JP2011047942A - 磁束検出装置および磁束検出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な磁界を形成でき、検出感度の高い磁束検出装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】この課題は、所定の平面において第１の励磁路部材と第２の励磁路部材とのあいだに第１の検出路部材が延在しており、所定の平面に対して垂直な方向での励磁路部材の投影像が所定の平面に対して垂直な方向での導磁構造体の投影像を少なくとも磁束形成コイルの複数の巻線の領域においてほぼ完全にカバーする構成により解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁束を形成する磁束形成コイルと、形成された磁束をガイドする導磁構造体と、第１の検出路部材を備えた、形成された磁束の少なくとも一部を測定する第１の磁束検出コイルとを有する磁束検出装置であって、磁束形成コイルは複数の巻線を有しており、かつ、この複数の巻線の領域に少なくとも１つの第１の励磁路部材および少なくとも１つの第２の励磁路部材を有しており、該複数の励磁路部材は所定の平面にほぼ平行に延在している、磁束検出装置に関する。また、本発明は、こうした磁束検出装置の製造方法にも関する。

こうした磁束検出装置は一般に知られている。例えば、独国公開第４４４２４４１号明細書および欧州特許第１０５２５１９号明細書からは、半導体基板上に励磁素子、２つの検出コイルおよび磁気コアを備えたいわゆるフラックスゲート型の磁束検出装置が公知である。励磁素子は励磁周波数を有する交流電流によって駆動されるコイルを含む。強磁性物質における磁束密度Ｂは周囲の磁界の強度Ｈによって定まる。磁気コアでは、磁気ヒステリシス曲線（Ｂ−Ｈ曲線）にしたがって交流電流の励磁周波数と同じ周波数で磁束が形成される。磁気コア内の磁束は透磁率μと磁界強度Ｈとの積に比例する。透磁率は飽和領域ではきわめて小さいが、ヒステリシス曲線のゼロ交差の点ではきわめて大きくなる。透磁率が非線形性を有するため、外部磁界によって磁束が歪み、このことが検出コイルによって検出される。外部磁界が存在しない場合、検出コイルでの誘導電流がゼロとなる。これに対して、外部磁界が存在する場合には、誘導電流は励磁周波数の種々の高調波を有する。この場合、誘導電流の和はゼロにならず、外部磁界の強度が所定の大きさとなる。

前掲の独国公開第４４４２４４１号明細書では、磁界検出装置は磁束形成コイル、導磁構造体および磁束検出素子から形成されている。磁束形成コイル、導磁構造体および磁束検出素子は複数のステップで基板上に製造されており、ここでは、磁束形成コイルと磁束検出素子とは空間的に相互に離れて配置されている。相互に交差するように２つの巻線が巻き回される形態のコイル装置は存在しない。

独国公開第４４４２４４１号明細書 欧州特許第１０５２５１９号明細書

したがって、本発明の課題は、均一な磁界を形成でき、検出感度の高い磁束検出装置およびその製造方法を提供することである。

この課題は、所定の平面において第１の励磁路部材と第２の励磁路部材とのあいだに第１の検出路部材が延在しており、所定の平面に対して垂直な方向での励磁路部材の投影像が所定の平面に対して垂直な方向での導磁構造体の投影像を少なくとも磁束形成コイルの複数の巻線の領域においてほぼ完全にカバーする構成により解決される。

本発明の検出装置の第１の実施例の長手方向の断面図である。 本発明の検出装置の第１の実施例のバリエーションの断面図および平面図である。 本発明の検出装置の第２の実施例の断面図である。

本発明の検出装置および検出方法は、従来技術に比べて、導磁構造体（以下では磁気コアとも称する）を磁化するために、磁束形成コイル（以下では励磁コイルとも称する）の隣接する巻線のあいだに均一な磁界が形成されるという利点を有する。ここで、磁束形成コイルの隣接する巻線のあいだには磁束検出コイル（以下ではピックアップコイルとも称する）の少なくとも１つの巻線が配置されている。

本発明によれば、検出装置がマイクロエレクトロメカニカルシステムＭＥＭＳすなわちマイクロシステム（微細なデバイス）として、特にケイ素材料から成る半導体基板あるいはチップ上に配置される。マイクロメカニカル構造の装置では、典型的には、励起コイルおよびピックアップコイルに対する巻線数が制限される。さらに、形成された磁界の磁界強度は電流導通層または回路素子の上下方においても側方においても迅速に低下するので、一方では磁束形成コイルおよび磁束検出コイルが単層形に形成され、他方では磁束形成コイルの２つの隣接する巻線が小さな間隔で配置され、隣接する巻線のあいだの領域に形成される磁界が弱くなる。使用されるテクノロジ、すなわち、設定された最小構造幅および単層形の励磁コイルおよびピックアップコイルにより、最大可能な全巻線数が設定される。本発明によれば、巻線を励磁領域および検出領域に適切に分配し、かつ、導体路の寸法を適切に設計することにより、検出装置が最適化される。

