JP7501677B2 - Magnetic Sensor - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor.
いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)やNEMS(Nano Electro Mechanical Systems)と呼ばれるマイクロ・ナノ電気機械システムは、振動損失が低い(Q値が高い)共振構造を有するため、重さや電荷などの様々な物理量の高感度センサとして用いられてきた。特に、磁気センサへの応用研究では、二、三十年の長い歴史があり、これまでに電子スピン1個、核スピン数百個を検知できるセンサが、基礎研究レベルで報告されている(非特許文献1,非特許文献2)。Micro- and nano-electromechanical systems, known as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) and NEMS (Nano Electro Mechanical Systems), have resonant structures with low vibration loss (high Q factor), and have been used as highly sensitive sensors of various physical quantities such as weight and charge. In particular, applied research into magnetic sensors has a long history spanning two or three decades, and sensors capable of detecting a single electron spin and several hundred nuclear spins have been reported at the basic research level (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
これらの研究では、カンチレバーの先端につけた微小強磁性片が、検体内のスピン磁気モーメントがつくる磁界によって磁気相関力を受け、この結果変化するカンチレバーの共振周波数をモニタリングすることで高感度センシングを実現していた。しかしながら、この技術では、検体から出る微小な磁界をセンシングするため、カンチレバーを検体のすぐ近くに配置する精緻な空間制御技術や、この空間制御を可能にする高価な装置類、極小の磁気相関力を読み出す特殊な測定技術が必要となり、デバイスの堅牢性や測定法の簡便性といった点で実用的ではなかった。In these studies, a tiny ferromagnetic piece attached to the tip of a cantilever is subjected to a magnetic correlation force by the magnetic field created by the spin magnetic moment in the sample, and highly sensitive sensing is achieved by monitoring the resulting change in the resonant frequency of the cantilever. However, in order to sense the tiny magnetic field emitted from the sample, this technology requires sophisticated spatial control technology to place the cantilever very close to the sample, expensive equipment to enable this spatial control, and special measurement technology to read out the extremely small magnetic correlation force, making it impractical in terms of device robustness and simplicity of measurement method.
NEMS/MEMSを用いた磁気センサとして、最も汎用性や利便性に優れたものの一つとして、磁歪効果を用いた表面弾性波(SAW)型がある(非特許文献3)。SAWは、一般的な高周波信号フィルタとして、多くの無線通信端末を始めとしたデバイスに、実際に用いられている。当該センサは、表面に強磁性体薄膜を蒸着した、非常にシンプルな構造をしている。また、検知する磁場を受けて変化した強磁性体中の磁化を、磁歪に代表される磁気弾性効果を介して振動の強度変化として圧電的に検知することができる。One of the most versatile and convenient magnetic sensors using NEMS/MEMS is the surface acoustic wave (SAW) type that uses the magnetostrictive effect (Non-Patent Document 3). SAW is actually used as a general high-frequency signal filter in many devices, including wireless communication terminals. This sensor has a very simple structure with a thin ferromagnetic film evaporated onto its surface. In addition, the magnetization in the ferromagnetic material that changes when exposed to the magnetic field to be detected can be piezoelectrically detected as a change in vibration intensity via the magnetoelastic effect, typified by magnetostriction.
しかしながら、通常、磁歪などの磁気弾性効果が小さいため、既存のNEMS/MEMSセンサでは、磁気検知部である磁性薄膜や、SAWのサイズが一辺mmオーダーに至るほど大きくなってしまい、空間分解能を始めとしたセンシング感度に限界があった。However, because magnetoelastic effects such as magnetostriction are usually small, in existing NEMS/MEMS sensors, the size of the magnetic thin film that constitutes the magnetic detection part and the SAW is large, reaching the order of millimeters on one side, which limits the sensing sensitivity, including spatial resolution.
従来の磁気センサは、SAWの伝搬波の強度変化を介して磁気検知を行っていた。しかしながら、磁気弾性効果の振動側の媒介が伝搬波であるために、この結合効果が小さい。このため、従来の磁気センサでは、十分なS/N比を確保して信号変化として電気的に検知するために、磁気検知部である強磁性体薄膜のサイズや圧電検知部(櫛型電極、IDT)を大きくする必要があった。この結果、SAWを用いる従来の技術では、センサデバイス構造の大型化や、低い感度や分解能といったセンシング能力の低下へと繋がっていった。Conventional magnetic sensors detect magnetism through changes in the intensity of the SAW's propagating wave. However, because the medium on the vibration side of the magnetoelastic effect is the propagating wave, this coupling effect is small. For this reason, in conventional magnetic sensors, in order to ensure a sufficient S/N ratio and electrically detect the signal change, it was necessary to increase the size of the ferromagnetic thin film that is the magnetic detection section and the piezoelectric detection section (interdigital transducer, IDT). As a result, conventional technologies using SAWs led to larger sensor device structures and reduced sensing capabilities such as low sensitivity and resolution.
