技术领域
[0001] 本
发明涉及一种,不同于一个线圈中仅有一根磁
导线的GSR传感器元件,而在一个线圈中设置
电流方向为相反方向的一对磁导线以实现高灵敏度和低功耗的技术。
背景技术
[0002] 虽然
导管治疗被广泛普及,但
X射线照射和
造影剂的过度使用以及医生的熟练程度仍是一个问题。作为解决该问题的方案,期望将
磁传感器内置于导管中来测量导管顶端的
位置或方位,并使用该值实现遥控式导管治疗。
[0003] 然而,
专利文献1中公开的GSR传感器,其在线性度、灵敏度、小尺寸和功耗方面都有所不足。
[0004] 即,如果采用上升沿脉冲检波会在线性度上有
缺陷,而如果采用下降沿脉冲检波,则在灵敏度和功耗方面上有缺陷,且元件ASIC的小型化困难。
[0005] 而且,由于当元件的尺寸变小时灵敏度会降低,因此很难对其进行大幅度的小型化。上述问题亟待解决。
[0006] 本发明尽管采用的是上升沿脉冲检波,但确保了优异的线性度,并改善了灵敏度和功耗。而灵敏度的大幅度改善,使得元件的小型
化成为可能。而降低功耗可以大幅度减少ASIC中的电容,从而使ASIC的小型化成为可能。
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1:特许第5839527号
发明内容
[0010] 发明要解决的课题
[0011] 现有已知的是,在GSR传感器中,当一个线圈中安装有两根磁导线时,灵敏度会提高一倍,如采用上升沿脉冲检波则可将脉冲功耗从0.4mW降低到0.04mW,即降低至原来的1/10。
[0012] 在这里,GSR传感器是指,基于超高速自旋旋转效应(GHz Spin Rotation effect)的超灵敏微磁传感器。
[0013] 然而,GSR传感器元件的
输出电压是由脉冲电流引起的电压(以下称为感应电压)、以及与外部
磁场的磁场强度成比例输出的电压(以下称为磁场电压)这两种电压组成。此外,麻烦的是,根据磁场,磁导线的
电阻会产生变化,从而影响导线电压的变化以及感应电压。
[0014] 在下降沿脉冲检波中,磁场电压的峰值时间tm与感应电压的峰值时间ti是分离的,并且在时间tm处感应电压充分衰减(图7)。
[0015] 另一方面,在上升沿脉冲检波中,tm与ti接近,并且在时间tm处,感应电压具有相当大的值,并且无法忽略由该磁场引起的
波动(图8)。从GSR元件的输出电压中去除感应电压,并实现上升沿脉冲检波型的GSR传感器,是本发明的课题。
[0016] 解决手段
[0017] 本发明的
发明人对上述技术问题进行深入研究后认定,感应电压相对于在磁导线中流动的电流,其正负方向相反。而且,如果在一个线圈中设置正负电流方向相反的两根磁导线,则感应电压被抵消,可检测出仅与磁场成比例的电压,于是完成本发明的技术构思。
[0018] 一根磁导线的GSR传感器元件的典型尺寸的线圈,其槽宽为20μm、线圈宽度为40μm。两根磁导线的GSR传感器元件,设置其槽宽为40μm,在中央处设置分离壁并配置两根磁导线,线圈宽度设定为50μm。作为GSR传感器元件的尺寸,一根磁导线与两根磁导线几乎相同。
[0019] 作为元件的结构有以下3种类型。
[0020] 第一种为将两根磁导线配置在比磁导线更深的凹槽内的类型,其中,下线圈为凹形状,上线圈为平面形状。第二种为将两根磁导线配置在磁导线直径一半左右的浅槽内的类型,其中,下线圈为凹形状,上线圈为凸形状。
[0021] 第三种为在平面上形成Ш形导槽,在其中分别配置一根、共计两根磁导线的类型,其中,下线圈为平面形状,上线圈为凸形状。
[0022] 在任意一种结构中,两根磁导线之间均设置有分离壁。
[0023] 下线圈和上线圈错开半个
节距配置,并在两者的平面
