一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于微齒距檢測(cè)的磁電阻齒輪傳感器芯片。該新型設(shè)計(jì)將響應(yīng)區(qū)域置于芯片一側(cè)邊沿部位，大大縮減齒輪至響應(yīng)區(qū)域之間的探測(cè)間距，從而提高輸出信號(hào)強(qiáng)度，有利于微齒距檢測(cè)；同時(shí)，該新型將多條響應(yīng)通道包含于單個(gè)響應(yīng)區(qū)域，利用單一設(shè)計(jì)圖樣可以生產(chǎn)適應(yīng)各種齒間距的齒輪傳感器芯片。此外，該傳感器芯片設(shè)計(jì)中心部位采用大響應(yīng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超高分辨率，特別有利于磁柵尺方面應(yīng)用。傳感器響應(yīng)方向同響應(yīng)通道排列方向一致，能夠有效避免強(qiáng)背磁場(chǎng)將傳感器芯片進(jìn)入飽和態(tài)。此外，該磁電阻齒輪傳感器還具有小尺寸，低功耗，大阻抗，高信噪比以及對(duì)空氣間隙的高適應(yīng)性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及磁電阻齒輪傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種用于微齒距檢測(cè)的可適應(yīng)多種齒間距的高靈敏度磁電阻齒輪傳感器芯片?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]由于在磁旋轉(zhuǎn)編碼器，磁柵尺讀取頭，汽車(chē)四輪驅(qū)動(dòng)，曲軸及ABS系統(tǒng)等多種工業(yè)領(lǐng)域的需求，高精度齒輪傳感器的開(kāi)發(fā)受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的霍爾及磁各向異性齒輪傳感器，由于其固有的尺寸較大，分辨率、靈敏度偏低的局限，難以滿(mǎn)足市場(chǎng)在齒輪速度、方向、齒位確定等方面對(duì)于集成化，高性能傳感器的需求。同時(shí)，傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中，響應(yīng)區(qū)域位于芯片中央部位，由于封裝外殼的尺寸限制，難以縮短響應(yīng)區(qū)域同所測(cè)齒輪表面間的探測(cè)間距，從而在實(shí)際應(yīng)用中大大降低芯片輸出信號(hào)，難以檢測(cè)微米級(jí)齒間距。此外由于目前的齒輪傳感器芯片的響應(yīng)區(qū)域同齒間距存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，以致對(duì)不同尺寸齒輪及齒間距，都需要重新設(shè)計(jì)制造傳感器，造成設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本抬高?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0003]針對(duì)目前齒輪傳感器行業(yè)存在的芯片探測(cè)間距大，輸出信號(hào)弱，難以檢測(cè)微小齒間距，且一個(gè)傳感器設(shè)計(jì)版本僅能適用于單一齒間距環(huán)境的問(wèn)題，本實(shí)用新型采用一種能夠提高輸出信號(hào)，且適應(yīng)不同齒間距的以隧道結(jié)磁阻(TMR)為敏感材料的齒輪傳感器芯片， 利用TMR為敏感材料以解決傳統(tǒng)磁電阻傳感器芯片設(shè)計(jì)帶來(lái)的尺寸較大，輸出信號(hào)弱，靈敏度偏低等問(wèn)題。同時(shí)利用特有的近邊沿-多響應(yīng)通道芯片設(shè)計(jì)，使得芯片能夠測(cè)量低至50mi 超小齒間距，并實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片適應(yīng)并檢測(cè)不同齒間距情況。
[0004]本新型提供了一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，包括:硅基板，位于硅基板上的一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)區(qū)域，芯片的響應(yīng)區(qū)域置于芯片同側(cè)邊沿位置，每個(gè)響應(yīng)區(qū)域包含至少兩個(gè)矩形狀且沿矩形長(zhǎng)邊平行排列的響應(yīng)通道，每個(gè)響應(yīng)通道由至少兩條探測(cè)臂拼合形成，每條探測(cè)臂由至少兩條梳齒結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成，每條梳齒結(jié)構(gòu)由至少兩個(gè)磁電阻及覆蓋于所述磁電阻兩端的上電極、下電極串連而成，單個(gè)所述磁電阻為橢圓柱狀結(jié)構(gòu)，所述磁電阻長(zhǎng)軸與所述響應(yīng)通道的長(zhǎng)邊平行。
