JP3360168B2 - Magnetic impedance element - Google Patents
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Landscapes
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は磁気センサに関し、
特に高感度磁気センサである磁気インピーダンスセンサ
に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic sensor,
In particular, it relates to a magnetic impedance sensor which is a high-sensitivity magnetic sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近の情報機器や計測・制御機器の急速
な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の
磁気センサーの要求がますます大きくなっている。たと
えば、コンピューターの外部記憶装置のハードディスク
装置ではバルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気
ヘッド、磁気抵抗効果(MR) ヘッドと高性能化が進んで
きており、モーターの回転センサであるロータリーエン
コーダーではマグネットリングの着磁密度が高いものが
要求されているので、従来用いられている磁気抵抗効果
(MR)センサーに代わり微弱な表面磁束を感度良く検出で
きる磁気センサが必要となってきている。また、非破壊
検査や紙幣検査に用いることができる高感度センサーの
需要も大きくなっている。2. Description of the Related Art With the recent rapid development of information devices and measurement / control devices, there is an increasing demand for small, low-cost, high-sensitivity, high-speed magnetic sensors. For example, in the hard disk drive of the external storage device of the computer, the performance has been improved from the bulk type inductive magnetic head to the thin film magnetic head and the magnetoresistive (MR) head, and the rotary encoder which is the rotation sensor of the motor has the magnet. Since high ring magnetization density is required, the conventionally used magnetoresistive effect
There is a need for a magnetic sensor that can detect weak surface magnetic flux with high sensitivity in place of the (MR) sensor. In addition, demand for high-sensitivity sensors that can be used for nondestructive inspection and banknote inspection has been increasing.
【0003】現在、用いられている代表的な磁気検出素
子として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)素
子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。ま
た、最近、アモルファスワイヤーの磁気インピーダンス
効果(特開平6-176930公報、特開平7-181239公報、特開
平7-333305公報)や、磁性薄膜の磁気インピーダンス効
果(特開平8-75835 公報、日本応用磁気学会誌vol.20,5
53(1996)参照)を利用した高感度の磁気センサが提案さ
れている。At present, typical magnetic detecting elements used include an inductive reproducing magnetic head, a magnetoresistive effect (MR) element, a flux gate sensor, and a Hall element. Recently, the magnetic impedance effect of an amorphous wire (JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, JP-A-7-333305) and the magnetic impedance effect of a magnetic thin film (JP-A-8-75835, Japanese Application Journal of the Magnetics Society of Japan vol.20,5
53 (1996)) has been proposed.
【0004】誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要
であるため磁気ヘッド自体が大型し、また、小型化する
とコイルの巻数が減り検出感度が著しく低下するという
問題がある。これに対して、強磁性膜による磁気抵抗効
果(MR)素子が用いられるようになってきた。MR素子は磁
束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するものであ
り、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。
しかし、現在のMR素子、たとえばスピンバルブ素子を用
いたMR素子でさえ電気抵抗の変化率が最大6%以下と小
さく、また数%の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は
1.6kA/m 以上と大きい。従って磁気抵抗感度は0.001 %/
(A/m) 以下の低感度である。また、最近、磁気抵抗変化
率が数10%を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果(GM
R) が見いだされてきた。しかし、数10%の抵抗変化を
得るためには数十A/m の外部磁界が必要であり、磁気セ
ンサとしての実用化は実現されていない。The inductive reproducing magnetic head requires a coil winding, so that the magnetic head itself becomes large. Further, when the magnetic head is miniaturized, the number of turns of the coil is reduced, and the detection sensitivity is remarkably lowered. On the other hand, a magnetoresistance (MR) element using a ferromagnetic film has come to be used. The MR element detects the magnetic flux itself rather than the time change of the magnetic flux, and thus the miniaturization of the magnetic head has been promoted.
However, even the current MR element, for example, an MR element using a spin-valve element, has a small rate of change in electric resistance of 6% or less at the maximum, and an external magnetic field required to obtain a resistance change of several%.
1.6kA / m or more. Therefore, the magnetoresistance sensitivity is 0.001% /
(A / m) Low sensitivity below. Recently, the giant magnetoresistance effect (GM
R) has been found. However, an external magnetic field of several tens A / m is required to obtain a resistance change of several tens of percent, and practical use as a magnetic sensor has not been realized.
【0005】フラックスゲートセンサはパーマロイ等の
高透磁率磁心の対称なB-H 特性が外部磁界によって変化
することを利用して磁気の測定を行うものであり、高分
解能と±1°の高指向性を有する。しかし、検出感度を
あげるために大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を
小さくすることが難しく、また、消費電力が大きいとい
う問題点がある。The flux gate sensor measures the magnetism by utilizing the fact that the symmetric BH characteristic of a high magnetic permeability core such as permalloy is changed by an external magnetic field, and has a high resolution and a high directivity of ± 1 °. Have. However, there is a problem that a large magnetic core is required to increase detection sensitivity, it is difficult to reduce the size of the entire sensor, and power consumption is large.
【0006】ホール素子を用いた磁界センサは電流の流
れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両
方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起
電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール
素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、
また、SiやGaAsなどの半導体で構成されるため温度変化
に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によって電
子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度の温度
特性が悪いという欠点を持つ。In a magnetic field sensor using a Hall element, when a magnetic field is applied perpendicularly to the plane through which current flows, an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current and the applied magnetic field, and an electromotive force is induced in the Hall element. This is a sensor that utilizes Hall elements are advantageous in terms of cost, but have low magnetic field detection sensitivity,
In addition, since it is composed of semiconductors such as Si and GaAs, the mobility of electrons or holes changes due to the scattering of thermal oscillations of the lattice in the semiconductor due to temperature changes. Have.
【0007】特開平6-176930公報、特開平7-181239公
報、特開平7-333305公報により磁気インピーダンス素子
が提案され大幅な磁界感度の向上を実現している。この
磁気インピーダンス素子は、時間的に変化する電流を磁
性線に印加することによって生じる円周磁束の時間変化
に対する電圧のみを、外部印加磁界による変化として検
出することを基本原理としている磁気インピーダンス素
子である。図12はその磁気インピーダンス素子の例を
示したものである。図12の磁気インピーダンス素子1
では、磁性線2としてFeCoSiB 等の零磁歪の直径30μm
程度のアモルファスワイヤ(線引後、張力アニールした
ワイヤ)が用いられている。図13はワイヤ(例えば図
12の磁性線2)のインピーダンス変化の印加磁界依存
性を示したものである。長さ1mm 程度の微小寸法のワイ
ヤでも1MHz程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧
の振幅がMR素子の100 倍以上である約0.1%/(A/m)の高感
度で変化する。Japanese Unexamined Patent Publications Nos. 6-176930, 7-181239, and 7-333305 disclose a magneto-impedance element, which achieves a significant improvement in magnetic field sensitivity. This magnetic impedance element is a magnetic impedance element whose basic principle is to detect only a voltage with respect to a time change of a circumferential magnetic flux generated by applying a time-varying current to a magnetic wire as a change due to an externally applied magnetic field. is there. FIG. 12 shows an example of the magneto-impedance element. Magnetic impedance element 1 of FIG.
Then, as the magnetic wire 2, the diameter of zero magnetostriction such as FeCoSiB is 30 μm.
Amorphous wires (wires that have been drawn and then annealed in tension) have been used. FIG. 13 shows the applied magnetic field dependence of the impedance change of the wire (for example, the magnetic wire 2 in FIG. 12). When a high-frequency current of about 1 MHz is applied to a small-sized wire with a length of about 1 mm, the amplitude of the wire voltage changes with a high sensitivity of about 0.1% / (A / m), which is 100 times or more that of the MR element.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】磁気センサとしては、
小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線
性、温度特性に優れた高感度磁気センサが求められてお
り、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利
用した磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。ま
た、特開平6-176930公報、特開平6-347489公報において
はバイアス磁界を加えることによりインピーダンス変化
の印加磁界依存性の直線性が改善されること、およびア
モルファスワイヤに負帰還コイルを巻き、アモルファス
ワイヤの両端の電圧に比例した電流をコイルに通電し負
帰還を施すことにより、直線性の優れたしかもセンサ部
の温度変化に対して磁界検出感度の不変なセンサ(高感
度磁気インピーダンス素子)を提供できることが示され
ている。SUMMARY OF THE INVENTION As a magnetic sensor,
There is a need for a high-sensitivity magnetic sensor that is small, low-cost, and has excellent output linearity and temperature characteristics with respect to the detected magnetic field. Magnetic sensors that use the magnetic impedance effect of amorphous wires exhibit high-sensitivity magnetic field detection characteristics. . Further, in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-176930 and 6-347489, the application of a bias magnetic field improves the linearity of the applied magnetic field dependence of the impedance change. By applying a current proportional to the voltage at both ends of the wire to the coil and applying negative feedback, a sensor (high-sensitivity magnetic impedance element) with excellent linearity and invariant magnetic field detection sensitivity to changes in the temperature of the sensor section It is shown that it can be provided.
