TWI578008B

TWI578008B - Single bridge magnetic field sensor

Info

Publication number: TWI578008B
Application number: TW104128759A
Authority: TW
Inventors: qing-rui Zhang; zhen-zong Zheng; ren-hua Xu; zhi-cheng Lu; bo-lin Lai
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-04-11
Also published as: TW201708838A

Description

單電橋磁場感測器

本發明創作係關於一種測量磁場之儀器，尤指一種單電橋磁場感測器。

按，磁場感測器可測定空間中的磁場向量，但指出磁場的方向需要在同一個位置測定三個互相正交的磁場分量。雖然目前已存在多種向量磁場感測器技術，但各種裝置的磁場強度測定範圍不相同，例如霍耳感測器適合測定10μT至1T的磁場，而磁阻式感測器可測定1mT至0.1μT的磁場，故不同磁場範圍需要不同類型的向量感測器。此外，目前的向量感測器設計其三個分量感測器係各自獨立且位置不同，再加上各分量感測器分別為一電橋單元所構成，也因此，三個分量感測器的配置使得整個裝置的體積偏大，且測定之磁場分量並非位於同一水平基準面，因而引起磁場向量強度的數值誤差；向量磁場感測器仍有持續改進與發展的必要性。

有鑒於先前技術所述不足之處，本發明創作者提出一種解決之手段，該手段係關於一種單電橋磁場感測器，該單電橋磁場感測器包括：一基板。

一磁通導引器(fluxguide)：該磁通導引器為一四角柱體且直接或間接設於該基板表面。

一電橋單元：該電橋單元係包括一第一至第四磁阻元件依序繞設於該磁通導引器之各環側面外側方且位於該基板頂面，該第一磁阻元件與該第三磁阻元件之釘札方向係遠離該磁通導引器，而該第二磁阻元件與該第四磁阻元件之釘札方向係朝向該磁通導引器。

一切換電路：該切換電路係分別電性連接一輸入電壓源、一接地端、二電壓輸出端、及該第一至第四磁阻元件，該切換電路可供根據欲量測各軸向之磁場而進行電路切換以改變該輸入電壓、該接地端、各電壓輸出端、及該第一至第四磁阻元件之間的電性連接關係。

一量測單元：該量測單元係分別電性連接各電壓輸出端、及該第一至第四磁阻元件，該量測單元可供量測各磁阻元件之磁阻值，配合各電壓輸出端之輸出電壓值而得到一磁場量測結果。

本發明創作主要係透過該磁通導引器將磁場導引至各磁阻元件，再透過該切換電路隨欲量測之軸向磁場而改變各磁阻元件、各電壓輸入源、各接地端、及各電壓輸出端之間的電性連接關係，藉由各電壓輸出端所輸出之電壓值、及各磁阻元件之磁阻值，來得到各軸向之磁場。相較於先前技術，本發明創作僅需利用單一電橋單元，即可達到量測各軸向磁場之目的，進而降低整體之體積，較佳可縮小至1mm³以內。

(A)‧‧‧單電橋磁場感測器

(1)‧‧‧基板

(2)‧‧‧磁通導引器

(3)‧‧‧電橋單元

(31~34)‧‧‧磁阻元件

(4)‧‧‧第二磁通集中器

(51~54)‧‧‧第一磁通集中器

(6)‧‧‧切換電路

(61)‧‧‧輸入電壓源

(62)‧‧‧接地端

(63)‧‧‧電壓輸出端

(63A~63D)‧‧‧電壓輸出端

(7)‧‧‧量測單元

第一圖係本發明創作之外觀圖

第二圖係本發明創作之俯視暨釘札方向示意圖

第三圖係本發明創作於X軸或Y軸磁場中的磁通線分佈示意圖

第四圖係本發明創作於Z軸磁場中的磁通線分佈示意圖

第五圖係本發明創作於X軸磁場中各磁阻元件的磁阻變化示意圖

第六圖係本發明創作於Y軸磁場中各磁阻元件的磁阻變化示意圖

第七圖係本發明創作於Z軸磁場中各磁阻元件的磁阻變化示意圖

第八圖係本發明創作之切換電路與各元件電性連接示意圖

以下藉由圖式之輔助，說明本發明創作之構造、特點與實施例，俾使貴審查人員對於本發明創作有更進一步之瞭解。

請參閱第一圖所示，本發明創作係關於一種單電橋磁場感測器，該單電橋磁場感測器(A)包括：

一基板(1)：請參閱第一圖所示，該基板(1)較佳為可製作磁阻式感測元件之基板，例如但不限於為矽晶基板。

一磁通導引器(2)：請參閱第一圖所示，該磁通導引器(fluxguide)(2)為一四角柱體且直接或間接設於該基板(1)表面，而該磁通導引器(2)之材質較佳係為具有高磁透率及低磁滯率之軟磁材料所製，如鎳鋅鐵氧軟磁材料(Ni-Zn ferrite)或鎳鐵合金(Ni-Fe)。請再配合參閱第三圖及第四圖所示，該磁通導引器(2)主要係可將水平面(X軸方向、及Y軸方向)的外加磁場偏折至後述各磁阻元件(31~34)可感測之方向，並可將Z軸方向之外加磁場導引至水平方向。為令本發明創作之單電橋磁場感測器(A)於感測時磁通密度較強且分布較為均勻，該磁通導引器(2)係間接設於該基板(1)表面，而該磁通導引器(2)與該基板(1)之間設有一第二磁通集中器(flux concentrator)(4)，且為令該第二磁通集中器(4)具有最佳磁場均勻化之效果，該第二磁通集中器(4)之形狀為正方形。此外，磁通密度與沿平面方向的磁場分量強度成正比。

