专利名称：磁通门传感器及使用其的电子方位计的制作方法
技术领域：
本发明涉及由薄膜工艺制造的小型磁通门传感器以及使用其的电子方位计。特别是涉及小型、高灵敏度且励磁效率高、设计自由度高的磁通门传感器以及使用其的电子方位计。本申请基于2009年5月21日在日本申请的专利申请2009-123110号主张优先权， 在此援引其内容。
背景技术：
以往，作为磁传感器，有利用霍尔效应的磁传感器、利用磁阻效应(MR =Magneto Resistive effect)或巨磁电阻效应(GMR :Giant Magneto Resistive effect)的磁传感器。由于其由薄膜工艺制造，所以可使其小型化、集成化，广泛利用于移动设备等。但是，这些传感器在小型化时灵敏度降低，很难像电子方位计那样高精度检测 0. 30e左右的地磁水平，如果是使用这些传感器的电子方位计，其方位精度的极限在10度左右ο另外，近年提出了由使用非晶丝的磁阻抗(Magneto Impedance)传感器(以下称为MI传感器)或正交磁通门传感器构成的电子方位计，实现了方位精度为2. 5度左右的高精度。另外，提出使用由薄膜工艺制造的小型磁通门传感器的电子方位计(例如参照专利文献1至4)。不过，为了进一步提高方位精度，由传感器的灵敏度决定的检测分辨率以及线性误差是重要因素。在MI传感器以及正交磁通门传感器和磁通门传感器中，分辨率是相同的程度。另外，在设备内部，安装有扩音器或振动电机、磁铁等成为磁场发生源的多个部件，传感器受到由它们产生的磁场的影响。为了即便在由配置在这周围的部件产生的磁场存在的情况下也能正确动作，希望具有较宽的测定磁场范围。对于线性误差而言，在MI传感器以及正交磁通门传感器的情况下，起因于磁芯的磁滞，也向输出电压输出磁滞。因此，线性误差恶化。为了改善线性，往往使用负反馈电路的方法，但增加功率损耗，并使电路变复杂。另一方面，在磁通门传感器的情况下，通过使用非专利文献1所公开的相位延迟法(phase-delay method)，能够不受磁芯的磁滞的影响，实现具有良好的线性的磁传感器。 根据该方法，传感器的输出基于时域进行，能够消除由构成传感器的磁芯的顽磁力引起的磁滞的影响，还由于可进行使用计数器的数字检测，所以能够消除A/D转换时的误差的影响，能够构成线性良好的传感器。根据非专利文献2，通过使用上述方法，实现0.06% FS的线性。如果是使用了非晶丝的MI传感器，线性误差是1 2%，因此这样通过使用线性良好的磁通门传感器，能够实现方位精度更高的电子方位计。专利文献1 日本特开2007-279029号公报专利文献2 日本特开2006-2；34615号公报
专利文献3 日本特开2004-184098号公报专利文献4 国际公开第2007/U6164号小册子非专利文献 1 :Pavel Ripka, "Magnetic sensors and magnetometers，，，ρ· 94, ARTECH HOUSE, INC (2001)非专利文献2:IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 42，NO. 2，p. 635，APRIL 1993如上所述，通过使用分辨率高、线性良好的、使用相位延迟法的磁通门传感器，能够构成方位精度高的电子方位计。但是，磁通门传感器需要将励磁线圈以及检测线圈卷绕于磁芯的周围。因此，与只卷绕偏置线圈或拾取线圈的结构的MI传感器以及正交磁通门传感器比较，磁通门传感器很难小型化。为了实现小型集成化，尝试用薄膜工艺制造磁通门传感器。但是，小型化会使退磁场的影响变大，灵敏度降低。特别是在想要实现在3个轴方向具有灵敏度的电子方位计的情况下，需要针对构成电子方位计的基板在垂直方向设定感磁方向，因此需要在垂直竖立的状态下将传感器安装在构成电子方位计的基板上。因此，当使电子方位计薄型化时， 垂直竖立于基板上的传感器需要使其感磁方向的长度缩短。例如，在使电子方位计的厚度为Imm以下的情况下，若考虑基板和模塑树脂的厚度，则需要使传感器的感磁方向的长度为0. 5 0. 7mm左右。但是，若磁芯的长度在Imm以下，则退磁场的影响变大，灵敏度显著降低。为了解决上述问题，专利文献1以及专利文献4公开了使磁芯的端部分的宽度变宽的H型磁芯。在该结构中，励磁线圈和检测线圈只卷绕于磁芯中心部的较细部分。因此， 若使传感器的尺寸变小，则励磁线圈以及检测线圈都会被限定匝数，难以确保足够的匝数。 另外，由于是励磁线圈和检测线圈交替卷绕的结构，因此线圈的匝数由传感器的尺寸和线圈的间距决定。