WO2022162762A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2022162762A1
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magnetic
magnetic sensor
substrate
crystal structure
phononic crystal
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Inventor
大樹 畑中
浩司 山口
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance

Definitions

  • the present invention relates to magnetic sensors.
  • Micro-nano electromechanical systems so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) and NEMS (Nano Electro Mechanical Systems), have a resonant structure with low vibration loss (high Q value), so various physical quantities such as weight and electric charge It has been used as a highly sensitive sensor for In particular, application research to magnetic sensors has a long history of 20 to 30 years, and so far, sensors capable of detecting one electron spin and hundreds of nuclear spins have been reported at the basic research level (non Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 3 As one of the most versatile and convenient magnetic sensors using NEMS/MEMS, there is a surface acoustic wave (SAW) type that uses the magnetostrictive effect (Non-Patent Document 3). SAWs are actually used in many wireless communication terminals and other devices as general high-frequency signal filters.
  • the sensor has a very simple structure in which a ferromagnetic thin film is vapor-deposited on the surface.
  • the magnetization in the ferromagnetic material changed by receiving the magnetic field to be detected can be piezoelectrically detected as a change in the strength of vibration through the magnetoelastic effect typified by magnetostriction.
  • the size of the magnetic thin film, which is the magnetic detection part, and the size of the SAW are so large that one side is on the order of millimeters. There was a limit to the sensing sensitivity.
  • micromechanical oscillators such as cantilevers.
  • ultra-high resolution and resolution can be achieved at the level of basic research, such as high-sensitivity sensing such as the detection of single electron spins and minority nuclear spins, and magnetic resonance imaging (MRI) observation of microstructures such as polymers. It's here.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • the present invention was made to solve the above problems, and enables magnetic detection with high sensitivity and resolution using a small and inexpensive device without requiring advanced operation technology. for the purpose.
  • a magnetic sensor comprises a plate-like substrate made of a piezoelectric material, a magnetic layer made of a magnetic material formed on the substrate, and a phononic crystal structure formed on the substrate surrounding the magnetic layer. and a first electrode for generating an elastic wave on the surface of the substrate formed on one part of the substrate sandwiching the phononic crystal structure, and a first electrode formed on the other part of the substrate sandwiching the phononic crystal structure. and a magnetic field applying unit for applying a magnetic field to the magnetic layer.
  • the elastic wave confined in the region where the magnetic layer is formed inside the phononic crystal structure causes resonance,
  • the magnetization of the magnetic layer resonates with the magnetic field applied by the magnetic field applying section while resonance is occurring inside the phononic crystal structure.
  • a magnetic layer formed on a plate-like substrate made of a piezoelectric material is provided with a phononic crystal structure surrounding the periphery of the magnetic layer. Since one electrode is provided and the second electrode is provided on the other side, it is possible to perform magnetic detection with high sensitivity and resolution using a compact and inexpensive device without requiring advanced operation techniques.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a partial configuration of the magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2B is a cross-sectional view showing a partial configuration of the magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a plan view showing a partial configuration of the magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is a plan view showing a partial configuration of the magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. FIG. 4 is a plan view showing the configuration of comb-shaped electrodes.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a partial configuration of the magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2B is
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency of vibration efficiently excited from the first electrode 104 and the vibration of surface acoustic waves (SAW).
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the principle of the present invention.
  • FIG. 7A is a configuration diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 7B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another magnetic sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. FIG. 8 is a photograph of an actually manufactured magnetic sensor.
  • a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention will be described below.
  • Embodiment 1 a magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • This magnetic sensor comprises a magnetic layer 102 formed on a substrate 101, a phononic crystal structure 103 formed on the substrate 101 surrounding the magnetic layer 102, a first electrode 104 and a second electrode 105. .
  • This magnetic sensor also includes a magnetic field applying section 106 that applies a magnetic field to the magnetic layer 102 .
  • the substrate 101 shows a plane.
  • the magnetic field applying section 106 can be arranged above the magnetic layer 102 on the surface of the substrate 101, for example. Further, the magnetic field applying section 106 can be arranged below the magnetic layer 102 on the back side of the substrate 101, for example.
  • the substrate 101 is made of a piezoelectric material.
  • the substrate 101 can be made of, for example, lithium niobate crystal (LiNbO 3 ), zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), gallium arsenide (GaAs), or the like.
  • the magnetic layer 102 is made of, for example, a magnetic material such as nickel or iron.
