一种各向异性磁电阻齿轮传感器芯片的制作方法

本实用新型涉及一种磁电阻传感器，尤其涉及一种可适应多种齿间距的各向异性磁电阻齿轮传感器芯片。

背景技术：

齿轮传感器由于其在工业领域及汽车行业的应用受到广泛关注。高精度齿轮传感器应用于磁栅尺读取头，磁编码器，凸轮轴、曲轴、以及汽车ABS系统等需要对齿轮速度、方向、齿位确定的技术领域。近年来在齿轮传感器领域，广为应用的是霍尔及磁各向异性(AMR)传感器，作为传统齿轮传感器，各向异性磁电阻传感器灵敏度偏低。另外由于传感器响应区域同齿间距的对应需求，目前测量不同齿间距环境，都需要重新设计制造的齿轮传感器，造成设计生产及时间成本无谓上升。

介于当前磁性传感器领域存在的问题，本实用新型采用了一种能够适应不同齿间距的以各向异性磁阻为敏感材料的齿轮传感器，采用探测臂置于响应区域边沿，同时采用探测臂倾斜设计减小波形失真，并利用水平偏置减小巴克豪森噪音及，解决了目前市场上各向异性磁电阻齿轮传感器性能的不足，同时利用特有的多响应通道芯片设计，使得单个芯片能够适应并检测不同齿间距情况。

技术实现要素：

实用新型目的：

针对目前齿轮传感器行业存在的一个传感器设计版本仅能适用于单一齿间距环境的问题，本实用新型采用一种多响应通道设计，能够适应不同齿 间距的齿轮传感器，并利用将各向异性磁阻(AMR)置于芯片边沿位置的方案以解决传统霍尔和各向异性磁电阻传感器固有的输出信号弱，灵敏度偏低等问题。

技术方案：

利用微电子光刻技术在硅晶圆上制作各向异性磁电阻并连接成探测臂，所述传感器芯片包括：硅基板，位于硅基板上的一个或多个响应区域，每个响应区域包含多条响应通道，每条响应通道为至少两条探测臂拼合成，所述的探测臂包括竖直结构和倾斜结构，接触电极窗口串联连接且位于所述探测臂的两端，竖直结构和倾斜结构分别由多个平行排列磁电阻及覆盖于磁电阻两端的连接电极串连而成，单条磁电阻为两端呈锥形的条状结构，所述的探测臂分布于响应区域同一侧边沿，所述的接触电极窗口位于响应区域另一侧各向异性磁电阻直接沉积于硅晶圆表面，每个各向异性磁电阻两端上层各有一连接电极覆盖，磁阻间通过连接电极串联。

优选的，所述各向异性磁电阻材料为含镍铁的二元或多元合金。

优选的，每一响应区域的探测臂排布方式相同。

优选的，所述各向异性磁电阻尺寸为15μm*232μm。

优选的，所述连接电极的成分为金或铝，所述的接触电极的窗口材料为金或铝。

优选的，所述传感器芯片的敏感方向平行于所述响应区域的排布方向，所述响应区域沿所述传感器芯片的敏感方向两端的空置区域宽度为响应通道间距的一半，多个响应区域沿所述传感器芯片的敏感方向拼接。

优选的，所述竖直结构垂直于所述传感器芯片的敏感方向。

优选的，所述倾斜结构为人字形对称分布，分置于所述竖直结构两端。

优选的，所述倾斜结构相对于所述竖直结构的倾斜角为0～45度，所述竖直结构与所述倾斜结构的敏感方向与磁电阻排布方向正交。

优选的，所述多个响应通道连接成具有90度相位差的结构。

优选的，所述的齿轮传感器芯片为由多条响应通道组成的全桥结构。

优选的，所述的齿轮传感器芯片为由多条响应通道组成的双全桥结构，其中两全桥间距为半齿距。优选的，所述探测臂包含6个各向异性磁阻。

优选的，所述倾斜角为15度。

优选的，所述探测臂包含2个倾斜结构及1个竖直结构。

优选的，所述每个探测臂两端各引出一个接触电极窗口。

优选的，所述响应通道由2个探测臂拼合组成。

优选的，所述响应区域包含2个平行排列的响应通道。

优选的，响应区域表面除接触电极位置外均有绝缘钝化层覆盖。

优选的，单个探测区域的尺寸为1000μm*500μm。

优选的，响应区域沿敏感方向两端的空置区域宽度为相邻两响应通道最近间距的一半。

有益效果：

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的各向异性磁电阻齿轮传感器芯片利用采用探测臂置于响应区域边沿，同时利用水平偏置降低巴克豪森噪音及倾角探测臂减小波形失真，提高传感线输出信号线性度，具有适应性强，性能优秀，成本低的优点。和现有同类产品相比，灵敏度高，节省空间，能够适配不同齿间距齿轮系统。

附图说明

作为说明书的一部分，下列说明书附图用于解释本实用新型的技术方 案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，能够通过以下附图，获得其他附图。

