CN114487948A - 磁传感器 - Google Patents

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利根川翔
坂胁彰
渡边恭成
远藤大三
野口智之
宫本裕太
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Abstract

本发明涉及磁传感器。本发明的课题为：在利用了磁阻抗效应的磁传感器中，与感应元件的短边方向的宽度从长边方向的一端至另一端相等的情况相比，使灵敏度提高。本发明的解决手段为：磁传感器具备非磁性的基板、和设置于前述基板上且由软磁体形成的感应元件，所述感应元件具有长边方向和短边方向，在与该长边方向交叉的方向上具有单轴磁各向异性，该长边方向的中央部的宽度小于该长边方向的两端部，所述感应元件通过磁阻抗效应来感应磁场。

Description

磁传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器。
背景技术
作为公报中记载的现有技术，存在下述磁阻抗效应元件，其具备被赋予了单轴各向异性的、由多个软磁体膜形成的感磁部(参见专利文献1)。该磁阻抗效应元件的感磁部具有短边方向的宽度从长边方向的一端至另一端相等的长方形形状。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-249406号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在具备具有长边方向和短边方向、并且通过磁阻抗效应来感应磁场的感应元件的磁传感器中，感应元件的短边方向的宽度从长边方向的一端至另一端相等的情况下，有时灵敏度变得不足。
本发明的目的在于，在利用了磁阻抗效应的磁传感器中，与感应元件的短边方向的宽度从长边方向的一端至另一端相等的情况相比，使灵敏度提高。
用于解决课题的手段
应用了本发明的磁传感器具备非磁性的基板、和设置于前述基板上且由软磁体形成的感应元件，所述感应元件具有长边方向和短边方向，在与该长边方向交叉的方向上具有单轴磁各向异性，该长边方向的中央部的宽度小于该长边方向的两端部，所述感应元件通过磁阻抗效应来感应磁场。
另外，其特征可以在于，前述感应元件的前述短边方向的宽度从前述长边方向的两端部至该长边方向的中央部连续地变小。
另外，其特征可以在于，具备：在前述短边方向上隔开间隙地排列的多个前述感应元件；和连接部，其将在前述短边方向上相邻的前述感应元件的前述长边方向的端部连接，随着沿该长边方向靠近该感应元件，所述连接部的该短边方向的宽度变窄。
另外，其特征可以在于，前述长边方向的两端部处的前述感应元件的宽度、与该长边方向的中央部处的该感应元件的宽度的比率在100：60～100：90的范围内。
发明的效果
根据本发明，在利用了磁阻抗效应的磁传感器中，与感应元件的短边方向的宽度从长边方向的一端至另一端相等的情况相比，能够使灵敏度提高。
附图说明
[图1]为对应用了本实施方式的磁传感器的一例进行说明的图。
[图2]为对应用了本实施方式的磁传感器的一例进行说明的图。
[图3]为图1中的III部的放大图。
[图4]为示出了磁传感器及现有磁传感器中的感应元件的形状、和磁传感器及现有磁传感器的感应元件中的磁场强度的图。
[图5](a)～(b)为针对本实施方式的磁传感器及现有磁传感器来说明在感应元件的长边方向上施加的磁场与感应部的阻抗的关系的图。
[图6](a)～(e)为对磁传感器的制造方法的一例进行说明的图。
附图标记说明
1…磁传感器，20…薄膜磁铁，30…感应部，31…感应元件，31a、31b…长边部，32…连接部，33…端子部，40、40a、40b…磁轭，101…密合层，102…控制层，103…硬磁体层，104…电介质层，105…软磁体层，105a…下层软磁体层，105b…上层软磁体层，106…高导电层，321…延伸部，322…锥形部
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1及图2为对应用了本实施方式的磁传感器1的一例进行说明的图。图1为俯视图，图2为沿图1中的II-II线的截面图。
如图2所示，应用了本实施方式的磁传感器1具备：薄膜磁铁20，其设置于非磁性的基板10上，由硬磁体(硬磁体层103)构成；和感应部30，其与薄膜磁铁20相对地层叠，由软磁体(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)及导电性比软磁体层105高的导电体层(高导电层106)构成，并且对磁场进行感应。以下的说明中，在不将两层软磁体层(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)分别区分开的情况下，简记为软磁体层105。需要说明的是，关于磁传感器1的截面结构，在后文中进行详述。
