CN102809665A - 一种磁电阻齿轮传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁电阻齿轮传感器，该传感器包括磁传感芯片(181)和永磁体(182)，所述磁传感芯片(181)包括至少一个电桥，该电桥的每一个桥臂包括至少一个MTJ元件组。所述传感器的温度稳定性更好、灵敏度更高、功耗更低、线性度更好、线性工作区更宽、结构更简单。所述传感器设有凹形的软磁体，使永磁体产生的外磁场沿MTJ元件敏感方向的分量减小，从而保证磁传感芯片中的MTJ元件工作在其线性工作区。所述传感器不容易受到除所述永磁体产生的外磁场之外的干扰磁场的干扰。所述传感器能够确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，还能够确定缺齿的位置。所述传感器不仅能够确定齿轮的运动速度，而且能够确定齿轮的运动方向。

Description

一种磁电阻齿轮传感器

技术领域

本发明涉及齿轮传感器技术领域，特别涉及一种以MTJ元件为敏感元件的磁电阻齿轮传感器。

背景技术

齿轮传感器主要应用于自动化控制***中，以测量齿轮的转速和转动方向。目前，常用的齿轮传感器为光敏传感器和磁传感器。在机械转动***中，面对震动、冲击、油污等恶劣环境，磁传感器比光敏传感器具有更大的优势。现有技术中有许多不同类型的磁传感器，例如以霍尔（Hall）元件、各向异性磁电阻（AMR）元件或巨磁电阻（GMR）元件为敏感元件的磁传感器。

以霍尔元件为敏感元件的磁传感器灵敏度非常低，通常需要使用聚磁环结构来放大磁场，以提高霍尔元件的灵敏度，这增加了以霍尔元件为敏感元件的传感器的体积和重量。此外，以霍尔元件为敏感元件的传感器具有功耗大、线性度差的缺陷。AMR元件的灵敏度比霍尔元件高很多，但是AMR元件的线性工作区窄。以AMR元件为敏感元件的磁传感器需要设置“set/reset”线圈对其进行预设-复位操作，这不仅导致以AMR元件为敏感元件的磁传感器的制造工艺复杂，而且使以AMR元件为敏感元件的磁传感器的尺寸和功耗均增大。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较以霍尔元件为敏感元件的传感器具有更高的灵敏度，但是以GMR元件为敏感元件的磁传感器的线性工作区偏窄。此外，GMR元件的响应曲线呈偶对称，因此以GMR元件为敏感元件的磁传感器只能测量单极性的梯度磁场，不能测量双极性的梯度磁场。

近年来，一种新型磁电阻效应传感器，即以磁隧道结（MTJ,Magnetic TunnelJunction）元件为敏感元件的磁传感器开始在工业中应用。以MTJ元件为敏感元件的磁传感器的工作原理是利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻（TMR,Tunnel Magnetoresistance）效应对磁场进行感应。MTJ元件较之前应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。与霍尔元件相比，MTJ元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗和更好的线性度，并且不需要额外的聚磁环结构。与AMR元件相比，MTJ元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度和更宽的线性工作区，并且不需要额外的“set/reset”线圈结构。与GMR元件相比，MTJ元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗和更宽的线性工作区。

通常用作齿轮传感的磁传感器采用的是印刷电路板（PCB）式结构。PCB式齿轮传感器通常由磁传感芯片、***电路和永磁体构成。磁传感芯片感应其所在物理位置处的由永磁体产生的外磁场H_apply的变化并输出感应信号，***电路对磁传感芯片输出的感应信号进行处理和转换。磁传感芯片所在物理位置处的由永磁体产生的外磁场H_apply的变化非常弱。因此，在PCB式齿轮传感器的应用中，能否防止除永磁体产生的外磁场H_apply之外的干扰磁场的干扰成为亟待解决的技术问题。

虽然MTJ元件具有极高的灵敏度，但是以MTJ元件为敏感元件的磁传感器仍然存在以下不足：

(1)永磁体产生的外磁场H_apply沿MTJ元件敏感方向的分量很大，导致MTJ元件因偏离其线性工作区而性能下降，甚至导致MTJ元件因达到饱和而无法工作；

(2)磁传感芯片感应其所在物理位置处的由永磁体产生的外磁场H_apply的变化时，容易受到除永磁体产生的外磁场H_apply之外的干扰磁场的干扰；

(3)不能确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，也不能确定缺齿的具***置；

(4)无法确定齿轮的运动方向；

(5)难于实现低成本的大规模生产。

因此，需要一种能够精确感测齿轮运动状态的齿轮传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁电阻齿轮传感器。

