各向异性磁阻感测结构及其传感器

本发明申请涉及传感器，具体涉及一种各向异性磁阻感测结构及其传感器。

背景技术：

1、各向异性磁阻（amr）效应，即指铁、钴、镍等铁磁性金属及其合金材料的电阻随着磁化方向与电流方向之间夹角的变化而变化的现象，当电流与磁化方向平行时，电阻最大；当电流与磁化方向垂直时，电阻最小。外界磁场能够改变amr的磁化方向，所以基于各向异性磁阻效应的磁性传感器的磁阻变化与外磁场有关。基于薄膜制备的amr传感器具有分辨率高、工艺简单、价格低廉等优势，可以很好地感应地磁场等弱磁场以及磁铁等相对强磁场，已经被广泛应用于磁场探测、转速测量、位置测量、电流传感和电子罗盘等领域。

2、在amr磁性传感器中，磁电阻薄膜作为核心单元，通常采用磁控溅射的方法制备薄膜，并进一步通过barber pole（与amr长轴方向呈一定夹角的若干条形电极）改变磁阻薄膜中的电流方向，以扩展传感器的线性工作区间。进一步的，在amr传感器的实际工作中，通常将磁阻单元设计成惠斯通电桥结构，利用电桥的差分输出来达到减小噪声、提升精度的作用。

3、此外，为实现对三维磁场变化的量测，通常需要将量测不同方向的多个磁阻元件整合到一个封装中，例如发明人中知晓的一种amr三轴磁传感器由三个相互垂直的amr磁阻元件组成，分别测量x轴、y轴以及z轴方向上的磁场，当磁场作用于amr磁阻元件时，元件的电阻发生变化，通过测量三向的输出电压变化，便可确定磁场的三个分量，从而实现对磁场的测量。但是，由于多个磁阻元件需要立体整合，由此会导致传感器良品率下降及封装难度增加等问题。

4、发明人还知晓一篇公开号为“cn103033772b”发明名称为“磁阻感测组件与磁阻传感器”的发明专利，其公开了一种非水平设置的磁场感应层，通过该磁场感应层可将其感受的z轴方向的磁场转向或引导至水平磁阻层，使得磁阻感测组件的电阻发生改变并产生输出电压的变化，从而检测z轴方向的磁场。

5、但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：该方法虽然通过磁场感应层可将z轴方向的磁场引导至水平磁阻层，从而避免了将z向量测磁阻元件垂直立设于水平磁阻层所导致的封装难度增加，但是，对z向磁场进行量测时，如若外界存在x向磁场（x向磁场平行于水平磁阻层且与磁场感应层的长轴垂直），则电桥两输出端子的输出信号的交叉点（中点电位）会发生迁移，具体的参见图1，图中实线为外界不存在x向磁场时电桥两输出端子的信号输出随z向磁场变化的曲线图，虚线为外界存在x向磁场时电桥两输出端子的信号输出随z向磁场变化的曲线图。从图中可直观的看出，相比于外界不存在x向磁场的情况，当外界存在x向磁场时，中点电位由a点迁移至b点，即z向量测磁阻元件的中点电位受x向磁场的影响，恶化z向磁场测量精度。

6、公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种各向异性磁阻感测结构及其传感器，旨在解决现有z向量测磁阻元件的中点电位易受x向磁场影响从而导致测量精度较低的技术问题。

2、根据本公开的一个方面，提供一种各向异性磁阻感测结构，包括分别以对应的磁阻模块作为各桥臂的惠斯通电桥，所述磁阻模块包括若干对应并联或串联的感测模组，所述感测模组包括对应电连接的第一磁阻单元及第二磁阻单元，所述磁阻单元包括长条状的磁阻层、等间距阵列于所述磁阻层顶部且与所述磁阻层的长轴方向对应呈一定夹角的若干条形电极、设于所述磁阻层的一侧且为导磁材料件的磁转换部；所述第一磁阻单元与第二磁阻单元的所述磁转换部分别位于其对应所述磁阻层的长轴的相异两侧；所述第一磁阻单元与第二磁阻单元的所述条形电极分别与其对应所述磁阻层的长轴所夹锐角间的角度偏差处于±5度内。

3、在本公开的一些实施例中，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元间结构对应呈镜像对称。

4、在本公开的一些实施例中，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元对应的磁转换部设于对应的两所述磁阻层间。

5、在本公开的一些实施例中，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元分别对应的所述磁转换部为一体式结构。