本発明では、磁界の均一性が最大になるという利点と、磁気コアにおける反転磁化を検出する際の検出感度が最大になるという利点とが組み合わされる。励磁コイルの導体路の幅を適切に設定し、この導体路を適切に配置することによって、本発明の第１の実施例では、有利には、導磁構造体の全体にわたって均一な磁界が形成され、磁性薄膜として構成された磁気コアが磁化される。ここでは、磁束形成コイルの隣接する巻線のあいだに磁束検出コイルの少なくとも１つの巻線が配置される。

これに代えて、本発明の第２の実施例では、磁束検出コイルの２つの巻線が磁束形成コイルの２つの隣接する巻線のあいだに配置される。これにより、有利には、例えば磁性薄膜として構成された磁気コアにおける反転磁化の検出感度が大幅に増大し、そのうえ、形成される磁界の均一性もほとんど低下しない。

本発明の有利な実施形態および実施態様は従属請求項の対象となっており、以下に図面を参照しながら説明する。

本発明の有利な実施形態によれば、第２の磁束検出コイルが設けられる。ここで、励磁路部材および検出路部材は、特に、同じ平面に延在する２つの隣接する励磁路部材のあいだに２つの検出路部材が延在するように、配置される。これにより、有利には、並列巻線での磁束検出コイルの巻線数を高めることができ、ひいては、磁気コアにおける反転磁化の検出感度を最大可能な程度まで高めることができる。また、別の有利な実施形態によれば、本発明の検出装置により均一な磁界が形成される。当該の実施形態によれば、形成される磁界の高い均一性と磁気コアにおける反転磁化に対する高い検出感度とが結びつけられる。さらに、幅の広い励磁路部材は小さな電気抵抗を有するという利点を有する。これにより、同程度の電流強度で電力を小さくできるか、あるいは、同程度の電力で高い電流強度を利用することができる。

以下に、２つの実施例の双方において有利な実施形態を説明する。

有利な実施形態によれば、励磁路部材はそれぞれ平行な２つの平面に延在している。有利には、各励磁路部材を平行に配置することにより、形成される磁界の均一性が改善される。

本発明の有利な実施形態によれば、第１の磁束検出コイルと第２の磁束検出コイルとは直列に接続される。有利には、２つの磁束検出コイルの直列回路は、チップ上で直接に第１の磁束検出コイルの出力側を第２の磁束検出コイルの入力側へ接続することにより、簡単に実現される。

本発明の別の有利な実施形態によれば、第１の磁束検出コイルは磁束形成コイルの複数の巻線が配置された領域の外側に延在する線路を介して第２の磁束検出コイルに接続されており、磁束を簡単に検出できるので有利である。

別の有利な実施形態によれば、導磁構造体は所定の平面に対してほぼ平行に延在する磁性薄膜として構成される。磁性薄膜は使用されるマイクロシステムテクノロジによって簡単に基板上に被着することができる。

本発明は、さらに、マイクロシステムとして製造された半導体基板上の磁束検出装置を用いた磁束検出方法に関する。マイクロシステムとして例えばケイ素材料から成る半導体基板上に装置を製造することにより、本発明では、形成される磁界の均一性と磁気コアにおける反転磁化の検出感度とが高まるという利点と、ＭＥＭＳテクノロジによって低コストかつ省スペースで装置を製造できるという利点とが結びつけられる。

本発明の有利な別の実施形態によれば、導磁構造体は磁性薄膜の形態で半導体基板上に被着されている。このようにすれば、形成される磁界の均一性と磁気コアにおける反転磁化の検出感度とが高まるという利点と、磁性薄膜を簡単に被着できるという利点とが結びつけられる。

