DE69406169T2

DE69406169T2 - Mechanischer Sensor

Info

Publication number: DE69406169T2
Application number: DE69406169T
Authority: DE
Inventors: Shinji Saitou
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2014-03-30
Also published as: JPH06288844A; DE69406169D1; EP0618628A1; EP0618628B1; US5502381A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mechanischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Gegenwärtig wird für elektronische Geräte und Instrumente gefordert, eine kompaktere und dünnere Größe aufzuweisen. Momentan ist ein mechanischer Sensor, welcher eine Beanspruchungs-magnetische Wirkung verwendet, praktische verfügbar und er umfaßt ein amorphes magnetisches Legierungsband, welches auf einen Zylinder geklebt ist. Die Legierung weist eine positive Magnetostriktions-Sättigungskonstante auf und eine Änderung der magnetischen Permeabilität des Bandes infolge beaufschlagter Beanspruchung wird mit einer Zylinderspule erfaßt (siehe z.B. SAE TECHNICAL PAPER SERIES 920700).
Der oben erwähnte, bekannte Sensor verwendet jedoch eine Spule, welche aus einem Draht hergestellt ist, der um einen Zylinder und eine Block-Magnetschicht gewickelt ist. Daher ist es schwierig, die Größe eines mechanischen Sensors zu verringern oder ihn in ein Gerät zu integrieren. Weiterhin weist er eine obere Begrenzung bei der Verwendung bei höheren Frequenzen auf, da die Dicke der magnetischen Schicht 20-30µm beträgt und der Durchmesser des Drahtes 20-30 µm beträgt.
Die Patent Abstracts of Japan, Band 013 Nr.203 (P-870) vom 15. Mai 1989 (JP-A 01 023 132) offenbart einen Beanspruchungssensor mit einem Ti-Substrat, einer auf dem Substrat ausgebildeten Al-Spule, einer magnetischen Fe-Co-Zr-magnetostriktiven Schicht, welche von der Al-Spule umschlossen ist, und einer Isolationsschicht, welche die Magnetschicht und die Spule isoliert. Der Zweck dieses Sensors ist es, eine hohe Empfindlichkeit zusammen mit einer guten Temperatur- und Antwort-Kennlinie durch Ändern der magnetischen Permeabilität einer dünnen Magnetmaterial-Folie mit der Verzerrung durch die Beanspruchung eines Substrats zu erhalten und deren Änderung in der Form der Induktivität zu erfassen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mechanischen Sensor mit einer hohen Empfindlichkeit anzugeben. Ein Aspekt dieser Aufgabe ist es, einen kompakten mechanischen Sensor anzugeben, welcher leicht in ein Gerät integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird verwirklicht durch den mechanischen Sensor, wie in Anspruch 1 definiert. Geeignete und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer mechanischer Sensor umfaßt eine Spule, welche aus einem elektrisch leitenden Film hergestellt ist, der auf einem Substrat ausgebildet ist, und eine magnetische Schicht, welche durch die Spule magnetisierbar ist, wobei wenigstens ein Teil der magnetischen Schicht Magnetostriktion aufweist. Eine in der Magnetschicht mit Magnetostriktion erzeugte Beanspruchung wird als eine Änderung der Impedanz erfaßt. Somit ist der mechanische Sensor kompakt ausgeführt und kann in ein Gerät integriert werden. Weiterhin kann dessen Empfindlichkeit durch Wärmebehandlung der Magnetschicht erhöht werden, da weichmagnetische Eigenschaften durch Wärmebehandlung infolge der Verringerung der inneren Beanspruchung verbessert werden können. Die in der Magnetschicht infolge der Wärmebehandlung erzeugte thermische Beanspruchung b ist proportional zu ΔT × (αf-αs), wobei ΔT die Differenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Wärmebehandlungstemperatur bezeichnet. Um die Wärmebehandlung wirksam zu machen, ist es somit erforderlich, die innere Beanspruchung zu verringern, so daß der thermische Expansionskoeffizient αs des Substrats und der thermische Expansionskoeffizient αf der Magnetschicht die Beziehung > b > b wenn > 0 ist, (Zugbeanspruchung) und < b, wenn < 0 (Druckbeanspruchung) ist, wobei die innere Beanspruchung in der gewachsenen magnetischen Schicht bezeichnet.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen mechanischen Sensors ist, daß die Empfindlichkeit eines mechanischen Sensors verbessert werden kann.
Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen mechanischen Sensors ist, daß er kompakter ausgeführt und in ein Gerät integriert werden kann.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf einen mechanischen Sensor einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine Querschnittsansicht des Sensors entlang der Linie A-A' in Figur 1;
Figur 3 eine Querschnittsansicht des Sensors entlang der Linie B-B' in Figur 1;
Figur 4 eine Kennlinie der Induktivität, welche über der Beanspruchung einer Probe unter Verwendung eines Silikonsubstrats in der ersten Ausführungsform aufgezeichnet ist;
Figur 5 eine Kennlinie einer Induktivität, welche über der Beanspruchung einer Probe unter Verwendung eines Titan-Substrats in der ersten Ausführungsform aufgezeichnet ist;
Figur 6 eine Kennlinie einer Induktivität, welcher über der Beanspruchung einer Probe unter Verwendung eines Phosphorbronze-Substrats in der ersten Ausführungsform aufgezeichnet ist;
Figur 7 eine Kennlinie einer Veränderung der Koerzitivkraft einer auf einem Glas-Substrat ausgebildeten Magnetschicht in Folge einer Wärmebehandlung;
Figur 8 eine Kennlinie einer Veränderung der relativen magnetischen Permeabilität einer auf einem Glas-Substrat ausgebildeten Magnetschicht infolge einer Wärmebehandlung; und
Figur 9 eine Kennlinie einer Veränderung der inneren Beanspruchung ( i) einer auf einem Glas-Substrat ausgebildeten Magnetschicht infolge einer Wärmebehandlung.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten anhand der Zeichnungen erläutert, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den Zeichnungen bezeichnen. Zugbeanspruchungen sind als positiv (+) und Druckbeanspruchungen als negativ (-) bezeichnet. Ein thermischer Expansionskoeffizient stellt einen Mittelwert zwischen Raumtemperatur (25º C) und 300º C dar.
Figur 1 zeigt eine vereinfachte Draufsicht eines mechanischen Sensors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während die Figuren 2 und 3 jeweils Querschnittsansichten entlang der Linie A-A' und entlang der Linie B-B' in Figur 1 zeigen. Der Aufbau des mechanischen Sensors wird anhand der Figuren 1, 2 und 3 erläutert.
Ein Substrat 11 mit 30mm Länge, 14mm Breite und 0,5mm Dicke ist vorgesehen (es ist anzumerken, daß Figur 1 nicht in einem gleichen Maßstab entlang der horizontalen und der vertikalen Richtung gezeigt ist). Das Substrat 11 ist aus einer der folgenden drei Arten von Materialien hergestellt, um Änderungen in den Eigenschaften infolge des thermischen Expansionskoeffizienten zu beobachten: Phosphorbronze (αs = 17 ppm/ºC), Titan (αs = 9,4ppm/&sup0;C und Silikon (αs = 3,0ppm/&sup0;C). Bei Titan und Phosphorbronze wird eine Wärmebehandlung bei 400ºC angewendet, um Verformungskräfte zu beseitigen, die beim Schneiden, Walzen und ähnlichem erzeugt werden.
Eine erste magnetische Schicht 12a mit 5µm Dicke wird mit einem Sputter-Verfahren auf dem Substrat 11 ausgebildet. Die erste magnetische Schicht 12a wird aus einer Fe-basierten, amorphen Legierungsfohe einer Zusammensetzung aus Fe 74, Cr 4, Si 13 und B 9 (in %) hergestellt und ihre Magnetostriktions-Sättigungskonstante beträgt + 22ppm und ihr αf beträgt 9,0ppm/ºC.
