JP2021105576A - 磁気センサ - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
次に、磁気センサ1の製造方法の一例を説明する。
そして、軟磁性体層105を構成するCo合金を成膜(堆積)する。
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。
Claims (4)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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