WO2023157264A1 - 磁気センサおよび磁気検出方法 - Google Patents

磁気センサおよび磁気検出方法 Download PDF

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WO2023157264A1
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magnetic
resistance value
alternating current
frequency
magnetic field
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敦 塚▲崎▼
宏平 藤原
純一 塩貝
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国立大学法人東北大学
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor and a magnetic detection method.
  • Magnetic sensors that convert the direction of a magnetic field into an electrical signal and detect it are used for reading magnetic memory, electronic compasses, detecting the position and speed of moving objects for autopilot, detecting the position and rotation of mechanical driving parts, It is used for various purposes, such as monitoring power consumption by detecting the magnetic field generated by the electric current.
  • IoT Internet of Things
  • a Hall element utilizing the Hall effect and a magnetoresistance effect element utilizing the magnetoresistive effect have been widely used.
  • a three-dimensional magnetic field is detected by three-dimensionally arranging a plurality of elements, such as arranging them (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • AMR anomalous Hall effect
  • UMR unidirectional magnetoresistance
  • Conventional magnetic sensors can determine one direction (eg, X, Y, or Z component) of the magnetic field.
  • one direction eg, X, Y, or Z component
  • power is consumed by the number of elements used, there is also a problem that there is a limit to reducing power consumption.
  • the present invention has been made with a focus on such problems, and aims to provide a magnetic sensor and a magnetic detection method that can be made more compact and consume less power.
  • a magnetic sensor comprises a magnetic body, a current applying means provided to apply a current to the magnetic body, and when the current is applied by the current applying means, the magnetic field a detection unit for measuring the resistance value due to the anomalous Hall effect of the body and the resistance value due to the unidirectional magnetoresistive effect of the magnetic substance; and based on each resistance value measured by the detection unit, the three-dimensional magnetic field is detected. It is characterized by having an analysis means for analyzing. Further, in the magnetic sensor according to the present invention, when the current is applied by the current applying means, the resistance value due to the anisotropic magnetoresistive effect of the magnetic material is also measured by the detection unit, so that the magnetic field becomes large. It is possible to accurately determine and detect the direction of a three-dimensional magnetic field even in an environment without a magnetic field, which is preferable.
  • an alternating current with a frequency ⁇ is passed through a magnetic material, and based on the resistance value due to the anomalous Hall effect of the magnetic material and the resistance value due to the unidirectional magnetoresistance effect of the magnetic material, It is characterized by detecting a three-dimensional magnetic field. Further, the magnetic detection method according to the present invention can accurately determine and detect the direction of the three-dimensional magnetic field even in an environment where the magnetic field is not large if the resistance value due to the anisotropic magnetoresistive effect of the magnetic material is also used. can be done and is preferred.
  • the magnetic detection method according to the present invention can be suitably implemented by the magnetic sensor according to the present invention.
  • the magnetic sensor and the magnetic detection method according to the present invention utilize the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect and the unidirectional magnetoresistance (UMR) effect, which appear in a magnetic material, based on the following principles.
  • a directional magnetic field can be detected. That is, as shown in FIG.
  • the Hall resistance of the magnetic material exhibits an output proportional to the Z-axis component of the magnetic field .
  • the anisotropic magnetoresistive effect in which the electric resistance changes depending on the XY plane component of the external magnetic field, has a 180-degree period with respect to the azimuth angle of the magnetic field, and the longitudinal resistance of the magnetic material ( Since the unidirectional magnetoresistive effect (resistance in the direction of current) has a 360-degree cycle with respect to the azimuth angle of the magnetic field, the resistance value due to the anisotropic magnetoresistive effect and the resistance value due to the unidirectional magnetoresistive effect Alternatively, the azimuth angle ⁇ H can be uniquely determined by combining its positive and negative signs. Note that the magnitude of the magnetic field may be obtained as necessary, and the magnitude of the magnetic field H can be obtained from the magnitude of the anomalous Hall effect or the
  • the magnetic sensor and the magnetic detection method according to the present invention use one magnetic body to detect the resistance value or positive/negative value due to the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistive effect, and the unidirectional magnetoresistive effect. Based on the code, a three-dimensional magnetic field can be detected. Therefore, compared to conventional magnetic field sensors in which a plurality of sensors or a plurality of elements are arranged three-dimensionally or in a wide space, it is possible to achieve further miniaturization and cost reduction. Moreover, since the number of elements is small, power consumption can also be reduced.
  • the detection unit detects the resistance value due to the anomalous Hall effect. , is obtained from the voltage change at frequency ⁇ in the direction perpendicular to the direction of alternating current flow, and the resistance value due to the anisotropic magnetoresistive effect is obtained from the frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow. It is preferable that the resistance value due to the unidirectional magnetoresistive effect is obtained from the voltage change, and the resistance value due to the unidirectional magnetoresistive effect is obtained from the voltage change at the frequency 2 ⁇ in the direction parallel to the direction in which the alternating current flows.
  • the magnetic sensor and magnetic detection method according to the present invention are configured to obtain a plurality of resistance values due to the anisotropic magnetoresistive effect for different magnetic field angles in order to obtain an accurate azimuth angle ⁇ H of the magnetic field H. preferably.
  • the magnetic body when the alternating current is applied by the current applying means, the magnetic body has a first section in which the alternating current flows in a predetermined direction and a section in which the alternating current flows at a predetermined angle with respect to the predetermined direction. and a second section in which a current flows, and the detection section detects a voltage change at a frequency ⁇ in a direction parallel to the direction of the alternating current in the first section with respect to the direction of the alternating current. It is preferable to use a voltage change with a frequency ⁇ in a parallel direction and a voltage change with a frequency ⁇ in a direction parallel to the direction in which the alternating current flows in the second section.
  • the azimuth angle ⁇ H can be determined almost uniquely and accurately by combining the resistance value by or its positive or negative.
  • the predetermined angle is 90°, 180°, 270°, or 360°, it is difficult to uniquely determine the azimuth angle ⁇ H .
  • the predetermined angle is 90°, 180°, 270°, or 360°, it is difficult to uniquely determine the azimuth angle ⁇ H .
  • the first interval and the second By obtaining and comparing the resistance values of the unidirectional magnetoresistance in the section, the azimuth angle ⁇ H can be determined almost uniquely and accurately.
  • the magnitude of the magnetic field can also be obtained by measuring the anisotropic magnetoresistive effect in the first section and the second section.
  • the magnetic material that can be used in the magnetic sensor and the magnetic detection method according to the present invention is preferably one that produces the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistance effect, and the unidirectional magnetoresistance effect.
  • Fe—Sn nanocrystals, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl, Fe 3 Sn 2 crystals, and Fe 3 Sn crystals are particularly preferred because they can be used at room temperature.
  • the thickness of the magnetic material is preferably 2 nm to 100 nm.
  • a magnetic sensor and a magnetic detection method have a substrate for supporting the magnetic material and a cap layer for preventing deterioration of the magnetic material, the magnetic material being made of a thin film, the substrate and the cap layer. is preferably sandwiched between.
  • the strength of the unidirectional magnetoresistive effect is increased, so the sensitivity of the magnetic sensor can be enhanced.
  • the manifestation intensity of the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistive effect, and the unidirectional magnetoresistive effect is increased, and the SN ratio is improved. can be made
  • a three-dimensional magnetic field can be obtained by a planar single element in which the magnetic material is a thin film, and further miniaturization can be achieved.
  • the substrate may be made of any material as long as a magnetic material can be formed on the surface thereof.
  • the substrate may be a flexible substrate.
  • the cap layer may be made of any material as long as it can prevent deterioration of the magnetic material. It is preferably made of an insulator such as x (1 ⁇ x ⁇ 1.5), SiNx (1 ⁇ x ⁇ 1.33) that does not conduct electricity, or a material that is highly stable in the atmosphere.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the relationship between a magnetic field vector and a zenith angle ⁇ H and an azimuth angle ⁇ H for explaining the detection principle of a three-dimensional magnetic field H by the magnetic sensor and magnetic detection method according to the present invention;
  • FIG. 1A is a schematic perspective view showing the overall configuration of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a perspective view of an element including a magnetic body
  • 1 is a plan view through a cap layer showing a magnetic sensor according to an embodiment of the invention
  • FIG. 1A is a schematic perspective view showing the overall configuration of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a perspective view of an element including a magnetic body
  • 1 is a plan view through a cap layer showing a magnetic sensor according to an embodiment of the invention
  • the angle formed by the first section and the second section of the magnetic body is (a) 45 degrees, (b) 60 degrees, and (c) 105 degrees , the zenith angle ⁇ H or the azimuth angle ⁇ H , the resistance value (R H ⁇ ) due to the extraordinary Hall effect (AHE), the resistance value (R 1 ⁇ ) due to the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect, and the anisotropic magnetoresistance 2 is a graph showing the relationship between the sign of the resistance value (R 2 ⁇ ) due to the (AMR) effect and the resistance value (R 1 2 ⁇ ) due to the unidirectional magnetoresistance (UMR) effect.
