JP3656018B2

JP3656018B2 - Method for manufacturing magneto-impedance effect element

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Publication number: JP3656018B2
Application number: JP2000181711A
Authority: JP
Inventors: 亮中林
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2001358378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界センサとして利用できる磁気インピーダンス効果素子に係り、特に、良好な磁界検出感度を有し、検出ノイズの小さい磁気インピーダンス効果素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器、計測機器、制御機器などの急速な発展に伴って、従来の磁束検出型のものより更に小型、高感度且つ高速応答性（高周波動作）の磁界センサが求められ、磁気インピーダンス効果（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ−Ｅｆｆｅｃｔ）を有する素子（磁気インピーダンス効果素子）が注目されるようになってきている。
【０００３】
磁気インピーダンス効果素子は、微小交流電流をワイヤー状、リボン状、または薄膜状に形成された磁性線に印加することによって生じるインピーダンスによる出力電圧が外部印加磁界によって変化することを基本原理としている素子である。
【０００４】
外部磁界の印加による軟磁性材料からなる感磁部のインピーダンスの変化は、磁性材料に交流電流を通電したときに、交流電流がその表面近くを流れようとする「表皮効果」が、外部磁界によって変化するためであることが知られている。
【０００５】
例えば、特開平８−３３０６４４には、図９に示されるような磁気インピーダンス効果素子が記載されている。
【０００６】
図１２の磁気インピーダンス効果素子では、非磁性基板１０の上面に、磁気検出素子本体として、つづら折り状パターンの磁性膜１２が真空成膜技術により形成されている。
【０００７】
磁性膜１２のつづら折り状パターンは、図１２に示すように、検出対象の外部磁界Ｈｅｘが印加される方向である磁界検出方向に沿った複数本の所定長の直線部分が所定間隔で平行に並び、順次折り返すように隣り合う直線部分の端部が折り返し部１２Ｃ、１２Ｄとして垂直に屈曲して連結され、全体として電気的に直列接続されたパターンとなっている。そのパターンの両端には長方形の端子部１２Ａ、１２Ｂが形成されている。
【０００８】
また磁性膜１２は、磁化容易軸方向が外部磁界Ｈｅｘの印加される磁界検出方向に対し膜面内で垂直な方向である図１２中の矢印Ｂ方向になるように、成膜後の磁場中冷却などにより磁気異方性をつけられている。
【０００９】
図１２の磁気インピーダンス効果素子において、外部磁界Ｈｅｘの検出時には、磁性膜１２に対し両端の端子部１２Ａ、１２Ｂから高周波電流を印加する。外部磁界Ｈｅｘの強さに応じて端子部１２Ａ、１２Ｂ間のインピーダンスが変化し、この変化を電気信号に変換して出力が得られるようになっている。
【００１０】
図１２の磁気インピーダンス効果素子では、つづら折り状パターンにより断面積が小さくなることで単位体積あたりのインダクタンスが増加する。またつづら折りによる総延長を稼ぐ効果により、素子本体の全体としての磁界検出方向の長さが短くても大きなインダクタンスを稼ぐことが可能となる。従ってインピーダンスの絶対値を稼ぐことが可能となる。また、素子本体の磁界検出方向の長さを短くできるので、微少磁界の検出が可能となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
磁気インピーダンス効果素子の磁性膜１２の磁気異方性は、外部磁界Ｈｅｘが印加される方向に対して、一定の方向を向いていることが好ましい。図１２の磁気インピーダンス効果素子では、磁化容易軸方向が外部磁界Ｈｅｘの印加される磁界検出方向に対し垂直な方向になるように形成されている。
【００１２】
しかし、磁性膜１２がつづら折り状であると、折り返し部１２Ｃ、１２Ｄにおいて磁区構造に乱れが生じ、折り返し部１２Ｃ、１２Ｄでの磁気異方性の方向が一定方向ではなくなる。
【００１３】
磁気インピーダンス効果素子では、磁性膜内を流れる電流に垂直な方向の透磁率が、外部磁界によって変化することによって、素子のインピーダンスが変化する。折り返し部１２Ｃ、１２Ｄでの磁気異方性の方向が一定方向ではなくなると、外部磁界Ｈｅｘが印加されたときのこの部分での透磁率の変化に乱れが生じてノイズが発生し、また検出出力にヒステリシスが発生する。
【００１４】
図１３は、特開平８−３３０６４４に他の実施例として示された磁気インピーダンス効果素子である。
【００１５】
図１３の磁気インピーダンス効果素子では、非磁性基板１０上につづら折り状パターンの磁性膜１２を形成した上に、その端子部１２Ａ，１２Ｂと折り返し部１２Ｃ，１２Ｄ上にＣｕ，Ａｕ膜等の導電膜１８Ａ〜１８Ｄが形成されている。このような構造によれば、導電膜１８Ａ〜１８Ｄによって端子部１２Ａ，１２Ｂと折り返し部１２Ｃ，１２Ｄの磁気インピーダンス効果を消し、外部磁界Ｈｅｘが印加される磁界検出方向に沿ったパターン直線部のみの磁界検出機能を使用し、磁界検出方向の磁気インピーダンス効果を忠実に引き出し、検出感度を上げることができる、とされている。
【００１６】
しかしながら、図１３に示されたような磁気インピーダンス効果素子では、磁性膜１２の磁気異方性の方向が乱れている折り返し部１２Ｃ，１２Ｄにも、高周波電流の一部が流れるので折り返し部１２Ｃ，１２Ｄの磁気インピーダンス効果を完全に消すことができない。特に、外部磁界印加時の、折り返し部１２Ｃ，１２Ｄにおけるインダクタンスが不規則に変化し、検出出力にヒステリシスが生じる。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、複数個の軟磁性体を平行に配置し、これらの軟磁性体を非磁性導電性材料によって直列に接続することにより、素子本体の全体としての長さを短くしても大きなインダクタンスを稼ぐことが可能となり、かつ素子のヒステリシスを低く抑えることのできる磁気インピーダンス効果素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気インピーダンス効果素子の製造方法は、
（ａ）非磁性材料からなる基板上に、軟磁性薄膜を一定方向の静磁場中で成膜する工程と、
（ｂ）前記軟磁性薄膜をパターン形成して、前記（ａ）の工程において静磁場がかけられた方向を幅方向とする線状又は略長方形状の軟磁性薄膜を、複数個、間隔を開けて互いに平行となるように形成する工程と、
（ｃ）前記複数個の線状又は略長方形状の軟磁性薄膜の端部どうしを、非磁性導電材料からなる接続部材で接続して、前記平行な各軟磁性薄膜を電気的に直列に接続する工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００１９】
前記（ｂ）又は（ｃ）の工程の後に、
（ｄ）前記（ｂ）の工程でパターン形成された軟磁性薄膜を、前記（ａ）の工程において静磁場がかけられた方向の静磁場中、回転磁場中、または無磁場中で熱処理する工程を有してもよい。
【００２０】
または、本発明の磁気インピーダンス効果素子の製造方法は、
（ｅ）非磁性材料からなる基板上に、軟磁性薄膜を一定方向の静磁場中で成膜する工程と、
（ｆ）前記（ｅ）の工程で形成された軟磁性薄膜を、前記軟磁性薄膜に対する方向が前記（ｅ）の工程においてかけられた静磁場の方向と同じである静磁場中、回転磁場中、または無磁場中で熱処理する工程と、
（ｇ）前記軟磁性薄膜をパターン形成して、前記（ｅ）および／または（ｆ）の工程においてかけられた静磁場の方向を幅方向とする、線状又は略長方形状の軟磁性薄膜を、複数個、間隔を開けて互いに平行となるように形成する工程と、
（ｈ）前記複数個の線状又は略長方形状の軟磁性薄膜を、非磁性導電材料からなる接続部材によって電気的に直列接続する工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００２１】
また、上述した本発明の磁気インピーダンス効果素子を複数個用いて、外部磁界の方向と大きさを検出することのできる２軸の磁界センサを構成することができる。
【００２１】
例えば、非磁性材料からなる基板上に、本発明の磁気インピーダンス効果素子を２個、それぞれ磁気インピーダンス効果素子の素子長手方向が互いに直交するように配置し、一方の磁気インピーダンス効果素子で外部磁界のＸ方向成分、他方の磁気インピーダンス効果素子で外部磁界のＹ方向成分を検出するようにできる。
【００２２】
また、素子長手方向にバイアス磁界が印加された本発明の磁気インピーダンス効果素子を、偶数個、基板上に平行に配置し、これら偶数個の磁気インピーダンス効果素子を半分ずつ２組に分け、それぞれの組ごとに磁気インピーダンス効果素子の素子長手方向に与えるバイアス磁界の方向を逆方向にした上で、異なる組に属する磁気インピーダンス効果素子の出力の差動をとって外部磁界のＸ方向成分を検出し、さらに、これらの磁気インピーダンス効果素子に直交するように、他の磁気インピーダンス効果素子を、偶数個、基板上に平行に配置し、これら偶数個の磁気インピーダンス効果素子を半分ずつ２組に分け、それぞれの組ごとに磁気インピーダンス効果素子の素子長手方向に与えるバイアス磁界の方向を逆方向にした上で、異なる組に属する磁気インピーダンス効果素子の出力の差動をとって外部磁界のＹ方向成分を検出するようにもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子を示す平面図であり、図２は図１の磁気インピーダンス効果素子を２−２線から見た断面図である。
【００２４】
図１に示された磁気インピーダンス効果素子では、非磁性材料からなる基板２１上に、１１個の線状又は略長方形状の軟磁性体である軟磁性薄膜２２ａが間隔を開けて平行に配置され、これら１１個の線状又は略長方形状の軟磁性薄膜２２ａの端部どうしが、非磁性の導電性薄膜からなる接続部材２２ｂによって、電気的に直列接続されることにより、感磁部２２が形成されている。
【００２５】
また、感磁部２２の総延長を長くできるように、導電性薄膜からなる電極部２３，２３が、軟磁性薄膜２２ａのうちの最も外側に配置された２本の軟磁性薄膜２２ａ_１，２２ａ_１の端部に電気的に接続されている。
【００２６】
本実施の形態では、軟磁性薄膜２２ａの素子長手方向の大きさを２８００μｍ、素子幅方向の大きさを４０μｍ〜５０μｍ、厚さを４μｍで形成している。
【００２７】
接続部材２２ｂと電極部２３は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌなどの非磁性導電性材料によって形成される。ただし、電極部２３は軟磁性薄膜２２ａと同じ軟磁性材料によって、軟磁性薄膜２２ａと一体に形成されてもよい。
【００２８】
磁気インピーダンス効果素子２０に電極部２３，２３から駆動交流電流を与え、感磁部２２の軟磁性薄膜２２ａを素子幅方向（Ｙ方向）に励磁する。この状態で、外部磁界Ｈｅｘが素子長手方向（Ｘ方向）に印加されると、感磁部２２のインピーダンスが変化する。感磁部２２のインピーダンス変化を電極部２３，２３間の電圧の変化として取り出す。
【００２９】
本実施の形態では、複数個の軟磁性薄膜２２ａが平行に配置され、これらの軟磁性薄膜２２ａが非磁性導電性材料からなる接続部材２２ｂによって電気的に直列に接続されているので、素子本体の全体としての素子長手方向（磁界検出方向）の長さを短くしても感磁部２２の総延長を稼ぐことができ、素子本体の全体としてのインダクタンスを稼ぐことが可能となる。従ってインピーダンスの絶対値を稼ぐことが可能となる。また、素子本体の素子長手方向の長さを短くできるので、微少磁界も効率よく検出できる。
【００３０】
また、本実施の形態の磁気インピーダンス効果素子の感磁部２２は、平行に配置された線状または略長方形状の軟磁性薄膜２２ａが接続部材２２ｂによって接続されている構成であり、軟磁性薄膜２２ａには検出出力のノイズやヒステリシスの原因となる折り返し部が存在してない。さらに、接続部材２２ｂは非磁性導電性材料によって形成されているため、接続部材２２ｂにおいて外部磁界Ｈｅｘの変化に伴うインダスタンスの変化は発生しない。
【００３１】
図１及び図２の磁気インピーダンス効果素子の軟磁性薄膜２２ａには磁区構造の乱れがなく、磁気異方性の方向が一定の方向に揃えられている。従って、図１の磁気インピーダンス効果素子は、検出出力のノイズを抑えることができ、また、磁気インピーダンス効果素子全体の保磁力を低く抑えて、検出出力のヒステリシスを抑えることができる。
