CN109764796A

CN109764796A - 磁传感器

Info

Publication number: CN109764796A
Application number: CN201811329101.8A
Authority: CN
Inventors: 渡部司也
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: DE102018127554A1; US20190137299A1; US11054283B2; DE102018127554B4; CN109764796B; JP6777058B2; JP2019086463A

Abstract

本发明涉及一种磁传感器，所述磁传感器至少包括：元件部，其是细长的并具有磁阻效应；以及软磁性体，其在所述元件部的相对于短轴方向的两侧夹持所述元件部。随着在长轴方向上与所述元件部的相对于所述长轴方向的中心部相距的距离增加，所述元件部的相对于所述元件部的长轴方向的两个端部中的至少一个的宽度逐渐减少。

Description

磁传感器

技术领域

本申请要求基于2017年11月9日提交的JP申请号2017-216488号的优先权，所述专利申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

本发明涉及一种磁传感器。

背景技术

作为用于检测移动对象的位置的传感器，已知有具有带磁阻效应的元件的磁传感器(参见JPH11-87804)。磁传感器相对于磁体移动并由此检测由磁体产生的外部磁场中的变化，并且基于所检测的外部磁场中的变化来计算移动对象的移动距离。

在JPH11-87804中公开的磁传感器如其图1所示具有表现出磁阻效应的巨磁阻薄膜和软磁性薄膜。在磁传感器中，巨磁阻薄膜是细长的，并且在巨磁阻薄膜的相对于其短轴方向的两侧设置软磁性薄膜。沿厚度方向观察时，巨磁阻薄膜是矩形的。在该磁传感器中，对磁场的灵敏度较差的巨磁阻薄膜与软磁性薄膜相结合以增强对磁场的灵敏度。

发明内容

如JPH11-87804中所公开的，通过在巨磁阻薄膜的两侧上设置软磁性薄膜来增强巨磁阻薄膜的灵敏度。在这种布置中，随着软磁性薄膜(软磁性体)的宽度变大，磁传感器的灵敏度增强。

然而，随着软磁性薄膜(软磁性体)的宽度变大，在磁场中沿巨磁阻薄膜的垂直于磁敏轴(在这种情况下，是巨磁阻薄膜的短轴方向)的长轴方向的输出噪声增加。

本发明的目的在于提供一种具有细长元件部的磁传感器，所述细长元件部能够减少沿元件部的长轴方向的输出噪声。

本发明的磁传感器至少包括：元件部，其是细长的并具有磁阻效应；以及软磁性体，其在相对于所述元件部的短轴方向的两侧夹持所述元件部。随着在长轴方向上与所述元件部的相对于所述长轴方向的中心部相距的距离增加，所述元件部的相对于所述元件部的长轴方向的两个端部中的至少一个的宽度逐渐减少。

根据本发明，可以提供一种具有细长元件部的磁传感器，所述细长元件部能够减少沿元件部的长轴方向的输出噪声。

参考示出本发明示例的附图，根据以下的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1A是根据一个实施例的磁传感器的主要部分的平面图；

图1B是根据该实施例的磁传感器的电路图；

图1C是构成根据该实施例的磁传感器的主要部分的元件部的截面图；

图2是比较例的磁传感器的主要部分的平面图，示出了产生输出噪声的机构；

图3是示出该实施例和比较例的传感器的施加磁场的持续时间与输出变化之间的关系的曲线图；

图4是根据第一变形例的磁传感器的主要部分的平面图；

图5是根据第二变形例的磁传感器的主要部分的平面图；以及

图6A至图6E分别是根据第三至第七变形例的磁传感器的主要部分的平面图。

具体实施方式

将给出关于一个实施例以及对该实施例的变形例的说明。在以下描述中，元件部20的中心部21和两个端部22是相对于元件部的长轴方向限定的。因此，中心部21是指元件部20的相对于长轴方向的中心部；端部22是指元件部20的相对于长轴方向的端部。此外，在以下描述中，元件部20和端部22的宽度是相对于元件部的短轴方向限定的。因此，元件部20和端部22的宽度分别是指元件部20和端部22相对于元件部的短轴方向的宽度。

