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WO2024122095A1 - 共振型磁気センサ - Google Patents

共振型磁気センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2024122095A1
WO2024122095A1 PCT/JP2023/027003 JP2023027003W WO2024122095A1 WO 2024122095 A1 WO2024122095 A1 WO 2024122095A1 JP 2023027003 W JP2023027003 W JP 2023027003W WO 2024122095 A1 WO2024122095 A1 WO 2024122095A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thin film
vibration
magnetic sensor
magnetic
resonant
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/027003
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
友貴 大井
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Publication of WO2024122095A1 publication Critical patent/WO2024122095A1/ja

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/19—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • the present invention relates to a resonant magnetic sensor.
  • Patent Document 1 discloses a magnetic sensor that vibrates a magnetic thin film (magnetic sensor element) formed on a vibrating body, and detects changes in the external magnetic field by using the change in Young's modulus of the thin film due to changes in the external magnetic field as the amount of change in resonant frequency.
  • Patent Document 2 discloses a magnetic sensor that applies a bias magnetic field by stacking a thin-film magnet on the magnetic sensor element.
  • the present invention was made in consideration of these circumstances, and its object is to provide a highly sensitive resonant magnetic sensor.
  • the resonant magnetic sensor is a resonant magnetic sensor that detects a magnetic field, and includes a vibration element having a vibration part having a first main surface and a second main surface facing the first main surface, an upper electrode provided on the first main surface of the vibration part, and a lower electrode provided on the second main surface of the vibration part, an upper lid provided on the upper electrode side of the vibration element, a lower lid provided on the lower electrode side of the vibration element, a magnetic thin film provided on the vibration part of the vibration element, and a thin film magnet that is provided inside the internal space surrounded by the upper lid and the lower lid and spaced apart from the vibration part, and applies a magnetic field to the magnetic thin film.
  • the present invention provides a highly sensitive resonant magnetic sensor.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a resonance type magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention
  • 1 is a plan view illustrating a schematic configuration of a quartz crystal vibration element of a resonant magnetic sensor according to a first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a resonant magnetic sensor according to a first embodiment.
  • 11A and 11B are diagrams showing the sensor sensitivity and the sensor output with respect to a magnetic field applied to the magnetic sensor when no bias magnetic field is applied.
  • 11A and 11B are diagrams showing the sensor sensitivity and the sensor output with respect to a magnetic field applied to the magnetic sensor when a bias magnetic field is applied.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a resonance type magnetic sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a resonance type magnetic sensor according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a resonance type magnetic sensor according to
  • an orthogonal coordinate system consisting of the X-axis, Y'-axis, and Z'-axis may be conveniently attached to each drawing.
  • the X-axis, Y'-axis, and Z'-axis correspond to each other in each drawing.
  • the X-axis, Y'-axis, and Z'-axis each correspond to the crystallographic axes of the quartz piece, which will be described later.
  • the X-axis corresponds to the electrical axis (polarity axis) of the quartz
  • the Y-axis corresponds to the mechanical axis of the quartz
  • the Z-axis corresponds to the optical axis of the quartz.
  • the Y'axis and Z'axis are respectively the axes obtained by rotating the Y-axis and Z-axis around the X-axis by 35 degrees 15 minutes ⁇ 1 minute 30 seconds in the direction from the Y-axis to the Z-axis.
  • the direction parallel to the X-axis is referred to as the "X-axis direction”
  • the direction parallel to the Y'-axis is referred to as the “Y'-axis direction”
  • the direction parallel to the Z'-axis is referred to as the "Z'-axis direction”.
  • the directions of the tips of the arrows on the X-axis, Y'-axis, and Z'-axis are referred to as "positive” or "+ (plus)”
  • the directions opposite the arrows are referred to as "negative” or "- (minus)”.
  • the +Y'-axis direction is described as the upward direction
  • the -Y'-axis direction is described as the downward direction
  • the up-down orientation of the quartz crystal vibration element 10 is not limited to this.
  • the plane specified by the X-axis and Z'-axis is referred to as the Z'X plane, and the same applies to the planes specified by the other axes.
  • Figure 1 is an exploded perspective view that shows a schematic configuration of the resonant magnetic sensor 1 according to the present embodiment.
  • Figure 2 is a plan view that shows a schematic configuration of a quartz vibration element of the resonant magnetic sensor 1 according to the first embodiment.
  • Figure 3 is a cross-sectional view that shows a schematic structure of the resonant magnetic sensor 1 according to the first embodiment.
  • the resonant magnetic sensor 1 includes a quartz crystal vibration element 10, an upper cover 30, a lower cover 50, a magnetic thin film 60, and thin film magnets 71 and 72.
  • the resonant magnetic sensor 1 is described as an example of a resonant magnetic sensor equipped with a piezoelectric vibration element that outputs a resonant frequency for detecting a magnetic field.
  • the piezoelectric vibration element is described as an example of a quartz crystal vibration element 10 equipped with a quartz crystal blank.
  • the quartz crystal blank 11 is a type of piezoelectric material (piezoelectric material) that vibrates in response to an applied voltage.
  • the piezoelectric vibration element is not limited to the quartz crystal vibration element 10, and may be one that uses other piezoelectric materials such as ceramics.
  • the piezoelectric vibration element may be a MEMS vibration element manufactured using MEMS technology.
  • the resonant magnetic sensor according to this embodiment detects an external magnetic field from the change in the resonant frequency of the piezoelectric vibration element, which changes in resonance frequency due to an external magnetic field.
  • the vibration mode of the resonant magnetic sensor of this embodiment is not limited to the piezoelectric type described above, and may be, for example, an electrostatic type driven by electrostatic force.
  • the quartz crystal vibration element 10 (corresponding to an example of a "vibration element”) is an element that vibrates quartz crystal by the piezoelectric effect and converts electrical energy into mechanical energy.
  • the quartz crystal vibration element 10 includes an AT-cut quartz crystal piece 11.
  • the AT-cut quartz crystal piece 11 is cut out with the XZ' plane, which is specified by the X-axis and Z-axis, as the main surface, when the Y-axis and Z-axis are respectively rotated around the X-axis by 35 degrees 15 minutes ⁇ 1 minute 30 seconds from the Y-axis in the direction of the Z-axis, out of the X-axis, Y-axis, and Z-axis that are the crystal axes of synthetic quartz crystal.
  • the rotation angles of the Y' and Z' axes in the AT-cut crystal piece 11 may be inclined from 35 degrees 15 minutes in the range of -5 degrees or more and +15 degrees or less.
  • the cut angle of the crystal piece 11 may be a different cut other than the AT cut, such as a BT cut, a GT cut, or an SC cut.
  • Crystal vibration elements using AT-cut quartz crystal pieces have high frequency stability over a wide temperature range.
  • AT-cut quartz crystal vibration elements have excellent aging characteristics and can be manufactured at low cost.
  • AT-cut quartz crystal vibration elements use the thickness shear vibration mode as their primary vibration.
  • the quartz crystal vibration element 10 includes a pair of excitation electrodes. An alternating electric field is applied between the pair of excitation electrodes. This causes the vibration part of the quartz crystal piece 11 to vibrate at a predetermined oscillation frequency in thickness-shear vibration mode, and a resonance characteristic is obtained associated with this vibration.
