专利名称：一种巨磁电阻磁编码器的制作方法
技术领域：
本实用新型提供了一种采用自旋阀或金属多层膜巨磁电阻薄膜材料制成敏感元件芯片，结合多极充磁塑料粘接永磁体制成的磁鼓，构成轴输出、孔输出和与电动机一体化增量型磁编码器的制作方法。
背景技术：
编码器是把物体的位移(平动、转动)或转速，利用内部结构的周期性，转化成高低电位变化数字信号的一种传感器。编码器主要有光电型、电容型、电感型和磁敏感型。目前，在实际应用中，大量使用的是光电编码器。光电编码器结构主要由发光管、光电转换器件和带有明暗相间条纹的码盘组成。光电器件存在一定的使用寿命，而且在水、油、粉尘、腐蚀性气体等恶劣条件，透光率易受干扰，光电转换的准确性降低，目前只能采用外壳密封的方式解决环境适应性问题。由于光电编码器中存在玻璃类的材料，所以抗振动、抗冲击性受到一定的制约。电容型编码器仅适用于频率较低的场合，且易受到外界温度、湿度等环境因素影响，应用起来具有一定的局限性。电感型传感器由于低频磁感应信号较弱，而高频由于感抗随频率增加而加大，只能在某个频带中应用；而且电感型检测探头的机械尺寸较大，很难做出高分辨率编码器。所以，上述各种原理的编码器使用都受到一定条件的制约。
磁编码器根据敏感元件芯片的不同又分为霍尔元件型、各向异性磁敏电阻(AMR)型和巨磁电阻(GMA)型。霍尔元件信号触发需要具有一定磁场强度的永磁体，对于多极充磁的塑料粘接永磁体所产生的磁场强度不足已触发霍尔器件。并且，霍尔器件难于满足编码器双路90°位相差输出信号的要求，所以只能做成单路输出、低分辨率的磁编码器。各向异性磁敏电阻薄膜，在弱磁场下具有2～3％的室温磁电阻变化率。通过敏感元件芯片结构设计，在被多极充磁的塑料粘接永磁体的作用下，可以获得具有双路90°位相差、大小达几十毫伏的电压输出信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种巨磁电阻磁编码器，在常规工业使用范围内，以其响应速度快、体小质轻、在恶劣环境下具有使用寿命长和高可靠性、结构简单、抗振动冲击性能好、各主要制造工艺易于标准化控制、易于低成本化、性能价格比优异等特点。
本实用新型所涉及的巨磁电阻磁编码器的结构如图1所示，主要部分由巨磁电阻敏感元件芯片1、多极充磁永磁体磁鼓2、信号处理电路的线路板3及连接固定机械结构4组成。
多极充磁永磁体磁鼓2，它的圆周被多极充磁形成磁极间距为λ的周期性变化的磁场区域。当磁极随着机械转动系统运动时，磁敏电阻敏感元件芯片1通过非接触的形式感应磁场强度的变化并转化成电阻大小的变化，经过信号处理得到标准矩形脉冲信号，从而实现数字化转化。磁编码器每转输出的脉冲数越多，分辨率越高。
自旋阀巨磁电阻薄膜材料的基本工作原理如图2所示，在衬底5上，分别镀上相间有一定厚度的导电薄膜层7、两层铁磁薄膜6、8和钉扎层9。铁磁薄膜6和8分别有各自的磁偶极子取向，如图2中箭头所示的方向。当施加外加弱磁场时，铁磁薄膜层8受到钉扎层9的作用，磁偶极子取向基本不变，铁磁薄膜层6的磁偶极子取向会发生变化，使磁电阻变化率在很小的磁场范围内发生急剧变化，如图3所示。这一磁电阻变化率可达8％。磁场灵敏度和信噪比性能明显提高。
多层膜巨磁电阻薄膜材料的基本结构如图4所示，铁磁薄膜层10、12、14，导电薄膜层11、13，衬底5。当外加磁场发生变化时，中间铁磁薄膜层12的磁矩取向发生变化，由于各铁磁材料层之间的层间耦合和其对自由电子散射的作用，电阻值发生变化，其特性曲线如图5中的15所示，图5中的16为各向异性磁敏电阻薄膜材料坡莫合金的特性曲线。从两条曲线的对比可以明显看出，多层膜巨磁电阻薄膜材料的磁场灵敏度达到8～12％，比各向异性磁敏电阻薄膜材料坡莫合金的磁场灵敏度高3倍以上。