[第一实施例]

该实施例的磁传感器10例如是用于检测具有磁体的移动对象(未示出)的位置的传感器，即位置传感器。该实施例的磁传感器10被配置成相对于上述磁体移动并由此检测由磁体产生的外部磁场中的变化，并且基于所检测的变化来计算移动对象的移动距离。该实施例的磁传感器10具有磁敏轴(该磁敏轴是图1A中的X轴)并检测由移动对象产生的沿X轴方向的磁场变化。在以下描述中，图1A中的X轴(与元件部20和软磁性体30的短轴平行的轴)被称为第一轴，并且图1A中的Y轴(与元件部20和软磁性体30的长轴平行的轴)被称为第二轴。

如图1A所示，该实施例的磁传感器10具有由元件部20和软磁性体30构成的磁阻元件部100。如图1B所示，该实施例的磁传感器10具有传感器部分200，其中磁阻元件部100彼此桥接，并且集成电路300具有电连接到传感器部分200的输入端子310、接地端子320和外部输出端子330、340等。

元件部20例如是盘状的并且包括具有后述的磁阻效应的材料。沿厚度方向观察时，元件部20是椭圆形的。换言之，沿厚度方向(即，垂直于椭圆形的元件部20的长轴方向和短轴方向两者的方向)观察时，元件部20是细长的。元件部20的长轴方向对应于椭圆形的元件部20的长轴，并且元件部20的短轴方向对应于椭圆形的元件部20的短轴。尽管为了方便起见在图1A中概念性地示出，但元件部20的实际示例具有细长且椭圆形的形状，其沿长轴方向的长度为约20μm并且沿短轴方向的长度为约1μm。由于如以上所述，该实施例的元件部20是椭圆形的，因此元件部20的端部22的宽度从中心部21逐渐减少并在其尖端处成为零。换言之，随着在长轴方向上与元件部20的相对于其长轴方向的中心相距的距离增加，端部22的宽度逐渐减少。

软磁性体30例如是细长的。软磁性体30具有孔口31，该孔口31具有与元件部20相同的形状(相同的椭圆形状)。沿元件部20(和软磁性体30本身)的厚度方向观察时，软磁性体30围绕元件部20而在软磁性体30与孔口31中的元件部20之间不形成任何间隙。即，软磁性体30被布置成至少在元件部20的端部22与软磁性体30之间不形成任何间隙。元件部20和软磁性体30被布置在基板(未示出)上方。

如图1C所示，该实施例的元件部20例如具有典型的自旋阀型膜构造。具体地，元件部20包括：自由层151，其磁化方向取决于外部磁场而改变；钉扎层153，其磁化方向相对于外部磁场被钉扎；间隔层152，其位于自由层151与钉扎层153之间并与该两者接触；反铁磁层154，其在钉扎层153的从间隔层152观察的背侧邻近钉扎层153。自由层151、间隔层152、钉扎层153和反铁磁层154堆叠在上述的基板上方。反铁磁层154通过与钉扎层153的交换耦合来固定钉扎层153的磁化方向。钉扎层153还可以具有两个铁磁层夹持非磁性中间层的合成结构。间隔层152是由非磁性绝缘体(如Al₂O₃)形成的隧穿势垒层。因此，该实施例的元件部20作为隧穿磁阻元件(TMR元件)发挥作用。换言之，该实施例的元件部20具有隧穿磁阻效应。与例如GMR元件相比，TMR元件的有利之处在于其具有更大的MR比和来自桥电路的更大的输出电压。

如图1A所示，沿厚度方向观察时，该实施例的软磁性体30例如是矩形的。椭圆形的孔口31的长轴平行于软磁性体30的长轴方向。因此，如图1A所示，软磁性体30例如相对于元件部20的长轴(未示出)和短轴(未示出)是线对称的。

如以上所述，围绕元件部20布置的软磁性体30具有增强磁传感器10的灵敏度的功能或作为磁轭的功能。例如，该实施例的软磁性体30由NiFe、CoFe、CoFeSiB、CoZrNb等形成。