一電橋單元(3)：請參閱第一圖所示，該電橋單元(3)包括一第一至第四磁阻元件(31~34)依序繞設於該磁通導引器(2)之各環側面外側方且位於該基板(1)表面，該第一磁阻元件(31)、及該第三磁阻元件(33)之釘札方向係遠離該磁通導引器(2)，而該第二磁阻元件(32)、及該第四磁阻元件(34)之釘札方向係朝向該磁通導引器(2)。其中，各磁阻元件較佳為巨磁阻(GMR)自旋閥或穿隧磁阻(TMR)自旋閥二者其中之一。

為令本發明創作之單電橋磁場感測器(A)於感測時磁通密度較強且分布較為均勻，於各磁阻元件(31~34)之外側方分別設有一第一磁通集中器(51~54)，以令各磁阻元件(31~34)分別位於各第一磁通集中器(51~54)與該磁通導引器(2)之間，且為令各第一磁通集中器(51~54)具有最佳磁場均勻化之效果，各第一磁通集中器(51~54)之形狀為長方形，且該各第一磁通集中器(51~54)之長邊長度、及方向分別對應該第二磁通集中器(4)之長邊長度、及方向。此外，磁通密度與沿平面方向的磁場分量強度成正比。

一切換電路(6)：請參閱第八圖所示，該切換電路(6)係分別電性連接二輸入電壓源(61)、二接地端(62)、二電壓輸出端(63)、及該第一至第四磁阻元件(31~34)，該切換電路(6)可根據欲量測各軸向之磁場而進行電路切換，以改變各輸入電壓源(61)、各接地端(62)、各電壓輸出端(63)、及該第一至第四磁阻元件(31~34)之間的電性連接關係。而該切換電路(6)之作動態樣容後述。

一量測單元(7)：請參閱第八圖所示，該量測單元(7)係分別電性連接各電壓輸出端(63)、及該第一至第四磁阻元件(31~34)，該量測單元(7)可供量測各磁阻元件(31~34)之磁阻值，配合各電壓輸出端(63)之輸出電壓值而得到一磁場量測結果。

請參閱第四圖配合第一圖與第二圖，本發明創作之單電橋磁場感測器(A)的製造方法，可利用磁控濺鍍與微影蝕刻於該基板(1)表面製作各磁阻元件(31~34)，再利用電鑄法製作軟磁性的Ni-Fe或Co-Fe薄膜作為各第一磁通集中器(51~54)及該第二磁通集中器(4)，完成後再利用無磁滯性的肥粒鐵材料切割成形為該磁通導引器(2)並對準貼合固定於該第二磁通集中器(4)表面，構成本發明創作之單電橋磁場感測器(A)。電鑄法成形的各薄膜型第一磁通集中器(51~54)及該第二磁通集中器(4)，其尺寸準確、定位精度高。該磁通導引器(2)使出平面磁場發生磁通偏折效果需要較大的高度，但電鑄法可製作的厚度因時間成本而受限，故有利的方法為切割成形及貼合。第四圖的磁通分佈分析結果顯示，該第一磁通集中器(51~54)及該第二磁通集中器(4)的設計提昇磁通密度的均勻性，能克服對準貼合之誤差的影響。

由以上說明可知，相較於習用技術需使用四個電橋單元，本發明創作之單電橋磁場感測器(A)僅利用單一電橋單元(3)，並配合該磁通導引器(2)，再加上利用該切換電路(6)進行電路切換而改變各元件之電性連接關係，即可量測各軸向之磁場，而具有高磁場靈敏度、三軸感測、體積小等優點。

