[發明專利]具有幾個傳感元件的磁阻角傳感器

無效

• 申請號: 01802722.9
• 申請日: 2001-05-31
• 公開（公告）號: CN1388901A
• 公開（公告）日: 2003-01-01
• 發明（設計）人: D·J·阿德萊爾霍夫
• 申請（專利權）人: 皇家菲利浦電子有限公司
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 王岳,陳霽

本發明涉及一種磁阻角傳感器，其包括一個具有主參考磁化軸的主傳感元件，其用于確定所述主參考磁化軸與磁場方向之間的角。

本發明進一步涉及一種制造包括主傳感元件的磁阻傳感器的方法，所述主傳感元件包括一個主參考磁化軸，該磁阻傳感器用于確定所述主參考磁化軸與磁場方向之間的角。

從Eurosensors?XIII(歐洲傳感器XIII)論文，The13^th?EuropeanConference?on?Solid?State?Transducers，September?12-15，1999，The?Hague，The?Netherlands，pages?589-596；“Robust?giantmagnetoresistance?sensors”，K.-M.H.Lenssen?et?al.(于1999年9月12至15日在荷蘭海牙召開的第十三次歐洲固態變送器大會的第589-596頁K.-M.H.Lenssen等人著的文章“堅固的巨磁阻傳感器”)中可以了解這樣的一種磁阻傳感器及其一種制造方法。

磁阻是當磁場被放置在某些材料上時這些材料的電阻由此變化的現象。鐵磁性的磁阻角傳感器被廣泛地應用在處于如汽車或工業等惡劣環境的非接觸角位置傳感器中。通常這些傳感器對磨損和污染并不敏感。當使用在一個足夠強的飽和磁場時，相對于雜散場如地球的磁場或其它磁場，它們對場強度變化的敏感性很低。這使得這種類型的角傳感器極能容忍磁阻傳感器本身與產生磁場的偏置磁體之間距離的變化。

不同類型的鐵磁性磁阻傳感器是公知的：各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁阻(GMR)傳感器及隧道效應磁阻(TMR)傳感器。

AMR出現在鐵類材料中。當不平行于一鐵類材料薄條中電流的磁場被施加時，電阻將發生變化。當所施加的磁場垂直于電流時此電阻具有最大值。

AMR傳感器典型地由單層Ni-Fe薄膜組成并被構造成蛇曲形狀。根據R(θ)＝R(0°)+ΔR(1-cos2θ)/2，這些傳感器的電阻取決于通過蛇曲條的電流與Ni-Fe的磁化方向之間的角θ。

GMR和TMR傳感器均是具有至少兩層的多層配置，在旋轉閥(spinvalve)GMR和TMR角傳感器中，兩層中的一層或者是通過交換偏置(exchange?biasing)被釘扎到例如Ir-Mn、Fe-Mn或NiO的抗鐵磁體(AF)層，或者由人造抗鐵磁體(AAF)組成，所述人造抗鐵磁體通過例如由一個AF層所交換偏置的CoFe/Ru/CoFe構成。所述磁層的磁化方向限定了主參考磁化軸。另一層(自由層)被制作得盡可能地軟以便于順從一個外部磁場方向。

在GMR和TMR傳感器中，根據R(θ)＝R(0°)+ΔR(1-cosθ)/2電阻取決于所釘扎磁層的磁化方向和軟磁層的磁化方向之間的角θ，其中所釘扎磁層的方向限定主參考磁化軸。

從上述論文中所知的磁阻傳感器因其固有的角相關性，所以非常適合于模似量角感測。

公知的磁阻傳感器的一個缺點是：在相對弱的磁場下，輸出信號偏離理想的正弦輸出信號。在正弦輸出信號中的失真出現在AMR傳感器和GMR傳感器兩者中并且在很大程度上是由于軟磁材料例如Ni-Fe的各向異性所導致，這將在此后加以解釋。

在AMR傳感器中，磁化方向由條形Ni-Fe材料的單軸各向異性與外部磁場之間的平衡而確定。在淀積過程中所導致的單軸各向異性通常是在淀積過程中所導致的晶體各向異性與形狀各向異性的組合。在沒有施加外部磁場時，磁化方向是沿著由各向異性所設置的易磁化軸的兩個方向中的任何之一方向。在一個強且飽和的磁場中，磁化方向接近所施加的磁場方向。在旋轉磁場中獲得正弦的電阻變化。在相對弱的場中，磁化方向顯著地偏離所施加場的方向，其導致基于AMR的角度傳感器的周期性輸出信號的失真。然而，弱工作場令人感興趣，因為可以用廉價的鐵鋇氧化物偏置磁體來產生這些場。AMR傳感器僅在約為100kA/m或更高的強場中才提供高的角精確度，這只能夠由昂貴的SmCo或NdFeB磁體產生。

在旋轉閥GMR和TMR角度傳感器中，軟磁層通常具有有限的各向異性并且通過橘皮(orange-peel)耦合和靜磁耦合將其耦合到被釘扎的層。需要一個最小磁場強度以克服耦合和各向異性，以便于將外部場方向強加到自由層的磁化方向。但是，強磁場也影響被釘扎層或AAF的磁化方向，該磁化方向作為GMR或TMR元件的參考方向。實際上，若不在所有的場方向上影響所釘扎層或AAF的磁化方向，則無法使自由層完全飽和。這限制了在GMR基角位置傳感器中可以獲得的精度。