CN211086569U

CN211086569U - 一种磁传感器

Info

Publication number: CN211086569U
Application number: CN201921725071.2U
Authority: CN
Inventors: 李裴森; 冀敏慧; 潘孟春; 胡佳飞; 潘龙; 彭俊平; 邱伟成; 胡悦国
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2029-10-15

Abstract

本实用新型公开了一种磁传感器，包括绝缘基底，所述绝缘基底上设置有磁场测量电路，所述磁场测量电路包括磁测量电阻和磁参考电阻；还包括有磁力线聚集单元；每个所述磁参考电阻上方均覆盖有所述磁力线聚集单元；每个所述磁测量电阻均位于2个磁力线聚集单元之间沿其导磁方向的间隙内。本实用新型具有灵敏度高的优点。

Description

一种磁传感器

技术领域

本实用新型涉及微弱磁场信号探测技术领域，尤其涉及一种磁传感器。

背景技术

磁电阻传感器由于具有灵敏度高、功耗低及体积小等优点，在生物医学、工业制造、地球物理和航天航空等领域具有重要的作用，为了进一步提高磁电阻传感器的性能，研究者在磁电阻材料、制备及后处理等各个方面都展开了研究。其中，灵敏度是磁电阻传感器的最重要的性能参数之一。

目前，已有大量的研究旨在提高磁电阻敏感体的灵敏度：利用超导技术，将MTJ传感器与超导环相结合，可以探测fT级的磁场，然而，超导技术需要低温制冷，且传感器的灵敏度与超导环的面积成正比，不利于敏感体的小型化。此外，利用具有高磁导率的材料制备磁聚集器也是一种有效的提高传感器灵敏度的方法，且该方法具有体积小、低成本、低能耗及便于工业化生产等优点。葡萄牙国立计算机系统与工程研究所的Guedes等人设计了近似三角形的磁聚集器，将敏感体的灵敏度放大了20倍，且没有引入额外的噪声；苏黎世联邦理工学院的P.M.Drljaca等人分析了磁聚集器的形状与磁场放大倍数的关系，并且通过理论仿真得出，tange形的磁聚集器相较于简单的条状磁聚集器，可以实现磁场放大倍数50％的提高。德国弗莱堡大学的Simo,Brugger等人研究了磁聚集器尺寸对磁场放大倍数的影响，发现降低磁聚集器之间的间隙尺寸会大大提高磁场放大倍数。

惠斯顿电桥是磁电阻敏感体的常见配置方式，全桥结构虽然能够获得线性的输出，但是由于需要对敏感体的敏感方向进行设计，其工艺过程相对复杂。相较而言，半桥结构工艺制备简单，且同时可以起到抑制噪声的作用，因此在传感器的实际设计和制备中应用广泛。在磁电阻传感器领域，常常在桥式结构配置的敏感体上设置磁聚集器，以实现半桥结构，此时磁聚集器既可以对于敏感桥臂的磁电阻起到聚集放大的效果，同时也可以屏蔽参考桥臂的磁电阻。当磁电阻以桥式结构配置时，由于制备工艺的限制，桥臂之间要保持一定的距离，因此增大了聚集器间隔，会影响聚集器的磁场放大倍数。

综上可见，磁聚集器是提高磁电阻传感器灵敏度的有效方法，但针对半桥结构设计的磁聚集器，气隙间距难以进一步缩小，从而制约了磁场放大倍数的提高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种灵敏度更高的磁传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：一种磁传感器，包括绝缘基底，所述绝缘基底上设置有磁场测量电路，所述磁场测量电路包括磁测量电阻和磁参考电阻；还包括有磁力线聚集单元；每个所述磁参考电阻上方均覆盖有所述磁力线聚集单元；每个所述磁测量电阻均位于2个磁力线聚集单元之间沿其导磁方向的间隙内。

