WO2020177595A1 - 一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器 - Google Patents

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    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Definitions

  • each row of MTJ elements includes one MTJ element or an MTJ element string formed by at least two MTJ elements connected in series.
  • the TMR sensor chip is packaged by CSP.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional schematic diagram of a digital liquid level sensor based on a magnetoresistive sensor cross-point array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a structural block diagram of a digital liquid level sensor based on a cross-point array of magnetoresistive sensors according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a PCB board layout provided by an embodiment of the present invention.
  • the digital liquid level sensor based on the cross-point array of magnetoresistive sensors also includes row selection MOSFET44, column Selection MOSFET7 and comparison circuit 24; the drain of row selection MOSFET 44 is electrically connected to the row lead, the gate of row selection MOSFET 7 is connected to the output terminal of the row decoder (not shown), and the source of row selection MOSFET 44 is connected in series to One end of the first resistor R1 and the first input terminal of the comparison circuit 24, the electrical node between the row selection MOSFET 44 and the first resistor R1 is output as the output voltage Vout, and the other end of the first resistor R1 is connected to the power supply voltage VCC; column decoding The device (not shown in the figure) is electrically connected to the gate of the column selection MOSFET7; two second resistors R2 are connected in series between the power supply voltage VCC and the ground, and the middle point of the two second resistors R2 outputs the reference voltage Vref and is connected To the second input terminal of the comparison circuit 24, the output terminal
  • the comparison circuit 24 outputs a high level signal value when the output voltage Vout is less than the reference voltage Vref. When the output voltage Vout is greater than or equal to the reference voltage Vref, a low-level signal value is output, where the output level signal value represents the activation value of the MTJ element in the TMR sensor chip being addressed.
