CN101981719A

CN101981719A - 磁敏线、磁阻抗元件及磁阻抗传感器

Info

Publication number: CN101981719A
Application number: CN2009801111189A
Authority: CN
Inventors: 本藏义信; 山本道治; 滨田典彦; 下出晃宏
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2011-02-23
Also published as: ES2584513T3; CN103454601A; EP2276082B1; US20110080164A1; JPWO2009119081A1; US8610427B2; KR20110002852A; EP2276082A4; KR101475551B1; JP4650591B2; WO2009119081A1; EP2276082A1; CN103454601B

Abstract

本发明提供一种磁敏线、磁阻抗元件及磁阻抗传感器，该磁敏线具有涡流自旋结构，因此在其内部不存在磁畴壁，具有磁滞大致为零的优良的磁滞特性。因此，与使用了现有的磁敏线的MI传感器相比，大幅度地提高了在MI传感器的测量范围内的相对于外加磁场的输出电压特性的直线性。采用该磁敏线，能够提供一种与现有的相比更高精度的磁阻抗(MI)元件以及使用了该MI元件的传感器。

Description

磁敏线、磁阻抗元件及磁阻抗传感器

技术领域

本发明涉及磁滞特性优良的磁敏线、使用了该磁敏线的磁阻抗元件(以下记作“MI元件”)及磁阻抗传感器(以下记作“MI传感器”)。

背景技术

公知在高频率的脉冲电流流过CoFeSiB类合金的非晶丝时，由于该非晶丝的集肤效应使阻抗根据磁场而发生变化的磁阻抗效应(以下记作“MI效应”)。利用由缠绕在非晶丝上的检测线圈检测出该阻抗变化的MI元件的高感度磁传感器，即MI传感器，现在被用于手机等。但是，现有的传感器存在磁滞特性差的问题。该问题是由作为磁敏线的非晶丝的磁畴结构引起的。

例如在再公表特许WO2005/019851号公报中公开了作为现有的MI传感器所使用的磁敏线。在该公报中公开了有进行了张力退火的长为20μm的非晶丝和使用了该非晶丝的长为1mm以下、高为0.5mm的MI元件。但是，在该公报中公开的非晶丝的磁滞特性大大约有2％左右。

图6是示意性地表示构成这种现有的磁敏线的非晶丝内部的磁畴结构的立体图。磁敏线9根据磁畴结构的不同分为表层部91和芯部92两层。在表层部91内，自旋朝向固定的圆周方向。因此，自旋整体作为圆周形成为闭合状态，表层部91内完全不存在磁畴壁。

另一方面，在位于表层部91内周侧的芯部92内具有多磁畴结构，并存在较多的磁畴壁。另外，在表层部91和芯部92的界面处，由于各自旋的方向不连续地变化，因此也存在磁畴壁。

这种现有的磁敏线9在表层部91内具有自旋朝向一定的圆周方向的自旋结构(排列)，芯部92内具有多磁畴结构，整体为磁复合结构。而且，存在于芯部92的多磁畴结构部分的磁畴壁和存在于表层部91与芯部92的界面处磁畴壁成为使磁敏线9或使用该磁敏线9的传感器的磁滞特性劣化的原因。

专利文献1：再公表特许WO2005/019851号公报

发明内容

本发明提供一种适用于磁传感器等的磁滞特性优良的磁敏线和使用了该磁敏线的MI元件及MI传感器。

磁滞的发现起因于当外加磁场时，具有多磁畴结构的磁敏线内部的磁畴壁会进行移动。因此本发明人首先想到了使具有磁畴壁的多磁畴结构变成完全没有磁畴壁的涡流自旋(vortex-spin)结构，并首次成功地得到了涡流自旋结构的磁敏线。通过发展该成果，完成了以下所述的一系列的本发明。

磁敏线

(1)本发明的磁敏线的特征在于具有涡流自旋结构。

在此“涡流自旋结构”是指，在非晶丝表层部各自旋沿一定的圆周方向连续地排列，并且在作为该表层部的内周侧的内侧部成为随着靠近非晶丝的中心各自旋逐渐地从圆周方向向着轴向旋转，并在该非晶丝的中心处朝向轴向的、连续的自旋排列的结构。其中，在此所说的“自旋”是指单位原子的磁矩。另外，涡流自旋结构也可以仅由上述内侧部的结构构成。根据非晶丝的组成、内部应力、形状的不同，内侧部所占有的区域或大、或小。

