[发明专利]具有几个传感元件的磁阻角传感器

说明书

本发明涉及一种磁阻角传感器，其包括一个具有主参考磁化轴的主传感元件，其用于确定所述主参考磁化轴与磁场方向之间的角。

本发明进一步涉及一种制造包括主传感元件的磁阻传感器的方法，所述主传感元件包括一个主参考磁化轴，该磁阻传感器用于确定所述主参考磁化轴与磁场方向之间的角。

从Eurosensors XIII(欧洲传感器XIII)论文，The13^th EuropeanConference on Solid State Transducers，September 12-15，1999，The Hague，The Netherlands，pages 589-596；“Robust giantmagnetoresistance sensors”，K.-M.H.Lenssen et al.(于1999年9月12至15日在荷兰海牙召开的第十三次欧洲固态变送器大会的第589-596页K.-M.H.Lenssen等人著的文章“坚固的巨磁阻传感器”)中可以了解这样的一种磁阻传感器及其一种制造方法。

磁阻是当磁场被放置在某些材料上时这些材料的电阻由此变化的现象。铁磁性的磁阻角传感器被广泛地应用在处于如汽车或工业等恶劣环境的非接触角位置传感器中。通常这些传感器对磨损和污染并不敏感。当使用在一个足够强的饱和磁场时，相对于杂散场如地球的磁场或其它磁场，它们对场强度变化的敏感性很低。这使得这种类型的角传感器极能容忍磁阻传感器本身与产生磁场的偏置磁体之间距离的变化。

不同类型的铁磁性磁阻传感器是公知的：各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器及隧道效应磁阻(TMR)传感器。

AMR出现在铁类材料中。当不平行于一铁类材料薄条中电流的磁场被施加时，电阻将发生变化。当所施加的磁场垂直于电流时此电阻具有最大值。

AMR传感器典型地由单层Ni-Fe薄膜组成并被构造成蛇曲形状。根据R(θ)＝R(0°)+ΔR(1-cos2θ)/2，这些传感器的电阻取决于通过蛇曲条的电流与Ni-Fe的磁化方向之间的角θ。

GMR和TMR传感器均是具有至少两层的多层配置，在旋转阀(spinvalve)GMR和TMR角传感器中，两层中的一层或者是通过交换偏置(exchange biasing)被钉扎到例如Ir-Mn、Fe-Mn或NiO的抗铁磁体(AF)层，或者由人造抗铁磁体(AAF)组成，所述人造抗铁磁体通过例如由一个AF层所交换偏置的CoFe/Ru/CoFe构成。所述磁层的磁化方向限定了主参考磁化轴。另一层(自由层)被制作得尽可能地软以便于顺从一个外部磁场方向。

在GMR和TMR传感器中，根据R(θ)＝R(0°)+ΔR(1-cosθ)/2电阻取决于所钉扎磁层的磁化方向和软磁层的磁化方向之间的角θ，其中所钉扎磁层的方向限定主参考磁化轴。

从上述论文中所知的磁阻传感器因其固有的角相关性，所以非常适合于模似量角感测。

公知的磁阻传感器的一个缺点是：在相对弱的磁场下，输出信号偏离理想的正弦输出信号。在正弦输出信号中的失真出现在AMR传感器和GMR传感器两者中并且在很大程度上是由于软磁材料例如Ni-Fe的各向异性所导致，这将在此后加以解释。

在AMR传感器中，磁化方向由条形Ni-Fe材料的单轴各向异性与外部磁场之间的平衡而确定。在淀积过程中所导致的单轴各向异性通常是在淀积过程中所导致的晶体各向异性与形状各向异性的组合。在没有施加外部磁场时，磁化方向是沿着由各向异性所设置的易磁化轴的两个方向中的任何之一方向。在一个强且饱和的磁场中，磁化方向接近所施加的磁场方向。在旋转磁场中获得正弦的电阻变化。在相对弱的场中，磁化方向显著地偏离所施加场的方向，其导致基于AMR的角度传感器的周期性输出信号的失真。然而，弱工作场令人感兴趣，因为可以用廉价的铁钡氧化物偏置磁体来产生这些场。AMR传感器仅在约为100kA/m或更高的强场中才提供高的角精确度，这只能够由昂贵的SmCo或NdFeB磁体产生。

在旋转阀GMR和TMR角度传感器中，软磁层通常具有有限的各向异性并且通过橘皮(orange-peel)耦合和静磁耦合将其耦合到被钉扎的层。需要一个最小磁场强度以克服耦合和各向异性，以便于将外部场方向强加到自由层的磁化方向。但是，强磁场也影响被钉扎层或AAF的磁化方向，该磁化方向作为GMR或TMR元件的参考方向。实际上，若不在所有的场方向上影响所钉扎层或AAF的磁化方向，则无法使自由层完全饱和。这限制了在GMR基角位置传感器中可以获得的精度。