TWI390229B - 磁性感測器元件及磁性感測器 - Google Patents

Description

磁性感測器元件及磁性感測器

本發明係關於一種磁性感測器元件及磁性感測器，更詳而言之，係關於一種形成為平面狀之正交型磁通門(fluxgate)磁性感測器元件、及具備該磁性感測器元件之磁性感測器。

以往，以用以檢測地磁等弱小磁場之磁性感測器而言，已知有分別於例如日本特開2005－114489號公報、日本特開2004－271481號公報、日本特開2004－198379號公報及日本專利特開2004－184098號公報所揭示之正交型磁通門磁性感測器。

如上所述之正交型磁通門磁性感測器係具備設有：導電體；配置在該導電體周圍之磁性體；及捲繞在該磁性體周圍之檢測線圈的磁性感測器元件。

然而，在具有上述構造之正交型磁通門磁性感測器中，係有難以將磁性感測器元件小型化，尤其是難以將厚度變薄，而且無法IC化的問題。

另一方面，在日本特開2003－004831號公報中已揭示一種具有：形成為螺旋狀之線圈；及由設在該線圈之磁性體構成之矩形條帶(stripe)之磁性感測器。

然而，在如上所述之磁性感測器中，由於在2.5mm四方之螺旋線圈配置一條磁性體的條帶(條紋或帶狀)，因此會有所產生之磁場之長軸方向的長度變長，而難以將磁性感測器小型化及薄型化的問題。

本發明之第1目的係在達成正交型磁通門磁性感測器元件之小型化及薄型化。

本發明之第2目的係在達成組裝有正交型磁通門磁性感測器元件之磁性感測器封裝體的小型化及薄型化。

為達成上述第1目的，本發明一實施例之磁性感測器元件係具備：基板；設在該基板上，用以產生磁場之激磁圖案；與激磁圖案鄰接地設置之檢測用磁性薄膜圖案；以及與該檢測用磁性薄膜圖案鄰接地設置之檢測線圈圖案。

此外，為達成上述第2目的，本發明一實施例之磁性感測器係具備：配置在彼此正交之X、Y、Z軸線上之複數個磁性感測器元件，前述各磁性感測器元件係具備：基板；設在該基板上，用以產生磁場之激磁圖案；與該激磁圖案鄰接地設置之檢測用磁性薄膜圖案；以及與該檢測用磁性薄膜圖案鄰接地設置之檢測線圈圖案。

根據本發明之磁性感測器元件，藉由在基板上設置激磁圖案、檢測用磁性薄膜圖案及檢測線圈圖案，可使磁性感測器元件形成為平坦狀，而且，由於所產生之磁場之長軸方向的長度亦變短，因此可達成元件本身之小型化及薄型化。

根據本發明之磁性感測器，由於可將上述磁性感測器元件精簡地組裝於磁性感測器之封裝體，因此可達成元件本身之小型化及薄型化。

以下就圖式所示之實施例詳加說明本發明之磁性感測器之最佳形態。

(第1實施例)

第1圖至第4圖係顯示本發明磁性感測器元件之第1實施例。該第1實施例之磁性感測器元件係由例如正交型磁通門磁性感測器元件1所構成，如第1圖及第3圖所示，具有例如厚度較薄之直方體形狀之基板11。該基板11係由絕緣性玻璃等各種材料所形成。

在該基板11上設有：用以產生磁場之激磁圖案13；與該激磁圖案13鄰接地設置之檢測用磁性薄膜圖案15；及與該檢測用磁性薄膜圖案15鄰接地設置之檢測線圈圖案17。該等激磁圖案13、檢測用磁性薄膜圖案15及檢測線圈圖案17尤其是以平面狀配置在基板11上。

如第1圖至第3圖所示，在本實施例中，檢測用磁性薄膜圖案15係具有配置在基板11上之複數個磁性薄膜部151。該等複數個磁性薄膜部151係分別具有矩形形狀，在基板11之一方向保持間隔地配置。在該第1實施例中，激磁圖案13係具有配置在複數個磁性薄膜部151之間的複數個矩形條帶部131。因此，該激磁圖案13之條帶部131與複數個矩形磁性薄膜部151係交替並列配置在基板11上。

