CN111198342B - 一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器 - Google Patents

一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器，包括：衬底和多项推挽式磁电阻传感电桥，其推臂包含N种推磁电阻传感单元，其挽臂包含N种挽磁电阻传感单元；每个磁电阻传感单元的关键特征参数包括R0i、MRi、Hsi、±αpi以及ai，推磁电阻传感单元及其对应的挽磁电阻传感单元的关键特征参数不同于标准推挽式线性磁电阻传感器的标准磁电阻传感单元的关键特征参数，存在着至少一组关键特征参数[(ROj，MRj，Hsj，±αpj)，aj]，表征推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的R‑H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围大于标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围。本发明实施例具有谐波增宽线性范围的效果。

Description

一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器
技术领域
本发明实施例涉及磁传感器技术，尤其涉及一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器。
背景技术
磁电阻传感单元包括自由层、钉扎层以及中间绝缘层。在实际使用时，推挽式线性隧道磁电阻传感器包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，其自由层和钉扎层磁矩之间的角度差anglePL-angleFL分别为90°和-90°，其中anglePL为钉扎层磁矩方向角αp，angleFL为自由层磁矩方向角αf。
推挽式线性隧道磁电阻传感器的电阻R随外磁场H的变化关系与其中磁电阻传感单元的零磁场电阻R0，磁阻变化率MR，自由层饱和磁场Hs相关，具有对称的线性范围[-HL,HL]。
现有推挽式线性隧道磁电阻传感器的线性范围窄。
发明内容
本发明实施例提供一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器，以提高推挽式线性隧道磁电阻传感器的线性范围。
本发明实施例提供了一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器，包括：
衬底；
位于所述衬底上的多项推挽式磁电阻传感电桥，所述多项推挽式磁电阻传感电桥包括推臂和挽臂，所述推臂包含N种推磁电阻传感单元，所述挽臂包含N种挽磁电阻传感单元，N为大于1的整数；
每个磁电阻传感单元的关键特征参数包括零磁场电阻R0i、磁电阻变化率MRi、自由层饱和磁场Hsi、钉扎层磁矩方向角±αpi以及串并联系数ai，其中，所述推磁电阻传感单元具有钉扎层磁矩方向角+αpi，所述挽磁电阻传感单元具有钉扎层磁矩方向角-αpi，i为1到N的整数，所述推磁电阻传感单元及其对应的所述挽磁电阻传感单元的关键特征参数不同于标准推挽式线性磁电阻传感器的标准磁电阻传感单元的关键特征参数，
存在着至少一组关键特征参数[(R0j,MRj,Hsj,±αpj),aj]，j为大于或等于1且小于或等于N的整数，表征所述推磁电阻传感单元和其对应的所述挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得所述多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围大于所述标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围，其中，所述标准磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0s,MRs,Hss,±αps),as]，±αps＝90°，as＝1。
本发明实施例中，在推挽式磁电阻传感器中设置两个或者多个具有不同关键特征参数的磁电阻传感单元，将磁电阻传感单元通过串联、并联或者混合串并联的方式进行连接，构成新的多项推挽式磁电阻传感器。该多项推挽式磁电阻传感器，存在着至少一组关键特征参数[(R0j,MRj,Hsj,±αpj),aj]，表征推磁电阻传感单元和其对应的挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围大于标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围，提高了线性范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是单畴磁矩随外磁场的磁化曲线图；
图2是磁电阻传感单元的磁矩及外磁场方位图；
图3是推挽式磁电阻传感器的电连接图；
图4a是推磁电阻传感单元的磁矩取向方位图；
图4b是挽磁电阻传感单元的磁矩取向方位图；
图5是标准推挽式TMR线性磁电阻传感器特征曲线图；
图6是磁电阻传感单元随钉扎层方向角变化的关系图；
图7是多项推挽式磁电阻传感器的截面图；
