CN110832336A - 超灵敏微磁传感器 - Google Patents

Abstract

为了将上升脉冲检波的线性度改善到0.5％以下，并且发挥上升脉冲检波的优点即磁场灵敏度和线性度，本发明的磁传感器具备在一个线圈(3)中设置两根磁导线(21、22)并使脉冲电流向相反方向流动的结构，该两根磁导线(21、22)具有20G以下的各向异性磁场、并具有两相磁畴结构，该两相磁畴结构由具有周向自旋排列的表面磁畴和沿轴向自旋排列的中央部芯磁畴构成，以0.2～4.0GHz的频率，向磁导线(21、22)施加可在磁导线(21、22)的表面上产生各向异性磁场1.5倍以上的圆周方向磁场所需的强度的脉冲电流。并且，线圈(3)的线圈节距为10μm以下。

Description

超灵敏微磁传感器

技术领域

本发明涉及一种通过采用上升脉冲检波来改善GSR传感器的灵敏度特性的技术。

在这里，GSR传感器是指，基于超高速自旋旋转效应(英文表述：GHz SpinRotation effect)的超灵敏微磁传感器。

背景技术

高灵敏微磁传感器，包括立式FG传感器、卧式FG传感器、霍尔传感器、GMR传感器、TMR传感器、MI传感器、GSR传感器和高频载波传感器等。当前，这些传感器被广泛用于智能手机、汽车、医学和机器人等领域。其中，GSR传感器在灵敏度方面和尺寸方面比较优异，最受到注目。

当前，为了实现对生物体内导入装置(motion device)的远程控制，通过搭载使用GSR传感器之三维磁传感器来获得位置和方向的研究正方兴未艾。

为了能够搭载在导入装置上，优选传感器的尺寸越小越好，但是检测灵敏度却与之成反比地降低。另外，由于供给电源的限制，还需要降低测量中的功耗。

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

GSR传感器检波方法由上升脉冲检波和下降脉冲检波两种方法。前者的磁场灵敏度约为后者的2.5倍，虽然可以缩短脉冲时间来降低功耗，但线性度约为1～2％，与后者的0.5％以下相比较差。

本发明的课题为，将上升脉冲检波的线性度控制在0.5％以下、从而发挥上升脉冲检波的优点。

GSR传感器的线圈输出电压(以下称为线圈电压)由依赖脉冲电流的感应电压(称为a电压)和依赖外部磁场的电压(称为b电压)的两个电压构成。当比较上升脉冲检波与下降脉冲检波两者时，下降脉冲检波时的两个电压峰值彼此接近并受到脉冲电流的强烈影响。再者，a电压由于MI效应，受磁场影响，磁导线的阻抗发生改变，其结果，依赖脉冲电流的a电压也叠加有磁场的影响，因此无法简单地消除。

也就是说，如果a电压不受磁场影响，则在H＝0G下测量电压，将其消除即可检测到净b电压。

从进行了上升脉冲检波的线圈电压中去除依赖于脉冲电流的感应电压的研究，虽然从20年前就开始了，但直到今天仍是一个难以解决的课题。

解决手段

本发明人发现，如果在一个线圈中设置两根磁导线并使脉冲电流向相反方向流动，则当H＝0G时，上升脉冲检波的线圈感应电压会变为0(图7)。且可知，当存在磁场H时，如果使电流向相反方向流动，则线圈电压不变，仅能检测到b电压(图8)。即，可以看作a电压消失了。

此外，当改变磁场来测量b电压时，发现电压相对于磁场的正负对称地直线输出，可得到0.3％以下的优异线性度。

即使当磁场H从零变化时，a电压也会消失的原因可以考虑为，由于两根导线的阻抗变化相对磁场H对称地变化，而与电流的方向无关，因此两者的阻抗始终相同，流过两者的脉冲电流也相同，即使磁场发生变化，对两者线圈的影响也会被抵消(图9)。

在上升脉冲检波的情况下，由于在上升的同时进行检波，因此脉冲时间可以减少到1ns(1纳秒)以下。另一方面，在下降脉冲检波的情况下，由于需要在上升沿线圈电压衰减结束后再进行下降脉冲检波，因此需要将脉冲时间维持在10ns左右。因此，如果采用上升脉冲检波，则可以将脉冲消耗电流控制在1/10以下。