本实用新型将巨磁电阻薄膜材料，制成满足磁编码器信号采集要求的敏感元件芯片，其特征结构如图6所示。塑料粘接多极充磁的永磁体制成的磁鼓2。巨磁电阻敏感元件芯片1的条纹以8个相互间隔λ/4(即90°位相差)的电阻条R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8组成，其中R1、R2、R3、R4一端连接在一个公共端A上，接电源的正极；R5、R6、R7、R8一端连接在一个公共端B上，接电源的负极。将8个电阻条分成两组，连接成如图7所示的两个惠斯登电桥。一个惠斯登电桥由R1，R3，R5，R7组成，磁电阻条的位置关系R1与R3满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，其中n为自然整数，范围为0-1000，λ为磁鼓充磁磁极之间的间距，R1与R7满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R1与R5满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；另一个惠斯登电桥由R2，R4，R6，R8组成，R2与R4满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R2与R8满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R2与R6满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内。当磁鼓2发生转动时，以一定间隙放置的巨磁电阻敏感元件芯片1构成全桥差动结构，分别在C、D之间和C′、D′之间产生两路输出电压信号，这两路信号之间具有90°位相差，大于100毫伏的电压信号，经过电路整形得到如图8所示的双路90°位相差的矩形波电信号。
由于自旋阀型巨磁电阻薄膜材料具有磁场方向选择性(仅对N极方向敏感)，如图3所示。磁编码器的敏感元件芯片的周期λ是N-N极之间的距离，如图6所示。对于多层膜巨磁电阻薄膜材料的磁电阻特性只与磁场强度有关，与磁极方向无关(如图5所示)，此时λ是以N-S极之间的距离为周期，如图9所示。因此，对于相同的磁鼓，采用多层膜巨磁电阻薄膜材料制成磁编码器的敏感元件芯片所得到的输出信号是自旋阀巨磁电阻敏感元件芯片的二倍。
为了提高磁编码器在工业领域中应用的温度稳定性和抗干扰能力，要求巨磁电阻磁编码器敏感元件芯片中构成惠斯登电桥各个桥臂的电阻值，包括引线电阻，尽可能的一致。为了满足上述要求，本实用新型采用如图10所示的结构，由敏感元件芯片中的电阻条R13、R14、R15、R16组成一个全桥，R13与R14满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，其中n为自然整数，范围为0-1000，λ为磁鼓充磁间距，R13与R16满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R13与R15满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；由R11、R12、R17、R18组成另一个全桥，R11与R12满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R11与R18满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R11与R17满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；两个全桥位置平移λ/4或3λ/4，图11所示。H接电源正极，G接电源负极，在E、F之间和E′、F′之间输出电信号的最佳位相差为90°或270°。
