薄膜磁傳感器的製作方法

2023-05-24 04:44:51 3

專利名稱：薄膜磁傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜磁傳感器。更具體地，本發明涉及一
種適於檢測如汽車車軸、旋轉編碼器和工業齒輪等的轉動信息； 適於檢測如液壓缸/氣壓缸的衝程位置、工具機的滑塊等的位置信 息和速度信息；適於檢測如工業焊接機器人的電弧電流等的電 流信息；並且適於幾何方向羅盤(geometric direction compass) 的薄膜磁傳感器。
背景技術：
磁傳感器是一種用於藉助於磁場將如電流、電壓、電功率、 磁場或磁通量等電磁力的4全測量；如位置、速度、加速度、位 移、距離、張力、壓力、扭矩、溫度或溼度等力學量的檢測量； 以及生物化學量的檢測量轉化成電壓的電子器件。取決於對磁 場的檢測方法，將磁傳感器分類為霍爾傳感器、各向異性磁電 阻(Anisotropic Magneto-Resistance, AMR)傳感器、巨磁電 阻(Giant Magneto-Resistance, GMR)傳感器等。
在上述磁傳感器中，GMR傳感器的優點在於
(1) 與AMR傳感器相比，GMR傳感器的比電阻(specific electric resistivity)的變化率，即MR比(MR比=Ap/p0, (△p=pH-pQ),其中，pH是在外部磁場H的情況下的比電阻，
p0是在外部磁場為零的情況下的比電阻)具有非常大的最大值。
(2) 與霍爾傳感器相比，GMR傳感器的電阻值的溫度變化 小；以及
(3) 由於具有巨磁電阻效應的材料是薄膜材料，因此，GMR 傳感器適於微型化。因此，希望將GMR傳感器應用於在計算機、電功率設備、汽車、家用設備和可攜式設備等中使用的高 靈敏度的微磁傳感器。
已知顯示出GMR效應的材料包括人工晶格(artificial lattice),該人工晶格由具有如坡莫合金等鐵磁層並且具有如 Cu、 Ag、 Au等非磁性層的多層膜形成，或者由具有反鐵磁層、 鐵磁層(固定層)、非磁性層和鐵磁層(自由層)的四層結構(所謂 的"自旋閥")的多層膜形成；金屬-金屬基納米顆粒材料，該金屬 -金屬基納米顆粒材料具有由如坡莫合金等鐵磁金屬形成的納 米尺寸的微粒並且具有由如Cu、 Ag、 Au等非磁性金屬形成的 晶界相(grain boundary phase); 由自i走相關的P逸道效應引起 MR(磁電阻)效應的隧道結膜；以及金屬-絕緣體基納米顆粒材 料，該金屬-絕緣體基納米顆粒材料具有由鐵磁金屬合金形成的 納米尺寸的微粒並且具有由非磁性的絕緣材料形成的晶界相。
在上述顯示出GMR效應的材料中，由自旋閥典型地代表的 多層膜通常具有在低磁場中的高靈敏度的特徵。然而，為了制 備該多層膜，必須以高精度層疊由各種材料形成的薄膜，結果， 穩定性較差並且產量較低，製造成本的降低受到限制。因此， 這種多層膜僅被用於如硬碟用的磁頭等高附加值的裝置，並且 認為難以將這種多層膜應用到被迫與具有低單價的AMR傳感 器或霍爾傳感器在價格上竟爭的磁傳感器。此外，由於在多層 膜的各層之間趨於產生擴散，並且GMR效應趨於喪失，因此， 該多層膜具有耐熱性差的明顯缺點。
另一方面，納米顆粒材料通常易於製造，並且具有優良的 再現性。因此，當將納米顆粒材料應用到磁傳感器時，該納米 顆粒材料能夠降低磁傳感器的成本。特別地，納米顆粒材料具 有3。下 <尤點
Cl)當使組成最優化時，金屬-絕緣體基納米顆粒材料顯示出在室溫下超過10%的高MR比；
(2) 由於金屬-絕緣體基納米顆粒材料的比電阻p極高，因 此，金屬-絕緣體基納米顆粒材料能夠同時實現磁傳感器的微型 化和降低磁傳感器的電功率消耗；以及
(3) 與包括耐熱性差的反鐵磁膜的自旋閥膜不同，金屬-絕 緣體基納米顆粒材料甚至可以在高溫環境下使用。
然而，金屬-絕緣體基納米顆粒材料的問題在於在低磁場 中，磁場的靈敏度很低。
