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JP2005090971A - Magnetic sensor - Google Patents

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JP2005090971A
JP2005090971A JP2003320691A JP2003320691A JP2005090971A JP 2005090971 A JP2005090971 A JP 2005090971A JP 2003320691 A JP2003320691 A JP 2003320691A JP 2003320691 A JP2003320691 A JP 2003320691A JP 2005090971 A JP2005090971 A JP 2005090971A
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JP
Japan
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electrode
vibrating body
magnetic
thin film
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP2003320691A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Junichi Hayasaka
淳一 早坂
Koichi Okamoto
幸一 岡本
Yoshiaki Ikeda
義秋 池田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokin Corp
Original Assignee
NEC Tokin Corp
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.)
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Publication date
Application filed by NEC Tokin Corp filed Critical NEC Tokin Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized high-sensitivity magnetic sensor utilizing a magnetostrictive effect. <P>SOLUTION: This magnetic sensor is constituted of a vibrating body 12 formed from magnetic thin films 11 serving simultaneously as the first electrode 10 and a magnetic film holding substrate, a substrate 14 for supporting the vibrating body 12 formed by laminating the magnetic thin films, and the second electrode 13 arranged on the position opposite to the vibrating body 12. In the sensor, the Young's modulus of the magnetic thin films 11 is changed by the magnetostrictive effect following the change of an external magnetic field in the state where the vibrating body 12 is mechanically vibrated integrally by an electrostatic force generated by a driving voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 13. Therefore, a mechanical resonance frequency of the vibrating body 12 is changed, and a variation of the resonance frequency is used as an output to the external magnetic field based on a detection voltage generated between the first electrode 10 and the second electrode 13. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、主として、携帯端末機器、家電機器等に使用されるのに好適な磁気センサに関する。   The present invention mainly relates to a magnetic sensor suitable for use in portable terminal devices, home appliances, and the like.

一般に、磁性体に磁界をかけ磁化すると、その形が変わる現象は、「磁歪」と呼ばれている(非特許文献1)。この磁歪効果を利用した磁気センサの一例としては、特許文献1に記載の磁歪効果による磁性材の変形量(変位量)を計測する手段を備えた磁気センサが挙げられる。   In general, a phenomenon in which a magnetic material changes its shape when a magnetic field is applied and magnetized is called “magnetostriction” (Non-Patent Document 1). As an example of a magnetic sensor using the magnetostrictive effect, there is a magnetic sensor provided with means for measuring a deformation amount (displacement amount) of a magnetic material due to the magnetostrictive effect described in Patent Document 1.

図4は、従来の技術における磁気センサの斜視図である。この磁気センサは、磁性薄膜41、支持手段42、チップ44、チップ44を支えるカンチレバー45、ピエゾ素子46、電流計47、電源48から成っており、具体的には、磁性材とこれを支える支持手段と被測定磁場が印加されたときの磁歪効果による磁性材の変形量(変位量)を測定する手段を備えた磁気センサである。特に、磁性材として磁性薄膜を使用し、磁性薄膜の少なくとも一ヶ所を固定し、さらに磁性薄膜の変形量(変位量)を計測する手段として原子間力、トンネル電流、光の干渉、エバネッセント光、静電容量等を利用した変位計から構成されている。   FIG. 4 is a perspective view of a conventional magnetic sensor. This magnetic sensor includes a magnetic thin film 41, a support means 42, a chip 44, a cantilever 45 that supports the chip 44, a piezo element 46, an ammeter 47, and a power supply 48. Specifically, the magnetic material and a support that supports the magnetic material. The magnetic sensor includes means for measuring a deformation amount (displacement amount) of the magnetic material due to the magnetostriction effect when the magnetic field to be measured is applied. In particular, a magnetic thin film is used as a magnetic material, and at least one part of the magnetic thin film is fixed. Further, as a means of measuring the deformation (displacement) of the magnetic thin film, atomic force, tunnel current, light interference, evanescent light, It consists of a displacement meter that uses electrostatic capacity.

