JP3845695B2

JP3845695B2 - Magnetic resonance type magnetic field detection element

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Publication number: JP3845695B2
Application number: JP2001321959A
Authority: JP
Inventors: 倫夫中居; 正洋山口; 賢一荒井
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency; Miyagi Prefectural Government.
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency; Miyagi Prefectural Government.
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP2003130931A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界検出素子に係り、特に、磁気共鳴型磁界検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器や計測・制御機器の急速な発展に伴い、小型・低コストで高感度・高速応答の磁気センサ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いる。
【０００３】
さらに、モーターの回転センサであるロータリーエンコーダでは、マグネットリングの磁極数が多くなり、従来用いられている磁気抵抗効果（ＭＲ）センサに代わり、より微弱な表面磁束を感度よ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、さらに生体磁場計測に用いることができる高感度磁気センサの需要も大きくなっている。
【０００４】
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の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサが提案されており、（特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報）、さらに磁性薄膜の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサも提案されている〔特開平８−７５８３５号公報、日本応用磁気学会誌、ｖｏｌ．２０，５５３（１９９６）参照〕。
【０００５】
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化し、これを小型化すると、磁気ヘッドと媒体の相対速度が低い場合、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、強磁性膜による磁気抵抗効果（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るため、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。
【０００６】
しかし、現在のＭＲ素子の電気抵抗の変化率は約２％、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、また一方で、数％の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は１６００Ａ／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。
【０００７】
また、最近、磁化抵抗変化率が数十％を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が見いだされてたが、数十％の抵抗変化を得るために数万Ａ／ｍの外部磁界が必要である。
【０００８】
従来の高感度磁気センサであるフラックスゲートセンサは、フェライト、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°の高指向性を持つ。しかし、検出感度を上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を持つ。
【０００９】
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。
【００１０】
一方、特開平６−１７６９３０号公報、特開平７−１８１２３９号公報、特開平７−３３３３０５号公報に記載されているように、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。この磁性線として、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）が用いられており、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１０００倍以上である約１００％／Ｏｅの高感度で変化する。
【００１１】
また、特開平８−３２０３６２号公報、特開平１１−１０９００６号公報に記載されている薄膜型磁気インピーダンス素子は、基板上にスパッタ法またはめっき法により磁性体を含む薄膜構造体を形成し、ここに高周波電流を通電することにより磁気インピーダンス効果を得ている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気インピーダンス素子を生体磁場計測に応用するには１０^-8Ｏｅ以上の磁界検出感度が必要であるが、現在この感度を実現可能なのはＳＱＵＩＤ素子以外にない。
【００１３】
また、磁気記録に使われるハードディスク装置では、駆動周波数帯域幅は現在数十ＭＨｚ程度であるが、記録密度の増大およびデータ転送速度の向上のため、高感度かつ広帯域磁界センサの実現が望まれている。
【００１４】
これらの課題を解決するために、素子に通電するキャリア周波数の高周波化を図るとともに、数百ＭＨｚを超えるキャリア周波数でセンサ感度のさらなる向上が必要となる。
【００１５】
また、高周波回路において回路の特性インピーダンスと素子インピーダンスの兼ね合いから磁界検出感度が最大になる素子インピーダンスがある。一般的な高周波回路は、特性インピーダンス５０Ωあるいは７５Ωであるため、磁気検出素子のインピーダンスは電気回路を含めた回路モジュールとして検出感度が高い５０Ω程度であることが望ましい。
【００１６】
そこで、本発明は、上記状況を鑑みて、磁気−インピーダンス効果を利用した磁気検出素子について、磁性体の磁気共鳴現象を利用し、大きなインピーダンス変化率を有する磁気共鳴型磁界検出素子を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕磁性体−導体−磁性体の積層構造を有する素子に高周波電源から磁気共鳴領域の周波数の交流電流を供給し、前記磁性体の磁気共鳴現象に伴い発現する複素透磁率（μ＝μ′−ｊμ″）の虚部（μ″）が外部磁界に応じて変化する特性（バイアス磁気共鳴現象）および、磁性体の透磁率虚部（μ″）の効果により発現する磁束密度分布の膜厚方向位相変化を利用して、前記外部磁場に応じた電気的特性の変化を検出することを特徴とする。
【００１８】
なお、ここで、磁気共鳴領域の周波数とは、面内一軸磁気異方性を有する薄膜磁性体のバイアス磁化率の理論により明らかにされているように、共鳴周波数をピークとして透磁率虚部の大きな周波数領域がある。また、ここでいう透磁率虚部とは、高周波交流磁場により励磁される磁性体内部の磁気モーメントの運動により発現する透磁率の虚部成分のことである。この透磁率虚部の発生原因としては渦電流損失もあるが、本発明において重要なパラメータは、磁気共鳴により発生する透磁率虚部である。このことから、磁気共鳴領域の周波数という表現を定式化するならば、以下のようになる。
【００１９】
参考文献〔東北大学科学計測研究所報告、第３９巻、第１号、２７−４４（１９９０）〕によると、面内一軸磁気異方性を有する薄膜磁性体のバイアス磁化率μｒ（μｒ＝μｒ′−ｊμｒ″）は、以下の式となる。
【００２０】
【数１】