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

各図において同じ要素には同じ参照番号を付してあるので、通常は各要素について一度しか説明しない。

各図には、本発明の検出装置の実施例が示されている。本発明の検出装置は、磁束形成コイル１，導磁構造体２および磁束検出コイル３を有する。磁束形成コイル１および磁束検出コイル３は３次元コイルとして構成されている。また、本発明の検出装置はＭＥＭＳテクノロジによって製造されている。磁束形成コイル１，導磁構造体２および磁束検出コイル３は、導磁構造体２が基板の主延在平面に対してほぼ平行に延在するように、１つの基板上に製造される。ただし、わかりやすくするために、基板は図示していない。磁束形成コイル１および磁束検出コイル３は、導磁構造体２の下方に配置される巻線部分については第１の導電平面、特に第１のメタライゼーション面をパターニングすることによって、また、導磁構造体２の上方に配置される巻線部分については第２の導電平面、特に第２のメタライゼーション面をパターニングすることによって、製造される。それぞれのコイル平面と磁性薄膜として構成された導磁構造体２とは絶縁層を介して電気的に相互に分離されている。導磁構造体２ないし基板の主延在平面に対してほぼ垂直に延在するコンタクト位置の近傍においてのみ、コイル平面（導電平面）のあいだの電気コンタクトが設けられ、導磁構造体２の周囲に配置されたコイル巻線が接続される。

図１には、本発明の第１の実施例の検出装置の長手方向の断面図が示されている。ここでの断面とは、導磁構造体２または導磁構造体２の主延在方向に沿って延在している面である。磁束形成コイル１は励磁路部材１１〜１４を有する。第１の磁束検出コイル３は第１の検出路部材３１を有する。第１の励磁路部材１１および第２の励磁路部材１２は導磁構造体２の上方の第１の平面に延在している。第３の励磁路部材１３および第４の励磁路部材１４は、第１の平面に対して平行な、導磁構造体２の下方の第２の平面に延在している。第１の検出路部材３１は、第１の平面で、第１の励磁路部材１１と第２の励磁路部材１２とのあいだに延在している。導磁構造体２は第１の平面と第２の平面とのあいだに延在している。各励磁路部材１１〜１４を第１の平面および第２の平面に対して平行な投影平面に平行投影すると、その投影像によって、導磁構造体２の投影像が少なくとも磁束形成コイル１の巻線の領域においてほぼ完全にカバーされる。第１の実施例では、当該のカバーによって、形成される磁界につき最大可能な均一性が実現される。また、磁束検出コイル３の唯一の巻線が磁束形成コイル１の２つの隣接する巻線の間に配置されるので、各励磁路部材１１〜１４を密に配置することができる。各励磁路部材１１〜１４の幅は、有利には、第１の検出路部材３１の幅に第１の励磁路部材１１から第１の検出路部材３１までの距離の２倍を加算した値である。通常よりも幅の狭い励磁路部材１１〜１４を用いることにより、大きな巻線数の磁束形成コイル１を実現することができる。

図２の上方には本発明の検出装置の第１の実施例の第１のバリエーションの断面図が、下方には平面図が示されている。ここからも導磁構造体２が磁束形成コイル１によって完全にカバーされることがわかる。図２の上方には導磁構造体２の主延在平面を中央線に沿って切断した断面図が示されており、図２の下方には、導磁構造体２を上から見た図が示されている。検出装置は、第２の検出路部材６１を備えた第２の磁束検出コイル６を有している。ここで、第１の励磁路部材１１と第２の励磁路部材１２とのあいだに第１の検出路部材３１と第２の検出路部材６１とが延在している。また、第１の磁束検出コイル３の出力側は第２の磁束検出コイル６の入力側に直列に接続されている。さらに、第１の磁束検出コイル３は磁束形成コイル１の巻線の配置された領域の外側に延在する線路を介して第２の磁束検出コイル６に接続されている。この実施例では、当該の導磁構造体２がカバーされることによって、形成される磁界につき最大可能な均一性が実現される。各励磁路部材１１〜１４の幅は、有利には、第１の検出路部材３１の幅と第２の検出路部材６１の幅とが等しいとき、検出路部材３１（または検出路部材６１）の幅の２倍に第１の励磁路部材１１から第１の検出路部材３１までの距離の３倍を加えた値である。ここで、第１の励磁路部材１１から第１の検出路部材３１までの距離は２つの検出路部材３１，６１間の距離、あるいは、第２の検出路部材６１から第２の励磁路部材１２までの距離に相当する。これによって、第１の磁束検出コイル３および第２の磁束検出コイル６の２つの巻線が磁束形成コイル１の２つの隣接する巻線のあいだに配置されるので、高い均一性が得られることに加えて、磁気コアにおける反転磁化の検出感度も高まる。さらに、チップ上で第１の磁束検出コイル３の出力側を第２の磁束検出コイル６の入力側に直接に接続することにより、直列回路が簡単に実現される。このことは、２つの磁束検出コイル３，６の巻線数の増大に基づいて検出感度を簡単に高めることができることにより、達成される。

