专利名称：一种磁电阻齿轮传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及齿轮传感器技术领域，特别涉及一种以MTJ元件为敏感元件的磁电阻齿轮传感器。
背景技术：
齿轮传感器主要应用于自动化控制系统中，以测量齿轮的转速和转动方向。目前，常用的齿轮传感器为光敏传感器和磁传感器。在机械转动系统中，面对震动、冲击、油污等恶劣环境，磁传感器比光敏传感器具有更大的优势。现有技术中有许多不同类型的磁传感器，例如以霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻(AMR)元件或巨磁电阻(GMR)元件为敏感元件的磁传感器。 以霍尔元件为敏感元件的磁传感器灵敏度非常低，通常需要使用聚磁环结构来放大磁场，以提高霍尔元件的灵敏度，这增加了以霍尔元件为敏感元件的传感器的体积和重量。此外，以霍尔元件为敏感元件的传感器具有功耗大、线性度差的缺陷。AMR元件的灵敏度比霍尔元件高很多，但是AMR元件的线性工作区窄。以AMR元件为敏感元件的磁传感器需要设置“set/reset”线圈对其进行预设-复位操作，这不仅导致以AMR元件为敏感元件的磁传感器的制造工艺复杂，而且使以AMR元件为敏感元件的磁传感器的尺寸和功耗均增大。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较以霍尔元件为敏感元件的传感器具有更高的灵敏度，但是以GMR元件为敏感元件的磁传感器的线性工作区偏窄。此外，GMR元件的响应曲线呈偶对称，因此以GMR元件为敏感元件的磁传感器只能测量单极性的梯度磁场，不能测量双极性的梯度磁场。近年来，一种新型磁电阻效应传感器，即以磁隧道结(MTJ, Magnetic TunnelJunction)元件为敏感元件的磁传感器开始在工业中应用。以MTJ元件为敏感元件的磁传感器的工作原理是利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻(TMR, Tunnel Magnetoresistance)效应对磁场进行感应。MTJ元件较之前应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。与霍尔元件相比，MTJ元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗和更好的线性度，并且不需要额外的聚磁环结构。与AMR元件相比，MTJ元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度和更宽的线性工作区，并且不需要额外的“set/reset”线圈结构。与GMR元件相比，MTJ元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗和更宽的线性工作区。通常用作齿轮传感的磁传感器采用的是印刷电路板(PCB)式结构。PCB式齿轮传感器通常由磁传感芯片、外围电路和永磁体构成。磁传感芯片感应其所在物理位置处的由永磁体产生的外磁场Happly的变化并输出感应信号，外围电路对磁传感芯片输出的感应信号进行处理和转换。磁传感芯片所在物理位置处的由永磁体产生的外磁场Happly的变化非常弱。因此，在PCB式齿轮传感器的应用中，能否防止除永磁体产生的外磁场Happly之外的干扰磁场的干扰成为亟待解决的技术问题。虽然MTJ元件具有极高的灵敏度，但是以MTJ元件为敏感元件的磁传感器仍然存在以下不足
(I)永磁体产生的外磁场Happly沿MTJ元件敏感方向的分量很大，导致MTJ元件因偏离其线性工作区而性能下降，甚至导致MTJ元件因达到饱和而无法工作；(2)磁传感芯片感应其所在物理位置处的由永磁体产生的外磁场Happly的变化时，容易受到除永磁体产生的外磁场Happly之外的干扰磁场的干扰；(3)不能确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，也不能确定缺齿的具体位置；(4)无法确定齿轮的运动方向；(5)难于实现低成本的大规模生产。因此，需要一种能够精确感测齿轮运动状态的齿轮传感器。

发明内容