【００２１】
上記式は渦電流の影響を考慮しない磁気モーメントの運動のみによる透磁率である。渦電流の影響も考慮した場合は、以下の式となる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
ここで、ｐ＝（ｊωμ／ρ）^1/2で、ρは薄膜の抵抗率、ｄは膜厚である。
【００２４】
これらの式より、透磁率虚部に対する渦電流の影響は、次式で表される。
【００２５】
Δμ_Im＝Ｉｍ（μ_er）−Ｉｍ（μ_r）
本発明で言う磁気共鳴領域の周波数とは、薄膜磁性体の透磁率虚部における、磁性体内部の磁気モーメントの運動により発現する透磁率の虚部成分が渦電流により発生する透磁率虚部よりも大きくなる領域であり、次式の条件を満たす周波数領域となる。
【００２６】
Ｉｍ（μ_r）＞Δμ_Im
〔２〕上記〔１〕記載の磁気共鳴型磁界検出素子において、前記磁性体の厚さＴ_Mが下記の式（１）で設定された磁気共鳴型磁気検出素子。
【００２７】
０．２Ｔ_J≦Ｔ_M≦Ｔ_J …（１）
ここで、Ｔ_Jは磁性体の透磁率虚部（μ″）の効果により発現する、磁性体厚さ方向における磁束密度分布の位相回転周期であり、次式で表される。
【００２８】
Ｔ_J＝｛（σω｜μ｜／２）^1/2（ｃｏｓξ／２＋ｓｉｎξ／２）｝^-1・２π
但し、ｃｏｓξ＝μ′／｜μ｜、ｓｉｎξ＝−μ″／｜μ｜ …（２）
上記式（２）において、複素透磁率（μ＝μ′−ｊμ″）は、交流電流の通電方向と直交する方向における複素透磁率であり、透磁率虚部（μ″）が最大値となるバイアス磁場における複素透磁率を使い計算する。
【００２９】
なお、上記式（２）において、σは磁性膜の導電率、ωは通電する高周波電流の角周波数である。
【００３０】
〔３〕上記〔２〕記載の磁気共鳴型磁界検出素子において、前記積層構造素子として、前記磁性体と導体の界面に絶縁層を配置した構造を特徴とする。
【００３１】
すなわち、磁気−インピーダンスセンサにおいて、キャリア周波数が１００ＭＨｚ以上になると、磁気共鳴現象が生じ、磁性体の透磁率（複素透磁率）の虚部が大きくなる。従来のアモルファスワイヤや磁性薄膜を用いた磁気−インピーダンスセンサでは、磁気共鳴の発生する周波数領域では感度の低下が生じていたが、本発明では、磁気共鳴現象に伴う透磁率虚部により磁性体内部に発生する磁気現象を、積極的に利用することで１００ＭＨｚ以上の高周波領域における磁気−インピーダンスセンサの高感度化を実現した。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
まず、本発明の原理について説明する。
【００３４】
ここでは、センサ素子は高周波電流の通電方向を長手方向、これと直交する方向を幅方向とする。磁性体は通電する高周波電流により励磁されるが、この際に重要なのは通電電流の発生する磁界方向である幅方向の透磁率である。ここで幅方向透磁率をμとする。
【００３５】
上記で示された磁気−インピーダンスセンサ素子において、まず、Ｍａｘｗｅｌｌの方程式から平板内部の磁束密度分布を導出する式の説明を行う。
【００３６】
【数３】

【００３７】
図１は磁気−インピーダンスセンサ素子の無限平板問題に関する説明図である。この図において、ｘは±∞、Ｙはｄ（厚さ）、ｚは±∞ である。
【００３８】
この問題では、以下の仮定が導入できる。
【００３９】
【数４】

【００４０】
式（９）より、
【００４１】
【数５】

【００４２】
上記方程式（１０）の解は、以下の式となる。
【００４３】
【数６】

【００４４】
上記方程式（１１）において、透磁率μを複素透磁率（μ＝μ′−ｊμ″）とすることで平板内部の磁束密度分布は以下の式で表される。
【００４５】
式（１１）において透磁率μを複素透磁率（μ＝μ′−ｊμ″）とし、極表示に変形すると、
μ＝｜μ｜ｅｘｐ（ｊξ） …（１２）
と表される。
【００４６】
ここで、ｃｏｓξ＝μ′／｜μ｜、ｓｉｎξ＝−μ″／｜μ｜
上記式（１１）と式（１２）より、次式が得られる。
【００４７】
【数７】

