一種磁電位器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種磁電位器，其特征在于：其包括一塊磁鐵、驅(qū)動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)傳感單元；所述磁鐵為電磁鐵或永磁體，用于提供磁場(chǎng)；所述機(jī)械結(jié)構(gòu)使磁鐵旋轉(zhuǎn)從而改變磁鐵磁場(chǎng)的分布；所述傳感單元由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件構(gòu)成，位于磁鐵附近，其輸出隨所在位置磁場(chǎng)的變化而變化，從而通過其輸出的變化達(dá)到改變電壓和電流目的。本發(fā)明由于采用了巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件的非接觸式結(jié)構(gòu)，具有壽命高，體積小，精度高和溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種磁電位器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了采用磁性傳感器的非接觸式電位器。
【背景技術(shù)】
[0002]電位器是一種調(diào)節(jié)電壓和電流大小的電子元件，通常的電位器通過改變電阻的大小調(diào)節(jié)電路的電壓和電流。電阻器分為接觸和非接觸式兩種:接觸式一般由電阻體和可移動(dòng)的電刷組成，當(dāng)電刷沿電阻體移動(dòng)時(shí)，在輸出端即獲得與位移量成一定關(guān)系的電阻值或電壓，但是以這種結(jié)構(gòu)的電位器存在耐磨性不高的缺點(diǎn)，使用壽命短；非接觸式非接觸式傳感器是通過檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的角度變化，并將這個(gè)角度變化用多種信號(hào)類型反饋輸出的器件，其大致可分利用光的透射或反射的光學(xué)式與檢測(cè)磁場(chǎng)方向變化的磁性式。光學(xué)式易受塵埃的影響，與之相對(duì)，磁性式不易受到塵埃的影響，可作為主流的電位器，具有耐磨損，適用于較惡劣的工作環(huán)境。
[0003]目前主流的磁性傳感元件為電感線圈或霍爾元件，兩者的測(cè)量精度和靈敏度非常低，且由于靈敏度很低通常需要附加的聚磁結(jié)構(gòu)從而體積很大，面對(duì)現(xiàn)代工業(yè)和消費(fèi)電子中對(duì)電位器體積、精度以及極端工作條件的要求，現(xiàn)有的電位器已經(jīng)不能滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提供一種體積小、精度高的磁電位器。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
一種磁電位器，其特征在于:其包括一塊磁鐵、驅(qū)動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)傳感單元；
所述磁鐵為電磁鐵或永磁體，用于提供磁場(chǎng)；
所述機(jī)械結(jié)構(gòu)使磁鐵旋轉(zhuǎn)從而改變磁鐵磁場(chǎng)的分布；
所述傳感單元由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件構(gòu)成，位于磁鐵附近，用于檢測(cè)其所在位置磁場(chǎng)的變化。
[0006]其進(jìn)一步特征在于:所述磁電位器包含兩個(gè)傳感單元。
[0007]其進(jìn)一步特征還在于:所述傳感單元為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
[0008]進(jìn)一步的:所述傳感單·元為梯度半橋或全橋結(jié)構(gòu)，所述梯度半橋或梯度全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
[0009]上述巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個(gè)納米級(jí)薄膜層。
[0010]本發(fā)明的電位器通過使用巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件為傳感單元，采用非接觸式結(jié)構(gòu)，和現(xiàn)有的通用類電位器相比，具有使用壽命高，體積小，精度高和溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明提供的單單元磁電位器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明提供的雙單元磁電位器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。
[0014]圖4是磁電阻元件的輸出曲線示意圖。
[0015]圖5是半橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0016]圖6是半橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0017]圖7是全橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0018]圖8是全橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0019]圖9是梯度全橋式傳感單元磁電阻的物理位置圖。
