CN211651638U - 一种磁电阻角度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种磁电阻角度传感器，用于检测外磁场方向和基准方向之间的角度，磁电阻角度传感器包括第一检测单元和第二检测单元，第一检测单元和第二检测单元均为包括多个桥臂的桥式电路；每个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，每个磁电阻包括磁性自由层和钉扎层，磁性自由层内的磁矩方向和外磁场方向一致，钉扎层内的磁矩方向固定；在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。采用上述技术方案，可以减小或者消除每一个桥臂的总电导值由于外界磁场的干扰而产生的畸变，进而使磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

Description

一种磁电阻角度传感器

技术领域

本实用新型实施例涉及角度传感器技术领域，尤其涉及一种磁电阻角度传感器。

背景技术

在军事、工业以及消费类领域中，角度是一个非常重要的物理量，目前用光学和磁学来进行角度测量已是十分成熟的技术方案。磁学测量的优势在于成本低，环境容忍度好，越来越多的应用场景选择了磁学的测量方式。相比于光学测量，磁学测量的缺点是测量精度较低，因此如何提高测量精度是磁学测量角度的一个重要课题。

霍尔(Hall)角度传感器是最先开发出来的磁角度传感器，由于霍尔器件的灵敏方向是垂直于芯片表面的，霍尔角度传感器中通常会有一个聚磁器，将水平的磁场扭曲成垂直的磁场，对聚磁器和霍尔元件的位置关系要求较高。同时，霍尔器件的本底噪声较大，其输出信号的不确定性导致其无法实现高精度角度测量。

在各向异性磁电阻(AMR)构成的磁电阻角度传感器中，通常由八个桥臂构成两路惠斯通全桥，两路的输出信号相位差为90度。AMR中的感应层为NiFe薄膜，在100Gs左右即会基本饱和，饱和后NiFe薄膜内的磁矩方向和被测外磁场方向保持一致，磁矩方向和NiFe内的电流方向决定了桥臂的电阻值。AMR角度传感器的优点是，其输出只跟磁场方向有关，与磁场大小无关，这也就决定了其具有较高的角度测量精度；同时，AMR角度传感器也具有较大的缺点，首先是其电阻值无法做小，导致器件的功耗较高，然后是其输出信号的周期是180度，磁场旋转一周，AMR角度传感器将输出两个周期的信号，无法判断磁场是在0～180度之间，还是在180度～360度之间。

巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)角度传感器与AMR角度传感器类似，通常也是由八个桥臂构成的两路惠斯通全桥，两路的输出信号相位差为90度，最大的不同是，GMR和TMR角度传感器在磁场旋转一周，输出信号只有一个周期，能唯一地判断被测外磁场的角度。在GMR和TMR角度传感器中，自由层和钉扎层的磁矩方向，决定了桥臂的电阻值。由于钉扎层的磁矩方向会被外磁场干扰，导致电阻值与外场方向存在偏差，最终降低了传感器的测量精度。

在所有的角度传感器中，GMR和TMR角度传感器除了角度精度差于AMR角度传感器，其他性能均优于Hall角度传感器和AMR角度传感器。若能将GMR和TMR角度传感器的精度提高至与AMR角度传感器相同，则对GMR和TMR角度传感器来说，将会有更多的应用前景。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种磁电阻角度传感器，以解决现有技术中因外磁场干扰钉扎层的磁矩方向，导致桥臂电阻值测量存在偏差，进而影响磁电阻传感器测量精度的技术问题。

本实用新型实施例提供了一种磁电阻角度传感器，用于检测外磁场方向和基准方向之间的角度，所述磁电阻角度传感器包括第一检测单元和第二检测单元，所述磁电阻角度传感器用于根据所述第一检测单元和所述第二检测单元的输出电压信号计算得到所述外磁场方向和所述基准方向之间的角度；

所述第一检测单元和所述第二检测单元均为包括多个桥臂的桥式电路；

每个所述桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，每个所述磁电阻包括磁性自由层和钉扎层，所述磁性自由层内的磁矩方向和所述外磁场方向一致，所述钉扎层内的磁矩方向固定；

在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩在所述基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。

可选的，每个所述桥臂均包括至少一个磁电阻组，每个所述磁电阻组包括两个并联设置的磁电阻；

同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩方向不同，且同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩在所述基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同且大小相同的分量。

可选的，在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，任意两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向不同，且存在两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩在所述基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。

