磁気センサ

【課題】高周波信号処理回路の組み合わせの不要な磁気センサを提供する。
【解決手段】数ＭＨｚ以上の高周波キャリア電流を高透磁率の磁性薄膜１０に流し、表皮効果が顕著に表れる条件のもと、前記磁性薄膜にかかる外部磁場の強さに応じてインピーダンスが変化することを利用する磁気−インピーダンスセンサである。前記高周波キャリア電流と外部磁場による前記磁性薄膜のインピーダンス変化量によって決定される温度変化量を検出する温度センシング手段として薄膜サーモパイル１１を備える。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気センサ、特に地磁気等の検出に適した高感度の磁気−インピーダンスセンサ（以下、ＭＩセンサと呼ぶ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】高周波帯の表皮効果を利用したＭＩセンサは、磁気抵抗（ＭＲ）センサ、ホールセンサなどに比べて非常に高い磁気感度を有し地磁気等の微弱な磁気変化量の検出も可能である。しかしながら、ＭＩセンサは、原理上、数ＭＨｚ以上の高周波帯における表皮効果を利用したものであるため、信号処理回路として高周波処理技術が必要となる。
【０００３】具体的には、図１１に示すような回路構成が用いられている。図１１において、ＣＭＯＳインバータなどを利用した発振回路１の出力を微分回路２を経由して得られる、少なくとも数ＭＨｚ以上の高い周波数成分を含む一定振幅のインパルス電流Ｉを磁気検知部であるＭＩセンサ６に印加する。そして、外部磁場Ｈｅｘに対するＭＩセンサ６のインピーダンス変化に伴う電圧信号レベルをピークホールド回路３を用いて直流電圧信号に変換する。この直流電圧信号を増幅回路４によって増幅し、磁気検出信号を取り出す。この回路は特願平８−１４９４２７号に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】磁気検出時の信号処理回路には、十分なＳ／Ｎ比を確保するために高周波信号処理特有の寄生インダクタンス、寄生容量対策が必要となる。また、各部の電子部品類も高周波対応のものが必要となり回路構成が複雑なものとなっている。
【０００５】そこで、本発明の課題は、高周波信号処理回路の組み合わせの不要な磁気センサを提供することにある。
【０００６】本発明の他の課題は、高いＳ／Ｎ比を実現できる磁気センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、数ＭＨｚ以上の高周波キャリア電流を高透磁率の磁性体あるいは磁性薄膜に流し、表皮効果が顕著に表れる条件のもと、前記磁性体あるいは磁性薄膜にかかる外部磁場の強さに応じてインピーダンスが変化することを利用する磁気−インピーダンスセンサにおいて、前記高周波キャリア電流と外部磁場による前記磁性体あるいは磁性薄膜のインピーダンス変化量によって決定される温度変化量を検出する温度センシング手段を備えたことを特徴とする磁気センサが提供される。
【０００８】本磁気センサにおいては、マイクロマシニング技術を利用して形成された熱容量を小さくした架橋構造体あるいはカンチレバー構造体を支持体として前記磁性体あるいは磁性薄膜を宙に浮かせるようにして外部への熱伝達及び熱伝導量を少なくすることにより、前記磁性体あるいは磁性薄膜の外部磁場によるインピーダンス変化量に伴う温度変化量を著しく増大させる構造とし、さらに前記磁性体あるいは磁性薄膜と接近した位置に前記温度センシング手段を配して、前記温度変化量を検出する。
【０００９】本発明によればまた、上記の磁気センサにおいて、前記架橋構造体あるいはカンチレバー構造体を介して支持された磁気検知部である前記磁性体あるいは磁性薄膜と接近した位置に配置された、前記架橋構造体あるいはカンチレバー構造体と同等の熱容量及び熱コンダクタンスを持つ別の支持体上に形成された前記磁性体あるいは磁性薄膜と同等の電気抵抗を持つ導電体あるいは導体薄膜を有し、前記磁性体あるいは磁性薄膜のインピーダンス変化に伴う温度変化量と前記導電体あるいは導体薄膜のインピーダンスと前記高周波キャリア電流によって決定される温度変化量を参照用とし、前記温度センシング手段による温度変化量と前記参照用の温度変化量の差を検出信号とする差動構成としたことを特徴とする磁気センサが提供される。
