磁性傳感器及其製造方法

2023-05-10 19:01:51 4

專利名稱：磁性傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及利用因磁性使導體阻抗變化來檢測外部磁場的高靈敏度磁性傳感器。
背景技術：
作為以高靈敏度檢測磁性或磁場的磁性傳感器，已經知道有利用磁阻抗效應的磁阻抗元件。在磁阻抗元件中，接近軟磁性體的磁極設置的導體中流過高頻恆定電流。若將該磁阻抗元體置於磁場中，則導體阻抗因磁場而變化。根據因導體阻抗的該變化而引起的高頻電壓變化來檢測磁性。
圖42(a)為電子情報學會技報MR95-80中報告的以往的磁阻抗元件的立體圖。在圖中，由導電性金屬薄膜構成的檢測導體膜101被軟磁心105及106夾住。軟磁心105及106分別如圖42(b)的截面圖所示，是坡莫合金膜103與Sio2膜104的層疊體。從UHF頻帶的高頻發送器107經電阻108在檢測導體膜101中流過UHF載波信號恆定電流的高頻電流109。在分別與檢測導體膜101的兩端連接的導線端110與111之間，檢測出因箭頭116所示的外部磁場而引起的阻抗變化所相應的電壓變化。在端子110與111之間，產生相當於高頻電流109和檢測導體膜101的端子110與111之間的阻抗之積的載波信號電壓。在外部磁場116存在時，軟磁心105及106的沿箭頭102所示方向取向的易磁心軸的取向方向將因外部磁場116而偏離取向方向。其結果，檢測導體膜101的阻抗將比外部磁場116不存在時要減少。該阻抗的減少作為載波信號的利用外部磁場116的調幅信號來進行檢測。通過對該調幅信號進行AM檢波，就能夠檢測出外部磁場116。在利用上述磁阻抗效應的磁性傳感器中，能夠得到現在正進行開發的巨磁阻元件的約10倍的檢測輸出。
圖43所示為圖42(a)所示的磁阻抗元件的工作特性曲線，表示磁場強度DC與載波信號電平的關係。設載波信號的頻率為1.0GHZ，將磁上直流(DC)磁場，測量磁場強度與載波信號電平，為了得到高靈敏度、失真少的檢測輸出。如圖43所示，必須加上直線112所示的磁場強度的直流偏置磁場。
磁阻抗元件的阻抗和載波信號的頻率與磁導率之積成正比。因而，在如上所述頻率很高的情況下，能夠得到足夠的阻抗變化。但是，在磁性傳感器的用途中，有的情況下必須採用比較低的外部磁場時，必須使用遠低於1GHZ的10MHZ～20MHZ的載波信號，因此，要求有以這樣的比較低頻的載波信號能夠得到足夠的阻抗變化的磁阻抗元件。

發明內容
本發明的目的在於實現以比較低頻的載波信號能夠得到大的阻抗變化的磁阻抗元件，從而得到高靈敏度磁性傳感器。
本發明的磁性傳感器，包括在沿膜面的規定方向具有易磁化軸的軟磁性膜，以及與所述軟磁性膜用電氣絕緣物隔開，並在其上曲折設置的，在所述軟磁性膜的面內與該膜的易磁化軸平行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁性膜。磁性傳感器還包括在所述導電性非磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
該磁性傳感器具有以下的作用及效果。外部磁場產生的磁通若沒與易磁化軸垂直的方向(難磁化軸)通過軟磁性膜，則軟磁性膜的與導電性非磁性膜相對的部分的磁導率減少。其結果，由於磁阻抗效應，則導電性磁性膜的阻抗變化，前述阻抗的變化由於與外部磁場的強度相對應，因此根據阻抗的變化，能夠檢測出外部磁場的強度，曲折的導電性非磁性膜的與軟磁性膜的易磁化軸平行的部分的長度比垂直的部分的長度要長。通過這樣，軟磁性膜的磁導率高的難磁化軸方向與利用流過導電性非磁性膜的高頻電流產生的磁通方向平行的區域較多。因此具有的效果是，即使雖採用比較低頻的高頻載波信號的情況下，也能夠將導電性非磁性膜的阻抗值設定得較大，阻抗的變化大，就能夠以高靈敏度檢測外部磁場。
本發明的其它觀點的磁性傳感器，包括在相對於帶狀膜的長度方向垂直而且沿膜面的方向具有易磁化軸的帶狀軟磁性膜，以及在所述較磁性膜上當中隔著電氣絕緣物曲折設置的、在所述軟磁性膜的面內與該膜的易磁化軸平行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁性膜。磁性傳感器還包括在所述導電性軟磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
若利用其它觀點的磁性傳感器，則通過使軟磁性膜形成帶狀，除了前述的作用效果，在加上外部磁場時，還能夠減少軟磁性膜中產生的去磁。其結果，即使是採用比較低頻的高頻載波信號的情況下，也能夠將導電性非磁性膜的阻抗傳設定得較大，阻抗的變化大，就能夠以高靈敏度檢測外部磁場。
本發明的另外其它觀點的磁性傳感器，包括在非磁性基板的主要形成的、在沿膜面的規定方向具有易磁化軸的軟磁性膜，以及在所述軟磁性膜上當中隔著電氣絕緣膜曲折形成的、在所述軟磁性膜的面仙與該膜的易磁性軸平行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁化膜。磁性傳感器還包括在所述導電性大量磁性膜上當中隔著絕緣性保護膜而形成的、流過直流電流以對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場用的導電性膜。磁性傳感器還包括在所述導電性非磁性膜中渡過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
若利用上述另外其它觀點的磁性傳感器，則除了前述的各作用效果，還有軟磁性膜、導電性非磁性膜及對軟磁性膜加上直流偏置磁場用的導電性膜利用非磁性基板保持。具有的效果是，通過導電性膜中流過提供直流偏置磁場用的直流電源，磁性傳感器能夠以高靈敏度檢測外部磁場。
本發明的另外其它觀點的磁性傳感器，包括在非磁性基板的主面形成的、在相對於帶狀膜的長度方向垂直而且沿膜面的方面具有易磁化軸的帶狀第1軟磁性膜，以及在所述軟磁性膜上隔著第1絕緣膜曲折形成的、在所述軟磁性膜的面內與該膜的易磁化軸並行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁性膜。磁性傳感器還包括在所述導電性非磁性膜上當中隔著第2絕緣膜而形成的、在相對於帶狀的長度方向垂直而且沿膜面的方向具有易磁化軸的第2軟磁性膜，以及在所述第2軟磁性膜上隔著絕緣性保護膜而流過直流性膜上隔著絕緣性保護膜而形成的、流過直流電流以對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場用的導電性膜。磁性傳感器還包括在所述導電性非磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
若利用上述其它觀點的磁性傳感器，則除了前述的各作用效果，還具有以下的作用效果。由於帶狀導電性非磁性膜被第1與第2軟磁性膜夾在當中，因此，軟磁性膜的總厚度實際上成倍增加。所以，對該磁性傳感器加上外部磁場時的去磁雖然增加，但導電性非磁性膜的阻抗絕對值成倍增加。由於檢測電路的檢測輸出電平與阻抗值成正比，因此，檢測輸出電平升高，檢測輸出的SN比增加。
本發明的其它觀點的磁性傳感器，包括具有利用軟磁性膜形成的閉合磁路的至少1個軟磁性膜，貫通所述軟磁性膜的閉合磁路而設置的、流過直流電流的導電性膜，以及貫通所述軟磁性膜的閉合磁路並保持與所述導電性膜之間的絕緣而設置的、流過高頻電流用的導電性非磁性膜。
根據本發明的磁性傳感器的製造方法，包括在非磁性基板的上表面形成作為下層軟磁性膜的帶狀的至少1個第1軟磁性膜的步驟，在所述第1軟磁性膜上隔著第1絕緣膜形成第1導電性膜、導電性的第1連接部分及第2連接部分的步驟，在所述第1導電性膜上隔著第2絕緣膜形成導電性非磁性膜的步驟，在所述導電性非磁性膜上形成第3絕緣膜的步驟，保留包含所述第1導電性膜及導電性非磁性膜的附近的所述第1、第2及第3絕緣膜而除去所述第1軟磁性膜上的所述第1、第2及第3絕緣膜的步驟，在所述第1軟磁性膜及所述保留的第1、第2及第3絕緣膜上設置第2軟磁性膜並形成閉合磁路的步驟，在包含所述第2軟磁性膜的整個表面形成第4絕緣膜的步驟，除去所述第1及第2連接部分上的第2、第3及第4絕緣膜後形成通孔、並使所述第1及第2連接部分露出的步驟，以及在所述第4絕緣膜94上形成兩端部分別與所述第1及第2連接部分電氣連接的導體連接線、並與通過相鄰的其它閉合磁路的第1導電性膜進行連接的步驟。