可选的，每个所述磁电阻包括M个磁电阻单元，M为正整数；

每个所述磁电阻单元包括所述磁性自由层和所述钉扎层，同一个所述磁电阻内的M个所述磁电阻单元的钉扎层磁矩方向相同。

可选的，所述第一检测单元为包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂的惠斯通电桥电路，所述第二检测单元为包括第五桥臂、第六桥臂、第七桥臂和第八桥臂的惠斯通电桥电路；其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂构成半桥电路，所述第三桥臂和所述第四桥臂构成半桥电路，所述第五桥臂和所述第六桥臂构成半桥电路，所述第七桥臂和所述第八桥臂构成半桥电路；

所述第一桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第四桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；

所述第二桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第三桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；

所述第五桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第八桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；

所述第六桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第七桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式。

可选的，所述第一桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第二桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第五桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第六桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第一桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第五桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度；

所述第二桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第六桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度。

可选的，其特征在于，所述第一检测单元为包括第九桥臂和第十桥臂的半桥电路，所述第二检测单元为包括第十一桥臂和第十二桥臂的半桥电路。

可选的，所述第九桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第十一桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十二桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第九桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十一桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度；

所述第十桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十二桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度。

可选的，同一桥臂内的每个磁电阻的电导值为具有高次谐波分量的外磁场方向的正弦函数；

同一桥臂内的至少两个磁电阻的电导值之和为消除高次谐波分量的外磁场方向的正弦函数。

可选的，所述磁电阻角度传感器为巨磁阻角度传感器或者隧道磁阻角度传感器。

本实用新型实施例提供的磁电阻角度传感器，通过设置每个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，且在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量，这种结构能降低或者消除每一个桥臂的总电导值由于外界磁场的干扰而产生的畸变，保证每一个桥臂上的电阻测量准确，进而保证磁电阻角度传感器具有较高的测量精度，保证外磁场方向和基准方向之间的角度测量精确度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有技术中一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图；

图2是图1所示的磁电阻角度传感器中桥臂的数学模型示意图；

图3是图1所示的磁电阻传感器不同磁场对应的电导值畸变程度示意图；

图4是图1所示的磁电阻传感器不同磁场对应的电导值谐波含量示意图；

图5是图1所示的磁电阻传感器不同磁场对应的角度误差示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图；

图7是图6提供的磁电阻角度传感器中桥臂的数学模型示意图；

图8是图6提供的磁电阻角度传感器中消除一种电导谐波的角度误差示意图；

图9是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图；

图10是图9提供的磁电阻角度传感器中桥臂的数学模型示意图；

图11是图9提供的磁电阻角度传感器中消除两种电导谐波的角度误差示意图；

图12是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图；

图13是图12提供的磁电阻角度传感器中消除三种电导谐波的角度误差示意图；

图14是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图；

图15是本实用新型实施例提供的一种磁电阻的结构示意图；

图16是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本实用新型实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本实用新型的技术方案。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本实用新型的保护范围之内。

图1是现有技术中一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图，如图1所示，现有技术中的磁电阻角度传感器由第一检测单元B101和第二检测单元B102构成，这里均以两个检测单元的电路形式均为惠斯通电桥为例进行说明。如图1所示，电桥的供电和地均为是Vcc和GND，V101和V102是第一检测单元B101的两个输出端，V103和V104是第二检测单元B102的两个输出端。D1是角度传感器的基准方向，D2是被测外磁场的方向，两个方向的夹角为θ，为了便于说明，将θ定义为被测外磁场方向。第一桥臂A101和第四桥臂A104具有相同的钉扎层磁矩方向，如图中的黑色箭头所示(为了便于说明，将图中第一桥臂A101和第四桥臂A104的钉扎层方向定义为与基准方向相同)，由于自由层的磁矩方向和被测外磁场方向相同，此时A101和A104中的自由层和钉扎层内磁矩方向夹角为θ；第二桥臂A102和第三桥臂A103的中钉扎层磁矩方向相同，且与第一桥臂A101和第四桥臂A104内的钉扎层磁矩方向相反，如图中黑色箭头所示，此时A101和A104中的自由层和钉扎层内磁矩方向夹角为180-θ；第五桥臂A105和第八桥臂A108的中钉扎层磁矩方向相同，且与第一桥臂A101和第四桥臂A104内的钉扎层磁矩方向垂直，如图中黑色箭头所示，此时A105和A108中的自由层和钉扎层内磁矩方向夹角为90-θ；第六桥臂A106和第七桥臂A107的中钉扎层磁矩方向相同，且与第五桥臂A105和第八桥臂A108内的钉扎层磁矩方向相反，如图中黑色箭头所示，此时A105和A108中的自由层和钉扎层内磁矩方向夹角为90+θ。第一～第八桥臂均由一个磁电阻构成。

