JP2004150994A

JP2004150994A - Magnetic impedance sensor chip and magnetometric sensor element using it

Info

Publication number: JP2004150994A
Application number: JP2002317787A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsuki; 隆大槻
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP4204303B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide inexpensive and highly-reliable magnetic impedance sensor chip wherein a magnetic substance pattern is stably connected to a conductor pattern, and a magnetometric sensor element using it. <P>SOLUTION: In this magnetic impedance sensor chip, magnetic detection is performed by utilizing an impedance change caused by an influence of a magnetic domain structure and a magnetization distribution exerted on a magnetic permeability of a magnetic substance membrane resulting from application of an external magnetic field to the magnetic substance pattern 2. In the sensor chip, a plurality of magnetic substance patterns 2 are arranged in long and narrow oblong shapes, and the ends thereof are connected by the nonmagnetic conductor patterns 3, and the magnetic substance patterns 2 are connected in series by the conductor patterns 3, and a part other than an electrode 4 where a pattern which is the nonmagnetic conductor pattern 3 extended up to the electrode from the first magnetic substance pattern 2 and the terminal part of the last magnetic substance pattern 2 is formed on a flat dielectric substrate 1 is coated by an insulating film, and the sectional shape of the magnetic substance pattern 2 is an approximately trapezoid shape having skirts toward the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として家電機器、情報端末、産業機器等に使用されるのに好適な、高感度・高精度に磁気を検出する磁気センサ素子であって、特にインピーダンス変化を利用した磁気インピーダンスセンサチップ及びそれを用いた磁気センサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインピーダンス変化を利用した磁気インピーダンスセンサチップを用いた磁気センサ素子について説明する。ここで、磁気インピーダンス効果は、以下のような現象である。図１９に示すような細長い磁性体の幅方向に磁化容易軸を持つ軟磁性体の両端に高周波電圧を印加して、磁性体に流れる高周波電流が磁性体の幅方向に磁場を発生させる。軟磁性体の幅方向の透磁率により、透磁率が高ければ高周波電流の自己インダクタンスは磁性体の中心に向かうほど大きくなる表皮効果により、表面付近のみ電流が流れるようになる。高周波電流分布の表皮深さδは、抵抗率をρ、周波数をｆ、磁性体幅方向の透磁率をμとすると、以下の式（１）で与えられる。
【０００３】
δ＝［２πρ／（ｆ・μ）］^１／２・・・・・・（１）
【０００４】
磁性体表面より深さｔでは、インピーダンスＺは直流抵抗をＲとすると、以下の式（２）で与えられる。
【０００５】
Ｚ＝Ｒ・ｅｘｐ（ｔ／δ）・・・・・・・・・・（２）
【０００６】
磁性体の幅方向の透磁率μは、低い透磁率となる。その理由は、図２０に示すように、無磁場中では磁性体幅方向に磁化が向いており、ＭＨｚ帯域以上の高周波では磁壁移動による磁化反転が起こりにくいためである。
【０００７】
磁気異方性と同程度より、やや大きい磁場が磁性体長手方向に印加されると、図２１に示すように、磁性体長手方向にやや磁化が向いており、高周波電流の発生磁場に磁化の振動によって追従できるようになり、ＭＨｚ帯域以上の高周波でも磁性体幅方向で高い透磁率となる。
【０００８】
さらに強い磁場が磁性体長手方向に印加されると、図２２に示すように、磁化は磁性体長手方向に束縛されるようになるため、高周波電流の発生磁場に対する磁化の振動の振幅が小さくなり、磁性体の幅方向の透磁率が低下してゆく。
【０００９】
以上のように、磁性体幅方向の透磁率μが磁性体長手方向に印加する磁場により変化するため、表皮効果を介してインピーダンス変化として検出できるのが磁気インピーダンスセンサチップである。
【００１０】
汎用回路で実現できる高周波は数十ＭＨｚ程度である。また、軟磁性体の透磁率は数千程度である。そこから、式（１）より、磁気インピーダンス効果が出てくるのは１ミクロン以上の厚さとなる。また、汎用回路で発生できる電流は数ｍＡ程度であり、電圧振幅は数Ｖ必要である。このため、１００Ω以上のインピーダンスが磁気インピーダンスセンサチップには必要である。
【００１１】
一方、数ミクロンの磁性体をパターンとして作る場合、磁性体はガラスなどの誘電体基板の上にスパッタ装置で膜形成する方法が適しており、フォトレジストによりエッチングあるいはリフトオフすることによりミクロン単位でパターンを作製できる。磁性体の幅は、数１０ミクロン以下ではパターン端部の影響により特性が不安定となりやすい、このためインピーダンスが１００Ω以上必要なので磁性体の長さは５ｍｍ以上は必要となる。
【００１２】
磁性体の長さ５ｍｍでは、磁気センサ素子としては大きすぎるため、数回折り返したパターンとすることでチップを小型化してインピーダンスも所定のものとしている。折り返しパターンのパターン間隔は、１０ミクロン以下では隣り合う磁性体パターンが近接しすぎることで反磁場が増加する。パターン間隔が１００ミクロンを超えると、折り返し構造による小型化の利点が得られなくなる。
【００１３】
折り返しパターンは、折り返し部分が磁性体パターンで連続していると、折り返し部分で磁束の乱れが発生する。折り返し部分に磁性体を用いずに非磁性の導体膜により接続した構成は、同出願人により公開２０００−２０６２１７号公報にて公開されている。
【００１４】
図２９は、１μｍ以下の非磁性片の導体膜によって磁性体パターンの折り返し部分を接合する製造方法の説明図である。また、図３０は、１μｍ以下の非磁性片の導体膜によって接続されている磁性体パターンの折り返し部分の説明図である。
【００１５】
磁性コアを非磁性片を用いずに、つづら折り形状の磁性体のみにより構成する構造も可能ではあるが、つづらの辺部が延びる方向に対して傾いた方向から外部磁場が印加され場合には、磁性片１４１のうち、つづらの折れ曲がり部分によって磁束が曲げられて、磁性片１４１全体に均一な磁場が印加されなくなるため、つづらの折れ曲がり部分を非磁性片１４２により形成することが好ましいとある。
【００１６】
図２３は、磁気インピーダンスセンサチップのインピーダンス対外部磁場の特性図である。磁気インピーダンスセンサチップは、幅方向の透磁率変化によってインピーダンス変化するため、図２３に示すように、正負対称の特性となっている。微弱な磁場を検出するためには、インピーダンス変化するポイントまで一定磁場を加えておき、測定対象の磁場が加えられると、微少なものであってもインピーダンスは変化する。
【００１７】
一定磁場を得るには、コイルに電流を通電するか、マグネットを用いる方法があるが、測定磁場零でインピーダンスが安定するにはコイルに一定電流を通電する方が望ましい。同出願人により公開２０００−２０６２１７号公報にて公開されている構成では、渦巻き状の導体薄膜パターンを絶縁層を介して形成している。
【００１８】
図２４は、１軸の磁気検出方向を持つ磁気センサ素子の一例である。磁気インピーダンスチップ２０は、ガラスなどの誘電体基板の上に折り返し構造を持つ磁性コア２２と、磁性コア２２の両極には電極パッド４２があり、半田付けによりプリント基板１１側の電極４１と電気的に接続する。さらに、巻線することで一定磁場を印加できる。通電電流１０ｍＡでの巻数と磁気バイアスの関係を図２５に示す。
【００１９】
さらに、検出軸を２軸あるいは３軸に増やす場合、２軸については前記１軸センサを２方向に配置する方法が取られる。図２６は、プリント基板面に対して３５度の斜めの磁性体パターンを付けた磁気インピーダンスセンサチップの一例を示す図である。また、図２７は、図２６の磁気インピーダンスセンサチップを、３角柱に取り付けて形成した磁気センサ素子の例を示す図である。
【００２０】
３軸の場合、プリント基板に垂直方向に磁気センサ素子を立てる必要があるため、他の実装部品よりも背が高くなる問題があるため、図２６に示すように、プリント基板面に対して３５度の斜めの磁性体パターン２１ａを付けた磁気インピーダンスチップを、図２７に示すように、３角柱に取り付けて導電接着剤によりプリント基板と接続して巻線した丸形ボビンを被せてプリント基板と垂直な方向に磁気バイアスを加える構成となっている。図２８は、図２７の磁気センサ素子のコイルのボビンの通電電流１０ｍＡでの巻数と磁気バイアスの特性図である。なお、ボビンの内径寸法を６．５ｍｍ、外径寸法を７．５ｍｍ、高さを４ｍｍとした。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁気センサ素子では、巻線と磁気センサ素子との数ｍｍの間隔があり、漏洩磁場の影響が無視できない。図１７は、薄膜コイルからの磁場印加の特性図である。薄膜でバイアスコイルを形成するとコイルの発生磁場が数ミクロンの絶縁膜を介して印加されるため、間隔が小さすぎて図１７に示すように、不均一な磁場が印加されてしまう。このため、巻線の太さ：数十μｍ、薄膜巻線パターン：数十μｍであることから、数十〜数百μｍ程度の間隔にコイルが巻線されている必要がある。
【００２２】
検出軸が１軸の磁気センサ素子においては、磁気インピーダンスセンサチップが立てられており、素子とコイルの間に空間が空いており、巻線コイルからの距離も磁性体パターンの各々の部分で不均一である。また、検出軸が３軸の磁気センサでは、ボビンが丸形のために、三角柱に取り付けられた磁気インピーダンスセンサチップとの間に数ｍｍの、しかも不均一な間隔が空いているために、不均一な磁場が印加される。
【００２３】
また、検出軸が３軸の磁気センサ素子は、磁性体パターンが斜めのために形状が大きくなっている。さらに、磁性膜は膜厚が数ミクロン必要となるが、導体膜は抵抗率からは数千Å程度で充分だが、断線を避けるためには磁性膜の膜厚に近い膜厚が必要となる。
【００２４】
磁性体パターンは、イオンエッチング、化学エッチングあるいはリフトオフによって形成される。図４は、従来の磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンの断面図である。エッチング法は、残るパターン部をレジストで保護して残りに磁性膜が浸食されるため、磁性膜の断面は、図４に示すような垂直、あるいは化学エッチングの場合など、内側にえぐれた断面となる。
【００２５】
また、リフトオフでは、残すパターン以外の部分を、レジストパターンによって覆い磁性膜を形成する。この場合、パターン精度を上げるために、蒸着やスパッタ等では、蒸発した磁性粒子が基板面に垂直に付着するように条件設定を行って、図４の形状に近い断面形状としている。
【００２６】
図３０は、１μｍ以下の非磁性片の導体膜によって接続されている磁性体パターンの折り返し部分の説明図である。磁性膜は、ＭＩ特性を出すために、どうしても数μｍの膜厚が必要となり、図３０に示す１μｍ以下の導体膜によって接続されている磁性体パターンの折り返し部分では、磁性体パターン断面がほぼ垂直に切り立っているために断線不良が発生した。
【００２７】
従って、本発明の目的は、磁性体パターンと導体パターンとが、安定に接続され、かつ信頼性の高い、安価な磁気インピーダンスセンサチップとそれを用いた磁気センサ素子を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題に対して、本発明によれば、磁性薄膜パターンヘの外部磁場印加によって磁区構造及び磁化分布が磁性体薄膜の透磁率に影響を与えてインピーダンスが変化することを利用し、磁気検出を行う磁気センサ素子において、磁性体パターンが細長い長方形が複数並んでおり、端部が非磁性の導体パターンで接続されており、磁性体パターンは導体パターンにより直列に接続されており、最初の磁性体パターンと最後の磁性体パターンの終端部より非磁性の配線が電極まで出ているパターンが平板状の誘電体基板上に形成された電極部分以外は絶縁膜で被覆されており、磁性体パターンの断面形状は基板側に二つの平行な辺の長い方が配置されたほぼ台形の形状であることで解決している。
【００２９】
この構成によって、磁性体パターンの断面が台形となっていることで、導体膜によって磁性体パターンが接続されている部分での断線が起こりにくくなる。
【００３０】
また、本発明によれば、磁気インピーダンスセンサチップにおいて、磁性体パターンの長手方向が磁気検出方向としてプリント基板平面と約３５度の成す角をもっており、正三角柱がプリント基板に立っており、正三角柱の各側面に磁気インピーダンスセンサチップがパターン面を外側に固定されており、プリント基板電極と互いに導電体を介して接続されており、正三角形の各頂点の角が取れた六角形をした巻き枠を持つ巻線したボビンを被せており、三角柱の頂点と巻線ボビンの内側が近接することで解決している。
【００３１】
巻線コイルが従来よりもパターン面に近接しており、しかも距離が一定であるために均一で高効率の磁気バイアスを加えることができる。
【００３２】
また、本発明によれば、磁気センサ素子のボビン下部に磁気インピーダンスの電極部とほぼ同じ高さの脚部があり、磁気インピーダンスセンサチップ電極が露出することで解決している。
【００３３】
この構成により、従来よりも、より低背化が図れる。また、本発明によれば、磁気センサ素子において、磁気インピーダンスセンサチップの電極がプリント基板と対面する底部まで延長されており、底部の電極とプリント基板電極が導電体で接続されていることで解決している。
【００３４】
また、本発明によれば、磁気インピーダンスセンサチップにおいて、磁気インピーダンスセンサチップのパターン面はプリント基板と向かい合っており、プリント基板に電極が二つ磁気インピーダンスセンサチップの電極と対面する位置に形成されており、互いの電極が導電性物質で接続されていることで解決している。
【００３５】
この構成によって、パターン面がプリント基板側に向くためパターン面の保護するばかりでなく、磁気インピーダンスセンサチップ基板自体で保護するために従来よりも薄型となる。また、本発明によれば、磁気センサ素子のプリント基板において、磁気インピーダンスセンサチップのパターン部と対向する場所に渦巻き状の導体パターンが形成されていることで解決できる。