[0005]優(yōu)選的，每條所述探測(cè)臂還包括位于兩端的接觸電極，所述接觸電極之間為串聯(lián)連接的多條梳齒結(jié)構(gòu)，所述響應(yīng)區(qū)域表面在接觸電極位置以外覆蓋絕緣鈍化層。
[0006]優(yōu)選的，所述上電極的材料為金，所述下電極為鉭與釕交替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。
[0007]優(yōu)選的，所述傳感器芯片的敏感方向垂直于所述響應(yīng)通道的長(zhǎng)邊，所述傳感器芯片的雙交換偏置方向垂直于所述傳感器芯片的敏感方向，所述傳感器芯片的釘扎方向平行于所述傳感器芯片的敏感方向。
[0008]優(yōu)選的，所述傳感器芯片的多個(gè)響應(yīng)區(qū)域沿敏感方向連接。
[0009]優(yōu)選的，所述傳感器芯片為由多條響應(yīng)通道組成的全橋結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選的，所述傳感器芯片為由多條響應(yīng)通道組成的雙全橋結(jié)構(gòu)，雙全橋結(jié)構(gòu)中兩全橋間距為半齒距。
[0011]本新型還提供了一種磁電阻齒輪傳感器，所述磁電阻齒輪傳感器包括上述的磁電阻齒輪傳感器芯片。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果:本實(shí)用新型的TMR齒輪傳感器芯片具有高靈敏度，適應(yīng)性強(qiáng)，性能優(yōu)秀，成本低的優(yōu)點(diǎn)。和現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品相比，分辨率高，功耗低，能夠適配不同齒間距齒輪系統(tǒng)并可測(cè)量低至50mi齒間距的檢測(cè)環(huán)境?！靖綀D說(shuō)明】
[0013]作為說(shuō)明書(shū)的一部分，下列說(shuō)明書(shū)附圖用于解釋本實(shí)用新型的技術(shù)方案，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，能夠通過(guò)以下附圖，獲得其他附圖。
[0014]圖1為現(xiàn)有齒輪傳感器芯片封裝及背磁鐵位置正視示意圖；
[0015]圖2為現(xiàn)有齒輪傳感器芯片封裝及背磁鐵位置頂視示意圖；
[0016]圖3為本實(shí)用新型齒輪傳感器芯片封裝及背磁鐵位置正視示意圖；[〇〇17]圖4為現(xiàn)有齒輪傳感器檢測(cè)小齒距齒輪示意圖；[〇〇18]圖5為現(xiàn)有齒輪傳感器檢測(cè)大齒距齒輪示意圖；[〇〇19]圖6為本實(shí)用新型齒輪傳感器檢測(cè)小齒距齒輪示意圖；[〇〇2〇]圖7為本實(shí)用新型齒輪傳感器檢測(cè)大齒距齒輪示意圖；[0021 ]圖8為包含多個(gè)響應(yīng)通道的芯片探測(cè)區(qū)域示意圖；
[0022]圖9為包含5個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)的單個(gè)探測(cè)臂示意圖
[0023]圖10為梳齒結(jié)構(gòu)中TMR分布及串聯(lián)側(cè)視示意圖；[〇〇24]圖11為梳齒結(jié)構(gòu)中TMR分布及串聯(lián)正視示意圖；
[0025]圖12為單個(gè)響應(yīng)區(qū)域測(cè)試窄齒間距，探測(cè)通道聯(lián)結(jié)示意圖；[〇〇26]圖13為多個(gè)響應(yīng)區(qū)域測(cè)試寬齒間距，探測(cè)通道聯(lián)結(jié)示意圖；[〇〇27]圖14為雙全橋90度相位差聯(lián)結(jié)電路；[〇〇28]圖15為雙全橋90度相位差芯片聯(lián)結(jié)示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
[0030]圖1，圖2為傳統(tǒng)磁電阻齒輪傳感器芯片設(shè)計(jì)方案的正視、頂視示意圖。從圖中可以看出由于響應(yīng)區(qū)域置于芯片中央部位，結(jié)合封裝所需固有空間，導(dǎo)致齒輪頂端邊緣到芯片響應(yīng)區(qū)域這一探測(cè)間距大，芯片信號(hào)輸出弱，靈敏度低。圖3為本實(shí)用新型TMR齒輪傳感器芯片設(shè)計(jì)方案的正視示意圖，由于響應(yīng)區(qū)域置于芯片一側(cè)邊沿部位，貼近封裝外殼，大大縮減了探測(cè)間距。
