(57)【要約】本発明は、少なくとも１つの励磁コイルおよび１つの検出コイルと協働する磁気コアを備える、小型磁場センサ１０に関する。本発明は、前述のコアが、開いており、かつテーパのついた両端部を有する少なくとも１つのバー１１、１２を備えることを特徴とする。この発明のセンサは、超小型電子工学技術を使用して製造することが好ましい。
2006518845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの励磁コイルおよび１つの検出コイルと協働する磁気コア（１１、１２、２０、２１、２２、２３）を備える小型磁場センサ（１０）であって、前記磁気コアが、開いており、かつテーパのついた両端部（２０Ａ、２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ）を有する少なくとも１本のバーを含むことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
磁気コアが、テーパのついた両端部を有する少なくとも１本の第２のバー（１１、１２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記コアが、２本のバーを分離する線に対して互いに対称な２本のバーから形成されることを特徴とする、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
少なくともバー（１１、１２）の両端部が、互いに対称であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
バー（１１、１２、２０、２３）の両端部の少なくとも１つが、バーの長手方向正中線に対して対称であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
バー（２１、２２）の両端部の少なくとも１つが、バーの長手方向正中線に対して非対称であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
両端部（２０Ａ、２１Ａ、２２Ａ）の少なくとも１つが、互いに向かって近付く直線的縁部によって区切られることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
両端部（２０Ａ、２１Ａ、２２Ａ）の少なくとも１つが、尖った先端で終端することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項９】
先端が、４５°未満の角度を形成することを特徴とする、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
両端部（２３Ａ）の少なくとも１つが、丸くした先端で終端することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１１】
両端部の少なくとも１つが、バーの幅より大きい長さを有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１２】
両端部が、励磁および検出コイルの外側に位置していることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１３】
両端部が、少なくとも一部分はコイルの内側にあることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記コイルが、励磁コイルであることを特徴とする、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
センサが、検出コイルの両側に１つずつ配置された２つの励磁コイルを備えることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１６】
センサが、層の積み重ね（２６、３０、３１、３５、３３、３４、３６、３７）から形成されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型磁場センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の製品は、時には「マイクロフラックスゲートセンサ（ｍｉｃｒｏｆｌｕｘ  ｇａｔｅ  ｓｅｎｓｏｒ）」と呼ばれる。
【０００３】
図１は、閉磁気回路２の細長いブランチ（ｂｒａｎｃｈ）３上に、励磁コイル４および検出コイル５が巻かれた閉磁気回路２を有する、この種のセンサ１の図である。
【０００４】
このセンサは、標準の超小型電子工学技術を使用して製造される。したがって、磁気回路は、薄い層に堆積された（特に、パーマロイ（登録商標）、アモルファス、または他の材料など）軟磁性材料を備える。励磁および検出コイルは、アルミニウム、銅、金などの導電性材料の薄い層である。これらのコイルは、特にソレノイド状のまたは平面状の螺旋とすることができる。
【０００５】
検出回路は、励磁回路を流れる電流によって励磁されるとき、軟磁性材料によって生じる磁束を収集する。
【０００６】
これらのコイルは、交互配置されることができる。
【０００７】