  • AHE extraordinary Hall effect
  • R 1 ⁇ anisotropic magnetoresistance
  • UMR unidirectional magnetoresistance
  • FIG. 11 is a graph showing ⁇ H and azimuth angle ⁇ H ;
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship (c) between the azimuth angle ⁇ H of the external magnetic field and the resistance value (R A 2 ⁇ ) due to the unidirectional magnetoresistance (UMR) effect in the first section (Sample A). 4 shows the ratio (R UMR /R 0 ) between the amplitude R UMR of the resistance value due to the unidirectional magnetoresistance (UMR) effect and the element resistance R 0 in different element structures of the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention. graph.
  • the thickness t of the magnetic material and the ratio (R UMR /R 0 ) between the amplitude R UMR of the resistance value due to the unidirectional magnetoresistance ( UMR ) effect and the element resistance R 0 is a graph showing the relationship between the thickness t of the magnetic material and the reciprocal of the device resistance (1/R 0 ).
  • the magnetic sensor 10 has a magnetic body 11, a substrate 12, a cap layer 13, a current application means 14, a detection part 15, and analysis means (not shown).
  • FIG. 2(b) shows a cross section of the layered structure under the cap layer 13 shown in FIG.
  • the magnetic body 11 is made of a thin film, is formed on the surface of the substrate 12 by a thin film manufacturing method, and is supported by the substrate 12 .
  • the cap layer 13 is provided to cover the surface of the magnetic body 11 opposite to the substrate 12 so as to prevent the magnetic body 11 from deterioration such as oxidation. That is, the magnetic body 11 is sandwiched between the substrate 12 and the cap layer 13 .
  • thin film forming methods include vapor phase methods such as sputtering, vapor deposition, and CVD, and liquid phase methods such as plating and sol-gel methods.
  • the magnetic body 11 is composed of a thin film (4 nm thick) of Fe—Sn nanocrystals.
  • the substrate 12 consists of a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate (thickness 0.33 mm).
  • the cap layer 13 is made of SiO x (silicon oxide; thickness 15 nm).
  • the magnetic material 11 is not limited to Fe—Sn nanocrystals, and may be made of any ferromagnetic material that produces anomalous Hall effect, anisotropic magnetoresistive effect, and unidirectional magnetoresistive effect. .
  • the thickness of the magnetic body 11 is preferably 2 nm to 100 nm.
  • the substrate 12 is not limited to a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, but may be any substrate such as SiO x (1 ⁇ x ⁇ 2), MgO, MgAl 2 O 4 , etc., as long as the magnetic material 11 can be formed on the surface thereof.
  • the substrate 12 may consist of Alternatively, the substrate 12 may be made of a flexible material such as a flexible substrate.
  • the cap layer 13 is not limited to SiO x and may be made of any material such as HfO x (1 ⁇ x ⁇ 2) as long as it can prevent deterioration of the magnetic body 11 . It is preferably made of an insulating material that is free from defects and has high stability in the atmosphere.
  • the magnetic bodies 11 forming the laminate structure shown in FIG. are connected to the current application means 14 so that the current flows.
  • the magnetic body 11 has a plurality of linear sections extending in different directions from one end to the other end.
  • the magnetic body 11 has a structure in which a plurality of linear sections are connected, and in a specific example shown in FIG. The sections are defined as a first section, a second section, and a third section from one end to the other end. Connected at different angles.
  • the number of linear sections of the magnetic body 11 may be two, or may be four or more.
  • the current applying means 14 is connected to one end and the other end of the magnetic body 11 so as to apply current to the magnetic body 11 .
  • the current applying means 14 is provided to apply an alternating current with a frequency ⁇ to the magnetic body 11 .
  • the detector 15 has a voltage measuring means 15a.
  • the voltage measuring means 15a measures the direction of current flow (magnetic body 11 The voltage in the direction perpendicular to the direction along each linear shape formed by each section of the magnetic body 11, and the voltage in the direction parallel to the direction of current flow in any plurality of sections of the magnetic body 11 and is configured to measure voltage.
  • the voltage measuring means 15 a measures the direction of the alternating current flow in the second section.
  • V H voltage change (V H ) at frequency ⁇ in the direction perpendicular to the direction of alternating current flow (V 1 ) in the first interval, and voltage change (V 1 ) at frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow; Voltage change (V 2 ) at frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow in the section of , and frequency 2 ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow in the third section
  • V3 the measurement in the third section in FIG. 2(a) may be performed in either the first section or the second section. Any position can be used as long as the voltage change with a frequency of 2 ⁇ can be measured in the direction parallel to the direction of alternating current flow. From the viewpoint of miniaturization, it is preferable to measure the part where the AMR effect is measured and the common part. In that case, the third section becomes unnecessary.
  • the analysis means consists of a computer or the like, and is connected to the current application means 14 and the voltage measurement means 15a. Based on the current applied by the current applying means 14 and the voltage changes measured by the voltage measuring means 15a, the analysis means obtains resistance values corresponding to the respective voltage changes, and based on the obtained resistance values is configured to obtain a three-dimensional magnetic field.
  • the magnetic detection method of the embodiment of the present invention can be suitably implemented by the magnetic sensor 10.
  • an alternating current with a frequency ⁇ is applied to the magnetic body 11 by the current applying means 14, and the frequency ⁇ in the direction perpendicular to the direction in which the alternating current flows is detected by the detecting section 15.
  • Voltage change, voltage change at frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow, and voltage change at frequency 2 ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow are measured, and each measured voltage A three-dimensional magnetic field is detected based on the change.
  • the voltage change (V H ) at frequency ⁇ in the direction perpendicular to the direction of alternating current flow in the second interval and The voltage change at frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow (V 1 ) and the voltage change at frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow (V 2 ) and the voltage change (V 3 ) at a frequency of 2 ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow in the third section, and the analysis means analyzes the current applied by the current applying means 14, Based on each voltage change measured by the voltage measuring means 15a, the resistance value corresponding to each voltage change in the first section and the second section, and the resistance value or the resistance value in the third section are obtained, and the three-dimensional magnetic field is obtained based on each obtained value.
  • the detecting part 15 may be a resistance measuring means for measuring a resistance value corresponding to each voltage change when an alternating current is applied by the current applying means 14.
  • the analysis means is configured to obtain a three-dimensional magnetic field based on each resistance value measured by the resistance measurement means, the resistance value in the third section, or the positive/negative sign of the resistance value.
  • FIG. 3 A method for obtaining a three-dimensional magnetic field will be described more specifically using the magnetic sensor 10 shown in FIG. 3, which is actually manufactured and consists of two sections.
  • the magnetic body 11 has two linear sections, and the second section 22 is connected at a predetermined angle with respect to the extension direction of the first section 21 on one end side. ing.
  • the first section 21 combines the functions of the second section and the third section in FIG. 2(a), and the second section 22 is It has the function of the first section of . Therefore, the magnetic sensor 10 shown in FIG.
  • the relationship between the direction of the external magnetic field acting on the magnetic body 11 and the change in the resistance value due to the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistive effect, and the unidirectional magnetoresistive effect expressed in the magnetic body 11 be asked in advance.
  • the angle between the Z-axis perpendicular to the surface of the magnetic body 11 and the magnetic field vector of the external magnetic field is the zenith angle ⁇ H (0° ⁇ H ⁇ 180°)
  • the plane parallel to the surface of the magnetic body 11 is
  • the angle of the magnetic field vector of the external magnetic field is the azimuth angle ⁇ H (0° ⁇ H ⁇ 360°)
  • the change in the resistance value of the anomalous Hall effect is R 0 cos ⁇ H .
  • the change in the resistance value of the anisotropic magnetoresistive effect is R 0 cos 2 ⁇ H and has a period of 180 degrees.
  • the change in the resistance value of the unidirectional magnetoresistive effect is R 0 sin ⁇ H , and has a period of 360 degrees. where R 0 is the amplitude of each resistance value.
  • the relationship between the zenith angle ⁇ H of the external magnetic field and the resistance value ( RH ⁇ ) due to the anomalous Hall effect ( AHE ) is as follows for the zenith angle 0° ⁇ ⁇ H ⁇ 180° , the resistance value (R H ⁇ ) has a maximum value at 0 degrees, 0 ⁇ at 90 degrees (perpendicular to the external magnetic field), and a monotonically decreasing function at 180 degrees.
  • the magnetization tends to be oriented in the plane of the thin film (in-plane magnetic anisotropy). does not completely follow the magnetic field direction. As a result, it becomes a monotonically decreasing function as shown in FIG .
  • the resistance value (R H ⁇ ) changes from the maximum value at 0° to 0 ⁇ at ⁇ 90° and to the minimum value at ⁇ 180°. function.
  • the change in the resistance of the anomalous Hall effect whether fully following the magnetic field or not, has a maximum value of 0 degrees, a minimum value of 0 ⁇ at ⁇ 90 degrees, and a minimum value of ⁇ 180 degrees. becomes a monotonically decreasing function of Therefore, the angle in the zenith angle direction can be obtained only by measuring either the zenith angle 0° ⁇ H ⁇ 180° or the zenith angle ⁇ 180° ⁇ H ⁇ 0°.
  • the resistance due to the AMR effect (R 1 ⁇ ) is a function of the 180 degree cycle.
  • the relationship between the azimuth angle ⁇ H of the external magnetic field and the resistance value (R 2 ⁇ ) in the second section 22 due to the AMR effect is not shown, the waveform is similar to that in FIG.
