(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性基板に高透磁率磁性の短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続してつづら折れ磁性薄膜パターンを形成し、これに高周波電流を印加することにより磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、
絶縁体または半導体基板上に圧電体薄膜を形成し、その上に磁性薄膜を形成し、その上にさらに別の圧電体薄膜を形成して磁性薄膜を圧電体薄膜で挟み込む構造とし、前記圧電体薄膜に電圧を印加して伸縮させ、前記磁性薄膜に応力をかけて磁気異方性を変化させることを特徴とする磁気インピーダンス素子。
【請求項２】
前記磁性薄膜がアモルファス磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項３】
前記磁性薄膜がＴｂＦｅ2，ＤｙＦｅ2を含む超磁歪軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項４】
前記圧電体薄膜として強誘電体薄膜を用いることを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項５】
前記圧電体薄膜として圧電性高分子膜を用い、これを基板に接着した構造とすることを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁界検出を行なう磁気センサおよびそれを用いた電流センサ、特に磁気インピーダンス効果を利用した高感度磁気インピーダンス素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器や計測・制御機器の高性能化，小型薄型化，低コスト化が急速に進み、これらの急速な発展に伴い、それらに用いられる磁気センサ，電流センサなどにも小型，低コスト，高感度などの要求が高まっている。
従来から用いられている磁気センサとしてはホール素子、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、フラックスセンサなどが知られており、また電流センサとしてはカレントトランスを用いた方式などが知られている。
【０００３】
例えばコンピュータの外部記憶装置となるハードディスク装置に用いられる磁気ヘッドには、従来のバルクタイプの誘導型磁気ヘッドからＭＲヘッドへと高性能化が進んでおり、現在では巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を適用しようとする研究が活発に行なわれている。また、モータの回転センサであるロータリエンコーダではマグネットリングの微小化に伴い、外部に漏れる磁束が微弱になっており、現在のＭＲ素子に代わり高感度な磁気センサが要求されている。ブレーカなども従来の機械式に代わり、電流センサを用いた電子式の開発が進んでいるが、従来のカレントトランスを用いた方式では小型化が困難であり、また感度，検出レンジなどの点で、磁気センサの高感度化，大レンジ化が求められている。
【０００４】
これらの要求を満たすために、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果ともいう）を用いた磁気インピーダンスセンサが、例えば特許文献１に提案された。磁気インピーダンス効果とは、磁性体に高周波電流を通電した状態で外部磁界が変化すると磁性体の透磁率が変化し、それに伴い磁性体のインピーダンスが、磁界０のときと比較して数十〜数百％変化する現象である。このような効果を利用するセンサでは、磁性体の両端の電圧を測定することにより、数百マイクロテスラ（μＴ）程度の微小な外部磁界変化を検出することができる。
上記のような磁気インピーダンス効果は、アモルファスワイヤだけでなく磁性薄帯や磁性薄膜でも同様に見られ、特に薄膜については小型，薄型が可能であり信頼性，量産性に優れるため、様々な構造のものが提案されており、その１つに例えば特許文献２に示すものがある。
【０００５】
