layer 106 on a non-magnetic substrate 10.
  • the sensing unit 30 and the yoke 40 are arranged (stacked) in this order.
  • the substrate 10 is a substrate made of a non-magnetic material, and examples thereof include oxide substrates such as glass and sapphire, semiconductor substrates such as silicon, and metal substrates such as aluminum, stainless steel, and nickel-phosphorus-plated metal.
  • the adhesion layer 101 is a layer for improving the adhesion of the control layer 102 to the substrate 10.
  • As the adhesion layer 101 it is preferable to use an alloy containing Cr or Ni. Examples of alloys containing Cr or Ni include CrTi, CrTa, and NiTa.
  • the adhesion layer 101 has a thickness of, for example, 5 nm to 50 nm. If there is no problem in the adhesion of the control layer 102 to the substrate 10, it is not necessary to provide the adhesion layer 101. In this specification, the composition ratio of the alloy containing Cr or Ni is not shown. The same applies hereinafter.
  • the control layer 102 is a layer that controls so that the magnetic anisotropy of the thin film magnet 20 composed of the hard magnetic layer 103 is easily expressed in the in-plane direction of the film.
  • the control layer 102 it is preferable to use Cr, Mo, or W or an alloy containing them (hereinafter, referred to as an alloy containing Cr or the like forming the control layer 102).
  • CrTi, CrMo, CrV, CrW, etc. are mentioned as an alloy containing Cr etc. which comprises the control layer 102.
  • the thickness of the control layer 102 is, for example, 10 nm to 300 nm.
  • the hard magnetic layer 103 that constitutes the thin film magnet 20 uses an alloy containing Co as a main component and one or both of Cr and Pt (hereinafter referred to as a Co alloy that constitutes the thin film magnet 20). Is good.
  • the Co alloy that constitutes the thin film magnet 20 include CoCrPt, CoCrTa, CoNiCr, and CoCrPtB.
  • Fe may be contained.
  • the thickness of the hard magnetic layer 103 is, for example, 1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the alloy containing Cr or the like that constitutes the control layer 102 has a bcc (body-centered cubic (body centered cubic lattice)) structure. Therefore, the hard magnetic material (hard magnetic material layer 103) forming the thin-film magnet 20 is hcp (hexagonal close-packed (hexagonal maximum close-packed) which is likely to grow crystals on the control layer 102 made of an alloy containing Cr or the like having a bcc structure. Close-packing)) structure is preferable.
  • the hard magnetic layer 103 having the hcp structure is crystal-grown on the bcc structure, the c axis of the hcp structure is easily oriented so as to be in-plane.
  • the thin film magnet 20 configured by the hard magnetic layer 103 is likely to have magnetic anisotropy in the in-plane direction.
  • the hard magnetic layer 103 is a polycrystal composed of aggregates having different crystal orientations, and each crystal has magnetic anisotropy in the in-plane direction. This magnetic anisotropy is derived from crystal magnetic anisotropy.
  • the substrate 10 may be heated to 100° C. to 600° C. in order to promote crystal growth of the alloy containing Cr or the like forming the control layer 102 and the Co alloy forming the thin film magnet 20.
  • This heating facilitates crystal growth of the alloy containing Cr or the like forming the control layer 102 and facilitates crystal orientation of the hard magnetic layer 103 having the hcp structure so that the hard magnetic layer 103 has an in-plane easy magnetization axis. That is, magnetic anisotropy is easily imparted to the surface of the hard magnetic layer 103.
  • the dielectric layer 104 is made of a non-magnetic dielectric, and electrically insulates the thin film magnet 20 and the sensing unit 30 from each other.
  • Examples of the dielectric material forming the dielectric layer 104 include oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2 , and nitrides such as Si 3 N 4 and AlN.
  • the thickness of the dielectric layer 104 is, for example, 0.1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the sensitive element 31 in the sensitive section 30 is provided with uniaxial magnetic anisotropy in a direction intersecting the longitudinal direction, for example, in a transverse direction (width direction) orthogonal to each other.
  • the direction intersecting with the longitudinal direction may have an angle of more than 45° with respect to the longitudinal direction.
  • the soft magnetic material (the lower soft magnetic material layer 105a and the upper soft magnetic material layer 105b) constituting the sensitive element 31 is an amorphous alloy in which a refractory metal Nb, Ta, W or the like is added to an alloy containing Co as a main component ( Hereinafter, it is preferable to use a Co alloy that constitutes the sensing element 31.).
  • Examples of the Co alloy forming the sensitive element 31 include CoNbZr, CoFeTa, CoWZr, and the like.
  • the thickness of the soft magnetic material (the lower soft magnetic material layer 105a and the upper soft magnetic material layer 105b) constituting the sensitive element 31 is, for example, 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m. In the example shown in FIG. 3, the thickness of the lower soft magnetic layer 105a and the thickness of the upper soft magnetic layer 105b are equal to each other, but they may be different from each other.
  • the conductor (highly conductive layer 106) forming the sensing element 31 it is preferable to use a metal or alloy having high conductivity, and it is more preferable to use a non-magnetic metal or alloy having high conductivity. Specifically, it is preferable to use a metal such as aluminum, copper, silver or the like as the conductor (highly conductive layer 106) forming the sensitive element 31.
  • the thickness of the conductor (highly conductive layer 106) forming the sensitive element 31 is, for example, 10 nm to 500 nm.
  • the thickness of the conductor (highly conductive layer 106) forming the sensing element 31 is the sensitivity used for the soft magnetic layer 105 so that the resistance R of the sensing element 31 and the value of the magnetic field to be sensed, which will be described later, have desired values. It can be changed depending on the type of the Co alloy forming the element 31, the conductor used as the high-conductivity layer 106, and the like.
  • the adhesion layer 101, the control layer 102, the hard magnetic layer 103, and the dielectric layer 104 are processed so that the planar shape is a quadrangle (see FIG. 2).
  • the thin-film magnet 20 has an N pole ((N) in FIG. 3) and an S pole ((S) in FIG. 3) on two opposing side surfaces of the exposed side surfaces.
  • the line connecting the N pole and the S pole of the thin film magnet 20 is oriented in the longitudinal direction of the sensing element 31 in the sensing section 30.
  • “toward the longitudinal direction” means that the angle formed by the line connecting the N pole and the S pole and the longitudinal direction is less than 45°. Note that the smaller the angle formed by the line connecting the N pole and the S pole and the longitudinal direction, the better.
  • the magnetic force line emitted from the N pole of the thin-film magnet 20 once goes out of the magnetic sensor 1. Then, a part of the magnetic lines of force pass through the sensing element 31 via the yoke 40a, and go out again via the yoke 40b. Then, the magnetic force line that has passed through the sensing element 31 returns to the S pole of the thin film magnet 20 together with the magnetic force line that does not pass through the sensing element 31. That is, the thin film magnet 20 applies a magnetic field in the longitudinal direction of the sensitive element 31.
  • the N pole and the S pole of the thin-film magnet 20 are collectively referred to as both magnetic poles, and when the N pole and the S pole are not distinguished, they are referred to as magnetic poles.
  • the yoke 40 (yokes 40a and 40b) is configured such that the shape viewed from the surface side of the substrate 10 becomes narrower as it approaches the sensing unit 30. This is for concentrating the magnetic field on the sensing unit 30 (collecting magnetic force lines). That is, the magnetic field in the sensing unit 30 is strengthened to further improve the sensitivity.
  • the width of the portion of the yoke 40 (the yokes 40a and 40b) facing the sensitive portion 30 does not have to be narrowed.
  • the distance between the yoke 40 (yokes 40a and 40b) and the sensing unit 30 may be, for example, 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the magnetic sensor 1 is provided with the uniaxial magnetic anisotropy in which the easy axis of magnetization is oriented in the lateral direction (width direction) intersecting the longitudinal direction of the sensitive element 31, for example.
  • a magnetic field bias magnetic field
  • the magnetic sensor 1 applies a high-frequency current to the sensing element 31a of the first sensing section 30A and the sensing element 31b of the second sensing section 30B via the respective terminal portions 33, the sensing section 30 and the thin film magnet 20 are connected to each other. Polarization occurs in the dielectric layer 104 sandwiched between.
  • the magnetic sensor 1 functions as a capacitor having the electrostatic capacitance C by the polarization of the dielectric layer 104 due to the high frequency current.
  • the impedance Z between the terminal portions 33 is the magnetic field acting on the sensing element 31 of the sensing portion 30. It changes depending on the component in the direction along the longitudinal direction of H (external magnetic field).
  • the capacitance C of the magnetic sensor 1 functioning as a capacitor changes as the impedance Z changes. That is, the capacitance C of the magnetic sensor 1 changes depending on the component of the magnetic field H (external magnetic field) acting on the sensing element 31 of the sensing unit 30 in the longitudinal direction.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the magnetic field H applied in the longitudinal direction of the sensing element 31 in the sensing unit 30 of the magnetic sensor 1 and the electrostatic capacitance C of the magnetic sensor 1.
  • the horizontal axis represents the magnetic field H and the vertical axis represents the capacitance C.
  • the solid line shows the relationship between the magnetic field H and the capacitance C of the magnetic sensor 1 of the present embodiment having the above-described configuration.
  • a conventional magnetic sensor 1 having a structure similar to that of the present embodiment except that the sensing unit 30 is composed of one soft magnetic layer 105 (that is, does not have the high conductive layer 106).