為了克服上述問題，日本待審專利公報 No.H11(1999)-087804說明了如下方案在巨磁電阻薄膜的兩 端布置軟磁薄膜，從而提高巨磁電阻薄膜的磁場靈敏度。此外， 該專利文獻還說明了薄膜磁傳感器的製造方法，在該方法中， 在基板上形成2nm厚度的坡莫合金薄膜(軟磁膜)，使用離子束 蝕刻設備在坡莫合金薄膜形成寬度為大約9nm的間隙，以及在
該間隙層疊具有C038.6Y41.0047.4組分的納米顆粒GMR膜。
此外，日本待審專利公報No.Hll(1999)-274599說明了如 下方案為了進一步提高軟磁薄膜被布置在巨磁電阻薄膜的兩 端的薄膜磁電阻器件的磁場靈敏度，使巨磁電阻薄膜的厚度小 於或等於軟磁薄膜的厚度。日本待審專利7^才艮No.H11(1999)—087804 [專利文獻2]日本待審專利公報No.Hll(l"9)-274599 具有大飽和磁化強度和高磁導率的軟磁材料具有極高的磁 場靈敏度，並在較低的外部磁場下顯示出極大的磁化。因此， 當使由軟磁材料形成的薄膜磁軛接近GMR膜的兩端時，外部磁 場被薄膜磁軛放大，並且外部磁場的10 0倍至10 0 0 0倍的高磁場 作用在GMR膜上。結果，能夠明顯地提高GMR膜的磁場靈敏 度。此外，GMR膜中產生的磁場的強度還取決於薄膜磁軛的形 狀。薄膜磁軛的形狀越細長，GMR膜中產生的磁場越強。這是 因為通過使薄膜》茲輒的形狀細長化來減小感^茲方向(magnetic sensitive direction)的去磁場。"感磁方向"是指GMR膜的磁場靈 敏度最大化時外部^茲場的施加方向。
在檢測器件被正交配置的情況下，磁傳感器通常形成為橋 或者半橋。此外，該磁傳感器通常被選擇為能夠在使用磁場的 範圍內獲得線性輸出特性。由於取決於用於GMR膜的材料的物 理性質確定使用GMR膜的磁傳感器的最大輸出，因此，由薄膜 磁輒的形狀磁各向異性(去磁場)確定磁場檢測靈敏度。因此， 在寬磁場範圍中使用的情況下，磁場解析度(magnetic field resolution)惡化很多。相反，由於低磁場使優良磁場解析度的 傳感器飽和，因此，只能在微小磁場範圍內使用該傳感器。
例如，在測量石茲性材衝+的^茲特性的情況下，期望粗略地測 定磁化飽和的高磁場區域，並且期望精確地測定磁化強度急劇 變化的矯頑力(coercive force)附近區域。對於這種情況下的磁 場的測量，必須使用兩種磁傳感器、即組合使用高磁場用傳感 器和低磁場用傳感器。然而，使用兩種類型的傳感器不是優選 的。這是因為需要兩倍以上的安裝空間，這使微小區域的磁場 測量困難。從考慮成本的角度出發這也不是優選的。

發明內容
本發明要解決的問題是提供一種能夠以適當的解析度同時 測量高磁場和低磁場二者的使用GMR膜的薄膜磁傳感器。
本發明的用於克服上述問題的一方面4是供一種薄膜磁傳感 器，其包括
GMR膜，該GMR膜具有巨磁電阻效應；以及
7薄膜磁軛，該薄膜磁輒由軟磁材料形成並且被電連接到
GMR膜的兩端；
其中，薄膜磁軛具有感磁方向上的去磁係數為N^的高靈 敏度部分和感》茲方向上的去石茲係數為NH的低靈敏度部分，該 低靈敏度部分與該高靈敏度部分串聯地電連接，且NH>NL。
在對薄膜磁軛布置高靈敏度部分和低靈敏度部分並且使這 兩部分串聯地電連接的情況下，當低》茲場作用時，磁通量僅流
入到高靈敏度部分。此外，在高靈敏度部分，由於去磁係數Nl 較小，因此，用小磁場H使磁化飽和。結果，能夠高精度地測 量低磁場區域的》茲特性。
另一方面，當高磁場作用時，磁通量也流入到低靈敏度部 分。另外，在低靈敏度部分，由於去磁係數Nh校大，因此， 》茲電阻MR相對於》茲場H的傾斜度減小，必須由淨交大的石茲場H 使磁化飽和。結果，能夠在寬範圍上測量高磁場區域。


圖1的(a)是根據本發明的第一實施方式的薄膜磁傳感器的 平面圖，圖1的(b)是低靈敏度傳感器的平面圖，圖l的(c)是高 靈敏度傳感器的平面圖2是根據本發明的第二實施方式的薄膜磁傳感器的平面