  • the first electrode 104 is formed on one side of the substrate 101 sandwiching the phononic crystal structure 103 and generates a surface acoustic wave on the surface of the substrate 101 .
  • a second electrode 105 is formed on the other portion of the substrate 101 sandwiching the phononic crystal structure 103 to detect surface acoustic waves.
  • the first electrode 104 and the second electrode 105 can be composed of comb electrodes.
  • the phononic crystal structure 103 is composed of a plurality of lattice elements 107, and the plurality of lattice elements 107 are provided periodically in a lattice at intervals of n times (n is a natural number) the half wavelength of the surface acoustic wave. It is In other words, the phononic crystal structure 103 has a lattice constant n times the half wavelength of the surface acoustic wave.
  • the magnetic layer 102 is formed in a portion of the phononic crystal structure 103 where there is no lattice element 107 (at the defect portion).
  • the periodic interval of the comb-shaped electrodes constituting the first electrode 104 or the second electrode 105 is p as shown in FIG.
  • the periodic interval p of the comb-shaped electrodes is the wavelength of the surface acoustic wave.
  • the grid elements 107 can be recesses formed in the surface of the substrate 101, as shown in FIG. 2A.
  • the lattice elements 107 can be holes formed in the surface of the substrate 101 .
  • recesses and holes can be formed by microfabrication using well-known lithography technology and etching technology.
  • the lattice elements 107 can be projections formed on the surface of the substrate 101, as shown in FIG. 2B.
  • the projections can be formed by microfabrication using well-known lithography technology and etching technology.
  • well-known lithographic techniques, metal deposition techniques, lift-off techniques, and the like can be used to form convex portions made of metal.
  • the lattice element 107 can be composed of two or more types of elastic bodies having different elastic properties (mass density and Young's modulus) from the base 101 .
  • the recessed or holed grid elements 107 can be filled with a different material. This foreign material may have a different modulus of elasticity than substrate 101 .
  • the shape of the grid element when viewed from above is not limited to a circle, and may be a star shape when viewed from above.
  • the phononic crystal structure 103a can also be configured from a periodic structure of lattice elements 107a which are rectangular in plan view.
  • the phononic crystal structure 103a can be positioned between the magnetic layer 102 and the first electrode 104 and between the magnetic layer 102 and the second electrode 105, respectively, as shown in FIG. 3A. Also, as shown in FIG. 3B, the phononic crystal structure 103a can be arranged outside the first electrode 104 and the second electrode 105 in a plan view with the position of the magnetic layer 102 as the center side.
  • the surface acoustic waves confined in the region where the magnetic layer 102 inside the phononic crystal structure 103 is formed are said to cause resonance. Also, it is assumed that the magnetization of the magnetic layer 102 resonates with the magnetic field applied by the magnetic field applying unit 106 in a state where resonance occurs inside the phononic crystal structure 103 .
  • the magnetic sensor described above is composed of a composite structure of two resonators, magnetization and mechanical.
  • the interaction of these two resonators makes it possible to observe the change in magnetization through the movement of the magnetization through the movement of the machine.
  • Mechanical resonance can be measured by simply measuring the vibration intensity at a specific frequency (resonance frequency), measuring the phase of resonance, or tracking the resonance frequency using a feedback circuit.
  • the method can be used to measure (sense) micromagnetism.
  • the magnetic sensor according to the first embodiment described above is a mechanical magnetic sensor with high sensitivity and high resolution that uses an elastic periodic structure represented by phononic crystals.
  • magnetoelastic coupling such as the magnetostrictive effect (reference document 1) and the gyromagnetic coupling effect (reference document 2)
  • the magnetization of the magnetic detection unit provided on the substrate 101 is resonated by vibration [ferromagnetism resonance (FMR) or spin wave resonance (SWR)].
  • FMR magnetostrictive effect
  • SWR spin wave resonance
  • the point of the present invention is to introduce an artificial elastic periodic structure such as a phononic crystal into this vibrating structure.
  • an artificial elastic periodic structure such as a phononic crystal
  • the bandgap effect it is possible to achieve low vibration loss and spatial localization (decrease in mode volume).
  • the reduction in vibration loss effectively lengthens the interaction time between magnetization and vibration, thereby enhancing the magnetoelastic effect and improving the sensitivity.
  • the band gap can strongly confine the vibrations in a minute space, so that the vibrational mode volume can be reduced to the wavelength scale, and as a result, an improvement in magnetic resolution is expected.