一方で、カンチレバーなどの微小機械振動子を使うことで、これらの課題を克服する試みが行われている。この技術により、単電子スピンや少数核スピンの検知といった高感度センシング、並びに、高分子などの微小構造体の磁気共鳴イメージング(MRI)の観測など、基礎研究レベルでは超高分解能・分解能が実現されてきた。しかしながら、微小機械振動子を用いる技術では、操作や測定に高価な装置や高度な操作テクニックが必要となり、応用や実用の観点からの利便性は不十分であった。On the other hand, attempts are being made to overcome these challenges by using micromechanical oscillators such as cantilevers. This technology has achieved ultra-high resolution and resolution at the basic research level, such as highly sensitive sensing, such as the detection of single electron spins and minority nuclear spins, as well as magnetic resonance imaging (MRI) observation of microstructures such as polymers. However, technology that uses micromechanical oscillators requires expensive equipment and advanced operating techniques for operation and measurement, making it inconvenient from the standpoint of application and practical use.
これらのように、従来の技術では、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知をすることが容易ではないという問題があった。As described above, conventional technology had the problem that it was not easy to perform magnetic detection with high sensitivity and resolution using small, inexpensive equipment without requiring advanced operating techniques.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知ができるようにすることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and aims to enable magnetic detection with high sensitivity and resolution using a small, inexpensive device without requiring advanced operating techniques.
本発明に係る磁気センサは、圧電材料から構成された板状の基体と、基体の上に形成された磁性材料からなる磁性層と、磁性層の周囲を囲って基体に形成されたフォノニック結晶構造と、フォノニック結晶構造を挾む一方の箇所の基体の上に形成された、基体の表面に弾性波を発生させる第1電極と、フォノニック結晶構造を挾む他方の箇所の基体の上に形成された、弾性波を検出する第2電極と、磁性層に磁場を印加する磁場印加部とを備え、フォノニック結晶構造の内側の磁性層が形成された領域に閉じ込められた弾性波は共振を起こし、フォノニック結晶構造の内側で共振が起きている状態で、磁場印加部が印加する磁場で磁性層の磁化が共鳴する。The magnetic sensor according to the present invention comprises a plate-shaped substrate made of a piezoelectric material, a magnetic layer made of a magnetic material formed on the substrate, a phononic crystal structure formed on the substrate surrounding the magnetic layer, a first electrode formed on the substrate at one location sandwiching the phononic crystal structure for generating an elastic wave on the surface of the substrate, a second electrode formed on the substrate at the other location sandwiching the phononic crystal structure for detecting the elastic wave, and a magnetic field application unit for applying a magnetic field to the magnetic layer, and the elastic waves confined in the region inside the phononic crystal structure where the magnetic layer is formed resonate, and when resonance occurs inside the phononic crystal structure, the magnetization of the magnetic layer resonates in the magnetic field applied by the magnetic field application unit.
以上説明したように、本発明によれば、圧電材料から構成された板状の基体の上に形成された磁性層の周囲を囲ってフォノニック結晶構造を設け、フォノニック結晶構造を挾む一方に第1電極を設け、他方に第2電極を設けたので、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知ができるようになる。As described above, according to the present invention, a phononic crystal structure is provided surrounding a magnetic layer formed on a plate-shaped substrate made of piezoelectric material, and a first electrode is provided on one side of the phononic crystal structure and a second electrode is provided on the other side, making it possible to perform magnetic detection with high sensitivity and resolution using a small, inexpensive device without requiring advanced operating techniques.
