专利名称：隧道磁电阻效应磁性编码器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及磁性编码器领域。
背景技术：
隧道磁电阻效应(TMR，Tunnel Magnetoresistance)是一种新近发现并开始工业 应用的新型磁电阻效应，它主要表现在磁性多层膜中随着外磁场大小和方向的变化，磁性 多层膜的电阻发生明显变化，它比之前所发现并实际应用的AMR(各向异性磁电阻效应)、 GMR(巨磁电阻效应)具有更大的电阻变化率。TMR材料具有电阻变化率大，输出信号幅值 大，电阻率高，功耗小，温度稳定性高的优点。正是由于这些优点，TMR已经替代GMR应用于 硬盘记录数据的读取磁头当中。用TMR制成的磁场测量器件，比AMR、GMR、霍尔器件具有灵 敏度更高、功耗更低、线性更好、动态范围更宽、温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此 外TMR还能集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。在磁性编码器中，通过磁性敏感元件感知变化的磁场并输出电压信号，再采用放 大整形电路对电压信号进行放大整形后输出脉冲信号，最后通过间门信号(标准时钟)对 脉冲信号进行计数，进而根据不同的应用得到所要测量的角度、角速度、转速值等。通常现 有磁性编码器中磁性敏感元件大都采用霍尔器件，AMR，少量高端产品采用GMR。但是，霍尔 元件由于输出电压非常小(约几个mV)，因而需要后续电路对信号进行放大，并且通常具有 较大的零点偏置电压，灵敏度小，抗干扰能力差，并且对温度和应力非常敏感。AMR、GMR都 是属于磁电阻元件，但一般AMR的电阻变化率只能在5%以下，实际的工业应用一般只有 2% 3%，因而测量灵敏度小，输出信号幅值小，同样需要放大。而GMR元件的电阻变化率 较大，能达到20%左右，但GMR元件中由于强的交换藕合作用，其饱和场非常大，限制了其 灵敏度的提高。同时GMR元件的电阻变化率随磁场的变化特性非单调变化，存在偶对称，使 其开关性能较差。这些都使它们在磁编码器的应用中，输出信号的信噪比较低，并影响其工 作稳定性。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供能提高磁性编码器输出信 号的信噪比和工作稳定性的磁性编码器。本实用新型的技术方案是一种隧道磁电阻效应磁性编码器，包括一个磁块，一个磁性敏感元件，两个运算放 大器，一个数字信号处理芯片，以及输出显示模块，磁性敏感元件采用TMR双轴磁场芯片， TMR双轴磁场芯片位于磁块的下方；两个运算放大器、数字信号处理芯片、输出显示模块位 于一个PCB电路板上，PCB电路板位于磁块和TMR双轴磁场芯片的外部。TMR双轴磁场芯片由两个TMR全桥构成，两个TMR全桥相互正交放置。TMR全桥中相对的两个TMR元件的磁性钉扎层磁矩方向相同，并与另外两个相对 的TMR元件的钉扎层的方向反平行，四个TMR元件的磁性自由层磁矩方向平行。
3[0009]另一种隧道磁电阻效应磁性编码器，包括一个磁鼓，磁鼓边缘上有磁栅，一个磁性 敏感元件，以及一个信号放大整形模块、一个计数模块、一个计算处理模块、一个显示模块， 磁性敏感元件采用TMR半桥芯片，TMR半桥芯片位于磁鼓的边缘，并与磁栅之间间隔l-5mm 的距离；信号放大整形模块、计数模块、计算处理模块位于一个PCB电路板上，PCB电路板位 于磁鼓和TMR半桥芯片的外部。TMR半桥芯片中的两个TMR元件的磁性钉扎层磁矩方向相互反平行，且两个TMR元 件的磁性自由层的磁矩方向相互平行，TMR半桥芯片工作在开关状态。有益效果本实用新型所述的隧道磁电阻效应编码器由于采用TMR材料制作的 TMR芯片作为磁性敏感元件，其灵敏度高，温度稳定性好，信噪比高，抗噪声性能好。