一種雙z軸磁電阻角度傳感器的制造方法
【專利摘要】一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，包括圓形永磁體、兩個Z軸磁電阻傳感器芯片和PCB，兩個Z軸磁電阻傳感器位于PCB上，其磁場敏感方向正交，所述Z軸磁電阻傳感器芯片包括襯底以及位于襯底之上的至少一個磁電阻傳感器，其磁場敏感方向垂直于所述襯底，所述磁電阻傳感器包括通量集中器和磁電阻傳感單元，所述磁電阻傳感單元電連接成推挽式結構，其推臂和挽臂分別位于所述通量集中器上方或下方的距離Y軸中心線等距離的兩側位置，所述圓形永磁體具有平行于過直徑方向的磁化方向，其旋轉時，兩個Z軸磁電阻傳感器芯片所測量的正交磁場計算出磁場測量角，可以用于表征圓形永磁體的旋轉角度，該發明具有結構簡單，靈敏度高，空間靈活性高的特點。
【專利說明】—種雙Z軸磁電阻角度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁性傳感器領域，特別涉及一種雙Z軸磁電阻角度傳感器。
【背景技術】
[0002]磁電阻傳感器和永磁碼盤構成的磁電阻角度傳感器可以應用于磁編碼器以及旋轉位置傳感器等領域，通常情況下，對于磁電阻傳感器如TMR，GMR等，采用的是平面X-Y類型的磁電阻角度傳感器芯片，通過對同一芯片上X、Y方向磁場分量的測量并對X磁場分量和Y磁場分量夾角進行計算，實現對永磁碼盤旋轉角度的測量，但其主要存在如下問題:
1)X-Y類型的磁電阻角度傳感器芯片，和圓形永磁碼盤一起來測量角度位置時，芯片測量平面位于在平行于圓形永磁碼盤旋轉平面區域位置上方，其測量的敏感磁場來自于圓形永磁碼盤在圓形永磁碼盤旋轉面區域上方的分布磁場，因此X-Y磁電阻角度傳感器芯片的安裝空間和磁場均勻區受到限制，空間靈活性較差。
[0003]2) X-Y類型的磁電阻角度傳感器芯片的圓形永磁碼盤在旋轉平面上方的旋轉磁場分布容易受到附近磁體如軟磁材料或者永磁體的干擾，而使得角度測量區域發生改變，不能正確得到測量角度，穩定性較差。
【發明內容】
[0004]針對以上問題，本發明提出了一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，來取代X-Y磁電阻角度傳感器，通過測量圓形永磁碼盤邊緣外側所產生的徑向旋轉磁場來取代位于圓形永磁碼盤旋轉平面上方的旋轉磁場，并采用兩個相差90度相位的分立的Z軸磁電阻傳感器芯片來取代單一 X-Y磁電阻傳感器芯片，由于兩個Z軸磁電阻傳感器芯片位于圓形永磁碼盤邊緣外側，所以其安裝空間靈活性大大增加。
[0005]本發明所提出的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，包括一個圓形永磁碼盤，兩個Z軸磁電阻傳感器芯片和PCB，所述圓形永磁碼盤附著在一個旋轉軸上，且所述旋轉軸圍繞所述圓形永磁碼盤中心軸線旋轉；所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片均包括襯底以及位于其上的至少一個Z軸磁電阻傳感器，所述Z軸磁電阻傳感器的磁場敏感方向垂直于所述襯底所在平面；所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片位于所述PCB上，且所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片的磁場敏感方向和所述圓形永磁碼盤的中心軸線兩兩正交，且所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片與所述圓形永磁碼盤中心軸線保持相同距離r+Det，其中r為所述圓形永磁碼盤半徑，所述Det>0 ;所述圓形永磁碼盤旋轉時，所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片分別將所圓形永磁碼盤所產生的兩個正交磁場信號轉變成兩個電壓信號輸出，從而根據所述兩個電壓信號，計算出所述圓形永磁碼盤的0-360度旋轉角度。