  • the main vibration of the quartz crystal vibration element 10 is the thickness-shear vibration mode, by using, for example, an AT-cut quartz crystal piece 11, it is easy to realize a quartz crystal vibration element that performs thickness-shear vibration at a vibration frequency in the MHz range.
  • the quartz crystal piece 11 has a first main surface 12a and a second main surface 12b that are opposed to each other in the XZ' plane.
  • the quartz crystal piece 11 has a flat plate shape. Therefore, the first main surface 12a and the second main surface 12b of the quartz crystal piece 11 are each flat surfaces. Note that the quartz crystal piece 11 is not limited to being a flat plate shape, and may have, for example, a convex or concave central portion.
  • the AT-cut crystal piece 11 has a long side direction in which the long side extends parallel to the X-axis direction, a short side direction in which the short side extends parallel to the Z'-axis direction, and a thickness direction in which the thickness extends parallel to the Y'-axis direction.
  • the crystal piece 11 has a rectangular shape when the first main surface 12a of the crystal piece 11 is viewed in a plan view (hereinafter simply referred to as "plan view").
  • the crystal piece 11 may be bonded to the bottom cover 50 while still having a larger thickness, and then polished to reduce the thickness to a predetermined thickness.
  • the planar shape of the crystal piece 11 is not limited to a rectangular shape.
  • the planar shape of the crystal piece 11 may be a polygonal shape, a circular shape, an elliptical shape, or a combination of these.
  • the quartz crystal vibration element 10 includes a vibration part 21, a holding arm 22, and a holding part 23.
  • the vibration part 21 has a quartz crystal blank 11 and a set of excitation electrodes.
  • the set of excitation electrodes includes a first excitation electrode 14a (corresponding to an example of an "upper electrode") and a second excitation electrode 14b (corresponding to an example of a "lower electrode”).
  • the first excitation electrode 14a is provided on the first main surface 12a of the vibration part 21, and the second excitation electrode 14b is provided on the second main surface 12b of the vibration part 21.
  • the first excitation electrode 14a and the second excitation electrode 14b are provided opposite each other with the quartz crystal blank 11 sandwiched between them.
  • the first excitation electrode 14a and the second excitation electrode 14b each have a rectangular shape, and are arranged so that they overlap substantially entirely in the XZ' plane.
  • first excitation electrode 14a and the second excitation electrode 14b are not limited to a rectangular shape, and may be a polygon, a circle, an ellipse, or a combination of these.
  • the quartz crystal vibration element 10 has extraction electrodes and connection electrodes (not shown), which electrically connect the first excitation electrode 14a to the external electrode 54a and electrically connect the second excitation electrode 14b to the external electrode 54b.
  • the vibration part 21 (specifically, the part of the quartz crystal piece 11 where the first excitation electrode 14a and the second excitation electrode 14b are provided) vibrates in a predetermined vibration mode.
  • the material of the first excitation electrode 14a, the second excitation electrode 14b, the extraction electrode, and the connection electrode is, for example, aluminum (Al), molybdenum (Mo), or gold (Au).
  • each of the electrodes described above may be a laminate consisting of, for example, a titanium (Ti) layer provided on the crystal blank 11 side and a gold (Au) layer provided on the front side.
  • the quartz crystal vibration element 10 is housed in an internal space 40 formed between the upper lid 30 and the lower lid 50.
  • the internal space 40 formed by the upper lid 30 and the lower lid 50 is, for example, hermetically sealed. Note that this internal space 40 may be hermetically sealed in a vacuum state, or may be hermetically sealed in a state filled with a gas such as an inert gas.
  • the vibration part 21 is a part of the quartz crystal vibration element 10 and is located in the center of the internal space 40. As shown in FIG. 3, the vibration part 21 has a first main surface 12a and a second main surface 12b facing the first main surface 12a.
  • the vibration part 21 also has a first excitation electrode 14a provided on the first main surface 12a and a second excitation electrode 14b provided on the second main surface 12b.
  • the first excitation electrode 14a is provided on the surface of the quartz crystal piece 11 facing the top cover 30, and the second excitation electrode 14b is provided on the surface of the quartz crystal piece 11 facing the bottom cover 50.
  • a magnetic thin film 60 is provided on the surface of the first excitation electrode 14a facing the top cover 30.
  • the magnetic thin film 60 may be provided on the surface of the quartz crystal piece 11 facing the top cover 30, and the first excitation electrode 14a may be provided on the surface of the magnetic thin film 60 facing the top cover 30.
  • the holding arm 22 is located in the internal space 40, just like the vibration part 21, and connects the vibration part 21 and the holding part 23.
  • An extraction electrode (not shown) is formed on the holding arm 22, and the first excitation electrode 14a and the second excitation electrode 14b can be routed to a connection electrode provided on the holding part 23.
  • the holding portion 23 is configured, for example, in a frame shape surrounding the periphery of the vibration portion 21 in a plan view. Furthermore, the holding portion 23 is not limited to a frame shape surrounding the entire circumference of the vibration portion 21, and may be provided, for example, on at least a portion of the periphery of the vibration portion.
  • the holding portion 23 is joined to the upper cover 30 and the lower cover 50 from above and below.
  • the holding portion 23 is connected to the holding arm 22.
  • thin film magnets 71 and 72 are provided on the holding portion 23, and apply a magnetic field H to the magnetic thin film 60 on the vibration portion 21.
  • the thin film magnet 71 may be provided on the surface of the holding arm 22 facing the upper cover 30, rather than in the region of the holding portion 23.
  • the through hole 25 is provided in the vibration part 21. Specifically, the through hole 25 is provided in the region between the holding arm 22 and the magnetic thin film 60. The through hole 25 penetrates the vibration part 21 in the thickness direction (Y'-axis direction in the example shown in FIG. 3).
  • the through hole 25 is configured, for example, in a slit shape. In this case, the slit-shaped through hole 25 extends in a direction intersecting the direction in which the magnetic thin film 60 and the holding arm 22 are arranged in a plan view of the quartz vibration element 10. In this embodiment, as shown in FIG.
  • the length L1 of the magnetic thin film 60 along the Z'-axis direction, the length L2 of the thin film magnet 71 along the Z'-axis direction, and the length L3 of the through hole along the Z'-axis direction are all approximately the same, but are not limited to this.
  • L3 longer than L1 or L2
  • the confinement of the vibration generated in the vibration part 21 can be improved.
  • the through hole 25 is provided in the vibration part 21 has been described, but the through hole 25 does not necessarily have to be formed.
  • a recess recessed in the Y'-axis direction may be used instead of the through hole 25, a recess recessed in the Y'-axis direction may be used.
  • the top cover 30 has a top surface portion 31 facing the quartz crystal vibration element 10 and a side surface portion 32 extending in the negative Y' direction from the outer periphery of the top surface portion 31, and a recess 35 is formed by the top surface portion 31 and the side surface portion 32.
  • the top cover 30 is joined to the top side of the holding portion 23.
  • the dimensions of the top cover 30 in a plan view are the same or approximately the same as the dimensions of the quartz crystal vibration element 10.
  • the internal space 40 is a space formed inside by the upper cover 30 and the lower cover 50, and is formed by the recess 35 of the upper cover 30 and the recess 55 of the lower cover 50.
