CN109541503B - 磁传感器 - Google Patents

Abstract

发明提供一种磁传感器，其通过磁轭检测Z‑轴磁场并增强了精确度，借助该传感器，磁场得到检测。磁传感器具有第一磁场检测元件和软磁性体，该第一磁场检测元件配置在包括第一方向和垂直于第一方向的第二方向的平面内，其中该第一磁场检测元件检测第一方向上的磁场；该软磁性体在第一方向上与第一磁场检测元件相邻。L/W等于或大于10，其中W是软磁性体在第一方向上的长度，L是软磁性体在第二方向上的长度。

Description

磁传感器

技术领域

本申请基于2017年9月21日提交的JP申请第2017-181246号和2018年5月30日提交的2018-103366并要求其优先权，其公开内容全部通过引用并入本文。

本发明涉及磁传感器，特别是磁传感器的磁轭的构造。

背景技术

包括磁阻效应(magneto-resistive effect)元件的磁传感器是已知的。磁阻效应元件具有检测磁场的磁场感测膜。磁场感测膜检测膜的面内方向上的磁场。近来，需要一种磁传感器，其检测与磁场感测膜的面内方向相垂直方向上的磁场(下文中称为Z轴方向)。JP5597206B公开了一种磁传感器，其具有磁轭，该磁轭由软磁材料形成并且设置为邻近磁阻效应元件。磁轭将磁轭吸收的Z轴外部磁场的方向改变为磁场感测膜的面内方向，从而可以检测Z轴磁场。

发明内容

通过磁轭检测外部磁场的磁传感器导致传感器输出的磁滞。磁滞是这样一种现象，其中在某一磁场强度下强度增加的磁场的传感器输出与强度降低的磁场的传感器输出不一致，从而导致前者和后者之间的输出差异。大的磁滞导致磁传感器的精度降低。

本发明的目的是提供一种磁传感器，其通过磁轭检测Z轴磁场，并提高检测磁场的精度。

根据一个实施方式的磁传感器包括第一磁场检测元件，该第一磁场检测元件配置在包括第一方向和垂直于第一方向的第二方向的平面中，其中第一磁场检测元件检测第一方向上的磁场；和软磁性体，该软磁性体在第一方向上与第一磁场检测元件相邻。纵横比L/W等于或大于10，其中W是软磁性体在第一方向上的长度，L是软磁性体在第二方向上的长度。

根据另一实施方式的磁传感器包括第一磁场检测元件，该第一磁场检测元件配置在包括第一方向和垂直于第一方向的第二方向的平面中，其中第一磁场检测元件检测第一方向上的磁场；和软磁性体，该软磁性体在第一方向上与第一磁场检测元件相邻。纵横比h/W满足0.27≤h/W≤3，其中W是软磁性体在第一方向上的长度，h是软磁性体在第三方向上的长度，该第三方向垂直于第一方向和第二方向。

根据本发明，可以提供一种磁传感器，其通过磁轭检测Z轴磁场，并且提高了检测磁场的精度。

本发明的上述和其他目的，特征和优点将从以下参照附图的描述中变得显而易见，附图示出了本发明的实施例。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的磁传感器的概念立体图；

图2是图1所示的磁传感器在X-Z平面上的截面图；

图3是示出磁场检测传感器的结构的概念截面图；

图4A和4B是示出传感器输出的磁滞的示意图；

图5是示出纵横比L/W与磁滞之间的关系的图；

图6是示出纵横比h/W与磁滞之间的关系的图；以及

图7A和7B是示出在本发明中磁滞受到限制的机制的示意图。

具体实施方式

将参考附图描述根据本发明的一些实施方式的磁传感器。在以下描述中，第一方向是磁场感测方向，其中磁场检测元件检测磁场，第一方向也对应于磁场检测元件的排列方向。第二方向垂直于第一方向。第一和第二方向平行于其上配置有磁场检测元件的表面。第三方向垂直于第一方向和第二方向，并且对应于构成磁场检测元件的多个膜的层叠方向。第一方向，第二方向和第三方向也分别称为X方向，Y方向和Z方向。

