CN105185655A - 一种磁电阻继电器 - Google Patents

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Abstract

一种磁电阻继电器，包括衬底、位于衬底之上的磁场激励线圈、磁电阻传感器、集成电路开关、以及激励信号输入、输出电极，外电路输入、输出电极，电源输入电极和地电极，磁场激励线圈两端分别连接激励信号输入、输出电极，磁电阻传感器将输出信号传输到集成电路开关，外电路输入、输出电极分别与集成电路开关相连，磁电阻传感器和所述集成电路开关的电源输入端和地端分别和电源输入电极和地电极相连，工作时，在磁场激励线圈中输入开或关控制信号，使之产生激励磁场作用于磁电阻传感器，集成电路开关接收磁电阻传感器的输出信号，从而实现对外电路的通或断操作，本发明具有操作简单、低功耗、小尺寸和长寿命特点。

Description

一种磁电阻继电器
技术领域
本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种磁电阻继电器。
背景技术
继电器作为一种常用电子元器件用于控制电路的通断，常见的包括机械电子类继电器，通过激励线圈产生电磁场作用于继电器衔铁，通过控制衔铁的闭合和开启来控制电路的通断，机械电子继电器最大的问题在于依赖衔铁的机械闭合和开启，容易产生冲击，从而使得其寿命有限。
另外一种常用的继电器还包括干簧管继电器，通过电磁场作用于干簧管，当电磁场启动时，干簧管产生闭合，电路导通，当电磁场小于所述启动磁场时，干簧管断开，干簧管继电器同样属于机械通断类型，同样容易产生冲击。
类似于干簧管开关，磁阻传感器也可以设计成磁电阻开关，其优点在于，磁电阻开关没有机械通断的问题，通过电子开关进行控制通断，因此，其理论使用寿命可以是无限的，因此，如果将磁电阻开关通过集成电磁线圈的方法制造成磁电阻继电器，将可以取代干簧管，且性能上也将优于干簧管继电器，此外，磁电阻开关的问题还在于，常见的磁电阻开关输出的为数字信号，通过高电平和低电平信号。而适用于继电器的磁电阻开关，需要设计成模拟通断信号，并可以实现对外电路的接入和控制，具有一定的大功率功能。
发明内容
本发明提供了一种设计成模拟通断信号，可以实现对外电路的接入和控制，具有一定的大功率功能的磁电阻继电器。
本发明所提出的一种磁电阻继电器，包括衬底、位于衬底之上的磁场激励线圈、磁电阻传感器、集成电路开关、以及激励信号输入、输出电极，外电路输入、输出电极，电源输入电极和地电极，所述磁场激励线圈两端分别连接所述激励信号输入、输出电极，所述外电路输入、输出电极分别与所述集成电路开关相连，所述磁电阻传感器的电源输入端和地端分别和所述电源输入电极和所述地电极相连，所述集成电路开关的电源输入端和地端分别和所述电源输入电极和所述地电极相连，工作时，在所述磁场激励线圈中输入开或关控制信号，使之产生激励磁场作用于所述磁电阻传感器，所述集成电路开关接收所述磁电阻传感器的输出信号，从而实现对所述外电路的通或断操作。
所述磁电阻传感器为TMR、GMR、或者AMR磁电阻传感器。
所述磁电阻传感器为参考桥式磁电阻传感器或推挽桥式磁电阻传感器。
所述参考桥式磁电阻传感器、所述推挽桥式磁电阻传感器为全桥、半桥或者准桥结构。
所述磁场激励线圈为平面线圈或三维线圈。
所述平面线圈为螺旋线圈，包括具有相反电流方向的两个区域，且任一所述区域均包括N个平行排列的长条直导线，所述长条直导线具有相同的长度和宽度，且长条直导线间的间距相同，所述N为正整数。
所述推挽式磁电阻传感器的推臂和挽臂分别位于所述螺旋线圈的两个所述区域内，所述推臂和挽臂均包括M个磁电阻传感单元串，所述任一磁电阻传感单元串均包括K个磁电阻传感单元，M*K个所述磁电阻传感单元互联成两端口结构，所述磁电阻传感单元敏感轴垂直于所述区域的长条直导线，所述推臂的磁电阻传感单元在所对应的区域与N个所述平行排列的长条直导线的位置关系和所述挽臂的磁电阻传感单元在所对应的区域与N个所述平行排列的长条直导线位置关系相同，所述M、K均为正整数。
所述参考桥式磁电阻传感器的参考臂和敏感臂均位于螺旋线圈的中心区域，所述中心区域没有导线，所述参考臂上方覆盖有一软磁通量屏蔽层。
所述平面线圈包括交替排列的N条长条直导线1和长条直导线2，所述长条直导线1和长条直导线2平行，且任意相邻的长条直导线之间具有相同间距，且相邻长条直导线1和长条直导线2在两端串联连接，所述长条直导线1和长条直导线2具有相同的尺寸，且具有相反的电流方向。
所述推挽式磁电阻传感器包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串交替位于所述长条直导线1和所述长条直导线2的上方或者下方。
