CN109974568A

CN109974568A - 磁传感器

Info

Publication number: CN109974568A
Application number: CN201811610969.5A
Authority: CN
Inventors: 渡部司也
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: US20190195966A1; US20240045003A1; US20220113359A1; CN109974568B; US11754645B2; JP6828676B2; US11237228B2; DE102018132687A1; JP2019117087A

Abstract

本发明的磁传感器包含具有磁阻效应的细长元件部以及一对细长软磁性体，软磁性体沿着元件部配置于元件部的短轴的两侧。各个软磁性体包括中心部及一对端部，中心部从元件部的长轴方向的一端到另一端与元件部相邻，一对端部在长轴方向上从中心部突出。至少一个端部的宽度在端部的长轴方向的至少一部分上在远离中心部的方向上逐渐减小。

Description

磁传感器

技术领域

本申请基于并要求2017年12月27日提出的JP申请No.2017-250477的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

本发明涉及一种磁传感器。

背景技术

作为用于检测运动物体的位置的传感器，已知有具有具备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运动，从而检测由磁体产生的外部磁场中的变化，并根据所检测到的外部磁场中的变化计算运动物体的运动距离。

如图1所示，JPH11-87804中公开的磁传感器包括呈现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，且软磁性薄膜设置于巨磁阻薄膜的短轴方向的两侧。从厚度方向观察，巨磁阻薄膜为矩形。在此磁传感器中，对磁场具有较差的灵敏度的巨磁阻薄膜与软磁性薄膜结合，以提高对磁场的灵敏度。

发明内容

如JPH11-87804所公开的那样，通过在巨磁阻薄膜的两侧设置软磁性薄膜来提高磁传感器的灵敏度。在这种结构中，随着软磁性薄膜(软磁性体)变宽，磁传感器的灵敏度进一步提高。

然而，当软磁性薄膜(软磁性体)变宽时，在垂直于磁场中的磁敏轴的方向(此处，巨磁阻薄膜的短轴的方向)的巨磁阻薄膜的长轴方向上的输出噪声增加。

本发明的目的在于，提供一种磁传感器，其能够提高灵敏度并且降低磁场中的长轴方向上的输出噪声。

本发明的磁传感器包括：具有磁阻效应的细长元件部；以及一对细长软磁性体，沿着所述元件部配置于所述元件部的短轴的两侧。各个所述软磁性体包括中心部及一对端部，所述中心部从所述元件部的长轴方向的一端到另一端与所述元件部相邻，所述一对端部在所述长轴方向上从所述中心部突出。至少一个所述端部的宽度在所述端部的所述长轴方向的至少一部分上在远离所述中心部的方向上逐渐减小。

