本實用新型涉及一種磁電阻傳感器，尤其涉及一種可適應(yīng)多種齒間距的各向異性磁電阻齒輪傳感器芯片。

背景技術(shù)：

齒輪傳感器由于其在工業(yè)領(lǐng)域及汽車行業(yè)的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。高精度齒輪傳感器應(yīng)用于磁柵尺讀取頭，磁編碼器，凸輪軸、曲軸、以及汽車ABS系統(tǒng)等需要對齒輪速度、方向、齒位確定的技術(shù)領(lǐng)域。近年來在齒輪傳感器領(lǐng)域，廣為應(yīng)用的是霍爾及磁各向異性(AMR)傳感器，作為傳統(tǒng)齒輪傳感器，各向異性磁電阻傳感器靈敏度偏低。另外由于傳感器響應(yīng)區(qū)域同齒間距的對應(yīng)需求，目前測量不同齒間距環(huán)境，都需要重新設(shè)計制造的齒輪傳感器，造成設(shè)計生產(chǎn)及時間成本無謂上升。

介于當(dāng)前磁性傳感器領(lǐng)域存在的問題，本實用新型采用了一種能夠適應(yīng)不同齒間距的以各向異性磁阻為敏感材料的齒輪傳感器，采用探測臂置于響應(yīng)區(qū)域邊沿，同時采用探測臂傾斜設(shè)計減小波形失真，并利用水平偏置減小巴克豪森噪音及，解決了目前市場上各向異性磁電阻齒輪傳感器性能的不足，同時利用特有的多響應(yīng)通道芯片設(shè)計，使得單個芯片能夠適應(yīng)并檢測不同齒間距情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實用新型目的：

針對目前齒輪傳感器行業(yè)存在的一個傳感器設(shè)計版本僅能適用于單一齒間距環(huán)境的問題，本實用新型采用一種多響應(yīng)通道設(shè)計，能夠適應(yīng)不同齒 間距的齒輪傳感器，并利用將各向異性磁阻(AMR)置于芯片邊沿位置的方案以解決傳統(tǒng)霍爾和各向異性磁電阻傳感器固有的輸出信號弱，靈敏度偏低等問題。

技術(shù)方案：

利用微電子光刻技術(shù)在硅晶圓上制作各向異性磁電阻并連接成探測臂，所述傳感器芯片包括：硅基板，位于硅基板上的一個或多個響應(yīng)區(qū)域，每個響應(yīng)區(qū)域包含多條響應(yīng)通道，每條響應(yīng)通道為至少兩條探測臂拼合成，所述的探測臂包括豎直結(jié)構(gòu)和傾斜結(jié)構(gòu)，接觸電極窗口串聯(lián)連接且位于所述探測臂的兩端，豎直結(jié)構(gòu)和傾斜結(jié)構(gòu)分別由多個平行排列磁電阻及覆蓋于磁電阻兩端的連接電極串連而成，單條磁電阻為兩端呈錐形的條狀結(jié)構(gòu)，所述的探測臂分布于響應(yīng)區(qū)域同一側(cè)邊沿，所述的接觸電極窗口位于響應(yīng)區(qū)域另一側(cè)各向異性磁電阻直接沉積于硅晶圓表面，每個各向異性磁電阻兩端上層各有一連接電極覆蓋，磁阻間通過連接電極串聯(lián)。

優(yōu)選的，所述各向異性磁電阻材料為含鎳鐵的二元或多元合金。

優(yōu)選的，每一響應(yīng)區(qū)域的探測臂排布方式相同。

優(yōu)選的，所述各向異性磁電阻尺寸為15μm*232μm。

優(yōu)選的，所述連接電極的成分為金或鋁，所述的接觸電極的窗口材料為金或鋁。

優(yōu)選的，所述傳感器芯片的敏感方向平行于所述響應(yīng)區(qū)域的排布方向，所述響應(yīng)區(qū)域沿所述傳感器芯片的敏感方向兩端的空置區(qū)域?qū)挾葹轫憫?yīng)通道間距的一半，多個響應(yīng)區(qū)域沿所述傳感器芯片的敏感方向拼接。

優(yōu)選的，所述豎直結(jié)構(gòu)垂直于所述傳感器芯片的敏感方向。

優(yōu)選的，所述傾斜結(jié)構(gòu)為人字形對稱分布，分置于所述豎直結(jié)構(gòu)兩端。

優(yōu)選的，所述傾斜結(jié)構(gòu)相對于所述豎直結(jié)構(gòu)的傾斜角為0～45度，所述豎直結(jié)構(gòu)與所述傾斜結(jié)構(gòu)的敏感方向與磁電阻排布方向正交。

