单电桥磁场传感器的制作方法

本发明涉及一种测量磁场的仪器，尤指一种单电桥磁场传感器。

背景技术：

磁场传感器可测定空间中的磁场向量，但指出磁场的方向需要在同一个位置测定三个互相正交的磁场分量。虽然目前已存在多种向量磁场传感器技术，但各种装置的磁场强度测定范围不相同，例如霍耳传感器适合测定10μT至1T的磁场，而磁阻式传感器可测定1mT至0.1μT的磁场，故不同磁场范围需要不同类型的向量传感器。此外，目前的向量传感器设计其三个分量传感器各自独立且位置不同，再加上各分量传感器分别为一电桥单元所构成，因此，三个分量传感器的配置使得整个装置的体积偏大，且测定的磁场分量并非位于同一水平基准面，因而引起磁场向量强度出现数值误差；向量磁场传感器仍有持续改进与发展的必要性。

技术实现要素：

有鉴于现有技术中的不足之处，本案发明人提出一种单电桥磁场传感器，该单电桥磁场传感器包括：

一基板。

一磁通导引器(fluxguide)，该磁通导引器为一四角柱体且直接或间接设于该基板表面。

一电桥单元，该电桥单元包括第一磁阻组件、第二磁阻组件、第三磁阻组件和第四磁阻组件，该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻 组件和该第四磁阻组件依序绕设于该磁通导引器的各环侧面外侧且位于该基板顶面，该第一磁阻组件与该第三磁阻组件的钉札方向远离该磁通导引器，该第二磁阻组件与该第四磁阻组件的钉札方向朝向该磁通导引器。

一切换电路，该切换电路电性连接两个输入电压、两个接地端、两个电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件和该第四磁阻组件，该切换电路引用根据欲测量的各轴向的磁场进行电路切换以改变各输入电压、各接地端、各电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件和该第四磁阻组件之间的电性连接关系。

一测量单元，该测量单元电性连接各电压输出端及该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件和该第四磁阻组件，该测量单元引用测量该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件和该第四磁阻组件的磁阻值，配合各电压输出端的输出电压值得到一磁场测量结果。

在本发明的一实施例中，该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件和该第四磁阻组件的外侧分别设有一第一磁通集中器。

在本发明的一实施例中，该磁通导引器与该基板之间设有一第二磁通集中器。

在本发明的一实施例中，各第一磁通集中器的形状为矩形，该第二磁通集中器的形状为方形。

在本发明的一实施例中，该第一磁阻组件、该第二磁阻组件、该第三磁阻组件和该第四磁阻组件为巨磁阻自旋阀或穿隧磁阻自旋阀。

本发明主要通过该磁通导引器将磁场导引至各磁阻组件，再通过该切换电路随欲测量的轴向磁场改变各磁阻组件、各电压输入源、各接地端及各电压输出端之间的电性连接关系，通过各电压输出端输出的电压值及各磁阻组件的磁阻值得到各轴向的磁场。相较于现有技术，本发明仅需利用 单一电桥单元即可达到测量各轴向磁场的目的，进而能够缩小整体的体积，较佳可缩小体积至1mm³以内。

附图说明

图1为本发明的外观图；

图2为本发明的俯视暨钉札方向示意图；

图3为本发明于X轴或Y轴磁场中的磁通线分布示意图；

图4为本发明于Z轴磁场中的磁通线分布示意图；

图5为本发明于X轴磁场中各磁阻组件的磁阻变化示意图；

图6为本发明于Y轴磁场中各磁阻组件的磁阻变化示意图；

图7为本发明于Z轴磁场中各磁阻组件的磁阻变化示意图；

图8为本发明中的切换电路与各元件电性连接示意图。

附图标记说明：A-单电桥磁场传感器；1-基板；2-磁通导引器；3-电桥单元；31～34-磁阻组件；4-第二磁通集中器；51～54-第一磁通集中器；6-切换电路；61-输入电压源；62-接地端；63-电压输出端；63A～63D-电压输出端。