根据本发明，可以提供一种磁传感器，其能够提高灵敏度并且降低磁场中的长轴方向上的输出噪声。

本发明的上述及其他对象、特征和优点根据参考说明本发明的例子的附图的下述说明而变得清楚。

附图说明

图1A是实施例所涉及的磁传感器的主体部的平面图；

图1B是实施例所涉及的磁传感器的电路图；

图1C是实施例所涉及的磁传感器的主体部的局部平面图；

图1D是构成实施例所涉及的磁传感器的主体部的元件部的剖视图；

图1E是说明端部及其周围的图1C的放大平面图；

图2A至2D是分别说明构成实施例的磁传感器的主体部的软磁性体的端部的各种形状(第一至第四形状)的示例的平面图；

图3是说明产生输出噪声的机制的比较例所涉及的磁传感器的主体部的示意图；

图4是表示实施例(第一形状)及比较例的传感器的用于施加磁场的持续时间与标准化输出中的变化的关系的曲线图；

图5A至5F分别是第一至第六变形所涉及的磁传感器的主体部的局部平面图。

具体实施方式

对实施例以及实施例的变形进行说明。

实施例的磁传感器10是例如用于检测具有磁体的运动物体(未图示)的位置的传感器，即，是位置传感器。实施例的磁传感器10被设置成相对于上述磁体运动，从而检测由磁体产生的外部磁场中的变化，并根据所检测到的变化计算运动物体的运动距离。实施例的磁传感器10具有磁敏轴(该磁敏轴在图1A和1C中是X轴)，并检测由运动物体产生的磁场在X轴方向上的变化。在下面的说明中，图1A和1C中的X轴、即平行于元件部20和软磁性体30的短轴的轴称为第一轴，图1A和图1C中的Y轴、即与元件部20和软磁性体30的长轴平行的轴称为第二轴。

如图1A和1C所示，实施例的磁传感器10具有由元件部20和一对软磁性体30构成的磁阻元件部100。如图1B所示,实施例的磁传感器10具有传感器部200和集成电路300，传感器部200中，磁阻元件部100互相桥接，集成电路300具有电连接于传感器部200的输入端310、接地端320、和外部输出端330、340等。

元件部20例如是细长的，并包括具有磁阻效应的材料，在后面说明。一对软磁性体30例如是细长的，且配置于元件部20的短轴的两侧。如图1A所示，元件部20与软磁性体30在元件部20的短轴方向上交替地设置，以使软磁性体30配置于元件部20的两侧。元件部20在其长轴方向的一端和另一端上通过电极单元40相互连接，与电极40一同形成蜿蜒形状。元件部20和软磁性体30被配置于基板(未图示)上。

实施例的元件部20在沿着其厚度方向观察时例如是细长的，该厚度方向垂直于元件部20的长轴方向和短轴方向这两者。

如图1D所示，实施例的元件部20例如具有典型的自旋阀型薄膜结构。特别是元件部20包括磁化方向根据外部磁场而变化的自由层151、磁化方向相对于外部磁场固定的固定层153、位于自由层151和固定层153之间并与自由层151和固定层153接触的间隔层152、以及从间隔层152观察时在背面上与固定层153相邻的反铁磁性层154。自由层151、间隔层152、固定层153和反铁磁层154叠放于上述基板上。反铁磁层154通过与固定层153的交换耦合来固定固定层153的磁化方向。固定层153也可具有两个铁磁性层夹着非磁性中间层的合成结构。间隔层152是由非磁性绝缘体(例如Al₂O₃)形成的隧道势垒层。因此，实施例的元件部20起到作为隧道磁阻元件(TMR元件)的作用。换言之，实施例的元件部20具有隧道磁阻效应。与例如GMR元件相比，TMR元件具有更大的MR比和来自桥接电路的更高的输出电压。

如图1C所示，实施例的各个软磁性体30例如轴对称于通过其短轴方向的中心并沿着长轴方向延伸的假想直线L1(点划线)，也轴对称于通过其长轴方向的中心并沿着短轴方向延伸的假想直线L2(双点划线)。换言之，从垂直于长轴方向和短轴方向这两者的方向观察，各个软磁性体30(包括端部34的形状)轴对称于其长轴和短轴这两者。

如上所述，设置于元件部20的两侧的一对软磁性体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。实施例的各个软磁性体30例如由NiFe、CoFe、CoFeSiB、CoZrNb等形成。如图1C所示，软磁性体30设置于元件部20的短轴方向的两侧，并向元件部20的长轴方向的两个末端的外侧突出。在以下的说明中，沿着元件部20从元件部20的长轴方向的一端到另一端与元件部20相邻的软磁性体30的部分称为中心部32，沿着元件部20的长轴方向从中心部32突出的软磁性体30的一对部分称为端部34(参见图1C)。

如图1C所示，中心部32的宽度W例如大于元件部20的宽度W0，以使实施例的磁传感器10比中心部32的宽度W等于或小于元件部20的宽度W0的磁传感器更灵敏。从厚度方向观察(参见图1C)，作为除了长轴方向的两个端部34的软磁性体30的部分的中心部32为矩形。

