計測自動制御学会東北支部第 206 回研究集会（2002.12.10）
資料番号 206-11

磁性薄膜赤外線センサの構成と応答特性
Construction and Response of Magnetic Film Infrared Sensor○ 藤原 良一，吉田 耕平，千葉 茂樹，長田 洋，田山 典男
Ryoichi FUJIWARA、Kohei YOSHIDA，Shigeki CHIBA，Hiroshi OSADA，
and Norio TAYAMA
岩手大学
Iwate University
キーワード：感温磁性膜（temperature-sensitive magnetic film），スパッタ法（sputtering method），光センサ（photosensor），赤外線（infrared rays）
連絡先：〒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
電子システム工学講座

長田 洋，Tel./Fax.: 019（621）6381，E-mail: osada@doragon.elc.iwate-u.ac.jp
1. 序論

sensitive Magnetic Film：TMF）の応用の一つ

近年，フェリ磁性体の応用分野は多岐にわとして，照射された赤外線の放射エネルギーたっており，通常の磁気デバイスとしての利を，熱エネルギーを介して磁気特性の変化と用ばかりでなく，電磁気的測温素子としてのして出力する磁性薄膜赤外線センサ活用が検討されている．

（Magnetic Film Infrared Sensor：MIS）につい

感温磁性材料（感温フェライト）は，−50て検討した．

〜200 ℃の範囲に磁気変態温度，すなわちキ従来の赤外線センサは，熱型と量子型に大ュリー温度 TC をもっており，この TC におけ別されるが，これらはいずれも赤外線によっる飽和磁束密度，初透磁率，保磁力の急変現て感光部の電気的特性が変化する性質を利用象を用いて，特定温度の検出，制御をする研している(1),(2)．これに対し，MIS は赤外線に究が行われ，その中のいくつかは温度センサよる磁気の熱的変化という従来とは異なる原(1)として広く実用されている ．しかし，これ理に基づいている．

らの報告例は，バルクや厚膜についてのみで

ここでは，まず TMF の作製方法を述べ，あり，薄膜の報告例はほとんど見当たらない．

次いで MIS の構成，および MIS の赤外線にそこで筆者等は感温磁性材料の薄膜化を検討対する応答特性について報告する．

し，性能向上を試みてきた．
本 研 究 で は ， 感 温 磁 性 膜 （ Temperature-1

2. TMF の作製方法
図 1 に感温磁性膜 TMF の作製工程を示す．

ターゲット

Mn-Zn 系バルクフェライト（キュリー温度

スパッタリング

Tc=50 ℃，金属構成比=Fe:65 wt%，Mn:14 wt%，Zn:21 wt%）をターゲットとして，Si 基板上にスパッタ薄膜

30 mTorr の Ar ガス雰囲気中，RF 電力 100 W

熱処理の条件下で 12 時間スパッタリングすると，膜TMF

厚 1.0 µm の薄膜が得られる．

図1

このスパッタリングで得られた薄膜は，アモルファス状態で成膜されているため，ほとんどTMF の作製工程

Annealing time(8h)磁気特性を持たない．従って，バルク状態と同Temperature (℃)

1000様の結晶構造（スピネル構造）を再現させるために熱処理を行う必要がある．そこで，熱処理温度および時間を適宜調節して試料を作製したところ，図 2 に示すような 970 ℃，8 時間（そSlow cooling(-100 ℃/h)

Annealingtemp(970℃)
500の後クラックの発生を避けるため室温まで
0100 ℃/h の条件で冷却）という熱処理条件で最51015

熱処理時間 (hour)大の飽和磁化を示す TMF が得られた(4)．焼成

図2

TMF の熱処理工程

時，酸素濃度は 0〜0.1 %程度が望ましいため，
X-ray Intensity (arb. unit)

熱処理雰囲気は Ar ガス（流量：100 ml/min，酸素濃度 0 %）とした．
図 3 は，熱処理前後の薄膜の X 線回折を示
す．熱処理以前にはピークが見られず非結晶であるが，熱処理により TMF にスピネル構造を示す（220），（311），（400）および（440）
面で回折ピークが現れる．

Annealimg condition：970℃

熱処理後 (440)(220) (311)30

同図より，飽和磁化，保磁力，ヒステリシス

40502θ (deg)

図3損などが温度の上昇に伴ってそれぞれ減少し

10 °C

10030 °C

3M (emu/cm )ことを示している．
MIS の構成と応答特性

図 5 は MIS の構成を示す．MIS は，Si 基板

60

TMF の XRD パターン200

近において TMF が顕著な温度依存性を持つ

3.

