一種單芯片偏軸磁電阻z-x角度傳感器和測(cè)量?jī)x的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器和測(cè)量?jī)x，傳感器包括位于X-Y面上的襯底，位于襯底上的至少一個(gè)X軸和Z軸磁電阻傳感器，X軸和Z軸磁電阻傳感器包括磁電阻傳感單元和通量集中器，磁電阻傳感單元電連接成包括至少兩個(gè)橋臂的磁電阻橋，Z軸磁電阻傳感器為推挽橋式結(jié)構(gòu)，其推臂和挽臂分別位于與軟磁通量集中器Y軸中心線等距的位置上，所述X軸磁電阻傳感器為參考橋式結(jié)構(gòu)，其參考臂和敏感臂分別位于通量集中器Y軸中心線以及距離Y軸中心線大于一半通量集中器寬度的位置上,該單芯片偏軸Z-X角度傳感器放置于永磁碼盤邊緣并構(gòu)成角度測(cè)量?jī)x，通過(guò)測(cè)量X軸和Z軸磁場(chǎng)分量實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)緊湊，高靈敏度特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器和測(cè)量?jī)x

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器和基于此傳感器的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x。

【背景技術(shù)】
[0002]磁電阻角度傳感器和永磁碼盤構(gòu)成的磁電阻角度測(cè)量?jī)x可以應(yīng)用于磁編碼器以及旋轉(zhuǎn)位置傳感器等領(lǐng)域，通常情況下，對(duì)于磁電阻傳感器如TMR，GMR等，采用的是平面X-Y類型的磁電阻傳感器芯片，通過(guò)對(duì)X、Y軸方向磁場(chǎng)分量的測(cè)量并對(duì)磁場(chǎng)夾角進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，但其主要存在如下問(wèn)題:
[0003]I)由于GMR，TMR磁電阻傳感單元具有單向平面磁場(chǎng)敏感方向，所以通常采用將X敏感方向的傳感器切片旋轉(zhuǎn)90度得到Y(jié)敏感方向的傳感器切片，兩個(gè)切片之間通過(guò)綁定進(jìn)行連接，并封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)，這種X-Y磁電阻角度傳感器芯片由于切片之間安裝位置與封裝時(shí)對(duì)于切片的操作相關(guān)，影響了傳感器的測(cè)量精度，而且還存在切片間絲線連接的問(wèn)題，工藝較為復(fù)雜；
[0004]2)對(duì)于GMR，TMR磁電阻傳感器單元構(gòu)成的線性X，Y磁電阻傳感器的橋式結(jié)構(gòu)，在采用推挽式結(jié)構(gòu)時(shí)，通常將兩個(gè)橋臂構(gòu)成的切片中的一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)偏轉(zhuǎn)180度來(lái)實(shí)現(xiàn)推臂切片和挽臂切片的相反磁場(chǎng)敏感方向，并且需要安裝于芯片上不同位置，通過(guò)綁定來(lái)實(shí)現(xiàn)切片之間的連接，同樣會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度，增加了工藝的復(fù)雜性；
[0005]對(duì)于X-Y角度傳感器芯片，其工作位置位于平行于永磁碼盤的旋轉(zhuǎn)面區(qū)域位置上方，因此永磁碼盤安裝空間小于碼盤尺寸，需要增加碼盤尺寸才能保證芯片具有大的安裝空間和磁場(chǎng)均勻區(qū)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種單芯片Z-X磁電阻角度傳感器，來(lái)取代X-Y磁電阻角度傳感器，在同一切片上實(shí)現(xiàn)Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器的同時(shí)制造，對(duì)于X軸磁電阻傳感器，采用通量集中器放置于磁電阻單元列附近位置時(shí)對(duì)磁電阻單元列的磁場(chǎng)集中的增強(qiáng)作用，以及采用通量集中器覆蓋于磁電阻單元列上時(shí)對(duì)于磁電阻單元列的磁場(chǎng)屏蔽的衰減作用，實(shí)現(xiàn)參考電橋的設(shè)計(jì)和制造，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的X軸磁電阻傳感器，而同時(shí)避免了雙切片的推挽式結(jié)構(gòu)；對(duì)于Z軸磁電阻傳感器，采用通量集中器覆蓋于偏離通量集中器中心位置的磁電阻單元列時(shí)將Z磁場(chǎng)分量扭曲成具有X向磁場(chǎng)的作用，將Z磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)變成沿X和-X兩個(gè)方向的磁場(chǎng)分量，并被磁電阻傳感器測(cè)量，構(gòu)成了推挽橋式傳感器，此外，該單芯片Z-X磁電阻角度傳感器放置于永磁體碼盤的邊緣，通過(guò)對(duì)X和Z磁場(chǎng)分量的測(cè)量實(shí)現(xiàn)永磁碼盤在Z-X平面內(nèi)的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，相對(duì)于將X-Y角度傳感器放置于在永磁碼盤X-Z平面上方具有更大的空間靈活性，這些都成功解決了以上X-Y角度傳感器的不足。
[0007]本實(shí)用新型所提出的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，用于探測(cè)與襯底表面垂直的平面上的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角，包括:
[0008]位于X-Y平面上的襯底；
[0009]位于所述襯底上的至少一個(gè)X軸磁電阻傳感器，用于探測(cè)平行于所述襯底表面的X軸磁場(chǎng)分量；
[0010]位于所述襯底上的至少一個(gè)Z軸磁電阻傳感器，用于探測(cè)垂直于所述襯底表面的Z軸磁場(chǎng)分量；
[0011]所述X軸磁電阻傳感器和所述Z軸磁電阻傳感器均包括磁電阻傳感單元和通量集中器，所述通量集中器為長(zhǎng)條形，其長(zhǎng)軸平行于Y軸方向，短軸平行于X軸方向，所述磁電阻傳感單元的敏感方向平行于X軸方向；
[0012]所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元和X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元都分別電連接成包括至少兩個(gè)橋臂的磁電阻橋，其中，每個(gè)橋臂為一個(gè)或多個(gè)所述磁電阻傳感單元電連接而成的兩端口結(jié)構(gòu)，且所述橋臂中的磁電阻傳感單元沿著平行于Y軸方向排列成多個(gè)磁電阻單元列；
[0013]所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻橋?yàn)橥仆焓诫姌颍渲?，推臂和挽臂分別位于所述Z軸磁電阻傳感器中的通量集中器上方或下方的Y軸中心線的不同側(cè)，且到各自對(duì)應(yīng)的所述Y軸中心線的距離相等；
[0014]所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻橋?yàn)閰⒖际诫姌?，其中，參考臂位于所述X軸磁電阻傳感器中通量集中器的上方或下方的Y軸中心線位置上，敏感臂位于與所述X軸磁電阻傳感器中通量集中器上方或下方Y(jié)軸中心線距離大于通量集中器的一半寬度的位置上。
[0015]優(yōu)選的，所述通量集中器為包含N1、Fe、Co中的一種元素或多種元素的軟磁合金材料。
[0016]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感單元為GMR或TMR磁電阻傳感單元。
[0017]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)Z軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿所述X軸方向位于所述X軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
[0018]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿所述X軸方向位于所述Z軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
[0019]優(yōu)選的，所述X軸、Z軸磁電阻傳感器分別包括多個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元、Z軸磁電阻傳感器子單元，且沿所述X軸方向交替排布，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
[0020]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器沿所述Y軸方向排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