根据本发明的磁电阻齿轮传感器包括磁传感芯片和第一永磁体，所述磁传感芯片包括至少一个电桥，该电桥的每一个桥臂包括至少一个MTJ元件组。

优选地，所述传感器进一步包括设置于所述磁传感芯片与所述第一永磁体之间的凹形的软磁体，且所述软磁体的开口朝向所述磁传感芯片。

优选地，所述至少一个MTJ元件组是多个MTJ元件组，该多个MTJ元件组串联和/或并联连接。

优选地，该多个MTJ元件组以相同敏感方向串联和/或并联连接。

优选地，每一包括MTJ元件组的桥臂具有相同的敏感方向。

优选地，所述电桥为半桥、全桥或双全桥。

优选地，每一MTJ元件组包括串联和/或并联连接的多个MTJ元件。

优选地，每一MTJ元件组包括以相同敏感方向串联和/或并联连接的多个MTJ元件。

优选地，每一MTJ元件为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层、被钉扎层、隧道势垒层和磁性自由层。

优选地，所述每一MTJ元件组的两侧设有一对第二永磁体，该对第二永磁体相对于该MTJ元件组的敏感方向倾斜设置用于给所述MTJ元件组提供偏置磁场。

优选地，所述每一MTJ元件组的两侧设有一对第二永磁体，该对第二永磁体相对于该MTJ元件组的敏感方向倾斜设置用于消除所述MTJ元件组的奈耳耦合场。

优选地，该对第二永磁体相对于该MTJ元件组的敏感方向倾斜设置进一步用于消除所述MTJ元件组的奈耳耦合场。

优选地，每一MTJ元件为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层、被钉扎层、隧道势垒层、磁性自由层和偏置层。

优选地，每一MTJ元件进一步包括设于所述磁性自由层与所述偏置层之间的隔离层。

优选地，所述传感器进一步包括与所述磁传感芯片电连接的控制电路。

优选地，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号与齿轮轮齿位置点的对应关系确定轮齿的位置。

优选地，所述磁传感芯片包括双全桥，所述双全桥的每一桥臂包括MTJ元件组，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号确定齿轮的运动方向。

优选地，所述传感器进一步包括外壳。

本发明具有如下有益效果：

(1)所述传感器以MTJ元件为敏感元件，与以霍尔元件、AMR元件或GMR元件为敏感元件的传感器相比，所述传感器的温度稳定性更好、灵敏度更高、功耗更低、线性度更好、线性工作区更宽、结构更简单；

(2)所述传感器设有凹形的软磁体，使永磁体产生的外磁场沿MTJ元件敏感方向的分量减小，从而保证磁传感芯片中的MTJ元件工作在其线性工作区，使所述传感器的性能得到明显改善；

(3)所述传感器的磁传感芯片采用全桥，使得所述传感器不容易受到除所述永磁体产生的外磁场之外的干扰磁场的干扰；

(4)在一种优选实施例中，MTJ元件的两侧设置一对倾斜的永磁体，该倾斜的永磁体产生的磁场垂直于MTJ元件敏感方向的分量为MTJ元件提供了偏置磁场。通过改变该偏置磁场能够调整MTJ元件的饱和场，从而获得具有高灵敏度的传感器，或可根据需要实现不同灵敏度的传感器；

(5)在一种优选实施例中，MTJ元件的两侧设置一对倾斜的永磁体，该倾斜的永磁体产生的磁场沿MTJ元件敏感方向的分量能够消除MTJ元件的奈耳耦合场，从而保证MTJ元件的工作点处于其线性工作区，改善了所述传感器的线性度；

(6)在另一种优选实施例中，MTJ元件的磁性自由层上设有偏置层，该偏置层能够为磁性自由层提供垂直于MTJ元件敏感方向的偏置磁场。通过改变该偏置磁场能够调整MTJ元件的饱和场，从而获得具有高灵敏度的传感器，或可根据需要实现不同灵敏度的传感器；

(7)所述感器能够确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，还能够确定缺齿的位置；

(8)所述传感器不仅能够确定齿轮的运动速度，而且能够确定齿轮的运动方向；

(9)所述传感器既适用于直线形齿轮，也适用于圆形齿轮；

(10)所述传感器有利于实现低成本的大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的第一MTJ元件11的结构示意图；

图2为理想状态下第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线图，外磁场H_apply沿第一MTJ元件11的敏感方向；

图3为实际应用中第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线图，外磁场H_apply沿第一MTJ元件11的敏感方向；