本实用新型采用上述自旋阀巨磁电阻敏感元件芯片和多层膜巨磁电阻敏感元件芯片开发出了轴输出、孔输出和与电动机一体化的磁编码器。
轴输出磁编码器结构如图12所示，多极充磁磁鼓2固定在直径2～50毫米的转17上，转轴用两个轴承19、19′固定在端盖18上，巨磁电阻敏感元件芯片1焊接在具有电信号处理电路的线路板3上，线路板在保证巨磁电阻敏感元件芯片1与磁鼓2之间具有0.05～1.5mm径向距离间隙δ的同时固定在端盖18相应的位置上，通过导线或引线端子20将磁编码器的输出信号引出外壳21。安装在线路板上的巨磁电阻敏感元件芯片(1)也可以放置在固定支架上，用引线与信号处理线路板连接。
孔输出磁编码器结构如图13所示，多极充磁磁鼓2固定在具有直径2～50毫米内孔的转轴套22上，转轴用两个轴承24、24′固定在端盖23上，巨磁电阻敏感元件芯片1焊接在具有电信号处理功能的线路板3上，线路板在保证巨磁电阻敏感元件芯片1与磁鼓2之间具有0.05～1.5mm径向距离间隙δ的同时固定在端盖23相应的位置上，通过导线或引线端子20将磁编码器的输出信号引出外壳25。
与电动机一体化的磁编码器结构如图14所示，多极充磁磁鼓2和衬套28直接固定在具有双通轴电动机26的转轴27一侧，巨磁电阻敏感元件芯片1焊接在具有电信号处理功能的线路板3上，线路板在保证巨磁电阻敏感元件芯片1与磁鼓2之间具有0.05～1.5mm径向距离间隙δ的同时固定在电动机的端盖29相应的位置上，通过导线或引线端子20将磁编码器的输出信号引出电动机外壳30。
本实用新型的优点在于采用的自旋阀和金属多层膜巨磁电阻薄膜材料比金属薄膜各向异性磁电阻薄膜材料具有较高的磁场灵敏度和更好的温度稳定性。其主要特性表现为自旋阀巨磁电阻薄膜材料在低于20奥斯特磁场下的某一磁场值附近，室温磁电阻变化率可以达到8％，高于20奥斯特的磁场下，磁电阻变化达到饱和；多层膜巨磁电阻薄膜材料在±90奥斯特的磁场内，室温磁电阻变化率达到8～10％；两者的电阻温度系数约为0.12％，磁电阻温度系数约为0.001％；噪声电压约为40μV。用自旋阀和金属多层膜巨磁电阻薄膜材料制成惠斯登电桥型磁编码器敏感元件芯片，在5伏直流工作电压条件下，在相同的多极充磁磁鼓作用下，输出电压最佳为120毫伏。原始检测信号增大数倍，信噪比明显提高，增强了在工业环境条件下使用的抗干扰能力。使用温度在80～120℃范围内时，芯片桥路中点温漂0.9毫伏，大大提高了磁编码器的温度稳定性。
本实用新型还具有响应速度快、体小质轻、更适用于工业水、油、气体、纷尘、盐污等恶劣环境，并具有较长的使用寿命和较高的可靠性、结构简单、抗振动冲击性能好、各主要制造工艺易于标准化控制、性能价格比优异等优点。电动机一体化磁编码器与前述轴输出、孔输出磁编码器比较，省略了端盖、轴承等配件，避免了外置编码器安装过程、附加配件、安装精度可能造成对电动机使用的不良影响；同时，电动机的转轴转动的平稳性、振动、噪声以及径向跳动一般都优于普通轴承。实现磁编码器与电动机一体化，易于实现低成本化，提高磁编码器的使用寿命和可靠性。
图1为磁编码器的基本结构原理图。巨磁电阻敏感元件芯片1，多极充磁磁鼓2，信号处理电路3，基座4。
图2为自旋阀巨磁电阻薄膜材料基本结构示意图。衬底5，铁磁薄膜层6、8，导电薄膜层7，钉扎层9。
图3为自旋阀巨磁电阻薄膜材料的电阻变化率随外加磁场变化的关系曲线。在10～20高斯磁场作用下磁电阻变化率达到8％。
图4为多层膜巨磁电阻薄膜材料基本结构示意图。铁磁薄膜层10、12、14，导电薄膜层11、13，衬底5。
图5为多层膜巨磁电阻薄膜材料与坡莫合金各向异性磁电阻(AMR)薄膜材料的特性比较曲线。15为多层膜巨磁电阻薄膜材料的电阻变化率随外加磁场的变化曲线，16为坡莫合金各向异性磁电阻(AMR)薄膜材料的电阻变化率随外加磁场的变化曲线。