[0021]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元和X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元沿所述X軸方向混合排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器具有共同的所述通量集中器。
[0022]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含I個(gè)所述通量集中器，所述磁電阻傳感單元對(duì)應(yīng)于所述I個(gè)所述通量集中器。
[0023]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含2個(gè)所述通量集中器，所述推臂和挽臂分別位于所述2個(gè)通量集中器的Y軸中心線不同側(cè)的位置。
[0024]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含N+2個(gè)所述通量集中器，且所述磁電阻傳感單元對(duì)應(yīng)于中間N個(gè)所述通量集中器，所述N為正整數(shù)。
[0025]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N個(gè)磁電阻單元列，所述X軸磁電阻傳感器中相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的間距為L(zhǎng) ;當(dāng)所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器數(shù)量為2N-2個(gè)時(shí)，所述X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)所述磁電阻單元列相鄰并對(duì)應(yīng)于參考臂，且間距為2L ;當(dāng)所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器數(shù)量為2N-1個(gè)時(shí)，所述X軸磁電阻傳感器正中間的兩個(gè)所述磁電阻單元列對(duì)應(yīng)于敏感臂，且間距為2L，其中L為自然數(shù)，所述N為大于I的整數(shù)。
[0026]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N (N為正整數(shù))個(gè)磁電阻單元列以及2N-1個(gè)所述通量集中器，且所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻單元列交替分布于所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器的上方或下方以及距離Y軸中心線大于所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器一半寬度的位置，所述N為正整數(shù)。
[0027]優(yōu)選的，所述通量集中器數(shù)量為2N+2時(shí)，所述Z軸磁電阻傳感器包含4N個(gè)磁電阻單元列，且對(duì)應(yīng)于中間2N個(gè)所述通量集中器，所述X軸磁電阻傳感器包含2N+2個(gè)磁電阻單元列，且所述X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)磁電阻單元列之間的距離為4L，相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的距離為L(zhǎng)，其中L為自然數(shù)，所述N為大于I的整數(shù)。
[0028]優(yōu)選的，所述共同的通量集中器數(shù)量為2N+2，所述Z軸磁電阻傳感器包含4N個(gè)磁電阻單元列，分別對(duì)應(yīng)于中間2N個(gè)所述通量集中器，所述X軸磁電阻傳感器包含的磁電阻單元列數(shù)量為4N，且所述X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)磁電阻單元列之間的距離為2L，相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的距離為L(zhǎng)，其中L為自然數(shù)，所述N為大于I的整數(shù)。
[0029]優(yōu)選的，所述通量集中器數(shù)量為N，所述Z軸磁電阻傳感器包含的磁電阻單元列數(shù)量為2 (N-2)，對(duì)應(yīng)中間N-2個(gè)所述通量集中器，所述X軸磁電阻傳感器包含的磁電阻單元列數(shù)量為2 (N-1)，且其中一側(cè)的一個(gè)所述通量集中器的Y軸中心線上分布有一個(gè)磁電阻單元列，所述N為大于3的整數(shù)。
[0030]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器中的參考臂和敏感臂所對(duì)應(yīng)的磁電阻單元列的數(shù)量相同，所述Z軸磁電阻傳感器中的推臂和挽臂所對(duì)應(yīng)的磁電阻單元列的數(shù)量相同。
[0031]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器所對(duì)應(yīng)的所述通量集中器寬度相同，厚度也相同。
[0032]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器之間的間隙處的磁電阻單元列所在位置處的磁場(chǎng)增益系數(shù)為l〈ASnS〈100，所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器上方或下方Y(jié)軸中心線處的磁電阻單元列所在位置的磁場(chǎng)衰減系數(shù)為0〈Aref〈l。
[0033]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的間距L不小于所述Z軸磁電阻傳感器的通量集中器的寬度Lx。
[0034]優(yōu)選的，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的間距L>2Lx，所述Lx為所述Z軸磁電阻傳感器中所述通量集中器的寬度。
[0035]優(yōu)選的，對(duì)于所述Z軸磁電阻傳感器，其上的所述磁電阻單元列與所述磁通量集中器的上方或下方邊緣的間距越小，或者其上的所述磁通量集中器的厚度Lz越大，或者其上的所述磁通量集中器的寬度Lx越小，所述Z軸磁電阻傳感器的靈敏度越高。
[0036]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器的參考式電橋和/或所述Z軸磁電阻傳感器的推挽式電橋?yàn)榘霕?、全橋或者?zhǔn)橋結(jié)構(gòu)中的一種。
[0037]優(yōu)選的，所述X軸磁電阻傳感器以及Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元均具有相同的磁場(chǎng)靈敏度。
[0038]本實(shí)用新型另一方面還提供了一種偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，包括上述的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，所述偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x還包括圓形永磁碼盤，所述圓形永磁碼盤的磁化方向平行于位于所述圓形永磁碼盤的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)且過(guò)所述圓形永磁碼盤的圓心的直線，所述圓形永磁碼盤的寬度方向和旋轉(zhuǎn)軸方向均沿Y軸方向，旋轉(zhuǎn)平面為X-Z平面，所述襯底所在的X-Y平面距離所述圓形永磁碼盤邊緣的距離為Det，且Z軸過(guò)所述單芯片偏軸Z-X磁電阻角度傳感器的中心和所述圓形永磁碼盤的軸心，所述Det>0。
[0039]優(yōu)選的，Z軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)Z軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿X軸方向位于所述X軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.2-0.3 r，且X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器子單元之間的間隔(Space)為0-0.3 r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
[0040]優(yōu)選的，X軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿X軸方向位于所述Z軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.6-0.8 r,且所述X軸磁電阻傳感器子單元和Z軸磁電阻傳感器之間的間隔(Space)為0.5-0.7 r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
