专利名称：磁敏电阻倾斜角传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自重摆式磁敏电阻无触点倾斜角传感器。
目前测量倾斜角度的传感器有差动变压器式、电容式、精密电位器式、石英振动法、Watson法、光码盘式、偏振片式、气泡电极式和“气流热丝式”式等多种结构。其中绝大部分结构复杂、成本较高，并且在使用寿命、环境适应性、微弱原始信号处理的稳定性及抗干扰能力方面具有一定的局限性。
磁敏电阻型倾斜角传感器是一种结构型传感器。它采用磁敏电阻作为敏感元件(简称MR元件)，利用自重摆驱动永磁体转动，使MR元件无接触地感应磁通量的变化。将永磁体与MR元件相对转动角度的变化转化成为电阻阻值的变化，经过信号变换将倾斜角转换成标准电信号输出。正是由于结构上无触点信号感应的特点，使该类倾斜角传感器具有如下特点①除轴承外无机械磨擦②无电噪声，信噪比高；③使用寿命极长；④可靠性高；⑤MR元件对磁场强度的感应不受间隙中的水、油、汽、粉尘等介质的影响，大大提高了环境的适应性；⑥该倾斜角传感器设计巧妙、结构紧凑、原始信号大、易于标准化、分辨率较高，易于实现低成本化。
目前的磁敏倾斜角传感器(原理结构如附
图1所示)，转轴(1)由两个轴承(2)和(2＇)固定在摆锤固定架(3)上，自重摆(4)和半圆型永磁体(5)分别固定在转轴两端。磁敏电阻芯片(简称MR元件)(6)与在转轴(1)上固定的永磁体(5)同心安装在一起。摆锤固定架与端盖(9)联接。磁敏电阻芯片(6)结构原理如附图2所示，为圆形半桥式结构(13)。当自重摆与端盖发生相对转动时，引起永磁体(5)与半桥式磁敏电阻芯片(13)相对覆盖面积发生差动变化，导致输出电压Vout发生变化，旋转角度与输出电压的关系如图3所示。在Vout=1/2 Vin(Vin为输入电压)附近±45°范围近似为线性如图4。由于半导体材料一般温度系数较大，以InSb单晶、InSb薄膜、InSb-NiSb共晶复合材料制成的磁敏电阻芯片温度系数在1～2％，温度补偿复杂，离散性大，很难在高于55℃的环境中保证精度要求，大大限制了应用范围。
在附图1所示的机械结构中，为了减少自重摆受到振动对输出信号的影响，摆锤与芯片整体密封于端盖(9)和外壳(12)之间的阻尼油(10)中。由于外界环境温度的变化，阻尼油体积会发生热胀冷缩，密封时必须留出一定的空间(11)，否则将必然导致阻尼油由于热膨胀而产生的泄漏。正是由于这一空隙的存在，在倾斜角传感器发生转动时，阻尼油的晃动反而会延长摆锤达到稳定所用时间；外界环境的振动也会引起阻尼油的颤动，影响整体传感器输出信号的稳定性。作为角度测量，保证永磁体与芯片的同心度是至关重要。以图1所示结构或采用通常圆台(8)定位，往往会出现误差单边积累造成整体传感器线性度降低。通常在倾斜角传感器的制造过程中，固定架(3)、(7)安装在端盖(9)的中心，这样摆锤可以实现360°连续旋转。由于此种传感器输出特性线性区间±45°的限制，造成传感器内部上半部基本无用，空间利用率不高，无论从材料消耗、加工工时、阻尼油填充量和产品的小型化、低成本化方面来说，均为不利因素。
本发明的目的在于提供一种适应小角度倾斜角测量、温度适用范围大、抗振稳定性高、易于实现小型化和低成本化的传感器。