图8是多项推挽式磁电阻传感器的电连接图；
图9是标准及多项推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度随外磁场变化的关系曲线图；
图10是标准及多项推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度差随外磁场变化的关系曲线图；
图11是标准及多项推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度差随外磁场变化的关系曲线图；
图12是标准及多项推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度随外磁场变化的关系曲线图；
图13是带分流电阻的多项推挽式线性磁电阻传感器的电连接图；
图14是带分流电阻的多项推挽式线性磁电阻传感器的电连接图；
图15是带分流电阻的多项推挽式线性磁电阻传感器的磁电阻传感单元电阻随外磁场变化的关系曲线图；
图16是标准及带分流电阻的多项推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度随外磁场变化的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器，可选该磁电阻传感器为基于隧道磁阻技术的推挽式线性磁电阻传感器。本实施例提供的磁电阻传感器包括：衬底；位于所述衬底上的多项推挽式磁电阻传感电桥，所述多项推挽式磁电阻传感电桥包括推臂和挽臂，所述推臂包含N种推磁电阻传感单元，所述挽臂包含N种挽磁电阻传感单元，N为大于1的整数；每个磁电阻传感单元的关键特征参数包括零磁场电阻R0i、磁电阻变化率MRi、自由层饱和磁场Hsi、钉扎层磁矩方向角±αpi以及串并联系数ai，其中，所述推磁电阻传感单元具有钉扎层磁矩方向角+αpi，所述挽磁电阻传感单元具有钉扎层磁矩方向角-αpi，i为1到N的整数，所述推磁电阻传感单元及其对应的所述挽磁电阻传感单元的关键特征参数不同于标准推挽式线性磁电阻传感器的标准磁电阻传感单元的关键特征参数，存在着至少一组关键特征参数[(R0j,MRj,Hsj,±αpj),aj]，j为大于或等于1且小于或等于N的整数，表征所述推磁电阻传感单元和其对应的所述挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得所述多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围大于所述标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围，其中，所述标准磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0s,MRs,Hss,±αps),as]，±αps＝90°，as＝1。该谐波增宽线性范围的磁电阻传感器为多项推挽式TMR线性磁电阻传感器，TMR为隧道磁阻技术。
本实施例中，推臂包含N种推磁电阻传感单元，第i种推磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i，MRi，Hsi，+αpi)，ai]，挽臂包含N种挽磁电阻传感单元，第i种挽磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i，MRi，Hsi，-αpi)，ai]，推臂和挽臂的N种磁电阻传感单元的连接方式完全相同。
标准推挽式线性磁电阻传感器包括标准推磁电阻传感单元和标准挽磁电阻传感单元，标准推磁电阻传感单元的关键特征参数均为[(R0s，MRs，Hss，+αps)，as]，标准挽磁电阻传感单元的关键特征参数均为[(R0s，MRs，Hss，-αps)，as]，其中，αps＝90°，as＝1，其磁场线性范围为[-HLs，HLs]。
本实施例中，谐波增宽线性范围的磁电阻传感器的磁电阻传感单元中，存在着至少一个推磁电阻传感单元及其对应的挽磁电阻传感单元，其关键特征参数[(R0j,MRj,Hsj,±αpj),aj]与标准推/挽磁电阻传感单元的关键特征参数[(R0s,MRs,Hss,±αps),as]不同，在此所述的不同是指推磁电阻传感单元的五个关键特征参数中至少一个参数存在差异。例如谐波增宽线性范围的磁电阻传感器中存在着至少一个推磁电阻传感单元，其钉扎层磁矩方向角不等于90°，而标准推磁电阻传感单元的钉扎层磁矩方向角固定为90°。
对于多项推挽式TMR线性磁电阻传感器，则表征为推磁电阻传感单元和其对应的挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得多项推挽式TMR线性磁电阻传感电桥的线性范围大于标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围。如此可使得本发明提供的多项推挽式TMR线性磁电阻传感器的线性范围为[-HL，HL]，该[-HL，HL]覆盖标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围[-HLs，HLs]，本发明提供的多项推挽式TMR线性磁电阻传感器的增益因子Q＝HL/HLs，Q为大于1的数。