另外 TMR对磁场敏感，不同于光电传感器，其本身是非接触的，耐灰尘，油污等恶劣环境能力强。此外，第二种采用TMR半桥芯片作为磁性敏感元件的隧道磁电阻效应编码器，TMR 半桥芯片工作在开关状态，其本身具有很强的抗干扰能力，工作稳定性更高。从以上所述方 案，结合TMR材料具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，能耗小，温度稳定性高的 优点，TMR应用到现有的磁性编码器当中，作为磁性编码器的磁性敏感元件，能有效提高磁 性编码器的信噪比，工作稳定性，抗干扰能力和综合性能，相较传统的磁性编码器具有信噪 比更高，抗干扰能力更强，灵敏度更高，工作更稳定的优点。

图1是所述方案一磁性编码器结构和工作原理示意图；图2是采用两个TMR全桥构成的TMR双轴磁场芯片示意图；图3是TMR全桥结构示意图；图4是TMR全桥输出特性示意图；图5是所述方案二磁性编码器结构和工作原理示意图；图6是TMR半桥结构示意图；图7是TMR半桥输出特性示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述。本实用新型提供了两种采用TMR的磁性编码器方案。一种隧道磁电阻效应磁性编码器，包括一个磁块11，一个磁性敏感元件，两个运算 放大器17，一个数字信号处理芯片18，以及输出显示模块19，磁性敏感元件采用TMR双轴磁 场芯片15，TMR双轴磁场芯片15位于磁块11的下方；两个运算放大器17、数字信号处理芯 片18、输出显示模块19位于一个PCB电路板16上，PCB电路板16位于磁块11和TMR双轴 磁场芯片15的外部。所述TMR双轴磁场芯片15由两个TMR全桥21、22构成，两个TMR全桥21、22相互 正交放置。两个TMR全桥21、22同时感知运动磁块在正交的两个方向X、Y上产生的磁场分 量，并将其转化为两路电压输出信号。TMR全桥21、22中相对的两个TMR元件的磁性钉扎层磁矩方向相同，并与另外两个 相对的TMR元件的钉扎层的方向反平行，四个TMR元件的磁性自由层磁矩方向平行。[0025]PCB电路板16位于磁块11和TMR双轴磁场芯片15的外部；磁块11在运动时会 在TMR双轴磁场芯片15上产生交变的磁场。运算放大器17将电压输出信号放大到与DSP输入相匹配的水平，DSP芯片具有模 数转换功能，以及数字滤波，和计算处理功能。输出显示模块19能将输出的信息显示出来。采用单一 TMR双轴磁场芯片的磁性编码器，主要用于角度值的测量，其突出特点 是信噪比高，精度高，构造简单，成本低；工作原理磁块随着待测的运动物体一起运动，在 TMR双轴磁场芯片处产生一个交变的磁场，TMR芯片通过感知正交的X、Y方向磁场变化并输 出两路电压信号，再通过两个运算放大器进行放大，之后输入到DSP芯片进行模数转换、数 字滤波和计算处理得到磁场强度和角度的变化，最后通过显示模块进行显示。由于已进行 了模数转换，因而输出的是数字量的角度值和磁场强度，即实现了对运动磁块的角度的编 码。所述的磁性编码器结构和工作原理示意图，如图1所示。磁块11的磁化方向如12 所示。磁块绕其轴14转动，转动方向如13，可以是顺时针转动，也可以是逆时针转动。在 磁块下方端面上安置有一磁性敏感元件，TMR双轴磁场传感芯片15。另外包括两个运算放 大器17，DSP数字信号处理芯片18，显示模块19，其中两个运算放大器17，DSP数字信号处 理芯片18，显示模块19位于一个PCB电路板16上。TMR双轴磁场芯片15的输出经导线20 与PCB电路板16上的运算放大器17连接。当磁块11转动时，其在TMR双轴磁场芯片15上产生交变的磁场，其在两个正交方 向的分量也交变变化。其中X、Y方向的磁场变化引起的输出电压经导线20输入到两个运 算放大器17进行放大后，得到与DSP数字信号处理芯片18的模数转换ADC输入相匹配的 电压信号。