專利名稱：具有包括磁阻效應(yīng)元件的橋接電路的磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁傳感器，具體涉及具有包括磁阻效應(yīng)元件的橋接電路的磁傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，磁傳感器已用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)器例如是車輛中的方向盤。例如，JP 8-226960公開了一種磁傳感器，該磁傳感器具有包括磁阻效應(yīng)元件(MR 元件)的橋接電路，橋接電路被配置為提供根據(jù)外部磁場(chǎng)方向而改變的輸出。在這種磁傳 感器中，磁體等安裝在旋轉(zhuǎn)器上，使得外部磁場(chǎng)方向根據(jù)旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)而改變。通過檢測(cè)外 部磁場(chǎng)方向來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角度。因此，自然需要對(duì)外部磁場(chǎng)方向的高度精確的檢測(cè)。 為此，已做了大量努力以更精確地測(cè)量來自包括MR元件的橋接電路的輸出電壓。例如，JP 2009-115688公開了一種磁傳感器，該磁傳感器具有包括四個(gè)MR元件的 橋接電路以及連接至橋接電路的放大電路，放大電路包括用于設(shè)置增益的反饋電阻器，反 饋電阻器具有與橋接電路溫度特性相反的溫度特性。在該磁傳感器中，用于設(shè)置增益的具 有與橋接電路溫度特性相反的溫度特性的反饋電阻器抑制由于溫度變化而引起的輸出電 壓的變化。因此，補(bǔ)償了由于溫度變化而引起的磁傳感器靈敏度的變化，從而提高了磁傳感 器的檢測(cè)精度。然而，上述方法未能考慮在輸出電壓的測(cè)量期間從磁傳感器的橋接電路流入外部 設(shè)備(放大電路)的分路電流。分路電流引起橋接電路的電不平衡，導(dǎo)致輸出電壓自身的 測(cè)量值的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)方向的磁傳感器，該磁傳感器包括具有四個(gè)電 阻元件部分的橋接電路，每個(gè)電阻元件部分包括至少一個(gè)磁阻效應(yīng)元件。本發(fā)明的目的是 提供一種磁傳感器，該磁傳感器可以通過更精確地檢測(cè)輸出電壓來提高對(duì)外部磁場(chǎng)的檢測(cè) 精度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)方向的磁傳感器包括橋接電路，被配置 為提供根據(jù)外部磁場(chǎng)方向而改變的輸出，橋接電路包括四個(gè)電阻元件部分，每個(gè)電阻元件 部分包括至少一個(gè)磁阻效應(yīng)元件；以及兩個(gè)電阻器，連接至橋接電路的相應(yīng)輸出端子。當(dāng)每 個(gè)電阻元件部分的電阻對(duì)應(yīng)于磁阻的改變而處于最小值時(shí)，每個(gè)電阻器的電阻與橋接電路 的電阻之比至少是2。這種磁傳感器使得流入外部設(shè)備以測(cè)量輸出 電壓的分路電流能夠減小。因此，本 發(fā)明可以提供一種能夠通過更精確地檢測(cè)輸出電壓來提高對(duì)外部磁場(chǎng)的檢測(cè)精度的磁傳 感器。通過以下參考圖示本發(fā)明的附圖而給出的說明，本發(fā)明的上述或其他目的、特征 和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁傳感器結(jié)構(gòu)的電路圖；圖2是其中相對(duì)于第一電阻器的電阻與橋接電路的最小電阻之比來繪制角度誤 差的圖示；以及圖3是示出了角度誤差的溫度相關(guān)性的圖表。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是示出了根據(jù)本實(shí)施例的磁傳感器的配置的電路圖。