CN105093138A - 磁场检测传感器及使用其的磁场检测装置 - Google Patents

Abstract

提供防止由环境温度变动引起的检测精度降低并且注重制造时的位置偏移及产品的小型化的磁场检测传感器及使用其的磁场检测装置。磁场检测传感器具备：桥式电路，以连接有电阻值对应于检测磁场方向而变化的多个磁阻效应元件并且能够输出规定连接点之间的差动电压的方式构成；磁性体，在桥式电路的中心附近对检测磁场进行聚磁并且使磁场的方向变化；磁场产生导体，将与检测磁场的方向成相反方向的磁场给予磁阻效应元件；差动运算电路，用于输入桥式电路的差动电压并将在磁场产生导体产生与检测磁场方向成相反方向的磁场的反馈电流流到磁场产生导体；电压转换电路，用于将反馈电流作为电压值输出；磁场产生导体和磁阻效应元件形成于相同的层叠体内。

Description

磁场检测传感器及使用其的磁场检测装置

技术领域

本发明涉及使用了磁阻效应元件的检测微小磁场的磁场检测传感器。

背景技术

近年来，生物磁场测定、探伤测定及非破坏检测等测定微弱磁场的需求不断增长。

在微小磁场的测定中，将检测对象的磁场效率良好地在磁阻效应元件的感磁方向上取入是重要的，另外，该磁阻效应元件的电阻变化率由于环境温度的变动而发生变动并且磁场检测传感器的输出发生变动的、所谓温度飘移成为问题。另外，制造成本的削减及传感器的小型化等一般的课题也存在。

根据专利文献1(日本特开2009-276159号公报)，具备以连接有所输出的电阻值对应于所输入的磁场的方向而发生变化的多个磁阻效应元件并且能够检测规定的连接点之间的差动电压的方式构成的桥式电路。而且，上述磁阻效应元件以该磁阻效应元件的磁化固定方向全部朝着相同方向的方式配置。再有，在上述桥式电路的周围，配置使输入到磁阻效应元件的磁场的方向发生变化的磁性体。

具体来说，采用上述桥式电路具备4个所述磁阻效应元件并且将在大致相同地方形成了在该桥式电路彼此相邻且未连接的成对的2个该磁阻效应元件的元件形成部对应于该磁阻效应元件的各对而形成于2个地方，将上述磁性体配置于该2个地方的元件形成部之间的磁场检测传感器的结构。

由上述磁性体的配置，能够使一个方向的检测磁场沿在上述磁阻效应元件之间不同的方向变化，相对于一方在磁化固定方向上入射磁场，相对于另一方在其相反方向上入射磁场。由此，因为从该桥式电路输出大的差动电压，所以能够谋求一个方向的检测磁场的检测精度提高。

另外，根据专利文献2(日本特开2010-276422号公报)，由GMR元件构成桥式电路，以相对于该GMR元件的磁化固定方向垂直的方向的磁场成为检测磁场的方式配置磁性体。

再有，具备用于使与检测磁场相反方向、即消除检测磁场的方向的其他磁场产生的螺线管线圈，并且具备控制用于在该螺线管线圈产生其他磁场的电流的控制器。

上述螺线管线圈以围绕形成有上述桥式电路的传感器并且该桥式电路位于左右的中心而且即使在高度方向上也位于中央的方式配置。

上述控制器控制用于输入检测磁场的值、即从上述桥式电路输出的差动电压值并对应于该差动电压值而产生消除检测磁场的方向的其他磁场的电流。

由上述控制器，以从上述桥式电路输出的差动电压值、即检测磁场的值成为零的方式控制流到上述螺线管线圈的电流。

另外，根据专利文献3(WO2011/081197号公报)，磁场检测传感器成为由GMR元件构成桥式电路，一对坡莫合金轭铁(permalloyyoke)设置于该GMR元件R1和R3的X轴方向两侧，另外，在该GMR元件R2和R4的X轴方向两侧也设置一对坡莫合金轭铁，作为产生与检测磁场相反方向的其他磁场产生的磁场产生导体而将平面螺旋线圈配置于该GMR元件的下侧的结构。