图2是图1所示的磁电阻角度传感器中桥臂的数学模型示意图，如图2所示，D1和D2分别是角度传感器的基准方向和被测外磁场的方向，D201是磁电阻的钉扎层的磁矩方向。理想情况下，自由层的磁矩方向和被测外磁场方向一致，自由层磁矩和钉扎层磁矩方向夹角为图中的θ，磁电阻的电阻值为：

其中A和B为常数。

根据以上模型，图1中的桥臂A101和A104的电阻为

A102和A103的电阻为

A105和A108的电阻为

A106和A107的电阻为

第一检测单元B101的输出电压为：

第二检测单元B102的输出电压为：

利用反正切函数arctan(V1/V2)，即可计算出角度值θ。

但实际上，磁性角度传感器往往处于较强的磁场中，其钉扎层的磁矩方向会受到被测外磁场的干扰，从而偏离初始方向，且被测外磁场的大小和方向均会引起钉扎层磁矩方向的变化。继续参考图2所示，图中的虚线箭头D202是在被测磁场干扰下，实际钉扎层的磁矩方向，此时自由层和钉扎层的磁矩角度变成θ1，与理想情况存在(θ-θ1)的差别，当被测磁场的大小或者方向变化后，这个差别将发生变化。

对于第一检测单元和第二检测单元中的其他桥臂，其钉扎层磁矩方向偏离理想情况的程度与图3中的是不一样的，自由层和钉扎层的磁矩角度分别变成θ2，θ3，θ4。

代入上面的V1和V2方程，可得：

若直接用反正切计算，得到的角度值将与实际情况存在偏差，这就是传感器的角度误差。若被测磁场强度增加，每个桥臂中钉扎层的磁矩方向的偏离程度将增加，反正切计算后的角度偏差将增加，传感器的角度误差将增加。

下面利用傅里叶展开，来评估电阻值的偏差与传感器的角度误差，为了便于计算我们用电导G来描述磁电阻的特性，电导G是电阻R的倒数，一个磁电阻的电导值可以写成：

G＝A0+A1sinθ

其中A0和A1为常数，当电阻值发生畸变，电导值也会存在畸变，然而不论畸变程度如何，我们都可以将实际电导值写成傅里叶展开式，即：

G＝A0+A1sinθ+A2sin(2θ)+A3sin(3θ)+...+Ansin(nθ)

其中n为正整数。

对于一个磁电阻施加不同强度的磁场，磁场旋转一周，其电导值的变化如图3所示，图3是图1所示的磁电阻传感器不同磁场对应的电导值畸变程度示意图。从图3中可以看出，如预测的一样，磁场强度越大，电导值的畸变程度越大。利用傅里叶变化，可以得到电导值的谐波含量如图4所示，图4是图1所示的磁电阻传感器不同磁场对应的电导值谐波含量示意图，从图4中可见，电导值的2次、3次、4次谐波含量较大。若拟合成如图1的角度传感器，角度误差曲线如图5所示，图5是图1所示的磁电阻传感器不同磁场对应的角度误差示意图，从图5中可见，磁场强度越强，角度误差越大。

由于磁电阻角度传感器的角度误差根源在于桥臂的总电阻(或者说总电导)的畸变，基于上述问题，本实用新型实施例提出一种抑制畸变的磁电阻角度传感器，设置每个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量，这种结构能消除每一个桥臂的总电导值由于外磁场的干扰而产生的畸变，进而使磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

以上是本实用新型的核心思想，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图6是本实用新型实施例提供的一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图，本实用新型实施例提供的磁电阻角度传感器用于检测外磁场方向和基准方向之间的角度。如图6所示，本实用新型实施例提供的磁电阻角度传感器包括第一检测单元B601和第二检测单元B602，磁电阻角度传感器用于根据第一检测单元B601和第二检测单元B602的输出电压信号计算得到外磁场方向和基准方向之间的角度；第一检测单元B601和第二检测单元B602均为包括多个桥臂的桥式电路；每个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，每个磁电阻包括磁性自由层和钉扎层，磁性自由层内的磁矩方向和外磁场方向一致，钉扎层内的磁矩方向固定；在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。