图1示出了磁传感器1的概念立体图。磁传感器1具有沿第一方向X排列的第一至第四磁场检测元件2a，2b，2c，2d。第一至第四磁场检测元件2a，2b，2c，2d配置在包括第一方向X和第二方向Y的平面上，并且在第一方向X上检测磁场。第一至第四磁场检测元件2a，2b，2c，2d中的每一个具有的大致上是矩形的形状，其在第二方向Y比在第一方向X上长，如在平面图中所示。第一至第四磁场检测元件2a，2b，2c，2d通过桥接电路(未示出)彼此互连，从而使磁传感器1能够测量外部磁场。

第一软磁性体3a设置在第一磁场检测元件2a和第二磁场检测元件2b之间，第二软磁性体3b设置在第三磁场检测元件2c和第四磁场检测元件2d之间。第一和第二软磁性体3a，3b由NiFe等形成。第一软磁性体3a在第一方向X上与第一和第二磁场检测元件2a，2b相邻，第二软磁性体3b在第一方向X上与第三和第四磁场检测元件2c，2d相邻。第一和第二软磁性体3a，3b用作将第三方向Z上被这些软磁性体吸收的磁通量引导到磁场检测元件2a，2b，2c，2d的磁场感测方向(即第一方向)上的磁轭。因此，在本说明书中，第一软磁性体3a和第一磁轭可互换使用，第二软磁性体3b和第二磁轭可互换使用。输入到第一和第二软磁性体3a，3b的外部磁场不需要精确地指向第一方向X，只要第一方向X的分量由于穿过第一和第二软磁性体3a，3b的外部磁场而增加即可。第一软磁性体3a的长度优选大于第一和第二磁场检测元件2a，2b在第二方向Y上的长度，并且在第一方向X上看包含第一和第二磁场检测元件2a，2b，以在第二方向Y上沿第一和第二磁场检测元件2a，2b的整个长度增加第一方向X的分量。类似地，第二软磁性体3b的长度优选大于第四磁场检测元件2c，2d在第二方向Y上的长度，并且在第一方向X上看包含第三和第四磁场检测元件2c，2d，以在第二方向Y上沿第四磁场检测元件2c，2d的整个长度增加第一方向X的分量。

图2示出了磁传感器1沿图1中的线A-A切割的X-Z平面的截面图。图2仅描绘了第一和第二磁场检测元件2a，2b和磁轭3a，但是第三和第四磁场检测元件2c，2d和磁轭3b分别以与第一和第二磁场检测元件2a，2b和第一磁轭3a相同的方式构成和配置。第一和第二磁场检测元件2a，2b经由第一绝缘层8形成在基板4上方。第二绝缘层9形成在第一和第二磁场检测元件2a，2b的侧面上。第三绝缘层10形成在第一和第二磁场检测元件2a，2b上。第一磁轭3a设置在第三绝缘层10上方。第一磁轭3a通过电镀形成。因此，在电镀工艺中使用的电极膜13插入到第三绝缘层10和第一磁轭3a之间。第四绝缘层11形成在第一磁轭3a的侧面上。第五绝缘层12形成在第一磁轭3a和第四绝缘层11上。第一至第五绝缘层8-12例如由Al₂O₃形成。

