CN117250571A - 高精度磁场感测装置及运动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种高精度磁场感测装置及运动传感器，磁场感测装置包括若干磁阻元件；所述磁阻元件包括第一磁阻部和第二磁阻部，所述第一磁阻部的延伸方向与所述磁阻元件的主磁化方向呈夹角设置，所述第二磁阻部的延伸方向与所述第一磁阻部的延伸方向呈夹角设置。奔赴买那个提供的磁场感测装置，能够实现高精度更广范围的检测，能够通过降低保磁力、缩窄磁滞区间，提升低磁场强度状态下的检测精度和敏感度，提升双向磁化特性的对称性。

Description

高精度磁场感测装置及运动传感器

技术领域

本发明涉及磁场检测技术领域，尤其涉及一种高精度磁场感测装置及运动传感器。

背景技术

磁场检测技术具有广泛的应用场景，特别可以应用于工业、汽车等领域。磁场检测技术可以用于测量齿轮或机械装置旋转轴等物体的旋转角度，也可以用于测量阀门等装置的位置、行程等信息。对于前者，可以配置用于产生磁场的磁编码器，驱动待测物体响应于磁场同步转动，并配置磁传感器测量转动的角度和速度。对于后者，可以向设置有永磁体的待测物体施加变化的磁场，并配置磁传感器通过感测磁场强度的变化，确定待测物体的位置信息和移动信息。

现有技术中提供的磁场感测装置，配置单向延伸的磁阻元件，通过检测磁阻元件在其延伸方向上的磁化特性，确定角度或位置信息。但是基于形状磁异向性的缘故，单向延伸的磁阻元件在低强度磁场下会形成单一方向的磁区配置，在移除外加磁场或施加反向磁场时，由于保磁力的存在，导致沿该方向的磁化量保持，直至反向磁场的强度足够抵抗保磁力，该磁阻元件的磁化方向才会瞬间发生反转。可见，现有技术提供的磁场感测装置会导致双向磁场感度不对称，以及低磁场强度工况下不敏感的问题，无法实现高精度。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高精度磁场感测装置，以解决现有技术中双向磁场感度不对称，且低磁场强度工况下不敏感的技术问题。

本发明的目的之一在于提供一种运动传感器。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种高精度磁场感测装置，包括若干磁阻元件；所述磁阻元件包括第一磁阻部和第二磁阻部，所述第一磁阻部的延伸方向与所述磁阻元件的主磁化方向呈夹角设置，所述第二磁阻部的延伸方向与所述第一磁阻部的延伸方向呈夹角设置。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述磁阻元件配置为：在工作于低外加磁场状态下，所述第一磁阻部形成指向第一磁化方向的第一磁区，所述第二磁阻部形成指向第二磁化方向的第二磁区，所述第一磁化方向与所述第二磁化方向呈夹角设置；在工作于高外加磁场状态下，所述磁阻元件形成指向主磁化方向的合并磁区。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一磁化方向与所述主磁化方向的夹角为锐角；所述第一磁区包括第一中心区和第一边界区，所述第一中心区处磁化方向与所述主磁化方向的夹角，小于所述第一边界区处磁化方向与所述主磁化方向的夹角。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一磁阻部自所述磁阻元件的第一端向中间段延伸，所述第二磁阻部自所述中间段向所述磁阻元件的第二端延伸，所述主磁化方向自所述第一端指向所述第二端；所述第一磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第一夹角为锐角，所述第二磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第二夹角为钝角。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述磁阻元件还包括第三磁阻部，所述第一磁阻部自所述第一端向所述磁阻元件的第一中间段延伸，所述第三磁阻部自所述第一中间段向所述磁阻元件的第二中间段延伸，所述第二磁阻部自所述第二中间段向所述第二端延伸；所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向平行。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述磁阻元件还包括第三磁阻部和第四磁阻部，所述第一磁阻部自所述第一端向所述磁阻元件的第一中间段延伸，所述第三磁阻部自所述第一中间段向所述磁阻元件的第二中间段延伸，所述第四磁阻部自所述第二中间段向所述磁阻元件的第三中间段延伸，所述第二磁阻部自所述第三中间段向所述第二端延伸；所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的夹角为钝角，所述第四磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的夹角为锐角。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述磁阻元件还包括第三磁阻部、第四磁阻部和第五磁阻部，所述第一磁阻部自所述第一端向所述磁阻元件的第一中间段延伸，所述第四磁阻部自所述第一中间段向所述磁阻元件的第二中间段延伸，所述第三磁阻部自所述第二中间段向所述磁阻元件的第三中间段延伸，所述第五磁阻部自所述第三中间段向所述磁阻元件的第四中间段延伸，所述第二磁阻部自所述第四中间段向所述第二端延伸；所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第三夹角为锐角，所述第五磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第五夹角为钝角。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一夹角大于所述第三夹角，所述第五夹角大于所述第二夹角；所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向平行。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述中间段内周面一侧形成第一数量的转折角，所述中间段外周面一侧形成第二数量的转折角，所述第二数量大于等于所述第一数量。

