CN101520493B

CN101520493B - 薄膜磁传感器

Info

Publication number: CN101520493B
Application number: CN2009100076207A
Authority: CN
Inventors: 小山惠史
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: DE102009007479A1; JP2009204435A; US20090212770A1; DE102009007479B4; US7683612B2; CN101520493A; JP5151551B2

Abstract

一种薄膜磁传感器，其包括：GMR膜，该GMR膜具有巨磁电阻效应；以及薄膜磁轭，该薄膜磁轭由软磁材料形成并且被电连接到GMR膜的两端；其中，薄膜磁轭具有感磁方向上的去磁系数为N_L的高灵敏度部分和感磁方向上的去磁系数为N_H的低灵敏度部分，该低灵敏度部分与该高灵敏度部分串联地电连接，且N_H＞N_L。

Description

薄膜磁传感器

技术领域

本发明涉及一种薄膜磁传感器。更具体地，本发明涉及一种适于检测如汽车车轴、旋转编码器和工业齿轮等的转动信息；适于检测如液压缸/气压缸的冲程位置、机床的滑块等的位置信息和速度信息；适于检测如工业焊接机器人的电弧电流等的电流信息；并且适于几何方向罗盘(geometric direction compass)的薄膜磁传感器。

背景技术

磁传感器是一种用于借助于磁场将如电流、电压、电功率、磁场或磁通量等电磁力的检测量；如位置、速度、加速度、位移、距离、张力、压力、扭矩、温度或湿度等力学量的检测量；以及生物化学量的检测量转化成电压的电子器件。取决于对磁场的检测方法，将磁传感器分类为霍尔传感器、各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto-Resistance，AMR)传感器、巨磁电阻(Giant Magneto-Resistance，GMR)传感器等。

在上述磁传感器中，GMR传感器的优点在于：

(1)与AMR传感器相比，GMR传感器的比电阻(specificelectric resistivity)的变化率，即MR比(MR比＝Δρ/ρ₀，(Δρ＝ρ_H-ρ₀)，其中，ρ_H是在外部磁场H的情况下的比电阻，ρ₀是在外部磁场为零的情况下的比电阻)具有非常大的最大值。

(2)与霍尔传感器相比，GMR传感器的电阻值的温度变化小；以及

(3)由于具有巨磁电阻效应的材料是薄膜材料，因此，GMR传感器适于微型化。因此，希望将GMR传感器应用于在计算机、电功率设备、汽车、家用设备和便携式设备等中使用的高灵敏度的微磁传感器。

已知显示出GMR效应的材料包括：人工晶格(artificiallattice)，该人工晶格由具有如坡莫合金等铁磁层并且具有如Cu、Ag、Au等非磁性层的多层膜形成，或者由具有反铁磁层、铁磁层(固定层)、非磁性层和铁磁层(自由层)的四层结构(所谓的“自旋阀”)的多层膜形成；金属-金属基纳米颗粒材料，该金属-金属基纳米颗粒材料具有由如坡莫合金等铁磁金属形成的纳米尺寸的微粒并且具有由如Cu、Ag、Au等非磁性金属形成的晶界相(grain boundary phase)；由自旋相关的隧道效应引起MR(磁电阻)效应的隧道结膜；以及金属-绝缘体基纳米颗粒材料，该金属-绝缘体基纳米颗粒材料具有由铁磁金属合金形成的纳米尺寸的微粒并且具有由非磁性的绝缘材料形成的晶界相。

在上述显示出GMR效应的材料中，由自旋阀典型地代表的多层膜通常具有在低磁场中的高灵敏度的特征。然而，为了制备该多层膜，必须以高精度层叠由各种材料形成的薄膜，结果，稳定性较差并且产量较低，制造成本的降低受到限制。因此，这种多层膜仅被用于如硬盘用的磁头等高附加值的装置，并且认为难以将这种多层膜应用到被迫与具有低单价的AMR传感器或霍尔传感器在价格上竞争的磁传感器。此外，由于在多层膜的各层之间趋于产生扩散，并且GMR效应趋于丧失，因此，该多层膜具有耐热性差的明显缺点。

