專利名稱：旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具備采用了由自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜構(gòu)成的磁阻效應(yīng)元件的磁 傳感器的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置，特別涉及一種降低由磁傳感器制造偏差引起的角度誤差的 旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置。
背景技術(shù)：
采用了能夠以非接觸方式檢測旋轉(zhuǎn)角度的變化的磁阻效應(yīng)元件的磁傳感器，要 求針對旋轉(zhuǎn)磁場具有良好的檢測靈敏度。高靈敏度的磁阻效應(yīng)元件中采用自旋閥型巨磁 阻效應(yīng)(SVGMR)膜，該自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜包括具有各向異性的磁化固定層(簡稱 為“固定層”)；非磁性中間層，切斷形成在固定層上的磁耦合；以及自由層，通過形 成在非磁性中間層上的外部磁場，磁化方向旋轉(zhuǎn)至任意方向。當(dāng)以惠斯通電橋形式連接 具有SVGMR膜的元件時，可得到輸出電壓因外部磁場方向而變化的磁傳感器。日本專利特開2001-159542號公開了一種旋轉(zhuǎn)角度傳感器，其具備基板，具 有磁阻效應(yīng)元件；布線基板，連接所述磁阻效應(yīng)元件從而構(gòu)成橋式電路；和傳感器保持 架，保持所述基板以及布線基板，在所述傳感器保持架上具有4的倍數(shù)的所述基板，至 少2個基板在布線基板面上傾斜80 100°。在該旋轉(zhuǎn)角度傳感器中，盡管橋式連接了 從同一晶片切出的4個元件，但無法吸收晶片面內(nèi)的偏差。日本專利特表2003-502876號公開了一種制造在同一晶片上具有多個感磁方向 的元件的方法。在該方法中，形成了所希望的元件圖案之后，通過一邊以加熱器對元件 進(jìn)行局部加熱一邊施加外部磁場，從而將固定層磁化方法設(shè)定為所希望的方向。圖41 以及圖42表示通過該方法得到的元件的配置。如圖42放大表示的那樣，雖然在箭頭方 向100存在具有反平行的固定層磁化方向的元件，但在與箭頭方向100垂直的箭頭方向 100’不存在具有反平行的固定層磁化方向的元件。因此，即便在這種元件配置中形成橋 式電路，也僅得到同相的輸出，無法得到全橋式輸出。此外，在元件間的角度為90°的 元件配置中，無法得到角度誤差以及畸變較小的輸出信號。日本專利特開2005-024287號公開了一種元件，該元件為了消除AMR效應(yīng)連接 了長邊方向90°不同的圖案。此外，專利第3587678號提出了降低Hk的半圓形狀或螺旋 狀的元件圖案。但是，這些結(jié)構(gòu)僅僅是消除AMR效應(yīng)和降低Hk，而不是為了降低角度 誤差而進(jìn)行信號處理。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具備使用了 SVGMR元件的磁傳感器的旋轉(zhuǎn) 角度檢測裝置，特別提供一種降低由磁傳感器的制造偏差等引起的角度誤差的旋轉(zhuǎn)角度 檢測裝置。本發(fā)明的第一旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置特征在于，具備磁體轉(zhuǎn)子、檢測來自所述磁 體轉(zhuǎn)子的磁束的方向的磁傳感器、修正電路、以及角度運(yùn)算電路，所述磁傳感器具有連接了 4個磁阻效應(yīng)元件的橋式電路X以及連接了 4個磁阻效應(yīng)元件的橋式電路Y，所述 各磁阻效應(yīng)元件具有自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜，該自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜具有固定層， 所具備的磁化方向被固定在一個方向；自由層，磁化方向以與外部磁場方向一致的方式 可變；以及中間層，被夾在所述固定層和所述自由層之間，所述修正電路根據(jù)所述橋 式電路X的輸出電壓Vx以及所述橋式電路Y的輸出電壓Vy計算差(Vx-Vy)以及和 (Vx+Vy),并且使二者的振幅一致，所述角度運(yùn)算電路通過對(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)'進(jìn) 行逆正切運(yùn)算求得所述磁體轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，該(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根據(jù)從所述修 正電路輸出的具有相同振幅的(Vx-Vy) ’信號以及(Vx+Vy)’信號而求得的。