专利名称：一种被磁偏置的敏感方向平行于检测面的验钞磁头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及磁阻传感器技术领域，特别涉及一种磁阻验钞磁头。
背景技术：
日常生活中，验钞磁头的应用非常广泛，例如自动售货机、点钞机，以及纸币检验设备等。通常，纸币的磁性非常弱，因此，用于识别纸币磁性的验钞磁头需要具有高灵敏度、低噪声和高信噪比的特性。图1示出了一种现有技术的验钞磁头，该验钞磁头中的传感器元件检测的是与磁头检测面垂直的磁场分量，该磁场由纸币上的磁性油墨产生。通常情况下，这种传感器元件所用材料为锑化铟。由这种传感器元件构成的验钞磁头具有如下缺点:(I)锑化铟霍尔元件的灵敏度和信噪比非常低，导致该种验钞磁头的灵敏度和信噪比非常低；(2)锑化铟传感器且受温度的影响非常明显，需要复杂的温度补偿电路；(3)锑化铟传感器固有噪声比较大，因此需要磁偏置元件提供很大的偏置信号，以提高信噪比，由此导致磁偏置元件的体积较大，进而导致验钞磁头体积较大；(4)在磁头检测面附近存在磁偏置元件的一个平面磁极，这个磁极产生与检测面平行的磁场分量。由于这个磁场分量的存在，导致很难精确测量被测物体产生磁场的大小。因此，需要一种能够精确测量被测物体磁场大小的验钞机头。
实用新型内容为了解决上述的问题，本实用新型提供了一种磁阻验钞磁头。本实用新型中所用的磁阻传感器可以测量被测物体产生的平行于检测面的磁场分量，磁阻传感器可以是隧道磁阻传感器，或者是巨磁阻传感器，或者是各向异性磁阻传感器等等。根据本实用新型的一个方面，提供一种验钞磁头，该验钞磁头包括磁阻传感器芯片，与该磁阻传感器芯片耦合的柔性印刷电路板和磁偏置单元，所述磁阻传感器芯片包括具有磁敏元件的电路，所述磁敏元件的敏感方向平行于所述验钞磁头的检测面，所述磁偏置单元具有凹陷结构并在所述磁阻传感器芯片远离验钞磁头检测面一侧与所述磁阻传感器芯片分开放置，该凹陷结构朝向所述磁阻传感器芯片。优选地，所述磁偏置单元包括具有垂直于检测面的矩形凹槽或凹坑的长方永磁体。优选地，所述磁偏置单元包括永磁长方体和高导磁率磁性材料构成的表面具有矩形凹陷的磁极片。优选地，所述磁偏置单元包括永磁长方体和高导磁率磁性材料构成的矩形环状磁极片。优选地，所述验钞磁头的检测区域位于所述磁偏置元件的凹陷结构的正上方。[0017]优选地，所述磁偏置单元被布置为使得其产生的磁场在所述磁敏元件敏感方向的分量小于25高斯。优选地，该验钞磁头进一步包括与柔性电路板连接的验钞磁头输入输出引针。优选地，所述磁敏元件为隧道磁阻TMR元件、巨磁阻GMR元件或各向异性磁阻AMR元件。优选地，所述磁敏元件为串联和/或并联连接的TMR元件、或串联和/或并联连接的GMR元件、或串联和/或并联连接的AMR元件构成单臂结构或者半桥结构或者全桥结构。优选地，所述磁阻传感器芯片为串联连接的TMR磁敏元件芯片、半桥连接的磁敏元件传感器芯片，或者全桥连接的磁敏元件传感器芯片。优选地，所述磁阻传感器芯片是单臂传感器芯片、半桥传感器芯片，或者全桥传感器芯片。优选地，该磁头进一步包括容纳所述磁阻传感器芯片和所述磁偏置单元的金属外壳，所述金属外壳设置有接地端。优选地，所述金属外壳内填充有用于固定和隔离的注塑体。优选地，该磁头进一步包括容纳所述磁阻传感器芯片和所述磁偏置单元的金属外壳，该外壳在磁头检测面相对侧上具有开口。