【0009】しかしながら、この高感度磁気インピーダ
ンス素子は直径30μm 程度のアモルファスワイヤからな
るため微細加工には適しておらず、超小型の磁気検出素
子を提供することは困難であった。また、バイアスコイ
ルおよび負帰還コイルはともに細い銅線を巻き回して作
製しなければならず小型化するには限界があり、かつ、
ワイヤの表面には酸化膜が形成されていることから電極
の半田付け性が悪いなど生産性の面でも問題があった。
さらに、大きなセンサ出力を得ることを目的に、素子の
インピーダンスを大きくするために素子の長さを長くす
ると磁気センサの小型化には適さなくなる。一方、ワイ
ヤをつづらおりに曲げて用いることも考えられるが、磁
性体であるワイヤを曲げると、その歪み応力により磁気
特性が劣化し、センサ出力が著しく悪くなる。また、ワ
イヤを数本に分割しそれらのワイヤを並列に配置し、電
気的に直列に接続して用いることも考えられるが、電極
の半田付けの問題等の生産性の問題を含んでいる。However, since this high-sensitivity magnetic impedance element is made of an amorphous wire having a diameter of about 30 μm, it is not suitable for fine processing, and it has been difficult to provide an ultra-small magnetic detection element. Also, both the bias coil and the negative feedback coil must be manufactured by winding a thin copper wire, and there is a limit to miniaturization, and
Since an oxide film is formed on the surface of the wire, there is a problem in terms of productivity, such as poor solderability of the electrode.
Furthermore, if the length of the element is increased in order to increase the impedance of the element for the purpose of obtaining a large sensor output, it is not suitable for downsizing the magnetic sensor. On the other hand, it is conceivable to use the wire by bending the wire, but when the wire, which is a magnetic material, is bent, the magnetic properties are deteriorated due to the strain stress, and the sensor output is significantly deteriorated. It is also conceivable to divide the wires into several wires, arrange the wires in parallel, and use them electrically connected in series, but this involves productivity problems such as soldering of electrodes.
【0010】一方、小型化の試みとして特開平8-75835
公報では磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス素子を提
案し、素子の小型化をはかっている。また、発明者らは
特願平9-269084において薄膜コイルを薄膜磁気コアの周
囲に立体的に巻き回し、バイアスコイルと負帰還コイル
を具備した小型の磁気インピーダンス素子を提案してい
る。この場合、センサ出力を大きくとるため、つまり、
インピーダンスの変化量ΔZ を大きくとるためには、イ
ンピーダンスの変化率ΔZ/Z 、素子の幅、厚みを一定と
すると素子の長さを長くしなければならない。このた
め、全体のチップサイズが大きくなるという問題点があ
る。On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-75835
The publication proposes a magneto-impedance element using a magnetic thin film to reduce the size of the element. In addition, the inventors have proposed a small-sized magnetic impedance element having a bias coil and a negative feedback coil in which a thin-film coil is three-dimensionally wound around a thin-film magnetic core in Japanese Patent Application No. 9-269084. In this case, to increase the sensor output, that is,
In order to increase the amount of change ΔZ in impedance, it is necessary to increase the length of the element when the rate of change ΔZ / Z in impedance and the width and thickness of the element are fixed. For this reason, there is a problem that the entire chip size becomes large.
【0011】また、「電子技術」(日刊工業新聞社) 1
992-12月号66〜69頁の図3に示されるような磁性薄膜を
つづらおり型に形成することにより磁気コアの長さを長
くする磁気インピーダンス(MI)素子が提案されている
が、この構造では、湾曲部の磁区構造が複雑となり、外
部から磁界が印加されたとき、湾曲部の磁壁が不均一な
動きをするバルクハウゼンジャンプに起因する素子の出
力電圧の急激な変化によるノイズの原因となる。[0011] Also, "electronic technology" (Nikkan Kogyo Shimbun) 1
A magnetic impedance (MI) element has been proposed in which a magnetic thin film as shown in FIG. In the structure, the magnetic domain structure of the curved part becomes complicated, and when a magnetic field is applied from the outside, the magnetic domain wall of the curved part moves unevenly, causing noise due to a sudden change in the output voltage of the element due to the Barkhausen jump. Becomes
【0012】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので
あり、小型で低コスト、高出力、かつ、検出磁界に対す
る出力の直線性、温度特性に優れた高感度の磁気インピ
ーダンス素子を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a small-sized, low-cost, high-output, high-sensitivity magneto-impedance element excellent in output linearity with respect to a detected magnetic field and excellent in temperature characteristics. With the goal.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
非磁性体からなる基板と、該基板上に形成され、その長
手方向両端に電極が設けられた薄膜磁気コアとからなる
磁気インピーダンス素子において、前記薄膜磁気コアは
少なくとも3個以上、5μm以上の間隔で並列配置され
てなり、かつ、前記それぞれの薄膜磁気コアは互いに電
気的に直列接続されていることを特徴とする。上記の構
成のように薄膜磁気コアは少なくとも2個以上、並列配
置されてなり、かつ、前記それぞれの薄膜磁気コアは互
いに電気的に直列接続すれば、全体のチップサイズを大
きくすることがなく、磁気インピーダンス素子のインピ
ーダンスを大きくすることができ、それによりセンサ出
力が大きくできる。According to the first aspect of the present invention,
In a magneto-impedance element comprising a substrate made of a non-magnetic material and a thin-film magnetic core formed on the substrate and provided with electrodes at both ends in the longitudinal direction, at least three or more thin-film magnetic cores have an interval of 5 μm or more. And the respective thin-film magnetic cores are electrically connected to each other in series. At least two or more thin film magnetic cores are arranged in parallel as in the above configuration, and the respective thin film magnetic cores are electrically connected to each other in series, without increasing the overall chip size. The impedance of the magnetic impedance element can be increased, thereby increasing the sensor output.
【0014】請求項2記載の発明は、請求項1記載の構
成において、前記薄膜磁気コアには絶縁体を介して薄膜
バイアスコイル及び薄膜負帰還コイルが形成されてお
り、該薄膜バイアスコイルと薄膜負帰還コイルは一定間
隔をもって同一平面に交互に同一方向に巻回され、か
つ、それぞれ同一回数巻回されていることを特徴とす
る。上記の磁気インピーダンス素子において、並列配置
された薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を介してバイアス
用、および負帰還用薄膜コイルを巻き回した構造とす
る。この構造により、磁気センサの小型化、量産化が可
能となり、かつ、上記のような構造に作製された薄膜コ
イルはコイル効率がよいため、少ない電流で必要なバイ
アス磁界が得られ、また、少ない負帰還量で磁界に対す
る出力の直線性の改善が可能となる。また、バイアス用
薄膜コイル、および負帰還用薄膜コイルを同一面上に交
互に巻き回わすことにより薄膜の磁気コアの各部位に均
等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えることがで
き磁気センサとしての特性が安定する。According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, a thin-film bias coil and a thin-film negative feedback coil are formed on the thin-film magnetic core with an insulator interposed therebetween. The negative feedback coils are wound alternately in the same direction on the same plane at regular intervals, and are each wound the same number of times. The above magnetic impedance element has a structure in which thin film coils for bias and negative feedback are wound around a thin film magnetic core arranged in parallel with an insulator interposed therebetween. With this structure, the magnetic sensor can be miniaturized and mass-produced, and the thin-film coil manufactured in the above structure has a high coil efficiency, so that a necessary bias magnetic field can be obtained with a small current, and With the amount of negative feedback, the linearity of the output with respect to the magnetic field can be improved. In addition, by alternately winding the thin film coil for bias and the thin film coil for negative feedback on the same plane, a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field can be uniformly applied to each part of the magnetic core of the thin film. Characteristics are stabilized.
