CN1941082A - 磁性编码器 - Google Patents

Abstract

一种具有由SVGMR元件组成的磁性传感器的磁性编码器，其中，信号输出具有磁性介质上的磁性区域的周期的一半。所述磁性编码器包括磁性介质和磁性传感器，在磁性介质上，第一磁性区域和第二区域沿介质延伸方向被相反磁化并且彼此连续和交替地设置，磁性传感器具有偶数个SVGMR元件并沿介质延伸方向相对于介质可移动。所有SVGMR元件的固定磁化层的磁化指向沿介质延伸方向的相同方向。磁性传感器中的偶数个SVGMR元件的每一个沿介质延伸方向彼此间隔第一磁性区域长度加上第二磁性区域长度的和的一半，并且偶数个SVGMR元件被串联连接，使得磁性传感器的电阻变化周期为介质上的第一和第二磁性区域的周期长度的一半，并且可以获得高分辨率的信号输出。

Description

磁性编码器

技术领域

本发明涉及使用磁性传感器的磁性编码器，所述磁性传感器带有旋转阀(spin valve)型巨大磁致电阻效应膜。

背景技术

近年来，应用于诸如小型机器人、数码相机和喷墨打印机的民用设备的磁性编码器被要求不仅便宜和小型化，而且具有高分辨率和优异的间隙输出特性。换句话说，要求磁性编码器小型化但不需要用于加倍信号频率的处理电路，并且还可以对抗间隙变化而在其运行期间维持稳定的输出。此外，要求低的电功率消耗。

在传统的磁性编码器中，应用了由各向异性磁致电阻效应膜(以下称为“AMR元件”)形成的磁性电阻器。AMR元件被广泛地使用，因为即使在相对较小的磁场区域中，电阻也会在某种程度上根据其中的磁场变化而变化，并且因为其膜容易被制造。然而，需要将该膜加厚到20nm至40nm，以便具有NiFe合金薄膜或NiCo合金薄膜的AMR元件获得稳定的磁致电阻效应。但是，它们很难使用，因为元件的电阻由于更厚的膜而减小。如果AMR元件的宽度尺寸被减小以增加分辨率，形状各向异性(Hk)与更厚的膜的影响一起增加，并且在弱磁场区域内不能获得足够的电阻变化来产生期望的电输出。由于该原因，很难提高使用AMR元件的磁性编码器中的分辨率。增加该分辨率意味着缩小元件的间距和/或介质上的磁化，并增加单位长度的电输出信号数。

代替很难提高分辨率的AMR元件，使用耦合的巨大磁致电阻效应膜(以下称为“耦合GMR元件”)的元件在日本专利2812042中被公开。该耦合GMR元件具有AMR元件的两至四倍的电阻变化率(variation ratio)。在日本专利2812042中说明的耦合GMR元件中，使用了具有十层交替层叠的NiCoFe薄膜和非磁性金属薄膜的人造栅格金属膜。多层铁磁薄膜和非磁性金属薄膜导致大的磁致电阻变化率。然而，很难实现低电功率消耗，因为非磁性金属薄膜为良好电传导物质并且膜的电阻低至AMR元件的一半至三分之一。耦合GMR元件具有20％至30％的电阻变化率，但是电阻变化率只能通过在大的磁场中使用它们来获得。由于该理由，很难在如磁性编码器的相对较小的磁场中使用它们。

有一种用在硬盘存储设备(HDD)的磁头中的旋转阀型巨大磁致电阻效应膜，是在相对小的磁场区域内呈现与耦合GMR元件一样的电阻变化率的膜。如在日本专利3040750中说明的，旋转阀型巨大磁致电阻效应膜由固定磁化层(pinned magnetic layer)、非磁化导电层和自由磁化层组成，在所述固定磁化层中，磁化方向不随外部磁场(或磁通)方向的变化而改变，在所述自由磁化层中，磁化方向跟随外部磁场的变化而改变。从旋转阀型巨大磁致电阻效应膜机械加工的元件(以下称为“SVGMR元件”)具有耦合GMR元件五倍至六倍的电阻，并且当它被用于磁性传感器时，容易实现电功率消耗的减少。同样，它可以工作在如1A/m至160A/m，即约0.006Oe至20Oe的相对较小磁场区域中。

然而，磁性编码器具有只能通过用SVGMR元件来代替AMR元件和耦合GMR元件来减小分辨率的缺点。当SVGMR元件与用N极和S极交替磁化、具有磁化间距λ的磁性介质一起使用时，信号具有为磁化间距的两倍的2λ输出周期。换句话说，分辨率变成一半。这是由磁致电阻变化特性导致的，并且在传统编码器结构中无法避免分辨率的减小。

这是因为SVGMR元件具有如下特性：当在与元件中的固定磁化层的磁化方向相同的方向上施加外部磁场时，元件的电阻改变，而当相反地施加外部磁场时，元件的电阻不改变。或者因为SVGMR元件具有如下特性：当在与元件中的固定磁化层的磁化方向相同的方向上施加外部磁场时，元件的电阻不改变，而当相反地施加外部磁场时，元件的电阻改变。当磁性介质被磁化具有磁化间距λ时，磁场方向对于每个λ改变。因为此，SVGMR元件的电阻以两倍磁化间距2λ的周期改变。相反，使用耦合GMR元件或AMR元件提供了周期为λ的电信号。耦合GMR元件和AMR元件在没有磁场的状态下显示出最大的电阻，并且当外部磁场增加时电阻减小。即，不管磁场方向，由磁场强度的增加和减小产生信号。由于该原因，可以得到与磁化间距λ相同周期的电信号。SVGMR元件未被应用于磁性编码器是因为它们几乎不能满足市场要求的高分辨率。然而，由于SVGMR元件在相对小的磁场区域内呈现出与耦合GMR元件一样的磁致电阻变化率以及耦合GMR元件五倍至六倍的电阻，很难放弃可以通过SVGMR元件来容易地实现低电功率消耗的优点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种磁性编码器，包括由SVGMR元件组成的磁性传感器和具有在相反方向交替磁化的连续磁化的磁性介质，提供了具有磁性介质的磁化区域周期的一半的周期的电信号，提供了磁性编码器中的低电功率消耗，并提供了相对于间隙变化的稳定输出属性。

