JP3676579B2 - 磁気インピーダンス素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサに関し、特に薄膜磁気インピーダンス素子を用いた高感度磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の情報機器や計測・制御機器の急速な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置では、バルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドと高性能化が進んできており、モーターの回転センサであるロータリーエンコーダではマグネットリングの磁極数が多くなり従来用いられている磁気抵抗効果（ＭＲ）センサに代わり微弱な表面磁束を感度良く検出できる磁気センサが必要となってきている。また、非破壊検査や紙幣検査に用いることができる高感度磁気センサの需要も大きくなっている。
【０００３】
現在用いられている代表的な磁気検出素子として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。また、最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサが提案されており（特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報参照）、また磁性薄膜の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサも提案されている（特開平８−７５８３５号公報、日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．２０，５５３（１９９６）参照）。
【０００４】
誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要であるため磁気ヘッド自体が大型化し、また、小型化すると磁気ヘッドと媒体の相対速度が低下して検出感度が著しく低下するという問題がある。これに対して、強磁性膜による磁気抵抗効果（ＭＲ）素子が用いられるようになってきた。ＭＲ素子は磁束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するものであり、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。しかし、現在のＭＲ素子の電気抵抗の変化率は約２％であり、また、スピンバルブ素子を用いたＭＲ素子でさえ電気抵抗の変化率が最大６％以下と小さく、また数％の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は１６００Ａ／ｍ以上と大きい。従って磁気抵抗感度は０．００１％／（Ａ／ｍ）以下の低感度である。また、最近、磁気抵抗変化率が数１０％を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が見いだされてきた。しかし数１０％の抵抗変化を得るためには数万Ａ／ｍの外部磁界が必要であり、磁気センサとしての実用化はされていない。
【０００５】
従来の高感度磁気センサであるフラックスゲートセンサはフェライト、パーマロイ等の高透磁率磁心の対称なＢ−Ｈ特性が外部磁界によって変化することを利用して磁気の測定を行うものであり、高分解能と±１°の高指向性を持つ。しかし、検出感度をあげるために大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を小さくすることが難しく、また、消費電力が大きいという問題点を持つ。
【０００６】
ホール素子を用いた磁界センサは電流の流れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体で構成されるため温度変化に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によって電子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度の温度特性が悪いという欠点を持つ。
【０００７】
特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報に記載されているように、磁気インピーダンス素子が提案され大幅な磁界感度の向上を実現している。この磁気インピーダンス素子は時間的に変化する電流を磁性線に印加することによって生じる円周磁束の時間変化に対する電圧のみを外部印加磁界による変化として検出することを基本原理としている磁気インピーダンス素子である。図１６はその磁気インピーダンス素子の例を示したものである。この磁性線として（ＦｅＣｏＳｉＢ）等の零磁歪の直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤ（線引後、張力アニールしたワイヤ）が用いられており、図１７はワイヤのインピーダンス変化の印加磁界依存性を示したものである。長さ１ｍｍ程度の微小寸法のワイヤでも１ＭＨｚ程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧の振幅がＭＲ素子の１００倍以上である約０．１％／（Ａ／ｍ）の高感度で変化する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
磁気センサとして、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気センサが求められており、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。また、特開平６−１７６９３０号公報、特開平６−３４７４８９号公報に示されるものにおいてはバイアス磁界を加えることによりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線性が改善されること、およびアモルファスワイヤに負帰還コイルを巻き、アモルファスワイヤの両端の電圧に比例した電流をコイルに通電し負帰還を施すことにより、直線性の優れたしかもセンサ部の温度変化に対して磁界検出感度の不変な磁気センサを提供できることを示されている。
【０００９】
しかしながらこの高感度磁気インピーダンス素子は直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤからなるため微細加工には適しておらず、超小型の磁気検出素子を提供することは困難であった。また、バイアスコイル、および負帰還コイルはともに細い銅線を巻き回しコイルを作製しなければならず小型化に限界があり、また生産性にも問題があった。
【００１０】
一方、小型化の試みとして特開平８−７５９３５号公報では磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス素子を提案し、素子の小型化をはかっている。また、発明者らは特願平９−２６９０８４号において薄膜コイルを薄膜磁気コアの周囲に立体的に巻き回しバイアスコイルと負帰還コイルを具備した小型の磁気インピーダンス素子を提案している。しかし、これらの発明はいずれも磁性膜の構造は単層構造である。
【００１１】
詳細は実施の形態で述べるが、図３の（ａ）に示した磁区構造は理想的なものであり、実際には単層の薄膜パターンの幅方向に一軸異方性を付与したときには幅方向に反磁界が生じ、その反磁界エネルギーを最小にするために磁区構造は図５に示すように磁化ベクトルが閉じた状態になる。しかし、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときにはＨｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さくなる。つまり、図５に示す９０°磁区の部分のＭＩ効果は非常に小さいものであり、薄膜全体のＭＩ効果を小さくしている。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する感度特性に優れた高感度磁気センサを提供することである。