Eine erste Isolationsschicht 13a aus SiOx mit 2µm Dicke wird durch ein Sputter- Verfahren auf der Magnetschicht 12a ausgebildet. Als nächstes werden eine planare Spule 14 und Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse 15a und 15b, welche aus Aluminium-Folie hergestellt sind, auf der ersten Isolationsschicht 13a ausgebildet. Die planare Spule 14 ist aus zwei Gründen aus Aluminium hergestellt. Ein Grund ist die enge Nachbarschaft mit der aus dem Oxyd hergestellten Isolationsschicht 13a. Das heißt, da Aluminium eine dichte Zwischenschicht am Übergang zu dem Oxyd bildet, ist dessen Anhaftung gut. Die Anhaftung ist sehr wichtig für einen mechanischen Sensor, da er unter Belastung arbeitet. Obwohl Kupfer und ähnliches als ein elektrisch leitendes Material verfügbar ist, weist es eine schlechte Anhaftung an dem Oxyd auf und eine Schicht zum Verbessern der Anhaftung aus Chrom oder ähnlichem ist zusätzlich erforderlich. Somit wird der Herstellungsschritt der elektrisch leitenden Schicht verkompliziert. Der zweite Grund ist, daß Aluminium zum Draht-bonden verwendet werden kann und daß es billiger als Gold ist, welches ebenfalls zum Draht-bonden verwendbar ist. Chrom weist ebenfalls eine gute Anhaftungseigenschaften an dem Oxyd auf, die mit Aluminium vergleichbar ist. Daher wird bevorzugt, daß Chrom als Bestandteil in der ersten magnetischen Schicht 12a enthalten ist, um die Anhaftung zu verbessern.
Die planare Spule 14 umfaßt eine lineare, elektrisch leitende Leitung mit einer Form einer spiralförmigen Spule aus zwei Wicklungen in einer rechtwinkligen Form, die nacheinander um 90º abgebogen sind, wie in Figur 1 gezeigt. Die Spiral-Spule ist so ausgebildet, daß sie die Induktivität erhöht. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Windungen der Spule zwei. Die Abmessung eines äußeren Umfangs der Spule 14 beträgt 3000µm in der Länge C und 820µm in der Breite D. Die Leitungsbreite des Leiters der Spule beträgt 50µm, während ein Abstand zwischen benachbarten leitenden Leitungen, in welchen ein Strom in den gleichen Richtungen fließt, 10µm beträgt und ein Abstand zwischen Leitungen, in welchen ein Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt, 180µm beträgt.
Das äußere Ende der Spiralspule mit zwei Windungen ist an eine 15b der Eingangs/Ausgangs-Elektroden angeschlossen, während die andere 15a der Elektroden, welche an ein inneres Ende 18 der Spiralspule anzuschließen ist, isoliert von der planaren Spule 14 ausgebildet ist. Die planare Spule 14 weist einen Teil 17 auf, der sich zu der Elektrode 15a hin erstreckt, zum Anschließen des inneren Endes 18 der Spiralspule an die Elektrode 15a. Dann wird das in dem Verlängerungsteil 17 angeordnete innere Ende 18 mit einem Draht 19 an den Eingangs/Ausgangs-Anschluß 15a mittels einer Draht-Bond-Technik angeschlossen. Eine Isolationsschicht 16 der gleichen Dicke wie die leitende Leitung wird zwischen benachbarten Leitungen ausgebildet, in denen ein Strom in der gleichen Richtung fließt.
Weiterhin, wie in Figur 2 gezeigt, ist eine zweite lsolationsschicht 13d (in Figur 1 nicht gezeigt) aus gleichem Material, mit gleicher Dicke und gleichem Herstellungsverfahren wie die erste Isolationsschicht 13a zum Bedecken des Spiralteiles der planaren Spule 14 vorgesehen. Dann wird eine zweite magnetische Schicht 12b aus gleichem Material, mit gleicher Dicke und gleichem Herstellungsverfahren wie die erste magnetische Schicht 12a auf der zweiten Isolationsschicht 13b gebildet. Somit ist die Spule 14 von den zwei magnetischen Schichten 12a und 12b eingefaßt. In Figur 1 ist nur eine Kontur der zweiten magnetischen Schicht 12b gezeigt, um die Spule 14 deutlich darzustellen. Ebenfalls ist bevorzugt Chrom als Bestandteil in der zweiten magnetischen Schicht 12b enthalten, um die Anhaftung an der Oxydschicht 13b zu verbessern.
In dem Aufbau der Ausführungsform, wie oben erläutert, ist der vorstehende Teil 17 vorgesehen und das innere Ende 18 ist mit dem Draht 1 9 an den Eingangs/Ausgangs-Anschluß 15a angeschlossen. Daher ist es ein Vorteil, daß ein photolithographisches Verfahren einmal angewendet wird und die Herstellungsschritte einer Spule einfach werden.
