CN102099702B - 用于检测磁性的测量装置和这种测量装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

用于检测测量装置周围磁性的测量装置，具有由至少两个向一行方向延伸的行设置的磁阻效应传感元件组成的传感器行和一个产生磁控制场的磁控制场装置，磁控制场具有对着行方向的磁场分量，其场强在行方向上变化，其中，行方向上的这种场强分布在形成传感器行的传感元件至少两个在行方向上依次设置的传感器边缘上没有过零点和/或者最大值或者最小值。

Description

用于检测磁性的测量装置和这种测量装置的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测测量装置周围磁性的测量装置以及这种测量装置的制造方法并在权利要求中要求德国专利申请书10 2008 033 579.7的优先权。 

背景技术

现有技术中公开了用于识别上面印刷磁性图案纸币的测量装置。这种测量装置例如在EP 1 729 142 A1中有所介绍。那里所介绍的测量装置的缺点是，在所要确定的磁性图案通过那里所具有的传感器行内的空隙情况下出现检测不精确性。所公开的测量装置在传感器行的单个传感元件之间其空隙区域内的检测精确性低。 

发明内容

在这种背景下本发明的目的在于，提供一种用于检测测量装置周围磁性的测量装置，利用该测量装置可以更精确地检测测量装置周围的这些磁性。本发明此外的目的在于，提供一种制造这种测量装置的方法。 

本发明从这种主导思想出发，即测量装置具有产生磁控制场(Stützfeld)的控制场装置(Stützfeldvorrichtung)，该磁控制场具有对着行方向的磁场分量，其场强在行方向上的传感器行内变化。人们知道，传感器行出于加工工艺的原因在单个传感元件之间具有空隙和具有优点的是提高各自传感元件边缘(Sensorrand)区域内的灵敏度。由此存在的可能性是，更加准确地检测两个传感元件边缘之间空隙内的磁性。 

事实证明，为此特别适用一种控制场装置，其磁控制场对着行方向的磁场分量具有场强分布，该场强分布在形成传感器行的传感元件至少两个在行方向上依次设置的传感器边缘上没有过零点和/或者最大值或者最小值。 

人们知道，如果磁控制场对着行方向的磁场分量的场强分布靠近传感元件的传感器边缘具有过零点的话，可以提高传感元件边缘上的灵敏度。如果磁控制场 对着行方向的磁场分量的场强分布在传感元件的传感器边缘具有最大值或者最小值的话，则会对传感元件的灵敏度不利。为实现本发明的优点，仅需磁控制场对着行方向的磁场分量的场强分布在形成传感器行的传感元件至少两个在行方向上依次设置的传感器边缘上没有过零点。在此方面，特别优选磁控制场对着行方向的磁场分量的场强分布在形成传感器行的传感元件两个在行方向上依次设置的传感器边缘之间没有过零点。为实现本发明的优点，同样仅需磁控制场对着行方向的磁场分量的场强分布在形成传感器行的传感元件两个在行方向上依次设置的传感器边缘之间没有最大值或者最小值。在一种优选的实施方式中，磁控制场对着行方向的磁场分量的场强分布在形成传感器行的传感元件两个在行方向上依次设置的传感器边缘之间既没有过零点，在形成传感器行的传感元件的这两个在行方向上依次设置的传感器边缘上也没有最大值或者最小值。 

在一种优选的实施方式中，磁控制场对着行方向的磁场分量的场强分布在传感元件的整个区域内没有过零点。 

测量装置的传感器行具有至少两个设置在一行上的磁阻效应传感元件。传感器行的长度并因此所使用的磁阻效应传感元件的数量取决于所要实施的检测。为检测欧元纸币，一个传感器行例如可以具有10个以上，特别是优选20个以上，例如28个传感元件。为形成传感器行，传感元件设置在一行内。特别优选所有传感元件的纵向中轴线处于一条线上。但也可以设想，单行的传感元件与对着行方向的轴线相关不同设置，从而单个传感元件的纵向中轴线不再都处于一条线上。但特别优选这样设置的传感元件这样设置，使单个传感元件部分重叠。 

