JP2011506958A - 薄膜フラックスゲートセンサー - Google Patents

Abstract

【解決手段】フラックスゲート磁界センサーは励磁電流導体（４）と可飽和の磁性材クラッディング層（６）とを含み、該クラッディング層の対向する面同士の間に複数のフィードスルーチャンネル（１６）が延在する。励磁電流導体は複数の前記フィードスルーチャンネルを縫うように貫通する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界を測定又は検出するための薄膜フラックスゲートセンサーに関する。

磁界を測定又は検出することは、例えば電流の測定、位置検知の用途、又は電磁駆動の用途における磁束の測定等、多数の異なる用途において利用できる。

薄膜フラックスゲート磁界センサーは、弱い磁界を測定するための低コスト且つ小型のセンサーが必要とされる用途において、使用される。ＥＰ１７８５７３８に、物体の位置を検知するための薄膜フラックスゲートセンサーが記載されている。このセンサーは、導電路を担持する二枚のプリント回路基板の間にサンドイッチ状に挟まれた薄い磁気コア層を備えており、これらの導電路は相互に接続されて磁気コアの周囲に巻線を形成する。このサンドイッチ構造を製造するには比較的費用がかかり、更には、導電路を磁気コア層から分離している誘電体回路基板の厚みを鑑みると、最適な性能を発揮しない。これらの問題は、国際公開公報ＷＯ２００７／０１０３７８に記載の薄膜フラックスゲートセンサーによって部分的には克服される。上述の出願に記載のフラックスゲートセンサーは、それ自体は公知の蒸着法を用いて基板上に層を積層することによって製造される。このフラックスゲートセンサーは、可飽和の軟質の磁性材のクラッディングによって囲まれた中央の励磁導体を有する。この蒸着プロセスにおいては、クラッディングの第一層を蒸着することと、次いで導電性材料の層を蒸着して中央の励磁導体を形成することと、その後その上にクラッディングの第二層を蒸着して導体の周囲を完全に包み込むこととが必要となる。このように、軟質の磁性材クラッディングは二以上の蒸着ステップにおいて蒸着されるが、これにより、クラッディングを貫通する磁束線に影響を及ぼす界面が複数の層同士の間に生じうるという欠点が伴う。特にこの界面によって、クラッディングの飽和に必要な磁化レベル（従ってセンサーの駆動に必要な電力）を増加させる及び／又は磁化の均一性を減少させる、寄生エアギャップ効果がもたらされるため、結果としてクラッディングの不均一な飽和やセンサーの測定信号の歪みが引き起こされることとなる。

フラックスゲートセンサーの感度及び測定範囲を変更するためには、フラックスゲートセンサーの長さを変更することが望ましい場合がある。しかしながら、従来の薄膜フラックスゲートセンサーを使用して、軟質の磁性材の均一な飽和及び信号測定の線形性を保ちつつこれを達成することは困難である。

欧州特許出願公開第１７８５７３８号明細書 国際公開第２００７／０１０３７８号

本発明の目的は、正確で、電力効率が良く、小型で、産業用シリーズとして経済的に製造できる薄膜フラックスゲート磁界センサーを提供することである。

高感度を有する磁界センサーを提供することは、有利である。

優れた線形性を有する測定信号を生成する磁界センサーを提供することは、有利である。

異なる動作範囲に対して、経済的な方法で、容易に構成が可能なフラックスゲート磁界センサーを提供することは、有利である。

本発明の目的は、請求項１記載のフラックスゲート磁界センサーを提供することで達成されている。

本願明細書において開示されるのは、電気による励磁電流導体と、可飽和の磁性材クラッディング層とを含むフラックスゲート磁界センサーであって、この層の対向する面同士の間に複数のフィードスルーチャンネルが延在し、前記励磁電流導体は複数の該フィードスルーチャンネルを縫うように貫通するフラックスゲート磁界センサーである。

有利には、可飽和の磁性材クラッディングを、単一の連続する層として蒸着することが可能であり、これにより、寄生エアギャップ効果や、磁束に対する抵抗をもたらす界面の生成が回避されることとなる。更には、各フィードスルーチャンネルの周囲、従って励磁電流導体の部分の周囲、におけるクラッディングの部分の有効長さが短くなるため、可飽和の磁性材は優れた均一性をもって飽和することとなる。

好ましくは、チャンネルは、一線状に又はジグザグパターンに、略一定間隔で並置される。好適には、フィードスルーチャンネルが形成されたクラッディングの複数のラインを設けてもよく、各ラインは、隣接するラインと互いに接触しているか又は隔てられていてもよい。単一の励磁電流導体が、ラインの一端から他端へそして元の端へ、複数のラインを縫うように貫通して設けられてもよい。あるいは、複数の個別の励磁電流導体が、クラッディングの異なるラインをそれぞれ縫うように貫通して設けられてもよい。

磁性材クラッディングの異なるラインの長さは、等しくてもよいし又異なっていてもよい。これにより、隣接するクラッディングラインのそれぞれの長さを変更することによって、可飽和の磁性材クラッディングの飽和特性を変更又は調整することができる。特に、クラッディングの長さを変更することによって、フラックスゲートセンサーの感度を容易に変更することが可能となる。

好適には、フラックスゲートセンサーは、一以上の磁性材クラッディングラインの周囲に螺旋状に設けられたセンサーコイルと、励磁電流導体とを含んでもよく、このセンサーコイルによる螺旋は、磁性材クラッディング層の両面においてそれぞれ形成される面状の各部分を備えており、この面状の各部分は、磁性材クラッディング層を跨いで設けられたフィードスルー部分によって相互接続される。好適には、センサーコイルの面状の各部分は、隣接するフィードスルーチャンネルを相互接続する励磁電流導体の面状の各部分と同一の層に形成されてもよい。このように、フラックスゲートセンサーを形成する蒸着プロセスは、パターニング且つ蒸着すべき層の数が限られていることを鑑みると、極めて経済的である。

本発明によるフラックスゲート磁界センサーの製造方法は、励磁電流導体の部分を備える第一導電層を蒸着するステップと、軟質の磁性材の層であって、該軟質の磁性材層の対向する外面同士の間に複数のフィードスルーチャンネルを有しクラッディングを形成する層を蒸着するステップと、飽和電流が流れる導体の部分である導電性部を蒸着するステップとを含んでもよい。

好ましい実施形態において、製造工程は以下のステップを含んでもよい。
・絶縁基板（例えばガラス、シリコン）上に導電性シード層を蒸着するステップと、
・シード層をパターニングして、第一層において、励磁電流導体の部分及びセンサーコイルの部分をパターニングするステップと、
・例えば銅を用いて下部導電層を電気めっきして、第一層において、励磁電流導体の部分及びセンサーコイルの部分を形成するステップと、
・例えばポリイミドの絶縁層を蒸着して、励磁電流導体及びセンサー導体を磁性材層から絶縁するステップと、
・導電性シード層を蒸着するステップと、
・このシード層を磁性層の所望の形状にパターニングするステップと、
・パーマロイ又は他の軟質の磁性材を電気めっきして、磁性材クラッディング層を形成するステップと、
・例えばポリイミドの絶縁層を蒸着して、励磁電流導体及びセンサー導体を磁性材層から絶縁するステップと、
・導電性のフィードスルー（ビア（ｖｉａｓ））が所望される場所においては、絶縁層を除去するステップと、
・導電性シード層を蒸着且つパターニングして、第二層において、励磁電流導体の部分及びセンサーコイルの部分をパターニングするステップと、
・例えば銅を用いて上部導電層を電気めっきして、第二層において、励磁電流導体の部分及びセンサーコイルの部分を形成するステップ。

本発明の更なる目的及び有利な特徴は、請求項、以下の詳細な説明、及び添付図面から明らかになるであろう。

図１は、本発明に係る薄膜フラックスゲートセンサーの、飽和用の導体及びクラッディングラインをそれぞれ説明する概略図である。 図２は、本発明に係る薄膜フラックスゲートセンサーの、飽和用の導体及びクラッディングラインをそれぞれ説明する概略図である。 図３は、励磁電流導体の部分及び検出コイルの部分を形成するためにパターニングされた第一導電層を示す図である。 図４は、磁性材クラッディングラインと、励磁電流導体及び検出コイルのフィードスルー導体部分とを示す図である。 図５は、励磁電流導体の部分及び検出コイルの部分を形成するためにパターニングされた第二導電層の図である。 図６は、本発明に係るフラックスゲートセンサーの、励磁電流導体が磁性材クラッディング層のチャンネルを縫うように貫通する様子を示す概略断面図である。 図７は、変形例に係る、長さが異なる複数の磁性材クラッディングラインを示す図である。 図８は、他の変形例の、図７と同様の図である。

図面を参照すると、フラックスゲート磁界センサー２が、励磁通電導体４と、可飽和の磁性材クラッディング６と、磁界センサー８と、上述の各構成要素を担持する基板１０とを備える。

励磁電流導体４の両端は、接触端子１３ａ、１３ｂに接続されており、図示する実施形態においては、これらの接触端子は、センサーの励磁電流源（図示せず）に接続するための接触パッドの形状である。

磁界センサー８は、磁性材クラッディングの周囲に螺旋状に設けられた検出コイルの形状であって、この検出コイルの両端は、接触端子１２ａ、１２ｂに接続されており、図示する本実施形態においては、これらの接触端子は、センサーの検出コイル処理回路（図示せず）に接続するための接触パッドの形状である。

しかしながら、磁界センサーは他の構成であってもよく、磁界センサーは、例えば基板上に面状に配置され且つ磁性材クラッディング６の両端に位置する、例えば一以上のピックアップコイルを備えることが可能である。

磁性材クラッディング６は、磁性材層を蒸着且つパターニングするプロセスによって形成可能な層において、一又は複数のライン１４として配置されてもよい。一以上のラインとして配置される磁性材クラッディング層は、例えば励磁電流導体の周囲へ射出成形を施す等、蒸着以外の方法によって形成されてもよい。しかしながら、本発明に係るセンサーを形成するための蒸着プロセスは、大量工業生産における費用効果が極めて高く、センサーの著しい小型化と電力効率化を実現できるという点で、特に有利である。

磁性材クラッディングの各ラインは、磁性材クラッディング層の対向する外面１８、２０の間に延在する、複数の並置されたフィードスルーチャンネル１６を備える。好ましくは、フィードスルーチャンネル１６は、図示する実施形態に示すように、直線に沿って互いに一定間隔をおいて位置する。しかしながら、単線に沿わずにジグザグパターンに沿って配置されたフィードスルーチャンネルを有することも可能である。

好ましくは、各磁性材クラッディングラインは、フィードスルーチャンネルの形状に略合致する外側側面輪郭１８を有しており、これにより、フィードスルーチャンネルを囲むクラッディングの厚みがほぼ一定となる。こうして、磁性材クラッディングは、一体接続された環状ディスクが複数並置され、直線に沿って配置されたようになる。しかしながら、各磁性材クラッディングラインの外側側面輪郭１８は、直線をたどってもよいし、フィードスルーチャンネルの形状に合致しない輪郭を有してもよい。しかしながら、クラッディングの厚みがフィードスルーチャンネルから外側輪郭まで略一定であることによる利点は、フィードスルーチャンネル１６を通る励磁電流導体の部分２６を流れる励磁電流によって生じた磁界による、クラッディングの均一な飽和が容易となることである。

図１と、図７及び図８とから最もよくわかるように、磁性材クラッディングライン１４は、図１に示すように長さが同一であってもよいし、図７及び図８に示すように長さが異なっていてもよい。図７の変形例では、クラッディングラインは、外側のラインから内側のラインへ向かうほど長くなっており、一方、図８の変形例では、クラッディングラインは、外側のラインから内側のラインへ向かうほど短くなっている。また、ライン長さの他の構成を想定することも可能である。様々なライン長さの構成を選択して、検出コイルによる測定対象の外部磁界の検知を、外部磁界の大まかな向きや強度に応じて最適化する。

図１、図２、及び図６から最もよくわかるように、励磁電流導体４は、クラッディング層の一方の面１９から対向する面２０へそして元の面へと通り、これをフィードスルーチャンネル１６から隣接するフィードスルーチャンネル１６へと繰り返しながら、各フィードスルーチャンネル１６を縫うように貫通する。これにより、励磁電流導体は、第一層における部分２２と、第二層における部分２４と、第一層部分２４及び第二層部分２２を交互接続するフィードスルー部分２６とを有することとなる。フィードスルー部分２６は、磁性材クラッディング層のフィードスルーチャンネル１６を貫通する。図１及び図２に示すように、複数のクラッディングラインが存在し、単一の励磁電流導体４を使用する場合、一つのライン１４の端部において励磁電流導体は、隣接するラインの励磁電流導体同士を相互接続するブリッジ部２８を有する。

しかしながら、クラッディングの各ライン又はライン群に個別の励磁導体を設けることが可能であり、この各励磁導体は、励磁電流供給回路に接続するためにそれぞれ専用の接触パッドを有しているか、又は励磁電流供給回路に並列接続するために設けられた共通の接触パッドにそれぞれの端部が並列接続されている。

好ましい実施形態において、磁界センサーは、図１に示すように、磁性材クラッディングの単一のライン又は複数のラインの周囲に螺旋状に設けられた検出コイルの形状である。好適には、検出コイルの螺旋又は巻線は、第一層における部分３０と、第二層における部分３２とを備えてもよく、これらの第一層及び第二層は、磁性材クラッディング層の対向する面同士の上にそれぞれ設けられ、連続する螺旋を形成するようにクラッディング層を跨いで延在するフィードスルー部分３４によって相互接続される。好適には、巻線の第一部分及び第二部分は、励磁電流導体の各部分２２、２４とそれぞれ同一の面又は層に配置されてもよい。これにより、蒸着プロセスが実行される間に、検出コイルの部分及び励磁電流導体の部分を同時に形成することができる。

好ましい実施形態において、製造工程は以下のステップを含んでもよい。
・絶縁基板（例えばガラス、シリコン）上に導電性シード層を蒸着するステップと、
・シード層をパターニングして、励磁電流導体の第一層部分２４及びセンサーコイルの第一層部分３２をパターニングするステップと、
・例えば銅を用いて下部導電層を電気めっきして又は他の手段によって蒸着して、励磁電流導体の部分２４及びセンサーコイルの部分３２を形成するステップと、
・例えばポリイミドの絶縁層を蒸着して、励磁電流導体及びセンサー導体を磁性材層から絶縁するステップと、
・導電性シード層を蒸着するステップと、
・このシード層を磁性材層の所望の形状にパターニングするステップと、
・パーマロイ又は他の軟質の磁性材を電気めっきして又は他の手段によって蒸着して、磁性材クラッディング層６を形成するステップと、
・例えばポリイミドの絶縁層を蒸着して、励磁電流導体及びセンサー導体を磁性材層から絶縁するステップと、
・導電性のフィードスルー２６、３４（ビア（ｖｉａｓ））が所望される場所においては、絶縁層を除去するステップと、
・導電性シード層を蒸着且つパターニングして、励磁電流導体の第二層部分２２及びセンサーコイルの第二層部分３０をパターニングするステップと、
・例えば銅を用いて第二導電性シード層を電気めっきして、励磁電流導体の第二層部分２２及びセンサーコイルの第二層部分３０を形成するステップ。

様々な公知の製造技術（例えば、化学蒸着、スパッタリング、めっき、フォトリソグラフィエッチング、その他を含む）によって、様々な層を蒸着且つパターニングすることが可能である。

Claims (15)