附圖簡單說明

圖1為本發明第1實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖2所示為圖1磁性傳感器除去導電性膜6的狀態的平面圖。
圖3(a)為圖1的III-III剖視圖。
圖3(b)為圖3(a)的右端部的放大剖視圖。
圖4所示為本發明第1實施例的磁性傳感器的外部磁化Hex與阻抗Z的關係曲線圖。
圖5所示為本發明第1實施例的磁性傳感器的軟磁性膜形狀的平面圖。
圖6所示為本發明第1實施例的磁性傳感器的以比L/W作為參數的外部磁化Hex與磁通密度B的關係曲線圖。
圖7所示為本發明第1實施例的磁性傳感器的以軟磁性膜的厚度t作為參數的外部磁化與磁通密度B的關係曲線圖。
圖8為本發明第2實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖9所示為圖8的磁性傳感器除去導電性膜6的狀態的平面圖。
圖10為本發明第2實施例的其它例子磁性傳感器的平面圖。
圖11(a)為圖10的XI-XI剖視圖。
圖11(b)為圖11(a)的右端部的放大剖視圖。
圖12所示為本發明第2實施例的磁性傳感器的外部磁化Hex與阻抗Z的關係曲線圖。
圖13為本發明第3實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖14(a)為圖12的XIV-XIV剖視圖。
圖14(b)為圖14(a)的右端部的放大剖視圖。
圖15(a)為本發明第3實施例的磁性傳感器的剖視圖。
圖15(b)為圖15(a)的右端部的放大剖視圖。
圖16(a)為本發明第4實施例的磁性傳感器的剖視圖。
圖16(b)為圖16(a)的右端部的放大剖視圖。
圖17為本發明第5實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖18所示為圖17的磁性傳感器除去導體膜6的狀態的平面圖。
圖19(a)為圖18的XIX-XIX剖視圖。
圖19(b)為圖19(a)的右端部的放大剖視圖。
圖20(a)為本發明第5實施例的磁性傳感器的剖視圖。
圖20(b)為圖20(a)的右端部的放大剖視圖。
圖21為本發明第6實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖22(a)為圖21的XXII-XXII剖視圖。
圖22(b)為圖22(a)的右端部的放大剖視圖。
圖23(a)為本發明第6實施例的其它例子磁性傳感器的剖視圖。
圖23(b)為圖23(a)的右端部的放大剖視圖。
圖24為本發明第7實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖25(a)為本發明第7實施例的磁性傳感器的剖視圖。
圖25(b)為圖25(a)的右端部的放大剖視圖。
圖26為本發明第8實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖27為本發明第8實施例的磁性傳感器的軟磁性膜平面圖。
圖28為說明前述第2至第7實施例的軟磁性膜的問題用的平面圖。
圖29所示的圖28的軟磁性膜的外部磁場與磁通密度的關係曲線圖。
圖30所示為圖28的軟磁性膜的外部磁場與阻抗的關係曲線圖。
圖31所示為本實施例的軟磁性膜的磁通平面圖。
圖32所示為本實施例的軟磁性膜改變尺寸S時的磁通密度的變化曲線圖。
圖33為本發明第9實施例的磁性傳感器的立體圖。
圖34為本發明第9實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖35(a)至(d)所示為本發明第9實施例的磁性傳感器的製造工序，是軟磁性膜的長度方向的XXXV-XXXV剖視圖。
圖36(a)至(d)所示為本發明第9實施例的磁性傳感器的製造工序，是與軟磁性膜的長度方向垂直的方向的XXXVI-XXXVI剖視圖。
圖37為本發明第10實施例的磁性傳感器的部分立體圖。
圖38為本發明第10實施例的磁性傳感器的平面圖。
圖39(a)至(d)所示為本發明第10實施例的磁性傳感製造工序，是軟磁性膜的長度方向的XXXIX-XXXIX剖視圖。
圖40(a)至(d)所示為本發明第10實施例的磁性傳感製造工序，是與軟磁性膜的長度方向垂直的方向的XXXX-XXXX剖視圖。
圖41(a)及(b)為說明軟磁性膜與產生直流偏置磁場的導電性非磁性膜的位置關係而決定的直流偏置磁場強度用的剖視圖。
圖42(a)為以往的利用磁阻抗疚的磁性檢測元件的立體圖。
圖42(b)為以往的磁性檢測元件的軟磁心105及106的部分放大圖。
圖43所示為以往的磁性檢測元件的特性曲線圖。
實施發明用的最佳形態下面參照圖1至圖41，說明本發明的磁性傳感器的理想實施例。
第1實施例下面參照圖1至圖7，說明本發明第1實施例的磁性傳感器9。
圖1為本發明第1實施例的磁性傳感器9的平面圖。圖2是為了容易理解內部的結構，表示除去圖1的施加直流偏置磁場用的銅(Cu)導電性膜6的情況下的平面圖。為了避免圖形複雜，以便容易理解，在包含圖1及圖2在內的全部平面圖中省略表面存在的凹凸的圖示部分。圖3(a)的圖1的III-III剖視圖，圖3(b)為圖3(a)的部分放大剖圖。在剖視圖中，為了避免圖形複雜，不加上表示剖面的剖面線。
在圖1、圖2、圖3(a)及圖3(b)中，在非磁性基板1的上面的中心區域，形成厚1μm的Fe-Ta-N的軟磁性膜4。對於非磁性基板1，例如比較適合的是採用含有鎳的氧化物NiO、鈦的氧化物TiO2、鎂的氧化物MgO的陶瓷(以下記作Ni-Ti-Mg)。形成的軟磁性膜4在沿膜面的箭頭80的方向具有易磁化軸。在軟磁性膜4上形成厚0.1μm的SiO2絕緣膜5。在絕緣膜5上形成如圖2所示的在兩端具有電極端3及3A的厚1μm的Cu的彎彎曲曲型(meander型即曲折型)導電性非磁性膜7。曲折型導電性非磁性膜7的與箭頭80的方向平行的部分即導電性非磁性膜7A及7B的長度比與箭頭80的方向垂直的部分即導電性非磁性膜7C及7D的長度要長。在圖2中，為了使導電性非磁性膜7C及7D露出在軟磁性膜4的外部，導電性非磁性膜7A及7B的長度比軟磁性膜4在箭頭80的方向的長度要長。在圖3(a)中，設電流從紙面的靠近自己這一側向對面一側流動時的導電性非磁性膜為7A，沿其反向流動時的導電性非磁性膜為7B。
然後，在包含導電性非磁性膜7的絕緣膜5上，如圖3(a)所示，形成厚1.0μm的SiO2保護膜8上，形成如圖1所示的在兩端部分具有電極2A及2B的導電性膜6。導電性膜6的大小與軟磁性膜4的大小近似相同。在導電性膜6的電極2A及2B、以及電極2A及2B與導電性膜6的連接部分，為了具有大的電流容量，形成厚約4μm的金(Au)等的穩定金屬膜。另外，關於前述的電極3及3A，也可以形成同樣的厚度。
分別將直流電源10的負極及正極與導電性膜6的電極2A及2B連接，在導電性膜6中流過直流電流。將具有頻率10MHz～20MHz高頻振蕩器的恆流高頻電源11經電阻12與導電性非磁性膜7的電極端3及3A連接，流過恆定的高頻電流。再將具有AM檢波器的高頻放大器13的兩輸入端分別與電極端3及3A連接。如圖3(a)及圖3(b)所示，直流電流垂直紙面從靠近自己一側向對硐側流過導電性膜6。在圖的左右方向中，由於導電性膜6的寬度與軟磁性膜4的寬度近似相同，因此在導電性膜6的周圍產生虛線箭頭14所示的直流磁場。由於該直流磁14的作用，磁通如圖3(b)中放大所示，則從右端向左端通過軟磁性膜4，對軟磁性膜4起到作為直流偏置磁場(Hbias)的作用。
