CN1274853A - 形成在半导体基片上的磁传感器 - Google Patents
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Abstract
平面磁传感器,具体通过CMOS工艺在例如为平行六面体形的半导体基片(1)上制成。其包括非晶态的铁磁芯(10),该铁磁芯的形状是占有由励磁线圈(9)的外部轮廓(90)限定的正方形两条对角线的四臂长度相等的十字架形状。该励磁线圈以正方形的平面线圈的形式制成。因此,可通过串联和差动连接的平面检测线圈(70、80和71、81)来测量外部待测磁场(Hext)的两个正交分量(H1、H2)。
Description
本发明涉及一种基本上是平面的尤其是在集成电路上制成的磁传感器，该磁传感器是磁选通器类型并且通常是打算装配成用于检测在平面中值非常低的磁场的磁力计，例如在医学应用中。该磁力计最好是使用CMOS工艺制造，并且与其相关的电路集成在制造该传感器的基片上。
可以将1997年在波兰的“Euro Sensors X1”会议上出现的Swiss FederalInstitute of Technology of Lausanne(瑞士)的Messrs.L.Chiesi，J.A.Flaganan，B.Jannosy，和R.S.Poponic的出版物“Integrated Planar Fluxgate Sensor WithAmorphous Metal Core”引证为现有技术的状态。
该出版物描述了一种集成在硅基片上的平面磁微传感器，如附图1所示作为已有技术的图解。
如图1所示，该磁传感器或“磁选通器”传感器通过CMOS集成工艺在由平行六面体形状的极板所形成的硅微型基片1或“硅芯片”上所制造。
该微传感器集成在平行六面体基片1的大的顶部表面2上，平行六面体基片1相对于待测的外部磁场Hext定位，使得大平面2实际上和外部磁场Hext是共面的。
实际的磁传感器包括非晶态金属材料的金属片3，通过分别焊接在片3的每个末端的两根铝导线5、6所传导的励磁电流可流经该金属片。该励磁电流是具有频率为f的三角形交流电流，其将产生具有相同频率的磁场，由于非晶态的铁磁磁芯片3的B-H(磁通量-磁场)曲线的非线性特征，其周期性地使铁磁材料3饱和。
该传感器包括两个共面检测线圈7和8，将它们串联地和相对地安装，也就是按差动连接，将它们分别安放在非晶态的铁磁片或磁芯3的一个末端，在此它们每一个都可在各自的末端测量漏磁场。
由于非晶态的铁磁磁芯3的非线性导磁，通过每个线圈7或8所检测的电压包括励磁频率f的谐波，仅对其中的偶数谐波感兴趣因为它们和外部待测磁场Hext是成比例的。因此，通常在2f频率上进行检测。
这个已知的装置具有缺点，一方面在不改变传感器的相关位置时，不能沿着两个正交方向检测外部磁场Hext，另一方面还缺乏灵敏度。此外它的输出电压取决于励磁电流的频率并且电流消耗相对较高。
本发明的一个目的在于提供一种类似图1所示传感器的磁传感器，但是其不具有上述缺点并且极大改善了其自身的性能，具体为具有较低的电流消耗和能够检测强度非常低的外部待测磁场Hext和沿两个正交方向检测磁场。
因此本发明涉及一种在半导体基片上制成的基本上是平面的磁传感器，该传感器包括：
一个或多个基本上是平面的并在基片的大平面表面上制成的磁芯；
至少一个励磁电路；和
通过也是在这个基片大表面上制成的至少两个平面检测线圈形成的至少一个检测电路，其特征在于，所说励磁电路是通过外部形状基本上是正方形的单个平面线圈形成的，和所说一个或多个磁芯是长臂形磁芯，以四臂长度相等的十字架(Greek Cross)形式沿着由所说平面励磁线圈的外部轮廓限定的几何正方形的两个对角线放置。
根据优选实施例，只有一个所说磁芯，并且其是整体的并具有沿所说对角线布置的四臂长度相等的十字架形状。在这种情况下，最好是通过四个检测线圈来形成检测电路，这四个检测线圈分别安放在整体的四臂长度相等的十字架形状的所说磁芯的四个自由端处。最好是，形成一个或多个磁芯的材料是非晶态的。
通过参照示意图对两个非限制性实施例的以下描述，可更清楚地了解本发明，并且显示其优点和其他特征：
图1，已描述过，显示已有技术中的磁微传感器；
图2是根据本发明的磁微传感器的优选实施例的部件分解透视图；
图3是限于磁芯及其励磁线圈的部件分解图，显示磁芯四个半臂中每一个的励磁场方向；
图4是解释传感器操作的时间图表；
图5是与四臂长度相等的十字架形芯的两臂中的一个相关的励磁和检测电路的简要电子图；