该电压经DSP数字信号处理芯片18进行模数转换(ADC)，数字滤波，以及运算处 理后，实时的输出TMR双轴磁场芯片15处的交替变化的磁场幅值和角度，再由显示模块19 显示出来。TMR双轴磁场传感芯片15的构成，如图2所示。采用两个相互垂直的TMR全桥21、 22正交垂直放置，构成一个TMR双轴磁场传感芯片15。其中TMR全桥21、22分别测量正交 的Y方向磁场Hy 23和X方向的磁场Hx 24，并分别转化为输出电压。TMR全桥21、22的结构，如图3所示。TMR全桥21由四个TMR元件组成，分别是左 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与右下元件214 的磁性被钉扎层的磁矩方向221、224相同，并与右上元件212，左下元件213的磁性被钉扎 层的磁矩方向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的磁性自由层的磁矩方向231、232、233、234相互平行。电极215、216是TMR全桥 的电压输入端Vi+，Vi-；电极217，218是TMR全桥的电压输出端Vo+，Vo- TMR全桥的全桥输出特性，如图4所示。TMR全桥的输出电压V = Vo+-Vo_。随着外磁场7的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场7的方向为负㈠且 磁场强度大于反向饱和场Hl时，TMR全桥的输出电压最低且饱和。当外加磁场7的方向为 正⑴且磁场强度大于正向饱和场H2时，TMR全桥的输出电压最高并达到饱和。-Hl与H2 之间的磁场范围就是TMR全桥的测量范围，在-Hl与H2之间，输出电压随外加磁场7线性 变化。
5阻效应磁性编码器(也称为磁栅编码器)，包括一个磁鼓51，磁鼓 边缘上有磁栅52，一个磁性敏感元件，以及一个信号放大整形模块54、一个计数模块55、一 个计算处理模块56、一个显示模块57，磁性敏感元件采用TMR半桥芯片53，TMR半桥芯片53 位于磁鼓51的边缘，并与磁栅52之间间隔l_5mm的距离；信号放大整形模块54、计数模块 55、计算处理模块56位于一个PCB电路板58上，PCB电路板58位于磁鼓51和TMR半桥芯 片53的外部。所述TMR半桥芯片53中的两个TMR元件614、615的磁性钉扎层磁矩方向相互反 平行，且两个TMR元件的磁性自由层的磁矩方向相互平行，TMR半桥芯片工作在开关状态。在实际工作时，磁鼓51随着待测物体一起运动，其上的磁栅52在TMR半桥芯片53 上产生交变的磁场，TMR半桥芯片53工作在开关状态下。采用工作在开关状态下的TMR半桥磁场芯片的磁栅编码器，主要用于角度、角速 度、转速等的测量，其突出特点是工作稳定，抗恶劣工作环境能力好，抗干扰能力强。工作原 理刻有磁栅的磁鼓随着待测编码物体一起运动，磁鼓上的磁栅运动产生变化的磁场，TMR 半桥芯片感知磁栅产生的磁场，并输出电压信号。采用信号放大整形模块对电压信号进行 放大整形，得到脉冲信号，通过计数模块对脉冲信号进行计数，再通过计算处理模块进行处 理得到运动物体的编码值，编码值可以是角度、角速度、速度，最后通过显示模块进行显示。第二种隧道磁电阻效应磁性编码器的结构和工作原理示意图，如图5所示。在工作时，磁鼓51，通过安装杆安装在运动物体上，与运动物体一起运动。运动时， 磁鼓51上的磁栅52在磁性敏感元件，即TMR半桥53上产生生交变的磁场，并输出交变的 电压信号。通过导线59将电压信号输入到信号放大整形模块(54)进行放大整形有，得到 脉冲信号，再经计数模块55进行计数。之后将计数值输入到计算处理模块56进行计算处 理后，由显示模块57显示或是直接输出到其它控制模块以供用来对运动物体的运动进行 控制。TMR半桥芯片53，如图6所示。由两个TMR元件组成，分别为左边元件614，右边元 件615。其中左边元件614、右边元件615的磁性被钉扎层的磁矩方向616、617相互反平行。 