CN110073231B - Gsr传感器元件 - Google Patents

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Abstract

【课题】在GSR传感器元件中，上升沿脉冲检波的tm和ti接近，并且在时间tm处感应电压具有相当大的值，并且无法忽略由该磁场引起的波动。从输出电压中去除感应电压，并实现上升沿脉冲检波型GSR传感器。【解决手段】基于感应电压相对于在磁导线中流动的电流方向为正负相反的见解，通过在一个线圈中设置两根电流朝向正负相反方向流动的磁导线，来抵消感应电压，从而能够检测与磁场成比例的电压。

Description

GSR传感器元件
技术领域
本发明涉及一种，不同于一个线圈中仅有一根磁导线的GSR传感器元件，而在一个线圈中设置电流方向为相反方向的一对磁导线以实现高灵敏度和低功耗的技术。
背景技术
虽然导管治疗被广泛普及，但X射线照射和造影剂的过度使用以及医生的熟练程度仍是一个问题。作为解决该问题的方案，期望将磁传感器内置于导管中来测量导管顶端的位置或方位，并使用该值实现遥控式导管治疗。
然而，专利文献1中公开的GSR传感器，其在线性度、灵敏度、小尺寸和功耗方面都有所不足。
即，如果采用上升沿脉冲检波会在线性度上有缺陷，而如果采用下降沿脉冲检波，则在灵敏度和功耗方面上有缺陷，且元件ASIC的小型化困难。
而且，由于当元件的尺寸变小时灵敏度会降低，因此很难对其进行大幅度的小型化。上述问题亟待解决。
本发明尽管采用的是上升沿脉冲检波，但确保了优异的线性度，并改善了灵敏度和功耗。而灵敏度的大幅度改善，使得元件的小型化成为可能。而降低功耗可以大幅度减少ASIC中的电容，从而使ASIC的小型化成为可能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特许第5839527号
发明内容
发明要解决的课题
现有已知的是，在GSR传感器中，当一个线圈中安装有两根磁导线时，灵敏度会提高一倍，如采用上升沿脉冲检波则可将脉冲功耗从0.4mW降低到0.04mW，即降低至原来的1/10。
在这里，GSR传感器是指，基于超高速自旋旋转效应(GHz Spin Rotation effect)的超灵敏微磁传感器。
然而，GSR传感器元件的输出电压是由脉冲电流引起的电压(以下称为感应电压)、以及与外部磁场的磁场强度成比例输出的电压(以下称为磁场电压)这两种电压组成。此外，麻烦的是，根据磁场，磁导线的电阻会产生变化，从而影响导线电压的变化以及感应电压。
在下降沿脉冲检波中，磁场电压的峰值时间tm与感应电压的峰值时间ti是分离的，并且在时间tm处感应电压充分衰减(图7)。
另一方面，在上升沿脉冲检波中，tm与ti接近，并且在时间tm处，感应电压具有相当大的值，并且无法忽略由该磁场引起的波动(图8)。从GSR元件的输出电压中去除感应电压，并实现上升沿脉冲检波型的GSR传感器，是本发明的课题。
解决手段
本发明的发明人对上述技术问题进行深入研究后认定，感应电压相对于在磁导线中流动的电流，其正负方向相反。而且，如果在一个线圈中设置正负电流方向相反的两根磁导线，则感应电压被抵消，可检测出仅与磁场成比例的电压，于是完成本发明的技术构思。
一根磁导线的GSR传感器元件的典型尺寸的线圈，其槽宽为20μm、线圈宽度为40μm。两根磁导线的GSR传感器元件，设置其槽宽为40μm，在中央处设置分离壁并配置两根磁导线，线圈宽度设定为50μm。作为GSR传感器元件的尺寸，一根磁导线与两根磁导线几乎相同。
作为元件的结构有以下3种类型。
第一种为将两根磁导线配置在比磁导线更深的凹槽内的类型，其中，下线圈为凹形状，上线圈为平面形状。第二种为将两根磁导线配置在磁导线直径一半左右的浅槽内的类型，其中，下线圈为凹形状，上线圈为凸形状。
第三种为在平面上形成Ш形导槽，在其中分别配置一根、共计两根磁导线的类型，其中，下线圈为平面形状，上线圈为凸形状。
在任意一种结构中，两根磁导线之间均设置有分离壁。
下线圈和上线圈错开半个节距配置，并在两者的平面基板上的接合面处电连接以形成螺旋状的线圈。两个线圈端部分别与两个线圈电极连接。
磁导线和线圈之间的绝缘采用的方法有：使用包覆有绝缘材料的磁导线的方法，以及将磁导线插入埋设在槽内的绝缘性抗蚀剂中的方法，或者将两者结合的绝缘方法。为了确保绝缘，优选使用具有绝缘包覆的磁导线。