图1为现有齿轮传感器检测窄齿距齿轮示意图；

图2为现有齿轮传感器检测宽齿距齿轮示意图；

图3为本实用新型齿轮传感器检测窄齿距齿轮示意图；

图4为本实用新型齿轮传感器检测宽齿距齿轮示意图；

图5为包含两个响应通道的芯片响应区域示意图；

图6为两个探测臂嵌合为单个探测通道示意图；

图7为单个探测臂局部放大图；

图8为两个响应区域测试窄齿间距，探测通道联结示意图；

图9为四个响应区域测试中等齿间距，探测通道联结示意图；

图10为五个响应区域测试宽齿间距，探测通道联结示意图；

图11为双全桥90度相位差联结电路；

图12为双全桥90度相位差芯片联结示意图。

1-响应区域敏感方向；2-响应通道；3-磁电阻；4-接触电极窗口；5、5'-响应区域；6-连接电极；7-探测臂敏感方向；8-封装外壳；9-探测臂；10-磁电阻倾斜角。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1，图2为传统磁电阻齿轮传感器设计方案测量宽、窄不同齿距齿轮 时，磁电阻齿轮传感器排布变化的基本方式。从图中可以看出，为应对不同齿间距，芯片中两个响应区域5'距离需调整接近齿间距一半，以获得最大信号输出，齿距如果变化，则响应区域5'距离需重新设计。

本新型利用微电子光刻技术在硅晶圆上制作各向异性磁电阻并连接成探测臂，探测臂包含倾斜结构和竖直结构，其锐角夹角为倾斜角，将两探测臂齿梳嵌合为一个响应通道，并将多个响应通道置于芯片边沿位置，并沿芯片敏感方向排列，作为芯片响应区域。

图3，图4为本实用新型各向异性磁电阻齿轮传感器测量宽、窄不同齿间距齿轮示意图。从图中可以看出，响应区域5位置固定，通过激活间隔为齿间距一半位置的响应通道，本设计利用单一设计可以满足各种齿间距的检测需要，而无需变更模板重新设计。

图5为本实用新型所设计传感器芯片中多个响应通道2的排布方式，每个传感器芯片由一个或多个响应区域5组成，每个响应区域5包含多条响应通道2，传感器芯片敏感方向1平行于响应通道2排列方向，多个响应区域5可沿敏感方向1拼接。响应区域5沿敏感方向1两端的空置区域宽度应为同一响应区域5中相邻响应通道2最近距离的一半。探测臂分布于响应区域5下部边沿，各接触电极窗口4相对探测臂位于响应区域5上侧，不同响应区域5的探测臂排布的相对位置一致，贴近同一侧封装外壳，从而可以有效缩短齿轮与响应区域5间距。

如图6所示，每个响应通道为至少两条探测臂9齿梳嵌合成，为实现拼合，各向异性磁电阻间距可以调整。探测臂9包括竖直结构和倾斜结构，且每条探测臂9由竖直和倾斜结构中至少一种，接触电极窗口串联且位于探测比两端，图6中两条探测臂9分别各包含一竖直结构及两倾斜结构，倾斜结 构成镜像对称分置竖直结构两侧。竖直及倾斜结构分别由多个平行排列各向异性磁电阻及覆盖于各向异性磁电阻两端的连接电极串连而成，图6中每条探测臂9包含6条各向异性磁电阻。三个探测臂9组合成的响应通道能更好的接受来自齿轮的待测磁场，减小信号失真。如图7所示单条各向异性磁电阻3为两端呈锥形的条状结构，且至少一端的尖端部分未由连接电极6覆盖，以提供水平偏置；同时倾斜结构同竖直结构间的锐角夹角为倾斜角10，该角度可沿0～45度变化，使得输出的正弦余弦波形失真减小。各向异性磁电阻3成分为镍铁为主的二元或多元合金，连接电极6和接触电极窗口电极典型材料为金或铝，各向异性磁电阻直接与硅基板接触，响应区域表面接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层。

通常响应区域包含2个平行排列的响应通道，每个响应通道由2个探测臂拼合组成，探测臂包含6个各向异性磁阻。每个探测臂两端各引出一个接触电极窗口。单个响应区域的典型尺寸为1000μm*500μm。

图8，图9，图10是适应不同齿间距的响应通道联结方案，当相邻响应通道中心相距0.5mm时，如图8利用两个响应区域拼接，以黑色接触电极窗口表明响应通道激活状态，激活4个连续响应通道，可测最优齿间距为相邻激活响应通道距离的两倍，即1mm；如图9激活间距2个通道宽度的响应通道，则可测最优齿间距为2mm的齿轮；如齿间距进一步增大，则由图10方案将一个或多个响应区域整体设为非激活状态，调整激活响应通道间距，激活间距为3个通道宽度的响应通道则可测最优齿间距为为3mm的齿轮，多个响应区域可进一步依上述方法拼接，适应更宽齿间距齿轮的转速，转向及缺齿检测。

传感器芯片可以为由多条响应通道组成的全桥结构或者双全桥结构。多 个响应通道构成的双全桥，将两全桥间距设计为半齿距，可连接成输出信号具有90度相位差结构。

图11，图12分别为双全桥90度相位差联结电路及芯片联结方式，利用两全桥电路输出信号相位差可以测量齿轮正转和逆转的状态。其中探测臂R1-R6和R5-R2组成电桥1，探测臂R3-R8和R7-R4组成电桥2，利用电桥1、2间输出信号相位差恒为90度，通过直接比较电桥1和2信号输出先后可以确定齿轮转动方向。利用电桥1或2的输出信号频率可确定齿轮转速，信号强度可以确定齿轮位置及缺齿检测。

基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。