CN105182258A - 能够实现重置和自检的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场传感器，其包括：至少一个磁场传感单元，所述磁场传感单元具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴；至少一个自检重置导线，所述自检重置导线位于对应的磁场传感单元的上方或下方，所述自检重置导线的延伸方向与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角，该预定夹角大于0度且小于45度。这样通过该自检重置导线就可以实现重置/再重置和自检两种功能。

Description

能够实现重置和自检的磁场传感器

【技术领域】

本发明涉及磁场传感器，特别涉及一种能够实现重置和自检的磁场传感器。

【背景技术】

目前基于磁阻效应的磁场传感器已经应用非常普通，比如各向异性磁阻(AMR)磁场传感器、巨磁阻(GMR)磁场传感器及隧穿磁阻(TMR)磁场传感器。

一般来说，基于磁阻效应的磁场传感器在磁场方向和大小改变时，器件电阻会随之改变。磁场传感器的结构通常包括一层软磁材料，例如铁、钴，镍，钴铁硼合金或镍铁合金(permalloy)等。在磁场方向和大小改变时，软磁材料层的磁化方向随之改变，从而引起电阻的变化。

为了得到磁场的准确数值，在磁场传感器测量前所述软磁层需要被重新磁化。通常的方法是在紧邻磁场传感器的基本传感单元的导线中通过大电流以产生强磁场，从而使得基本传感单元的所有的磁畴都沿磁易轴方向排列，而磁易轴的方向由磁场传感器的基本传感单元的各向异性决定。通过控制所述导线上流过的电流的方向，磁畴的方向可以沿磁易轴平行的两个相反的方向排列。通常这个操作被称为重置(SET)和再重置(RESET)。除了可以对软磁层的磁化进行初始化，SET/RESET还可以帮助恢复软磁层的磁化。如果所处磁场传感器遭外界强磁场干扰，干扰磁场移除后所述软磁层的磁畴可能不能恢复至初始状态，从而引起测量误差。通过重置/再重置，磁畴的排列可以被恢复。

随着磁场传感器芯片的成本持续下降，生产测试成本在整个磁场传感器成本中的比重越来越高。尤其是磁场传感器的生产测试，除了需要用于测试常见电气性能的设备外，还需要能够产生测试磁场的设备，例如亥姆霍兹线圈(Helmholtzcoil)，这样会显著增加成本。

如果相应的测试可以不需要借助外加磁场产生装置而能够在磁场传感器上完成，这样可以大幅降低成本。例如，使磁场传感器暴露于一个已知大小的磁场中，磁场传感器的读数可以与已知磁场大小比较以校准灵敏度、误差以及其它参数。这个已知磁场可以通过紧邻磁场传感器的另一个导线产生。

因为通常外加的测试磁场是沿灵敏轴方向且与磁易轴方向垂直，因此需要紧邻磁场传感器放置独立的两套导线以完成SET/RESET以及自检。这需要在生产工艺中加入两层金属，额外的金属沉积和光刻工艺会增加生产成本。

因此需要一种改进的方案在基于磁阻效应的磁场传感器中同时实现SET/RESET以及自检功能。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种改进的磁场传感器，其可以基于同一导线实现重置/再重置和自检功能。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁场传感器，其包括：至少一个磁场传感单元，所述磁场传感单元具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴；至少一个自检重置导线，所述自检重置导线位于对应的磁场传感单元的上方或下方，所述自检重置导线的延伸方向与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角，该预定夹角大于0度且小于45度。

进一步的，该预定夹角大于4度小于15度。

进一步的，所述磁场传感单元的磁易轴与x轴平行，所述磁场传感单元的磁敏轴与y轴平行；在所述自检重置导线上流过电流时，该电流会在对应的磁场传感单元所在的平面形成具有x轴分量和y轴分量的磁场。

进一步的，磁场传感器具有重置/再重置模式和自检模式，在重置/再重置模式时，使所述自检重置导线上流过第一电流，此时在对应的磁场传感单元所在的平面产生第一磁场，该第一磁场的x轴分量重置/再重置该对应的磁场传感单元使得该对应的磁场传感单元的磁畴方向回到所述磁易轴的方向；在自检模式时，使所述自检重置导线上流过预知的第二电流，此时在对应的磁场传感单元所在的平面产生预知的第二磁场，该第二磁场的y轴分量使得该对应的磁场传感单元的磁阻发生变化，通过检测所述磁阻的变化实现自检，该第二电流小于第一电流。

进一步的，所述磁场传感单元为多个，各个磁场传感单元的磁易轴相互平行，所述自检重置导线为多个，每个自检重置导线对应一个磁场传感单元。

进一步的，磁场传感器还包括有第一电源端、第二电源端、第一输出端和第二输出端，所述磁场传感单元为四个，分别记为第一磁场传感单元、第二磁场传感单元、第三磁场传感单元和第四磁场传感单元；其中，第一电源端与第一磁场传感单元的第一端和第二磁场传感单元的第一端相连；第二电源端与第三磁场传感单元的第二端和第四磁场传感单元的第二端相连；第一输出端与第一磁场传感单元的第二端和第三磁场传感单元的第一端相连；第二输出端与第二磁场传感单元的第二端和第四磁场传感单元的第一端相连；其中，第一磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向和第三磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向相同，第二磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向和第四磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向相同，第一磁场传感单元和第三磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向与第二磁场传感单元和第四磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向相反。

进一步的，各个自检重置导线相互连接形成自检重置线圈，该自检重置线圈具有第一连接端和第二连接端。

进一步的，所述磁场传感单元为各向异性磁阻传感单元、巨磁阻传感单元或隧穿磁阻传感单元。

与现有技术相比，在本发明中设置与磁场传感器单元的磁敏轴成预定夹角的自检重置导线，这样通过该自检重置导线就可以实现重置/再重置和自检两种功能。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1示出了本发明中的磁场传感器在第一个实施例中的原理示意图；

图2示出了本发明中的磁场传感器在第二个实施例中的原理示意图；

图3示出了图2中的磁场传感器的惠斯通电桥电路图；

图4示出了本发明中的磁场传感器在第三个实施例中的原理示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连，间接电性相连是指经由另外一个器件或电路电性相连。

图1示出了本发明中的磁场传感器在第一个实施例100中的原理示意图。如图1所示的，所述磁场传感器100包括磁场传感单元110、自检重置导线120以及位于两者之间的绝缘层(未图示)。该自检重置导线120与所述磁场传感单元110相对应，并位于所述磁场传感单元110的上方或者下方。

所述磁场传感单元110具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴。为了介绍方便，定义x轴和与x轴垂直的y轴，所述磁场传感单元110的磁易轴与x轴平行，所述磁场传感单元110的磁敏轴与y轴平行。所述磁场传感单元110为各向异性磁阻(AMR)传感单元、巨磁阻(GMR)传感单元或隧穿磁阻(GMR)传感单元。

在一个实施例中，所述磁场传感单元110包括沿其磁易轴方向延伸的纵长磁阻条111和形成于所述磁阻条111上的并与所述磁阻条111成预定角度的相互平行的若干个导电条112。所述磁阻条111可以由铁、钴、镍、钴铁硼合金或镍铁合金等软磁材料制成，所述磁阻条111所在的层也被称为软磁层或磁阻层。所述导电条112由导电材料，比如钛Ti和铜Cu，等制成。

所述自检重置导线120位于所述磁场传感单元110的上方或下方，所述自检重置导线120的延伸方向与所述磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角a。该预定夹角a大于0度且小于45度。优选的，该预定夹角大于4度小于15度。所述自检重置导线120可以由导电材料制成，所述导电材料可以是但不限于导电金属，例如铜、铝。需要了解的是，所述自检重置导线120可以包括一跟导线或平行的多根导线，然而，同一自检重置导线120的多个导线上流过的电流的方向需要一致。

自检重置导线120和所述磁场传感单元110的磁敏轴之间的预定夹角a会使得自检重置导线120与所述磁场传感单元110既不垂直也不平行。在所述自检重置导线120上流过电流时，该电流会在对应的磁场传感单元110所在的平面形成具有x轴分量和y轴分量的磁场。

所述磁场传感器100具有重置/再重置(SET/RESET)模式和自检模式。

在重置/再重置模式时，使所述自检重置导线120上流过第一电流I1，此时在对应的磁场传感单元110所在的平面产生第一磁场，该第一磁场的x轴分量重置/再重置该对应的磁场传感单元110使得该对应的磁场传感单元110的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。该第一电流I1为强电流，以产生足够大的x轴分量的磁场用来重置或者再重置所述磁场传感单元110的磁化方向。

在自检模式时，使所述自检重置导线120上流过已知的第二电流I2，此时在对应的磁场传感单元110所在的平面产生已知的第二磁场，该第二磁场的y轴分量使得该对应的磁场传感单元110的磁阻发生变化，通过检测所述磁阻的变化实现自检。该第二电流I2小于第一电流I1，只要所述磁场传感单元110能够灵敏的感应到其产生的y轴分量的磁场即可。