在磁导线的端部，磁导线的金属部分自绝缘材料中露出，以形成与导线电极电性接合的配线。
由于使用两根磁导线的GSR传感器元件的输出仅有与磁场成比例的磁场电压，因此即使采用上升沿脉冲检波，也能够维持优异的线性度。
上升沿脉冲检波的输出电压是下降沿检波的输出电压的2.5倍。并且由于其由两根磁导线组成，因此可以获得5倍的输出电压。这意味着由于线圈的匝数N可以减小至原来的1/5，因此元件的线圈长度可以缩短至原来的1/5，可以实现元件的小型化。
进一步地，可以将脉冲电流的脉冲宽度设定为，上升沿检波所需的足够长的脉冲宽度，例如从10ns至1ns以下。由此，可以将脉冲电流的功耗降低至原来的1/10以下。
GSR传感器用ASIC，内置有脉冲电流振荡所需的电力储存用电容器。其大小占ASIC的50％。如果电容器的尺寸可以减小到1/10，那么ASIC的尺寸几乎可以减少一半。
发明效果
利用在一个线圈中配置两根磁导线的GSR传感器元件，可以在消除线圈电压中的感应电压分量、改善上升沿脉冲检波的输出电压的磁场依赖性的线性度的同时，将灵敏度(单位磁场强度1G的输出电压)增加到5倍，并且，脉冲电流的功耗可以减少至1/10以下。由此，在同一输出电压的条件下，使元件尺寸、ASIC尺寸的小型化成为可能。
附图说明
图1是示出了实施方式以及实施例的GSR传感器元件的正面概念图。
图2A是示出了实施方式的GSR传感器元件的图1的沿A1-A2线的剖视图。
图2B是示出了实施方式的GSR传感器元件的图1的沿A3-A4线的剖视图。
图2C是示出了实施方式的GSR传感器元件的图1的沿A5-A6线的剖视图。
图3是实施方式的GSR传感器元件的其他类型(凹形状)的剖视图。
图4是实施方式的GSR传感器元件的其他类型(凸形状)的剖视图。
图5是示出实施例中的GSR传感器的电子电路的电路框图。
图6是实施例的GSR传感器以及比较例中磁传感器的外部磁场对输出电压的特性图。
图7是下降沿脉冲检波中的磁场电压与感应电压的随时间变化推移图。
图8是上升沿脉冲检波中的磁场电压与感应电压的随时间变化推移图。
具体实施方式
如图1、图2A、图2B和图2C所示，本实施方式的GSR传感器元件1，由电极配线基板10上作为磁敏元件的带绝缘被膜的Co合金磁导线2(21和22)、卷绕在磁导线2周围的线圈3(31和32)、以及四个端子(23和25以及34和36)组成。
磁导线2配置为，在基板中央部的凹槽11内由绝缘壁41分隔开来的两根磁导线21和22。
图1右侧所示的导线输入电极26(+)侧的磁导线21的上部，通过导线端子23和导线连接部21A，与导线输入电极26(+)连接(图2B中的右侧部分)。
磁导线21的下部，通过导线接合部21B和导线间连接部24，再通过左侧所示的导线接合部22B，与导线输出电极27(-)侧的磁导线22的下部连接(图2C)。
磁导线22的上部通过导线端子25，与导线输出电极27(-)连接(图2B的左侧部分)。
接着，如图2A所示，线圈3由下线圈31、上线圈32和接合两个线圈的接头部33构成。
下线圈31在凹槽11中以及在基板10上形成为凹形状，而隔着绝缘材料4上线圈32形成为，从一对磁导线21、22的上部到侧部、并进一步延伸到基板10上。
下线圈31的端部和上线圈32的端部，在基板10上形成接头部33并彼此连接。
另外，一对磁导线2(21和22)之间通过绝缘壁41形成绝缘，而磁导线2与线圈3之间通过绝缘材料4形成绝缘。
由此，右侧磁导线21中电流向下方向流动、左侧磁导线22中电流向上方向流动，从而可以在一个线圈中隔着绝缘材料使电流方向呈相反方向，以抵消感应电压。
虽然在本实施方式中，将由两根磁导线组成的一对磁导线，设置为在一个线圈中隔着绝缘材料使得电流的走向呈相反方向，但也可以在一个线圈中设置由多对组成的磁导线。
并且，虽然在本实施方式中，磁导线使用包覆有玻璃作为绝缘材料的磁导线，但也可以使用未包覆绝缘材料的磁导线。
作为元件结构，在本实施方式中，如图2A所示，为将两根磁导线(21和22)配置在磁导线2的直径一半左右的浅槽11内的类型，其中下线圈31为凹形状，上线圈32为凸形状。