各个端部34的长度L、即从与中心部32的边界突出的突出长度例如等于或小于中心部32的宽度W。

例如，在各个端部34的长度L与中心部32的宽度W之间存在由式(1)表示的关系，

W/2＝<L (式1)

在本实施例中，如图1C所示，随着在元件部20的长轴方向上距中心部32的距离增加，各个端部34的宽度逐渐减小，并在末端变为零。具体来说，从垂直于元件部20的长轴方向和短轴方向这两者的方向观察，各个端部34的边缘通过由式(2)所规定的在笛卡尔坐标的第一象限中的曲线表示，并且通过相对于Y轴(假想直线L1)与式(2)的曲线轴对称的在笛卡尔坐标的第二象限中的曲线表示，在笛卡尔坐标中，端部34和中心部32之间的假想边界线L3(参见图1C和2A)的中点的坐标为(0，0)，假想边界线L3是X轴，通过中点的坐标且沿着长轴方向延伸的假想直线L1为Y轴。

(X,Y)＝(W/2×cosθ,L×sin(θ+P×sin(2θ))(式2)

其中，W：中心部32的宽度；L：端部34的长度；P：张角[°]，例如，-20°≤P≤+30°；θ：笛卡尔坐标中的角度[^o](参见图2A)。

在本实施例中，如图2A的第一象限所示，通过将下列数值代入式(2)来表示各个端部34的边缘，并形成为第一形状。

W＝2000(nm)

L＝1000(nm)

P＝0(°)

在实施例中，从垂直于X轴方向和Y轴方向这两者的方向观察，端部34的倒角率(％)例如为5(％)以上。在下面的说明中，垂直于X轴方向和Y轴方向这两者的方向称为Z轴。Z轴相当于垂直于元件部20和各个软磁性体30的长轴方向和短轴方向这两者的方向。

倒角率(％)如下定义。从图1E中的Z轴方向观察时，假设中心部32的沿着长轴方向的边为边32Y，通过端部34的末端、即软磁性体30的长轴方向的末端并垂直于边32Y且沿着X轴方向在两边32Y的延长线之间延伸的假想线为假想线30X。另外，假设连接中心部32和假想线30X的各端的两边32Y的延长线的一部分为假想线32Y。此外，从Z轴方向观察时，假设由假想线32YA、假想线30X和端部34的边缘共同定义的部分CH的面积、即通过从包围端部34的最小矩形区域的面积减去端部34的面积而得到的值为倒角面积S1，端部34的长度L和中心部32的宽度W的积、即包围端部34的最小矩形区域的面积为倒角前的端部34的面积S2。于是，倒角率R(％)表示为式(3)。

R＝S1/S2×100(％) (式3)

接下来，通过比较本实施例的各种形状、即第一到第四形状(参见图2A到2D)与比较例(参见图3)来说明本实施例的效果。如图4的图表所示，基于各个磁传感器的输出和用于在第二轴方向上向各个磁传感器施加规定强度的磁场的持续时间的测量而实现上述比较。在比较例的说明中，当比较例中使用与本实施例相同的元件时，使用本实施例中的名称和引用数字。

参照图4，对测量的方法进行说明。

在测量中，规定强度的磁场在第二轴方向上被施加到各种形状(第一至第四形状)的本实施例的磁传感器10和比较例的磁传感器10A。在施加磁场时测量的磁传感器10,10A的输出例如每隔0.1秒被记录。然后，磁传感器10、10A的输出谱被相互比较。第一形状的本实施例的磁传感器10的输出谱与比较例的磁传感器10A的输出谱如图4的图表所示。在图4中，输出谱被标准化，以使各磁传感器10,10A的输出的最大值与最小值之差的一半为1。

