JP2003282995A - Magnetic field detecting element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁界検出素子に関
し、特に、高直線性・低バイアス型磁気インピーダンス
型磁界検出素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic field detection element, and more particularly to a high linearity / low bias type magnetic impedance type magnetic field detection element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】最近の情報機器や計測・制御機器の急速
な発展に伴い、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。例え
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
きている。2. Description of the Related Art With the recent rapid development of information equipment and measurement / control equipment, the demand for a compact, low-cost, high-sensitivity / high-speed response magnetic sensor is increasing. For example, in a hard disk device of an external storage device of a computer, performance has been improved from a bulk type induction type magnetic head to a thin film magnetic head and a magnetoresistive (MR) head.
【０００３】さらに、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、よ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。Further, in a rotary encoder which is a rotation sensor of a motor, the number of magnetic poles of a magnet ring is increased, and a weaker surface magnetic flux can be detected with high sensitivity in place of a magnetoresistive effect (MR) sensor which has been conventionally used. Magnetic sensors are needed.
【０００４】また、非破壊検査や紙幣検査、さらに生体
磁場計測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。There is also an increasing demand for high-sensitivity magnetic sensors that can be used for nondestructive inspection, bill inspection, and biomagnetic field measurement.
【０００５】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。Inductive reproducing magnetic heads and magnetoresistive effects (MR) are used as typical magnetic detecting elements currently used.
There are elements, fluxgate sensors, Hall elements, etc.
【０００６】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
されている（特開平６−１７６９３０号公報、特開平７
−１８１２３９号公報、及び特開平７−３３３３０５号
公報，参照）。Further, recently, a highly sensitive magnetic sensor utilizing the magnetic impedance effect of an amorphous wire has been proposed (JP-A-6-176930 and JP-A-7).
-181239 gazette and Unexamined-Japanese-Patent No. 7-333305 reference).
【０００７】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）。A high-sensitivity magnetic sensor utilizing the magnetic impedance effect of a magnetic thin film has also been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 8-75835, Journal of Japan Society for Applied Magnetics, vol.
20, 553 (1996)).
【０００８】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する。また、小
型化すると、磁気ヘッドと媒体の相対速度が低い場合、
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、強磁性膜による磁気抵抗効果（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。Since the induction type reproducing magnetic head requires a coil winding, the magnetic head itself becomes large. Moreover, if the relative speed between the magnetic head and the medium is low,
There is a problem that the detection sensitivity is significantly reduced. On the other hand, a magnetoresistive (MR) element using a ferromagnetic film detects the magnetic flux itself, not the time change of the magnetic flux, and thus miniaturization of the magnetic head has been promoted.
【０００９】しかし、現在のＭＲ素子の電気抵抗の変化
率は約２％、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％以下と小さい。また、
数％の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は、１６００
Ａ／ｍ以上と大きい。従って、磁気抵抗感度は０．００
１％／（Ａ／ｍ）以下と、低感度である。However, the current MR element has a change rate of electric resistance of about 2%, and even an MR element using a spin valve element has a small change rate of 6% or less at maximum. Also,
The external magnetic field required to obtain a resistance change of several percent is 1600
Greater than A / m. Therefore, the magnetoresistive sensitivity is 0.00
Low sensitivity of 1% / (A / m) or less.
【００１０】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る。Further, recently, the rate of change in magnetic resistance is several tens of percent.
The giant magnetoresistive effect (GMR) due to the artificial lattice showing is shown. However, an external magnetic field of tens of thousands A / m is required to obtain a resistance change of tens of percent.
【００１１】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するため、センサ全体の
寸法を小さくすることが難しく、さらに、消費電力が大
きいという問題点を持つ。A fluxgate sensor, which is a conventional high-sensitivity magnetic sensor, measures magnetism by utilizing the fact that the symmetrical BH characteristics of a high-permeability magnetic core such as ferrite and permalloy are changed by an external magnetic field. It has high resolution and high directivity of ± 1 °. However, in order to increase the detection sensitivity, a large magnetic core is required, which makes it difficult to reduce the size of the entire sensor and further has a problem that the power consumption is large.
【００１２】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
が低い。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。In a magnetic field sensor using a Hall element, when a magnetic field is applied perpendicularly to the surface through which a current flows, an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current and the applied magnetic field, and an electromotive force is induced in the Hall element. It is a sensor that utilizes the phenomenon of The Hall element is advantageous in cost, but has low magnetic field detection sensitivity. Further, since it is composed of a semiconductor such as Si or GaAs, the mobility of electrons or holes changes due to the thermal vibration of the lattice in the semiconductor with respect to the temperature change, so that the temperature characteristic of magnetic field sensitivity is poor. Has the drawback.
【００１３】一方、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。On the other hand, JP-A-6-176930, JP-A-7-181239 and JP-A-7-333305.
As described in the publication, a magneto-impedance element has been proposed to realize a significant improvement in magnetic field sensitivity.
This magneto-impedance element is a magneto-impedance element whose basic principle is to detect only a voltage as a change due to an externally applied magnetic field with respect to a time change of a circumferential magnetic flux generated by applying a time-varying current to a magnetic wire. Is.
