Transcript ２．3回目 - 奈良工業高等専門学校

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
磁気センサの各論III
ホールセンサ
半導体の基礎① シリコンの結晶構造
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
価電子
温度上昇
伝導電子
正孔
（ホール）
半導体の基礎② ホールの特性
伝導電子
ホールは，電子が抜けた孔で
本当は電子のような荷電粒子ではない
正孔
（ホール）
電界 E
ホールがあると，近くの価電子が，
ホールの場所に移動しようとする．
ホールの移動
電界を加えると，
電子：電界の逆向きに移動
ホール：電界と同じ向きに移動
→正の電荷を持った粒子と考える
電子，ホールは，電流の担い手となるので，キャリアという．
半導体の基礎③ 不純物半導体
Siだけでできている半導体（真性半導体）では，
伝導電子の数＝ホールの数
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Siに僅かに（例えば，1億分の1個の割合）で，リン（P）やホウ素（B）を
入れると図のように不純物半導体ができる．
Pを入れると，電子が増える．Bを入れるとホールが増える．
人為的にキャリアの濃度（抵抗値）をコントロールできる．
半導体の基礎④ ドリフト電流
平均速度 ｖ
n：単位体積あたりの電子の密度
電子は，Eによって力を受けて，
加速する．その平均速度をVとすると
v＝μE （μ：移動度）という
比例関係にある．
電界 E
断面積S
電流とは，ある面を１秒間に通過する電荷量である．
t＝０の時に左図の断面Sのすぐ左
v[m]
にある電子は，1秒後にはｖ[ｍ]進ん
S
だ位置にある．
だから，１秒間にSを通過した
電子の数は，S×vの空間の
中にある，全電子でｎSv個となる
t=0
t=１ｓ
１つの電子はe[C]の電荷を持つので，
I＝neSv=neμSE[A]となる．
ホール効果
L
VH
W
ｄ
B
半導体や金属に電流Iを流し，
磁束密度Bを加えると，
両者に垂直な方向に
電圧VHが現れる現象．
I
半導体
ホール効果の関係式①
- - - - - - - - - - - ー
ー F
1
ー
EH
I
ー
ー
ー
A面
ー
F２
B
+ + + + + + + + + + + + B面
・図の上から下の方向にローレンツ力F1が働く．
・電子は，A面の方に集まる．
・A面にーがあつまり，B面は，電子が抜けたので
等価的に＋となる．
・A→Bの方向に電圧（電界）EHが発生する．
・定常状態では，この電界による力F2と，ローレンツ力がつりあう．
ホール効果の関係式②
１）ローレンツ力F1：ev×B
（e:電子の電荷量，ｖ：電子の速度，B:磁束密度）
２）電界による力F２：eEH （EH:ホール電界）
３）両者がつりあうので， vB ＝EH
４）試料の両端で観測されるホール電圧VHは，
VH＝ｗEH ＝ ｗvB
５）一方電流Iは，I=neｖ×(ｗｄ) であるので，wv=I/（ned）
６） VH＝ ｗvB＝ RH IB／ｄとなる．ここで， RH ＝1/（ne）
７）一定の電流Iを流しておけば， VHを測定すれば，Bが分かる．
ホール素子用材料
IB
VH  R H
d
w
 BVin
l
定電流駆動
定電圧駆動
移動度μが高い材料，ｄが薄い形状
InSb（化合物半導体） 電子の移動度μe=７８０００cm2/(VS)
厚さの薄い薄膜形状
ホールセンサ
フェライト：集磁機能→センサに集める磁界を３～５倍強める
Vin=1V, B=50mT ３００ｍV程度の出力
磁気センサの各論IV
MIセンサ
磁気インピーダンス効果
表皮効果：導体に高周波の電流を流すと，導体の表面に電流が
集中して流れる現象
i1:表面の電流の最大値
Ioz：電流分布関数
a:導体の半径
ｒ：中心からの距離ｒ
表皮効果厚さ(skin depth）：電流密度，磁束密度が表面からの
強さの1/eになる点の厚さ：δ＝（２ρ/ωμ）1/2
ρ：抵抗率，ω：周波数，μ：透磁率
このδまでに電流や磁束が集中していると考えられる．
磁界の印加→μの変化→δの変化→
インピーダンス（交流の抵抗）の変化
MIセンサの種類
名古屋大学 毛利研究室（愛知製鋼）
・アモルファスワイヤー型が主
・ICを使って集積回路化
・電子コンパスとして商品化
東北大学 荒井研究室（NECトーキン）
・薄膜センサーの開発
・マイクロ磁気デバイスへの展開
MIセンサを応用した磁気コンパス①
円周方向に磁化容易軸を
誘導したワイヤーを使用
MIセンサを応用した磁気コンパス②
インピーダンス変化：
極性が分からない
インダクタンス（コイル）成分を取り出す
コイルピックアップ方式
MIセンサを応用した磁気コンパス③
（A) 印加磁界なし スピンは円周方向に並んでいる
（B) 外部磁場を長さ方向に印加すると，スピンは傾く
（C) パルス電流を流すと，電流が作る磁界（円周方向）により
スピンの方向がそろう．
→ この際にインピーダンスの変化が生じ
ワイヤーのそばに置いたピックアップコイルに誘導電圧が生じる
MIセンサを応用した磁気コンパス④
Sensor type
要求
仕様
MI sensor
Hall
Fluxgate MR sensor
sensor
sensor
サイズ
height ≦ 1.5 mm
(mm)
as small as possible H 0.8
H 1
× H 1.4 （回路含まず
≦ 10 mW
6ｍW
25mW
30mW
9mW
≦5
1
─
1
─
≦ ±1
±1
±4
±1
±8
消費電力
(mW)
応答速度
(ms)
角度分解能
(degree)
3.1×3.4× 6.3×5.9× 8.5×8.5 3×4.9×H 1
薄膜型MIセンサ
SmCo磁石薄膜であらかじめ
バイアス磁界を加えておき，
感度の良い点が零磁界付近にくるようにする．
ブリッジ構成にして感度を上げる
薄膜型MIセンサの開発現状
東北大学 荒井研究室の実績
CoNbZr薄膜を使ったマイクロパタン－ニングされたセンサ
磁気センサの各論V
フラックスゲートセンサ
FGセンサの原理
ひずみ交流の分解
1:基本波
２：第2高調波
４：合成波
FGセンサの構造
トロイダルコア型
・コイルを右と左の半分に分けて
差動信号を取る→奇数高調波が消える
→ コアサイズ 数ｃｍ
薄膜型
寸法：厚さ４μm，幅4.9mm，長さ１ｍｍ（縦長型）
磁性体：Fe-Ni-In薄膜 Al薄膜を微細加工してコイルに使用
→３MHzで， 3.5mV/(A/m) 分解能3.2×10-2A/m
薄膜化により感度が2から3桁減少
２次元薄膜FGセンサ
FGセンサは
磁界の向きの検出が容易
微細加工プロセス
フォトリソグラフィ
(a)単結晶シリコン基板
（e）現像して，紫外線の当たった部分だけ残す
(b)基板表面を酸化処理 （SiO2 膜の形成）
（f）フォトレジストの無い部分の酸化膜をフッ酸（HF）でエッチング
（c）フォトレジストの塗布
（g）フォトレジストをレジスト剥離液で剥がす
不純物を注入
（SiO２のある部分は不純物は入らない）
（d）フォトマスクを通じてフォトレジストを紫外線で露光
（h）SiO2 の無い部分に不純物をドー ピングする．
（半導体の形を部分的に変える事ができる．
）
フォトリソグラフィ工程