一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片。该新型的设计使单个响应区域包含多条响应通道，从而利用单一设计图样可以生产适应各种齿间距的齿轮传感器。同时，此传感器设计采用大响应区域实现超高分辨率。响应区域置于芯片中心部位，有利于诸如磁带，磁栅尺等方面的特定应用。传感器响应方向同响应通道排列方向一致，能够有效避免强背磁场将传感器芯片进入饱和态。此外，隧道结磁电阻齿轮传感器芯片还具有尺寸小，低功耗，大阻抗，高输出信号，高信噪比以及对空气间隙的高适应性。
【专利说明】
一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片
技术领域
[0001]本实用新型涉及磁电阻齿轮传感器领域，尤其涉及一种可适应多种齿间距的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片。
【背景技术】
[0002]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，霍尔和AMR有其自身优势，例如霍尔传感器有很宽的工作范围，AMR具有极低的Ι/f噪声，然而随着器件集成化程度提高，传感器工作环境的复杂化，行业对齿轮传感器的功耗，灵敏度有了进一步的要求，霍尔传感器尺寸较大且难以探测微特斯拉强度以下的弱磁场，AMR灵敏度偏低，相同磁场下输出信号较弱都限制的其进一步的应用。另外由于目前的齿轮传感器其敏感区域同所需测量的齿间距存在对应关系，以致对不同尺寸齿轮及齿间距，都需要重新设计制造传感器，造成设计生产成本抬高。
【实用新型内容】
[0003]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芯片及传感器，并利用以隧道结磁阻(TMR)为敏感材料以解决传统霍尔和AMR传感器固有的尺寸较大，输出信号弱，灵敏度偏低等问题。
[0004]本新型提供了一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，包括:硅基板，位于硅基板上的一个或多个响应区域，每个响应区域包含至少两个矩形状且沿矩形长边平行排列的响应通道，每个响应通道由至少两条探测臂拼合形成，每条探测臂由至少两条梳齿结构串联而成，每条梳齿结构由至少两个磁电阻及覆盖于所述磁电阻两端的上电极、下电极串连而成，单个所述磁电阻为椭圆柱状结构，所述磁电阻长轴与所述响应通道的长边平行。
[0005]优选的，所述上电极的材料为金，所述下电极为钽与钌交替构成的多层结构。
[0006]优选的，所述传感器芯片的敏感方向垂直于所述响应通道的长边，所述传感器芯片的双交换偏置方向垂直于所述敏感方向，所述传感器芯片的钉扎方向平行于所述敏感方向。
[0007]优选的，所述响应区域沿敏感方向的两端的空置区域的宽度为两个相邻响应通道的间距的整数倍。
[0008]优选的，所述的传感器芯片为由多条响应通道组成的全桥结构。
[0009]优选的，所述的传感器芯片为由多条响应通道组成的双全桥结构，其两全桥间距为半齿距
[0010]优选的，每条所述探测臂还包括位于两端的接触电极，所述接触电极之间为串联连接的多条梳齿结构，所述响应区域表面在接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层。
[0011]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TMR齿轮传感器具有适应性强，性能优秀，成本低的优点。和现有同类产品相比，灵敏度高，分辨率高，功耗低，能够适配不同齿间距齿轮系统。
【附图说明】
[0012]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。
[0013]图1为现有齿轮传感器检测大齿距齿轮示意图；
[0014]图2为现有齿轮传感器检测小齿距齿轮示意图；
[0015]图3为本实用新型齿轮传感器检测大齿距齿轮示意图；
[0016]图4为本实用新型齿轮传感器检测小齿距齿轮示意图；
[0017]图5为包含多个响应通道的芯片探测区域示意图；
[0018]图6为两个探测臂嵌合为单个探测通道示意图；
[0019]图7为单个探测臂局部放大图；
[0020]图8为单个梳齿结构的TMR分布及串联侧视示意图；
[0021 ]图9为两个梳齿结构的TMR分布及串联顶视示意图；
[0022]图10为单个响应区域测试窄齿间距的探测通道联结示意图；
[0023]图11为单个响应区域测试中等齿间距的探测通道联结示意图；
[0024]图12为多个响应区域测试宽齿间距的探测通道联结示意图；
[0025]图13为双全桥90度相位差联结电路；
[0026]图14为双全桥90度相位差芯片联结示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本实用新型发明实施例的目的、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。
[0028]图1，图2为传统磁电阻齿轮传感器设计方案测量大、小不同齿距齿轮时，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，则响应区域距离需重新设计。
[0029]本新型利用微电子光刻技术在硅晶圆上制作了梳齿形探测臂，将两探测臂的梳齿齿嵌合为一个矩形响应通道，并将多个此种方法形成的响应通道沿矩形长边平行排列，作为芯片的响应区域。芯片探测敏感方向为响应通道排列方向，芯片的双交换偏置方向垂直于敏感方向，芯片的钉扎方向平行于敏感方向。
