JPH06500203A - 小形高感度磁気抵抗式磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ハ　ノ１用−一　−エ　クプ１を 註で １、腫廿富 この発明は磁界の測定のためのセンサに、且つ特に、磁気抵抗（？ＩＲ）素子及 び関連の磁束収集器を用いた磁界センサに関係している。

２、意景技街茎閏工ゑ説所 磁界を測定する際の使用のために広範囲の種類のセンサが技術上知られている。

これらの中には、ホール効果センサ、陽子共鳴効果センサ、超伝導量子干渉検出 器（ＳＱＵＩＤ）、フラックスゲート磁力計、誘導式ピックアップ、磁気抵抗式 センサなどがある。応用に依存して、上のセンサの一つ又はもう一つが特定の磁 界測定のために選択されることができる。

これらのセンサの中で、ＭＲセンサは最も用途の広い磁界検出器の一つであるこ とがわかっている。単一条片？ｌＲ通常素子は製造するのが比較的簡単であり、 非常に高い周波数まで平たんな周波数応答を持っており、且つ一般的な磁界測定 のために許容可能な感度、すなわち単位信号磁界当りの信号電圧、を持っている 。しかしながら、低振幅磁界測定のためには、このような単一条片形態のＭＲセ ンサの感度は制限されている。大面積朋センサが開発されていて、これにおいて はＭＲ素子が基板上に曲がり（ねったパターンで付着させられていて、ＭＲ素子 の長さを通常の単−条片阿Ｒに比べて何倍も増大している。この形態はセンサの 全抵抗値を増大するが、信号は印加磁界と共に抵抗値の変化に比例するので、セ ンサの感度はそれに応じて改善される。しかしながら、感度はパワーの平方根に 比例するので、パワー消費量は抵抗値の増大と共に感度の増大よりも急速に増大 する。そのうえ、大面積センサはＭＲ素子により占拠される増大した面のために 比較的大きい体積を占め、局所化空間における磁界を測定するための小さいプロ ーブとしてのそれの使用の可能性を妨げる。そのような大面積センサは、クイア トコツスキ（Ｋｗ　ｉａｔｋｏｗｓｋｉ）及びラマンスキ（Ｔｕｍａｎｓｋｉ） によって、「ジャーナル　オブ　フィジックスＥ：　サイエンティフィック　イ ンスツルメンツ」、グレート　プリテン、第１９巻、１９８６年、５１０ページ （’Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅ　：　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔr’＋ Ｇｒｅａｔ　Ｂｒ１ｔａｉｎ、　Ｖｏｌｕｍｅ　１９＋　１８９６．　ｐａｇｅ 　５１０）に記載されている。

ＭＲセンサの感度が、曲素子と整列させて高透磁率磁束収集器を準備することに よって改善され得ることは従来技術において知られている。従来技術は、ノλル クパーマロイ棒の磁束収集器を二重ＭＲセンサと共に用いてセンサ組立体の全長 が約２０センチメートルになるようにすることを教示している。（Ｏ，ゲーブハ ルト、−。

リヒター著「エクスペリメンテレ・テヒニク・デア・フイジーク」第３９巻、１ ９８２、年、３６３〜３６７ページ（０，Ｇｅｂｈａｒｄｔ、　Ｗ、　Ｒｉｃｈ ｔｅｒ、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｒ＋ｔｅｌｌｅ　Ｔｅｃｈｎｉｋ　ｄｅｒＰｈｙｓｉ ｋ’、　Ｖｏｌｕｍｅ　３９．１８９２．　ｐａｇｅｓ　３６３−３６７、）） 察知されることであろうが、大面積センサについてと同様に、バルクパーマロイ 棒磁束収集器を備えた二重１’ｌＲセンサは、長さが２０センチメートルであっ て、制限された容積内での磁界測定のためのプローブとしては適当でない。

完朋９盟示 この発明による小形センサは、一様な磁界を測定するのに適しており、基板、平 面状磁気抵抗素子、並びに前記の基板上に付着させられていて、それぞれ磁気抵 抗素子を通してセンス電流を加えるためにこの素子の両端に接続された第１及び 第２の電気的導体を備えている。特に、磁気抵抗素子はこれの対立端部を接続す る側方縁部間の「高さ」寸法りを持っており、又基板の主要面に付着された、そ れぞれの「高さＪＨ，及びＨ２の第１及び第２の成層磁束収集器はそれぞれ磁気 抵抗素子の対立する側方縁部と実質上共面間係において部分的に重なり合ってい て、磁気抵抗素子の「高さ」ｈより小さいギャップｃｙ４け側方に分離されてい る。この小形センサはＨＩ＋Ｈ２＋Ｇの合成「高さ」を持っていて、無次元の比 （１’！　、　＋Ｈｚ＋Ｇ）　／Ｇは約５０より大きい。

磁束収集器はこの発明のセンサの感度を増大して、従来技術において知られた磁 束収集器を備えた二重条片間センサの感度に等しいか又はこれを越えるようにす る。この発明の薄膜センサは３山の測定帯域幅で１０−６エルステ、ドのような 小さい大きさの磁界に応答することができて、直流からＩ　ＭＨｚよりかなり上 まで一様な応答を呈する。磁束収集器は高周波数における渦電流損を避けるため に付着高透磁率磁性材料の成層品からなっている。各磁束収集器における偶数の 成層品は各対を構成する二つの成層高量の磁気結合を高め、成層品における磁区 形成によるバルクハウゼン雑音を最小化する。

センサの出力を線形化するために、又は望まれない静止若しくは低周波数干渉磁 界の補償のために交流又は直流バイアスｌ（ｂを加える手段としてセンサ及び基 板上にコイルを巻いてもよい（図５）、基板取付けのセンサ及び磁束収集器並び にコイルは１立方センチメートルより小さい容積内に納められることができる。

センサのＭＲ素子は米国特許第４９５６７３６号において教示されたように長斜 方形として形成されている。ＭＲ素子の斜方形の形状は、ＭＲ素子を一時的に飽 和させるかもしれない過負荷信号からの回復後にバルクハウゼン雑音を伴うＭＲ 素子における多重磁区の形成を阻止するのに役立つ。

曲素子及び磁束収集器の寸法は最大感度及びセンサの小形化のために、最適化さ れている。センサの製作の際に利用される薄膜付着技術は磁束収集器及びＭＲ素 子を部分的に重ね合わせせることを可能にし且つ簡単な小形で経済的な方法で最 大感度が達成されるように磁束収集器の厚さ及びギャップ間隔の大きさを決める ことを可能にする。

凹面Ω箇里星説皿 図１ａはこの発明の磁界センサの図面であり、図１ｂは図１ａに見られる磁束収 集器の成層構成の拡大図であり、図２は阿に素子の高さの関数としてのこの発明 のセンサの相対的感度のプロットであり、 図３は磁束収集器の厚さの関係としてのこの発明のセンサの相対的感度のプロッ トであり、 図４は磁束収集器の高さの関数としてのこの発明のセンサの相対的感度のプロン トであり、 図５は印加磁界の関数としてのこの発明のセンサの磁気抵抗依存性抵抗値変化の 正規化応答曲線であり、又 図６は補償コイルを含むこの発明のセンサの図面である。

る　の　゛ 図１８に言及すると、磁界センサ１０の採択実施例は基板１２を備えており、こ れの上にパーマロイＭＲ素子１４が付着させられている。導体２０．２２は朋素 子１４を通るセンスｉｔ流を導くために役立つものであって、ＩＲ素子１４と電 気的に接触して付着させらイ１．ている。ＳｉＯ□の薄層がＭＲ素子１４を磁束 収集器１６．１８からｍｌＡず６ためＱこ付着させられており、そしてこれ・し の磁束収集器はｌＩＲ素子１４の縁部２こ接触しり。つこれとわずかに重なり合 １．′で付着させられている。各磁束収集ａｉ６．　ｉｓは１）４ｔａ及び図１ １３に見られるよ・）にＳｉＯ□の０．１ミクロンの層１７によって分離された 、高透磁性のＮｅＦｃ磁性材料の、六つの積み重ねられた１ミクロン厚の成層品 １５からなっている。

導体２０．２２を通るセンス電流の流れによるＭＲ素子１４における電圧降下は 、磁束収集器１６．１８により素子１４に加えられた変化する磁界から生じる朋 素子１４の抵抗値変化に従って変化する。

小形の採択実施例においては、ＭＲ素子１４の厚さｔは２５０オングストローム であり、且つＭＲ素子１４は上述のように磁区形成に対する防護を与えるために 内部角３０度の長斜方形形状を持っていた。異方性磁界はチェルステッドであっ たが、これは通常の磁性材料薄膜付着技術を用いて容易に達成可能である。朋素 子１４及び磁束収集器１６．１８の透磁率は約２０００であった。

最大センサ感度を得るためのＭＲ素子の高さの最適化は図２の図表の参照によっ て理解されるであろう。図２に表現されたデータは、図１ａに見られるように素 子１４と磁束収集器１６．１８との間の１ミクロンの一定した重なり合いに基づ いている。

この重なり合いはＭ？素子１４の磁束収集器１６．１８への密接な結合を保証す る０図２に見られるように、低いｌ’ｌＲ素子高素子−ては、素子の相対的感度 は高さと共に増大するが、これは、高さが増大するにつれて、ＭＲ素子の正味透 磁率を制限する形状異方性が減小するためである。３５ミクロンの高さでの感度 におけるピークの後、相対的応答は高さｈの継続した増大と共に減小し始める。

これは、（一定の１ミクロン重なり合いに対して）高さが増大するにつれて磁束 収集器間のギャップＧの磁気抵抗が増大するので磁束結合の効率が低下し始める ためである。採択実施例における？ＩＲ素子の高さはそれに応じて応答ピークに 、すなわち３５ミクロンに設定された。

図３に言及すると、磁束収集器の厚さＴに間して類似のピークが生じており、従 って最適化性能のために磁束収集器の全厚は採択実施例においては約６ミクロン に設定された。

センサの感度が（１束収集２コの高さＨと共に直接増大することは図４から理解 されるであろう。センサ全体を１立方センチメー　トル未満に納めると共に十分 な感度を（待する目的で、磁束収集８１６．１８の高さＨは採択実施例において は１５００ミクロンに設定された。

図５を参照すると、この発明のセンサは従来技術の他の単−薄膜センサが持って いるような印加磁界に応答する感度の約１０倍の感度を持っていることが察知さ れるであろう。特に、正常バイアス点、すなわち図５の曲線の変曲点２４の周り で動作させられ且つ適当な増幅器を伴って、この発明のセンサば、３　ＫＨｚの 帯域幅で、直流から少なくともＩ　ＭＨｚまでの周波数範囲にわたって振幅１０ −’エルステッドの低レベル磁界を検出することができる。

察知されることであろうが、そのような高い感度を持つと、センサは正常な使用 中地球の磁界によって容易に飽和させられることができる０図６に言及すると、 センサ全体を低周波数励磁可能な補償コイル２６で包んで補償磁界を発生し望ま れない低周波数磁界を振り落とすようにする準備が行われている。補償磁界は素 子１４にバイアス磁界Ｈｂ（図５）を与えるために直流成分を同時に含むことが できる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．一様な磁界を測定するために適した形式のセンサ（１０）であって、基板（ １２）、平面状磁気抵抗素子（１４）、並びに前記の基板の主要面に付着させら れており且つそれぞれ前記の磁気抵抗素子の対立する端部に接続されていてそれ を通してセンサ電流を加えることのできる第１及び第２の電気的導体（２０，２ ２）を備えている前記のセンサにおいて、 ａ）前記の磁気抵抗素子がこれの前記の対立する端部を接続する側方縁部間の「 高さ」寸法ｈを持っていること、並びにｂ）前記の基板の前記の主要面に付着さ せられた、それぞれの「高さ」Ｈ１及びＨ２の第１及び第２の成層磁束収集器（ １６，１８）がそれぞれ前記の平面状磁気抵抗素子の前記の対立する側方縁部と 実質上共面的関係において部分的に重なり合っていて、前記の第１及び第２の成 層磁束収集器が前記の磁気抵抗素子の「高さ」ｈより小さいギャップＧだけ側方 に分離されており、前記の磁界センサがＨ１＋Ｈ２＋Ｇの合成「高さ」を持って いて、無次元の比（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｇ）／Ｇが約５０より大きいこと、からなって いる改良。
2. ２．前記の第１及び第２の成層磁束収集器の「高さ」が実質上等しい、請求項１ に記載の磁界センサ。
3. ３．前記の磁界センサの感度が各磁束収集器の「高さ」の関数として増大する、 請求項１に記載の磁界センサ。
4. ４．前記の磁束収集器を分離しているギャップＧが各磁束収集器の高さのほぼ１ ／５０であり、これによってほぼ１００の比（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｇ）／Ｇを与えてい る、請求項２に記載の磁界センサ。