【００４８】
本方程式より、磁気共鳴現象に伴う複素透磁率の透磁率虚部により生じる磁束密度分布の膜厚方向空間振動項の周期Ｔ_Jが得られる。
【００４９】
Ｔ_J＝｛（σω｜μ｜／２）^1/2（ｃｏｓξ／２＋ｓｉｎξ／２）｝^-1・２π…（２）
本発明では、バイアス磁気共鳴現象による磁性体の透磁率虚部μ″が最大となる値について、上記式（２）により計算される周期Ｔ_Jに対し磁性体膜厚Ｔ_Mを次式（１）の範囲となるように作製することにより、磁気共鳴領域における磁気−インピーダンスセンサの感度向上を実現した。この磁性体膜厚の範囲は、一方の磁性体で発生した磁束が非磁性導体膜を交差して反対側の磁性体に渡る際、非磁性導体膜を交差する磁束が最大となる条件である。
【００５０】
０．２Ｔ_J≦Ｔ_M≦Ｔ_J …（１）
非磁性体導体膜を交差する磁束が最大となる条件では、非磁性導体中の表皮効果により、電流は素子の側端に集中して流れるようになり、その効果が最大になることで素子インピーダンスが増大するものである。
【００５１】
以上に示される膜厚方向磁束密度分布の空間振動現象により生じる素子インピーダンスの増加は、非磁性導体の表皮深さと密接な関係があり、センサ幅が狭い場合は発生しない。このため、所定の幅以上のセンサ幅が必要になるものであり、本発明では非磁性導体の表皮深さ以上の幅であることが望ましい。
【００５２】
図２は本発明の実施例を示す磁性体−非磁性導体−磁性体の積層構造を示す模式図であり、図２（ａ）は動作原理の模式図、図２（ｂ）は膜厚が本発明の条件を外れた場合の模式図である。また、図３はその磁気共鳴型検出素子の斜視図であり、図３（ａ）はその磁気共鳴型検出素子（その１）の斜視図、図３（ｂ）はその磁気共鳴型検出素子（その２）の斜視図である。
【００５３】
図２において、１は磁性体、２は非磁性導体、３は磁性体、４は電流、５は磁力線を示している。
【００５４】
また、図３において、１１は磁気共鳴型磁界検出素子、１２は基板（例えばガラス）、１３はその基板１２上に形成される磁性体−非磁性導体−磁性体からなる積層膜、１４はその両端に設けられる電極パッド、１５は高周波電源、１６はキャリア電流、１７は磁気異方性の容易軸、１８は外部磁界Ｈｅｘである。
【００５５】
（実施例１）
以下、図３を参照しながら説明する。
【００５６】
磁気共鳴型磁界検出素子１１の磁性体材料組成は、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃であり、ＲＦスパッタ（Ａｒ雰囲気）にてガラス基板１２上に成膜した。中間層にはＣｒを用い磁性体膜（積層膜）１３と同じＲＦスパッタ（Ａｒ雰囲気）にて成膜した。Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃とＣｒの界面には拡散層としてＴｉを２０ｎｍ程度成膜した。
【００５７】
また、素子寸法は長さ５ｍｍ、幅１００μｍであり、リフトオフ法あるいはイオンミリング法を用いてパターニングした。磁性膜１３は成膜後に磁界中熱処理を施し、素子幅方向に磁気異方性を付与した。磁界中熱処理条件は、▲１▼回転磁界中熱処理（４０ｋＡ／ｍ、４００℃、２時間）、▲２▼静磁界中熱処理（４０ｋＡ／ｍ、４００℃、１時間）である。Ｔｉ／Ｃｕ電極は３００μｍ□である。
【００５８】
素子の磁界検出特性の評価は、ヘルムホルツコイルにより外部磁界Ｈｅｘ１８を印加した際の素子インピーダンス変化を測定することにより行った。測定はネットワークアナライザ（例えばＨＰ４３９６Ｂ）を用いて反射法により測定した。材料透磁率測定は、シールデッドループコイルを用いた高周波透磁率測定装置〔例えば、凌和電子（株）ＰＭＦ−３０００〕を用いて測定した。
【００５９】
次に、上記した磁界検出素子特性の測定結果について説明する。
【００６０】
図４は本発明の実施例を示す磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘ（Ｏｅ）に対するインピーダンス（絶対値）の特性図（その１）である。
【００６１】
ここでは、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．３８μｍ−Ｃｒ；０．２５μｍ−Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．３８μｍの素子（■表示）におけるキャリア周波数５００ＭＨｚの磁気−インピーダンス特性を示している。
【００６２】
図４にはＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．２０μｍ−Ｃｒ；０．２５μｍ−Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．２０μｍ（×表示）の特性も併記してある。この素子において、磁束密度の空間分布振動の波長Ｔ_Jは２μｍであり、図示された後者の条件は本発明の請求の範囲の境界である。
【００６３】
（実施例２）
以下、図３を参照しながら説明する。
【００６４】
磁気共鳴型磁界検出素子１１の磁性体材料組成は、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃であり、ＲＦスパッタ（Ａｒ雰囲気）にてガラス基板１２上に成膜した。中間層にはＣｒを用い磁性膜と同じＲＦスパッタ（Ａｒ雰囲気）にて成膜した。Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃とＣｒの界面には絶縁層としてＳｉＯ₂膜を０．０５μｍ配置した。ここで、作製方法、素子寸法は、上記実施例１の磁界検出素子と同じである。素子の磁界検出特性の評価方法も実施例１と同じである。
【００６５】
上記した磁界検出素子特性の測定結果について説明する。
【００６６】
図５は本発明の実施例を示す磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘ（Ｏｅ）に対するインピーダンス（絶対値）の特性図（その２）である。
【００６７】
ここでは、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．４０μｍ−Ｃｒ；０．１０μｍ−Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．４０μｍの素子（ただし、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃とＣｒの界面には絶縁層としてＳｉＯ₂膜を０．０５μｍ配置）（×表示）におけるキャリア周波数５００ＭＨｚの磁気−インピーダンス特性を示している。
【００６８】
図にはＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．２０μｍ−Ｃｒ；０．１０μｍ−Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．２０μｍ（ただしＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃とＣｒの界面には絶縁層としてＳｉＯ₂膜を０．０５μｍ配置）（●表示）の特性も併記してある。この素子において、磁束密度の空間分布振動の波長Ｔ_Jは２μｍ（実施例１と同じ）であり、図示された後者の条件は、本発明の請求の範囲の境界である。
【００６９】
（実施例３）
磁界検出素子の磁性体材料組成は、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃であり、ＲＦスパッタ（Ａｒ雰囲気）にてガラス基板上に成膜した。中間層にはＣｕを用い磁性膜と同じＲＦスパッタ（Ａｒ雰囲気）にて成膜した。ここで、作製方法、素子寸法は、上記実施例１の磁界検出素子と同じである。素子の磁界検出特性の評価方法も実施例１と同じである。
【００７０】
上記した磁界検出素子特性の測定結果について説明する。
【００７１】
図６は本発明の実施例を示す磁界検出素子の外部磁界Ｈｅｘ（Ｏｅ）に対するインピーダンス（絶対値）の特性図（その３）である。
【００７２】
ここでは、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．３０μｍ−Ｃｕ；０．２０μｍ−Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．３０μｍの素子（●表示）におけるキャリア周波数５００ＭＨｚの磁気−インピーダンス特性を示している。図にはＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．２０μｍ−Ｃｕ；０．２０μｍ−Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃；０．２０μｍの素子（■表示）特性も併記してある。この素子において、磁束密度の空間分布振動の波長Ｔ_Jは２μｍ（実施例１と同じ）であり、図示された後者の条件は、本発明の請求の範囲の境界である。
【００７３】
図７及び図８は磁界検出素子の中間層（導電層）の厚さ（Ｔｃ）に対する素子インピーダンスの変化率を示す図であり、図７は層間絶縁層が無い場合、図８は層間絶縁層がある場合であり、ここでは、中間層（導電層）がＣｒの場合は、その導電率を８．３×１０⁶（■表示）、Ｃｕの場合は、その導電率を５．８×１０⁷（●表示）として計算している。
【００７４】
これらの図より、中間層厚さ（Ｔｃ）に最適値があることが分かる。これは、中間層により分離された上下の磁性層の磁気的結合の強さが感度特性に影響を与えていることに原因があり、上下の磁性層を離しすぎた場合には、素子は磁性体−導体の２層構造と同じになり良好な素子特性は得られない。
【００７５】
図９及び図１０は本発明の磁気検出素子の磁性体厚さに対する素子インピーダンス特性を示す図（層間絶縁層がない場合）であり、図９は素子インピーダンス変化率を示す図、図１０はその素子の感度を示す図である。ここでは、中間層（導電層）の厚さＴｃが０．０２μｍ（下側の■表示）、０．０５μｍ（●表示）、０．１０μｍ（▲表示）、０．２５μｍ（上側の■表示）、１．００μｍ（▼表示）のそれぞれを示している。材料組成、作製方法は、一部を除いて実施例１の磁界検出素子と同じである。
【００７６】
図１１及び図１２は本発明の磁気検出素子の磁性体厚さに対する素子インピーダンス特性を示す図（層間絶縁層がある場合）であり、図１１は素子インピーダンス変化率を示す図、図１２はその素子の感度を示す図である。ここでは、中間層（導電層）の厚さＴｃが０．０２μｍ（下側の■表示）、０．０５μｍ（●表示）、０．１０μｍ（▲表示）、０．５０μｍ（上側の■表示）、１．００μｍ（▼表示）のそれぞれを示している。材料組成、作製方法は、一部を除いて実施例２の磁界検出素子と同様である。
【００７７】
いずれも磁束密度の空間分布振動の波長より計算される請求項２記載の範囲において、良好な特性が得られている。中間層となる非磁性導体層の膜厚が薄くなるにつれ、素子インピーダンス変化率・素子感度ともに最適な磁性膜厚はＴ_Jに近づき、単層素子における最適条件（特願２０００−２７３０５３）と等しくなる。
【００７８】
図１３は実施例１と同じ構成で、中間層膜厚０．２５μｍに固定し、磁性体膜厚を変化させた場合の磁気−インピーダンス特性の図であり、ここでは、磁性体膜厚（Ｔｍ）を、０．７５μｍ（■表示）、１．００μｍ（●表示）、１．２５μｍ（▲表示）の場合について示している。
【００７９】
この図より磁性体膜厚の制御により素子インピーダンス特性の直線性を制御することが可能であることが分かる。
【００８０】
本発明において、磁界検出素子に供給される高周波電流は、バイアス磁気共鳴現象の発現する周波数であり、上記実施例に示された周波数に限定されるものではない。例えば、１ＭＨｚ以上の高周波領域を用いることができる。
【００８１】
本発明によれば、磁性体に直接高周波を通電し、外部磁界によるインピーダンス変化を利用した磁界検出素子において、外部磁界により磁気共鳴特性が変化する特性（バイアス磁気共鳴特性）と磁気共鳴により生じる磁性体内部の磁束密度空間振動を有効に利用するセンサ素子であり、磁束密度空間振動の波長と膜厚寸法の関係をある範囲に定めることにより高感度を実現した。
【００８２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８３】
【発明の効果】
以上、詳細に詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００８４】
（Ａ）バイアス磁気共鳴とこれに起因する磁性体内部の磁束密度空間振動とこれに起因して強調される中間層導体内部の表皮効果を利用した動作原理の磁気共鳴型磁界検出素子であり、バイアス磁気共鳴現象の発現する周波数領域で、感度の向上を図ることができる。
【００８５】
（Ｂ）インピーダンス変化率、感度ともに従来のレベルを上回るものである。具体的には、単層構造の磁気共鳴型素子に比較して、インピーダンス変化率は１０倍、感度は５倍を実現可能とする。
【００８６】
（Ｃ）磁界検出素子の膜厚調整により、センサ感度の直線性および感度ΔＺ／ΔＨを制御可能とする。
【００８７】
（Ｄ）磁界検出素子の動作インピーダンスを５０Ω程度にして、高周波回路との整合を良好にして検出感度を向上させることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気検出素子の無限平板問題に関する説明図である。
【図２】本発明の実施例を示す磁性体−非磁性導体−磁性体の積層構造を示す模式図である。
【図３】本発明の磁気共鳴型検出素子の構造模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す磁気検出素子の外部磁界と素子インピーダンスの関係を示す図（その１）である（積層構造が〔磁性体／中間層（Ｃｒ）／磁性体〕の場合）。
【図５】本発明の実施例を示す磁気検出素子の外部磁界と素子インピーダンスの関係を示す図（その２）である（積層構造が〔磁性体／絶縁層／中間層（Ｃｒ）／絶縁層／磁性体〕の場合）。
【図６】本発明の実施例を示す磁気検出素子の外部磁界と素子インピーダンスの関係を示す図（その３）である（積層構造が〔磁性体／中間層（Ｃｕ）／磁性体〕の場合）。
【図７】磁気検出素子の中間層厚さに対する素子インピーダンス変化率を示す図（層間絶縁層が無い場合）である。
【図８】磁気検出素子の中間層厚さに対する素子インピーダンス変化率を示す図（層間絶縁層がある場合）である。
【図９】本発明の実施例１の磁気検出素子の磁性体厚さに対する素子インピーダンス特性を示す図（層間絶縁層がない場合）である。
【図１０】本発明の磁気検出素子の磁性体厚さに対する素子インピーダンス特性を示す図（層間絶縁層がない場合）である。
【図１１】本発明の磁気検出素子の磁性体厚さに対する素子インピーダンス特性を示す図（層間絶縁層がある場合）である。
【図１２】本発明の実施例２の磁気検出素子の磁性体厚さに対する素子インピーダンス特性を示す図（層間絶縁層がある場合）である。
【図１３】本発明の磁気検出素子の磁性体膜厚による素子インピーダンス特性の直線性制御例を示す図である。
【符号の説明】
１，３磁性体
２非磁性導体
４電流
５磁力線
１１磁気共鳴型磁界検出素子
１２基板（例えばガラス）
１３磁性体−非磁性導体−磁性体からなる積層膜
１４電極パッド
１５高周波電源
１６キャリア電流
１７磁気異方性の容易軸
１８外部磁界[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic field detection element, and more particularly to a magnetic resonance type magnetic field detection element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the rapid development of information equipment and measurement / control equipment, there is an increasing demand for magnetic sensors that are small, low cost, high sensitivity, and high speed response. For example, in a hard disk device of an external storage device of a computer, performance enhancement has progressed from a bulk type induction magnetic head to a thin film magnetic head and a magnetoresistive effect (MR) head.
[0003]
In addition, the rotary encoder, which is a rotation sensor for motors, requires a magnetic sensor that can detect weak surface magnetic flux with high sensitivity instead of the conventional magnetoresistive effect (MR) sensor because the number of magnetic rings in the magnet ring increases. It has become. There is also a growing demand for high-sensitivity magnetic sensors that can be used for nondestructive inspection, banknote inspection, and biomagnetic field measurement.