[0031]本新型利用微電子光刻技術(shù)在硅晶圓上制作了梳齒形探測(cè)臂，將兩探測(cè)臂的梳齒嵌合為一個(gè)矩形響應(yīng)通道，并將多個(gè)此種方法形成的響應(yīng)通道沿矩形長(zhǎng)邊平行排列，作為芯片的響應(yīng)區(qū)域。芯片探測(cè)敏感方向?yàn)轫憫?yīng)通道排列方向，芯片的雙交換偏置方向垂直于敏感方向，芯片的釘扎方向平行于敏感方向。
[0032]圖4,圖5為傳統(tǒng)磁電阻齒輪傳感器測(cè)量大、小不同齒距齒輪時(shí)，磁電阻齒輪傳感器排布變化的基本方式。從圖中可以看出，為應(yīng)對(duì)不同齒間距，芯片中兩個(gè)響應(yīng)區(qū)域距離需調(diào)整接近齒間距一半，以獲得最大信號(hào)輸出，齒距如果變化，則響應(yīng)區(qū)域距離需重新設(shè)計(jì)。圖 6,圖7為本實(shí)用新型TMR齒輪傳感器測(cè)量大、小不同齒間距齒輪示意圖。從圖中可以看出，響應(yīng)區(qū)域位置固定，通過(guò)激活間隔為齒間距一半位置的響應(yīng)通道，本設(shè)計(jì)利用單一設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足各種齒間距的檢測(cè)需要，而無(wú)需變更模板重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)。同時(shí)由于響應(yīng)區(qū)域貼近封裝外殼，在檢測(cè)時(shí)可將傳感器水平放置于齒輪所在平面，使傳感器一個(gè)側(cè)邊貼近齒輪頂端，減小了探測(cè)間距，增強(qiáng)輸出信號(hào)。
[0033]圖8為本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)傳感器中多個(gè)響應(yīng)通道的排布方式，每個(gè)傳感器芯片由一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)區(qū)域組成，每個(gè)響應(yīng)區(qū)域包含多條響應(yīng)通道，單個(gè)探測(cè)區(qū)域的典型尺寸為 1000wii*450mi。傳感器的敏感方向垂直于響應(yīng)通道長(zhǎng)邊，多個(gè)響應(yīng)區(qū)域可沿敏感方向拼接。 由9中單個(gè)探測(cè)臂示意圖所示，每條探測(cè)臂兩端為接觸電極，中段由多條梳齒結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成，圖中包含5個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)。由圖10，圖11梳齒結(jié)構(gòu)側(cè)視圖、頂視圖所示，梳齒結(jié)構(gòu)由覆蓋于 TMR的上電極、下電極交錯(cuò)串連而成，下電極直接與硅基板接觸，上電極典型材料為金，下電極為鉭和釕交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，響應(yīng)區(qū)域表面在接觸電極位置以外覆蓋絕緣鈍化層，單條TMR為橢圓柱狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)TMR分別由上，下各一個(gè)電極覆蓋，磁電阻間通過(guò)上下電極串聯(lián)，TMR長(zhǎng)軸與響應(yīng)通道矩形長(zhǎng)邊平行。通常探測(cè)臂包含5個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)，每個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)包含18 個(gè)隧道結(jié)磁阻，即每個(gè)探測(cè)臂包含90個(gè)隧道結(jié)磁阻。[〇〇34]圖12,圖13是適應(yīng)不同齒間距的響應(yīng)通道聯(lián)結(jié)方案，響應(yīng)區(qū)域通常包含4個(gè)平行排列的響應(yīng)通道，相鄰響應(yīng)通道典型間距為250wii。