【００１２】
上記の本発明の目的を達成するため、本発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有し、前記積層された磁性膜の厚みが不揃いであることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有し、前記複数枚の磁性膜のうち、奇数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量と、偶数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量がおおむね等しいことを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアの周囲に、絶縁体を媒介して交互に巻回されるバイアスコイルおよび負帰還コイルを備え、前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有することを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記磁性膜間に介在する前記非磁性薄膜は電気伝導体であることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記磁性膜間に介在する前記非磁性薄膜は絶縁体であり、前記積層された磁性膜の両方の端部は両端側でそれぞれ互いに電気的に接続されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、NiFe、CoFe、NiFeP、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNiのめっき膜により形成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルファススパッタ膜により形成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、NiFeスパッタ膜により形成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
磁気インピーダンス効果( ＭＩ効果) は高透磁率磁性体に高周波電流を通電すると、その両端間のインピーダンスが通電方向に印加した外部磁場によって変化する現象である。つまり、磁性体の内部インダクタンス分Ｌｉと、表皮効果によって電流周波数ｆとともに増加する抵抗分ＲｗによるインピーダンスＺ
Z= Rw(μθ )+ j ωLi( μθ ) (1)
が、外部から磁界を印加することにより変化する磁性体の幅方向の透磁率μの関数として変化することによるものである。
薄膜の場合、表皮効果が顕著な高周波領域（膜厚ｄ》２δ）における薄膜の抵抗Ｒｗは直流抵抗をＲｄｃとすると
Rw = Rdc (d / 2 δ）
と表すことができる。
一方、 ｄ》２δの場合、インダクタンスは
L = Li（2 δ/ d ）
と表すことができる。
ここで、δは表皮深さを示し、図１に示す値となる。
従って薄膜のインピーダンスは
Z = Rdc (d / 2δ）＋j ωLi（2 δ/ d ）
となる。
ここで薄膜の厚さはｄ＝２ａとし、また、幅Ｗ、長さｌとすると薄膜のインピーダンスは図２に示すものとなる。
ここで表皮深さδは図１で示すところであるので、薄膜のインピーダンスＺは透磁率μθの関数となる。
【００１４】
図３の（ａ）に示されるように薄膜のパターンの幅方向に一軸異方性が付与されているとき、磁化ベクトルは幅方向を向いて磁区構造は１８０°磁壁を持つ構造となる。ところで、この薄膜の長さ方向に高周波電流を流した場合、幅方向の高周波磁界が生じるが、１８０°磁壁の移動は渦電流制動により妨げられる。また、高周波磁界方向と磁化ベクトルの向きが同じ方向であるため回転磁化は起こりにくい。このため磁束の変化は少なく透磁率μθは小さい。
【００１５】
一方、薄膜パターンの長さ方向に外部磁界Ｈｅｘを印加すると磁化ベクトルの向きが幅方向から傾くので、高周波電流により生じる磁界により磁化ベクトルの回転が起こり（回転磁化）磁束の変化が生じるので透磁率μθが大きくなる。外部磁界Ｈｅｘが膜パターンの異方性磁界Ｈｋと同じになったとき透磁率μθは最大となり、このときインピーダンスＺは最大となる。さらに外部磁界Ｈｅｘが大きく（Ｈｅｘ＞Ｈｋ）なると磁化ベクトルはＨｅｘに固定されるため磁化ベクトルの回転が抑制され、透磁率μθは小さくなっていき、それにともないインピーダンスＺも小さくなっていく。
【００１６】
これらの現象を回転磁化モデルに基づき図３の（ｂ）を用いて検証する。H θ＝０の場合回転角θ０は次式のエネルギー極小条件により定まる。
E0 = -Ku cos2(π/2 - θ0) - Ms Hex cos θ0 (3)
従って、
Hk = 2 Ku / Ms を用いて
θ0 = Hex / Hk
が得られる。
ここでＨθによる回転角の変化 Δθ《θ０とすると幅方向の磁化変化分ΔＭは次式で表せられる。
ΔM = Ms cosθ0 Δθ (4)
またＨθによる項を含めた全エネルギーは次式で表せられる。
この（５）式を用い図４に示す（７）式よりΔθを求め( ４) 式に代入すると、図４に示す（６）式となる。
従ってＨｅｘ＜Ｈｋでは磁界の増加とともに透磁率μθすなわちインピーダンスＺが増加し、Ｈｅｘ＝Ｈｋで最大値をとった後、磁界の増加とともに減少することが示される。
また、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときには外部磁界Ｈｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さくなる。
【００１７】
ところで、図３の（ａ）に示した磁区構造は理想的なものであり、実際には単層の薄膜パターンの幅方向に一軸異方性を付与したときには幅方向に反磁界が生じ、その反磁界エネルギーを最小にするために磁区構造は図５に示すように磁化ベクトルが閉じた状態になる。この磁区構造をとることにより磁性体薄膜の内部磁化エネルギーは最小になり安定する。
【００１８】
しかし、前述したように、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときには外部磁界Ｈｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さくなる。つまり、図５に示す９０°磁区の部分のＭＩ効果は非常に小さいものであり、薄膜全体のＭＩ効果を小さくしている。
【００１９】
図６に示すように、幅方向に一軸異方性を付与し、かつ、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を２層にすることにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合し閉じた状態になる。この状態により薄膜の内部磁化エネルギーは最小となり安定化する。また、２層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。
【００２０】
