CN110716162A - 一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置，包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻以及信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器，本发明通过在推拉式垂直灵敏的磁传感器芯片设置芯上在位信号反馈线圈，当通有反馈电流时信号反馈线圈上方的两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等方向相反的磁场信号，分别抵消原信号磁场，而形成闭环式反馈结构，该芯上在位反馈装置设计能够有效改善传感器输出线性度，提高测量精度，降低功耗，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于磁传感器技术领域，涉及一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置。
背景技术
随着磁传感器领域的迅速发展，其应用越来越广泛，目前的垂直磁传感器大量应用于消费电子领域例如手机等以及电子罗盘移动设备中，该类产品要求较小的封装尺寸以及较高的测量稳定性。
现有的垂直灵敏的磁传感器多为Z轴封装式设计，Z轴封装是将传感芯片的灵敏轴垂直水平面封装，例如专利CN 102426344A，名称为一种三轴磁场传感器的发明专利，其采用三个传感器封装集成的方法，其中Z轴的传感器采用垂直平面放置来测量垂直方向的磁场。该种办法制成传感器体积大，封装成本大，工艺复杂，稳定性低且封装易断裂等。尽管存在单芯集成的垂直灵敏的磁传感器，但目前均采用开环式设计，例如申请号为201820341886.X的名称为一种推拉式垂直灵敏磁传感，其利用通量引导器将垂直方向的Z轴磁场转化成平面内的漏磁磁场分量，实现垂直方向上的磁场检测，但是该种设计在测量较大磁场的情况下磁敏电阻容易磁饱和而且在测量时磁滞较大，很大程度上影响传感器的测量带宽、测量精度以及线性度，而且开环设计线性度差，测量精度低，难以满足现代产业的需求。带反馈式设计能够利用反馈系统本身纠正传感器测量误差，但是目前垂直磁传感芯片尚未出现芯上在位反馈设计的案例，故亟需一款闭环式芯上在位反馈的垂直灵敏的磁传感器解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置。
本发明一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置，包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻、信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；
所述的通量引导器为矩形空心结构，通量引导器与四个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，四个磁敏电阻分为两对分别设置在矩形空心结构的通量引导器左右两侧的两相互平行的对边内侧，两对磁敏电阻关于矩形空心结构的通量引导器的中心竖轴线对称，四个磁敏电阻的敏感轴方向一致均垂直于通量引导器左右两侧对边；通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在磁敏电阻处产生一个面内磁场分量并且在两对磁敏电阻敏感轴方向上产生信号磁场的分量大小相等、方向相反；
所述的信号反馈线圈为两边相互平行的U型结构，信号反馈线圈设置在磁敏电阻下方的硅基衬底上，信号反馈线圈的两平行边分别设置在两对磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈在两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等、方向相反的反馈磁场；
所述的通量引导器左侧的一对磁敏电阻与通量引导器右侧的一对磁敏电阻分别形成两个半桥，四个磁敏电阻组成一个推拉式的惠斯通电桥结构，该矩形空心结构的通量引导器与四个磁敏电阻的位置配置可检测垂直平面的磁场信号；
所述的信号反馈线圈的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上并形成闭环式反馈结构。
所述的通量引导器采用镍系、钴系或铁系软磁材料制成。
所述的磁敏电阻选用巨磁电阻或隧道结磁电阻。
所述信号反馈线圈采用非磁性、低阻值、良导电性的金属银、铜、铝或金制成。
本发明通过在推拉式垂直灵敏的磁传感器芯片设置芯上在位信号反馈线圈，使得信号反馈线圈两平行边在通有反馈电流时其上方的两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等方向相反的磁场信号，分别抵消原信号磁场，进而形成闭环式反馈结构，该芯上反馈装置设计大大降低带反馈式传感器的功耗，扩大传感器测量带宽，改善输出线性度，提高测量精度。
附图说明
图1为本发明传感器芯片结构示意图；
图2为本发明的总体系统结构示意图；
图3为本发明不加信号反馈线圈时通量引导器引导垂直磁场的示意图；