本实用新型具有如下有益效果:(I)本实用新型所述的验钞磁头，既适用于识别由硬磁性材料制成的纸币，又适用于识别由软磁性材料制成的纸币；(2)本实用新型所述的验钞磁头采用包括如隧道磁阻TMR元件、巨磁阻GMR元件或各向异性磁阻AMR元件等磁敏元件的磁阻传感器芯片，与锑化铟霍尔元件相比，上述磁敏元件的灵敏度和信噪比较高，因此本实用新型的验钞磁头具有更高的灵敏度和信噪比；(3)由于上述磁敏元件的制作工艺较简单，且不易受环境温度和应力的影响，成品率高，因此根据本实用新型的验钞磁头的加工工艺较简单，成本较低；(4)通过将验钞磁头的磁偏置元件形成凹陷，具有凹陷的磁偏置元件产生的磁场在上述磁敏元件敏感方向的分量很小或趋近于零，使得磁敏元件能够工作在线性区，从而能够保证验钞磁头能够正常工作；(5)由于验钞磁头的传感器芯片采用桥式结构，使得验钞磁头能够有效抑制来自所述验钞磁头之外的共模磁场的干扰；(6)本实用新型的验钞磁头既可以用于验钞机，又可以用于收银机；(7)根据本实用新型的验钞磁头采用柔性线路板连接印刷线路板和输出引针，而柔性线路板不会对永磁体的外形产生限制，有利于永磁体的设计。
图1为现有技术比较例I的验钞磁头的示意图；图2(A)为图1所示磁头中矩形永磁体产生的磁场的磁力线分布图；图2(B)为图1所示磁头中矩形永磁体产生的磁场强度分布；图3(A)为现有技术比较例2的磁头中矩形永磁体产生的磁场的磁力线分布图；图3 (B)为现有技术比较例2的磁头中矩形永磁体产生的磁场强度分布；[0039]图4为根据本实用新型实施例的验钞磁头的示意图；图5示出根据本实用新型实施例的验钞磁头的俯视示意图；图6(A)为根据本实用新型实例I的磁头中磁偏置单元产生的磁场的磁力线分布图；图6 (B)为根据本实用新型实例I的磁头中磁偏置单元产生的磁场强度分布；图7(A)为实例2的磁头中磁偏置单元产生的磁场的磁力线分布图；图7(B)为实例2的磁头中磁偏置单兀产生的磁场强度分布；图7(C)为实例2的磁偏置单元中磁极片的透视图；图8(A)为实例3的磁头中磁偏置单元产生的磁场的磁力线分布图；图8(B)为实例3的磁头中磁偏置单元产生的磁场强度分布；图8(C)为实例3的磁头中磁偏置单元的透视图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型的技术方案。在具体实施方式
中，相似的附图标记表示相似的特征或元件。比较例I图1示出比较例I的验钞磁头的示意图。该验钞磁头包括传感器芯片11、印刷线路板(PCB) 12、输入输出引针13、金属外壳14、永磁体15和注塑体(图中未不出)。金属外壳14的远离检测面的一个面上有开口，用于装配以及输入输出引针的引出。传感器芯片11靠近金属外壳14的检测面安装,其磁敏方向垂直于磁头检测面。传感器芯片11和永磁体15分别设于印刷线路板12的两侧。永磁体15的充磁方向如图1所示。印刷线路板12与永磁体15之间不直接接触。传感器芯片11的输入端和输出端分别与印刷线路板12上的相应接线端焊接，使得印刷线路板12能够支撑和固定传感器芯片11。输入输出引针13的一端与印刷线路板12的相应接线端焊接，使得输入输出引针13与传感器芯片11的输入端和输出端导通。输入输出引针13的另一端作为验钞磁头的输出端。传感器芯片11采用锑化铟霍尔元件，且锑化铟霍尔元件的敏感方向17垂直于磁头的检测面。金属外壳14上设有接地引针16。设有接地引针16的金属外壳14用于屏蔽来自金属外壳14之外的电磁干扰，并消除静电。永磁体15的形状可以是长方体。注塑体的形状和尺寸分别与金属外壳