图2示出了本发明中的磁场传感器在第二个实施例200中的原理示意图。如图2所示的，所述磁场传感器200包括第一电源端231、第二电源端233、第一输出端233、第二输出端234、四个磁场传感单元、自检重置线圈220以及位于两者之间的绝缘层(未图示)。该自检重置线圈220各个磁场传感单元的上方或者下方。

四个磁场传感单元分别记为第一磁场传感单元211、第二磁场传感单元212、第三磁场传感单元213和第四磁场传感单元214。所述自检重置线圈220包括至少四个自检重置导线，分别记为第一自检重置导线(自检重置线圈220的位于虚线框221内的导线部分)、第二自检重置导线(自检重置线圈220的位于虚线框222内的导线部分)、第三自检重置导线(自检重置线圈220的位于虚线框223内的导线部分)和第四自检重置导线(自检重置线圈220的位于虚线框224内的导线部分)。四个自检重置导线围绕成所述自检重置线圈220，该自检重置线圈220具有第一连接端225和第二连接端226。

在图2所示的实施例中，各个自检检测重置导线都为3根平行的导线，在其他实施例中，也可以是1、2或更多根平行的导线，同一自检检测重置导线内的各个导线中流过的电流方向需要一致。

从位置和功能效果上来说，第一自检重置导线221、第二自检重置导线222、第三自检重置导线223和第四自检重置导线224是分别与第一磁场传感单元211、第二磁场传感单元212、第三磁场传感单元213和第四磁场传感单元214相对应的。

其中，第一电源端231与第一磁场传感单元211的第一端和第二磁场传感单元212的第一端相连；第二电源端232与第三磁场传感单元223的第二端和第四磁场传感单元224的第二端相连；第一输出端233与第一磁场传感单元221的第二端和第三磁场传感单元223的第一端相连；第二输出端234与第二磁场传感单元222的第二端和第四磁场传感单元224的第一端相连。

可见，第一磁场传感单元211对应的第一自检重置导线221上流过的电流的流向和第三磁场传感单元213对应的第三自检重置导线223上流过的电流的流向相同，第二磁场传感单元212对应的第二自检重置导线222上流过的电流的流向和第四磁场传感单元214对应的第四自检重置导线224上流过的电流的流向相同。第一磁场传感单元211和第三磁场传感单元213对应的自检重置导线221和223上流过的电流的流向与第二磁场传感单元212和第四磁场传感单元214对应的自检重置导线222和224上流过的电流的流向相反。

每个磁场传感单元均具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴。同样的，定义x轴和与x轴垂直的y轴，各个磁场传感单元的磁易轴与x轴平行，各个磁场传感单元的磁敏轴与y轴平行。图2中的每个磁场传感单元的类型、结构、原理及制造工艺都可以参考图1中的磁场传感器单元，这里不再重复描述了。

每个自检重置导线的延伸方向可以与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角b，而不是相互垂直或平行的。该预定夹角b大于0度且小于45度。优选的，该预定夹角大于4度小于15度。在所述自检重置线圈220上流过电流时，该电流会在对应的磁场传感单元211、212、213和214所在的平面形成具有x轴分量和y轴分量的磁场。

图2中的各个磁场传感单元组成了惠斯通电桥结构。图3示出了图2中的惠斯通电桥结构的电路示意图。其中，第一电源端231可以是电源电压端，第二电源端232可以是接地端。

所述磁场传感器200具有重置/再重置(SET/RESET)模式和自检模式。

在重置/再重置模式时，从第一连接端225向第二连接端226流过第一电流。此时在各个磁场传感单元211、212、213、214所在的平面产生磁场，该磁场的x轴分量重置/再重置各个磁场传感单元211、212、213、214使得各个磁场传感单元211、212、213、214的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。该第一电流I1为强电流，以产生足够大的x轴分量的磁场用来重置或者再重置各个磁场传感单元211、212、213、214的磁化方向。

在自检模式时，从第一连接端225向第二连接端226流过已知的第二电流。此时在各个磁场传感单元211、212、213、214所在的平面产生已知的磁场，该已知的磁场的y轴分量使得该磁场传感单元211、212、213、214的磁阻发生变化，从而导致第一输出端233和第二输出端234之间的压差发生变化，进而实现自检。该第二电流I2小于第一电流I1。

这样，通过一个自检重置线圈220就可以同时实现重置/再重置和自检两种功能。

图4示出了本发明中的磁场传感器在第三个实施例400中的原理示意图。图4中的磁场传感器400与图3中的磁场传感器300的结构基本相同，其同样包括：第一电源端431、第二电源端433、第一输出端433、第二输出端434、第一磁场传感单元411、第二磁场传感单元412、第三磁场传感单元413、第四磁场传感单元414和自检重置线圈420，所述自检重置线圈420同样包括第一自检重置导线(自检重置线圈420的位于虚线框421内的导线部分)、第二自检重置导线(自检重置线圈420的位于虚线框422内的导线部分)、第三自检重置导线(自检重置线圈420的位于虚线框423内的导线部分)和第四自检重置导线(自检重置线圈420的位于虚线框424内的导线部分)。

图4中的磁场传感器400与图3中的磁场传感器300的结构的不同之处在于：第一自检重置导线421和第三自检重置导线423的延伸的倾斜方向不同于第二自检重置导线422和第四自检重置导线424的延伸的倾斜方向。

每个自检重置导线的延伸方向可以与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角，而不是相互垂直或平行的。优选的，该预定夹角大于4度小于15度。这样，在所述自检重置线圈420上流过电流时，该电流会在对应的磁场传感单元411、412、413和414所在的平面形成具有x轴分量和y轴分量的磁场。这样，通过该自检重置线圈420同样可以同时实现重置/再重置和自检两种功能。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (11)

1.一种磁场传感器，其特征在于，其包括：

至少一个磁场传感单元，所述磁场传感单元具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴；

至少一个自检重置导线，所述自检重置导线位于对应的磁场传感单元的上方或下方，所述自检重置导线的延伸方向与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角，该预定夹角大于0度且小于45度。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，该预定夹角大于4度小于15度。

3.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元的磁易轴与x轴平行，所述磁场传感单元的磁敏轴与y轴平行；在所述自检重置导线上流过电流时，该电流会在对应的磁场传感单元所在的平面形成具有x轴分量和y轴分量的磁场。

4.根据权利要求3所述的磁场传感器，其特征在于，其具有重置/再重置模式和自检模式，

在重置/再重置模式时，使所述自检重置导线上流过第一电流，此时在对应的磁场传感单元所在的平面产生第一磁场，该第一磁场的x轴分量重置/再重置该对应的磁场传感单元使得该对应的磁场传感单元的磁畴方向回到所述磁易轴的方向；

在自检模式时，使所述自检重置导线上流过预知的第二电流，此时在对应的磁场传感单元所在的平面产生预知的第二磁场，该第二磁场的y轴分量使得该对应的磁场传感单元的磁阻发生变化，通过检测所述磁阻的变化实现自检，

该第二电流小于第一电流。

5.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元为多个，各个磁场传感单元的磁易轴相互平行，所述自检重置导线为多个，每个自检重置导线对应一个磁场传感单元。

6.根据权利要求5所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括有第一电源端、第二电源端、第一输出端和第二输出端，

所述磁场传感单元为四个，分别记为第一磁场传感单元、第二磁场传感单元、第三磁场传感单元和第四磁场传感单元；

其中，第一电源端与第一磁场传感单元的第一端和第二磁场传感单元的第一端相连；第二电源端与第三磁场传感单元的第二端和第四磁场传感单元的第二端相连；第一输出端与第一磁场传感单元的第二端和第三磁场传感单元的第一端相连；第二输出端与第二磁场传感单元的第二端和第四磁场传感单元的第一端相连；

其中，第一磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向和第三磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向相同，第二磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向和第四磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向相同，

第一磁场传感单元和第三磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向与第二磁场传感单元和第四磁场传感单元对应的自检重置导线上流过的电流的流向相反。

7.根据权利要求5所述的磁场传感器，其特征在于，各个自检重置导线相互连接形成自检重置线圈，该自检重置线圈具有第一连接端和第二连接端。

8.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元为各向异性磁阻传感单元、巨磁阻传感单元或隧穿磁阻传感单元。

9.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括：

绝缘层，其位于所述磁场传感单元和所述自检测重置导线之间。

10.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元包括沿其磁易轴方向延伸的纵长磁阻条和形成于所述磁阻条上的并与所述磁阻条成预定角度的相互平行的若干个导电条。

11.根据权利要求10所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁阻条由铁、钴、镍、钴铁硼合金或镍铁合金制成。