可选多项推挽式磁电阻传感电桥的磁电阻传感单元的钉扎层磁矩方向角的取值范围为0°-360°。其中，磁电阻传感单元的钉扎层磁矩方向角通过激光退火的方式实现，取值范围为0-360°
可选多项推挽式磁电阻传感电桥的磁电阻传感单元的零磁场电阻的取值范围为1KΩ-1000MΩ。其中，零磁场电阻的参数通过设定磁电阻传感单元的面积大小实现，取值范围为1KOhm-1000Mohm。
可选多项推挽式磁电阻传感电桥的磁电阻传感单元的自由层饱和磁场的取值范围为1-100Oe。其中，自由层饱和磁场的参数通过设置永磁偏置磁场，或者磁电阻传感单元的形状长宽比，或者通过设置交换耦合层的交换偏置磁场来实现设置，取值范围为1-100Oe。
可选多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围与标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围的比值大于1且小于等于2。即多项推挽式TMR线性磁电阻传感器的增益因子Q＝HL/HLs，Q大于1且小于等于2。其中，多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围HL与标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围的比值Q大于1且小于等于2。
多项推挽式TMR线性磁电阻传感器的灵敏度S＝V/Vcc，Vcc为电源电压信号，V为输出电压信号，S vs H表征了在[-HL，HL]磁场线性区间内，S与外磁场H的线性关系；以及，在H>HL或H<-HL的磁场区间内，S与外磁场H的关系表现为非线性，具体为包含外磁场H的二次谐波或高次谐波的非线性关系。显然，如果能够对非线性区间的二次谐波项或者高次谐波项进行补偿，那么多项推挽式TMR线性磁电阻传感器的线性范围将会得到增强。
而多项推挽式TMR线性磁电阻传感器中，磁电阻传感单元的磁电阻R vs H特征曲线除了在anglePL-angleFL＝90°和-90°时具有良好的线性之外，在其他角度如0°或者180°，其非线性项如谐波项或者高次谐波项会根据角度值不同而展示出不同R vs H非线性特征。本发明中通过这些具有不同线性项和非线性项的磁电阻传感单元之间的并联和/或串联连接，可以实现非线性项之间的补偿，使得N种推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的磁电阻R-外磁场H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得多项推挽式TMR线性磁电阻传感器的线性范围HL相对于标准推挽式TMR线性磁电阻传感器的线性范围HLs得到提高，从而得到更高线性范围的推挽式TMR线性磁电阻传感器。
具体过程如下所述。
参考图1所示为磁电阻传感单元的自由层磁矩和外磁场的坐标关系图，其中，纵坐标M/Ms为自由层磁矩，横坐标H/Hs为磁电阻传感单元受到的外磁场。单畴磁电阻传感单元中，磁矩M和外磁场H的关系式M(H)表达如下：
M＝Ms·tanh(H/Hs) (1)
结合图1和式(1)可知，在外磁场H/Hs接近0的范围如[-1，+1]区间内，自由层磁矩M/Ms和外磁场H/Hs可以视为线性关系；在外磁场H/Hs接近1如[+1，+3]及[-3，-1]区间内，自由层磁矩M/Ms和外磁场H/Hs为非线性过渡部分；在外磁场H/Hs的更大范围如[-5，-3]及[+3，+5]区间内，自由层磁矩M/Ms可以近似为1。
参考图2所示为磁电阻传感单元的磁矩M和外磁场H的取向关系图，其中，X方向表征零磁场时自由层磁化方向，Y方向表征外磁场H方向。磁电阻传感单元的电阻R表示如下：
Figure BDA0002363214040000081
其中，αf为磁电阻传感单元的自由层磁矩在外磁场H作用下相对于X轴的方向角，αp为磁电阻传感单元的钉扎层磁矩相对于X轴的方向角，αf-αp为自由层磁矩与钉扎层磁矩之间的夹角，R0为磁电阻传感单元在最小磁场(零磁场)时的电阻值即αf-αp＝180°时的电阻值，MR为磁电阻传感单元的阻抗变化率即磁电阻变化率，钉扎层磁矩方向角αp固定不变，自由层磁矩方向角αf随外磁场H变化而变化。
参考图3所示为推挽式磁电阻传感器的结构图。对于推挽式全桥结构的磁电阻传感器，其推臂电阻为Rpush，其挽臂电阻为Rpull，那么其输出端信号电压V与电源两端电压Vcc所对应的信号灵敏度S＝V/Vcc可转换为：
Figure BDA0002363214040000082
自由层在外磁场H作用下，可以正则化磁场H为x以及正则化磁矩M为Mx，已知磁电阻传感单元的自由层磁矩在外磁场H作用下相对于X轴的方向角为αf，则正则化磁场H和正则化磁矩M表达如下：
Figure BDA0002363214040000083
Figure BDA0002363214040000084
结合式(1)、(4)和(5)，可以得到：Mx＝tanh(x) (1-1)。
代入并计算得到自由层磁矩方向角αf为：
Figure BDA0002363214040000091
参考图4a所示为推磁电阻传感单元所对应的磁矩取向及磁场取向的示意图，图4b为挽磁电阻传感单元所对应的磁矩取向及磁场取向的示意图。其中，推磁电阻传感单元的钉扎层方向角为αpi，挽磁电阻传感单元的钉扎层方向角为-αpi。磁电阻传感单元的钉扎层方向角固定不变，具体的推磁电阻传感单元的钉扎层方向角与挽磁电阻传感单元的钉扎层方向角不同且绝对值相等。