Als nächstes wird die Wirkungsweise des mechanischen Sensors erläutert. Wenn die magnetischen Schichten 12a, 12d mit Magnetostriktion mit einer Beanspruchung beaufschlagt werden, verändert sich die magnetische Permeabilität oder eine durch die Beanspruchung magnetisierte Tendenz in einer Beanspruchungsrichtung infolge von magnetischer, elastischer Energie. Da eine Änderung der magnetischen Permeabilität infolge von Beanspruchung durch Messen einer Induktivitätsänderung erfaßt wird, ist es erwünscht, daß die Magnetisierungsrichtung soweit wie möglich mit der Beanspruchungsrichtung übereinstimmt. Eine Kraft wird angewendet, um eine Beanspruchung auf der Oberfläche des Substrats zu erzeugen und eine Änderung einer mechanischen Eigenschaft infolge der Beanspruchung wird gemessen. D.h., die magnetische Schicht 12a wird durch einen Stromfluß in der Spule 14 durch die Anschlüsse 15a, 15b von einer externen Stromquelle (nicht dargestellt) magnetisiert und eine Beanspruchung wird als eine Änderung der Impedanz durch die Anschlüsse 15a und 15b erfaßt.
Die Anordnung der Spule 14 wird beschrieben. In Figur list eine Längsrichtung in einer Ebene des Substrats 11 als Richtung E bezeichnet und eine Längsrichtung in einer Ebene der planaren Spule 14 ist als Richtung F bezeichnet. Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst die auf dem Substrat ausgebildete planare Spule 14 eine flache, leitende Leitung und sie verläuft parallel zu den magnetischen Schichten 12a und 12b, so daß die Magnetisierungsrichtung in den magnetischen Schichten und senkrecht zu der leitenden Leitung liegt. Da weiterhin eine Beanspruchung, mit welcher die magnetischen Schichten beaufschlagt werden, äquivalent zu der Beanspruchung ist, mit welcher das Substrat beaufschlagt wird, wenn das Substrat mit einer Beanspruchung beaufschlagt wird, wird sie als auf die magnetischen Schichten angewendet betrachtet. Daher ist die planare Spule 14 so angeordnet, daß die Richtung E der Spule 14 senkrecht zu der Richtung F der Beanspruchung verläuft. Weiterhin weist durch Biegen der elektrisch leitenden Leitung in einer rechtwinkligen Form die Spule 14 eine Ausbildung mit Teilen großer Längen entlang der gleichen Richtung (Richtung F) auf.
Als Nächstes wird die Verbesserung der Sensor-Kennlinien in Folge der Wärmebehandlung beschrieben. Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen über beaufschlagte Beanspruchungen aufgezeichnete Induktivitätsänderungen von Proben an, die jeweils auf einem Silikon-Substrat, auf einem Titan-Substrat und einem Phosphorbronze- Substrat ausgebildet sind. Eine Induktivität ohne beaufschlagte Beanspruchung ist als L&sub0; bezeichnet. Die magnetischen Schichten in den Proben werden einer Wärmebehandlung bei 250, 300 und 350 ºC unterworfen. Die verwendete Probe ohne Wärmebehandlung ist mit "keine" in den Figuren 4-6 bezeichnet. Obwohl eine bei 1 MHz gemessene Induktivität gezeigt ist, ergibt sich keine Änderung infolge der Frequenz zwischen 1-10 MHz
Wie in den Figuren 4-6 dargestellt, ist die Induktivitätsänderung oder Empfindlichkeit infolge der Beanspruchung bei allen Proben mit magnetischen Schichten wie gewachsen gering. Ein in einem physikalischen Dampfablagerungsverfahren (PVD, physical vapor deposition) gewachsener Magnetfilm oder einem chemischen Dampfablagerungsvorgang (CVD, chemical vapor deposition) weist eine innere Beanspruchung (nachfolgend als bezeichnet) von einigen hundert mPa auf, welche durch 2 Faktoren ausgelöst wird. Ein Faktor ist eine thermische Beanspruchung (nachfolgend als a bezeichnet), welche durch eine Differenz in der thermischen Expansion zwischen dem Film und dem Substrat ausgelöst wird, während der andere eine Eigenbeanspruchung (nachfolgend als i bezeichnet) ist, welche durch den Ablagerungsvorgang selbst erzeugt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die thermische Beanspruchung a vernachlässigbar klein und die innere Beanspruchung wird als annähernd gleich der Eigenbeanspruchung i angenommen, da das Substrat während des Ablagerungsvorgangs mit Wasser gekühlt wird. In den magnetischen Schichten 12a, 12b in der vorliegen Ausführungsform wird eine Eigen-Druckbeanspruchung i von -400 MPa bei einer Messung mit einem Verfahren mit einseitiger Einspannung beobachtet.
