CN108700637B

CN108700637B - 磁传感器

Info

Publication number: CN108700637B
Application number: CN201680083114.4A
Authority: CN
Inventors: 田边圭
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: CN108700637A; US10859642B2; JP6819361B2; WO2017149831A1; DE112016006539T5; US20190056460A1; JP2017161519A

Abstract

本发明提供一种磁传感器，通过使磁通更大地弯曲来提高磁检测灵敏度的磁传感器。本发明的磁传感器具备：位于分离第1空间(S1)和第2空间(S2)的平面(P)的磁检测元件(MR1、MR2)、配置于第1空间(S1)且从z方向观察位于磁检测元件(MR1、MR2)之间的第1磁性体(31)以及配置于第2空间(S2)的第2磁性体(32)。从z方向看，磁检测元件(MR1)位于第1磁性体(31)和第2磁性体(32)的第1部分(32a)之间。从z方向看，磁检测元件(MR2)位于第1磁性体(31)和第2磁性体(32)的第2部分(32b)之间。根据本发明，由于第1磁性体集中的磁通被引到第2磁性体的第1部分和第2部分，所以能够使磁通更大地弯曲。由此，能够提高磁传感器的磁检测灵敏度。

Description

磁传感器

技术领域

本发明涉及磁传感器，具体而言，涉及具备将磁通集中于磁检测元件的磁性体的磁传感器。

背景技术

使用了磁阻元件的磁传感器被广泛用于电流表、磁编码器等。在磁传感器中，设置有用于将磁通集中于磁检测元件的磁性体，在这种情况下，磁性体相对于磁检测元件偏移而配置(参照专利文献1和2)。由此，由于磁性体的作用，磁通的方向朝磁化固定方向弯曲，从而能够进行高灵敏度的检测。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5500785号公报

专利文献2：日本特开2014-182096号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在专利文献1和2中所记载的磁传感器中，由于仅仅是磁性体相对于磁检测元件偏移地配置，因此将磁通弯曲的能力不充分。

因此，本发明的目的在于提供一种通过使磁通更大地弯曲来提高磁检测灵敏度的磁传感器。

解决技术问题的手段

本发明的磁传感器，其特征在于，具备：多个磁检测元件，包括位于分离第1空间和第2空间的平面的至少第1磁检测元件和第2磁检测元件；第1磁性体，其配置于所述第1空间，从与所述平面交叉的第1方向观察位于所述第1磁检测元件和所述第2磁检测元件之间；以及第2磁性体，其配置于所述第2空间，且至少具有第1部分和第2部分，从所述第1方向观察，所述第1磁检测元件位于所述第1磁性体和所述第2磁性体的所述第1部分之间，从所述第1方向观察，所述第2磁检测元件位于所述第1磁性体和所述第2磁性体的所述第2部分之间。

根据本发明，由于第1磁性体集中的磁通被引到第2磁性体的第1部分和第2部分，所以能够使磁通更大地弯曲。因此，能够提高磁传感器的磁检测灵敏度。在此，优选第1磁性体和第2磁性体由软磁性材料构成。

在本发明中，优选所述第2磁性体还包括连接所述第1部分和所述第2部分的第3部分，并且所述第1部分和所述第2部分具有比所述第3部分更加向所述平面侧突出的形状。由此，使磁通进一步弯曲的力量变得更大，从而能够进一步提高磁传感器的磁检测灵敏度。

在这种情况下，优选所述第1部分和第2部分的端面位于所述平面附近。由此，磁通能更加锐角地弯曲，从而能够进一步提高磁传感器的磁检测灵敏度。

在本发明中，优选所述多个磁检测元件与所述平面平行，且将作为所述第1及所述第2磁检测元件的排列方向的第2方向作为磁化固定方向。由此，磁通向磁化固定方向有很大的弯曲，因此磁传感器的磁检测灵敏度提高了。

在这种情况下，优选与所述平面平行且与所述磁化固定方向交叉的第3方向上的所述第1磁性体的长度比所述第3方向上的所述多个磁检测元件的各自的长度都长。此外，在所述第3方向上的所述第2磁性体的长度也比所述第3方向上的所述多个磁检测元件的各自的长度更长。根据这些，可以在第3方向的较宽的区域中获得与磁化固定方向平行的磁场，从而能够进一步提高磁传感器的磁检测灵敏度。