  • a static magnetic field ⁇ 0 H ex is applied to the magnetic layer 102 from the outside by the magnetic field applying unit 106 , and the value of the applied magnetic field is adjusted so that the resonance frequency of ferromagnetic resonance (FMR) becomes f 0 . Vibration can then be used to induce magnetic resonance phenomena such as FMR.
  • FMR ferromagnetic resonance
  • SAW surface acoustic waves
  • This magnetic sensor comprises a magnetic layer 102 formed on a substrate 101 , a phononic crystal structure 103 formed on the substrate 101 surrounding the magnetic layer 102 , a first electrode 104 and a second electrode 105 .
  • This magnetic sensor also includes a magnetic field applying section 106 that applies a magnetic field to the magnetic layer 102 . Note that the magnetic field application unit 106 is omitted in FIG. 7B.
  • This magnetic sensor also includes a magnetic field applying section 106 that applies a magnetic field to the magnetic layer 102 .
  • the substrate 101 in the region where the magnetic layer 102 and the phononic crystal structure 103 are formed has a cavity 108 inside and the region in which the elastic wave propagates is a thin film portion 121 ( thin film structure).
  • the thin film portion 121 is separated from the main body 122 of the base 101 .
  • the lattice elements 107 can be holes formed in the surface of the substrate 101, as shown in FIG. 7A. 7B, the lattice elements 107 can be protrusions formed on the surface of the thin film portion 121 of the substrate 101.
  • the lattice element 107 which is a convex portion is composed of two or more kinds of elastic bodies having different elastic properties (mass density and Young's modulus) from those of the substrate 101 (thin film portion 121). can be done.
  • the lattice elements 107 formed as holes can be filled with a different material. This different material can have an elastic modulus different from that of the substrate 101 (thin film portion 121).
  • the shape of the grid element when viewed from above is not limited to a circle, and may be a star shape when viewed from above.
  • the magnetic sensor according to Embodiment 2 which has a so-called thin film structure, will be described in more detail.
  • the sensitivity and resolution of sensing are determined by how to strengthen the magnetoelastic coupling and how to reduce the area where the magnetoelastic coupling occurs.
  • an elastic periodic structure is formed parallel to the propagation direction of the surface acoustic wave and having an interval approximately equal to the wavelength of the surface acoustic wave. do.
  • a phononic crystal resonator (reference document 3) with a structure in which the vibrating part (region) is made of a thinner thin film and separated from the main body of the supporting substrate. If trying to strongly confine the vibration increases the vibration loss, the vibrating portion should be made thinner and separated. Also in the phononic crystal structure, the confinement effect can be strengthened by periodically arranging through holes, and a high Q value and a low mode volume can be achieved at the same time. Of course, it can also be realized by forming periodic grooves and protrusions in the same way as in surface acoustic wave devices.
  • FIG. 8 shows a photograph of an actually manufactured magnetic sensor.
  • FIG. 8(a) is a point-defect phononic crystal with a nickel thin film formed thereon.
  • FIG. 8(b) is a phononic crystal resonator-waveguide coupling structure, and
  • FIG. 8(c) is a cross section of the phononic crystal of the thin film structure.
  • the magnetic sensor according to the above-described embodiments can be used not only in the air but also in measurement of minute magnetic fields of specimens in solutions, for example.
  • the grooves and holes that become the lattice elements 107 forming the phononic crystal structure 103 are filled with liquid.
  • the substrate 101 which is the medium of the magnetic sensor, is a solid, and a solid and a liquid differ greatly in mass density, bulk elastic modulus, Young's modulus, and Poisson's ratio. Therefore, even in a liquid, vibration confinement by the bandgap effect of the phononic crystal structure 103 functions.
  • the mass density of water (H 2 O) is 997.2 kg/m 3 and the bulk modulus of water is 0 to 2.3 GPa.
  • silicon (Si) has a mass density of 2330 kg/m 3 and a bulk elastic modulus of 102 GPa.
  • a phononic crystal structure is provided surrounding a magnetic layer formed on a plate-like substrate made of a piezoelectric material, and the phononic crystal structure is sandwiched between the magnetic layers. Since the first electrode is provided and the second electrode is provided on the other side, it is possible to perform magnetic detection with high sensitivity and resolution using a compact and inexpensive device without requiring advanced operation techniques. According to the present invention, a high magnetic sensing (detection) sensitivity can be realized by a mechanical resonator having a high Q value. Moreover, according to the present invention, high-resolution sensing can be realized with a low mode volume.