本发明中由两根磁导线构成的元件的线圈电压，与由一根磁导线构成的元件的线圈电压相比为两倍。此外，上升脉冲检波的线圈电压为下降脉冲检波的线圈电压的2.5倍(图10)。与专利文献1中记载的GSR传感器相比，在相同尺寸的元件的情况下，可以获得五倍的线圈电压。

关于线圈电压与外部磁场之间的关系，本申请与专利文献1中记载的GSR传感器中的关系式相同。即、

Vs＝Vo·2L·πD·p·Nc·f·sin(πH/2Hm) (1)

其中，Vs为线圈电压，Vo为由导线磁导率、饱和磁通密度的导线材料的磁特性以及脉冲电流等决定的比例常数，而作为控制因子常数，L为导线的长度，D为导线的直径，p为脉冲电流的趋肤深度，Nc为线圈的匝数，f为脉冲频率，H为外部磁场，Hm为线圈输出电压取最大值时的外部磁场强度。

当对算式(1)的两边进行反正弦转换，并将该值设置为转换电压V’时，则通过

V’＝arcsin(Vs/Vo·2L·πD·p·Nc·f)＝(π·1/2Hm)·H (2)

H＝2Hm/π×V’(3)

可以从算式(3)中求得H。

V’相对于磁场H从-Hm到+Hm线性变化。测量范围为Hm，与不进行反正弦转换时相比，扩大约四倍。另外，线性度P定义为P＝100×Δ(％)，其中Vx＝a(1-Δ)Hx(图11)。

即，通过Δ＝0时的关系式Vx＝aHx的偏离量Δ来定义线性度。

此外，线性度方面也比GSR传感器的下降脉冲的偏离量即0.5％优异0.2％，可以得到确认。

GSR传感器，通过将磁导线与线圈内径的间隔设置为3μm以下，来强化磁导线与线圈之间的电磁耦合。在本发明中，除了两根磁导线之间以外，也保持相同的关系。

电子电路采用与专利文献1记载的电子电路相同的电路。向磁导线通电的脉冲电流的转换频率设定为0.2GHz～4GHz，脉冲电流的强度设定为可在磁导线表面上产生各向异性磁场1.5倍以上的圆周方向磁场所需的强度。

脉冲通电时产生的线圈电压，经由脉冲对应型缓冲电路被传送到采样保持电路。当线圈的匝数Nc较小时，可以将其直接传送到采样保持电路。

上升脉冲的检波通过电子开关来进行，但检波定时(timing)在线圈输出波形的峰值定时进行。由于不存在a电压，因此峰值电压的时间性定时不依赖于磁场H，而是恒定的。但是，由于峰值的定时时间在存在a电压时依赖磁场H而变化，因此不能严格地与线圈输出波形的峰值定时一致。这是其为非线性的原因。

采样保持电路的电容器容量为4pF～100pF。优选地，使电子开关的开-闭(on-off)要尽可能地精细，电容器容量也要减小到4pF～8pF。由此，峰值定时电压作为瞬时电压值被保持在电容器中。该被保持的电容器电压通过可编程放大器(programming amplifier)输出。

