利用单一强磁性体元件实现三维磁场检测，提出了面向三维磁传感器小型化的新设计方针

令和 3 年 10 月 4 日

東北大学金属材料研究所科学技術振興機構（ＪＳＴ）

利用单一强磁性体元件实现三维磁场检测，提出了面向三维磁传感器小型化的新设计方针

【发表的要点】

●铁磁性体Fe-Sn纳米晶的薄膜依赖于外部磁场，显示出巨大的异常霍尔效应※1和磁阻效应※2，因此有望作为磁传感器的基础材料。 ●通过组合异常霍尔效应、单向磁阻效应※3和各向异性磁阻效应※3，证实了平面型单一元件对三维磁场矢量的检测。 ●这将成为面向磁传感器小型化的元件开发的新设计方针。

【概要】

同时检测磁场矢量大小和方向的三维磁性传感器可以检测移动体的位置、速度和角度。 随着智能社会中自动化和机器人社会安装的发展，磁传感器小型化的重要性越来越大。 以往经常使用的3维磁性传感器，为了检测3个方向的磁场矢量，在各方向配置了3个磁性传感器，这种结构对小型化和低功耗有限制。 东北大学金属材料研究所的盐贝纯一助教、藤原宏平准教授、野岛勉副教授、冢崎敦教授等的研究小组使用铁磁性体Fe-Sn纳米结晶薄膜元件，证实了利用平面型单一元件进行的三维磁场矢量的检测。 该成果不仅有望实现三维磁传感器的小型化，还将对使用强磁性体的新功能性传感元件的开发做出贡献。 本研究成果将于2021年10月4日(英国时间)发表在英国科学杂志《Communications Materials》在线版上。

【详细说明】

〇研究背景

将磁场大小和方向转换为电信号的磁传感器被应用于磁内存读取、电子罗盘、自动驾驶移动体的位置和速度检测等各种工程用途。 为了构建以IoT (物联网)为代表的智能社会，将这种传感器集成化的技术变得重要。 特别是，能够同时检测磁场大小和方向的三维磁性传感器的小型化，已经成为家电产品自动化和机器人社会安装的必要技术。 本研究小组观测到了由Fe和Sn组成的铁磁性纳米晶薄膜中的巨大异常霍尔效应[1]，此前带头进行了利用本物质薄膜的磁场传感研究[ 2，3 ]。 以往的半导体霍尔元件※1和磁阻效应元件※2具有对特定方向的磁场显示出优异特性的特征。 因此，响应三维空间磁场的三维磁传感器由各方向立体配置多个元件构成。 另一方面，该结构对检测位置的正确性和小型化有限制。

[1] Y. Satake et al., Sci. Rep. 9, 3282 (2019).

[2] J. Shiogai et al., Appl. Phys. Express 12, 123001 (2019).

[3] J. Shiogai et al., Extended Abstracts of the 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2021), I-5-06, pp. 510-511, Sep. 2021 (Virtual conference).

〇成果的内容

本研究组将使用溅射法(在真空中使用等离子体制作薄膜的技术)在蓝宝石单晶基板上堆积的Fe-Sn纳米晶和SiOx盖层※4的薄膜层叠结构[图1(a ) ]制成宽10 μm的孔条状[图1(b ) ]，对磁场中的电阻特性进行了评价。

为了三维地检测磁场矢量，需要分别独立决定其大小、天顶角及方位角[图1(c ) ]。 在Fe-Sn霍尔棒元件中，霍尔电阻显示出与磁场的z轴成分(相对于试样为面垂直方向)成比例的输出，因此表明可以唯一地检测磁场的天顶角[图2(a ) ]。 另外还发现，本元件的纵向电阻表现出相对于磁场方位角呈360度对称的单向磁阻效应[图2(b ) ]。 另外，实验还证明，通过与铁磁性金属的磁阻效应之一的180度对称各向异性磁阻效应组合，[图2(c ) ]可以唯一地确定方位角。

由于磁场的大小可以根据纵向电阻的磁阻效应的大小求出，因此明确了通过同时测量本元件的霍尔电阻和纵向电阻，可以使用平面型单一元件唯一地确定三维磁场矢量。

图1: (a )本研究使用的Fe-Sn薄膜层叠结构的截面图，( b )元件结构和电阻测量的配置图。 ( c )磁场矢量的示意图。

图1: (a )本研究使用的Fe-Sn薄膜层叠结构的截面图，( b )元件结构和电阻测量的配置图。 ( c )磁场矢量的示意图。

图2: (a )异常霍尔效应的天顶角依赖性、( b )单向磁阻效应和( c )各向异性磁阻效应的方位角依赖性。

〇意义·课题·展望 通过使用强磁性体的层叠结构，使用与以往具有代表性的磁性传感器半导体霍尔元件和磁阻效应元件的工作原理不同的机构，实现了基于单一元件的三维磁场矢量检测。 由此，与立体配置多个元件的以往元件相比，可以实现更有利于集成化的平面型三维磁传感器。 本成果在提示磁传感器集成化新的设计方针的同时，还期待着今后利用同样工作原理的元件开发和传感器材料开发的加速。

〇発表論文

杂志名称：Communications Materials

英文标题 ：Three-dimensional sensing of the magnetic-field vector by a compact planar-type Hall device

所有作者:：Junichi Shiogai, Kohei Fujiwara, Tsutomu Nojima, and Atsushi Tsukazaki DOI：10.1038/s43246-021-00206-2

○ 专业用语解说

※1 异常霍尔效应·半导体霍尔元件

在电流沿电流流过的试料(导电体)的x方向流过的状态下，沿z方向施加磁场时，电子的运动方向因洛伦兹力而弯曲，在y方向产生电动势(霍尔电压)的现象称为正常霍尔效应。 在半导体中，由于该正常霍尔效应比较大，因此利用该效应的半导体霍尔元件被广泛用作磁传感器。 在磁性体中，再加上磁化的作用，被称为异常霍尔效应。 产生与磁化z分量成比例的霍尔电压。 由于Fe-Sn纳米晶显示出与半导体正常霍尔效应相匹敌的巨大异常霍尔效应，因此有望作为磁传感器的材料。

※2 磁阻效应·磁阻效应元件

导电体的纵向电阻随外部磁场的大小和角度而变化的现象。 已知在磁性体的层叠结构中，磁化方向响应外部磁场而反转时，会表现出较大的磁阻效应(巨大磁阻效应)。 利用这种磁阻效应检测磁场大小和角度的磁传感器称为磁阻效应元件。

※3 单向磁阻效应·各向异性磁阻效应

单向磁阻效应是在导电体的x方向流过电流的状态下，纵向电阻对磁场方向或磁化方向的方位角呈360度周期依赖性的磁阻效应。 另一方面，各向异性磁阻效应显示出纵向电阻对180度周期的依赖性。 因此，仅靠各向异性磁阻效应很难唯一地确定方位角。

※4 SiOx复盖层

是指堆积Fe-Sn纳米结晶薄膜后，为了防止Fe-Sn层在大气中劣化而设置的氧化硅( SiOx )层。 SiOx层是绝缘体，不导电，在大气中具有很高的稳定性。 因此，试料的层叠结构为Al2O3(蓝宝石)基板/Fe-Sn层/SiOx盖层的三层结构。

〇联合研究机构和资助

本研究是在JST CREST“拓扑功能界面的创造”(研究代表者:冢崎敦，课题编号: JPMJCR18T2 )、东北大学金属材料研究所附属新材料共同研究开发中心(课题编号: 19G0410 )的支持下进行的。