  • the angle ⁇ H is shifted by the angle formed by the first section 21 and the second section 22 .
  • the resistance value (R 1 ⁇ ) has a small change value at 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees, or 360 degrees, so the accuracy of only one resistance value (R 1 ⁇ ) is poor.
  • the resistance value (R 2 ⁇ ) of the second section 22 obtained by shifting the angle formed by the first section 21 and the second section 22 to other than 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees, or 360 degrees can be used. can improve accuracy. If the angle is shifted by ⁇ 45 degrees or ⁇ 135 degrees, values proportional to cos2 ⁇ and sin2 ⁇ can be obtained, respectively. , 270 degrees, or any angle obtained other than 360 degrees.
  • the resistance value due to the AMR effect has a period of 180 degrees, so there is a problem that the polarity (quadrant) cannot be determined.
  • discrimination was performed by providing a different sensor or the like, but in the present invention, as a result of examining whether it is possible to discriminate the polarity without using another sensor, the result is shown in FIG. 4(c). (R 1 2 ⁇ ) due to the 360-degree cycle UMR effect shown in FIG.
  • the zenith angle ⁇ H or the azimuth angle ⁇ H and the polarity sign of each resistance value when the angles formed by the first section 21 and the second section 22 are 45 degrees, 60 degrees, and 105 degrees. are shown in FIGS. 5(a) to 5(c).
  • FIGS. 4B and 5A to 5C since the relationship between the azimuth angle ⁇ H and the resistance value by AMR is 180 degrees cycle, The azimuth angle ⁇ H can only be narrowed down to two by measuring the resistance by AMR, and it is difficult to obtain the azimuth angle ⁇ H uniquely. Therefore, as shown in FIGS. 5(a) to 5(c), the azimuth angle ⁇ H can be uniquely determined by determining the polarity by determining the resistance value due to the UMR effect.
  • the resistance value obtained by UMR is much smaller than the resistance value obtained by AMR, and the measurement accuracy is slightly inferior. Attention may be paid only to the sign of the resistance value by UMR.
  • the zenith angle ⁇ H can be uniquely obtained by applying the resistance value R H ⁇ measured by the resistance measuring means 15b of the detection unit 15 to the relationship shown in FIG. 4(a). Also, the measured resistance values R 1 ⁇ and R 2 ⁇ are shifted from FIG . 4B and FIG. By fitting the relationship, the azimuth angle ⁇ H can be narrowed down to two angles that are 180 degrees apart. By applying the measured resistance value R 1 2 ⁇ to the relationship shown in FIG . The angle ⁇ H can be uniquely determined.
  • the magnetic sensor 10 of the embodiment of the present invention may measure the magnitude of the magnetic field H as necessary.
  • the magnitude of the magnetic field is obtained by placing the magnetic sensor in a known magnetic field in advance and measuring the values related to the anomalous Hall effect and the anisotropic magnetoresistive effect, and calculating the relational expression between the measured value obtained at that time and the magnetic field.
  • the magnitude of the magnetic field can be easily obtained by comparing the value obtained when the measurement is performed in the actual environment with the relational expression.
  • the present invention uses an AMR element, a magnetic breakdown mode is generated in a strong magnetic field such as a GMR (Giant Magneto Resistive effect) element or a TMR (Tunnel Magneto Resistance Effect) element. It is also suitable for measuring magnetic fields.
  • FIG. 6 shows the resistance value (R H ⁇ ) of the AHE according to the embodiment of the present invention, the resistance value (R 1 ⁇ ) due to the AMR effect, the resistance value (R 2 ⁇ ), and the resistance value (R 1 2 ⁇ ) due to the UMR effect. shows an example of a three-dimensional magnetic field detection algorithm for a magnetic sensor using .
  • Step 101 Detection of resistance value (R H ⁇ ) by AHE
  • the magnetic sensor 10 according to the embodiment of the present invention is placed in a measurement environment, an alternating current with a frequency ⁇ is applied to the magnetic body 11 by the current applying means 14, and a voltage with a frequency ⁇ in the direction perpendicular to the direction of the alternating current flow is detected.
  • the change (V H ) is measured and the corresponding resistance value (R H ⁇ ) is measured.
  • Step 102. Determination of zenith angle ⁇ H The obtained resistance value (R H ⁇ ) is calculated using an analysis means, and the relationship between the direction of the external magnetic field acting on the magnetic body 11 and the anomalous Hall effect occurring in the magnetic body 11 is obtained. , the zenith angle ⁇ H is obtained. (Angle component range is 0 degrees ⁇ ⁇ H ⁇ 180 degrees)
  • Step 103 Detection of resistance value (R 1 ⁇ ) and resistance value (R 2 ⁇ ) by AMR effect] Voltage change (V 1 ) at frequency ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow in the first section and frequency in the direction parallel to the direction of alternating current flow in the second section The voltage change of ⁇ (V 2 ) is measured, and the corresponding resistance (R 1 ⁇ ) and resistance (R 2 ⁇ ) are measured.
  • Step 104 Determination other than the polarity (quadrant) of the azimuth angle ⁇ H ]
  • the obtained resistance value (R 1 ⁇ ) and resistance value (R 2 ⁇ ) are calculated using an analysis means, and the direction of the external magnetic field acting on the magnetic body 11 and the direction of the external magnetic field acting on the magnetic body 11 obtained in advance are calculated.
  • the azimuth angle ⁇ H and the azimuth angle ⁇ H ⁇ 180° are obtained from the relationship with the anisotropic magnetoresistive effect. (Angle component range is 0 degrees ⁇ ⁇ H ⁇ 180 degrees)
  • Step 105 Detection of resistance value (R 1 2 ⁇ ) by unidirectional magnetoresistance (UMR) effect
  • a voltage change (V 3 ) with a frequency of 2 ⁇ in a direction parallel to the direction of alternating current flow is measured, and the corresponding resistance value (R 1 2 ⁇ ) or the polarity of the resistance value (R 1 2 ⁇ ) is determined.
  • Steps 106, 107 Determination of the polarity of the azimuth angle ⁇ H ] If the resistance value or the polarity of the resistance value obtained in step 105 is 0 ⁇ or more or is positive, the azimuth angle ⁇ H is the azimuth angle ⁇ H (step 106). On the other hand, when the resistance value obtained in step 105 or the polarity of the resistance value is 0 ⁇ or less or negative, ⁇ H ⁇ 180° is determined as the azimuth angle ⁇ H (step 107).
  • the three-dimensional magnetic field is determined using the algorithm of steps as described above. Note that the flowchart in FIG. 6 is an example, and the order and the like can be changed as appropriate. For example, since the methods of determining the zenith angle ⁇ H and the azimuth angle ⁇ H are independent, the azimuth angle ⁇ H may be determined first, and then the zenith angle ⁇ H may be determined. can be calculated and determined.
  • the magnetic sensor 10 and the magnetic detection method according to the embodiment of the present invention use only the magnetic body 11 to detect the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistive (AMR) effect, and the one-dimensional effect occurring in the magnetic body 11 .
  • a three-dimensional magnetic field can be detected based on the resistance value due to the directional magnetoresistance (UMR) effect. Therefore, since there is no need to use a separate sensor other than the configuration of the present invention, it is possible to reduce the size and cost of the conventional magnetic field sensor in which a plurality of elements are arranged three-dimensionally.
  • a three-dimensional magnetic field can be obtained by a planar single element in which the magnetic body 11 is a thin film, further miniaturization can be achieved.
  • the number of elements is small, power consumption can also be reduced.
  • the strength of the unidirectional magnetoresistive effect increases due to the film thickness effect of the magnetic body 11 made of a thin film. can be done.
  • the intensity of the anomalous Hall effect, the anisotropic magnetoresistive effect, and the unidirectional magnetoresistive effect is increased, and the SN ratio is increased. can be improved.
  • the magnetic sensor 10 and the magnetic detection method according to the embodiment of the present invention can achieve miniaturization and low power consumption. It can contribute to the promotion of society.
  • the above describes a magnetic sensor 10 capable of detecting magnetic fields in three dimensions using the anomalous Hall effect (AHE), the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect and the unidirectional magnetoresistance (UMR) effect.
  • AHE anomalous Hall effect
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • UMR unidirectional magnetoresistance
  • the magnetic sensor 10 may be configured to use only the anomalous Hall effect (AHE) and unidirectional magnetoresistance (UMR)
  • a magnetic sensor capable of detecting a three-dimensional magnetic field can be realized and further simplified.
  • FIG. 2 When the UMR effect is sufficiently large and the accuracy of the signal is high, in FIG. It can also be arranged to measure the voltage change at 22 at frequency 2 ⁇ in a direction parallel to the direction of alternating current flow. More specifically, in FIG. 3, the resistance value (R 1 2 ⁇ ) corresponding to the voltage change of frequency 2 ⁇ in the direction parallel to the direction of alternating current flow in the first section 21 and the second section 22 and a resistance value (R 2 2 ⁇ ) corresponding to a voltage change with a frequency of 2 ⁇ in a direction parallel to the direction of alternating current flow.