[0004]
Typical magnetic sensing elements currently used include inductive reproducing magnetic heads, magnetoresistive effect (MR) elements, fluxgate sensors, Hall elements, and the like. Recently, a high-sensitivity magnetic sensor using the magneto-impedance effect of an amorphous wire has been proposed (JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, JP-A-7-333305), Furthermore, a highly sensitive magnetic sensor using the magneto-impedance effect of a magnetic thin film has also been proposed [Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-75835, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, vol. 20, 553 (1996)].
[0005]
The induction reproducing magnetic head requires a coil winding, so that the size of the magnetic head itself is increased. If the size is reduced, the detection sensitivity is remarkably lowered when the relative speed between the magnetic head and the medium is low. On the other hand, a magnetoresistive effect (MR) element using a ferromagnetic film detects a magnetic flux itself, not a change in magnetic flux with time, and thus the magnetic head has been miniaturized.
[0006]
However, the rate of change in electrical resistance of current MR elements is about 2%, and even in MR elements using spin valve elements, the rate of change in electrical resistance is as small as 6% or less. The external magnetic field required for obtaining is as large as 1600 A / m or more. Therefore, the magnetoresistive sensitivity is a low sensitivity of 0.001% / (A / m) or less.
[0007]
Recently, a giant magnetoresistive effect (GMR) due to an artificial lattice having a magnetization resistance change rate of several tens of percent has been found. In order to obtain a resistance change of several tens of percent, an external magnetic field of tens of thousands of A / m is applied. is necessary.
[0008]
A fluxgate sensor, which is a conventional high-sensitivity magnetic sensor, measures magnetism by utilizing the fact that the symmetric BH characteristics of a high-permeability magnetic core such as ferrite and permalloy are changed by an external magnetic field. High resolution and ± 1 ° directivity. However, a large magnetic core is required to increase detection sensitivity, and it is difficult to reduce the overall size of the sensor, and power consumption is high.
[0009]
A magnetic field sensor using a Hall element utilizes the phenomenon that when a magnetic field is applied perpendicularly to the plane of current flow, an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current and applied magnetic fields, and an electromotive force is induced in the Hall element. Sensor. Although the Hall element is advantageous in terms of cost, the magnetic field detection sensitivity is low, and since it is made of a semiconductor such as Si or GaAs, electrons are scattered by scattering due to thermal vibration of a lattice in the semiconductor with respect to temperature change, or Since the mobility of holes changes, the temperature characteristic of magnetic field sensitivity is poor.
[0010]
On the other hand, as described in JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, and JP-A-7-333305, a magneto-impedance element has been proposed to achieve a significant improvement in magnetic field sensitivity. . This magneto-impedance element is a magneto-impedance element whose basic principle is to detect only the voltage against the time change of the circumferential magnetic flux generated by applying a time-varying current to the magnetic wire as a change due to an externally applied magnetic field. is there. As this magnetic wire, an amorphous wire having a zero magnetostriction diameter of about 30 μm such as FeCoSiB (a wire annealed after drawing) is used, and a high-frequency current of about 1 MHz is applied even to a wire with a micro size of about 1 mm in length. Then, the amplitude of the voltage of the wire changes with a high sensitivity of about 100% / Oe, which is 1000 times or more that of the MR element.
[0011]
In addition, the thin film type magneto-impedance element described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-320362 and 11-109006 forms a thin film structure including a magnetic material on a substrate by sputtering or plating. A magnetic impedance effect is obtained by applying a high-frequency current to the substrate.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to apply the magneto-impedance element to biomagnetic field measurement, a magnetic field detection sensitivity of 10 ⁻⁸ Oe or more is required, but this sensitivity can be realized only by the SQUID element.
[0013]
In addition, in a hard disk device used for magnetic recording, the driving frequency bandwidth is currently about several tens of MHz. However, in order to increase the recording density and improve the data transfer speed, it is desired to realize a high sensitivity and broadband magnetic field sensor. Yes.
[0014]
In order to solve these problems, it is necessary to increase the carrier frequency for energizing the element and to further improve the sensor sensitivity at a carrier frequency exceeding several hundred MHz.
[0015]
In addition, in a high frequency circuit, there is an element impedance that maximizes the magnetic field detection sensitivity due to the balance between the circuit characteristic impedance and the element impedance. Since a general high-frequency circuit has a characteristic impedance of 50Ω or 75Ω, it is desirable that the impedance of the magnetic detection element is about 50Ω having high detection sensitivity as a circuit module including an electric circuit.
[0016]
Therefore, in view of the above situation, the present invention provides a magnetic resonance type magnetic field detection element having a large impedance change rate by using the magnetic resonance phenomenon of a magnetic material for a magnetic detection element using the magneto-impedance effect. With the goal.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] An alternating current having a frequency in the magnetic resonance region is supplied from a high frequency power source to an element having a laminated structure of magnetic material-conductor-magnetic material, and a complex magnetic permeability (μ = μ '-Jμ ″)' s imaginary part (μ ″) changes depending on the external magnetic field (bias magnetic resonance phenomenon), and magnetic flux density distribution film developed by the effect of magnetic permeability imaginary part (μ ″) A change in electrical characteristics according to the external magnetic field is detected using a thickness direction phase change.
[0018]
Here, the frequency of the magnetic resonance region is defined by the bias susceptibility theory of the thin film magnetic material having in-plane uniaxial magnetic anisotropy, and the imaginary part of the permeability with the resonance frequency as a peak. There is a large frequency range. Further, the imaginary part of the magnetic permeability referred to here is an imaginary part component of the magnetic permeability that is expressed by the motion of the magnetic moment inside the magnetic body excited by the high-frequency alternating magnetic field. Although the imaginary part of the magnetic permeability is caused by eddy current loss, an important parameter in the present invention is the imaginary part of magnetic permeability generated by magnetic resonance. From this, the expression of the frequency of the magnetic resonance region is formulated as follows.
[0019]
According to a reference [Report of Tohoku University Scientific Measurement Laboratory, Vol. 39, No. 1, 27-44 (1990)], a bias magnetic susceptibility μr (μr = μr) of a thin film magnetic material having in-plane uniaxial magnetic anisotropy. ′ −jμr ″) is represented by the following equation.
[0020]
[Expression 1]