(400)
熱処理前

図 4 は TMF の磁化曲線の温度特性を示す．ていく状況が見られる．この傾向は，室温付

8hours

50 °C

0-100

上に作製された TMF（4 mm×8 mm）の下部に磁気抵抗素子 MR とマグネットを固着させ-200た構造であり，TMF−MR−マグネットから図４なる磁気ループが構成されている．TMF に赤2-400 -200

0 200 400
H (Oe)TMF の磁化曲線の温度変化

外線が照射されると，TMF の温度がわずかに赤外線上昇する．この温度上昇により TMF の飽和

Si 基板

磁化が減少すると，磁気ループ中のレラクタ

MR 素子

TMF
MR 素子
マグネットンスが増加するためループの磁束が減少する．その変化は MR 素子で抵抗の変化としてV0検知され，この変化を微分要素を含む信号処

SA

理回路 SA で検出，増幅して出力電圧 V0 を得
図5る(3),(4)．

MIS の構成

図 6 は，MIS に赤外線を照射した場合の2727W/m (20cm)

MIS の出力電圧 V0 を示す．なお，赤外線は100
出力V0 (mV)

100 V の一定電圧を加えた赤外線ランプにより，TMF 面に対して垂直方向から照射した．
TMF への放射エネルギーは，赤外線ランプとの距離により変化させ測定した．放射エネル

402W/m2(30cm)
2229W/m (40cm)

照射終了(遮断)

0
照射開始

-100

ギー229，402，727 W/㎡は，それぞれ照射距
0離 40，30，20 ㎝に相当する．また，赤外線は30 秒間照射して，30 秒間遮断した．なお，測出力ピークの絶対値 |V0peak|（mV）

定は周囲温度を一定に保った暗室内で行った．同図から，赤外線を照射した場合，V0 はパルス状に立ち上がってピークに達し，その10203040時間(s)

5060

図6

MIS の出力特性

200
400
600
2
放射エネルギー（W/m ）

800

照射
遮断

150後緩やかに減少する特性を示す．また，赤外

100線の放射エネルギーを大きくすると，それに伴い出力電圧のピーク値は増加する．一方，赤外線を遮断した場合，出力は負方向となるが，照射時と類似した波形を示す．
図 7 は，放射エネルギーによる出力ピークの絶対値 |V0peak| 特性を示す．同図より，

500

図 7 MIS の出力ピーク対放射エネルギー特性|V0peak|は放射エネルギーの増加に伴いほぼ直線的に上昇する傾向を示す．

3

図 8 は MIS の出力電圧の時定数を示す．なお，時定数は MIS の出力電圧が最大値の．MIS の出力の時定数(s)63 ％に達する時間である(1)

時定数は放射エネルギーには依存せずに 1.0s 前後であり，市販の焦電型センサ（10-2 s 程

照射遮断21度）に比べると応答が遅い(1)．そこで，応答時間改善のため信号処理回路 SA についての0検討を行った．

200400600800

放射エネルギー(W/㎡)

図8

図 9 は信号処理回路 SA の回路図を示す．
SA は微分機能を含む信号処理回路である．

3

MIS の時定数対放射エネルギー特性

従来の SA は 1 段の回路であったが，本研究+12V

では処理回路を 2 段にすることにより，立ち上がりを鋭敏にさせ，応答時間の短縮を試み

MR出力+た．図 10 に信号処理回路改善後の MIS の出OUT+GND

力特性を示す．同図より，従来の信号処理で-12V検出した図 6 の特性に比べて，照射開始，遮従来の SA断時での立ち上がりが改善されていることが

図9わかる．

信号処理回路図

図 11 は，信号処理回路改善前後における2MIS の時定数対放射エネルギー特性を示す．

727W/m (20cm)

102402W/m (30cm)

出力V0(V)MIS の出力の時定数は，信号処理回路改善前は 1.0 s 程度であったが，改善後は 0.5 s 程度となった．
MIS の出力は放射エネルギーによらず時定照射終了(遮断)229W/m2(40cm)