図６に示される磁気インピーダンス素子の磁性膜はCoZrNb、FeSiB 、CoFeB 等のアモルファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜等の軟磁性膜が用いられる。たとえば、NiFeスパッタ膜を用いた例を説明する。非磁性・絶縁性基板上にNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成膜し、さらに、Ti等の非磁性膜を約１０ｎｍ成膜し、最後にNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成膜した。その後、所定の磁気コア形状のフォトレジストパターンを該薄膜上に形成し、該フォトレジストパターンをエッチング用マスクとして用い、イオンミーリング等のエッチング手段によりエッチングする。そして、フォトレジストパターンを有機溶剤等により除去することにより磁気インピーダンス素子を作製した。
【００２１】
このときの非磁性膜の厚さは上下の磁性膜の交換結合を遮断できる厚さである必要があり、その厚さは１０ｎｍ程度以上あれば良い。さらに、ＭＩ素子は表皮効果の透磁率依存性を用いているため、中間の非磁性膜にはTi、Ta、Cu、Al、Au、Ag、Pt等の導電性のある薄膜を用いることが望ましい。なお、これを絶縁薄膜で形成する場合は、積層された磁性膜の両方の端部を、両端側でそれぞれ互いに電気的に接続して、積層された磁性膜を電気的に並列接続させる。
【００２２】
また、上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合し全体の内部磁気エネルギーを最小にするためには、上下の磁性膜の磁化の総量を等しくする必要がある。この条件として、上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、下層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2とすると、Ms1 ×t1＝Ms2 ×t2を満たすことが必要となる。
【００２３】
図７はTiを中間膜として用いNiFeスパッタ膜約２．５μｍ×２層の構造で作製した薄膜磁気インピーダンス素子に、素子の長さ方向に０および２．４ｋＡ／ｍの外部磁界（Ｈｅｘ）を印加したときのセンサ両端電極Ｅ（Ｅ＝Ｚ＊Ｉ）の通電電流周波数特性である。Ｈｅｘ＝０のときと、Ｈｅｘ＝２．４ｋＡ／ｍのときのＥの差ΔＥは通電電流の周波数２０ＭＨｚ付近で最大であった。
【００２４】
図８は本発明によるNiFeの２層薄膜磁気インピーダンス素子（２．５μｍ×２層）に通電電流周波数を２０ＭＨｚ（１０ｍＡ）一定としたときのインピーダンスの変化率の印加磁界（Ｈｅｘ）依存性を示したものである。比較としてNiFe単層薄膜磁気インピーダンス素子（５μｍ）の特性を併記する。印加磁界を大きくしていくとインピーダンスの変化率ΔＺ／Ｚ０は大きくなり、素子の異方性磁界ＨｋのところでΔＺ／Ｚ０は最大となり、さらにＨｅｘ＞ＨｋではΔＺ／Ｚ０は小さくなっていく。これらの結果は前述の理論式で示した特性となった。また、インピーダンスの変化率は単層膜磁気インピーダンス素子の７５％に対して２層膜磁気インピーダンス素子は９０％と大きい値であった。このとき、単位印加磁界あたりのインピーダンスの変化量（磁界感度）はＨｅｘ＝１．６ｋＡ／ｍ前後で最大となり０．０８％／（Ａ／ｍ）の磁界感度を示した。
【００２５】
また、本発明に関する薄膜磁気インピーダンス素子の作製方法としての他の実施例をあげる。所定の薄膜磁気コアの反転形状を薄い金属板に作製し、その金属板をスパッタマスクとして用い非磁性基板をマスクし、NiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さ、Ti等の非磁性膜を約１０ｎｍの厚さ、さらにNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成膜し、磁気インピーダンス素子を作製する方法もある。
【００２６】
NiFe、CoFe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNi等のめっき膜を磁性膜として用いた実施例を示す。まず、５０ｎｍ程度の厚さのNiFeスパッタ膜をめっき用のシード層とするために形成する。そのシード層の上に所定のコイル形状の反転パターンのフォトレジストパターンを形成し、フォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約２．５μｍの厚さだけ埋め込む。つぎに、Cuなどの非磁性金属を約１０ｎｍめっき法にて堆積させる。さらに、その上にNiFeめっきを約２．５μｍの厚さだけ埋め込む。その後、フォトレジストパターンを有機溶剤等により除去し、NiFeめっき膜のシード層をエッチングにより除去することにより磁気インピーダンス素子形成される。CoFeNi等のめっき膜を薄膜磁気コアとして用いたときも同様のプロセスで作製する。
【００２７】
また、上記のいずれの方法で作製した薄膜磁気コアも、作製した後、回転磁場中、および静止磁場中で熱処理を行うと磁気特性の向上がはかれる。
【００２８】
３層以上の多層膜において、つまり非磁性薄膜を介してｎ層（ｎ≧３）積層されており、膜の間の非磁性膜が電気伝導体であり、また、それぞれ偶数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和が、それぞれ奇数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和におおむね等しい場合にそれぞれの層の磁性膜の磁化ベクトルは静磁結合をし、こ薄膜の内部磁化エネルギーは最小となり安定化する。また、この条件で多層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。
【００２９】
図９は３層構造の場合の実施例であり、このとき、最上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、最下層の磁性膜の磁化をMs3 、厚みをt3、とすると、Ms1 ×t1＋Ms3 ×t3＝Ms2 ×t2を満たすときそれぞれの磁性層の磁化ベクトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになる。
【００３０】
図１０は４層構造の場合の実施の形態であり、このとき、最上層の磁性膜の磁化を Ms1、厚みをt1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、第３層の磁性膜の磁化をMs3 、厚みをt3、第４層の磁性膜の磁化をMs4 、厚みをt4とすると、Ms1 ×t1＋Ms3 ×t3＝Ms2 ×t2＋Ms4 ×t4を満たすときそれぞれの磁性層の磁化ベクトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになる。
【００３１】
また、図示はしていないが、ｎ層構造の場合、最上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、……… 第n 層の磁性膜の磁化をMsn 、厚みをtn、とすると、偶数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和が、それぞれ奇数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和におおむね等しい条件を満たすとき、それぞれの磁性層の磁化ベクトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになる。
【００３２】