薄膜を用いた磁気インピーダンス素子は、磁気異方性を付与され、一軸異方性を誘導した高透磁率軟磁性膜を短冊状に加工した薄膜磁気コアで構成される。磁気異方性は磁性膜の成膜時に磁界を印加しながら行ない、さらに回転磁界中や静止磁界中で１５０〜４００℃程度の熱処理をすることにより誘導される。磁化容易軸の方向は、一般的には短冊状構造の短軸（線幅）方向である。磁気インピーダンス素子は、その長さ方向成分の磁界によってインピーダンスが変化するという特性を示す。このときの磁気インピーダンス特性は図７（ａ）に示すように、磁場の正負でそれぞれインピーダンスのピークをとり、磁場の正負で対称であるという特性を示す。また、その変化率は数十〜数百％と非常に大きな変化を示す。
【０００６】
図７（ａ）は磁化容易軸が線幅の場合の特性であるが、長さ方向に磁気異方性を付与しても、磁気インピーダンス特性が発現する。その時の特性は図７（ｂ）に示すように、磁界０のときインピーダンスが最も大きく、磁界の絶対値が大きくなるにつれて減少する特性になる。この場合もインピーダンスは磁界の正負で対称になる。この場合の検出磁界方向も、薄膜磁気コアの長さ方向成分である。
これらの磁気インピーダンス特性におけるインピーダンスの変化は、薄膜磁気コアに高周波電流を印加している状態での透磁率が変化することによって引き起こされるものである。インピーダンスを抵抗成分とインダクタンス成分とに分離すると両者ともに透磁率が変化することによって変化するが、絶対値の大きい抵抗成分がその変化には支配的である。透磁率変化による抵抗変化は、基本的には高周波電流が磁性体中を流れるときに発生する表皮効果に起因するため、表皮効果を大きくするためには高周波電流の周波数を上げるか、または薄膜磁気コアである磁性体の膜厚を厚くする方法が有効となる。
【０００７】
以上のように、磁気インピーダンス素子は磁界に対してインピーダンスが大きく変化することが特徴であるが、素子にバイアス磁界を印加し、磁界に対してインピーダンスの変化が大きい点で動作させることにより、さらに磁界に対して高感度に応答するセンサとなる。図７（ａ）に示すＡ点はそのバイアス点（バイアス磁界）を示すが、このバイアス磁界を印加するためには、素子の周りにコイル（バイアスコイル）を形成し、そのコイルに電流を印加することで磁界を発生させることが必要である。また、磁場の検出レンジを拡大する目的で負帰還磁界をかける方式についても、コイルが必要になる。アモルファスワイヤを用いた場合、そのワイヤの周りに直接Ｃｕワイヤなどを巻き、コイルを形成する構造がとられているが、薄膜で形成した磁気インピーダンス素子と同一基板上にコイルを薄膜で形成するものもある（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
上述のように、磁気インピーダンス素子はバイアスコイルにより感度を制御し、負帰還コイルにより測定レンジを拡大することができるが、特に薄膜で成形した磁気インピーダンス素子の場合は、バイアスコイルや負帰還コイルも同一基板上に形成しなければ、小形，軽量化のメリットを生かすことができない。しかし、その場合下部コイルの上に絶縁膜を介して磁性膜を形成し、さらに絶縁膜を介して上部コイルを形成した上に上部コイルと下部コイルを電気的に接続する、というようにプロセスが複雑になるので、素子間の特性バラツキの制御が難しく、信頼性の面で不安定になり、量産性において不利となる。
【０００９】
これに対して、図７（ａ）に示したような特性カーブで、磁気インピーダンスがピークをとる磁場は異方性磁場に相当するので、磁性膜の磁気異方性を制御することにより、所定の外部磁場における感度を変化させることができる。すなわち、弱磁場領域での感度を上げるには異方性磁場を小さくして、磁気インピーダンス特性のピーク位置を内側にずらせば良い。逆に強磁場領域での感度を上げるには異方性磁場を大きくして、磁気インピーダンス特性のピーク位置を外側にずらせば良い。さらに、測定レンジを広げたい場合には、短冊状磁性膜の長さ方向に磁気異方性を付与して図７（ｂ）のような「Λ」形の磁気インピーダンス特性を実現させることもできる。このような磁気異方性を変化させるものとして、例えば特許文献４に示すものがある。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０６−２８１７１２号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】
特開平０８−０７５８３５号公報（第４頁、図１）
【特許文献３】
