CN115394761A - 一种磁传感器芯片及其制备方法以及磁编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁传感器芯片及其制备方法以及磁编码器，其中，磁传感器芯片包括基板、设置在基板上的磁阻元件组和与磁阻元件组连接的电极。磁阻元件组设置为八组，八组磁阻元件组沿同一圆心均布；每组磁阻元件组包括两个磁阻元件，每个磁阻元件包括四个与磁阻元件组同心并呈扇形均布的磁阻条；每组磁阻元件组中一个磁阻元件的磁阻条与另一个磁阻元件中对应位置的磁阻条的圆心角为15°；一组磁阻元件组中的磁阻条与其相邻的另一组磁阻元件组中对应位置的磁阻条的圆心角为30°。通过磁阻元件组和构成磁阻元件的磁阻条的布置方式，能够有效消除芯片输出信号中的三次谐波，使得输出信号更接近完整的正弦波与余弦波，从而提高旋转角度的检测分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及旋转角度测量技术领域，特别涉及一种磁传感器芯片及其制备方法以及磁编码器。
背景技术
磁编码器是一种通过磁场检测而实现旋转角度测试与定位的装置，主要由磁码盘、磁传感器、机械支撑结构与信号处理模块组成。磁编码器的分辨率受许多因素影响，比如磁码盘与磁传感器芯片装配的相对位置、磁编码器的机械结构设计和信号处理模块设计等。对于磁传感器芯片，其分辨率决定了相应磁编码器输出的波形是否为完整的正弦波，磁编码器输出的两相原始波形信号越接近正弦波与余弦波，信号-角度转换的准确度越高，也更有利于后续信号处理电路中细分电路的处理。
目前用于制备磁传感器芯片中的磁阻元件的各向异性磁阻材料在磁场中电阻率的变化具有饱和现象，即所制备的磁阻元件会输出高次谐波分量信号，造成干扰，从而影响了磁传感器芯片整体分辨率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中磁阻元件会输出高次谐波分量信号，从而影响了磁传感器芯片整体分辨率的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁传感器芯片，包括基板、设置在所述基板上的磁阻元件组和与所述磁阻元件组连接的电极，其特征在于：所述磁阻元件组设置为八组，八组所述磁阻元件组沿同一圆心均匀布置；每组所述磁阻元件组包括两个磁阻元件，每个所述磁阻元件包括四个与所述磁阻元件组同心并呈扇形均布的磁阻条；每组所述磁阻元件组中一个磁阻元件的磁阻条与另一个磁阻元件中对应位置的磁阻条的圆心角为15°；一组磁阻元件组中的磁阻条与其相邻的另一组磁阻元件组中对应位置的磁阻条的圆心角为30°。
可选地，所述磁阻条采用各向异性磁电阻薄膜材料制备而成。
可选地，所述各向异性磁电阻薄膜材料为Ni80Fe20合金。
可选地，所述磁阻条为矩形。
可选地，所述磁阻条的长为200μm，宽为8μm。
本申请还提供了一种磁传感器芯片的制备方法，其包括以下步骤：
S01、以硅片为衬底，采用磁控溅射法沉积各向异性磁阻材料的多层膜结构；
S02、将沉积多层膜结构的硅片衬底采用微加工工艺刻蚀成磁阻条，并将多个磁阻条排列构成一个磁阻元件；
S03、在磁阻元件上溅射生长金属电极层膜；
S04、采用套刻工艺加工出电极图案，连接各个磁阻元件。
可选地，所述步骤S01中，所述各向异性磁阻材料的多层膜结构为Ta/NiFe/Ta膜，其中，Ta层的厚度为3-10nm，NiFe层的厚度为20-50nm，溅射过程中设备的本底真空优于3.0×10-7Torr，且硅片衬底两侧需施加取向磁场。
