CN104272129A - 电桥电路以及具有其的磁传感器 - Google Patents

Abstract

为了提供磁场检测角度范围大的磁传感器、以及用于其中的电桥电路，电桥电路的多个MR元件各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且上述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

Description

电桥电路以及具有其的磁传感器

技术领域

本发明涉及电桥电路、以及具有其的磁传感器，特别涉及由4个MR元件形成的电桥电路、以及具有其的磁传感器。

背景技术

已知使用利用了磁阻效应(MR效应：magneto-resistance effect)的磁阻效应元件(MR元件)的磁传感器。图5是这样的磁传感器的等效电路图。即，具备：电桥电路，其由4个MR元件R1至R4形成；比较器，其输入电桥电路的MR元件R1与MR元件R2的连接点以及MR元件R3与MR元件R4的连接点的电位并输出与电位差相应的电压；和反馈电阻，其将比较器的输出反馈给1个输入。这样的电路要素形成在同一芯片而构成了磁传感器。

图6是表示这样的电桥电路的MR元件R1至R4的图案的俯视图。即，MR元件R1以及MR元件R2的串联连接体和MR元件R3以及MR元件R4的串联连接体被并联连接在电源电压Vcc与接地GND之间。并且，电桥电路的MR元件R1以及MR元件R4各自的沿着与磁场检测方向正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，并依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。进而，电桥电路的MR元件R2以及MR元件R3各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，并依次折返地连结，且形成为被串联电连接的曲折状。在专利文献1中提出使用这样的曲折状的MR元件的电桥电路。

在检测旋转动作的位置的情况下，有希望通过应用来尽可能增大磁传感器的动作角度区域的情况。例如，摄像机的液晶画面部具有旋转机构，以设定的角度使液晶部的图像的朝向反转。如果检测角度小，则以微小的旋转动作就会使液晶部的图像反转。此外，为了使检测角度哪怕增大少许，也需要增大磁铁，或者在磁传感器的配置上下工夫。伴随近年来的终端的小型化，设计的自由度也变小，故期望检测角度范围大的磁传感器。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2007-225421号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述的背景技术的磁传感器中存在以下那样的课题。

如果将至少1个电阻体不同的4个MR元件R1～R4以4个连接点桥状地连接并向对置的连接点附加电源，则在其他对置的连接点产生偏置电压。换言之，如图6所示，如果在电源电压Vcc与接地GND之间并联连接MR元件R1以及MR元件R2的串联连接体和MR元件R3以及MR元件R4的串联连接体，则会在MR元件R1以及MR元件R2的连接点a与MR元件R3以及MR元件R4的连接点b之间产生偏置电压。如果被赋予磁场，则MR元件输出电压。将波形整形处理部的检测电平设定得高于基于来自MR元件的偏置电压的电平。如果基于来自MR元件的偏置电压的电平超过上述检测电平，则波形整形处理部输出信号。

在对图6那样的图案施加∠θ的磁场的情况下，在MR元件中流动的电流和磁场所成的角θ、与MR元件的电阻值之间，存在R＝R0-ΔR×sin²θ的关系。在此，R0：无磁场中的MR元件的电阻值，ΔR：磁场施加所引起的电阻变化量。

施加电压V时的连接点a、b间的偏置电压用

(式1)

$\begin{array}{c}\mathrm{Vab}=V\×\frac{(R2-\mathrm{\ΔR}2\×{\cos }^2\mathrm{\θ})}{(R1-\mathrm{\ΔR}1\×{\sin }^2\mathrm{\θ})+(R2-\mathrm{\ΔR}2\×{\cos }^2\mathrm{\θ})}\\ -V\×\frac{(R4-\mathrm{\ΔR}4\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}{(R3-\mathrm{\ΔR}3\×{\cos }^2\mathrm{\θ})+(R4-\mathrm{\ΔR}4\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}\end{array}$

来表征。此时∠θ的磁场与中点电位的关系成为图7所示的曲线c，超过无磁场时的偏置电压值的磁场的角度被限定在45～135°之间。即，在该角度范围之外从波形整形处理部不输出信号，故不被进行检测。

因此，本发明的目的在于提供磁场检测角度范围大的磁传感器、以及用于其中的电桥电路。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本发明所涉及的磁传感器具有：电桥电路，其在电源间并联连接有第1MR元件以及第2MR元件的串联连接体和第3MR元件以及第4MR元件的串联连接体；和比较器，其输入所述第1MR元件与所述第2MR元件的连接点、和所述第3MR元件与所述第4MR元件的连接点的电位并进行与两连接点的电位差相应的输出，该磁传感器的特征在于，所述电桥电路的所述第1MR元件以及所述第4MR元件各自的沿着与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状，所述电桥电路的所述第2MR元件以及所述第3MR元件各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且所述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

本发明所涉及的电桥电路，在电源间并联连接有第1MR元件以及第2MR元件的串联连接体、和第3MR元件以及第4MR元件的串联连接体，该电桥电路的特征在于，所述第1MR元件以及所述第4MR元件各自的沿着与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状，所述第2MR元件以及所述第3MR元件各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且所述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

