含有可調零的gmr晶片的磁位移傳感器的製作方法

2023-05-27 05:31:06 2

專利名稱：含有可調零的gmr晶片的磁位移傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種含有可調零的GMR晶片的磁柵尺長度測量裝置，是一種使用GMR晶片的位移傳感器，屬於傳感器技術領域。
背景技術：
在自動控制、機械製造、車船等工業應用領域需要大量的測量長度和角度位置的傳感器或由多種位移傳感器組成的系統。一般而言，要求這些傳感器具有靈敏度高、解析度高、響應快、穩定性好、體積小、功耗低等特點。
目前，常見的測量長度的傳感器主要有以下四種類型1、利用光柵作為編碼的光柵型位移檢測裝置，如專利97122401.3 CN1183546A(株式會社三豐)即描述了這樣一種「光學位移檢測裝置」。這種光柵型位移檢測裝置的缺點是對使用環境的要求高，在有灰塵、油汙的情況下不能正常工作。
2、利用量具中可相對位移的第一和第二標尺之間的電容耦合測量兩標尺之間的相對位移的容柵型位移傳感器，如專利CN87102624A(株式會社三豐)描述了一種「電容型位移傳感器」。這類容柵型位移傳感器的缺點是在潮溼或有水的環境中不能工作。
3、電感位移傳感器，如專利96108034.5 CN1157910A(株式會社三豐)描述的「感應電流位置傳感器」。它是利用兩個可以相對移動的部件，一個是有源部件另一個是無源部件。有源部件含有一個產生磁場的發射裝置和一個接受該磁場的接收裝置，該接收裝置包括許多對稱的環路。當無源部件對接收裝置接收的磁場產生擾動時，與該接收裝置耦合的電路計算這兩個部件的相對位置。這種位移傳感器的缺點是有源部件的微型化很難。
4、利用磁阻傳感器通過檢測磁柵的磁場變化，從而實現位移測量的磁柵型位移傳感器，如專利US5036276(Seiko Epson)、EP0624778B1(Heidenhain)、專利98107990.3 CN1199856A(布朗和沙普·特薩)、專利200410009165.1 CN1584504A(北京科技大學)，以上這些發明都是基於傳統的磁電阻器件，它是利用鐵磁材料的各向異性磁電阻效應(AMR)製作的磁敏感元件，它們的最大缺點是磁電阻變化率低、靈敏度低，因此提高測量精度會受到很大限制。

發明內容
本發明的目的在於提供一種使用巨磁電阻(GMR)晶片的磁位移傳感器。
如圖1所示，一種含有可調零的GMR晶片的磁位移傳感器，它主要包括磁柵尺帶1、GMR晶片2及置於PCB板3上的信號處理電路；磁柵尺帶1作為定尺，它提供一個空間分布呈周期性變化的磁場；GMR晶片2作為動尺置於定尺的上方，它可以沿著磁柵的方向移動，從而檢測出磁場的變化，並將磁場的變化轉化為電信號輸入信號處理電路；最後經信號處理電路得到動尺的位移量。
GMR晶片是用具有GMR效應的納米多層磁性薄膜利用光刻方法將其刻成微米或壓微米的磁電阻條，磁敏電阻條分為多組在空間分布上作周期性排列，使其與磁柵尺帶的周期相匹配，將多組磁敏電阻構成兩個結構相同、相位相差90度電橋。每個電橋至少有一個橋臂電阻「5」是由磁敏電阻構成，或者電橋的橋臂電阻「5」全部由磁敏電阻「5」構成，如圖2所示。每個電橋含有一組由GMR磁性薄膜構成的調零電阻「6」。
