[0001] 本发明实施例涉及磁传感器技术领域，具体涉及一种磁阻元件、磁传感器及其制备方法以及电机。

[0002] 直线电机是一种通过磁场检测而实现位移检测与定位的装置，主要由磁栅尺、磁传感器、机械支撑结构与信号处理模块组成。直线电机运动控制的分辨率受许多因素影响，比如磁栅尺与磁传感器芯片装配的相对位置、直线电机的机械结构设计和信号处理模块设计等。磁传感器读头的分辨率取决于其输出的波形是否为完整的正弦波。其输出的两相原始波形信号越接近正弦波与余弦波，信号‑角度转换的准确度越高，也更有利于后续信号处理电路中细分电路的处理。目前用于制备磁传感器读头中磁阻元件的各向异性磁阻材料在磁场中电阻率的变化具有饱和现象，即所制备的磁阻元件会输出高次谐波分量信号，造成干扰。

[0034] 下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

[0035] 本申请提供的是一种磁阻元件，用于解决现有磁阻元件会输出高次谐波分量信号造成干扰的技术问题。

[0036] 图1示出了本发明磁阻元件的第一实施例的结构图，一种磁阻元件包括：

[0037] 至少两个串联的磁阻结构；

[0038] 每一磁阻结构均包括串联设置的第一类磁阻条α以及第二类磁阻条β；

[0039] 第一类磁阻条α为沿第一方向设置的第一磁阻条，第二类磁阻条β为沿第二方向设置的第二磁阻条；第一方向与第二方向呈目标夹角设置；

[0040] 任一磁阻结构的第一磁阻条与当前磁阻结构的第二磁阻条呈第一相位差设置，任一磁阻结构的第一磁阻条与另一磁阻结构的第二磁阻条呈第二相位差设置；第一相位差与第二相位差具有倍数关系，以消除高次谐波。

[0041] 在上述实施例中，通过在每一磁阻结构设计两种延伸方向不同的第一类磁阻条α以及第二类磁阻条β，使之呈目标夹角A1/A2设置，并使得任一磁阻结构的第一磁阻条与当前磁阻结构的第二磁阻条呈第一相位差设置，任一磁阻结构的第一磁阻条与另一磁阻结构的第二磁阻条呈第二相位差设置；第一相位差与第二相位差具有倍数关系，以消除高次谐波，从而使得磁阻元件输出的高次谐波信号的有效值为零，实现消除高次谐波的目的，通过本申请的技术方案解决现有磁阻元件会输出高次谐波分量信号造成干扰的技术问题。进而可以达到提高采用本申请的磁阻元件的电机的位移定位与角度检测分辨率作用。

[0042] 另外，通过上述夹角设计，可以较好的利用磁阻元件的空间布局，提高磁阻元件所占据空间的面积利用率。因此，本发明提出的磁传感器设计方案可应用于小极距、多对极磁码盘与磁栅尺，不仅有利于高次谐波的消除，且在设计时充分考虑了传感器面积尺寸的小型化，降低了制备成本。

[0043] 在一可选实施例中，磁阻结构的数量为偶数个，两个磁阻结构的第一类磁阻条α呈对角且平行设置；两个磁阻结构的第二类磁阻条β呈对角且平行设置；第N个磁阻结构的第二磁阻条与第2N个磁阻结构的第一类磁阻条α呈第三相位差设置。

[0044] 通过对角且平行设计，使得某一磁阻条与左右相邻的两个磁阻条之间的两个相位差均存在规律的倍数关系，从而可以实现全面的高次谐波的消除。

[0045] 另外，沿第一方向以及第二方向设置仅仅是为了说明两者的具有不同的延伸方向，具体使用时这两个方向可以任意改变，仅需要保证目标夹角的数值即可实现本申请的目的。

[0046] 可选地，第一相位差与第二相位差的倍数关系为5倍。

[0047] 可选地，第一磁阻条以及第二磁阻条的线宽范围均为3μm‑20μm；第一磁阻条以及第二磁阻条的长度范围均为40μm‑300μm。

[0048] 在一可选实施例中，参照图2所示，磁阻元件由多个平行的磁阻条结构组成，每一磁阻条结构通过导线首尾相连，每一磁阻条结构由至少一个磁阻结构构成。

[0049] 上述结构可以减少磁阻条连接所需的导线折线部分，整体的磁阻元件结构更为规整，最大程度上减小了面积，还降低了制造难度。

[0050] 可选地，目标夹角为150°。

[0051] 可选地，第一磁阻条以及第二磁阻条的线宽范围均为3μm‑20μm；第一磁阻条以及第二磁阻条的长度范围均为20μm‑200μm。

[0052] 可选地，参照图1所示，目标夹角A1/A2为150°或30°。

[0053] 可选地，参照图2所示，目标夹角A3为150°或30°，当A3为150°时，A4为15°；当目标夹角A3为30°时，A4为75°。

[0054] 上述方案可以保证一个A3和两个A4加起来共180°。其中，A3为150°可以让磁阻条尽量保持竖直，这样可以更节约空间。

[0055] 根据本发明实施例的第二方面，本发明还提出一种磁传感器，磁传感器包括8个如上的磁阻元件，磁阻元件两两一组结构对称设置，相邻的磁阻元件的间隔空间相位差为λ/4。

[0056] 参照图3或图4所示，主要包括8个磁阻元件和若干个电极结构。8个磁阻元件命名为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8，相邻磁阻元件间隔空间相位差为λ/4(λ为对应的磁栅尺或磁码盘的磁极距)。其中，每个磁阻元件由若干个曲折的磁阻结构串联组成，每个曲折的磁阻结构由两种不同角度的磁阻条串联组成，其夹角为150°或30°。该种设计有利于磁感应检测输出信号高次谐波的消除，能够在充分利用磁传感器面积尺寸的同时提升实际应用中电机的分辨率。

[0057] 上述磁传感器的特征为每个磁阻元件均由若干个曲折的磁阻结构串联组成，且每个曲折的磁阻结构均由两种角度的第一类磁阻条α以及第二类磁阻条β串联组成，其夹角为150°或30°；2)两种角度的磁阻条具有相同的线宽，其线宽可为3‑20μm。3)对于每一个磁阻元件，所有的两种角度的第一类磁阻条α以及第二类磁阻条β分别串联后，其几何长度是保持一致的。α和β两种角度的磁阻条的长度可为40‑300μm。即两种角度的磁阻条的零场电阻和几何尺寸是保持一致的。

[0058] 当外磁场变化的相位为δ时，令检测到该外磁场的磁阻元件R1的第一类磁阻条α的输出信号反应的角度为θ＝2δ(各向异性磁电阻薄膜材料本身具有倍频特性)。定义：R1α为磁阻元件R1中所有第一类磁阻条α串联后的阻值，R1β为磁阻元件R1中所有第二类磁阻条β串联后的阻值，R3α为磁阻元件R3中所有第一类磁阻条α串联后的阻值，R3β为磁阻元件R3中所有第二类磁阻条β串联后的阻值。当R1α输出信号反应的角度为θ＝2δ时，与第一类磁阻条α夹角为30°的第二类磁阻条β(两种磁阻条间相位差150°，即5π/6)，R1β输出信号反应的角度为：同一时刻，由于磁阻元件R3和R1在空间上相差λ/2，即
具有π/2相位差，则R3α和R3β输出信号反应的角度分别为：(θ+π)和 又由于两种磁阻条在全部串联后的零场电阻是一致的，设R1α、R1β、R3α和R3β在零场时阻值为a0，所施加的电源电压为V，则R1α、R1β、R3α和R3β可写为傅里叶展开模式：

[0059]

[0060]

[0061]

[0062]

[0063] 则该惠斯通半桥可输出信号的大小为：

[0064]

[0065]

[0066] 当n为奇数时，即当n＝2m‑1时(m为大于零的整数)，有：

[0067] cosn(θ+π)＝‑cosnθ

[0068]

[0069]

[0070]

[0071] 当n为偶数时，即当n＝2m时(m为大于零的整数)，有：

[0072] cosn(θ+π)＝cosnθ

[0073]

[0074]

[0075] 则上式可写为：

[0076]

[0077]

[0078] 可知n为偶数时，上述公式中分子的傅里叶偶次项可与分母抵消约分为常数。

[0079] 可知n为3或3的倍数时，输出的高次谐波信号有效值为0。

[0080] 因此可以认为该种设计方案对于磁传感器输出信号高次谐波消除是有效的。

[0081] 对于第一类磁阻条α和第二类磁阻条β夹角为150°的情况(该种情况下，同一磁阻元件中第一类磁阻条α和第二类磁阻条β空间相位差为30°，即π/6，其检测信号的相位差为π/3)，其原理与上述推导过程一致。

[0082] 因此，根据上述分析可知，本申请所提出的磁传感器可以实现较好的高次谐波消除效果，实际实验室测定的效果也如此。

[0083] 由于上述磁传感器采用磁阻元件进行制作，因此，磁传感器包含了磁阻元件的所有方案以及有益效果，在此不再赘述。

[0084] 根据本发明实施例的第三方面，本发明还提出一种磁传感器的制备方法，其特征在于，磁传感器的制备方法用于制备如上的磁阻元件或如上的磁传感器，磁传感器的制备方法包括：

[0085] 在衬底上通过磁控溅射法沉积Ta/NiFe/Ta结构的多层膜；

[0086] 此时，优选地，Ta层的厚度为3‑10nm，NiFe层的厚度为20‑50nm，溅射过程中设备的‑7本底真空优于3.0×10 Torr，且硅片衬底两侧需施加取向磁场。衬底可以选用单面抛光，表面沉积有厚度为300nm的SiO2绝缘层材料。

[0087] 在多层膜上刻蚀出磁阻元件的磁阻结构图案或磁传感器的磁阻结构图案；

[0088] 此时可以通过光刻等微加工工艺刻蚀出曲折的磁阻结构图案，具体图案参照磁阻元件中所公开的方案，再由若干个曲折的磁阻结构串联成磁阻元件。每个磁阻元件在材质和几何形状等方面均是一致的。

[0089] 溅射生长金属的电极层薄膜；

[0090] 其中，电极层薄膜的材质可以选用Au、Ag、Cu、Cr、Al、Pt等导电性能优异的金属材‑料，在溅射生长金属的厚度达到50‑300nm时完成溅射生长。溅射时本底真空优于3.0×10
7
Torr。

[0091] 通过套刻工艺加工电极层薄膜出电极图案，以按照磁阻元件的结构或磁传感器的结构连接各个磁阻结构。

[0092] 在上述实施例中，最后得到的磁阻层为材料均为Ni81Fe19合金。

[0093] 通过上述方案，可以实现完整的磁阻元件以及磁传感器的制作。

[0094] 由于上述磁传感器的制备方法采用磁阻元件进行制作，因此，磁传感器的制备方法包含了磁阻元件的所有方案以及有益效果，在此不再赘述。

[0095] 根据本发明实施例的第四方面，本发明还提出一种电机，参照图5所示，电机包括多对极磁栅尺、磁码盘以及如上的磁传感器，磁栅尺磁表面与磁传感器表面平行设置，磁传感器的磁阻元件的空间位置参数与磁栅尺的磁极距互相匹配。

[0096] 其中，磁传感器的磁阻元件的空间位置参数应与磁栅尺的磁极距互相匹配：若磁栅尺的极距λ＝1mm，即一个N极或一个S极的极距为1mm(一个外磁场周期(N+S)是2mm)时，该磁栅尺所匹配的磁传感器中，相邻磁阻元件的空间位置差为λ/4(0.25mm)，即8个磁阻元件所占空间位置为一个外磁场周期(N+S)。

[0097] 本发明实施例中电极结构用于电源供电和输出信号。本实施例中外磁场可由磁极距为0.2‑3mm的多对极磁栅尺和磁码盘提供，在进行装配时需保证磁栅尺磁表面与磁传感器平行。8个磁阻元件在空间上连接成惠斯通双桥的电路结构。当磁传感器感应的外磁场变化了一定的角度，各向异性磁电阻材料制备的磁阻元件因空间上排布的角度不同，惠斯通桥臂电压随之改变，从输出端电极可引出正弦信号和余弦信号。再根据反正切公式即可实现角度提取与测量。而该实施例中磁编码器设计方案能够有效消除输出信号中的高次谐波，且提高有效利用面积，在更好地节约晶圆尺寸的同时使得输出信号更接近完整的正弦波与余弦波，从而提升实际应用中电机的分辨率。

[0098] 由于上述电机采用磁阻元件进行制作，因此，电机包含了磁阻元件的所有方案以及有益效果，在此不再赘述。

[0099] 在此提供的算法或显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。此外，本发明实施例也不针对任何特定编程语言。

[0100] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。其中，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

[0101] 本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外。

[0102] 应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。