DE102022106002A1

DE102022106002A1 - Magnetsensor und magnetsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102022106002A1
Application number: DE102022106002.0A
Authority: DE
Inventors: Isao Kabe; Hiroyuki Tomita
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2022-09-29
Also published as: CN115128521A; US20220308127A1; US11719768B2

Abstract

Ein Magnetsensor 10 weist auf: ein nicht-magnetisches Substrat 11; einen sensitiven Stromkreis 12, der auf einer Oberfläche des Substrats 11 ausgebildet ist und einen sensitiven Teil 121 aufweist, der ein Magnetfeld mittels Magnetimpedanzeffekt wahrnimmt; ein Anschlussteil 13a und ein Anschlussteil 13b, die mit den jeweiligen beiden Endabschnitten des sensitiven Stromkreises 12 verbunden sind; und ein leitendes Rückführelement, das einen Endabschnitt aufweist, der mit dem Anschlussteil 13a verbunden ist, wobei das Rückführelement zurück zu dem Anschlussteil 13b führt.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor und eine Magnetsensorvorrichtung.
Stand der Technik
Als relevanter Stand der Technik ist in einer Zeitschrift ein magnetisches Impedanzelement beschrieben, das ein Substrat aus einem nichtmagnetischen Material, einen auf dem Substrat gebildeten magnetischen Dünnschichtkern und eine erste und zweite Elektrode, die auf beiden Enden des magnetischen Dünnschichtkerns in einer Längsrichtung ausgebildet sind, aufweist, wobei mindestens zwei magnetische Dünnschichtkerne parallel und elektrisch miteinander in Serie verbunden sind (siehe Veröffentlichungsschrift der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2000 - 292506 ).
In einem Magnetsensor, der einen sensitiven Teil nutzt, um ein Magnetfeld mittels Magnetimpedanzeffekt zu erfassen, und einer Magnetsensorvorrichtung, welche den Magnetsensor aufweist, wird eine Impedanzänderung durch einen Detektionsteil detektiert wird und in die magnetische Feldstärke umgewandelt wird. Da allerdings die Leitung, die den Magnetsensor und den Detektionsteil verbindet, ebenfalls Impedanz aufweist, ist, wenn die Impedanz der Leitung groß ist, die Änderungsrate der durch das Magnetfeld verursachten Impedanz verringert und dadurch ist die Sensitivität verschlechtert.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Empfindlichkeit bzw. Sensitivität eines Magnetsensors zu verbessern, der einen sensitiven Teil verwendet, welcher ein Magnetfeld durch einen magnetischen Impedanzeffekt erfasst, sowie eine Magnetsensorvorrichtung, die den Magnetsensor enthält.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein magnetischer Sensor, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, weist auf: ein nicht-magnetisches Substrat; einen sensitiven Stromkreis, der auf einer Oberfläche des Substrats vorgesehen ist und einen sensitiven Teil aufweist, welcher ein Magnetfeld mittels Magnetimpedanzeffekt wahrnimmt; einen ersten Anschlussteil und einen zweiten Anschlussteil, die mit den jeweiligen beiden Endabschnitten des sensitiven Stromkreises verbunden sind; und ein leitendes Rückführelement mit einem Endabschnitt, der mit dem ersten Anschlussteil verbunden ist, wobei das Rückführelement zurück zu dem zweiten Anschlussteil führt.
Bei einem derartigen Magnetsensor kann das Rückführelement ein Draht bzw. eine Leitung aus einem nichtmagnetischen Metall sein.
Weiterhin kann ein dritter Anschlussteil angrenzend an den zweiten Anschlussteil vorgesehen sein, und der andere Endabschnitt des Rückführelements kann mit dem dritten Anschlussteil verbunden sein.
Außerdem kann der Abstand zwischen der Mitte des zweiten Anschlussteils und der Mitte des dritten Anschlussteils kleiner sein als der Abstand zwischen der Mitte des ersten Anschlussteils und der Mitte des zweiten Anschlussteils.
Bei einem solchen Magnetsensor kann das Rückführelement auf einer Vorderseite oder Rückseite des Substrats vorgesehen sein.
Weiterhin kann das Rückführelement linear von dem ersten Anschlussteil zu dem zweiten Anschlussteil vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann das Rückführelement einen Abschnitt aufweisen, der in der Draufsicht einen Mittelabschnitt des sensitiven Stromkreises kreuzt.
Außerdem kann das Rückführelement eine M-Form haben und so vorgesehen sein, dass es mindestens einen Teil aufweist, der in der Draufsicht mit dem sensitiven Stromkreis überlappt.
Darüber hinaus kann das Rückführelement entlang des sensitiven Stromkreises vorgesehen sein.
Überdies kann bei einem solchen Magnetsensor das Rückführelement auf der Oberfläche des Substrats vorgesehen sein.
Zudem kann das Rückführelement linear verlaufend von dem ersten Anschlussteil zu dem zweiten Anschlussteil entlang einer Seitenoberfläche des sensitiven Stromkreises vorgesehen sein.
Weiterhin kann das Rückführelement entlang des sensitiven Stromkreises vorgesehen sein.
Außerdem kann in einem solchen Magnetsensor das Rückführelement ein weiterer sensitiver Stromkreis sein, der einen anderen sensitiven Teil aufweist, welcher ein Magnetfeld mittels eines Magnetimpedanzeffekts erfasst.
Darüber hinaus umfasst eine Magnetsensorvorrichtung, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht: einen Magnetsensor, der ein Magnetfeld durch einen Magnetimpedanzeffekt wahrnimmt, und einen Detektionsteil, der eine Impedanzänderung des Magnetsensors erfasst, wobei eine Fläche einer Strommasche, die durch einen Draht/eine Leitung in der Umgebung des Magnetsensors gebildet ist, kleiner ist als die Fläche einer Strommasche ist, die durch einen Draht/eine Leitung in der Umgebung des Detektionsteils gebildet ist.
In einer solchen Magnetsensorvorrichtung kann eine Induktivität, welche durch die durch von der Leitung in der Umgebung des Magnetsensors gebildet Strommasche und die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils gebildete Strommasche erzeugt wird, gleich oder weniger als 50 % der Induktivität des Magnetsensors betragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Empfindlichkeit/Sensitivität eines Magnetsensors unter Verwendung eines sensitiven Teils, der ein Magnetfeld mittels des Magnetimpedanzeffekts wahrnimmt, sowie die Empfindlichkeit/Sensitivität einer Magnetsensorvorrichtung, die den Magnetsensor aufweist, zu verbessern.
Figurenliste
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren ausführlich beschrieben, wobei:

1A und 1B Zeichnungen darstellen, die eine Magnetsensorvorrichtung veranschaulichen, welche das Magnetfeld durch einen Magnetsensor misst, wobei 1A eine Magnetsensorvorrichtung unter Verwendung eines Magnetsensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt, und 1B zu Vergleichszwecken eine Magnetsensorvorrichtung unter Verwendung eines Magnetsensors zeigt, worauf sich die erste beispielhafte Ausführungsform nicht bezieht;
2 für den in 1B dargestellten Magnetsensor eine Beziehung zwischen der Fläche einer Strommasche, die durch eine Leitung in der Umgebung des Magnetsensors gebildet wird, und der Induktivität zeigt;
3A und 3B Zeichnungen zeigen, die ein Beispiel eines Magnetsensors illustrieren, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, wobei 3A eine Draufsicht und 3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB in 3A ist;
4 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einem in Längsrichtung eines sensitiven Teils des Magnetsensors angelegten Magnetfeld und der Impedanz des Magnetsensors illustriert;
5A und 5B Zeichnungen sind, die den Magnetsensor, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, stereoskopisch darstellen, wobei 5A eine perspektivische Ansicht ist und 5B eine Seitenansicht ist, die den Magnetsensor in 5A von der x-Richtung her zeigt;
6A bis 6D Zeichnungen sind, die Abwandlungen des Magnetsensors zeigen, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht;
7A bis 7C Zeichnungen sind, die andere Abwandlungen des Magnetsensors zeigen, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht;
8A und 8B Diagramme zur Veranschaulichung der Empfindlichkeit des Magnetsensors sind, wobei 8A die Beziehung zwischen der Fläche der Strommasche und der Empfindlichkeit zeigt und 8B die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Draht sowie der Empfindlichkeit zeigt;
9A und 9B Diagramme sind, welche die Empfindlichkeit bei den Abwandlungen des Magnetsensors zeigen, wobei 9A die Empfindlichkeit zeigt, die in zwei Proben mit der gleichen Struktur gemessen wurde, und 9B die in zwei Proben mit unterschiedlichen Strukturen gemessene Empfindlichkeit zeigt;
10A und 10B zeigen Diagramme, die einen anderen Magnetsensor veranschaulichen, auf den die erste beispielhafte Ausführungsform angewendet wird, wobei 10A eine perspektivische Ansicht ist und 10B eine Seitenansicht ist, die den Magnetsensor in 10A aus der x-Richtung zeigt;
11A und 11B Zeichnungen zeigen, die einen weiteren Magnetsensor veranschaulichen, der sich auf eine zweite beispielhafte Ausführungsform bezieht, wobei 11A eine perspektivische Ansicht ist und 11B eine Seitenansicht ist, die den Magnetsensor in 11A aus der x-Richtung zeigt;
12A bis 12C Zeichnungen sind, die Abwandlungen des Magnetsensors zeigen, auf den sich die zweite beispielhafte Ausführungsform bezieht; und
13 eine Zeichnung ist, die eine Abwandlung des Magnetsensors zeigt, auf den sich eine dritte beispielhafte Ausführungsform bezieht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend sind beispielhafte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
[Erste beispielhafte Ausführungsform]
(Magnetsensorvorrichtung 1)
1A und 1B zeigen Zeichnungen, die eine Magnetsensorvorrichtung 1 veranschaulichen, wobei ein Magnetfeld mittles eines Magnetsensors 10 gemessen wird. 1A zeigt die Magnetsensorvorrichtung 1 unter Verwendung des Magnetsensors 10, worauf sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, und 1B zeigt zu Vergleichszwecken eine magnetsensorvorrichtung 1' unter Verwendung eines Megnetsensors 10', worauf sich die erste beispielhafte Ausführungsform nicht bezieht. Wenn die Magnetsensoren nicht unterschieden werden, wird jeder von ihnen als der Magnetsensor bezeichnet.
Wie in 1A gezeigt ist, weist die Magnetsensorvorrichtung 1 unter Verwendung des Magnetsensor 10, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, den Magnetsensor 10, der das Magnetfeld erfasst, einen Wechselstromerzeugungsteil 200 und einen Detektionsteil 300 auf. Der Magnetsensor 10 ist mit dem Wechselstromerzeugungsteil 200 und dem Detektionsteil 300 über Verbindungsanschlüsse 20 bzw. 30 verbunden. Der Magnetsensor 10 ist mit sensitiven Teilen 121 versehen (siehe 3A, später beschrieben), in denen sich die Impedanz aufgrund von Änderungen des Magnetfelds basierend auf dem Magnetimpedanzeffekts ändert.