以下、本発明の実施の形態に係る磁気センサについて説明する。 The following describes a magnetic sensor relating to an embodiment of the present invention.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1に係る磁気センサについて図1を参照して説明する。この磁気センサは、基体101の上に形成された磁性層102と、磁性層102の周囲を囲って基体101に形成されたフォノニック結晶構造103と、第1電極104および第2電極105とを備える。
[First embodiment]
First, a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 1. This magnetic sensor includes a
また、この磁気センサは、磁性層102に磁場を印加する磁場印加部106を備える。なお、図1において、基体101は、平面を示している。また、磁場印加部106は、例えば、基体101の表面上で、磁性層102の上方に配置することができる。また、磁場印加部106は、例えば、基体101の裏面側において、磁性層102の下方に配置することができる。This magnetic sensor also includes a magnetic field application unit 106 that applies a magnetic field to the
基体101は、圧電材料から構成されている。基体101は、例えば、ニオブ酸リチウム結晶(LiNbO3)や酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、ガリウムヒ素(GaAs)などから構成することができる。磁性層102は、例えば、ニッケルや鉄などの磁性材料から構成されている。
The
第1電極104は、フォノニック結晶構造103を挾む一方の箇所の基体101の上に形成され、基体101の表面に表面弾性波を発生させる。第2電極105は、フォノニック結晶構造103を挾む他方の箇所の基体101の上に形成され、表面弾性波を検知する。第1電極104および第2電極105は、櫛型電極から構成することができる。The
なお、フォノニック結晶構造103は、複数の格子要素107から構成され、複数の格子要素107は、上述した表面弾性波の半波長のn倍(nは自然数)の間隔で格子状に周期的に設けられている。言い換えると、フォノニック結晶構造103は、格子定数が表面弾性波の半波長のn倍とされている。磁性層102は、フォノニック結晶構造103の格子要素107がない部分(欠陥の部分の)に形成されている。
The
ここで、第1電極104または第2電極105を構成する櫛型電極の周期間隔を図4に示すようにpとし、基体101の表面弾性波の速度をvとすると、第1電極104から効率的に励起される振動の周波数(基体101、第1電極104、第2電極105により構成されるフィルタの中心周波数)は、f0=v/pで表される。櫛型電極の周期間隔pが、表面弾性波の波長となる。また、加振周波数範囲(3dB帯域)は、櫛型電極の周期数をNとすると、Δf=f0/Nとなる(図5)。
Here, if the periodic interval of the comb electrodes constituting the
格子要素107は、図2Aに示すように、基体101の表面に形成された凹部とすることができる。また、格子要素107は、基体101の表面に形成された穴部とすることができる。例えば、よく知られたリソグラフィー技術とエッチング技術とによる微細加工で、凹部や穴部を形成することができる。2A, the
また、格子要素107は、図2Bに示すように、基体101の表面に形成された凸部とすることができる。例えば、よく知られたリソグラフィー技術とエッチング技術とによる微細加工で、凸部を形成することができる。また、例えば、よく知られたリソグラフィー技術、金属堆積技術、およびリフトオフ技術などにより、金属からなる凸部を形成することができる。
Also, the
格子要素107は、基体101とは、弾性特性(質量密度やヤング率)の異なる2種類以上の弾性体から構成することができる。また、凹部または穴部とされた格子要素107に、異種物質を充填することもできる。この異種物質は、基体101とは異なる弾性係数を有するものとすることができる。また、格子要素の平面視の形状は、円形に限るものではなく、平面視で星形などとすることもできる。また、図3A、図3Bに示すように、平面視矩形の格子要素107aの周期構造から、フォノニック結晶構造103aを構成することもできる。フォノニック結晶構造103aは、図3Aに示すように、磁性層102と第1電極104との間、および、磁性層102と第2電極105との間の各々に配置することができる。また、フォノニック結晶構造103aは、図3Bに示すように、磁性層102の位置を中心側として、平面視で第1電極104および第2電極105の外側に配置することもできる。The
ここで、フォノニック結晶構造103の内側の磁性層102が形成された領域に閉じ込められた表面弾性波は、共振を起こするものとされている。また、フォノニック結晶構造103の内側で共振が起きている状態で、磁場印加部106が印加する磁場で磁性層102の磁化が共鳴するものとされている。Here, the surface acoustic waves confined in the region where the
上述した磁気センサは、磁化と機械との2の共振器の複合構造から構成されたものとなっている。これら2つの共振器が相互作用することで、磁化の変化を機械の運動により、機械の変化を磁化の運動をとおして観測することができる。機械共振は、単純に特定周波数(共振周波数)の振動強度を測定する方法、共振の位相を測定する方法、フィードバック回路を用いて共振周波数をトラッキングする方法などにより、測定することができ、これら測定方法を用いて微小磁気を測定(検知)することができる。The magnetic sensor described above is composed of a composite structure of two resonators: magnetization and mechanical. The interaction between these two resonators allows the change in magnetization to be observed through the movement of the machine, and the change in the machine to be observed through the movement of the magnetization. Mechanical resonance can be measured by simply measuring the vibration intensity of a specific frequency (resonant frequency), by measuring the phase of resonance, or by tracking the resonant frequency using a feedback circuit, and these measurement methods can be used to measure (detect) micro-magnetism.
