專利名稱：磁敏電阻傾斜角傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自重擺式磁敏電阻無觸點傾斜角傳感器。
目前測量傾斜角度的傳感器有差動變壓器式、電容式、精密電位器式、石英振動法、Watson法、光碼盤式、偏振片式、氣泡電極式和“氣流熱絲式”式等多種結構。其中絕大部分結構復雜、成本較高，并且在使用壽命、環(huán)境適應性、微弱原始信號處理的穩(wěn)定性及抗干擾能力方面具有一定的局限性。
磁敏電阻型傾斜角傳感器是一種結構型傳感器。它采用磁敏電阻作為敏感元件(簡稱MR元件)，利用自重擺驅(qū)動永磁體轉(zhuǎn)動，使MR元件無接觸地感應磁通量的變化。將永磁體與MR元件相對轉(zhuǎn)動角度的變化轉(zhuǎn)化成為電阻阻值的變化，經(jīng)過信號變換將傾斜角轉(zhuǎn)換成標準電信號輸出。正是由于結構上無觸點信號感應的特點，使該類傾斜角傳感器具有如下特點①除軸承外無機械磨擦②無電噪聲，信噪比高；③使用壽命極長；④可靠性高；⑤MR元件對磁場強度的感應不受間隙中的水、油、汽、粉塵等介質(zhì)的影響，大大提高了環(huán)境的適應性；⑥該傾斜角傳感器設計巧妙、結構緊湊、原始信號大、易于標準化、分辨率較高，易于實現(xiàn)低成本化。
目前的磁敏傾斜角傳感器(原理結構如附

圖1所示)，轉(zhuǎn)軸(1)由兩個軸承(2)和(2＇)固定在擺錘固定架(3)上，自重擺(4)和半圓型永磁體(5)分別固定在轉(zhuǎn)軸兩端。磁敏電阻芯片(簡稱MR元件)(6)與在轉(zhuǎn)軸(1)上固定的永磁體(5)同心安裝在一起。擺錘固定架與端蓋(9)聯(lián)接。磁敏電阻芯片(6)結構原理如附圖2所示，為圓形半橋式結構(13)。當自重擺與端蓋發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，引起永磁體(5)與半橋式磁敏電阻芯片(13)相對覆蓋面積發(fā)生差動變化，導致輸出電壓Vout發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)角度與輸出電壓的關系如圖3所示。在Vout=1/2 Vin(Vin為輸入電壓)附近±45°范圍近似為線性如圖4。由于半導體材料一般溫度系數(shù)較大，以InSb單晶、InSb薄膜、InSb-NiSb共晶復合材料制成的磁敏電阻芯片溫度系數(shù)在1～2％，溫度補償復雜，離散性大，很難在高于55℃的環(huán)境中保證精度要求，大大限制了應用范圍。
在附圖1所示的機械結構中，為了減少自重擺受到振動對輸出信號的影響，擺錘與芯片整體密封于端蓋(9)和外殼(12)之間的阻尼油(10)中。由于外界環(huán)境溫度的變化，阻尼油體積會發(fā)生熱脹冷縮，密封時必須留出一定的空間(11)，否則將必然導致阻尼油由于熱膨脹而產(chǎn)生的泄漏。正是由于這一空隙的存在，在傾斜角傳感器發(fā)生轉(zhuǎn)動時，阻尼油的晃動反而會延長擺錘達到穩(wěn)定所用時間；外界環(huán)境的振動也會引起阻尼油的顫動，影響整體傳感器輸出信號的穩(wěn)定性。作為角度測量，保證永磁體與芯片的同心度是至關重要。以圖1所示結構或采用通常圓臺(8)定位，往往會出現(xiàn)誤差單邊積累造成整體傳感器線性度降低。通常在傾斜角傳感器的制造過程中，固定架(3)、(7)安裝在端蓋(9)的中心，這樣擺錘可以實現(xiàn)360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于此種傳感器輸出特性線性區(qū)間±45°的限制，造成傳感器內(nèi)部上半部基本無用，空間利用率不高，無論從材料消耗、加工工時、阻尼油填充量和產(chǎn)品的小型化、低成本化方面來說，均為不利因素。