另一方面，纳米颗粒材料通常易于制造，并且具有优良的再现性。因此，当将纳米颗粒材料应用到磁传感器时，该纳米颗粒材料能够降低磁传感器的成本。特别地，纳米颗粒材料具有如下优点：

(1)当使组成最优化时，金属-绝缘体基纳米颗粒材料显示出在室温下超过10％的高MR比；

(2)由于金属-绝缘体基纳米颗粒材料的比电阻ρ极高，因此，金属-绝缘体基纳米颗粒材料能够同时实现磁传感器的微型化和降低磁传感器的电功率消耗；以及

(3)与包括耐热性差的反铁磁膜的自旋阀膜不同，金属-绝缘体基纳米颗粒材料甚至可以在高温环境下使用。

然而，金属-绝缘体基纳米颗粒材料的问题在于：在低磁场中，磁场的灵敏度很低。

为了克服上述问题，日本待审专利公报No.H11(1999)-087804说明了如下方案：在巨磁电阻薄膜的两端布置软磁薄膜，从而提高巨磁电阻薄膜的磁场灵敏度。此外，该专利文献还说明了薄膜磁传感器的制造方法，在该方法中，在基板上形成2μm厚度的坡莫合金薄膜(软磁膜)，使用离子束蚀刻设备在坡莫合金薄膜形成宽度为大约9μm的间隙，以及在该间隙层叠具有Co_38.6Y_41.0O_47.4组分的纳米颗粒GMR膜。

此外，日本待审专利公报No.H11(1999)-274599说明了如下方案：为了进一步提高软磁薄膜被布置在巨磁电阻薄膜的两端的薄膜磁电阻器件的磁场灵敏度，使巨磁电阻薄膜的厚度小于或等于软磁薄膜的厚度。

[专利文献1]日本待审专利公报No.H11(1999)-087804

[专利文献2]日本待审专利公报No.H11(1999)-274599

具有大饱和磁化强度和高磁导率的软磁材料具有极高的磁场灵敏度，并在较低的外部磁场下显示出极大的磁化。因此，当使由软磁材料形成的薄膜磁轭接近GMR膜的两端时，外部磁场被薄膜磁轭放大，并且外部磁场的100倍至10000倍的高磁场作用在GMR膜上。结果，能够明显地提高GMR膜的磁场灵敏度。

此外，GMR膜中产生的磁场的强度还取决于薄膜磁轭的形状。薄膜磁轭的形状越细长，GMR膜中产生的磁场越强。这是因为通过使薄膜磁轭的形状细长化来减小感磁方向(magneticsensitive direction)的去磁场。“感磁方向”是指GMR膜的磁场灵敏度最大化时外部磁场的施加方向。

在检测器件被正交配置的情况下，磁传感器通常形成为桥或者半桥。此外，该磁传感器通常被选择为能够在使用磁场的范围内获得线性输出特性。由于取决于用于GMR膜的材料的物理性质确定使用GMR膜的磁传感器的最大输出，因此，由薄膜磁轭的形状磁各向异性(去磁场)确定磁场检测灵敏度。因此，在宽磁场范围中使用的情况下，磁场分辨率(magnetic fieldresolution)恶化很多。相反，由于低磁场使优良磁场分辨率的传感器饱和，因此，只能在微小磁场范围内使用该传感器。

例如，在测量磁性材料的磁特性的情况下，期望粗略地测定磁化饱和的高磁场区域，并且期望精确地测定磁化强度急剧变化的矫顽力(coercive force)附近区域。对于这种情况下的磁场的测量，必须使用两种磁传感器、即组合使用高磁场用传感器和低磁场用传感器。然而，使用两种类型的传感器不是优选的。这是因为需要两倍以上的安装空间，这使微小区域的磁场测量困难。从考虑成本的角度出发这也不是优选的。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种能够以适当的分辨率同时测量高磁场和低磁场二者的使用GMR膜的薄膜磁传感器。

本发明的用于克服上述问题的一方面提供一种薄膜磁传感器，其包括：

GMR膜，该GMR膜具有巨磁电阻效应；以及

薄膜磁轭，该薄膜磁轭由软磁材料形成并且被电连接到GMR膜的两端；

其中，薄膜磁轭具有感磁方向上的去磁系数为N_L的高灵敏度部分和感磁方向上的去磁系数为N_H的低灵敏度部分，该低灵敏度部分与该高灵敏度部分串联地电连接，且N_H＞N_L。

