CN1432820A - 磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有由磁阻材料形成并设计成用以确定其电阻的至少一个条形导体的磁阻传感器，该传感器可以受到外部磁场的影响，和/或通过电流起作用。为了利用获得进一步减少的磁滞现象和提高的线性的方式构成这种类型的磁阻传感器，根据本发明提供至少一个屏蔽条，该屏蔽条设置成至少基本上平行于导体并与其相隔预定间隔，而且与其电隔离。

Description

磁阻传感器

技术领域

本发明涉及具有至少一个条形导体的磁阻传感器，其中条形导体由磁阻材料形成并设计成用以确定电阻，该磁阻传感器可以受到外部磁场的影响，和/或通过电流起作用。

背景技术

这种传感器优选用于磁场、电流、位置和移动测量。就此而言，特别应用领域是例如关于用于内燃机中的各种控制系统的凸轮轴和曲轴的有角度的和旋转速度测量。

WO98/57188A1公开了一种传感器，该传感器包括在其上在惠斯通电桥电路中设置多个电阻元件的衬底，至少一个电阻元件呈现磁阻效应。电阻元件设置在形成以下连接的分支中：(a)电流输入端与第一电压端连接；(b)第一电压端与电流输出端连接；(c)电流输出端与第二电压端连接；(d)第二电压端与电流输入端连接。在这个设计中，该传感器包括电连接到所述第一惠斯通电桥电路的第二惠斯通电桥电路。两个惠斯通电桥电路除了以下特征以外是相同的，如果惠斯通电桥电路之一中的特别分支中的特别磁阻元件的输出信号具有正极性，则在惠斯通电桥电路的相同分支中与其对应的磁阻元件的输出信号呈现相反极性。特别是，在所述传感器中，分支由AMR元件构成，两个惠斯通电桥电路的元件以节省空间的方式互相交叉设置，并互相平行对准安装在衬底上。

WO95/28649A1公开了由设置成层形式的磁阻元件构成的磁场传感器。磁阻元件设置在衬底上的电桥电路中。每个磁阻元件包括具有磁阻材料导体条的弯曲形导体结构。磁阻元件包括在一个面内呈现单轴各向异性并被非铁磁层互相分开的两个铁磁层。在传感器的制造期间，所述铁磁层的磁化方向设置成使得电桥电路的两个相邻分支中的两个元件对外部磁场呈现相反灵敏度。此外，在每个磁阻元件中，铁磁层之一的磁化设置成基本上垂直于另一铁磁层的磁化。因而，用于测量小磁场强度的辅助场是多余的；该传感器的特性曲线大体上没有磁滞现象并呈现改进的线性。

已经发现，对于某些应用，在这种传感器中实现的特性曲线性能、特别是磁滞现象和偏离线性仍然存在，因此不满足上述要求。

发明内容

本发明的目的是以实现磁滞现象的进一步减少和改进线性的方式构成开篇所述类型的磁阻传感器。

根据本发明，该目的是在普通类型的磁阻传感器中通过至少一个屏蔽(screening)条实现的，其中屏蔽条设置成至少基本平行于导体并与导体隔开预定间隔，而且与其电隔离。

根据本发明，特别是在具有至少两个条形导体的磁阻传感器设置的情况下，其中条形导体由磁阻材料形成，并且其中至少两个基本上互相平行延伸，作为周边条描述的至少一个导体形成导体设置的边界，该目的是如下实现的：导体的设置受到至少一个屏蔽条的限制，该屏蔽条设置成至少基本上平行于至少一个周边条并与其隔开预定间隔，而且与其电隔离。

