計測自動制御学会東北支部第1T4回研究集会（199日．5．印
資料番号174・5

感温磁性薄膜を用いた光センサの構成

ConstruCtionofPhotosensorUtiliEingTbnperatwe一
旦en由t加eMagne血Tb血Fil皿○小原豊瓦 高橋司．長田酪千葉茂胤徳田書見吉田豊彦，関享士郎○％yon且00BARA．TbukaBaTAKAHASHI．HirodliOSADA，Shi酢kiCHIBA．
HamoTOKtm TbyohiknYOSHIDA．KyoshiroSEKI

岩手大学

IwateUn行ers晦′キーワード：感温磁性薄膜伽mperature−SenSitivemagneticthin址Il），温度依存性匝mperaturedependence）．スパッタ法（sputteringmeth0軋光センサ由hotosenso打赤外線（in丘a理drays）

連絡先ニ〒020−8551岩手県盛岡市上田4・3−5 岩手大学工学部電気電子工学科

電子システム工学講座

閲享士BB．TR：019（621）63日O Fax：019（621）6380，E−mail：Sek過iwate−u．aC．jpのセンサ巷構成できる．

1．まえがき

本論文では，まずTTPの作製方法を述べ，

感温磁性薄膜光センサTrP（Tbmperature・

SenSitiveMa印eticThjJIFilmPh血〕BenSOr）

は．照射された光エネルギー巷，熱エネルギーを介して磁気特性の変化として出力するセンサである．

従来使われて喜た光センサには．光導電効
果，光起電力効果．光電子放射効果及び魚電効果音利用したものがあるが1恒）．これらはいずれも受光部の電気的特性が光によって変化する性質を利用している．
TrPは，室温付近で二次相転移を示す強磁性体であり．キュリー温度を任意設定で卓ることから．レラクタンス変化量を大書くとる

図1mの作製工程ことがで善．任意の温度範囲において高感度

Fig・1PrepaLrationprofi1eofrITrP・
1次いで可視光及び赤外線による応答特性につZn：21％〕を使用した．このターゲットによいて報告する．

り．60mTbrrのArガス雰囲気中，RF電力望00Wの条件下で．4時間スパッタリングすると，2．TTPの作製方法

シリコン単結晶基板上（長さT．5mm，幅4．5mm．

図1に感温磁性薄膜光センサTTPの作製工

厚さ1．伽1m〕の片面に厚さ1JJmの薄膜が得程を示す．バルクフェライトをターゲットにられる．

したスパッタリングにより薄膜を形成し．熱このスパッタリングで得られた薄膜は，ア処理を施すことによってTrPが得られる．タ

モルファス状態で成膜されているため，ほとーゲットとして，室温付近にキュリー温度耽

んど磁気特性を持たない．従って，バルク状を有するMn−Zn系フェライト〔耽＝50ロC．金態と同様の結晶構造〔スピネル構造）を再現

属重量成分比＝Fe二65wt％，M皿：14wt％．

させるために何らかの処理を行う必要がある．
一般に．バルクフェライトの固相反応温度は︻苫コ・q﹂且倉su望u；空・X

80げC〜1050DCであることが知られている印．
そこで〕作製されたアモルづァス状思の薄膜に対して前述の範囲での熱処理を施すことによって，スピネル構造の再結晶化が期待で書る．

図2に熱処理前後の薄膜のⅩ線回折図を示す．同国より，熱処理以前の薄膜ではピークが見られないアモルファス状態であるが，熱ユ050

ヰ0

処理によりスビネル構造を示す（望2帆（311〕，6028【d喝1〔400）及び（440）面で回折ピークが表れて囲2 TrPのmパターンおり結晶化していることがわかる．なお熱処Fig．皇ⅩRDpa鮎morTrP」