作为本发明一实施方式的进一步改进，磁场感测装置还包括设置于所述中间段处的导电体，所述导电体的电阻值小于所述磁阻元件的电阻值。

作为本发明一实施方式的进一步改进，磁场感测装置还包括设置于所述第一端和所述第二端的连接体，所述连接体的截面配置为矩形、圆形、椭圆形、三角形或边数大于4的多边形。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述高精度磁场感测装置包括由相互串联的若干磁阻元件组成的第一磁阻模块，以及由相互串联的若干磁阻元件组成的第二磁阻模块；所述第一磁阻模块包括第一磁阻元件和第二磁阻元件，所述第二磁阻模块包括第三磁阻元件和第四磁阻元件；所述第一磁阻元件的第一端和所述第四磁阻元件的第二端耦合至驱动电源，所述第一磁阻元件的第二端耦合至所述第二磁阻元件的第一端，所述第三磁阻元件的第二端耦合至所述第四磁阻元件的第一端，所述第二磁阻元件的第二端与所述第三磁阻元件的第一端耦合形成第一输出节点。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第一方向相互平行，所述第二磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第二方向相互平行，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述高精度磁场感测装置包括由相互串联的若干磁阻元件组成的第三磁阻模块，以及由相互串联的若干磁阻元件组成的第四磁阻模块；所述第三磁阻模块包括第五磁阻元件和第六磁阻元件，所述第四磁阻模块包括第七磁阻元件和第八磁阻元件；所述第五磁阻元件的第一端和所述第四磁阻元件的第二端耦合至驱动电源的第二供电端，所述第一磁阻元件的第一端和所述第八磁阻元件的第二端耦合至驱动电源的第一供电端，所述第五磁阻元件的第二端耦合至所述第六磁阻元件的第一端，所述第七磁阻元件的第二端耦合至所述第八磁阻元件的第一端，所述第六磁阻元件的第二端与所述第七磁阻元件的第一端耦合形成第二输出节点。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第三磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第一方向相互平行，所述第四磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第二方向相互平行。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种运动传感器，包括上述任一种技术方案所述的高精度磁场感测装置。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述运动传感器包括第一磁场感测装置和第二磁场感测装置；所述第一磁场感测装置包括主磁化方向为第一方向的第一磁阻模块和第三磁阻模块，以及主磁化方向为第二方向的第二磁阻模块和第四磁阻模块，所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块、所述第三磁阻模块和所述第四磁阻模块依次连接形成全桥架构；所述第二磁场感测装置包括主磁化方向为第三方向的第五磁阻模块和第七磁阻模块，以及主磁化方向为第四方向的第六磁阻模块和第八磁阻模块，所述第五磁阻模块、所述第六磁阻模块、所述第七磁阻模块和所述第八磁阻模块依次连接形成全桥架构；所述第一方向与所述第三方向呈夹角设置，所述第二方向与所述第四方向呈夹角设置。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一方向与所述第二方向的夹角为90度，所述第三方向与所述第四方向的夹角为90度；所述第一方向与所述第三方向的夹角为45度，所述第二方向与所述第四方向的夹角为45度。

与现有技术相比，本发明提供的高精度磁场感测装置，通过至少设置两个磁阻部，两者之间呈夹角设置，且至少其中之一与主磁化方向呈夹角设置，能够避免整体沿主磁化方向延伸而产生较大的保磁力，进而形成较宽的磁滞区间导致低磁场强度区间敏感度低；同时，由于此种配置下磁阻元件的保磁力较低，磁场感测装置在双向磁场下呈现的磁化特性对称，能够提升整体检测精度。

附图说明

图1是现有技术中磁阻元件的结构示意图。

图2是本发明一实施方式中磁场感测装置的磁阻元件的结构示意图。

图3是本发明一实施方式中磁阻元件第一工作状态下的磁化示意图。

图4是本发明一实施方式中磁阻元件第二工作状态下的磁化示意图。

图5是现有技术中参考磁场感测装置输出随外加磁场变化曲线图。

图6是本发明一实施方式中磁场感测装置输出随外加磁场变化曲线图。

图7是现有技术中磁阻元件特性随外界垂直磁场变化曲线图。

图8是现有技术及本发明一实施方式中磁阻元件特性随外界平行磁场变化曲线图。

图9是本发明一实施方式中磁阻元件另一视角下的磁化示意图。

图10是本发明一实施方式中磁阻元件中间段的放大结构示意图。

图11是本发明另一实施方式中磁阻元件中间段的放大结构示意图。

图12是本发明另一实施方式中磁场感测装置的磁阻元件的结构示意图。

图13是本发明再一实施方式中磁场感测装置的磁阻元件的结构示意图。

图14是本发明又一实施方式中磁场感测装置的磁阻元件的结构示意图。

图15是本发明第一实施方式中磁场感测装置的结构示意图。

图16是本发明第二实施方式中磁场感测装置的结构示意图。

图17是本发明一实施方式中运动传感器的结构示意图。

图18是本发明一实施方式中运动传感器特性随磁场角度变化曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

磁场感测装置用于检测外界磁场的磁场强度、磁场方向等信息，基于此，在不同应用场景下可以根据获取的磁场信息处理得到表征目标物或目标环境状态的新信息。磁场感测装置可以包括磁阻元件，在外加磁场的影响下发生磁化，导致自身电阻改变，进而可以通过获取因电阻改变而形成的信号，确定外界磁场的变化情况。

如图1所示，现有技术中提供的参考磁场感测装置包括整体沿直线延伸的参考磁阻元件900。所述参考磁场感测装置中可以包括若干参考磁阻元件900，参考磁阻元件900之间的延伸方向可以相同或不同。

一种现有技术中，所述参考磁场感测装置包括延伸方向相互垂直的至少两组参考磁阻元件900。

一种场景下，参考磁场感测装置通过检测磁场强度的变化，判断目标物体当前的位置情况。当外加磁场方向与其中一组参考磁阻元件900的延伸方向平行时，该参考磁阻元件900不产生输出，而另一与外加磁场方向垂直的参考磁阻元件900会形成对应于磁场强度的线性输出。但如此配置，在外加磁场方向突然反转180度时，加在参考磁阻元件900处的磁场强度也会发生瞬间翻转，而在参考磁场感测装置的输出处形成跳变、尖峰，最终导致测量结果不准确。