在以下描述中，软磁性体30的相对于长轴方向位于元件部20的两个端部外侧的部分被称为外区域34，并且软磁性体30的相对于长轴方向位于元件部20的两个端部之间的剩余部分称为内区域32(参见图1A)。

尽管为了方便起见在图1A中概念性地示出，但在实际示例中，内区域32的最小宽度Wm大于元件部20的最大宽度W0。与其中内区域32的最小宽度Wm等于或小于元件部20的最大宽度W0的磁传感器相比，该实施例的磁传感器10具有更高的灵敏度。

每个外区域34的长度L例如小于内区域32的最小宽度Wm。此外，每个外区域34的长度L例如小于软磁性体30的最大宽度W0。

接下来，通过将本实施例(参见图1A)与比较例(参见图2)进行比较来说明本实施例的效果。如图3的曲线图所示，基于每个磁传感器的输出的测量值与向每个磁传感器施加预定强度的磁场的持续时间来进行比较。在比较例的描述中，当在比较例中使用与本实施例中相同的元件时，将使用本实施例中的名称和附图标记。

将参考图3解释测量方法。

在测量中，沿第二轴方向将预定强度的磁场施加到本实施例的磁传感器10和比较例的磁传感器10A。例如，每0.1秒记录在施加磁场时测量的磁传感器10、10A的输出。然后，比较磁传感器10、10A的输出频谱。在图3的曲线图中示出了本实施例的磁传感器10的频谱和比较例的磁传感器10A的频谱。在图3中，对输出频谱进行归一化，使得相应磁传感器10、10A的输出的最大值与最小值之间的差异的一半为1。

优选当沿第二轴方向施加磁场时，具有沿X轴方向的磁敏轴的磁传感器理想地输出零。然而，当沿第二轴方向将磁场施加到磁传感器时，实际上将指向第一轴方向的不稳定磁场分量Bx(参见图2)从软磁性体30施加到元件部20。磁传感器产生被磁场分量Bx的施加影响的输出。换言之，对于每个磁传感器10、10A，图3中的每个频谱对应于沿第二轴方向的磁场所引起的输出噪声。

因此，优选每个磁传感器10、10A的输出频谱相对于持续时间尽可能平坦。进一步优选输出较低并且尽可能接近零。在以下描述中，将由沿第二轴方向的磁场而引起的输出噪声简称为“输出噪声”。

[比较例]

参考图2详细解释比较例的磁传感器10A的构造。比较例的磁传感器10A具有元件部20A和一对软磁性体30A，而不是本实施例的磁传感器10的元件部20和软磁性体30。沿厚度方向观察时，元件部20A例如是细长的并且是矩形的。换言之，与本实施例不同，比较例的元件部20A的两个端部的宽度不会在中心部与相应的外尖端之间逐渐增大。该对软磁性体30A例如是细长的，并且沿着在长轴方向上延伸的元件部20的两侧布置。除了上述之外，比较例的磁传感器10A具有与本实施例的磁传感器10(参见图1A)相同的配置。

接下来，将基于本实施例的磁传感器10的输出频谱与比较例的磁传感器10A的输出频谱之间的比较做出考虑。

参考图3的曲线图，比较例的输出在测量开始后的几秒急剧变化(在图3的曲线图中，是测量开始后的三至四秒)。换言之，在输出频谱中发生跳跃。“频谱跳变”由图3中的附图标记ND标识。相反，在本实施例的输出频谱中未观察到任何频谱跳变ND。因此，与比较例的磁传感器10A相比，本实施例的磁传感器10产生更小的输出噪声。

在本说明书中，将以上述方式归一化的输出的输出噪声以每0.1(秒)变化0.001或更多的速率变化(即，以上述方式归一化的输出的输出噪声以每0.1(秒)变化0.1(％)或更多的速率变化)定义为上述的“频谱跳变ND”。发明人认为本实施例的输出噪声小于比较例的输出噪声的原因如下：与本实施例不同，比较例的元件部20A的两个端部的宽度不会随着从中心部朝向两个尖端的距离的增加而减少，并且尖端由沿元件部20的短轴方向延伸的平坦平面形成(参见图2)。因此，如图2的放大图所示，在元件部20A的端部中产生沿短轴方向的不稳定磁场分量Bx。这被认为会导致如图3所示的比较例的输出频谱中的频谱跳变ND。