[0006]優選的，所述圓形永磁碼盤磁化方向為平行于過直徑的方向。
[0007]優選的，所述Det距離為0_2r。
[0008]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器包括磁電阻傳感單元和通量集中器，所述通量集中器為長條形，其長軸平行于Y軸方向，短軸平行于X軸方向，所述磁電阻傳感單元敏感方向平行于X軸方向，且電連接成包括至少兩個橋臂的磁電阻橋，其中，每個所述橋臂為一個或多個磁電阻傳感單元電連接而成的兩端口結構，且所述橋臂中的磁電阻傳感單元沿著平行于Y軸方向排列成多個磁電阻列，所述磁電阻橋為推挽式橋，其中，推臂和挽臂分別位于所述通量集中器上方或下方Y軸中心線的不同側，且到各自對應的所述Y軸中心線的距離相等。
[0009]優選的，所述通量集中器為包含N1、Fe、Co元素中的一種或多種元素的軟磁合金材料。
[0010]優選的，所述磁電阻傳感單元為GMR或TMR磁電阻傳感單元。
[0011]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器包含N+2 (N>0的整數)個通量集中器，且所述磁電阻列對應于中間N個通量集中器。
[0012]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器包含I個通量集中器，所述磁電阻列對應于所述I個通量集中器。
[0013]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器包含2個通量集中器，所述磁電阻列分別對應于所述2個通量集中器中的Y軸中心線不同側的位置，且距離對應通量集中器的Y軸中心線相同距離。
[0014]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個所述通量集中器之間的間距S不小于所述通量集中器的寬度Lx。
[0015]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個所述通量集中器之間的間距S>2Lx，所述Lx為所述通量集中器的寬度。
[0016]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器的所述磁電阻單元列與所述通量集中器的上方或下方邊緣的間距越小，或者所述通量集中器的厚度Lz越大，或者所述通量集中器的寬度Lx越小，所述z軸磁電阻傳感器的靈敏度越高。
[0017]優選的，所述Z軸磁電阻傳感器的推挽式電橋為半橋、全橋或者準橋結構中的一種。
[0018]優選的，所述兩個Z軸磁電阻傳感器具有相同的磁場靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1雙Z軸磁電阻旋轉角度傳感器正視圖；
圖2雙Z軸磁電阻旋轉角度傳感器側視圖；
圖3 Z軸磁電阻傳感器結構圖一；
圖4 Z軸磁電阻傳感器結構圖二；
圖5 Z軸磁電阻傳感器結構圖三；
圖6 Z軸磁電阻傳感器Z磁場測量原理圖；
圖7 Z軸磁電阻傳感器中磁電阻傳感單元位置磁場分布圖；
圖8 Z軸磁電阻傳感器中磁電阻傳感單元電連接圖；
圖9推挽式磁電阻傳感器全橋示意圖；
圖10推挽式磁電阻傳感器半橋示意圖；
圖11雙Z軸磁電阻旋轉角度傳感器測量磁場幅度隨旋轉角度關系圖；
圖12雙Z軸磁電阻旋轉角度傳感器磁場測量角度隨旋轉角度關系圖； 圖13雙Z軸磁電阻旋轉角度傳感器測量磁場角度隨旋轉角度關系曲線直線擬合參數R2與Det/R比率關系圖。
[0020] _
【具體實施方式】
[0021]下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發明。
[0022]實施例一