[0021]
The above equation is the magnetic permeability by only the motion of the magnetic moment without considering the effect of eddy current. When the influence of eddy current is also taken into consideration, the following equation is obtained.
[0022]
[Expression 2]

[0023]
Here, p = (jωμ / ρ) ^1/2 , ρ is the resistivity of the thin film, and d is the film thickness.
[0024]
From these equations, the effect of eddy current on the imaginary part of the magnetic permeability is expressed by the following equation.
[0025]
Δμ _Im = Im (μ _er ) −Im (μ _r )
The frequency of the magnetic resonance region referred to in the present invention is the imaginary part of the magnetic permeability generated by the motion of the magnetic moment inside the magnetic material in the magnetic imaginary part of the thin film magnetic material. Is a frequency region that satisfies the following expression.
[0026]
Im (μ _r )> Δμ _Im
[2] The magnetic resonance type magnetic detection element according to the above [1], wherein the thickness T _{M of the} magnetic material is set by the following formula (1).
[0027]
0.2T _J ≦ T _M ≦ T _J (1)
Here, T _J is a phase rotation period of the magnetic flux density distribution in the magnetic material thickness direction, which is expressed by the effect of the magnetic permeability imaginary part (μ ″) of the magnetic material, and is expressed by the following equation.
[0028]
T _J = {(σω | μ | / 2) ^1/2 (cosξ / 2 + sinξ / 2)} ⁻¹ · 2π
However, cosξ = μ ′ / | μ |, sinξ = −μ ″ / | μ | (2)
In the above formula (2), the complex magnetic permeability (μ = μ′−jμ ″) is the complex magnetic permeability in the direction orthogonal to the direction of the alternating current, and the imaginary part of magnetic permeability (μ ″) is the maximum value. Calculate using the complex permeability in the bias field.
[0029]
In the above formula (2), σ is the conductivity of the magnetic film, and ω is the angular frequency of the high-frequency current to be passed.
[0030]
[3] The magnetic resonance type magnetic field detection element according to [2], wherein the laminated structure element has a structure in which an insulating layer is disposed at an interface between the magnetic body and the conductor.
[0031]
That is, in the magnetic-impedance sensor, when the carrier frequency is 100 MHz or more, a magnetic resonance phenomenon occurs, and the imaginary part of the magnetic permeability (complex permeability) of the magnetic material increases. In conventional magneto-impedance sensors using amorphous wires or magnetic thin films, the sensitivity has decreased in the frequency region where magnetic resonance occurs. By actively utilizing the magnetic phenomenon occurring in the magnetic field, high sensitivity of the magneto-impedance sensor in a high frequency region of 100 MHz or higher was realized.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
First, the principle of the present invention will be described.
[0034]
Here, in the sensor element, the energizing direction of the high-frequency current is the longitudinal direction, and the direction orthogonal thereto is the width direction. The magnetic material is excited by a high-frequency current that is energized. At this time, what is important is the magnetic permeability in the width direction, which is the magnetic field direction in which the energizing current is generated. Here, the width direction magnetic permeability is μ.
[0035]
In the above-described magneto-impedance sensor element, first, an expression for deriving the magnetic flux density distribution inside the flat plate from Maxwell's equation will be described.
[0036]
[Equation 3]