  • Fill Level represents the filling level
  • Address value represents the address value
  • Total Columns represents the total number of rows
  • Total Rows represents the total number of columns.
  • the level fill value is linearly proportional to the sequential address value.
  • the sensor element activated by selecting the N column leads and the M row lead should occupy the bottom position of the PCB board, and the sensor element activated by selecting (n+2) and (m+2) should be located at the bottom of the PCB board. Top position.
  • the above is for the arrangement of MTJ elements in a 3*3 array. In the present invention, different array forms can also be set as required.
  • the digital liquid level sensor based on the magnetoresistive sensor cross-point array provided by the embodiment of the present invention also includes a zero liquid level setting device. When no MTJ element is activated and the position of the magnetic float passes the sensor and is located at the bottommost position, the zero liquid level is set The set liquid level of the device is in the state of zero filling level.
  • the TMR sensor chip selects a magnetoresistive sensor chip with two ports.
  • RSA can be calculated according to the following formula:
  • Sum(m) is defined as the sum of running row sensors
  • Sum(n) is defined as the sum of running column number sensors
  • ACTCols is defined as the number of activated column sensors
  • ACTRows is defined as the number of activated row sensors
  • Ceil[ ] Means rounding up.

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Abstract

本发明公开了一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，包括：多个TMR磁传感器芯片；微控制器、行解码器以及列解码器，微控制器和行解码器、列解码器电连接；TMR磁传感器芯片包括多个MTJ元件，每行MTJ元件与行引线或列引线之间连接有二极管，通过行解码器以及列解码器解码的数据并基于公式Address＝m+[Mx(n－1)]寻址TMR磁传感器芯片，其中Address表示地址值，其中m表示当前行的值；微控制器用于扫描TMR磁传感器芯片的地址并找出最高激活状态的MTJ元件的地址，并将地址值转换为与之呈线性比例关系的液位值，并将液位值传送到输出接口；永磁体和保护管。通过一次仅为一个传感器芯片元件供电而极大地最小化传感器元件的功耗。

Description

一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器 技术领域
本发明涉及一种数字液位测量系统，更具体地说，尤其涉及一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器。
背景技术
在现有技术中，液位传感器使用磁场传感器是众所周知的。最常见的传感器(例如干簧管开关)以线性阵列布置在浸入液体中的管中，并且永磁体附接到浮子上，当液体表面的高度改变时，浮子沿着管的外部移动然后使用用于确定哪些开关被永磁体闭合的电子装置来确定液面平面。