GMR效應的納米多層磁性薄膜是在氧化的矽襯底上澱積的，它的厚度為10～100納米，其磁化曲線過零點(如圖4所示)，工作時無需加偏磁場。
橋臂電阻「5」是一組磁敏電阻或者是多組相位相同的磁敏電阻構成，每組的磁敏電阻由單個或多個磁敏電阻條串聯組成。使用多組連接在一起的結構的橋臂電阻可以提高電阻降低功耗，另一方面可以對磁場取平均減小誤差；調零電阻也是將GMR納米磁性薄膜利用光刻方法製作，圖3是調零電阻的連接方式。
橋臂電阻由一組或多組相位相同且周期性排列的磁電阻構成，每組的磁電阻條由單條或多條串聯組成。
GMR晶片固定在印刷電路板(PCB)上，通過鋁矽絲綁定實現GMR晶片與後處理電路的電信號聯接；敏感元件GMR晶片與被充磁的磁柵條帶之間保持適當的的距離，便於其移動實現位移測量。
利用磁阻器件結合磁柵技術測量長度的方法，提高解析度和測量精度受兩個方麵條件的影響。其一，受磁阻器件本身磁電阻變化率(MR)和靈敏度(S)的影響，MR越大、S越高，測量系統的解析度和測量精度就越高；其二，受磁柵製作技術的影響，磁柵的磁場強度和磁柵的極距，都會對測量產生影響。磁場越強，測量信號越大，對提高解析度和測量精度越有利；如果輸出信號保持不變，磁柵的極距越小，則解析度和測量精度越高。這兩個因素又是相互制約。以AMR器件為例，一方面AMR器件的磁電阻變化率(MR)和靈敏度(S)較小，使得磁柵的極距不能太小；另一方面為了使測量信號有足夠的強度、系統的功耗能足夠低，橋臂電阻需要達到一定的阻值，由於AMR薄膜較厚，其方阻小，因此其橋臂電阻佔有較大的面積，也使的磁柵的極距不能太小。自旋閥型GMR納米薄膜材料具有磁電阻變化率(MR)高、靈敏度高、飽和場低、頻響範圍寬、溫度穩定性好等特點，例如其磁電阻變化率、靈敏度高比AMR材料高一個數量級，因此，GMR傳感器不僅具有AMR傳感器的特點，而且有比AMR傳感器更好的性能。
本發明具有以下特點(1)磁場靈敏度和磁電阻變化率高，它可以得到比AMR傳感器更高的解析度和測量精度；(2)適合在低磁場下工作，飽和場低於十奧斯特(Oe)；(3)熱穩定性好，可在-40℃～150℃的溫度範圍工作；(4)噪聲低；(5)響應時間快；(6)便於與半導體電路集成，將GMR晶片與信號處理電路集成到一起，可以大大縮小測量裝置的體積，簡化後處理電路的設計，提高可靠性；(7)磁電阻的磁化曲線過磁場零點，工作無需加偏磁場，簡化了器件結構。
(8)易於得到大電阻，自旋閥型GMR納米薄膜的厚度在幾十納米的範圍，比通常的各向異性鐵磁(AMR)薄膜的厚度低1～2個數量級，在同樣條寬下，GMR納米薄膜的電阻比AMR薄膜大的多。它帶來的好處有兩點，其一，製作低功耗器件更容易；其二，使得採用極距λ更小的磁柵條以提高測量精度成為可能；(9)採用與電橋橋臂電阻相同的GMR材料製作調零電阻，一方面可以避免外電路調零引起的溫度漂移，另一方面可以提高製作GMR晶片的成品率，降低成本。


圖1是測量裝置的結構示意圖，其中「1」是磁柵，「2」是GMR晶片，「3」是印刷電路板(PCB)，「4」是磁電阻，d是GMR晶片與磁柵的間距，λ為磁柵的磁化周期。
圖2是GMR晶片中橋臂電阻的相位關係圖，其中「5」是橋臂電阻，端點G接地，端點V加工作電壓，端點S1、S2(或C1、C2)為信號輸出端。