【0015】請求項3記載の発明は、請求項1または2
に記載の構成において、前記薄膜磁気コアは、NiFe、Co
Fe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB
、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも1
種が選択されためっき膜より形成されていることを特徴
とする。請求項4記載の発明は、請求項1または2に記
載の構成において、前記薄膜磁気コアは、CoZrNb、FeSi
B 、CoSiB のいずれかから形成されるアモルファススパ
ッタ膜、またはNiFeスパッタ膜により形成されているこ
とを特徴とする。The third aspect of the present invention provides the first or second aspect.
In the configuration described in the above, the thin film magnetic core is NiFe, Co
Fe, NiFeP, FeNiP, FeCoP, FeNiCoP, CoB, NiCoB
, FeNiCoB, FeCoB, at least one of the group of CoFe
The seed is formed from a selected plating film. According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration of the first or second aspect, the thin-film magnetic core is made of CoZrNb, FeSi.
It is characterized by being formed by an amorphous sputtered film formed of any one of B and CoSiB or a NiFe sputtered film.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】次に、本発明の第1、第2の実施
の形態の磁気インピーダンス素子を図2〜図5に基づい
て、説明するが、その前に、参考例(第1参考例)とし
ての磁気インピーダンス素子を図1に基づき、図10及
び図11を参照して説明する。まず、磁気インピーダン
ス素子(以下、適宜、磁気インピーダンスをMIとして示
す)の磁気インピーダンス効果(MI効果)及びその特性
等に関して説明する。 Next, first and second embodiments of the present invention will be described.
The magneto-impedance element in the form of FIG.
However, before that, a reference example (first reference example)
All the magnetic impedance elements will be described based on FIG. 1 and with reference to FIGS. First, the magnetic impedance effect (MI effect) of a magnetic impedance element (hereinafter, the magnetic impedance is appropriately indicated as MI) and its characteristics will be described.
【0017】MI効果は高透磁率磁性体に高周波電流を通
電すると、その両端間のインピーダンスが通電方向に印
加した外部磁場によって変化する現象である。つまり、
磁性体の内部インダクタンス分Liと、表皮効果によって
通電電流の周波数fとともに増加する抵抗分Rwとによる
インピーダンスZ 〔式(1)で示される〕が、外部から
磁界を印加することにより該インピーダンスZ が変化す
る磁性体の幅方向の透磁率The MI effect is a phenomenon in which when a high-frequency current is applied to a high-permeability magnetic material, the impedance between both ends is changed by an external magnetic field applied in the direction of application. That is,
The impedance Z (shown by the equation (1)) due to the internal inductance Li of the magnetic material and the resistance Rw that increases with the frequency f of the flowing current due to the skin effect is increased by applying a magnetic field from the outside. Varying magnetic permeability in the width direction
【数1】 の関数として変化することによるものである。(Equation 1) Because it varies as a function of
【0018】[0018]
【数2】 (Equation 2)
【0019】そして、磁性体が薄膜の場合、表皮効果が
顕著な高周波領域(膜厚d》2δ)における薄膜の抵抗
Rwは、直流抵抗をRdc とすると、Rw = Rdc(d / 2δ)
と表せられる。また、膜厚d》2δの場合、インダク
タンスL は、L = Li( 2δ/ d ) と表せられる。こ
こで、δは表皮深さを示し、式(2) に示す値となる。When the magnetic material is a thin film, the resistance of the thin film in a high frequency region (thickness d >> 2δ) where the skin effect is remarkable.
Rw is Rw = Rdc (d / 2δ), where DC resistance is Rdc
It can be expressed as When the film thickness d >> 2δ, the inductance L can be expressed as L = Li (2δ / d). Here, δ indicates the skin depth, which is a value shown in Expression (2).
【0020】[0020]
【数3】 (Equation 3)
【0021】従って薄膜のインピーダンスZ は、Z = Rd
c (d / 2δ)+j ωLi( 2δ/ d ) となる。ここで、
薄膜の厚さをd = 2aとし、また、幅W、長さlとすると
薄膜のインピーダンスZ は式(3) に示すものとなる。Therefore, the impedance Z of the thin film is given by Z = Rd
c (d / 2δ) + jωLi (2δ / d). here,
When the thickness of the thin film is d = 2a, and the width is W and the length is l, the impedance Z of the thin film is as shown in Expression (3).
【0022】[0022]
【数4】 (Equation 4)
【0023】ここで、表皮深さδは式(2) に示すもので
あるので薄膜のインピーダンスZは透磁率Here, since the skin depth δ is given by the equation (2), the impedance Z of the thin film is
【数5】 の関数となる。(Equation 5) Is a function of
【0024】また、図10に示されるように薄膜3のパ
ターンの幅方向に一軸異方性が付与されているとき、磁
化ベクトルは幅方向を向いて磁区構造は180 °磁壁を持
つ構造となる。ところで、この薄膜3の長さ方向に高周
波電流Iac を流した場合、幅方向の高周波電流による磁
界が生じるが、180 °磁壁の移動は渦電流制動により妨
げられる。また、高周波電流による磁界方向と磁化ベク
トルの向きが同じ方向であるため回転磁化は起こりにく
い。このため磁束の変化は少なく透磁率Further, as shown in FIG. 10, when the pattern of the thin film 3 is provided with uniaxial anisotropy in the width direction, the magnetization vector is directed in the width direction and the magnetic domain structure has a 180 ° domain wall. . When the high-frequency current Iac flows in the length direction of the thin film 3, a magnetic field is generated by the high-frequency current in the width direction, but the movement of the 180 ° domain wall is hindered by eddy current braking. In addition, since the direction of the magnetic field due to the high-frequency current and the direction of the magnetization vector are the same, rotational magnetization hardly occurs. Therefore, there is little change in magnetic flux and magnetic permeability
【数6】 は小さい。(Equation 6) Is small.
【0025】一方、薄膜3のパターンの長さ方向に外部
磁界Hex (図11)を印加すると磁化ベクトルの向きが
幅方向から傾くので、高周波電流により生じる磁界によ
り磁化ベクトルの回転が起こり、磁束の変化が生じるの
で透磁率On the other hand, when an external magnetic field Hex (FIG. 11) is applied in the length direction of the pattern of the thin film 3, the direction of the magnetization vector is tilted from the width direction. Permeability due to change
【数7】 が大きくなる。外部磁界Hex が膜パターン(薄膜3のパ
ターン)の異方性磁界Hkと同じになったとき(Equation 7) Becomes larger. When the external magnetic field Hex becomes the same as the anisotropic magnetic field Hk of the film pattern (the pattern of the thin film 3)
【数8】 は最大となり、このときインピーダンスZ は最大とな
る。さらにHex が大きく(Hex>Hk) なると磁化ベクトル
はHex に固定されるため磁化ベクトルの回転が抑制さ
れ、(Equation 8) Is maximum, and the impedance Z is maximum at this time. When Hex is further increased (Hex> Hk), the magnetization vector is fixed at Hex, so that the rotation of the magnetization vector is suppressed,
【数9】 は小さくなっていき、それにともないインピーダンスZ
も小さくなっていく。(Equation 9) Becomes smaller, and the impedance Z
Is also getting smaller.
【0026】これらの現象を磁化回転モデルに基づき図
11を用いて検証する。These phenomena will be verified based on the magnetization rotation model with reference to FIG.
【数10】 の場合、回転角θ0 は次式(4) のエネルギー極小条件に
より定まる。(Equation 10) In this case, the rotation angle θ 0 is determined by the minimum energy condition of the following equation (4).
【0027】 E0 = -Ku cos2(π/2 -θ0 ) - Ms Hex cos θ0 … (4)E 0 = −Ku cos 2 (π / 2−θ 0 ) −Ms Hex cos θ 0 (4)
【0028】従って、Hk = 2 Ku / Ms を用いて、θ
0 = Hex / Hk が得られる。ここでTherefore, using Hk = 2 Ku / Ms, θ
0 = Hex / Hk is obtained. here
【数11】 による回転角の変化 Δθ《θ0 とすると幅方向の磁
化変化分ΔM は次式(5)で表せられる。[Equation 11] If Δθ << θ 0 , the change ΔM in the width direction can be expressed by the following equation (5).
【0029】 ΔM = Ms cosθ0 Δθ … (5) また、ΔM = Ms cos θ 0 Δθ (5)
【数12】 による項を含めた全エネルギーは次式で表せられる。(Equation 12) The total energy including the term due to is expressed by the following equation.
