TWI780559B - 位置感測機構 - Google Patents

Abstract

本發明所提供之位置感測機構乃係包含了有一作為感測訊號源的編碼元件，一用以進行感測該訊號源訊號之讀取元件，以及一用以接收並解析該讀取元件所輸出感測信號之處理單元，而其技術上的主要特徵則係在於使該讀取元件中用以進行感測訊號源訊號之磁阻單元，係為穿隧磁阻(Tunneling Magneto-Resistance, TMR)，並使穿隧磁阻之參考層(reference layer)與自由層(free layer)兩層的磁矩彼此垂直，同時彼此磁矩為垂直之參考層與自由層中，其中一層的磁矩係平行於膜面，而另一層的磁矩則垂直於膜面。

Description

位置感測機構

本發明係與感測技術有關，特別是關於一種位置感測機構，其係利用穿隧式磁阻進行位置之感測者。

藉由感測編碼元件中如磁或光等特定訊號在位置變動下所產生的變化，以進行位置解析的感測技術，係為習知技術中被廣泛採用的技術手段。具體而言，例如US6100681A號專利前案中，其利用了彼此相對位差為90度的兩組霍爾感測晶片，來感測沿著一移動方向上的位置變動。又或者如US20090102461A號專利公開案中所揭，將編碼元件所提供的，以磁為訊號源的技術中，將其所具有的兩磁軌分別設為二進位制及十進位制，再以多數的離散式霍爾感測元件分別感測各個磁軌的磁場變化，據以解析以獲知其位置資訊。是等以霍爾元件作為磁感測元件的技術手段，固然為位置感測技術中通常之技術，惟由於霍爾元件本身具有較高的耗電量與較低的靈敏度，致使在作為位置感測元件上仍有其限制，特別是在需求低功耗與高感測靈敏度的應用上，霍爾感測元件已難以滿足產業之需求。

在習知技術中更進一步的，則有如圖1所示之US10480963號專利所揭，其雖亦利用了霍爾感測器(1)來作為絕對列磁軌(2)的感測元件，但在增量列磁軌(3)的感測上，則係採用了自旋閥式穿隧磁阻元件(4, Spin-Valve Tunneling Magneto-Resistance, SV TMR)或異向性磁阻元件(Anisotropic Magneto-Resistance, AMR)等相對低功耗與高靈敏度之磁阻元件作為感測元件，期以獲得較佳的感測靈敏度者，但因自旋閥式穿隧磁阻元件(4)或異向性磁阻元件係藉由感測磁軌移動時所造成的磁場角度變化，來獲得位置解析的訊息，而為能準確地感測增量列磁軌中的磁場角度變化，即必需使自旋閥式穿隧磁阻元件或異向性磁阻元件之膜面位於x-z平面上，從而造成了與位於x-y平面上的絕對列磁軌感測元件即霍爾感測器(1)，是處於位在不同平面上的空間狀態，進而衍生了必需透過組裝，將絕對列與增量列的各個感測元件，在以零件身分獨立被製成後，再個別地進行精準對位後組裝至基板(圖上未示)上，如此一來，非僅徒增了組裝的工序與成本，對位的精準程度更影響到位置判別的精確性，難以有效地提高產品的良率。

因此，本發明之主要目的即係在提供一種位置感測機構，其係利用穿隧式磁阻進行位置之感測，且係將感測元件直接於基板上成型以獲得具有複數感測元件的一體式感測器，據以免除感測元件以獨立的離散零件身分被組裝至基板上的組裝工序，確保位置感測的精度不受不良組裝工序所影響者。

緣是，為達成上述目的，本發明所提供之位置感測機構乃係包含了有一作為感測訊號源的編碼元件，一用以進行感測該訊號源訊號之讀取元件，以及一用以接收並解析該讀取元件所輸出感測信號之處理單元，而其技術上的主要特徵則係在於使該讀取元件中用以進行感測訊號源訊號之磁阻單元，係為穿隧磁阻(Tunneling Magneto-Resistance, TMR)，並使穿隧磁阻之參考層(reference layer)與自由層(free layer)兩層的磁矩彼此垂直，同時彼此磁矩為垂直之參考層與自由層中，其中一層的磁矩係平行於膜面，而另一層的磁矩則垂直於膜面。

其中，所述磁矩垂直於膜面者係可為該參考層或該自由層。

首先，請參閱圖2所示，在本發明一較佳實施例中所提供之位置感測機構(10)主要乃係包含了有一編碼元件(20)、一讀取元件(30)以及一處理單元(圖上未示)。

該編碼元件(20)乃係以磁場作為訊號源之習知磁性尺技術，其在構造上包含了一絕對列磁軌(21)與一增量列磁軌(22)，並使該絕對列磁軌(21)與該增量列磁軌(22)彼此並列地沿著一虛擬之移動軸延伸，且係在如圖2所示的x-y平面依據預設的編碼方式使磁極產生變動，一般來說，該移動軸通常是呈直線狀，且與磁性尺的長度方向為一致的，但關於包含有該絕對列磁軌(21)與該增量列磁軌(22)的磁性尺技術，由於係屬本發明所屬技術領域之通常知識者於本發明申請前既已知悉之先前技術內容，故對其具體的磁極排列、製程或相關之技術，於此即不再另為贅陳。

該讀取元件(30)則係包含了第一磁阻單元(31)與第二磁阻單元(32)，而各磁阻單元之數量則可依實際需求加以設定，其數量之多寡並無礙於本發明技術特徵之達成，緣不就其數值加以說明，就該讀取元件(30)之整體而言，其乃係與該編碼元件(20)相隔開來地相鄰於該編碼元件(20)之一側，並使該讀取元件(30)往該編碼元件(20)之投影範圍可以涵蓋到該絕對列磁軌(21)與該增量列磁軌(22)，俾得以在該讀取元件(30)與該編碼元件(20)彼此，無論係使該讀取元件(30)相對於該編碼元件(20)移動、或使該編碼元件(20)相對於該讀取元件(30)移動，當兩者在該移動軸上產生相對位移時，均得使該該增量列磁軌(22)與該絕對列磁軌(21)之磁場變化，由該讀取元件(30)所感測得知，具體上來說，該第一磁阻單元(31)乃係對應於該絕對列磁軌(21)，以感測在上述的相對位移狀態下時，該絕對列磁軌(21)之磁場變動，而該第二磁阻單元(32)則係對應於該增量列磁軌(22)，以感測在上述的相對位移狀態下時，該增量列磁軌(22)之磁場變動，從而藉由該第一磁阻單元(31)與該第二磁阻單元(32)在感測該絕對列磁軌(21)與該增量列磁軌(22)的磁場訊號後，所輸出的感測信號，該處理單元即可依據該些感測信號解析出該讀取元件(30)與該編碼元件(20)的相對位置，以取得移動位置的訊息，俾供作為如線性馬達或旋轉馬達等驅動元件之控制使用。

而需更進一步加以提出說明者係，該第一磁阻單元(31)與該第二磁阻單元(32)係有別於習知技術對於絕對列與增量列採用不同感測元件的技術，而係使該第一磁阻單元(31)與該第二磁阻單元(32)兩者為相同技術的構造，而於本實施例中所揭者，係使該第一磁阻單元(31)與該第二磁阻單元(32)均為如圖3所示的穿隧磁阻(Tunneling Magneto-Resistance, TMR)構造，惟其中，該第一磁阻單元(31)係可為具有單一磁穿隧接面(Single Magnetic Tunneling Junction, Single MTJ)之穿隧磁阻，而該第二磁阻單元(32)則為橋式穿隧磁阻(Bridge TMR)，並使穿隧磁阻構成中的參考層(301, reference layer)與自由層(302, free layer)兩層的磁矩(303)為相互垂直之狀態，同時令該參考層(301)之磁矩垂直於膜面，以及令該自由層(302)之磁矩平行於膜面，從而使該參考層(301)與該自由層(302)之磁矩具有正交異向性，並使穿隧磁阻之感測膜面位於如圖2所示的x-y平面上，據此，穿隧磁阻之電阻即可對垂直方向(如圖3所示之感測軸即圖2所示之z方向)上的外加磁場變化產生如圖4所示之線性變化。

再者，該第二磁阻單元(32)之穿隧磁阻，其位於如圖2所示x-y平面上的感測膜面，即可受到該增量列磁軌(22)所產生的如圖二所示z方向之弦波場，以產生如圖5之感測信號，同時，該第一磁阻單元(31)之穿隧磁阻，其位於如圖2所示x-y平面上的感測膜面，僅需判別該絕對列磁軌(21)在如圖二所示z方向上磁場上之正負，因此，在上述之相對位移時下，該第一磁阻單元(31)之穿隧磁阻中的自由層(302)將會隨著磁極變化而改變方向，而參考層(301)則保持著相同的方向，從而造成高低電阻差，以產生如圖6所示之感測信號，以判別其磁極極性。

藉由穿隧磁阻之參考層(301)與該自由層(302)間的磁矩正交異向性，即得以透過具有相同構造的穿隧磁阻來感測磁性尺中的絕對列磁軌與增量列磁軌的磁場變動，據以獲悉正確的位置訊息。

更重要的是，該第一磁阻單元(31)與該第二磁阻單元(32)除具有相同的構造外，其與該編碼元件(20)之相對位置亦係以同一平面為基準，即係圖2所示之x-y平面，如此一來，構成該第一磁阻單元(31)與該第二磁阻單元(32)之穿隧磁阻，即可透過習知的半導體製程，以相同的薄膜沉積、黃光微影與蝕刻製程中，將預定數量與已定義相對位置的第一磁阻單元(31)與第二磁阻單元(32)一次成型於一基板(33，圖2中以虛線示意者)上，從而免除如習知技術般需將離散的不同感測元件進行組裝所衍生的缺失，以獲得不需進行感測元件組裝，以確保感測精度的位置感測機構。

(1):霍爾感測器                                      (2):絕對列磁軌 (3):增量列磁軌               (4):自旋閥式穿隧磁阻元件 (10):位置感測機構         (20):編碼元件                 (21):絕對列磁軌 (22):增量列磁軌             (30):讀取元件                 (301):參考層 (302):自由層                   (303):磁矩                       (31):第一磁阻單元 (32):第二磁阻單元         (33):基板

圖1係習知技術之立體示意圖。 圖2係本發明一較佳實施例之立體示意圖。 圖3係本發明一較佳實施例中作為磁阻單元之穿隧磁阻平面示意圖。 圖4係本發明一較佳實施例之電阻與磁場之關係圖。 圖5係本發明一較佳實施例對於增量列之感測信號波形圖。 圖6係本發明一較佳實施例對於絕對列之感測信號波形圖。

(301):參考層

(302):自由層

(303):磁矩

Claims (5)

1. 一種位置感測機構，包含有：一編碼元件，具有一絕對列磁軌與一增量列磁軌，係彼此並列地沿著一虛擬之移動軸延伸；一讀取元件，係相鄰於該編碼元件並與之相隔開來，且於該移動軸上與該編碼元件間有相對位置之改變，該讀取元件係具有一受該絕對列磁軌所作用之第一磁阻單元，以及一受該增量列磁軌所作用之第二磁阻單元；一基板，並使具有相同技術的構造之該第一磁阻單元與該第二磁阻單元在相同的薄膜沉積、黃光微影與蝕刻製程同時成形於該基板上，且令該第一磁阻單元及該第二磁阻單元彼此之間的相對位置係以同一平面為基準；一處理單元，係與該讀取單元為電性之連接，用以接收該第一磁阻單元與該第二磁阻單元分別受該絕對列磁軌與該增量列磁軌作用下，各自產生之訊號，據以進行位置之解析；其特徵在於：該第一磁阻單元係具有單一之磁穿隧接面(Single Magnetic Tunneling Junction,Single MTJ)之穿隧磁阻，該第二磁阻單元係為橋式穿隧磁阻(Bridge TMR)，並使參考層(reference layer)與自由層(free layer)之磁矩彼此垂直，同時使該參考層與該自由層中，其中一層之磁矩係平行於膜面，而另一層之磁矩則垂直於膜面，從而使該參考層與該自由層之磁矩具有正交異向性。
2. 如請求項1所述之位置感測機構，其中，該編碼元件係沿該移動軸相對該讀取元件移動。
3. 如請求項1所述之位置感測機構，其中，該讀取元件係沿該移動軸相對該編碼元件移動。
4. 如請求項1所述之位置感測機構，其中，磁矩垂直於膜面者係為參考層。
5. 如請求項1所述之位置感測機構，其中，磁矩垂直於膜面者係為自由層。

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