此处，硬磁体为所谓的矫顽力大的材料，即，若被外部磁场磁化，则即使去除外部磁场也保持被磁化了的状态。另一方面，软磁体为所谓的矫顽力小的材料，即，容易被外部磁场磁化，但若去除外部磁场，则会迅速恢复到没有磁化或磁化小的状态。
需要说明的是，本说明书中，将构成磁传感器1的要素(薄膜磁铁20等)用两位数表示，将被加工成要素的层(硬磁体层103等)用100系列的数字表示。而且，对于要素的数字，将被加工成要素的层的编号记载在()内。例如薄膜磁铁20的情况下，记载为薄膜磁铁20(硬磁体层103)。图中，记载为20(103)。其他情况也是同样的。
通过图1，对磁传感器1的平面结构进行说明。作为一例，磁传感器1具有四边形的平面形状。此处，对形成于磁传感器1的最上部的感应部30及磁轭40进行说明。感应部30具备：平面形状为具有长边方向和短边方向的长条状的多个感应元件31；将相邻的感应元件31以曲折状串联连接的连接部32；和连接用于供给电流的电线的端子部33。此处，8个感应元件31以长边方向并列的方式、在短边方向上隔开间隙地配置。另外，本实施方式的磁传感器1中，感应元件31为磁阻抗效应元件。
连接部32设置于相邻的感应元件31的长边方向的端部间，将相邻的感应元件31以曲折状串联连接。图1所示的磁传感器1中，并列地配置有8个感应元件31，因此连接部32为7个。
需要说明的是，关于感应元件31及连接部32的平面形状，在后面的段落中详细说明。
端子部33分别设置在未被连接部32连接的感应元件31的2个端部。端子部33具备从感应元件31引出的引出部、和将供给电流的电线连接的焊盘部。引出部是为了在感应元件31的短边方向设置2个焊盘部而配备的。也可以以不设置引出部地将焊盘部连接于感应元件31的方式设置。焊盘部为能将电线连接的大小即可。需要说明的是，感应元件31为8个，因此2个端子部33在图1中设置于右侧。感应元件31的数量为奇数的情况下，将2个端子部33分为左右地进行设置即可。
而且，感应部30的感应元件31、连接部32及端子部33由两层软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)和高导电层106一体地构成。软磁体层105及高导电层106是导电性的，因此能够使电流从一个端子部33流向另一端子部33。
需要说明的是，感应元件31的长度、宽度、并列的个数等上述的数值为一例，可以根据感应(测量)的磁场的值、使用的软磁体材料等而进行变更。
此外，磁传感器1具备与感应元件31的长边方向的端部相对地设置的磁轭40。此处，具备与感应元件31的长边方向的两端部相对地分别设置的2个磁轭40a、40b。需要说明的是，在不将磁轭40a、40b分别区分开的情况下，记载为磁轭40。磁轭40将磁感线诱导至感应元件31的长边方向的端部。因此，磁轭40包含磁感线容易透过的软磁体(软磁体层105)而构成。该例子中，感应部30及磁轭40由两层软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)和高导电层106构成。需要说明的是，磁感线在感应元件31的长边方向上充分透过的情况下，可以不具备磁轭40。
根据以上内容，磁传感器1的大小在平面形状下为数mm见方。需要说明的是，磁传感器1的大小也可以为其他值。
接下来，参照图2，对磁传感器1的截面结构进行详述。磁传感器1是在非磁性的基板10上依次层叠密合层101、控制层102、由硬磁体层103形成的薄膜磁铁20、电介质层104、由软磁体层105和高导电层106形成的感应部30及磁轭40而构成的。
基板10为由非磁体形成的基板，例如可举出玻璃、蓝宝石这样的氧化物基板、硅等半导体基板、或铝、不锈钢、实施了镍磷镀覆的金属等金属基板等。
密合层101为用于提高控制层102与基板10的密合性的层。作为密合层101，使用包含Cr或Ni的合金为宜。作为包含Cr或Ni的合金，可举出CrTi、CrTa、NiTa等。密合层101的厚度例如为5nm～50nm。需要说明的是，若控制层102与基板10的密合性没有问题，则不必设置密合层101。需要说明的是，本说明书中，未示出包含Cr或Ni的合金的组成比。以下同样。
控制层102为进行控制以使由硬磁体层103构成的薄膜磁铁20的磁各向异性在膜的面内方向容易呈现的层。作为控制层102，使用Cr、Mo或W或者包含它们的合金(以下，记载为构成控制层102的包含Cr等的合金)为宜。作为构成控制层102的包含Cr等的合金，可举出CrTi、CrMo、CrV、CrW等。控制层102的厚度例如为10nm～300nm。