根据本发明的磁性编码器包括：在一个方向上延伸并具有第一磁化区域和第二磁化区域的磁性介质，所述第一磁化区域和第二磁化区域连续和彼此交替地设置在所述介质上并沿所述介质彼此相反地磁化；以及磁性传感器，具有偶数个SVGMR元件，所述SVGMR元件具有以预定间隙面向所述介质的矩形平面，并且沿所述介质的延伸方向可相对于所述介质移动。第一磁化区域和第二磁化区域具有彼此不同的长度，并且它们中较长的一个具有长度λl，它们中较短的一个具有长度λs。SVGMR元件的矩形平面与介质延伸方向垂直地延伸。偶数个SVGMR元件中的每一个沿介质的延伸方向彼此间隔由(λl+λs)/2定义的长度λ。每一个SVGMR元件为固定磁化层、非磁性导电层和自由磁化层按它们的顺序的层叠，并且所有SVGMR元件中的固定磁化层具有沿介质延伸方向相同方向的磁化。当外部磁场以与SVGMR元件的固定磁化层的磁化相同的方向被施加到SVGMR元件时，SVGMR元件呈现出最小的电阻，并且当外部磁场以与SVGMR元件的固定磁化层的磁化相反的方向被施加到SVGMR元件时，呈现出最大的电阻。该偶数个SVGMR元件被串联地电连接，并且从电连接的SVGMR元件的电端子取出信号输出。

当SVGMR元件中自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化反平行时，SVGMR元件对于流经SVGMR元件的电流呈现出最大电阻，而当SVGMR元件中自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化平行时，SVGMR元件呈现出最小电阻。在可应用于本发明的SVGMR元件中，在外部磁场未施加到SVGMR元件或以与固定磁化层的磁化相反的方向施加外部磁场的情形下，自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化反平行，并且当以与固定磁化层的磁化相同的方向施加外部磁场时，自由磁化层的磁化变得与外部磁场的方向相同，即，与固定磁化层的磁化一样，并且当外部磁场增加到足够强度时，自由磁化层的磁化变得与固定磁化层的磁化平行，并且SVGMR元件呈现出最小电阻。或者，当外部磁场未施加到SVGMR元件或以与固定磁化层的磁化相同的方向施加外部磁场时，自由磁化层的磁化变得与固定磁化层的磁化平行，并且SVGMR元件呈现出最小电阻，并且当以与固定磁化层的磁化相反的方向施加外部磁场时，自由磁化层的磁化变得与外部磁场的方向相同，即，与固定磁化层的磁化相反，然后，当外部磁场变为足够强度时，自由磁化层的磁化变得与固定磁化层的磁化反平行，并且SVGMR元件呈现出最大电阻。

在SVGMR元件中，由固定磁化层和/或自由磁化层的材料以及固定磁化层和自由磁化层之间插入的非磁性导电层的厚度来决定在未施加外部磁场的情形下，自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化是平行还是反平行。

本发明的磁性编码器可以使用在圆盘的圆周或端面形成或以线性磁性尺度形成的磁性介质。由于磁性编码器的磁性介质的形状众所周知，在这里省略其详细说明。

在本发明的磁性编码器的磁性介质中，要求第一磁化区域在长度上不同于第二磁化区域。当由第一和第二磁化区域中的较长区域形成电阻中的较高部分(山峰)时，出现电阻的较高部分与相邻的电阻较高部分的重叠，并且重叠的较高部分和非重叠的较高部分之间的电阻差显现。当由第一和第二磁化区域中的较短区域形成电阻中的较高部分(山峰)时，电阻的较高部分的裙部(skirt)与相邻电阻的较高部分的裙部不重叠，使得较高部分和较低部分之间的电阻差显现。但是，当第一磁化区域具有与第二磁化区域相同的长度时，电阻的较高部分的裙部与相邻的电阻的较高部分的裙部重叠，使得电阻的较低部分不出现，并且电阻差减小使得很难取得输出。

在本发明的磁性编码器中，所述磁性传感器由偶数个SVGMR元件组成，每一个SVGMR元件沿介质的延伸方向彼此间隔λ。当SVGMR元件被置于面向第一磁化区域或第二磁化区域时，SVGMR元件的电阻从最小值R2变化到最大值R1以呈现电阻的山峰。由于磁性传感器是由偶数个串联并相互间隔λ的SVGMR元件组成，由SVGMR元件的间隔λ导致电阻山峰，并且信号输出具有的周期为磁性图周期(λl+λs)的一半。

此外，在本发明的磁性编码器中，最好每个SVGMR元件沿介质延伸方向的宽度w等于或小于λs。

在以间隔λ重复的SVGMR元件的电阻山峰中，电阻变化的一部分具有长度w。假设当SVGMR元件位于面向第一磁化区域时呈现出最大电阻R1，并且当它位于面向第二磁化区域时呈现出最小电阻R2，由于SVGMR元件当它在第一磁化区域前沿之前w时面向第二磁化区域，SVGMR元件具有电阻R2。当它从第一磁化区域前沿之前w的位置进一步接近第一磁化区域时，SVGMR元件的一部分开始面向第一磁化区域，并且SVGMR元件的自由磁化层的磁化受到第一磁化区域影响，开始从自由磁化层的磁化平行于固定磁化层的磁化的位置转变。因而，SVGMR元件的电阻从最小值R2上升。当SVGMR元件面向第一磁化区域的程度进一步增加时，电阻增加，并且当SVGMR元件到达完全面向第一磁化区域的位置时，SVGMR元件的自由磁化层的磁化变成与固定磁化层的磁化反平行，以使电阻几乎为最大值R1。SVGMR元件从面向第一磁化区域的位置前进以达到在第二磁化区域前沿之前w的位置。此外，SVGMR元件前进并且SVGMR元件的一部分开始面向第二磁化区域，在这里，来自第一磁化区域的磁场减弱，使得SVGMR元件的自由磁化层的磁化开始从它与固定磁化层的磁化反平行的位置旋转，并且SVGMR元件的电阻从最大值R1减小。当SVGMR元件从它面向第一磁化区域的位置进一步前进并且到达完全面向第二磁化区域的位置时，SVGMR元件的自由磁化层的磁化变得与固定磁化层的磁化平行，并且电阻变成最小值R2，因为来自第一磁化区域的磁场开始不对SVGMR元件的自由磁化层起作用。SVGMR元件的电阻从最小值R2变化到最大值R1或从最大值R1变化到最小值R2的区域的长度与SVGMR元件的宽度w几乎相同。SVGMR元件的电阻以相同的方式改变，即使当SVGMR元件位于SVGMR元件面向第一磁化区域的位置时它是最小值R2，以及当SVGMR元件位于SVGMR元件面向第二磁化区域的位置时为最大电阻R1。