Andererseits zeigen die Figuren 4 und 5, daß, wenn die Wärmebehandlungstemperatur 300 ºC erreicht, die Empfindlichkeit und die Induktivitätsänderung der auf den Silikon- und Titan-Substraten ausgebildeten Proben deutlich verbessert wird. Es wird angenommen, daß die Beanspruchung in der gewachsenen Schicht durch die Wärmebehandlung abgebaut wird, um die magnetische Permeabillität zu erhöhen. Andererseits nimmt die Empfindlichkeit bei höheren Wärmebehandlungstemperaturen ab, wie in Figur 6 gezeigt, obwohl die Wärmebehandlung bei 250ºC für auf dem Phosphorbronze-Substrat ausgebildete Proben die Empfindlichkeit etwas verbessert.
Da ein mechanischer Sensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform magnetische Schichten mit Magnetostriktion beinhaltet, verringert eine Verschlechterung der weichmagnetischen Eigenschaften der magnetischen Schichten die magnetische Permeabilität infolge des Vorhandenseins innerer Beanspruchungen . Die magnetische Permeabilität kann in hohem Maß erhöht werden durch Abbauen von Eigenbeanspruchungen i in den gewachsenen magnetischen Schichten durch Wärmebehandlung. Eine Wärmebehandlung selbst erzeugt jedoch eine thermische Beanspruchung (nachfolgend als b bezeichnet, um sie von der thermischen Beanspruchung a bei der Film-Ablagerung zu unterscheiden). Daher ist eine innere Beanspruchung nach der Wärmebehandlung eine Summe einer Eigenbeanspruchung i in der magnetischen Schicht und der thermischen Beanspruchung b. Obwohl die Wärmebehandlung innere Beanspruchungen abbaut, ist die Wärmebehandlung nicht wirksam, um die Empfindlichkeit zu verbessern, wenn die gesamte innere Beanspruchung nicht infolge der Erzeugung der thermischen Beanspruchung b vor der Wärmebehandlung um einen Wert verringert wird. Wenn dann die innere Beanspruchung i durch Wärmebehandlung verringert wird, ist es erforderlich, daß eine thermische Beanspruchung b dazu neigt, die Eigenbeanspruchung i abzubauen. Auch wenn die thermische Beanspruchung b nicht dazu neigt, die Eigenbeanspruchung i abzubauen, ist es erforderlich, daß der thermische Expansionskoeffizient αs des Substrats in der gleichen Größenordnung ist, wie αf der Magnetschichten und daß die thermische Beanspruchung b deutlich kleiner als die Eigenbeanspruchung i ist.
Die thermische Beanspruchung b ist proportional zu der Differenz des thermischen Expansionskoeffizienten (αf - αs) und wird wie folgt ausgedrückt
b = Y × ΔT × (αf-αs) /(1-v) (1)
wobei Y den Young - Modus (12 x 1010 Pa) bezeichnet, ΔT bezeichnet die Differenz zwischen der Raumtemperatur (25 ºC) und derwärmebehandlungstemperatur und v bezeichnet ein Poisson-Verhältnis von 0,3 der magnetischen Schichten. Eine Druckbeanspruchung ( b < 0) existiert, wenn f < αs ist, während eine Zugbeanspruchung ( b > 0) existiert, wenn αf > αs ist. Diese Gleichung zeigt dann, daß, wenn αf = αs oder αf > αs a ist, die Empfindlichkeit im hohen Maß verbessert werden kann. Tatsächlich wird bei einem Titan-Substrat mit einem thermischen Expansionskoeffizienten αs in etwa der gleichen Größenordnung wie αf und bei einem Silikon-Substrat mit αf größer als αs die Empfindlichkeit oder die Induktivitätsänderung als in hohem Maße verbessert gefunden.