【００１４】この磁性線として（ＦｅＣｏＳｉＢ）等、
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、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１０００倍以上である約１００％／Ｏｅの高感度で
変化する。As this magnetic wire, (FeCoSiB), etc.,
An amorphous wire with a zero magnetostriction diameter of about 30 μm (a wire that has been tension-annealed after being drawn) is used. Even a minute wire with a length of about 1 mm, when a high-frequency current of about 1 MHz is applied, the voltage amplitude of the wire is increased. However, it changes at a high sensitivity of about 100% / Oe, which is 1000 times or more that of the MR element.
【００１５】また、特開平８−３２０３６２号公報、特
開平１１−１０９００６号公報に記載されている薄膜型
磁気インピーダンス素子は、基板上にスパッタ法、また
は、めっき法により、磁性体を含む薄膜構造体を形成
し、ここに高周波電流を通電することにより、磁気イン
ピーダンス効果を得ている。The thin-film magneto-impedance elements described in JP-A-8-320362 and JP-A-11-109006 are thin film structures containing a magnetic material on a substrate by a sputtering method or a plating method. A magnetic impedance effect is obtained by forming a body and passing a high frequency current through it.
【００１６】[0016]
【発明が解決しようとする課題】従来の薄膜磁気インピ
ーダンス素子において、素子の動作点を保持するために
外部から与えなければならない磁界（バイアス磁界）が
大きく、電気回路設計が複雑であるとともに、素子駆動
に要する消費電力が大きいというデメリットがあった。In the conventional thin-film magneto-impedance element, the magnetic field (bias magnetic field) that must be applied from the outside in order to maintain the operating point of the element is large, the electric circuit design is complicated, and the element is complicated. There was a disadvantage that the power consumption required for driving was large.
【００１７】そこで、本発明の一技術的課題は、素子イ
ンピーダンス特性の、外部磁界に対し単調減少する部分
が、低磁界側に現われる特性を有する素子を作製するこ
とができ、この部分を、磁界測定に利用することで、素
子駆動消費電力を大幅に増加させることなしに、広い測
定領域を有する素子を作製することができる磁界検出素
子を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to manufacture an element having a characteristic that the portion of the element impedance characteristic that monotonously decreases with respect to the external magnetic field appears on the low magnetic field side. An object of the present invention is to provide a magnetic field detection element that can be used for measurement to manufacture an element having a wide measurement region without significantly increasing element driving power consumption.
【００１８】また、本発明のもう一つの技術的課題は、
外部磁界に対し単調減少する測定領域において、広い直
線領域を確保することが可能であり、広い磁界領域にお
いて、フィードバック回路なしで精度の高い測定ができ
る磁界検出素子を提供することにある。Another technical problem of the present invention is
It is an object of the present invention to provide a magnetic field detection element capable of ensuring a wide linear region in a measurement region that monotonically decreases with respect to an external magnetic field and capable of performing highly accurate measurement in a wide magnetic field region without a feedback circuit.
【００１９】また、本発明のさらにもう一つの技術的課
題は、細線素子であるため、素子インピーダンスを高く
して、駆動電力を小さくでき、装置の小型化に有効であ
る磁界検出素子を提供することにある。Still another technical problem of the present invention is to provide a magnetic field detecting element which can increase element impedance and reduce driving power because it is a thin wire element, which is effective for downsizing of the apparatus. Especially.
【００２０】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明の磁界検出素子
は、薄膜磁気インピーダンス素子における上記デメリッ
トを克服するものである。The magnetic field detecting element of the present invention overcomes the above disadvantages of the thin film magneto-impedance element.
【００２１】具体的には、磁界検出領域である外部磁界
の増加に伴い、素子インピーダンスが減少する領域が、
従来素子のバイアス磁界よりも低い磁界に発生するとい
う、従来に無い新規な素子を実現し、従来素子よりも素
子駆動に要する消費電力を低くした。Specifically, the region where the element impedance decreases with an increase in the external magnetic field, which is the magnetic field detection region, is
We have realized a new element that does not exist in the past, that is generated in a magnetic field lower than the bias magnetic field of the conventional element, and reduced the power consumption required to drive the element compared to the conventional element.
【００２２】また、前記素子は、検出範囲の広域化をも
たらすため、複雑な電気回路による補正なしで、直線性
のよい磁界検出が実現可能である。Further, since the element brings about a wide detection range, it is possible to realize magnetic field detection with good linearity without correction by a complicated electric circuit.
【００２３】本発明は、上記課題を解決するために、
（１）薄膜磁性体に、高周波電源から交流電流を供給
し、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出する磁界
検出素子において、外部磁界の絶対値の増加に対して、
インピーダンスが減少する電気的特性を利用して、磁界
を検出する磁界検出素子であることを特徴している。In order to solve the above problems, the present invention provides
(1) In a magnetic field detection element that supplies a thin film magnetic body with an alternating current from a high frequency power source and detects a change in electrical characteristics according to an external magnetic field, with respect to an increase in the absolute value of the external magnetic field,
It is characterized by being a magnetic field detection element that detects a magnetic field by utilizing the electrical characteristics of which impedance decreases.