【００３２】
図１及び図２では、１１個の軟磁性薄膜２２ａの素子長手方向及び素子幅方向の長さ並びに厚さは、一定の長さ並びに厚さに揃えられているが、それぞれの軟磁性薄膜２２ａの形状は異なっていてもかまわない。また、それぞれの軟磁性薄膜２２ａ間の間隔は、一定の間隔でなくともよい。また、それぞれの軟磁性薄膜２２ａは、異なる軟磁性材料によって形成されてもよい。また、軟磁性薄膜２２ａの個数は、図１及び図２のように１１個である必要はなく、用途に応じて任意に設定できる。
【００３３】
本実施の形態では、軟磁性薄膜２２ａは、単層の軟磁性薄膜であるが、軟磁性薄膜２２ａが絶縁層を介して複数層の軟磁性薄膜が積層されたものであってもよい。
【００３４】
また、軟磁性薄膜２２ａが導電性材料からなる導電層を介して複数層の軟磁性薄膜が積層されたものであってもよい。導電層を介して複数層の軟磁性薄膜が積層された構成であると、駆動交流電流が流れるときの感磁部の直流抵抗値が低くなり、磁気インピーダンス効果素子の消費電力を小さくすることができる。
なお、感磁部２２上に、絶縁材料からなる保護層が形成されてもよい。
【００３６】
軟磁性薄膜２２ａは、例えば、組成式がＦｅ_７１．４Ａｌ_５．８Ｓｉ_１３．１Ｈｆ_３．３Ｃ_４．５Ｒｕ_１．９（ａｔ％）で表される、ｂｃｃ−Ｆｅの結晶粒を主体とし、ｂｃｃ−Ｆｅの周囲にＨｆＣの結晶粒が存在する平均結晶粒径５〜３０ｎｍの微結晶軟磁性合金薄膜である。
【００３７】
この組成以外のＴ―Ｘ―Ｍ―Ｚ―Ｑ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｘは、Ｓｉ、Ａｌの内どちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素）の微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｔ−Ｍ−Ｘ―Ｏ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｎｉのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｇｅと希土類元素から選ばれる１種または２種以上の元素であり、Ｘは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏ等からなる平均結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｆｅ―Ｍ―Ｏ系（元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗと希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅを主体とする平均結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜として、感磁部２２が形成されていてもよい。
【００３８】
あるいは、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ―Ｍ系（元素Ｍは、Ｃｒ，Ｒｕのうちいずれか一方あるいは両方を含む元素）の非晶質軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ―Ｔａ―Ｈｆ系の非晶質軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ系の非晶質軟磁性合金薄膜として、感磁部２２が形成されていてもよい。
【００３９】
本発明では、軟磁性薄膜２２ａのかわりに軟磁性薄帯や軟磁性ワイヤーを用いて、感磁部２２が形成されてもよい。
【００４０】
図１及び図２では、接続部材２２ｂの素子長手方向及び素子幅方向の長さ並びに厚さは、一定の長さ並びに厚さに揃えられているが、それぞれの接続部材２２ｂの形状は異なっていてもかまわない。また、接続部材２２ｂは導電性薄膜としてではなくとも、非磁性の導電性材料を用いて複数の軟磁性薄膜２２ａ（軟磁性体）を電気的に接続するものであれば、どのようなものであってもかまわない。例えば、接続部材２２ｂをワイヤー状に形成してもよい。
【００４１】
また、図１の磁気インピーダンス効果素子に、バイアス磁界を硬磁性体によって与えることができる。その一つの方法として、感磁部２２の上層に、硬磁性材料からなる薄膜、薄帯、又はバルク状の磁石を積層するという方法がある。
【００４２】
例えば、図１の磁気インピーダンス効果素子の感磁部２２上に、感磁部２２を覆う略長方形状の硬磁性薄膜２４（図１では点線で示している）を積層する。硬磁性薄膜２４は、長手方向（Ｙ方向）の両端部２４ａ、２４ｂのそれぞれに磁極Ｓ，Ｎを有し、両端部２４ａ、２４ｂからの漏れ磁界によって感磁部２２に素子長手方向のバイアス磁界を与えることができる。
【００４３】
硬磁性薄膜２４は例えばＣｏ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ合金などの硬磁性材料によって形成できる。また、硬磁性薄膜２４の代わりにＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの硬磁性材料からなる硬磁性薄帯、或は、フェライト又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系・Ｓｍ−Ｃｏ系などの焼結磁石からなるバルク状の磁石を感磁部２２上に積層してもよい。
【００４４】
図３はバイアス磁界を磁性体によって与えることのできる磁気インピーダンス効果素子の縦断面図である。
【００４５】
硬磁性薄膜、硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石が、比抵抗の大きい材料によって形成されているときは、感磁部２２の上に前記硬磁性薄膜、硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石を直接積層してもよいが、前記硬磁性薄膜、硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石が比抵抗の小さい材料によって形成されているときは、図３に示されるように、感磁部２２上に絶縁性材料からなる絶縁層２５を介して、例えば硬磁性薄膜２４を積層することが好ましい。
【００４６】
また、感磁部２２にバイアス磁界を与えるための、前記硬磁性薄膜、硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石を、基板２１の裏面２１ａ上に形成してもよい。
なお、図３では硬磁性薄膜２４上に絶縁性材料からなる保護層２６が形成されている。
【００４８】
図４は、磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜の、磁区構造の一例を示す概念平面図である。
【００４９】
図５は、磁気インピーダンス効果素子Ｍの軟磁性薄膜２２の他の磁区構造を示す概念平面図である。
例えば、軟磁性薄膜２２ａのアスペクト比を０．１より小さくする。
【００５１】
図４において、磁区２２ｄは、磁気モーメントの素子長手方向の成分と素子幅方向の成分を比較したときに、前記素子長手方向の成分の方が大きい磁区であり、磁区２２ｃは、前記素子幅方向の成分の方が大きい磁区である。図４において磁区２２ｃと磁区２２ｄの総面積の値が等しくなっている。すると、軟磁性薄膜２２ａの全体としての磁気異方性の方向がほぼ等方的な状態になる。
【００５２】
素子長手方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｄの総面積と、前記素子幅方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｃの総面積が拮抗すると、すなわち、素子幅方向と素子長手方向の磁気異方性エネルギーがつり合うと、軟磁性薄膜２２ａは、磁気異方性の方向が全体としてほぼ等方的な状態になる。つまり、軟磁性薄膜２２ａの磁気モーメントはある方向に固定されにくくなり、交流電流によって励磁されたときに磁気モーメントの方向を変化させやすくなっている。すなわち、軟磁性薄膜２２ａの素子幅方向の透磁率μは増加している。
【００５３】
軟磁性薄膜２２ａの素子幅方向の透磁率μが最大値をとるとき、軟磁性薄膜２２ａのインピーダンスの大きさＺが最大となり、軟磁性薄膜２２ａの両端からの出力電圧も最大になる。
【００５４】
図４では、外部磁界を印加していないときに、軟磁性薄膜２２ａは磁気異方性の方向が全体として等方的な状態に近い状態にされている。
【００５５】
従って、軟磁性薄膜２２ａの素子長手方向に、外部磁界Ｈｅｘを印加しなくとも、或いはわずかに外部磁界Ｈｅｘを印加するだけで、軟磁性薄膜２２ａの磁気異方性の方向を全体としてほぼ等方的な状態にさせ、軟磁性薄膜２２ａの素子幅方向の透磁率μを最大にさせることができ、さらに軟磁性薄膜２２ａからなる感磁部２２の両端からの出力電圧、及び外部磁界印加時の出力電圧の変化量を最大にさせることができる。従って、感磁部２２の素子長手方向に印加する必要なバイアス磁界の大きさを小さく、例えば４００（Ａ／ｍ）以下に、することができる。
【００５６】
なお、軟磁性薄膜２２ａが単磁区構造を有し、各磁区において磁気モーメントの素子長手方向の成分と素子幅方向の成分が釣り合っていてもよい。
【００５７】
また、本発明の磁気インピーダンス効果素子では、図５に示されるように、素子長手方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｄの総面積が、前記素子幅方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｃの総面積より大きい場合においても、軟磁性薄膜２２ａの磁気異方性の方向を全体として等方的な状態に近い状態にすることができ、磁区２２ｄの総面積と磁区２２ｃの総面積とが拮抗している磁区構造の軟磁性薄膜２２ａを有する磁気インピーダンス効果素子と同等の磁界検出感度を得ることができる。また、感磁部２２の素子長手方向に印加する必要なバイアス磁界の大きさをさらに小さくすることが可能となる。
【００５８】
また本発明では、軟磁性薄膜２２ａの磁区構造が図６に示されるような磁区構造であってもよい。すなわち、素子長手方向に磁気モーメントが配向している磁区２２ｄの総面積が、素子幅方向に磁気モーメントが配向している磁区２２ｃの総面積よりも狭くなっていてもよい。
【００５９】
外部磁界の方向と大きさを同時に検出するために、本発明の磁気インピーダンス効果素子を用いて、２軸の磁気センサを構成することもできる。図７は、本発明の磁気インピーダンス効果素子を用いて構成された、２軸の磁気センサである。
【００６０】
図７では、素子長手方向にバイアス磁界が印加された図１の磁気インピーダンス効果素子と同じ磁気インピーダンス効果素子２０Ａ，２０Ｂが基板２７上に平行に配置されている。磁気インピーダンス効果素子２０Ａの素子長手方向に与えるバイアス磁界Ｈ_Ｂ１の方向と、磁気インピーダンス効果素子２０Ｂの素子長手方向に与えるバイアス磁界Ｈ_Ｂ２の方向を逆方向にしている。バイアス磁界Ｈ_Ｂ１、Ｈ_Ｂ２は、図１及び図３に示されたように、感磁部２２Ａ，２２Ｂ上に硬磁性薄膜を積層することによって与えることができる。なお、図７では、図を見やすくするために硬磁性薄膜の図示を省略している。また、硬磁性薄膜の代わりに硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石を感磁部２２Ａ，２２Ｂ上に積層するという方法がある。
【００６１】
あるいは、基板２７の裏面に硬磁性薄膜、硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石を配置して、バイアス磁界Ｈ_Ｂ１、Ｈ_Ｂ２を与えるようにしてもよい。
【００６２】
磁気インピーダンス効果素子２０Ａ、２０Ｂの出力の差動をとって外部磁界のＸ方向成分を検出する。磁気インピーダンス効果素子２０Ａ、２０Ｂの出力の差動をとることにより、検出出力からノイズを除去し、検出出力を増幅させることができ、温度特性と検出出力のリニアリティを向上させることができる。
【００６３】
さらに、磁気インピーダンス効果素子２０Ａ，２０Ｂに直交するように、磁気インピーダンス効果素子２０Ｃ，２０Ｄが基板２７上に平行に配置されている。磁気インピーダンス効果素子２０Ｃの素子長手方向に与えるバイアス磁界Ｈ_Ｂ３の方向と、磁気インピーダンス効果素子２０Ｄの素子長手方向に与えるバイアス磁界Ｈ_Ｂ３の方向を逆方向にしている。バイアス磁界Ｈ_Ｂ３、Ｈ_Ｂ４は、図１及び図３に示されたように、感磁部２２Ｃ，２２Ｄ上に硬磁性薄膜を積層することによって与えることができる。なお、図７では、図を見やすくするために硬磁性薄膜の図示を省略している。また、硬磁性薄膜の代わりに硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石を感磁部２２Ｃ，２２Ｄ上に積層するという方法がある。
