CN118226347A - 一种三轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供的三轴磁场传感器，其Z轴磁场转换结构为中空方形NiFe结构，在所述空心方形结构至少一组对边内侧包含Z轴磁场传感器，两组对边外侧分别包括一个X轴磁场传感器和Y轴磁场传感器。利用中空方形NiFe结构磁场转换作用和磁场屏蔽作用，配合MTJ磁阻的选择以及空间位置上布局实现同时测量X、Y、Z方向的磁场或/和Z方向磁场梯度，同时每个轴磁场传感器能够消除其他方向上磁场的干扰，提高测量精度。本发明提供的三轴磁场传感器抗干扰能力强，结构紧凑，工艺简单，制作成本低。

Description

一种三轴磁场传感器

技术领域

本申请涉及磁场测量技术或磁场的传感技术领域，特别涉及一种结构紧凑、抗干扰性好的三轴磁传感器。

背景技术

三轴磁场传感器常用于测量包括大小、方向在内空间磁场，其广泛应用在工业控制、车辆控制，航空航天以及电力系统等领域。

现有的三轴磁场传感器芯片通常在一块基底上分别设置三个磁阻区域用于测量X、Y、Z三个方向上的磁场。如公开号为CN103913709B的专利文件所提出的一种单芯片三轴磁场传感器及其制备方法。所述单芯片三轴磁场传感器，在位于XY平面内的基片上集成设置有X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，分别用于检测磁场在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上的分量以直接输出X、Y、Z三个方向的磁信号。其中，所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自均包含有一参考电桥和至少两个磁通量控制器，所述Z轴传感器则包含有一推挽电桥和至少一个磁通量控制器。

由于三个测量区域相互分开，X轴或Y轴的磁场测量区域至少需要单独设置两个磁通量控制器，导致现有的三轴磁场传感器芯片面积偏大，不利于应用在小型化设备或者安装空间有严格限制的场景中。另外，现有的三轴磁场传感器的Z轴传感器灵敏度偏低、且容易受外场通过磁通控制器产生的干扰场影响，若为三轴磁场传感器每个轴向传感器增设抗干扰设计，则会进一步增加芯片的面积以及电路或结构的复杂度。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种结构新颖紧凑、抗干扰能力强且有利于小型化的三轴磁场传感器。该三轴磁场传感器三个轴向的磁阻单元共用一个特殊的Z轴磁场转换结构，配合磁阻单元的空间布局和电路设计提高各轴向磁场传感器的抗干扰能力。该Z轴磁场转换结构同时起到Z轴磁场转换的作用以及XY平面磁场的屏蔽作用。

本发明提供的三轴磁场传感器实现为：

一种三轴磁场传感器，包括：在X-Y平面呈边长宽度均匀的中空矩形的Z轴磁场转换结构，若干内侧MTJ磁阻和若干外侧MTJ磁阻。

所述Z轴磁场转换结构在X-Y平面上的第一组对边平行于X轴、第二组对边平行于Y轴。

所述Z轴磁场转换结构中空矩形的每条边外侧、距离该条边第一距离的位置上设置若干MTJ磁阻，即外侧MTJ磁阻。所述Z轴磁场转换结构中空矩形的至少一组对边中每条边内侧、距离该条边相同距离的位置上均设置若干MTJ磁阻，即内侧MTJ磁阻。

所述中空矩形每组对边的外侧MTJ磁阻构成相邻两个桥臂灵敏系数相等、灵敏方向相反且零磁场电阻值相同的一个惠斯通全桥，即第一惠斯通全桥；每条边的所述外侧MTJ磁阻构成所述第一惠斯通全桥的一个半桥。所述至少一组对边的内侧MTJ磁阻构成桥臂灵敏系数相等且零磁场电阻值相同、同一半桥两个桥臂灵敏方向相反、不同半桥上桥臂或下桥臂灵敏方向相同的一个惠斯通全桥，即第二惠斯通全桥；所述至少一组对边中每条边的内侧MTJ磁阻构成所述第二惠斯通全桥的一个半桥。