作为其他结构，如图3所示，为将两根磁导线(21和22)配置在比磁导线2更深的凹槽11内的类型，其中下线圈31为凹形状，上线圈32为平面形状。并且，如图4所示，第三种为在平面上形成Ш形导槽，并向其中分别配置一根、共计两根磁导线(21和22)的类型，其中下线圈31为平面形状，上线圈32为凸形状。
在任意一种类型的结构中，均可在两根磁导线(21和22)之间设置分离壁。并设置用于接合下线圈31的端部与上线圈32的端部的接头部33，以形成线圈3。
接下来，将对GSR传感器元件的制造方法进行说明。
作为电极配线基板10，使用具有SiN被膜的Si基板。磁导线2使用直径为1～20μm、长度为0.07～1.0mm的带有玻璃绝缘被膜的非晶丝。
首先，元件1，其宽度设置为0.25mm，并且在其中央部形成宽度为20～60μm、深度为2～20μm的凹槽11。
接下来，沿着凹槽11在下线圈31和基板面上进行电极配线。之后，在凹槽11的中央部设置绝缘分离壁41，以形成两个凹槽形状，并在其中分别设置两根磁导线21和22。此后，在基板的整个面上涂敷绝缘性抗蚀剂。在两根磁导线(21和22)的上部进行较薄的涂敷。利用光刻技术在其上形成上线圈32。
下线圈31和上线圈32的端部，在基板平面上形成以交叉方式接合的接头部33，并形成线圈节距为2～10μm的线圈3。线圈端子34连接到线圈输出电极35(+)，而线圈端子35连接到线圈接地电极37(-)。
对于两根磁导线的四个端部，去除作为绝缘涂层的玻璃，并且在两个端部中的一个端部上，通过金属蒸镀形成导线端子23和连接部21A，并与导线输入电极26(+)进行电连接，同时在另一个端部上通过金属蒸镀形成导线端子25和连接部22A，并与导线接地电极27(-)进行电连接。
然后，在另外两个端部进行金属蒸镀(21B和22B)，同时通过金属蒸镀形成连接两个端部的连结部24。
这样一来，可将从导线输入电极26(+)到导线接地电极27(-)用作接通脉冲电流的配线。
根据本实施方式，输出电压显示相对于磁场H的正弦波输出特性，测量范围在±3～90G的范围内、线性度为0.3％以下，非常良好。
灵敏度在50～2000mV/G的范围内，为由相同磁导线长度构成的GSR传感器元件的大约五倍。
脉冲功耗为0.3mW(0.15mA)。
实施例
在下文中参考图1、图5和图6，对本发明实施例的GSR传感器元件进行说明。
基板10由Si基板制成，并施加有SiN绝缘被膜，其尺寸为：长0.2mm、宽0.2mm宽、高0.2mm。磁导线2为使用CoFeSiB系合金的、直径为10μm的包覆有玻璃的非晶线，其长度为0.20mm。
基板10的凹槽11的宽度为40μm，深度为6μm。凹槽11中由绝缘性抗蚀剂形成的分离壁41的尺寸：宽度为2μm、高度为6μm。
线圈3的宽度为50μm，高度为14μm，平均内径(与由高度和宽度形成的线圈内截面积相等的圆的直径)为26μm，线圈节距为5μm，线圈匝数为28圈。
接着，使用图5所示的MI传感器用电子电路，对GSR传感器元件1的特性进行评价。
电子电路5由脉冲振荡器51、和具有所述GSR传感器元件1以及缓冲电路53的信号处理电路52构成。信号为相当于1GHz的强度为100mA的脉冲信号，要输入的是，上升沿时间为0.5nsec、脉冲宽度为1nsec、下降沿时间为0.5nsec的脉冲电流。
脉冲信号输入到非晶线2，在其脉冲施加过程中，电磁线圈3中产生与外部磁场成比例的电压，进行上升沿脉冲检波。
信号处理电路52将线圈3中产生的电压，输入到缓冲电路53，并将缓冲电路53的输出，经由电子开关55输入到采样保持电路56。电子开关55的开闭定时(timing)，通过检波定时调整电路54调整为可在适宜的定时(timing)对上升沿脉冲信号进行检波，并对该时的电压进行采样保持。之后，该电压由放大器57放大到预定电压。
图6示出了来自所述电子电路的传感器输出。图6中的横轴为外部磁场的大小，纵轴为传感器输出电压。
传感器输出显示正弦波输出特性，并通过arcsin转换显示±90G的范围内的线性度。非线性度为0.3％。灵敏度为210mV/G。
对作为比较例1的使用于市售产品AMI306的MI元件(长度为0.6mm，宽度为0.3mm)、以及作为比较例2的汽车用GSR传感器元件(长度位0.15mm，宽度为0.20mm)，使用相同的电子电路进行测量和评估。其结果显示为图6中的比较例1和2。