【００２４】また、本発明では、（２）上記（１）の薄
膜磁性体において、磁区構造により発現する磁壁の中
で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁が、通電方向に
対して傾斜していることによって、外部磁界の絶対値の
増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少
する電気的特性を示すことを特徴としている。Further, in the present invention, (2) in the thin-film magnetic material according to (1) above, among the domain walls that appear due to the domain structure, the domain walls other than the domain wall generated by the reflux domain are tilted with respect to the energization direction. Therefore, the impedance of the external magnetic field is reduced from zero when the absolute value of the external magnetic field is increased.
【００２５】また、本発明では、（３）上記（１）又は
（２）記載の薄膜磁性体において、磁区構造により発現
する磁壁の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁と
通電方向とのなす角度の小角側が、０°以上３０°以下
であることを特徴としている。Further, in the present invention, (3) in the thin-film magnetic material described in (1) or (2) above, among the domain walls developed by the domain structure, a domain wall other than the domain wall in which the reflux domain is generated, and a current direction It is characterized in that the small angle side of the angle formed by is 0 ° or more and 30 ° or less.
【００２６】また、本発明では、（４）上記（１），
（２），又は（３）記載の薄膜磁性体は、通電方向に垂
直な素子断面の長辺／短辺で定義したアスペクト比と、
素子の幅、膜厚および長さを、所定の値に規定したこと
によって、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界
ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示すこ
とを特徴としている。Further, in the present invention, (4) the above (1),
The thin film magnetic material according to (2) or (3) has an aspect ratio defined by the long side / short side of the element cross section perpendicular to the energization direction,
By defining the width, film thickness, and length of the element to predetermined values, it is characterized by exhibiting electrical characteristics that the impedance decreases from zero external magnetic field with respect to an increase in the absolute value of the external magnetic field.
【００２７】また、本発明では、（５）上記（１）、
（２）、（３）又は（４）記載の薄膜磁性体は、磁性体
薄膜の通電方向に垂直な素子断面のアスペクト比が、３
以上８以下、磁性体薄膜の幅が、５μｍ以上１５μｍ以
下、磁性体薄膜の膜厚が、１．５μｍ以上３．５μｍ以
下、磁性体薄膜の長さが、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下で
あることを特徴としている。Further, in the present invention, (5) above (1),
In the thin film magnetic material described in (2), (3) or (4), the aspect ratio of the element cross section perpendicular to the current flowing direction of the magnetic thin film is 3
8 or more, the width of the magnetic thin film is 5 μm or more and 15 μm or less, the thickness of the magnetic thin film is 1.5 μm or more and 3.5 μm or less, and the length of the magnetic thin film is 0.5 mm or more and 3 mm or less. Is characterized by.
【００２８】また、本発明では、（６）上記（１）、
（２）、（３）、（４）又は（５）記載の薄膜磁性体
は、外部磁界を検出する際に、高周波電源から供給され
る交流電流の周波数が、１０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以
下であることを特徴としている。In the present invention, (6) the above (1),
In the thin film magnetic body according to (2), (3), (4) or (5), the frequency of the alternating current supplied from the high frequency power source is 10 MHz or more and 300 MHz or less when detecting the external magnetic field. It has a feature.
【００２９】さらに、本発明では、（７）上記（１）、
（２）、（３）、（４）、（５）又は（６）記載の薄膜
磁性体は、単層の磁性体で構成される薄膜磁性体、また
は、磁性体と非磁性体を交互に積層した薄膜磁性体であ
ることを特徴としている。Further, in the present invention, (7) above (1),
The thin film magnetic material according to (2), (3), (4), (5) or (6) is a thin film magnetic material composed of a single-layer magnetic material, or alternating magnetic material and non-magnetic material. It is characterized in that it is a laminated thin film magnetic body.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００３１】まず、本発明の原理について説明する。First, the principle of the present invention will be described.
【００３２】ここでは、センサ素子は高周波電流の通電
方向を長手方向、これと直交する方向を幅方向とする。
磁性体は通電する高周波電流により励磁されるが、この
際に重要なのは、通電電流の発生する磁界方向である幅
方向の高周波透磁率である。薄膜幅方向の高周波透磁率
が、外部磁界により変化する現象を、バイアス磁化現象
という。この場合、外部磁界に応じて、センサ素子のイ
ンピーダンスが大きく変化する。磁性薄膜型の磁気イン
ピーダンス素子を構成する際は、このバイアス磁化現象
を発生させるために、検出すべき外部磁界と異なる方向
に磁気異方性を付与することで、この特性を実現してい
る。しかし、この場合、センサ素子の動作点であるバイ
アス磁界は、素子材料に固有の異方性磁界Ｈｋにより規
定され、Ｈｋが大きな材料を用いた場合に、アモルファ
スワイヤ並みの低バイアス素子を実現するのは困難であ
った。In this case, the sensor element has a longitudinal direction in which a high-frequency current is applied and a width direction in a direction orthogonal thereto.
