CN1276239C

CN1276239C - 一种使用金属薄膜磁电阻探头的磁栅尺位移传感器

Info

Publication number: CN1276239C
Application number: CN 200410009165
Authority: CN
Inventors: 王立锦; 胡强; 于广华; 滕蛟
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: CN1584504A

Abstract

本发明提供了一种使用金属薄膜磁电阻探头的磁栅尺位移传感器。其特征在于：磁栅尺位移传感器由敏感元件金属薄膜磁电阻探头(13)和被充磁的磁栅尺带(12)构成，金属薄膜磁电阻探头(13)中的金属薄膜磁电阻(10)与磁栅尺带(12)之间的距离为10微米～10毫米；金属薄膜磁电阻探头(13)由印刷电路板(PCB)衬板(1)、基片层(2)、缓冲层(3)、在基片层(2)上溅射生成磁性金属合金薄膜层(4)、金属导电薄膜层(5)、保护层(6)、金丝压焊引线(7)、镀金电极(8)、挠性电路板引线(9)组成。其优点在于灵敏度高、温度稳定性好，信号处理电路简单。通过合理设计磁阻条的排列与分布达到降低和消除信号输出中的高次谐波仅保留基波，提高位移测量的细分精度。

Description

一种使用金属薄膜磁电阻探头的磁栅尺位移传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是提供了一种使用金属薄膜磁电阻探头的磁栅尺位移传感器。金属薄膜磁敏电阻材料由极薄的、纳米量级厚度的各项异性磁电阻材料组成。

背景技术

随着科学技术的发展和自动化控制技术的提高，在机械制造、车船及飞行器设计等领域需要大量的能真实可靠地反映被测对象位置信息的位移传感器，并且要求位移传感器或由多种位移传感器组成的系统具有高灵敏度、高分辨率、体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好等优良特性。并进一步要求位移传感器或由多种位移传感器组成的系统由传统的模拟量向数字化方向转化。磁栅尺是数字化位移传感器中最常用、最基础的一种。磁栅尺位移传感器，由于它的抗震动和抗冲击性能高，适宜在水、油、粉尘、高温等工业环境下应用，而且结构简单、体积较小、成本较低，因此，磁栅尺位移传感器的研制开发近二三十年发展很快，并迅速实现产业化。现在使用的磁栅尺位移传感器的核心部件磁感应线圈磁头。磁感应线圈磁头存在体积大、电线路复杂、抗干扰性差、对磁栅尺表露分布场破坏较大的缺点。而且线圈绕制和调整需要人工操作，难以自动化生产。

金属磁电阻芯片的功能材料是具有各向异性磁敏电阻特性(AMR)的磁敏电阻薄膜材料，如：镍铁合金薄膜材料、镍钴合金薄膜材料。

专利98107990.3 CN1199856A(布朗和沙普·特萨有限公司)描述的磁阻传感器，其磁电阻条结构中使用了倾斜45°的平行电极(Baber Pole)，同侧桥臂上的两个电阻的90°位相差是利用电流向量的取向夹角而不是磁栅尺的空间位相造成的，因此本专利在磁阻传感器工作机理和磁电阻条空间排布方式上与上述专利有本质的不同。

专利EP 0624778(Heidenhain)描述了包含磁电阻电桥的测量器件，电桥的每个臂最多有两个磁电阻条组成，这样设计的电桥其电阻值很小，并且此专利没有提供任何方法来排布磁电阻条和连接磁电阻电极，以便进一步增加电阻减小功耗，消除谐波。

专利US 5,36,276(Seiko Epson)描述了另一种磁电阻电极的传感器，它含有四个位相差为45°电桥，每个电桥臂由单个磁电阻条组成。这样的传感器其总电阻特别低，并且不能抑制高次谐波，因此不适用于自供电、便携式和精度要求较高的装置中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用金属薄膜磁电阻探头的磁栅尺位移传感器。利用磁电阻条的合理排布和多周期重复达到使传感器具有高电阻、低功耗，并能抑制高次谐波提高测量精度。

本发明由敏感元件金属薄膜磁电阻探头13和被充磁的磁栅尺带12构成。上述金属薄膜磁电阻探头13中的金属薄膜磁电阻10，同上述磁栅尺带12之间保持10微米～10毫米间距离放置。