【００３６】
また、本発明によれば、磁気センサ素子において、渦巻き状の導体パターンが形成されたポリイミドフィルムが磁気インピーダンスセンサチップとプリント基板の間に挟まれていることで解決できる。
【００３７】
また、本発明によれば、磁気センサ素子のプリント基板と磁気インピーダンスセンサチップの外側に導線を巻線したことで解決できる。
【００３８】
また、本発明によれば、磁気センサ素子は、磁性体パターンの縁と磁気センサ基板の縁によって囲まれる空白部に一方の電極が配置され、もう一方の電極は磁性体パターンを介して反対側の空白部に形成されていることで解決できる。
【００３９】
また、本発明によれば、磁気センサ素子において、細長い略長方形の磁性体パターンの直流抵抗が５〜５０Ωの範囲内であり、導体パターン部分の直流抵抗が細長い略長方形の磁性体パターンの直流抵抗の５分の１以下であることで解決できる。
【００４０】
また、本発明によれば、磁気センサ素子において、前記略長方形の磁性体パターン同士の間隔が１０μｍ〜１００μｍであることで解決できる。
【００４１】
また、本発明によれば、磁気センサ素子において、前記磁性膜の組成はＣｏ７０−８５原子％であり、残りの組成はＮｂとＺｒであり、Ｎｂの原子％ＸとＺｒの原子％Ｙは、（Ｘ＝３０，Ｙ＝０），（Ｘ＝２３，Ｙ＝７），（Ｘ＝８，Ｙ＝７），（Ｘ＝１５，Ｙ＝０）の各点に囲まれた組成範囲にあり、好ましくは、（Ｘ＝２７，Ｙ＝３），（Ｘ＝２５，Ｙ＝５），（Ｘ＝１０，Ｙ＝５），（Ｘ＝１２，Ｙ＝３）の組成範囲あることで解決できる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップ及びそれを用いた磁気センサ素子について、以下に説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップの説明図である。ガラス等の基板１の上に細長い長方形の磁性体パターン２が複数並んでおり、導体パターン３により電気的に直列に接続されている。ここで、磁性体−導体の直列パターンの両端３ａ、３ｂは、それぞれ電極４に接続されている。
【００４４】
ここで、磁性体パターン２は、幅方向に磁場を印加して不活性化雰囲気中で熱処理を行うことで磁化容易軸が誘導される。磁性体−導体の直列パターンの両端３ａ、３ｂには、導体による電極パッドが形成され、電極部分パッド以外はレジスト、感光ポリイミド樹脂あるいは酸化珪素、ガラス、アルミナ等の絶縁保護膜で被覆して劣化を防止している。
【００４５】
図２は、本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップの磁性膜の組成の説明図である。磁性膜の組成は、Ｃｏ７０−８５原子％であり、残りの組成はＮｂとＺｒであり、Ｎｂの原子％ＸとＺｒの原子％Ｙは、図２中、（Ｘ＝３０，Ｙ＝０），（Ｘ＝２３，Ｙ＝７），（Ｘ＝８，Ｙ＝７），（Ｘ＝１５，Ｙ＝０）の各点に囲まれた組成範囲にあり、この範囲で磁歪が、ほぼ零となる。さらに、（Ｘ＝２７，Ｙ＝３），（Ｘ＝２５，Ｙ＝５），（Ｘ＝１０，Ｙ＝５），（Ｘ＝１２，Ｙ＝３）に囲まれた組成範囲で、磁歪がほぼ零か若干負となる軟磁気特性を示しており、保磁力は１０ｍＴを切るため、磁気インピーダンスセンサチップとして、より適した特性を持っている。
【００４６】
図３は、本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンの断面図である。図３に示すように、磁性体パターン２を形成する際にイオンエッチングや、リフトオフ法を用いることで順テーパー形状を作っている。ここで、順テーパー形状とは、台形状及び基板に裾野を引いた、ほぼ台形状をいう。
【００４７】
順テーパー形状とするには、レジスト厚さを磁性膜厚さの２倍以上にすることが重要である。リフトオフ法では、厚いレジストパターンに磁性膜を形成すると、厚いレジストの裾野で徐々に膜厚が薄くなってゆき裾引き形状となる。イオンエッチングでは、磁性膜上のレジストに斜めからイオンビームを入射してエッチングすることで台形の順テーパー形状が得られる。同図には導体パターン３も示されているが、順テーパー形状となっているため、導体パターン３が薄くてもパターン切れによる断線不良は起こらない。
【００４８】
図４は、従来の磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンの断面図である。従来では、例えばウエットエッチングなどにより形成された図４のような断面では、導体パターン３１の厚みをを厚くするしか断線を防ぐ方法がなく、膜形成に時間がかかるためコストアップとなる。さらに、絶縁保護膜を形成した場合、順テーパー形状の断面形状では、パターン全体を保護するのに必要な絶縁保護膜の膜厚が少なくてすむため、コスト削減となる。
【００４９】
図１８は、磁性体パターンの断線不良率と、順テーパー形状の領域幅との関係を示す図である。従来は、順テーパー形状の領域は、０．５μｍ以下で切り立っていたが、本発明では、２〜３μｍとすることで断線不良率がほとんど起こらなくなっている。
【００５０】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による磁気センサ素子の説明図である。図５の磁気センサ素子は、磁気インピーダンスセンサチップに磁気バイアス用の巻線コイル６と回路を形成している。
【００５１】
図６は、図５の磁気センサ素子の磁気サンサ部のＡＡ断面図である。磁気インピーダンスセンサチップのパターン面は、プリント基板面と対向しており、プリント基板の電極と磁気インピーダンスセンサチップの電極パッドは、半田付けあるいは導電性接着剤等の導電体で接続される。プリント基板電極８は、盛り上がっているため、磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンは圧迫されない。巻線コイル６を形成するには、プリント基板の端の出っ張りをガイドにして巻線を行えばよく、巻線は磁気インピーダンスセンサチップのパターン裏面にのみ当たり、特性に影響を与えることはない。
【００５２】
巻線コイル６は、シリコーン樹脂などにより被覆して断線を防ぐ。磁気インピーダンスセンサチップの基板を磁性体パターンの長手方向の長さの１／３以下の厚さ、すなわち２０〜９００μｍのものとすることで巻線コイル６との間に適切な空隙ができて、均一で高効率の磁気バイアスが印加できる。
【００５３】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３による磁気センサ素子の説明図である。図７の磁気センサ素子は、磁気インピーダンスセンサチップに磁気バイアス用の巻線と回路を形成している。
【００５４】
図８は、図７の磁気センサ素子での磁気センサ部のＢＢの断面図である。磁気インピーダンスセンサチップのパターン面は、プリント基板面と対向しており、プリント基板電極８ａと磁気インピーダンスセンサチップの電極パッドは、半田付けあるいは導電性接着剤等の導電体で接続される。プリント基板電極は、盛り上がっているため、磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンは圧迫されない。
【００５５】
コイルパターンは、渦巻き状にプリント基板上に形成されており、巻線よりも薄型となっている。渦巻きパターンの内側で図８のように裏面にスルーホールで引き出し線となっており、磁気バイアス用回路と接続されている。磁気インピーダンスセンサチップに対するプリント基板側電極も同様にスルーホールによる引き出し線が裏面にて検出回路と接続されている。
【００５６】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４による磁気センサ素子の説明図である。図９の磁気センサ素子は、磁気インピーダンスセンサチップに磁気バイアス用の巻線と回路を形成している。
【００５７】
図１０は、図９の磁気センサ素子での磁気センサ部のＣＣの断面図である。磁気インピーダンスセンサチップのパターン面は、プリント基板面と対向しており、プリント基板電極８ｂと磁気インピーダンスセンサチップの電極パッド７ｂは、半田付けあるいは導電性接着剤等の導電体で接続される。プリント基板電極は盛り上がっているため、磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンは圧迫されない。
【００５８】
図１１は、図９の磁気センサ素子に使用される渦巻き導体パターンを持つポリイミド系樹脂フィルムを示す図である。図１１の渦巻き導体パターンを持つポリイミド系樹脂フィルム１３がプリント基板と磁気インピーダンスセンサチップの間に挟まれて実装されている。ポリイミド系樹脂フィルム１３に渦巻きコイルパターン６ｂを形成することで、プリント基板上にパターン形成するよりも緻密な巻線が可能となる。
【００５９】
（実施の形態５）
図１２は、本発明の実施の形態５による磁気センサ素子の説明図である。また、図１３は、図１２の磁気センサ素子の磁気インピーダンスセンサチップのパターンの説明図である。図１３に示すように、磁性体パターン２ｂが５本並んでおり、端部が非磁性の導体パターン３ｂで接続されており、磁性体パターン２ｂは導体パターン３ｂにより直列に接続されており、磁性体パターン２ｂの長手方向が磁気検出方向としてプリント基板平面と約３５度の成す角をもっており、後は実施の形態１と同様に、最初の磁性体パターンと最後の磁性体パターンの終端部より非磁性の配線が電極まで出ているパターンが平板状の誘電体基板上に形成された電極部分以外は絶縁膜で被服されている。電極は磁性体パターンよりも下部に形成される。
【００６０】
磁性体パターンが斜めに傾くことで素子の低背化が図れ、同時に３つの磁気インピーダンスセンサチップを正三角柱の側面に取り付けることで、磁気検出軸が互いに直交しているため、３軸の磁気成分の検出が可能となる、さらに磁性体パターンの隙間に電極が入り込むことでチップの小型化が可能となりコストが削減できる。
【００６１】
図１２において、磁気バイアスを加える巻線ボビンは、内壁及び外壁が角の取れた正三角形をしており、正三角柱に取り付けられた磁気インピーダンスセンサチップ表面に内壁及び外壁がほぼ一定距離で、角は磁気インピーダンスセンサチップの取り付けられている正三角柱の頂点と近くなっており、ボビン底部よりも上面でより近くなっている。このような構成とすることで、巻線が磁気インピーダンスセンサチップの表面に一定距離で最も近接するため、磁気バイアス効率が最大となり、そのため消費電流が最小となり、一様な磁気バイアスとなるため磁気バイアスの不均一さによる感度低下が起こらない。
【００６２】
また、巻線ボビンの底部に脚があり、磁気インピーダンスセンサチップの電極部分は露出されていることでプリント基板電極との接合に半田や導電接着剤を用いた場合の盛り上がりを回避する構成となる。図１４は、従来例の丸形ボビンと本発明の三角ボビンの磁気バイアス効率と磁気感度を比較したものである。本発明で磁気バイアス効率が改善し、磁気感度も向上している。
【００６３】
（実施の形態６）
図１５は、本発明の実施の形態６による磁気センサ素子の説明図である。また、図１６は、図１５の磁気センサ素子の磁気インピーダンスセンサチップのパターンの説明図である。図１６に示すように、磁性体パターン２ｃが５本並んでおり、端部が非磁性の導体パターン３ｃで接続されており、磁性体パターン２ｃは導体パターン３ｃにより直列に接続されており、磁性体パターン２ｃの長手方向が磁気検出方向としてプリント基板平面と約３５度の成す角をもっている。後は実施の形態１と同様に、最初の磁性体パターンと最後の磁性体パターンの終端部より非磁性の配線が電極まで出ているパターンが平板状の誘電体基板上に形成された電極部分以外は絶縁膜で被覆されている。電極４ｃは磁性体パターンの縁と誘電体基板によって囲まれる空白部に一方の電極が配置され、もう一方の電極は、磁性体パターンを介して反対側の空白部に形成されている。
【００６４】
磁性体パターンが斜めに傾くことで素子の低背化が図れ、同時に３つの磁気インピーダンスセンサチップが正三角柱の側面を取り付けることで磁気検出軸が互いに直交しているため、３軸の磁気成分の検出が可能となる、さらに磁性体パターンの隙間に電極が入り込むことでチップの小型化が可能となりコストが削減できる。
【００６５】
磁気バイアスを加える巻線ボビンは、内壁及び外壁が角の取れた正三角形をしており、正三角柱に取り付けられた磁気インピーダンスセンサチップ表面に内壁及び外壁がほぼ一定距離で、角は磁気インピーダンスセンサチップの取り付けられている正三角柱の頂点と近くなっており、ボビン底部よりも上面でより近くなっている。このような構成とすることで、巻線が磁気インピーダンスセンサチップの表面に一定距離で最も近接するため、磁気バイアス効率が最大となり、そのため消費電流が最小となり、一様な磁気バイアスとなるため磁気バイアスの不均一さによる感度低下が起こらない。
【００６６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、磁性体パターンと導体パターンとが、安定に接続され、かつ信頼性の高い、安価な磁気インピーダンスセンサチップと、それを用いた磁気センサ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップの説明図。
【図２】本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップの磁性体の組成の説明図。
【図３】本発明の実施の形態による磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンの断面図。
【図４】従来の磁気インピーダンスセンサチップの磁性体パターンの断面図。
【図５】本発明の実施の形態２による磁気センサ素子の説明図。
【図６】図５の磁気センサ素子の磁気センサ部のＡＡ断面図。
【図７】本発明の実施の形態３による磁気センサ素子の説明図。
【図８】図７の磁気センサ素子の磁気センサ部のＢＢ断面図。
【図９】本発明の実施の形態４による磁気センサ素子の説明図。
【図１０】図９の磁気センサ素子での磁気センサ部のＣＣの断面図。
【図１１】図９の磁気センサ素子に使用される渦巻き導体パターンを持つポリイミド系樹脂フィルムを示す図。
【図１２】本発明の実施の形態５による磁気センサ素子の説明図。
【図１３】図１２の磁気センサ素子の磁気インピーダンスセンサチップのパターンの説明図。
【図１４】従来例の丸形ボビンと本発明の三角ボビンの磁気バイアス効率と磁気感度を比較した図。
【図１５】本発明の実施の形態６による磁気センサ素子の説明図。
【図１６】図１５の磁気センサ素子の磁気インピーダンスセンサチップのパターンの説明図。
【図１７】薄膜コイルからの磁場印加の特性図。
【図１８】磁性体パターンの断線不良率と、順テーパー領域幅との関係を示す図。
【図１９】１軸の磁気検出方向を持つ磁気センサ素子の一例を示す図。
【図２０】無磁場中での磁壁の説明図。
【図２１】磁気異方性と同程度よりやや大きい磁場が磁性体長手方向に印加された場合の磁壁の説明図。
【図２２】図２１の場合よりさらに強い磁場が磁性体長手方向に印加されるた場合の磁壁の説明図。
【図２３】磁気インピーダンスセンサチップのインピーダンス対外部磁場の特性図。
【図２４】１軸の磁気検出方向を持つ磁気センサ素子の一例を示す図。
【図２５】通電電流１０ｍＡでの巻数と磁気バイアスの関係の一例を示す図。
【図２６】プリント基板面に対して３５度の斜めの磁性体パターンを付けた磁気インピーダンスセンサチップの一例を示す図。
【図２７】図２６の磁気インピーダンスセンサチップを、３角柱に取り付けて形成した磁気センサ素子の例を示す図。
【図２８】図２７の磁気センサ素子のコイルでの、ボビン通電電流１０ｍＡでの巻数と磁気バイアスの特性図。
【図２９】１μｍ以下の非磁性片の導体膜によって磁性体パターンの折り返し部分を接合する製造方法の説明図。
【図３０】１μｍ以下の非磁性片の導体膜によって接続されている磁性体パターンの折り返し部分の説明図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ基板
１１，１１ａ，１１ｂプリント基板
２，２ａ，２ｂ，２１，２１ａ磁性体パターン
３，３ａ，３ｂ，３１導体パターン
３ａ，３ｂ両端