本发明是以根据普通类型提供的传感器的磁滞特性和特性曲线的线性基本上取决于施加磁场作用于导体的均匀性为基础的，其中该传感器具有由磁阻材料形成的至少一个条形导体。这特别涉及具有多个这种导体的设置的传感器，即并联或串联电连接的磁阻条的组件。在工作期间，以这种方式连接在一起的所有条的各个特性曲线叠加以形成传感器的最终特性曲线。为实现最佳传感器特性，特别是关于磁滞、磁性“硬度”、和灵敏度的参数，发现所有连接在一起的所述条应该以相同方式响应施加磁场，除了通过本质上公知的所谓红白相间的螺纹(barber-pole)结构的适当设置和排列而形成的各个条或导体的特性曲线的任选的所希望倒置之外。

在上述公开件中公开的传感器不含有用于实现磁场尽可能均匀地作用于沿着其延伸方向的各个导体上或多个导体的各种导体上的任何种类的措施。相反，一方面，更精确的调查表明沿着这种导体的整个延伸方向上不存在均匀作用，另一方面，在多个这种导体中可能发生从导体到导体的非均匀作用。结果是，不是导体的所有部件和所有导体都以互相相同的方式响应施加磁场，这导致磁滞现象、非线性和增加的特性曲线噪声。这些信号误差限制了用传感器测量磁场的精度。

在包括由磁阻材料形成的多个上述类型的条形导体的传感器中，已经发现，特别是，作为周边条形导体描述并形成导体设置的边界的导体之一的特性曲线偏离在导体设置“内部”延伸的那些导体的特性曲线。而具有陡峭边缘和清晰的、可再现的磁滞特性的磁滞特性曲线源于这些“内部”导体，该磁滞特性曲线显示为由施加磁场的场强H形成的磁感B的函数，周边条呈现平坦的、倾斜磁滞特性曲线。

已经发现造成这种不同特性的原因是在具有不同去磁场强度的导体周围产生不同的去磁场，因而不同地作用于所述导体上。这种去磁场是外部干扰场的结果，而且也是在相邻导体中流动的电流的磁场的结果。同时，在由磁阻材料形成的条形传感器导体中流动的电流基本上以与不属于传感器但与其相邻的导体设置中的电流相同的方式作用于其上，例如供给引线、修整结构等。特别是，在包括基本上互相平行延伸的多个条形导体的设置中，沿着“内部”导体按规定建立了基本上均匀的去磁场，而作用于周边条上的去磁场按规定显著偏离。

甚至在只有一个由磁阻材料形成的条形导体的情况下，所述导体可以沿着其延伸方向暴露于这些所述不同的去磁场，该去磁场还可能随着时间波动，还导致了这种结构的更平坦倾斜的磁滞特性曲线和削弱的线性。

特别是，已经发现所述非均匀去磁场导致在由磁阻材料形成的条形导体中形成磁畴。在这些条件下产生并具有对非均匀去磁场的不同效果的单个磁畴在工作期间具有不同的转换特性，这导致通过这种方式影响的导体的改变的磁滞特性曲线。在这些条件下，局部非均匀的去磁场一方面通过这种方式促进了在单个导体内形成分离的磁畴，另一方面促进了通过这种方式产生的导体的单个区域的不同磁“硬度”。

在这些条件下，局部地即在属于传感器的导体的空间延伸的区域中的非均匀的去磁场不仅产生提供有由磁阻材料形成的至少一个条形导体的传感器的特性曲线的线性减弱，即所述传感器的线性特性区域的减少，特别是提供有可调极结构的这种传感器，而且导致了传感器中的噪声增加，这是因为所有单个磁畴可能呈现磁性不同的转换特性，这还导致传感器的特性曲线的磁滞现象增加。

下面本发明以简单方式提供保证去磁场基本上几乎相同地作用于所有导体上的措施，其中所有导体电连接以形成传感器并由磁阻材料形成，结果是形成传感器的导体中的电流不利地受到在属于传感器的导体的空间延伸的区域中的非均匀去磁场的影响。