  • the vibration part 21 and the holding arm 22 are provided in the internal space 40, and form a vibration space for the quartz crystal vibration element 10.
  • the bottom cover 50 has a bottom surface 51 facing the quartz crystal vibration element 10 and a side surface 52 extending in the Y' positive direction from the outer periphery of the bottom surface 51, and a recess 55 is formed by the bottom surface 51 and the side surface 52.
  • the bottom cover 50 is joined to the bottom side of the holding part 23.
  • external electrodes 54a, 54b are provided on the side of the bottom cover 50 opposite the surface facing the vibration part 21.
  • the external electrodes 54a, 54b are electrically connected to the first connection electrode and the second connection electrode.
  • the magnetic thin film 60 is provided on the first excitation electrode 14a of the vibration section 21.
  • the magnetic thin film 60 is formed to have the same dimensions as the first excitation electrode 14a in a plan view.
  • the Young's modulus of the magnetic thin film 60 changes.
  • the magnetic thin film 60 provided separately from the quartz crystal piece 11 is configured to function as a magnetic material, but this is not limited to this.
  • a multiferroic material having functions as a magnetic material and a piezoelectric material may be used.
  • the thin film magnets 71 and 72 are provided inside the internal space 40 surrounded by the upper cover 30 and the lower cover 50, spaced apart from the vibrating section 21, and are provided so as to apply a magnetic field H to the magnetic thin film 60.
  • the thin film magnet 71 is provided in a region of the holding section 23 that connects with the holding arm 22 (corresponding to an example of a "first region")
  • the thin film magnet 72 is provided in a region of the holding section 23 opposite the region (corresponding to an example of a "second region").
  • These thin film magnets 71 and 72 are provided on both sides of the magnetic thin film 60 so as to sandwich the magnetic thin film 60. Also, as shown in FIG.
  • the thin film magnet 71 has an S pole 71a and an N pole 71b.
  • the S pole 71a is arranged facing the inside of the resonant magnetic sensor 1.
  • the N pole 71b is arranged facing the outside of the resonant magnetic sensor 1.
  • the thin-film magnet 72 has an S pole 72a and an N pole 72b, but unlike the thin-film magnet 71, the S pole 72a is arranged facing the outside of the resonant magnetic sensor 1, and the N pole 72b is arranged facing the inside of the resonant magnetic sensor 1.
  • the thin-film magnet 71 is provided on the holding portion 23, but is not limited thereto, and may be provided on the holding arm 22, for example. Also, as shown in FIG. 2, the thin-film magnets 71 and 72 may be provided on a portion of the holding portion 23 extending along the Z' axis, and may face each other in the X-axis direction. Alternatively, apart from the example shown in FIG. 2, the thin-film magnets 71 and 72 may be provided in a portion of the holding portion 23 that extends along the X-axis and face each other in the Z'-axis direction.
  • the length L1 of the magnetic thin film 60 along the Z'-axis direction and the length L2 of the thin film magnet 71 along the Z'-axis direction are approximately the same, but are not limited to this.
  • the length L2 of the thin film magnet 71 along the Z'-axis direction is greater than the length L1 of the magnetic thin film 60 along the Z'-axis direction, it is possible to apply a uniform magnetic field to the entire magnetic thin film 60.
  • the sizes of the thin film magnet 71 and the thin film magnet 72 may be similar.
  • Fig. 4 is a diagram showing the sensor sensitivity and sensor output with respect to the magnetic field applied to the magnetic sensor when no bias magnetic field is applied
  • Fig. 5 is a diagram showing the sensor sensitivity and sensor output with respect to the magnetic field applied to the magnetic sensor when a bias magnetic field is applied.
  • the horizontal axis shows the magnetic field [mT] applied to the magnetic sensor
  • the vertical axis shows the resonance frequency [Hz] of the quartz crystal vibration element and the sensitivity of the sensor [Hz/mT].
  • the resonance frequency is maximum near the zero magnetic field, and the sensor sensitivity is approximately 0. In this case, it is difficult to detect a small magnetic field.
  • the resonant magnetic sensor 1 can provide a magnetic sensor that can detect magnetic fields near zero magnetic field, which is normally low in sensitivity, with high sensitivity by applying a bias magnetic field to the magnetic thin film 60.
  • the magnetic field H can be applied to the magnetic thin film 60 without impairing the vibration characteristics of the quartz crystal vibration element 10.
  • the thin film magnets 71 and 72 are arranged with the vibrating part 21 in between, and the south pole 71a and north pole 72b of each magnet face each other, so that a magnetic field H can be applied parallel to the thin film magnets 71 and 72. This allows a uniform magnetic field to be applied to the entire magnetic thin film 60.
  • the distance between the magnetic thin film 60 and the thin film magnets 71 and 72 can be reduced, allowing for a simpler design and cheaper manufacturing.
  • Fig. 6 is a cross-sectional view that shows a schematic structure of the resonant magnetic sensor according to the second embodiment.
  • the top cover 30 is made of a material with high laser transparency, and a getter layer 80 is provided on the side of the top cover 30 facing the vibration part 21 at a position that does not overlap with the thin film magnets 71 and 72 in a plan view.
  • the getter layer 80 adsorbs foreign matter that is generated when the thin film magnets 71 and 72 are trimmed.
  • the getter layer 80 adsorbs foreign matter that is generated on the thin film magnets 71 and 72 during trimming, thereby suppressing characteristic defects caused by the foreign matter.
  • the laser enters from the top cover 30 side, but this is not limited to this.
  • the bottom cover 50 may be made of a material with high laser transparency, and the laser may be incident from the bottom cover 50 side for trimming.
  • a getter layer may be provided on the side of the bottom cover 50 facing the vibration part 21.
  • Fig. 7 is a cross-sectional view that illustrates a schematic structure of the resonant magnetic sensor according to the third embodiment.
  • a magnetic thin film 61 is further provided on the underside of the second excitation electrode 14b of the vibration section 21.
  • the magnetic thin film 61 has magnetostrictive properties that are the exact opposite of those of the magnetic thin film 60. This makes it possible to obtain a magnetostrictive effect in two layers consisting of the magnetic thin films 60 and 61, and to provide a magnetic sensor with higher sensitivity.
  • the thin film magnets 71 and 72 are provided on the side of the quartz vibration element 10 facing the top cover 30, but this is not limited to the above.
  • a uniform magnetic field can be applied to the magnetic thin film 61 in the same way as to the magnetic thin film 60, enabling more accurate detection.
  • Fig. 8 is a cross-sectional view that illustrates the structure of the resonant magnetic sensor according to the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment in the arrangement of the thin film magnets. Specifically, in the first embodiment, thin film magnets 71 and 72 are provided on the holding portion 23 to sandwich the magnetic thin film 60, whereas in this embodiment, thin film magnet 73 is provided on the side of the top cover 30 facing the vibration portion 21. Even in this case, the magnetic field H passes through the magnetic thin film 60 in the positive direction of the X-axis as shown in FIG. 8, so that a bias magnetic field can be applied. Note that, although the thin film magnet 73 is provided on the top cover 30 in this embodiment, this is not limited to this. For example, a thin film magnet may be provided on the side of the bottom cover 50 facing the vibration portion 21.