因此，很难独立地设定检测线圈和拾取线圈各自的匝数，设计自由度低。图15是表示以往的磁通门传感器的磁芯的形状的概要图。磁芯具有端部分1和中央部分2。在专利文献1中公开了最好使图15的端部分1的宽度B和磁芯的长度方向的长度A的比B/A = 0. 8 1. 2。另外，公开了最好使图15的中央部分2的宽度C和端部分 1的宽度B的比C/B = 0. 033 0. 2。在图15的端部分1的宽度B和端部分1的长度方向的长度D的比B/D的值在超过1的情况下，磁芯与传感器的感磁方向正交的方向变长。因此，对于端部分1的形状磁各向异性而言，传感器的宽度方向成为容易轴。由此，端部分1 的磁束密度相对于与传感器的感磁方向正交的方向的磁场容易敏感变化。其结果，在使多个上述磁通门传感器正交而构成电子方位计的情况下，由于磁通门传感器的磁芯容易受到与检测磁场正交的方向的磁场的影响，因此，电子方位计的其他轴灵敏度变大。另外，由于与检测磁场正交的方向的磁场而使拾取波形产生失真，因此容易产生输出异常，各轴的正交性恶化。此处，所谓其他轴灵敏度是指例如在检测X轴方向的磁场时，具有感磁方向的传感器中的由X轴方向磁场所引起的在Y轴方向或Z轴方向的输出的变化。由于其他轴灵敏度变大，所以轴的正交性恶化，电子方位计的方位精度也恶化。另外，其他轴灵敏度不仅包含脉冲状的拾取电压的时间变化，还包含脉冲波形自身的变化引起的输出的变化。
发明内容
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本发明提供一种磁通门传感器以及使用其的电子方位计，该磁通门传感器除小型且灵敏度高之外，励磁效率高且设计自由度高。本发明的磁通门传感器包含形成于基板上的第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有中央部分和位于上述中央部分的两端的第1以及第2端部分，该第1以及第2端部分与上述中央部分连接且具有比上述中央部分的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2 绝缘层；以及形成于上述第2绝缘层上的第2配线层，其中，上述第1配线层以及上述第2 配线层具有多个彼此大致平行的配线，上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层以及上述第2绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述第1以及第2端部分卷绕螺旋状的第1电磁线圈，在上述中央部分卷绕螺旋状的第2电磁线圈。上述第1电磁线圈包含卷绕于上述第1端部分的第3电磁线圈和卷绕于上述第 2端部分的第4电磁线圈，上述第3电磁线圈与上述第4电磁线圈可以串联连接，且匝数相同。优选上述第3电磁线圈以及上述第4电磁线圈匝数相同，但是，因配合配线向电极焊盘的抽出，匝数也可以不必严格相同。上述第1电磁线圈也可以卷绕于上述中央部分、上述第1以及第2端部分。上述第1以及第2端部分的宽度B与上述第1以及第2端部分的长度方向的长度 D的比B/D的值小于1。本发明的电子方位计包含基板；配置于上述基板上，且沿着3个轴向分别配置的第1、第2以及第3磁通门传感器，上述第1、第2以及第3磁通门传感器的各个包含形成于基板上的第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有中央部分和位于上述中央部分的两端的第1以及第2端部分， 该第1以及第2端部分与上述中央部分连接且具有比上述中央部分的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2绝缘层；以及形成于上述第2绝缘层上的第2 配线层，也可以是，上述第1配线层以及上述第2配线层具有多个彼此大致平行的配线，上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层以及上述第2 绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述第1以及第2端部分卷绕螺旋状的第1 电磁线圈，在上述中央部分卷绕螺旋状的第2电磁线圈。也可以是，上述第1电磁线圈包含卷绕于上述第1端部分的第3电磁线圈和卷绕于上述第2端部分的第4电磁线圈，上述第3电磁线圈与上述第4电磁线圈串联连接，且匝数相同。也可以是上述第1电磁线圈卷绕于上述中央部分、上述第1以及第2端部分。上述第1以及第2端部分的宽度B与上述第1以及第2端部分的长度方向的长度 D的比B/D值小于1。