圖3是根據本發明的第三實施方式的薄膜磁傳感器的平面
圖4是示出圖1的(a)所示的薄膜磁傳感器的MR特性的圖； 圖5是示出圖2所示的薄膜磁傳感器的MR特性的圖； 圖6是示出圖3所示的薄膜磁傳感器的MR特性的圖。
具體實施例方式
以下將藉助於本發明的實施方式來具體說明本發明。 (1.薄膜磁傳感器)
根據本發明的薄膜磁傳感器具有GMR膜和薄膜磁軛，該 GMR膜具有巨》茲電阻效應，該薄膜磁扼由軟i茲材料形成並且被 電連接到GMR膜的兩端。
(1. l)GMR膜
GMR膜用於感測外部^t場的變化作為電阻R的變化，結 果，檢測外部》茲場的變化作為電壓的變化，並且該GMR膜由 具有巨磁電阻(GMR)效應的材料形成。為了以高靈敏度檢測出 外部^磁場的變化，優選GMR膜的MR比的絕對^直4交大。具體 地，GMR膜的MR比的絕對值優選為5%以上，更優選為10% 以上。
此外，由於GMR膜直接與薄膜磁軛電連接，因此，使用比 電阻p比薄膜磁軛的比電阻高的GMR膜。通常，當GMR膜的比 電阻p過小時，由於在薄膜；茲軛之間引起電短^各，所以該GMR 膜不是優選的。另一方面，當GMR膜的比電阻p過高時，噪聲 增大，並且難以4企測外部磁場的變化作為電壓的變化。具體地， GMR膜的比電阻p優選為103iLiQcm以上且l(^VQcm以下，更優 選為104iLiQcm以上且10HiLiQcm以下。
雖然存在多種材料滿足上述條件，但是，在這些材料中， 上述金屬-絕緣體基納米顆粒材料是特別適合的。金屬-絕緣體 基納米顆粒材料不僅具有高MR比和高比電阻p,而且成分稍微 波動不會引起MR比大波動。因此，存在能夠以優良的再現性 和低成本製造具有穩定磁特性的薄膜的優點。
用於GMR膜的金屬-絕緣體基納米顆粒材料如下
(1 )如Co-Y203型納米顆粒合金、Co-Al203型納米顆粒合金、Co-Sm203型納米顆粒合金、Co-Dy203型納米顆粒合金和 FeCo-Y203型納米顆粒合金等氧化物型納米顆粒合金；以及
(2)如Fe-MgF2、 FeCo-MgF2、 Fe-CaF2和FeCo-AlF3等氟化 物型納米顆粒合金。
GMR膜的形狀和尺寸不受特別限制，GMR膜的形狀和尺 寸被確定為使得獲得目標磁場靈敏度。通常，電阻值與電阻的 長度成正比而與電阻的截面積成反比。因此，GMR膜的電阻R 會隨著厚度的減小、隨著長度的變長、或者隨著橫向寬度的變 窄而增加。通過增大電阻R,能夠降低器件的功率消耗。然而， 當GMR的電阻R過大時，相對於放大器有時可能發生阻抗失 配。
(1. 2薄膜磁軛)
薄膜石茲輒隔著間隙(gap)相對，GMR膜與薄膜^茲軛在間隙 內或者在間隙附近電連接。
這裡，"間隙附近"是指受到薄膜磁軛的頂端處產生的大的 放大磁場的影響的區域。由於在薄膜磁輒之間產生的磁場在間 隙內最大，因此，最優選將GMR膜布置在間隙內。然而，當 作用在GMR膜上的》茲場在實際應用中充分大時，GMR膜也可 以全部或者部分地位於間隙之外(例如，在薄膜f茲軛的上表面側 或者在薄膜磁輒的下表面側)。
薄膜磁扼用於提高G M R膜的磁場靈敏度並且由軟磁材料 形成。為了獲得對低磁場的高磁場靈敏度，薄膜磁軛優選使用 具有高磁導率lu和/或高飽和磁化強度Ms的材料。具體地，磁導 率H優選為IOO以上，更優選為1000以上。此外，飽和》茲化強度 Ms優選為5(k Gauss(千高斯))以上，更優選為10(k Gauss)以 上。
作為用於薄膜磁軛的材料，坡莫合金(40。/。至90。/。的Ni-Fe合金)、sendust(Fe74Si9Ah7)("sendust"是商標)、HARDPERM (Fei2Nis2Nb6)("HARDPERM"是商標)、Co8sNbsZr6無定形合 金、(Co94Fe6)7oSi15B15無定形合金、 FINEMET (Fe75.6S"3.2B8.5NbL9Cuo.8)("FINEMET"是商標)、nano max(Fe83HF6Cii)("nano max"是商標)、Fe85ZrioB5合金、 Fe93S"N4合金、Fe7iBnNis合金、Fe7i.3Nd9.60i9ji^米顆粒合
金、C070A110020納米顆粒合金、Co65Fe5Ah。O20合金等是適合的。
薄膜磁軛具有放大外部磁場和提高G M R膜的磁場靈敏度 的作用。不僅通過薄膜磁軛的材料能夠增強放大作用，而且通 過使薄膜磁軛的形狀最優化也能增強放大作用。
此外，當使薄膜磁軛的形狀最優化並且在薄膜磁軛設置高 靈敏度部分和低靈敏度部分時，可以獲得能夠精確地測量低磁 場區域並且能夠在寬範圍上粗略地測量高^f茲場區域的磁傳感 器。
這裡，"高靈敏度部分"是指感磁方向的去磁係數N l小於低 靈敏度部分的感》茲方向的去磁係數的區域。通常，與垂置於感 磁方向的方向的長度相比，去^茲係數能夠隨著與感磁方向平行 的方向的長度的增加而減小。因此，為了形成高靈敏度部分， 只要在薄膜磁軛的任意部分存在沿感磁方向延伸的縱向長部分 即可。可以布置一個或多個縱向長部分。通過使縱向長部分的 形狀、數量等最優化，能夠控制低磁場區域的靈敏度。
"低靈敏度部分"是指感磁方向的去磁係數NH高於高靈敏 度部分的感》茲方向的去》茲係數(NH〉N。的區域。只要低靈敏度 部分與高靈敏度部分串聯地電連接即可。當沿與感磁方向相交 叉的方向延伸的 一黃向長部分#:形成在構成高靈專文度部分的縱向 長部分的任意部分時，橫向長部分起到低靈敏度部分的功能。
ii優選沿與感石茲方向垂直的方向形成糹黃向長部分。可以布置 一 個 或多個橫向長部分。通過使橫向長部分的形狀、數量等最優化， 能夠控制高磁場區域的靈敏度。
(2.具體實施例)
(2. 1具體實施例(l))
圖1的(a)示出根據本發明的薄膜磁傳感器的第一具體實施 例。在圖l的(a)中，薄膜磁傳感器10具有GMR膜12和薄膜 磁輒14、 14,該GMR膜12具有巨磁電阻效應，該薄膜磁輒 14、 14由軟》茲材並+形成並且被電連接到GMR膜12的兩端。薄 膜磁軛14、 14均具有T字形狀，並且藉助於T字形狀的橫向 棒部(lateral bar portion)與GMR膜12電連接。可以根據目的任 意選擇薄膜磁軛14、 14中的每一方的總長度Lp橫向棒部的 長度L2、縱向棒部的寬度W^橫向棒部的寬度W2。通過使薄 膜磁軛14、 14的尺寸最優化，能夠控制低磁場區域的靈敏度和 高磁場區域的靈敏度。
可以認為，圖l的(a)中示出的薄膜磁傳感器IO具有圖l的(b) 中示出的低靈敏度傳感器10a和圖l的(c)中示出的高靈敏度傳 感器10b，低靈敏度傳感器10a和高靈敏度傳感器10b被相互串 聯地電連接。
也就是說，在高靈敏度傳感器10b中，由於電連接到GMR 膜12b的兩端的薄膜磁軛14b、14b中的每一方均具有相對寬度 W,較長的長度L1，因此，薄膜》茲軛14b、 14b中的每一方均具 有較小的去磁係數Nt。因此，薄膜磁軛14b、 14b中的每一方 均具有對外部磁場的大的放大作用，並且由較低的外部磁場使 磁化飽和。
另 一方面，在低靈敏度傳感器10a中，由於電連接到GMR 膜12a的兩端的薄膜磁軛14a、 14a中的每一方均具有相對寬度W2較短的長度L2，因此，薄膜》茲軛14a、 14a中的每一方均具 有校大的去磁係數Nh。因此，薄膜》茲軛14a、 14a中的每一方 均具有對外部 一磁場的小的放大作用，並且必須由較大的外部》茲 場使磁化飽和。
當低磁場作用在低靈敏度傳感器10a和高靈敏度傳感器 10b被相互串聯地電連接的薄膜磁傳感器10上時，僅由薄膜磁 軛14、 14的縱向棒部(縱向長部分)放大的外部磁場作用在GMR 膜12上。也就是說，在薄膜磁傳感器10中，僅高靈敏度傳感器 10b起到傳感器的功能。因此，能夠高精度地測量低磁場區域。
