專利名稱：超高靈敏度磁阻抗傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁靈敏度優(yōu)良的磁阻抗傳感器(以下稱為MI傳感器)。
背景技術：
眾所周知，向CoFeSiB系合金的非晶絲流過高頻的脈沖電流或正弦波電流時，會產生因表皮效應導致阻抗根據磁場而變化的磁阻抗效應(以下稱為MI效應)。存在通過來自非晶絲的兩端的阻抗而直接檢測出該變化的磁阻抗元件(以下稱為MI元件)和通過卷繞于非晶絲的檢測線圈而檢測出該變化的MI元件。這些利用了 MI效應的高靈敏度磁傳感器是MI傳感器。該MI傳感器目前使用于手機等，但存在若提高傳感器的靈敏度則測定范圍變小的問題。目前，通過利用反磁場的方法和控制磁敏絲的磁特性的方法這兩種方法來進行靈敏度和測定范圍的控制。利用反磁場的方法是如下方法為了提高靈敏度，通過延長磁敏絲而減少長邊方向的反磁場。但是，由于反磁場減少，因此測定范圍減少。相反，若縮短磁敏絲，則長邊方向的反磁場增加而測定范圍變大，但靈敏度減小。另一方面，控制磁敏絲的磁特性的方法是如下方法通過增加磁敏絲的長邊方向的磁導率來提高傳感器的靈敏度。但是，由此，具有磁飽和現象的由軟磁性材料構成的磁敏絲的測定范圍必然降低。相反，若降低長邊方向的磁導率則測定范圍變大，當然靈敏度減少。即，提高靈敏度和加大測定范圍是背離的現象，因此不能夠兼顧兩者。目前，MI傳感器例如日本專利公報3693119號公報所記載的，將脈沖的上升沿時間/下降沿時間進行頻率換算時，將成為0. 2GHz的脈沖電流施加于磁敏絲，絲徑為30 μ m 且長度加長至1. 5mm時，存在利用反磁場而實現高靈敏度的情況，但靈敏度為35mV/G，測定范圍為0. 9kA/m。另外，絲徑為30 μ m且長度縮短至0. 6mm時，存在利用反磁場而實現寬的測定范圍的情況，但靈敏度為2mV/G，測定范圍為3. 6kA/m。因此，MI傳感器的靈敏度和測定范圍具有上述的背離的關系，因此難以同時改善兩者，在實際使用中存在限制。此處，通過進一步使高頻電流高頻化，來嘗試提高靈敏度。根據L. V. Panina等發(fā)表的 Journal of Magnetism and Magnetic Materials，272-276 Q004)，1452-1459 中，公開了向非晶絲施加0. 5 2. 2GHz的正弦波電流，并測定來自非晶絲的兩端的阻抗的結果。 由此，通過高頻化而發(fā)現靈敏度的提高，但測定范圍顯著降低至0. 0125A/m(10e)，并且，還存在即使高頻化測定范圍也不寬的問題，不能同時提高靈敏度和測定范圍這兩方。專利文獻專利文獻1 日本專利公報3693119號公報非專利文獻__ 專禾Ij 文獻 1 V. Panina 等 t二 J 6 Journal of Magnetism and Magnetic Materials,272-276(2004)，1452-1459
發(fā)明內容
因此，本發(fā)明提供小型的、作為磁傳感器其靈敏度高、測定范圍大的MI傳感器。發(fā)明人關于高頻電流的頻率、波形、檢測方式、磁敏絲等進行了各種探討，結果想到，在使用直接檢測自旋的旋轉現象的檢測線圈的方式中，對于非晶磁敏絲施加比目前高的高頻電流，由此，使自旋旋轉運動與電流施加一起，均勻且同時、并且激烈地進行旋進運動，從而能夠實現高靈敏度化和高測定范圍化。并且，具體地說，通過使向非晶絲施加的電流為比現有技術高的規(guī)定的頻率，并且使輸出的方式為檢測線圈方式，而完成了本發(fā)明。具體地說，技術方案1所記載的發(fā)明的磁阻抗傳感器，包括磁阻抗元件，具有由作為零磁致伸縮的軟磁性合金的非晶構成的磁敏絲和在所述磁敏絲的周圍經由絕緣物的檢測線圈，通過向所述磁敏絲施加高頻電流，檢測出根據外部磁場從檢測線圈產生的電壓； 電流供給裝置，向所述磁阻抗元件供給高頻電流；以及信號處理電路，對來自檢測線圈的輸出進行信號處理，所述磁阻抗傳感器的特征在于，所述磁敏絲至少具有在絲的圓周方向進行自旋排列的表面層，所述高頻電流具有0.3以上、1.0GHz以下的頻率。