进一步地，所述绝缘基底上设置有凸起区，所述磁测量电阻设置在所述凸起区上，使得所述磁测量电阻所在平面高于所述磁参考电阻所在平面。

进一步地，所述绝缘基底上设置有凹陷区，所述磁参考电阻设置在所述凹陷区内，使得所述磁参考电阻所在平面低于所述磁测量电阻所在平面。

进一步地，所述磁测量电阻为多个，且呈直线状布设。

进一步地，所述磁参考电阻为多个，且呈直线状布设；所述磁测量电阻所在直线和所述磁参考电阻所在直线平行。

进一步地，所述磁参考电阻为多个，且呈直线状布设；所述磁测量电阻和所述磁参考电阻沿同一直线布设。

进一步地，所述磁场测量电路和所述磁力线聚集单元按层布设在所述绝缘基底上。

进一步地，所述磁场测量电路所在层与所述磁力线聚集单元所在层之间还设置有绝缘层。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的磁传感器每个磁测量电阻均位于相邻两个磁力线聚集单元之间的间隙内，可以最大限度的减小该间隙的宽度，使得磁测量电阻处的磁力线得到更好的聚集，从而可以更进一步地提高磁传感器的灵敏度；同时，将磁参考电阻设置在磁力线聚集单元下，从而可以消除磁力线聚集单元的设置对磁参考电阻的影响，准确度更高。

2、本实用新型的磁传感器绝缘基底设置有凸起区或凹陷区，可将磁测量电阻和磁参考电阻分别设置在凸起区或凹陷区内，可使得磁测量电阻和磁参考电阻不位于同一水平面上，也可使得磁测量电阻的水平中心面和磁力线聚集单元的水平中心面之间的距离更小，磁力线聚集效果更好，灵敏度更高。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例一的俯视图。

图2为本实用新型具体实施例一图1中A-A处的剖视图。

图3为本实用新型具体实施例一的电路布置示意图(以惠斯通电桥为例)。

图4为惠斯通电桥示意图。

图5为本实用新型具体实施例一的磁测量电阻处感应到的磁力线示意图。

图6为本实用新型具体实施例一的磁力线导通示意图。

图7为本实用新型具体实施例二的剖视示意图。

图8为本实用新型具体实施例三的剖视示意图。

图9为本实用新型具体实施例四的电路布置示意图。

图例说明：1、绝缘基底；2、磁测量电阻；3、磁参考电阻；4、磁力线聚集单元；5、电极；6、绝缘层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例一：

本实施例的磁传感器，包括绝缘基底，所述绝缘基底上设置有磁场测量电路，所述磁场测量电路包括磁测量电阻和磁参考电阻；还包括有磁力线聚集单元；每个所述磁参考电阻上方均覆盖有所述磁力线聚集单元；每个所述磁测量电阻均位于2个磁力线聚集单元之间沿其导磁方向的间隙内。所述磁测量电阻为多个，且呈直线状布设。所述磁参考电阻为多个，且呈直线状布设；所述磁测量电阻和所述磁参考电阻沿同一直线布设。在本实施例中，多个是指2个或2个以上。所述磁场测量电路和所述磁力线聚集单元按层布设在所述绝缘基底上。所述磁场测量电路所在层与所述磁力线聚集单元所在层之间还设置有绝缘层。在本实施例中，导磁方向是指磁力线聚集单元的导磁方向，即如图5和图6中所示的水平箭头所指示的方向。

在本实施例中，以磁传感器的磁场测量电路以惠斯通电桥(如图4所示)为例进行说明，惠斯通电桥包括4个磁电阻，其中2个磁测量电阻(R1和R2)和2个磁参考电阻(R3和R4)。4个磁电阻呈直线布设在绝缘基底上，其中2个磁测量电阻(R1和R2)位于中间，磁参考电阻(R3和R4)位于两侧，电气接口通过电极引出，如图3所示。在本实施例中，磁电阻上方还设置绝缘层，绝缘层上方还设置有磁力线聚集单元。在本实施例中，如图1和图2所示，磁力线聚集单元为3个，3个磁力线聚集单元同样呈直线布设，在水平投影面上，2个磁测量电阻(R1和R2)分别位于3个磁力线聚集单元所形成的2个间隙内，位于两侧的磁力线聚集单元同时还分别覆盖位于两侧的2个磁参考电阻。

在本实施例中，磁力线聚集单元优选为NiFe、非晶磁性材料等高磁导率的软磁材料。绝缘层优选为SiO₂或者SiN_x。进一步优选，中间设置有磁测量电阻的两个磁力线聚集单元之间的间隙小于等于5毫米。由于磁力线聚集单元具有高磁导率，磁力线聚集单元内部的磁场强度最高，同时，在磁力线聚集单元的两端也会形成具有较高磁场强度磁场，从而使得位于相邻2个磁力线聚集单元之间的间隙内的磁测量电阻处的磁场强度得以增加，从而提高了磁传感器的灵敏度。同时，在磁力线聚集单元对径向四周区域(包括磁力线聚集单元的上方、下方、轴向的两侧等区域)具有屏蔽作用，因此，被磁力线聚集单元所覆盖的磁参考电阻处的磁场基本不受外磁场的影响，从而可以保证磁传感器的测量精度。

