CN115980639B - 一种磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁阻传感器。该磁阻传感器包括：若干磁阻单元以及若干电压矫正电阻；所述若干磁阻单元和所述若干电压矫正电阻构成磁场检测电路；所述若干电压矫正电阻，用于抬升所述磁阻传感器的信号输出端的输出电压；所述信号输出端，用于输出反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout；所述电压矫正电阻包括若干子磁阻单元。本发明中的电压矫正电阻利用磁阻单元相同的制作工艺制作在尽可能不影响磁阻传感器尺寸的基础上，同步抬升磁阻传感器每个输出端的电压，以便可以将所述输出端的电压信号直接经过放大器进行放大。

Description

一种磁阻传感器

技术领域

本申请涉及半导体的设计、制造领域，具体涉及一种输出信号能够直接接入放大器进行放大的磁阻传感器。该磁阻传感器利用与磁阻单元相同制作工艺制作电压矫正电阻，尽量减小对磁阻传感器尺寸的影响。

背景技术

磁阻传感器是用于将磁通密度(或磁场强度)转换为电信号的磁检测元件，其利用材料对电路呈现的电阻随磁场强度的变化而变化这一磁阻特性，搭建相关的磁场强度检测电路输出用于反映磁场强度大小的差分电压信号。磁阻传感器广泛应用于包括流体测速，汽车电子在内各种领域。

磁阻传感器通常采用多个磁阻单元组成，所述多个磁阻单元连接成全桥或半桥形式的磁场强度检测电路。单纯由所述磁阻单元构成磁阻传感器输出信号比较微弱，经过放大器AMP放大后才能被其他处理部件处理。图1为主流的利用磁阻传感器搭建的磁场强度检测电路。如图1所示，磁阻单元R1-R4以及电阻Rt构成磁场强度检测电路。其中磁阻单元R1-R4构成的全桥电路为磁阻传感器自身的等效电路。通常设置成R1和R4相同，R2和R3相同，且R1和R2的灵敏方向不同。电阻Rt通常为磁阻传感器的外接电阻。这是因为磁阻单元随着磁场强度变化产生的变化量，相对于磁阻单元在全桥平衡状态时呈现的静态电阻比较小，导致该磁阻传感器输出的电压信号Vout+、Vout-相对于零电位绝对值较小，不足以开启放大器AMP中的放大管，进而无法直接采用普通的放大器进行放大。外接恒定电阻值的电阻Rt，用于同步抬升输出的电压信号Vout+、Vout-各自相对应零电位的电压值(信号Vout+、Vout-之间的差值不影响)。若不接所述电阻Rt，则需要为放大器AMP的输入端专门设置相应的偏置电压，如此将导致放大器AMP的静态电流不为零，存在恒定的静态功耗。并且，采用外接电阻Rt的方式，需要客户修改自身电子产品的PCB板以便为外接电阻Rt留出搭载位置。

目前，出现了集成采用绝缘细铜线绕成的电阻Rt以便与原有的磁传感器集成的方案，但是这种方式不仅制作工艺复杂，还会明显增大磁传感器的尺寸，同样可能导致客户需要修改自身电子产品的PCB板。

发明内容

为了使磁阻传感器两个输出端的电压值能够直接接入放大器进行放大(放大器本身输入端不需要额外设置专门的偏置电压)，且不对磁阻传感器尺寸产生影响。本发明提出一种磁阻传感器制作方案，利用该方案制作的磁阻传感器，可以在无需客户修改自己PCB板上为磁阻传感器预留的空间的前提下，且其输出信号可以直接被无静态电流的放大器进行放大。本发明提出的技术方案如下：

一种磁阻传感器，包括：若干磁阻单元以及若干电压矫正电阻；所述若干磁阻单元和所述若干电压矫正电阻构成磁场检测电路；其中，所述若干电压矫正电阻连接在所述磁场检测电路中，用于抬升所述磁阻传感器的信号输出端的输出电压；所述信号输出端，用于输出反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout；所述电压矫正电阻包括若干子磁阻单元。