即ち、特許文献1に記載の磁気センサでは、被測定磁場を測定する手段として、磁歪効果による磁性材の変形量(変位量)を利用するものである。   That is, in the magnetic sensor described in Patent Document 1, the deformation amount (displacement amount) of the magnetic material due to the magnetostriction effect is used as means for measuring the magnetic field to be measured.

特開平9−243721号公報JP-A-9-243721 太田恵造,磁気工学の基礎2,共立出版,p236Keizo Ota, Basics of Magnetic Engineering 2, Kyoritsu Shuppan, p236

特許文献1に記載の磁気センサにおいて、設計上、カンチレバーの長さLが100nm、磁歪定数λが−30×10-5であることなどを考慮すると、被測定磁場に対する変位量は1nm以下となる。ここで、磁場精度は、変位計によって決定され、前記変位計は、原子間力、トンネル電流等を利用している。そのため、所望の測定精度を維持するためには、高精度な変位計の適用が不可欠であり、測定システムは大規模かつ複雑なものとなる。 In the magnetic sensor described in Patent Document 1, the amount of displacement with respect to the magnetic field to be measured is 1 nm or less considering that the cantilever length L is 100 nm and the magnetostriction constant λ is −30 × 10 −5. . Here, the magnetic field accuracy is determined by a displacement meter, and the displacement meter uses an atomic force, a tunnel current, or the like. Therefore, in order to maintain a desired measurement accuracy, it is indispensable to apply a highly accurate displacement meter, and the measurement system becomes large and complicated.

従って、本発明の目的は、測定システムが比較的小規模で済む磁歪効果を利用した高感度な小型の磁気センサを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly sensitive small magnetic sensor using the magnetostriction effect that requires a relatively small measurement system.

上記の課題を解決するため、本発明によれば、第1電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第1電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第2電極から構成され、前記第1電極と第2電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、磁歪効果により前記磁性薄膜のヤング率が変化することによって、前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記第1電極と第2電極間に生じる検出電圧に基づいて、共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とする磁気センサが得られる。   In order to solve the above-described problems, according to the present invention, a magnetic thin film that also serves as a first electrode or a vibrating body formed of a first electrode, a magnetic thin film, and a magnetic film holding substrate, and a support for the vibrating body are provided. The vibrating body is formed of a substrate and a second electrode disposed at a position opposite to the vibrating body, and the vibrating body is mechanically integrated with an electrostatic force generated by a driving voltage applied between the first electrode and the second electrode. As the external magnetic field changes in the state of vibration, the Young's modulus of the magnetic thin film changes due to the magnetostrictive effect, whereby the mechanical resonance frequency of the vibrating body changes, and the first electrode Based on the detected voltage generated between the first electrode and the second electrode, a magnetic sensor can be obtained in which the amount of change in the resonance frequency is output with respect to the external magnetic field.

なお、本発明によれば、上記の磁気センサにおいて、前記支持基板と前記振動体の一端が一体で構成される、前記支持基板と前記振動体の両端が一体で構成される、または前記支持基板と前記振動体の端部が一体で構成されるダイヤフラム構造とされる磁気センサが得られる。   According to the present invention, in the above magnetic sensor, one end of the support substrate and the vibrating body is integrally formed, both ends of the support substrate and the vibrating body are integrally formed, or the support substrate. And a magnetic sensor having a diaphragm structure in which end portions of the vibrating body are integrally formed.

また、上記の磁気センサにおいて、前記支持基板及び前記振動体の磁性膜保持基板がシリコンあるいは水晶から成る磁気センサ、前記支持基板及び前記振動体が、金属薄膜あるいは、ポリシリコン薄膜から成る磁気センサが得られる。   Further, in the above magnetic sensor, the support substrate and the magnetic film holding substrate of the vibrator are made of silicon or quartz, and the support substrate and the vibrator are made of a metal thin film or a polysilicon thin film. can get.

さらに、上記磁気センサにおいて、前記センサが非磁性金属導体からなる構造体で包まれる構造であることが望ましい。   Furthermore, in the above magnetic sensor, it is desirable that the sensor is structured to be wrapped with a structure made of a nonmagnetic metal conductor.