所述参考桥式磁电阻传感器包括参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串；所述参考磁电阻传感单元串位于所述相邻所述长条直导线1或者长条直导线2的中间位置的正上方或者正下方，所述敏感磁电阻传感单元串位于长条直导线1或者长条直导线2的正上方或者正下方。
还包括磁屏蔽层，所述磁电阻传感器位于所述磁屏蔽层和所述磁场激励线圈之间。
所述三维线圈为螺线管线圈，所述参考桥式磁电阻传感器包括参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串；所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串分别位于所述螺线管轴心处。
所述三维线圈为两个串联连接的螺线管线圈，且两个螺线管线圈具有相反的缠绕方向，所述推挽式磁电阻传感器包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于两个所述螺线管轴心处。
所述磁电阻继电器的工作模式为单点工作模式，则仅当所述激励线圈正向电流大于Ion-off时，所述集成电路开关从关断态转变导通态，仅当所述激励线圈正向电流小于Ion-off时，所述集成电路开关从导通态转变成关断态；
或者所述磁电阻继电器的工作模式为双极工作模式，则仅当激励线圈正向电流大于Ion时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，仅当激励线圈正向电流小于Ioff时，所述集成电路开关才会从导通态变成关断态；
或者所述磁电阻继电器的工作模式为单极工作模式，则只有当激励线圈从正向电流大于Ion时，所述集成电路开关从关断态变为导通态，所述激励电流必须从反方向大于Ioff时，所述集成电路开关才会从导通态变成关断态；
或者所述磁电阻继电器的工作模式为全极工作模式，则当所述激励线圈电路从正向大于Ion1时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，当所述激励线圈从正向小于Ioff1时，所述集成电路开关从导通态变成关断态，或者所述激励线圈电路从负向大于-Ion1时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，所述激励线圈电路从负向小于-Ioff1时，所述集成电路开关从导通态变成关断态。
所述集成电路开关包括低通滤波器、放大器、比较器、驱动锁存控制电路，以及MOSFET管,所述低通滤波器连接所述磁电阻传感器输出信号，所述放大器连接所述低通滤波器，所述比较器连接所述放大器，所述比较器输出结果输送到所述驱动锁存控制电路，所述驱动锁存控制电路驱动所述MOSFET管的通断，所述MOSFET连接所述外电路。
所述MOSFET管数量为两个，两个所述MOSFET管珊极互联，其中一个所述MOSFET管的源极和另一个所述MOSFET管的漏极互联，且所述两个互联栅极分别连接到所述驱动锁存控制电路上，所述两个MOSFET管剩下的源极和漏极两端连接所述外电路。
附图说明
图1为磁电阻继电器示意图；
图2为磁电阻继电器截面图一；
图3为磁电阻继电器截面图二；
图4为磁电阻传感器结构图；
图5为平面螺旋线圈及磁电阻传感器分布结构图一；
图6为平面螺旋线圈及磁电阻传感器分布结构图二；
图7为磁电阻传感器阵列在线圈上分布图一；
图8为磁电阻传感器阵列在线圈上分布图二；
图9为曲折平面线圈及推挽式磁电阻传感器分布结构图；
图10为曲折平面线圈及参考桥式磁电阻传感器分布结构图；
图11为三维螺线圈及参考桥式磁电阻传感器结构图；
图12为三维螺线圈及推挽式磁电阻传感器结构图；
图13为磁电阻继电器的单点操作模式图；
图14为磁电阻继电器的双极操作模式图；
图15为磁电阻继电器的单极操作模式图；
图16为磁电阻继电器的全级工作模式图；
图17为磁电阻继电器的信号处理图。
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为磁电阻继电器1的结构图，包括衬底2，位于衬底2之上的磁场激励线圈3，磁电阻传感器4，以及集成电路开关5，以及激励信号输入电极6、输出电极7，外电路输入电极8、输出电极9，电源输入电极10和地电极11，磁场激励线圈3两端分别连接激励信号输入电极6、输出电极7，磁电阻传感器4将输出信号传输到集成电路开关5，外电路输入电极8、输出电极9分别与集成电路开关5相连，磁电阻传感器4的电源输入端和地端分别和电源输入电极10和地电极11相连，集成电路开关5的电源输入端和地端分别和电源输入电极10和地电极11相连，其原理为磁场激励线圈3发生激励磁场信号Hex，作用于磁电阻传感器4之后，其输出信号Vout作用于集成电路开关5，集成电路开关5根据激励线圈3的信号来确定外电路的通断。
实施例二