基板上的接合面处电连接以形成螺旋状的线圈。两个线圈端部分别与两个线圈
电极连接。
[0024] 磁导线和线圈之间的绝缘采用的方法有:使用包覆有绝缘材料的磁导线的方法,以及将磁导线插入埋设在槽内的绝缘性抗蚀剂中的方法,或者将两者结合的绝缘方法。为了确保绝缘,优选使用具有绝缘包覆的磁导线。
[0025] 在磁导线的端部,磁导线的金属部分自绝缘材料中露出,以形成与导线电极电性接合的配线。
[0026] 由于使用两根磁导线的GSR传感器元件的输出仅有与磁场成比例的磁场电压,因此即使采用上升沿脉冲检波,也能够维持优异的线性度。
[0027] 上升沿脉冲检波的输出电压是下降沿检波的输出电压的2.5倍。并且由于其由两根磁导线组成,因此可以获得5倍的输出电压。这意味着由于线圈的
匝数N可以减小至原来的1/5,因此元件的线圈长度可以缩短至原来的1/5,可以实现元件的小型化。
[0028] 进一步地,可以将脉冲电流的脉冲宽度设定为,上升沿检波所需的足够长的脉冲宽度,例如从10ns至1ns以下。由此,可以将脉冲电流的功耗降低至原来的1/10以下。
[0029] GSR传感器用ASIC,内置有脉冲电流发送所需的电
力储存用电容器。其大小占ASIC的50%。如果电容器的尺寸可以减小到1/10,那么ASIC的尺寸几乎可以减少一半。
[0030] 发明效果
[0031] 利用在一个线圈中配置两根磁导线的GSR传感器元件,可以在消除线圈电压中的感应电压分量、改善上升沿脉冲检波的输出电压的磁场依赖性的线性度的同时,将灵敏度(单位磁场强度1G的输出电压)增加到5倍,并且,脉冲电流的功耗可以减少至1/10以下。由此,在同一输出电压的条件下,使元件尺寸、ASIC尺寸的小型化成为可能。
附图说明
[0032] 图1是示出了实施方式以及
实施例的GSR传感器元件的
正面概念图。
[0033] 图2A是示出了实施方式的GSR传感器元件的图1的沿A1-A2线的剖视图。
[0034] 图2B是示出了实施方式的GSR传感器元件的图1的沿A3-A4线的剖视图。
[0035] 图2C是示出了实施方式的GSR传感器元件的图1的沿A5-A6线的剖视图。
[0036] 图3是实施方式的GSR传感器元件的其他类型(凹形状)的剖视图。
[0037] 图4是实施方式的GSR传感器元件的其他类型(凸形状)的剖视图。
[0038] 图5是示出实施例中的GSR传感器的
电子电路的电路
框图。
[0039] 图6是实施例的GSR传感器以及比较例中磁传感器的外部磁场对输出电压的特性图。
[0040] 图7是下降沿脉冲检波中的磁场电压与感应电压的随时间变化推移图。
[0041] 图8是上升沿脉冲检波中的磁场电压与感应电压的随时间变化推移图。
具体实施方式
[0042] 如图1、图2A、图2B和图2C所示,本实施方式的GSR传感器元件1,由电极配线基板10上作为磁敏元件的带绝缘被膜的Co
合金磁导线2(21和22)、卷绕在磁导线2周围的线圈3(31和32)、以及四个
端子(23和25以及34和36)组成。
[0043] 磁导线2配置为,在基板中央部的凹槽11内由绝缘壁41分隔开来的两根磁导线21和22。
[0044] 图1右侧所示的导线输入电极26(+)侧的磁导线21的上部,通过导线端子23和导线连接部21A,与导线输入电极26(+)连接(图2B中的右侧部分)。
[0045] 磁导线21的下部,通过导线接合部21B和导线间连接部23,再通过左侧所示的导线接合部22B,与导线输出电极27(-)侧的磁导线22的下部连接(图2C)。
[0046] 磁导线22的上部通过导线端子25,与导线输出电极27(-)连接(图2B的左侧部分)。
[0047] 接着,如图2A所示,线圈3由下线圈31、上线圈32和接合两个线圈的接头部33构成。