14、印刷线路板12和永磁体15的形状和尺寸匹配，用于固定金属外壳14、印刷线路板12和永磁体15，并实现印刷线路板12和永磁体15的电气隔离。该比较例I中验钞磁头的传感器芯片采用锑化铟霍尔元件，所述验钞磁头的灵敏度和信噪比非常低。由于锑化铟霍尔元件的制作工艺复杂，且受温度和应力的影响非常明显，成品率低，导致比较例的验钞磁头的加工工艺复杂，成本高。另一方面，由于比较例的验钞磁头输出引针的一端直接固定在印刷线路板上，且输出引针不能直接穿过永磁体，因此输出引针的位置限制了永磁体的尺寸，增加设计的难度。另外，由于比较例I的验钞磁头的永磁体为长方体，当传感器芯片采用MTJ元件时，长方形永磁体产生的磁场沿MTJ元件敏感方向的分量很大，导致MTJ元件的工作点偏离其线性工作区，甚至导致MTJ元件的电阻对磁场的响应达到饱和，从而影响验钞磁头的性能，甚至导致验钞磁头无法正常工作。图2(A)是图1所示验钞磁头中，矩形磁体产生的磁场的磁力线分布图。图中具有矩形截面结构的永磁体15的磁化方向垂直于检测面40，检测面用图中的“AA”表示。磁阻传感器元件41位于检测面40的下方，沿着图中的“BB”方向放置。永磁体15产生的磁场的磁力线如图中的细实线23所示。图2(B)展示了永磁体15产生的磁场在检测面处平行于检测面方向的分量28和垂直于检测面方向的分量27,横轴29表不在“AA”方向上位置的偏移量。在传统的霍尔效应验钞磁头中，传感器仅检测垂直于检测面方向的磁场分量27，因此平行于检测面方向的磁场分量28不会对验钞磁头的工作产生任何影响。若磁阻传感器的感应方向平行于检测面40时，必须对偏置磁体进行改进，以减小永磁体产生的平行于检测面的磁场对传感器感应信号的影响。现有技术比较例2增加偏置磁体与传感器元件的体积比是解决上述问题的一种有效方法。图3(A)和3(B)分别为现有技术比较例2的磁头中矩形永磁体产生的磁场的磁力线分布图和磁场强度分布图。比较图3 (A)和图2 (A)可以看出，偏置磁体35邻近传感器元件41 一面具有显著增加的面积。从图3 (A)中可以看出，永磁体35的磁化方向21垂直于检测面40，检测方向是图中的“AA”。磁阻传感器元件41位于检测面40的下方，沿着图中的“BB”方向放置。永磁体35产生的磁场的磁力线如图中的实线23所示。图3(B)展示了永磁体35产生的磁场在检测面处平行于检测面方向的分量28和垂直于检测面方向的分量27,横轴29表示在“AA”方向上位置的偏移量。从图3(B)可以看出，比较例2平行于检测面方向的磁场分量28明显小于图2(B)中比较例I的平行于检测面方向的磁场分量。但是比较例2中，较大的永磁体体积会增加验钞磁头的体积，进而增加其在验钞机中安装的难度。进一步，增加永磁体和磁头的体积意味着产品成本的增加，进而增加验钞机的成本。本实用新型的优选实施例图4示出根据本实用新型实施例的验钞磁头示意图。根据本实用新型的磁阻验钞磁头包括磁阻传感器芯片41、印刷线路板42、输入输出引针43、金属外壳44、具有凹陷结构的磁偏置单元45例如具有凹陷的永磁体、柔性线路板(FPC)46、第一注塑体47和第二注塑体50,并具有检测面40。该具有凹陷的磁偏置单元例如是在一侧具有矩形凹槽的永磁体，或在一侧具有矩形凹坑的永磁体。金属外壳44采用非磁性耐磨材料，且其在远离检测面40的一侧有开口。磁阻传感器芯片41在金属外壳44内靠近检测面40安装,且芯片中磁敏元件的敏感方向与验钞磁头的检测面平行。检测面40侧外壳外表面距离磁阻传感器芯片上表面之间的距离小于或等于0.2mm。磁阻传感器芯片41和磁偏置单元45分别位于印刷线路板42的两侧，磁偏置单元45的凹陷部分朝向印刷线路板42。