JP5375951B2 - 磁気インピーダンス素子およびそれを用いた磁気センサ - Google Patents

Description

この発明は、磁気インピーダンス素子およびそれを用いた磁気センサに関し、より特定的には、ストロンチウム、バリウム、鉄およびモリブデンを含む磁気インピーダンス素子およびそれを用いた磁気センサに関するものである。

従来、磁場を検知できる素子は、たとえば特開平１１−２８４２４９号公報（特許文献１）、特開平１１−１０９００６号公報（特許文献２）および特開２０００−１７４３５９号公報（特許文献３）に開示されている。

特開平１１−２８４２４９号公報 特開平１１−１０９００６号公報 特開２０００−１７４３５９号公報

特許文献１では、請求項１において、一般式Ａ₂ＢＢ′Ｏ₆で表わされるペロブスカイト型結晶構造をとり、ペロブスカイト型結晶構造中のＡサイトを占めるＡ原子がＳｒ、同じくＢサイトを占めるＢ原子およびＢ′原子がＦｅおよびＭｏであり、なおかつ、ＦｅおよびＭｏ原子がペロブスカイト型結晶構造中のＢサイトを交互に占有した二重整列ペロブスカイト型結晶構造であって、負の磁気抵抗特性を示す酸化物結晶体である二重整列ペロブスカイト構造の材料からなる磁気抵抗素子が開示されている。また、請求項２では、Ｂサイト内におけるＭｏ原子およびＦｅ原子の整列の度合が２０％以上であることを特徴とする二重整列ペロブスカイト構造の材料からなる磁気抵抗素子が開示されている。

特許文献１では、低温にて巨大な磁気抵抗変化率が得られるが、強磁性転移温度が高いにもかかわらず、室温付近やそれ以上の温度では変化率が小さく、大きな磁場が必要であるという問題があった。

特許文献２では、小型で低コスト、かつ、検出磁場に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気センサを提供することを目的とし、薄膜磁気コアの周囲に絶縁物層を介してバイアスコイルおよび負帰還コイルを巻回した構造を有し、この構造により磁気センサの小型化および量産化を可能としている。上記の２つのコイルを薄膜コイルで構成すると効率が上がるため、少ない電流で必要なバイアス磁場が得られまた少ない負帰還量で磁場に対する出力の直線性の改善が可能になる。

上記薄膜磁気コアは、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉのめっき膜、あるいはＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＳｉＢ、ＣｏＳｉＢのアモルファススパッタ膜、ＮｉＦｅスパッタ膜により形成されている。

しかしながら、特許文献２では、低磁場の応答性は非常に優れているが、磁場のセンシング範囲が狭く、また、低磁場ではインピーダンスが正の変化を示し、高磁場で負のインピーダンス変化を示すことから使用できる範囲が限られている。

特許文献３では、Ｓｒ、Ｂａ、Ｆｅ、Ｍｏ酸化物を用いたＴＭＲ（tunneling magnetoresistance）素子が開示されている。

しかしながら、特許文献３では、低温で低磁場でしか働かず、センシング範囲が狭いという問題があった。

ＣＭＲ（Colossal magnetoresistance）材料を用いることにより、これまでにない巨大な磁気抵抗変化を実現することができるが、動作温度が低温に限られ、大きな変化を得るためには数Ｔオーダの強い磁場が必要であり、実使用温度、磁場を検知するためのセンサとしては使用することができない。また、一方で、低磁場応答可能な磁気センサとしては、ＴＭＲ（tunneling magnetoresistance）、ＡＭＲ（anisotropicmagnetoresistance）、ＧＭＲ（giant magnetoresistance）そしてＭＩ（magnetoimpedance）デバイスなどが既に実用化されており、これらは酸化物ではなく金属の強磁性体や半導体を使用している。非常に低磁場に応答可能である一方で、その磁場の検出範囲が狭いという問題があり、また強い磁場によりすぐに飽和しヒステリシスが発生してしまうなどの問題があり、低磁場から比較的高磁場にかけて動作する磁気センサデバイスが望まれていた。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、動作範囲の広い磁気インピーダンス素子およびそれを用いた磁気センサを提供することを目的とする。