[0041]優(yōu)選的，X軸磁電阻傳感器、Z軸磁電阻傳感器分別包括多個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元、Z軸磁電阻傳感器子單元，且沿所述X軸方向交替排布，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.5-0.7 r，且相鄰Z軸磁電阻傳感器子單元和X軸磁電阻傳感器子單元之間的間隔(Space)為0.6 r, r為所述圓形永磁碼盤半徑。
[0042]優(yōu)選的，Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器沿所述Y軸方向排列，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.5-0.7 r,r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
[0043]優(yōu)選的，Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元和X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元沿X軸方向混合排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器具有共同的所述通量集中器，所述Det為0.5-0.7 r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
[0044]優(yōu)選的，Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器沿所述Y軸方向排列，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器沒有共同的所述通量集中器，所述單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器沿所述圓形永磁碼盤的寬度方向位于所述圓形永磁碼盤的X軸和Z軸磁場(chǎng)均勻區(qū)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)一。
[0046]圖2單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)二。
[0047]圖3單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)三。
[0048]圖4單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)四。
[0049]圖5單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)五。
[0050]圖6 X軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一。
[0051]圖7 X軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二。
[0052]圖8 X軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)三。
[0053]圖9 Z軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一。
[0054]圖10 Z軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二。
[0055]圖11 Z軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)三。
[0056]圖12 X軸-Z軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)一。
[0057]圖13 X軸-Z軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)二。
[0058]圖14 X軸-Z軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)三。
[0059]圖15 X軸磁電阻傳感器的X軸方向磁場(chǎng)測(cè)量原理圖。
[0060]圖16在X軸方向的外磁場(chǎng)中X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感器位置沿X軸方向的磁場(chǎng)分布圖。
[0061]圖17 Z軸磁電阻傳感器的Z軸方向磁場(chǎng)測(cè)量原理圖。
[0062]圖18在Z軸方向的外磁場(chǎng)中Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感器位置沿X軸方向的磁場(chǎng)分布圖。
[0063]圖19單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)一典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0064]圖20單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)二典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0065]圖21單芯片Z-X磁電阻角度傳感器結(jié)構(gòu)三典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0066]圖22全橋結(jié)構(gòu)的Z軸磁電阻傳感器的電連接圖。
[0067]圖23全橋結(jié)構(gòu)的Z軸磁電阻傳感器的簡(jiǎn)圖。
[0068]圖24全橋結(jié)構(gòu)的X軸磁電阻傳感器的電連接圖。
[0069]圖25全橋結(jié)構(gòu)的X軸磁電阻傳感器的簡(jiǎn)圖。
[0070]圖26全橋結(jié)構(gòu)的X軸-Z軸混合結(jié)構(gòu)傳感器電連接圖一。
[0071]圖27全橋結(jié)構(gòu)的X軸-Z軸混合結(jié)構(gòu)傳感器電連接圖二。
[0072]圖28全橋結(jié)構(gòu)的X軸-Z軸混合結(jié)構(gòu)傳感器電連接圖三。
[0073]圖29單芯片X-Z磁電阻角度傳感器+圓形永磁碼盤的角度測(cè)量示意圖。
[0074]圖30單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角典型關(guān)系圖。
[0075]圖31單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角的典型關(guān)系圖。
[0076]圖32單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)三中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角的典型關(guān)系圖。
[0077]圖33單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一中Z軸與X軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)圖。
[0078]圖34單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二中Z軸與X軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)圖。
[0079]圖35單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)三中Z軸與X軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)圖。
[0080]圖36單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角線性擬合曲線R2與芯片離碼盤邊緣距離關(guān)系圖。
[0081]圖37單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角線性擬合曲線R2與芯片離碼盤邊緣距離關(guān)系圖。
[0082]圖38單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)三-五中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角線性擬合曲線R2與芯片離碼盤邊緣距離關(guān)系圖。
[0083]圖39單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一中平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角線性擬合曲線R2與芯片與X軸和Z軸磁電阻傳感器跨距關(guān)系圖。
[0084]圖40單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角線性擬合曲線R2與芯片與X軸和Z軸磁電阻傳感器跨距關(guān)系圖。