測定すべきＤＣまたは低周波数の磁場を補償するために、磁場を印加する補助コイルを存在させることができる。しかしながら、この検出コイルを、この目的で使用することもできる。
【０００８】
実際には、信号は、磁気材料の飽和する領域を必要とし、飽和が達成された状態では、少なくとも部分的に、検出コイルによって収集される磁束は、最早測定すべきＤＣ磁場が存在する場合と同じ交番を有していない。検出信号は、この磁束の導関数である。
【０００９】
この非対称（ｄｉｓｓｙｍｍｅｔｒｙ）は、測定すべきＤＣ磁場と関連する検出信号の２次高調波の出現に反映される。
【００１０】
測定信号を増大するために、２つの検出回路を、差動モードで結合することができる。その場合は、検出信号は、励磁信号の２倍の周波数を持つ。
【００１１】
「マイクロフラックスゲート」として知られている小型センサは通常、現時点では数ナノテスラ程度であり、かつ約±１００マイクロテスラの範囲内のＤＣまたは低周波数磁場（または磁場変動）を測定することを目的としている。それらセンサは、特に、地磁界の非常に小さな変動を検出するために使用される。
【００１２】
マイクロフラックスゲートが小さいという事実は、非常に軽量、小さな容積（それは航空宇宙空間および医療用途で、様々な工業的な応用分野で、クランプ式電流計などで有益である）、および磁気の超小型電子技術を使用する集合的製造技術の使用を仮定すれば、低製造コストという利点を有する。
【００１３】
マイクロフラックスゲート組み込み構成部品の例は、以下の文献に詳細に説明されている。
【００１４】
RAHMAN  A.  RUB,  SUKIRTI  GUPTA  and  CHONG  H.  AHN-University  of  Cincinnati,  Ohio,  45221-003-USA,  Transducers  ’01  EUROSENSORS  XV-2001による「High  directional  sensitivity  of  micromachined  magnetic  fluxgate  sensors」
H.  GRUEGER,  R.  GOTTFRIED-GOTTFRIED  -  Fraunhofer  Institute  for  microelectronics  circuits  and  systems  IMS  Dresden,  Germany-Sensors  and  Actuators  A  91  (2001)  61-64による「Performance  and  applications  of  a  two  axes  fluxgate  magnetic  field  sensor  fabricated  by  a  CMOS  process」
Shuji  KOGA,  Akira  YAMASAWA,  Shoji  KAWAHITO-Toyohashi  Univ.  of  Technology-TIEE  Japan,  vol  117-E,  N°2,  (1997)  による「Micro  fluxgate  magnetic  sensor  interface  circuits  using  deltaS  Modulation」
R.  GOTTFRIED-GOTTFRIED,  W.  BUDDE,  R.  JAHNE,  H.  KUCK-Fraunhofer  Institute  for  microelectronic  circuits  and  systems  IMS  Dresden,  Germany-Sensor  and  Actuators  A54  (1996)  443-447による「A  miniaturized  magnetic  -  field  sensor  system  consisting  of  a  planar  fluxgate  sensor  and  a  CMOS  readout  circuitry」
【００１５】
これらに説明されている回路は、平行６面体形状のバーを有する、閉じられているか（ループの）、または開らかれているかのどちらかである。
【００１６】
しかしながら、非常に弱い磁場の検出は、実際のところ不安定性またはオフセット（表現「オフセットジャンプ」が時には使用される）の問題によって、妨げられる。測定時間信号は、理論的に１ナノテスラ程度のノイズレベルを有する可能性があるが、実際には１００ナノテスラから１０００ナノテスラ程度になり得る不安定性またはジャンプの存在によって大きく低下する。これらのジャンプは、数ヘルツの周波数で起きるが、１秒当り１回、１分当り１回、１時間当り１回、または１日当り１回の周波数でさえも起きる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の主題は、超小型電子工学技術を使用して実装することができ、その構成によって地磁界などの弱磁界の測定ができ、同時に不安定性およびジャンプを最小にすることができる磁場センサである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的のために、本発明は、少なくとも１つの励磁コイルおよび１つの検出コイルと協働する磁気コアを備える小型磁場センサであって、この磁気コアは開いており、かつテーパのついた両端部を有する少なくとも１つのバーを含むことを特徴とする小型磁場センサを提案する。