金属薄膜磁电阻探头13由印刷电路板(PCB)衬板1、基片层2、缓冲层3、在基片层2上溅射生成磁性金属合金薄膜层4、金属导电薄膜层5、保护层6、金丝压焊引线7、镀金电极8、挠性电路板引线9组成。根据产品设计要求，磁性金属合金薄膜层被光刻成的具有1～500微米宽度、间隔和分组排列方式的金属薄膜磁电阻10，一个金属薄膜磁电阻10由1～20个磁电阻条组成，还可以将一个截距中的3～10组磁电阻在横向上以磁栅尺的截距为周期做3～10周期重复排列，以达到提高电阻减小功耗和对多截距磁场取平均减小误差的效果。光刻后的金属电极层将磁电阻连接成两个电桥电路并将输入输出端引出。

基片层2可以是塑料、聚合物高分子材料，也可以是玻璃、二氧化硅非晶态材料，还可以是氧化镁、氧化铝、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、铁酸锆酸镧酸铅等金属氧化物材料，也可以是硅、砷化镓半导体材料；磁性金属合金薄膜层4是镍铁或镍钴合金材料；金属导电薄膜层5可以是金、铜、铝等金属材料；金属导电薄膜层5厚度为10纳米～5000纳米；磁性金属合金薄膜层4的厚度为10纳米～5000纳米。

上述磁栅尺带12的材料可以是Ni、Co、Fe单质金属层，也可以是NiFe、NiCo、CoFe、NiCu、AuCo和以Ni、Co、Fe为基的金属合金层，也可以是含5％～40％氧原子的铁等单质铁磁性金属层和含5％～40％氧原子的NiFe金属合金，也可以是磁性橡胶带，还可以是球磁栅尺。磁栅尺带13用充磁机对其表面进行充磁，使其具有连续密排的微小N和S磁极，N和S磁极间距为2微米～10毫米。球磁栅尺是在一根无磁性不锈钢钢管内塞入磁化的钢球，在钢管外产生周期性磁场信号。

把上述金属薄膜磁电阻探头12中的金属属薄膜磁电阻10同上述具有微小磁极的磁栅尺带12之间保持10微米～3毫米的间距放置，从而制成磁栅尺位移传感器(图2)。

本发明与磁感应线圈磁头磁传感器相比，金属薄膜磁电阻薄膜材料制作的磁传感器具有以下特点：

1.适合于低磁场下工作。饱和磁场仅几个奥斯特(Oe)到几十个奥斯特(Oe)。

2.热稳定性提高。金属薄膜磁电阻薄膜工作温度可达125℃。

3.噪声小。用金属薄膜磁电阻设计的磁头在结构上具有抗外界电磁干扰的功能，因而对外界电磁干扰有显著的抑制。

4.磁场灵敏度高。尽管金属薄膜磁电阻薄膜的各向异性磁敏电阻效应通常只在2％-4％，但由于其饱和场小，尤其对10^-3-10²奥斯特(Oe)的磁场反应极其灵敏。并且与磁头与磁栅尺之间的相对运动速度无关。

5.具有倍频功能。对于同样N和S磁极间距的磁栅尺，使用金属薄膜磁电阻薄膜磁头可以比使用磁感应线圈磁头输出信号波形的频率提高一倍，因此可以提高位移测量的精度。

6.通过磁头结构设计消除高次谐波提高细分精度。通过合理设计磁电阻条的排列与分布可以达到降低和消除信号输出中的高次谐波仅保留基波的目的。

7.响应时间快。响应时间在纳秒量级。

8.便于与半导体电路集成。金属薄膜磁电阻薄膜磁头传感器电路和信号处理电路可以集成在同一块硅片上从而大大缩小磁头体积，简化后续信号处理电路的设计，使性能和可靠性大大提高。

9.将磁电阻条进行合理的同相位多周期重复性组合设计，可以提高磁头电阻、减小功耗、提高信号幅度、减小磁栅尺的不均匀性，从而提高检测精度，并且可用于低功耗的便携式电子数显量具、量仪。