图4为多个第一MTJ元件11串联成一个第一MTJ元件组13的示意图；

图5为在第一MTJ元件组13两侧设置一对倾斜永磁体14的示意图；

图6为在第一MTJ元件组13两侧设置一对倾斜永磁体后其周围的磁场分布的剖面图；

图7为在第一MTJ元件组13两侧设置一对倾斜永磁体14的俯视图；

图8为半桥15的物理位置的俯视图；

图9为图8所示的半桥15的等效电路图；

图10为全桥16的物理位置的俯视图；

图11为图10所示的全桥16的等效电路图；

图12为实际测量的采用全桥16的磁场传感器的输出电压的曲线图；

图13为双全桥17的物理位置的俯视图；

图14为图13所示的双全桥17的等效电路图；

图15为本发明实施例1提供的磁电阻齿轮传感器18的结构示意图；

图16为本发明实施例1提供的磁电阻齿轮传感器18输出的正弦波形的电压信号的示意图；

图17为当齿轮缺齿时本发明实施例1提供的磁电阻齿轮传感器18输出的正弦波形和方波形的电压信号的示意图；

图18为本发明实施例1提供的磁电阻齿轮传感器18输出的双路电压信号的示意图；

图19为本发明实施例2提供的第二MTJ元件21的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。

实施例1：

图1为本实施例提供的第一MTJ元件11的结构示意图。所述第一MTJ元件11为多层膜结构，如图1所示，其包括依次沉积在基片111上的绝缘层112、底电极层113、钉扎层114、被钉扎层115、隧道势垒层116、磁性自由层117和顶电极层118。所述被钉扎层115和所述磁性自由层117为铁磁层，其材质例如包括Fe、Co、Ni、FeCo、FeNi、FeCoB或FeCoNi。所述被钉扎层115也可以是铁磁层、Ru层和铁磁层形成的复合层，例如FeCo层、Ru层和FeCo层形成的复合层。所述钉扎层114与所述被钉扎层115之间的交换耦合作用使得所述被钉扎层115的磁矩方向1151被钉扎在一个方向，且在外磁场H_apply作用下所述磁矩方向1151保持不变。所述钉扎层114为反铁磁层，其材质例如包括PtMn、IrMn或FeMn。所述隧道势垒层116的材质例如包括MgO或Al₂O₃。所述磁性自由层117的磁矩方向1171能够随外磁场H_apply的改变而变化。在外磁场H_apply的作用下，所述磁性自由层117的磁矩方向1171能够从与所述被钉扎层115的磁矩方向1151平行的方向逐步改变为与所述被钉扎层115的磁矩方向1151反平行的方向，且反之亦然。在本实施例中，所述磁性自由层117的磁矩方向1171定义为所述第一MTJ元件11的敏感方向。所述顶电极层118和所述底电极层113通常采用非磁性导电材料。所述基片111的材质通常采用硅、石英、耐热玻璃、GaAs、或AlTiC。所述绝缘层112的面积大于所述底电极层113的面积。所述顶电极层118和所述底电极层113用于与其它元件电连接。在本实施例中，所述顶电极层118和所述底电极层113与例如欧姆计12电联接，以测量所述第一MTJ元件11的电阻。

所述第一MTJ元件11的电阻大小与所述磁性自由层117和所述被钉扎层115的磁矩的相对取向有关。当所述磁性自由层117的磁矩方向1171与所述被钉扎层115的磁矩方向1151平行时，所述第一MTJ元件11的电阻值最小，称为所述第一MTJ元件11处于低阻态；当所述磁性自由层117的磁矩方向1171与所述被钉扎层115的磁矩方向1151反平行时，所述第一MTJ元件11的电阻值最大，称为所述第一MTJ元件11处于高阻态。利用现有技术能够实现所述第一MTJ元件11的电阻值随着外磁场H_apply的改变在高阻态与低阻态之间线性变化。

在理想状态下，所述第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线图如图2所示，外磁场H_apply沿所述第一MTJ元件11的敏感方向。当所述第一MTJ元件11处于低阻态或高阻态时，其响应曲线达到饱和。所述第一MTJ元件11处于低阻态时的电阻值被标记为例如R_L；所述第一MTJ元件11处于高阻态时的电阻值被标记为例如R_H。在高阻态与低阻态之间，所述第一MTJ元件11的电阻值R随外磁场H_apply的改变呈线性变化。所述第一MTJ元件11的电阻值R对外磁场H_apply的响应曲线的斜率，即所述第一MTJ元件11的电阻值R随外磁场H_apply的变化率定义为所述第一MTJ元件11的灵敏度。如图2所示，所述第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线不是关于H_apply=0的直线成轴对称，而是关于H_apply=H_O的直线成轴对称。H_O通常被称为奈尔耦合（Neel Coupling）场。通常情况下，奈尔耦合场H_O的取值范围为1-40Oe。