  • a resonant magnetic sensor that detects a magnetic field, comprising: a vibration part having a first main surface and a second main surface opposite the first main surface, a vibration element having an upper electrode provided on the first main surface of the vibration part, and a lower electrode provided on the second main surface of the vibration part, an upper lid provided on the upper electrode side of the vibration element, a lower lid provided on the lower electrode side of the vibration element, a magnetic thin film provided on the vibration part of the vibration element, and a thin-film magnet provided inside the internal space surrounded by the upper lid and the lower lid and spaced apart from the vibration part, and that applies a magnetic field to the magnetic thin film.
  • a highly sensitive magnetic sensor can be provided by applying a bias magnetic field to the magnetic thin film. Also, by locating the thin film magnet away from the vibrating part, a magnetic field can be applied to the magnetic thin film without impeding the vibration characteristics of the vibration element. Furthermore, by locating the magnetic thin film and the thin film magnet within a vibration space sealed by an upper cover and a lower cover, the distance between the magnetic thin film and the thin film magnet can be made smaller compared to a configuration in which the thin film magnet is located externally, allowing for a simpler design and lower cost.
  • ⁇ 2> In one aspect, there is provided the resonant magnetic sensor according to ⁇ 1>, in which the magnetic thin film and the thin film magnet are positioned on the same plane.
  • the above embodiment allows a uniform magnetic field to be applied to the entire magnetic thin film.
  • a resonant magnetic sensor as described in ⁇ 1> or ⁇ 2> in which the vibration element has a retaining portion provided on at least a portion of the periphery of the vibration portion in a planar view, and a retaining arm connecting the retaining portion and the vibration portion, the upper cover and the lower cover are each connected to the retaining portion, and the thin-film magnet is provided on the retaining portion or the retaining arm.
  • a resonant magnetic sensor as described in ⁇ 3>, in which the retaining arm is provided between the vibrating part and the thin film magnet, and a through hole or a recess is provided in the area between the magnetic thin film in the vibrating part and the retaining arm, the through hole penetrating in the thickness direction of the vibrating part.
  • the through holes or recesses can improve the containment of vibrations generated in the vibrating part.
  • a resonant magnetic sensor in which the through hole or recess is formed in a slit shape extending in a direction intersecting the arrangement direction of the magnetic thin film and the supporting arms in a plan view.
  • the above aspect can further improve vibration containment.
  • a resonant magnetic sensor described in any one of ⁇ 3> to ⁇ 5>, in which the holding portion is arranged to surround the vibration portion in a planar view, and the thin-film magnet has a first thin-film magnet arranged in a first region of the holding portion and a second thin-film magnet arranged in a second region opposite the first region in the holding portion, with a magnetic thin film sandwiched between them.
  • the first thin-film magnet and the second thin-film magnet face each other, so that a uniform magnetic field can be applied to the vibration part between the first thin-film magnet and the second thin-film magnet and to the entire magnetic thin film.
  • ⁇ 7> there is provided the resonant magnetic sensor according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6>, in which the thin film magnet is provided on at least one of the upper cover and the lower cover.
  • a resonant magnetic sensor described in any one of ⁇ 1> to ⁇ 7>, in which the magnetic thin film is provided on at least one of a surface of the upper electrode in the vibrating part facing the upper lid and a surface of the lower electrode in the vibrating part facing the lower lid.