由高頻電源11供給的恆定高頻載波電流流過曲折型導電性非磁性膜7。圖3(b)所示為電流垂直紙面從靠近自己一側向對面一側流過導電性非磁性膜7的截面7A、而電流其反向流過導電性非磁性膜7的截面7B的瞬間的情況。由於該電流是前述的10MHz～20MHz的高頻交流電流，因此產生分別沿箭頭15所示的順時針方向及逆時針方向每隔交流的半波交替反轉的交變磁場。根據該交變磁場及箭頭14所示的直流偏置磁場，決定導電性非磁性膜7相對於高頻電流的阻抗。
如圖1及圖2所示，用箭頭16所示方向的測量對象即外中磁場Hex(以下作為外部磁場Hex16)加在磁性傳感器9的軟磁性膜4的長度方向。根據該外部磁場Hex16的大小，供給了直流偏置磁場的軟磁性膜4的磁導率發生變化。其結果，導電性非磁性膜7的阻抗變化。通過這樣，在電極端3與3A之間產生高頻電流與阻抗之積的高頻電壓。該高頻電壓是高頻載波信號根據外部磁場Hex16的大小進行調幅(AM)的信號。將該調幅信號利用高頻放大器13進行AM檢波並放大，能夠得到外部磁場Hex16的檢測信號。由流過導電性非慈生膜7A及7B的高頻電流產生的磁場，其一部分雖然相互在對方的區域擴散，但其大部分如圖3(b)中用箭頭15所示，局部集中在各自下部區域的軟磁性膜4中。因此，在軟磁性膜4與導電性非磁性膜7A及7B相對的區域中，產生與直流偏置磁場疊加的高頻磁場。由於軟磁性膜4與導電性非磁性膜7的相對區域有多個(圖2中為8個)，因此隨著相對區域數(n)的增加，由相對區域相互喑的互感而引起的阻抗也增加。該阻抗可以通過改變圖2中想念的導電性非磁性膜7B與7E之間的間隔T及膜寬D來進行調整。
在圖2中，若設軟磁性膜4與導電性非磁性膜7的1個相對區域70中導電性非磁性膜7中產生的阻抗為ZO，則如圖3(b)所示相對區域數(n)為2時，如圖4所示，直流偏置磁場為Hbias時的阻抗值成為2×ZO。圖5所示為將長L、寬W的矩形Fe-Ta-N的軟磁性膜4置於要測量的外部磁場Hex16中的狀態的平面圖。對圖5的軟磁性膜4中產生的去磁場進行了研究可知，因軟磁性膜4的形狀不同，去磁場的大小有很大的不同。圖6是改變圖5所示的軟磁性膜4的尺寸比L/W而測量軟磁性膜4的中心線(c)-(d)的磁通密度B(縱軸)與外部磁場Hex16(橫軸)的關系所得到的結果的曲線圖。軟磁性膜4採用在寬度W方向具有易磁化軸的厚度t為1μm的Fe-Ta-n膜。若外部磁場Hex16的方向和理髮師軟磁性膜4的易磁化軸的方向一致，則磁化的放置能順利進行，能夠得到高的磁導率。因此，如圖6所示，尺寸比L/W的值越大，則即使在較弱的外部磁場Hex216中，磁通密度B也越高。這可以認為是電磁學中所熟知的因軟磁性膜4的開頭而產生的去磁場的影響。圖7是將尺寸比L/W作為1、改變作為參數的軟磁性膜4的厚度t，而測量軟磁性膜4的中心線(c)-(d)的磁通密度B與測量對象的外部磁場Hex16的關係曲線圖。作為外部磁場Hex，在測量強度為0.3Oe(在國際單位制中為24A/m)左右以上的地磁場的情況下，考慮到對去磁場的影響，最好將軟磁性膜4的厚度設為1μm以下(包含1μm)，將尺寸比L/W設為5以上(包含5)。軟磁性膜4的厚度越薄，尺寸比L/W越大，則去磁場的強度變得越小。
如圖7所示，軟磁性膜4越薄，即使在較弱的外部磁場Hex中，也能夠得到更高的磁通密度B。根據圖7，在使尺寸比L/W的值為1的情況下，最好較磁性膜4的厚度為0.2μm以下(包含0.2μm)。但是，若較磁性膜4的厚度t太薄，則高頻下的導電性非磁性膜7的阻抗減小。因此，發明者進行了各種實驗，結果將前述尺寸比L/W取為10以上(包含10)，將軟磁懷膜4的厚度t取為3μm以下(包含3μm)。若這樣進行，則可知能夠以高靈敏度檢測0.3Oe(24A/m)左右的地磁場。通過這樣，採用10MHz～20MHz左右比較低頻的高頻載波信號的磁阻抗元件，將軟磁性膜4的膜厚取為3μm以下(包含3μm)，就能夠得到具有高檢測靈敏度的磁性傳感器。由於可以使用低頻的載波信號，因此對傳感器的布線長度或形狀變化而引起的誤差也減少。
第2實施例下面參照圖8至圖12，說明本發明第2實施例的磁性傳感器。
在對利用磁阻抗效應的磁性傳感器加上的高頻載波信號的頻率為比較低的10MHz～20MHz時，前述圖1的磁性傳感器9中，導電性非磁性膜7的阻抗主要由前述的頻率與導電性非磁性膜7的電感之積來決定。因此，在本實施例中，要減少前述第1實施例的軟磁性膜4的去磁場，以增大導電性非磁性膜7的電感，使得即使對於地磁場等的弱磁場，阻抗也發生較大的變化。
圖8為第2實施例的磁性傳感器的平面圖。在圖中，在Ni-Ti-Mg的非磁性基板1上，為了養活在第1實施例中說明的去磁場，形成多個將尺寸比L/W取為10以上(包含10)的較大數值的細帶狀Fe-Ta-N軟磁性膜44。將多個帶狀軟磁性膜44平行配置，它就相當於第1實施例的軟磁性膜4。軟磁性膜44在沿其膜面的寬度方向(箭頭80)具有易磁化軸。如圖9所示，在軟磁性膜44上隔著絕緣膜5形成與軟磁性膜44垂直的曲折型導電性非磁性膜7。在圖9中，軟磁性膜44在絕緣膜5的下面，而導電性非磁性膜7在絕緣膜5的上面。如圖8所示，在導電性非磁性膜7及絕緣膜5上形成與圖1相同的材料及開頭的導電性膜6，這樣構成磁性傳感器9A。圖9中為了容易理解導電性非磁性膜7的結構，所示為除去圖8中導電性膜6的狀態的平面圖。圖8的III-III剖視圖，實際上與圖3(a)相同。
在本實施例的磁性傳感器9A中，軟磁性膜44中產生的去磁場與圖1的軟磁性膜4相比，要明顯養活。另外，各軟磁性膜44與導電性非磁性膜7的相對部分70A的數量，由於增加了軟磁性膜44的數量而增加。其結果與圖1的結構相比，具有阻抗值增大、同時能夠得到大的阻抗變化的特徵。
圖10為第2實施例的其它例子結構的磁性傳感器9B的平面圖。在該結構中，如圖11(a)、以及將圖11(a)的一部分放大的剖視圖即圖11(b)所示，在Ni-Ti-Mg的非磁性基板1上，道德形成施加直流偏置磁場用的導電懷膜6。在導電性膜6上隔著SiO2膜21，形成軟磁性膜44。在軟磁性膜44及SiO2膜21上形成絕緣膜5。在絕緣膜5上形成曲折型導電性非磁性膜7。在包含導電性非磁性膜7的絕緣膜5上形成作為保護膜的厚約1μm的SiO2絕緣膜8。在圖11(a)的結構中，導電性膜6的形成在製造上比較容易，同時由於非磁性基板1的平坦表面上形成導電性膜6，因此導電性膜6的表面也平坦，在平坦表面上形成的絕緣膜21即使相當薄，也能夠保證足夠的絕緣。通過這樣，導電性膜6與軟磁性膜44的距離將減小，對軟磁性膜44將加上由導電性膜6產生的用虛線箭頭14表示瓣強偏置磁場。其結果，與圖1結構相比，能夠減少導電性膜6中流過的直流電流。即，具有能夠養活直流偏置電源10的功耗的特徵。
圖12所示為將軟磁性膜44的寬度W1(圖10)作為參數的導電性非磁性膜7的阻抗Z與外部磁場Hex的關係曲線圖。曲線C1、C2及C3分別為幅度W1是10μm、100μm及400μm時的曲線。阻抗Z是分別用要測量的外部磁場Hex為零時的阻抗值進行歸一化來表示。軟磁性膜44的厚度為3μm，長度L為1mm。將該磁性傳感器9B放在外部磁場中進行測量。其結果如圖12所示可知，軟磁性膜44的寬度W1越小，即使在弱的被測外部磁場Hex中，阻抗變化也越大。為了測量磁場強度弱的地磁場，比較適合的是曲線C1及C2的寬度(寬度W1為10μm或100μm)。曲線C3的寬度，由於地磁場檢測的靈敏度差，因此不適合。根據以上的結果表明，軟磁性膜44的寬度W1比較適合的是100μm以上(包含100μm)，尺寸比L/W1最好在10以上(包含10)。曲折型導電性非磁性膜7的膜厚及膜寬分別取為1.0μm及10μm。作為第2實施例的磁必傳感器的具體例子，最好導電性非磁性膜7的長度K及1mm及100μm，軟磁性膜44的寬度W1為40μm，長度L為1mm。