本發(fā)明的目的在于提供一種適應小角度傾斜角測量、溫度適用范圍大、抗振穩(wěn)定性高、易于實現(xiàn)小型化和低成本化的傳感器。
本發(fā)明的構成如附圖5所示，采用半導體磁敏電阻芯片(20)作為傾斜角測量的敏感元件，用軸承(16)和(16＇)將轉(zhuǎn)軸(15)固定在擺錘固定架(17)上，在轉(zhuǎn)軸兩端分別安裝擺錘(14)和永磁體(21)，磁敏電阻芯片(20)同心粘接在芯片固定架(22)上。芯片固定架與擺錘固定架之間以相同圓錐梢面(23)定位，保證芯片與永磁體之間的同心度。磁敏電阻芯片(20)與永磁體(21)之間保持0.1～2毫米的間隙，構成無觸點信號感應結構。擺錘固定架密封于矩形隔板(24)下側與端蓋(19)和外殼(28)之中。圖5是本發(fā)明的結構示意圖在擺錘(14)和擺錘固定架(17)上側加入一塊矩形隔板(24)，將傳感器內(nèi)部分成上下兩個空間，其體積比為50％∶50％至1％∶99％之間，具體比率值由傳感器內(nèi)部所裝阻尼油的體膨脹量確定。矩形隔板(24)上帶有1個或多個小通孔(27)，孔的直徑為0.1～15毫米，所打孔的面積總和應小于隔板總面積的50％；阻尼油將矩形隔板(24)下方填滿，矩形隔板上方空間(25)部分填充阻尼油，所留氣體空隙(26)大于阻尼油的體膨脹量，當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，阻尼油體積會發(fā)生相應改變，它可通過矩形隔板(24)上的孔隙(27)上下相互滲透，擺錘所處空間總是處于阻尼油填滿狀態(tài)；當整體傳感器發(fā)生轉(zhuǎn)動或外界環(huán)境產(chǎn)生振動時，盡管上空間未填滿的阻尼油會產(chǎn)生流動或晃動，但不會影響到下空間已填滿的阻尼油發(fā)揮正常的阻尼作用。這種結構解決了無隔板時，傾斜角傳感器內(nèi)部由于預留空氣間隙的存在，外界振動或存在轉(zhuǎn)動沖量狀態(tài)下產(chǎn)生阻尼油晃動，沖擊自重擺往復運動導致輸出信號難于穩(wěn)定的弊病，大大減少了傳感器達到穩(wěn)定輸出所用時間，提高了傳感器抗振穩(wěn)定性。
傾斜角傳感器作為角度測量裝置，自重擺(14)驅(qū)動的永磁體(21)與磁敏電阻芯片(20)的定位同心度是直接影響傳感器線性度的關鍵因素。本發(fā)明采用MR元件(20)與芯片固定架(22)精密同心粘接，芯片固定架(22)與擺錘固定架(17)之間采用圓錐梢面(23)配合，形成組裝過程梢面自動對中。這種方法可以克服以圓臺或圓形凹槽定位組裝時，機加工零件誤差單向積累造成的同心度偏差，大大提高傳感器的線性度。
正是由于芯片固定架與擺錘固定架之間圓錐梢面配合解決了同心度問題，可以將擺錘固定架偏心安置，如附圖5(a)所示，偏心距(30)如附圖5-(b)所示，可由擺長或擺錘產(chǎn)生力矩及測量角度范圍所決定。大大減少了傾斜角傳感器的外形尺寸，實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，降低了各種原材料消耗和加工成本。