本发明的目的是提供一种磁电阻齿轮传感器。根据本发明的磁电阻齿轮传感器包括磁传感芯片和第一永磁体，所述磁传感芯片包括至少一个电桥，该电桥的每一个桥臂包括至少一个MTJ元件组。优选地，所述传感器进一步包括设置于所述磁传感芯片与所述第一永磁体之间的凹形的软磁体，且所述软磁体的开口朝向所述磁传感芯片。优选地，所述至少一个MTJ元件组是多个MTJ元件组，该多个MTJ元件组串联和/或并联连接。优选地，该多个MTJ元件组以相同敏感方向串联和/或并联连接。优选地,每一包括MTJ元件组的桥臂具有相同的敏感方向。优选地，所述电桥为半桥、全桥或双全桥。优选地，每一 MTJ元件组包括串联和/或并联连接的多个MTJ元件。优选地，每一 MTJ元件组包括以相同敏感方向串联和/或并联连接的多个MTJ元件。优选地，每一 MTJ元件为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层、被钉扎层、隧道势垒层和磁性自由层。优选地，所述每一 MTJ元件组的两侧设有一对第二永磁体，该对第二永磁体相对于该MTJ元件组的敏感方向倾斜设置用于给所述MTJ元件组提供偏置磁场。优选地，所述每一 MTJ元件组的两侧设有一对第二永磁体，该对第二永磁体相对于该MTJ元件组的敏感方向倾斜设置用于消除所述MTJ元件组的奈耳耦合场。优选地，该对第二永磁体相对于该MTJ元件组的敏感方向倾斜设置进一步用于消除所述MTJ元件组的奈耳耦合场。优选地，每一 MTJ元件为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层、被钉扎层、隧道势
垒层、磁性自由层和偏置层。优选地，每一 MTJ元件进一步包括设于所述磁性自由层与所述偏置层之间的隔离层。优选地，所述传感器进一步包括与所述磁传感芯片电连接的控制电路。优选地，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号与齿轮轮齿位置点的对应关系确定轮齿的位置。优选地，所述磁传感芯片包括双全桥，所述双全桥的每一桥臂包括MTJ元件组，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号确定齿轮的运动方向。 优选地，所述传感器进一步包括外壳。本发明具有如下有益效果(I)所述传感器以MTJ元件为敏感元件,与以霍尔元件、AMR元件或GMR元件为敏感元件的传感器相比，所述传感器的温度稳定性更好、灵敏度更高、功耗更低、线性度更好、线性工作区更宽、结构更简单；(2)所述传感器设有凹形的软磁体，使永磁体产生的外 磁场沿MTJ元件敏感方向的分量减小，从而保证磁传感芯片中的MTJ元件工作在其线性工作区，使所述传感器的性能得到明显改善；(3)所述传感器的磁传感芯片采用全桥，使得所述传感器不容易受到除所述永磁体产生的外磁场之外的干扰磁场的干扰；(4)在一种优选实施例中，MTJ元件的两侧设置一对倾斜的永磁体，该倾斜的永磁体产生的磁场垂直于MTJ元件敏感方向的分量为MTJ元件提供了偏置磁场。通过改变该偏置磁场能够调整MTJ元件的饱和场，从而获得具有高灵敏度的传感器，或可根据需要实现不同灵敏度的传感器；(5)在一种优选实施例中，MTJ元件的两侧设置一对倾斜的永磁体，该倾斜的永磁体产生的磁场沿MTJ元件敏感方向的分量能够消除MTJ元件的奈耳耦合场，从而保证MTJ元件的工作点处于其线性工作区，改善了所述传感器的线性度；(6)在另一种优选实施例中，MTJ元件的磁性自由层上设有偏置层，该偏置层能够为磁性自由层提供垂直于MTJ元件敏感方向的偏置磁场。通过改变该偏置磁场能够调整MTJ元件的饱和场，从而获得具有高灵敏度的传感器，或可根据需要实现不同灵敏度的传感器；(7)所述感器能够确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，还能够确定缺齿的位置；(8)所述传感器不仅能够确定齿轮的运动速度，而且能够确定齿轮的运动方向；(9)所述传感器既适用于直线形齿轮，也适用于圆形齿轮；(10)所述传感器有利于实现低成本的大规模生产。


图I为本发明实施例I提供的第一 MTJ元件11的结构示意图；图2为理想状态下第一 MTJ元件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线图，外磁场Happly沿第一 MTJ元件11的敏感方向；图3为实际应用中第一 MTJ兀件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线图，外磁场Happly沿第一 MTJ元件11的敏感方向；图4为多个第一 MTJ元件11串联成一个第一 MTJ元件组13的示意图；图5为在第一 MTJ元件组13两侧设置一对倾斜永磁体14的示意图；图6为在第一 MTJ兀件组13两侧设置一对倾斜永磁体后其周围的磁场分布的剖面图；图7为在第一 