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Abstract

磁気センサは、基体（１０１）の上に形成された磁性層（１０２）と、磁性層（１０２）の周囲を囲って基体（１０１）に形成されたフォノニック結晶構造（１０３）と、第１電極（１０４）および第２電極（１０５）とを備える。また、磁気センサは、磁性層（１０２）に磁場を印加する磁場印加部（１０６）を備える。フォノニック結晶構造（１０３）は、複数の格子要素（１０７）から構成され、複数の格子要素（１０７）は、表面弾性波の波長の２ｎ倍（ｎは自然数）の間隔で格子状に周期的に設けられている。

Description

磁気センサ
　本発明は、磁気センサに関する。
　いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）と呼ばれるマイクロ・ナノ電気機械システムは、振動損失が低い（Ｑ値が高い）共振構造を有するため、重さや電荷などの様々な物理量の高感度センサとして用いられてきた。特に、磁気センサへの応用研究では、二、三十年の長い歴史があり、これまでに電子スピン１個、核スピン数百個を検知できるセンサが、基礎研究レベルで報告されている（非特許文献１，非特許文献２）。
　これらの研究では、カンチレバーの先端につけた微小強磁性片が、検体内のスピン磁気モーメントがつくる磁界によって磁気相関力を受け、この結果変化するカンチレバーの共振周波数をモニタリングすることで高感度センシングを実現していた。しかしながら、この技術では、検体から出る微小な磁界をセンシングするため、カンチレバーを検体のすぐ近くに配置する精緻な空間制御技術や、この空間制御を可能にする高価な装置類、極小の磁気相関力を読み出す特殊な測定技術が必要となり、デバイスの堅牢性や測定法の簡便性といった点で実用的ではなかった。
　ＮＥＭＳ／ＭＥＭＳを用いた磁気センサとして、最も汎用性や利便性に優れたものの一つとして、磁歪効果を用いた表面弾性波（ＳＡＷ）型がある（非特許文献３）。ＳＡＷは、一般的な高周波信号フィルタとして、多くの無線通信端末を始めとしたデバイスに、実際に用いられている。当該センサは、表面に強磁性体薄膜を蒸着した、非常にシンプルな構造をしている。また、検知する磁場を受けて変化した強磁性体中の磁化を、磁歪に代表される磁気弾性効果を介して振動の強度変化として圧電的に検知することができる。
D. Rugar et al., "Single spin detection by magnetic resonance force microscopy", NATURE, vol. 430, pp. 329-332, 2004. C. L. Degen et al., "Nanoscale magnetic resonance imaging", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 106, no. 5, pp. 1313-1317, 2009. M. Kadota et al., "Magnetic Sensor Based on Surface Acoustic Wave Resonators", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 50, 07HD07, 2011.
　しかしながら、通常、磁歪などの磁気弾性効果が小さいため、既存のＮＥＭＳ／ＭＥＭＳセンサでは、磁気検知部である磁性薄膜や、ＳＡＷのサイズが一辺ｍｍオーダーに至るほど大きくなってしまい、空間分解能を始めとしたセンシング感度に限界があった。
　従来の磁気センサは、ＳＡＷの伝搬波の強度変化を介して磁気検知を行っていた。しかしながら、磁気弾性効果の振動側の媒介が伝搬波であるために、この結合効果が小さい。このため、従来の磁気センサでは、十分なＳ／Ｎ比を確保して信号変化として電気的に検知するために、磁気検知部である強磁性体薄膜のサイズや圧電検知部（櫛型電極、ＩＤＴ）を大きくする必要があった。この結果、ＳＡＷを用いる従来の技術では、センサデバイス構造の大型化や、低い感度や分解能といったセンシング能力の低下へと繋がっていった。
　一方で、カンチレバーなどの微小機械振動子を使うことで、これらの課題を克服する試みが行われている。この技術により、単電子スピンや少数核スピンの検知といった高感度センシング、並びに、高分子などの微小構造体の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）の観測など、基礎研究レベルでは超高分解能・分解能が実現されてきた。しかしながら、微小機械振動子を用いる技術では、操作や測定に高価な装置や高度な操作テクニックが必要となり、応用や実用の観点からの利便性は不十分であった。