在正常的标准推挽式TMR线性磁电阻传感器中，标准推磁电阻传感单元的钉扎层方向角为90°，标准挽磁电阻传感单元的钉扎层方向角为-90°。虽然标准推磁电阻传感单元和标准挽磁电阻传感单元的自由层饱和磁场Hss可以取不同的值，但是标准推磁电阻传感单元的电阻RvsH/Hs的特征曲线和标准挽磁电阻传感单元的电阻RvsH/Hs的特征曲线均为图5所示的同一曲线。由此可知，推挽式TMR线性磁电阻传感器中，磁电阻传感单元的自由层饱和磁场Hs不影响RvsH/Hs的特征曲线，磁电阻传感单元的钉扎层方向角可能影响RvsH/Hs的特征曲线。
参考图6所示为不同钉扎层方向角所对应的RvsH/Hs的特征曲线。可以看出，磁电阻传感单元的钉扎层方向角为90°时，磁电阻传感单元具有最高线性度和最大线性的区间，因此对于单个基于隧道磁阻技术的推挽式线性磁电阻传感器而言，在零磁场电阻R0、磁电阻变化率MR以及自由层饱和磁场Hs确定的情况下，该磁电阻传感器的线性范围[-HL，HL]取值是恒定值。例如[-HL，HL]为[-3，3]。
从图6还可以看出，磁电阻传感单元的钉扎层方向角为非90°角，如0°、10°、20°、…、180°，磁电阻传感单元的RvsH/Hs特征曲线在区间[-HL，HL]内包含非线性阶段，且钉扎层方向角越偏离90°，其RvsH/Hs特征曲线在区间[-HL，HL]内的非线性阶段相对于线性阶段的占比逐渐增加。
由此可以得出结论，在推挽式TMR线性磁电阻传感器中设置两个或者多个具有不同关键特征参数的磁电阻传感单元，将磁电阻传感单元通过串联、并联或者混合串并联的方式进行连接，构成新的推挽式TMR线性磁电阻传感器，可以对各个磁电阻传感单元的RvsH特征曲线的非线性部分进行补偿，最终使得其灵敏度SvsH所定义的线性范围HL相对于标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围HLs得到大幅提高。其中不同关键特征参数包括不同的钉扎层方向角、不同的自由层饱和磁场Hs和不同的零磁场电阻R0中的至少一种。
参考图7所示为本发明实施例提供的一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器的截面图，该多项推挽式磁电阻传感器包括：衬底100以及位于衬底100上的推挽式磁电阻传感器90。
参考图8所示为图7中多项推挽式磁电阻传感器的电连接图，该多项推挽式磁电阻传感器包括推臂91和挽臂92。推臂91包括N种推磁电阻传感单元94，第i种推磁电阻传感单元94的关键特征参数为[(R0i，MRi，Hsi，+αpi)，ai]。挽臂92包括N种挽磁电阻传感单元，第i种挽磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i，MRi，Hsi，-αpi)，ai]。磁电阻传感单元的串并联连接关系93采用串并联系数ai进行表征，95标记了磁电阻传感器单元的钉扎层磁矩方向，推臂91和挽臂92的N种磁电阻传感单元的连接方式完全相同，N种磁电阻传感单元之间可以以串联、并联或者串并联方式进行连接成推臂和挽臂。
对于任一标准推挽式线性磁电阻传感器，其推磁电阻传感单元的关键特征参数为[(Rs，MRs，Hss，+αps＝90°)，as]，挽磁电阻传感单元的关键特征参数为[(Rs，MRs，Hss，-αps＝-90°)，as]，其线性范围为[-HLs，HLs]。
图8所示多项推挽式磁电阻传感器中，存在着至少一组推磁电阻传感单元和其对应的挽磁电阻传感单元，其关键特征参数与标准推挽式线性磁电阻传感器不同，使得本实施例的多项推挽式磁电阻传感器具有高于标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围[-HL，HL]，其增益因子Q＝HL/HLs，Q为大于1的数。
表1列出了标准推挽式线性磁电阻传感器以及图8所示N＝2的多项推挽式磁电阻传感器的关键特征参数Hs、αp、灵敏度S＝V/Vcc以及灵敏度差S-Ss随外磁场H变化的曲线值。其中，N＝2的多项推挽式磁电阻传感器的推臂和挽臂的N种磁电阻传感单元均采用并联连接方式。表1各个参数的单位未示出。
Figure BDA0002363214040000111
A、标准推挽式线性磁电阻传感器：
如表1所示，标准推挽式线性磁电阻传感器中，标准磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0s,MRs,Hss,±αps),as]，其中，选取标准推磁电阻传感器单元的关键特征参数为[(500*e3，200，10Oe，90°)，1]，标准挽磁电阻传感单元的关键特征参数为[(500*e3，200，10Oe，-90°)，1]，以此作为参考比较对象，其推臂的电阻Rpushs和挽臂的电阻Rpulls的公式表示如下：
Rpushs＝R(500e3,200,90°,10,1) (7)
Rpulls＝R(500e3,200,-90°,10,1) (8)
该推臂电阻Rpushs和挽臂电阻Rpulls在外磁场H作用下的电阻可以表示为：
Figure BDA0002363214040000121
Figure BDA0002363214040000122