本實(shí)施例的磁傳感器1包括具有四個(gè)電阻元件部分的橋接電路10，每個(gè)電阻元件 部分包括相同的磁阻效應(yīng)元件(MR元件)11-14。如下所述，橋接電路10被配置為提供根 據(jù)外部磁場(chǎng)方向而改變的輸出。連接至外部連接端子31、32的外部設(shè)備通過外部連接端子 31,32來讀出輸出。橋接電路10包括并聯(lián)電路，在該并聯(lián)電路中，包括第一和第二 MR元件11、12的串 聯(lián)電路與包括第三和第四MR元件13、14的串聯(lián)電路彼此并聯(lián)。兩個(gè)串聯(lián)電路之間的連接 點(diǎn)B、D各自都與橋接電路10的輸入端子相對(duì)應(yīng)。第一輸入端子與第一 MR元件11和第四 MR元件14之間的連接點(diǎn)B相對(duì)應(yīng)，其中，將電源等連接至連接點(diǎn)B并且向連接點(diǎn)B施加電 源電壓V。。。第二輸入端子與第二 MR元件12和第三MR元件13之間的連接點(diǎn)D相對(duì)應(yīng)，連 接點(diǎn)D接地。每個(gè)MR元件11-14具有典型自旋閥類型薄膜配置。換而言之，每個(gè)MR元件11_14 包括固定層，固定層的磁化方向相對(duì)于外部磁場(chǎng)是固定的；自由層，自由層的磁化方向根 據(jù)外部磁場(chǎng)而改變；以及夾在固定層與自由層之間的分隔層。自由層的磁化方向與固定層 的磁化方向成相對(duì)角度，該相對(duì)角度取決于外部磁場(chǎng)。在每個(gè)MR元件11-14中，導(dǎo)電電子 的自旋相關(guān)散射根據(jù)該相對(duì)角度而改變。這引起磁阻的改變。此外，MR元件11-14被布置 為使得四個(gè)MR元件11-14所限定的橋接電路10的平面實(shí)質(zhì)上與每個(gè)MR元件11-14的薄 膜平面平行。如圖1中陰影箭頭所示，MR元件11-14中固定層的磁化方向是使得相鄰MR元件的 固定層的磁化方向彼此反向平行。因此，固定層與自由層的磁化方向之間的相對(duì)角度在兩 對(duì)MR元件之間改變，其中一對(duì)包括第一和第四MR元件11、14，另一對(duì)包括第二和第三MR元 件12、13。因此，兩對(duì)MR元件對(duì)外部磁場(chǎng)的變化表現(xiàn)出不同反應(yīng)(磁阻的不同變化)。這 使得本實(shí)施例的磁傳感器1能夠如下所述檢測(cè)外部磁場(chǎng)。每個(gè)MR元件11-14優(yōu)選地是將隧道勢(shì)壘層用作分隔層的隧道磁阻效應(yīng)元件(TMR 元件)。在該情況下，由于橋接電路包括具有高磁阻比(MR比)的TMR元件，所以可以獲得 高輸出電壓。因此，具有這種橋接電路的磁傳感器可以執(zhí)行精確測(cè)量而無(wú)需放大電路。此外，磁傳感器1包括兩個(gè)電阻器21、22以及橋接電路10，兩個(gè)電阻器分別連接至 橋接電路10的輸出端子A、C。第一電阻器21連接至第一輸出端子，即，橋接電路10的第一 MR元件11與第二 MR元件12之間的連接點(diǎn)A。第二電阻器22連接至第二輸出端子，即，橋 接電路10的第三MR元件13與第四MR元件之間的連接點(diǎn)C。電阻器21、22的另一端連接 至外部連接端子31、32，連接端子31、32用于將磁傳感器1連接至諸如運(yùn)算放大器(OP)或伏特計(jì)(VM)之類的外部設(shè)備。因此，通過測(cè)量外部連接端子31與32之間的電勢(shì)差Vott來 確定來自磁傳感器1的輸出電壓。每個(gè)電阻器21、22具有是橋接電路10的電阻的至少兩倍并且優(yōu)選地至少12倍的 電阻，橋接電路10即是包括四個(gè)MR元件11-14的并聯(lián)電路，當(dāng)每個(gè)MR元件的電阻對(duì)應(yīng)于磁 阻的改變而處于最小值時(shí)獲得橋接電路10的電阻。