在专利公开号为WO2015/034656的专利申请中，显示了典型示例“电阻液位/温度传感器和变送器”，其中干簧管开关阵列附接到串联电阻阵列，使得当干簧管开关由永磁体激活时，它将电阻阵列的一部分短接到地，以与被测液体的水平成线性比例的方式改变阵列的电阻。因此，阵列电阻提供了一种简单测量液位的方法。这种经典设计由于干簧管开关的大尺寸而具有低分辨率，由于干簧管开关的玻璃封装和开关机构的机械特性而容易损坏，并且它的组装成本昂贵。另外，由于读出结果是阻抗式的，因此它对噪声和温度敏感，因此需要温度计进行校准。
为了克服阻抗设计的缺点，设计其他液位传感器来检测干簧管开关的数字状态，包括打开或者是闭合。这种设计的难点在于解决大量的干簧管开关的问题。一种常用方法就是使用交叉点阵列结构，每个干簧管开关位于行和列引线阵列中的行和列引线的交叉点处。由于干簧管开关在打开状态下具有无限大的电阻值，在闭合状态下具有非常小的电阻值，通过扫描所有可能的行引线和列引线可以检测出阵列中哪个开关闭合。一个典型的示例是公开号 为CA2，179，457的加拿大专利“使用具有确定磁性浮子的位置的干簧管开关的液位指示计测量液位的方法和设备”，这个设计干簧管开关的缺点是干簧管开关易碎的并且组装昂贵，分辨率受到干簧管开关尺寸相对较大的限制，并且由于交叉点阵列中的漏电流，这样不能应用到在打开状态下没有无限大电阻的传感器，它依赖于使用具有电阻变化的两端口传感器，除了干簧管之外的典型的三端口磁开关提供电压输出而不是根据电阻值的变化。
由于干簧管开关是易碎的并且导致昂贵的制造成本，所以通常希望使用磁阻传感器或霍尔传感器来检测液位传感器中的磁浮子的位置。磁阻开关传感器通常用作干簧管开关的替代品来完成测量。开关传感器的输出通常是数字电压，使其在线性电阻阵列式液位传感器复合体中应用，但它们对数字架构很有用。在公开号为WO2014/114259的专利申请“数字液位传感器”中，公开了使用磁阻开关的数字液位传感器设计。在该设计中，水平传感器的数字输出连接到编码器，使得编码器的数字值代表最高激活的磁阻开关的位置。这是一种简单的稳健设计，但由于需要同时为所有数字开关供电，它会受到高功率消耗的影响。为了解决这一问题，可以利用以交叉点阵列布置的小型无源两端口MTJ元件来开发液位传感器。
发明内容
为了克服现有技术中的上述问题，本发明提出了一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，以实现降低传感器元件的平均功耗，并且还简化了处理每个传感器输出的数字电路要求。添加与MTJ元件串联的二极管允许在交叉点阵列架构中布置多个小型无源MTJ元件阵列。另外，因为使用无源传感器元件，可以使用小的裸露传感器切片，利用板上芯片(COB)技术或其他小芯片级封装(chip scale package，CSP)布置在液位传感器中的传感器。另外，在单一切片内布置多个传感器芯片可以增加传感器测量分辨率。
本发明实施例提供了一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，包括：PCB板，设置在PCB板上的多个TMR磁传感器芯片，在PCB板上设置有M条行引线和N条列引线，其中M和N为大于等于1的整数；
在PCB板上设置的微控制器、行解码器以及列解码器，微控制器和行解码器、列解码器电连接；列解码器通过列引线与TMR磁传感器芯片连接，行解码器通过行引线与TMR磁传感器芯片连接，每个TMR磁传感器芯片包括多个MTJ元件，MTJ元件电连接成M行N列的MTJ元件阵列，每行MTJ元件与行引线或列引线之间连接有二极管，通过行解码器以及列解码器解码的数据并基于公式Address＝m+[Mx(n－1)]寻址TMR磁传感器芯片，其中Address表示地址值，其中m表示当前行的值，其范围为：1≤m≤M，n表示当前列的值，其范围为：1≤n≤N；
所述微控制器用于扫描TMR磁传感器芯片的地址并找出最高激活状态的MTJ元件的地址，并将地址值转换为与之呈线性比例关系的液位值，并将所述液位值传送到输出接口；
永磁体，永磁体附着在磁性浮子上，永磁体沿着PCB板的长轴方向移动并改变永磁体附近的MTJ元件的磁场状态，磁性浮子随着液位传感器浸入的液体表面浮动；
保护管，保护管包围PCB板。
进一步地，每个所述TMR磁传感器芯片上的每行MTJ元件的一端电气连接到一个或多个列引线焊盘，一个或多个列引线焊盘都与一根列引线连接，每行MTJ元件的另一端分别电气连接到一个行引线焊盘。
进一步地，每行MTJ元件包括一个MTJ元件或包括至少两个串联连接的MTJ元件形成的MTJ元件串。
进一步地，所述PCB板是柔性PCB板。
进一步地，所述TMR传感器芯片通过引线键合或倒装芯片的方式连接到所述PCB板，并具有线性或双极响应。
进一步地，所述二极管集成在所述TMR磁传感器芯片上并串联连接在每行MTJ元件和设置在该行的行引线焊盘之间。
进一步地，所述二极管集成在所述TMR磁传感器芯片上并串联连接在每行MTJ元件和与其电气连接的列引线焊盘之间。