图2-3分别为磁电阻继电器的两种截面，图2和图3中所述磁电阻传感器的结构包括衬底21和31，位于衬底之上的平面线圈22和32，以及位于平面线圈22和32上表面的磁电阻传感器23和33，以及位于磁电阻传感器23和33之上的磁屏蔽层24和34，其中磁电阻传感器位于所述激励线圈和磁屏蔽板之间，因此另一种可能的顺序为衬底之上依次为磁屏蔽层，磁电阻传感器、激励线圈。图2和图3的差别在于，所述激励线圈22和32的结构的差异，图2中，所述线圈22为螺旋形结构，相对于中心区域，两边的线圈导线的电流方向相反，同侧的线圈导线电流方向相同，而图3中的相邻的线圈导线具有相反的电路方向。
实施例三
图4为磁电阻传感器的结构图，图4a为半桥参考桥式结构，图4b为半桥推挽式结构，图4c为参考全桥结构，图4d为推挽式全桥结构，此外，还包括准桥结构的形式。
实施例四
图5和图6为两种典型平面螺旋线圈及磁电阻传感器在平面线圈上的分布图，结构40和50中，41和51为磁屏蔽层，42和52都为螺旋线圈，其中42为多边形结构，52为四边形结构，42包含两段区域43和44，52包含两段区域53和54，两个区域43和44、53和54均包含多段长条直导线，具有相同的长度和宽度，且相邻长条直导线间的间距相同，两个区域内的长条直导线的电流方向相反。因此，在两个区域43和44，53和54分别具有对称的磁场分布特征，即两个区域内的垂直于电流方向的磁场分布特征相反，因此这给推挽式磁电阻传感器的推臂和挽臂的放置提供了条件。
40和50结构中，推挽式磁电阻传感器为全桥结构，包含2个推臂和2个挽臂，共形成的四个区域，其中40结构中，推区域43包括45和48两个子区域，用于推臂，挽区域44包含46和47两个子区域，用于放置挽臂，图50结构中，推区域53包括57和56两个子区域，用于放置推臂，挽区域54包含55和58两个子区域，用于放置挽臂。
图7和图8分别为推臂或挽臂区域内的磁电阻传感单元的排布及连接图，所述磁电阻传感单元形成阵列式排布，所有磁电阻传感单元的磁场敏感方向均垂直于电流方向，其通过并联或者串联形成两端口的推臂或挽臂结构，在图7和图8中，所述磁电阻传感单元串联形成磁电阻传感单元串，而后串联成两端口结构，图7中，所述磁电阻传感单元串平行于长条直导线，而在图8中，所述磁电阻传感单元串垂直于长条直导线，必须指出的是，磁电阻传感单元位于所在区域内线圈的正上方或者正下方，磁电阻传感单元可以位于导线中心的正上方或者正下方，也可以位于偏离中心位置处，例如也可以位于导线的间隙处，这样的原因在于，虽然各磁电阻传感单元感受的磁场不一样，但是由于各处的磁场大小均正比于线圈电流强度，因此，推臂和挽臂的总电阻也正比于电流强度，而由于推臂和挽臂所在区域内磁电阻传感单元在长条直导线上的分布完全相同，因此推臂和挽臂的总电阻变化完全相同，整个推挽式全桥磁电阻传感器的输出将正比于电流的幅度变化。
实施例五
图9-10为曲折平面线圈及磁电阻传感器的磁电阻传感单元串的分布特征，图9和10所分别对应的60和70结构图中，61和71为磁屏蔽层，62和72为曲折平面线圈，包括多个平行等距排列的长条直导线，所述长条直导线具有相同的长度和宽度，且相邻两长条直导线串联连接且具有相反的电流方向，图10中，推磁电阻传感单元串63和挽磁电阻传感单元串65交替位于所述相邻两个长条直导线上的正上方或者正下方，而后推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别互联成推臂和挽臂，而后推臂和挽臂互联成推挽式桥式结构。图10中所对应的为参考桥式结构磁电阻传感器，其中，参考磁电阻传感单元串73和敏感磁电阻传感单元串75交替位于相邻两个长条直导线之间的中心位置，以及与该中心位置相邻的同为正向电流或者同为反向电流的长条的正上方或者正下方处。
实施例六
图11和图12为三维线圈及磁电阻传感单元串的分布结构图，其中200结构中，三维线圈包括的顶层线圈201和底层线圈202的电流方向如图所示，具有相反的电流方向，203为参考桥式磁电阻传感器，所述参考桥式磁电阻传感器的参考臂包含一个铁磁屏蔽层，具体为软磁通量屏蔽层。该三维线圈可以为螺线管线圈或称三维螺线圈。
图12的三维螺线圈包括两个反方向缠绕的螺线管301和302，所述推磁电阻传感单元303和挽磁电阻传感单元304分别放置于螺线管301和302内，由于两者完全具有相反的磁场方向，因此构成了推挽式磁电阻传感电桥。
实施例七
图13-16分别为磁电阻继电器的四种工作模式，图13为单点工作模式，仅当所述激励线圈正向电流大于Ion-off时，所述集成电路开关从关断态转变导通态，仅当所述激励线圈正向电流小于Ion-off时，所述集成电路开关从导通态转变成关断态。
图14为双极工作模式，仅当激励线圈正向电流大于Ion时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，仅当激励线圈正向电流小于Ioff时，所述集成电路开关才会从导通态变成关断态。