优选，当磁场在第二轴方向上被施加时，在X轴方向上具有磁敏轴的磁传感器理想上输出零。但是，实际上，当磁场在第二轴方向上被施加到磁传感器时，每个软磁性体30被认为在第二轴方向上被磁化，且在不稳定的方式中另外地在第一轴方向上被磁化。由于向第一轴方向引导的磁化，向第一轴方向引导的不稳定的磁场分量Bx被施加于元件部20。因此，磁传感器产生被磁场分量Bx的施加影响的输出。换言之，对于各个磁传感器10,10A，图4中的各个谱对应于通过在第二轴方向上施加磁场所引起的输出噪声。

因此，优选，各个磁传感器10,10A的输出谱在持续时间上尽可能的平坦。更优选输出尽可能低，即，尽可能接近零。在以下的说明中，由施加于第二轴方向的磁场所引起的输出噪声简称为“输出噪声”。

参照图3来详细说明比较例的磁传感器10A的构造。比较例的磁传感器10A的长轴方向的端部34A的两个末端是在短轴方向上延伸的平面。比较例的各个端部34A的宽度与中心部32A的宽度W相同。因此，与本实施例不同(参见图1C)，比较例的各个端部34A的宽度不是随着在长轴方向上距中心部32A的距离增加而逐渐减小。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相同的结构(参见图1C)。

参照图4的图表，测量开始后几秒，比较例的输出急剧变化(在图4的图表中，测量开始后3到4秒)。换言之，在输出谱上产生跳跃。在图4中，用参考符号ND表示“谱跳(spectrum jump)”。关于输出的考虑在关于本实施例的测量的说明之后给出。

在本说明中，按上述方式标准化的输出以每0.1(秒)0.001以上的速率变化的输出噪声、即按上述方式标准化的输出以每0.1(秒)0.1(％)以上的速率变化的输出噪声被定义成上述的“谱跳ND”。

接下来，对本实施例、即第一到第四形状(参见图2A到2D)的输出谱进行说明。

如图4所示，观察具有第一形状(参见图1C,2A)的端部34的磁传感器10的输出谱。如图4的图表所示，在比较例中观察到的输出谱中的谱跳ND未观察到。

观察具有第二形状(参见图2B)的端部34的磁传感器10的输出谱(未图示)。输出谱与第一形状的输出谱相似。换言之，在比较例中观察到的输出谱中的谱跳ND在第二形状中没有观察到。对于具有第二形状的端部34的磁传感器10，式(2)中的各参数如下设置。

W＝2000(nm)

L＝2000(nm)

P＝0(°)

观察具有第三形状(参见图2C)的端部34的磁传感器10的输出谱(未图示)。输出谱与第一及第二形状的输出谱相似。换言之，在比较例中观察到的输出谱中的谱跳ND在第三形状中没有观察到。对于具有第三形状的端部34的磁传感器10，式(2)中的各参数如下设置。

W＝2000(nm)

L＝2000(nm)

P＝-20(°)。

观察具有第四形状(参见图2D)的端部34的磁传感器10的输出谱(未图示)。输出谱与第一形状的输出谱相似。换言之，在比较例中观察到的输出谱中的谱跳ND在第四形状中没有观察到。第四形状的输出谱不如第二及第三形状的输出谱平坦。对于具有第四形状的端部34的磁传感器10，式(2)中的各参数如下设置。

W＝2000(nm)

L＝2000(nm)

P＝20(°)。

接下来，基于不同形状的实施例、即第一到第四形状和比较例之间的输出谱的比较进行说明。

不同于比较例，在不同形状、即第一到第四形状的实施例的输出谱中没有观察到谱跳ND。此外，不同形状、即第一到第四形状的实施例的输出谱比比较例的输出谱更平坦。发明人认为原因如下。

在比较例中，软磁性体30A(参见图3)的端部34A的宽度没有随着在长轴方向上距中心部32的距离增加(末端的宽度不是零)而从中心部32向末端逐渐减小且末端是在元件部20的短轴方向上延伸的平坦的平面。因此，如图3中的端部34A的放大图所示，可认为在短轴方向上从外向内导向的不稳定的磁场分量Bx在端部34A中产生。