圖3是兩種調零電阻的連接方式，其中(a)是由兩組調零電阻「6」組成電橋，通過調整這兩組電阻的阻值可使電橋平衡；(b)是由一組調零電阻「6」組成的電橋，通過調整這組電阻的阻值並選擇聯接點g1或g2可使電橋平衡。
圖4是磁敏電阻的磁化曲線。
圖5是測量系統的示意圖，其中「1」是磁柵尺帶，「2」是GMR晶片，「7」是信號處理電路(它包括信號放大、A/D轉換、運算器、解碼器等)，「8」是液晶顯示屏，「9」是電源。
具體實施例方式
本發明可以應用於可以固定定尺的長度測量場合，如工具機控制、遊標卡尺等。下面結合圖五對本發明的技術方案作進一步描述。
如圖五所示，本發明包括一個定尺(磁柵尺帶「1」固定在定尺表面)、一個GMR晶片「2」、信號處理電路「7」及液晶顯示屏「8」。電源「9″給GMR晶片「2」的電橋、信號處理電路「7」、液晶顯示屏「8」供電。當GMR晶片在測量系統的磁柵上橫向運動時，檢測磁柵上磁場強度強弱變化，通過電橋輸出相位相差90度的兩路信號，經過放大器、A/D轉換，將結果送入運算器中，將兩路信號的數值進行運算，通過查反正切表的方法計算得出位移量，並將結果送入解碼器輸出液晶顯示，從而實現長度的測量。
權利要求
1.一種含有可調零的GMR晶片的磁位移傳感器，其特徵在於由含有調零電阻的GMR晶片和被充磁的磁柵尺帶構成；GMR晶片固定在印刷電路板上，與後處理電路相聯；GMR晶片與磁柵尺帶之間有縫隙d，便於GMR晶片在磁柵尺帶上方移動。
2.根據權利要求1所述的一種含有可調零的GMR晶片的磁位移傳感器，其特徵在於，所述GMR晶片GMR磁性薄膜被光刻成微米或亞微米寬的磁敏電阻條，磁敏電阻條分為多組在空間分布上作周期性排列，使其與磁柵尺帶的周期相匹配，將多組磁敏電阻構成兩個結構相同、相位相差90度電橋；每個電橋至少有一個橋臂電阻是由磁敏電阻構成，或者電橋的橋臂電阻全部由磁敏電阻構成；每個電橋有一組由GMR磁性薄膜構成的調零電阻。
3.根據權利要求2所述的一種含有可調零的GMR晶片的磁位移傳感器，其特徵在於，所述由磁敏電阻構成的橋臂電阻是一組磁電阻或者是多組相位相同的磁電阻構成，每組的磁電阻由單個或多個磁敏電阻條串聯組成。
4.根據權利要求1所述的一種含有可調零的GMR晶片的磁位移傳感器，其特徵在於，所述GMR效應的納米多層磁性薄膜是在氧化的矽襯底上澱積的，它的厚度為10～100納米。
全文摘要
一種含有可調零的GMR晶片的磁位移傳感器，屬於傳感器技術領域，包括磁柵尺帶、GMR晶片；GMR晶片使用巨磁電阻GMR納米磁性薄膜作為磁阻敏感材料製作的磁傳感器，含調零電阻；GMR晶片固定在印刷電路板(PCB)上，通過鋁矽絲綁定實現與後處理電路的電信號聯接。GMR晶片與PCB板構成動尺，當動尺在定尺上橫向運動時，GMR晶片將檢測到的磁柵的磁場強度強弱變化轉化為電信號傳給後處理電路，最後信號處理電路得出動尺相對於定尺移動的位移量。該發明熱穩定性好、噪聲低、響應時間快；磁場靈敏度和磁電阻變化率高，適合在低磁場下工作，便於與半導體電路集成，簡化了器件結構，降低成本，在傳感器技術領域有重大實用價值。
文檔編號G01B7/02GK1740748SQ20051008637
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年9月9日
發明者李偉, 陳英華, 劉理天, 張 傑, 任天令, 尚凱倫 申請人:清華大學