1. 励磁電流導体（４）と、可飽和の磁性材クラッディング層（６）とを含むフラックスゲート磁界センサーであって、
   前記クラッディング層の対向する面同士の間に複数のフィードスルーチャンネル（１６）が延在し、前記励磁電流導体は複数の連続する隣接した前記フィードスルーチャンネルを縫うように貫通するフラックスゲート磁界センサー。
2. 前記フィードスルーチャンネルは、略一定間隔で並置される請求項１記載の磁界センサー。
3. 前記フィードスルーチャンネルは、直線状に配置される請求項１又は２記載の磁界センサー。
4. 前記磁性材クラッディング層は、フィードスルーチャンネルが形成されたクラッディングの複数の個別のライン（１４）を備える前出の請求項のいずれかに記載の磁界センサー。
5. 磁性材クラッディングのラインの長さが異なる請求項４記載の磁界センサー。
6. 前記励磁電流導体は、複数のラインを縫うように貫通する請求項３乃至５のいずれかに記載の磁界センサー。
7. 前記励磁電流導体は、第一層における部分（２２）と、第二層における部分（２４）と、前記第一層部分及び第二層部分（２２、２４）を相互接続し前記磁性材クラッディング層の前記フィードスルーチャンネル（１６）を貫通するフィードスルー部分（２６）とを有する前出の請求項のいずれかに記載の磁界センサー。
8. 前記磁性材クラッディング層の周囲に螺旋状に設けられた検出コイルを更に備える前出の請求項のいずれかに記載の磁界センサー。
9. 前記検出コイルによる螺旋は、前記磁性材クラッディング層を跨いで設けられたフィードスルー部分によって相互接続され前記磁性材クラッディング層の両面にそれぞれ形成される部分を備える請求項８記載の磁界センサー。
10. 前記検出コイルの各部分は、前記磁性クラッディング層の両面において、前記励磁電流導体の各部分とそれぞれ略同一の面に位置する請求項９記載の磁界センサー。
11. 一体化された材料層蒸着プロセスによるフラックスゲート磁界センサーの製造方法であって、
    励磁電流導体の部分を備える第一導電層を蒸着するステップと、
    軟質の磁性材の層であって、該軟質の磁性材層の対向する外面同士の間に複数のフィードスルーチャンネルを有する層を蒸着するステップと、
    前記励磁電流導体の部分の第二導電層を蒸着するステップとを含むフラックスゲート磁界センサーの製造方法。
12. 前記第一導電層を蒸着するステップ及び第二導電層を蒸着するステップが実行される間に、検出コイルの部分が形成される請求項１１記載のフラックスゲート磁界センサーの製造方法。
13. 絶縁基板上に導電性シード層を蒸着するステップと、
    前記シード層をパターニングして、前記励磁電流導体の前記第一層部分（２４）及びセンサーコイルの第一層部分（３２）をパターニングするステップと、
    前記第一導電層を蒸着して、前記励磁電流導体の前記部分（２４）及び前記センサーコイルの部分（３２）を形成するステップとを更に含む請求項１１又は１２記載のフラックスゲート磁界センサーの製造方法。
14. 前記第一導電層及び第二導電層それぞれと前記軟質の磁性材層との間に絶縁層を蒸着して、前記励磁電流導体及びセンサー導体を前記磁性材層から絶縁するステップと、
    前記導電性のフィードスルーチャンネル（２６、３４）が位置する場所においては、前記絶縁層を除去する又は蒸着しないステップとを更に含む請求項１１、１２、又は１３記載のフラックスゲート磁界センサーの製造方法。
15. 前記軟質の磁性材層上に蒸着された絶縁層上に導電性シード層を蒸着かつパターニングして、前記励磁電流導体の第二層部分（２２）及びセンサーコイルの第二層部分（３０）をパターニングするステップと、
    前記第二導電層を蒸着して、前記励磁電流導体の前記第二層部分（２２）及び前記センサーコイルの第二層部分（３０）を形成するステップとを更に含む請求項１１〜１４のいずれかに記載のフラックスゲート磁界センサーの製造方法。