CN103890598A - 磁性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明磁性传感器设置有检测单元（10），该检测单元包括第一磁阻元件和第二磁阻元件（R1、R2）。第一磁阻元件和第二磁阻元件（R1、R2）中的每个具有其中磁化方向固定在预定的方向上的钉扎层（11）和其中磁化方向根据外部磁场而改变的自由层（13）。第一磁阻元件和第二磁阻元件（R1、R2）中的每个的电阻根据在钉扎层（11）的磁化方向和自由层（13）的磁化方向之间的角度而改变。第一磁阻元件和第二磁阻元件（R1、R2）相互串联连接使得相应钉扎层（11）的磁化方向垂直于彼此。检测单元（10）输出第一磁阻元件和第二磁阻元件（R1、R2）的中点电压作为检测信号。

Description

磁性传感器

相关申请的交叉引用

本公开基于2011年10月17日提交的日本专利申请No.2011-227854，该日本专利申请的公开内容通过引用被并入本文。

技术领域

本公开涉及磁性传感器。

背景技术

照惯例，提出了通过使用多个磁阻元件形成的磁性传感器。磁阻元件包括钉扎层（pinned layer）和自由层，钉扎层的磁化方向固定在预定的方向上，而自由层的磁化方向根据外部磁场而改变。磁阻元件的电阻值根据在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度依据正弦波或余弦波而改变。因此，包括正弦值的信号或包括余弦值的信号从磁性传感器输出作为传感器信号。

然而，如果包括正弦值的信号或包括余弦值的信号作为传感器信号输出而没有任何变化，则传感器信号不相对于在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度线性地（成比例地）改变，且检测准确度随着在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度而改变。

因此，例如，专利文件1公开了包括第一磁阻元件、第二磁阻元件以及对从第一和第二磁阻元件输出的信号执行反正切运算的反正切运算装置的旋转传感器，第一磁性元件的电阻值根据正弦波改变，而第二磁性元件的电阻值根据余弦波改变。

因为旋转传感器对从第一和第二磁阻元件得到的信号执行反正切运算并输出运算结果作为传感器信号，传感器信号相对于在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度线性地改变。

然而，在上述旋转传感器中，虽然传感器信号相对于在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度线性地改变，但是用于执行反正切运算的复杂设备、电路、程序等是必要的。此外，通过执行反正切运算，响应速度降低了。

现有技术文件

专利文件

[专利文件1]JP-A-2009-258122

发明内容

本公开的目的是提供可利用简单的配置来限制相对于在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度的检测准确度的差异并可提高响应速度的磁性传感器。

根据本公开的方面的磁性传感器包括检测部分，该检测部分包括第一磁阻元件和第二磁阻元件。第一磁阻元件和第二磁阻元件中的每个包括钉扎层和自由层，该钉扎层的磁化方向固定在预定的方向上，而该自由层的磁化方向根据外部磁场而改变。第一磁阻元件和第二磁阻元件中的每个的电阻值根据在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度而改变。在钉扎层的磁化方向垂直于彼此的状态下，第一磁阻元件和第二磁阻元件串联连接。检测部分输出第一磁阻元件和第二磁阻元件的中点电压作为检测信号。

该磁性传感器不与常规磁性传感器一样需要用于执行反正切运算的复杂设备、电路、程序等，并可利用简单的配置输出相对于在预定的角度范围内的在钉扎层的磁化方向和自由层的磁化方向之间的角度（磁场入射角度）几乎线性地改变的信号。此外，因为磁性传感器不需要执行反正切运算，磁性传感器可提高响应速度。

