CN102723164A - 一种凹槽形永磁体及包括该永磁体的磁传感器 - Google Patents

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刘明峰
白建民
诸敏
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Abstract

本发明公开了一种凹槽形永磁体及使用该永磁体的磁传感器。所述永磁体呈凹槽形。所述永磁体的槽沿面(121)、槽底面(122)和槽侧面(123)为长方形或正方形，槽侧面(123)分别与槽沿面(121)和槽底面(122)垂直，两个槽沿面(121)关于凹槽的中心线对称。所述永磁体产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量能够提供磁敏感元件需要的目标磁场，且所述永磁体产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量趋近于零或者是处于一个很小的数值区间内。将所述永磁体用于磁传感器时，能够使磁敏感元件在保持高灵敏度的前提下工作在其线性工作区，从而使磁传感器的性能优化。所述永磁体结构简单，制作方便。

Description

一种凹槽形永磁体及包括该永磁体的磁传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种凹槽形永磁体及包括该永磁体的磁传感器。
背景技术
磁传感器的应用非常广泛，例如将磁传感器用于验钞机来鉴别纸币的真伪，又如用磁传感器来检测齿轮的运动速度、齿轮上的齿的位置或齿轮的运动方向等。
现有技术中，磁传感器中通常设有永磁体1和敏感元件2，如图1所示，永磁体1的形状通常为长方体或正方体。与永磁体1的棱CG、CD和CB平行的方向分别被标记为X轴、Y轴和Z轴方向。敏感元件2具有单一敏感轴或双敏感轴，并被放置于永磁体1的上方。此处，以敏感元件2具有单一敏感轴，其敏感方向3平行于Y轴方向，永磁体1的充磁方向4平行于Z轴方向为例进行说明。在实际应用中，通常期望永磁体1在敏感元件2处产生的磁场Happly的方向平行于Z轴方向。永磁体1也经常被本领域技术人员称为背磁体。敏感元件2通常为霍尔元件、AMR元件、GMR元件或TMR元件。使用磁传感器时，如果待检测器件与磁传感器的相对位置关系发生变化，则在敏感元件2处永磁体1产生的磁场Happly将发生变化。敏感元件2通过探测其所在位置的磁场Happly的变化即可检测出待检测器件的例如速度、位置和/或运动方向等物理量。
理想状态下，AMR元件的电阻对永磁体1产生的磁场Happly的响应曲线如图2所示。应用中，通常期望AMR元件的工作点在磁场Happly=0的点附近，此时AMR元件的电阻对磁场Happly的响应具有非常好的线性。AMR元件的饱和场非常低，因此期望磁场Happly沿AMR元件敏感方向3即Y轴方向的分量趋近于零，以避免因AMR元件的电阻对磁场Happly的响应达到饱和导致该AMR元件无法正常工作。
理想状态下，GMR元件的电阻对永磁体1产生的磁场Happly的响应曲线如图3所示。磁场Happly=0至正饱和场HS的线性区的中点对应的磁场Happly=HB，磁场Happly=0至负饱和场-HS的线性区的中点对应的磁场为Happly=-HB。为了使GMR元件工作在线性区，期望磁场Happly沿GMR元件敏感方向3即Y轴方向的分量趋近于HB，以使GMR元件的工作点被偏置到其线性工作区的中点。另外，GMR元件的饱和场HS较低，因此期望磁场Happly沿GMR元件敏感方向3即Y轴方向的分量处于Happly=HB的点附近的一个小区间内，以避免因GMR元件的电阻对磁场Happly的响应达到饱和导致该GMR元件无法工作。
理想状态下，TMR元件的电阻对永磁体1产生的磁场Happly的响应曲线如图4所示。由图4可以看出，由于奈耳耦合场HO的影响，TMR元件的电阻对磁场Happly的响应曲线关于Happly=HO的点呈中心对称。为了使TMR元件工作在线性区，期望磁场Happly沿TMR元件敏感方向3即Y轴方向的分量趋近于HO，以避免TMR元件的工作点偏离其线性工作区。部分TMR元件的奈耳耦合场HO较小，相对于其饱和场HS可以忽略。此时，期望磁场Happly沿TMR元件敏感方向3即Y轴方向的分量趋近于零。
