一种串联式三轴一体化磁传感器的制作方法

本发明涉及弱磁信号探测技术，具体涉及一种三轴一体化磁传感器。

背景技术：

三轴磁传感器在汽车电子、工业自动控制、存储、地质勘探、生物医学、航空航天等各个领域具有广泛的应用前景及巨大的市场需求，小型化、高精度、低功耗、高稳定性等越来越成为磁传感器的发展趋势。

现有的三轴磁传感器主要有霍尔磁传感器、磁通门传感器、洛伦兹力磁传感器和磁电阻类传感器等。磁电阻类传感器，尤其是巨磁阻(giantmagnetoresistance,gmr)传感器及隧道结磁电阻(tunnelingmagnetoresistance，tmr)传感器，具有体积小、灵敏度高、稳定性高、线性范围宽等优势，具有发展成为小型化高性能三轴磁传感器的巨大潜力。

三轴磁传感器的主要难点在于如何实现构建磁场三分量的测量方法。三轴磁传感器的实现方式上可以分为组装式和一体式，组装式的三轴磁传感器在三轴正交性方面难以保证，并且难以满足小体积、低功耗等需求。一体式三轴磁传感器可以采用mems工艺进行制造，在体积、重量、可靠性、功耗、三轴正交性等方面具有较大的优势。

目前关于一体式三轴磁场传感器，主要思路有：

1、将z向磁场测量单元放置在斜面上，与平面内的x、y向磁场测量单元共同实现三轴测量(专利号：us7564237、us7126330、us20120268113a1、us20090027048a1)；

2、采用磁力线转向结构将z向磁场转变到平面内，然后采用平面内磁场测量单元进行测量并解算出三分量(专利号：us7505233b2b、us20120200292a1、cn103116143a、cn103323795a、cn107894576a)。

这些方案虽然都能够实现三轴一体化测量，但是仍然都存在z向磁场测量分辨率低、共模干扰信号抑制能力弱、结构复杂、制造工艺难度大等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种串联式三轴一体化磁传感器，本发明实现了三轴磁场的聚集放大和平面化、一体化测量，并能有效降低温度漂移及共模干扰信号的影响，具有体积小、能耗低、实现简单的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种串联式三轴一体化磁传感器，包括绝缘基底、磁通聚集器、磁变轨单元、参考磁电阻和四个敏感磁电阻，所述磁通聚集器设于绝缘基底中心，所述磁变轨单元置于磁通聚集器上方，所述四个敏感磁电阻呈中心对称分布于绝缘基底上、且位于磁通聚集器上设置的凸出部的边缘，所述参考磁电阻位于所述绝缘基底的中心并处于磁通聚集器正下方的磁场屏蔽区域内，所述参考磁电阻和四个敏感磁电阻串联布置于串联式三轴一体化磁传感器的输入端iin和输出端iout之间。

可选地，所述绝缘基底为氧化铝陶瓷体。

可选地，所述氧化铝陶瓷体表面为抛光面，所述磁通聚集器设于抛光面上。

可选地，所述磁通聚集器为中部的正方形和位于正方形每一边上的曲边梯形形成的一体式结构，该曲边梯形的短边朝外布置形成磁通聚集器的凸出部。

可选地，所述磁通聚集器、磁变轨单元均为磁性薄膜。

可选地，所述磁性薄膜为通过高导磁性膜生长形成或者通过电镀或溅射制成。

可选地，所述参考磁电阻为由磁隧道结mtj串联而成的隧道结磁电阻tmr。

可选地，所述敏感磁电阻为由磁隧道结mtj串联而成的隧道结磁电阻tmr。

可选地，所述四个敏感磁电阻是指第一敏感磁电阻～第四敏感磁电阻，所述参考磁电阻、第一敏感磁电阻、第二敏感磁电阻、第三敏感磁电阻、第四敏感磁电阻串联布置于串联式三轴一体化磁传感器的输入端iin和输出端iout之间。

