JP2021105576A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサの出力におけるＳＮ比の低下を抑制する。【解決手段】磁気センサは、非磁性の基板と、長手方向と短手方向とを有し、長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子３１とを備え、感受素子３１は、複数の軟磁性体層１０５ａ〜１０５ｄと、非磁性体から構成され複数の軟磁性体層１０５ａ〜１０５ｄの間に積層される複数の非磁性体層１０６ａ〜１０６ｃとを有し、それぞれの非磁性体層１０６ａ〜１０６ｃを挟んで対向する軟磁性体層１０５ａ〜１０５ｄが反強磁性結合している。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサに関する。

公報記載の従来技術として、非磁性基板上に形成された硬磁性体膜からなる薄膜磁石と、前記薄膜磁石の上を覆う絶縁層と、前記絶縁層上に形成された一軸異方性を付与された一個または複数個の長方形状の軟磁性体膜からなる感磁部とを備えた磁気インピーダンス効果素子が存在する（特許文献１参照）。

特開２００８−２４９４０６号公報

磁気インピーダンス効果素子として軟磁性体層を有する感受素子を用いた磁気センサでは、感受素子の積層構造によっては、磁気センサからの出力における信号（Signal）と雑音（Noise）との比であるＳＮ比が低下してしまうことがあった。
本発明は、磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサの出力におけるＳＮ比の低下を抑制することを目的とする。

本発明が適用される磁気センサは、非磁性の基板と、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子とを備え、前記感受素子は、複数の軟磁性体層と、非磁性体から構成され複数の当該軟磁性体層の間に積層される複数の非磁性体層とを有し、それぞれの当該非磁性体層を挟んで対向する当該軟磁性体層が反強磁性結合している。
ここで、それぞれの前記非磁性体層は、ＲｕまたはＲｕ合金により構成されることを特徴とすることができる。
また、それぞれの前記非磁性体層は、厚さが０．６ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の範囲であることを特徴とすることができる。
また、前記感受素子は、前記軟磁性体層を当該軟磁性体層の積層方向から見た場合に、還流磁区が形成されていないことを特徴とすることができる。

本発明によれば、磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサの出力におけるＳＮ比の低下を抑制することができる。

（ａ）〜（ｂ）は、本実施の形態が適用される磁気センサの一例を説明する図である。 本実施の形態が適用される感受素子の構成を説明する図である。 磁気センサの感受部における感受素子の長手方向に印加された磁界と感受部のインピーダンスとの関係を説明する図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来の磁気センサにおいて、感受素子に印加される磁界Ｈの強さと、感受素子における磁区の変化との関係を説明するための図である。 感受素子に印加される磁界の強さと、感受素子における磁化の強さとの関係を説明するための図である。 図２に示した積層構造を有する本実施の形態が適用される感受素子の磁区の状態を撮影して得た写真である。 （ａ）〜（ｂ）は、従来の感受素子の磁区の状態を撮影して得た写真である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）〜（ｂ）は、本実施の形態が適用される磁気センサ１の一例を説明する図である。図１（ａ）は、磁気センサ１の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線での断面図である。
図１（ｂ）に示すように、本実施の形態が適用される磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に設けられた硬磁性体（硬磁性体層１０３）で構成された薄膜磁石２０と、薄膜磁石２０に対向して積層され、軟磁性体（軟磁性体層１０５）および非磁性体（非磁性体層１０６、後述する図２参照）を含んで構成されて磁場を感受する感受部３０とを備える。
磁気センサ１の断面構造については、後に詳述する。

ここで硬磁性体とは、外部磁界によって磁化されると、外部磁界を取り除いても磁化された状態が保持される、いわゆる保磁力の大きい材料である。一方、軟磁性体とは、外部磁界によって容易に磁化されるが、外部磁界を取り除くと速やかに磁化がないか又は磁化が小さい状態に戻る、いわゆる保磁力の小さい材料である。

なお、本明細書においては、磁気センサ１を構成する要素（薄膜磁石２０など）を二桁の数字で表し、要素に加工される層（硬磁性体層１０３など）を１００番台の数字で表す。そして、要素の数字に対して、要素に加工される層の番号を（ ）内に表記する場合がある。例えば薄膜磁石２０の場合、薄膜磁石２０（硬磁性体層１０３）と表記する。図においては、２０（１０３）と表記する。他の場合も同様である。

図１（ａ）により、磁気センサ１の平面構造を説明する。磁気センサ１は、一例として四角形の平面形状を有する。ここでは、磁気センサ１の最上部に形成された感受部３０およびヨーク４０を説明する。
感受部３０は、複数の感受素子３１と、隣接する感受素子３１をつづら折りに直列接続する接続部３２と、電流供給のための電線が接続される端子部３３とを備える。図１（ａ）に示す磁気センサ１の感受部３０では、４個の感受素子３１が、長手方向が並列するように配置されている。この感受素子３１が、磁気インピーダンス効果素子である。
感受素子３１は、例えば、長手方向の長さが１ｍｍ〜２ｍｍ、短手方向の幅が５０μｍ〜１５０μｍである。また、隣接する感受素子３１同士の間隔は、５０μｍ〜１５０μｍである。