  • a magnetic sensor with higher sensitivity can be provided.
  • a resonant magnetic sensor according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 8>, wherein at least one of the upper cover and the lower cover is made of a material that is transparent to laser light used to trim the thin-film magnet.
  • the magnetic field characteristics applied by the thin-film magnet can be adjusted by trimming the thin-film magnet after sealing the vibration element with the upper and lower covers.
  • a resonant magnetic sensor described in any one of ⁇ 1> to ⁇ 9>, in which a getter layer that attracts foreign matter generated when trimming the thin-film magnet is provided in an area facing the vibrating part of at least one of the upper and lower lids, and the getter layer is provided in a position that does not overlap with the thin-film magnet in a planar view.
  • the getter layer adsorbs foreign matter generated during trimming of the thin-film magnet, preventing the foreign matter from adhering to the vibrating part and deteriorating the vibration characteristics.

Landscapes

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Abstract

磁場Ｈを検知する共振型磁気センサ１であって、第１主面１２ａと当該第１主面１２ａに対向する第２主面１２ｂとを有する振動部２１、振動部２１の第１主面１２ａに設けられた上部電極１４ａ、及び、振動部２１の第２主面１２ｂに設けられた下部電極１４ｂ、を有する振動素子１０と、振動素子１０の上部電極１４ａ側に設けられた上蓋３０と、振動素子の下部電極１４ｂ側に設けられた下蓋５０と、振動素子１０の振動部２１に設けられた磁性体薄膜６０と、上蓋３０及び下蓋５０に囲まれた内部空間４０の内側において振動部２１から離間して設けられ、かつ、磁性体薄膜６０に磁場を印加する薄膜磁石７１及び７２と、を備える。

Description

共振型磁気センサ
　本発明は、共振型磁気センサに関する。
　一般に、磁歪効果を利用し外部磁場の変化を検知する磁気センサが知られている。例えば、特許文献１には、振動体上に形成した磁性薄膜（磁気センサ素子）を振動させ、外部磁場の変化による薄膜のヤング率変化を共振周波数の変化量として、外部磁場の変化を検出する磁気センサが開示されている。また、特許文献２には、磁気センサ素子上に薄膜磁石を積層することでバイアス磁界を印加する磁気センサが開示されている。
特開２００５－９０９７１号公報 国際公開第２０２１／２４５７８５号
　しかしながら、特許文献１のような構成の場合、磁場ゼロ付近でのセンサ感度が低く、微小な磁場のセンシングには適さない。また、仮に、特許文献２の構成を、振動部を有する共振型磁気センサに適用した場合、振動部に薄膜磁石が設けられることになる。これにより、振動部の振動が阻害され、その特性が劣化してしまうことが考えられる。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高感度な共振型磁気センサを提供することである。
　本発明の一態様に係る共振型磁気センサは、磁場を検知する共振型磁気センサであって、第１主面と当該第１主面に対向する第２主面とを有する振動部、振動部の第１主面に設けられた上部電極、及び、振動部の第２主面に設けられた下部電極、を有する振動素子と、振動素子の上部電極側に設けられた上蓋と、振動素子の下部電極側に設けられた下蓋と、振動素子の振動部に設けられた磁性体薄膜と、上蓋及び下蓋に囲まれた内部空間の内側において振動部から離間して設けられ、かつ、磁性体薄膜に磁場を印加する薄膜磁石と、を備える。
　本発明によれば、高感度な共振型磁気センサを提供することができる。
第１実施形態に係る共振型磁気センサを概略的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る共振型磁気センサの水晶振動素子の構成を概略的に示す平面図である。 第１実施形態に係る共振型磁気センサを概略的に示す断面図である。 バイアス磁場を印加しなかった場合における、磁気センサに加わる磁場に対するセンサ感度及びセンサ出力を示す図である。 バイアス磁場を印加した場合における、磁気センサに加わる磁場に対するセンサ感度及びセンサ出力を示す図である。 第２実施形態に係る共振型磁気センサを概略的に示す断面図である。 第３実施形態に係る共振型磁気センサを概略的に示す断面図である。 第４実施形態に係る共振型磁気センサを概略的に示す断面図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本実施形態の図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
　各図面には、各図面の相互の関係を明確にし、各部材の位置関係を理解する助けとするために、便宜的にＸ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸からなる直交座標系を付すことがある。Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸は各図面において互いに対応している。Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸は、それぞれ、後述する水晶片の結晶軸（Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ａｘｅｓ）に対応している。Ｘ軸は水晶の電気軸（極性軸）、Ｙ軸は水晶の機械軸、Ｚ軸は水晶の光学軸に、それぞれ相当する。Ｙ’軸及びＺ’軸は、それぞれ、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸である。
　以下の説明において、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ’軸に平行な方向を「Ｙ’軸方向」、Ｚ’軸に平行な方向を「Ｚ’軸方向」という。また、Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸の矢印の先端方向を「正」又は「＋（プラス）」、矢印とは反対の方向を「負」又は「－（マイナス）」という。なお、便宜的に、＋Ｙ’軸方向を上方向、－Ｙ’軸方向を下方向として説明するが、水晶振動素子１０の上下の向きは限定されるものではない。また、Ｘ軸及びＺ’軸によって特定される面をＺ’Ｘ面とし、他の軸によって特定される面についても同様とする。
　＜第１実施形態＞
　図１、図２及び図３を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る共振型磁気センサ１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る共振型磁気センサ１を概略的に示す分解斜視図である。図２は、第１実施形態に係る共振型磁気センサ１の水晶振動素子の構成を概略的に示す平面図である。図３は、第１実施形態に係る共振型磁気センサ１の構造を概略的に示す断面図である。