(2)图1是对具有涡流自旋结构的磁敏线进行示意性说明的立体剖视图。剖面A是与磁敏线的轴向垂直的面，剖面B是在沿磁敏线的轴向的中央部切断的面。

磁敏线1由自旋排列不同的表层部11和内侧部12两层构成。首先对表层部11进行说明。在剖面A的表层部11内自旋朝向一定的圆周方向。因此，自旋作为整体连续地排列，在圆周方向上呈闭合(循环或环流)，表层部11内完全不存在磁畴壁。而且，在构成表层部11的剖面B的X1-X2-X3-Y1区域(在图1中，作为代表例由线X1-X5表示)内存在的各自旋是与表层部11的最外侧表面相同的自旋排列。

接下来对内侧部12的自旋排列进行说明。在剖面B上的Y1-X3-X6-Y3区域(在图1中，作为代表例由线X5-X6表示)内，在表层部11和内侧部12的边界(X5)处的自旋与表层部11的自旋是相同方向。随着从X5向X6靠近，即随着靠近轴中心，自旋的方向逐渐地从圆周方向向轴向倾斜，并在轴中心(X6)处与轴向(磁敏线1的中心线方向)的方向一致。像这样的自旋倾斜排列也同样地存在于剖面B上的线Y1-Y2上，而且同样地存在于剖面B的Y1-X3-X6-Y3区域内的任意部分。

这样一来，在本发明的磁敏线1的内侧部12不存在磁畴壁。另外，在表层部11和内侧部12的边界处，自旋连续地排列，也不存在磁畴壁。在本发明中，称这样的自旋排列整体为涡流自旋结构。其中，在本说明书中所说的“自旋排列”主要是指各自旋的磁矩的分布状况，也适当地简称“自旋排列”为“自旋”。

(3)本发明的磁敏线例如用于MI传感器。MI传感器的概略如下。

根据作为所施加磁场的外加磁场的大小，所有的自旋向该外加磁场的方向倾斜。如果脉冲电流流过磁敏线，则由于该脉冲电流而在磁敏线的圆周方向上形成磁场，使磁敏线内的自旋朝向圆周方向。MI传感器通过拾取线圈检测该磁敏线的由自旋的旋转引起的变化、或检测该磁敏线的阻抗变化。

磁敏线的附加结构

对使本发明进一步具体化的附加结构进行说明。另外，以下所述的内容不仅适用于本发明的磁敏线，而且还适用于使用了该磁敏线的MI元件或MI传感器。而且对于本发明的磁敏线而言，从下述的内容中任意选出的一个或两个以上的结构都能得到上述的结构。另外，每一种实施方式是否最好，根据对象、要求性能等的不同而不同。

(1)在此内侧部的厚度(图1的内侧部11的“d”)最大能够取到磁敏线的半径。

本发明的涡流自旋结构不是薄膜等的二维的结构(纳米点的区域)，而是三维的结构。与该三维的涡流自旋结构相关的想法本发明是首例。

与不仅检测自旋的旋转而且检测磁畴壁的移动的现有的三维的结构不同，本发明的涡流自旋结构中不存在磁畴壁(磁畴)。因此，本发明的MI传感器只完全检测出自旋的旋转、具有磁滞为零的优良的效果。因此，本发明也是没有磁畴壁(磁畴)的磁敏线。

另外，优选本发明的磁敏线由主相为非晶质、零磁致伸缩的软磁性合金构成。由此，能够得到具有涡流自旋结构的磁敏线，或没有磁畴壁(磁畴)的磁敏线。

在此“零磁致伸缩”是指磁致伸缩的绝对值小于10^-6。例如，在科罗纳(CORONA)社出版的《磁传感器理工学》(磁気センサ理工学)的第13页中记述有：“(CoFe)₈₀(SiB)₂₀において、Fe/Coが

0.07のとき、磁歪の

对值が10^-6未満となり、そのレベルの磁歪を零磁歪とする(在(CoFe)₈₀(SiB)₂₀中，在Fe/Co为约0.07时，磁致伸缩的绝对值小于10^-6，将该程度的磁致伸缩称为零磁致伸缩。)”因此，如上所述，本发明的零磁致伸缩也是该程度。

优选本发明的磁敏线由零磁致伸缩的Co-Si类合金构成，更加优选由Co-Si-B类合金构成，特别优选由Co-Fe-Si-B类合金构成。除此之外，本发明的磁敏线也可以由Co-Mn-Si-B类合金或Fe-Si类合金等的公知的非晶质合金构成。