因而，SVGMR元件的电阻在SVGMR元件面向第二/第一磁化区域的位置时为最小值R2，并且从它距离第一/第二磁化区域的边缘w的位置，电阻逐渐上升，尽管SVGMR元件面向第二/第一磁化区域，并且在SVGMR元件完全面向第一/第二磁化区域的位置，SVGMR元件的电阻变得几乎为最大值R1。并且当从它在第二/第一磁化区域的边缘之前w的位置时，SVGMR元件的电阻逐渐减小，尽管SVGMR元件面向第一/第二磁化区域，并且在SVGMR元件完全面向第二/第一磁化区域的位置，SVGMR元件的电阻变为最小值R2。假设第一磁化区域具有较长的磁化区域长度λl，并且第二磁化区域具有较短的磁化区域长度λs，则SVGMR元件的电阻山峰的裙部的长度为w，并且电阻山峰的峰值长度几乎为λl-w或λs-w。

SVGMR元件的电阻山峰的峰值长度为λl-w或λs-w是由与第二磁化区域或第一磁化区域的磁化方向相同的SVGMR元件的固定磁化层的磁化决定的。然而，由于第一磁化区域或第二磁化区域可以相互代替，应该理解，电阻山峰的峰值长度可以是λl-w和λs-w。这里，由于假设λl＞λs，如果较短的磁化区域长度λs小于w，则SVGMR元件不能完全面向该较短的磁化区域并且电阻不能为最大/最小值。因而，SVGMR元件的宽度w必须等于或短于该较短的磁化区域长度λs。

在根据本发明的磁化编码器中，期望磁性传感器具有沿介质延伸方向彼此间隔λ·(1/2+n)的第一传感器和第二传感器，其中n为0或正整数。第一和第二传感器的每一个由相同偶数个SVGMR元件组成，所述SVGMR元件被串联电连接，并且沿介质延伸方向与另一个SVGMR元件间隔λ。第一传感器的电端子，即形成第一传感器的偶数个SVGMR元件的开放电端子中的一个被电连接至第二传感器的电端子，即形成第二传感器的偶数个SVGMR元件的开放电端子中的一个。在第一传感器的另一个端子，即形成第一传感器的偶数个SVGMR元件的开放电端子中的另一个和第二传感器的另一个端子，即形成第二传感器的偶数个SVGMR元件的开放电端子中的另一个之间施加测量电压。从第一传感器和第二传感器之间连接的电端子取出信号输出。

在本发明的磁性编码器中，由于第一传感器和第二传感器沿介质延伸方向彼此间隔距离λ(1/2+n)，由定义为(λl+λs)/2的长度λ和包括0的正整数n来表达，第一传感器的电阻图与第二传感器的电阻图在相位上相差1/2·λ。取出第一传感器和第二传感器之间的中点电势作为信号输出，可以得到桥式输出。

在本发明的磁性编码器中，期望较长的磁化区域长度λl等于或大于λ+w，并且较短的磁化区域长度λs等于或小于λ-w。

当在磁性编码器中较长的磁化区域长度λl等于或大于λ+w时，它导致λl-λ-w≥0。附带地，如果SVGMR元件的电阻山峰出现在面向较长磁化区域的位置，则从上述SVGMR元件前进或后退λ的SVGMR元件在从上述电阻山峰前进或后退λ的位置具有电阻山峰。由于SVGMR元件的电阻山峰的峰值长度几乎为λl-w，则电阻山峰的两个相邻峰值在几乎λl-λ-w的长度上相互重叠。该值为0或正值意味着两个相邻的峰值相互重叠。并且当多个SVGMR元件在每个传感器中串联连接时，电阻总和的最大值和最小值之间的差可以变得更大。

相反，当SVGMR元件的电阻山峰出现在面向较短磁性区域的位置时，从上述SVGMR元件前进或后退λ的SVGMR元件在从上述SVGMR元件的电阻山峰前进或后退λ的位置具有电阻山峰。从每个SVGMR元件的电阻山峰的一个裙部到另一个裙部的长度为λs+w。由于较短磁化区域长度λs等于或小于λ-w，从SVGMR元件的电阻山峰的一个裙部到另一个裙部的长度λs+w包含在长度λ中。这意味着，两个相邻的峰值的裙部不相互重叠。因而，当每个传感器中的多个SVGMR元件串联连接时，电阻总和的最大值和最小值之间的差可以变得更大。

附带地，两个条件λl≥λ+w和λs≤λ-w已在上面被显示，但这些意味着相同的事情。由于2λ＝λl+λs来自λ的定义，它被代入第一个公式以消去λl并形成第二个公式。

在本发明的磁性编码器中，最好第二传感器的SVGMR元件位于第一传感器的两个相邻SVGMR元件之间。由于第一和第二传感器由相同的偶数个SVGMR元件组成，所述SVGMR元件彼此相隔λ，每个传感器中的SVGMR元件的分布宽度为λ·(SVGMR元件的数目-1)。可以通过在第一传感器的两个相邻SVGMR元件之间放置一个第二传感器的SVGMR元件，使包含在第一和第二传感器中的所有SVGMR元件的分布宽度变窄。