[0037]
FIG. 1 is an explanatory diagram relating to the infinite plate problem of the magneto-impedance sensor element. In this figure, x is ± ∞, Y is d (thickness), and z is ± ∞.
[0038]
For this problem, the following assumptions can be introduced:
[0039]
[Expression 4]

[0040]
From equation (9)
[0041]
[Equation 5]

[0042]
The solution of the above equation (10) is as follows.
[0043]
[Formula 6]

[0044]
In the above equation (11), the magnetic flux density distribution inside the flat plate is expressed by the following equation by setting the magnetic permeability μ to the complex magnetic permeability (μ = μ′−jμ ″).
[0045]
In equation (11), when the magnetic permeability μ is a complex magnetic permeability (μ = μ′−jμ ″) and transformed into a polar display,
μ = | μ | exp (jξ) (12)
It is expressed.
[0046]
Here, cosξ = μ ′ / | μ |, sinξ = −μ ″ / | μ |
From the above equations (11) and (12), the following equation is obtained.
[0047]
[Expression 7]

[0048]
From this equation, the period T _J of the film thickness direction spatial vibration term of the magnetic flux density distribution generated by the imaginary part of the permeability of the complex permeability accompanying the magnetic resonance phenomenon is obtained.
[0049]
T _J = {(σω | μ | / 2) ^1/2 (cosξ / 2 + sinξ / 2)} ⁻¹ · 2π (2)
In the present invention, with respect to the value at which the magnetic permeability imaginary part μ ″ due to the bias magnetic resonance phenomenon is maximized, the magnetic film thickness T _M is expressed by the following equation (1) with respect to the period T _J calculated by the above equation (2). The sensitivity of the magnetic-impedance sensor in the magnetic resonance region is improved by the magnetic flux generated in one magnetic body in the non-magnetic conductor film. This is a condition in which the magnetic flux intersecting the nonmagnetic conductor film is maximized when crossing and crossing over the opposite magnetic body.
[0050]
0.2T _J ≦ T _M ≦ T _J (1)
Under the condition that the magnetic flux crossing the non-magnetic conductor film is maximum, the skin effect in the non-magnetic conductor causes the current to flow in a concentrated manner at the side edge of the element, and the effect is maximized to increase the element impedance. Will increase.
[0051]
The increase in element impedance caused by the spatial vibration phenomenon of the magnetic flux density distribution in the film thickness direction described above is closely related to the skin depth of the nonmagnetic conductor, and does not occur when the sensor width is narrow. For this reason, a sensor width greater than a predetermined width is required, and in the present invention, a width greater than the skin depth of the nonmagnetic conductor is desirable.
[0052]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a laminated structure of magnetic material-nonmagnetic conductor-magnetic material according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a schematic diagram of the operating principle, and FIG. It is a schematic diagram at the time of deviating from the conditions of the present invention. 3 is a perspective view of the magnetic resonance type detection element, FIG. 3A is a perspective view of the magnetic resonance type detection element (No. 1), and FIG. It is a perspective view of the 2).
[0053]
In FIG. 2, 1 is a magnetic body, 2 is a non-magnetic conductor, 3 is a magnetic body, 4 is an electric current, and 5 is a line of magnetic force.
[0054]
In FIG. 3, 11 is a magnetic resonance type magnetic field detecting element, 12 is a substrate (for example, glass), 13 is a laminated film made of magnetic material-nonmagnetic conductor-magnetic material formed on the