Der Wechselstromerzeugungsteil 200 umfasst eine Schaltung/einen Stromkreis, die/der einen Strom mit einer Hochfrequenzkomponente (im Folgenden als Hochfrequenzstrom bezeichnet) erzeugt und den Hochfrequenzstrom an den Magnetsensor 10 liefert. Die Hochfrequenz ist z. B. 20 MHz oder mehr.
Der Detektionsteil 300 weist einen Stromkreis, der Änderungen der Impedanz des Magnetsensors 10 erkennt, auf. Insbesondere erkennt der Detektionssteil 300 Änderungen der Induktivität, der Impedanzamplitude und der Phase des Magnetsensors 10.
1A zeigt eine zwischen dem Magnetsensor 10 und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 gebildet Strommasche α, und eine zwischen den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 und dem Detektionssteil 300 gebildete Strommasche β. Die Strommasche α ist die durch eine Leitung in der Nähe des Magnetsensors 10 gebildete Strommasche, und die Strommasche β ist die durch eine Leitung in der Nähe des Detektionsteils 300 gebildete Strommasche. Nachfolgend wird die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildete Strommasche als Strommasche α bezeichnet und die durch die Leitung in der Umgebung des Detektorteils 300 gebildete Strommasche wird als Strommasche β bezeichnet. Die Strommasche, die sich aus der Strommasche α und der Strommasche β zusammensetzt, ist die Strommasche, die von dem Magnetsensor 10 und dem Detektionsteil 300 umgeben ist. Die Strommasche fungiert als Induktivität. Wenn die Fläche der Strommasche vergrößert wird, erhöht sich auch die Induktivität.
Weiterhin ist die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildete Strommasche α mit einer Strommasche α1 in dem Magnetsensor 10 und einer Strommasche α2 zwischen dem Magnetsensor 10 und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 aufgebaut. Daher sind in 1A die Strommasche α1 und die Strommasche α2 als α1(α) und α2(α) bezeichnet.
Wie in 1B gezeigt ist, ist die Magnetsensorvorrichtung 1' mit dem Magnetsensor 10', auf den sich erste beispielhafte Ausführungsform nicht bezieht, die gleiche wie die Magnetsensorvorrichtung 1 mit dem Magnetsensor 10, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, mit Ausnahme einer durch eine Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildeten Strommasche α'. Dementsprechend sind gleiche Abschnitte mit denselben Bezugszeichen versehen, um deren Beschreibung auszulassen. Die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildeten Strommasche α' ist größer als die Fläche der Strommasche α, die durch die Leitung in der Umgebung des in 1A dargestellten Magnetsensors 10 gebildet wird. Die Strommasche α' ist durch eine Strommasche α'1 in dem Magnetsensor 10' und eine Strommasche α'2 zwischen dem Magnetsensor 10' und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 aufgebaut. Daher sind in 1B die Strommasche α'1 und die Strommasche α'2 als α'1(α') und α'2(α') bezeichnet.
Die Fläche der Strommasche α'1 in dem in 1B dargestellten Magnetsensor 10' unterscheidet sich nicht wesentlich von der Strommasche α1 in dem in 1A dargestellten Magnetsensor 10. Folglich ist die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildeten Strommasche α' nur deswegen größer als die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildeten Strommasche α, weil die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildete Strommasche α'2 zwischen dem Magnetsensor 10' und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 größer ist als die der Strommasche α2.
Wenn sich die Magnetsensoren 10 und 10' nicht unterscheiden, sind diese gelegentlich einfach als Magnetsensor bezeichnet. Wenn sich die Strommaschen α, α' und β nicht unterscheiden, werden diese gelegentlich einfach als Strommasche bezeichnet. Die in den 1A und 1B gezeigten Anschlussteile 13a, 13b und 13c werden in 3A erläutert, die später beschrieben wird.
Es werden nun die Auswirkungen der Induktivität durch die Strommasche auf die Änderung der Induktivität der Magnetsensorvorrichtung 1 beschrieben. Die Beschreibung erfolgt beispielhaft anhand des Magnetsensors 10 und der Magnetsensorvorrichtung 1 in 1A.
Es wird angenommen, dass die Induktivität des Magnetsensors 10, wenn das Signalmagnetfeld nicht angelegt ist, L1 ist, und der Betrag der Änderung der Induktivität des Magnetsensors 10, wenn das Signalmagnetfeld angelegt ist, ΔL1 ist. Dann wird angenommen, dass die Induktivität, welche durch die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildete Strommasche α und die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildete Strommasche β erzeugt wird, L2 ist. Das Signalmagnetfeld ist ein Magnetfeld, das von außen an den Magnetsensor 10 angelegt wird, um die Funktion des Magnetsensors 10 zu erklären. Wenn das Signalmagnetfeld an den Magnetsensor 10 angelegt wird, ändert sich die Impedanz des Magnetsensors 10 gegenüber dem Fall, in dem das Signalmagnetfeld nicht angelegt ist.
Die Induktivität in dem Zustand, in dem das Signalmagnetfeld nicht angelegt ist, beträgt L1+L2. Die Induktivität in dem Zustand, in dem das Signalmagnetfeld angelegt ist, beträgt L1+ΔL1+L2. Daher ist aufgrund des Anlegens des Signalmagnetfeldes die Änderungsrate der von dem Detektionsteil 300 erfassten Induktivität (L1+ΔL1+L2)/(L1+L2). Folglich erhöht sich die Änderungsrate der Induktivität, wenn die Induktivität L2 verringert wird. Anders ausgedrückt: wenn die Induktivität L2 verringert wird, erhöht sich die Änderungsrate der Induktivität, und die Empfindlichkeit zur Erkennung des Magnetfelds wird verbessert. Mit anderen Worten verbessert eine Verringerung der Induktivität L2, die durch die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildete Strommasche α und die Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird, erzeugt wird, die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10.
2 zeigt für den in 1B dargestellten Magnetsensor 10' die Beziehung zwischen der Fläche einer durch eine Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildete Strommasche α' und der durch den Magnetsensor 10' und die Strommasche α' erzeugten Induktivität. Die horizontale Achse ist die Fläche der Strommasche α' (in 2 „Fläche der Strommasche (mm²)“), und die vertikale Achse ist die Induktivität (nH). Die Induktivität wurde dabei gemessen, indem das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13b des Magnetsensors 10, der in 3 dargestellt ist und später beschrieben ist, an ein Impedanzmessgerät angeschlossen wurden. Dabei wurde der Bereich, der von der Leitung umgeben ist, die das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13b mit dem Impedanzmessgerät verbindet, verändert. In 2 wurden die Frequenzen, bei denen die Induktivität gemessen wurde, auf 20 MHz, 50 MHz und 100 MHz eingestellt. Da in 2 die Fläche der Strommasche α'1 in dem Magnetsensor 10' kleiner ist als die Fläche der Strommasche α'2 zwischen dem Magnetsensor 10' und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30, wurde die Fläche der Strommasche α'1 auf 0 mm² festgelegt.
Wie in 2 gezeigt ist, steigt die von dem Magnetsensor 10' und der Strommasche α' erzeugte Induktivität, wenn die Fläche der Strommasche α' vergrößert wird. Weiterhin steigt die von dem Magnetsensor 10' und der Strommasche α' erzeugte Induktivität mit zunehmender Frequenz. Mit anderen Worten kann, wenn die Fläche der Strommasche α' verringert wird, auch die Induktivität verringert werden. Obwohl die Fläche der Strommasche α' in 2 beschrieben wird, kann die Fläche als die Summe der Fläche der Strommasche α', die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildet wird, und der Fläche der Strommasche β', die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird, angesehen werden. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die Fläche der Strommasche α' als der Fläche der Strommasche.
Die Induktivität des Magnetsensors 10' entsprechend der Fläche der Strommasche von 0 mm² (entspricht L1) ist etwa 85 nH. Wie 2 zeigt, beträgt die Induktivität mit einer Fläche der Strommasche 16 mm² (entspricht L1+L2) 101 nH, was der Mittelwert der Fälle mit Frequenzen von 20 MHz, 50 MHz und 100 MHz ist und das 1,2-fache der Induktivität des Magnetsensors 10 ist. Weiterhin beträgt die Induktivität mit der Fläche der Strommasche von 47 mm² (entspricht L1+L2) 116 nH, was der gleiche Durchschnittswert ist, und beträgt das 1,4-fache der Induktivität des Magnetsensors 10. Wie in den 8A und 8B später beschrieben wird, beträgt die Fläche der Strommasche vorzugsweise 50 mm² oder weniger, bevorzugter 16 mm² oder weniger. Dann ist es bevorzugt, dass die Induktivität L2 gleich oder weniger als 50% der Induktivität L1 ist, und noch bevorzugter, dass die Induktivität L2 gleich oder weniger als 20% der Induktivität L1 ist.
Es sei angemerkt, dass der Detektionsteil 300 die Änderung der Impedanz einschließlich der Induktivität L, des Widerstands R und der Kapazität C erfassen kann, anstatt die Änderung der Induktivität des oben beschriebenen Magnetsensors 10 zu erfassen. Zum Beispiel kann der Detektionsteil 300 eine Schaltung/einen Stromkreis enthalten, die/der die Amplitude und Phase der Impedanz erfasst. In diesem Fall wird die Impedanz Z als Z = R+jωL+1/(jωC) = R+jX dargestellt. Die Amplitude |Z| wird dargestellt als |Z| = √(R²+X²), und die Phase 0 wird dargestellt als 0 = tan^-1(X/R). Dabei ist ω die Winkelfrequenz und X der Blindwiderstand.
Die Fläche des Magnetsensors 10' (entspricht dem in 3A dargestellten Magnetsensor 10, der später beschrieben wird) ist wahrscheinlich größer als die Fläche der elektronischen Komponenten, die den Wechselstromerzeugungsteil 200 und den Detektionsteil 300 bilden. Dementsprechend ist, wie in 1B gezeigt, die Fläche der Strommasche α', die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildet wird, wahrscheinlich größer als die Fläche der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird. Daher ist es bevorzugt, die Strommasche α', die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' gebildet wird, zu verringern. Da die Strommasche α'1 in dem Magnetsensor 10' jedoch durch die Form des Magnetsensors 10' bestimmt wird, ist es schwierig, die Fläche der Strommasche α'1 in dem Magnetsensor 10' zu verringern. Überdies ist die Fläche der Strommasche α'2 zwischen dem Magnetsensor 10 und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 wahrscheinlich größer als die Fläche der Strommasche α'1 in dem Magnetsensor 10'.
Folglich ist in dem Magnetsensor 10, auf den die erste beispielhafte Ausführungsform angewendet wird, und in der Magnetsensorvorrichtung 1 (1A) in der Strommasche α, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildet wird, die Fläche der Strommasche α2 zwischen dem Magnetsensor 10 und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 kleiner gestaltet als die Fläche der Strommasche α'2 zwischen dem Magnetsensor 10', auf den die erste beispielhafte Ausführungsform nicht angewendet wird, und den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 in der Strommasche α', die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' und der Magnetsensorvorrichtung 1' gebildet wird (1B).