【００１０】本磁気センサにおいてはさらに、磁気検知部である前記磁性体あるいは磁性薄膜の磁気バイアスポイントを設定するための別の磁性体あるいは磁性薄膜又はバイアスコイルを有する構成を特徴とする。
【００１１】本磁気センサにおいてはさらに、前記磁性体あるいは磁性薄膜に前記高周波キャリア電流を印加するための発振回路と、前記温度センシング手段の出力信号を増幅するための増幅回路を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明によれば、外部磁場Ｈｅｘに対するインピーダンス変化△Ｚを温度変化△Ｔとしてとらえることができるようにすることで、高周波信号処理における寄生インタクダンス、寄生容量対策を低減でき、高周波キャリア電流に起因するノイズレベルの増加及び信号レベルの低下を抑制し、Ｓ／Ｎ比の高い高感度のＭＩセンサを提供することが可能となる。
【００１３】以下、本発明における温度センシング機構を持つＭＩセンサの動作原理について説明する。従来のＭＩセンサの動作原理に従って、一定レベルの高周波キャリア電流Ｉを磁気検知部である高透磁率の磁性体あるいは磁性薄膜に通電し、外部磁場ＨｅｘによってインピーダンスＺが変化する条件のもとでは、高周波キャリア電流Ｉが通電することによって磁性体あるいは磁性薄膜は単位時間当たりジュール熱Ｐを発生する。インピーダンスの変化量△Ｚに伴う、ジュール熱Ｐの変化量△Ｐは、磁性体あるいは磁性薄膜を流れる高周波キャリア電流Ｉと外部磁場Ｈｅｘに応じたインピーダンス変化量△Ｚによって以下の数１に従って決定される。
【００１４】
【数１】

【００１５】磁性体あるいは磁性薄膜に流れる高周波キャリア電流Ｉによって発生したジュール熱Ｐによって、磁性体あるいは磁性薄膜自体又は磁性体あるいは磁性薄膜の支持体の温度変化△Ｔは以下の数２のように表される。
【００１６】
【数２】

【００１７】ここで、Ｃは磁性体あるいは磁性薄膜自体又はこれらの支持体の熱容量、Ｇは発熱体である磁性体あるいは磁性薄膜から外部への熱コンダクタンスである。
【００１８】従って、数１及び数２より、温度上昇△Ｔは下記の数３で表現される。
【００１９】
【数３】

【００２０】上記の数３より、磁性体あるいは磁性薄膜自体又はこれらの支持体の温度変化△Ｔはインピーダンスの変化量△Ｚによって変化することから、外部磁場Ｈｅｘの強さを温度変化△Ｔとして検知することが可能である。
【００２１】図２は、本発明により上記の温度変化△Ｔを検出するための温度センシング機構を持つ回路構成を示した図である。
【００２２】本回路は、ＭＩセンサ６のインピーダンス変化△Ｚが顕著になる周波数帯を含む発振信号を発生しインパルス電流Ｉを通電するための発振回路１及び微分回路２と、磁気検知部及び発熱部であるＭＩセンサ６と、温度変化△Ｔを検出する温度センシング機構９及び温度変化△Ｔに基づく信号を増幅するための増幅回路４のみの構成によって、磁気検知システムを構築している。
【００２３】温度センシング機構９としては、熱電対や複数の熱電対を直列接続した構成のサーモパイルなどを用いることで、直接、磁気検知部である磁性体あるいは磁性薄膜自体、更にはまたこれらの支持体にて生じた温度変化△Ｔを直流電圧Ｖに変換することができる。
【００２４】次に、本発明のいくつかの実施例について説明する。尚、以降の実施例では磁気検知部として磁性薄膜を用いる場合について説明するが、磁性体の場合も同じであることは言うまでも無い。