【００６４】
あるいは、基板２７の裏面に硬磁性薄膜、硬磁性薄帯、又はバルク状の磁石を配置して、バイアス磁界Ｈ_Ｂ３、Ｈ_Ｂ４を与えるようにしてもよい。
【００６５】
磁気インピーダンス効果素子２０Ｃ、２０Ｄの出力の差動をとって外部磁界のＹ方向成分を検出する。磁気インピーダンス効果素子２０Ｃ、２０Ｄの出力の差動をとることにより、検出出力からノイズを除去し、検出出力を増幅させることができ、温度特性と検出出力のリニアリティを向上させることができる。
【００６６】
なお、図７では、図１と同様の磁気インピーダンス効果素子を用いている。すなわち、基板２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ上に、感磁部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが形成された磁気インピーダンス効果素子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを基板２７上に配置している。ただし、基板２７上に、感磁部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄを図７に示された配置で直接形成してもよい。
【００６７】
図１に示された磁気インピーダンス効果素子の製造方法を説明する。
まず、アルミナチタンカーバイド、ガラス、セラミック、結晶化ガラスなどの非磁性材料からなる基板２１上に、軟磁性薄膜をスパッタ法、蒸着法或いはメッキ法などによって一定方向の静磁場中で成膜する。
【００６９】
軟磁性薄膜２２ａは、例えば、組成式がＦｅ_７１．４Ａｌ_５．８Ｓｉ_１３．１Ｈｆ_３．３Ｃ_４．５Ｒｕ_１．９で表される、ｂｃｃ−Ｆｅの結晶粒を主体とした微結晶軟磁性合金薄膜である。
【００７０】
この組成以外のＴ―Ｘ―Ｍ―Ｚ―Ｑ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｃｏのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｘは、Ｓｉ、Ａｌの内どちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、Ｑは、Ｃｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕから選ばれる１種または２種以上の元素）の微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｔ−Ｍ−Ｘ―Ｏ系（元素Ｔは、Ｆｅ、Ｎｉのうちどちらか一方あるいは両方を含む元素であり、元素Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｇｅと希土類元素から選ばれる１種または２種以上の元素であり、元素Ｘは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−Ｃｏ等からなる平均結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜や、Ｆｅ―Ｍ―Ｏ系（元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗと希土類元素から選ばれる１種あるいは２種以上の元素）の組成を有し、ｂｃｃ−Ｆｅを主体とする平均結晶粒径１０〜３０ｎｍの結晶相とＭの酸化物を含む非晶質相からなり、非晶質相が組織全体の５０％以上を占めている微結晶軟磁性合金薄膜として、感磁部２２が形成されていてもよい。
【００７１】
あるいは、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ−Ｍ系（元素Ｍは、Ｃｒ，Ｒｕのうちいずれか一方あるいは両方を含む元素）の非晶質軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ―Ｔａ―Ｈｆ系の非晶質軟磁性合金薄膜や、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ系の非晶質軟磁性合金薄膜として、軟磁性薄膜２２ａを形成してもよい。
【００７２】
なお、本実施の形態では、軟磁性薄膜２２ａの成膜をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて行った。成膜時の条件は以下の範囲である。
【００７３】
高周波電力：２００〜４００（Ｗ）
Ａｒガス圧：５０（ｓｃｃｍ）
成膜時圧力：３〜７（ｍＴｏｒｒ）
成膜時静磁場強度：８００（Ａ／ｍ）（１０以上（Ｏｅ））
成膜速度：１０〜３３．５（ｎｍ／分）
なお、標準条件は、高周波電力が４００（Ｗ）、Ａｒガス圧が５０（ｓｃｃｍ）、成膜時圧力が７（ｍＴｏｒｒ）、成膜時静磁場強度が４８００（Ａ／ｍ）、成膜速度が３３．５（ｎｍ／分）である。また、基板の冷却は間接冷却によって行った。
【００７４】
次に、前記軟磁性薄膜を、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターン形成して、静磁場がかけられた方向を幅方向（Ｙ方向）とする線状又は略長方形状の軟磁性薄膜２２ａを１１個、間隔を開けて互いに平行となるように形成する。
【００７５】
さらに、１１個の線状又は略長方形状の軟磁性薄膜２２ａを電気的に直列接続するように、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌなどの非磁性材料からなる導電性薄膜である接続部材２２ｂをスパッタ法、蒸着法によって形成する、或いはメッキ形成する。接続部材２２ｂをスパッタ法、蒸着法或いはメッキ法によって形成する際同時に、軟磁性薄膜２２ａのうちの最も外側に配置された２本の軟磁性薄膜２２ａ_１，２２ａ_１の端部に電気的に接続される電極部２３，２３も形成する。
【００７６】
本発明では、軟磁性薄膜２２ａの成膜を、静磁場中で行わせることにより、軟磁性薄膜２２ａの、素子長手方向（Ｘ方向）の形状磁気異方性エネルギーと素子幅方向（Ｙ方向）の磁気異方性エネルギーとをほぼつり合わせている。すなわち、軟磁性薄膜２２ａの、素子長手方向（Ｘ方向）の磁気異方性と素子幅方向（Ｙ方向）の磁気異方性とがほぼ拮抗し、図４に示されるように、素子長手方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２Ｄの総面積が、前記素子幅方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２Ｃの総面積に等しい磁区構造を有するもの、あるいは、図５に示されるように、素子長手方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｄの総面積が、前記素子幅方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｃの総面積より大きい磁区構造を持つものが得られる。
【００７７】
ただし、図６のように前記素子幅方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｃの総面積が、素子長手方向の成分の方が大きい磁区である磁区２２ｄの総面積より大きい磁区構造を持つものが得られることもある。
【００７８】
本実施の形態では、軟磁性薄膜２２ａをパターン形成した後、さらに、軟磁性薄膜２２ａの素子幅方向に磁場をかけ、熱処理にかける。このように、軟磁性薄膜２２ａの磁場中成膜後、さらに、静磁場中、回転磁場中、または無磁場中熱処理を施すことによって、軟磁性薄膜２２ａの素子長手方向（Ｘ方向）の磁気異方性と素子幅方向（Ｙ方向）の磁気異方性とをほぼ拮抗させることが容易になる。
【００７９】
本実施の形態における静磁場中、回転磁場中、または無磁場中熱処理の条件は、以下の範囲である。
【００８０】
静磁場強度：０〜８００００（Ａ／ｍ）（１ｋＯｅ）
熱処理温度：５４０〜６７５（℃）
熱処理時間：２０〜３０（分）
昇温レート：１０〜１４（℃／分）
なお、標準条件は、静磁場強度が８００００（Ａ／ｍ）（１ｋＯｅ）、熱処理温度が５７５（℃）、熱処理時間が３０（分）、昇温レートが１３．６（℃／分）である。
【００８１】
なお、本実施の形態では、軟磁性薄膜を磁場中成膜した後に、軟磁性薄膜２２ａをパターン形成した後で、静磁場中、回転磁場中、または無磁場中熱処理を施しているが、軟磁性薄膜の磁場中成膜後、軟磁性薄膜２２ａをパターン形成する前の状態で、前記軟磁性薄膜を成膜するときにかけた静磁場の方向と同じ方向の静磁場中、回転磁場中または無磁場中で熱処理を施し、その後、軟磁性薄膜２２ａをパターン形成してもよい。なお、回転磁場中で熱処理を行なうときの磁場の強度は、静磁場中で熱処理を行なうときの磁場の強度と同じでよい。
【００８２】
図３に示されるような、感磁部２２に素子長手方向のバイアス磁界を与えるための硬磁性体を形成するためときは、感磁部２２上に絶縁性材料からなる絶縁層２５をスパッタ法などによって形成し、絶縁層２５上に、例えばＣｏ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ合金などの硬磁性材料からなる硬磁性薄膜２４をスパッタ法や蒸着法によって成膜する。或は、絶縁層２５上にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの硬磁性材料からなる硬磁性薄帯、又はフェライト又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系などの焼結磁石からなるバルク状の磁石を接着してもよい。
【００８３】
【実施例】
図８は、従来の磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜のＭ−Ｈ特性をＶＳＭ（振動型磁気力計）を用いて測定した結果を示すグラフである。
【００８４】
組成がＦｅ_７１．４Ａｌ_５．５Ｓｉ_１３．６Ｈｆ_３．２Ｃ_４．３Ｒｕ_２．０で表される軟磁性材料を用いて図１２に示されるようなつづら折り状の感磁部を形成した。ただし、つづら折りの部分を９回折りで形成した。従って、前記感磁部を構成する軟磁性薄膜の素子長手方向（Ｘ方向）の直線部分は１１本存在している。前記軟磁性薄膜の素子長手方向の長さ（図１２のＬに相当する）を２８００μｍ、素子幅方向の長さ（図１２のＷに相当する）を２５μｍとした。この軟磁性薄膜に、素子斜め方向から外部磁界を印加し、外部磁界の大きさと軟磁性薄膜の磁化の大きさとの関係を調べた。外部磁界の大きさは−８００〜＋８００（Ａ／ｍ）の範囲で変化させた。
【００８５】
結果を図８に示す。図８からこの磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜の保磁力Ｈｃは２５．８４（Ａ／ｍ）である。この値は、基板上に軟磁性材料を成膜した直後、いわゆるベタ膜の状態における軟磁性薄膜の保磁力Ｈｃの１０倍以上の値である。すなわち、つづら折り状の軟磁性薄膜からなる感磁部を形成すると軟磁性材料の磁気特性が低下してしまう。また、磁気インピーダンス効果素子の出力特性にヒステリシスが生じ、さらに、出力が低下する。
【００８６】
図９は、図１に示された本発明の磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜のＭ−Ｈ特性をＶＳＭ（振動型磁気力計）を用いて測定した結果を示すグラフである。
【００８７】
組成がＦｅ_７１．４Ａｌ_５．５Ｓｉ_１３．６Ｈｆ_３．２Ｃ_４．３Ｒｕ_２．０で表される軟磁性材料を用いて図１に示されるような感磁部を形成した。ただし、前記軟磁性薄膜の素子長手方向（Ｘ方向）の長さを２８００μｍ、素子幅方向（Ｙ方向）の長さを２５μｍとした。この軟磁性薄膜に、素子斜め方向から外部磁界Ｈｅｘを印加し、外部磁界Ｈｅｘの大きさと軟磁性薄膜の磁化の大きさとの関係を調べた。外部磁界Ｈｅｘの大きさは−８００〜＋８００（Ａ／ｍ）の範囲で変化させた。
【００８８】
結果を図９に示す。図９からこの磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜の保磁力Ｈｃは１．９６７（Ａ／ｍ）である。この値は、基板上に軟磁性材料を成膜した直後、いわゆるベタ膜の状態における軟磁性薄膜の保磁力Ｈｃとほぼ等しい。すなわち、本発明のように磁気インピーダンス効果素子の感磁部を形成すると軟磁性材料の磁気特性の低下を抑えることができる。また、磁気インピーダンス効果素子の出力特性にヒステリシスが発生することを抑えることができ、さらに、出力を向上させることができる。
【００８９】