(Magnetsensor 10)
Der Magnetsensor 10 wird nun beschrieben.
3A und 3B zeigen Zeichnungen, die ein Beispiel des Magnetsensors 10, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, und ein Beispiel der den Magnetsensor 10 aufweisenden Magnetsensorvorrichtung illustrieren. 3A ist eine Draufsicht und 3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB in 3A. In 3A ist die rechte Richtung der Seite die +x-Richtung, die Aufwärtsrichtung der Seite ist die +y-Richtung und die Vorderseitenrichtung der Seite ist die +z-Richtung. In 3B ist die rechte Richtung der Seite die +x-Richtung, die Aufwärtsrichtung der Seite ist die +z-Richtung, und die Rückseitenrichtung der Seite ist die +y-Richtung.
Eine planare Struktur des Magnetsensors 10 wird anhand der Draufsicht in 3A beschrieben. Der Magnetsensor 10 hat beispielsweise eine viereckige planare Form. Die planare Form des Magnetsensors 10 ist einige Millimeter im Quadrat bis zu mehreren zehn Millimetern im Quadrat. Zum Beispiel beträgt die Länge in x-Richtung 3 mm bis 20 mm und die Länge in y-Richtung 3 mm bis 20 mm. Die Größe der planaren Form des Magnetsensors 10 kann auch andere Werte annehmen.
Der Magnetsensor 10 umfasst ein Substrat 11, einen sensitiven Stromkreis 12 und die auf dem Substrat 11 vorgesehenen Anschlussteile 13a, 13b und 13c sowie eine Rückführleitung 14. Der sensitive Stromkreis 12 umfasst mehrere parallel angeordnete sensitive Teile 121 und Verbindungsteile 122, die jeweils die sensitiven Teile 121 gewunden miteinander verbinden (Mäanderstruktur). Die Anschlussteile 13a und 13b sind an dem eine Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen. Das Anschlussteil 13c befindet sich neben dem Anschlussteil 13b auf dem Substrat 11. Die Rückführleitung 14 ist derart vorgesehen, dass sie entlang der Rückseite des Substrats 11 leitet, um dadurch das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c zu verbinden. In 3A ist die auf der Rückseite des Substrats 11 verborgene Rückführleitung 14 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Das Anschlussteil 13a ist ein Beispiel für das erste Anschlussteil, das Anschlussteil 13b ist ein Beispiel für das zweite Anschlussteil, das Anschlussteil 13c ist ein Beispiel für das dritte Anschlussteil, und die Rückführleitung 14 ist ein Beispiel für ein Rückführelement.
Der sensitive Teil 121 hat eine schilfartige, planare Form mit einer Längsrichtung und einer kurzen Richtung. Es wird angenommen, dass bei dem in 3A dargestellten sensitiven Teil 121 die x-Richtung die Längsrichtung und die y-Richtung die kurze Richtung ist. Weiterhin sind in 3A vier sensitive Teile 121 parallel in der y-Richtung angeordnet. Der sensitive Teil 121 zeigt den magnetischen Impedanzeffekt. Daher wird der Magnetsensor 10 oder der sensitive Stromkreis 12 gelegentlich auch als magnetisches Impedanzelement bezeichnet. Der sensitive Teil 121 wird gelegentlich als sensitives Element bezeichnet.
Jeder sensitive Teil 121 hat z. B. eine Länge in Längsrichtung von 1 mm bis 10 mm und eine Breite in kurzer Richtung von 50 µm bis 150 µm. Die Dicke beträgt 0,2 µm bis 5 µm. Die Abstände zwischen den benachbarten sensitiven Teilen 121 betragen 50 µm bis 150 µm. Die Anzahl der sensitiven Teile 121 ist in 3A vier, es können aber auch andere Zahlen akzeptabel sein.
Die Größe (Länge, Fläche, Dicke usw.) jedes sensitiven Teils 121, die Anzahl der sensitiven Teile 121, die Abstände zwischen den sensitiven Teilen 121 oder dergleichen können entsprechend der Stärke des zu erfassenden, d. h. zu detektierenden Magnetfelds festgelegt werden. Die Anzahl der sensitiven Teile 121 kann eins sein.
Der Verbindungsteil 122 ist zwischen den Endabschnitten der benachbarten sensitiven Teile 121 vorgesehen, um die mehreren sensitiven Teile 121 in Reihe zu verbinden. Mit anderen Worten sind die Verbindungsteile 122 so vorgesehen, dass die benachbarten sensitiven Teile 121 gewunden verbunden sind. In dem in 3A dargestellten Magnetsensor 10 mit den vier sensitiven Teilen 121 gibt es drei Verbindungsteile 122. Die Anzahl der Verbindungsteile 122 unterscheidet sich in Abhängigkeit der Anzahl der sensitiven Teile 121. Wenn beispielsweise fünf sensitive Teile 121 vorhanden sind, gibt es vier Verbindungsteile 122. Gibt es nur einen sensitiven Teil 121, ist kein Verbindungsteil 122 vorhanden. Die Breite des Verbindungsteils 122 kann gemäß dem elektrischen Strom usw., der dem sensitiven Stromkreis 12 auferlegt werden soll, festgelegt werden. Zum Beispiel kann die Breite des Verbindungsteils 122 die gleiche sein wie die des sensitiven Teils 121.
Die Anschlussteile 13a und 13b sind jeweils an einem Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen. In 3A ist das Anschlussteil 13a auf der Oberseite der Seite (auf der Seite in y-Richtung) vorgesehen, und das Anschlussteil 13b ist auf der Unterseite der Seite (auf der Seite in -y-Richtung) vorgesehen. Das Anschlussteil 13c befindet sich an der Unterseite (in -y-Richtung) des Anschlussteils 13b. Wenn die Anschlussteile 13a, 13b und 13c nicht unterschieden werden, wird jedes von ihnen als Anschlussteil 13 bezeichnet. Das Anschlussteil 13 kann eine solche Größe haben, dass as an den Stromkreis angeschlossen werden kann. Da es bei dem in 3A dargestellten Magnetsensor 10 vier sensitive Teile 121 gibt, sind die Anschlussteile 13a und 13b auf der rechten Seite der Seite (auf der Seite in +x-Richtung) angeordnet. Wenn die Anzahl der sensitiven Teile 121 eine ungerade Zahl ist, sind die Anschlussteile 13a und 13b so aufgeteilt, dass sie auf der rechten und linken Seite der Seite (auf der Seite in ±x-Richtung) vorgesehen sind. Der sensitive Stromkreis 12 kann auch horizontal umgedreht sein.
Weiterhin ist das Anschlussteil 13c neben dem Anschlussteil 13b vorgesehen. In diesem Fall ist das Anschlussteil 13c neben dem Anschlussteil 13b auf der Seite der -y-Richtung vorgesehen. Die Rückführleitung 14 verbindet das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c. Mit anderen Worten ist die Rückführleitung 14 eine Leitung, die das Anschlussteil 13a mit der Position neben dem Anschlussteil 13b verbindet (Anschlussteil 13c). Mit anderen Worten ist die Rückführleitung 14 leitfähig und so vorgesehen, dass ein Pfad vorliegt, durch den der Strom von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussteil 13b fließt (im Folgenden als Strompfad bezeichnet), also zurückgeleitet wird. Beispiele für das leitende Material der Rückführleitung 14 sind Metalle wie Au, Al, Cu und Ag.
Weiterhin sind die Anschlussteile 13b und 13c in dem Magnetsensor 10 mit den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 des Wechselstromerzeugungsteils 200 und des Detektionsteils 300 verbunden. Mit anderen Worten wird der Hochfrequenzstrom wird von dem Wechselstromerzeugungsteil 200 durch die Anschlussteile 13b und 13c zugeführt, und Änderungen der Induktivität, Änderungen der Amplitude oder der Phase der Impedanz usw. werden von dem Detektionsteil 300 erfasst.
Der in 1B gezeigte Magnetsensor 10' enthält hier nicht das Anschlussteil 13c und die Rückführleitung 14 des in 3A gezeigten Magnetsensors 10. Folglich sind, wie in 1B gezeigt, in dem Magnetsensor 10' das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13b, das sich an der vom Anschlussteil 13a entfernten Position befindet, mit den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 des Wechselstromerzeugungsteils 200 und des Detektionsteils 300 verbunden. Dagegen ist bei dem in 1A dargestellten Magnetsensor 10 das Anschlussteil 13c neben dem Anschlussteil 13b vorgesehen, und die Rückführleitung 14 verbindet das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c, indem sie durch die Umgebung des sensitiven Stromkreises 12 verläuft. Weiterhin sind das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c, das zu dem Anschlussteil 13b benachbart ist, mit den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 des Wechselstromerzeugungsteils 200 und des Detektionsteils 300 verbunden. Daher wird die Fläche der Strommasche α'2 zwischen dem Magnetsensor 10' und den in 1B dargestellten Verbindungsanschlüssen 20 und 30 größer als die Fläche der Strommasche α2 zwischen dem Magnetsensor 10 und den in 1A dargestellten Verbindungsanschlüssen 20 und 30. Der Magnetsensor 10, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, umfasst also das Anschlussteil 13c und die Rückführleitung 14, wodurch die Fläche der Strommasche α2 verkleinert wird. Dabei ist D1 in 3A der Abstand zwischen den Mittelpunkten des Anschlussteils 13b und des Anschlussteils 13c und D2 ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten des Anschlussteils 13a und des Anschlussteils 13b. Auch wenn der Anschluss 13a und der Anschluss 13b an Positionen diagonal gegenüberliegender Ecken des Magnetsensors 10 vorgesehen sind (siehe 7A, die später beschrieben wird), ist der Abstand D2 der Abstand zwischen den Mitten des Anschlussteils 13a und des Anschlussteils 13b, die sich an den diagonal gegenüberliegenden Ecken befinden.
In 3A ist das Anschlussteil 13c an der unteren Seite (der Seite in -y-Richtung) des Anschlussteils 13b vorgesehen; das Anschlussteil 13c kann aber auch neben dem Anschlussteil 13b vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann das Anschlussteil 13c so vorgesehen sein, dass der Abstand D1 zwischen dem Anschlussteil 13b und dem Anschlussteil 13c kürzer ist als der Abstand D2 zwischen dem Anschlussteil 13a und dem Anschlussteil 13b (D1 < D2). Daher kann das Anschlussteil 13c auf der Seite der x-Richtung oder der -x-Richtung neben dem Anschlussteil 13b vorgesehen sein, oder es kann schräg nach oben (in der ±x-Richtung und der +y-Richtung) oder schräg nach unten (in der ±x-Richtung und der -y-Richtung) von dem Anschlussteil 13b vorgesehen sein.
Die Rückführleitung 14 ist später ausführlich beschrieben.