在一种优选的实施方式中，多个传感元件组成一组，例如设置在一个共同的控制结构上。这种组下面称为传感器。一个传感器例如可以具有2、3、4或者多个传感元件。但一个传感器也可以通过唯一的传感元件形成。 

在一种优选的实施方式中，上面设置单个或多个传感元件的传感器作为芯片构成。芯片然后可以设置在测量装置的支板(“板”)上。特别优选多个，特别是四个传感元件设置在一个芯片上。传感元件在芯片上最好彼此等距并设置在芯片的边缘上。芯片可与支板直接连接，例如通过所谓的“板上芯片(Chip-on-board)”或者“倒装芯片(Flip-Chip)”工艺。作为选择，传感器对着芯片可以具有外壳，特别优选塑料外壳，该外壳借助表面贴装(Surface-Mount)工艺与支板导电和机械连接。 

在一种优选的实施方式中，传感元件等距设置在行方向上。在一种特别优选的实施方式中，第一传感元件与相邻传感元件的距离与两个传感元件中心之间的距离相关在1到10mm之间，最好在2到5mm之间和特别优选为3.5mm。在一种特别优选的实施方式中，芯片具有两个在行方向上依次设置的传感元件并在行方向上具有-无外壳-1.5-9mm，最好2-3mm和特别优选2.5mm的长度。在一种具有优点的实施方式中，从一个芯片的边缘到相邻芯片边缘的距离小于1.5mm和特别优选小于1.1mm。 

在一种可选择的实施方式中，传感元件这样设置，使设置在一个芯片上的两个相邻传感元件的两个边缘之间的距离小于不设置在一个芯片上的相邻传感元件两个边缘之间的距离。两个芯片之间的距离一般通过可以将芯片连接在支板上的工艺预先规定。这些工艺一般需要比将两个磁阻效应传感元件设置在一个芯片上的空间更多的空间。测量装置的灵敏度因此可以由此得到提高，即无论是将传感元件安装在芯片上，还是将芯片安装在板上，均可以按照各自所使用的工艺那样紧密进行。 

在芯片上制造传感元件优选采用平面技术、半导体技术或者微系统的方法进行。 

传感器行内的传感元件是磁阻效应传感元件。特别是传感元件可以具有“各向异性的”磁阻效应(AMR效应)或者“极高的“磁阻效应(GMR效应)。但传感元件也可以具有其他效应，例如像巨型磁阻效应(GMI)、隧道磁阻效应(TMR)或者霍尔效应。 

依据本发明的测量装置可以用于检测测量装置周围的磁性。测量装置周围的磁性特别是指测量装置周围磁场的磁场强度、测量装置周围磁场的场方向或者也指例如测量装置磁场周围场强或场方向的改变。例如作为周围的磁性是指环绕测量装置的磁场场强和场方向的改变，如果该磁场通过由纸币的磁性图案产生的磁场重叠而改变的话。在一种优选的实施方式中，传感器行这样设计，使其仅探测测量装置周围磁性空间上和/或者时间上的变化。 

依据本发明所使用的控制场装置可以由一个或者多个部件例如永久磁铁组成。但控制场装置也可以由大量的元件组成，例如像在借助电磁线圈产生磁场所需的那些元件。 

在一种优选的实施方式中，控制场装置产生控制场，其指向行方向的磁场分 量具有行方向上的场强分布，该场强分布在形成传感器行的传感元件的至少两个传感元件之间具有最小值。在一种至少两个芯片具有各自两个设置在芯片上的传感元件特别优选的实施方式中，控制场装置产生控制场，其指向行方向的磁场分量具有行方向上的场强分布，该场强分布在芯片之间具有过零点并在一个芯片的各传感元件之间具有最大值或最小值。 

