CN1754080A - 用于确定角度或位置的磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用AMR或GMR效应的磁阻传感器，在角度测量期间指示出可转动的永磁体的均匀磁场方向，或者在位置测量期间指示出传感器相对于以不同方向被周期性磁化的测量棒的位置，其中角度值或位置值可以借助于反正切内插法由两个桥或半桥的输出信号的商获得。当输出信号含有较少的谐波分量和磁滞区域时可以所述磁阻传感器的减小误差。该目的由根据本发明的装置通过如下方式来实现：磁阻由多个磁阻带构成，并且在作用于磁阻带上的每个均匀磁场中，确定磁阻的角度沿着磁阻带的纵向延伸方向连续变化。确定磁阻的角度在AMR传感器中位于电流方向和磁化方向之间，而在GMR传感器中位于两个层单元的磁化方向之间。

Description

用于确定角度或位置的磁阻传感器

本发明涉及一种用于确定角度的磁阻传感器，它具有一个相对于传感器可转动的磁铁；或者一种用于确定位置的磁阻传感器，其中传感器正对着一个磁标尺(magnetic scale)，并且具有周期性的磁象(magnetic pattern)。这种角度和位置测量装置被大量应用在例如机器制造、汽车工业或者精密仪器中。

用于确定角度或者位置的磁阻传感器是已知的。关于类似的借助于各向异性磁阻效应(AMR)、巨磁阻效应(GMR)和磁阻层间隧道效应(TMR)来确定角度和位置的现有技术的综述在文献WO02/06845A1中给出。在AMR效应下，层带的磁阻是由电流方向和磁化方向之间的夹角α来确定的。它可以通过如下的关系来确定：R(α)＝R₀+(ΔR/2)·(1-cos(2α))。由此可以看出，当角度α变化180°后磁阻改变已经经过了一个完整的周期。磁化的方向与安装在附近的一个可转动的永磁体作用在层带上的磁场方向相匹配，这样在永磁体转动一周的同时可以获得两个完整的磁阻变化周期。这可以在电流流经层带时作为电压变化被测量出来。

在GMR效应和TMR效应下，层带的磁阻或隧道过渡区的磁阻与磁阻材料的两个层或层单元的磁化方向之间的夹角β有关。如果一个层单元中的磁化方向通过一个直接接触的天然或人造的反铁磁性物质来保持，并且只有第二个层单元中的磁化方向随着可转动的永磁体所施加的磁场而变化，则磁阻变化符合如下关系式：R(β)＝R₀+(ΔR/2)·(1-cos(β))。这样当永磁体转动一周时，磁阻仅变化一个完整的周期，或者在层带或者隧道过渡区上可用作信号的电压仅变化一个完整的周期。

根据所给出的公式，得到了将角度转换为一个余弦函数的理想角度转换。但在实际应用中这种转换是存在误差的。在信号中出现了相应基波的谐波分量，它们的周期长度是上面提到的180°或360°的整数分之一。出现这种误差的原因在于，各层的磁化方向和所施加的磁场的方向在一定程度上不完全一致。在AMR角度传感器的情况下，可以通过很高的永磁体磁场强度来改善上述的方向一致性。然而这只有通过采用昂贵的高矫磁力永磁体材料、或者通过在机械上很复杂地将永磁体放置在离传感器很近的位置处才能实现。在GMR或者TMR传感器的情况下，即使采用更高的磁场强度也不能改善信号的正弦特性，因为这种场强使得耦合到反铁磁材料上的磁阻层的磁化方向也发生偏转。

有两种可能的原因会使得自由AMR层带的磁化方向与所施加的磁场方向发生偏离。第一个原因是基本的物理特性，这已经在公开的专利说明书DE 19839450A1中提到，其中磁化方向和层带纵向方向之间的夹角Φ必须满足以下的等式：

H_x/H₀ tan(Φ)+sin(Φ)-H_y/H₀＝0

其中H_x是在层带纵向方向上的磁场分量，而H_y是与之垂直的磁场分量。这里角度Φ和前面提到的角度α一致，对于角度α只有在一定的条件下才满足下面的公式：

tan(α)＝H_y/H_x

该条件是H_x/H₀和H_y/H₀要取很大的值，这又和前面提到的使用高场强的必要条件相一致。第二个原因在于，在有限的角度范围内，在永磁体的较弱场强作用下，磁化方向会被分割成多个磁畴，尤其是在层带末端和边缘部位处，这导致磁阻值与理想情况下不同，并且在该角度范围内会产生磁滞。

