一种角度传感器的制作方法

本申请涉及磁传感器，特别涉及一种能够消除谐波干扰的高精度角度传感器。

背景技术：

1、磁传感器广泛用于现代电子系统中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。目前磁传感器主要分为采用霍尔元件为敏感元件的磁传感器，以及采用磁阻单元（包括amr，gmr和mtj在内）为敏感元件的磁传感器。

2、磁阻传感器按照用途划分为角度传感器，距离传感器，电流传感器等。

3、其中,基于磁性隧道结 (mtj) 的磁性角度传感器由于具有高灵敏度、宽范围的输出电阻、能更好地集成到 cmos 工艺以及许多其他吸引人的特性，在角度传感器通常都采用mtj磁阻单元构成角度传感器。mtj 磁阻通常包括两个磁性不同的铁磁层,由介电隧道势垒隔开；其中一个铁磁层(传感层或自由层)是软磁的,其磁化方向与外部磁场方向一致,另一个铁磁层则通常称为参考层,其磁化方向要求固定。mtj磁阻单元利用隧道磁阻(tmr)效应来感测感应层的磁化强度与参考层的磁化强度之间的相对角度,从而测量外部磁场的方向。传感层和参考层磁化之间的相对角度的变化可以通过测量通过 mtj 磁阻单元的电导率的变化来反应。 mtj 磁阻单元电导率与传感层和参考层中净磁化方向之间的相对角度的余弦函数成比例。

4、实际的mtj磁阻单元，参考层并非理想刚性，其会受到外部磁场影响而产生细微的偏移或者扰动。感测磁化（或者自由层）将受到来自参考层的有限杂散场的影响，导致感测磁化在外部磁场中的对准的角度产生误差，进而导致角度传感器测量角度产生误差，降低角度传感器的测量精度。

5、为了降低参考层偏移产生的测量角度误差，现有技术中通过对角度传感器两个感测主半桥分别设置辅助半桥来降低参考层扰动带来的角度测量误差。主半桥包括相互串联的磁阻元件mtj1和mtj2; 辅助半桥包括相互串联的磁阻元件mtj3和mtj4。mtj1和mtj3并联、mtj2和mtj4并联；主半桥和辅助半桥两个桥臂之间的中点连接作为信号输出端。其特点是：磁阻元件mtj1和mtj3的参考磁化强度分别相对于磁阻传感器元件mtj2和mtj4的参考磁化强度基本上反平行地钉扎; 其中mtj1和mtj3之间的参考层磁化方向相差约；其中,n为需要消除的谐波次数。

6、现有的技术通过增加辅助半桥并结合感测轴方向（或者参考层方向）的特定设置来消除单一谐波（主要是奇数谐波），这样虽然能够在一定程度上提高角度传感器的测量精度，但是由于仍然受到其他奇数谐波的干扰，测量精度提高有限。如果进一步消除其他奇数谐波的干扰，则额外增加其他措施（例如，需要对输出信号经过数字信号处理，或者对应于抑制其他奇数谐波继续增加其他感测电桥），这样会大大增加磁阻传感器的面积和制作成本。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供一种高精度的角度传感器，通过同一感测半桥的每个感测桥臂的两个串联或磁阻单元参考层磁化方向（或感测轴方向）之间的特定角度设置实现同时消除两种奇数谐波，在不增加成本和角度传感器芯片面积的前提下，进一步提高现有角度传感器的测量精度。

2、本发明提供的角度传感器至少包括两个感测半桥；每个所述感测半桥的桥臂由两个串联或并联、参考层磁化方向相差的磁阻单元构成。同一感测半桥的一个桥臂上的磁阻单元的参考层磁化方向、与另一个桥臂上对应磁阻单元的参考层磁化方向相反；同一半桥上的所述磁阻单元除参考层磁化方向不同外，其余特性均相同。的取值取决于所述磁阻单元电导随外场角度θ变化的曲线通过傅里叶变换后得到的两个奇数谐波系数、以及基波系数，且不等于；其中，2n+1、2m+1为谐波次数，m、n为两个不相等的正整数。通过的取值设置，同时消除磁阻单元的参考层磁化偏移对角度测量输出结果的（2n+1）次、（2m+1）次干扰谐波。所述磁阻单元为mtj磁阻单元。