构成薄膜磁铁20的硬磁体层103使用以Co为主成分、且包含Cr或Pt中的任一者或两者的合金(以下，记载为构成薄膜磁铁20的Co合金)为宜。作为构成薄膜磁铁20的Co合金，可举出CoCrPt、CoCrTa、CoNiCr、CoCrPtB等。需要说明的是，也可以包含Fe。硬磁体层103的厚度例如为1μm～3μm。
构成控制层102的包含Cr等的合金具有bcc(body-centered cubic(体心立方晶格))结构。因此，构成薄膜磁铁20的硬磁体(硬磁体层103)宜为容易在由bcc结构的包含Cr等的合金构成的控制层102上进行晶体生长的hcp(hexagonal close-packed(六方最紧密堆积))结构。若使hcp结构的硬磁体层103在bcc结构上进行晶体生长，则hcp结构的c轴容易朝向面内进行取向。因此，由硬磁体层103构成的薄膜磁铁20容易在面内方向上具有磁各向异性。需要说明的是，硬磁体层103是由晶体取向不同的集合形成的多晶，各晶体在面内方向上具有磁各向异性。该磁各向异性来自晶体磁各向异性。
需要说明的是，为了促进构成控制层102的包含Cr等的合金及构成薄膜磁铁20的Co合金的晶体生长，将基板10加热至100℃～600℃为宜。通过该加热，构成控制层102的包含Cr等的合金容易进行晶体生长，具有hcp结构的硬磁体层103容易以在面内具有易磁化轴的方式进行晶体取向。即，容易对硬磁体层103的面内赋予磁各向异性。
电介质层104由非磁性的电介质构成，使薄膜磁铁20与感应部30之间电绝缘。作为构成电介质层104的电介质，可举出SiO2、Al2O3、TiO2等氧化物、或Si3N4、AlN等氮化物等。另外，电介质层104的厚度例如为0.1μm～30μm。
对于感应部30的感应元件31，沿着与长边方向交叉的方向、例如与长边方向正交的短边方向(即，感应元件31的宽度方向)赋予了单轴磁各向异性。需要说明的是，所谓与长边方向交叉的方向，相对于长边方向具有超过45°的角度即可。
作为构成感应部30的软磁体(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)，使用在以Co为主成分的合金中添加高熔点金属Nb、Ta、W等而成的非晶合金(以下，记载为构成感应部30的Co合金。)为宜。作为构成感应部30的Co合金，可举出CoNbZr、CoFeTa、CoWZr等。构成感应元件31的软磁体(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)的厚度例如分别为0.2μm～2μm。图2所示的例子中，下层软磁体层105a的厚度与上层软磁体层105b的厚度彼此相等，但也可以彼此不同。
需要说明的是，此处，利用相同的材料构成了感应部30的感应元件31、连接部32及端子部33，但也可以利用彼此不同的材料来构成它们。例如，可以在连接部32及端子部33中使用导电性比感应元件31高的材料。在该情况下，能够降低连接部32及端子部33中的电阻。
作为构成感应元件31的导电体(高导电层106)，优选使用导电性高的金属或合金，更优选使用导电性高且非磁性的金属或合金。具体而言，作为构成感应元件31的导电体(高导电层106)，使用铝、铜、银等金属为宜。构成感应元件31的导电体(高导电层106)的厚度例如为10nm～500nm。构成感应元件31的导电体(高导电层106)的厚度可以根据作为软磁体层105使用的构成感应元件31的Co合金、作为高导电层106使用的导电体的种类等而进行变更。
密合层101、控制层102、硬磁体层103、及电介质层104以平面形状成为四边形(参见图1)的方式进行了加工。并且，在露出的侧面中的两个相对的侧面中，薄膜磁铁20成为N极(图2中的(N))及S极(图2中的(S))。需要说明的是，将薄膜磁铁20的N极和S极连接的线朝向感应元件31的长边方向。此处，所谓朝向长边方向，是指将N极和S极连接的线与长边方向所成的角度小于45°。需要说明的是，将N极和S极连接的线与长边方向所成的角度越小越好。
磁传感器1中，从薄膜磁铁20的N极发出的磁感线先向磁传感器1的外部发出。然后，一部分磁感线介由磁轭40a透过感应元件31，并介由磁轭40b而再次向外部发出。然后，透过感应元件31的磁感线与未透过感应元件31的磁感线一同返回至薄膜磁铁20的S极。即，薄膜磁铁20在感应元件31的长边方向上施加磁场(后述的偏置磁场Hb)。
需要说明的是，将薄膜磁铁20的N极和S极合并记载为两磁极，在不将N极与S极区分开的情况下，记载为磁极。
需要说明的是，如图1所示，磁轭40(磁轭40a、40b)以从基板10的表面侧观察到的形状随着靠近感应部30而变窄的方式来构成。这是为了使磁场集中(将磁感线集中)于感应部30。即，增强感应部30中的磁场，实现灵敏度的进一步提高。需要说明的是，也可以不缩窄磁轭40(磁轭40a、40b)的与感应部30相对的部分的宽度。