如图2所示的响应曲线的线性区内，所述第一MTJ元件11的电阻值R可以近似表示为：

$R=\frac{R_H-R_L}{2H_s}\left({H-H}_o\right)+\frac{R_H+R_L}{2},---\left(1\right)$

式(1)中，H_S表示饱和场。饱和场H_S的定义为：当奈尔耦合场H_O=0时，所述第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线的线性区域的切线与正向或负向饱和曲线的切线的交点对应的外磁场值。在理想状态下，所述第一MTJ元件11的电阻值R随外磁场H_apply的变化是完美的线性关系，并且没有磁滞。在实际情况下，由于所述第一MTJ元件11具有磁滞现象，所述第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线为一条曲线，如图3所示。在实际的传感器应用领域，由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷，所述第一MTJ元件11的电阻对外磁场H_apply的响应曲线会更弯曲。

应用中，可以将多个第一MTJ元件11串联和/或并联连接成一个第一MTJ元件组。在本实施例中，第一MTJ元件组13由例如六个第一MTJ元件11串联连接而成，如图4所示，且第一MTJ元件组13的六个第一MTJ元件11的敏感方向1171相同。将所述第一MTJ元件组13与其它元件例如所述欧姆计12电连接。当有电流131流过所述第一MTJ元件组13时，所述电流131的方向如图4所示。通常情况下，所述电流131的方向并不对MTJ元件组13的电阻值产生影响。通过改变第一MTJ元件组13中第一MTJ元件11的个数可以调整所述第一MTJ元件组13的电阻值。可以将一个所述第一MTJ元件组13用作电桥的一个桥臂，也可以将串联和/或并联的多个所述第一MTJ元件组13用作电桥的一个桥臂。

为了给所述第一MTJ元件11或所述第一MTJ元件组13提供偏置磁场H_cross，并消除其奈耳耦合场H_O，可以在所述第一MTJ元件11或所述第一MTJ元件组13的两侧设置一对倾斜的永磁体14。在本实施例中，如图5所示，在例如所述第一MTJ元件组13的两侧设有一对永磁体14，且所述永磁体14相对于所述第一MTJ元件组13的敏感方向1171倾斜放置。给所述永磁体14充磁后，所述第一MTJ元件组13周围的磁场分布如图6所示。在本实施例中，所述永磁体14的形状例如为长方体。如图7所示，所述永磁体14的长边与所述第一MTJ元件组13的敏感方向1171之间的夹角的余角定义为所述永磁体14的倾斜角θ_sns。每个永磁体14的长度、宽度和厚度分别为L、W和t，两个所述永磁体14之间的间隙为G。

两个所述永磁体14的间隙位置的磁场H_mag被认为是两个所述永磁体14边缘的磁荷产生的，并且所述磁场H_mag与所述永磁体14的形状和边界条件相关。如图7所示，所述永磁体14的剩磁M_r141与所述第一MTJ元件组13的敏感方向1171之间的夹角定义为所述永磁体14的剩磁M_r141的倾斜角θ_mag。所述永磁体14边缘的磁荷密度ρ_s与所述永磁体14的剩磁M_r141的大小、所述永磁体14的剩磁M_r141的倾斜角θ_mag和所述永磁体14的倾斜角θ_sns相关。所述永磁体14边缘的磁荷密度ρ_s可表示为：

ρ_s=M_rcos(θ_mag+θ_sns)                    (2)

所述永磁体14边缘的磁荷产生的磁场H_mag可以表示为：

${\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{mag}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=4\mathrm{\π}\underset{\mathrm{Surface}}{\∫}\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}^{\′})}^2}{\mathrm{dS}}^{\′}---\left(3\right)$

如图7所示，所述永磁体14边缘的磁荷产生的磁场H_mag沿垂直于所述第一MTJ元件组13的敏感方向1171的分量定义为偏置磁场H_cross。当θ_mag=θ_sns=π/2时，所述偏置磁场H_cross可以表示为：

$H_{\mathrm{cross}}=-8M_r(a\tan \left(\frac{\mathrm{Lt}}{(\frac{W}{2}-\frac{G}{2})\sqrt{L^2{t}^2{(\frac{W}{2}-\frac{G}{2})}^2}}\right)+a\tan \left(\frac{\mathrm{Lt}}{(\frac{W}{2}+\frac{G}{2})\sqrt{L^2{t}^2{(\frac{W}{2}+\frac{G}{2})}^2}}\right))---\left(4\right)$

由式(4)可以看出，通过调整两个所述永磁体14的形状、尺寸、二者之间的间隙G和剩磁M_r141的大小，可以改变所述第一MTJ元件组13所在位置的所述偏置磁场H_cross。通过改变所述偏置磁场H_cross能够调整所述第一MTJ元件组13的饱和场，进而确定所述第一MTJ元件组13的灵敏度。

所述偏置磁场H_cross也可以表示为：

H_cross=H_mag·sinθ_mag                            (5)