特開平１１−１０９００６号公報（第３−４頁、図１）
【特許文献４】
特開２００２−１８９０６７号公報（第２−３頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献４に示すものは、ＰＺＴ圧電素子の歪みをセンサに直接伝達する構造になっていないので、効率が良くないという難点がある。
したがって、この発明の課題は、ＰＺＴ圧電素子の歪みをセンサに直接伝達できるようにして、効率良く磁気異方性を制御できるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、非磁性基板に高透磁率磁性の短冊状またはつづら折れ形状に加工した磁性体薄膜に高周波電流を印加し、外部磁界によって磁性膜のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、絶縁体または半導体基板上に圧電体薄膜を形成し、その上に磁性薄膜を形成し、その上にさらに別の圧電体薄膜を形成することを特徴とする。このように磁性膜を圧電体薄膜でサンドウィッチしたバイモルフ型構造とすることで、圧電体薄膜に並列に電圧を印加して伸縮させ、磁性膜の上下両面に均等に応力をかけることができるだけでなく、応力印加時における磁性膜の反りの問題を解消することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、磁性体をアモルファス磁性体とすることを特徴とする。アモルファス磁性体としてはＣｏ系，Ｆｅ系のものが知られているが、結晶磁気異方性が存在しないため、応力による磁気異方性が支配的である。このため、磁歪の逆効果により、磁気異方性を制御することが容易である。
請求項３の発明は同じく請求項１の発明において、磁性膜が超磁歪軟磁性材料からなることを特徴とする。ラーベス相金属間化合物ＲＥＦｅ2（ＲＥ＝Ｔｂ，Ｓｍ，Ｄｙ）は超磁歪材料として知られており、なかでもＴｂＦｅ2とＤｙＦｅ2を合金化した（Ｔｂ，Ｄｙ）Ｆｅ2は超磁歪でありながら軟磁性材料を持つ材料であるが、通常の磁性体に比べて１００〜１０００倍の磁歪を示す。したがって、これらの材料を用いることにより、圧電体の伸縮による応力で磁気異方性が敏感に変化する磁気検出素子を実現可能である。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、圧電体薄膜として強誘電体薄膜を用いることを特徴とする。Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、いわゆるＰＺＴ等の強誘電体薄膜は、結晶構造の近い基板上にエピタキシャル成長することが知られており、また適当なバッファ層を介することにより、Ｓｉ基板上などにもエピタキシャル成長させることが可能である。これらの強誘電体薄膜は、従来のＺｎＯ圧電薄膜などに比べて高い圧電率を示すことが期待され、より低い電圧で磁性膜に応力をかけることで、容易に感度特性の制御を可能とする。
また、請求項５の発明は同じく請求項１の発明において、圧電体薄膜として圧電性高分子膜を用いることを特徴とする。加工性の良い圧電性高分子膜上に磁性膜を形成し、それを例えばＩＣ基板上に接着することによりＩＣと一体化されるだけでなく、磁気異方性の変化により感度特性の制御も可能となる。接着剤としてヤング率の低い材料を用いることにより、圧電体の歪みを基板に伝わり難くすることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の原理構成図である。
図示のように、磁気インピーダンス効果を示すアモルファス磁性膜１が、ＰＺＴ圧電体基板２上に形成されている。磁性膜１はここではつづら折れ形状をしているが、これは例えばマグネトロンスパッタ法により、ＰＺＴ基板２の全面に成膜した厚さ４μｍのアモルファス磁性膜上に、感光ポリイミドを塗布してフォトリソグラフ技術によりつづら折れパターンに現像し、それをマスクとしてイオンビームエッチングすることにより加工したものである。Ａｕ電極３ａおよび３ｂを圧電基板の側面に形成し、これを通して電圧を印加することにより、基板を歪ませる。その結果、磁性膜１に応力がかかり磁気異方性が変化するために、磁気インピーダンス特性のピーク位置がシフトする。
【００１６】
図２は、上記の方法により磁気インピーダンス特性のピーク位置を制御した結果を示すグラフである。磁気異方性の制御に就いて、以下に具体的に説明する。
