(57)【要約】 【課題】  線形範囲を広げた、且つ、磁性膜の積層構造によりインピーダンス変化が滑らかな直線性の良い磁気センサを得る。【解決手段】  磁性体に高周波電流をキャリアとして印加し、その高周波キャリア電流によって磁性体に生じる表皮効果の表皮深さが外部の磁場に対して変化することで、前記磁性体のインピーダンスが変動する効果を利用したインピーダンス検出型の磁気センサにおいて、板状からなる磁性薄膜１，２，３，４，５を平行に複数本並べた構造で、前記個々の磁性薄膜の長さ、幅が異なる前記磁性膜を並べ、直列に繋いだ磁気センサとする。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電流をキャリアとして印加する際のインピーダンスが外部の磁場により変動する磁性体からなるインピーダンス素子を用いた磁気センサにおいて、前記インピーダンス素子が板状の磁性薄膜であって、磁性薄膜の長さ、幅が異なる前記インピーダンス素子が平行に複数本並べられ、直列に繋れたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記インピーダンス素子が線対称に並べられるとともに、中心部のインピーダンス素子の幅が、他のインピーダンス素子の幅よりも、５μｍ以上狭いことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記インピーダンス素子の長さが０．５ｍｍ以上から５ｍｍ以下の範囲の長さであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記インピーダンス素子の複数本間の長さの差の最大値が１０％以上あることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記インピーダンス素子が磁性膜と非磁性膜からなる多層構造を有する板状の磁性薄膜であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、家電、通信機器、船舶、航空機、医療機器等の分野で使用する微弱な磁界を検出する磁気センサに関し、特に磁気インピーダンスセンサの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気インピーダンスセンサは、磁性体に数ＭＨｚ以上の高周波電流を印加した場合に生ずる表皮効果の表皮深さが透磁率の平方の逆数に比例すること、前記の磁性体の透磁率が、外部磁場により大きく変動することに起因して、磁性体のインピーダンスが外部磁場によって変動し、この性質を利用した磁気センサである。
【０００３】
本出願人は、特許文献１にて、磁気インピーダンスセンサ素子の基板上に、磁気検出コアを２辺組み入れたブリッジ回路を取り込み、抵抗辺と磁気検出コアのインピーダンスをほぼ等しくした構成を提供した。このようにすることで、磁気検出コアのインピーダンス変動を電圧変動として検出し、磁気検出感度の向上と、オフセット削減の機能を持たせることに成功した。
【０００４】
更に、特許文献２において、抵抗辺を非磁性体にして小型化し、渦巻きコイル、薄膜コイル、磁性膜による磁気バイアス手段を提供している。非磁性基板上に高透磁率磁性膜を形成して構成され，直線が途中で複数回平行に折り返されて長手方向に対し垂直な方向となるように磁気異方性が付けられた素子が特許文献３において提供されている。このように複数回折り返すことで、磁性膜の総延長を長くしても素子全体を短くし小型化できる。また、高インピーダンスになり使用しやすい素子となる。また、特許文献４において高透磁率磁性膜の多層構造を提供している。
【０００５】
この磁気インピーダンスセンサの製造方法は、誘電体基板にフォトレジストを使用し露光を行い素子形状のレジストマスキングを作製して磁性膜をスパッターにて成膜をする。その後、リフトオフ法にて磁性膜パターンニングをし、素子形状である複数本の高透磁率磁性薄膜を形成する方法である。更に、前記同様の工程にて複数本の磁性膜を直列に繋ぐ導体膜のレジストマスキングを作製し導体膜のパターニングをする。
【０００６】
更に、パターンニング後、磁場中熱処理を真空中で行い、スパッター時の異方性を取り除き、且つ一軸異方性をパターンニングした磁性膜の幅方向に付与する一般的な製法である。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２７０７７４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０６２１７号公報
【特許文献３】特開平０９−１２７２１８号公報
【特許文献４】特開２００２−０２７１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来素子のように、同一幅のインピーダンス素子を平行に並べ、複数本同時に幅を替えることで感度をコントロールし、印加磁場に対してインピーダンスのピーク点をコントロールすることは、ある程度可能であったが、コントロールできる範囲が粗く、且つ線形範囲を広くしようとすると感度が下がるという問題があった。
【０００９】