作用到由磁阻材料形成的所有条形传感器导体上的磁场的均匀化，即特别是去磁场，是通过根据本发明设置的电分离屏蔽条实现的。

如果这种磁阻传感器包括由磁阻材料形成的至少两个条形导体的设置，其中至少两个条形导体基本上互相平行延伸，并且其中作为周边条描述的至少一个导体形成导体设置的边界，导体的设置有利地受到至少一个屏蔽条的限制，其中屏蔽条至少基本上平行于至少一个周边条设置并与其相隔预定间隔，而且与其电隔离。对此，在本发明的最佳改进中，周边条是通过基本上互相平行延伸的至少两个导体形成的。

通过这种方式，在所述传感器中，屏蔽条还作为相邻条形元件分配给各个“边界”导体。所述屏蔽条实现了以下结果，即电连接以形成传感器并由磁阻材料构成的所有条形导体位于导体结构的“内部”。由于这些措施而使所述导体的磁特性、特别是涉及磁滞、线性和灵敏度的特性变得至少基本上相同，这与由于制造而造成的偏离无关，然而，利用用于所述类型导体的目前光刻制造方法，这还保持在非常窄的限度内。另一方面，磁特性偏离按上述方式电连接以构成传感器的条形导体的磁特性的那些条不电连接到该传感器，因此不会对传感器的输出信号造成干扰影响。

作为屏蔽条的结果，不仅使去磁场对于所有电连接以形成传感器的条形导体至少基本上相同，而且可能由于例如供给导体、修整结构等产生的干扰外部磁场至少大大地与电连接以形成传感器的条形导体屏蔽。这种修整结构可能部分地由磁阻材料构成。它们对电连接以形成传感器的条形导体的影响可能由于成形和空间位置而不同。同时，修整结构在相邻的磁阻材料导体中产生磁场，导致所述的磁畴分离，这还引起所述磁滞现象增加。

根据本发明的磁阻传感器的进一步改进中，其中被由磁阻材料形成并基本上互相平行延伸的至少两个条形导体的设置包括的至少被选多个导体组合在一起，形成至少一组导体，在电路的每种情况中该至少一组导体形成至少一个分支，在每种情况中多组导体的至少一组被至少一个屏蔽条限制。这种结构进行了电连接以形成传感器的至少某些条形导体的公共屏蔽。优选地，通过一个或多个公共屏蔽条进行了电连接以形成传感器的所有条形导体的公共屏蔽。

根据本发明的进一步改进，在每种情况中电路的每个分支由至少一个屏蔽条限定。优选地，这种措施进行了电路的每个单独分支的分开屏蔽。因而，还减少了或至少大大抑制了不同分支的导体的互相干扰影响。

在上述类型的磁阻传感器中，优选至少几乎所有导体可以至少基本上互相平行设置。这种结构优选用于转速传感器。还可以形成平行于导体的屏蔽条的特别简单结构。

在上述类型的磁阻传感器中，至少一个屏蔽条与至少一个周边条的间隔至少几乎等于基本上互相平行延伸的至少两个导体的间隔。这还适用于为每个单独组或为电路的每个单独分支分开提供屏蔽的情况，以及提供整个传感器的公共屏蔽的情况。如果提供整个传感器的公共屏蔽，所述间隔优选等于分配给不同分支并由此形成将它们分配给其的那个分支的周边条的每两个导体的间隔。如果每种情况中的至少一个屏蔽条设置在所述两个相邻周边条之间，则所述两个相邻周边条的每个与所述屏蔽条的间隔互相相等并等于其它导体的间隔。

在根据本发明的另一个实施例的磁阻传感器中，每种情况中的电路的至少一个分支的至少几乎所有导体基本上互相平行设置。关于这一点，不同分支的导体可具有不同的排列方式。特别是在角度传感器中采用这种结构，优选选择旋转对称设置的分支。每种情况的一个分支的导体处于基本互相平行的状态，但是各个分支的导体的设置是不同的。