由上述GMR元件形成的桥式电路、上述坡莫合金轭铁以及上述平面螺旋线圈形成于相同的层叠体内。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-276159号公报

专利文献2：日本特开2010-276422号公报

专利文献3：WO2011/081197号公报

发明内容

发明所要解决的问题

一般来说，磁阻效应元件具有电阻变化率容易根据环境温度的变动而改变的特征。在如专利文献1那样由磁阻效应元件构成桥式电路，将从该桥式电路输出的差动电压作为磁场检测传感器的输出的情况下，存在使检测精度降低等的缺点。为了检测微小磁场，有必要防止由于这样的环境温度的变动而引起的检测精度的降低。

另外，如专利文献2那样具备用于对应于从桥式电路输出的差动电压值而产生消除检测磁场的方向的其他磁场的螺线管线圈、控制用于在该螺线管线圈产生其他磁场的电流的控制器，通过以检测磁场的值成为零的方式控制电流从而防止由于环境温度的变动而引起的检测精度的降低，但是因为该螺线管线圈有必要围绕形成有桥式电路的磁场检测传感器，所以对于传感器的小型化来说是不利的，再有，会有因为由焊接烙铁进行的搭载为必要的部件，因而对于组装时的位置精度来说产生偏差，并且对于检测精度来说产生产品的个体差等的问题。

另外，根据专利文献3，通过在构成桥式电路的GMR元件的X轴方向两侧设置坡莫合金轭铁，从而能够谋求由相对于该GMR元件的感磁方向的聚磁效应得到的检测精度的提高。

在检测微小磁场的情况下，由聚磁场效应得到的检测精度的提高是非常有效的。一般来说，已知由坡莫合金轭铁等的磁性体产生的聚磁效应与相对于磁阻效应元件的感磁方向的磁性体的截面积或长度成比例而变得良好。在上述坡莫合金轭铁的情况下，相对于GMR元件的感磁方向的截面积依赖于成膜工艺中的膜厚方向。然而，如果在成膜工艺中增大膜厚的话，则膜应力变强，引起膜的剥离或裂纹等的质量问题的风险变大。

因此，本发明是有鉴于以上所述那样的问题而完成的发明，其目的在于，提供一种即使是使用了磁阻效应元件的桥式电路也能够防止由于环境温度的变动而引起的检测精度的降低并且能够以注重制造时的位置偏移或产品的小型化的方式检测微小磁场的磁场检测传感器。

解决问题的技术手段

为了达到上述目的，本发明所涉及的磁场检测传感器具备：桥式电路，以连接有电阻值对应于检测磁场的方向而变化的多个磁阻效应元件并且能够输出规定的连接点之间的差动电压的方式构成；磁场产生导体，在所述桥式电路的中心附近配置对所述检测磁场进行聚磁并且使所述检测磁场的方向变化的磁性体，将与所述检测磁场的方向成相反方向的磁场给予所述磁阻效应元件；差动运算电路，用于输入所述桥式电路的差动电压，并将在所述磁场产生导体产生与所述检测磁场的方向成相反方向的所述磁场的反馈电流流到所述磁场产生导体；电压转换电路，用于将所述反馈电流作为电压值输出；所述磁场产生导体和所述磁阻效应元件形成于相同的层叠体内。

根据本发明，通过在上述磁场产生导体产生与检测磁场的方向成相反方向的磁场从而在上述磁阻效应元件中成为磁平衡的状态，并且能够抑制由于环境温度引起的上述磁阻效应元件的电阻变化率的变化，能够防止检测精度的降低。另外，通过将上述磁阻效应元件和上述磁场产生导体形成于相同的层叠体内，从而除了比使用螺线管线圈的情况更有利于传感器产品的小型化之外，也可以抑制制造时的位置精度的偏差。