本发明的构成如附图5所示，采用半导体磁敏电阻芯片(20)作为倾斜角测量的敏感元件，用轴承(16)和(16＇)将转轴(15)固定在摆锤固定架(17)上，在转轴两端分别安装摆锤(14)和永磁体(21)，磁敏电阻芯片(20)同心粘接在芯片固定架(22)上。芯片固定架与摆锤固定架之间以相同圆锥梢面(23)定位，保证芯片与永磁体之间的同心度。磁敏电阻芯片(20)与永磁体(21)之间保持0.1～2毫米的间隙，构成无触点信号感应结构。摆锤固定架密封于矩形隔板(24)下侧与端盖(19)和外壳(28)之中。图5是本发明的结构示意图在摆锤(14)和摆锤固定架(17)上侧加入一块矩形隔板(24)，将传感器内部分成上下两个空间，其体积比为50％∶50％至1％∶99％之间，具体比率值由传感器内部所装阻尼油的体膨胀量确定。矩形隔板(24)上带有1个或多个小通孔(27)，孔的直径为0.1～15毫米，所打孔的面积总和应小于隔板总面积的50％；阻尼油将矩形隔板(24)下方填满，矩形隔板上方空间(25)部分填充阻尼油，所留气体空隙(26)大于阻尼油的体膨胀量，当外界环境温度发生变化时，阻尼油体积会发生相应改变，它可通过矩形隔板(24)上的孔隙(27)上下相互渗透，摆锤所处空间总是处于阻尼油填满状态；当整体传感器发生转动或外界环境产生振动时，尽管上空间未填满的阻尼油会产生流动或晃动，但不会影响到下空间已填满的阻尼油发挥正常的阻尼作用。这种结构解决了无隔板时，倾斜角传感器内部由于预留空气间隙的存在，外界振动或存在转动冲量状态下产生阻尼油晃动，冲击自重摆往复运动导致输出信号难于稳定的弊病，大大减少了传感器达到稳定输出所用时间，提高了传感器抗振稳定性。
倾斜角传感器作为角度测量装置，自重摆(14)驱动的永磁体(21)与磁敏电阻芯片(20)的定位同心度是直接影响传感器线性度的关键因素。本发明采用MR元件(20)与芯片固定架(22)精密同心粘接，芯片固定架(22)与摆锤固定架(17)之间采用圆锥梢面(23)配合，形成组装过程梢面自动对中。这种方法可以克服以圆台或圆形凹槽定位组装时，机加工零件误差单向积累造成的同心度偏差，大大提高传感器的线性度。
正是由于芯片固定架与摆锤固定架之间圆锥梢面配合解决了同心度问题，可以将摆锤固定架偏心安置，如附图5(a)所示，偏心距(30)如附图5-(b)所示，可由摆长或摆锤产生力矩及测量角度范围所决定。大大减少了倾斜角传感器的外形尺寸，实现产品的小型化，降低了各种原材料消耗和加工成本。
在工业环境许多应用领域中，要求使用温度范围较大(如-40～125℃)测量角度范围较小(如≤±35°)。本发明采用强磁性坡莫合金磁敏电阻芯片，替代半导体型磁敏电阻芯片。尽管坡莫合金材料磁阻变化率为2～5％，远远低于半导体型磁敏电阻材料，但其温度系数比半导体磁敏电阻材料小一个数量级，一般为0.1～0.2％。坡莫合金薄膜磁敏电阻材料，如Ni-Fe、Ni-Co、Ni-Fe-Co等，由于材料内部结构的各向异性，电阻率与外加磁场之间的关系为 ρ=ρ∥cos2θ+ρ⊥sin2θ其中ρ∥为外加磁场平行于通过磁敏电阻芯片电流方向时的电阻率ρ⊥为外加磁场垂直于通过磁敏电阻芯片电流方向时的电阻率θ为外加磁场与通电电流方向之间的夹角如附图6和附图8所示，用镀在衬底片(34)上的低维坡莫合金磁敏电阻薄膜，采用光刻、湿法化学侵蚀或干法离子刻蚀制成四组条纹相互垂直、惠斯登四臂电桥(31)的芯片(36)作为敏感元件，替代半导体磁敏电阻芯片(20)同心安装在芯片固定架(22)上。衬底片(34)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化铝、氧化镁、铁氧体或硅片等制成。采用表面磁场强度500～3500奥斯特的永磁体材料作为信号触发永磁体(37)，将永磁体N、S极方向与转轴(38)径向方向平行安装。当通过该芯片平面的磁场(33)方向发生转动时，输出电压与转动角度之间的关系如附图7所示。全桥结构低维坡莫合金磁敏电阻芯片，由于差动结构特点，其灵敏度为半桥式坡莫合金芯片的2倍，温度系数远远低于补偿后半导体类磁敏电阻芯片0.05％/Vin.ΔT，的技术参数指标。输出特性曲线为一条过零点、360°两个周期的正弦曲线。(35)所表示的区间为过零点附近±35°的范围，特性曲线近似为直线，在输入电压为5V时，输出电压Vout为过零点±40～100毫伏的电压信号，如附图7所示。
