CN105136349B - 一种磁性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性压力传感器，包括支架、固定在支架内的磁性传感单元和两个永磁体，所述磁性传感单元具有敏感轴，所述两个永磁体分别沿磁性传感单元敏感轴的方向设置，且位于磁性传感单元的同一侧，所述两个永磁体的大小相同且充磁方向相同；还包括设置在支架内的电感线圈，且相对于永磁体设置于磁性传感单元的另一侧，所述电感线圈用来抵消永磁体的磁场，使磁性压力传感器的输出与支架的形变呈线性关系；所述电感线圈和永磁体沿磁性传感单元敏感轴的方向位于磁性传感单元两侧。本发明解决了采用各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的压力传感器线性度窄的特点，具有高精度、小体积且易装配的优点。

Description

一种磁性压力传感器

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别是一种磁性压力传感器。

背景技术

常用的压力传感器有电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。半导体应变式压力传感器由于受晶向、杂质等因素的影响，灵敏度离散程度大，温度稳定性差并且在较大应变作用下非线性误差大，给使用带来一定困难；压阻式压力传感器是基于高掺杂硅的压阻效应实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，由压敏器件组成的电桥检测电路也会因温度变化引起灵敏度漂移；电感式压力传感器，体积比较大，很难实现微型化；电容式压力传感器精度的提高是利用增大电容面积来实现的，随着器件的微型化，其精度因有效电容面积减小而难以提高；谐振式压力传感器要求材料质量较高，加工工艺复杂，导致生产周期长，成本较高，另外，其输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保证良好的精度。

目前市面上最主流的压力传感器产品为电阻应变式压力传感器，其采用电阻应变片为敏感元件测量。电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。但是应变式压力传感器自身存在三大缺陷：（1）应变电阻不能消除侧向压力带来的形变误差；（2）受力时产生的阻值变化较小，造成灵敏度低；（3）应变式压力传感器通常的精度只能达到0.5%，在称重计量等对精度要求高的领域并不适用；（4）应变式压力传感器的安装及维护比较复杂。

中国公开号为CN102928132A的发明专利公开了一种用磁性隧道结为敏感元件的压力传感器，采用该传感器可以大大提高测量精度。但是采用该类传感器依然有一个问题，在实际使用过程中，该传感器依然有输出信号线性区域小的问题。

不难看出，现有的压力传感器已经不能满足现代工业、军事和生活等领域的需求，尤其是在计量领域，对于压力传感器的灵敏度、精度和体积要求非常高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种磁性压力传感器，本发明解决了采用巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的压力传感器线性度窄的特点，具有高精度、小体积且易装配的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种磁性压力传感器，包括支架、固定在支架内的磁性传感单元和两个永磁体，所述磁性传感单元具有敏感轴，所述两个永磁体分别沿磁性传感单元敏感轴的方向设置，且位于磁性传感单元的同一侧，所述两个永磁体的大小相同且充磁方向相同。

作为本发明所述的一种磁性压力传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元为单电阻、半桥或全桥结构。

作为本发明所述的一种磁性压力传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元为梯度半桥或梯度全桥结构。

作为本发明所述的一种磁性压力传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元包括敏感元件，所述敏感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

作为本发明所述的一种磁性压力传感器进一步优化方案，还包括设置在支架内的电感线圈，所述电感线圈内设有磁芯，且相对于永磁体设置于磁性传感单元的另一侧。

作为本发明所述的一种磁性压力传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元的敏感轴方向和永磁体充磁方向平行。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明解决了采用巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的压力传感器线性度窄的特点，具有高精度、小体积且易装配的优点。

附图说明

图1是本发明提出的压力传感器的结构示意图。

图2是靠近永磁体下方区域的磁场沿z轴方向的分布图。

图3是磁性压力传感器输出电压和永磁体沿z轴方向位移的理想曲线图。

图4是磁性压力传感器输出电压和永磁体沿z轴方向位移的实际测量曲线图。

图5是梯度半桥式传感单元的电连接示意图。

图6是梯度全桥式传感单元的电连接示意图。

图7是梯度全桥式传感单元的物理位置示意图。

图8是单个永磁体的空间磁场分布图。

图9是第一永磁体和第二永磁体的空间磁场分布图。

图中的附图标记解释为：1-磁性传感单元的敏感轴，11-磁性传感单元，12A-第一永磁体，12B-第二永磁体，31-第一永磁体和第二永磁体的充磁方向，13-电感线圈，14-磁芯，15-支架，21-第一磁电阻，22-第二磁电阻，23-第三磁电阻，24-第四磁电阻，32-磁场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明提出的磁性压力传感器包括磁性传感单元11、第一永磁体12A、第二永磁体12B、电感线圈13以及支架15。所述磁性传感单元11、第一永磁体12A、第二永磁体12B以及电感线圈13位于支架15内并固定，所述磁性传感单元11具有敏感轴1，以敏感轴1的方向为z轴，以磁性传感单元11的几何中心为原点，所述第一永磁体12A和第二永磁体12B沿z轴方向位于同侧，所述电感线圈13位于磁性传感单元11的另一侧。其中，31为第一永磁体12A和第二永磁体12B的充磁方向，该充磁方向和磁性传感单元11的敏感轴1的方向平行，支架15外部为立方体或长方体，内部是一种异形结构件，其内部形状和尺寸与传感单元11、第一永磁体12A、第二永磁体12B以及电感线圈13相匹配。支架固定第一永磁体12A和第二永磁体12B的一面为一平面，该平面与z轴垂直，支架15外部与z轴垂直的两个平面为接触面，支架15沿z轴方向的位移与压力近似为线性关系（如图4所示，数据标记为方块的即为压力-形变曲线图）。

本发明提出的磁性压力传感器的工作原理为：将所述磁性压力传感器的两个接触面受到待测压力的作用，由于压力导致支架15的形变，从而引起第一永磁体12A和第二永磁体12B沿z轴方向的位移，进而影响第一永磁体12A和第二永磁体12B沿z轴方向磁场32的分布，由于磁场32沿z轴方向的分布产生变化，且该场强变化和永磁体沿z轴方向位移呈线性关系（如图2所示），且传感单元11的输出信号随磁场32的变化也为线性，同时压力与z轴方向的位移也为线性关系，因此后端通过接收该输出信号可计算出磁场32的变化，进而得到待测压力的大小。

采用上述方法测量压力大小有一个缺陷，那就是磁场32并不是严格随着支架15的形变线性变化的，其线性区域非常小，在实际测量中，传感器的输出和位移（支架的形变）并不是呈线性关系，其实际测量图如图4所示，输出-位移（形变量）曲线并不是很理想的线性关系。为了克服上述问题，本发明采用了两种方式：

（1）设置电感线圈13，利用电感线圈13的自感作用以抵消磁场32的导致非线性变化的分量，使得磁场32随支架15的形变线性变化。为了进一步强化电感线圈13的效果，可以在电感线圈13内设置磁芯14。

（2）设置两个尺寸大小相同且充磁方向相同的永磁体。单个永磁体的磁场分布图如图8所示，由该图可看出接近单个永磁体正下方（沿z轴方向）的磁感线为直线，且该区域的磁场随形变的变化为线性的（如图2所示，其中横轴高度为z轴方向上），因此采用单个永磁体也可以实现磁性压力传感器。但是单个永磁体的线性区域非常小，且磁场较强，容易饱和，因此不易于传感器的轻薄化。为此，可设置两个永磁体代替单个永磁体，其磁场分布图如图9所示，由该图可看出在两个永磁体的中轴线位置磁感线为直线，且该区域的磁场随形变（z轴方向上的位移）的变化也为线性，且该位置磁场较小，线性区域更大，因此采用两个永磁体的设计为本发明的优选设计。

采用方案（2）即可解决输出-形变非线性的问题，为了进一步优化，可在方案（2）的基础上设置方案（1）中的电感线圈13。方案（2）是采用设置多个永磁体使输出-位移线性化的最简方案，实际应用中不仅限于两个永磁体，也可以采用三个、四个或多个尺寸相同、充磁方向也相同的永磁体，其特征是多个永磁体中轴线位置的磁感线为直线且该区域的磁场随z轴方向上的位移的变化也为线性的。

必须要说明的是，本发明中所提到的线性输出区域不是无限的，其线性输出区域可满足传感器的工作需要。采用上述方案可实现传感器输出和z轴方向上位移呈线性变化，其输出-位移（即图3中横轴的距离）曲线如图3所示。如图3所示，采用上述方案的压力传感器的输出信号和永磁体沿z轴方向的位移呈线性关系。