因此，當(dāng)通過外部連接端子31、32來測(cè) 量來自磁傳感器1的輸出電壓時(shí)，可以防止產(chǎn)生的電流分路，從而可以顯著減小角度誤差。 將在下文中詳細(xì)描述這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，將簡(jiǎn)要描述提供根據(jù)外部磁場(chǎng)而改變的輸出的橋接電路10的操作。這里，如圖1中陰影箭頭所示，將說明當(dāng)每個(gè)MR元件11-14中固定層的磁化方向 沿著ι方向時(shí)，以及當(dāng)將外部磁場(chǎng)施加到xy平面中時(shí)，橋接電路10如何工作。在初始狀態(tài)，沿χ方向施加外部磁場(chǎng)。在這種情況下，每個(gè)MR元件11-14中自由 層的磁化方向與外部磁場(chǎng)方向一致，即，X方向。因此，在所有MR元件11-14中，固定層的 磁化方向與自由層的磁化方向垂直。因此，每個(gè)MR元件11-14具有相同電阻，因此橋接電 路10的輸出端子A與C之間的電勢(shì)差(來自橋接電路10的輸出電壓)是零。接著，當(dāng)外部磁場(chǎng)從χ方向傾斜時(shí)，在MR元件11-14之中，固定層與自由層的磁化 方向之間的相對(duì)角度改變。因此，MR元件11-14具有不同的電阻。例如，當(dāng)外部磁場(chǎng)在圖 中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一和第三MR元件11、13中的自由層的磁化方向改變以與固定層的磁化 方向平行。因此，每個(gè)MR元件11、13的電阻從其初始值下降。另一方面，在第二和第四MR 元件12、14中的每一個(gè)中，由于磁化方向改變以便彼此反向平行，使得電阻增大。因此，有 限輸出電壓出現(xiàn)在橋接電路10的輸出端子A與C之間。當(dāng)外部磁場(chǎng)方向與y方向一致時(shí) 使輸出電壓最大化，當(dāng)外部磁場(chǎng)方向與χ方向一致時(shí)輸出電壓返回零。產(chǎn)生的輸出電壓近 似是關(guān)于外部磁場(chǎng)方向(旋轉(zhuǎn)角度)的正弦波。這使得可以基于關(guān)于外部磁場(chǎng)方向的輸出 波形來確定外部磁場(chǎng)的方向(旋轉(zhuǎn)角度)。在旋轉(zhuǎn)角度的實(shí)際檢測(cè)中，除圖1中的磁傳感器1外還使用了被配置為輸出例如 余弦波形的另一磁傳感器?；趤碜赃@兩個(gè)傳感器的輸出波形，精確地確定外部磁場(chǎng)的方 向?？梢酝ㄟ^例如增加具有與磁傳感器1相同配置的磁傳感器來獲得相似的結(jié)果，其中，固 定方向與X方向一致。如上所述，為了測(cè)量來自橋接電路10的輸出電壓，橋接電路10的輸出端子A、C需 要通過外部連接端子31、32與外部設(shè)備(如OP或VM)相連接。因此很難避免非常小的電 流從橋接電路10流向外部設(shè)備。因此，在圖1的橋接電路10中，由于分路電流而使得流經(jīng) 第二和第三MR元件12、13的電流比流經(jīng)第一和第四MR元件11、14的電流小。這可以引起 橋接電路變得電不平衡，從而使正弦波失真，正弦波是理想輸出波形。失真可以引起基于輸 出波形而確定的角度(即，外部磁場(chǎng)的方向)的誤差。
本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)可以在特定條件下顯著減小由于流經(jīng)外部設(shè)備的分路電 流而引起的角度誤差。該條件是，橋接電路的每個(gè)輸出端子連接至電阻器，所述電阻器具有 是橋接電路電阻的至少兩倍且優(yōu)選地至少12倍的電阻。在這種情況下，當(dāng)橋接電路中包括 的每個(gè)MR元件的電阻對(duì)應(yīng)于磁阻的改變而處于最小值時(shí)，S卩，當(dāng)每個(gè)MR元件中固定層的磁 化方向與自由層的磁化方向彼此平行時(shí)，獲得橋接電路的電阻。下文中將把這種電阻稱作 橋接電路的最小電阻。這是本發(fā)明的特征。下面將參考示出了計(jì)算結(jié)果的圖2和圖3來描述該特征。