此处，磁轭40(磁轭40a、40b)与感应部30的间隔例如为1μm～100μm即可。
接着，对感应元件31的平面形状进行详细说明。图3为图1中的III部的放大图。需要说明的是，图3所示的感应元件31的长边方向与短边方向的比率不一定准确。
多个感应元件31具有彼此等同的平面形状。各个感应元件31具备具有长边方向和短边方向的长条状的形状。另外，对于各个感应元件31而言，短边方向的宽度在长边方向的两端部和长边方向的中央部是不同的。需要说明的是，本实施方式的说明中，有时将感应元件31的短边方向的宽度简记为“感应元件31的宽度”等。
如图3所示，在本实施方式中，与长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1相比，长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2变小。具体而言，对于各个感应元件31而言，短边方向的宽度随着从长边方向的两端部朝向长边方向的中央部而连续地变小。
进一步附带说明的话，如图3所示，各个感应元件31具有沿长边方向延伸、且在短边方向上相对的2个长边部31a、31b。而且，各个感应元件31中，随着从长边方向的两端部朝向长边方向的中央部，2个长边部31a、31b彼此的间隔变窄。
该例子中，各个感应元件31的长边部31a具有以其与长边部31b的间隔从长边方向的一端至另一端连续地变化的方式向长边部31b侧凹陷这样的弯曲形状。同样地，各个感应元件31的长边部31b具有以其与长边部31a的间隔从长边方向的一端至另一端连续地变化的方式向长边部31a侧凹陷这样的弯曲形状。
各个感应元件31的长边方向的长度没有特别限定，例如为0.5mm～3mm左右。另外，各个感应元件31的短边方向的宽度(D1、D2)没有特别限定，例如为10μm～300μm左右。
在本实施方式中，虽然也根据感应元件31的长边方向的长度等而不同，但长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1、与长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2的比率(D1：D2)优选在100：60～100：90的范围内。相对于长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1而言，长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2过小的情况下，有时向感应部30供给电流时的电阻变高。另外，长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1与长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2近似的情况下，难以获得后述的提高灵敏度的效果。
接着，参照上述的图1及图3，对连接部32的平面形状进行详细说明。
如图3所示，各个连接部32具有沿短边方向延伸的延伸部321。此处，简称为短边方向或长边方向的情况下，是指感应元件31的短边方向或长边方向。另外，各个连接部32具有锥形部322，所述锥形部322从延伸部321沿长边方向延伸，并且将感应元件31的长边方向的端部与延伸部321连接。而且，连接部32利用延伸部321和2个锥形部322将在短边方向上排列的2个感应元件31中的长边方向的端部彼此连接。
延伸部321具有沿短边方向延伸的长条状的形状。而且，如图3所示，延伸部321相对于所连接的2个感应元件31而言在短边方向上突出。附带说明的话，延伸部321的短边方向的长度比将2个感应元件31的短边方向的宽度、与2个感应元件31彼此的短边方向的间隔加起来的长度更长。
另外，延伸部321的长边方向的宽度优选大于长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1。由此，与延伸部321的长边方向的宽度小于长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1的情况相比，向感应部30供给电流时的电阻变低。
锥形部322具有所谓的锥形形状，即，随着沿长边方向靠近感应元件31的端部，短边方向的宽度变窄。附带说明的话，锥形部322具有沿长边方向延伸的2个边部322a、322b。而且，锥形部322中，随着沿长边方向靠近感应元件31的端部，2个边部322a、322b彼此的间隔变窄。
另外，该例子中，锥形部322的各个边部322a、322b与长边方向所成的倾斜角θa、θb为135度。倾斜角θa、θb虽然也根据延伸部321的短边方向的长度、感应元件31的短边方向的宽度等而不同，但可以设为例如110度以上、150度以下的范围。
