專利名稱：用于確定角度或位置的磁阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定角度的磁阻傳感器，它具有一個相對于傳感器可轉(zhuǎn)動的磁鐵；或者一種用于確定位置的磁阻傳感器，其中傳感器正對著一個磁標(biāo)尺(magnetic scale)，并且具有周期性的磁象(magnetic pattern)。這種角度和位置測量裝置被大量應(yīng)用在例如機(jī)器制造、汽車工業(yè)或者精密儀器中。
用于確定角度或者位置的磁阻傳感器是已知的。關(guān)于類似的借助于各向異性磁阻效應(yīng)(AMR)、巨磁阻效應(yīng)(GMR)和磁阻層間隧道效應(yīng)(TMR)來確定角度和位置的現(xiàn)有技術(shù)的綜述在文獻(xiàn)WO02/06845A1中給出。在AMR效應(yīng)下，層帶的磁阻是由電流方向和磁化方向之間的夾角α來確定的。它可以通過如下的關(guān)系來確定R(α)＝R0+(ΔR/2)·(1-cos(2α))。由此可以看出，當(dāng)角度α變化180°后磁阻改變已經(jīng)經(jīng)過了一個完整的周期。磁化的方向與安裝在附近的一個可轉(zhuǎn)動的永磁體作用在層帶上的磁場方向相匹配，這樣在永磁體轉(zhuǎn)動一周的同時(shí)可以獲得兩個完整的磁阻變化周期。這可以在電流流經(jīng)層帶時(shí)作為電壓變化被測量出來。
在GMR效應(yīng)和TMR效應(yīng)下，層帶的磁阻或隧道過渡區(qū)的磁阻與磁阻材料的兩個層或?qū)訂卧拇呕较蛑g的夾角β有關(guān)。如果一個層單元中的磁化方向通過一個直接接觸的天然或人造的反鐵磁性物質(zhì)來保持，并且只有第二個層單元中的磁化方向隨著可轉(zhuǎn)動的永磁體所施加的磁場而變化，則磁阻變化符合如下關(guān)系式R(β)＝R0+(ΔR/2)·(1-cos(β))。這樣當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)動一周時(shí)，磁阻僅變化一個完整的周期，或者在層帶或者隧道過渡區(qū)上可用作信號的電壓僅變化一個完整的周期。
根據(jù)所給出的公式，得到了將角度轉(zhuǎn)換為一個余弦函數(shù)的理想角度轉(zhuǎn)換。但在實(shí)際應(yīng)用中這種轉(zhuǎn)換是存在誤差的。在信號中出現(xiàn)了相應(yīng)基波的諧波分量，它們的周期長度是上面提到的180°或360°的整數(shù)分之一。出現(xiàn)這種誤差的原因在于，各層的磁化方向和所施加的磁場的方向在一定程度上不完全一致。在AMR角度傳感器的情況下，可以通過很高的永磁體磁場強(qiáng)度來改善上述的方向一致性。然而這只有通過采用昂貴的高矯磁力永磁體材料、或者通過在機(jī)械上很復(fù)雜地將永磁體放置在離傳感器很近的位置處才能實(shí)現(xiàn)。在GMR或者TMR傳感器的情況下，即使采用更高的磁場強(qiáng)度也不能改善信號的正弦特性，因?yàn)檫@種場強(qiáng)使得耦合到反鐵磁材料上的磁阻層的磁化方向也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
有兩種可能的原因會使得自由AMR層帶的磁化方向與所施加的磁場方向發(fā)生偏離。第一個原因是基本的物理特性，這已經(jīng)在公開的專利說明書DE 19839450A1中提到，其中磁化方向和層帶縱向方向之間的夾角Φ必須滿足以下的等式Hx/H0tan(Φ)+sin(Φ)-Hy/H0＝0其中Hx是在層帶縱向方向上的磁場分量，而Hy是與之垂直的磁場分量。這里角度Φ和前面提到的角度α一致，對于角度α只有在一定的條件下才滿足下面的公式tan(α)＝Hy/Hx該條件是Hx/H0和Hy/H0要取很大的值，這又和前面提到的使用高場強(qiáng)的必要條件相一致。第二個原因在于，在有限的角度范圍內(nèi)，在永磁體的較弱場強(qiáng)作用下，磁化方向會被分割成多個磁疇，尤其是在層帶末端和邊緣部位處，這導(dǎo)致磁阻值與理想情況下不同，并且在該角度范圍內(nèi)會產(chǎn)生磁滯。
在引用的兩個專利文獻(xiàn)WO02/06845A1和DE 19839450A1中，為了改善通過磁阻角度傳感器實(shí)現(xiàn)的測量精度，指定了層帶的排列形式，其中每個層帶都分別形成了磁阻，這樣的排列形式適合于從傳感器的輸出信號中濾出諧波。這種濾波在弱場強(qiáng)的情況下也能實(shí)現(xiàn)。這通過以下方式來實(shí)現(xiàn)在使用AMR傳感器的情況下，使用兩組或者多組在磁阻帶的縱向方向之間精確限定角度的平行的直的磁阻帶，以代替?zhèn)鞲衅髦性诳v向方向上相互平行的、未濾除諧波的長的直磁阻帶。使用的磁阻帶的組越多，諧波次數(shù)就越高，直到它們從信號中被濾除。但是其缺點(diǎn)在于，每個新的磁阻帶的組必須具有一個新的固定的傾斜角，而不能使用已有的傾斜角，同樣還需要所施加的磁場的一個新的角度范圍，這些角度必須被測定，并且其中被分割成多個磁疇，因此會產(chǎn)生磁滯。這一結(jié)論尤其是適合于那些比磁阻帶的各向異性磁場并不高很多的場強(qiáng)情況下。
在GMR和TMR傳感器的情況下，通常也可以使用平行的長的磁阻帶。但是在不同的磁阻帶組中，必須使耦合到相應(yīng)的反鐵磁性物質(zhì)上的磁阻帶的磁化方向相互之間形成精確確定的角度。這樣基本上避免不了與磁阻帶縱向方向垂直的磁化分量，并且隨著磁阻帶組的數(shù)量的增多，形成的角度范圍的數(shù)目也會增加，其中特別是在能夠以比較經(jīng)濟(jì)的方式產(chǎn)生的弱場強(qiáng)的情況下會出現(xiàn)磁滯效應(yīng)。
用于確定位置的磁阻傳感器(它們以可以在測量方向上移動的方式設(shè)置在磁標(biāo)尺的表面附近)通過角度來確定相應(yīng)的位置值，這個位置值在傳感器的位置處在磁阻帶的方向上形成了磁場。磁標(biāo)尺由周期性地在交替方向上被磁化的永磁體材料構(gòu)成，這樣這個角度隨著在測量方向上的前進(jìn)而近似于線性變化。為了達(dá)到高測量精度而需要解決的技術(shù)問題主要出在角度傳感器的情況下。這首先符合諧波濾除的應(yīng)用。
因此本發(fā)明的目的在于給出一種基于磁阻效應(yīng)的位置和角度傳感器的結(jié)構(gòu)，其測量精度通過從信號中濾除諧波分量而得以改善，而不會在較弱磁場的情況下出現(xiàn)會引起測量誤差的磁滯的區(qū)域。
這個任務(wù)將通過實(shí)現(xiàn)一個傳感器元件來解決，它與權(quán)利要求1或者權(quán)利要求18中的特征相對應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，這里最主要的是，首先要在形成傳感器磁阻的磁阻帶中避免確定磁阻的角度發(fā)生跳變。在使用AMR效應(yīng)的情況下，電流方向和磁化方向之間的夾角為確定磁阻的角度。為了在磁阻中實(shí)現(xiàn)諧波濾除，在磁阻帶中需要不同的確定磁阻的角度。這可以通過改變磁阻帶邊緣的形狀來實(shí)現(xiàn)，而不會使確定磁阻的角度發(fā)生突然的跳變。例如如果磁阻帶的兩個邊緣可以表現(xiàn)為平行走向的正弦曲線形狀，則在磁阻帶中的電流方向就和這種形狀相匹配，并且電流方向相對于磁阻帶縱向方向的夾角同樣以正弦函數(shù)的形式變化，這里所述的磁阻帶縱向方向是由其端點(diǎn)之間的直線連接而形成的。在磁場強(qiáng)度較小的情況下，磁阻帶的磁阻材料的磁化方向也可以通過施加在磁阻帶上的磁場的場強(qiáng)、通過材料的晶體各向同性場強(qiáng)、以及通過形狀各向同性場強(qiáng)來確定。材料的晶體各向同性是指在傳感器芯片的區(qū)域內(nèi)到處都具有相同的強(qiáng)度和方向。而性狀各向同性場強(qiáng)在上述的例子中是和邊緣平行的。這樣，磁化方向也只能沿著磁阻帶連續(xù)地變化。因此就不會出現(xiàn)磁化方向的跳變，并且避免了分割成磁疇的一個原因。
為了改變電流在由AMR材料制成的磁阻帶中的方向，除了設(shè)計(jì)磁阻帶的邊緣形狀外，還存在第二種可能性。這種可能性在于采用相間螺旋條紋(barber’s pole)結(jié)構(gòu)，這已經(jīng)在公開的專利文獻(xiàn)DE3514457中做了描述，但是其中并沒有提到為了進(jìn)行角度和長度測量而濾除諧波。在相間螺旋條紋結(jié)構(gòu)的情況下，在磁阻材料制成的磁阻帶上，以和磁阻帶寬度的數(shù)量級相同的間距排列著多個導(dǎo)電層帶，這些導(dǎo)電層帶的縱向方向和磁阻帶的縱向方向之間形成夾角。由于相比較而言導(dǎo)電層帶具有更高的導(dǎo)電性，使得電流方向與其縱向方向近似于垂直。通過選擇不同的夾角，可以調(diào)節(jié)具有直的、平行的邊緣的磁阻帶中的電流方向，這樣能夠以相同的磁化方向?qū)崿F(xiàn)所需的不同的確定磁阻的角度。因此不需要大量的以不同角度相互傾斜的磁阻帶，并且在角度測量時(shí)也不會增加出現(xiàn)磁滯的區(qū)域的可能性。
在GMR效應(yīng)的情況下，角度測量特別適合使用如下的層系統(tǒng)這些層系統(tǒng)的第一個單元被磁化，其磁化方向能夠基本上隨著可相對于傳感器轉(zhuǎn)動的磁鐵的磁場而變化，并且在其第二個單元的磁化過程中，通過耦合到另一個磁性單元，使得該磁化過程基本上與所作用的磁場的方向無關(guān)。確定磁阻的角度是第一個和第二個單元的磁化方向之間的夾角。為了進(jìn)行諧波過濾，需要不同的確定磁阻的夾角。根據(jù)本發(fā)明，這通過以下方法來實(shí)現(xiàn)使第二個單元的磁化方向沿著磁阻帶的縱向方向連續(xù)變化。這種連續(xù)變化例如可以這樣調(diào)節(jié)相對的磁阻帶邊緣可以用同樣連續(xù)變化的函數(shù)來表示，并且所述的另一個磁性單元是反鐵磁性材料，它的軸線方向與第二個單元的磁化相耦合，這樣就可以通過流經(jīng)磁阻帶的電流的磁場來調(diào)節(jié)軸的方向。因此，使得第二個單元的磁化方向始終垂直于所述邊緣，并且在磁阻帶的縱向方向上連續(xù)變化。第二個單元的磁化方向的連續(xù)變化既避免了在第二個單元上也避免了在第一個單元上由于第一個和第二個單元之間無法避免的弱耦合而形成磁疇，從而也避免了增加出現(xiàn)磁滯的區(qū)域的可能性。有利的是，可以通過結(jié)合使用恒定磁場以及流經(jīng)磁阻帶的電流所產(chǎn)生的磁場來調(diào)節(jié)第二個單元的磁化方向。這樣可以在縱向方向上對確定磁阻的角度的變化過程產(chǎn)生不同的連續(xù)函數(shù)。
在使用AMR以及GMR傳感器的情況下，在從屬權(quán)利要求中給出了具體的函數(shù)來說明磁阻帶邊緣的變化過程。有利的是，通過計(jì)算諧波分量和信號的幅值，可以選出周期長度和周期性邊緣函數(shù)的幅值之間的最佳比例關(guān)系。
下面借助于實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。所附的附圖如下

圖1在AMR效應(yīng)的情況下確定磁阻的角度，圖2在GMR效應(yīng)的情況下確定磁阻的角度，圖3對于AMR傳感器，通過磁阻帶邊緣設(shè)定的電流方向，圖4根據(jù)本發(fā)明的AMR長度傳感器電橋，圖5根據(jù)本發(fā)明的AMR角度傳感器電橋，圖6對于AMR傳感器，通過相間螺旋條紋結(jié)構(gòu)設(shè)定的電流方向，
圖7根據(jù)本發(fā)明的具有相間螺旋條紋結(jié)構(gòu)的AMR長度傳感器，圖8對于GMR傳感器，與磁場無關(guān)的磁化方向的連續(xù)變化過程，圖9根據(jù)本發(fā)明的GMR角度傳感器電橋。
在圖1中示出了AMR磁阻帶的x-y層平面。這里磁阻帶的縱向方向與x軸相一致。在磁阻帶的一個點(diǎn)上標(biāo)明了電流的方向I。通常情況下這個方向I和磁阻帶的縱向方向x是不一致的。在外加磁場的作用下，標(biāo)明了該點(diǎn)的磁化方向M。電流方向I和磁化方向M之間的夾角是角度α。磁阻層的單位磁阻ρa(bǔ)可以通過這個夾角來確定ρa(bǔ)(α)＝ρa(bǔ)0+(Δρa(bǔ)/2)(1-cos(2α))其中ρa(bǔ)0是和磁場無關(guān)的分量，而Δρa(bǔ)是單位磁阻的與磁場相關(guān)的變化幅度。α是磁阻帶上任一點(diǎn)處的確定磁阻的夾角。單位磁阻ρa(bǔ)是當(dāng)電流方向I和磁化方向M在磁阻帶的縱向方向x上變化時(shí)關(guān)于x的函數(shù)。
圖2中在x-y層平面的一個點(diǎn)處示出了一個GMR層系統(tǒng)。其中由層系統(tǒng)構(gòu)成的磁阻帶的縱向方向與x軸相一致。GMR層系統(tǒng)包括兩個單元，它們的磁化M1和M2能夠相互無關(guān)地設(shè)置在不同的方向上。這里M1是第一個單元的磁化，它的方向基本上與在所考慮的點(diǎn)處施加的外部磁場的方向一致。M2是第二個單元的磁化，這里它基本上與第三個反鐵磁材料的單元的排列方向一致。在磁化方向M1和M2之間的夾角為β。而在所考慮的點(diǎn)處的GMR層的單位磁阻通過下面的公式給出ρg(β)＝ρg0+(Δρg/2)(1-cos(β))。
其中β是磁阻帶的任一點(diǎn)處的確定磁阻的角度。單位磁阻是當(dāng)磁化方向M1和M2在磁阻帶的縱向方向x上變化時(shí)x的函數(shù)。