其中，αfs为标准磁电阻传感单元的自由层磁矩方向角。
标准推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002363214040000123
H取值可以在更宽的范围如[-16Oe，16Oe]区间内，选择100个数据点Hk，k＝1～100，并采用如下线性函数：
S＝a·H (12)
以此拟合SvsH曲线，通过设定阙值来计算HLs：
|Ss-S|＜0.1·S (13)
计算结果显示，HLs约等于8.5，即其线性范围为[-8.5，+8.5]Oe。
B、N＝2的多项推挽式磁电阻传感器：
假设N项推挽式磁电阻传感器包含N种磁电阻传感单元，其推磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i,MRi＝200,Hsi,+αpi),ai＝1]，其挽磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i,MRi＝200,Hsi,-αpi),ai＝1]，i＝1,…,N；
B1、N种磁电阻传感单元串联连接时，其推臂电阻Rpush和挽臂电阻Rpull可以表示为：
Figure BDA0002363214040000124
Figure BDA0002363214040000125
B2、N种磁电阻传感单元串并联连接时，其推臂电阻Rpush和挽臂电阻Rpull可以表示为：
Figure BDA0002363214040000131
Figure BDA0002363214040000132
此外，桥臂电阻R除了是磁电阻传感单元钉扎层磁矩方向角和自由层饱和磁场的函数，还是磁电阻变化率和零磁场电阻R0的函数，即：
Figure BDA0002363214040000133
Figure BDA0002363214040000134
B3、N种磁电阻传感单元并联连接时，其推臂电阻Rpush和挽臂电阻Rpull可以表示为：
Figure BDA0002363214040000135
Figure BDA0002363214040000136
此外，桥臂电阻R除了是磁电阻传感单元钉扎层磁矩方向角和自由层饱和磁场的函数，还是磁电阻变化率和零磁场电阻R0的函数，即：
Figure BDA0002363214040000137
Figure BDA0002363214040000138
Figure BDA0002363214040000139
表1列出B3条件所对应的并联的N＝2多项推挽式磁电阻传感器的关键特征参数，其中，推磁电阻传感单元的关键特征参数分别为：
[(R01＝500e3，MR01＝200，Hs1＝15.30，+αp1＝116.2°)，a1＝0.9824]，
[(R02＝500e3，MR02＝200，Hs2＝9.61，+αp2＝115.4°)，a2＝0.0176]；
挽磁电阻传感单元的关键特征参数分别为：
[(R01＝500e3，MR01＝200，Hs1＝15.30，-αp1＝-116.2°)，a1＝0.9824]，
[(R02＝500e3，MR02＝200，Hs2＝9.61，-αp2＝-115.4°)，a2＝0.0176]；
计算得出其磁场线性范围为：[-10.4，+10.4]Oe，磁场增益因子Q＝10.4/8.5＝1.22，显然，B3所示线性范围相对于标准推挽式线性磁电阻传感器得到提高。
基于图8所示多项推挽式磁电阻传感器，可选的构成推臂的N种推磁电阻传感单元采用并联连接方式，构成挽臂的N种挽磁电阻传感单元采用并联连接方式；推臂的电阻Rpush、挽臂的电阻Rpull和多项推挽式磁电阻传感电桥的电阻Ri满足如下关系：
Figure BDA0002363214040000141
Figure BDA0002363214040000142
其中，Ri(R0i，MRi，Hsi，+αpi)表征推磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，Ri(R0i，MRi，Hsi，-αpi)表征挽磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值。
参考图9所示为在更宽磁场范围[-16，+16]Oe内，标准推挽式线性磁电阻传感器以及N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器的灵敏度SvsH的关系曲线。可以看出，标准推挽式线性磁电阻传感器的灵敏度SvsH的关系曲线，以及N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器的灵敏度SvsH的关系曲线，会在H接近0的中间部分有重合区域，曲线两端的差别则较大。
图10比较了曲线灵敏度与拟合直线的相对误差(S-a*H)/a*H*100％vs H曲线。可以看出，标准推挽式线性磁电阻传感器的曲线，以及N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器的曲线，在正负10％上下两个极限范围内，N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器的曲线具有更大的磁场线性范围。