本实施方式的磁传感器1中，通过使连接部32具有锥形部322，从而容易将磁感线诱导至感应元件31的长边方向的端部。其结果是，在本实施方式的磁传感器1中，磁场集中于感应元件31，磁通密度变高。由此，与连接部32不具有锥形部322的情况相比，能够使磁传感器1的灵敏度提高。
(磁传感器1的作用)
接着，与感应元件31的形状与本实施方式的磁传感器1不同的现有磁传感器(以下，简记为现有磁传感器。)进行比较来说明本实施方式的磁传感器1的作用。
图4为示出磁传感器1(参见图1)及现有磁传感器中的感应元件31的形状、和磁传感器1及现有磁传感器的感应元件31中的磁场强度的图。图4中，将本实施方式的磁传感器1的感应元件31的形状及磁场强度作为“实施例”示出，将现有磁传感器的感应元件31的形状及磁场强度作为“比较例”示出。另外，图4中，对磁传感器1及现有磁传感器的感应元件31施加预先确定的大小的外部磁场的情况下，将感应元件31中的磁场强度以沿着长边方向的分布的形式示出。
此处，图4是通过使用了计算机的模拟而得到的。具体而言，对于具有图1～图3所示形状的本实施方式的磁传感器1，利用厚度为500μm的由Co85Nb12Zr3形成的两层软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)、和厚度为300nm的由Ag形成的高导电体层106构成了感应部30及磁轭40。
另外，实施例的磁传感器1中，使长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1为95μm，使长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2为65μm，使感应元件31的沿着长边方向的长度为2mm。需要说明的是，实施例的磁传感器1中，如图3等所示，感应元件31的长边部31a、31b具有弯曲形状，感应元件31的宽度从长边方向的一端至长边方向的另一端连续地变化。而且，针对感应元件31而沿长边方向施加10Oe的外部磁场的情况下，通过模拟而算出感应元件31中的磁场强度。
另外，对于现有磁传感器，使感应元件31的短边方向的宽度从长边方向的一端至另一端恒定为80μm，除此以外，使其与本实施方式的磁传感器1同样。而且，针对感应元件31施加10Oe的外部磁场的情况下，通过模拟而算出施加于感应元件31的磁场强度。
如图4所示，对于长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2比长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1小的本实施方式的磁传感器1而言，与感应元件31的宽度从长边方向的一端至另一端相等的现有磁传感器相比，感应元件31中的磁场强度在长边方向范围内变得均匀。
具体而言，现有磁传感器中，感应元件31的长边方向的两端部处的磁场强度与长边方向的中央部处的磁场强度相比极端地增大。与此相对，本实施方式的磁传感器1中，与现有磁传感器相比，在感应元件31的长边方向的两端部和长边方向的中央部处，磁场强度的差异变小。
接着，作为本实施方式的磁传感器1的作用，对于在感应部30中的感应元件31的长边方向上施加的磁场与感应部30的阻抗的关系，与现有磁传感器进行比较来说明。图5(a)～(b)为针对本实施方式的磁传感器1及现有磁传感器来说明在感应元件31的长边方向上施加的磁场与感应部30的阻抗的关系的图。需要说明的是，图5(b)为图5(a)中的VB部的放大图。
图5(a)～(b)中，横轴为磁场H，纵轴为阻抗Z。对于感应部30的阻抗Z而言，在2个端子部33之间流通高频电流来测定。图5(a)～(b)是针对本实施方式的磁传感器1及现有磁传感器，在感应部30的端子部33之间流通100MHz的高频电流而测定的。图5(a)～(b)中，将本实施方式的磁传感器1作为“实施例1”～“实施例4”示出，将现有磁传感器作为“比较例”示出。需要说明的是，在图5(a)～(b)中示出特性的实施例1～实施例4的磁传感器1的构成材料及形状除了感应元件31的宽度以外，与在图4中示出了特性的本实施方式的磁传感器1同样。另外，在图5(a)～(b)中示出特性的比较例的现有磁传感器的构成材料及形状与在图4中示出了特性的现有磁传感器同样。