圖3示出了一個AMR磁阻帶1，它的縱向長度沿著x方向延伸。AMR磁阻帶1由第一個邊緣2和第二個邊緣3所限定。在通常情況下，根據(jù)本發(fā)明，邊緣2和邊緣3可以通過在x方向上連續(xù)變化的任意所需的函數(shù)來表示。在所示的例子中，這兩個邊緣2；3是平行的，并且都是正弦函數(shù)。正弦函數(shù)的周期長度13比AMR磁阻帶的寬度14要大得多。這樣，在AMR磁阻帶中電流I在各處都是平行于邊緣2；3流過，并且它的方向在x的擴(kuò)展方向上連續(xù)變化。一個均勻的磁場Hh作用在AMR磁阻帶1的平面上，它的場強(qiáng)比AMR磁阻帶1的各向異性場強(qiáng)要大。這樣AMR磁阻帶1上任一點(diǎn)處的磁化方向M基本上通過均勻的磁場Hh的方向來確定，并且確定磁阻的夾角α在x擴(kuò)展方向上也是連續(xù)變化的。在使用AMR磁阻帶1來確定角度、位置或者長度時(shí)，所示的均勻磁場Hh在x-y平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。AMR磁阻帶1的磁阻作為均勻磁場Hh和x軸構(gòu)成的夾角的函數(shù)，在這種情況下具有最小的諧波比例。為此，電流方向和x方向之間的角度范圍應(yīng)該包括在0°和至少15°之間的值。而電流方向和x方向之間的最大夾角的上限值為45°。
所給出的這個角度值應(yīng)該也可以適用于AMR磁阻帶的邊緣不能用正弦函數(shù)表示的情況。具有優(yōu)點(diǎn)的是，邊緣2；3可以通過圓弧形曲線或者通過二階和四階拋物線曲線的和來表示。
圖4中示出了基于圖3中的AMR磁阻帶1、在一個芯片表面4上形成的用于確定相對于標(biāo)尺9的位置的傳感器橋。標(biāo)尺9是分段顯示的，芯片表面4的平面與標(biāo)尺段的平面相重合。標(biāo)尺9以固定的極長10在標(biāo)尺段平面上周期性地向上和向下交替被磁化。尺寸關(guān)系在圖中未按比例示出。例如磁阻帶的寬度被放大顯示。每兩個AMR磁阻帶1形成了惠斯通電橋的一個支路。AMR磁阻帶1通過非磁性的導(dǎo)電層帶相互連接。電橋的工作電壓的正極連接到連接觸點(diǎn)6，其負(fù)極連接到連接觸點(diǎn)5。電橋的輸出電壓可以在輸出觸點(diǎn)7和8處引出。如圖4中所看到的，AMR磁阻帶1相互之間相隔半個極長10的間距被設(shè)置。對于所有的AMR磁阻帶，在距下面的磁阻帶末端等距離的每個點(diǎn)處分別示出了電流I和磁化M的方向，它們是在磁標(biāo)尺9上所示位置處的磁場作用下產(chǎn)生的。通過抑制該位置處與AMR磁阻帶1的磁阻相關(guān)的諧波分量，可以得到電橋的一個輸出信號，這個輸出信號表示隨著位置的改變而周期性變化的電壓，其周期長度和極長10相對應(yīng)。這個電壓基本上可以通過一個簡單的正弦信號來表示。
一個完整的位置傳感器包含兩個所示的惠斯通電橋，它們相互之間的距離相差極長10的(n+1/4)倍，其中n為整數(shù)(n＝0；1；2；3；…)。位置可以通過已知的方式根據(jù)已經(jīng)經(jīng)過的極長10的數(shù)目以及通過反正切內(nèi)插由兩個橋信號的商所得到的分?jǐn)?shù)計(jì)算出來。由于在橋信號中抑制了諧波分量，使得位置結(jié)果的誤差變得很小。
為了提高位置傳感器的電橋的磁阻，并且為了改善芯片表面積4的利用，可以使用大量相同設(shè)計(jì)的平行、且以彎曲形狀連接的AMR磁阻帶，來代替每個單個的AMR磁阻帶1。
作為本發(fā)明的另一個實(shí)施例，圖5示出了芯片表面4上的一個電橋結(jié)構(gòu)，它是角度傳感器的一部分。連接觸點(diǎn)5；6和輸出觸點(diǎn)7；8的使用與圖4相一致。這里AMR磁阻帶1由邊緣2；3來限定，它們彼此之間通過鏡像來得到。電流方向只直接和AMR磁阻帶1的縱軸方向相一致。然而，所考慮的點(diǎn)距離相應(yīng)的邊緣2或3越近，邊緣2；3的方向越接近于平行。因此，在這種情況下電流方向沿著AMR磁阻帶1的縱向方向連續(xù)變化。如果在均勻磁場Hh中AMR磁阻帶1的磁化方向基本相同，則確定磁阻的角度α同樣也是連續(xù)變化的。采用不同的確定磁阻的角度α是對AMR磁阻帶1進(jìn)行諧波過濾的先決條件。這些角度的連續(xù)變化避免了磁滯現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖5中所示的是距離AMR磁阻帶1的末端和距離其縱軸等距的點(diǎn)處的確定磁阻的角α。分別構(gòu)成電橋的一個支路的兩個AMR磁阻帶1的縱向方向相互垂直。這樣確保了在均勻磁場Hh轉(zhuǎn)動期間，每個電橋支路中的AMR磁阻帶1的磁阻變化相反，其方向由角度傳感器所確定。當(dāng)均勻磁場Hh轉(zhuǎn)動180°的時(shí)候，作為觸點(diǎn)7；8處的輸出信號，正弦波形的輸出電壓經(jīng)過一個完整的周期。除了所示的電橋之外，完整的角度傳感器還包含一個相同的電橋，這個電橋相對于所示的電橋轉(zhuǎn)動過45°。角度值可以使用已知的反正切內(nèi)插方法通過這兩個電橋的輸出信號的商來確定。