【００２５】［実施例１］図１は、本発明によるＭＩセンサの第一の例を示す。この例では、半導体マイクロマシニング技術によって形成された架橋構造体１４を支持体として、磁気検知部である磁性薄膜１０を、いわば宙に浮かせるような状態で配置できるようににしている。架橋構造体１４上にはまた、磁性薄膜１０に近接した位置に温度センシング機構として薄膜サーモパイル１１を配置している。架橋構造体１４は、空洞部１３ａを持つ基礎部１３に橋渡し部を形成して構成される。磁性薄膜１０の両端には電極１２ａ、１２ｂが形成され、薄膜サーモパイル１１の両端には電極１２ｃ、１２ｄが形成されている。尚、図中、空洞部１３は下方、つまり図面の裏側に向けて形成されていることを示している。
【００２６】図３は、図１の例の変形例を示し、図１の架橋構造体１４に代わる支持体として、カンチレバー構造体１５を採用している。カンチレバー構造体１５は、空洞部１３ａを持つ基礎部１３に、レバー体を、このレバー体が空洞部１３ａに位置するように形成して構成される。また、図１の薄膜サーモパイル１１に代えて薄膜熱電対１６を磁性薄膜１０の周囲に配置している。
【００２７】これらの構造体の製作は、シリコンのＫＯＨやヒドラジンなどの異方性エッチャントと半導体微細加工技術におけるフォトリソグラフィーによって、選択的にシリコンウエハー内に空洞部１３ａを形成でき、更に電解エッチストップ法や高濃度ボロン拡散層あるいはＳＯＩ基板を利用したエッチストップ法によって容易に２〜３μｍ厚の薄膜層からなる架橋構造体１４やカンチレバー構造体１５を形成できる。
【００２８】また、これらの構造体上に磁気検知部である２μｍ程度の厚さの磁性薄膜１０がマグネトロンスパッタリング法によって堆積され、フォトリソグラフィー法によってパターン化が行われる。同様に、温度センシング機構としての金とニッケル薄膜などの対を組み合わせた薄膜熱電対１６あるいは複数の薄膜熱電対の直列接続を行った薄膜サーモパイル１１も、マグネトロンスパッタリング法及びフォトリソグラフィーによって、堆積、パターン化が行える。更に、磁気検知部及び温度センシング機構としての薄膜熱電対１６あるいは薄膜サーモパイル１１の保護膜として、二酸化シリコン薄膜や窒化シリコン薄膜を前記磁気検知部や薄膜熱電対１６などと同様の手法によって形成することができる。
【００２９】磁気検知部のバイアスポイント設定用のバイアスコイルは、次のようにして取り付けられる。
【００３０】図４に示すように、磁気検知部及び温度センシング機構を含むシリコン構造体（架橋構造体１４あるいはカンチレバー構造体１５）と、磁気センサ本体１７を保護するためのガラスカバー１６とを陽極接合法によって両者を接合し、磁気センサ本体１７に異方性エッチャントによって予め刻み込まれたＶ溝１８を利用してバイアスコイル１９を巻きつける。
【００３１】図５は、磁性薄膜１０によるＭＩセンサ６の外部磁場Ｈｅｘに対するインピーダンス変化及び磁気感度Ｓを示したものである。バイアスコイル１９に流れる電流値Ｉｂによって、最大磁気感度Ｓｐを示す磁気バイアスポイントＨｐを設定する。この状態のＭＩセンサ６において地磁気レベルＨｅの外部磁場Ｈｅｘがかかると、バイアスポイントＨｐは図５に示されるように（Ｈｐ＋Ｈｅ）点に移動し、ＭＩセンサ６のインピーダンスＺは増加し、上記の数３に従いＭＩセンサ６は温度変化△Ｔを示す。温度変化△Ｔは、図１及び図３に示されているように、磁気検知部である磁性薄膜１０に近接した位置に形成された薄膜熱電対１６あるいは薄膜サーモパイル１１によって検出される。
【００３２】図６は、ＭＩセンサ６にかかる外部磁場Ｈｅｘによって生じる温度変化△Ｔとそのときのインピーダンス特性を示したものである。図６中の温度変化△Ｔは、数３に示されるようにインピーダンス変化△Ｚに比例する。そして、架橋構造体１４あるいはカンチレバー構造体１５などの磁気検知部である磁性薄膜１０及び温度センシング機構である薄膜熱電対１６あるいは薄膜サーモパイル１１の支持体の熱容量Ｃ及び熱コンダクタンスＧをともに小さくすることで、温度変化△Ｔを増大させることが可能である。
