专利名称：一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，属于磁场测 量技术领域。
背景技术：
在输电线路和变电站内，正常工作电流、短路电流和冲击电流会在周围空间产生 非常强的磁场。对之进行测量的关键部件就是磁场传感器。该传感器不仅要能够耐受强电 场环境，而且要具有相当的灵敏度，能够测量出磁场的大小和方向。传统的磁场测量一般采用电磁感应原理的磁场传感器。新型的磁场传感器主要有 Hall传感器，光纤传感器和巨磁电阻传感器。无论是传统的电磁感应式磁场传感器还是新 型的磁场传感器，都只能感知某一方向上的磁场大小，对于方向未知的磁场不能直接测量 出其大小和方向。其中，巨磁电阻传感器是一种体积小、频率响应宽、灵敏度高、成本低廉的磁场传 感器，其常规电桥结构如图1所示。但是常规电桥结构不能测量磁场的方向，因此迫切需要 研究一种可同时测量磁场方向和强度的新结构。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器。改 变常规的磁场传感器的结构，利用巨磁电阻材料对于不同方向磁场的灵敏度的变化规律测 出磁场的方向和强度，以用于地磁场，输电线路和变电站处磁场等各类磁场测量中，以及用 于电力系统中和电子系统中的电流测量。本发明提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，包括X传感单元，用于测量X方向上的磁场分量，X传感单元由第一电桥和第二电桥组 成，所述的第一电桥由第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻组成， 所述的第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第一巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输入端，第二巨磁电 阻和第一屏蔽电阻的连接端为第一电桥的负输入端，第一巨磁电阻和第一屏蔽电阻的连接 端为第一电桥的负输出端，第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输出 端；所述的第二电桥由第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻组成， 所述的第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第三巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输入端，第四巨磁电 阻和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输入端，第三巨磁电阻和第三屏蔽电阻的连接 端为第二电桥的负输出端，第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输出 端；所述的第一电桥的正输出端与第二电桥的正输入端相连，第一电桥的负输出端与第二 电桥的负输入端相连；Y传感单元，用于测量Y方向上的磁场分量，Y传感单元由第三电桥和第四电桥组成，所述的第三电桥由第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻组成， 所述的第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第五巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输入端，第六巨磁电 阻和第五屏蔽电阻的连接端为第三电桥的负输入端，第五巨磁电阻和第五屏蔽电阻的连接 端为第三电桥的负输出端，第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输出 端；所述的第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻组成， 所述的第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻首尾相接 后形成电桥结构，所述的第七巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电桥的正输入端， 第八巨磁电阻和第七屏蔽电阻的连接端为第四级电桥的负输入端，第七巨磁电阻和第七屏 蔽电阻的连接端为第四电桥的负输出端，第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电 桥的正输出端；所述的第三电桥的正输出端与第四电桥的正输入端相连，第三电桥的负输 出端与第四电桥的负输入端相连；X传感单元的第一电桥的正输入端与Y传感单元的第三电桥的正输入端为同一电 源的正极，X传感单元的第一电桥的负输入端与Y传感单元的第三电桥的负输入端为同一 电源的负极。本发明提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，适用于方向未 知磁场的强度和方向的测量，既能够应用于地磁场，输电线路和变电站处磁场等各类磁场 测量中，也可以用于电力系统中和电子系统中的电流测量。本传感器尺寸较小，适用于磁场 的体外测量和分布式测量。本磁场传感器使用的正交测量结构能够同时测量磁场的强度和 方向，并且在传感器的方向在发生较大变化时，依然能够保证稳定的输出电压，大大提高了 测量的稳定性。该传感器使用巨磁电阻材料，其响应速度快、灵敏度高，极大地提高了传感 器的测量频率范围和响应速度。
