(57)【要約】 【課題】  磁歪効果を利用した高感度な小型の磁気センサを提供すること。【解決手段】  第１電極１０を兼ねる磁性薄膜１１と磁性膜保持基板とで形成された振動体１２と、前記磁性薄膜が積層された振動体１２を支持するための基板１４と、前記振動体１２に対向した位置に配置した第２電極１３から構成され、前記第１電極１０と第２電極１３間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体１２が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、磁歪効果により前記磁性薄膜１１のヤング率が変化することによって、前記振動体１２の機械的な共振周波数が変化し、前記第１電極１０と第２電極１３間に生じる検出電圧に基づいて、共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とする磁気センサとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第１電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第２電極から構成され、前記第１電極と第２電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴う前記振動体の機械的な共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とすることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記支持基板と前記振動体の一端が一体で構成された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】
前記支持基板と前記振動体の両端が一体で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。     
【請求項４】
前記支持基板と前記振動体の端部が一体で構成されるダイヤフラム構造としたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記支持基板及び前記振動体の磁性膜保持基板が、シリコンあるいは水晶から成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。
【請求項６】
前記支持基板及び前記振動体が、金属薄膜あるいは、ポリシリコン薄膜から成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。
【請求項７】
前記センサが非磁性金属導体からなる構造体で包まれる構造であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項８】
第１電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第１電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された第１の振動体と、前記第１の振動体を支持するための基板と、前記第１の振動体に対向した位置に配置した第２電極と、第３電極を兼ねる非磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成され第２の振動体と、前記第２の振動体を支持するための基板と、前記第２の振動体に対向した位置に配置した第４電極から成るセンサ構造体を備え、前記第１電極と第２電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記第１の振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴う前記第１の振動体の機械的な共振周波数の変化量と、前記第３電極と第４電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記第２の振動体が一体で機械的に振動している状態中での前記第２の振動体の共振周波数の変化量との差を外部磁場に対する出力とすることを特徴とする磁気センサ。
【請求項９】
前記磁気センサにおいて、前記第２電極と前記第４電極を同一としたことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記磁気センサにおいて、前記磁性薄膜が積層された第１の振動体を支持するための基板と、前記非磁性薄膜が積層された第２の振動体を支持するための基板を同一としたことを特徴とする請求項８または９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、主として、携帯端末機器、家電機器等に使用されるのに好適な磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、磁性体に磁界をかけ磁化すると、その形が変わる現象は、「磁歪」と呼ばれている（非特許文献１）。この磁歪効果を利用した磁気センサの一例としては、特許文献１に記載の磁歪効果による磁性材の変形量（変位量）を計測する手段を備えた磁気センサが挙げられる。
【０００３】
図４は、従来の技術における磁気センサの斜視図である。この磁気センサは、磁性薄膜４１、支持手段４２、チップ４４、チップ４４を支えるカンチレバー４５、ピエゾ素子４６、電流計４７、電源４８から成っており、具体的には、磁性材とこれを支える支持手段と被測定磁場が印加されたときの磁歪効果による磁性材の変形量（変位量）を測定する手段を備えた磁気センサである。特に、磁性材として磁性薄膜を使用し、磁性薄膜の少なくとも一ヶ所を固定し、さらに磁性薄膜の変形量（変位量）を計測する手段として原子間力、トンネル電流、光の干渉、エバネッセント光、静電容量等を利用した変位計から構成されている。
【０００４】
即ち、特許文献１に記載の磁気センサでは、被測定磁場を測定する手段として、磁歪効果による磁性材の変形量（変位量）を利用するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２４３７２１号公報