首先需要说明的是，本实用新型实施例所述的桥式电路可以为惠斯通电桥电路或者半桥电路，本实用新型实施例对此不进行限定，图6以惠斯通电桥电路为例进行说明；进一步的，图6以每个桥臂包括并联设置的两个磁电阻为例进行说明。如图6所示，在第一检测单元B601和第二检测单元B602中，每一个桥臂均由两个磁电阻并联构成，两个磁电阻的钉扎层磁矩方向不同，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量，如图中黑色的箭头所示，该方法能降低或者消除电导值的一种频率分量的谐波，如2次谐波、3次谐波、4次谐波等，具体分析如下。

图7是图6提供的磁电阻角度传感器中桥臂的数学模型示意图，图7中，703和704两个磁电阻，分别属于同一个桥臂中的两个磁电阻，磁磁电阻703和704中的钉扎层磁矩方向分别为D801和D802，与基准方向夹角均为φ，但方向不同。

假设目标是消除3次谐波，即电导值存在3次谐波，电导值的表达式为：

G＝A0+A1sinθ+A3sin(3θ)

通过对钉扎层磁矩的设置，磁电阻703和704的电导值分别为：

G1＝A0+A1sin(θ-φ)+A3sin[3(θ-φ)]

G2＝A0+A1sin(θ+φ)+A3sin[3(θ+φ)]

由该两个磁电阻构成的磁电阻单元并联后，构成一个桥臂，则该桥臂的电导值为：

G＝G1+G2＝2A0+A1sin(θ-φ)+A1sin(θ+φ)+A3sin[3(θ-φ)]+A3sin[3(θ+φ)]

从上式可见，若将φ设置成60°，则整个桥臂的电导G的3次谐波分量将消失，只剩下基波，通过前面的分析，此时的角度误差将消失。

对于每一种谐波的消除，对应的φ值见下表：

谐波分量	2次	4次	5次	6次	7次
						φ	90°	45°	36°	30°	(180/7)°

图8是图6提供的磁电阻角度传感器中消除一种电导谐波的角度误差示意图，其中磁场强度是400Gs。从图8中可见，消除3次谐波的效果最为明显，角度误差相比于图5所示的角度误差，降低了2/3。

可选的，在磁电阻的制备过程中，可以通过激光局部退火或者电流导线加热退火方式来实现同一桥臂中不同磁电阻的钉扎层磁矩方向不同，本实用新型实施例对此不进行限定。

综上所述，本实用新型实施例提供的磁电阻角度传感器，通过设置每个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，且在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量，这种结构能降低或者消除每一个桥臂的总电导值由于外界磁场的干扰而产生的畸变，保证每一个桥臂上的电阻测量准确，进而保证磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

需要说明的是，本实用新型实施例中，仅需要设置在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量即可降低电导值的频率分量的谐波。进一步的，可以设置每个桥臂均包括至少一个磁电阻组，图6以每个桥臂包括一个磁电阻组为例进行说明，每个磁电阻组包括两个并联设置的磁电阻；同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩方向不同，且同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同且大小相同的分量，即图7中D801与基准方向的夹角与D802与基准方向的夹角相同，如此可以完全消除电导值的频率分量的谐波。本实用新型实施例中，图6、图7和图8均以同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩方向不同，且同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同且大小相同的分量为例进行说明。

作为一种可行的实施方式，图9是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图，图9以每个桥臂包括四个磁电阻、两个磁电阻组为例进行说明，以图9中的桥臂A901为例，在A901中水平设置的四个磁电阻来说，第一个磁电阻和第四个磁电阻为一个磁电阻组，第二个磁电阻和第三磁电阻为一个磁电阻组，其余桥臂中的磁电阻组设置方式相同，这里不再赘述。

如图9所示，每一个桥臂均由四个磁电阻并联构成，同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩方向不同，且同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同且大小相同的分量，即同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向不同，如图中黑色箭头所示。

图10是图9提供的磁电阻角度传感器中桥臂的数学模型示意图，图10中，1005、1006、1007、1008四个磁电阻，分别属于同一个桥臂，它们的钉扎层磁矩方向分别为D1001、D1002、D1003、D1004，D1001和D1004与基准方向夹角均为φ1，但方向不同；D1002和D1003与基准方向夹角均为φ2，但方向不同。