更に、従来の単層膜の場合、磁壁移動時に磁性体内部の欠陥や不純物により不連続な磁壁移動が起こり易い問題があり、線形性が悪くなる問題があった。従って、本発明の目的は、線形範囲を広げた、且つ、磁性膜積層構造によりインピーダンス変化が滑らかな直線性の良い磁気センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により、高周波電流をキャリアとして印加する際のインピーダンスが外部の磁場により変動する磁性体からなるインピーダンス素子を用いた磁気センサにおいて、前記インピーダンス素子が板状の磁性薄膜であって、磁性薄膜の長さ、幅が異なる前記インピーダンス素子が平行に複数本並べられ、直列に繋れた磁気センサが得られる。
【００１１】
また、本発明により、１本のインピーダンス素子の幅が５〜５０μｍで、複数本間のインピーダンス素子の幅の差の最大値が５μｍ以上ある磁気センサが得られる。
【００１２】
また、本発明により、１本のインピーダンス素子の長さが０．５ｍｍ〜５ｍｍで、複数本間のインピーダンス素子の長さの差の最大値が１０％以上ある磁気センサが得られる。
【００１３】
また、本発明により、インピーダンス素子が磁性膜と非磁性膜からなる多層構造を有する板状の磁性薄膜である磁気センサが得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁気センサにおける複数本のインピーダンス素子中の幅、長さを可変することで外部磁場に対するインピーダンス変化のピーク点を可変しながら線形範囲を広げ、且つ、磁性膜積層構造によりインピーダンス変化が滑らかな直線性の良い磁気センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態による磁気センサについて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、高透磁率磁性膜のパターンニング形状の説明図である。また、図２は、高透磁率磁性膜と導体膜パターン形状の説明図である。
【００１７】
図１に示すように、厚さ２μｍ、長さ１ｍｍの磁性薄膜インピーダンス素子１１，１２，１３，１４，１５を５本平行に並べる。また、図２に示すように、厚さ０．６μｍ導体膜６２，６３，６４，６５で磁性薄膜インピーダンス素子１１〜１５を直列に繋ぎあわせる。その両端に導体膜６１，６６を接続し電極パッド１００，２００に接続する。その電極パッド１００，２００の間に高周波プローブを接続し、ネットワークアナライザーにて１０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの高周波電流を印加して、素子の長手方向に外部磁場を−２０〜２０×１０3／４πＡ／ｍ印加してインピーダンスの変化を観察する。
【００１８】
図３は、素子幅を替えた場合の外部磁場に対するインピーダンス変化の説明図である。ここで、素子幅広が４０μｍ、中が３０μｍ、狭が２０μｍである。図３に示すように、磁性薄膜インピーダンス素子１１〜１５の幅が２０μｍと狭くなることで、印加磁場に対してインピーダンスのピーク点が低く、幅が４０μｍと太くなることでピーク点が高くなる特性が得られる。
【００１９】
磁性薄膜インピーダンス素子１１〜１５の幅が細くなると、幅方向の外部磁界に対する反磁界が強くなり、磁場中熱処理による一軸異方性付与時の磁場が、幅の広い磁性薄膜インピーダンス素子と同じ磁場では誘導しきれなくなり、磁区は完全に幅方向に付与できず、磁区が斜めに付与される。斜めに付与された磁区を持つ磁性膜は、一軸異方性が弱くなりインピーダンスのピーク点が低くなる。
【００２０】
この原理に基づき、幅の異なるインピーダンス素子を並べた場合の特性について説明する。図４の破線で示す特性は、長さ１ｍｍ、幅４０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子１１〜１５を平行に５本並べた構成のときの外部磁場印加に対するインピーダンス特性を示す図である。図５の破線で示す特性は、長さ１ｍｍ、幅３０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子１１〜１５を平行に５本並べ立た構成の時の外部磁場の印加に対するインピーダンス特性を示す図である。図６は、本発明による一部素子幅を替えた時（中央の幅３０μｍ）の形状の説明図である。また、図７は、本発明による一部素子幅を替えた時の （中央の幅２０μｍ）の形状の説明図である。
【００２１】
図４の実線は、長さ１ｍｍ、幅４０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子１，２を平行に２本並べ、その隣に他の磁性薄膜インピーダンス素子１，２，４，５の幅よりも１０μｍ幅を狭めた長さ１ｍｍ、幅３０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子３を平行に並べる。更に、長さ１ｍｍ、幅４０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子４，５を平行に２本並べ、合計５本の磁性膜インピーダンス素子を線対称の構成としたときの外部磁場印加に対するインピーダンス特性である。
