用于确定角度或位置的磁阻传感器制造技术

本发明专利技术涉及利用ＡＭＲ或ＧＭＲ效应的磁阻传感器，在角度测量期间指示出可转动的永磁体的均匀磁场方向，或者在位置测量期间指示出传感器相对于以不同方向被周期性磁化的测量棒的位置，其中角度值或位置值可以借助于反正切内插法由两个桥或半桥的输出信号的商获得。当输出信号含有较少的谐波分量和磁滞区域时可以所述磁阻传感器的减小误差。该目的由根据本发明专利技术的装置通过如下方式来实现：磁阻由多个磁阻带构成，并且在作用于磁阻带上的每个均匀磁场中，确定磁阻的角度沿着磁阻带的纵向延伸方向连续变化。确定磁阻的角度在ＡＭＲ传感器中位于电流方向和磁化方向之间，而在ＧＭＲ传感器中位于两个层单元的磁化方向之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于确定角度的磁阻传感器，它具有一个相对于传感器可转动的磁铁；或者一种用于确定位置的磁阻传感器，其中传感器正对着一个磁标尺(magnetic scale)，并且具有周期性的磁象(magnetic pattern)。这种角度和位置测量装置被大量应用在例如机器制造、汽车工业或者精密仪器中。用于确定角度或者位置的磁阻传感器是已知的。关于类似的借助于各向异性磁阻效应(AMR)、巨磁阻效应(GMR)和磁阻层间隧道效应(TMR)来确定角度和位置的现有技术的综述在文献WO02/06845A1中给出。在AMR效应下，层带的磁阻是由电流方向和磁化方向之间的夹角α来确定的。它可以通过如下的关系来确定R(α)＝R0+(ΔR/2)·(1-cos(2α))。由此可以看出，当角度α变化180°后磁阻改变已经经过了一个完整的周期。磁化的方向与安装在附近的一个可转动的永磁体作用在层带上的磁场方向相匹配，这样在永磁体转动一周的同时可以获得两个完整的磁阻变化周期。这可以在电流流经层带时作为电压变化被测量出来。在GMR效应和TMR效应下，层带的磁阻或隧道过渡区的磁阻与磁阻材料的两个层或层单元的磁化方向之间的夹角β有关。如果一个层单元中的磁化方向通过一个直接接触的天然或人造的反铁磁性物质来保持，并且只有第二个层单元中的磁化方向随着可转动的永磁体所施加的磁场而变化，则磁阻变化符合如下关系式R(β)＝R0+(ΔR/2)·(1-cos(β))。这样当永磁体转动一周时，磁阻仅变化一个完整的周期，或者在层带或者隧道过渡区上可用作信号的电压仅变化一个完整的周期。根据所给出的公式，得到了将角度转换为一个余弦函数的理想角度转换。但在实际应用中这种转换是存在误差的。在信号中出现了相应基波的谐波分量，它们的周期长度是上面提到的180°或360°的整数分之一。出现这种误差的原因在于，各层的磁化方向和所施加的磁场的方向在一定程度上不完全一致。在AMR角度传感器的情况下，可以通过很高的永磁体磁场强度来改善上述的方向一致性。然而这只有通过采用昂贵的高矫磁力永磁体材料、或者通过在机械上很复杂地将永磁体放置在离传感器很近的位置处才能实现。在GMR或者TMR传感器的情况下，即使采用更高的磁场强度也不能改善信号的正弦特性，因为这种场强使得耦合到反铁磁材料上的磁阻层的磁化方向也发生偏转。有两种可能的原因会使得自由AMR层带的磁化方向与所施加的磁场方向发生偏离。第一个原因是基本的物理特性，这已经在公开的专利说明书DE 19839450A1中提到，其中磁化方向和层带纵向方向之间的夹角Φ必须满足以下的等式Hx/H0tan(Φ)+sin(Φ)-Hy/H0＝0其中Hx是在层带纵向方向上的磁场分量，而Hy是与之垂直的磁场分量。这里角度Φ和前面提到的角度α一致，对于角度α只有在一定的条件下才满足下面的公式tan(α)＝Hy/Hx该条件是Hx/H0和Hy/H0要取很大的值，这又和前面提到的使用高场强的必要条件相一致。第二个原因在于，在有限的角度范围内，在永磁体的较弱场强作用下，磁化方向会被分割成多个磁畴，尤其是在层带末端和边缘部位处，这导致磁阻值与理想情况下不同，并且在该角度范围内会产生磁滞。在引用的两个专利文献WO02/06845A1和DE 19839450A1中，为了改善通过磁阻角度传感器实现的测量精度，指定了层带的排列形式，其中每个层带都分别形成了磁阻，这样的排列形式适合于从传感器的输出信号中滤出谐波。这种滤波在弱场强的情况下也能实现。这通过以下方式来实现在使用AMR传感器的情况下，使用两组或者多组在磁阻带的纵向方向之间精确限定角度的平行的直的磁阻带，以代替传感器中在纵向方向上相互平行的、未滤除谐波的长的直磁阻带。使用的磁阻带的组越多，谐波次数就越高，直到它们从信号中被滤除。