在引用的两个专利文献WO02/06845A1和DE 19839450A1中，为了改善通过磁阻角度传感器实现的测量精度，指定了层带的排列形式，其中每个层带都分别形成了磁阻，这样的排列形式适合于从传感器的输出信号中滤出谐波。这种滤波在弱场强的情况下也能实现。这通过以下方式来实现：在使用AMR传感器的情况下，使用两组或者多组在磁阻带的纵向方向之间精确限定角度的平行的直的磁阻带，以代替传感器中在纵向方向上相互平行的、未滤除谐波的长的直磁阻带。使用的磁阻带的组越多，谐波次数就越高，直到它们从信号中被滤除。但是其缺点在于，每个新的磁阻带的组必须具有一个新的固定的倾斜角，而不能使用已有的倾斜角，同样还需要所施加的磁场的一个新的角度范围，这些角度必须被测定，并且其中被分割成多个磁畴，因此会产生磁滞。这一结论尤其是适合于那些比磁阻带的各向异性磁场并不高很多的场强情况下。

在GMR和TMR传感器的情况下，通常也可以使用平行的长的磁阻带。但是在不同的磁阻带组中，必须使耦合到相应的反铁磁性物质上的磁阻带的磁化方向相互之间形成精确确定的角度。这样基本上避免不了与磁阻带纵向方向垂直的磁化分量，并且随着磁阻带组的数量的增多，形成的角度范围的数目也会增加，其中特别是在能够以比较经济的方式产生的弱场强的情况下会出现磁滞效应。

用于确定位置的磁阻传感器(它们以可以在测量方向上移动的方式设置在磁标尺的表面附近)通过角度来确定相应的位置值，这个位置值在传感器的位置处在磁阻带的方向上形成了磁场。磁标尺由周期性地在交替方向上被磁化的永磁体材料构成，这样这个角度随着在测量方向上的前进而近似于线性变化。为了达到高测量精度而需要解决的技术问题主要出在角度传感器的情况下。这首先符合谐波滤除的应用。

因此本发明的目的在于给出一种基于磁阻效应的位置和角度传感器的结构，其测量精度通过从信号中滤除谐波分量而得以改善，而不会在较弱磁场的情况下出现会引起测量误差的磁滞的区域。

这个任务将通过实现一个传感器元件来解决，它与权利要求1或者权利要求18中的特征相对应。根据本发明，这里最主要的是，首先要在形成传感器磁阻的磁阻带中避免确定磁阻的角度发生跳变。在使用AMR效应的情况下，电流方向和磁化方向之间的夹角为确定磁阻的角度。为了在磁阻中实现谐波滤除，在磁阻带中需要不同的确定磁阻的角度。这可以通过改变磁阻带边缘的形状来实现，而不会使确定磁阻的角度发生突然的跳变。例如如果磁阻带的两个边缘可以表现为平行走向的正弦曲线形状，则在磁阻带中的电流方向就和这种形状相匹配，并且电流方向相对于磁阻带纵向方向的夹角同样以正弦函数的形式变化，这里所述的磁阻带纵向方向是由其端点之间的直线连接而形成的。在磁场强度较小的情况下，磁阻带的磁阻材料的磁化方向也可以通过施加在磁阻带上的磁场的场强、通过材料的晶体各向同性场强、以及通过形状各向同性场强来确定。材料的晶体各向同性是指在传感器芯片的区域内到处都具有相同的强度和方向。而性状各向同性场强在上述的例子中是和边缘平行的。这样，磁化方向也只能沿着磁阻带连续地变化。因此就不会出现磁化方向的跳变，并且避免了分割成磁畴的一个原因。