同时，由于参考磁阻元件900具有明显的沿X方向的长轴和沿Y方向或Z方向的短轴，其长轴的去磁因子明显小于短轴，因此长轴为易磁化轴并在反转时由于形状磁异向性而形成较大的保磁力，导致低外加磁场下磁滞过大，应用受限。

一种场景下，参考磁场感测装置通过检测磁场方向的变化，判断目标物体当前的角度情况。此时，参考磁阻元件900的磁化特性大部分取决于外加磁场的强度；磁场强度越强，越能够实现磁化特性的完全控制，反之，则对磁化特性的控制能力越弱。

同时，由于相互垂直的配置会在磁场方向突变时形成误差，而难以形成连续平滑地、随磁场方向变化的感度；但若通过调整夹角大小试图改善精确性，则会损失参考磁场感测装置的感度。

基于此，现有技术中无法在磁场方向测量和磁场强度测量的两种场景下，均在保持感度的同时实现准确性的提升。

本发明一实施方式提供一种高精度磁场感测装置。所述高精度磁场感测装置用于根据外界磁场的磁场信息，确定目标物的状态、目标环境状态或其变化情况。

所述高精度磁场感测装置包括若干磁阻元件10，如图1所示。

磁阻元件10包括第一磁阻部101和第二磁阻部102。两磁阻部可以指代磁阻元件10上的两个不同的部位，也可以解释为磁阻元件10至少由第一磁阻部101和第二磁阻部102组成。第一磁阻部101和第二磁阻部102显示出响应于外加磁场的阻抗特性；磁阻元件10中各个磁阻部的磁阻特性复合构成磁阻元件10整体的磁阻特性。

磁阻元件10整体呈现的磁阻特性，反映其磁化特性在不同方向的敏感度。基于此，可以界定其整体的易磁化方向为磁阻元件10的主磁化方向MD；主磁化方向MD可以与外加磁场B方向平行。

第一磁阻部101的延伸方向与磁阻元件10的主磁化方向MD呈夹角设置，第二磁阻部102的延伸方向与第一磁阻部101的延伸方向呈夹角设置。

如此，一方面，由于第一磁阻部101和第二磁阻部102呈夹角设置，在外加磁场强度较低时，会在两磁阻部处形成磁化方向不同的两个磁区，故而，相较于图1示出的参考磁阻元件900的结构，本发明提供的磁阻元件10整体的保磁力(或称磁化翻转场)更低，能够响应于磁场方向的反转而进行磁化方向的切换，避免在低外加磁场的工况下敏感度低，无法工作的问题。

另一方面，由于至少第一磁阻部101与磁阻元件10的主磁化方向之间有夹角，在测量磁场角度及其变化的过程中，能够对磁场方向的改变做出连续、平滑的响应，减少跳变、尖刺的部分。进一步地，能够使磁阻元件10兼顾敏感度和连续响应两方面优势。

一种实施例中，第一磁阻部101的延伸方向与主磁化方向MD呈第一夹角θ1，第二磁阻部102的延伸方向与主磁化方向MD呈第二夹角θ2；第一夹角θ1不等于第二夹角θ2。

一种实施例中，第一磁阻部101的延伸方向与主磁化方向MD呈第一夹角θ1，第二磁阻部102的延伸方向与主磁化方向MD平行。

下面结合图3和图4，以外加磁场沿X方向施加至磁阻元件10为例，分析磁阻元件10的工作状态和磁阻特性。

一种实施方式中，如图3所示，磁阻元件10配置为：在工作于低外加磁场B1状态下，第一磁阻部101形成指向第一磁化方向的第一磁区Reg1，第二磁阻部102形成指向第二磁化方向的第二磁区Reg2。其中，所述第一磁化方向与所述第二磁化方向呈夹角设置。

一种实施例中，所述第一磁化方向沿第一磁阻部101的延伸方向布置，所述第二磁化方向沿第二磁阻部102的延伸方向布置。

另一种实施例中，所述第一磁化方向相较于第一磁阻部101的延伸方向，存在向低外加磁场B1方向的偏转。此种偏转在第一磁区Reg1的中心部位更为明显。例如，当低外加磁场B1方向与磁阻元件10的主磁化方向平行时，界定所述第一磁化方向与主磁化方向MD的夹角为锐角，第一磁区Reg1包括第一中心区Ro1和第一边界区Rb1，则第一中心区Ro1处磁化方向与主磁化方向MD的夹角，小于第一边界区Rb1处磁化方向与主磁化方向MD的夹角。

第一边界区Rb1处磁化方向沿第一磁阻部101的延伸方向布置，第一中心区Ro1处磁化方向相较于第一磁阻部101的延伸方向，向主磁化方向MD偏转。

另一种实施例中，所述第二磁化方向相较于第二磁阻部101的延伸方向，存在向低外加磁场B1方向的偏转。此种偏转在第二磁区Reg2的中心部位更为明显。例如，当低外加磁场B1方向与磁阻元件10的主磁化方向平行时，界定所述第二磁化方向与主磁化方向MD的夹角为钝角，第二磁区Reg2包括第二中心区Ro2和第二边界区Rb2，则第二中心区Ro2处磁化方向与主磁化方向MD的夹角，大于第二边界区Rb2处磁化方向与主磁化方向MD的夹角。