由第一组对边的外侧MTJ磁阻构成的第一惠斯通全桥的Y轴磁场灵敏系数不为零，用于测量Y轴方向磁场；由第二组对边的外侧MTJ磁阻构成的第一惠斯通全桥的X轴磁场灵敏系数不为零，用于测量X轴方向磁场；所述第二惠斯通全桥的X轴磁场灵敏系数或Y轴磁场灵敏系数不为零，用于测量Z轴磁场或Z轴磁场梯度。

进一步地，所述用于测量Y轴方向磁场的第一惠斯通全桥，和所述用于测量X轴方向磁场的第一惠斯通全桥的灵敏系数可以相同，也可以不同。所述Z轴磁场转换结构采用包括NiFe在内的高磁导率的软磁材料制作。

进一步地，所述Z轴磁场转换结构中空矩形每条边内侧均设置灵敏方向与该条边垂直的若干MTJ磁阻，即内侧MTJ磁阻；每组对边的内侧MTJ磁阻桥臂灵敏系数相等且零磁场电阻值相同、同一半桥两个桥臂灵敏方向相反、不同半桥上桥臂或下桥臂灵敏方向相同的一个惠斯通全桥，即第二惠斯通全桥；每条边的内侧MTJ磁阻构成相应第二惠斯通全桥的一个半桥。所述Z轴磁场转换结构中空矩形两组对边对应的两个第二惠斯通全桥的输出信号，可以作为独立的两路Z轴磁场测量信号、也可以输入到加法器的两端进行叠加输出以增强Z轴磁场的测量信号。

优选地，所述Z轴磁场转换结构中空矩形第一组对边的每条边，或者第二组对边的每条边设置的外侧MTJ磁阻，包括：均匀设置有N个相同的第一外侧MTJ磁阻和M个相同的第二外侧MTJ磁阻，第一外侧MTJ磁阻和第二外侧MTJ磁阻的灵敏方向相反，N、M均为大于1的整数；N个相同的第一外侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联，M个相同的第二外侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联分别构成相应第一惠斯通全桥的一个桥臂；N、M的取值相同或不同。

优选地，所述Z轴磁场转换结构中空矩形第一组对边的每条边，或者第二组对边的每条边设置的内侧MTJ磁阻包括：均匀设置有J个相同的第一内侧MTJ磁阻和K个相同的第二内侧MTJ磁阻，第一内侧MTJ磁阻和第二内侧MTJ磁阻的灵敏方向相反，J、K均为大于1的整数；J个相同的第一内侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联，K个相同的第二内侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联分别构成相应第二惠斯通全桥的一个桥臂；J、K的取值相同或不同。

本发明提供的三轴磁场传感器采用中空方形结构的Z轴磁场转换结构，将X、Y、Z三个轴向的传感器的磁阻合理地分布在所述Z轴磁场转换结构的相应位置上并连接成惠斯通全桥的形式。该三轴磁场传感器充分利用了轴磁场转换结构的磁场转换作用和磁场屏蔽作用，不仅增强了各轴向磁场传感信号的输出幅度或抗干扰能力，还使三轴磁场传感器芯片的结构简洁紧凑、面积大为缩小。

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为本发明提供的三轴传感器在一个实施例中的示意图。

图2为图1中MTJ磁阻R1-R8之间的电路连接关系示意图。

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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，在一个实施例中，本发明提供的三轴磁场传感器100，包括：Z轴磁场转换结构101，以及MTJ磁阻R1-R16。

其中，MTJ磁阻R1-R8的X轴磁场灵敏系数不为零，MTJ磁阻R9-R16的Y轴磁场灵敏系数不为零Y。所述Z轴磁场转换结构101在X-Y平面呈边长宽度均匀的中空矩形，其在X-Y平面上的第一组对边平行于X轴、第二组对边平行于Y轴。所述Z轴磁场转换结构101可以采用包括NiFe在内的高磁导率的软磁材料制作。

