一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于微齿距检测的磁电阻齿轮传感器芯片。该新型设计将响应区域置于芯片一侧边沿部位，大大缩减齿轮至响应区域之间的探测间距，从而提高输出信号强度，有利于微齿距检测；同时，该新型将多条响应通道包含于单个响应区域，利用单一设计图样可以生产适应各种齿间距的齿轮传感器芯片。此外，该传感器芯片设计中心部位采用大响应区域实现超高分辨率，特别有利于磁栅尺方面应用。传感器响应方向同响应通道排列方向一致，能够有效避免强背磁场将传感器芯片进入饱和态。此外，该磁电阻齿轮传感器还具有小尺寸，低功耗，大阻抗，高信噪比以及对空气间隙的高适应性。
【专利说明】
一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片
技术领域
[0001]本实用新型涉及磁电阻齿轮传感器领域，尤其涉及一种用于微齿距检测的可适应多种齿间距的高灵敏度磁电阻齿轮传感器芯片。【背景技术】
[0002]由于在磁旋转编码器，磁栅尺读取头，汽车四轮驱动，曲轴及ABS系统等多种工业领域的需求，高精度齿轮传感器的开发受到了广泛关注。传统的霍尔及磁各向异性齿轮传感器，由于其固有的尺寸较大，分辨率、灵敏度偏低的局限，难以满足市场在齿轮速度、方向、齿位确定等方面对于集成化，高性能传感器的需求。同时，传统芯片设计中，响应区域位于芯片中央部位，由于封装外壳的尺寸限制，难以缩短响应区域同所测齿轮表面间的探测间距，从而在实际应用中大大降低芯片输出信号，难以检测微米级齿间距。此外由于目前的齿轮传感器芯片的响应区域同齿间距存在对应关系，以致对不同尺寸齿轮及齿间距，都需要重新设计制造传感器，造成设计生产成本抬高。【实用新型内容】
[0003]针对目前齿轮传感器行业存在的芯片探测间距大，输出信号弱，难以检测微小齿间距，且一个传感器设计版本仅能适用于单一齿间距环境的问题，本实用新型采用一种能够提高输出信号，且适应不同齿间距的以隧道结磁阻(TMR)为敏感材料的齿轮传感器芯片， 利用TMR为敏感材料以解决传统磁电阻传感器芯片设计带来的尺寸较大，输出信号弱，灵敏度偏低等问题。同时利用特有的近边沿-多响应通道芯片设计，使得芯片能够测量低至50mi 超小齿间距，并实现单个芯片适应并检测不同齿间距情况。
[0004]本新型提供了一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，包括:硅基板，位于硅基板上的一个或多个响应区域，芯片的响应区域置于芯片同侧边沿位置，每个响应区域包含至少两个矩形状且沿矩形长边平行排列的响应通道，每个响应通道由至少两条探测臂拼合形成，每条探测臂由至少两条梳齿结构串联而成，每条梳齿结构由至少两个磁电阻及覆盖于所述磁电阻两端的上电极、下电极串连而成，单个所述磁电阻为椭圆柱状结构，所述磁电阻长轴与所述响应通道的长边平行。
[0005]优选的，每条所述探测臂还包括位于两端的接触电极，所述接触电极之间为串联连接的多条梳齿结构，所述响应区域表面在接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层。
[0006]优选的，所述上电极的材料为金，所述下电极为钽与钌交替构成的多层结构。
[0007]优选的，所述传感器芯片的敏感方向垂直于所述响应通道的长边，所述传感器芯片的双交换偏置方向垂直于所述传感器芯片的敏感方向，所述传感器芯片的钉扎方向平行于所述传感器芯片的敏感方向。
[0008]优选的，所述传感器芯片的多个响应区域沿敏感方向连接。
[0009]优选的，所述传感器芯片为由多条响应通道组成的全桥结构。
[0010]优选的，所述传感器芯片为由多条响应通道组成的双全桥结构，双全桥结构中两全桥间距为半齿距。
[0011]本新型还提供了一种磁电阻齿轮传感器，所述磁电阻齿轮传感器包括上述的磁电阻齿轮传感器芯片。