[0085]圖41單芯片Z-X磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)三-五平均磁場(chǎng)測(cè)量角與永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角線性擬合曲線R2與芯片與X和Z軸磁電阻傳感器跨距關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0086]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。
[0087]實(shí)施例一
[0088]圖1為單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一圖，包括Si襯底1，以及位于Si襯底I之上的X軸磁電阻傳感器3、以及Z軸磁電阻傳感器2，其中X軸磁電阻傳感器3包括兩個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元31和32，并且沿X軸方向排列于Z軸磁電阻傳感器2的兩側(cè)。
[0089]圖2為單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)二圖，包括Si襯底1，以及位于Si襯底I之上的X軸磁電阻傳感器3 (I)、以及Z軸磁電阻傳感器2(1)，其中Z軸磁電阻傳感器2 (I)包括兩個(gè)Z軸磁電阻傳感器子單元21和22，并且沿X軸方向排列于X軸磁電阻傳感器3 (I)的兩側(cè)。
[0090]圖3為單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)三圖，包括Si襯底1，以及位于Si襯底I之上的X軸磁電阻傳感器3 (2)、以及Z軸磁電阻傳感器2 (2)，其中Z軸磁電阻傳感器2(2)包括多個(gè)Z軸磁電阻傳感器子單元23、24和25，X軸磁電阻傳感器3 (2)包括多個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元33、34和35，并且X軸磁電阻傳感器子單元和Z軸磁電阻傳感器子單元沿X軸方向交替排列。
[0091]圖4為單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)四圖，包括Si襯底1，以及位于Si襯底I之上的X軸磁電阻傳感器3 (A)、以及Z軸磁電阻傳感器2 (A)，其中Z軸磁電阻傳感器2 (A)和X軸磁電阻傳感器3(A)沿Y軸方向進(jìn)行排布。
[0092]圖5為單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)五圖，包括Si襯底1，以及位于Si襯底I之上的X軸磁電阻傳感器3 (B)和Z軸磁電阻傳感器2 (B)，和圖1-4的排布不同，X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器具有混合結(jié)構(gòu),排布于同一空間范圍內(nèi)。
[0093]實(shí)施例二
[0094]圖6為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四的X軸磁電阻傳感器及其子單元的結(jié)構(gòu)一圖2 (3)，包括通量集中器4和磁電阻單元列5，其中磁電阻單元列5包括位于通量集中器41上方或下方的Y中心線位置上的參考磁電阻單元列52以及位于距離通量集中器41距離大于通量集中器的一半寬度位置的敏感磁電阻單元列51，在圖6所示的X軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)一中，相鄰兩個(gè)通量集中器之間的間距為L(zhǎng)，X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N (N>1的整數(shù))個(gè)磁電阻單元列，通量集中器數(shù)量為偶數(shù)2N-2，X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)磁電阻單元列相鄰，對(duì)應(yīng)于參考磁電阻單元列，且間距為2L。
[0095]圖7為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四的X軸磁電阻傳感器及其子單元的結(jié)構(gòu)二圖2 (4)，包括通量集中器4(1)和磁電阻單元列5(1)，其中磁電阻單元列5(1)包括位于通量集中器44上方或下方的Y中心線位置上的參考磁電阻單元列54以及位于距離通量集中器44距離大于通量集中器一半寬度位置的敏感磁電阻單元列53，在圖7所示的X軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)二中，相鄰兩個(gè)通量集中器間距為L(zhǎng)，X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N (N>1的整數(shù))個(gè)磁電阻單元列，通量集中器數(shù)量為奇數(shù)2N-1，X軸磁電阻傳感器正中間的兩個(gè)磁電阻單元列對(duì)應(yīng)于敏感磁電阻單元列，且間距為2L，其中L為自然數(shù)。
[0096]圖8為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四的X軸磁電阻傳感器及其子單元的結(jié)構(gòu)三圖2 (5)，包括通量集中器4 (5)和磁電阻單元列5 (5)，其中磁電阻單元列5 (5)包括位于通量集中器4 (5)上表面或者下表面上的Y中心線位置上的參考磁電阻單元列58以及位于距離通量集中器4 (5)的Y中心線位置距離大于通量集中器一半寬度位置的敏感磁電阻單元列57，X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N(N>0的整數(shù))個(gè)磁電阻單元列以及2N-1個(gè)通量集中器，且磁電阻單元列交替分布于通量集中器上方或下方的Y軸中心線以及距離Y軸中心線大于通量集中器一半寬度的位置，因此，該結(jié)構(gòu)X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元靠近兩側(cè)位置中的一個(gè)通量集中器沒有參考磁電阻單元列。
[0097]實(shí)施例三
[0098]圖9為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四的Z軸磁電阻傳感器及其Z軸磁電阻傳感器子單元的結(jié)構(gòu)一圖3 (3)，包括通量集中器6以及磁電阻單元列7，其中磁電阻單元列7包括位于通量集中器6上表面或下表面上的位于Y中心線兩側(cè)與Y中心線等距離的兩個(gè)位置上的推臂磁電阻單元列和挽臂磁電阻單元列71和72，Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含N+2 (N>0的整數(shù))個(gè)通量集中器，且磁電阻單元列對(duì)應(yīng)于中間N個(gè)通量集中器。
[0099]圖10為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四的Z軸磁電阻傳感器及其Z軸磁電阻傳感器子單元的結(jié)構(gòu)二圖3 (4)，包含I個(gè)通量集中器719，磁電阻單元列619和620對(duì)應(yīng)于通量集中器719。
[0100]圖11為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四的Z軸磁電阻傳感器及其Z軸磁電阻傳感器子單元的結(jié)構(gòu)三圖3 (5)，包含2個(gè)通量集中器720，兩個(gè)磁電阻單元列621對(duì)應(yīng)于2個(gè)通量集中器720位于Y軸中心線等距離的不同側(cè)位置，例如既可以分別位于2個(gè)通量集中器的Y軸中心線的左側(cè)和右側(cè)，也可以分別位于2個(gè)通量集中器的Y軸中心線的右側(cè)和左側(cè)。
[0101]實(shí)施例四
[0102]圖12為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)五的Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)一圖2-3 (1)，其中，X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器具有共同的通量集中器4-6 (3),4-6 (I)和4-6(2)，且對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元5-7 (3)和5-7 (4)和對(duì)應(yīng)于Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元5-7 (I)和5_7 (2)混合排列，對(duì)應(yīng)的所述通量集中器數(shù)量為2*N+2 (N為大于I的整數(shù))，Z軸磁電阻傳感器包含4*N個(gè)磁電阻單元列，且對(duì)應(yīng)于中間2N個(gè)通量集中器，X軸磁電阻傳感器包含2*N+2個(gè)磁電阻單元列，且中間的兩個(gè)磁電阻單元列之間的距離為4*L，相鄰兩個(gè)通量集中器之間的距離為L(zhǎng)。