进一步地，还包括行选择MOSFET、列选择MOSFET和比较电路；行选择 MOSFET的漏极电连接到行引线，行选择MOSFET的栅极与所述行解码器的输出端连接，行选择MOSFET的源极串联连接到第一电阻R1的一端以及所述比较电路的第一输入端，行选择MOSFET和第一电阻R1之间的电气节点输出为输出电压V out，第一电阻R1的另一端连接到电源电压VCC；所述列解码器与所述列选择MOSFET的栅极电连接；两个第二电阻R2串联连接在电源电压VCC和地之间，两个第二电阻R2的中间点输出参考电压V ref并连接到所述比较电路的第二输入端，所述比较电路的输出端与所述微控制器电连接，所述比较电路在输出电压V out小于参考电压V ref时输出高电平信号值，在输出电压V out大于等于参考电压V ref时输出低电平信号值，其中输出的电平信号值表示正在寻址的TMR传感器芯片中MTJ元件的激活值。
进一步地，还包括零液位设定装置，当没有MTJ元件被激活并且磁性浮子位置经过传感器位于最底部位置时，零液位设定装置设定液位处于零填充液位状态。
进一步地，所述永磁体产生的磁场在大于两个MTJ元件之间的间隔但小于三个MTJ元件间隔的距离上激活MTJ元件，通过在两个MTJ元件之间插入永磁体来计算填充液位值。
进一步地，所述TMR传感器芯片选择具有两端口的磁阻传感器芯片。
进一步地，所述TMR传感器芯片通过CSP封装。
本发明实施例提供的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，通过利用少量部件并且通过一次仅为一个传感器芯片元件供电而极大地最小化传感器元件的功耗。本发明的数字液位传感器通过可靠、快速并且成本低廉的方式完成液位的数字测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器的局部横截面示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器的结构框图；
图3为用于放置若干MTJ元件的TMR磁传感器芯片的板上芯片布局示意图；
图4为本发明实施例提供的TMR磁传感器芯片与行焊盘和列焊盘的一种连接关系结构的示意图；
图5为本发明实施例提供的TMR磁传感器芯片与行焊盘和列焊盘的另一种连接关系结构的示意图；
图6为本发明实施例提供的TMR磁传感器芯片与行焊盘和列焊盘的另一种连接关系结构的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种PCB板布局示示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种PCB板布局示意图；
图9为本发明实施例提供的交叉点架构磁阻传感器设置以及行列引线排布的开关电路示意图；
图10为本发明实施例提供的交叉点架构磁阻传感器沿着PCB板的长轴线性化的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器的局部横截面示意图，图2是本发明实施例提供的一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器的结构框图，参考图1和图2，该基于磁阻 传感器交叉点阵列的数字液位传感器包括：PCB板8，设置在PCB板8上的多个TMR磁传感器芯片1，在PCB板8上设置有M条行引线(图中未示出)和N条列引线(图中未示出)，其中M和N为大于等于1的整数；
在PCB板8上设置微控制器5，微控制5器用于扫描TMR磁传感器芯片1的地址并找出最高激活状态的MTJ元件的地址，并将地址值转换为与之呈线性比例关系的液位值，并将液位值传送到输出接口4；
其中，最高激活状态的MTJ元件可以是与被激活的MTJ元件中与液位高度最接近的MTJ元件。行解码器41以及列解码器42可以包括于数字逻辑电路3中。数字传感器的输出接口4可以是以IC芯片或接口板形式出现的I/O接口等。
参考图1，PCB板8可选为条形，进而方便将液位传感器做成条形，方便液位传感器对液位的检测，提升用户使用时的体验效果。
参考图1，该液位传感器还包括开关电路7。TMR磁传感器芯片1设置在条形PCB板8上，其中微控制器5扫描TMR磁传感器芯片1的地址，具体是扫描每个TMR磁传感器芯片1包括的多个MTJ元件的地址，并找出最高激活状态的MTJ元件的地址，并与输出接口4(例如可以是上述I/O接口)同时记录各TMR磁传感器芯片中各MTJ元件的状态，该状态包括激活状态和未激活状态，且如上所述的，最高激活状态的MTJ元件可以是与被激活的MTJ元件中与液位高度最接近的MTJ元件。
其中，PCB板8为柔性PCB板。条形PCB板8放置在保护管31内，同时，永磁体10附着在磁性浮子11上，磁性浮子11随着液位传感器浸入的液体表面浮动；永磁体10和磁性浮子11也放置在保护管31外部。永磁体10沿着PCB板8的长轴方向移动并改变永磁体附近的TMR磁传感器芯片的磁场状态，永磁体也相对于液面上下浮动。
TMR磁电阻传感器芯片1中的MTJ元件沿着条形PCB板长轴方向的间隔距离以及TMR磁电阻传感器芯片1的尺寸和浮动的永磁体10的尺寸决定了实现液位测量的测量精度。在条形PCB板的顶端设置有微控制器5和具有I/O接口的其他数字逻辑电路。这些数字逻辑电路，如行解码器和列解码器，可 以在图1中所示的复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device、CPLD)IC6上编程，用于选择MTJ元件的行引线和列引线。微控制器5提供地址输入到行和列解码器选择引线，行解码器和列解码器的输出，用来驱动一个特定的MTJ元件，以将特定的MTJ元件激活。激励的TMR磁传感器芯片状态将由微控制器5记录，激活的MTJ元件由微控制器5记录。