【0030】[0030]
【数13】 (Equation 13)
【0031】この式(6) 及び次式(7) よりΔθを求め、
このΔθを式(5) に代入すると式(8) となる。From this equation (6) and the following equation (7), Δθ is obtained,
Substituting this Δθ into equation (5) gives equation (8).
【0032】[0032]
【数14】 [Equation 14]
【0033】従って、Hex <Hkでは磁界の増加とともに
透磁率Therefore, when Hex <Hk, the magnetic permeability increases with the increase of the magnetic field.
【数15】 すなわちインピーダンスZ が増加し、Hex =Hkで最大値
をとった後、磁界の増加とともに減少することが示され
る。また、磁化ベクトルが薄膜パターンの長さ方向に向
いているときにはHex による幅方向の(Equation 15) That is, it is shown that the impedance Z increases, reaches a maximum value when Hex = Hk, and then decreases as the magnetic field increases. When the magnetization vector is oriented in the length direction of the thin film pattern,
【数16】 はほとんど変化しないのでMI効果は非常に小さくなる。(Equation 16) Does not change much, so the MI effect is very small.
【0034】ここで、前記第1参考例を説明する。図1
は第1参考例の薄膜MIセンサ4(磁気インピーダンス素
子)の構造を示す模式図である。以下、薄膜MIセンサ4
は、2本の薄膜MI磁気コア5が間隔を20μm にして並列
に配置され、それぞれのコア5は電気的に直列にCuのよ
うな非磁性導体6で連結されている。この場合、センサ
素子(薄膜MIセンサ4)全体の長さを長くすることなく
磁気コア(薄膜MI磁気コア5)の合計の長さを2倍にで
きるためインピーダンスは2倍になり、かつ、外部から
の磁界は2本の磁気コアに均一にかかるためセンサ感度
(薄膜MIセンサ4の感度)は2倍になる。コア5は図示
しない非磁性体からなる基板(図7非磁性基板20参照)
上に形成されている。Here, the first reference example will be described. FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a structure of a thin-film MI sensor 4 (magnetic impedance element) of a first reference example . Hereinafter, the thin film MI sensor 4
The two thin-film MI magnetic cores 5 are arranged in parallel at an interval of 20 μm, and the respective cores 5 are electrically connected in series by a nonmagnetic conductor 6 such as Cu. In this case, the total length of the magnetic core (thin-film MI magnetic core 5) can be doubled without increasing the overall length of the sensor element (thin-film MI sensor 4), so that the impedance is doubled and The sensor sensitivity (the sensitivity of the thin-film MI sensor 4) is doubled because the magnetic field from is uniformly applied to the two magnetic cores. The core 5 is a substrate made of a non-magnetic material (not shown) (see the non-magnetic substrate 20 in FIG. 7).
Is formed on.
【0035】図1で薄膜MI磁気コア5は、NiFe、CoFe、
NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP、CoB 、NiCoB 、FeN
iCoB 、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも1種が選
択されためっき膜(軟磁性膜)より形成されている。な
お、薄膜MI磁気コア5は、CoZrNb、FeSiB 、CoSiB のい
ずれかから形成されるアモルファススパッタ膜(軟磁性
膜)、またはNiFeスパッタ膜(軟磁性膜)により形成す
るようにしてもよい。In FIG. 1, the thin film MI magnetic core 5 is made of NiFe, CoFe,
NiFeP, FeNiP, FeCoP, FeNiCoP, CoB, NiCoB, FeN
At least one selected from the group consisting of iCoB, FeCoB and CoFe is formed of a plating film (soft magnetic film). The thin-film MI magnetic core 5 may be formed by an amorphous sputtered film (soft magnetic film) formed of CoZrNb, FeSiB, or CoSiB, or a NiFe sputtered film (soft magnetic film).
【0036】ここで、NiFeめっき膜を薄膜磁気コア(薄
膜MI磁気コア5)として用いたときの作製例を説明す
る。まず、200nm 程度の厚さのNiFeスパッタ膜をめっき
用のシード層とするために形成する。そのシード層の上
に所定のコイル形状の反転パターンのフォトレジストパ
ターンを形成し、その後、フォトレジストパターンの間
にNiFeめっきを約3μm の厚さだけ埋め込み、さらにフ
ォトレジストパターンを有機溶剤等により除去した後、
NiFeスパッタ膜のシード層をエッチングにより除去する
ことにより形成される。CoFeNiめっき膜を薄膜磁気コア
(薄膜MI磁気コア5)として用いたときも同様のプロセ
スで作製する。また、薄膜磁気コアを作製した後、回転
磁場中、および静止磁場中で熱処理を行うと磁気特性の
向上がはかれる。Here, a description will be given of a production example in which a NiFe plating film is used as a thin film magnetic core (thin film MI magnetic core 5). First, a NiFe sputtered film having a thickness of about 200 nm is formed to be a seed layer for plating. A photoresist pattern of a predetermined coil shape reverse pattern is formed on the seed layer, and then NiFe plating is buried to a thickness of about 3 μm between the photoresist patterns, and the photoresist pattern is removed with an organic solvent or the like. After doing
It is formed by removing the seed layer of the NiFe sputtered film by etching. When a CoFeNi plating film is used as a thin-film magnetic core (thin-film MI magnetic core 5), a similar process is used. In addition, if the heat treatment is performed in a rotating magnetic field and in a static magnetic field after manufacturing the thin film magnetic core, the magnetic properties can be improved.
【0037】図1で7は薄膜MI素子(薄膜MIセンサ4)
に高周波電流を流すための電極である。また、上述した
ようにCuのような非磁性導体6は、2本の薄膜MI磁気コ
ア5を電気的に直列に接続するための導体であるが、非
磁性導体6としてはAu、Al等の非磁性低抵抗導体でもよ
い。非磁性導体6にCuを用いた場合について説明する。
50nm程度の厚さのCuスパッタ膜をめっき用のシード層と
するために形成し、そのシード層の上に所定のコイル形
状の反転パターンのフォトレジストパターンを形成した
後、フォトレジストパターンの間にCuめっきを約3 μm
の厚さだけ埋め込み、さらにフォトレジストパターンを
有機溶剤等により除去した後、 Cu スパッタ膜のシード
層をエッチングにより除去することにより形成される。
また、 Cu スパッタ膜を約3 μm の厚さだけ製膜し、そ
の後、所定のコイル形状のフォトレジストパターンを形
成し、フォトレジストパターンをエッチング用マスクと
して、イオンミリング等のエッチング手段によりエッチ
ングし、さらにフォトレジストパターンを有機溶剤等に
より除去することにより下層コイル部を作製することも
できる。この導体部の端部にはAuのワイヤボンディング
用パッドが形成される。その後、スライサーにより、そ
れぞれのチップに切断される。このときのチップサイズ
は2.3mm ×1.2mm であった。In FIG. 1, reference numeral 7 denotes a thin-film MI element (thin-film MI sensor 4).
This is an electrode for passing a high-frequency current through the device. Further, as described above, the nonmagnetic conductor 6 such as Cu is a conductor for electrically connecting the two thin-film MI magnetic cores 5 in series, and the nonmagnetic conductor 6 is made of Au, Al, or the like. A non-magnetic low-resistance conductor may be used. The case where Cu is used for the nonmagnetic conductor 6 will be described.
A 50-nm thick Cu sputter film is formed to serve as a seed layer for plating.After forming a photoresist pattern of a predetermined coil-shaped inversion pattern on the seed layer, a photoresist pattern is formed between the photoresist patterns. Cu plating about 3 μm
After the photoresist pattern is removed by an organic solvent or the like, the seed layer of the Cu sputtered film is removed by etching.
In addition, a Cu sputtered film is formed to a thickness of about 3 μm, then a predetermined coil-shaped photoresist pattern is formed, and the photoresist pattern is used as an etching mask to perform etching by ion milling or other etching means. Furthermore, the lower coil portion can be manufactured by removing the photoresist pattern with an organic solvent or the like. An Au wire bonding pad is formed at the end of the conductor. After that, each chip is cut by a slicer. The chip size at this time was 2.3 mm × 1.2 mm.