在一种优选的实施方式中具有一种基本上仅产生在传感元件内作用的场的控制场设置。这种实施方式依据目的可以用于探测英磁材料。特别优选使用一种控制场设置，其中垂直时着传感元件的磁场分量具有一种场强分布，该场强分布在传感元件后面向从控制场装置到对着传感元件的方向上迅速下降，例如在对着该方向的传感元件表面的上面与传感器表面相距2mm在该方向上具有其最大场强约50％的数值。通过将具有硬磁的检测对象导过这种测量装置，检测对象硬磁的场与该控制场重叠。紧贴在传感元件上的总磁场重叠带来的变化通过传感元件可以检测到。 

在一种优选的实施方式中具有一种产生远远超出传感元件作用的场的控制场设置，该场可以使硬磁材料或者软磁材料均可以得到探测。特别优选使用一种控制场设置，其中垂直对着传感元件平面的磁场分量具有一种场强分布，该场强分布在传感元件后面向从控制场装置到对着传感元件的方向上仅少量下降，例如在对着该方向的传感元件表面的上面与传感器表面相距2mm在该方向上具有其最大场强约80％的数值。通过将既具有硬磁材料也具有软磁材料的检测对象导过这种测量装置，控制场通过这种材料的存在而变形。紧贴磁场的这种变形可以由产生传感器信号的传感元件探测到。特别优选控制场在检测期间设置检测对象的测量装置的区域内具有高于所要探测的磁性结构矫顽磁场强度最好至少三倍的磁场强度。 

已经达到提高测量精度的是，至少两个行方向上依次设置的传感器边缘上，行方向上的场强分布没有过零点和/或者最大值或者最小值。在此方面，行方向上依次设置的这些传感器边缘彼此不必直接跟随。达到本发明的成功还在于，只要是通过传感器行的整个延伸在行方向上依次设置的边缘，行方向上的场强分布在传感器行任意第一传感元件的任意边缘上和传感器行任意第二传感元件的任意边缘上就没有过零点和/或者最大值或者最小值。 

在依据本发明的测量装置的一种实施方式中，行方向上的场强分布在形成传感器行的传感元件的一个传感器边缘上具有过零点和/或者最大值或者最小值。依据本发明的优点然后在其他传感元件边缘上实现。 

在依据本发明的测量装置一种特别优选的实施方式中产生控制场，其中行方向上的场强分布在形成传感器行的传感元件在行方向上所有依次设置的传感器边缘上没有过零点和/或者最大值或者最小值。控制场例如通过每个传感元件的各自一个磁铁产生。该磁铁在最简单的情况下可以在制造传感元件期间直接安装在传感器上。 

控制场可以是时变的的，例如脉冲式构造的。但在一种优选的实施方式中，控制场是时不变的并设置以相同的方式存在。这样特别是简化测量装置的结构，因为为产生控制场可以使用永久磁铁。 

在一种优选的实施方式中，行方向上的场强分布为周期性的并在一种特别优选的实施方式中，是传感器行的传感元件之间优选保持不变的距离周期的整数数倍或整数的一小部分。在一种特别优选的实施方式中，控制场装置在传感器行的首端和末端设置磁铁，这些磁铁在到行方向上的场强基本上周期性分布的行末端上也导过传感器行。这一点可以通过优选具有至少3个超出传感器行末端的其他极的磁铁设置实现。在一种优选的实施方式中，为缩短总结构长度，边缘效应通过改变外部磁铁的几何形状或者磁化或者设置得到降低，例如以约30％的磁铁周期缩短磁铁的长度。 

在一种优选的实施方式中，控制场装置具有一行并非，特别是在传感元件的行方向上并排设置的磁铁。该行磁铁的磁化可以交变，从而一个磁铁的磁化与其相邻磁铁的极化相反。但一行内并排设置的磁铁也可以具有相同的磁化。在这种情况下，磁铁特别优选在行方向上彼此相邻设置。但一行内并排设置的磁铁也可以具有交替的磁化，它们增强传感元件侧的磁场并削弱背面的磁场。 