　本実施形態に係る共振型磁気センサ１は、水晶振動素子１０と、上蓋３０と、下蓋５０と、磁性体薄膜６０と、薄膜磁石７１及び７２とを備える。以下の説明において、共振型磁気センサ１として、磁場を検知するための共振周波数を出力する圧電振動素子を備えた共振型磁気センサを例に挙げて説明する。また、圧電振動素子として、水晶片（Ｑｕａｒｔｚ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｂｌａｎｋ）を備えた水晶振動素子１０を例に挙げて説明する。水晶片１１は、印加電圧に応じて振動する圧電体（圧電片）の一種である。なお、圧電振動素子は、水晶振動素子１０に限定されるものではなく、セラミック等の他の圧電体を利用するものであってもよい。また、圧電振動素子は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動素子でもよい。また、本実施形態の共振型磁気センサは、圧電振動素子の共振周波数が外部磁場により変化し、この共振周波数の変化から外部磁場を検出するものである。なお、本実施形態の共振型磁気センサにおける振動の態様は上記の圧電型に限定されるものではなく、例えば静電気力により駆動される静電型を用いてもよい。
　水晶振動素子１０（「振動素子」の一例に相当する）は、圧電効果により水晶を振動させ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する素子である。水晶振動素子１０は、ＡＴカット型の水晶片１１を含む。ＡＴカット型の水晶片１１は、人工水晶（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｑｕａｒｔｚ　Ｃｒｙｓｔａｌ）の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸をそれぞれＹ’軸及びＺ’軸とした場合、Ｘ軸及びＺ’軸によって特定されるＸＺ’面を主面として切り出されたものである。
　なお、ＡＴカット型の水晶片１１におけるＹ´軸及びＺ´軸の回転角度は、３５度１５分から－５度以上＋１５度以下の範囲で傾いてもよい。また、水晶片１１のカット角度は、ＡＴカット以外の異なるカット、例えばＢＴカット、ＧＴカット、ＳＣカット等を適用してもよい。
　ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で高い周波数安定性を有する。また、ＡＴカット水晶振動素子は、経時変化特性にも優れている上、低コストで製造することが可能である。さらに、ＡＴカット水晶振動素子は、厚みすべり振動モード（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　Ｓｈｅａｒ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ）を主振動として用いる。
　水晶振動素子１０は、一組の励振電極を含む。この一組の励振電極の間に交番電界が印加される。これにより、厚みすべり振動モードによって水晶片１１の振動部が所定の発振周波数で振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。
　このように、水晶振動素子１０の主振動が厚みすべり振動モードであることにより、例えばＡＴカットの水晶片１１を用いることで、ＭＨｚ帯の振動周波数で厚みすべり振動を行う水晶振動素子を容易に実現することができる。
　水晶片１１は、ＸＺ’面であって互いに対向する第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂを有する。水晶片１１は、平坦な板形状を有する。そのため、水晶片１１の第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂは、それぞれ、平坦面である。なお、水晶片１１は、平坦な板状に限定されるものではなく、例えば、中央部が凸状や凹状であってもよい。
　ＡＴカット型の水晶片１１は、Ｘ軸方向に平行な長辺が延在する長辺方向と、Ｚ’軸方向に平行な短辺が延在する短辺方向と、Ｙ’軸方向に平行な厚さが延在する厚さ方向とを有する。水晶片１１は、水晶片１１の第１主面１２ａを平面視（以下、単に「平面視」という）したときに、矩形状を有する。水晶片１１は、例えば、より大きな厚さを有する状態で、下蓋５０に接合した後、研磨することで所定の厚さに薄くしてもよい。
　なお、水晶片１１の平面形状は矩形状に限定されるものではない。水晶片１１の平面形状は、多角形状、円形状、楕円形状、又はこれらの組合せであってもよい。
　水晶振動素子１０は、振動部２１と、保持腕２２と、保持部２３とを含む。振動部２１は、水晶片１１と、一組の励振電極とを有する。一組の励振電極は、第１励振電極１４ａ（「上部電極」の一例に相当する）及び第２励振電極１４ｂ（「下部電極」の一例に相当する）を含む。第１励振電極１４ａは、振動部２１の第１主面１２ａに設けられ、第２励振電極１４ｂは、振動部２１の第２主面１２ｂに設けられる。第１励振電極１４ａと第２励振電極１４ｂとは、水晶片１１を間に挟んで互いに対向して設けられている。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、第１主面１２ａを平面視したときに、それぞれ矩形状を有しており、ＸＺ’面において略全体が重なり合うように配置されている。
　なお、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、それぞれ、矩形状に限定されず、多角形、円形、楕円形、又はこれらの組合せであってもよい。
　水晶振動素子１０は、図示しない引出電極及び接続電極を有し、これらの電極によって、第１励振電極１４ａが外部電極５４ａに電気的に接続され、また、第２励振電極１４ｂが外部電極５４ｂに電気的に接続されている。これらの外部電極５４ａ、５４ｂを介して第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂに交番電界を印加することで、振動部２１（具体的には水晶片１１における第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂが設けられた部分）が所定の振動モードで振動する。
　第１励振電極１４ａ、第２励振電極１４ｂ、引出電極、及び接続電極の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、又は金（Ａｕ）である。また、前述した各電極は、例えば水晶片１１側に設けられたチタン（Ｔｉ）層と、表面側に設けられた金（Ａｕ）層とから構成される積層体であってもよい。
　水晶振動素子１０は、上蓋３０と下蓋５０との間に形成される内部空間４０に収容される。上蓋３０と下蓋５０によって形成される内部空間４０は、例えば気密に封止される。なお、この内部空間４０は、真空状態で気密に封止されてもよく、不活性ガス等の気体が充填された状態で気密に封止されてもよい。
　振動部２１は、水晶振動素子１０の一部であり、内部空間４０の中央部に位置する。また、図３のように、振動部２１は、第１主面１２ａと第１主面１２ａに対向する第２主面１２ｂを有する。また、振動部２１は、第１主面１２ａに設けられた第１励振電極１４ａと第２主面１２ｂに設けられた第２励振電極１４ｂを有する。水晶片１１の上蓋３０と対向する面には第１励振電極１４ａが設けられ、下蓋５０と対向する面には第２励振電極１４ｂが設けられる。さらに、第１励振電極１４ａの上蓋３０と対向する面には磁性体薄膜６０が設けられている。なお、水晶片１１の上蓋３０と対向する面に磁性体薄膜６０が設けられ、磁性体薄膜６０の上蓋３０と対向する面に第１励振電極１４ａが設けられてもよい。
　保持腕２２は、振動部２１と同様に内部空間４０に位置し、振動部２１と保持部２３を接続している。図示しない引出電極が保持腕２２に形成されて、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂを保持部２３に設けられた接続電極まで引き回すことができる。
　保持部２３は、例えば、平面視において振動部２１の周囲を囲む枠状に構成されている。また、保持部２３は、振動部２１を全周から囲む枠状に限定されず、例えば振動部の周囲の少なくとも一部に設けられてもよい。保持部２３は、上蓋３０と下蓋５０に上下方向から接合される。保持部２３は保持腕２２と接続されている。また、保持部２３には薄膜磁石７１、７２が設けられ、振動部２１上の磁性体薄膜６０に磁場Ｈを印加する。変形例として、薄膜磁石７１は、保持部２３の領域ではなく、保持腕２２の上蓋３０と対向する面に設けられてもよい。
　貫通孔２５は、振動部２１に設けられている。具体的には、貫通孔２５は、保持腕２２と磁性体薄膜６０の間の領域に設けられる。貫通孔２５は、振動部２１の厚さ方向（図３に示す例ではＹ’軸方向）に貫通する。また、貫通孔２５は、例えば、スリット状に構成されている。この場合、スリット状の貫通孔２５は、水晶振動素子１０の平面視において、磁性体薄膜６０と保持腕２２が配列する方向と交差する方向に延在する。本実施形態では、図２のように、磁性体薄膜６０のＺ’軸方向に沿った長さＬ１、薄膜磁石７１のＺ’軸方向に沿った長さＬ２、及び、貫通孔のＺ’軸方向に沿った長さＬ３は、いずれも同程度であるが、これに限定されるものではない。例えば、Ｌ３をＬ１又はＬ２より長くすることで、振動部２１で発生する振動の閉じ込め性を向上させることができる。本実施形態では、振動部２１に貫通孔２５を設けた例を説明したが、貫通孔２５は必ずしも形成されなくてもよい。また、貫通孔２５に代えて、Ｙ‘軸方向に窪む凹部を適用してもよい。