在对薄膜磁轭布置高灵敏度部分和低灵敏度部分并且使这两部分串联地电连接的情况下，当低磁场作用时，磁通量仅流入到高灵敏度部分。此外，在高灵敏度部分，由于去磁系数N_L较小，因此，用小磁场H使磁化饱和。结果，能够高精度地测量低磁场区域的磁特性。

另一方面，当高磁场作用时，磁通量也流入到低灵敏度部分。另外，在低灵敏度部分，由于去磁系数N_H较大，因此，磁电阻MR相对于磁场H的倾斜度减小，必须由较大的磁场H使磁化饱和。结果，能够在宽范围上测量高磁场区域。

附图说明

图1的(a)是根据本发明的第一实施方式的薄膜磁传感器的平面图，图1的(b)是低灵敏度传感器的平面图，图1的(c)是高灵敏度传感器的平面图；

图2是根据本发明的第二实施方式的薄膜磁传感器的平面图；

图3是根据本发明的第三实施方式的薄膜磁传感器的平面图；

图4是示出图1的(a)所示的薄膜磁传感器的MR特性的图；

图5是示出图2所示的薄膜磁传感器的MR特性的图；

图6是示出图3所示的薄膜磁传感器的MR特性的图。

具体实施方式

以下将借助于本发明的实施方式来具体说明本发明。

(1.薄膜磁传感器)

根据本发明的薄膜磁传感器具有GMR膜和薄膜磁轭，该GMR膜具有巨磁电阻效应，该薄膜磁轭由软磁材料形成并且被电连接到GMR膜的两端。

(1.1)GMR膜

GMR膜用于感测外部磁场的变化作为电阻R的变化，结果，检测外部磁场的变化作为电压的变化，并且该GMR膜由具有巨磁电阻(GMR)效应的材料形成。为了以高灵敏度检测出外部磁场的变化，优选GMR膜的MR比的绝对值较大。具体地，GMR膜的MR比的绝对值优选为5％以上，更优选为10％以上。

此外，由于GMR膜直接与薄膜磁轭电连接，因此，使用比电阻ρ比薄膜磁轭的比电阻高的GMR膜。通常，当GMR膜的比电阻ρ过小时，由于在薄膜磁轭之间引起电短路，所以该GMR膜不是优选的。另一方面，当GMR膜的比电阻ρ过高时，噪声增大，并且难以检测外部磁场的变化作为电压的变化。具体地，GMR膜的比电阻ρ优选为10³μΩcm以上且10¹²μΩcm以下，更优选为10⁴μΩcm以上且10¹¹μΩcm以下。

虽然存在多种材料满足上述条件，但是，在这些材料中，上述金属-绝缘体基纳米颗粒材料是特别适合的。金属-绝缘体基纳米颗粒材料不仅具有高MR比和高比电阻ρ，而且成分稍微波动不会引起MR比大波动。因此，存在能够以优良的再现性和低成本制造具有稳定磁特性的薄膜的优点。

用于GMR膜的金属-绝缘体基纳米颗粒材料如下：

(1)如Co-Y₂O₃型纳米颗粒合金、Co-Al₂O₃型纳米颗粒合金、 Co-Sm₂O₃型纳米颗粒合金、Co-Dy₂O₃型纳米颗粒合金和FeCo-Y₂O₃型纳米颗粒合金等氧化物型纳米颗粒合金；以及

(2)如Fe-MgF₂、FeCo-MgF₂、Fe-CaF₂和FeCo-AlF₃等氟化物型纳米颗粒合金。

GMR膜的形状和尺寸不受特别限制，GMR膜的形状和尺寸被确定为使得获得目标磁场灵敏度。通常，电阻值与电阻的长度成正比而与电阻的截面积成反比。因此，GMR膜的电阻R会随着厚度的减小、随着长度的变长、或者随着横向宽度的变窄而增加。通过增大电阻R，能够降低器件的功率消耗。然而，当GMR的电阻R过大时，相对于放大器有时可能发生阻抗失配。

(1.2薄膜磁轭)