該等複數個條帶部131可由例如沿著複數個磁性薄膜部151延伸的一個帶狀構件形成。更詳而言之，該帶狀構件係以沿著複數個磁性薄膜部151之最初磁性薄膜部151的一側面延伸，通過該最初磁性薄膜部151的一端，再通過與該最初磁性薄膜部151相鄰接之次一磁性薄膜部151之間，再通過該次一磁性薄膜部151之與上述最初磁性薄膜部151之一端相反的端部的方式穿行於複數個磁性薄膜部151之間，而配置成曲折形狀，(參照第2圖)。

該激磁圖案13之各條帶部131係由一般的各種金屬材料，例如Al、Cu、Au等所形成，且設定在：厚度為0.1至50 μm，尤其是1至20 μm左右，橫向尺寸(寬度)為5至50 μm，尤其是5至20 μm左右，長度方向尺寸(長度)為80至1000 μm，尤其是100至800 μm左右。

如上述方式所形成之複數個條帶部131係以10至100 μm，尤其是10至50 μm左右的間距並列配置在基板11上。此時，條帶部131的數量若為2個以上，則其數量並無特別限制，惟，特別對磁性的靈敏度方面來考慮時，最好具有2個以上，尤佳為具有3至20個左右。

複數個條帶部131係彼此串聯連結。其中，當條帶部由一個帶狀構件形成時，則不需要此種連結。如上所示，連結複數個條帶部131而形成條帶組裝體，該條帶組裝體之一端及另一端係透過各拉出線133而分別連接於電極135，該等一對電極135係連接有直流或交流電源(未圖示)。在該實施例中，對於激磁圖案13係施加有例如交流電。

各磁性薄膜部151係由各種高導磁合金(permalloy)、各種非晶質材料等各種軟磁性體形成為矩形，其尺寸及間距(磁性薄膜部151間的距離)係與如上所述之激磁圖案13之條帶部131相同程度。厚度設定為1至50 μm左右，尤其是5至20 μm左右，長度設定為80至1000 μm，尤其是100至800 μm左右。

以上述方式所形成之各磁性薄膜部151係將其長邊方向設定為磁化靈敏度軸。磁性薄膜部151的數量若為2個以上，則其數量並無特別限制，惟由磁性檢測靈敏度方面來考慮時，一般設定在2至100個左右，尤其最好設定在3至20個左右。設置複數個磁性薄膜部151時的間距(相鄰接之磁性薄膜部間的距離)係設定在10至100 μm左右，尤其最好設定在10至50 μm左右。

檢測線圈圖案17係具有：配置在基板11上之第一導體161；及配置在前述條帶部131及磁性薄膜部151之上部的第二導體171。該等第一導體及第二導體均形成檢測線圈，且分別具有細長帶狀的形狀。複數個各第一導體161係以與複數個各第二導體171相對向的方式配置(參照第1圖)。在此，該等第一導體161及第二導體171係以對於複數個條帶部131及複數個磁性薄膜部151之排列方向呈橫向穿過的方式，配置成延伸於例如大致直角方向(參照第1圖及第2圖)。各第一導體161的兩端與各第二導體171的兩端係藉由接著劑等適當手段彼此相結合(參照第1圖)。

該等各第一導體161及各第二導體171的材質、厚度等尺寸或間距等係與激磁用之條帶部131大致相同。各第一導體161及各第二導體171係由一般的各種金屬材料例如Al等所形成，且形成為：厚度為0.1至50 μm，尤其是2至20 μm左右，橫向尺寸(寬度)為2至60 μm，尤其是5至20 μm左右，長度為80至1000 μm，尤其是100至800 μm左右之帶狀體。以此方式所形成之複數個細長第一導體161及複數個細長第二導體171係分別以間距2至50 μm，尤其5至20 μm左右並列配置。此時，各第一導體161及第二導體171的數量若為2個以上，則其數量並無限制，惟由其電極的配置形式，尤其由磁性靈敏度方面來考慮時，最好為2個以上，尤其最好為3至20個左右。

此時，尤其必須以與激磁圖案13及檢測用磁性薄膜圖案15呈正交的方式設置檢測線圈圖案17之第二導體171。藉此方式可獲得良好之磁性靈敏度特性。

此外，在檢測線圈圖案17的內側係必須以覆蓋激磁圖案13及檢測用磁性薄膜圖案15的方式形成適當的絕緣薄膜層12a、12b。

在製作如上述構成之磁性感測器元件時，只要按照第4圖所示之一般的半導體製程即可。亦即，如第4圖所示，在基板11上配置檢測線圈圖案17之第一導體161，且在其上隔介絕緣薄膜層12a配置激磁圖案13與檢測用磁性薄膜圖案15，再於其上再次隔介絕緣薄膜層12b配置檢測線圈圖案17之第二導體171。藉由依此方式依序疊層各薄片即可製作磁性感測器元件。其次，藉由將激磁圖案13、檢測用磁性薄膜圖案15及檢測線圈圖案17印刷配線在基板11上，亦可製得正交型磁通門磁性感測器元件1。