　上蓋３０は、水晶振動素子１０に対向する上面部３１と、上面部３１の外周からＹ’負方向に延在する側面部３２を有し、上面部３１と側面部３２により凹部３５が形成される。上蓋３０は、保持部２３の上面側に接合されている。平面視における上蓋３０の寸法は、水晶振動素子１０の寸法と同一又は略同一である。
　内部空間４０は、上蓋３０及び下蓋５０により内部に形成される空間であり、上蓋３０の凹部３５及び下蓋５０の凹部５５により形成される。内部空間４０には、振動部２１及び保持腕２２が設けられ、水晶振動素子１０の振動空間を構成している。
　下蓋５０は、水晶振動素子１０に対向する下面部５１と、下面部５１の外周からＹ’正方向に延在する側面部５２を有し、下面部５１と側面部５２により凹部５５が形成される。下蓋５０は、保持部２３の下面側に接合されている。また、下蓋５０の振動部２１と対向する面の反対側には外部電極５４ａ、５４ｂが設けられている。外部電極５４ａ、５４ｂは、第１接続電極と第２接続電極に電気的に接続される。
　磁性体薄膜６０は、振動部２１の第１励振電極１４ａ上に設けられる。例えば、磁性体薄膜６０は、平面視において、第１励振電極１４ａと同じ寸法で形成されている。磁性体薄膜６０に外部磁場が印加されることにより磁性体薄膜６０のヤング率が変化する。磁性体薄膜６０を振動部２１に設けることで、このヤング率の変化を共振周波数の変化として検知することができる。第１実施形態では、水晶片１１とは別個に設けられた磁性体薄膜６０が磁性体として機能するように構成されているがこれに限定されるものではない。例えば、磁性体と圧電体としての機能を有するマルチフェロイックスを用いてもよい。
　薄膜磁石７１及び７２は、図２のように、上蓋３０及び下蓋５０に囲まれた内部空間４０の内側において振動部２１から離間して設けられ、かつ、磁性体薄膜６０に磁場Ｈを印加するように設けられる。薄膜磁石７１は、保持部２３における保持腕２２と接続する領域（「第１領域」の一例に相当する）に設けられ、薄膜磁石７２は、保持部２３における当該領域とは反対の領域（「第２領域」の一例に相当する）に設けられる。これらの薄膜磁石７１及び７２は、磁性体薄膜６０を挟むように磁性体薄膜６０の両側に設けられる。また、図３のように、薄膜磁石７１及び７２の少なくとも一部は磁性体薄膜６０の少なくとも一部と同一平面上に位置している。薄膜磁石７１は、Ｓ極７１ａ及びＮ極７１ｂを有する。Ｓ極７１ａは、共振型磁気センサ１の内部に向けて配置される。Ｎ極７１ｂは、共振型磁気センサ１の外部に向けて配置される。薄膜磁石７２も同様に、Ｓ極７２ａ及びＮ極７２ｂを有する、薄膜磁石７１と異なり、Ｓ極７２ａが共振型磁気センサ１の外部に向けて配置され、Ｎ極７２ｂは共振型磁気センサ１の内部に向けて配置される。このように磁性体薄膜６０を間に挟んで、薄膜磁石７１のＳ極７１ａと薄膜磁石７２のＮ極７２ｂを対向させることで、Ｎ極７２ｂからＳ極７１ａに対して磁場Ｈが発生し、磁性体薄膜６０に磁場Ｈが印加される。なお、それぞれの磁性体薄膜磁石のＳ極とＮ極の位置関係は入れ替えられてもよい。なお、図示する例では、薄膜磁石７１は保持部２３に設けられるが、これに限定されず、例えば保持腕２２に設けられてもよい。また、図２に示されるように、薄膜磁石７１及び７２は、保持部２３におけるＺ´軸に沿って延在する部分に設けられ、互いにＸ軸方向に対向していてもよい。あるいは、図２に示す例とは別に、薄膜磁石７１及び７２は、保持部２３におけるＸ軸に沿って延在する部分に設けられ、互いにＺ´軸方向に対向していてもよい。
　図２の平面視において、磁性体薄膜６０のＺ’軸方向に沿った長さＬ１及び薄膜磁石７１のＺ’軸方向に沿った長さＬ２は同程度であるが、これに限定されるものではない。例えば、薄膜磁石７１のＺ’軸方向に沿った長さＬ２を磁性体薄膜６０のＺ’軸方向に沿った長さＬ１より大きくすることで、磁性体薄膜６０全体に均等の磁場を印加することができる。なお、薄膜磁石７１と薄膜磁石７２のサイズは同様であってもよい。
　次に、図４及び図５を参照しつつ、バイアス磁場の効果について説明する。図４は、バイアス磁場を印加しなかった場合における、磁気センサに加わる磁場に対するセンサ感度及びセンサ出力を示す図で、図５は、バイアス磁場を印加した場合における、磁気センサに加わる磁場に対するセンサ感度及びセンサ出力を示す図である。図４及び図５において、横軸は磁気センサに加わる磁場[ｍＴ]を示し、縦軸は水晶振動素子の共振周波数［Ｈｚ］及びセンサの感度[Ｈｚ/ｍＴ]を示す。図４においては、磁場ゼロ近傍で共振周波数が最大となり、センサ感度が略０となっている。この場合、微小な磁場の検知が難しい。これに対し、図５においてはバイアス磁場を加えることで、磁場ゼロ近傍でのセンサ感度を大きくすることができる。また、磁場と共振周波数間で良好なリニアリティをもつ数値範囲で検知することで、微小な磁場の変動を検知できる。図４及び図５のように、バイアス磁場を加えることで、本来感度が低く精密な計測が困難な数値範囲での磁場の計測が可能となっている。
　以上説明した通り、本実施形態に係る共振型磁気センサ１によると、磁性体薄膜６０にバイアス磁場を加えることで、本来であれば感度の低い磁場ゼロ近傍での磁場計測を高感度に検知できる磁気センサを提供できる。また、薄膜磁石７１及び７２を振動部２１から離間して設けることで、水晶振動素子１０の振動特性を阻害することなく、磁性体薄膜６０に磁場Ｈを印加できる。
　また、薄膜磁石７１及び７２が振動部２１を間に挟んで設けられ、それぞれのＳ極７１ａとＮ極７２ｂが対向することで、薄膜磁石７１及び７２に対して平行に磁場Ｈが印加できる。これによれば、磁性体薄膜６０全体に均一な磁場を印加することができる。
　また、内部空間４０に薄膜磁石７１及び７２を設けることで、磁性体薄膜６０と薄膜磁石７１及び７２間での距離を小さくすることができ、設計を簡素に、かつ、製造を安価に実現できる。
　以下に、本発明の他の変形例及び実施形態に係る樹脂封止装置及び樹脂封止方法の構成について説明する。なお、下記の変形例及び実施形態では、上記の第１実施形態と共通の事柄については記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については逐次言及しない。
　＜第２実施形態＞
　次に図６を参照しつつ、第２実施形態に係る共振型磁気センサ２の構造について説明する。図６は、第２実施形態に係る共振型磁気センサの構造を概略的に示す断面図である。
　第１実施形態と異なり第２実施形態においては、上蓋３０がレーザー透過性の高い素材で構成され、上蓋３０の振動部２１と対向する側には、平面視において薄膜磁石７１及び７２と重ならない位置にゲッター層８０が設けられる。ゲッター層８０は、薄膜磁石７１、７２をトリミングするときに発生する異物を吸着するものである。これによれば、上蓋３０及び下蓋５０によって振動部２１を封止した後に、薄膜磁石７１及び７２を上蓋３０を介してレーザーでトリミングし、磁場特性の調整が可能になる。さらに、トリミング時に発生する薄膜磁石７１及び７２の異物をゲッター層８０が吸着することで、異物による特性不良を抑制することができる。
　本実施形態では、上蓋３０側からのレーザー進入を想定しているが、これに限定されるものではない。例えば、薄膜磁石７１及び７２を水晶振動素子１０の下蓋５０と対向する側に設ける場合に、下蓋５０をレーザー透過性の高い素材で構成することで下蓋５０側からレーザーを入射しトリミングしてもよい。このとき、下蓋５０の振動部２１と対向する側にゲッター層を設けてもよい。
　＜第３実施形態＞
　次に図７を参照しつつ、第３実施形態に係る共振型磁気センサ３の構造について説明する。図７は、第３実施形態に係る共振型磁気センサの構造を概略的に示す断面図である。
　第１実施形態と異なり第３実施形態においては、さらに、振動部２１の第２励振電極１４ｂの下面に磁性体薄膜６１が設けられる。また、磁性体薄膜６１は、磁性体薄膜６０とは真逆の磁歪特性を有する。これによれば、磁性体薄膜６０及び６１からなる２層での磁歪効果を得ることができ、より高い感度の磁気センサを提供できる。
　本実施形態では、薄膜磁石７１及び７２を水晶振動素子１０の上蓋３０と対向する側に設けているが、これに限定されるものではない。例えば、薄膜磁石を水晶振動素子１０の下蓋５０と対向する側にも設けることで、磁性体薄膜６１にも磁性体薄膜６０と同様に均一な磁場を印加することができ、より精度の高い検知が可能になる。
　＜第４実施形態＞
　次に図８を参照しつつ、第４実施形態に係る共振型磁気センサ４の構造について説明する。図８は、第４実施形態に係る共振型磁気センサの構造を概略的に示す断面図である。
　第１実施形態と異なり第４実施形態においては、薄膜磁石の配置が異なる。具体的には、第１実施形態では、磁性体薄膜６０を挟むように保持部２３に薄膜磁石７１及び７２が設けられたのに対し、本実施形態においては、薄膜磁石７３が上蓋３０の振動部２１と対向する側に設けられる。この場合においても、磁場Ｈは図８のように磁性体薄膜６０をＸ軸正方向に通過するため、バイアス磁場を加えることができる。なお、本実施形態では上蓋３０に薄膜磁石７３を設けたが、これに限定されるものではない。例えば、下蓋５０の振動部２１と対向する側に薄膜磁石を設けてもよい。