但是其缺点在于，每个新的磁阻带的组必须具有一个新的固定的倾斜角，而不能使用已有的倾斜角，同样还需要所施加的磁场的一个新的角度范围，这些角度必须被测定，并且其中被分割成多个磁畴，因此会产生磁滞。这一结论尤其是适合于那些比磁阻带的各向异性磁场并不高很多的场强情况下。在GMR和TMR传感器的情况下，通常也可以使用平行的长的磁阻带。但是在不同的磁阻带组中，必须使耦合到相应的反铁磁性物质上的磁阻带的磁化方向相互之间形成精确确定的角度。这样基本上避免不了与磁阻带纵向方向垂直的磁化分量，并且随着磁阻带组的数量的增多，形成的角度范围的数目也会增加，其中特别是在能够以比较经济的方式产生的弱场强的情况下会出现磁滞效应。用于确定位置的磁阻传感器(它们以可以在测量方向上移动的方式设置在磁标尺的表面附近)通过角度来确定相应的位置值，这个位置值在传感器的位置处在磁阻带的方向上形成了磁场。磁标尺由周期性地在交替方向上被磁化的永磁体材料构成，这样这个角度随着在测量方向上的前进而近似于线性变化。为了达到高测量精度而需要解决的技术问题主要出在角度传感器的情况下。这首先符合谐波滤除的应用。因此本专利技术的目的在于给出一种基于磁阻效应的位置和角度传感器的结构，其测量精度通过从信号中滤除谐波分量而得以改善，而不会在较弱磁场的情况下出现会引起测量误差的磁滞的区域。这个任务将通过实现一个传感器元件来解决，它与权利要求1或者权利要求18中的特征相对应。根据本专利技术，这里最主要的是，首先要在形成传感器磁阻的磁阻带中避免确定磁阻的角度发生跳变。在使用AMR效应的情况下，电流方向和磁化方向之间的夹角为确定磁阻的角度。为了在磁阻中实现谐波滤除，在磁阻带中需要不同的确定磁阻的角度。这可以通过改变磁阻带边缘的形状来实现，而不会使确定磁阻的角度发生突然的跳变。例如如果磁阻带的两个边缘可以表现为平行走向的正弦曲线形状，则在磁阻带中的电流方向就和这种形状相匹配，并且电流方向相对于磁阻带纵向方向的夹角同样以正弦函数的形式变化，这里所述的磁阻带纵向方向是由其端点之间的直线连接而形成的。在磁场强度较小的情况下，磁阻带的磁阻材料的磁化方向也可以通过施加在磁阻带上的磁场的场强、通过材料的晶体各向同性场强、以及通过形状各向同性场强来确定。材料的晶体各向同性是指在传感器芯片的区域内到处都具有相同的强度和方向。而性状各向同性场强在上述的例子中是和边缘平行的。这样，磁化方向也只能沿着磁阻带连续地变化。因此就不会出现磁化方向的跳变，并且避免了分割成磁畴的一个原因。为了改变电流在由AMR材料制成的磁阻带中的方向，除了设计磁阻带的边缘形状外，还存在第二种可能性。这种可能性在于采用相间螺旋条纹(barber’s pole)结构，这已经在公开的专利文献DE3514457中做了描述，但是其中并没有提到为了进行角度和长度测量而滤除谐波。在相间螺旋条纹结构的情况下，在磁阻材料制成的磁阻带上，以和磁阻带宽度的数量级相同的间距排列着多个导电层带，这些导电层带的纵向方向和磁阻带的纵向方向之间形成夹角。由于相比较而言导电层带具有更高的导电性，使得电流方向与其纵向方向近似于垂直。通过选择不同的夹角，可以调节具有直的、平行的边缘的磁阻带中的电流方向，这样能够以相同的磁化方向实现所需的不同的确定磁阻的角度。因此不需要大量的以不同角度相互倾斜的磁阻带，并且在角度测量时也不会增加出现磁滞的区域的可能性本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于确定传感器方向与相对于该传感器可转动的磁场（Ｈ↓［ｈ］）之间的夹角、或者用于确定传感器与一个相对于该传感器可在移动方向上移动的周期性磁场（Ｈ↓［ｈ］）之间的相对位置的磁阻传感器，包括至少两个半桥或者全桥，它们提供相移的周期性信号并且它们的磁阻通过磁阻材料构成的磁阻带形成，它们可以利用各向异性磁阻（ＡＭＲ）效应，其中磁阻值通过电流方向（Ｉ）和磁化方向（Ｍ）之间的确定磁阻的夹角（α）来确定；或者也可以利用巨磁阻（ＧＭＲ）效应，其中磁阻值通过磁阻材料的不同单元的磁化（Ｍ↓［１］；Ｍ↓［２］）之间的确定磁阻的夹角（β）来确定，其特征在于，在作用于各个磁阻带（１；１２）的任意磁场（Ｈ↓［ｈ］）中，确定磁阻的夹角（α；β）沿着磁阻带的纵向方向（ｘ）连续变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克塞尔巴托斯，阿明麦森博格，弗里茨德特曼，
申请(专利权)人：HL平面技术有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]