此外，在本发明的磁性编码器中，最好第一和第二传感器的每一个由多于四个SVGMR元件组成。当第一和第二传感器的每一个由四个SVGMR元件组成时，第一和第二传感器的每一个可以同时检测从两个连续的第一/第二磁化区域产生的磁场。并且，当第一和第二传感器的每一个由2n个SVGMR元件组成时(n：正整数)，第一和第二传感器的每一个可以同时检测从n个连续的第一/第二磁化区域产生的磁场。由于第一和第二传感器的每一个可以同时检测来自n个连续的第一/第二磁化区域的磁场，来自第一和第二传感器的输出由n个第一/第二磁化区域的平均磁场产生，使得可以补偿n个连续的第一/第二磁化区域中的长度或磁性强度变化。结果，信号输出中的抖动可以被减小。

尽管第一和第二传感器的每一个最好包含更多的SVGMR元件以减小抖动，最好第一和第二传感器的每一个具有最多六个SVGMR元件，因为如果传感器包括过多的SVGMR元件，传感器的宽度将会过宽。

根据本发明，由具有SVGMR元件的磁性编码器来实现周期为λ的电信号，λ为每个磁化区域的平均长度。而且，由于使用了大电阻的SVGMR元件，实现了更少电功率消耗的磁性传感器。另外，已在相对较小的磁场区域中得到大的磁致电阻变化率，并且已实现能够获得对抗磁性传感器和磁性介质之间的间隙变化的稳定输出属性(间隙属性)的磁性编码器。

附图说明

图1为根据本发明，使用SVGMR元件的磁性编码器的透视示意图；

图2为解释用于本发明中的SVGMR元件的示意图；

图3A和3B为解释电阻R和施加到SVGMR元件的外部磁场H之间关系的图，图3C为解释电阻R和施加到耦合GMR元件的外部磁场H之间关系的图，以及图3D为解释电阻R和施加到AMR元件的外部磁场H之间关系的图；

图4A为具有磁性介质的本发明示例2的磁性编码器的结构和功能的说明视图，其中，第一磁化区域长度长于第二磁化区域长度，图4B显示了解释第一传感器中的SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图4C显示了解释第一传感器中的另一个SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图4D显示了解释第一传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图4E显示了解释第二传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图4F为解释第一和第二传感器之间的中点电势输出与磁性介质上的位置之间的关系的图，以及图4G显示了解释两个SVGMR元件的电阻的重叠裙部的图；

图5为通过等效电路来显示示例2中SVGMR元件的连接的图；

图6A为具有磁性介质的本发明示例3的磁性编码器的结构和功能的说明视图，其中第一磁化区域长度短于第二磁化区域长度，图6B显示了解释第一传感器中的SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图6C显示了解释第一传感器中的另一个SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图6D显示了解释第一传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图6E显示了解释第二传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，以及图6F为解释第一和第二传感器之间的中点电势输出与磁性介质上的位置之间的关系的图；

图7A为根据具有磁性传感器的本发明示例4的磁性编码器的结构和功能的说明视图，其中，第二传感器的第一SVGMR元件设置在第一传感器的第一SVGMR元件和第二SVGMR元件之间，图7B显示了解释第一传感器中的SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图7C显示了解释第一传感器中的另一个SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图7D显示了解释第一传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图7E显示了解释第二传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，以及图7F为解释第一和第二传感器之间的中点电势输出与磁性介质上的位置之间的关系的图；

图8为显示在根据本发明具有SVGMR元件的磁性编码器中以及在具有耦合GMR元件的可比较磁性编码器中，磁性传感器输出和间隙长度之间的关系(间隙属性)的图；

图9为显示根据本发明具有磁性传感器的示例6的磁性编码器的结构的说明视图，对于第一和第二传感器的每一个，磁性传感器由四个SVGMR元件组成；

图10为通过等效电路来显示示例6中的SVGMR元件的连接的图；

图11A为根据具有磁性传感器的本发明示例7的磁性编码器的结构和功能的说明视图，其中，磁性传感器的第一和第二传感器的每一个由四个SVGMR元件组成，并且其中，第二传感器的第一SVGMR元件设置在第一传感器的第一SVGMR元件和第二SVGMR元件之间，图11B显示了解释第一传感器中的SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图11C显示了解释第一传感器中的另一个SVGMR元件的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图11D显示了解释第一传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，图11E显示了解释第二传感器的电阻和磁性介质上的位置之间的关系的图，以及图11F为解释第一和第二传感器之间的中点电势输出与磁性介质上的位置之间的关系的图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的示例的磁性编码器将在下面被详细说明。为了理解方便，相同的数字标号将被用于相同的部分和相同的位置。示例将被说明，使用旋转阀型磁致电阻效应膜用于SVGMR元件，其中当外部磁场未被施加时，自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化相反并且电阻很高，并且当外部磁场以与SVGMR元件的固定磁化层的磁化相同的方向施加到SVGMR元件时，SVGMR元件的电阻减小，而当相反的外部磁场施加到SVGMR元件时，SVGMR元件的电阻不改变。当自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化方向相同时，SVGMR元件的电阻最小，然而，当自由磁化层的磁化相反时，不出现磁致电阻变化，并且SVGMR元件的电阻最小。

示例1

图1显示了解释具有SVGMR元件的磁性编码器的透视示意图。磁性编码器1由磁性介质2和磁性传感器6组成。在磁性介质2上，彼此相反磁化的两个磁化区域，即第一磁化区域21和第二磁化区域22沿介质的延伸方向连续和交替地排列。在以下解释中，假设第一磁化区域21的长度λl长于第二磁化区域22的长度λs。在磁性传感器6中，在基底材料4上与磁性介质2的延伸方向垂直延伸的矩形平面中形成多个SVGMR元件5，并且SVGMR元件5的末端通过导线(未显示)连接至柔性印刷电路3。磁性介质2通过预定间隙面向具有矩形平面的SVGMR元件5。当磁性传感器相对磁性介质移动时，施加到SVGMR元件的磁场改变，并且SVGMR元件的电阻变化。在以下说明中，假设磁性介质是固定的并且磁性传感器移动。