可选地，所述步骤S03中，所述生长金属电极层薄膜为Au、Ag、Cu、Cr、Al、Pt等导电性能优异的金属材料，厚度为50-300nm，溅射时本底真空优于3.0×10-7Torr。
本申请还提供了一种磁编码器，其包括上述任一项所述的磁传感器芯片、磁码盘、机械支撑结构和信号处理模块。
可选地，所述磁码盘为单对极磁铁或多对极圆形磁铁，所述磁码盘与所述磁传感器芯片同心设置。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
一种磁传感器芯片及其制备方法以及磁编码器，其中，磁传感器芯片包括基板、设置在所述基板上的磁阻元件组和与所述磁阻元件组连接的电极。所述磁阻元件组设置为八组，八组所述磁阻元件组沿同一圆心均匀布置；每组所述磁阻元件组包括两个磁阻元件，每个所述磁阻元件包括四个与所述磁阻元件组同心并呈扇形均布的磁阻条；每组所述磁阻元件组中一个磁阻元件的磁阻条与另一个磁阻元件中对应位置的磁阻条的圆心角为15°；一组磁阻元件组中的磁阻条与其相邻的另一组磁阻元件组中对应位置的磁阻条的圆心角为30°。通过上述磁阻元件组的布置方式以及构成磁阻元件的磁阻条的布置方式，能够有效消除芯片输出信号中的三次谐波，使得输出信号更接近完整的正弦波与余弦波，从而提高旋转角度的检测分辨率。
附图说明
图1是本申请提供的磁传感器芯片一实施例的结构示意图。
图2是本申请提供的磁传感器芯片一实施例中磁阻元件的细节图。
附图标记说明如下：
10、磁阻元件组；11、磁阻元件；111、磁阻条；20、电极。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
请参阅图1，本申请提供了一种磁传感器芯片，其应用于磁编码器有利于三次谐波消除，所述磁传感器芯片包括基板(图中未示出)、设置在所述基板上的磁阻元件组10和电极20。
如图1所示，所述磁阻元件组10设置为八组，八组所述磁阻元件组10沿同一圆心均匀布置且距圆心的距离相同，八组所述磁阻元件组10的长度方向与自圆心向外辐射的方向一致。每组所述磁阻元件组10包括两个磁阻元件11，所述磁传感器芯片共有16个所述磁阻元件11。请参阅图2，具体地，将16个所述磁阻元件11依次沿逆时针方向命名为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16。其中，R1和R16、R2和R3、R4和R5、R6和R7、R8和R9、R10和R11、R12和R13、R14和R15分别组成八组所述磁阻元件组10。
每个所述磁阻元件11包括四个与所述磁阻元件组10同心并呈扇形均布的磁阻条111，每组所述磁阻元件组10中一个磁阻元件11的磁阻条111与另一个磁阻元件11中对应位置的磁阻条111的圆心角为15°，一组所述磁阻元件组10中的磁阻条111与其相邻的另一组所述磁阻元件组10中对应位置的磁阻条111的圆心角为30°。具体地，以所述磁阻元件11中的R1、R2和R3为例进行说明，如图2所示，R1和R2位于相邻的两个所述磁阻元件组10中，R2和R3位于同一组所述磁阻元件组10中，将R1中的四个所述磁阻条111沿逆时针方向依次命名为R1-1、R1-2、R1-3和R1-4，将R2中的四个所述磁阻条111沿逆时针方向依次命名为R2-1、R2-2、R2-3和R2-4，将R3中的四个所述磁阻条111沿逆时针方向依次命名为R3-1、R3-2、R3-3和R3-4；其中，R1-1和R2-1为相邻的两个所述磁阻元件组10中相应位置的磁阻条111，则R1-1和R2-1之间的圆心角为30°，R2-1和R3-1为同一组所述磁阻元件组10中两个磁阻元件11之间的相应位置的磁阻条111，则R2-1和R3-1的圆心角为15°。通过上述磁阻元件组10的布置方式以及构成所述磁阻元件11的磁阻条111的布置方式，能够有效消除芯片输出信号中的三次谐波，使得输出信号更接近完整的正弦波与余弦波，从而提高旋转角度的检测分辨率。