優(yōu)選的，所述多個響應(yīng)通道連接成具有90度相位差的結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述的齒輪傳感器芯片為由多條響應(yīng)通道組成的全橋結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述的齒輪傳感器芯片為由多條響應(yīng)通道組成的雙全橋結(jié)構(gòu)，其中兩全橋間距為半齒距。優(yōu)選的，所述探測臂包含6個各向異性磁阻。

優(yōu)選的，所述傾斜角為15度。

優(yōu)選的，所述探測臂包含2個傾斜結(jié)構(gòu)及1個豎直結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述每個探測臂兩端各引出一個接觸電極窗口。

優(yōu)選的，所述響應(yīng)通道由2個探測臂拼合組成。

優(yōu)選的，所述響應(yīng)區(qū)域包含2個平行排列的響應(yīng)通道。

優(yōu)選的，響應(yīng)區(qū)域表面除接觸電極位置外均有絕緣鈍化層覆蓋。

優(yōu)選的，單個探測區(qū)域的尺寸為1000μm*500μm。

優(yōu)選的，響應(yīng)區(qū)域沿敏感方向兩端的空置區(qū)域?qū)挾葹橄噜弮身憫?yīng)通道最近間距的一半。

有益效果：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：本實用新型的各向異性磁電阻齒輪傳感器芯片利用采用探測臂置于響應(yīng)區(qū)域邊沿，同時利用水平偏置降低巴克豪森噪音及傾角探測臂減小波形失真，提高傳感線輸出信號線性度，具有適應(yīng)性強(qiáng)，性能優(yōu)秀，成本低的優(yōu)點。和現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，靈敏度高，節(jié)省空間，能夠適配不同齒間距齒輪系統(tǒng)。

附圖說明

作為說明書的一部分，下列說明書附圖用于解釋本實用新型的技術(shù)方 案，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，能夠通過以下附圖，獲得其他附圖。

圖1為現(xiàn)有齒輪傳感器檢測窄齒距齒輪示意圖；

圖2為現(xiàn)有齒輪傳感器檢測寬齒距齒輪示意圖；

圖3為本實用新型齒輪傳感器檢測窄齒距齒輪示意圖；

圖4為本實用新型齒輪傳感器檢測寬齒距齒輪示意圖；

圖5為包含兩個響應(yīng)通道的芯片響應(yīng)區(qū)域示意圖；

圖6為兩個探測臂嵌合為單個探測通道示意圖；

圖7為單個探測臂局部放大圖；

圖8為兩個響應(yīng)區(qū)域測試窄齒間距，探測通道聯(lián)結(jié)示意圖；

圖9為四個響應(yīng)區(qū)域測試中等齒間距，探測通道聯(lián)結(jié)示意圖；

圖10為五個響應(yīng)區(qū)域測試寬齒間距，探測通道聯(lián)結(jié)示意圖；

圖11為雙全橋90度相位差聯(lián)結(jié)電路；

圖12為雙全橋90度相位差芯片聯(lián)結(jié)示意圖。

1-響應(yīng)區(qū)域敏感方向；2-響應(yīng)通道；3-磁電阻；4-接觸電極窗口；5、5'-響應(yīng)區(qū)域；6-連接電極；7-探測臂敏感方向；8-封裝外殼；9-探測臂；10-磁電阻傾斜角。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。

圖1，圖2為傳統(tǒng)磁電阻齒輪傳感器設(shè)計方案測量寬、窄不同齒距齒輪 時，磁電阻齒輪傳感器排布變化的基本方式。從圖中可以看出，為應(yīng)對不同齒間距，芯片中兩個響應(yīng)區(qū)域5'距離需調(diào)整接近齒間距一半，以獲得最大信號輸出，齒距如果變化，則響應(yīng)區(qū)域5'距離需重新設(shè)計。

本新型利用微電子光刻技術(shù)在硅晶圓上制作各向異性磁電阻并連接成探測臂，探測臂包含傾斜結(jié)構(gòu)和豎直結(jié)構(gòu)，其銳角夾角為傾斜角，將兩探測臂齒梳嵌合為一個響應(yīng)通道，并將多個響應(yīng)通道置于芯片邊沿位置，并沿芯片敏感方向排列，作為芯片響應(yīng)區(qū)域。

圖3，圖4為本實用新型各向異性磁電阻齒輪傳感器測量寬、窄不同齒間距齒輪示意圖。從圖中可以看出，響應(yīng)區(qū)域5位置固定，通過激活間隔為齒間距一半位置的響應(yīng)通道，本設(shè)計利用單一設(shè)計可以滿足各種齒間距的檢測需要，而無需變更模板重新設(shè)計。