图15为单极工作模式，只有当激励线圈从正向电流大于Ion时，所述集成电路开关从关断态变为导通态，所述激励电流必须从反方向大于Ioff时，所述集成电路开关才会导通态变成关断态。
图16为全极工作模式，当所述激励线圈电路从正向大于Ion1时，所述集成电路从关断态变成导通态，当所述激励线圈从正向小于Ioff1时，所述集成电路从导通态变成关断态，或者所述激励线圈电路从负向大于-Ion1时，所述集成电路从关断态变成导通态，所述激励线圈电路从负向小于-Ioff1时，所述集成电路从导通态变成关断态。
实施例八
图17为磁电阻继电器的信号处理图，其中图100为磁电阻传感器，在本例中为一个半桥磁电阻传感器，101为集成电路开关，102为外电路，磁电阻传感器100的输出信号经过低通滤波器103，除掉噪声，而后经过放大器104进行放大，并经过比较器105和参考电压进行比较之后，输出信号进入一个锁存，控制和驱动的电路106中，驱动107和108所构成的MOSFET管开关，其中107和108两个MOSFET管的栅极互联，107和源极和108的漏极互联，两个互联极接到106的输出端，而外电路102连接107的漏极和108的源极，工作时，通过磁电阻继电器的磁电阻传感器100输出的磁场响应信号经过滤波器103，放大器104和比价器105之后，转变成106的控制、锁存和驱动信号，控制两个MOSFET管107和108构成的开关的通断，从而使得外电路102能够进行开关操作。
以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和方法进行很多修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。

Claims (17)

1.一种磁电阻继电器，其特征在于，包括衬底、位于衬底之上的磁场激励线圈、磁电阻传感器、集成电路开关、以及激励信号输入、输出电极，外电路输入、输出电极，电源输入电极和地电极，所述磁场激励线圈两端分别连接所述激励信号输入、输出电极，所述外电路输入、输出电极分别与所述集成电路开关相连，所述磁电阻传感器的电源输入端和地端分别和所述电源输入电极和所述地电极相连，所述集成电路开关的电源输入端和地端分别和所述电源输入电极和所述地电极相连，工作时，在所述磁场激励线圈中输入开或关控制信号，使之产生激励磁场作用于所述磁电阻传感器，所述集成电路开关接收所述磁电阻传感器的输出信号，从而实现对所述外电路的通或断操作。
2.根据权利要求1所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述磁电阻传感器为TMR、GMR、或者AMR磁电阻传感器。
3.根据权利要求2所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述磁电阻传感器为参考桥式磁电阻传感器或推挽桥式磁电阻传感器。
4.根据权利要求3所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述参考桥式磁电阻传感器、所述推挽桥式磁电阻传感器为全桥、半桥或者准桥结构。
5.根据权利要求3所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述磁场激励线圈为平面线圈或三维线圈。
6.根据权利要求5所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述平面线圈为螺旋线圈，包括具有相反电流方向的两个区域，且任一所述区域均包括N个平行排列的长条直导线，所述长条直导线具有相同的长度和宽度，且长条直导线间的间距相同，所述N为正整数。
7.根据权利要求6所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述推挽式磁电阻传感器的推臂和挽臂分别位于所述螺旋线圈的两个所述区域内，所述推臂和挽臂均包括M个磁电阻传感单元串，所述任一磁电阻传感单元串均包括K个磁电阻传感单元，M*K个所述磁电阻传感单元互联成两端口结构，所述磁电阻传感单元敏感轴垂直于所述区域的长条直导线，所述推臂的磁电阻传感单元在所对应的区域与N个所述平行排列的长条直导线的位置关系和所述挽臂的磁电阻传感单元在所对应的区域与N个所述平行排列的长条直导线位置关系相同，所述M、K均为正整数。
8.根据权利要求6所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述参考桥式磁电阻传感器的参考臂和敏感臂均位于螺旋线圈的中心区域，所述中心区域没有导线，所述参考臂上方覆盖有一软磁通量屏蔽层。
