CN100375890C - 含有可调零的gmr芯片的磁位移传感器 - Google Patents

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一种含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器，属于传感器技术领域，包括磁栅尺带、GMR芯片；GMR芯片使用巨磁电阻GMR纳米磁性薄膜作为磁阻敏感材料制作的磁传感器，含调零电阻；GMR芯片固定在印刷电路板(PCB)上，通过铝硅丝绑定实现与后处理电路的电信号联接。GMR芯片与PCB板构成动尺，当动尺在定尺上横向运动时，GMR芯片将检测到的磁栅的磁场强度强弱变化转化为电信号传给后处理电路，最后信号处理电路得出动尺相对于定尺移动的位移量。该发明热稳定性好、噪声低、响应时间快；磁场灵敏度和磁电阻变化率高，适合在低磁场下工作，便于与半导体电路集成，简化了器件结构，降低成本，在传感器技术领域有重大实用价值。

Description

含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器
技术领域
本发明涉及一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，是一种使用GMR芯片的位移传感器，属于传感器技术领域。
背景技术
在自动控制、机械制造、车船等工业应用领域需要大量的测量长度和角度位置的传感器或由多种位移传感器组成的系统。一般而言，要求这些传感器具有灵敏度高、分辨率高、响应快、稳定性好、体积小、功耗低等特点。
目前，常见的测量长度的传感器主要有以下四种类型：
1、利用光栅作为编码的光栅型位移检测装置，如专利97122401.3 CN1183546A(株式会社三丰)即描述了这样一种“光学位移检测装置”。这种光栅型位移检测装置的缺点是对使用环境的要求高，在有灰尘、油污的情况下不能正常工作。
2、利用量具中可相对位移的第一和第二标尺之间的电容耦合测量两标尺之间的相对位移的容栅型位移传感器，如专利CN87102624A(株式会社三丰)描述了一种“电容型位移传感器”。这类容栅型位移传感器的缺点是在潮湿或有水的环境中不能工作。
3、电感位移传感器，如专利96108034.5 CN1157910A(株式会社三丰)描述的“感应电流位置传感器”。它是利用两个可以相对移动的部件，一个是有源部件另一个是无源部件。有源部件含有一个产生磁场的发射装置和一个接受该磁场的接收装置，该接收装置包括许多对称的环路。当无源部件对接收装置接收的磁场产生扰动时，与该接收装置耦合的电路计算这两个部件的相对位置。这种位移传感器的缺点是有源部件的微型化很难。
4、利用磁阻传感器通过检测磁栅的磁场变化，从而实现位移测量的磁栅型位移传感器，如专利US5036276(Seiko Epson)、EP0624778B1(Heidenhain)、专利98107990.3 CN1199856A(布朗和沙普·特萨)、专利200410009165.1 CN1584504A(北京科技大学)，以上这些发明都是基于传统的磁电阻器件，它是利用铁磁材料的各向异性磁电阻效应(AMR)制作的磁敏感元件，它们的最大缺点是磁电阻变化率低、灵敏度低，因此提高测量精度会受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用巨磁电阻(GMR)芯片的磁位移传感器。
如图1所示，一种含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器，它主要包括：磁栅尺带1、GMR芯片2及置于PCB板3上的信号处理电路；磁栅尺带1作为定尺，它提供一个空间分布呈周期性变化的磁场；GMR芯片2作为动尺置于定尺的上方，它可以沿着磁栅的方向移动，从而检测出磁场的变化，并将磁场的变化转化为电信号输入信号处理电路；最后经信号处理电路得到动尺的位移量。
GMR芯片是用具有GMR效应的纳米多层磁性薄膜利用光刻方法将其刻成微米或压微米的磁电阻条，磁敏电阻条分为多组在空间分布上作周期性排列，使其与磁栅尺带的周期相匹配，将多组磁敏电阻构成两个结构相同、相位相差90度电桥。每个电桥至少有一个桥臂电阻“5”是由磁敏电阻构成，或者电桥的桥臂电阻“5”全部由磁敏电阻“5”构成，如图2所示。每个电桥含有一组由GMR磁性薄膜构成的调零电阻“6”。
GMR效应的纳米多层磁性薄膜是在氧化的硅衬底上淀积的，它的厚度为10～100纳米，其磁化曲线过零点(如图4所示)，工作时无需加偏磁场。
桥臂电阻“5”是一组磁敏电阻或者是多组相位相同的磁敏电阻构成，每组的磁敏电阻由单个或多个磁敏电阻条串联组成。使用多组连接在一起的结构的桥臂电阻可以提高电阻降低功耗，另一方面可以对磁场取平均减小误差；
调零电阻也是将GMR纳米磁性薄膜利用光刻方法制作，图3是调零电阻的连接方式。
桥臂电阻由一组或多组相位相同且周期性排列的磁电阻构成，每组的磁电阻条由单条或多条串联组成。
GMR芯片固定在印刷电路板(PCB)上，通过铝硅丝绑定实现GMR芯片与后处理电路的电信号联接；敏感元件GMR芯片与被充磁的磁栅条带之间保持适当的的距离，便于其移动实现位移测量。
利用磁阻器件结合磁栅技术测量长度的方法，提高分辨率和测量精度受两个方面条件的影响。其一，受磁阻器件本身磁电阻变化率(MR)和灵敏度(S)的影响，MR越大、S越高，测量系统的分辨率和测量精度就越高；其二，受磁栅制作技术的影响，磁栅的磁场强度和磁栅的极距，都会对测量产生影响。磁场越强，测量信号越大，对提高分辨率和测量精度越有利；如果输出信号保持不变，磁栅的极距越小，则分辨率和测量精度越高。这两个因素又是相互制约。以AMR器件为例，一方面AMR器件的磁电阻变化率(MR)和灵敏度(S)较小，使得磁栅的极距不能太小；另一方面为了使测量信号有足够的强度、系统的功耗能足够低，桥臂电阻需要达到一定的阻值，由于AMR薄膜较厚，其方阻小，因此其桥臂电阻占有较大的面积，也使的磁栅的极距不能太小。自旋阀型GMR纳米薄膜材料具有磁电阻变化率(MR)高、灵敏度高、饱和场低、频响范围宽、温度稳定性好等特点，例如其磁电阻变化率、灵敏度高比AMR材料高一个数量级，因此，GMR传感器不仅具有AMR传感器的特点，而且有比AMR传感器更好的性能。
本发明具有以下特点：
(1)磁场灵敏度和磁电阻变化率高，它可以得到比AMR传感器更高的分辨率和测量精度；
(2)适合在低磁场下工作，饱和场低于十奥斯特(0e)；
(3)热稳定性好，可在-40℃～150℃的温度范围工作；
(4)噪声低；
(5)响应时间快；
(6)便于与半导体电路集成，将GMR芯片与信号处理电路集成到一起，可以大大缩小测量装置的体积，简化后处理电路的设计，提高可靠性；
(7)磁电阻的磁化曲线过磁场零点，工作无需加偏磁场，简化了器件结构。
(8)易于得到大电阻，自旋阀型GMR纳米薄膜的厚度在几十纳米的范围，比通常的各向异性铁磁(AMR)薄膜的厚度低1～2个数量级，在同样条宽下，GMR纳米薄膜的电阻比AMR薄膜大的多。它带来的好处有两点，其一，制作低功耗器件更容易；其二，使得采用极距λ更小的磁栅条以提高测量精度成为可能；
(9)采用与电桥桥臂电阻相同的GMR材料制作调零电阻，一方面可以避免外电路调零引起的温度漂移，另一方面可以提高制作GMR芯片的成品率，降低成本。
附图说明
图1是测量装置的结构示意图，其中“1”是磁栅，“2”是GMR芯片，“3”是印刷电路板(PCB)，“4”是磁电阻，d是GMR芯片与磁栅的间距，λ为磁栅的磁化周期。
图2是GMR芯片中桥臂电阻的相位关系图，其中“5”是桥臂电阻，端点G接地，端点V加工作电压，端点S1、S2(或C1、C2)为信号输出端。
图3是两种调零电阻的连接方式，其中(a)是由两组调零电阻“6”组成电桥，通过调整这两组电阻的阻值可使电桥平衡；(b)是由一组调零电阻“6”组成的电桥，通过调整这组电阻的阻值并选择联接点g1或g2可使电桥平衡。
图4是磁敏电阻的磁化曲线。
图5是测量系统的示意图，其中“1”是磁栅尺带，“2”是GMR芯片，“7”是信号处理电路(它包括信号放大、A/D转换、运算器、译码器等)，“8”是液晶显示屏，“9”是电源。
具体实施方式
本发明可以应用于可以固定定尺的长度测量场合，如机床控制、游标卡尺等。下面结合图五对本发明的技术方案作进一步描述。
如图五所示，本发明包括一个定尺(磁栅尺带“1”固定在定尺表面)、一个GMR芯片“2”、信号处理电路“7”及液晶显示屏“8”。电源“9”给GMR芯片“2”的电桥、信号处理电路“7”、液晶显示屏“8”供电。当GMR芯片在测量系统的磁栅上横向运动时，检测磁栅上磁场强度强弱变化，通过电桥输出相位相差90度的两路信号，经过放大器、A/D转换，将结果送入运算器中，将两路信号的数值进行运算，通过查反正切表的方法计算得出位移量，并将结果送入译码器输出液晶显示，从而实现长度的测量。