为了改变电流在由AMR材料制成的磁阻带中的方向，除了设计磁阻带的边缘形状外，还存在第二种可能性。这种可能性在于采用相间螺旋条纹(barber’s pole)结构，这已经在公开的专利文献DE3514457中做了描述，但是其中并没有提到为了进行角度和长度测量而滤除谐波。在相间螺旋条纹结构的情况下，在磁阻材料制成的磁阻带上，以和磁阻带宽度的数量级相同的间距排列着多个导电层带，这些导电层带的纵向方向和磁阻带的纵向方向之间形成夹角。由于相比较而言导电层带具有更高的导电性，使得电流方向与其纵向方向近似于垂直。通过选择不同的夹角，可以调节具有直的、平行的边缘的磁阻带中的电流方向，这样能够以相同的磁化方向实现所需的不同的确定磁阻的角度。因此不需要大量的以不同角度相互倾斜的磁阻带，并且在角度测量时也不会增加出现磁滞的区域的可能性。

在GMR效应的情况下，角度测量特别适合使用如下的层系统：这些层系统的第一个单元被磁化，其磁化方向能够基本上随着可相对于传感器转动的磁铁的磁场而变化，并且在其第二个单元的磁化过程中，通过耦合到另一个磁性单元，使得该磁化过程基本上与所作用的磁场的方向无关。确定磁阻的角度是第一个和第二个单元的磁化方向之间的夹角。为了进行谐波过滤，需要不同的确定磁阻的夹角。根据本发明，这通过以下方法来实现：使第二个单元的磁化方向沿着磁阻带的纵向方向连续变化。这种连续变化例如可以这样调节：相对的磁阻带边缘可以用同样连续变化的函数来表示，并且所述的另一个磁性单元是反铁磁性材料，它的轴线方向与第二个单元的磁化相耦合，这样就可以通过流经磁阻带的电流的磁场来调节轴的方向。因此，使得第二个单元的磁化方向始终垂直于所述边缘，并且在磁阻带的纵向方向上连续变化。第二个单元的磁化方向的连续变化既避免了在第二个单元上也避免了在第一个单元上由于第一个和第二个单元之间无法避免的弱耦合而形成磁畴，从而也避免了增加出现磁滞的区域的可能性。有利的是，可以通过结合使用恒定磁场以及流经磁阻带的电流所产生的磁场来调节第二个单元的磁化方向。这样可以在纵向方向上对确定磁阻的角度的变化过程产生不同的连续函数。

在使用AMR以及GMR传感器的情况下，在从属权利要求中给出了具体的函数来说明磁阻带边缘的变化过程。有利的是，通过计算谐波分量和信号的幅值，可以选出周期长度和周期性边缘函数的幅值之间的最佳比例关系。

下面借助于实施例对本发明进行进一步的描述。所附的附图如下：

图1：在AMR效应的情况下确定磁阻的角度，

图2：在GMR效应的情况下确定磁阻的角度，

图3：对于AMR传感器，通过磁阻带边缘设定的电流方向，

图4：根据本发明的AMR长度传感器电桥，

图5：根据本发明的AMR角度传感器电桥，

图6：对于AMR传感器，通过相间螺旋条纹结构设定的电流方向，

图7：根据本发明的具有相间螺旋条纹结构的AMR长度传感器，

图8：对于GMR传感器，与磁场无关的磁化方向的连续变化过程，

图9：根据本发明的GMR角度传感器电桥。

在图1中示出了AMR磁阻带的x-y层平面。这里磁阻带的纵向方向与x轴相一致。在磁阻带的一个点上标明了电流的方向I。通常情况下这个方向I和磁阻带的纵向方向x是不一致的。在外加磁场的作用下，标明了该点的磁化方向M。电流方向I和磁化方向M之间的夹角是角度α。磁阻层的单位磁阻ρ_a可以通过这个夹角来确定：

ρ_a(α)＝ρ_a0+(Δρ_a/2)(1-cos(2α))

其中ρ_a0是和磁场无关的分量，而Δρ_a是单位磁阻的与磁场相关的变化幅度。α是磁阻带上任一点处的确定磁阻的夹角。单位磁阻ρ_a是当电流方向I和磁化方向M在磁阻带的纵向方向x上变化时关于x的函数。