在图2中，SVGMR元件5被显示在示意图中。在SVGMR元件5的制造中，在固定磁化层10、非磁性导电层11和自由磁化层12按顺序层叠在基底材料4上之后，通过光刻制成抗蚀剂掩模，并且通过离子铣形成矩形元件。至于基底材料4，使用了热膨胀系数a为38×10^-7deg.^-1的铝硅酸盐(aluminosilicate)玻璃。固定磁化层10具有在12nm厚度Mn₅₀Pt₅₀(原子％)反铁磁层上的5nm厚度Co₉₀Fe₁₀(原子％)组成。非磁性导电层11为铜的并且厚度为3nm。自由磁化层12为两层膜，Ni₈₅Fe₁₅层和Co₉₀Fe₁₀层并且总厚度为5nm。Ni₈₅Fe₁₅层和Co₉₀Fe₁₀层的厚度比为3∶1至5∶1。固定磁化层10在约为240A/m(约30Oe)的磁场中被溅射(sputter)以固定磁化。自由磁化层中的NiFe层在磁场中被溅射，以使其磁各向异性并增强磁属性。

在通过光刻技术在基底材料4上制成的旋转阀型巨大磁致电阻效应膜层上形成抗蚀剂掩模之后，SVGMR元件5通过氩离子的离子铣而形成目标形状。SVGMR元件具有几乎为矩形的形状。在图2中，矩形SVGMR元件的宽度显示为w并且长度显示为L。长度L被处理为长于磁性介质的宽度，并且在磁性介质宽度之外SVGMR元件被串联电连接。通过使该旋转阀型巨大磁致电阻效应膜成之字形，元件被连接。由于外部磁场未施加到元件连接，它们没有显示出磁致电阻变化。

固定磁化层10的磁化方向用实线箭头13显示，而施加到自由磁化层12的外部磁场方向用点划线箭头14和虚线箭头15显示。由于在点划线箭头14施加的外部磁场与固定磁化层的磁化方向相同，SVGMR元件5的电阻根据外部磁场的增加而减小。当按虚线箭头15施加外部磁场时，磁场与固定磁化层的磁化方向相反，并且SVGMR元件5的电阻不变。图3显示了电阻R和外部磁场H之间的关系。图3A为当外部磁场施加到SVGMR元件时的电阻变化。当未施加磁场时SVGMR元件的电阻为R1，并且当在正方向，即与固定磁化层的磁化方向相同的方向施加磁场时，电阻减小并在R2处饱和。即使当在负方向，即与固定磁化层的磁化方向相反的方向施加磁场时，不发生磁致电阻变化，并且电阻维持为R1。由公式(R1-R2)/R1×100(％)得到的值被称为磁致电阻变化率。图3B显示了磁致电阻变化与外部磁场之间的关系，使用了SVGMR元件，其中当在与固定磁化层的磁化相同的方向上施加磁场时，元件的电阻不改变，并且当在与固定磁化层的磁化相反的方向上施加磁场时改变。当自由磁化层的磁化与固定磁化层的磁化方向相同时，SVGMR元件的电阻最小，并且当它相反时，不发生磁致电阻变化，并且SVGMR元件的电阻最大。为了比较，耦合GMR(巨大磁致电阻效应)元件和AMR(各向异性磁致电阻效应)元件的电阻与外部磁场之间的关系分别显示在图3C和图3D中。在耦合GMR元件和AMR元件中，与SVGMR元件不同，磁致电阻变化在外部磁场增加和减小两种方向上均发生。由于磁致电阻变化以这样一种方式在外部磁场增加和减小两种方向上发生，得到的电信号具有与单元磁化区域长度λ，即磁性介质的磁化长度相同的周期。耦合GMR元件的初始电阻R3(未施加磁场)约为322Ω，而SVGMR元件的初始电阻R1约为1560Ω，约为耦合GMR元件的初始电阻的五倍。电阻R3和R1是元件宽度w为5μm以及元件长度L为1000μm的元件的示例。初始电阻的差别成为磁性传感器中电功率消耗的差别。初始电阻越大，磁性传感器中的电功率消耗越小。

示例2

参照图4，其中在磁性介质2上第一磁化区域长度λl长于第二磁化区域长度λs，磁性编码器的工作将被说明。图4A说明了磁性传感器6的SVGMR元件51a至52b与磁性介质2之间的位置关系，并且图4B至4F显示了电阻和电信号相对于磁性介质2上SVGMR元件51a至52b所在位置的图。第一传感器51的SVGMR元件51a、第一传感器51的另一个SVGMR元件51b、由SVGMR元件51a和51b组成的第一传感器51、由SVGMR元件52a和52b组成的第二传感器52的电阻图分别显示在图4B、4C、4D和4E中。在磁性传感器6中，四个SVGMR元件51a至52b设置在基底材料上。每个SVGMR元件具有单元宽度w，并且每个传感器中的SVGMR元件彼此距离λ。第二传感器52在第一传感器51之后平移λ/2。加在每个SVGMR元件上的箭头表示图4A中的固定磁化层的磁化。在磁性介质2中，第一磁化区域21与第二磁化区域22相反磁化，并且第一磁化区域21的长度长于第二磁化区域22的长度。第一磁化区域的长度用λl显示，并且第二磁化区域的长度用λs显示。λl和λs的总长度等于每个磁性传感器中的SVGMR元件之间的距离λ的两倍。由每个磁化区域引起的泄漏磁场方向用虚线箭头显示，连接磁性介质的第一和第二磁性区域21、22的每一个的两端。

图5在等效电路中显示了SVGMR元件51a至52b的连接。第一磁性传感器51中的SVGMR元件51a和51b被串联连接，同样，第二磁性传感器52中的SVGMR元件52a和52b被串联连接。第一磁性传感器的SVGMR元件51b的一端被连接至第二磁性传感器的SVGMR元件52a的一端，并且该相连的接线端被连接至输出端以取出中点电势Vout。第一磁性传感器51的SVGMR元件51a的另一端被连接至电源Vcc，并且第二传感器52的SVGMR元件52b的另一端接地。