  • the broken line shows the relationship between the magnetic field H and the capacitance C.
  • the sensing unit 30 (sensing element 31) and the yoke 40 are a lower soft magnetic material made of Co 85 Nb 12 Zr 3 having a thickness of 0.75 ⁇ m. It has a structure in which a highly conductive layer 106 made of aluminum having a thickness of 100 nm is laminated between the layer 105a and the upper soft magnetic layer 105b. Further, each of the sensitive elements 31 has a width of 100 ⁇ m and a length of 2 mm. Further, in the conventional magnetic sensor 1 whose characteristics are shown by broken lines in FIG.
  • the sensing portion 30 (sensing element 31) and the yoke 40 are made of a single layer of Co 85 Nb 12 Zr 3 having a thickness of 1.5 ⁇ m, It has the same structure as the magnetic sensor 1 of the present embodiment described above.
  • the capacitance C of the magnetic sensor 1 changes according to the magnetic field H applied in the longitudinal direction of the sensitive element 31.
  • the amount of change in the capacitance C (gradient of the graph) with respect to the change in the magnetic field H differs depending on the magnitude of the magnetic field H.
  • the weak change amount can be extracted as the change amount ( ⁇ C) of the electrostatic capacitance C.
  • the center of the magnetic field H having a large ⁇ C/ ⁇ H is shown as the magnetic field Hb. That is, the change amount ( ⁇ H) of the magnetic field H in the vicinity of the magnetic field Hb (the range shown by the arrow in FIG. 4) can be measured with high accuracy.
  • This magnetic field Hb corresponds to the above-mentioned bias magnetic field.
  • the change of the impedance Z with respect to the change amount ⁇ H of the magnetic field H is changed.
  • the amount ⁇ Z ( ⁇ Z/ ⁇ H) may decrease.
  • the change amount of the capacitance C with respect to the change amount ⁇ H of the magnetic field H. ( ⁇ C/ ⁇ H) also decreases. As a result, the sensitivity of the magnetic sensor 1 to changes in the magnetic field H is reduced.
  • the decrease in sensitivity of the magnetic sensor 1 when such a high-frequency current is supplied is due to the influence of stray capacitance generated in the gap between the sensing elements 31 arranged in parallel or in the gap between the sensing element 31 (sensing unit 30) and the yoke 40. It is supposed to be.
  • the impedance Z of the magnetic sensor 1 is affected by an increase in the capacitive component (capacitive reactance) of the imaginary part.
  • the gap between the sensitive elements 31 and the sensitive elements 31 (the sensitive portion 30) and the yoke 40 are separated. Since the gap between the two becomes large, the influence of the stray capacitance tends to be large. As a result, it is considered that the sensitivity of the magnetic sensor 1 is likely to decrease.
  • the magnetic sensor 1 the resistance of the sensing element 31 R, stray capacitance and Cs, when the sensitive element 31 and the parallel circuit of the resistor R and the stray capacitance Cs, the relaxation frequency f r of the magnetic sensor 1, the following It is expressed as in equation (1).
  • the relaxation frequency fr is a frequency at which the real part (resistance) of the impedance Z attenuates and the imaginary part (reactance) takes a minimum value, and corresponds to the frequency at which the sensitivity of the sensitive element 31 starts to decrease.
  • f r 1 / 2 ⁇ RCs ...
  • the sensing element 31 has a configuration in which the soft magnetic layer 105 and the high conductive layer 106 having higher conductivity than the soft magnetic layer 105 are stacked. ing. As a result, the resistance R of the sensitive element 31 becomes lower than that in the case where the sensitive element 31 does not include the high conductive layer 106.
  • the electric resistivity of Co 85 Nb 12 Zr 3 which is an example of the soft magnetic layer 105 (Co alloy forming the sensing element 31) is about 250 ⁇ cm
  • the high conductive layer 106 (sensing element 31) The electrical resistivity of aluminum, which is an example of the conductor, is about 2.5 ⁇ cm.
  • the sensitive portion 30 (sensitive element 31) includes the high conductive layer 106 made of aluminum having a thickness of 100 nm, and thus the high conductive layer 106 is provided.
  • the resistance R of the sensing element 31 is reduced to about 1/10 of that of the conventional magnetic sensor 1 which is not provided.
  • the sensing element 31 includes the high conductive layer 106 and the resistance R decreases, so that the sensing element 31 does not include the high conductive layer 106 in a high frequency region.
  • the real part (resistance) and the imaginary part (reactance) of the impedance Z rise. Therefore, in the magnetic sensor 1 according to the present embodiment, it is possible to further enhance the skin effect when the high frequency current is supplied.
  • the magnetic sensor 1 has a shape in which the sensing element 31a of the first sensing section 30A and the sensing element 31b of the second sensing section 30B are engaged with each other in a comb shape via a gap. ing.
  • the length along which the sensing element 31a and the sensing element 31b that face each other with a gap therebetween is increased, and the resistance when a high-frequency current is supplied to the sensing unit 30 is reduced.
  • the area of the sensing elements 31 (sensing elements 31a and 31b) in the magnetic sensor 1 can be easily designed to be large.
  • the relaxation frequency fr is increased by decreasing the resistance R of the sensing element 31 and also decreasing the stray capacitance Cs of the sensing element 13, thereby increasing the magnetic field in the high frequency region.
  • the sensitivity of the sensor 1 can be improved.
  • the sensitivity of the magnetic sensor 1 in the high frequency region is improved by changing only the laminated structure of the sensing element 31 without changing the planar shape or the like of the magnetic sensor 1. be able to.
  • the oscillation circuit unit 510 supplies a high frequency current to the LC resonance circuit (the magnetic sensor 1, the coil 513) by the high frequency supply unit 515.
  • the oscillation circuit unit 510 oscillates an alternating current having a predetermined resonance frequency f 0 by the LC resonance circuit formed by the magnetic sensor 1 and the coil 513.
  • the frequency measurement unit 530 measures the frequency (resonance frequency f 0 ) of the alternating current oscillated from the oscillation circuit unit 510 and outputs it to the magnetic field calculation unit 550.
  • the magnetic field calculation unit 550 detects the magnetic field H sensed by the sensing unit 30 of the magnetic sensor 1 based on the change amount. Change amount ( ⁇ H) is calculated.
  • the relationship between the resonance frequency f 0 which is the frequency of the alternating current oscillated from the LC resonance circuit, the electrostatic capacitance C of the magnetic sensor 1 (capacitor), and the inductance L of the coil 513 (inductor) is expressed by the following equation ( It is represented by 2).
  • f 0 1/(2 ⁇ (LC)) (2) Therefore, as in the relationship between the magnetic field H and the electrostatic capacitance C shown in FIG. 4, when the magnetic field H changes, the electrostatic capacitance C changes, and when the electrostatic capacitance C changes according to equation (2), the resonance frequency f 0 changes.
  • the magnetic field calculation unit 550 obtains the correlation between the change amount of the resonance frequency f 0 and the change amount ( ⁇ H) of the magnetic field H in advance, and thus the change amount of the resonance frequency f 0 measured by the frequency measurement unit 530. From this, the change amount ( ⁇ H) of the magnetic field H sensed by the sensing unit 30 can be obtained. Further, the correlation between the change amount ( ⁇ f 0 ) of the resonance frequency f 0 and the change amount ( ⁇ H) of the magnetic field H is set, for example, when the magnetic sensor 1 of the magnetic sensor system 500 is set in the magnetic field generator. It can be obtained by measuring the relationship between the change amount ( ⁇ H) and the change amount ( ⁇ f 0 ) of the resonance frequency f 0 .
  • the amount of change in the magnetic field sensed by the sensing unit 30 of the magnetic sensor 1 can be obtained based on the amount of change in the capacitance C of the magnetic sensor 1. it can.
  • the resonance frequency at which the fluctuation of the magnetic field H sensed by the sensing unit 30 of the magnetic sensor 1 is oscillated from the LC resonance circuit (magnetic sensor 1, coil 513) of the oscillation circuit unit 510. It is converted into the change of f 0 . This makes it possible to reduce electrical noise and detect changes in the magnetic field H with high sensitivity, as compared with a case where changes in the magnetic field H are converted into changes in signal strength.
  • the capacitance C of the magnetic sensor 1 is calculated using the resonance frequency f 0 oscillated from the LC resonance circuit in which the magnetic sensor 1 and the coil 513 are connected in series. doing.
  • the configuration of the oscillation circuit unit 510 is not limited to this.
  • FIGS. 5A to 5E are views for explaining an example of a method of manufacturing the magnetic sensor 1.
  • 5A to 5E show steps in the method of manufacturing the magnetic sensor 1.
  • 5A to 5E are representative steps, and may include other steps. Then, the process proceeds in the order of FIGS. 5A to 5E correspond to the cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • the substrate 10 is a substrate made of a non-magnetic material, for example, an oxide substrate such as glass or sapphire, a semiconductor substrate such as silicon, or a metal such as aluminum, stainless steel, or nickel-phosphorus-plated metal. It is a metal substrate.
  • the substrate 10 may be provided with streak-shaped grooves or streak-shaped irregularities having a radius of curvature Ra of 0.1 nm to 100 nm, for example, by using a polishing machine or the like.
  • the direction of the streaky groove or the streaky uneven streaks is preferably provided in a direction connecting the N pole and the S pole of the thin film magnet 20 configured by the hard magnetic layer 103. By doing so, crystal growth in the hard magnetic layer 103 is promoted in the groove direction.