圖2是相對(duì)于第一電阻器(R21)的電阻和橋接電路的最小電阻(Rmin)之比而描繪了在典型溫度下針對(duì)上述角度誤差的計(jì)算結(jié)果。此外，圖3示出了當(dāng)電阻比R21/Rmin改變 時(shí)獲得的上述角度誤差的溫度相關(guān)性的計(jì)算結(jié)果。這里使用的角度誤差是指使上述正弦波 失真最大的角度的偏離量(度)。此外，在將本實(shí)施例的磁傳感器1用作車載部件時(shí)，圖2 中所示的各個(gè)溫度與保障溫度范圍(即，"40 150°C )內(nèi)的最低溫度(-40°C )、最高溫度 (150°C )和中間溫度(200C )相對(duì)應(yīng)。計(jì)算條件如下TMR元件用作橋接電路中包括的四個(gè)電阻元件部分中的每一個(gè)。 每個(gè)TMR元件被配置為使得來自橋接電路的輸出波形是理想正弦波，即，使得相鄰元件的 固定層的磁化方向彼此反向平行。當(dāng)在所有TMR元件中固定層和自由層的磁化方向彼此 平行時(shí)，每個(gè)TMR元件的電阻將是相同的(并且處于最小值；Rllmin = R12min = R13min = R14min)。在這種情況下，包括四個(gè)TMR元件的并聯(lián)電路的電阻(即，橋接電路最小電阻Rmin) 與每個(gè)TMR元件的電阻相同(例如，Rmin = Rllfflin)。此外，與橋接電路10相連接的第一和 第二電阻器21、22的電阻也彼此相同(R21=R22)。因此，如果沒有分路電流流向外部設(shè) 備，即，如果每個(gè)電阻器R21、R22的電阻是無(wú)限的，則角度誤差將是零。此外，電源電壓V。。 是5V，針對(duì)TMR元件的電阻和輸出(MR比)的溫度系數(shù)分別是-0.098%和-0.99%。針對(duì) 每個(gè)電阻器的電阻的溫度系數(shù)是0. 42%，室溫下TMR元件的MR比是80%。如圖2和圖3所示，角度誤差隨溫度降低而增大。這表明由于TMR元件和每個(gè)電阻 器的電阻分別具有負(fù)和正的溫度系數(shù)，所以相對(duì)于TMR元件的電阻(橋接電路的電阻)，每 個(gè)電阻器的電阻隨溫度降低而變得更小。換而言之，流入外部設(shè)備的分路電流隨溫度降低 而增大，從而導(dǎo)致角度誤差增大。另一方面，隨著與橋接電路10相連接的第一電阻器21 (每 個(gè)電阻器)的電阻增大，角度誤差在整個(gè)溫度范圍上減小。這是由于第一電阻器21 (每個(gè) 電阻器)的增大的電阻抑制流入外部設(shè)備的分路電流。在正常使用情況下，例如在測(cè)量車輛方向盤的旋轉(zhuǎn)角度的情況下，磁傳感器的角 度誤差優(yōu)選地至多是0.5度。若干可能因素會(huì)導(dǎo)致角度誤差。如圖2所示，只考慮與在測(cè) 量輸出期間流入外部設(shè)備的分路電流有關(guān)的因素，第一電阻器21 (每個(gè)電阻器)的電阻與 橋接電路10的最小電阻之比優(yōu)選地至少是2。此外，考慮除分路電流外的其他因素(例如在所使用的MR元件之中磁性特性的變 化)所引起的角度誤差，由分路電流引起的角度誤差優(yōu)選地至多是0. 1度。因此，如圖2所 示，第一電阻器21 (每個(gè)電阻器)的電阻與橋接電路10的最小電阻之比優(yōu)選地至少是12。即使每個(gè)電阻器21、22的電阻的上限是足夠大的值，也不會(huì)發(fā)生實(shí)際問題。因此， 倘若與外部連接端子31、32相連接的外部設(shè)備(如OP或VM)能夠沒有任何問題地讀取來 自磁傳感器1的輸出電壓，則上限可以被設(shè)置為任何值。如上所述，可以通過將與橋接電路的相應(yīng)輸出端子相連接的兩個(gè)電阻器中每一個(gè) 電阻器的電阻設(shè)置橋接電路的電阻的至少兩倍并且優(yōu)選地至少12倍，來使流入外部設(shè)備 的分路電流充分減小，其中所述橋接電路的電阻是當(dāng)每個(gè)MR元件的電阻對(duì)應(yīng)于磁阻的改 變而處于最小值時(shí)獲得的。這使得由于分路電流而引起的角度誤差能夠減小，從而提供了 足夠精確的磁傳感器。在本實(shí)施例中，描述了具有包括四個(gè)MR元件在內(nèi)的橋接電路的磁傳感器。然而，可以將串聯(lián)在一起的多個(gè)MR元件而不是一個(gè)MR元件用作橋接電路中四個(gè)電阻元件部分的 每一個(gè)。在這種情況下，合適地選擇每個(gè)電阻元件部分中MR元件的數(shù)目和固定層的磁化方 向，以便保持整體橋接電路良好的平衡。