藉由上述構成，當由電源施加交流電流至激磁圖案13之電極時，即產生施加磁場之極性切換，且與其對應地產生對於檢測用磁性薄膜圖案15之長邊方向的磁化作用之變化，且在檢測線圈產生電動勢 ，而使檢測線圈圖案17的輸出電流產生變化(參照第5圖)。更具體而言，藉由在激磁圖案13流通電流，而以條帶部131為中心而以圓周狀產生磁場。已產生的磁場係垂直入射於矩形之磁性薄膜部151，而遮斷與磁性薄膜部151平行的外部磁場。接著，當使激磁電流的極性反轉時，在反轉時之激磁磁場為零的時間點，由條帶部131產生的磁場亦成為零，繼於反轉之後，再度增加。

此時，若以零磁場時為峰值(peak)，而使外部磁場進入矩形之磁性薄膜部151，由於磁場侵入其水平方向，因此在檢測線圈圖案17會產生對應於外部磁場之強度的電動勢。

因此，可根據電壓變化(亦即根據電動勢)來判別外部磁場的強度與極性。

在該第一實施例中，係使用1.2mm×3mm的玻璃製基板，將各自具有寬10 μm、長0.4mm的10條條帶部131配置成曲折形狀，而形成激磁圖案13。接著，以寬20 μm、長0.4mm、間距50 μm的態樣相互平行地配置各自具有0.5 μm厚度且由高導磁合金薄膜構成的10個磁性薄膜部151，而形成檢測用磁性薄膜圖案15。此外，以與激磁圖案13相同尺寸、相同間距及數量，以對激磁圖案13與檢測用磁性薄膜圖案15分別呈正交的方式配置而形成檢測線圈圖案17。

(第2實施例)

第6A圖及第6B圖係顯示本發明之磁性感測器元件之第2實施例。

上述第1實施例中之正交型磁通門磁性感測器元件1係使用1層激磁圖案13及1層檢測用磁性薄膜圖案15，將此左右並列而配置在基板11上之例，而在本第2實施例之正交型磁通門磁性感測器元件1，則係將激磁圖案13與檢測用磁性薄膜圖案15以上下配置之例。此時，任何圖案在上方均可。此外，如圖所示，亦可將檢測用磁性薄膜圖案15配置在激磁圖案13的上下。藉由此種配置，可期待對於磁性形成更高靈敏度，且更低消耗電流化。再者，亦可將激磁圖案13或檢測線圈圖案17設為2層，而非侷限於檢測用磁性薄膜圖案15。

第7圖係顯示組裝複數個由上述構成所形成之磁性感測器元件的磁性感測器20。該磁性感測器20係將IC22載裝於矩形基板21的上面中央，以包圍其外周三方向的方式，在X、Y、Z軸上分別配置3個正交型磁通門磁性感測器元件1a、1b、1c，且以透明樹脂體23將該等IC22及正交型磁通門磁性感測器元件1a、1b、1c予以封裝者。

第8圖係顯示上述磁性感測器20之驅動電路。對於X、Y、Z軸上之各正交型磁通門磁性感測器元件1a、1b、1c，藉由IC22內之振盪電路28的時序，以激磁電流產生電路26產生電流，且透過類比開關25，藉由各正交型磁通門磁性感測器元件1a、1b、1c之驅動時序，將電流施加於適當之各磁性感測器元件之激磁圖案13。此時，組構方式為：利用在各磁性感測器元件之檢測線圈圖案17產生之電動勢所引起的電流係從其他電路經由類比開關25而輸入至檢波電路27，再藉由振盪電路28的時序，以與在激磁電流產生電路26所產生的電流同步的時序，由檢波電路27經由放大電路29予以輸出。

接著，如第9圖所示，以750 μ s的時序，將10mA之激磁電流分別施加100 μ s至配置於X、Y、Z軸之各正交型磁通門磁性感測器元件1a、1b、1c。藉此方式，即可以平均消耗電流250 μ A進行良好的地磁性檢測。