[0020]圖10是采用雙單元的磁電位器的兩路輸出信號(hào)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的描述。
[0022]實(shí)施例1:
如圖1所示，本實(shí)施例提供的磁電位器包括傳感單元11以及磁鐵13。磁鐵13與一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)軸14連接,通過機(jī)械轉(zhuǎn)軸14的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，由于磁鐵13角度的變化,其磁場(chǎng)21的分布也發(fā)生變化。傳感單元11由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件構(gòu)成，其接入到系統(tǒng)中，其輸出隨磁場(chǎng)21的變化而發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電壓和電流的目的。傳感單元可以是單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，單電阻結(jié)構(gòu)的是兩端口電位器，半橋則是三端口電位器，而全橋則是四端口電位器，其詳細(xì)工作方式在下文描述。采用巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件的傳感單元是有源的，即需要提供電壓或電流，本發(fā)明提供的磁電位器由系統(tǒng)提供穩(wěn)恒電壓或電流。傳感單元11、磁鐵13以及轉(zhuǎn)軸14都安裝在外殼15內(nèi)，轉(zhuǎn)軸14可由外部的旋鈕使其轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0023]實(shí)施例2:
圖2是采用雙傳感單元的數(shù)字式磁電位器的結(jié)構(gòu)示意圖。其包括傳感單元11、傳感單元12以及磁鐵13。磁鐵13與一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)軸14連接,通過機(jī)械轉(zhuǎn)軸14的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，由于磁鐵13角度的變化，其磁場(chǎng)21的分布也發(fā)生變化。傳感單元11和12由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件構(gòu)成，通過測(cè)量磁場(chǎng)21的分布的變化輸出信號(hào)。上述實(shí)施例不同的是，傳感單元11和傳感單元12不是直接接在系統(tǒng)中，而是將輸出信號(hào)輸入到控制單元中(如單片機(jī)，圖中并未標(biāo)示)，然后再由控制單元調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓或電流。雙單元的輸出信號(hào)如圖10所示，控制單元可通過輸出信號(hào)的周期(頻率)知道旋轉(zhuǎn)的速度，從而調(diào)節(jié)電壓(電流)值；可通過輸出信號(hào)的相位差知道旋轉(zhuǎn)的方向，從而判斷電壓(電流)變大或變小。
[0024]對(duì)于實(shí)施例1和實(shí)施例2，傳感單元11 (或兩個(gè)傳感單元11和12)可位于磁鐵13的正下方或正上方，也可以位于磁鐵13正下方或上方附近，也可以位于磁鐵13的一側(cè)。傳感單元可采用單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，若測(cè)量的磁場(chǎng)為一梯度場(chǎng)，則可以設(shè)置為梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，梯度計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于抗干擾能力強(qiáng)。前述的單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)相同的磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)組成，每個(gè)橋臂我們可以等價(jià)于一個(gè)磁電阻，每個(gè)橋臂中的磁性傳感元件的磁場(chǎng)敏感方向都相同。單電阻結(jié)構(gòu)含有一個(gè)磁電阻，半橋結(jié)構(gòu)由兩個(gè)物理性質(zhì)相同的磁電阻串聯(lián)組成，全橋結(jié)構(gòu)由四個(gè)物理性質(zhì)相同的磁電阻連接構(gòu)成，使用時(shí)都要通入穩(wěn)恒電壓或電流。
[0025]磁性傳感單元的敏感元件為磁性傳感元件，常用的磁性傳感元件有電感線圈、霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件。其中電感線圈是通過電磁感應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)，其靈敏度和精度都非常低；霍爾元件是通過霍爾效應(yīng)的原理測(cè)量磁場(chǎng)，其飽和場(chǎng)很大，測(cè)量范圍寬，但是靈敏度低，精度也低，通常需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)增加其靈敏度，從而體積也很大。面對(duì)現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)化設(shè)備以及消費(fèi)電子對(duì)電位器的高精度要求，具有高精度，高靈敏度，低功耗，體積小，溫度特性好等優(yōu)勢(shì)的以巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件為代表的磁電阻元件成為磁電位器的最優(yōu)選擇。