所述Z轴磁场转换结构中空矩形的每条边外侧、距离该条边第一距离的位置上（或所述Z轴磁场转换结构对Z轴磁场的转化率相等的位置上，/>，其中，/>为MTJ磁阻Rn所在位置处有Z轴磁场/>转化为垂直于该条边方向上的磁场强度）设置若干MTJ磁阻，即外侧MTJ磁阻。如图1所示，所述Z轴磁场转换结构101中空矩形的每条边外侧设置两个外侧MTJ磁阻（即图1中MTJ磁阻R1-R4、R9-R12）。

所述Z轴磁场转换结构101中空矩形的至少一组对边中每条边内侧、距离该条边相同距离的位置上（或所述Z轴磁场转换结构对Z轴磁场的转化率相等的位置上，，其中，/>为MTJ磁阻Rn所在位置处有Z轴磁场/>转化为垂直于该条边方向上的磁场强度）均设置若干MTJ磁阻，即内侧MTJ磁阻（如图1中MTJ磁阻R5-R8、R13-16）。

所述中空矩形每组对边的外侧MTJ磁阻构成相邻两个桥臂灵敏系数相等、灵敏方向相反且零磁场电阻值相同的一个惠斯通全桥，即第一惠斯通全桥；每条边的所述外侧MTJ磁阻构成所述第一惠斯通全桥的一个半桥。所述至少一组对边的内侧MTJ磁阻构成桥臂灵敏系数相等且零磁场电阻值相同、同一半桥两个桥臂灵敏方向相反、不同半桥上桥臂或下桥臂灵敏方向相同的一个惠斯通全桥，即第二惠斯通全桥；所述至少一组对边中每条边的内侧MTJ磁阻构成所述第二惠斯通全桥的一个半桥。

如图1所示，外侧MTJ磁阻R1-R4构成一个第一惠斯通全桥，外侧MTJ磁阻R9-R12构成另一个第一惠斯通全桥，其中，每个外侧MTJ磁阻分布在第一惠斯通全桥的一个桥臂上，MTJ磁阻R1、R2构成一个半桥，磁阻R3、R4构成一个半桥，磁阻R9、R10构成一个半桥，磁阻R11、R12构成一个半桥。内侧MTJ磁阻R5-R8构成一个第二惠斯通全桥，其中，每个内侧MTJ磁阻分布在第二惠斯通全桥的一个桥臂上，MTJ磁阻R5、R6构成一个半桥，磁阻R7、R8构成一个半桥。MTJ磁阻R1-R4构成的第一惠斯电桥，以及MTJ磁阻R5-R8构成的第二惠斯通电桥，如图2所示。

为方便计算,假定在图1所示的实施例中所有MTJ磁阻的零磁场电阻均为,每个外侧磁阻的位置上感受到的由Z轴磁场转化的X轴磁场强度均为/>，/>，/>为任一个外侧MTJ磁阻Rn所在位置处有Z轴磁场/>转化的X轴磁场强度；k为每个外侧MTJ磁阻的灵敏系数的大小，/>为X方向上的待测磁场强度,/>为第一惠斯通电桥的供电电压。则由外侧MTJ磁阻R1-R4的电阻值/>、/>、/>、/>分别为：

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则图2中第一惠斯通电桥的两个输出端的电压：

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则图2中第一惠斯通全桥的感测输出信号不含有分量：

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对应地，假定在图1所示的实施例中所有内侧MTJ磁阻的零磁场电阻均为,每个内侧磁阻的位置上感受到的由Z轴磁场转化的X轴磁场强度均为/>，/>，/>为任一个内侧MTJ磁阻Rn所在位置处有Z轴磁场/>转化的X轴磁场强度；k为每个外侧MTJ磁阻的灵敏系数的大小，/>为X方向上的待测磁场强度,/>为第二惠斯通电桥的供电电压。构成第二惠斯通全桥的由内侧MTJ磁阻R5-R8的电阻值/>、/>、/>、/>分别为：

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则图2中第二惠斯通电桥的两个输出端的电压：

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；

则图2中第二惠斯通全桥的感测输出信号不含有分量：

。

上述第一、第二惠斯通电桥分别实现了X、Z双轴输出，输出信号中不受其他方向干扰场影响。类似地，对由外侧MTJ磁阻R9-R12构成的另一第一惠斯通全桥，和由内侧MTJ磁阻R13-R16构成的第二惠斯通全桥进行分析，同样可以实现Y、Z双轴输出。

本发明提供的三轴磁场传感器将传统的三轴感测区域集成为同一个区域，有效的节省的芯片的设计面积，有利于小型化使用。

显然，图1中每个上述MTJ磁阻除了可以是一个物理实体MTJ磁阻以外，还可以是由若干物理实体MTJ磁阻串联、并联或者串并联构成的一个等效的“MTJ磁阻”。即图1只是本发明的一个实施例，在其他实施例中，本发明的技术方案每个惠斯通全桥的一个桥臂上可以由若干MTJ磁阻进行串联、并联或串并联构成。要同时实现X、Y、Z轴上的磁场传感结构具有抗干扰功能，还需要满足条件------“由第一组对边的外侧MTJ磁阻构成的第一惠斯通全桥的Y轴磁场灵敏系数不为零，用于测量Y轴方向磁场；由第二组对边的外侧MTJ磁阻构成的第一惠斯通全桥的X轴磁场灵敏系数不为零，用于测量X轴方向磁场；所述第二惠斯通全桥的X轴磁场灵敏系数或Y轴磁场灵敏系数不为零”。

优选地，所述Z轴磁场转换结构中空矩形第一组对边的每条边，或者第二组对边的每条边设置的外侧MTJ磁阻，包括：均匀设置有N个相同的第一外侧MTJ磁阻和M个相同的第二外侧MTJ磁阻，第一外侧MTJ磁阻和第二外侧MTJ磁阻的灵敏方向相反，N、M均为大于1的整数；N个相同的第一外侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联，M个相同的第二外侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联分别构成相应第一惠斯通全桥的一个桥臂；N、M的取值相同或不同。

优选地，所述Z轴磁场转换结构中空矩形第一组对边的每条边，或者第二组对边的每条边设置的内侧MTJ磁阻包括：均匀设置有J个相同的第一内侧MTJ磁阻和K个相同的第二内侧MTJ磁阻，第一内侧MTJ磁阻和第二内侧MTJ磁阻的灵敏方向相反，J、K均为大于1的整数；J个相同的第一内侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联，K个相同的第二内侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联分别构成相应第二惠斯通全桥的一个桥臂；J、K的取值相同或不同。

进一步地，因为两个第一惠斯通电桥分别用于测量X轴、Y轴方向的磁场、两者相互独立，所以所述用于测量Y轴方向磁场的第一惠斯通全桥，和所述用于测量X轴方向磁场的第一惠斯通全桥的灵敏系数可以相同，也可以不同。

进一步地，所述Z轴磁场转换结构中空矩形每条边内侧均设置灵敏方向与该条边垂直的若干MTJ磁阻，即内侧MTJ磁阻；每组对边的内侧MTJ磁阻构成桥臂灵敏系数相等且零磁场电阻值相同、同一半桥两个桥臂灵敏方向相反、不同半桥上桥臂或下桥臂灵敏方向相同的一个第二惠斯通全桥，每条边的内侧MTJ磁阻构成相应第二惠斯通全桥的一个半桥。即所述三轴磁场传感器中可以包括两个独立地对Z轴磁场进行测量的第二惠斯通全桥。

上述两个第二惠斯通全桥可以互为冗余、独立输出Z轴磁场感测信号，也可以相互叠加以增强Z轴磁场感测信号的幅度。即所述Z轴磁场转换结构中空矩形两组对边对应的两个第二惠斯通全桥的输出信号，可以作为独立的两路Z轴磁场测量信号、也可以输入到加法器的两端进行叠加输出。如图1所示，内侧MTJ磁阻R13-R16构成另一个第二惠斯通电桥，其Y轴磁场灵敏系数不为零。

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 (8)