【００３３】図７は、薄膜熱電対１６として金とニッケル薄膜を適用した場合の磁気検出信号５及び支持体の温度変化△Ｔを示したものである。薄膜熱電対の熱起電力は、バルクの状態で示される各種材料の熱電能の値にほぼ等しく、前記金−ニッケル薄膜の場合には熱起電力は２１μＶ／℃である。架橋構造体１４あるいはカンチレバー構造体１５による支持体の構造を熱容量Ｃ及び熱コンダクタンスＧを小さくすることによって、温度変化△Ｔを増大させることは容易であり、最終段での増幅回路４のゲインは、１０００倍程度で十分に地磁気レベルの磁気検出が可能である。
【００３４】以上、高周波対策を必要とする従来のＭＩセンサで用いられてきた外部磁場Ｈｅｘに対するインピーダンス変化△Ｚを電圧の変化量として検知する信号検出法を用いることなく、ＭＩセンサのインピーダンス変化△Ｚを温度変化△Ｔとして検知することが示された。
【００３５】［実施例２］図８は、本発明の第２の実施例として、差動構成による高感度ＭＩセンサを示す。この実施例は、図３に示された実施例１の変形例と同様に、半導体マイクロマシニング技術によって形成されたカンチレバー構造体１５を支持体として、磁気検知部である磁性薄膜１０を宙に浮かせ、その近接した位置に温度センシング機構として薄膜熱電対１６を配置した構成を持つ磁気センサに更に、参照用の磁気不感知部として参照用抵抗薄膜２１を配置した参照用カンチレーバー構造体２２を組み合わせている。つまり、カンチレバー構造体１５の延在方向と反対方向から参照用カンチレーバー構造体２２を空洞部１３ａ上に延ばし、参照用カンチレーバー構造体２２の上には参照用抵抗薄膜２１を配置すると共に、その周囲に参照用薄膜熱電対２３を配置している。そして、参照用抵抗薄膜２１の両端には磁気検知部と同様の高周波キャリア電流を流すための参照用電極１２ｅ、１２ｆを形成し、参照用熱電対２３の両端には参照用電極１２ｇ、１２ｈを形成している。
【００３６】勿論、この実施例は、図１に示された実施例１にも適用可能である。いずれにしても、この実施例では、磁気不感知部においては、前記の数３中の熱容量Ｃ及び熱コンダクタンスＧが磁気検知部と等価なものとし、外部磁場Ｈｅｘによる磁気検知部のインピーダンス変化△Ｚを、前記薄膜熱電対１６からの信号と参照用薄膜熱電対２３からの信号とを入力とする差動増幅回路を介して検出するように構成される。
【００３７】［実施例３］図９は、図４で説明した実施例１のバイアスポイント設定用のバイアスコイル１９の代わりにバイアス用薄膜インダクタ２４を使用した場合の実施例である。つまり、本発明による磁気センサ本体１７の断面部分に対応する、例えば側面部分に、ポリイミド材２８を支持体としたバイアス用薄膜インダクタ２４を接着剤などを利用して取り付ける。バイアス用薄膜インダクタ２４は、ポリイミド材２８上に薄膜化された銅箔を利用し、実施例１で説明したフォトリソグラフィー法によって容易に形成することができる。このバイアス用薄膜インダクタ２４にはバイアス電流Ｉｂが流される。
【００３８】［実施例４］図１０は、上記実施例３のバイアスポイント設定用のバイアス用薄膜インダクタ２４の代わりに永久磁石体あるいは磁性薄膜による磁極２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂを図のように配置させた状態で磁気センサ本体１７の断面部分に対応する、例えば側面部分に取り付けたものである。ここでは、磁気センサ本体１７の一方の側にバイアス用永久磁石Ｓ極２６ａを、他方の側にバイアス用永久磁石Ｎ極２６ｂをそれぞれ取り付ける。
【００３９】
【発明の効果】以上に述べた、本発明に係るＭＩセンサは、外部磁場変化に伴うＭＩセンサのインピーダンス変化量を温度変化量としてとらえることで、高周波信号処理における寄生容量、寄生インダクタンス対策を軽減でき、信号レベルの低下及び高周波キャリア電流に起因するノイズレベルの増加を低減でき、従来に比べより高いＳ／Ｎ比を持つ高感度のＭＩセンサを実現できる。
【００４０】また、従来の信号検出におけるＭＨｚ帯のピークホールド回路などに代表される高周波信号処理回路が不要となり、信号処理にともなう部品点数を大幅に減らすことが可能となるので低コストで高感度なＭＩセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロマシニング技術による温度センシング機構を有する、本発明の第１の実施例によるＭＩセンサの平面図である。