在一种优选的实施方式中，特别是在行方向上并排设置磁铁的情况下，其中一个磁铁的磁化与相邻磁铁的磁化交变，磁铁彼此直接相邻设置。这样使控制场均匀分布。 

控制场装置特别是由塑料粘合的硬铁氧体或者由侧面地磁铁制造。 

在一种优选的实施方式中，控制场装置具有一行并排设置的磁铁，其中磁化交变地相对于传感器行这样设置，使从一个磁铁向相邻磁铁的过渡相对于传感元件在行方向上的延伸设置在至少一个传感元件的中心。由此按照简单方式达到行 方向上的场强分布在形成传感器行的传感元件相互设置的传感器边缘上没有过零点和/或者最大值或者最小值。 

在一种优选的实施方式中，控制场装置具有永久磁铁。由此可以简单构成控制场功能。 

在一种优选的实施方式中，测量装置具有两个并排设置的传感器行，例如两个在所要检测的检测对象可以运动的检测方向上并排设置的传感器行。由此可以进一步通过测量精度。作为补充或者选择，测量装置可以具有两个并排设置的控制场装置。由此可以使控制场的场分布均匀化。控制场磁铁有限的空间延伸特别是在使用空间上延伸的梯度传感器时会导致不希望的传感器特性，例如像灵敏度波动。为避免这种缺陷，在一种优选的实施方式中通过使用至少另一个相距设置的控制磁铁达到控制场垂直于行方向的均匀化。 

在一种特别优选的实施方式中，具有两个在行方向上依次设置的传感器行，用于测定不同的特性。公知纸币具有所谓的硬磁和软磁图案。为识别硬磁图案需要使纸币预磁化。为识别软磁图案需要强控制场。硬磁图案和软磁图案的同时识别可以通过第一传感器行的控制场进行，首先将纸币导过该行。该行的控制场因此可以识别软磁图案并同时用于硬磁结构的预磁化。如果随后将纸币导过第二传感器行，那么该第二传感器行可以分开识别硬磁图案。在一种优选的实施方式中，无论是第一传感器行还是第二传感器行，均具有控制场装置。分开识别软磁和硬磁结构的优点是提高真实性检验。同时可以取消使用分开的预磁化。 

在一种优选的实施方式中，依据本发明的测量装置具有设置在传感器行前面的预磁化磁铁。利用这种预磁化磁铁可以进行软磁图案检测对象的磁化。如果随后将检测对象导过传感器行，那么该传感器行可以识别硬磁图案。在一种优选的实施方式中，预磁化磁铁这样构成和设置，使其在至少一个，最好所有传感元件内产生磁场，基本上仅具有一个垂直对着传感元件平面的方向。由此可以避免预磁化磁铁的场影响传感元件的灵敏度。 

在一种优选的实施方式中，测量装置没有预磁化磁铁。利用这种测量装置，检测对象的磁化例如可以由此产生，即控制场在检测期间设置检测对象的测量装置区域内，具有明显高于所要探测的磁结构矫顽磁场强度的磁场强度。 

依据本发明的装置可与前置放大器共同在一个外壳内构成。作为补充或者选择，外壳可以具有防止磨损或者这类现象的措施。 

依据本发明测量装置的依据本发明的制造方法，具有一行并排设置的磁铁的控制场装置相对于传感器行定向。为此导电体设置在传感器行的附近。导电体这样构成，使其在电流通过时产生一个电场，该电场在传感器行的传感元件产生取决于控制场装置的位置、与传感器行相对于第一附近的导电体的位置无关的信号。因此借助该信号可以识别控制场装置是否设置在相对于传感器行所要求的位置上。利用这种装置还可以控制单个传感元件的灵敏度。 