第一磁场检测元件2a具有第一磁场感测膜5a和第一对引线6a，7a，该第一磁场感测膜5a在第一方向X上检测磁场，该第一对引线6a，7a使第一磁场感测膜5a在第三方向Z介于其间并向第一磁场感测膜5a提供感测电流。第二磁场检测元件2b具有第二磁场感测膜5b和第二对引线6b，7b，该第二磁场感测膜5b在第一方向X上检测磁场，该第二对引线6b，7b使第二磁场感测膜5b在第三方向Z介于其间并向第二磁场感测膜5b提供感测电流。感测电流沿第三方向Z流动。第一磁轭3a在第一方向X设置在第一磁场检测元件2a和第二磁场检测元件2b之间。从Z方向看，第一磁轭3a在X方向设置在第一磁场检测元件2a的一对引线6a，7a和第二磁场检测元件2b的一对引线6b，7b之间。另外，从Z方向看，第一磁轭3a既不与第一磁场检测元件2a的一对引线6a，7a重叠，也不与第二磁场检测元件2b的一对引线6b，7b重叠。

接下来，将给出关于第一和第二磁场检测元件2a，2b的说明。由于第一磁场检测元件2a和第二磁场检测元件2b具有相同的结构，因此这里将说明第一磁场检测元件2a。图3是更详细地示出第一磁场检测元件2a的结构的截面图。第一磁场检测元件2a的第一磁场感测膜5a包括磁化自由层24，磁化固定层22(magnetization pinned layer)和插入在磁化自由层24和磁化固定层22之间并且表现出磁阻效应的间隔层23。磁化自由层24由诸如NiFe的软磁性体形成，并且当施加外部磁场时，其磁化方向在包括第一方向X和第二方向Y的平面中旋转。磁化自由层24在第二方向Y上比在第一方向X上足够长，并且由于形状各向异性效应，磁化方向在第二方向Y上对准。由硬磁性材料形成的偏置层可以在Y方向上设置在磁化自由层24的两侧，以使磁化自由层24的磁化方向在第二方向Y上对准。磁化固定层22由诸如CoFe的软磁性体形成，并且磁化方向相对于外部磁场固定。间隔层23是隧道势垒层，其由非磁性绝缘材料(例如Al₂O₃)形成。相应地，该实施方式的第一磁场检测元件2a是TMR(隧道磁阻，Tunnel Magneto Resistive)元件。应当注意，第一磁场检测元件2a不限于TMR元件，只要其能够检测第一方向X上的磁场，第一磁场检测元件2a可以是诸如GMR(巨磁阻，GiantMagneto Resistive)元件或者AMR(各向同性磁阻，An-Isotropic Magneto Resistive)元件的磁场检测元件，该GMR元件利用诸如Cu层的非磁性金属层用于间隔层23。

磁化固定层22由按顺序层叠的第一磁化固定层22a，非磁性中间层22b和第二磁化固定层22c组成，第一磁化固定层22a形成在由Ta或Ru形成的种子层21上。第二磁化固定层22c与间隔层23接触。第一磁化固定层22a和第二磁化固定层22c由诸如CoFe的软磁性体形成，而非磁中间层22b由Ru形成。第一磁化固定层22a和第二磁化固定层22c经由非磁性中间层22b彼此反铁磁耦合。例如由IrMn形成并且与第一磁化固定层22a交换耦合的反铁磁层(未示出)可以设置在第一磁化固定层22a下方。磁化自由层24覆盖有由Ta等形成的保护层25。

当外部磁场施加到在第三方向Z上如此构造的磁传感器1时，磁通量被第一磁轭3a吸收(在图2中用粗箭头示出)并在离开第一磁轭3a之前沿第一方向X弯曲。由于在磁场通过第一磁轭3a之后其第一方向X上的磁场分量的增加被施加到第一和第二磁场检测元件2a，2b上，因此与没有第一磁轭3a的磁传感器相比，第一方向X上的磁场可以被更有效地检测。因此，磁传感器1可以检测与第一方向X上的磁场强度相对应的第三方向Z上的外部磁场。

