[发明专利]磁阻传感器

说明书

技术领域

本发明涉及磁阻传感器。

背景技术

各向异性磁阻(AMR)，或简单地说，磁阻(MR)传感器，用于多种机动应用中。例如，这些传感器用作节流阀中的角度传感器、自动刹车系统(ABS)中的转速传感器、自动化或自动传动系统、以及安全系统中的运动传感器。

近年来，存在使传感器小型化并且降低传感器成本的要求，同时提高与大型磁阻(GMR)技术竞争的性能。传统AMR转速传感器最大的元件是粘合在封装外部的偏置磁体(biasing magnet)。该偏置磁体的成本相当高。偏置磁体用于向传感器提供偏置磁场，稳定磁畴，以及防止磁化反转(flipping)。AMR传感器通常还配置有在元件上延伸的金属线，金属线被称作螺旋条纹体，用于使传感器信号线性化。

存在执行这些功能而无需偏置磁体的多种提议。这些提议包括超外差和差分超外差原理，在这些原理中，将由沿着与传感器条垂直的方向(Y方向)由集成线圈产生的交流(a.c.)激励场与使用磁阻传感器元件的非线性特性的a.c.外场(要测量的)进行混合。线圈是直接位于磁阻元件之上的、通过薄的非磁绝缘层分离的直的导体层。线圈沿着与磁阻传感器元件纵轴垂直的方向在磁阻传感器元件平面中产生磁场。

图1示出了这种传感器，包括：下层，具有三个平行的行，每行三个与连接2电串联的磁阻段1；以及上层(与下层分离)，其中形成线圈3。线圈所产生的磁场由标记为“H”的箭头示出，并且在截面中可以清楚看到。为了产生磁场，使a.c.激励电流通过线圈3。磁阻元件的一端耦接至地，另一端耦接至输出端子。

在超外差原理中，使激励电流(频率是要检测的外场的频率的大约10倍)流经线圈，以在磁阻传感器元件上创建a.c.激励场。该场在磁阻元件内部与外场混合(通过它们的二次传递函数-电阻变化是沿着Y方向所施加的磁场的二次函数)。

在混合之后，得到的信号的频谱具有d.c.分量和在频率ω_exc-ω_ext、ω_exc+ω_ext和2ω_exc处的分量(其中，ω_ext和ω_exc分别表示要检测的外场和线圈所创建的激励场的频率)。在滤除2ω_exc的频率分量之后，信号包含ω_exc-ω_ext和ω_exc+ω_ext处传达有用信息的频谱分量。然后，该信号再次与适合频率上的信号相混合，以使这两个分量之一达到基带频率范围内，然后可以容易地提取与外场相对应的信号。

在差分超外差原理中，与超外差原理的那些传感器结构相同的两个传感器结构彼此靠近地放置，并且在两个线圈中流过的激励电流方向相反，以便在激励磁场中创建180度的相位差。在磁阻元件中混合之后，减去来自两个传感器结构的信号，以得到只包含两个边带分量ω_exc-ω_ext和ω_exc+ω_ext以及直流(d.c.)分量的信号。可以与超外差原理中相同的方式(即，通过混频)来提取有用信息，而不必使用带通滤波器。

对于超外差和差分超外差方法而言，有用信息被两个分量ω_exc-ω_ext和ω_exc+ω_ext传达。非常重要的是，不应该有任何干扰频率分量进入或接近该带宽。

这些方法具有许多优点。例如，这些方法是高度灵敏的，不需要偏置磁体或螺旋条纹体，输出信号没有偏移，这些方法与温度无关，并且具有宽动态范围的输入场幅度。

然而，利用超外差和差分超外差方法存在问题。具体地，在ω_exc处存在较强频率分量，该较强频率分量位于两个有用频率分量ω_exc-ω_ext和ω_exc+ω_ext的中间，并且不包含有用信息。这种干扰分量由于线圈与磁阻元件之间的不期望电容性和/或电感性耦合而出现。