在工業(yè)環(huán)境許多應用領域中，要求使用溫度范圍較大(如-40～125℃)測量角度范圍較小(如≤±35°)。本發(fā)明采用強磁性坡莫合金磁敏電阻芯片，替代半導體型磁敏電阻芯片。盡管坡莫合金材料磁阻變化率為2～5％，遠遠低于半導體型磁敏電阻材料，但其溫度系數(shù)比半導體磁敏電阻材料小一個數(shù)量級，一般為0.1～0.2％。坡莫合金薄膜磁敏電阻材料，如Ni-Fe、Ni-Co、Ni-Fe-Co等，由于材料內(nèi)部結構的各向異性，電阻率與外加磁場之間的關系為 ρ=ρ∥cos2θ+ρ⊥sin2θ其中ρ∥為外加磁場平行于通過磁敏電阻芯片電流方向時的電阻率ρ⊥為外加磁場垂直于通過磁敏電阻芯片電流方向時的電阻率θ為外加磁場與通電電流方向之間的夾角如附圖6和附圖8所示，用鍍在襯底片(34)上的低維坡莫合金磁敏電阻薄膜，采用光刻、濕法化學侵蝕或干法離子刻蝕制成四組條紋相互垂直、惠斯登四臂電橋(31)的芯片(36)作為敏感元件，替代半導體磁敏電阻芯片(20)同心安裝在芯片固定架(22)上。襯底片(34)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化鋁、氧化鎂、鐵氧體或硅片等制成。采用表面磁場強度500～3500奧斯特的永磁體材料作為信號觸發(fā)永磁體(37)，將永磁體N、S極方向與轉(zhuǎn)軸(38)徑向方向平行安裝。當通過該芯片平面的磁場(33)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動時，輸出電壓與轉(zhuǎn)動角度之間的關系如附圖7所示。全橋結構低維坡莫合金磁敏電阻芯片，由于差動結構特點，其靈敏度為半橋式坡莫合金芯片的2倍，溫度系數(shù)遠遠低于補償后半導體類磁敏電阻芯片0.05％/Vin.ΔT，的技術參數(shù)指標。輸出特性曲線為一條過零點、360°兩個周期的正弦曲線。(35)所表示的區(qū)間為過零點附近±35°的范圍，特性曲線近似為直線，在輸入電壓為5V時，輸出電壓Vout為過零點±40～100毫伏的電壓信號，如附圖7所示。
對于低維具有飽和磁場磁電阻各向異性的三層膜隧道結或自旋閥巨磁電阻材料，如Fe/SiO2/Fe、Fe/Al2O3/Fe、Fe/Al2O3/NiFe、NiFe/Al2O3/Fe、Co/Al2O3/Fe/FeMn等，三層膜隧道結或自旋閥巨磁電阻材料不只局限于上述所舉的例子。三層膜隧道結巨磁電阻材料的典型電導率與外加磁場的特性關系曲線如附圖9所示。室溫磁電阻變化率ΔR/R0≥5～20％。如附圖10所示，將具有上述特性的巨磁電阻薄膜材料鍍在襯底片(40)上的，采用光刻、濕法化學侵蝕或干法離子刻蝕制成與坡莫合金磁敏電阻芯片相同圖形的四組條紋相互垂直、惠斯登四臂電橋(39)，如圖10所示，替代坡莫合金磁敏電阻芯片(36)同心安裝在芯片固定架(22)上。襯底片(40)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化鋁、氧化鎂、鐵氧體或硅片等制成。輸出特性曲線形狀與坡莫合金磁敏電阻芯片相同，在輸入電壓為5V時，輸出電壓Vout為過零點±50～200mV。具體數(shù)值由所用巨磁電阻薄膜材料及磁阻變化率所決定，如圖11所示。