在外部磁场通过由软磁性体形成的磁轭之后检测外部磁场的磁传感器的特征之一是传感器输出中存在磁滞。图4A示意性地示出了外部磁场和传感器输出之间的关系，图4B示出了图4A中的部分A的放大视图。当将强度在第三方向上增加的外部磁场H施加到磁轭时传感器输出是V1(H)，当将强度在第三方向上减小的外部磁场H施加到磁轭时传感器输出是V2(H)。传感器输出是外部磁场H的函数。优选V1(H)与V2(H)完全一致，但实际上，V1(H)与V2(H)不完全一致。这意味着外部磁场H在以下范围内：ΔV＝|V1(H)-V2(H)|不是零。当ΔV不为零时，磁传感器1根据外部磁场的强度是增加还是减小而输出V1(H)或V2(H)。因此，当ΔV大时，磁传感器1的精度劣化。

本实施方式的磁传感器1的特征在于第一软磁性体3a的尺寸或形状能够减小传感器输出的磁滞。第二软磁性体3b的尺寸或形状可以与第一软磁性体3a的尺寸或形状相同，但是可以与第一软磁性体3a的尺寸或形状不同，只要尺寸或形状具有以下特征即可。作为实例，将给出关于第一软磁性体3a的检验。第一软磁性体3a具有大致上长方体的形状。假设W是第一软磁性体3a在第一方向X上的长度(宽度)，L是第一软磁性体3a在第二方向Y上的长度，h是第一软磁性体3a在第三方向Z上的长度(高度)。

图5是表示纵横比L/W与Hymax之间的关系的曲线图，其中横坐标轴表示L/W，纵坐标轴表示Hymax。Hy定义为ΔV与输出范围Vrange(＝ΔV/Vrange)的比率，表示相对于输出范围Vrange的磁滞幅度。输出范围Vrange是VH-VL之差，其中VH和VL是传感器输出V的两个饱和点。饱和点VH被定义为当传感器输出V1(H)与外部磁场H(其在第三方向Z上的分量随时间增加)的变化率变为最大变化率的一半时，输出的传感器输出V1(H)。类似地，饱和点VL被定义为当传感器输出V2(H)与外部磁场H(其在第三方向Z上的分量随时间减小)的变化率为最大变化率的一半时，输出的传感器输出V2(H)。这里，VH>VL。通过分别改变对应于VL和VH的外部磁场HL和HH(参见图4A和4B)之间的外部磁场H，对于每个H值计算ΔV。图5中的纵坐标表示Hy＝ΔV/Vrange的最大值Hymax。换句话说，Hymax被定义为

V1(H)是当将外部磁场H(其在第三方向Z的分量随时间增加)施加到第一软磁性体3a时的传感器输出，V2(H)是当将外部磁场H(其在第三方向Z的分量随时间减小)施加到第一软磁性体3a时的传感器输出。

在图5中，宽度W是变量，而第一软磁性体3a的长度L是常数(78μm)。表示纵横比L/W和Hymax之间的关系的近似曲线由多项式拟合。Hymax的上限优选设定为约1.25％。例如，本实施方式的磁传感器1可用于检测相机模块的透镜的位置。当Hymax为1.25％时，可以将检测可移动的透镜位置的误差(例如，在±200μm内)限制在5μm或更小。这种精确度对于普通相机模块来说是令人满意的。从图5中，L/W优选地等于或大于10。尽管Hymax随着L/W的增加而减小，但是Hymax在L/W为20或更大的范围内基本上饱和，并且Hymax可以被限制到充分低的水平。因此，L/W更优选地等于或大于20。由于随着L/W变大，Hymax饱和，因此将L/W设置得非常大是无效的。另一方面，增加L/W导致长度L增加并且可能影响磁传感器1的外部尺寸，因为由于制造原因减小宽度W是困难的。因此，L/W优选等于或小于40。

图6是表示纵横比L/h与Hymax之间的关系的曲线图，其中横坐标轴表示h/W，纵坐标轴表示Hymax。Hymax以与图5中相同的方式计算。第一软磁性体3a的宽度W是变量，而长度L是常数(78μm)，高度h是常数(2.5μm)。表示纵横比h/W和Hymax之间的关系的近似曲线由多项式拟合。