0
照射開始-10数が一定であるため，出力電圧の立ち上がり0時の変化率は放射エネルギーに依存すると言える．そこで，MIS の出力にコンパレータ回

102030時間(s)405060

図 10 信号処理回路改善後の MIS の出力特性路を付加し，その変化率を測定することによ
3り応答時間の改善を検討した．

照射（増幅回路1段）
遮断（増幅回路1段）

時定数(S)

図 12 は MIS に付加したコンパレータ回路とその動作の概要を示す．（a）図は，しきい値の異なる 2 つのコンパレータ（COMP1，2）を使用した回路を示す．MIS の出力がそれぞ

2照射（増幅回路2段）
遮断（増幅回路2段）

1

れのしきい値（Vref1，Vref2）に達すると，（b）
0

図に示すように，COMP1，COMP2 がそれぞれ時間 t1，t2 で出力を反転（LOW→HIGH）す

0200
400
600
2
放射エネルギー(W/m )800

図 11 MIS の時定数対放射エネルギー特性
COMP1(a)IC1MISる．さらに，その出力を IC1（EX-OR）に入力すると，t1−t2 間（tc）でのみ出力 Vc が HIGH

Vc

Vref1となる．この動作時間 tc は MIS の出力の勾配

COMP2により変化することから，tc を測定すること
Vref2により照射された放射エネルギーの判別が可

Comp1（b）能である．

HIGH
LOW

図 13 は，動作時間 tc 対放射エネルギー特性

Comp2を示す．なお，Vref1 と Vref2 は MIS の出力のHIGH
LOW

S/N 比等を考慮して，それぞれ 770 mV と 1.4IC1（EX-OR）HIGHV とした．同図より，tc は放射エネルギーがLOW

Vc

t1 tc t2

図 12コンパレータ回路および動作概要

大きくなるに従い小さくなることがわかる．
また、tc を測定することにより，照射される赤外線の放射エネルギーを同図から求めるこ4とができる．上記のしきい値を用いた場合，

100

赤外線検知に要する時間は 100〜200 ms で，動作時間tc(ms)応答時間を一層短縮することができた。
4． 磁気信号検出素子についての検討
これまで磁気信号の検出に用いていた磁気80
604020-抵抗素子（MR 素子）に対し，極めて高い分0解能をもつ磁気-インピーダンス素子（MI 素子）を用いた MIS を検討した．

0図 13

図 14 は，MI 素子を用いた MIS の構成を示

200400600
放射エネルギー(W/m2)

動作時間対放射エネルギー特性

す．TMF，MI 素子，電磁石を図のように配赤外線電磁石置し，励磁すると，磁気ループが構成される．
TMF への赤外線照射による，ループの磁束の800

TMF
Si 基板

I減少を MI 素子でインピーダンスの変化としVoて取り出し．信号処理回路で検出・増幅して出力する．

信号処理回路

MI 素子

図 15 は，MI 素子（愛知製鋼株式会社製）を用いた MIS の出力特性を示す．放射エネル

磁気ループ

ギーは TMF と赤外線ランプとの距離により

図 14 MI 素子を用いた MIS の構成変化させた．同図より，VO は赤外線照射時間

1.5
照射距離に伴って赤外線ランプとの距離に応じた変化率で上昇することが確認できた．また，TMF20 cm
30 cm

出力Vo(V)

1と MI 素子は約 4 mm 程度離して設置し，赤外線の感光部と検出部の非接触測定を行うことができた．

40 cm

0.5
080 cm

今後は，極めて微小な変化を安定して検知

Lamp ONするための回路構成，ノイズの除去，磁気遮0へいなど，MI 素子の性能を十分に生かす構成

30時間(s)60

図 15 MI 素子を用いた MIS の出力特性を検討する必要がある．

5.

Lamp OFF

結論

参考文献

以上，MIS の作製と応答特性について報告(1) 大森：センサ工学，テクノ，（1981）した．MIS は照射された赤外線の放射エネル(2) 宮尾，中川，白水：光センシング工学，日本理工

ギーに応じた出力が得られ，焦性型の赤外線出版会，（1995）

センサとして利用できる．また，信号処理回(3) 藤原，小田桐，谷地，千葉，長田，高橋，関：平路の改善やコンパレータ回路の付加により，成 13 年度計測自動制御学会東北支部第 198 回研

応答時間を短縮することができた．また，MI究集会，[198-3]，（2001）

素子を用いた MIS を構成し，赤外線の放射エ(4) 小田桐：岩手大学大学院工学研究科修士論文，ネルギーに応じた出力を得ることができた．

（2002）

5