附图说明

根据参考附图进行的下面的详细描述，本公开的上述和其它目的、特征和优点将变得更清楚。在附图中：

图1是示出根据本公开的第一实施例的磁性传感器的电路图；

图2是示出第一磁阻元件的横截面视图；

图3是示出在传感器信号的电压和磁场入射角度之间的关系的模拟结果的图；

图4（a）是示出在节流阀被完全关闭的状态中在检测部分和节流阀之间的布置关系的图，图4（b）是示出在节流阀被完全打开的状态中在检测部分和节流阀之间的布置关系的图；

图5是示出在各种电阻变化率α下在传感器信号的电压和磁场入射角度之间的关系的模拟结果的图；

图6是示出在各种电阻变化率α下在磁场入射角度和误差之间的关系的图；

图7是示出根据本公开的第二实施例的磁性传感器的电路图；

图8是示出在图7所示的第一和第二磁性电压元件的中点电压与磁场入射角度之间的关系以及在传感器信号的电压和磁场入射角度之间的关系的模拟结果的图；以及

图9是示出根据本公开的另一实施例的在第一和第二磁性电压元件的中点电压与磁场入射角度之间的关系以及在传感器信号的电压和磁场入射角度之间的关系的模拟结果的图。

具体实施方式

（第一实施例）

将参考附图描述本公开的第一实施例。图1是示出根据本公开的第一实施例的磁性传感器的电路图。根据本实施例的磁性传感器适合用于检测在预定的角度范围内旋转的旋转主体的旋转角度。例如，根据本实施例的磁性传感器适合用于检测控制被吸到发动机的燃烧室中的进气的量的节流阀的旋转角度。

如图1所示，磁性传感器包括检测部分10和信号处理器20。检测部分10例如是传感器芯片，在传感器芯片中，第一到第四磁阻元件R1-R4在由例如硅制成的半导体衬底上形成。图2是示出第一磁阻元件的横截面视图。如图2所示，第一磁阻元件R1是一般的隧道磁阻元件（TMR元件），其中磁化方向固定在预定的方向上的钉扎层11、由绝缘主体制成的隧道层12和磁化方向根据外部磁场而改变的自由层13以这个顺序堆叠，且设置了未示出的下电极和上电极。图2中的箭头指示钉扎层11的磁化方向。

虽然它们未被示出，第二到第四阻性元件R2-R4的基本结构类似于第一磁阻元件R1的结构。在图1中的相应磁阻元件R1-R4中示出的箭头指示钉扎层11的磁化方向。如图1所示，第一到第四磁阻元件R1-R4形成全桥电路。

具体地，第一和第二磁阻元件R1、R2串联地电连接以在钉扎层11的磁化方向垂直于彼此的状态下形成半桥电路。此外，第三和第四磁阻元件R3、R4串联地电连接以在钉扎层11的磁化方向垂直于彼此、在第三磁阻元件R3中的钉扎层11的磁化方向平行于在第二磁阻元件R2中的钉扎层11的磁化方向并且在第四磁阻元件R4中的钉扎层11的磁化方向平行于在第一磁阻元件R1中的钉扎层11的磁化方向的状态下形成半桥电路。

虽然它们在图1中被示为分离的，但是第一和第三磁阻元件R1、R3被连接，且第二和第四磁阻元件R2、R4被连接，也就是说，两个半桥电路被并联连接以形成全桥电路。

全桥电路设置有电力供应端子14和接地端子15。电力供应端子14布置在第一和第三磁阻元件R1、R3的中点处并施加电力供应电压。接地端子15布置在第二和第四磁阻元件R2、R4的中点处以与地G1电连接。在第一和第三磁阻元件R1、R3之间，布置了用于拉出中点电压V_A的输出端子16。在第三和第四磁阻元件R3、R4之间，布置了用于拉出中点电压V_B的输出端子17。中点电压V_A也可被称为第一检测信号，而中点电压V_B也可被称为第二检测信号。

因为在检测部分10中，在第一到第四磁阻元件R1-R4中的钉扎层11的磁化方向如上所述那样设置，当施加了如图1所示的形成与在第二和第三磁阻元件R2、R3中的钉扎层11的磁化方向的角度θ（在下文中，被称为磁场入射角度）的外部磁场时，也就是说，当在钉扎层11的磁化方向和自由层13的磁化方向之间的角度变成θ时，第一和第四磁阻元件R1、R4的电阻值改变成R₀+αsinθ，且第二和第三磁阻元件R2、R3的电阻值改变成R₀+αcosθ。

注意，R₀是当没有磁场被施加时磁阻元件的电阻值（在下文中，被称为无磁场电阻值），且α是取决于例如形成磁阻元件的材料的电阻变化率（灵敏度）。因此，下面的信号从输出端子16、17输出。

[数学式1]

$V_A=\frac{\mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{Ro}}{\mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}+2\mathrm{Ro}}\·\mathrm{Vcc}$

[数学式2]

$V_B=\frac{\mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Ro}}{\mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}+2\mathrm{Ro}}\·\mathrm{Vcc}$

信号处理器20包括由例如运算放大器形成的差分放大器21。非反相输入端子通过输入端子22连接到输出端子16，而反相输入端子通过输入端子23连接到输出端子17。然后，信号处理器20差分地放大数学表达式1和数学表达式2，并从输出端子24输出传感器信号Vout。在这里，在三角函数的构成公式中存在下面的表达式。

[数学式3]

$a\sin \mathrm{\θ}+b\cos \mathrm{\θ}=\sqrt{a^2+b^2}\·\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})$

[数学式4]

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{b}{a}\right)$

因此，将数学表达式2从数学表达式1减去，且使用数学表达式3和数学表达式4来执行变形以得到下面的表达式。

[数学式5]

在这里，通过设置η=θ-45°来使数学表达式5变形以得到下面的表达式。

[数学式6]

也就是说，从信号处理器20输出的传感器信号Vout变成数学表达式6。注意，虽然差分放大器21的放大因数在这里被设置为1，可以可选地改变放大因数。在本实施例中，差分放大器也可被称为减法运算。

图3是示出在传感器信号Vout的电压和磁场入射角度θ之间的关系的模拟结果的图。图3中的磁场入射角度θ被设置成使得当平行于第二和第三磁阻元件R2、R3的磁化方向的方向被设置为0°时，外部磁场如图1所示被逆时针施加的情况被设置为+θ，而外部磁场被顺时针施加的情况被设置为-θ。此外，在图3中，当无磁场电阻值R₀为1时的电阻变化率α被设置为无磁场电阻值的80%，且电力供应电压Vcc被设置为1。

如图3所示，传感器信号Vout的电压相对于在磁场入射角度θ的预定角度范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变。具体地，在从大约-75°（其为传感器信号Vout的极大点）到大约170°（其为极大点）的范围内，传感器信号Vout相对于磁场入射角度θ几乎线性地改变。注意，极大点和极小点是传感器信号Vout的倾角变成0时所处于的点。

因此，根据本实施例的磁性传感器适合用于检测在从大约-75°到大约170°的范围内旋转的旋转角度。例如，根据本实施例的磁性传感器适合用于检测控制被吸到发动机的燃烧室中的进气的量的节流阀的旋转角度。

图4（a）是示出在节流阀被完全关闭的状态中在检测部分和节流阀之间的布置关系的图，而图4（b）是示出在节流阀被完全打开的状态中在检测部分和节流阀之间的布置关系的图。

如图4（a）和图4（b）所示，控制被吸到发动机的燃烧室中的进气的量的节流阀30集成有随着节流阀30旋转的轴30。轴31由形成抽吸通道32的节流主体33保持。因此，节流阀30被布置在抽吸通道32中。在这里，到进气的流动方向的抽吸通道32的横截面是圆形。节流阀30具有圆板形状，具有与抽吸通道32几乎相同的直径，使得当节流阀30完全关闭时节流阀30可阻挡进气。轴31被布置到节流主体33，使得一个端部突出到抽吸通道32之外，且使用永磁体40附接该突出端部。永磁铁40可被称为旋转主体。

永磁铁40具有圆板形状并在径向方向上被平分。被平分的部分中的一个是N极永磁铁40a，而被平分的部分中的另一个是S极永磁铁40b。如图4（b）所示，永磁铁40通过轴31随着节流阀30旋转。

检测部分10通过未示出的支承构件被保持在由永磁铁40产生的外部磁场中。具体地，检测部分10布置成使得当节流阀30被完全关闭时在第二和第三磁阻元件R2、R3中的钉扎层11的磁化方向平行于由永磁铁40产生的外部磁场B的方向。

如图（a）和图4（b）所示，节流阀30通常在从节流阀30完全关闭时所在的0°的状态到节流阀30完全打开时所在的90°的状态的范围内旋转，并在磁性传感器的传感器信号Vout的极大点和极小点之间的角度范围内旋转。

因此，当根据本实施例的磁性传感器被应用于检测旋转主体（例如节流阀30）的旋转角度时，用于执行反正切运算的复杂设备、电路、程序等不是必要的，且可使用简单的配置得到线性于旋转角度的信号。

在图3中，描述了第一到第四磁阻元件R1-R4的电阻变化率α为80%的例子。然而，可以可选地改变电阻变化率α。图5是示出当无磁场电阻值R₀为1时在各种电阻变化率α下在传感器信号Vout的电压和磁场入射角度θ之间的关系的模拟结果的图。在图5中，电力供应电压Vcc被设置为1。

如图5所示，虽然第一到第四磁阻元件R1-R4的电阻变化率α有轻微的不同，通过形成如上所述的磁性传感器，可得到相对于在预定角度范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变的传感器信号Vout。例如，在电阻变化率α是60%的情况下，传感器信号Vout相对于在从大约-70°（其为传感器信号Vout的极大点）到大约165°（其为极小点）的范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变。在电阻变化率是40%的情况下，传感器信号Vout相对于在从大约-65°（其为传感器信号Vout的极大点）到大约160°（其为极小点）的范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变。换句话说，不考虑电阻变化率α，可得到相对于在预定角度范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变的传感器信号Vout。

图6是示出在各种电阻变化率α下在磁场入射角度θ和误差之间的关系的图。该误差是相对于使用在图5中绘出的点通过最小二乘方法得到的直线的误差。如图6所示，所确认的是，虽然当在每个电阻变化率α下磁场入射角度θ为22.5°、67.5°和90°时误差增加，误差随着电阻变化率α的增加而减小。因此，优选地，第一到第四磁阻元件R1-R4配置成使得电阻变化率α是高的。

如上所述，在根据本实施例的磁性传感器中，第一和第二磁阻元件R1、R2串联地电连接以在钉扎层11的磁化方向垂直于彼此的状态中形成半桥电路。此外，第三和第四磁阻元件R3、R4串联地电连接以在钉扎层11的磁化方向垂直于彼此、在第三磁阻元件R3中的钉扎层11的磁化方向平行于在第二磁阻元件R2中的钉扎层11的磁化方向并且在第四磁阻元件R4中的钉扎层11的磁化方向平行于在第一磁阻元件R1中的钉扎层11的磁化方向的状态中形成半桥电路。

信号处理器20中的差分放大器21差分地放大第一和第二电阻元件R1、R2的中点电压V_A及第三和第四电阻元件R3、R4的中点电压V_B，并输出被差分地放大的结果作为传感器信号Vout。

因此，如图3和图5所示，可输出相对于在预定角度范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变的传感器信号Vout。

此外，可通过改变第一到第四磁阻元件R1-R4的布置方法并通过提供相对于常规磁性传感器具有简单的配置的差分放大器21（例如运算放大器）来得到磁性传感器，且复杂的设备、电路、程序等不是必要的。因此，配置可简化。此外，因为磁性传感器不执行运算（例如反正切运算），磁性传感器可提高响应速度。此外，通过形成具有全桥电路的检测部分10，检测灵敏度可增加。

（第二实施例）

将描述本公开的第二实施例。在本实施例中，相对于第一实施例，检测部分10由第一和第二磁阻元件R1、R2及第一和第二电阻器形成。因为其它部分与第一实施例相同，省略了关于其它部分的描述。图7是示出根据本公开的第二实施例的磁性传感器的电路图。

如图7所示，根据本实施例的检测部分10包括第一和第二电阻器R5、R6而不是第一实施例中的第三和第四磁阻元件R3、R4，且第一和第二磁阻元件R1、R2及第一和第二电阻器R5、R6形成全桥电路。