本发明的磁传感器优选进一步具备形成有所述多个磁检测元件的第1基板，所述第1磁性体固定于所述第1基板的一个表面上，所述第2磁性体固定于所述第1基板的另一个表面上。由此，能够使磁传感器的结构简单化。

在这种情况下，本发明的磁传感器优选进一步具备具有收纳部的第2基板，优选所述第1基板的至少一部分被收纳于所述收纳部中。由此，由于第1基板和第2基板之间的台阶变小，因此两者的电连接变得容易。进一步，在这种情况下更优选所述收纳部贯通所述第2基板而设置。由此，可以使用更大的第2磁性体。

发明效果

根据本发明，通过更大地弯曲磁通能够提供磁检测灵敏度提高了的磁传感器。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的磁传感器10A的外观的大致立体图。

图2是磁传感器10A的截面图。

图3是磁传感器10A的俯视图。

图4是用于说明磁检测元件MR1～MR4的连接关系的电路图。

图5是示出本发明第2实施方式的磁传感器10B的外观的大致立体图。

图6是磁传感器10B的截面图。

图7是示出第1以及第2部分32a、32b的z方向上的突出量和检测灵敏度之间的关系的示意图。

图8是示出将磁传感器10B载置于第2基板41上的例子的大致立体图。

图9是示出将磁传感器10B载置于第2基板41上的例子的截面图。

图10是示出本发明的第3实施方式的磁传感器10C的外观的大致立体图。

图11是磁传感器10C的截面图。

图12是示出将磁传感器10C载置于第2基板42上的例子的大致立体图。

图13是示出将磁传感器10C载置于第2基板42上的例子的侧视图。

图14是示出在磁传感器10C上附加回轭(back yoke)61、62的例子的大致立体图。

符号说明

10A～10C……磁传感器；20……传感器芯片；21……第1基板；21a……元件形成面；22……绝缘膜；23……搭载区域；31……第1磁性体；32……第2磁性体；32a……第1部分；32b……第2部分；32c……第3部分；32t、32t₁、32t₂……端面；41、42……第2基板；41a……第2基板的主面；43……贯通孔；51……恒定电压源；52……电压检测电路；61、62……回轭；B1、B2……接合焊垫；BW……接合线；C1、C2……连接点；MR1～MR4……磁检测元件；P……平面；S1……第1空间；S2……第2空间

具体实施方式

以下，参考附图详细地说明本发明的优选实施方式。

<第1实施方式>

图1是示出本发明的第1实施方式的磁传感器10A的外观的大致立体图。此外，图2是磁传感器10A的截面图，图3是磁传感器10A的俯视图。特别地，图2示出了沿图3所示的A-A线的截面。

如图1～图3所示，本实施方式的磁传感器10A具备传感器芯片20和被固定于传感器芯片20的第1磁性体31和第2磁性体32。

传感器芯片20具备具有大致长方体形状的第1基板21，在第1基板21的元件形成面21a上形成有四个磁检测元件MR1～MR4。元件形成面21a由xy面构成，并且构成平面P的一部分，所述平面P将配置有第1磁性体31的第1空间S1、配置有第2磁性体32的第2空间S2分离。元件形成面21a被绝缘膜22覆盖。作为传感器芯片20的制作方法，通常是在组装基板上同时形成多个传感器芯片20，再将它们分离来得到多个感器芯片20。本发明并不限定于此，也可以分别制作各个传感器芯片20。

磁检测元件MR1～MR4只要是根据磁通密度的不同其物理特性发生变化的元件都没有特别地限定，在本实施方式中，使用电阻根据磁场的朝向发生变化的磁阻效应元件(MR元件)。磁检测元件MR1～MR4的磁化固定方向全部都一致在图2和图3中的箭头B所示的方向(x方向上的正侧)。

第1以及第2磁性体31、32是由铁氧体等透磁率高的软磁性材料构成的块，在本实施方式中具有大致长方体形状。其中，第1磁性体31固定于传感器芯片20的一个表面侧，因此位于第1空间S1。另一方面，第2磁性体32固定于传感器芯片20的另一个表面侧上，因此位于第2空间S2中。