(2)以下表示具有涡流自旋结构的磁敏线的制作方法的例子。

该磁敏线例如通过适当地调整其合金成分、线直径、内部应力的方式制作。优选所使用的合金为Co-Fe-Si-B类的零磁致伸缩的材料。

磁敏线的直径越大越难于形成涡流自旋结构。如果其直径超过15μm，则容易在磁敏线的内部形成多磁畴结构，因此优选磁敏线的直径为15μm以下。

另外，如果磁敏线的直径小于0.5μm，则磁敏线的体积较小，从而导致传感器感度降低到不能作为传感器使用的程度。因此，本发明的磁敏线的直径，例如优选为0.5～15μm。

内部应力的调整，例如通过向磁敏线施加张力的同时进行热处理(以下称为“张力退火”)、或在使电流流过的同时进行热处理等来进行。这种情况下的热处理在低于非晶质完全结晶的温度下进行。

MI元件

(1)本发明还提供以具有上述涡流自旋结构的磁敏线作为磁检测体的磁阻抗元件。另外，本发明还提供以没有磁畴壁(磁畴)的磁敏线作为磁检测体的磁阻抗元件。

本发明的MI元件只要将现有的公知的MI元件的作为磁检测体的磁敏线替换成本发明的上述磁敏线即可。

MI元件的结构本身例如是国际公开公报WO2003/071299号、国际公开WO2005/019851号、日本特开平2005-227297号、及日本特开平07-181239号等中的公知技术。本发明的MI元件能够利用这些公知的结构或其他的公知的结构。

本发明的MI元件中，例如包括：基板、上述本发明的磁敏线、将该磁感线包裹在内部的绝缘体、缠绕在该磁敏线的周围的检测线圈、由该磁敏线和该检测线圈延伸设置的电极端子。

(2)MI元件的磁敏线中的各自旋根据外部磁场的大小向该外部磁场的方向倾斜。向其供给由脉冲振荡电路产生的相当于50～250MHz的高频率的脉冲电流时，在磁敏线的圆周方向上形成磁场，使磁敏线中的自旋沿圆周方向旋转。MI传感器通过检测线圈检测该自旋的方向的变化、或检测磁敏线的阻抗变化。将上述的脉冲电流切断时也发生同样的变化，并能检测出该变化。通过将该本发明的MI元件用于MI传感器，能够发挥后面所述的优良效果。

MI传感器

(1)本发明不仅提供上述的磁敏线、MI元件，还提供使用它们的MI传感器。

本发明的MI传感器，只要将现有的公知的MI传感器的作为磁检测体的磁敏线置换为本发明的上述磁敏线即可。本发明的MI传感器，例如由本发明的磁敏线、缠绕在该磁敏线的周围的检测线圈、向该磁敏线通电脉冲电流的脉冲振荡电路、将该检测线圈的检测电压变换为与外部磁场的强度所对应的信号的信号处理电路构成。

(2)本发明的MI传感器使用了上述的磁敏线，因此其具有作为MI传感器的磁滞大致为零的优良的磁滞特性。本发明的MI传感器，在测量范围内，相对于外加磁场的输出电压特性的直线性好。

MI传感器的结构本身也是上述公报等中的公知技术，这些公知的结构或其他的公知的结构能够用于本发明的MI传感器。其中，本发明的MI传感器采用直接检测磁敏线的阻抗变化的方式也能得到同样的效果。

发明的效果

这样，通过将现有的MI元件或MI传感器的磁敏线替换成具有涡流自旋结构的本发明的磁敏线，本发明的MI元件或MI传感器显示出由MI传感器检测出的磁滞大致为零的优良的磁滞特性。

而且，与使用现有的磁敏线的MI传感器相比，若使用本发明的磁敏线，则在MI传感器的测量范围内，大幅度地提高了相对于外加磁场的输出电压特性的直线性。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的磁敏线的涡流自旋结构的立体剖视图。

图2是表示本发明的实施例的MI元件的正面的概念图。

图3是本发明的实施例的MI传感器的电路的概念图。

图4是说明由在本发明的MI元件、MI传感器中使用的脉冲电流的上升、下降时间来求出频率的方法的说明图。

图5是本发明的实施例的MI特性图。

图6是示意性地表示现有例的磁敏线内部的磁复合结构的立体图。

符号说明

1 磁敏线(实施例)