更に、本発明によれば、第1電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第1電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第2電極から構成と、第3電極を兼ねる非磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記非磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第4電極から成るセンサ構造体を備え、前記第1電極と第2電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、前記磁性薄膜のヤング率が変化することによって、前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記第1電極と第2電極間に生じる検出電圧に基づく共振周波数の変化量と、前記第3電極と第4電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、前記第3電極と第4電極間に生じる検出電圧に基づく共振周波数との差を外部磁場に対する出力とする磁気センサが得られる。   Further, according to the present invention, a vibrating body formed of a magnetic thin film that also serves as the first electrode or the first electrode, the magnetic thin film, and the magnetic film holding substrate, a substrate for supporting the vibrating body, and the vibrating body And a vibrating body formed of a non-magnetic thin film that also serves as a third electrode and a magnetic film holding substrate, and the non-magnetic thin film and the magnetic film holding substrate. A sensor structure including a substrate for supporting the vibrating body and a fourth electrode disposed at a position opposite to the vibrating body, and is generated by a driving voltage applied between the first electrode and the second electrode. The mechanical resonance frequency of the vibrating body is changed by changing the Young's modulus of the magnetic thin film as the external magnetic field changes while the vibrating body is mechanically vibrated integrally with electric power. Changes, and the first electrode and the second electrode A state in which the vibrator is mechanically vibrated as a whole by an amount of change in the resonance frequency based on a detection voltage generated in between and an electrostatic force generated by a driving voltage applied between the third electrode and the fourth electrode. In the magnetic sensor, the difference between the resonance frequency based on the detection voltage generated between the third electrode and the fourth electrode is output to the external magnetic field.

加えて、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、前記第2電極と前記第4電極を同一とする磁気センサが得られる。   In addition, according to the present invention, in the above magnetic sensor, a magnetic sensor in which the second electrode and the fourth electrode are the same can be obtained.

更に、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、前記磁性薄膜が積層された振動体を支持するための基板と、前記非磁性薄膜が積層された振動体を支持するための基板を同一としたことが望ましい。   Furthermore, according to the present invention, in the magnetic sensor, the substrate for supporting the vibrating body on which the magnetic thin film is laminated and the substrate for supporting the vibrating body on which the nonmagnetic thin film is laminated are made the same. It is desirable.

本発明による磁気センサによれば、磁歪効果を利用した比較的小規模な測定システムで済む高感度な小型磁気センサを提供することができる。   According to the magnetic sensor of the present invention, it is possible to provide a highly sensitive small-sized magnetic sensor that requires only a relatively small-scale measurement system using the magnetostrictive effect.

本発明の実施の形態による磁気センサについて、図面を参照しながら以下に説明する。   A magnetic sensor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の磁気センサは、第1電極を兼ねる磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第2電極から構成される。第1電極を兼ねる磁性薄膜は、前記磁性膜保持基板に積層されているので、機械的に一つの剛体であって、機械的に単一の振動体として取り扱える。外部磁場変化に伴って、この振動体の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場量が一体として振動する場合には算出される。   The magnetic sensor of the present invention includes a vibrating body formed of a magnetic thin film that also serves as a first electrode and a magnetic film holding substrate, a substrate for supporting the vibrating body, and a first electrode disposed at a position facing the vibrating body. It consists of two electrodes. Since the magnetic thin film also serving as the first electrode is laminated on the magnetic film holding substrate, it is mechanically a single rigid body and can be handled mechanically as a single vibrating body. When the external magnetic field changes, the mechanical resonance frequency of the vibrating body changes, and when the external magnetic field amount vibrates as a whole from the amount of change in the resonance frequency, it is calculated.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1の磁気センサの斜視図を示したものである。磁気センサは、センサ基板15上に、第1電極10を兼ねる磁性薄膜11が磁性膜保持基板に積層された振動体12と、前記磁性薄膜11が積層された振動体12を支持するための基板14と、前記振動体12に対向した位置に配置した第2電極13から構成されている(以下、センサ構造体)。なお、振動体12の磁性膜保持基板は、高濃度に燐がドープされた導体層であり、例えば、ポリシリコンであり、図1では省略されているが、電極部と電気的に接続されている。センサ基板15は、シリコンや水晶等から成り、シリコンの場合には、予め、全面に熱酸化膜、LPCVD等によるSiO2、SiN膜等の絶縁膜が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of the magnetic sensor according to the first embodiment. The magnetic sensor includes a vibrating body 12 in which a magnetic thin film 11 also serving as a first electrode 10 is stacked on a magnetic film holding substrate on a sensor substrate 15 and a substrate for supporting the vibrating body 12 in which the magnetic thin film 11 is stacked. 14 and a second electrode 13 disposed at a position facing the vibrating body 12 (hereinafter referred to as sensor structure). The magnetic film holding substrate of the vibrating body 12 is a conductor layer doped with phosphorus at a high concentration, for example, polysilicon, which is omitted in FIG. 1 but is electrically connected to the electrode portion. Yes. The sensor substrate 15 is made of silicon, quartz, or the like. In the case of silicon, an insulating film such as a thermal oxide film, SiO 2 , SiN film, or the like is formed on the entire surface in advance.