第二边界区Rb2处磁化方向沿第二磁阻部102的延伸方向布置，第二中心区Ro2处磁化方向相较于第二磁阻部102的延伸方向，向主磁化方向MD偏转。

一种实施方式中，如图4所示，磁阻元件10配置为：在工作于高外加磁场B2状态下，磁阻元件10形成指向主磁化方向MD的合并磁区Reg0。

一种实施例中，合并磁区Reg0形成于磁阻元件10的中心部位。

一种实施例中，在外加磁场由低至高逐渐施加至磁阻元件10时，磁阻元件10首先形成如图3所示的磁区分布，两磁阻部处磁区所指向的磁化方向呈夹角设置，此时，磁阻元件10的保磁力较小，当磁场方向反转后，磁阻元件10能够快速响应；在磁场方向沿X方向继续增大时，至少第一中心区Ro1和第二中心区Ro2发生合并而形成沿X方向的合并磁区Reg0，此时边界部位同样可以形成第一边界区Rb1、第二边界区Rb2。其中，第一边界区Rb1所指向的磁化方向与第一磁阻部101的延伸方向平行，第二边界区Rb2所指向的磁化方向与第二磁阻部102的延伸方向平行。

下面将对比本发明提供的磁阻元件10和图1示出的参考磁阻元件900的磁阻特性，以说明本发明提供技术方案的优势。

图5示出了图1中现有参考磁阻元件900及其所构成的参考磁场感测装置、磁传感器的磁阻特性。以在X方向上施加外加磁场为例，在低外加磁场的状态下，参考磁场感测装置的输出曲线呈现不重合的现象。当X方向上外加磁场由正方向减少至0时，参考磁场感测装置的输出值Vo由内侧路径①下降至V0，此时若外加磁场继续向负方向增强时，参考磁场感测装置的输出值Vo将由V0循曲线外侧路径②缓慢上升至Vmax；曲线上内侧路径①与外侧路径②的轨迹会受到信号磁场的强度与环境温度等因素影响。

同理，在X方向上外加磁场由负向增大为正向的过程中，参考磁场感测装置的输出值Vo将由Vmax循曲线内侧路径③下降至V0，而后再由V0循曲线外侧路径④缓慢上升至Vmax。

相类似地，以在Y方向上施加外加磁场为例，当Y方向信号磁场由正方向减少至0时，参考磁场感测装置的输出值Vo由内侧路径⑤上升至V0，此时若信号磁场继续向正方向增强时，参考磁场感测装置的输出值将由Vo将由V0循曲线外侧路径⑥缓慢下降至Vmin；曲线上内侧路径⑤与外侧路径⑥的轨迹会受到信号磁场的强度与环境温度等因素影响。

同理，在Y方向上外加磁场由正向减小为负向的过程中，参考磁场感测装置的输出值Vo将由Vmin循曲线内侧路径⑦上升至V0，而后再由V0循曲线外侧路径⑧缓慢下降至Vmax。

如此，输出曲线不重合的现象产生了在单一外加磁场的情况下，对应存在多种参考磁场感测装置输出结果的问题，尤其导致参考磁场感测装置在低外加磁场下形成无效输出。

图6示出了本发明提供的磁阻元件10及其所构成的磁场感测装置、运动传感器的磁阻特性。以在X方向上施加外加磁场为例，当外加磁场的绝对值在X方向上从0逐渐增加时，输出由V0逐渐上升至Vmax；当外加磁场的绝对值在Y方向上从0逐渐增加时，输出由V0逐渐下降至Vmin，其中V0为零点飘移值。此理想状态下，外加磁场强度任意变化，输出值可重现且变化路径单一，如此，呈现输出值Vo与外加磁场一对一的关系。

继续以图1为例，当外加垂直磁场施加于参考磁阻元件900处时，图7(a)示出了参考磁阻元件900、参考磁场感测装置或磁传感器处的磁化量M跟随磁场强度的变化特性，图7(b)示出了对应电阻R跟随磁场强度的变化特性。磁化翻转平滑且均匀发生，磁滞区间所导致的跳变区分布于原点附近。参考磁阻元件900的磁化量在高外加磁场状态下，呈现接近饱和的状态，随着外加磁场减小至0，参考磁阻元件900的磁化量下降至一残余量，接着，外加磁场反向增加而使参考磁阻元件900磁化量反向饱和。

反之，当外加磁场由低到高逐渐增大时，过零点处同样会落至一残余量；两残余量不相等，两过程所产生的磁化曲线不重合，此种磁滞现象发生在低外加磁场下的较小范围内。此外，磁滞现象同样会导致其所呈现的电阻值在低外加磁场下较小范围内出现双向特性不重合。

在误差允许的情况下，上述在小范围内的不重合可以被接受；本发明提供的磁阻元件10所具备的特性同样可以参考图7示出的曲线进行配置。

当外加平行磁场施加于参考磁阻元件900处时，图8(a)中虚线部分示出了参考磁阻元件900、参考磁场感测装置或磁传感器处的磁化量M跟随磁场强度的变化特性，图8(b)中虚线部分示出了对应电阻R跟随磁场强度的变化特性。磁化翻转在参考保磁力Hc'处剧烈发生，对应参考磁阻元件900的电阻形成跳变区。具体地，参考磁阻元件900的磁化量在高外加磁场状态下，呈现接近饱和的状态，随着信号磁场的减小至0时而磁化量仅些微下降，随着信号磁场反向增加至参考保磁力Hc'，参考磁阻元件900的磁化方向迅速反转，并逐渐趋于反向饱和。由于参考磁阻元件900的结构配置，参考保磁力Hc'具有较大的绝对值，其所界定的磁滞区间较大，导致电阻对外加磁场的响应速度不及时，且双向磁阻特性不对称，响应于磁场变化的不重合区域较大。