基于图8所示多项推挽式磁电阻传感器，可选的构成推臂的N种推磁电阻传感单元采用串联连接方式，构成挽臂的N种挽磁电阻传感单元采用串联连接方式；
推臂的电阻Rpush、挽臂的电阻Rpull和多项推挽式磁电阻传感电桥的电阻Ri满足如下关系：
Figure BDA0002363214040000151
Figure BDA0002363214040000152
其中，Ri(R0i,MRi,Hsi,+αpi)表征推磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，Ri(R0i,MRi,Hsi,-αpi)表征挽磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值。
表2列出了标准推挽式线性磁电阻传感器以及图8所示N＝2的多项推挽式磁电阻传感器的关键特征参数Hs、αp、灵敏度S＝V/Vcc以及灵敏度差S-Ss随外磁场H变化的曲线值。其中，N＝2的多项推挽式磁电阻传感器的推臂和挽臂的N种磁电阻传感单元均采用并联或串联连接方式。表2各个参数的单位未示出。
Figure BDA0002363214040000161
表2给出了一组N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器和标准推挽式线性磁电阻传感器的关键特征参数。其中，N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器中，推磁电阻传感单元的关键特征参数分别为：
[(R01＝500e3,MR01＝200,Hs1＝3.37,+αp1＝90°),a1＝1]，
[(R02＝500e3,MR02＝200,Hs2＝4.45,+αp2＝180°),a2＝1]；
而挽磁电阻传感单元关键参数分别为：
[(R01＝500e3,MR01＝200,Hs1＝3.37,-αp1＝-90°),a1＝1]，
[(R02＝500e3,MR02＝200,Hs2＝4.45,-αp2＝-180°),a2＝1]，
为了比较，表2还列出了N＝2串联多项推挽式磁电阻传感器的关键特征参数，推磁电阻传感单元的关键特征参数分别为：
[(R01＝500e3,MR01＝200,Hs1＝5,+αp1＝90°)a1＝1]，
[(R02＝500e3,MR02＝200,Hs2＝50,+αp2＝90°),a2＝1]；
而挽磁电阻传感单元关键参数分别为：
[(R01＝500e3,MR01＝200,Hs1＝5,-αp1＝-90°),a1＝1]，
[(R02＝500e3,MR02＝200,Hs2＝50,-αp2＝-90°),a2＝1]，
图11为标准、N＝2串联、N＝2并联推挽式磁电阻传感器的灵敏度差值S-a*H vs H曲线。可以看出，N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器的差值曲线在灵敏度差值0值附近显示了更宽的磁场范围。
图12为标准、N＝2串联、N＝2并联推挽式磁电阻传感器的灵敏度S vs H曲线。可以看出，在[-3，3]Oe小磁场范围内，N＝2并联和N＝2串联多项推挽式磁电阻传感器具有近似相同的曲线。从表2可以看出，标准推挽式线性磁电阻传感器灵敏度S＝0.049993，N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器灵敏度为0.049456，N＝2串联多项推挽式磁电阻传感器灵敏度为0.054993；从误差值S-a*H值来看，标准推挽式线性磁电阻传感器的误差值S-a*H值为-0.00505，N＝2并联多项推挽式磁电阻传感器的误差值S-a*H值为2.81E-05，N＝2串联多项推挽式磁电阻传感器的误差值S-a*H值为-0.00701，因此在小磁场范围内，并联多项推挽式磁电阻传感器误差更小，这也与图10结果一致。
基于此，还可选构成推臂的N种推磁电阻传感单元采用串并联混合连接方式，构成挽臂的N种挽磁电阻传感单元采用串并联混合连接方式；
推臂的电阻Rpush、挽臂的电阻Rpull和多项推挽式磁电阻传感电桥的电阻Ri满足如下关系：
Figure BDA0002363214040000171
Figure BDA0002363214040000172
其中，Ri(R0i,MRi,Hsi,+αpi)表征推磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，Ri(R0i,MRi,Hsi,-αpi)表征挽磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，m为大于或等于1且小于或等于N的整数。采用串并联混合连接方式的多项推挽式磁电阻传感器，可以得到所需的磁场线性范围。
示例性的，可选的磁电阻传感器还包括：位于衬底上的磁电阻分流电阻Rsh，磁电阻分流电阻Rsh与多项推挽式磁电阻传感电桥连接，磁电阻分流电阻Rsh的关键特征参数为[(R0sh，MRsh，Hssh，αpsh)，ash]，存在着至少一组关键特征参数{[(R0sh,MRsh,Hssh,αpsh),ash]，[(R0i,MRi,Hsi,±αpi),ai]}，使得磁电阻分流电阻Rsh的R-H特征曲线与多项推挽式磁电阻传感电桥中推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线进行叠加。