  • a three-dimensional magnetic field can be detected based on the resistance values due to the anomalous Hall effect and the UMR effect, so further miniaturization is possible. If the magnitude of the magnetic field is required, it may be obtained from the anomalous Hall effect as described above. In some cases, the magnitude of the magnetic field can be obtained by detecting the resistance value due to the anisotropic magnetoresistive effect with the detection unit 15 .
  • FIG. 7A shows the zenith angle ⁇ H and azimuth angle ⁇ H of the changed external magnetic field
  • FIG. 7B shows the zenith angle ⁇ H and azimuth angle ⁇ H detected by the magnetic sensor 10 .
  • the external magnetic field was moved so as to be (step 1).
  • the direction of the azimuth angle was shifted from the initial value without changing the zenith angle while keeping the zenith angle shifted from the initial state (step 2).
  • the zenith and azimuth angles deviated from the initial positions they were moved so that both angles were deviated (step 3).
  • FIG. 7(b) The three-dimensional angle detected by the magnetic sensor 10 is shown in FIG. 7(b). Comparing FIG. 7(a) and FIG. 7(b), it can be seen that the magnetic sensor 10 accurately obtains the three-dimensional angle following the change in the angle. Thus, it was confirmed that the angle of the magnetic field was accurately detected by the magnetic sensor 10 .
  • a first section 21 (Sample A in the drawing) and a second section of the magnetic body 11 are formed on one substrate 12. 22 (Sample B in the drawing) are separated from each other, and the first section 21 and the second section 22 are electrically connected, and an experiment for detecting a magnetic field was conducted.
  • the angle between the extension direction of the first section 21 and the extension direction of the second section 22 is 45 degrees.
  • the resistance value (R A ⁇ ) due to the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect and the resistance value (R A 2 ⁇ ) due to the unidirectional magnetoresistance (UMR) effect were measured.
  • the resistance value (R B ⁇ ) due to the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect was measured in the second section 22 (Sample B).
  • FIGS. 9(a) to 9(c) The measurement results of each resistance value are shown in FIGS. 9(a) to 9(c).
  • FIGS. 9A and 9B the phase of the waveform of the resistance value R A ⁇ and the phase of the waveform of the resistance value R B ⁇ are different from the angle formed by the first section 21 and the second section 22. It was confirmed that the measurements were made in the same 45-degree shifted state. From this, it can be said that the magnetic field can be measured even if the first section 21 and the second section 22 are arranged apart from each other as long as the magnetic field to be detected does not change.
  • the first section 21 and the second section 22 are arranged on one board 12 in FIG. 8A, they can be arranged on one board 12 if the sections are electrically connected.
  • Each section may be placed on a different substrate 12, respectively.
  • the magnetic field may be different in each section because there is a distance between the sections. , the accuracy is expected to improve.
  • the ratio (R UMR /R 0 ) between the amplitude R UMR of the resistance value due to the measured unidirectional magnetoresistance (UMR) effect and the element resistance R 0 was obtained.
  • FIG. 10 shows the value of R UMR /R 0 in each device structure.
  • the three element structures of SiOx /Fe-Sn / Al2O3 , SiOx /Fe-Sn/MgO, and SiOx /Fe-Sn/ MgAl2O4 are It was confirmed that the value of R UMR /R 0 was larger than those of the two element structures, and the unidirectional magnetoresistive effect was relatively large. From this, it can be said that the element structure can enhance the unidirectional magnetoresistance effect and enhance the measurement accuracy of the magnetic field.
  • the magnetic sensor 10 shown in FIG. 3 an experiment was conducted to detect a magnetic field by changing the film thickness of the magnetic material 11 .
  • the element structure of the magnetic sensor 10 is SiOx (thickness 15 nm)/Fe-Sn/ Al2O3 (thickness 0.33 mm).
  • the ratio (R UMR /R 0 ) between the amplitude R UMR of the resistance value due to the measured unidirectional magnetoresistance (UMR) effect and the element resistance R 0 was obtained.
  • FIG. 11 shows the relationship between the thickness t of the magnetic body 11 and R UMR /R 0 .
  • 11 shows the relationship between the thickness t of the magnetic body 11 and 1/ R0 .
  • increasing the thickness of the magnetic body 11 increases the value of R UMR /R 0 and relatively increases the unidirectional magnetoresistance effect.
  • the element resistance R0 decreases . is not only due to the improvement of the unidirectional magnetoresistance effect. From this, it is considered necessary to consider not only the film thickness of the magnetic material 11 but also other effects and element resistance in order to improve the measurement accuracy of the magnetic field.
  • the magnetic sensor 10 is not limited to the above and can be modified as appropriate.
  • the output may be obtained from a predetermined arithmetic expression using both the resistance value (R 1 ⁇ ) and the resistance value (R 2 ⁇ ) due to the AMR effect.
  • the magnetic sensor 10 obtains the resistance value (R 1 ⁇ ) and the resistance value (R 2 ⁇ ) due to the AMR effect. You may make it measure in either one place.
  • the resistance value (R 1 2 ⁇ ) and the resistance value (R 2 2 ⁇ ) are obtained by the UMR effect. In some cases, the measurement may be made at either one of the locations.
  • the magnetic sensor 10 may have a function of correcting the influence of the surrounding environmental temperature and the magnetic field that causes surrounding noise, according to the actual environment of the equipment used, such as an aircraft or a passenger car.

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Abstract