接続部３２は、隣接する感受素子３１の端部間に設けられ、隣接する感受素子３１をつづら折りに直列接続する。図１（ａ）に示す磁気センサ１では、４個の感受素子３１が並列に配置されているため、接続部３２は３個ある。接続部３２の数は、感受素子３１の数によって異なる。例えば、感受素子３１が３個であれば、接続部３２は２個である。また、感受素子３１が１個であれば、接続部３２を備えない。なお、接続部３２の幅は、電圧印加部３により感受部３０に印加するパルス電圧の大きさ等によって設定すればよい。例えば、接続部３２の幅は、感受素子３１と同じであってもよい。

端子部３３は、接続部３２で接続されていない感受素子３１の端部（２個）にそれぞれ設けられている。端子部３３は、電線を接続しうる大きさであればよい。なお、本実施の形態の感受部３０は、感受素子３１が４個であるため、２個の端子部３３は、図１（ａ）において左側に設けられている。感受素子３１の数が奇数の場合には、２個の端子部３３を左右に分けて設ければよい。

さらに、磁気センサ１は、感受素子３１の長手方向の端部に対向して設けられたヨーク４０を備える。ここでは、感受素子３１の長手方向の両端部に対向してそれぞれ設けられた２個のヨーク４０ａ、４０ｂを備える。なお、ヨーク４０ａ、４０ｂをそれぞれ区別しない場合は、ヨーク４０と表記する。ヨーク４０は、感受素子３１の長手方向の端部に磁力線を誘導する。このため、ヨーク４０は、磁力線が透過しやすい軟磁性体（軟磁性体層１０５）で構成されている。なお、感受素子３１の長手方向に磁力線が十分透過する場合には、ヨーク４０を備えなくてもよい。

以上のことから、磁気センサ１の大きさは、平面形状において数ｍｍ角である。なお、磁気センサ１の大きさは、他の値であってもよい。

次に、図１（ｂ）により、磁気センサ１の断面構造を説明する。磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３（薄膜磁石２０）、誘電体層１０４、軟磁性体層１０５と非磁性体層１０６とからなる感受部３０、および軟磁性体層１０５からなるヨーク４０が、この順に配置（積層）されて構成されている。

基板１０は、非磁性体からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキを施した金属等の金属基板等が挙げられる。
密着層１０１は、基板１０に対する制御層１０２の密着性を向上させるための層である。密着層１０１としては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金を用いるのがよい。Ｃｒ又はＮｉを含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＴａ、ＮｉＴａ等が挙げられる。密着層１０１の厚さは、例えば５ｎｍ〜５０ｎｍである。なお、基板１０に対する制御層１０２の密着性に問題がなければ、密着層１０１を設けることを要しない。なお、本明細書においては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金の組成比を示さない。以下同様である。

制御層１０２は、硬磁性体層１０３で構成される薄膜磁石２０の磁気異方性が膜の面内方向に発現しやすいように制御する層である。制御層１０２としては、Ｃｒ、Ｍｏ若しくはＷ又はそれらを含む合金（以下では、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金と表記する。）を用いるのがよい。制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＭｏ、ＣｒＶ、ＣｒＷ等が挙げられる。制御層１０２の厚さは、例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。

薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３は、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ又はＰｔのいずれか一方又は両方を含む合金（以下では、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いることがよい。薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＮｉＣｒ、ＣｏＣｒＰｔＢ等が挙げられる。なお、Ｆｅが含まれていてもよい。硬磁性体層１０３の厚さは、例えば１μｍ〜３μｍである。

制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金は、ｂｃｃ（body-centered cubic（体心立方格子））構造を有する。よって、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体（硬磁性体層１０３）は、ｂｃｃ構造のＣｒ等を含む合金で構成された制御層１０２上において結晶成長しやすいｈｃｐ（hexagonal close-packed（六方最密充填））構造であるとよい。ｂｃｃ構造上にｈｃｐ構造の硬磁性体層１０３を結晶成長させると、ｈｃｐ構造のｃ軸が面内に向くように配向しやすい。よって、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０が面内方向に磁気異方性を有するようになりやすい。なお、硬磁性体層１０３は結晶方位の異なる集合からなる多結晶であり、各結晶が面内方向に磁気異方性を有する。この磁気異方性は結晶磁気異方性に由来するものである。
なお、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金及び薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金の結晶成長を促進するために、基板１０を１００℃〜６００℃に加熱するとよい。この加熱により、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金が結晶成長しやすくなり、ｈｃｐ構造を持つ硬磁性体層１０３が面内に磁化容易軸を持つように結晶配向されやすくなる。つまり、硬磁性体層１０３の面内に磁気異方性が付与されやすくなる。