本发明的磁通门传感器至少具备第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有检测部和位于上述检测部的两端的第1以及第2励磁部，该第1以及第2励磁部与上述检测部连接且具有比上述检测部的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2绝缘层；以及形成于上述第2绝缘层上的第2配线层，上述第1配线层以及上述第2配线层具有多个彼此大致平行的配线，上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层以及上述第2绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述第1以及第2励磁部卷绕螺旋状的励磁线圈。也可以是上述励磁线圈包含卷绕于上述第1励磁部的第1励磁线圈和卷绕于上述第2励磁部的第2励磁线圈，上述第1励磁线圈与上述第2励磁线圈串联连接，以使得产生的磁场为相同方向。也可以是上述励磁线圈卷绕于上述励磁部和形成于上述磁芯的中央部的检测部。本发明的电子方位计也可以是在一个基板上且沿着3个轴向分别配置3个磁通门传感器而构成。根据本发明，通过将励磁线圈卷绕至磁芯的宽度较宽的端部分，能够增加励磁线圈的匝数，使由端部分的励磁线圈产生的磁束集中施加在中央部分。根据本发明，由于能够同时将电流通电至2个励磁线圈，所以能够减少电极焊盘， 能够实现小型化。根据本发明，通过将励磁线圈也卷绕至中央部分，能够进行更强的励磁。根据本发明，通过使用精度高的磁通门传感器，能够实现高方位精度。
图IA是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯的端部分的形状为方形的情况的例子的平面图。图IB是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯的，在端部分1和中央部分2的边界具有锥状的情况的例子的平面图。图2是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的动作原理图。图3是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯的磁化状态随时间变化的磁滞曲线。图4是概略地表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的俯视图。图5是沿图4中的线a-a’切断的截面图。图6A是沿图4中的线b_b’切断的截面图，是表示磁通门传感器的制造工序的图。图6B是沿图4中的线b_b’切断的截面图，是表示磁通门传感器的制造工序的图。图6C是沿图4中的线b-b’切断的截面图，是表示磁通门传感器的制造工序的图。图6D是沿图4中的线b-b’切断的截面图，是表示磁通门传感器的制造工序的图。图6E是沿图4中的线b-b’切断的截面图，是表示磁通门传感器的制造工序的图。图7A是用于说明本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯形状的例子的图。图7B是用于说明本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯形状的例子的图。图7C是用于说明本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯形状的例子的图。图8是本发明的第1实施方式涉及的电子方位计的概要立体图。图9是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的拾取电压波形图。
图10是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器输出的外部磁场依存性的图。图11是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器中的芯内部的磁束密度的计算结果的图。图12是用于说明本发明的第2实施方式涉及的磁通门传感器中的励磁线圈以及检测线圈的卷绕方法的图。图13是表示相对于比较例的磁通门传感器中的与感磁方向正交的磁场的拾取电压波形的图。图14是表示在本发明的实施例的磁通门传感器中，相对于与感磁方向正交的磁场的拾取电压波形的图。图15是表示以往的磁通门传感器的磁芯的形状的概要图。
