CN104197827B - 一种双z轴磁电阻角度传感器 - Google Patents

一种双z轴磁电阻角度传感器 Download PDF

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Abstract

一种双Z轴磁电阻角度传感器，包括圆形永磁体、两个Z轴磁电阻传感器芯片和PCB，两个Z轴磁电阻传感器位于PCB上，其磁场敏感方向正交，所述Z轴磁电阻传感器芯片包括衬底以及位于衬底之上的至少一个磁电阻传感器，其磁场敏感方向垂直于所述衬底，所述磁电阻传感器包括通量集中器和磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元电连接成推挽式结构，其推臂和挽臂分别位于所述通量集中器上方或下方的距离Y轴中心线等距离的两侧位置，所述圆形永磁体具有平行于过直径方向的磁化方向，其旋转时，两个Z轴磁电阻传感器芯片所测量的正交磁场计算出磁场测量角，可以用于表征圆形永磁体的旋转角度，该发明具有结构简单，灵敏度高，空间灵活性高的特点。

Description

一种双Z轴磁电阻角度传感器
技术领域
本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种双Z轴磁电阻角度传感器。
背景技术
磁电阻传感器和永磁码盘构成的磁电阻角度传感器可以应用于磁编码器以及旋转位置传感器等领域，通常情况下，对于磁电阻传感器如TMR， GMR等，采用的是平面X-Y类型的磁电阻角度传感器芯片，通过对同一芯片上X、Y方向磁场分量的测量并对X磁场分量和Y磁场分量夹角进行计算，实现对永磁码盘旋转角度的测量，但其主要存在如下问题：
1）X-Y类型的磁电阻角度传感器芯片，和圆形永磁码盘一起来测量角度位置时，芯片测量平面位于在平行于圆形永磁码盘旋转平面区域位置上方，其测量的敏感磁场来自于圆形永磁码盘在圆形永磁码盘旋转面区域上方的分布磁场，因此X-Y磁电阻角度传感器芯片的安装空间和磁场均匀区受到限制，空间灵活性较差。
2）X-Y 类型的磁电阻角度传感器芯片的圆形永磁码盘在旋转平面上方的旋转磁场分布容易受到附近磁体如软磁材料或者永磁体的干扰，而使得角度测量区域发生改变，不能正确得到测量角度，稳定性较差。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种双Z轴磁电阻角度传感器，来取代X-Y磁电阻角度传感器，通过测量圆形永磁码盘边缘外侧所产生的径向旋转磁场来取代位于圆形永磁码盘旋转平面上方的旋转磁场，并采用两个相差90度相位的分立的Z轴磁电阻传感器芯片来取代单一X-Y磁电阻传感器芯片，由于两个Z轴磁电阻传感器芯片位于圆形永磁码盘边缘外侧，所以其安装空间灵活性大大增加。
本发明所提出的一种双Z轴磁电阻角度传感器，包括一个圆形永磁码盘,两个Z轴磁电阻传感器芯片和PCB，所述圆形永磁码盘附着在一个旋转轴上，且所述旋转轴围绕所述圆形永磁码盘中心轴线旋转；所述两个Z轴磁电阻传感器芯片均包括衬底以及位于其上的至少一个Z轴磁电阻传感器，所述Z轴磁电阻传感器的磁场敏感方向垂直于所述衬底所在平面；所述两个Z轴磁电阻传感器芯片位于所述PCB上，且所述两个Z轴磁电阻传感器芯片的磁场敏感方向和所述圆形永磁码盘的中心轴线两两正交，且所述两个Z轴磁电阻传感器芯片与所述圆形永磁码盘中心轴线保持相同距离r+Det,其中r为所述圆形永磁码盘半径，所述Det>0；所述圆形永磁码盘旋转时，所述两个Z轴磁电阻传感器芯片分别将所圆形永磁码盘所产生的两个正交磁场信号转变成两个电压信号输出，从而根据所述两个电压信号，计算出所述圆形永磁码盘的0-360度旋转角度。
优选的，所述圆形永磁码盘磁化方向为平行于过直径的方向。
优选的，所述Det距离为0-2r。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器包括磁电阻传感单元和通量集中器，所述通量集中器为长条形，其长轴平行于Y轴方向，短轴平行于X轴方向，所述磁电阻传感单元敏感方向平行于X轴方向,且电连接成包括至少两个桥臂的磁电阻桥，其中，每个所述桥臂为一个或多个磁电阻传感单元电连接而成的两端口结构，且所述桥臂中的磁电阻传感单元沿着平行于Y轴方向排列成多个磁电阻列，所述磁电阻桥为推挽式桥，其中，推臂和挽臂分别位于所述通量集中器上方或下方Y轴中心线的不同侧，且到各自对应的所述Y轴中心线的距离相等。
优选的，所述通量集中器为包含Ni、Fe、Co元素中的一种或多种元素的软磁合金材料。