図１０及び図１１は、それぞれ図８及び図９のＭ−Ｈ特性を測定するために用いた従来及び本発明の磁気インピーダンス効果素子を用いて、磁気インピーダンス効果特性を測定した結果を示すグラフである。
【００９０】
磁気インピーダンス効果素子の電極部から感磁部の両端部に駆動交流電流を与えた状態で、外部磁界を、磁気インピーダンス効果素子の素子長手方向に印加する。印加した外部磁界の大きさを変化させつつ、出力電圧を測定した。
【００９１】
まず、組成がＦｅ_７１．４Ａｌ_５．５Ｓｉ_１３．６Ｈｆ_３．２Ｃ_４．３Ｒｕ_２．０で表される軟磁性材料を用いて図１２に示されるようなつづら折り状の感磁部を形成した。ただし、つづら折りの部分を９回折りで形成した。従って、前記感磁部を構成する軟磁性薄膜の素子長手方向（Ｘ方向）の直線部分１２ａは１１本存在している。前記軟磁性薄膜の素子長手方向の長さ（図１２のＬに相当する）を２８００μｍ、素子幅方向の長さ（図１２のＷに相当する）を２５μｍとした。この軟磁性薄膜に、素子長手方向から外部磁界を印加し、外部磁界の大きさと軟磁性薄膜の磁化の大きさとの関係を調べた。外部磁界の大きさは−２００〜＋２００（Ａ／ｍ）の範囲で変化させた。
【００９２】
図１０をみると、従来の磁気インピーダンス効果素子を用いて外部磁界を測定したときに、外部磁界を正方向から印加する場合には、大きさを０（Ａ／ｍ）から２００（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線と２００（Ａ／ｍ）から０（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線は重なり合う。しかし、外部磁界を負方向から印加する場合には、大きさを０（Ａ／ｍ）から−２００（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線と−２００（Ａ／ｍ）から０（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線は重なり合わない。すなわち、ヒステリシスが発生する。
【００９３】
次に、組成がＦｅ_７１．４Ａｌ_５．５Ｓｉ_１３．６Ｈｆ_３．２Ｃ_４．３Ｒｕ_２．０で表される軟磁性材料を用いて図１に示される本発明の磁気インピーダンス効果素子を形成した。ただし、前記軟磁性薄膜の素子長手方向の長さ（Ｘ方向）を２８００μｍ、素子幅方向の長さ（Ｙ方向）を２５μｍとした。この軟磁性薄膜に、素子長手方向から外部磁界を印加し、外部磁界の大きさと軟磁性薄膜の磁化の大きさとの関係を調べた。外部磁界の大きさは−２００〜＋２００（Ａ／ｍ）の範囲で変化させた。
【００９４】
図１１をみると、本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子を用いて外部磁界を測定したときに、外部磁界を正方向から印加する場合に、大きさを０（Ａ／ｍ）から＋２００（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線と＋２００（Ａ／ｍ）から０（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線は重なり合う。また、外部磁界を負方向から印加する場合に、大きさを０（Ａ／ｍ）から−２００（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線と−２００（Ａ／ｍ）から０（Ａ／ｍ）に変化させたときの磁界−出力曲線も重なり合う。すなわち、本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子ではヒステリシスは発生しない。
【００９５】
また、図１０と図１１を比較すると、同じ大きさの磁界が印加されたときに、本発明の磁気インピーダンス効果素子は、従来の磁気インピーダンス効果素子よりも出力が大きくなっていることがわかる。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明によれば、複数個の軟磁性体が平行に配置され、これらの軟磁性体が非磁性導電性材料によって電気的に直列に接続されているので、素子本体の全体としての磁界検出方向の長さを短くしても前記感磁部の総延長を稼ぐことができ、素子本体の全体としてのインダクタンスを稼ぐことが可能となる。従ってインピーダンスの絶対値を稼ぐことが可能となる。また、素子本体の磁界検出方向の長さを短くできるので、微少磁界も効率よく検出できる。
【００９７】
また、本発明の磁気インピーダンス効果素子の前記感磁部は、平行に配置された線状または略長方形状の軟磁性体が非磁性導電性材料からなる接続部材によって接続されている構成であり、前記軟磁性体には検出出力のノイズやヒステリシスの原因となる折り返し部が存在してない。また、前記接続部は非磁性導電性材料によって形成されているため、前記接続部において外部磁界の変化に伴うインダスタンスの変化は発生しない。
【００９８】
本発明は、磁界印加方向に平行な方向に向けられた複数個の軟磁性体によって外部磁界を検出するものである。これらの軟磁性体には磁区構造の乱れがなく、磁気異方性の方向が一定の方向に揃えられている。従って、本発明では、検出出力のノイズやヒステリシスを抑えることができ、磁界検出出力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子を示す平面図、
【図２】図１の磁気インピーダンス効果素子を２−２線から見た断面図、
【図３】本発明の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子を示す縦断面図、
【図４】本発明の磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜の磁区構造の一例を示す概念図、
【図５】本発明の磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜の磁区構造の一例を示す概念図、
【図６】本発明の磁気インピーダンス効果素子の感磁部を構成する軟磁性薄膜の磁区構造の一例を示す概念図、
【図７】本発明の磁気インピーダンス効果素子を用いて構成された２軸磁気センサを示す平面図、
【図８】つづら折り状の軟磁性薄膜を有する従来の磁気インピーダンス効果素子の感磁部の磁気特性を示すグラフ、
【図９】本発明の磁気インピーダンス効果素子の感磁部の磁気特性を示すグラフ、
【図１０】つづら折り状の軟磁性薄膜を有する従来の磁気インピーダンス効果素子の出力特性を示すグラフ、
【図１１】本発明の磁気インピーダンス効果素子の出力特性を示すグラフ、
【図１２】つづら折り状の軟磁性薄膜を有する従来の磁気インピーダンス効果素子の斜視図、
【図１３】つづら折り状の軟磁性薄膜の折り返し部上に導電性薄膜を有する従来の磁気インピーダンス効果素子の斜視図、
【符号の説明】
基板２１
感磁部２２
軟磁性薄膜２２ａ
接続部材２２ｂ
電極部２３
硬磁性薄膜２４
絶縁層２５[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magneto-impedance effect element that can be used as a magnetic field sensor, and more particularly to a magneto-impedance effect element having good magnetic field detection sensitivity and low detection noise. Of child It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the rapid development of information equipment, measuring equipment, control equipment, etc., there is a demand for a magnetic field sensor that is smaller, more sensitive, and faster in response (high-frequency operation) than the conventional magnetic flux detection type. An element (magnetoimpedance effect element) having (Magneto-Impedance-Effect) has been drawing attention.
[0003]
A magneto-impedance effect element is an element whose basic principle is that an output voltage due to impedance generated by applying a minute alternating current to a magnetic wire formed in a wire shape, ribbon shape or thin film shape is changed by an externally applied magnetic field. is there.
[0004]
The change in impedance of the magnetosensitive part made of soft magnetic material due to the application of an external magnetic field is due to the “skin effect” that causes the alternating current to flow near the surface when an alternating current is applied to the magnetic material. It is known to change.
[0005]
For example, JP-A-8-330644 describes a magneto-impedance effect element as shown in FIG.
[0006]
In the magneto-impedance effect element shown in FIG. 12, a magnetic film 12 having a zigzag pattern is formed on the upper surface of the nonmagnetic substrate 10 as a magnetic detection element body by a vacuum film forming technique.
[0007]
As shown in FIG. 12, the zigzag pattern of the magnetic film 12 includes a plurality of linear portions of a predetermined length along a magnetic field detection direction, which is a direction in which an external magnetic field Hex to be detected is applied, arranged in parallel at predetermined intervals. The end portions of the adjacent straight line portions are bent and connected vertically as the folded portions 12C and 12D so as to be sequentially folded, and the entire pattern is electrically connected in series. Rectangular terminal portions 12A and 12B are formed at both ends of the pattern.
[0008]
Further, the magnetic film 12 is in a magnetic field after film formation so that the easy axis direction is in the direction of arrow B in FIG. 12, which is a direction perpendicular to the magnetic field detection direction to which the external magnetic field Hex is applied. Magnetic anisotropy is given by cooling etc.