可选地，所述第一敏感磁电阻、第三敏感磁电阻相对磁通聚集器对称布置，所述第二敏感磁电阻、第四敏感磁电阻相对磁通聚集器对称布置，所述第一敏感磁电阻、第三敏感磁电阻构成y轴方向的敏感元件，所述第二敏感磁电阻、第四敏感磁电阻构成x轴方向的敏感元件。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明包括绝缘基底、磁通聚集器、磁变轨单元、参考磁电阻和四个敏感磁电阻，磁通聚集器设于绝缘基底中心，磁变轨单元置于磁通聚集器上方，四个敏感磁电阻呈中心对称分布于绝缘基底上、且位于磁通聚集器上设置的凸出部的边缘，参考磁电阻位于绝缘基底的中心并处于磁通聚集器正下方的磁场屏蔽区域内，本发明通过磁通聚集器将平面x、y方向磁场聚集放大，同时利用磁变轨单元将z向磁场转变到x、y平面方向内，用四个敏感磁电阻进行测量，从四个敏感磁电阻的输出信号可以解算处被测磁场的三个分量，从而实现了三轴一体化测量，实现了三轴磁场的一体化、平面化测量和聚集放大，有效提升了三轴一体化程度、正交性和磁场测量灵敏度。

2、本发明在磁通聚集变轨单元下面放置参考磁电阻，并与敏感电阻串联，能有效降低温度漂移及共模干扰信号的影响。

3、本发明的层叠式结构可采用mems工艺制备，具有体积小、功耗低、实现简单的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视结构示意图。

图2为本发明实施例的主视结构示意图。

图3为本发明实施例的敏感磁电阻和参考磁电阻的布局及连接图。

图4为本发明实施例的敏感磁电阻和参考磁电阻的电路图。

图例说明：1、绝缘基底；2、磁通聚集器；21、凸出部；3、磁变轨单元；4、参考磁电阻；5、敏感磁电阻。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的串联式三轴一体化磁传感器包括绝缘基底1、磁通聚集器2、磁变轨单元3、参考磁电阻4和四个敏感磁电阻5，磁通聚集器2设于绝缘基底1中心，磁变轨单元3置于磁通聚集器2上方，四个敏感磁电阻5呈中心对称分布于绝缘基底1上、且位于磁通聚集器2上设置的凸出部21的边缘，参考磁电阻4位于绝缘基底1的中心并处于磁通聚集器2正下方的磁场屏蔽区域内，参考磁电阻4和四个敏感磁电阻5串联布置于串联式三轴一体化磁传感器的输入端iin和输出端iout之间。本实施例的串联式三轴一体化磁传感器的工作原理如下：本实施例的串联式三轴一体化磁传感器通过磁通聚集器2将平面x、y方向磁场聚集放大，同时利用磁变轨单元3将z向磁场转变到x、y平面方向内，用四个敏感磁电阻5进行测量，从四个敏感磁电阻5的输出信号可以解算处被测磁场的三个分量，从而实现了三轴一体化测量。

本实施例中，绝缘基底1为氧化铝陶瓷体，氧化铝陶瓷具有较好的绝缘性。

本实施例中，氧化铝陶瓷体表面为抛光面，磁通聚集器2设于抛光面上。

参见图2和图3，绝缘基底1的表面镀有电极，用于连接参考磁电阻4和四个敏感磁电阻5及信号的输出。

如图1和图2所示，磁通聚集器2为中部的正方形和位于正方形每一边上的曲边梯形形成的一体式结构，该曲边梯形的短边朝外布置形成磁通聚集器2的凸出部21，通过曲边梯形的短边朝外布置形成凸出部21，相对于矩形和普通梯形的结构而言，能够在敏感磁电阻5处具有更高的磁场放大倍数，从而有利于提升磁场测量的灵敏度。本实施例中，磁变轨单元3则位于磁通聚集器2的该正方形区域的正上方且与该正方形区域重叠。

本实施例中，磁通聚集器2、磁变轨单元3均为磁性薄膜。磁性薄膜可以根据需要选择通过高导磁性膜生长形成、或者通过电镀或溅射制成。基于这种结构，可以实现平面方向的磁场的聚集放大和垂向磁场的平面方向变轨，并且工艺简单。