【課題】より小型化を図ることができ、消費電力を低減可能な磁気センサおよび磁気検出方法を提供する。 【解決手段】電流印加手段１４が、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流すよう設けられている。検出部１５が、電流印加手段１４で電流を流したとき、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から、磁性体１１の異常ホール効果による抵抗値を求め、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から、磁性体１１の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を求めるよう構成されている。解析手段が、求められた各抵抗値に基づいて、３次元の磁場を検出可能に構成されている。

Description

磁気センサおよび磁気検出方法
　本発明は、磁気センサおよび磁気検出方法に関する。
　磁場の方向を電気的な信号に変換して検出する磁気センサは、磁気メモリの読み出し、電子コンパス、自動操縦のための移動体の位置や速度の検出、機械駆動部の位置や回転の検出、電流から生じる磁場の検出による消費電力のモニターなど、様々な用途に使用されている。特に近年では、IoT（モノのインターネット）化を推進するために、磁場の方向を検出できる３次元磁気センサの重要性が高まっており、３次元磁気センサのさらなる小型化や低消費電力化が求められている。
　従来、磁気センサとして、ホール効果を利用したホール素子や、磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子が広く用いられており、例えば３つの磁気センサを３次元空間のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に配置するなど、複数の素子を立体的に配置することにより、３次元での磁場の検出が行われている（例えば、特許文献１または２参照）。
　なお、本発明者等により、強磁性体であるFe-Snナノ結晶薄膜が、半導体磁気センサに発現する正常ホール効果に匹敵する大きな異常ホール効果（ＡＨＥ：Anomalous Hall effect）を示し、ホール素子に応用可能であることが明らかにされている（例えば、非特許文献１乃至３参照）。また、磁性体に電流を流したとき、外部磁場によって電気抵抗が変化する現象として、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Anisotropic Magnetoresistance）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ：Unidirectional Magnetoresistance）効果が知られている。
特開２０１６－１７８３０号公報 特開２０１７－２６３１２号公報
Y. Satake et al., "Fe-Sn nanocrystalline films for flexible magnetic sensors with high thermal stability", Sci. Rep.,2019, 9, 3282 J. Shiogai et al., "Low-frequency noise measurements on Fe-Sn Hall sensors", Appl. Phys. Express, 2019, Vol.12, Number 12, 123001 K. Fujiwara et al., "Doping-induced enhancement of anomalous Hall coefficient in Fe-Sn nanocrystalline films for highly sensitive Hall sensors", APL Mater., 2019, Vol. 7, 111103
　特許文献１および２に記載のような従来の磁気センサでは、磁場の１方向（例えば、Ｘ、Ｙ、またはＺ成分）を決定することができる。しかしながら、３方向の磁場ベクトルを検出するためには、複数の素子を立体的に配置する必要があり、小型化には限界があるという課題があった。また、使用する素子の数だけ電力が消費されるため、低消費電力化にも限界があるという課題もあった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より小型化を図ることができ、消費電力を低減可能な磁気センサおよび磁気検出方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る磁気センサは、磁性体と、前記磁性体に電流を流すよう設けられた電流印加手段と、前記電流印加手段で前記電流を流したとき、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値とを測定する検出部と、前記検出部で測定された各抵抗値に基づいて、３次元磁場を検出する解析手段とを、有することを特徴とする。
　また、本発明に係る磁気センサは、前記電流印加手段で前記電流を流したとき、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値も前記検出部で測定するようにすれば、磁場が大きくない環境でも、正確な３次元磁場の方向の決定や検出を行うことができ、好ましい。
　本発明に係る磁気検出方法は、磁性体に周波数ωの交流電流を流し、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値とに基づいて、３次元の磁場を検出することを特徴とする。
　また、本発明に係る磁気検出方法は、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値も利用するようにすれば、磁場が大きくない環境でも、正確な３次元磁場の方向の決定や検出を行うことができ、好ましい。
　本発明に係る磁気検出方法は、本発明に係る磁気センサにより好適に実施することができる。本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、磁性体に発現する異常ホール効果、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果を利用して、以下の原理で３方向の磁場を検出することができる。すなわち、図１に示すように、Ｘ－Ｙ面内に磁性体の薄膜を配置したとき、３次元の磁場Ｈの方向を検出するためには、Ｘ－Ｙ面に対して垂直なＺ軸に対して磁場ベクトルが成す角度である天頂角θＨと、Ｘ－Ｙ面での磁場ベクトルの方向を示す方位角φＨとを、それぞれ独立に決定する必要がある。
　ここで、Ｘ－Ｙ面内の磁性体に電流を流したときに生じる異常ホール効果により、磁性体のホール抵抗が磁場のＺ軸成分に比例する出力を示すため、磁場Ｈの天頂角θＨを一意に決定することができる。また、それと同時に、外部磁場のＸ－Ｙ面内成分によって電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗効果は、磁場の方位角に対して180度周期を有し、また、磁性体の縦抵抗（電流の方向の抵抗）である一方向性磁気抵抗効果が、磁場の方位角に対して360度周期を有するため、異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号とを組み合わせることにより、方位角φＨを一意に決定することができる。なお、必要に応じて磁場の大きさを求めてもよく、磁場Ｈの大きさは、例えば、異常ホール効果や異方性磁気抵抗効果の大きさから求めることができる。
　このように、本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、１つの磁性体を使用して、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、および一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号に基づいて、３次元磁場を検出することができる。このため、複数のセンサ、又は、複数の素子を立体的、或いは、広いスペースに配置する従来の磁場センサと比べて、より小型化、低コスト化を図ることができる。また、素子の数が少ないため、消費電力を低減することもできる。
　本発明に係る磁気センサは、各抵抗値を求めるために、例えば、前記電流印加手段で前記磁性体に周波数ωの交流電流を流したとき、前記検出部が、前記異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求めるよう構成されていることが好ましい。
　本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、磁場Ｈの正確な方位角φＨを求めるため、異方性磁気抵抗効果による抵抗値が、異なる磁場角度に対して、複数得られるよう構成されていることが好ましい。
　この場合、例えば、前記磁性体は、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して所定の角度で前記交流電流が流れる第２区間とを有し、前記検出部は、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化として、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とを用いるよう構成されていることが好ましい。これにより、磁場の方位角に対して180度周期を有する異方性磁気抵抗効果の抵抗値として、第１区間および第２区間での２つの抵抗値を求め、これらを一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負と組み合わせることにより、方位角φＨをほぼ一意に、また、正確に決定することができる。ただし、前記所定の角度が、９０°、１８０°、２７０°、または３６０°のときには、方位角φＨを一意に決定するのが困難であるため、前記所定の角度は、これら以外の角度であることが好ましい。
　また、本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法の変形例として、一方向性磁気抵抗効果が十分に大きく、一方向性磁気抵抗効果による信号の確度が高い場合には、第１区間および第２区間での一方向性磁気抵抗の抵抗値を求め、比較することで、方位角φＨをほぼ一意に、また、正確に決定することもできる。また、この場合、第１区間および第２区間での異方性磁気抵抗効果を測定することで、磁場の大きさを求めることもできる。
　本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法で、使用可能な磁性体は、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じるものであることが好ましく、具体的には、Fe-Snナノ結晶、Co2MnGa、Co2MnAl、Fe3Sn2結晶、Fe3Sn結晶、Co3Sn2S2、CrまたはVをドープした(Bi,Sb)2Te3、GaMnAsなどの強磁性体が挙げられる。このうち、Fe-Snナノ結晶、Co2MnGa、Co2MnAl、Fe3Sn2結晶、Fe3Sn結晶は、室温で使用できるため特に好ましい。また、磁性体の厚みは、2 nm～100 nmであることが好ましい。
　本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、前記磁性体を支持する基板と、前記磁性体の劣化防止用のキャップ層とを有し、前記磁性体は薄膜から成り、前記基板と前記キャップ層との間に挟まれて配置されていることが好ましい。この場合、磁性体の膜厚効果により、一方向性磁気抵抗効果の発現強度が大きくなるため、磁気センサの感度を高めることができる。また、磁性体の面内方向に沿って電流量を増加させることにより、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、および一方向性磁気抵抗効果の発現強度を大きくし、また、ＳＮ比を向上させることができる。また、磁性体が薄膜から成る平面型の単一素子により３次元の磁場を求めることができ、さらに小型化を図ることができる。
　なお、この場合、基板は、その表面に磁性体を形成可能なものであれば、いかなるものから成っていてもよく、例えば、SiOx（1≦x≦2；酸化ケイ素）、Al2O3（サファイア）、MgO、Mg Al2O4などから成っていてもよい。また、基板は、フレキシブル基板であってもよい。キャップ層は、磁性体の劣化を防止可能なものであれば、いかなるものから成っていてもよいが、特に、SiOx（1≦x≦2）、HfOx（1≦x≦2）、AlOx（1≦x≦1.5）, SiNx（1≦x≦1.33）など、電気を流さない絶縁体や、大気中で高い安定性を有するものから成っていることが好ましい。
　本発明によれば、より小型化を図ることができ、消費電力を低減可能な磁気センサおよび磁気検出方法を提供することができる。