参考图图6，h/W优选等于或大于0.27。随着h/W变大，Hymax降低。然而，增加h/W需要减小宽度W或增加高度h，并且由于制造原因两者都是困难的。因此，h/W的上限优选设定为3。另外，随着h/W变大，Hymax趋于饱和，因此优选将h/W设定为满足下式：从实际角度来看，约0.27≤h/W<约1.5。

第一软磁性体3a可以具有除长方体之外的各种形状。通常，在第一方向X上延伸的一侧，在第二方向Y上延伸的一侧或在第三方向Z上延伸的一侧中的任何一个可以是非线性的，或者可以是曲线，或者可以是曲线和直线的组合。或者，第一软磁性体3a可以关于第一方向X，第二方向Y和第三方向Z中的至少任何一个不对称。在这种情况下，第一方向X上的长度(宽度)W可以被定义为沿第二方向Y或第三方向Z的平均值。当恒定宽度部分在第二方向Y或第三方向Z上占多数时，宽度W可以被定义为恒定宽度部分的宽度。这同样可以应用于在第二方向Y上的长度L和在第三方向Z上的长度(高度)h。

下面将总结通过调节L/W和h/W的范围来限制传感器输出的磁滞的原因。图7A是如在第三方向Z看到的根据比较例的磁传感器的概念图。图7B是如从第三方向Z看到的根据本实施方式的磁传感器的概念图。比较例的磁轭103a和本实施方式的磁轭3a被分成多个磁畴。在图中示出了磁畴的磁化方向的示例。在比较例中，磁畴的磁化方向在第一方向X，第二方向Y和第三方向Z上随机分布。当在该状态下在第三方向上向磁轭施加外部磁场时，容易发生传感器输出的磁滞。另一方面，在本实施方式中，假设如上所述设定L/W和h/W的范围，当磁场改变时磁轭3a的磁化倾向于均匀地改变，因此磁滞受到限制。

尽管已经详细示出和描述了本发明的某些优选实施方式，但是应该理解，在不脱离所附权利要求的精神或范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

符号说明

1 磁传感器

2a，2b，2c，2d 第一至第四磁场检测元件

3a，3b 第一和第二软磁性体(磁轭)

W 磁轭在第一方向X上的长度(宽度)

L 磁轭在第二方向Y上的长度

h 磁轭在第三方向Z上的长度(高度)

Claims (10)

1.一种磁传感器，其特征在于，

具备：

第一磁场检测元件，配置于包括第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向的平面中，其中所述第一磁场检测元件检测所述第一方向上的磁场；和

软磁性体，该软磁性体在第一方向上与所述第一磁场检测元件相邻，

其中，L/W大于或等于10，其中，W是所述软磁性体在所述第一方向上的长度，L是所述软磁性体在所述第二方向上的长度，

还具备第二磁场检测元件，其配置于包括所述第一方向和所述第二方向的平面中，其中所述第二磁场检测元件检测所述第一方向上的磁场，

所述第一磁场检测元件和第二磁场检测元件都具有磁场感测膜和引线，所述磁场感测膜检测所述第一方向上的磁场，从第三方向看所述引线包含所述磁场感测膜，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向，

从所述第三方向看，所述软磁性体位于所述第一磁场检测元件的引线和所述第二磁场检测元件的引线之间，并且，所述软磁性体不与所述第一磁场检测元件的所述引线和所述第二磁场检测元件的所述引线重叠，

还具备：

第三和第四磁场检测元件，配置于包括所述第一方向和所述第二方向的平面中，并检测所述第一方向上的磁场，所述第三和第四磁场检测元件分别具有检测所述第一方向上的磁场的磁场感测膜和向所述磁场感测膜提供感测电流的引线；以及