[0103]圖13為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)五的Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)二圖2-3 (2)，其中，X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器具有共同的通量集中器4-6 (11)、4_6 (12)和4-6 (13)，且對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元5-7 (13)和5-7 (14)和對(duì)應(yīng)于Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元5-7 (11)和5-7 (12)混合排列，通量集中器數(shù)量為2*N+2 (N為大于I的整數(shù))，Z軸磁電阻傳感器包含4*N個(gè)磁電阻單元列，分別對(duì)應(yīng)于中間2N個(gè)通量集中器，X軸磁電阻傳感器包含磁電阻單元列數(shù)量為4*N，且中間的兩個(gè)磁電阻單元列之間距離為2*L，相鄰兩個(gè)通量集中器之間的距離為L(zhǎng)。
[0104]圖14為對(duì)應(yīng)單芯片磁電阻Z-X角度傳感器的結(jié)構(gòu)五的Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)三圖2-3 (3)，其中，X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器具有共同的通量集中器4-6 (21)、4_6 (22)和4-6 (23)，且對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元5-7 (23)和5-7 (24)和對(duì)應(yīng)于Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元5-7 (21)和5-7 (22)混合排列，通量集中器數(shù)量為N (N為大于3的整數(shù))，Z軸磁電阻傳感器包含磁電阻單元列數(shù)量為2*(N-2)，對(duì)應(yīng)中間N-2個(gè)通量集中器，X軸磁電阻傳感器包含磁電阻單元列數(shù)量為2*(N-1)，且兩側(cè)的兩個(gè)通量集中器其中的一通量集中器的Y軸中心線對(duì)應(yīng)一個(gè)磁電阻單元列。
[0105]實(shí)施例五
[0106]圖15為X軸磁電阻傳感器在X軸方向磁場(chǎng)中的測(cè)量原理圖,可以看出，X軸方向磁場(chǎng)在經(jīng)過(guò)通量集中器4 (2)之后，磁場(chǎng)分布發(fā)生變化，其中位于45上方或下方處中心對(duì)應(yīng)磁電阻參考單元列56處的磁力線密度稀疏，表明其強(qiáng)度減小，而位于相鄰兩個(gè)通量集中器之間的磁電阻敏感單元列55處的磁力線密度增強(qiáng)，顯示器磁場(chǎng)強(qiáng)度增加。
[0107]圖16為圖15所對(duì)應(yīng)的X軸磁電阻傳感器位置沿X軸方向直線上的X軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖，可以看出，對(duì)應(yīng)圖15中的7個(gè)通量集中器ml-m7，位于通量集中器上表面或下表面中心處位置具有極小的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而位于相鄰兩個(gè)X-通量集中器之間位置處則具有極大磁場(chǎng)強(qiáng)度，且7個(gè)X通量集中器上表面或下表面中心處的極小值磁場(chǎng)具有相同幅度，因此，這意味著，磁電阻參考單元列可以對(duì)應(yīng)于兩側(cè)的兩個(gè)通量集中器，對(duì)應(yīng)于7個(gè)X通量集中器相鄰間隙處的磁電阻敏感單元的磁場(chǎng)幅度非常接近，因此，這些位置都可以放置磁電阻敏感單元列，但顯然兩個(gè)側(cè)邊的位置處的X磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯小于中間位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此兩邊第ml和m7個(gè)X通量集中器外側(cè)不能放置參考單元列。
[0108]圖17為Z軸磁電阻傳感器在Z軸方向磁場(chǎng)中的測(cè)量原理圖，可以看出，Z軸方向磁場(chǎng)在經(jīng)過(guò)通量集中器6 (I)之后，在其附近的磁場(chǎng)方向發(fā)生變化，在通量集中器下表面上位于中心線兩側(cè)的磁電阻單元列7 (I)所對(duì)應(yīng)的推臂73磁電阻傳感單元行與挽臂74磁電阻傳感單元行處，磁場(chǎng)方向發(fā)生扭曲，出現(xiàn)了 X軸方向的磁場(chǎng)分量。
[0109]圖18為圖17所對(duì)應(yīng)的Z軸通量集中器6 (I)的上表面或下表面位置處Z磁電阻傳感單元行位置處沿X軸方向的磁場(chǎng)分布圖。可以看出，nl-n7個(gè)Z通量集中器的中心線位置兩側(cè)具有相反的X軸方向磁場(chǎng)分量，且中間的Z通量集中器63所對(duì)應(yīng)的中心線位置兩側(cè)的X軸方向磁場(chǎng)分量大小相同，而位于兩側(cè)的兩個(gè)Z通量集中器64，其中心線兩側(cè)的X軸方向磁場(chǎng)分量方向相反，但大小不等，顯然靠近外側(cè)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度要大于內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，位于兩側(cè)的兩個(gè)Z通量集中器不能放置Z磁電阻傳感單元行。
[0110]以上對(duì)于X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)分布的分析與傳感器的設(shè)計(jì)一致。
[0111]實(shí)施例六
[0112]圖19-21為單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器的三種結(jié)構(gòu)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中圖19為結(jié)構(gòu)一單芯片Z-X磁電阻角度傳感器拓?fù)鋱D，Z軸磁電阻傳感器2 (7)為圖9所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，也可以為圖10或圖11所示結(jié)構(gòu)，而位于兩側(cè)的兩個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元3(7)為圖6所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，也可以對(duì)應(yīng)于圖7或者圖8所示結(jié)構(gòu)。圖20所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)二類型的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，包含兩個(gè)圖9或圖10或圖11所示結(jié)構(gòu)的Z軸磁電阻傳感器子單元2(8)，以及中間的圖6或圖7或圖8所示的X軸磁電阻傳感器3(8)結(jié)構(gòu)。圖21中對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)三類型的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，包括Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器的交替組合，其中Z軸磁電阻傳感器子單元2 (9)為圖9-11之一所示的結(jié)構(gòu)，X軸磁電阻傳感器子單元3 (9)可以為圖6-8所示結(jié)構(gòu)中的任一種。
[0113]實(shí)施例七
[0114]圖22為單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器所對(duì)應(yīng)的Z軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)圖，圖23為對(duì)應(yīng)于Z軸磁電阻傳感器的電連接結(jié)構(gòu)圖，所述磁電阻傳感單元電連接成包括至少兩個(gè)臂的推挽橋式結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂包括I個(gè)或多個(gè)磁電阻傳感單元連接成的兩端口結(jié)構(gòu)，并且磁電阻傳感單元排列成多個(gè)磁電阻單元列，本圖中為一種全橋推挽式結(jié)構(gòu)，其中，包括電源輸入端82，地輸入端83，以及兩個(gè)信號(hào)輸出端84和85，位于兩側(cè)的通量集中器717以及位于中間的通量集中器718，推臂和挽臂磁電阻單元列617和618分別位于中間通量集中器718的下方偏離中心線的兩側(cè)，并通過(guò)電連接線81進(jìn)行連接，其對(duì)應(yīng)的全橋結(jié)構(gòu)如圖18所