誘電体層１０４は、非磁性の誘電体で構成され、薄膜磁石２０と感受部３０との間を電気的に絶縁する。誘電体層１０４を構成する誘電体としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物、又は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等の窒化物等が挙げられる。また、誘電体層１０４の厚さは、例えば０．１μｍ〜３０μｍである。

感受部３０のそれぞれの感受素子３１は、３層以上の軟磁性体層１０５と、２層以上の（すなわち、複数の）非磁性体層１０６とが交互に積層されて構成される。図２は、本実施の形態が適用される感受素子３１の構成を説明する図であって、図１（ｂ）に示した磁気センサ１における感受素子３１の拡大断面図である。
図２に示す例では、感受素子３１は、４層の軟磁性体層１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄと、３層の非磁性体層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃとが交互に積層されている。なお、本実施の形態の説明において、４層の軟磁性体層１０５ａ〜１０５ｄおよび３層の非磁性体層１０６ａ〜１０６ｃを互いに区別しない場合には、それぞれ、軟磁性体層１０５および非磁性体層１０６と表記する。
また、図２に示すように、感受素子３１の最下層および最上層は、軟磁性体層１０５により構成されている。言い換えると、感受素子３１では、複数の軟磁性体層１０５の間に、非磁性体層１０６が積層されている。
本実施の形態の磁気センサ１では、効果を実現するためには、軟磁性体層１０５の数は３層以上必要である。また、感受素子３１の厚さや製造コストの観点からは、軟磁性体層１０５の数は２０層以下であることが好ましい。

感受素子３１では、非磁性体層１０６を挟んで対向する軟磁性体層１０５同士が、非磁性体層１０６の作用により反強磁性結合（ＡＦＣ：Anti-Ferro-Coupling）している。より具体的には、感受素子３１では、非磁性体層１０６ａを挟んで対向する軟磁性体層１０５ａと軟磁性体層１０５ｂとが反強磁性結合し、非磁性体層１０６ｂを挟んで対向する軟磁性体層１０５ｂと軟磁性体層１０５ｃとが反強磁性結合し、非磁性体層１０６ｃを挟んで対向する軟磁性体層１０５ｃと軟磁性体層１０５ｄとが反強磁性結合している。

軟磁性体層１０５としては、Ｃｏを主成分とした合金に高融点金属Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ等を添加したアモルファス合金（以下では、軟磁性体層１０５を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いるのがよい。軟磁性体層１０５を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＦｅＴａ、ＣｏＷＺｒ等が挙げられる。
また、それぞれの軟磁性体層１０５の厚さは、１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲とすることができ、１０ｎｍ以上１２５ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。

非磁性体層１０６としては、非磁性体層１０６を挟んで対向する軟磁性体層１０５を反強磁性結合させる作用を有する非磁性の遷移金属を用いることができ、具体的には、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｃｕ等の金属やこれらを含む合金が挙げられ、ＲｕまたはＲｕ合金を用いることが好ましい。
また、それぞれの非磁性体層１０６の厚さは、非磁性体層１０６を構成する材料によっても異なるが、Ｒｕを用いる場合には、０．６ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の範囲とすることができ、０．８ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。非磁性体層１０６の厚さがこの範囲を外れる場合、非磁性体層１０６を挟んで対向する軟磁性体層１０５同士の反強磁性結合エネルギーが弱くなる場合がある。この場合、感受素子３１に後述する還流磁区が形成されやすくなる。

そして、感受素子３１は、長手方向に交差する方向、例えば長手方向に直交する短手方向（すなわち、感受素子３１の幅方向）に、一軸磁気異方性が付与されている。なお、長手方向に交差する方向とは、長手方向に対して４５°を超えた角度を有すればよい。

図１（ａ）、（ｂ）に戻り、接続部３２および端子部３３を構成する導電体層１０７は、導電性に優れた導電体であればよく、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ等が用いられるが特に限定されるものではない。また、接続部３２および端子部３３を、感受素子３１と一体に形成される軟磁性体層１０５と非磁性体層１０６とにより構成してもよい。

本実施の形態の磁気センサ１では、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、および誘電体層１０４は、平面形状が四角形（図１参照）になるように加工されている。そして、露出した側面のうち、対向する２つの側面において、薄膜磁石２０がＮ極（図１（ｂ）における（Ｎ））およびＳ極（図１（ｂ）における（Ｓ））となっている。なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、感受部３０の感受素子３１の長手方向に向くようになっている。ここで、長手方向を向くとは、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度が４５°未満であることをいう。なお、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度は、小さいほどよい。