Wie oben beschrieben, ist der sensitive Stromkreis 12 so aufgebaut, dass die sensitiven Teile 121 mittels der Verbindungsteile 122 in Reihe verbunden sind, und die Hochfrequenzströme fließen von den Anschlussteilen 13a und 13b, die an beiden Endabschnitten der verbundenen empfindlichen Teile 121 vorgesehen sind. Da der Stromkreis der Pfad ist, durch den der Hochfrequenzstrom fließt, wird der Stromkreis daher als sensitiver Stromkreis 12 bezeichnet.
Die Querschnittsstruktur des Magnetsensors 10 nun wird anhand der Querschnittsansicht in 3B beschrieben. Hier wird auf die Darstellung der Rückführleitung 14 verzichtet, und die Beschreibung konzentriert sich auf den Aufbau des sensitiven Stromreises 12.
Wie oben beschrieben, umfasst der Magnetsensor 10 das Substrat 11 und den auf dem Substrat 11 vorgesehenen sensitiven Stromkreis 12. Der sensitiven Stromkreis 12 weist beispielsweise vier weichmagnetische Materialschichten 111a, 111b, 111c und 111d von der Seite des Substrats 11 her auf. Weiterhin weist der sensitive Stromkreis 12 zwischen der weichmagnetischen Materialschicht 111a und der weichmagnetischen Materialschicht 111b eine Schicht 112a zur Unterdrückung magnetischer Domänen auf, die das Auftreten einer magnetischen abgeschlossenen bzw. abgegrenzten Domäne in der weichmagnetischen Materialschicht 111a und der weichmagnetischen Materialschicht 111b unterdrückt. Weiterhin weist der sensitive Stromkreis 12 zwischen der weichmagnetischen Materialschicht 111c und der weichmagnetischen Materialschicht 111d eine Unterdrückungsschicht magnetische Domänen 112b auf, die das Auftreten einer magnetischen abgeschlossenen Domäne in der weichmagnetischen Materialschicht 111c und der weichmagnetischen Materialschicht 111d unterdrückt. Außerdem weist der sensitive Stromkreis 12 zwischen der Schicht aus weichmagnetischem Material 111b und der Schicht aus weichmagnetischem Material 111c eine Leiterschicht 113 auf, die den Widerstand (hier: den elektrischen Widerstand) des sensitiven Stromkreises 12 verringert. Wenn die weichmagnetischen Materialschichten 111a, 111b, 111c und 111d nicht unterschieden werden, werden die Schichten als weichmagnetische Materialschichten 111 bezeichnet. Wenn die Schichten zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112a und 112b nicht unterschieden werden, werden sie als Schichten zur Unterdrückung der magnetischen Domäne 112 bezeichnet.
Das Substrat 11 ist aus einem nichtmagnetischen Material gebildet, z. B. einem elektrisch isolierten Oxidsubstrat wie Glas oder Saphir, einem Halbleitersubstrat wie Silicium oder einem Metallsubstrat wie Aluminium, Edelstahl oder einem mit Nickel-Phosphor beschichteten Metall. Wenn das Substrat 11 aus einem Halbleitersubstrat, z. B. Silicium, oder einem Metallsubstrat, z. B. Aluminium, rostfreiem Stahl oder einem mit Nickel-Phosphor beschichteten Metall besteht und eine hohe Leitfähigkeit aufweist, kann auf der Oberfläche des Substrats 11, auf der der sensitive Stromkreis 12 vorgesehen werden soll, eine Isoliermaterialschicht vorgesehen sein, um das Substrat 11 von dem sensitiven Stromkreis 12 zu isolieren. Spezifische Beispiele für das Isoliermaterial, aus dem die Isoliermaterialschicht gebildet ist, sind Oxide, wie SiO₂, Al₂O₃ oder TiO₂, oder Nitride, wie Si₃N₄ oder AlN. Die Beschreibung erfolgt hier unter der Annahme, dass das Substrat 11 aus Glas ist. Die Dicke eines solchen Substrats 11 beträgt z. B. 0,3 mm bis 2 mm. Die Dicke des Substrats 11 kann auch andere Werte haben.
Die weichmagnetische Materialschicht 111 ist mit einem weichmagnetischen Material aus einer amorphen Legierung, die den magnetischen Impedanzeffekt zeigt, gebildet. Als weichmagnetisches Material, das die weichmagnetische Materialschicht 111 bildet, kann eine amorphe Legierung verwendet werden, wobei es sich um eine Legierung handelt, die Co als Hauptbestandteil enthält und welcher Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Nb, Ta oder W, zudotiert ist. Beispiele für eine solche Legierung mit Co als Hauptbestandteil sind CoNbZr, CoFeTa, CoWZr und CoFeCrMnSiB. Die Dicke der weichmagnetischen Materialschicht 111 beträgt z. B. 100 nm bis 1 µm.
Das weichmagnetische Material hat dabei eine kleine sogenannte Koerzitivkraft, wobei das weichmagnetische Material durch ein äußeres Magnetfeld leicht magnetisiert wird, aber nach Entfernen des äußeren Magnetfeldes schnell in einen Zustand ohne oder mit geringer Magnetisierung zurückkehrt.
Weiterhin beziehen sich amorphe Legierungen und amorphe Metalle in dieser Beschreibung auf solche mit Strukturen, die keine regelmäßige Anordnung von Atomen aufweisen, wie z. B. Kristalle, die durch Sputtering-Verfahren etc. gebildet werden.
Die Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112 verhindert, dass die magnetische abgeschlossene Domäne in den oberen und unteren weichmagnetischen Materialschichten 111, welche die Schicht zur Unterdrückung der magnetischen Domäne 112 einschließen, erzeugt wird.
Im Allgemeinen bilden sich in der weichmagnetischen Materialschicht 111 leicht mehrere magnetische Domänen mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen. In diesem Fall wird eine magnetische abgeschlossene Domäne mit ringförmiger Magnetisierungsrichtung gebildet. Wenn das äußere Magnetfeld erhöht wird, werden die Wände der magnetischen Domäne verschoben; dadurch wird die Fläche der magnetischen Domäne mit der gleichen Magnetisierungsrichtung wie der Richtung des externen Magnetfeldes vergrößert, während die Fläche der magnetischen Domäne mit der Magnetisierungsrichtung, die der Richtung des äußeren Magnetfeldes entgegengesetzt ist, verringert wird. Wenn dann das äußere Magnetfeld weiter erhöht wird, wird in der magnetischen Domäne, in der die Magnetisierungsrichtung von der Richtung des externen Magnetfeldes abweicht, eine Magnetisierungsrotation derart erzeugt, dass die Magnetisierungsrichtung die gleiche ist wie die Richtung des externen Magnetfeldes. Schließlich verschwindet die magnetische Domänenwand, die zwischen den benachbarten magnetischen Domänen bestand, und die benachbarten magnetischen Domänen werden zu einer magnetischen Domäne (einer einzigen magnetischen Domäne). Mit anderen Worten wird bei der Bildung der magnetischen abgeschlossenen Domäne bei der Änderung des äußeren Magnetfelds der Barkhausen-Effekt erzeugt, bei dem die Wände der magnetischen Domäne, die eine magnetische abgeschlossene Domäne bilden, schrittweise und diskontinuierlich verschoben werden. Die diskontinuierliche Verschiebung der magnetischen Domänenwände führt zu Rauschen im Magnetsensor 10, was das Risiko einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses in der vom Magnetsensor 10 erhaltenen Ausgabe mit sich bringt. Die Schicht zur Unterdrückung der magnetischen Domänen 112 unterdrückt die Bildung mehrerer magnetischer Domänen mit kleinen Bereichen in den weichmagnetischen Materialschichten 111, die auf der Ober- und Unterseite der Schicht zur Unterdrückung der magnetischen Domänen 112 vorgesehen sind. Dies unterdrückt die Bildung abgeschlossener magnetischer Domänen und unterdrückt das Rauschen, das durch die diskontinuierliche Verschiebung der Magnetdomänenwände entsteht. Es ist zu beachten, dass es in dem Fall, in dem die Magnetdomänen-Unterdrückungsschicht 112 vorgesehen ist, besser ist, dass weniger Magnetdomänen gebildet werden, d.h. der Effekt der Vergrößerung der Magnetdomänen kann erzielt werden, verglichen mit dem Fall, in dem die Magnetdomänen-Unterdrückungsschicht 112 nicht vorgesehen ist.
Beispiele für Materialien für eine solche Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112 sind nichtmagnetische Materialien wie Ru und SiO₂ und nichtmagnetische amorphe Metalle wie CrTi, AlTi, CrB, CrTa und CoW. Die Dicke einer solchen magnetischen Domänenunterdrückungsschicht 112 beträgt beispielsweise 10 nm bis 100 nm.
Die leitende Schicht 113 verringert den Widerstand des sensitiven Stromkreises 12. Mit anderen Worten hat die Leiterschicht 113 eine höhere Leitfähigkeit als die weichmagnetische Materialschicht 111 und verringert den Widerstand des sensitiven Stromkreises 12 verglichen mit dem Fall, in dem die leitende Schicht 113 nicht enthalten ist. Das Magnetfeld wird durch die Änderung der Impedanz (im Folgenden als Impedanz Z bezeichnet, und die Änderung der Impedanz wird als ΔZ bezeichnet) erfasst, wenn der Wechselstrom zwischen den beiden Anschlussteilen 13a und 13b des sensitiven Stromkreises 12 fließt. Wenn dabei die Frequenz des Wechselstroms höher ist, erhöht sich die Änderungsrate der Impedanz Z in Bezug auf die Änderung des äußeren Magnetfelds ΔZ/ΔH (im Folgenden als Impedanzänderungsrate ΔZ/ΔH bezeichnet) (die Änderung des äußeren Magnetfelds wird als ΔH bezeichnet). Wird jedoch die Frequenz des Wechselstroms ohne Einbeziehung der Leiterschicht 113 erhöht, so wird die Impedanzänderungsrate ΔZ/ΔH durch die gleitende Kapazität verringert. Demgemäß ist die Leiterschicht 113 vorgesehen, um den Widerstand des sensitiven Stromkreises 12 zu verringern.
Als eine solche Leiterschicht 113 wird vorzugsweise ein Metall oder eine Legierung mit hoher Leitfähigkeit verwendet, und noch vorteilhafter ist es, ein Metall oder eine Legierung zu verwenden, das/die hoch leitfähig und nicht magnetisch ist. Beispiele für Materialien für eine solche Leiterschicht 113 sind Metalle wie Ag, Al und Cu. Die Dicke der Leiterschicht 113 beträgt z. B. 10 nm bis 1 µm. Es reicht aus, dass die Leiterschicht 113 den Widerstand des sensitiven Stromkreises 12 im Vergleich zu dem Fall, in dem die Leiterschicht 113 nicht vorhanden ist, verringern kann.
Die oberen und unteren weichmagnetischen Materialschichten 111, die die Schicht zur Unterdrückung der magnetischen Domäne 112 einschließen, und die oberen und unteren weichmagnetischen Materialschichten 111, welche die Leiterschicht 113 einschließen, sind antiferromagnetisch miteinander gekoppelt (AFC). Aufgrund der oberen und unteren weichmagnetischen Materialschichten 111, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, wird das Auftreten von Entmagnetisierungsfeldern unterdrückt und die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10 verbessert.