為了提高角度傳感器電橋的磁阻、并且改善芯片表面4的利用，可以使用大量相同設(shè)計(jì)的平行放置的、且彎曲連接的AMR磁阻帶1，以代替每個單個的AMR磁阻帶1。
圖6中示出了在AMR磁阻帶1中不同的電流方向的另外一個實(shí)施方式。AMR磁阻帶1具有直的、平行的邊緣2；3。在AMR磁阻帶1上設(shè)置有相對于縱向方向傾斜的導(dǎo)電層帶11。導(dǎo)電層帶11的導(dǎo)電性比AMR層高得多。因此電流以最短的路徑從一個導(dǎo)電層帶11流到下一個導(dǎo)電層帶，并且電流方向垂直于導(dǎo)電層帶11的縱向方向。通過導(dǎo)電層帶11的傾斜可以調(diào)節(jié)電流I的方向。在圖6中僅示出了兩個不同方向的電流。但是，從中可以清楚知道，可以通過改變每個后續(xù)導(dǎo)電層帶11的傾斜角相對前一個導(dǎo)電層帶的傾斜角來連續(xù)地改變電流方向。通常一個AMR磁阻帶的長度比寬度大約要大1000倍。導(dǎo)電層帶之間的間隔應(yīng)該和寬度在同一個數(shù)量級。在需要使用大量導(dǎo)電層帶11的情況下，從一個導(dǎo)電層帶11到下一個導(dǎo)電層帶所需的傾斜角的變化要足夠小，從而可以認(rèn)為形成了連續(xù)的變化。在圖6中施加了一個平行于AMR磁阻帶的均勻磁場Hh。在這個方向上還繪出了磁化方向。同時(shí)也繪出了對于導(dǎo)電層帶的兩個傾斜角的所得到的確定磁阻的角度α。
圖7示出了一個位于芯片表面4上的惠斯通電橋，它由4個相同的AMR磁阻帶1和導(dǎo)電層帶11組成，用于位置測量。芯片表面4垂直于標(biāo)尺9的表面，圖中示出了標(biāo)尺9的截面。標(biāo)尺9以相同長度的極長10在交替的方向上被磁化。AMR磁阻帶1的位置及其連接和電路與圖4中描述的相一致。在所示的特殊情況下，導(dǎo)電層帶11按如下形式敷設(shè)在AMR磁阻帶1上，使得AMR磁阻帶1的每四個相同長度的段中流過相同方向的電流I。電流方向與AMR磁阻帶1的縱向方向構(gòu)成的角度是±6°和±24°。這樣，AMR磁阻帶1的磁阻值與位置的相關(guān)性能夠?qū)?階和5階諧波分量去除。偶數(shù)階諧波通過電橋中的相減被去除。這樣，最高達(dá)到7階的所有的諧波分量都從電橋的輸出信號中被去除了。為了得到完整的位置傳感器，這里還需要兩個相差極長10的(1+1/4)倍的電橋。在這種情況下，同樣可以通過多個平行的、彎曲相連的相同AMR磁阻帶來代替單個的AMR磁阻帶1，從而提高電橋的磁阻。
與圖7中所示的情況相反，電流方向相對于AMR磁阻帶1的縱向方向的夾角也可以通過改變導(dǎo)電層帶11到下一個導(dǎo)電層帶之間的間距來連續(xù)改變。通過計(jì)算電橋輸出信號可以得到對位置值所需測量精度的最優(yōu)匹配。
根據(jù)本法明，也可以用AMR磁阻帶1和設(shè)置在其上的導(dǎo)電層帶11來形成角度傳感器。在這種情況下，通過適當(dāng)選擇導(dǎo)電層帶11的縱向方向與AMR磁阻帶1的縱向方向之間的夾角，可以使一個電橋支路中的兩個磁阻的AMR磁阻帶1的縱向方向相互平行，或者相互為90度，或者是從0°到90°之間的任意一個角度值。
在所有具有諧波過濾的磁阻傳感器結(jié)構(gòu)中，與那些沒有經(jīng)過諧波過濾的結(jié)構(gòu)相比較，可以避免作為角度或位置的函數(shù)的輸出信號的幅值減小。在帶有導(dǎo)電層帶11的AMR磁阻帶1的情況下，這個減小值是最小的。這是通過如下方法實(shí)現(xiàn)的在層帶的每個磁阻中必須僅對不同的電流角求平均，而不是對相應(yīng)AMR磁阻帶1中的不同磁化角求平均。在直的AMR磁阻帶中磁化方向都是相同的。
圖8和圖9中用另一個例子描述了根據(jù)本發(fā)明的GMR傳感器的使用。圖8示出了一個GMR磁阻帶12，它的層平面限定在x-y平面上，并且它的縱向方向與x方向相一致。GMR層的第一個單元的M1(圖2)在這里沒有示出，它基本上隨著外加磁場而變化。GMR磁阻帶12由邊緣2和3所限定。邊緣2；3在圖中是通過相同的正弦曲線來表示的，并且對于每個x值是平行的。GMR層的第二個單元的磁化方向M2分別與邊緣2；3相垂直。磁化M2的分布通過流經(jīng)GMR磁阻帶的電流的場所產(chǎn)生。當(dāng)GMR磁阻帶12從一個較高的溫度被冷卻到它的尼爾溫度(Neel temperature)以下時(shí)饋送該電流。這種磁化設(shè)置過程的細(xì)節(jié)是已知的，不是本發(fā)明的主題。當(dāng)x的值增加時(shí)磁化M2的連續(xù)變化導(dǎo)致了當(dāng)施加外部磁場時(shí)確定磁阻的角度β的連續(xù)變化，因此第一個單元的磁化方向M1基本上是恒定的(圖2)。