图6为磁编码器的巨磁电阻敏感元件芯片的设计原理图。由塑料粘接多极充磁的永磁体制成的磁鼓2，磁极间距为λ，λ为N-N极之间的距离。巨磁电阻敏感元件芯片的条纹以8个相互间隔λ/4(即90°位相差)的电阻条R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8组成，其中R1、R2、R3、R4一端连接在一个公共端A，接电源的正极；R5、R6、R7、R8一端连接在一个公共端B，接电源的负极。
图7为磁编码器的巨磁电阻敏感元件芯片的接线示意图。将图6所示的8个电阻条分成R1、R3、R5、R7和R2、R4、R6、R8两组，构成具有90°位相差全桥差动的两个惠斯登电桥。A接电源的正极，B接电源的负极，C、D和C′、D′分别为上述两个惠斯登电桥的信号输出端。
图8为当磁鼓2发生转动时，图6和图7所示的巨磁电阻敏感元件芯片在C、D和C′、D′之间输出的经过电路放大整形的两路具有90°位相差矩形波电信号示意图。
图9为多层膜巨磁电阻敏感元件芯片的设计原理图。由塑料粘接多极充磁的永磁体制成的磁鼓2，磁极间距为λ，λ为N-S极之间的距离。巨磁电阻敏感元件芯片的条纹以8个相互间隔λ/4(即90°位相差)的电阻条R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8组成，其中R1、R2、R3、R4一端连接在一个公共端A，接电源的正极；R5、R6、R7、R8一端连接在一个公共端B，接电源的负极。
图10为提高磁编码器温度稳定性和抗干扰能力设计的一种结构的巨磁电阻敏感元件芯片。由R1、R2、R7、R8电阻条相对于R3、R4、R5、R6电阻条平移λ/4或3λ/4位移量。
图11由电阻条R3、R4、R5、R6按图示结构组成一个全桥，R1、R2、R7、R8按图示结构组成另一个全桥，两个全桥的位相差为λ/4＝90°。
图12为轴输出磁编码器结构示意图。巨磁电阻敏感元件芯片1，多极充磁磁鼓2，具有电信号处理电路的线路板3，转轴1 7，两个轴承19、19′，端盖18，导线或引线端子20，外壳21。
图13为孔输出磁编码器结构示意图。巨磁电阻敏感元件芯片1，多极充磁磁鼓2，具有电信号处理电路的线路板3，导线或引线端子20，具有内孔的转轴套22，端盖23，轴承24、24′，外壳25。
图14与电动机一体化的磁编码器结构示意图。巨磁电阻敏感元件芯片1，多极充磁磁鼓2，具有电信号处理电路的线路板3，导线或引线端子20，具有双通轴的电动机26，转轴27，轴衬套28，电动机的端盖29，外壳30。
具体实施方式
实施例1轴输出磁编码器，基本结构如图12所示。在外径为35mm的塑料粘接永磁体磁鼓2上充了600个磁极，即300对N-S极；将已多极充磁的磁鼓固定在直径为φ6mm的转轴17一端，转轴用两个内径为φ6mm用轴承19、19′固定在外径φ52mm端盖18上；将自旋阀巨磁电阻薄膜材料，采用微细加工光刻和干饭刻蚀等工艺，制造出如图6所示图形的巨磁电阻敏感元件芯片1，8个电阻条的位置排布按周期λ＝366μm设置；将巨磁电阻敏感元件芯片焊接在保证按图7连线，并具有电信号处理电路的线路板3上，线路板在保证巨磁电阻敏感元件芯片1与磁鼓2之间具有径向间隙δ＝0.05～0.20mm的条件下，固定在端盖(18)相应的位置，通过导线或引线端子20将输出的如图8所示300ppr(每一转的脉冲数)双路90°位相差的电压信号。若采用多层膜巨磁电阻薄膜材料制造敏感元件芯片，此时的8个敏感条纹位置排布按周期λ＝184μm设置，得到600ppr的输出电压信号。