第1磁性体31固定于被定义在传感器芯片20的一个表面上的搭载区域23。搭载区域23在俯视图中(即，从作为第1方向的z方向看)位于传感芯片20的中央部，且位于磁检测元件MR1、MR3和磁检测元件MR2、MR4之间。具体而言，磁检测元件MR1、MR2排列在作为第2方向的x方向上，磁检测元件MR3、MR4排列在x方向上。此外，磁检测元件MR1、MR3排列在作为第3方向的y方向上，磁检测元件MR2、MR4排列在y方向上。由此，磁检测元件MR1、MR3在俯视图中相对于第1磁性体31位于x方向的负向侧，磁检测元件MR2、MR4在俯视图中相对于第1磁性体31位于x方向的正向侧。

第1磁性体31具有将z方向的磁通集中，使其一部分朝x方向上的负向侧弯曲，并从磁检测元件MR1、MR3侧释放出，其它部分朝x方向上的正向侧弯曲，并从磁检测元件MR2、MR4侧释放出的作用。由此，在磁检测元件MR1、MR3和磁检测元件MR2、MR4中能够赋予相反方向的磁通。如上所述，由于磁检测元件MR1～MR4的磁化固定方向朝向箭头B所指示的x正方向，对磁通的x方向中的分量具有灵敏度。

在此，假设每个磁检测元件MR1～MR4的y方向上的长度为w0，在第1磁性体31的y方向上的宽度为w1时，优选

w0<w1。

由此，由于第1磁性体31作用而朝x方向弯曲的磁通能够被供给磁检测元件MR1～MR4的y方向上的更宽的区域。即，由于在y方向上的更宽的区域能够得到x方向的磁场分量，因此，可以提高磁检测灵敏度。

虽然对于第1磁性体31的z方向上的高度没有特别限定，但通过使z方向上的高度更高，可以提高z方向的磁通的选择性。但是，如果第1磁性体31的z方向上的高度太高的话，则第1磁性体31的支撑有可能不稳定，因此优选在能够确保稳定支持的范围内设置z方向上的高度。

第2磁性体32固定于传感器芯片20的另一个表面。在本实施方式中，第2磁性体32覆盖传感器芯片20的另一背面的整个表面，但是本发明不限于此。如图1～图3所示，第2磁性体32的x方向上的长度比传感器芯片20的x方向上的长度更长，由此，在俯视图中存在从传感器芯片20向x方向露出的第1以及第2部分32a、32b。

第1部分32a是从传感器芯片20向x方向上的负向侧露出的部分。因此，如图3所示，磁检测元件MR1、MR3在俯视图中位于第1磁性体31和第2磁性体32的第1部分32a之间。另一方面，第2部分32b是从传感器芯片20向x方向的正向侧露出的部分。因此，如图3所示，磁检测元件MR2、MR4在俯视图中位于第1磁性体31和第2磁性体32的第2部分32b之间。

在本实施方式中，第1部分32a和第2部分32b通过第3部分32c连接，并且各个部分32a～32c的在z方向上的厚度是固定的。因此，在本实施方式中，第2磁性体32具有单纯的板状形状。

第2磁性体32具有使通过第1磁性体31作用而弯曲的磁通方向进一步弯曲的作用。具体而言，由于第1磁性体31作用向x方向的负向侧弯曲且从磁检测元件MR1、MR3侧释放的磁通，由于第2磁性体32的第1部分32a的作用，进一步向x方向的负向侧弯曲。同样地，由于第1磁性体31作用而向x方向的正向侧弯曲并从磁检测元件MR2、MR4侧释放的磁通，由于第2磁性体32的第2部分32b的作用，进一步向x方向上的正向侧弯曲。由此，磁通的x方向成分变得更大，由此与不存在第2磁性体32的情况相比，磁场的检测灵敏度被提高。

在此，当将第2磁性体32的y方向上的宽度设为w2时，优选

w0<w2。

由此，由第2磁性体32使磁通向x方向弯曲的力能够在磁检测元件MR1～MR4的y方向上延及更宽的区域，所以能够在y方向上更宽区域获得x方向上的磁场分量。

对于第2磁性体32的z方向上的厚度没有特别限定，但是可以通过增加z方向上的厚度来提高灵敏度。

图4是用于说明磁检测元件MR1～MR4的连接关系的电路图。

在图4所示的例子中，使用恒定电压源51，并且在其两端之间，依次串联连接磁检测元件MR1、MR2，同时依次串联连接磁检测元件MR4、MR3。然后，在磁检测元件MR1、MR2的连接点C1和磁检测元件MR4、MR3的连接点C2之间连接电压检测电路52，由此能够检测连接点C1、C2之间出现的输出电压的电平。