现有技术中，永磁体1产生的磁场Happly除了提供AMR元件、GMR元件或TMR元件需要的沿例如Z轴方向的目标磁场外，磁场Happly沿例如X轴和Y轴方向分量很大，导致AMR元件、GMR元件或TMR元件的工作点偏离其线性工作区，甚至导致AMR元件、GMR元件或TMR元件的电阻对磁场Happly的响应达到饱和，从而影响磁传感器的性能，甚至导致磁传感器无法正常工作。
因此，非常需要一种应用于磁传感器的新型永磁体。该新型永磁体能够提供沿例如Z轴方向的目标磁场，同时沿X轴和/或Y轴方向的磁场分量趋近于零或者是处于一个很小的数值区间内。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁体。
本发明的另一目的是提供一种磁传感器。
本发明的一个方面，提供一种凹槽形永磁体。
优选地，所述永磁体的槽沿面、槽底面和槽侧面为长方形或正方形，槽侧面分别与槽沿面和槽底面垂直，两个槽沿面关于凹槽的中心线对称。
优选地，所述永磁体的第一槽沿面、第二槽沿面、槽底面和槽侧面为长方形或正方形，槽侧面分别与第一槽沿面第二槽沿面和槽底面垂直，第一槽沿面和第二槽沿面关于凹槽的中心线不对称。
优选地，所述永磁体的槽沿面、槽底面和槽侧面为长方形或正方形，槽沿面与槽底面平行，槽侧面与槽底面所成的角度大于90°且小于180°。
优选地，所述永磁体的槽沿面和槽底面为长方形或正方形，所述槽沿面与所述槽底面平行，槽侧面为曲面。
优选地，所述永磁体的材质包括钕铁硼、钐钴或硬磁铁氧体。
根据本发明的另一方面，提供一种磁传感器，该磁传感器设有磁传感芯片和如上所述所述永磁体，所述永磁体被设置为其凹槽朝向所述磁传感芯片。
优选地，所述磁传感芯片的敏感方向与所述永磁体的凹槽的方向垂直。
本发明具有如下有益效果：
(1)所述永磁体产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量能够提供磁敏感元件需要的目标磁场，且所述永磁体产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量趋近于零或者是处于一个很小的数值区间内；
(2)将所述永磁体用于磁传感器时，能够使磁敏感元件在保持高灵敏度的前提下工作在其线性工作区，从而使磁传感器的性能优化；
(3)所述永磁体结构简单，制作方便。
附图说明
图1为现有技术的磁传感器的示意图；
图2为AMR元件的电阻对磁场Happly的响应曲线；
图3为理想状态下GMR元件的电阻对磁场Happly的响应曲线；
图4为理想状态下TMR元件的电阻对磁场Happly的响应曲线；
图5为现有技术的对比例提供的永磁体11的示意图；
图6为现有技术的对比例提供的永磁体11产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图7为现有技术的对比例提供的永磁体11产生的磁场Happly沿X轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图8为现有技术的对比例提供的永磁体11产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图9为本发明实施1提供的永磁体12的示意图；
图10为本发明实施1提供的永磁体12的侧视图；
图11为本发明实施1提供的永磁体12的俯视图；
图12为本发明实施1提供的永磁体12产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图13为本发明实施1提供的永磁体12产生的磁场Happly沿X轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图14为本发明实施1提供的永磁体12产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图15为本发明实施2提供的永磁体13的示意图；
图16为本发明实施2提供的永磁体13的侧视图；
图17为本发明实施2提供的永磁体13的俯视图；
图18为本发明实施3提供的永磁体14的示意图；
图19为本发明实施3提供的永磁体14的侧视图；
图20为本发明实施3提供的永磁体14的俯视图；
图21为本发明实施4提供的永磁体15的示意图；
图22为本发明实施4提供的永磁体15的侧视图；
图23为本发明实施4提供的永磁体15的俯视图；
图24为本发明实施4提供的永磁体15产生的磁场Happly沿X轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图；
图25为本发明实施4提供的永磁体15产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。
首先结合现有技术的比较例，具体说明本发明要解决的技术问题，并用于与即将给出的本发明的各实施例进行对比以说明本发明的有益效果。
现有技术的比较例：
在比较例中，如图5所示，磁传感器中设有永磁体11和敏感元件2。所述永磁体11的形状例如为长方体，其沿X轴、Y轴和Z轴方向的长度例如分别为7mm、6mm和5mm。所述敏感元件2呈正方形，其沿X轴和Y轴方向的长度例如都为3mm。所述敏感元件2设于所述永磁体11的正上方，且所述敏感元件2的中心点O2与所述永磁体11的中心点O1在同一条直线上。所述敏感元件2所在的平面与所述永磁体11上表面的距离例如为1mm。将与所述永磁体11的棱CG平行的方向标记为例如X轴方向，将与所述永磁体11的棱CD平行的方向标记为例如Y轴方向，将与所述永磁体11的棱CB平行的方向标记为例如Z轴方向，将所述敏感元件2的中心点O2标记为X轴、Y轴和Z轴的零点，如图1所示。在本实施例中，所述敏感元件2具有例如单一敏感轴，所述敏感元件2的敏感方向3平行于例如Y轴方向。所述永磁体11的充磁方向4平行于例如Z轴方向。所述永磁体11的材质例如为钐钴合金，其剩磁为Br＝0.85-0.95T。
采用有限元分析软件，对所述敏感元件2处的磁场分布进行模拟分析。图6为所述永磁体11产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图6可以看出，在所述敏感元件2处，磁场Happly沿Z轴方向的分量大于2000Gs。大多数情况下，在所述敏感元件2处，所述永磁体11产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量越大，所述敏感元件2的输出信号越大。图7为所述永磁体11产生的磁场Happly沿X轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图7可以看出，在所述敏感元件2处，磁场Happly沿X轴方向的分量随位置的变化而变化，在X=-1.5mm至X=1.5mm的区间内，随X值的增加，磁场Happly沿X轴方向的分量由-600Gs变化到了600Gs，即磁场Happly沿X轴方向的分量变化高达1200Gs。这表明在所述敏感元件2处，所述永磁体11产生的磁场Happly沿X轴方向的分量很大。图8为所述永磁体11产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面的等高线图。由图8可以看出，在所述敏感元件2处，磁场Happly沿Y轴方向的分量随位置的变化而变化，在Y=-1.5mm至Y=1.5mm的区间内，随Y值的增加，磁场Happly沿Y轴方向的分量由-800Gs变化到了800Gs，即磁场Happly沿Y轴方向的分量变化高达1600Gs。这表明在所述敏感元件2处，所述永磁体11产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量也很大。在保证AMR元件、GMR元件或TMR元件具有高灵敏度的前提下，AMR元件、GMR元件或TMR元件的饱和场通常小于200Gs，即线性工作区间小于-100Gs至100Gs，并且AMR元件、GMR元件或TMR元件的灵敏度越高，其饱和场越低。因此，在所述敏感元件2处，所述永磁体11产生的磁场Happly沿X轴方向的分量将导致具有单一敏感轴的所述敏感元件2无法正常工作，所述永磁体11产生的磁场Happly沿X轴和Y轴方向的分量将导致具有双敏感轴的所述敏感元件2无法正常工作。
下面参照附图对本发明的各优选实施例进行详细说明。应当理解，各实施例中的具体细节用于示意性说明本发明的技术方案而不用于限定本发明的范围。
实施例1：
本实施例提供的永磁体12呈凹槽形，如图9所示。所述永磁体12沿X轴、Y轴和Z轴方向的长度例如分别为7mm、6mm和5mm。图10为所述永磁体12的侧视图。图11为所述永磁体12的俯视图。如图10和图11所示，所述永磁体12的两个槽沿面121为例如长方形，其沿Y轴方向的长度例如为1mm，且所述两个槽沿面121关于凹槽的中心线对称；所述永磁体12的槽底面122为例如长方形，其沿Y轴方向的长度例如为4mm；所述永磁体12的两个槽侧面123为例如长方形，其沿Z轴方向的长度例如为1.42mm；所述两个槽侧面123分别与所述两个槽沿面121和所述槽底面122垂直。所述永磁体12的充磁方向平行于例如Z轴方向。与现有技术的比较例相似，将所述敏感元件2置于所述永磁体12的正上方，且所述敏感元件2所在的平面与所述槽沿面121的距离为例如1mm（图中未示出）。所述敏感元件2的尺寸为例如3mm*3mm，其敏感方向3沿例如Y轴方向。
图12为所述永磁体12产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图12可以看出，在所述敏感元件2处，磁场Happly沿Z轴方向的分量大于1100Gs，在大部分情况，该磁场分量已经能够满足磁传感器的应用要求。图13为所述永磁体12产生的磁场Happly沿X轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图13可以看出，在所述敏感元件2处，磁场Happly沿X轴方向的分量随位置的变化而变化，在X=-1.5mm至X=1.5mm的区间内，随X值的增加，磁场Happly沿X轴方向的分量由-400Gs变化到了400Gs，即磁场Happly沿X轴方向的分量变化为800Gs。图14为所述永磁体12产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图14可以看出，磁场Happly沿Y轴方向的分量随位置的变化而变化，在Y=-1.5mm至Y=1.5mm的区间内，随Y值的增加，磁场Happly沿Y轴方向的分量由-20Gs变化到了20Gs，即磁场Happly沿Y轴方向的分量变化仅为40Gs。由此可见，与现有技术的比较例相比，本实施例提供的所述永磁体12产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量明显降低。因此，所述永磁体12能够很好的满足以磁场Happly=0的点为线性工作区中点的所述敏感元件2例如AMR元件的要求。
实施例2：
本实施例提供的永磁体13呈凹槽形，如图15所示。所述永磁体12沿X轴、Y轴和Z轴方向的长度例如分别为7mm、7mm和3mm。图16为所述永磁体13的侧视图。图17为所述永磁体13的俯视图。如图16和图17所示，所述永磁体13的两个槽沿面131、槽底面132和两个槽侧面133都为例如长方形。所述槽沿面131与所述槽底面132平行。所述槽侧面133与所述槽底面132所成的角度大于90°且小于180°。
实施例3：
本实施例提供的永磁体14呈凹槽形，如图18所示。所述永磁体12沿X轴、Y轴和Z轴方向的长度例如分别为9mm、6mm和4mm。图19为所述永磁体14的侧视图。图20为所述永磁体14的俯视图。如图19和图20所示，所述永磁体14的两个槽沿面141和槽底面142都为例如长方形。所述槽沿面141与所述槽底面142平行。所述永磁体14的两个槽侧面143为曲面。
实施例4：
本实施例提供的永磁体15呈凹槽形，如图21所示。所述永磁体15沿X轴、Y轴和Z轴方向的长度例如分别为7mm、6mm和5mm。图22为所述永磁体15的侧视图。图23为所述永磁体15的俯视图。如图22和图23所示，所述永磁体15的第一槽沿面1511和第二槽沿面1512为例如长方形，所述第一槽沿面1511和所述第二槽沿面1512关于凹槽的中心线不对称，所述第一槽沿面1511和所述第二槽沿面1512沿Y轴方向的尺寸例如分别为1.1mm和0.9mm；槽底面152为例如长方形，其沿Y轴方向的尺寸例如为4mm；两个槽侧面153为例如长方形，其沿Z轴方向的尺寸例如为1.42mm；所述两个槽侧面153分别与所述第一槽沿面1511、所述第二槽沿面1512和所述槽底面152垂直。所述永磁体15的充磁方向沿例如Z轴方向（图中未示出）。所述敏感元件2位于所述永磁体15的正上方，且所述敏感元件2所在的平面与所述槽沿面151的距离为例如1mm（图中未示出）。所述敏感元件2的尺寸为例如3mm*3mm，其敏感方向3沿例如Y轴方向（图中未示出）。
图24为所述永磁体15产生的沿X轴方向的磁场分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图24可以看出，在所述敏感元件2处，所述永磁体15产生的沿X轴方向的磁场分量随位置的变化而变化，在X=-1.5mm至X=1.5mm的区间内，随X值的增加，沿X轴方向的磁场分量由-400Gs变化到了400Gs，即沿X轴方向的磁场分量变化为800Gs。图25为所述永磁体15产生的沿Y轴方向的磁场分量在所述敏感元件2所在平面内的等高线图。由图25可以看出，所述永磁体15产生的沿Y轴方向的磁场分量随位置的变化而变化，在Y=-1.5mm至Y=1.5mm的区间内，随Y值的增加，沿Y轴方向的磁场分量由-30Gs变化到了-70Gs，即沿Y轴方向的磁场分量变化仅为40Gs。由此可见，与现有技术的对比例相比，本实施例提供的所述永磁体15产生的沿Y轴方向的磁场分量明显降低；与实施例1提供的所述永磁体12相比，在所述敏感元件2处，本实施例提供的所述永磁体15产生的沿Y轴方向的磁场分量不是在0Gs附近，而是在-50Gs附近。这表明，不改变凹槽的形状和大小，通过调整凹槽在所述永磁体15上的相对位置，即可在所述敏感元件2处获得沿Y轴方向的以某一数值为中心的很小数值区间内的磁场分量。
当将根据本发明优选实施例的凹槽形永磁体用于包括磁传感芯片的磁传感器时，凹槽形永磁体被设置为其凹槽朝向所述磁传感芯片，所述磁传感芯片的敏感方向与凹槽的方向垂直。凹槽形永磁体产生的磁场Happly沿Z轴方向的分量能够提供磁敏感元件需要的目标磁场，且所述永磁体产生的磁场Happly沿Y轴方向的分量趋近于零或者是处于一个很小的数值区间内。将所述永磁体用于磁传感器时，能够使磁敏感元件在保持高灵敏度的前提下工作在其线性工作区，从而使磁传感器的性能优化。所述永磁体结构简单，制作方便。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种永磁体，其特征在于，该永磁体呈凹槽形。
2.根据权利要求1所述的永磁体，其特征在于，所述永磁体的槽沿面(121)、槽底面(122)和槽侧面(123)为长方形或正方形，槽侧面(123)分别与槽沿面(121)和槽底面(122)垂直，两个槽沿面(121)关于凹槽的中心线对称。
3.根据权利要求1所述的永磁体，其特征在于，所述永磁体的第一槽沿面(1511)、第二槽沿面(1512)、槽底面(152)和槽侧面(153)为长方形或正方形，槽侧面(153)分别与第一槽沿面(1511)、第二槽沿面(1512)和槽底面(152)垂直，第一槽沿面(1511)和第二槽沿面(1512)关于凹槽的中心线不对称。
4.根据权利要求1所述的永磁体，其特征在于，所述永磁体的槽沿面(131)、槽底面(132)和槽侧面(133)为长方形或正方形，槽沿面(131)与槽底面(132)平行，槽侧面(133)与槽底面(132)所成的角度大于90°且小于180°。
5.根据权利要求1所述的永磁体，其特征在于，所述永磁体的槽沿面(141)和槽底面(142)为长方形或正方形，所述槽沿面(141)与所述槽底面(142)平行，槽侧面(143)为曲面。
6.根据权利要求1所述的永磁体，其特征在于，所述永磁体的材质包括钕铁硼、钐钴或硬磁铁氧体。
7.一种磁传感器，其特征在于，该磁传感器设有磁传感芯片和权利要求1-6中任意一项所述的永磁体，所述永磁体被设置为其凹槽朝向所述磁传感芯片。
8.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于，所述磁传感芯片的敏感方向(3)与所述永磁体的凹槽的方向垂直。
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