薄膜磁轭隔着间隙(gap)相对，GMR膜与薄膜磁轭在间隙内或者在间隙附近电连接。

这里，“间隙附近”是指受到薄膜磁轭的顶端处产生的大的放大磁场的影响的区域。由于在薄膜磁轭之间产生的磁场在间隙内最大，因此，最优选将GMR膜布置在间隙内。然而，当作用在GMR膜上的磁场在实际应用中充分大时，GMR膜也可以全部或者部分地位于间隙之外(例如，在薄膜磁轭的上表面侧或者在薄膜磁轭的下表面侧)。

薄膜磁轭用于提高GMR膜的磁场灵敏度并且由软磁材料形成。为了获得对低磁场的高磁场灵敏度，薄膜磁轭优选使用具有高磁导率μ和/或高饱和磁化强度Ms的材料。具体地，磁导率μ优选为100以上，更优选为1000以上。此外，饱和磁化强度Ms优选为5(k Gauss(千高斯))以上，更优选为10(k Gauss)以上。

作为用于薄膜磁轭的材料，坡莫合金(40％至90％的Ni-Fe 合金)、sendust(Fe₇₄Si₉Al₁₇)(“sendust”是商标)、HARDPERM(Fe₁₂Ni₈₂Nb₆)(“HARDPERM”是商标)、Co₈₈Nb₆Zr₆无定形合金、(Co₉₄Fe₆)₇₀Si₁₅B₁₅无定形合金、FINEMET(Fe_75.6Si_13.2B_8.5Nb_1.9Cu_0.8)(“FINEMET”是商标)、nanomax(Fe₈₃HF₆C₁₁)(“nano max”是商标)、Fe₈₅Zr₁₀B₅合金、Fe₉₃Si₃N₄合金、Fe₇₁B₁₁N₁₈合金、Fe_71.3Nd_9.6O_19.1纳米颗粒合金、Co₇₀Al₁₀O₂₀纳米颗粒合金、Co₆₅Fe₅Al₁₀O₂₀合金等是适合的。

薄膜磁轭具有放大外部磁场和提高GMR膜的磁场灵敏度的作用。不仅通过薄膜磁轭的材料能够增强放大作用，而且通过使薄膜磁轭的形状最优化也能增强放大作用。

此外，当使薄膜磁轭的形状最优化并且在薄膜磁轭设置高灵敏度部分和低灵敏度部分时，可以获得能够精确地测量低磁场区域并且能够在宽范围上粗略地测量高磁场区域的磁传感器。

这里，“高灵敏度部分”是指感磁方向的去磁系数N_L小于低灵敏度部分的感磁方向的去磁系数的区域。通常，与垂置于感磁方向的方向的长度相比，去磁系数能够随着与感磁方向平行的方向的长度的增加而减小。因此，为了形成高灵敏度部分，只要在薄膜磁轭的任意部分存在沿感磁方向延伸的纵向长部分即可。可以布置一个或多个纵向长部分。通过使纵向长部分的形状、数量等最优化，能够控制低磁场区域的灵敏度。

“低灵敏度部分”是指感磁方向的去磁系数N_H高于高灵敏度部分的感磁方向的去磁系数(N_H＞N_L)的区域。只要低灵敏度部分与高灵敏度部分串联地电连接即可。当沿与感磁方向相交叉的方向延伸的横向长部分被形成在构成高灵敏度部分的纵向长部分的任意部分时，横向长部分起到低灵敏度部分的功能。优选沿与感磁方向垂直的方向形成横向长部分。可以布置一个或多个横向长部分。通过使横向长部分的形状、数量等最优化，能够控制高磁场区域的灵敏度。

(2．具体实施例)

(2．1具体实施例(1))

图1的(a)示出根据本发明的薄膜磁传感器的第一具体实施例。在图1的(a)中，薄膜磁传感器10具有GMR膜12和薄膜磁轭14，该GMR膜12具有巨磁电阻效应，该薄膜磁轭14由软磁材料形成并且被电连接到GMR膜12的两端。薄膜磁轭14均具有T字形状，并且借助于T字形状的横向棒部(lateral bar portion)与GMR膜12电连接。可以根据目的任意选择薄膜磁轭14中的每一方的总长度L₁、横向棒部的长度L₂、纵向棒部的宽度W₁、横向棒部的宽度W₂。通过使薄膜磁轭14的尺寸最优化，能够控制低磁场区域的灵敏度和高磁场区域的灵敏度。