(Funktion des Magnetsensors 10)
Nachfolgend ist die Funktionsweise des Magnetsensors 10 beschrieben. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem in Längsrichtung des sensitiven Teils 121 des Magnetsensors 10 angelegten Magnetfeld H und der Impedanz Z des Magnetsensors 10 veranschaulicht. In 4 zeigt die horizontale Achse das Magnetfeld H und die vertikale Achse die Impedanz Z. Die Impedanz Z wird gemessen, indem der Wechselstrom zwischen den Anschlussteilen 13b und 13c des in 3A dargestellten sensitiven Stromkreises 12 geleitet wird. Obwohl die Impedanz Z daher die Impedanz des sensitiven Stromkreises 12 ist, wird sie auch als Impedanz Z des Magnetsensors 10 bezeichnet.
Wie 4 zeigt, erhöht sich die Impedanz Z des Magnetsensors 10, wenn das in Längsrichtung der sensitiven Teile 121 anzulegende Magnetfeld H zunimmt. Weiterhin verringert sich die Impedanz Z des Magnetsensors 10, wenn das anzulegende Magnetfeld H größer als das anisotrope Magnetfeld Hk wird. Innerhalb des Bereichs, in dem das anzulegende Magnetfeld H kleiner als das anisotrope Magnetfeld Hk der sensitiven Teile 121 ist, ist es durch Verwendung eines Abschnitts, in dem das Ausmaß der Änderungen ΔZ in der Impedanz Z in Bezug auf das Ausmaß der Änderungen ΔH in dem Magnetfeld H steil ist (ΔZ/ΔH ist groß), möglich, extrem schwache Variationen in dem Magnetfeld H als Ausmaß der Änderungen ΔZ in der Impedanz Z zu extrahieren. In 4 ist die Mitte des Magnetfeldes H, wo ΔZ/ΔH groß ist, als Magnetfeld Hb dargestellt. Mit anderen Worten ist es möglich, das Ausmaß der Änderung (ΔH) des Magnetfeldes H in der Nähe des Magnetfeldes Hb (der durch Pfeile in 4 gekennzeichnete Bereich) mit hoher Genauigkeit zu messen. In dem Bereich, wo das Ausmaß der Änderungen ΔZ der Impedanz Z am steilsten ist (ΔZ/ΔH ist am größten), wird dabei der magnetische Impedanzeffekt größer und das Magnetfeld oder die Änderungen des Magnetfelds können leicht gemessen werden. Anders ausgedrückt ist die Empfindlichkeit umso höher, je steiler die Änderungen der Impedanz Z in Bezug auf das Magnetfeld H sind. Das Magnetfeld Hb wird manchmal als Bias-Magnetfeld bezeichnet. Nachfolgend wird das Magnetfeld Hb als Bias-Magnetfeld Hb bezeichnet. Die Empfindlichkeit ist umso höher ist, je höher die Frequenz des an den sensitiven Stromkreis 12 angelegten Wechselstroms ist.
(Verfahren zur Herstellung des Magnetsensors 10)
Der Magnetsensor 10 wird wie folgt hergestellt.
Zunächst wird auf dem Substrat 11 ein Photoresistmuster zur Abdeckung von Teilen mit Ausnahme der planaren Form des sensitiven Stromkreises 12 unter Verwendung der allgemein bekannten Photolithografietechnik gebildet. Anschließend werden auf dem Substrat 11 die weichmagnetische Materialschicht 111a, die Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112a, die weichmagnetische Materialschicht 111b, die Leiterschicht 113, die weichmagnetische Materialschicht 111c, die Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112b und die weichmagnetische Materialschicht 111d in dieser Reihenfolge, z. B. durch Sputterverfahren, abgeschieden. Dann werden die weichmagnetische Materialschicht 111a, die Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112a, die weichmagnetische Materialschicht 111b, die Leiterschicht 113, die weichmagnetische Materialschicht 111c, die Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112b und die weichmagnetische Materialschicht 111d, die auf dem Photoresist abgeschieden sind, mit dem Photoresist entfernt. Folglich bleibt auf dem Substrat 11 ein laminierter Körper zurück, der aus der weichmagnetischen Materialschicht 111a, der Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112a, der weichmagnetischen Materialschicht 111b, der Leiterschicht 113, der weichmagnetischen Materialschicht 111c, der Schicht zur Unterdrückung magnetischer Domänen 112b und der weichmagnetischen Materialschicht 111d aufgebaut ist, eingearbeitet in die planare Form des sensitiven Stromkreises 12. Mit anderen Worten ist damit der Magnetsensor 10 gebildet.
Wie oben beschrieben, wird die weichmagnetische Materialschicht 111 mit uniaxialer magnetischer Anisotropie in einer Richtung vorgesehen, die die Längsrichtung kreuzt, z. B. die kurze Richtung (die y-Richtung in 3A). Die uniaxiale magnetische Anisotropie kann beispielsweise durch eine Wärmebehandlung bei 400°C in einem rotierenden Magnetfeld von 3 kG (0,3T) (Wärmebehandlung im rotierenden Magnetfeld) und eine anschließende Wärmebehandlung bei 400°C in einem statischen Magnetfeld von 3 kG (0,3T) (Wärmebehandlung im statischen Magnetfeld) auf dem auf dem Substrat 11 gebildeten sensitiven Stromkreis 12 erzeugt werden. Das Versehen mit der uniaxialen magnetischen Anisotropie kann beim Abscheiden der den sensitiven Stromkreis 12 bildenden weichmagnetischen Materialschichten 111 unter Einsatz eines Magnetron-Sputterverfahrens erfolgen, anstatt bei der Wärmebehandlung im rotierenden Magnetfeld und der Wärmebehandlung im statischen Magnetfeld. Mit anderen Worten werden durch das Magnetfeld, welches von den im Magnetron-Sputterverfahren verwendeten Magneten erzeugt wird, die weichmagnetischen Materialschichten 111 abgeschieden, und gleichzeitig wird den weichmagnetischen Materialschichten 111 die uniaxiale magnetische Anisotropie verliehen.
Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren werden die Verbindungsteile 122 in dem sensitiven Stromkreis 12 gleichzeitig mit den sensitiven Teilen 121 gebildet. Das Fotoresistmuster kann gebildet werden, indem man einen Abschnitt, der die planare Form des sensitiven Stromkreises 12 ausschließt, als einen Abschnitt betrachtet, der die planare Form des sensitiven Stromkreise 12 und der Anschlussteile 13 ausschließt. In diesem Fall werden die Anschlussteile 13 gleichzeitig mit den sensitiven Teilen 121 und den Verbindungsteilen 122 gebildet. Weiterhin können die Verbindungsteile 122 und die Anschlussteile 13 mit einem leitfähigen Metall wie Al, Cu, Ag oder Au gebildet sein. Überdies kann das Metall mit Leitfähigkeit, wie Al, Cu, Ag oder Au, auf die Verbindungsteile 122 und die Anschlussteile 13, die gleichzeitig mit den sensitiven Teilen 121 gebildet werden, geschichtet werden.
Es wurde angenommen, dass der sensitive Stromkreis 12 die magnetische Domänenunterdrückungsschicht 112 und die Leiterschicht 113 enthält; es ist jedoch nicht erforderlich, dass die magnetische Domänenunterdrückungsschicht 112 oder die Leiterschicht 113 oder beide enthalten sind.
(Magnetsensor 10 der ersten beispielhafte Ausführungsform und Magnetsensorvorrichtung 1)
Nachfolgend sind der Magnetsensor 10 der ersten beispielhaften Ausführungsform und die Magnetsensorvorrichtung 1 beschrieben.
Wie oben beschrieben, wird die Induktivität verringert und die Empfindlichkeit verbessert, wenn die Fläche der Strommasche α, die durch die Leitung in der Nähe des Magnetsensors 10 gebildet wird, verkleinert wird. Daher ist in der Magnetsensorvorrichtung 1, die mit dem Magnetsensor 10 der ersten beispielhaften Ausführungsform versehen ist, das Anschlussteil 13c vorgesehen, und die Rückführleitung 14 verbindet das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c.
5A und 5B sind Diagramme, die den Magnetsensor 10, auf den sich die erste beispielhafte Ausführungsform bezieht, stereoskopisch darstellen. 5A ist eine perspektivische Ansicht, und 5B ist eine Seitenansicht, die den Magnetsensor 10 in 5A aus der x-Richtung zeigt. In 5A sind die x-, y- und z-Richtung in der gleichen Weise wie in 3A und 3B festgelegt. In der Seitenansicht in 5B ist die rechte Richtung der Seite die +y-Richtung, und die Aufwärtsrichtung der Seite ist die +z-Richtung.
Wie in 5A und 5B gezeigt, ist in dem Magnetsensor 10 die Rückführleitung 14, die das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c verbindet, so vorgesehen, dass sie zur Rückseite des Substrats 11 geführt wird. Die Rückführleitung 14, die zur Rückseite des Substrats 11 geführt wird, wird durch die gestrichelte Linie angezeigt. Weiterhin sind die Anschlussteile 13b und 13c mit den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 des Wechselstromerzeugungsteils 200 und des Detektionsteils 300 verbunden. Die Anschlussteile 13b und 13c sind nebeneinander angeordnet. Die Rückführleitung 14 ist entlang der Rückseite des Substrats 11 von den Endabschnitten des Substrats 11 aus geführt; um jedoch die Länge der Rückführleitung 14 zu verringern, können an den Abschnitten des Substrats 11, von denen aus die Rückführleitung 14 zur Rückseite geführt wird, Kerben angebracht werden. Es ist auch möglich, ein Durchgangsloch in das Substrat 11 einzubringen, um die Rückführleitung 14 auf die Rückseite zu führen.
6A bis 6D sind Diagramme, die Abwandlungen des Magnetsensors 10 der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigen. 6A zeigt den in 3A, 3B, 5A und 5B dargestellten Magnetsensor 10. Zur Unterscheidung der Magnetsensoren gemäß den Abwandlungen sind die Magnetsensoren 10 in den 6A bis 6D als Magnetsensoren 10a, 10b, 10c und 10d bezeichnet, und deren Rückführleitungen 14 sind als Rückführleitungen 14a, 14b, 14c und 14d bezeichnet. Wenn die Magnetsensoren 10a, 10b, 10c und 10d nicht voneinander unterschieden werden, wird jeder von ihnen als Magnetsensor 10 bezeichnet, und wenn die Rückführleitungen 14a, 14b, 14c und 14d nicht voneinander unterschieden werden, werden diese als Rückführleitung 14 bezeichnet. Die auf der Rückseite des Substrats 11 verborgene Rückführleitung 14 ist durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet. Auf der Rückseite des Substrats 11 ist die Rückführleitung 14 entlang der Rückseite des Substrats 11 vorgesehen. In den Magnetsensoren 10a, 10b, 10c und 10d sind die sensitiven Stromkreise 12 die gleichen.