通过上述分析可以确定，如图3和图4所示，磁测量电阻的电阻随磁场的变化为R₀+SΔB_gap，磁参考电阻的电阻为R₀，在电源电压V_source的作用下，惠斯通电桥的输出V_out如下式所示，

式中，R₀为在零磁场条件下磁电阻的阻值，ΔR为施加外磁场后，磁电阻的阻值增加值。

在本实施例中，如图5和图6所示，磁力线经位于左侧的磁力线聚集单元(J1)聚集，在第一个间隙处时磁力线贯穿磁测量电阻(R1)，然后再由位于中间的磁力线聚集单元(J2)聚集，再在第二个间隙处时磁力线贯穿磁测量电阻(R2)，然后再由位于右侧的磁力线聚集单元(J3)，通过3个磁力线聚集单元(J1、J2、J3)，使得2个磁测量电阻(R1、R2)处的磁力线得到聚集，磁场强度得到放大，从而提高了磁传感器的灵敏度。与此同时，磁力线聚集单元(J1)屏蔽了磁参考电阻(R4)处的磁场，磁力线聚集单元(J3)屏蔽了磁参考电阻(R3)处的磁场，使得磁传感器的准确性更高。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：如图7所示，所述绝缘基底上设置有凸起区，所述磁测量电阻设置在所述凸起区上，使得所述磁测量电阻所在平面高于所述磁参考电阻所在平面。由于磁力线聚集单元的端面处的聚集效果最好，因此，通过将磁测量电阻设置在凸起区，可使得磁测量电阻处的磁场强度更大，灵敏度更高。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：如图8所示，所述绝缘基底上设置有凹陷区，所述磁参考电阻设置在所述凹陷区内，使得所述磁参考电阻所在平面低于所述磁测量电阻所在平面。本实施例和实施例二都是使得磁测量电阻更接近于磁力线聚集单元的端面处，以求达到更好的磁力线聚集效果，使得磁测量电阻处的磁场强度更大，灵敏度更高。

实施例四：

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于磁测量电阻和磁参考电阻不位于同一直线上，如图9所示，所述磁参考电阻为多个，且呈直线状布设；所述磁测量电阻所在直线和所述磁参考电阻所在直线平行。当然，磁参考电阻所在直线与磁测量电阻所在直线也可以不平行设置。此时，可以在磁参考电阻上单独设置磁力线聚集单元，如图9中带点阴影所示部分即为磁力线聚集单元。同样，绝缘基底也可以设置成凸起区和/或凹陷区，将磁测量电阻设置在凸起区，将磁参考电阻设置在凹陷区。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种磁传感器，包括绝缘基底，所述绝缘基底上设置有磁场测量电路，所述磁场测量电路包括磁测量电阻和磁参考电阻；其特征在于：还包括有磁力线聚集单元；每个所述磁参考电阻上方均覆盖有所述磁力线聚集单元；每个所述磁测量电阻均位于2个磁力线聚集单元之间沿其导磁方向的间隙内。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：所述绝缘基底上设置有凸起区，所述磁测量电阻设置在所述凸起区上，使得所述磁测量电阻所在平面高于所述磁参考电阻所在平面。

3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：所述绝缘基底上设置有凹陷区，所述磁参考电阻设置在所述凹陷区内，使得所述磁参考电阻所在平面低于所述磁测量电阻所在平面。

4.根据权利要求1至3任一项所述的磁传感器，其特征在于：所述磁测量电阻为多个，且呈直线状布设。

5.根据权利要求4所述的磁传感器，其特征在于：所述磁参考电阻为多个，且呈直线状布设；所述磁测量电阻所在直线和所述磁参考电阻所在直线平行。

6.根据权利要求4所述的磁传感器，其特征在于：所述磁参考电阻为多个，且呈直线状布设；所述磁测量电阻和所述磁参考电阻沿同一直线布设。

7.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于：所述磁场测量电路和所述磁力线聚集单元按层布设在所述绝缘基底上。

8.根据权利要求7所述的磁传感器，其特征在于：所述磁场测量电路所在层与所述磁力线聚集单元所在层之间还设置有绝缘层。