substrate

12, and 14 is Electrode pads provided at both ends, 15 is a high frequency power source, 16 is a carrier current, 17 is an easy axis of magnetic anisotropy, and 18 is an external magnetic field Hex.
[0055]
Example 1
Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0056]
The magnetic material composition of the magnetic resonance type magnetic field detection element 11 was Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ , and was formed on the glass substrate 12 by RF sputtering (Ar atmosphere). The intermediate layer was formed by Cr using the same RF sputtering (Ar atmosphere) as the magnetic film (laminated film) 13. About 20 nm of Ti was deposited as a diffusion layer on the interface between Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ and Cr.
[0057]
The element dimensions were 5 mm long and 100 μm wide, and patterning was performed using a lift-off method or an ion milling method. The magnetic film 13 was subjected to heat treatment in a magnetic field after film formation to give magnetic anisotropy in the element width direction. The heat treatment conditions in the magnetic field are (1) heat treatment in a rotating magnetic field (40 kA / m, 400 ° C., 2 hours), and (2) heat treatment in a static magnetic field (40 kA / m, 400 ° C., 1 hour). The Ti / Cu electrode is 300 μm □.
[0058]
Evaluation of the magnetic field detection characteristics of the element was performed by measuring a change in element impedance when an external magnetic field Hex18 was applied by a Helmholtz coil. The measurement was performed by a reflection method using a network analyzer (for example, HP4396B). The material permeability was measured using a high-frequency permeability measuring apparatus [for example, Ryowa Denshi Co., Ltd. PMF-3000] using a shielded loop coil.
[0059]
Next, the measurement results of the magnetic field detection element characteristics described above will be described.
[0060]
FIG. 4 is a characteristic diagram (part 1) of impedance (absolute value) with respect to the external magnetic field Hex (Oe) of the magnetic field detection element according to the embodiment of the present invention.
[0061]
_{_{_{Here, Co 85 Nb 12 Zr 3;}}} 0.38μm-Cr; 0.25μm-Co 85 Nb 12 Zr 3; 0.38μm element carrier frequency 500MHz in (■ Display) Magnetic - shows the impedance characteristic.
[0062]
FIG. 4 also shows the characteristics of Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.20 μm-Cr; 0.25 μm-Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.20 μm (x display). In this element, the wavelength T _J of the spatial distribution vibration of the magnetic flux density is 2 μm, and the latter condition shown is the boundary of the claims of the present invention.
[0063]
(Example 2)
Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0064]
The magnetic material composition of the magnetic resonance type magnetic field detection element 11 was Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ , and was formed on the glass substrate 12 by RF sputtering (Ar atmosphere). The intermediate layer was formed using Cr and the same RF sputtering (Ar atmosphere) as the magnetic film. At the interface between Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ and Cr, an SiO ₂ film of 0.05 μm was disposed as an insulating layer. Here, the manufacturing method and the element dimensions are the same as those of the magnetic field detection element of Example 1 described above. The evaluation method of the magnetic field detection characteristics of the element is also the same as that in the first embodiment.
[0065]
The measurement results of the magnetic field detection element characteristics described above will be described.
[0066]
FIG. 5 is a characteristic diagram (No. 2) of impedance (absolute value) with respect to the external magnetic field Hex (Oe) of the magnetic field detection element according to the embodiment of the present invention.
[0067]
Here, Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.40 μm-Cr; 0.10 μm-Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.40 μm element (provided that an insulating layer is provided at the interface between Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ and Cr The magnetic-impedance characteristics at a carrier frequency of 500 MHz are shown in the case where the SiO ₂ film is arranged at 0.05 μm (x display).
[0068]
In the figure, Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.20 μm-Cr; 0.10 μm-Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.20 μm (however, an SiO ₂ film is formed as an insulating layer at the interface between Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ and Cr Of 0.05 μm) (indicated by ●). In this element, the wavelength T _J of the spatial distribution vibration of the magnetic flux density is 2 μm (same as in Example 1), and the latter condition shown is the boundary of the claims of the present invention.
[0069]
Example 3
The magnetic material composition of the magnetic field detection element was Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ , and was formed on a glass substrate by RF sputtering (Ar atmosphere). The intermediate layer was formed using Cu and the same RF sputtering (Ar atmosphere) as the magnetic film. Here, the manufacturing method and the element dimensions are the same as those of the magnetic field detection element of Example 1 described above. The evaluation method of the magnetic field detection characteristics of the element is also the same as that in the first embodiment.
[0070]
The measurement results of the magnetic field detection element characteristics described above will be described.
[0071]
FIG. 6 is a characteristic diagram (No. 3) of impedance (absolute value) with respect to the external magnetic field Hex (Oe) of the magnetic field detection element according to the embodiment of the present invention.
[0072]
Here, the magneto-impedance characteristic of a carrier frequency of 500 MHz in an element (indicated by ●) of Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.30 μm-Cu; 0.20 μm-Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.30 μm is shown. In the drawing, the element (■ display) characteristics of Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.20 μm-Cu; 0.20 μm-Co ₈₅ Nb ₁₂ Zr ₃ ; 0.20 μm are also shown. In this element, the wavelength T _J of the spatial distribution vibration of the magnetic flux density is 2 μm (same as in Example 1), and the latter condition shown is the boundary of the claims of the present invention.
[0073]
7 and 8 are diagrams showing the rate of change of the element impedance with respect to the thickness (Tc) of the intermediate layer (conductive layer) of the magnetic field detecting element. FIG. 7 shows the case where there is no interlayer insulating layer, and FIG. Here, when the intermediate layer (conductive layer) is Cr, its conductivity is 8.3 × 10 ⁶ (indicated by ■), and when it is Cu, its conductivity is 5.8 × 10 6. ⁷ Calculated as (● display).
[0074]
From these figures, it can be seen that there is an optimum value for the intermediate layer thickness (Tc). This is because the strength of the magnetic coupling between the upper and lower magnetic layers separated by the intermediate layer affects the sensitivity characteristics. If the upper and lower magnetic layers are separated too much, the element becomes magnetic. It becomes the same as the body-conductor two-layer structure, and good device characteristics cannot be obtained.
[0075]
9 and 10 are diagrams showing the element impedance characteristics with respect to the magnetic thickness of the magnetic sensing element of the present invention (when there is no interlayer insulating layer), FIG. 9 is a diagram showing the element impedance change rate, and FIG. It is a figure which shows the sensitivity of an element. Here, the thickness Tc of the intermediate layer (conductive layer) is 0.02 μm (lower display), 0.05 μm (● display), 0.10 μm (▲ display), 0.25 μm (upper display) , 1.00 μm (indicated by ▼). The material composition and manufacturing method are the same as those of the magnetic field detection element of Example 1 except for a part.
[0076]
11 and 12 are diagrams showing the element impedance characteristics with respect to the thickness of the magnetic body of the magnetic sensing element of the present invention (when there is an interlayer insulating layer), FIG. 11 is a diagram showing the element impedance change rate, and FIG. It is a figure which shows the sensitivity of an element. Here, the thickness Tc of the intermediate layer (conductive layer) is 0.02 μm (lower display), 0.05 μm (● display), 0.10 μm (▲ display), 0.50 μm (upper display) , 1.00 μm (indicated by ▼). The material composition and manufacturing method are the same as those of the magnetic field detection element of Example 2 except for some parts.
[0077]
In either case, good characteristics are obtained within the range of claim 2 calculated from the wavelength of the spatial distribution vibration of the magnetic flux density. As the film thickness of the nonmagnetic conductor layer serving as the intermediate layer becomes thinner, the optimum magnetic film thickness for both the element impedance change rate and the element sensitivity approaches T _J, which is equal to the optimum condition for a single layer element (Japanese Patent Application No. 2000-273053). Become.
[0078]
FIG. 13 is a diagram of the magnetic-impedance characteristics when the intermediate layer thickness is fixed to 0.25 μm and the magnetic film thickness is changed with the same configuration as in Example 1. Here, the magnetic film thickness (Tm ) For 0.75 μm (■ display), 1.00 μm (● display), and 1.25 μm (▲ display).
[0079]
From this figure, it can be seen that the linearity of the element impedance characteristic can be controlled by controlling the magnetic film thickness.
[0080]
In the present invention, the high-frequency current supplied to the magnetic field detection element is a frequency at which the bias magnetic resonance phenomenon appears, and is not limited to the frequency shown in the above embodiment. For example, a high frequency region of 1 MHz or higher can be used.
[0081]
According to the present invention, in a magnetic field detection element using a high-frequency current directly applied to a magnetic material and utilizing an impedance change due to an external magnetic field, the magnetic resonance characteristics change due to the external magnetic field (bias magnetic resonance characteristics) and the magnetic properties generated by the magnetic resonance. This sensor element effectively uses the magnetic flux density spatial vibration inside the body, and achieves high sensitivity by setting the relationship between the wavelength of the magnetic flux density spatial vibration and the film thickness dimension within a certain range.
[0082]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0083]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0084]
(A) A magnetic resonance type magnetic field detection element of an operating principle using bias magnetic resonance, magnetic flux density spatial vibration inside the magnetic body caused by this, and skin effect inside the intermediate layer conductor emphasized due to this, The sensitivity can be improved in the frequency region where the bias magnetic resonance phenomenon occurs.
[0085]
(B) Impedance change rate and sensitivity both exceed conventional levels. Specifically, the impedance change rate can be 10 times and the sensitivity can be 5 times that of a single layer structure magnetic resonance type element.
[0086]
(C) The linearity of the sensor sensitivity and the sensitivity ΔZ / ΔH can be controlled by adjusting the film thickness of the magnetic field detection element.
[0087]
(D) It is possible to improve the detection sensitivity by setting the operating impedance of the magnetic field detection element to about 50Ω to achieve good matching with the high frequency circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram related to an infinite plate problem of a magnetic detection element.
FIG. 2 is a schematic view showing a laminated structure of a magnetic body-nonmagnetic conductor-magnetic body according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a structural schematic diagram of a magnetic resonance type detection element of the present invention.
FIG. 4 is a diagram (part 1) showing a relationship between an external magnetic field and an element impedance of a magnetic detecting element according to an embodiment of the present invention (in the case where the laminated structure is [magnetic body / intermediate layer (Cr) / magnetic body)]; ).
FIG. 5 is a diagram (part 2) showing a relationship between an external magnetic field and element impedance of a magnetic detecting element according to an embodiment of the present invention (lamination structure [magnetic material / insulating layer / intermediate layer (Cr) / insulating layer); / Magnetic material)).
FIG. 6 is a diagram (part 3) showing the relationship between the external magnetic field and the element impedance of the magnetic detection element according to the embodiment of the present invention (in the case where the laminated structure is [magnetic body / intermediate layer (Cu) / magnetic body)]; ).
FIG. 7 is a diagram showing a change rate of element impedance with respect to an intermediate layer thickness of a magnetic detection element (in the case where there is no interlayer insulating layer).
FIG. 8 is a diagram showing a change rate of the element impedance with respect to the intermediate layer thickness of the magnetic detection element (when there is an interlayer insulating layer).
FIG. 9 is a diagram showing element impedance characteristics with respect to the thickness of the magnetic body of the magnetic detection element according to the first embodiment of the present invention (when there is no interlayer insulating layer);
FIG. 10 is a diagram showing the element impedance characteristic with respect to the thickness of the magnetic substance of the magnetic detection element of the present invention (when there is no interlayer insulating layer).
FIG. 11 is a diagram showing element impedance characteristics with respect to the thickness of the magnetic substance of the magnetic detection element of the present invention (when there is an interlayer insulating layer).
FIG. 12 is a diagram showing element impedance characteristics with respect to the magnetic thickness of the magnetic detection element according to the second embodiment of the present invention (when there is an interlayer insulating layer).
FIG. 13 is a diagram showing an example of linearity control of element impedance characteristics depending on the thickness of the magnetic material of the magnetic detection element of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 3 Magnetic body 2 Non-magnetic conductor 4 Current 5 Magnetic field line 11 Magnetic resonance type magnetic field detecting element 12 Substrate (for example, glass)
13 Laminated film 14 made of magnetic material-nonmagnetic conductor-magnetic material Electrode pad 15 High frequency power supply 16 Carrier current 17 Easy axis 18 of magnetic anisotropy 18 External magnetic field