磁気センサ１において、薄膜磁石２０のＮ極から出た磁力線は、一旦磁気センサ１の外部に出る。そして、一部の磁力線が、ヨーク４０ａを介して感受素子３１を透過し、ヨーク４０ｂを介して再び外部に出る。そして、感受素子３１を透過した磁力線が透過しない磁力線とともに薄膜磁石２０のＳ極に戻る。つまり、薄膜磁石２０は、感受素子３１の長手方向に磁界（後述するバイアス磁界Ｈｂ）を印加する。
なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とをまとめて両磁極と表記し、Ｎ極とＳ極とを区別しない場合は磁極と表記する。

なお、図１（ａ）に示すように、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）は、基板１０の表面側から見た形状が、感受部３０に近づくにつれて狭くなっていくように構成されている。これは、感受部３０に磁界を集中させる（磁力線を集める）ためである。つまり、感受部３０における磁界を強くして感度のさらなる向上を図っている。なお、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）の感受部３０に対向する部分の幅を狭くしなくてもよい。

ここで、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）と感受部３０との間隔は、例えば１μｍ〜１００μｍであればよい。

（磁気センサ１の作用）
続いて、磁気センサ１の作用について説明する。図３は、磁気センサ１の感受部３０における感受素子３１の長手方向に印加された磁界と感受部３０のインピーダンスとの関係を説明する図である。図３において、横軸が磁界Ｈ、縦軸がインピーダンスＺである。感受部３０のインピーダンスＺは、２個の端子部３３間に高周波電流を流して測定される。

図３に示すように、感受部３０のインピーダンスＺは、感受素子３１の長手方向に印加する磁界Ｈが大きくなるにしたがい大きくなる。しかし、印加する磁界Ｈが感受素子３１の異方性磁界Ｈｋより小さい範囲において、磁界Ｈの変化量ΔＨに対してインピーダンスＺの変化量ΔＺが急峻な部分（ΔＺ／ΔＨが大きい）を用いれば、磁界Ｈの微弱な変化をインピーダンスＺの変化量ΔＺとして取り出すことができる。図３では、ΔＺ／ΔＨが大きい磁界Ｈの中心を磁界Ｈｂとして示している。つまり、磁界Ｈｂの近傍（図３で矢印で示す範囲）における磁界Ｈの変化量（ΔＨ）が高精度に測定できる。磁界Ｈｂは、バイアス磁界と呼ばれることがある。

（従来の磁気センサにおいて生じうる課題）
ところで、磁気インピーダンス効果素子として感受素子３１を備える従来の磁気センサでは、感受素子３１の積層構造によっては、磁気センサからの出力における信号（Signal）と雑音（Noise）との比であるＳＮ比が低下してしまう場合がある。例えば、感受素子３１が１層の軟磁性体層から構成される場合や、２層の軟磁性体層の間に１層の非磁性体層が積層される場合、ＳＮ比が低下してしまう場合がある。これは、感受素子３１に磁化の向きが環状を呈する還流磁区（詳細については後述する。）が形成され、磁界Ｈｂの近傍において、磁界Ｈの変化に伴って還流磁区を構成する磁壁が移動することによるものと推測される。
以下、感受素子３１に形成される還流磁区によって磁気センサのＳＮ比が低下する現象について、具体的に説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、従来の磁気センサにおいて、感受素子３１に印加される磁界Ｈの強さと、感受素子３１における磁区の変化との関係を説明するための図である。なお、ここでは、磁界Ｈが０である初期状態において、既に、感受素子３１の短手方向に一軸磁気異方性が付与されているものとする。

図４（ａ）は、磁界Ｈが０に近い非常に弱い状態（「初透磁率範囲」と称する、詳細は後述する）における、感受素子３１の磁区構造の一例を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す状態よりも磁界Ｈを強くした状態（「不可逆磁壁移動範囲」と称する、詳細は後述する）における、感受素子３１の磁区構造の一例を示している。図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す状態よりも磁界Ｈを強くした状態（「回転磁化範囲」と称する、詳細は後述する）における、感受素子３１の磁区構造の一例を示している。図４（ｄ）は、図４（ｃ）に示す状態よりも磁界Ｈを強くした状態（「飽和」と称する、詳細は後述する）における、感受素子３１の磁区構造の一例を示している。

図５は、感受素子３１に印加される磁界の強さと、感受素子３１における磁化の強さとの関係を説明するための図である。図５において、横軸は磁界Ｈ（Ｏｅ）であり、縦軸は磁化Ｍ（ａ．ｕ．）である。なお、図５には、これら磁界Ｈおよび磁化Ｍと、上記「初透磁率範囲」、「不可逆磁壁移動範囲」、「回転磁化範囲」および「飽和」との関係も示されている。