上述した実施の形態1に係る磁気センサは、フォノニック結晶に代表される弾性周期構造を利用した、高感度・高分解能な機械磁気センサである。磁歪効果(参考文献1)や磁気回転結合効果(参考文献2)などの磁気弾性結合を利用して、振動により基体101の上に設けた、磁気検知部であるの磁化を共鳴させる[強磁性共鳴(FMR)、または、スピン波共鳴(SWR)]。この共鳴を用いると、外部磁界に僅かな変化が起きれば、共鳴周波数が変化し、磁化強度も大きく変化する。すると、磁気弾性効果を介して、振動強度や歪などの機械特性が変化するため、機械的に磁界の変化を知ることができる。The magnetic sensor according to the first embodiment described above is a highly sensitive and highly resolved mechanical magnetic sensor that utilizes an elastic periodic structure, such as a phononic crystal. By utilizing magnetoelastic coupling, such as the magnetostrictive effect (Reference 1) or the magnetic rotation coupling effect (Reference 2), the magnetization of the magnetic detection unit provided on the
本発明のポイントは、この振動構造にフォノニック結晶を始めとする人工的な弾性周期構造を導入することにある。バンドギャップ効果を介して振動の低損失化と空間局在化(モード体積の低下)を実現できる。前者では、振動損失の低下により、磁化と振動の相互作用時間が実効的に長くなるため、磁気弾性効果が増強して感度が向上する。また、後者では、バンドギャップにより振動を微小空間へ強く閉じ込めることができるので振動モード体積を波長スケールにまで低下させることができ、これらの結果、磁気分解能の向上が期待される。 The key to this invention is the introduction of an artificial elastic periodic structure, such as a phononic crystal, into this vibration structure. Vibration loss can be reduced and spatial localization (reduced mode volume) can be achieved through the band gap effect. In the former, the reduced vibration loss effectively lengthens the interaction time between magnetization and vibration, enhancing the magnetoelastic effect and improving sensitivity. In the latter, the band gap allows the vibration to be tightly confined to a microscopic space, reducing the vibration mode volume to the wavelength scale, which is expected to result in improved magnetic resolution.
以下、より詳細に説明する。第1電極104に周波数f0の交流電圧を印加すると、圧電的にその周波数の振動を誘起することができる。励起された振動の一部は、基体101の表面を伝搬し、この表面にある磁性層102も、伝搬してきた表面弾性波により揺らされることになる。磁歪の場合、磁性層102が振動により歪むことで、磁化の自由エネルギーが変調され、結果的に、周波数f0で振動する有効磁場が、磁性層102の磁化に印加されることになる。同時に、磁場印加部106により外部から静磁場μ0Hexを磁性層102に加えて、強磁性共鳴 (Ferromagnetic resonance;FMR)などの共鳴周波数がf0となるように印加する磁場の値を調節すれば、振動を用いてFMRなどの磁気共鳴現象を誘起できる。
The following is a more detailed explanation. When an AC voltage with a frequency f 0 is applied to the
この現象は、振動エネルギーを消費して、共鳴を起こしていることになるので、反作用として表面弾性波の振動強度が低下する。また、共鳴が起きることで磁化ダイナミクスが大きく変化するので、磁歪を介して、表面弾性波(SAW)の音速や共振周波数、Q値などの諸特性も影響を受け変化する。これら諸特性の変化を読み出す(測定)ことで、磁気検知部のFMRの変化を多角的に測定(検知)できる。これが磁気センサの基本動作原理である(図6参照)。 This phenomenon consumes vibration energy and causes resonance, which in turn reduces the vibration strength of the surface acoustic wave as a reaction. Furthermore, resonance causes a significant change in magnetization dynamics, which in turn affects and changes various characteristics of the surface acoustic wave (SAW), such as the sound speed, resonance frequency, and Q value, via magnetostriction. By reading (measuring) these changes in various characteristics, it is possible to measure (detect) changes in the FMR of the magnetic detection unit from multiple angles. This is the basic operating principle of a magnetic sensor (see Figure 6).