MTJ元件组13两侧设置一对倾斜永磁体14的俯视图8为半桥15的物理位置的俯视图；图9为图8所不的半桥15的等效电路图；图10为全桥16的物理位置的俯视图；图11为图10所示的全桥16的等效电路图；图12为实际测量的采用全桥16的磁场传感器的输出电压的曲线图；图13为双全桥17的物理位置的俯视图；图14为图13所示的双全桥17的等效电路图；图15为本发明实施例I提供的磁电阻齿轮传感器18的结构示意图；图16为本发明实施例I提供的磁电阻齿轮传感器18输出的正弦波形的电压信号·的不意图；图17为当齿轮缺齿时本发明实施例I提供的磁电阻齿轮传感器18输出的正弦波形和方波形的电压信号的示意图；图18为本发明实施例I提供的磁电阻齿轮传感器18输出的双路电压信号的示意图；图19为本发明实施例2提供的第二 MTJ元件21的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。实施例I :图I为本实施例提供的第一 MTJ元件11的结构示意图。所述第一 MTJ元件11为多层膜结构，如图I所示，其包括依次沉积在基片111上的绝缘层112、底电极层113、钉扎层114、被钉扎层115、隧道势垒层116、磁性自由层117和顶电极层118。所述被钉扎层115和所述磁性自由层117为铁磁层，其材质例如包括Fe、Co、Ni、FeCo、FeNi、FeCoB或FeCoNi。所述被钉扎层115也可以是铁磁层、Ru层和铁磁层形成的复合层，例如FeCo层、Ru层和FeCo层形成的复合层。所述钉扎层114与所述被钉扎层115之间的交换耦合作用使得所述被钉扎层115的磁矩方向1151被钉扎在一个方向，且在外磁场Happly作用下所述磁矩方向1151保持不变。所述钉扎层114为反铁磁层,其材质例如包括PtMruIrMn或FeMn。所述隧道势垒层116的材质例如包括MgO或Al2O315所述磁性自由层117的磁矩方向1171能够随外磁场Happly的改变而变化。在外磁场Happly的作用下，所述磁性自由层117的磁矩方向1171能够从与所述被钉扎层115的磁矩方向1151平行的方向逐步改变为与所述被钉扎层115的磁矩方向1151反平行的方向，且反之亦然。在本实施例中，所述磁性自由层117的磁矩方向1171定义为所述第一 MTJ兀件11的敏感方向。所述顶电极层118和所述底电极层113通常采用非磁性导电材料。所述基片111的材质通常采用硅、石英、耐热玻璃、GaAs、或AlTiC0所述绝缘层112的面积大于所述底电极层113的面积。所述顶电极层118和所述底电极层113用于与其它元件电连接。在本实施例中，所述顶电极层118和所述底电极层113与例如欧姆计12电联接，以测量所述第一 MTJ元件11的电阻。所述第一 MTJ元件11的电阻大小与所述磁性自由层117和所述被钉扎层115的磁矩的相对取向有关。当所述磁性自由层117的磁矩方向1171与所述被钉扎层115的磁矩方向1151平行时,所述第一 MTJ兀件11的电阻值最小,称为所述第一 MTJ兀件11处于低阻态；当所述磁性自由层117的磁矩方向1171与所述被钉扎层115的磁矩方向1151反平行时，所述第一 MTJ元件11的电阻值最大，称为所述第一 MTJ元件11处于高阻态。利用现有技术能够实现所述第一 MTJ元件11的电阻值随着外磁场Happly的改变在高阻态与低阻态之间线性变化。在理想状态下，所述第一 MTJ元件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线图如图2所示，外磁场Happly沿所述第一 MTJ元件11的敏感方向。当所述第一 MTJ元件11处于低阻态或高阻态时，其响应曲线达到饱和。所述第一 MTJ元件11处于低阻态时的电阻值被标记为例如& ;所述第一 MTJ元件11处于高阻态时的电阻值被标记为例如Rh。在高阻态与低阻态之间，所述第一 MTJ元件11的电阻值R随外磁场Happly的改变呈线性变化。所述第一MTJ元件11的电阻值R对外磁场Happly的响应曲线的斜率，即所述第一 MTJ元件11的电阻值R随外磁场Happly的变化率定义为所述第一 MTJ元件11的灵敏度。如图2所示，所述第一 MTJ元件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线不是关于Happly=O的直线成轴对称，而是关于Happly=Htj的直线成轴对称。Htj通常被称为奈尔耦合(Neel Coupling)场。通常情况下，奈 尔耦合场H。的取值范围为l_400e。如图2所示的响应曲线的线性区内，所述第一 MTJ元件11的电阻值R可以近似表示为R =+(I)式(I)中，Hs表示饱和场。