圖9示出了一個角度傳感器電橋，它由圖8所示的GMR磁阻帶構(gòu)成。四個GMR磁阻帶12位于一個芯片表面4上，并通過導(dǎo)電的、非磁性的連接以及對應(yīng)圖4中所述的連接觸點(diǎn)來補(bǔ)充，以構(gòu)成一個完整的惠斯通電橋。在芯片表面4上作用有一個均勻磁場Hh，它的方向可以在芯片表面4的平面上轉(zhuǎn)動，并且它相對于芯片表面4的下邊緣的角度需要被確定。這四個GMR磁阻帶12的縱向方向相互平行，并且每個電橋支路中的兩個GMR磁阻帶彼此之間通過鏡像得到。這也適用于GMR磁阻帶的第二個單元的磁化方向M2。通過這種形式保證了在外加均勻場Hh轉(zhuǎn)動期間每個橋支路中的磁阻的磁阻值以相反的方式變化。GMR層的第一個單元的磁化M1基本上和磁場Hh的方向一致。這樣對于任意的外加磁場Hh，確定磁阻的角度β沿著每個GMR磁阻帶12連續(xù)地變化，并且更加難以形成磁滯區(qū)域。通過在每個電橋磁阻中使用不同的確定磁阻的角度能夠產(chǎn)生諧波過濾的效果。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際中對諧波分量的明顯抑制，圖8中的邊緣曲線的最大梯度角應(yīng)選在30°到90°之間。周期長度和邊緣曲線的最大梯度角之間的最優(yōu)比例關(guān)系可以通過計(jì)算電橋輸出信號來得到。
這里完整的角度傳感器還包括相同設(shè)計(jì)的第二個電橋，這個電橋相對所示的電橋要偏轉(zhuǎn)90°設(shè)置。通過使用反正切內(nèi)插方法，可以由兩個電橋輸出信號的商得到要確定的角度值。
GMR磁阻帶的邊緣2；3可以通過連續(xù)變化的不同曲線來再現(xiàn)。通常具有優(yōu)點(diǎn)的是采用圓弧形的曲線段或者2階或4階拋物線的和。
電橋的磁阻值可以通過使用平行的GMR磁阻帶來增加，這些GMR磁阻帶彼此相同，并且彎曲連接，以代替每個單個的GMR磁阻帶12。
具有優(yōu)點(diǎn)的是，通過當(dāng)GMR磁阻帶12被冷卻到尼爾溫度以下時(shí)，將流經(jīng)GMR磁阻帶的電流的場和外加的磁場結(jié)合起來，對GMR層的第二個單元的磁化方向M2進(jìn)行調(diào)節(jié)。
這里沒有詳細(xì)示出基于GMR磁阻帶12的位置傳感器的結(jié)構(gòu)，這里給出的只是本發(fā)明的一部分，但是可以通過所述的示例性實(shí)施例很容易地推導(dǎo)出來。
附圖標(biāo)記列表1 AMR磁阻帶2 第一個邊緣3 第二個邊緣4 芯片表面5 工作電壓觸點(diǎn)6 工作電壓觸點(diǎn)7 電橋輸出電壓觸點(diǎn)8 電橋輸出電壓觸點(diǎn)9 標(biāo)尺10 標(biāo)尺的極長11 導(dǎo)電層帶12 GMR磁阻帶13 邊緣曲線的周期長度14 磁阻帶的寬度α確定磁阻的角度β確定磁阻的角度Hh均勻磁場M AMR層的磁化M1GMR層的第一個單元的磁化M2GMR層的第二個單元的磁化I 電流x，y層平面的坐標(biāo)
權(quán)利要求
1用于確定傳感器方向與相對于該傳感器可轉(zhuǎn)動的磁場(Hh)之間的夾角、或者用于確定傳感器與一個相對于該傳感器可在移動方向上移動的周期性磁場(Hh)之間的相對位置的磁阻傳感器，包括至少兩個半橋或者全橋，它們提供相移的周期性信號并且它們的磁阻通過磁阻材料構(gòu)成的磁阻帶形成，它們可以利用各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)，其中磁阻值通過電流方向(I)和磁化方向(M)之間的確定磁阻的夾角(α)來確定；或者也可以利用巨磁阻(GMR)效應(yīng)，其中磁阻值通過磁阻材料的不同單元的磁化(M1；M2)之間的確定磁阻的夾角(β)來確定，其特征在于，在作用于各個磁阻帶(1；12)的任意磁場(Hh)中，確定磁阻的夾角(α；β)沿著磁阻帶的縱向方向(x)連續(xù)變化。