４，４ａ，４ｂ，４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ電極
５回路実装部
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６１，６１ａ巻線コイル
７，７ａ，７ｂセンサ電極
８，８ａ，８ｂプリント基板電極
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９１導電接着剤
１０，１０ａ磁気センサ部
１２スルホール
１３ポリイミドフイルム
１４，１４ａ絶縁保護膜
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ磁気インピーダンスセンサチップ
２２磁性コア
４２電極パット
４３半田
１１０ガラス基板
１２０ハード磁性膜
１３０，１６０，１８０層間絶縁膜
１４１磁性片
１４２非磁性片
１７０渦巻きコイル層
２００電極パット盛り上げ部
２１０保護膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is a magnetic sensor element for detecting magnetism with high sensitivity and high precision, which is suitable for use mainly in home appliances, information terminals, industrial equipment, and the like, and particularly a magnetic impedance sensor chip utilizing impedance change. And a magnetic sensor element using the same.
[0002]
[Prior art]
A conventional magnetic sensor element using a magnetic impedance sensor chip utilizing an impedance change will be described. Here, the magneto-impedance effect is the following phenomenon. A high-frequency voltage is applied to both ends of a soft magnetic material having an easy axis of magnetization in the width direction of an elongated magnetic material as shown in FIG. 19, and a high-frequency current flowing through the magnetic material generates a magnetic field in the width direction of the magnetic material. Due to the magnetic permeability in the width direction of the soft magnetic material, the self-inductance of the high-frequency current increases as the magnetic permeability increases toward the center of the magnetic material. The skin depth δ of the high-frequency current distribution is given by the following equation (1), where ρ is the resistivity, f is the frequency, and μ is the magnetic permeability in the width direction of the magnetic body.
[0003]
δ = [2πρ / (f · μ)] ^1/2 ... (1)
[0004]
At a depth t from the surface of the magnetic material, the impedance Z is given by the following equation (2), where R is the DC resistance.
[0005]
Z = R · exp (t / δ) (2)
[0006]
The magnetic permeability μ in the width direction of the magnetic body has a low magnetic permeability. The reason for this is that, as shown in FIG. 20, the magnetization is oriented in the width direction of the magnetic body in the absence of a magnetic field, and the magnetization reversal due to domain wall motion is unlikely to occur at a high frequency in the MHz band or higher.
[0007]
When a magnetic field slightly larger than the magnetic anisotropy is applied in the longitudinal direction of the magnetic body, the magnetization is slightly oriented in the longitudinal direction of the magnetic body as shown in FIG. Vibration can be followed by vibration, and high magnetic permeability is obtained in the width direction of the magnetic body even at a high frequency in the MHz band or higher.
[0008]
When a stronger magnetic field is applied in the longitudinal direction of the magnetic material, the magnetization is bound in the longitudinal direction of the magnetic material, as shown in FIG. Then, the magnetic permeability in the width direction of the magnetic material decreases.
[0009]
As described above, since the magnetic permeability μ in the width direction of the magnetic body changes due to the magnetic field applied in the longitudinal direction of the magnetic body, the magnetic impedance sensor chip can detect an impedance change through the skin effect.
[0010]
The high frequency that can be realized by a general-purpose circuit is about several tens of MHz. The magnetic permeability of the soft magnetic material is about several thousands. From the equation (1), it can be seen that the magneto-impedance effect appears at a thickness of 1 micron or more. The current that can be generated by the general-purpose circuit is about several mA, and the voltage amplitude needs to be several volts. Therefore, an impedance of 100Ω or more is required for the magnetic impedance sensor chip.
[0011]
On the other hand, when making a magnetic material of several microns as a pattern, it is appropriate to form a film of the magnetic material on a dielectric substrate such as glass using a sputtering device. Can be produced. If the width of the magnetic body is less than several tens of microns, the characteristics tend to be unstable due to the influence of the pattern edge. Therefore, the impedance is required to be 100 Ω or more, so the length of the magnetic body needs to be 5 mm or more.
[0012]
If the length of the magnetic body is 5 mm, it is too large for a magnetic sensor element. Therefore, the pattern is formed by repeating several times to reduce the size of the chip and to have a predetermined impedance. If the pattern interval of the folded pattern is less than 10 microns, the demagnetizing field increases because the adjacent magnetic material patterns are too close. If the pattern interval exceeds 100 microns, the advantage of miniaturization by the folded structure cannot be obtained.
[0013]
In the folded pattern, when the folded portion is continuous with the magnetic material pattern, the magnetic flux is disturbed at the folded portion. A configuration in which a folded portion is connected by a non-magnetic conductive film without using a magnetic material is disclosed by the applicant of the present invention in Japanese Patent Application Publication No. 2000-206217.
[0014]
FIG. 29 is an explanatory diagram of a manufacturing method of joining the folded portions of the magnetic pattern with a conductive film of a nonmagnetic piece of 1 μm or less. FIG. 30 is an explanatory diagram of a folded portion of a magnetic pattern connected by a conductor film of a nonmagnetic piece of 1 μm or less.
[0015]
It is also possible to use a structure in which the magnetic core is made of only a zigzag magnetic material without using a nonmagnetic piece, but when an external magnetic field is applied from a direction inclined with respect to the direction in which the zigzag sides extend, Since the magnetic flux is bent by the bent portion of the magnetic piece 141 and a uniform magnetic field is not applied to the entire magnetic piece 141, it is preferable that the bent portion of the magnetic piece is formed by the non-magnetic piece 142.
[0016]
FIG. 23 is a characteristic diagram of impedance versus external magnetic field of the magnetic impedance sensor chip. Since the impedance of the magnetic impedance sensor chip changes due to a change in the magnetic permeability in the width direction, it has positive-negative symmetric characteristics as shown in FIG. In order to detect a weak magnetic field, a constant magnetic field is applied up to the point where the impedance changes, and when the magnetic field to be measured is applied, the impedance changes even if it is very small.
[0017]
In order to obtain a constant magnetic field, there is a method of applying a current to the coil or using a magnet. However, it is preferable to apply a constant current to the coil in order to stabilize the impedance at zero measurement magnetic field. In the configuration disclosed by the applicant in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2000-206217, a spiral conductive thin film pattern is formed via an insulating layer.