具体实施例方式第1实施方式下面，参照附图对本发明的第1实施方式进行详细说明。图IA以及图IB是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯形状的一个例子的平面图。如图IA以及图IB所示，本发明的第1实施方式的磁通门传感器的磁芯具有端部分1和中央部分2。端部分1的宽度B比中央部分2的宽度C宽。磁芯的长度方向的长度A在Imm以下，优选在0. 5mm以下。端部分1的宽度B和端部分1的长度方向的长度D的比B/D值比1小。磁通门传感器的磁芯的长度方向与磁通门传感器的感磁方向一致。在图IA以及图IB中未图示，在端部分1的周围卷绕励磁线圈，在中央部分2的周围卷绕拾取线圈。图IA是表示磁芯端部分的形状为方形的情况的例子的平面图。图IB是表示磁芯的端部分1和中央部分2的边界具有锥状的情况的例子的平面图。如图IB所示，为了抑制角部的磁束的局部性饱和，优选为图IB所示的端部分1和中央部分2的边界为大致锥状。该情况下，若端部分1的长度方向的长度D表示包含大致锥状的部分的长度，则优选为端部分1的宽度B和端部分1的长度方向的长度D的比B/D值比1小。在磁性薄膜中，膜厚方向和面内方向的比率为数百至数千左右大。因此，退磁场系数在膜厚方向和面内方向上存在数百至数千倍的差别，在面内方向的退磁场系数非常小。 在将磁性薄膜图案形成为具有长度方向的形状的情况下，由长度方向和宽度方向的尺寸比决定退磁场系数。此时，由于长度方向的退磁场系数小，宽度方向的退磁场系数大，因此对形状各向异性而言，长度方向成为容易轴。如上所述，本发明的第1实施方式的磁通门传感器的磁芯具有比中央部分2的宽度宽的端部分1，端部分1的宽度B比端部分1的长度方向的长度D小。基于端部分1的形状各向异性的容易轴是磁通门传感器的长度方向。因此，由与感磁方向正交的磁场引起的芯内的磁束密度的变化小，其他轴灵敏度特性良好。由此，可构成方位精度优良的电子方位计。对本发明的第1实施方式的磁通门传感器的动作原理进行说明。图2是表示本发明的第1实施方式涉及的磁通门传感器的动作原理图。图2(a) 是表示通电至励磁线圈的三角波电流的时间变化图。图2(b)是表示芯的磁化状态的时间变化图。图2(c)是表示拾取线圈所产生的输出电压的时间变化图。图3是表示本发明的 第1实施方式涉及的磁通门传感器的磁芯的磁化状态随时间变化的磁滞曲线。若将图2(a) 所示的三角波电流通电至励磁线圈，则磁芯被励磁线圈所产生的磁场H6x。励磁，由于磁芯内 部的磁束密度B，即磁芯的磁化状态具有饱和特性，因此进行图2(b)所示的时间变化。在拾 取线圈中，在存在磁芯的磁束密度B的时间微分即时间变化dB/dt的区域中，产生与磁芯的 截面积S、拾取线圈的匝数N成比例的输出电压Vpu = NSX dB/dt。拾取线圈的输出电压Vpu 进行图2(c)所示的时间变化。磁芯的磁束密度B的时间变化dB/dt越大，拾取电压波的高 值越高，脉冲宽度越窄，能够得到更加陡峭的脉冲电压。以外部磁场Hrart、磁芯的磁束密度B 增加时或减少时的磁场强度H的偏移H。、励磁线圈所产生的磁场Hra。、三角波的周期T以及 由线圈的阻抗所引起的延迟时间Td表示图2(c)中的时间间隔tl，如式(1)。公式权利要求
1.一种磁通门传感器，其包含形成于基板上的第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有中央部分和位于上述中央部分的两端的第1以及第2端部分，该第1以及第2端部分与上述中央部分连接且具有比上述中央部分的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2绝缘层；以及形成于上述第2绝缘层上的第2配线层，该磁通门传感器的特征在于，上述第1配线层以及上述第2配线层具有多个彼此大致平行的配线， 上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层以及上述第2绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述第1以及第2端部分卷绕螺旋状的第1电磁线圈， 在上述中央部分卷绕螺旋状的第2电磁线圈。
2.根据权利要求1所述的磁通门传感器，其特征在于，上述第1以及第2端部分的宽度B与上述第1以及第2端部分的长度方向的长度D的比B/D的值小于1。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的磁通门传感器，其特征在于，上述第1电磁线圈包含卷绕于上述第1端部分的第3电磁线圈和卷绕于上述第2端部分的第4电磁线圈，上述第3电磁线圈与上述第4电磁线圈串联连接，且匝数大致相同。