つぎに、２層薄膜磁気インピーダンス素子を用いて作製した薄膜磁気インピーダンス素子の特性について述べる。図１１は本発明の実施の形態に用いられる薄膜磁気インピーダンス（ＭＩ）素子の構造を模式的に示した正面図、図１２は図１１のＡ−Ｂ線に沿って切断した断面図であり、図１３は図１１のＣ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。実際の薄膜ＭＩセンサ全体は薄膜セラミックス板、ガラス板のような板状体の上に形成されているが、図１１ではこれを省略して示している。図１１、図１２及び図１３において、１は平面形状が長方形の薄板状に形成された薄膜磁気コアであるＭＩセンサ板である。このＭＩセンサ板としての薄膜磁気コアの形状は、幅２０μｍ、厚さ５μｍ、長さ５００μｍである。該ＭＩセンサ板１の周囲には、絶縁物層２、３を介して、バイアスコイル４と負帰還コイル５が同一方向に且つ交互に巻回されている。図には正確に示してはいないが、これらコイルの巻数は、それぞれ２０ターンである。バイアス用、負帰還用コイルを同一面上に交互に薄膜磁気コアに巻き回わす構造により磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサとしての感度特性の直線性が向上する。バイアスコイル４の両端には、バイアスコイル端子６、７が接続され、負帰還コイル５の両端には、負帰還コイル端子８、９が接続されている。ＭＩセンサ板１の両端には、ＭＩセンサ端子１０、１１が接続されている。これら端子はＡｕ金属薄膜から成り、先端の巾広部は、外部配線用のパッドとなる。なお、１２は、ＭＩセンサ全体を覆う絶縁保護膜である。
【００３３】
薄膜磁気インピーダンス素子を磁気センサとして用いるときは最大感度のところに動作点を持ってくることによりセンサ感度を向上することができる。このため、バイアスコイルに電流を流すことによりバイアス磁界を加え動作点を変えることができ、１．６ｋＡ／ｍのバイアス磁界を薄膜コイルにを用いて磁気コアに印加することにより印加磁界０のところに磁界感度が最大になるようにした。
【００３４】
一方、バイアスコイルを用いて印加磁界０に最大感度を持ってくるように動作点を移動した場合、磁界に対するインピーダンスの変化（出力の変化）の直線性はあまり良くないものとなる。この直線性を改善する方法として出力信号をフィードバックし負帰還コイルを用いて磁界に対する出力の非直線性を補正するだけの磁界を薄膜磁気コアに負帰還磁界として加えることにより出力信号を補正し直線性を得る方法がとられる。図１４にリニア磁界ＭＩセンサの出力検出部の電子回路のブロック図を示す。この回路により動作点を最大感度の点に移動し、出力信号をフィードバックし、薄膜コアに負帰還磁界を加え感度特性の直線性を高めている。
【００３５】
図１５は図１４の回路を用いてバイアスコイル磁界１．６ｋＡ／ｍ、負帰還率５０％の負帰還をかけたときの印加磁界に対する出力電圧の関係を示したものである。ここで通電電流の周波数は２０ＭＨｚであり出力の増幅度は５００倍である。図に示すように±２４０Ａ／ｍの測定磁界内で優れた直線性を示し、かつ、１０-4Ａ／ｍの磁界分解能を示した。これらの結果はリニア磁界センサとして良好な特性である。
【００３６】
以上、本発明を上述の実施の形態により説明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能であり、これらの変形や応用を本発明の範囲から排除するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本願の請求項１乃至９に係る発明では、薄膜磁気インピーダンス素子において、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を２層にすることにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合し閉じた状態にせしめ、この状態により薄膜の内部磁化エネルギーを最小とし、また、２層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。これらのことから高感度の磁気インピーダンス素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、表皮深さδを表す方程式図である。
【図２】図２は、薄膜ＭＩ素子のインピーダンスを表す方程式図である。
【図３】図３は、薄膜ＭＩ素子の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図４】図４は、ΔＭ０の値を示す方程式図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図６】図６は、本発明の他の実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図７】図７は、薄膜ＭＩ素子の通電電流周波数特性図である。
【図８】図８は、薄膜ＭＩ素子の印加磁界に対するインピーダンス変化率を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明のもう一つ他の実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図１０】図１０は、本発明のさらにもう一つ他の実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図１１】図１１は、本発明に用いる薄膜磁気インピーダンス素子の構造を模式的に示した正面図である。
【図１２】図１２は、図１のＡ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。
【図１３】図１３は、図１のＣ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。
【図１４】図１４は、本発明に係る薄膜ＭＩ素子を用いた磁気センサの出力検出部の回路ブロック図である。
【図１５】図１５は、図１４の回路における印加磁界に対するセンサ出力を示す特性図である。
【図１６】図１６は、磁性線からなるＭＩ素子を用いた従来の磁気センサの回路ブロック図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す磁性線のインピーダンス変化の印加磁界依存性を示した特性図である。
【符号の説明】
１・・・・・ＭＩセンサ板
２・・・・・絶縁物層
３・・・・・絶縁物層
４・・・・・バイアスコイル
５・・・・・負帰還コイル
６・・・・・バイアスコイル端子
７・・・・・バイアスコイル端子
８・・・・・負帰還コイル端子
９・・・・・負帰還コイル端子
１０・・・・・ＭＩセンサ端子
１１・・・・・ＭＩセンサ端子
１２・・・・・絶縁保護膜
２０・・・・・非磁性基板
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサに関し、特に薄膜磁気インピーダンス素子を用いた高感度磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の情報機器や計測・制御機器の急速な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置では、バルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドと高性能化が進んできており、モーターの回転センサであるロータリーエンコーダではマグネットリングの磁極数が多くなり従来用いられている磁気抵抗効果（ＭＲ）センサに代わり微弱な表面磁束を感度良く検出できる磁気センサが必要となってきている。また、非破壊検査や紙幣検査に用いることができる高感度磁気センサの需要も大きくなっている。
【０００３】