【0038】上述したように図1(第1参考例)は、2
本の薄膜MI磁気コア5を用いた薄膜MIセンサ4を示して
いる。これに対し、図2に示す本発明の第1実施の形態
では、薄膜MI磁気コア5を3本、並列に配置して薄膜MI
センサ4を構成している。また、図3に代えて4本以上
の薄膜MI磁気コア5を並列に配置して薄膜MIセンサ4
(本発明の第2実施の形態)を構成してもよい。図2
(本発明の第1実施の形態)及び図3(本発明の第2実
施の形態)において、並列に配置された薄膜MI磁気コア
5の間隔は20μm であり、それぞれの薄膜MI磁気コア5
は電気的に直列にCuのような非磁性導体6で連結されて
いる。ところで、3本以上の素子(薄膜MI磁気コア5)
を近接して並列配置すると最も外側に位置する素子(薄
膜MI磁気コア5)と内側に位置する素子(薄膜MI磁気コ
ア5)では、それぞれの素子が磁気的干渉を起こし、そ
れぞれの素子に均等に磁界がはいらないことが考えられ
る。ここで、図4は3本の素子(薄膜MI磁気コア5)を
並列配置し、一様磁界を印加したときの外側の素子と内
側の素子の磁束の差を見たものである。それぞれの素子
の間隔を変えたときに外側の素子に対する内側の素子の
磁束密度を%表示したものであり、素子の間隔が狭くな
ると干渉の影響が見られるが、その差は、たとえば間隔
が5μm のときでも3%程度であり、ほとんど問題にな
らない量である。すなわち、図4から明らかなように、
素子が5μm以上の間隔で並列配置されてなることによ
り、素子の磁束密度の差を3%程度以内に抑えることが
可能であり、ひいては各素子への磁界の均等な印加が可
能となる。 As described above, FIG. 1 (first reference example)
1 shows a thin-film MI sensor 4 using a thin-film MI magnetic core 5. On the other hand, the first embodiment of the present invention shown in FIG.
Now, three thin film MI magnetic cores 5 are arranged in parallel to
The sensor 4 is constituted. Further, instead of FIG. 3, four or more thin-film MI magnetic cores 5 are arranged in parallel to form a thin-film MI sensor 4.
(Second embodiment of the present invention) may be configured. FIG.
(First embodiment of the present invention) and FIG. 3 (second embodiment of the present invention )
In the embodiment , the interval between the thin-film MI magnetic cores 5 arranged in parallel is 20 μm,
Are electrically connected in series by a nonmagnetic conductor 6 such as Cu. By the way, three or more elements (thin-film MI magnetic core 5)
When the elements are arranged in close proximity to each other, the outermost element (thin-film MI magnetic core 5) and the innermost element (thin-film MI magnetic core 5) cause magnetic interference, and are equally applied to each element. It is conceivable that no magnetic field is required. Here, FIG. 4 shows the difference in magnetic flux between the outer element and the inner element when three elements (thin-film MI magnetic core 5) are arranged in parallel and a uniform magnetic field is applied. When the distance between the elements is changed, the magnetic flux density of the inner element with respect to the outer element is expressed in%. When the distance between the elements is reduced, the influence of interference is seen. In this case, it is about 3%, which is almost no problem. That is, as is apparent from FIG.
The devices are arranged in parallel at intervals of 5 μm or more.
The difference in magnetic flux density of the element can be suppressed to about 3% or less.
It is possible to apply a magnetic field uniformly to each element.
It works.
【0039】図5に2本の薄膜MI磁気コア5を並列に配
置し、それぞれの薄膜MI磁気コア5を電気的に直列に連
結して構成した薄膜MIセンサ4(図1)、および、3本
の薄膜MI磁気コア5を並列に配置し、それぞれの薄膜MI
磁気コア5を電気的に直列に連結して構成した薄膜MIセ
ンサ4(図2)の磁界−インピーダンス特性を示す。測
定電流は20MHz 、40mAp-p のsine波とした。また、比較
として1本の薄膜MI磁気コア5の場合の特性も示す。出
力値は2、3本の薄膜MI磁気コア5を直列接続した薄膜
MIセンサ4の出力値は1本の薄膜MI磁気コア5の場合に
比べて、2倍、3倍であった。FIG. 5 shows a thin-film MI sensor 4 (FIG. 1) in which two thin-film MI magnetic cores 5 are arranged in parallel and each thin-film MI magnetic core 5 is electrically connected in series. The thin film MI magnetic cores 5 are arranged in parallel, and each thin film MI
4 shows a magnetic field-impedance characteristic of the thin film MI sensor 4 (FIG. 2) configured by electrically connecting the magnetic cores 5 in series. The measurement current was a sine wave of 20 MHz and 40 mAp-p. In addition, the characteristics in the case of one thin-film MI magnetic core 5 are also shown for comparison. The output value is a thin film with two or three thin film MI magnetic cores 5 connected in series.
The output value of the MI sensor 4 was twice or three times that of a single thin-film MI magnetic core 5.
【0040】次に、第2参考例を図6ないし図9に基づ
いて説明する。図6は前記薄膜MIセンサ4の構造につい
て絶縁膜を省いてその他の要素の配置を示した平面図で
ある。薄膜MIセンサ4の薄膜MI磁気コア5の形状は幅20
μm 、厚さ3 μm 、長さ2000μm であり、絶縁膜10を介
して薄膜磁気コア(薄膜MI磁気コア5)にバイアス用薄
膜コイル11、負帰還用薄膜コイル12が立体的に巻き回さ
れている。バイアス用薄膜コイル11、負帰還用薄膜コイ
ル12は交互に巻き回されており、その巻き数はそれぞれ
42ターンである。また、それぞれの電極部の一部にはワ
イヤボンド用のAuのパッドが施されている。Next, a second reference example will be described with reference to FIGS. 6 is a plan view showing an arrangement of other elements omitted insulating film structure of the thin film MI sensor 4. The shape of the thin-film MI magnetic core 5 of the thin-film MI sensor 4 has a width of 20.
μm, 3 μm in thickness, and 2000 μm in length. A thin film coil 11 for bias and a thin film coil 12 for negative feedback are three-dimensionally wound around a thin film magnetic core (thin film MI magnetic core 5) via an insulating film 10. I have. The thin film coil 11 for bias and the thin film coil 12 for negative feedback are wound alternately, and the number of turns is respectively
42 turns. Further, Au pads for wire bonding are provided on a part of each electrode portion.
【0041】図7は薄膜MIセンサ4の作製プロセスであ
り図6の長手方向に沿う断面で示している。次に図7
(a) 〜(e) を用いて薄膜MIセンサ4の詳細な構造と作製
プロセスを説明する。図7(a) から順に図7(e) まで薄
膜プロセスが積み上げられて薄膜MIセンサ4が作製され
る。FIG. 7 shows a manufacturing process of the thin film MI sensor 4, which is shown in a cross section along the longitudinal direction in FIG. Next, FIG.
The detailed structure and manufacturing process of the thin film MI sensor 4 will be described with reference to (a) to (e). The thin-film processes are accumulated in order from FIG. 7A to FIG. 7E to manufacture the thin-film MI sensor 4.
【0042】図7(a) にはバイアス用薄膜コイル11及び
負帰還用薄膜コイル12を構成するコイル下層部(下層コ
イル部21)を示し、それぞれのコイル部の端部において
図7(e) に示すコイル上層部22のコイル端部と接続さ
れ、連続したバイアス用薄膜コイル11及び負帰還用薄膜
コイル12が構成される。FIG. 7A shows a coil lower layer portion (lower coil portion 21) constituting the thin film coil 11 for bias and the thin film coil 12 for negative feedback, and FIG. 7E shows an end portion of each coil portion. Are connected to the coil end of the coil upper layer portion 22 shown in FIG. 1 to form a continuous thin film coil 11 for bias and a thin film coil 12 for negative feedback.