另一方面，當高磁場作用在薄膜磁傳感器IO上時，不僅由 薄膜i茲輒14、 14的糹從向+奉部放大的外部》茲場作用在GMR膜12 上，而且由薄膜磁輒14、 14的橫向棒部(橫向長部分)放大的外 部磁場也作用在GMR膜12上。也就是說，在薄膜i茲傳感器10 中，不僅高靈敏度傳感器10b起到傳感器的功能，而且低靈敏 度傳感器10a也起到傳感器的功能。因此，能夠在寬範圍上測 量高》茲場區域。
在圖l的(a)示出的薄膜磁傳感器10中，雖然薄膜磁軛14、 14中的每一方均具有T字形狀，但是，由縱向棒部位於任一側 的L字形狀也能獲得基本相同的效果。此外，當布置兩個以上 的縱向棒部時，能夠獲得具有與縱向棒部的尺寸對應的靈敏度 的薄膜磁傳感器。
此外，雖然可以單獨使用圖l的(a)示出的薄膜磁傳感器IO, 也可以電連接多個薄膜磁傳感器IO,並且可以使用該多個薄膜 磁傳感器IO。
例如，可以串聯連接兩個薄膜磁傳感器10，並且兩個薄膜 磁傳感器10可以;故布置成使得兩個薄膜》茲傳感器10的感^茲軸 彼此交叉(半橋)。利用這種構成，能夠不受由於溫度導致的基準電位的變動的影響而通過測量中性點電位來才全測外部》茲場。
此外，可以通過利用例如四個薄膜^茲傳感器1 0構成橋接電 路(全橋)。當構成橋接電路時，通過取中性點電位的差分，能 夠使輸出是使用兩個薄膜磁傳感器10的情況的兩倍。
(2. 2具體實施例(2))
圖2示出根據本發明的薄膜磁傳感器的第二具體實施例。 在圖2中，薄膜磁傳感器20具有GMR膜22和薄膜磁軛24、 24,該GMR膜22具有巨磁電阻效應，該薄膜》茲扼24、 24由 軟磁材料形成並且被電連接到GMR膜22的兩端。薄膜磁軛24、 24中的每一方均具有寬度與GMR膜22的寬度相同的矩形形 狀，並且在與感f茲方向交叉的方向上形成多個切口 24a、 24a...。 "切口 "是指通過切除薄膜磁軛的一部分使得薄膜磁軛被 分成高靈敏度區域和低靈敏度區域而形成的部分。
切口包4舌例如
(1) 通過以預定寬度切除薄膜磁軛而形成的切口 (縫)；
(2) 通過以楔形形狀切除薄膜磁軛而形成的切口 ；
(3) 用於在薄膜磁軛中形成臺階的切口 ；以及
(4) 用於以凹狀形狀切除薄膜磁軛的切口 。
可以布置一個或兩個以上的上述切口 。在設置多個切口 24a、 24a…的情況下，各切口 24a的距離和寬度可以彼此相同 或者彼此不同。此外，雖然只要切口24a、 24a…被布置成與感 磁方向交叉即可，4旦是，優選在與感石茲方向垂直的方向上布置 切口24a、 24a…。
在圖2示出的實施例中，在薄膜磁軛24、 24的左右布置在 與感磁方向垂直的方向上均具有預定寬度的多個切口 24a、 24a…。
薄膜磁軛24 、 24對應於圖1的(a)中示出的薄膜磁傳感器10的T字形狀的薄膜磁輒14、 14的多個橫向長部分被進一步接合 到縱向棒部(縱向長部分)的薄膜磁輒。
也就是說，在薄膜磁軛24、 24的中央部(縱向長部分)，軟 磁材料沿著感,茲方向連續並且處於磁連接的狀態。由於薄膜f茲 軛24、 24的中央部具有比寬度Wi長的長度Li,因此，薄膜磁 軛24、 24的中央部具有校小的去磁係數Nl。因此，薄膜磁軛 24、 24的中央部具有對外部磁場的大的放大作用，並且由較小 的夕卜部磁場使磁化飽和。
另一方面，在薄膜磁輒24、 24的兩端，軟磁材料沿著感磁 方向不連續，而是^皮切口 24a、 24a…隔開。由於/人中央部向左 右延伸的橫向長部分具有比寬度W2短的長度L2,另外，由於 橫向長部分之間的部分被均具有長度L3 x寬度W3的切口 24a、 24a...隔開，因此，薄膜磁輒24、 24的兩端具有較大的去磁系 數Nh。因此，薄膜f茲軛24、 24的兩端具有對外部-磁場的小的 ;改大作用，並且必須由4交大的外部7磁場佳J茲化々包和。