In dem in 6A dargestellten Magnetsensor 10a ist die Rückführleitung 14a derart linear vorgesehen, dass sie von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussteil 13b am Endabschnitt in x-Richtung des sensitiven Stromkreises 12 verläuft, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden. Der Magnetsensor 10a wird manchmal als „Ende“ bezeichnet. In der Draufsicht kann die Rückführleitung 14a so vorgesehen sein, dass ein Teil davon mit dem sensitiven Stromkreis 12 überlappt. Die Draufsicht bezieht sich auf den Fall, in dem der Magnetsensor 10 in z-Richtung betrachtet wird.
Bei dem in 6B gezeigten Magnetsensor 10b ist in der Draufsicht die Rückführleitung 14b so vorgesehen, dass sie den mittleren Abschnitt in x-Richtung des sensitiven Stromkreises 12 kreuzt. Der Magnetsensor 10b wird in einigen Fällen mit „Mitte“ bezeichnet.
Bei dem in 6C gezeigten Magnetsensor 10c ist die Rückführleitung 14c in der Draufsicht in einer M-Form so vorgesehen, dass sie den sesnitiven Stromkreis 12 kreuzt. Der Magnetsensor 10c wird manchmal mit „M-Form“ bezeichnet.
Bei dem in 6D dargestellten Magnetsensor 10d ist die Rückführleitung 14d in der Draufsicht so vorgesehen, dass sie mit den sensitiven Teilen 121 und den Verbindungsteilen 122 des sensitiven Stromkreises 12 überlappt. Mit anderen Worten hat die Rückführleitung 14d die gleiche Form wie der sensitive Stromkreis 12. Der Magnetsensor 10d wird manchmal mit „identisch“ bezeichnet.
Die Richtung des durch die Rückführleitung 14d fließenden Hochfrequenzstroms ist umgekehrt zur Richtung des durch den sensitiven Stromkreis 12 fließenden Hochfrequenzstroms, und die durch diese Ströme erzeugten Magnetfelder heben sich gegenseitig auf. Der sensitive Stromkreis 12 ist gewunden (mit einer Mäanderstruktur) konstruiert, wo sich die Magnetfelder zwischen den benachbarten sensitiven Teilen 121 gegenseitig aufheben. Wenn der Magnetsensor 10 jedoch eine ungerade Anzahl sensitiver Teile 121 aufweist, können sich die Magnetfelder zwischen den benachbarten sensitiven Teilen 121 nicht aufheben. Weiterhin werden die von den Verbindungsteilen 122 erzeugten Magnetfelder nicht aufgehoben. Indem daher die Rückführleitung 14d so vorgesehen ist, dass sie mit dem sensitiven Stromkreis 12 überlappt, ist es wahrscheinlich, dass die von den Hochfrequenzströmen erzeugten Magnetfelder aufgehoben werden. Folglich wird das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) des vom Detektionsteil 300 erfassten Signals verbessert.
7A bis 7C sind Diagramme, die andere Abwandlunged des Magnetsensors 10 der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigen. In 7A, 7B und 7C sind die Magnetsensoren 10 als Magnetsensoren 10e, 10f und 10g und die Rückführleitungen 14 als Rückführleitungen 14e, 14f und 14g bezeichnet. Wenn die Magnetsensoren 10e, 10f und 10g nicht voneinander unterschieden werden, wird jeder von ihnen als Magnetsensor 10 bezeichnet, und wenn die Rückführleitungen 14e, 14f und 14g nicht voneinander unterschieden werden, sind diese als die Rückführleitung 14 bezeichnet. Die auf der Rückseite des Substrats 11 verborgene Rückführleitung 14 wird durch die gestrichelte Linie angezeigt. Auf der Rückseite des Substrats 11 ist die Rückführleitung 14 entlang der Rückseite des Substrats 11 vorgesehen.
In dem in 7A dargestellten Magnetsensor 10e weist der sensitive Stromkreis 12 fünf (eine ungerade Zahl) sensitive Teile 121 auf, wobei das Anschlussteil 13a auf der y-Richtungsseite der -x-Richtungsseite (an der oberen linken Ecke des Papiers) und das Anschlussteil 13b auf der -y-Richtungsseite der x-Richtungsseite (an der unteren rechten Ecke des Papiers) vorgesehen ist. Das Anschlussteil 13c befindet sich neben dem Anschlussteil 13b auf der Seite in -y-Richtung. Mit anderen Worten sind das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c an den Positionen der diagonal gegenüberliegenden Ecken des Magnetsensors 10e vorgesehen. Die Rückführleitung 14e ist von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussteil 13b verlaufend so vorgesehen, dass sie den sensitiven Stromkreis 12 in der Draufsicht diagonal kreuzt, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden.
In dem in 7B dargestellten Magnetsensor 10f sind die Anschlussteile 13a und 13b im mittleren Abschnitt in x-Richtung des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen. Das Anschlussteil 13c ist auch neben dem Anschlussteil 13b auf der Seite der -y-Richtung am Mittelabschnitt in der x-Richtung des Magnetsensors 10f vorgesehen. Die Rückführleitung 14f ist von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussteil 13b hin so vorgesehen, dass sie den mittleren Abschnitt des sensitiven Stromkreises 12 in der -y-Richtung in der Draufsicht kreuzt, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden.
In dem in 7C dargestellten Magnetsensor 10g weist der sensitive Stromkreis 12 einen sensitiven Teil 121 mit der Längsrichtung in x-Richtung auf, das Anschlussteil 13a ist am Endabschnitt auf der Seite der -x-Richtung vorgesehen, und das Anschlussteil 13b ist am Endabschnitt auf der Seite der +x-Richtung vorgesehen. Das Anschlussteil 13c ist neben dem Anschlussteil 13b auf der Seite der x-Richtung vorgesehen. Die Rückführleitung 14g ist von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussteil 13b hin so vorgesehen, dass sie mit dem sensitiven Teil 121 in der Draufsicht überlappt, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden.
Die Richtung des durch die Rückführleitung 14g fließenden Hochfrequenzstroms ist umgekehrt zur Richtung des durch den sensitiven Teil 121 des sensitiven Stromkreises 12 fließenden Hochfrequenzstroms, und die durch diese Ströme erzeugten Magnetfelder heben sich gegenseitig auf. Folglich wird das Signal-Rauch-Verhältnis S/N des durch den Detektionsteil 300 erfassten Signals verbessert.
Bei den Magnetsensoren 10 der in den 6A bis 6D und 7A bis 7C gezeigten Abwandlungen sind das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c nebeneinander vorgesehen. Daher ist die Fläche der Strommasche (die in 1A gezeigte Strommasche α2), die durch die Leitung gebildet wird, welche den Magnetsensor 10 (die Anschlussteile 13b und 13c) und die Verbindungsanschlüsse 20 und 30 verbindet, verringert. Folglich wird die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10 verbessert.
8A und 8B sind Diagramme zur Veranschaulichung der Empfindlichkeit in der den Magnetsensor 10 enthaltenden Magnetsensorvorrichtung 1. 8A zeigt den Zusammenhang zwischen der Fläche der Strommasche und der Empfindlichkeit, und 8B zeigt den Zusammenhang zwischen dem Abstand zwischen dem Magnetsensor und der Leitung und der Empfindlichkeit. In 8A ist die horizontale Achse die Fläche der Strommasche (mm²) und die vertikale Achse die Empfindlichkeit (%/Oe). Weiterhin ist in 8B ist die horizontale Achse der Abstand zwischen dem Magnetsensor 10 und der Leitung (mm), und die vertikale Achse ist die Empfindlichkeit (%/Oe). Die Empfindlichkeit (%/Oe) ist die Änderungsrate der Frequenz des Magnetsensors 10 in Bezug auf die Stärke des Magnetfelds des Einheitssignals.
Die Strommasche ist dabei die Addition der Strommasche α und der Strommasche β in 1A, und die Addition der Strommasche α' und der Strommasche β in 1B. Weiterhin wird ähnlich wie bei dem in 6B gezeigten Magnetsensor 10b die Fläche der Strommasche (entspricht der Strommasche α' in 1B) geändert, indem der Abstand zwischen der auf der Rückseite des Substrats 11 geführten Leitung, die den mittleren Abschnitt des sensitiven Stromkreises 12 kreuzt (die Rückführleitung 14b in dem Magnetsensor 10b), und dem Substrat 11 des Magnetsensors 10 geändert wird. Der Abstand „0,1 mm“ zwischen dem Magnetsensor 10 und der Leitung in 8B entspricht dem Abstand in dem Magnetsensor 10b in 6B. Die Fläche der Strommasche in der Magnetsensorvorrichtung 1 beträgt zu diesem Zeitpunkt 11 mm². Eine Aufschlüsselung der Fläche von 11 mm² der Strommasche zeigt die Fläche von 1 mm² der Strommasche α, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10b gebildet wird, und die Fläche von 10 mm² der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird. Mit anderen Worten ist in der Magnetsensorvorrichtung 1 die Fläche der Strommasche α (siehe 1A) kleiner als die Fläche der Strommasche β.
Wie in 8A und 8B gezeigt ist, nimmt die Empfindlichkeit (%/Oe) ab, wenn der Abstand zwischen dem Magnetsensor und der Leitung zunimmt und damit die Fläche der Strommasche zunimmt. Wie 8A zeigt, beträgt die Empfindlichkeit 41,4 %/Oe oder mehr, wenn die Fläche der Strommasche 56,5 mm² oder weniger beträgt. Beträgt die Fläche der Strommasche dagegen 72,0 mm² oder mehr, ist die Empfindlichkeit 35,2 %/Oe oder weniger. Mit anderen Worten ist es zur Verbesserung der Empfindlichkeit bevorzugt, wenn die Fläche der Strommasche 50 mm² oder weniger beträgt. 8B zeigt weiterhin, dass, wenn der Abstand zwischen dem Magnetsensor 10 und der Leitung 4,7 mm oder weniger beträgt, die Empfindlichkeit 41,4 %/Oe oder mehr ist. Wenn dagegen der Abstand zwischen dem Magnetsensor 10 und der Leitung 6,2 mm oder mehr beträgt, wird die Empfindlichkeit 35,2 %/Oe oder weniger. Mit anderen Worten ist es zur Verbesserung der Empfindlichkeit bevorzugt, wenn der Abstand zwischen dem Magnetsensor 10 und der Leitung 5 mm oder weniger beträgt.
9A und 9B sind Diagramme, die die Empfindlichkeit der Magnetsensorvorrichtungen in Abwandlungen des Magnetsensors 10 zeigen. 9A zeigt die Empfindlichkeit, die bei zwei Proben A1 und A2 mit derselben Struktur gemessen wurde, und 9B zeigt die Empfindlichkeit, die bei zwei Proben B und C mit unterschiedlichen Strukturen gemessen wurde. In 9A betrifft „300 mm²“ den Fall, dass die Fläche der Strommasche 300 mm² beträgt und die Fläche der Strommasche durch Vergrößerung des Abstands zwischen dem Magnetsensor und der Leitung vergrößert wird, wie in 8A und 8B beschrieben. „ENDE“ bezeichnet den Magnetsensor 10a in 6A, bei dem die Rückführleitung 14a linear an dem Endabschnitt des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen ist, „M-FORM“ bezeichnet den Magnetsensor 10c in 6C, bei dem die Rückführleitung 14c so vorgesehen ist, dass sie den sensitiven Stromkreis 12 in einer M-Form kreuzt, und „MITTE“ bezeichnet den Magnetsensor 10b in 6B, bei dem di Rückführleitung 14b so vorgesehen ist, dass sie den mittleren Abschnitt des sensitiven Stromkreises 12 kreuzt.