对于低维具有饱和磁场磁电阻各向异性的三层膜隧道结或自旋阀巨磁电阻材料，如Fe/SiO2/Fe、Fe/Al2O3/Fe、Fe/Al2O3/NiFe、NiFe/Al2O3/Fe、Co/Al2O3/Fe/FeMn等，三层膜隧道结或自旋阀巨磁电阻材料不只局限于上述所举的例子。三层膜隧道结巨磁电阻材料的典型电导率与外加磁场的特性关系曲线如附图9所示。室温磁电阻变化率ΔR/R0≥5～20％。如附图10所示，将具有上述特性的巨磁电阻薄膜材料镀在衬底片(40)上的，采用光刻、湿法化学侵蚀或干法离子刻蚀制成与坡莫合金磁敏电阻芯片相同图形的四组条纹相互垂直、惠斯登四臂电桥(39)，如图10所示，替代坡莫合金磁敏电阻芯片(36)同心安装在芯片固定架(22)上。衬底片(40)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化铝、氧化镁、铁氧体或硅片等制成。输出特性曲线形状与坡莫合金磁敏电阻芯片相同，在输入电压为5V时，输出电压Vout为过零点±50～200mV。具体数值由所用巨磁电阻薄膜材料及磁阻变化率所决定，如图11所示。
本发明的优点在于不仅保持了磁敏电阻型倾斜角传感器无接触信号感应、无磨损、无电噪声、使用寿命长、响应速度快等优点，通过带漏油孔隔板的设置，成功地解决了为防止阻尼油热胀冷缩预留空隙对整体传感器稳定性和抗振性的影响，缩短了响应时间。通过芯片固定架与摆锤固定架之间圆锥梢面配合，组装过程自动对中，为利用磁敏电阻测量角度提供一种有效提高组装同心度和传感器线性度的方法。通过自重摆结构的偏心设计，可以大大减小传感器的外形尺寸，降低了各种原材料消耗和加工成本，可以实现产品的小型化和低成本化，使磁敏电阻式倾斜角传感器成本远远低于不同测试原理(如热丝式、气泡式、电容式)倾斜角传感器的成本，为实现磁敏倾斜角传感器产品的市场化作出有意的尝试。采用全桥式强磁性坡莫合金磁敏电阻芯片替代半导体磁敏电阻芯片，可以大大拓宽磁敏电阻自重摆式倾斜角传感器对于小角度、宽使用温度范围的测量需求，特别适应于冶金、石油、采矿、工程机械、汽车工业及军事工业等领域。利用具有各向异性巨磁电阻芯片替代坡莫合金磁敏电阻芯片，可以提高倾斜角传感器原始信号灵敏度，改善传感器的性能。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为现有磁敏电阻倾斜角传感器机械结构原理图。
图2为半导体磁敏电阻倾斜角传感器芯片工作原理图。(13)为半桥三端差动圆形半导体磁敏电阻芯片，自重摆(4)通过由两个轴承(2)和(2＇)固定的转轴(1)驱动永磁体(5)旋转，在半桥磁敏电阻(13)两端分别施加直流电源“+”“-”极，在半桥芯片中心抽头与电源“-”极之间为输出电压。
图3为永磁体旋转360°磁敏电阻输出电压与转动角度关系曲线。
图4为以输出电压为Vin/2点±45°角度范围内输出信号特性曲线。
图5为本发明结构示意图。a为主视图，b为左视图。磁敏电阻芯片(20)同心粘接到芯片架(22)上；永磁体(21)固定在转轴台阶处；两个轴承(16)和(16＇)将转轴(15)固定在摆锤固定架(17)上，摆锤(14)固定在转轴的另一端；芯片架(22)与摆锤固定架(17)通过圆锥梢面(23)自动定心联结，以偏心矩(30)固定在端盖(19)上，带孔矩形隔板(24)安放在摆锤固定架上方，端盖(19)与外壳(28)密封；阻尼油(18)将隔板下侧填满，隔板上侧部分填充阻尼油(25)，保留一定的间隙(26)。(29)为摆锤转动方向，(27)为小通孔。