この発明に従った磁気インピーダンス素子は、化学式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅ_yＭｏ_zＯ₆（０．８≦ｘ≦２．０，ｙ＋z＝２）で表わされるセラミックス素体と、セラミックス素体に設けられた少なくとも２つの外部電極端子とを備える。

このように構成された磁気インピーダンス素子では、室温以上で、大きな磁気インピーダンス変化率が得られる。

好ましくは、０．８≦ｘ≦１．７である。
好ましくは、セラミックス素体が化学式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅ_yＭｏ_zＯ₆（０．８≦ｘ≦１．７，ｙ＋ｚ＝２，０．９≦ｙ／ｚ≦１．１）で示される。

好ましくは、セラミックス素体の長さＬと厚みＴとの比率（Ｌ／Ｔ）またはＬと幅Ｗの比率（Ｌ／Ｗ）のどちらか大きい方が１．５以上である。

この場合、より優れた低磁場応答性およびばらつきを低減することができる。
好ましくは、外部電極端子間を短絡する導体をさらに備える。

好ましくは、この発明に従った磁気センサは、上述のいずれかの磁気インピーダンス素子を用いる。

セラミックス材料組成を化学式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅ_yＭｏ_zＯ₆（０．８≦ｘ≦２．０，ｙ＋ｚ＝２）の範囲内とすることにより、５００Ｇ（０．０５Ｔ）の磁場で２０％以上の大きな磁気インピーダンス（ＭＩ）変化率を得ることが可能となる。さらに、組成を最適化することにより、携帯電話などで使用される電子部品の保証温度である８５℃より高いＴｃを有しながら５００Ｇの磁場で２０％と大きなＭＩ変化率を実現することが可能となる。

さらに、デバイス構造（Ｌ／Ｔ、Ｌ／Ｗ）を最適化することにより、反磁場成分を低減し、低磁場応答特性を改善でき、さらに貫通する導体を形成することにより、静電容量成分を低減し、ＭＩ変化率の向上およびばらつき抑制を実現することが可能となる。

この発明の実施の形態１に従った磁気インピーダンス素子の断面図である。 この発明の実施の形態２に従った磁気インピーダンス素子の断面図である。 試料番号１において、１０００Ｇの磁場中でのインピーダンス特性を示すグラフである。 試料番号１において、５００Ｇの磁場中でのインピーダンス特性を示すグラフである。 試料番号９における、５００Ｇの磁場中でのインピーダンス特性を示すグラフである。 貫通導体の有無と、５００Ｇの磁場中でのＭＩ変化率との関係を示すグラフである。 試料番号７において、磁場を変化させた状態におけるＭＩ変化率の推移を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の説明をし、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った磁気インピーダンス素子の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従った磁気インピーダンス素子は、セラミックス素体３と、セラミックス素体３の両側に設けられた端子電極１，２とを有する。セラミックス素体３は、化学式が式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅ_yＭｏ_zＯ₆（０．８≦ｘ≦２．０、好ましくは、０．８≦ｘ≦１．７で、かつ０．９≦ｙ／ｚ≦１．１，ｙ＋ｚ＝２）で示される。

また、端子電極１，２間の距離（セラミックス素体３の長さ）Ｌと、セラミックス素体３の厚みＴとの比率Ｌ／Ｔと、厚みおよび長さに直交する方向の幅Ｗ（図１では示さず）と長さＬとの比率Ｌ／Ｗのどちらか大きい方が１．５以上であることが望ましい。

（実施の形態２）
図２は、この発明の実施の形態２に従った磁気インピーダンス素子の断面図である。図２を参照して、この発明の実施の形態２に従った磁気インピーダンス素子では、電極端子１，２間に貫通導体４が設けられている点で、実施の形態１に従った磁気インピーダンス素子と異なる。図２で示すように、実施の形態２に従った磁気インピーダンス素子では、電極端子１，２間に貫通導体４が設けられているため、電極端子１，２間の容量を低減させることができ、容量成分を低減させることができる。

