專利名稱：隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及磁性編碼器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隧道磁電阻效應(yīng)(TMR，Tunnel Magnetoresistance)是一種新近發(fā)現(xiàn)并開始工業(yè) 應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)，它主要表現(xiàn)在磁性多層膜中隨著外磁場大小和方向的變化，磁性 多層膜的電阻發(fā)生明顯變化，它比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR(各向異性磁電阻效應(yīng))、 GMR(巨磁電阻效應(yīng))具有更大的電阻變化率。TMR材料具有電阻變化率大，輸出信號幅值 大，電阻率高，功耗小，溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，TMR已經(jīng)替代GMR應(yīng)用于 硬盤記錄數(shù)據(jù)的讀取磁頭當(dāng)中。用TMR制成的磁場測量器件，比AMR、GMR、霍爾器件具有靈 敏度更高、功耗更低、線性更好、動態(tài)范圍更寬、溫度特性更好，抗干擾能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。此 外TMR還能集成到現(xiàn)有的芯片微加工工藝當(dāng)中，便于制成體積很小的集成磁場傳感器。在磁性編碼器中，通過磁性敏感元件感知變化的磁場并輸出電壓信號，再采用放 大整形電路對電壓信號進(jìn)行放大整形后輸出脈沖信號，最后通過間門信號(標(biāo)準(zhǔn)時鐘)對 脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而根據(jù)不同的應(yīng)用得到所要測量的角度、角速度、轉(zhuǎn)速值等。通?，F(xiàn) 有磁性編碼器中磁性敏感元件大都采用霍爾器件，AMR，少量高端產(chǎn)品采用GMR。但是，霍爾 元件由于輸出電壓非常小(約幾個mV)，因而需要后續(xù)電路對信號進(jìn)行放大，并且通常具有 較大的零點(diǎn)偏置電壓，靈敏度小，抗干擾能力差，并且對溫度和應(yīng)力非常敏感。AMR、GMR都 是屬于磁電阻元件，但一般AMR的電阻變化率只能在5%以下，實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用一般只有 2% 3%，因而測量靈敏度小，輸出信號幅值小，同樣需要放大。而GMR元件的電阻變化率 較大，能達(dá)到20%左右，但GMR元件中由于強(qiáng)的交換藕合作用，其飽和場非常大，限制了其 靈敏度的提高。同時GMR元件的電阻變化率隨磁場的變化特性非單調(diào)變化，存在偶對稱，使 其開關(guān)性能較差。這些都使它們在磁編碼器的應(yīng)用中，輸出信號的信噪比較低，并影響其工 作穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供能提高磁性編碼器輸出信 號的信噪比和工作穩(wěn)定性的磁性編碼器。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，包括一個磁塊，一個磁性敏感元件，兩個運(yùn)算放 大器，一個數(shù)字信號處理芯片，以及輸出顯示模塊，磁性敏感元件采用TMR雙軸磁場芯片， TMR雙軸磁場芯片位于磁塊的下方；兩個運(yùn)算放大器、數(shù)字信號處理芯片、輸出顯示模塊位 于一個PCB電路板上，PCB電路板位于磁塊和TMR雙軸磁場芯片的外部。TMR雙軸磁場芯片由兩個TMR全橋構(gòu)成，兩個TMR全橋相互正交放置。TMR全橋中相對的兩個TMR元件的磁性釘扎層磁矩方向相同，并與另外兩個相對 的TMR元件的釘扎層的方向反平行，四個TMR元件的磁性自由層磁矩方向平行。
3[0009]另一種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，包括一個磁鼓，磁鼓邊緣上有磁柵，一個磁性 敏感元件，以及一個信號放大整形模塊、一個計(jì)數(shù)模塊、一個計(jì)算處理模塊、一個顯示模塊， 磁性敏感元件采用TMR半橋芯片，TMR半橋芯片位于磁鼓的邊緣，并與磁柵之間間隔l-5mm 的距離；信號放大整形模塊、計(jì)數(shù)模塊、計(jì)算處理模塊位于一個PCB電路板上，PCB電路板位 于磁鼓和TMR半橋芯片的外部。TMR半橋芯片中的兩個TMR元件的磁性釘扎層磁矩方向相互反平行，且兩個TMR元 件的磁性自由層的磁矩方向相互平行，TMR半橋芯片工作在開關(guān)狀態(tài)。有益效果本實(shí)用新型所述的隧道磁電阻效應(yīng)編碼器由于采用TMR材料制作的 TMR芯片作為磁性敏感元件，其靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，信噪比高，抗噪聲性能好。