所述永磁体14边缘的磁荷产生的磁场H_mag沿所述第一MTJ元件组13的敏感方向1171的分量H_off可以表示为：

H_off=H_mag·cosθ_mag                              (6)

由式(6)可以看出，通过调整所述永磁体14的形状、尺寸和剩磁M_r141的倾斜角θ_mag，可以改变所述永磁体14边缘的磁荷产生的磁场H_mag沿所述第一MTJ元件组13的敏感方向1171的分量H_off，以消除所述第一MTJ元件11本身的奈耳耦合场H_O，保证所述第一MTJ元件11的工作点处于其线性工作区。

图8为半桥15的物理位置在X-Y平面的俯视图。图9为所述半桥15的等效电路图。所述半桥15包括两个桥臂151和152，该两个桥臂都采用例如一个所述第一MTJ元件组13，该两个桥臂的电阻值例如分别为R1和R2。桥臂151和桥臂152的敏感方向都沿敏感方向1171。沿敏感方向1171施加一磁场强度呈梯度变化的外磁场H_apply，如图8所示，所述桥臂151所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度与所述桥臂152所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度不同。所述桥臂151和所述桥臂152的两侧都设置有一对倾斜的永磁体14。所述半桥16的两个输入端例如为IN1和IN2，例如所述输入端IN2接地。所述半桥16的输出端例如为OUT1。在所述输入端IN1与所述输入端IN2之间施加稳恒电压V_bias，所述桥臂151的电阻值R1的变化大小与所述桥臂152的电阻值R2的变化大小不同，因此所述输出端OUT1将输出电压信号V_OUT1=V₁。

图10为全桥16的物理位置的俯视图。图11为所述全桥16的等效电路图。所述全桥16包括四个桥臂161、162、163和164，该四个桥臂都采用例如两个串联的第一MTJ元件组13，该四个桥臂的电阻值例如分别为R3、R4、R5和R6。桥臂161、桥臂162、桥臂163和桥臂164的敏感方向都沿所述敏感方向1171。沿所述敏感方向1171施加一磁场强度呈梯度变化的外磁场H_apply。如图10所示，桥臂161和桥臂162所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度与桥臂163和桥臂164所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度不同。每一桥臂161、桥臂162、桥臂163和桥臂164的两侧分别设置有一对倾斜的永磁体14。所述全桥16的两个输入端例如分别为IN3和IN4，例如输入端IN4接地。所述全桥16的两个输出端例如分别为OUT2和OUT3。在所述输入端IN3与所述输入端IN4之间施加稳恒电压V_bias，桥臂161的电阻值R3或桥臂162的电阻值R4的变化大小与所述桥臂163的电阻值R5或所述桥臂164的电阻值R6的变化大小不同，因此，所述输出端OUT2和所述输出端OUT3将分别输出电压V2和V3，所述全桥16输出的电压信号为V_OUT2=(V3-V2)。

在理想情况下，所述全桥16输出的电压信号V_OUT2对共模磁场H_cM没有响应，但对差模磁场H_dM有响应。在共模磁场H_cM的作用下，所述桥臂161、所述桥臂162、所述桥臂163和所述桥臂164的电阻值变化相同，因此所述全桥16不输出电压信号。在理想情况下，所述全桥16的四个桥臂的电阻值都等于R，即R3=R4=R5=R6=R，且所述全桥16的四个桥臂的灵敏度都等于S_R，即S_R3=S_R4=S_R5=S_R6=S_R，则有：

$V_2=-\frac{S_{R4}\·H_{\mathrm{dM}}}{{2R}_4}{V}_{\mathrm{bias}}=-\frac{S_R{H}_{\mathrm{dM}}}{2R}{V}_{\mathrm{bias}},---\left(7\right)$

$V_3=(\frac{R_6+S_{R6}{H}_{\mathrm{dM}}}{R_6+S_{R6}{H}_{\mathrm{dM}}+R_5-S_{R5}{H}_{\mathrm{dM}}}-\frac{R_6}{R_5+R_6})V_{\mathrm{bias}}=\frac{S_{R6}{H}_{\mathrm{dM}}}{R_5+R_6}{V}_{\mathrm{bias}}=\frac{S_R{H}_{\mathrm{dM}}}{2R}{V}_{\mathrm{bias}},---\left(8\right)$

$V_{\mathrm{OUT}2}=V_3-V_2=\frac{S_R{H}_{\mathrm{dM}}}{R}{V}_{\mathrm{bias}},---\left(9\right)$

由式(9)可以看出，所述全桥16输出的电压信号只与差模磁场H_dM有关，而与共模磁场H_cM无关。因此，所述全桥16具有很强的抑制共模磁场干扰的能力。所述全桥16的典型输出如图12所示。

