各種磁気センサの動作原理と応用 ～講義内容～ ホール素子、ＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ＭIセンサ、FGセンサ等 ①動作原理・理論 ②特性/特徴 ③用途 ④製造方法 ■スケジュール 第1回 7月26日 磁気の基礎・各センサの概要・センサー各論I 第2回 8月11日 センサー各論II 第3回 8月25日 応用商品と用途，製造方法の基礎 奈良工業高等専門学校 電気工学科 藤田直幸 自己紹介 豊橋技術科学大学 電気電子工学課程修了 松下電器 電化本部（4年） 大阪府立高専 電子情報工学科（12年） 4月より現職 専門：磁気工学，表面処理，電気電子材料 テーマ：電気化学的手法（めっき）によるナノスケール磁性薄膜 の作製と応用 所属学会：電気学会（調査専門委員会委員），日本応用磁気学会 表面技術協会（評議員，関西支部常任幹事）， The Electrochemical Society，電気鍍金研究会（理事）， ソフト溶液プロセス研究会，ナノプレーティング研究会， ソノケミストリー研究会 事前アンケート サンエテック様 「磁気センサーの基礎」技術講習会 前提知識確認表 よく知っている 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 保磁力 飽和磁化 磁性体のヒステリシス曲線 磁束密度 スピン 磁界 電流密度 移動度 ローレンツ力 軟磁性材料 硬磁性材料 ホール効果 磁気抵抗効果 巨大磁気抵抗効果 反磁界 列の丸の数の合計個数 知っている ほとんど知らない 知らない 磁気の基礎 磁気の基礎I 磁性材料の諸量 B-H曲線 ー磁束密度Bと磁界Hの関係 強磁性体の場合は，比例しない B=μ0H＋I＝ μH ・μi：初透磁率 ・μm：最大透磁率 ・Bs：飽和磁束密度 ・Br：残留磁束密度 ・Hc：保磁力 ・（BH)m：最大磁気エネルギー積 先端材料応用事典編集委員会，先端材料応用事典 （1990産業調査会） I-H曲線 ー磁化Iと磁界Hの関係 ・χ：磁化率 磁気の基礎II 物質の磁性の起源① 原子中の磁石 ①電流が流れると磁界が発生する ②原子： ・原子核の周りを電子(-e)が円運動している （軌道運動） → 等価的に図のような円電流が流れている ように見える． L A ｒ -e i ｍ ・磁化mが図のような方向に表れる． （ここで，mは原子が作る最小単位の磁石と考える） ③上記の軌道運動以外に，電子の自転（スピン）に基づく運動でも 磁化が発生する． ④このような原子中の小さな磁石のことをスピン （軌道と自転をあわせて：軌道の運動よりスピンが 有効なことが多いため）と呼ぶ 磁気の基礎II 物質の磁性の起源② スピンの配列I 結晶を作ると原子は，規則正しく並ぶため， スピンもある規則で整列する．（低温で） ①フェロ磁性（強磁性）： 原子磁石（磁気モーメント）が結晶の中で すべて同じ向きに並んでいる。 ②アンチフェロ磁性（反強磁性）： 結晶中の２種類の位置ＡとＢにある原子磁石が、 平行だが逆向きに並んでいる場合。 全体として、打ち消し合って磁気（自発磁化）を持たない。 フェロ アンチフェロ 磁気の基礎II 物質の磁性の起源③ スピンの配列II ③フェリ： アンチフェロの一種であるが、Ａ，Ｂ両格子の磁気モーメント が等しくないため、差が外に現れる。 ④パラ磁性（常磁性）： 原子磁石が勝手な方を向いていて規則配列の無いもの。 （あらゆる強磁性体は、ある温度（キュリー温度） 以上では、パラになる。） 