在本實施例中，使尺寸比L/W1為10以上、膜厚3μm以下的多個軟磁性膜44與曲折型導電性非磁性膜7相對。通過這樣，即使在採用10MHz～20MHz的比較低的載波頻率的情況下，也能夠使導電性非磁性膜7的因外部磁場而引起的阻抗變化大幅度增加。這樣，由於採用低頻的載波信號，因此因對傳感器的布線長度及開頭變化而引起的誤差也能夠養活。
第3實施例下面參照圖13至圖15，說明本發明第3實施例的磁性傳感器9C。
圖13為本發明第3實施例的磁性傳感器9C的平面圖，圖14(a)及(b)為圖13的XIV-XIV剖視圖。在圖14(a)及部分放大剖視圖的圖14(b)中，在Ni-Ti-Mg的非磁性基板上形成含有鈷(Co)及鉑(Pt)的膜(以下稱為Co-Pt膜)18。對膜18進行充磁，使其在圖的左右方向分別形成N極及S極。通過這樣，Co-Pt膜18成為永磁體膜18。在永磁體膜18上，在與永磁體膜18近似相同的區域內，形成與前述第2實施例相同的帶狀軟磁性膜44。然後形成絕緣膜5，使其覆蓋軟磁性膜44及永磁體18。在絕緣膜5上形成曲折型導電性非磁性膜7。在導電性非磁性膜7上形成作為保護膜的厚約1Co-Pt膜的SiO2絕緣膜8，這樣構成磁性傳感器9C。
在本實施例的磁性傳感器9C中，如圖14(b)所示，由永磁體膜18產生的用虛線箭頭44提供直流偏置磁場。因而，在本實施例中，不需要產生直流偏置磁場用的直流電源。若在導電性非磁性膜7中流過高頻電流，則產生圖14(b)中用虛線箭頭15表示的交變磁場。
圖15(a)及部分放大圖的圖15(b)所示為本實施例的其它例子磁性傳感器的剖視圖。在圖中，在Ni-Ti-Mg非磁性基板1上形成帶狀軟磁性膜44。然後，在包含軟磁性膜44的非磁性基板1上形成絕緣膜5。在絕緣膜5上形成曲折型導電性非磁性膜7，同時在導電性非磁性膜7上形成Co-Pt膜19。將Co-Pt膜19在軟磁性膜44的長度方向(圖15(b)的左右方向)充磁，如圖15(b)的部分放大剖視圖所示，形成在Co-Pt膜19的寬度方向、即軟磁性膜44的長度方向具有N及S磁極的永磁體膜19。利用永磁體膜19產生的磁通20，對與導電性非磁性膜7相對的軟磁性膜44加上直流偏置磁場。一般情況下，若對軟磁性體加上直流磁場，則磁導率減少。在本實施例中，對於軟磁性膜44來說，僅對與永磁體膜19相對的部分加上直流偏置磁場，而對其它大部分不加上直流偏置磁場。因而，在軟磁性膜44中，磁導率降低的部分是有限的，避免整個軟磁性膜44的磁導率降低。即，軟磁性膜44的大部分保持原來的磁導率。因此，由外部磁場Hex16通過軟磁性膜44的磁通密度不太降低，能夠最大限度地利用外部磁場產生磁場產生的磁通對導電性非磁性膜7的阻抗變化所產生的作用。通過這樣，能夠得到具有高靈敏度的磁性傳感器。
第4實施例下面參照圖16，說明本發明第4實施便的磁性傳感器9D。
圖16(a)及圖16(b)為本發明第4實施例的磁性傳感器9D的剖視圖。磁性傳感器9D的平面圖與圖8類似。圖16所示的與圖8的III-III剖面相同的剖面的剖視圖。在本實施的磁性傳感器9D中，是在圖14(a)所示的磁性傳感器9C的保護膜8上形成導電性膜6，其它的結構與磁性傳感器9C相同。在磁性傳感器9C中，用永磁體膜18的磁場提供直流偏置磁場，但由於軟磁性膜44的磁特性的差異、或永磁體膜18的磁力的差異等，很難提供最佳的直流偏置磁場。在圖16(a)的磁性器9D中，對導電性膜6流過微弱的直流電流，通過這樣產生用虛線箭頭14表示的微弱直流偏置磁場。使該直流電流產生的直流偏置磁場與圖16(b)中用虛線箭頭22表示的上永磁體膜18產生的主要直流偏置磁場相疊加，通過這樣能夠對永磁體膜18產生的直流偏置磁場的強度進行微調。通過加減導電性膜6的電流，由於能夠增減直流偏置磁場，因此能夠容易形成最佳的直流偏置磁場。因而，能夠得到具有高靈敏度的磁性傳感器。
第5實施例下面參照圖17至圖20，說明本發明第5實施例的磁性傳感器9E。圖17為本實施例的磁性傳感器的平面圖，圖18為除去圖17的導電性膜6以便容易理解軟磁性膜44及導電性非磁性膜7的結構的平面圖。圖19(a)為圖17的XIX-XIX剖視圖，圖19(b)為圖19(a)的一部分的放大剖視圖。在圖18及圖19(a)中，在Ni-Ti-Mg非磁性基板1的中心區域形成多個帶狀第1軟磁性膜44，再形成絕緣膜5，使其覆蓋其上。在絕緣膜5上形成曲折型導電形非磁性膜7，再在包含導電性非磁性磁性膜7的整個絕緣膜5的表面形成SiO2絕緣膜24。然後，在絕緣膜24上形成與軟磁性膜44相同開頭而且相同材料的第2軟磁性膜23，使其位於各軟磁性膜44的正上方。再在包含軟磁性膜23的整個絕緣膜24的表面形成保護膜8，在保護膜8上形成導電性膜6。
在本實施例的結構中，由於導電性非磁性膜7利用2個軟磁性膜23與44夾在當中，因此軟磁性膜的總厚度實際上成為2倍。利用該結構，由流過導電性非磁性膜7的高頻電流產生的磁通，如圖19(b)中用箭頭15所示，由於通過包含軟磁性膜23及44的閉環，因此磁通密度增加。
在磁阻抗元件中，磁阻抗的絕對值與軟磁性膜的成正比增加。另外，若軟磁性膜的厚度增加，則因外部磁場而產生的去磁場也增加，因此作為磁性傳感器的靈敏度降低。但是，若阻抗大，則阻抗與高頻載波電流之積即檢測輸出電平增大，檢測輸出的SN比升高。本實施例的磁性傳感器適用於即使檢測靈敏度低、但卻希望能夠得到高的檢測輸出的用途。
採用本實施例的磁性傳感器，為了儘可能減小去磁場，提高靈敏度，最好使軟磁性膜23及44的膜厚分別為1.5μm以下(包含1.5μm)，其總厚度為3μm以下(包含3μm)。
在圖19(a)中，若導電性膜6中流過直流電流，則產生用箭頭14表示的直流偏置磁場的磁通。直流偏置磁場的磁通如圖19(b)所示，分別像用虛線箭頭25及26表示的那樣通過軟磁性膜23及44，提供直流偏置磁場。
圖20(a)及圖20(b)所示為利用光刻法製成本實施例的其它例子磁性傳感器時的結構剖視圖。通過採用光刻法，能夠將圖19(b)中的絕緣膜5及24像圖20(b)的絕緣膜5A及24A那樣，僅在導電性非磁性膜7的周圍形成。利用該結構，在相鄰的導電性非磁性膜7之間，2個軟磁性膜23與44接觸。通過樣，在導電性非磁性膜7的周圍產生的用虛線箭頭15表示的高頻磁場的磁通將集中在導電性非磁性膜7的附近，相鄰的導電性非磁性膜7的各自的磁場相互產生影響的相互作用減少。由於該相互作用的減少，導致阻抗值增大。另外，由於能夠減小曲折型導電性非磁性膜7的間隔T，因此能夠進一步增大阻抗值。所以，加上外部磁場Hex16時的導電非磁性膜7的阻抗變化進一步增大，磁性傳感器的檢測靈敏度將提高。
第6實施例下面參照圖21至圖23，說明本發明第6實施例的磁性傳感器9F。
圖21為本發明第6實施例的磁性傳感器9F的平面圖，圖22(a)為圖21的XXII-XXII剖視圖。在圖21中所示為除去最上的保護膜8的狀態。圖22(b)為圖22(a)的部分放大剖視圖。在圖21及圖22(a)中，在Ni-Ti-Mg非磁性基板1上形成多個帶狀第1軟磁性膜44。在包含軟磁性膜44的非磁性基板1上形成比軟磁性膜44在圖中左右方向的寬度W3要小的寬度W4的Co-Pt膜18。在Co-Pt膜18上隔著絕緣膜5A，形成曲折型導電性非磁性膜7。在曲折型導電性非磁性膜7的周圍形成絕緣膜24A後，在包含導電性非磁性膜7的周圍的絕緣膜24A及前述Co-Pt膜18的表面，形成與軟磁性膜44相同形狀而且相同材料的其它第2軟磁性膜23，使其位於軟磁性膜44的正上方。
再在包含軟磁性膜23的整個表面形成保護膜8。對Co-Pt膜18進行免磁，使其在圖的左右方向形成N極及S極，將Co-Pt膜18形成為永磁體。通過使Co-Pt膜18的寬度W4小於軟磁性膜23及44的寬度W3，則軟磁性膜23與44在兩端部接觸。通過這樣，由Co-Pt膜18的永磁體產生的磁通如用線箭頭22所示，通過軟磁性膜23及44，對兩軟磁性膜23及44加上直流偏置磁場。
圖23(a)所示為與表示本實施例的其它構成例的圖22相同的剖面的剖視圖，圖23(b)為圖23(a)的部分放大剖視圖。