[0048] 下线圈31在凹槽11中以及在基板10上形成为凹形状,而隔着绝缘材料4上线圈32形成为,从一对磁导线21、22的上部到侧部、并进一步延伸到基板10上。
[0049] 下线圈31的端部和上线圈32的端部,在基板10上形成接头部33并彼此连接。
[0050] 另外,一对磁导线2(21和22)之间通过绝缘壁41形成绝缘,而磁导线2与线圈3之间通过绝缘材料4形成绝缘。
[0051] 由此,右侧磁导线21中电流向下方向流动、左侧磁导线22中电流向上方向流动,从而可以在一个线圈中隔着绝缘材料使电流方向呈相反方向,以抵消感应电压。
[0052] 虽然在本实施方式中,将由两根磁导线组成的一对磁导线,设置为在一个线圈中隔着绝缘材料使得电流的走向呈相反方向,但也可以在一个线圈中设置由多对组成的磁导线。
[0053] 并且,虽然在本实施方式中,磁导线使用包覆有玻璃作为绝缘材料的磁导线,但也可以使用未包覆绝缘材料的磁导线。
[0054] 作为元件结构,在本实施方式中,如图2A所示,为将两根磁导线(21和22)配置在磁导线2的直径一半左右的浅槽11内的类型,其中下线圈31为凹形状,上线圈32为凸形状。
[0055] 作为其他结构,如图3所示,为将两根磁导线(21和22)配置在比磁导线2更深的凹槽11内的类型,其中下线圈31为凹形状,上线圈32为平面形状。并且,如图4所示,第三种为在平面上形成Ш形导槽,并向其中分别配置一根、共计两根磁导线(21和22)的类型,其中下线圈31为平面形状,上线圈32为凸形状。
[0056] 在任意一种类型的结构中,均可在两根磁导线(21和22)之间设置分离壁。并设置用于接合下线圈31的端部与上线圈32的端部的接头部33,以形成线圈3。
[0057] 接下来,将对GSR传感器元件的制造方法进行说明。
[0058] 作为电极配线基板10,使用具有SiN被膜的Si基板。磁导线2使用直径为1~20μm、长度为0.07~1.0mm的带有玻璃绝缘被膜的非晶丝。
[0059] 首先,元件1,其宽度设置为0.25mm,并且在其中央部形成宽度为20~60μm、深度为2~20μm的凹槽11。
[0060] 接下来,沿着凹槽11在下线圈31和基
板面上进行电极配线。之后,在凹槽11的中央部设置绝缘分离壁41,以形成两个凹槽形状,并在其中分别设置两根磁导线21和22。此后,在基板的整个面上涂敷绝缘性抗蚀剂。在两根磁导线(21和22)的上部进行较薄的涂敷。利用
光刻技术在其上形成上线圈32。
[0061] 下线圈31和上线圈32的端部,在基板平面上形成以交叉方式接合的接头部33,并形成线圈节距为2~10μm的线圈3。线圈端子34连接到线圈输出电极35(+),而线圈端子35连接到线圈
接地电极37(-)。
[0062] 对于两根磁导线的四个端部,去除作为绝缘涂层的玻璃,并且在两个端部中的一个端部上,通过金属蒸
镀形成导线端子23和连接部21A,并与导线输入电极26(+)进行电连接,同时在另一个端部上通过金属蒸镀形成导线端子25和连接部22A,并与导线接地电极27(-)进行电连接。
[0063] 然后,在另外两个端部进行金属蒸镀(21B和22B),同时通过金属蒸镀形成连接两个端部的连结部23。
[0064] 这样一来,可将从导线输入电极26(+)到导线接地电极27(-)用作接通脉冲电流的配线。
[0065] 根据本实施方式,输出电压显示相对于磁场H的
正弦波输出特性,测量范围在±3~90G的范围内、线性度为0.3%以下,非常良好。
[0066] 灵敏度在50~2000mV/G的范围内,为由相同磁导线长度构成的GSR传感器元件的大约五倍。
[0067] 脉冲功耗为0.3mW(0.15mA)。