发明效果

根据本发明，能增大磁场检测角度范围。

附图说明

图1A是用于说明本发明的第1实施方式的磁传感器的电桥电路的俯视图。

图1B是用于说明本发明的第1实施方式的磁传感器的电桥电路的形状的细节的部分放大图。

图2是表示MR元件的线路长度与电阻变化率的关系的图表。

图3是用于说明本发明的第2实施方式的磁传感器的电桥电路的俯视图。

图4A是用于说明本发明的其他实施方式的磁传感器的电桥电路的俯视图。

图4B是用于说明本发明的进一步的其他实施方式的磁传感器的电桥电路的俯视图。

图5是磁传感器的等效电路图。

图6是表示磁传感器的电桥电路的MR图案例的俯视图。

图7是表示∠θ的磁场与中点电位的关系的图表。

具体实施方式

在详细说明本发明的优选的实施方式之前，先重新说明磁传感器的偏置电压。在将图6所示的MR元件R2以及R3置换为不给磁场带来影响的电阻体的情况下，连接点a、b间的偏置电压用

(式2)

$\mathrm{Vab}=V\×\frac{R2}{(R1-\mathrm{\ΔR}1\×{\sin }^2\mathrm{\θ})+R2}-V\×\frac{(R4-\mathrm{\ΔR}4\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}{R3+(R4-\mathrm{\ΔR}4\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}$

来表征。这种情况下，∠θ的磁场与中点电位的关系成为图7所示的曲线d，超过无磁场时的偏置电压值的磁场的角度与(式1)相比被大幅扩大。

根据以上，如果将电桥电路的MR元件R2以及R3变更为不依赖磁场的电阻体，则能增大磁传感器的检测角度。由此，也考虑使MR元件R2、R3变为一般的半导体的电阻。但是，在考虑实际的量产性的情况下，由半导体制作的电阻的电阻值产生±10～20％程度的偏差。为此，与MR元件的相对精度变差，不能控制中点电位的平衡，因而并不现实。

根据以上，在本发明中，将电桥电路的R2以及R3保持MR元件不变，通过设为来自磁场的影响少的形状来增大检测角度范围。

〔第1实施方式〕

首先，参照附图来说明本发明的第1实施方式的电桥电路、以及具有其的磁传感器。图1A是用于说明本发明的第1实施方式的磁传感器的电桥电路的俯视图，图1B是用于说明其形状的细节的部分放大图。

本实施方式的磁传感器如图1A所示那样，具有：电桥电路，其在电源电压Vcc与接地GND之间并联连接有MR元件R1以及MR元件R2的串联连接体和MR元件R3以及MR元件R4的串联连接体；比较器(未图示)，其输入MR元件R1与MR元件R2的连接点a、和MR元件R3与MR元件R4的连接点b的电位并输出与两连接点的电位差相应的输出；和反馈电阻(未图示)，其将比较器的输出反馈给1个输入。这样的电路要素形成在同一芯片而构成磁传感器。

进而，在构成电桥电路的MR元件R1～R4的图案中具有特征。即，如图1A所示，电桥电路的MR元件R1以及MR元件R4各自的沿着与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。进而，如图1A所示，电桥电路的MR元件R2以及MR元件R3各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且上述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。此外，该折返连结的部分的形状呈大致コ字状。

更具体而言，如图1A所示，以尽可能短的直线来构成MR元件R2以及R3，且配置为如图中的要素e、要素f那样相同长度的直线相互正交，由此构成MR元件R2以及R3。换言之，对于MR元件R2，关于图中的第1方向以及与第1方向正交的方向即第2方向，使直线的长度相同。对于MR元件R3，也是关于图中的第1方向以及第2方向，使直线的长度相同。

由于MR元件R2以及R3分别由短的线路构成，因此作为各向异性磁阻元件的MR元件相对于磁场的电阻变化与MR元件R1、R4相比大幅减小。在图2中示出MR元件的线路长度与电阻变化率的关系。图2是MR元件的材质为Ni_0.85Fe_0.15的情况。例如，若图1B所示的从线路g之中除去与正交的图案重叠的区域而得到的长度h为10μm以下，则由图5可知，与80μm以上的线路相比，MR元件的电阻变化减少至1/5以下。

此外，通过将R2以及R3配置为使相同形状的MR元件正交，从而被施加∠θ的磁场时的电阻值R成为下式。

(式3)

R＝(R0-ΔR×sin²θ)+(R0-ΔR×cos²θ)

R＝2R0-ΔR(sin²θ+cos²θ)

R＝2R0-ΔR

由此，理论上电阻值R不再依赖于施加磁场的角度。

根据以上，在考虑由图1A的MR元件构成的图5的电桥电路的情况下，MR元件R2以及R3因磁场所引起的电阻变化显著变小且不再依赖于磁场的方向，偏置电压成为与(式2)同等。∠θ的磁场与中点电位的关系成为图7所示的曲线d那样。因而，能得到旋转检测角度大的MR传感器。

根据本实施方式的磁场传感器，磁场检测角度范围变大。例如在被施加θ＝45°的磁场的情况下，在由图6的MR元件构成的磁传感器中，由于MR元件R1～R4的电阻全都同等地变化，因而不进行动作。与此相对，在由图1A的MR元件构成的磁传感器中，则能进行动作。

〔第2实施方式〕

接下来，参照附图来说明本发明的第2实施方式的电桥电路、以及具有其的磁传感器。图3是用于本发明的第2实施方式的磁传感器的电桥电路的俯视图。对与第1实施方式共通的内容则省略详细的说明。

本实施方式的磁传感器在构成电桥电路的MR元件R1～R4的图案形状上与第1实施方式不同。即，如图3所示，电桥电路的MR元件R1以及MR元件R4各自的沿着与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。进而，如图3所示，电桥电路的MR元件R2以及MR元件R3各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且上述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

在此，如图3所示，在本实施方式中，电桥电路的MR元件R2以及MR元件R3以多个180°的R形状依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。换言之，其折返连结的部分的形状呈大致U字状。

在使用本实施方式那样的形状和图案的MR元件R2以及MR元件R3的情况下，也不再依赖于磁场的方向，与第1实施方式的磁传感器相同地增大了磁场检测角度范围。

以上，关于优选的实施方式而说明了本发明，但本发明并不限定于实施方式。对于电桥电路的MR元件的图案的配置，并不限于图1A和图1B所示的第1实施方式、和图3所示的第2实施方式。例如，也可以是图4A和图4B所示的电桥电路的MR元件的图案。

图4A是图1A和图1B的变形例，MR元件R1、R4的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且上述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

图4B是图3的变形例，MR元件R1、R4的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且上述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。并且，与图3相同，以多个180°的R形状依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

这些情况下，MR元件R1以及R4因磁场所引起的电阻变化显著变小且不再依赖于磁场的方向。由此成为旋转检测角度大的MR传感器。

另外，在第1实施方式中，虽然将比较器和反馈电阻形成在与电桥电路同一芯片上，但也可以形成在不同的芯片上。

以上虽然参照优选的实施方式而说明了本申请发明，但本申请发明并不限定于上述实施方式。能对本申请发明的构成和详细在本申请发明的范围内进行本领域技术人员能理解的各种变更。

本申请主张以2012年5月16日申请的日本申请特愿2012-112497号为基础的优先权，将其公开的全部援引于此。

产业上的可利用性

作为本发明的实际应用例，能考虑需要位置检测的电子设备以及产业用设备。

符号说明

R1、R2、R3、R4 MR元件

a、b 连接点

g 线路

Claims (9)

1.一种磁传感器，具有：

电桥电路，其在电源间并联连接有第1磁阻效应元件以及第2磁阻效应元件的串联连接体和第3磁阻效应元件以及第4磁阻效应元件的串联连接体；和

比较器，其输入所述第1磁阻效应元件与所述第2磁阻效应元件的连接点、和所述第3磁阻效应元件与所述第4磁阻效应元件的连接点的电位，并进行与两连接点的电位差相应的输出，

所述磁传感器的特征在于，

所述电桥电路的所述第1磁阻效应元件以及所述第4磁阻效应元件各自的沿着与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状，

所述电桥电路的所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且所述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件的所述多个部分短于所述第1磁阻效应元件以及所述第4磁阻效应元件的所述多个部分。

3.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，

所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件分别由多条直线的线路构成，且由直线的线路除去交叉的区域之外的直线距离为10μm以下的线路构成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其特征在于，

所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件分别以多个180°的R形状依次折返地连结而构成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其特征在于，

所述第1磁阻效应元件至第4磁阻效应元件的折返地连结的部分的形状呈大致コ字状。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其特征在于，

所述第1磁阻效应元件至第4磁阻效应元件的折返地连结的部分的形状呈大致U字状。

7.一种电桥电路，在电源间并联连接有第1磁阻效应元件以及第2磁阻效应元件的串联连接体、和第3磁阻效应元件以及第4磁阻效应元件的串联连接体，

所述电桥电路的特征在于，

所述第1磁阻效应元件以及所述第4磁阻效应元件各自的沿着与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状，

所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件各自的沿着整体上与磁场检测方向实质正交的方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，并且所述多个部分各自的沿着磁场检测方向的多个部分以给定间隔平行地排列，依次折返地连结，由此形成为被串联电连接的曲折状。

8.根据权利要求7所述的电桥电路，其特征在于，

所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件的所述多个部分短于所述第1磁阻效应元件以及所述第4磁阻效应元件的所述多个部分。

9.根据权利要求7或8所述的电桥电路，其特征在于，

所述第2磁阻效应元件以及所述第3磁阻效应元件分别由多条直线的线路构成，且由直线的线路除去交叉的区域之外的直线距离为10μm以下的线路构成。