进一步地，所述磁场检测电路至少包括：一个磁阻单元和若干个电压矫正电阻构成的矫正电阻网络，所述磁阻单元的一端作为磁阻传感器的信号输出端、并通过所述矫正电阻网络接地；所述矫正电阻网络的整体电阻值不受磁场强度H影响。

进一步地，所述磁场检测电路至少包括：一个磁阻单元和若干个电压矫正电阻构成的矫正电阻网络；所述磁阻单元的一端通过所述矫正电阻网络接地；所述磁阻单元的两端分别为作为磁阻传感器的两个信号输出端，所述两个信号输出端输出电压的差值，用于反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout；所述矫正电阻网络的整体电阻值，可以不受磁场强度H影响、也可以随着磁场强度H而变化。优选地，所述电压矫正电阻的电阻值不受磁场强度H影响。

进一步地，所述磁场检测电路为全桥电路，每个桥臂包括一个或多个所述磁阻单元。所述全桥电路的第一、第三、第二、第四桥臂依次串接成闭环，从第一桥臂和第四桥臂的连接点引出所述磁阻传感器的第一信号输出端，从第二桥臂和第三桥臂的连接点引出所述磁阻传感器的第二信号输出端。所述第一、二桥臂的磁灵敏方向为第一方向，第三、四桥臂的磁灵敏方向为第二方向，所述第一方向与第二方向不同。第一桥臂和第三桥臂的连接点接外接电源，第二桥臂和第四桥臂的连接点通过由一个或多个所述矫正电阻组成第一矫正电阻网络接地，和/或所述第二桥臂、第四桥臂中各串接由一个或多个所述矫正电阻构成、磁阻特性相同的第二矫正电阻网络。在该全桥电路中第一矫正电阻网络、第二矫正电阻网络的整体串接电阻值既可以是不受磁场强度H的影响，也可以是随着磁场强度H的变化而变化。所述第一矫正电阻网络、第二矫正电阻网络为仅有1个所述矫正电阻的电阻支路，或者由多个所述电压矫正电阻串联、并联或串并联构成的电阻网络。

进一步地，在该全桥电路中的所述电压矫正电阻的电阻值既可以受磁场强度H影响，也可以不受磁场强度H影响。当所述电压矫正电阻为电阻值不受磁场强度H影响，其由在电路上串联、并联或串并联混合的多个子磁阻单元构成，使所述电压矫正电阻整体的对外呈现的磁灵敏系数为0。例如，所述电压矫正电阻由在电路上串联的两个子磁阻单元构成；所述两个子磁阻单元磁灵敏系数相加为0，磁灵敏方向不同。

进一步地，所述磁阻单元、所述子磁阻单元为XMR，所述XMR包括TMR(MTJ属于TMR中的一种)、AMR、GMR、CMR、SMR在内。所有子磁阻单元和所有磁阻单元的制作材料和工艺至少存在相同的部分。优选地，上述构成磁阻传感器的所有子磁阻单元和所有磁阻单元平铺在一个平面内。所有子磁阻单元和所有磁阻单元的制作材料和工艺相同，均采用Vortex结构。

本发明提供的磁阻传感器，利用与磁阻单元相同的制作工艺来制作用于同步抬升磁阻传感器两个输出端电压水平的电压矫正电阻，在原有的磁阻传感器制作工艺的基础上即可实现。利用本发明的技术方案制作的磁阻传感器两个输出端的电压值可以直接接入放大器进行放大(放大器本身输入端不需要额外设置专门的偏置电压)，且不对磁阻传感器尺寸产生影响，无需客户修改自己PCB板为磁阻传感器预留的空间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有技术中采用磁阻传感器的磁场检测电路原理图。