可以认为，图1的(a)中示出的薄膜磁传感器10具有图1的(b)中示出的低灵敏度传感器10a和图1的(c)中示出的高灵敏度传感器10b，低灵敏度传感器10a和高灵敏度传感器10b被相互串联地电连接。

也就是说，在高灵敏度传感器10b中，由于电连接到GMR膜12b的两端的薄膜磁轭14b中的每一方均具有相对宽度W₁较长的长度L 1，因此，薄膜磁轭14b中的每一方均具有较小的去磁系数N_L。因此，薄膜磁轭14b中的每一方均具有对外部磁场的大的放大作用，并且由较低的外部磁场使磁化饱和。

另一方面，在低灵敏度传感器10a中，由于电连接到GMR膜12a的两端的薄膜磁轭14a中的每一方均具有相对宽度W₂较短的长度L2，因此，薄膜磁轭14a中的每一方均具有较大的去磁系数N_H。因此，薄膜磁轭14a中的每一方均具有对外部磁场的小的放大作用，并且必须由较大的外部磁场使磁化饱和。

当低磁场作用在低灵敏度传感器10a和高灵敏度传感器10b被相互串联地电连接的薄膜磁传感器10上时，仅由薄膜磁轭14的纵向棒部(纵向长部分)放大的外部磁场作用在GMR膜12上。也就是说，在薄膜磁传感器10中，仅高灵敏度传感器10b起到传感器的功能。因此，能够高精度地测量低磁场区域。

另一方面，当高磁场作用在薄膜磁传感器10上时，不仅由薄膜磁轭14的纵向棒部放大的外部磁场作用在GMR膜12上，而且由薄膜磁轭14的横向棒部(横向长部分)放大的外部磁场也作用在GMR膜12上。也就是说，在薄膜磁传感器10中，不仅高灵敏度传感器10b起到传感器的功能，而且低灵敏度传感器10a也起到传感器的功能。因此，能够在宽范围上测量高磁场区域。

在图1的(a)示出的薄膜磁传感器10中，虽然薄膜磁轭14中的每一方均具有T字形状，但是，由纵向棒部位于任一侧的L字形状也能获得基本相同的效果。此外，当布置两个以上的纵向棒部时，能够获得具有与纵向棒部的尺寸对应的灵敏度的薄膜磁传感器。

此外，虽然可以单独使用图1的(a)示出的薄膜磁传感器10，也可以电连接多个薄膜磁传感器10，并且可以使用该多个薄膜磁传感器10。

例如，可以串联连接两个薄膜磁传感器10，并且两个薄膜磁传感器10可以被布置成使得两个薄膜磁传感器10的感磁轴彼此交叉(半桥)。利用这种构成，能够不受由于温度导致的基准电位的变动的影响而通过测量中性点电位来检测外部磁场。

此外，可以通过利用例如四个薄膜磁传感器10构成桥接电路(全桥)。当构成桥接电路时，通过取中性点电位的差分，能够使输出是使用两个薄膜磁传感器10的情况的两倍。

(2．2具体实施例(2))

图2示出根据本发明的薄膜磁传感器的第二具体实施例。在图2中，薄膜磁传感器20具有GMR膜22和薄膜磁轭24，该GMR膜22具有巨磁电阻效应，该薄膜磁轭24由软磁材料形成并且被电连接到GMR膜22的两端。薄膜磁轭24中的每一方均具有宽度与GMR膜22的宽度相同的矩形形状，并且在与感磁方向交叉的方向上形成多个切口24a。

“切口”是指通过切除薄膜磁轭的一部分使得薄膜磁轭被分成高灵敏度区域和低灵敏度区域而形成的部分。

切口包括例如：

(1)通过以预定宽度切除薄膜磁轭而形成的切口(缝)；

(2)通过以楔形形状切除薄膜磁轭而形成的切口；

(3)用于在薄膜磁轭中形成台阶的切口；以及

(4)用于以凹状形状切除薄膜磁轭的切口。

可以布置一个或两个以上的上述切口。在设置多个切口24a的情况下，各切口24a的距离和宽度可以彼此相同或者彼此不同。此外，虽然只要切口24a被布置成与感磁方向交叉即可，但是，优选在与感磁方向垂直的方向上布置切口24a。