  • the easy axis of magnetization of the thin-film magnet 20 formed of the hard magnetic layer 103 is more likely to be oriented in the groove direction (the direction connecting the N pole and the S pole of the thin-film magnet 20). That is, the magnetization of the thin film magnet 20 is made easier.
  • the substrate 10 will be described as an example of glass having a diameter of about 95 mm and a thickness of about 0.5 mm.
  • a plurality of magnetic sensors 1 are collectively manufactured on the substrate 10 and then divided (cut) into individual magnetic sensors 1.
  • FIGS. 5A to 5E one magnetic sensor 1 shown in the center is focused, but a part of the magnetic sensors 1 adjacent to each other on the left and right is also shown. The boundary between the adjacent magnetic sensors 1 is indicated by a chain line.
  • the adhesion layer 101, the control layer 102, the hard magnetic layer 103, and the dielectric layer are formed on one surface (hereinafter referred to as the surface) of the substrate 10.
  • the body layer 104 is sequentially formed (deposited) to form a laminated body.
  • the adhesion layer 101 which is an alloy containing Cr or Ni
  • the control layer 102 which is an alloy containing Cr, etc.
  • the hard magnetic layer 103 which is a Co alloy that constitutes the thin film magnet 20
  • This film formation can be performed by a sputtering method or the like.
  • the substrate 10 By moving the substrate 10 so as to sequentially face a plurality of targets formed of the respective materials, the adhesion layer 101, the control layer 102, and the hard magnetic layer 103 are sequentially laminated on the substrate 10.
  • the substrate 10 may be heated to, for example, 100° C. to 600° C. in order to promote crystal growth.
  • the deposition of the adhesion layer 101 may or may not be performed on the substrate 10.
  • the substrate 10 may be heated before the adhesion layer 101 is formed in order to remove moisture and the like adsorbed on the surface of the substrate 10.
  • the dielectric layer 104 which is an oxide such as SiO 2 , Al 2 O 3 or TiO 2 , or a nitride such as Si 3 N 4 or AlN, is formed (deposited).
  • the dielectric layer 104 can be formed by a plasma CVD method, a reactive sputtering method, or the like.
  • a photoresist pattern (resist pattern) 111 having openings at portions where the sensitive portions 30 are formed and portions where the yoke 40 (yokes 40a and 40b) is formed is known. It is formed by the photolithography technology.
  • 106 and the upper soft magnetic material layer 105b, which is a Co alloy forming the sensing element 31, are sequentially formed (deposited).
  • the soft magnetic layer 105 (the lower soft magnetic layer 105a, the upper soft magnetic layer 105b) and the high-conductivity layer 106 can be formed by, for example, a sputtering method.
  • the resist pattern 111 is removed, and the soft magnetic layer 105 (the lower soft magnetic layer 105a, the upper soft magnetic layer 105b) and the high-conductivity layer on the resist pattern 111 are removed. 106 is removed (lifted off).
  • the sensitive portion 30 and the yoke 40 (the yokes 40a and 40b) formed by the soft magnetic layer 105 and the high-conductivity layer 106 are formed. That is, the sensitive portion 30 and the yoke 40 are simultaneously formed by forming the soft magnetic layer 105 and the high-conductivity layer 106.
  • uniaxial magnetic anisotropy is given to the soft magnetic layer 105 in the width direction of the sensitive element 31 in the sensitive section 30.
  • the uniaxial magnetic anisotropy is imparted to the soft magnetic layer 105 by, for example, heat treatment at 400° C. in a rotating magnetic field of 3 kG (0.3 T) (heat treatment in a rotating magnetic field) and subsequent 3 kG (0.3 T). And heat treatment at 400° C. in a static magnetic field (heat treatment in a static magnetic field).
  • the same uniaxial magnetic anisotropy is also given to the soft magnetic layer 105 that constitutes the yoke 40.
  • the yoke 40 only needs to play a role as a magnetic circuit, and may or may not have uniaxial magnetic anisotropy.
  • the hard magnetic layer 103 forming the thin film magnet 20 is magnetized.
  • the magnetization of the hard magnetic layer 103 can be performed by applying a magnetic field larger than the coercive force of the hard magnetic layer 103 in a static magnetic field or a pulsed magnetic field until the magnetization of the hard magnetic layer 103 is saturated. ..
  • the plurality of magnetic sensors 1 formed on the substrate 10 are divided (cut) into individual magnetic sensors 1. That is, as shown in the plan view of FIG. 2, the substrate 10, the adhesion layer 101, the control layer 102, the hard magnetic layer 103, the dielectric layer 104, the soft magnetic layer 105 and The highly conductive layer 106 is cut.
  • the magnetic poles (N pole and S pole) of the thin film magnet 20 are exposed on the side surfaces of the divided (cut) hard magnetic layer 103.
  • the hard magnetic layer 103 magnetized becomes the thin film magnet 20.
  • This division (cutting) can be performed by a dicing method, a laser cutting method, or the like.
  • the adhesion layer 101, the control layer 102, the hard magnetic material between the adjacent magnetic sensors 1 on the substrate 10 are formed.
  • the layer 103, the dielectric layer 104, the soft magnetic layer 105, and the high-conductivity layer 106 may be removed by etching so that the planar shape becomes a quadrangle (the planar shape of the magnetic sensor 1 shown in FIG. 2).
  • the exposed substrate 10 may be divided (cut).
  • the adhesion layer 101, the control layer 102, the hard magnetic layer 103, and the dielectric layer 104 have a quadrangular planar shape (the magnetic sensor 1 shown in FIG. 2). May be processed into a flat shape).
  • the manufacturing method shown in FIGS. 5A to 5E has a simplified process as compared with these manufacturing methods.
  • the magnetic sensor 1 is manufactured.
  • the uniaxial anisotropy is imparted to the soft magnetic material layer 105 and/or the thin film magnet 20 is magnetized after the step of dividing the magnetic sensor 1 of FIG. You may perform it for every 1 or several magnetic sensor 1.
  • control layer 102 If the control layer 102 is not provided, it is necessary to impart in-plane magnetic anisotropy by heating the hard magnetic layer 103 and heating it to 800° C. or higher for crystal growth. .. However, when the control layer 102 is provided as in the magnetic sensor 1 to which the first embodiment is applied, crystal growth is promoted by the control layer 102, so crystal growth at a high temperature of 800° C. or higher is performed. Does not need
  • the uniaxial anisotropy is imparted to the sensing element 31 of the sensing section 30, instead of performing the heat treatment in the rotating magnetic field and the heat treatment in the static magnetic field as described above, the soft magnetic layer 105 which is a Co alloy constituting the sensing element 31. It may be performed by using a magnetron sputtering method at the time of depositing. In the magnetron sputtering method, a magnetic field is formed using a magnet, and the electrons generated by the discharge are confined (concentrated) on the surface of the target. This increases the probability of collision between electrons and gas, promotes ionization of gas, and improves the film deposition rate (film deposition rate).
  • a uniaxial anisotropy is imparted to the soft magnetic layer 105 at the same time as the soft magnetic layer 105 is deposited by the magnetic field formed by a magnet used in the magnetron sputtering method. This makes it possible to omit the step of imparting uniaxial anisotropy in the heat treatment in the rotating magnetic field and the heat treatment in the static magnetic field.
  • the magnetic sensor 1 has a structure in which the dielectric layer 104 and the sensing unit 30 are stacked on the thin film magnet 20 including the hard magnetic layer 103.
  • the structure of 1 is not limited to this. That is, from the viewpoint that the dielectric layer 104 is polarized and the magnetic sensor 1 has the capacitance C when a high-frequency current is applied to the sensing element 31, the magnetic sensor 1 has the sensing element 31 via the dielectric layer 104. It suffices that the layer opposed to is conductive.
  • a conductive layer made of a non-magnetic conductor may be provided.
  • the magnetic sensor 1 is provided with a conductive layer made of a non-magnetic conductor instead of the thin film magnet 20, an element for applying a bias magnetic field in the longitudinal direction of the sensitive element 31 is provided separately from the conductive layer.
  • an element for applying a bias magnetic field may be integrated with the magnetic sensor 1 or may be separate from the magnetic sensor 1.
  • the sensing unit 30 includes the two soft magnetic material layers 105 (the lower soft magnetic material layer 105a and the upper soft magnetic material layer 105b) and the one highly conductive layer 106.
  • the present invention is not limited to this. That is, if the lowermost layer and the uppermost layer of the sensitive section 30 are formed of the soft magnetic material layer 105, the soft magnetic material layer 105 and the high-conductivity layer 106 may be three or more layers and two or more layers, respectively.
  • the magnetic sensor 1 has a configuration in which the sensing unit 30 does not flow a DC current but a high-frequency current, but the structure of the magnetic sensor 1 is not limited to this. ..
  • the magnetic sensor 1 may not include the first sensing unit 30A and the second sensing unit 30B, but may have the sensing unit 30 integrated.
  • the magnetic sensor 1 includes a sensing unit 30 in which a plurality of sensing elements 31 are serially connected in a zigzag shape via a connecting unit 32 between one terminal unit 33 and the other terminal unit 33. You may have.
  • SYMBOLS 1 Magnetic sensor, 10... Substrate, 20... Thin film magnet, 30... Sensing part, 30A... 1st sensing part, 30B... 2nd sensing part, 31, 31a, 31b... Sensing element, 32, 32a, 32b... Connection part , 33, 33a, 33b... Terminal portion, 40, 40a, 40b... Yoke, 101... Adhesion layer, 102... Control layer, 103... Hard magnetic layer, 104... Dielectric layer, 105... Soft magnetic layer, 106... Highly conductive layer, 500... Magnetic sensor system, 510... Oscillation circuit section, 513... Coil, 515... High frequency supply section, 530... Frequency measurement section, 550... Magnetic field calculation section, C... Capacitance, H... Magnetic field

Abstract

磁気センサ１は、導電体で構成される薄膜磁石２０と、誘電体で構成され、薄膜磁石２０に積層される誘電体層１０４と、誘電体層１０４上に積層される複数の軟磁性体層１０５と、複数の軟磁性体層１０５の間に積層され軟磁性体層１０５と比べて導電性が高い高導電層１０６とを備え、長手方向と短手方向とを有し、長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子３１を有する感受部３０とを備える。

Description

磁気センサおよび磁気センサシステム
　本発明は、磁気センサおよび磁気センサシステムに関する。
　公報記載の従来技術として、非磁性基板上に形成された硬磁性体膜からなる薄膜磁石と、前記薄膜磁石の上を覆う絶縁層と、前記絶縁層上に形成された一軸異方性を付与された一個または複数個の長方形状の軟磁性体膜からなる感磁部とを備えた磁気インピーダンス効果素子が存在する（特許文献１参照）。
特開２００８－２４９４０６号公報
　ところで、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子と、感受素子にバイアス磁界を付与するための薄膜磁石とによって、誘電体層が挟まれた構造を有する磁気センサは、感受素子に高周波電流を供給すると、誘電体層が分極し、静電容量を有するコンデンサとしてはたらく場合がある。この磁気センサのコンデンサとしての性質を用いて、磁界の変化を検出する技術が提案されている。
　ところで、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を備えた磁気センサでは、感受素子に供給する電流が高周波領域である場合に感度が低下する場合がある。コンデンサとしての性質を用いた磁気センサについても同様の傾向がみられる。
　本発明は、コンデンサとしての性質を用いて磁界を検出可能な磁気センサおよび磁気センサシステムにおいて、感度の低下を抑制することを目的とする。
　本発明が適用される磁気センサは、導電体で構成される導電層と、誘電体で構成され、前記導電層に積層される誘電体層と、前記誘電体層上に積層される複数の軟磁性体層と、複数の当該軟磁性体層の間に積層され当該軟磁性体層と比べて導電性が高い高導電層とを備え、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する感受部とを備える。
　ここで、前記感受素子に高周波電流が供給された場合に、当該感受素子が感受する磁界に応じて静電容量が変化することを特徴とすることができる。
　また、前記導電層は、硬磁性体で構成され、面内方向に磁気異方性を有し、前記感受部の前記感受素子は、前記長手方向が前記導電層の発生する磁界の方向を向くことを特徴とすることができる。
　さらに、前記感受素子の前記長手方向の端部に対向するように前記誘電体層上に積層され、前記導電層の発生する磁束が当該感受素子を当該長手方向に透過するように誘導する一対のヨークをさらに備え、前記ヨークは、複数の前記軟磁性体層と、当該軟磁性体層の間に積層される前記高導電層とを備えることを特徴とすることができる。
　さらにまた、前記感受部は、前記誘電体層上で並列に配置される複数の前記感受素子を備える第１感受部と、当該誘電体層上で並列に配置される複数の当該感受素子を備え、当該第１感受部とは絶縁された第２感受部とを備えることを特徴とすることができる。
　また、前記感受部は、複数の前記感受素子が櫛歯状に接続された前記第１感受部と前記第２感受部とがかみ合った形状を有していることを特徴とすることができる。
　さらに、他の観点から捉えると、本発明が適用される磁気センサシステムは、導電体で構成される導電層と、誘電体で構成され、当該導電層に積層される誘電体層と、当該誘電体層上に積層される複数の軟磁性体層、及び複数の当該軟磁性体層の間に積層され当該軟磁性体層と比べて導電性が高い高導電層を備え、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子と、を備える磁気センサと、前記磁気センサが有する静電容量の変化量に基づいて、前記感受素子が感受する磁界の変化量を算出する磁界算出部とを備える。
　本発明によれば、コンデンサとしての性質を用いて磁界を検出可能な磁気センサおよび磁気センサシステムにおいて、感度の低下を抑制することができる。
本実施の形態が適用される磁気センサシステムを説明する図である。 本実施の形態が適用される磁気センサの一例を説明する図である。 本実施の形態が適用される磁気センサの一例を説明する図である。 磁気センサの感受部における感受素子の長手方向に印加された磁界と磁気センサの静電容量との関係を説明する図である。 （ａ）～（ｅ）は、磁気センサの製造方法の一例を説明する図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（磁気センサシステム５００の構成）
　図１は、本実施の形態が適用される磁気センサシステム５００を説明する図である。磁気センサシステム５００は、発振回路部５１０と、発振回路部５１０から発振される交流電流の周波数を測定する周波数測定部５３０と、周波数測定部５３０により測定された発振周波数に基づいて、後述する磁気センサ１で感受する磁界または磁界の変化を算出する磁界算出部５５０とを備えている。
　図１に示すように、発振回路部５１０は、所謂磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサ１と、磁気センサ１に直列接続され磁気センサ１とともにＬＣ共振回路を構成するコイル５１３と、磁気センサ１およびコイル５１３に高周波電流を供給する高周波供給部５１５とを備えている。
　詳細については後述するが、本実施の形態の発振回路部５１０では、磁気センサ１が静電容量Ｃを有するコンデンサとして機能する。また、コイル５１３がインダクタンスＬを有するインダクタとして機能する。そして、発振回路部５１０は、高周波供給部５１５により高周波電流が供給されることで、磁気センサ１で感受される磁界に対応する周波数の交流電流を発振する。
　周波数測定部５３０は、例えば水晶振動子等を用いた既存の周波数カウンタにより構成される。そして、周波数測定部５３０は、発振回路部５１０から発振された交流電流の周波数を測定し、磁界算出部５５０に出力する。
　磁界算出部５５０は、周波数測定部５３０から取得した周波数に基づいて、磁気センサ１で感受される外部磁界または外部磁界の変化を算出する。詳細については後述するが、磁界算出部５５０は、磁気センサ１の静電容量Ｃと磁気センサ１で感受される磁界の強さとの関係を記憶している。そして、磁界算出部５５０は、周波数測定部５３０にて測定された周波数から磁気センサ１の静電容量Ｃを算出し、静電容量Ｃに基づいて磁気センサ１で感受される磁界または磁界の変化を算出する。
（磁気センサ１の構成）
　図２、図３は、本実施の形態が適用される磁気センサ１の一例を説明する図である。図２は、磁気センサ１の平面図、図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図である。
　図３に示すように、実施の形態１が適用される磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に設けられた硬磁性体（硬磁性体層１０３）で構成された薄膜磁石２０と、薄膜磁石２０に対向して積層され、軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および軟磁性体と比べて導電性の高い導電体（高導電層１０６）で構成されて磁場を感受する感受部３０とを備える。以下の説明では、二層の軟磁性体層（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）をそれぞれ区別しない場合には、単に軟磁性体層１０５と表記する。
　なお、磁気センサ１の断面構造については、後に詳述する。
　ここで硬磁性体とは、外部磁界によって磁化されると、外部磁界を取り除いても磁化された状態が保持される、いわゆる保磁力の大きい材料である。一方、軟磁性体とは、外部磁界によって容易に磁化されるが、外部磁界を取り除くと速やかに磁化がないか又は磁化が小さい状態に戻る、いわゆる保磁力の小さい材料である。
　なお、本明細書においては、磁気センサ１を構成する要素（薄膜磁石２０など）を二桁の数字で表し、要素に加工される層（硬磁性体層１０３など）を１００番台の数字で表す。そして、要素の数字に対して、要素に加工される層の番号を（　）内に表記する。例えば薄膜磁石２０の場合、薄膜磁石２０（硬磁性体層１０３）と表記する。図においては、２０（１０３）と表記する。他の場合も同様である。
　図２により、磁気センサ１の平面構造を説明する。磁気センサ１は、一例として四角形の平面形状を有する。ここでは、磁気センサ１の最上部に形成された感受部３０及びヨーク４０を説明する。感受部３０は、それぞれが櫛歯形状を有する第１感受部３０Ａと第２感受部３０Ｂとが互いにかみ合った形状を有している。
　第１感受部３０Ａは、平面形状が長手方向と短手方向とを有する短冊状である複数の感受素子３１ａと、後述する感受素子３１ｂを挟んで隣接する感受素子３１ａを並列に接続する接続部３２ａと、電流供給のための電線が接続される端子部３３ａとを備える。同様に、第２感受部３０Ｂは、複数の感受素子３１ｂと、感受素子３１ａを挟んで隣接する感受素子３１ｂを並列に接続する接続部３２ｂと、電流供給のための電線が接続される端子部３３ｂとを備える。
　感受素子３１ａおよび感受素子３１ｂが磁気インピーダンス効果素子である。この例では、第１感受部３０Ａを構成する８個の感受素子３１ａと、第２感受部３０Ｂを構成する８個の感受素子３１ｂとが、短手方向に交互に配置されている。
　なお、以下では、第１感受部３０Ａと第２感受部３０Ｂとを区別しない場合には、単に感受部３０と表記する場合がある。同様に、第１感受部３０Ａを構成する感受素子３１ａ、接続部３２ａ、端子部３３ａと、第２感受部３０Ｂを構成する感受素子３１ｂ、接続部３２ｂ、端子部３３ｂを区別しない場合には、それぞれ、単に感受素子３１、接続部３２、端子部３３と表記する場合がある。
　本実施の形態では、第１感受部３０Ａの感受素子３１ａと、第２感受部３０Ｂの感受素子３１ｂとは、間隙を介して配置されており、接続部３２等によって接続されていない。これにより、磁気センサ１では、第１感受部３０Ａの端子部３３ａから、第２感受部３０Ｂの端子部３３ｂに至る回路において、直流電流が流れないようになっている。言い換えると、第１感受部３０Ａと第２感受部３０Ｂとの間の直流抵抗が無限大となっている。
　また、端子部３３を介して第１感受部３０Ａおよび第２感受部３０Ｂに高周波電流を供給した場合には、誘電体層１０４が分極することで、誘電体層１０４を介して第１感受部３０Ａと第２感受部３０Ｂとの間で高周波電流が流れるようになっている。
　本実施の形態では、感受部３０が、間隙を介して配置される第１感受部３０Ａと第２感受部３０Ｂとを有し直流電流は流れず高周波電流は流れるという構成を有することで、磁気センサ１を含む発振回路部５１０（図１参照）の回路設計の自由度が向上する。
　また、感受部３０が直流電流は流れず高周波電流は流れるという構成を有することで、発振回路部５１０において、高周波供給部５１５から供給される高周波電流を用いることができる。
　感受素子３１は、例えば長手方向の長さが約１ｍｍ、短手方向の幅が数１００μｍ、厚さ（軟磁性体層１０５の厚さ）が０．５μｍ～５μｍである。感受素子３１同士の間隔（第１感受部３０Ａの感受素子３１ａと第２感受部３０Ｂの感受素子３１ｂとの間隔）は、５０μｍ～１５０μｍである。
　なお、それぞれの感受素子３１の大きさ（長さ、面積、厚さ等）、感受素子３１の数、感受素子３１同士の間隔等は、感受（計測）したい磁界の大きさや後述する静電容量Ｃの大きさなどによって設定される。
　第１感受部３０Ａの接続部３２ａは、感受素子３１ａの右側の端部に設けられている。そして、接続部３２ａは、複数の感受素子３１ａを櫛歯状に並列接続する。また、第２感受部３０Ｂの接続部３２ｂは、感受素子３１ｂの左側の端部に設けられている。そして、接続部３２ｂは、複数の感受素子３１ｂを櫛歯状に並列に接続する。
　第１感受部３０Ａの端子部３３ａは、接続部３２ａの図２における上側の端部に設けられている。端子部３３ａは、接続部３２ａから引き出す引き出し部と、電流を供給する電線を接続するパッド部とを備える。また、第２感受部３０Ｂの端子部３３ｂは、図２における下側に位置する感受素子３１ｂの右側の端部に設けられている。端子部３３ｂは、感受素子３１ｂから引き出す引き出し部と、電流を供給する電線を接続するパッド部とを備える。端子部３３は、引き出し部を設けずパッド部を接続部３２ａまたは感受素子３１ｂに連続するように設けてもよい。パッド部は、電線を接続しうる大きさであればよい。端子部３３ａ及び端子部３３ｂの位置は、図２に示した位置に限定されず、それぞれ第１感受部３０Ａ及び第２感受部３０Ｂに電流を供給できる位置であればよい。
　そして、感受部３０の感受素子３１、接続部３２及び端子部３３は、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と高導電層１０６とにより一体に構成されている。
　なお、感受素子３１（感受素子３１ａ、３１ｂ）の長さ及び幅、並列させる個数など上記した数値は一例であって、感受（計測）する磁界の値や用いる軟磁性体材料などによって変更してもよい。
　さらに、磁気センサ１は、感受素子３１の長手方向の端部に対向して設けられたヨーク４０を備える。ここでは、感受素子３１の長手方向の両端部に対向してそれぞれが設けられた２個のヨーク４０ａ、４０ｂを備える。なお、ヨーク４０ａ、４０ｂをそれぞれ区別しない場合には、ヨーク４０と表記する。ヨーク４０は、感受素子３１の長手方向の端部に磁力線を誘導する。このため、ヨーク４０は磁力線が透過しやすい軟磁性体（軟磁性体層１０５）を含んで構成されている。この例では、感受部３０及びヨーク４０は、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と高導電層１０６とにより構成されている。なお、感受素子３１の長手方向に磁力線が十分透過する場合には、ヨーク４０を備えなくてもよい。
　磁気センサ１の大きさは、平面形状において数ｍｍ角である。なお、磁気センサ１の大きさは、他の値であってもよい。
　次に、図３により、磁気センサ１の断面構造を説明する。磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３（薄膜磁石２０）、誘電体層１０４、軟磁性体層１０５と高導電層１０６とからなる感受部３０及びヨーク４０が、この順に配置（積層）されて構成されている。
　基板１０は、非磁性体からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキを施した金属等の金属基板等が挙げられる。
　密着層１０１は、基板１０に対する制御層１０２の密着性を向上させるための層である。密着層１０１としては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金を用いるのがよい。Ｃｒ又はＮｉを含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＴａ、ＮｉＴａ等が挙げられる。密着層１０１の厚さは、例えば５ｎｍ～５０ｎｍである。なお、基板１０に対する制御層１０２の密着性に問題がなければ、密着層１０１を設けることを要しない。なお、本明細書においては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金の組成比を示さない。以下同様である。
　制御層１０２は、硬磁性体層１０３で構成される薄膜磁石２０の磁気異方性が膜の面内方向に発現しやすいように制御する層である。制御層１０２としては、Ｃｒ、Ｍｏ若しくはＷ又はそれらを含む合金（以下では、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金と表記する。）を用いるのがよい。制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＭｏ、ＣｒＶ、ＣｒＷ等が挙げられる。制御層１０２の厚さは、例えば１０ｎｍ～３００ｎｍである。
　薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３は、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ又はＰｔのいずれか一方又は両方を含む合金（以下では、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いることがよい。薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＮｉＣｒ、ＣｏＣｒＰｔＢ等が挙げられる。なお、Ｆｅが含まれていてもよい。硬磁性体層１０３の厚さは、例えば１μｍ～３μｍである。
　制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金は、ｂｃｃ（body-centered cubic（体心立方格子））構造を有する。よって、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体（硬磁性体層１０３）は、ｂｃｃ構造のＣｒ等を含む合金で構成された制御層１０２上において結晶成長しやすいｈｃｐ（hexagonal close-packed（六方最密充填））構造であるとよい。ｂｃｃ構造上にｈｃｐ構造の硬磁性体層１０３を結晶成長させると、ｈｃｐ構造のｃ軸が面内に向くように配向しやすい。よって、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０が面内方向に磁気異方性を有するようになりやすい。なお、硬磁性体層１０３は結晶方位の異なる集合からなる多結晶であり、各結晶が面内方向に磁気異方性を有する。この磁気異方性は結晶磁気異方性に由来するものである。
　なお、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金及び薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金の結晶成長を促進するために、基板１０を１００℃～６００℃に加熱するとよい。この加熱により、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金が結晶成長しやすくなり、ｈｃｐ構造を持つ硬磁性体層１０３が面内に磁化容易軸を持つように結晶配向されやすくなる。つまり、硬磁性体層１０３の面内に磁気異方性が付与されやすくなる。
　誘電体層１０４は、非磁性の誘電体で構成され、薄膜磁石２０と感受部３０との間を電気的に絶縁する。誘電体層１０４を構成する誘電体としては、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2等の酸化物、又は、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ等の窒化物等が挙げられる。また、誘電体層１０４の厚さは、例えば０．１μｍ～３０μｍである。
　感受部３０における感受素子３１は、長手方向に交差する方向、例えば直交する短手方向（幅方向）に一軸磁気異方性が付与されている。なお、長手方向に交差する方向とは、長手方向に対して４５°を超えた角度を有すればよい。
　感受素子３１を構成する軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）としては、Ｃｏを主成分とした合金に高融点金属Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ等を添加したアモルファス合金（以下では、感受素子３１を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いるのがよい。感受素子３１を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＦｅＴａ、ＣｏＷＺｒ等が挙げられる。感受素子３１を構成する軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）の厚さは、例えば、それぞれ０．２μｍ～２μｍである。図３に示す例では、下層軟磁性体層１０５ａの厚さと上層軟磁性体層１０５ｂの厚さが互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。
　感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）としては、導電性が高い金属または合金を用いることが好ましく、導電性が高く且つ非磁性の金属または合金を用いることがより好ましい。具体的には、感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）としては、アルミニウム、銅、銀等の金属を用いるのがよい。感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）の厚さは、例えば、１０ｎｍ～５００ｎｍである。感受素子３１を構成する導電体（高導電層１０６）の厚さは、後述する感受素子３１の抵抗Ｒや感受する磁界の値等が所望の値となるよう、軟磁性体層１０５として用いる感受素子３１を構成するＣｏ合金や高導電層１０６として用いる導電体の種類等によって変更できる。
　密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、及び誘電体層１０４は、平面形状が四角形（図２参照）になるように加工されている。そして、露出した側面のうち、対向する二つの側面において、薄膜磁石２０がＮ極（図３における（Ｎ））及びＳ極（図３における（Ｓ））となっている。なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、感受部３０における感受素子３１の長手方向に向くようになっている。ここで、長手方向に向くとは、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度が４５°未満であることをいう。なお、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度は、小さいほどよい。
　磁気センサ１において、薄膜磁石２０のＮ極から出た磁力線は、一旦磁気センサ１の外部に出る。そして、一部の磁力線が、ヨーク４０ａを介して感受素子３１を透過し、ヨーク４０ｂを介して再び外部に出る。そして、感受素子３１を透過した磁力線が、感受素子３１を透過しない磁力線とともに薄膜磁石２０のＳ極に戻る。つまり、薄膜磁石２０は、感受素子３１の長手方向に磁界を印加する。
　なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とをまとめて両磁極と表記し、Ｎ極とＳ極とを区別しない場合は磁極と表記する。
　なお、図２に示すように、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）は、基板１０の表面側から見た形状が、感受部３０に近づくにつれて狭くなっていくように構成されている。これは、感受部３０に磁界を集中させる（磁力線を集める）ためである。つまり、感受部３０における磁界を強くして感度のさらなる向上を図っている。なお、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）の感受部３０に対向する部分の幅を狭くしなくてもよい。
　ここで、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）と感受部３０との間隔は、例えば１μｍ～１００μｍであればよい。
（磁気センサ１の作用）
　上述したように、磁気センサ１は、例えば感受素子３１の長手方向と交差する短手方向（幅方向）に磁化容易軸が向いた、一軸磁気異方性が付与されている。そして、感受素子３１の長手方向には、薄膜磁石２０により、磁界（バイアス磁界）が印加されている。
　また、磁気センサ１は、それぞれの端子部３３を介して第１感受部３０Ａの感受素子３１ａと第２感受部３０Ｂの感受素子３１ｂとに高周波電流を流すと、感受部３０と薄膜磁石２０とに挟まれた誘電体層１０４において分極が生じる。そして、誘電体層１０４が分極することで、第１感受部３０Ａの感受素子３１ａと第２感受部３０Ｂの感受素子３１ｂとの間で、誘電体層１０４を介して高周波電流が流れるようになっている。さらに、磁気センサ１は、高周波電流により誘電体層１０４が分極することで、静電容量Ｃを有するコンデンサとして機能するようになる。
　ここで、バイアス磁界が印加された状態で２個の端子部３３から感受素子３１に高周波の電流を流すと、端子部３３の間のインピーダンスＺは、感受部３０の感受素子３１に作用する磁界Ｈ（外部磁界）の長手方向に沿った方向の成分によって変化する。そして、インピーダンスＺの変化に伴って、コンデンサとして機能する磁気センサ１の静電容量Ｃが変化する。すなわち、磁気センサ１の静電容量Ｃは、感受部３０の感受素子３１に作用する磁界Ｈ（外部磁界）の長手方向に沿った方向の成分によって変化する。
　図４は、磁気センサ１の感受部３０における感受素子３１の長手方向に印加された磁界Ｈと磁気センサ１の静電容量Ｃとの関係を説明する図である。図４において、横軸が磁界Ｈであり、縦軸が静電容量Ｃである。図４では、上述した構成を有する本実施の形態の磁気センサ１の磁界Ｈと静電容量Ｃとの関係を実線で示している。さらに図４では、感受部３０が一層の軟磁性体層１０５から構成される（すなわち高導電層１０６を有していない）以外は本実施の形態と同様の構造を有する従来の磁気センサ１の磁界Ｈと静電容量Ｃとの関係を破線で示している。なお、以下では、従来の磁気センサ１についても、図２、３に示した本実施の形態の磁気センサ１と同様の構成については、同じ符号を用いて説明を行う。
　図４にて特性を実線で示す本実施の形態の磁気センサ１は、感受部３０（感受素子３１）およびヨーク４０が、厚さ０．７５μｍのＣｏ85Ｎｂ12Ｚｒ3からなる下層軟磁性体層１０５ａと上層軟磁性体層１０５ｂとの間に、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる高導電層１０６を積層した構造を有している。また、それぞれの感受素子３１は、幅１００μｍ、長さ２ｍｍである。
　また、図４にて特性を破線で示す従来の磁気センサ１は、感受部３０（感受素子３１）およびヨーク４０が、厚さ１．５μｍの一層のＣｏ85Ｎｂ12Ｚｒ3からなる以外は、上述した本実施の形態の磁気センサ１と同様の構成を有している。
　図４において実線および破線で示すように、磁気センサ１の静電容量Ｃは、感受素子３１の長手方向に印加された磁界Ｈに応じて変化する。この例では、静電容量Ｃは、磁界Ｈが０の場合（Ｈ＝０）を境界としてプラス方向またはマイナス方向に磁界Ｈの絶対値が大きくなるに伴い減少、増加と変化している。また、図４に示すように、磁界Ｈの変化に対する静電容量Ｃの変化量（グラフの傾き）は、磁界Ｈの大きさによって異なっている。したがって、印加する磁界Ｈの変化量（ΔＨ）に対して静電容量Ｃの変化量（ΔＣ）が急峻な部分（グラフの傾きであるΔＣ／ΔＨが大きい部分）を用いることで、磁界Ｈの微弱な変化量を静電容量Ｃの変化量（ΔＣ）として取り出すことができる。図４では、ΔＣ／ΔＨが大きい磁界Ｈの中心を磁界Ｈｂとして示している。つまり、磁界Ｈｂの近傍（図４で矢印で示す範囲）における磁界Ｈの変化量（ΔＨ）が高精度に測定できる。この磁界Ｈｂが、上述したバイアス磁界に対応する。
　ところで、磁気インピーダンス効果素子として一層の軟磁性体層１０５から構成される感受素子３１を備える従来の磁気センサ１では、供給する電流の周波数が高いと、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）が低下する場合がある。上述したように、磁気センサ１の静電容量Ｃの変化はインピーダンスＺの変化に伴うため、この場合、図４において破線で示すように、磁界Ｈの変化量ΔＨに対する静電容量Ｃの変化量（ΔＣ／ΔＨ）も低下する。この結果、磁界Ｈの変化に対する磁気センサ１の感度が低下することになる。
　このような高周波電流を供給した場合の磁気センサ１の感度の低下は、並列する感受素子３１同士の間隙や、感受素子３１（感受部３０）とヨーク４０との間隙で生じる浮遊容量の影響によるものと推測される。付言すると、磁気センサ１におけるインピーダンスＺのうち、虚部の容量性成分（容量性リアクタンス）が大きくなることの影響によるものと推測される。
　特に、磁気センサ１において、感受素子３１の長さを長くしたり、並列させる感受素子３１の個数を多くしたりすると、感受素子３１同士の間隙や感受素子３１（感受部３０）とヨーク４０との間隙が多くなるため、浮遊容量の影響が大きくなりやすい。この結果、磁気センサ１の感度が低下しやすくなるものと考えられる。
　ここで、磁気センサ１において、感受素子３１の抵抗をＲ、浮遊容量をＣｓとし、感受素子３１を抵抗Ｒと浮遊容量Ｃｓの並列回路とすると、この磁気センサ１の緩和周波数ｆrは、以下の式（１）のように表される。ここで、緩和周波数ｆrは、インピーダンスＺの実部（レジスタンス）が減衰し且つ虚部（リアクタンス）が極小値をとる周波数であって、感受素子３１の感度が低下し始める周波数に相当する。
　　　ｆr＝１／２πＲＣｓ　　…（１）
　式（１）によれば、磁気センサ１の高周波領域での感度を向上させるためには、すなわち、緩和周波数ｆrを大きくするためには、感受素子３１の抵抗Ｒまたは浮遊容量Ｃｓを小さくする必要がある。
　これに対し、本実施の形態の磁気センサ１は、感受素子３１が、軟磁性体層１０５と、軟磁性体層１０５と比べて導電性の高い高導電層１０６とが積層された構成となっている。これにより、感受素子３１が高導電層１０６を備えない場合と比べて、感受素子３１の抵抗Ｒが低くなる。
　ここで、軟磁性体層１０５（感受素子３１を構成するＣｏ合金）の一例であるＣｏ85Ｎｂ12Ｚｒ3の電気抵抗率は、約２５０μΩ・ｃｍであり、高導電層１０６（感受素子３１を構成する導電体）の一例であるアルミニウムの電気抵抗率は、約２．５μΩ・ｃｍである。
　これにより、図４において実線で示す本実施の形態の磁気センサ１では、感受部３０（感受素子３１）が厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる高導電層１０６を備えることで、高導電層１０６を備えない従来の磁気センサ１と比べて、感受素子３１の抵抗Ｒが１０分の１程度に低下する。
　この結果、磁気センサ１に高周波電流を供給した場合であっても、図４において実線で示すように、磁界Ｈの変化量ΔＨに対する静電容量Ｃの変化量（ΔＣ／ΔＨ）の低下が抑制され、磁気センサ１の高周波領域での感度を向上させることができる。
　また、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１が高導電層１０６を備え抵抗Ｒが低下することで、感受素子３１が高導電層１０６を備えない場合と比較して、高周波領域においてインピーダンスＺの実部（レジスタンス）及び虚部（リアクタンス）が上昇する。このため、本実施の形態の磁気センサ１では、高周波電流を供給した場合の表皮効果をより強めることができる。
　ここで、本実施の形態の磁気センサ１は、第１感受部３０Ａの感受素子３１ａと、第２感受部３０Ｂの感受素子３１ｂとが、間隙を介して櫛歯状にかみ合った形状を有している。これにより、間隙を介して対向する感受素子３１ａと感受素子３１ｂとが沿う長さが長くなるため、感受部３０に高周波電流を供給した場合の抵抗が低くなる。また、例えば感受部３０において感受素子３１がつづら折り状に直列に接続されている場合と比べて、磁気センサ１において感受素子３１（感受素子３１ａ、３１ｂ）の面積を大きく設計しやすい。
　なお、上述した式（１）によれば、感受素子３１の抵抗Ｒを小さくする他、感受素子１３の浮遊容量Ｃｓを小さくすることによっても、緩和周波数ｆrを大きくし、高周波領域での磁気センサ１の感度を向上させることができる。