[0009]
In the magneto-impedance effect element of FIG. 12, a high-frequency current is applied to the magnetic film 12 from the terminal portions 12A and 12B at both ends when detecting the external magnetic field Hex. The impedance between the terminal portions 12A and 12B changes according to the strength of the external magnetic field Hex, and an output can be obtained by converting this change into an electric signal.
[0010]
In the magneto-impedance effect element shown in FIG. 12, the inductance per unit volume is increased by reducing the cross-sectional area due to the zigzag pattern. Further, due to the effect of earning the total extension due to the zigzag folding, it is possible to earn a large inductance even if the length of the entire element body in the magnetic field detection direction is short. Therefore, it is possible to earn the absolute value of the impedance. In addition, since the length of the element body in the magnetic field detection direction can be shortened, a minute magnetic field can be detected.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The magnetic anisotropy of the magnetic film 12 of the magneto-impedance effect element is preferably oriented in a certain direction with respect to the direction in which the external magnetic field Hex is applied. The magneto-impedance effect element shown in FIG. 12 is formed such that the easy axis direction is perpendicular to the magnetic field detection direction to which the external magnetic field Hex is applied.
[0012]
However, if the magnetic film 12 is zigzag, the magnetic domain structure is disturbed in the folded portions 12C and 12D, and the direction of magnetic anisotropy in the folded portions 12C and 12D is not constant.
[0013]
In the magneto-impedance effect element, the impedance of the element changes when the magnetic permeability in the direction perpendicular to the current flowing in the magnetic film is changed by an external magnetic field. If the direction of the magnetic anisotropy at the turn-back portions 12C and 12D is not constant, the change in the magnetic permeability in this portion when the external magnetic field Hex is applied is disturbed to generate noise, and the detection output Hysteresis occurs.
[0014]
FIG. 13 shows a magneto-impedance effect element disclosed as another embodiment in JP-A-8-330644.
[0015]
In the magneto-impedance effect element shown in FIG. 13, a magnetic film 12 having a folded pattern is formed on a nonmagnetic substrate 10, and a conductive film such as a Cu or Au film is formed on the terminal portions 12A and 12B and the folded portions 12C and 12D. 18A-18D are formed. According to such a structure, the magnetic impedance effect of the terminal portions 12A and 12B and the folded portions 12C and 12D is eliminated by the conductive films 18A to 18D, and only the pattern linear portion along the magnetic field detection direction to which the external magnetic field Hex is applied. Using the magnetic field detection function, it is said that the magnetic impedance effect in the magnetic field detection direction can be faithfully extracted and the detection sensitivity can be increased.
[0016]
However, in the magneto-impedance effect element as shown in FIG. 13, a part of the high-frequency current flows also in the folded portions 12C and 12D in which the magnetic anisotropy direction of the magnetic film 12 is disturbed. The 12D magneto-impedance effect cannot be completely eliminated. In particular, when the external magnetic field is applied, the inductance in the folded portions 12C and 12D changes irregularly, and hysteresis occurs in the detection output.
[0017]
The present invention is to solve the above-described conventional problems, and a plurality of soft magnetic bodies are arranged in parallel, and these soft magnetic bodies are connected in series by a nonmagnetic conductive material, thereby providing an element body. An object of the present invention is to provide a magneto-impedance effect element and a method for manufacturing the same that can increase a large inductance even when the overall length of the element is shortened, and that can keep the hysteresis of the element low.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
Book The manufacturing method of the magneto-impedance effect element of the invention is:
(A) forming a soft magnetic thin film on a substrate made of a nonmagnetic material in a static magnetic field in a certain direction;
(B) A pattern is formed on the soft magnetic thin film, and a plurality of linear or substantially rectangular soft magnetic thin films having a width direction in the direction applied with the static magnetic field in the step (a) are spaced apart. Forming them so as to be parallel to each other,
(C) The ends of the plurality of linear or substantially rectangular soft magnetic thin films are connected by a connecting member made of a nonmagnetic conductive material, and the parallel soft magnetic thin films are electrically connected in series. And a process of
It is characterized by having.
[0019]
After the step (b) or (c),
(D) A step of heat-treating the soft magnetic thin film patterned in the step (b) in a static magnetic field, a rotating magnetic field, or a non-magnetic field in the direction in which the static magnetic field is applied in the step (a). You may have.
[0020]
Or the manufacturing method of the magneto-impedance effect element of the present invention,
(E) forming a soft magnetic thin film on a substrate made of a nonmagnetic material in a static magnetic field in a certain direction;
(F) The soft magnetic thin film formed in the step (e) is in a static magnetic field or a rotating magnetic field in which the direction with respect to the soft magnetic thin film is the same as the direction of the static magnetic field applied in the step (e). Or a heat treatment in a magnetic field, and
(G) A linear or substantially rectangular soft magnetic thin film in which the soft magnetic thin film is patterned and the direction of the static magnetic field applied in the step (e) and / or (f) is the width direction. A step of forming a plurality of such that they are parallel to each other at intervals,
(H) electrically connecting the plurality of linear or substantially rectangular soft magnetic thin films in series by a connection member made of a nonmagnetic conductive material;
It is characterized by having.
[0021]
Further, a biaxial magnetic field sensor capable of detecting the direction and magnitude of the external magnetic field can be configured by using a plurality of the magneto-impedance effect elements of the present invention described above.
[0021]
For example, two magneto-impedance effect elements of the present invention are arranged on a substrate made of a non-magnetic material so that the longitudinal directions of the magneto-impedance effect elements are orthogonal to each other, and one of the magneto-impedance effect elements can The X direction component and the Y direction component of the external magnetic field can be detected by the other magneto-impedance effect element.
[0022]
Further, even numbers of the magneto-impedance effect elements of the present invention to which a bias magnetic field is applied in the longitudinal direction of the element are arranged in parallel on the substrate, and the even-number magneto-impedance effect elements are divided into two groups each in half. For each set, the direction of the bias magnetic field applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element is reversed, and the output of the magneto-impedance effect element belonging to a different set is taken to detect the X-direction component of the external magnetic field. In addition, an even number of other magneto-impedance effect elements are arranged in parallel on the substrate so as to be orthogonal to these magneto-impedance effect elements, and these even-numbered magneto-impedance effect elements are divided into two sets in half, Each set differs depending on the direction of the bias magnetic field applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element. May be detected in the Y direction component of the external magnetic field takes the differential output of the magneto-impedance effect elements belonging to.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a plan view showing a magneto-impedance effect element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the magneto-impedance effect element shown in FIG.
[0024]
In the magneto-impedance effect element shown in FIG. 1, eleven linear or substantially rectangular soft magnetic thin films 22a are arranged in parallel on a substrate 21 made of a non-magnetic material at intervals. The end portions of the eleven linear or substantially rectangular soft magnetic thin films 22a are electrically connected in series by a connecting member 22b made of a non-magnetic conductive thin film, whereby the magnetic sensitive portion 22 is formed. Is formed.
[0025]
In addition, the two soft magnetic thin films 22a in which the electrode portions 23, 23 made of a conductive thin film are arranged on the outermost side of the soft magnetic thin films 22a so that the total extension of the magnetic sensitive portion 22 can be lengthened. ₁ , 22a ₁ It is electrically connected to the end of the.
[0026]
In the present embodiment, the size of the soft magnetic thin film 22a in the element longitudinal direction is 2800 μm, the dimension in the element width direction is 40 μm to 50 μm, and the thickness is 4 μm.
[0027]
The connection member 22b and the electrode portion 23 are formed of a nonmagnetic conductive material such as Cu, Ti, Cr, Mo, Ta, W, or Al. However, the electrode part 23 may be integrally formed with the soft magnetic thin film 22a by the same soft magnetic material as the soft magnetic thin film 22a.
[0028]
A drive AC current is applied to the magneto-impedance effect element 20 from the electrode parts 23, 23, and the soft magnetic thin film 22a of the magnetic sensitive part 22 is excited in the element width direction (Y direction). In this state, when the external magnetic field Hex is applied in the longitudinal direction of the element (X direction), the impedance of the magnetic sensitive part 22 changes. A change in impedance of the magnetic sensing part 22 is taken out as a change in voltage between the electrode parts 23 and 23.
[0029]
In the present embodiment, a plurality of soft magnetic thin films 22a are arranged in parallel, and these soft magnetic thin films 22a are electrically connected in series by a connecting member 22b made of a nonmagnetic conductive material. Even if the length of the element in the longitudinal direction (magnetic field detection direction) as a whole is shortened, the total extension of the magnetic sensing portion 22 can be gained, and the inductance of the entire element body can be gained. Therefore, it is possible to earn the absolute value of the impedance. In addition, since the length of the element body in the element longitudinal direction can be shortened, a minute magnetic field can be detected efficiently.
[0030]
The magnetosensitive part 22 of the magneto-impedance effect element according to the present embodiment has a configuration in which linear or substantially rectangular soft magnetic thin films 22a arranged in parallel are connected by a connecting member 22b. 22a does not have a folded portion that causes noise or hysteresis in the detection output. Furthermore, since the connection member 22b is made of a nonmagnetic conductive material, no change in inductance due to the change in the external magnetic field Hex occurs in the connection member 22b.
[0031]
The soft magnetic thin film 22a of the magneto-impedance effect element shown in FIGS. 1 and 2 has no magnetic domain structure disorder and the direction of magnetic anisotropy is aligned in a certain direction. Therefore, the magneto-impedance effect element of FIG. 1 can suppress the noise of the detection output, and can suppress the coercive force of the entire magneto-impedance effect element to a low level and suppress the hysteresis of the detection output.
[0032]
In FIG. 1 and FIG. 2, the lengths and thicknesses of the eleven soft magnetic thin films 22a in the element longitudinal direction and the element width direction are set to a certain length and thickness, but the respective soft magnetic thin films 22a. The shapes of may be different. Further, the interval between the soft magnetic thin films 22a may not be a fixed interval. Each soft magnetic thin film 22a may be formed of different soft magnetic materials. Further, the number of the soft magnetic thin films 22a is not necessarily 11 as shown in FIGS. 1 and 2, and can be arbitrarily set according to the application.
[0033]
In the present embodiment, the soft magnetic thin film 22a is a single-layer soft magnetic thin film, but the soft magnetic thin film 22a may be formed by laminating a plurality of layers of soft magnetic thin films via an insulating layer.
[0034]
Alternatively, the soft magnetic thin film 22a may be formed by laminating a plurality of soft magnetic thin films via a conductive layer made of a conductive material. When the structure is formed by laminating a plurality of soft magnetic thin films via a conductive layer, the direct current resistance value of the magnetic sensing portion when a driving alternating current flows is lowered, and the power consumption of the magneto-impedance effect element can be reduced. it can.
A protective layer made of an insulating material may be formed on the magnetic sensitive part 22.