當低磁場作用在該薄膜磁傳感器20上時，唯一地僅由薄膜 磁軛2 4 、 2 4的中央部(縱向長部分)放大的外部,茲場作用在G M R 膜22上。因此，能夠高精度地測量低磁場區域。
另一方面，當高磁場作用在薄膜磁傳感器20上時，磁通量 也流入到向兩端延伸的一黃向長部分。流入到，鏡向長部分的》茲通 量灃皮洩漏到切口 24a、 24a...，並且洩漏的》茲通量的 一部分流入 到相鄰的橫向長部分。因此，當高磁場作用在薄膜磁傳感器20 上時，不僅由薄膜磁輒24、 24的中央部放大的外部磁場作用在 GMR膜22上，而且由位於兩端的被切口 24a、 24a…隔開的橫 向長部分放大的外部磁場也作用在GMR膜22上。因此，能夠 在寬範圍上測量高磁場區域。
在圖2示出的薄膜磁傳感器20中，雖然薄膜磁軛24、 24在
15中央部具有一個縱向長部分，但是，可以布置兩個以上的縱向 長部分(例如，在兩端設置縱向長部分或者在兩端和中央部設置 縱向長部分的情況)。在這種情況下，當使縱向長部分的尺寸最 優化時，能夠獲得具有與尺寸對應的靈敏度的薄膜磁傳感器。
圖2中示出的薄膜磁傳感器20可以單獨使用，或者也可以 構成半橋或者全橋。
(2. 3具體實施例(3))
圖3示出了根據本發明的薄膜磁傳感器的第三具體實施 例。在圖3中，薄膜磁傳感器30具有GMR膜32和薄膜磁軛 34、 34,該GMR膜32具有巨磁電阻效應，該薄膜磁軛34、 34 由軟磁材料形成並且^皮電連接到GMR膜32的兩端。薄膜磁軛 34、 34中的每一方均具有寬度比GMR膜32的寬度寬的矩形形 狀，在薄膜,茲扼34、 34中，在與感》茲方向交叉的方向上形成多 個切口 34a、 34a…。
在圖3示出的實施例中，薄膜磁軛34、 34的中央部(縱向長 部分)的橫向寬度與GMR膜32的橫向寬度大致相等。此外，切 口34a、 34a.,.中的每一方均具有楔形形狀，並且楔形的頂端具 有圓弧形狀。此外，沿與感》茲方向垂直的方向延伸的4黃向長部 分的頂端也具有圓弧形狀。
薄膜磁輒34、34的其它構成與圖2中示出的薄膜磁傳感器 20中的相同。
在薄膜磁扼34、 34的中央部(縱向長部分)中，軟磁材料沿 著感磁方向連續並且處於磁連接的狀態。由於薄膜磁軛34、 34 的中央部具有比寬度Wi長的長度Li,因此，薄膜磁軛34、 34 的中央部具有校小的去磁係數Nl。因此，薄膜磁軛34、 34的中 央部具有對外部,茲場的大的》文大作用，並且由較小的外部磁場 使磁化飽和。另一方面，在薄膜磁軛34、 34的兩端，軟》茲材料沿著感磁 方向不連續，而是^皮切口 34a、 34a…隔開。由於/人中央部向左 右延伸的橫向長部分具有比寬度W2短的長度L2，另外，由於 橫向長部分之間的部分^皮楔形形狀的切口 34a、 34a...隔開，因 此，薄膜》茲軛34、 34的兩端具有較大的去》茲系悽t NH。因此， 薄膜磁軛34、 34的兩端具有對外部磁場的小的放大作用，並且 必須由較大的外部磁場使磁化飽和。
當低磁場作用在該薄膜磁傳感器3 0上時，唯 一 地僅由薄膜 ^磁軛34、 34的中央部(縱向長部分)》文大的外部》茲場作用在GMR 膜32上。因此，能夠高精度地測量低磁場區域。
另 一方面，當高磁場作用在薄膜磁傳感器30上時，磁通量 也流入到向兩端延伸的糹黃向長部分。流入到 一黃向長部分的石茲通 量淨皮洩漏到切口 34a、 34a…，洩漏的》茲通量的 一部分流入到相 鄰的橫向長部分。因此，當高磁場作用在薄膜磁傳感器30上時， 不僅由薄膜磁扼34、 34的中央部放大的外部磁場作用在GMR 膜32上，而且由位於兩端的被切口 34a、 34a…隔開的橫向長 部分放大的外部》茲場也作用在GMR膜32上。因此，能夠在寬 範圍上測量高磁場區域。
在圖3示出的薄膜磁傳感器30中，雖然在薄膜磁軛34、 34 的中央部存在一個縱向長部分，但是，可以布置兩個以上的縱 向長部分。在這種情況下，當使縱向長部分的尺寸最優化時， 能夠獲得具有與尺寸對應的靈敏度的薄膜磁傳感器。