在圖23(a)及圖23(b)所示的結構中，將比導電性非磁性膜7的寬度W5略寬的寬度W6的Co-Pt膜19隔著絕緣15A，與導電性非磁性膜7相對。這樣的形狀的Co-Pt膜19可以利用光刻法來形成。對Co-Pt膜19進行免磁，使其在圖的左右方向形成N極及S極，成為永磁體。如圖23(b)所示，由永磁體的Co-Pt膜19產生的磁通如用虛線箭頭20所示，通過軟磁性膜23及44，對兩軟磁性膜23及44及導電性非磁性膜7附近的部分提供局部的直流偏置磁場。若對整個軟磁性膜23及44提供直流偏置磁場，則有整個軟磁性23及44的磁導率降低的傾向。在圖23所示的結構中，由於直流偏置磁場僅提供給導電性非磁性膜7的附近的軟磁性膜23及44，因此軟磁性膜23及44的磁導率的降低限制為局部性的，能夠避免整體性的降低。其結果，因外部磁場所引起的導電性非磁性膜7的阻抗變化增大，能夠得到高的檢測靈敏度。
由Co-Pt膜19產生的磁場被限制在由軟磁性膜23及44形成的閉環磁路內，磁通向外部的滲漏減少。因此，能夠將對於裝有該磁性傳感器的裝置內的其它零部件產生的磁性影響限制到最低程度。
在本實施例中，由於是利用永磁體Co-Pt膜18或19提供直流偏置磁場，因此不需要像前述第1、第2及第5實施例那樣在導電性膜6中渡過直流電流而提供直流偏置磁場用的直流電源。根據這一點，本實施例的磁性傳感器的功耗小。
第7實施例下面參照圖24及圖25，說明本發明第7實施例的磁性傳感器9G。
圖24為本發明第7實施例的磁性傳感器9G的平面圖。圖25(a)為圖24XXV-XXV剖視圖，圖25(b)為圖25(a)的部分放大剖視圖。在圖25(b)中，在Ni-Ti-Mg非磁性基板1上形成導電性膜6，在導電性膜6上形成與前述第6實施例的圖23(b)所示的各要素同樣的磁性膜44及23、導電性非磁性膜7、Co-Pt膜19以及保護膜8。在本實施例的磁性傳感器9G中，主要的直流偏置磁場由永磁體Co-Pt膜19提供。在由Co-Pt膜19產生的直流偏置磁場的強度不是最佳值時，在導電性膜6中流過直流電流，對直流偏置磁場進行微調。由於流過導電性膜6的直流電流是微弱的電流，因此功耗較小。
在由Co-Pt膜19的永磁體產生的直流偏置磁場的強度大於最佳值時，流過導電性膜6的直流電流方向使得抵消由永磁體產生的磁場。另外反之，在由永磁體產生的直流偏置磁場的強度小於最佳值時，使前述導電性膜6的直流電流方向反向，使其直流偏置磁場與永的磁場相加。這樣，通過選擇導電性膜6的直流電流的方向及電流值，能夠生成最佳的直流偏置磁場。由於導電性膜6在非磁性基板1的平坦表面形成，因此導電性膜6的表面也平坦。因而，在以後在工序中，關於在導電性膜6上形成的各要素的平坦性，則不會有特別成問題的地方。因而，能夠容易得到以高靈敏度可穩定測量的磁性傳感器。
第8實施例下面參照圖26至圖32，說明本發明第8實施例的磁性傳感器9H。
圖26的本發明第8實施例的磁性傳感器9H的平面圖，圖27所示為僅僅是圖26的軟磁性膜29的平面圖。軟磁性膜29具有平行的多個細長狹縫32。通過在平板狀軟磁性膜29設置多個狹縫32，就形成用相鄰2條狹縫32平在在當中的帶減軟磁性膜53及上下端的帶狀軟磁性膜54。帶狀軟磁性膜53及54相當於前述第2至第7實施例的軟磁性膜23或44。軟磁性膜29的易磁化軸在與狹縫32的長度方向垂直而且沿膜面的用箭頭80所示的方向進行取向。
下面說明前述第2至第7實施例的磁性傳感設置的軟磁性膜23及44的問題。
發明者發現，例如若將圖24所示的多個帶狀軟磁性膜44及23置於外部磁場中，則外部磁的磁通集中在用箭頭44A表示的軟磁性膜44的外側軟磁性膜(以下稱為軟磁性膜44A)，軟磁性膜44A的磁能密度比內側軟磁性膜44的磁通密度要高。
圖28所示為為了說明磁通集中而平行配置5個帶狀軟磁性膜33至37的例子。在圖中，若鈄軟磁性膜33至37置於外部磁場Hex16中，則軟磁性膜33至37的與外中磁場Hex16的方向垂直的寬度G的範圍內，磁通31直線前進，從軟磁性膜33至37的左端進入，從右端出到外面。而外部磁場Hex16的寬度G外側的磁通28及30被拉向磁導率高的軟磁性膜33及37，從軟磁性膜33及37的左端進入，從右端出到外面。因此，由外部磁場Hex16產生的軟磁性膜33及37的磁通密度大於軟磁性膜34至36的磁通密度。
圖29所示的外部磁場Hex16與通過軟磁性膜33至37的磁通密度B的曲線圖。磁通密度是各軟磁性膜33～37的用點劃線C表示的中心部位的測量值。在圖中，曲線45表示軟磁性膜33及37的磁通密度。曲線47表示軟磁性膜34至36的磁通密度。曲線46表示軟磁性膜33至37的平均磁通密度。在外部磁場Hex從零增加時的磁通密度的變化中，曲線45比曲線47的上升要陡。據此證實了如圖28所示的磁通28及30進入軟磁性膜33及37的情況。圖30所示為具有用圖29的曲線45、46及47所示的磁通密度特性的軟磁性膜阻抗特性曲線圖。在圖30中，曲線48所示為因通過圖28的外側軟磁性膜33及37的磁通而引起的導電性非磁性膜7的阻抗Z的變化。曲線49所示為因通過內側軟磁性膜34至36的磁通而引起的導電性非磁性膜7的阻抗Z的變化。曲線50所示為因軟磁性膜33至37的磁通密度進行平均的磁通而引起的導電性非磁性膜7的阻抗Z的變化。由圖30可知，在磁性傳感器的主要要素即軟磁性膜中，如圖29所示，即使外側的軟磁性膜33及37的磁通密度高，但若內側多個軟磁性膜34至36的磁通密度低，則也不會提高磁性傳感器的特性。為了提高磁性傳感器的特性，希望圖29的表示平均磁通密度的曲線46要陡峭。因此，必須使圖28所示的全部軟磁性膜33至37的磁通密度要均勻。
圖31為用軟磁性膜51A將圖28所示的軟磁性膜33至37的左右端部進行連接的軟磁性膜29A的平面圖。通過在兩端部設置軟磁性膜51A，寬度G的範圍外的磁通28及30經軟磁性膜51A，進入各軟磁性膜33～37。其結果發明者發現，各軟磁性膜33～37的磁通密度變得比較均勻。
對於本實施例的磁性傳感器所設置的圖27所示的軟磁性膜29，測量了通過帶狀軟磁性膜53及54的由外部磁場Hex所產生的磁通密度。軟磁性膜29的左右方向的長度LA為1mm。狹縫32的寬度W8夥10μm，帶狀軟磁性膜53及54的寬度W9為40μm。對於軟磁性膜29的左右端與狹縫32的端部之間的距離S為25μm、50μm、100μm及200μm的情況，在用點劃線C表示的中心部位對通過帶狀軟磁性膜53及54的各軟磁性膜的磁通密度進行了測量，該測量結果如圖32所示。在圖32中，縱軸是磁通密度B。橫軸是按照帶狀軟磁性膜53及54的從下至上的所附的編號。數值「1」表示最下面的帶狀軟磁性膜54。數值「2」表示從下面起的第2個帶狀軟磁性膜53。數值「10」表示最上面的帶狀軟磁性膜54。以下將數值「1」至「10」的帶狀軟磁性膜分別稱為1號至10號的帶狀軟磁性膜。
在圖32中，曲線61表示S為零時、即沒有設置端部的軟磁性膜51時的磁通密度分布。若根據曲線61，則1號及10號的帶狀軟磁性膜54的磁通密度為4.0，相當大，而3號至8號的帶狀軟磁性膜53的磁通密度約為1.0，很低。曲線62表示S為25μm時的磁通密度分布。在該情況下，1號及10號的帶狀軟磁性膜54的磁通密度下隆至2.5，而3號至8號的帶狀軟磁性膜53的磁通密度上升至1.4左右。曲線64是S為100μm時的與前述同樣的測量結果，1號及10號的帶狀軟磁性膜54的磁通密度進一步下降，反之3號至8號的帶狀軟磁性膜55的磁通密度進一步上升。根據上述測量結果可知，若設S為100至200μm，則能夠使軟磁性膜53及54的磁通密度分布相當均勻。根據本實施例，能夠使通過帶狀軟磁性膜53及54的外部磁場Hex的磁通密度近似均勻。其結果，相對於外部磁場Hex的導電性非磁性膜7的阻抗變化增大，磁性檢測的靈敏度提高，若採用圖27所示結構的軟磁性膜29以代替前述第2至第7實施例中的軟磁性膜23及44，則能夠更進一步提高各實施例的磁性傳感器的靈敏度。