当以图4A中的箭头方向移动磁性传感器6时，SVGMR元件51a和51b从磁性介质接收泄漏磁场，SVGMR元件51a的电阻如图4B所示改变，并且SVGMR元件51b的电阻如图4C所示改变。电阻的最大值被设置为R1，并且电阻的最小值被设置为R2。图4D显示了混合的电阻，它等于第一传感器51的SVGMR元件51a和51b的电阻。虽然图4B中的SVGMR元件51a和图4C中的SVGMR元件51b的每一个的电阻周期为2λ，SVGMR元件51a和51b的混合电阻(见图4D)具有最大电阻变化R1-R2和周期λ，因为元件彼此距离λ放置。第二传感器52的混合电阻同样被显示在图4E中。在图4E中，相位比图4D提前λ/2，中点电势Vout，即磁性传感器6的输出是具有中心电压幅度Vcc/2和周期λ的电信号。由于输出幅度随着R1和R2之间的更大差而变得更大，当使用如SVGMR元件的具有更大电阻变化的元件时，输出可以更大。使用如本发明中的SVGMR元件的配置，其中第一和第二传感器的每一个中的SVGMR元件距离为λ，即第一磁化区域长度λl和第二磁化区域长度λs的平均，并且其中第一和第二传感器之间的距离为λ/2，即SVGMR元件距离的一半，则已实现高分辨率的磁性编码器，这不能仅通过用SVGMR元件来替换传统元件而获得。

从图4B很清楚，电阻变化区域几乎与SVGMR元件宽度w相同。在该图中，SVGMR元件电阻大于R2的范围具有长度λs+w，即第二磁化区域长度λs加上SVGMR元件宽度w的和。当SVGMR元件宽度w增加时，电阻山峰宽度被加宽，并且SVGMR元件51a的电阻山峰的裙部与SVGMR元件51b的电阻山峰的裙部重叠，如图4G中所示。当电阻山峰的裙部相互重叠时，电阻的最小值变成大于R2的R2’。因为此，每个SVGMR元件的电阻变化从没有裙部重叠的情况下的R1-R2变成R1-R2’，以减小图4F中显示的输出Vout的幅度。

当第一和第二磁化区域具有相同长度时，必然会产生电阻山峰裙部的重叠。因此，第一磁化区域的长度必须与第二磁化区域的长度不同。在该示例中，SVGMR元件51a的电阻山峰宽度λs+w以及SVGMR元件51b的电阻山峰宽度λs+w被包含在第一磁化区域长度λl和第二磁化区域长度λs的总长度2λ中。当第一磁化区域长度长于第二磁化区域长度时，SVGMR元件51a的电阻山峰裙部与SVGMR元件51b的电阻山峰裙部的重叠减小，并且进一步当λl+λs(＝2λ)≥2(λs+w)时，SVGMR元件51a的电阻山峰裙部与SVGMR元件51b的电阻山峰裙部不重叠。

示例3

参照图6A至6F，示例3的磁性编码器将被说明，与显示在图4A中的示例2的磁性编码器相似，除了磁性介质2具有短于第二磁化区域长度的第一区域长度。图6A说明了磁性传感器6的SVGMR元件51a至52b与磁性介质2之间的位置关系，并且图6B至6F显示了电阻和电信号相对于磁性介质2上SVGMR元件51a至52b所在位置的图。第一传感器51的SVGMR元件51a、第一传感器51的另一个SVGMR元件51b、由SVGMR元件51a和51b组成的第一传感器51、由SVGMR元件52a和52b组成的第二传感器52的电阻图分别显示在图6B、6C、6D和6E中。在磁性传感器6中，四个SVGMR元件51a至52b设置在基底材料上。每个传感器中的每一个SVGMR元件具有单元宽度w，并且每个第一和第二磁化传感器中的各SVGMR元件彼此距离λ。第二传感器52在第一传感器51之后平移λ/2。加在每个SVGMR元件上的箭头表示图6A中的固定磁化层的磁化。在磁性介质2中，第一磁化区域21与第二磁化区域22被相反磁化，并且第一磁化区域21的长度短于第二磁化区域22的长度。第一磁化区域的长度用λs显示，并且第二磁化区域的长度用λl显示。λs和λl的总长度等于每个磁性传感器中的SVGMR元件之间的距离λ的两倍。由每个磁化区域引起的泄漏磁场的方向用虚线箭头显示，其连接磁性介质2的第一和第二磁性区域21、22的每一个的两端。

当磁性传感器6以图6A中的箭头方向移动时，SVGMR元件51a和51b从磁性介质接收泄漏磁场，SVGMR元件51a如图6B中所示改变电阻，并且SVGMR元件51b如图6C中所示改变电阻。电阻的最大值被设置为R1，并且电阻的最小值被设置为R2。图6D显示了混合的电阻，它等于第一传感器51的SVGMR元件51a和51b的电阻。尽管图6B中的SVGMR元件51a以及图6C中的SVGMR元件51b的每一个的电阻周期为2λ，SVGMR元件51a和51b的混合电阻(见图6D)具有最大电阻变化R1-R2和周期λ，因为元件彼此距离λ放置。第二传感器52的混合电阻同样被显示在图6E中。在图6E中，相位比图6D提前λ/2，中点电势Vout，即磁性传感器6的输出是具有中心电压幅度Vcc/2和周期λ的电信号，如图6F中所示。使用上面说明的SVGMR元件的配置，已实现高分辨率的磁性编码器，这不能通过仅用SVGMR元件来替换传统元件而获得。