上述磁场产生导体优选在上述层叠体中较上述磁阻效应元件配置于更下层。

根据本发明，通过在上述层叠体中将上述磁场产生导体较上述磁阻效应元件配置于更下层，从而能够使该磁阻效应元件接近上述磁性体，该磁阻效应元件能够效率良好地响应来自该磁性体的磁通量。

另外，在本发明中，上述磁场产生导体也可以由成膜工艺形成。

在检测微小磁场的情况下，可以了解到因为大的电流不流到使与检测磁场成相反方向的反馈电流磁场产生的上述磁场产生导体，所以即使减薄该磁场产生导体的膜厚，也不会影响到检测精度。

根据本发明，因为通过使用成膜工艺来减薄该磁场产生导体的膜厚从而在形成有该磁场产生导体的层的平坦度提高，所以在上述层叠体中，在将用于保持与下一上层部的绝缘的绝缘层进行成膜的工序中，确保该绝缘层的平坦度变得容易，该绝缘层中的用于平坦化的材料或层叠工序成为不必要，进而产品的小型化或制造成本的降低成为可能。

另外，作为本发明的其他方式的磁场检测装置也可以是具备检测所述检测磁场的交流磁场成分的所述磁场检测传感器的磁场检测装置。具备上述磁场检测传感器和能够测定微小信号的测量器而构成。根据本发明，由能够检测微小磁场的上述磁场检测传感器和能够测定微小信号的测量器，能够非接触地在被检测部检测出生物体磁等的微小磁场。

能够抑制由环境温度的变动而引起的磁阻效应元件的电阻变化率的变化所带来的影响并且能够确保能够测定微小检测磁场的检测精度，并且可以抑制产品成本。

附图说明

图1是实施方式1的桥式电路的模式图。

图2是将磁性体配置于实施方式1的桥式电路的层叠体的侧面的模式图。

图3是将磁性体配置于实施方式1的桥式电路的层叠体的上表面的模式图。

图4是实施方式1的磁场产生导体的配线图形的模式图。

图5是表示由实施方式1的磁性体引起的检测磁场的变化和磁阻效应元件的电阻变化的模式图。

图6是实施方式1的电路的概要图。

图7是实施方式2的脑磁场测定装置的概要图。

图8是实施方式2的心磁场测定装置的概要图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对本发明的优选的实施方式进行说明。还有，本发明并不限定于以下的实施方式。另外，在以下所记载的构成要素中包括本领域技术人员能够容易想到的要素、实质上相同的要素。再有，以下所记载的构成要素能够适当组合。还有，附图是模式性的图，为了便于说明，厚度与平面尺寸的关系以及设备彼此之间的厚度的比率在能够获得本实施方式的效果的范围内也可以与现实的传感器结构不同。

(实施方式1)

图1是构成本实施方式1的磁场检测传感器的桥式电路的概要图。桥式电路具备第1磁阻效应元件10、第2磁阻效应元件20、第3磁阻效应元件30以及第4磁阻效应元件40。第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)所具有的固定磁化方向相同。第1磁阻效应元件10的一端和第2磁阻效应元件20的一端被连接到电源供给端子Vc。第1磁阻效应元件10的另一端被连接于第4磁阻效应元件40的一端，第2磁阻效应元件20的另一端被连接于第3磁阻效应元件30的一端。第3磁阻效应元件30的另一端和第4磁阻效应元件40的另一端被连接到GND端子。第1磁阻效应元件10与第3磁阻效应元件30、第2磁阻效应元件20与第4磁阻效应元件40被配置在同一直线上。另外，即使在第1磁阻效应元件10与第2磁阻效应元件20、第3磁阻效应元件30与第4磁阻效应元件40中也被配置在同一直线上。