然后，磁检测元件MR1、MR3在俯视图中配置于从第1磁性体31看的一侧(x方向的负向侧)，磁检测元件MR2、MR4在俯视图中配置于从第1磁性体31看的另一侧(x方向的负向侧)，由此，磁检测元件MR1～MR4构成差分电桥电路(differential bridge circuit)，能够高灵敏度地检测与磁通密度对应的磁检测元件MR1～MR4的电阻变化。

具体地，吸附于第1磁性体31的z方向上的磁通主要被输出到传感器芯片20的搭载区域23，并绕着x方向的两侧返回到磁通的产生源。此时，磁检测元件MR1～MR4都具有相同的固定磁化方向，从搭载区域23看位于一侧的磁检测元件MR1、MR3的电阻变化量与从搭载区域23看位于另一侧的磁检测元件MR2、MR4的电阻变化量之间会产生差异。该差异被图4中所示的差分电桥电路放大2倍，被电压检测电路52检测出。

然后，在本实施方式的磁传感器10A中，由于设置在传感器芯片20的背面侧的第2磁性体32具有向x方向延伸的第1部分32a和第2部分32b，从第1磁性体31输出的磁通向x方向更大地弯曲。如上所述，由于磁检测元件MR1～MR4具有对x方向的磁通的灵敏度，因此根据本实施方式的磁传感器10A，可获得更高的磁检测灵敏度。

<第2实施方式>

图5是示出本发明第2实施方式的磁传感器10B的外观的大致立体图。此外，图6是磁传感器10B的截面图。

如图5和图6所示，本实施方式的磁传感器10B与第1实施方式的磁传感器10A在第2磁性体32的形状方面不同。关于其它构成，与第1实施方式的磁传感器10A相同，所以对相同的元件标记相同的符号，并且省略重复的说明。

在本实施方式中，第2磁性体32的第1及第2部分32a、32b较第3部分32c更突出于平面P侧。通过这样的构成，通过第2磁性体32使磁通向x方向弯曲的力变得更强，因此能够获得更高的磁检测灵敏度。

在此，第1及第2部分32a、32b的z方向上的高度对磁检测灵敏度的影响很大。图7是示意性地示出第1及第2部分32a、32b的z方向上的突出量和检测灵敏度之间的关系的曲线图。图7所示的横轴表示第1及第2部分32a、32b的z方向上的突出量，并且表示以第3部分32c作为基准突出何种程度。因此，在第1实施方式的磁传感器10A中，突出量为0。随着突出量变大，检测灵敏度变高，并且第1及第2部分32a、32b的端面32t与平面P一致的话，获得最高的灵敏度。然而，如果超过平面P而进一步增大第1及第2部分32a、32b的突出量，则磁检测灵敏度将急剧下降。

这种趋势可以看到的是第1及第2部分32a、32b的突出量越大，磁通向x方向的弯曲力越强，另一方面，第1及第2部分32a、32b的端面32t超过平面P的话，未经磁检测元件MR1～MR4而从第1磁性体31直接朝向第2磁性体32磁通增加。考虑到这一点，优选决定第1及第2部分32a、32b的突出量以便使端面32t位于平面P附近。

图8是示出本实施方式的磁传感器10B被载置于第2基板41上的例子的大致立体图，图9是其截面图。

如图8和图9所示，第2基板41是平板状，而磁传感器10B被载置于其主表面41a。第2基板41是形成有图4所示的恒定电压源51、电压检测电路52等的电路基板。传感器芯片20的元件形成面21a上设置有多个接合焊垫B1，并且在第2基板41的主面42a上设有多个接合焊垫B2。然后，这些接合焊垫B1和B2通过对应的连接线BW来电连接。这样，根据本实施方式的磁传感器10B可被载置于第2基板41上被使用。

