CN108303660B - 一种推拉式垂直灵敏磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推拉式垂直灵敏磁传感器。本发明包括衬底、通量引导器和四个磁敏电阻。通量引导器与四个磁敏电阻均设置在衬底上。通量引导器为方环形结构；四个磁敏电阻规格相同，分为两对分别设置在通量引导器的两对边内侧；四个磁敏电阻组成惠斯通电桥结构。本发明可屏蔽水平方向上的磁场影响，对垂直方向上的磁场进行检测，而且可与现代微电子技术集成，结构简单，成本低，易于推广，克服了现有的Z轴垂直封装磁传感器技术带来的不稳定、易断裂等问题。

Description

一种推拉式垂直灵敏磁传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种推拉式垂直灵敏磁传感器。

背景技术

磁传感器是可以感知磁信号并转变成可被输出电信号的装置。磁传感器可用作探测、采集、存储、转换和监控各种磁场信息的任务，已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等飞速发展和计算机应用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量，转换成可与计算机兼容的讯号，作为它们的输入讯号，这就给磁传感器的快速发展提供了机会，从而形成了相当可观的磁传感器产业。随着三轴磁传感器在电子罗盘，在无人机、智能手表、导航设备中广泛普及和应用，三轴磁传感器承载着至关重要的绝对指向作用，开发稳定可靠的Z轴磁传感器成为一种迫切的需求。不过，现今一般市场上常见的三轴磁传感器，多采用一个直立式Z轴配合一个水平XY轴感测的结构。这种传感器采用多芯片封装，通过Epoxy封装材料和焊接方式，将一个垂直放置的Z轴磁传感器，和一个X轴/Y轴两轴磁传感器通过打线或者焊接固定封装在一起。但是，由于直立式Z轴结构封装较复杂，而且不稳定，容易断裂或者松动、受温度影响大，造成后续使用的问题。申请号为201410238418.6的发明中提到一种Z轴磁传感器，该发明通量引导器设置在磁电阻上方，且该发明的主要目的是检测磁场梯度，不能测量磁场强度大小，在磁场强度测量大小方面受到限制。

发明内容

本发明的目的就是提供一种推拉式垂直灵敏磁传感器。

本发明包括衬底、通量引导器和四个磁敏电阻。通量引导器与四个磁敏电阻均设置在衬底上。通量引导器为方环形结构；四个磁敏电阻规格相同，分为两对分别设置在通量引导器的两对边内侧；四个磁敏电阻敏感轴方向与安装侧均垂直设置；四个磁敏电阻组成惠斯通电桥结构。通量引导器一方面可在垂直方向的Z轴磁场作用下在水平面内产生漏磁磁场分量，同时能屏蔽和减少水平方向上磁场分量的干扰。漏磁在左右两对磁敏电阻处产生不同方向的磁场分量，两对磁敏电阻的磁电阻阻值发生不同大小的改变使惠斯通电桥形成推拉输出，得到被测磁场的强度。

作为优选，所述的通量引导器的外端设置有软磁屏蔽层；

作为优选，所述的衬底采用氧化硅、硅、氧化镁材料制成；

作为优选，所述的通量引导器与软磁屏蔽层均采用软磁材料制成。

作为优选，所述的磁敏电阻选用巨磁阻电阻或隧道结磁电阻。

本发明提供的通量引导器一方面可在垂直方向的Z轴磁场作用下在水平面内产生漏磁磁场分量，同时可以屏蔽和减少水平方向上磁场分量的干扰。漏磁在左右两对磁敏电阻处产生不同方向的磁场分量，两对磁敏电阻的磁电阻阻值发生不同大小的改变使惠斯通电桥形成推拉输出，最终得到被测磁场的强度。可实现面内敏感的磁传感器对Z轴磁场强度的测量，本发明的磁传感器结构可屏蔽水平方向上的磁场影响，对垂直方向上的磁场进行检测，而且可与现代微电子技术集成，结构简单，成本低，易于推广，克服了现有的Z轴垂直封装磁传感器技术带来的不稳定、易断裂等问题。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为磁敏电阻组成惠斯通电桥的连接示意图；

图3为本发明通量引导器聚集磁场的结构示意图；

图4为本发明磁敏电阻感应通量引导器漏磁结构示意图；

图5为图1加装软磁屏蔽层后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种推拉式垂直灵敏磁传感器包括衬底1、通量引导器2和四个磁敏电阻3。通量引导器2和四个磁敏电阻4设置在衬底上。通量引导器为方环形结构；四个磁敏电阻3规格相同，分为两对分别设置在通量引导器2的两对边内侧；四个磁敏电阻组成惠斯通电桥结构；衬底选用氧化硅、硅、氧化镁等材料制成；通量引导器2选用软磁材料，如镍铁等。

本发明中四个磁敏电阻规格相同，敏感轴方向与安装侧均垂直设置。四个磁敏电阻3分为两对，一侧边的第一磁敏电阻R1与第三磁敏电阻R3为一对，其对边的第二磁敏电阻R2与第四磁敏电阻R4为另一对，为了使磁敏电阻更加敏感，在制作工艺上使得两对磁敏电阻尽可能靠近通量引导器2边缘，本实施例中两对磁敏电阻均为紧贴空心矩形通量引导器2的内边缘设计。

如图2所示，四个磁敏电阻3形成的惠斯通电桥结构，第一磁敏电阻R1与第三磁敏电阻R3安装在一侧，第二磁敏电阻R2与第四磁敏电阻R4安装在对侧；第一磁敏电阻R1的一端与第二磁敏电阻R2一端连接后接VCC输入电源；第三磁敏电阻R3的一端与第四磁敏电阻R4的一端连接后接地；第一磁敏电阻R1的另一端与第四磁敏电阻R4的另一端连接后作为负输出端；第二磁敏电阻R2的另一端与第三电阻R3的另一端连接后作为正输出端。

当磁敏电阻检测到漏磁时，两对磁敏电阻磁电阻阻值发生不同变化，使推拉结构的惠斯通电桥正负输出端产生差分输出电压Vout。通过检测输出电压可间接得到原磁场大小。

工作过程如下：通量引导器在垂直方向的Z轴磁场作用下在水平面内产生漏磁分量，由于左右两对磁敏电阻与通量引导器的相对位置不同，因而感受到的漏磁磁场分量方向不同，两对磁敏电阻在漏磁磁场分量作用下产生不同的磁电阻阻值变化，从而使惠斯通电桥产生推拉输出，最终得到被测磁场的强度。

如图3与图4所示，当环境中存在水平面内磁场时，水平磁场会被通量引导器2所屏蔽；组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻会对面内磁场产生相同的信号变化，不改变电桥平衡，输出端无输出信号。

当检测环境中存在垂直磁场或垂直磁场分量时，通量引导器会将垂直磁场聚集并且形成漏磁被磁敏电阻组成的惠斯通电桥感知。本实施例中假设存在垂直向上的均匀磁场H，通量引导器会受垂直向上的磁场H影响，使得通量引导器上表面均匀分布正磁荷，下表面均匀分布有负磁荷，正负磁荷之间形成感生磁场。磁敏电阻在平面内感受到通量引导器形成的漏磁分量，使得同一侧磁敏电阻产生相同变化，不同侧的磁敏电阻产生不同的磁电阻阻值变化。一组磁电阻阻值增大，另一组磁电阻阻值减小。

实施例二：

如图5所示，本实施例基本结构与实施例一相同。不同点在于，通量引导器2的外端还设置有软磁屏蔽层4，软磁屏蔽层4、通量引导器2设置在衬底上，四边与软磁屏蔽层4平行。采用具有软磁屏蔽层1的结构，当环境中存在水平方向磁场时，通量引导器能够屏蔽部分磁场，软磁屏蔽层1可进一步屏蔽面内磁场干扰。即便水平方向磁场被四个磁敏电阻感知，四个磁敏电阻也发生相同的磁电阻阻值变化，电桥保持平衡。也能精确地测量垂直磁场的大小，排除水平方向非梯度(或磁场梯度可忽略如地磁场)的磁场影响

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种推拉式垂直灵敏磁传感器，包括衬底、通量引导器和四个磁敏电阻；其特征在于：所述的通量引导器与四个磁敏电阻均设置在衬底上；通量引导器为方环形结构；四个磁敏电阻规格相同，分为两对分别设置在通量引导器的两对边内侧；四个磁敏电阻组成惠斯通电桥结构；通量引导器一方面可在垂直方向的Z轴磁场作用下在水平面内产生漏磁磁场分量，同时能屏蔽和减少水平方向上磁场分量的干扰；由于两对磁敏电阻与通量引导器的相对位置不同，漏磁在左右两对磁敏电阻处产生不同方向的磁场分量，两对磁敏电阻的磁电阻阻值发生不同大小的改变使惠斯通电桥形成推拉输出，得到被测磁场的强度；

当环境中存在水平面内磁场时，水平磁场会被通量引导器所屏蔽；组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻会对面内磁场产生相同的信号变化，不改变电桥平衡，输出端无输出信号；

当检测环境中存在垂直磁场或垂直磁场分量时，通量引导器会将垂直磁场聚集并且形成漏磁被磁敏电阻组成的惠斯通电桥感知。

2.如权利要求1所述的一种推拉式垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的通量引导器的外端设置有软磁屏蔽层。

3.如权利要求1所述的一种推拉式垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的衬底采用氧化硅、硅、氧化镁材料制成。

4.如权利要求1所述的一种推拉式垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的通量引导器采用软磁材料制成。

5.如权利要求2所述的一种推拉式垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的软磁屏蔽层采用软磁材料制成。

6.如权利要求1所述的一种推拉式垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的磁敏电阻选用巨磁阻电阻或隧道结磁电阻。