发明效果

上升脉冲检波型GSR传感器可以在相同元件尺寸下，实现5倍的磁场检测灵敏度和1/10以下的脉冲功耗，使搭载在生物体内导入装置上的磁传感器的大幅减小成为可能。

附图说明

图1是实施方式以及实施例中GSR传感器元件的平面图。

图2是沿着图1中A1-A2线的GSR传感器元件的剖视图。

图3是实施方式以及实施例中的电子电路图。

图4是示出实施方式和实施例中脉冲时间与脉冲电流施加之间的关系图。

图5是在实施方式和实施例中施加脉冲电流时的线圈电压的波形图。

图6是实施方式和实施例中的输出波形图。

图7是脉冲电流在外部磁场H＝0的两根磁导线中沿相反方向(+方向和-方向)流动时的输出V的图。

图8是外部磁场变化为H＝-2G～+2G时的输出V的图。

图9是外部磁场H与阻抗Z之间的关系图。

图10是在一根和两根磁导线中进行上升脉冲检波和下降脉冲检波的线圈电压的输出图。

图11是外部磁场变化与输出之间的关系中的线性度P的说明图。

图12是GSR传感器的上升脉冲中的磁场Hx与偏离量之间的关系图。

具体实施方式

本发明的实施方式如下。

另外，可以在本发明的结构中，添加选自本说明书的任意一个或两个以上的结构。哪种实施方式是否为最佳，根据对象和所要求的诸项特性会有所不同。

本发明的超灵敏微磁传感器即GSR传感器，其包括：

磁场检测元件，其通过在基板上靠近配置两根具有导电性的磁场检测用磁导线，并设置将两根磁导线一并卷绕的环绕线圈、两个导线通电用电极和两个线圈电压检测用电极而形成；以及使脉冲电流流过磁导线的单元、对脉冲电流在两根磁导线中向相反方向流动时所产生的线圈电压进行检测的电路、将线圈电压转换成外部磁场H的单元，其中，

磁导线具有20G以下的各向异性磁场，且具有两相磁畴结构，该两相磁畴结构由具有周向自旋排列的表面磁畴和具有轴向自旋排列的中央部芯磁畴构成；

向磁导线通电的脉冲电流，其频率为0.2GHz～4.0GHz，且电流强度设置为，不低于在该导线表面上产生各向异性磁场1.5倍以上的圆周方向磁场所需的电流强度；

线圈的线圈节距为10μm以下。线圈的平均内径优选为35μm以下。

并且，当配置多对导线时，优选地，线圈与磁导线之间的间隔为1μm～5μm。

此外，本发明的超灵敏微磁传感器即GSR传感器，

通过对磁导线施加脉冲电流，利用表面磁畴内的导线轴向的磁场，使在轴向上倾斜的圆周方向自旋超高速地一齐旋转，仅取出由此时产生的超高速自旋现象引起的所述导线在轴向上的磁化变化作为线圈输出，并使用关系式(1)转换为磁场H。

Vs＝Vo·2L·πD·p·Nc·f·sin(πH/2Hm) (1)

其中，Vs为线圈输出电压，Vo为比例常数、而作为控制因子常数，L为导线的长度，D为导线的直径，p为脉冲电流的趋肤深度，Nc为线圈的匝数，f为脉冲频率，Hm为线圈输出电压取最大值时的外部磁场强度。

进一步地，本发明的超灵敏微磁传感器即GSR传感器的电子电路，

其由发送脉冲电流的脉冲发送电路、输入线圈电压的输入电路、脉冲对应型缓冲电路以及采样保持电路构成，通过可编程放大器放大，并连接到执行AD(Analog-digital)转换的电子电路，该采样保持电路由对线圈电压的输出波形的峰值电压进行检波的电子开关和存储峰值电压的容量为4～100pF的电容器构成。

参考图1～图6，对本发明的实施方式进行详细说明。

GSR传感器元件(以下称为元件)1，由位于基板10上的两根磁导线(21和22)、环绕该两根磁导线的一个线圈3、两个导线通电用电极(24和25)和两个线圈电压检测用电极(33和34)、以及磁导线与导线通电用电极之间的连接部、线圈与线圈电压检测用电极之间的连接部构成。并且，在元件1中，包括使方向相反的脉冲电流在两根磁导线(21和22)中流动的单元23。还包括，对脉冲电流流过时所产生的线圈电压进行检测的电路5和将线圈电压转换为外部磁场的单元。外部磁场H与线圈电压Vs以上述公式(1)所示的数学关系来表示。

<元件的结构>

元件1的结构如图1～图2所示。

元件1的尺寸，由基板10的尺寸即宽度0.07mm～0.4mm、长度0.25mm～1mm构成。元件1的中央部，在基板10上形成有宽度为20～60μm，深度为2～20μm的凹槽，使得两根磁导线(21和22)能够平行地排列配置。两根磁导线(21和22)彼此靠近，磁导线之间的间隔为1～5μm，优选磁导线(21和22)之间通过绝缘材料、例如绝缘性分离壁进行隔离。