次に、本発明における磁気センサの動作について説明する。まず、第1電極10と第2電極13間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、振動体12が一体となって機械的に振動している。ついで、振動体12が固有の共振周波数で振動している状態下において、外部磁場が変化するに伴って、磁歪効果により磁性薄膜11のヤング率が変化することによって、即ち、電極と磁性膜保持基板が接合されていることによる応力その他があいまって、振動体12の機械的な共振周波数が変化し、第1電極10と第2電極13間に生じる検出電圧に基づいて、共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とする。   Next, the operation of the magnetic sensor according to the present invention will be described. First, the vibrating body 12 is mechanically vibrated integrally by an electrostatic force generated by a driving voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 13. Next, under the state where the vibrating body 12 vibrates at a specific resonance frequency, the Young's modulus of the magnetic thin film 11 changes due to the magnetostrictive effect as the external magnetic field changes, that is, the electrode and the magnetic film are retained. The mechanical resonance frequency of the vibrating body 12 changes due to the stress and the like due to the bonding of the substrates, and the amount of change in the resonance frequency based on the detected voltage generated between the first electrode 10 and the second electrode 13. Is an output for an external magnetic field.

例えば、振動体12として100μm×50μm×1μm程度のポリシリコンとすると、機械的共振周波数は、約10809(kHz)となり、外部磁場が約0.3(Oe)変化した場合の共振周波数の変化量は、約−3.21(kHz)である。ここで、振動体12上に積層された磁性膜としては、化学量論的組成比がおおよそ55:35:15のCo−Fe−Zr系薄膜を使用している。なお、磁性膜の飽和磁歪定数λsは、25×10-6程度である。 For example, if the vibrating body 12 is polysilicon of about 100 μm × 50 μm × 1 μm, the mechanical resonance frequency is about 10809 (kHz), and the amount of change in the resonance frequency when the external magnetic field changes by about 0.3 (Oe). Is about −3.21 (kHz). Here, a Co—Fe—Zr thin film having a stoichiometric composition ratio of approximately 55:35:15 is used as the magnetic film laminated on the vibrating body 12. The saturation magnetostriction constant λs of the magnetic film is about 25 × 10 −6 .

この場合の磁性膜としては、微弱な磁場あるいは微小領域の磁場を測定するためには、できるだけ保磁力が小さい材料を適用することが望ましい。本実施の形態による磁気センサを製造する場合、ポリシリコンの構造体層と二酸化珪素などの犠牲層の組合せによる標準化された2層、あるいは3層ポリシリコンMEMSプロセスが利用でき、IC回路技術との適合性もよくS/N比の向上が期待でき、結果として、センサモジュール全体の小型化にも有利である。   As a magnetic film in this case, it is desirable to apply a material having as small a coercive force as possible in order to measure a weak magnetic field or a magnetic field in a minute region. When the magnetic sensor according to the present embodiment is manufactured, a standardized two-layer or three-layer polysilicon MEMS process using a combination of a polysilicon structure layer and a sacrificial layer such as silicon dioxide can be used. The compatibility is good and an improvement in the S / N ratio can be expected. As a result, it is advantageous for downsizing the entire sensor module.