[0068] 实施例
[0069] 在下文中参考图1、图5和图6,对本发明实施例的GSR传感器元件进行说明。
[0070] 基板10由Si基板制成,并施加有SiN绝缘被膜,其尺寸为:长0.2mm、宽0.2mm宽、高0.2mm。磁导线2为使用CoFeSiB系合金的、直径为10μm的包覆有玻璃的非晶线,其长度为
0.20mm。
[0071] 基板10的凹槽11的宽度为40μm,深度为6μm。凹槽11中由绝缘性抗蚀剂形成的分离壁41的尺寸:宽度为2μm、高度为6μm。
[0072] 线圈3的宽度为50μm,高度为14μm,平均内径(与由高度和宽度形成的线圈内截面积相等的圆的直径)为26μm,线圈节距为5μm,线圈匝数为28圈。
[0073] 接着,使用图5所示的MI传感器用
电子电路,对GSR传感器元件1的特性进行评价。
[0074] 电子电路5由脉冲发送器51、和具有所述GSR传感器元件1以及缓冲电路53的
信号处理电路52构成。信号为相当于1GHz的强度为100mA的脉冲信号,要输入的是,上升沿时间为0.5nsec、脉冲宽度为1nsec、下降沿时间为0.5nsec的脉冲电流。
[0075] 脉冲信号输入到非晶线2,在其脉冲施加过程中,电磁线圈3中产生与外部磁场成比例的电压,进行上升沿脉冲检波。
[0076]
信号处理电路52将线圈3中产生的电压,输入到缓冲电路53,并将缓冲电路53的输出,经由电子
开关55输入到
采样保持电路56。电子开关55的开闭定时(timing),通过检波定时调整电路54调整为可在适宜的定时(timing)对上升沿脉冲信号进行检波,并对该时的电压进行采样保持。之后,该电压由
放大器57放大到预定电压。
[0077] 图6示出了来自所述电子电路的传感器输出。图6中的横轴为外部磁场的大小,纵轴为传感器输出电压。
[0078] 传感器输出显示正弦波输出特性,并通过arcsin转换显示±90G的范围内的线性度。非线性度为0.3%。灵敏度为210mV/G。
[0079] 对作为比较例1的使用于市售产品AMI306的MI元件(长度为0.6mm,宽度为0.3mm)、以及作为比较例2的
汽车用GSR传感器元件(长度位0.15mm,宽度为0.20mm),使用相同的电子电路进行测量和评估。其结果显示为图6中的比较例1和2。
[0080] 磁场强度为90Oe的传感器输出电压,比较例1的MI传感器为0.1V,比较例2的GSR传感器为0.3V,而本发明的GSR传感器为1.5V,获得了非常优异的灵敏度。
[0081] 产业上的可利用性
[0082] 如上所述,本发明的GSR传感器元件非常小型且具有高灵敏度。因此,由本元件构成的GSR传感器,因其具有极高的灵敏度、小型且低功耗,所以能够内置于导管中,并且还可以应用在智能手机等更广泛的领域中。
[0083] 附图标记说明
[0084] 1:GSR传感器元件板,10:基板,11:基板上的凹槽
[0085] 2:磁导线,21:一对磁导线中的一根磁导线,22:一对磁导线中的另一根磁导线,[0086] 21A:导线端子与导线输入电极(+)之间的连结部,
[0087] 22A:导线端子与导线输出电极(-)之间的连结部,
[0088] 21B:导线接合部,22B:导线接合部,
[0089] 23:磁导线的端子,24:导线间连结部,25:磁导线的端子
[0090] 26:导线输入电极(+),27:导线输出电极(-)
[0091] 3:线圈,31:下线圈,32:上线圈,33:接头部
[0092] 4:绝缘材料,41:绝缘壁
[0093] 5:电子电路
[0094] 51:脉冲
振荡器、52:信号处理电路、53:缓冲电路、54:检波定时调整电路、55:电子开关、56:采样保持电路、57:放大器