Mit 12a, 12b vergleichbare magnetische Schichten werden auf einem Glas-Substrat (Modell-Nr. 100 von Matsunami Glass, αs = 7,7 ppm/ºC ) mit einem thermischen Expansionskoeffizienten, der etwa demjenigen der magnetischen Schichten gleicht, ausgebildet, und die Wirkungen der Wärmebehandlung auf magnetische Kennwerte und beobachtet. Da die thermischen Expansionskoeffizienten davon etwa gleich sind, werden die mit einem Verfahren bei einseitiger Einspannung gemessenen inneren Beanspruchungen als annähernd gleich der Eigenbeanspruchung i angenommen. Wie in den Figuren 7 und 8 gezeigt, ändern sich Koerzitivkraft und magnetische Permeabilität bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 300º C in hohem Maß, oder weichmagnetische Eigenschaften werden verbessert. Weiterhin, wie in Figur 9 gezeigt, verringert sich die Eigenbeanspruchung i auf etwa ein sechstel des Anfangswertes. Es wird daher angenommen, daß eine atomare Migration bei etwa 300ºC wirksam wird und die Relaxationswirkung der Eigenbeanspruchung i infolge der Wärmebehandlung offensichtlich wird.
Wie oben erläutert, ist es erforderlich, daß der thermische Expansionskoeffizient a&sub5; des Substrats die gleiche Größenordnung wie af der magnetischen Schichten aufweist und daß die thermische Beanspruchung b deutlich kleiner als die Eigenbeanspruchung i ist, wenn eine thermische Beanspruchung b nicht dazu neigt, die Eigenbeanspruchung i abzubauen. Dann wird abgeschätzt, wie nahe αf für die oben erwähnte Bedingung von αf ≠ αs an αs sein muß. Die thermische Beanspruchung b bei 250 - 350ºC ist berechnet für bestimmte Substrate: 193 - 278 MPa für ein Silikon-Substrat, -54 - -78 MPa für ein Titan-Substrat und -340 - -510 MPa für ein Phosphorbronze-Substrat. Wenn diese Werte mit der in Figur 9 gezeigten Eigenbeanspruchung i verglichen werden, wird festgestellt, daß die thermische Beanspruchung b etwa die gleiche, wie die Eigenbeanspruchung i nach der Wärmebehandlung bei einem Titan-Substrat ist, was die Empfindlichkeit in hohem Maß verbessert, während die thermische Beanspruchung d bei 300ºC oder mehr größer als die Eigenbeanspruchung i in gewachsenen Zustand bei einem Phosphorbronze-Substrat ist, dessen Empfindlichkeit sich bei 250ºC lediglich geringfügig verbessert. Bei einem Silikon-Substrat neigt die thermische Beanspruchung b dazu, die Eigenbeanspruchung i abzubauen, um die lokale Beanspruchung abzubauen und es wird angenommen, daß die weichmagnetischen Kennwerte und die Empfindlichkeit verbessert werden, auch wenn die thermische Beanspruchung b etwa die Hälfte der Eigenbeanspruchung i vor der Wärmebehandlung beträgt. Gewöhnlich ist eine innere Beanspruchung von einigen hundert MPa in den magnetischen Schichten vorhanden, wenn ein Film in einem Gasphasen-Ablagerungsvorgang oder in einem Flüssigkeitsablagerungsvorgang wächst. Wenn Kennwerte der in einem solchen Vorgang hergestellten Schichten durch Wärmebehandlung verbessert werden, zeigen die oben erwähnten Ergebnisse, daß auch, wenn die Wärmebehandlung die Eigenbelastung i nicht abbaut, die Induktivität und die Empfindlichkeit um ein geringes Vielfaches für einen Film mit einer thermischen Beanspruchung von b von 100 MPa oder weniger verbessert werden kann. Die Wärmebehandlung beginnt bei etwa 300ºC wirksam zu werden. Eine Differenz des thermischen Expansionskoeffizienten, welcher diese Bedingung erfüllt, kann aus der Gleichung (1) mit 2,12 ppm/ºC abgeschätzt werden. Magnetische Schichten und ein für einen erfindungsgemäßen mechanischen Sensor geeignetes Substrat erfüllen die Bedingung
αs - αf ≤ 2ppm/ºC.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist in der magnetischen Schicht eine Druckbeanspruchung vorhanden. Wenn andererseits eine Zugbeanspruchung vorhanden ist, versteht es sich, daß die Ungleichungsbedingung sich wie folgt umkehrt:
αs - αf ≤ 2ppm/ºC.