本發(fā)明的第二旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置特征在于，具備磁體轉(zhuǎn)子、檢測來自所述磁 體轉(zhuǎn)子的磁束的方向的磁傳感器、運(yùn)算放大器電路、修正電路、以及角度運(yùn)算電路，所 述磁傳感器具有連接了 4個磁阻效應(yīng)元件的橋式電路X以及連接了 4個磁阻效應(yīng)元件的橋 式電路Y，所述各磁阻效應(yīng)元件具有自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜，該自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜 具有固定層，所具備的磁化方向被固定在一個方向；自由層，磁化方向以與外部磁場 方向一致的方式可變；以及中間層，被夾在所述固定層和所述自由層之間，所述運(yùn)算放 大器電路根據(jù)所述橋式電路X的輸出電壓Vx以及所述橋式電路Y的輸出電壓Vy計算差 (Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，所述修正電路使從所述運(yùn)算放大器電路輸出的(Vx-Vy)信號 以及(Vx+Vy)信號的振幅一致，所述角度運(yùn)算電路通過對(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’進(jìn)行 逆正切運(yùn)算求得所述磁體轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，該(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根據(jù)從所述修正 電路輸出的具有相同振幅的(Vx-Vy) ’信號以及(Vx+Vy)’信號而求得的。優(yōu)選所述磁阻效應(yīng)元件的至少一個長邊方向相對于其固定層磁化方向傾斜銳角 θ ,該銳角θ滿足條件36° <45°。優(yōu)選在所述橋式電路X以及所述橋式電路Y的各自的4個磁阻效應(yīng)元件之中，2 個磁阻效應(yīng)元件相對于固定層磁化方向傾斜銳角Θ，剩余的2個磁阻效應(yīng)元件傾斜-θ。 優(yōu)選構(gòu)成橋式電路X以及橋式電路Y的各自半橋的2個磁阻效應(yīng)元件的固定層磁化方向 是反平行方向。優(yōu)選橋式電路X的磁阻效應(yīng)元件的長邊方向與橋式電路Y的磁阻效應(yīng)元件的長
邊方向垂直。通過將固定層磁化方向相同的磁阻效應(yīng)元件配置成不平行，消除AMR效應(yīng)，抑 制角度誤差。優(yōu)選自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜中的固定層-自由層間的互換耦合磁場Hmt為 士0.4kA/m 以內(nèi)。發(fā)明的效果本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置通過使根據(jù)橋式電路X的輸出電壓Vx以及橋式電路 Y的輸出電壓Vy得到的(Vx-Vy)信號以及(Vx+Vy)信號的振幅一致之后，對(Vx-Vy)/ (Vx+Vy)進(jìn)行逆正切運(yùn)算，能夠降低因磁傳感器的制造偏差等引起的角度誤差。


圖1是概略表示旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置的側(cè)面圖。圖2是表示磁阻效應(yīng)膜的層結(jié)構(gòu)的一例的剖面圖。
4
圖3是表示磁阻效應(yīng)膜的層結(jié)構(gòu)的其他例的剖面圖。圖4是表示磁阻效應(yīng)元件受到的磁能的概略圖。圖5(a)是表示直線狀的磁阻效應(yīng)元件的概略圖。圖5(b)是表示曲折狀的線狀磁阻效應(yīng)元件的概略圖。圖6(a)是表示形狀為連接多個圓的磁阻效應(yīng)元件的一例的概略圖。圖6(b)是表示形狀為連接多個圓的磁阻效應(yīng)元件的其他例的概略圖。圖7(a)是表示形狀為連接一部分被切去的多個圓的磁阻效應(yīng)元件的一例的概略 圖。圖7(b)是表示形狀為連接一部分被切去的多個圓的磁阻效應(yīng)元件的其他例的概 略圖。圖8(a)是表示形狀為連接多個半圓的磁阻效應(yīng)元件的一例的概略圖。圖8(b)是表示形狀為連接多個半圓的磁阻效應(yīng)元件的其他例的概略圖。圖9(a)是表示形狀為連接多個半圓的磁阻效應(yīng)元件的又一例的概略圖。圖9(b)是表示形狀為連接多個半圓的磁阻效應(yīng)元件的又一例的概略圖。圖10(a)是表示形狀為連接多個多角形的磁阻效應(yīng)元件的一例的概略圖。圖10(b)是表示形狀為連接多個多角形的磁阻效應(yīng)元件的其他例的概略圖。圖11是表示構(gòu)成磁傳感器的磁阻效應(yīng)元件的橋式電路的圖。圖12是表示相位偏移為0°時以及相位偏移為1°時的eeiT與eapp之間的關(guān)系 的曲線圖。圖13是表示相位偏移為1°時以及修正了相位偏移時的θ ot與θ app之間的關(guān)系 的曲線圖。圖14是表示本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置的一例的概略圖。圖15是表示本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置的其他例的概略圖。圖16是表示各橋式電路中的磁阻效應(yīng)元件的配置的一例的概略圖。圖17是表示針對磁阻效應(yīng)元件，形狀各向異性方向θ dip與角度誤差θ 的變化 幅度Δ θ趴之間的關(guān)系的曲線圖。圖18是表示針對樣品1-1以及樣品1-4的磁阻效應(yīng)元件，外部磁場Happ相對于 基準(zhǔn)軸的角度9app與角度誤差θ皿之間的關(guān)系的曲線圖。圖19是表示針對樣品1-4以及樣品1-5的磁阻效應(yīng)元件，θ app與θ err之間的關(guān) 系的曲線圖。圖20是表示針對樣品1-1以及樣品1-7的磁阻效應(yīng)元件，θ app與θ err之間的關(guān) 系的曲線圖。圖21是表示樣品1-1、樣品1-4、樣品1_5以及樣品1_7的磁阻效應(yīng)元件的諧波 分量的曲線圖。圖22是表示樣品1-1、樣品1-4、樣品1_5以及樣品1_7的磁阻效應(yīng)元件的諧波 發(fā)生率的曲線圖。圖23是表示使磁阻效應(yīng)元件的形狀各向異性Hkd固定時每個各向異性磁場Hk中 的磁阻效應(yīng)元件的Δ 0趴與θ dip之間的關(guān)系的曲線圖。圖24是表示使Hk固定時各Hkd中的磁阻效應(yīng)元件的Δ θ ot與9dip之間的關(guān)系的曲線圖。圖25是表示存在AMR效應(yīng)時以及不存在時的磁阻效應(yīng)元件的Δ θ ot與θ dip之 間的關(guān)系的曲線圖。圖26是表示各橋式電路中的磁阻效應(yīng)元件的配置的其他例的概略圖。圖27是表示磁阻效應(yīng)元件平行配置以及不平行配置時，加入了 AMR效應(yīng)的 Δ 9 ^的θ dip依賴性的曲線圖。圖28是表示磁阻效應(yīng)元件平行配置的樣品2-1、樣品2-5以及樣品2_7的諧波分 量的曲線圖。圖29是表示磁阻效應(yīng)元件不平行配置的樣品3-4以及樣品3-5的諧波分量的曲 線圖。圖30是表示樣品2-5以及樣品3-5的諧波分量的曲線圖。圖31是表示各Hmt_R1中的磁阻效應(yīng)元件的Δ θ皿與！！^心之間的關(guān)系的曲線圖。圖32是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置的一例的概略圖。圖33是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 一例的概略圖。圖34是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 其它例的概略圖。圖35是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 又一例的概略圖。圖36是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 又一例的概略圖。圖37是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 又一例的概略圖。圖38是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 又一例的概略圖。圖39是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 又一例的概略圖。圖40是表示構(gòu)成橋式電路的磁阻效應(yīng)元件的配置以及固定層磁化方向的關(guān)系的 又一例的概略圖。圖41是表示特表2003-502876號記載的磁阻效應(yīng)元件的配置的平面圖。圖42是表示圖41的一部分的放大圖。
具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限定于此。[1]旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置圖1表示旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置的一例。該裝置具備磁傳感器31，橋式連接了 SVGMR元件；圓盤狀永久磁體33，在與磁傳感器31對置的直徑方向上二極帶磁；裝配 架34，固定永久磁體33;以及與裝配架34—體的轉(zhuǎn)軸34b，當(dāng)永久磁體33旋轉(zhuǎn)時泄露 磁場發(fā)生變化。圖1中點劃線表示旋轉(zhuǎn)中心軸線，永久磁體33與磁傳感器32之間的箭
6頭32表示磁力線。由磁傳感器31檢測SVGMAR元件的面內(nèi)方向的磁場變化。圖1所 示的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置的其他例是磁傳感器從31移動至31’。磁傳感器31’的基板面 與永久磁體33的外周面對置，具有與所述旋轉(zhuǎn)中心軸線平行的中心軸線。[2]磁傳感器圖2概略表示SVGMR膜的層結(jié)構(gòu)的一例，但各層厚度的放大倍率并不是一定 的。SVGMR膜具有在基板10上依次形成的基底膜11、固定層12、中間層13、自由層 14以及保護(hù)層15。固定層12從下方依次具有反鐵磁性層121、第一鐵磁性層122、反平 行耦合層123以及第二鐵磁性層124，自由層14具有2層以上的鐵磁性層141、142。固 定層12具有固定為單向的磁化方向(單向的磁各向異性)。根據(jù)固定層磁化方向、和通 過外部磁場自由旋轉(zhuǎn)的自由層14的磁化方向所成的角度，電阻發(fā)生變化。圖3表示SVGMR膜的層結(jié)構(gòu)的其他例。由于該SVMGR膜具有從圖2所示的 SVGMR膜中除去了反鐵磁性層121的層結(jié)構(gòu)，因此固定層12的單向磁各向異性僅由鐵 磁性層122、124的反鐵磁性的耦合來表現(xiàn)。圖3所示的SVGMR膜不僅不需要使反鐵磁 性層結(jié)構(gòu)規(guī)則從而使固定層帶磁的熱處理工序，而且能夠在成膜過程中將固定層的各向 異性設(shè)定為任意方向。具體而言，在固定層中使用的2層鐵磁性層成膜時，至少在與中 間層13相接的鐵磁性層成膜時施加磁場，從而能夠使固定層磁化方向與施加磁場的方向 一致。在本發(fā)明中，通過將固定層磁化方向不同的SVGMR膜隔著絕緣層層疊4次，在 同一晶片上形成具有4個方向的固定層磁化方向的元件。圖4概略表示SVGMR元件(磁阻效應(yīng)元件)接受的磁能。θ Μ表示元件整體 的磁化方向，θ dip表示形狀各向異性方向，表示自由層的單軸磁各向異性方向。當(dāng) 對SVGMR元件施加外部磁場Happ時，疊加于元件的有效磁場M除了受到因元件形狀引 起的形狀各向異性Hkd以外，還受到因Hk、Hmt等SVGMR膜引起的磁場的影響，從而朝 向與Happ不同的方向。SVGMR元件接受到的磁能Etotal通過下式⑴求得。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置，具備磁體轉(zhuǎn)子、檢測來自所述磁體轉(zhuǎn)子的磁束的方向 的磁傳感器、修正電路、以及角度運(yùn)算電路，其特征在于，所述磁傳感器具有連接了 4個磁阻效應(yīng)元件的橋式電路X以及連接了 4個磁阻效應(yīng)元 件的橋式電路Y，每個所述磁阻效應(yīng)元件具有自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜，該自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜具 有固定層，所具備的磁化方向被固定在一個方向；自由層，磁化方向以與外部磁場方 向一致的方式可變；以及中間層，被夾在所述固定層和所述自由層之間，所述修正電路根據(jù)所述橋式電路X的輸出電壓Vx以及所述橋式電路Y的輸出電壓 Vy計算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，所述角度運(yùn)算電路通過對(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’進(jìn)行逆正切運(yùn)算求得所述磁體轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)角度，該(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根據(jù)從所述修正電路輸出的具有相同振幅的 (Vx-Vy) ’信號以及(Vx+Vy)’信號而求得的。
2.—種旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置，具備磁體轉(zhuǎn)子、檢測來自所述磁體轉(zhuǎn)子的磁束的方向 的磁傳感器、運(yùn)算放大器電路、修正電路、以及角度運(yùn)算電路，其特征在于，所述磁傳感器具有連接了 4個磁阻效應(yīng)元件的橋式電路X以及連接了 4個磁阻效應(yīng)元 件的橋式電路Y，每個所述磁阻效應(yīng)元件具有自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜，該自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜具 有固定層，所具備的磁化方向被固定在一個方向；自由層，磁化方向以與外部磁場方 向一致的方式可變；以及中間層，被夾在所述固定層和所述自由層之間，所述運(yùn)算放大器電路根據(jù)所述橋式電路X的輸出電壓Vx以及所述橋式電路Y的輸出 電壓Vy計算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，所述修正電路使從所述運(yùn)算放大器電路輸出的(Vx-Vy)信號以及(Vx+Vy)信號的振 幅一致，所述角度運(yùn)算電路通過對(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’進(jìn)行逆正切運(yùn)算求得所述磁體轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)角度，該(Vx-Vy) ’ /(Vx+Vy)’是根據(jù)從所述修正電路輸出的具有相同振幅的 (Vx-Vy) ’信號以及(Vx+Vy)’信號而求得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置，其特征在于，所述磁阻效應(yīng)元件的至少一個長邊方向相對于其固定層磁化方向傾斜銳角Θ，該銳 角θ滿足條件36° <45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置，其特征在于，在所述橋式電路X以及所述橋式電路Y的各自的4個磁阻效應(yīng)元件之中，2個磁阻效 應(yīng)元件相對于固定層磁化方向傾斜銳角Θ，剩余的2個磁阻效應(yīng)元件傾斜-θ。
全文摘要
本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置，具備磁體轉(zhuǎn)子、檢測來自磁體轉(zhuǎn)子的磁束的方向的磁傳感器、修正電路、以及角度運(yùn)算電路，磁傳感器具有分別連接4個磁阻效應(yīng)元件的橋式電路X以及橋式電路Y，各磁阻效應(yīng)元件具有自旋閥型巨磁阻效應(yīng)膜，修正電路根據(jù)橋式電路x的輸出電壓Vx以及橋式電路Y的輸出電壓Vy計算差(Vx-Vy)以及和(Vx+Vy)，并且使二者的振幅一致，角度運(yùn)算電路根據(jù)從修正電路輸出的具有相同振幅的(Vx-Vy)’信號以及(Vx+Vy)’信號，通過逆正切運(yùn)算求得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。
文檔編號G01D5/18GK102016513SQ201080001517
公開日2011年4月13日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者三俁千春, 岡田泰行, 相牟田京平 申請人:日立金屬株式會社