具体实施方式

以下通过图式的辅助说明本发明的构造、特点与实施例，以使审查员对于本发明有更进一步的了解。

如图1所示，本发明涉及一种单电桥磁场传感器，该单电桥磁场传感器A包括：

一基板1；

如图1所示，该基板1较佳为可制作磁阻式感测组件的基板，例如但不限于为硅晶基板。

一磁通导引器2；

如图2所示，该磁通导引器(fluxguide)2为一四角柱体且直接或间接设于该基板1表面，该磁通导引器2的材质较佳为具有高磁透率及低磁滞率的软磁材料所制，如镍锌铁氧软磁材料(Ni-Zn ferrite)或镍铁合金(Ni-Fe)。如图3及图4所示，该磁通导引器2主要可将水平面(X轴方向、及Y轴方向)的外加磁场偏折至后述各磁阻组件31～34可感测的方向，并可将Z轴方向的外加磁场导引至水平方向。为了使本发明提供的单电桥磁场传感器A于感测时磁通密度较强且分布较为均匀，该磁通导引器2间接设于该基板1的表面，该磁通导引器2与该基板1之间设有一第二磁通集中器(flux concentrator)4，且为了使该第二磁通集中器4具有最佳磁场均匀化的效果，该第二磁通集中器4的形状为正方形。此外，磁通密度与沿平面方向的磁场分量强度成正比。

一电桥单元3；

如图1所示，该电桥单元3包括一第一至第四磁阻组件31～34，第一至第四磁阻组件31～34依序绕设于该磁通导引器2的各环侧面外侧且位于该基板1表面，该第一磁阻组件31及该第三磁阻组件33的钉札方向远离该磁通导引器2，该第二磁阻组件32及该第四磁阻组件34的钉札方向朝向该磁通导引器2。其中，各磁阻组件较佳为巨磁阻(GMR)自旋阀或穿隧磁阻(TMR)自旋阀。

为了使本发明提供的单电桥磁场传感器A于感测时磁通密度较强且分布较为均匀，于各磁阻组件31～34的外侧分别设有一第一磁通集中器51～54，以使各磁阻组件31～34分别位于各第一磁通集中器51～54与该磁通导引器2之间，且为了使各第一磁通集中器51～54具有最佳磁场均匀化的效果，各第一磁通集中器51～54的形状为长方形，且该各第一磁通集中器51～54的长边长度及方向分别对应该第二磁通集中器4的长边长度及方 向。此外，磁通密度与沿平面方向的磁场分量强度成正比。

一切换电路6；

如图8所示，该切换电路6电性连接两个输入电压源61、两个接地端62、两个电压输出端63及该第一至第四磁阻组件31～34，该切换电路6可根据欲测量的各轴向的磁场进行电路切换，以改变各输入电压源61、各接地端62、各电压输出端63及该第一至第四磁阻组件31～34之间的电性连接关系。该切换电路6的工作方式容后述。

一测量单元7；

如图8所示，该测量单元7电性连接各电压输出端63及该第一至第四磁阻组件31～34，该测量单元7可供测量各磁阻组件31～34的磁阻值，配合各电压输出端63的输出电压值得到一磁场测量结果。

如图4、图1与图2所示，本发明提供的单电桥磁场传感器A的制造方法，可利用磁控溅镀与微影蚀刻于该基板1表面制作各磁阻组件31～34，再利用电铸法制作软磁性的Ni-Fe或Co-Fe薄膜作为各第一磁通集中器51～54及该第二磁通集中器4，完成后再利用无磁滞性的肥粒铁材料切割成形为该磁通导引器2并对准贴合固定于该第二磁通集中器4表面，构成本发明提供的单电桥磁场传感器A。电铸法成形的各薄膜型第一磁通集中器51～54及该第二磁通集中器4的尺寸准确、定位精度高。该磁通导引器2使出平面磁场发生磁通偏折效果需要较大的高度，但电铸法可制作的厚度因时间成本而受限，故较佳的方法为切割成形及贴合。图4中的磁通分布分析结果显示，该第一磁通集中器51～54及该第二磁通集中器4的设计能够提高磁通密度的均匀性，并能克服对准贴合的误差的影响。

由以上说明可知，相较于现有技术需使用四个电桥单元，本发明提供的单电桥磁场传感器A仅利用单一电桥单元3，并配合该磁通导引器2，再加上利用该切换电路6进行电路切换，从而改变各元件的电性连接关系， 即可测量各轴向的磁场，从而具有高磁场灵敏度、三轴感测、体积小等优点。

以下说明该单电桥磁场传感器A进行各轴向磁场感测时，该切换电路6的工作方式及磁场测量手段：

如图5、图3、图4、图6至图8所示，当待测磁场分量B_x为X方向，该磁通导引器2、各第一磁通集中器51～54与该第二磁通集中器4的组合，令各磁阻组件31～34分别感测到均匀的磁通密度，其磁场方向相对于钉札方向分别为顺向、逆向、逆向、顺向，使各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为减小、增大、增大、减小，此时各输入电压源61分别电性连接该第一磁阻组件31及该第四磁阻组件34，该第二磁阻组件32及该第三磁阻组件33分别电性连接一接地端62，该磁场分量B_x使该电压输出端63A、63B产生的输出电压为：

