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、Ｍ I 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

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．正孔（ホール）ホールの移動電界　E 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 Si Si Si Si Si Si B Si Si P Si Si Si Si Si Si Si 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 v[m] S t=0 t=１ｓ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のすぐ左にある電子は，1秒後にはｖ[ｍ]進んだ位置にある．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 I VH W 半導体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．

ホール効果の関係式① A面 - - - - - - - - - - - - ーー I ー F1 EH ーー B F２ーー + + + + + + + + + + + + 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 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

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

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