（実施例１）
セラミックス材料は、固相反応法で作製し、磁気インピーダンス（ＭＩ）素子は、一般的なシート積層方法で作製した。

セラミックス材料は出発原料として、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ₃）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化モリブデン（ＭｏＯ₆）を使用し、焼成後所望の組成となるように秤量し、ＰＳＺボール、エタノール、分散剤とともにポットに投入し、粉砕および混合を２４時間行なった。粉砕混合の後、温度８０℃の温水を用いてエタノールを蒸発させ、乾燥粉末を得た。その後、大気中で温度８００℃で４時間の仮焼を行ない、シート成形用の原料を得た。このときは単相の（Ｓｒ，Ｂａ）₂（Ｆｅ，Ｍｏ）₂Ｏ₆は形成されていない。

次に、評価デバイスの作製方法について説明する。シート原料粉、バインダ、可塑剤、エタノール、トルエン、分散剤をＰＳＺ（部分安定化ジルコニア）ボールとともにポットに調合、粉砕混合を行ないシート形成のスラリーを作製した。スラリーをドクターブレード法で厚み約５０μｍのグリーンシートを成形し、その後、所定のサイズにシートを切断した。内部に貫通導体を挿入する場合は、切断したグリーンシート上にＰｄ導体ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、その後乾燥させたものを挿入した。

グリーンシートを所定の形状になるように積層および圧着処理を行ない、所定の大きさになるようにカットし、グリーンチップを形成した。

その後、温度４００〜４５０℃の大気中で脱バインダ処理を行ない、温度１１００−１２５０℃、Ｎ₂−Ｈ₂Ｏ−Ｈ₂雰囲気中で１２時間焼成を行ない、（Ｓｒ，Ｂａ）₂（Ｆｅ，Ｍｏ）₂Ｏ₆で形成されるセラミックス素体を得た。その後、Ｌ方向にＡｇ系外部電極を塗布および形成し、温度７００℃でＮ₂−Ｈ₂雰囲気で焼付け処理を行ない評価用試料を作製した。図１がこの方法で作製した試料である。この実施例では、貫通する導体の入っていない、２端子の素子であり、その素子寸法はＬ：２．０ｍｍ、Ｗ：１．２ｍｍ、Ｔ：０．８ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝２．５）であった。

次に、本発明の実施例に従ったサンプルにおける効果を調べるために行なった特性試験方法について説明する。作製した試料は、インピーダンスアナライザ（ＨＰ４２９４Ａ）と電磁石を用いて、磁場なしおよび磁場中のインピーダンス特性を測定した。なお、磁場は２端子が形成されたＬ方向と平行に印加して測定を行なった。このとき、用意した試料の組成を表１に示す。

なお、表１に記載の試料１〜１２では、ｙ＝ｚ＝１．０である。
表１中の試料１の無磁場、１０００Ｇ、５００Ｇ中でのインピーダンス特性を代表して図３および図４で示す。

図３における「初期」は無磁場を示す。
作製した試料はすべて、無磁場中では図３で示すように、低周波でインピーダンスが小さく、高周波にかけてインピーダンスが増大した。強磁性金属材料に特徴的なインピーダンス特性を示した。磁場を素子の長手方向に印加すると、高周波のインピーダンスが低下し、その変化率は試料番号１の素子で約８０％（１０００Ｇ）に達し、低磁場で非常に大きな変化率を得ることができる。ちなみに長手方向に直交する方向に磁場を印加してもインピーダンスはほとんど変化しない。この実施例では、磁場が１０００Ｇ、５００Ｇの２つの磁場中での磁気インピーダンス変化率を次式で算出し、磁場が５００Ｇでの変化率が０％を超えるものをＧ判定とし、磁場が１０００Ｇで２０％以上の大きな変化率が得られても磁場が５００Ｇで変化率が０％の場合はＮＧと判定した。

磁気インピーダンス（ＭＩ）変化率（％）＝（インピーダンス（無磁場）−インピーダンス（磁場中））／インピーダンス（無磁場）×１００
また強磁性転移温度（Ｔｃ）を調べるため、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer）を用いて、磁化率の温度依存性から大まかなＴｃを見積もった。

