专利名称：含有可调零的gmr芯片的磁栅尺长度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，是一种使用GMR芯片的位移传感器，属于传感器技术领域。
背景技术：
在自动控制、机械制造、车船等工业应用领域需要大量的测量长度和角度位置的传感器或由多种位移传感器组成的系统。一般而言，要求这些传感器具有灵敏度高、分辨率高、响应快、稳定性好、体积小、功耗低等特点。
目前，常见的测量长度的传感器主要有以下四种类型利用光栅作为编码的光栅型位移检测装置，如专利97122401.3 CN1183546A(株式会社三丰)即描述了这样一种“光学位移检测装置”。这种光栅型位移检测装置的缺点是对使用环境的要求高，在有灰尘、油污的情况下不能正常工作。
利用量具中可相对位移的第一和第二标尺之间的电容耦合测量两标尺之间的相对位移的容栅型位移传感器，如专利CN87102624A(株式会社三丰)描述了一种“电容型位移传感器”。这类容栅型位移传感器的缺点是在潮湿或有水的环境中不能工作。
电感位移传感器，如专利96108034.5 CN1157910A(株式会社三丰)描述的“感应电流位置传感器”。它是利用两个可以相对移动的部件，一个是有源部件另一个是无源部件。有源部件含有一个产生磁场的发射装置和一个接受该磁场的接收装置，该接收装置包括许多对称的环路。当无源部件对接收装置接收的磁场产生扰动时，与该接收装置耦合的电路计算这两个部件的相对位置。这种位移传感器的缺点是有源部件的微型化很难。
利用磁阻传感器通过检测磁栅的磁场变化，从而实现位移测量的磁栅型位移传感器，如专利US5036276(Seiko Epson)、EP0624778B1(Heidenhain)、专利98107990.3 CN1199856A(布朗和沙普·特萨)、专利200410009165.1 CN1584504A(北京科技大学)，以上这些发明都是基于传统的磁电阻器件，它是利用铁磁材料的各向异性磁电阻效应(AMR)制作的磁敏感元件，它们的最大缺点是磁电阻变化率低、灵敏度低，因此提高测量精度会受到很大限制。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种使用巨磁电阻芯片的磁栅尺长度测量装置。
本实用新型由敏感元件GMR芯片和被充磁的磁栅条带构成。
一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，由芯片和被充磁的磁栅尺带构成，其特征在于，其芯片为GMR芯片。GMR芯片固定在印刷电路板(PCB)上，通过铝硅丝绑定实现GMR芯片与后处理电路的电信号联接。GMR芯片与被充磁的磁栅条带之间保持10微米～10毫米的距离，根据产品的要求而定(缝隙d)。
GMR磁性薄膜被光刻成0.5～50微米宽度、间隔的磁电阻条，磁电阻条分为八组或八的整数倍组作周期性排列，这八组或八组的整数倍组电阻条构成两个电桥，相邻两桥臂的电阻相位相反，两个电桥的相位差为90度，每个电桥有一组由GMR磁性薄膜构成的调零电阻；桥臂电阻可以由一组将多组相位相同且周期性排列的磁电阻构成，每组的磁电阻条可以由单条或多条串联组成。桥臂电阻使用多组连接在一起的结构，一方面可以提高电阻降低功耗，另一方面可以对磁场取平均减小误差，具体应用依产品而定。
GMR磁性薄膜是使用具有GMR效应的自旋阀型纳米多层磁性薄膜，其自由层为NiFe、CoFe、NiFeCo、Co、CoFeB等材料；非磁层为Cu、Ru、Au等材料；被钉扎层可以使用NiFe、CoFe、NiFeCo、Co、CoFeB等材料；钉扎层可以使用MnIr、PtMn、FeMn、CrMnPt等材料；籽晶层为Ta、Ti、NiFeCr等材料；保护层为Ta、Ti等材料；该薄膜淀积在氧化的硅衬底上，厚度为10～100纳米，其磁化曲线过零点。
利用磁阻器件结合磁栅技术测量长度的方法，提高分辨率和测量精度受两个方面条件的影响。其一，受磁阻器件本身磁电阻变化率(MR)和灵敏度(S)的影响，MR越大、S越高，测量系统的分辨率和测量精度就越高；其二，受磁栅制作技术的影响，磁栅的磁场强度和磁栅的极距，都会对测量产生影响。磁场越强，测量信号越大，对提高分辨率和测量精度越有利；如果输出信号保持不变，磁栅的极距越小，则分辨率和测量精度越高。这两个因素又是相互制约。以AMR器件为例，一方面AMR器件的磁电阻变化率(MR)和灵敏度(S)较小，使得磁栅的极距不能太小；另一方面为了使测量信号有足够的强度、系统的功耗能足够低，桥臂电阻需要达到一定的阻值，由于AMR薄膜较厚，其方阻小，因此其桥臂电阻占有较大的面积，也使的磁栅的极距不能太小。
自旋阀型GMR纳米薄膜材料具有磁电阻变化率(MR)高、灵敏度高、饱和场低、频响范围宽、温度稳定性好等特点，例如其磁电阻变化率、灵敏度高比AMR材料高一个数量级，因此，GMR传感器不仅具有AMR传感器的特点，而且有比AMR传感器更好的性能。其特点如下(1)磁场灵敏度和磁电阻变化率高，它可以得到比AMR传感器更高的分辨率和测量精度；(2)适合在低磁场下工作，饱和场低于十奥斯特(Oe)；(3)热稳定性好，可在-40℃～150℃的温度范围工作；(4)噪声低；(5)响应时间快；(6)便于与半导体电路集成，将GMR芯片与信号处理电路集成到一起，可以大大缩小测量装置的体积，简化后处理电路的设计，提高可靠性；(7)磁电阻的磁化曲线过磁场零点，工作无需加偏磁场，简化了器件结构。