还有，将输出于第2磁阻效应元件20与第3磁阻效应元件30的连接点的电压设为Va，将输出于第1磁阻效应元件10与第4磁阻效应元件40的连接点的电压设为Vb。

图2和图3是将上述磁性体配置于构成本实施方式1的磁场检测传感器的上述桥式电路的层叠体1的侧面和上表面的模式图。如果将第1磁阻效应元件10和第3磁阻效应元件30的配置、第2磁阻效应元件20和第4磁阻效应元件40的配置成为线对称的X轴方向的中心线设为A并且将第1磁阻效应元件10和第2磁阻效应元件20的配置、第3磁阻效应元件30和第4磁阻效应元件40的配置成为线对称的Y轴方向的中心线设为B的话，则该磁性体优选被配置于该磁性体的X轴方向的中心线和Y轴方向的中心线分别符合于A和B的位置。另外，该磁性体的Y轴方向的长度优选成为大于该桥式电路的Y轴方向的长度的长度。再有，优选为相对于该磁性体的Z轴方向最接近于该桥式电路的位置。通过如此进行配置，从而对应于检测磁场的变化的第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的电阻变化能够效率良好进而均等地响应。另外，形成磁场产生导体100的层优选较形成有第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的层被配置于更下层。通过将磁场产生导体100较形成有第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的层配置于更下层，从而能够缩短该磁性体与第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的Z轴方向的距离，由此，第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)能够效率良好地响应于来自该磁性体的该检测磁场的磁通量。

上述磁性体也可以是软磁性体。另外，该磁性体从该桥式电路看对垂直方向的检测磁场进行聚磁，并使被聚磁的该检测磁场向与构成该桥式电路的第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)所具有的固定磁化方向大致相平行的方向变化。

图4是本实施方式1的磁场检测传感器中的磁场产生导体100的配线图形的模式图。磁场产生导体100在与第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)相同的层叠体内不是跨越多层而形成，优选为U字形状，但也可以是绕组形状。

图5是表示本实施方式1的磁场检测传感器中的从不面向于上述磁性体的上述桥式电路的垂直方向入射检测磁场的情况下的由该磁性体使该检测磁场变化的方向以及构成该桥式电路的第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)所具有的固定磁化方向对应于该检测磁场产生变化的第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的电阻变化的模式图。该检测磁场从入射到该磁性体的入射方向看向左右的与第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)所具有的固定磁化方向大致相平行的方向进行变化。在第1磁阻效应元件10中，因为该检测磁场的方向成为与固定磁化方向相同方向，所以第1磁阻效应元件10的电阻值从无磁场时的电阻值R0变化+ΔR部分。同样，在第2磁阻效应元件20中，变化-ΔR部分，另外，在第3磁阻效应元件30中变化+ΔR部分，再有，在第4磁阻效应元件40中变化-ΔR部分。

在构成上述桥式电路的第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的电阻变化如以上所述进行变化的情况下，因为Va的输出电压比为(R0+ΔR)/2*R0并且Vb的输出电压比成为(R0-ΔR)/2*R0，所以如果将无磁场时的输出电压值与Va以及Vb一起假定为零的话，则Va的输出电压向正值变动，Vb的输出电压向负值变动。因此，该桥式电路能够对应于检测磁场而通过Va的电压和Vb的电压进行差动输出。

如果是从上述桥式电路对应于检测磁场的变化输出差动电压的电路的话，则第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的彼此的连接电路与第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)所具有的固定磁化方向的组合并不限于此。

例如也可以是图5(b)那样的结构。

图6是本实施方式1的磁场检测传感器的电路的概要图。对应于检测磁场进行变动的、从上述桥式电路输出的电压Va以及Vb被连接到差动运算电路400的输入端子。差动运算电路400的输出端子被连接于检测电阻300的一端，检测电阻300的另一端被连接于在第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)使与由该磁性体而发生变化的该检测磁场的方向成相反方向的反馈电流磁场产生的磁场产生导体100的一端。磁场产生导体100的另一端被连接到GND。

