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

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1 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　

2 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
　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

3 事前アンケート

4 磁気の基礎

5 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 I-H曲線 ー磁化Iと磁界Hの関係 ・χ：磁化率 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）

6 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 A L -e ｒ i ｍ 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． ・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

7 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

8 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

9 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

10 磁気の基礎IV 反磁界 I H Hd 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．
- I + - + H - Hd + - + 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）

11 磁気の基礎IV 反磁界の例 ①Feの球 Hd=5.7×105A/m 球の場合，実質的にFeを 磁化するのに役立つ磁界は，
（約２９％） Hex=１０ kOe（８×10５A/m） 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．

12 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

13 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．

14 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

15 磁気の基礎VI　磁区②　磁区の例 珪素鉄　(001) パーマロイ　(110) Si-Fe　(001)

16 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 一軸晶円板 磁気異方性の大きい 立方晶円板 磁歪の大きい磁性体

17 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．

18 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．

19 磁気の基礎VII　磁化過程①　単結晶の場合 Si-Fe　(001) H//[100] H//[110]

20 磁気の基礎VII 磁化過程② 単結晶の磁化曲線
1/√2＝0.71

21 磁気の基礎VII 磁化過程③ 多結晶の磁化曲線の例

22 磁気センサの種類と概要

23 測定対象によって選ばれるセンサが異なる．
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

24 磁気センサの特徴比較 磁気センサの特徴比較　（「21世紀版薄膜作製応用ハンドブック」P1063)

25 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
→　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

26 磁気センサの各論I 　　　　　磁気抵抗（MR）センサ

27 電流磁気効果 Ep B I Er Eｈ 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 I Er Eｈ

28 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 磁性体にのみ現れる
　　　　非磁性体にも現れる　　　磁性体にのみ現れる 　　　　正常磁気抵抗効果　　　　　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◎ 　　　　（正常）ホール効果◎　　　　　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

29 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）
　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）

30 磁気抵抗センサ① 現象＝異方性磁気抵抗効果
磁気抵抗センサ①　現象＝異方性磁気抵抗効果 M H θ 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． 　　　　　　　　　　　　　　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．

31 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
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

32 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

33 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
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．

34 磁気センサの各論II 　　巨大磁気抵抗（GMR）センサ

35 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

36 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 非磁性層 （薄い） H＞0 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

37 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 平行 反平行 Hが小さいと Ni-Feだけが磁界方向に向く Hが大きいと Coのスピンも磁界方向に向く

38 GMRセンサ④ GMR効果の原理 H=0 ↑の電子 ↓の電子 H=Hsat ■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． 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 ↑の電子 r R R r ↓の電子 r r H=Hsat R R

39 GMRセンサ⑤ GMRの特性 ■非結合型GMR膜 ■結合型GMR膜 Co/Cu多層膜では，室温で65%の抵抗変化 ・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

40 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

41 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