在实际应用中，传感器也可以采用两个全桥，即双全桥。图13为双全桥17的物理位置的俯视图。图14为所述双全桥17的等效电路图。所述双全桥17包括八个桥臂171、172、173、174、175、176、177和178，该八个桥臂都采用例如三个并联的所述第一MTJ元件组13，该八个桥臂的电阻值例如分别为R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13和R14。如图14所示，例如桥臂171、桥臂172、桥臂173和桥臂174构成一个全桥，桥臂175、桥臂176、桥臂177和桥臂178构成一个全桥。优选地，所述双全桥17的八个桥臂的敏感方向都沿敏感方向1171。沿敏感方向1171施加一磁场强度呈梯度变化的外磁场H_apply。如图13所示，所述桥臂171和所述桥臂172所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度与所述桥臂173和所述桥臂174所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度不同；所述桥臂175和所述桥臂176所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度与所述桥臂177和所述桥臂178所在的物理位置处的外磁场H_apply的磁场强度不同。所述双全桥17的每一个桥臂的两侧都设置有一对倾斜的所述永磁体14。所述双全桥17的两个输入端例如分别为IN5和IN6，例如所述输入端IN6接地。所述双全桥17的四个输出端例如分别为OUT4、OUT5、OUT6和OUT7。在所述输入端IN5与所述输入端IN6之间施加稳恒电压V_bias，所述桥臂171的电阻值R7或所述桥臂172的电阻值R8的变化大小与所述桥臂173的电阻值R9或所述桥臂174的电阻值R10的变化大小不同，所述桥臂175的电阻值R11或所述桥臂176的电阻值R12的变化大小与所述桥臂177的电阻值R13或所述桥臂178的电阻值R14的变化大小不同，所述输出端OUT4、所述输出端OUT5、所述输出端OUT6和所述输出端OUT7将分别输出电压V4、V5、V6和V7。所述双全桥17输出双路电压信号V_OUT4=(V5-V4)和V_OUT5=(V7-V6)。

在磁电阻传感器的实际制备中，所述半桥15、所述全桥16或所述双全桥17都可以在同一基片上采用相同的工艺一次性制备完成，通常称为单一芯片磁电阻传感器；也可以在同一基片上采用相同的工艺制备出多个所述第一MTJ元件11，然后将多个所述第一MTJ元件11切割后单独封装，并通过引线将所述第一MTJ元件11电连接成多个所述第一MTJ元件组13，再将该多个所述第一MTJ元件组13电连接成所述半桥15、所述全桥16或所述双全桥17。单一芯片封装的磁电阻传感器或多芯片封装的磁电阻传感器，都可以通过其外接焊盘连接到专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或引线框的封装引脚上。

如图15所示，本实施例提供的磁电阻齿轮传感器18包括磁传感芯片181、永磁体182、控制电路183、凹形的软磁体184和外壳185。所述磁传感芯片181、所述永磁体182、所述控制电路183和所述软磁体184集成于所述外壳185内。所述磁传感芯片181包括至少一个电桥，该电桥为所述半桥15、所述全桥16或所述双全桥17，所述半桥15、所述全桥16或所述双全桥17的每一个桥臂包括至少一个所述第一MTJ元件组13，所述第一MTJ元件组13包括串联和/或并联的多个所述第一MTJ元件11。所述磁传感芯片181与所述控制电路183电连接。所述软磁体184设置于所述磁传感芯片181与所述永磁体182之间，且所述软磁体184的开口朝向所述磁传感芯片181。在本实施例中，所述磁传感芯片181包括例如一个所述双全桥17，所述双全桥17的每一个桥臂包括例如一个所述第一MTJ元件组13。所述永磁体182用于产生外磁场H_apply并使由铁磁材料制成的齿轮磁化。所述软磁体184用于使所述永磁体182产生的外磁场H_apply沿所述敏感方向1171的分量减小，从而保证所述磁传感芯片181中的所述第一MTJ元件11工作在其线性工作区。当齿轮与所述磁传感芯片181之间发生相对运动时，所述磁传感芯片181所在位置处的外磁场H_apply的磁场强度将发生变化。所述磁传感芯片181用于感应其所在位置的外磁场H_apply的磁场强度的变化并向所述控制电路183输出电压信号。所述控制电路183用于对所述磁传感芯片181输出的电压信号进行处理和转换。在本实施例中，所述控制电路183能够将所述磁传感芯片181输出的正弦波形的电压信号转换为方波形的电压信号。