4.根据权利要求1或2中任意一项所述的磁通门传感器，其特征在于， 上述第1电磁线圈卷绕于上述中央部分、上述第1以及第2端部分。
5.一种电子方位计，其特征在于，包含 基板；配置于上述基板上，且沿着3个轴向分别配置的第1、第2以及第3磁通门传感器，上述第1、第2以及第3磁通门传感器的各个包含形成于基板上的第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有中央部分和位于上中央部分的两端的第1 以及第2端部分，该第1以及第2端部分与上述中央部分连接且具有比上述中央部分的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2绝缘层；以及形成于上述第2绝缘层上的第2配线层，上述第1配线层以及上述第2配线层具有多个彼此大致平行的配线， 上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层以及上述第2绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述第1以及第2端部分卷绕螺旋状的第1电磁线圈， 在上述中央部分卷绕螺旋状的第2电磁线圈。
6.根据权利要求5所述的电子方位计，其特征在于，上述第1以及第2端部分的宽度B与上述第1以及第2端部分的长度方向的长度D的比B/D值小于1。
7.根据权利要求5或6中任意一项所述的电子方位计，其特征在于，上述第1电磁线圈包含卷绕于上述第1端部分的第3电磁线圈和卷绕于上述第2端部分的第4电磁线圈，上述第3电磁线圈与上述第4电磁线圈串联连接，且匝数大致相同。
8.根据权利要求5或6中任意一项所述的电子方位计，其特征在于，上述第1电磁线圈卷绕于上述中央部分、上述第1以及第2端部分。
9.一种磁通门传感器，至少具备第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第 1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有检测部和位于上述检测部的两端的第1以及第2励磁部，该第1以及第2励磁部与上述检测部连接且具有比上述检测部的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2绝缘层；以及形成于上述第2 绝缘层上的第2配线层，该磁通门传感器的特征在于，上述第1配线层以及上述第2配线层具有多个彼此大致平行的配线，上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层以及上述第2绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述第1以及第2励磁部卷绕螺旋状的励磁线圈。
10.根据权利要求9所述的磁通门传感器，其特征在于，上述励磁线圈包含卷绕于上述第1励磁部的第1励磁线圈和卷绕于上述第2励磁部的第2励磁线圈，上述第1励磁线圈与上述第2励磁线圈串联连接，以使得产生的磁场为相同方向。
11.根据权利要求9所述的磁通门传感器，其特征在于，上述励磁线圈卷绕于上述励磁部和形成于上述磁芯的中央部的检测部。
12.一种电子方位计，其特征在于，在一个基板上且沿着3个轴向分别配置3个权利要求9至11中任意一项所述的磁通门传感器，由此来构成上述电子方位计。
全文摘要
本发明提供一种磁通门传感器，其特征在于，包含形成于基板上的第1配线层；以覆盖上述第1配线层的方式形成的第1绝缘层；磁芯，该磁芯形成于上述第1绝缘层上，具有中央部分和位于上述中央部分的两端的端部分，该端部分与上述中央部分连接且具有比上述中央部分的宽度宽的宽度；覆盖上述磁芯且形成于上述第1绝缘层上的第2绝缘层；形成于上述第2绝缘层上的第2配线层，上述第1配线层以及上述第2配线层具有多个彼此大致平行的配线，上述第1配线层的配线以及上述第2配线层的配线的两端经由上述第1绝缘层和上述第2绝缘层的被选择性去除的部分而被电连接，在上述端部分卷绕螺旋状的第1电磁线圈，在上述中央部分卷绕螺旋状的第2电磁线圈。
文档编号G01C17/30GK102428380SQ20108002137
公开日2012年4月25日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者中尾知, 大森贤一, 相沢卓也 申请人:株式会社藤仓