[0018]
FIG. 24 shows an example of a magnetic sensor element having a uniaxial magnetic detection direction. The magnetic impedance chip 20 has a magnetic core 22 having a folded structure on a dielectric substrate such as glass, and electrode pads 42 on both poles of the magnetic core 22, and is electrically connected to the electrode 41 on the printed circuit board 11 by soldering. Connect to Furthermore, a constant magnetic field can be applied by winding. FIG. 25 shows the relationship between the number of turns and the magnetic bias at a current of 10 mA.
[0019]
Further, when the number of detection axes is increased to two or three, a method of arranging the one-axis sensor in two directions is used for two axes. FIG. 26 is a diagram illustrating an example of a magneto-impedance sensor chip having a magnetic pattern inclined at 35 degrees with respect to the printed circuit board surface. FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a magnetic sensor element formed by attaching the magnetic impedance sensor chip of FIG. 26 to a triangular prism.
[0020]
In the case of three axes, the magnetic sensor element needs to be set up in the vertical direction on the printed board, and there is a problem that it is taller than other mounted components. Therefore, as shown in FIG. As shown in FIG. 27, the magnetic impedance chip provided with the oblique magnetic pattern 21a is mounted on a triangular prism, connected to the printed circuit board by a conductive adhesive, and covered with a wound round bobbin to cover the printed circuit board. The configuration is such that a magnetic bias is applied in a vertical direction. FIG. 28 is a characteristic diagram of the number of turns and the magnetic bias of the coil of the coil of the magnetic sensor element of FIG. 27 at an energizing current of 10 mA. The bobbin had an inner diameter of 6.5 mm, an outer diameter of 7.5 mm, and a height of 4 mm.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional magnetic sensor element, there is a gap of several mm between the winding and the magnetic sensor element, and the influence of the leakage magnetic field cannot be ignored. FIG. 17 is a characteristic diagram of the application of a magnetic field from the thin-film coil. When a bias coil is formed with a thin film, the generated magnetic field of the coil is applied through an insulating film of several microns, so that the interval is too small and an uneven magnetic field is applied as shown in FIG. Therefore, since the thickness of the winding is several tens of μm and the thin film winding pattern is several tens of μm, the coils need to be wound at intervals of about several tens to several hundreds of μm.
[0022]
In a magnetic sensor element having a single detection axis, a magnetic impedance sensor chip is set up, a space is provided between the element and the coil, and the distance from the winding coil is not equal in each part of the magnetic pattern. It is uniform. Further, in the case of a magnetic sensor having three detection axes, the round shape of the bobbin results in an improper spacing of several millimeters from the magnetic impedance sensor chip mounted on the triangular prism. A uniform magnetic field is applied.
[0023]
Further, the magnetic sensor element having three detection axes has a large shape because the magnetic pattern is oblique. Further, the magnetic film requires a thickness of several microns, while the conductor film requires a thickness of about several thousand mm in terms of resistivity. However, in order to avoid disconnection, a film thickness close to the thickness of the magnetic film is required.
[0024]
The magnetic pattern is formed by ion etching, chemical etching or lift-off. FIG. 4 is a sectional view of a magnetic pattern of a conventional magnetic impedance sensor chip. In the etching method, the remaining pattern portion is protected with a resist and the magnetic film is eroded to the rest. Therefore, the cross section of the magnetic film is perpendicular to the cross section shown in FIG. Become.
[0025]
In the lift-off, a portion other than the pattern to be left is covered with a resist pattern to form a magnetic film. In this case, in order to increase the pattern accuracy, conditions such as evaporation and sputtering are set so that the evaporated magnetic particles adhere perpendicularly to the substrate surface, and the cross-sectional shape is close to the shape shown in FIG.
[0026]
FIG. 30 is an explanatory diagram of a folded portion of a magnetic pattern connected by a conductor film of a nonmagnetic piece of 1 μm or less. The magnetic film must have a thickness of several μm in order to exhibit MI characteristics. In the folded portion of the magnetic pattern connected by the conductor film of 1 μm or less shown in FIG. The wire breakage occurred due to the sharp rise.
[0027]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an inexpensive magnetic impedance sensor chip in which a magnetic material pattern and a conductor pattern are stably connected and which is highly reliable, and a magnetic sensor element using the same.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, according to the present invention, a magnetic domain structure and a magnetization distribution affect the magnetic permeability of a magnetic thin film by applying an external magnetic field to a magnetic thin film pattern. In the magnetic sensor element to be performed, a plurality of elongated rectangles of magnetic material patterns are arranged, the ends are connected by a non-magnetic conductor pattern, and the magnetic material patterns are connected in series by the conductor pattern, and the first magnetic material pattern is formed. The pattern and the pattern in which the non-magnetic wiring extends to the electrode from the end of the last magnetic material pattern are covered with an insulating film except for the electrode portion formed on the flat dielectric substrate. The cross-sectional shape is solved by a substantially trapezoidal shape in which the longer one of the two parallel sides is arranged on the substrate side.
[0029]
With this configuration, since the cross section of the magnetic material pattern is trapezoidal, disconnection is less likely to occur at the portion where the magnetic material pattern is connected by the conductive film.
[0030]
According to the present invention, in the magnetic impedance sensor chip, the longitudinal direction of the magnetic material pattern has an angle of about 35 degrees with the plane of the printed circuit board as the magnetic detection direction, the regular triangular prism stands on the printed circuit board, and the regular triangular prism A magnetic impedance sensor chip is fixed on each side of the pattern outside the pattern surface, and is connected to the printed circuit board electrode via a conductor, and a hexagonal winding frame having the vertices of each vertex of an equilateral triangle. The problem is solved by the fact that the top of the triangular prism and the inside of the winding bobbin are close to each other.