与第一实施例采用相同的推导方法，也可以得到需要消除的谐波和φ1、φ2的关系，关系表如下：

图11是图9提供的磁电阻角度传感器中消除两种电导谐波的角度误差示意图，其中磁场强度是400Gs。从图中可见，同时消除2次和3次谐波的效果最为明显，角度误差相比于图5所示的角度误差，降低了14倍左右。

作为一种可行的实施方式，图12是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图，图12以每个桥臂包括八个磁电阻、四个磁电阻组为例进行说明，以图12中的任意一个桥臂为例，在水平设置的八个磁电阻来说，第一个磁电阻和第八个磁电阻为一个磁电阻组，第二个磁电阻和第七磁电阻为一个磁电阻组，第三个磁电阻和第六个磁电阻为一个磁电阻组，第四个磁电阻和第五磁电阻为一个磁电阻组，其余桥臂中的磁电阻组设置方式相同，这里不再赘述。

图12所示，每一个桥臂均由八个磁电阻并联构成，八个磁电阻的钉扎层磁矩方向不同，如图中黑色箭头所示。由于篇幅有限，这里不再赘述推导过程。

图13是图12提供的磁电阻角度传感器中消除三种电导谐波的角度误差示意图，具体为消除电导值的2次、3次、4次三种谐波后，磁电阻角度传感器的角度误差曲线，其中磁场强度是400Gs，相比于不消除谐波的方案，角度误差相比于图5所示的角度误差，降低了29倍。

综上所述，通过设置每个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，进一步设置每个桥臂包括至少一个磁电阻组，设置每个磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩方向不同，且同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同且大小相同的分量，这种结构消除每一个桥臂的总电导值由于外界磁场的干扰而产生的畸变，保证每一个桥臂上的电阻测量准确，进而保证磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

作为一种可行的实施方式，图14是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图，如图14所示，在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，任意两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向不同，且存在两个磁电阻的钉扎层的磁矩在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。图14以同一桥臂包括三个磁电阻，三个磁电阻的钉扎层的磁矩方向均不同，如图中黑色箭头所示，存在两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向在基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量为例进行说明。图14所示的磁电阻角度传感器无法完全消除任何一种谐波，但是会减小某些谐波，也能达到提高角度精度的效果。

基于上述实施例内容可以知道，同一桥臂内的每个磁电阻的电导值为具有高次谐波分量的外磁场方向的正弦函数，通过设置个桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，且在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，保证同一桥臂内的至少两个磁电阻的电导值之和为减小或者消除高次谐波分量的外磁场方向的正弦函数，保证每一个桥臂上的电阻测量准确，进而保证磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

在上述实施例的基础上，图15是本实用新型实施例提供的一种磁电阻的结构示意图，如图15所示，每个磁电阻包括M个磁电阻单元，M为正整数；每个磁电阻单元包括磁性自由层和钉扎层，同一个磁电阻内的M个磁电阻单元的钉扎层磁矩方向相同。图15为由M个磁电阻单元构成的磁电阻，磁电阻的两个端子分别为1501和15002，六个磁电阻串联，构成一个磁电阻串，四个磁电阻串并联，构成了整个磁电阻，该实施例中M＝24。在实际器件中，串联和并联的数量需要根据器件性能要求进行设计，主要影响的参数是电阻值，本实用新型实施例对磁电阻中磁电阻单元的数量以及具体串并联关系不进行限定。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例提供的桥式电路可以为惠斯通电桥电路，也可以为半桥电路，下面对两种不同的桥式电路进行详细说明。

首先以桥式电路为惠斯通电桥电路为例进行说明。

继续参考图6，第一检测单元B601为包括第一桥臂A601、第二桥臂A602、第三桥臂A603和第四桥臂A604的惠斯通电桥电路，第二检测单元B602为包括第五桥臂A605、第六桥臂A606、第七桥臂A607和第八桥臂A608的惠斯通电桥电路；其中，第一桥臂A601和第二桥臂A602构成半桥电路，第三桥臂A603和第四桥臂A604构成半桥电路，第五桥臂A605和第六桥臂A606构成半桥电路，第七桥臂A607和第八桥臂A608构成半桥电路；第一桥臂A601中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第四桥臂A604中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；第二桥臂A602中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第三桥臂A603中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；第五桥臂A605中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第八桥臂A608中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；第六桥臂A606中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第七桥臂A607中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式。

示例性的，如图6所示，第一检测单元B601和第二检测单元B602均为惠斯通电桥结构，在第一检测单元B601中，第一桥臂A601和第二桥臂A602构成半桥电路，V601为该半桥电路的输出端；第三桥臂A603和第四桥臂A604构成半桥电路，V602为该半桥电路的输出端。进一步的，在第一检测单元B601中，第一桥臂A601中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第四桥臂A604中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式，即第一桥臂A601中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第四桥臂A604中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同，第一桥臂A601中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第四桥臂A604中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同。同样的，第二桥臂A602中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第三桥臂A603中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式，即第二桥臂A602中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第三桥臂A603中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同，第二桥臂A602中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第三桥臂A603中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同。在第二检测单元B602中，第五桥臂A605和第六桥臂A606构成半桥电路，V603为该半桥电路的输出端；第七桥臂A607和第八桥臂A608构成半桥电路，V604为该半桥电路的输出端。进一步的，在第二检测单元B602中，第五桥臂A605中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第八桥臂A608中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式，即第五桥臂A605中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第八桥臂A608中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同，第五桥臂A605中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第八桥臂A608中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同。同样的，第六桥臂A606中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第七桥臂A607中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式，即第六桥臂A606中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第七桥臂A607中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同，第六桥臂A606中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第七桥臂A607中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同。

进一步的，继续参考图6所示，第一桥臂A601内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第二桥臂A602内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，即第一桥臂A601中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第二桥臂A602中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，第一桥臂A601中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第二桥臂A602中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；第五桥臂A605内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第六桥臂A606内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，即第五桥臂A605中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第六桥臂A606中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，第五桥臂A605中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第六桥臂A606中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；第一桥臂A601内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第五桥臂A605内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，即第一桥臂A601中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第五桥臂A605中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，第一桥臂A601中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第五桥臂A605中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度；第二桥臂A602内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第六桥臂A606内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，即第二桥臂A602中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第六桥臂A606中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，第二桥臂A602中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第六桥臂A606中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度。如此，根据V601和V602的差分输出以及V603和V604的差分输出，计算得到被测外磁场的方向，同时通过合理设置每个桥臂中至少两个磁电阻中钉扎层的磁矩方向，保证惠斯通电桥电路结构的桥式电路可以减小或者消除每一个桥臂的总电导值由于外界磁场的干扰而产生的畸变，进而使磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

接下来以桥式电路为半桥电路为例进行说明。

图16是本实用新型实施例提供的另一种磁电阻角度传感器的电路结构以及相关方向说明的示意图，如图16所示，本实用新型实施例提供的磁电阻角度传感器中第一检测单元B1601为包括第九桥臂A1601和第十桥臂A1602的半桥电路，第二检测单元B1602为包括第十一桥臂A1603和第十二桥臂A1604的半桥电路。具体的，第九桥臂A1601内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十桥臂A1602内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，即第九桥臂A1601中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十桥臂A1602中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，第九桥臂A1601中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十桥臂A1602中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；第十一桥臂A1603内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十二桥臂A1604内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，即第十一桥臂A1603中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十二桥臂A1604中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度，第十一桥臂A1603中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十二桥臂A1604中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；第九桥臂A1601内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十一桥臂A1603内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，即第九桥臂A1601中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十一桥臂A1603中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，第九桥臂A1601中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十一桥臂A1603中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度；第十桥臂A1602内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十二桥臂A1604内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，即第十桥臂A1602中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十二桥臂A1604中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度，第十桥臂A1602中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第十二桥臂A1604中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度。