作製した試料の組成と特性試験結果が表１に示されている。
表１から明らかであるように、高いＴｃを有する式Ｓｒ₂ＦｅＭｏＯ₆試料（試料番号１）では、１０００Ｇと比較的大きな磁場中では７８％に達する大きなＭＩ変化率を得ることができているが、磁場が５００Ｇ中の磁場中では変化率がほぼ０であり（図４参照）、低磁場の応答性に問題がある。ＳｒサイトをＢａで置換していくとＳｒ：Ｂａが１．２：０．８のときに急激に磁場が５００ＧでのＭＩ変化率が改善され、８％以上の大きな変化率を実現できる。したがって、セラミックスの組成が化学式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅＭｏＯ₆で示されるとき、ｘが０．８≦ｘ≦２．０の範囲で磁場が１０００Ｇで７０％以上のＭＩ変化率と磁場が５００Ｇで８％以上のＭＩ変化率を得ることができる。表において「＊」は比較例であることを示している。

参考に試料番号９の磁気インピーダンス特性を図５で示す。
また、近年磁気センサも室温付近だけでなく、温度＋８５℃での保証が必要とされ、強磁性転移温度（Ｔｃ）もそれ以上が望まれるため、好ましくは０．８≦ｘ≦１．７の範囲が好ましい。

次に、強磁性転移温度（Ｔｃ）が８５℃よりも高い組成範囲（ｘ≦１．７）でＦｅ／Ｍｏ比率（ｙ／ｚ）の影響について調査を行なった。特性試験結果を表２に示す。

表２から明らかなように、１．０≦ｘ≦１．７の範囲内において、Ｆｅ／Ｍｏ比（ｙ／ｚ）は１０００Ｇの磁場におけるＭＩ変化率には影響しないものの、磁場が５００ＧではＭＩ変化率に大きく影響し、０．９≦ｙ／ｚ≦１．１の範囲では５００Ｇの磁場中でのＭＩ変化率も２０％以上となり、組成によってはｙ／ｚ＝１．０組成より変化率が大きくなるものも確認できる。しかし、０．９≦ｙ／ｚ≦１．１の範囲を外れると０．９≦ｙ／ｚ≦１．１の範囲内のサンプルと比較してＭＩ変化率が低下してしまうことがわかる。これらの原因は明らかではないが、粉末Ｘ線回折から、Ｆｅ／Ｍｏ比が０．９≦ｙ／ｚ≦１．１の範囲を外れると、ＳｒＦｅＯ₃やＳｒＭｏＯ₄などの不純物が形成されることが明らかになっており、これらが粒界に偏析して試料自体の抵抗が上がってしまい、低磁場への応答性が低下したものと推測される。

本発明の素子に見られる高周波のインピーダンス変化は、主にインダクタ成分の変化に起因している。

Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ
強磁性体の場合、インダクタ（Ｌ）成分はその透磁率に比例し、磁気インピーダンス効果は、磁場中での透磁率の変化により発現している。しかし、上式から明らかであるように、抵抗（Ｒ）成分に周波数依存性がないために、十分小さい場合（つまり金属のように低抵抗）は高周波領域で影響しないが、Ｆｅ／Ｍｏ比が過度に大きい、または小さい場合には偏析した層が抵抗を上げてしまうためＲの寄与が大きくなり、インダクタンス（Ｌ）の変化が見かけ上小さくなってインピーダンス変化率が小さくなるものと考えられる。

（実施例２）
次に、セラミックス組成を実施例１で示す試料番号７と同じ組成で、試料形成の磁気インピーダンス特性への影響を調べた。実施例１と同じ方法で原料およびグリーンシートを作製し、焼成後表３に示す長さＬ、幅Ｗおよび厚みＴになるようにシート積層、加工を行ない、焼成後に端子電極を形成して試料を得た。本実施例では、Ｌを２．０ｍｍ、Ｗを１．２ｍｍと固定し、Ｔを変化させることによりＬ／Ｔを変化させ試料を実施例１と同様の方法で評価した。その結果を表３に示す。