图2中在x-y层平面的一个点处示出了一个GMR层系统。其中由层系统构成的磁阻带的纵向方向与x轴相一致。GMR层系统包括两个单元，它们的磁化M₁和M₂能够相互无关地设置在不同的方向上。这里M₁是第一个单元的磁化，它的方向基本上与在所考虑的点处施加的外部磁场的方向一致。M₂是第二个单元的磁化，这里它基本上与第三个反铁磁材料的单元的排列方向一致。在磁化方向M₁和M₂之间的夹角为β。而在所考虑的点处的GMR层的单位磁阻通过下面的公式给出：

ρ_g(β)＝ρ_g0+(Δρ_g/2)(1-cos(β))。

其中β是磁阻带的任一点处的确定磁阻的角度。单位磁阻是当磁化方向M₁和M₂在磁阻带的纵向方向x上变化时x的函数。

图3示出了一个AMR磁阻带1，它的纵向长度沿着x方向延伸。AMR磁阻带1由第一个边缘2和第二个边缘3所限定。在通常情况下，根据本发明，边缘2和边缘3可以通过在x方向上连续变化的任意所需的函数来表示。在所示的例子中，这两个边缘2；3是平行的，并且都是正弦函数。正弦函数的周期长度13比AMR磁阻带的宽度14要大得多。这样，在AMR磁阻带中电流I在各处都是平行于边缘2；3流过，并且它的方向在x的扩展方向上连续变化。一个均匀的磁场H_h作用在AMR磁阻带1的平面上，它的场强比AMR磁阻带1的各向异性场强要大。这样AMR磁阻带1上任一点处的磁化方向M基本上通过均匀的磁场H_h的方向来确定，并且确定磁阻的夹角α在x扩展方向上也是连续变化的。在使用AMR磁阻带1来确定角度、位置或者长度时，所示的均匀磁场H_h在x-y平面内转动。AMR磁阻带1的磁阻作为均匀磁场H_h和x轴构成的夹角的函数，在这种情况下具有最小的谐波比例。为此，电流方向和x方向之间的角度范围应该包括在0°和至少15°之间的值。而电流方向和x方向之间的最大夹角的上限值为45°。

所给出的这个角度值应该也可以适用于AMR磁阻带的边缘不能用正弦函数表示的情况。具有优点的是，边缘2；3可以通过圆弧形曲线或者通过二阶和四阶抛物线曲线的和来表示。

图4中示出了基于图3中的AMR磁阻带1、在一个芯片表面4上形成的用于确定相对于标尺9的位置的传感器桥。标尺9是分段显示的，芯片表面4的平面与标尺段的平面相重合。标尺9以固定的极长10在标尺段平面上周期性地向上和向下交替被磁化。尺寸关系在图中未按比例示出。例如磁阻带的宽度被放大显示。每两个AMR磁阻带1形成了惠斯通电桥的一个支路。AMR磁阻带1通过非磁性的导电层带相互连接。电桥的工作电压的正极连接到连接触点6，其负极连接到连接触点5。电桥的输出电压可以在输出触点7和8处引出。如图4中所看到的，AMR磁阻带1相互之间相隔半个极长10的间距被设置。对于所有的AMR磁阻带，在距下面的磁阻带末端等距离的每个点处分别示出了电流I和磁化M的方向，它们是在磁标尺9上所示位置处的磁场作用下产生的。通过抑制该位置处与AMR磁阻带1的磁阻相关的谐波分量，可以得到电桥的一个输出信号，这个输出信号表示随着位置的改变而周期性变化的电压，其周期长度和极长10相对应。这个电压基本上可以通过一个简单的正弦信号来表示。

一个完整的位置传感器包含两个所示的惠斯通电桥，它们相互之间的距离相差极长10的(n+1/4)倍，其中n为整数(n＝0；1；2；3；…)。位置可以通过已知的方式根据已经经过的极长10的数目以及通过反正切内插由两个桥信号的商所得到的分数计算出来。由于在桥信号中抑制了谐波分量，使得位置结果的误差变得很小。