饱和场Hs的定义为当奈尔耦合场Htj=O时，所述第一MTJ元件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线的线性区域的切线与正向或负向饱和曲线的切线的交点对应的外磁场值。在理想状态下，所述第一 MTJ元件11的电阻值R随外磁场Happly的变化是完美的线性关系，并且没有磁滞。在实际情况下，由于所述第一 MTJ元件11具有磁滞现象，所述第一 MTJ元件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线为一条曲线，如图3所示。在实际的传感器应用领域，由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷，所述第一 MTJ元件11的电阻对外磁场Happly的响应曲线会更弯曲。应用中，可以将多个第一 MTJ元件11串联和/或并联连接成一个第一 MTJ元件组。在本实施例中，第一 MTJ元件组13由例如六个第一 MTJ元件11串联连接而成，如图4所示，且第一 MTJ元件组13的六个第一 MTJ元件11的敏感方向1171相同。将所述第一 MTJ元件组13与其它元件例如所述欧姆计12电连接。当有电流131流过所述第一 MTJ元件组13时，所述电流131的方向如图4所示。通常情况下，所述电流131的方向并不对MTJ元件组13的电阻值产生影响。通过改变第一 MTJ元件组13中第一 MTJ元件11的个数可以调整所述第一 MTJ元件组13的电阻值。可以将一个所述第一 MTJ元件组13用作电桥的一个桥臂，也可以将串联和/或并联的多个所述第一 MTJ元件组13用作电桥的一个桥臂。为了给所述第一 MTJ元件11或所述第一 MTJ元件组13提供偏置磁场HeMSS，并消除其奈耳耦合场％，可以在所述第一 MTJ元件11或所述第一 MTJ元件组13的两侧设置一对倾斜的永磁体14。在本实施例中，如图5所示，在例如所述第一 MTJ元件组13的两侧设有一对永磁体14，且所述永磁体14相对于所述第一 MTJ元件组13的敏感方向1171倾斜放置。给所述永磁体14充磁后，所述第一 MTJ兀件组13周围的磁场分布如图6所不。在本实施例中，所述永磁体14的形状例如为长方体。如图7所示,所述永磁体14的长边与所述第一 MTJ元件组13的敏感方向1171之间的夹角的余角定义为所述永磁体14的倾斜角
0sns。每个永磁体14的长度、宽度和厚度分别为L、W和t，两个所述永磁体14之间的间隙为G。两个所述永磁体14的间隙位置的磁场Hniag被认为是两个所述永磁体14边缘的磁荷产生的，并且所述磁场Hmag与所述永磁体14的形状和边界条件相关。如图7所示，所述永磁体14的剩磁M,141与所述第一 MTJ元件组13的敏感方向1171之间的夹角定义为所述永磁体14的剩磁MJ41的倾斜角0 8。所述永磁体14边缘的磁荷密度P s与所述永磁体14的剩磁凡141的大小、所述永磁体14的剩磁凡141的倾斜角0 mag和所述永磁体14的倾斜角9 sns相关。所述永磁体14边缘的磁荷密度P s可表示为ps=Mrcos(0fflag+0sns)(2)
所述永磁体14边缘的磁荷产生的磁场Hmag可以表示为
权利要求
1.磁电阻齿轮传感器，其特征在于，该传感器包括磁传感芯片(181)和第一永磁体(182),所述磁传感芯片(181)包括至少一个电桥，该电桥的每一个桥臂包括至少一个MTJ元件组(13，23)。
2.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括设置于所述磁传感芯片(181)与所述第一永磁体(182)之间的凹形的软磁体(184)，且所述软磁体(184)的开口朝向所述磁传感芯片(181)。
3.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述至少一个MTJ元件组是多个MTJ元件组，该多个MTJ元件组串联和/或并联连接。
4.根据权利要求3所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，该多个MTJ元件组以相同敏感方向串联和/或并联连接。
5.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一包括MTJ元件组的桥臂具有相同的敏感方向。
6.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述电桥为半桥(15)、全桥(16)或双全桥(17)。