本实施例中提供的多项推挽式磁电阻传感器，其中引入磁电阻分流电阻Rshunt，使得磁电阻分流电阻Rshunt与多项推挽式磁电阻传感电桥串联，通过Rshunt随磁场的变化曲线关系，来获得更高磁场线性范围的多项推挽式磁电阻传感器。具体的，磁电阻传感单元的磁电阻分流电阻Rsh的R-H特征曲线与多项推挽式磁电阻传感电桥中推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的R-H曲线的进行叠加，使得包含磁电阻分流电阻的多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围大于标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围。
图13为带磁电阻分流电阻Rshunt的多项推挽式磁电阻传感器100的电连接图。该多项推挽式磁电阻传感器100包括线性推挽式磁电阻传感电桥110，其中，线性推挽式磁电阻传感电桥110可以为标准或者多项推挽式磁电阻传感电桥，其中磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i,MRi,Hsi,±αpi),ai]，其中，i＝1:N。该多项推挽式磁电阻传感器100还包括与线性推挽式磁电阻传感电桥110相连的磁电阻分流电阻Rshunt120，磁电阻分流电阻Rshunt120的关键特征参数为[(R0sh，MRsh，Hssh，αpsh)，ash]，ash系数表明Rshunt可以表征R0sh之间的串联、并联或者串并联连接形式。
则多项推挽式磁电阻传感器100的灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002363214040000191
图14为带磁电阻分流电阻Rshunt的多项推挽式磁电阻传感器200电连接图。该多项推挽式磁电阻传感器200包括线性推挽式磁电阻传感电桥210，其中，线性推挽式磁电阻传感电桥210可以为标准或者多项推挽式磁电阻传感电桥，磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0i,MRi,Hsi,±αpi),ai]。该多项推挽式磁电阻传感器200还包括与线性推挽式磁电阻传感电桥210相连的分流推电阻Rshunt220，分流推电阻Rshunt220的关键特征参数为[(R0sh，MRsh，Hssh，+αpsh)，ash]，以及还包括分流挽电阻Rshunt230，分流挽电阻Rshunt230的关键特征参数为[(R0sh，MRsh，Hssh，-αpsh)，ash]。
则多项推挽式磁电阻传感器200的灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002363214040000192
表3为带磁电阻分流电阻的多项推挽式线性磁电阻传感器及标准推挽式线性磁电阻传感器的关键参数比较。
Figure BDA0002363214040000193
Figure BDA0002363214040000201
对于一个标准推挽式线性磁电阻传感器，其标准推磁电阻传感单元和标准挽磁电阻传感单元关键参数分别为：
[(R0＝10e3,MR＝200,Hs＝10,+αp＝+90),a1＝1]
[(R0＝10e3,MR＝200,Hs＝10,-αp＝-90),a1＝1]
其中存在一个磁电阻分流电阻Rshunt，其关键特征参数为：
[(R0sh＝2e3,MRsh＝200,Hssh＝10,anglePLsh＝180),a1＝1]
和与之相连的N＝1推挽式线性磁电阻传感器，其推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元关键参数分别为：
[(R0＝8e3,MR＝200,Hs＝7.9,+αp＝+90),a1＝1]
[(R0＝8e3,MR＝200,Hs＝7.9,-αp＝-90),a1＝1]
图15为推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元以及磁电阻分流电阻的磁场特征曲线，可以看出，磁电阻分流电阻具有对称曲线特征，分别和推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元形成互补。
图16为标准推挽线性磁电阻传感器和带分流电阻的多项推挽线性磁电阻传感器的灵敏度S vs外磁场H曲线特征，可以看出，相对于标准推挽线性磁电阻传感器，带分流电阻的多项推挽式线性磁电阻传感器具有更宽的线性范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的多项推挽式磁电阻传感电桥，所述多项推挽式磁电阻传感电桥包括推臂和挽臂，所述推臂包含N种推磁电阻传感单元，所述挽臂包含N种挽磁电阻传感单元，N为大于1的整数；
每个磁电阻传感单元的关键特征参数包括零磁场电阻R0i、磁电阻变化率MRi、自由层饱和磁场Hsi、钉扎层磁矩方向角±αpi以及串并联系数ai，其中，所述推磁电阻传感单元具有钉扎层磁矩方向角+αpi，所述挽磁电阻传感单元具有钉扎层磁矩方向角-αpi，i为1到N的整数，所述推磁电阻传感单元及其对应的所述挽磁电阻传感单元的关键特征参数不同于标准推挽式线性磁电阻传感器的标准磁电阻传感单元的关键特征参数，
存在着至少一组关键特征参数[(R0j,MRj,Hsj,±αpj),aj]，j为大于或等于1且小于或等于N的整数，表征所述推磁电阻传感单元和其对应的所述挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线线性部分、非线性谐波部分进行叠加，使得所述多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围大于所述标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围，其中，所述标准磁电阻传感单元的关键特征参数为[(R0s,MRs,Hss,±αps),as]，±αps＝90°，as＝1。
2.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，构成所述推臂的N种推磁电阻传感单元采用并联连接方式，构成所述挽臂的N种挽磁电阻传感单元采用并联连接方式；
所述推臂的电阻Rpush、所述挽臂的电阻Rpull和所述多项推挽式磁电阻传感电桥的电阻Ri满足如下关系：
Figure FDA0002363214030000021
Figure FDA0002363214030000022
其中，Ri(R0i,MRi,Hsi,+αpi)表征所述推磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，Ri(R0i,MRi,Hsi,-αpi)表征所述挽磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值。
3.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，构成所述推臂的N种推磁电阻传感单元采用串联连接方式，构成所述挽臂的N种挽磁电阻传感单元采用串联连接方式；
所述推臂的电阻Rpush、所述挽臂的电阻Rpull和所述多项推挽式磁电阻传感电桥的电阻Ri满足如下关系：
Figure FDA0002363214030000023
Figure FDA0002363214030000024
其中，Ri(R0i,MRi,Hsi,+αpi)表征所述推磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，Ri(R0i,MRi,Hsi,-αpi)表征所述挽磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值。
4.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，构成所述推臂的N种推磁电阻传感单元采用串并联混合连接方式，构成所述挽臂的N种挽磁电阻传感单元采用串并联混合连接方式；
所述推臂的电阻Rpush、所述挽臂的电阻Rpull和所述多项推挽式磁电阻传感电桥的电阻Ri满足如下关系：
Figure FDA0002363214030000031
Figure FDA0002363214030000032
其中，Ri(R0i,MRi,Hsi,+αpi)表征所述推磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，Ri(R0i,MRi,Hsi,-αpi)表征所述挽磁电阻传感单元的四个关键特征参数对应的电阻值，m为大于或等于1且小于或等于N的整数。
5.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，还包括：位于所述衬底上的磁电阻分流电阻Rsh，所述磁电阻分流电阻Rsh与所述多项推挽式磁电阻传感电桥连接，所述磁电阻分流电阻Rsh的关键特征参数为[(R0sh,MRsh,Hssh,±αpsh),ash]，
存在着至少一组关键特征参数{[(R0sh,MRsh,Hssh,±αpsh),ash]，[(R0i,MRi,Hsi,±αpi),ai]}，使得所述磁电阻分流电阻Rsh的R-H特征曲线与所述多项推挽式磁电阻传感电桥中推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的R-H特征曲线进行叠加。
6.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，所述多项推挽式磁电阻传感电桥的磁电阻传感单元的钉扎层磁矩方向角的取值范围为0°-360°。
7.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，所述多项推挽式磁电阻传感电桥的磁电阻传感单元的零磁场电阻的取值范围为1KΩ-1000MΩ。
8.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，所述多项推挽式磁电阻传感电桥的磁电阻传感单元的自由层饱和磁场的取值范围为1-100Oe。
9.根据权利要求1所述的磁电阻传感器，其特征在于，所述多项推挽式磁电阻传感电桥的线性范围与所述标准推挽式线性磁电阻传感器的线性范围的比值大于1且小于或等于2。
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