專利名稱：采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器。
背景技術(shù)：
異常霍爾效應是一種一百多年以前就被發(fā)現(xiàn)的物理效應，但由于通常的金屬材 料中異常霍爾效應很小而未引起足夠注意。近年來，由于磁性多層膜的研究，發(fā)現(xiàn)在磁 性金屬多層膜中的異?；魻栃韧ǔ５慕饘僦幸邘讉€數(shù)量級。因而仿照巨磁電阻效 應而稱其為巨霍爾效應。由于磁性多層膜中的巨霍爾效應具有靈敏度高，溫度穩(wěn)定性 好，電阻率低，制作工藝簡單，高頻響應好，可以使用濺射工藝進行沉積，具有便于集 成到現(xiàn)有的芯片微加工工藝當中的優(yōu)點。因而在傳感器領(lǐng)域作為磁電轉(zhuǎn)換元件具有廣泛 的應用前景。在磁性編碼器中，其中一種方案是通過測量運動磁塊在兩個正交的X、Y方 向的磁場分量，進而對兩個磁場分量值進行計算處理，獲得磁塊運動的角度值，和速度值等。在另一種磁性編碼器，也稱磁柵編碼器中，通過磁性敏感元件感知運動磁鼓邊 緣上磁柵產(chǎn)生的磁場并輸出電壓信號，再采用電路對電壓信號進行放大整形成脈沖信 號，最后通過閘門信號(標準時鐘信號)對脈沖信號進行計數(shù)，進而根據(jù)不同的應用得到 所測量的角度、角速度、轉(zhuǎn)速等。通?，F(xiàn)有磁性編碼器中磁性敏感元件大都采用霍爾器 件，磁阻元件，包括AMR(各向異性磁電阻)，GMR(巨磁電阻)。但一般AMR的電阻變 化率只能在5%以下，實際的工業(yè)應用一般只有2% 3%，因而測量靈敏度小，輸出信 號幅值小，同樣需要放大。而GMR元件的電阻變化率較大，能達到20%左右，但GMR 元件中由于強的交換藕合作用，其飽和場非常大，限制了其靈敏度的提高。同時GMR元 件的電阻變化率隨磁場的變化特性非單調(diào)變化，存在偶對稱，使其開關(guān)性能較差。這些 都使它們在磁編碼器的應用中，輸出信號的信噪比較低，并影響其工作穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供能提高編碼器輸出信號 的信噪比和磁性編碼器的綜合性能的磁性編碼器。本實用新型的技術(shù)方案是一種采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，包括一個磁塊、一個磁性敏 感元件、兩個運算放大器、一個數(shù)字信號處理芯片、以及輸出顯示模塊，磁性敏感元件 采用巨霍爾雙軸磁場芯片，巨霍爾雙軸磁場芯片位于磁塊下方；兩個運算放大器、數(shù)字 信號處理芯片、輸出顯示模塊位于一個PCB電路板上，PCB電路板位于磁塊和巨霍爾雙 軸磁場芯片的外部，PCB電路板與巨霍爾雙軸磁場芯片通過導線進行連接。巨霍爾雙軸磁場芯片內(nèi)部，按對稱位置相差90°放置有四個巨霍爾器件，正對 的兩個巨霍爾器件分別構(gòu)成差動方式輸出。[0009]巨霍爾器件為磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其材料是X/Pt，X可以是Fe、Co、Ni，或Fe、 Co、Ni的合金。另一種采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，包括一個磁鼓、磁鼓邊緣 上有磁柵、一個磁性敏感元件、以及一個信號放大整形模塊、一個計數(shù)模塊、一個計算 處理模塊、一個顯示模塊，磁性敏感元件采用巨霍爾器件，巨霍爾器件位于磁鼓的邊 緣，并與磁柵之間間隔l-5mm的距離；信號放大整形模塊、計數(shù)模塊、計算處理模塊、 顯示模塊位于一個PCB電路板上，PCB電路板位于磁鼓和巨霍爾器件的外部，巨霍爾器 件與PCB電路板上信號放大整形整形模塊通過導線連接。有益效果由以上實用新型所述的方案，結(jié)合巨霍爾器件本身靈敏度高、電阻 率低、噪聲低、制作工藝簡單、溫度穩(wěn)定性高、高頻響應好的優(yōu)點，所述方案的磁性編 碼器相對之前的磁性編碼器具有靈敏度更高，信噪比更好，工作更穩(wěn)定的優(yōu)點。此外方 案一還具有構(gòu)造簡單，成本低，性價比好的優(yōu)點。方案二由于巨霍爾器件工作在開關(guān)狀 態(tài)，具有工作更穩(wěn)定，抗惡劣工作環(huán)境，抗干擾能力強的優(yōu)點。