以下係說明該單電橋磁場感測器(A)進行各軸向磁場感測時，該切換電路(6)之作動態樣及磁場量測手段：請參閱第五圖配合第三圖、第四圖、及第六圖至第八圖，當待測磁場分量B_x為X方向，該磁通導引器(2)、各第一磁通集中器(51~54)與該第二磁通集中器(4)的組合，令各磁阻元件(31~34)分別感測到均勻的磁通密度，其磁場方向相對於釘札方向分別為順向、逆向、逆向、順向，使各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為減小、增大、增大、減小，此時各輸入電壓源(61)分別電性連接該第一磁阻元件(31)、及該第四磁阻元件(34)，該第二磁阻元件(32)、及該第三磁阻元件(33)分別電性連接一接地端(62)，該磁場分量B_x使該電壓輸出端(63A、63B)產生的輸出電壓為：其中V_a與V_b為該電壓輸出端(63A)、及該電壓輸出端(63B)的輸出電壓，R₁為該第一磁阻元件(31)之電阻，R₂為該第二磁阻元件(32)之電阻，其餘R₃、R₄依此類推，而V_cc則為該輸入電壓源(61)之輸入電壓。當該磁場B_x=0，所有的磁阻元件(31~34)其電阻相同，皆為零磁場磁阻值R₀，即R₁=R₂=R₃=R₄=R₀，此時該電橋單元(3)的輸出電壓為零。當磁場B_x不為零，各磁阻元件(31~34)之磁阻增加或減少△R成為：R₁=R₀-△R、R₂=R₀+△R、R₃=R₀+△R、R₄=R₀-△R，此時該電橋單元(3)的輸出電壓為V_x(B_x)=V_cc△R/R₀。當磁場B_y不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為R₁=R₀-△R、R₂=R₀-△R、R₃=R₀+△R、R₄=R₀+△R，由1可知該電橋單元(3)的輸出電壓為零。當磁場B_z不為零，四個磁阻元件R₁、R₂、R₃、與R₄的磁阻變化分別為R₁=R₀+△R、R₂=R₀-△R、R₃=R₀+△R、R₄=R₀-△R，由1可知該電橋單元(3)的輸出電壓為零。

請參閱第六圖配合第三圖至第五圖、及第七圖、第八圖所示，當待測磁場分量B_y為Y方向，各磁阻元件(31~34)所感測到的磁通密度相對於釘札場之方向分別為逆向、逆向、順向、順向，使各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為增大、增大、減小、減小，此時各輸入電壓源(61)分別電性連接該第一磁阻元件(31)、及該第三磁阻元件(33)，該第二磁阻元件(32)、及該第四磁阻元件(34)分別電性連接該接地端(62)，磁場分量B_y使該電壓輸出端 (63C、63D)產生的輸出電壓為：其中V_c與V_d為電壓輸出端(63C、63D)的輸出電壓。當磁場B_y=0，各磁阻元件(31~34)其電阻相同，皆為零磁場磁阻值R₀，即R₁=R₂=R₃=R₄=R₀，此時該電橋單元(3)的輸出電壓為零。當磁場B_y不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為：R₁=R₀+△R、R₂=R₀+△R、R₃=R₀-△R、R₄=R₀-△R，此時該電橋單元(3)的輸出電壓為V_y(B_y)=V_cc△R/R₀。當磁場B_x不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為R₁=R₀-△R、R₂=R0+△R、R₃=R₀+△R、R₄=R₀-△R，由2可知該電橋單元(3)的輸出電壓為零。當磁場B_z不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為：R₁=R₀+△R、R₂=R₀-△R、R₃=R₀+△R、R₄=R₀-△R，由2可知該電橋單元(3)的輸出電壓為零。

請參閱第七圖配合第三圖至第六圖、及第八圖所示，當待測磁場分量B_z為Z方向，各磁阻元件(31~34)所感測到的磁通密度相對於釘札場之方向分別為逆向、順向、逆向、順向，使各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為增大、減小、增大、減小，此時該輸入電壓源(61)電性連接該第一磁阻元件(31)、及該第四磁阻元件(34)，該第二磁阻元件(32)、及該第三磁阻元件(33)分別電性連接該接地端(62)，磁場分量B_z使該電壓輸出端(63A、63B)產生的輸出電壓為：其中V_a與V_b為電壓輸出端(63A、63B)的輸出電壓。當磁場B_z=0，各磁阻元件(31~34)其電阻相同，即R₁=R₂=R₃=R₄=R₀，此時該電橋單元(3)的輸出電壓為零。當磁場B_z不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為：R₁=R₀+△R、R₂=R₀-△R、R₃=R₀+△R、R₄=R₀-△R，此時該電橋單元(3)的輸出電壓為V_z(B_z)=V_cc△R/R₀。當磁場B_x不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為：R₁=R₀-△R、R₂=R₀+△R、R3=R₀+△R、R₄=R₀-△R，由3可知該電橋單元(3)的輸出電壓為零。當磁場B_y不為零，各磁阻元件(31~34)的磁阻變化分別為R₁=R₀+△R、R₂=R₀+△R、R₃=R₀-△R、R₄=R₀-△R，由3可知該電橋單元(3)的輸出電壓為零。

由以上說明可知，本發明創作之單電橋磁場感測器(A)可透過該切換電路(6)於三種線路之間進行切換，而構成方程式1、2、3三種輸出模式，透過單一電橋即可量測三軸磁場分量。此三種輸出模式的切換可利用類比開關電路實現，亦可透過即時量測各磁阻元件(31~34)的磁阻變化後利用方程式1、2、3以數字計算方式得出。

綜上所述，本發明創作確實符合產業利用性，且未於申請前見於刊物或公開使用，亦未為公眾所知悉，且具有非顯而易知性，符合可專利之要件，爰依法提出專利申請。

惟上述所陳，為本發明創作在產業上一較佳實施例，舉凡依本發明創作申請專利範圍所作之均等變化，皆屬本案訴求標的之範疇。