<磁导线>

磁导线2为直径为5～20μm的CoFeSiB非晶合金。磁导线2的周围优选包覆有绝缘材料，例如绝缘性玻璃。长度为0.07～1.0mm。

磁导线2的各向异性磁场为20G以下，并且包括具有周向自旋排列的表面磁畴和具有轴向自旋排列的中央部芯磁畴的两相磁畴结构。

<线圈>

线圈3，优选线圈匝数为6～180圈、线圈节距为5μm者。线圈3与磁导线2之间的间隔优选为3μm以下。线圈的平均内径优选为10～35μm。

<元件的制造方法>

参考图2，对元件的制造方法进行说明。

沿着形成在基板10上的凹槽11，在下线圈31和基板面上进行电极布线。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，并将两根包覆玻璃的磁导线21和22分别对齐配置在其中。接着，在基板的整个面上涂敷绝缘性抗蚀剂。这样磁导线21和22就被固定在凹槽11内。进行此涂覆时在磁导线21和22的上部较薄地涂敷。并利用光刻技术在此处形成上线圈32。

另外，在使用未包覆玻璃的磁导线2时，需要预先涂覆绝缘材料4，以使下线圈31与磁导线21和22不发生电接触。

在线圈的制造中，沿着形成在基板10上的凹槽11的凹槽面和凹槽11的两侧，形成凹形状的下线圈31。凸形状的上线圈32经由接头部33与下线圈电接合，形成螺旋状的线圈3。

对于两根磁导线21和22的端部，可以去除绝缘包膜的玻璃并通过金属蒸镀进行电连接。

<磁导线和线圈的布线结构>

磁导线2的布线结构如图1所示，导线输入电极(+)24与磁导线21的上部连接，磁导线21的下部经由导线连接部23与磁导线22的下部连接。磁导线22的上部与导线输出电极(-)25连接。通过该导线连接部23，磁导线21中可流动有从上部向下部的向下的脉冲电流，而在磁导线22中可流动有从下部向上部的向上(与磁导线21方向相反)的脉冲电流。

线圈3的布线结构如图1所示，线圈输出电极(+)33与线圈3的下端部连接，线圈3的上端部与线圈接地电极(-)34连接。

<电子电路>

电子电路5由发送脉冲电流的脉冲发送电路51、输入线圈电压的输入电路53、脉冲对应型缓冲电路54、由对线圈电压的输出波形的峰值电压进行检波的电子开关56和保持峰值电压的容量为4～100pF的电容器构成的采样保持电路构成，并通过放大器58的可编程放大器进行放大，并进行AD转换。

此外，其连接有用于输出电子电路5的线圈电压的GSR传感器元件。

脉冲电流的转换频率为0.2～4GHz，脉冲电流的强度为50～200mA，脉冲时间为0～2nsec。图4示出了对GSR传感器元件接通脉冲电流时的通电时间推移与脉冲电流施加之间的关系。在该图4的示例中，通电开始后，上升0.5nsec，并在该施加状态下保持0.5nsec的预定脉冲时间，通电中断后，下降0.5nsec。

<线圈电压的波形>

图5示出了接通上述脉冲电流时的线圈电压的波形图。

在本发明中，对峰值电压的定时进行检波。电子开关的动作由开-闭(on-off)构成，其开闭的时间间隔为0.1～1.5nsec，这样反复进行。

采样保持电路的电容为4～100pF，电子电路的AD转换为14～16位。另外，为了使电子开关的开-闭变得精细，电容器的容量优选为4～8pF。

如图6所示，线圈输出以正弦波输出，测量范围为3～100G，并且其灵敏度为50mG/G～3V/G。线性度为0.3％以下。

实施例

图1中示出了本实施例提供的GSR传感器元件的平面图，图2中示出了其剖视图。图5中示出了电子电路。本发明的GSR传感器由GSR传感器元件1、使脉冲电流在磁导线2中流动的单元、检测脉冲电流流动时所产生的线圈电压的电路以及将线圈电压转换为外部磁场H的单元构成，其中，该GSR传感器元件1由两根磁导线(21和22)、将两根磁导线一并围绕的1个线圈3、以及两个导线通电用电极(24和25)和线圈电压检测用电极(33和34)构成。外部磁场H与线圈电压以公式(1)所示的数学关系来表示。

元件1的尺寸，长度为0.12mm，宽度为0.20mm，基板10的凹槽11的宽度为40μm，深度为8μm。导线间隔为3μm。

磁导线(21和22)为直径10μm的CoFeSiB非晶合金、包覆有厚度为1μm以下的玻璃、且长度为0.12mm的导线。

各向异性磁场为15G。

线圈3的线圈节距为5μm，匝数为14圈，线圈3的平均内径为30μm，线圈3与磁导线2之间的间隔为2μm。

元件的结构如图2所示，将包覆有玻璃的磁导线(21和22)的直径一半左右埋设于形成在基板10上的凹槽11中，在凹槽11的内面配置下线圈31，在磁导线的上部配置上线圈32，在两者之间用绝缘树脂固定并在基板平面上通过接头部33进行接合。

