CN108551339A - 一种基于磁电阻的双稳态磁开关及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁电阻的双稳态磁开关及系统。包括磁电阻及处理电路，利用磁电阻元件的储存特性，将磁开关的自身状态记录。双稳态磁开关输出状态在外界磁场强度达到或高于临界值时发生改变，并保持该状态直到逆向磁场强度达到或高于临界值。该双稳态磁开关输出状态完全由外界磁场驱动，无需额外MCU或储存器件即可保持断电前或撤去磁场后的自身状态，在外界电源切断后依然具备双稳态特性。

Description

一种基于磁电阻的双稳态磁开关及系统

技术领域

本发明涉及一种磁开关器件，尤其涉及一种基于磁电阻的双稳态磁开关及由一或多个这种双稳态磁开关构成的双稳态磁开关系统。

背景技术

双稳态磁开关由于其自身特殊的输出状态保持特性，在工业界受到广泛关注。在电梯门机，机械传动控制，位移精确定位等一系列技术领域需要磁开关具备在磁场移除后或芯片断电再接电后依然可以保持之前的输出状态的这一双稳态功能。目前的解决方案为加装磁保持结构的干簧管，而干簧管受限于自身结构特点，其体积，机械强度，温度稳定性，寿命，频率响应等方面都存在诸多不足。但作为干簧管替代革新产品的薄膜类磁开关传感器，现有产品不具备双稳态性能，断电后输出归零，如果配合存储芯片，成本功耗均过高，难以在双稳态开关领域有所作为。

发明内容

鉴于现有双稳态磁开关技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于提供一种基于磁电阻的具有双稳态功能的双稳态磁开关，其采用半导体薄膜技术，解决了目前市场上磁保持干簧管体积大，易碎，环境适应性差，寿命短，频率响应不佳等缺陷。本发明还提供一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，具有记录数据的功能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明基于磁阻薄膜技术开发出具备双稳态特性的基于磁电阻的双稳态开关，包括磁电阻及处理电路。外界磁场沿磁电阻敏感方向分量等于或高于临界磁场强度时，磁电阻处于高阻（或低阻）状态，当外界磁场移除时，磁电阻保持这一状态，直到外界磁场沿反向于磁电阻敏感方向分量等于或高于临界磁场强度，磁电阻阻值状态反转为低阻（或高阻）状态。这一双稳态特性完全由外界磁场驱动，与磁电阻开关的电流通断无关。由磁电阻及处理电路构成的双稳态磁开关能够实现磁场移除时或电源切断时，保留最近一次电平状态的功能，而无需其他具有数据储存功能的器件辅助。

优选的，所述磁电阻为各项异性磁电阻，巨磁电阻或隧道结磁电阻。

优选的，所述临界磁场强度为1~40000高斯。

优选的，单个或多个所述磁电阻串联或并联组成磁电阻桥臂。

优选的，所述磁开关包括一个或多个所述磁电阻桥臂。

优选的，多个磁电阻桥臂连接方式为半桥或全桥连接。

优选的，所述处理电路包括ASIC电路，ASIC电路与磁电阻桥臂位于不同晶片，通过引线连接ASIC电路的接触电极与磁电阻桥臂的接触电极。

优选的，所述处理电路包括ASIC电路，ASIC电路与磁电阻上下层叠于同一晶片上并通过接触电极直接接触连接。

本发明还采用如下技术方案：

一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，包括单个或多个所述的基于磁电阻的双稳态磁开关，所述双稳态磁开关单个排布；或，多个所述双稳态磁开关串联呈线性排布；或，多个所述双稳态磁开关串联呈环状排布。

优选的，所述多个磁开关单元串联呈单条线性排布，多条线性平行排布或多条线性正交网格排布。

优选的，所述多个磁开关单元串联呈单条环形排布，多条环形同心共面排布或多条环形共轴三维空间排布。

本发明进一步采用如下技术方案：

一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，包括一个或多个所述的基于磁电阻的双稳态磁开关，一个或多个串联的所述磁开关单元以及位于所述磁开关单元下方的驱动电路构成存储单元，多个所述存储单元并联构成存储网络，存储网络为单层或多层堆叠结构。

优选的，2^N个存储单元及对应的优先编码器逻辑电路构成寻址单元，N为大于2的整数。多个寻址单元级联构成多位寻址单元。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明克服了传统磁保持干簧管的自有缺陷。具有尺寸紧凑，环境适应性好，无机械接触，功耗低，精度高，温度特性好，信噪比高等优势。该双稳态磁开关输出状态完全由外界磁场驱动，无需额外MCU或储存器件即可保持断电前或撤去磁场后的自身状态，在外界电源切断后依然具备双稳态特性。

