CN115856731A - 磁场传感器及电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种磁场传感器及电压测量方法。磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，第一磁场传感器阵列通过开关控制器与第二磁场传感器阵列连接，且第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于开关控制器呈中心对称设置；开关控制器，用于根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。本申请中的磁场传感器不用重新设计磁场传感器的结构，就能够生成双轴磁场传感器，从而避免了传统技术中采用对双轴磁场传感器中的结构进行重新设计的方式，导致的双轴磁场传感器结构过于复杂的问题。

Description

磁场传感器及电压测量方法

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，特别是涉及一种磁场传感器及电压测量方法。

背景技术

磁电阻传感器是一种可以探测磁电阻的阻值随外磁场变化呈现出的线性变化的磁场传感器。磁电阻传感器包括TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻)传感元件、GMR(Giant Magneto Resistance，巨磁电阻)传感元件等。磁电阻传感器具有灵敏度高和体型小的优点，在集成磁场、电流传感等领域取得了广泛的应用。

然而，磁电阻传感器通常只具有Z轴、X轴或Y轴的单轴线性敏感特性，可以通过将两个单轴磁电阻传感器结合构成双轴磁场传感器，例如，可以通过对双轴磁场传感器的薄膜结构和磁通量控制器的结构进行重新设计，得到双轴磁场传感器。

然而，传统技术中采用对双轴磁场传感器中的结构进行重新设计的方式，过于复杂。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够简化双轴磁场传感器设计的磁场传感器及电压测量方法。

第一方面，本申请提供了一种磁场传感器。所述磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，所述第一磁场传感器阵列通过所述开关控制器与所述第二磁场传感器阵列连接，且所述第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于所述开关控制器呈中心对称设置；

所述开关控制器，用于根据施加至所述磁场传感器的外磁场的方向，控制所述第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的所述外磁场的方向对应不同的所述连接方式。

在其中一个实施例中，所述第一磁场传感器阵列和所述第二磁场传感器阵列中均包括至少四组传感元件模组；

所述开关控制器包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口；

各所述传感元件模组之间通过所述第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；

所述至少四组磁阻电路通过所述第二类连接端口与所述磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构。

在其中一个实施例中，所述磁场传感器的外磁场方向为第一方向，且所述第一方向为平行于所述磁场传感器所在平面的方向，所述至少四组磁阻电路包括第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路及第四磁阻电路；

所述开关控制器，用于根据所述第一方向控制所述第一磁场传感器阵列中的各所述传感元件模组通过所述第一类连接端口连接，形成所述第一磁阻电路及所述第四磁阻电路；根据所述第一方向控制所述第二磁场传感器阵列中的各所述传感元件模组通过所述第一类连接端口与所述第二磁场传感器阵列中的另一传感元件模组连接，形成所述第二磁阻电路及所述第三磁阻电路。

在其中一个实施例中，所述输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；所述第一磁阻电路的第一端、所述第三磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述输入端口连接；所述第一磁阻电路的第二端与所述第二磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述第二输出端口连接；所述第二磁阻电路的第二端、所述第四磁阻电路的第二端通过所述第二类连接端口与所述接地端口连接；所述第四磁阻电路的第一端、第三磁阻电路的第二端通过所述第二类连接端口与所述第一输出端口连接，形成第一推挽式惠斯通全桥结构。

在其中一个实施例中，所述磁场传感器的外磁场方向为第二方向，所述第二方向为垂直于所述磁场传感器的方向，所述至少四组磁阻电路包括第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路及第八磁阻电路；

所述开关控制器，用于根据所述第二方向控制所述第一磁场传感器阵列中的各所述传感元件模组通过所述第一类连接端口与所述第二磁场传感器阵列中的所述传感元件模组连接，形成所述第五磁阻电路、所述第六磁阻电路、所述第七磁阻电路及所述第八磁阻电路。

在其中一个实施例中，所述输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；所述第五磁阻电路的第一端、所述第七磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述输入端口连接；所述第五磁阻电路的第二端与所述第六磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述第二输出端口连接；所述第六磁阻电路的第二端、所述第八磁阻电路的第二端通过所述第二类连接端口与所述接地端口连接；所述第七磁阻电路的第二端、第八磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述第一输出端口连接，形成第二推挽式惠斯通全桥结构。

在其中一个实施例中，每组所述传感元件模组中包括至少两行传感元件串，所述传感元件串中包括多个传感元件；所述磁场传感器还包括基板及多个磁通量控制器，所述多个传感元件设置于所述基板上，所述多个磁通量控制器设置于所述多个传感元件上方；