在本实施例中，所述磁阻条111为矩形，长为200μm，宽为8μm；所述磁阻条111采用各向异性磁电阻膜材料制备而成，具体为Ni80Fe20合金。可以理解地是，所述磁阻条111的长度和宽度可以进行改变，只要所述磁阻条111满足同心以及上述角度布置即可；所述磁阻条111的材料也可以为其他重金属与NiCo等各向异性磁阻材料的多层膜结构，或在Ta/NiFe/Ta中加入氧化物插层。通过将所述磁阻条111采用矩形或其他条状的结构，相对于以往的圆弧状结构，线条更简单，面积更大，对工艺难度的要求更低，能有效提升工艺兼容性。
所述电极20设置在所述基板上，用于电源供电和输出信号。在本实施例中，在所述磁阻元件组10周侧布置有多个所述电极20。
本申请还提供了一种磁编码器，其包括所述磁传感器芯片、磁码盘、机械支撑结构和信号处理模块。所述机械支撑机构是为所述磁编码器内的元件提供安装支撑的结构，所述信号处理模块用于处理所述磁传感器芯片输出的信号。在本实施例中，所述磁码盘可以为单对极磁铁或多对极圆形磁铁，装配时需保证磁铁与所述磁传感器芯片同心。使用时，当所述磁码盘转过一定的角度，即周期性磁场变化了一定的角度，各向异性磁电阻材料制备的所述磁阻元件11因空间上排布的角度不同，磁电阻随之改变，输出端电极可引出正弦信号和余弦信号，再根据反正切公式即可实现角度提取与测量。
具体地，当所述磁码盘的转过的角度为δ时，对应所述磁码盘的所述磁传感器芯片具有倍频特性，即输出信号反应的角度为2δ，写为θ＝2δ。同理，当R1输出信号反应的角度为θ＝2δ时，R2输出信号反应的角度为
设所述磁阻元件11中的R1、R2、R5和R6的零场电阻值为R，所施加的电源电压为V，则R1、R2、R5和R6的阻值可写为傅里叶展开模式：
则R1和R2与R5和R6间可输出信号的大小为：
当n为奇数时，即当n＝2m-1时，有：
cosn(θ+π)＝-cosnθ
当n为偶数时，即当n＝2m时，有：
cosn(θ+π)＝cosnθ
则上式可写为：
可知n为3或3的倍数时，输出的谐波信号有效值为0。
因此可以认为，所述磁传感器芯片对三次谐波信号的消除是有效的。
本申请还提供了一种磁传感器芯片的制备方法，所述磁传感器芯片基于所述制备方法获得，所述制备方法包括以下步骤：
S01、以硅片为衬底，采用磁控溅射法沉积各向异性磁阻材料的多层膜结构；
具体地，硅片为单面抛光，表面沉积有厚度为300nm的SiO2绝缘层材料；各向异性磁阻材料的多层膜结构为Ta/NiFe/Ta薄膜，其中，Ta层的厚度为3-10nm，NiFe层的厚度为20-50nm，溅射过程中设备的本底真空优于3.0×10-7Torr，且硅片衬底两侧需施加取向磁场。可以理解地是，Ta/NiFe/Ta薄膜可替换成其他重金属与NiCo等各向异性磁阻材料的多层膜结构，或在Ta/NiFe/Ta中加入氧化物插层。
S02、将沉积多层膜结构的硅片衬底采用微加工工艺刻蚀成磁阻条，并将多个磁阻条排列构成一个磁阻元件；
具体地，采用光刻等微加工工艺刻蚀获得的磁阻条的长为200μm，宽为8μm，四个磁阻条呈扇形排列构成一个磁阻元件。
S03、在磁阻元件上溅射生长金属电极层膜；
具体地，生长金属电极层薄膜为Au、Ag、Cu、Cr、Al、Pt等导电性能优异的金属材料，厚度为50-300nm，溅射时本底真空优于3.0×10-7Torr。