图4为本发明在信号反馈线圈作用下反馈磁场抵消原磁场的示意图；
图5为本发明不加信号反馈线圈时惠斯通电桥在水平磁场分量下形成推拉式输出的示意图；
图6为本发明在信号反馈线圈作用下惠斯通电桥状的态示意图。
具体实施方式
如图1和2所示,本发明提供了一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置包括硅基衬底1、通量引导器2、四个相同的磁敏电阻3、信号反馈线圈4、运算放大器和功率放大器。
本实施例中选用的运算放大器为ADI公司的AD620或者AD623两种型号任意一款，运算放大器的作用是放大传感器的输出电压值，因为传感器芯片产生的电压属于微小电压一般为毫伏级别，不便于后续处理。运算放大器的放大倍数最大可放大1000倍，调节适当放大倍数便于信号分析处理、测量。
本实施例中功率放大器可选取美国国家半导体的LM3886款的功率放大器，功率放大器顾名思义是放大功率使用，最主要的是放大电流，本发明中功率放大器提高传感器输出信号的驱动能力，驱动信号反馈线圈4。
通量引导器2为矩形空心结构，与四个磁敏电阻3均设置在同一硅基衬底1上，四个磁敏电阻3分为两对分别设置在矩形空心结的通量引导器2左右两侧的两相互平行的对边内侧，两对磁敏电阻关于矩形空心结构的通量引导器2的中心轴线对称，四个磁敏电阻3的敏感轴方向一致，均垂直于通量引导器2左右两侧对边。
四个磁敏电阻3规格相同，敏感轴方向均设置在水平方向上。四个磁敏电阻3分为两对，一侧边的磁敏电阻R1与磁敏电阻R3为一对，其对边的磁敏电阻R2与磁敏电阻R4为另一对，为了使磁敏电阻更加敏感，在制作工艺上使得两对磁敏电阻尽可能靠近通量引导器2边缘，本实施例中两对磁敏电阻均为紧贴矩形通量引导器2的内边缘放置。
如图3所示，通量引导器2将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在磁敏电阻处产生一个面内磁场分量，且在两对磁敏电阻敏感轴方向上产生的信号磁场分量大小相等、方向相反。
如图4与5所示，通量引导器2左侧的一对磁敏电阻与通量引导器2右侧的一对磁敏电阻分别形成两个半桥，四个磁敏电阻3组成一个推拉式的惠斯通电桥结构，该矩形空心结构的通量引导器2与四个磁敏电阻3的位置配置可检测垂直平面的磁场信号。
当磁敏电阻3检测到漏磁时，两对磁敏电阻磁电阻阻值发生不同变化，使推拉结构的惠斯通电桥正负输出端产生差分输出电压。具体为：当检测环境中存在垂直磁场或垂直磁场分量时，通量引导器2会将垂直磁场聚集并且形成漏磁被磁敏电阻3组成的惠斯通电桥感知。本实施例中假设存在垂直向上的均匀磁场H，通量引导器2会受垂直向上的磁场H影响，使得通量引导器2上表面均匀分布正磁荷，下表面均匀分布有负磁荷，正负磁荷之间形成感生磁场。磁敏电阻在平面内感受到通量引导器2形成的漏磁分量，使得同一侧磁敏电阻产生相同变化，不同侧的磁敏电阻产生不同的磁电阻阻值变化。一组磁电阻阻值增大，另一组磁电阻阻值减小。假设电桥电源电压为E，磁敏电阻的初始阻值均为R，R1和R3受到向左的漏磁分量阻值增大为ΔR,R2和R4受到向右的漏磁分量阻值减小为ΔR，电桥输出的电压为Uout，此时的为：
如图6所示，信号反馈线圈4为U型结构，该U型结构的两个边相互平行，U型结构设置在磁敏电阻的下方的硅基衬底1上，U型结构的信号反馈线圈4的两平行边分别设置在两对磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈4在两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等、方向相反的反馈磁场。
在设置信号反馈线圈4时，四个磁敏电阻3此时的状态是，靠左侧的R1和R3受到通量引导器2上形成的方向向左的漏磁分量以及信号反馈线圈4左侧边在通入反馈电流后形成的的环形感生磁场，该环形磁场上方的水平切线的分量水平向右，且水平向右的水平切线的磁场分量抵消通量引导器2上形成的方向向左的漏磁分量，R1和R3处的水平方向的磁场逐步降低直至合场强为零。
同理靠右侧的R2和R4受到通量引导器2上形成的方向向右的漏磁分量以及信号反馈线圈4右侧边在通入反馈电流后形成的的环形感生磁场，该环形磁场上方的水平切线的分量水平向左，且水平向左的水平切线的磁场分量抵消通量引导器2上形成的方向向右的漏磁分量，R2和R4处的水平方向的磁场逐步降低直至零场强。此时系统平衡。
值得一提的是，信号反馈线圈4上形成的感生磁场随着距离反馈线圈4的距离变大而逐步降低的。为了提高信号反馈线圈4的反馈效果，尽可能使得信号反馈线圈4靠近磁敏电阻3。
信号反馈线圈4的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈4上并形成闭环反馈结构。
信号反馈线圈4输出端与接地端之间设置有一检测电阻，反馈补偿完全平衡通量引导器2的在磁敏电阻3处的漏磁后，电桥平衡，此时仅需测量检测电阻Rm两侧的电压即可推出反馈电流的大小，反馈电流大小与检测磁场大小成线性关系，故与反馈电压成线性关系，通过实验测量出磁场大小和检测电阻两端电压的线性系数K，即可用于垂直磁场大小的检测。