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[0115]圖24為對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的一種電連接結(jié)構(gòu)圖，所述磁電阻傳感單元電連接成包括至少兩個(gè)臂的參考電橋，每個(gè)橋臂包括I個(gè)或多個(gè)磁電阻傳感單元連接成的兩端口結(jié)構(gòu)，并且磁電阻傳感單元排列成多個(gè)磁電阻單元列，本圖為參考全橋結(jié)構(gòu)，包括電源輸入端92和地94,信號(hào)輸出端93和95,位于通量集中器中心位置的參考磁電阻單兀列517以及位于相鄰兩個(gè)通量集中器中間的X磁電阻敏感單元列518，以及電連接導(dǎo)體91，其對(duì)應(yīng)的參考全橋結(jié)構(gòu)如圖25所示。
[0116]需要指出的是，以上為X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器沒有多個(gè)子單元的情況，對(duì)于結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二以及結(jié)構(gòu)三中存在多個(gè)子單元的情況，需要采用導(dǎo)電單元在不同的子單元之間連接，從而最終形成一個(gè)X軸或Z軸磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)。
[0117]需要指出的是，以上給出的是全橋結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，無(wú)論X軸磁電阻傳感器或者是Z軸磁電阻傳感器，還可以電連接成包含磁電阻參考單元列和磁電阻敏感單元列，以及推臂和挽臂的半橋或者準(zhǔn)橋結(jié)構(gòu)。
[0118]圖26-28分別為對(duì)應(yīng)X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器混合結(jié)構(gòu)的磁電阻傳感單元電連接圖。圖26中，92B和94B分別對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器的電源和地端，由于本結(jié)構(gòu)中的X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器都為全橋結(jié)構(gòu)，84B和85B分別對(duì)應(yīng)Z軸磁電阻傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸出端，且93B和95B分別對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸出端，81B為連接導(dǎo)線，718B為邊緣處的通量集中器，718B為中間位置的通量集中器，對(duì)于X軸磁電阻傳感器，517B和518B分別對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的參考磁電阻單元列和敏感磁電阻單元列，而對(duì)于Z軸磁電阻傳感器，617B和618B分別對(duì)應(yīng)于其兩個(gè)推挽臂的磁電阻單元列。
[0119]圖27中，92A和94A分別對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器的電源和地輸入端，同樣，由于本結(jié)構(gòu)中X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器都為全橋,84A和85A分別對(duì)應(yīng)于Z軸磁電阻傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸出端,且9 3A和9 5A分別對(duì)應(yīng)于X軸磁電阻傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸出端，717A為邊緣處的通量集中器，718A為中間位置的通量集中器，對(duì)于X軸磁電阻傳感器，518A為敏感磁電阻單兀列，517A為參考磁電阻單兀列，617A和618A為兩個(gè)推挽臂所對(duì)應(yīng)的磁電阻單元列。
[0120]圖28中，92C和94C分別為X軸磁電阻傳感器和Z軸磁電阻傳感器的電源和地輸入端，本結(jié)構(gòu)中Z軸磁電阻傳感器為半橋,因此只有一個(gè)輸出信號(hào)端84C, X軸磁電阻傳感器為全橋，93C和95C為其兩個(gè)信號(hào)輸出端，81C為對(duì)應(yīng)的中間連接導(dǎo)線，717C為邊緣處的通量集中器，718C為中間的通量集中器，518C和517C分別對(duì)應(yīng)于敏感磁電阻單元列和參考磁電阻單元列，617C和618C分別對(duì)應(yīng)于推臂和挽臂的磁電阻單元列。
[0121]圖26-28中，可以看出，為了能夠在X和Z軸磁電阻傳感器的磁電阻單元列中間進(jìn)行有效的連接，并且避免出現(xiàn)交叉的情況，導(dǎo)線和輸出端，輸入端之間進(jìn)行了排布，導(dǎo)線繞過(guò)輸出端和輸入端。
[0122]實(shí)施例八
[0123]圖29為單芯片偏軸磁電阻Z-X傳感器101應(yīng)用于角度測(cè)量的情況，包括一個(gè)圓形永磁碼盤100,可以沿著中心軸旋轉(zhuǎn)，且軸方向和寬度方向?yàn)閅軸方向，其磁化方向M為單向過(guò)直徑方向，單芯片偏軸磁電阻Z-X傳感器101位于永磁碼盤100邊緣平行于永磁碼盤切面1001的測(cè)量平面1002上，同時(shí)其襯底也位于XY平面上，其芯片中心與碼盤中心連線垂直于芯片，且過(guò)Z軸方向，芯片101中心距離永磁碼盤100邊緣的距離為Det，X軸方向平行于永磁碼盤在切平面上的旋轉(zhuǎn)速度方向，Z軸為芯片法向方向,其中,永磁碼盤100磁化方向和Z軸的夾角定義為旋轉(zhuǎn)角度Θ，而永磁碼盤100在單芯片偏軸磁電阻Z-X傳感器101處的Z軸、X軸磁電阻傳感器及其子單兀處所產(chǎn)生沿Z軸方向磁場(chǎng)分量和X軸方向磁場(chǎng)分量如圖1、2和3所示，假設(shè)各位置i處磁場(chǎng)為(Hxi，Hzi)，對(duì)于芯片101而言，則構(gòu)成一個(gè)平均傳感器磁場(chǎng)夾角Φ，三種結(jié)構(gòu)的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器的Φ計(jì)算如下:
[0124]對(duì)于結(jié)構(gòu)一，如圖1所示，其從左到右，其各X軸、Z軸磁電阻傳感器及其子單元所在位置的磁場(chǎng)分別為 1:H1 (Hxl，Hzl)，2:H2 (Hx，Hz)，3: (Hx2，Hz2)，則:
[0125]Φ =atan ((Hxl+Hx2) /Hz), HZ>0
[0126]Φ =atan((Hxl+Hx2)/Hz)-Pi, HZ〈0; Hxl+Hx2〈0
[0127]Φ =atan ((Hxl+Hx2) /Hz) +Pi, Hz<0; Hxl+Hx2>0
[0128]在靈敏度確定的情況下，Z軸、X軸磁電阻傳感器輸出信號(hào)僅僅與磁場(chǎng)信號(hào)成正t匕，此時(shí)Z軸、X軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)信號(hào)分別為:
[0129]Z:Hz
[0130]X:Hxl+Hx2
[0131]對(duì)于結(jié)構(gòu)二，如圖2所示，則:
[0132]Φ =atan(Hx/(Hzl+Hz2)), Hzl+Hz2>0
[0133]Φ =atan(Hx/(HzI+Hz2)-Pi, Hzl+Hz2<0, Hx〈0
[0134]Φ =atan(Hx/(HzI+Hz2)+Pi, Hzl+Hz2<0, Hx>0
[0135]此時(shí)，Z軸、X軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)信號(hào)分別為:
[0136]Z: HzI+Hz2
[0137]X: Hx
[0138]對(duì)于結(jié)構(gòu)三?結(jié)構(gòu)五，如圖3-5所示，則:
[0139]Φ =atan( Σ Hxi/ Σ Hzi) ; Σ Hzi>0
[0140]Φ =atan ( Σ Hxi/ Σ Hzi) -Pi ; Σ Hzi<0, Σ Hxi〈0
[0141]Φ =atan ( Σ Hxi/ Σ Hzi) +Pi ; Σ Hzi>0, Σ Hxi>0
[0142]此時(shí)，Ζ，X軸磁電阻傳感器的磁場(chǎng)信號(hào)為:
[0143]Ζ: Σ Hzi
[0144]X: Σ Hxi
[0145]Φ隨Θ的變化關(guān)系隨單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器101與永磁碼盤100之間距離Det以及相鄰Z軸磁電阻傳感器及其子單元、X軸磁電阻傳感器及其子單元的間距(Space)相關(guān)，只有當(dāng)Φ隨Θ的變化關(guān)系為線性關(guān)系時(shí)，Z-X磁電阻傳感器芯片101才能對(duì)于永磁碼盤100的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，因此，需要確定單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器101隨(Space)以及Det變化時(shí)，(Space)和Det的取值區(qū)間范圍，以使得芯片具有最好的角度測(cè)量性能。