本发明提出的磁性压力传感器的磁性传感单元采用灵敏度和精度都很高的各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件，根据现有的技术，上述各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的电阻值R随外场H在其饱和场-H _s 和H _s 之间线性变化，当施加的外场沿其敏感方向的场强的绝对值大于其饱和场的绝对值时，其阻值不变，即该磁性传感元件饱和。

巨磁电阻元件或隧道磁电阻元件为纳米级厚度的多层膜结构：所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层，纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。自由层由磁性层（磁性层为由Fe、Co、Ni或上述三种铁磁材料的合金如CoFe、FeNi等，或Fe、Co、Ni与其他非磁性材料的合金如CoFeB等构成的单层薄膜或复合层薄膜）构成，也可以是SAF层（即磁性层-间隔层-磁性层三层结构或磁性层-间隔层的多层复合结构）结构（其中间隔层为非磁性金属材料构成，通常为Ru、Ta、Pt、Pb等），其磁矩随外场变化；非磁性层由非磁性材料构成，如果是巨磁电阻元件，则非磁性层为金属材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道结元件，则为非金属材料，如AlO、MgO、HfO、ZrO或TaO等；钉扎层的磁矩不变，通常是磁性层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。当自由层磁矩和钉扎层磁矩平行时，元件的阻值R最小；当自由层磁矩和钉扎层磁矩反平行时，元件的阻值R最大。巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的具体工作方式可参考中国公开号为CN103926543A的专利：基于磁电阻技术的磁头。

磁性传感单元11通常可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件（巨磁电阻元件或磁性隧道结元件）串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成。上述单电阻、半桥和全桥结构的工作机理可参考中国公开号CN103617669A的专利：一种硬币检测装置。

如果考虑到环境中的磁场干扰现象，磁性传感单元11优选的结构为梯度半桥或梯度全桥结构。梯度半桥的电连接图如图5所示。第一磁电阻21和第二磁电阻22沿z轴方向位于不同的位置，其串联后在两个输入焊点之间通入稳恒电压或电流。在没有外场或均匀磁场的作用下，无论第一磁电阻21和第二磁电阻22位于均匀场的任何位置，其阻值都相同，无输出，当然，在没有外场作用下，两个磁电阻的阻值也相同，无输出；当磁场32施加于两个磁电阻上时，由于磁场32为一梯度场，则位于其梯度分布方向，即z轴方向上位置不同的第一磁电阻21和第二磁电阻22的阻值不同，故产生输出。

图6、图7是本实施例采用的梯度全桥的电连接和物理位置示意图，图7是第一至第四磁电阻21、22、23、24的摆放位置，图6是其电连接方式。我们可以看到沿着磁性传感单元11的磁场敏感方向1，第一磁电阻21和第四磁电阻24的位置相同，第二磁电阻22和第三磁电阻23的位置相同，在两个输入焊点之间通入稳恒电压或电流。在没有外场或在均匀磁场的作用下，第一至第四磁电阻21、22、23、24的阻值相同，无输出。当磁场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的第一磁电阻21和第四磁电阻24的电阻值变化相同，第二磁电阻22和第三磁电阻23的电阻值变化相同，位置不同的第一磁电阻21和第二磁电阻22（23和24）的阻值变化不同，则梯度全桥的输出端V1+和V1-之间具有输出电压V_out。

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 (6)

1.一种磁性压力传感器，包括支架、固定在支架内的磁性传感单元和两个永磁体，所述磁性传感单元具有敏感轴，其特征在于，所述两个永磁体分别沿磁性传感单元敏感轴的方向设置，且位于磁性传感单元的同一侧，所述两个永磁体的大小相同且充磁方向相同。

2.如权利要求1所述的一种磁性压力传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为单电阻、半桥或全桥结构。

3.如权利要求1所述的一种磁性压力传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为梯度半桥或梯度全桥结构。

4.如权利要求1所述的一种磁性压力传感器，其特征在于：所述磁性传感单元包括敏感元件，所述敏感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

5.如权利要求1所述的一种磁性压力传感器，其特征在于：还包括设置在支架内的电感线圈，所述电感线圈内设有磁芯，且相对于永磁体设置于磁性传感单元的另一侧。

6.如权利要求1所述的一种磁性压力传感器，其特征在于：所述磁性传感单元的敏感轴方向和永磁体充磁方向平行。