相反，在本实施例的磁传感器10中，沿元件部20的厚度方向(参见图1A)观察时，元件部20形成为具有沿第二轴方向延伸的长轴的椭圆形状。换言之，本实施例的元件部20成形为使得沿厚度方向观察时宽度随着沿长轴方向与中心部相距的距离增加而逐渐减少。因此，在比较例中发生的指向短轴方向的不稳定磁场分量Bx(参见图2)相对不容易在本实施例的元件部20的端部22中发生，并且即使其发生，其也小于比较例的不稳定磁场分量。因此，如图3所示，在本实施例的输出频谱中没有观察到在比较例中发生的频谱跳变ND。

因此，本实施例的磁传感器10能够减小输出噪声(或限制频谱跳变ND)。该效果对于本实施例是特别有利的，因为对于软磁性体30的最小宽度Wm大于元件部20的最大宽度W0的元件部20而言，输出噪声趋于增加。此外，这种效果对于本实施例是特别有利的，因为对于具有隧穿磁阻效应的元件部20而言，可以改善S/N比。

在本实施例的磁传感器10中，软磁性体30围绕孔口31中的元件部20，而在元件部20与软磁性体30之间不形成任何间隙。由该配置产生的效果将在后面描述。

[第一变形例]

接下来，将参照图4说明第一变形例的磁传感器10B。图4示出了该变形例的磁传感器10B的构造。

在该变形例的磁传感器10B中，本实施例的磁传感器10的软磁性体30被与元件部20分离的一对软磁性体30B来替代。除了上述之外，该变形例的磁传感器10B具有与本实施例的磁传感器10相同的构造。

该变形例的磁传感器10B的输出噪声(未示出)与本实施例的磁传感器10的输出噪声大致相同(参见图3的曲线图)。在该变形例中，没有观察到在比较例中观察到的频谱跳变ND(参见图3)。

综上所述，与上述的比较例的磁传感器10A相比，该变形例的磁传感器10B能够减少输出噪声(或限制频谱跳变ND)。发明人认为该变形例与本实施例具有相同效果的原因在于参照图2描述的磁场分量Bx相对不容易发生，因为该变形例具有与本实施例相同的元件部20。

从该变形例的测量中发现，该变形例能够以与本实施例相同的方式减少输出噪声，但不如本实施例那样敏感(未示出)。发明人认为原因在于，与该变形例不同，本实施例的软磁性体30围绕孔口31中的元件部20而没有任何间隙，并因此相对不容易发生磁场分量Bx。

综上所述，本实施例的磁传感器10比该变形例的磁传感器10B更灵敏。换言之，与上述的比较例的磁传感器10A相比，本实施例的磁传感器10能够在增强灵敏度的同时减少输出噪声。

[第二变形例]

接下来，将参考图5说明第二变形例的磁传感器10C。该变形例的磁传感器10C被成形为使得本实施例的磁传感器10的相对于其长轴方向(元件部20的长轴方向)的两个端部沿着与元件部20的短轴方向平行的线被切割。具体而言，在该变形例的元件部20C中，沿元件部20C的厚度方向观察时，元件部20C的除两个尖端以外的轮廓形成椭圆的一部分。换言之，该变形例的元件部20C的端部22C的宽度从中心部21C起逐渐减少，但在两个尖端处不变为零。

此外，该变形例的磁传感器10C被成形为如同将一个软磁性体切割成一对软磁性体30C。沿元件部20C的厚度方向观察时，该变形例的该对软磁性体30C配置在元件部20C的相对于其短轴方向的两侧，而在元件部20C的相对于其短轴方向的两侧上，在软磁性体30C与元件部20C之间不形成任何间隙。换言之，该对软磁性体30C沿X方向从两侧夹持元件部20C，并且除了相对于Y轴方向的端部22C的尖端之外，在元件部20C与软磁性体30C之间不形成任何间隙。除了上述之外，该变形例的磁传感器10C具有与本实施例的磁传感器10(参见图1A)相同的构造。