在图2示出的实施例中，在薄膜磁轭24的左右布置在与感磁方向垂直的方向上均具有预定宽度的多个切口24a。

薄膜磁轭24对应于图1的(a)中示出的薄膜磁传感器10的T字形状的薄膜磁轭14的多个横向长部分被进一步接合到纵向棒部(纵向长部分)的薄膜磁轭。

也就是说，在薄膜磁轭24的中央部(纵向长部分)，软磁材料沿着感磁方向连续并且处于磁连接的状态。由于薄膜磁轭24的中央部具有比宽度W₁长的长度L₁，因此，薄膜磁轭24的中央部具有较小的去磁系数N_L。因此，薄膜磁轭24的中央部具有对外部磁场的大的放大作用，并且由较小的外部磁场使磁化饱和。

另一方面，在薄膜磁轭24的两端，软磁材料沿着感磁方向不连续，而是被切口24a隔开。由于从中央部向左右延伸的横向长部分具有比宽度W₂短的长度L₂，另外，由于横向长部分之间的部分被均具有长度L₃×宽度W₃的切口24a隔开，因此，薄膜磁轭24的两端具有较大的去磁系数N_H。因此，薄膜磁轭24的两端具有对外部磁场的小的放大作用，并且必须由较大的外部磁场使磁化饱和。

当低磁场作用在该薄膜磁传感器20上时，唯一地仅由薄膜磁轭24的中央部(纵向长部分)放大的外部磁场作用在GMR膜22上。因此，能够高精度地测量低磁场区域。

另一方面，当高磁场作用在薄膜磁传感器20上时，磁通量也流入到向两端延伸的横向长部分。流入到横向长部分的磁通量被泄漏到切口24a，并且泄漏的磁通量的一部分流入到相邻的横向长部分。因此，当高磁场作用在薄膜磁传感器20上时，不仅由薄膜磁轭24的中央部放大的外部磁场作用在GMR膜22上，而且由位于两端的被切口24a隔开的横向长部分放大的外部磁场也作用在GMR膜22上。因此，能够在宽范围上测量高磁场区域。

在图2示出的薄膜磁传感器20中，虽然薄膜磁轭24在中央部具有一个纵向长部分，但是，可以布置两个以上的纵向长部分(例如，在两端设置纵向长部分或者在两端和中央部设置纵向长部分的情况)。在这种情况下，当使纵向长部分的尺寸最优化时，能够获得具有与尺寸对应的灵敏度的薄膜磁传感器。

图2中示出的薄膜磁传感器20可以单独使用，或者也可以构成半桥或者全桥。

(2．3具体实施例(3))

图3示出了根据本发明的薄膜磁传感器的第三具体实施例。在图3中，薄膜磁传感器30具有GMR膜32和薄膜磁轭34，该GMR膜32具有巨磁电阻效应，该薄膜磁轭34由软磁材料形成并且被电连接到GMR膜32的两端。薄膜磁轭34中的每一方均具有宽度比GMR膜32的宽度宽的矩形形状，在薄膜磁轭34中，在与感磁方向交叉的方向上形成多个切口34a。

在图3示出的实施例中，薄膜磁轭34的中央部(纵向长部分)的横向宽度与GMR膜32的横向宽度大致相等。此外，切口34a中的每一方均具有楔形形状，并且楔形的顶端具有圆弧形状。此外，沿与感磁方向垂直的方向延伸的横向长部分的顶端也具有圆弧形状。

薄膜磁轭34的其它构成与图2中示出的薄膜磁传感器20中的相同。

在薄膜磁轭34的中央部(纵向长部分)中，软磁材料沿着感磁方向连续并且处于磁连接的状态。由于薄膜磁轭34的中央部具有比宽度W₁长的长度L₁，因此，薄膜磁轭34的中央部具有较小的去磁系数N_L。因此，薄膜磁轭34的中央部具有对外部磁场的大的放大作用，并且由较小的外部磁场使磁化饱和。