外部から感受素子３１に印加される磁界Ｈが、０から磁壁移動磁界Ｈｗ（詳細は後述する）に至るまでの範囲を、「初透磁率範囲」という。
初透磁率範囲において、感受素子３１には、それぞれの磁化Ｍの向きが異なる複数の磁区が形成されている。より具体的に説明すると、感受素子３１は、磁化Ｍの向きが磁化容易軸方向（短手方向）を向く第１の磁区Ｄ１および第２の磁区Ｄ２と、磁化Ｍの向きが磁化困難軸方向（長手方向）を向く第３の磁区Ｄ３および第４の磁区Ｄ４とを有している。このとき、第１の磁区Ｄ１および第２の磁区Ｄ２は互いに逆向きであり、第３の磁区Ｄ３および第４の磁区Ｄ４も互いに逆向きである。そして、これら４つの磁区は、図中時計回り方向に、「第１の磁区Ｄ１」→「第３の磁区Ｄ３」→「第２の磁区Ｄ２」→「第４の磁区Ｄ４」→「第１の磁区Ｄ１」となるように循環して配置される。その結果、これら４つの磁区は、全体としてみたときに、磁化Ｍの向きが環状を呈する還流磁区を形成している。

また、マクロ的にみれば、感受素子３１では、複数の還流磁区が長手方向に沿って並べて配置されている。そして、各還流磁区では、上述した磁化容易軸と磁化困難軸との関係に基づき、磁化容易軸に沿う第１の磁区Ｄ１および第２の磁区Ｄ２の各面積が、磁化困難軸に沿う第３の磁区Ｄ３および第４の磁区Ｄ４の各面積よりも大きくなっている。

そして、初透磁率範囲では、磁界Ｈの変化に対して各還流磁区を構成する各磁区がそのままの状態に維持される。換言すれば、磁界Ｈが０〜磁壁移動磁界Ｈｗにある場合、磁界Ｈが増加したとしても、図４（ａ）に示す磁区構造は変化しないままである。

外部から感受素子３１に印加される磁界Ｈが、磁壁移動磁界Ｈｗから磁化回転磁界Ｈｒ（詳細は後述する）に至るまでの範囲を、「不可逆磁壁移動範囲」という。
磁界Ｈが、感受素子３１を構成する軟磁性体層１０５の特性（材料、構造、寸法など）に基づいて定まる磁壁移動磁界Ｈｗを超えると、各還流磁区では、隣接する磁区同士の間に存在する磁壁の位置が磁界Ｈの作用に伴って移動する、磁壁移動が生じる。このとき、各還流磁区では、磁界Ｈと磁化Ｍの向きとが同じ第４の磁区Ｄ４と、第４の磁区Ｄ４に隣接する第１、第２の磁区Ｄ１、Ｄ２との間に存在する磁壁が、第４の磁区Ｄ４の面積を増加させる側に移動する。また、磁界Ｈと磁化Ｍの向きとが逆の第３の磁区Ｄ３と、第３の磁区Ｄ３に隣接する第１、第２の磁区Ｄ１、Ｄ２との間に存在する磁壁が、第３の磁区Ｄ３の面積を減少させる側に移動する。その結果、第４の磁区Ｄ４の面積は、図４（ａ）に示す初透磁率範囲のときよりも増加し、残りの第１の磁区Ｄ１〜第３の磁区Ｄ３の各面積は、初透磁率範囲のときよりも減少する。

また、不可逆磁壁移動範囲における磁壁の移動は、磁界Ｈの増加に伴って不連続に生じる。その結果、磁界Ｈに対する感受素子３１全体での磁化Ｍの変化は、図５に要部を拡大して示すように、直線状や曲線状ではなく、階段状（ギザギザ状）となる。なお、このような磁界Ｈと磁化Ｍとの関係は、バルクハウゼン効果と呼ばれている。

そして、不可逆磁壁移動範囲では、磁界Ｈの変化に対して各還流磁区を構成する各磁区の面積比が徐々に変化していく状態が続く。より具体的に説明すると、磁界Ｈが磁壁移動磁界Ｈｗ〜磁化回転磁界Ｈｒにある場合、磁界Ｈの増加に伴って、第４の磁区Ｄ４の面積は漸次増加していき、第１の磁区Ｄ１〜第３の磁区Ｄ３の各面積は漸次減少していく。

外部から印加される磁界Ｈが、磁化回転磁界Ｈｒから異方性磁界Ｈｋに至るまでの範囲を、「回転磁化範囲」という。
磁界Ｈが、感受素子３１を構成する軟磁性体層１０５の特性（材料、構造、寸法など）に基づいて定まる磁化回転磁界Ｈｒを超えると、各還流磁区では、隣接する磁区同士の間に存在する磁壁の位置が略固定された状態で、磁化Ｍの向きが磁界Ｈの向きとは異なる第１〜第３の磁区Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれにおいて、磁化Ｍの向きが磁界Ｈの向きと同じ側を向くように徐々に回転していく、磁化回転が生じる。このとき、第４の磁区Ｄ４は、自身の磁化の向きが既に磁界Ｈの向きと一致していることから、そのままの状態を維持する。