圖1和2分別為雙Z軸磁電阻旋轉角度傳感器的正視圖和側視圖，可以看出，包括放置于PCB 5上的兩個Z軸磁電阻傳感器芯片I和2，以及圓形永磁碼盤3，其中圓形永磁碼盤3附著在一個旋轉軸4上，所述旋轉軸4圍繞著所述圓形永磁碼盤3的中心軸線41旋轉，兩個所述Z軸磁電阻傳感器芯片I和2的磁場敏感方向相互正交，且分別位于圓形永磁碼盤3的旋轉面外側，芯片中心法線過圓形永磁碼盤3的圓點，并且圓形永磁碼盤3的磁化方向M為平行于過直徑的直線方向，兩個Z軸磁電阻傳感器芯片距離圓形永磁碼盤3中心軸線41相同的距離，為r+Det,其中r為圓形永磁碼盤的半徑，Det大于O。
[0023]實施例二
圖3為Z軸磁電阻傳感器芯片及其Z磁場測量原理圖，包括襯底8，以及位于其上的至少一個Z軸磁電阻傳感器9，所述Z軸磁電阻傳感器9包括通量集中器6以及位于通量集中器6上方或下方且距離通量集中器Y軸中心線相同距離的磁電阻單元列7，其原理為當Z方向外磁場經過通量集中器6時，由于通量集中器6為高磁導率的軟磁合金材料，如包括Co、Fe、Ni等元素中的一種或多種元素的合金的軟磁合金，磁場在通量集中器6上方或下方產生扭曲，出現了 X軸方向的磁場分量，并且正比于Z磁場，從而能夠被位于通量集中器6上方或下方處的位于Y軸中心線兩側的磁電阻單元列7探測到，所述磁電阻傳感單元的磁場敏感方向為X方向，其為TMR，GMR類型傳感器單元，所述通量集中器為長條形狀，其長度為Y方向，寬度為X方向，且所述多個通量集中器沿X方向等距平行排列。
[0024]為了方便說明，圖3列出了標號為nl到n7的多個通量集中器，圖4為標號為nl到n7的多個通量集中器6上方或下方距離通量集中器6的Y軸中心線兩側等距離的磁電阻傳感單元處的X分量磁場分布，可以看出，位于Y軸中心線兩側的磁電阻傳感單元感受相反方向的X分量磁場，其中一個為正，另一個為負，但兩側的兩個通量集中器所對應的兩個反向的X分量磁場的幅度大小并不一致，其中靠外的X磁場分量顯然要大于位于靠內的X磁場分量，而位于除兩側之外的中間部分的通量集中器所對應的兩個位置的X磁場分量幅度大小相同。
[0025]所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個所述通量集中器之間的間距S不小于所述通量集中器的寬度Lx。在另一實施例中，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個所述通量集中器之間的間距S>2Lx ；
此外，減小所述Z軸磁電阻傳感器的所述磁電阻單元列與所述通量集中器的上方或下方邊緣的間距，或者增加所述通量集中器的厚度Lz，或者減小所述通量集中器的寬度Lx均能增加所述z軸磁電阻傳感器的靈敏度。
[0026]實施例三
根據以上通量集中器上方或下方位置處磁電阻傳感單元X磁場分量分布特征可以看出，Z軸磁電阻傳感器可以具有如下結構特征:所述磁電阻傳感單元電連接成推挽式全橋、半橋或者準橋結構，每個橋臂包含I個或多個磁電阻傳感單元，且電連接成兩端口的結構，所述磁電阻單元排布成磁電阻單元列，所述推臂和挽臂分別位于通量集中器上方或者下方Y軸中心線的不同側，并且到對應通量集中器的Y軸中心線距離相等。
[0027]根據磁電阻單元列在通量集中器中的分布特征和數量的不同，所述Z軸磁電阻傳感器可以分成如下幾種結構:
圖5為位于襯底8上的Z軸磁電阻傳感器的結構圖一,其中包含N+2 (N為大于I的整數)個通量集中器6，包括位于中間的N個通量集中器62和位于兩側的2個通量集中器61，磁電阻傳感單元列7中的71和72分布于中間N個通量集中器62所對應的Y軸中心線兩側的位置處,這是由于位于中間N個通量集中器62所對應Y中心線兩側的磁電阻傳感列71和72位置處的X磁場分量大小相同，且方向相反，從而可以構成推挽式電橋結構。
[0028]圖6為位于襯底8上的Z軸磁電阻傳感器的結構圖二，其中，只包含I個通量集中器6 (1)，磁電阻單元列7 (I)包括兩個磁電阻單元列73和74，且分布于通量集中器Y軸中心線的兩側位置，這是因為在單個通量集中器的情況下，以上兩個位置顯然X磁場分量具有大小相同，方向相反特征，從而可以構成推挽式電橋結構。