另一方面，在薄膜磁轭34的两端，软磁材料沿着感磁方向不连续，而是被切口34a隔开。由于从中央部向左右延伸的横向长部分具有比宽度W2短的长度L₂，另外，由于横向长部分之间的部分被楔形形状的切口34a隔开，因此，薄膜磁轭34的两端具有较大的去磁系数N_H。因此，薄膜磁轭34的两端具有对外部磁场的小的放大作用，并且必须由较大的外部磁场使磁化饱和。

当低磁场作用在该薄膜磁传感器30上时，唯一地仅由薄膜磁轭34的中央部(纵向长部分)放大的外部磁场作用在GMR膜32上。因此，能够高精度地测量低磁场区域。

另一方面，当高磁场作用在薄膜磁传感器30上时，磁通量也流入到向两端延伸的横向长部分。流入到横向长部分的磁通量被泄漏到切口34a，泄漏的磁通量的一部分流入到相邻的横向长部分。因此，当高磁场作用在薄膜磁传感器30上时，不仅由薄膜磁轭34的中央部放大的外部磁场作用在GMR膜32上，而且由位于两端的被切口34a隔开的横向长部分放大的外部磁场也作用在GMR膜32上。因此，能够在宽范围上测量高磁场区域。

在图3示出的薄膜磁传感器30中，虽然在薄膜磁轭34的中央部存在一个纵向长部分，但是，可以布置两个以上的纵向长部分。在这种情况下，当使纵向长部分的尺寸最优化时，能够获得具有与尺寸对应的灵敏度的薄膜磁传感器。

此外，图3示出的薄膜磁传感器30可以单独使用，或者也可以构成半桥或者全桥。

(3．薄膜磁传感器的制造方法)

能够通过使用光刻(photolithography)技术以预定顺序叠层各薄膜来获得根据本发明的薄膜磁传感器。

在这种情况下，作为形成各薄膜的方法，可以使用如电镀；CVD；例如溅射、真空气相沉积等各种PVD等已知方法。

此外，可以通过以下方法制造具有预定形状的薄膜：

(1)在基板的整个表面上形成具有预定组成的薄膜，通过蚀刻(例如，Ar离子束蚀刻、化学湿蚀刻、反应蚀刻等)根据预定的形状图案去除薄膜的不需要的部分的方法，或者

(2)通过利用光阻材料等在基板表面上形成具有预定形状图案的掩模，在掩模的整个表面上形成具有预定组分的薄膜，然后去除掩模的方法。

(4．薄膜磁传感器的动作)

在对薄膜磁轭设置高灵敏度部分和低灵敏度部分并且使这两部分串联地电连接的情况下，当低磁场作用时，磁通量仅流入到高灵敏度部分。另外，在高灵敏度部分，由于去磁系数N_L较小，因此，由低磁场H使磁化饱和。结果，能够高精度地测量低磁场区域的磁特性。

另一方面，当高磁场作用时，磁通量也流入到低灵敏度部分。另外，在低灵敏度部分，由于去磁系数N_H较大，因此，磁电阻MR相对于磁场H的倾斜度减小，并且必须由较高磁场H使磁化饱和。结果，能够在宽范围上测量高磁场区域。

(实施例1)

制造图1所示的薄膜磁传感器10，并且评价MR特性。将FeCo-MgF₂纳米颗粒合金用于GMR膜12，将(Co₉₄Fe₆)₇₀Si₁₅B₁₅无定形合金用于薄膜磁轭14。

此外，薄膜磁轭14的各部分的尺寸如下所述。

薄膜磁轭14的全长L₁×纵向棒部的宽度W₁：150μm×20μm。

横向棒部的长度L₂×横向棒部的宽度W₂：20μm×150μm。

图4示出所获得的薄膜磁传感器的MR特性。从图4中可以看出，|H|≤10(Oe)的低磁场区域的倾斜度大，|H|>10(Oe)的高磁场区域的倾斜度小。这表明能够高精度地测量磁场中的低场磁区域并且能够粗略地但是在宽范围上测量磁场中的高磁场区域。

(实施例2)

制造图2所示的薄膜磁传感器20，并且评价MR特性。将FeCo-MgF₂纳米颗粒合金用于GMR膜22，将(Co₉₄Fe₆)₇₀Si₁₅B₁₅无定形合金用于薄膜磁轭24。