对于实施例1～实施例4的磁传感器1而言，感应元件31的宽度(长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1及长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2)彼此不同。具体而言，实施例1的磁传感器1中，使长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1为85μm，使长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2为75μm。另外，实施例2的磁传感器1中，使长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1为90μm，使长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2为70μm。此外，实施例3的磁传感器1中，使长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1为95μm，使长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2为65μm。此外，实施例4的磁传感器1中，使长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1为100μm，使长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2为60μm。
如图5(a)～(b)所示，磁传感器1(及现有磁传感器)中，以磁场H为0的情况(H＝0)作为边界，随着磁场H的绝对值在正方向或负方向上变大，感应部30的阻抗Z发生增加、减少这样的变化。另外，相对于磁场H的变化而言的阻抗Z的变化量(即，曲线图的斜率)根据磁场H的大小而不同。
因此，若使用相对于施加的磁场H的变化量ΔH而言、阻抗Z的变化量ΔZ陡峭的部分(即，ΔZ/ΔH大的部分)，则能够以阻抗Z的变化量ΔZ的形式提取出磁场H的微弱变化。换言之，在磁传感器1中，针对感应元件31，利用薄膜磁铁20在感应元件31的长边方向上施加ΔZ/ΔH最大的磁场H(以下，有时记载为偏置磁场Hb。)，由此能够高精度地测定偏置磁场Hb的附近的磁场H的变化量ΔH。
需要说明的是，以下的说明中，有时将偏置磁场Hb中的曲线图的斜率ΔZ/ΔH(即，最大的ΔZ/ΔH)记载为Smax。另外，有时将阻抗Z取极大值的磁场H记载为各向异性磁场Hk。此外，有时将曲线图中的阻抗Z的最小值与最大值的差值(阻抗Z的变化量ΔZ的最大值)记载为变化量ΔZmax。
表1中，针对本实施方式(实施例1～实施例4)的磁传感器1及现有(比较例)的磁传感器，示出基于图5(a)～(b)所示的磁场H与感应部30的阻抗Z的关系而得到的各向异性磁场Hk、变化量ΔZmax及Smax(＝ΔZ/ΔH)的值。
[表1]
Figure BDA0003297579380000131
此处，在基于磁场H与阻抗Z的关系来测定磁场H的变化量ΔH的磁传感器1中，Smax越大，则灵敏度越高。另外，根据图5(a)～(b)所示的磁场H与阻抗Z的关系，各向异性磁场Hk越小、或者变化量ΔZmax越大，则有阻抗Z的变化量ΔZ变得越陡峭、Smax变得越大的趋势。即，磁传感器1中，各向异性磁场Hk越小、或者变化量ΔZmax越大，则灵敏度越提高，是越优选的。
如表1所示，实施例1～实施例4的磁传感器1中，与比较例的磁传感器相比，各向异性磁场Hk变小。另外，实施例1、2、4的磁传感器1中，与比较例的磁传感器相比，变化量ΔZmax变大。而且，实施例1～4的磁传感器1中，与比较例的磁传感器相比，Smax增加。
如上所述，本实施方式的磁传感器1中，通过使长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2比长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1小，从而磁场容易集中于感应元件31，磁场强度变得均匀。其结果是，本实施方式的磁传感器1中，与感应元件31的宽度从长边方向的一端至另一端恒定的情况相比，Smax增加，能够使灵敏度提高。
(磁传感器1的制造方法)
接下来，对磁传感器1的制造方法的一例进行说明。
图6(a)～(e)为对磁传感器1的制造方法的一例进行说明的图。图6(a)～(e)中示出磁传感器1的制造方法中的工序。而且，工序按图6(a)～(e)的顺序推进。图6(a)～(e)为代表性的工序，也可以包括其他工序。图6(a)～(e)与图2所示的沿图1的II-II线的截面图相对应。
如上所述，基板10为由非磁性材料形成的基板，例如为玻璃、蓝宝石这样的氧化物基板、硅等半导体基板、或铝、不锈钢、实施了镍磷镀覆等的金属等金属基板。可以使用研磨机等在基板10上设置例如曲率半径Ra为0.1nm～100nm的条纹状的槽或条纹状的凹凸。需要说明的是，对于该条纹状的槽或条纹状的凹凸的条纹方向而言，沿将由硬磁体层103构成的薄膜磁铁20的N极和S极连接的方向设置为宜。通过这样的方式，可沿槽的方向促进硬磁体层103中的晶体生长。因此，由硬磁体层103构成的薄膜磁铁20的易磁化轴更容易朝向槽方向(将薄膜磁铁20的N极和S极连接的方向)。即，使薄膜磁铁20的充磁更容易。