[0146]圖30-32為單芯片偏軸磁電阻Z-X傳感器101所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)平均夾角Φ與永磁碼盤100旋轉(zhuǎn)角度Θ之間的關(guān)系圖,其中圓形永磁碼盤100半徑為r=8 mm,當(dāng)Det=I mm時(shí)，可以看出，圖30所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)一類型的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器的關(guān)系曲線102具有典型線性特征，而圖31所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)二類型的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器的關(guān)系曲線103則具有非線性特征，其波動(dòng)幅度明顯大于圖32所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)三類型的Z-X磁電阻角度傳感器104角度關(guān)系曲線。
[0147]圖33-35為三種類型單芯片偏軸磁電阻Z-X傳感器芯片101所對(duì)應(yīng)的Z、X磁電阻傳感器的測(cè)量磁場(chǎng)隨圓形永磁碼盤旋轉(zhuǎn)角度典型關(guān)系曲線圖，可以看出，三種結(jié)構(gòu)中，Z軸、X軸磁電阻傳感器測(cè)量磁場(chǎng)-旋轉(zhuǎn)角度曲線105、107、109以及106、108、110都為正余弦曲線，兩者之間相位差為90度。
[0148]圖36-38分別為三種結(jié)構(gòu)單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器的磁場(chǎng)角度關(guān)系的線性擬合特征參數(shù)R2與Det/r比率的關(guān)系圖?？梢钥闯?，圖36所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)一的R2曲線111隨Det/r比率增加而逐漸衰減，在Det=(T0.3 r距離時(shí)，具有最佳線性度；圖37所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)二的R2曲線112隨Det/r增加而逐漸增加，并在0.6?0.8 r時(shí)達(dá)到最大，而后開始降低；圖38所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)三R2曲線113隨Det增加在0.6 r附近達(dá)到最大值。
[0149]圖39-41為單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器的角度關(guān)系曲線的線性擬合參數(shù)R2與間隔(Space)/r比率關(guān)系圖，圖39為結(jié)構(gòu)一所對(duì)應(yīng)R2曲線117隨間隔(Space)/r比率關(guān)系圖，隨著間隔(Space)的增加，其R2逐漸減小，可以看出在(T0.3 r跨距時(shí)具有最好的線性特征，圖40為結(jié)構(gòu)二所對(duì)應(yīng)的R2曲線118隨間隔(Space)/r比率關(guān)系圖，隨間隔(Space)增加，R2逐漸增加，可以看出，其在0.5?0.7 r時(shí)具有最好的線性特征。圖41對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)三所對(duì)應(yīng)的R2曲線119在0.6 r附近具有最好的線性特征。
[0150]此外，縱向比較三種類型的磁電阻Z-X角度傳感器芯片，可以看出，第一種類型的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器具有最好的性能特征。
[0151]以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，用于探測(cè)與襯底表面垂直的平面上的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角，其特征在于，所述Z-X角度傳感器包括: 位于X-Y平面上的襯底； 位于所述襯底上的至少一個(gè)X軸磁電阻傳感器，用于探測(cè)平行于所述襯底表面的X軸磁場(chǎng)分量； 位于所述襯底上的至少一個(gè)Z軸磁電阻傳感器，用于探測(cè)垂直于所述襯底表面的Z軸磁場(chǎng)分量； 所述X軸磁電阻傳感器和所述Z軸磁電阻傳感器均包括磁電阻傳感單元和通量集中器，所述通量集中器為長(zhǎng)條形，其長(zhǎng)軸平行于Y軸方向，短軸平行于X軸方向，所述磁電阻傳感單元的敏感方向平行于X軸方向； 所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元和所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元都分別電連接成包括至少兩個(gè)橋臂的磁電阻橋，其中，每個(gè)所述橋臂為一個(gè)或多個(gè)所述磁電阻傳感單元電連接而成的兩端口結(jié)構(gòu)，且所述橋臂中的磁電阻傳感單元沿著平行于Y軸方向排列成多個(gè)磁電阻單元列； 所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻橋?yàn)橥仆焓诫姌颍渲?，推臂和挽臂分別位于所述Z軸磁電阻傳感器中的通量集中器上方或下方的Y軸中心線的不同側(cè)，且到各自對(duì)應(yīng)的所述Y軸中心線的距離相等； 所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻橋?yàn)閰⒖际诫姌颍渲?，參考臂位于所述X軸磁電阻傳感器中通量集中器的上方或下方的Y軸中心線位置上，敏感臂位于與所述X軸磁電阻傳感器中通量集中器上方或下方Y(jié)軸中心線距離大于通量集中器的一半寬度的位置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述通量集中器為包含N1、Fe、Co中的一種元素或多種元素的軟磁合金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感單元為GMR或TMR磁電阻傳感單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)Z軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿所述X軸方向位于所述X軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿所述X軸方向位于所述Z軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸、Z軸磁電阻傳感器分別包括多個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元、Z軸磁電阻傳感器子單元，且沿所述X軸方向交替排布，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器沿所述Y軸方向排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元和所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元沿所述X軸方向混合排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器具有共同的所述通量集中器。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含I個(gè)所述通量集中器，所述磁電阻傳感單元對(duì)應(yīng)于所述I個(gè)通量集中器。