例えば磁性膜として、マグネトロンスパッタ法で成膜したＣｏＨｆＴａＰｄアモルファス磁性膜を用い、成膜後３００℃，４８０００Ａ／ｍで１ｈ静止磁界処理をし、１つの短冊を０．２ｍｍ（ｗ）×１ｍｍ（ｌ）×４μｍ（ｔ）に加工すると、短冊の幅（ｗ）方向に約８００Ａ／ｍの異方性磁場を持つ磁気インピーダンス特性が得られる（図２イ参照）。ＰＺＴ基板のサイズは０．１ｍｍ（ｗ）×１ｍｍ（ｌ）×０．５ｍｍ（ｔ）とした。
【００１７】
次に、ＰＺＴ基板の幅方向に１００Ｖの電圧を印加したときの歪みδｗ／ｗは、圧電歪定数ｄ33＝２８５×１０-12〔ｍ／Ｖ〕を用いて、
δｗ／ｗ＝ｄ33×Ｖ／ｗ＝２８５×１０-12〔ｍ／Ｖ〕
×１００〔Ｖ〕／（０．１×１０-3〔ｍ〕）
＝２．８５×１０-4
となる。ＰＺＴ基板上の磁性膜もこれと同じだけ歪むと仮定すると、ＣｏＨｆＴａＰｄアモルファス磁性膜のヤング率Ｙは約８８ＧＰａであるから、磁性膜にかかる幅方向の応力σは、
σ＝Ｙ×δｗ／ｗ＝８８×１０9〔Ｎ／ｍ2〕×２．８５×１０-4
＝２．５×１０7〔Ｎ／ｍ2〕
となる。
【００１８】
ＣｏＨｆＴａＰｄアモルファス磁性膜の飽和磁歪λｓは−２×１０-6程度なので、この応力による磁気異方性エネルギーの変化量ΔＫは、
ΔＫ＝（３／２）×λｓ×σ＝（３／２）×（−２×１０-6）×２．５
×１０7＝−７５〔Ｊ／ｍ3〕
となる。一方、磁性膜が歪む前に持っていた幅方向の磁気異方性エネルギーＫ0は、異方性磁場Ｈｋ0が８００Ａ／ｍ、飽和磁化Ｍｓが約１〔Ｔ〕であるから、
Ｋ0＝（１／２）×Ｈｋ0×Ｍｓ＝（１／２）×８００〔Ａ／ｍ〕×１〔Ｔ〕
＝４００〔Ｊ／ｍ3〕
【００１９】
よって、歪み後の磁性膜が歪む前に持つ幅方向の磁気異方性エネルギーＫは、
Ｋ＝Ｋ0＋ΔＫ＝４００〔Ｊ／ｍ3〕−７５〔Ｊ／ｍ3〕＝３２５〔Ｊ／ｍ3〕
に減少し、これによる異方性磁場Ｈｋは、
Ｈｋ＝２×Ｋ／Ｍｓ＝２×３２５〔Ｊ／ｍ3〕／１〔Ｔ〕＝６５０〔Ａ／ｍ〕
となって、磁気インピーダンス特性のピーク位置は約１５０Ａ／ｍ内側にシフトするという結果になる（図２ロ参照）。これにより、低磁場領域での感度が向上し、例えばインピーダンス変化量ΔＺが１００Ωの素子の場合、２５％以上の感度向上が見込まれる。
【００２０】
ＰＺＴ基板の幅方向に印加する電圧をさらに増加させ、例えば５５０Ｖにすると、磁気異方性エネルギーの変化量ΔＫは、
ΔＫ＝−４１２．５〔Ｊ／ｍ3〕
となって、磁性膜が歪む前に持っていた幅方向の磁気異方性エネルギーを打ち消し、逆に長さ方向に磁気異方性を持つようになる。このとき、磁性膜の磁気インピーダンス特性はゼロ磁場にピークを持つ「Λ形」のカーブとなり（図２ハ参照）、「Ｖ形」に比較してより広いレンジでの磁場検出が可能となる。
【００２１】
この実施例では、磁性膜としてＣｏ系アモルファス磁性膜を用いたが、Ｆｅ系のアモルファス磁性膜を用いても良い。Ｆｅ系の場合、１０-4オーダーの正の磁歪定数を持つので、Ｃｏ系に比べて低い電圧で磁気異方性を大きく変化させることが可能である。また、（Ｔｂ，Ｄｙ）Ｆｅ２等の超磁歪軟磁性材料を用いることにより、さらに敏感に磁気異方性を変化させることができる。
圧電体基板に関しては、この実施例ではＰＺＴを材料として用いたが、他の圧電性材料を用いても良い。また、電極は基板の幅方向の側面に形成したが、長さ方向に電極を形成して歪みを制御しても良く、さらに互いに電気的に接触しないように４つの側面全てに電極を形成し、幅方向と長さ方向の歪みにより磁性膜の磁気異方性を制御することも可能である。
【００２２】
図３に図１の変形例を示す。
これは、圧電性高分子膜２ａ上に磁性膜１を成膜し、つづら折れ形状に加工した例である。金属電極３ａ，３ｂを高分子膜２ａの両端に形成し、これに電圧を印加することにより高分子膜２ａを収縮させ、磁性膜１に応力をかけて磁気異方性を制御する。高分子膜２ａは自由に曲げることができるので、用途に応じた形状で使用できる特徴がある。例えば、電線に流れる電流が作る周回磁場を検出する場合、電線の周りを巻くような形で使用すると、磁場を効率良く受けることができる。
【００２３】
図４に図１の別の変形例を示す。