當(dāng)響應(yīng)通道相距250wii時(shí)，如圖12激活4個(gè)連續(xù)響應(yīng)通道，可測(cè)最優(yōu)齒間距為最近激活響應(yīng)通道距離的兩倍，S卩0.5mm;如需測(cè)量齒間距較大，則由圖13方案將兩個(gè)響應(yīng)區(qū)域沿敏感方向拼合，激活間距為2個(gè)通道寬度的響應(yīng)通道則可測(cè)最優(yōu)齒間距為為1mm的齒輪，多個(gè)響應(yīng)區(qū)域可進(jìn)一步依上述方法拼接，適應(yīng)更寬齒間距齒輪的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向及缺齒檢測(cè)。[〇〇35]雙全橋結(jié)構(gòu)中，將兩電橋間距設(shè)置為齒間距一半，可使得兩電橋輸出信號(hào)相位相差90度。圖14,圖15分別為雙全橋90度相位差聯(lián)結(jié)電路及芯片聯(lián)結(jié)方式，利用相位差可以測(cè)量齒輪正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。其中探測(cè)臂R1-R4和R3-R2組成電橋1，探測(cè)臂R5-R8和R7-R6組成電橋2,通過(guò)直接比較電橋1和2信號(hào)輸出先后可以確定齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。利用電橋1或2的輸出信號(hào)頻率可確定齒輪轉(zhuǎn)速，信號(hào)強(qiáng)度可以確定齒輪位置及缺齒檢測(cè)。
[0036]基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。盡管本實(shí)用新型就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本實(shí)用新型的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種變化和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其特征在于，所述傳感器芯 片包括:硅基板，位于硅基板上的一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)區(qū)域，響應(yīng)區(qū)域位于芯片同一側(cè)邊沿部 位，每個(gè)響應(yīng)區(qū)域包含至少兩個(gè)矩形且沿矩形長(zhǎng)邊平行排列的響應(yīng)通道，每個(gè)響應(yīng)通道由 至少兩條探測(cè)臂拼合形成，每條探測(cè)臂由至少兩條梳齒結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成，每條梳齒結(jié)構(gòu)為至 少兩個(gè)磁電阻及覆蓋于所述磁電阻兩端的上電極、下電極串連而成，單個(gè)所述磁電阻為橢 圓柱狀結(jié)構(gòu)，所述磁電阻長(zhǎng)軸與所述響應(yīng)通道的長(zhǎng)邊平行。2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其 特征在于，所述上電極的材料為金，所述下電極為鉭與釕交替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其 特征在于，每條所述探測(cè)臂還包括位于兩端的接觸電極，所述接觸電極之間為串聯(lián)連接的 多條梳齒結(jié)構(gòu)，所述響應(yīng)區(qū)域表面在接觸電極位置以外覆蓋絕緣鈍化層。4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其 特征在于，所述傳感器芯片的敏感方向垂直于所述響應(yīng)通道的長(zhǎng)邊，所述傳感器芯片的雙 交換偏置方向垂直于所述傳感器芯片的敏感方向，所述傳感器芯片的釘扎方向平行于所述 敏感方向。5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其 特征在于，多個(gè)響應(yīng)區(qū)域沿所述傳感器芯片的敏感方向連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其 特征在于，所述的傳感器芯片為由多條響應(yīng)通道組成的全橋結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種用于微齒距檢測(cè)的隧道結(jié)磁電阻齒輪傳感器芯片，其 特征在于，所述的傳感器芯片為由多條響應(yīng)通道組成的雙全橋結(jié)構(gòu)，其中兩全橋間距為半 齒距。
【文檔編號(hào)】G01B7/14GK205580375SQ201620295236
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】沈衛(wèi)鋒, 祁彬, 薛松生
【申請(qǐng)人】江蘇多維科技有限公司