11 表层部

12 内侧部

2 MI元件

3 检测线圈

4 绝缘物

51 电极

52 电极

6 MI传感器

61 脉冲振荡电路

62 信号处理电路

7 脉冲电流波形

9 磁敏线(现有例)

91 表层部

92 芯部

10 基板

具体实施方式

将本发明的实施方式与现有例进行适当地比较的同时进行说明。另外，本发明不限定于下述的实施例。

结构

(1)磁敏线

以利用改进的泰勒法制作出的具有Co_71.2Fe_4.8Si_11.8B_12.2(at％)的合金组成的直径为11.6μm的非晶丝作为本发明的实施例的磁敏线的供试验用材料。在520℃的气氛温度下，对该供试验用材料的非晶丝施加200MPa的张力的同时，进行了7秒的热处理(实施例1)。

另外，作为现有例准备在表层部分与图6的表层部91相同地具有固定的圆周方向的自旋结构、内部具有多磁畴结构的非晶丝(尤尼吉可(UNITIKA)株式会社制造)。该非晶丝由旋转液中纺丝法制作，具有(Co₉₄Fe₆)_72.5Si_12.5B₁₅(at％)的合金组成，直径为20μm，进行了张力退火。

而且，准备了对现有例中使用的上述非晶丝进行蚀刻，将直径细径化为13μm的非晶丝(实施例2)。

(2)MI元件

关于本发明的实施例的MI元件2的结构，利用图2的概念图进行说明。

首先，借助绝缘物4(未图示)配置在磁敏线1的周围的检测线圈3设置在基板10上。磁敏线1的两端与用于施加脉冲电流的电极51连接。检测线圈3与用于检测根据外部磁场而进行变化的电压的电极52连接。磁敏线的长为0.6mm，检测线圈3的缠绕圈数为15转。在此所示的结构为其中的一例，也可以采用其他的公知的MI元件结构。

(3)MI传感器

利用图3对本发明的实施例的MI传感器6的电子电路进行说明。MI传感器6由MI元件2、脉冲振荡电路61、信号处理电路62构成。传感器的动作如以下所述。

向该MI元件2中的磁敏线1供给由脉冲振荡电路61产生的相当于50～250MHz的高频率的脉冲电流。于是，在检测线圈3中产生电压，该电压是在外部磁场和由脉冲电流在磁敏线1的圆周方向上形成的磁场的作用下，基于磁敏线1中的自旋的旋转所产生的电压。

该频率通过如下方式求出，如图4的(a)所示，首先求出脉冲电流波形7中的脉冲电流的上升、或下降的时间Δt，然后如图4的(b)所示，以该Δt相当于波的四分之一周期来求出周期，由所求出的周期算出该频率。

接下来，在上述脉冲电流上升之后，利用采样时间调整电路621，在规定的时间使模拟开关622进行短时间的切换(接通-断开)。由此，模拟开关622对在检测线圈3中产生的外部磁场所对应的电压进行采样并将其传向放大器623。将脉冲电流切断时(下降时)的操作也同样。

在此所示的结构是其中的一例，也可以采用其他的公知的MI传感器的电子电路。

测量

通过如下方式对本实施例的磁阻抗(MI)特性进行了评价，即：将MI传感器6设置在±2400A/m、10Hz的磁场中，并向MI元件2的磁敏线1输入相当于频率0.2GHz的80mA的脉冲电流，在上述信号处理电路62中对在检测线圈3中产生的电压信号进行信号处理，对从检测线圈3输出的各磁场的电压进行测量。

脉冲电流的上升时间、下降时间均为1.25ns。另外，在此是利用脉冲电流的下降部分检测，也可以利用脉冲电流的上升部分进行检测，还可以利用双方进行检测。

评价

(1)关于上述的实施例1，由上述的测量所取得的结果表示在图5和表1中。本实施例的测量结果如图5(a)所示，现有例的测量结果如图5(b)所示。在图5中所画出的曲线中，以线圈输出的电压是2.5V时的外加磁场的差值作为磁滞特性。

从图5(a)的测量结果可知，本实施例的磁滞特性为2A/m，在检测装置的检测力(7A/m)以下。这表示磁滞特性大致为零。由此可以说本发明的磁敏线是由没有磁畴壁的涡流自旋结构构成。

另一方面，从图5(b)的测量结果可知，现有例的磁滞特性为33.4A/m。

(2)另外，作为磁传感器的实用特性，直线性也是重要的参数。

在本实施例的情况下，从图5(a)的测量结果可知，表示峰值电压的外加磁场的30％之间(在此为外加磁场±485A/m之间)的直线性是0.7％F.S.。其为图5(b)所示的现有例的直线性(7.7％F.S.)的十分之一以下。其中，“F.S.”是指Full Scale(全刻度)。