2用于確定傳感器方向與相對于該傳感器可轉(zhuǎn)動的磁場(Hh)之間的夾角、或者用于確定傳感器與一個相對于該傳感器可在移動方向上移動的周期性磁場(Hh)之間的相對位置的磁阻傳感器，包括至少兩個半橋或者全橋，它們提供相移的周期性信號并且它們的磁阻通過磁阻材料構(gòu)成的磁阻帶形成，它們可以利用各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)，其中磁阻值通過電流方向(I)和磁化方向(M)之間的確定磁阻的夾角(α)來確定；或者也可以利用巨磁阻(GMR)效應(yīng)，其中磁阻值通過磁阻材料的不同單元的磁化(M1；M2)之間的確定磁阻的夾角(β)來確定，其特征在于，在作用于各個磁阻帶(1；12)的每一個磁場(Hh)中，確定磁阻的夾角(α；β)沿著磁阻帶的縱向方向(x)連續(xù)變化。
3如權(quán)利要求1或2所述的磁阻傳感器，其特征在于，在磁場(Hh)與磁阻帶的縱向方向平行的情況下，確定磁阻的夾角(α；β)在磁阻帶(1；12)的末端處分別具有相同的大小。
4如權(quán)利要求3所述的磁阻傳感器，其特征在于，確定磁阻的角度(α；β)在磁阻帶長度上是相對于磁阻帶中心對稱的。
5如權(quán)利要求1，2或3所述的磁阻傳感器，其特征在于，確定磁阻的角度(α；β)沿著磁阻帶的縱向方向周期性變化。
6如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的磁阻傳感器，其特征在于，每個磁阻是由多個相同形狀的平行磁阻帶(1；12)組成的。
7如權(quán)利要求1或2所述的用于確定位置的磁阻傳感器，其特征在于，所述半橋或者全橋中的所有磁阻由相互平行、且彼此具有相同形狀的多個磁阻帶(1；12)構(gòu)成，這些磁阻帶的縱向方向與周期性磁場的移動方向相垂直。
8如權(quán)利要求1或2所述的用于確定角度的磁阻傳感器，其特征在于，所述半橋或者全橋中的每個磁阻由相互平行、且彼此具有相同形狀的多個磁阻帶(1；12)構(gòu)成，并且不同磁阻的磁阻帶(1；12)的縱向方向之間通過轉(zhuǎn)動特定的偏差角而相互不同。
9如權(quán)利要求8所述的磁阻傳感器，其特征在于，磁阻的磁阻帶(1)由具有AMR效應(yīng)的材料構(gòu)成，這樣每個半橋內(nèi)的偏差角為90°，并且兩個半橋或全橋的相應(yīng)磁阻間的偏差角是45°。
10如權(quán)利要求8所述的磁阻傳感器，其特征在于，磁阻的磁阻帶(12)由具有GMR效應(yīng)的材料構(gòu)成，這樣每個半橋內(nèi)的偏差角是180°，并且兩個半橋或全橋的相應(yīng)磁阻間的偏差角是90°。
11如權(quán)利要求1或2所述的磁阻傳感器，其特征在于，磁阻的磁阻帶(1)由具有AMR效應(yīng)的材料構(gòu)成，并且磁阻帶的邊緣(2；3)可以通過在磁阻帶縱向方向上連續(xù)變化的函數(shù)來表示，使得在磁阻帶內(nèi)的電流方向至少在靠近邊緣的區(qū)域內(nèi)平行于所述邊緣(2；3)。
12如權(quán)利要求11所述的磁阻傳感器，其特征在于，每個磁阻帶(1)的兩個邊緣(2；3)可以通過相同的連續(xù)變化的函數(shù)來表示，并且在磁阻帶的縱向方向上的每一點(diǎn)處都是平行的。
13如權(quán)利要求12所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述連續(xù)變化的函數(shù)是一個周期函數(shù)。
14如權(quán)利要求13所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述連續(xù)的周期函數(shù)具有一個周期長度(13)，該周期長度要比磁阻帶(1)的寬度(14)大得多。
15如權(quán)利要求14所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述周期函數(shù)可以用正弦函數(shù)表示。
16如權(quán)利要求15所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述周期函數(shù)可以用一系列交替曲率的圓弧來表示。
17如權(quán)利要求14所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述周期函數(shù)可以用一系列交替曲率的二階和四階拋物線的和來表示。
18如權(quán)利要求14所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述周期函數(shù)的幅值通過相對于具有低諧波分量的半橋或者全橋的輸出電壓的優(yōu)化來確定，使得在磁場(Hh)相對于傳感器轉(zhuǎn)動期間輸出電壓的幅值盡可能大。