10.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含2個(gè)所述通量集中器，所述推臂和挽臂分別位于所述2個(gè)通量集中器的Y軸中心線不同側(cè)的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器或Z軸磁電阻傳感器子單元包含N+2個(gè)所述通量集中器，且所述磁電阻傳感單元對(duì)應(yīng)于中間N個(gè)所述通量集中器，所述N為正整數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N個(gè)磁電阻單元列，所述X軸磁電阻傳感器中相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的間距為L(zhǎng) ;當(dāng)所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器數(shù)量為2N-2個(gè)時(shí)，所述X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)所述磁電阻單元列相鄰并對(duì)應(yīng)于參考臂，且間距為2L ;當(dāng)所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器數(shù)量為2N-1個(gè)時(shí)，所述X軸磁電阻傳感器正中間的兩個(gè)所述磁電阻單元列對(duì)應(yīng)于敏感臂，且間距為2L，其中L為自然數(shù)，所述N為大于I的整數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器或X軸磁電阻傳感器子單元包括2N個(gè)磁電阻單元列以及2N-1個(gè)所述通量集中器，且所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻單元列交替分布于所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器的上方或下方以及距離Y軸中心線大于所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器一半寬度的位置，所述N為正整數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述通量集中器數(shù)量為2N+2時(shí)，所述Z軸磁電阻傳感器包含4N個(gè)磁電阻單元列，且對(duì)應(yīng)于中間2N個(gè)所述通量集中器，所述X軸磁電阻傳感器包含2N+2個(gè)磁電阻單元列，且所述X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)磁電阻單元列之間的距離為4L，相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的距離為L(zhǎng),其中L為自然數(shù),所述N為大于I的整數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述共同的通量集中器數(shù)量為2N+2，所述Z軸磁電阻傳感器包含4N個(gè)磁電阻單元列，分別對(duì)應(yīng)于中間2N個(gè)所述通量集中器，所述X軸磁電阻傳感器包含的磁電阻單元列數(shù)量為4N，且所述X軸磁電阻傳感器中間的兩個(gè)磁電阻單元列之間的距離為2L，相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的距離為L(zhǎng)，其中L為自然數(shù)，所述N為大于I的整數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述通量集中器數(shù)量為N，所述Z軸磁電阻傳感器包含的磁電阻單元列數(shù)量為2 (N-2)，對(duì)應(yīng)中間N-2個(gè)所述通量集中器，所述X軸磁電阻傳感器包含的磁電阻單元列數(shù)量為2 (N-1)，且其中一側(cè)的一個(gè)所述通量集中器的Y軸中心線上分布有一個(gè)磁電阻單兀列，所述N為大于3的整數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器中的參考臂和敏感臂所對(duì)應(yīng)的磁電阻單元列的數(shù)量相同，所述Z軸磁電阻傳感器中的推臂和挽臂所對(duì)應(yīng)的磁電阻單元列的數(shù)量相同。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器所對(duì)應(yīng)的所述通量集中器寬度相同，厚度也相同。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器之間的間隙處的磁電阻單元列所在位置處的磁場(chǎng)增益系數(shù)為l〈Asns〈100,所述X軸磁電阻傳感器的通量集中器上方或下方Y(jié)軸中心線處的磁電阻單元列所在位置的磁場(chǎng)衰減系數(shù)為0〈Aref〈I。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的間距L不小于所述Z軸磁電阻傳感器的通量集中器的寬度Lx。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器中相鄰兩個(gè)所述通量集中器之間的間距L>2Lx，所述Lx為所述Z軸磁電阻傳感器中所述通量集中器的寬度。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器,其特征在于,對(duì)于所述Z軸磁電阻傳感器，其上的所述磁電阻單元列與所述磁通量集中器的上方或下方邊緣的間距越小，或者其上的所述磁通量集中器的厚度Lz越大，或者其上的所述磁通量集中器的寬度Lx越小，所述Z軸磁電阻傳感器的靈敏度越高。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器的參考式電橋和/或所述Z軸磁電阻傳感器的推挽式電橋?yàn)榘霕?、全橋或者?zhǔn)橋結(jié)構(gòu)中的一種。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器以及Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元均具有相同的磁場(chǎng)靈敏度。
25.一種偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，包括權(quán)利要求1所述的單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器，其特征在于，所述偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x還包括圓形永磁碼盤，所述圓形永磁碼盤的磁化方向平行于位于所述圓形永磁碼盤的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)且過(guò)所述圓形永磁碼盤的圓心的直線，所述圓形永磁碼盤的寬度方向和旋轉(zhuǎn)軸方向均沿所述Y軸方向，旋轉(zhuǎn)平面為X-Z平面，所述襯底所在的X-Y平面距離所述圓形永磁碼盤邊緣的距離為Det，且Z軸過(guò)所述單芯片偏軸Z-X磁電阻角度傳感器的中心和所述圓形永磁碼盤的軸心，所述Det>0。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)Z軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿所述X軸方向位于所述X軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.2-0.3 r，且所述X軸磁電阻傳感器和所述Z軸磁電阻傳感器子單元之間的間隔為0-0.3 r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，其特征在于，X軸磁電阻傳感器包括兩個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元，且分別沿X軸方向位于所述Z軸磁電阻傳感器的兩側(cè)，所述Z軸磁電阻傳感器和X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.6-0.8 r，且所述X軸磁電阻傳感器子單元和Z軸磁電阻傳感器之間的間隔為0.5-0.7r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述X軸磁電阻傳感器、所述Z軸磁電阻傳感器分別包括多個(gè)X軸磁電阻傳感器子單元、Z軸磁電阻傳感器子單元，且沿所述X軸方向交替排布，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.5-0.7 r，且相鄰所述Z軸磁電阻傳感器子單元和所述X軸磁電阻傳感器子單元之間的間隔為0.6 r, r為所述圓形永磁碼盤半徑。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器沿所述Y軸方向排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器分別對(duì)應(yīng)不同的所述通量集中器，所述Det為0.5-0.7 r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元和所述X軸磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元沿所述X軸方向混合排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器具有共同的所述通量集中器，所述Det為0.5-0.7 r, r為所述圓形永磁碼盤的半徑。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的偏軸磁電阻Z-X角度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器沿所述Y軸方向排列，所述Z軸磁電阻傳感器和所述X軸磁電阻傳感器沒有共同的所述通量集中器，所述單芯片偏軸磁電阻Z-X角度傳感器沿所述圓形永磁碼盤的寬度方向位于所述圓形永磁碼盤的X軸和Z軸磁場(chǎng)均勻區(qū)。
【文檔編號(hào)】G01B7/30GK204043604SQ201420470308
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】詹姆斯·G·迪克, 周志敏 申請(qǐng)人:江蘇多維科技有限公司