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る磁気センサについて図7A、図7Bを参照して説明する。この磁気センサは、基体101の上に形成された磁性層102と、磁性層102の周囲を囲って基体101に形成されたフォノニック結晶構造103と、第1電極104および第2電極105を備える。また、この磁気センサは、磁性層102に磁場を印加する磁場印加部106を備える。なお、図7Bでは、磁場印加部106を省略している。また、この磁気センサは、磁性層102に磁場を印加する磁場印加部106を備える。これらの構成は、前述した実施の形態1と同様である。
[Embodiment 2]
Next, a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 7A and 7B. This magnetic sensor includes a
実施の形態2では、磁性層102およびフォノニック結晶構造103が形成された領域の基体101は、内部に空洞108を有して弾性波が伝搬する領域が薄膜状の薄膜部121とされている(薄膜構造)。薄膜部121は、基体101の本体122から離間している。In the second embodiment, the base 101 in the region in which the
実施の形態2において、格子要素107は、図7Aに示すように、基体101の表面に形成された穴部とすることができる。また、格子要素107は、図7Bに示すように、基体101の薄膜部121の表面に形成された凸部とすることができる。また、実施の形態1と同様に、凸部とした格子要素107は、基体101(薄膜部121)とは、弾性特性(質量密度やヤング率)の異なる2種類以上の弾性体から構成することができる。また、穴部とされた格子要素107に、異種物質を充填することもできる。この異種物質は、基体101(薄膜部121)とは異なる弾性係数を有するものとすることができる。また、格子要素の平面視の形状は、円形に限るものではなく、平面視で星形などとすることもできる。In the second embodiment, the
いわゆる薄膜構造とした実施の形態2に係る磁気センサについて、より詳細に説明する。本発明に係る磁気センサの、前述した基本動作原理を鑑みると、センシングの感度や分解能は、いかに磁気弾性結合を強めるか、また、磁気弾性結合の発生領域を小さくできるかで決定される。例えば、基体の表面に、間隔を開けて配置される2つの櫛型電極の外側に、表面弾性波の伝搬方向と平行に、表面弾性波の波長と同程度の間隔をもつ弾性周期構造を形成する。この構成において、2つの櫛型電極に漏れ出る表面弾性波がブラッグ条件を満たす場合、入射波と弾性周期構造からの反射波は破壊的干渉を起こす。この結果、表面弾性波の伝搬が禁止され(バンドギャップ)、基体上の周期構造が、いわゆる反射器として機能する。これにより、表面弾性波が共振し、その振動損失が減退する。A more detailed description will be given of the magnetic sensor according to the second embodiment, which has a so-called thin-film structure. In view of the above-mentioned basic operating principle of the magnetic sensor according to the present invention, the sensitivity and resolution of sensing are determined by how strong the magnetic elastic coupling is and how small the area where the magnetic elastic coupling occurs can be. For example, on the outside of two comb electrodes spaced apart on the surface of the substrate, an elastic periodic structure is formed parallel to the propagation direction of the surface acoustic wave and spaced apart from each other, with the same spacing as the wavelength of the surface acoustic wave. In this configuration, if the surface acoustic wave leaking to the two comb electrodes satisfies the Bragg condition, the incident wave and the reflected wave from the elastic periodic structure cause destructive interference. As a result, the propagation of the surface acoustic wave is prohibited (band gap), and the periodic structure on the substrate functions as a so-called reflector. This causes the surface acoustic wave to resonate, and the vibration loss is reduced.
しかしながら、通常の表面弾性波の共振器では、振動モード体積を抑えるため、表面弾性波を強く閉じ込めようとすると、反射波のうち、基体内のバルクモードと結合する割合が増えてきてしまい、むしろ、振動損失の上昇、つまりQ値の低下を招いてしまう。このため、振動損失の抑制(高いQ値)と、振動モード体積の低下とは、トレードオフの関係となってしまう。However, in a normal surface acoustic wave resonator, if you try to strongly confine the surface acoustic wave in order to suppress the vibration mode volume, the proportion of the reflected wave that couples with the bulk mode in the substrate increases, which actually leads to an increase in vibration loss, i.e., a decrease in the Q value. For this reason, there is a trade-off between suppressing vibration loss (high Q value) and reducing the vibration mode volume.