[0026]圖3是巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié)元件)位于基底54上，由納米級(jí)薄膜頂電極層56、自由層51、非磁性層52、釘扎層53、底電極層55構(gòu)成。自由層51由磁性材料構(gòu)成,也可以是鐵磁層-間隔層-鐵磁層的SAF結(jié)構(gòu)，其磁矩61隨外場(chǎng)變化；非磁性層52由非磁性材料構(gòu)成，如果是巨磁電阻元件，則非磁性層52為金屬材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道結(jié)元件，則為非金屬材料，如A10x、MgO等；釘扎層53的磁矩63不變，通常是鐵磁層-反鐵磁層復(fù)合式結(jié)構(gòu)或SAF層-反鐵磁層結(jié)構(gòu)。頂電極層56和底電極層55由金屬導(dǎo)體材料組成，實(shí)際應(yīng)用中可通過頂電極層56和底電極層55將多個(gè)元件串聯(lián)或并聯(lián)，或串并混合連接為一個(gè)等效電阻來(lái)使用，同時(shí)頂電極層56和底電極層55還包含引導(dǎo)晶格生長(zhǎng)的帽子層和種子層。當(dāng)自由層磁矩61和釘扎層磁矩63平行時(shí)，元件的阻值R最小，為當(dāng)自由層磁矩61和釘扎層磁矩63反平行時(shí)，元件的阻值R最大，為Rh。
[0027]圖4是巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié))元件的輸出曲線示意圖，其電阻值R隨外場(chǎng)H在其飽和場(chǎng)-Hs和Hs之間線性變化，當(dāng)施加的外場(chǎng)沿其敏感方向的場(chǎng)強(qiáng)的絕對(duì)值大于其飽和場(chǎng)的絕對(duì)值時(shí)，其阻值不變。對(duì)于采用單電阻結(jié)構(gòu)的傳感單元來(lái)說(shuō)，將多個(gè)巨磁電阻元件(磁性隧道結(jié)元件)串聯(lián)，并聯(lián)或串并混聯(lián)之后，可視為一個(gè)等效的磁電阻，如果采用實(shí)施例I，則可將其視為雙端口的電位器接入系統(tǒng)，通過其阻值大小的變化調(diào)節(jié)電壓(電流)的大??；若采用實(shí)施例2，則將其兩端通入穩(wěn)恒電壓(電流)，其輸出信號(hào)為磁電阻兩端的電壓，該電壓值隨磁場(chǎng)21的變化而變化。
[0028]圖5是半橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。采用半橋結(jié)構(gòu)傳感單元的磁電位器為三端口式，磁電阻71和73串聯(lián)起來(lái)，三個(gè)端口 Vbias、GND以及Vtm接入系統(tǒng)，Vbias和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。半橋可以是參考半橋或推挽半橋。參考半橋的一個(gè)橋臂(磁電阻)73的靈敏度非常低，在測(cè)量范圍內(nèi)的阻值變化可近似認(rèn)為是零，另一個(gè)橋臂(磁電阻)71的阻值變化導(dǎo)致其兩端電壓(端口 Vtot和端口 Vbias之間的電壓)變化，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓(電流)；推挽半橋則是兩個(gè)橋臂71、73的磁場(chǎng)敏感方向相反，在受到同一個(gè)外場(chǎng)作用下一個(gè)阻值增大，一個(gè)阻值減小，外磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致輸出電壓(端口 Vtot與端口 Vbias或端口 GND之間的電壓)的變化從而達(dá)到調(diào)整系統(tǒng)電壓(電流)的目的；梯度半橋適用于梯度場(chǎng)，沿著梯度場(chǎng)的方向場(chǎng)強(qiáng)不同，導(dǎo)致兩個(gè)敏感方向相同的磁電阻阻值變化不同，從而引起輸出電壓的變化進(jìn)而調(diào)整電壓(電流)。若采用雙單元的數(shù)字電位器結(jié)構(gòu)，則半橋的輸出電壓信號(hào)輸入到控制單元中，然后再調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓(電流)。半橋結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)變化的輸出曲線示意圖如圖6所示。
