磁敏电阻倾斜角传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种自重摆式磁敏电阻倾斜角传感器，用轴承（１６）（１６’）将转轴（１５）固定在摆锤固定架（１７）上，转轴两端分别安装摆锤（１４）和永磁体（２１），采用磁敏电阻芯片（２０）通过圆锥梢面（２３）定位同心联接。摆锤固定架密封于充满阻尼油（１８）带有小孔（２７）的隔板（２４）下侧与端盖（１９）和外壳（２８）之中，隔板（２４）上侧部分填充阻尼油（２５）并保留一定的空隙（２６）。其优点在于：传感器定位同心度高，反应灵敏，抗振稳定性提高，温度特性好，小型化、成本低。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自重摆式磁敏电阻无触点倾斜角传感器。目前测量倾斜角度的传感器有差动变压器式、电容式、精密电位器式、石英振动法、Watson法、光码盘式、偏振片式、气泡电极式和“气流热丝式”式等多种结构。其中绝大部分结构复杂、成本较高，并且在使用寿命、环境适应性、微弱原始信号处理的稳定性及抗干扰能力方面具有一定的局限性。磁敏电阻型倾斜角传感器是一种结构型传感器。它采用磁敏电阻作为敏感元件(简称MR元件)，利用自重摆驱动永磁体转动，使MR元件无接触地感应磁通量的变化。将永磁体与MR元件相对转动角度的变化转化成为电阻阻值的变化，经过信号变换将倾斜角转换成标准电信号输出。正是由于结构上无触点信号感应的特点，使该类倾斜角传感器具有如下特点①除轴承外无机械磨擦②无电噪声，信噪比高；③使用寿命极长；④可靠性高；⑤MR元件对磁场强度的感应不受间隙中的水、油、汽、粉尘等介质的影响，大大提高了环境的适应性；⑥该倾斜角传感器设计巧妙、结构紧凑、原始信号大、易于标准化、分辨率较高，易于实现低成本化。目前的磁敏倾斜角传感器(原理结构如附附图说明图1所示)，转轴(1)由两个轴承(2)和(2＇)固定在摆锤固定架(3)上，自重摆(4)和半圆型永磁体(5)分别固定在转轴两端。磁敏电阻芯片(简称MR元件)(6)与在转轴(1)上固定的永磁体(5)同心安装在一起。摆锤固定架与端盖(9)联接。磁敏电阻芯片(6)结构原理如附图2所示，为圆形半桥式结构(13)。当自重摆与端盖发生相对转动时，引起永磁体(5)与半桥式磁敏电阻芯片(13)相对覆盖面积发生差动变化，导致输出电压Vout发生变化，旋转角度与输出电压的关系如图3所示。在Vout=1/2 Vin(Vin为输入电压)附近±45°范围近似为线性如图4。由于半导体材料一般温度系数较大，以InSb单晶、InSb薄膜、InSb-NiSb共晶复合材料制成的磁敏电阻芯片温度系数在1～2％，温度补偿复杂，离散性大，很难在高于55℃的环境中保证精度要求，大大限制了应用范围。在附图1所示的机械结构中，为了减少自重摆受到振动对输出信号的影响，摆锤与芯片整体密封于端盖(9)和外壳(12)之间的阻尼油(10)中。由于外界环境温度的变化，阻尼油体积会发生热胀冷缩，密封时必须留出一定的空间(11)，否则将必然导致阻尼油由于热膨胀而产生的泄漏。正是由于这一空隙的存在，在倾斜角传感器发生转动时，阻尼油的晃动反而会延长摆锤达到稳定所用时间；外界环境的振动也会引起阻尼油的颤动，影响整体传感器输出信号的稳定性。作为角度测量，保证永磁体与芯片的同心度是至关重要。以图1所示结构或采用通常圆台(8)定位，往往会出现误差单边积累造成整体传感器线性度降低。通常在倾斜角传感器的制造过程中，固定架(3)、(7)安装在端盖(9)的中心，这样摆锤可以实现360°连续旋转。由于此种传感器输出特性线性区间±45°的限制，造成传感器内部上半部基本无用，空间利用率不高，无论从材料消耗、加工工时、阻尼油填充量和产品的小型化、低成本化方面来说，均为不利因素。本专利技术的目的在于提供一种适应小角度倾斜角测量、温度适用范围大、抗振稳定性高、易于实现小型化和低成本化的传感器。本专利技术的构成如附图5所示，采用半导体磁敏电阻芯片(20)作为倾斜角测量的敏感元件，用轴承(16)和(16＇)将转轴(15)固定在摆锤固定架(17)上，在转轴两端分别安装摆锤(14)和永磁体(21)，磁敏电阻芯片(20)同心粘接在芯片固定架(22)上。芯片固定架与摆锤固定架之间以相同圆锥梢面(23)定位，保证芯片与永磁体之间的同心度。磁敏电阻芯片(20)与永磁体(21)之间保持0.1～2毫米的间隙，构成无触点信号感应结构。摆锤固定架密封于矩形隔板(24)下侧与端盖(19)和外壳(28)之中。图5是本专利技术的结构示意图在摆锤(14)和摆锤固定架(17)上侧加入一块矩形隔板(24)，将传感器内部分成上下两个空间，其体积比为50％∶50％至1％∶99％之间，具体比率值由传感器内部所装阻尼油的体膨胀量确定。矩形隔板(24)上带有1个或多个小通孔(27)，孔的直径为0.1～15毫米，所打孔的面积总和应小于隔板总面积的50％；阻尼油将矩形隔板(24)下方填满，矩形隔板上方空间(25)部分填充阻尼油，所留气体空隙(26)大于阻尼油的体膨胀量，当外界环境温度发生变化时，阻尼油体积会发生相应改变，它可通过矩形隔板(24)上的孔隙(27)上下相互渗透，摆锤所处空间总是处于阻尼油填满状态；当整体传感器发生转动或外界环境产生振动时，尽管上空间未填满的阻尼油会产生流动或晃动，但不会影响到下空间已填满的阻尼油发挥正常的阻尼作用。这种结构解决了无隔板时，倾斜角传感器内部由于预留空气间隙的存在，外界振动或存在转动冲量状态下产生阻尼油晃动，冲击自重摆往复运动导致输出信号难于稳定的弊病，大大减少了传感器达到稳定输出所用时间，提高了传感器抗振稳定性。倾斜角传感器作为角度测量装置，自重摆(14)驱动的永磁体(21)与磁敏电阻芯片(20)的定位同心度是直接影响传感器线性度的关键因素。本专利技术采用MR元件(20)与芯片固定架(22)精密同心粘接，芯片固定架(22)与摆锤固定架(17)之间采用圆锥梢面(23)配合，形成组装过程梢面自动对中。这种方法可以克服以圆台或圆形凹槽定位组装时，机加工零件误差单向积累造成的同心度偏差，大大提高传感器的线性度。正是由于芯片固定架与摆锤固定架之间圆锥梢面配合解决了同心度问题，可以将摆锤固定架偏心安置，如附图5(a)所示，偏心距(30)如附图5-(b)所示，可由摆长或摆锤产生力矩及测量角度范围所决定。大大减少了倾斜角传感器的外形尺寸，实现产品的小型化，降低了各种原材料消耗和加工成本。在工业环境许多应用领域中，要求使用温度范围较大(如-40～125℃)测量角度范围较小(如≤±35°)。本专利技术采用强磁性坡莫合金磁敏电阻芯片，替代半导体型磁敏电阻芯片。尽管坡莫合金材料磁阻变化率为2～5％，远远低于半导体型磁敏电阻材料，但其温度系数比半导体磁敏电阻材料小一个数量级，一般为0.1～0.2％。坡莫合金薄膜磁敏电阻材料，如Ni-Fe、Ni-Co、Ni-Fe-Co等，由于材料内部结构的各向异性，电阻率与外加磁场之间的关系为 ρ=ρ∥cos2θ+ρ⊥sin2θ其中ρ∥为外加磁场平行于通过磁敏电阻芯片电流方向时的电阻率ρ⊥为外加磁场垂直于通过磁敏电阻芯片电流方向时的电阻率θ为外加磁场与通电电流方向之间的夹角如附图6和附图8所示，用镀在衬底片(34)上的低维坡莫合金磁敏电阻薄膜，采用光刻、湿法化学侵蚀或干法离子刻蚀制成四组条纹相互垂直、惠斯登四臂电桥(31)的芯片(36)作为敏感元件，替代半导体磁敏电阻芯片(20)同心安装在芯片固定架(22)上。衬底片(34)可用微晶玻璃、玻璃、陶瓷片、氧化铝、氧化镁、铁氧体或硅片等制成。采用表面磁场强度500～3500奥斯特的永磁体材料作为信号触发永磁体(37)，将永磁体N、S极方向与转轴(38)径向方向平行安装。当通过该芯片平面的磁场(33)方向发生转动时，输出电压与转动角度之间的关系如附图7所示。全桥结构低维坡莫合金磁敏电阻芯片，由于差动结构特点，其灵敏度为半桥式坡莫合金芯片的2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自重摆式磁敏电阻无触点倾斜角传感器，其特征在于：采用半导体磁敏电阻芯片（２０）作为倾斜角测量的敏感元件，用轴承（１６）和（１６′）将转轴（１５）固定在摆锤固定架（１７）上，在转轴两端分别安装摆锤（１４）和永磁体（２１），磁敏电阻芯片（２０）同心粘接在芯片固定架（２２）上；芯片固定架与摆锤固定架之间以相同圆锥梢面（２３）定位，保证芯片与永磁体之间的同心度；磁敏电阻芯片（２０）与永磁体（２１）之间保持０．１～２毫米的间隙，构成无触点信号感应结构；摆锤固定架密封于矩形隔板（２４）下侧与端盖（１９）和外壳（２８）之中；在摆锤（１４）和摆锤固定架（１７）上侧加入一块矩形隔板（２４），将传感器内部分成上下两个空间，其体积比为５０％∶５０％至１％∶９９％之间，具体比率值由传感器内部所装阻尼油的体膨胀量确定；矩形隔板（２４）上带有１个或多个小通孔（２７），孔的直径为０．１～１５毫米，所打孔的面积总和应小于隔板总面积的５０％；阻尼油将矩形隔板（２４）下方填满，矩形隔板上方空间（２５）部分填充阻尼油，所留气体空隙（２６）大于阻尼油的体膨胀量，当外界环境温度发生变化时，阻尼油体积会发生相应改变，它可通过矩形隔板（２４）上的孔隙上下相互渗透，摆锤所处空间总是处于阻尼油填满状态；磁敏电阻芯片（２０）与芯片固定架同心粘接，芯片固定架与轴承固定架之间采用圆锥梢面（２３）配合，形成组装过程梢面自动对中。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田跃，鲁武军，邱宏，黄筱玲，潘礼庆，
申请(专利权)人：北京科大天宇微电子材料技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]