相反的，在不同形状的实施例中，不同于比较例，软磁性体30A的端部34(参见图2A到2D)随着在长轴方向上距中心部32的距离增加(末端的宽度为零)而从中心部32向末端逐渐变窄。因此，相比于比较例的端部34A，在不同形状的实施例的端部34中，不易产生在短轴方向上从外向内导向的不稳定的磁场分量Bx。即使其发生，也小于比较例。作为结果，如图4所示，在比较例中观察到的谱跳ND在实施例的输出谱中没有观察到。

因此，本实施例的磁传感器10能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声或限制谱跳ND。由于输出噪声倾向于增加，因而在软磁性体30的宽度大于元件部20的宽度W0的本实施例中该效果特别有利。此外，由于当元件部20具有隧道磁阻效应时S/N可以被提高，因而该效果在本实施例中特别有利。

此外，如上所述，第二形状(图2B)和第三形状(图2C)较第四形状(图2D)显示更平坦的输出谱或更小的输出变化。发明人认为这是因为尽管第二到第四形状的端部34的长度L相同，但是第二及第三形状在端部34的宽度上具有比第四形状更大的变化率。

说明了本发明的具体的实施例。但是，本发明不限于上述实施例。例如，下述变形包含于本发明的范围内。

例如，在实施例中，软磁性体30的端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而逐渐减小并且在其末端变成零(参见图1C)。然而，如说明第一变形的磁传感器10B的图5A所示，只要软磁性体30的端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而逐渐减小，端部34的宽度在末端不必变为零。与上述比较例相比，该变形也能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。

在实施例中，软磁性体30的各个端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而逐渐减小(参见图1C)。但是，如说明第二变形的磁传感器10C的图5B所示，随着在长轴方向上距中心部32的距离增加，软磁性体30的至少一个端部34的宽度可以逐渐减小。与上述比较例相比，该变形也可以在降低输出噪声的同时提高灵敏度。

在实施例中，软磁性体30的各个端部34相对于假想直线L1轴对称(参见图1C)。然而，如说明第三变形的磁传感器10D的图5C所示，只要软磁性体30的各个端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而逐渐减小，软磁性体30的各个端部34不必相对于假想直线L1轴对称。与上述比较例相比，该变形也能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。

在实施例中，软磁性体30的端部34相对于假想线L2轴对称(参见图1C)。然而，如说明第四变形的磁传感器10E的图5D所示，只要软磁性体30的各个端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而逐渐减小，软磁性体30的端部34不必相对于假想线L2相互轴对称。与上述比较例相比，该变形也能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。

如说明第五变形的磁传感器10F的图5E所示，只要各个端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而逐渐减小，各个端部34的宽度的长轴方向上的减少(变化)率可以不同。与上述比较例相比，该变形也能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。

在实施例和第一变形等中，软磁性体30的端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32(或端部34与中心部32的边界)的距离增加而逐渐减小(参见图1C和5A)。然而，如说明第六变形的磁传感器10G的图5F所示，只要软磁性体30的端部34的宽度在远离中心部32的方向上在端部34的长轴方向的至少一部分上逐渐减小，软磁性体30的端部34的宽度不必随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而从与中心部32的边界到末端逐渐减小。与上述比较例相比，该变形也能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。

端部34的倒角率R在实施例中例如为5(％)以上。与上述比较例相比，满足此要求的实施例和任意变形能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。然而，考虑到上述考虑，只要软磁性体30的端部34的宽度随着在长轴方向上距中心部32的距离增加而从中心部32侧到末端逐渐减小，具有小于5(％)(未图示)的倒角率R的变形表现出与实施例的效果相似的效果。