【0043】下層コイル部21は、Al2O3 セラミックウェ
ーハー、Siウェーハー、ガラスウェーハー等の表面平滑
性を高めた非磁性基板20上に、50nm程度の厚さのCuスパ
ッタ膜をめっき用のシード層とするために形成し、その
シード層の上に所定のコイル形状の反転パターンのフォ
トレジストパターンを形成した後、フォトレジストパタ
ーンの間にCuめっきを約3 μm の厚さだけ埋め込み、さ
らにフォトレジストパターンを有機溶剤等により除去し
た後、 Cu スパッタ膜のシード層をエッチングにより除
去することにより形成される。一方、 Cu スパッタ膜を
約3 μm の厚さだけ製膜し、その後、所定のコイル形状
のフォトレジストパターンを形成し、フォトレジストパ
ターンをエッチング用マスクとして、イオンミリング等
のエッチング手段によりエッチングし、さらにフォトレ
ジストパターンを有機溶剤等により除去することにより
下層コイル部21を作製することもできる。The lower coil portion 21 is formed by forming a Cu sputter film having a thickness of about 50 nm as a seed layer for plating on a non-magnetic substrate 20, such as an Al2O3 ceramic wafer, a Si wafer, or a glass wafer, having improved surface smoothness. After forming a photoresist pattern of a predetermined coil shape reverse pattern on the seed layer, bury Cu plating to a thickness of about 3 μm between the photoresist patterns, and further embed the photoresist pattern. It is formed by removing the seed layer of the Cu sputtered film by etching after removing with an organic solvent or the like. On the other hand, a Cu sputtered film is formed to a thickness of about 3 μm, and thereafter, a photoresist pattern having a predetermined coil shape is formed, and the photoresist pattern is used as an etching mask to perform etching by etching means such as ion milling. Further, the lower coil portion 21 can be manufactured by removing the photoresist pattern with an organic solvent or the like.
【0044】上記によるCuコイル(バイアス用薄膜コイ
ル11及び負帰還用薄膜コイル12)の作製方法は導体ワイ
ヤを巻き回してコイルを作製する方法や導体薄帯を巻き
回してコイルを作製する方法に比べてコイル自体を小型
化でき、かつコイルを磁気コア(薄膜MI磁気コア5)に
近づけることができるためコイル効率を高めることが可
能となる。The above-described methods of manufacturing the Cu coil (the thin film coil for bias 11 and the thin film coil 12 for negative feedback) include a method of manufacturing a coil by winding a conductor wire and a method of manufacturing a coil by winding a thin conductor band. In comparison, the coil itself can be reduced in size, and the coil can be made closer to the magnetic core (thin-film MI magnetic core 5), so that the coil efficiency can be increased.
【0045】図7(b) の10a は下層コイル部と薄膜磁気
コアを電気的に絶縁するため形成するための絶縁膜であ
る。この絶縁膜10a はフォトレジストを露光、現像の工
程を行い所定の絶縁膜10a の形状に形成後270 ℃、10時
間の熱処理を行い硬化させたものである。また、ポリイ
ミドなどの樹脂を硬化させたものやSiO2などの無機膜を
所定の形状に形成したものを用いてもかまわない。In FIG. 7B, reference numeral 10a denotes an insulating film formed to electrically insulate the lower coil portion and the thin-film magnetic core. The insulating film 10a is obtained by exposing and developing a photoresist to form a predetermined insulating film 10a, and then hardening by performing a heat treatment at 270 ° C. for 10 hours. Further, a resin obtained by curing a resin such as polyimide or a resin obtained by forming an inorganic film such as SiO2 into a predetermined shape may be used.
【0046】図7(c) の5は前記薄膜MI磁気コアであ
り、NiFe、CoFe、NiFeP 、FeNiP 、FeCoP 、FeNiCoP 、
CoB 、NiCoB 、FeNiCoB 、FeCoB 、CoFeの群の内から少
なくとも1種が選択されためっき膜(軟磁性膜)より形
成されている。なお、薄膜MI磁気コア5は、CoZrNb、Fe
SiB 、CoSiB のいずれかから形成されるアモルファスス
パッタ膜(軟磁性膜)、またはNiFeスパッタ膜(軟磁性
膜)により形成するようにしてもよい。In FIG. 7C, reference numeral 5 denotes the thin film MI magnetic core, which is composed of NiFe, CoFe, NiFeP, FeNiP, FeCoP, FeNiCoP,
At least one selected from the group consisting of CoB, NiCoB, FeNiCoB, FeCoB and CoFe is formed of a plating film (soft magnetic film). The thin-film MI magnetic core 5 is made of CoZrNb, FeZn.
It may be formed by an amorphous sputtered film (soft magnetic film) formed of either SiB or CoSiB or a NiFe sputtered film (soft magnetic film).
【0047】ここでNiFeめっき膜を薄膜MI磁気コア5と
して用いたときの作製例を示す。まず、50nm程度の厚さ
のNiFeスパッタ膜をめっき用のシード層とするために形
成する。そのシード層の上に所定のコイル形状の反転パ
ターンのフォトレジストパターンを形成し、その後、フ
ォトレジストパターンの間にNiFeめっきを約3 μm の厚
さだけ埋め込み、さらにフォトレジストパターンを有機
溶剤等により除去後、NiFe スパッタ膜のシード層をエ
ッチングにより除去することにより形成される。 CoFeN
i めっき膜を薄膜MI磁気コア5として用いたときも同様
のプロセスで作製する。また、薄膜MI磁気コア5を作製
した後、回転磁場中、および静止磁場中で熱処理を行う
と磁気特性の向上がはかれる。Here, an example in which a NiFe plating film is used as the thin-film MI magnetic core 5 will be described. First, a NiFe sputtered film having a thickness of about 50 nm is formed to be a seed layer for plating. A photoresist pattern of a predetermined coil shape reverse pattern is formed on the seed layer, then NiFe plating is buried to a thickness of about 3 μm between the photoresist patterns, and the photoresist pattern is further filled with an organic solvent or the like. After removal, the NiFe sputtered film is formed by removing the seed layer by etching. CoFeN
i When the plating film is used as the thin-film MI magnetic core 5, the same process is used. Further, if the heat treatment is performed in a rotating magnetic field and in a static magnetic field after manufacturing the thin-film MI magnetic core 5, the magnetic properties can be improved.
【0048】次に、CoZrNb、FeSiB 、CoFeB 等のアモル
ファススパッタ膜、NiFeスパッタ膜等の軟磁性膜を薄膜
MI磁気コア5として用いる場合の作製プロセスを示す。
たとえばCoZrNbスパッタ膜を約3 μm の厚さだけ成膜
し、その後、所定の磁気コア形状のフォトレジストパタ
ーンを形成し、フォトレジストパターンをエッチング用
マスクとして用い、イオンミリング等のエッチング手段
によりエッチングし、さらにフォトレジストパターンを
有機溶剤等により除去することにより下層コイル部21を
作製することもできる。一方、所定の薄膜MI磁気コア5
の反転形状を薄い金属板に作製し、それをスパッタマス
クとして用いるメタルマスク法もあるが、この方法では
微細の形状の磁気コアが得られにくく、その寸法精度も
悪く好ましくはない。Next, an amorphous sputtered film such as CoZrNb, FeSiB, or CoFeB, or a soft magnetic film such as a NiFe sputtered film is thinned.
A manufacturing process when using as the MI magnetic core 5 will be described.
For example, a CoZrNb sputtered film is formed to a thickness of about 3 μm, a photoresist pattern having a predetermined magnetic core shape is formed, and the photoresist pattern is used as an etching mask, and etching is performed by etching means such as ion milling. Alternatively, the lower coil portion 21 can be manufactured by removing the photoresist pattern with an organic solvent or the like. On the other hand, a predetermined thin-film MI magnetic core 5
There is also a metal mask method in which a reversed metal shape is formed on a thin metal plate and the thin metal plate is used as a sputter mask. However, this method is not preferable because it is difficult to obtain a magnetic core having a fine shape and the dimensional accuracy is poor.
【0049】図7(d) の10b は上層コイル部(コイル上
層部22)と薄膜MI磁気コア5を電気的に絶縁するための
絶縁膜である。作製方法は図7(b) で示した絶縁膜10a
の場合と同様である。図7(e) はバイアス用薄膜コイル
11及び負帰還用薄膜コイル12を構成するコイル上層部22
であり、図7(a) の説明で示したようにそれぞれのコイ
ル部の端部において図7(a) に示すコイル下層部(下層
コイル部21)のコイル端部と接続され、連続したバイア
ス用薄膜コイル11及び負帰還用薄膜コイル12が構成され
る。作製方法は図7(a) で示したコイルの場合と同様で
ある。In FIG. 7D, reference numeral 10b denotes an insulating film for electrically insulating the upper coil portion (coil upper portion 22) from the thin-film MI magnetic core 5. The manufacturing method is the same as that of the insulating film 10a shown in FIG.
Is the same as Fig. 7 (e) shows a thin film coil for bias.
11 and a coil upper layer portion 22 constituting the negative feedback thin film coil 12
As shown in the description of FIG. 7A, the end of each coil is connected to the coil end of the coil lower layer (lower coil 21) shown in FIG. The thin film coil 11 for negative feedback and the thin film coil 12 for negative feedback are configured. The fabrication method is the same as that of the coil shown in FIG.