　しかしながら、感受素子３１の浮遊容量Ｃｓを小さくするためには、例えば隣接する感受素子３１同士の距離や感受部３０とヨーク４０との距離、並列させる感受素子３１の個数等を変更する必要がある。言い換えると、磁気センサ１の平面形状等を大きく変える必要がある。
　これに対し、本実施の形態によれば、磁気センサ１の平面形状等を変更せずに、感受素子３１の積層構造のみを変更することで、磁気センサ１の高周波領域での感度を向上させることができる。
（磁気センサシステム５００による磁界の変化量の測定方法）
　続いて、上述した図１も参照して、磁気センサ１の感受部３０で感受される磁界Ｈの変化量（ΔＨ）を磁気センサシステム５００により測定する測定方法の一例について説明する。
　磁気センサシステム５００により磁界Ｈの変化量（ΔＨ）を測定する場合、まず、発振回路部５１０が、高周波供給部５１５によってＬＣ共振回路（磁気センサ１、コイル５１３）に高周波電流を供給する。これにより、発振回路部５１０は、磁気センサ１とコイル５１３とにより形成されるＬＣ共振回路によって、所定の共振周波数ｆ0を有する交流電流を発振する。
　続いて、周波数測定部５３０が、発振回路部５１０から発振された交流電流の周波数（共振周波数ｆ0）を測定し、磁界算出部５５０に出力する。
　続いて、磁界算出部５５０が、周波数測定部５３０から取得した周波数（共振周波数ｆ0）に変化が生じた場合、その変化量に基づいて、磁気センサ１の感受部３０で感受された磁界Ｈの変化量（ΔＨ）を算出する。
　ここで、ＬＣ共振回路から発振される交流電流の周波数である共振周波数ｆ0、磁気センサ１（コンデンサ）の静電容量Ｃ、コイル５１３（インダクタ）のインダクタンスＬとの関係は、以下の式（２）により表される。
　　　ｆ0＝１／（２π√（ＬＣ））　　　…（２）
　したがって、図４に示した磁界Ｈと静電容量Ｃとの関係のように、磁界Ｈが変化すると静電容量Ｃが変化し、式（２）により、静電容量Ｃが変化すると共振周波数ｆ0が変化する。
　磁界算出部５５０は、予め共振周波数ｆ0の変化量と磁界Ｈの変化量（ΔＨ）との相関関係を求めておくことで、周波数測定部５３０にて測定される共振周波数ｆ0の変化量から、感受部３０で感受された磁界Ｈの変化量（ΔＨ）を求めることができる。また、共振周波数ｆ0の変化量（Δｆ0）と磁界Ｈの変化量（ΔＨ）との相関関係は、例えば、磁気センサシステム５００の磁気センサ１を磁界発生装置内にセットし、磁界Ｈの変化量（ΔＨ）と共振周波数ｆ0の変化量（Δｆ0）との関係を測定することで求められる。
　以上の工程により、本実施の形態の磁気センサシステム５００では、磁気センサ１の静電容量Ｃの変化量に基づいて、磁気センサ１の感受部３０で感受される磁界の変化量を得ることができる。
　本実施の形態の磁気センサシステム５００では、磁気センサ１の感受部３０で感受される磁界Ｈの変動を、発振回路部５１０のＬＣ共振回路（磁気センサ１、コイル５１３）から発振される共振周波数ｆ0の変化に変換している。これにより、例えば磁界Ｈの変動を信号強度の変化に変換するような場合と比べて、電気的なノイズを低減でき、磁界Ｈの変動を感度良く検出することができる。
　なお、本実施の形態の磁気センサシステム５００では、磁気センサ１とコイル５１３とが直列接続されたＬＣ共振回路から発振される共振周波数ｆ0を用いて、磁気センサ１の静電容量Ｃを算出している。しかしながら、磁気センサ１の静電容量Ｃを得ることができれば、発振回路部５１０の構成はこれに限定されるものではない。
（磁気センサ１の製造方法）
　次に、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する。
　図５（ａ）～（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する図である。図５（ａ）～（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法における工程を示す。なお、図５（ａ）～（ｅ）は、代表的な工程であって、他の工程を含んでいてもよい。そして、工程は、図５（ａ）～（ｅ）の順に進む。図５（ａ）～（ｅ）は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図に対応する。
　基板１０は、前述したように、非磁性材料からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキを施した金属等の金属基板である。基板１０には、研磨機などを用いて、例えば曲率半径Ｒａが０．１ｎｍ～１００ｎｍの筋状の溝又は筋状の凹凸が設けられていてもよい。なお、この筋状の溝又は筋状の凹凸の筋の方向は、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向に設けられているとよい。このようにすることで、硬磁性体層１０３における結晶成長が、溝の方向へ促進される。よって、硬磁性体層１０３により構成される薄膜磁石２０の磁化容易軸がより溝方向（薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向）に向きやすい。つまり、薄膜磁石２０の着磁をより容易にする。
　ここでは、基板１０は、一例として直径約９５ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍのガラスとして説明する。磁気センサ１の平面形状が数ｍｍ角である場合、基板１０上には、複数の磁気センサ１が一括して製造され、後に個々の磁気センサ１に分割（切断）される。図５（ａ）～（ｅ）では、中央に表記する一個の磁気センサ１に着目するが、左右に隣接する磁気センサ１の一部を合わせて示す。なお、隣接する磁気センサ１間の境界を一点鎖線で示す。
　図５（ａ）に示すように、基板１０を洗浄した後、基板１０の一方の面（以下、表面と表記する。）上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３及び誘電体層１０４を順に成膜（堆積）して、積層体を形成する。
　まず、Ｃｒ又はＮｉを含む合金である密着層１０１、Ｃｒ等を含む合金である制御層１０２、及び、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金である硬磁性体層１０３を順に連続して成膜（堆積）する。この成膜は、スパッタリング法などにより行える。それぞれの材料で形成された複数のターゲットに順に対面するように、基板１０を移動させることで密着層１０１、制御層１０２及び硬磁性体層１０３が基板１０上に順に積層される。前述したように、制御層１０２及び硬磁性体層１０３の形成では、結晶成長を促進するために、基板１０を例えば１００℃～６００℃に加熱するとよい。
　なお、密着層１０１の成膜では、基板１０の加熱を行ってもよく、行わなくてもよい。基板１０の表面に吸着している水分などを除去するために、密着層１０１を成膜する前に、基板１０を加熱してもよい。
　次に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2等の酸化物、又は、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ等の窒化物等である誘電体層１０４を成膜（堆積）する。誘電体層１０４の成膜は、プラズマＣＶＤ法、反応性スパッタリング法などにより行える。
　そして、図５（ｂ）に示すように、感受部３０が形成される部分及びヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）が形成される部分を開口とするフォトレジストによるパターン（レジストパターン）１１１を、公知のフォトリソグラフィ技術により形成する。
　続いて、図５（ｃ）に示すように、感受素子３１を構成するＣｏ合金である下層軟磁性体層１０５ａ、軟磁性体層１０５と比較して導電性の高い導電体である高導電層１０６、及び感受素子３１を構成するＣｏ合金である上層軟磁性体層１０５ｂを順に成膜（堆積）する。軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）及び高導電層１０６の成膜は、例えばスパッタリング法を用いて行える。
　次に、図５（ｄ）に示すように、レジストパターン１１１を除去するとともに、レジストパターン１１１上の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）及び高導電層１０６を除去（リフトオフ）する。これにより、軟磁性体層１０５及び高導電層１０６により構成される感受部３０及びヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）が形成される。つまり、感受部３０とヨーク４０とが、軟磁性体層１０５及び高導電層１０６の成膜により同時に形成される。
　この後、軟磁性体層１０５には、感受部３０における感受素子３１の幅方向に一軸磁気異方性を付与する。この軟磁性体層１０５への一軸磁気異方性の付与は、例えば３ｋＧ（０．３Ｔ）の回転磁場中における４００℃での熱処理（回転磁場中熱処理）と、それに引き続く３ｋＧ（０．３Ｔ）の静磁場中における４００℃での熱処理（静磁場中熱処理）とで行える。この時、ヨーク４０を構成する軟磁性体層１０５にも同様の一軸磁気異方性が付与される。しかし、ヨーク４０は、磁気回路としての役割を果たせばよく、一軸磁気異方性が付与されていても、一軸磁気異方性が付与されていなくてもよい。
　次に、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３を着磁する。硬磁性体層１０３に対する着磁は、静磁場中又はパルス状の磁場中において、硬磁性体層１０３の保磁力より大きい磁界を、硬磁性体層１０３の磁化が飽和するまで印加することで行える。
　この後、図５（ｅ）に示すように、基板１０上に形成された複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割（切断）する。つまり、図２の平面図に示したように、平面形状が四角形になるように、基板１０、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４、軟磁性体層１０５及び高導電層１０６を切断する。すると、分割（切断）された硬磁性体層１０３の側面に薄膜磁石２０の磁極（Ｎ極及びＳ極）が露出する。こうして、着磁された硬磁性体層１０３は、薄膜磁石２０になる。この分割（切断）は、ダイシング法やレーザカッティング法などにより行える。
　なお、図５（ｅ）の複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の前に、基板１０上において隣接する磁気センサ１の間の密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４、軟磁性体層１０５及び高導電層１０６を、平面形状が四角形（図２に示した磁気センサ１の平面形状）になるようにエッチング除去してもよい。そして、露出した基板１０を分割（切断）してもよい。
　また、図５（ａ）の積層体を形成する工程の後に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４を、平面形状が四角形（図２に示した磁気センサ１の平面形状）になるように加工してもよい。
　なお、図５（ａ）～（ｅ）に示した製造方法は、これらの製造方法に比べ、工程が簡略化される。
