CN101410723B - 磁传感器元件和使用该元件的磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种正交磁通门磁传感器元件，配有基板；设置在基板上生成磁场的激发图案；设置成与激发图案相邻的用于检测的磁性薄膜图案；和设置成与磁性薄膜图案相邻的检测线圈图案。通过将激发图案、用于检测的磁性薄膜图案和检测线圈图案安排在基板上平面地形成磁传感器元件。而且，由于生成磁场在长轴方向的长度缩短了，可以缩小元件本身的大小和厚度。

Description

磁传感器元件和使用该元件的磁传感器

技术领域

本发明涉及磁传感器元件和磁传感器。更具体地说，本发明涉及形成为平面形状的磁通门磁传感器元件、和包括正交布置的磁传感器元件的磁传感器。

背景技术

传统上，作为检测例如地磁的弱磁场的磁传感器，正交磁通门磁传感器是众所周知的。正交磁通门磁传感器的例子包括公开在日本专利申请公开第2005-114489、2004-271481、2004-198379、和2004-184098号中的那些。

这样的正交磁通门磁传感器包含磁传感器元件，后者包括导电体、布置在导电体周围的磁体、和绕在磁体上的检测线圈。

但是，具有上述结构的正交磁通门磁传感器具有难以缩小磁传感器元件的大小、尤其是厚度，以及磁传感器元件不能形成为IC的问题。

日本专利申请公开第2003-004831号公开了包括螺旋状线圈和由磁性材料制成并布置在线圈上的长方形条状物的磁传感器。

但是，在上面的磁传感器中，由于将磁性材料的条状物(条状物或带状物)布置在边长2.5mm(毫米)的正方形螺旋状线圈上，生成的磁场在长轴方向较长。因此，不利的是，难以缩小磁传感器的大小和厚度。

发明内容

本发明要解决的问题

本发明的第一个目的是缩小磁通门磁传感器元件的大小和厚度。

本发明的第二个目的是缩小正交安装磁通门磁传感器元件的磁传感器的大小和厚度。

为了达到上面的第一个目的，按照本发明一个实施例的磁传感器元件包含：基板；布置在基板上生成磁场的激发图案(excitingpattern)；布置成与激发图案相邻的用于检测的磁性薄膜图案；和布置成与用于检测的磁性薄膜图案相邻的检测线圈图案，其中：用于检测的磁性薄膜图案包括绝缘地布置在基板上的多个磁性薄膜部分；激发图案包括布置在多个磁性薄膜部分之间、用来生成磁场的多个条状部分；并且检测线圈图案包括绝缘地布置在基板上的多个第一导电体、和布置在检测线圈图案中面对第一导电体的多个第二导电体。

为了达到上面的第二个目的，本发明另一个实施例提供了一种磁传感器，其中根据权利要求1的磁传感器元件布置在相互正交的X、Y、和Z轴上。

本发明的效果

在本发明的磁传感器元件中，由于将激发图案、用于检测的磁性薄膜图案、和检测线圈图案布置在基板上，所以磁传感器元件可以形成为平面形状，并且生成的磁场的长度在长轴方向上较短。因此，可以缩小磁传感器元件本身的大小和厚度。

在本发明的磁传感器中，可以紧凑地将上面的磁传感器元件安装在磁传感器的外壳中。因此，可以缩小外壳本身的大小和厚度。

附图说明

图1是例示按照本发明第一实施例的磁通门磁传感器元件的透视图；

图2是例示按照本发明第一实施例的磁通门磁传感器元件的平面图，该磁传感器元件被示为部分检测线圈图案被去除；

图3是按照本发明第一实施例的磁通门磁传感器元件的截面图；

图4是按照本发明第一实施例的磁通门磁传感器元件的一系列分解平面图，该磁传感器元件被显示为分解成它的主要构成部分；

图5是描述按照本发明第一实施例的磁通门磁传感器元件的操作模式的模式图；

图6A是按照本发明第二实施例的磁通门磁传感器元件的截面图；

图6B是按照本发明第二实施例的磁通门磁传感器元件的平面图；

图7是例示按照本发明的磁传感器的示范性配置的透视图；

图8是描述按照本发明的磁传感器的驱动电路的电路图；和

图9是示出按照本发明的磁传感器的驱动模式的例子的模式图。

具体实施方式

在下文中，将通过如图所示的实施例详细描述按照本发明的磁传感器元件和传感器的最佳模式。

[第一实施例]

图1到4示出了按照本发明的磁传感器元件的第一实施例。第一实施例中的磁传感器元件例如是磁通门磁传感器元件1，它例如包括具有较小厚度的固体形态矩形基板11，如图1和3所示。基板11由例如玻璃的绝缘材料制成。

生成磁场的激发图案13、布置成与激发图案相邻的用于检测的磁性薄膜图案15、和布置成与用于检测的磁性薄膜图案15相邻的检测线圈图案17布置在基板上。具体地，上述激发图案13、用于检测的磁性薄膜图案15、和检测线圈图案17被平面地布置在基板11上。

如图1到3所示，在本实施例中，用于检测的磁性薄膜图案15包括布置在基板11上的多个磁性薄膜部分151。多个磁性薄膜部分151的每一个具有长方形形状并沿着基板11的一个方向以一定间隔并排排列。在第一实施例中，激发图案13包括布置在多个磁性薄膜部分151之间的多个长方形条状部分131。因此，激发图案13的条状部分131和多个长方形磁性薄膜部分151交替地排列在基板上。

例如，多个条状部分131可以由沿着多个磁性薄膜部分151延伸的单个带状部件形成。更具体地说，以弯曲(zig-zag)图案布置带状部件，以便穿过多个磁性薄膜部分151(参见图2)。具体地说，将 带状部件布置成沿着多个磁性薄膜部分151中的第一个的侧面延伸并绕过磁性薄膜部分151中的第一个的第一端。然后，带状部件在第一个磁性薄膜部分151和与该第一个相邻的第二个磁性薄膜部分151之间经过并绕过位于与第一个磁性薄膜部分151的第一端相反的位置上的第二个磁性薄膜部分151的第二端。

激发图案13的条状部分131中的每一个由例如Al、Cu、或Au的普通金属材料制成。在条状部分131的每一个中，将它的厚度设置成0.1到50μm，尤其是大约1到大约20μm；将它的水平尺寸(宽度)设置成5到50μm，尤其是大约5到大约20μm；并将它的长度方向尺寸(长度)设置成80到1,000μm，尤其是大约100到大约800μm。

如上形成的多个条状部分131以10到100μm，尤其是大约10到大约50μm的间距排列在基板11上。在这种情况下，对条状部分131的数量没有限制，只要大于等于2个就行。但是，考虑到磁灵敏度，条状部分131的数量是2个或更多个，尤其最好是大约3个到大约20个。

多个条状部分131相互串联。如果条状部分131由单个带状部件形成，它们不需要以上述方式连接。通过如上所述将多个条状部分131相互连接形成条状组件。条状组件的一端和另一端通过各自的引线133与电极135连接，而DC或AC电源(未示出)与这对电极135连接。在本实施例中，例如将交流电施加在激发图案13上。

磁性薄膜部分151中的每一个由例如坡莫合金或非晶材料的软磁性材料制成并形成为长方形形状，它的尺寸和间距(磁性薄膜部分151之间的距离)基本上与激发图案13的上述条状部分131的相同。具体地说，将厚度设置成大约1到大约50μm，尤其是大约5到大约20μm，并将长度设置成80到1,000μm，尤其是大约100到大约800μm。

在如上形成的磁性薄膜部分151的每一个中，敏感轴与它的长度方向一致。对磁性薄膜部分151的数量没有特别限制，只要大于等于 2就行。优选地，考虑到磁场检测灵敏度，通常将磁性薄膜部分151的数量设置成大约2个到大约100个，尤其是大约3个到大约20个。最好，将布置的多个磁性薄膜部分151的间距(相邻磁性薄膜部分之间的距离)设置成大约10μm到大约100μm，尤其是大约10μm到大约50μm。

检测线圈图案17包括：布置在基板11上的第一导电体161；和布置在条状部分131和磁性薄膜部分151上的第二导电体171。第一和第二导电体一起形成检测线圈，并且各自具有细长长方形形状。第一导电体161的每一个被布置成面对第二导电体171的相应一个(参见图1)。第一导电体161和第二导电体171被布置成与例如多个条状部分131和多个磁性薄膜部分151的排列方向相交，以便沿着与该排列方向基本上正交的方向延伸(参见图1和2)。第一导电体161和第二导电体171通过例如粘合剂的适当手段在它们的相对端上相互连接(参见图1)。

第一导电体161和第二导电体171中每一个的材料、尺寸(例如厚度)、间距等与用于激发的条状部分131的基本上相同。第一导电体161和第二导电体171中的每一个由例如Al的普通金属材料制成，并且形成为具有0.1到50μm尤其是大约2到大约20μm的厚度、2到60μm尤其是大约5到大约20μm的水平尺寸(宽度)、和80到1,000μm尤其是大约100到大约800μm的长度的带状体。如上形成的细长的第一导电体161以2到50μm尤其是大约5到大约20μm的间距排列，而如上形成的细长的第二导电体171也以2到50μm尤其是大约5到大约20μm的间距排列。在这种情况下，对第一导电体161和第二导电体171的数量没有限制，只要它们大于等于2个就行。但是，考虑到它们的电极的排列模式，尤其是磁灵敏度，它们的数量最好是2个或更多个，尤其是大约3个到大约20个。

在这种情况下，检测线圈图案17的第二导电体171尤其必须布置成与激发图案13和用于检测的磁性薄膜图案15正交。这样，可以获得良好的磁灵敏度特性。

此外，必须在检测线圈图案17的内侧上形成适当的绝缘薄膜层12a和12b，以便覆盖激发图案13和用于检测的磁性薄膜图案15。

上述的磁传感器元件可以按照如图4所示的普通半导体工艺制成。具体来说，如图4所示，将检测线圈图案17的第一导电体161布置在基板11上，并且通过绝缘薄膜层12a将激发图案13和用于检测的磁性薄膜图案15布置在第一导电体161上。随后，通过绝缘薄膜层12b将检测线圈图案17的第二导电体171布置在激发图案13和用于检测的磁性薄膜图案15上。通过如上所述逐个地将薄片叠在一起就可以制成磁传感器元件。磁通门磁传感器元件1可以通过利用印刷电路工艺在基板11上形成激发图案13、用于检测的磁性薄膜图案15、和检测线圈图案17制成。

在上面的配置中，当将交流电从电源施加到激发图案13的电极上时，所施加磁场的极性会发生变化(1)，于是，用于检测的磁性薄膜图案15沿着它的长度方向的磁化也会发生变化。因此，在检测线圈中产生电动势(2)和(3)，并且检测线圈图案17的输出电流也发生变化(参见图5)。更具体地说，通过将电流供应给激发图案13，围绕条状部分131的每一个生成圆形磁场。生成的磁场垂直地进入长方形磁性薄膜部分151的每一个中，以便屏蔽与磁性薄膜部分151平行的外部磁场。随后，激发电流的极性反向。在反向过程中，条状部分131的每一个生成的磁场在激发磁场变成零的点上变成零，而在极性反向之后再次增大。

在这种情况下，如果外部磁场在零激发磁场下以峰值穿过长方形磁性薄膜部分151，磁场沿着水平方向穿过，因此，在检测线圈图案17中生成与外部磁场的强度相对应的电动势。

因此，可以从电压，即，电动势的变化中确定外部磁场的强度和极性。

在第一实施例中，使用了1.2mm×3mm的玻璃基板，并且通过以弯曲图案排列具有10μm的宽度和0.4mm的长度的十个条状部分131形成激发图案13。随后，以50μm的间距平行地排列均由厚度为 0.5μm的坡莫合金薄膜制成并且各自具有20μm的宽度和0.4mm的长度的磁性薄膜部分151，从而形成用于检测的磁性薄膜图案15。此外，检测线圈图案17被形成为与激发图案13和用于检测的磁性薄膜图案15正交。检测线圈图案17的数量、大小、和间距与激发图案13的相同。

[第二实施例]

图6A和6B示出了按照本发明的磁传感器元件的第二实施例。

在上述第一实施例中，通过将单层激发图案13和单层用于检测的磁性薄膜图案15布置成在基板11上在左右方向上交替排列来形成磁通门磁传感器元件1。在第二实施例中，通过垂直排列激发图案13和用于检测的磁性薄膜图案15形成磁通门磁传感器元件1′。在这种情况下，可以将任何图案置于其他图案之上。如例示的例子所示，可以将用于检测的磁性薄膜图案15布置在激发图案13的相对垂直侧。对于这样的配置，预期对磁性的灵敏度会进一步提高，并且预期电流消耗会进一步减小。不仅用于检测的磁性薄膜图案13可以形成两层，而且激发图案13和检测线圈图案17也可以形成两层。

图7示出了安装如上配置的多个磁传感器元件的磁传感器20。在磁传感器20中，将IC22安装在长方形基板21的上表面上、基板21的中心部分处，并且将三个磁通门磁传感器元件1a、1b、和1c正交地布置在X、Y、和Z轴上，以便沿着三个方向包围IC22的外周边。IC22和磁通门磁传感器元件1a、1b、和1c用透明树脂23封装。

图8示出了磁传感器20的驱动电路。激发电流生成电路26在IC22中的振荡电路28确定的定时生成用于X、Y、和X轴上的磁通门磁传感器元件1a、1b、和1c的电流。按照磁通门磁传感器元件1a、1b、和1c中的每一个的驱动定时，通过模拟开关25将电流供应给相应一个磁传感器元件的激发图案13。在这种配置中，通过模拟开关25和另一个电路，由每个磁传感器元件的检测线圈图案17中生成的电动势生成的电流被输入到检测电路27中。然后，在与激发电流生成电路26按照振荡电路28确定的定时生成的电流同步的定时，通过 检测电路27和放大电路29输出电流。

如图9所示，在750μs的一个周期中的100μs内，将10mA的激发电流供应给布置在X、Y、和Z轴上的磁通门磁传感器元件1a、1b、和1c中的每一个。这样，可以以250μA的平均消耗电流适当地检测地磁。

工业可应用性

按照本发明，可以实现配有利用半导体加工形成平面的又小又薄磁通门磁传感器元件的磁传感器。在半导体加工期间，可以获得非常小的检测元件。即使形成三轴磁传感器，也可以使用这样的磁通门磁传感器元件。

标号说明

1     磁通门磁传感器元件

11    基板

13    激发图案

131   条状部分

135   电极

15    用于检测的磁性薄膜图案

151   磁性薄膜部分

17    检测线圈图案

161   第一导电体

171   第二导电体

Claims (9)

1.一种磁传感器元件，包含：

基板；

布置在基板上、用来生成磁场的激发图案；

布置成与激发图案相邻的用于检测的磁性薄膜图案；和

布置成与用于检测的磁性薄膜图案相邻的检测线圈图案，其中：

用于检测的磁性薄膜图案包括绝缘地布置在基板上的多个磁性薄膜部分；

激发图案包括布置在多个磁性薄膜部分之间、用来生成磁场的多个条状部分；并且

检测线圈图案包括绝缘地布置在基板上的多个第一导电体，和布置在检测线圈图案中、面对第一导电体的多个第二导电体；

第一导电体和第二导电体在它们的相对端上相互连接，一起形成检测线圈，激发图案和磁性薄膜图案夹在第一导电体和第二导电体之间；并且

在检测线圈的内侧上形成有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中，激发图案和用于检测的磁性薄膜图案以交替方式排列在基板上。

3.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中，激发图案和用于检测的磁性薄膜图案以垂直分层的方式排列。

4.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中，所述的多个条状部分由沿着多个磁性薄膜部分中每一个的周边连续延伸的单个带状部件形成。

5.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中：多个磁性薄膜部分沿着基板的一个方向并排排列；并且第一导电体和第二导电体排列成与基板的所述一个方向相交。

6.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中，敏感轴与每个磁性薄膜部分的长度方向一致。

7.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中，所述的多个磁性薄膜部分至少包含两个长方形薄膜部件。

8.根据权利要求1所述的磁传感器元件，其中，激发图案、用于检测的磁性薄膜图案、和检测线圈图案中的至少一个包含两层或更多层。

9.一种磁传感器，其中根据权利要求1的磁传感器元件布置在相互正交的X、Y、和Z轴上。

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