[0012]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:本实用新型的TMR齿轮传感器芯片具有高灵敏度，适应性强，性能优秀，成本低的优点。和现有同类产品相比，分辨率高，功耗低，能够适配不同齿间距齿轮系统并可测量低至50mi齿间距的检测环境。【附图说明】
[0013]作为说明书的一部分，下列说明书附图用于解释本实用新型的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，能够通过以下附图，获得其他附图。
[0014]图1为现有齿轮传感器芯片封装及背磁铁位置正视示意图；
[0015]图2为现有齿轮传感器芯片封装及背磁铁位置顶视示意图；
[0016]图3为本实用新型齿轮传感器芯片封装及背磁铁位置正视示意图；[〇〇17]图4为现有齿轮传感器检测小齿距齿轮示意图；[〇〇18]图5为现有齿轮传感器检测大齿距齿轮示意图；[〇〇19]图6为本实用新型齿轮传感器检测小齿距齿轮示意图；[〇〇2〇]图7为本实用新型齿轮传感器检测大齿距齿轮示意图；[0021 ]图8为包含多个响应通道的芯片探测区域示意图；
[0022]图9为包含5个梳齿结构的单个探测臂示意图
[0023]图10为梳齿结构中TMR分布及串联侧视示意图；[〇〇24]图11为梳齿结构中TMR分布及串联正视示意图；
[0025]图12为单个响应区域测试窄齿间距，探测通道联结示意图；[〇〇26]图13为多个响应区域测试宽齿间距，探测通道联结示意图；[〇〇27]图14为双全桥90度相位差联结电路；[〇〇28]图15为双全桥90度相位差芯片联结示意图。【具体实施方式】
[0029]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0030]图1，图2为传统磁电阻齿轮传感器芯片设计方案的正视、顶视示意图。从图中可以看出由于响应区域置于芯片中央部位，结合封装所需固有空间，导致齿轮顶端边缘到芯片响应区域这一探测间距大，芯片信号输出弱，灵敏度低。图3为本实用新型TMR齿轮传感器芯片设计方案的正视示意图，由于响应区域置于芯片一侧边沿部位，贴近封装外壳，大大缩减了探测间距。
[0031]本新型利用微电子光刻技术在硅晶圆上制作了梳齿形探测臂，将两探测臂的梳齿嵌合为一个矩形响应通道，并将多个此种方法形成的响应通道沿矩形长边平行排列，作为芯片的响应区域。芯片探测敏感方向为响应通道排列方向，芯片的双交换偏置方向垂直于敏感方向，芯片的钉扎方向平行于敏感方向。
[0032]图4,图5为传统磁电阻齿轮传感器测量大、小不同齿距齿轮时，磁电阻齿轮传感器排布变化的基本方式。从图中可以看出，为应对不同齿间距，芯片中两个响应区域距离需调整接近齿间距一半，以获得最大信号输出，齿距如果变化，则响应区域距离需重新设计。图 6,图7为本实用新型TMR齿轮传感器测量大、小不同齿间距齿轮示意图。从图中可以看出，响应区域位置固定，通过激活间隔为齿间距一半位置的响应通道，本设计利用单一设计可以满足各种齿间距的检测需要，而无需变更模板重新设计生产。同时由于响应区域贴近封装外壳，在检测时可将传感器水平放置于齿轮所在平面，使传感器一个侧边贴近齿轮顶端，减小了探测间距，增强输出信号。
[0033]图8为本实用新型所设计传感器中多个响应通道的排布方式，每个传感器芯片由一个或多个响应区域组成，每个响应区域包含多条响应通道，单个探测区域的典型尺寸为 1000wii*450mi。传感器的敏感方向垂直于响应通道长边，多个响应区域可沿敏感方向拼接。 由9中单个探测臂示意图所示，每条探测臂两端为接触电极，中段由多条梳齿结构串联而成，图中包含5个梳齿结构。由图10，图11梳齿结构侧视图、顶视图所示，梳齿结构由覆盖于 TMR的上电极、下电极交错串连而成，下电极直接与硅基板接触，上电极典型材料为金，下电极为钽和钌交替叠加的多层结构，响应区域表面在接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层，单条TMR为椭圆柱状结构，每个TMR分别由上，下各一个电极覆盖，磁电阻间通过上下电极串联，TMR长轴与响应通道矩形长边平行。