S04、采用套刻工艺加工出电极图案，连接各个磁阻元件。
本申请提供了一种磁传感器芯片及其制备方法以及磁编码器，其中，磁传感器芯片包括基板、设置在所述基板上的磁阻元件组10和与所述磁阻元件组10连接的电极20。所述磁阻元件组10设置为八组，八组所述磁阻元件组10沿同一圆心均匀布置；每组所述磁阻元件组10包括两个磁阻元件11，每个所述磁阻元件11包括四个与所述磁阻元件组10同心并呈扇形均布的磁阻条111；每组所述磁阻元件组10中一个磁阻元件11的磁阻条111与另一个磁阻元件11中对应位置的磁阻条111的圆心角为15°；一组磁阻元件组10中的磁阻条111与其相邻的另一组磁阻元件组10中对应位置的磁阻条111的圆心角为30°。通过上述磁阻元件组10的布置方式以及构成磁阻元件11的磁阻条111的布置方式，能够有效消除芯片输出信号中的三次谐波，使得输出信号更接近完整的正弦波与余弦波，从而提高旋转角度的检测分辨率。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种磁传感器芯片，包括基板、设置在所述基板上的磁阻元件组和与所述磁阻元件组连接的电极，其特征在于：所述磁阻元件组设置为八组，八组所述磁阻元件组沿同一圆心均匀布置；每组所述磁阻元件组包括两个磁阻元件，每个所述磁阻元件包括四个与所述磁阻元件组同心并呈扇形均布的磁阻条；每组所述磁阻元件组中一个磁阻元件的磁阻条与另一个磁阻元件中对应位置的磁阻条的圆心角为15°；一组磁阻元件组中的磁阻条与其相邻的另一组磁阻元件组中对应位置的磁阻条的圆心角为30°。
2.根据权利要求1所述的磁传感器芯片，其特征在于，所述磁阻条采用各向异性磁电阻薄膜材料制备而成。
3.根据权利要求2所述的磁传感器芯片，其特征在于，所述各向异性磁电阻薄膜材料为Ni80Fe20合金。
4.根据权利要求1所述的磁传感器芯片，其特征在于，所述磁阻条为矩形。
5.根据权利要求4所述的磁传感器芯片，其特征在于，所述磁阻条的长为200μm，宽为8μm。
6.一种磁传感器芯片的制备方法，权利要求1至5中任一项所述的磁传感器芯片基于所述制备方法获得，其特征在于，包括以下步骤：
S01、以硅片为衬底，采用磁控溅射法沉积各向异性磁阻材料的多层膜结构；
S02、将沉积多层膜结构的硅片衬底采用微加工工艺刻蚀成磁阻条，并将多个磁阻条排列构成一个磁阻元件；
S03、在磁阻元件上溅射生长金属电极层膜；
S04、采用套刻工艺加工出电极图案，并连接各个磁阻元件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中，所述各向异性磁阻材料的多层膜结构为Ta/NiFe/Ta膜，其中，Ta层的厚度为3-10nm，NiFe层的厚度为20-50nm，溅射过程中设备的本底真空优于3.0×10-7Torr，且所述硅片衬底两侧需施加取向磁场。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述生长金属电极层薄膜为Au、Ag、Cu、Cr、Al、Pt等导电性能优异的金属材料，厚度为50-300nm，溅射时本底真空优于3.0×10-7Torr。
9.一种磁编码器，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的磁传感器芯片、磁码盘、机械支撑结构和信号处理模块。
10.根据权利要求9所述的磁编码器，其特征在于，所述磁码盘为单对极磁铁或多对极圆形磁铁，所述磁码盘与所述磁传感器芯片同心设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |