CN101076737B - 非线性磁场传感器和电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种磁场传感器或电流传感器，它在传感器信号与磁场或电流的对数之间实质上表现出线性关系。可以将所述传感器用作宽动态范围传感器，能够在数十年期间提供恒定的相对灵敏度和均匀的SNR。可以在不分离的磁场传感器或电流传感器以及在包括MRAM模块的IC中的集成式电流传感器中实现该传感器设备的设计。

Description

非线性磁场传感器和电流传感器

技术领域

本发明涉及传感器，具体地说，涉及一种非线性传感器，比如那些在传感器信号与传感器所测量的性质的对数之间表现出基本线性关系的传感器，并且可以用作在几十年期间都能提供恒定的相对灵敏度和均匀SNR的宽动态范围传感器。

背景技术

由定义可知，磁阻(MR)传感器在测量的范围内是线性传感器。在中和低场范围内最为广泛使用的MR传感器类型，基于各向异性磁阻(AMR)效应，巨磁阻(GMR)效应，或者近年来基于隧道磁阻(TMR)效应。

原则上讲，一种“好”的磁传感器是在场检测范围内表现出线性性质的传感器，超过检测范围，则传感器信号达到饱和。从而，由特性曲线的线性部分斜率决定的传感器的灵敏度与检测范围不相关。例如，通过调整传感器设计，可把灵敏度和场范围调节成满足不同应用的要求。

例如，飞利浦基于AMR的KMZ场传感器系列的不同产品，可提供从0.05kA/m直至高达100kA/m的不同检测范围。检测范围越宽，则灵敏度变得越低。同样，基于磁阻效应的传统电流传感器，在传感器信号与电流之间可提供线性关系。例如，F.W.Bell的商品化电流传感器，它提供从几安培到150A的线性电流范围，当然，其灵敏度相当低。近年来，我们提出一种利用TMR效应的用于IC测试的非常灵敏的集成式电流传感器，它的检测范围可以低至mA，或者几十mA的范围(参见申请号为EP03104937.2的欧洲申请，“High sensitivity magnetic built-in currentsensor”)。该种集成式传感器所用的技术与普通MRAM技术相似，能够在不明显具有额外成本的情况下实现传感器。

在EP 1225453中，描述了磁场传感器对预定磁功能提供所需响应的电路和方法。该文献涉及被组合成单一磁传感电路的多个磁场传感器，它根据所需的磁场密度函数，比如角度的函数或位置，提供适合的响应。基于输出特性来选择磁场传感器，并在结构上组合成提供偏移传感器误差，能够基本上抵消彼此内的误差，从而提供线性响应。图1表示EP 1225453中所述磁传感器电路10的一个实施例，其中，将霍尔效应传感器12配置成具有磁致电阻分路14。偏压VB 16把电流自恒流源18驱动至与地20连接的霍尔效应传感器12。磁致电阻14横跨地连接在霍尔效应传感器12上，使磁致电阻14的电阻在霍尔效应传感器12上提供分路，并且在VOUT 22处提供电路输出。

对于图1所示的电路，图2绘出在使用和不使用磁致电阻分路时，输出电压对角度位置响应的曲线图。在测量角度位置，如在角度编码器的应用中，磁场密度遵循正弦函数。曲线24表示没有磁致电阻分路14时，霍尔效应传感器12的输出电压与单个霍尔效应传感器12的角度之间的关系。增加磁致电阻分路14，得到图1的电路，调整霍尔效应传感器12的响应，产生图2中曲线26所示的电压响应。受到任一极性的场密度B的值较低的影响，磁致电阻分路14表现出相对较低的电阻，从而使总驱动电流的较大部分偏移开霍尔效应传感器12。随着场强度增大，与霍尔效应传感器12的电阻相比，磁致电阻14的电阻更容易增大，从而更少的电流发生偏移，导致霍尔效应传感器12的输出相应地增大。这些对正弦磁场密度的偏移效应，使响应曲线变直，有如从图2中两个比较曲线可以看出的那样。从而，当解决遵循正弦函数的磁场时，使用与霍尔效应传感器12耦合的磁致电阻分路14，可明显改进霍尔效应传感器12的线性化。

不过，有些应用中可能需要对数特性，例如，当被测量的量或性质扩展到几十年的宽动态范围或者包含指数现象时，比如测量化学浓度，测量压力和体积，光发射等。或者作为选择，在其他应用中，在磁场或电流的宽动态范围内可能需要同等良好的灵敏度和SNR。

通常，对数传感器是一种在传感器信号与被测量的量或性质的对数之间产生基本线性或准线性关系的传感器。使用线性传感器构成对数传感器的一种已知方法，是使用外部电子设备将其线性性质转换成对数性质。然而，最近几十年来，该方法常常产生较差的SNR。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对数传感器，它可用作宽动态范围传感器，能够在几十年期间提供恒定的相对灵敏度和均匀的SNR；以及该对数传感器的制造和操作方法。

通过本发明的方法和设备以实现上述目的。

本发明提供一种传感器设备，它包括至少两个串联或并联连接的磁传感器元件，每个磁传感器元件具有一定的灵敏度，其中，每个磁传感器的灵敏度与任何其他磁传感器元件的灵敏度不同。可将磁传感器元件的灵敏度定义为传感器元件的线性特性曲线的斜率。

在本发明的传感器设备中，所述至少两个传感器元件中的每一个可以在所检测的参数范围上输出传感器信号，并且所述传感器设备可以在所述检测参数的整个范围输出传感器信号。所述至少两个磁传感器当中每一个传感器信号的和，在传感器设备的整个范围，为被检测参数的非线性函数。损伤非线性函数可以为对数或准对数函数。本发明一个方面在于，获得在传感器信号与被测性质之间表现出非线性关系的传感器输出信号，例如在传感器信号与被测性质的对数之间基本上为线性关系。被测性质可以为比如磁场或电流。通过调节所述至少两个磁传感器元件当中每一个的灵敏度，可以实现这种传感器。

本发明的传感器设备可用作分离的磁场传感器，它可以在几十年期间检测宽动态范围的场；并且可用作分离的电流传感器，它可以检测宽动态范围的电流。此外，本发明的传感器设备可以用作集成式电流传感器，它可检测宽动态范围的电流，并且还可应用于需要非侵入地检测从被测量转换成的电流的任何应用中，而且所述的量随时间呈指数变化。

按照本发明的一种具体实施例，所述至少两个磁传感器元件中的每一个可具有相同的几何形状和尺寸。在另一实施例中，所述至少两个磁传感器元件可以具有不同的几何形状及尺寸。通过改变所述至少两个传感器元件当中至少一个的尺寸和/或几何形状，可以得到具有不同灵敏度的磁传感器元件。在又一实施例中，可以将所述两个磁传感器元件中的至少一个分割成至少两个彼此并联或串联的子元件。将至少一个传感器元件分割，可以产生更大的自由度，以便同时调节灵敏度和面积(用于调节电阻)。所述子元件最好具有相同的尺寸，因为需要相同的饱和场，从而，所述子元件需要相同的形状各向异性。

在其他的实施例中，所述设备还包括设置在所述至少两个磁传感器元件下面的导线。在本发明的某些实施例中，在至少两个磁传感器元件的至少一个的位置，导线可表现出不同的宽度。为了改变传感器元件的灵敏度，可通过改变导线宽度，而改变加给传感器元件的场。例如，为了减小传感器元件的灵敏度，可以通过加大导线宽度，以减小加给传感器元件的场。

本发明的传感器设备还包括旁路电流路径。在这种实施例中，在需要电流灵敏度非常小的至少一个传感器元件的位置处，可以把被测电流分开到几个并联的导电路径中，称之为旁路电流路径，其中只有一个路径流经元件的附近。

在另一实施例中，所述传感器设备可以包括至少一个磁屏蔽器。所述至少一个磁屏蔽器可处在至少一个磁传感器元件的附近。所述至少一个磁屏蔽器比如可由软磁材料，如透磁合金制造而成。用屏蔽因子F表示屏蔽器减小外加场的效果。于是，为了调节灵敏度，可以改变屏蔽因子F。例如，可通过调节屏蔽器的几何形状来实现。

在本发明范围内，可以使用包括如上所述调节磁传感器元件灵敏度特性的任意组合，藉以形成本发明包括至少两个磁传感器元件的传感器设备，每个磁传感器元件具有不同的灵敏度。

按照本发明的另一方面，提供一种制造传感器设备的方法。所述方法包括步骤：提供至少两个串联或并联连接的磁传感器元件，每个磁传感器元件具有一定的灵敏度，从而将所述至少两个磁传感器元件的灵敏度设置成，使每个磁传感器元件的灵敏度与任何其他磁传感器元件的灵敏度不同。

可以按照不同的方式调节至少两个磁传感器元件当中每一个的灵敏度。在第一实施例中，可以通过改变至少两个磁传感器元件的几何形状和/或尺寸，以设定至少两个磁传感器元件的灵敏度。

在另一实施例中，通过将至少两个磁传感器元件当中的至少一个分割来设定所述至少两个磁传感器元件的灵敏度。将至少一个传感器元件分割，给出更大的自由度以同时调节灵敏度和面积(用于调节电阻)。各个子元件最好具有相同的尺寸，因为需要相同的饱和场，从而子元件需要相同的形状各向异性。

在另一实施例中，通过在至少两个磁传感器元件当中至少一个的附近设置磁屏蔽器，可以设定所述至少两个磁传感器元件的灵敏度。至少一个磁屏蔽器比如可由软磁材料，如透磁合金制造而成。用屏蔽因子F表示屏蔽器减小外加场的效果。于是，为了调节灵敏度，可以改变屏蔽因子F。例如，可通过调节屏蔽器的几何形状来实现。

在本发明的另一实施例中，在所述至少两个磁传感器元件下面可以设置导线。在本发明的某些实施例中，可将导线设置成使它在至少两个磁传感器元件当中至少一个的位置以外，表现出不同的宽度。为了改变传感器元件的灵敏度，可以通过改变导线宽度，去改变施加给传感器元件的场。例如，为了减小传感器元件的灵敏度，可以通过加大导线宽度来减小加给传感器元件的场。

按照本发明，可使用用于改变或设定磁传感器元件灵敏度的上述方法的任意组合。

尽管在本领域中已经对设备进行了不断的改进、改型和发展，但相信本发明的概念代表了实质上新颖的改进，包括对现有惯例的背离，导致提供了这种更加有效、稳定和可靠的设备。

通过下面结合附图的详细描述，及使本发明的这些以及其他性质、特征和优点更加清楚，其中，各附图通过举例说明本发明的原理。这样的描述仅只是为了举例而给出，并不限制本发明的范围。下面提到的参考图指的是附图。

附图说明

图1为现有技术利用磁阻分路的霍尔效应传感器的示意图；

图2为在具有和不具有磁阻分路时，按照图1电路的电路电压随所示角度旋转的响应图；

图3表示本发明一种实施例传感器设备的电路图；

图4表示在图3的电路图中不同元件的个体性质；

图5表示图3传感器设备的总信号曲线；

图6为图3传感器设备总信号的半对数图；

图7表示构成本发明一种实施例传感器设备的六个不同元件的个体性质的模拟；

图8表示包括图7的六个不同元件的传感器设备的总信号曲线；

图9表示图8所示总传感器信号的半对数图；

图10表示本发明一种实施例传感器设备的并联示意图；

图11表示处于外加磁场中的本发明一种实施例的带屏蔽传感器设备的侧视图；

图12表示根据图11的带屏蔽传感器设备的俯视图；

图13表示对于图12和图13中所示的带屏蔽传感器设备，屏蔽因子F与屏蔽器的宽度的曲线图；

图14至17表示可应用于场传感器的不同实施例示意图；

图18至21表示用于电流传感器的不同实施例示意图；

在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

具体实施方式

下面将针对具体实施例并参照附图描述本发明，但本发明并不局限于这些，而由权利要求予以限定。各权利要求中的任何附图标记都不应当被理解为限制它的范围。所描述的附图仅是示意性的，而非限定性的。在附图中，为了说明的目的，夸大了某些元件的尺寸，并非依照比例绘制的。本说明书和权利要求中使用的术语“包括”不排除其他元件或步骤。而当提到单数名词时，使用不定冠词或定冠词，例如“一个”，包括多个这种名词，除非特别指出。

另外，在说明书和权利要求中，使用术语第一、第二和第三等在相同元件之间进行区分，并非必须是描述连续或时间顺序。应当理解，在适当的条件下，所用的术语是可以互换的，并且，本文所描述的实施例可以按照除此处所描述或说明以外的其他顺序进行操作。

应予说明的是，不应把权利要求中所用的术语“包括”理解为局限于后面所列出的设备，而是不排除其他元件或步骤。从而，理解为表明存在所述特征、整体部分、步骤或部件，不过不排除存在或增加一个或多个其他特征、整体部分、步骤或部件或者它们的组合。从而，表述“设备包括装置A和装置B”的范围，不应当局限于仅由部件A和B组成的设备。这只表明，对于本发明来说，设备的相关部件为A和B。

本发明提供一种制造传感器设备30的方法，所述传感器设备30在传感器信号与被测性质之间表现出非线性关系，例如在传感器信号与被测性质的对数之间表现出基本上线性或准线性关系；还提供通过该方法获得的传感器设备30。被测性质可以为比如磁场或电流。可以使用本发明的传感器设备30作为宽动态范围传感器，它可以在几十年期间提供恒定的相对灵敏度以及均匀的SNR。按照本发明所提供的传感器设备30的设计，可以应用于分离的磁场传感器或电流传感器，以及包括MRAM模块的集成电路中的集成式电流传感器。在其他描述中，利用TMR传感器设备来描述本发明。不过，应当理解的是，这仅是为了便于说明而非限制本发明。本发明还可以应用于比如AMR和GMR传感器。

基本地说，本发明中提出的对数或准对数传感器设备30，是一种包括至少两个具有不同灵敏度并且是串联或并联连接的线性磁阻传感器的系统。有如下面将要描述的那样，可以按照不同方式来设定所述至少两个磁阻传感器当中每一个的灵敏度。

按照一个实施例，提供一种传感器设备30，包括多个(n个)串联连接的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1，其中，n为≥2的整数。作为一种示例，图3表示本发明的一种传感器设备30。为了易于描述，图3中的传感器设备30只包括三个传感器元件R₀，R₁，R₂。由电流源31为系统供给能量，并在电流源31的接线端测量输出电压。按照本发明，每个传感器元件R₀，R₁，R₂具有不同的电压与场或电流性质的关系，如图4所示者，该图表示出不同传感器元件R₀，R₁，R₂的个体性质。每个传感器元件R₀，R₁，R₂在低于它的饱和场H₁，H₂，H₃的场下表现出线性性质，并在高于这些值H₁，H₂，H₃的场处饱和。最好可以将传感器元件R₀，R₁，R₂设计成，使得在零场下它们的电阻相等，并且，它们的整体电阻改变相同。不过，应予说明的是，本发明并不限于电阻相同，每个传感器元件R₀，R₁，R₂可具有不同的电阻(不过这样不太有利)，尽管在这种情况下不能保证最佳的工作状态。

例如，对于TMR传感器，通过保持传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的面积相同，即使它们纵横比不同，也能得到相等的电阻。

按照本发明，形成所述传感器设备30的不同传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度S₀，S₁，S₂，...，S_n-1，必须满足以下关系：S₀＞S₁＞S₂＞...＞S_n-1，其中，将灵敏度定义为每个传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的线性特性曲线的斜率，即每个磁传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1应当具有不同的灵敏度，尤为重要的是，在传感器设备30的输出端处获得的所有个体信号的和，必须符合非线性，更为重要的是，必须为准对数函数(参见图5)。当以对数刻度描绘场时，应当得到有如图6中所示的准线性特性曲线。有如从图6中可以看出的，曲线中的每一段并未形成一条完美的直线，而是稍呈弓形，这是因为从线性到对数标度变换的缘故。不过，正如说明书中将要进一步讨论的那样，实际上，在饱和开始处附近各个特性曲线通常变圆，导致总信号曲线更平滑，从而对数标度图中的实际特性曲线将更接近直线。应当注意，由于对数函数的特性，原则上起始场H₀不能为零，不过实际上比如为小于1Oe的非常小的数值。

当如图3和4所示那样研究传感器设备30的操作时，注意到最低场从H₀到H₁，总信号为各元件的所有线性斜率的和，并且由具有最高灵敏度S₀的传感器(传感器R₀)来控制。从而，该部分具有最陡峭的斜率。在从H₁到H₂的场下，R₀饱和，从而它的信号对于总信号不再起作用。此时，总斜率急剧减小，并由次高灵敏度(second highly sensitive)的单元R₁来控制，以此类推。最终，在除最不灵敏的一个R_n-1外的所有元件都饱和的最高场范围处，总信号只受来自R_n-1的信号影响，从而具有S_n-1的斜率。通过构造本发明这一实施例的传感器设备30，使传感器设备30的总动态范围被分成若干段。每个传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1主要对具有最适合灵敏度的某一段起作用。为了对于各段作出最佳选择，传感器设备30的相对灵敏度可以是完全恒定的，在几十年都能得到均匀的SNR。

为了在传感器设备30的输出端处得到对数函数，每个传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1必须具有确定的灵敏度S₀，S₁，S₂，...，S_n-1。由于将灵敏度S₀，S₁，S₂，...，S_n-1加起来，它们必须彼此很好地联系起来。下面，将描述确定这些值的方法。

假设在传感器设备30的输出端处，获得必须满足以下关系式的对数函数：

V＝(a×logH)+b                 (1)

其中，V为传感器的总信号电压，H为被测量的场，a和b为该函数的两个参数。公式(1)应用于场传感器。对于场传感器将要进行进一步计算，不过不限于场传感器。应予说明的是，在电流传感器的情况下，必须用I取代H，I为被测电流。在任何场H下曲线的斜率为：

dV/dH＝(a×loge)/H              (2)

要求所有传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的总信号满足公式(1)。不过，作为线性特性之和的总信号曲线的每一段，实际上是直线，从而原则上讲，它们仅形成准对数函数。可以通过增加更多的段，以便通过为传感器设备30增加更多传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1来减小与理想对数函数的偏离。

假设总信号曲线的每一段的斜率近似等于公式(2)中所定义的在该段起始场的斜率。从而，作为传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的所有单独斜率之和的第一段(从H₀-H₁)的斜率可以被表示为：

-从H₀到H₁：

$S_0^{\mathrm{\Σ}}=S_0+S_1+S_2+...+S_{n-1}=(a\×\log e)/H_0---\left(3\right)$

当场大于H₁，且小于H₂时，第一元件R₀达到饱和。总斜率为除S₀值外的所有斜率之和：

-从H₁到H₂：

$S_1^{\mathrm{\Σ}}=0+S_1+S_2+...+S_{n-1}=(a\×\log e)/H_1---\left(4\right)$

使H₁＝(ΔV+S₀H₀)/S₀，其中，ΔV＝V₁-V₀，则公式(4)变成：

$S_1+S_2+...+S_{n-1}=\frac{a\×\log e\×S_0}{\mathrm{\ΔV}+S_0{H}_0}---\left(5\right)$

-从H₂到H₃，R₀和R₁均饱和，从而，它们的斜率S₀和S₁从和中消失：

$S_2^{\mathrm{\Σ}}=0+0+S_2+...+S_{n-1}=a\×\log e/H_2---\left(6\right)$

与公式(5)类似，可以将公式(6)写成：

$S_2+...+S_{n-1}=\frac{a\×\log e\×S_1}{\mathrm{\ΔV}+S_1{H}_0}---\left(7\right)$

以此类推。

通常，可以得到n个等式的系统：

对于i＝0： $\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k=\frac{a\×\log e}{H_0}---\left(8\right)$

对于1≤i≤n-1： $\underset{k=i}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k=\frac{a\×\log e\×S_{i-1}}{\mathrm{\ΔV}+S_{i-1}{H}_0}---\left(9\right)$

该公式系统具有n个需要求解的未知数，即a，S₁，...，S_n-1。

通过从下一公式减去一个等式(即第i个等式-第i-1个等式)，可以得到下面的等式：

$a=\frac{S_0}{\log e(\frac{1}{H_0}-\frac{S_0}{\mathrm{\ΔV}+S_0{H}_0})}---\left(10\right)$

并且，S_i(i从1到n-1)为下面二次方程的正解：

$H_0{S_i}^2+(\mathrm{\ΔV}+a\log e-\frac{a\log e{S}_{i-1}{H}_0}{\mathrm{\ΔV}+S_{i-1}{H}_0})S_i-\frac{a\log e{S}_{i-1}\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔV}+S_{i-1}{H}_0}=0---\left(11\right)$

从这个解可以看出，第一斜率S₀是可以被选择的，而且可以由对数函数的参数“a”和其余斜率(S_i，i从1→n-1)唯一确定。或者作为选择，可以将参数“a”视作已知参数(如必要条件)，并通过分别求解公式(10)和(11)，以确定S₀和S_i。必须按照升序求解公式(11)，因为求解S_i时需要已知S_i-1。

原则上讲，为了构建能够覆盖更低检测极限的传感器设备30，必须将元件R₀设计成具有尽可能高的灵敏度。从而，其余传感器元件R₁，R₂，...，R_n-1可具有较低的灵敏度S₁，S₂，...，S_n-1。

为了说明这一原则，下面将进行模拟。在这种模拟的过程中，假设传感器设备30包括6个串联连接的传感器元件R₀到R₅。第一元件R₀可具有4％/Oe的灵敏度，其相当于8×10^-3V/Oe。对于良好的TMR传感器而言，这是一个典型数值。其他输入参数可以为：ΔV＝0.04V，V₀＝0.2V以及H₀＝1Oe。

求解公式(10)和(11)，得到：

a＝2.21×10^-2

S₁＝1.3×10^-3(V/Oe)

S₂＝2.44×10^-4(V/Oe)

S₃＝4.69×10^-5(V/Oe)

S₄＝9.06×10^-6(V/Oe)

S₅＝1.75×10^-6(V/Oe)

通过计算确定的斜率S₀到S₅的数值，注意在与传感器设备30的动态范围几乎相同的几十年期间，斜率S₀到S₅在较宽范围改变。不过，后面将会说明，在较宽范围改变斜率原则上并非是微不足道的。

假设各个特性曲线具有弧形形状，与实际更为接近。使用∑函数来模拟特性曲线：

$y=y_0+\frac{\mathrm{\α}}{1+\exp (-\frac{x-x_0}{\mathrm{\β}})}---\left(12\right)$

最大斜率(在x＝x₀处)为α/4β。用通过以上计算获得的S₀到S₅取代该斜率。

图7表示6个传感器元件S₀到S₅的单独特性曲线。图8表示通过将所有的单独特性曲线求和而得到的总信号。当以半对数刻度绘图线时(参见图9)，除了在第一段处稍稍呈弓形以外，总信号曲线表现为直线。这表明可以获得良好的对数函数特性。在本例中，传感器设备30可以在四十年的期间提供对数性质。

一方面，增大的第一传感器元件S₀的灵敏度将扩展较低的几十年的范围，同时，可以改善第一段的对数标度图线的线性度。另一方面，增加更多的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1，将扩展更高的几十年的场范围。不过，对于同时扩展低端和高端的动态范围则存在局限性。实际上，最高灵敏度受可用技术的限制。另一方面，为了扩展高端，增加更多传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1需要某些更高编号的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1具有非常低的灵敏度。更低的灵敏度将使设备结构增加更多的复杂性，通常不易于实现。后面将会进一步讨论这些问题。

或者作为选择，在本发明的另一实施例中，传感器设备30可以包括n个并联连接的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1，如图10中所示那样。电压源32为传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1供电，并测量总电流作为传感器设备30的输出信号。对于传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度计算与对于本发明第一实施例所讨论的计算相同。为了更好地避免外界干扰，如温度改变，比如，还可以将传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1连接成惠斯登电桥结构。

于是，本发明可用作电流传感器和磁场传感器。在这两种情况下，都要求很好地调节传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度S₀，S₁，S₂，...，S_n-1。如以下部分中将要描述的那样，有多种调节灵敏度S₀，S₁，S₂，...，S_n-1的方法。

传感器设备30的灵敏度，即电流与场(或电流)关系曲线的线性部分的斜率，与传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的传感层的各向异性成反比：

S＝MR_maxμ₀M_s/(4K)                  (13)

式中的MR_max为传感器的最大磁致电阻改变(％)，μ₀为真空磁导率，M_s为传感材料的饱和磁化，K为传感层的各向异性常数。

通常可由透磁合金制成的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的传感层的各向异性是形状各向异性与晶态各向异性的代数和。晶态各向异性是材料的内在性质，不能被局部地改变，而形状各向异性取决于传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的几何形状，从而可以改变。可以将形状各向异性能量密度K_shape表示成：

K_shape＝(1/2)μ₀M_s ²(N_x-N_y)             (14)

其中，Nx和Ny分别为沿易轴和难轴的去磁因子，它们仅取决于元件的几何形状。对于较大，即大于几μm的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1而言，形状各向异性近似为：

K_shape＝(1/2)μ₀M_s ²t/w                 (15)

式中的t和w分别为传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的传感层的厚度和宽度。

例如，可以通过减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的传感层的层厚度，或者通过减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的纵横比，来减小各向异性，从而增大传感器设备30的灵敏度。不过，各向异性过小导致明显的磁滞作用，将使传感层中的磁象变得不稳定。

例如，可以通过减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的宽度来增大传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的传感层的(形状)各向异性，从而减小灵敏度。理论上讲，对于N_y→1，从而对于Nx和Nz→0(由于Nx+Ny+Nz＝1)，可以获得最大形状各向异性K_shape＝(1/2)μ₀M_s ²。理论上讲，这表明在大约30年期间可改变形状各向异性。由于技术上的要求和希望，比如构造期间的最小可能横向尺寸和最大允许层厚度，实际的范围要小得多。

下面将描述用于减小更高编号传感器元件灵敏度的可选择的和辅助装置。

可以通过减小外加磁场来减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度(参见图11和图12)。可以通过比如在传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1附近设置磁屏蔽器33来实现。这种屏蔽器33比如可由如透磁合金类的软磁材料制造而成。可以由屏蔽因子F表示屏蔽器33减小外加场的效果，可以将屏蔽因子F定义为没有屏蔽器33时的外加场与具有屏蔽器33时该场的残留之间的比值。在更一般的定义下，是没有屏蔽器33时传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的响应与屏蔽器33附近传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的响应的比值。使用后一种定义，将屏蔽器对传感器元件R₀，R₁，... ，R_n-1的响应的任何实际影响也包括在内。后者的一个示例比如为通过软磁屏蔽中传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的镜象来减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的形状各向异性。

为了调节灵敏度，可以改变屏蔽因子F。可以通过比如调节屏蔽器33的几何形状来实现。下面将进行说明。

图11和12分别表示本发明一种实施例的传感器元件/屏蔽系统35的侧视图和俯视图。图11说明屏蔽器33的功能。将传感器元件/屏蔽系统35暴露于整个外加场H_app下。该场使屏蔽器33磁化，反过来，被磁化的屏蔽器沿与磁化方向相反的方向产生去磁场H₀。从而，传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1暴露于作为H_app和H_D之和的合成场H_{app_sens}下：

H_{app_sens}＝H_app+H_D＝H_app-N_shieldM_shield＝H_app-N_shieldH_{i_sheld}χ_shield    (16)

其中，N_shield，χ_shield和M_shield分别为屏蔽器33的去磁因子、磁化系数和磁化，其中H_{i_shield}表示屏蔽器33中的内部场。只有当屏蔽器33位于距离磁传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1较小距离，以致距离损失可忽略不计时，公式(16)才有效。例如，当屏蔽器33具有40μm的宽度，2μm的厚度和2000的磁化系数时，屏蔽器33与传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1之间的距离应当为20nm或者更小，以便能够使用公式(16)。

权且忽略因传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的磁化所产生的场(实际上是对于相当薄的传感器而言)。由于在本例中，可将传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1设置成非常靠近屏蔽器33，在屏蔽器边界上磁场是连续的，可以认为H_{app_sens}≈H_{i_shield}，公式(16)变成：

H_{app_sens}＝H_app-N_shieldH_{app_sens}χ_shield    (17)

这导致：

H_{app_sens}＝H_app/(1+N_shieldχ_shield)＝H_app/F    (18)

从而：

→F＝1+N_shieldχ_shield    (19)

如果传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1与屏蔽器33之间的距离变大，则应当考虑距离损失。通过用周期等于屏蔽器33的宽度w_shield两倍的周期性磁化图案，可近似出距离损耗，其中，在较小距离2πd＜w_shield处，屏蔽因子F变成：

$F=\frac{1+N_{\mathrm{shield}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{shield}}}{1+{\mathrm{\πdN}}_{\mathrm{shield}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{shield}}/w_{\mathrm{shield}}}---\left(20\right)$

其中N_shield≈t_shield/w_shield。

或者作为选择，当用椭圆形(与矩形具有相同厚度和宽度)来近似矩形屏蔽器时，也能得出用于距离损失的解析表示。对于相对较小的距离，距离损失比上面的近似中小2/π倍。从而，在小距离2πd＜w_shield处屏蔽因子F为：

$F=\frac{1+N_{\mathrm{shield}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{shield}}}{1+{2\mathrm{dN}}_{\mathrm{shield}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{shield}}/w_{\mathrm{shield}}}---\left(21\right)$

这表明，公式(21)也适用于细矩形棒。这是由于当N_shieldχw_shield＞＞1时，薄椭圆形棒中每一处的去磁化场和细矩形棒中的场与外加场相反，但幅值相等的缘故。从而，两个去磁化场相等，因此电荷密度也相等。由于矩形和椭圆形棒中具有相等的电荷密度，棒外部的场也必须相等。

在上面的计算中，假设屏蔽器33没有饱和，因为当发生饱和时，磁化系数为零，从而场效应消失。由下式给出不饱和的条件：

$N_{\mathrm{shield}}>\frac{H_{\mathrm{app}}}{M_s}-\frac{1}{\mathrm{\χ}}$ 或w_shield＜w_{shield_sat}    (22)

其中：

$w_{\mathrm{shield}\_\mathrm{sat}}=\frac{t_{\mathrm{shield}}}{\frac{H_{\mathrm{app}}}{M_s}-\frac{1}{\mathrm{\χ}}}---\left(23\right)$

并且，其中将w_{shield_sat}定义为发生饱和时的屏蔽器宽度。

当考虑到软磁场中由传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的反射导致的传感器元件R₁，...，R_n-1的去磁化作用减小时，屏蔽因子F等于：

$F=\frac{1+N_{\mathrm{shield}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{shield}}}{1+(2d/w_{\mathrm{shield}})N_{\mathrm{shield}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{shield}}}\×\frac{(4d/w_{\mathrm{sensor}})H_{\mathrm{demo}}+H_k}{H_{\mathrm{demo}}+H_k}---\left(24\right)$

假设d＜w_sensor/4π，以及N_shieldt_shield/w_sensor＞＞1，并且其中：

H_k＝2K/(μ₀M_s)             (25)

其中，H_k为传感器的各向异性场。

对于简单的传感器元件结构，采用：

H_dem0＝(t_sensor/w_sensor)M_{s_sensor}    (26)

在公式(24)中，第一项的分子表示裸屏蔽器33附近的场减小系数。第一项的分母表示在较大距离处屏蔽的减小作用。第二项表示由于传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的形状各向异性减小所引起的对屏蔽的减小作用。对于自由层例如具有数nm或更小厚度的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1，后一种作用通常是可以忽略不计的。

为了针对传感器设备30中的不同传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1改变屏蔽因子F，不同传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1有可能需要具有不同屏蔽因子F的分离的屏蔽器33。显然，从制造过程的观点来看，在影响F的不同参数中，比如传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1和屏蔽器33的厚度、宽度、磁化系数，其中宽度是最容易改变的参数。图13中给出一个示例，其中，绘出分别对于χ_shield＝∞，3000和1500，屏蔽因子F与屏蔽器宽度的曲线。对于每个磁化系数(∞、3000和1500)，计算对于两种情形(即具有和不具有反射效应)的屏蔽因子F。在计算过程中，作以下假设：t_shield＝2μm，M_{s_shield}＝800kA/m，d＝0.1μm，t_sensor＝0.005μm，w_sensor＝5μm，M_{s_sensor}＝800kA/m和H_k＝400A/m。

对于屏蔽器33没有饱和的状态，假设H_app＝56kA/m(700Oe)是很重要的。对于该场值，当屏蔽器宽度小于w_shield sat＝29μm时，屏蔽器33没有饱和。对于2μm厚度的屏蔽器，按照一种可控的方式，很容易获得数十量级的屏蔽因子，不受屏蔽器磁化系数或饱和的影响。

该方法的优点在于，利用屏蔽器几何形状的某种组合，易于使屏蔽因子F独立于χ_shield。为了使其成立，必须：

2dN_shieldχ_shield/w_shield＝2dt_shieldχ_shield/w_shield ²＞＞1              (27)从而

$F=\frac{w_{\mathrm{shield}}}{2d}\×\frac{(4d/w_{\mathrm{sensor}})H_{\mathrm{demo}}+H_k}{H_{\mathrm{demo}}+H_k}---\left(28\right)$

在图13中，在w_shield的较小值处，比如对于曲线的上限设定为低于10μm时，发生这种饱和，其中的F并没有明显地依赖于屏蔽器的磁化系数。

从而，通过使用磁屏蔽器33，取决于屏蔽器几何形状，仅通过选择足够高但依然切实可行的磁导率，可按照一种完全可控的方式将传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度幅值减小大约1到2个量级。

在基于磁致电阻效应的电流传感器中，在传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的附近可设置导线36。导线36在传感器R₀，R₁，...，R_n-1的位置处产生与电流成正比的场。假设传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1与导线36之间的距离固定，则传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1处产生的该场与导线36的宽度成反比。从而，为了减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度，可以通过加宽导线宽度以减小加给传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的场。在电流传感器中，导线36的加宽与磁场传感器33中的屏蔽器33具有相同的作用，如上所述那样。

在电流传感器的情形中，通过将电流分割到若干并联传导路径中，可以进一步减小传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度，在若干并联传导路径中，仅允许一条路径靠近传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1流动。从而减小了在传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1附近流动的电流，导致加给传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的场减小，从而减小对(总)电流的灵敏度。传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1附近流动的电流可以表示为：

I_sensor＝I_measured/（1+R/R_by-pass)                      (29)

其中，I_sensor和I_measured分别为在传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的附近流动的电流和被测量的总电流。R和R_by-pass为在传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的附近流动的传导路径的电阻和旁路路径的电阻。

该方法与使用较宽电流导体的前一种方法具有许多共同之处。

按照本发明的不同实施例，可以使用上述用来调节传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度方法中的任何一种或者它们的组合，在相同基片上获得具有不同灵敏度的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1。必须根据上述计算很好地调节传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度，从而在求出其信号的总和时，可以产生对数函数特性。

下面，给出与对于磁场和电流传感器调整灵敏度的方法有关的不同示例。借助于TMR传感器来描述不同示例。不过，应当理解，还可以采用其他种类的磁致电阻传感器元件，诸如GMR或AMR基传感器。

先来描述用于磁场传感器的不同的传感器结构。

在第一示例中，传感器设备30可以包括串联连接的四个传感器元件R₀到R₃(参见图14)。在本例中，改变传感器元件R₀到R₃的几何结构，使其具有不同的灵敏度，不过它们都具有相同电阻(在零场下)。由于假定为TMR传感器元件，传感器面积必须相等，从而得到相同电阻。正如上面所述的那样，在获得最佳对数传感器方面，电阻相同是很重要的。

在图15所示的第二示例中，传感器设备30与第一示例相同，不过可以将一个或多个传感器元件R₀到R₃分成若干个并联连接的子元件。但须理解，在本发明的其他实施例中，子元件也可以串联连接。在图15给出的示例中，传感器元件R₁被分成2个并联子元件R₁′和R₁″。将传感器元件R₀到R₃中的至少一个分割，在同时调节灵敏度和面积(用于调节电阻)时产生更大的自由度。子元件R₁′和R₁″最好具有相同的尺寸，因为需要相同饱和场，从而子元件R₁′和R₁″需要相同的形状各向异性。

或者作为选择，在磁场传感器的第三示例中，通过在传感器元件R₀到R₃的附近设置具有不同屏蔽因子的屏蔽器33来改变灵敏度(参见图16)。在这种情况下，传感器元件R₀到R₃可以具有相同的尺寸。通常，第一传感器元件R₀不被屏蔽，因为根据本发明，它必须具有最高的灵敏度。

图17中，作为第四实施例说明了用作磁场传感器的一种优选结构。该示例是最实际的设计，因为它结合了几何形状和屏蔽效应的改变，从而在调节传感器元件R₀到R₃的灵敏度方面具有最大自由度。在本例中还可以采用如第二示例中所述的将部分传感器分割。

图14到17中的附图标记40表示传感电流。

接下去的图18到21中描述和说明用于电流传感器的可能结构的一些示例。

在第一示例中，传感器设备30可以包括串联连接的四个传感器元件R₀到R₃(图18)。这些传感器元件R₀到R₃可具有不同几何结构，从而产生不同的场灵敏度。在传感器元件R₀到R₃下面，为具有恒定宽度的流动着被测电流的隔离导线36(附图标记50所示)。导线36在传感器元件R₀到R₃的位置处产生磁场。不同传感器元件R₀到R₃处的场值是相同的，从而电流灵敏度仅由传感器元件R₀到R₃的几何形状决定。应予说明的是，对于电流传感器来说，有两种不同类型的灵敏度，即场灵敏度是传感器对任何外加场的灵敏度，电流灵敏度是传感器对被测电流的灵敏度，即信号电压/电流比率。在第一示例中，如从图18可以看出，传感器元件R₀到R₃可具有不同几何形状。

图19中所示的传感器设备30与第一示例的传感器设备30相似，不过在不同位置处导线36的宽度可以改变，导致施加给不同传感器元件R₀到R₃的场不同。将几何形状与导线宽度的改变相结合，在调节传感器元件R₀到R₃的电流灵敏度时，会产生更大的自由度。

在第三示例的电流传感器设备30中，在要求电流灵敏度非常小的至少一个传感器单元位置R₀到R₃的位置处，可以将被测电流50分割到数个并联的传导路径中，称做旁路电流路径37，其中，仅有一条路径在元件附近流动。对于使用IC生产的应用中，比如对于集成式电流传感器，旁路电流路径37最好处于不同互连平面，以使整个系统的横向面积保持最小。

在第四示例中，采用几何形状、导体宽度和屏蔽的组合。此外，还可以采用有如前一示例中的传导路径和有如磁场传感器的第二示例中所述的将传感器元件R₀到R₃分割(未示出)。

图18到21中的附图标记40表示传感电流。

上述示例并不是限制本发明，因为应当理解可以采用传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的不同组合。此外，按照本发明的传感器设备30，它可以包括任意数量的传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1。

按照本发明的传感器设备30，在传感器信号与被测磁场或电流的对数之间表现出线性关系。根据本发明的传感器设备30可用作为能够在数十年期间检测宽动态场范围的分立的磁场传感器，以及作为能够检测宽动态电流范围的分立的电流传感器。此外，本发明的传感器设备30还可以用作能够检测宽动态电流范围的集成式电流传感器，以及需要非侵入地检测从被测量转换出的电流的任何应用中，所述的量，比如随时间呈指数改变。

必须理解，上面的描述中所给出的示例并不对本发明构成限制。根据本发明，可以使用上述用于调节传感器元件R₀，R₁，...，R_n-1的灵敏度S₀，S₁，...，S_n-1的方法的任何可能的组合，获得输出信号在传感器信号与被测性质(例如磁场或电流)的对数之间表现出准线性关系的传感器设备。

应当理解，尽管此处已经针对本发明的设备讨论了优选实施例、特定结构和配置，以及材料，不过在不偏离本发明范围和精神的条件下，可对形式和细节作出多种改变或变型。

Claims (19)

1.一种传感器设备，它包括至少两个串联或并联连接且各自具有确定的灵敏度的磁传感器元件，其中，每个磁传感器元件的灵敏度与任何其他磁传感器元件的灵敏度不同；并且

所述至少两个传感器元件中的每一个在所检测参数的整个范围输出传感器信号；并且至少两个磁传感器元件中的每一个传感器信号之和，在传感器设备的范围上为所检测参数的非线性函数。

2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述非线性函数为准对数函数。

3.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述至少两个磁传感器元件中的每一个具有相同的几何形状和尺寸。

4.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述至少两个磁传感器元件中的至少一个具有不同几何形状和尺寸。

5.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述至少两个磁传感器元件中的至少一个被分割成至少两个彼此并联或串联连接的子元件(R₁′和R₁″)。

6.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，还包括设置在所述至少两个磁传感器元件下面的导线(36)。

7.根据权利要求5所述的传感器设备，其中，还包括设置在所述至少两个磁传感器元件下面的导线(36)。

8.根据权利要求6所述的传感器设备，其中，所述导线(36)在所述至少两个磁传感器元件的位置处表现出不同的宽度。

9.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，还包括旁路电流路径(37)。

10.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述设备还包括至少一个磁屏蔽器(33)。

11.根据权利要求10所述的传感器设备，其中，所述磁屏蔽器(33)设置于至少一个磁传感器元件附近。

12.一种用于制造权利要求1所述传感器设备的方法，所述方法包括如下步骤：

提供至少两个彼此串联或者并联连接的磁传感器元件，每个磁传感器元件具有确定的灵敏度，将至少两个磁传感器元件的灵敏度设置成，使每个磁传感器元件的灵敏度与任何其他磁传感器元件的灵敏度不同；并且

将所述至少两个传感器元件设置成：使其中每一个传感器元件在所检测参数的整个范围输出传感器信号，以及使至少两个磁传感器元件中的每一个传感器信号之和，在传感器设备的范围上为所检测参数的非线性函数；并且

所述传感器设备是非线性传感器设备。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述传感器设备是准对数或对数传感器设备。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过改变至少两个磁传感器元件的几何形状和/或尺寸，以设定所述至少两个磁传感器元件的灵敏度。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，通过分割至少两个磁传感器元件中的至少一个，以设定所述至少两个磁传感器元件的灵敏度。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，通过在所述至少两个磁传感器元件中的至少一个附近设置磁屏蔽器(33)，以设定所述至少两个磁传感器元件的灵敏度。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，通过在所述至少两个磁传感器元件中的至少一个的附近设置磁屏蔽器(33)，以设定所述至少两个磁传感器元件的灵敏度。

18.根据权利要求12所述的方法，其中还包括步骤：

在所述至少两个磁传感器元件的下面设置导线(36)。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述至少两个磁传感器下面设置导线(36)的步骤包括，在所述至少两个磁传感器元件中至少一个的位置处设置具有不同宽度的导线(36)。

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