【非特許文献１】太田恵造，磁気工学の基礎２，共立出版，ｐ２３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の磁気センサにおいて、設計上、カンチレバーの長さＬが１００ｎｍ、磁歪定数λが−３０×１０-5であることなどを考慮すると、被測定磁場に対する変位量は１ｎｍ以下となる。ここで、磁場精度は、変位計によって決定され、前記変位計は、原子間力、トンネル電流等を利用している。そのため、所望の測定精度を維持するためには、高精度な変位計の適用が不可欠であり、測定システムは大規模かつ複雑なものとなる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、測定システムが比較的小規模で済む磁歪効果を利用した高感度な小型の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】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明によれば、第１電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第１電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第２電極から構成され、前記第１電極と第２電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、磁歪効果により前記磁性薄膜のヤング率が変化することによって、前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記第１電極と第２電極間に生じる検出電圧に基づいて、共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とする磁気センサが得られる。
【０００９】
なお、本発明によれば、上記の磁気センサにおいて、前記支持基板と前記振動体の一端が一体で構成される、前記支持基板と前記振動体の両端が一体で構成される、または前記支持基板と前記振動体の端部が一体で構成されるダイヤフラム構造とされる磁気センサが得られる。
【００１０】
また、上記の磁気センサにおいて、前記支持基板及び前記振動体の磁性膜保持基板がシリコンあるいは水晶から成る磁気センサ、前記支持基板及び前記振動体が、金属薄膜あるいは、ポリシリコン薄膜から成る磁気センサが得られる。
【００１１】
さらに、上記磁気センサにおいて、前記センサが非磁性金属導体からなる構造体で包まれる構造であることが望ましい。
【００１２】
更に、本発明によれば、第１電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第１電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第２電極から構成と、第３電極を兼ねる非磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記非磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第４電極から成るセンサ構造体を備え、前記第１電極と第２電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、前記磁性薄膜のヤング率が変化することによって、前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記第１電極と第２電極間に生じる検出電圧に基づく共振周波数の変化量と、前記第３電極と第４電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、前記第３電極と第４電極間に生じる検出電圧に基づく共振周波数との差を外部磁場に対する出力とする磁気センサが得られる。
【００１３】
加えて、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、前記第２電極と前記第４電極を同一とする磁気センサが得られる。
【００１４】
更に、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、前記磁性薄膜が積層された振動体を支持するための基板と、前記非磁性薄膜が積層された振動体を支持するための基板を同一としたことが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による磁気センサによれば、磁歪効果を利用した比較的小規模な測定システムで済む高感度な小型磁気センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態による磁気センサについて、図面を参照しながら以下に説明する。
【００１７】
本発明の磁気センサは、第１電極を兼ねる磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第２電極から構成される。第１電極を兼ねる磁性薄膜は、前記磁性膜保持基板に積層されているので、機械的に一つの剛体であって、機械的に単一の振動体として取り扱える。外部磁場変化に伴って、この振動体の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場量が一体として振動する場合には算出される。
【００１８】
（実施の形態１） 
図１は、実施の形態１の磁気センサの斜視図を示したものである。磁気センサは、センサ基板１５上に、第１電極１０を兼ねる磁性薄膜１１が磁性膜保持基板に積層された振動体１２と、前記磁性薄膜１１が積層された振動体１２を支持するための基板１４と、前記振動体１２に対向した位置に配置した第２電極１３から構成されている（以下、センサ構造体）。なお、振動体１２の磁性膜保持基板は、高濃度に燐がドープされた導体層であり、例えば、ポリシリコンであり、図１では省略されているが、電極部と電気的に接続されている。センサ基板１５は、シリコンや水晶等から成り、シリコンの場合には、予め、全面に熱酸化膜、ＬＰＣＶＤ等によるＳｉＯ2、ＳｉＮ膜等の絶縁膜が形成されている。
【００１９】
次に、本発明における磁気センサの動作について説明する。まず、第１電極１０と第２電極１３間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、振動体１２が一体となって機械的に振動している。ついで、振動体１２が固有の共振周波数で振動している状態下において、外部磁場が変化するに伴って、磁歪効果により磁性薄膜１１のヤング率が変化することによって、即ち、電極と磁性膜保持基板が接合されていることによる応力その他があいまって、振動体１２の機械的な共振周波数が変化し、第１電極１０と第２電極１３間に生じる検出電圧に基づいて、共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とする。
【００２０】
例えば、振動体１２として１００μｍ×５０μｍ×１μｍ程度のポリシリコンとすると、機械的共振周波数は、約１０８０９（ｋＨｚ）となり、外部磁場が約０.３（Ｏｅ）変化した場合の共振周波数の変化量は、約−３.２１（ｋＨｚ）である。ここで、振動体１２上に積層された磁性膜としては、化学量論的組成比がおおよそ５５：３５：１５のＣｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系薄膜を使用している。なお、磁性膜の飽和磁歪定数λｓは、２５×１０-6程度である。