【図２】本発明によるＭＩセンサに組み合わされる回路のブロック図である。
【図３】図１のＭＩセンサの変形例を示した平面図である。
【図４】本発明によるＭＩセンサ本体へのバイアス用コイルの取り付け法を説明するための断面図である。
【図５】ＭＩセンサのインピーダンス特性を示した図である。
【図６】本発明によるＭＩセンサの外部磁場に対するインピーダンス及び温度特性を示した図である。
【図７】本発明によるＭＩセンサの磁気検出信号特性を示した図である。
【図８】マイクロマシニング技術による差動構成形の温度センシング機構を有する、本発明の第２の実施例によるＭＩセンサの平面図である。
【図９】本発明の第３の実施例である、薄膜インダクタを利用した磁気バイアス印加方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例である、永久磁石薄膜を利用した磁気バイアス印加方法を説明するための断面図である。
【図１１】従来のＭＩセンサ回路のブロック図である。
【符号の説明】
１発振回路
２微分回路
３ピークホールド回路
４増幅回路
６ＭＩセンサ
１０磁性薄膜
１１薄膜サーモパイル
１２ａ〜１２ｈ電極
１３基礎部
１４架橋構造体
１５カンチレバー構造体

【特許請求の範囲】
【請求項１】数ＭＨｚ以上の高周波キャリア電流を高透磁率の磁性体あるいは磁性薄膜に流し、表皮効果が顕著に表れる条件のもと、前記磁性体あるいは磁性薄膜にかかる外部磁場の強さに応じてインピーダンスが変化することを利用する磁気−インピーダンスセンサにおいて、前記高周波キャリア電流と外部磁場による前記磁性体あるいは磁性薄膜のインピーダンス変化量によって決定される温度変化量を検出する温度センシング手段を備えたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】請求項１に記載の磁気センサにおいて、マイクロマシニング技術を利用して形成された熱容量を小さくした架橋構造体あるいはカンチレバー構造体を支持体として前記磁性体あるいは磁性薄膜を宙に浮かせるようにして外部への熱伝達及び熱伝導量を少なくすることにより、前記磁性体あるいは磁性薄膜の外部磁場によるインピーダンス変化量に伴う温度変化量を著しく増大させる構造とし、さらに前記磁性体あるいは磁性薄膜と接近した位置に前記温度センシング手段を配して、前記温度変化量を検出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】請求項２に記載の磁気センサにおいて、前記架橋構造体あるいはカンチレバー構造体を介して支持された磁気検知部である前記磁性体あるいは磁性薄膜と接近した位置に配置された、前記架橋構造体あるいはカンチレバー構造体と同等の熱容量及び熱コンダクタンスを持つ別の支持体上に形成された前記磁性体あるいは磁性薄膜と同等の電気抵抗を持つ導電体あるいは導体薄膜を有し、前記磁性体あるいは磁性薄膜のインピーダンス変化に伴う温度変化量と前記導電体あるいは導体薄膜のインピーダンスと前記高周波キャリア電流によって決定される温度変化量を参照用とし、前記温度センシング手段による温度変化量と前記参照用の温度変化量の差を検出信号とする差動構成としたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】請求項２あるいは３に記載の磁気センサにおいて、磁気検知部である前記磁性体あるいは磁性薄膜の磁気バイアスポイントを設定するための別の磁性体あるいは磁性薄膜又はバイアスコイルを有する構成を特徴とする磁気センサ。
【請求項５】請求項２〜４のいずれか１つに記載の磁気センサにおいて、前記磁性体あるいは磁性薄膜に前記高周波キャリア電流を印加するための発振回路と、前記温度センシング手段の出力信号を増幅するための増幅回路を有することを特徴とする磁気センサ。

【図１】