本發(fā)明的優(yōu)點在于不僅保持了磁敏電阻型傾斜角傳感器無接觸信號感應、無磨損、無電噪聲、使用壽命長、響應速度快等優(yōu)點，通過帶漏油孔隔板的設置，成功地解決了為防止阻尼油熱脹冷縮預留空隙對整體傳感器穩(wěn)定性和抗振性的影響，縮短了響應時間。通過芯片固定架與擺錘固定架之間圓錐梢面配合，組裝過程自動對中，為利用磁敏電阻測量角度提供一種有效提高組裝同心度和傳感器線性度的方法。通過自重擺結構的偏心設計，可以大大減小傳感器的外形尺寸，降低了各種原材料消耗和加工成本，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化和低成本化，使磁敏電阻式傾斜角傳感器成本遠遠低于不同測試原理(如熱絲式、氣泡式、電容式)傾斜角傳感器的成本，為實現(xiàn)磁敏傾斜角傳感器產(chǎn)品的市場化作出有意的嘗試。采用全橋式強磁性坡莫合金磁敏電阻芯片替代半導體磁敏電阻芯片，可以大大拓寬磁敏電阻自重擺式傾斜角傳感器對于小角度、寬使用溫度范圍的測量需求，特別適應于冶金、石油、采礦、工程機械、汽車工業(yè)及軍事工業(yè)等領域。利用具有各向異性巨磁電阻芯片替代坡莫合金磁敏電阻芯片，可以提高傾斜角傳感器原始信號靈敏度，改善傳感器的性能。
下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
圖1為現(xiàn)有磁敏電阻傾斜角傳感器機械結構原理圖。
圖2為半導體磁敏電阻傾斜角傳感器芯片工作原理圖。(13)為半橋三端差動圓形半導體磁敏電阻芯片，自重擺(4)通過由兩個軸承(2)和(2＇)固定的轉(zhuǎn)軸(1)驅(qū)動永磁體(5)旋轉(zhuǎn)，在半橋磁敏電阻(13)兩端分別施加直流電源“+”“-”極，在半橋芯片中心抽頭與電源“-”極之間為輸出電壓。
圖3為永磁體旋轉(zhuǎn)360°磁敏電阻輸出電壓與轉(zhuǎn)動角度關系曲線。
圖4為以輸出電壓為Vin/2點±45°角度范圍內(nèi)輸出信號特性曲線。
圖5為本發(fā)明結構示意圖。a為主視圖，b為左視圖。磁敏電阻芯片(20)同心粘接到芯片架(22)上；永磁體(21)固定在轉(zhuǎn)軸臺階處；兩個軸承(16)和(16＇)將轉(zhuǎn)軸(15)固定在擺錘固定架(17)上，擺錘(14)固定在轉(zhuǎn)軸的另一端；芯片架(22)與擺錘固定架(17)通過圓錐梢面(23)自動定心聯(lián)結，以偏心矩(30)固定在端蓋(19)上，帶孔矩形隔板(24)安放在擺錘固定架上方，端蓋(19)與外殼(28)密封；阻尼油(18)將隔板下側填滿，隔板上側部分填充阻尼油(25)，保留一定的間隙(26)。(29)為擺錘轉(zhuǎn)動方向，(27)為小通孔。
圖6為本發(fā)咀采用坡莫合金薄膜材料制成磁敏電阻芯片工作原理圖。(34)為襯底片，(31)為敏感芯片惠斯登電橋圖形。(32)為全橋芯片的四個信號引線焊點端頭。(33)為旋轉(zhuǎn)永磁體。
圖7為在輸入電壓5V時，旋轉(zhuǎn)永磁體(33)轉(zhuǎn)動360°坡莫合金芯片的輸出特性曲線。
圖8為采用具有磁敏電阻效應坡莫合金薄膜芯片傾斜角傳感器的結構原理圖。將具有全橋結構圖形(31)的磁敏電阻芯片(36)同心地安裝在芯片固定架(22)上；將表面磁場強度500～3500奧斯特的永磁體N、S極方向沿轉(zhuǎn)軸(38)的徑向方向安置。
圖9為具有飽和場磁電阻各向異性的三層膜隧道結巨磁電阻材料典型電導率與外加磁場特性曲線。(本圖為Fe/Al2O3/Fe特性曲線)。