通常探测臂包含5个梳齿结构，每个梳齿结构包含18 个隧道结磁阻，即每个探测臂包含90个隧道结磁阻。[〇〇34]图12,图13是适应不同齿间距的响应通道联结方案，响应区域通常包含4个平行排列的响应通道，相邻响应通道典型间距为250wii。当响应通道相距250wii时，如图12激活4个连续响应通道，可测最优齿间距为最近激活响应通道距离的两倍，S卩0.5mm;如需测量齿间距较大，则由图13方案将两个响应区域沿敏感方向拼合，激活间距为2个通道宽度的响应通道则可测最优齿间距为为1mm的齿轮，多个响应区域可进一步依上述方法拼接，适应更宽齿间距齿轮的转速，转向及缺齿检测。[〇〇35]双全桥结构中，将两电桥间距设置为齿间距一半，可使得两电桥输出信号相位相差90度。图14,图15分别为双全桥90度相位差联结电路及芯片联结方式，利用相位差可以测量齿轮正转和逆转的状态。其中探测臂R1-R4和R3-R2组成电桥1，探测臂R5-R8和R7-R6组成电桥2,通过直接比较电桥1和2信号输出先后可以确定齿轮转动方向。利用电桥1或2的输出信号频率可确定齿轮转速，信号强度可以确定齿轮位置及缺齿检测。
[0036]基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。
【主权项】
1.一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯 片包括:硅基板，位于硅基板上的一个或多个响应区域，响应区域位于芯片同一侧边沿部 位，每个响应区域包含至少两个矩形且沿矩形长边平行排列的响应通道，每个响应通道由 至少两条探测臂拼合形成，每条探测臂由至少两条梳齿结构串联而成，每条梳齿结构为至 少两个磁电阻及覆盖于所述磁电阻两端的上电极、下电极串连而成，单个所述磁电阻为椭 圆柱状结构，所述磁电阻长轴与所述响应通道的长边平行。2.根据权利要求1中所述的一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其 特征在于，所述上电极的材料为金，所述下电极为钽与钌交替构成的多层结构。3.根据权利要求1中所述的一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其 特征在于，每条所述探测臂还包括位于两端的接触电极，所述接触电极之间为串联连接的 多条梳齿结构，所述响应区域表面在接触电极位置以外覆盖绝缘钝化层。4.根据权利要求1中所述的一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其 特征在于，所述传感器芯片的敏感方向垂直于所述响应通道的长边，所述传感器芯片的双 交换偏置方向垂直于所述传感器芯片的敏感方向，所述传感器芯片的钉扎方向平行于所述 敏感方向。5.根据权利要求4中所述的一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其 特征在于，多个响应区域沿所述传感器芯片的敏感方向连接。6.根据权利要求1中所述的一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其 特征在于，所述的传感器芯片为由多条响应通道组成的全桥结构。7.根据权利要求1中所述的一种用于微齿距检测的隧道结磁电阻齿轮传感器芯片，其 特征在于，所述的传感器芯片为由多条响应通道组成的双全桥结构，其中两全桥间距为半 齿距。
【文档编号】G01B7/14GK205580375SQ201620295236
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】沈卫锋, 祁彬, 薛松生
【申请人】江苏多维科技有限公司