此外，圖3示出的薄膜磁傳感器30可以單獨使用，或者也 可以構成半橋或者全橋。
(3.薄膜磁傳感器的製造方法)
能夠通過<吏用光刻(photolithography)4支術以預定順序疊層 各薄膜來獲得根據本發明的薄膜磁傳感器。
17在這種情況下，作為形成各薄膜的方法，可以使用如電鍍； CVD;例如濺射、真空氣相沉積等各種PVD等已知方法。 此外，可以通過以下方法製造具有預定形狀的薄膜
(1) 在基板的整個表面上形成具有預定組成的薄膜，通過蝕 刻(例如，Ar離子束蝕刻、化學溼蝕刻、反應蝕刻等)根據預定 的形狀圖案去除薄膜的不需要的部分的方法，或者
(2) 通過利用光阻材料等在基板表面上形成具有預定形狀 圖案的掩模，在掩模的整個表面上形成具有預定組分的薄膜， 然後去除掩模的方法。
(4.薄膜磁傳感器的動作)
在對薄膜磁軛設置高靈敏度部分和低靈敏度部分並且使這 兩部分串聯地電連接的情況下，當低^茲場作用時，磁通量僅流 入到高靈敏度部分。另外，在高靈敏度部分，由於去磁係數Nl 較小，因此，由低磁場H使磁化飽和。結果，能夠高精度地測 量低磁場區域的磁特性。
另一方面，當高磁場作用時，磁通量也流入到低靈敏度部 分。另外，在低靈敏度部分，由於去磁係數Nh校大，因此， 磁電阻MR相對於^茲場H的傾斜度減小，並且必須由專交高^茲場 H使磁化飽和。結果，能夠在寬範圍上測量高磁場區域。
(實施例l)
製造圖1所示的薄膜磁傳感器10，並且評價MR特性。將 FeCo-MgF2納米顆粒合金用於GMR膜12,將(Co94Fe6)7oShsB" 無定形合金用於薄膜磁軛14、 14。
此外，薄膜磁輒14、 14的各部分的尺寸如下所述。 薄膜磁軛14、 14的全長Lx縱向棒部的寬度W^ 150|am x 20|_im。橫向棒部的長度L2 x橫向棒部的寬度W2: 20nm x 150|am。 圖4示出所獲得的薄膜磁傳感器的M R特性。從圖4中可以 看出，IHI^10(Oe)的低磁場區域的傾斜度大，IHI〉10(Oe) 的高磁場區域的傾斜度小。這表明能夠高精度地測量磁場中的 低場磁區域並且能夠粗略地但是在寬範圍上測量磁場中的高磁 場區域。
(實施例2)
製造圖2所示的薄膜磁傳感器20,並且評價MR特性。將 FeCo-MgF2納米顆粒合金用於GMR膜22,將(Co94Fe6)7oSh5Bu 無定形合金用於薄膜磁軛24、 24。
此外，薄膜^茲輒24、 24的各部分的尺寸如下所述。 薄膜磁軛24、24的全長"x縱向長部分的寬度W" 150^im x lO)um。
橫向長部分的長度L2 x橫向長部分的寬度W2: 15|amx 20pm。
切口長度I^x切口寬度Ws: 5nmxlfim。
圖5示出所獲得的薄膜磁傳感器的MR特性。從圖5中可以 看出，IHI^5(Oe)的低磁場區域的傾斜度大，IHI〉5(Oe)的高 磁場區域的傾斜度小。這表明能夠高精度地測量磁場中的低場 磁區域並且能夠粗略地但是在寬範圍上測量^茲場中的高磁場區 域。
(實施例3)
製造圖3所示的薄膜磁傳感器30，並且評價MR特性。將 FeCo-MgF2納米顆粒合金用於GMR膜32,將(Co94Fe6)7Si15B15 無定形合金用於薄膜磁軛34、 34。
此外，薄膜磁輒34、 34的各部分的尺寸如下所述。 薄膜磁軛34、34的全長M x縱向長部分的寬度W" 150pmx 20^im。
橫向長部分的長度L2X橫向長部分的寬度W2: 40fim x IOO拜。
圖6示出所獲得的薄膜磁傳感器的MR特性。從圖6中可以 看出，I H I S5(Oe)的低磁場區域的傾斜度大，I H I 〉5(Oe)的高 磁場區域的傾斜度小。這表明能夠高精度地測量磁場中的低磁 場區域並且能夠粗略地但是在寬範圍上測量》茲場中的高》茲場區 域。
雖然已藉助於優選實施方式具體說明了本發明，但是，本 發明不限於上述實施方式，在不背離本發明的主旨的範圍內， 可以對本發明進行各種修改。