实施例2孔输出磁编码器结构如图13所示，在外径为35mm的塑料粘接永磁体磁鼓2上充了500个磁极，即250对N-S极；将已多极充磁的磁鼓固定在具有直径8毫米内孔的转轴套22上，轴用两个轴承24、24′固定在端盖23上；将自旋阀巨磁电阻薄膜材料，采用微细加工光刻和干饭刻蚀等工艺，制造出如图10所示图形的巨磁电阻敏感元件芯片1，8个电阻条的位置排布按周期λ＝440μm设置；将巨磁电阻敏感元件芯片焊接在保证按图11连线、并具有电信号处理电路的线路板3上，线路板3在保证巨磁电阻敏感元件芯片1与磁鼓2之间具有径向间隙δ＝0.05～0.20mm的条件下，固定在端盖(23)相应的位置，通过导线或引线端子20将输出的如图8所示250ppr双路90°位相差的电压信号。若采用多层膜巨磁电阻薄膜材料制造敏感元件芯片，此时的8个电阻条的位置排布按周期λ＝220μm设置，得到相应的500ppr的输出电压信号。
实施例3与电动机一体化的磁编码器结构如图14所示，在外径为68mm的塑料粘接永磁体磁鼓2上充了1024个磁极，即512对N-S极；将已多极充磁的磁鼓2固定在内孔直径28毫米的轴衬套28上，将多极充磁磁鼓2和轴衬套28直接固定在具有双通轴电动机26的转轴27的一侧，将自旋阀巨磁电阻薄膜材料，采用微细加工光刻和干法刻蚀等工艺，制造出如图10所示图形的巨磁电阻敏感元件芯片1，8个电阻条的位置排布按周期λ＝418μm设置；将巨磁电阻敏感元件芯片焊接在保证按图11连线，并具有电信号处理电路的线路板3上，线路板3在保证敏感元件芯片1与磁鼓2之间具有径向间隙δ＝0.05～0.20mm的条件下，固定在电动机后端盖29相应的位置，通过导线或引线端子20将输出的如图8所示512ppr双路90°位相差的电压信号。若采用多层膜巨磁电阻薄膜材料制造芯片，此时的8个电阻条的位置排布按周期λ＝208μm设置，得到相应的1024ppr的输出电压信号。
权利要求1.一种巨磁电阻磁编码器，其特征在于由巨磁电阻敏感元件芯片(1)、多极充磁的塑料粘接永磁体磁鼓(2)、信号处理电路的线路板(3)及连接固定机械结构(4)构成，巨磁电阻敏感元件芯片(1)与磁鼓(2)之间的距离为0.05～1.5毫米；具体构成为a、巨磁电阻敏感元件芯片(1)中的自旋阀巨磁电阻薄膜材料由两层铁磁薄膜层(6、8)、介于它们之间的有导电薄膜层(7)和钉扎层(9)组成，巨磁电阻敏感元件芯片(1)中的多层膜巨磁电阻薄膜材料由铁磁薄膜层(10)、(12)、(14)，相邻两层铁磁薄膜层之间的有导电薄膜层(11)、(13)组成；b、磁编码器为轴输出磁编码器时，多极充磁磁鼓(2)固定在直径2～50毫米的转轴(17)上，转轴用两个轴承(19)(19′)固定在端盖(18)上，巨磁电阻敏感元件芯片(1)焊接在具有电信号处理电路的线路板(3)上，线路板(3)在保证巨磁电阻敏感元件芯片(1)与磁鼓(2)之间具有0.05～1.5mm径向距离间隙δ，同时固定在端盖(18)相应的位置上，通过导线或引线端子(20)将磁编码器的输出信号引出外壳(21)；
2.按照权利要求1所述的一种巨磁电阻磁编码器，其特征在于巨磁电阻敏感元件芯片是由生长在衬底(5)上的自旋阀巨磁电阻薄膜材料或3-9层膜巨磁电阻薄膜材料，经过微细加工光刻和干法刻蚀或化学侵蚀工艺制成的磁电阻条组成的两个惠斯登全桥构成，一个惠斯登电桥由R1，R3，R5，R7组成，磁电阻条的位置关系R1与R3满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，其中n为自然整数；范围为0-1000，R1与R7满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R1与R5满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；另一个惠斯登电桥由R2，R4，R6，R8组成，R2与R4满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R2与R8满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R2与R6满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；以上两个全桥产生的电压输出信号的最佳位相差为90°，对于自旋阀巨磁电阻薄膜材料，λ为磁鼓充磁N-N极之间的间距，对多层膜巨磁电阻薄膜材料，λ为磁鼓充磁N-S极之间的间距。