[0031]
Since the winding coil is closer to the pattern surface than before and the distance is constant, a uniform and highly efficient magnetic bias can be applied.
[0032]
Further, according to the present invention, the problem is solved by providing the leg portion having substantially the same height as the magnetic impedance electrode portion below the bobbin of the magnetic sensor element, and exposing the magnetic impedance sensor chip electrode.
[0033]
With this configuration, the height can be further reduced as compared with the related art. Further, according to the present invention, in the magnetic sensor element, the electrode of the magnetic impedance sensor chip is extended to the bottom facing the printed board, and the bottom electrode and the printed board electrode are connected by a conductor. are doing.
[0034]
According to the present invention, in the magnetic impedance sensor chip, the pattern surface of the magnetic impedance sensor chip faces the printed circuit board, and the printed circuit board has two electrodes formed at positions facing the electrodes of the two magnetic impedance sensor chips. This is solved by the fact that the electrodes are connected by a conductive material.
[0035]
With this configuration, not only the pattern surface is protected because the pattern surface is directed to the printed circuit board side, but also the thickness is reduced as compared with the related art because the magnetic impedance sensor chip substrate itself protects the pattern surface. Further, according to the present invention, the problem can be solved by forming a spiral conductive pattern on a printed circuit board of a magnetic sensor element at a position facing a pattern portion of a magnetic impedance sensor chip.
[0036]
Further, according to the present invention, in the magnetic sensor element, the problem can be solved by sandwiching the polyimide film having the spiral conductor pattern between the magnetic impedance sensor chip and the printed board.
[0037]
Further, according to the present invention, the problem can be solved by winding a conductive wire outside the printed circuit board of the magnetic sensor element and the magnetic impedance sensor chip.
[0038]
Further, according to the present invention, the magnetic sensor element has one electrode disposed in a blank portion surrounded by the edge of the magnetic pattern and the edge of the magnetic sensor substrate, and the other electrode is disposed on the opposite side via the magnetic pattern. The problem can be solved by being formed in the blank portion of.
[0039]
According to the present invention, in the magnetic sensor element, the DC resistance of the elongated substantially rectangular magnetic material pattern is in the range of 5 to 50Ω, and the DC resistance of the conductor pattern portion is the DC resistance of the elongated substantially rectangular magnetic material pattern. The problem can be solved by setting it to 1/5 or less.
[0040]
Further, according to the present invention, in the magnetic sensor element, the problem can be solved by setting the interval between the substantially rectangular magnetic substance patterns to be 10 μm to 100 μm.
[0041]
Further, according to the present invention, in the magnetic sensor element, the composition of the magnetic film is Co70-85 at%, the remaining composition is Nb and Zr, and the atomic% X of Nb and the atomic% Y of Zr are: (X = 30, Y = 0), (X = 23, Y = 7), (X = 8, Y = 7), (X = 15, Y = 0) Preferably, the composition range is (X = 27, Y = 3), (X = 25, Y = 5), (X = 10, Y = 5), and (X = 12, Y = 3). it can.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A magnetic impedance sensor chip according to an embodiment of the present invention and a magnetic sensor element using the same will be described below.
[0043]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram of a magnetic impedance sensor chip according to an embodiment of the present invention. A plurality of elongated rectangular magnetic substance patterns 2 are arranged on a substrate 1 made of glass or the like, and are electrically connected in series by a conductor pattern 3. Here, both ends 3a and 3b of the series pattern of the magnetic material and the conductor are connected to the electrode 4, respectively.
[0044]
Here, the magnetic pattern 2 is subjected to a heat treatment in an inactive atmosphere by applying a magnetic field in the width direction to induce an easy axis of magnetization. Electrode pads made of a conductor are formed on both ends 3a and 3b of the series pattern of the magnetic material and the conductor, and the portions other than the electrode portion pads are deteriorated by being covered with a resist, a photosensitive polyimide resin or an insulating protective film such as silicon oxide, glass or alumina. Has been prevented.
[0045]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the composition of the magnetic film of the magnetic impedance sensor chip according to the embodiment of the present invention. The composition of the magnetic film is 70 to 85 atomic% of Co, the remaining composition is Nb and Zr, and the atomic% X of Nb and the atomic% Y of Zr are (X = 30, Y = 0) in FIG. , (X = 23, Y = 7), (X = 8, Y = 7), (X = 15, Y = 0), and the magnetostriction is almost zero in this range. It becomes. Further, in the composition range surrounded by (X = 27, Y = 3), (X = 25, Y = 5), (X = 10, Y = 5) and (X = 12, Y = 3), the magnetostriction Indicates a soft magnetic characteristic that is substantially zero or slightly negative, and the coercive force is less than 10 mT, so that the magnetic impedance sensor chip has more suitable characteristics.
[0046]
FIG. 3 is a sectional view of a magnetic pattern of the magnetic impedance sensor chip according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, when forming the magnetic material pattern 2, a forward tapered shape is formed by using ion etching or a lift-off method. Here, the forward tapered shape means a trapezoidal shape and a substantially trapezoidal shape obtained by subtracting a foot from the substrate.
[0047]
In order to form a forward tapered shape, it is important to make the resist thickness at least twice the magnetic film thickness. In the lift-off method, when a magnetic film is formed on a thick resist pattern, the film thickness gradually becomes thinner at the foot of the thick resist, and a skirting shape is obtained. In ion etching, a trapezoidal forward tapered shape can be obtained by obliquely irradiating a resist on a magnetic film with an ion beam and performing etching. Although the conductor pattern 3 is also shown in the figure, since the conductor pattern 3 has a forward tapered shape, a disconnection failure due to a pattern break does not occur even if the conductor pattern 3 is thin.
[0048]
FIG. 4 is a sectional view of a magnetic pattern of a conventional magnetic impedance sensor chip. Conventionally, in a cross section as shown in FIG. 4 formed by, for example, wet etching or the like, there is no way to prevent disconnection unless the thickness of the conductor pattern 31 is increased, and it takes a long time to form a film. Further, when an insulating protective film is formed, a forward tapered cross-sectional shape requires only a small thickness of the insulating protective film necessary to protect the entire pattern, thereby reducing costs.