Claims (4)

1.一种含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器，其特征在于：由含有调零电阻的GMR芯片和被充磁的磁栅尺带构成；
GMR芯片固定在印刷电路板上，与后处理电路相联；
GMR芯片与磁栅尺带之间有缝隙d，便于GMR芯片在磁栅尺带上方移动。
2.根据权利要求1所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器，其特征在于，所述GMR芯片是用具有GMR效应的纳米多层磁性薄膜利用光刻方法将其刻成微米或亚微米的磁敏电阻条，磁敏电阻条分为多组在空间分布上作周期性排列，使其与磁栅尺带的周期相匹配，将多组磁敏电阻构成两个结构相同、相位相差90度电桥；每个电桥至少有一个桥臂电阻是由磁敏电阻构成，或者电桥的桥臂电阻全部由磁敏电阻构成；每个电桥有一组由GMR磁性薄膜构成的调零电阻。
3.根据权利要求2所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器，其特征在于，所述由磁敏电阻构成的桥臂电阻是一组磁电阻或者是多组相位相同的磁电阻构成，每组的磁电阻由单个或多个磁敏电阻条串联组成。
4.根据权利要求2所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁位移传感器，其特征在于，所述GMR效应的纳米多层磁性薄膜是在氧化的硅衬底上淀积的，它的厚度为10～100纳米。
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