3.按照权利要求1或2所述的一种巨磁电阻磁编码器，其特征在于两个惠斯登全桥中的一个惠斯登电桥由R13、R14、R15、R16组成，R13与R14满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内其最大偏差值在±30％之内，其中n为自然整数，范围为0-1000，R13与R16满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R13与R15满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；R11、R12、R17、R18组成另一个全桥，R11与R12满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R11与R18满足位相差(n+1/2)λ，其最大偏差值在±30％之内，R11与R17满足位相差nλ，其最大偏差值在±30％之内；两个全桥位置平移λ/4或3λ/4，H接电源正极，G接电源负极，在E、F之间和E′、F′之间输出电信号的最佳位相差为90°或270°。
4.按照权利要求1或2所述的一种巨磁电阻磁编码器，其特征在于磁编码器为孔输出磁编码器时，多极充磁磁鼓(2)固定在具有直径2～50毫米内孔的转轴套(22)上，转轴用两个轴承(24)(24′)固定在端盖(23)上，巨磁电阻敏感元件芯片(1)焊接在具有电信号处理功能的线路板(3)上，线路板在保证巨磁电阻敏感元件芯片(1)与磁鼓(2)之间具有0.05～1.5mm径向距离间隙δ，同时固定在端盖(23)相应的位置上，通过导线或引线端子(20)将磁编码器的输出信号引出外壳(25)。
5.按照权利要求1或2所述的一种巨磁电阻磁编码器，其特征在于磁编码器是与电动机一体化的磁编码器时，多极充磁磁鼓(2)和衬套(28)直接固定在具有双通轴电动机(26)的转轴(27)的一侧，巨磁电阻敏感元件芯片(1)焊接在具有电信号处理功能的线路板(3)上，线路板在保证巨磁电阻敏感元件芯片(1)与磁鼓(2)之间具有0.05～1.5mm径向距离间隙δ，同时固定在电动机的端盖(29)相应的位置上，通过导线或引线端子(20)将磁编码器的输出信号引出外壳(30)。
6.按照权利要求1或2所述的一种巨磁电阻磁编码器，其特征在于安装在线路板上的巨磁电阻敏感元件芯片(1)也可以放置在固定支架上，用引线与信号处理线路板连接。
专利摘要本实用新型提供了一种采用自旋阀或金属多层膜巨磁电阻薄膜为敏感材料，由巨磁电阻敏感元件芯片(1)、多极充磁的塑料粘接永磁体磁鼓(2)、信号处理电路的线路板(3)及连接固定机械结构(4)构成。将巨磁电阻敏感元件芯片与磁鼓保持一定间隙、沿圆型磁鼓的径向安装。随着磁鼓的转动，巨磁电阻敏感元件芯片感受到磁鼓具有的磁场强弱的变化，并转变成电桥输出电压的变化。经过信号处理，变成高低电位变化的矩形方波脉冲输出信号，构成轴输出、孔输出和与电动机一体化的磁编码器。其优点是提高磁编码器的灵敏度、温度稳定性，信噪比大，易于后续电信号处理和低成本化。
文档编号G01D5/243GK2630798SQ0323697
公开日2004年8月4日 申请日期2003年1月30日 优先权日2003年1月30日
发明者田跃, 邱宏, 鲁武军, 周怀安, 黄筱玲, 梁栋, 潘礼庆, 吴平, 王风平 申请人:北京科大天宇微电子材料技术开发有限公司, 北京科技大学