　以下に、本発明の実施形態の一部又は全部を付記する。なお、本発明は以下の付記に限定されるものではない。
　＜１＞
　以上のように、本発明の一態様によれば、磁場を検知する共振型磁気センサであって、第１主面と当該第１主面に対向する第２主面とを有する振動部、振動部の第１主面に設けられた上部電極、及び、振動部の第２主面に設けられた下部電極、を有する振動素子と、振動素子の上部電極側に設けられた上蓋と、振動素子の下部電極側に設けられた下蓋と、振動素子の振動部に設けられた磁性体薄膜と、上蓋及び下蓋に囲まれた内部空間の内側において振動部から離間して設けられ、かつ、磁性体薄膜に磁場を印加する薄膜磁石と、を備える、共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、磁性体薄膜にバイアス磁場を加えることで高感度の磁気センサを提供できる。また、薄膜磁石を振動部から離間して設けることで、振動素子の振動特性を阻害せず、磁性体薄膜に磁場を印加できる。さらに、磁性体薄膜と薄膜磁石を上蓋と下蓋で封止される振動空間内に設けることで、外部に薄膜磁石を設ける構成に比べ、磁性体薄膜と薄膜磁石間での距離を小さくすることができ、設計を簡素に、かつ、安価に実現できる。
　＜２＞
　一態様として、磁性体薄膜及び薄膜磁石は、同一平面上に位置する、＜１＞に記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、磁性体薄膜全体に均等の磁場を印加することができる。
　＜３＞
　一態様として、振動素子は、平面視において振動部の周囲の少なくとも一部に設けられた保持部と、保持部と振動部とを接続する保持腕と、を有し、上蓋及び前記下蓋はそれぞれ保持部に接続され、薄膜磁石は、保持部又は保持腕に設けられている、＜１＞又は＜２＞に記載の共振型磁気センサが提供される。
　＜４＞
　一態様として、保持腕は、振動部と薄膜磁石との間に設けられ、振動部における磁性体薄膜と保持腕との間の領域には、振動部の厚さ方向に貫通する貫通孔、又は、凹部が設けられている、＜３＞に記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、貫通孔、又は、凹部により振動部で発生する振動の閉じ込め性を向上させることができる。
　＜５＞
　一態様として、貫通孔又は凹部は、平面視において磁性体薄膜と保持腕が配列する方向と交差する方向に延在するスリット状に形成されている、＜４＞に記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、振動の閉じ込め性をより向上させることができる。
　＜６＞
　一態様として、保持部は、平面視において振動部の周囲を囲むように設けられ、薄膜磁石は、保持部の第１領域に設けられた第１薄膜磁石と、磁性体薄膜を挟んで保持部における第１領域とは反対の第２領域に設けられた第２薄膜磁石と、を有する、＜３＞から＜５＞のいずれか１つに記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、第１薄膜磁石と第２薄膜磁石が対向していることで、第１薄膜磁石と第２薄膜磁石の間の振動部及び磁性体薄膜全体に均一な磁場を印加することができる。
　＜７＞
　一態様として、薄膜磁石は、上蓋及び下蓋の少なくとも一方に設けられている、＜１＞から＜６＞のいずれか１つに記載の共振型磁気センサが提供される。
　＜８＞
　一態様として、磁性体薄膜は、振動部における上部電極の上蓋と対向する面、及び、振動部における下部電極の下蓋と対向する面、の少なくとも一方に設けられる、＜１＞から＜７＞のいずれか１つに記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、磁性体薄膜を上部電極側と下部電極側に２層設けることで、より感度の高めた磁気センサを提供できる。
　＜９＞
　一態様として、上蓋及び下蓋の少なくとも一方は、薄膜磁石をトリミングするレーザー光を透過可能な材料で構成されている、＜１＞から＜８＞のいずれか１つに記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、上蓋及び下蓋により振動素子を封止した後に薄膜磁石をトリミングすることで、薄膜磁石により印加される磁場特性を調整することができる。
　＜１０＞
　一態様として、上蓋及び下蓋の少なくとも一方の振動部と対向する領域には、薄膜磁石をトリミングするときに発生する異物を吸着するゲッター層が設けられ、ゲッター層は、平面視において薄膜磁石と重ならない位置に設けられている、＜１＞から＜９＞のいずれか１つに記載の共振型磁気センサが提供される。
　上記態様によれば、薄膜磁石のトリミング時に発生する異物をゲッター層が吸着することで、異物が振動部に付着し振動特性に劣化させることを防止できる。
　なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１、２、３、４…共振型磁気センサ
１０…水晶振動素子
１１…水晶片
１２ａ…第１主面
１２ｂ…第２主面
１４ａ…第１励振電極
１４ｂ…第２励振電極
２１…振動部
２２…保持腕
２３…保持部
２５…貫通孔
３０…上蓋
３１…上面部
３２…側面部
３５…凹部
４０…内部空間
５０…下蓋
５１…下面部
５２…側面部
５４ａ、５４ｂ…外部電極
５５…凹部
６０、６１…磁性体薄膜
７１、７２、７３…薄膜磁石
７１ａ、７２ａ、７３ａ…Ｓ極
７１ｂ、７２ｂ、７３ｂ…Ｎ極
８０…ゲッター層
Ｈ…磁場
Ｌ１…磁性体薄膜のＺ’軸方向に沿った長さ
Ｌ２…薄膜磁石のＺ’軸方向に沿った長さ
Ｌ３…貫通孔のＺ’軸方向に沿った長さ
 

Claims (10)

  1. 　磁場を検知する共振型磁気センサであって、
    　第１主面と当該第１主面に対向する第２主面とを有する振動部、前記振動部の前記第１主面に設けられた上部電極、及び、前記振動部の前記第２主面に設けられた下部電極、を有する振動素子と、
    　前記振動素子の前記上部電極側に設けられた上蓋と、
    　前記振動素子の前記下部電極側に設けられた下蓋と、
    　前記振動素子の前記振動部に設けられた磁性体薄膜と、
    　前記上蓋及び下蓋に囲まれた内部空間の内側において前記振動部から離間して設けられかつ、前記磁性体薄膜に磁場を印加する薄膜磁石と、
    を備える、
    共振型磁気センサ。
  2. 　前記磁性体薄膜及び前記薄膜磁石は、同一平面上に位置する、
    　請求項１に記載の共振型磁気センサ。
  3. 　前記振動素子は、平面視において前記振動部の周囲の少なくとも一部に設けられた保持部と、前記保持部と前記振動部とを接続する保持腕と、を有し、
    　前記上蓋及び前記下蓋はそれぞれ前記保持部に接続され、
    　前記薄膜磁石は、前記保持部又は前記保持腕に設けられている、
    　請求項１または２に記載の共振型磁気センサ。
  4. 　前記保持腕は、前記振動部と前記薄膜磁石との間に設けられ、
    　前記振動部における前記磁性体薄膜と前記保持腕との間の領域には、前記振動部の厚さ方向に貫通する貫通孔、又は、凹部が設けられている、
    　請求項３に記載の共振型磁気センサ。
  5. 　前記貫通孔又は凹部は、平面視において前記磁性体薄膜と前記保持腕が配列する方向と交差する方向に延在するスリット状に形成されている、
    　請求項４に記載の共振型磁気センサ。
  6. 　前記保持部は、平面視において前記振動部の周囲を囲むように設けられ、
    　前記薄膜磁石は、前記保持部の第１領域に設けられた第１薄膜磁石と、前記磁性体薄膜を挟んで前記保持部における前記第１領域とは反対の第２領域に設けられた第２薄膜磁石と、を有する、
    　請求項３から５のいずれか一項に記載の共振型磁気センサ。
  7. 　前記薄膜磁石は、前記上蓋及び前記下蓋の少なくとも一方に設けられている、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の共振型磁気センサ。
  8. 　前記磁性体薄膜は、前記振動部における前記上部電極の前記上蓋と対向する面、及び、前記振動部における前記下部電極の前記下蓋と対向する面、の少なくとも一方に設けられる、
    　請求項１から７のいずれか一項に記載の共振型磁気センサ。
  9. 　前記上蓋及び下蓋の少なくとも一方は、前記薄膜磁石をトリミングするレーザー光を透過可能な材料で構成されている、
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の共振型磁気センサ。
  10. 　前記上蓋及び下蓋の少なくとも一方の前記振動部と対向する領域には、前記薄膜磁石をトリミングするときに発生する異物を吸着するゲッター層が設けられ、
    　前記ゲッター層は、平面視において前記薄膜磁石と重ならない位置に設けられている、
    　請求項１から９のいずれか一項に記載の共振型磁気センサ。
     
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