Claims

An alternating current having a frequency in the magnetic resonance region is supplied from a high-frequency power source to an element having a laminated structure of magnetic material-conductor-magnetic material, and a complex magnetic permeability (μ = μ′−) that appears due to the magnetic resonance phenomenon of the magnetic material. film thickness direction of magnetic flux density distribution expressed by the effect of the imaginary part (μ ″) of jμ ″) depending on the external magnetic field (bias magnetic resonance characteristic) and the effect of the magnetic permeability imaginary part (μ ″) of the magnetic material A magnetic resonance type magnetic field detecting element that detects a change in electrical characteristics according to the external magnetic field by utilizing a phase change.

2. The magnetic resonance type magnetic field detecting element according to claim 1, wherein the thickness T _{M of the} magnetic material is set by the following formula (1).
0.2T _J ≦ T _M ≦ T _J (1)
Here, T _J is the phase rotation period of the magnetic flux density distribution in the magnetic material thickness direction, which is expressed by the effect of the imaginary part (μ ″) of the magnetic material, and is expressed by the following equation.
T _J = {(σω | μ | / 2) ^1/2 (cosξ / 2 + sinξ / 2)} ⁻¹ · 2π
However, cosξ = μ ′ / | μ |, sinξ = −μ ″ / | μ | (2)
In the above formula (2), the complex magnetic permeability (μ = μ′−jμ ″) is the complex magnetic permeability in the direction orthogonal to the direction of the alternating current, and the imaginary part of magnetic permeability (μ ″) is the maximum value. Calculate using the complex permeability in the bias field. In the above formula (2), σ is the conductivity of the magnetic film, and ω is the angular frequency of the high-frequency current to be passed.

3. The magnetic resonance type magnetic field detecting element according to claim 2, wherein the laminated structure element has a structure in which an insulating layer is disposed at an interface between the magnetic body and the conductor.