6、在本公开的一些实施例中，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元间串联电连接。

7、在本公开的一些实施例中，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元间并联电连接。

8、根据本公开的另一个方面，提供一种单轴磁阻传感器，基于上述的各向异性磁阻感测结构，包括设于基板上用于量测垂直于所述基板的磁场的所述各向异性磁阻感测结构、与所述惠斯通电桥对应电连通的输入端子和输出端子。

9、根据本公开的另一个方面，提供一种三轴磁阻传感器，基于上述的各向异性磁阻感测结构，包括设于基板上用于量测垂直于所述基板的磁场的所述各向异性磁阻感测结构。

10、本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：

11、1.磁转换部可将垂直于磁阻层的z向磁场（本申请实施例中定义磁阻层呢光厚度方向为z向磁场、磁阻层长轴方向为y向磁场、磁阻层短轴方向为x向磁场）进行相应地扭转，从而产生平行于磁阻层的磁场分量，由于第一磁阻单元与第二磁阻单元间的结构呈镜像对称，进而两磁阻单元的条形电极与其磁转换部间的夹角一致，由此两磁阻单元呈现相同的电阻值变化趋势，进而通过电桥差分输出，得以输出电压信号以确定当前z向磁场强度。

12、2.在外界存在x向磁场时，该x向磁场不受磁转换部影响，且由于第一磁阻单元与第二磁阻单元结构间呈镜像对称关系，两磁阻单元的条形电极与磁阻层长轴方向的夹角关于磁阻层的长轴方向对应对称，由此x向磁场致使两磁阻单元的电阻值产生相反的变化，进而抵消x向磁场作用，避免惠斯通电桥两输出端子所输出信号受x向磁场干扰所导致的中点电位变化，从而影响测量精度与准确度的问题。

13、3. 对磁转换部与磁阻层间的水平间距以及磁转换部靠近磁阻层的端面与磁阻层靠近磁转换部的端面间竖直间距的合理限制，可有效避免磁转换部与磁阻层间间距过大时，或磁转换部与磁阻层对应端面间间距过大时，所导致的磁转换部的磁场转换效果减弱，从而影响测量精度以及准确性的问题。

技术特征：

1.一种各向异性磁阻感测结构，其特征在于，包括分别以对应的磁阻模块作为各桥臂的惠斯通电桥，所述磁阻模块包括若干对应并联或串联的感测模组，所述感测模组包括对应电连接的第一磁阻单元及第二磁阻单元，所述磁阻单元包括长条状的磁阻层、等间距阵列于所述磁阻层顶部且与所述磁阻层的长轴方向对应呈一定夹角的若干条形电极、设于所述磁阻层的一侧且为导磁材料件的磁转换部；所述第一磁阻单元与第二磁阻单元的所述磁转换部分别位于其对应所述磁阻层的长轴的相异两侧；所述第一磁阻单元与第二磁阻单元的所述条形电极分别与其对应所述磁阻层的长轴所夹锐角间的角度偏差处于±5度内。

2.根据权利要求1所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元间结构对应呈镜像对称。

3.根据权利要求1或2所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元对应的磁转换部设于对应的两所述磁阻层间。

4.根据权利要求3所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元分别对应的所述磁转换部为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元间串联电连接。

6.根据权利要求1所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，所述第一磁阻单元与所述第二磁阻单元间并联电连接。

7.一种单轴磁阻传感器，基于权利要求1所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，包括设于基板上用于量测垂直于所述基板的磁场的所述各向异性磁阻感测结构、与所述惠斯通电桥对应电连通的输入端子和输出端子。

8.一种三轴磁阻传感器，基于权利要求1所述的各向异性磁阻感测结构，其特征在于，包括设于基板上用于量测垂直于所述基板的磁场的所述各向异性磁阻感测结构。

技术总结
本申请公开了一种各向异性磁阻感测结构及其传感器，旨在解决现有Z向量测磁阻元件的中点电位易受X向磁场影响从而导致测量精度较低的技术问题。其包括分别以对应的磁阻模块作为各桥臂的惠斯通电桥，所述磁阻模块包括若干对应并联或串联的感测模组，所述感测模组包括对应电连接的第一磁阻单元及第二磁阻单元，所述第一磁阻单元与第二磁阻单元的所述磁转换部分别位于其对应所述磁阻层的长轴的相异两侧；所述第一磁阻单元与第二磁阻单元的所述条形电极分别与其对应所述磁阻层的长轴所夹锐角间的角度偏差处于±5度内。本申请具有封装结构简单、测量准确度高、抗干扰性好等优点。

技术研发人员：蔡永福,付超群,魏然,吴少杰,陈辰,王坦,李福山,李海梅
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29