7.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件组(13，23)包括串联和/或并联连接的多个MTJ元件(11，21)。
8.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件组(13，23)包括以相同敏感方向串联和/或并联连接的多个MTJ元件(11，21)。
9.根据权利要求7或8所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件(11)为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层(114)、被钉扎层(115)、隧道势垒层(116)和磁性自由层(117)。
10.根据权利要求9所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述每一MTJ元件组(13)的两侧设有一对第二永磁体(14)，该对第二永磁体(14)相对于该MTJ元件组(13)的敏感方向倾斜设置用于给所述MTJ元件组(13)提供偏置磁场。
11.根据权利要求9所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述每一MTJ元件组(13)的两侧设有一对第二永磁体(14)，该对第二永磁体(14)相对于该MTJ元件组(13)的敏感方向倾斜设置用于消除所述MTJ元件组(13)的奈耳耦合场。
12.根据权利要求10所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，该对第二永磁体(14)相对于该MTJ元件组(13)的敏感方向倾斜设置进一步用于消除所述MTJ元件组(13)的奈耳率禹合场。
13.根据权利要求7或8所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件(21)为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层(214)、被钉扎层(215)、隧道势垒层(216)、磁性自由层(217)和偏置层(218)。
14.根据权利要求13所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件(21)进一步包括设于所述磁性自由层(217)与所述偏置层(218)之间的隔离层。
15.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括与所述磁传感芯片(181)电连接的控制电路(183)。
16.根据权利要求15所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号与齿轮轮齿位置点的对应关系确定轮齿的位置。
17.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述磁传感芯片包括双全桥，所述双全桥的每一桥臂包括MTJ元件组，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号确定齿轮的运动方向。
18.根据权利要求I所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括外壳(185)。
全文摘要
本发明公开了一种磁电阻齿轮传感器，该传感器包括磁传感芯片(181)和永磁体(182)，所述磁传感芯片(181)包括至少一个电桥，该电桥的每一个桥臂包括至少一个MTJ元件组。所述传感器的温度稳定性更好、灵敏度更高、功耗更低、线性度更好、线性工作区更宽、结构更简单。所述传感器设有凹形的软磁体，使永磁体产生的外磁场沿MTJ元件敏感方向的分量减小，从而保证磁传感芯片中的MTJ元件工作在其线性工作区。所述传感器不容易受到除所述永磁体产生的外磁场之外的干扰磁场的干扰。所述传感器能够确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，还能够确定缺齿的位置。所述传感器不仅能够确定齿轮的运动速度，而且能够确定齿轮的运动方向。
文档编号G01P3/44GK102809665SQ20121018046
公开日2012年12月5日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者白建民, 吕华, 詹姆斯·G·迪克, 沈卫锋 申请人:江苏多维科技有限公司