在这种传感器中，优选为电路的每个单组或每个单分支提供分开的屏蔽。特别优选的是，在这种设置中，至少一个屏蔽条距离每种情况的电路的至少一个分支的至少一个周边条的间隔至少互相基本上等于电路的所述一个分支的基本上互相平行延伸的至少两个导体的间隔。间隔的这种选择实现了特别好的均匀化。

本发明有利地减少了传感器的单个部件即上述类型的其单个磁阻导体或导体段的磁场灵敏性的改变。特别是在测量低磁场强度的磁场的情况下，这使利用本发明的方式形成的传感器的最终输出信号的再现精度提高。提高的再现精度导致输出信号的信号波动的减少、传感器的特性曲线的更大线性区域、磁滞现象的减小以及噪声的减小。

附图描述

通过参照下面实施例的描述将使本发明的这些和其它方案更清楚、明了。在对应元件标以相同参考标记的附图中：

图1表示具有互相平行设置的导体条的磁阻传感器的例子，

图2表示在根据图1的传感器的情况下的本发明的第一示例实施例，

图3表示在根据图1的传感器的导体设置“内部”延伸的导体的磁滞特性曲线图的例子，

图4表示图1传感器中的导体设置的周边条的磁滞特性曲线图的例子；

图5表示在有(见图2)和没有屏蔽条(见图1)的设置之间对比的传感器的特性曲线的示意图，

图6表示在图1或图2的传感器的磁阻导体条中形成的磁畴的示意图，

图7表示本发明的示例实施例的角度传感器，和

图8表示作为本发明第三示例实施例的根据图2的结构的改型的传感器。

具体实施方式

图1表示在其导体结构的平面方向观看的公知类型的磁阻传感器的示意结构。该传感器包括由磁阻材料形成并在两行基本上互相平行延伸的多个条形导体1、2的设置，提供有参考标记1的其边界导体形成导体设置的边界，因此作为周边条描述，而提供有参考标记2的其它导体被至少另外的导体1或2限定在所有边上，所述另外的导体被认为是在导体设置的“内部”延伸，因此以下被称为内部导体。每种情况的内部导体2的四个相邻导体和在每行导体中与其相邻的周边条1在所示实施例中互相电连接，并表示构成为惠斯通电桥的电路的分支。所述惠斯通电桥提供有在工作期间经过它们施加电源电压的两个端子3、4以及经过它们引出形成传感器的输出信号的输出电压的另外两个端子5、6。

图3表示作为根据图1的传感器的内部导体2之一的结果，与在施加磁场的场强H上产生的磁感B相关的磁滞特征线的示意例子。传感器的内部导体2的这个磁滞特性曲线具有陡峭的图形，该图形具有清晰的、可再现的磁滞特性。

与后者相比，图4表示作为施加磁场的场强H的函数产生的磁感B的磁滞特性曲线的例子，如用于根据图1的传感器的周边条的结果。该传感器的周边条的所述磁滞特性曲线呈现更平坦的倾斜图形。因此所述磁滞特性不太清晰和不可再现。

在图6的基础上示意性地示出了由不同的单个磁畴形成的具有叠加转换特性的磁畴，形成的这种磁畴被认为是由图1的传感器的周边条1的磁滞特性曲线的所述更平坦倾斜图形造成的。在图6中，参考标记7表示作为通过它的去磁场影响在周边条1中形成的磁畴的外部导体设置的例子。在所述周边条1中，除了磁畴壁10之外，还形成另外的磁畴壁8、9。被它们分开并作为具有不同特性的磁畴描述的周边条1的各段，即不同地取决于关于施加磁场的场强的电阻。结果是，周边条1呈现与内部导体2的磁滞特性曲线偏离的磁滞特性曲线。