理条件として．Arガス雰囲気中において熱処
理温度及び時間をそれぞれ970日C・8時間とし− その後クラックの発生を避けるため室温まで100℃／時間の冷却を行った句．
図ヨはTTPの磁化ループの温度特性である．
同国より，磁気特性与示すパラメータである飽和磁化保持九 ヒステリシス損などかTTPの温度の上昇に伴ってそれぞれ減少していく傾向が見られる．試料温度10□Cで17亡b皿山cm3の飽和磁化は，30qCでは呂鮎m血3へと低下
し．5がCになると1鮎mtJ皿ヨとなり，ほとん−4ロロー200 0 200 ヰ0（〕

ど磁化は消失する．この傾向はターゲットでH【Oe】

あるMn−Zn系フェライトの磁化特性と類似し

図3 TTPの磁化ループの温度変化ており，顕著な温度依存性を示している・

Fig．3Magnetizationl00pSOfrrTPwith
tcmperaturechange．
2

3．光センサの構成及び動作

色光照射約9砂後）であった．4∝旧kの照度

3．1構成

では．ビータ借は皇望mVとなり．20001Ⅹでは

図4はmを用いた光センサシステムの構1皇mVへと低下する．即ち．入射光の強度が成巷示す．mにMR素子MRを接着し，そ高いほど，出力電圧のピーク値が大書くなるの下部に永久磁石MGを撰者した構造となっ傾向を示す．ている．光照射Lによる温度上昇があった場

固6は照度と出力電圧の立ち上がり時間ち合．磁性薄膜中の飽和磁化が低下し．その結との関係巷示す．同国より．照度の増加につ果磁気ループ中のレラクタンスが増大する．

れて応答時間は塩くなる傾向を有している．

このレラクタンスの増加は磁気ループ中の磁なお，同一照度では．周囲温度が高い方がち束の低下巷もたらすので．MR素子で抵抗のを長くなる傾向が見られる．
国7は照度と出力電圧のピーク借との関係変化として検出され次いでICにより情号増を示すが，同国より．両者の間にほぼ直線的幅され．Viとして出力される．なお，m方式のセンサ部にはMR素子の感知幅を超えること巷防ぐため，受光面鵠（直径3mmの円面積7．鵬Ⅱ1皿りなるカバーを施した．
3．2 光センサの動作

園5はmにタングステンランプによる白色光を照射した墳合札 センサの出力の過渡応答過程である．ステップ状の光の照射に対して出力電圧波形は急峻に立ち上がった乱ややゆっくりとした減衰特性巷持つ応答特性を示す．照度Eが80001Ⅹの隠 50％振幅値で15秒間のパルス上の出力電圧が得られた．ま国5 mの過渡応答特性

た．この時の出力電圧のピーク借は47mV〔白Fig．5rItaJISient柁SPOnSeOfTTIP．

0．10IC2ロ00 400D 6000 8000
E【周図4 光センサシステムの構成

囲6 立ち上がり時間と照度の特性

Fig．6RiBin酎加1eVerSuSi11uminallCe・

Fig4．Con畠titutionofphobBenSOrSySt是m，ヨ

な関係が見られる．周囲温度が200cの場合．

れで熱が伝達するが，このと卓T¶Pの碇東はa00kから即00仮の照度に対しⅥは3mVかTrPの温度変化に比例して変化する．Tn〕のら45mVへと増加しており，周囲温匿が25qC

温度は急峻なパルスとして伝達するので，磁の場合には2．5mVから40mVまで変化する．

束の変化もパルスとなる．MRにおける抵抗

また．同一照度では．周囲温度が低いほどⅥの変化は磁束の変化に比例するため，出力はが大きくなる傾向が見られる．このように，ステップ状の光を微分した波形として得られmは低照度から高照度までの光に応答するる．