具体地，参考磁阻元件900在形状磁异向性的指导下，其磁化方向在低外加磁场状态下沿平行于长轴方向(X方向)分布，形成单一方向的磁区结构；当外加磁场移除后，所述形状磁异向性会使参考磁阻元件900具有较强的参考保磁力Hc'，故仍维持较高的磁化量；随着反向磁场的增加到大于参考磁阻元件900的参考保磁力Hc'时，磁化方向发生反转，磁化量产生剧烈变化。

相较而言，图8(a)中实线部分示出了本发明提供的磁阻元件10、磁场感测装置或运动传感器处的磁化量M跟随磁场强度的变化特性，图8(b)中实现部分示出了对应电阻R跟随磁场强度的变化特性。本发明提供的磁阻单元10提供绝对值较小的保磁力Hc，其所界定的磁滞区间较小，从而电阻对外加磁场的响应速度更及时，且双向磁阻特性更对称，响应于磁场变化的不重合区域大幅缩小，从而能够在低外加磁场状态下同样实现高精度检测。

具体地，结合图2至图4所示，本发明提供的磁阻元件10由至少两区段构成，因两者延伸方向存在夹角，因此构成了至少一个转折结构(也即，中间段10c)。在较小的外加磁场下，各区段内会形成磁化方向略有差异的若干磁区，靠近边界处的磁区(例如，第一边界区Rb1、第二边界区Rb2)磁化方向平行于边界，靠近中心的磁区(例如，第一中心区Ro1、第二中心区Ro2)则磁化方向向外加磁场方向偏转，中间段10c处转折结构内会形成较为复杂的磁区结构。当外加磁场强度增大，至少靠近中心的磁区会合并，至少在中心部位形成单向磁化结构。

当外加磁场强度由大而小递减时，磁阻元件10的磁区结构，会由图4示出的第二状态回退至图3示出的第一状态，以减小外加磁场强度为0时的磁化残余量的数值；当外加磁场反向时，第一状态下较为复杂的磁区结构能够有效降低保磁力Hc值，辅助推进磁化反转的进程，并提升低外加磁场状态下的双向对称性。

如图2至图4和图9所示，第一磁阻部101自磁阻元件10的第一端10a向中间段10c延伸；第二磁阻部102自中间段10c向磁阻元件10的第二端10b延伸；主磁化方向MD自第一端10a指向第二端10b。

第一磁阻部101的延伸方向与主磁化方向MD的第一夹角θ1为锐角；第二磁阻部102的延伸方向与主磁化方向MD的第二夹角θ2为钝角。如此，磁阻元件10先向主磁化方向MD的一侧偏转，再返回并向主磁化方向MD一侧偏转，在外加磁场沿主磁化方向MD分布时，能够通过两磁阻部磁化方向的融合，形成整体近似沿主磁化方向MD分布的磁化特性；换言之，相比于图1提供的现有技术，本发明提供的磁阻元件10在X方向的敏感度并未被降低，但在低外加磁场状态下的性能大幅提升。

一种实施方式中，第一夹角θ1与第二夹角θ2之和为180度；第一夹角θ1与第二夹角θ2互补。

一种实施方式中，磁场感测装置还包括设置于中间段10c处的导电体21；导电体21的电阻值小于磁阻元件10的电阻值。导电体21设置于中间段10c一侧表面，在施加驱动电流后，中间段10c会形成并联结构。当驱动电流经过中间段10c时，由于导电体21的电阻值更小，大部分驱动电流会自第一磁阻部101流经导电体21而进入第二磁阻部102，实际流经中间段10c的电流会大幅减少，因此，输出信号受转折结构处复杂且不稳定的磁化状态的影响会大幅降低，从而进一步缩窄磁阻元件10的磁滞区间、降低其输出的信号噪声。

优选地，导电体21的延展面可以呈等腰梯形；等腰梯形的短边(顶边)靠近中间段10c的内侧；等腰梯形的长边(底边)靠近中间段10c的外侧；等腰梯形的两腰分别垂直于第一磁阻部101的延伸方向和第二磁阻部102的延伸方向。当然，导电体21的延展面还可以配置为其他形状，优选将其靠近磁阻部一侧的宽度配置为大于等于磁阻部的宽度。

一种实施方式中，如图10和图11所示，中间段10c内周面ips一侧形成第一数量的转折角；中间段10c外周面ops一侧形成第二数量的转折角；所述第二数量大于或等于所述第一数量。

例如，图10示出的实施方式中，第一数量为1，第二数量为1。图11示出的实施方式中，第一数量为1，第二数量为2。转折角的数量，特别是外周面一侧转折角的数量，可以根据磁阻元件10的几何形态及长度进行确定，作用在于辅助降低保磁力Hc。

如图12所示，一种实施方式中，磁阻元件10还包括第三磁阻部103；第一磁阻部101自第一端10a向所述磁阻元件10的第一中间段10c1延伸；第三磁阻部103自第一中间段10c1向磁阻元件10的第二中间段10c2延伸；第二磁阻部102自第二中间段10c2向第二端10b延伸。