[0049]
FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the disconnection defect rate of the magnetic material pattern and the width of the forward tapered region. Conventionally, the forward tapered region is steep at 0.5 μm or less, but in the present invention, by setting it to 2 to 3 μm, the disconnection failure rate hardly occurs.
[0050]
(Embodiment 2)
FIG. 5 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to Embodiment 2 of the present invention. In the magnetic sensor element of FIG. 5, a coil and a circuit for forming a magnetic bias coil 6 are formed on a magnetic impedance sensor chip.
[0051]
FIG. 6 is an AA sectional view of a magnetic sensor part of the magnetic sensor element of FIG. The pattern surface of the magnetic impedance sensor chip faces the printed circuit board surface, and the electrodes of the printed circuit board and the electrode pads of the magnetic impedance sensor chip are connected by soldering or a conductor such as a conductive adhesive. Since the printed board electrode 8 is raised, the magnetic pattern of the magnetic impedance sensor chip is not pressed. In order to form the winding coil 6, the winding may be performed by using the protrusion at the end of the printed circuit board as a guide. The winding hits only the back surface of the pattern of the magnetic impedance sensor chip and does not affect the characteristics.
[0052]
The winding coil 6 is covered with a silicone resin or the like to prevent disconnection. By setting the substrate of the magnetic impedance sensor chip to have a thickness of 1/3 or less of the longitudinal length of the magnetic pattern, that is, 20 to 900 μm, an appropriate gap is formed between the magnetic coil and the winding coil 6, A uniform and highly efficient magnetic bias can be applied.
[0053]
(Embodiment 3)
FIG. 7 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to Embodiment 3 of the present invention. In the magnetic sensor element of FIG. 7, a winding and a circuit for magnetic bias are formed on a magnetic impedance sensor chip.
[0054]
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line BB of the magnetic sensor unit in the magnetic sensor element of FIG. The pattern surface of the magnetic impedance sensor chip faces the printed circuit board surface, and the printed circuit board electrodes 8a and the electrode pads of the magnetic impedance sensor chip are connected by soldering or a conductor such as a conductive adhesive. Since the printed circuit board electrodes are raised, the magnetic pattern of the magnetic impedance sensor chip is not pressed.
[0055]
The coil pattern is formed on the printed board in a spiral shape, and is thinner than the winding. As shown in FIG. 8, inside the spiral pattern, as shown in FIG. 8, the back surface forms a lead line through a through hole, and is connected to a magnetic bias circuit. Similarly, the printed circuit board-side electrode for the magnetic impedance sensor chip has a lead wire formed by a through hole connected to the detection circuit on the back surface.
[0056]
(Embodiment 4)
FIG. 9 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to Embodiment 4 of the present invention. In the magnetic sensor element of FIG. 9, a winding and a circuit for magnetic bias are formed on a magnetic impedance sensor chip.
[0057]
FIG. 10 is a cross-sectional view of CC of the magnetic sensor unit in the magnetic sensor element of FIG. The pattern surface of the magnetic impedance sensor chip faces the printed circuit board surface, and the printed circuit board electrodes 8b and the electrode pads 7b of the magnetic impedance sensor chip are connected by soldering or a conductor such as a conductive adhesive. Since the printed circuit board electrodes are raised, the magnetic pattern of the magnetic impedance sensor chip is not pressed.
[0058]
FIG. 11 is a diagram showing a polyimide resin film having a spiral conductor pattern used in the magnetic sensor element of FIG. A polyimide resin film 13 having a spiral conductor pattern shown in FIG. 11 is mounted between a printed board and a magnetic impedance sensor chip. By forming the spiral coil pattern 6b on the polyimide resin film 13, it is possible to form a denser winding than forming a pattern on a printed circuit board.
[0059]
(Embodiment 5)
FIG. 12 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to Embodiment 5 of the present invention. FIG. 13 is an explanatory diagram of a pattern of a magnetic impedance sensor chip of the magnetic sensor element of FIG. As shown in FIG. 13, five magnetic material patterns 2b are arranged side by side, and the ends are connected by a nonmagnetic conductor pattern 3b. The magnetic material patterns 2b are connected in series by the conductor pattern 3b. The longitudinal direction of the body pattern 2b has an angle of about 35 degrees with the plane of the printed circuit board as a magnetic detection direction, and thereafter, as in the first embodiment, is closer to the end than the end of the first magnetic body pattern and the last magnetic body pattern. Except for the electrode portion where the pattern in which the magnetic wiring extends to the electrode is formed on the flat dielectric substrate, the pattern is covered with an insulating film. The electrodes are formed below the magnetic pattern.
[0060]
Since the magnetic material pattern is inclined obliquely, the height of the element can be reduced. At the same time, the three magnetic impedance sensor chips are mounted on the sides of the equilateral triangular prism, so that the magnetic detection axes are orthogonal to each other. Can be detected, and furthermore, the electrodes can be inserted into the gaps of the magnetic material pattern, so that the chip can be downsized and the cost can be reduced.
[0061]
In FIG. 12, the winding bobbin for applying a magnetic bias has an inner wall and an outer wall in the shape of a regular triangle with sharp corners, and the inner wall and the outer wall have a substantially constant distance on the surface of the magneto-impedance sensor chip mounted on the regular triangle prism. Is closer to the vertex of the equilateral triangular prism to which the magnetic impedance sensor chip is attached, and closer to the top surface than to the bottom of the bobbin. With such a configuration, the winding is closest to the surface of the magneto-impedance sensor chip at a certain distance, so that the magnetic bias efficiency is maximized, the current consumption is minimized, and a uniform magnetic bias is obtained. The sensitivity does not decrease due to the non-uniformity of the bias.
[0062]