本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法の、３次元の磁場Ｈの検出原理を説明するための、磁場ベクトルと天頂角θＨおよび方位角φＨとの関係を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の磁気センサの、（ａ）全体構成を示す概略の斜視図、（ｂ）磁性体を含む素子の斜視図である。 本発明の実施の形態の磁気センサを示す、キャップ層を透過した平面図である。 本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法の、（ａ）外部磁場の天頂角θＨと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（ＲＨ ω）との関係、（ｂ）外部磁場の方位角φＨと、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ１ ω）との関係、（ｃ）外部磁場の方位角φＨと、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法の、磁性体の第１区間と第２区間との成す角度が（ａ）４５度、（ｂ）６０度、（ｃ）１０５度のときの、天頂角θＨまたは方位角φＨと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（ＲＨ ω）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ１ ω）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ２ ω）、および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）の符号との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の磁気検出方法の、３次元磁場検出アルゴリズムのフローチャートの一例である。 本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法の、外部磁場を検出する実験での、（ａ）変化させた外部磁場の天頂角θＨおよび方位角φＨ、（ｂ）検出した天頂角θＨおよび方位角φＨを示すグラフである。 本発明の実施の形態の磁気センサの（ａ）磁性体を含む素子の変形例を示す、キャップ層を透過した平面図、（ｂ）　磁場を検出する実験での、（ａ）に印加する磁場を示す平面図、（ｃ）　（ａ）の第１区間（Sample A）の拡大平面図、（ｄ）　（ａ）の第２区間（Sample B）の拡大平面図である。 図８に示す磁気センサの、磁場を検出する実験での、（ａ）第２区間（Sample B）での、外部磁場の方位角φＨと、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（ＲB ω）との関係、（ｂ）第１区間（Sample A）での、外部磁場の方位角φＨと、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（ＲA ω）との関係、（ｃ）第１区間（Sample A）での、外部磁場の方位角φＨと、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（ＲA ２ω）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の磁気センサの、異なる素子構造での、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅ＲUMRと素子抵抗Ｒ０との比（ＲUMR／Ｒ０）を示すグラフである。 本発明の実施の形態の磁気センサの、磁性体の厚みｔと、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅ＲUMRと素子抵抗Ｒ０との比（ＲUMR／Ｒ０）との関係を示すグラフ、（挿入図）磁性体の厚みｔと、素子抵抗の逆数（１／Ｒ０）との関係を示すグラフである。
　以下、図面および実施例等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図２乃至図１１は、本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法を示している。
　図２に示すように、磁気センサ１０は、磁性体１１と基板１２とキャップ層１３と電流印加手段１４と検出部１５と解析手段（図示せず）とを有している。
　図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すキャップ層１３の下の積層体構造の断面を示し、磁性体１１、基板１２、キャップ層１３から成る。磁性体１１は、薄膜から成り、薄膜作製法により基板１２の表面に形成されて、基板１２に支持されている。キャップ層１３は、磁性体１１を酸化等の劣化から防ぐよう、基板１２とは反対側の磁性体１１の表面を覆うよう設けられている。すなわち、磁性体１１は、基板１２とキャップ層１３との間に挟まれて配置されている。なお、薄膜作製法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等の気相法、メッキ法、ゾル・ゲル法等の液相法などが挙げられる。
　図２（ｂ）に示す具体的な一例では、磁性体１１はFe-Snナノ結晶の薄膜（厚み 4 nm）から成る。基板１２は、サファイア（Al2O3）基板（厚み0.33 mm）から成る。キャップ層１３は、SiOx（酸化ケイ素；厚み15 nm）から成る。なお、磁性体１１は、Fe-Snナノ結晶に限らず、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、一方向性磁気抵抗効果が生じる強磁性体であれば、いかなるものから成っていてもよい。具体的には、Co2MnGa、Co2MnAl、Fe3Sn2結晶、Fe3Sn結晶、Co3Sn2S2、CrまたはVドープした(Bi,Sb)2Te3、GaMnAsなどが挙げられる。また、磁性体１１の厚みは、2 nm～100 nmであることが好ましい。基板１２は、その表面に磁性体１１を形成可能なものであれば、サファイア（Al2O3）基板に限らず、SiOx（1≦x≦2）、MgO、MgAl2O4など、いかなるものから成っていてもよい。また、基板１２は、フレキシブル基板等の可撓性材料から成っていてもよい。キャップ層１３は、磁性体１１の劣化を防止可能なものであれば、SiOxに限らず、HfOx（1≦x≦2）など、いかなるものから成っていてもよく、特に、電気を流さない絶縁体や、大気中で高い安定性を有するものから成っていることが好ましい。
　図２（ａ）に示すように、図２（ｂ）に示す積層体構造を形成する磁性体１１は、基板１２の表面に細長く形成されており、両端の間に電気的な接続手段を用いて、電流印加手段１４と接続され、電流が流れるよう構成されている。磁性体１１は、一端から他端に向かって、それぞれ伸張方向が異なる直線状の複数の区間を有している。磁性体１１は、直線状の区間が複数接続された構造を有しており、図２（ａ）に示す具体的な一例では、３つの直線状の区間が接続された構造であり、これらの区間を、一端から他端に向かって、第１の区間、第２の区間、第３の区間とすると、第２の区間の伸張方向に対して、第１の区間および第３の区間がそれぞれ異なる角度で接続されている。なお、磁性体１１の直線状の区間の数は、２つであってもよく、４つ以上であってもよい。
　前述のように、電流印加手段１４は、磁性体１１の一端と他端とに接続され、磁性体１１に電流を流すよう設けられている。図２（ａ）に示す具体的な一例では、電流印加手段１４は、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流すよう設けられている。
　検出部１５は、電圧測定手段１５ａを有している。図２（ａ）に示すように、電圧測定手段１５ａは、電流印加手段１４で磁性体１１に電流を流したとき、磁性体１１のいずれかの区間での、電流の流れる方向（磁性体１１の各区間が構成する、各直線状の形状に沿った方向）に対して垂直方向での電圧と、磁性体１１のいずれか複数の区間での、電流の流れる方向に対して平行方向での電圧とを測定するよう構成されている。図２（ａ）に示す具体的な一例では、電圧測定手段１５ａは、電流印加手段１４で磁性体１１に周波数ωの交流電流を流したとき、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（ＶＨ）と、第１の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ１）と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ２）と、第３の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ３）とを測定するよう構成されている。なお、図２（ａ）の第３の区間での測定は、第１の区間又は第２の区間のいずれかで測定してもよい。交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化が測定できる箇所であればどこでもよく、小型化の観点から、ＡＭＲ効果を測定する部位と共通部位で測定するのが好ましい。その場合、第３の区間は不要になる。
　解析手段は、コンピュータ等から成り、電流印加手段１４および電圧測定手段１５ａに接続されている。解析手段は、電流印加手段１４で流した電流と、電圧測定手段１５ａで測定された各電圧変化とに基づいて、各電圧変化に対応する抵抗値をそれぞれ求め、求められた各抵抗値に基づいて３次元の磁場を求めるよう構成されている。
　図２（ａ）および（ｂ）に示す具体的な一例では、磁性体１１に外部磁場が作用したとき、解析手段で求められた抵抗値のうち、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（ＶＨ）から求められた抵抗値が、磁性体１１の異常ホール効果による抵抗値であり、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ１およびＶ２）から求められた抵抗値が、磁性体１１の異方性磁気抵抗効果による抵抗値であり、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ３）から求められた抵抗値が、磁性体１１の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値である。
　本発明の実施の形態の磁気検出方法は、磁気センサ１０により好適に実施することができる。本発明の実施の形態の磁気検出方法は、電流印加手段１４により、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流し、検出部１５により、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化と、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化とを測定し、測定された各電圧変化に基づいて、３次元の磁場を検出する。
　図２（ａ）に示す具体的な一例では、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（ＶＨ）と、第１の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ１）と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ２）と、第３の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ３）とを測定し、解析手段により、電流印加手段１４で流した電流と、電圧測定手段１５ａで測定された各電圧変化とに基づいて、第１の区間、第２の区間では、各電圧変化に対応する抵抗値、及び、第３の区間では、抵抗値又は、抵抗値の正負の符号をそれぞれ求め、求められた各値に基づいて３次元の磁場を求める。
　なお、検出部１５は、電圧測定手段１５ａの代わりに、電流印加手段１４で交流電流を流したときの各電圧変化に対応する抵抗値を測定する抵抗測定手段としてもよい。このとき、解析手段は、抵抗測定手段で測定した各抵抗値、第３の区間では抵抗値又は、抵抗値の正負の符号に基づいて３次元の磁場を求めるよう構成されている。
　３次元の磁場を求める方法を、実際に製造された２つの区間からなる、図３に示す磁気センサ１０を用いて、より具体的に説明する。図３に示す磁気センサ１０は、磁性体１１が直線状の２つの区間を有しており、一端側の第１区間２１の伸張方向に対して、第２区間２２が所定の角度で接続されている。図３の例では、第１区間２１が、図２（ａ）での第２の区間と、第３の区間の機能を合わせたものであり、第２区間２２が、図２（ａ）での第１の区間の機能を備えたものである。そのため、図３に示す磁気センサ１０は、抵抗測定手段１５ｂにより、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化に対応する抵抗値（ＲＨ ω）と、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ１ ω）と、第２区間２２での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ２ ω）と、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ１ ２ω）とを測定するよう構成されている。なお、図３に示す磁気センサ１０は、第１区間２１と第２区間２２との成す角度を４５度に形成しているが、４５度に限ったものではなく、９０度、１８０度、２７０度、３６０度以外であれば、どのような角度でもよい。なお、図３に示す回路のうち、電流印加手段１４、検出部１５に接続されていない端子は、設けなくても特に問題ない。
　磁場を測定する前に、磁性体１１に作用する外部磁場の方向と、磁性体１１に発現する異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果および一方向性磁気抵抗効果による抵抗値の変化との関係を、あらかじめ求めておく。ここで、磁性体１１の表面に対して垂直なＺ軸と外部磁場の磁場ベクトルとの成す角度を天頂角θＨ（０°≦θＨ≦１８０°）、磁性体１１の表面に平行な面での、外部磁場の磁場ベクトルの角度を方位角φＨ（０°≦φＨ≦３６０°）とすると、異常ホール効果の抵抗値の変化は、Ｒ０cosθＨとなる。また、異方性磁気抵抗効果の抵抗値の変化は、Ｒ０cos２φＨとなり、１８０度周期となる。また、一方向性磁気抵抗効果の抵抗値の変化は、Ｒ０sinφＨとなり、３６０度周期となる。ここで、Ｒ０は、各抵抗値の振幅である。