附图说明

作为说明书的一部分，下列说明书附图用于解释本发明的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，能够通过以下附图，获得其他附图。

图1为传统磁保持干簧管工作原理示意图；

图2为根据本发明的一种双稳态磁阻开关在进入高（低）阻状态、保持状态、反转为高（低）阻状态、保持翻转状态的工作原理示意图；

图3为根据本发明的一种双稳态磁阻开关典型电阻转移特性曲线；

图4为根据本发明的一种双稳态磁阻开关典型桥式电路转移特性曲线；

图5为根据本发明的一种双稳态磁阻开关与ASIC电路晶片间引线连接方式示意图；

图6为根据本发明的一种双稳态磁阻开关与ASIC电路同晶片接触连接方式示意图；

图7a、7b、7c分别为根据本发明的单条线性排布、多条线性平行排布、多条线性正交网格排布的双稳态磁阻开关典型线性连接方式示意图；

图8a、8b、8c分别为根据本发明的单条环形排布、多条环形同心共面排布、多条环形共轴三维空间排布的双稳态磁阻开关典型环状连接方式示意图；

图9为根据本发明的一种双稳态磁阻开关的存储单元与驱动电路排布示意图；

图10 双稳态磁阻开关构成的存储单元单层排布空间结构示意图；

图11双稳态磁阻开关构成的存储单元多层堆叠空间结构示意图；

图12 双稳态磁阻开关存储单元构成的8位寻址单元逻辑电路及数据映射关系示意图；

图13双稳态磁阻开关存储单元构成的级联多位寻址单元逻辑电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为传统的磁保持干簧管示意图，其中定磁铁1’的位置需要精确定位，使得干簧管2’的簧片处于临界状态，当动磁铁3’接近干簧管2’至一定距离以内，干簧管2’的簧片开启，动磁铁3’移除后簧片状态保持开启。如需簧片闭合，则需要反转动磁铁3’极性后接近干簧管2’至一定距离以内，之后如动磁铁3’移除后簧片状态保持闭合。

图2为本实施例提供的一种基于磁电阻的双稳态磁开关（简称，双稳态磁阻开关）的典型工作原理示意图。当外界磁场沿磁电阻1的敏感方向2分量等于或高于临界磁场强度时，磁电阻1处于高阻（或低阻）状态（图2）；当外界磁场减弱或移除时，磁电阻1保持这一状态（图2）；直到外界磁场沿反向于磁电阻1敏感方向2分量等于或高于临界磁场强度，磁电阻1阻值状态反转为低阻（或高阻）状态（图2）；当外界磁场减弱或移除时，磁电阻1保持这一反转状态（图2）。

图3为双稳态磁阻开关单电阻转移特性曲线，当磁阻开关处正向磁场强度沿敏感轴方向分量达到或高于临界磁场后进入高阻态（图3所示的状态1），移除磁场后，磁阻开关保持高阻态（图3所示的状态2），直到逆向磁场沿敏感轴方向分量作用于磁阻开关处并高于临界磁场后，磁阻开关进入低阻状态（图3所示的状态3），移除磁场后，磁阻开关保持低阻态（图3所示的状态4）直到正向磁场沿敏感轴方向分量再次高于临界磁场，重复以上过程。外界磁场即可驱动磁阻开关整个双稳态过程，无需在磁阻开关上加载电流。

图4为双稳态磁阻开关桥式转移特性曲线，当磁阻开关处正向磁场强度沿敏感轴方向分量达到或高于临界磁场后输出高（正）电压（图4所示的状态1），移除磁场或切断后再次接通电源，磁阻开关保持高（正）电压输出（图4所示的状态2），直到逆向磁场沿敏感轴方向分量作用于磁阻开关处并高于临界磁场后，磁阻开关输出低（负）电压（图4所示的状态3），移除磁场或切断后再次接通电源，磁阻开关保持输出低（负）电压（图4所示的状态4）直到正向磁场沿敏感轴方向分量再次高于临界磁场，重复以上过程。

图5,6为当需要ASIC芯片整合入双稳态磁阻开关的情况下，ASIC电路与磁阻薄膜的连接方式。图5中磁阻薄膜层13与ASIC电路层14分属不同晶片，分别设置在两个不同晶片的硅基片11上，并通过将各自晶片上的接触电极12通过引线14连接实现二者电气连接。图6中，磁阻薄膜层13与ASIC电路层14处于同一晶片，即自上至下依次设于该晶片的硅基片11上，通过磁阻薄膜层13与磁阻薄膜层13下方ASIC电路层14各自接触电极12直接接触，实现电气连接。