如果检测磁场发生变化的话，则从上述桥式电路通过电压Va以及电压Vb输出差动电压，该差动电压被输入到差动运算电路400。差动运算电路400对应于输入的差动电压从输出端子经由检测电阻300使反馈电流流向磁场产生导体100。由该反馈电流而在磁场产生导体100中产生与由该磁性体而发生变化的该检测磁场的方向成相反方向的反馈电流磁场。差动运算电路400在第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)中以该检测磁场与该反馈电流磁场的合成磁场成为磁平衡、即零磁场的方式控制反馈电流。此时，该检测磁场与该反馈电流磁场相等，该检测磁场的测定通过测定使该反馈电流磁场产生的反馈电流从而变得可能。这样，通过由该反馈电流磁场保持磁平衡从而能够抑制第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)中的由于环境温度引起的电阻变化率的变化，并且能够维持检测精度。

差动运算电路400所输出的反馈电流的变化能够作为检测电阻300的电压值进行输出。

构成上述桥式电路的第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)以及磁场产生导体100优选被形成于相同的层叠体1内。通过被形成于相同的层叠体1内，从而除了较使用别的个体的螺线管线圈的情况更有利于传感器产品的小型化之外，可以抑制制造时的位置精度的偏差。

另外，为了进一步提高第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)的检测精度，可以将轭铁形成于该磁性体与第1～第4磁阻效应元件(10、20、30、40)之间。

在检测微小的检测磁场的情况下，可以了解到因为大的电流不会流到使与该检测磁场成相反方向的反馈电流磁场产生的磁场产生导体100，所以即使减薄磁场产生导体100的厚膜也不会影响到检测精度。因此，也可以由溅射等的成膜工艺来进行薄膜化。

因为通过使用成膜工艺来进行薄膜化，从而在形成有磁场产生导体100的层的平坦度提高，所以在层叠体中，在对用于保持与下一上层部的绝缘性的绝缘层进行成膜的工序中，确保该绝缘层的平坦度变得容易，该绝缘层中的用于平坦化的材料或层叠工序变得不需要，进而产品的小型化或制造成本的削减成为可能。

(实施方式2)

图7和图8是本实施方式2的成为使用了上述磁场检测传感器的磁场检测装置的一个例子的生物体场测定装置。因为使1个～多个上述磁场检测传感器接触于被检测部来进行配置并且各个输出为微小信号，所以将锁定放大器电路等用于测量部来进行测定。另外，为了除去外部磁场或自发磁场等不定期的反复信号，也可以适当使用带通滤波器等的模拟滤波器或算术平均法等的数字处理。

符号的说明

1层叠体

10、20、30、40、50、60磁阻效应元件

100磁场产生导体

200、210端子焊垫

300检测电阻

400差动运算电路

Claims (4)

1.一种磁场检测传感器，其特征在于：

具备：

桥式电路，以连接有电阻值对应于检测磁场的方向而变化的多个磁阻效应元件并且能够输出规定的连接点之间的差动电压的方式构成；

磁场产生导体，在所述桥式电路的中心附近配置对所述检测磁场进行聚磁并且使所述检测磁场的方向变化的磁性体，将与所述检测磁场的方向成相反方向的磁场给予所述磁阻效应元件；

差动运算电路，用于输入所述桥式电路的差动电压并将反馈电流流到所述磁场产生导体，所述反馈电流在所述磁场产生导体产生与所述检测磁场的方向成相反方向的所述磁场；以及

电压转换电路，用于将所述反馈电流作为电压值输出，

所述磁场产生导体和所述磁阻效应元件形成于相同的层叠体内。

2.如权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于：

所述磁场产生导体在所述层叠体中较所述磁阻效应元件配置于更下层。

3.如权利要求1或者2所述的磁场检测传感器，其特征在于：

所述磁场产生导体由成膜工艺形成。

4.一种磁场检测装置，其特征在于：

具备检测所述检测磁场的交流磁场成分的权利要求1～3中的任意一项所述的磁场检测传感器。