產業上的可利用性
根據本發明的薄膜磁傳感器可以用於檢測如汽車車軸、旋 轉編碼器和工業齒輪等的轉動信息；檢測如液壓缸/氣壓缸的衝 程位置、工具機的滑塊等的位置信息和速度信息；檢測如工業焊 接機器人的電弧電流等電流信息；並且可以用於幾何f茲方向羅盤等。
此外，雖然具有GMR膜和布置在GMR膜的兩端的薄膜磁 輒的磁電阻器件特別適合作為磁傳感器，但是，磁電阻器件的 用途不限於此，該,茲電阻器件可以^皮用作》茲存儲器、,茲頭等。
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權利要求
1. 一種薄膜磁傳感器，其包括GMR膜，該GMR膜具有巨磁電阻效應；以及薄膜磁軛，該薄膜磁軛由軟磁材料形成並且被電連接到所述GMR膜的兩端；其中，所述薄膜磁軛具有感磁方向上的去磁係數為NL的高靈敏度部分和所述感磁方向上的去磁係數為NH的低靈敏度部分，所述低靈敏度部分與所述高靈敏度部分串聯地電連接，且NH>NL。
2. 根據權利要求1所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於， 所述高靈敏度部分具有沿所述感磁方向延伸的 一個以上的縱向長部分；並且所述低靈敏度部分具有沿與所述感磁方向交叉的方向從所 述縱向長部分延伸的 一 個以上的橫向長部分。
3. 根據權利要求2所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所 述薄膜磁軛具有T字形狀，並且藉助於T字形狀的橫向棒部使 所述薄膜^茲軛與所述GMR膜電連接。
4. 根據權利要求2所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所 述薄膜》茲輒具有矩形形狀並且在與所述感^t方向交叉的方向上形成有一個以上的切口 。
5. 根據權利要求4所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所 述薄膜磁軛的寬度與所述GMR膜的寬度相同。
6. 根據權利要求4所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所 述薄膜磁軛的寬度比所述GMR膜的寬度大。
7. 根據權利要求1所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所 述薄膜磁軛具有T字形狀並且藉助於T字形狀的橫向棒部使所 述薄膜磁輒與所迷GMR膜電連接。
8. 根據權利要求1所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所述薄膜磁輒具有矩形形狀並且在與所述感磁方向交叉的方向上 形成有一個以上的切口 。
9. 根據權利要求8所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於，所 述薄膜磁軛的寬度與所述GMR膜的寬度相同。
10. 根據權利要求8所述的薄膜磁傳感器，其特徵在於， 所述薄膜磁軛的寬度比所述GMR膜的寬度大。
11. 根據權利要求1至10中任一項所述的薄膜磁傳感器， 其特徵在於，所述G M R膜由金屬-絕緣體基納米顆粒材料形成。
全文摘要
一種薄膜磁傳感器，其包括GMR膜，該GMR膜具有巨磁電阻效應；以及薄膜磁軛，該薄膜磁軛由軟磁材料形成並且被電連接到GMR膜的兩端；其中，薄膜磁軛具有感磁方向上的去磁係數為NL的高靈敏度部分和感磁方向上的去磁係數為NH的低靈敏度部分，該低靈敏度部分與該高靈敏度部分串聯地電連接，且NH＞NL。
文檔編號G01R33/09GK101520493SQ200910007620
公開日2009年9月2日 申請日期2009年2月12日 優先權日2008年2月27日
發明者小山惠史 申請人:大同特殊鋼株式會社