また、他の製造法としては、シリコンや水晶の結晶面によるエッチングレートの差を利用するバルクエッチング技術が適用でき、振動体12の磁性膜保持基板として、振動体12を支持するための基板14として、振動体12と同様の材料を使用することができる。   Further, as another manufacturing method, a bulk etching technique using a difference in etching rate depending on a crystal plane of silicon or quartz can be applied, and a substrate 14 for supporting the vibrating body 12 as a magnetic film holding substrate of the vibrating body 12. As, a material similar to that of the vibrating body 12 can be used.

更に、図1に示すような振動体12を支持するための基板14と振動体12の一端が一体で成る構造のほかに、例えば、基板14と振動体12の両端が一体で成る構造、あるいは、基板14と振動体12の端部が一体で構成されるダイヤフラム構造とすることでも同じ効果が得られる。   Furthermore, in addition to the structure in which the substrate 14 for supporting the vibrating body 12 and one end of the vibrating body 12 are integrated as shown in FIG. 1, for example, the structure in which both ends of the substrate 14 and the vibrating body 12 are integrated, or The same effect can be obtained by adopting a diaphragm structure in which the substrate 14 and the end of the vibrating body 12 are integrally formed.

なお、上記磁気センサにおいて、静電遮蔽体として、センサ構造体を包む構造の非磁性金属導体を付加することで、寄生容量に起因するノイズが低減され、精度向上が可能である。   In the magnetic sensor, by adding a non-magnetic metal conductor having a structure surrounding the sensor structure as an electrostatic shield, noise due to parasitic capacitance is reduced, and accuracy can be improved.

(実施の形態2)
図2は、実施の形態2の磁気センサの斜視図を示したものである。磁気センサの構成としては、実施の形態1と略同様であり、同図では基板24と振動体22の両端が一体で成る構造を示している。本実施の形態における磁気センサでは、センサ基板25上に、第1電極20と磁性薄膜21が磁性膜保持基板上に積層された振動体22と、磁性薄膜21が積層された振動体22を支持するための基板24と、振動体22に対向した位置に配置した第2電極23から構成されている。なお、第1電極20及び第2電極23は、金等の金属薄膜から成り、同図では省略されているが、電極部と電気的に接続されている。センサ基板25は、シリコンや水晶等から成り、シリコンの場合には、予め、全面に熱酸化膜、LPCVD等によるSiO2、SiN膜等の絶縁膜が形成されている。もちろん、磁性薄膜21が導電性の場合は、実施の形態1のように、第1電極を兼ねる構成でも磁気センサを構成できる。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a perspective view of the magnetic sensor according to the second embodiment. The configuration of the magnetic sensor is substantially the same as that of the first embodiment, and in the figure, a structure in which both ends of the substrate 24 and the vibrating body 22 are integrated is shown. In the magnetic sensor according to the present embodiment, the vibrating body 22 in which the first electrode 20 and the magnetic thin film 21 are stacked on the magnetic film holding substrate and the vibrating body 22 in which the magnetic thin film 21 is stacked are supported on the sensor substrate 25. And a second electrode 23 disposed at a position facing the vibrating body 22. The first electrode 20 and the second electrode 23 are made of a metal thin film such as gold, and are omitted from the drawing but are electrically connected to the electrode portion. The sensor substrate 25 is made of silicon, quartz, or the like. In the case of silicon, a thermal oxide film, an insulating film such as a SiO 2 film or an SiN film formed by LPCVD or the like is previously formed on the entire surface. Of course, when the magnetic thin film 21 is conductive, the magnetic sensor can be configured with the configuration also serving as the first electrode as in the first embodiment.