沿厚度方向观察时，该变形例的元件部20C具有类似椭圆的形状，该形状不是椭圆的但几乎是椭圆的。与上述的比较例的元件部20A(参见图2)不同，该变形例的元件部20C的两个端部的宽度在中心部与相应尖端之间逐渐减少。因此，在该变形例的元件部20C的端部22C中，比较例中发生的沿短轴方向的不稳定磁场分量Bx(参照图2)相对不容易发生，并且即使发生，也小于比较例的不稳定磁场分量。因此，根据本变形例，磁场分量Bx相对不容易发生，频谱跳变ND不发生，并且输出噪声受到限制。

此外，与上述的比较例的磁传感器10B(参见图4)不同，该变形例的元件部20C在软磁性体30C与元件部20C之间不形成任何间隙。因此，该变形例的磁传感器10C比第一变形例的磁传感器10B更加灵敏。

根据前述内容，该变形例的磁传感器10C能够在增强灵敏度的同时减小输出噪声，因为元件部20被形成为具有平行于第一轴方向的短轴的椭圆形，并且沿厚度方向看观察时，在元件部20C与软磁性体30C之间没有形成间隙。

此外，与本实施例(参见图1A)不同，该变形例的磁传感器10C的两个软磁性体30C在元件部20C的相对于长轴方向的两个尖端的外侧没有彼此连接。因此，在该变形例的磁传感器10C中，与本实施例的磁传感器10不同，防止了磁通从软磁性体30的一个内区域32经由外区域34流到另一个内区域。

因此，该变形例的磁传感器10C的优点在于并且与本实施例的磁传感器10相比，沿短轴方向的磁场相对不容易从元件部20C的相对于短轴方向的一侧的软磁性体30C流到元件部20C的另一侧的磁性体30C，并且更容易施加到元件部20C。

已经描述了该实施例和一些变形例。然而，本发明不限于该实施例和上述的变形例。例如，以下变形例包括于本发明的范围内。

例如，元件部20具有与实施例中的软磁性体30的孔口31相同的形状(参见图1A)。但是元件部20不必具有与软磁性体30的孔口31相同的形状，只要元件部20被成形为使得宽度在中心部与每个尖端之间逐渐减少并且元件部20被布置在孔口31中即可。例如，如示出第三变形例的磁传感器10D的图6A所示，沿厚度方向观察时，孔口31可以是矩形的。与上述的比较例相比，该变形例还能够减小输出噪声。

在实施例中，软磁性体30被布置成在元件部20与软磁性体30之间不形成任何间隙(参见图1A)。然而，如示出第四变形例的磁传感器10E的图6B所示以及如示出第六变形例的磁传感器10G的图6D所示，在元件部20与软磁性体30之间可以形成间隙，只要元件部20被成形为使得宽度在中心部与每个尖端之间逐渐减少即可。与上述的比较例相比，该变形例还能够减少输出噪声。

在该实施例中，元件部20具有椭圆形状，其具有垂直于磁敏轴的长轴。也就是说，元件部20的两个端部22的宽度在中心部与各尖端之间逐渐减少(参见图1A)。然而，如示出第五变形例的磁传感器10F的图6C所示，磁传感器10F可以被成形为使得仅一个元件部20的宽度在中心部与尖端之间减少。与其中宽度在中心部与两个尖端之间是恒定的(参见图2)的上述比较例相比，这种变形例也能够减少输出噪声。因此，该变形例能够在增强灵敏度的同时减少输出噪声。

元件部20具有与该实施例中的软磁性体30的孔口31相同的形状(参见图1A)。然而，如示出第六变形例的磁传感器10G的图6D所示，磁传感器10G可以被成形为使得元件部20具有与软磁性体30的孔口31的形状不同的形状，只要元件部20被成形为使得宽度在中心部与尖端之间逐渐减少即可。与上述的比较例相比，该变形例还能够减少输出噪声。