　磁性体１１（この例では、Fe-Snナノ結晶を用いた。）に流す交流電流を、Ｉ＝２１／２Ｉａｃcos(ωt)、電流密度を、ｊ＝8.75×105 Acm-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ０Ｈ＝１（Ｔ）としたときの、外部磁場の天頂角θＨと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（ＲＨ ω）との関係を測定し、図４（ａ）に示す。
　図４（ａ）に示すように、外部磁場の天頂角θＨと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（ＲＨ ω）との関係は、天頂角０°≦θＨ≦１８０°に対し、０度で抵抗値（ＲＨ ω）が最大値をとり、９０度（外部磁場に対して垂直）で０Ω、１８０度で最小値となる単調減少の関数となる。磁性体１１にFe-Sn系を用いた場合は、磁化が薄膜面内を向きやすい性質（面内磁気異方性）をもっているため、磁場が１Ｔの場合は、異常ホール効果の抵抗値の変化は、磁場方向に完全に追随しない。その結果、図４（ａ）のような単調減少的な関数になる（なお、磁場が９Ｔなどの強磁場では、cosθＨの関数に完全に追随する）。なお、天頂角－１８０°≦θＨ≦０°では、抵抗値（ＲＨ ω）が、０度の最大値から、－９０度で０Ω、－１８０度では最小値となり、同様の単調減少の関数となる。このように、異常ホール効果の抵抗値の変化は、磁場に完全に追随する、追随しないのどちらであっても、０度を最大値にして、±９０度で０Ω、±１８０度で最小値の単調減少関数になる。このため、天頂角０°≦θＨ≦１８０°又は天頂角－１８０°≦θＨ≦０°のどちらか一方を測定するだけで、天頂角方向の角度を求めることができる。
　図４（ａ）と同様の条件で、外部磁場の方位角φＨと、第１区間２１でのＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ω）および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）との関係を測定し、それぞれ図４（ｂ）および（ｃ）に示す。
　図４（ｂ）に示すように、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ω）は１８０度周期の関数となる。なお、外部磁場の方位角φＨと、ＡＭＲ効果による第２区間２２での抵抗値（Ｒ２ ω）との関係は、図示していないが、図４（ｂ）と同様の波形で、方位角φＨが第１区間２１と第２区間２２との成す角度分ずれた関係となる。抵抗値（Ｒ１ ω）は、９０度、１８０度、２７０度、または、３６０度においては、変化値が小さいことから、抵抗値（Ｒ１ ω）一つだけでは精度が悪い。そのため、第１区間２１と第２区間２２との成す角を、９０度、１８０度、２７０度、または、３６０度以外でずらした、第２区間２２の抵抗値（Ｒ２ ω）を用いることで、より精度を高めることができる。当該角度は、±４５度又は±１３５度ずれた形で配置すると、それぞれ、cos2θ、sin2θに比例した値が得られるので、望ましいが、当該角度に限られたものではなく、９０度、１８０度、２７０度、または、３６０度以外で得られたものであればどの角度であってもよい。
　図４（ｂ）に示すように、ＡＭＲ効果による抵抗値は、１８０度周期であるため、極性（象限）判別ができないという問題がある。従来、この対処として、別の異なるセンサ等を設けるなどして判別をおこなっていたが、本発明では、別のセンサを用いることなく、極性判別が行えないか検討した結果、図４（ｃ）に示す３６０度周期のＵＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）を用いることに想到した。
　図４に示す関係について、第１区間２１と第２区間２２との成す角度が４５度、６０度、１０５度のときの、天頂角θＨまたは方位角φＨと各抵抗値の極性符号との関係をまとめ、それぞれ図５（ａ）～（ｃ）に示す。図４（ｂ）および図５（ａ）～（ｃ）に示すように、方位角φＨとＡＭＲによる抵抗値との関係が１８０度周期であるため、第１区間２１および第２区間２２のＡＭＲによる抵抗の測定値だけでは、方位角φＨを２つにしか絞ることができず、方位角φＨを一意に求めることが困難である。そこで、図５（ａ）～（ｃ）に示すように、ＵＭＲ効果による抵抗値を求めることにより、極性の判別ができることで、方位角φＨを一意に求めることができる。
　なお、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、ＵＭＲによる抵抗値は、ＡＭＲによる抵抗値と比べて非常に小さく、測定精度がやや劣るため、ＵＭＲによる抵抗値と組み合わせる際には、ＵＭＲによる抵抗値の符号にのみ着目してもよい。
　実際の測定では、検出部１５の抵抗測定手段１５ｂで測定された抵抗値ＲＨ ωを、図４（ａ）に示す関係にあてはめることにより、天頂角θＨを一意に求めることができる。また、測定された抵抗値Ｒ１ ωおよびＲ２ ωを、図４（ｂ）および、図４（ｂ）から方位角φＨが第１区間２１と第２区間２２との成す角度分ずれた関係にあてはめることにより、方位角φＨを１８０度ずれた２つの角度に絞ることができる。測定された抵抗値Ｒ１ ２ωを、図４（ｃ）に示す関係にあてはめて、その符号に着目することにより、１８０度ずれた２つの方位角φＨを１つに絞ることができ、方位角φＨを一意に求めることができる。
　また、本発明の実施の形態の磁気センサ１０は、必要に応じて、磁場Ｈの大きさを測定してもよい。磁場の大きさは、予め、既知の磁場に磁気センサをおいて、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果に関連する値を測定し、その時に得られた測定値と磁場との関係式を導いておくことで、実際の環境で測定を行った際の値と関係式とを比較することにより、容易に磁場の大きさを求めることができる。本発明は、ＡＭＲ素子を用いていることから、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果:Giant Magneto Resistive effect）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果: Tunnel Magneto Resistance Effect）素子のような強磁場で磁気破壊モードがなく、磁場を測定する上でも好適である。
［本発明の３次元磁場検出アルゴリズム］
　図６に、本発明の実施の形態のＡＨＥによる抵抗値（ＲＨ ω）、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ω）、抵抗値（Ｒ２ ω）、ＵＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）を用いた、磁気センサの３次元磁場検出アルゴリズムの一例を示す。
［ステップ１０１．ＡＨＥによる抵抗値（ＲＨ ω）の検出］
　本発明の実施の形態の磁気センサ１０を測定環境に置き、電流印加手段１４により、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流し、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（ＶＨ）を測定し、対応する抵抗値（ＲＨ ω）を測定する。
［ステップ１０２．天頂角θＨの決定］
　得られた抵抗値（ＲＨ ω）について、解析手段を用いて演算を行い、予め求めておいた磁性体１１に作用する外部磁場の方向と、磁性体１１に発現する異常ホール効果との関係から、天頂角θＨを求める。（角度成分の範囲は、０度≦θＨ≦１８０度）
［ステップ１０３．ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ω）、抵抗値（Ｒ２ ω）の検出］
　第１の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ１）と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ２）を測定し、対応する抵抗値（Ｒ１ ω）、抵抗値（Ｒ２ ω）を測定する。
［ステップ１０４．方位角φＨの極性（象限）以外の決定］
　得られた抵抗値（Ｒ１ ω）、抵抗値（Ｒ２ ω）について、解析手段を用いて演算を行い、予め求めておいた磁性体１１に作用する外部磁場の方向と、磁性体１１に発現する異方性磁気抵抗効果との関係から、方位角φＨ及び方位角φＨ－180°を求める。（角度成分の範囲は、０度≦φＨ≦１８０度）
［ステップ１０５．一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）の検出］
　交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ３）を測定し、対応する抵抗値（Ｒ１ ２ω）、又は抵抗値（Ｒ１ ２ω）の極性を求める。
［ステップ１０６、１０７．方位角φＨの極性の決定］
　ステップ１０５で求められた抵抗値、または抵抗値の極性が、０Ω以上または正である場合は、ステップ１０４で求めた方位角φＨ及び方位角φＨ－180°のうち、φＨを方位角φＨとして決定する（ステップ１０６）。一方、ステップ１０５で求められた抵抗値、または抵抗値の極性が、０Ω以下または負である場合は、ステップ１０４で求めた方位角φＨ及び方位角φＨ－180°のうち、φＨ－180°を方位角φＨとして決定する（ステップ１０７）。
　上記のようなステップのアルゴリズムを用いて３次元磁場を決定する。なお、図６のフローチャートは一例であって、順序等、適宜変更可能である。例えば、天頂角θＨと方位角φＨとは決定方法が独立しているので、先に、方位角φＨの方を決定してから天頂角θＨを決定してもよいし、同時並行で、演算して、決定してもよい。
　このように、本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気検出方法は、磁性体１１のみを使用して、磁性体１１に発現する異常ホール効果、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値に基づいて、３次元の磁場を検出することができる。このため、本発明の構成以外の別のセンサを用いる必要がないため、複数の素子を立体的に配置する従来の磁場センサと比べて、より小型化、低コスト化を図ることができる。また、磁性体１１が薄膜から成る平面型の単一素子により３次元の磁場を求めることができるため、さらに小型化を図ることができる。また、素子の数が少ないため、消費電力を低減することもできる。
　本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気検出方法は、薄膜から成る磁性体１１の膜厚効果により、一方向性磁気抵抗効果の発現強度が大きくなるため、磁気センサ１０の感度を高めることができる。また、磁性体１１の面内方向に沿って電流量を増加させることにより、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、および一方向性磁気抵抗効果の発現強度を大きくし、また、ＳＮ比を向上させることができる。
　本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気検出方法は、小型化および低消費電力化を図ることができるため、磁気センサ１０を含めた素子の集積化に有利であり、IoT化などのスマート社会の推進に寄与することができる。
［変形例］
　上記では、異常ホール効果（ＡＨＥ）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果を用いた、３次元の磁場を検出することができる磁気センサ１０について説明した。しかし、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果は３６０度周期であるので、条件によっては、当該磁気センサ１０を異常ホール効果（ＡＨＥ）、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果のみを用いる形で、３次元の磁場を検出することができる磁気センサを実現でき、更に簡略にすることができる。
　ＵＭＲ効果が十分に大きく信号の確度が高い場合には、図３において、第１の区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化と、第２の区間２２での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化とを測定するように構成することもできる。より具体的には、図３において、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ１ ２ω）と、第２区間２２での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ２ ２ω）とを測定するように構成する。
　その場合、第１の区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ１）（それに対応する抵抗値（Ｒ１ ω））と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ２）（それに対応する抵抗値（Ｒ２ ２ω））とを測定する必要はなく、素子構造を簡略化することができる。
　この変形例では、異常ホール効果およびＵＭＲ効果による抵抗値に基づいて、３次元の磁場を検出することができるため、より一層の小型化もできる。なお、磁場の大きさが必要な場合は、前述と同様、異常ホール効果から求めてもよい。また、場合によっては、異方性磁気抵抗効果による抵抗値を検出部１５で検出するようにすれば、磁場の大きさを求めることができる。
　図３に示す磁気センサ１０を用いて、外部磁場の角度（天頂角θＨおよび方位角φＨ）を変化させながら、磁場を検出する実験を行った。実験では、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×105 Acm-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ０Ｈ＝１（Ｔ）とした。変化させた外部磁場の天頂角θＨおよび方位角φＨを図７（ａ）に、磁気センサ１０により検出した天頂角θＨおよび方位角φＨを図７（ｂ）に示す。
