CN117872235B - 一种z轴磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Z轴磁场传感器，包括至少一个Z轴磁感应单元。该Z轴磁感应单元，包括：在基板所在平面成对称环形的磁通聚集器，串联或并联的2N个磁阻单元，N为正整数。磁阻单元均匀地分布在所述磁通聚集器的环形内侧、邻近所述磁通聚集器的部分内侧边缘。2N个磁阻单元的灵敏方向统一朝向磁通聚集器的环形内侧或外侧、均垂直磁通聚集器某一内侧边缘分段的切线方向。2N个磁阻单元分为N个磁感应对，同一个磁感应对的两个磁阻单元的灵敏系数相同、灵敏方向相反，且所在位置的Z轴磁场的转换磁场大小相同、方向相反。本发明的Z轴磁场传感器结合磁通聚集器设计和磁阻单元位置布局、连接方式，具有良好的抗水平磁场干扰的能力、灵敏度和准确度。
Description
技术领域
本申请涉及磁传感器设计、制造领域，具体涉及一种Z轴磁场传感器。
背景技术
现有的Z轴磁场传感器通常在采用磁场转换部件的基础上，或者通过设置屏蔽层（例如设置在传感器结构的底部、顶部）屏蔽X-Y平面的干扰磁场的影响，又或者通过将灵敏方向相反的磁阻单元设置在相邻的桥臂上构成桥式电路以抵消X-Y平面的干扰磁场的影响。
如图1所示的Z轴磁场传感器10，其中，13（132）、13（131)为镍铁屏蔽层用于屏蔽X-Y平面的干扰磁场的影响，11（111）为磁场转换结构，用于将Z轴方向的磁场转换成X-Y平面的测量磁场，12（120）为设置在磁场转换结构两侧的磁阻单元。为了获取较大的灵敏度，实际制作过程中需要在磁场转换单元设置相当数量的磁阻单元，并且以复杂的电路连接关系形成桥式电路。显然，由于侧面没有屏蔽层，仍然需要结合磁阻的灵敏方向、灵敏系数以及空间位置限制设置桥式电路以消除干扰，而且为了提高Z轴磁场传感器的灵敏度，就需要增大磁阻传感器，磁场转换单元的规模， 磁阻单元间的电路连接关系复杂、NiFe材料和磁阻单元交错布置，导致制作工艺复杂。
发明内容
为了解决现有Z轴磁场传感器存在的上述不足，提高灵敏度（或者输出信号幅度），进一步降低X-Y平面磁场的干扰同时，简化Z轴磁场传感器的制作工艺，本发明提供一种抗干扰能力强，测量精度和灵敏度均高的Z轴磁场传感器。
本发明提供的技术方案实现为：
一种Z轴磁场传感器，所述Z轴磁场传感器包括至少一个Z轴磁感应单元。所述Z轴磁感应单元，包括：在基板所在平面形成对称环形、高度高于磁阻单元上表面的磁通聚集器，和以串联或并联的方式连接的2N个磁阻单元，N为正整数；
所述2N个磁阻单元设置在所述基板上、均匀地分布在所述磁通聚集器的环形内侧，邻近于所述磁通聚集器的部分内侧边缘；
所述2N个磁阻单元的灵敏方向统一朝向磁通聚集器的环形内侧或外侧，每个所述磁阻单元的灵敏方向均垂直所述磁通聚集器某一内侧边缘分段的切线方向；所述2N个磁阻单元划分为N个磁感应对，同一个磁感应对的两个磁阻单元的灵敏系数相同、且灵敏方向相反，且所在位置处Z轴磁场的转换磁场大小相同、方向相反。所述磁阻单元可以是包括AMR，GMR，TMR在内的任一种XMR。
优选地，所述磁通聚集器呈矩形环，以所述矩形环磁通聚集器的相邻两边分别作为X轴、Y轴，所述磁通聚集器具有两条分别平行于所述X轴方向、Y轴方向的对称轴；同一个所述磁感应对的两个磁阻单元的位置关于所述磁通聚集器的至少一条对称轴的对称。或者，所述磁通聚集器呈圆环形，同一个所述磁感应对的两个磁阻单元位于所述磁通聚集器的同一条直径上。
进一步地，所述Z轴磁场传感器为由若干所述Z轴磁感应单元构成的桥式电路；每个桥臂均包括一个所述Z轴磁感应单元，相邻两个桥臂上的两个所述Z轴磁感应单元在对应所述磁通聚集器环形内侧相同位置上的磁阻单元的灵敏方向相反。由于每个Z轴磁感应单元在制作上均相对独立，且磁阻的设置、连接关系单一，大大降低了Z轴磁场传感器的制作难度，能够便捷地提高Z轴磁场传感器的测量精度和灵敏度。