第三磁阻部103的延伸方向与主磁化方向MD平行。如此，能够进一步提升磁阻元件10在主磁化方向MD上的敏感度。

一种实施例中，第一中间段10c1处可以设置有第一导电体211；第二中间段10c2处可以设置有第二导电体212。

一种实施方式中，磁场感测装置还包括设置于第一端10a和第二端10b的连接体22；连接体22的截面配置为矩形、圆形、椭圆形、三角形或边数大于4的多边形。连接体22可以用于构建若干磁阻元件10之间的连接关系，实现后文提出的串联。此外，连接体22的形状配置可以对保磁力Hc的大小存在影响，当连接体22为棱锥、圆锥等截面为三角形的尖形结构时，磁阻元件10具有较大的保磁力Hc；当连接体22为圆柱、棱柱、球体、椭球体等截面为圆形、矩形(包括圆角矩形)或其他边数大于4的多边形的结构时，磁阻元件10具有较小的保磁力Hc。

如图13所示，一种实施方式中，磁阻元件10还包括第三磁阻部103和第四磁阻部104；第一磁阻部101自第一端10a向磁阻元件10的第一中间段10c1延伸；第三磁阻部103自第一中间段10c1向磁阻元件10的第二中间段10c2延伸；第四磁阻部104自第二中间段10c2向磁阻元件10的第三中间段10c3延伸；第二磁阻部102自第三中间段10c3向第二端10b延伸。

第三磁阻部103的延伸方向与主磁化方向MD的夹角θ3为钝角；第四磁阻部104的延伸方向与主磁化方向MD的夹角θ4为锐角。如此，能够利用第一磁阻部101和第三磁阻部103、第四磁阻部104和第二磁阻部102，形成两段诸如图2示出实施方式的结构，通过多段连续转折进一步降低保磁力Hc，提升低外加磁场下的检测性能。

一种实施例中，第一中间段10c1处可以设置有第一导电体211；第二中间段10c2处可以设置有第二导电体212；第三中间段10c3处可以设置有第三导电体213。

如图14所示，一种实施方式中，磁阻元件10还包括第三磁阻部103、第四磁阻部104和第五磁阻部105；第一磁阻部101自第一端10a向磁阻元件10的第一中间段10c1延伸；第四磁阻部104自第一中间段10c1向磁阻元件10的第二中间段10c2延伸；第三磁阻部103自第二中间段10c2向磁阻元件10的第三中间段10c3延伸；第五磁阻部105自第三中间段10c3向磁阻元件10的第四中间段10c4延伸；第二磁阻部102自第四中间段10c4向第二端10b延伸。

第三磁阻部103的延伸方向与主磁化方向MD的第三夹角θ3为锐角，第五磁阻部105的延伸方向与主磁化方向MD的第五夹角θ5为钝角。如此，磁阻元件10大致形成一拱形结构，使其具有更为连续的感度。

一种实施例中，第一中间段10c1处可以设置有第一导电体211；第二中间段10c2处可以设置有第二导电体212；第三中间段10c3处可以设置有第三导电体213；第四中间段10c4处可以设置有第四导电体214。

一种实施例中，第四磁阻部104的延伸方向与主磁化方向MD平行。如此，能够进一步提升磁阻元件10在主磁化方向MD上的敏感度。

一种实施例中，第一夹角θ1大于第三夹角θ3；第五夹角θ5大于第二夹角θ2。如此，其外周面可作为凸多边形的若干条边，扩展了在垂直于主磁化方向MD的方向上的感度范围。

如图15所示，一种实施方式中，所述高精度磁场感测装置100包括由相互串联的若干磁阻元件组成的第一磁阻模块31，以及由相互串联的若干磁阻元件组成的第二磁阻模块32。

第一磁阻模块31包括至少两个上述磁阻元件；第一磁阻模块31包括第一磁阻元件11和第二磁阻元件12。

第二磁阻模块32包括至少两个上述磁阻元件；第二磁阻模块32包括第三磁阻元件13和第四磁阻元件14。

第一磁阻元件的第一端11a耦合至驱动电源，特别是耦合至驱动电源的第一供电端A；第四磁阻元件的第二端14b耦合至驱动电源，特别是耦合至驱动电源的第二供电端B。

第一磁阻元件的第二端11b耦合至第二磁阻元件的第一端12a；一种实施方式中，第一磁阻元件的第二端11b与第二磁阻元件的第一端12a之间依次串接有n个中间磁阻元件；优选地，n＝7，第一磁阻模块31中磁阻元件的总数量配置为9。

第三磁阻元件的第二端13b耦合至第四磁阻元件的第一端14a；一种实施方式中，第三磁阻元件的第二端13b与第四磁阻元件的第一端14a之间依次串接有n个中间磁阻元件；优选地，n＝7，第二磁阻模块32中磁阻元件的总数量配置为9。

第二磁阻元件的第二端12b与第三磁阻元件的第一端13a耦合形成第一输出节点Vo1。

如此，第一磁阻模块31和第二磁阻模块32分别构成两个电阻桥臂，两者串接后共同构成一半桥架构，可以直接用于构建运动传感器。

一种实施例中，第一磁阻模块31中若干磁阻元件的主磁化方向沿第一方向(例如图15中X方向或其反方向)相互平行；第二磁阻模块32中若干磁阻元件的主磁化方向沿第二方向(例如图15中Y方向或其反方向)相互平行。

所述第一方向与所述第二方向不同，以提供不同方向的感度。在外加磁场方向转动时，磁场感测装置100的第一输出节点Vo1能够产生波形输出，用于计算得到待测对象的旋转信息。优选地，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；第一输出节点Vo1能够产生弦波输出。

如图16所示，一种实施方式中，所述高精度磁场感测装置100包括由相互串联的若干磁阻元件组成的第三磁阻模块33，以及由相互串联的若干磁阻元件组成的第四磁阻模块34。

第三磁阻模块33包括至少两个上述磁阻元件；第三磁阻模块33包括第五磁阻元件15和第六磁阻元件16。

第四磁阻模块34包括至少两个上述磁阻元件；第四磁阻模块34包括第七磁阻元件17和第八磁阻元件18。

第五磁阻元件的第一端15a耦合至驱动电源，特别是与第四磁阻元件的第二端14b耦合至驱动电源的第二供电端B。第八磁阻元件的第二端18b耦合至驱动电源，特别是与第一磁阻元件的第一端11a耦合至驱动电源的第一供电端A。

第五磁阻元件的第二端15b耦合至第六磁阻元件的第一端16a；一种实施方式中，第五磁阻元件的第二端15b与第六磁阻元件的第一端16a之间依次串接有n个中间磁阻元件；优选地，n＝7，第三磁阻模块33中磁阻元件的总数量配置为9。

第七磁阻元件的第二端17b耦合至第八磁阻元件的第一端18a；一种实施方式中，第七磁阻元件的第二端17b与第八磁阻元件的第一端18a之间依次串接有n个中间磁阻元件；优选地，n＝7，第四磁阻模块34中磁阻元件的总数量配置为9。

第六磁阻元件的第二端16b与第七磁阻元件的第一端17a耦合形成第二输出节点Vo2。

如此，第三磁阻模块33和第四磁阻模块34分别构成两个电阻桥臂，两者串接后共同构成另一半桥架构，可以直接用于构建运动传感器，也可以与第一磁阻模块31和第二磁阻模块32共同构成全桥结构；其中，第一输出节点Vo1和第二输出节点Vo2处产生差动信号。

一种实施例中，第三磁阻模块33中若干磁阻元件的主磁化方向沿一种方向相互平行，第四磁阻模块34中若干磁阻元件的主磁化方向沿另一种方向相互平行；两者方向相互垂直。

优选地，第三磁阻模块33中若干磁阻元件的主磁化方向沿所述第一方向(例如图15中X方向或其反方向)相互平行；第四磁阻模块34中若干磁阻元件的主磁化方向沿所述第二方向(例如图15中Y方向或其反方向)相互平行。在外加磁场方向转动时，磁场感测装置100的第二输出节点Vo2能够产生弦波输出，用于计算得到待测对象的旋转信息。

如图17，本发明一实施方式提供一种运动传感器1000，包括上述任一种技术方案所述的高精度磁场感测装置。

一种实施方式中，运动传感器1000包括第一磁场感测装置110和第二磁场感测装置120。

第一磁场感测装置110包括主磁化方向为第一方向D1(例如图15中X方向或其反方向)的第一磁阻模块31和第三磁阻模块33，以及主磁化方向为第二方向D2(例如图15中Y方向或其反方向)的第二磁阻模块32和第四磁阻模块34。

第一磁阻模块31、第二磁阻模块32、第三磁阻模块33和第四磁阻模块34依次连接形成全桥架构。

第二磁场感测装置120包括主磁化方向为第三方向D3(例如图15中X方向和Y方向的中间方向，或其反方向)的第五磁阻模块35和第七磁阻模块37，以及主磁化方向为第四方向D4(例如图15中X方向和Y方向的反方向的中间方向，或其反方向)的第六磁阻模块36和第八磁阻模块38。

第五磁阻模块35、第六磁阻模块36、第七磁阻模块37和第八磁阻模块38依次连接形成全桥架构。

第一方向D1与第三方向D3呈夹角设置；第二方向D2与第四方向D4呈夹角设置。如此，能够提供更多方向的感度。

优选地，第一方向D1与第二方向D2的夹角为90度；第三方向D3与第四方向D4的夹角为90度。

优选地，第一方向D1与第三方向D3的夹角为45度；第二方向D2与第四方向D4的夹角为45度。

图18提供了输出信号(Output Signal)随磁场角度(Magnetic Field Angle)的变化曲线，以及根据所述输出信号确定的角度信号(Output Angle)随所述磁场角度的变化曲线。

其中，所述输出信号曲线中实线部分呈第一弦波态，示出了第一磁场感测装置110和第二磁场感测装置120其中之一的输出内容；所述输出信号曲线中虚线部分呈第二弦波态，示出了第一磁场感测装置110和第二磁场感测装置120其中另一的输出内容。所述第一弦波态和所述第二弦波态存在相位差，所述相位差决定于第一磁场感测装置110和第二磁场感测装置120中磁阻元件的主磁场方向的差异。

综上，本发明提供的高精度磁场感测装置，通过至少设置两个磁阻部，两者之间呈夹角设置，且至少其中之一与主磁化方向呈夹角设置，能够避免整体沿主磁化方向延伸而产生较大的保磁力，进而形成较宽的磁滞区间导致低磁场强度区间敏感度低；同时，由于此种配置下磁阻元件的保磁力较低，磁场感测装置在双向磁场下呈现的磁化特性对称，能够提升整体检测精度。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种高精度磁场感测装置，其特征在于，包括若干磁阻元件；所述磁阻元件包括第一磁阻部和第二磁阻部，所述第一磁阻部的延伸方向与所述磁阻元件的主磁化方向呈夹角设置，所述第二磁阻部的延伸方向与所述第一磁阻部的延伸方向呈夹角设置。

2.根据权利要求1所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述磁阻元件配置为：在工作于低外加磁场状态下，所述第一磁阻部形成指向第一磁化方向的第一磁区，所述第二磁阻部形成指向第二磁化方向的第二磁区，所述第一磁化方向与所述第二磁化方向呈夹角设置；在工作于高外加磁场状态下，所述磁阻元件形成指向主磁化方向的合并磁区。

3.根据权利要求2所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述第一磁化方向与所述主磁化方向的夹角为锐角；所述第一磁区包括第一中心区和第一边界区，所述第一中心区处磁化方向与所述主磁化方向的夹角，小于所述第一边界区处磁化方向与所述主磁化方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述第一磁阻部自所述磁阻元件的第一端向中间段延伸，所述第二磁阻部自所述中间段向所述磁阻元件的第二端延伸，所述主磁化方向自所述第一端指向所述第二端；

所述第一磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第一夹角为锐角，所述第二磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第二夹角为钝角。

5.根据权利要求4所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述磁阻元件还包括第三磁阻部，所述第一磁阻部自所述第一端向所述磁阻元件的第一中间段延伸，所述第三磁阻部自所述第一中间段向所述磁阻元件的第二中间段延伸，所述第二磁阻部自所述第二中间段向所述第二端延伸；

所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向平行。

6.根据权利要求4所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述磁阻元件还包括第三磁阻部和第四磁阻部，所述第一磁阻部自所述第一端向所述磁阻元件的第一中间段延伸，所述第三磁阻部自所述第一中间段向所述磁阻元件的第二中间段延伸，所述第四磁阻部自所述第二中间段向所述磁阻元件的第三中间段延伸，所述第二磁阻部自所述第三中间段向所述第二端延伸；

所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的夹角为钝角，所述第四磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的夹角为锐角。

7.根据权利要求4所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述磁阻元件还包括第三磁阻部、第四磁阻部和第五磁阻部，所述第一磁阻部自所述第一端向所述磁阻元件的第一中间段延伸，所述第四磁阻部自所述第一中间段向所述磁阻元件的第二中间段延伸，所述第三磁阻部自所述第二中间段向所述磁阻元件的第三中间段延伸，所述第五磁阻部自所述第三中间段向所述磁阻元件的第四中间段延伸，所述第二磁阻部自所述第四中间段向所述第二端延伸；

所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第三夹角为锐角，所述第五磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向的第五夹角为钝角。

8.根据权利要求7所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述第一夹角大于所述第三夹角，所述第五夹角大于所述第二夹角；所述第三磁阻部的延伸方向与所述主磁化方向平行。

9.根据权利要求4所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述中间段内周面一侧形成第一数量的转折角，所述中间段外周面一侧形成第二数量的转折角，所述第二数量大于等于所述第一数量。

10.根据权利要求4所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，磁场感测装置还包括设置于所述中间段处的导电体，所述导电体的电阻值小于所述磁阻元件的电阻值。

11.根据权利要求4所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，磁场感测装置还包括设置于所述第一端和所述第二端的连接体，所述连接体的截面配置为矩形、圆形、椭圆形、三角形或边数大于4的多边形。

12.根据权利要求1所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述高精度磁场感测装置包括由相互串联的若干磁阻元件组成的第一磁阻模块，以及由相互串联的若干磁阻元件组成的第二磁阻模块；所述第一磁阻模块包括第一磁阻元件和第二磁阻元件，所述第二磁阻模块包括第三磁阻元件和第四磁阻元件；所述第一磁阻元件的第一端和所述第四磁阻元件的第二端耦合至驱动电源，所述第一磁阻元件的第二端耦合至所述第二磁阻元件的第一端，所述第三磁阻元件的第二端耦合至所述第四磁阻元件的第一端，所述第二磁阻元件的第二端与所述第三磁阻元件的第一端耦合形成第一输出节点。

13.根据权利要求12所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述第一磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第一方向相互平行，所述第二磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第二方向相互平行，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

14.根据权利要求12所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述高精度磁场感测装置包括由相互串联的若干磁阻元件组成的第三磁阻模块，以及由相互串联的若干磁阻元件组成的第四磁阻模块；所述第三磁阻模块包括第五磁阻元件和第六磁阻元件，所述第四磁阻模块包括第七磁阻元件和第八磁阻元件；所述第五磁阻元件的第一端和所述第四磁阻元件的第二端耦合至驱动电源的第二供电端，所述第一磁阻元件的第一端和所述第八磁阻元件的第二端耦合至驱动电源的第一供电端，所述第五磁阻元件的第二端耦合至所述第六磁阻元件的第一端，所述第七磁阻元件的第二端耦合至所述第八磁阻元件的第一端，所述第六磁阻元件的第二端与所述第七磁阻元件的第一端耦合形成第二输出节点。

15.根据权利要求14所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述第三磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第一方向相互平行，所述第四磁阻模块中若干磁阻元件的主磁化方向沿第二方向相互平行。

16.一种运动传感器，其特征在于，包括权利要求1-17任一项所述的高精度磁场感测装置。

17.根据权利要求16所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述运动传感器包括第一磁场感测装置和第二磁场感测装置；所述第一磁场感测装置包括主磁化方向为第一方向的第一磁阻模块和第三磁阻模块，以及主磁化方向为第二方向的第二磁阻模块和第四磁阻模块，所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块、所述第三磁阻模块和所述第四磁阻模块依次连接形成全桥架构；所述第二磁场感测装置包括主磁化方向为第三方向的第五磁阻模块和第七磁阻模块，以及主磁化方向为第四方向的第六磁阻模块和第八磁阻模块，所述第五磁阻模块、所述第六磁阻模块、所述第七磁阻模块和所述第八磁阻模块依次连接形成全桥架构；

所述第一方向与所述第三方向呈夹角设置，所述第二方向与所述第四方向呈夹角设置。

18.根据权利要求17所述的高精度磁场感测装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向的夹角为90度，所述第三方向与所述第四方向的夹角为90度；所述第一方向与所述第三方向的夹角为45度，所述第二方向与所述第四方向的夹角为45度。