磁偏置单元45的充磁方向垂直于检测面40，如图4所示。第二注塑体50例如位于印刷线路板42与磁偏置单元45之间，用于将印刷线路板42和磁偏置单元45隔离。传感器芯片41的输入端和输出端分别与印刷线路板42上的相应接线端例如通过焊接连接，使得印刷线路板42能够支撑和固定传感器芯片41。第一注塑体47位于磁偏置单元45的与凹陷部分相反的一侧。输入输出引针43通过第一注塑体47固定。柔性线路板46的一端与印刷线路板42的相应接线端电连接，柔性线路板46的另一端与输入输出引针43的一端电连接，使得输入输出引针43分别与传感器芯片41的输入端和输出端导通。输入输出引针43的另一端作为验钞磁头的输入输出端。传感器芯片41至少包含一个桥式电路，该桥式电路至少包含一个桥臂，优选地，每个桥臂可至少包含一个例如隧道磁阻TMR元件，巨磁阻GMR元件或各向异性磁阻AMR元件的磁敏元件。更优选地，每个桥臂可包含串联和/或并联连接的隧道磁阻TMR元件，串联和/或并联连接的巨磁阻GMR元件，或串联和/或并联连接的各向异性磁阻AMR元件。在本实施例中，传感器芯片41具有全桥结构，该全桥结构中的每一个桥臂至少包含一个磁敏元件。磁敏元件的敏感方向49与验钞磁头的检测面平行，且磁敏元件的敏感方向49与磁偏置单元45的凹陷方向垂直。优选地，金属外壳44上设有接地引针48，接地的金属外壳用于屏蔽来自金属外壳44之外的电磁干扰，并用于消除静电。第二注塑体50的形状和尺寸分别与金属外壳44、印刷线路板42和磁偏置单元45的形状和尺寸相匹配，用于将印刷线路板42和磁偏置单兀45固定在金属外壳44中。优选地,第一注塑体47与第二注塑体50能够扣合。图5示出根据本实用新型具有全桥结构的磁阻传感器芯片的验钞磁头的俯视示意图。如图所示，磁阻传感器芯片41位于磁偏置单元45凹陷结构的上方。在磁阻传感器芯片41内存在一个检测区域90，在这个区域内，永磁体45产生的平行于检测面40的磁感应强度小于25高斯，磁偏置单元45不会将该区域内的各磁敏元件91磁化到饱和。因此，可以确保处于检测区域内其磁敏方向平行于检测面的磁敏元件工作在线性区。在平行于磁敏元件敏感方向49的方向，检测区域90的尺寸范围例如是Imm到10mm。使用磁阻验钞磁头时，将纸币靠近所述磁阻验钞磁头的检测面，且使其相对于该检测面进行运动，传感器芯片将会检测到纸币的磁性变化并通过输出引针输出相关信号，从而实现对纸币磁性的识别。根据本实用新型优选实施例的磁阻验钞磁头既适用于识别由硬磁性材料制成的纸币的磁性，又适用于识别由软磁性材料制成的纸币的磁性。所述磁阻验钞磁头优选采用其敏感方向平行于验钞磁头的检测面的磁敏元件，例如TMR元件，巨磁阻GMR元件或各向异性磁阻AMR元件。与锑化铟霍尔元件相比，这些磁敏元件的灵敏度和信噪比更高，因此所述磁阻验钞磁头的灵敏度和信噪比较高。这些磁敏元件的制作工艺较简单，且不易受温度和应力的影响，成品率高，因此所述磁阻验钞磁头的加工工艺较简单，成本较低。由于所述磁阻验钞磁头采用柔性线路板连接印刷线路板和输入输出引针，而柔性线路板不会对永磁体的外形产生限制，有利于永磁体的设计。由于磁阻验钞磁头的永磁体具有凹陷结构，具有凹陷结构的永磁体产生的磁场沿磁敏元件敏感方向的分量很小或趋近于零，使得磁敏元件在其线性工作区，从而能够保证所述磁阻验钞磁头正常工作。由于所述磁阻验钞磁头的传感器芯片采用桥式电路结构的磁敏元件，使得所述磁阻验钞磁头能够有效抑制来自所述磁阻验钞磁头之外的共模磁场的干扰。