　図７（ａ）では、磁気センサ１０を初期の天頂角θＨ＝９０度、方位角φＨ＝０度となる位置に置き、まず、方位角はそのままに、天頂角の方向がずれる形になるように、外部磁場を動かした（工程１）。次に、その初期状態から天頂角がずれた角度のまま、天頂角は動かさず、方位角の方向が初期値からずれるように動かした（工程２）。最後に、天頂角、方位角が初期位置からずれた状態で、両方の角度がずれる形で動かした（工程３）。
　図７（ｂ）に、磁気センサ１０が検出した３次元の角度を示す。図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すると、角度の変化に追従し、磁気センサ１０が正確に３次元角度を求めていることがわかる。このように、磁気センサ１０により、磁場の角度が精度良く検出されていることが確認された。
　図８（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、磁気センサ１０として、１枚の基板１２上に、磁性体１１の第１区間２１（図中のSample A）と第２区間２２（図中のSample B）とを離して配置し、第１区間２１と第２区間２２とを電気的に接続したものを製造し、磁場を検出する実験を行った。第１区間２１の伸張方向と第２区間２２の伸張方向との成す角度は、４５度である。実験では、図８（ｂ）に示すように、磁性体１１の表面（Ｘ－Ｙ平面）に沿って、磁束密度μ０Ｈ＝１（Ｔ）、方位角φＨの磁場（天頂角θＨ＝９０度）をかけた。また、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×105 Acm-2とした。また、第１区間２１（Sample A）で、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（ＲＡ ω）および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（ＲＡ ２ω）を測定し、第２区間２２（Sample B）で、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（ＲＢ ω）を測定した。
　各抵抗値の測定結果を、図９（ａ）～（ｃ）に示す。図９（ａ）および（ｂ）に示すように、抵抗値ＲＡ ωの波形の位相と抵抗値ＲＢ ωの波形の位相とが、第１区間２１と第２区間２２との成す角度と同じ４５度ずれた状態で測定されていることが確認された。このことから、検出する磁場が変化しない範囲であれば、第１区間２１と第２区間２２とを離して配置しても、磁場を測定可能であるといえる。図８（ａ）では、第１区間２１と第２区間２２とを１枚の基板１２上に配置したが、各区間が電気的に接続されていれば、１枚の基板１２上に配置される必要はなく、各区間を異なる基板１２上にそれぞれ配置してもよい。この場合、１枚の基板上に形成すると、それぞれの区間に距離があることから、磁場が各区間で異なることがあるが、積層させることで、区間に同じ磁場が加わる可能性が高まることで、精度の向上が期待される。また、これにより、各区間を左右だけでなく、例えば、上下に積層するよう配置することで、小型化、磁気センサの機器への配置の自由度を高めることができる。
　図３に示す磁気センサ１０の基板１２およびキャップ層１３の材料を変えて、磁場を検出する実験を行った。実験では、キャップ層１３（厚み 15 nm）／磁性体１１（厚み 4 nm）／基板１２（Al2O3は厚み 0.33 mm、その他は厚み 0.50 mm）から成る磁気センサ１０の素子構造として、HfOx／Fe-Sn／Al2O3、SiOx／Fe-Sn／Al2O3、SiOx／Fe-Sn／MgO、SiOx／Fe-Sn／MgAl2O4の４種類および、磁性体１１（厚み 4 nm）／基板１２（厚み 0.33 mm）の間に、下部層としてSiOx（厚み 15 nm）を挿入したSiOx／Fe-Sn／SiOx／Al2O3（図中では、SiOx／Fe-Sn／SiOxと表記）を使用した。また、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×105 Acm-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ０Ｈ＝１（Ｔ）とした。実験では、測定された一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅ＲUMRと、素子抵抗Ｒ０との比（ＲUMR／Ｒ０）を求めた。
　各素子構造でのＲUMR／Ｒ０の値を、図１０に示す。図１０に示すように、SiOx／Fe-Sn／Al2O3、SiOx／Fe-Sn／MgO、SiOx／Fe-Sn／MgAl2O4の３つの素子構造のものは、他の２つの素子構造のものよりも、ＲUMR／Ｒ０の値が大きくなっており、一方向性磁気抵抗効果が相対的に大きくなっていることが確認された。このことから、素子構造により、一方向性磁気抵抗効果を高めることができ、磁場の測定精度を高めることができるといえる。
　図３に示す磁気センサ１０について、磁性体１１の膜厚を変えて、磁場を検出する実験を行った。実験では、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×105 Acm-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ０Ｈ＝１（Ｔ）とした。なお、磁気センサ１０の素子構造は、SiOx（厚み 15 nm）／Fe-Sn／Al2O3（厚み 0.33 mm）である。実験では、測定された一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅ＲUMRと、素子抵抗Ｒ０との比（ＲUMR／Ｒ０）を求めた。
　磁性体１１の厚みｔとＲUMR／Ｒ０との関係を、図１１に示す。なお、図１１の挿入図に、磁性体１１の厚みｔと１／Ｒ０との関係を示す。図１１に示すように、磁性体１１を厚くすることにより、ＲUMR／Ｒ０の値が大きくなり、一方向性磁気抵抗効果が相対的に大きくなることが確認された。ただし、図１１の挿入図に示すように、磁性体１１を厚くすることにより、素子抵抗Ｒ０が小さくなることから、磁性体１１の膜厚と共にＲUMR／Ｒ０の値が大きくなる原因としては、一方向性磁気抵抗効果の向上によるものだけとはいえない。このことから、磁場の測定精度を高めるためには、磁性体１１の膜厚だけでなく、他の効果や素子抵抗も考慮する必要があると考えられる。
　磁気センサ１０は、上記に限らず適宜変更可能である。例えば、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ω）、抵抗値（Ｒ２ ω）の値の両方を用いて所定の演算式から出力を求めてもよい。
　また、磁気センサ１０は、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ω）、抵抗値（Ｒ２ ω）を求めているが、あまり角度の精度が求められず、小型化などの要請が強い場合は、どちらか１箇所で測定するようにしてもよい。また、磁気センサ１０の変形例では、ＵＭＲ効果による抵抗値（Ｒ１ ２ω）、抵抗値（Ｒ２ ２ω）を求めているが、あまり角度の精度が求められず、小型化などの要請が強い場合は、どちらか１箇所で測定するようにしてもよい。
　また、磁気センサ１０は、航空機や、乗用車などの使用する機器の実環境に応じて、周辺環境温度による影響や、周辺のノイズとなる磁場を補正する機能を備えてもよい。
　１０　磁気センサ
　１１　磁性体
　１２　基板
　１３　キャップ層
　１４　電流印加手段
　１５　検出部
　　１５ａ　電圧測定手段
　　１５ｂ　抵抗測定手段
　２１　第１区間
　２２　第２区間

 

Claims (17)

  1. 　磁性体と、
    　前記磁性体に電流を流すよう設けられた電流印加手段と、
    　前記電流印加手段で前記電流を流したとき、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値とを測定する検出部と、
    　前記検出部で測定された各抵抗値に基づいて、３次元磁場を検出する解析手段とを、
    　有することを特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記検出部は、前記電流印加手段で前記電流を流したとき、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値も測定するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
  3. 　前記電流印加手段は、前記磁性体に周波数ωの交流電流を流すよう設けられ、
    　前記検出部は、前記異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求めるよう構成されていることを
    　特徴とする請求項２記載の磁気センサ。
  4. 　磁性体と、
    　前記磁性体に周波数ωの交流電流を流すよう設けられた電流印加手段と、
    　前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化と、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化とを測定する検出部と、
    　前記検出部で測定された各抵抗値に基づいて、３次元磁場を検出する解析手段とを、
    　有することを特徴とする磁気センサ。
  5. 　前記検出部は、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化も測定するよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
  6. 　前記磁性体は、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して９０°、１８０°、２７０°、および３６０°以外の角度で前記交流電流が流れるよう、前記第１区間に接続された第２区間とを有し、
    　前記検出部は、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化として、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とを用いるよう構成されていることを
    　特徴とする請求項３または５記載の磁気センサ。
  7. 　前記解析手段は、前記異常ホール効果による抵抗値により、前記３次元磁場の天頂角を決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の磁気センサ。
  8. 　前記解析手段は、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又は抵抗値の極性により、前記３次元磁場の方位角を決定することを特徴とする請求項１、２、３、または７記載の磁気センサ。
  9. 　前記磁性体は、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じるものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  10. 　前記磁性体は、Fe-Sn、Co2MnGa、Co2MnAl、Fe3Sn2、Fe3Sn、Co3Sn2S2、CrまたはVをドープした(Bi,Sb)2Te3、およびGaMnAのいずれかから成る強磁性体であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  11. 　前記磁性体を支持する基板と、
    　前記磁性体の劣化防止用のキャップ層と、を有し、
    　前記磁性体は薄膜から成り、前記基板と前記キャップ層との間に挟まれて配置されていることを
    　特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  12. 　前記基板は、Al2O3、MgO、およびMgAl2O4のいずれかの材質で構成されることを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ。
  13. 　請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた機器。
  14. 　磁性体に周波数ωの交流電流を流し、
    　前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値とに基づいて、３次元磁場を検出することを
    　特徴とする磁気検出方法。
  15. 　さらに、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値も利用して、前記３次元磁場を検出することを特徴とする請求項１４記載の磁気検出方法。
  16. 　磁性体に周波数ωの交流電流を流し、
    　前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化と、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化とに基づいて、３次元磁場を検出することを
    　特徴とする磁気検出方法。
  17. 　さらに、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化も利用して、前記３次元磁場を検出することを
    　特徴とする請求項１６記載の磁気検出方法。
     
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