The magnetic substance is excited by a high-frequency current that is conducted. What is important here is the high-frequency magnetic permeability in the width direction, which is the direction of the magnetic field in which the conduction current is generated. A phenomenon in which the high-frequency permeability in the width direction of the thin film changes due to an external magnetic field is called a bias magnetization phenomenon. In this case, the impedance of the sensor element greatly changes according to the external magnetic field. When a magnetic thin film type magneto-impedance element is constructed, this characteristic is realized by giving magnetic anisotropy in a direction different from the external magnetic field to be detected in order to generate this bias magnetization phenomenon. However, in this case, the bias magnetic field, which is the operating point of the sensor element, is defined by the anisotropic magnetic field Hk peculiar to the element material, and when a material having a large Hk is used, a low bias element similar to an amorphous wire is realized. It was difficult.
【００３３】本発明では、磁性体薄膜において、磁区の
傾きを、通電方向と一致しない任意の角度とし、また
は、通電方向に垂直な素子断面のアスペクト比と、素子
の幅、膜厚および長さを、所定の値に限定することで、
外部磁界の絶対値の増加に対して、外部磁界ゼロからイ
ンピーダンスが減少する磁気−インピーダンス素子にお
いて、高い直線性と低いバイアス磁界を実現した。その
条件は、請求項の通りである。In the present invention, in the magnetic thin film, the inclination of the magnetic domain is set to an arbitrary angle that does not match the current-carrying direction, or the aspect ratio of the element cross section perpendicular to the current-carrying direction and the width, thickness and length of the element. Is limited to a predetermined value,
We have realized high linearity and low bias magnetic field in a magneto-impedance element whose impedance decreases from zero external magnetic field to the increase of the absolute value of external magnetic field. The conditions are as in the claims.
【００３４】本発明は、１０ＭＨｚ程度の駆動周波数に
おいても有効であり、広い用途に応用可能である。The present invention is effective even at a driving frequency of about 10 MHz and can be applied to a wide range of purposes.
【００３５】図１は、本発明の実施の形態による磁界検
出素子の磁区構造を示す図である。この図において、１
は薄膜磁性体素子、２は磁区、３は磁壁、４は環流磁
区、５は通電方向、θは磁壁３と通電方向５とのなす角
である。このように、薄膜磁性体素子１の端部に生じる
環流磁区４が生成する磁壁３を省き、薄膜表面の磁壁３
が通電方向５に対してなす角度の小角側を、０°以上３
０°以下とすることにより、素子の動作点となるバイア
ス磁界を低減し、同時に、直線領域を広げ、素子駆動の
ための消費電力が少なく、検出可能磁界領域の広い磁界
検出素子を実現できる。FIG. 1 is a diagram showing a magnetic domain structure of a magnetic field detecting element according to an embodiment of the present invention. In this figure, 1
Is a thin film magnetic element, 2 is a magnetic domain, 3 is a magnetic domain wall, 4 is a free-flowing magnetic domain, 5 is an energizing direction, and θ is an angle between the domain wall 3 and the energizing direction 5. In this way, the domain wall 3 generated by the reflux magnetic domain 4 generated at the end of the thin film magnetic element 1 is omitted, and the domain wall 3 on the thin film surface is omitted.
Is smaller than the energizing direction 5 by 0 ° or more 3
By setting the angle to 0 ° or less, it is possible to reduce the bias magnetic field serving as the operating point of the element, at the same time widen the linear region, reduce power consumption for driving the element, and realize a magnetic field detection element with a wide detectable magnetic field region.
【００３６】また、上記した磁性体単層構造のほかに、
磁性体と非磁性体を交互に積層した構造とすることも可
能である。In addition to the magnetic single layer structure described above,
It is also possible to have a structure in which magnetic bodies and non-magnetic bodies are alternately laminated.
【００３７】図２は、本発明の実施の形態による磁界検
出素子の模式図であり、図２（ａ）は、その斜視図、図
２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、ｗは磁
性膜の幅、ｔは厚さ（膜厚）を夫々表している。FIG. 2 is a schematic diagram of a magnetic field detecting element according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a perspective view thereof, and FIG. 2 (b) is AA of FIG. 2 (a). It is a cross-sectional view, w represents the width of the magnetic film, and t represents the thickness (film thickness), respectively.
【００３８】これらの図において、１１は磁界検出素
子、１２は基板（例えば、ガラス）、１３は、その基板
１２上に形成される磁性膜または、磁性膜と非磁性膜か
らなる積層膜、１４はキャリア電流、１５は外部磁界Ｈ
ｅｘｔ、１６と１７は、１３の両端に設けられた電極パ
ット、１８は高周波電源である。In these figures, 11 is a magnetic field detecting element, 12 is a substrate (eg glass), 13 is a magnetic film formed on the substrate 12, or a laminated film consisting of a magnetic film and a non-magnetic film, 14 Is carrier current, 15 is external magnetic field H
ext, 16 and 17 are electrode pads provided at both ends of 13, and 18 is a high frequency power source.
【００３９】次に、本発明の具体例について説明する。Next, a specific example of the present invention will be described.