示例性的，如图16所示，第一检测单元B1601和第二检测单元B1602均为半桥电路结构，B1602的钉扎层方向参考图6中的A605和A606，在第一检测单元B1601中，第九桥臂A1601和第十桥臂A1602构成半桥电路，V1601为该半桥电路的输出端；在第二检测单元B1602中，第十一桥臂A1603和第十二桥臂A1604构成半桥电路，V1602为该半桥电路的输出端。进一步的，在第一检测单元B1601中，第一桥臂A601中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第四桥臂A604中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式，即第一桥臂A601中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第四桥臂A604中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同，第一桥臂A601中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第四桥臂A604中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同。同样的，第二桥臂A602中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向和第三桥臂A603中的两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式，即第二桥臂A602中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第三桥臂A603中其中一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同，第二桥臂A602中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向与第三桥臂A603中另外一个磁电阻的钉扎层的磁矩方向相同。在第二检测单元B602中，第五桥臂A605和第六桥臂A606构成半桥电路，V603为该半桥电路的输出端；第七桥臂A607和第八桥臂A608构成半桥电路，V604为该半桥电路的输出端。如此，根据V1601和V1602的输出，计算得到被测外磁场的方向，同时通过合理设置每个桥臂中至少两个磁电阻中钉扎层的磁矩方向，保证半桥电路结构的桥式电路可以减小或者消除每一个桥臂的总电导值由于外界磁场的干扰而产生的畸变，进而使磁电阻角度传感器具有较高的测量精度。

可选的，本实用新型实施例提供的磁电阻角度传感器可以为巨磁阻角度传感器或者隧道磁阻角度传感器，本实用新型实施例对磁电阻角度传感器的具体类型不进行限定。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，本实用新型的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种磁电阻角度传感器，用于检测外磁场方向和基准方向之间的角度，其特征在于，所述磁电阻角度传感器包括第一检测单元和第二检测单元，所述磁电阻角度传感器用于根据所述第一检测单元和所述第二检测单元的输出电压信号计算得到所述外磁场方向和所述基准方向之间的角度；

所述第一检测单元和所述第二检测单元均为包括多个桥臂的桥式电路；

每个所述桥臂均包括并联设置的至少两个磁电阻，每个所述磁电阻包括磁性自由层和钉扎层，所述磁性自由层内的磁矩方向和所述外磁场方向一致，所述钉扎层内的磁矩方向固定；

在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，存在两个钉扎层的磁矩方向不同的磁电阻，且该两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩在所述基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。

2.根据权利要求1所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，每个所述桥臂均包括至少一个磁电阻组，每个所述磁电阻组包括两个并联设置的磁电阻；

同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩方向不同，且同一磁电阻组中的两个磁电阻的钉扎层内的磁矩在所述基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同且大小相同的分量。

3.根据权利要求1所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，在同一桥臂内的至少两个磁电阻中，任意两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向不同，且存在两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩在所述基准方向的垂直方向上存在方向相反或相同的分量。

4.根据权利要求1所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，每个所述磁电阻包括M个磁电阻单元，M为正整数；

每个所述磁电阻单元包括所述磁性自由层和所述钉扎层，同一个所述磁电阻内的M个所述磁电阻单元的钉扎层磁矩方向相同。

5.根据权利要求1-4任一项所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，所述第一检测单元为包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂的惠斯通电桥电路，所述第二检测单元为包括第五桥臂、第六桥臂、第七桥臂和第八桥臂的惠斯通电桥电路；其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂构成半桥电路，所述第三桥臂和所述第四桥臂构成半桥电路，所述第五桥臂和所述第六桥臂构成半桥电路，所述第七桥臂和所述第八桥臂构成半桥电路；

所述第一桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第四桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；

所述第二桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第三桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；

所述第五桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第八桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式；

所述第六桥臂中的至少两个所述磁电阻的钉扎层的磁矩方向和所述第七桥臂中的至少两个磁电阻的钉扎层的磁矩方向具备相同的设置方式。

6.根据权利要求5所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，所述第一桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第二桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第五桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第六桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第一桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第五桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度；

所述第二桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第六桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度。

7.根据权利要求1-4任一项所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，所述第一检测单元为包括第九桥臂和第十桥臂的半桥电路，所述第二检测单元为包括第十一桥臂和第十二桥臂的半桥电路。

8.根据权利要求7所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，所述第九桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第十一桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十二桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成180度；

所述第九桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十一桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度；

所述第十桥臂内的磁电阻的钉扎层的磁矩方向与所述第十二桥臂内对应的磁电阻的钉扎层的磁矩方向成90度。

9.根据权利要求1所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，同一桥臂内的每个磁电阻的电导值为具有高次谐波分量的外磁场方向的正弦函数；

同一桥臂内的至少两个磁电阻的电导值之和为消除高次谐波分量的外磁场方向的正弦函数。

10.根据权利要求1所述的磁电阻角度传感器，其特征在于，所述磁电阻角度传感器为巨磁阻角度传感器或者隧道磁阻角度传感器。

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