そして、回転磁化範囲では、磁界Ｈの変化に対して各還流磁区を構成する各磁区の面積比はほぼ変わらない一方、第１〜第３の磁区Ｄ１〜Ｄ３の磁化Ｍの向きが徐々に変化していく状態が続く。より具体的に説明すると、磁界Ｈが磁化回転磁界Ｈｒ〜異方性磁界Ｈｋにある場合、磁界Ｈの増加に伴って、第４の磁区Ｄ４の磁化Ｍの向きは変わらないものの、他の第１〜第３の磁区Ｄ１〜Ｄ３の各磁化Ｍの向きは磁界Ｈの向きと一致する側に向かって徐々に回転していく。

ただし、回転磁化範囲では、第１〜第３の磁区Ｄ１〜Ｄ３における各磁化Ｍの向きの回転が連続的に生じる。したがって、回転磁化範囲では、磁界Ｈに対する感受素子３１全体での磁化Ｍの変化は、図５に示したように曲線状となる。そして、回転磁化範囲では、磁界Ｈの増加に対する感受素子３１全体での磁化Ｍの増加は、磁界Ｈの増加に伴って鈍化し、最大値となる異方性磁界Ｈｋの近傍において略平坦となる。

外部から印加される磁界Ｈが、異方性磁界Ｈｋを超えた領域を、「飽和」という。
磁界Ｈが、上記異方性磁界Ｈｋを超えると、各還流磁区における磁化Ｍの向きが、磁界Ｈの向きすなわち第４の磁区Ｄ４における磁化Ｍの向きに揃う。その結果として、隣接する磁区同士の間に存在していた磁壁が消滅し、感受素子３１が１つの磁区（単磁区）で形成されることになる。

また、飽和では、複数の還流磁区を備えた構成から単磁区を備えた構成へと磁区構造が変化したことに伴い、磁界Ｈの変化に対して感受素子３１全体の磁化Ｍが変化しなくなって、略一定の値をとるようになる。

通常、磁気センサでは、バイアス磁界Ｈｂの大きさを、磁界Ｈの変化量ΔＨに対する磁化Ｍの変化量ΔＭが大きい（すなわち、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺが大きい）不可逆磁壁移動範囲に設定する。そして、不可逆磁壁移動範囲では、感受素子３１に還流磁区が形成されていると、磁界Ｈの変化に伴って、還流磁区を構成する磁壁が階段状に不連続に移動するバルクハウゼン効果が生じる。この感受素子３１における磁壁の不連続な移動がノイズとなり、磁気センサから得られる出力におけるＳＮ比が低下するものと推測される。
したがって、磁壁の不連続な移動に伴うノイズを低減し、磁気センサから得られる出力におけるＳＮ比の低下を抑制するためには、感受素子３１に形成される磁区を大きくし、感受素子３１に還流磁区が形成されないようにすることが好ましい。

（本実施の形態の感受素子３１の磁区構造）
これに対し、本実施の形態の磁気センサ１では、上述したように、感受素子３１を３層以上の軟磁性体層１０５と、２層以上の非磁性体層１０６とが交互に積層された構造とすることにより、感受素子３１に還流磁区が形成されにくくしている。
本実施の形態の磁気センサ１は、磁界Ｈの変化量ΔＨに対して磁化Ｍが変化するのではなく、透磁率μが変化する。透磁率μの変化によって表皮深さ（δ＝√（２ρ／ωμ））が変化し、その結果、インピーダンスＺが変化する。
以下、本実施の形態が適用される感受素子３１の磁区構造について、従来の感受素子３１と比較しながら説明する。

図６は、図２に示した積層構造を有する本実施の形態が適用される感受素子３１の磁区の状態を撮影して得た写真である。また、図７（ａ）〜（ｂ）は、従来の感受素子３１の磁区の状態を撮影して得た写真である。ここで、図６および図７（ａ）〜（ｂ）は、感受素子３１に対して＋０．５Ｏｅの磁界Ｈを印加したときの磁区の状態を示している。また、図６および図７（ａ）〜（ｂ）は、ネオアーク社製のNeomagnesia Liteを用いて撮影したものである。
図６では、感受素子３１を構成するそれぞれの軟磁性体層１０５の膜厚を０．２５μｍ、それぞれの非磁性体層１０６の厚さを１．０ｎｍとしている。図７（ａ）は、従来の感受素子３１として、感受素子３１が厚さ１．０μｍの１層の軟磁性体層１０５により構成されている場合の磁区の状態を示している。また、図７（ｂ）は、従来の感受素子３１として、感受素子３１が厚さ０．５μｍの２層の軟磁性体層１０５の間に、厚さ１．０ｎｍの１層の非磁性体層１０６が積層されている場合の磁区の状態を示している。また、図６および図７（ａ）〜（ｂ）に示す感受素子３１では、軟磁性体層１０５としては、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃を用い、非磁性体層１０６としては、Ｒｕを用いている。