1.一种三轴磁场传感器，其特征在于，所述三轴磁场传感器，包括：在X-Y平面呈边长宽度均匀的中空矩形的Z轴磁场转换结构，若干内侧MTJ磁阻和若干外侧MTJ磁阻；

所述Z轴磁场转换结构在X-Y平面上的第一组对边平行于X轴、第二组对边平行于Y轴，所述中空矩形在Z轴方向上高于所有的内侧MTJ磁阻和外侧MTJ磁阻；

所述Z轴磁场转换结构中空矩形的每条边外侧、距离该条边第一距离的位置上设置若干MTJ磁阻，即外侧MTJ磁阻；所述Z轴磁场转换结构中空矩形的至少一组对边中每条边内侧、距离该条边相同距离的位置上均设置若干MTJ磁阻，即内侧MTJ磁阻；

所述中空矩形每组对边的外侧MTJ磁阻构成相邻两个桥臂灵敏系数相等、灵敏方向相反且零磁场电阻值相同的一个惠斯通全桥，即第一惠斯通全桥；每条边的所述外侧MTJ磁阻构成所述第一惠斯通全桥的一个半桥；所述至少一组对边的内侧MTJ磁阻构成桥臂灵敏系数相等且零磁场电阻值相同、同一半桥两个桥臂灵敏方向相反、不同半桥上桥臂或下桥臂灵敏方向相同的一个惠斯通全桥，即第二惠斯通全桥；所述至少一组对边中每条边的内侧MTJ磁阻构成所述第二惠斯通全桥的一个半桥；

由第一组对边的外侧MTJ磁阻构成的第一惠斯通全桥的Y轴磁场灵敏系数不为零，用于测量Y轴方向磁场；由第二组对边的外侧MTJ磁阻构成的第一惠斯通全桥的X轴磁场灵敏系数不为零，用于测量X轴方向磁场；所述第二惠斯通全桥的X轴磁场灵敏系数或Y轴磁场灵敏系数不为零，用于测量Z轴磁场。

2.如权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场转换结构中空矩形每条边内侧均设置灵敏方向与该条边垂直的若干MTJ磁阻，即内侧MTJ磁阻；每组对边的内侧MTJ磁阻桥臂灵敏系数相等且零磁场电阻值相同、同一半桥两个桥臂灵敏方向相反、不同半桥上桥臂或下桥臂灵敏方向相同的一个惠斯通全桥，即第二惠斯通全桥，每条边的内侧MTJ磁阻构成相应第二惠斯通全桥的一个半桥。

3.如权利要求1或2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述用于测量Y轴方向磁场的第一惠斯通全桥，和所述用于测量X轴方向磁场的第一惠斯通全桥的灵敏系数相同或不同。

4.如权利要求1或2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场转换结构中空矩形第一组对边的每条边，或者第二组对边的每条边设置的外侧MTJ磁阻包括：均匀设置有N个相同的第一外侧MTJ磁阻和M个相同的第二外侧MTJ磁阻，第一外侧MTJ磁阻和第二外侧MTJ磁阻的灵敏方向相反，N、M均为大于1的整数；N个相同的第一外侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联，M个相同的第二外侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联分别构成相应第一惠斯通全桥的一个桥臂；N、M的取值相同或不同。

5.如权利要求1或2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场转换结构中空矩形第一组对边的每条边，或者第二组对边的每条边设置的内侧MTJ磁阻包括：均匀设置有J个相同的第一内侧MTJ磁阻和K个相同的第二内侧MTJ磁阻，第一内侧MTJ磁阻和第二内侧MTJ磁阻的灵敏方向相反，J、K均为大于1的整数；J个相同的第一内侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联，K个相同的第二内侧MTJ磁阻相互串联、并联或串并联分别构成相应第二惠斯通全桥的一个桥臂；J、K的取值相同或不同。

6.如权利要求1或2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场转换结构采用包括NiFe在内的高磁导率的软磁材料制作。

7.如权利要求2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述Z轴磁场转换结构中空矩形两组对边对应的两个第二惠斯通全桥的输出信号，作为独立的两路Z轴磁场测量信号、或输入到加法器的两端进行叠加输出。

8.如权利要求1或2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，所述MTJ磁阻为XMR磁阻，所述XMR至少包括TMR，AMR，GMR。