In addition, there is a leg at the bottom of the winding bobbin, and the electrode portion of the magneto-impedance sensor chip is exposed, so that a swell is avoided when solder or conductive adhesive is used for bonding with the printed circuit board electrode. . FIG. 14 compares the magnetic bias efficiency and the magnetic sensitivity of the conventional round bobbin and the triangular bobbin of the present invention. According to the present invention, the magnetic bias efficiency is improved, and the magnetic sensitivity is also improved.
[0063]
(Embodiment 6)
FIG. 15 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to Embodiment 6 of the present invention. FIG. 16 is an explanatory diagram of a pattern of a magnetic impedance sensor chip of the magnetic sensor element of FIG. As shown in FIG. 16, five magnetic material patterns 2c are arranged side by side, and the ends are connected by a nonmagnetic conductor pattern 3c. The magnetic material patterns 2c are connected in series by the conductor pattern 3c. The longitudinal direction of the body pattern 2c has an angle of about 35 degrees with the plane of the printed circuit board as the magnetic detection direction. Thereafter, similarly to the first embodiment, an electrode portion in which a pattern in which non-magnetic wiring extends from the terminal end of the first magnetic material pattern and the last magnetic material pattern to the electrode is formed on a flat dielectric substrate Others are covered with an insulating film. One electrode of the electrode 4c is arranged in a blank portion surrounded by the edge of the magnetic pattern and the dielectric substrate, and the other electrode is formed in the blank portion on the opposite side via the magnetic pattern.
[0064]
Since the magnetic material pattern is inclined obliquely, the height of the element can be reduced. At the same time, the three magnetic impedance sensor chips are mounted on the sides of the equilateral triangular prism so that the magnetic detection axes are orthogonal to each other. The detection becomes possible, and furthermore, the electrodes enter the gaps of the magnetic material pattern, so that the chip can be downsized and the cost can be reduced.
[0065]
The winding bobbin for applying the magnetic bias has an equilateral triangular shape with inner and outer walls having rounded corners. It is closer to the top of the equilateral triangular prism to which the chip is attached, and closer to the top surface than to the bottom of the bobbin. With such a configuration, the winding is closest to the surface of the magneto-impedance sensor chip at a certain distance, so that the magnetic bias efficiency is maximized, the current consumption is minimized, and a uniform magnetic bias is obtained. The sensitivity does not decrease due to the non-uniformity of the bias.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a reliable and inexpensive magnetic impedance sensor chip in which a magnetic material pattern and a conductor pattern are stably connected, and a magnetic sensor element using the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a magnetic impedance sensor chip according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a composition of a magnetic material of the magnetic impedance sensor chip according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a magnetic pattern of the magnetic impedance sensor chip according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a magnetic pattern of a conventional magnetic impedance sensor chip.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an AA sectional view of a magnetic sensor unit of the magnetic sensor element of FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view taken along the line BB of the magnetic sensor unit of the magnetic sensor element of FIG. 7;
FIG. 9 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of CC of the magnetic sensor unit in the magnetic sensor element of FIG. 9;
11 is a view showing a polyimide resin film having a spiral conductor pattern used in the magnetic sensor element of FIG. 9;
FIG. 12 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a pattern of a magnetic impedance sensor chip of the magnetic sensor element of FIG.
FIG. 14 is a diagram comparing magnetic bias efficiency and magnetic sensitivity of a conventional round bobbin and a triangular bobbin of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a magnetic sensor element according to a sixth embodiment of the present invention.
16 is an explanatory diagram of a pattern of a magnetic impedance sensor chip of the magnetic sensor element of FIG.
FIG. 17 is a characteristic diagram of a magnetic field applied from a thin-film coil.
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a disconnection failure rate of a magnetic material pattern and a width of a forward tapered region.
FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a magnetic sensor element having a uniaxial magnetic detection direction.
FIG. 20 is an explanatory diagram of a domain wall in a non-magnetic field.
FIG. 21 is an explanatory diagram of a magnetic domain wall when a magnetic field slightly larger than the magnetic anisotropy is applied in the longitudinal direction of the magnetic body.
FIG. 22 is an explanatory diagram of a domain wall when a stronger magnetic field is applied in the longitudinal direction of the magnetic body than in the case of FIG. 21;
FIG. 23 is a characteristic diagram of impedance versus external magnetic field of the magnetic impedance sensor chip.
FIG. 24 is a diagram showing an example of a magnetic sensor element having a uniaxial magnetic detection direction.
FIG. 25 is a diagram showing an example of the relationship between the number of turns and the magnetic bias at an energizing current of 10 mA.
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of a magneto-impedance sensor chip provided with a magnetic pattern inclined at 35 degrees with respect to the printed circuit board surface.
FIG. 27 is a diagram showing an example of a magnetic sensor element formed by attaching the magnetic impedance sensor chip of FIG. 26 to a triangular prism.
FIG. 28 is a characteristic diagram of the number of turns and the magnetic bias at a bobbin energizing current of 10 mA in the coil of the magnetic sensor element in FIG. 27;
FIG. 29 is an explanatory view of a manufacturing method in which a folded portion of a magnetic pattern is joined by a conductive film of a nonmagnetic piece of 1 μm or less.
FIG. 30 is an explanatory diagram of a folded portion of a magnetic pattern connected by a conductive film of a nonmagnetic piece of 1 μm or less.
[Explanation of symbols]
1,1a, 1b substrate
11, 11a, 11b Printed circuit board
2,2a, 2b, 21,21a Magnetic pattern
3,3a, 3b, 31 conductor pattern
3a, 3b both ends
4,4a, 4b, 41,41a, 41b, 41c, 41d electrode
5 Circuit mounting part
6,6a, 6b, 6c, 6d, 61,61a Wound coil
7, 7a, 7b Sensor electrode
8, 8a, 8b Printed circuit board electrodes
9, 9a, 9b, 9c, 9d, 91 Conductive adhesive
10,10a Magnetic sensor unit
12 Through Hole
13 Polyimide film
14, 14a Insulating protective film
20, 20a, 20b, 20c, 20d Magnetic impedance sensor chip
22 Magnetic core
42 electrode pad
43 Solder
110 glass substrate
120 Hard magnetic film
130, 160, 180 interlayer insulating film
141 magnetic piece
142 non-magnetic piece
170 Spiral coil layer
200 Electrode pad heightening part
210 Protective film