在前述各實施例中，作為非磁性基板1的材料最好是Ni-Ti-Mg系陶瓷，但也可以採用NiZn等非磁性鐵氧體系材料、玻璃及其它各種陶瓷等磁性材料。
作為軟磁性膜4、44及29的材料，最好是FeTaN，但也可以採用NiFe、FeCo及FeN等合金。軟磁性膜希望是非晶態合金(以Co為主成分的合金，使如CoNbZr、CoTaZr及CoSiB，或以Fe為主成分的合金FeSiB等)或納米晶體合金(以Fe為主成分的FeTaN等)及NiFe系合金那樣的具有高磁導率的軟磁性材料。作為絕緣膜5的材料，最好是SiO2，但也可以採用氧人鋁、玻璃等無機材料或聚醯亞胺樹脂等有機絕緣膜。作為第2實施例的絕緣膜21，也可以採用NiZn鐵氧全磁性膜來代替SiO2。作為永磁體的材料，比較適合的是Co-Pt膜，但也可以採用鐵氧體系、Nb系及Co系等永磁體材料。作為導電性非磁性膜的材料，比較適合的是銅，但也可以採用Au、Ag及Cr等導電性金屬。提供直流偏置磁用的永磁體不限定於前述各實施例所舉的位置，只要是能夠對軟磁性膜提供直流磁場的位置，任何地方都可以。作為保護層8的材料，比較適合的是SiO2，但也可以是氧化鋁及其它無機材料或陶瓷等。保護層的取為1μm，但為了減少提供直流偏置磁場的直流電源的功耗，希望將厚度減薄達到0.1μm左右。
第9實施例下面參照圖33及圖34，說明本發明第9實施例的磁性傳感器9I。圖33為第9實施例的磁性傳感器9I的立體圖，圖34為其平面圖。如圖33及圖34所示，最好在Ni-Ti-Mg的非磁性基板1的表面形成帶狀的最好是Fe-Ta-N膜的第1軟磁性膜73。在圖33中，2個軟磁性膜73保護規定的間隔距離平行設置，但磁性膜73的數量不限於2個，也可以是任意數量。
在軟磁性膜73上的一部分設置由SiO2形成的絕緣層75。在圖33中，在1個軟磁性膜783的設置2個絕緣層75，但絕緣層75的數量不限定於2，也可以是任意數量。在圖中，設置貫通靠前面一側的絕緣層75、在上下方向互相隔開的導電性膜76A及導電性非磁性膜77A。導電性非磁性膜76A及77A最好是銅(Cu)。另外設置貫通先輩後面一側的絕緣層75、互相隔開的導電性膜76B及導電性非磁性膜77B。在絕緣層75上及沒有絕緣層75的軟磁性膜73上，最好設置Fe-Ta-N膜的第2軟磁性膜74。利用軟磁性膜73及74形成閉合磁路M。在軟磁性膜73及74具有磁各向異性時，最好各自的易磁化軸在與軟磁性膜73及74的長度方向垂直而且沿膜面的方向。導電性非磁性膜77A及77B的圖中的左端利用連接導體78互相連接。導電性磁性膜77A的右端經連接導體79A，與端子81A連接。導電性非磁性膜77B的右端經連接導體79B，與端子81B連接。利用該結構，形成曲折型民性非磁性膜77A及77B。
導電性膜76A的右端經過接導體83A，與端子84A連接。導電性膜76A的右端經過接導體83B，與導電性膜76B的右端連接。導電性膜76B的左端經過接導體86，與端子84B連接。在上述結構中，導電性膜76A及76B、以及導電性非磁性膜77A及77B在用軟磁性膜73及軟磁性膜74形成的閉合磁路內，連接導體83A及83B在閉合磁路外。
在圖33中，導電性非磁性膜76A、76B、77A、77B及連接導體83A、83B等看起夾在非磁性基板1上浮在半空中，但在實際結構中，在各導電性非磁性膜及連接導體之間設置了圖省略的絕緣層。
下面說明本實施例的磁性傳感器9I的工作情況。如圖34所示，在端子84A與84B之間連接直流電源10，在導電性非磁性膜76A及76B中流過用箭頭88所示方向的直流電流。利用該直流電流，對軟磁性膜73及74提供直流偏置磁場。在端子81A與81B之間通過電阻12與恆流高頻電源11連接，例如流過10MHz的高頻電流。高頻放大器12也與端子81A及81B連接。
若將本實施例的磁性傳感器9I置於地磁場等外部磁場Hex16中，則利用磁阻抗效應，導電性非非磁性膜77A及77B的阻抗發生變化。將利用該阻抗變化而在端子81A與81B之間產生的高頻電壓變化用高頻放大器13進行放大及檢波，從而進行檢測，通過這樣能夠檢測0.3Oe(24A/m)左右的極小的外部磁場Hex16。
在本實施例的磁性傳感器9I中，由於在用軟磁性膜73及74形成的閉合磁路M內設置提供直流偏置磁場的導電性膜76A及76B，因此能夠通過流過比較小的直流電流，而產生足夠大的直流偏置磁場。在前棕各實施例的磁性傳感器9～9H中，電性膜6必須流過30mA以上(包含30mA)的直流電流，而在本實施例的磁性傳感器9I中，若導電性非磁性膜76A及76B中流過10～20mA的電流，就能夠得到足夠的直流偏置磁場。
為了實際驗證該情況，發明者參照圖41，進行了下述的實驗。
圖41(a)及(b)為實驗用而製成的磁性傳感器的剖視圖。在圖41(a)中，在軟磁性體96與97之間的中心部位隔著絕緣膜形成導體98。在導體98中，如圓圈中的圓點及圓圈中的十字所示的那樣在與紙面垂直的方向渡過直流電流，使其產生磁場，測量下部磁軛96的位置A1的磁通密度。在圖41(b)中，在與圖41(a)的結構相同的磁性傳感器的中心部位的上下，配置導體99A及99B。導體99A及99B中流過垂直紙面而且方向互相相反的直流電流。導體98中不流過電流。與圖41(a)相同，測量圖41(b)的下部磁軛96的位置A2的磁通密度。在圖41(a)的導體98、與圖41(b)的導體99A及99B流過相同數值的直流過程時，圖41(a)的位置A1的磁通密度為磁通密度為圖41(b)的位置A2的磁通密度的約80倍。
根據上述的實驗結果，流過直流電流的導體98的如圖41(a)所示位於下部磁軛96與上部磁軛97形成的閉合磁路內的情況下，與如圖41(b)所示在導體99A及99B位於閉合磁路外的情況相比，能夠比較小的直流電流得到大的直流偏置磁場。
下面參照圖35及36，說明第9實施例的磁性傳感器9I的製造方法。圖35(d)為設圖34的XXXV-XXXV線的剖視圖，(a)～(c)為圖35(d)之前的各工序的剖視圖。圖36(d)為沿圖34的XXXI-XXXVI線的剖視圖，(a)～(c)為圖36(d)之間的各工序的剖視圖。圖36(a)至(d)分別為與圖35(a)至(d)所示的各工序相同的工序的剖視圖。即，圖35(a)與圖36(a)為同一工序中的不同地方的剖視圖。關於圖35(b)～(d)與圖36(b)～(d)分別也相同。在圖35及圖36中，為便於看圖，僅對一部分剖面畫了剖面線。
在圖35(a)中，在Ni-Ti-Mg系的陶瓷非磁性基板1的上表面，利用Fe-Ta-N的濺射形成厚1.0μm的帶狀第1軟磁性膜73後，形成規定形狀的圖形。也可以在基板1的表面上隔著絕緣物，形成第1軟磁性膜73。然後，在包含軟磁性膜73的基板1的整個表面，利用SiO2的濺射(最好是低溫磁控管濺射)或蒸鍍形成絕緣膜91。
圖36(a)所示為圖35(a)的工序結束後的沿XXXVI-XXXVI線的剖面。如圖36(a)所示，在基板1的表面平行設置2個軟磁性膜73，並用絕緣膜91覆蓋。
在圖35(b)中，在絕緣膜91上，利用銅(Cu)的濺射形成厚1.0μm的導電性膜76A及76B後，形成規定開頭的圖形。在包含導電性膜76A及76B的整個基板1的表面形成絕緣膜92後，在絕緣膜92上，在與前述導電性膜76A及76B重疊的位置分別形成導電性非磁性膜77A及77B。
在該工序中，如圖36(b)所示，在絕緣膜91上形成連接部分89B及89C，在絕緣膜92上形成連接導體78。這裡，導電性膜76A及76B與連接部分89B及89C也可以在同一工序中用相同的材料形成。另外，導電性非磁性膜77A及77B與連接導體78民可以在同一工序中用相同的材料形成。
在圖35(c)中，在導電性非磁性膜77A及77B上形成絕緣膜93。然後，保留導電性非磁性膜77A及77B的上面及附近的絕緣膜91及92，除去位於軟磁性膜73上的絕緣膜91及92。然後，在包含絕緣膜93的軟磁性膜73上形成第2軟磁性膜74。