图1为常规的巨磁电阻磁场传感器的电桥结构示意图。图2是本发明提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器的电路 结构示意图。图3是本发明提出的磁场传感器的测量原理示意图。图1-图3中，1、3分别为常规电桥结构中的第一，第二巨磁电阻，2、4分别为常规 电桥结构中的第一，第二屏蔽电阻，5和6分别为电桥的正输入端和负输入端，7和8分别为 电桥的正输出端和负输出端。9为X传感单元，10为Y传感单元；其中，I X1，Rx2，Rx3，^i4分 别为X传感单元内的第一，第二，第三和第四巨磁电阻，Rsxl, Rsx2, RSX3' Kx4分别为X传感单 元内的第一，第二，第三和第四屏蔽电阻；RY1，RY2，RY3，RY4分别为Y传感单元内的第五，第六， 第七和第八巨磁电阻，RSY1, Rsy2, Rsy3，Rsw分别为Y传感单元内的第五，第六，第七和第八屏 蔽电阻；Vcc为电源正极，GND为电源负极；U1+和U1-分别为X传感器单元的第一电桥的正 输出端和负输出端，U12+和U12-分别为X传感器单元的第二电桥的正输出端和负输出端；U2+ 和U2_分别为Y传感器单元的第三电桥的正输出端和负输出端，U22+和U22_分别为Y传感器 单元的第四电桥的正输出端和负输出端。U1为X敏感轴上的磁场信号，U2为Y敏感轴上的 磁场信号，U为平面内的合成磁场信号。
具体实施例方式本发明提出的基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，其结构如图2 所示，包括X传感单元9，用于测量X方向上的磁场分量，X传感单元由第一电桥和第二电桥组 成，所述的第一电桥由第一巨磁电阻1^、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻Rx2和第二屏蔽电 阻I^2组成，所述的第一巨磁电阻K1、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻Rx2和第二屏蔽电阻 Rsx2首尾相接后形成电桥结构，所述的第一巨磁电阻&和第二屏蔽电阻I^2的连接端为第 一电桥的正输入端Vcc，第二巨磁电阻Rx2和第一屏蔽电阻Iisxi的连接端为第一电桥的负输 入端GND，第一巨磁电阻和第一屏蔽电阻I S)a的连接端为第一电桥的负输出端U1-，第二 巨磁电阻Rx2和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输出端U1+ ；所述的第二电桥由 第三巨磁电阻Rx3、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻R5i4和第四屏蔽电阻IW组成，所述的第 三巨磁电阻Rx3、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻Ι Χ4和第四屏蔽电阻I 首尾相接后形成 电桥结构，所述的第三巨磁电阻Rx3和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输入端， 第四巨磁电阻Rx4和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输入端，第三巨磁电阻Ι Χ3 和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥的负输出端U1L第四巨磁电阻Rx4和第四屏蔽电 阻I^4的连接端为第二电桥的正输出端U12+ ；所述的第一电桥的正输出端U1+与第二电桥的 正输入端相连，第一电桥的负输出端仏-与第二电桥的负输入端相连；Y传感单元10，用于测量Y方向上的磁场分量，Y传感单元由第三电桥和第四电桥 组成，所述的第三电桥由第五巨磁电阻Ι Υ1、第五屏蔽电阻Rsyi、第六巨磁电阻Ry2和第六屏蔽 电阻Rsre组成，所述的第五巨磁电阻Ryi、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻Ry2和第六屏蔽电 阻I^2首尾相接后形成电桥结构，所述的第五巨磁电阻Ryi和第六屏蔽电阻Rsy2的连接端为 第三电桥的正输入端Vcc，第六巨磁电阻Ry2和第五屏蔽电阻Ryi的连接端为第三电桥的负 输入端GND，第五巨磁电阻Ryi和第五屏蔽电阻的连接端为第三电桥的负输出端U2_，第 六巨磁电阻Ry2和第六屏蔽电阻I^2的连接端为第三电桥的正输出端U2+ ；所述的第四电桥 由第七巨磁电阻Ry3、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻Ry4和第八屏蔽电阻I^4组成，所述的 第四电桥由第七巨磁电阻Ry3、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻Ry4和第八屏蔽电阻Rsy4首 尾相接后形成电桥结构，所述的第七巨磁电阻Ry3和第八屏蔽电阻Rsy4的连接端为第四电桥 的正输入端，第八巨磁电阻Ry4和第七屏蔽电阻的连接端为第四级电桥的负输入端，第 七巨磁电阻Ry3和第七屏蔽电阻的连接端为第四电桥的负输出端U22-,第八巨磁电阻Ry4 和第八屏蔽电阻I^4的连接端为第四电桥的正输出端U22+；所述的第三电桥的正输出端U2+ 与第四电桥的正输入端相连，第三电桥的负输出端U2_与第四电桥的负输入端相连；X传感单元的第一电桥的正输入端与Y传感单元的第三电桥的正输入端为同一电 源的正极Vcc，X传感单元的第一电桥的负输入端与Y传感单元的第三电桥的负输入端为同 一电源的负极GND。如图2中所示，磁场传感器由X传感单元和Y传感单元构成，其敏感轴分别为X敏 感轴和Y敏感轴，两个敏感轴相互正交。每个传感单元都由两级电桥结构组成。X传感单元 的第一级输出为第一电桥的差模输出，其大小为，与X敏感轴方向上的磁场大小 成正比；X传感单元的第二级输出为第二电桥的差模输出，其大小为U12 = υΛ-υΛ，与X敏