第一和第二电阻器R5、R6的中点电压Vb被输入到差分放大器21的反相输入端子。在本实施例中，第一和第二电阻器R5、R6的电阻值被设置为彼此相等，且Vcc/2被输入到差分放大器21的反相输入端子。

输入到差分放大器21的反相输入端子的电压不限于Vcc/2，并可以可选地改变。例如，可输入具有与第一和第二磁阻元件R1、R2相同的温度特性的电压。具体地，第一和第二电阻器R5、R6可被设置为具有与第一和第二磁阻元件R1、R2相同的温度特性的电阻器。因此，第一和第二磁阻元件R1、R2的温度特性可被补偿，且检测准确度可被提高。

此外，这个磁性传感器可输出相对于在预定角度范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变的传感器信号Vout，且可得到与第一实施例相同的效果。图8是示出在第一和第二磁性电压元件R1、R2的中点电压V_A与磁场入射角度θ之间的关系以及在传感器信号Vout的电压和磁场入射角度θ之间的关系的模拟结果的图。注意，在图8中，当无磁场电阻值R₀为1时的电阻变化率α被设置为无磁场电阻值的80%，且电力供应电压Vcc被设置为1。

如图8所示，在根据本实施例的磁性传感器中，在从大约-80°（其为传感器信号Vout的极大点）到大约170°（其为极小点）的范围内，传感器信号Vout相对于磁场入射角度θ几乎线性地改变。

在图8中，还示出了第一和第二磁阻元件R1、R2的中点电压V_A。此外，中点电压V_A相对于在从大约-80°（其为极大点）到大约170°（其为极小点）的范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变。因此，可只利用检测部分10形成磁性传感器，且第一和第二磁阻元件R1、R2的中点电压V_A可被输出而没有任何改变。因为这个磁性传感器不需要信号处理器20，磁性传感器的配置可进一步简化。

（其它实施例）

在上述实施例的每个中，描述了其中从磁性传感器输出取决于磁场入射角度θ的电压的例子。然而，磁性传感器可如下所述被配置。也就是说，信号处理器20可包括转换部分，且转换部分可转换从差分放大器21输出的电压并可输出转换后的结果。例如，当转换部分包括例如存储了其中电压和θ被匹配的映射图的半导体存储器时，转换部分可转换从差分放大器21输出的电压并可输出转换的结果。

在上述实施例的每个中，描述了从检测部分10输出的信号被差分放大器21（例如运算放大器）差分地放大，也就是说该信号在信号保持为模拟信号的状态中被差分地放大的例子。然而，在从检测部分10输出的信号被转换成数字信号之后，数字信号可被差分地放大（减去）。以这种方式，即使在从检测部分10输出的信号被转换成数字信号之后执行差分放大，与如常规技术那样执行反正切运算的情况比较，只有简单的差分放大（减法）需要被执行，且配置可被简化。

此外，在第一实施例中，巨磁阻元件（GMR元件）（其中导电节点布置在钉扎层11和自由层13之间）可用作第一到第四磁阻元件R1-R4，而在第二实施例中，巨磁阻元件（GMR元件）（其中导电节点布置在钉扎层11和自由层13之间）可用作第一和第二磁阻元件R1、R2。

此外，在第二实施例中，描述了第一磁阻元件R1的电阻值改变成R₀+αsinθ且第二磁阻元件R2的电阻值改变成R₀+αcosθ的例子。然而，第一磁阻元件R1的电阻值改也可改变成R₀+αcosθ，且第二磁阻元件R2的电阻值也可改变成R₀+αsinθ。图9是指示根据另一实施例的在传感器信号Vout的电压和磁场入射角度θ之间的关系的模拟结果。

如图9所示，也在这个磁性传感器中，在从大约-80°（其为传感器信号Vout的极小点）到大约170°（其为极大点）的范围内，传感器信号Vout相对于磁场入射角度θ几乎线性地改变。类似于图8，在图9中，也示出第一和第二磁阻元件R1、R2的中点电压V_A。中点电压V_A也相对于在从大约-80°（其为极大点）到大约170°（其为极小点）的范围内的磁场入射角度θ几乎线性地改变。因此，可只利用检测部分10形成磁性传感器，且第一和第二磁阻元件R1、R2的中点电压V_A可被输出而没有任何变化。