これを解決するためには、振動する部分(領域)を、より薄くした薄膜とし、支持する基体の本体と離間させた構造のフォノニック結晶共振器(参考文献3)が有効である。振動を強く閉じ込めようとすると、振動損失が増えるのであれば、振動する部分を、より薄くして分離した構造とすればよいものとなる。フォノニック結晶構造も、貫通孔を周期的に並べて作るほうが、より閉じ込め効果を強めることができ、高いQ値・低いモード体積を同時に実現できる。もちろん、表面弾性波デバイスと同じように、周期的な溝や突起物をつくって実現することもできる。 To solve this problem, a phononic crystal resonator (Reference 3) is effective, in which the vibrating part (region) is made into a thinner film and separated from the main body of the supporting substrate. If attempting to strongly confine vibrations increases vibration loss, then a structure in which the vibrating part is made thinner and separated can be used. For phononic crystal structures too, creating a periodic arrangement of through holes can enhance the confinement effect, achieving both a high Q value and a low mode volume at the same time. Of course, this can also be achieved by creating periodic grooves or protrusions, just like with surface acoustic wave devices.
参考文献3を参考にすると、共振器のQ値は平均すると2,000であり、モード体積としてはλsawの3乗(~μm3オーダー)となるため、実施の形態2の薄膜構造を用いると、感度は2桁近く、分解能はmm3からμm3レベルへと3桁近く向上すると思われる。実際に作製した磁気センサの写真を図8に示す。図8の(a)は、点欠陥フォノニック結晶であり、ニッケル薄膜が形成されている。図8の(b)は、フォノニック結晶共振器-導波路の結合構造であり、図8の(c)は、薄膜構造のフォノニック結晶の断面である。
According to
上述した実施の形態に係る磁気センサは、大気中のみならず、例えば溶液中の検体の微小磁場の測定にも使用可能である。この場合、フォノニック結晶構造103を構成する格子要素107となる溝や空孔は、液体で満たされることになる。磁気センサの媒質である基体101は、固体であり、固体と液体では、質量密度や体積弾性率、または、ヤング率やポアソン比において大きく異なる。このため、液体中であっても、フォノニック結晶構造103のバンドギャップ効果による振動の閉じ込めは機能する。水(H2O)の質量密度は、997、2kg/m3、水の体積弾性率は、0~2.3GPaである。これに対し、シリコン(Si)の質量密度は、2330kg/m3、シリコンの体積弾性率は、102GPaである。
The magnetic sensor according to the above-mentioned embodiment can be used not only in the atmosphere but also in measuring the micromagnetic field of a specimen in a solution, for example. In this case, the grooves and holes that become the
以上に説明したように、本発明によれば、圧電材料から構成された板状の基体の上に形成された磁性層の周囲を囲ってフォノニック結晶構造を設け、フォノニック結晶構造を挾む一方に第1電極を設け、他方に第2電極を設けたので、小型かつ安価な装置により、高度な操作技術を必要とせずに、高い感度・分解能で磁気検知ができるようになる。本発明によれば、高いQ値をもつ機械共振器により、高い磁気センシング(検知)感度を実現できる。また、本発明によれば、低いモード体積により、高分解能なセンシングを実現できる。As described above, according to the present invention, a phononic crystal structure is provided surrounding the periphery of a magnetic layer formed on a plate-shaped substrate made of a piezoelectric material, and a first electrode is provided on one side of the phononic crystal structure, and a second electrode is provided on the other side. This makes it possible to perform magnetic detection with high sensitivity and resolution using a small, inexpensive device without requiring advanced operating techniques. According to the present invention, a mechanical resonator with a high Q value can achieve high magnetic sensing (detection) sensitivity. Furthermore, according to the present invention, a low mode volume can achieve high-resolution sensing.
[参考文献1]L. Dreher et al., "Surface acoustic wave driven ferromagnetic resonance in nickel thin films: Theory and experiment", Physical Review B, vol. 86, no. 13, 134415, 2012.
[参考文献2]D. Kobayashi et al., "Spin Current Generation Using a Surface Acoustic Wave Generated via Spin-Rotation Coupling", Physical Review Letters, vol. 119, no. 7, 077202, 2017.
[参考文献3]D. Hatanaka and H. Yamaguchi, "Real-Space Characterization of Cavity-Coupled Waveguide Systems in Hypersonic Phononic Crystals", Physical Review Applied, vol. 13, no. 2, 024005, 2020.