Die vertikale Achse ist die Empfindlichkeit, wird aber in relativen Werten (willkürliche Einheit) dargestellt.
In jedem der Magnetsensoren 10a („ENDE“), dem Magnetsensor 10c („M-FORM“) und dem Magnetsensor 10b („MITTE“) ist die Fläche der Strommasche 11 mm². Mit anderen Worten ist die Fläche der Strommasche α, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10a („ENDE“), des Magnetsensors 10c („M-FORM“) und des Magnetsensors 10b („MITTE“) gebildet wird, 1 mm², und die Fläche der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird, ist 10 mm². Kurz gesagt, die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildeten Strommasche α kleiner als die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildeten Strommasche β. Auch für den Fall, dass die Fläche der Strommasche 300 mm² beträgt, ist die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildeten Strommasche β 10 mm². Dementsprechend ist für den Fall der Fläche der Strommasche von 300 mm² die Fläche der Strommasche, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors gebildet wird (die Strommasche α', die durch die Leitung in der Nähe des Magnetsensors 10' in 1B gebildet wird), größer als die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildeten Strommasche β.
In 9B betrifft „60 mm²“ den Fall, in dem die Fläche der Strommasche 60 mm² beträgt und die Fläche der Strommasche durch Vergrößerung des Abstands zwischen dem Magnetsensor und der Leitung vergrößert wird, wie in 8A und 8B beschrieben. „MITTE“ bezeichnet den Magnetsensor 10b in 6B, bei dem die Rückführleitung 14b so vorgesehen ist, dass sie den mittleren Abschnitt des sensitiven Stromkreises 12 kreuzt, und „IDENTISCH“ bezeichnet den Magnetsensor 10d in 6D, bei dem die Rückführleitung 14 entlang der sensitiven Teile 121 und der Verbindungsteile 122 des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen ist. Die vertikale Achse ist die Empfindlichkeit, wird aber in relativen Werten (beliebige Einheit) dargestellt.
In jedem der beiden Magnetsensoren 10b („MITTE“) und 10d („IDENTISCH“) beträgt die Fläche der Strommasche 11 mm². Mit anderen Worten ist die Fläche der Strommasche α, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10b („MITTE“) und des Magnetsensors 10d („IDENTISCH“) gebildet wird, 1 mm², und die Fläche der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird, ist 10 mm². Kurz gesagt ist die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildeten Strommasche α kleiner als die Fläche der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird. Auch für den Fall, dass die Fläche der Strommasche 60 mm² beträgt, ist die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildeten Strommasche β 10 mm². Dementsprechend ist, wenn die Fläche der Strommasche 60 mm² beträgt, die Fläche der Strommasche, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors gebildet wird (die Strommasche α', die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10' in 1B gebildet wird), größer als die Fläche der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet wird.
Wie 9A zeigt, ist die Empfindlichkeit bei „ENDE“, „M-FORM“ und „MITTE“ im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Fläche der Strommasche 300 mm² beträgt, verbessert. Wie 9B zeigt, ist die Empfindlichkeit bei „MITTE“ und „IDENTISCH“ verbessert im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Fläche der Strommasche 60 mm² beträgt.
Wie oben beschrieben, sind für die Magnetsensorvorrichtung 1, in welcher der Magnetsensor 10 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform verwendet wird, die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10 und die Empfindlichkeit der Magnetsensorvorrichtung 1 verbessert, da die Fläche der durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildeten Strommasche α kleiner ausgebildet wurde als die Fläche der Strommasche β, die durch die Leitung in der Umgebung des Detektionsteils 300 gebildet ist.
Die Rückführleitung 14 wurde in der obigen Darstellung auf der Rückseite des Substrats 11 geführt; die Rückführleitung 14 kann jedoch auch auf der Vorderseite des Substrats 11 geführt sein.
10A und 10B zeigen Diagramme, die einen anderen Magnetsensor 10 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform veranschaulichen. 10A ist eine perspektivische Ansicht, und 10B ist eine Seitenansicht, die den Magnetsensor 10 in 10A aus der x-Richtung zeigt. In 10A sind die x-, y- und z-Richtungen in der gleichen Weise wie in 5A und 5B festgelegt. In der Seitenansicht in 10B ist die rechte Richtung der Seite die +y-Richtung, und die Aufwärtsrichtung der Seite ist die +z-Richtung.
Wie in den 10A und 10B gezeigt, ist in dem Magnetsensor 10 die Rückführleitung 14, die das Anschlussteil 13a und das Anschlussteil 13c verbindet, an der Vorderseite des Substrats 11 vorgesehen. In der Rückführleitung 14 ist der Abschnitt, der mit dem sensitiven Stromkreis 12 überlappt, mit einer elektrisch isolierten Isolatorschicht 115 versehen, wodurch der Abschnitt (die Rückführleitung 14) elektrisch von dem sensitiven Stromkreis 12 isoliert ist. Weiterhin ist die Rückführleitung 14 entlang der Oberfläche der Isolatorschicht 115 vorgesehen. Die Rückführleitung 14 ist so vorgesehen, dass sie nicht mit dem Anschlussteil 13b überlappt, sondern an dem Anschlussteil 13b vorbei geht. Beispiele für den Isolator, der die Isolatorschicht 115 bildet, sind Oxide, wie SiO₂, Al₂O₃ oder TiO₂, oder Nitride, wie Si₃N₄ oder AlN.
Wie 10B zeigt, kann in der Strommasche α1 in dem Magnetsensor 10 (siehe 1A) die auf der Vorderseite des Substrats 11 vorgesehene Rückführleitung 14 die Fläche der Strommasche, die durch die Rückführleitung 14 und den sensitiven Stromkreis 12 gebildet wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Rückführleitung 14 auf der Rückseite des Substrats 11 vorgesehen ist, verkleinert werden. Folglich verringert eine Verkleinerung der Strommasche α1 in dem Magnetsensor 10 die Strommasche α, die durch die Leitung in der Umgebung des Magnetsensors 10 gebildet wird, wodurch die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10 und die Empfindlichkeit der Magnetsensorvorrichtung 1 verbessert werden.
Oben wurde beschrieben, dass der Magnetsensor 10 das Anschlussteil 13c auf der Oberfläche des Substrats 11 aufweist. Das Anschlussteil 13c kann jedoch auch auf der Rückseite des Substrats 11 vorgesehen sein. Weiterhin kann das Anschlussteil 13c auch der Endabschnitt der Rückführleitung 14 sein, ohne dass das Anschlussteil 13c auf dem Substrat 11 vorgesehen ist. Es wird angenommen, dass das Anschlussteil 13c dabei den Endabschnitt der Rückführleitung 14 umfasst. Mit anderen Worten können das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c (einschließlich des Endabschnitts der Rückführleitung 14) derart nebeneinander vorgesehen sein, dass die Strommasche, die durch die Leitung gebildet wird, die den Magnetsensor 10 mit den Verbindungsanschlüssen 20 und 30 verbindet, verkleinert wird. „Nebeneinander“ kann bedeuten, dass, wie in 3A gezeigt, der Abstand D1 zwischen dem Anschlussteil 13b und dem Anschlussteil 13c (einschließlich des Endabschnitts der Rückführleitung 14) kürzer ist als der Abstand D2 zwischen dem Anschlussteil 13a und dem Anschlussteil 13b.
[Zweite beispielhafte Ausführungsform]
Bei dem Magnetsensor 10 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform und der Magnetsensorvorrichtung 1 wurde die Rückführleitung 14 des Magnetsensors 10 auf der Rückseite oder der Vorderseite des Substrats 11 vorgesehen. In dem Magnetsensor 10 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform und der Magnetsensorvorrichtung ist die Rückführleitung 14 des Magnetsensors 10 auf dem Substrat 11 vorgesehen. In der zweiten beispielhaften Ausführungsform sind die anderen Konfigurationen als der Magnetsensor 10 die gleichen wie bei der ersten beispielhaften Ausführungsform; daher wird nun der Magnetsensor 10 beschrieben, bei dem es sich um den unterschiedlichen Bereich handelt, und die Beschreibung der anderen Konfigurationen wird ausgelassen. Dementsprechend wird die Magnetsensorvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform als die Magnetsensorvorrichtung 1 bezeichnet. Elemente mit der gleichen Funktion des Magnetsensors 10 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie bei dem Magnetsensor 10 der ersten beispielhaften Ausführungsform.
11A und 11B zeigen Diagramme, die den in der Magnetsensorvorrichtung 1 enthalten Magnetsensor 10 veranschaulichen, auf den sich die zweite beispielhafte Ausführungsform bezieht. 11A ist eine perspektivische Ansicht, und 11B ist eine Seitenansicht, die den Magnetsensor 10 in 11A aus der x-Richtung zeigt. In 11A sind die x-, y- und z-Richtungen in der gleichen Weise wie in 3A und 3B festgelegt. In der Seitenansicht in 11B ist die rechte Richtung der Seite die +y-Richtung, und die Aufwärtsrichtung der Seite ist die +z-Richtung.
In dem Magnetsensor 10 ist die Rückführleitung 14 auf dem Substrat 11 auf der x-Richtungsseite des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen.
12A bis 12C sind Diagramme, die Abwandlungen des in der Magnetsensorvorrichtung 1 enthaltenen Magnetsensors 10 der zweiten beispielhaften Ausführungsform zeigen. Zur Unterscheidung der Magnetsensoren der Abwandlungen werden die Magnetsensoren 10 in den 12A bis 12C als Magnetsensoren 10h, 10i und 10j bezeichnet, und die zugehörigen Rückführleitungen 14 werden als Rückführleitungen 14h, 14i bzw. 14j bezeichnet. Wenn die Magnetsensoren 10h, 10i und 10j nicht voneinander unterschieden werden, wird jeder von ihnen als magnetischer Sensor 10 bezeichnet, und wenn die Rückführleitungen 14h, 14i und 14j nicht voneinander unterschieden werden, werden diese als Rückführleitung 14 bezeichnet.
In dem in 12A dargestellten Magnetsensor 10h ist die Rückführleitung 14h so vorgesehen, dass sie von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussbereich 13b entlang der x-Richtung des sensitiven Stromkreises 12 linear zurück führt, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden.
In dem in 12B dargestellten Magnetsensor 10i ist die Rückführleitung 14i entlang der sensitiven Teile 121 und der Verbindungsteile 122 des sensitiven Stromkreises 12 vorgesehen, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden.