[0029]圖7為Z軸磁電阻傳感器的結構圖三，其中，只包含2個通量集中器65和66，磁電阻單元列75和76分別分布于2個通量集中器所對應的兩個Y軸中心線的外側，或者內側位置，且距離所在通量集中器Y軸中心線相同距離，顯然此時兩個位置也具有大小相同，方向相反的X磁場分量，從而構成推挽式電橋結構，為了方便說明，圖7中只給出了兩個磁電阻傳感單元列同時位于外側的情況，實際上還可以包括兩個磁電阻單元列同時位于內側的情況。
[0030]圖8為Z軸磁電阻傳感器的電連接圖，磁電阻傳感單元電連接成推挽式電橋結構，并且至少包括一個推臂和一個挽臂，每個推臂和挽臂包括I個或多個磁電阻傳感單元電連接成的兩端口結構，且所述磁電阻單元排成多個平行的磁電阻單元列，其中81為連接導線，82和83分別為電源輸入端和接地端，85和84分別為信號輸出端，6 (3)為通量集中器，其中67位于兩側，68位于中間，磁電阻單元列77和78分別位于通量集中器的上方或下方的Y中心線兩側，且距離Y中心線有相同的距離，構成推臂和腕臂的一部分，其中磁電阻單元排列成磁電阻單元列，圖8中為全橋結構推挽式磁電阻橋，包括4個橋臂，即兩個推臂和兩個挽臂，每個推臂和挽臂分別包含多個磁電阻列，并且形成兩端口結構。Z磁電阻傳感器的推挽式全橋結構如圖9所示，構成全橋的四個橋臂Rl，R2，R3和R4兩兩相鄰，具有相反的外磁場響應特征。
[0031]圖10給出的為推挽式全橋結構，實際上還包括半橋類型的推挽式結構，包含兩個臂Rl和R2，其中一個為推臂，另一個為挽臂，此外，還可以構成準橋結構。
[0032]實施例四
圖11為所述圓形永磁碼盤圍繞中線軸線旋轉時，兩個Z軸傳感器芯片所測量的敏感磁場Hl和H2,圓形永磁碼盤的磁化方向M與Hl方向的夾角為Φ,可以用Φ來定義永磁碼盤旋轉角度，兩個Z軸傳感器分別測量的磁場分量Hl和H2之間的磁場測量角α定義如下，a =atan(Hy/Hx), Hx>0, Hy>0=atan(Hy/Hx)+pi, Hx>0, Hy<0
=atan(Hy/Hx)-pi, Hx<0, Hy<0
圖11中91和92分別為Z軸磁電阻傳感器芯片I和Z軸磁電阻傳感器2的敏感磁場Hl和H2隨圓形永磁碼盤的旋轉角度Φ的變化關系，可以看出，磁場Hl和H2隨旋轉角度變化為正弦/余弦的變化關系，且相位相差90度。
[0033]圖12中93為典型的磁場測量角度α和圓形永磁碼盤旋轉角度Φ之間的關系曲線93，可以看出，曲線93為直線特征，表明磁場測量角度和旋轉角度之間有線性關系，可以通過兩個Z軸磁電阻傳感器芯片的輸出信號對圓形永磁碼盤旋轉角度進行測量。
[0034]圖13為Z軸磁電阻傳感器芯片I和2距離圓形永磁碼盤3不同距離Det時，所得到的磁場測量角α隨圓形永磁旋轉角Φ的曲線采用線性擬合時擬合參數R2與Det/R比率的關系曲線94，可以看出，隨著Det/R的增加，其R2開始保持穩定在1.0附近，而后再2.0時逐漸的下降，總體上R2線性度很高，保持在0.997以上，為了便于角度的測量精度，因此旋轉0-2 r,r為圓形永磁體半徑，因此可以看出，雙Z軸磁電阻角度傳感器的工作空間遠遠大于X-Y軸的小于r區域的空間，因此具有更大的靈活性。
【權利要求】
1.一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，包括一個圓形永磁碼盤，兩個Z軸磁電阻傳感器芯片和PCB，其特征在于，所述圓形永磁碼盤附著在一個旋轉軸上，且所述旋轉軸圍繞所述圓形永磁碼盤中心軸線旋轉；所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片均包括襯底以及位于其上的至少一個Z軸磁電阻傳感器，所述Z軸磁電阻傳感器的磁場敏感方向垂直于所述襯底所在平面；所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片位于所述PCB上，且所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片的磁場敏感方向和所述圓形永磁碼盤的中心軸線兩兩正交，且所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片與所述圓形永磁碼盤中心軸線保持相同距離r+Det，其中r為所述圓形永磁碼盤半徑，所述Det>0 ;所述圓形永磁碼盤旋轉時，所述兩個Z軸磁電阻傳感器芯片分別將所圓形永磁碼盤所產生的兩個正交磁場信號轉變成兩個電壓信號輸出，從而根據所述兩個電壓信號，計算出所述圓形永磁碼盤的0-360度旋轉角度。