ため．光センサとして十分な機能を有してい

園8は照度をパラメータとした場合のⅥとるものと考えられる．

mの受光面積との関係を示す．同図は受光光の照射で．このようにパルス状の応答波

面積SxをSo／4からSoへと変化させた場合の形が得られる理由としては次のように考えら出力電圧のピーク値を求めたものである．照れる．mはステップ状の光に対して1次遅度か80001Ⅹの場合．Sx侶0が0．25のと幸Ⅵ
は望2mVであるが．0．5では呂3mVとなり，1．0では47皿Ⅴへと増加して受光面積による影響が明らかである．照度が6000kの場合でも同様の傾向が見られ，面積に対し．照度が高い方が出力電圧も高くなる．受光面積と出力電圧との関係は必ずとも直線的ではないが，Ⅵが受光面積や照度によって制御される特性巷
活用して簡単な一次元の機械的あるいは光学0的な操作と組み合わせることによってパター2000 4000 6000 即00

ン認職や光源の大小の判定に利用で善るも甲E【lx】と考えられる．なお．受光面穂と出力電圧の関係が直線的な関係とならない理由として．

図7 照度と出力電圧の関係

Fig．7PhotoconveI・BioncharactRristicofrIT

受光面碩の中心と円周近傍でMR素子の検出感度が異なるためと思われる．
3．3 赤外線センサヘの応用
図9は「ITP上にフィルタがない場合、赤外線透過フィルタITFを設置した場合、及び熟吸収フィルタHAFを設置した場合についての応答特性である。表1に汀F．壬壬A∫両フィルタの特性巷示す．フィルタの有無に関わらず照射光に比例した出力が得られている。
ITFを儲屈した場合、フィルタがない場合0．5に比べて約7割程度の出力が得られたが、M

S対■Soを設置した場合は2割前後の出力しか得られ

図占 受光面積と出力電圧の関係

Fig．8Relationbetweenradiatedareaa皿dOutputVOltage．
4

なかった。このことからmは赤外線に対して鋭敏に応答することが分かる。

5．参考文献4．あとがき以上，RFスパッタ法により感温磁性薄膜光1）高木，山田：半導体物性，産報（19G7）皇）伊呪吉沢：半導体素子 日刊工業新聞社

センサmを作製し．可視光及び赤外線照射（1965）時における諸特性について報告した．

3）高木：応用計測通論．啓苧出版（1972）mは従来用いられてきた光導電効果．光4）高見須田．古閑：焦電効果を利用した赤外起電力効果．光電子効果及び焦電効果等の電線検出器，応用物理学会論文誌，Ⅵ）1月7，No．

気的特性を利用したものとは異なり，光によ2．pp．147・156（19朗）

る磁化の変化という新しい原理に基づいてお5）安宍書見長田酷石井傲 島津誠一一，干り．「ITPを用いることによって構成が簡略で．

葉茂樹．関享士貼 高橋隠 吉田豊彦ニス

小型，計量，かつ高感度なセンサシステムをバッタ法による感温磁性薄膜の作製と特性実現することが出来た．

評価，電気学会マダネテイクス研究会質札

ここで報告したmは物理的にも化学的にMAG・96・153（1996）も極．めて安定な素子であり，耐環境性に優れており．また赤外線に対しての応答も顕著に

6）安宍善史，石井 低小原豊直千葉茂胤高現れており，赤外線センサとしての応用も考による感温磁性薄膜の磁気特性改善 平成9年

えられる．

圧電気関係学会東北支部連合大会，t2All］

嶺強．長田 粗 吉田皇象 関享士朗：熱処理（1997）∩リ

32 ︻＞∈﹈ぎ

02000 ヰ00D 6000 8000
E日月

図9 mの赤外線特性
Fig．9Ⅰ血ed血甜a亡臨由ti亡Of¶P

表Ⅰフィルタの透過率

TahleIrrhsmittanceof丘Iter，
レタ 近赤外練達過畢 フィノ［nm］ 400 500 別】8 7（】0 800 900lTF

0 0 8 0 86 91

HAF89 B占 88 四 之9 55