图3为用于放置若干MTJ元件的TMR磁传感器芯片的板上芯片布局示意图；如图3所示，板上芯片焊盘可以容纳16个TMR磁阻传感器芯片，可用于包括16＊16的MTJ元件的设计。这里封装焊盘具有一个列引线焊盘12以通用地连接所有16个MTJ元件的一端，并具有单独的行引线焊盘13以连接每个16个MTJ元件的另一端。在每一行引线中，还可以包括若干个焊接焊盘14，这些焊接焊盘14用于每一行排列中MTJ元件串通过引线键合的方式串联连接以形成一个单个行的MTJ元件串。
图4为本发明实施例提供的TMR磁传感器芯片与行焊盘和列焊盘的一种连接关系结构的示意图，其对应二极管9的结构为片上二极管的形式；每个TMR磁传感器芯片上的每行MTJ元件16的一端电气连接到一个或多个列引线焊盘12，一个或多个列引线焊盘12都与一根列引线连接，每行MTJ元件的另一端分别电气连接到一个行引线焊盘13。
本发明PCB板采用板上芯片封装(Chips on Board，COB)或芯片级封装(Chip Scale Package，CSP)技术，本发明以COB封装技术为例，其中TMR传感器芯片所使用的COB封装焊盘，具有一个列引线焊盘和连接到列引线焊盘的多个行引线焊盘。其中COB封装焊盘的数量对应于列元件的数量。MTJ元件设置在TMR磁传感器芯片1上，焊盘以容纳多个MTJ元件。在TMR磁传感器芯片中使用的焊盘具有一个列引线焊盘和M个行引线焊盘，用于设计M＊N个阵列式的MTJ元件。多个TMR磁传感器芯片沿PCB板的长轴方向线性排列，其中所包括的多个MTJ元件并以交叉点结构连接。TMR磁传感器芯片的数量对应于MTJ元件的列数。
参考图4，图4中以每行MTJ元件包括一个MTJ元件为例进行了示意性说明。二极管9集成在TMR磁传感器芯片上并串联连接在每行MTJ元件和设 置在该行的行引线焊盘13之间。行引线焊盘13连接到二极管9，其中二极管9用作屏障以避免电流流入未选择的MTJ元件。
图5为本发明实施例提供的TMR磁传感器芯片与行焊盘和列焊盘的另一种连接关系结构的示意图；其对应二极管9的结构为片外二极管的形式。
图6为本发明实施例提供的TMR磁传感器芯片与行焊盘和列焊盘的另一种连接关系结构的示意图，参考图6，可选的，二极管9集成在TMR磁传感器芯片上并串联连接在每行MTJ元件和与其电气连接的列引线焊盘12之间。
可选的，每行MTJ元件包括一个MTJ元件或包括至少两个串联连接的MTJ元件形成的MTJ元件串。
可选的，TMR传感器芯片通过引线键合或倒装芯片的方式连接到PCB板，并具有线性或双极响应。
图7本发明实施例提供的一种PCB板布局示意图；图8为本发明实施例提供的另一种PCB板布局示意图；如图7和图8所示，图7和图8显示了条形PCB板以及微控制器单元和其他数字逻辑电路3的完整简要。从最底部的TMR传感器芯片的MTJ元件开始寻址一直到最顶部的TMR传感器芯片的MTJ元件。换句话说，最底部传感器的起始地址为零，最顶部的传感器具有最高的地址位。条形PCB板还可以使用除线性传感器元件之外的TMR开关型传感器元件。浮动的永磁体10的磁取向决定了在PCB板上使用的TMR传感器中MTJ元件的开关属性。如图7所示，如果永磁体10的运动方向与数字传感器检测轴平行(例如图7中永磁体10的运动方向为Y轴方向与数字传感器的检测轴也为Y轴，二者平行)，则可以使用单极型开关传感器。如果永磁体10的磁化轴不同于数字传感器检测轴(对应图8所示情况，永磁体10的磁化轴为X轴，数字传感器的检测轴为Y轴，二者不同)，则可以使用双极开关传感器。优选的TMR传感器芯片中的MTJ元件的位置是沿着X轴的PCB板的中间位置，而用于行引线焊盘、列引线焊盘和二极管的引线接合占据着沿着X轴的PCB板的两侧位置。
继续参考图2，本发明所提出的技术方案包括不同的元件块，比如用于TMR磁传感器芯片的行和列解码器的焊盘以及用于扫描和读取TMR磁传感器 芯片状态的微控制器单元。图2以数字传感器包括1024个MTJ元件为例进行了示意性说明，可以表示为10字节长度的2 10。行引线和列引线分开并共享相同数量的2 5位线。因此，在这种情况下，行引线和列引线为32＊32，可以产生可能的1024种组合。每个MTJ元件使用行和列解码器进行寻址。TMR磁传感器芯片的状态或数值的变化可以通过在行引线上读取，并且比较器进一步将该值与其参考值进行比较，并提供由微控制器后面读取的数字输出。
图9为本发明实施例提供的交叉点架构磁阻传感器设置以及行列引线排布的开关电路示意图，该开关电路为基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器的一部分，图9以交叉点架构配置的3×3MTJ元件16作为数字液位传感器的PCB板布局为例的示意图，参考图9，可选的，该基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器还包括行选择MOSFET44、列选择MOSFET7和比较电路24；行选择MOSFET44的漏极电连接到行引线，行选择MOSFET7的栅极与行解码器(图中未示出)的输出端连接，行选择MOSFET44的源极串联连接到第一电阻R1的一端以及比较电路24的第一输入端，行选择MOSFET44和第一电阻R1之间的电气节点输出为输出电压Vout，第一电阻R1的另一端连接到电源电压VCC；列解码器(图中未示出)与列选择MOSFET7的栅极电连接；两个第二电阻R2串联连接在电源电压VCC和地之间，两个第二电阻R2的中间点输出参考电压Vref并连接到比较电路24的第二输入端，比较电路的输出端Gout与微控制器(图中未示出)电连接，比较电路24在输出电压Vout小于参考电压Vref时输出高电平信号值，在输出电压Vout大于等于参考电压Vref时输出低电平信号值，其中输出的电平信号值表示正在寻址的TMR传感器芯片中MTJ元件的激活值。