图6说明的是传感器的另一个实施例；和
图7说明的是根据对尤其是安装在图6中的磁传感器中的非晶态的磁棒所给出的椭圆体形的一种变型的优点。
在图2中，平行六面体形的基片，类似于前面描述的图1中的已有技术传感器的，并且由附图标记1所指定。该基片包括，通过CMOS集成在其大的顶部表面2上制成，电路与磁传感器组合来制造完整的磁力计，图中没有显示该集成电子电路。
该传感器包括平面的并在基片1的表面2上制成的励磁线圈9，该线圈9具有通过外圈90形成的基本上是正方形的外部轮廓。励磁线圈9的其它圈91到94与外圈90是同心的，也是方形的并且如图所示其尺寸是递减的。
铁磁芯10通常是通过焊接制造在励磁线圈9上，所说磁芯由非晶态的的磁材料形成，与图1中的已有装置的情形一样，通常是由商业上可利用的非晶态的铁磁金属片形成。
但是，根据本发明，铁磁芯10具有四臂长度相等的十字架形状，该形状与由励磁线圈9的外圈90所定义的正方形，也就是线圈所定义的几何正方形的两条正交对角线一致。
因此可以测量外部磁场Hext的两个正交分量H1和H2，这两个分量分别由沿磁芯10的两个臂101和102表示。然后通过磁芯10的臂101对分量H1进行测量，同时通过其正交臂102对分量H2进行测量。
在此通过两对共面的检测线圈进行的检测，也就是：
第一对平面检测线圈70、80，同样通过CMOS工艺制成在基片1的表面2上和平面励磁线圈9的下面，这两个检测线圈以串联和差动的方式连接，并且分别安置在磁芯10的臂102的两个自由末端的下面。因此该第一对线圈70、80具有检测外部磁场Hext的分量H2的作用。
第二对检测线圈71、81，与70、80两线圈一样，这两个检测线圈同样以串联和差动的方式连接，并且分别安置在磁芯10的臂101的两个自由末端下面。因此该第二对线圈71、81具有检测外部磁场Hext的分量H1的作用。
图3显示的是励磁线圈9和励磁电流Iexc的方向，后者由交替的负和正脉冲形成并具有所给出1/8级概念的低占空度，并且该图显示接下来在磁芯10的每一个半臂101A、101B、102A、102B中产生的磁性励磁场Hexc的方向。
由此可见，在磁芯10同一个臂101的每个半臂101A、101B中，由励磁电流Iexc所产生的励磁场Hexc处于相反的方向。
结果是，在磁芯10的每个臂101、102中，外部待测磁场Hext面对等于臂长总和的磁芯长度，而励磁场Hexc仅面对等于所说臂长一半的磁芯长度。因此，外部磁场面对当量导磁性大于励磁场的铁磁芯，其最终将极大地提高传感器的灵敏度。
图4显示传感器的操作原理，该传感器用于磁芯10两臂中的一个，也就是用于外部待测磁场Hext的两个分量H1或H2的测量。
该图的左半部分用时间t的函数显示，具有四条曲线的第一列I，这四条曲线表示的是：例如磁芯臂101中的励磁场Hexc的变化，对应的励磁磁通量Φexc的变化，在两个相应检测线圈71和81中的感应电压Vi的变化，和来自这两个线圈组合的输出电压VS，该第一列曲线I是在缺少外部待测磁场Hext的情况下绘制的。
同样地，这个图的右半部分是具有同样四条曲线的第二列II，但是这次是在有外部待测磁场Hext的情况下。
曲线I列显示，与磁芯的臂101的半臂101A和101B相应的励磁场、励磁磁通量Φexc和感应电压Vi是相等的并且具有相反的信号。在串联和差动安装的两个检测线圈71及81的输出处获得的输出电压VS在没有外部待测磁场Hext的情况下是零。
相反地，在有外部待测磁场Hext的情况下，根据曲线II列，曲线Hexc(t)向顶部偏移，导致在两个感应电压Vi之间缺乏对称性，并因此输出电压VS不是零并且由一连串的交替的正或负脉冲形成。然后将这些脉冲整流和滤波以得到直流测量电压，如参见图5所示，图5是与传感器的磁芯10的一个臂(例如臂101)组合的电路的示意和原理方框图。
如图5所示，使用具有频率f0并提供脉冲11的外部触发的时钟脉冲Clk。
这些脉冲11施加给提供几个交互式周期信号的频率分频器电路12，也就是：
在第一输出13处两个具有f频率(例如等于125Khz)的相位周期性变化的第一信号；
在第二输出14处两个具有2f频率的相位周期性变化的第二II信号；
在第三输出15处两个具有2f频率的相位周期性变化的第三II信号。
将第一组的两个信号作用给微调和定形电路16，该电路在其输出17中将具有相对低的如1/8占空度的交互式励磁电流18提供给励磁线圈9。电流18的占空度由第一组两个信号相位的转换来确定。优选的是，将电路16安排成使得脉冲的宽度等于第一组的两个信号的暂时的相位转换。