所述磁阻验钞磁头既可以用于验钞机，又可以用于收银机用于实现上述磁偏置单元45的设计方法较多，例如可以是如上所述的具有凹陷结构的磁体元件，或者磁体-磁极片组合型元件，或者是矩形磁体组合型元件。所列这些结构的磁偏置单元都具有易于生产、成本较低的优势。下面将参照附图分别对磁偏置单元的各种实例进行详细阐述。实例I图6(A)为根据本实用新型实例I的磁头中具有凹陷结构的矩形永磁体产生的磁场的磁力线分布图。如图6(A)所不，永磁体55在接近检测面40的表面上开有凹槽52,凹槽深度方向垂直于永磁体55形成有凹槽的表面。永磁体55的磁化方向51垂直于检测面40。在检测面40的中心处,具有凹槽52的永磁体55产生的磁场53垂直于检测面40,因此消除了在例如TMR传感器芯片41处的水平磁场分量。图6(B)是沿着检测面40的磁场强度分布图，其中虚线57是垂直于检测面40的磁场强度分量，细实线58是平行于检测面40的磁场强度分量，纵轴56是磁感应强度，横轴是距检测面40中心点偏移的距离。从图中可以看出，凹槽55上方的平行于检测面40的磁场强度分量较小，该方向的磁场强度的数值明显小于图2和图3中的传统结构的情形。可以理解，具有凹陷结构的磁偏置单元也可以是具有凹坑的矩形永磁体。实例2图7 (A)为实例2的磁头中磁偏置兀件产生的磁场的磁力线分布图。如图7(A),具有矩形截面65的永磁体上方覆盖了一个软磁合金片，也称为“磁极片”64，用来调整平行于检测面40的磁场分布。磁极片64通常是由软磁合金制成的，比如坡莫合金。永磁体65的磁化方向61垂直于检测面40，磁极片64的磁化方向由永磁体65的磁化方向决定。磁极片的凹槽62用来减小磁场在平行于检测面40方向的磁场强度。图7 (B)是实例2沿着检测面40的磁场强度分布图，其中虚线67是垂直于检测面40的磁场强度分量，细实线68是平行于检测面40的磁场强度分量，纵轴66是磁感应强度，横轴是沿检测面40的偏移距离。从图中可以看出，在磁极片凹槽64上方的平行于检测面40的磁场强度较小，该方向的磁场强度的数值明显小于图2和图3中的传统结构的情形。图7(C)是实例2磁极片64的透视图，其中凹槽结构62可以通过压铸、冲压、切割等方法实现。实例3图8⑷为实例3的磁头中磁偏置元件产生的磁场的磁力线分布图。如图8⑷所示，具有矩形截面75的永磁体上方覆盖了一个软磁合金片，也称之为磁极片74，用来调整永磁体在平行于检测面40的磁场分布。磁极片74通常是由软磁合金制成的，比如坡莫合金。永磁体75的磁化方向71垂直于检测面40,磁极片74的磁化方向由永磁体75的磁化方向决定。磁极片74上的开孔72用来减小平行于检测面40的磁场的强度。图8 (B)是沿着检测面40的磁场强度分布图，其中虚线77是垂直于检测面40的磁场强度分量，细实线78是平行于检测面40的磁场强度分量，纵轴76是磁感应强度，横轴是距检测面40中性点偏移的距离。从图中可以看出，在磁极片74开孔上方的平行于检测面40的磁场强度较小，该方向的磁场强度的数值明显小于图2和图3中的传统结构的情形。图8(C)是实例3磁极片64的透视图，其中开孔72的结构可以通过压铸、冲压，切割等方法实现。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种验钞磁头，包括磁阻传感器芯片，与该磁阻传感器芯片耦合的柔性印刷电路板和磁偏置单元， 其特征在于， 所述磁阻传感器芯片包括具有磁敏元件的电路，所述磁敏元件的敏感方向平行于所述验钞磁头的检测面， 所述磁偏置单元具有凹陷结构并在所述磁阻传感器芯片远离验钞磁头检测面一侧与所述磁阻传感器芯片分开放置，该凹陷结构朝向所述磁阻传感器芯片。