优选的，所述磁电阻传感单元为GMR或TMR磁电阻传感单元。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器包含N+2（N>0的整数）个通量集中器，且所述磁电阻列对应于中间N个通量集中器。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器包含1个通量集中器，所述磁电阻列对应于所述1个通量集中器。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器包含2个通量集中器，所述磁电阻列分别对应于所述2个通量集中器中的Y轴中心线不同侧的位置，且距离对应通量集中器的Y轴中心线相同距离。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器中相邻两个所述通量集中器之间的间距S不小于所述通量集中器的宽度Lx。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器中相邻两个所述通量集中器之间的间距S>2Lx，所述Lx为所述通量集中器的宽度。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器的所述磁电阻单元列与所述通量集中器的上方或下方边缘的间距越小，或者所述通量集中器的厚度Lz越大，或者所述通量集中器的宽度Lx越小，所述z轴磁电阻传感器的灵敏度越高。
优选的，所述Z轴磁电阻传感器的推挽式电桥为半桥、全桥或者准桥结构中的一种。
优选的，所述两个Z轴磁电阻传感器具有相同的磁场灵敏度。
附图说明
图1 双Z轴磁电阻旋转角度传感器正视图；
图2 双Z轴磁电阻旋转角度传感器侧视图；
图3 Z轴磁电阻传感器结构图一；
图4 Z轴磁电阻传感器结构图二；
图5 Z轴磁电阻传感器结构图三；
图6 Z轴磁电阻传感器Z磁场测量原理图；
图7 Z轴磁电阻传感器中磁电阻传感单元位置磁场分布图；
图8 Z轴磁电阻传感器中磁电阻传感单元电连接图；
图9 推挽式磁电阻传感器全桥示意图；
图10 推挽式磁电阻传感器半桥示意图 ；
图11 双Z轴磁电阻旋转角度传感器测量磁场幅度随旋转角度关系图；
图12 双Z轴磁电阻旋转角度传感器磁场测量角度随旋转角度关系图；
图13 双Z轴磁电阻旋转角度传感器测量磁场角度随旋转角度关系曲线直线拟合参数R2与Det/R比率关系图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例一
图1和2分别为双Z轴磁电阻旋转角度传感器的正视图和侧视图，可以看出，包括放置于PCB 5上的两个Z轴磁电阻传感器芯片1和2，以及圆形永磁码盘3，其中圆形永磁码盘3附着在一个旋转轴4上，所述旋转轴4围绕着所述圆形永磁码盘3的中心轴线41旋转，两个所述Z轴磁电阻传感器芯片1和2的磁场敏感方向相互正交，且分别位于圆形永磁码盘3的旋转面外侧，芯片中心法线过圆形永磁码盘3的圆点，并且圆形永磁码盘3的磁化方向M为平行于过直径的直线方向，两个Z轴磁电阻传感器芯片距离圆形永磁码盘3中心轴线41相同的距离，为r+Det，其中r为圆形永磁码盘的半径，Det大于0。
实施例二
图3为Z轴磁电阻传感器芯片及其Z磁场测量原理图，包括衬底8，以及位于其上的至少一个Z轴磁电阻传感器9，所述Z轴磁电阻传感器9包括通量集中器6以及位于通量集中器6上方或下方且距离通量集中器Y轴中心线相同距离的磁电阻单元列7，其原理为当Z方向外磁场经过通量集中器6时，由于通量集中器6为高磁导率的软磁合金材料，如包括Co、Fe、Ni等元素中的一种或多种元素的合金的软磁合金，磁场在通量集中器6上方或下方产生扭曲，出现了X轴方向的磁场分量，并且正比于Z磁场，从而能够被位于通量集中器6上方或下方处的位于Y轴中心线两侧的磁电阻单元列7探测到，所述磁电阻传感单元的磁场敏感方向为X方向，其为TMR，GMR类型传感器单元，所述通量集中器为长条形状，其长度为Y方向，宽度为X方向，且所述多个通量集中器沿X方向等距平行排列。
为了方便说明，图3列出了标号为n1到n7的多个通量集中器，图4为标号为n1到n7的多个通量集中器6上方或下方距离通量集中器6的Y轴中心线两侧等距离的磁电阻传感单元处的X分量磁场分布，可以看出，位于Y轴中心线两侧的磁电阻传感单元感受相反方向的X分量磁场，其中一个为正，另一个为负，但两侧的两个通量集中器所对应的两个反向的X分量磁场的幅度大小并不一致，其中靠外的X磁场分量显然要大于位于靠内的X磁场分量，而位于除两侧之外的中间部分的通量集中器所对应的两个位置的X磁场分量幅度大小相同。
所述Z轴磁电阻传感器中相邻两个所述通量集中器之间的间距S不小于所述通量集中器的宽度Lx。在另一实施例中，所述Z轴磁电阻传感器中相邻两个所述通量集中器之间的间距S>2Lx；