図３には、本発明の第２の実施例の検出装置の断面図が示されている。ここでの断面とは、導磁構造体２またはその主延在方向に沿って延在している面である。第１の励磁路部材１１と第２の励磁路部材１２とのあいだには、第１の検出路部材３１と第２の検出路部材６１とが延在している。この第２の実施例では、２つの磁束検出コイル３，６の２つの巻線が磁束形成コイル１の隣接する２つの巻線のあいだに配置されている。この場合、導磁構造体２の完全なカバーは放棄され、導磁構造体２の近傍に形成される磁界の均一性が僅かに低下することを甘受しなければならない。ただし、各励磁路部材１１〜１４の幅を狭くできることにより、２つの磁束検出コイル３，６の巻線数を増大でき、これにより、磁気コアにおける反転磁化の検出感度を高めることができる。

１ 磁束形成コイル、 ２ 導磁構造体、 ３ 第１の磁束検出コイル、 ６ 第２の磁束検出コイル、 １１ 第１の励磁路部材、 １２ 第２の励磁路部材、 １３ 第３の励磁路部材、 １４ 第４の励磁路部材、 ３１ 第１の検出路部材、 ６１ 第２の検出路部材

Claims (8)

1. 磁束を形成する磁束形成コイル（１）と、
   形成された磁束をガイドする導磁構造体（２）と、
   第１の検出路部材（３１）を備えた、形成された磁束の少なくとも一部を測定する第１の磁束検出コイル（３）と
   を有する磁束検出装置であって、
   前記磁束形成コイル（１）は複数の巻線を有しており、かつ、該複数の巻線の領域に少なくとも１つの第１の励磁路部材および少なくとも１つの第２の励磁路部材（１１〜１４）を有しており、該複数の励磁路部材は所定の平面にほぼ平行に延在している、
   磁束検出装置において、
   前記所定の平面において前記第１の励磁路部材と前記第２の励磁路部材とのあいだに前記第１の検出路部材が延在しており、
   前記所定の平面に対して垂直な方向での前記励磁路部材の投影像が前記所定の平面に対して垂直な方向での前記導磁構造体の投影像を少なくとも前記磁束形成コイルの前記複数の巻線の領域においてほぼ完全にカバーする
   ことを特徴とする磁束検出装置。
2. 当該の磁束検出装置がさらに第２の検出路部材（６１）を備えた第２の磁束検出コイル（６）を有しており、前記磁束形成コイルの前記第１の励磁路部材（１１）と前記第２の励磁路部材（１２）とは主延在方向を含む第１の平面において相互に平行に延在しておりかつ前記主延在方向に対して垂直な方向で見て相互に懸隔されており、前記第１の磁束検出コイルの前記第１の検出路部材（３１）と前記第２の磁束検出コイルの前記第２の検出路部材（６１）とは前記第１の平面に延在しておりかつ前記磁束形成コイルの前記第１の励磁路部材（１１）と前記第２の励磁路部材（１２）とのあいだに延在している、請求項１記載の磁束検出装置。
3. 前記磁束形成コイル（１）はさらに第３の励磁路部材（１３）および第４の励磁路部材（１４）を有しており、該第３の励磁路部材（１３）および該第４の励磁路部材（１４）は前記第１の平面に対して平行な第２の平面に延在しており、前記導磁構造体（２）は前記第１の平面と前記第２の平面とのあいだに延在している、請求項１または２記載の磁束検出装置。
4. 前記第１の磁束検出コイル（３）と前記第２の磁束検出コイル（６）とは直列に接続されており、前記第１の磁束検出コイル（３）の出力側が前記第２の磁束検出コイル（６）の入力側に接続されている、請求項２記載の磁束検出装置。
5. 前記第１の磁束検出コイル（３）は前記磁束形成コイル（１）の前記複数の巻線が配置された領域の外側に延在する線路を介して前記第２の磁束検出コイル（６）に接続されており、これらのコイル内の誘導磁束は当該の磁束検出装置の主延在方向と同じ方向を有する、請求項４記載の磁束検出装置。
6. 前記導磁構造体（２）は前記所定の平面に対してほぼ平行に延在する磁性薄膜として構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の磁束検出装置。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の磁束検出装置を半導体基板上に被着されたマイクロシステムとして製造する
   ことを特徴とする磁束検出装置の製造方法。
8. 磁性薄膜の形態の導磁構造体（２）を前記半導体基板上に被着する、請求項７記載の磁束検出装置の製造方法。

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