2.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁偏置单元包括具有垂直于检测面的矩形凹槽或凹坑的长方永磁体。
3.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁偏置单元包括永磁长方体和高导磁率磁性材料构成的表面具有矩形凹陷的磁极片。
4.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁偏置单元包括永磁长方体和高导磁率磁性材料构成的矩形环状磁极片。
5.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述验钞磁头的检测区域位于所述磁偏置元件的凹陷结构的正上方。
6.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁偏置单元被布置为使得其产生的磁场在所述磁敏兀件敏感方向的分量小于25高斯。
7.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，该验钞磁头进一步包括与柔性电路板连接的验钞磁头输入输出引针。
8.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁敏元件为隧道磁阻TMR元件、巨磁阻GMR元件或各向异性磁阻AMR元件。
9.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁敏元件为串联和/或并联连接的TMR元件、串联和/或并联连接的GMR元件、或串联和/或并联连接的AMR元件构成单臂结构或者半桥结构或者全桥结构。
10.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，所述磁阻传感器芯片是单臂传感器芯片、半桥传感器芯片，或者全桥传感器芯片。
11.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，该磁头进一步包括容纳所述磁阻传感器芯片和所述磁偏置单元的金属外壳，所述金属外壳设置有接地端。
12.如权利要求11所述的验钞磁头，其特征在于，所述金属外壳内填充有用于固定和隔离的注塑体。
13.如权利要求1所述的验钞磁头，其特征在于，该磁头进一步包括容纳所述磁阻传感器芯片和所述磁偏置单元的金属外壳，该外壳在磁头检测面相对侧上具有开口。
专利摘要本实用新型涉及一种被磁偏置的敏感方向平行于检测面的验钞磁头。该验钞磁头包括磁阻传感器芯片，与该磁阻传感器芯片耦合的柔性印刷电路板和磁偏置单元。所述磁阻传感器芯片包括具有磁敏元件的电路，所述磁敏元件的敏感方向平行于所述验钞磁头的检测面，所述磁偏置单元具有凹陷结构并在所述磁阻传感器芯片远离验钞磁头检测面一侧与所述磁阻传感器芯片分开放置，该凹陷结构朝向所述磁阻传感器芯片。本实用新型的验钞磁头具有更高的灵敏度和信噪比。
文档编号G07D7/04GK203038357SQ201220564539
公开日2013年7月3日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者詹姆斯·G·迪克, 刘明峰, 白建民, 诸敏 申请人:江苏多维科技有限公司