另外 TMR對磁場敏感，不同于光電傳感器，其本身是非接觸的，耐灰塵，油污等惡劣環(huán)境能力強(qiáng)。此外，第二種采用TMR半橋芯片作為磁性敏感元件的隧道磁電阻效應(yīng)編碼器，TMR 半橋芯片工作在開關(guān)狀態(tài)，其本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力，工作穩(wěn)定性更高。從以上所述方 案，結(jié)合TMR材料具有電阻變化率大，輸出信號幅值大，電阻率高，能耗小，溫度穩(wěn)定性高的 優(yōu)點(diǎn)，TMR應(yīng)用到現(xiàn)有的磁性編碼器當(dāng)中，作為磁性編碼器的磁性敏感元件，能有效提高磁 性編碼器的信噪比，工作穩(wěn)定性，抗干擾能力和綜合性能，相較傳統(tǒng)的磁性編碼器具有信噪 比更高，抗干擾能力更強(qiáng)，靈敏度更高，工作更穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是所述方案一磁性編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖；圖2是采用兩個TMR全橋構(gòu)成的TMR雙軸磁場芯片示意圖；圖3是TMR全橋結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是TMR全橋輸出特性示意圖；圖5是所述方案二磁性編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖；圖6是TMR半橋結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是TMR半橋輸出特性示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本實(shí)用新型提供了兩種采用TMR的磁性編碼器方案。一種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，包括一個磁塊11，一個磁性敏感元件，兩個運(yùn)算 放大器17，一個數(shù)字信號處理芯片18，以及輸出顯示模塊19，磁性敏感元件采用TMR雙軸磁 場芯片15，TMR雙軸磁場芯片15位于磁塊11的下方；兩個運(yùn)算放大器17、數(shù)字信號處理芯 片18、輸出顯示模塊19位于一個PCB電路板16上，PCB電路板16位于磁塊11和TMR雙軸 磁場芯片15的外部。所述TMR雙軸磁場芯片15由兩個TMR全橋21、22構(gòu)成，兩個TMR全橋21、22相互 正交放置。兩個TMR全橋21、22同時感知運(yùn)動磁塊在正交的兩個方向X、Y上產(chǎn)生的磁場分 量，并將其轉(zhuǎn)化為兩路電壓輸出信號。TMR全橋21、22中相對的兩個TMR元件的磁性釘扎層磁矩方向相同，并與另外兩個 相對的TMR元件的釘扎層的方向反平行，四個TMR元件的磁性自由層磁矩方向平行。[0025]PCB電路板16位于磁塊11和TMR雙軸磁場芯片15的外部；磁塊11在運(yùn)動時會 在TMR雙軸磁場芯片15上產(chǎn)生交變的磁場。運(yùn)算放大器17將電壓輸出信號放大到與DSP輸入相匹配的水平，DSP芯片具有模 數(shù)轉(zhuǎn)換功能，以及數(shù)字濾波，和計(jì)算處理功能。輸出顯示模塊19能將輸出的信息顯示出來。采用單一 TMR雙軸磁場芯片的磁性編碼器，主要用于角度值的測量，其突出特點(diǎn) 是信噪比高，精度高，構(gòu)造簡單，成本低；工作原理磁塊隨著待測的運(yùn)動物體一起運(yùn)動，在 TMR雙軸磁場芯片處產(chǎn)生一個交變的磁場，TMR芯片通過感知正交的X、Y方向磁場變化并輸 出兩路電壓信號，再通過兩個運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，之后輸入到DSP芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù) 字濾波和計(jì)算處理得到磁場強(qiáng)度和角度的變化，最后通過顯示模塊進(jìn)行顯示。由于已進(jìn)行 了模數(shù)轉(zhuǎn)換，因而輸出的是數(shù)字量的角度值和磁場強(qiáng)度，即實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動磁塊的角度的編 碼。所述的磁性編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，如圖1所示。磁塊11的磁化方向如12 所示。磁塊繞其軸14轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向如13，可以是順時針轉(zhuǎn)動，也可以是逆時針轉(zhuǎn)動。在 磁塊下方端面上安置有一磁性敏感元件，TMR雙軸磁場傳感芯片15。另外包括兩個運(yùn)算放 大器17，DSP數(shù)字信號處理芯片18，顯示模塊19，其中兩個運(yùn)算放大器17，DSP數(shù)字信號處 理芯片18，顯示模塊19位于一個PCB電路板16上。