通過采用本發(fā)明的構成，能得到優(yōu)良的效果的理由不明確，但從得到的結果如下進行推論。首先，對于高頻電流的頻率為0.3以上、1.0GHz的范圍內得到優(yōu)良的靈敏度的理由進行推論。已知由檢測線圈檢測的電壓與(ΙΦ/dt成比例。首先，向磁敏絲施加高頻電流時在磁敏絲的圓周方向產生磁場。絲中的自旋從外部磁場的方向向由電流產生的圓周方向磁場的方向旋轉。由電流產生的圓周方向磁場(ΗΦ)的時間變化(ΙΗΦ/dt越大，即越施加大頻率的電流，絲中的自旋的旋轉越快。該自旋的旋轉速度相當于(ΙΦ/dt，因此由檢測線圈檢測的電壓變大，變?yōu)楦哽`敏度。但是，一般而言，越是高頻則表皮深度越淺，因此對因流過表皮的表皮電流而形成的圓周方向磁場進行反應的自旋的絕對量、即φ越小，具有由檢測線圈檢測的電壓(ΙΦ/dt 越小的作用，因此靈敏度相對于頻率顯示何種狀況是難以預測的。結果，如后所述使頻率從0提高到0. 5GHz時，若考慮靈敏度上升，則可認為會有以下所述的磁敏絲內的內部應力作用。一般而言，磁敏絲中的內部應力相對于徑方向在表層部較大，在內部較小。自旋的旋進運動在與被施加的高頻電流的頻率相應的表皮深度內產生，但在直至某種程度的高頻的情況下，表皮深度較厚，因此由于其表皮深度內的內部應力分布的不均勻，此處的各自旋以不同的動作運動。各自旋以不同的動作進行旋進運動時，可認為作為傳感器的靈敏度較小。相反，在0. 3GHz以上的高頻的情況下，表皮深度變薄，內部應力的不均勻減少，因此可認為發(fā)現了使自旋旋轉運動與電流施加一起均勻且同時、并且激烈地進行旋進運動的現象。如上所述，雖然機理尚不明確，但作為一種推論，可以說明越提高頻率則靈敏度越上升這一點，但實際上頻率超過0.5GHz時會遇到峰值，然后減少。這種峰值的存在是預料之外的，可認為這是由自旋共振現象引起的自旋的波化導致的?？烧J為，由于自旋整體波化，自旋的同時旋轉被阻礙，由此失去頻率的提高產生的效果，超過IGHz時不能得到充分的靈敏度。本發(fā)明人在此種多個作用交錯的預測性困難的現象中，首次發(fā)現，在靈敏度中在IGHz附近在頻率上存在最優(yōu)區(qū)域。另一方面，對得到高頻電流的頻率為0.3以上、1.0GHz的范圍內優(yōu)良的測定范圍的理由進行推論。雖然認為測定范圍即使高頻化也不改變，但實際上，在相當寬的區(qū)域發(fā)現了上升。 在隨后的考慮中，推測為是以下的理由。例如在磁敏絲中，高頻電流越是高頻，因表皮效應而流過磁敏絲的電流的表皮深度越淺。表皮深度越淺，則如上所述磁敏絲的表面附近的內部應力的作用越大。可認為這是由于，內部應力越大，則各向異性磁場越大，因此測定范圍越大。另外，頻率為0.5GHz以上則測定范圍的增加基本飽和，可認為是由于，在該頻率以上表皮深度非常薄，因此內部應力的變化飽和。發(fā)明效果技術方案1所記載的發(fā)明，作為輸出的檢測方式采用檢測線圈，在由作為零磁致伸縮的軟磁性合金的非晶構成的磁敏絲至少具有在絲的圓周方向上自旋排列的表面層的狀態(tài)下，以頻率換算計為0. 3以上、1. OGHz以下時，通過施加比現有技術高的頻率的高頻電流，能夠同時提高現有技術的磁阻抗傳感器的靈敏度和測定范圍。


圖1是表示本發(fā)明的MI元件的正面的概念圖。圖2是本發(fā)明的MI傳感器的電氣電路的概念圖。圖3是說明根據在本發(fā)明的MI元件、MI傳感器中使用的脈沖電流的上升沿、下降沿時間求出頻率的方法的說明圖。圖4是表示本發(fā)明的實施例的MI傳感器中的傳感器輸出和施加磁場的關系的圖。圖5是表示本發(fā)明的實施例的MI傳感器中的傳感器靈敏度和頻率的關系的圖。圖6是表示本發(fā)明的實施例的MI傳感器中的測定范圍和頻率的關系的圖。