磁场强度为90Oe的传感器输出电压，比较例1的MI传感器为0.1V，比较例2的GSR传感器为0.3V，而本发明的GSR传感器为1.5V，获得了非常优异的灵敏度。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的GSR传感器元件非常小型且具有高灵敏度。因此，由本元件构成的GSR传感器，因其具有极高的灵敏度、小型且低功耗，所以能够内置于导管中，并且还可以应用在智能手机等更广泛的领域中。
附图标记说明
1：GSR传感器元件板，10：基板，11：基板上的凹槽
2：磁导线，21：一对磁导线中的一根磁导线，22：一对磁导线中的另一根磁导线，
21A：导线端子与导线输入电极(+)之间的连结部，
22A：导线端子与导线输出电极(-)之间的连结部，
21B：导线接合部，22B：导线接合部，
23：磁导线的端子，24：导线间连结部，25：磁导线的端子
26：导线输入电极(+)，27：导线输出电极(-)
3：线圈，31：下线圈，32：上线圈，33：接头部
4：绝缘材料，41：绝缘壁
5：电子电路
51：脉冲振荡器、52：信号处理电路、53：缓冲电路、54：检波定时调整电路、55：电子开关、56：采样保持电路、57：放大器。

Claims (10)

1.一种GSR传感器元件，其在电极配线基板上，形成有作为磁敏元件的磁导线、缠绕在磁导线周围的线圈、以及用于将所述线圈的端部与外部的集成电路连接的四个端子，GSR传感器元件的特征在于，
在所述线圈内隔着绝缘材料设置有电流方向为相反方向的一对所述磁导线；
所述线圈由形成在一对磁导线的下方的多个下线圈配线、形成在所述一对磁导线的上方的多个上线圈配线以及连接所述多个下线圈配线与所述多个上线圈配线各自对应的端部的接头部构成；
所述一对磁导线，由所述线圈内的绝缘壁分隔开来。
2.根据权利要求1所述的GSR传感器元件，其特征在于，
所述磁导线由多对构成。
3.根据权利要求1所述的GSR传感器元件，其特征在于，
在所述磁导线中，磁导线的外周由绝缘材料包覆。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的GSR传感器元件，其特征在于，
所述多个下线圈配线具有凹形状，所述多个上线圈配线具有凸形状，所述多个下线圈配线配置于在基板上形成的凹槽内、并以覆盖所述下线圈配线的方式涂敷绝缘材料，通过埋设于所述基板的凹槽内且具有粘接功能和抗蚀功能的绝缘树脂来埋设固定所述一对磁导线；
在覆盖所述一对磁导线的上部的所述绝缘树脂的上部配置有所述多个上线圈配线，所述接头部将下线圈配线的端部与所述上线圈配线的端部电性接合，以形成线圈。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的GSR传感器元件，其特征在于，所述多个下线圈配线具有凹形状，所述多个上线圈配线具有平坦形状，所述多个下线圈配线配置于在基板上形成的凹槽内、并以覆盖所述下线圈配线的方式涂敷绝缘材料，通过埋设于所述基板的凹槽内且具有粘接功能和抗蚀功能的绝缘树脂来埋设固定所述一对磁导线，在所述基板的凹槽的上表面配置有所述多个上线圈配线，所述接头部将所述下线圈配线的端部与所述上线圈配线的端部电性接合，以形成线圈。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的GSR传感器元件，其特征在于，所述多个下线圈配线具有平坦形状，所述多个上线圈配线具有凸形状；所述基板的平坦面上配置有所述多个下线圈配线，并在所述多个下线圈配线的上表面以绝缘树脂涂覆；所述一对磁导线的侧面部和上部由所述绝缘树脂覆盖，并在所述绝缘树脂的上部配置有所述多个上线圈配线；所述接头部将所述下线圈配线的端部与所述上线圈配线的端部电性接合，以形成线圈。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的GSR传感器元件，其特征在于，所述多个上线圈配线通过光刻法形成。
8.根据权利要求4所述的GSR传感器元件，其特征在于，所述多个上线圈配线通过光刻法形成。
9.根据权利要求5所述的GSR传感器元件，其特征在于，所述多个上线圈配线通过光刻法形成。
10.根据权利要求6所述的GSR传感器元件，其特征在于，所述多个上线圈配线通过光刻法形成。
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