　これらのように、従来の技術では、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知をすることが容易ではないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知ができるようにすることを目的とする。
　本発明に係る磁気センサは、圧電材料から構成された板状の基体と、基体の上に形成された磁性材料からなる磁性層と、磁性層の周囲を囲って基体に形成されたフォノニック結晶構造と、フォノニック結晶構造を挾む一方の箇所の基体の上に形成された、基体の表面に弾性波を発生させる第１電極と、フォノニック結晶構造を挾む他方の箇所の基体の上に形成された、弾性波を検出する第２電極と、磁性層に磁場を印加する磁場印加部とを備え、フォノニック結晶構造の内側の磁性層が形成された領域に閉じ込められた弾性波は共振を起こし、フォノニック結晶構造の内側で共振が起きている状態で、磁場印加部が印加する磁場で磁性層の磁化が共鳴する。
　以上説明したように、本発明によれば、圧電材料から構成された板状の基体の上に形成された磁性層の周囲を囲ってフォノニック結晶構造を設け、フォノニック結晶構造を挾む一方に第１電極を設け、他方に第２電極を設けたので、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知ができるようになる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの構成を示す構成図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの一部構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの一部構成を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの一部構成を示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの一部構成を示す平面図である。 図４は、櫛型電極の構成を示す平面図である。 図５は、第１電極１０４から効率的に励起される振動の周波数と、表面弾性波（ＳＡＷ）の振動との関係を示す特性図である。 図６は、本発明の原理を説明する説明図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２に係る磁気センサの構成を示す構成図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態２に係る他の磁気センサの一部構成を示す断面図である。 図８は、実際に作製した磁気センサを写真である。
　以下、本発明の実施の形態に係る磁気センサについて説明する。
［実施の形態１］
　はじめに、本発明の実施の形態１に係る磁気センサについて図１を参照して説明する。この磁気センサは、基体１０１の上に形成された磁性層１０２と、磁性層１０２の周囲を囲って基体１０１に形成されたフォノニック結晶構造１０３と、第１電極１０４および第２電極１０５とを備える。
　また、この磁気センサは、磁性層１０２に磁場を印加する磁場印加部１０６を備える。なお、図１において、基体１０１は、平面を示している。また、磁場印加部１０６は、例えば、基体１０１の表面上で、磁性層１０２の上方に配置することができる。また、磁場印加部１０６は、例えば、基体１０１の裏面側において、磁性層１０２の下方に配置することができる。
　基体１０１は、圧電材料から構成されている。基体１０１は、例えば、ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ3）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などから構成することができる。磁性層１０２は、例えば、ニッケルや鉄などの磁性材料から構成されている。
　第１電極１０４は、フォノニック結晶構造１０３を挾む一方の箇所の基体１０１の上に形成され、基体１０１の表面に表面弾性波を発生させる。第２電極１０５は、フォノニック結晶構造１０３を挾む他方の箇所の基体１０１の上に形成され、表面弾性波を検知する。第１電極１０４および第２電極１０５は、櫛型電極から構成することができる。
　なお、フォノニック結晶構造１０３は、複数の格子要素１０７から構成され、複数の格子要素１０７は、上述した表面弾性波の半波長のｎ倍（ｎは自然数）の間隔で格子状に周期的に設けられている。言い換えると、フォノニック結晶構造１０３は、格子定数が表面弾性波の半波長のｎ倍とされている。磁性層１０２は、フォノニック結晶構造１０３の格子要素１０７がない部分（欠陥の部分の）に形成されている。