在本实施例中，例如所述磁电阻齿轮传感器18静止不动，齿轮运动，如图15所示。当齿轮上的不同位置点A、B、C、D和E依次经过所述磁电阻齿轮传感器时，所述磁电阻齿轮传感器18输出的例如正弦波形的电压信号如图16所示。根据所述磁电阻齿轮传感器18输出的电压信号的例如正弦波形与位置点的对应关系即可确定齿轮的一个待检测齿的具***置。当齿轮缺齿时，所述磁电阻齿轮传感器18输出的正弦波形的电压信号和方波形的电压信号如图17所示。根据所述磁电阻齿轮传感器18输出的电压信号的例如正弦波形或方波形即可确定齿轮是否缺齿。如果齿轮缺齿，根据所述磁电阻齿轮传感器18输出的电压信号的例如正弦波形或方波形与位置点的对应关系即可确定缺齿的具***置。由于本实施例提供的所述磁电阻齿轮传感器18的所述磁传感芯片181采用所述双全桥17，因此所述磁电阻齿轮传感器18能够输出双路电压信号V_OUT4和V_OUT5，如图18所示，根据该双路电压信号V_OUT4和V_OUT5的相位差能够确定齿轮的运动方向。应用所述磁电阻齿轮传感器18时，所述磁传感芯片181所在的位置处，除所述永磁体182产生的外磁场H_apply之外的干扰磁场可以视为共模磁场。由于所述磁传感芯片181采用所述双全桥17，并且双全桥具有很强的抑制共模磁场干扰的能力，因此所述磁电阻齿轮传感器18不容易受到除所述永磁体182产生的外磁场H_apply之外的干扰磁场的干扰。

实施例2：

图2为本实施例提供的第二MTJ元件21的结构示意图。所述第二MTJ元件21为多层膜结构，如图2所示，其包括依次沉积在基片211上的绝缘层212、底电极层213、钉扎层214、被钉扎层215、隧道势垒层216、磁性自由层217、偏置层218和顶电极层219。所述被钉扎层215和所述磁性自由层217为铁磁层。所述被钉扎层215和所述磁性自由层217的材质包括Fe、Co、Ni、FeCo、FeNi、FeCo或FeCoNi。所述被钉扎层215也可以是铁磁层、Ru层和铁磁层形成的复合层，例如FeCo层、Ru层和FeCo层形成的复合层。所述钉扎层214为反铁磁层，其材质包括PtMn、IrMn或FeMn。所述钉扎层214与所述被钉扎层215之间的交换耦合作用使得所述被钉扎层215的磁矩方向2151被钉扎在一个方向，且在外磁场H_apply作用下所述磁矩方向2151保持不变。所述隧道势垒层216包括MgO或Al₂O₃。所述磁性自由层217的磁矩方向2171能够随外磁场H_apply的改变而变化。在外磁场H_apply的作用下，所述磁性自由层217的磁矩方向2171能够从与所述被钉扎层215的磁矩方向2151平行的方向逐步改变为与所述被钉扎层215的磁矩方向2151反平行的方向，且反之亦然。所述偏置层218为反铁磁层或永磁层。所述偏置层218与所述磁性自由层217之间的交换耦合作用使得所述偏置层218能够为所述磁性自由层217提供垂直于所述第二MTJ元件21的敏感方向的偏置磁场H_cross。通过改变所述偏置磁场H_cross能够调整所述第二MTJ元件21的饱和场，进而调整所述第二MTJ元件21的灵敏度。当所述偏置层218为反铁磁层时，所述偏置层218的阻隔温度(Blocking Temperature)要低于所述钉扎层214的阻隔温度。在所述磁性自由层217与所述偏置层218之间也可以沉积一层隔离层，用于减弱所述偏置层218提供的所述偏置磁场H_cross。通过改变隔离层的厚度即可调整所述偏置磁场H_cross的大小。所述隔离层通常采用非磁性材料例如Ta、Ru或Cu。所述顶电极层219和所述底电极层213通常采用非磁性导电材料。所述基片211的材质通常采用硅、石英、耐热玻璃、GaAs、或AlTiC。所述绝缘层212的面积大于所述底电极层213的面积。所述顶电极层219和所述底电极层213用于与其它元件电连接。

应用中，可以将多个所述第二MTJ元件21串联和/或并联成一个第二MTJ元件组23。在本实施例中，所述第二MTJ元件组23由例如四个所述第二MTJ元件21并联而成，且所述第二MTJ元件组23的四个所述第二MTJ元件21的敏感方向相同。将所述第二MTJ元件组23与其它元件例如所述欧姆计12电连接。可以将一个所述第二MTJ元件组23用作电桥的一个桥臂，也可以将串联和/或并联的多个所述第二MTJ元件组23用作电桥的一个桥臂。需要说明的是，当电桥中采用所述第二MTJ元件组23时，不需要在所述第二MTJ元件组23的两侧设置倾斜的所述永磁体14。在本实施例中，所述半桥15、所述全桥16和所述双全桥17的每一个桥臂采用例如一个所述第二MTJ元件组23。