圖5為本實用新型所設(shè)計傳感器芯片中多個響應(yīng)通道2的排布方式，每個傳感器芯片由一個或多個響應(yīng)區(qū)域5組成，每個響應(yīng)區(qū)域5包含多條響應(yīng)通道2，傳感器芯片敏感方向1平行于響應(yīng)通道2排列方向，多個響應(yīng)區(qū)域5可沿敏感方向1拼接。響應(yīng)區(qū)域5沿敏感方向1兩端的空置區(qū)域?qū)挾葢?yīng)為同一響應(yīng)區(qū)域5中相鄰響應(yīng)通道2最近距離的一半。探測臂分布于響應(yīng)區(qū)域5下部邊沿，各接觸電極窗口4相對探測臂位于響應(yīng)區(qū)域5上側(cè)，不同響應(yīng)區(qū)域5的探測臂排布的相對位置一致，貼近同一側(cè)封裝外殼，從而可以有效縮短齒輪與響應(yīng)區(qū)域5間距。

如圖6所示，每個響應(yīng)通道為至少兩條探測臂9齒梳嵌合成，為實現(xiàn)拼合，各向異性磁電阻間距可以調(diào)整。探測臂9包括豎直結(jié)構(gòu)和傾斜結(jié)構(gòu)，且每條探測臂9由豎直和傾斜結(jié)構(gòu)中至少一種，接觸電極窗口串聯(lián)且位于探測比兩端，圖6中兩條探測臂9分別各包含一豎直結(jié)構(gòu)及兩傾斜結(jié)構(gòu)，傾斜結(jié) 構(gòu)成鏡像對稱分置豎直結(jié)構(gòu)兩側(cè)。豎直及傾斜結(jié)構(gòu)分別由多個平行排列各向異性磁電阻及覆蓋于各向異性磁電阻兩端的連接電極串連而成，圖6中每條探測臂9包含6條各向異性磁電阻。三個探測臂9組合成的響應(yīng)通道能更好的接受來自齒輪的待測磁場，減小信號失真。如圖7所示單條各向異性磁電阻3為兩端呈錐形的條狀結(jié)構(gòu)，且至少一端的尖端部分未由連接電極6覆蓋，以提供水平偏置；同時傾斜結(jié)構(gòu)同豎直結(jié)構(gòu)間的銳角夾角為傾斜角10，該角度可沿0～45度變化，使得輸出的正弦余弦波形失真減小。各向異性磁電阻3成分為鎳鐵為主的二元或多元合金，連接電極6和接觸電極窗口電極典型材料為金或鋁，各向異性磁電阻直接與硅基板接觸，響應(yīng)區(qū)域表面接觸電極位置以外覆蓋絕緣鈍化層。

通常響應(yīng)區(qū)域包含2個平行排列的響應(yīng)通道，每個響應(yīng)通道由2個探測臂拼合組成，探測臂包含6個各向異性磁阻。每個探測臂兩端各引出一個接觸電極窗口。單個響應(yīng)區(qū)域的典型尺寸為1000μm*500μm。

圖8，圖9，圖10是適應(yīng)不同齒間距的響應(yīng)通道聯(lián)結(jié)方案，當(dāng)相鄰響應(yīng)通道中心相距0.5mm時，如圖8利用兩個響應(yīng)區(qū)域拼接，以黑色接觸電極窗口表明響應(yīng)通道激活狀態(tài)，激活4個連續(xù)響應(yīng)通道，可測最優(yōu)齒間距為相鄰激活響應(yīng)通道距離的兩倍，即1mm；如圖9激活間距2個通道寬度的響應(yīng)通道，則可測最優(yōu)齒間距為2mm的齒輪；如齒間距進(jìn)一步增大，則由圖10方案將一個或多個響應(yīng)區(qū)域整體設(shè)為非激活狀態(tài)，調(diào)整激活響應(yīng)通道間距，激活間距為3個通道寬度的響應(yīng)通道則可測最優(yōu)齒間距為為3mm的齒輪，多個響應(yīng)區(qū)域可進(jìn)一步依上述方法拼接，適應(yīng)更寬齒間距齒輪的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向及缺齒檢測。

傳感器芯片可以為由多條響應(yīng)通道組成的全橋結(jié)構(gòu)或者雙全橋結(jié)構(gòu)。多 個響應(yīng)通道構(gòu)成的雙全橋，將兩全橋間距設(shè)計為半齒距，可連接成輸出信號具有90度相位差結(jié)構(gòu)。

圖11，圖12分別為雙全橋90度相位差聯(lián)結(jié)電路及芯片聯(lián)結(jié)方式，利用兩全橋電路輸出信號相位差可以測量齒輪正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。其中探測臂R1-R6和R5-R2組成電橋1，探測臂R3-R8和R7-R4組成電橋2，利用電橋1、2間輸出信號相位差恒為90度，通過直接比較電橋1和2信號輸出先后可以確定齒輪轉(zhuǎn)動方向。利用電橋1或2的輸出信號頻率可確定齒輪轉(zhuǎn)速，信號強(qiáng)度可以確定齒輪位置及缺齒檢測。

基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。盡管本實用新型就優(yōu)選實施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本實用新型的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本實用新型進(jìn)行各種變化和修改。