図７（ａ）〜（ｂ）に示すように、感受素子３１が１層の軟磁性体層１０５により構成されている場合や、感受素子３１が２層の軟磁性体層１０５の間に１層の非磁性体層１０６が積層されている場合では、それぞれが感受素子３１の短手方向に沿う複数の磁区（第１の磁区Ｄ１、第２の磁区Ｄ２に対応）が、長手方向に並んでいることがわかる。また、感受素子３１の短手方向の両端部には、それぞれが感受素子３１の長手方向に沿う複数の磁区（第３の磁区Ｄ３、第４の磁区Ｄ４に対応）が、長手方向に並んでいることもわかる。この例において、図７（ａ）〜（ｂ）に示す感受素子３１には、図４（ａ）に示すように、還流磁区が形成されているものと考えられる。
そして、このような還流磁区が形成された感受素子３１を有する従来の磁気センサでは、上述したように、還流磁区を構成する磁壁の不連続な移動に伴うノイズが生じ、磁気センサから得られる出力におけるＳＮ比が低下すると推測される。

一方、図６に示すように、本実施の形態の感受素子３１では、感受素子３１の長手方向に並ぶ２つの磁区が形成されているものの、それぞれが感受素子３１の長手方向に沿う磁区（図４における第３の磁区Ｄ３、第４の磁区Ｄ４に対応する磁区）は形成されていない。付言すると、本実施の形態の感受素子３１では、磁化Ｍの向きが環状を呈する還流磁区が形成されていない。
これにより、このような感受素子３１を有する本実施の形態の磁気センサ１では、還流磁区を構成する磁壁の不連続な移動に伴うノイズが抑制され、磁気センサ１から得られる出力におけるＳＮ比の低下を抑制できることが理解される。

（磁気センサ１の製造方法について）
次に、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する。

基板１０は、上述したように、非磁性材料からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキなどを施した金属等の金属基板である。基板１０には、研磨機などを用いて、例えば曲率半径Ｒａが０．１ｎｍ〜１００ｎｍの筋状の溝又は筋状の凹凸が設けられていてもよい。なお、この筋状の溝又は筋状の凹凸の筋の方向は、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向に設けられているとよい。このようにすることで、硬磁性体層１０３における結晶成長が、溝の方向へ促進される。よって、硬磁性体層１０３により構成される薄膜磁石２０の磁化容易軸がより溝方向（薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向）に向きやすい。つまり、薄膜磁石２０の着磁をより容易にする。

ここでは、基板１０は、一例として直径約９５ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍのガラスとして説明する。磁気センサ１の平面形状が数ｍｍ角である場合、基板１０上には、複数の磁気センサ１が一括して製造され、後に個々の磁気センサ１に分割（切断）される。

基板１０を洗浄した後、基板１０の一方の面（以下、表面と表記する。）上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３及び誘電体層１０４を順に成膜（堆積）して、積層体を形成する。

まず、Ｃｒ又はＮｉを含む合金である密着層１０１、Ｃｒ等を含む合金である制御層１０２、及び、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金である硬磁性体層１０３を順に連続して成膜（堆積）する。この成膜は、スパッタリング法などにより行える。それぞれの材料で形成された複数のターゲットに順に対面するように、基板１０を移動させることで密着層１０１、制御層１０２及び硬磁性体層１０３が基板１０上に順に積層される。前述したように、制御層１０２及び硬磁性体層１０３の形成では、結晶成長を促進するために、基板１０を例えば１００℃〜６００℃に加熱するとよい。

なお、密着層１０１の成膜では、基板１０の加熱を行ってもよく、行わなくてもよい。基板１０の表面に吸着している水分などを除去するために、密着層１０１を成膜する前に、基板１０を加熱してもよい。

次に、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物、又は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等の窒化物等である誘電体層１０４を成膜（堆積）する。誘電体層１０４の成膜は、プラズマＣＶＤ法、反応性スパッタリング法などにより行える。

そして、感受部３０の感受素子３１が形成される部分を開口とするフォトレジストによるパターン（レジストパターン）を、公知のフォトリソグラフィ技術により形成する。

続いて、感受素子３１の軟磁性体層１０５を構成するＣｏ合金、および非磁性体層１０６を構成する非磁性体とを交互に成膜（堆積）する。例えば、軟磁性体層１０５ａ、非磁性体層１０６ａ、軟磁性体層１０５ｂ、非磁性体層１０６ｂ、軟磁性体層１０５ｃ、非磁性体層１０６ｃおよび軟磁性体層１０５ｄとを、順に成膜する。軟磁性体層１０５および非磁性体層１０６の成膜は、例えばスパッタリング法を用いて行える。

その後、レジストパターンを除去するとともに、レジストパターン上の軟磁性体層１０５および非磁性体層１０６を除去（リフトオフ）する。これにより、軟磁性体層１０５および非磁性体層１０６による感受素子３１が形成される。

次に、ヨーク４０が形成される部分を開口とするフォトレジストによるレジストパターンを、公知のフォトリソグラフィ技術により形成する。
そして、軟磁性体層１０５を構成するＣｏ合金を成膜（堆積）する。