本実施の形態による磁気センサを製造する場合、犠牲層を用いたMEMSプロセスが利用される。即ち、金属薄膜から成る振動体22の犠牲層として、感光性レジストを厚さ1μm程度を堆積させ、ついで、金属薄膜を真空蒸着法、スパッタリング法などの薄膜形成技術を利用して1μm程度堆積し、公知のフォトリソグラフィ法によりパターン化を行う。更に、磁性薄膜21を、金属薄膜と同様に堆積、パターン化を行う。最後に犠牲層をレジスト剥離液等の有機溶媒への浸漬、あるいはドライエッチング法により除去し、振動体22を完全に宙に浮かせた構造とすることが可能である。   When manufacturing the magnetic sensor according to the present embodiment, a MEMS process using a sacrificial layer is used. That is, as a sacrificial layer of the vibrator 22 made of a metal thin film, a photosensitive resist is deposited to a thickness of about 1 μm, and then a metal thin film is deposited to a thickness of about 1 μm using a thin film forming technique such as vacuum evaporation or sputtering. Then, patterning is performed by a known photolithography method. Further, the magnetic thin film 21 is deposited and patterned in the same manner as the metal thin film. Finally, the sacrificial layer can be removed by immersion in an organic solvent such as a resist stripping solution or by a dry etching method so that the vibrator 22 is completely suspended in the air.

(実施の形態3)
図3は、実施の形態3の磁気センサの斜視図を示したものである。実施の形態3の磁気センサは、第1電極30を兼ねる磁性薄膜31が積層された振動体32と、磁性薄膜31が積層された振動体32を支持するための基板34と、振動体32に対向した位置に配置した第2電極33から構成(以下、磁性膜を有するセンサ構造体)と、第3電極36を兼ねる非磁性薄膜37を積層した振動体38と、非磁性薄膜37が積層された振動体38を支持するための基板34と、振動体38に対向した位置に配置した第4電極39から成るセンサ構造体(以下、非磁性薄膜を有するセンサ構造体)から構成されている。もちろん、第1電極30として実施の形態2のように金等の金属薄膜を磁性薄膜31の他に設けても良い。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a perspective view of the magnetic sensor according to the third embodiment. The magnetic sensor according to the third embodiment includes a vibrating body 32 in which a magnetic thin film 31 also serving as a first electrode 30 is stacked, a substrate 34 for supporting the vibrating body 32 in which the magnetic thin film 31 is stacked, and a vibrating body 32. A structure (hereinafter referred to as a sensor structure having a magnetic film) composed of the second electrodes 33 arranged at opposite positions, a vibrating body 38 in which a nonmagnetic thin film 37 that also serves as the third electrode 36 is stacked, and a nonmagnetic thin film 37 are stacked. The sensor structure (hereinafter referred to as a sensor structure having a nonmagnetic thin film) is composed of a substrate 34 for supporting the vibrating body 38 and a fourth electrode 39 disposed at a position facing the vibrating body 38. Of course, a metal thin film such as gold may be provided as the first electrode 30 in addition to the magnetic thin film 31 as in the second embodiment.

第1電極30と第2電極33間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、振動体32が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴って、磁性薄膜31のヤング率が変化すること等によって、振動体32の機械的な共振周波数が変化し、第1電極30と第2電極33間に生じる検出電圧に基づく共振周波数の変化量と、第3電極36と第4電極39間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、振動体38が一体で機械的に振動している状態中で、第3電極36と第4電極39間に生じる検出電圧に基づく共振周波数の変化量との差を外部磁場に対する出力とする。   As the external magnetic field changes while the vibrating body 32 is mechanically vibrated integrally by the electrostatic force generated by the drive voltage applied between the first electrode 30 and the second electrode 33, the magnetic field The mechanical resonance frequency of the vibrating body 32 changes due to a change in the Young's modulus of the thin film 31, and the amount of change in the resonance frequency based on the detected voltage generated between the first electrode 30 and the second electrode 33, and the third The electrostatic force generated by the drive voltage applied between the electrode 36 and the fourth electrode 39 is generated between the third electrode 36 and the fourth electrode 39 while the vibrating body 38 is mechanically vibrated integrally. The difference from the change amount of the resonance frequency based on the detection voltage is set as an output with respect to the external magnetic field.