【００１９】
好ましい、かつ組合せて適用可能な特徴によれば、
コアは、テーパのついた両端部を有する少なくとも１本の第２のバーを含む。
【００２０】
コアは、それらを分離する線に対して互いに対称な２本のバーで形成される。
【００２１】
少なくともこのバーの両端部は、互いに対称である。
【００２２】
このバーの両端部の少なくとも１つは、このバーの長手方向正中線に対して対称である。
【００２３】
このバーの両端部の少なくとも１つは、このバーの正中線に対して非対称である。
【００２４】
両端部の少なくとも１つは、互いに向かって近付く直線的縁部によって区切られる。
【００２５】
両端部の少なくとも１つは、尖った先端で終端する。
【００２６】
この先端は、４５°未満の、好ましくは３０°未満の角度を形成する。
【００２７】
両端部の少なくとも１つは、丸くした先端で終端する。
【００２８】
両端部の少なくとも１つは、バーの幅より大きな長さを有する。
【００２９】
このセンサは、検出コイルの両側に１つずつ配置された２つの励磁コイルを備える。
【００３０】
このセンサは、層の積み重ねから形成される。
【００３１】
本発明の態様、特徴、および利点は、例示的であり非限定的な例として、かつ添付の図面を参照して示される以下の説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図２は、本発明のセンサを示す。
【００３３】
このセンサ１０は、磁性材料の２本の平行なバー１１および１２で形成され、励磁コイル１３および検出コイル１４と協働する開磁気コア、およびこれらのコイルに接続された金属トラック１５を含む。この回路は、コイルの巻線のいくつかと接触し、したがって、コイル１３および１４を区切るトラック１６を含む。
【００３４】
本発明によれば、平行バー１１および１２は、テーパのついたまたは先の尖った両端部を有する。本発明の文脈では、テーパのついたまたは先の尖った端部は、一定ではない幅の端部であり、この幅は、狭い、尖った、または丸くした端部へと減少する。図２では、２本のバーのテーパのついた端部は、コイルから突き出ている。しかしながら、図示しない変形形態では、それら端部は、完全にまたは部分的にコイル内にあることができる。
【００３５】
先端の角度は、鋭角（すなわち、９０°未満）であることが有利である。
【００３６】
図３Ａは、図２に示されたバーと同様な（一部分、その左手端部のみ示す）バー２０を示す。この端部２０Ａの形状は、極めて鋭い角度（４５°未満、この角度は図２では３０°未満でさえある）を有する対称的な形状に対応し、このテーパのついた端部の長さＬは、バーの幅より実質的に大きい。
【００３７】
しかしながら、多くの他の先端形状が使用可能である。
【００３８】
したがって、図３Ｂは、先端がバーの幅より短いテーパのついた端部２１Ａを有するバー２１を示す。この先端の端部は、バーの正中軸（ｍｅｄｉａｎ  ａｘｉｓ）に対して下側に少しオフセットもしている。この先端は、対称的ではない。
【００３９】
図３Ｃは、図３Ａにおけるような、ただし、その非対称性は、先端が事実上バーの上側面と整列しているような、別の細長い先端２２Ａを有する別のバー２２を示す。
【００４０】
最後に図３Ｄは、端部の側面が直線的でなく、広げられ鈍くされた「先端」に合流する前に近付き始めている、テーパのついた端部２３Ａを有する別のバー２３を示す。
【００４１】
図２で、バーの各々は、互いに対称形である端部を有する。それにもかかわらず、同じバーが、異なる幾何形状を有する２つの端部を有することができることを理解されなければならない。２本のバーを、それら２本のバーを分離する線に対して互いに対称的にすることは、必須ではないが有利である。図３Ｂおよび図３Ｃでのように、端部が非対称であるときは、これらの端部の（尖ったまたは丸くした）先端を互いにより近接して、またはより遠く離して移動させることが好ましいこともありうる。
【００４２】
特に簡単なバージョンでは、ただ１つのバー（１１または１２）が存在する。その場合は、例えば図３Ａまたは図３Ｄでのように、両端部が、バーの正中線に対して対称的な形状を選択するのが有利である。
【００４３】
驚いたことに、バーの両端部がテーパのついた図２の構成部品が、考えられてきた他のいくつかの形状、およびそれより多くの従来の形状よりも、良い結果を生じさせることが見出された。開回路では、閉回路の場合よりも高い電流消費を予想することができる。さらに、バーの端部にテーパをつけることは、何にも寄与しないように見えるかも知れない。しかしながら、それは、従来の他の解決方法より低い電流消費量につながり、一方、ずっとより安定になることが明らかとなった。さらにそれは、他の知られた形状と同じ程度の大きさの、信号／雑音比を有する。
【００４４】
開回路を提案する、本明細書（上記参照）で開示されたセンサのいくつかの例は、全て平行６面体の形状のバーを提案していることに留意されたい。
【００４５】