其他软磁性体，在所述第一方向上位于所述第三磁场检测元件的所述引线和所述第四磁场检测元件的所述引线之间，

所述第一至第四磁场检测元件通过桥接电路互相连接，

将所述其他软磁性体在所述第一方向上的长度设为W，所述其他软磁性体在所述第二方向上的长度设为L，L/W大于或等于10，

在所述第一方向上，所述第一磁场检测元件、所述软磁性体、所述第二磁场检测元件、所述第三磁场检测元件、所述其他软磁性体、所述第四磁场检测元件依次排列，所述第二磁场检测元件和所述第三磁场检测元件在所述第一方向上，与在第二方向上延伸且距所述第二磁场检测元件和所述第三磁场检测元件等距离的线相比，分别更接近所述软磁性体和所述其他软磁性体。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

L/W大于或等于20。

3.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其中，

0.27≤h/W≤3，其中，h是所述软磁性体在第三方向上的长度，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。

4.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

其中，V1(H)是当外部磁场在第三方向上的强度增加时的传感器输出，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向，V2(H)是当外部磁场在所述第三方向上的强度减小时的传感器输出，VH和VL是传感器输出的两个饱和点。

5.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

所述软磁性体和所述其他软磁性体均是集中第三方向的磁通的磁轭。

6.一种磁传感器，其特征在于，

具备：

第一磁场检测元件，配置于包括第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向的平面中，其中所述第一磁场检测元件检测第一方向上的磁场；和

软磁性体，该软磁性体在第一方向上与所述第一磁场检测元件相邻，

其中，0.27≤h/W≤3，其中，W是所述软磁性体在第一方向上的长度，h是所述软磁性体在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上的长度，

还具备第二磁场检测元件，其配置于包括所述第一方向和所述第二方向的平面中，其中所述第二磁场检测元件检测所述第一方向上的磁场，

所述第一磁场检测元件和第二磁场检测元件都具有磁场感测膜和引线，所述磁场感测膜检测所述第一方向上的磁场，从第三方向看所述引线包含所述磁场感测膜，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向，

从所述第三方向看，所述软磁性体位于所述第一磁场检测元件的引线和所述第二磁场检测元件的引线之间，并且，所述软磁性体不与所述第一磁场检测元件的所述引线和所述第二磁场检测元件的所述引线重叠，

还具备：

第三和第四磁场检测元件，配置于包括所述第一方向和所述第二方向的平面中，并检测所述第一方向上的磁场，所述第三和第四磁场检测元件分别具有检测所述第一方向上的磁场的磁场感测膜和向所述磁场感测膜提供感测电流的引线；以及

其他软磁性体，在所述第一方向上位于所述第三磁场检测元件的所述引线和所述第四磁场检测元件的所述引线之间，

所述第一至第四磁场检测元件通过桥接电路互相连接，

将所述其他软磁性体在所述第一方向上的长度设为W，所述其他软磁性体在所述第二方向上的长度设为L，L/W大于或等于10，

在所述第一方向上，所述第一磁场检测元件、所述软磁性体、所述第二磁场检测元件、所述第三磁场检测元件、所述其他软磁性体、所述第四磁场检测元件依次排列，所述第二磁场检测元件和所述第三磁场检测元件在所述第一方向上，与在第二方向上延伸且距所述第二磁场检测元件和所述第三磁场检测元件等距离的线相比，分别更接近所述软磁性体和所述其他软磁性体。

7.根据权利要求6所述的磁传感器，其中，

0.27≤h/W≤1.5。

8.根据权利要求6或7所述的磁传感器，其中，

L/W大于或等于10，其中L是所述软磁性体在所述第二方向上的长度。

9.根据权利要求6所述的磁传感器，其中，

其中V1(H)是当外部磁场H在第三方向上的强度增加时的传感器输出，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向，V2(H)是当外部磁场H在第三方向上的强度减小时的传感器输出，VH和VL是传感器输出的两个饱和点。

10.根据权利要求6所述的磁传感器，其中，

所述软磁性体和所述其他软磁性体均是集中第三方向的磁通的磁轭。

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