現在用いられている代表的な磁気検出素子として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。また、最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサが提案されており（特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報参照）、また磁性薄膜の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサも提案されている（特開平８−７５８３５号公報、日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．２０，５５３（１９９６）参照）。
【０００４】
誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要であるため磁気ヘッド自体が大型化し、また、小型化すると磁気ヘッドと媒体の相対速度が低下して検出感度が著しく低下するという問題がある。これに対して、強磁性膜による磁気抵抗効果（ＭＲ）素子が用いられるようになってきた。ＭＲ素子は磁束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するものであり、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。しかし、現在のＭＲ素子の電気抵抗の変化率は約２％であり、また、スピンバルブ素子を用いたＭＲ素子でさえ電気抵抗の変化率が最大６％以下と小さく、また数％の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は１６００Ａ／ｍ以上と大きい。従って磁気抵抗感度は０．００１％／（Ａ／ｍ）以下の低感度である。また、最近、磁気抵抗変化率が数１０％を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が見いだされてきた。しかし数１０％の抵抗変化を得るためには数万Ａ／ｍの外部磁界が必要であり、磁気センサとしての実用化はされていない。
【０００５】
従来の高感度磁気センサであるフラックスゲートセンサはフェライト、パーマロイ等の高透磁率磁心の対称なＢ−Ｈ特性が外部磁界によって変化することを利用して磁気の測定を行うものであり、高分解能と±１°の高指向性を持つ。しかし、検出感度をあげるために大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を小さくすることが難しく、また、消費電力が大きいという問題点を持つ。
【０００６】
ホール素子を用いた磁界センサは電流の流れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体で構成されるため温度変化に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によって電子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度の温度特性が悪いという欠点を持つ。
【０００７】
特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報に記載されているように、磁気インピーダンス素子が提案され大幅な磁界感度の向上を実現している。この磁気インピーダンス素子は時間的に変化する電流を磁性線に印加することによって生じる円周磁束の時間変化に対する電圧のみを外部印加磁界による変化として検出することを基本原理としている磁気インピーダンス素子である。図１６はその磁気インピーダンス素子の例を示したものである。この磁性線として（ＦｅＣｏＳｉＢ）等の零磁歪の直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤ（線引後、張力アニールしたワイヤ）が用いられており、図１７はワイヤのインピーダンス変化の印加磁界依存性を示したものである。長さ１ｍｍ程度の微小寸法のワイヤでも１ＭＨｚ程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧の振幅がＭＲ素子の１００倍以上である約０．１％／（Ａ／ｍ）の高感度で変化する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
磁気センサとして、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気センサが求められており、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。また、特開平６−１７６９３０号公報、特開平６−３４７４８９号公報に示されるものにおいてはバイアス磁界を加えることによりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線性が改善されること、およびアモルファスワイヤに負帰還コイルを巻き、アモルファスワイヤの両端の電圧に比例した電流をコイルに通電し負帰還を施すことにより、直線性の優れたしかもセンサ部の温度変化に対して磁界検出感度の不変な磁気センサを提供できることを示されている。
【０００９】
しかしながらこの高感度磁気インピーダンス素子は直径３０μｍ程度のアモルファスワイヤからなるため微細加工には適しておらず、超小型の磁気検出素子を提供することは困難であった。また、バイアスコイル、および負帰還コイルはともに細い銅線を巻き回しコイルを作製しなければならず小型化に限界があり、また生産性にも問題があった。
【００１０】
一方、小型化の試みとして特開平８−７５９３５号公報では磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス素子を提案し、素子の小型化をはかっている。また、発明者らは特願平９−２６９０８４号において薄膜コイルを薄膜磁気コアの周囲に立体的に巻き回しバイアスコイルと負帰還コイルを具備した小型の磁気インピーダンス素子を提案している。しかし、これらの発明はいずれも磁性膜の構造は単層構造である。
【００１１】
詳細は実施の形態で述べるが、図３の（ａ）に示した磁区構造は理想的なものであり、実際には単層の薄膜パターンの幅方向に一軸異方性を付与したときには幅方向に反磁界が生じ、その反磁界エネルギーを最小にするために磁区構造は図５に示すように磁化ベクトルが閉じた状態になる。しかし、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときにはＨｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さくなる。つまり、図５に示す９０°磁区の部分のＭＩ効果は非常に小さいものであり、薄膜全体のＭＩ効果を小さくしている。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する感度特性に優れた高感度磁気センサを提供することである。
【００１２】
上記の本発明の目的を達成するため、本発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有し、前記積層された磁性膜の厚みが不揃いであることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有し、前記複数枚の磁性膜のうち、奇数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量と、偶数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量がおおむね等しいことを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアの周囲に、絶縁体を媒介して交互に巻回されるバイアスコイルおよび負帰還コイルを備え、前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有することを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記磁性膜間に介在する前記非磁性薄膜は電気伝導体であることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記磁性膜間に介在する前記非磁性薄膜は絶縁体であり、前記積層された磁性膜の両方の端部は両端側でそれぞれ互いに電気的に接続されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、NiFe、CoFe、NiFeP、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNiのめっき膜により形成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルファススパッタ膜により形成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