在实施例中，构成元件部20的间隔层为隧道势垒层，元件部20为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)。与上述比较例相比，该变形也能够在提高灵敏度的同时降低输出噪声。

在实施例中，软磁性体30的端部34的宽度大于元件部20的宽度W0(参见图1C)。但是，软磁性体30的中心部32的宽度可以等于或小于元件部20的宽度W0(未图示)。考虑到作为用于通过设置软磁性体30来提高磁传感器10的灵敏度的权衡而产生输出噪声的状况，该变形也具有上述实施例的效果。

在本发明的范围内也包括来自实施例及第一至第六变形中的一个与其他实施例/变形的元件相结合的实施例。例如，一个软磁性体30被第三变形所涉及的一个软磁性体30替代的第一变形所涉及的磁传感器10B的变形(参见图5A)包括于本发明的范围内。

以位置传感器为例说明了实施例的磁传感器10。但是，只要磁传感器10检测施加于第一轴方向的磁场，实施例的磁传感器10可以是位置传感器以外的传感器。例如，磁传感器10可以是例如角度传感器、编码器等的传感器。

尽管详细地表示和说明了本发明的某些优选的实施例，但是，应理解的是，在不背离所附权利要求的主旨或范围的情况下能够进行各种变化和变形。

Claims

1.一种磁传感器，其特征在于，

包括：

细长元件部，具有磁阻效应；以及

一对细长软磁性体，沿着所述元件部配置于所述元件部的短轴的两侧，

各个所述软磁性体包括中心部及一对端部，所述中心部从所述元件部的长轴方向的一端到另一端与所述元件部相邻，所述一对端部在所述长轴方向上从所述中心部突出，

至少一个所述端部的宽度在所述端部的所述长轴方向的至少一部分上在远离所述中心部的方向上逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述一个所述端部的宽度在其末端为零。

3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

两个所述端部的宽度在所述端部的所述长轴方向的至少一部分上在远离所述中心部的方向上逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的磁传感器，其特征在于，

两个所述端部的宽度在其两个末端为零。

5.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

随着在所述长轴方向上距所述中心部的距离增加，所述端部的宽度从所述中心部和所述端部的边界开始逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

从垂直于所述长轴方向和所述短轴方向这两者的方向观察，所述端部的倒角率为5％以上，其中，所述倒角率由S1/S2×100％定义，S2为包围所述端部的最小矩形区域的面积，S1为从所述最小矩形区域的面积减去所述端部的面积而得到的值。

7.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

从垂直于所述长轴方向和所述短轴方向这两者的方向观察，所述端部相对于所述元件部的所述长轴方向轴对称。

8.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

从垂直于所述长轴方向和所述短轴方向这两者的方向观察，所述端部的边缘通过笛卡尔坐标的第一象限中的第一曲线表示，并且通过所述笛卡尔坐标的第二象限中的第二曲线表示，

在所述笛卡尔坐标中，原点(0，0)代表所述端部和所述中心部之间的假想边界线的中点的坐标，X轴是所述假想边界线，Y轴是通过所述中点的坐标且沿着所述长轴方向延伸的假想直线，

所述第一曲线由下述式表示，所述第二曲线与所述第一曲线相对于Y轴轴对称，

(X,Y)＝(W/2×cosθ,L×sin(θ+P×sin(2θ))，

其中，W：所述中心部的宽度；L：所述端部的长度；P：张角；θ：所述笛卡尔坐标中的角度，

P及θ的单位为°。

9.根据权利要求8所述的磁传感器，其特征在于，

所述端部的所述长轴方向上的长度等于或者小于所述中心部的宽度，所述张角为-20°以上+30°以下。

10.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述中心部的宽度大于所述元件部的宽度。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的磁传感器，其特征在于，

所述元件部呈现隧道磁阻效应。

12.根据权利要求1～10中任一项所述的磁传感器，其特征在于，

所述元件部呈现巨磁阻效应。