圖36(c)所示為該工序結束後的沿XXXVI-XXXVI線的剖面。如圖36(c)所示，第1軟磁性膜73與第2性軟磁性膜74連接。在圖35(d)中，在包含第2軟磁性膜74的上表面形成絕緣膜94。然後，如圖36(d)所示，利用蝕除去連接部分89B及89C上的絕緣膜92、93及94，形成通孔，使連接部分89B及89C露出。然後，在絕緣膜94上形成兩端分別與連接部分89B及89C連接的連接導體83B。連接部分89B與89C利用連接導體83B電氣連接。導電性膜76A與連接導體83A的連接部分89、以及連接導體83A與端子84A的連接部分89A也用與上述同樣的方法進行連接。
第10實施例下面參照圖37及圖38，說明本發明第10實施例的磁性傳感器9J。圖37為第10實施例的磁性傳感器9J的主要部分的立體圖。圖38為本實施例的磁性傳感器9J的平面圖。
在圖37中，本實施例的磁性傳感器9J在近似同一平面上隔開設置貫通在軟磁性膜73與74之間設置的絕緣層75的導電性膜76A及導電性非磁性膜77A。導電性膜76B及導電性非磁性膜77B也同樣。貫通絕緣層75設置在近似同一平面上。其它的結構與前述第9實施例的磁性傳感器9I相同。如圖36所示，磁性傳感器9J使用時連接的直流電源10、高頻電源11及高頻放大器13的連接方法與磁性傳感器9I的情況相同，工作情況也相同。
根據本實施例，由於將導電性膜76A及導電性非磁性膜77A設置在絕緣層75內的近似同平面上，因此軟磁性膜74的頂部74B距離基板1的表面的高度比前述第9實施例的磁性傳感器9I要低。另外，在第9實施例的磁性傳感器9I中，必須利用各自的工序將導電性膜76A及導電性非磁性膜77A重疊而形成，而在第10實施例的磁性傳感器9J中，導電性膜76A及導電性非磁性膜77A可以用同一工序形成相同材料例如導電性非磁性膜。因此，制膜工序簡單，製造成本也降低。另外，若像第9實施例的磁性傳感器9I那樣，導電性膜76A與導電性非磁性膜77A重疊，則有製造中在兩者之間混入粉匯款單等而短路的危險，而在第10實施例的磁性傳感器9J中，短路的危險大大降低。其結果，製造時的成品率提高，同時使用時的可靠性也提高。
下面參照圖39及圖40，說明第10實施例的磁性傳感器9J的製造方法。圖39(d)為沿圖38的XXXIX-XXXIX線的剖視圖，(b)至(d)為各工序中的剖面釁。圖40(d)為沿圖38的XXXX-XXXX線的剖視圖，(b)至(d)為各工序中剖視圖。圖40(a)至(d)分別為與圖39(a)至(d)所示的各工序相同的工序的剖視圖。即，圖39(a)與圖40(a)當同一工序中的不同地方的剖視圖。關於圖39(b)～(d)與圖40(b)～(d)分別也相同。在圖39及圖40中，當便於看圖，僅對一部分剖面畫了剖面線。
在圖39(a)中，在Ni-Ti-Mg系的陶瓷等百磁性基板1的表面，利用Fe-Ta-N的濺射形成作為下部磁軛的厚1.0μm的軟磁性膜73後，形成規定開頭的圖形。然後，在包含軟磁性膜73的基板1的整個表面，利用SiO2的濺射形成絕緣膜91。圖40(a)所示為該工序結束後的沿XXXX-XXXX線的剖面。
在圖39(b)中，在絕緣膜91上，利用Cu的濺射形成導電性非磁性膜76A、77A、76B及77B後，形成規定開頭的圖形。另外，如圖40(b)所示，在絕緣膜91上形成連接導體78及89C。導電性非磁性膜76A、77A、76B、77B及連接導體78、89C也可以在同一工序中用相同的材料形成。在包含這些部分的基板1的整個表面形成SiO2絕緣膜92。圖40(b)所示為該工序結束後的沿XXXX-XXXX線的剖面。
在圖39(c)中，除了導電性幫磁性膜76A、77A、76B及77B的附近以外，除去軟磁性膜73上的絕緣膜91及92，露出軟磁性膜73。在導電性非磁性膜76A、77A、76B及77B上保留的絕緣膜92上及露出軟磁性膜73上，利用Fe-Ta-N的濺射形成軟磁性膜74後，形成規定開頭的圖形。圖40(c)所示為該工序結束後的沿XXXX-XXXX線的剖面。
在圖39(d)中，在包含軟磁性膜74的基板1的整個表面形成SiO2絕緣膜93。然後，除去連接導體89C上的絕緣膜92，形成通孔。在絕緣膜93上形成連接導體83A及83B。利用該工序，如圖40(d)所示，導電性非磁性膜76B與連接導體83B用連接部分89C電氣連接。連接部分83C、83D及84D的連接也用與連接部分89C相同的工序進行。利用以上各工序製成本實施例的磁性傳感器9J。
在前述第9及第10實施例中，對於非磁性基板1，可以使用含有鎳氧化物NiO及鈦氧化物TiO2及鎂氧化物MgO的陶瓷(Ni-Ti-Mg)、含有鈦氧化物及鈣氧化物CaO的陶瓷(Ti-Ca)、含有鋁氧化物Al2O3及鈦碳化物TiC的陶瓷(AlTiC)、以及玻璃和矽等。非磁性基板的表面粗糙度為了保持較大的矯頑力Hc，希望在Ra5nm以下(包含Ra5nm)。
軟磁性膜73及74最好是非晶態合金(以Coo主成分的合金，例如CoNbZr、CoTaZr及CoSiB，以Fe為主成分的合金FeSiB等)或納米晶體合金(以Fe為主成分的FeTaN等)及NiFe系合金那樣的具有高磁導率的軟磁性材料。
最好是在頻率10～20MHz下的磁導率能夠得到1000以上(包含1000)的材料。
絕緣膜91～94最好是SiO2及Al2O3等氧化物，也可以是聚醯亞胺樹脂等有機絕緣膜。
對於導電性非磁性膜及連接線，可以使用金(Au)、銀(Ag)及銅(Cu)等。為了使得Au、Ag及Cu等的膜與絕緣膜之間有很好的附著性，最好形成Cr、Ta或Ti等厚度為30nm～100nm的薄膜。
工業上的實用性如在以上各實施例中詳細說明的那樣，本發明的磁性傳感器，使彎曲形狀的曲折型導電性非磁性膜隔著絕緣膜與在規定方向具有易磁化軸的軟磁性膜相對，再與導電性非磁性膜隔著絕緣膜設置導電性膜。在曲折型導電性非磷性膜中流過高頻電流，並加上直流偏置磁場。若對該磁性傳感器加上外部磁場，則曲折型導電性非磁性膜的與易磁化軸平行的長路徑的導體受到軟磁性膜的磁作用，即使在流過比較低頻的高頻電流的情況下，阻抗也大幅度變化。通過檢測該阻抗變化，能夠以高靈敏度檢測出外部磁場。
權利要求
1.一種磁性傳感器，其特徵在於，包括在沿膜面的規定方向具有易磁化軸的軟磁性膜，與所述軟磁性膜用電氣絕緣物隔開並在其上曲折設置的、與所述軟磁性膜的易磁化軸平行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁性膜，在所述導電性非磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
2.一種磁性傳感器，其特徵在於，包括在相對於帶狀膜的長度方向垂直而且沿膜面的方向具有易磁化軸的帶狀軟磁性膜，在所述軟磁性膜上當中隔著電氣絕緣物曲折設置的、在所述軟磁性膜的面內與該膜的易磁化軸平行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁性膜，在所述導電性軟磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
3.如權利要求1或2所述的磁性傳感器，其特徵在於，具有為了對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場而流過直流電流的導電性膜。
4.如權利要求1或2所述的磁性傳感器，其特徵在於，具有為了對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場用的永磁體。
5.如權利要求1或2所述的磁性傳感器，其特徵在於，具有為了對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場而流過直流電流的導電性膜及永磁體。
6.如權利要求2所述的磁性傳感器，其特徵在於，並排配置多個所述帶狀軟磁性膜。
7.如權利要求2所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述軟磁性膜在與易磁化軸垂直的方向至少具有1個長的狹縫。
