高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁场分析与AMR检测磁头设计

D0I:10.13374/i.1s8n1001053x.2001.05.012 第26卷第5期 北京科技大学学报 VoL26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁场分析与 AMR检测磁头设计 王立锦12)胡强)滕蛟》朱逢吾》 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室，北京100080 摘要应用静磁场理论分析了高分辨磁旋转编码器磁鼓的表露磁场，通过数值计算得到磁 鼓表露场分布的直观曲线.设计制作出性能优良的磁旋转编码器AMR检剥磁头，理论分析 结果与对磁鼓表露磁场的实际测试结果进行了分析对比，结果表明，AR检测磁头输出信号 形状与幅度及其倍颍特性与理论计算结果是相符的， 关键词磁性旋转编码器：各向异性磁电阻(AMR):磁电阻磁头 分类号0484.43 磁性编码器是近年发展起来的一种新型编 充磁后形成有一定间距的磁极信号，磁极的表露 码器.与光学编码器相比，磁性编码器不易受尘 场周期性地分布在磁鼓周围，磁鼓旋转时则检测 埃和结露影响，其结构简单紧凑，可高速运转，响 磁头检测出周期性变化的信号，低分辨率（小于 应速度快（达500-700kHz),体积小，成本低.目前 100)的磁鼓通常是用钕铁硼材料压制成环然后 高分辨的磁旋转编码器分辨率可达每圈数千个 充磁而成，其磁化磁极宽度大，表露磁场强，适合 脉冲，因此在精密机械、磁盘驱动器等各个领域 于用半导体霍尔元件来作检测磁头，.高分辨率 旋转量（位置、速度、角度等）的检测和控制有着 (几百到数千)的磁鼓由于其磁极宽度非常小，磁 广泛的应用. 性材料的厚度非常薄(<lmm),其表露磁场也非 磁性编码器由磁鼓和磁传感器磁头构成.高 常弱，其检测磁头必须用灵敏度更高的各向异性 分辨的磁旋转编码器的磁鼓是由在铝鼓的外缘 金属磁电阻磁头或巨磁电阻磁头， 涂布一层磁性材料而成，磁头先前是用感应式录 间隙 音机磁头而现在多采用各向异性金属磁电阻磁 头或巨磁电阻磁头，这种磁头采用光刻等微加工 磁阻元件 工艺制作，精度高，一致性好，结构简单并且灵敏 度高，其分辨率可与光学编码器相媲美.研究高 输出脉冲 分辨磁性编码器磁鼓表露磁场的分布对于磁编 磁鼓 放大电路 码器磁头的设计和整个编码器的优化设计、提高 磁极间距 磁性编码器分辨能力有重要的意义， 图1磁性编码器结构示意图 1磁鼓表露磁场的分布模型 Fig.1 Structure of a magnetic rotary encoder 由于磁鼓的磁极是沿铝鼓的外缘呈环状分 磁性编码器由磁鼓和磁传感器磁头构成，其 布，因此每个磁极为环形弧状，如图2所示. 结构如图1所示.磁编码器的磁鼓是在铝鼓的外 磁散被充磁后其磁化强度将保持不变，可以 缘覆盖一层磁性材料而制成的，这层磁性介质被 用静磁学理论对磁鼓进行分析.假设磁鼓的每个 收稿日期200403-18王立锦男，41岁，副教授，博士 单磁极是均匀磁化的，磁化强度矢量M=M,则 *国家“863"高技术研究发展计划(No.2003AA325010) 体磁荷密度pm为回：

第 2` 卷 第 5 期 2 00 4 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r . a l o f U n vi e比 ity o f S e le o c e a o d Te e h n o lo gy B e ji ni g Vb L2 6 N 0 . 5 O C t . 2 0 04 高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁场分析 与 A M R 检测磁 头设计 王 立 锦 ’ ,2) 胡 强 ” 膝 蛟 ” 朱逢吾 ” l) 北 京科技 大学材 料科 学与 工程学 院 , 北 京 10 0 0 83 2) 中国科学 院物 理研究所磁学 国家重 点实验 室 , 北京 100 0 80 摘 要 应用 静磁 场理 论分析 了高分辨 磁旋 转编码 器磁 鼓 的表 露磁 场 , 通 过数值 计算 得 到磁 鼓表 露场 分布 的直 观 曲线 . 设计 制作 出性 能优 良的磁 旋转 编码 器 A M R 检测磁 头 , 理 论分 析 结果 与对 磁鼓表 露磁场 的实 际测试 结果进 行 了分析对 比 . 结果表 明 , A M R 检测 磁头输 出信 号 形状 与幅 度及 其倍频 特 性与理 论计 算结 果是相 符 的 . 关键 词 磁性 旋转编 码器 ; 各 向异性 磁 电阻 (A MR[ ) : 磁 电阻磁 头 分类 号 0 48 4 . 4 + 3 磁性 编 码 器 是 近 年 发 展起 来 的 一种 新 型 编 码器 `u . 与光 学编 码器 相 比 , 磁 性编码 器不 易受 尘 埃和 结露 影响 , 其 结构 简单 紧凑 , 可 高速运 转 , 响 应速 度快 ( 达 5 0 一 70 kl l之) , 体积 小 , 成本低 . 目前 高 分辨 的磁 旋转 编 码 器 分辨 率 可 达 每 圈数 千个 脉冲 , 因此 在 精密 机械 、 磁 盘驱 动器 等 各个 领域 旋转 量 ( 位 置 、 速度 、 角度 等 ) 的检测 和 控制 有着 广 泛 的应 用 . 磁 性 编码器 由磁 鼓 和磁 传感 器磁 头 构成 . 高 分辨 的磁 旋转 编 码 器 的磁 鼓 是 由在 铝 鼓 的外 缘 涂 布 一层磁 性材 料而 成 , 磁 头先前 是用 感应 式录 音 机 磁 头 而现 在 多 采用 各 向异性 金 属 磁 电阻磁 头 或 巨磁 电阻磁 头 . 这种 磁 头采用 光刻 等微 加工 工 艺制 作 , 精度 高 , 一致性 好 , 结构 简单 并且 灵敏 度 高 , 其 分 辨率 可 与光 学编 码器 相 媲美 . 研 究高 分 辨 磁 性编 码 器磁 鼓表 露 磁场 的分 布 对 于磁 编 码 器磁 头 的设计 和整 个编码 器 的优化 设计 、 提 高 磁 性编 码 器分 辨 能力 有重 要 的意 义 . 充磁 后形成 有 一定 间距 的磁极信 号 , 磁 极的表 露 场周 期性地 分 布在磁 鼓周 围 , 磁鼓旋 转 时则检 测 磁头 检测 出周期 性变 化 的信 号 . 低 分辨 率 (小 于 10 0) 的磁鼓 通 常是 用 钦铁 硼材 料 压制 成环 然后 充磁而 成 , 其磁 化磁极 宽度 大 , 表露磁 场 强 , 适合 于用 半 导体 霍 尔 元件 来 作 检测 磁 头 . 高分 辨率 ( 几 百到数千 ) 的磁鼓 由于 其磁 极宽度 非常 小 , 磁 性 材料 的厚度 非 常薄 ( l< m r 。 ) , 其 表露 磁场 也非 常弱 , 其检 测磁 头必须 用 灵敏度 更高 的各 向异性 金 属磁 电阻磁 头或 巨磁 电阻磁 头 . 傲很 !川 压坦 1 磁 鼓 表露 磁 场 的分 布模 型 磁性 编码 器 由磁 鼓和 磁传 感器 磁 头构成 , 其 结 构如 图 1 所 示 . 磁编 码器 的磁鼓 是在 铝鼓 的外 缘覆 盖一 层磁 性材 料而 制成 的 , 这层 磁性 介质被 收稿 日期 20 04 -() 3一 18 王立 锦 男 , 41 岁 , 副教授 , 博士 * 国家 “ 8 6 3 , 高技 术研 究发展 计划 ( N o . 2 0 0 3 A A 3 2 5 0 1 0) 图 1 磁性 编码器 结构 示意 图 F褚 . 1 Str “ e tU 作 o f a m a g n e血 or t a 叮 e n c o d e r 由于 磁 鼓 的磁 极 是 沿 铝 鼓 的 外缘 呈 环 状 分 布 , 因此每 个磁 极 为环形 弧 状 , 如 图 2 所 示 . 磁 鼓被 充磁 后其 磁化 强度 将保 持 不变 , 可 以 用静磁 学理 论对磁 鼓进 行分 析 . 假 设磁鼓 的每个 单磁 极是 均匀 磁化 的 , 磁 化 强度 矢 量 M = M0 , 则 体磁荷 密度 P 二 为。 , : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 05. 012

VoL26 No.5 王立锦等：高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁场分析与AMR检测磁头设计 ·499· 如图4所示，假设磁性涂层是均匀磁化的，可 以证明)平行于M的磁极截面上磁荷密度为零， R2 磁荷只分布在x=社(0，±1,2，…)处的截面上， 对空间某一点P(x,y,z,式(5)可以写成： 4z小总空厂 p(i:+6,y,z) 4+-yy(dydz+ pt1-d,y,z） 图2磁鼓单个磁极结构 会∫-5编-6 Fig.2 Single magnetic pole structure of a magnetic drum 4 pm=-4o7·M0=0 (1) RR RsRs R Rs 其磁极内部没有磁荷，因此磁荷只分布在磁极表 P(x.Z) 面上.设面磁荷密度为P,则磁矢势A()为： 4=会∫ (2) s/s -12621+6-88 1-01+6 此处的面积分应包括图2中单磁极的六个表面. 图4磁鼓磁极表摆场分布与磁电阻元件对应关系图 A(r)取旋度即可求出： Fig.4 Surface magnetic field on magnetic drum and ar- Br)=V×A(r (3) rangement of MR elements over magnetic drum 对于有N个磁极的磁鼓其表面场分布是所有N 假设各截面磁荷面密度相同均为q(N极为 个磁极相互叠加的结果： B)=(-1Br) (4) +9,S极为-9），2的取值范围为-子克：由于 1>w>1,在磁性涂层带中心附近，磁场在y方向 精确计算十分复杂，可参考文献[4].针对高分 的分布是均匀的，不考虑y方向的变化，所以上 辨率磁鼓的实际情况作一些简化， 式简化为： 高分辨率磁鼓的磁极宽度非常小，磁性材料 的厚度非常薄，以直径R。=40mm,外缘宽度1=5 4a绘(-I9停c-a-*e-+ mm,N=1000对极的磁鼓为例，单个磁极宽度 绘-19-厚c-4++e= w-0.125mm,磁性材料厚度t约为0.03mm,由于 w<I<R因此对于磁鼓表面的局部来说，可以看 g(-1rn+2共*2--亚L l2-2+Va-t12r+x-i-计 成是一条平直的均匀周期性磁化的薄磁带，磁场 综9--1rhl[20=]】 沿磁鼓轴向是均匀分布的，如图3所示，在计算 L-2tVc-2r+t-i+()） 表露磁场时只考虑近邻几个磁极的影响，则磁矢 由于AMR传感器检测到的是平行于膜面的磁场 势可以近似写成： 分量，因此只计算x方向的分布： A(r)= 三∫a (5) Bk,)=⊙4华2_4华2-a4g2-92(-1yx dy ∂z 4Tt i- l√e+i12P+x-i·以-丽Ve-t2+x-i*-y 1 Vz+t/2+x-i+d莎√z-t/2+c-i1+d] (8) SNN SS NNS 此式即为左右各n个磁极在P,)点叠加磁场在 磁性涂层磁化 x方向的分布 磁鼓 磁性涂层 2磁鼓表露磁场分布的数值计算 铝鼓 虽然用式（⑧）可以直接计算空间一点磁场强 度B,但过程比较繁琐，通过计算机数值计算及 绘图程序很容易得出磁鼓表露磁场的直观图像， 图3高分辨率磁鼓磁化方式 并且可以通过调整参数1,6，n来观察B的变化， Fig.3 Magnetized mode of a high-resolution magnetic drum 为设计磁鼓提供理论依据.图5为取1=0.25mm

V N b 2 6 L o . 5 王 立锦 等 : M 高分辨 磁旋 转 编码 器磁 鼓表 露磁R场 分析 与 检 测磁 头A设 计 一 99 4 - 如 图 所示 4 , 假 设 磁性涂 层 是均 匀磁化 的 , 可 以证 明 。 , 平 行 于 M的磁 极 截 面上 磁荷 密 度 为零 , 磁 荷只 分 布 在 x = 以士武=1 0 , 月 , 土2 , … ) 处 的 截面 上 , 对 空 间某 一 点尸以 , y , )z , 式 (5) 可 以写成 : , 伙刀)罐丁不艘念结汤夕,ds 千 图 2 磁鼓 单 个磁极 结 构 Fig · 2 Sin g le m a g n e n e p o l e s t r u e tU代 o f a m a g n e it e d ur . 率室「 斗兀 卜 , 嗜 p 孟汇i · 又一 占 , y 飞 z ) x( 一 i · 又+ 司 2+ 伽一) 2+ (z 一 z) , 沙,dr ’ (6 ) P . = 一产。甲 · 0M 二 0 ( l) 其磁 极 内部 没有 磁荷 , 因此 磁荷 只 分布 在 磁极 表 面 上 . 设 面磁 荷 密度 为风 , 则 磁矢 势 A (r ) 为`3] : “ (r) 一 斋J禺 山 ( 2 ) ;熟卜- 价钾一\ 洲N . 目目耐s蟀 / 此处 的 面积 分应 包 括 图 2 中单磁 极 的六个 表 面 . A (r) 取 旋度 即可 求 出 : B ( r) = 甲 x A (r) ( 3 ) 对 于 有 N 个 磁 极 的磁 鼓 其表 面 场 分布 是 所 有 N 个 磁 极相 互 叠加 的结 果 : B (月= 艺( 一 l ) 什 , B i (刁 精 确计 算 十 分 复杂 , 可 参考 文献 【小 7] . 辨 率磁 鼓 的 实 际情 况作 一 些 简化 . (4 ) 针对 高 分 高 分辨 率磁 鼓 的磁 极 宽度 非 常 小 , 磁性 材 料 的厚度 非常 薄 , 以直 径 0R =4 0 ~ , 外 缘 宽 度 =1 5 m m , 刀七 1 0 0 0 对 极 的磁 鼓 为例 , 单 个 磁 极 宽 度 。 O . 12 5 r o m , 磁 性 材料 厚度 t 约为 .0 03 r n〔 。 , 由于 w 《 l R< 。 因此 对 于磁 鼓 表面 的局 部来 说 , 可 以看 成 是 一 条平直 的均 匀 周期 性 磁化 的 薄磁 带 , 磁场 沿 磁 鼓 轴 向是 均匀 分 布 的 , 如 图 3 所示 . 在 计算 表 露磁 场 时只 考虑 近 邻几 个磁 极 的影 响 , 则 磁矢 势 可 以近 似 写成 : 图 4 磁鼓 磁极 表露 场 分布 与磁 电阻 元件 对应 关系 图 F ig · 4 S u far e e m a g n e ict 血ld o n m a gn 比e d ur 口 a n d a -r ar n g e m e . t o f M R e l e . e n t s o v e r m a g n e h e d r u m 假 设 各 截 面磁 荷 面密 度 相 同均 为 q 二 (N 极 为 +qm , ” 极 为一 qm), ’ z的取 值 范 围为 一 贵 ; 由于 1 > > w >t , 在 磁 性涂 层 带 中心 附近 , 磁场 在 y 方 向 的分 布 是均 匀 的 , 不考 虑 y 方 向的变 化 , 所 以上 式简化 为 : “ ;(x )涤冬 一 `琢髯 …石示病汤 山、 斋冬 一 `琢髯不示病动 山、 枷 . 熟 一 1 ’+)ln }黔若 命 二 发 ( 一 , ) 一 nI {昌豁 仕+ 2t/ ) 2+ x( 一 i诀一酌 2 1 . , . ~ - , 二份呀 , , ~ ~ ~ 叮~ 甲~ ~ 忿尺 }十 诊一 t/ Z少 `十认一 l · 沁一 口 J ` 」 仕十刀2 ) 2十 (x 一 .i (z 一 2t/ ) 2+ (x 一 i 又+ 分 ! , 二 不邵 芝 」气` 少 , (。 一 然了胃 、 (5 ) 由于 A M R传感 器 检测 到 的是平 行 于膜 面 的磁 场 分量 , 因此 只计 算 x 方 向的分 布 : , , 、 刁A (x . 2 ) a A (x . 幻 刁A (x . 2 ) I, 刃 . 容 , B r (x . 2 ) = 翌 二决华上乙一 兰共华卫= 一= 抉华丝 = 赶乒巴 Z ( 一 1)伙 一 x沪 , ` 产 即 刁z 刁z 耘 怎 、 }石示旨雨 一 不示旨而 十 l l 了份t2/ ) 2+ x( 一 ’l. 又+ 司 , 了仓一 t/ 2) 2+ x( 一 i. 又十占丫 此 式 即 为左 右 各 n 个磁 极 在 尸x(, )z 点叠 加磁 场在 x 方 向的分 布 . 图 3 高分 辫军 破鼓 砚 化万 式 Fi .g 3 M a g n e t坛 e d m o d e o f a h褚h · er s o l u t io n m a g . e it e d ur . 2 磁 鼓 表 露 磁 场 分布 的数 值 计 算 虽 然用 式 (8 )可 以直接 计 算 空 间一 点磁场 强 度 xB , 但 过程 比 较 繁琐 . 通 过计 算 机数 值计 算 及 绘 图程序 很 容 易得 出磁鼓 表 露磁 场 的直观 图像 , 并 且 可 以通 过 调 整 参 数 t , 咨 , n 来 观 察及 的 变 化 , 为设 计磁 鼓 提供 理 论 依据 . 图 5 为取 又= .0 25 ~

·500· 北京科技大学学报 2004年第5期 t=0.05mm,6=0.01mm,n=5,求和号前的系数取 和NiFe合金薄膜.NiFe合金薄膜的饱和磁场小， 为一个单位，z取不同值时的表露场沿x方向的 对低磁场更敏感，故实验中选择了NiFe合金薄 分布曲线（只画出两个周期），从图中看出表露场 膜，磁电阻薄膜采用直流磁控溅射方法制备，制 的幅度随着距离磁鼓表面距离的增加而迅速下 备工艺条件为：薄膜成分为NiaoFez:基片为硅片， 降；z较小时（≤0.4），B.一x曲线虽然幅值较高但 其表面大概有约500nm的氧化层：本底真空度为 变形严重：当z之0.8时B,一x是非常理想的正弦 3.7×10-4Pa:工作介质Ar、气压为0.5Pa:基片通水 曲线，但幅值较低，其拟和函数形式为： 冷却：退火温度为450℃，退火2h:样品的结构为 B=4eo时受) (9) 硅基片/Ta(6nm)NiFe(20nm)/Ta(3nm).薄膜的各 如图6所示，间隙为0.81时磁鼓表露场B,波 向异性磁电阻变化率达到3%. 形拟合参数为： 对于加工成条状的单个各向异性磁电阻元 A=(177.24牡0.48)A/m:=(0.25033±0.00009）mm. 件，如果元件是沿长度方向均匀磁化的，磁化强 因此对于需要磁头输出信号是正弦波形场合磁 度为M,外磁场H在膜面内垂直于磁条长度方 头间隙应控制在0.71~0.81左右，既保证磁头输出 向施加，使M偏转的角度为9，日也是M与磁阻 理想的波形又有一定的输出幅度和信噪比. 条中电流强度I的夹角，则此时元件的各向异性 磁电阻可表示为： 1600 间隙 计算数值 R=RCOS20+R.sin0 (10) -0.25mm 2 03 式中，R:为H与I平行时磁阻条的电阻，R为H 800 -0.1mm 050 &-0.01mm 与I垂直时磁阻条的电阻.在设计磁头时，采用 0.和 0.90i9例 惠斯顿桥式电路的方式进行温度补偿和差动输 0- 9 出，这样磁电阻磁头读出的信号稳定、灵敏度高、 信噪比高并且对温度变化不敏感. 800 图4中，对于由R,R,R,R,组成的电桥A -1600广 (图7)，它们之间的间距为2，作用于R,R,和R, 0 0.25 0.50 0.75 1.00 上磁场的相位差为π2，π和3π2，则R,R,R,和R, x/mm 的电阻可以表示为： 图5不同间骤时磁鼓表露场B沿x方向的分布曲线 R:=RcOs'0+Rsin'0 (11) Fig.5 Surface magnetic field distributing curves on mag- R;=RcoS(0+/2)+R sin(0+/2) (12) netic drum variation in x axis and different spacings R;=Rcos(0+n)+R.sin'(0+n) (13) 240 R,=Rcos(0r3π/2+R,sin(0+3π/2) (14) 160 数据 80 拟合成 240 160 GND -240 0 0.25 0.500.75 1.001.251.50 图7编码器磁头电路原理图 x/mm Fig.7 Circuit diagram of magnetic rotary encoder mag- 图6间隙为0,8时磁鼓表露场正弦波形拟合结果 netic element Fig.6 Surface magnetic field fitting curve with sinusoidal when the spacing equal 0.8i 电桥的输出电压为： 「RR1 (15) 3各向异性薄膜磁电阻磁头设计 V=Vce RitRs R3+R; 假设无磁场时四个磁电阻元件的电阻均为 作为磁电阻薄膜磁头材料一般有iCo合金 R,设R=(R+R)/2,△R=R-R·则其输出电压

一 5 0 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 5 期 t = 0 · 0 5 imn , 占“ 0 . 0 1 m m , n = 5 , 求 和 号前 的 系数 取 为 一 个单 位 , z 取 不 同值 时 的 表露 场 沿 x 方 向的 分布 曲线 〔只 画 出两个 周期 ) . 从 图中看 出表露 场 的幅度 随 着 距 离磁 鼓 表 面距 离 的增 加而 迅 速 下 降 ; z 较小 时 ( ` .0 似) , 及一戌 曲线 虽 然 幅值 较 高但 变形 严 重 ; 当2 2 .0 歇 时 及~ 是 非 常理 想 的正 弦 曲线 , 但 幅 值较低 , 其 拟和 函数 形式 为 : xB 一 A 。。 s 〔子) (9 ) 如 图 6 所 示 , 间隙 为 .0 8 几时磁 鼓表 露场 及 波 形 拟 合参 数 为 : A二( 17 7 . 2壮0 . 4 8) A /m 月= ( 0 . 2 5 0 3 3士 0 . 0 0 0 0 9 ) r n l n . 因此 对于 需要 磁 头输 出信 号 是 正 弦波 形场 合磁 头 间 隙应控 制 在 .0 7卜.0 歇 左 右 , 既保 证磁 头 输出 理 想 的波 形又 有 一 定 的输 出幅度 和信 噪 比 . 阴(] 间 :(2:5)6(3(4J k30川似州斌耐 0 计算数值 ùn 又= 0 . 2 5 m m { 卜O . l r Dm 入 乒0刃 l m m 上甘 - 、、 、 、 ù 卜. ! . 1 . ! ó | | | ì . l l lJ 胜 n ù U ù n 0on 16-88 ǎ .t ln · à阅、喊 一 1 6 0 0 0 0 . 2 5 0 . 5 0 一 _ 了 、 l 气 舒 、 了 - 二- - 一 0 . 7 5 x / m m 图 5 不 同间 隙时磁 鼓表 露场凡 沿x 方 向的分 布 曲线 F ig · 5 S u far c e m a g n e ict ife ld d is t r 化u itn g e u vr e s o n m a g - n e it e d r u m v a血 iot n i n x a x is a n d d i n触比n t s P a c i n g s 和 N 正e 合 金 薄膜 . N IF e 合金 薄 膜 的饱和 磁 场 小 , 对 低磁 场 更敏 感 , 故 实验 中选择 了 N IF e 合 金薄 膜 . 磁 电阻薄 膜 采用 直流 磁 控溅 射 方法 制 备 . 制 备工 艺 条件 为 : 薄膜 成 分为 iN 萨 ez0 ; 基 片为 硅片 , 其表 面 大概 有约 s o ln 的氧 化层 ; 本 底真 空度 为 3 . x7 l -o 4 P a ; 工 作介 质 rA 、 气压 为 .0 S aP ; 基 片通 水 冷却 ; 退 火温度 为 45 0 ℃ , 退火 Z h ; 样 品的 结构 为 硅基 片 / aT ( 6 mn )加i F e ( 2 0 mn ” 厄( 3 mn ) . 薄膜 的各 向异 性磁 电阻变 化 率达 到 3% . 对 于 加 工 成 条 状 的 单个 各 向异 性 磁 电 阻元 件 , 如 果 元件 是沿 长度 方 向均 匀磁 化 的 , 磁 化 强 度 为 M , 外 磁场 H 在膜 面 内垂 直 于磁 条 长 度方 向施 加 , 使 M 偏 转 的角度 为 0 , 0 也是 M 与 磁 阻 条 中 电流 强 度 I 的夹 角 , 则此 时元件 的各 向异性 磁 电阻可 表 示 为 : R = R,/ c o s 2 8 + R 、 s i n , 8 ( 10 ) 式 中 , R 、 为 H 与 I 平 行 时磁 阻条 的 电阻 , R : 为 H 与 I 垂 直 时磁 阻条 的电阻 . 在 设 计磁 头 时 , 采 用 惠 斯 顿 桥式 电路 的 方式 进 行温 度 补 偿 和 差动 输 出 , 这 样磁 电阻磁 头读 出的信 号稳定 、 灵敏 度 高 、 信 噪 比 高 并且 对温 度 变化 不 敏感 . 图 4 中 , 对 于 由凡 ,凡 , 凡 , R , 组 成 的 电桥 A ( 图 7 ) , 它们 之 间 的 间距 为 刀2 , 作用 于 R 3 , R , 和 R 7 上磁 场 的相位 差 为 侧2 , 二 和 3可2 , 则 R l , R 3 , R , 和 R 7 的 电 阻可 以表 示 为 : R l = R / e o s ,决尺 : s i n , 8 ( 1 1) R 3 = R / e o s , (白峨 / 2 )+R 、 5 1才(臼恤 / 2 ) ( 12 ) R S = 及刃。 s , (由晚 )+R : s i n , (决北) ( 13 ) R , = 凡e o s , (决3 7t/ 2 )+R : s i n , (毋3耐2) ( 14) . 数据 一 拟合成 o0 n ù 4 ,` 了0 l 一4 0 一 16 0 ǎ 一l日 · à阅、有 一4 0 ` 一一一- - - 上- - - 一一 -二 - - - - ~ 一 日` - - - - - - - 儿一 - - - - - 二 一 J 0 0 . 2 5 0 . 5 0 0 . 7 5 1 . 0 0 1 . 2 5 1 5 0 X / m l 】】 图 6 间隙 为 .0 歇时磁 鼓表 霉场 正弦 波形 拟合结 果 F ig · 6 S u far e e m a gn e柱e ife l d 行t in g c u vr e w iht s in u s o id a l w h e n t h e s P a e恤 9 e q u a l 0 . 锹 图 7 编 码 器磁 头 电路 原理 图 F i g . 7 C i cr u it d抽g r a m of m a g n 比c er at 叮 e n e o d e r m a g - n e it e e l e m e n t 电桥 的输 出 电压 为 : 3 各 向异 性 薄膜磁 电 阻 磁 头设 计 作 为磁 电阻 薄膜 磁 头材 料 一般 有 N 记。 合 金 , , f R , R , 飞 V^ = Vc 。 }石书 r 三万一 言毕井 } ( 15 ) “ [R ; + 尺3 R S+ R ,」 假 设 无磁 场 时 四个 磁 电阻 元件 的 电 阻均 为 R , 设 R = (R z声 R J 2/ , , AR = 凡一 R 二 . 则其 输 出电压

Vol.26 No.5 王立锦等：高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁场分析与AR检测磁头设计 ·501◆ 将式(11)(14)带入式(15)整理可得： 厚度、传感器的宽度和长度来控制.考虑到薄膜 h=%0os20 (16) 磁电阻元件的电阻与后续电路的匹配和元件的 因为当磁阻条所处表露场是理想正弦波磁 功耗，笔者设计元件电阻在75012002之间.磁 场时，在x位置时日可以用日=亚来表示，所以： 电阻磁头8个磁电阻元件组成两个电桥，如图6， 其空间排列如图4所示.笔者设计了光刻板，通 Va-IVes cos ，△R 2xI (17) 过甩胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电极、超声压焊等 同理可以写出电桥B的输出电压： 微加工工艺制成了编码器磁电阻磁头，经测试 4-e0cos20+ 磁电阻磁头工作电压5V时输出信号在100mV co叫2领+ 1 (18) 以上 与式(9)相比可以看出，当磁鼓旋转时电桥 4磁鼓表露磁场的分布检测结果 输出亦为正弦波形，且频率为表露场正弦波磁场 变化频率的2倍，因此各向异性磁电阻式旋转编 配合以上的编码器磁头，笔者设计了信号放 码器磁头具有倍频作用.Y,V。输出信号相差的 大处理电路和一套测试装置，图8是磁鼓与磁头 位相差π2 表面在不同间隙时输出信号波形，其间隙大小已 由三角函数公式，式(17)亦可写为： 考虑到磁鼓和磁头保护膜的厚度，信号形状与幅 os受- 度及其倍频特性与本文的理论计算结果是相符 入 深- 的.从图片中可以看出输出信号的信噪比和稳定 (19) 性是非常好的，另外由于磁头采用差动输出设 所以V与磁场B成正比. 计，输出信号对于外界的磁场干扰具有抵消作 磁电阻传感器头的电阻可通过改变薄膜的 用，因而使磁头的稳定性和可靠性大大提高. (a)间隙0.42 b)间隙0.81 (c)间隙1.01 图8磁鼓与磁头表面在不同间隙时的输出信号波形 Fig.8 Output waveforms of the surfaces of magnetic drum and magnetic element with different spacings 5结束语 2郭硕鸿.电动力学M].北京：人民教育出版社，1979 3梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学M.北京：高等教育 要提高磁性编码器分辨能力，仅增加磁极数 出版社，1980.476 量和密度是一种途径，但在技术上有一定的限 4刘卫忠，任志远，李佐宜，等.磁编码器多极磁鼓表面 制，不可能无限提高.如果能控制磁鼓的充磁，使 场的理论分析[刀.华中理工大学学报，1998,26(6)：56 表露场分布呈理想的正弦波形，那么可以通过波 5刘卫忠，任志远，李佐宜，等，磁编码器多极磁鼓表露 场分布研究[).华中理工大学学报，1998,26(6：59 形细分技术进一步提高其分辨能力， 6 Furlani E P A.Three-dimensional field solution axially- polarized multipole disks [J].JMMM,1994,135:205 致谢感谢中国科学院物理所赖武彦研究员就本文有 7 Furlani E PA.Three-dimensional field solution for radial- 关内容进行的指导及有益讨论， ly polarized cylinders[J].IEEE Tran Magn,1995,31(1): 参考文献 1142 1 Miyashita Kunio,Takahashi Tadashi,Yamanaka Munesada. 8史月艳，股志强，吴家庆，等.物理电子技术材料与工 Features of magntic rotary encoder [J].IEEE Trans on 艺M.北京：国防工业出版社，1995 Magn,1987,23(5):2182 (下转第532页)

、 勺1 . 2 6 N o . 5 王 立锦 等 : 高分辨 磁旋 转 编码 器磁 鼓表 露磁 场 分析 与 A M R 检测 磁 头设 计 将 式 ( 11卜( 1 4) 带 入式 ( 1 5 )整 理 可得 : 1 , , △尺 , 。 厂 ^ 二 二犷 厂 e e一不尸 C O S 乙口 t 1 0 ) 乙 j 、 因为 当磁 阻条 所 处 表 露 场 是 理 想 正 弦 波 磁 场 时 , 在 二 位置 时 “ 可 以用 “ 一 平来 表 示 , 所 以 : 1 , , △天 Z x 兀 , 、 . 、 风 = ~ 令环 。 共羊c o s 止共竺 ( 17 ) 2 “ ` R . u 。 又 同理 可 以写 出 电桥 B 的输 出 电压 : 告 : · 竿 c O S Z (岭 ) 二 告 、 · 等 。。 S {竿借 . ) ( 18 ) 厚度 、 传 感 器 的宽度 和 长 度来 控 制 . 考 虑 到薄 膜 磁 电阻元 件 的 电阻 与 后 续 电路 的 匹 配和 元 件 的 功 耗 , 笔 者 设计 元 件 电阻在 7 5 0一 1 2 0 。 之 间 . 磁 电 阻磁 头 8 个 磁 电阻元件 组 成 两个 电桥 , 如 图 6 , 其 空 间排 列如 图 4 所示 . 笔者 设 计 了光 刻板 , 通 过甩 胶 、 曝 光 、 离子 刻蚀 、 蒸 镀电极 、 超 声压 焊 等 微加 工 工 艺 , 〕制 成 了编码 器磁 电阻 磁 头 , 经 测试 磁 电阻 磁 头工 作 电压 S V 时输 出信 号在 10 0 m v 以上 . 与 式 ( 9) 相 比 可 以看 出 , 当 磁 鼓 旋 转 时 电桥 输 出亦 为正 弦波 形 , 且 频 率 为表 露 场正 弦 波磁 场 变化 频 率 的 2 倍 , 因此 各 向异 性磁 电阻 式旋 转编 码 器磁 头 具 有 倍 频作 用 . V^ , 凡 输 出信 号 相 差 的 位相 差 7t/ 2 . 由三 角 函数 公 式 , 式 ( 1 7) 亦 可 写为 : 玖号 凡 。 等( 2一令 一 ` ) - 告vc 竿睽 一 1 ! 所 以 V^ 与 磁场厌 成 正 比 . 磁 电 阻传 感 器 头 的 电 阻可 通 过 改变 薄 膜 的 4 磁 鼓 表 露 磁场 的分 布检测 结 果 配 合 以上 的编 码 器磁 头 , 笔 者 设计 了信 号放 大 处 理 电路 和一 套 测试装 置 , 图 8 是 磁 鼓与 磁 头 表 面在 不 同 间隙 时输 出信 号波 形 , 其 间隙 大小 己 考 虑到 磁鼓 和磁 头 保护 膜 的厚度 , 信号 形状 与幅 度 及 其倍 频 特 性 与 本 文 的理 论 计 算 结 果 是相 符 的 . 从 图片 中可 以看 出输 出信 号 的信 噪 比和 稳定 性 是 非 常好 的 . 另 外 由于磁 头 采 用 差 动 输 出设 计 , 输 出信 号 对 于 外 界 的磁 场 干 扰 具 有抵 消 作 用 , 因而 使磁 头 的稳 定 性和 可 靠 性 大大 提 高 . a( ) 间隙 .0 4 久 山) 间 隙 仓 8 又 c( ) 间隙 1 . 0 又 图 8 磁鼓 与磁 头表 面 在不 同 间隙 时的输 出信 号 波形 F i .g 8 o u tP u t w a v e fo r m s o f t h e s u r af c e s o f m a g n e t i e d r u m a n d m a g n e it c e l e m e n t w i t h d i fl 触er n t s P a e恤 gs 5 结束语 要 提 高磁 性 编码 器 分 辨 能力 , 仅增 加 磁极数 量 和 密 度 是 一 种 途 径 , 但 在 技 术 上 有 一 定 的 限 制 , 不可 能 无 限提 高 . 如 果 能控制 磁 鼓 的充 磁 , 使 表 露 场分 布 呈理 想 的 正弦 波形 , 那 么 可 以通 过 波 形 细 分技 术进 一 步 提 高其 分 辨 能 力 . 致 谢 感谢 中国科学 院物 理所 赖武 彦研 究员就 本 文有 关 内容进 行 的指 导及 有益 讨论 . 参 考 文 献 1 M iy as h iat K un i o ,几kha a s h i aT das h i , 、乞m an ak a M u n e s a d a . F e a tU er s o f m ag n ti e or t a yr e n e o d e r [ J ] . I E E E rT an s o n M a g n , 1 9 8 7 , 2 3( 5 ) : 2 1 8 2 2 郭硕 鸿 . 电动 力学 IM] . 北京 : 人 民教育 出版 社 , 19 79 3 梁 灿彬 , 秦光 戎 , 梁 竹健 . 电磁 学附 ] . 北京 : 高等 教育 出版社 , 19 8 0 . 4 7 6 4 刘卫 忠 , 任 志远 , 李佐 宜 , 等 . 磁编 码器 多极 磁鼓 表面 场 的理 论分 析 [J] . 华 中理 工大 学学报 , 19 98 , 2 6 (:6) 56 5 刘卫 忠 , 任志 远 , 李 佐宜 , 等 . 磁编 码器 多极 磁鼓 表露 场 分布研 究 [J] . 华 中理 工大 学学 报 , 19 98 , 2 6(6) : 59 6 F u r lan i E P A . T hr e e 一 d 而e n s i o n a l if e ld s o lut i o n ax i a ll y - P o lar i ez d m u lt i P o l e d i s k s [ J ] . JM M M , 19 9 4 , 13 5 : 20 5 7 F ur lan i E P A . T h r e e 一 d im e n s i o n a l if e ld s o l以i o n fo r r a di a l - ly P o l iar ez d e y li n d e r s [J ] . IE E E T ra n M ag n , 19 95 , 3 1( l ) : 1 14 2 8 史 月艳 , 殷志强 , 吴家 庆 , 等 . 物 理 电子技 术材 料与 工 艺 [M l . 北 京: 国防 工业 出版社 , 19 5 (下转第 5 3 2 页)

·532· 北京科技大学学报 2004年第5期 7王光雍，王海江，李兴濂，等.自然环境的腐蚀与防9樊友军，皮振邦，华萍，等.微生物腐蚀的作用机 护M.北京：化学工业出版社，1997 制与研究方法现状[).材料保护，2001,345)：18 8凌云，陈志刚.材料的微生物腐蚀研究与进展). 10周华，李全胜，朱瑞成.新疆库尔勒地区盐渍土的 江苏理工大学学报，2000,21(1)：53 工程地质特征[).西部探矿工程，2000(3)：37 Corrosion Behavior Comparison of X70 Steel in Three Different Environments DU Cuiwei,LI Xiaogang2,WU Junwei,SONG Yiquan,XU Jing" 1)Corrosion and Protection Center,Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 2)State Key Laboratory for Corrosion and Protection,Shenyang 110016,China ABSTRACT Corrosion behaviors of X70 steel in the environments of Ku'erle soil corrosion station,soil saturated with water and simulated soil solution were studied by means of macroscopical observations,SEM,EDS,XRD, weight-loss method etc.The results revealed that the ranking of corrosion rate from the biggest is simulated soil sol- ution,Ku'erle field soil,and soil saturated with water.It can be explained that the occurrence of microbiologically influenced corrosion leads to a high corrosion rate of X70 steel in Ku'erle field soil.In soil saturated water,water reduces the permeability of air,and soil blocks the ion exchange of X70 steel,which result in a low corrosion rate. In simulated soil solution,electrochemical reactions are easiest to take place,so the corrosion rate is the highest. KEY WORDS X70 steel;Ku'erle soil;simulated solution;soil corrosion 架解架牌解架架架架架邵架邵邵架邵牌醉R醉架架醉的霹辟解醉架深平醉碎醉邵碎架 (上接第501页) Analysis of Surface Magnetic Field on High-resolution Magnetic Rotary Encoders and Design for AMR Magnetic Heads WANG Lijin2,HU Qiang,TENG Jiao,ZHU Fengwu 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Magnetism,Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China ABSTRACT Based on the theory of static magnetic field,the surface magnetic field on the high-resolution multi- pole magnetic drum for a magnetic rotary encoder was analyzed.The visual curves of the surface magnetic field distribution were obtained by numerical calculation and plotting.A good AMR magnetic head for the magnetic ro- tary encoder was designed.The results of theoretical analysis and practical test were contrasted.The results are ac- corded in the output signal's shape and amplitude of the AMR magnetic head and its multi-freqency characteristic. KEY WORDS magnetic rotary encoder;anisotropic magnetic resistance(AMR);MR magnetic head

一 5 32 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 5 期 王光雍 , 王海江 , 李 兴镰 ,等 . 自然环 境 的腐蚀 与 防 护 IM I . 北京 : 化学工 业 出版社 , 19 9 7 凌 云 , 陈志 刚 . 材料 的微 生物 腐蚀研 究 与进展 1[J . 江 苏理 工大学 学报 , 2 0 0 0 , 2 1 ( l ) : 5 3 9 樊友 军 , 皮振 邦 , 华萍 , 等 . 微生物 腐蚀 的作用 机 制与 研究方 法现 状 [J] . 材料保 护 , 2 0 01 , 34( 5) : 18 10 周华 , 李全胜 , 朱瑞 成 . 新疆 库尔勒 地 区盐渍 土的 工程地 质特 征 明 . 西部探 矿工 程 , 2 0 0 (3 ) : 37 C o or s i o n B e h va i o r C o m P ar i s o n o f X 7 0 S t e e l i n T h r e e D i fe r e n t E vn i r o n m e nt s D U uC iw e i , ), IL 」几a 口g a n g l , , ), 砰 U uJ n* e i ,气S 口刀召 狗 u a n , , , 尤U iJ n g l , l ) C o mr s i o n an d P oert ct i o n C e nt e r, M at e ir a l s S e i e n e e an d E吃in e er ign S e h o o l , U n iv e rs ity o f s e i e cn e an d eT e lm o l o gy B e ij in g , B e ij ign l oo 0 8 3 , C h in a 2) S at t e K 即 L ab o r at o ry ofr C o or s i o n an d P m t e e t i o 氏 S h e n y an g 110 0 16 , C h in a A B S T R A C T C o r o s i o n b e h a v i o r s o f X 7 0 st e e l i n ht e e vn ior n r n e n t s o f K u , er l e 5 0 11 e o or s i on s at i on , 5 0 11 s at ur at e d 嫩ht w a t e r an d s加 u l aet d s o i] s o l u it on w e r e s ot d i e d by m ean s o f m a e or s c op i e a l o b s ver a it o n s , S E M , E D S , X RD , w e igh t 一 1 0 5 5 m e th o d e t c . hT e er s u l t s ver e a l e d th a t ht e r a nk ign o f e o r o s ion art e for m ht e b i g g e s t i s s im ul at e d s o il s o l - ut i o n , K u l e r l e if e l d 50 11 , an d 5 0 11 s al 池 r at e d w it h w a t e .r It e an b e e xP l a in e d ht at het o e e u r e cn e o f m i e or b i o l o g i e a lly 访月u e n e e d e or o s i o n l e ad s t o a h i g h c o 口o s ion r at e o f X 70 s et e l in uK , e r l e if e l d 50 11 . nI 5 0 11 s at ur at e d w a t e r, w at e r er du e e s ht e P e mr e ab ili yt o f iar, an d s o i l b l o c kS ht e ion e x e h a n g e o f X 7 0 s t e e l , w h i e h r e s ul t i n a l o w e o or s i o n r a t e . nI s im u l at e d 5 0 11 s o l iut o n , e l e e tr o e h e m i e a l er a e t i o n s ar e e a s i e s t t o t ak e P l ac e , 5 0 ht e e o or s i o n art e 1 5 ht e h ihg e s t . K E Y W O RD S X 7 0 s t e e l; K u , e ir e 5 0 11; s im u l at e d s o lut i o n ; 5 0 11 e or o s i o n (上接第 5 0 1 页) A n a ly s i s o f S ur fa c e M a gn e t i e F i e ld o n H i g h 一 r e s o lut i o n M a g n e t i e R o t a yr E n e o d e r s an d D e s ign fo r A M R M a gn e t i e H e a d s 恻刃G L ij’ ln, )z, H U Qia 心气 Z石 N G iaJ 口 ,气Z 万U eF n g w lu) l ) M at ier al s S e i e n e e an d Egn i n e e ir n g S e h o o l , U n i v e rs ity o f s e i e nc e an d eT c hn o 1 0 g y B e ij ing , B e ij ign l 00 0 8 3 , C h in a 2 ) S ta e K 即 L ab o rat o 叮 o f M a g n et i s m , I n st i t u t e o f P hy s i e s , C h i n e s e A e ad e m y o f s e i e n e e s , B e ij ign 1 00 0 80 , C h i n a A B S T R A C T B a s e d o n ht e t h e o ry o f s t iat e m a g n e it e if e ld , th e s也fa c e m a gn e t i c if e l d on t h e h i g h 一 er s o l ut i o n m u lt i - P o l e m a gn e t i c d ur m for a m a g n iet e or t a yt en e o der wa s an al y z e d . hT e v i s ual vcuer s o f ht e s ur fa e e m a g n et i e if e ld id s itr b iut o n w e er o b at in e d by n 切m e ir e a l e a l e u lat i o n an d P IOt in g . A g o o d A M丑 m a g n e t i e he a d for het m a gn e t i e or - t田下 e n e o d e r wa s d e s ign e d . hT e er s ult s o f ht e oer ti e a l an a ly s i s an d P acr t i c a l t e s t we er e o ntr a s t e d . hT e r e s ul t s ar e a e - e o r d e d i n ht e o u t Put s ign a l , 5 s h aP e an d am P li ut d e o f ht e A M R m a gn e it e h e ad an d it s m u l t i 一 fr e q e n e y e h a r a c t ier st i e . K E Y W O RD S m a gn et i c r o t田下 en e o d e r : an i s o otr P i e m a g n e t i e r e s i s t a n c e ( A M R ) ; M R m a g n e t i e h e ad