2.根據權利要求1所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述圓形永磁碼盤磁化方向為平行于過直徑的方向。
3.根據權利要求1所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Det距離為0_2 r ο
4.根據權利要求1所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器包括磁電阻傳感單元和通量集中器，所述通量集中器為長條形，其長軸平行于Y軸方向，短軸平行于X軸方向，所述磁電阻傳感單兀敏感方向平行于X軸方向，且電連接成包括至少兩個橋臂的磁電阻橋，其中，每個所述橋臂為一個或多個磁電阻傳感單元電連接而成的兩端口結構，且所述橋臂中的磁電阻傳感單元沿著平行于Y軸方向排列成多個磁電阻列，所述磁電阻橋為推挽式橋，其中，推臂和挽臂分別位于所述通量集中器上方或下方Y軸中心線的不同側，且到各自對應的所述Y軸中心線的距離相等。
5.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述通量集中器為包含N1、Fe、Co元素中的一種或多種元素的軟磁合金材料。
6.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感單元為GMR或TMR磁電阻傳感單元。
7.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器包含N+2個通量集中器，且所述磁電阻列對應于中間N個通量集中器，所述N為大于O的整數。
8.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器包含I個通量集中器，所述磁電阻列對應于所述I個通量集中器。
9.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器包含2個通量集中器，所述磁電阻列分別對應于所述2個通量集中器中的Y軸中心線不同側的位置，且距離對應通量集中器的Y軸中心線相同距離。
10.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個所述通量集中器之間的間距S不小于所述通量集中器的寬度Lx。
11.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個所述通量集中器之間的間距S>2Lx，所述Lx為所述通量集中器的寬度。
12.根據權利要求4所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器的所述磁電阻單元列與所述通量集中器的上方或下方邊緣的間距越小，或者所述通量集中器的厚度Lz越大，或者所述通量集中器的寬度Lx越小，所述z軸磁電阻傳感器的靈敏度越高。
13.根據權利要求1所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器的推挽式電橋為半橋、全橋或者準橋結構中的一種。
14.根據權利要求1所述的一種雙Z軸磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述兩個Z軸磁電阻傳感器具有相同的磁場靈敏度。
【文檔編號】G01R33/09GK104197827SQ201410406142
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】詹姆斯·G·迪克, 周志敏 申請人:江蘇多維科技有限公司
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