在其它方案中，周边条1和修整结构7的互相影响还在后者中产生磁畴壁，这里示意性地用参考标记11表示，然而，这对本发明不是很重要。

图5以虚线S1示意性地示出了图1的传感器的特性曲线。相对于施加磁场的场强H绘出了端子5和6之间的传感器的输出电压UA的曲线。在所述特性曲线图形S1过渡到特性曲线段的区域中，相对于施加磁场的场强H绘出了传感器的恒定输出电压UA的曲线，该特性曲线段是饱和段并水平延伸，特性曲线的标记的圆角展示标定地限制特性曲线的中心段，在该段中在传感器的输出电压UA和施加磁场的场强H之间存在至少大体上线性的关系。

图2示意性地示出了第一示例实施例，该实施例是以图1的传感器为基础的。与图1相比，根据图2的传感器提供有附加的屏蔽条12，在每种情况下一个屏蔽条与每种情况中的一个周边条1相邻设置并与之平行延伸，但是与其电隔离。所述屏蔽条12实现了对于一个周边条1的如图6中形成的磁畴不再在所述周边体1中展示，相反而是在与其平行延伸的相邻屏蔽条12中产生。另一方面，现在周边条1的磁性功能与内部导体2的相同，这被认为是不再展示形成磁畴，而与端部磁畴10的形成无关，而端部磁畴10对于所有导体都是相同的。电连接在一起以形成传感器的所有导体1、2现在呈现相同的磁特性。

优选地，在根据图2的所述传感器的设置中，为清楚起见这里不同地示出了屏蔽条12距离与其相邻的周边条1的间隔a互相等于内部导体2的每两个互相相邻导体的间隔b，或周边条距离与其相邻的内部导体2的间隔。此外，惠斯通电桥的不同分支的互相相邻内部导体2的间隔还优选等于间隔a和b。

在图2的传感器设置中，电连接在一起形成传感器的所有导体1、2展示根据图3的磁滞特性曲线，并具有陡峭图形。此外，图5表示相对于施加磁场的场强H绘制的根据图2的传感器的输出电压UA的特性曲线S2，结果是图5示出了常规传感器的特性曲线S1与根据本发明的传感器的特性曲线的对比。根据本发明的传感器的特性曲线S2作为实线示于图5中，并在线性区域和饱和区域之间的过渡区域中具有至少大体陡峭的曲线，即与常规传感器的特性曲线S1相比这个特性曲线S2的线性区域基本上变大了。

图7表示作为本发明第二示例实施例的角度传感器，其基本结构实质上是公知的，因此不再详细说明。在所述角度传感器中，磁阻材料的导体分布在总共八个分支 21- 28上，这八个分支在以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥中电互连。惠斯通电桥可以通过经过八个端子31-38提供的电源电压起作用，或经过所述端子引出惠斯通电桥的输出电压。此外，修整结构40或41分别以方框图的形式示出，并对于每个惠斯通电桥来说用于电平衡与之连接的惠斯通电桥，而且分别插入到端子36或34的连线中并到达分支 21和 27或 24和 26。八个分支 21- 28的每个包括互相平行延伸并互相电串联的多个磁阻导体，所述导体的空间设置按照所有分支 21- 28总体上形成旋转对称设置的方式从一个分支到另一个分支偏离预定角度，在这种情况下为45°。

在八个分支 21- 28的每个中，电互连形成传感器的导体由分布在平行于它们的外部导体即它们的周边条的八个分支 21- 28的每个的两侧上的屏蔽条14界定。在通过这种方式构成的传感器中，每个单独的分支 21- 28相应地提供有分开的屏蔽。可以在这个设置中提供分支 21- 28的其它屏蔽(未示出)，例如沿着每个分支的各个导体的端部，因而基本是横向于所述导体的纵向。这种附加屏蔽优选可以由屏蔽条构成，屏蔽条的形状对应屏蔽条14的形状，并且特别是同样设置成与后者电隔离。

在图2的结构的改型中，该改型是以根据图7的第二示意实施例为基础的，图8表示本发明的第三示意实施例，其中在以相同方式采用的图2的结构中，提供附加屏蔽条13，其平行于后者之间的惠斯通电桥的不同分支的互相相邻内部导体2延伸并互相影响分支的屏蔽。

参考标记列表

1  周边条＝由磁阻材料形成的边界传感器导体

2  内部导体＝在传感器内部并由磁阻材料形成的导体

3  用于施加电源电压的惠斯通电桥端子

4  用于施加电源电压的惠斯通电桥端子

5  用于引出形成传感器的输出信号的输出电压UA的惠斯通电桥端子

6  用于引出形成传感器的输出信号的输出电压UA的惠斯通电桥端子

7  作为外部导体设置的例子的修整结构

8  另一磁畴壁

9  另一磁畴壁

10  端部磁畴壁

11  在修整结构7中的磁畴壁

12  屏蔽条

13  在惠斯通电桥的不同分支的互相相邻的内部导体2之间并与其平行的附加屏蔽条

14  根据图7的传感器的八个分支 21- 28的屏蔽条

21  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

22  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

23  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

24  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

25  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

26  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

27  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

28  具有作为以空间交叉方式设置的两个惠斯通电桥之一的一部分的磁阻材料导体的根据图图7的角度传感器的分支

31  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

32  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

33  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

34  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

35  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

36  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

37  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

38  用于施加电源电压或用于引出惠斯通电桥的输出电压的惠斯通电桥端子

40  将端子36连接于分支21和27的修整结构

41  将端子34连接于分支24和26的修整结构

a   屏蔽条12距离与其相邻的周边条1的间隔

b   每个种情况中的两个互相相邻的内部导体2的互相间隔或周边条1距离与其相邻的内部导体2的间隔

c   惠斯通电桥的不同分支的互相相邻内部导体2的间隔

B   磁感

H   施加磁场的场强

S1  对于图1的传感器的输出电压UA相对于施加磁场的场强H的特性曲线

S2  对于图2的传感器的输出电压UA相对于施加磁场的场强H的特性曲线

UA  端子5和6之间的传感器的输出电压

Claims (9)

1、一种磁阻传感器，其具有由磁阻材料形成并设计成用以确定其电阻的至少一个条形导体，该传感器可以被外部磁场影响，和/或通过电流起作用，其特征在于至少一个屏蔽条基本上平行于导体设置并与其相隔预定间隔，而且与其电隔离。

2、根据权利要求1的磁阻传感器，其具有由磁阻材料形成的至少两个条形导体的设置，并且至少两个条形导体基本上互相平行延伸，其中作为周边条描述的至少一个导体形成导体设置的边界，其特征在于导体设置由至少一个屏蔽条界定，所述屏蔽条至少基本上平行于至少一个周边条设置并与其相隔预定间隔，而且与其电隔离。

3、根据权利要求2的磁阻传感器，其特征在于周边条是由基本上互相平行延伸的至少两个导体中的一个形成的。

4、根据权利要求3的磁阻传感器，其中包括由磁阻材料形成并互相平行延伸的至少两个条形导体的至少选择的多个导体组合在一起形成至少一组导体，所述至少一组导体在每种情况中形成电路的至少一个分支，其特征在于多组导体的至少一组在每种情况中被至少一个屏蔽条限制。

5、根据权利要求4的磁阻传感器，其特征在于电路的每个分支在每种情况中被至少一个屏蔽条限制。

6、根据权利要求2、3、4或5的磁阻传感器，其特征在于至少基本上所有导体至少基本上互相平行设置。

7、根据权利要求2、3、4、5或6的磁阻传感器，其特征在于至少一个屏蔽条与至少一个周边条的间隔互相等于基本上互相平行延伸的至少两个导体的间隔。

8、根据权利要求2、3或4的磁阻传感器，其特征在于每种情况中的电路的至少一个分支的所有导体至少基本上彼此平行配置。

9、根据权利要求8的磁阻传感器，其特征在于至少一个屏蔽条与每种情况中的电路的至少一个分支的至少一个周边条的间隔基本上互相等于电路的所述一个分支的基本上互相平行延伸的至少两个导体的间隔。

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