　ここで、第１電極１０４または第２電極１０５を構成する櫛型電極の周期間隔を図４に示すようにｐとし、基体１０１の表面弾性波の速度をｖとすると、第１電極１０４から効率的に励起される振動の周波数（基体１０１、第１電極１０４、第２電極１０５により構成されるフィルタの中心周波数）は、ｆ0＝ｖ／ｐで表される。櫛型電極の周期間隔ｐが、表面弾性波の波長となる。また、加振周波数範囲（３ｄＢ帯域）は、櫛型電極の周期数をＮとすると、Δｆ＝ｆ0／Ｎとなる（図５）。
　格子要素１０７は、図２Ａに示すように、基体１０１の表面に形成された凹部とすることができる。また、格子要素１０７は、基体１０１の表面に形成された穴部とすることができる。例えば、よく知られたリソグラフィー技術とエッチング技術とによる微細加工で、凹部や穴部を形成することができる。
　また、格子要素１０７は、図２Ｂに示すように、基体１０１の表面に形成された凸部とすることができる。例えば、よく知られたリソグラフィー技術とエッチング技術とによる微細加工で、凸部を形成することができる。また、例えば、よく知られたリソグラフィー技術、金属堆積技術、およびリフトオフ技術などにより、金属からなる凸部を形成することができる。
　格子要素１０７は、基体１０１とは、弾性特性（質量密度やヤング率）の異なる２種類以上の弾性体から構成することができる。また、凹部または穴部とされた格子要素１０７に、異種物質を充填することもできる。この異種物質は、基体１０１とは異なる弾性係数を有するものとすることができる。また、格子要素の平面視の形状は、円形に限るものではなく、平面視で星形などとすることもできる。また、図３Ａ、図３Ｂに示すように、平面視矩形の格子要素１０７ａの周期構造から、フォノニック結晶構造１０３ａを構成することもできる。フォノニック結晶構造１０３ａは、図３Ａに示すように、磁性層１０２と第１電極１０４との間、および、磁性層１０２と第２電極１０５との間の各々に配置することができる。また、フォノニック結晶構造１０３ａは、図３Ｂに示すように、磁性層１０２の位置を中心側として、平面視で第１電極１０４および第２電極１０５の外側に配置することもできる。
　ここで、フォノニック結晶構造１０３の内側の磁性層１０２が形成された領域に閉じ込められた表面弾性波は、共振を起こするものとされている。また、フォノニック結晶構造１０３の内側で共振が起きている状態で、磁場印加部１０６が印加する磁場で磁性層１０２の磁化が共鳴するものとされている。
　上述した磁気センサは、磁化と機械との２の共振器の複合構造から構成されたものとなっている。これら２つの共振器が相互作用することで、磁化の変化を機械の運動により、機械の変化を磁化の運動をとおして観測することができる。機械共振は、単純に特定周波数（共振周波数）の振動強度を測定する方法、共振の位相を測定する方法、フィードバック回路を用いて共振周波数をトラッキングする方法などにより、測定することができ、これら測定方法を用いて微小磁気を測定（検知）することができる。
　上述した実施の形態１に係る磁気センサは、フォノニック結晶に代表される弾性周期構造を利用した、高感度・高分解能な機械磁気センサである。磁歪効果（参考文献１）や磁気回転結合効果（参考文献２）などの磁気弾性結合を利用して、振動により基体１０１の上に設けた、磁気検知部であるの磁化を共鳴させる［強磁性共鳴（ＦＭＲ）、または、スピン波共鳴（ＳＷＲ）］。この共鳴を用いると、外部磁界に僅かな変化が起きれば、共鳴周波数が変化し、磁化強度も大きく変化する。すると、磁気弾性効果を介して、振動強度や歪などの機械特性が変化するため、機械的に磁界の変化を知ることができる。
　本発明のポイントは、この振動構造にフォノニック結晶を始めとする人工的な弾性周期構造を導入することにある。バンドギャップ効果を介して振動の低損失化と空間局在化（モード体積の低下）を実現できる。前者では、振動損失の低下により、磁化と振動の相互作用時間が実効的に長くなるため、磁気弾性効果が増強して感度が向上する。また、後者では、バンドギャップにより振動を微小空間へ強く閉じ込めることができるので振動モード体積を波長スケールにまで低下させることができ、これらの結果、磁気分解能の向上が期待される。
　以下、より詳細に説明する。第１電極１０４に周波数ｆ0の交流電圧を印加すると、圧電的にその周波数の振動を誘起することができる。励起された振動の一部は、基体１０１の表面を伝搬し、この表面にある磁性層１０２も、伝搬してきた表面弾性波により揺らされることになる。磁歪の場合、磁性層１０２が振動により歪むことで、磁化の自由エネルギーが変調され、結果的に、周波数ｆ0で振動する有効磁場が、磁性層１０２の磁化に印加されることになる。同時に、磁場印加部１０６により外部から静磁場μ0Ｈexを磁性層１０２に加えて、強磁性共鳴 （Ferromagnetic resonance；ＦＭＲ）などの共鳴周波数がｆ0となるように印加する磁場の値を調節すれば、振動を用いてＦＭＲなどの磁気共鳴現象を誘起できる。