【0050】最後に、図示されていないが、作製された
磁気センサ部を保護するための保護層と磁気センサの駆
動および検知するための周辺回路との電気的接続を得る
ためのワイヤボンド用のボンディングパッドを作製す
る。保護層は図7(b) で示した絶縁膜10a と同様にフォ
トレジストを露光、現像の工程を行い所定の絶縁膜10a
の形状に形成後270 ℃、10時間の熱処理を行い硬化させ
たものである。また、ポリイミドなどの樹脂を硬化させ
たり、SiO2などの無機膜を所定の形状に形成してもかま
わない。電極部の一部に設けられているワイヤボンド用
のAuパッドはAuめっき膜、あるいはAuスパッタ膜で作製
される。その作製工程はCuコイルの場合とほぼ同様の工
程で作製される。Finally, although not shown, a protective layer for protecting the manufactured magnetic sensor unit and a wire bonding for obtaining an electrical connection between a peripheral circuit for driving and detecting the magnetic sensor are provided. Create a bonding pad. As for the protective layer, a photoresist is exposed and developed in the same manner as the insulating film 10a shown in FIG.
After being formed into the shape of above, it was cured by heat treatment at 270 ° C. for 10 hours. Further, a resin such as polyimide may be cured, or an inorganic film such as SiO2 may be formed in a predetermined shape. The Au pad for wire bonding provided in a part of the electrode portion is made of an Au plating film or an Au sputtered film. The manufacturing process is substantially the same as that for the Cu coil.
【0051】つぎに、作製した薄膜MIセンサ4の特性に
ついて述べる。ここで薄膜MI磁気コア5の寸法は幅20μ
m 、厚さ3 μm 、長さ2000μm であり、その薄膜MI磁気
コア5が2本直列に接続されている。素子のチップサイ
ズは2.3mm ×0.8mm であった。また、バイアス用薄膜コ
イル11及び負帰還用薄膜コイル12は同一面上に交互に巻
き回されており、その巻き数はそれぞれ42ターンであ
る。バイアス用薄膜コイル11及び負帰還用薄膜コイル12
を同一面上に交互に薄膜MI磁気コア5に巻き回わす構造
により薄膜MI磁気コア5の各部位に均等にバイアス磁
界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサ
(薄膜MIセンサ4)としての特性が安定する。Next, the characteristics of the manufactured thin film MI sensor 4 will be described. Here, the dimensions of the thin film MI magnetic core 5 are 20 μm in width.
m, thickness 3 μm, length 2000 μm, and two thin film MI magnetic cores 5 are connected in series. The chip size of the device was 2.3 mm × 0.8 mm. Further, the thin film coil for bias 11 and the thin film coil for negative feedback 12 are alternately wound on the same surface, and the number of turns is 42 turns, respectively. Thin film coil 11 for bias and thin film coil 12 for negative feedback
Are alternately wound around the thin-film MI magnetic core 5 on the same surface, so that a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field can be uniformly applied to each part of the thin-film MI magnetic core 5 as a magnetic sensor (thin-film MI sensor 4). Characteristics are stabilized.
【0052】図6に示す薄膜MIセンサ4を2個用い、差
動駆動できるように配置し、磁気センサの回路方式は図
8に示す差動駆動回路30とし、磁界検出用磁気センサ31
を構成した。磁界検出用磁気センサ31は、2個の薄膜MI
センサ4に高周波電流を供給する発振回路部32を有して
いる。差動駆動回路30は、ダイオードD1-1,D1-2,D2-
1,D2-2等からなる検波部(符号省略)を有する検出回
路部33と、検出回路部33からの信号を差動増幅して出力
する増幅部34とからなっている。増幅部34の出力部と負
帰還用薄膜コイル12は負帰還部35を介して接続されてお
り、増幅部34からの出力信号が負帰還用薄膜コイル12に
負帰還されるようになっている。The two thin film MI sensors 4 shown in FIG. 6 are arranged so as to be capable of differential drive, and the circuit system of the magnetic sensor is a differential drive circuit 30 shown in FIG.
Was configured. The magnetic sensor 31 for detecting a magnetic field includes two thin film MIs.
An oscillation circuit section 32 for supplying a high-frequency current to the sensor 4 is provided. The differential drive circuit 30 includes diodes D1-1, D1-2, D2-
It comprises a detection circuit section 33 having a detection section (denoted by reference numerals) including D1, D2-2 and the like, and an amplification section 34 for differentially amplifying and outputting a signal from the detection circuit section 33. The output section of the amplification section 34 and the negative feedback thin film coil 12 are connected via a negative feedback section 35, so that the output signal from the amplification section 34 is negatively fed back to the negative feedback thin film coil 12. .
【0053】上記回路構成の磁界検出用磁気センサ31を
用い、バイアスコイル磁界240(A/m)、負帰還率40% の負
帰還をかけたときの、印加磁界に対するセンサ(磁界検
出用磁気センサ31)の出力電圧の関係を図9に示す。こ
こで通電電流はパルスの幅5ns のパルス波でパルス電流
は35mAであり出力の増幅度は25倍である。図に示すよう
に2本の磁気コア(薄膜MI磁気コア5)を並列に配置し
直列に接続したときの出力は、比較として測定した1本
の磁気コア(薄膜MI磁気コア5)の場合に比べて2倍の
出力となった。同様に、3本の磁気コア(薄膜MI磁気コ
ア5)を並列に配置し直列に接続したときの出力も3倍
となった。このときのチップサイズは2.3mm ×1.2mm で
あり、1本の磁気コアのチップサイズと同じ大きさであ
った。Using the magnetic sensor 31 for magnetic field detection having the above circuit configuration, a sensor (magnetic sensor for magnetic field detection) for an applied magnetic field when a negative feedback with a bias coil magnetic field of 240 (A / m) and a negative feedback rate of 40% is applied. FIG. 9 shows the relationship between the output voltages of 31). Here, the energizing current is a pulse wave having a pulse width of 5 ns, the pulse current is 35 mA, and the amplification of the output is 25 times. As shown in the figure, when two magnetic cores (thin-film MI magnetic cores 5) are arranged in parallel and connected in series, the output is one magnetic core (thin-film MI magnetic core 5) measured for comparison. The output was twice as large as the output. Similarly, the output when three magnetic cores (thin-film MI magnetic cores 5) were arranged in parallel and connected in series also tripled. The chip size at this time was 2.3 mm × 1.2 mm, which was the same as the chip size of one magnetic core.
【0054】センサ特性は±80(A/m) の測定磁界内で優
れた直線性を示し、かつ、10-3(A/m) の磁界分解能を示
した。これらの結果はリニア磁界センサとして良好な特
性を示すものである。また、アモルファスワイヤに銅線
を巻き回した負帰還コイルを用いた素子の場合では、図
9と同等の直線性を得るためには約300%の負帰還をかけ
なければならない。アモルファスワイヤに銅線を巻き回
した負帰還コイルに対して、薄膜コイルは約1/6 の負帰
還率で同等の直線性を得れられたのは、バイアスコイル
のところで述べたように、コイルを磁気コア(薄膜MI磁
気コア5)に近づけることができ薄膜コイルのコイル効
率が高くなることによるものである。The sensor characteristics exhibited excellent linearity in a measurement magnetic field of ± 80 (A / m) and a magnetic field resolution of 10 -3 (A / m). These results show good characteristics as a linear magnetic field sensor. Further, in the case of a device using a negative feedback coil in which a copper wire is wound around an amorphous wire, about 300% of negative feedback must be applied in order to obtain linearity equivalent to that of FIG. As compared to the negative feedback coil in which a copper wire is wound around an amorphous wire, the thin film coil was able to obtain the same linearity with a negative feedback ratio of about 1/6. Is close to the magnetic core (thin-film MI magnetic core 5), and the coil efficiency of the thin-film coil is increased.