3、进一步地，所述两个感测半桥之间对应的电路连接位置处的两个磁阻单元参考层磁化方向相差；所述两个感测半桥中的一个用于输出外部测量磁场角度的正弦信号，另一个则输出外部测量磁场角度的余弦信号。

4、进一步地，基于所述磁阻单元电导的所述奇数谐波系数与基波系数的比值、与基波系数的比值进行doe试验优化计算得到。由于我们是要同时消除的两个奇数谐波（通常偶数谐波不需要专门采用额外的磁阻设置进行消除），则默认所有的磁阻单元电导的所有奇数谐波系数均不为零。

5、实际应用中通常需要消除3次、5次谐波的干扰，对于这一实际情况，当n=1、m=2，不为零时，满足以下关系：

6、；

7、其中，。

8、本发明通过将角度传感器同一桥臂上两个串联或并联的磁阻单元之间的考层磁化方向设置为相差，同一感测半桥的一个桥臂上的磁阻单元的参考层磁化方向、与另一个桥臂上磁阻单元的参考层磁化方向两两相差；所述两个感测半桥之间对应的电路连接位置处的两个磁阻单元参考层磁化方向相差。其中，设置为不等于（n为正整数）特定角度以同时消除磁阻单元的参考层磁化方向偏移带来的两种奇数谐波干扰，实现在不增加成本和角度传感器芯片面积的前提下，进一步提高现有角度传感器的测量精度。

技术特征：

1.一种角度传感器，其特征在于，所述角度传感器包括两个感测半桥；每个所述感测半桥的桥臂由两个串联或并联、参考层磁化方向相差的磁阻单元构成；同一感测半桥的一个桥臂上的磁阻单元的参考层磁化方向、与另一个桥臂上对应磁阻单元的参考层磁化方向相反；同一半桥上的所述磁阻单元除参考层磁化方向不同外，其余特性均相同；的取值取决于所述磁阻单元电导随外场角度θ变化的曲线通过傅里叶变换后得到的两个奇数谐波系数、以及基波系数，且不等于， 其中，2n+1、2m+1为谐波次数，m、n为两个不相等的正整数；通过的优化设置，同时消除磁阻单元的参考层磁化方向偏移对角度测量输出结果的（2n+1）次、（2m+1）次干扰谐波。

2.如权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述两个感测半桥之间对应的电路连接位置处的两个磁阻单元参考层磁化方向相差；所述两个感测半桥中的一个用于输出外部测量磁场角度的正弦信号，另一个则输出外部测量磁场角度的余弦信号。

3.如权利要求2所述的角度传感器，其特征在于，基于所述磁阻单元电导的所述奇数谐波系数与基波系数的比值、与基波系数的比值进行doe试验优化计算得到。

4.如权利要求3所述的角度传感器，其特征在于，当n=1、m=2，不为零时，满足以下关系：

5.如权利要求1-4中任一项所述的角度传感器，其特征在于，所述磁阻单元为mtj磁阻单元。

技术总结
本申请提供了一种角度传感器。该角度传感器包括：两个感测半桥；任一个所述感测半桥的桥臂由两个串联或并联、参考层磁化方向相差的磁阻单元构成，同一感测半桥的一个桥臂上的磁阻单元的参考层磁化方向、与另一个桥臂上对应磁阻单元的参考层磁化方向相反；同一半桥上的所述磁阻单元除参考层磁化方向不同外，其余特性均相同；的取值取决于所述磁阻单元电导随外场角度θ变化的曲线通过傅里叶变换后得到的两个奇数谐波系数、以及基波系数，且不等于。通过将设置为特定角度实现同时消除2n+1、2m+1次谐波干扰，m、n为两个不相等的正整数。本发明提供的技术方案能够进一步提高现有角度传感器的测量精度，而不增加成本和角度传感器芯片面积。

技术研发人员：郭海平,宋晨
受保护的技术使用者：江苏多维科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12