CN110501659A - 自供电磁传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
自供电磁传感器芯片，包括：磁场探测单元，所述磁场探测单元为磁阻传感器；能量收集单元，所述能量收集单元用于将外部磁场转换为电场，为所述磁场探测单元供电。本发明利用磁电技术，采用可以从外部磁场获取能量并转换为电场的材料制成能量收集单元，由能量收集单元为磁场探测单元供电，使得传感器芯片可以从环境中实现自取能，实现内部的能量闭环，无需额外的电池供电，降低了维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场传感芯片。
背景技术
随着物联网等新兴领域的快速崛起，传感器技术也得到了飞速发展。磁场作为物质世界的重要组成部分，磁场传感具有重要的技术及经济意义。目前已知的磁场传感技术有磁通门技术、超导量子干涉技术、磁电阻技术和霍尔技术等。由于传感技术朝着集成化、微型化方向发展，霍尔技术和磁电阻技术作为可以集成化的磁传感技术也正在迎来发展的高峰。
无论是霍尔传感器还是磁阻传感器，磁传感器本身作为有源器件，需要稳定的电压源或者电流源来保证其工作。而霍尔技术虽然技术成熟度高，性能及市场表现稳定，但是由于其功耗高，灵敏度相对较低，其市场正在被磁阻传感技术逐步取代。磁阻传感技术虽然能耗较低，但是客观上也需要外加电源来保证其工作状态，尤其是在某些特殊的应用领域，如高压输电线中的电流检测，更换电源的工作十分繁琐，且成本高。如果磁传感器能够从应用环境中获取电能，将极大降低系统的维护成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够从外部环境获取能量，实现自供电的磁传感器芯片。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
自供电磁传感器芯片，包括：磁场探测单元，所述磁场探测单元为磁阻传感器；能量收集单元，所述能量收集单元用于将外部磁场转换为电场，为所述磁场探测单元供电。
更具体的，所述磁阻传感器为TMR传感器或AMR传感器或GMR传感器。
进一步的，所述能量收集单元由磁电复合材料制成。
进一步的，所述磁电复合材料为由铁磁材料和铁电材料复合构成的多铁异质结，所述能量收集单元包括铁磁层和铁电层。
更具体的，所述铁磁层和所述铁电层通过胶粘或外延的方式复合。
更具体的，能量收集单元包括依次设置的铁磁层、铁电层及铁磁层。
更具体的，所述铁磁层由磁致伸缩系数≥50ppm的材料制成。
更具体的，所述铁磁层由FeGaB或CoFeB或CoFe或其合金制成。
更具体的，所述铁电层由压电系数＞500的材料制成。
更具体的，所述铁电层由AlN或PMN-PT单晶或PZN-PT单晶或陶瓷制成。
更具体的，还包括整流电路和储能电路，所述能量收集单元的输出端与所述整流电路相连，所述整流电路的输出端与所述储能电路相连，所述储能电路的输出端与所述磁场探测单元相连。
更具体的，所述储能电路为电容。
更具体的，所述能量收集单元和所述磁场探测单元集成于一电路板上并设置于一芯片封装外壳内。
由以上技术方案可知，本发明利用磁电技术，采用可以从外部磁场获取能量并转换为电场的材料制成能量收集单元，由能量收集单元为磁场探测单元供电，使得传感器芯片可以从环境中实现自取能，实现内部的能量闭环，无需额外的电源供电，降低了维护成本；而且相比于太阳能、风能等取能技术，磁电技术更稳定，更有利于维持测量系统的稳定工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例磁场探测单元的示意图；
图3为本发明实施例磁场探测单元处于外部磁场下的状态示意图；
图4为本发明实施例的电路原理图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
如图1所示，本实施例的磁传感器芯片包括能量收集单元1、磁场探测单元2及芯片封装外壳3，能量收集单元1和磁场探测单元2设置于芯片封装外壳3中，能量收集单元1为磁场探测单元2供电，芯片封装外壳3的外部设置于与磁场探测单元2电连接的引脚(未标号)。能量收集单元1和磁场探测单元2集成于电路板(未图示)上，并通过电路板上的内部电路电连接。
能量收集单元1由可以将磁场转化为电场的磁电复合材料制成，如多铁异质结材料，多铁异质结材料是铁磁材料和铁电材料构成的复合结构。能量收集单元1处在磁场环境中时，其两端可以产生电压。多铁异质结材料中，铁磁材料在外部磁场的作用下，其形状会随着磁场大小的变化而变化，即铁磁材料的形变量和外部磁场之间具有线性关系。铁电材料在自身形状发生改变或者受到外力时，可以在材料的两端会产生电压。
如图2所示，能量收集单元1包括铁磁层4和铁电层5，本实施例的铁磁层4位于铁电层5的两侧，铁磁层4和铁电层5可通过胶粘或外延的方式(通过溅射生长的方式将铁磁层生长在铁电层上)复合，铁磁层4和铁电层5紧密接触，保持较高的贴合度，从而铁磁层4的形变应力可以传导至铁电层5。铁磁层4优选采用磁致伸缩系数较大的材料制成，如磁致伸缩系数≥50ppm的材料，进一步的，铁磁层4由FeGaB或CoFeB或CoFe或其合金制成。铁电层5优选采用压电系数较大的材料制成，如压电系数(d33)＞500的材料，进一步的，铁电层5由AlN或PMN-PT单晶或PZN-PT单晶或陶瓷制成。