图2为本发明提供的磁阻传感器的组件示意图。

图3a为在第一部分实施例中的一个，本发明提供的磁阻传感器的各组件的连接电路示意图。

图3b为在第二部分实施例中的一个，本发明提供的磁阻传感器的各组件的连接电路示意图。

图4为在第三部分实施例中的第一个实施例，本发明提供的磁阻传感器各组件的连接电路示意图。

图5为在第三部分实施例中的第二实施例，本发明提供的磁阻传感器各组件的连接电路示意图。

图6为第三部分实施例中的第三实施例中，本发明提供的磁阻传感器各组件的连接电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图2所示，本发明提供的磁阻传感器1包括：若干磁阻单元a以及若干电压矫正电阻b。所述若干磁阻单元a和所述若干电压矫正电阻b构成磁场检测电路。其中，所述若干电压矫正电阻b连接在所述磁场检测电路中，用于抬升所述磁阻传感器的信号输出端的输出电压。所述信号输出端，用于输出反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout。所述电压矫正电阻包括若干子磁阻单元。所述磁场检测电路的形式可以任何本领域技术人员熟知的检测电路，例如、通常使用的桥式电路等。

在第一部分实施例中，所述磁场检测电路至少包括：一个磁阻单元和若干个电压矫正电阻构成的矫正电阻网络，所述磁阻单元的一端作为磁阻传感器的信号输出端、并通过所述矫正电阻网络接地；所述矫正电阻网络的整体电阻值不受磁场强度H影响。

例如，在附图3a所示的实施例中，所述磁阻传感器的内部电路，包括：一个磁阻单元R11a和1个电压矫正电阻Rs1a。所述矫正电阻网络为单独一个电压矫正电阻Rs1a，所述矫正电阻Rs1a的电阻值不受磁场强度H影响。所述磁阻单元R11a的一端作为所述磁阻传感器的信号输出端、并通过电压矫正电阻Rs1a接地。磁阻单元R11a的另一端通过磁阻单元R12a(或者多个磁阻单元构成的网络)接恒流源Icc(这里并不限于恒流源Icc，实际上只要是外接电源均可)。所述信号输出端，用于输出输出反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout。

显然，在该部分实施例中，在满足矫正电阻网络的整体串接电阻值不受磁场强度H影响的条件下，所述矫正电阻网络可以为仅有1个所述矫正电阻的电阻支路，也可以是由多个所述电压矫正电阻串联、并联或串并联构成的电阻网络。优选地，所述电压矫正电阻的电阻值不受磁场强度H影响。

在第二部分的实施例中，所述磁场检测电路至少包括：一个磁阻单元和若干个电压矫正电阻构成的矫正电阻网络。所述磁阻单元的一端通过所述矫正电阻网络接地，所述磁阻单元的两端分别为作为磁阻传感器的两个信号输出端。所述两个信号输出端输出电压的差值，用于反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout。所述矫正电阻网络的整体电阻值，可以不受磁场强度H影响、也可以随着磁场强度H而变化。优选地，所述电压矫正电阻的电阻值不受磁场强度H影响。

在如图3b所示的实施例中，所述磁阻传感器的内部电路，包括：一个磁阻单元R11b和1个电压矫正电阻Rs1b。所述矫正电阻网络为单独一个电压矫正电阻Rs1b，所述矫正电阻Rs1b的电阻值可以设置为不受磁场强度H影响，也可设置为随磁场强度H的变化而变化。所述磁阻单元R11b的一端通过电压矫正电阻Rs1b接地。磁阻单元R11b的另一端通过磁阻单元R12b(或者多个磁阻单元构成的网络)接恒流源Icc。所述磁阻单元R11b的两端作为磁阻传感器的两个输出端Vout+和Vout-。

在图3a或图3b中的电压矫正电阻Rs1a或Rs1b的电阻值不受磁场强度H影响时，该电压矫正电阻可以由在电路上串联、并联或串并联混合的多个子磁阻单元构成，使所述电压矫正电阻整体的对外呈现的磁灵敏系数为0。例如，在图3a中，电压矫正电阻Rs1a由平铺在同一平面、电路上串联的两个子磁阻单元MTJ11,MTJ12构成(图3中两个子磁阻单元MTJ11,MTJ12均为MTJ器件，MTJ属于TMR中的一种)，所述两个子磁阻单元MTJ11,MTJ12磁灵敏系数相加为0；在图3b中，电压矫正电阻Rs1b由平铺在同一平面、电路上串联的两个子磁阻单元TMR11,TMR12构成(均为TMR器件)，所述两个子磁阻单元TMR11,TMR12磁灵敏系数相加为0，磁灵敏方向不同。

进一步地，进一步地，所述磁阻单元、所述子磁阻单元为XMR，所述XMR包括TMR、AMR、GMR、CMR、SMR在内。所有子磁阻单元和所有磁阻单元的制作材料和工艺至少存在相同的部分。优选地，所有子磁阻单元和所有磁阻单元的制作材料和制作工艺相同，且都采用Vortex结构。为了使相关磁阻单元/子磁阻单元感受到的磁场相同，考虑到磁阻单元之间聚磁效应，可以将所有子磁阻单元和所有磁阻单元平铺在一个平面内。

在第三部分实施例中，所述磁场检测电路为全桥电路，每个桥臂包括一个或多个所述磁阻单元。所述全桥电路的第一、第三、第二、第四桥臂依次串接成闭环，从第一桥臂和第四桥臂的连接点引出所述磁阻传感器的第一信号输出端，从第二桥臂和第三桥臂的连接点引出所述磁阻传感器的第二信号输出端。所述第一、二桥臂的磁灵敏方向为第一方向，第三、四桥臂的磁灵敏方向为第二方向，所述第一方向与第二方向不同。第一桥臂和第三桥臂的连接点接外接电源(可以是电压Vdd，或恒流源Icc)，第二桥臂和第四桥臂的连接点通过由一个或多个所述矫正电阻组成第一矫正电阻网络接地，和/或所述第二桥臂、第四桥臂中各串接由一个或多个所述矫正电阻构成、磁阻特性相同的第二矫正电阻网络。所述全桥电路在磁阻传感器所在位置处的磁场强度H为0时，处于平衡状态或者不平衡均可。优选地，所述全桥电路在磁阻传感器所在位置处的磁场强度H为0时，处于平衡状态。

例如，在图4所示的实施例中，磁阻传感器100的磁场检测电路为通过1个电压矫正电阻Rs2接地的全桥电路。每个桥臂包括1个所述磁阻单元，所述全桥电路在磁阻传感器所在位置处的磁场强度为0时，处于平衡状态(即输出端Vout+、Vout-之间的电压差为0)。所述全桥电路由磁阻单元R1、R3、R2、R4依次串接成闭环，从磁阻单元R1和R4的连接点引出Vout+信号，从磁阻单元R2和R3的连接点引出所述Vout-信号。磁阻单元R2和R3的连接点通过电压矫正电阻Rs2接地。所述磁阻单元R1、R2磁灵敏方向为第一方向，所述磁阻单元R3、R4的磁灵敏方向为第二方向，所述第一方向与第二方向不同。优选地，所述磁阻单元R1、R2、R3、R4的磁灵敏系数的绝对值相等。在图4所示的实施例中，电压矫正电阻Rs2的电阻值既可以受磁场强度H影响，也可以不受磁场强度H影响。

另一个实施例如图5所示，所述磁场检测电路为全桥电路。每个桥臂包括1个所述磁阻单元。所述全桥电路在磁阻传感器所在位置处的磁场强度为0时，处于平衡状态(即输出端Vout+、Vout-之间的电压差为0)。同样，所述全桥电路由磁阻单元R1、R3、R2、R4依次串接成闭环，从磁阻单元R1和R4的连接点引出Vout+信号，从磁阻单元R2和R3的连接点引出所述Vout-信号。所述磁阻单元R1、R2磁灵敏方向为第一方向，所述磁阻单元R3、R4的磁灵敏方向为第二方向，所述第一方向与第二方向不同。其中，所述磁阻单元R2、R4分别串接一个电压矫正电阻R31、R32后接地。

电压矫正电阻R31、R32磁阻特性(磁敏系数和零磁场强度时的电阻值)相同。在图5所示的实施例中，电压矫正电阻Rs31、Rs32的电阻值既可以受磁场强度H影响，也可以不受磁场强度H影响。

图6所示的实施例中与图5所示的实施例不同之处在于，其中，所述磁阻单元R2、R4分别串接一个由两个电压矫正电阻(Rs51和Rs52，Rs53和Rs54，)构成的矫正电阻网络接地。显然，只要保证图中两个矫正电阻网络对检测电路呈现的磁阻特性相同(磁敏系数和零磁场强度时的电阻值)即可。在图6所示的全桥电路中两个矫正电阻网络各自的整体串接电阻值既可以是不受磁场强度H的影响，也可以是随着磁场强度H的变化而变化。

由于在第三部分实施例中磁阻传感器输出的有效信号为差分信号，显然，在该全桥电路中第一矫正电阻网络、第二矫正电阻网络的整体串接电阻值既可以是不受磁场强度H的影响，也可以是随着磁场强度H的变化而变化。所述第一矫正电阻网络、第二矫正电阻网络为仅有1个所述矫正电阻的电阻支路，或者由多个所述电压矫正电阻串联、并联或串并联构成的电阻网络。

进一步地，在该全桥电路中的所述电压矫正电阻的电阻值既可以受磁场强度H影响，也可以不受磁场强度H影响。

由于，本申请中提到的电压矫正电阻由若干个子磁阻单元构成，所述子磁阻单元和磁阻单元的制作材料和制作工艺相同。如此，制作的磁阻传感器两个输出端的电压值可以直接接入放大器进行放大(放大器本身输入端不需要额外设置专门的偏置电压)，且无需因为制作用于抬升电压的电阻而引入额外的工艺。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种磁阻传感器，其特征在于，该磁阻传感器包括：若干磁阻单元以及若干电压矫正电阻；所述若干磁阻单元和所述若干电压矫正电阻构成磁场检测电路；其中，所述若干电压矫正电阻连接在所述磁场检测电路中，用于同步抬升所述磁阻传感器的每一路信号输出端的输出电压；所述信号输出端，用于输出反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout；所述电压矫正电阻由若干子磁阻单元构成；所有子磁阻单元和所有磁阻单元的制作材料和制作工艺至少存在相同的部分；

所述磁场检测电路至少包括：一个磁阻单元和若干个电压矫正电阻中的部分或全部构成的一个矫正电阻网络；所述一个磁阻单元的一端作为磁阻传感器的信号输出端、另一端则通过所述一个矫正电阻网络接地；

所述一个矫正电阻网络为单个电压矫正电阻，或者由所述若干个电压矫正电阻中的部分或全部通过串联、并联或串并联构成的电阻网络。

2.如权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁场检测电路还可以设置为由一个磁阻单元和若干个电压矫正电阻构成的矫正电阻网络组成；所述磁阻单元的一端通过所述矫正电阻网络接地；所述磁阻单元的两端分别作为磁阻传感器的两个信号输出端，所述两个信号输出端输出电压的差值，用于反映磁阻传感器所处位置磁场强度H的电压信号Vout；所述矫正电阻网络的整体电阻值不受磁场强度H影响，或随着磁场强度H而变化。

3.如权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁场检测电路还可以设置为全桥电路，每个桥臂包括一个或多个所述磁阻单元；所述全桥电路的第一、第三、第二、第四桥臂依次串接成闭环，从第一桥臂和第四桥臂的连接点引出所述磁阻传感器的第一信号输出端，从第二桥臂和第三桥臂的连接点引出所述磁阻传感器的第二信号输出端；所述第一、二桥臂的磁灵敏方向为第一方向，第三、四桥臂的磁灵敏方向为第二方向，所述第一方向与第二方向不同；第一桥臂和第三桥臂的连接点接外接电源，第二桥臂和第四桥臂的连接点通过由一个或多个所述矫正电阻组成第一矫正电阻网络接地，和/或所述第二桥臂、第四桥臂中各串接由一个或多个所述电压矫正电阻构成、磁阻特性相同的第二矫正电阻网络。

4.如权利要求1-3中任一项所述的磁阻传感器，其特征在于，所述电压矫正电阻的电阻值受磁场强度H影响，或所述电压矫正电阻为电阻值不受磁场强度H影响。

5.如权利要求4所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻单元、所述子磁阻单元为包括TMR、AMR、GMR、CMR、SMR在内的XMR。

6.如权利要求5所述的磁阻传感器，其特征在于，所述子磁阻单元和磁阻单元均采用Vortex结构。