图6为本发咀采用坡莫合金薄膜材料制成磁敏电阻芯片工作原理图。(34)为衬底片，(31)为敏感芯片惠斯登电桥图形。(32)为全桥芯片的四个信号引线焊点端头。(33)为旋转永磁体。
图7为在输入电压5V时，旋转永磁体(33)转动360°坡莫合金芯片的输出特性曲线。
图8为采用具有磁敏电阻效应坡莫合金薄膜芯片倾斜角传感器的结构原理图。将具有全桥结构图形(31)的磁敏电阻芯片(36)同心地安装在芯片固定架(22)上；将表面磁场强度500～3500奥斯特的永磁体N、S极方向沿转轴(38)的径向方向安置。
图9为具有饱和场磁电阻各向异性的三层膜隧道结巨磁电阻材料典型电导率与外加磁场特性曲线。(本图为Fe/Al2O3/Fe特性曲线)。
图10为具有饱和场磁电阻各向异性的三层膜隧道结巨磁电阻惠斯登电桥芯片示意图。
图11为具有饱和场磁电阻各向异性三层膜隧道结巨磁电阻制成倾斜角传感器输出特性曲线。
图12为发明原理图。
实施例1在5×5平方毫米硅片上，将InSb薄膜制成圆形半桥式磁敏电阻芯片，有效敏感图形尺寸为Φ3.2毫米。该敏感元件芯片同心地粘在如附图5-a所示结构中芯片架(22)上。在摆锤固定架(17)上，用两个微型轴承(16)(16’)固定转轴(15)；在转轴一侧加工出过中心线的台阶，将半圆型表面场≥3000奥斯特钕铁硼永磁体保证同心地粘接在轴的台阶上。转轴另一端固定自重摆锤(14)。芯片固定架(22)与摆锤固定架(17)依靠圆锥型梢面(23)自动定心粘接，以偏心距(30)15毫米固定在端盖(19)上。放置一块带有2个φ2毫米小孔矩形隔板，其位置距外壳(28)内径顶端弓高3毫米处，端盖(19)与外壳(28)密封粘接后，添加硅油为阻尼油。隔板下部填满，隔板上部部分填充阻尼油，留出距顶端1.5毫米左右的间隙(26)，以克服热胀冷缩阻尼油体积变化所产生的影响和消除外界振动对自重摆(14)的影响。外形尺寸φ50毫米，高35毫米，在±45°范围内，线性度1.5％，使用温度0～55℃，响应时间≤0.1S的小型化的磁敏电阻式倾斜角传感器。
实施例2将镀在玻璃衬底(34)上的坡莫合金磁敏电阻薄膜，刻蚀成4×4平方毫米如附图4所示的四端全桥式磁敏电阻芯片(31)。用此芯片(36)在保证同心度的前提下，替换实施例1中的半导体磁敏电阻芯片(20)。同时将实施例1中的永磁体(21)换成表面磁场强度3000奥斯特的钕铁硼材料永磁体(37)。将永磁体(37)的N、S极方向与转轴(38)径向平行安装，如图8所示，其他结构不变。由此得到如图5所示的输出特性曲线。在±35°测量范围内，输入电压为5V时，输出电压为过零点±50～60mV信号，线性度1.5％，使用温度-40°～100℃，响应时间≤0.1秒。通过电信号标准化处理，可以得到1～5V或4～20mA的标准输出信号。
实施例3将具有各向异性巨磁电阻薄膜Fe/Al2O3/Fe材料镀在玻璃衬底(40)上，采用与加工坡莫合金磁敏电阻芯片相同的图形和类似的制造工艺，得到巨磁电阻芯片，如图10所示。将其在其它结构和位置不变的情况下，替代坡莫合金磁敏电阻芯片(36)，得到如图11所示形状的输出特性曲线。Vout最大值为±150mV。通过电信号标准化处理，可以得到1～5V或4～20mA的标准输出信号。
权利要求
