CN108919147A - 一种三轴磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三轴磁场传感器。本发明包括X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器。X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器均设置在衬底上，X/Y双轴磁场传感器与Z轴磁场传感器位置相邻；X/Y双轴磁场传感器的两组惠斯通电桥结构形成两个输出，实现X/Y轴磁场测量。Z轴磁场传感器在Z轴磁场作用下，产生两个方向不同的水平分量漏磁磁场，通过电桥感知并输出，实现Z轴磁场测量。本发明可实现单芯集成，三轴磁场传感器可实现单芯工艺层次的集成，即所有的磁敏电阻单元可以在同一种工艺中同时制成，集成度高、稳定性好、抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于磁场传感器技术领域，涉及一种三轴磁场传感器。
背景技术
巨磁阻传感器(GMR)是1988年以后发展起来的一类新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的巨磁阻效应，用GMR制成的磁场传感器相比于各向异性磁电阻(AMR)、霍尔器件具有灵敏度更高，功耗更低，线性更好、动态范围更宽、温度特性更好、抗干扰能力更强等优点。此外GMR容易与微电子工艺集成，便于制成集成度很高的磁场传感器。
目前三轴磁场传感器的技术通常将三个磁敏传感器封装集成在一起，分别测X轴、Y轴、Z轴磁场分量。该技术方法工艺复杂、体积大、封装成本高，且稳定性和可靠性不好。比如专利CN 102426344 B采用的是将三个相同的传感器封装集成的方案，一个磁场传感器敏感轴沿X轴放置，另一个磁场传感器敏感轴沿Y轴放置，Z轴磁场传感器垂直平面放置来进行测量；专利CN102292773B的三轴磁传感器是通过分别控制材料钉扎方向和导磁层来实现测量三轴磁场的；专利US 20120299587 A1的技术是采用磁阻来测量平面内磁场，用霍尔传感器来测量Z轴磁场。US20150309125 A1是将多个磁感应单元设置在斜坡上，磁场可以由感测单元测量。然后可以通过算法来求解磁场的三个正交轴分量。以上专利均存在工艺复杂、实现较困难、三轴传感器的灵敏度相差较大等问题。本发明将克服以上传感器的不足，器件尺寸小、制备工艺简单。
发明内容
本发明的目的就是提供一种三轴磁场传感器。
本发明其包括X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器。X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器均设置在衬底上，X/Y双轴磁场传感器与Z轴磁场传感器位置相邻；用于测量三轴磁场。
X/Y双轴磁场传感器包括双轴磁通引导器。双轴磁通引导器设置在衬底上，双轴磁通引导器外部框架为方环形或圆环形结构，两条对角线或两条垂直的对称轴将双轴磁通引导器分为四个区域；每个区域均开有磁敏电阻放置间隙。每个区域设置有一对磁敏电阻，磁敏电阻均设置在衬底上，一个磁敏电阻被双轴磁通引导器覆盖，另一磁敏电阻设置在磁敏电阻放置间隙内。检测同向磁场的两对磁敏电阻连成一组惠斯通电桥结构，两组惠斯通电桥形成两个输出；分别测量X轴和Y轴磁场分量。
所述的Z轴磁场传感器包括单轴磁通引导器和两对磁敏电阻，两对磁敏电阻分别设置在单轴磁通引导器的两对边，每个磁敏电阻的敏感轴与安装侧垂直。两对磁敏电阻连成一组惠斯通电桥结构，形成一个输出，测量Z轴磁场分量。
在Z轴磁场作用下，单轴磁通引导器两边边缘处产生具有不同方向水平分量的漏磁场，被分别位于两侧的两对面内敏感的磁敏电阻所感知，并由惠斯通电桥进行输出。
作为优选，所述的Z轴磁场传感器放置在X/Y双轴磁场传感器的环形双轴磁通引导器的环形内部。
所述的磁敏电阻放置间隙的两边与切边呈大于0°小于90°的倾斜角；
所述的衬底为硅基。
所述的磁敏电阻为各向异性磁电阻、巨磁阻电阻、磁隧道结电阻。