具體實施例方式適宜地與現有例比較而說明本發(fā)明的實施方式。此外，本發(fā)明不限定于下述的實施例。磁敏絲本發(fā)明的磁敏絲由成為零磁致伸縮的軟磁性合金的非晶構成。例如在科羅拉公司 (- 口少社)出版的磁傳感器理工學的P13中記載了 在(CoFe) 80 (SiB) 20中，Fe/Co為約 0. 07時，磁致伸縮的絕對值不足10-6，該等級的磁致伸縮為零磁致伸縮。本發(fā)明的零磁致伸縮也是該等級。磁敏絲的組成優(yōu)選Co-Fe-Si-B系的具有零磁致伸縮的合金。此外，也可以為 Co-Mn-Si-B系、Fe-Si系等公知的合金系構成的非晶合金。雖然期望磁敏絲全部為非晶相， 但也可以在絲內包含產生均勻的內部應力的少量的析出相。作為析出相，例如存在 ^-Β 系、Fe-Si系、Co-B系、Co-Si系、Co系合金、！7e系合金、Si-B系化合物等。通過在磁敏絲中使用上述非晶，得到具有在圓周方向上自旋排列的表面層的磁敏絲。本實施例中具有C071.2!^e4. 8Sill.8B12. 2組成(at % )構成的組成，將直徑11. 6 μ m的非晶絲作為試樣(樣品1)。本試樣通過改進泰勒法制作。另外，對該試樣在520°C 的氣氛溫度下施加200MPa的張力并實施了 7秒熱處理的非晶絲也作為試樣(樣品2)。MI 元件使用圖1的概念圖說明關于本發(fā)明的MI元件2的構成的實施例。首先，在磁敏絲21的周圍經由絕緣物23(未圖示)配置檢測線圈22，并將它們配置在基板6上。并且，磁敏絲21與用于向其兩端施加脈沖電流的電極251連接，檢測線圈 22與用于檢測根據外部磁場變化的電壓的電極252連接。設磁敏絲的長度為0. 6mm，檢測線圈30的匝數為15匝。該構成為一例，在公知的檢測線圈型的MI元件構造中也可得到同樣的效果。MI傳感器 使用圖2說明使用了本發(fā)明的MI元件2的MI傳感器1的電子電路的實施例。MI 傳感器1由MI元件2、電流供給裝置3、信號處理電路4構成。本實施例中，供給高頻電流的電流供給裝置使用了脈沖振蕩電路31。傳感器的動作如下所述。將由脈沖振蕩電路31產生的進行了后述的頻率換算后的頻率為0. 3以上、1. OGHz以下的脈沖電流向MI元件2中的磁敏絲21供給時，在檢測線圈 22產生與基于自旋的旋轉的外部磁場對應的電壓，其中該自旋的旋轉通過外部磁場和脈沖電流產生的絲圓周方向的磁場的作用而產生。此處的頻率如圖3(a)所示，求出脈沖電流波形10中的脈沖的上升沿、或下降沿的時間At，將該At如圖3(b)所示設為相當于波的1/4周期而求出。接著，通過取樣時間調整電路41使所述脈沖電流上升后，在規(guī)定的時間使模擬開關42作為短時間開關進行接通或斷開。由此模擬開關42對與在檢測線圈22產生的外部磁場對應的電壓進行取樣，傳遞至放大器43。切斷脈沖電流時(下降沿時)也可進行同樣的處理。該構成為一例，在公知的用檢測線圈檢測磁敏絲中的磁化變化的類型的MI傳感器的電子電路中，也可得到同樣的效果。對本實施例中的MI特性的測定、靈敏度和測定范圍的計算方法進行說明。圖4是， 將樣品1的非晶絲組入MI傳感器，設置于最大磁場士0. 3kA/mU0Hz中，向磁敏絲輸入與頻率0. 3GHz相當的80mA的脈沖電流，測定通過上述傳感器對在檢測線圈產生的電壓信號進行了信號處理后的電壓。此外，此處在脈沖的上升沿部進行檢測，但也可以在下降沿部檢測，還可以在雙方檢測。測定范圍以零磁場為中心設為直線性為F. S.以下的磁場。此外，直線性的評價的方法使用JISB0155的號碼沈23的方法。靈敏度設為測定范圍間的輸出電壓的斜率。接著，將樣品1、2組入MI傳感器，將MI傳感器設置于最大磁場士 12kA/m、IOHz的磁場中，向磁敏絲輸入與頻率0. 3,0. 5,0. 7,1. OGHz相當的80mA的脈沖電流，并進行同樣的測定。此外，作為比較例，將頻率設為0. 01,0. 03,0. 1,0. 2,1. 25、1. 5GHz而進行測定?；跍y定結果，在圖5中表示本發(fā)明的MI傳感器中的靈敏度和頻率的關系。圖5(a)是使用了樣品1的測定結果，圖5(b)是使用了樣品2的測定結果。由圖5(a)，在根據改進泰勒法制造出的樣品1中，靈敏度與現有技術的0. 