[0036]
The soft magnetic thin film 22a has, for example, a composition formula of Fe _71.4 Al _5.8 Si _13.1 Hf _3.3 C _4.5 Ru _1.9 This is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film having an average crystal grain size of 5 to 30 nm, mainly composed of bcc-Fe crystal grains, and having HfC crystal grains around bcc-Fe.
[0037]
T—X—M—Z—Q system other than this composition (the element T is an element containing one or both of Fe and Co, and the element X is one or both of Si and Al) The element M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W, and the element Z is one of C and N Alternatively, Q is an element including both, and Q is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film of one or more elements selected from Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au), Co-T —M—X—O system (the element T is an element containing one or both of Fe and Ni, and the element M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, One selected from P, C, W, B, Al, Ga, Ge and rare earth elements or X is a composition of one or more elements selected from Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Os, Ir, Pt, Pd), bcc-Fe, bcc A microcrystal composed of a crystal phase composed of FeCo, bcc-Co or the like and having an average crystal grain size of 10 to 30 nm and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase occupies 50% or more of the entire structure Soft magnetic alloy thin film and Fe-MO system (element M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W and rare earth elements) , A crystal phase composed mainly of bcc-Fe and having an average crystal grain size of 10 to 30 nm and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure. The magnetic sensitive part 22 may be formed as a magnetic alloy thin film.
[0038]
Alternatively, an amorphous soft magnetic alloy thin film of Fe—Co—Si—BM system (element M includes one or both of Cr and Ru), Co—Ta—Hf system amorphous The magnetically sensitive portion 22 may be formed as a soft magnetic alloy thin film or a Co—Zr—Nb amorphous soft magnetic alloy thin film.
[0039]
In the present invention, the magnetic sensitive portion 22 may be formed using a soft magnetic ribbon or a soft magnetic wire instead of the soft magnetic thin film 22a.
[0040]
In FIG. 1 and FIG. 2, the length and thickness of the connection member 22b in the element longitudinal direction and the element width direction are set to a certain length and thickness, but the shape of each connection member 22b is different. It doesn't matter. Further, the connecting member 22b is not a conductive thin film, but may be any member that electrically connects a plurality of soft magnetic thin films 22a (soft magnetic bodies) using a nonmagnetic conductive material. It does not matter. For example, the connecting member 22b may be formed in a wire shape.
[0041]
Further, a bias magnetic field can be applied to the magneto-impedance effect element of FIG. 1 by a hard magnetic material. As one of the methods, there is a method in which a thin film, a ribbon, or a bulk magnet made of a hard magnetic material is laminated on the upper part of the magnetic sensitive part 22.
[0042]
For example, a substantially rectangular hard magnetic thin film 24 (indicated by a dotted line in FIG. 1) covering the magnetic sensing part 22 is laminated on the magnetic sensing part 22 of the magneto-impedance effect element of FIG. The hard magnetic thin film 24 has magnetic poles S and N at both ends 24a and 24b in the longitudinal direction (Y direction), and a bias magnetic field in the longitudinal direction of the element is applied to the magnetic sensitive portion 22 by a leakage magnetic field from both ends 24a and 24b. Can be given.
[0043]
The hard magnetic thin film 24 is made of a hard magnetic material such as a Co—Cr alloy, a Co—Pt alloy, a Co—Cr—Pt alloy, a Co—Ni—Pt alloy, a Co—Cr—Ta alloy, and a Co—Cr—Pt—B alloy. Can be formed. Further, instead of the hard magnetic thin film 24, a hard magnetic ribbon made of a hard magnetic material such as Nd—Fe—B or a sintered magnet such as ferrite or Nd—Fe—B or Sm—Co. A bulk magnet may be laminated on the magnetic sensing part 22.
[0044]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a magneto-impedance effect element capable of applying a bias magnetic field by a magnetic material.
[0045]
When the hard magnetic thin film, the hard magnetic ribbon, or the bulk magnet is formed of a material having a large specific resistance, the hard magnetic thin film, the hard magnetic ribbon, or the bulk magnet is formed on the magnetic sensing portion 22. Magnets may be laminated directly. However, when the hard magnetic thin film, hard magnetic ribbon, or bulk magnet is formed of a material having a small specific resistance, as shown in FIG. For example, a hard magnetic thin film 24 is preferably laminated on the insulating layer 25 made of an insulating material.
[0046]
Further, the hard magnetic thin film, hard magnetic ribbon, or bulk magnet for applying a bias magnetic field to the magnetic sensitive part 22 may be formed on the back surface 21 a of the substrate 21.
In FIG. 3, a protective layer 26 made of an insulating material is formed on the hard magnetic thin film 24.
[0048]
FIG. 4 is a conceptual plan view showing an example of the magnetic domain structure of the soft magnetic thin film constituting the magnetic sensing part of the magneto-impedance effect element.
[0049]
FIG. 5 is a conceptual plan view showing another magnetic domain structure of the soft magnetic thin film 22 of the magneto-impedance effect element M.
For example, the aspect ratio of the soft magnetic thin film 22a is made smaller than 0.1.
[0051]
In FIG. 4, the magnetic domain 22 d is a magnetic domain in which the component in the element longitudinal direction is larger when the component in the element longitudinal direction of the magnetic moment is compared with the component in the element width direction. This component is a larger magnetic domain. In FIG. 4, the total area values of the magnetic domains 22c and 22d are equal. Then, the direction of the magnetic anisotropy as a whole of the soft magnetic thin film 22a becomes almost isotropic.
[0052]
When the total area of the magnetic domain 22d, which is a magnetic domain having a larger component in the element longitudinal direction, antagonizes the total area of the magnetic domain 22c, which is a magnetic domain having a larger component in the element width direction, that is, the element width direction and the element longitudinal direction. When the magnetic anisotropy energy is balanced, the soft magnetic thin film 22a becomes substantially isotropic as a whole in the direction of magnetic anisotropy. That is, the magnetic moment of the soft magnetic thin film 22a is not easily fixed in a certain direction, and the direction of the magnetic moment is easily changed when excited by an alternating current. That is, the magnetic permeability μ in the element width direction of the soft magnetic thin film 22a is increased.
[0053]
When the magnetic permeability μ in the element width direction of the soft magnetic thin film 22a takes the maximum value, the impedance magnitude Z of the soft magnetic thin film 22a becomes maximum, and the output voltage from both ends of the soft magnetic thin film 22a also becomes maximum.
[0054]
In FIG. 4, when an external magnetic field is not applied, the soft magnetic thin film 22a is in a state in which the direction of magnetic anisotropy is close to an isotropic state as a whole.
[0055]
Accordingly, the direction of the magnetic anisotropy of the soft magnetic thin film 22a as a whole is almost isotropic without applying the external magnetic field Hex or slightly applying the external magnetic field Hex in the longitudinal direction of the element of the soft magnetic thin film 22a. The magnetic permeability μ in the element width direction of the soft magnetic thin film 22a can be maximized, and the output voltage from both ends of the magnetic sensitive portion 22 made of the soft magnetic thin film 22a and the external magnetic field can be applied. The amount of change in output voltage can be maximized. Therefore, the magnitude of the bias magnetic field required to be applied in the element longitudinal direction of the magnetic sensitive part 22 can be reduced, for example, to 400 (A / m) or less.
[0056]
The soft magnetic thin film 22a may have a single magnetic domain structure, and the component in the element longitudinal direction and the component in the element width direction of the magnetic moment may be balanced in each magnetic domain.
[0057]
In the magneto-impedance effect element of the present invention, as shown in FIG. 5, the total area of the magnetic domain 22d, which is a magnetic domain having a larger component in the element longitudinal direction, is a magnetic domain having a larger component in the element width direction. Even when it is larger than the total area of a certain magnetic domain 22c, the direction of the magnetic anisotropy of the soft magnetic thin film 22a can be made close to an isotropic state as a whole, and the total area of the magnetic domain 22d and the total of the magnetic domains 22c Magnetic field detection sensitivity equivalent to that of the magneto-impedance effect element having the soft magnetic thin film 22a having a magnetic domain structure in which the area is antagonized can be obtained. In addition, it is possible to further reduce the magnitude of the bias magnetic field required to be applied in the element longitudinal direction of the magnetic sensing portion 22.
[0058]
In the present invention, the magnetic domain structure of the soft magnetic thin film 22a may be a magnetic domain structure as shown in FIG. That is, the total area of the magnetic domains 22d in which the magnetic moment is oriented in the element longitudinal direction may be narrower than the total area of the magnetic domains 22c in which the magnetic moment is oriented in the element width direction.
[0059]
In order to detect the direction and magnitude of the external magnetic field at the same time, a biaxial magnetic sensor can be constructed using the magneto-impedance effect element of the present invention. FIG. 7 shows a biaxial magnetic sensor constructed using the magneto-impedance effect element of the present invention.
[0060]
In FIG. 7, the same magneto-impedance effect elements 20 </ b> A and 20 </ b> B as the magneto-impedance effect element of FIG. 1 to which a bias magnetic field is applied in the longitudinal direction of the element are arranged on the substrate 27 in parallel. Bias magnetic field H applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element 20A _B1 And a bias magnetic field H applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element 20B _B2 The direction is reversed. Bias magnetic field H _B1 , H _B2 As shown in FIG. 1 and FIG. 3, it can be given by laminating a hard magnetic thin film on the magnetic sensitive portions 22A and 22B. In FIG. 7, the hard magnetic thin film is not shown for easy viewing of the drawing. Further, there is a method in which a hard magnetic ribbon or a bulk magnet is laminated on the magnetic sensitive portions 22A and 22B instead of the hard magnetic thin film.
[0061]
Alternatively, a hard magnetic thin film, a hard magnetic ribbon, or a bulk magnet is disposed on the back surface of the substrate 27 so that the bias magnetic field H _B1 , H _B2 May be given.
[0062]
The X direction component of the external magnetic field is detected by taking the differential of the outputs of the magneto-impedance effect elements 20A and 20B. By taking the differential of the outputs of the magneto-impedance effect elements 20A and 20B, noise can be removed from the detection output, the detection output can be amplified, and the temperature characteristics and the linearity of the detection output can be improved.
[0063]
Furthermore, the magneto-impedance effect elements 20C and 20D are arranged in parallel on the substrate 27 so as to be orthogonal to the magneto-impedance effect elements 20A and 20B. Bias magnetic field H applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element 20C _B3 And a bias magnetic field H applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element 20D _B3 The direction is reversed. Bias magnetic field H _B3 , H _B4 As shown in FIG. 1 and FIG. 3, it can be given by laminating a hard magnetic thin film on the magnetic sensitive portions 22C and 22D. In FIG. 7, the hard magnetic thin film is not shown for easy viewing of the drawing. Further, there is a method of laminating a hard magnetic ribbon or a bulk magnet on the magnetic sensitive portions 22C and 22D instead of the hard magnetic thin film.