示例4

包括磁性介质2和磁性传感器6的磁性编码器将作为示例4参照图7被说明，在磁性介质2中，第一磁化区域21的长度长于第二磁化区域22的长度，所述磁性传感器6具有第二传感器的第一SVGMR元件52a位于第一传感器的第一SVGMR元件51a和第二SVGMR元件51b之间的结构。第一磁化区域的长度用λl显示，并且第二磁化区域的长度用λs显示。如图7A中所示，第一和第二传感器中的每一个的SVGMR元件距离为λ，即第一磁化区域长度λl和第二磁化区域长度λs的平均，并且第二传感器的第一SVGMR元件52a距离第一传感器的第一SVGMR元件51a平移λ/2。第一传感器的第二SVGMR元件51b距离第二传感器的第一SVGMR元件52a平移λ/2。并且，每个SVGMR元件的宽度为w。当磁性传感器6以箭头方向移动时，SVGMR元件51a和51b从磁性介质接收泄漏磁场，并且SVGMR元件51a和51b中的电阻分别如图7B和7C中所示改变。电阻的最大值被设置为R1，并且电阻的最小值被设置为R2。图7D中显示了SVGMR元件51a和51b混合的电阻，它等于第一传感器的电阻。虽然图7B和图7C中显示的SVGMR元件51a和51b的每个电阻具有周期2λ，SVGMR元件51a和51b的混合电阻具有最大电阻变化R1-R2和周期λ(见图7D)，因为元件彼此距离λ放置。第二传感器的混合电阻同样显示在图7E中。在图7E中，相位比图7D提前λ/2，中点电势Vout即磁性传感器6的输出是具有中心电压幅度Vcc/2和周期λ的电信号。

由于在该示例4中与示例2中一样第一磁化区域长度长于第二磁化区域长度，SVGMR元件51a至52b的电阻和中点电势与示例2中一样变化，并且已经获得高分辨率的磁性编码器。在图7A中，从前面的SVGMR元件51a到末端的SVGMR元件52b的元件分布长度为{λ+(λ/2)+w}。作为比较，在如示例2中所示第二传感器设置在第一传感器之后的磁性传感器中，SVGMR元件分布长度为{λ+(λ/2)+λ+w}。磁性传感器宽度可以通过示例4的配置而变得更小并且更便宜，因为可以从晶片制造出更多的磁性传感器。同样，实现了小型化。

示例5

在图8中示出了根据本发明的磁性编码器的间隙属性。通过以5μm间隔从0μm到25μm改变磁性介质和磁性传感器之间的间隙，测量磁性传感器输出相对于间隙长度的关系，即间隙属性。与示例2和3中使用的相似，在这里使用的磁性传感器中，第二传感器在第一传感器之后平移λ/2。每个传感器中的SVGMR元件之间的距离λ为20μm，并且SVGMR元件的宽度w为5μm。在磁性介质中，第一磁化区域长度和第二磁化区域长度之和2λ为40μm。磁性介质中使用的磁性材料的磁性性为矫顽力Hc：217kA/m、残留电感Br：1.4T、并且垂直度R：0.8。在条件1：第一磁化区域长度长于第二磁化区域长度，条件2：第一磁化区域长度等于第二磁化区域长度，以及条件3：第一磁化区域长度短于第二磁化区域长度下完成测量。作为比较，测量有关耦合GMR传感器的间隙属性。在耦合GMR传感器中，第一磁化区域长度等于第二磁化区域长度。

通过提供大于最大输出的80％的输出的间隙长度范围来评估间隙属性。图8的垂直轴显示了各条件下输出与设置为1的最大输出的比值。从图8很显然，使用SVGMR元件的传感器的间隙长度范围在所有条件下与耦合GMR传感器相比更宽。在耦合GMR传感器中，当间隙变大时，磁性传感器输出急剧减小，并且提供多于80％输出的间隙长度范围小到0μm至1.8μm。在SVGMR元件的传感器中，条件1的间隙长度范围为0μm至10.1μm，条件2的间隙长度范围为7.9μm至13.8μm，并且条件3的间隙长度范围为0μm至13.8μm。在所有条件下，得到了比耦合GMR传感器大五倍的间隙长度范围。通过改变第一和第二磁化区域的长度，获得更大的磁化传感器输出，并且获得了比耦合GMR传感器大五倍的间隙长度范围。象这样获得更大间隙长度范围的事实支持了SVGMR元件在小磁场中起作用。

示例6

包括磁性介质2和磁性传感器6的磁性编码器将作为示例6参照图9被说明，在磁性介质2中，与示例2中一样第一磁化区域的长度长于第二磁化区域的长度，以及在磁性传感器6中，第一传感器51和第二传感器52的每一个具有四个SVGMR元件。第一传感器51由SVGMR元件51a至51d组成，并且第二传感器52由SVGMR元件52a至52d组成。第一和第二传感器中的每一个的SVGMR元件的距离被设置为λ，即第一磁化区域长度和第二磁化区域长度的平均，并且第二传感器的第一SVGMR元件52a设置在与第一传感器的第四SVGMR元件51d距离λ/2。图9中面向SVGMR元件51c至52b的一部分磁性介质与图4中的示例2相同，其工作说明被省略。可以通过增加第一和第二传感器51、52中SVGMR元件的数目来减小抖动，即相移。磁性介质2的第一磁化区域211至214和第二磁化区域221至224的每个长度λl、λs在图9中被编号为λl1至λl4以及λs1至λs4。如果λl1至λl4完全相等，并且如果λs1至λs4完全相等，则不会发生抖动。但是，当长度不同时，在产生的电信号中发生抖动并导致降低检测精度。可以通过增加SVGMR元件的数目来补偿磁性介质中的磁化区域的长度变化，并且抖动可以被减小。示例6中的抖动与示例2相比改善了1％至1.5％。

图10显示了等效电路中SVGMR元件51a至52d的连接。第一磁性传感器51中的SVGMR元件51a至51d被串联连接，同样地，第二磁性传感器52中的SVGMR元件52a至52d被串联连接。第一磁性传感器51的SVGMR元件51d的一端连接至第二磁性传感器52的SVGMR元件52a的一端，并且该相连端被连接至输出端以取出中点电势。第一磁性传感器51的SVGMR元件51a的另一端被连接至电源Vcc，并且第二传感器52的SVGMR元件52b的另一端接地。