此处，基板10以直径约95mm、厚度约0.5mm的玻璃作为一例进行说明。磁传感器1的平面形状为数mm见方的情况下，在基板10上一并制造多个磁传感器1，然后分割(切断)为各个磁传感器1。图6(a)～(e)中，着眼于记载在中央的一个磁传感器1，但将左右相邻的磁传感器1的一部分一并示出。需要说明的是，将相邻的磁传感器1间的边界用点划线表示。
如图6(a)所示，在清洗基板10之后，在基板10的一个面(以下记载为表面。)上，依次将密合层101、控制层102、硬磁体层103及电介质层104成膜(堆积)，形成层叠体。
首先，将作为包含Cr或Ni的合金的密合层101、作为包含Cr等的合金的控制层102、及作为构成薄膜磁铁20的Co合金的硬磁体层103依次连续地成膜(堆积)。该成膜可以利用溅射法等来进行。以依次与由各种材料形成的多个靶相面对的方式使基板10移动，由此在基板10上依次层叠密合层101、控制层102及硬磁体层103。如前文所述，在控制层102及硬磁体层103的形成中，为了促进晶体生长，将基板10加热至例如100℃～600℃为宜。
需要说明的是，在密合层101的成膜中，可以进行基板10的加热，也可以不进行基板10的加热。为了将吸附于基板10表面的水分等除去，可以在将密合层101成膜之前对基板10进行加热。
接下来，将作为SiO2、Al2O3、TiO2等氧化物、或Si3N4、AlN等氮化物等的电介质层104成膜(堆积)。电介质层104的成膜可以利用等离子体CVD法、反应性溅射法等来进行。
然后，如图6(b)所示，利用已知的光刻技术，形成以待形成感应部30的部分及待形成磁轭40(磁轭40a、40b)的部分为开口的基于光致抗蚀剂的图案(抗蚀剂图案)111。需要说明的是，在本实施方式中，通过控制抗蚀剂图案111的形状，能够实现上述的感应元件31及连接部32的平面形状。
然后，如图6(c)所示，将作为构成感应部30的Co合金的下层软磁体层105a、作为导电性比软磁体层105高的导电体的高导电层106、及作为构成感应元件31的Co合金的上层软磁体层105b依次成膜(堆积)。软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)及高导电层106的成膜可以利用例如溅射法来进行。
如图6(d)所示，在将抗蚀剂图案111除去的同时，将抗蚀剂图案111上的软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)及高导电层106除去(剥离)。由此，形成由软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)及高导电层106构成的感应部30及磁轭40(磁轭40a、40b)。即，感应部30和磁轭40通过软磁体层105及高导电层106的成膜而同时形成。
然后，针对软磁体层105，在感应部30的感应元件31(参见图2)的短边方向上赋予单轴磁各向异性。针对该软磁体层105的单轴磁各向异性的赋予可以通过例如3kG(0.3T)的旋转磁场中的400℃下的热处理(旋转磁场中热处理)、和继其之后的3kG(0.3T)的静磁场中的400℃下的热处理(静磁场中热处理)来进行。此时，也对构成磁轭40的软磁体层105赋予同样的单轴磁各向异性。但是，磁轭40只要发挥作为磁路的作用即可，也可以不赋予单轴磁各向异性。
接下来，对构成薄膜磁铁20的硬磁体层103进行充磁。对硬磁体层103的充磁可以通过下述方式进行：在静磁场中或脉冲状的磁场中，施加比硬磁体层103的矫顽力大的磁场直至硬磁体层103的磁化饱和为止。
然后，如图6(e)所示，将形成于基板10上的多个磁传感器1分割(切断)成各个磁传感器1。即，如图1的俯视图所示，以平面形状成为四边形的方式，将基板10、密合层101、控制层102、硬磁体层103、电介质层104、软磁体层105及高导电层106切断。于是，在被分割(切断)的硬磁体层103的侧面露出薄膜磁铁20的磁极(N极及S极)。这样，经充磁的硬磁体层103成为薄膜磁铁20。该分割(切断)可以利用划片法、激光切割法等来进行。
需要说明的是，可以在图6(e)的将多个磁传感器1分割成各个磁传感器1的工序之前，在基板10上将相邻的磁传感器1之间的密合层101、控制层102、硬磁体层103、电介质层104、软磁体层105及高导电层106蚀刻除去，以使得平面形状成为四边形(图1所示的磁传感器1的平面形状)。而且，也可以将露出的基板10分割(切断)。