19用于確定相對于傳感器可轉(zhuǎn)動的磁場(Hh)的夾角、或者用于確定相對于傳感器可在移動方向上移動的周期性磁場(Hh)的相對位置的磁阻傳感器，包括至少兩個半橋或者全橋，它們提供相移的周期性信號并且它們的磁阻通過磁阻材料構(gòu)成的磁阻帶形成，這些磁阻帶具有各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)，其中磁阻值通過電流方向(I)和磁化方向(M)之間的確定磁阻的夾角(α)來確定，其特征在于，磁阻帶(1)由直的邊緣(2；3)所限定，具有固定的寬度(14)，并且磁阻帶(1)內(nèi)的電流方向(I)和磁阻帶(1)的邊緣(2；3)形成不同的角度。
20如權(quán)利要求19所述的磁阻傳感器，其特征在于，磁阻材料的磁阻帶具有大量的相互之間有一定間隔的導(dǎo)電層帶(11)，它們的縱向方向與磁阻帶(1)的縱向方向之間形成夾角。
21如權(quán)利要求20所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述夾角被如此選擇，使得電流方向(I)和磁阻帶(1)的縱向方向之間形成的夾角可以通過一個正弦函數(shù)來表示。
22如權(quán)利要求21所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述夾角被如此選擇，使得電流方向(I)和磁阻帶(1)的縱向方向之間形成的夾角可以通過一系列交替曲率的二階和四階拋物線的和來表示。
23如權(quán)利要求1或2所述的磁阻傳感器，其特征在于，磁阻的磁阻帶(12)由具有GMR效應(yīng)的材料組成，其中一個單元的磁化方向(M1)基本上隨著所施加的磁場的方向而變化，并且基本上通過磁耦合到另一個磁性單元上所限定的第二個單元的磁化方向(M2)方向沿著磁阻帶(12)的縱向方向連續(xù)變化。
24如權(quán)利要求23所述的磁阻傳感器，其特征在于，相對的條邊沿(2；3)可以分別通過在磁阻帶縱向方向上連續(xù)變化的相同的函數(shù)來表示，并且第二個單元的磁化方向(M2)通過流經(jīng)磁阻帶的電流(I)的磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得磁化方向(M2)始終垂直于各個邊緣(2；3)。
25如權(quán)利要求24所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述連續(xù)變化的函數(shù)可以用一個正弦曲線來表示。
26如權(quán)利要求23所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述連續(xù)變化的函數(shù)可以用一系列交替曲率的圓弧來表示。
27如權(quán)利要求23所述的磁阻傳感器，其特征在于，所述連續(xù)變化的函數(shù)是一個周期函數(shù)，并且可以由交替曲率的二階和四階拋物線的和來表示。
28如權(quán)利要求23所述的磁阻傳感器，其特征在于，相對的磁阻帶邊緣(2；3)可以分別通過在磁阻帶的縱向方向上連續(xù)變化的相同的函數(shù)來表示，并且可以將流經(jīng)磁阻帶(12)的電流的磁場和外加的均勻磁場(Hh)結(jié)合起來，對第二個單元的磁化方向(M2)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用AMR或GMR效應(yīng)的磁阻傳感器，在角度測量期間指示出可轉(zhuǎn)動的永磁體的均勻磁場方向，或者在位置測量期間指示出傳感器相對于以不同方向被周期性磁化的測量棒的位置，其中角度值或位置值可以借助于反正切內(nèi)插法由兩個橋或半橋的輸出信號的商獲得。當(dāng)輸出信號含有較少的諧波分量和磁滯區(qū)域時(shí)可以所述磁阻傳感器的減小誤差。該目的由根據(jù)本發(fā)明的裝置通過如下方式來實(shí)現(xiàn)磁阻由多個磁阻帶構(gòu)成，并且在作用于磁阻帶上的每個均勻磁場中，確定磁阻的角度沿著磁阻帶的縱向延伸方向連續(xù)變化。確定磁阻的角度在AMR傳感器中位于電流方向和磁化方向之間，而在GMR傳感器中位于兩個層單元的磁化方向之間。
文檔編號G01R33/09GK1754080SQ200480005011
公開日2006年3月29日 申請日期2004年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月24日
發(fā)明者阿克塞爾·巴托斯, 阿明·麥森博格, 弗里茨·德特曼 申請人:Hl-平面技術(shù)有限公司