线圈3的两端部，与线圈电极之间分别通过导电性金属蒸镀膜设置电连接部。

磁导线2与电极在去除磁导线端部的上面部的玻璃包覆材料后，通过导电金属蒸镀膜在去除包覆的导线表面与电极之间设置电接合部。

并且，两根磁导线21与磁导线22之间的连接部23也通过相同的处理进行电连接。

将GSR传感器元件1安装在电子电路5上，并从脉冲发送电路51以1GHz的转换频率、120mA的脉冲电流强度、0.8nnsec的脉冲宽度施加电流。此时的电子开关的开-闭(on-off)间隔为0.2nsec。采样保持电路的电容为6pF。

通过AD转换获得16位。并且，正弦波输出在测量范围90G内，可以得到200mV的灵敏度。此时的功耗为0.3mW，获得0.2％的线性度。

产业上的可利用性

本发明实现了GSR传感器的进一步高灵敏度化和低功耗化，其在诸如生物体内导入装置等要求超小型、高性能的用途中的使用值得期望。

【附图标记说明】

1：GSR传感器元件，10：基板，11：凹槽，

2：磁导线，21：两根磁导线中的一根，22：两根磁导线中的另一根，23：导线连接部，24：导线输入电极(+)，25：导线输出电极(-)，3：线圈，31：下线圈，32：上线圈，33：接头部，34：线圈输出电极(+)，35：线圈接地电极(-)，

4：绝缘树脂，41：绝缘分离壁，

5：电子电路，51：脉冲发送电路，52：GSR传感器元件，53：输入侧电路，54：缓冲电路，55：采样保持电路，56：电子开关，57：电容器，58：放大器。

Claims (3)

1.一种超灵敏微磁传感器，其包括：

磁场检测元件，其通过在基板上靠近配置两根具有导电性的磁场检测用磁导线，并设置将所述两根磁导线一并卷绕的环绕线圈、两个导线通电用电极和两个线圈电压检测用电极而形成；以及使脉冲电流流过所述磁导线的单元、对脉冲电流在所述两根磁导线中向相反方向流动时所产生的线圈电压进行检测的电路、将线圈电压转换成外部磁场H的单元，其特征在于，

所述磁导线具有20G以下的各向异性磁场，并具有两相磁畴结构，该两相磁畴结构由具有周向自旋排列的表面磁畴和具有轴向自旋排列的中央部芯磁畴构成；

向所述磁导线通电的脉冲电流，其频率为0.2GHz～4.0GHz，且电流强度设置为，不低于在该导线表面上产生各向异性磁场1.5倍以上的圆周方向磁场所需的电流强度；

所述线圈的线圈节距为10μm以下。

2.根据权利要求1所述的超灵敏微磁传感器，其特征在于，

通过对所述磁导线施加所述脉冲电流，利用所述表面磁畴内的导线轴向的磁场，使在轴向上倾斜的圆周方向自旋超高速地一齐旋转，仅取出由此时产生的超高速自旋现象引起的所述导线在轴向上的磁化变化作为线圈输出，并使用关系式(1)转换为磁场H，

Vs＝Vo·2L·πD·p·Nc·f·sin(πH/2Hm) (1)

其中，Vs为线圈输出电压，Vo为比例常数、而作为控制因子常数，L为导线的长度，D为导线的直径，p为脉冲电流的趋肤深度，Nc为线圈的匝数，f为脉冲频率，Hm为线圈输出电压取最大值时的外部磁场强度。

3.根据权利要求1所述的超灵敏微磁传感器，其特征在于，

电子电路由发送脉冲电流的脉冲发送电路、输入线圈电压的输入电路、脉冲对应型缓冲电路以及采样保持电路构成，且通过可编程放大器放大，并连接到执行AD转换的电子电路，所述采样保持电路由对线圈电压的输出波形的峰值电压进行检波的电子开关和存储峰值电压的容量为4～100pF的电容器构成。

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