此外，减小所述Z轴磁电阻传感器的所述磁电阻单元列与所述通量集中器的上方或下方边缘的间距，或者增加所述通量集中器的厚度Lz，或者减小所述通量集中器的宽度Lx均能增加所述z轴磁电阻传感器的灵敏度。
实施例三
根据以上通量集中器上方或下方位置处磁电阻传感单元X磁场分量分布特征可以看出，Z轴磁电阻传感器可以具有如下结构特征：所述磁电阻传感单元电连接成推挽式全桥、半桥或者准桥结构，每个桥臂包含1个或多个磁电阻传感单元，且电连接成两端口的结构，所述磁电阻单元排布成磁电阻单元列，所述推臂和挽臂分别位于通量集中器上方或者下方Y轴中心线的不同侧，并且到对应通量集中器的Y轴中心线距离相等。
根据磁电阻单元列在通量集中器中的分布特征和数量的不同，所述Z轴磁电阻传感器可以分成如下几种结构：
图5为位于衬底8上的Z轴磁电阻传感器的结构图一，其中包含N+2（N为大于1的整数）个通量集中器6，包括位于中间的N个通量集中器62和位于两侧的2个通量集中器61，磁电阻传感单元列7中的71和72分布于中间N个通量集中器62所对应的Y轴中心线两侧的位置处，这是由于位于中间N个通量集中器62所对应Y中心线两侧的磁电阻传感列71和72位置处的X磁场分量大小相同，且方向相反，从而可以构成推挽式电桥结构。
图6为位于衬底8上的Z轴磁电阻传感器的结构图二，其中，只包含1个通量集中器6（1），磁电阻单元列7（1）包括两个磁电阻单元列73和74，且分布于通量集中器Y轴中心线的两侧位置，这是因为在单个通量集中器的情况下，以上两个位置显然X磁场分量具有大小相同，方向相反特征，从而可以构成推挽式电桥结构。
图7为Z轴磁电阻传感器的结构图三，其中，只包含2个通量集中器65和66，磁电阻单元列75和76分别分布于2个通量集中器所对应的两个Y轴中心线的外侧，或者内侧位置，且距离所在通量集中器Y轴中心线相同距离，显然此时两个位置也具有大小相同，方向相反的X磁场分量，从而构成推挽式电桥结构，为了方便说明，图7中只给出了两个磁电阻传感单元列同时位于外侧的情况，实际上还可以包括两个磁电阻单元列同时位于内侧的情况。
图8为Z轴磁电阻传感器的电连接图，磁电阻传感单元电连接成推挽式电桥结构，并且至少包括一个推臂和一个挽臂，每个推臂和挽臂包括1个或多个磁电阻传感单元电连接成的两端口结构，且所述磁电阻单元排成多个平行的磁电阻单元列，其中81为连接导线，82和83分别为电源输入端和接地端，85和84分别为信号输出端，6（3）为通量集中器，其中67位于两侧，68位于中间，磁电阻单元列77和78分别位于通量集中器的上方或下方的Y中心线两侧，且距离Y中心线有相同的距离，构成推臂和腕臂的一部分，其中磁电阻单元排列成磁电阻单元列，图8中为全桥结构推挽式磁电阻桥，包括4个桥臂，即两个推臂和两个挽臂，每个推臂和挽臂分别包含多个磁电阻列，并且形成两端口结构。Z磁电阻传感器的推挽式全桥结构如图9所示，构成全桥的四个桥臂R1，R2，R3和R4两两相邻，具有相反的外磁场响应特征。
图10给出的为推挽式全桥结构，实际上还包括半桥类型的推挽式结构，包含两个臂R1和R2，其中一个为推臂，另一个为挽臂，此外，还可以构成准桥结构。
实施例四
图11为所述圆形永磁码盘围绕中线轴线旋转时，两个Z轴传感器芯片所测量的敏感磁场H1和H2，圆形永磁码盘的磁化方向M与H1方向的夹角为φ，可以用φ来定义永磁码盘旋转角度, 两个Z轴传感器分别测量的磁场分量H1和H2之间的磁场测量角α定义如下，
α=atan(Hy/Hx), Hx>0, Hy>0
=atan(Hy/Hx)+pi, Hx>0, Hy<0
=atan(Hy/Hx)-pi, Hx<0, Hy<0
图11中91和92分别为Z轴磁电阻传感器芯片1和Z轴磁电阻传感器2的敏感磁场H1和H2随圆形永磁码盘的旋转角度φ的变化关系，可以看出，磁场H1和H2随旋转角度变化为正弦/余弦的变化关系，且相位相差90度。
图12中93为典型的磁场测量角度α和圆形永磁码盘旋转角度φ之间的关系曲线93，可以看出，曲线93为直线特征，表明磁场测量角度和旋转角度之间有线性关系，可以通过两个Z轴磁电阻传感器芯片的输出信号对圆形永磁码盘旋转角度进行测量。
图13为Z轴磁电阻传感器芯片1和2距离圆形永磁码盘3不同距离Det时，所得到的磁场测量角α随圆形永磁旋转角φ的曲线采用线性拟合时拟合参数R2与Det/R比率的关系曲线94，可以看出，随着Det/R的增加，其R2开始保持稳定在1.0附近，而后再2.0时逐渐的下降，总体上R2线性度很高，保持在0.997以上，为了便于角度的测量精度，因此旋转0-2 r，r为圆形永磁体半径，因此可以看出，双Z轴磁电阻角度传感器的工作空间远远大于X-Y轴的小于r区域的空间，因此具有更大的灵活性。