これは、Ａｌ2Ｏ3基板２ｂ上にマグネトロンスパッタ法でＰＺＴ薄膜４を成膜した後、その上につづら折れ形状に加工した磁性膜１を形成したものである。ＰＺＴ薄膜４への電圧印加は電極３ａ，３ｂによって行なうが、ＰＺＴ薄膜４が厚さ方向に一様に伸縮するように、上面だけでなく側面全体を覆うように電極３ａ，３ｂを形成している。電極は長さ方向の側面に形成しても良いし、互いに電気的に接触しないように４つの側面全てに形成しても良い。これにより、磁性膜／圧電体の積層構造を非常に小型化できる。ここでは、基板としてＡｌ2Ｏ3を用いているが、ガラスやＳｒＴｉＯ３等の絶縁体基板を用いることもでき、またＳｉ基板上に直接または適当なバッファ層を介して形成することも可能であるので、ＩＣ基板にオンチップで形成することで、小型化のメリットが生かされる。また、圧電体薄膜としてＰＺＴ薄膜を用いたが、他の強誘電膜やＺｎＯ薄膜、ＡｌＮ薄膜を使用することも可能である。さらに、圧電性高分子膜上に磁性膜を形成し、それを接着剤で基板に貼り付けることにより、より簡単な方法で同様の構成を実現することもできる。
【００２４】
図５にこの発明の実施形態を示す。
これは、基板２ｃ上にＰＺＴ薄膜４を成膜し、さらに磁性膜１を成膜してつづら折れ形状に加工し、加工後の磁性膜１の隙間を絶縁体５で埋め、その上に再度ＰＺＴ薄膜４ａを成膜したものである。そして、ＰＺＴ薄膜４，４ａの側面を覆うように電極３ａ，３ｂを形成し、これに電圧を印加してＰＺＴ薄膜４，４ａを歪ませ、磁性膜１に応力をかけることにより、磁気インピーダンス特性のピーク位置を制御する。電極の位置は、長さ方向の側面に形成しても良いし、４つの側面全てに形成しても良い。基板２ｃは図４と同じくＡｌ2Ｏ3基板でも良く、他の非磁性板でも良い。
このようなバイモルフ型構造とすることにより、磁性膜１の上面と下面に等しい応力をかけられるので、厚さ方向の応力分布の均一性を増すことができる。これにより、磁性膜１の上，下面での伸び率の違いにより膜が反るという問題も解決することができる。圧電体薄膜としてＰＺＴ薄膜を用いたが、他の強誘電薄膜やＺｎＯ薄膜，ＡｌＮ薄膜，圧電性高分子膜等を用いることもできる。
【００２５】
図６にこの発明の別の原理構成を示す。
これは、チューブ状のＰＺＴ圧電体２ｄの円周上に磁性膜１を成膜してつづら折れ形状に加工し、ＰＺＴチューブ２ｄの上，下面に電極３ａ，３ｂをそれぞれ形成したものである。そして、この電極３ａ，３ｂを通してＰＺＴ圧電体２ｄに電圧を印加し、チューブ高さ方向に伸縮させることにより、磁性膜１に応力を掛けて磁気インピーダンス特性のピーク位置を制御する。磁性膜１はＰＺＴチューブ２ｄを回転させながらマグネトロンスパッタ法により成膜し、また感光性ポリイミドのパターニングプロセスも同様に回転させながら行なう。加工は、ＰＺＴチューブ２ｄを回転させながらイオンビームエッチングしても良いが、ウエットエッチの方が簡便である。この実施例の磁気検出素子は、特に電線を電流が流れることで生じる磁場を検知する用途に適している。すなわち、電線６を図示のようにＰＺＴチューブ２ｄの穴に通すことにより、電線の周囲に生じる周回磁場を効率良く受けることが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、バイアスコイルや負帰還コイルを形成するための複雑なプロセスを必要とせずに、感度の調整や測定レンジの切り替えが可能な磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子を実現できる。また、圧電体の形状を適宜選択することで、用途に応じて最適な形態の磁気インピーダンス素子を提供することができる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の原理構成図
【図２】  図１の磁気インピーダンス特性を示す特性図
【図３】  図１の変形例を示す構成図
【図４】  図１の別の変形例を示す構成図
【図５】  この発明の実施の形態を示す構成図
【図６】  この発明の別の原理構成を示す構成図
【図７】  磁気インピーダンス特性の一般的な例を示す特性図
【符号の説明】
１…磁性膜、２…ＰＺＴ基板、２ａ…圧電性高分子膜、２ｂ…Ａｌ2Ｏ3基板、２ｃ…基板、２ｄ…チューブ状圧電体、３ａ，３ｂ…電極、４，４ａ…ＰＺＴ薄膜、５…絶縁体、６…電線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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