【0055】[0055]
【発明の効果】請求項1から請求項4までのいずれかに
記載の発明によれば、薄膜磁気コアは少なくとも2個以
上、並列配置されてなり、かつ、前記それぞれの薄膜磁
気コアは互いに電気的に直列接続されており、素子のチ
ップサイズを大きくすることなく、磁気インピーダンス
素子のインピーダンスを大きくできるため、小型で高出
力の磁気センサが得られる。また、薄膜磁気コアは少な
くとも3個以上、5μm以上の間隔で並列配置されてな
る構成としたので、前記3個以上の薄膜磁気コアの相互
の磁気的干渉を実用上、ほとんど問題にならない程度に
抑えることができ、ひいては3個以上の薄膜磁気コアへ
の磁界の均等な印加が可能となる。 請求項2に記載の発
明によれば、薄膜磁気コアには絶縁体を介して薄膜バイ
アスコイル及び薄膜負帰還コイルが形成されており、磁
気インピーダンス素子の小型化・量産化が可能となり、
かつ、上記のような構造に作製された薄膜コイルはコイ
ル効率がよいため、少ない電流で必要なバイアス磁界が
得られ、また、少ない負帰還量で磁界に対する出力の直
線性の改善が可能となる。これらのことから高感度で感
度の直線性が良く、温度特性のすぐれた薄膜リニア磁界
センサを提供できる。さらに、バイアス用薄膜コイル、
および負帰還用薄膜コイルを交互に巻き回わすことによ
り薄膜の磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、およ
び負帰還磁界を加えることができ磁気センサとしての特
性が安定する。According to any one of claims 1 to 4,
According to the described invention, at least two or more thin film magnetic cores are arranged in parallel, and the respective thin film magnetic cores are electrically connected to each other in series, without increasing the chip size of the element. Since the impedance of the magnetic impedance element can be increased, a small and high-output magnetic sensor can be obtained. In addition, there are few thin-film magnetic cores.
At least three or more should be arranged in parallel at intervals of 5 μm or more.
The three or more thin-film magnetic cores
Magnetic interference is practically negligible
To three or more thin-film magnetic cores
Can be applied evenly. Claim 2
According to Ming, the thin-film magnetic core is formed with a thin-film bias coil and a thin-film negative feedback coil via an insulator, enabling the miniaturization and mass production of the magnetic impedance element.
In addition, since the thin-film coil manufactured in the above-described structure has a high coil efficiency, a required bias magnetic field can be obtained with a small current, and the output linearity with respect to the magnetic field can be improved with a small amount of negative feedback. . From these facts, it is possible to provide a thin film linear magnetic field sensor having high sensitivity, good linearity of sensitivity, and excellent temperature characteristics. Furthermore, a thin film coil for bias,
By alternately winding the negative feedback thin film coil, a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field can be uniformly applied to each part of the magnetic core of the thin film, and the characteristics as a magnetic sensor are stabilized.
【図1】本発明の第1参考例の磁気インピーダンス素子
のコイルと絶縁膜を除いた要部を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a main part of a magneto-impedance element according to a first reference example of the present invention, excluding a coil and an insulating film.
【図2】本発明の第1の実施の形態に係り、3本の薄膜
MIコアを用いた磁気インピーダンス素子のコイルと絶縁
膜を除いた要部を示す平面図である。FIG. 2 shows three thin films according to the first embodiment of the present invention .
FIG. 3 is a plan view showing a main part of a magneto-impedance element using an MI core excluding a coil and an insulating film.
【図3】本発明の第2の実施の形態に係り、4本以上の
薄膜MIコアを用いた磁気インピーダンス素子のコイルと
絶縁膜を除いた要部を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a main part of a magneto-impedance element using four or more thin-film MI cores according to a second embodiment of the present invention, excluding a coil and an insulating film;
【図4】3本の薄膜MI磁気コアを並列配置し、一様磁界
を印加したときの外側の素子と内側の素子の磁束の距離
に対する内側の素子の磁束密度を%表示した特性図であ
る。FIG. 4 is a characteristic diagram in which three thin-film MI magnetic cores are arranged in parallel, and when a uniform magnetic field is applied, the magnetic flux density of the inner element with respect to the magnetic flux distance of the outer element and the inner element is expressed as a percentage. .
【図5】薄膜MI磁気コアがそれぞれ1本、2本及び3本
である磁気インピーダンス素子の磁界−インピーダンス
特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing magnetic field-impedance characteristics of a magnetic impedance element having one, two, and three thin-film MI magnetic cores.
【図6】第2参考例を説明するための平面図である。FIG. 6 is a plan view for explaining a second reference example .
【図7】薄膜MIセンサの作製プロセスを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a manufacturing process of the thin-film MI sensor.
【図8】図1に示す薄膜MIセンサを2個用いて構成した
磁界検出用磁気センサを示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing a magnetic sensor for detecting a magnetic field configured by using two thin film MI sensors shown in FIG. 1;
【図9】図8の磁界検出用磁気センサの出力電圧特性を
示す図である。9 is a diagram showing output voltage characteristics of the magnetic field detecting magnetic sensor of FIG.
【図10】薄膜MI素子の特性を説明するための磁区モデ
ルを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a magnetic domain model for explaining characteristics of the thin film MI element.
【図11】薄膜MI素子の特性を説明するための図であ
る。FIG. 11 is a diagram illustrating characteristics of a thin-film MI element.
【図12】従来の磁気インピーダンス素子を模式的に示
す図である。FIG. 12 is a diagram schematically showing a conventional magnetic impedance element.
【図13】図12の磁性線のインピーダンス変化の印加
磁界依存性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the applied magnetic field dependence of the impedance change of the magnetic wire of FIG.
4 薄膜MIセンサ(薄膜インピーダンス素子) 5 薄膜MIコア(薄膜磁気コア) 6 非磁性導体 4 Thin-film MI sensor (thin-film impedance element) 5 Thin-film MI core (thin-film magnetic core) 6 Non-magnetic conductor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 英樹 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−1 ミネ ベア株式会社 開発技術センター内 (72)発明者 後藤 晃 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−1 ミネ ベア株式会社 開発技術センター内 (56)参考文献 特開 平8−75835(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 15/18 G01R 33/02 - 33/06 G11B 5/33 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hideki Kato 173-1 Asana-cho, Asaba-cho, Iwata-gun, Shizuoka Prefecture Inside the Minebea Development Technology Center (72) Inventor Akira Goto 1743- Asana-cho, Asaba-cho, Iwata-gun, Shizuoka Prefecture 1 Minebea Co., Ltd. Development Technology Center (56) References JP-A-8-75835 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01R 15/18 G01R 33/02- 33/06 G11B 5/33
Claims (4)
成され、その長手方向両端に電極が設けられた薄膜磁気
コアとからなる磁気インピーダンス素子において、前記
薄膜磁気コアは少なくとも3個以上、5μm以上の間隔
で並列配置されてなり、かつ、前記それぞれの薄膜磁気
コアは互いに電気的に直列接続されていることを特徴と
する磁気インピーダンス素子。1. A magnetic impedance element comprising a substrate made of a non-magnetic material and a thin-film magnetic core formed on the substrate and provided with electrodes at both ends in the longitudinal direction, wherein at least three or more thin-film magnetic cores are provided. A magneto-impedance element which is arranged in parallel at an interval of 5 μm or more , and wherein the respective thin-film magnetic cores are electrically connected to each other in series.
膜バイアスコイル及び薄膜負帰還コイルが形成されてお
り、該薄膜バイアスコイルと薄膜負帰還コイルは一定間
隔をもって同一平面に交互に同一方向に巻回され、か
つ、それぞれ同一回数巻回されていることを特徴とする
請求項1記載の磁気インピーダンス素子。2. A thin-film bias coil and a thin-film negative feedback coil are formed on the thin-film magnetic core via an insulator, and the thin-film bias coil and the thin-film negative feedback coil are alternately arranged on the same plane at a constant interval in the same direction. 2. The magneto-impedance element according to claim 1, wherein the magnetic impedance element is wound around the same number of times.
P 、FeNiP 、FeCoP、FeNiCoP 、CoB 、NiCoB 、FeNiCoB
、FeCoB 、CoFeの群の内から少なくとも1種が選択さ
れためっき膜より形成されていることを特徴とする請求
項1または2に記載の磁気インピーダンス素子。3. The thin-film magnetic core is made of NiFe, CoFe, NiFe.
P, FeNiP, FeCoP, FeNiCoP, CoB, NiCoB, FeNiCoB
3. The magneto-impedance element according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and CoFe is formed from a plating film.
CoSiB のいずれかから形成されるアモルファススパッタ
膜、またはNiFeスパッタ膜により形成されていることを
特徴とする請求項1または2に記載の磁気インピーダン
ス素子。4. The thin-film magnetic core comprises CoZrNb, FeSiB,
The magneto-impedance element according to claim 1, wherein the magneto-impedance element is formed of an amorphous sputtered film formed of CoSiB or a NiFe sputtered film.
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