图10为本发明实施例提供的交叉点架构磁阻传感器沿着PCB板的长轴线性化的示意图。如图10所示，图10描述了交叉点架构磁阻传感器如何沿着条形PCB板的长轴方向线性化，并且显示了传感器接线布置及其各自的开关电路。例如，图10中显示了3×3个MTJ元件，其中每3个一列的MTJ属于一个元件块，图10以包括三个元件块451、452、453为例进行了示意性说明，每一个元件块对应一条列引线，每个元件块对应的行连接相同的行引线。每 个元件块中列引线各个MTJ元件16的一端连接到一起，MTJ元件16的另一端连接到相应的行引线，以图中行引线分别为m，(m+1)和(m+2)，列引线分别为n，(n+1)和(n+2)为例进行说明，其中，m≥1，n≥1。列引线最终连接到地并且行引线连接到VCC。其中，行引线通过参考电阻R1连接到电源VCC，通过的行引线检测由外部磁场引起的传感器电阻的变化。另一个组合也是可行的，即通过使VCC连接到列引线并且行引线连接到地，并通过参考电阻R1连接到VCC的列引线上检测传感器电阻的变化。3×3情形的计算顺序地址值如下表1所示：
表1
Figure PCTCN2020076803-appb-000001
表1中的顺序地址值是使用当前行数的总和与行总数和前一个列数的乘积之和来计算的，表示为：
通过行解码器以及列解码器解码的数据并基于公式Address＝m+[Mx(n－1)]寻址TMR磁传感器芯片，其中Address表示地址值，其中m表示当前行的值，其范围为：1≤m≤M，n表示当前列的值，其范围为：1≤n≤N。微控制器扫描TMR磁传感器芯片1的地址，并找到最高的激活的TMR磁传感器芯片1的地址，并将该地址转换为电平值，然后将该电平值传送到输出接口。
然后，可以使用地址值的乘积除以行和列元件总数的乘积来计算对应于地址值的液体填充液位的百分比，上述计算填充液位的关系表示为：
Figure PCTCN2020076803-appb-000002
其中，Fill Level表示填充液位，Adress value表示地址值，Total Columns表示总数行，Total Rows表示总数列。
液位填充值与顺序的地址值成线性比例。当没有传感器元件处于激活状态且磁浮子经过磁传感器时，液位传感器进入零填充水平的默认状态。
在实际设计中，通过选择N列引线和M行引线激活的传感器元件应占据PCB板的最底部位置，通过选择(n+2)和(m+2)激活的传感器元件应该位于PCB板的最顶端位置。以上是针对3＊3阵列的MTJ元件设置情形，在本发明中还可以根据需要设置不同的阵列形式。
本发明实施例提供的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器还包括零液位设定装置，当没有MTJ元件被激活并且磁性浮子位置经过传感器位于最底部位置时，零液位设定装置设定液位处于零填充液位状态。
可选的，TMR传感器芯片选择具有两端口的磁阻传感器芯片。
可选的，永磁体产生的磁场在大于两个MTJ元件之间的间隔但小于三个MTJ元件间隔的距离上激活MTJ元件，通过在两个MTJ元件之间插入永磁体来计算填充液位值，具体激活传感器与填充液位的关系可参见表2。在这种情况下，当两个相邻的MTJ元件被激活时，微控制器可以插入高度等于两个MTJ元件之间等距点的高度的磁体。当仅激活一个MTJ元件时，则推测液位处于单个激活的MTJ元件的位置。下面的表2显示了基于3×3MTJ元件激活的行和列传感器元件的数量，计算插值方法的地址值和填充百分比值转换的关系。
表2
Figure PCTCN2020076803-appb-000003
Figure PCTCN2020076803-appb-000004
对于表2中所示的上述情况，当第一个元件被浮动的磁铁激活时，填充 值从零开始，该永磁体恰好与第一个传感器相邻，反之亦然，最高MTJ元件情况下达到100％的液体填充。对于浮子磁铁低于最底部传感器元件或最顶部传感器元件的情况，地址值被认为是无效的情况。
表2的地址值可以表示为：
Adress value＝2＊[RSA+(Total Rows)＊(CSA－1)]，
其中，RSA可以根据以下公式计算：
Figure PCTCN2020076803-appb-000005
而CSA可以根据以下公式计算：
Figure PCTCN2020076803-appb-000006
其中，术语Sum(m)定义为运行的行传感器的总和，Sum(n)定义为运行的列数传感器的总和，ACTCols定义为激活列传感器的数量，ACTRows定义为激活行传感器的数量，Ceil[]表示进一法取整。
要将上述地址值转换为填充液位百分比，根据以下公式计算：
Figure PCTCN2020076803-appb-000007
其中，Fill Level表示填充液位，Adress value表示地址值，Total Columns表示总数行，Total Rows表示总数列。