另外，可以在图6(a)的形成层叠体的工序之后，对密合层101、控制层102、硬磁体层103、电介质层104进行加工，以使得平面形状成为四边形(图1所示的磁传感器1的平面形状)。
需要说明的是，与这些制造方法相比，图6(a)～(e)所示的制造方法的工序被简化。
通过上述方式制造磁传感器1。需要说明的是，就针对软磁体层105的单轴磁各向异性的赋予及/或薄膜磁铁20的充磁而言，可以在图6(e)的将磁传感器1分割成各个磁传感器1的工序之后，针对每个磁传感器1或多个磁传感器1来进行。
需要说明的是，不具备控制层102的情况下，必须在将硬磁体层103成膜之后通过加热至800℃以上而使晶体生长，由此对面内赋予磁各向异性。但是，如应用了本实施方式的磁传感器1那样具备控制层102的情况下，由于通过控制层102可促进晶体生长，因此不需要基于800℃以上这样的高温的晶体生长。
另外，就针对感应元件31的单轴磁各向异性的赋予而言，可以在作为构成感应部30的Co合金的软磁体层105的堆积时利用磁控溅射法来进行，以代替通过上述的旋转磁场中热处理及静磁场中热处理来进行。磁控溅射法中，使用磁铁(磁石)来形成磁场，将通过放电产生的电子封闭在靶的表面。由此，使电子与气体的碰撞概率增加，从而促进气体的电离，提高膜的堆积速度。通过该磁控溅射法中使用的磁铁(磁石)所形成的磁场，在软磁体层105的堆积的同时，对软磁体层105赋予单轴磁各向异性。通过这样的方式，可以省略通过旋转磁场中热处理及静磁场中热处理进行的赋予单轴磁各向异性的工序。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但只要不违反本发明的主旨，则也可以进行各种变形。
上述的磁传感器1中，以感应元件31的宽度从长边方向的一端至另一端连续地变化的方式，感应元件31的长边部31a、31b具有弯曲的形状，但不限于此。例如，只要长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2比长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1小，则也可以是感应元件31的宽度从长边方向的一端朝向中央直线性地变化、感应元件31的长边部31a、31b在中央部处折弯的形状。
另外，上述的磁传感器1中，在多个感应元件31的全部中，与长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1相比，长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2变小，但不限于此。磁传感器1具有多个感应元件31的情况下，在至少1个感应元件31中，长边方向的中央部处的感应元件31的宽度D2比长边方向的两端部处的感应元件31的宽度D1小即可。
此外，上述的磁传感器1中，连接部32具有短边方向的宽度随着沿长边方向靠近感应元件31的端部而变窄的锥形部322，但不限于此。连接部32例如也可以不具有锥形部322，而仅由沿短边方向延伸的矩形的延伸部321构成。
但是，从使感应元件31中的磁通密度高、提高灵敏度的观点考虑，连接部32优选具有锥形部322。
此外，上述的磁传感器1中，感应部30的感应元件31、连接部32及端子部33由两层软磁体层105(下层软磁体层105a、上层软磁体层105b)和高导电层106构成，但不限于此。感应部30的感应元件31、连接部32或端子部33例如也可以由一层软磁体层构成。

Claims (4)

1.磁传感器，其具备：
非磁性的基板；和
设置于所述基板上且由软磁体形成的感应元件，所述感应元件具有长边方向和短边方向，在与该长边方向交叉的方向上具有单轴磁各向异性，该长边方向的中央部的宽度小于该长边方向的两端部，所述感应元件通过磁阻抗效应来感应磁场。
2.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述感应元件的所述短边方向的宽度从所述长边方向的两端部至该长边方向的中央部连续地变小。
3.如权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，具备：
在所述短边方向上隔开间隙地排列的多个所述感应元件；和
连接部，其将在所述短边方向上相邻的所述感应元件的所述长边方向的端部连接，随着沿该长边方向靠近该感应元件，所述连接部的该短边方向的宽度变窄。
4.如权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其特征在于，所述长边方向的两端部处的所述感应元件的宽度、与该长边方向的中央部处的该感应元件的宽度的比率在100：60～100：90的范围内。
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