TMR雙軸磁場芯片15的輸出經(jīng)導(dǎo)線20 與PCB電路板16上的運(yùn)算放大器17連接。當(dāng)磁塊11轉(zhuǎn)動時，其在TMR雙軸磁場芯片15上產(chǎn)生交變的磁場，其在兩個正交方 向的分量也交變變化。其中X、Y方向的磁場變化引起的輸出電壓經(jīng)導(dǎo)線20輸入到兩個運(yùn) 算放大器17進(jìn)行放大后，得到與DSP數(shù)字信號處理芯片18的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC輸入相匹配的 電壓信號。該電壓經(jīng)DSP數(shù)字信號處理芯片18進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，數(shù)字濾波，以及運(yùn)算處 理后，實(shí)時的輸出TMR雙軸磁場芯片15處的交替變化的磁場幅值和角度，再由顯示模塊19 顯示出來。TMR雙軸磁場傳感芯片15的構(gòu)成，如圖2所示。采用兩個相互垂直的TMR全橋21、 22正交垂直放置，構(gòu)成一個TMR雙軸磁場傳感芯片15。其中TMR全橋21、22分別測量正交 的Y方向磁場Hy 23和X方向的磁場Hx 24，并分別轉(zhuǎn)化為輸出電壓。TMR全橋21、22的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。TMR全橋21由四個TMR元件組成，分別是左 上元件211，右上元件212，左下元件213，右下元件214。其中左上元件211與右下元件214 的磁性被釘扎層的磁矩方向221、224相同，并與右上元件212，左下元件213的磁性被釘扎 層的磁矩方向222、223方向反平行。TMR左上元件211，右上元件212，左下元件213，右下 元件214的磁性自由層的磁矩方向231、232、233、234相互平行。電極215、216是TMR全橋 的電壓輸入端Vi+，Vi-；電極217，218是TMR全橋的電壓輸出端Vo+，Vo- TMR全橋的全橋輸出特性，如圖4所示。TMR全橋的輸出電壓V = Vo+-Vo_。隨著外磁場7的方向和大小的改變而發(fā)生變化。當(dāng)外加磁場7的方向?yàn)樨?fù)㈠且 磁場強(qiáng)度大于反向飽和場Hl時，TMR全橋的輸出電壓最低且飽和。當(dāng)外加磁場7的方向?yàn)?正⑴且磁場強(qiáng)度大于正向飽和場H2時，TMR全橋的輸出電壓最高并達(dá)到飽和。-Hl與H2 之間的磁場范圍就是TMR全橋的測量范圍，在-Hl與H2之間，輸出電壓隨外加磁場7線性 變化。
5阻效應(yīng)磁性編碼器(也稱為磁柵編碼器)，包括一個磁鼓51，磁鼓 邊緣上有磁柵52，一個磁性敏感元件，以及一個信號放大整形模塊54、一個計(jì)數(shù)模塊55、一 個計(jì)算處理模塊56、一個顯示模塊57，磁性敏感元件采用TMR半橋芯片53，TMR半橋芯片53 位于磁鼓51的邊緣，并與磁柵52之間間隔l_5mm的距離；信號放大整形模塊54、計(jì)數(shù)模塊 55、計(jì)算處理模塊56位于一個PCB電路板58上，PCB電路板58位于磁鼓51和TMR半橋芯 片53的外部。所述TMR半橋芯片53中的兩個TMR元件614、615的磁性釘扎層磁矩方向相互反 平行，且兩個TMR元件的磁性自由層的磁矩方向相互平行，TMR半橋芯片工作在開關(guān)狀態(tài)。在實(shí)際工作時，磁鼓51隨著待測物體一起運(yùn)動，其上的磁柵52在TMR半橋芯片53 上產(chǎn)生交變的磁場，TMR半橋芯片53工作在開關(guān)狀態(tài)下。采用工作在開關(guān)狀態(tài)下的TMR半橋磁場芯片的磁柵編碼器，主要用于角度、角速 度、轉(zhuǎn)速等的測量，其突出特點(diǎn)是工作穩(wěn)定，抗惡劣工作環(huán)境能力好，抗干擾能力強(qiáng)。工作原 理刻有磁柵的磁鼓隨著待測編碼物體一起運(yùn)動，磁鼓上的磁柵運(yùn)動產(chǎn)生變化的磁場，TMR 半橋芯片感知磁柵產(chǎn)生的磁場，并輸出電壓信號。采用信號放大整形模塊對電壓信號進(jìn)行 放大整形，得到脈沖信號，通過計(jì)數(shù)模塊對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過計(jì)算處理模塊進(jìn)行處 理得到運(yùn)動物體的編碼值，編碼值可以是角度、角速度、速度，最后通過顯示模塊進(jìn)行顯示。第二種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，如圖5所示。在工作時，磁鼓51，通過安裝桿安裝在運(yùn)動物體上，與運(yùn)動物體一起運(yùn)動。運(yùn)動時， 磁鼓51上的磁柵52在磁性敏感元件，即TMR半橋53上產(chǎn)生生交變的磁場，并輸出交變的 電壓信號。通過導(dǎo)線59將電壓信號輸入到信號放大整形模塊(54)進(jìn)行放大整形有，得到 脈沖信號，再經(jīng)計(jì)數(shù)模塊55進(jìn)行計(jì)數(shù)。