　この現象は、振動エネルギーを消費して、共鳴を起こしていることになるので、反作用として表面弾性波の振動強度が低下する。また、共鳴が起きることで磁化ダイナミクスが大きく変化するので、磁歪を介して、表面弾性波（ＳＡＷ）の音速や共振周波数、Ｑ値などの諸特性も影響を受け変化する。これら諸特性の変化を読み出す（測定）ことで、磁気検知部のＦＭＲの変化を多角的に測定（検知）できる。これが磁気センサの基本動作原理である（図６参照）。
［実施の形態２］
　次に、本発明の実施の形態２に係る磁気センサについて図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。この磁気センサは、基体１０１の上に形成された磁性層１０２と、磁性層１０２の周囲を囲って基体１０１に形成されたフォノニック結晶構造１０３と、第１電極１０４および第２電極１０５を備える。また、この磁気センサは、磁性層１０２に磁場を印加する磁場印加部１０６を備える。なお、図７Ｂでは、磁場印加部１０６を省略している。また、この磁気センサは、磁性層１０２に磁場を印加する磁場印加部１０６を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
　実施の形態２では、磁性層１０２およびフォノニック結晶構造１０３が形成された領域の基体１０１は、内部に空洞１０８を有して弾性波が伝搬する領域が薄膜状の薄膜部１２１とされている（薄膜構造）。薄膜部１２１は、基体１０１の本体１２２から離間している。
　実施の形態２において、格子要素１０７は、図７Ａに示すように、基体１０１の表面に形成された穴部とすることができる。また、格子要素１０７は、図７Ｂに示すように、基体１０１の薄膜部１２１の表面に形成された凸部とすることができる。また、実施の形態１と同様に、凸部とした格子要素１０７は、基体１０１（薄膜部１２１）とは、弾性特性（質量密度やヤング率）の異なる２種類以上の弾性体から構成することができる。また、穴部とされた格子要素１０７に、異種物質を充填することもできる。この異種物質は、基体１０１（薄膜部１２１）とは異なる弾性係数を有するものとすることができる。また、格子要素の平面視の形状は、円形に限るものではなく、平面視で星形などとすることもできる。
　いわゆる薄膜構造とした実施の形態２に係る磁気センサについて、より詳細に説明する。本発明に係る磁気センサの、前述した基本動作原理を鑑みると、センシングの感度や分解能は、いかに磁気弾性結合を強めるか、また、磁気弾性結合の発生領域を小さくできるかで決定される。例えば、基体の表面に、間隔を開けて配置される２つの櫛型電極の外側に、表面弾性波の伝搬方向と平行に、表面弾性波の波長と同程度の間隔をもつ弾性周期構造を形成する。この構成において、２つの櫛型電極に漏れ出る表面弾性波がブラッグ条件を満たす場合、入射波と弾性周期構造からの反射波は破壊的干渉を起こす。この結果、表面弾性波の伝搬が禁止され（バンドギャップ）、基体上の周期構造が、いわゆる反射器として機能する。これにより、表面弾性波が共振し、その振動損失が減退する。
　しかしながら、通常の表面弾性波の共振器では、振動モード体積を抑えるため、表面弾性波を強く閉じ込めようとすると、反射波のうち、基体内のバルクモードと結合する割合が増えてきてしまい、むしろ、振動損失の上昇、つまりＱ値の低下を招いてしまう。このため、振動損失の抑制（高いＱ値）と、振動モード体積の低下とは、トレードオフの関係となってしまう。
　これを解決するためには、振動する部分（領域）を、より薄くした薄膜とし、支持する基体の本体と離間させた構造のフォノニック結晶共振器（参考文献３）が有効である。振動を強く閉じ込めようとすると、振動損失が増えるのであれば、振動する部分を、より薄くして分離した構造とすればよいものとなる。フォノニック結晶構造も、貫通孔を周期的に並べて作るほうが、より閉じ込め効果を強めることができ、高いＱ値・低いモード体積を同時に実現できる。もちろん、表面弾性波デバイスと同じように、周期的な溝や突起物をつくって実現することもできる。
　参考文献３を参考にすると、共振器のＱ値は平均すると２，０００であり、モード体積としてはλsawの３乗（～μｍ3オーダー）となるため、実施の形態２の薄膜構造を用いると、感度は２桁近く、分解能はｍｍ3からμｍ3レベルへと３桁近く向上すると思われる。実際に作製した磁気センサの写真を図８に示す。図８の（ａ）は、点欠陥フォノニック結晶であり、ニッケル薄膜が形成されている。図８の（ｂ）は、フォノニック結晶共振器－導波路の結合構造であり、図８の（ｃ）は、薄膜構造のフォノニック結晶の断面である。
