CN117054936B - 一种梯度传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种梯度传感器。该梯度传感器包括：设置基板上的线性磁感应单元，沿着X轴方向的所述磁感应单元左、右两侧分别设置的M轴磁场导向聚集结构，所述M轴为Y轴或Z轴。所述M轴磁场导向聚集结构整体上呈“L”型，由磁场聚集部和磁场导向部构成，所述磁场聚集部沿着平行/反平行于X轴延伸作为“L”型的底部，所述磁场导向部沿着平行M轴延伸、导入M轴方向的磁场后经过所述磁场聚集部导向所述磁感应单元；所述磁感应单元的灵敏方向平行/反平行与X轴方向。本发明提供的梯度传感器仅用磁感应单元即可直接输出磁场梯度无需额外设置计算电路/装置，不仅成本低、结构紧凑，而且便于实现灵敏度和零场偏置（Offset）调节。

Description

一种梯度传感器

技术领域

本申请涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种测量磁场梯度的梯度传感器。

背景技术

磁传感器广泛用于现代电子系统中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。目前磁传感器主要分为采用霍尔元件为敏感元件的磁传感器，以及采用磁阻元件（包括AMR，GMR和MTJ在内）为敏感元件的磁传感器。

不同类型的磁传感器各有优缺点以及适用的场景和范围。其中，以霍尔元件为敏感元件的磁传感器灵敏度低，通常需要增加聚磁环结构来放大磁场、提高灵敏度，这样往往会增加传感器的体积和重量，同时采用霍尔元件的磁传感器因为需要时刻流过电流，功耗大。以AMR元件为敏感元件的磁传感器虽然灵敏度比霍尔元件高，但线性范围窄；而GMR虽然线性范围宽，但其灵敏度相对较低。此外，对于以AMR为敏感元件的磁传感器同时需要设置set/reset线圈对其进行预设-复位操作，不仅增大尺寸和功耗，更重要的是提高了制造工艺的复杂度。以磁感应单元元件为敏感元件的磁传感器相对于上述三种磁传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度。但是磁感应单元传感器的成品率取决于磁感应单元元件磁阻输出的偏移值，构成电桥的磁感应单元元件的磁阻很难达到高的匹配度，同时磁感应单元传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂，这就是磁感应单元传感器没有实现低成本大规模量产的主要原因。

目前的梯度传感器主要是采用在相距已知距离的两个点位上设置对应的磁阻单元，所述磁阻单元在电路上连成惠斯通电桥/半桥的形式，用于测量不同点位上的磁场强度差值。对于磁场梯度传感器而言，处于均匀磁场时其输出应该为零（OFFSET为零），这就要求位于不同桥臂上的磁电阻的性能参数一致。但是实际上由于磁电阻制造工艺的问题，即便同一批次的磁电阻也很难保证性能参数偏差在符合要求的范围内。因此，目前梯度磁传感器往往需要根据待检测磁场对惠斯通电桥的四个桥臂上的磁阻单元进行特殊布置或设计。为了对现有的磁场梯度传感器进行offset调节和灵敏度调节，往往需要在梯度传感器中集成复杂的偏置（offset）调节电路和灵敏度调节电路。不仅使梯度传感器的设计、制作更加复杂，而且提高了制作成本。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种对磁阻单元之间性能要求一致性低，且传感器的offset与对磁场梯度灵敏度能够通过调节磁通导向聚集器的形状进行方便的调控，无需为调节零点偏移OFFset和灵敏度设置专门的附加电路的梯度传感器。

本发明提供的梯度传感器在组成结构上，包括：设置基板上的线性磁感应单元，以及沿着X轴方向的所述磁感应单元左、右两侧分别设置有M轴磁场导向聚集结构，所述M轴为Y轴或Z轴，Z轴垂直于晶圆面。所述M轴磁场导向聚集结构整体上呈“L”型，由磁场聚集部和磁场导向部一体化成型。所述磁场聚集部沿着平行/反平行于X轴延伸作为“L”型的底部，所述磁场导向部沿着平行M轴延伸、用于导入M轴方向的磁场。所述M轴磁场导向聚集结构的形状和/或尺寸事先在M轴均匀磁场的仿真环境中、确保磁感应单元输出信号在要求的OFFset范围内，和/或在要求的灵敏度范围的前提下确定的。所述磁感应单元左侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部往右延伸，右侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部往左延伸。所述磁感应单元与自身左、右两侧M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部基本位于同一平面，用于测量自身左、右两侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部导出磁场在平行于X轴直线上分量的强度差。

在一个实施例中，所述磁场聚集部的顶部不高于所述磁感应单元的底部。

在另一个实施例中，所述磁场聚集部的底部不高于所述磁感应单元自身的底部，所述磁场聚集部的顶部不低于所述磁感应单元的顶部。

进一步地，所述磁感应单元为包括TMR、AMR、GMR在内的XMR磁阻单元，或霍尔传感器。当所述磁感应单元为包括TMR、AMR、GMR在内的XMR磁阻单元时，所述磁感应单元的灵敏方向平行于或反平行于X轴方向。

本发明提供的梯度传感器由于采用同一个磁感应单元直接输出磁场梯度信息，无需考虑不同磁感应单元之间零点offset、灵敏度、线性范围等方面的差异。仅通过M轴磁场导向聚集结构形状/尺寸即可实现具有相应灵敏度、零点OFFset的梯度传感器。并且基于本发明提供制造方法，还能使所述梯度传感器实现设备小型化和一体化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的梯度传感器在第一个实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的梯度传感器在第二实施例中的结构示意图。

图3为本发明提供的梯度传感器在第三实施例中的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供的梯度传感器包括：设置基板上的线性磁感应单元，以及所述磁感应单元左、右两侧（沿着X轴方向）分别设置有M轴磁场导向聚集结构，所述M轴为Y轴或Z轴（M轴为Y轴的情况图1未示出，其情况跟M轴为Z轴的情况类似）。所述M轴磁场导向聚集结构整体上呈“L”型，由磁场聚集部和磁场导向部构成。所述磁场聚集部沿着平行/反平行于X轴延伸作为“L”型的底部，所述磁场导向部沿着平行M轴延伸、用于导入M轴方向的磁场。所述M轴磁场导向聚集结构的形状和/或尺寸事先在M轴均匀磁场的仿真环境中、确保磁感应单元输出信号在要求的OFFset范围内和/或要求的灵敏度范围的前提下确定的。

所述磁感应单元左侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部往右延伸，右侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部往左延伸。所述磁感应单元与自身左、右两侧M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部基本位于同一平面，用于测量自身左、右两侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部导出磁场在平行于X轴直线上分量的强度差。

本发明的梯度传感器的工作过程为：通过所述磁感应单元左、右两边M轴磁场导向聚集结构的磁场导向部将对应两个测量位置的M轴（图1中为Z轴）磁场进行导入后，通过磁场聚集部扭曲至所述磁感应单元的左、右两边。由于所述磁场聚集部与磁感应单元基本位于同一平面、且磁感应单元的灵敏方向平行于或反平行X轴方向，因此，磁感应单元左、右两边沿X轴的磁场强度分别反映了所述两个测量位置上M轴磁场或M轴磁场分量的强度。磁感应单元的输出则反映了所述两个测量位置M磁场或M轴磁场分量的强度差别（即所述两个测量位置上M磁场/M轴磁场分量的梯度）。显然，可以通过调节磁感应单元左、右两边的M轴磁场导向聚集结构的形状和/或尺寸导入M轴磁场，进而在磁感应单元左、右两边聚集出所需要的磁场强度差。基于此，不难理解可以通过调节磁感应单元左、右两边的M轴磁场导向聚集结构的形状和/或尺寸获得所需要的灵敏度和偏置范围OFFset。

进一步地，所述磁感应单元为包括TMR、AMR、GMR在内的XMR磁阻单元，或霍尔传感器。当所述磁感应单元为包括TMR、AMR、GMR在内的XMR磁阻单元时，所述磁感应单元的灵敏方向平行于或反平行于X轴方向。

在第一实现形式中，所述磁场聚集部的顶部不高于所述磁感应单元的底部。例如，在图1所述的实施例中，所述M轴为Z轴，所述磁场聚集部的顶部不高于所述磁感应单元的底部，或者所述磁场聚集部的顶部和所述磁感应单元的底部位于同一XY平面。

在第二实现形式中，所述磁场聚集部的底部不高于所述磁感应单元自身的底部，所述磁场聚集部的顶部不低于所述磁感应单元的顶部。例如，在图2所示的实施例中，当所述M轴为Z轴时，所述磁场聚集部的底部不高于所述磁感应单元自身的底部，所述磁场聚集部的顶部不低于所述磁感应单元的顶部；或者，所述磁场聚集部的底部和所述磁感应单元的底部位于同一XY平面、所述磁场聚集部的顶部和所述磁感应单元的顶部大致齐平。

当然，所述M轴磁场导向聚集结构并不一定需要严格呈“L”型，只需要整体上呈“L”型（或者类L型即可）。如图3所示的，所述M轴磁场导向聚集结构呈现为局部变形的“L”型，但其整体仍然呈“L”型。

为了进一步降低磁感应单元左、右两侧的磁场聚集部的对位误差，使磁感应单元与自身左、右两侧的磁场聚集尽量贴近一个平面。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种梯度传感器，其特征在于，所述梯度传感器包括：设置基板上的线性磁感应单元，以及沿着X轴方向的所述磁感应单元左、右两侧分别设置有M轴磁场导向聚集结构，所述M轴为Y轴或Z轴，Z轴垂直于晶圆面；

所述M轴磁场导向聚集结构整体上呈“L”型，由磁场聚集部和磁场导向部构成，所述磁场聚集部沿着平行/反平行于X轴延伸作为“L”型的底部，所述磁场导向部沿着平行M轴延伸、用于导入M轴方向的磁场；所述M轴磁场导向聚集结构的形状和/或尺寸事先在M轴均匀磁场的模拟仿真环境中进行调整，确保磁感应单元输出信号在要求的OFFset范围内、和/或在要求的灵敏度范围的前提下确定的；

所述磁感应单元左侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部往右延伸，右侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部往左延伸；所述磁感应单元与自身左、右两侧M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部基本位于同一平面，用于测量自身左、右两侧的M轴磁场导向聚集结构的磁场聚集部导出磁场在平行于X轴直线上分量的强度差。

2.如权利要求1所述的梯度传感器，其特征在于，所述磁场聚集部的顶部不高于所述磁感应单元的底部。

3.如权利要求1所述的梯度传感器，其特征在于，所述磁场聚集部的底部不高于所述磁感应单元自身的底部，所述磁场聚集部的顶部不低于所述磁感应单元的顶部。

4.如权利要求1-3中任一项所述的梯度传感器，其特征在于，所述磁感应单元为TMR、AMR、GMR，或霍尔传感器中的任一种。

5.如权利要求4所述的梯度传感器，其特征在于，当所述磁感应单元为TMR、AMR、GMR中的任一种时，所述磁感应单元的灵敏方向平行于或反平行于X轴方向。