在两个线圈71、81的组合的输出处，一个具有周期性脉冲的感应信号19，施加给整流器电路20，通过电路140以频率2f控制整流器20在其的输出22处获得整流信号21。注意即使是f频率的谐波也是同步检测。
然后该整流信号21在低通滤波器23中滤波，通过电路150以2f频率控制使得整流信号21的感应脉冲基本上是有效的。然后在放大器24中将已滤波的信号放大以在传感器的输出S处得到最终的直流测量电压25。
刚才已描述的优选实施例的范围并不构成对本发明的限制的。
因此，作为示例，图6给出该传感器的一个变形实施例，其中非晶态的铁磁芯没有象前面一样都以一个四臂长度相等的十字架形式形成，而是以分离的直线形的半臂101A、101B、102A、102B的方式形成，并且如图所示，这四个半臂如前面所描述的那样沿由励磁线圈9定义的正方形的对角线布置。
在这种情况下，四个检测线圈70、71、80、81重新分别安放在四个磁芯元件101A、101B、102A、102B的外部自由末端的下面，但是另外四个检测线圈73、72、82、83分别安放在这四个磁芯元件的内部自由末端的下面。
最后，图7显示通过用也是长臂形的、但是椭圆体形而不是六面体形的元件替换每个直线磁芯元件(例如棒101)的优点，也是已知的。如磁力线26清楚的显示，在这两种情况中椭圆体棒的情况下可观测到这些磁力线具有更加明显的均匀性。
Claims (12)
1.在半导体基片(1)上制成的基本上是平面的磁传感器，该传感器包括：
至少一个基本上是平面的并在所说基片(1)的大平面表面(2)上制成的磁芯(10)；
至少一个励磁电路(9)；和
至少一个检测电路，通过也是在所说基片(1)的大表面(2)上制成的至少两个平面检测线圈(70、80、71、81)形成，其特征在于，所说励磁电路通过外部形状基本上是正方形的单个平面线圈(9)形成，和所说一个或多个磁芯(10、101A、101B、102A、102B)是长臂形磁芯，以四臂长度相等的十字架形式沿着由所说平面励磁线圈(9)的外部轮廓(90)限定的几何正方形的两个对角线布置。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所说磁芯(10)是单个整体线圈，并且具有沿所说对角线布置成四臂长度相等的十字架形状。
3.根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，通过四个检测线圈(70、80、71、81)来形成检测电路，这四个检测线圈分别安放在具有整体四臂长度相等的十字架形状的所说磁芯(10)的四个自由端处。
4.根据权利要求1到3中任何一个所述的磁传感器，其特征在于，分别安放在所说正方形(90)一条对角线上的一个或多个磁芯(101、102)都伴随有检测线圈(70、80；71、81)和电子测量电路(20、23、24)，它们分别与外部待测磁场(Hext)的正交分量(H1；H2)中的一个的测量有关。
5.根据权利要求4所述的磁传感器，其特征在于，组合在同一条对角线(102)上的检测线圈(70、80)以串联和差动方式安装。
6.根据前述权利要求中任何一个所述的磁传感器，其特征在于，还包括电子控制电路(15、16)，用于精整由一列交替的正负脉冲形成的励磁电流(18)。
7.根据权利要求6所述的磁传感器，其特征在于，所说励磁脉冲(18)具有相对低的占空度。
8.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于，所说占空度是1/8级。
9.根据权利要求4到8中任何一个所述的磁传感器，其特征在于，所说的相关电子电路(15，16，20，23，24)通过CMOS集成技术制成在所说基片的大平面(2)上。
10.根据权利要求4到9中任何一个所述的磁传感器，其特征在于，与所说对角线的每一条相关的电子电路至少包括：
一个电路(2)，用于分配加在其上的时钟脉冲(11)的频率(f0)；
一个用于励磁脉冲(18)的精整和定形电路(16)；
一个整流器电路(20)，被控制在励磁频率(f)的二倍频(2f)上；
一个滤波和放大电路(23，24)。
11.根据前述权利要求中任何一个所述的磁传感器，其特征在于，由非晶态材料形成所说的一个或多个磁芯。
12.根据前述权利要求中任何一个所述的磁传感器，其特征在于，沿所说对角线安放的长臂形棒(101A、102A、101B、102B)具有椭圆形。
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