所述的磁通量引导器为具有高导磁率的软磁材料制成。
所述的惠斯通电桥电路通过金属线相连，并能够与硅基集成信号处理电路原件相连或者在硅片上实现单芯集成。
所述的惠斯通电桥为惠斯通电桥全桥结构或惠斯通电桥半桥结构。
本发明技术获得的三轴磁场传感器可实现单芯集成，三轴磁场传感器可实现单芯工艺层次的集成，即所有的磁敏电阻单元可以在同一种工艺中同时制成，集成度高、稳定性好、抗干扰能力强。
图说明
图1为本发明实施例一的整体结构示意图；
图2为本发明实施例二的整体结构示意图
图3为本发明实施例中惠斯通电桥全桥结构的电路图；
图4为实施例中惠斯通电桥的输出仿真曲线图；
图5为Z轴磁场传感器的惠斯通电桥结构；
图6为Z轴磁场传感器的Z轴方向外磁场在面内的磁场分量仿真曲线。
具体实施方式
一种三轴磁场传感器，包括X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器。X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器均设置在衬底上，X/Y双轴磁场传感器与Z轴磁场传感器位置相邻；用于测量三轴磁场。
X/Y双轴磁场传感器包括双轴磁通引导器1。双轴磁通引导器1设置在衬底上，双轴磁通引导器1外部框架为方环形或圆环形结构，两条对角线或两条垂直的对称轴将双轴磁通引导器1分为四个区域；每个区域均开有相同的磁敏电阻放置间隙2。每个区域设置有一对磁敏电阻，磁敏电阻3均设置在衬底上，一个磁敏电阻被双轴磁通引导器覆盖，另一磁敏电阻设置在磁敏电阻放置间隙内。检测同向磁场的两对磁敏电阻连成一组惠斯通电桥结构，两组惠斯通电桥形成两个输出；分别测量X轴和Y轴磁场分量。
Z轴磁场传感器包括单轴磁通引导器4和两对磁敏电阻3，两对磁敏电阻分别设置在单轴磁通引导器4的两对边。两对磁敏电阻连成一组惠斯通电桥结构，形成一个输出，测量Z轴磁场分量。
磁通量引导器一般为镍铁、铁硅合金(硅钢片)或各种软磁铁氧体等具有高导磁率的软磁材料。
如图1所示，实施例一中，Z轴磁场传感器放置在X/Y双轴磁场传感器的环形双轴磁通引导器1的外面。
如图2所示,实施例二中，Z轴磁场传感器放置在X/Y双轴磁场传感器的环形双轴磁通引导器1的里面，这种结构中双轴磁通引导器1能够屏蔽水平磁场对于Z轴磁场传感器的干扰。
在两个实施例的结构中，X/Y双轴磁场传感器均包括八个磁敏电阻3，双轴磁通引导器1采用正方环形结构，每条边上均设置有一对磁敏电阻，同时每条边上均开有磁敏电阻放置间隙2；一个磁敏电阻被双轴磁通引导器1覆盖，另一磁敏电阻设置在双轴磁通引导器上开有的磁敏电阻放置间隙2内。
根据正方形两边垂直的结构，可知两对对边分别测量X轴和Y轴磁场分量。如图3所示，两对边的四个磁敏电阻分别连成两组结构相同的惠斯通电桥全桥。
一边上置于磁敏电阻放置间隙3内的磁敏电阻记为第一磁敏电阻R1、另一磁敏电阻记为第二磁敏电阻R2；对边上置于磁敏电阻放置间隙3内的磁敏电阻记为第三磁敏电阻R3、另一磁敏电阻记为第四磁敏电阻R4。第一磁敏电阻R1的一端与第二磁敏电阻R2的一端连接后接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一个输出端Vout+；第二磁敏电阻R2的另一端与第三磁敏电阻R3的另一端连接后作为另一个输出端Vout-；两个输出端形成差分输出。
两组惠斯通电桥全桥形成两个差分输出。
两组惠斯通电桥结构的输出仿真曲线如图4所示。将双轴磁通引导器1上磁敏电阻放置间隙2处作为检测点，位于双轴磁通引导器1对边上的一对放置在磁敏电阻放置间隙2内磁敏电阻检测到的X/Y轴磁场分量相同，X/Y轴上检测点的两个磁感分量随外磁场的角度变化呈正弦函数关系变化，且二者呈现出正交关系，通过分析两组惠斯通电桥结构的差分输出，由此测定X/Y轴两个方向的磁场分量，并计算得到原信号磁场强度和方向。
如图5所示，Z轴磁场传感器的四个磁敏电阻R9～R12连成推拉式惠斯通电桥结构，磁敏电阻R9、R10设置在单轴磁通引导器4的同一侧边，其余两个磁敏电阻的设置在该侧边的对边。Z轴磁场传感器的单轴磁通引导器4两侧的两组磁敏电阻在垂直信号磁场作用下，感受到的磁通引导器引起的面内漏磁磁场分量方向不同，因而产生不同的信号变化。
如图6所示，Z轴磁场传感器的仿真曲线验证了在Z轴磁场作用下，在单轴磁通引导器4结构边缘两边的漏磁分量方向不同。位于单轴磁通引导器4同侧的两个磁敏电阻R9、R10或R11、R12将感受到相同的漏磁磁场分量。在Z轴磁场作用下，如果一边一对磁敏电阻磁电阻增大，对边一对磁敏电阻的磁电阻将减小，因此在推拉式惠斯通电桥结构中产生差分输出，进而分析Z轴信号磁场的大小。当在所述单轴磁通引导器4的外端设置的软磁屏蔽层，如实施例二的结构所示，可进一步减少平面内磁场对Z轴磁场测量的干扰。
对于本领域技术人员而言，显然本发明技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明技术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技术。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，本发明技术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技术内。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 (8)
1.一种三轴磁场传感器，包括X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器；其特征在于：所述的X/Y双轴磁场传感器和Z轴磁场传感器均设置在衬底上，X/Y双轴磁场传感器与Z轴磁场传感器位置相邻；用于测量三轴磁场；
所述的X/Y双轴磁场传感器包括双轴磁通引导器；双轴磁通引导器设置在衬底上，双轴磁通引导器外部框架为方环形或圆环形结构，两条对角线或两条垂直的对称轴将双轴磁通引导器分为四个区域；每个区域均开有磁敏电阻放置间隙；每个区域设置有一对磁敏电阻，磁敏电阻均设置在衬底上，一个磁敏电阻被双轴磁通引导器覆盖，另一磁敏电阻设置在磁敏电阻放置间隙内；检测同向磁场的两对磁敏电阻连成一组惠斯通电桥结构，两组惠斯通电桥形成两个输出；分别测量X轴和Y轴磁场分量；
所述的Z轴磁场传感器包括单轴磁通引导器和两对磁敏电阻，两对磁敏电阻分别设置在单轴磁通引导器的两对边；两对磁敏电阻连成一组惠斯通电桥结构，形成一个输出，测量Z轴磁场分量；在Z轴磁场作用下，单轴磁通引导器两边边缘处产生具有不同方向水平分量的漏磁场，被分别位于两侧的两对面内敏感的磁敏电阻所感知，并由惠斯通电桥进行输出。
2.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的Z轴磁场传感器放置在X/Y双轴磁场传感器的环形双轴磁通引导器的环形内部。
3.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的磁敏电阻放置间隙的两边与切边呈大于0°小于90°的倾斜角。
4.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的衬底为硅基。
5.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的磁敏电阻为各向异性磁电阻、巨磁阻电阻、磁隧道结电阻。
6.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的磁通量引导器为具有高导磁率的软磁材料制成。
7.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的惠斯通电桥电路通过金属线相连，并能够与硅基集成信号处理电路原件相连或者在硅片上实现单芯集成。
8.如权利要求1所述的一种三轴磁场传感器，其特征在于：所述的惠斯通电桥为惠斯通电桥全桥结构或惠斯通电桥半桥结构。
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