当电桥输出信号经过运算放大器后放大传感器输出幅值，经过功率放大器后用于驱动线圈，反馈电流通入信号反馈线圈4上，且信号反馈线圈4的两侧边形成感生磁场的水平切线分量平衡通量引导器2产生的水平漏磁分量，达到电桥平衡，此时仅需检测检测电阻Rm两端的电压大小和正负即可根据线性关系得到待测垂直磁场的大小和方向。
本发明同时具备屏蔽水平方向的杂散干扰磁场，当环境中存在水平面内磁场时，水平磁场会被通量引导器2所屏蔽；组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻3会对面内磁场产生相同的信号变化，不改变电桥平衡，输出端无输出信号。
芯上在位反馈的设计大大降低带反馈式传感器的功耗，提高传感器的工作带宽、改善输出线性度、提高测量精度。
通量引导器2采用镍系、钴系或铁系软磁材料制成。磁敏电阻选用巨磁阻电阻或隧道结磁电阻。信号反馈线圈4采用非磁性、低阻值、良导电性金属银、铜、铝或金制成。
本发明的具体工作原理为：通量引导器2一方面可在垂直方向的Z轴磁场作用下在水平面内产生漏磁磁场分量，同时能屏蔽和减少水平方向上磁场分量的干扰；漏磁在左右两对磁敏电阻处产生不同方向的磁场分量，两对磁敏电阻的磁电阻阻值发生不同大小的改变使惠斯通电桥形成推拉输出；惠斯通电桥输出的差分电压经运算放大模块和功率放大模块转换成电流信号作用到信号反馈线圈4上，信号反馈线圈4两平行边通有反馈电流后产生环形感生磁场，该环形感生磁场顶部的水平切线的磁场分量反作用于通量引导器2在水平面内产生漏磁磁场分量，进而抵消被测磁场，直至磁敏电阻在其敏感轴方向上接收的磁场强度趋近于零，此时惠斯通电桥处于平衡状态，再测量反馈线圈上串接的待测电阻Rm两端的电压即可得到反馈电流大小；反馈电流与被测磁场成一定比例关系，通过测得的反馈电流大小进一步获得被测磁场的大小。
闭环反馈式设计，能够大大增加磁敏电阻测量磁场的范围，避免很快饱和，而且反馈式设计能够实时纠正磁敏电阻的测量状态，对整个电桥输出的线性度有极大的改善，不仅如此带反馈式设计有效抑制了磁敏电阻自身的磁滞，提高检测精度。
值得说明的是：附图5或附图6中斜条状填充箭头指向表示磁敏电阻所受原磁场的方向；网状线填充箭头指向表示信号反馈线圈4产生的反馈磁场的方向。
本发明的优点在于通过在推拉式垂直灵敏的磁传感器芯片设置芯上在位信号反馈线圈，使得信号反馈线圈两平行边在通有反馈电流时其上方的两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等方向相反的磁场信号，分别抵消原信号磁场，进而形成闭环式反馈结构，该芯上反馈装置设计扩大传感器测量带宽，改善输出线性度，提高测量精度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置，包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻、信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；
其特征在于：所述的通量引导器为矩形空心结构，通量引导器与四个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，四个磁敏电阻分为两对分别设置在矩形空心结构的通量引导器左右两侧的两相互平行的对边内侧，两对磁敏电阻关于矩形空心结构的通量引导器的中心竖轴线对称，四个磁敏电阻的敏感轴方向一致均垂直于通量引导器左右两侧对边；通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在磁敏电阻处产生一个面内磁场分量并且在两对磁敏电阻敏感轴方向上产生信号磁场的分量大小相等、方向相反；
所述的信号反馈线圈为两边相互平行的U型结构，信号反馈线圈设置在磁敏电阻下方的硅基衬底上，信号反馈线圈的两平行边分别设置在两对磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈在两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等、方向相反的反馈磁场；
所述的通量引导器左侧的一对磁敏电阻与通量引导器右侧的一对磁敏电阻分别形成两个半桥，四个磁敏电阻组成一个推拉式的惠斯通电桥结构，该矩形空心结构的通量引导器与四个磁敏电阻的位置配置可检测垂直平面的磁场信号；
所述的信号反馈线圈的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上并形成闭环式反馈结构。
2.根据权利要求1所述的一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置，其特征在于：所述的通量引导器采用镍系、钴系或铁系软磁材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置，其特征在于：所述的磁敏电阻选用巨磁电阻或隧道结磁电阻。
4.根据权利要求1所述的一种垂直灵敏的磁传感器闭环式芯上在位反馈装置，其特征在于：所述信号反馈线圈采用非磁性、低阻值、良导电性的金属银、铜、铝或金制成。
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