5感轴方向上的磁场大小的平方成正比。Y传感单元的第一级输出为第三电桥的差模输出，其 大小为U2 = u2+-u2_，与Y敏感轴方向上的磁场大小成正比；Y传感单元的第二级输出为第四 电桥的差模输出，其大小为U22 = u22+-u22_，与Y敏感轴方向上的磁场大小的平方成正比。根 据巨磁电阻材料的方向敏感性，可以计算出平面内磁场的强度和方向。本发明提出的传感器测量磁场方向和强度的工作原理是巨磁电阻传感器对于 不同方向的磁场信号的灵敏度不一样，存在着灵敏度最大的方向，称为敏感轴。随着磁场 方向与传感器敏感轴的夹角的变化，灵敏度随着夹角呈现出正弦变化的规律，变化周期为 360°。如图3所示，任何一个外加磁场都可以分解为X敏感轴方向和Y敏感轴方向的两 个磁场的叠加。当测量平面内磁场信号时，X敏感轴方向的磁场在传感器的X传感单元中 产生的电压为为U1, Y敏感轴方向的磁场在传感器的Y传感单元中产生的电压为U2，由于U1
和U2正交，根据正弦的性质，则总磁场在传感器上产生的电压为"=^/时+仏2，磁场的方向
表示为磁场与χ敏感轴的夹角Θ，其大小为tane = U2ZU10 χ传感单元和Y传感单元的第 一级输出分别为U1和U2，X传感单元和Y传感单元的第二级输出分别为U12和U22,通过外 部运算电路可以很容易地计算出磁场在传感器上产生的电压的大小￠/ = ^^7,2+%2和磁场的 方向tan θ = UyU10由于传感器的输出电压与磁场强度成正比，故传感器可以反映磁场强 度。这种测量方法的优点在于有效地克服传感器的角度敏感的问题，即当传感器发生大角 度偏转时，通过X传感单元敏感轴和Y传感单元敏感轴的正交布置，依然能够保证测量磁场 强度的准确性，同时反映磁场的方向。相关实验结果表明，当传感器在二维空间360°内旋 转时，其偏差不超过10%。上述磁场传感器中的巨磁电阻可以是多层金属膜材料或自旋阀材料，采用溅射方 法制备。采用光刻方法形成引线和电极，电源采用开关电源或电池供电。
权利要求
1. 一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，其特征在于该传感器包括X传感单元，用于测量X方向上的磁场分量，X传感单元由第一电桥和第二电桥组成，所 述的第一电桥由第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻组成，所述的 第一巨磁电阻、第一屏蔽电阻、第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所 述的第一巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输入端，第二巨磁电阻和第一 屏蔽电阻的连接端为第一电桥的负输入端，第一巨磁电阻和第一屏蔽电阻的连接端为第一 电桥的负输出端，第二巨磁电阻和第二屏蔽电阻的连接端为第一电桥的正输出端；所述的 第二电桥由第三巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻组成，所述的第三 巨磁电阻、第三屏蔽电阻、第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所述的 第三巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输入端，第四巨磁电阻和第三屏蔽 电阻的连接端为第二电桥的负输入端，第三巨磁电阻和第三屏蔽电阻的连接端为第二电桥 的负输出端，第四巨磁电阻和第四屏蔽电阻的连接端为第二电桥的正输出端；所述的第一 电桥的正输出端与第二电桥的正输入端相连，第一电桥的负输出端与第二电桥的负输入端 相连；Y传感单元，用于测量Y方向上的磁场分量，Y传感单元由第三电桥和第四电桥组成，所 述的第三电桥由第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻组成，所述的 第五巨磁电阻、第五屏蔽电阻、第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻首尾相接后形成电桥结构，所 述的第五巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输入端，第六巨磁电阻和第五 屏蔽电阻的连接端为第三电桥的负输入端，第五巨磁电阻和第五屏蔽电阻的连接端为第三 电桥的负输出端，第六巨磁电阻和第六屏蔽电阻的连接端为第三电桥的正输出端；所述的 第四电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻组成，所述的第四 电桥由第七巨磁电阻、第七屏蔽电阻、第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻首尾相接后形成电桥 结构，所述的第七巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电桥的正输入端，第八巨磁电 阻和第七屏蔽电阻的连接端为第四级电桥的负输入端，第七巨磁电阻和第七屏蔽电阻的连 接端为第四电桥的负输出端，第八巨磁电阻和第八屏蔽电阻的连接端为第四电桥的正输出 端；所述的第三电桥的正输出端与第四电桥的正输入端相连，第三电桥的负输出端与第四 电桥的负输入端相连；X传感单元的第一电桥的正输入端与Y传感单元的第三电桥的正输入端为同一电源的 正极，X传感单元的第一电桥的负输入端与Y传感单元的第三电桥的负输入端为同一电源 的负极。
全文摘要
本发明涉及一种基于巨磁电阻效应的测量磁场方向和强度的传感器，属于磁场测量技术领域。本传感器，包括用于测量X方向上的磁场分量的X传感单元以及用于测量Y方向上的磁场分量的Y传感单元。每个传感单元采用两级电桥结构，第一级电桥采用相同的恒压电源供电，第二级电桥采用第一级电桥的输出为其供电，第一级输出为所测磁场产生的电压，第二级输出为所测磁场产生的电压的平方。本发明传感器适用于未知磁场的强度和方向的测量，既能够应用于地磁场，输电线路和变电站处磁场等各类磁场测量中，也可以用于电力系统中和电子系统中的电流测量，且体积小，响应速度快、灵敏度高，极大地提高了传感器的测量频率范围和响应速度。
文档编号G01R33/09GK102129053SQ20111002332
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者何金良, 刘俊, 嵇士杰, 欧阳勇, 胡军 申请人:清华大学