在第一变形例中，一对软磁性体30B被布置成使得软磁性体30B从其短轴的两侧夹持元件部20。然而，软磁性体不必形成为一对软磁性体，只要软磁性体被布置成使其夹持元件部20即可。例如，如示出第七变形例的磁传感器10H的图6E所示，软磁性体30B可以是U形的。与上述的比较例相比，该变形例还能够减少输出噪声。

在该实施例中，构成元件部20的间隔层是隧穿势垒层，并且元件部20是TMR元件。然而，构成元件部20的间隔层可以是由非磁性金属(例如Cu)形成的非磁性导电层，以便形成作为巨磁阻元件(GMR元件)的元件部20。元件部20也可以是各向异性磁阻元件(AMR元件)。与比较例相比，这些变形例还能够在增强灵敏度的同时减少输出噪声。

在实施例中，软磁性体30的内区域32的最小宽度Wm大于元件部20的最大宽度W0(参见图1A)。然而，内区域32的最小宽度Wm可以等于或小于元件部20的最大宽度W0。考虑到输出噪声是作为通过提供软磁性体30来增强磁传感器10的灵敏度的平衡而发生，变形例也具有上述的实施例的效果。

将实施例和第一变形例至第七变形例中的一个与其它实施例/变形例的元件组合的实施例也包括在本发明的范围内。例如，对根据第七变形例的磁传感器10H(参见图6E)的变形例(其中元件部20被根据第六变形例的元件(菱形元件部20)代替)包括在本发明的范围内。

已经通过将位置传感器作为示例描述了实施例的磁传感器10。然而，该实施例的磁传感器10可以是除位置传感器之外的传感器，只要磁传感器10检测沿第一轴方向施加的磁场即可。例如，磁传感器10可以是诸如角度传感器和编码器等的传感器。

尽管已经详细示出和描述了本发明的某些优选实施例，但应当理解的是，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变化和变形。

Claims

1.一种磁传感器，其中，

包括：

元件部，其是细长的并具有磁阻效应；以及

至少一个软磁性体，其在所述元件部的相对于其短轴方向的两侧夹持所述元件部，

随着在长轴方向上与所述元件部的相对于所述长轴方向的中心部相距的距离增加，所述元件部的相对于其长轴方向的两个端部中的至少一个的宽度逐渐减少。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

随着在所述长轴方向上与所述中心部相距的距离增加，所述元件部的相对于其长轴方向的两个端部的宽度逐渐减少。

3.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

随着在所述长轴方向上与所述中心部相距的距离增加，所述端部的宽度逐渐减少，并且所述宽度在所述元件部的尖端处成为零。

4.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

沿垂直于所述长轴方向和所述短轴方向的方向观察时，所述元件部是椭圆形的。

5.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

所述软磁性体具有孔口，并且所述元件部布置在所述孔口中。

6.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

沿垂直于所述长轴方向和所述短轴方向的方向观察时，所述软磁性体被布置成至少在所述端部与所述软磁性体之间没有形成任何间隙。

7.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

沿垂直于所述长轴方向和所述短轴方向的方向观察时，所述软磁性体被布置成在所述元件部与所述软磁性体之间形成间隙。

8.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

所述至少一个软磁性体是一对软磁性体，并且所述一对软磁性体被布置成使得所述软磁性体从相对于所述元件部的短轴方向的两侧夹持所述元件部。

9.根据权利要求8所述的磁传感器，其中，

沿垂直于所述长轴方向和所述短轴方向的方向观察时，所述一对软磁性体被布置成至少在所述端部与所述软磁性体之间没有形成任何间隙。

10.根据权利要求8所述的磁传感器，其中，

沿垂直于所述长轴方向和所述短轴方向的方向观察时，所述一对软磁性体被布置成使得所述软磁性体在所述元件部与所述软磁性体之间形成间隙。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的磁传感器，其中，

所述元件部表现出隧穿磁阻效应。

12.根据权利要求1～10中任一项所述的磁传感器，其中，

所述元件部表现出巨磁阻效应。