　このようにして、磁気センサ１が製造される。なお、軟磁性体層１０５への一軸異方性の付与及び／又は薄膜磁石２０の着磁は、図５（ｅ）の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の後に、磁気センサ１毎又は複数の磁気センサ１に対して行ってもよい。
　なお、制御層１０２を備えない場合には、硬磁性体層１０３を成膜後、８００℃以上に加熱して結晶成長させることで、面内に磁気異方性を付与することが必要となる。しかし、第１の実施の形態が適用される磁気センサ１のように、制御層１０２を備える場合には、制御層１０２により結晶成長が促進されるため、８００℃以上のような高温による結晶成長を要しない。
　また、感受部３０の感受素子３１への一軸異方性の付与は、上記の回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う代わりに、感受素子３１を構成するＣｏ合金である軟磁性体層１０５の堆積時にマグネトロンスパッタリング法を用いて行ってもよい。マグネトロンスパッタリング法では、磁石（マグネット）を用いて磁界を形成し、放電によって発生した電子をターゲットの表面に閉じ込める（集中させる）。これにより、電子とガスとの衝突確率を増加させてガスの電離を促進し、膜の堆積速度（成膜速度）を向上させる。このマグネトロンスパッタリング法に用いられる磁石（マグネット）が形成する磁界により、軟磁性体層１０５の堆積と同時に、軟磁性体層１０５に一軸異方性が付与される。このようにすることで、回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う一軸異方性を付与する工程が省略できる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、本実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に反しない限りにおいては、様々な変形や組み合わせを行っても構わない。
　例えば、本実施の形態の磁気センサ１は、硬磁性体層１０３から構成される薄膜磁石２０の上に、誘電体層１０４及び感受部３０が積層された構造を有しているが、磁気センサ１の構造は、これに限定されるものではない。すなわち、感受素子３１に高周波電流を流した場合に誘電体層１０４が分極し磁気センサ１が静電容量Ｃを有するという観点からは、磁気センサ１は、誘電体層１０４を介して感受素子３１に対向する層が導電性を有していればよい。言い換えると、磁気センサ１では、薄膜磁石２０に代えて、非磁性の導電体から構成される導電層を設けてもよい。
　また、磁気センサ１において薄膜磁石２０に代えて非磁性の導電体から構成される導電層を設ける場合には、この導電層とは別に、感受素子３１の長手方向にバイアス磁界を印加する要素を設けることで、磁界Ｈの変化量（ΔＨ）に対して静電容量Ｃの変化量（ΔＣ）が大きくなるように調整することができる。また、このバイアス磁界を印加する要素は、磁気センサ１と一体であってもよいし、磁気センサ１とは別体であってもよい。
　さらに、本実施の形態の磁気センサ１は、感受部３０が、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と、一層の高導電層１０６とを有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、感受部３０の最下層および最上層が軟磁性体層１０５により構成されていれば、軟磁性体層１０５および高導電層１０６は、それぞれ３層以上および２層以上であってもよい。
　さらにまた、本実施の形態の磁気センサ１は、感受部３０が直流電流は流れず高周波電流は流れるという構成を有しているが、磁気センサ１の構造は、これに限定されるものではない。例えば、磁気センサ１は、第１感受部３０Ａと第２感受部３０Ｂとを備えておらず、一体の感受部３０を有していてもよい。より具体的には、磁気センサ１は、一方の端子部３３と他方の端子部３３との間で複数の感受素子３１が接続部３２を介して直列につづら折り状に接続された感受部３０を有していてもよい。
１…磁気センサ、１０…基板、２０…薄膜磁石、３０…感受部、３０Ａ…第１感受部、３０Ｂ…第２感受部、３１、３１ａ、３１ｂ…感受素子、３２、３２ａ、３２ｂ…接続部、３３、３３ａ、３３ｂ…端子部、４０、４０ａ、４０ｂ…ヨーク、１０１…密着層、１０２…制御層、１０３…硬磁性体層、１０４…誘電体層、１０５…軟磁性体層、１０６…高導電層、５００…磁気センサシステム、５１０…発振回路部、５１３…コイル、５１５…高周波供給部、５３０…周波数測定部、５５０…磁界算出部、Ｃ…静電容量、Ｈ…磁界

Claims (7)

  1. 　導電体で構成される導電層と、
    　誘電体で構成され、前記導電層に積層される誘電体層と、
    　前記誘電体層上に積層される複数の軟磁性体層と、複数の当該軟磁性体層の間に積層され当該軟磁性体層と比べて導電性が高い高導電層とを備え、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を有する感受部と
    を備える磁気センサ。
  2. 　前記感受素子に高周波電流が供給された場合に、当該感受素子が感受する磁界に応じて静電容量が変化することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記導電層は、硬磁性体で構成され、面内方向に磁気異方性を有し、
    　前記感受部の前記感受素子は、前記長手方向が前記導電層の発生する磁界の方向を向くことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記感受素子の前記長手方向の端部に対向するように前記誘電体層上に積層され、前記導電層の発生する磁束が当該感受素子を当該長手方向に透過するように誘導する一対のヨークをさらに備え、
    　前記ヨークは、複数の前記軟磁性体層と、当該軟磁性体層の間に積層される前記高導電層とを備えることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
  5. 　前記感受部は、前記誘電体層上で並列に配置される複数の前記感受素子を備える第１感受部と、当該誘電体層上で並列に配置される複数の当該感受素子を備え、当該第１感受部とは絶縁された第２感受部とを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  6. 　前記感受部は、複数の前記感受素子が櫛歯状に接続された前記第１感受部と前記第２感受部とがかみ合った形状を有していることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
  7. 　導電体で構成される導電層と、誘電体で構成され、当該導電層に積層される誘電体層と、当該誘電体層上に積層される複数の軟磁性体層、及び複数の当該軟磁性体層の間に積層され当該軟磁性体層と比べて導電性が高い高導電層を備え、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子と、を備える磁気センサと、
    　前記磁気センサが有する静電容量の変化量に基づいて、前記感受素子が感受する磁界の変化量を算出する磁界算出部と
    を備える磁気センサシステム。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5491604A (en) * 1992-12-11 1996-02-13 The Regents Of The University Of California Q-controlled microresonators and tunable electronic filters using such resonators
JPH08330644A (ja) * 1995-05-29 1996-12-13 Canon Electron Inc 磁気検出素子及び磁気ヘッド
JP2000019034A (ja) * 1998-07-01 2000-01-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 磁界検出センサ
JP2000193728A (ja) * 1998-12-25 2000-07-14 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 磁界検出素子
WO2003009403A1 (fr) * 2001-07-19 2003-01-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Capteur magnetique et son procede de fabrication
WO2008088021A1 (ja) * 2007-01-17 2008-07-24 Fujikura Ltd. 磁気センサ素子及びその製造方法
WO2018230116A1 (ja) * 2017-06-12 2018-12-20 昭和電工株式会社 磁気センサ及び磁気センサの製造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7141904B2 (ja) 2018-10-12 2022-09-26 昭和電工株式会社 磁気センサシステム

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5491604A (en) * 1992-12-11 1996-02-13 The Regents Of The University Of California Q-controlled microresonators and tunable electronic filters using such resonators
JPH08330644A (ja) * 1995-05-29 1996-12-13 Canon Electron Inc 磁気検出素子及び磁気ヘッド
JP2000019034A (ja) * 1998-07-01 2000-01-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 磁界検出センサ
JP2000193728A (ja) * 1998-12-25 2000-07-14 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 磁界検出素子
WO2003009403A1 (fr) * 2001-07-19 2003-01-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Capteur magnetique et son procede de fabrication
WO2008088021A1 (ja) * 2007-01-17 2008-07-24 Fujikura Ltd. 磁気センサ素子及びその製造方法
WO2018230116A1 (ja) * 2017-06-12 2018-12-20 昭和電工株式会社 磁気センサ及び磁気センサの製造方法

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