之后將計(jì)數(shù)值輸入到計(jì)算處理模塊56進(jìn)行計(jì)算處 理后，由顯示模塊57顯示或是直接輸出到其它控制模塊以供用來對運(yùn)動物體的運(yùn)動進(jìn)行 控制。TMR半橋芯片53，如圖6所示。由兩個TMR元件組成，分別為左邊元件614，右邊元 件615。其中左邊元件614、右邊元件615的磁性被釘扎層的磁矩方向616、617相互反平行。 左邊元件614，右邊元件615的磁性自由層的方向618，619相互平行。電極611，612是TMR 半橋的電壓輸入端Vin+、Vin-，電極613是TMR半橋的電壓輸出端，同時電壓輸入端612也 是TMR半橋電壓輸出的參考端，其輸出電壓為Vout。TMR半橋的輸出特性示意圖，如圖7所示。TMR半橋的輸出電壓Vout隨著外磁場 7的方向和大小的改變而發(fā)生變化。當(dāng)外加磁場7的方向?yàn)樨?fù)(-)且磁場強(qiáng)度大于反向飽 和場Hl時，TMR半橋輸出低電平321。當(dāng)外加磁場7的方向?yàn)檎?+)且磁場強(qiáng)度大于正向 飽和場H2時，TMR半橋輸出高電平320，即TMR半橋工作在開關(guān)狀態(tài)。-Hl與H2之間的磁 場范圍就是TMR半橋的測量范圍。
權(quán)利要求一種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，包括一個磁塊(11)，一個磁性敏感元件，兩個運(yùn)算放大器(17)，一個數(shù)字信號處理芯片(18)，以及輸出顯示模塊(19)，其特征在于所述磁性敏感元件采用TMR雙軸磁場芯片(15)，TMR雙軸磁場芯片(15)位于磁塊(11)的下方；兩個運(yùn)算放大器(17)、數(shù)字信號處理芯片(18)、輸出顯示模塊(19)位于一個PCB電路板(16)上，PCB電路板(16)位于磁塊(11)和TMR雙軸磁場芯片(15)的外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，其特征在于所述TMR雙軸磁 場芯片(15)由兩個TMR全橋(21、22)構(gòu)成，兩個TMR全橋(21、22)相互正交放置。
3.權(quán)利要求2所述的隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，其特征在于所述TMR全橋(21、22) 中相對的兩個TMR元件的磁性釘扎層磁矩方向相同，并與另外兩個相對的TMR元件的釘扎 層的方向反平行，四個TMR元件的磁性自由層磁矩方向平行。
4.一種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，包括一個磁鼓(51)，磁鼓邊緣上有磁柵(52)，一 個磁性敏感元件，以及一個信號放大整形模塊(54)、一個計(jì)數(shù)模塊(55)、一個計(jì)算處理模 塊(56)、一個顯示模塊(57)，其特征在于所述磁性敏感元件采用TMR半橋芯片(53)，TMR 半橋芯片(53)位于磁鼓(51)的邊緣，并與磁柵(52)之間間隔l_5mm的距離；信號放大整 形模塊(54)、計(jì)數(shù)模塊(55)、計(jì)算處理模塊(56)位于一個PCB電路板(58)上，PCB電路板 (58)位于磁鼓(51)和TMR半橋芯片(53)的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，其特征在于所述TMR半橋芯 片(53)中的兩個TMR元件(614、615)的磁性釘扎層磁矩方向相互反平行，且兩個TMR元件 的磁性自由層的磁矩方向相互平行，TMR半橋芯片(53)工作在開關(guān)狀態(tài)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了兩種隧道磁電阻效應(yīng)磁性編碼器，一種包括一個磁塊，一個磁性敏感元件，兩個運(yùn)算放大器，一個數(shù)字信號處理芯片，以及輸出顯示模塊，磁性敏感元件采用TMR雙軸磁場芯片，TMR雙軸磁場芯片位于磁塊的下方；兩個運(yùn)算放大器、數(shù)字信號處理芯片、輸出顯示模塊位于一個PCB電路板上，PCB電路板位于磁塊和TMR雙軸磁場芯片的外部。另一種包括一個磁鼓，磁鼓邊緣上有磁柵，一個磁性敏感元件，以及一個信號放大整形模塊、一個計(jì)數(shù)模塊、一個計(jì)算處理模塊、一個顯示模塊，磁性敏感元件采用TMR半橋芯片，TMR半橋芯片位于磁鼓的邊緣，并與磁柵之間間隔1-5mm的距離；信號放大整形模塊、計(jì)數(shù)模塊、計(jì)算處理模塊位于一個PCB電路板上，PCB電路板位于磁鼓和TMR半橋芯片的外部。由于采用TMR材料制作的TMR芯片作為磁性敏感元件，其靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，信噪比高，抗噪聲性能好。
文檔編號G01D5/243GK201748928SQ20102051872
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者王建國, 薛松生 申請人:王建國;薛松生