[0030]图3，图4为本实用新型TMR齿轮传感器测量大、小不同齿间距齿轮示意图。从图中可以看出，响应区域位置固定，通过激活间隔为齿间距一半位置的响应通道，本实用新型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生产。图5为本实用新型所设计传感器中多个响应通道的排布方式，每个传感器芯片由一个或多个响应区域组成，每个响应区域包含多条响应通道，单个探测区域的典型尺寸为1000μπι*750μπι。传感器的敏感方向垂直于响应通道长边，多个响应区域沿敏感方向拼接。响应区域沿敏感方向两端的空置区域宽度应为响应通道间距的整数倍。图6为构成单个响应通道的两个探测臂梳齿结构的嵌合示意图。每个响应通道由至少两个探测臂的梳齿结构交错拼合成矩形。由图7单个探测臂局部放大图所示，每条探测臂两端为接触电极，中段由多条梳齿结构串联而成，图中包含5个梳齿结构。由图8，图9梳齿结构侧视，顶视图所示，梳齿结构由覆盖于TMR的上电极、下电极交错串连而成，下电极直接与硅基板接触，上电极典型材料为金，下电极为钽和钌交替构成的多层结构，响应区域表面在接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层，单条TMR为椭圆柱状结构，每个TMR分别由上、下各一个电极覆盖，磁电阻间通过上下电极串联，TMR长轴与响应通道矩形长边平行。通常探测臂包含9个梳齿结构，每个梳齿结构包含14个隧道结磁阻，即每个探测臂包含126个隧道结磁阻。
[0031 ]图10，图11，图12是适应不同齿间距的响应通道联结方案，响应区域通常包含13个平行排列的响应通道，相邻响应通道典型间距为ΙΟΟμπι。当响应通道相距ΙΟΟμπι时，如图10激活4个连续响应通道，可测最优齿间距为最近激活响应通道距离的两倍，S卩0.2mm;如图11激活间距3个通道宽度的响应通道，则可测最优齿间距为0.6mm的齿轮;如需测量齿间距极大，则由图12方案将两个响应区域沿敏感方向拼合，利用响应区域沿敏感方向两端的空置区域，空置区域宽度为响应通道间距时，激活间距为8个通道宽度的响应通道则可测最优齿间距为为1.6mm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。
[0032]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。
[0033]图13，图14分别为双全桥90度相位差联结电路及芯片联结方式，利用相位差可以测量齿轮正转和逆转的状态。其中探测臂R1-R4和R3-R2组成电桥1，探测臂R5-R8和R7-R6组成电桥2，因电桥1、2间输出信号相位差90度，通过直接比较电桥I和2信号输出先后可以确定齿轮转动方向。利用电桥I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。
[0034]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。
【主权项】
1.一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，包括:硅基板，位于硅基板上的一个或多个响应区域，每个响应区域包含至少两个矩形状且沿矩形长边平行排列的响应通道，每个响应通道由至少两条探测臂拼合形成，每条探测臂由至少两条梳齿结构串联而成，每条梳齿结构由至少两个磁电阻及覆盖于所述磁电阻两端的上电极、下电极串连而成，单个所述磁电阻为椭圆柱状结构，所述磁电阻长轴与所述响应通道的长边平行。2.根据权利要求1中所述的一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，所述上电极的材料为金，所述下电极为钽与钌交替构成的多层结构。3.根据权利要求1中所述的一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片的敏感方向垂直于所述响应通道的长边，所述传感器芯片的双交换偏置方向垂直于所述敏感方向，所述传感器芯片的钉扎方向平行于所述敏感方向。4.根据权利要求3中所述的一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，所述响应区域沿敏感方向的两端的空置区域的宽度为两个相邻响应通道的间距的整数倍。5.根据权利要求1中所述的一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，所述的传感器芯片为由多条响应通道组成的全桥结构。6.根据权利要求1中所述的一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，所述的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。7.根据权利要求1中所述的一种隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，每条所述探测臂还包括位于两端的接触电极，所述接触电极之间为串联连接的多条梳齿结构，所述响应区域表面在接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层。
【文档编号】G01D5/12GK205581132SQ201620297628
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】沈卫锋, 刘劲峰, 祁彬, 薛松生
【申请人】江苏多维科技有限公司