本实施例中，参考磁电阻4为由磁隧道结mtj串联而成的隧道结磁电阻tmr。可与敏感磁电阻5采用相同的工艺同批次制作，使得到的隧道结磁电阻tmr具有较高的一致性。

本实施例中，敏感磁电阻5为由磁隧道结mtj串联而成的隧道结磁电阻tmr。可采用相同的工艺同批次制作，使得到的隧道结磁电阻tmr具有较高的一致性。

如图2、图3和图4所示，四个敏感磁电阻5是指第一敏感磁电阻5#1～第四敏感磁电阻5#4，参考磁电阻4、第一敏感磁电阻5#1、第二敏感磁电阻5#2、第三敏感磁电阻5#3、第四敏感磁电阻5#4串联布置于串联式三轴一体化磁传感器的输入端iin和输出端iout之间。

如图2和图3所示，第一敏感磁电阻5#1、第三敏感磁电阻5#3相对磁通聚集器2对称布置，第二敏感磁电阻5#2、第四敏感磁电阻5#4相对磁通聚集器2对称布置，第一敏感磁电阻5#1、第三敏感磁电阻5#3构成y轴方向的敏感元件，第二敏感磁电阻5#2、第四敏感磁电阻5#4构成x轴方向的敏感元件。

当敏感方向被测磁场改变时，敏感磁电阻的阻值发生变化。参考磁电阻4位于磁通聚集器2下方的磁场屏蔽区域内，外磁场改变时其电阻值不发生变化；本实施例中，四个敏感磁电阻5#1～5#4和参考磁电阻4构成串联电路，并采用恒流电流源供电的方式，参考磁电阻4侧电流的输入端iin接地，则磁电阻两端的电压输出如式(1)所示：

式(1)中，v0为参考磁电阻4两端的电压，vx1、vy1、vx2、vy2分别为敏感磁电阻5#1、5#2、5#3、5#4两端的电压，i为供电电流，r0、r1、r2、r3、r4分别为参考磁电阻4、敏感磁电阻5#1、5#2、5#3、5#4的初始电阻，δr0为磁电阻的和外磁场无关的共模干扰信号，如温漂、电磁耦合干扰。δr1、δr2、δr3、δr4分别为敏感磁电阻5#1、5#2、5#3、5#4感受各自敏感方向磁场导致的电阻变化。由于参考磁电阻4侧电流的输入端iin接地，因此v1、v2、v3、v4分别为敏感磁电阻5#1、5#2、5#3、5#4的电压，如图4所示。

根据式(1)，磁场导致敏感磁电阻5#1、5#2、5#3、5#4的磁敏感电阻变化量△r1、△r2、△r3、△r4如式(2)所示：

式(2)中各变量含义与式(1)相同。因此，根据敏感磁电阻的特性，利用电阻的变化即可得到敏感方向磁场的大小。

本实施例中，磁通聚集器2、磁变轨单元3、参考磁电阻4和四个敏感磁电阻5共同构成了三轴磁场传感器的基本结构，其三轴磁场的解耦原理如式(3)所示：

式(3)中，b1～b4分别为根据磁电阻4#1～4#4的电阻变化r1、r2、r3、r4得到的敏感方向的磁场，g为磁通聚集器对外磁场的放大倍数，bx、by、bz分别为被测磁场的三个分量，γ为z向磁场转变为平面x或y方向磁场的变轨效率。

根据式(3)可得到三分量磁场bx～bz的计算公式如式(4)所示；

式(4)中，bx～bz分别为三分量磁场，其余各变量含义与式(3)相同。因此，采用磁通聚集器2、磁变轨单元3、参考磁电阻4和四个敏感磁电阻5共同构成了三轴磁场传感器的基本结构能够实现三分量磁场bx～bz的探测，而且上述结构及工艺简单，能够提升磁场测量的灵敏度，实现三分量磁场的一体化测量，并有效抑制温漂、电磁耦合干扰等共模干扰信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。