如图3所示，当能量收集单元1处于磁场环境中时(图3中的箭头6表示外加磁场)，铁磁层4的形状会随着磁场的大小发生变化，由于铁磁层4和铁电层5紧密贴合，铁磁层4的形变会传导至铁电层5，引起铁电层5的形变(图3中的虚线区域a表示能量收集单元1发生形变)；铁电层5发生形变时，其内部的电荷会重新分布，正电荷8和负电荷9会分别向能量收集单元1的两侧(铁磁层4的表面)聚集，形成电势差，从而可以为磁场探测单元2供电。
本实施例的磁场探测单元2为TMR传感器，和GMR、AMR传感器相比，TMR传感器的功耗更低，在uW量级，仅需少量电能就可以维持工作，采用TMR传感器可以在降低能耗上去的更好的效果。TMR传感器由磁性层，绝缘层和参考层组成，其电阻值随磁性层和参考层之间相对磁化方向而变化。当外磁场改变时，磁性层和参考层之间的相对磁化方向会改变，实现对外磁场的探测功能。TMR传感器的结构为现有技术，此处不再赘叙。
如图4所示，本实施例的能量收集单元1的输出端与整流电路17相连，整流电路17的输出端与储能电路18相连，储能电路18的输出端与磁场探测单元2相连，为磁场探测单元2供电。本实施例的整流电路为全桥整流电路，储能电路采用电容。由于能量收集单元1和磁场探测单元2的工作状态存在时间差，通过设置储能电路将能量收集单元1产生的电压转换为电能储存下来，可以更好地实现为磁场探测单元2供电。
能量收集单元1从外部磁场中获取磁场能量，并转换为电能输出至整流电路17，整流电路17将能量收集单元1输出的信号转换为直流信号输出至储能电路18，储能电路18将整流电路17处理后的电能进一步转换为稳定信号输出至磁场探测单元2，图4中的19和20表示磁场探测单元2的输出高压端和输出低压端，可通过检测19和20两端的电压检测外部磁场的变化。
本发明采用磁电复合材料制成能量收集单元，从外部环境的磁场中获取电能提供给磁场探测单元，和传统的太阳能、风能等发电技术相比，成本低，而且能量的获取不受天气的影响，可以保证测量系统稳定运行。
当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，作为磁场探测单元的TMR传感器，也可以替换为GMR传感器或AMR传感器；整流电路和储能电路也可以采用其他具有相应功能的电路形式；此外，铁磁层和铁电层的层数也可以有所变化；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明所述的范围之内。
Claims (13)
1.自供电磁传感器芯片，其特征在于，包括：
磁场探测单元，所述磁场探测单元为磁阻传感器；
能量收集单元，所述能量收集单元用于将外部磁场转换为电场，为所述磁场探测单元供电。
2.如权利要求1所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述磁阻传感器为TMR传感器或AMR传感器或GMR传感器。
3.如权利要求1或2所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述能量收集单元由磁电复合材料制成。
4.如权利要求3所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述磁电复合材料为由铁磁材料和铁电材料复合构成的多铁异质结，所述能量收集单元包括铁磁层和铁电层。
5.如权利要求4所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述铁磁层和所述铁电层通过胶粘或外延的方式复合。
6.如权利要求4或5所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：能量收集单元包括依次设置的铁磁层、铁电层及铁磁层。
7.如权利要求4或5所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述铁磁层由磁致伸缩系数≥50ppm的材料制成。
8.如权利要求7所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述铁磁层由FeGaB或CoFeB或CoFe或其合金制成。
9.如权利要求4或5所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述铁电层由压电系数＞500的材料制成。
10.如权利要求9所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述铁电层由AlN或PMN-PT单晶或PZN-PT单晶或陶瓷制成。
11.如权利要求1所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：还包括整流电路和储能电路，所述能量收集单元的输出端与所述整流电路相连，所述整流电路的输出端与所述储能电路相连，所述储能电路的输出端与所述磁场探测单元相连。
12.如权利要求11所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述储能电路为电容。
13.如权利要求1或2或4或5或8或10或11或12所述的自供电磁传感器芯片，其特征在于：所述能量收集单元和所述磁场探测单元集成于一电路板上并设置于一芯片封装外壳内。
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