可选的，TMR传感器芯片通过CSP封装。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (12)

  1. 一种基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，包括：PCB板，设置在PCB板上的多个TMR磁传感器芯片，在所述PCB板上设置有M条行引线和N条列引线，其中M和N为大于等于1的整数；
    在所述PCB板上设置的微控制器、行解码器以及列解码器，所述微控制器和所述行解码器、所述列解码器电连接；所述列解码器通过所述列引线与所述TMR磁传感器芯片连接，所述行解码器通过所述行引线与所述TMR磁传感器芯片连接，每个所述TMR磁传感器芯片包括多个MTJ元件，所述MTJ元件电连接成M行N列的MTJ元件阵列，每行MTJ元件与行引线或列引线之间连接有二极管，通过行解码器以及列解码器解码的数据并基于公式Address＝m+[Mx(n－1)]寻址所述TMR磁传感器芯片，其中Address表示地址值，其中m表示当前行的值，其范围为：1≤m≤M，n表示当前列的值，其范围为：1≤n≤N；
    所述微控制器用于扫描TMR磁传感器芯片的地址并找出最高激活状态的MTJ元件的地址，并将地址值转换为与之呈线性比例关系的液位值，并将所述液位值传送到输出接口；
    永磁体，所述永磁体附着在磁性浮子上，所述永磁体沿着PCB板的长轴方向移动并改变所述永磁体附近的MTJ元件的磁场状态，所述磁性浮子随着液位传感器浸入的液体表面浮动；
    保护管，所述保护管包围所述PCB板。
  2. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，每个所述TMR磁传感器芯片上的每行MTJ元件的一端电气连接到一个或多个列引线焊盘，一个或多个列引线焊盘都与一根列引线连接，每行MTJ元件的另一端分别电气连接到一个行引线焊盘。
  3. 根据权利要求2所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，每行MTJ元件包括一个MTJ元件或包括至少两个串联连接 的MTJ元件形成的MTJ元件串。
  4. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述PCB板是柔性PCB板。
  5. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述TMR传感器芯片通过引线键合或倒装芯片的方式连接到所述PCB板，并具有线性或双极响应。
  6. 根据权利要求3所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述二极管集成在所述TMR磁传感器芯片上并串联连接在每行MTJ元件和设置在该行的行引线焊盘之间。
  7. 根据权利要求3所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述二极管集成在所述TMR磁传感器芯片上并串联连接在每行MTJ元件和与其电气连接的列引线焊盘之间。
  8. 根据权利要求2所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，还包括行选择MOSFET、列选择MOSFET和比较电路；行选择MOSFET的漏极电连接到行引线，行选择MOSFET的栅极与所述行解码器的输出端连接，行选择MOSFET的源极串联连接到第一电阻R1的一端以及所述比较电路的第一输入端，行选择MOSFET和第一电阻R1之间的电气节点输出为输出电压V out，第一电阻R1的另一端连接到电源电压VCC；所述列解码器与所述列选择MOSFET的栅极电连接；两个第二电阻R2串联连接在电源电压VCC和地之间，两个第二电阻R2的中间点输出参考电压V ref并连接到所述比较电路的第二输入端，所述比较电路的输出端与所述微控制器电连接，所述比较电路在输出电压V out小于参考电压V ref时输出高电平信号值，在输出电压V out大于等于参考电压V ref时输出低电平信号值，其中输出的电平信号值表示正在寻址的TMR传感器芯片中MTJ元件的激活值。
  9. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，还包括零液位设定装置，当没有MTJ元件被激活并且磁性浮子位置经过传感器位于最底部位置时，零液位设定装置设定液位处于零填充液位状态。
  10. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述永磁体产生的磁场在大于两个MTJ元件之间的间隔但小于三个MTJ元件间隔的距离上激活MTJ元件，通过在两个MTJ元件之间插入永磁体来计算填充液位值。
  11. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述TMR传感器芯片选择具有两端口的磁阻传感器芯片。
  12. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器交叉点阵列的数字液位传感器，其特征在于，所述TMR传感器芯片通过CSP封装。
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