为了提高位置传感器的电桥的磁阻，并且为了改善芯片表面积4的利用，可以使用大量相同设计的平行、且以弯曲形状连接的AMR磁阻带，来代替每个单个的AMR磁阻带1。

作为本发明的另一个实施例，图5示出了芯片表面4上的一个电桥结构，它是角度传感器的一部分。连接触点5；6和输出触点7；8的使用与图4相一致。这里AMR磁阻带1由边缘2；3来限定，它们彼此之间通过镜像来得到。电流方向只直接和AMR磁阻带1的纵轴方向相一致。然而，所考虑的点距离相应的边缘2或3越近，边缘2；3的方向越接近于平行。因此，在这种情况下电流方向沿着AMR磁阻带1的纵向方向连续变化。如果在均匀磁场H_h中AMR磁阻带1的磁化方向基本相同，则确定磁阻的角度α同样也是连续变化的。采用不同的确定磁阻的角度α是对AMR磁阻带1进行谐波过滤的先决条件。这些角度的连续变化避免了磁滞现象的出现。图5中所示的是距离AMR磁阻带1的末端和距离其纵轴等距的点处的确定磁阻的角α。分别构成电桥的一个支路的两个AMR磁阻带1的纵向方向相互垂直。这样确保了在均匀磁场H_h转动期间，每个电桥支路中的AMR磁阻带1的磁阻变化相反，其方向由角度传感器所确定。当均匀磁场H_h转动180°的时候，作为触点7；8处的输出信号，正弦波形的输出电压经过一个完整的周期。除了所示的电桥之外，完整的角度传感器还包含一个相同的电桥，这个电桥相对于所示的电桥转动过45°。角度值可以使用已知的反正切内插方法通过这两个电桥的输出信号的商来确定。

为了提高角度传感器电桥的磁阻、并且改善芯片表面4的利用，可以使用大量相同设计的平行放置的、且弯曲连接的AMR磁阻带1，以代替每个单个的AMR磁阻带1。

图6中示出了在AMR磁阻带1中不同的电流方向的另外一个实施方式。AMR磁阻带1具有直的、平行的边缘2；3。在AMR磁阻带1上设置有相对于纵向方向倾斜的导电层带11。导电层带11的导电性比AMR层高得多。因此电流以最短的路径从一个导电层带11流到下一个导电层带，并且电流方向垂直于导电层带11的纵向方向。通过导电层带11的倾斜可以调节电流I的方向。在图6中仅示出了两个不同方向的电流。但是，从中可以清楚知道，可以通过改变每个后续导电层带11的倾斜角相对前一个导电层带的倾斜角来连续地改变电流方向。通常一个AMR磁阻带的长度比宽度大约要大1000倍。导电层带之间的间隔应该和宽度在同一个数量级。在需要使用大量导电层带11的情况下，从一个导电层带11到下一个导电层带所需的倾斜角的变化要足够小，从而可以认为形成了连续的变化。在图6中施加了一个平行于AMR磁阻带的均匀磁场H_h。在这个方向上还绘出了磁化方向。同时也绘出了对于导电层带的两个倾斜角的所得到的确定磁阻的角度α。

图7示出了一个位于芯片表面4上的惠斯通电桥，它由4个相同的AMR磁阻带1和导电层带11组成，用于位置测量。芯片表面4垂直于标尺9的表面，图中示出了标尺9的截面。标尺9以相同长度的极长10在交替的方向上被磁化。AMR磁阻带1的位置及其连接和电路与图4中描述的相一致。在所示的特殊情况下，导电层带11按如下形式敷设在AMR磁阻带1上，使得AMR磁阻带1的每四个相同长度的段中流过相同方向的电流I。电流方向与AMR磁阻带1的纵向方向构成的角度是±6°和±24°。这样，AMR磁阻带1的磁阻值与位置的相关性能够将3阶和5阶谐波分量去除。偶数阶谐波通过电桥中的相减被去除。这样，最高达到7阶的所有的谐波分量都从电桥的输出信号中被去除了。为了得到完整的位置传感器，这里还需要两个相差极长10的(1+1/4)倍的电桥。在这种情况下，同样可以通过多个平行的、弯曲相连的相同AMR磁阻带来代替单个的AMR磁阻带1，从而提高电桥的磁阻。

与图7中所示的情况相反，电流方向相对于AMR磁阻带1的纵向方向的夹角也可以通过改变导电层带11到下一个导电层带之间的间距来连续改变。通过计算电桥输出信号可以得到对位置值所需测量精度的最优匹配。