また、本発明の一態様によれば、前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、NiFeスパッタ膜により形成されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
磁気インピーダンス効果( ＭＩ効果) は高透磁率磁性体に高周波電流を通電すると、その両端間のインピーダンスが通電方向に印加した外部磁場によって変化する現象である。つまり、磁性体の内部インダクタンス分Ｌｉと、表皮効果によって電流周波数ｆとともに増加する抵抗分ＲｗによるインピーダンスＺ
Z= Rw(μθ )+ j ωLi( μθ ) (1)
が、外部から磁界を印加することにより変化する磁性体の幅方向の透磁率μの関数として変化することによるものである。
薄膜の場合、表皮効果が顕著な高周波領域（膜厚ｄ》２δ）における薄膜の抵抗Ｒｗは直流抵抗をＲｄｃとすると
Rw = Rdc (d / 2 δ）
と表すことができる。
一方、 ｄ》２δの場合、インダクタンスは
L = Li（2 δ/ d ）
と表すことができる。
ここで、δは表皮深さを示し、図１に示す値となる。
従って薄膜のインピーダンスは
Z = Rdc (d / 2δ）＋j ωLi（2 δ/ d ）
となる。
ここで薄膜の厚さはｄ＝２ａとし、また、幅Ｗ、長さｌとすると薄膜のインピーダンスは図２に示すものとなる。
ここで表皮深さδは図１で示すところであるので、薄膜のインピーダンスＺは透磁率μθの関数となる。
【００１４】
図３の（ａ）に示されるように薄膜のパターンの幅方向に一軸異方性が付与されているとき、磁化ベクトルは幅方向を向いて磁区構造は１８０°磁壁を持つ構造となる。ところで、この薄膜の長さ方向に高周波電流を流した場合、幅方向の高周波磁界が生じるが、１８０°磁壁の移動は渦電流制動により妨げられる。また、高周波磁界方向と磁化ベクトルの向きが同じ方向であるため回転磁化は起こりにくい。このため磁束の変化は少なく透磁率μθは小さい。
【００１５】
一方、薄膜パターンの長さ方向に外部磁界Ｈｅｘを印加すると磁化ベクトルの向きが幅方向から傾くので、高周波電流により生じる磁界により磁化ベクトルの回転が起こり（回転磁化）磁束の変化が生じるので透磁率μθが大きくなる。外部磁界Ｈｅｘが膜パターンの異方性磁界Ｈｋと同じになったとき透磁率μθは最大となり、このときインピーダンスＺは最大となる。さらに外部磁界Ｈｅｘが大きく（Ｈｅｘ＞Ｈｋ）なると磁化ベクトルはＨｅｘに固定されるため磁化ベクトルの回転が抑制され、透磁率μθは小さくなっていき、それにともないインピーダンスＺも小さくなっていく。
【００１６】
これらの現象を回転磁化モデルに基づき図３の（ｂ）を用いて検証する。H θ＝０の場合回転角θ０は次式のエネルギー極小条件により定まる。
E0 = -Ku cos2(π/2 - θ0) - Ms Hex cos θ0 (3)
従って、
Hk = 2 Ku / Ms を用いて
θ0 = Hex / Hk
が得られる。
ここでＨθによる回転角の変化 Δθ《θ０とすると幅方向の磁化変化分ΔＭは次式で表せられる。
ΔM = Ms cosθ0 Δθ (4)
またＨθによる項を含めた全エネルギーは次式で表せられる。
従ってＨｅｘ＜Ｈｋでは磁界の増加とともに透磁率μθすなわちインピーダンスＺが増加し、Ｈｅｘ＝Ｈｋで最大値をとった後、磁界の増加とともに減少することが示される。
また、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときには外部磁界Ｈｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さくなる。
【００１７】
ところで、図３の（ａ）に示した磁区構造は理想的なものであり、実際には単層の薄膜パターンの幅方向に一軸異方性を付与したときには幅方向に反磁界が生じ、その反磁界エネルギーを最小にするために磁区構造は図５に示すように磁化ベクトルが閉じた状態になる。この磁区構造をとることにより磁性体薄膜の内部磁化エネルギーは最小になり安定する。
【００１８】
しかし、前述したように、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向いているときには外部磁界Ｈｅｘによる幅方向の透磁率μθはほとんど変化しないのでＭＩ効果は非常に小さくなる。つまり、図５に示す９０°磁区の部分のＭＩ効果は非常に小さいものであり、薄膜全体のＭＩ効果を小さくしている。
【００１９】
図６に示すように、幅方向に一軸異方性を付与し、かつ、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を２層にすることにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合し閉じた状態になる。この状態により薄膜の内部磁化エネルギーは最小となり安定化する。また、２層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。
【００２０】
図６に示される磁気インピーダンス素子の磁性膜はCoZrNb、FeSiB 、CoFeB 等のアモルファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜等の軟磁性膜が用いられる。たとえば、NiFeスパッタ膜を用いた例を説明する。非磁性・絶縁性基板上にNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成膜し、さらに、Ti等の非磁性膜を約１０ｎｍ成膜し、最後にNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成膜した。その後、所定の磁気コア形状のフォトレジストパターンを該薄膜上に形成し、該フォトレジストパターンをエッチング用マスクとして用い、イオンミーリング等のエッチング手段によりエッチングする。そして、フォトレジストパターンを有機溶剤等により除去することにより磁気インピーダンス素子を作製した。
【００２１】
このときの非磁性膜の厚さは上下の磁性膜の交換結合を遮断できる厚さである必要があり、その厚さは１０ｎｍ程度以上あれば良い。さらに、ＭＩ素子は表皮効果の透磁率依存性を用いているため、中間の非磁性膜にはTi、Ta、Cu、Al、Au、Ag、Pt等の導電性のある薄膜を用いることが望ましい。なお、これを絶縁薄膜で形成する場合は、積層された磁性膜の両方の端部を、両端側でそれぞれ互いに電気的に接続して、積層された磁性膜を電気的に並列接続させる。
【００２２】