全温度で、パラのものを常磁性体という。 フェリ パラ 磁気の基礎III 磁性体の分類 強磁性体を応用面から分類 保磁力の大きさによって ・軟磁性材料（ソフト）：変圧器，コイル，信号処理 ・硬磁性材料（ハード）：磁石 磁気記録材料 ハードほどではないが十分な保磁力 強磁性体を応用面から分類 大分類 小分類 フェロ磁性 強磁性 フェリ磁性 反強磁性 弱磁性 常磁性 反磁性 例 Fe,Co,Ni フェライト Cr,Mn，FeO Al Cu 磁化率 大 １～104 小 10-3～10-７ （負） 磁気の基礎IV 反磁界 - I Hd + + + + H 図のような磁石がある． 磁石の端には，N(図中＋）とS（図中－）の磁極ができる． 磁石の外では，磁界は，図のHのような方向にできている． しかし，磁石の中では，Hとは逆向きのHdの向きに磁界ができている． このHdの向きは，磁気モーメントI （磁石の強さを表す物理量）の 向きと逆向きであるので，反磁界（自己減磁界）と呼ばれる． 反磁界の大きさは，Iに比例する（磁石が強くなると反磁界も強くなる） すなわち， μ0Hｄ＝－NI の関係がある．ここで，Nを反磁界係数と呼ぶ． （μ0は，単位あわせのために必要） 磁気の基礎IV 反磁界の例 ①Feの球 Hd=5.7×105A/m Hex=１０ kOe（８×10５A/m） 球の場合，実質的にFeを 磁化するのに役立つ磁界は， 2.3×10５A/mにすぎない． （約２９％） ②薄い板：厚さ方向には大きな反磁界が働き， 磁化しにくい．板の面方向は磁化しやすい． 磁気の基礎V 磁気異方性① 結晶磁気異方性 Fe単結晶の例 結晶の中では，特定の方向は磁化されやすく，別の方向は磁化されにくい． このように，方向によって磁気特性が変化することを磁気異方性と言う． 容易軸方向：磁化されやすい方向 困難軸方向：磁化されにくい方向 磁気の基礎V 磁気異方性② 誘導磁気異方性 何らかの操作によって，異方性の方向や大きさを制御する 例 (a)磁界中冷却効果 物質を一旦高温にして，冷却中に磁界を加えると， その磁界方向に容易軸を持つ磁気異方性が 形成されることがある． (b)圧延磁気異方性 ある種の多結晶を冷間圧延すると圧延によって， 結晶方位がそろい，異方性が誘導される． 磁気の基礎VI 磁区① 磁区とは 磁区とは： 飽和まで磁化していない強磁性体内には， 自発磁化の方向が異なる，いくつかの領域（磁区）が形成されている． 磁極が現れると： 静磁エネルギーが増加する 静磁エネルギー最小にすると： 交換エネルギーが増加する． スピンが角度をなすと エネルギーが生じる 磁気の基礎VI 磁区② 磁区の例 パーマロイ (110) 珪素鉄 (001) Si-Fe (001) 磁気の基礎VI 磁区③ いろいろな磁区 磁気異方性の大きい 立方晶円板 磁気異方性の大きい 一軸晶円板 磁歪の大きい磁性体 磁気の基礎VI 磁区④ 磁壁 磁区と磁区の境界では， スピンは一方の磁区の磁化方向から，他方の磁化方向へと 徐々に向きを変えている． このスピンの遷移層を磁壁と呼ぶ． 磁気の基礎VI 磁区⑤ 磁壁の移動 磁界をかけると磁界方向の磁区の 面積が増える． →磁壁が移動する． 