依据本发明的测量装置可以在识别有价证券上的图案方面使用，例如像通常具有软磁和/或者硬磁图案的纸币、支票。依据本发明的测量装置同样可以在识别所谓的日期或者磁条形码方面使用。依据本发明的测量装置同样可以在材料检验方面使用，例如像确定缺陷部位、孔或者裂纹等。依据本发明的测量装置同样可以在生物芯片的磁性数组或者所谓“片上实验室(Lab-n-a-chip)”工艺中，例如用于验证磁珠或者用于数组灵敏度分布的均匀化。 

附图说明

下面借助仅示出一个实施例的附图对本发明进行详细说明。其中： 

图1示出依据本发明的测量装置俯视图的示意图； 

图2示出依据本发明的测量装置产生巨大作用控制场的控制场装置结构侧视图的示意图； 

图3示出依据本发明的测量装置产生局部限制在传感元件上的控制场的控制场装置结构侧视图的示意图； 

图4示出依据本发明的测量装置产生局部限制在传感元件上的控制场的控制场装置结构侧视图的示意图； 

图5示出控制场装置的剖面图，其中示出在两个传感元件的区域内单排设置控制场磁铁发散的场分布；以及 

图6示出具有两个控制场装置设置的剖面图，其中示出在两个传感元件的区域内双排设置控制场磁铁均匀、平行的场分布。 

具体实施方式

依据本发明用于检测测量装置周围磁性的测量装置具有并排设置的磁阻效应传感元件1。传感元件1设置在两个彼此平行的行4a、4b内。单个磁阻效应的 传感元件1合并在一个传感芯片2上。传感芯片2与外壳形成一个传感器3，该传感器设置在测量装置未详细示出的支板上。 

依据本发明的测量装置在图1的图示中具有至少两个并排设置的芯片2。芯片2这样并排设置，使一个传感器行4a、4b内所有传感元件1的披此距离相同。 

传感器行的长度并因此磁阻效应传感元件1的行取决于所要进行的检测。特别是所使用的传感芯片2的数量取决于检测任务，也就是基本上取决于所要检测的对象的宽度和传感芯片2的尺寸。为检测欧元纸币，一个传感器行例如可以具有10个以上，特别优选20个以上例如28个传感元件1。 

图2-4示出控制场装置可能的结构形式，利用该装置可以产生磁场，该磁场具有对着行方向上的磁场分量，其场强在行方向上的传感器行内变化。在图2-4中，线段E代表设置传感元件1垂直于图平面的平面。平面E上未详细示出的传感元件1形成从右到左分布的传感器行。 

控制场装置通过多个磁铁5形成，这些磁铁在图2-4所示的实施方式中设置在平面E的下面，下面与检测期间检测对象所处的测量装置的区域相关(在图2-4的图示中并在图2-4的实施例中该区域处于平面E的上面)。 

在图2所示的实施方式中，磁铁5相同定向。磁铁的各自北极对着上面。正如从图2所示的场线中可看到的那样，支承场此外从极向上扩展。在此方面，在各自极的中心垂直向上定向。由于设置对称，控制场在两个磁铁5之间的中心线上也垂直向上定向，而两个磁铁5之间的极中心与中心线之间则具有与垂直向上的方向不同的方向并因此具有对着行方向其场强不同于零的磁场分量。行方向上的这种对着行方向的磁场分量的分布在图2中所包含的图示中示出。在该图示中，为更好定向图示中作为矩形代表示出传感元件。 

在图3所示的实施方式中，磁铁5交变定向。正如从图3所示的场线可看到的那样，控制场在各自极的中心垂直向上扩展。各自的极中心与各自相邻极的中心之间，控制场以图3所示的方式扩展。因此控制场具有对着行方向其场强不同于零的磁场分量。行方向上这种对着行方向的磁场分量的分布在图3中所包含的图示中示出。 