その後、レジストパターンを除去するとともに、レジストパターン上の軟磁性体層１０５を除去（リフトオフ）する。これにより、軟磁性体層１０５によるヨーク４０が形成される。

次に、感受部３０の接続部３２および端子部３３を形成する。接続部３２および端子部３３は、例えば、メタルマスクを用いて、スパッタリング法または真空蒸着法にて導電体層１０７を成膜することにより形成する。

この後、感受素子３１を構成する軟磁性体層１０５には、感受部３０の感受素子３１（図１（ａ）参照）の幅方向（短手方向）に一軸磁気異方性を付与する。この軟磁性体層１０５への一軸磁気異方性の付与は、例えば３ｋＧ（０．３Ｔ）の回転磁場中における４００℃での熱処理（回転磁場中熱処理）と、それに引き続く３ｋＧ（０．３Ｔ）の静磁場中における４００℃での熱処理（静磁場中熱処理）とで行える。この時、ヨーク４０を構成する軟磁性体層１０５にも同様の一軸磁気異方性が付与される。しかし、ヨーク４０は、磁気回路としての役割を果たせばよく、一軸磁気異方性が付与されなくてもよい。

次に、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３を着磁する。硬磁性体層１０３に対する着磁は、静磁場中又はパルス状の磁場中において、硬磁性体層１０３の保磁力より大きい磁界を、硬磁性体層１０３の磁化が飽和するまで印加することで行える。

この後、基板１０上に形成された複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割（切断）する。つまり、図１（ａ）の平面図に示したように、平面形状が四角形になるように、基板１０、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４及び軟磁性体層１０５を切断する。すると、分割（切断）された硬磁性体層１０３の側面に薄膜磁石２０の磁極（Ｎ極及びＳ極）が露出する。こうして、着磁された硬磁性体層１０３は、薄膜磁石２０になる。この分割（切断）は、ダイシング法やレーザカッティング法などにより行える。

なお、複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の前に、基板１０上において隣接する磁気センサ１の間の密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４及び軟磁性体層１０５を、平面形状が四角形（図１（ａ）に示した磁気センサ１の平面形状）になるようにエッチング除去してもよい。そして、露出した基板１０を分割（切断）してもよい。
また、積層体を形成する工程の後に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、誘電体層１０４を、平面形状が四角形（図１（ａ）に示した磁気センサ１の平面形状）になるように加工してもよい。
なお、ここで説明した製造方法は、これらの製造方法に比べ、工程が簡略化される。

このようにして、磁気センサ１が製造される。なお、軟磁性体層１０５への一軸磁気異方性の付与及び／又は薄膜磁石２０の着磁は、磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の後に、磁気センサ１毎又は複数の磁気センサ１に対して行ってもよい。

なお、制御層１０２を備えない場合には、硬磁性体層１０３を成膜後、８００℃以上に加熱して結晶成長させることで、面内に磁気異方性を付与することが必要となる。しかし、第１の実施の形態が適用される磁気センサ１のように、制御層１０２を備える場合には、制御層１０２により結晶成長が促進されるため、８００℃以上のような高温による結晶成長を要しない。

また、感受素子３１への一軸磁気異方性の付与は、上記の回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う代わりに、軟磁性体層１０５の堆積時にマグネトロンスパッタリング法を用いて行ってもよい。マグネトロンスパッタリング法では、磁石（マグネット）を用いて磁界を形成し、放電によって発生した電子をターゲットの表面に閉じ込める。これにより、電子とガスとの衝突確率を増加させてガスの電離を促進し、膜の堆積速度を向上させる。このマグネトロンスパッタリング法に用いられる磁石（マグネット）が形成する磁界により、軟磁性体層１０５の堆積と同時に、軟磁性体層１０５に一軸磁気異方性が付与される。このようにすることで、回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う一軸磁気異方性を付与する工程が省略できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に反しない限りにおいては様々な変形や組み合わせを行っても構わない。

１…磁気センサ、１０…基板、２０…薄膜磁石、３０…感受部、３１…感受素子、３２…接続部、３３…端子部、４０、４０ａ、４０ｂ…ヨーク、１０１…密着層、１０２…制御層、１０３…硬磁性体層、１０４…誘電体層、１０５…軟磁性体層、１０６…非磁性体層、１０７…導電体層

Claims (4)

1. 非磁性の基板と、
   長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子とを備え、
   前記感受素子は、複数の軟磁性体層と、非磁性体から構成され複数の当該軟磁性体層の間に積層される複数の非磁性体層とを有し、それぞれの当該非磁性体層を挟んで対向する当該軟磁性体層が反強磁性結合している磁気センサ。
2. それぞれの前記非磁性体層は、ＲｕまたはＲｕ合金により構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. それぞれの前記非磁性体層は、厚さが０．６ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記感受素子は、前記軟磁性体層を当該軟磁性体層の積層方向から見た場合に、還流磁区が形成されていないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ。

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