所述磁通量控制器，用于向所述多个传感元件施加第一方向或第二方向的外磁场。

在其中一个实施例中，所述传感元件包括隧道磁电阻传感元件或巨磁电阻传感元件中的至少一种。

第二方面，本申请还提供了一种电压测量方法，应用于计算机设备。所述方法包括：

向所述磁场传感器施加第一方向或第二方向的外磁场，并向所述磁场传感器的输入端口施加偏置电压；

通过开关控制器根据施加至所述磁场传感器的外磁场的方向，控制所述第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的所述外磁场的方向对应不同的所述连接方式；

在所述连接方式下，计算所述磁场传感器的输出电压。

在其中一个实施例中，所述第一磁场传感器阵列和所述第二磁场传感器阵列中均包括至少四组传感元件模组；所述开关控制器包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口；各所述传感元件模组之间通过所述第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；所述至少四组磁阻电路通过所述第二类连接端口与所述磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构；所述输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；

所述计算所述磁场传感器的输出电压，包括：

获取所述推挽式惠斯通全桥结构中至少四组磁阻电路的电阻；

根据所述至少四组磁阻电路的电阻、所述偏置电压，计算所述推挽式惠斯通全桥结构的第一输出端口的第一输出电压、所述推挽式惠斯通全桥结构的第二输出端口的第二输出电压；

根据所述第一输出电压及所述第二输出电压，计算所述磁场传感器的输出电压。

上述磁场传感器及电压测量方法，磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，第一磁场传感器阵列通过开关控制器与第二磁场传感器阵列连接，且第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于开关控制器呈中心对称设置；开关控制器，用于根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。本申请通过开关控制器及两个结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列就能够构成磁场传感器，其中，结构相同的第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于开关控制器呈中心对称设置，开关控制器可以根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间呈现不同的连接方式。因此，本申请中的磁场传感器不用重新设计磁场传感器的结构，就能够生成双轴磁场传感器，从而避免了传统技术中采用对双轴磁场传感器中的结构进行重新设计的方式，导致的双轴磁场传感器结构过于复杂的问题。

附图说明

图1为一个实施例中磁场传感器的结构示意图；

图2为一个实施例中外磁场方向为第一方向对应的磁场分布示意图；

图3为一个实施例中外磁场方向为第一方向对应的第一推挽式惠斯通全桥结构的结构示意图；

图4为一个实施例中外磁场方向为第一方向对应的开关控制器的连接示意图；

图5为一个实施例中外磁场方向为第二方向对应的磁场分布示意图；

图6为一个实施例中外磁场方向为第二方向对应的第二推挽式惠斯通全桥结构的结构示意图；

图7为一个实施例中外磁场方向为第二方向对应的开关控制器的连接示意图；

图8为一个实施例中单个磁场传感器阵列的结构示意图；

图9为一个实施例中磁场传感器的响应曲线示意图；

图10为一个实施例中电压测量方法的应用环境图；

图11为一个实施例中电压测量方法的流程示意图；

图12为一个实施例中输出电压计算步骤的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

磁电阻传感器是一种可以探测磁电阻的阻值随外磁场变化呈现出的线性变化的磁场传感器。磁电阻传感器包括TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻)传感元件、GMR(Giant Magneto Resistance，巨磁电阻)传感元件等。磁电阻传感器具有灵敏度高和体型小的优点，在集成磁场、电流传感等领域取得了广泛的应用。

然而，磁电阻传感器通常只具有Z轴、X轴或Y轴的单轴线性敏感特性，且磁电阻传感器容易受到非敏感轴方向磁场的干扰，导致一定的测量误差。由于可以通过两个单轴磁电阻传感器结合构成双轴磁场传感器，因此，在使用双轴磁场传感器进行测量时，也存在一定的测量误差。

传统技术中，是通过对双轴磁场传感器的薄膜结构和磁通量控制器的结构进行重新设计的方式，以减少使用双轴磁场传感器时的测量误差。然而，传统技术中采用对双轴磁场传感器中的结构进行重新设计的方式，过于复杂。

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够简化双轴磁场传感器设计的磁场传感器。在一个实施例中，提供了一种磁场传感器，该磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，第一磁场传感器阵列通过开关控制器与第二磁场传感器阵列连接，且第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于开关控制器呈中心对称设置；

开关控制器，用于根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。

具体的，如图1所示，图1为一个实施例中磁场传感器的结构示意图。磁场传感器100包括开关控制器120、结构相同的第一磁场传感器阵列140及第二磁场传感器阵列160，第一磁场传感器阵列140通过开关控制器120与第二磁场传感器阵列160连接，且第一磁场传感器阵列140与第二磁场传感器阵列160相对于开关控制器120呈中心对称设置。开关控制器120上的所有引脚均与第一磁场传感器阵列140上的引脚及第二磁场传感器阵列160上的引脚一一对应连接。其中，磁场传感器100是可以将磁场及磁场变化的信号转变成电信号输出的装置。开关控制器120用于根据施加至磁场传感器100的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列140和第二磁场传感器阵列160之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。示例性的，当施加至磁场传感器100的外磁场的方向为第一方向时，开关控制器120可以控制第一磁场传感器阵列140和第二磁场传感器阵列160之间呈现第一连接方式；当施加至磁场传感器100的外磁场的方向为第二方向时，开关控制器120可以控制第一磁场传感器阵列140和第二磁场传感器阵列160之间呈现第二连接方式。

上述磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，第一磁场传感器阵列通过开关控制器与第二磁场传感器阵列连接，且第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于开关控制器呈中心对称设置；开关控制器，用于根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。本申请仅采用一种单轴磁场传感器阵列结构，通过一次磁敏感薄膜沉积，就能够采用两个互沿Z轴旋转180度、且相对于开关控制器呈中心对称的磁场传感器阵列(即第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列)，通过开关控制器能够根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间呈现不同的连接方式，就能够控制磁场传感器实现可变化的桥式结构，从而能够获得XZ双轴磁场传感器。因此，本申请中的磁场传感器不用重新设计磁场传感器的薄膜等结构，仅重复使用一种单轴磁场传感器阵列结构，就能够生成双轴磁场传感器，磁场传感器制作工艺相对简单，从而避免了传统技术中采用对双轴磁场传感器中的结构进行重新设计的方式，导致的双轴磁场传感器结构过于复杂的问题。

在一个实施例中，结合图1所示，第一磁场传感器阵列140和第二磁场传感器阵列160中均包括至少四组传感元件模组；

开关控制器120包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口；

各传感元件模组之间通过第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；

至少四组磁阻电路通过第二类连接端口与磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构。

具体的，结合图1所示，第一磁场传感器阵列140和第二磁场传感器阵列160中均包括至少四组传感元件模组。开关控制器120包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口。各传感元件模组之间通过第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；至少四组磁阻电路通过第二类连接端口与磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构。其中，第一类连接端口用于连接第一磁场传感器阵列140和第二磁场传感器阵列160中的各传感元件模组，第二类连接端口用于连接磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口。示例性的，在本申请实施例中，传感元件模组的数量可以为四组，当然，本申请实施例对传感元件模组的数量不做限定。推挽式惠斯通全桥结构是由四个电阻组成的全桥电路，四个电阻分别为全桥的桥臂，在本申请实施例中，桥臂包括推臂和挽臂。推挽式惠斯通全桥结构可以通过测量全桥电路中电阻的阻值，计算出推挽式惠斯通全桥结构的输出电压。

本申请实施例中，第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过开关控制器中的第一类连接端口连接，能够形成至少四组磁阻电路；至少四组磁阻电路通过开关控制器中的第二类连接端口与磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，就能够形成推挽式惠斯通全桥结构，即通过开关控制器能够控制磁场传感器实现可变化的桥式结构，从而仅重复使用一种单轴磁场传感器阵列结构，就能够获得XZ双轴磁场传感器，因此，磁场传感器的制作工艺相对简单。

在一个实施例中，磁场传感器的外磁场方向为第一方向，且第一方向为平行于磁场传感器所在平面的方向，至少四组磁阻电路包括第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路及第四磁阻电路；

开关控制器，用于根据第一方向控制第一磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过第一类连接端口连接，形成第一磁阻电路及第四磁阻电路；根据第一方向控制第二磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过第一类连接端口与第二磁场传感器阵列中的另一传感元件模组连接，形成第二磁阻电路及第三磁阻电路。

具体的，如图2所示，图2为一个实施例中外磁场方向为第一方向对应的磁场分布示意图。磁场传感器100的外磁场方向为第一方向，且第一方向为平行于磁场传感器100所在平面的方向，此时，如图3所示，图3为一个实施例中外磁场方向为第一方向对应的第一推挽式惠斯通全桥结构的结构示意图，至少四组磁阻电路包括第一磁阻电路102、第二磁阻电路104、第三磁阻电路106及第四磁阻电路108。各磁阻电路构成推挽式惠斯通全桥结构中的各桥臂。在本实施例中，第一磁阻电路102构成第一推臂，第二磁阻电路104构成第一挽臂，第三磁阻电路106构成第二挽臂，第四磁阻电路108构成第二推臂。开关控制器120用于根据第一方向控制第一磁场传感器阵列140中的各传感元件模组通过第一类连接端口连接，形成第一磁阻电路102及第四磁阻电路108；开关控制器120还用于根据第一方向控制第二磁场传感器阵列160中的各传感元件模组通过第一类连接端口与第二磁场传感器阵列中的另一传感元件模组连接，形成第二磁阻电路104及第三磁阻电路106。

其中，开关控制器120的引脚编号依次为21至38。通过开关控制器120的引脚28与开关控制器120的引脚25之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚26与开关控制器120的引脚27之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第一磁阻电路102。通过开关控制器120的引脚38与开关控制器120的引脚35之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚36与开关控制器120的引脚37之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第二磁阻电路104。通过开关控制器120的引脚34与开关控制器120的引脚31之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚32与开关控制器120的引脚33之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第三磁阻电路106。通过开关控制器120的引脚23与开关控制器120的引脚22之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚21与开关控制器120的引脚24之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第四磁阻电路108。

本申请实施例中，磁场传感器的外磁场方向为第一方向，且第一方向为平行于磁场传感器所在平面的方向，通过开关控制器根据第一方向控制第一磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过第一类连接端口连接，形成第一磁阻电路及第四磁阻电路；并根据第一方向控制第二磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过第一类连接端口与第二磁场传感器阵列中的另一传感元件模组连接，形成第二磁阻电路及第三磁阻电路，从而能够通过开关控制器能够控制磁场传感器实现外磁场方向为第一方向时的桥式结构，进而，能够获得XZ双轴磁场传感器，因此，磁场传感器的制作工艺相对简单。

在一个实施例中，输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；第一磁阻电路的第一端、第三磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与输入端口连接；第一磁阻电路的第二端与第二磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与第二输出端口连接；第二磁阻电路的第二端、第四磁阻电路的第二端通过第二类连接端口与接地端口连接；第四磁阻电路的第一端、第三磁阻电路的第二端通过第二类连接端口与第一输出端口连接，形成第一推挽式惠斯通全桥结构。

具体的，结合图3所示，输出端口包括第一输出端口V₁及第二输出端口V₂，第一磁阻电路102的第一端、第三磁阻电路106的第一端通过第二类连接端口与输入端口连接；第一磁阻电路102的第二端与第二磁阻电路104的第一端通过第二类连接端口与第二输出端口连接；第二磁阻电路104的第二端、第四磁阻电路108的第二端通过第二类连接端口与接地端口连接；第四磁阻电路108的第一端、第三磁阻电路106的第二端通过第二类连接端口与第一输出端口连接，形成第一推挽式惠斯通全桥结构。其中，输入端口用于施加偏置电压V_bias，第一输出端口用于输出第一输出电压V₁，第二输出端口用于输出第二输出电压V₂，接地端口用于接地。

如图4所示，图4为一个实施例中外磁场方向为第一方向对应的开关控制器的连接示意图。磁场传感器100的外磁场方向为第一方向，且第一方向为平行于磁场传感器100所在平面的方向，此时，开关控制器120中引脚的连接方式为：引脚21通过连接线与引脚22连接，引脚31通过连接线与引脚32连接，引脚23和引脚33与第一输出端口连接，引脚24和引脚37与接地端口连接，引脚25通过连接线与引脚26连接，引脚35通过连接线与引脚36连接，引脚27和引脚38与第二输出端口连接，引脚28和引脚34与输入端口连接。

本申请实施例中，第一磁阻电路的第一端、第三磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与输入端口连接，第一磁阻电路的第二端与第二磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与第二输出端口连接，第二磁阻电路的第二端、第四磁阻电路的第二端通过第二类连接端口与接地端口连接，第四磁阻电路的第一端、第三磁阻电路的第二端通过第二类连接端口与第一输出端口连接，从而能够通过四个磁阻电路形成第一方向对应的第一推挽式惠斯通全桥结构。

在一个实施例中，磁场传感器的外磁场方向为第二方向，第二方向为垂直于磁场传感器的方向，至少四组磁阻电路包括第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路及第八磁阻电路；

开关控制器，用于根据第二方向控制第一磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过第一类连接端口与第二磁场传感器阵列中的传感元件模组连接，形成第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路及第八磁阻电路。

具体的，如图5所示，图5为一个实施例中外磁场方向为第二方向对应的磁场分布示意图。磁场传感器100的外磁场方向为第二方向，且第二方向为垂直于磁场传感器100的方向，此时，如图6所示，图6为一个实施例中外磁场方向为第二方向对应的第二推挽式惠斯通全桥结构的结构示意图，至少四组磁阻电路包括第五磁阻电路101、第六磁阻电路103、第七磁阻电路105及第八磁阻电路107。各磁阻电路构成推挽式惠斯通全桥结构中的各桥臂。在本实施例中，第五磁阻电路101构成第一推臂，第六磁阻电路103构成第一挽臂，第七磁阻电路105构成第二挽臂，第八磁阻电路107构成第二推臂。开关控制器120用于根据第二方向控制第一磁场传感器阵列140中的各传感元件模组通过第一类连接端口与第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组连接，形成第五磁阻电路101、第六磁阻电路103、第七磁阻电路105及第八磁阻电路107。

其中，开关控制器120的引脚编号依次为21至38。通过开关控制器120的引脚23与开关控制器120的引脚22之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚32与开关控制器120的引脚33之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第五磁阻电路101。通过开关控制器120的引脚25与开关控制器120的引脚28之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚38与开关控制器120的引脚35之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第六磁阻电路103。通过开关控制器120的引脚24与开关控制器120的引脚21之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚31与开关控制器120的引脚34之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第七磁阻电路105。通过开关控制器120的引脚26与开关控制器120的引脚27之间连接的第一磁场传感器阵列140中的传感元件模组，与开关控制器120的引脚37与开关控制器120的引脚36之间连接的第二磁场传感器阵列160中的传感元件模组，通过第一类连接端口连接，可以形成第八磁阻电路107。

本申请实施例中，磁场传感器的外磁场方向为第二方向，第二方向为垂直于磁场传感器的方向，通过开关控制器根据第二方向控制第一磁场传感器阵列中的各传感元件模组通过第一类连接端口与第二磁场传感器阵列中的传感元件模组连接，从而能够形成第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路及第八磁阻电路，就能够通过开关控制器能够控制磁场传感器实现外磁场方向为第二方向时的桥式结构，进而，能够获得XZ双轴磁场传感器，因此，磁场传感器的制作工艺相对简单。

在一个实施例中，输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；第五磁阻电路的第一端、第七磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与输入端口连接；第五磁阻电路的第二端与第六磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与第二输出端口连接；第六磁阻电路的第二端、第八磁阻电路的第二端通过第二类连接端口与接地端口连接；第七磁阻电路的第二端、第八磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与第一输出端口连接，形成第二推挽式惠斯通全桥结构。

具体的，结合图6所示，输出端口包括第一输出端口V₁及第二输出端口V₂，第五磁阻电路101的第一端、第七磁阻电路105的第一端通过第二类连接端口与输入端口连接；第五磁阻电路101的第二端与第六磁阻电路103的第一端通过第二类连接端口与第二输出端口连接；第六磁阻电路103的第二端、第八磁阻电路107的第二端通过第二类连接端口与接地端口连接；第七磁阻电路105的第二端、第八磁阻电路107的第一端通过第二类连接端口与第一输出端口连接，形成第二推挽式惠斯通全桥结构。其中，输入端口用于施加偏置电压V_bias，第一输出端口用于输出第一输出电压V₁，第二输出端口用于输出第二输出电压V₂，接地端口用于接地。

如图7所示，图7为一个实施例中外磁场方向为第二方向对应的开关控制器的连接示意图。磁场传感器100的外磁场方向为第二方向，且第二方向为垂直于磁场传感器100的方向，此时，开关控制器120中引脚的连接方式为：引脚21通过连接线与引脚31连接，引脚22通过连接线与引脚32连接，引脚23和引脚24与输入端口连接，引脚25和引脚33与第二输出端口连接，引脚26和引脚34与第一输出端口连接，引脚35和引脚36与接地端口连接，引脚27通过连接线与引脚37连接，引脚28通过连接线与引脚38连接。

本申请实施例中，第五磁阻电路的第一端、第七磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与输入端口连接，第五磁阻电路的第二端与第六磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与第二输出端口连接，第六磁阻电路的第二端、第八磁阻电路的第二端通过第二类连接端口与接地端口连接，第七磁阻电路的第二端、第八磁阻电路的第一端通过第二类连接端口与第一输出端口连接，从而能够通过四个磁阻电路形成第二方向对应的第二推挽式惠斯通全桥结构。

在一个实施例中，每组传感元件模组中包括至少两行传感元件串，传感元件串中包括多个传感元件；磁场传感器还包括基板及多个磁通量控制器，多个传感元件设置于基板上，多个磁通量控制器设置于多个传感元件上方；

磁通量控制器，用于向多个传感元件施加第一方向或第二方向的外磁场。

具体的，如图8所示，图8为一个实施例中单个磁场传感器阵列的结构示意图。单个磁场传感器阵列为第一磁场传感器阵列140或者第二磁场传感器阵列160中的任意一个，单个磁场传感器阵列包括至少4组传感元件模组820，每组传感元件模组820中包括至少两行传感元件串，传感元件串中包括多个传感元件822。本实施例在构成推挽式惠斯通全桥结构时，四个电阻分别为全桥的桥臂，且桥臂包括推臂和挽臂，推臂和挽臂均包括至少两行传感元件串。

磁场传感器100中的单个磁场传感器阵列还包括基板840及多个磁通量控制器860，多个传感元件822设置于基板840上，多个磁通量控制器860设置于多个传感元件822上方，沿短边方向排列，每个磁通量控制器860之间存在间隙。在本实施例中，基板840包括硅单晶基片或其他通用电子元件衬底。磁通量控制器860可以是以软铁磁合金为材料的矩形长条结构，其长边方向垂直于单个磁场传感器阵列的钉扎层的磁化方向，其短边方向平行于单个磁场传感器阵列的钉扎层的磁化方向。如图9所示，图9为一个实施例中磁场传感器的响应曲线示意图。其中，磁场传感器100的电阻值R会随着施加至磁场传感器100的磁场大小(即磁场强度H的变化)发生改变，且电阻值R的变化范围为R_L至R_H。磁通量控制器860用于向多个传感元件施加第一方向或第二方向的外磁场。传感元件串之间通过电导线880连接，传感单元串与单个磁场传感器阵列上的引脚之间通过电导线880连接。

此外，本实施例对于各传感元件822之间的连接方式不做限定。可选的，传感元件822包括隧道磁电阻传感元件(Tunnel Magneto Resistance，TMR)或巨磁电阻传感元件(Giant Magneto Resistance，GMR)中的至少一种。在本实施例中，传感元件822可以是自旋阀多层膜微结构。自旋阀多层膜微结构包括反铁磁层钉扎层、铁磁参考层、金属间隔层、铁磁参考层、绝缘层隧穿层、铁磁自由层或反铁磁层钉扎层、铁磁参考层、金属间隔层、铁磁参考层、非磁金属层、铁磁自由层。传感元件822包括底电极和顶电极，用于连接电导线880。

本申请实施例中，单个磁场传感器阵列中的每组传感元件模组中包括至少两行传感元件串，传感元件串中包括多个传感元件；磁场传感器还包括基板及多个磁通量控制器，多个传感元件设置于基板上，多个磁通量控制器设置于多个传感元件上方；磁通量控制器用于向多个传感元件施加第一方向或第二方向的外磁场，从而多组传感元件模组、基板以及多个磁通量控制器能够构成结构较简单的磁场传感器阵列。

本申请实施例提供的电压测量方法，可以应用于如图10所示的应用环境中。其中，数据存储系统可以存储计算机设备1002需要处理的数据。数据存储系统可以集成在计算机设备1002上，也可以放在云上或其他网络服务器上。计算机设备1002与磁场传感器1004连接。计算机设备1002向磁场传感器1004施加第一方向或第二方向的外磁场，并向磁场传感器1004的输入端口施加偏置电压；计算机设备1002通过开关控制器根据施加至磁场传感器1004的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式；在连接方式下，计算磁场传感器1004的输出电压。

在一个实施例中，如图11所示，提供了一种电压测量方法，以该方法应用于图10中的计算机设备1002为例进行说明，用于测量上述磁场传感器1004的输出电压，上述磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，第一磁场传感器阵列通过开关控制器与第二磁场传感器阵列连接，且第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于开关控制器呈中心对称设置；开关控制器，用于根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。该电压测量方法包括以下步骤：

步骤1120，向磁场传感器施加第一方向或第二方向的外磁场，并向磁场传感器的输入端口施加偏置电压。

具体的，计算机设备1002可以向磁场传感器1004施加第一方向或第二方向的外磁场，并向磁场传感器的输入端口施加偏置电压。其中，第一方向为平行于磁场传感器所在平面的方向，第二方向为垂直于磁场传感器的方向，偏置电压V_bias为输入磁场传感器的输入电压。

步骤1140，通过开关控制器根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式。

具体的，计算机设备1002可以根据施加至磁场传感器1004的外磁场的方向(即第一方向或者第二方向)，通过开关控制器按照不同的连接方式，将第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间进行连接。其中，不同的外磁场的方向对应不同的连接方式，根据不同的连接方式，可以计算与磁场传感器1004的外磁场的方向对应的磁场传感器的输出电压。

步骤1160，在连接方式下，计算磁场传感器的输出电压。

具体的，在不同的连接方式下，计算出与磁场传感器1004的外磁场的方向对应的磁场传感器1004的输出电压。即当施加至磁场传感器1004的外磁场的方向为第一方向时，根据第一种连接方式，计算出第一方向对应的磁场传感器1004的输出电压；当施加至磁场传感器1004的外磁场的方向为第二方向时，根据第二种连接方式，计算出第二方向对应的磁场传感器1004的输出电压。

上述电压测量方法中，向磁场传感器施加第一方向或第二方向的外磁场，并向磁场传感器的输入端口施加偏置电压；控制开关控制器根据施加至磁场传感器的外磁场的方向，控制第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的外磁场的方向对应不同的连接方式；在连接方式下，计算磁场传感器的输出电压。从而能够根据不同的外磁场方向控制不同的连接方式，并能够在不同的连接方式下，计算与磁场传感器的外磁场的方向对应的磁场传感器的输出电压。此外，由于本申请实施例中的磁场传感器均为相同膜堆且单轴磁场传感器阵列结构复用，因此，能够排除非敏感轴方向磁场导致的测量误差，从而能够更准确地减少使用双轴磁场传感器时的测量误差。

在一个实施例中，如图12所示，第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列中均包括至少四组传感元件模组；开关控制器包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口；各传感元件模组之间通过第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；至少四组磁阻电路通过第二类连接端口与磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构；输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；计算磁场传感器的输出电压，包括：

步骤1220，获取推挽式惠斯通全桥结构中至少四组磁阻电路的电阻。

具体的，根据开关控制器连接的第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列，在磁场传感器中形成推挽式惠斯通全桥结构。其中，不同的外磁场的方向对应不同的推挽式惠斯通全桥结构。计算机设备1002可以确定不同的外磁场的方向对应的推挽式惠斯通全桥结构，并通过不同的外磁场的方向对应的推挽式惠斯通全桥结构，获取推挽式惠斯通全桥结构中的至少四组磁阻电路的电阻。其中，推挽式惠斯通全桥结构中的四组磁阻电路包括两个推臂和两个挽臂。

步骤1240，根据至少四组磁阻电路的电阻、偏置电压，计算推挽式惠斯通全桥结构的第一输出端口的第一输出电压、推挽式惠斯通全桥结构的第二输出端口的第二输出电压。

具体的，根据获取的至少四组磁阻电路的电阻以及向磁场传感器的输入端口施加的偏置电压V_bias，计算机设备1002可以计算推挽式惠斯通全桥结构的第一输出端口的第一输出电压V₁以及推挽式惠斯通全桥结构的第二输出端口的第二输出电压V₂。第一输出电压V₁的计算公式如公式(1)所示：

第二输出电压V₂的计算公式如公式(2)所示：

其中，V₁为第一输出电压，V_bias为偏置电压，R₁为推臂的电阻值，R₂为挽臂的电阻值。

步骤1260，根据第一输出电压及第二输出电压，计算磁场传感器的输出电压。

具体的，根据第一输出电压V₁及第二输出电压V₂，计算机设备1002可以计算出磁场传感器的输出电压。磁场传感器的输出电压V的计算公式如公式(3)所示：

其中，V为磁场传感器的输出电压，V₁为第一输出电压，V_bias为偏置电压，R₁为推臂的电阻值，R₂为挽臂的电阻值。

示例性的，当施加至磁场传感器1004的外磁场的方向为第一方向(即X轴方向)时，理想情况下该推挽式惠斯通全桥结构对应的磁场传感器1004的理想输出电压的计算公式如公式(4)所示：

当存在额外的Z轴方向磁场时，第一推臂和第二推臂中两行传感元件串的磁电阻分别为R₁-△R和R₁+△R，第一挽臂和第二挽臂中两行传感元件串的磁电阻分别为R₂-△R和R₂+△R。此时该推挽式惠斯通全桥结构对应的磁场传感器1004的实际输出电压的计算公式如公式(5)所示：

因此，此时的实际电压输出值与仅有X轴方向磁场时的理想电压输出相同，不存在Z轴方向误差，即本申请实施例中的磁场传感器1004可以在测试X轴方向磁场时消除Z轴方向磁场导致的误差。

当施加至磁场传感器1004的外磁场的方向为第二方向(即Z轴方向)时，理想情况下该推挽式惠斯通全桥结构对应的磁场传感器1004的理想输出电压的计算公式如公式(6)所示：

当存在额外的X轴方向磁场时，若该额外的X轴方向磁场与第一磁场传感器阵列的钉扎层的磁化方向相反时，推臂中的磁电阻为R₁+△R，挽臂中的磁电阻为R₂+△R；则与第二磁场传感器阵列的钉扎层的磁化方向相同，推臂中的磁电阻为R₁-△R，挽臂中的磁电阻为R₂-△R。此时该推挽式惠斯通全桥结构对应的磁场传感器1004的实际输出电压的计算公式如公式(7)所示：

若该额外的X轴方向磁场与第一磁场传感器阵列的钉扎层的磁化方向相同时，推臂中的磁电阻为R₁-△R，挽臂中的磁电阻为R₂-△R；则与第二磁场传感器阵列的钉扎层的磁化方向相反，推臂中的磁电阻为R₁+△R，挽臂中的磁电阻为R₂+△R。此时该推挽式惠斯通全桥结构对应的磁场传感器1004的实际输出电压的计算公式如公式(8)所示：

因此，此时的实际电压输出值与仅有Z轴方向磁场时电压输出相同，不存在X轴方向误差，即本申请实施例中的磁场传感器1004可以在测试Z轴方向磁场时消除X轴方向磁场导致的误差。

本申请实施例中，获取推挽式惠斯通全桥结构中至少四组磁阻电路的电阻；根据至少四组磁阻电路的电阻、偏置电压，计算推挽式惠斯通全桥结构的第一输出端口的第一输出电压、推挽式惠斯通全桥结构的第二输出端口的第二输出电压；根据第一输出电压及第二输出电压，计算磁场传感器的输出电压。针对不同外磁场方向对应的连接方式，获取对应的连接方式下至少四组磁阻电路的电阻以及输入的偏置电压，就能够较准确地计算出磁场传感器的输出电压。

应该理解的是，虽然如上的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器包括开关控制器、结构相同的第一磁场传感器阵列及第二磁场传感器阵列，所述第一磁场传感器阵列通过所述开关控制器与所述第二磁场传感器阵列连接，且所述第一磁场传感器阵列与第二磁场传感器阵列相对于所述开关控制器呈中心对称设置；

所述开关控制器，用于根据施加至所述磁场传感器的外磁场的方向，控制所述第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的所述外磁场的方向对应不同的所述连接方式。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一磁场传感器阵列和所述第二磁场传感器阵列中均包括至少四组传感元件模组；

所述开关控制器包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口；

各所述传感元件模组之间通过所述第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；

所述至少四组磁阻电路通过所述第二类连接端口与所述磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构。

3.根据权利要求2所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器的外磁场方向为第一方向，且所述第一方向为平行于所述磁场传感器所在平面的方向，所述至少四组磁阻电路包括第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路及第四磁阻电路；

所述开关控制器，用于根据所述第一方向控制所述第一磁场传感器阵列中的各所述传感元件模组通过所述第一类连接端口连接，形成所述第一磁阻电路及所述第四磁阻电路；根据所述第一方向控制所述第二磁场传感器阵列中的各所述传感元件模组通过所述第一类连接端口与所述第二磁场传感器阵列中的另一传感元件模组连接，形成所述第二磁阻电路及所述第三磁阻电路。

4.根据权利要求3所述的磁场传感器，其特征在于，所述输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；所述第一磁阻电路的第一端、所述第三磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述输入端口连接；所述第一磁阻电路的第二端与所述第二磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述第二输出端口连接；所述第二磁阻电路的第二端、所述第四磁阻电路的第二端通过所述第二类连接端口与所述接地端口连接；所述第四磁阻电路的第一端、第三磁阻电路的第二端通过所述第二类连接端口与所述第一输出端口连接，形成第一推挽式惠斯通全桥结构。

5.根据权利要求2所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器的外磁场方向为第二方向，所述第二方向为垂直于所述磁场传感器的方向，所述至少四组磁阻电路包括第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路及第八磁阻电路；

所述开关控制器，用于根据所述第二方向控制所述第一磁场传感器阵列中的各所述传感元件模组通过所述第一类连接端口与所述第二磁场传感器阵列中的所述传感元件模组连接，形成所述第五磁阻电路、所述第六磁阻电路、所述第七磁阻电路及所述第八磁阻电路。

6.根据权利要求5所述的磁场传感器，其特征在于，所述输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；所述第五磁阻电路的第一端、所述第七磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述输入端口连接；所述第五磁阻电路的第二端与所述第六磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述第二输出端口连接；所述第六磁阻电路的第二端、所述第八磁阻电路的第二端通过所述第二类连接端口与所述接地端口连接；所述第七磁阻电路的第二端、第八磁阻电路的第一端通过所述第二类连接端口与所述第一输出端口连接，形成第二推挽式惠斯通全桥结构。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，每组所述传感元件模组中包括至少两行传感元件串，所述传感元件串中包括多个传感元件；所述磁场传感器还包括基板及多个磁通量控制器，所述多个传感元件设置于所述基板上，所述多个磁通量控制器设置于所述多个传感元件上方；

所述磁通量控制器，用于向所述多个传感元件施加第一方向或第二方向的外磁场。

8.根据权利要求7中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述传感元件包括隧道磁电阻传感元件或巨磁电阻传感元件中的至少一种。

9.一种电压测量方法，其特征在于，应用于计算机设备，所述方法包括：

向如权利要求1所述的磁场传感器施加第一方向或第二方向的外磁场，并向所述磁场传感器的输入端口施加偏置电压；

通过开关控制器根据施加至所述磁场传感器的外磁场的方向，控制所述第一磁场传感器阵列和第二磁场传感器阵列之间的连接方式；不同的所述外磁场的方向对应不同的所述连接方式；

在所述连接方式下，计算所述磁场传感器的输出电压。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一磁场传感器阵列和所述第二磁场传感器阵列中均包括至少四组传感元件模组；所述开关控制器包括多个第一类连接端口及多个第二类连接端口；各所述传感元件模组之间通过所述第一类连接端口连接，形成至少四组磁阻电路；所述至少四组磁阻电路通过所述第二类连接端口与所述磁场传感器的输出端口、输入端口和接地端口连接，形成推挽式惠斯通全桥结构；所述输出端口包括第一输出端口及第二输出端口；

所述计算所述磁场传感器的输出电压，包括：

获取所述推挽式惠斯通全桥结构中至少四组磁阻电路的电阻；

根据所述至少四组磁阻电路的电阻、所述偏置电压，计算所述推挽式惠斯通全桥结构的第一输出端口的第一输出电压、所述推挽式惠斯通全桥结构的第二输出端口的第二输出电压；

根据所述第一输出电压及所述第二输出电压，计算所述磁场传感器的输出电压。

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