[Reference 1] L. Dreher et al., "Surface acoustic wave driven ferromagnetic resonance in nickel thin films: Theory and experiment", Physical Review B, vol. 86, no. 13, 134415, 2012.
[Reference 2] D. Kobayashi et al., "Spin Current Generation Using a Surface Acoustic Wave Generated via Spin-Rotation Coupling", Physical Review Letters, vol. 119, no. 7, 077202, 2017.
[Reference 3] D. Hatanaka and H. Yamaguchi, "Real-Space Characterization of Cavity-Coupled Waveguide Systems in Hypersonic Phononic Crystals", Physical Review Applied, vol. 13, no. 2, 024005, 2020.
101…基体、102…磁性層、103…フォノニック結晶構造、104…第1電極、105…第2電極、106…磁場印加部、107…格子要素。 101...substrate, 102...magnetic layer, 103...phononic crystal structure, 104...first electrode, 105...second electrode, 106...magnetic field application section, 107...lattice element.
Claims (7)
前記基体の上に形成された磁性材料からなる磁性層と、
前記磁性層の周囲を囲って前記基体に形成されたフォノニック結晶構造と、
前記フォノニック結晶構造を挾む一方の箇所の前記基体の上に形成された、前記基体の表面に弾性波を発生させる第1電極と、
前記フォノニック結晶構造を挾む他方の箇所の前記基体の上に形成された、前記弾性波を検出する第2電極と、
前記磁性層に磁場を印加する磁場印加部と
を備え、
前記フォノニック結晶構造の内側の前記磁性層が形成された領域に閉じ込められた前記弾性波は共振を起こし、
前記フォノニック結晶構造の内側で前記共振が起きている状態で、前記磁場印加部が印加する磁場で前記磁性層の磁化が共鳴する
ことを特徴とする磁気センサ。 A plate-shaped base body made of a piezoelectric material;
a magnetic layer made of a magnetic material formed on the substrate;
a phononic crystal structure formed on the substrate so as to surround the magnetic layer;
a first electrode that generates an acoustic wave on a surface of the base and is formed on one of the portions of the base that sandwich the phononic crystal structure;
a second electrode for detecting the elastic wave, the second electrode being formed on the substrate at the other location between which the phononic crystal structure is sandwiched;
a magnetic field application unit that applies a magnetic field to the magnetic layer,
The elastic wave confined in the region inside the phononic crystal structure where the magnetic layer is formed resonates,
A magnetic sensor comprising: a magnetic field applied by the magnetic field application unit, the magnetic layer being magnetized in resonance with the magnetic field applied by the magnetic field application unit while the resonance is occurring inside the phononic crystal structure.
前記フォノニック結晶構造は、複数の格子要素をから構成され、前記複数の格子要素は、前記弾性波の半波長のn倍(nは自然数)の間隔で格子状に周期的に設けられている
ことを特徴とする磁気センサ。 2. The magnetic sensor according to claim 1,
A magnetic sensor characterized in that the phononic crystal structure is composed of a plurality of lattice elements, and the plurality of lattice elements are arranged periodically in a lattice pattern at intervals of n times (n is a natural number) half the wavelength of the elastic wave.
前記格子要素は、前記基体の表面に形成された凸部であることを特徴とする磁気センサ。 3. The magnetic sensor according to claim 2,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the grating elements are convex portions formed on the surface of the base.
前記格子要素は、前記基体の表面に形成された凹部または穴部であることを特徴とする磁気センサ。 3. The magnetic sensor according to claim 2,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the grating elements are recesses or holes formed in the surface of the substrate.
前記凹部または前記穴部に充填された異種物質を備え、前記異種物質は、前記基体とは異なる弾性係数を有することを特徴とする磁気センサ。 5. The magnetic sensor according to claim 4,
A magnetic sensor comprising a different material filled in the recess or the hole, the different material having a different elastic modulus from that of the substrate.
前記第1電極および前記第2電極は、櫛型電極から構成されていることを特徴とする磁気センサ。 The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 5,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are configured as comb electrodes.
前記磁性層および前記フォノニック結晶構造が形成された領域の前記基体は、内部に空洞を有して前記弾性波が伝搬する領域が薄膜状とされている
ことを特徴とする磁気センサ。 The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 6,
A magnetic sensor characterized in that the base in the region in which the magnetic layer and the phononic crystal structure are formed has a cavity therein and the region in which the elastic wave propagates is made thin film-like.
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