圖10為具有飽和場磁電阻各向異性的三層膜隧道結巨磁電阻惠斯登電橋芯片示意圖。
圖11為具有飽和場磁電阻各向異性三層膜隧道結巨磁電阻制成傾斜角傳感器輸出特性曲線。
圖12為發(fā)明原理圖。
實施例1在5×5平方毫米硅片上，將InSb薄膜制成圓形半橋式磁敏電阻芯片，有效敏感圖形尺寸為Φ3.2毫米。該敏感元件芯片同心地粘在如附圖5-a所示結構中芯片架(22)上。在擺錘固定架(17)上，用兩個微型軸承(16)(16’)固定轉(zhuǎn)軸(15)；在轉(zhuǎn)軸一側加工出過中心線的臺階，將半圓型表面場≥3000奧斯特釹鐵硼永磁體保證同心地粘接在軸的臺階上。轉(zhuǎn)軸另一端固定自重擺錘(14)。芯片固定架(22)與擺錘固定架(17)依靠圓錐型梢面(23)自動定心粘接，以偏心距(30)15毫米固定在端蓋(19)上。放置一塊帶有2個φ2毫米小孔矩形隔板，其位置距外殼(28)內(nèi)徑頂端弓高3毫米處，端蓋(19)與外殼(28)密封粘接后，添加硅油為阻尼油。隔板下部填滿，隔板上部部分填充阻尼油，留出距頂端1.5毫米左右的間隙(26)，以克服熱脹冷縮阻尼油體積變化所產(chǎn)生的影響和消除外界振動對自重擺(14)的影響。外形尺寸φ50毫米，高35毫米，在±45°范圍內(nèi)，線性度1.5％，使用溫度0～55℃，響應時間≤0.1S的小型化的磁敏電阻式傾斜角傳感器。
實施例2將鍍在玻璃襯底(34)上的坡莫合金磁敏電阻薄膜，刻蝕成4×4平方毫米如附圖4所示的四端全橋式磁敏電阻芯片(31)。用此芯片(36)在保證同心度的前提下，替換實施例1中的半導體磁敏電阻芯片(20)。同時將實施例1中的永磁體(21)換成表面磁場強度3000奧斯特的釹鐵硼材料永磁體(37)。將永磁體(37)的N、S極方向與轉(zhuǎn)軸(38)徑向平行安裝，如圖8所示，其他結構不變。由此得到如圖5所示的輸出特性曲線。在±35°測量范圍內(nèi)，輸入電壓為5V時，輸出電壓為過零點±50～60mV信號，線性度1.5％，使用溫度-40°～100℃，響應時間≤0.1秒。通過電信號標準化處理，可以得到1～5V或4～20mA的標準輸出信號。
實施例3將具有各向異性巨磁電阻薄膜Fe/Al2O3/Fe材料鍍在玻璃襯底(40)上，采用與加工坡莫合金磁敏電阻芯片相同的圖形和類似的制造工藝，得到巨磁電阻芯片，如圖10所示。將其在其它結構和位置不變的情況下，替代坡莫合金磁敏電阻芯片(36)，得到如圖11所示形狀的輸出特性曲線。Vout最大值為±150mV。通過電信號標準化處理，可以得到1～5V或4～20mA的標準輸出信號。
權利要求
1.一種自重擺式磁敏電阻無觸點傾斜角傳感器，其特征在于采用半導體磁敏電阻芯片(20)作為傾斜角測量的敏感元件，用軸承(16)和(16′)將轉(zhuǎn)軸(15)固定在擺錘固定架(17)上，在轉(zhuǎn)軸兩端分別安裝擺錘(14)和永磁體(21)，磁敏電阻芯片(20)同心粘接在芯片固定架(22)上；芯片固定架與擺錘固定架之間以相同圓錐梢面(23)定位，保證芯片與永磁體之間的同心度；磁敏電阻芯片(20)與永磁體(21)之間保持0.1～2毫米的間隙，構成無觸點信號感應結構；擺錘固定架密封于矩形隔板(24)下側與端蓋(19)和外殼(28)之中；在擺錘(14)和擺錘固定架(17)上側加入一塊矩形隔板(24)，將傳感器內(nèi)部分成上下兩個空間，其體積比為50％