Claims (6)

1.一种磁性传感器，包括：

检测部分（10），其包括第一磁阻元件（R1）和第二磁阻元件（R2），

其中，所述第一磁阻元件（R1）和所述第二磁阻元件（R2）中的每个磁阻元件都包括钉扎层（11）和自由层（13），所述钉扎层的磁化方向固定在预定的方向上，而所述自由层的磁化方向根据外部磁场而改变，

其中，所述第一磁阻元件（R1）和所述第二磁阻元件（R2）中的每个磁阻元件的电阻值都根据在所述钉扎层（11）的磁化方向和所述自由层（13）的磁化方向之间的角度而改变，

其中，所述第一磁阻元件（R1）和所述第二磁阻元件（R2）在所述钉扎层（11）的磁化方向彼此垂直的状态中串联连接，并且

其中，所述检测部分（10）输出所述第一磁阻元件（R1）和所述第二磁阻元件（R2）的中点电压作为检测信号。

2.根据权利要求1所述的磁性传感器，还包括：

信号处理器（20），其使用所述检测信号执行预定的操作，

其中，所述检测部分（10）还包括第三磁阻元件（R3）和第四磁阻元件（R4），

其中，所述第三磁阻元件（R3）包括磁化方向固定在与所述第二磁阻元件（R2）中的所述钉扎层（11）的磁化方向平行的方向上的钉扎层（11）和磁化方向根据所述外部磁场而改变的自由层（13），所述第三磁阻元件（R3）的电阻值根据在所述钉扎层（11）的磁化方向和所述自由层（13）的磁化方向之间的角度而改变，且所述第三磁阻元件（R3）与所述第一磁阻元件（R1）一起连接到电源，

其中，所述第四磁阻元件（R4）包括磁化方向固定在与所述第一磁阻元件（R1）中的所述钉扎层（11）的磁化方向平行的方向上的钉扎层（11）和磁化方向根据所述外部磁场而改变的自由层（13），所述第四磁阻元件（R4）的电阻值根据在所述钉扎层（11）的磁化方向和所述自由层（13）的磁化方向之间的角度而改变，并且，所述第四磁阻元件（R4）与所述第一磁阻元件（R1）一起接地并且与所述第三磁阻元件（R3）串联连接，

其中，所述第一磁阻元件（R1）、所述第二磁阻元件（R2）、所述第三磁阻元件（R3）和所述第四磁阻元件（R4）形成全桥电路，

其中，所述检测部分（10）输出所述第三磁阻元件（R3）和所述第四磁阻元件（R4）的中点电压作为第二检测信号，同时输出所述第一磁阻元件（R1）和所述第二磁阻元件（R2）的中点电压作为第一检测信号，并且

其中，所述信号处理器（20）执行从所述第一检测信号减去所述第二检测信号的运算，并输出运算结果作为传感器信号。

3.根据权利要求1所述的磁性传感器，还包括：

信号处理器（20），其相对于参考电压差分地放大所述检测信号，

其中，所述信号处理器（20）输出放大的结果作为传感器信号。

4.根据权利要求3所述的磁性传感器，

其中，所述信号处理器（20）使用具有与所述第一磁阻元件（R1）和所述第二磁阻元件（R2）相同的温度特性的电压作为所述参考电压。

5.根据权利要求2-4中的任一项所述的磁性传感器，

其中，所述检测部分（10）布置在由旋转主体（40）产生的所述外部磁场中，所述旋转主体（40）在所述传感器信号的极大点和极小点之间的角度范围内旋转。

6.根据权利要求1所述的磁性传感器，

其中，所述检测部分（10）布置在由旋转主体（40）产生的所述外部磁场中，所述旋转主体（40）在所述检测信号的极大点和极小点之间的角度范围内旋转。

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