磁気の基礎VII 磁化過程① 単結晶の場合 Si-Fe (001) H//[100] H//[110] 磁気の基礎VII 磁化過程② 単結晶の磁化曲線 1/√2＝0.71 磁気の基礎VII 磁化過程③ 多結晶の磁化曲線の例 磁気センサの種類と概要 磁気センサの動作領域 測定対象によって選ばれるセンサが異なる． → 高周波，微弱磁界の検出へ 磁気センサの特徴比較 磁気センサの特徴比較 種類 原理 出力変化 材料 SQUID 磁気量子効果 （「21世紀版薄膜作製応用ハンドブック」P1063) Hall効果 フラックスゲート MI効果 磁化回転による 高透磁率磁性コアの 電子移動が受ける ローレンツ力 飽和特性 透磁率変化 交流起電力波形 インピーダンス 電圧 金属系超伝導体 アモルファス磁 軟磁性体＋コイル Fe-Ni-In,Fe-Hf-O, 酸化物超伝導体 性体 FeCoSiB,CoSiB, Co-Ta-Hf CoNbZr スパッタ 蒸着，スパッタ 製法 高 超高 感度 －４ －４ －７ 動作域(A/m) １０ ～１０ １０ ～１０４ 高速応答 量子化出力 特徴 小型 極低温動作 パターン化 医療用 電着，スパッタ 高 －４ １０ ～１０２ マイクロコイルで 小型化 起電力，抵抗 半導体 InSb,InAs, GaAs,Si 蒸着，MBE,エピ 中 ０ １０ ～１０６ 一般用途 MR/GMR/TMR効果 磁気抵抗効果 スピンと伝道電子の相 互作用 抵抗 強磁性体 NiCo,NiFe, FeMn/NiFe/Cu/NiFe スパッタ，蒸着 中～低 １００～１０４ 小型 HD センサデバイスの薄膜化の流れ エレクトロニクス関連製品の小型化・軽量化・高性能化 → センサデバイスの小型化 ← 薄膜化技術 ・成膜技術 ・マイクロパターンニング ・ICとの結合による信号処理技術 ・パッケージ技術（小型，高信頼） 薄膜化のもう一つの利点 → ナノ構造磁性体 高機能化，新機能の発現 磁気センサの各論I 磁気抵抗（MR）センサ 電流磁気効果 物質に電流Iを流しておき，時速磁束Bを加えると 電流と磁気の相互作用（ローレンツ力）によって，電圧が誘起される． ■BとIと同一平面で観測される電圧 ・電流に水平な成分 Er：縦電流磁気起電力効果（角野） → 磁気抵抗効果 ・電流に垂直な成分 Ep:横電流磁気起電力効果（角野） → プレーナーホール効果 ■BとIに垂直に観測される電圧 ・Eh：ホール電圧 → ホール効果 Ep B Eｈ Er I 磁性体中の電流磁気効果 電子は，スピンをもっているので，磁性体中では，磁化の効果が加わる 非磁性体にも現れる 正常磁気抵抗効果 （正常）ホール効果◎ 磁性体にのみ現れる 異常磁気抵抗効果 強制磁気抵抗効果 異方性磁気抵抗効果◎ 異常ホール効果 （プレーナーホール効果は，磁気抵抗効果と垂直な方向で 観測した同じ現象である） 「磁気工学ハンドブック」１.５章（角野）を参考に整理した 磁気抵抗効果（別の分類方法） 磁気抵抗効果の分類 正常磁気抵抗効果 異常磁気抵抗効果 ・異方性磁気抵抗効果（AMR） ・巨大磁気抵抗効果（GMR） ・トンネル型磁気抵抗効果（TMR） ・超巨大（コロッサル）磁気抵抗効果（CMR） 磁気抵抗センサ① 現象＝異方性磁気抵抗効果 M θ H I 磁化容易軸： 磁界をかけないときMはこの方向を向いている Hを大きくしていくとMの向きが変化する MとIのなす角をθとすると，以下の関係がある． 0 m cos2 （１） ρ：抵抗率 ρ0：外部磁界の無いときの抵抗率 Δρm:最大抵抗率の変化 そのため，Hの大きさによって，抵抗率が変化することとなる． 磁気抵抗センサ② 原理 ①磁界を強くする ↓ ②スピンの向きが変化 ↓ ③電子の散乱（衝突の） 度合いが変化 ↓ ④抵抗値が変化 電流に水平にHをかけた 電流に垂直にHをかけた ※散乱は(b)の方が小さい． 