また、上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合し全体の内部磁気エネルギーを最小にするためには、上下の磁性膜の磁化の総量を等しくする必要がある。この条件として、上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、下層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2とすると、Ms1 ×t1＝Ms2 ×t2を満たすことが必要となる。
【００２３】
図７はTiを中間膜として用いNiFeスパッタ膜約２．５μｍ×２層の構造で作製した薄膜磁気インピーダンス素子に、素子の長さ方向に０および２．４ｋＡ／ｍの外部磁界（Ｈｅｘ）を印加したときのセンサ両端電極Ｅ（Ｅ＝Ｚ＊Ｉ）の通電電流周波数特性である。Ｈｅｘ＝０のときと、Ｈｅｘ＝２．４ｋＡ／ｍのときのＥの差ΔＥは通電電流の周波数２０ＭＨｚ付近で最大であった。
【００２４】
図８は本発明によるNiFeの２層薄膜磁気インピーダンス素子（２．５μｍ×２層）に通電電流周波数を２０ＭＨｚ（１０ｍＡ）一定としたときのインピーダンスの変化率の印加磁界（Ｈｅｘ）依存性を示したものである。比較としてNiFe単層薄膜磁気インピーダンス素子（５μｍ）の特性を併記する。印加磁界を大きくしていくとインピーダンスの変化率ΔＺ／Ｚ０は大きくなり、素子の異方性磁界ＨｋのところでΔＺ／Ｚ０は最大となり、さらにＨｅｘ＞ＨｋではΔＺ／Ｚ０は小さくなっていく。これらの結果は前述の理論式で示した特性となった。また、インピーダンスの変化率は単層膜磁気インピーダンス素子の７５％に対して２層膜磁気インピーダンス素子は９０％と大きい値であった。このとき、単位印加磁界あたりのインピーダンスの変化量（磁界感度）はＨｅｘ＝１．６ｋＡ／ｍ前後で最大となり０．０８％／（Ａ／ｍ）の磁界感度を示した。
【００２５】
また、本発明に関する薄膜磁気インピーダンス素子の作製方法としての他の実施例をあげる。所定の薄膜磁気コアの反転形状を薄い金属板に作製し、その金属板をスパッタマスクとして用い非磁性基板をマスクし、NiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さ、Ti等の非磁性膜を約１０ｎｍの厚さ、さらにNiFeスパッタ膜を約２．５μｍの厚さだけ成膜し、磁気インピーダンス素子を作製する方法もある。
【００２６】
NiFe、CoFe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNi等のめっき膜を磁性膜として用いた実施例を示す。まず、５０ｎｍ程度の厚さのNiFeスパッタ膜をめっき用のシード層とするために形成する。そのシード層の上に所定のコイル形状の反転パターンのフォトレジストパターンを形成し、フォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約２．５μｍの厚さだけ埋め込む。つぎに、Cuなどの非磁性金属を約１０ｎｍめっき法にて堆積させる。さらに、その上にNiFeめっきを約２．５μｍの厚さだけ埋め込む。その後、フォトレジストパターンを有機溶剤等により除去し、NiFeめっき膜のシード層をエッチングにより除去することにより磁気インピーダンス素子形成される。CoFeNi等のめっき膜を薄膜磁気コアとして用いたときも同様のプロセスで作製する。
【００２７】
また、上記のいずれの方法で作製した薄膜磁気コアも、作製した後、回転磁場中、および静止磁場中で熱処理を行うと磁気特性の向上がはかれる。
【００２８】
３層以上の多層膜において、つまり非磁性薄膜を介してｎ層（ｎ≧３）積層されており、膜の間の非磁性膜が電気伝導体であり、また、それぞれ偶数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和が、それぞれ奇数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和におおむね等しい場合にそれぞれの層の磁性膜の磁化ベクトルは静磁結合をし、こ薄膜の内部磁化エネルギーは最小となり安定化する。また、この条件で多層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。
【００２９】
図９は３層構造の場合の実施例であり、このとき、最上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、最下層の磁性膜の磁化をMs3 、厚みをt3、とすると、Ms1 ×t1＋Ms3 ×t3＝Ms2 ×t2を満たすときそれぞれの磁性層の磁化ベクトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになる。
【００３０】
図１０は４層構造の場合の実施の形態であり、このとき、最上層の磁性膜の磁化を Ms1、厚みをt1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、第３層の磁性膜の磁化をMs3 、厚みをt3、第４層の磁性膜の磁化をMs4 、厚みをt4とすると、Ms1 ×t1＋Ms3 ×t3＝Ms2 ×t2＋Ms4 ×t4を満たすときそれぞれの磁性層の磁化ベクトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになる。
【００３１】
また、図示はしていないが、ｎ層構造の場合、最上層の磁性膜の磁化をMs1 、厚みをt1、第２層の磁性膜の磁化をMs2 、厚みをt2、……… 第n 層の磁性膜の磁化をMsn 、厚みをtn、とすると、偶数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和が、それぞれ奇数番目の磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の総和におおむね等しい条件を満たすとき、それぞれの磁性層の磁化ベクトルは静磁結合し、薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになる。
【００３２】
つぎに、２層薄膜磁気インピーダンス素子を用いて作製した薄膜磁気インピーダンス素子の特性について述べる。図１１は本発明の実施の形態に用いられる薄膜磁気インピーダンス（ＭＩ）素子の構造を模式的に示した正面図、図１２は図１１のＡ−Ｂ線に沿って切断した断面図であり、図１３は図１１のＣ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。実際の薄膜ＭＩセンサ全体は薄膜セラミックス板、ガラス板のような板状体の上に形成されているが、図１１ではこれを省略して示している。図１１、図１２及び図１３において、１は平面形状が長方形の薄板状に形成された薄膜磁気コアであるＭＩセンサ板である。このＭＩセンサ板としての薄膜磁気コアの形状は、幅２０μｍ、厚さ５μｍ、長さ５００μｍである。該ＭＩセンサ板１の周囲には、絶縁物層２、３を介して、バイアスコイル４と負帰還コイル５が同一方向に且つ交互に巻回されている。図には正確に示してはいないが、これらコイルの巻数は、それぞれ２０ターンである。バイアス用、負帰還用コイルを同一面上に交互に薄膜磁気コアに巻き回わす構造により磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサとしての感度特性の直線性が向上する。バイアスコイル４の両端には、バイアスコイル端子６、７が接続され、負帰還コイル５の両端には、負帰還コイル端子８、９が接続されている。ＭＩセンサ板１の両端には、ＭＩセンサ端子１０、１１が接続されている。これら端子はＡｕ金属薄膜から成り、先端の巾広部は、外部配線用のパッドとなる。なお、１２は、ＭＩセンサ全体を覆う絶縁保護膜である。
【００３３】