图7a-7c示出了一种双稳态磁开关系统的多个双稳态磁阻开关线性连接方式。图7a中，多个双稳态磁阻开关呈单链直线连接。图7b中，多个双稳态磁阻开关分属多条直线链，各链之间平行。图7c中，多个双稳态磁阻开关分属多条直线链，各链之间组成正交网格。

图8a-8c示出了一种双稳态磁开关系统的多个双稳态磁阻开关环形连接方式。图8a中，多个双稳态磁阻开关呈单链环形连接。图8b中，多个双稳态磁阻开关分属处于同一平面内多条环形链，各环形链几何相似，且任意两链间各对应点距离相等。图8c中，多个双稳态磁阻开关分属多条环形链，各环形链分属三维空间互相平行的平面，各环形链几何相似，且任意两链间各对应点距离相等。

图9示出了示出了一种双稳态磁开关系统的存储单元31与驱动电路32的空间排布示意图。一个或多个双稳态磁阻构成一个存储单元31，存储单元31之间为并联连接，驱动电路32位于存储单元31的双稳态磁阻下方。驱动电路32中激励电流产生的磁场使得双稳态磁阻在高阻态与低阻态之间转换，实现对二进制数据的记录。图10，图11分别为存储单元31的单层平面排布及多层堆叠排布示意图。每个存储单元31在平面呈单层网络排布，多个存储单元层沿垂直于平面的方向堆叠排布，通过不同的排布方式实现空间存储密度控制。

图12为8个存储单元31构成8位寻址单元，通过8-3优先编码器逻辑电路320关系，实现8位数据寻址，其中，Z10、Z11、Z12表示寻址位数据。寻址映射表见表1。

表1 寻址映射表

图13为8个8位寻址单元通过二级级联构成64位寻址单元。其中，存储单元31下方对应设置有优先编码器逻辑电路320，Z10、Z11、Z12表示初级寻址位数据，Z20、Z21、Z22表示二级寻址位数据。该级联方式可根据应用需求扩展，实现多级级联多位数据寻址。

基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (15)

1.一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，包括磁电阻及处理电路，当外界磁场沿磁电阻敏感方向分量等于或高于临界磁场强度时，磁电阻处于高阻或低阻状态；当外界磁场移除时，磁电阻保持这一状态；直到外界磁场沿反向于磁电阻敏感方向分量等于或高于临界磁场强度时，磁电阻阻值状态反转为低阻或高阻状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，所述磁电阻为各项异性磁电阻，巨磁电阻或隧道结磁电阻。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，所述临界磁场强度为1~40000高斯。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，单个或多个所述磁电阻串联或并联组成磁电阻桥臂。

5.根据权利要求4所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，所述磁开关包括一个或多个所述磁电阻桥臂。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，多个磁电阻桥臂为半桥或全桥连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，所述处理电路包括ASIC电路，ASIC电路与磁电阻位于不同晶片，晶片之间通过引线连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关，其特征在于，所述处理电路包括ASIC电路，ASIC电路与磁电阻上下层叠于同一晶片上并通过接触电极直接接触连接。

9.一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，包括单个或多个如权利要求1-8中任一项所述的基于磁电阻的双稳态磁开关，所述双稳态磁开关单个排布；或，多个所述双稳态磁开关串联呈线性排布；或，多个所述双稳态磁开关串联呈环状排布。

10.根据权利要求9所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，多个所述双稳态磁开关串联呈单条线性排布，多条线性平行排布或多条线性正交网格排布。

11.根据权利要求9所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，多个所述双稳态磁开关串联呈单条环形排布，多条环形同心共面排布或多条环形共轴三维空间排布。

12.一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，包括一个或多个如权利要求1-8中任一项所述的基于磁电阻的双稳态磁开关，一个或多个串联的所述双稳态磁开关以及位于所述磁开关单元下方的驱动电路构成存储单元，多个所述存储单元并联构成存储网络。

13.根据权利要求12所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，所述存储网络为单层或多层结构。

14.根据权利要求12所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，2^N个存储单元及对应的优先编码器逻辑电路构成寻址单元，N为大于2的整数。

15.根据权利要求14所述的一种基于磁电阻的双稳态磁开关系统，其特征在于，多个所述寻址单元级联构成多位寻址单元。