將多個(gè)MR元件用作電阻元件部分使得能夠減小施加到每個(gè)MR元件的電壓，從而 使得能夠減小MR元件被過流損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，即使磁性特性在MR元件之中輕微變化，這 種變化也可以被平均，這對(duì)于減小除流入外部設(shè)備的分路電流以外的其他因素所引起的角 度誤差來說也是有效的。以上詳細(xì)給出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述。然而，應(yīng)意識(shí)到，只要不脫 離所附權(quán)利要求的精神和范圍，就可以進(jìn)行各種變化和修改。
權(quán)利要求
一種用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)的方向的磁傳感器，所述磁傳感器包括橋接電路，被配置為提供根據(jù)外部磁場(chǎng)的方向而改變的輸出，橋接電路包括四個(gè)電阻元件部分，每個(gè)電阻元件部分包括至少一個(gè)磁阻效應(yīng)元件；以及兩個(gè)電阻器，連接至橋接電路的相應(yīng)輸出端子，其中，當(dāng)每個(gè)電阻元件部分的電阻對(duì)應(yīng)于磁阻的改變而處于最小值時(shí)，每個(gè)電阻器的電阻與橋接電路的電阻之比至少是2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其中，當(dāng)每個(gè)電阻元件部分的電阻對(duì)應(yīng)于磁阻的改變而處于最小值時(shí)，每個(gè)電阻器的電阻與橋接電路的電阻之比至少是12。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其中，磁阻效應(yīng)元件包括固定層，固定層的磁化方向相對(duì)于外部磁場(chǎng)是固定的；自由層，自由層的磁化方向根據(jù)外部磁場(chǎng)而改變；以及夾 在固定層與自由層之間的分隔層，其中相鄰電阻元件部分的固定層的磁化方向彼此反向平 行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁傳感器，其中，磁阻效應(yīng)元件是隧道磁阻效應(yīng)元件，在隧道磁阻效應(yīng)元件中將隧道勢(shì)壘層用作分隔層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其中，電阻元件部分包括串聯(lián)在一起的多個(gè)磁阻效應(yīng)元件。
全文摘要
一種用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)的方向的磁傳感器，包括橋接電路，被配置為提供根據(jù)外部磁場(chǎng)的方向而改變的輸出，橋接電路包括四個(gè)電阻元件部分，每個(gè)電阻元件部分包括至少一個(gè)磁阻效應(yīng)元件；以及兩個(gè)電阻器，連接至橋接電路的相應(yīng)輸出端子。當(dāng)每個(gè)電阻元件部分的電阻對(duì)應(yīng)于磁阻的改變而處于最小值時(shí)，每個(gè)電阻器的電阻與橋接電路的電阻之比至少是2。
文檔編號(hào)G01R33/09GK101988956SQ20101024316
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者平林啟, 猿木俊司 申請(qǐng)人:Tdk株式會(huì)社