圖1是一種巨霍爾效應磁性編碼器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中巨霍爾雙軸磁場芯片5的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中巨霍爾器件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；圖4是圖2中巨霍爾器件的理想輸出特性示意圖；圖5是另一種巨霍爾效應磁性編碼器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明。一種采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，包括一個磁塊1、一個磁性敏 感元件、兩個運算放大器7、一個數(shù)字信號處理芯片8、以及輸出顯示模塊9，磁性敏感 元件采用巨霍爾雙軸磁場芯片5，巨霍爾雙軸磁場芯片5位于磁塊1下方；兩個運算放大 器7、數(shù)字信號處理芯片8、輸出顯示模塊9位于一個PCB電路板6上，PCB電路板6位 于磁塊1和巨霍爾雙軸磁場芯片5的外部，PCB電路板6與巨霍爾雙軸磁場芯片5通過導 線10進行連接。巨霍爾雙軸磁場芯片5內(nèi)部，按對稱位置相差90°放置有四個巨霍爾器件5A、 5B、5C、5D，正對的兩個巨霍爾器件5A和5C ； 5B和5D分別構(gòu)成差動方式輸出。巨霍爾器件5A、5B、5C、5D為磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其材料是X/Pt，X可以是 Fe、Co、Ni,或 Fe、Co、Ni 的合金。磁性編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，如圖1所示，磁塊1的磁化方向2，磁塊1 繞其軸4轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向3，可以是順時針轉(zhuǎn)動，也可以是逆時針轉(zhuǎn)動。在磁塊1下方 端面上安置有一磁性敏感元件，巨霍爾雙軸磁場傳感芯片5。另外包括兩個運算放大器 7，DSP數(shù)字信號處理芯片8，顯示模塊9，其中兩個運算放大器7，DSP數(shù)字信號處理芯 片8，顯示模塊9位于一個PCB電路板6上。巨霍爾雙軸磁場芯片5的輸出經(jīng)導線10與 PCB電路板6上的運算放大器7連接。[0022]當磁塊1轉(zhuǎn)動時，其在巨霍爾雙軸磁場芯片5上產(chǎn)生交變的磁場，其在兩個正交 方向的分量也交變變化。其中X、Y方向的磁場變化引起的輸出電壓經(jīng)導線10輸入到兩 個運算放大器7進行放大后，得到與DSP數(shù)字信號處理芯片8的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC輸入相匹 配的電壓信號。該電壓經(jīng)DSP數(shù)字信號處理芯片8進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，數(shù)字濾波，以 及運算處理后，實時的輸出巨霍爾雙軸磁場芯片5處的交替變化的磁場幅值和角度，再 由顯示模塊9顯示出來。巨霍爾雙軸磁場傳感芯片5的結(jié)構(gòu)和工作原理，如圖2所示。在巨霍爾磁場芯 片內(nèi)部，按對稱位置相差90°，放置有四個巨霍爾器件5A、5B、5C、5D，正對的兩個 巨霍爾器件5A與5C，5B與5D分別構(gòu)成差動方式輸出，并輸出電壓信號10X、10Y,分 別測量運動磁塊產(chǎn)生的兩個正交方向的磁場值。并將其輸出信號通過導線10X、IOY輸 出到PCB電路板6上的兩個運算放大器7進行放大。巨霍爾器件，其材料是X/Pt，X可以是Fe、Co、Ni，或Fe、Co、Ni的合金。巨
霍爾器件的工作原理，如圖3所示，包括電流輸入端Im+、輸出端Im_，電壓輸出端V。ut_、 V。ut+，電流I，電流I由Im+流向Im_，外加磁場垂直于巨霍爾器件的的輸入電流與輸出電壓 方向所構(gòu)成的平面，輸出電壓為Vout為V。ut+與V。ut_兩端的電勢差。巨霍爾器件的電壓輸出特性，如圖4所示。當電流I由Iin+流向Im_時，在外加 垂直于傳感器的磁場作用下，在電壓輸出端v。ut+和v。ut_輸出霍爾電壓。當傳感器有恒定 電流通過時，巨霍爾磁場傳感器的輸出電壓Vout隨著外磁場的方向和大小的改變而發(fā)生 變化。當巨霍爾器件工作在開關(guān)狀態(tài)時，外加磁場方向為正且大于H2時，巨霍爾器件達 到飽和，并輸出高電平18;磁場方向為負且大于H1時，巨霍爾器件達到飽和并輸出低電 平。當磁場處于-H1到+H2時，輸出電壓隨外加磁場線性變化，磁場巨霍爾器件測量的 磁場范圍為-H1到H2。這種磁性編碼器主要用于角度值的測量，其突出特點是構(gòu)造簡單，信噪比高， 成本低，性價比好。另一種采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，包括一個磁鼓51、磁鼓邊 緣上有磁柵52、一個磁性敏感元件、以及一個信號放大整形模塊54、一個計數(shù)模塊55、 一個計算處理模塊56、一個顯示模塊57，磁性敏感元件采用巨霍爾器件53，巨霍爾器件 55位于磁鼓51的邊緣，并與磁柵52之間間隔l-5mm的距離；信號放大整形模塊54、計 數(shù)模塊55、計算處理模塊56、顯示模塊57位于一個PCB電路板58上，PCB電路板58 位于磁鼓51和巨霍爾器件53的外部，巨霍爾器件53與PCB電路板58上信號放大整形 整形模塊54通過導線59連接。