[0064]
Alternatively, a hard magnetic thin film, a hard magnetic ribbon, or a bulk magnet is disposed on the back surface of the substrate 27 so that the bias magnetic field H _B3 , H _B4 May be given.
[0065]
The differential of the outputs of the magneto-impedance effect elements 20C and 20D is taken to detect the Y direction component of the external magnetic field. By taking the differential of the outputs of the magneto-impedance effect elements 20C and 20D, noise can be removed from the detection output, the detection output can be amplified, and the temperature characteristics and the linearity of the detection output can be improved.
[0066]
In FIG. 7, the same magneto-impedance effect element as in FIG. 1 is used. That is, the magneto-impedance effect elements 20A, 20B, 20C, and 20D in which the magnetic sensitive portions 22A, 22B, 22C, and 22D are formed on the substrates 21A, 21B, 21C, and 21D are disposed on the substrate 27. However, the magnetic sensitive portions 22A, 22B, 22C, and 22D may be directly formed on the substrate 27 in the arrangement shown in FIG.
[0067]
A method for manufacturing the magneto-impedance effect element shown in FIG. 1 will be described.
First, a soft magnetic thin film is formed on a substrate 21 made of a nonmagnetic material such as alumina titanium carbide, glass, ceramic, crystallized glass, etc. in a static magnetic field in a certain direction by sputtering, vapor deposition, plating, or the like.
[0069]
The soft magnetic thin film 22a has, for example, a composition formula of Fe _71.4 Al _5.8 Si _13.1 Hf _3.3 C _4.5 Ru _1.9 This is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film mainly composed of bcc-Fe crystal grains.
[0070]
T—X—M—Z—Q system other than this composition (the element T is an element containing one or both of Fe and Co, and the element X is one or both of Si and Al) The element M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and W, and the element Z is one of C and N Alternatively, Q is an element including both, and Q is a microcrystalline soft magnetic alloy thin film of one or more elements selected from Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, and Au), Co-T —M—X—O system (the element T is an element containing one or both of Fe and Ni, and the element M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, One selected from P, C, W, B, Al, Ga, Ge and rare earth elements or An element X having a composition of one or more elements selected from Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Os, Ir, Pt, and Pd), and bcc-Fe, It consists of a crystalline phase composed of bcc-FeCo, bcc-Co, etc. with an average crystal grain size of 10 to 30 nm and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure. Crystal soft magnetic alloy thin film and Fe-MO system (element M is one or more elements selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W and rare earth elements) A crystal phase composed mainly of bcc-Fe and having an average crystal grain size of 10 to 30 nm and an amorphous phase containing M oxide, and the amorphous phase accounts for 50% or more of the entire structure The magnetic sensitive part 22 may be formed as a soft magnetic alloy thin film.
[0071]
Alternatively, an amorphous soft magnetic alloy thin film of Fe—Co—Si—BM system (element M is an element including one or both of Cr and Ru), or an amorphous material of Co—Ta—Hf system. The soft magnetic thin film 22a may be formed as a soft magnetic alloy thin film or a Co—Zr—Nb amorphous soft magnetic alloy thin film.
[0072]
In the present embodiment, the soft magnetic thin film 22a is formed using an RF magnetron sputtering apparatus. The conditions during film formation are in the following range.
[0073]
High frequency power: 200 to 400 (W)
Ar gas pressure: 50 (sccm)
Deposition pressure: 3-7 (mTorr)
Static magnetic field strength during film formation: 800 (A / m) (10 or more (Oe))
Deposition rate: 10-33.5 (nm / min)
The standard conditions are: high-frequency power of 400 (W), Ar gas pressure of 50 (sccm), film-forming pressure of 7 (mTorr), film-forming static magnetic field strength of 4800 (A / m), film-forming speed Is 33.5 (nm / min). The substrate was cooled by indirect cooling.
[0074]
Next, the soft magnetic thin film is patterned by photolithography and etching, and 11 linear or substantially rectangular soft magnetic thin films 22a having a width direction (Y direction) as a direction in which a static magnetic field is applied, They are formed so as to be parallel to each other at intervals.
[0075]
Further, a conductive material made of a nonmagnetic material such as Cu, Ni, Ti, Cr, Mo, Ta, W, or Al so that eleven linear or substantially rectangular soft magnetic thin films 22a are electrically connected in series. The connection member 22b which is a thin film is formed by sputtering or vapor deposition, or is formed by plating. At the same time when the connection member 22b is formed by sputtering, vapor deposition, or plating, the two soft magnetic thin films 22a arranged on the outermost side of the soft magnetic thin films 22a. ₁ , 22a ₁ Electrode portions 23, 23 electrically connected to the end portions of the electrodes are also formed.
[0076]
In the present invention, by forming the soft magnetic thin film 22a in a static magnetic field, the shape magnetic anisotropy energy in the element longitudinal direction (X direction) and the element width direction (Y direction) of the soft magnetic thin film 22a. Is almost balanced with the magnetic anisotropy energy. That is, in the soft magnetic thin film 22a, the magnetic anisotropy in the element longitudinal direction (X direction) and the magnetic anisotropy in the element width direction (Y direction) almost antagonize, and as shown in FIG. 5 has a magnetic domain structure in which the total area of the magnetic domain 22D, which is a magnetic domain having a larger component, is equal to the total area of the magnetic domain 22C, which is a magnetic domain having a larger component in the element width direction, or as shown in FIG. In addition, it is possible to obtain a magnetic domain structure in which the total area of the magnetic domain 22d, which is a magnetic domain having a larger component in the element longitudinal direction, is larger than the total area of the magnetic domain 22c, which is a magnetic domain having a larger component in the element width direction.
[0077]
However, as shown in FIG. 6, the total area of the magnetic domain 22c, which is a magnetic domain having a larger component in the element width direction, has a magnetic domain structure larger than the total area of the magnetic domain 22d, which is a magnetic domain having a larger component in the element longitudinal direction. Sometimes things are obtained.
[0078]
In the present embodiment, after the soft magnetic thin film 22a is patterned, a magnetic field is further applied in the element width direction of the soft magnetic thin film 22a to perform heat treatment. As described above, after the soft magnetic thin film 22a is formed in the magnetic field, the magnetic difference in the longitudinal direction of the element (X direction) of the soft magnetic thin film 22a is further performed by performing the heat treatment in the static magnetic field, the rotating magnetic field, or the non-magnetic field. It becomes easy to substantially counteract the directionality and the magnetic anisotropy in the element width direction (Y direction).
[0079]
The conditions for the heat treatment in the static magnetic field, the rotating magnetic field, or the non-magnetic field in the present embodiment are in the following ranges.
[0080]
Static magnetic field strength: 0 to 80000 (A / m) (1 kOe)
Heat treatment temperature: 540-675 (° C)
Heat treatment time: 20-30 (min)
Temperature increase rate: 10-14 (° C / min)
The standard conditions are a static magnetic field strength of 80000 (A / m) (1 kOe), a heat treatment temperature of 575 (° C.), a heat treatment time of 30 (min), and a temperature increase rate of 13.6 (° C./min). .
[0081]
In the present embodiment, after the soft magnetic thin film is formed in a magnetic field and then the soft magnetic thin film 22a is patterned, heat treatment is performed in a static magnetic field, in a rotating magnetic field, or in a non-magnetic field. After the magnetic thin film is formed in a magnetic field, before the soft magnetic thin film 22a is patterned, in the static magnetic field in the same direction as the direction of the static magnetic field applied when the soft magnetic thin film is formed, in the rotating magnetic field or in the absence of the magnetic thin film Heat treatment may be performed in a magnetic field, and then the soft magnetic thin film 22a may be patterned. Note that the strength of the magnetic field when the heat treatment is performed in the rotating magnetic field may be the same as the strength of the magnetic field when the heat treatment is performed in the static magnetic field.
[0082]
When forming a hard magnetic body for applying a bias magnetic field in the longitudinal direction of the element to the magnetic sensing part 22 as shown in FIG. 3, an insulating layer 25 made of an insulating material is sputtered on the magnetic sensing part 22. For example, a Co—Cr alloy, a Co—Pt alloy, a Co—Cr—Pt alloy, a Co—Ni—Pt alloy, a Co—Cr—Ta alloy, Co—Cr—Pt—B is formed on the insulating layer 25. A hard magnetic thin film 24 made of a hard magnetic material such as an alloy is formed by sputtering or vapor deposition. Alternatively, a hard magnetic ribbon made of a hard magnetic material such as Nd-Fe-B or a bulk magnet made of ferrite or a sintered magnet such as Nd-Fe-B or Sm-Co on the insulating layer 25. A magnet may be adhered.
[0083]
【Example】
FIG. 8 is a graph showing the results of measuring the MH characteristics of the soft magnetic thin film constituting the magnetic sensing part of the conventional magneto-impedance effect element using a VSM (vibration type magnetic force meter).
[0084]
Composition is Fe _71.4 Al _5.5 Si _13.6 Hf _3.2 C _4.3 Ru _2.0 A zigzag-shaped magnetic sensing portion as shown in FIG. 12 was formed using a soft magnetic material represented by However, the zigzag folded portion was formed by 9 folds. Therefore, there are eleven straight portions in the element longitudinal direction (X direction) of the soft magnetic thin film constituting the magnetosensitive portion. The length of the soft magnetic thin film in the element longitudinal direction (corresponding to L in FIG. 12) was 2800 μm, and the length in the element width direction (corresponding to W in FIG. 12) was 25 μm. An external magnetic field was applied to the soft magnetic thin film obliquely from the element, and the relationship between the magnitude of the external magnetic field and the magnetization of the soft magnetic thin film was examined. The magnitude of the external magnetic field was changed in the range of −800 to +800 (A / m).
[0085]
The results are shown in FIG. From FIG. 8, the coercive force Hc of the soft magnetic thin film constituting the magnetosensitive part of this magneto-impedance effect element is 25.84 (A / m). This value is 10 times or more the coercive force Hc of the soft magnetic thin film in the so-called solid film state immediately after the soft magnetic material is deposited on the substrate. That is, if a magnetically sensitive part formed of a zigzag-shaped soft magnetic thin film is formed, the magnetic properties of the soft magnetic material will be degraded. In addition, hysteresis occurs in the output characteristics of the magneto-impedance effect element, and the output further decreases.
[0086]
FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the MH characteristics of the soft magnetic thin film constituting the magnetic sensing portion of the magneto-impedance effect element of the present invention shown in FIG. 1 using a VSM (vibration magnetic force meter). It is.
[0087]
Composition is Fe _71.4 Al _5.5 Si _13.6 Hf _3.2 C _4.3 Ru _2.0 A magnetically sensitive portion as shown in FIG. 1 was formed using a soft magnetic material represented by However, the length of the soft magnetic thin film in the element longitudinal direction (X direction) was 2800 μm, and the length in the element width direction (Y direction) was 25 μm. An external magnetic field Hex was applied to the soft magnetic thin film from an oblique direction of the element, and the relationship between the magnitude of the external magnetic field Hex and the magnitude of magnetization of the soft magnetic thin film was examined. The magnitude of the external magnetic field Hex was changed in the range of −800 to +800 (A / m).
[0088]
The results are shown in FIG. From FIG. 9, the coercive force Hc of the soft magnetic thin film constituting the magnetosensitive part of this magneto-impedance effect element is 1.967 (A / m). This value is almost equal to the coercive force Hc of the soft magnetic thin film in a so-called solid film state immediately after the soft magnetic material is formed on the substrate. That is, when the magnetosensitive portion of the magneto-impedance effect element is formed as in the present invention, it is possible to suppress a decrease in the magnetic characteristics of the soft magnetic material. In addition, it is possible to suppress the occurrence of hysteresis in the output characteristics of the magneto-impedance effect element, and to further improve the output.
[0089]
10 and 11 are graphs showing the results of measuring the magneto-impedance effect characteristics using the conventional and the magneto-impedance effect elements of the present invention used for measuring the MH characteristics of FIGS. 8 and 9, respectively. is there.
[0090]
An external magnetic field is applied in the longitudinal direction of the magneto-impedance effect element in a state where a drive AC current is applied from the electrode part of the magneto-impedance effect element to both ends of the magneto-sensitive part. The output voltage was measured while changing the magnitude of the applied external magnetic field.
[0091]
First, the composition is Fe _71.4 Al _5.5 Si _13.6 Hf _3.2 C _4.3 Ru _2.0 A zigzag-shaped magnetic sensing portion as shown in FIG. 12 was formed using a soft magnetic material represented by However, the zigzag folded portion was formed by 9 folds. Accordingly, there are eleven straight portions 12a in the longitudinal direction (X direction) of the soft magnetic thin film constituting the magnetic sensitive portion. The length of the soft magnetic thin film in the element longitudinal direction (corresponding to L in FIG. 12) was 2800 μm, and the length in the element width direction (corresponding to W in FIG. 12) was 25 μm. An external magnetic field was applied to the soft magnetic thin film from the longitudinal direction of the element, and the relationship between the magnitude of the external magnetic field and the magnetization of the soft magnetic thin film was examined. The magnitude of the external magnetic field was changed in the range of −200 to +200 (A / m).
[0092]
Referring to FIG. 10, when an external magnetic field is measured using a conventional magneto-impedance effect element, when the external magnetic field is applied from the positive direction, the magnitude ranges from 0 (A / m) to 200 (A / m). ) And the magnetic field-output curve when changed from 200 (A / m) to 0 (A / m) overlap. However, when an external magnetic field is applied from the negative direction, from the magnetic field-output curve and -200 (A / m) when the magnitude is changed from 0 (A / m) to -200 (A / m). Magnetic field-output curves when changed to 0 (A / m) do not overlap. That is, hysteresis occurs.
[0093]
Next, the composition is Fe _71.4 Al _5.5 Si _13.6 Hf _3.2 C _4.3 Ru _2.0 1 was used to form the magneto-impedance effect element of the present invention shown in FIG. However, the length of the soft magnetic thin film in the element longitudinal direction (X direction) was 2800 μm, and the length in the element width direction (Y direction) was 25 μm. An external magnetic field was applied to the soft magnetic thin film from the longitudinal direction of the element, and the relationship between the magnitude of the external magnetic field and the magnetization of the soft magnetic thin film was examined. The magnitude of the external magnetic field was changed in the range of −200 to +200 (A / m).
[0094]
Referring to FIG. 11, when the external magnetic field is measured using the magneto-impedance effect element according to the embodiment of the present invention, the magnitude is changed from 0 (A / m) to +200 when the external magnetic field is applied from the positive direction. The magnetic field-output curve when changed to (A / m) and the magnetic field-output curve when changed from +200 (A / m) to 0 (A / m) overlap. Further, when an external magnetic field is applied from the negative direction, the magnetic field-output curve when the magnitude is changed from 0 (A / m) to -200 (A / m) and from -200 (A / m) to 0 Magnetic field-output curves when changed to (A / m) also overlap. That is, no hysteresis occurs in the magneto-impedance effect element according to the embodiment of the present invention.
[0095]
Further, comparing FIG. 10 and FIG. 11, it can be seen that the output of the magneto-impedance effect element of the present invention is larger than that of the conventional magneto-impedance effect element when a magnetic field of the same magnitude is applied.
[0096]
【The invention's effect】
According to the present invention described in detail above, a plurality of soft magnetic bodies are arranged in parallel, and these soft magnetic bodies are electrically connected in series by a nonmagnetic conductive material. Even if the length in the magnetic field detection direction is shortened, the total extension of the magnetic sensing part can be obtained, and the inductance of the entire element body can be obtained. Therefore, it is possible to earn the absolute value of the impedance. In addition, since the length of the element body in the magnetic field detection direction can be shortened, a minute magnetic field can be detected efficiently.
[0097]
Further, the magnetosensitive part of the magneto-impedance effect element of the present invention has a configuration in which linear or substantially rectangular soft magnetic bodies arranged in parallel are connected by a connecting member made of a nonmagnetic conductive material, The soft magnetic material does not have a folded portion that causes detection output noise or hysteresis. In addition, since the connection portion is formed of a nonmagnetic conductive material, no change in inductance due to a change in the external magnetic field occurs in the connection portion.
[0098]
In the present invention, an external magnetic field is detected by a plurality of soft magnetic bodies oriented in a direction parallel to the magnetic field application direction. These soft magnetic materials have no disturbance of the magnetic domain structure, and the direction of magnetic anisotropy is aligned in a certain direction. Therefore, in the present invention, noise and hysteresis of the detection output can be suppressed, and the magnetic field detection output can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a magnetoimpedance effect element according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view of the magneto-impedance effect element shown in FIG.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a magnetoimpedance effect element according to an embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a magnetic domain structure of a soft magnetic thin film that constitutes a magnetic sensitive part of the magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a magnetic domain structure of a soft magnetic thin film that constitutes a magnetic sensitive part of the magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of a magnetic domain structure of a soft magnetic thin film that constitutes a magnetic sensitive part of the magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 7 is a plan view showing a two-axis magnetic sensor configured using the magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 8 is a graph showing the magnetic characteristics of the magnetosensitive part of a conventional magneto-impedance effect element having a zigzag soft magnetic thin film;
FIG. 9 is a graph showing the magnetic characteristics of the magnetosensitive part of the magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 10 is a graph showing output characteristics of a conventional magneto-impedance effect element having a zigzag soft magnetic thin film;
FIG. 11 is a graph showing output characteristics of the magneto-impedance effect element of the present invention;
FIG. 12 is a perspective view of a conventional magneto-impedance effect element having a zigzag folded soft magnetic thin film;
FIG. 13 is a perspective view of a conventional magneto-impedance effect element having a conductive thin film on the folded portion of a zigzag folded soft magnetic thin film;
[Explanation of symbols]
Substrate 21
Magnetosensitive part 22
Soft magnetic thin film 22a
Connecting member 22b
Electrode part 23
Hard magnetic thin film 24
Insulating layer 25

Claims

（ａ）非磁性材料からなる基板上に、軟磁性薄膜を一定方向の静磁場中で成膜する工程と、
（ｂ）前記軟磁性薄膜をパターン形成して、前記（ａ）の工程において静磁場がかけられた方向を幅方向とする線状又は略長方形状の軟磁性薄膜を、複数個、間隔を開けて互いに平行となるように形成する工程と、
（ｃ）前記複数個の線状又は略長方形状の軟磁性薄膜の端部どうしを、非磁性導電材料からなる接続部材で接続して、前記平行な各軟磁性薄膜を電気的に直列に接続する工程と、
を有することを特徴とする磁気インピーダンス効果素子の製造方法。(A) forming a soft magnetic thin film on a substrate made of a nonmagnetic material in a static magnetic field in a certain direction;
(B) A pattern is formed on the soft magnetic thin film, and a plurality of linear or substantially rectangular soft magnetic thin films having a width direction in the direction applied with the static magnetic field in the step (a) are spaced apart. Forming them so as to be parallel to each other,
(C) The ends of the plurality of linear or substantially rectangular soft magnetic thin films are connected by a connecting member made of a nonmagnetic conductive material, and the parallel soft magnetic thin films are electrically connected in series. And a process of
A method for manufacturing a magneto-impedance effect element, comprising:

前記（ｂ）又は（ｃ）の工程の後に、
（ｄ）前記（ｂ）の工程でパターン形成された軟磁性薄膜を、前記（ａ）の工程において静磁場がかけられた方向の静磁場中、回転磁場中、または無磁場中で熱処理する工程を有する請求項１に記載の磁気インピーダンス効果素子の製造方法。After the step (b) or (c),
(D) A step of heat-treating the soft magnetic thin film patterned in the step (b) in a static magnetic field, a rotating magnetic field, or a non-magnetic field in the direction in which the static magnetic field is applied in the step (a). The manufacturing method of the magneto-impedance effect element of Claim 1 which has these.

（ｅ）非磁性材料からなる基板上に、軟磁性薄膜を一定方向の静磁場中で成膜する工程と、
（ｆ）前記（ｅ）の工程で形成された軟磁性薄膜を、前記軟磁性薄膜に対する方向が前記（ｅ）の工程においてかけられた静磁場の方向と同じである静磁場中、回転磁場中、または無磁場中で熱処理する工程と、
（ｇ）前記軟磁性薄膜をパターン形成して、前記（ｅ）および／または（ｆ）の工程においてかけられた静磁場の方向を幅方向とする、線状又は略長方形状の軟磁性薄膜を、複数個、間隔を開けて互いに平行となるように形成する工程と、
（ｈ）前記複数個の線状又は略長方形状の軟磁性薄膜を、非磁性導電材料からなる接続部材によって電気的に直列接続する工程と、
を有することを特徴とする磁気インピーダンス効果素子の製造方法。(E) forming a soft magnetic thin film on a substrate made of a nonmagnetic material in a static magnetic field in a certain direction;
(F) The soft magnetic thin film formed in the step (e) is in a static magnetic field or a rotating magnetic field in which the direction with respect to the soft magnetic thin film is the same as the direction of the static magnetic field applied in the step (e). Or a heat treatment in a magnetic field, and
(G) A linear or substantially rectangular soft magnetic thin film in which the soft magnetic thin film is patterned and the direction of the static magnetic field applied in the step (e) and / or (f) is the width direction. A step of forming a plurality of such that they are parallel to each other at intervals,
(H) electrically connecting the plurality of linear or substantially rectangular soft magnetic thin films in series by a connection member made of a nonmagnetic conductive material;
A method for manufacturing a magneto-impedance effect element, comprising: