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单电桥磁场传感器.pdf

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电桥 磁场 传感器
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摘要
申请专利号:

CN201510547351.9

申请日:

2015.08.31

公开号:

CN106483479A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01R 33/09申请日:20150831|||公开
IPC分类号: G01R33/09 主分类号: G01R33/09
申请人: 张庆瑞; 郑振宗; 许仁华; 吕志诚; 赖柏霖; 梁文史
发明人: 张庆瑞; 郑振宗; 许仁华; 吕志诚; 赖柏霖; 梁文史
地址: 中国台湾台北市
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#31185;龙寰宇知识产权代理有限责任公司 11139 代理人: 孙皓晨
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510547351.9

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种单电桥磁场传感器,主要通过一电桥单元内所包含的第一至第四磁阻组件,再配合切换电路根据所欲测量的磁场方向进行电路切换,从而改变各磁阻组件、各输入电压源、各接地端及各电压输出端之间的电性连接关系,藉此根据各磁阻组件的磁阻值及各电压输出端的输出电压值得到各轴向的磁场测量值。由于本发明仅利用单一电桥单元便可达到测量各轴向磁场的目的,相较于现有的磁场传感器需利用至少三个电桥单元的技术方案,本发明提供的单电桥磁场传感器的整体体积可大幅缩小。

权利要求书

1.一种单电桥磁场传感器,其特征在于,包括:
一基板;
一磁通导引器,该磁通导引器为一四角柱体且直接或间接设于该基板
表面;
一电桥单元,该电桥单元包括第一磁阻组件、第二磁阻组件、第三磁
阻组件和第四磁阻组件,该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻
组件?#36879;?#31532;四磁阻组件依序绕设于该磁通导引器的各环侧面外侧且位于该
基板表面,该第一磁阻组件与该第三磁阻组件的钉札方向远离该磁通导引
器,该第二磁阻组件与该第四磁阻组件的钉札方向朝向该磁通导引器;
一切换电路,该切换电路电性连接两个输入电压、两个接地端、两个
电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;
四磁阻组件,该切换电路用于根据欲测量的各轴向的磁场进行电路切换以
改变各输入电压、各接地端、各电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁
阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件之间的电性连接关系;
一测量单元,该测量单元电性连接各电压输出端及该第一磁阻组件、
该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件,该测量单元用于测
量该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件
的磁阻值,配合各电压输出端的输出电压值得到一磁场测量结果。
2.根据权利要求1所述的单电桥磁场传感器,其特征在于,该第一磁
阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件的外侧分别
设有一第一磁通集中器。
3.根据权利要求1或2所述的单电桥磁场传感器,其特征在于,该磁
通导引器与该基板之间设有一第二磁通集中器。
4.根据权利要求3所述的单电桥磁场传感器,其特征在于,各第一磁
通集中器的形状为矩形,该第二磁通集中器的形状为方形。
5.根据权利要求1所述的单电桥磁场传感器,其特征在于,该第一磁
阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件为巨磁阻自
旋阀或穿隧磁阻自旋阀。

说明书

单电桥磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种测量磁场的仪器,尤指一种单电桥磁场传感器。

背景技术

磁场传感器可测定空间中的磁场向量,但指出磁场的方向需要在同一
个位置测定三个互相正交的磁场?#33267;俊?#34429;然目前已存在多种向量磁场传感
器技术,但各种装置的磁场强度测定范围不相同,例如霍耳传感器适合测
定10μT至1T的磁场,而磁阻式传感器可测定1mT至0.1μT的磁场,
故不同磁场范围需要不同类型的向量传感器。此外,目前的向量传感器设
计其三个?#33267;?#20256;感器各自独立且位置不同,再?#30001;?#21508;?#33267;?#20256;感器分别为一
电桥单元所构成,因此,三个?#33267;?#20256;感器的配置使得整个装置的体积偏大,
且测定的磁场?#33267;?#24182;非位于同一水?#20132;?#20934;面,因而引起磁场向量强度出现
数值误差;向量磁场传感器仍有持续改进与发展的必要性。

发明内容

有鉴于现有技术中的不足之处,本案发明人提出一种单电桥磁场传感
器,该单电桥磁场传感器包括:

一基板。

一磁通导引器(fluxguide),该磁通导引器为一四角柱体且直接或间接
设于该基板表面。

一电桥单元,该电桥单元包括第一磁阻组件、第二磁阻组件、第三磁
阻组件和第四磁阻组件,该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻
组件?#36879;?#31532;四磁阻组件依序绕设于该磁通导引器的各环侧面外侧且位于该
基板顶面,该第一磁阻组件与该第三磁阻组件的钉札方向远离该磁通导引
器,该第二磁阻组件与该第四磁阻组件的钉札方向朝向该磁通导引器。

一切换电路,该切换电路电性连接两个输入电压、两个接地端、两个
电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;
四磁阻组件,该切换电路引用根据欲测量的各轴向的磁场进行电路切换以
改变各输入电压、各接地端、各电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁
阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件之间的电性连接关系。

一测量单元,该测量单元电性连接各电压输出端及该第一磁阻组件、
该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件,该测量单元引用测
量该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件
的磁阻值,配合各电压输出端的输出电压值得到一磁场测量结果。

在本发明的一实施例中,该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三
磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件的外侧分别设有一第一磁通集中器。

在本发明的一实施例中,该磁通导引器与该基板之间设有一第二磁通
集中器。

在本发明的一实施例中,各第一磁通集中器的形状为矩形,该第二磁
通集中器的形状为方形。

在本发明的一实施例中,该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三
磁阻组件?#36879;?#31532;四磁阻组件为巨磁阻自旋阀或穿隧磁阻自旋阀。

本发明主要通过该磁通导引器将磁场导引至各磁阻组件,再通过该切
换电路随欲测量的轴向磁场改变各磁阻组件、各电压输入源、各接地端及
各电压输出端之间的电性连接关系,通过各电压输出端输出的电压值及各
磁阻组件的磁阻值得到各轴向的磁场。相较于现有技术,本发明仅需利用
单一电桥单元即可达到测量各轴向磁场的目的,进而能够缩小整体的体积,
较佳可缩小体积至1mm3以内。

附图说明

图1为本发明的外观图;

图2为本发明的俯视暨钉札方向示意图;

图3为本发明于X轴或Y轴磁场中的磁通线分布示意图;

图4为本发明于Z轴磁场中的磁通线分布示意图;

图5为本发明于X轴磁场中各磁阻组件的磁阻变化示意图;

图6为本发明于Y轴磁场中各磁阻组件的磁阻变化示意图;

图7为本发明于Z轴磁场中各磁阻组件的磁阻变化示意图;

图8为本发明中的切换电路与各元件电性连接示意图。

附图标记说明:A-单电桥磁场传感器;1-基板;2-磁通导引器;3-电
桥单元;31~34-磁阻组件;4-第二磁通集中器;51~54-第一磁通集中器;
6-切换电路;61-输入电压源;62-接地端;63-电压输出端;63A~63D-电压
输出端。

具体实施方式

以下通过图式的辅助说明本发明的构造、特点与实施例,以使审查员
对于本发明有更进一步的了解。

如图1所示,本发明涉及一种单电桥磁场传感器,该单电桥磁场传感
器A包括:

一基板1;

如图1所示,该基板1较佳为可制作磁阻式感测组件的基板,例如但
不限于为硅晶基板。

一磁通导引器2;

如图2所示,该磁通导引器(fluxguide)2为一四角柱体且直接或间接设
于该基板1表面,该磁通导引器2的材质较佳为具有高磁透率及低磁滞率
的软磁材料所制,如镍锌铁氧软磁材料(Ni-Zn ferrite)或镍铁合金(Ni-Fe)。
如图3及图4所示,该磁通导引器2主要可将水平面(X轴方向、及Y轴方
向)的外加磁场偏折至后述各磁阻组件31~34可感测的方向,并可将Z轴方
向的外加磁场导引?#20102;?#24179;方向。为了使本发明提供的单电桥磁场传感器A
于感测时磁通密度较强且分布较为均匀,该磁通导引器2间接设于该基板
1的表面,该磁通导引器2与该基板1之间设有一第二磁通集中器(flux
concentrator)4,且为了使该第二磁通集中器4具有最佳磁场均匀化的效果,
该第二磁通集中器4的形状为正方形。此外,磁通密度与沿平面方向的磁
场?#33267;?#24378;度成正比。

一电桥单元3;

如图1所示,该电桥单元3包括一第一至第四磁阻组件31~34,第一
至第四磁阻组件31~34依序绕设于该磁通导引器2的各环侧面外侧且位于
该基板1表面,该第一磁阻组件31及该第三磁阻组件33的钉札方向远离
该磁通导引器2,该第二磁阻组件32及该第四磁阻组件34的钉札方向朝
向该磁通导引器2。其中,各磁阻组件较佳为巨磁阻(GMR)自旋阀或穿隧
磁阻(TMR)自旋阀。

为了使本发明提供的单电桥磁场传感器A于感测时磁通密度较强且分
布较为均匀,于各磁阻组件31~34的外侧分别设有一第一磁通集中器
51~54,以使各磁阻组件31~34分别位于各第一磁通集中器51~54与该磁
通导引器2之间,且为了使各第一磁通集中器51~54具有最佳磁场均匀化
的效果,各第一磁通集中器51~54的形状为长方形,且该各第一磁通集中
器51~54的长边长度及方向分别对应该第二磁通集中器4的长边长度及方
向。此外,磁通密度与沿平面方向的磁场?#33267;?#24378;度成正比。

一切换电路6;

如图8所示,该切换电路6电性连接两个输入电压源61、两个接地端
62、两个电压输出端63及该第一至第四磁阻组件31~34,该切换电路6可
根据欲测量的各轴向的磁场进行电路切换,以改变各输入电压源61、各接
地端62、各电压输出端63及该第一至第四磁阻组件31~34之间的电性连
接关系。该切换电路6的工作方式容后述。

一测量单元7;

如图8所示,该测量单元7电性连接各电压输出端63及该第一至第四
磁阻组件31~34,该测量单元7可供测量各磁阻组件31~34的磁阻值,配
合各电压输出端63的输出电压值得到一磁场测量结果。

如图4、图1与图2所示,本发明提供的单电桥磁场传感器A的制造
方法,可利用磁控溅镀与微影蚀刻于该基板1表面制作各磁阻组件31~34,
再利用电铸法制作软磁性的Ni-Fe或Co-Fe薄膜作为各第一磁通集中器
51~54及该第二磁通集中器4,完成后再利用无磁滞性的肥粒铁材料切割
成形为该磁通导引器2并对?#32487;?#21512;固定于该第二磁通集中器4表面,构成
本发明提供的单电桥磁场传感器A。电铸法成形的各薄膜型第一磁通集中
器51~54及该第二磁通集中器4的尺寸准确、定位精度高。该磁通导引器
2使出平面磁场发生磁通偏折效果需要较大的高度,但电铸法可制作的厚
度因时间成本而受限,故较佳的方法为切割成形及贴合。图4中的磁通分
布分析结果显示,该第一磁通集中器51~54及该第二磁通集中器4的设计
能够提高磁通密度的均匀性,并能克服对?#32487;?#21512;的误差的影响。

由以上说明可知,相较于现有技术需使用四个电桥单元,本发明提供
的单电桥磁场传感器A仅利用单一电桥单元3,并配合该磁通导引器2,
再?#30001;?#21033;用该切换电路6进行电路切换,从而改变各元件的电性连接关系,
即可测量各轴向的磁场,从而具有高磁场灵敏度、三轴感测、体积小等优
点。

以?#28388;?#26126;该单电桥磁场传感器A进行各轴向磁场感测时,该切换电路
6的工作方式及磁场测量手段:

如图5、图3、图4、图6至图8所示,当待测磁场?#33267;緽x为X方向,
该磁通导引器2、各第一磁通集中器51~54与该第二磁通集中器4的组合,
令各磁阻组件31~34分别感测到均匀的磁通密度,其磁场方向相对于钉札
方向分别为顺向、逆向、逆向、顺向,使各磁阻组件31~34的磁阻变化分
别为减小、增大、增大、减小,此时各输入电压源61分别电性连接该第一
磁阻组件31及该第四磁阻组件34,该第二磁阻组件32及该第三磁阻组件
33分别电性连接一接地端62,该磁场?#33267;緽x使该电压输出端63A、63B产
生的输出电压为:


其中Va与Vb为该电压输出端63A及该电压输出端63B的输出电压,R1
为该第一磁阻组件31的电阻,R2为该第二磁阻组件32的电阻,其余R3、
R4依此类推,Vcc为该输入电压源61的输入电压。?#22791;?#30913;场Bx=0时,所有
的磁阻组件31~34的电阻相同,皆为零磁场磁阻值R0,即R1=R2=R3=R4=
R0,此?#22791;?#30005;桥单元3的输出电压为零。当磁场Bx不为零时,各磁阻组件
31~34的磁阻增加或减少ΔR成为:R1=R0–ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0+ΔR、
R4=R0–ΔR,此?#22791;?#30005;桥单元3的输出电压为Vx(Bx)=VccΔR/R0。当磁场By
不为零时,各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为R1=R0–ΔR、R2=R0–ΔR、
R3=R0+ΔR、R4=R0+ΔR,由上述公式(1)可知该电桥单元3的输出电压
为零。当磁场Bz不为零时,四个磁阻组件R1、R2、R3与R4的磁阻变化分别
为R1=R0+ΔR、R2=R0–ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(1)
可知该电桥单元3的输出电压为零。

如图6、图3至图5及图7、图8所示,当待测磁场?#33267;緽y为Y方向
时,各磁阻组件31~34所感测到的磁通密度相对于钉札场的方向分别为逆
向、逆向、顺向、顺向,使各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为增大、增
大、减小、减小,此时各输入电压源61分别电性连接该第一磁阻组件31
及该第三磁阻组件33,该第二磁阻组件32及该第四磁阻组件34分别电性
连接该接地端62,磁场?#33267;緽y使该电压输出端63C、63D产生的输出电压
为:


其中Vc与Vd为电压输出端63C、63D的输出电压。当磁场By=0时,各
磁阻组件31~34的电阻相同,皆为零磁场磁阻值R0,即R1=R2=R3=R4=R0,
此?#22791;?#30005;桥单元3的输出电压为零。当磁场By不为零时,各磁阻组件31~34
的磁阻变化分别为:R1=R0+ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0–ΔR、R4=R0–ΔR,
此?#22791;?#30005;桥单元3的输出电压为Vy(By)=VccΔR/R0。当磁场Bx不为零时,
各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为R1=R0–ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0+ΔR、
R4=R0–ΔR,由上述公式(2)可知该电桥单元3的输出电压为零。当磁场
Bz不为零时,各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为:R1=R0+ΔR、R2=R0–
ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(2)可知该电桥单元3的输出
电压为零。

如图7、图3至图6及图8所示,当待测磁场?#33267;緽z为Z方向时,各
磁阻组件31~34所感测到的磁通密度相对于钉札场的方向分别为逆向、顺
向、逆向、顺向,使各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为增大、减小、增
大、减小,此?#22791;?#36755;入电压源61电性连接该第一磁阻组件31及该第四磁
阻组件34,该第二磁阻组件32及该第三磁阻组件33分别电性连接该接地
端62,磁场?#33267;緽z使该电压输出端63A、63B产生的输出电压为:


其中Va与Vb为电压输出端63A、63B的输出电压。当磁场Bz=0时,各
磁阻组件31~34的电阻相同,即R1=R2=R3=R4=R0,此?#22791;?#30005;桥单元3的输
出电压为零。当磁场Bz不为零时,各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为:
R1=R0+ΔR、R2=R0–ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,此?#22791;?#30005;桥单元3的
输出电压为Vz(Bz)=VccΔR/R0。当磁场Bx不为零时,各磁阻组件31~34的
磁阻变化分别为:R1=R0–ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由
上述公式(3)可知该电桥单元3的输出电压为零。当磁场By不为零时,
各磁阻组件31~34的磁阻变化分别为R1=R0+ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0–ΔR、
R4=R0–ΔR,由上述公式(3)知该电桥单元3的输出电压为零。

由以上说明可知,本发明提供的单电桥磁场传感器A可通过该切换电
路6于三种线路之间进行切换,从而构成上述公式(1)、(2)、(3)三
种输出模式,通过单一电桥即可测量三轴磁场?#33267;俊?#27492;三种输出模式的切
换可利用模拟开关电路实现,亦可通过实时测量各磁阻组件31~34的磁阻
变化后利用公式(1)、(2)、(3)以数字计算方式得出。

以上所述为本发明在产业上的一较佳实施例,举凡依本发明权利要求
范围所作的均等变化,皆属本案保护的范畴。

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本文标题:单电桥磁场传感器.pdf
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