∶50％至1％∶99％之間，具體比率值由傳感器內(nèi)部所裝阻尼油的體膨脹量確定；矩形隔板(24)上帶有1個或多個小通孔(27)，孔的直徑為0.1～15毫米，所打孔的面積總和應小于隔板總面積的50％；阻尼油將矩形隔板(24)下方填滿，矩形隔板上方空間(25)部分填充阻尼油，所留氣體空隙(26)大于阻尼油的體膨脹量，當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，阻尼油體積會發(fā)生相應改變，它可通過矩形隔板(24)上的孔隙上下相互滲透，擺錘所處空間總是處于阻尼油填滿狀態(tài)；磁敏電阻芯片(20)與芯片固定架同心粘接，芯片固定架與軸承固定架之間采用圓錐梢面(23)配合，形成組裝過程梢面自動對中。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征在于擺錘固定架以偏心距(30)偏心放置，偏心距(30)由擺長或擺錘產(chǎn)生力矩及測量角度范圍所決定。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于用鍍在襯底片(34)上的低維坡莫合金磁敏電阻薄膜，采用光刻、濕法化學侵蝕或干法離子刻蝕制成四組條紋相互垂直、惠斯登四臂電橋(31)的芯片(36)作為敏感元件，替代半導體磁敏電阻芯片(20)，并將它同心安裝在芯片固定架(22)上；襯底片(34)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化鋁、氧化鎂、鐵氧體或硅片制成；采用表面磁場強度500～3500奧斯特的永磁體材料作為信號觸發(fā)永磁體(37)，將永磁體N、S極方向與轉(zhuǎn)軸(38)徑向方向平行安裝。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于用鍍在襯底片(40)上的低維具有在飽和磁場下磁電阻各向異性的巨磁電阻薄膜，采用光刻、濕法化學侵蝕或干法離子刻蝕制成四組條紋相互垂直、惠斯登四臂電橋(39)的芯片作為敏感元件，替代半導體磁敏電阻芯片(20)或坡莫合金磁敏電阻芯片(36)，并將它同心安裝在芯片固定架(22)上；襯底片(40)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化鋁、氧化鎂、鐵氧體或硅片等制成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自重擺式磁敏電阻傾斜角傳感器,用軸承(16)(16’)將轉(zhuǎn)軸(15)固定在擺錘固定架(17)上,轉(zhuǎn)軸兩端分別安裝擺錘(14)和永磁體(21),采用磁敏電阻芯片(20)通過圓錐梢面(23)定位同心聯(lián)接。擺錘固定架密封于充滿阻尼油(18)帶有小孔(27)的隔板(24)下側與端蓋(19)和外殼(28)之中,隔板(24)上側部分填充阻尼油(25)并保留一定的空隙(26)。其優(yōu)點在于:傳感器定位同心度高,反應靈敏,抗振穩(wěn)定性提高,溫度特性好,小型化、成本低。
文檔編號G01C9/00GK1300933SQ0110265
公開日2001年6月27日 申請日期2001年2月8日 優(yōu)先權日2001年2月8日
發(fā)明者田躍, 魯武軍, 邱宏, 黃筱玲, 潘禮慶 申請人:北京科大天宇微電子材料技術開發(fā)有限公司