CN102323554A - 集成线圈偏置的巨磁电阻磁敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成线圈偏置的巨磁电阻磁敏传感器。传统的磁敏传感器制造工艺复杂、产品成品率低、传感灵敏度低。本发明包括四个GMR磁敏电阻组成的惠斯通电桥、集成软磁材料层及集成偏置线圈，集成软磁材料层呈环形结构，在集成软磁材料层的直径方向上开有一对间隙，惠斯通电桥桥臂上相对位置上的一对电阻放置在集成软磁材料层的一个间隙中，惠斯通电桥桥臂上相对位置上的另一对电阻放置在集成软磁材料层的另一个间隙中，所述的该对间隙宽度一致。集成偏置线圈环绕在集成软磁材料层上。本发明传感器尺寸小、灵敏度高、线性度好。
Description
技术领域
本发明属于磁敏传感器技术领域，具体涉及一种集成线圈偏置的巨磁电阻磁敏传感器。
背景技术
多层膜巨磁电阻（GMR）磁敏传感器可广泛应用于位移测量、速度测量、精密机械精确定位、石油勘探系统、电力控制、汽车ABS系统、速度控制和导航中的自动传感、导弹导航、医疗器械等技术领域。相对于传统磁敏传感器如霍耳器件、AMR器件等，GMR磁敏传感器在尺寸、灵敏度、能耗和稳定性等方面都有诸多优势。
对于GMR磁敏传感器，通常采用惠斯通电桥结构实现传感器的设计。如图1所示，惠斯通电桥结构由四个等同的GMR磁敏电阻连接组成。惠斯通电桥式GMR磁敏传感器实现信号输出的方法有两种：第一种方法是将四个等同的GMR磁敏电阻连接成惠斯通电桥，通过将其中的两个GMR磁敏电阻进行磁场屏蔽，在外场下使电桥失去平衡而得到电桥输出。该种方法已在美国专利US 5569544与US 7639005中得到应用。如图2所示，可通过现代集成器件工艺将四个GMR磁敏电阻连接成惠斯通电桥，并用磁屏蔽层(图中阴影部分)屏蔽其中两个磁敏电阻(R2、R4)。这样在外磁场作用下，有磁屏蔽的两个电阻不受影响，没有磁屏蔽的两个电阻（R1、R3）的阻值发生变化，使电桥输出发生改变。整个电桥的输出即反映外磁场的大小。磁屏蔽层不仅可屏蔽外磁场对R2及R4的影响，同时还可以将外磁场放大。这种设计的优点是器件的温度稳定性好、灵敏度高。
由于磁性材料在低磁场具有较大的剩磁及表现非线性特性，使用屏蔽惠斯通电桥的多层膜GMR磁敏传感器在接近零场时磁滞大、线性度差，因此无法在接近零磁场范围内工作。为了解决该问题，通常是采用对多层膜GMR磁敏传感器进行偏置的方法。早在1994年美国NVE公司提出(IEEE Transactions on Magnetics,Vol 30,No.6,P4608)使用永磁铁对多层膜GMR传感器进行偏置以减小和消除其在低场下的磁滞。其具体实现方法如图3a所示：封装时候通过打线的方法将四个多层膜GMR磁敏单元连接成一个惠斯通电桥结构，同时在器件中封装一个永磁体和一个软磁屏蔽层，使用软磁屏蔽层将其中的一对磁敏单元屏蔽，使用永磁体对另外一对磁敏电阻偏置使其工作在线性区，这样就可以克服仅仅只使用软磁屏蔽的多层膜GMR传感器在低场下磁滞大的缺点。葡萄牙的INESC采用的方法如图3b所示，通过集成工艺在构成惠斯通电桥的四个GMR磁敏单元上制备四个永磁层对GMR磁敏单元进行偏置，使惠斯通电桥上相对位置上的一对磁敏单元具有对磁场的正反应特性，另外一对磁敏单元具有对磁场的负反应特性，从而使传感器具有对外加磁场双极性感应的特性。但是这两种方法都具有制造工艺复杂(要求偏置的永磁体磁学特性完全相同)、产品成品率低、传感灵敏度低等缺点(INESC的设计中，灵敏度仅0.2mV/V/Oe)。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种集成线圈偏置的巨磁电阻磁敏传感器。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
集成线圈偏置的巨磁电阻磁敏传感器，包括四个GMR磁敏电阻组成的惠斯通电桥、集成软磁材料层及集成偏置线圈，其特征在于：集成软磁材料层呈环形结构，在集成软磁材料层的直径方向上形成一对间隙，惠斯通电桥桥臂上相对位置上的一对电阻放置在集成软磁材料层的一个间隙中，惠斯通电桥桥臂上相对位置上的另一对电阻放置在集成软磁材料层的另一个间隙中，所述的该对间隙宽度一致。集成偏置线圈环绕在集成软磁材料层上。所述的集成偏置线圈可为一个线圈，也可为串联或并联的两个或多个线圈。
进一步地说，所述的GMR磁敏电阻是由多层膜巨磁电阻材料构成。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：为了减小多层膜GMR磁敏传感器在低场下的磁滞，同时使传感器具有较高灵敏度和线性度，本发明提出采用通过电流磁化集成软磁材料产生的磁场对惠斯通电桥的GMR磁敏单元进行偏置，该传感器中具有两个间隙的环形集成软磁材料层在外加电流作用下将两对磁敏电阻单元偏置在不同磁化方向，同时该集成软磁材料层在将外加磁场经过放大并与电流产生的磁场叠加后，使得电桥不再平衡而有信号电压输出。这种设计得到的GMR磁敏传感器尺寸小、灵敏度高、线性度好，且具有工艺简单、易于实现的特点。
附图说明
图 1惠斯通电桥结构示意图；
图2 磁屏蔽结构桥式GMR磁敏传感器平面示意图；
图3a NVE设计的封装永磁体偏置GMR传感器结构原理图；
图3b INESC设计的集成永磁体偏置GMR传感器平面结构图；
图4a集成线圈偏置的GMR磁敏传感器结构示意图；
图4b集成线圈偏置的GMR磁敏传感器电桥等效电路结构示意图；
图5a传感器的环形软磁层间隙A中磁场大小随集成线圈中电流大小的变化示意图；
图5b传感器的环形软磁层间隙B中磁场大小随集成线圈中电流大小的变化示意图；
图6多层膜GMR材料在外场下的响应特性曲线图；
图7本发明中惠斯通电桥上的磁敏电阻单元在零场时的偏置状态示意图；
图8a偏置状态下，间隙A中磁场随外加磁场的变化示意图；
图8b偏置状态下，间隙B中磁场随外加磁场的变化示意图；
图9磁屏蔽结构GMR磁敏传感器在外加磁场下的输出特性图
图10本发明GMR传感器在外加磁场下的输出特性图；
图11本发明GMR传感器在线性工作区内的输出特性图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图4a所示，本实施例中的传感器是由四个GMR磁敏电阻构成的惠斯通电桥结构、集成软磁材料层及一对集成偏置线圈构成。集成软磁层是由软磁材料制备而成的具有间隙的环型结构，形成惠斯通电桥的GMR磁敏单元放置在间隙当中。一对处于惠斯通电桥桥臂上的GMR磁敏电阻放置在环形软磁材料的一个间隙Gap A中，而另外一对GMR磁敏电阻放置在环形软磁材料的另外一个间隙Gap B中。两个集成线圈可以通过如图4a所示的方式加载电流，使两个线圈产生的磁通在软磁环形结构中具有相同方向。如图4b所示，该传感器的基本工作原理是，通有电流的集成线圈在两个间隙中产生大小相同、方向相反的磁场，该磁场对放置在软磁材料层两个间隙中的两对GMR磁敏单元进行偏置，使惠斯通电桥上相对位置上的一对GMR磁敏电阻单元具有对磁场的正响应特性，而另外一对GMR磁敏电阻单元具有大小相等的负响应特性，形成一个推-拉结构，从而使电桥能够输出与外加磁场成正比的差分信号。不同大小的电流将间隙中的两对GMR磁敏单元偏置在不同磁场大小的位置。该传感器相对传统的GMR磁敏传感器的特点在于，各个GMR磁敏电阻单元处于线性工作范围，从而使传感器的磁滞减小、线性度提高、输出信号增强。
由于多层膜GMR材料对磁场具有单极响应特性，即外加磁场下，GMR磁性材料的电阻变化只随着外加磁场大小变化而变化，而与外加磁场的方向无关。在没有外加磁场时，虽然两对GMR磁敏电阻(R1、R3与R2、R4)分别被两个间隙中不同方向的磁场偏置，但由于两个间隙中磁场大小相同，四个GMR磁敏单元的电阻值大小也相同，所以惠斯通电桥平衡，电桥没有信号输出。当有外加磁场时，由于外加磁场与软磁材料间隙中的磁场的叠加作用，两个间隙中的总磁场一个增加而另一个减小，这样电桥上处于一个间隙中的一对GMR磁敏单元电阻值减小，而另一个间隙中的一对GMR磁敏单元电阻值增大，从而电桥不再平衡而有信号输出。如果外加磁场的方向发生改变，则电桥的输出电压信号的正负也会发生改变，因此这种由多层膜GMR磁敏电阻组成的惠斯通电桥，通过集成偏置线圈及集成软磁材料层的偏置后，在外场下形成推-拉结构，能够输出具有正比于外加磁场大小的差分输出信号，而且输出信号的大小与外磁场成线性关系。
如图4a所示的模型，传感器的环形集成软磁材料层的外径为400μm，内径为250μm，厚度为10μm，集成软磁材料层间隙的宽度为20μm，集成偏置线圈匝数为60匝。
无外加磁场时，两个间隙GapＡ和Gap B 中的磁场Y分量(传感器偏置及敏感方向)随集成偏置线圈中电流的变化如图5a和图5b所示。
计算结果表明，无外加磁场时候，由于模型的对称性，两个间隙Gap A和Gap B中的外加磁场大小相同、方向相反，而且磁场大小与激磁电流的大小成线性关系。如激磁电流为7 mA时候，Gap中磁场大小为186 Oe，而且随着电流大小的增加而增加，10 mA时候为268 Oe。
实际应用过程中，可以根据需要选择及生产过程中的GMR材料的磁电性选择合适的偏置电流大小，不同电流大小对应于不同的偏置，使得导致传感测量的线性范围不同，一般地选择合适的偏置点使得测量点位于GMR材料的线性感应范围。如图6所示为实际测试得到多层膜GMR磁性材料的磁电阻特性，该GMR材料的约为20 Oe-380 Oe，为了测量微弱外磁场(零磁场附近)，需要将GMR材料偏置的最佳磁场为190 Oe，因此选择线圈中的偏置电流为7mA，这时候间隙中的磁场大小为185 Oe左右，惠斯通电桥上的两对GMR磁敏电阻将被偏置在不同的磁场方向上，如图7所示。当沿着Y轴方向外加信号磁场时，计算得到两个间隙中Gap A和Gap B中的磁场随外加磁场的变化分别如图8a和图8b所示，间隙中的磁场变化与外加磁场变化成比例关系。
无外加磁场时，由于间隙中的磁场大小相同，四个GMR磁敏电阻电阻值相同，电桥无输出，如果增大外加正向磁场，则位于Gap A中磁敏单元R1、R3电阻值会随着磁场的增大而减小，位于Gap B中的磁敏单元R2、R4电阻值会随着磁场的增大而增大，导致电桥不平衡而有正的信号输出。如果外加磁场反向，并逐渐增大外加磁场，则位于Gap A中磁敏单元R1、R3电阻值会随着磁场的增大而增大，位于Gap B中的磁敏单元R2、R4电阻值会随着磁场的增大而减小，使得电桥有一个负的电压信号输出。
实际设计时，四个GMR磁敏电阻单元的电阻值相同，因此在外加磁场下，电桥的输出为：Vout=2 V×(ΔR/Rbias)；其中Rbias为偏置点的电阻值，在本实施例中为4630欧姆，ΔR为外加磁场时GMR磁敏电阻单元与偏置点电阻差值的绝对值。
图9为一个使用磁屏蔽结构的多层膜GMR磁敏传感器的输出特性曲线，使用磁屏蔽结构的多层膜GMR传感器测量磁场时为单极性测试，而且在低场下(<2 Oe)，该传感器磁滞非常大，因此根本无法用于测量低磁场。图10为使用本发明专利的多层膜GMR磁敏传感器输出特性曲线，在低磁场范围内为线性的，而且在低场下磁滞非常小，同时传感器在线性测量范围内(+/- 10 Oe)能够保证较高的灵敏度(如图11所示)。当外加磁场超出传感器的线性测量范围后，由于传感器处于环形结构中的GMR电阻会出现饱和，电阻达到最小值无法再改变，而只有另外一对随着外加磁场而发生变化，此时仍有输出，直至外磁场增大到一定程度，四个磁敏电阻全部饱和，电桥再次平衡，电桥输出为零。
Claims (2)
1.集成线圈偏置的巨磁电阻磁敏传感器，包括四个GMR磁敏电阻组成的惠斯通电桥、集成软磁材料层及集成偏置线圈，其特征在于：集成软磁材料层呈环形结构，在集成软磁材料层的直径方向上形成一对间隙，惠斯通电桥桥臂上相对位置上的一对电阻放置在集成软磁材料层的一个间隙中，惠斯通电桥桥臂上相对位置上的另一对电阻放置在集成软磁材料层的另一个间隙中，所述的该对间隙宽度一致；集成偏置线圈环绕在集成软磁材料层上，所述的集成偏置线圈可为一个线圈，也可为串联或并联的两个或多个线圈。
2.根据权利要求书1中所述的巨磁电阻磁敏传感器，其特征在于：所述的GMR磁敏电阻由多层膜巨磁电阻材料构成。
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