(產業利用可能性)

根據本發明，可應用半導體製程實現在平面上小型化及薄型化之具備正交型磁通門磁性感測器元件的磁性感測器。此時可獲得極小之檢測元件。在使用作為三軸狀之磁性感測器時，亦可使用該等正交型磁通門磁性感測器元件。

1、1’．．．正交型磁通門磁性感測器元件

1a．．．X軸正交型磁通門磁性感測器元件

1b．．．Y軸正交型磁通門磁性感測器元件

1c．．．Z軸正交型磁通門磁性感測器元件

11．．．基板

12a、12b．．．絕緣薄膜層

13．．．激磁圖案

15．．．檢測用磁性薄膜圖案

17．．．檢測線圈圖案

21．．．基板

22．．．IC

23．．．透明樹脂體

26．．．激磁電流產生電路

25．．．類比開關

27．．．檢波電路

28．．．振盪電路

29．．．放大電路

131．．．條帶部

133．．．拉出線

135．．．電極

151．．．磁性薄膜部

161．．．第一導體

171．．．第二導體

第1圖係顯示本發明第1實施例之正交型磁通門磁性感測器元件之斜視圖。

第2圖係在移除檢測線圈圖案之一部分的狀態下，顯示本發明第1實施例之正交型磁通門磁性感測器元件之俯視圖。

第3圖係本發明第1實施例之正交型磁通門磁性感測器元件之剖視圖。

第4圖係將本發明第1實施例之正交型磁通門磁性感測器元件分解為主要構成部之分解俯視圖。

第5圖係用以說明本發明第1實施例之正交型磁通門磁性感測器元件之動作模式的模式圖。

第6A圖係本發明第2實施例之正交型磁通門磁性感測器元件之剖視圖。

第6B圖係本發明第2實施例之正交型磁通門磁性感測器元件之俯視圖。

第7圖係顯示本發明磁性感測器之構成例之斜視圖。

第8圖係用以說明本發明磁性感測器之驅動電路之電路圖。

第9圖係顯示本發明磁性感測器之驅動模式例之模式圖。

1．．．正交型磁通門磁性感測器元件

13．．．激磁圖案

15．．．檢測用磁性薄膜圖案

17．．．檢測線圈圖案

131．．．條帶部

133．．．拉出線

135．．．電極

151．．．磁性薄膜部

Claims (10)

1. 一種磁性感測器元件，係具備：基板；設在該基板，用以產生磁場之激磁圖案；與該激磁圖案鄰接地設置之檢測用磁性薄膜圖案；以及與該檢測用磁性薄膜圖案鄰接地設置之檢測線圈圖案；其中，前述檢測用磁性薄膜圖案係具有絕緣配置在前述基板上之複數個磁性薄膜部，前述激磁圖案係具有配置在前述複數個磁性薄膜部之間以產生磁場之複數個條帶部，而前述檢測線圈圖案係具有：絕緣配置在前述基板上之複數個第一導體；及以與該第一導體相對向的方式配置在前述檢測線圈圖案上之複數個第二導體。
2. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述激磁圖案及前述檢測用磁性薄膜圖案係彼此並排配置於前述基板上。
3. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述激磁圖案及前述檢測用磁性薄膜圖案係在上下方向重疊配置。
4. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述複數個條帶部係由沿著前述複數個磁性薄膜部之各個周圍連續延伸的一個帶狀構件所形成。
5. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述 複數個磁性薄膜部係沿著基板的一方向排列，而前述第一導體及第二導體係以對於前述基板的一方向呈交叉的方式配置。
6. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，沿著前述各磁性薄膜部之各長邊方向形成有磁性靈敏度軸。
7. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述複數個磁性薄膜部係由至少2個矩形薄膜構件所形成。
8. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述檢測線圈圖案係由1圈以上之矩形導體所形成。
9. 如申請專利範圍第1項之磁性感測器元件，其中，前述激磁圖案、前述檢測用磁性薄膜圖案及前述檢測線圈圖案之任一個或二個以上係形成為2層以上。
10. 一種磁性感測器，係具備配置在彼此正交之X、Y、Z軸線上之複數個磁性感測器元件，前述各磁性感測器元件係申請專利範圍第1至9項中任一項所述之磁性感測器元件。