這種磁性編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，如圖5所示。在工作時，磁鼓51，通過安裝桿安裝在運動物體上，與運動物體一起運動。運 動時，磁鼓51上的磁柵52在磁性敏感元件，即巨霍爾器件53上產(chǎn)生生交變的磁場，并 輸出交變的電壓信號，通過導線59將電壓信號輸入到信號放大整形模塊54進行放大整形 有，得到脈沖信號，再經(jīng)計數(shù)模塊55進行計數(shù)。之后將計數(shù)值輸入到計算處理模塊56 進行計算處理后，由顯示模塊57顯示或是直接輸出到其它控制模塊以供用來對運動物體 的運動進行控制。由于巨霍爾器件53工作在開關(guān)狀態(tài)，工作穩(wěn)定性更高，抗干擾和抗惡劣工作環(huán)境能力更強。 這種磁性編碼器主要主要用于角度、角速度、轉(zhuǎn)速的測量，其突出特點是工作 穩(wěn)定，抗惡劣工作環(huán)境能力好，抗干擾能力強。
權(quán)利要求1.一種采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，包括一個磁塊(1)、一個磁性敏 感元件、兩個運算放大器(7)、一個數(shù)字信號處理芯片(8)、以及輸出顯示模塊(9)，其 特征在于所述磁性敏感元件采用巨霍爾雙軸磁場芯片(5)，巨霍爾雙軸磁場芯片(5)位 于磁塊(1)下方；兩個運算放大器(7)、數(shù)字信號處理芯片(8)、輸出顯示模塊(9)位于 一個PCB電路板(6)上，PCB電路板(6)位于磁塊(1)和巨霍爾雙軸磁場芯片(5)的外 部，PCB電路板(6)與巨霍爾雙軸磁場芯片(5)通過導線(10)進行連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，其特征在于 所述巨霍爾雙軸磁場芯片(5)內(nèi)部，按對稱位置相差90°放置有四個巨霍爾器件(5A、 5B、5C、5D)，正對的兩個巨霍爾器件(5A、5C ； 5B、5D)分別構(gòu)成差動方式輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，其特征在于 所述巨霍爾器件(5A、5B、5C、5D)為磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其材料是X/Pt，X可以是Fe、 Co、Ni中的一種，或Fe、Co、Ni的合金。
4.一種采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，包括一個磁鼓(51)、磁鼓邊緣 上有磁柵(52)、一個磁性敏感元件、以及一個信號放大整形模塊(54)、一個計數(shù)模塊 (55)、一個計算處理模塊(56)、一個顯示模塊(57)，其特征在于所述磁性敏感元件采 用巨霍爾器件(53)，巨霍爾器件(55)位于磁鼓(51)的邊緣，并與磁柵(52)之間間隔 l-5mm的距離；信號放大整形模塊(54)、計數(shù)模塊(55)、計算處理模塊(56)、顯示模塊 (57)位于一個PCB電路板(58)上，PCB電路板(58)位于磁鼓(51)和巨霍爾器件(53) 的外部，巨霍爾器件(53)與PCB電路板(58)上信號放大整形整形模塊(54)通過導線 (59)連接。
專利摘要本實用新型公開了采用巨霍爾效應磁性敏感元件的磁性編碼器，一種編碼器包括一個磁塊、一個磁性敏感元件、兩個運算放大器、一個數(shù)字信號處理芯片、以及輸出顯示模塊，磁性敏感元件采用巨霍爾雙軸磁場芯片，巨霍爾雙軸磁場芯片位于磁塊下方；兩個運算放大器、數(shù)字信號處理芯片、輸出顯示模塊位于PCB電路板上，PCB電路板位于磁塊和巨霍爾雙軸磁場芯片的外部，PCB電路板與巨霍爾雙軸磁場芯片通過導線進行連接。另一種磁性編碼器，包括一個磁鼓、磁鼓邊緣上有磁柵、一個磁性敏感元件、以及信號放大整形模塊、計數(shù)模塊、計算處理模塊、顯示模塊，磁性敏感元件采用巨霍爾器件，巨霍爾器件位于磁鼓的邊緣，并與磁柵之間間隔1-5mm的距離；信號放大整形模塊、計數(shù)模塊、計算處理模塊、顯示模塊位于PCB電路板上，PCB電路板位于磁鼓和巨霍爾器件的外部。制得的磁性編碼器相對之前的磁性編碼器具有靈敏度更高，信噪比更好，工作更穩(wěn)定的優(yōu)點。
文檔編號G01D3/028GK201795805SQ20102051871
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者王建國, 薛松生 申請人:王建國, 薛松生