左边元件614，右边元件615的磁性自由层的方向618，619相互平行。电极611，612是TMR 半桥的电压输入端Vin+、Vin-，电极613是TMR半桥的电压输出端，同时电压输入端612也 是TMR半桥电压输出的参考端，其输出电压为Vout。TMR半桥的输出特性示意图，如图7所示。TMR半桥的输出电压Vout随着外磁场 7的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场7的方向为负(-)且磁场强度大于反向饱 和场Hl时，TMR半桥输出低电平321。当外加磁场7的方向为正(+)且磁场强度大于正向 饱和场H2时，TMR半桥输出高电平320，即TMR半桥工作在开关状态。-Hl与H2之间的磁 场范围就是TMR半桥的测量范围。
权利要求一种隧道磁电阻效应磁性编码器，包括一个磁块(11)，一个磁性敏感元件，两个运算放大器(17)，一个数字信号处理芯片(18)，以及输出显示模块(19)，其特征在于所述磁性敏感元件采用TMR双轴磁场芯片(15)，TMR双轴磁场芯片(15)位于磁块(11)的下方；两个运算放大器(17)、数字信号处理芯片(18)、输出显示模块(19)位于一个PCB电路板(16)上，PCB电路板(16)位于磁块(11)和TMR双轴磁场芯片(15)的外部。
2.根据权利要求1所述的隧道磁电阻效应磁性编码器，其特征在于所述TMR双轴磁 场芯片(15)由两个TMR全桥(21、22)构成，两个TMR全桥(21、22)相互正交放置。
3.权利要求2所述的隧道磁电阻效应磁性编码器，其特征在于所述TMR全桥(21、22) 中相对的两个TMR元件的磁性钉扎层磁矩方向相同，并与另外两个相对的TMR元件的钉扎 层的方向反平行，四个TMR元件的磁性自由层磁矩方向平行。
4.一种隧道磁电阻效应磁性编码器，包括一个磁鼓(51)，磁鼓边缘上有磁栅(52)，一 个磁性敏感元件，以及一个信号放大整形模块(54)、一个计数模块(55)、一个计算处理模 块(56)、一个显示模块(57)，其特征在于所述磁性敏感元件采用TMR半桥芯片(53)，TMR 半桥芯片(53)位于磁鼓(51)的边缘，并与磁栅(52)之间间隔l_5mm的距离；信号放大整 形模块(54)、计数模块(55)、计算处理模块(56)位于一个PCB电路板(58)上，PCB电路板 (58)位于磁鼓(51)和TMR半桥芯片(53)的外部。
5.根据权利要求4所述的隧道磁电阻效应磁性编码器，其特征在于所述TMR半桥芯 片(53)中的两个TMR元件(614、615)的磁性钉扎层磁矩方向相互反平行，且两个TMR元件 的磁性自由层的磁矩方向相互平行，TMR半桥芯片(53)工作在开关状态。
专利摘要本实用新型公开了两种隧道磁电阻效应磁性编码器，一种包括一个磁块，一个磁性敏感元件，两个运算放大器，一个数字信号处理芯片，以及输出显示模块，磁性敏感元件采用TMR双轴磁场芯片，TMR双轴磁场芯片位于磁块的下方；两个运算放大器、数字信号处理芯片、输出显示模块位于一个PCB电路板上，PCB电路板位于磁块和TMR双轴磁场芯片的外部。另一种包括一个磁鼓，磁鼓边缘上有磁栅，一个磁性敏感元件，以及一个信号放大整形模块、一个计数模块、一个计算处理模块、一个显示模块，磁性敏感元件采用TMR半桥芯片，TMR半桥芯片位于磁鼓的边缘，并与磁栅之间间隔1-5mm的距离；信号放大整形模块、计数模块、计算处理模块位于一个PCB电路板上，PCB电路板位于磁鼓和TMR半桥芯片的外部。由于采用TMR材料制作的TMR芯片作为磁性敏感元件，其灵敏度高，温度稳定性好，信噪比高，抗噪声性能好。
文档编号G01D5/243GK201748928SQ20102051872
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者王建国, 薛松生 申请人:王建国;薛松生