【００２１】
この場合の磁性膜としては、微弱な磁場あるいは微小領域の磁場を測定するためには、できるだけ保磁力が小さい材料を適用することが望ましい。本実施の形態による磁気センサを製造する場合、ポリシリコンの構造体層と二酸化珪素などの犠牲層の組合せによる標準化された２層、あるいは３層ポリシリコンＭＥＭＳプロセスが利用でき、ＩＣ回路技術との適合性もよくＳ／Ｎ比の向上が期待でき、結果として、センサモジュール全体の小型化にも有利である。
【００２２】
また、他の製造法としては、シリコンや水晶の結晶面によるエッチングレートの差を利用するバルクエッチング技術が適用でき、振動体１２の磁性膜保持基板として、振動体１２を支持するための基板１４として、振動体１２と同様の材料を使用することができる。
【００２３】
更に、図１に示すような振動体１２を支持するための基板１４と振動体１２の一端が一体で成る構造のほかに、例えば、基板１４と振動体１２の両端が一体で成る構造、あるいは、基板１４と振動体１２の端部が一体で構成されるダイヤフラム構造とすることでも同じ効果が得られる。
【００２４】
なお、上記磁気センサにおいて、静電遮蔽体として、センサ構造体を包む構造の非磁性金属導体を付加することで、寄生容量に起因するノイズが低減され、精度向上が可能である。
【００２５】
（実施の形態２）    
図２は、実施の形態２の磁気センサの斜視図を示したものである。磁気センサの構成としては、実施の形態１と略同様であり、同図では基板２４と振動体２２の両端が一体で成る構造を示している。本実施の形態における磁気センサでは、センサ基板２５上に、第１電極２０と磁性薄膜２１が磁性膜保持基板上に積層された振動体２２と、磁性薄膜２１が積層された振動体２２を支持するための基板２４と、振動体２２に対向した位置に配置した第２電極２３から構成されている。なお、第１電極２０及び第２電極２３は、金等の金属薄膜から成り、同図では省略されているが、電極部と電気的に接続されている。センサ基板２５は、シリコンや水晶等から成り、シリコンの場合には、予め、全面に熱酸化膜、ＬＰＣＶＤ等によるＳｉＯ2、ＳｉＮ膜等の絶縁膜が形成されている。もちろん、磁性薄膜２１が導電性の場合は、実施の形態１のように、第１電極を兼ねる構成でも磁気センサを構成できる。
【００２６】
本実施の形態による磁気センサを製造する場合、犠牲層を用いたＭＥＭＳプロセスが利用される。即ち、金属薄膜から成る振動体２２の犠牲層として、感光性レジストを厚さ１μｍ程度を堆積させ、ついで、金属薄膜を真空蒸着法、スパッタリング法などの薄膜形成技術を利用して１μｍ程度堆積し、公知のフォトリソグラフィ法によりパターン化を行う。更に、磁性薄膜２１を、金属薄膜と同様に堆積、パターン化を行う。最後に犠牲層をレジスト剥離液等の有機溶媒への浸漬、あるいはドライエッチング法により除去し、振動体２２を完全に宙に浮かせた構造とすることが可能である。
【００２７】
（実施の形態３）    
図３は、実施の形態３の磁気センサの斜視図を示したものである。実施の形態３の磁気センサは、第１電極３０を兼ねる磁性薄膜３１が積層された振動体３２と、磁性薄膜３１が積層された振動体３２を支持するための基板３４と、振動体３２に対向した位置に配置した第２電極３３から構成（以下、磁性膜を有するセンサ構造体）と、第３電極３６を兼ねる非磁性薄膜３７を積層した振動体３８と、非磁性薄膜３７が積層された振動体３８を支持するための基板３４と、振動体３８に対向した位置に配置した第４電極３９から成るセンサ構造体（以下、非磁性薄膜を有するセンサ構造体）から構成されている。もちろん、第１電極３０として実施の形態２のように金等の金属薄膜を磁性薄膜３１の他に設けても良い。
【００２８】
第１電極３０と第２電極３３間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、振動体３２が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、磁性薄膜３１のヤング率が変化すること等によって、振動体３２の機械的な共振周波数が変化し、第１電極３０と第２電極３３間に生じる検出電圧に基づく共振周波数の変化量と、第３電極３６と第４電極３９間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、振動体３８が一体で機械的に振動している状態中で、第３電極３６と第４電極３９間に生じる検出電圧に基づく共振周波数の変化量との差を外部磁場に対する出力とする。
【００２９】
更に、センサ基板３５上の第２電極３３と第４電極３９は、同一配線とし、共通グランドとすることが望ましい。
【００３０】
磁性薄膜を有するセンサ構造体と近接した位置に配した非磁性薄膜を有するセンサ構造体からの機械的共振周波数をセンサ出力の基準とし、磁性薄膜３１を積層した振動体３２と非磁性薄膜３７を積層した振動体３８の機械的共振周波数差をセンサ出力とすることにより、温度変動に伴う振動体３２等のヤング率変化を補償することが可能となる。磁性膜を有するセンサ構造体及び非磁性薄膜の形状の精度は、半導体製造装置のフォトリソグラフィによってほぼ決定され、１μｍ以下の精度で形成することが可能である。
【００３１】
なお、磁性薄膜３１を積層した振動体３２と非磁性薄膜３７を積層した振動体３８は、機械的に独立していることが望ましく、各振動体を支持するための基板３４中央付近の振動体３２及び３８間に、溝を設けることが最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明における実施の形態１による磁気センサの斜視図。
【図２】本発明における実施の形態２による磁気センサの斜視図。
【図３】本発明における実施の形態３による磁気センサの斜視図。
【図４】従来技術における磁気センサの斜視図。
【符号の説明】
【００３３】
１０，２０，３０    第１電極
１１，２１，３１ ，４１    磁性薄膜
１２，２２，３２ ，３８    振動体
１３，２３ ，３３    第２電極
１４，２４ ，３４   （振動体を支持するための）基板
１５，２５，３５    センサ基板
３６    第３電極      
３７    非磁性薄膜
３９    第４電極 
４２    支持手段
４３    外部磁場
４４    チップ
４６    ピエゾ素子
４５    カンチレバー
４７    電流計
４８    電源
１００    駆動高周波電源
【図１】
2005090971.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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