【００４０】（例１）磁界検出素子の磁性体材料組成
は、Ｃｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３であり、Ａｒ雰囲気下のＲ
Ｆスパッタ法で、ガラス基板上に成膜後、リフトオフ法
でパターニングした。また、イオンミリング法でのパタ
ーニングも可能である。成膜後に、磁性膜を磁界中熱処
理し、素子幅方向に磁気異方性を付与した。磁界中熱処
理条件は、回転磁界中熱処理（４０ｋＡ／ｍ、４００
℃、２時間）静磁界中熱処理（４０ｋＡ／ｍ、４００
℃、１時間）である。素子の磁界検出特性は、ヘルムホ
ルツコイルで外部磁界Ｈｅｘｔを印加した際のインピー
ダンス変化を測定することで、評価した。インピーダン
ス測定は、ネットワークアナライザ（例えばＨＰ４３９
６Ｂ）を用いて、反射法で行なった。(Example 1) The magnetic material composition of the magnetic field detecting element is Co 85 Nb 12 Zr 3 and R in an Ar atmosphere is used.
The film was formed on the glass substrate by the F sputtering method, and then patterned by the lift-off method. Further, patterning by the ion milling method is also possible. After the film formation, the magnetic film was heat-treated in a magnetic field to impart magnetic anisotropy in the element width direction. The heat treatment conditions in a magnetic field are heat treatment in a rotating magnetic field (40 kA / m, 400
Heat treatment in static magnetic field (40kA / m, 400)
C, 1 hour). The magnetic field detection characteristics of the element were evaluated by measuring the impedance change when the external magnetic field Hext was applied by the Helmholtz coil. Impedance measurement is performed using a network analyzer (eg HP439
6B) was carried out by the reflection method.
【００４１】図３に、寸法が、長さ２ｍｍ、膜厚３．０
μｍ、幅２５μｍの磁界検出素子の磁気−インピーダン
ス特性（絶対値）を示した。キャリア周波数は、９０Ｍ
Ｈｚである。外部磁界の変化に対して、インピーダンス
が、近似的に直線で変化する領域を直線変化領域とい
い、その領域で磁界を検出する。In FIG. 3, the dimensions are 2 mm in length and 3.0 in film thickness.
The magnetic-impedance characteristics (absolute value) of the magnetic field detection element having a width of 25 μm and a width of 25 μm are shown. Carrier frequency is 90M
Hz. A region in which the impedance changes linearly with respect to a change in the external magnetic field is called a linear change region, and the magnetic field is detected in that region.
【００４２】従来、磁界検出には、図３中にＡと示した
インピーダンスが増加する直線変化領域が使われてい
た。本発明では、図３中にＢと示したインピーダンスが
減少する直線変化領域を磁界検出に用いる。インピーダ
ンスが減少する直線変化領域は、増加する直線変化領域
よりも、バイアス磁界が大きいという欠点はあるが、磁
界範囲が広いという長所がある。図３の素子では、バイ
アス磁界は約２倍、直線変化領域は約３倍になってい
る。さらに、磁界検出素子を、請求項２から７に限定す
ることによって、直線変化領域を狭めることなく、バイ
アス磁界を低減することができる。Conventionally, a linear change region in which the impedance increases, which is indicated by A in FIG. 3, has been used for magnetic field detection. In the present invention, the linear change region indicated by B in FIG. 3 where the impedance decreases is used for magnetic field detection. The linear change region in which the impedance decreases has the disadvantage that the bias magnetic field is larger than the linear change region in which the impedance increases, but has the advantage of a wider magnetic field range. In the device of FIG. 3, the bias magnetic field is about twice and the linear change region is about three times. Furthermore, by limiting the magnetic field detecting element to the second to seventh aspects, the bias magnetic field can be reduced without narrowing the linear change region.
【００４３】図４は、本発明の実施例を示す磁界検出素
子の外部磁界Ｈｅｘｔ（１×１０２Ａ／ｍ）に対する、
磁気−インピーダンスの特性図である。素子寸法は、膜
厚２．０μｍ、長さ２ｍｍ、幅１０μｍで、キャリア周
波数は９０ＭＨｚである。この素子の通電方向に対する
磁壁の傾きは、約２０°であり、本発明の請求範囲内
で、外部磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的
特性を持った磁界検出素子が実現している。FIG. 4 shows an external magnetic field Hext (1 × 10 2 A / m) of the magnetic field detecting element according to the embodiment of the present invention.
It is a magnetic-impedance characteristic diagram. The element has a film thickness of 2.0 μm, a length of 2 mm and a width of 10 μm, and a carrier frequency of 90 MHz. The inclination of the domain wall with respect to the energization direction of this element is about 20 °, and within the scope of the claims of the present invention, a magnetic field detecting element having electric characteristics in which impedance decreases from zero external magnetic field is realized.
【００４４】図３の素子と比較すると、直線変化領域の
拡大と同時に、バイアス磁界が低減している。Compared with the element of FIG. 3, the bias magnetic field is reduced at the same time when the linear change region is expanded.