磁电阻齿轮传感器18中采用所述第二MTJ元件组23的情况与实施例1相同。

所述传感器以MTJ元件为敏感元件，与以霍尔元件、AMR元件或GMR元件为敏感元件的传感器相比，所述传感器的温度稳定性更好、灵敏度更高、功耗更低、线性度更好、线性工作区更宽、结构更简单。所述传感器设有凹形的软磁体，使永磁体产生的外磁场沿MTJ元件敏感方向的分量减小，从而保证磁传感芯片中的MTJ元件工作在其线性工作区，使所述传感器的性能得到明显改善。所述传感器的磁传感芯片采用全桥，使得所述传感器不容易受到除所述永磁体产生的外磁场之外的干扰磁场的干扰。在一种优选实施例中，MTJ元件的两侧设置一对倾斜的永磁体，该倾斜的永磁体产生的磁场垂直于MTJ元件敏感方向的分量为MTJ元件提供了偏置磁场，通过改变该偏置磁场能够调整MTJ元件的饱和场，从而获得具有高灵敏度的传感器，或可根据需要实现不同灵敏度的传感器。在一种优选实施例中，MTJ元件的两侧设置一对倾斜的永磁体，该倾斜的永磁体产生的磁场沿MTJ元件敏感方向的分量能够消除MTJ元件的奈耳耦合场，从而保证MTJ元件的工作点处于其线性工作区，改善了所述传感器的线性度。在另一种优选实施例中，MTJ元件的磁性自由层上设有偏置层，该偏置层能够为磁性自由层提供垂直于MTJ元件敏感方向的偏置磁场，通过改变该偏置磁场能够调整MTJ元件的饱和场，从而获得具有高灵敏度的传感器，或可根据需要实现不同灵敏度的传感器。所述传感器能够确定齿轮中某个齿的位置，当齿轮缺齿时，还能够确定缺齿的位置。所述传感器不仅能够确定齿轮的运动速度，而且能够确定齿轮的运动方向。所述传感器既适用于直线形齿轮，也适用于圆形齿轮。所述传感器有利于实现低成本的大规模生产。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.磁电阻齿轮传感器，其特征在于，该传感器包括磁传感芯片(181)和第一永磁体(182)，所述磁传感芯片(181)包括至少一个电桥，该电桥的每一个桥臂包括至少一个MTJ元件组(13，23)。

2.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括设置于所述磁传感芯片(181)与所述第一永磁体(182)之间的凹形的软磁体(184)，且所述软磁体(184)的开口朝向所述磁传感芯片(181)。

3.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述至少一个MTJ元件组是多个MTJ元件组，该多个MTJ元件组串联和/或并联连接。

4.根据权利要求3所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，该多个MTJ元件组以相同敏感方向串联和/或并联连接。

5.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一包括MTJ元件组的桥臂具有相同的敏感方向。

6.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述电桥为半桥(15)、全桥(16)或双全桥(17)。

7.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件组(13，23)包括串联和/或并联连接的多个MTJ元件(11，21)。

8.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件组(13，23)包括以相同敏感方向串联和/或并联连接的多个MTJ元件(11，21)。

9.根据权利要求7或8所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件(11)为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层(114)、被钉扎层(115)、隧道势垒层(116)和磁性自由层(117)。

10.根据权利要求9所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述每一MTJ元件组(13)的两侧设有一对第二永磁体(14)，该对第二永磁体(14)相对于该MTJ元件组(13)的敏感方向倾斜设置用于给所述MTJ元件组(13)提供偏置磁场。

11.根据权利要求9所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述每一MTJ元件组(13)的两侧设有一对第二永磁体(14)，该对第二永磁体(14)相对于该MTJ元件组(13)的敏感方向倾斜设置用于消除所述MTJ元件组(13)的奈耳耦合场。

12.根据权利要求10所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，该对第二永磁体(14)相对于该MTJ元件组(13)的敏感方向倾斜设置进一步用于消除所述MTJ元件组(13)的奈耳耦合场。

13.根据权利要求7或8所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件(21)为多层膜结构，包括依次沉积的钉扎层(214)、被钉扎层(215)、隧道势垒层(216)、磁性自由层(217)和偏置层(218)。

14.根据权利要求13所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，每一MTJ元件(21)进一步包括设于所述磁性自由层(217)与所述偏置层(218)之间的隔离层。

15.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括与所述磁传感芯片(181)电连接的控制电路(183)。

16.根据权利要求15所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号与齿轮轮齿位置点的对应关系确定轮齿的位置。

17.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述磁传感芯片包括双全桥，所述双全桥的每一桥臂包括MTJ元件组，所述控制电路根据所述磁传感芯片输出的电压信号确定齿轮的运动方向。

18.根据权利要求1所述的磁电阻齿轮传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括外壳(185)。

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