(8)易于得到大电阻，自旋阀型GMR纳米薄膜的厚度在几十纳米的范围，比通常的各向异性铁磁(AMR)薄膜的厚度低1～2个数量级，在同样条宽下，GMR纳米薄膜的电阻比AMR薄膜大的多。它带来的好处有两点，其一，制作低功耗器件更容易；其二，使得采用极距λ更小的磁栅条以提高测量精度成为可能；(9)采用与电桥桥臂电阻相同的GMR材料制作调零电阻，一方面可以避免外电路调零引起的温度偏差，另一方面可以提高制作GMR芯片的成品率，降低成本；
图1，测量装置的结构。其中“1”是磁栅，“2”是GMR芯片，“3”是印刷电路板(PCB)，“4”是磁电阻，d是GMR芯片与磁栅的间距，λ为磁栅的磁化周期。
图2，GMR芯片中桥臂电阻的相位关系。其中“5”是桥臂电阻，端点G接地，端点V加工作电压，端点S1、S2(或C1、C2)为信号输出端。
图3，调零电阻的连接方式。连接方式有两种见(a)、(b)图，其中(a)是由两组调零电阻“6”组成电桥，通过调整这两组电阻的阻值可使电桥平衡；(b)是由一组调零电阻“6”组成的电桥，通过调整这组电阻的阻值并选择联接点g1或g2可使电桥平衡；图4，桥臂电阻的磁化曲线。其特点是磁化曲线过磁场零点，工作无需加偏磁场。
图5，测量系统的示意图。其中“1”是磁栅尺带，“2”是GMR芯片，它可以沿磁栅方向移动，“7”是信号处理电路(它包括信号放大、A/D转换、运算器、译码器等)，“8”是液晶显示屏，“9”是干电池，它给“2”、“7”、“8”供电。
具体实施方式
本实用新型可以应用于可以固定定尺的长度测量场合，如机床控制、游标卡尺等。下面结合图五对本实用新型的技术方案作进一步描述。
如图5所示，本实用新型包括干电池“9″、一个定尺(磁栅尺带“1”固定在定尺表面)、一个GMR芯片“2”、信号处理电路“7”及液晶显示屏“8”。干电池给GMR芯片“2”的电桥、信号处理电路“7”、液晶显示屏“8”供电。当GMR芯片在测量系统的磁栅上横向运动时，检测磁栅上磁场强度强弱变化，通过电桥输出相位相差90度的两路信号，经过放大器、A/D转换，将结果送入运算器中，将两路信号的数值进行运算，通过查反正切表的方法计算得出位移量，并将结果送入译码器输出液晶显示，从而实现长度的测量。
权利要求1.一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，由芯片和被充磁的磁栅尺带构成，其特征在于，其芯片为GMR芯片；GMR芯片固定在印刷电路板上，通过铝硅丝绑定实现GMR芯片与后处理电路的电信号联接；GMR芯片与被充磁的磁栅条带之间保持10微米～10毫米的距离。
2.根据权利要求1所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，其特征在于，GMR磁性薄膜被光刻成0.5～50微米宽度、间隔的磁电阻条，磁电阻条分为八组或八的整数倍组作周期性排列，这八组或八组的整数倍组电阻条构成两个电桥，相邻两桥臂的电阻相位相反，两个电桥的相位差为90度，每个电桥有一组由GMR磁性薄膜构成的调零电阻。
3.根据权利要求1所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，其特征在于，桥臂电阻由一组或多组相位相同且周期性排列的磁电阻构成，每组的磁电阻条由单条或多条串联组成。
4.根据权利要求1所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，其特征在于，GMR磁性薄膜自由层为NiFe、CoFe、NiFeCo、Co或CoFeB材料；非磁层为Cu、Ru或Au材料；被钉扎层使用NiFe、CoFe、NiFeCo、Co或CoFeB材料；钉扎层使用MnIr、PtMn、FeMn或CrMnPt材料；籽晶层为Ta、Ti或NiFeCr材料；保护层为Ta或Ti材料。
5.根据权利要求1所述的一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，其特征在于，GMR磁性薄膜淀积在氧化的硅衬底上，厚度为10～100纳米。
专利摘要一种含有可调零的GMR芯片的磁栅尺长度测量装置，属于传感器技术领域，该测量装置由芯片和被充磁的磁栅尺带构成，其特征在于，其芯片为GMR芯片；GMR芯片固定在印刷电路板上，通过铝硅丝绑定实现GMR芯片与后处理电路的电信号联接；GMR芯片与被充磁的磁栅条带之间保持10微米～10毫米的距离。该实用新型热稳定性好、噪声低、响应时间快；磁场灵敏度和磁电阻变化率高，可以得到比AMR传感器更高的分辨率和测量精度；适合在低磁场下工作，便于与半导体电路集成，易于得到大电阻，简化了器件结构，降低成本，在传感器长度测量技术领域有重大实用价值。
文档编号G01B7/02GK2828752SQ20052002325
公开日2006年10月18日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者李伟, 刘理天, 任天令, 陈英华, 张 杰, 尚凯伦 申请人:清华大学