Für Druck- und Zug-Beanspruchungen ist es vorteilhafter, daß a&sub5; gleich af ist, ebenso, wie es für die Temperaturkennlinie des Sensors möglich ist.
Wie oben erwähnt, kann festgestellt werden, daß ein Titan-Substrat am besten für magnetische Schichten der vorliegenden Ausführungsform geeignet ist. Da ein thermischer Expansionskoeffizient eines magnetischen Materials mit einigen zehn ppm gewöhnlich 12ppm/ºC oder weniger beträgt, ist ein Titan-Substrat ebenfalls bei anderen magnetischen Schichten mit Magnetostriktion wirksam.
Weiterhin weist Titan andere Eigenschaften auf, die es für einen erfindungsgemäßen mechanischen Sensor geeignet machen. Als erstes ist es schwerer zu brechen als ein Silikon- oder Glas-Substrat, da Titan ein Metall ist. Als zweites weist Titan bessere mechanische Eigenschaften als ein Federmaterial wie Phosphorbronze auf. Als drittes, da Titan nicht eine Legierung, sondern ein einzelnes Element ist, weisen mechanische Eigenschaften wie der Young-Modulus und der thermische Expansionskoeffizient annähernd keine Streuung auf und kann stabil hergestellt werden. Viertens sind Wirbelstromverluste beim Betrieb mit hohen Frequenzen gering, da Titan einen großen Widerstand aufweist, obwohl es ein reines Metall ist. Daher ist ein Titan-Substrat das am besten geeignete für einen erfindungsgemäßen mechanischen Sensor.
Wie oben erläutert, umfaßt ein erfindungsgemäßer mechanischer Sensor eine auf einem Substrat ausgebildete planare Spule und eine Magnetschicht, welche durch die Spule magnetisierbar ist, wobei wenigstens ein Teil der Magnetschicht Magnetostriktion aufweist. Dann kann ein mechanischer Sensor kompakter ausgeführt und in ein Gerät integriert werden. Eine Beanspruchung, die in der magnetischen Schicht mit Magnetostriktion erzeugt wird, wird als Änderung der Impedanz erfaßt. Eine Beanspruchung, die in der magnetischen Schicht beim Herstellungsverfahren erzeugt wird, kann durch Wärmebehandlung verringert werden und die Wärmebehandlung kann die Empfindlichkeit des Sensors durch selektieren der thermischen Expansionskoeffizienten der Magnetschicht und des Substrats verbessern.

Claims

1. Mechanischer Sensor, mit

einem Substrat (11);

einer elektrisch leitenden Spule (14), welche auf dem Substrat (11) ausgebildet ist, wobei die Spule (14) an zwei Anschlüsse (15a, 15b) angeschlossen ist; und

einer ersten magnetischen Schicht (12a), welche durch die Spule (14) magnetisierbar ist, wobei wenigstens ein Teil der magnetischen Schicht (12a) Magnetostriktion aufweist, wobei eine in der ersten magnetischen Schicht (12a) erzeugte Beanspruchung als eine Änderung in der lmpedanz unter Verwendung der Spule (14) erfaßt wird; dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Expansionskoeffizient a&sub5; des Substrats (11) und der thermische Expansionskoeffizient Uf der magnetischen Schicht (12a) die Beziehung

αs - αf ≤ 2ppm/ºC

beibehalten.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine zweite magnetische Schicht (12b) umfaßt, welche so angeordnet ist, daß sie mit der ersten magnetischen Schicht (12a) die Spule (14) einfaßt, wobei die zweite magnetische Schicht (12b) durch die Spule (14) magnetisierbar ist und wenigstens ein Teil der zweiten magnetischen Schicht (12b) Magnetostriktion aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) aus Titan hergestellt ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine Oxyd-Isolationsschicht (13a) umfaßt, welche zwischen der Spule (14) und der ersten magnetischen Schicht (12a) ausgebildet ist, wobei die erste magnetische Schicht (12a) Chrom als Bestandteil beinhaltet.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Oxyd-Isolationsschicht (13a), welche zwischen der Spule (14) und der ersten magnetischen Schicht (12a) ausgebildet ist, wobei die Spule (14) aus Aluminium hergestellt ist.