更に、センサ基板35上の第2電極33と第4電極39は、同一配線とし、共通グランドとすることが望ましい。   Further, it is desirable that the second electrode 33 and the fourth electrode 39 on the sensor substrate 35 have the same wiring and a common ground.

磁性薄膜を有するセンサ構造体と近接した位置に配した非磁性薄膜を有するセンサ構造体からの機械的共振周波数をセンサ出力の基準とし、磁性薄膜31を積層した振動体32と非磁性薄膜37を積層した振動体38の機械的共振周波数差をセンサ出力とすることにより、温度変動に伴う振動体32等のヤング率変化を補償することが可能となる。磁性膜を有するセンサ構造体及び非磁性薄膜の形状の精度は、半導体製造装置のフォトリソグラフィによってほぼ決定され、1μm以下の精度で形成することが可能である。   A mechanical resonance frequency from a sensor structure having a nonmagnetic thin film disposed in the vicinity of a sensor structure having a magnetic thin film is used as a reference for sensor output, and a vibrating body 32 and a nonmagnetic thin film 37 laminated with a magnetic thin film 31 are provided. By using the mechanical resonance frequency difference of the laminated vibrator 38 as a sensor output, it is possible to compensate for a change in Young's modulus of the vibrator 32 and the like due to temperature fluctuation. The accuracy of the shape of the sensor structure having a magnetic film and the nonmagnetic thin film is almost determined by photolithography of the semiconductor manufacturing apparatus, and can be formed with an accuracy of 1 μm or less.

なお、磁性薄膜31を積層した振動体32と非磁性薄膜37を積層した振動体38は、機械的に独立していることが望ましく、各振動体を支持するための基板34中央付近の振動体32及び38間に、溝を設けることが最適である。   The vibrating body 32 having the magnetic thin film 31 laminated thereon and the vibrating body 38 having the nonmagnetic thin film 37 laminated are desirably mechanically independent, and the vibrating body in the vicinity of the center of the substrate 34 for supporting each vibrating body. It is optimal to provide a groove between 32 and 38.

本発明における実施の形態1による磁気センサの斜視図。1 is a perspective view of a magnetic sensor according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明における実施の形態2による磁気センサの斜視図。The perspective view of the magnetic sensor by Embodiment 2 in this invention. 本発明における実施の形態3による磁気センサの斜視図。The perspective view of the magnetic sensor by Embodiment 3 in this invention. 従来技術における磁気センサの斜視図。The perspective view of the magnetic sensor in a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10,20,30 第1電極
11,21,31 ,41 磁性薄膜
12,22,32 ,38 振動体
13,23 ,33 第2電極
14,24 ,34 (振動体を支持するための)基板
15,25,35 センサ基板
36 第3電極
37 非磁性薄膜
39 第4電極
42 支持手段
43 外部磁場
44 チップ
46 ピエゾ素子
45 カンチレバー
47 電流計
48 電源
100 駆動高周波電源
10, 20, 30 First electrode 11, 21, 31, 41 Magnetic thin film 12, 22, 32, 38 Vibrating body 13, 23, 33 Second electrode 14, 24, 34 Substrate 15 (for supporting the vibrating body) , 25, 35 Sensor substrate 36 Third electrode
37 Nonmagnetic thin film 39 Fourth electrode
42 support means 43 external magnetic field 44 chip 46 piezo element 45 cantilever 47 ammeter 48 power supply 100 driving high frequency power supply

Claims (10)