【００２２】
図５の実線は、長さ１ｍｍ、幅３０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子１，２を平行に２本並べ、その隣に他の磁性薄膜インピーダンス素子１，２，４，５の幅よりも１０μｍ幅を狭めた長さ１ｍｍ、幅２０μｍの磁性薄膜インピーダンス素子４，５を平行に２本並べ、合計５本の磁性膜インピーダンス素子を線対称の構成としたときの外部磁場印加に対するインピーダンス特性である。
【００２３】
同一の幅寸法の磁性薄膜インピーダンス素子の幅構成の場合、外部印加磁場に対してのインピーダンス変化が、弧を描くように変化しており、非直線的な変化である。磁性薄膜インピーダンス素子の幅を狭めて３０μｍ同一にしても傾向は同じである。
【００２４】
次に、図６，図７に示す線対称構成の場合、図４と図５の特性に示したように、中央部の磁性膜インピーダンス素子の幅を狭めることで、一軸異方性の異なる素子を混ぜ合わせ、素子１本ずつの特性が加算されるため、非直線的な特性を補い直線的に変化することが可能となり、直線領域を増加させ、且つ、直線性が改善できる。
【００２５】
（実施の形態２）
実施の形態１と同じ製造方法にて実施の形態２の磁気センサを作製した。実施の形態２の磁気センサの形状は、図２に示す高透磁率磁性膜と導体パターン形状と同様であり、素子の幅を変化させた。レジストを用いたリフトオフによるパターンニングにおいては、比較的、容易にパターンニングができることが特徴であるが、パターンニング幅は、製造上５μｍ程度が限界であり、インピーダンスの絶対値が低いと変化量の絶対値も低くなるため、扱い難い素子となる。
【００２６】
図８は、素子幅を替えた場合のインピーダンス絶対値の差異の説明図である。図８に示すように、素子幅２０μｍ、３０μｍ、４０μｍの順にインピーダンス値が低下している。また、インピーダンスの絶対値から５０μｍを限度とすることで極端な感度低下をさせずに扱い易い実施の形態２の磁気センサを得ることができる。
【００２７】
（実施の形態３）
実施の形態１と同じ製造方法にて実施の形態３の磁気センサを作製した。実施の形態３の磁気センサの形状は、図２に示す高透磁率磁性膜と導体パターンの形状と同様であり、素子の長さを変えた。実施の形態２の磁気センサは、インピーダンスの変化ピーク点を外部磁場に対してコントロールするため、素子の幅方向の反磁界を制御しており、直接、素子幅Ｌｍを可変している。幅方向の反磁界の制御は、数１で表される。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
反磁界は、素子長さｂを替えることでも制御できる。その際の特性を図９に示す。素子の長さが１０％以下であると、その効果が少ないため、素子の長さは１０％以上異なることが望ましい。また、幅によって制御した際のインピーダンス絶対値を補うことも可能となり、実施の形態３の磁気センサを得ることができる。
【００３０】
（実施の形態４）
磁気インピーダンス効果を利用した実施の形態４の磁気センサを次のように作製した。実施の形態４の磁気センサは、誘電体基板を洗浄し、フォトレジストを塗布し磁性薄膜インピーダンス素子形状のマスクにて露光を行い、多層の構造を有するインピーダンス素子のレジストマスキングを作製する。
【００３１】
レジストマスキングの上から磁性薄膜２ｃ，３ｃ，４ｃを０．１μｍ〜５μｍスパッターする。その磁性薄膜２ｃ，３ｃ，４ｃをスパッター後、Ｔｉ、ＳｉＯ2等の非磁性中間層７１，８１，９１を数百Åスパッターし、非磁性中間層７１，８１，９１の後に最初の磁性薄膜２ｃ，３ｃ，４ｃと同じ厚みの磁性薄膜２ｂ，３ｂ，４ｂをスパッターする。
【００３２】
この場合は２層であるが、更に多層も可能でＴｏｔａｌの厚みは印加電流周波数で決まるので、その厚みを維持し、磁性膜が偶数積層の場合、積層する磁性薄膜２ｃ，３ｃ，４ｃは、磁性薄膜２ｂ，３ｂ，４ｂと均等な厚みが望ましい。奇数積層の場合は、中心部分にあたる磁性膜を上下層の倍の厚みにすれば良い。
【００３３】
その積層磁性膜とレジストマスキングを取り除くリフトオフを行うことでパターンニングができ、図１０の形状である複数本の高透磁率積層磁性薄膜が形成される。
【００３４】
その後、前記同様の工程にて複数本の積層磁性膜を繋ぐ導体膜のマスキングを作製し、導体膜をパターニングする。パターンニング後、磁場中熱処理を真空中で行い、スパッター時の異方性を取り除き、且つ一軸異方性をパターンニングした磁性膜の幅方向に付与することで実施の形態４の磁気センサを得ることができる。
【００３５】
実施の形態１の方法で作製した単層膜における磁性薄膜インピーダンス素子の外部磁場に対するインピーダンス変化の特性を図１１に示す。前記方法の積層構造で作製した磁性薄膜インピーダンス素子の外部磁場に対するインピーダンス変化の特性を図１２に示す。
【００３６】
単層で作製した素子は、インピーダンスの変化が無い、いわゆる不感帯部において、ヒステリシスを持つ異常変化（コブ状のインピーダンス変化）が見られ、且つインピーダンスの変化立ち上がり部には、ギザギザな不連続な特性変化（バルクハウゼン躍動）が見られる。
【００３７】