1.一种自重摆式磁敏电阻无触点倾斜角传感器，其特征在于采用半导体磁敏电阻芯片(20)作为倾斜角测量的敏感元件，用轴承(16)和(16′)将转轴(15)固定在摆锤固定架(17)上，在转轴两端分别安装摆锤(14)和永磁体(21)，磁敏电阻芯片(20)同心粘接在芯片固定架(22)上；芯片固定架与摆锤固定架之间以相同圆锥梢面(23)定位，保证芯片与永磁体之间的同心度；磁敏电阻芯片(20)与永磁体(21)之间保持0.1～2毫米的间隙，构成无触点信号感应结构；摆锤固定架密封于矩形隔板(24)下侧与端盖(19)和外壳(28)之中；在摆锤(14)和摆锤固定架(17)上侧加入一块矩形隔板(24)，将传感器内部分成上下两个空间，其体积比为50％∶50％至1％∶99％之间，具体比率值由传感器内部所装阻尼油的体膨胀量确定；矩形隔板(24)上带有1个或多个小通孔(27)，孔的直径为0.1～15毫米，所打孔的面积总和应小于隔板总面积的50％；阻尼油将矩形隔板(24)下方填满，矩形隔板上方空间(25)部分填充阻尼油，所留气体空隙(26)大于阻尼油的体膨胀量，当外界环境温度发生变化时，阻尼油体积会发生相应改变，它可通过矩形隔板(24)上的孔隙上下相互渗透，摆锤所处空间总是处于阻尼油填满状态；磁敏电阻芯片(20)与芯片固定架同心粘接，芯片固定架与轴承固定架之间采用圆锥梢面(23)配合，形成组装过程梢面自动对中。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于摆锤固定架以偏心距(30)偏心放置，偏心距(30)由摆长或摆锤产生力矩及测量角度范围所决定。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于用镀在衬底片(34)上的低维坡莫合金磁敏电阻薄膜，采用光刻、湿法化学侵蚀或干法离子刻蚀制成四组条纹相互垂直、惠斯登四臂电桥(31)的芯片(36)作为敏感元件，替代半导体磁敏电阻芯片(20)，并将它同心安装在芯片固定架(22)上；衬底片(34)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化铝、氧化镁、铁氧体或硅片制成；采用表面磁场强度500～3500奥斯特的永磁体材料作为信号触发永磁体(37)，将永磁体N、S极方向与转轴(38)径向方向平行安装。
4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于用镀在衬底片(40)上的低维具有在饱和磁场下磁电阻各向异性的巨磁电阻薄膜，采用光刻、湿法化学侵蚀或干法离子刻蚀制成四组条纹相互垂直、惠斯登四臂电桥(39)的芯片作为敏感元件，替代半导体磁敏电阻芯片(20)或坡莫合金磁敏电阻芯片(36)，并将它同心安装在芯片固定架(22)上；衬底片(40)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化铝、氧化镁、铁氧体或硅片等制成。
全文摘要
本发明提供了一种自重摆式磁敏电阻倾斜角传感器,用轴承(16)(16’)将转轴(15)固定在摆锤固定架(17)上,转轴两端分别安装摆锤(14)和永磁体(21),采用磁敏电阻芯片(20)通过圆锥梢面(23)定位同心联接。摆锤固定架密封于充满阻尼油(18)带有小孔(27)的隔板(24)下侧与端盖(19)和外壳(28)之中,隔板(24)上侧部分填充阻尼油(25)并保留一定的空隙(26)。其优点在于:传感器定位同心度高,反应灵敏,抗振稳定性提高,温度特性好,小型化、成本低。
文档编号G01C9/00GK1300933SQ0110265
公开日2001年6月27日 申请日期2001年2月8日 优先权日2001年2月8日
发明者田跃, 鲁武军, 邱宏, 黄筱玲, 潘礼庆 申请人:北京科大天宇微电子材料技术开发有限公司