伝導電子のスピンを考慮した２電流モデル (a)H=0 (b)H≠0 H 磁気抵抗センサ③ 使われる材料 ８２Ni-Fe合金薄膜 →抵抗は小さな磁界 で飽和する． Δρ＝0.6μΩ・ｃｍ 磁気抵抗センサ④ 特徴・用途 ・感度 １％／Oe → 比較的良い感度 ・広帯域，安定性に優れる ・構造がシンプルで安価 ・再生ヘッドとしてHDDの高密度化に役立った． （←誘導型薄膜ヘッド） ・磁気記録のトラック幅の減少：MRセンサの膜厚を薄くする必要 →電子散乱が起こり，性能に限界 →GMRヘッドに置き換え ・その他の磁気応用センサの分野もGMRヘッドが使われつつある． 磁気センサの各論II 巨大磁気抵抗（GMR）センサ GMRセンサ① 開発の歴史 ・1988年 Fe/Cr金属多層膜におけるGMR効果(巨大磁気抵抗効果） の発見：45%抵抗変化 20kOe，4.2K 〔磁性薄膜間に磁気的な結合がある〕 ・1989年 Fe-Ni/Cu/Co多層膜 8%の抵抗変化 1kOe以下，室温 〔磁性薄膜間に磁気的な結合がない〕 ・1991年 スピンバルブ膜の開発 ・グラニュラ合金でのGMRの発見 GMRセンサ② GMR薄膜の構造（カップリングがある場 合） 例） （Fe3.0nm/Cr0.9nm）×60層 磁性層 H=0 非磁性層 （薄い） H＞0 非磁性層の厚さを適切に選ぶ ↓ 磁性層同士が漏れ磁界により磁気的にカップリングする． ↓ 反平行にスピンが並ぶ GMRセンサ③ GMR薄膜の構造（カップリングが無い場合） 例） （Cu5.0nm/Co3.0nm/Cu5.0nm/Ni-Fe3.0nm）×15層 Ni-Fe（軟磁性） Cu Co Cu 反平行 Hが小さいと Ni-Feだけが磁界方向に向く 平行 Hが大きいと Coのスピンも磁界方向に向く GMRセンサ④ GMR効果の原理 ■2電流モデル： ①スピンの向きが違う2種類の伝導 電子が，電気抵抗に関係している． ②伝導電子のスピンと磁性層のスピン の向きが同じなら散乱しにくい． 逆向きなら散乱しやすい． ③散乱しやすい場合の抵抗R， 散乱しにくい場合の抵抗rとすると ｒ＜＜Rとなる． ↑の電子 r R R r ↓の電子 ④等価回路から，H=0の場合は， 合成抵抗は（ｒ＋R)/2≒R/2 H＝Hsatの場合は，2rR/(r+R) ≒2r ⑤磁界をかけた時（平行状態） の方が，抵抗が小さい． H=0 H=Hsat r r R R GMRセンサ⑤ GMRの特性 ■結合型GMR膜 Co/Cu多層膜では，室温で65%の抵抗変化 ■非結合型GMR膜 ・小さな磁界で抵抗が変化 ・大きな印加磁界が必要(１０～20kOe) ・非磁性層の厚さを厳密に制御しないと 反平衡状態にならない． ・抵抗の変化値は小さい ・ヒステリシス特性が現われる GMRセンサ⑥ スピンバルブ膜 交換バイアス：反磁性層の影響で，等価的に磁界ができる Fe-Mn （反強磁性層） Fe-Ni（ピン層） Cu（非磁性層） Fe-Ni（フリー層） H 小さな磁界で大きなMR効果 HDD用ヘッドとして実用 Fe-Mn7nm/Ni-Fe4nm/Cu2.2nm/Ni-Fe6.2nm GMRセンサ⑦ グラニュラ膜 H 平行 単一磁区強磁性微粒子が非磁性金属微粒子中に分散 （Co-Cu,Co-Ag,NiFe-Ag） 磁性微粒子濃度：15～30%（体積比） ・磁界を加える前 平均的には反平行状態 ・磁界を加えることで，平行状態になる 簡単に作れる 磁気抵抗の変化のために大きな磁界が必要
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