Claims

A magnetic impedance sensor chip for detecting magnetism by utilizing the fact that the magnetic domain structure and the magnetization distribution affect the magnetic permeability of a magnetic thin film by applying an external magnetic field to the magnetic material pattern to change the impedance, Is formed in a plurality of strips having a substantially trapezoidal cross-sectional shape formed on the substrate side, the longer one of the parallel sides formed substantially parallel to the flat dielectric substrate, and a non-magnetic conductive pattern The magnetic element is connected in series, and the start end and the end are connected to electrodes formed on the dielectric substrate by nonmagnetic conductor patterns, respectively, and portions other than the electrodes are covered with an insulating film. Impedance sensor chip.

The magnetic impedance sensor chip according to claim 1, which is disposed on a printed circuit board in a direction perpendicular to the surface of the printed circuit board, and has a cross section on each side of a columnar body having an equilateral triangular shape, wherein a longitudinal direction of the magnetic pattern is printed on the printed circuit board. An electrode formed on the dielectric substrate and an electrode formed on the printed circuit board are connected so as to be fixed at an angle of about 35 degrees with the surface of the substrate, and a cross-sectional shape is formed into a hexagonal cylindrical bobbin. A magnetic sensor element, wherein a coil provided with a winding is disposed at a position where a vertex of a cross section of the columnar body is close to the inside of the cylindrical bobbin.

3. The magnetic sensor element according to claim 2, wherein the magnetic sensor element further comprises a leg portion at a lower portion of the bobbin having substantially the same height as a sensor chip electrode of the magnetic impedance, and the electrode of the magnetic impedance sensor chip is exposed.

3. The magnetic sensor element according to claim 2, wherein an electrode formed on the dielectric substrate of the magnetic impedance sensor chip extends to a position where the printed board and the dielectric substrate are in contact with each other, and is formed on the dielectric substrate. A magnetic sensor element, wherein the electrode and the electrode formed on the printed circuit board are connected by a conductor.

The magnetic impedance sensor chip according to claim 1, wherein a surface on which the magnetic material pattern and the nonmagnetic conductor pattern are formed is arranged to face a printed circuit board, and the magnetic impedance sensor chip is provided on a surface of the printed circuit board. A magnetic sensor element, wherein two electrodes formed at positions facing the nonmagnetic conductor pattern are connected to the nonmagnetic conductor pattern by a conductor.

6. The magnetic sensor element according to claim 5, wherein a spiral conductor pattern is formed on the printed circuit board at a position facing the magnetic pattern of the magnetic impedance sensor chip.

6. The magnetic sensor element according to claim 5, wherein a film of a polymer material on which a spiral conductive pattern is formed is disposed between the magnetic impedance sensor chip and a printed board.

The magnetic impedance sensor chip according to claim 1, wherein a surface on which the magnetic material pattern and the nonmagnetic conductor pattern are formed is arranged to face a printed circuit board, and the magnetic impedance sensor chip is provided on a surface of the printed circuit board. Two electrodes formed at positions facing the non-magnetic conductor pattern are connected to the non-magnetic conductor pattern by a conductor, and a winding is applied around the magnetic impedance sensor chip and a printed circuit board. A magnetic sensor element characterized by the above-mentioned.

In the magnetic sensor element according to any one of claims 2 to 4, one electrode is disposed in a blank portion surrounded by an edge of the magnetic material pattern and an edge of the magnetic sensor substrate, and the other electrode is provided via the magnetic material pattern. A magnetic sensor element formed in a blank portion on the opposite side.

10. The magnetic sensor element according to claim 2, wherein the DC resistance of the magnetic pattern is in a range of 5 to 50 Ω, and the DC resistance of the conductor pattern is 5 minutes of the DC resistance of the magnetic pattern. 10. A magnetic sensor element, characterized by being 1 or less.

The magnetic sensor element according to any one of claims 2 to 9, wherein an interval between a plurality of strip-shaped magnetic material patterns constituting the magnetic material pattern is 10m to 100m.

10. The magnetic sensor element according to claim 2, wherein the composition of the magnetic film is 70-85 atomic% of Co, the remaining composition is Nb and Zr, and the atomic% of Nb is X and Zr. % Y is surrounded by points (X = 30, Y = 0), (X = 23, Y = 7), (X = 8, Y = 7), and (X = 15, Y = 0). In the composition range, preferably, the composition range of (X = 27, Y = 3), (X = 25, Y = 5), (X = 10, Y = 5), (X = 12, Y = 3) A magnetic sensor element, comprising: