CN101988956B - 具有包括磁阻效应元件的桥接电路的磁传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测外部磁场的方向的磁传感器，包括：桥接电路，被配置为提供根据外部磁场的方向而改变的输出，桥接电路包括四个电阻元件部分，每个电阻元件部分包括至少一个磁阻效应元件；以及两个电阻器，连接至桥接电路的相应输出端子。当每个电阻元件部分的电阻对应于磁阻的改变而处于最小值时，每个电阻器的电阻与桥接电路的电阻之比至少是2。

Description

具有包括磁阻效应元件的桥接电路的磁传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器，具体涉及具有包括磁阻效应元件的桥接电路的磁传感器。
背景技术
近年来，磁传感器已用于检测旋转器的旋转角度，旋转器例如是车辆中的方向盘。
例如，JP 8-226960公开了一种磁传感器，该磁传感器具有包括磁阻效应元件(MR元件)的桥接电路，桥接电路被配置为提供根据外部磁场方向而改变的输出。在这种磁传感器中，磁体等安装在旋转器上，使得外部磁场方向根据旋转器的旋转而改变。通过检测外部磁场方向来检测旋转器的旋转角度。因此，自然需要对外部磁场方向的高度精确的检测。为此，已做了大量努力以更精确地测量来自包括MR元件的桥接电路的输出电压。
例如，JP 2009-115688公开了一种磁传感器，该磁传感器具有包括四个MR元件的桥接电路以及连接至桥接电路的放大电路，放大电路包括用于设置增益的反馈电阻器，反馈电阻器具有与桥接电路温度特性相反的温度特性。在该磁传感器中，用于设置增益的具有与桥接电路温度特性相反的温度特性的反馈电阻器抑制由于温度变化而引起的输出电压的变化。因此，补偿了由于温度变化而引起的磁传感器灵敏度的变化，从而提高了磁传感器的检测精度。
然而，上述方法未能考虑在输出电压的测量期间从磁传感器的桥接电路流入外部设备(放大电路)的分路电流。分路电流引起桥接电路的电不平衡，导致输出电压自身的测量值的误差。
发明内容
本发明涉及一种用于检测外部磁场方向的磁传感器，该磁传感器包括具有四个电阻元件部分的桥接电路，每个电阻元件部分包括至少一个磁阻效应元件。本发明的目的是提供一种磁传感器，该磁传感器可以通过更精确地检测输出电压来提高对外部磁场的检测精度。
根据本发明的实施例，用于检测外部磁场方向的磁传感器包括：桥接电路，被配置为提供根据外部磁场方向而改变的输出，桥接电路包括四个电阻元件部分，每个电阻元件部分包括至少一个磁阻效应元件；以及两个电阻器，连接至桥接电路的相应输出端子。当每个电阻元件部分的电阻对应于磁阻的改变而处于最小值时，每个电阻器的电阻与桥接电路的电阻之比至少是2。
这种磁传感器使得流入外部设备以测量输出电压的分路电流能够减小。因此，本发明可以提供一种能够通过更精确地检测输出电压来提高对外部磁场的检测精度的磁传感器。
通过以下参考图示本发明的附图而给出的说明，本发明的上述或其他目的、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的磁传感器结构的电路图；
图2是其中相对于第一电阻器的电阻与桥接电路的最小电阻之比来绘制角度误差的图示；以及
图3是示出了角度误差的温度相关性的图表。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明的实施例。
图1是示出了根据本实施例的磁传感器的配置的电路图。
本实施例的磁传感器1包括具有四个电阻元件部分的桥接电路10，每个电阻元件部分包括相同的磁阻效应元件(MR元件)11-14。如下所述，桥接电路10被配置为提供根据外部磁场方向而改变的输出。连接至外部连接端子31、32的外部设备通过外部连接端子31、32来读出输出。
桥接电路10包括并联电路，在该并联电路中，包括第一和第二MR元件11、12的串联电路与包括第三和第四MR元件13、14的串联电路彼此并联。两个串联电路之间的连接点B、D各自都与桥接电路10的输入端子相对应。第一输入端子与第一MR元件11和第四MR元件14之间的连接点B相对应，其中，将电源等连接至连接点B并且向连接点B施加电源电压Vcc。第二输入端子与第二MR元件12和第三MR元件13之间的连接点D相对应，连接点D接地。
每个MR元件11-14具有典型自旋阀类型薄膜配置。换而言之，每个MR元件11-14包括：固定层，固定层的磁化方向相对于外部磁场是固定的；自由层，自由层的磁化方向根据外部磁场而改变；以及夹在固定层与自由层之间的分隔层。自由层的磁化方向与固定层的磁化方向成相对角度，该相对角度取决于外部磁场。在每个MR元件11-14中，导电电子的自旋相关散射根据该相对角度而改变。这引起磁阻的改变。此外，MR元件11-14被布置为使得四个MR元件11-14所限定的桥接电路10的平面实质上与每个MR元件11-14的薄膜平面平行。
如图1中阴影箭头所示，MR元件11-14中固定层的磁化方向是使得相邻MR元件的固定层的磁化方向彼此反向平行。因此，固定层与自由层的磁化方向之间的相对角度在两对MR元件之间改变，其中一对包括第一和第四MR元件11、14，另一对包括第二和第三MR元件12、13。因此，两对MR元件对外部磁场的变化表现出不同反应(磁阻的不同变化)。这使得本实施例的磁传感器1能够如下所述检测外部磁场。
每个MR元件11-14优选地是将隧道势垒层用作分隔层的隧道磁阻效应元件(TMR元件)。在该情况下，由于桥接电路包括具有高磁阻比(MR比)的TMR元件，所以可以获得高输出电压。因此，具有这种桥接电路的磁传感器可以执行精确测量而无需放大电路。
此外，磁传感器1包括两个电阻器21、22以及桥接电路10，两个电阻器分别连接至桥接电路10的输出端子A、C。第一电阻器21连接至第一输出端子，即，桥接电路10的第一MR元件11与第二MR元件12之间的连接点A。第二电阻器22连接至第二输出端子，即，桥接电路10的第三MR元件13与第四MR元件之间的连接点C。电阻器21、22的另一端连接至外部连接端子31、32，连接端子31、32用于将磁传感器1连接至诸如运算放大器(OP)或伏特计(VM)之类的外部设备。因此，通过测量外部连接端子31与32之间的电势差VOUT来确定来自磁传感器1的输出电压。
每个电阻器21、22具有是桥接电路10的电阻的至少两倍并且优选地至少12倍的电阻，桥接电路10即是包括四个MR元件11-14的并联电路，当每个MR元件的电阻对应于磁阻的改变而处于最小值时获得桥接电路10的电阻。因此，当通过外部连接端子31、32来测量来自磁传感器1的输出电压时，可以防止产生的电流分路，从而可以显著减小角度误差。将在下文中详细描述这一点。
现在，将简要描述提供根据外部磁场而改变的输出的桥接电路10的操作。
这里，如图1中阴影箭头所示，将说明当每个MR元件11-14中固定层的磁化方向沿着y方向时，以及当将外部磁场施加到xy平面中时，桥接电路10如何工作。
在初始状态，沿x方向施加外部磁场。在这种情况下，每个MR元件11-14中自由层的磁化方向与外部磁场方向一致，即，x方向。因此，在所有MR元件11-14中，固定层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直。因此，每个MR元件11-14具有相同电阻，因此桥接电路10的输出端子A与C之间的电势差(来自桥接电路10的输出电压)是零。
接着，当外部磁场从x方向倾斜时，在MR元件11-14之中，固定层与自由层的磁化方向之间的相对角度改变。因此，MR元件11-14具有不同的电阻。例如，当外部磁场在图中逆时针旋转时，第一和第三MR元件11、13中的自由层的磁化方向改变以与固定层的磁化方向平行。因此，每个MR元件11、13的电阻从其初始值下降。另一方面，在第二和第四MR元件12、14中的每一个中，由于磁化方向改变以便彼此反向平行，使得电阻增大。因此，有限输出电压出现在桥接电路10的输出端子A与C之间。当外部磁场方向与y方向一致时使输出电压最大化，当外部磁场方向与x方向一致时输出电压返回零。产生的输出电压近似是关于外部磁场方向(旋转角度)的正弦波。这使得可以基于关于外部磁场方向的输出波形来确定外部磁场的方向(旋转角度)。
在旋转角度的实际检测中，除图1中的磁传感器1外还使用了被配置为输出例如余弦波形的另一磁传感器。基于来自这两个传感器的输出波形，精确地确定外部磁场的方向。可以通过例如增加具有与磁传感器1相同配置的磁传感器来获得相似的结果，其中，固定方向与x方向一致。
如上所述，为了测量来自桥接电路10的输出电压，桥接电路10的输出端子A、C需要通过外部连接端子31、32与外部设备(如OP或VM)相连接。因此很难避免非常小的电流从桥接电路10流向外部设备。因此，在图1的桥接电路10中，由于分路电流而使得流经第二和第三MR元件12、13的电流比流经第一和第四MR元件11、14的电流小。这可以引起桥接电路变得电不平衡，从而使正弦波失真，正弦波是理想输出波形。失真可以引起基于输出波形而确定的角度(即，外部磁场的方向)的误差。
本发明的发明人已发现可以在特定条件下显著减小由于流经外部设备的分路电流而引起的角度误差。该条件是，桥接电路的每个输出端子连接至电阻器，所述电阻器具有是桥接电路电阻的至少两倍且优选地至少12倍的电阻。在这种情况下，当桥接电路中包括的每个MR元件的电阻对应于磁阻的改变而处于最小值时，即，当每个MR元件中固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此平行时，获得桥接电路的电阻。下文中将把这种电阻称作桥接电路的最小电阻。这是本发明的特征。下面将参考示出了计算结果的图2和图3来描述该特征。
图2是相对于第一电阻器(R21)的电阻和桥接电路的最小电阻(Rmin)之比而描绘了在典型温度下针对上述角度误差的计算结果。此外，图3示出了当电阻比R21/Rmin改变时获得的上述角度误差的温度相关性的计算结果。这里使用的角度误差是指使上述正弦波失真最大的角度的偏离量(度)。此外，在将本实施例的磁传感器1用作车载部件时，图2中所示的各个温度与保障温度范围(即，-40～150℃)内的最低温度(-40℃)、最高温度(150℃)和中间温度(20℃)相对应。
计算条件如下：TMR元件用作桥接电路中包括的四个电阻元件部分中的每一个。每个TMR元件被配置为使得来自桥接电路的输出波形是理想正弦波，即，使得相邻元件的固定层的磁化方向彼此反向平行。当在所有TMR元件中固定层和自由层的磁化方向彼此平行时，每个TMR元件的电阻将是相同的(并且处于最小值；R11min＝R12min＝R13min＝R14min)。在这种情况下，包括四个TMR元件的并联电路的电阻(即，桥接电路最小电阻Rmin)与每个TMR元件的电阻相同(例如，Rmin＝R11min)。此外，与桥接电路10相连接的第一和第二电阻器21、22的电阻也彼此相同(R21＝R22)。因此，如果没有分路电流流向外部设备，即，如果每个电阻器R21、R22的电阻是无限的，则角度误差将是零。此外，电源电压Vcc是5V，针对TMR元件的电阻和输出(MR比)的温度系数分别是-0.098％和-0.99％。针对每个电阻器的电阻的温度系数是0.42％，室温下TMR元件的MR比是80％。
如图2和图3所示，角度误差随温度降低而增大。这表明由于TMR元件和每个电阻器的电阻分别具有负和正的温度系数，所以相对于TMR元件的电阻(桥接电路的电阻)，每个电阻器的电阻随温度降低而变得更小。换而言之，流入外部设备的分路电流随温度降低而增大，从而导致角度误差增大。另一方面，随着与桥接电路10相连接的第一电阻器21(每个电阻器)的电阻增大，角度误差在整个温度范围上减小。这是由于第一电阻器21(每个电阻器)的增大的电阻抑制流入外部设备的分路电流。
在正常使用情况下，例如在测量车辆方向盘的旋转角度的情况下，磁传感器的角度误差优选地至多是0.5度。若干可能因素会导致角度误差。如图2所示，只考虑与在测量输出期间流入外部设备的分路电流有关的因素，第一电阻器21(每个电阻器)的电阻与桥接电路10的最小电阻之比优选地至少是2。
此外，考虑除分路电流外的其他因素(例如在所使用的MR元件之中磁性特性的变化)所引起的角度误差，由分路电流引起的角度误差优选地至多是0.1度。因此，如图2所示，第一电阻器21(每个电阻器)的电阻与桥接电路10的最小电阻之比优选地至少是12。
即使每个电阻器21、22的电阻的上限是足够大的值，也不会发生实际问题。因此，倘若与外部连接端子31、32相连接的外部设备(如OP或VM)能够没有任何问题地读取来自磁传感器1的输出电压，则上限可以被设置为任何值。
如上所述，可以通过将与桥接电路的相应输出端子相连接的两个电阻器中每一个电阻器的电阻设置桥接电路的电阻的至少两倍并且优选地至少12倍，来使流入外部设备的分路电流充分减小，其中所述桥接电路的电阻是当每个MR元件的电阻对应于磁阻的改变而处于最小值时获得的。这使得由于分路电流而引起的角度误差能够减小，从而提供了足够精确的磁传感器。
在本实施例中，描述了具有包括四个MR元件在内的桥接电路的磁传感器。然而，可以将串联在一起的多个MR元件而不是一个MR元件用作桥接电路中四个电阻元件部分的每一个。在这种情况下，合适地选择每个电阻元件部分中MR元件的数目和固定层的磁化方向，以便保持整体桥接电路良好的平衡。
将多个MR元件用作电阻元件部分使得能够减小施加到每个MR元件的电压，从而使得能够减小MR元件被过流损坏的风险。此外，即使磁性特性在MR元件之中轻微变化，这种变化也可以被平均，这对于减小除流入外部设备的分路电流以外的其他因素所引起的角度误差来说也是有效的。
以上详细给出了根据本发明的优选实施例的详细描述。然而，应意识到，只要不脱离所附权利要求的精神和范围，就可以进行各种变化和修改。

Claims (2)

1.一种用于检测外部磁场的方向的磁传感器，所述磁传感器包括：
桥接电路，被配置为提供根据外部磁场的方向而改变的输出，桥接电路包括四个电阻元件部分，每个电阻元件部分包括至少一个隧道磁阻效应元件；以及
两个电阻器，连接至桥接电路的相应输出端子，随着温度降低，所述两个电阻器中每一个的电阻相对于所述隧道磁阻效应元件的电阻减小；
其中，每个隧道磁阻效应元件包括：固定层，固定层的磁化方向相对于外部磁场是固定的；自由层，自由层的磁化方向根据外部磁场而改变；以及夹在固定层与自由层之间的隧道势垒层，其中相邻电阻元件部分的固定层的磁化方向彼此反向平行；
其中，当每个电阻元件部分的电阻对应于磁阻的改变而处于最小值时，每个电阻器的电阻与桥接电路的电阻之比至少是12，以便减小沿外部磁场的检测方向的角度误差，所述角度误差是由于外部磁场方向的检测期间出现的分路电流引起的，并随着所述至少一个隧道磁阻效应元件温度的降低而增大。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，每个电阻元件部分包括串联在一起的多个隧道磁阻效应元件。
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