In dem Magnetsensor 10i ist die Richtung des Hochfrequenzstroms, der durch den sensitiven Stromkreis 12 fließt, umgekehrt zur Richtung des Hochfrequenzstroms, der durch die Rückführleitung 14i fließt. Daher heben sich, wie in 6D beschrieben, die von den Hochfrequenzströmen erzeugten Magnetfelder gegenseitig auf. Folglich wird das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) des von dem Detektionsteil 300 erfassten Signals verbessert.
In dem in 12C dargestellten Magnetsensor 10j ist der sensitive Stromkreis 12 mit einem sensitiven Teil 121 konfiguriert, dessen Längsrichtung in x-Richtung verläuft. Weiterhin ist die Rückführleitung 14j so vorgesehen, dass sie von dem Anschlussteil 13a zu dem Anschlussteil 13b entlang des sensitiven Teils 121 zurückführt, um mit dem Anschlussteil 13c verbunden zu werden. Da der sensitive Teil 121 des sensitiven Stromkreises 12 und die Rückführleitung 14j parallel angeordnet sind, ist die Richtung des Hochfrequenzstroms, der durch den sensitiven Teil 121 des sensitiven Stromkreises 12 fließt, umgekehrt zur Richtung des Hochfrequenzstroms, der durch die Rückführleitung 14j fließt, und die durch diese Ströme erzeugten Magnetfelder heben sich gegenseitig auf. Folglich wird das Signal-Rausch-Verhältnis S/N des von dem Detektionsteil 300 erfassten Signals verbessert.
Bei den Magnetsensoren 10 der in den 12A bis 12C gezeigten Abwandlungen sind das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c nebeneinander vorgesehen. Daher ist die Fläche der Strommasche (die in 1A gezeigte Strommasche α2), die durch die Leitung gebildet wird, welche den Magnetsensor 10 (die Anschlussteile 13b und 13c) und die Verbindungsanschlüsse 20 und 30 verbindet, verkleinert. Folglich sind die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10 und die Empfindlichkeit der den Magnetsensor 10 aufweisenden Magnetsensorvorrichtung 1 verbessert.
Oben wurde beschrieben, dass der Magnetsensor 10 das Anschlussteil 13c auf der Oberfläche des Substrats 11 aufweist. Das Anschlussteil 13c kann jedoch auch der Endbereich der Rückführleitung 14 sein, ohne dass das Anschlussteil 13c auf dem Substrat 11 vorgesehen ist. Es wird dabei angenommen, dass das Anschlussteil 13c den Endabschnitt der Rückführleitung 14 beinhaltet. Mit anderen Worten können das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c (einschließlich des Endabschnitts der Rückführleitung 14) benachbart zueinander vorgesehen werden, so dass die Strommasche, die durch die Verdrahtung, die den Magnetsensor 10 mit den Anschlussklemmen 20 und 30 verbindet, gebildet wird, verkleinert wird.
[Dritte beispielhafte Ausführungsform]
In der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsform war die Rückführleitung 14 in dem Magnetsensor 10 vorgesehen, und dadurch wurde die Fläche der Strommasche, die durch die Leitung gebildet wird, welche den Magnetsensor 10 und die Verbindungsanschlüsse 20 und 30 verbindet (die in 1A gezeigte Strommasche α2), verkleinert. In der dritten beispielhaften Ausführungsform ist anstelle der Rückführleitung 14 vorgesehen, dass der sensitive Stromkreis 12 zurückführt/zurückleitet. In der dritten beispielhaften Ausführungsform sind andere Konfigurationen als der Magnetsensor 10 die gleichen wie bei der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsformen; daher wird hier der Magnetsensor 10, bei dem es sich um den verschiedenen Teil handelt, beschrieben, und die Beschreibung der anderen Konfigurationen wird ausgelassen. Dementsprechend wird die Magnetsensorvorrichtung gemäß der dritten beispielhafte Ausführungsform als Magnetsensorvorrichtung 1 bezeichnet. Konfigurationen mit der gleichen Funktion wie bei dem Magnetsensor 10 sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie bei dem Magnetsensor 10 der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsformen versehen.
13 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung des Magnetsensors 10 zeigt, auf den sich die dritte beispielhafte Ausführungsform bezieht. Zur Unterscheidung des in 13 gezeigten Magnetsensors 10 von den bisher beschriebenen Magnetsensoren 10 ist der Magnetsensor 10 in 13 als Magnetsensor 10k bezeichnet.
Der in 13 dargestellte Magnetsensor 10k umfasst die sensitiven Stromkreise 12a und 12b. Der sensitive Stromkreis 12a ist außen vorgesehen, und der sensitive Stromkreis 12b ist innen vorgesehen. Weiterhin ist das Anschlussteil 13a am Endabschnitt in y-Richtung des sensitive Stromkreises 12a vorgesehen, und das Anschlussteil 13b ist am Endabschnitt in -y-Richtung des sensitiven Stromkreises 12a vorgesehen. Das Anschlussteil 13a des sensitiven Stromkreises 12a ist mit dem sensitiven Stromkreis 12b verbunden. Das Anschlussteil 13c ist am Endabschnitt in -y-Richtung des sensitiven Stromkreises 12b vorgesehen. Weiterhin sind das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c benachbart zueinander angeordnet. Mit anderen Worten ist anstelle der Rückführleitung 14 in der ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsform der sensitive Stromkreis 12b vorgesehen. Der sensitive Stromkreis 12b ist ein weiteres Beispiel für andere sensitive Stromkreise und Rückführelemente. Es sei angemerkt, dass das Anschlussteil 13a nicht erforderlich ist, wenn der sensitive Stromkreis 12a und der sensitive Stromkreis 12b durchgehend vorgesehen sind.
In dem Magnetsensor 10k ist die Richtung des Hochfrequenzstroms, der durch den sensitiven Stromkreis 12a fließt, umgekehrt zur Richtung des Hochfrequenzstroms, der durch den sensitiven Stromkreis 12b fließt. Daher heben sich, wie in 6D beschrieben, die von den Hochfrequenzströmen erzeugten Magnetfelder gegenseitig auf. Folglich wird das Signal-Rausch-Verhältnis S/N des von dem Detektionsteil 300 erfassten Signals verbessert.
Bei dem Magnetsensor 10k der in 13 gezeigten Abwandlung sind das Anschlussteil 13b und das Anschlussteil 13c benachbart zueinander vorgesehen. Daher ist die Fläche der Strommasche (die in 1A gezeigte Strommasche α2), die durch die Leitung gebildet wird, welche den Magnetsensor 10k (die Anschlussteile 13b und 13c) und die Verbindungsanschlüsse 20 und 30 verbindet, verringert. Folglich sind die Empfindlichkeit des Magnetsensors 10k und die Empfindlichkeit der den Magnetsensor 10k enthaltenden Magnetsensorvorrichtung 1 verbessert.
Die vorstehende Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient der Veranschaulichung und Erläuterung. Dies soll nicht als erschöpfend oder als die Erfindung auf die genauen beschriebenen Ausführungsformen einschränkend angesehen werden. Dem Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen offensichtlich. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen bestmöglich zu erläutern und dadurch den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen und verschiedene Abwandlungen zu verstehen, die für bestimmte Verwendungen geeignet sind. Der Umfang der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche und Äquivalente davon definiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2000 [0002]
JP 292506 [0002]

Claims

Magnetsensor (10), mit: einem nicht-magnetischen Substrat (11); einem sensitiven Stromkreis (12), der auf einer Oberfläche des Substrats (11) ausgebildet ist und einen sensitiven Teil 121 aufweist, der ein Magnetfeld mittels Magnetimpedanzeffekt wahrnimmt; einem ersten Anschlussteil (13a) und einem zweites Anschlussteil (13b), die mit den jeweiligen beiden Endabschnitten des sensitiven Stromkreises (12) verbunden sind; und einem leitendes Rückführelement (14), das einen Endabschnitt aufweist, der mit dem ersten Anschlussteil (13a) verbunden ist, wobei das Rückführelement (14) zurück zu dem zweiten Anschlussteil (13b) führt.
Magnetsensor gemäß Anspruch 1, wobei das Rückführelement (14) eine mit einem nicht-magnetischen Metall gebildete Leitung ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 2, weiter aufweisend: ein drittes Anschlussteil (13c), das neben dem zweiten Anschlussteil (13b) vorgesehen ist, wobei der andere Endabschnitt des Rückführelements (14) mit dem dritten Anschlussteil (13c) verbunden ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 3, wobei ein Abstand zwischen der Mitte des zweiten Anschlussteils (13b) und der Mitte des dritten Anschlussteils (13c) kleiner ist als ein Abstand zwischen der Mitte des ersten Anschlussteils (13a) und der Mitte des zweiten Anschlussteils (13b).
Magnetsensor gemäß Anspruch 4, wobei das Rückführelement (14) auf einer Vorderseite oder einer Rückseite des Substrats (11) ausgebildet ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 5, wobei das Rückführelement (14) von dem ersten Anschlussteil (13a) zu dem zweiten Anschlussteil (13b) linear verlaufend vorgesehen ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 5, wobei das Rückführelement (14) einen Abschnitt aufweist, der einen mittleren Abschnitt des sensitiven Stromkreises (12) in Draufsicht kreuzt.
Magnetsensor gemäß Anspruch 5, wobei das Rückführelement (14) in einer M-Form ausgebildet ist und derart vorgesehen ist, dass es mindestens einen Teil aufweist, der in Draufsicht mit dem sensitiven Stromkreis (12) überlappt.
Magnetsensor gemäß Anspruch 5, wobei das Rückführelement (14) entlang des sensitiven Stromkreises (12) vorgesehen ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 4, wobei das Rückführelement (14) auf der Oberfläche des Substrats (11) vorgesehen ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 10, wobei das Rückführelement (14) linear verlaufend von dem ersten Anschlussteil (13a) zu dem zweiten Anschlussteil (13b) entlang einer Seitenoberfläche des sensitiven Stromkreises (12) vorgesehen ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 10, wobei das Rückführelement (14) entlang des sensitiven Stromkreises (12) vorgesehen ist.
Magnetsensor gemäß Anspruch 1, wobei das Rückführelement ein anderer sensitiver Stromkreis (12b) ist, der einen anderen sensitiven Teil umfasst, welcher ein Magnetfeld mittels Magnetimpedanzeffekt wahrnimmt.
Magnetsensorvorrichtung (1), mit: einem Magnetsensor (10), der ein Magnetfeld mittels Magnetimpedanzeffekt wahrnimmt; und einem Detektionsteil (300), der eine Änderung in der Impedanz des Magnetsensors (10) detektiert, wobei eine Fläche einer Strommasche (α), die von einer Leitung in der Umgebung des Magnetsensors (10) ausgebildet ist, kleiner ist als eine Fläche einer Strommasche (β), die von einer Leitung in der Umgebung des Detektionsteils (300) ausgebildet ist.
Magnetsensorvorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei eine Induktivität, die durch die von der Leitung in der Umgebung des Magnetsensors (10) gebildete Strommasche (α) und die durch die in der Umgebung des Detektionsteils (300) gebildete Strommasche (β) erzeugt wird, kleiner oder gleich 50% der Induktivität des Magnetsensors (10) ist.