表３から明らかであるように、Ｌ／Ｔ比が磁気インピーダンス特性に大きく影響し、Ｌ／Ｔ比が１．５以上であれば本発明の目的とする低磁場から高磁場の幅広い範囲において大きな変化率を実現することができる。しかし、Ｌ／Ｔが１．５より小さくなるとＬ／Ｔが１．５以上のサンプルと比較して低磁場応答性が低下する。これは、磁性体に磁場を印加した際に磁性体内部に発生する反磁場の影響で、磁性体に有効に磁場が試料形状により変化し、反磁場が大きくなる、Ｌ／Ｔが小さい試料では低磁場の変化率が低下したと考えられる。本発明の材料組成の特徴を十分活かした作製するためには試料形状にも十分注意をする必要があり、Ｌ／ＴとＬ／Ｗのどちらか大きい方が１．５以上とすることが好ましい。一方で、あまり大きくしすぎると、機械的強度が極端に低下したり、素子抵抗が上昇する。組成にもよるが、おおむね２０以下であることが望ましい。

（実施例３）
次に、２端子の単板形状試料に２端子電極をショートする導体を挿入した試料の効果について調査を行なった。なお、この試料は図２の構造で示される。試料は実施例２と同様に実施例１の試料番号７と同じ組成のセラミックスを選択し、実施例１と同様の方法で試料を作製した。シート圧着行程で２つの外部電極端子をショートさせる貫通導体４を挿入し、長さＬが２ｍｍ、幅Ｗが１．０ｍｍ、厚みＴが０．８ｍｍの寸法を有する試料を作製した。作製した貫通導体あり、なしの試料をそれぞれ３０個、実施例１と同様の方法で評価し、５００Ｇの磁場での磁気インピーダンス変化率を算出した。その結果を図６に示す。

図６から明らかなように、貫通導体を有していない試料でもすべて１５％以上の変化率を得ることができるが、ばらつきが大きい問題がある。これは、多結晶体粒界の静電容量成分、抵抗成分が不均一になりがちであり、これらの影響によりばらつきが生じているものと推測される。また、高周波になるに従い、その信号は表層部に集中することが知られており（表皮効果）、比較的粒径分布が不均一になりがちな表面の微細構造の影響や、還元処理焼成による表層部の変質などが影響している可能性が考えられる。一方、貫通導体を形成した試料では、低磁場での磁気インピーダンス変化率が少し改善され、ばらつきも低減される。この効果の原因については明らかではないが、磁場に対して応答するＳＭＦＯ系セラミックス素体に対して並列に接続された低抵抗体となるため、上述したセラミックスならではの不均一性を貫通導体が低減しているものと推測される。

図７は、試料番号７において、磁場を変化させた状態におけるＭＩ変化率(magnetoimpedance effect)の推移を示すグラフである。周波数を１０ＭＨｚとして磁場を変化させた場合におけるＭＩ変化率を縦軸に示している。なお、図４から図７の測定結果は、室温での結果を示している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ 端子電極、３ セラミックス素体、４ 貫通導体。

Claims (6)

1. 化学式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅ_yＭｏ_zＯ₆（０．８≦ｘ≦２．０，ｙ＋z＝２）で表わされるセラミックス素体（３）と、
   前記セラミックス素体に設けられた少なくとも２つの外部電極端子（１，２）とを備えた、磁気インピーダンス素子。
2. ０．８≦ｘ≦１．７である、請求の範囲第１項に記載の磁気インピーダンス素子。
3. 前記セラミックス素体が化学式Ｓｒ_2-xＢａ_xＦｅ_yＭｏ_zＯ₆（０．８≦ｘ≦１．７，ｙ＋ｚ＝２，０．９≦ｙ／ｚ≦１．１）で示される、請求の範囲第１項に記載の磁気インピーダンス素子。
4. 前記セラミックス素体の長さＬと厚みＴとの比率（Ｌ／Ｔ）または長さＬと幅Ｗの比率（Ｌ／Ｗ）のどちらか大きい方が１．５以上である、請求の範囲第１項に記載の磁気インピーダンス素子。
5. 前記少なくとも２つの外部電極端子間を短絡する導体（４）をさらに備えた、請求の範囲第１項に記載の磁気インピーダンス素子。
6. 請求の範囲第１項に記載の磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサ。

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