【００４５】図５は、図４と同じ組成、同じ製法の素子
の、キャリア周波数９０ＭＨｚにおける磁気−インピー
ダンス特性である。この素子の寸法は、長さ２ｍｍ、幅
２５μｍ、膜厚２．５μｍである。この素子の通電方向
に対する磁壁の傾きは、約４０°であり、本発明の条件
外である。図４と図５から、本発明の請求範囲内で、イ
ンピーダンスの直線変化領域の拡大と、バイアス磁界の
低減が、有効に実現していることがわかる。FIG. 5 shows magnetic-impedance characteristics at a carrier frequency of 90 MHz for an element having the same composition and the same manufacturing method as in FIG. The dimensions of this element are 2 mm in length, 25 μm in width, and 2.5 μm in film thickness. The inclination of the domain wall with respect to the energization direction of this element is about 40 °, which is outside the conditions of the present invention. From FIGS. 4 and 5, it can be seen that the expansion of the linear change region of the impedance and the reduction of the bias magnetic field are effectively realized within the scope of the claims of the present invention.
【００４６】より広い直線変化領域を得るには、磁壁と
通電方向のなす角度が、２０°以下であることがより好
ましい。In order to obtain a wider linear change region, it is more preferable that the angle formed between the domain wall and the energizing direction is 20 ° or less.
【００４７】（例２）図６は、例２の素子と同組成で、
同条件で作製した素子のキャリア周波数９０ＭＨｚで
の、磁気−インピーダンス特性である。素子の寸法は、
長さ２ｍｍ、幅１５μｍ、膜厚１．５μｍである。長
さ、幅、膜厚、キャリア周波数は、本発明の請求項の範
囲内に入っているが、幅／膜厚で定義したアスペクト比
（＝１０）が範囲外である。図４と図６から、インピー
ダンスの直線変化領域の拡大とバイアス磁界の低減が、
本発明の請求範囲において、有効に実現していることが
わかる。Example 2 FIG. 6 shows the same composition as the device of Example 2,
It is a magnetic-impedance characteristic in 90 MHz of carrier frequencies of the element produced on the same conditions. The dimensions of the element are
The length is 2 mm, the width is 15 μm, and the film thickness is 1.5 μm. The length, width, film thickness and carrier frequency are within the scope of the claims of the present invention, but the aspect ratio (= 10) defined by width / film thickness is outside the range. From FIG. 4 and FIG. 6, the expansion of the linear change area of the impedance and the reduction of the bias magnetic field are
It can be seen that the invention is effectively realized within the scope of the claims of the present invention.
【００４８】幅／膜厚で定義したアスペクト比、素子の
長さ、幅、膜厚およびキャリア周波数のいずれか１つで
も請求項の範囲外の値であると、外部磁界ゼロからイン
ピーダンスが減少する電気的特性を示さず、直線変化領
域は狭く、バイアス磁界は高くなる。If any one of the aspect ratio defined by width / film thickness, the length, width, film thickness and carrier frequency of the device is out of the claimed range, the impedance decreases from zero external magnetic field. It exhibits no electrical characteristics, the linear change region is narrow, and the bias magnetic field is high.
【００４９】断面形状は、製造方法により矩形、台形、
かまぼこ型等になり得るが、いずれの場合も、幅の最大
値と膜厚の最大値により、特性は規定される。The cross-sectional shape is rectangular, trapezoidal,
Although it can be a kamaboko type or the like, in any case, the characteristics are defined by the maximum value of the width and the maximum value of the film thickness.
【００５０】（例３）１．０，１．５，２．０，３．０
μｍの各膜厚において、センサ幅が１０，１５，２０，
２５μｍで、各センサ幅でセンサ長が０．２，０．５，
１，２ｍｍの磁界検出素子を例１と同じ方法で作製し
た。これら、８０形状の素子の磁気インピーダンス特性
を、ネットワークアナライザを用い、反射法で測定し
た。その結果、表１に示した１０種の素子が本発明の範
囲内で、直線変化領域の拡大と、バイアス磁界の提言を
実現している。特に、下記表１の試料２，３，及び４の
素子は、外部磁界の絶対値に対して、外部磁界ゼロから
インピーダンスが減少するため，試料1、５〜１０の素
子よりも直線変化領域が広く、バイアス磁界が小さい。(Example 3) 1.0, 1.5, 2.0, 3.0
At each film thickness of μm, the sensor width is 10, 15, 20,
25 μm, sensor length 0.2, 0.5,
A 1 and 2 mm magnetic field detection element was produced in the same manner as in Example 1. The magnetic impedance characteristics of these 80-shaped elements were measured by a reflection method using a network analyzer. As a result, the ten kinds of elements shown in Table 1 realize the expansion of the linear change region and the proposal of the bias magnetic field within the scope of the present invention. In particular, the elements of Samples 2, 3, and 4 in Table 1 below have a linear change region more than the elements of Samples 1, 5 and 10 because the impedance decreases from zero external magnetic field with respect to the absolute value of the external magnetic field. Wide and small bias field.
【００５１】[0051]
【表１】 [Table 1]
【００５２】尚、上記表１は、８０形状の素子のなか
で、本発明の範囲内で、直線変化領域の拡大とバイアス
磁界の提言を実現している素子の寸法と、キャリア周波
数５０ＭＨｚと９０ＭＨｚのときの直線変化領域とバイ
アス磁界とを示している。Table 1 shows the dimensions of the 80-shaped elements that realize the expansion of the linear variation region and the proposal of the bias magnetic field within the scope of the present invention, and the carrier frequencies of 50 MHz and 90 MHz. The linear change region and the bias magnetic field at the time of are shown.
【００５３】また、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が
可能であり、これらを本発明の範囲から排除するもので
はない。Further, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.
【００５４】[0054]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、以下のような効果を奏することができる。As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
【００５５】（イ）磁気インピーダンス効果を利用した
磁界検出素子について、磁気異方性の容易軸を通電方向
に対し直角方向（幅方向）あるいは通電方向と一致しな
い任意の角度方向とし、さらに通電方向に対する素子断
面アスペクト比（幅／厚さ）を、３以上８以下、磁性体
薄膜の幅を、５μｍ以上１５μｍ以下、磁性体薄膜の膜
厚を、１．５μｍ以上３．５μｍ以下、磁性体薄膜の長
さを、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるように作製す
る。このことにより、素子インピーダンス特性の、外部
磁界に対し単調減少する部分が、低磁界側に現われる特
性を有する素子を作製することができ、この部分を、磁
界測定に利用することで、素子駆動消費電力を大幅に増
加させることなしに、従来に比べて３倍以上広い測定領
域を有する素子を作製することができる。(A) In the magnetic field detecting element utilizing the magnetic impedance effect, the easy axis of magnetic anisotropy is set to the direction perpendicular to the current-carrying direction (width direction) or an arbitrary angle direction that does not match the current-carrying direction, and the current-carrying direction is further set. Element cross-sectional aspect ratio (width / thickness) of 3 or more and 8 or less, magnetic thin film width of 5 μm or more and 15 μm or less, magnetic thin film thickness of 1.5 μm or more and 3.5 μm or less, magnetic thin film Is prepared so that the length is 0.5 mm or more and 3 mm or less. This makes it possible to fabricate an element that has a characteristic that the portion of the element impedance characteristic that decreases monotonically with respect to the external magnetic field appears on the low magnetic field side. It is possible to fabricate an element having a measurement area three times or more wider than the conventional one without significantly increasing the electric power.
【００５６】（ロ）外部磁界に対し単調減少する測定領
域において、従来に比べて、２倍以上広い直線領域を確
保することが可能であり、広い磁界領域において、フィ
ードバック回路なしで精度の高い測定を可能にする。(B) It is possible to secure a linear area that is more than twice as wide as the conventional one in the measurement area that monotonously decreases with respect to the external magnetic field, and to perform a highly accurate measurement in a wide magnetic field area without a feedback circuit. To enable.
【００５７】（ハ）細線素子であるため、素子インピー
ダンスを高くして、駆動電力を小さくできる。また小型
化に有効である。(C) Since it is a thin wire element, the element impedance can be increased and the driving power can be reduced. It is also effective for downsizing.
【図１】本発明の実施の形態による磁界検出素子の磁区
構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a magnetic domain structure of a magnetic field detecting element according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施の形態による磁界検出素子の模式
図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a magnetic field detection element according to an embodiment of the present invention.
【図３】磁界検出素子の外部磁界とインピーダンスの関
係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an external magnetic field of a magnetic field detection element and impedance.
【図４】本発明の例１による磁界検出素子の外部磁界Ｈ
ｅｘｔに対するインピーダンスの特性図である。FIG. 4 is an external magnetic field H of the magnetic field detecting element according to Example 1 of the present invention.
It is a characteristic view of impedance with respect to ext.
【図５】本発明の条件外の磁界検出素子の外部磁界Ｈｅ
ｘｔに対するインピーダンスの特性図である。FIG. 5 is an external magnetic field He of the magnetic field detection element outside the conditions of the present invention.
It is a characteristic view of impedance with respect to xt.
【図６】本発明の例２における、条件外の磁界検出素子
の外部磁界Ｈｅｘｔに対するインピーダンスの特性図で
ある。FIG. 6 is a characteristic diagram of impedance with respect to an external magnetic field Hext of a magnetic field detection element out of the conditions in Example 2 of the present invention.
１ 薄膜磁性体素子
２ 磁区
３ 磁壁
４ 環流磁区
５ 通電方向
θ 磁壁と通電方向とのなす角
１１ 磁界検出素子
１２ 基板（例えば、ガラス）
１３ 磁性膜（または、磁性体と非磁性体からなる積
層膜）
１４ キャリア電流
１５ 外部磁界Ｈｅｘｔ
１６、１７ 電極パッド
１８ 高周波電源DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 thin film magnetic element 2 magnetic domain 3 domain wall 4 recirculation magnetic domain 5 energization direction θ angle between the domain wall and energization direction 11 magnetic field detection element 12 substrate (eg glass) 13 magnetic film (or laminated layer composed of magnetic material and non-magnetic material) Membrane) 14 Carrier current 15 External magnetic field Hext 16, 17 Electrode pad 18 High frequency power supply
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中居 倫夫 宮城県仙台市泉区明通二丁目２番地 宮城 県産業技術総合センター内 (72)発明者 池田 義秋 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 荒井 賢一 宮城県塩竈市南町６番14号 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AC09 AD51 AD63 AD65 BA03 BA15 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Norio Nakai Miyagi, Izumi-ku, Sendai-shi 2-chome 2-chome, Miyagi Prefectural Industrial Technology Center (72) Inventor Yoshiaki Ikeda 6-7-1, Koriyama, Taihaku-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture Tokin Co., Ltd. (72) Inventor Kenichi Arai 6-14 Minamimachi, Shiogama City, Miyagi Prefecture F term (reference) 2G017 AA01 AC09 AD51 AD63 AD65 BA03 BA15
Claims (7)
を供給し、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出す
る磁界検出素子において、外部磁界の絶対値の増加に対
して、インピーダンスが減少する電気的特性を利用し
て、磁界を検出するように構成したことを特徴とする磁
界検出素子。1. A magnetic field detecting element for detecting a change in electrical characteristics according to an external magnetic field by supplying an alternating current to a thin film magnetic body from a high frequency power source, and the impedance of the magnetic field detecting element increases with an increase in the absolute value of the external magnetic field. A magnetic field detecting element, characterized in that it is configured to detect a magnetic field by utilizing a decreasing electrical characteristic.
前記薄膜磁性体において、磁区構造により発現する磁壁
の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁が、通電方
向に対して傾斜していることによって、外部磁界の絶対
値の増加に対して、外部磁界ゼロからインピーダンスが
減少する電気的特性を示すことを特徴とする磁界検出素
子。2. The magnetic field detecting element according to claim 1,
In the thin-film magnetic body, among the domain walls developed by the magnetic domain structure, the domain walls other than the domain wall generated by the reflux domain are inclined with respect to the conduction direction, so that the absolute value of the external magnetic field increases, A magnetic field detection element characterized by exhibiting electrical characteristics in which impedance decreases from zero external magnetic field.
おいて、前記薄膜磁性体において、磁区構造により発現
する磁壁の中で、還流磁区が生成する磁壁以外の磁壁と
通電方向とのなす角度の小角側が、０°以上３０°以下
であることを特徴とする磁界検出素子。3. The magnetic field detecting element according to claim 1 or 2, wherein in the thin film magnetic body, among the magnetic domain walls developed by a magnetic domain structure, an angle between a magnetic domain wall other than a magnetic domain wall generated by a reflux magnetic domain and an energization direction is defined. A magnetic field detecting element characterized in that the small angle side is 0 ° or more and 30 ° or less.
の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、通電方向
に垂直な素子断面の長辺／短辺で定義したアスペクト比
と、素子の幅、膜厚および長さを、所定の値に規定した
ことによって、外部磁界の絶対値の増加に対して、外部
磁界ゼロからインピーダンスが減少する電気的特性を示
すことを特徴とする磁界検出素子。4. The magnetic field detecting element according to claim 1, wherein the thin-film magnetic material has an aspect ratio defined by a long side / short side of a cross section of the element perpendicular to the energization direction. By defining the width, film thickness and length of the element to predetermined values, it exhibits electrical characteristics that the impedance decreases from zero external magnetic field with respect to an increase in the absolute value of the external magnetic field. Magnetic field detection element.
の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、磁性体薄
膜の通電方向に垂直な素子断面のアスペクト比が、３以
上８以下、磁性体薄膜の幅が、５μｍ以上１５μｍ以
下、磁性体薄膜の膜厚が、１．５μｍ以上３．５μｍ以
下、磁性体薄膜の長さが、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下で
あることを特徴とする磁界検出素子。5. The magnetic field detecting element according to claim 1, wherein the thin film magnetic body has an aspect ratio of a device cross section perpendicular to a current-carrying direction of the magnetic thin film of 3 or more. The width of the magnetic thin film is 5 μm or more and 15 μm or less, the thickness of the magnetic thin film is 1.5 μm or more and 3.5 μm or less, and the length of the magnetic thin film is 0.5 mm or more and 3 mm or less. And magnetic field detection element.
の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、外部磁界
を検出する際に、高周波電源から供給される交流電流の
周波数が、１０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下であること
を特徴とする磁界検出素子。6. The magnetic field detecting element according to claim 1, wherein the thin-film magnetic body has a frequency of an alternating current supplied from a high frequency power source when detecting an external magnetic field. A magnetic field detection element having a frequency of 10 MHz or more and 300 MHz or less.
の磁界検出素子において、前記薄膜磁性体は、単層の磁
性体で構成される薄膜磁性体、または、磁性体と非磁性
体を交互に積層した薄膜磁性体であることを特徴とする
磁界検出素子。7. The magnetic field detecting element according to claim 1, wherein the thin film magnetic body is a thin film magnetic body composed of a single-layer magnetic body, or a non-magnetic body. A magnetic field detecting element, which is a thin film magnetic body in which magnetic bodies are alternately laminated.
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