Claims (12)

1.一种双Z轴磁电阻角度传感器，包括一个圆形永磁码盘,两个Z轴磁电阻传感器芯片和PCB，其特征在于，所述圆形永磁码盘附着在一个旋转轴上，且所述旋转轴围绕所述圆形永磁码盘中心轴线旋转；所述两个Z轴磁电阻传感器芯片均包括衬底以及位于其上的至少一个Z轴磁电阻传感器，所述Z轴磁电阻传感器的磁场敏感方向垂直于所述衬底所在平面；所述两个Z轴磁电阻传感器芯片位于所述PCB上，且所述两个Z轴磁电阻传感器芯片的磁场敏感方向和所述圆形永磁码盘的中心轴线两两正交，且所述两个Z轴磁电阻传感器芯片与所述圆形永磁码盘中心轴线保持相同距离r+Det,其中r为所述圆形永磁码盘半径，所述Det>0；所述圆形永磁码盘旋转时，所述两个Z轴磁电阻传感器芯片分别将所圆形永磁码盘所产生的两个正交磁场信号转变成两个电压信号输出，从而根据所述两个电压信号，计算出所述圆形永磁码盘的0-360度旋转角度；所述Z轴磁电阻传感器的推挽式电桥为半桥、全桥或者准桥结构中的一种；所述两个Z轴磁电阻传感器具有相同的磁场灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述圆形永磁码盘磁化方向为平行于过直径的方向。
3.根据权利要求1所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Det距离为：Det≤2 r。
4.根据权利要求1所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器包括磁电阻传感单元和通量集中器，所述通量集中器为长条形，其长轴平行于Y轴方向，短轴平行于X轴方向，所述磁电阻传感单元敏感方向平行于X轴方向,且电连接成包括至少两个桥臂的磁电阻桥，其中，每个所述桥臂为一个或多个磁电阻传感单元电连接而成的两端口结构，且所述桥臂中的磁电阻传感单元沿着平行于Y轴方向排列成多个磁电阻列，所述磁电阻桥为推挽式桥，其中，推臂和挽臂分别位于所述通量集中器上方或下方Y轴中心线的不同侧，且到各自对应的所述Y轴中心线的距离相等。
5.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述通量集中器为包含Ni、Fe、Co元素中的一种或多种元素的软磁合金材料。
6.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述磁电阻传感单元为GMR或TMR磁电阻传感单元。
7.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器包含N+2个通量集中器，且所述磁电阻列对应于中间N个通量集中器，所述N为大于0的整数。
8.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器包含1个通量集中器，所述磁电阻列对应于所述1个通量集中器。
9.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器包含2个通量集中器，所述磁电阻列分别对应于所述2个通量集中器中的Y轴中心线不同侧的位置，且距离对应通量集中器的Y轴中心线相同距离。
10.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器中相邻两个所述通量集中器之间的间距S不小于所述通量集中器的宽度Lx。
11.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器中相邻两个所述通量集中器之间的间距S>2Lx，所述Lx为所述通量集中器的宽度。
12.根据权利要求4所述的一种双Z轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述Z轴磁电阻传感器的所述磁电阻单元列与所述通量集中器的上方或下方边缘的间距越小，或者所述通量集中器的厚度Lz越大，或者所述通量集中器的宽度Lx越小，所述Z轴磁电阻传感器的灵敏度越高。
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