9.根据权利要求5所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述平面线圈包括交替排列的N条长条直导线1和长条直导线2，所述长条直导线1和长条直导线2平行，且任意相邻的长条直导线之间具有相同间距，且相邻长条直导线1和长条直导线2在两端串联连接，所述长条直导线1和长条直导线2具有相同的尺寸，且具有相反的电流方向。
10.根据权利要求9所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述推挽式磁电阻传感器包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串交替位于所述长条直导线1和所述长条直导线2的上方或者下方。
11.根据权利要求9所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述参考桥式磁电阻传感器包括参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串；所述参考磁电阻传感单元串位于所述相邻所述长条直导线1或者长条直导线2的中间位置的正上方或者正下方，所述敏感磁电阻传感单元串位于长条直导线1或者长条直导线2的正上方或者正下方。
12.根据权利要求1-11任一项所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，还包括磁屏蔽层，所述磁电阻传感器位于所述磁屏蔽层和所述磁场激励线圈之间。
13.根据权利要求5所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述三维线圈为螺线管线圈，所述参考桥式磁电阻传感器包括参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串；所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串分别位于所述螺线管轴心处。
14.根据权利要求5所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述三维线圈为两个串联连接的螺线管线圈，且两个所述螺线管线圈具有相反的缠绕方向，所述推挽式磁电阻传感器包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于两个所述螺线管轴心处。
15.根据权利要求1所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，
所述磁电阻继电器的工作模式为单点工作模式，则仅当所述激励线圈正向电流大于Ion-off时，所述集成电路开关从关断态转变导通态，仅当所述激励线圈正向电流小于Ion-off时，所述集成电路开关从导通态转变成关断态；
或者所述磁电阻继电器的工作模式为双极工作模式，则仅当激励线圈正向电流大于Ion时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，仅当激励线圈正向电流小于Ioff时，所述集成电路开关才会从导通态变成关断态；
或者所述磁电阻继电器的工作模式为单极工作模式，则只有当激励线圈从正向电流大于Ion时，所述集成电路开关从关断态变为导通态，所述激励电流必须从反方向大于Ioff时，所述集成电路开关才会从导通态变成关断态；
或者所述磁电阻继电器的工作模式为全极工作模式，则当所述激励线圈电路从正向大于Ion1时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，当所述激励线圈从正向小于Ioff1时，所述集成电路开关从导通态变成关断态，或者所述激励线圈电路从负向大于-Ion1时，所述集成电路开关从关断态变成导通态，所述激励线圈电路从负向小于-Ioff1时，所述集成电路开关从导通态变成关断态。
16.根据权利要求1所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述集成电路开关包括低通滤波器、放大器、比较器、驱动锁存控制电路，以及MOSFET管,所述低通滤波器连接所述磁电阻传感器输出信号，所述放大器连接所述低通滤波器，所述比较器连接所述放大器，所述比较器输出结果输送到所述驱动锁存控制电路，所述驱动锁存控制电路驱动所述MOSFET管的通断，所述MOSFET连接所述外电路。
17.根据权利要求16所述的一种磁电阻继电器，其特征在于，所述MOSFET管数量为两个，两个所述MOSFET管珊极互联，其中一个所述MOSFET管的源极和另一个所述MOSFET管的漏极互联，且所述两个互联栅极分别连接到所述驱动锁存控制电路上，所述两个MOSFET管剩下的源极和漏极两端连接所述外电路。
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