在图4所示的实施方式中，磁铁5交变定向。正如从图4所示的场线可看到的那样，控制场在各自极的侧面垂直向上扩展。各自磁铁5的各自极该侧面与各自相邻极的另一侧面之间，控制场以图4所示的方式扩展。因此控制场具有对着 行方向其场强不同于零的磁场分量。行方向上这种对着行方向的磁场分量的分布在图4中所包含的图示中示出。 

正如从图2-4所示的图示中可看到的那样，控制场装置在传感器行4a、4b的区域内产生在行方向上可变的周期性磁场。可以看出，行方向上的场强分布在传感元件1边缘的区域内，既没有过零点，也没有最大值或者最小值。在图2-4所示的实施方式中，场强分布在一个传感芯片的中心具有最大值或最小值并在两个传感芯片之间具有过零点。 

图5和6示出通过在传感器行内平行设置两排控制场磁铁5产生更加均匀场的情况。图5所示的控制场装置由一排单个的控制场磁铁组成，其中，在图5的图示中磁铁排垂直于图平面延伸。图5和6所示的结构形式具有两个垂直于图平面延伸平行并排设置的传感器行。借助图5所示的场线可以看出，控制场在传感器行的平面上在所示的传感元件内具有场分量，其在图5和6的图示中对着右侧或左侧。依据图6所示的优选实施方式具有两个彼此平行定向的控制场装置。借助图6所示的场线可以看出，控制场在传感器行的平面上所示的传感元件内基本上仅具有一个垂直于传感元件平面的场分量。 

Claims (16)

1.一种用于检测测量装置周围磁性的测量装置，具有传感器行和产生磁控制场的控制场装置，所述传感器行由至少两个设置于在一个行方向上延伸的行中的磁阻效应传感元件(1)组成，磁控制场具有指向行方向的磁场分量，所述磁场分量的场强在行方向上变化，其中，行方向上的这种场强分布在形成传感器行的传感元件(1)的至少两个在行方向上依次设置的传感器边缘上没有过零点和／或没有最大值或最小值，其特征在于，设置至少两个芯片，所述芯片分别带有两个在所述芯片上设置的传感元件，其中，控制场装置产生控制场，该控制场的指向行方向的磁场分量具有行方向上的场强分布，该场强分布在所述芯片之间具有过零点并在一个芯片的各传感元件之间具有最大值或最小值。

2.按权利要求1所述的测量装置，其特征在于，行方向上的场强分布在形成传感器行的传感元件(1)的每个传感器边缘上没有过零点和／或没有最大值或者最小值。

3.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，控制场是不随时间变化的。

4.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，行方向上的场强分布至少具有两个最大值和一个最小值。

5.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，行方向上的场强分布在行的区域内为周期性的。

6.按权利要求1所述的测量装置，其特征在于，控制场装置具有一行并排设置的磁铁(5)，其中，磁铁(5)的磁化与其相邻磁铁(5)的磁化相反。

7.按权利要求1所述的测量装置，其特征在于，控制场装置具有一行并排设置的磁铁(5)，其中，磁铁(5)的磁化平行于其相邻磁铁(5)的磁化。

8.按权利要求6或7所述的测量装置，其特征在于，磁铁(5)直接彼此邻接。

9.按权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述一行并排设置的磁铁(5)相对于传感器行被设置为使得磁铁向相邻磁铁的过渡不设置在至少一个传感元件(1)对于其在行方向上的延伸的中心上。

10.按权利要求6或7所述的测量装置，其特征在于，使用具有局部变化的磁化分布的单个磁铁。

11.按权利要求6或7所述的测量装置，其特征在于，控制场装置具有永久磁铁。

12.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于具有至少两个并排设置的传感器行。

13.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于具有至少两个并排设置的控制场装置。

14.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于具有至少两个依次设置的传感器行。

15.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，传感元件(1)被设置为使得传感器信号由在传感元件(1)近区内产生的、局部的场梯度确定，但不由均匀场确定。

16.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，行方向上的场强分布在至少一个传感元件上通过直接安装在设置有传感元件的芯片上的磁铁产生。