[0029]圖7是全橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。磁電阻71和72串聯(lián)，73和74串聯(lián)，串聯(lián)的兩個(gè)電阻對(duì)再并聯(lián)，端口 Vbias和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。全橋可以是參考全橋或推挽全橋。參考全橋分別位于左右半橋的兩個(gè)橋臂71和74的靈敏度非常低，在測(cè)量范圍內(nèi)的阻值變化可近似認(rèn)為是零，橋臂73和74的磁場(chǎng)敏感方向相同，在同一外場(chǎng)作用下其阻值變化相同，從而輸出端V+和V-之間產(chǎn)生電勢(shì)差，即輸出電壓，進(jìn)而測(cè)量磁場(chǎng)。推挽全橋的橋臂71和74的磁場(chǎng)敏感方向相同，72和73的磁場(chǎng)敏感方向相同，71和72的磁場(chǎng)敏感方向相反，在同一外場(chǎng)的作用下，71和74阻值變大的同時(shí)72和73的阻值減小(或者71和74阻值減小的同時(shí)72和73阻值增大)，從而輸出端V+和V-之間產(chǎn)生電勢(shì)差，即輸出電壓，進(jìn)而測(cè)量磁場(chǎng)。全橋結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)變化的輸出曲線示意圖如圖8所示。
[0030]降低磁電阻靈敏度的以構(gòu)成參考半/全橋的橋臂可以采用但不局限于以下方式:如在磁電阻元件上沉積磁導(dǎo)率高的軟磁材料，設(shè)置偏置場(chǎng)大的永磁體或沉積厚的反鐵磁層等。通過以上方式可在一張晶圓上一次制備出參考全橋芯片。
[0031]磁鐵13的磁場(chǎng)21分布和其充磁方向相關(guān)，若沿傳感單元的磁場(chǎng)敏感方向I的磁場(chǎng)21為一梯度場(chǎng)，則采用抗干擾能力強(qiáng)的梯度計(jì)結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的選擇。梯度計(jì)式結(jié)構(gòu)可以是梯度半橋也可以是梯度全橋。梯度半橋的連接方式可參考圖5。沿著梯度場(chǎng)21方向上處于不同物理位置的兩個(gè)磁電阻71和73的阻值變化不同，從而產(chǎn)生輸出。
[0032]圖9是梯度全橋的物理位置擺放圖。如圖所示，沿著梯度磁場(chǎng)21的方向，磁電阻71和74的位置相同，磁電阻72和73的位置相同，在端口 Vbias和GND之間輸入穩(wěn)恒電壓。在沒有外場(chǎng)的作用下，磁電阻71、72、73、74的阻值相同，輸出端沒有電勢(shì)差，無(wú)輸出。當(dāng)外場(chǎng)21施加于四個(gè)磁電阻上時(shí)，由于該磁場(chǎng)是梯度場(chǎng)，沿著梯度場(chǎng)方向的場(chǎng)強(qiáng)大小不同，則沿著梯度方向位置相同的磁電阻71和74的電阻值變化相同，磁電阻72和73的電阻值變化相同，磁電阻71和72 (73和74)的阻值變化不同，則梯度全橋的輸出端V+和V-之間具有輸出電壓Vtm，其輸出曲線可參考圖8。
[0033]上述的采用全橋結(jié)構(gòu)的傳感單元適用于數(shù)字電位器，其輸出電壓信號(hào)輸入到控制單元中，然后再調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓(電流)。若采用實(shí)施例1所述的電位器，則全橋的四個(gè)端口Vbias、GND、V+和V-接入系統(tǒng)中，端口 Vbias和GND為固定端，V+和V-為變化端，V+和V-之間不適合接入為一個(gè)系統(tǒng)回路，通?？蓪⒁粋€(gè)可變端口(V+或V-)和一個(gè)固定端口(Vbias或GND)連接為一個(gè)回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓(電流)的調(diào)節(jié)。
[0034]應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說(shuō)明書的基礎(chǔ)上可以對(duì)各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種磁電位器，其特征在于:其包括一塊磁鐵、驅(qū)動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)傳感單元； 所述磁鐵為電磁鐵或永磁體，用于提供磁場(chǎng)； 所述機(jī)械結(jié)構(gòu)使磁鐵旋轉(zhuǎn)從而改變磁鐵磁場(chǎng)的分布； 所述傳感單元由巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件構(gòu)成，位于磁鐵附近，用于檢測(cè)其所在位置磁場(chǎng)的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電位器，其特征在于:所述磁電位器包含兩個(gè)傳感單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的磁電位器，其特征在于:所述傳感單元為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的磁電位器，其特征在于:所述傳感單元為梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，所述梯度半橋或梯度全橋的橋臂由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件并聯(lián)和/或串聯(lián)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電位器，其特征在于:所述巨磁電阻元件以及磁性隧道結(jié)元件包含自由層、非磁性層以及釘扎層三個(gè)納米級(jí)薄膜層。
【文檔編號(hào)】G01D5/14GK103630150SQ201310638939
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】白建民, 王建國(guó), 黎偉 申請(qǐng)人:無(wú)錫樂爾科技有限公司