この現象は、図１３に示す従来の単層膜の磁区の模式説明図のように、単層の場合、膜面方向への磁気双極子相互作用しか働かないため、磁区が細かくなることが推定される。実験においても光Ｋｅｒｒ効果顕微鏡による磁区観察から、図１４に示す従来の単層膜の磁区の平面での説明図のように、磁区が細かく形成されていることが確認できる。
【００３８】
観察写真である図１４に示す磁区の端部が丸みを帯びているのは、還流磁区によるもので幅方向に付与したい磁区を妨げ、長手方向に磁区が形成されている部分である。
【００３９】
従って、外部磁場により素子の幅方向から素子長手方向に磁壁移動し、磁化回転する際に磁性体内部の欠陥や不純物により不連続な磁壁移動が起こり、線形性が悪くなると考えられる。
【００４０】
図１５は、本発明による磁性積層膜の磁区の模式説明図である。また、図１６は、本発明による磁性積層膜の平面での説明図である。実施の形態４で作製した素子においては、図１５のように磁性膜が上下層で関係が生じるため、磁気双極子相互作用が膜垂直方向に作用し、膜面方向への作用が弱まるため磁区が大きくなることが推定される。実験においても光Ｋｅｒｒ効果顕微鏡による磁区観察から、図１６のように磁区が大きくなっているが確認できる。
【００４１】
図１７は、従来の単層膜の磁壁移動の説明図である。また、図１８は、本発明による磁性積層膜の磁壁移動の説明図である。同形状素子内の磁壁の数が減ることで磁壁移動および磁化回転時のひっかかりの確率が少なくなることが推定できる。また、単層膜の場合、図１７のように磁壁移動過程の際、磁壁内における磁区のようなものが膜垂直面方向に回転しながら磁壁が移動するので、その移動過程でのエネルギーが非常に大きいと推定される。
【００４２】
しかしながら、実施の形態４においては、図１８のように膜面方向での回転のため、磁壁移動時のエネルギーが少ない。従って、磁性体内部の欠陥や不純物にひっかかりがあってもエネルギーが小さいために大きな変化となって現れないと考えられる。このようなことから、直線部分の不連続性を改善し、且つ、広い線形範囲が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】高透磁率磁性膜のパターンニング形状の説明図。
【図２】高透磁率磁性膜と導体膜のパターン形状の説明図。
【図３】素子幅を替えた場合の外部磁場に対するインピーダンス変化の説明図。
【図４】同素子幅を複数並べた時と本発明による一部素子幅を替えた時（３０μｍ）の外部磁場に対するインピーダンス変化の説明図。
【図５】同素子幅を複数並べた時と本発明による一部素子幅を替えた時（２０μｍ）の外部磁場に対するインピーダンス変化の説明図。
【図６】本発明による一部素子幅を替えた時（中央の幅３０μｍ）の形状の説明図。
【図７】本発明による一部素子幅を替えた時（中央の幅２０μｍ）の形状の説明図。
【図８】素子幅を替えた場合のインピーダンス絶対値差異の説明図。
【図９】本発明による素子の長さを替えた時のインピーダンス変化の説明図。
【図１０】本発明による一部素子幅を替えた時の磁性積層膜の形状の説明図。
【図１１】従来の単層膜によるインピーダンス変化の説明図。
【図１２】本発明による磁性積層膜によるインピーダンス変化の説明図。
【図１３】従来の単層膜の磁区の模式説明図。
【図１４】従来の単層膜の磁区の平面での説明図。
【図１５】本発明による磁性積層膜の磁区の模式説明図。
【図１６】本発明による磁性積層膜の磁区の平面での説明図。
【図１７】従来の単層膜の磁壁移動の説明図。
【図１８】本発明による磁性積層膜の磁壁移動の説明図。
【符号の説明】
【００４４】
１，２，４，５    磁性薄膜インピーダンス素子（４０μｍ幅）
１ａ，２ａ，４ａ，５ａ    磁性薄膜インピーダンス素子（３０μｍ幅）
３    磁性薄膜インピーダンス素子（３０μｍ幅）
３ａ    磁性薄膜インピーダンス素子（２０μｍ幅）
２ｂ，３ｂ，４ｂ    磁性薄膜（上層）
２ｃ，３ｃ，４ｃ    磁性薄膜（下層）
１１，１２，１３，１４，１５    磁性薄膜インピーダンス素子
６１，６６    導体膜（端部−パッド）
６２，６３，６４，６５    導体膜（直列接続）
７１，８１，９１    非磁性中間層
１００，２００    電極パッド
【図１】
2005291863.tif 000004
【図２】
2005291863.tif 000005
【図３】
2005291863.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005291863.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005291863.tif 000014
【図１２】
2005291863.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005291863.tif 000018
【図１６】
2005291863.tif 000019
【図１７】
2005291863.tif 000020
【図１８】
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