此外，薄膜磁轭24的各部分的尺寸如下所述。

薄膜磁轭24的全长L ₁×纵向长部分的宽度W₁：150μm×10μm。

横向长部分的长度L₂×横向长部分的宽度W₂：15μm×20μm。

切口长度L₃×切口宽度W₃：5μm ×1μm。

图5示出所获得的薄膜磁传感器的MR特性。从图5中可以看出，|H|≤5(Oe)的低磁场区域的倾斜度大，|H|>5(Oe)的高磁场区域的倾斜度小。这表明能够高精度地测量磁场中的低场磁区域并且能够粗略地但是在宽范围上测量磁场中的高磁场区域。

(实施例3)

制造图3所示的薄膜磁传感器30，并且评价MR特性。将FeCo-MgF₂纳米颗粒合金用于GMR膜32，将(Co₉₄Fe₆)₇₀Si₁₅B₁₅无定形合金用于薄膜磁轭34。

此外，薄膜磁轭34的各部分的尺寸如下所述。

薄膜磁轭34的全长L ₁×纵向长部分的宽度W₁：150μm×20μm。

横向长部分的长度L₂×横向长部分的宽度W₂：40μm×100μm。

图6示出所获得的薄膜磁传感器的MR特性。从图6中可以看出，|H|≤5(Oe)的低磁场区域的倾斜度大，|H|>5(Oe)的高磁场区域的倾斜度小。这表明能够高精度地测量磁场中的低磁场区域并且能够粗略地但是在宽范围上测量磁场中的高磁场区域。

虽然已借助于优选实施方式具体说明了本发明，但是，本发明不限于上述实施方式，在不背离本发明的主旨的范围内，可以对本发明进行各种修改。

产业上的可利用性

根据本发明的薄膜磁传感器可以用于检测如汽车车轴、旋转编码器和工业齿轮等的转动信息；检测如液压缸/气压缸的冲程位置、机床的滑块等的位置信息和速度信息；检测如工业焊接机器人的电弧电流等电流信息；并且可以用于几何磁方向罗盘等。

此外，虽然具有GMR膜和布置在GMR膜的两端的薄膜磁轭的磁电阻器件特别适合作为磁传感器，但是，磁电阻器件的用途不限于此，该磁电阻器件可以被用作磁存储器、磁头等。

Claims

1.一种薄膜磁传感器，其包括：

GMR膜，该GMR膜具有巨磁电阻效应；以及

薄膜磁轭，该薄膜磁轭由软磁材料形成并且被电连接到所述GMR膜的两端；

其中，所述薄膜磁轭具有感磁方向上的去磁系数为N_L的高灵敏度部分和所述感磁方向上的去磁系数为N_H的低灵敏度部分，所述低灵敏度部分与所述高灵敏度部分串联地电连接，且N_H＞N_L。

2.根据权利要求1所述的薄膜磁传感器，其特征在于，

所述高灵敏度部分具有沿所述感磁方向延伸的一个以上的纵向长部分；并且

所述低灵敏度部分具有沿与所述感磁方向交叉的方向从所述纵向长部分延伸的一个以上的横向长部分。

3.根据权利要求2所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭具有T字形状，并且借助于T字形状的横向棒部使所述薄膜磁轭与所述GMR膜电连接。

4.根据权利要求2所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭具有矩形形状并且在与所述感磁方向交叉的方向上形成有一个以上的切口。

5.根据权利要求4所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭的宽度与所述GMR膜的宽度相同。

6.根据权利要求4所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭的宽度比所述GMR膜的宽度大。

7.根据权利要求1所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭具有T字形状并且借助于T字形状的横向棒部使所述薄膜磁轭与所述GMR膜电连接。

8.根据权利要求1所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭具有矩形形状并且在与所述感磁方向交叉的方向上形成有一个以上的切口。

9.根据权利要求8所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭的宽度与所述GMR膜的宽度相同。

10.根据权利要求8所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述薄膜磁轭的宽度比所述GMR膜的宽度大。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的薄膜磁传感器，其特征在于，所述GMR膜由金属-绝缘体基纳米颗粒材料形成。