　上述した実施の形態に係る磁気センサは、大気中のみならず、例えば溶液中の検体の微小磁場の測定にも使用可能である。この場合、フォノニック結晶構造１０３を構成する格子要素１０７となる溝や空孔は、液体で満たされることになる。磁気センサの媒質である基体１０１は、固体であり、固体と液体では、質量密度や体積弾性率、または、ヤング率やポアソン比において大きく異なる。このため、液体中であっても、フォノニック結晶構造１０３のバンドギャップ効果による振動の閉じ込めは機能する。水（Ｈ2Ｏ）の質量密度は、９９７、２ｋｇ／ｍ3、水の体積弾性率は、０～２．３ＧＰａである。これに対し、シリコン（Ｓｉ）の質量密度は、２３３０ｋｇ／ｍ3、シリコンの体積弾性率は、１０２ＧＰａである。
　以上に説明したように、本発明によれば、圧電材料から構成された板状の基体の上に形成された磁性層の周囲を囲ってフォノニック結晶構造を設け、フォノニック結晶構造を挾む一方に第１電極を設け、他方に第２電極を設けたので、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知ができるようになる。本発明によれば、高いＱ値をもつ機械共振器により、高い磁気センシング（検知）感度を実現できる。また、本発明によれば、低いモード体積により、高分解能なセンシングを実現できる。
［参考文献１］L. Dreher et al., "Surface acoustic wave driven ferromagnetic resonance in nickel thin films: Theory and experiment", Physical Review B, vol. 86, no. 13, 134415, 2012.
［参考文献２］D. Kobayashi et al., "Spin Current Generation Using a Surface Acoustic Wave Generated via Spin-Rotation Coupling", Physical Review Letters, vol. 119, no. 7, 077202, 2017.
［参考文献３］D. Hatanaka and H. Yamaguchi, "Real-Space Characterization of Cavity-Coupled Waveguide Systems in Hypersonic Phononic Crystals", Physical Review Applied, vol. 13, no. 2, 024005, 2020.
　１０１…基体、１０２…磁性層、１０３…フォノニック結晶構造、１０４…第１電極、１０５…第２電極、１０６…磁場印加部、１０７…格子要素。

Claims (7)

  1. 　圧電材料から構成された板状の基体と、
    　前記基体の上に形成された磁性材料からなる磁性層と、
    　前記磁性層の周囲を囲って前記基体に形成されたフォノニック結晶構造と、
    　前記フォノニック結晶構造を挾む一方の箇所の前記基体の上に形成された、前記基体の表面に弾性波を発生させる第１電極と、
    　前記フォノニック結晶構造を挾む他方の箇所の前記基体の上に形成された、前記弾性波を検出する第２電極と、
    　前記磁性層に磁場を印加する磁場印加部と
    　を備え、
    　前記フォノニック結晶構造の内側の前記磁性層が形成された領域に閉じ込められた前記弾性波は共振を起こし、
    　前記フォノニック結晶構造の内側で前記共振が起きている状態で、前記磁場印加部が印加する磁場で前記磁性層の磁化が共鳴する
    　ことを特徴とする磁気センサ。
  2. 　請求項１記載の磁気センサにおいて、
    　前記フォノニック結晶構造は、複数の格子要素をから構成され、前記複数の格子要素は、前記弾性波の半波長のｎ倍（ｎは自然数）の間隔で格子状に周期的に設けられている
    　ことを特徴とする磁気センサ。
  3. 　請求項２記載の磁気センサにおいて、
    　前記格子要素は、前記基体の表面に形成された凸部であることを特徴とする磁気センサ。
  4. 　請求項２記載の磁気センサにおいて、
    　前記格子要素は、前記基体の表面に形成された凹部または穴部であることを特徴とする磁気センサ。
  5. 　請求項４記載の磁気センサにおいて、
    　前記凹部または前記穴部に充填された異種物質を備え、前記異種物質は、前記基体とは異なる弾性係数を有することを特徴とする磁気センサ。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気センサにおいて、
    　前記第１電極および前記第２電極は、櫛型電極から構成されていることを特徴とする磁気センサ。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の磁気センサにおいて、
    　前記磁性層および前記フォノニック結晶構造が形成された領域の前記基体は、内部に空洞を有して前記弾性波が伝搬する領域が薄膜状とされている
    　ことを特徴とする磁気センサ。
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