根据本法明，也可以用AMR磁阻带1和设置在其上的导电层带11来形成角度传感器。在这种情况下，通过适当选择导电层带11的纵向方向与AMR磁阻带1的纵向方向之间的夹角，可以使一个电桥支路中的两个磁阻的AMR磁阻带1的纵向方向相互平行，或者相互为90度，或者是从0°到90°之间的任意一个角度值。

在所有具有谐波过滤的磁阻传感器结构中，与那些没有经过谐波过滤的结构相比较，可以避免作为角度或位置的函数的输出信号的幅值减小。在带有导电层带11的AMR磁阻带1的情况下，这个减小值是最小的。这是通过如下方法实现的：在层带的每个磁阻中必须仅对不同的电流角求平均，而不是对相应AMR磁阻带1中的不同磁化角求平均。在直的AMR磁阻带中磁化方向都是相同的。

图8和图9中用另一个例子描述了根据本发明的GMR传感器的使用。图8示出了一个GMR磁阻带12，它的层平面限定在x-y平面上，并且它的纵向方向与x方向相一致。GMR层的第一个单元的M₁(图2)在这里没有示出，它基本上随着外加磁场而变化。GMR磁阻带12由边缘2和3所限定。边缘2；3在图中是通过相同的正弦曲线来表示的，并且对于每个x值是平行的。GMR层的第二个单元的磁化方向M₂分别与边缘2；3相垂直。磁化M₂的分布通过流经GMR磁阻带的电流的场所产生。当GMR磁阻带12从一个较高的温度被冷却到它的尼尔温度(Neel temperature)以下时馈送该电流。这种磁化设置过程的细节是已知的，不是本发明的主题。当x的值增加时磁化M₂的连续变化导致了当施加外部磁场时确定磁阻的角度β的连续变化，因此第一个单元的磁化方向M₁基本上是恒定的(图2)。

图9示出了一个角度传感器电桥，它由图8所示的GMR磁阻带构成。四个GMR磁阻带12位于一个芯片表面4上，并通过导电的、非磁性的连接以及对应图4中所述的连接触点来补充，以构成一个完整的惠斯通电桥。在芯片表面4上作用有一个均匀磁场H_h，它的方向可以在芯片表面4的平面上转动，并且它相对于芯片表面4的下边缘的角度需要被确定。这四个GMR磁阻带12的纵向方向相互平行，并且每个电桥支路中的两个GMR磁阻带彼此之间通过镜像得到。这也适用于GMR磁阻带的第二个单元的磁化方向M₂。通过这种形式保证了在外加均匀场H_h转动期间每个桥支路中的磁阻的磁阻值以相反的方式变化。GMR层的第一个单元的磁化M₁基本上和磁场H_h的方向一致。这样对于任意的外加磁场H_h，确定磁阻的角度β沿着每个GMR磁阻带12连续地变化，并且更加难以形成磁滞区域。通过在每个电桥磁阻中使用不同的确定磁阻的角度能够产生谐波过滤的效果。为了实现实际中对谐波分量的明显抑制，图8中的边缘曲线的最大梯度角应选在30°到90°之间。周期长度和边缘曲线的最大梯度角之间的最优比例关系可以通过计算电桥输出信号来得到。

这里完整的角度传感器还包括相同设计的第二个电桥，这个电桥相对所示的电桥要偏转90°设置。通过使用反正切内插方法，可以由两个电桥输出信号的商得到要确定的角度值。

GMR磁阻带的边缘2；3可以通过连续变化的不同曲线来再现。通常具有优点的是采用圆弧形的曲线段或者2阶或4阶抛物线的和。

电桥的磁阻值可以通过使用平行的GMR磁阻带来增加，这些GMR磁阻带彼此相同，并且弯曲连接，以代替每个单个的GMR磁阻带12。

具有优点的是，通过当GMR磁阻带12被冷却到尼尔温度以下时，将流经GMR磁阻带的电流的场和外加的磁场结合起来，对GMR层的第二个单元的磁化方向M2进行调节。

这里没有详细示出基于GMR磁阻带12的位置传感器的结构，这里给出的只是本发明的一部分，但是可以通过所述的示例性实施例很容易地推导出来。

附图标记列表

1 AMR磁阻带

2 第一个边缘

3 第二个边缘

4 芯片表面

5 工作电压触点

6 工作电压触点

7 电桥输出电压触点

8 电桥输出电压触点

9 标尺

10 标尺的极长

11 导电层带

12 GMR磁阻带

13 边缘曲线的周期长度

14 磁阻带的宽度

α    确定磁阻的角度

β    确定磁阻的角度

H_h   均匀磁场

M     AMR层的磁化

M₁   GMR层的第一个单元的磁化

M₂   GMR层的第二个单元的磁化

I     电流

x，y层平面的坐标

Claims (28)

1用于确定传感器方向与相对于该传感器可转动的磁场(H_h)之间的夹角、或者用于确定传感器与一个相对于该传感器可在移动方向上移动的周期性磁场(H_h)之间的相对位置的磁阻传感器，包括至少两个半桥或者全桥，它们提供相移的周期性信号并且它们的磁阻通过磁阻材料构成的磁阻带形成，它们可以利用各向异性磁阻(AMR)效应，其中磁阻值通过电流方向(I)和磁化方向(M)之间的确定磁阻的夹角(α)来确定；或者也可以利用巨磁阻(GMR)效应，其中磁阻值通过磁阻材料的不同单元的磁化(M₁；M₂)之间的确定磁阻的夹角(β)来确定，其特征在于，在作用于各个磁阻带(1；12)的任意磁场(H_h)中，确定磁阻的夹角(α；β)沿着磁阻带的纵向方向(x)连续变化。

2用于确定传感器方向与相对于该传感器可转动的磁场(H_h)之间的夹角、或者用于确定传感器与一个相对于该传感器可在移动方向上移动的周期性磁场(H_h)之间的相对位置的磁阻传感器，包括至少两个半桥或者全桥，它们提供相移的周期性信号并且它们的磁阻通过磁阻材料构成的磁阻带形成，它们可以利用各向异性磁阻(AMR)效应，其中磁阻值通过电流方向(I)和磁化方向(M)之间的确定磁阻的夹角(α)来确定；或者也可以利用巨磁阻(GMR)效应，其中磁阻值通过磁阻材料的不同单元的磁化(M₁；M₂)之间的确定磁阻的夹角(β)来确定，其特征在于，在作用于各个磁阻带(1；12)的每一个磁场(H_h)中，确定磁阻的夹角(α；β)沿着磁阻带的纵向方向(x)连续变化。

3如权利要求1或2所述的磁阻传感器，其特征在于，在磁场(Hh)与磁阻带的纵向方向平行的情况下，确定磁阻的夹角(α；β)在磁阻带(1；12)的末端处分别具有相同的大小。

4如权利要求3所述的磁阻传感器，其特征在于，确定磁阻的角度(α；β)在磁阻带长度上是相对于磁阻带中心对称的。

5如权利要求1，2或3所述的磁阻传感器，其特征在于，确定磁阻的角度(α；β)沿着磁阻带的纵向方向周期性变化。

6如权利要求1-5中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，每个磁阻是由多个相同形状的平行磁阻带(1；12)组成的。

7如权利要求1或2所述的用于确定位置的磁阻传感器，其特征在于，所述半桥或者全桥中的所有磁阻由相互平行、且彼此具有相同形状的多个磁阻带(1；12)构成，这些磁阻带的纵向方向与周期性磁场的移动方向相垂直。

8如权利要求1或2所述的用于确定角度的磁阻传感器，其特征在于，所述半桥或者全桥中的每个磁阻由相互平行、且彼此具有相同形状的多个磁阻带(1；12)构成，并且不同磁阻的磁阻带(1；12)的纵向方向之间通过转动特定的偏差角而相互不同。

9如权利要求8所述的磁阻传感器，其特征在于，磁阻的磁阻带(1)由具有AMR效应的材料构成，这样每个半桥内的偏差角为90°，并且两个半桥或全桥的相应磁阻间的偏差角是45°。

10如权利要求8所述的磁阻传感器，其特征在于，磁阻的磁阻带(12)由具有GMR效应的材料构成，这样每个半桥内的偏差角是180°，并且两个半桥或全桥的相应磁阻间的偏差角是90°。

11如权利要求1或2所述的磁阻传感器，其特征在于，磁阻的磁阻带(1)由具有AMR效应的材料构成，并且磁阻带的边缘(2；3)可以通过在磁阻带纵向方向上连续变化的函数来表示，使得在磁阻带内的电流方向至少在靠近边缘的区域内平行于所述边缘(2；3)。

12如权利要求11所述的磁阻传感器，其特征在于，每个磁阻带(1)的两个边缘(2；3)可以通过相同的连续变化的函数来表示，并且在磁阻带的纵向方向上的每一点处都是平行的。

13如权利要求12所述的磁阻传感器，其特征在于，所述连续变化的函数是一个周期函数。

14如权利要求13所述的磁阻传感器，其特征在于，所述连续的周期函数具有一个周期长度(13)，该周期长度要比磁阻带(1)的宽度(14)大得多。

15如权利要求14所述的磁阻传感器，其特征在于，所述周期函数可以用正弦函数表示。

16如权利要求15所述的磁阻传感器，其特征在于，所述周期函数可以用一系列交替曲率的圆弧来表示。

17如权利要求14所述的磁阻传感器，其特征在于，所述周期函数可以用一系列交替曲率的二阶和四阶抛物线的和来表示。

18如权利要求14所述的磁阻传感器，其特征在于，所述周期函数的幅值通过相对于具有低谐波分量的半桥或者全桥的输出电压的优化来确定，使得在磁场(Hh)相对于传感器转动期间输出电压的幅值尽可能大。

19用于确定相对于传感器可转动的磁场(H_h)的夹角、或者用于确定相对于传感器可在移动方向上移动的周期性磁场(H_h)的相对位置的磁阻传感器，包括至少两个半桥或者全桥，它们提供相移的周期性信号并且它们的磁阻通过磁阻材料构成的磁阻带形成，这些磁阻带具有各向异性磁阻(AMR)效应，其中磁阻值通过电流方向(I)和磁化方向(M)之间的确定磁阻的夹角(α)来确定，其特征在于，磁阻带(1)由直的边缘(2；3)所限定，具有固定的宽度(14)，并且磁阻带(1)内的电流方向(I)和磁阻带(1)的边缘(2；3)形成不同的角度。

20如权利要求19所述的磁阻传感器，其特征在于，磁阻材料的磁阻带具有大量的相互之间有一定间隔的导电层带(11)，它们的纵向方向与磁阻带(1)的纵向方向之间形成夹角。

21如权利要求20所述的磁阻传感器，其特征在于，所述夹角被如此选择，使得电流方向(I)和磁阻带(1)的纵向方向之间形成的夹角可以通过一个正弦函数来表示。

22如权利要求21所述的磁阻传感器，其特征在于，所述夹角被如此选择，使得电流方向(I)和磁阻带(1)的纵向方向之间形成的夹角可以通过一系列交替曲率的二阶和四阶抛物线的和来表示。

23如权利要求1或2所述的磁阻传感器，其特征在于，磁阻的磁阻带(12)由具有GMR效应的材料组成，其中一个单元的磁化方向(M₁)基本上随着所施加的磁场的方向而变化，并且基本上通过磁耦合到另一个磁性单元上所限定的第二个单元的磁化方向(M₂)方向沿着磁阻带(12)的纵向方向连续变化。

24如权利要求23所述的磁阻传感器，其特征在于，相对的条边沿(2；3)可以分别通过在磁阻带纵向方向上连续变化的相同的函数来表示，并且第二个单元的磁化方向(M₂)通过流经磁阻带的电流(I)的磁场进行调节，使得磁化方向(M₂)始终垂直于各个边缘(2；3)。

25如权利要求24所述的磁阻传感器，其特征在于，所述连续变化的函数可以用一个正弦曲线来表示。

26如权利要求23所述的磁阻传感器，其特征在于，所述连续变化的函数可以用一系列交替曲率的圆弧来表示。

27如权利要求23所述的磁阻传感器，其特征在于，所述连续变化的函数是一个周期函数，并且可以由交替曲率的二阶和四阶抛物线的和来表示。

28如权利要求23所述的磁阻传感器，其特征在于，相对的磁阻带边缘(2；3)可以分别通过在磁阻带的纵向方向上连续变化的相同的函数来表示，并且可以将流经磁阻带(12)的电流的磁场和外加的均匀磁场(H_h)结合起来，对第二个单元的磁化方向(M₂)进行调节。

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