2GHz比較，在頻率0.3 1.0GHz的范圍內變?yōu)?1. 3 1. 7倍，大幅地上升。由圖5(b)，在對樣品1進行了規(guī)定的張力退火后的樣品2中， 靈敏度與現有技術的0. 2GHz比較，在頻率0. 3 1. OGHz的范圍內變?yōu)?. 5 2. 0倍，大幅地上升。根據這些結果，本發(fā)明中，能夠得到現有技術的以0. 2GHz驅動的MI傳感器的靈敏度的至少1. 3倍以上的靈敏度。為了得到更高的靈敏度，優(yōu)選頻率為0. 4GHz以上0. 75GHz 以下、0. 4GHz 以上 0. 7GHz、0. 45GHz 以上 0. 65GHz 以下、0. 45GHz 以上 0. 58GHz 以下。另一方面，圖6表示本發(fā)明的MI傳感器的測定范圍和頻率的關系。圖6(a)是使用了樣品1的測定結果，圖6(b)是使用了樣品2的測定結果。由圖6(a)，在根據改進泰勒法制造的樣品1中，測定范圍與現有技術的0. 2GHz比較，在頻率0. 3 1. OGHz的范圍變?yōu)?1. 1 1. 5倍，大幅地上升。由圖6(b)，在對樣品1進行了規(guī)定的張力退火后的樣品2中， 測定范圍與現有技術的0. 2GHz比較，在頻率0. 3 1. OGHz的范圍變?yōu)椤?. 1 1. 5倍，大幅地上升。根據這些結果，在本發(fā)明中，能夠得到在現有技術的以0. 2GHz驅動的MI傳感器的測定范圍的至少1. 1倍以上的靈敏度。為了得到高測定范圍，優(yōu)選頻率為0. 4GHz以上IGHz 以下、0. 45GHz 以上 IGHz、0. 50GHz 以上 IGHz 以下。由圖5、圖6的結果，可知，在根據改進泰勒法制造的磁敏絲、對其實施了張力退火后的磁敏絲中，也能夠根據本發(fā)明兼顧高靈敏度化和寬的測定范圍化這兩方面。為了在更高的等級兼顧高靈敏度化和寬的測定范圍化這兩方面，優(yōu)選頻率為 0. 4GHz 以上 0. 75GHz 以下、0. 4GHz 以上 0. 7GHz、0. 45GHz 以上 0. 65GHz 以下、0. 45GHz 以上 0. 58GHz 以下。標號說明1 =MI傳感器 2 =MI元件 21 磁敏絲 22 檢測線圈 23 絕緣體 251 磁敏絲用端子252:檢測線圈用端子3:電流供給裝置31 脈沖振蕩電路4:信號處理電路 41:取樣時間電路42:模擬開關43:放大器6:基板10:脈沖電流波形
權利要求
1. 一種磁阻抗傳感器，其特征在于，包括磁阻抗元件，具有由作為零磁致伸縮的軟磁性合金的非晶構成的磁敏絲和在所述磁敏絲的周圍經由絕緣物的檢測線圈，通過向所述磁敏絲施加高頻電流，檢測出根據外部磁場從檢測線圈產生的電壓；電流供給裝置，向所述磁阻抗元件供給高頻電流；以及信號處理電路，對來自檢測線圈的輸出進行信號處理， 所述磁阻抗傳感器的特征在于，所述磁敏絲至少具有在絲的圓周方向進行自旋排列的表面層，所述高頻電流具有0.3 以上、1.0GHz以下的頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供作為磁傳感器靈敏度高、測定范圍大的MI傳感器。本發(fā)明的磁阻抗傳感器，包括磁阻抗元件，該磁阻抗元件具有由成為零磁致伸縮的軟磁性合金的非晶構成的磁敏絲和在所述磁敏絲的周圍經由絕緣物的檢測線圈，通過向所述磁敏絲施加高頻電流，而檢測出根據外部磁場從檢測線圈產生的電壓；電流供給裝置，向所述磁阻抗元件供給高頻電流；信號處理電路，對來自檢測線圈的輸出進行信號處理，所述磁敏絲至少具有在絲的圓周方向進行自旋排列的表面層，所述高頻電流具有0.3以上、1.0GHz以下的頻率。
文檔編號G01R33/02GK102414570SQ20108001792
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2009年4月23日
發(fā)明者下出晃廣, 山本道治, 本藏義信, 濱田典彥 申請人:愛知制鋼株式會社