示例7

示例7为一种磁性编码器，具有磁性传感器，所述磁性传感器具有与示例6中相同数目的SVGMR元件51a至52d，并且第二传感器的第一SVGMR元件52a设置在第一传感器的第一SVGMR元件51a和第二SVGMR元件51b之间。该磁性传感器的结构和功能将参照图11来说明。由于第二传感器的第一SVGMR元件52a设置在第一传感器的第一SVGMR元件51a和第二SVGMR元件51b之间，并且与第一传感器的第一SVGMR元件51a距离λ/2，SVGMR元件51a至52d的分布长度变得约为示例6中的一半，并且实现了磁性传感器的小型化。在该示例中，磁性介质的第一磁化区域21的长度和第二磁化区域22的长度的平均也被设为λ。由于第一磁化区域长度长于第二磁化区域长度，第一磁化区域长度用λl显示，并且第二磁化区域长度用λs显示。SVGMR元件51a至52d的连接与图10中所示一样。当磁性传感器6以图11A中的箭头的方向移动时，第一传感器的SVGMR元件51a至51d从磁性介质2接收泄漏磁场，SVGMR元件51a和51c如图11B中所示改变电阻，并且SVGMR元件51b和51d如图11C中所示改变电阻。SVGMR元件52a和52c比图11B提前λ/2，SVGMR元件52b和52d比图11C提前λ/2。电阻的最大值被设置为R1，并且电阻的最小值被设置为R2。图11D显示了SVGMR元件51a至51d的混合电阻，它等于第一传感器的电阻。尽管图11B中的SVGMR元件51a和51c以及图11C中的51b和51d每个的电阻周期为2λ，SVGMR元件51a至51d的混合电阻具有最大的电阻变化R1-R2和周期λ，因为它们以元件距离λ被放置。同样地，第二传感器的混合电阻具有如图11E中所示的周期λ，并且比图11D中所示的混合电阻有λ/2的相位差。中点电势Vout，即磁性传感器6的输出是具有周期λ的电信号，如图11F中所示。在该示例的磁性编码器中，每个第一和第二传感器中具有四个SVGMR元件，抖动与示例4的磁性编码器相比改善了1％至1.5％，在示例4中，第二传感器的第一SVGMR元件设置在第一传感器的第一和第二SVGMR元件之间，并且在每个第一和第二传感器中具有两个SVGMR元件。

Claims (10)

1.一种磁性编码器，包括：

磁性介质，在一个方向上延伸并具有第一磁化区域和第二磁化区域，所述第一磁化区域和第二磁化区域彼此连续并交替地设置在所述介质上，并沿所述介质延伸方向被彼此相反地磁化并具有彼此不同的长度，其中较长的磁化区域具有长度λl，以及较短的磁化区域具有长度λs；以及

磁性传感器，具有偶数个SVGMR元件并沿所述介质延伸方向相对于所述介质可移动，所述SVGMR元件具有与所述介质延伸方向垂直延伸的矩形表面并以预定间隙面向所述介质，其中，所述偶数个SVGMR元件中的每一个沿所述介质延伸方向彼此间隔由(λl+λs)/2定义的长度λ，

其中，所述SVGMR元件的每一个为固定磁化层、非磁性导电层和自由磁化层按该顺序的层叠，所有所述SVGMR元件中的固定磁化层具有沿所述介质延伸方向的相同方向上的磁化，并且当在与所述SVGMR元件的固定磁化层的磁化相同的方向上施加外部磁场到SVGMR元件时，所述SVGMR元件呈现出最小电阻，并且当在与所述SVGMR元件的固定磁化层的磁化相反的方向上施加外部磁场到所述SVGMR元件时，所述SVGMR元件呈现出最大电阻，以及

其中，所述偶数个SVGMR元件被串联电连接，并且从所述电连接的SVGMR元件的电端子取出信号输出。

2.如权利要求1所述的磁性编码器，其中，所述SVGMR元件的每一个沿所述介质延伸方向的宽度w等于或小于λs。

3.如权利要求1所述的磁性编码器，其中，所述磁性传感器具有沿所述介质延伸方向彼此间隔λ·(l/2+n)的第一传感器和第二传感器，

其中，n为0或正整数，

其中，所述第一和第二传感器的每一个由相同偶数个SVGMR元件组成，所述SVGMR元件串联电连接并沿所述介质延伸方向彼此间隔λ，以及

其中，所述第一传感器的一个电端子被电连接至所述第二传感器的一个电端子，并且在测量电压被施加到所述第一传感器的另一个端子和所述第二传感器的另一个端子之间的期间，从所述第一传感器和所述第二传感器之间的所述相连的电端子取出信号输出。

4.如权利要求2所述的磁性编码器，其中，所述磁性编码器具有沿所述介质延伸方向彼此间隔λ·(l/2+n)的第一传感器和第二传感器，

其中，n为0或正整数，

其中，所述第一和所述第二传感器中的每一个由相同偶数个SVGMR元件组成，所述SVGMR元件被串联电连接并且沿所述介质延伸方向彼此间隔λ，以及

其中，所述第一传感器的一个电端子被电连接至所述第二传感器的一个电端子，并且在测量电压被施加到所述第一传感器的另一个端子和所述第二传感器的另一个端子之间的期间，从所述第一传感器和所述第二传感器之间的所述相连的电端子取出信号输出。

5.如权利要求3所述的磁性编码器，其中，λl等于或大于λ+w，以及λs等于或小于λ-w。

6.如权利要求4所述的磁性编码器，其中，λl等于或大于λ+w，以及λs等于或小于λ-w。

7.如权利要求3所述的磁性编码器，其中，所述第二传感器的SVGMR元件位于所述第一传感器的两个相邻SVGMR元件之间。

8.如权利要求4所述的磁性编码器，其中，所述第二传感器的SVGMR元件位于所述第一传感器的两个相邻SVGMR元件之间。

9.如权利要求3所述的磁性编码器，其中，所述第一和第二传感器的每一个具有四个或更多SVGMR元件。

10.如权利要求4所述的磁性编码器，其中，所述第一和第二传感器的每一个具有四个或更多SVGMR元件。

Images