<第3实施方式>

图10是示出本发明的第3实施方式的磁传感器10C的外观的大致立体图。此外，图11是磁传感器10C的截面图。

如图10和图11所示，本实施方式的磁传感器10C在第2磁性体32的形状方面与第2实施方式的磁传感器10B不同。对于其他的构成，由于与第2实施方式的磁传感器10B相同，所以对相同的元件标记相同的符号，并且省略重复的说明。

在本实施方式中，第2磁性体32的第1及第2部分32a、32b为阶梯状，在靠近传感器芯片20的部分中突出量大，远离传感器芯片20的部分中突出量变小。即使在第2磁性体32具有这种形状的情况下，也能获得与第2实施方式的磁传感器10B同样的效果。因此，优选决定第1及第2部分32a、32b的突出量，使端面32t₁位于平面P的附近。

图12是示出本实施方式的磁传感器10C载置于第2基板42上的示例的大致立体图，图13是其侧视图。

如图12和图13所示，第2基板42具有贯通孔43，由贯通孔43包围的区域构成收纳部。然后，磁传感器10C被固定于第2基板42，使得在贯通孔43中容纳磁传感器10C的一部分。在图12和图13所示的示例中，第2基板42的背面与第2磁性体32的端面32t₂接触，在该部分中两者接合固定。

根据这样的构成，能够缓和设置在传感器芯片20上的接合焊垫B1和设置在第2基板42的接合焊垫B2在z方向上的高度差，由此能够缩短接合线BW的长度，并且接合操作也变得容易。而且，由于第2基板42具有贯通孔43，因此不限于收纳部的大小，也可以增大第2磁性体32的大小。

另外，图12及图13所示的例子中，贯通第2基板的42的贯通孔43构成收纳部，但是也可以在第2基板42上设置腔体(凹部)以代替贯通孔43，该腔体构成收纳部。

图14示出在本实施方式的磁传感器10C上附加了回轭61、62的例子的大致立体图。回轭61、62的yz截面均具有大致梯形形状，分别与第1磁性体31和第2磁性体32连接。回轭61、62起到使z方向上的磁通更多吸收，并且将捕获的磁通集中到磁检测元件MR1～MR4的作用。如果使用这样的回轭61、62，则能够获得更高的磁灵敏度。

以上针对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更，而且都可以包含在本发明权利要求的范围内。

例如，在上述的实施方式中，作为磁检测元件使用了4个磁阻元件(MR元件)，但对于磁检测元件的种类和数量，并不特别限定。

Claims

1.一种磁传感器，其特征在于，

具备：

多个磁检测元件，包括位于分离第1空间和第2空间的平面的至少第1磁检测元件和第2磁检测元件，

第1磁性体，配置于所述第1空间，从与所述平面交叉的第1方向观察位于所述第1磁检测元件和所述第2磁检测元件之间；以及

第2磁性体，配置于所述第2空间，具有第1部分、第2部分以及连接所述第1部分和所述第2部分的第3部分，

从所述第1方向观察，所述第1磁检测元件位于所述第1磁性体和所述第2磁性体的所述第1部分之间，

从所述第1方向观察，所述第2磁检测元件位于所述第1磁性体和所述第2磁性体的所述第2部分之间，

所述第1部分和所述第2部分具有比所述第3部分更加向所述平面侧突出的形状。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述第1部分和所述第2部分的端面位于所述平面附近。

3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述多个磁检测元件与所述平面平行，且将作为所述第1磁检测元件和所述第2磁检测元件的排列方向的第2方向作为磁化固定方向。

4.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，

与所述平面平行且与所述磁化固定方向交叉的第3方向上的所述第1磁性体的长度比所述第3方向上的所述多个磁检测元件的各自的长度都长。

5.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，

与所述平面平行且与所述磁化固定方向交叉的第3方向上的所述第2磁性体的长度比所述第3方向上的所述多个磁检测元件的各自的长度都长。

6.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述第1磁性体和所述第2磁性体由软磁性材料构成。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁传感器，其特征在于，

所述磁传感器进一步具备：形成有所述多个磁检测元件的第1基板，

所述第1磁性体固定于所述第1基板的一个表面上，

所述第2磁性体固定于所述第1基板的另一个表面上。

8.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于，

所述磁传感器进一步具备具有收纳部的第2基板，

所述第1基板的至少一部分被收纳于所述收纳部中。

9.根据权利要求8所述的磁传感器，其特征在于，

所述收纳部贯通所述第2基板而设置。