8.如權利要求4所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述永磁體是在所述導電性非磁性膜設置的薄膜磁體。
9.如權利要求3、4、5或8所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述直流偏置磁場的方向是與所述軟磁性膜的易磁化軸垂直的方向。
10.如權利要求1或2所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述帶狀導電性非磁性膜至少利用2個軟磁性膜分別隔著絕緣膜夾在當中。
11.如權利要求10所述的磁性傳感器，其特徵在於，夾住所述導電性非磁性膜的至少2個軟磁性膜在離開所述導電性非磁性膜的位置互相連接。
12.如權利要求10所述的磁性傳感器，其特徵在於，在所述至少2個軟磁性膜之間設置永磁體。
13.如權利要求1或2所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述軟磁性膜含有鐵、鉭、氮。
14.一種磁性傳感器，其特徵在於，包括在非磁性基板的主面形成的、在沿膜面的規定方向具有易磁化軸的軟磁性膜，在所述軟磁性膜上當中隔著電氣絕緣膜曲折形成的、在所述軟磁性膜的面內與該膜的易磁性軸平行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁化膜，在所述導電性非磁性膜上當中隔著絕緣性保護膜而形成的，流過直流電流對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場用的導電性膜，在所述導電性非磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
15.如權利要求14所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述軟磁性膜是在相對於帶狀形狀的長度方向垂直而且沿面內的方向具有易磁化軸的、多個帶狀軟磁性膜。
16.如權利要求14所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述導電性膜設置在所述非磁性基板與所述軟磁性膜之間。
17.如權利要求14所述的磁性傳感器，其特徵在於，在所述非磁性基板與軟磁性膜之間設置在與所述易磁化軸垂直的方向具有磁極的永磁體。
18.如權利要求17所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述永磁體是對含有鈷及鉑的合金薄膜在與所述易磁化軸垂直的方向進行充磁而形成的永磁體。
19.如權利要求14所述的磁性傳感器，其特徵在於，是對所述帶狀導電性非磁性膜上形成的鈷與鉑的合金膜在與所述易磁化軸垂直而且沿膜面的方向進行充磁而形成永磁體。
20.一種磁性傳感器，其特徵在於，包括在非磁性基板的主面形成的，在相對於帶狀膜的長度方向垂直而且沿膜面的方向具有易磁化軸的帶狀第1軟磁性膜，在所述軟磁性膜上隔著第1絕緣膜曲折形成的、在所述軟磁性膜的面內與該膜的易磁化軸並行的部分的長度比與所述易磁化軸垂直的部分的長度要長的帶狀導電性非磁性膜，在所述導電性非磁性膜上當中隔著第2絕緣膜而形成的、在相對於帶狀的長度方向垂直而且沿膜面的方向具有易磁化軸的第2軟磁性膜，在所述第2軟磁性膜上隔著絕緣性保護膜而形成的、流過直流電流以對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場用的導電性膜，在所述導電性非磁性膜中流過高頻電流用的高頻電源，以及根據所述高頻電流流過的所述導電性非磁性膜的因外部磁場而引起的阻抗變化來檢測所述外部磁場的檢測電路。
21.如權利要求20所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述第1絕緣膜及第2絕緣膜僅設置在所述帶狀導電性非磁性膜的周圍。
22.如權利要求20所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述永磁體設置在第1軟磁性膜與導電性非磁性膜之間。
23.如權利要求14或20所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述非磁性基板是含有鎳氧化物、鈦氧化物及鎂氧化物的陶瓷。
24.一種磁性傳感器，其特徵在於，包括具有利用軟磁性膜形成的閉合磁路，貫通所述軟磁性膜的閉合磁路而設置的、流過直流電流用的導電性膜，以及貫通所述軟磁性膜的閉合磁路並保持與所述導電性膜之間的絕緣而設置的、流過高頻電流用的導電性非磁性膜。
25.如權利要求24所述的磁性傳感器，其特徵在於，在所述導電性膜流過一定方向的直流電流，對所述軟磁性膜提供直流偏置磁場。
26.如權利要求24所述的磁性傳感器，其特徵在於，所述軟磁性膜具有多個閉合磁路，具有將貫通所述多個各閉合磁路的各導電性膜進行連接的連接線，使得流過所述各閉合磁路內的導電性膜的直流電流的方向成為相同。
27.如權利要求26所述的磁性傳感器，其特徵在於，將所述多個導電性膜進行連接的所述連接線位於所述閉合磁路的外部。
28.如權利要求26所述的磁性傳感器，其特徵在於，構成的所述導電性非磁性膜相對於各長度圖形方向依次反向貫通所述軟磁性膜的多個閉合磁路。
29.如權利要求24所述的磁性傳感器，其特徵在於，在平行於所述基板表面的同一平面上形成貫通所述軟磁性膜的閉合磁路的導電性膜及導電性非磁性膜。
30.如權利要求24所述的磁性傳感器，其特徵在於，平行配置多個軟磁性膜圖形。
31.如權利要求24所述的磁性傳感器，其特徵在於，在所述導電性非磁性膜的兩端連接高頻放大器的輸入端。
32.一種磁性傳感器的製造方法，其特徵在於，包括下述步驟在非磁性基板的上表面形成帶狀的至少1個第1軟磁性膜的步驟，在所述第1軟磁性膜上隔著第1絕緣膜形成導電性膜、導電性的第1連接部分及第2連接部分的步驟，在所述導電性膜上隔著第2絕緣膜形成導電性非磁性膜的步驟，在所述導電性非磁性膜上形成第3絕緣膜的步驟，保留包含所述導電性膜及導電性非磁性膜的附近的所述第1、第2、第3絕緣膜而除去所述第1軟磁性膜上的所述第1、第2及第3絕緣膜的步驟，在所述第1軟磁性膜所述保留的第1、第2及第3絕緣膜上設置第2軟磁性膜並形成閉合磁路的步驟，在包含所述第2軟磁性膜的整個表面形成第4絕緣膜的步驟，除去所述第1及第2連接部分上的第3及第4絕緣膜後形成通孔、並使所述第1及第2連接部分露出的步驟，以及在所述第4絕緣膜94上形成兩端部分別與所述第1及第2連接部分電氣連接的導體連接線、並與通過相鄰的其它閉合磁路的第1導電性非磁性膜進行連接的步驟。
33.如權利要求32所述的磁性傳感器的製造方法，其特徵在於，在第1絕緣膜上用同一工序形成所述導電性膜及導電性非磁性膜。
34.如權利要求32所述的磁性傳感器的製造方法，其特徵在於，對於所述絕緣膜的至少1個絕緣膜，採用感光性樹脂的光刻膠膜。
35.如權利要求32所述的磁性傳感器的製造方法，其特徵在於，在所述非磁性基板上隔著絕緣層形成第1軟磁性膜。
全文摘要
為了得到具有與導電性非磁性膜相對的軟磁性膜、並以比較低頻的載波信號能夠得到較大的阻抗變化的磁阻抗型磁性傳感器，具有與兩端至少一對電極端的彎曲形狀的曲折型導電性非磁性薄膜在多個區域相對的帶狀的、而且在帶狀的寬度方向具有易磁化軸的軟磁性膜，對前述電極端加上高頻載波信號、同時加上直流偏置磁場。通過對前述電極端輸出的AM調製信號進行AM檢波，能夠將因外部磁場而變化的導電性非磁性膜的阻抗變化作為高頻載信號的變化進行檢測，並檢測出外部磁場。
文檔編號G01R33/02GK1533613SQ02814459
公開日2004年9月29日 申請日期2002年7月15日 優先權日2001年7月19日
發明者黑江章郎, 村松小百合, 村田明夫, 高橋健, 戶崎善博, 博, 夫, 百合 申請人:松下電器產業株式會社