第1電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第1電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された振動体と、前記振動体を支持するための基板と、前記振動体に対向した位置に配置した第2電極から構成され、前記第1電極と第2電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴う前記振動体の機械的な共振周波数の変化量を外部磁場に対する出力とすることを特徴とする磁気センサ。   A magnetic thin film that also serves as the first electrode or a vibrating body formed by the first electrode, the magnetic thin film, and the magnetic film holding substrate, a substrate for supporting the vibrating body, and a first electrode disposed at a position facing the vibrating body. The external magnetic field is changed in a state where the vibrating body is integrally vibrated by an electrostatic force generated by a driving voltage applied between the first electrode and the second electrode. An amount of change in the mechanical resonance frequency of the vibrating body accompanying the vibration is output to an external magnetic field. 前記支持基板と前記振動体の一端が一体で構成されたことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 1, wherein one end of the support substrate and the vibrating body is integrally formed. 前記支持基板と前記振動体の両端が一体で構成されたことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 1, wherein both ends of the support substrate and the vibrating body are integrally formed. 前記支持基板と前記振動体の端部が一体で構成されるダイヤフラム構造としたことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 1, wherein a diaphragm structure in which an end portion of the support substrate and the vibrating body is integrally formed. 前記支持基板及び前記振動体の磁性膜保持基板が、シリコンあるいは水晶から成ることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の磁気センサ。   5. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the support substrate and the magnetic film holding substrate of the vibrating body are made of silicon or quartz. 前記支持基板及び前記振動体が、金属薄膜あるいは、ポリシリコン薄膜から成ることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の磁気センサ。   5. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the support substrate and the vibrating body are made of a metal thin film or a polysilicon thin film. 前記センサが非磁性金属導体からなる構造体で包まれる構造であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the sensor has a structure wrapped with a structure made of a nonmagnetic metal conductor. 第1電極を兼ねる磁性薄膜もしくは第1電極と磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成された第1の振動体と、前記第1の振動体を支持するための基板と、前記第1の振動体に対向した位置に配置した第2電極と、第3電極を兼ねる非磁性薄膜と磁性膜保持基板とで形成され第2の振動体と、前記第2の振動体を支持するための基板と、前記第2の振動体に対向した位置に配置した第4電極から成るセンサ構造体を備え、前記第1電極と第2電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記第1の振動体が一体で機械的に振動している状態中で、外部磁場が変化するに伴う前記第1の振動体の機械的な共振周波数の変化量と、前記第3電極と第4電極間に印加された駆動電圧によって発生する静電力により、前記第2の振動体が一体で機械的に振動している状態中での前記第2の振動体の共振周波数の変化量との差を外部磁場に対する出力とすることを特徴とする磁気センサ。   A first vibrating body formed of a magnetic thin film that also serves as a first electrode or a first electrode, a magnetic thin film, and a magnetic film holding substrate; a substrate for supporting the first vibrating body; and the first vibration A second vibration body formed of a second electrode disposed at a position facing the body, a nonmagnetic thin film serving also as a third electrode, and a magnetic film holding substrate; and a substrate for supporting the second vibration body; A sensor structure including a fourth electrode disposed at a position opposite to the second vibrating body, and the first electrostatic force generated by a driving voltage applied between the first electrode and the second electrode causes the first The amount of change in the mechanical resonance frequency of the first vibrating body as the external magnetic field changes while the vibrating body is mechanically vibrated integrally, and between the third electrode and the fourth electrode Due to the electrostatic force generated by the drive voltage applied to the second vibrating body, A magnetic sensor, characterized in that the output for the difference an external magnetic field between the change in the resonance frequency of the second vibrator in a state of being mechanically vibrated at the body. 前記磁気センサにおいて、前記第2電極と前記第4電極を同一としたことを特徴とする請求項8に記載の磁気センサ。   The magnetic sensor according to claim 8, wherein the second electrode and the fourth electrode are the same in the magnetic sensor. 前記磁気センサにおいて、前記磁性薄膜が積層された第1の振動体を支持するための基板と、前記非磁性薄膜が積層された第2の振動体を支持するための基板を同一としたことを特徴とする請求項8または9のいずれかに記載の磁気センサ。   In the magnetic sensor, the substrate for supporting the first vibrating body on which the magnetic thin film is laminated and the substrate for supporting the second vibrating body on which the nonmagnetic thin film is laminated are the same. The magnetic sensor according to claim 8, wherein the magnetic sensor is a magnetic sensor.
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