为了提高Z轴磁感应单元的灵敏度，进一步地，所述磁通聚集器底部向内侧延伸，所述磁通聚集器分段的横截面呈L型。这样设置可以在磁通聚集器底部形成磁场导向结构以将转换后的Z轴磁场更好地导向到磁阻单元，减少其他方向的漏磁。所述磁通聚集器采用高磁导率的软磁材料制作，例如，NiFe。
本发明提供的Z轴磁场传感器，采用双重抗干扰措施，不仅抗干扰能力强，检测精度高、灵敏度高；而且，其中的Z轴磁感应单元制作工艺简单、电路连接关系单一，易于装配（既可以单独作为一个传感器使用，也能方便地作为一个桥臂构成桥式检测电路）。
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为现有的Z轴磁场传感器的结构示意图。
图2为本发明提供的Z轴磁场传感器中的Z轴磁感应单元在一个实施例中的示意图。
图3为本发明提供的Z轴磁场传感器中的Z轴磁感应单元在另一个实施例中的示意图。
图4为本发明提供的Z轴磁场传感器在一个实施例中的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
本发明提供的Z轴磁场传感器包括至少一个Z轴磁感应单元。所述Z轴磁场传感器，包括至少一个Z轴磁感应单元；所述Z轴磁感应单元包括：在基板所在平面形成对称环形、高度高于磁阻单元上表面的磁通聚集器，和以串联或并联的方式连接的2N个磁阻单元，N为正整数；
所述2N个磁阻单元设置在所述基板上、均匀地分布在所述磁通聚集器的环形内侧，邻近于所述磁通聚集器的部分内侧边缘；
所述2N个磁阻单元的灵敏方向统一朝向磁通聚集器的环形内侧或外侧，每个所述磁阻单元的灵敏方向均垂直所述磁通聚集器某一内侧边缘分段的切线方向；所述2N个磁阻单元划分为N个磁感应对，同一个磁感应对的两个磁阻单元的灵敏系数相同、且灵敏方向相反，且所在位置处Z轴磁场的转换磁场大小相同、方向相反。
进一步地，所述磁阻单元可以是包括AMR，GMR，TMR在内的任一种XMR。所述磁通聚集器采用高磁导率的软磁材料制作，例如，NiFe。
本发明提供的Z轴磁场传感器中的磁通聚集器，不仅用于将Z轴的磁场转换成X-Y平面（以基板所在平面为X-Y平面）的磁场以便磁阻单元测量，同时还起到屏蔽X-Y平面磁场的作用。通过将同一个磁感应对的两个磁阻单元设置为灵敏系数相同、灵敏方向相反，且位置关于所述磁通聚集器的至少一条对称轴对称，进一步消除穿透磁通聚集器抵达环形内侧的X-Y平面方向部分磁场对测量的干扰。
如图2所示的实施例中，本发明提供的Z轴磁场传感器中的Z轴磁感应单元100，包括:矩形环磁通聚集器101，以及设置矩形环磁通聚集器101内侧、通过串联（或并联）连接的8个磁阻单元R1-R8；所述矩形环磁通聚集器101高于磁阻单元上表面。磁阻单元R1-R8的灵敏方向统一朝向磁通聚集器的环形内侧或外侧（图2未示意磁阻单元灵敏方向统一朝向磁通聚集器外侧的情况），灵敏方向均垂直于其最接近的所述矩形环磁通聚集器的一条边。
以所述矩形环磁通聚集器101的相邻两边分别作为X轴、Y轴，所述磁通聚集器101的两条相互垂直的对称轴分别平行于所述X轴方向、Y轴方向。在该实施例中磁阻单元R1、R6的灵敏系数相同、灵敏方向相反，构成一个磁感应对。同样，R2和R5，R3和R8，R4和R7分别构成一个磁感应对。同一个所述磁感应对的两个磁阻单元的位置关于所述两条对称轴中的一条的对称。
在图3所示的另一个实施例中，本发明提供的Z轴磁场传感器中的Z轴磁感应单元200，包括:圆环形的磁通聚集器201，以及设置在磁通聚集器201内侧、通过串联（或并联）连接的8个磁阻单元R21-R28。
同样，磁阻单元R21和R25、R22和R26、R23和R27、R24和R28的灵敏方向相反、灵敏系数相同分别构成一个磁感应对。同一个所述磁感应对的两个磁阻单元位于所示磁通聚集器201的一条直径上。
磁阻单元R21-R28的灵敏方向统一朝向磁通聚集器201的环形内侧或外侧（图3未示意磁阻单元灵敏方向统一朝向磁通聚集器201的内侧的情况），每个所述磁阻单元的灵敏方向均在对应磁感应对所在直径的方向上。
进一步地，在部分实施例中，采用若干磁感应单元构成桥式Z轴磁场传感器。如图4所示，其中的Z轴磁场传感器300为由若干所述Z轴磁感应单元30构成的桥式电路。其每个桥臂均包括一个所述Z轴磁感应单元，相邻两个桥臂上的两个所述Z轴磁感应单元在对应所述磁通聚集器301环形内侧相同位置上的磁阻单元的灵敏方向相反。由于每个Z轴磁感应单元在制作上均相对独立，且磁阻的设置、连接关系单一，大大降低了Z轴磁场传感器的制作难度，能够便捷地提高Z轴磁场传感器的测量精度和灵敏度。
在图4所示的实施例中，所述Z轴磁场传感器还包括一个包绕所有磁感应单元30的磁通聚集器302。
优选地，所述磁通聚集器设置为底部向内侧延伸，以致磁通聚集器分段的横截面呈L型。如此设置，在磁通聚集器底部形成磁场导向结构以将转换后的Z轴磁场更好地导向到磁阻单元，减少其他方向的漏磁，提高Z轴磁感应单元的灵敏度。
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 (7)
1.一种Z轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场传感器，包括至少一个Z轴磁感应单元；所述Z轴磁感应单元包括：在基板所在平面形成对称环形、高度高于磁阻单元上表面的磁通聚集器，和以串联或并联的方式连接的2N个磁阻单元，N为正整数；
所述2N个磁阻单元设置在所述基板上、均匀地分布在所述磁通聚集器的环形内侧，邻近于所述磁通聚集器的部分内侧边缘；
所述2N个磁阻单元的灵敏方向统一朝向磁通聚集器的环形内侧或外侧，每个所述磁阻单元的灵敏方向均垂直所述磁通聚集器某一内侧边缘分段的切线方向；所述2N个磁阻单元划分为N个磁感应对，同一个磁感应对的两个磁阻单元的灵敏系数相同、且灵敏方向相反，且所在位置处Z轴磁场的转换磁场大小相同、方向相反。
2.如权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通聚集器呈矩形环，以所述矩形环的相邻两边分别作为X轴、Y轴，所述所述磁通聚集器存在分别平行于所述X轴方向、Y轴方向的两条对称轴；同一个所述磁感应对的两个磁阻单元的位置关于所述磁通聚集器的至少一条对称轴的对称。
3.如权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通聚集器呈圆环形，同一个所述磁感应对的两个磁阻单元位于所述磁通聚集器的同一条直径上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场传感器为由若干所述Z轴磁感应单元构成的桥式电路；每个桥臂均包括一个所述Z轴磁感应单元，相邻两个桥臂上的两个所述Z轴磁感应单元在对应所述磁通聚集器环形内侧相同位置上的磁阻单元的灵敏方向相反。
5.如权利要求4所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通聚集器底部向内侧延伸，所述磁通聚集器分段的横截面呈L型。
6.如权利要求1或5所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁通聚集器采用高磁导率的软磁材料制作。
7.如权利要求1所述的Z轴磁场传感器，其特征在于，所述磁阻单元为包括AMR，GMR，TMR在内的任一种XMR。
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