先端は、磁区を生成させる効果を有するとしばしば見なされることは、磁気現象の分野で極めて一般的な事実である。問題は、磁区の形状を観測することが困難であるということである。
【００４６】
図４Ａから図４Ｄは、例として本発明のセンサの製造の段階を示す。
【００４７】
これらの段階は、超小型電子工学技術を使用して既に製造されているいくつかの小型センサ、ただし、閉磁気回路または直角の端部を有する開磁気回路を有するセンサ用に使用される段階と比較してほとんど変更されていない。
【００４８】
図４Ａで、例えば、シリコン（ただし、別法としてガラス、石英、セラミックなど）の基板２５から始めて、その基板上に、一種の「コイルボックス」を形成するように、（例えば、ＳｉＯ２）の電気的絶縁材料の層２６が形成されるべきであり、銅、アルミニウム、金、タングステン、ＡｕＴａなどの導電性材料のトラック３０が、電解で堆積され、その後この材料は平坦化される。最後に絶縁層３１（例えば、通常は４ミクロンの厚さのＳｉＯ２）が、（例えば、１ミクロンより良い平坦度にまで）平坦化されるる前に堆積される。
【００４９】
次いで（図４Ｂ）、（例えば、ＦｅＮｉまたはアモルファス材料の）磁気材料３３が、１ミクロン程度の厚さに堆積される。この磁気材料の堆積物は、次いで幾何形状を画定するようにエッチングされ、その後その磁気材料の堆積物は、新しい絶縁層３４（通常は、例えば、１ミクロン程度の、所与の厚さまで平坦化されるＳｉＯ２）で覆われる。したがって、磁気材料のこの局所的な層は、絶縁層３１の上、別の絶縁層３４の下で、かつ（実際には、層３４で磁気材料を被覆する間に堆積される）絶縁物に取り囲まれて局在化される。
【００５０】
図４Ｃは、将来の巻線を形成する始めとなる、下側トラックへの接続部３５を生成させる動作の開始を示す。これらの接続部は、トラック３０までトレンチを掘るように局所的にエッチングし、続いてそのトレンチの中に導電性材料を堆積させることによって生成することができる。
【００５１】
図４Ｄで、前に考慮した厚さより厚い、通常は１．５ミクロンより厚い導電性材料の堆積物３６が形成される。これは、続いてこの導電層内の上側導電体を区切るためにエッチングされ、その結果、トラック３０および結合部３５と結合して巻線を形成する。これは続いて、例えば、ＳｉＯ２の絶縁物の堆積３７が行われ、その後外側との接点を提供するために開口部３８が形成される。
【００５２】
２つの電流（２０ｍＡおよび４０ｍＡ）での性能を評価するために、上記で述べた幾何形状の複数のチップが、試験目的で製造された。図５は、これらのチップの測定結果を提示する（このチップを指定する番号は、任意的なものである）。
【００５３】
この図から、２０ｍＡに対する平均信号値は、−４１ｄＢであることが分かる。２０ｍＡのこの電流が、最適な電流であると思われる。
【００５４】
これらのチップは、スペクトルから分かるように、（他の知られた構成では不安定性がしばしば見られる、数１０分の１Ｈｚから５０Ｈｚまでの）低周波数で、不安定性なしに、完全に平らなスペクトルを有する。本発明の構成は、低減された電流消費量を兼ね備え、これらの他の構成より良くないまでも、同じ程度の大きさの信号／雑音比を有し、より大きな安定性をもたらすことも明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】標準的な磁場センサの図である。
【図２】本発明の磁場センサの図である。
【図３Ａ】図２のセンサに組み込むことができるバーの図である。
【図３Ｂ】図２のセンサに組み込むことができるバーの図である。
【図３Ｃ】図２のセンサに組み込むことができるバーの図である。
【図３Ｄ】図２のセンサに組み込むことができるバーの図である。
【図４Ａ】本発明のセンサを製造する４つの連続する段階の第１の段階を示す図である。
【図４Ｂ】本発明のセンサを製造する４つの連続する段階の第２の段階を示す図である。
【図４Ｃ】本発明のセンサを製造する４つの連続する段階の第３の段階を示す図である。
【図４Ｄ】本発明のセンサを製造する４つの連続する段階の第４の段階を示す図である。
【図５】本発明のセンサの１バッチ（ｂａｔｃｈ）で解析されたチップ数に対する、（ｄＢＶ／√Ｈｚでの）雑音と（ｄＢＶでの）信号の間の相関関係を示す図である。
【図１】
2006518845.tif 000003
【図２】
2006518845.tif 000004
【図３Ａ】
2006518845.tif 000005
【図３Ｂ】
2006518845.tif 000006
【図３Ｃ】
2006518845.tif 000007
【図３Ｄ】
2006518845.tif 000008
【図４Ａ】
2006518845.tif 000009
【図４Ｂ】
2006518845.tif 000010
【図４Ｃ】
2006518845.tif 000011
【図４Ｄ】
2006518845.tif 000012
【図５】
2006518845.tif 000013
【国際調査報告】
2006518845.tif 000014
2006518845.tif 000015
2006518845.tif 000016
2006518845.tif 000017
2006518845.tif 000018
2006518845.tif 000019