其中V_a与V_b为该电压输出端63A及该电压输出端63B的输出电压，R₁为该第一磁阻组件31的电阻，R₂为该第二磁阻组件32的电阻，其余R₃、R₄依此类推，V_cc为该输入电压源61的输入电压。当该磁场B_x＝0时，所有的磁阻组件31～34的电阻相同，皆为零磁场磁阻值R₀，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₀，此时该电桥单元3的输出电压为零。当磁场B_x不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻增加或减少ΔR成为：R₁＝R₀–ΔR、R₂＝R₀+ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀–ΔR，此时该电桥单元3的输出电压为V_x(B_x)＝V_ccΔR/R₀。当磁场B_y不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为R₁＝R₀–ΔR、R₂＝R₀–ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀+ΔR，由上述公式(1)可知该电桥单元3的输出电压为零。当磁场B_z不为零时，四个磁阻组件R₁、R₂、R₃与R₄的磁阻变化分别 为R₁＝R₀+ΔR、R₂＝R₀–ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀–ΔR，由上述公式(1)可知该电桥单元3的输出电压为零。

如图6、图3至图5及图7、图8所示，当待测磁场分量B_y为Y方向时，各磁阻组件31～34所感测到的磁通密度相对于钉札场的方向分别为逆向、逆向、顺向、顺向，使各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为增大、增大、减小、减小，此时各输入电压源61分别电性连接该第一磁阻组件31及该第三磁阻组件33，该第二磁阻组件32及该第四磁阻组件34分别电性连接该接地端62，磁场分量B_y使该电压输出端63C、63D产生的输出电压为：

其中V_c与V_d为电压输出端63C、63D的输出电压。当磁场B_y＝0时，各磁阻组件31～34的电阻相同，皆为零磁场磁阻值R₀，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₀，此时该电桥单元3的输出电压为零。当磁场B_y不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为：R₁＝R₀+ΔR、R₂＝R₀+ΔR、R₃＝R₀–ΔR、R₄＝R₀–ΔR，此时该电桥单元3的输出电压为V_y(B_y)＝V_ccΔR/R₀。当磁场B_x不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为R₁＝R₀–ΔR、R₂＝R₀+ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀–ΔR，由上述公式(2)可知该电桥单元3的输出电压为零。当磁场B_z不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为：R₁＝R₀+ΔR、R₂＝R₀–ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀–ΔR，由上述公式(2)可知该电桥单元3的输出电压为零。

如图7、图3至图6及图8所示，当待测磁场分量B_z为Z方向时，各磁阻组件31～34所感测到的磁通密度相对于钉札场的方向分别为逆向、顺向、逆向、顺向，使各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为增大、减小、增 大、减小，此时该输入电压源61电性连接该第一磁阻组件31及该第四磁阻组件34，该第二磁阻组件32及该第三磁阻组件33分别电性连接该接地端62，磁场分量B_z使该电压输出端63A、63B产生的输出电压为：

其中V_a与V_b为电压输出端63A、63B的输出电压。当磁场B_z＝0时，各磁阻组件31～34的电阻相同，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₀，此时该电桥单元3的输出电压为零。当磁场B_z不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为：R₁＝R₀+ΔR、R₂＝R₀–ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀–ΔR，此时该电桥单元3的输出电压为V_z(B_z)＝V_ccΔR/R₀。当磁场B_x不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为：R₁＝R₀–ΔR、R₂＝R₀+ΔR、R₃＝R₀+ΔR、R₄＝R₀–ΔR，由上述公式(3)可知该电桥单元3的输出电压为零。当磁场By不为零时，各磁阻组件31～34的磁阻变化分别为R₁＝R₀+ΔR、R₂＝R₀+ΔR、R₃＝R₀–ΔR、R₄＝R₀–ΔR，由上述公式(3)知该电桥单元3的输出电压为零。

由以上说明可知，本发明提供的单电桥磁场传感器A可通过该切换电路6于三种线路之间进行切换，从而构成上述公式(1)、(2)、(3)三种输出模式，通过单一电桥即可测量三轴磁场分量。此三种输出模式的切换可利用模拟开关电路实现，亦可通过实时测量各磁阻组件31～34的磁阻变化后利用公式(1)、(2)、(3)以数字计算方式得出。

以上所述为本发明在产业上的一较佳实施例，举凡依本发明权利要求范围所作的均等变化，皆属本案保护的范畴。