本发明的优点在于：适合于低磁场下工作；热稳定性提高；噪声小；磁场灵敏度高；具有倍频功能；可降低和消除高次谐波；响应时间快，便于与半导体电路集成。

附图说明

图1是本发明制作探头中A、B两个电桥的原理示意图，图中标出了各组金属薄膜磁电阻条之间的位相关系。

图2是本发明制作探头中金属薄膜磁电阻排列位置与磁栅尺磁极的相对位置关系示意图。磁栅尺12，金属薄膜磁电阻探头13，金属薄膜磁电阻10。

图3是本发明制作金属薄膜磁电阻探头的结构示意图。

(a)图为探头结构示意图，(b)图为断面结构示意图。印刷电路板(PCB)衬板1，基片层2，缓冲层3，磁性金属合金薄膜层(磁敏电阻感应部分)4，金属导电薄膜层5，保护层6，金丝压焊引线7，镀金电极8，挠性电路板引线9，光刻成的金属薄膜磁电阻10，光刻成的金属电极11。

Claims

1.一种使用金属薄膜磁电阻探头的磁栅尺位移传感器，其特征在于：由磁敏感元件金属薄膜磁电阻探头(13)和被充磁的磁栅尺带(12)构成；金属薄膜磁电阻探头(13)中的金属薄膜磁电阻(10)与磁栅尺带(12)之间的距离为10微米～10毫米；金属薄膜磁电阻探头(13)由印刷电路板(PCB)衬板(1)、基片层(2)、缓冲层(3)、在基片层(2)上溅射生成磁性金属合金薄膜层(4)、金属导电薄膜层(5)、保护层(6)、金丝压焊引线(7)、镀金电极(8)、挠性电路板引线(9)组成；磁性金属合金薄膜层被光刻成的具有1～500微米宽度、间隔和分组排列方式的金属薄膜磁电阻(10)，一个金属薄膜磁电阻(10)由1～20个磁电阻条组成；光刻后的金属电极层将磁电阻连接成两个电桥电路并将输入输出端引出。

2、按照权利要求1所述的磁栅尺位移传感器，其特征在于：在磁性金属合金薄膜层(4)中，可以将一个截距中的3～10组金属薄膜磁电阻(10)在横向上以磁栅尺的截距为周期做3～10周期重复排列，以达到提高电阻、减小功耗和对多截距磁场取平均减小误差的效果。

3.按照权利要求1或2所述的磁栅尺位移传感器，其特征在于：基片层(2)为塑料、聚合物高分子材料，或玻璃、二氧化硅非晶态材料，或氧化镁、氧化铝、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、铁酸锆酸镧酸铅金属氧化物材料，或硅、砷化镓半导体材料；磁性金属合金薄膜层(4)是镍铁或镍钴合金材料；金属导电薄膜层(5)为金、铜、铝金属材料；金属导电薄膜层(5)厚度为10纳米～5000纳米；磁性金属合金薄膜层(4)的厚度为10纳米～5000纳米。

4.按照权利要求1所述的磁栅尺位移传感器，其特征在于：金属薄膜磁电阻探头(13)中，通过溅射或蒸发镀膜的方式形成缓冲层(3)、磁性金属合金薄膜层(4)、电极层(5)和保护层(6)的3～10层薄膜；缓冲层为钽、钛材料；保护层为钽、钛材料；磁性金属合金薄膜层(4)为Ni、Co、Fe单质金属层，或NiFe、NiCo、CoFe、NiCu、AuCo和以Ni、Co、Fe为基的金属合金层，或含5％-40％氧原子的铁等单质铁磁性金属层和含5％-40％氧原子的NiFe金属合金铁磁性层，或铁氧体亚铁磁性层；A、B两组金属薄膜磁电阻电桥部分的间距是磁栅尺带(12)N和S磁极间距λ的四分之一，为1微米～10毫米。

5.按照权利要求1所述的磁栅尺位移传感器，其特征在于：磁栅尺带(12)的材料为Ni、Co、Fe单质金属层，或NiFe、NiCo、CoFe、NiCu、AuCo和以Ni、Co、Fe为基的金属合金层，或含5％-40％氧原子的铁单质铁磁性金属层和含5％-40％氧原子的NiFe金属合金，其形状为薄长条形、长柱形，或磁性橡胶带，或球磁栅尺；磁栅尺带(12)用充磁机对其表面进行充磁，使其具有连续密排的微小N和S磁极，N和S磁极间距为2微米～10毫米；球磁栅尺是在一根无磁性不锈钢钢管内塞入磁化钢球，在钢管外产生周期性磁场信号。