另外，在此所说的直线性，在表示线圈输出电压的峰值的外加磁场的30％之间(在实施例中为外加磁场±485A/m之间，在比较例中为外加磁场±377A/m)，对于相对于该外加磁场的输出电压的直线性进行了评价。另外，在测量范围内，使用JIS B0155中的编号2623的方法对于直线性进行评价。

(3)使用了实施例2的磁敏线的情况也进行了确认，与上述的使用了实施例1的磁敏线的情况同样地能取得与现有例明显不同的优良的磁滞特性(3A/m)和上述的直线性(0.8％F.S.)。由此，可以说实施例2的磁敏线也是由没有磁畴壁的涡流自旋结构构成。

本发明

在上述实施方式或实施例的基础上，通过如以下所述的内容能够进一步具体地表现本发明的结构。虽然以下是以磁敏线为例进行说明，但也同样适合于MI元件或MI传感器。

(1)合金组成

如以上所述，优选磁敏线由零磁致伸缩的Co-Si类合金构成，更加优选由Co-Si-B类合金构成，特别优选由Co-Fe-Si-B类合金构成。

在Co-Fe-Si-B类合金的情况下，例如整体采用100原子％(at％)时，可以为Co：60～80at％、Fe：3～7at％、Si：5～20at％、及B：7～30at％。进而更优选为Co：65～75at％、Fe：4～6at％、Si：7～15at％、及B：10～20at％。其中，表示各元素的组成范围的上限值或下限值能够使用包含在上述数值范围内的任意的数值。

另外，除了这些元素之外，本发明的磁敏线还能够含有少量不阻碍其特征(涡流自旋结构、磁滞特性)的改良元素。当然，能够含有不可避免的混杂物不言自明。

(2)热处理

本发明的磁敏线由非晶丝构成，其中该非晶丝由具有上述组成的合金构成。通过对该非晶丝进行适当的热处理，不仅能使磁敏线的表层部成为涡流自旋结构，也能使其内周部成为涡流自旋结构。该热处理只要是在非活性气体氛围或真空中，加热到非晶丝未完全结晶化的温度的处理即可。加热温度，例如优选为300～650℃、400～630℃，更加优选为500～600℃。加热时间优选为2～60秒(s)，更加优选4～10s。在进行该加热处理时，只要对磁敏线施加张力即可。施加张力是为了向非晶丝导入内部应力。

该施加的张力优选为30～2000MPa、100～1000MPa，更加优选为100～400MPa。

(3)磁敏线的特性

首先，优选磁敏线的磁滞特性为7A/m以下、5A/m以下，更加优选为3A/m以下。这种的程度的磁滞，实际上可以看作为零。

接下来，在MI传感器检测出的峰值电压所对应的外加磁场所特别指定的特定外加磁场的30％的情况下，优选磁敏线的直线性为2％F.S.以下、1.5％F.S.以下、1％F.S.以下，更加优选为0.8％F.S.以下。

其中，在本说明书中所说的“x～y”，若没有特别事先说明，则包含下限值x和上限值y。另外，本说明书所述的下限值和上限值能够任意组合，来构成如“a～b”这样的范围。而且，该上限值或下限值能够置换为包含在所述的数值范围内的任意的数值。

工业实用性

本发明的磁敏线、MI元件、及MI传感器，它们的磁滞大致为零，非常的小型且高感度，因此能够适用于以手机为首的小型电子设备用的超小型磁传感器。

表1

Claims

1.一种磁敏线，其特征在于，具有涡流自旋结构。

2.如权利要求1所述的磁敏线，其特征在于，从表层到中心没有磁畴壁。

3.如权利要求1或2所述的磁敏线，其特征在于，由零磁致伸缩的软磁性合金的非晶体构成。

4.如权利要求3所述的磁敏线，其特征在于，上述软磁性合金是以钴(Co)和硅(Si)为必要元素的Co-Si类合金。

5.如权利要求1所述的磁敏线，其特征在于，直径为0.5～15μm。

6.一种磁阻抗元件，其特征在于，以权利要求1～5中任意一项所述的磁敏线作为磁检测体。

7.一种磁阻抗传感器，其特征在于，以权利要求1～5中任意一项所述的磁敏线作为磁检测体。