薄膜磁気インピーダンス素子を磁気センサとして用いるときは最大感度のところに動作点を持ってくることによりセンサ感度を向上することができる。このため、バイアスコイルに電流を流すことによりバイアス磁界を加え動作点を変えることができ、１．６ｋＡ／ｍのバイアス磁界を薄膜コイルにを用いて磁気コアに印加することにより印加磁界０のところに磁界感度が最大になるようにした。
【００３４】
一方、バイアスコイルを用いて印加磁界０に最大感度を持ってくるように動作点を移動した場合、磁界に対するインピーダンスの変化（出力の変化）の直線性はあまり良くないものとなる。この直線性を改善する方法として出力信号をフィードバックし負帰還コイルを用いて磁界に対する出力の非直線性を補正するだけの磁界を薄膜磁気コアに負帰還磁界として加えることにより出力信号を補正し直線性を得る方法がとられる。図１４にリニア磁界ＭＩセンサの出力検出部の電子回路のブロック図を示す。この回路により動作点を最大感度の点に移動し、出力信号をフィードバックし、薄膜コアに負帰還磁界を加え感度特性の直線性を高めている。
【００３５】
図１５は図１４の回路を用いてバイアスコイル磁界１．６ｋＡ／ｍ、負帰還率５０％の負帰還をかけたときの印加磁界に対する出力電圧の関係を示したものである。ここで通電電流の周波数は２０ＭＨｚであり出力の増幅度は５００倍である。図に示すように±２４０Ａ／ｍの測定磁界内で優れた直線性を示し、かつ、１０-4Ａ／ｍの磁界分解能を示した。これらの結果はリニア磁界センサとして良好な特性である。
【００３６】
以上、本発明を上述の実施の形態により説明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能であり、これらの変形や応用を本発明の範囲から排除するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本願の請求項１乃至９に係る発明では、薄膜磁気インピーダンス素子において、中間に非磁性膜を挿入し磁性薄膜を２層にすることにより、静磁結合により上下の磁性膜の磁化ベクトルが結合し閉じた状態にせしめ、この状態により薄膜の内部磁化エネルギーを最小とし、また、２層構造とした薄膜は１８０°磁区のみにより構成されるようになり、そのＭＩ効果は単層膜に比べて大きくなる。これらのことから高感度の磁気インピーダンス素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、表皮深さδを表す方程式図である。
【図２】図２は、薄膜ＭＩ素子のインピーダンスを表す方程式図である。
【図３】図３は、薄膜ＭＩ素子の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図４】図４は、ΔＭ０の値を示す方程式図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図６】図６は、本発明の他の実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図７】図７は、薄膜ＭＩ素子の通電電流周波数特性図である。
【図８】図８は、薄膜ＭＩ素子の印加磁界に対するインピーダンス変化率を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明のもう一つ他の実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図１０】図１０は、本発明のさらにもう一つ他の実施形態の磁気コア部の磁区構造モデル図である。
【図１１】図１１は、本発明に用いる薄膜磁気インピーダンス素子の構造を模式的に示した正面図である。
【図１２】図１２は、図１のＡ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。
【図１３】図１３は、図１のＣ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。
【図１４】図１４は、本発明に係る薄膜ＭＩ素子を用いた磁気センサの出力検出部の回路ブロック図である。
【図１５】図１５は、図１４の回路における印加磁界に対するセンサ出力を示す特性図である。
【図１６】図１６は、磁性線からなるＭＩ素子を用いた従来の磁気センサの回路ブロック図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す磁性線のインピーダンス変化の印加磁界依存性を示した特性図である。
【符号の説明】
１・・・・・ＭＩセンサ板
２・・・・・絶縁物層
３・・・・・絶縁物層
４・・・・・バイアスコイル
５・・・・・負帰還コイル
６・・・・・バイアスコイル端子
７・・・・・バイアスコイル端子
８・・・・・負帰還コイル端子
９・・・・・負帰還コイル端子
１０・・・・・ＭＩセンサ端子
１１・・・・・ＭＩセンサ端子
１２・・・・・絶縁保護膜
２０・・・・・非磁性基板
Claims (8)
- 非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、
前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有し、
前記積層された磁性膜の厚みが不揃いであることを特徴とする磁気インピーダンス素子。 - 非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、
前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有し、
前記複数枚の磁性膜のうち、奇数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量と、偶数番目のそれぞれの磁性膜の厚みと磁化の大きさの積の合計量がおおむね等しいことを特徴とする磁気インピーダンス素子。 - 非磁性体からなる基板と、該基板上に形成された薄膜磁気コアと、該薄膜磁気コアの長手方向両端に設けられた第一の電極および第二の電極と、を有する磁気インピーダンス素子において、
前記薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を媒介して交互に巻回されるバイアスコイルおよび負帰還コイルを備え、
前記薄膜磁気コアは、間に非磁性薄膜を挟んで積層される複数の磁性膜を有することを特徴とする磁気インピーダンス素子。 - 前記磁性膜間に介在する前記非磁性薄膜は電気伝導体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気インピーダンス素子。
- 前記磁性膜間に介在する前記非磁性薄膜は絶縁体であり、前記積層された磁性膜の両方の端部は両端側でそれぞれ互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気インピーダンス素子。
- 前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、NiFe、CoFe、NiFeP、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeNiのめっき膜により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の磁気インピーダンス素子。
- 前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のアモルファススパッタ膜により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の磁気インピーダンス素子。
- 前記薄膜磁気コアを構成する前記磁性膜は、NiFeスパッタ膜により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の磁気インピーダンス素子。
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