集成磁力计和检测磁场的方法与流程

1.本发明涉及集成磁力计和检测磁场的方法。具体而言，本公开涉及一种用于检测材料表面上的铁磁或超顺磁结构的传感器。


背景技术：

2.例如，当对钞票进行安全检查时，需要高灵敏度的磁力计来检测钞票的一些磁性安全特征中包含的非常弱的磁性材料。这些安全特征可以例如包括印刷彩色颜料中的磁性颜料，但也包括金属化安全线，在任何情况下都是特别设计的磁性特征。由于其高灵敏度和低噪声，各向异性磁阻(amr)传感器可用于此目的。但是产生的电信号还是很弱。
3.过去，钞票行传感器阵列每个通道的读取宽度约为10毫米。现在市场上正在努力提高分辨率，以便能够分辨钞票上更多的磁性细节。由于伪钞数量的增加和伪造者纸币质量的提高，预计磁性安全特征更小。随着钞票磁性图像分辨率的提高，特征的验证当然必须更加精确。
4.例如，钞票验证器系统可能需要112个通道，总扫描长度为196毫米。这对应于每个通道的分辨率为1.75毫米。
5.通常，磁阻传感器(在本技术中也称为磁性传感器)测量磁场的方向和强度。这种布置和方法在确定磁性材料(例如钞票中的磁性标记)的领域中找到了用途，而且还通过磁力计检测角度和位置。
6.传感器利用磁阻效应，这是材料(例如铁磁)在外部施加的磁场中改变其电阻值的趋势。特别地，在多组分或多层系统中，观察到巨磁电阻(gmr)、隧道磁电阻(tmr)、巨型磁电阻(cmr)和非寻常磁电阻(emr)，而各向异性磁电阻效应(amr)仅需要一层发生。
7.磁性传感器具有出色的精度和对挑战性环境条件的高鲁棒性，在制造和运输等各种应用中发挥着重要作用。更详细地说，基于磁阻效应的传感器是重要的组件，因为它们具有低的固有测量误差和高稳定性。此外，有利的温度特性以及对恶劣环境条件的鲁棒性导致磁阻传感器在许多重要应用中的相关性。
8.磁场的强度通常用磁通量密度b来描述。磁通量密度的梯度是由沿着b的最大变化方向的每单位距离的b的变化引起的。由于b是向量，通常也是所有三个空间维度的函数，梯度是包括三个空间b场分量相对于空间坐标的所有偏导数的张量。实际上，为了测量梯度，使用了两个磁场传感器，这两个磁场传感器测量相隔明确距离的两个不同位置的磁通量密度。然后，计算两个测量的通量密度值之差并除以距离。该距离以这样的方式选择，即b场在该距离内线性变化，换句话说，通过选择与每个传感器和磁场源之间的距离相比较小的距离。
9.当用传统的磁阻传感器阵列读取诸如钞票之类的文件上的磁性安全结构时，已知要么检测磁场强度的绝对值，要么检测局部场梯度。每种技术都有不同的传感器设计。检测磁场绝对强度的磁场传感器具有灵敏度高的优点，特别是在较高的距离上。然而，场传感器的缺点是它们的输出信号可能被外部干扰磁场削弱。
10.另一方面，梯度传感器进行差分测量，因此对外部干扰磁场不敏感。然而，与场传感器相比，梯度传感器具有灵敏度低得多的缺点，特别是对于离要检测的磁性物体更远的距离。
11.因此，已知的钞票传感器需要在这两个概念之间进行选择，并接受各自的缺点。


技术实现要素：

12.独立权利要求的主题解决了上述目标中的至少一个。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
13.在本公开中，为低场amr或其他磁阻效应之一提供了电子设计，例如隧道磁阻(tmr)传感器。tmr传感器可以与专用集成电路(asic)一起实现，并导致显著提高的灵敏度。根据本公开的集成磁力计将梯度传感器和场传感器结合在一个传感器芯片上。该解决方案允许测量高分辨率场信号和梯度信号，梯度信号的积分提供具有较低分辨率但没有干扰的重建场信号。因此，两种操作模式的优点可以一起使用，而没有各自的缺点。
14.具体而言，本公开提供了一种集成磁力计，其包括至少一个场传感器单元，该场传感器单元包括用于响应于检测到的磁场产生第一电输出信号的第一换能器元件，以及包括至少一对第二换能器元件的至少一个梯度传感器单元，该对第二换能器元件被布置成检测两个不同位置处的磁场，并响应于检测到的磁场梯度产生第二电输出信号。第一和第二换能器元件形成在公共基板上，并且被整体保护外壳包围。
15.该概念允许优化信号质量和信息检索。此外，在梯度传感器中集成场传感器不会增加空间需求，因此不会增加梯度传感器的芯片成本。场和梯度测量不需要不同的传感器类型。这简化并降低了传感器生产、仓储和物流的成本。
16.有利地，第一换能器元件和/或该对第二换能器元件包括至少一个磁阻元件。如上所述，磁阻元件具有提供低固有测量误差、高灵敏度和高稳定性的优点。此外，它们具有良好的温度特性以及对恶劣环境条件的鲁棒性。此外，磁阻元件可以被连接以形成分压器或惠斯通电桥拓扑，用于提取电信号和补偿温度效应。
17.有利地，响应均匀场的换能器元件布置被放置在两个换能器元件之间的空间中，这两个换能器元件形成对局部场差敏感的感测布置。因此，与传统的梯度传感器相比，不需要额外的空间。此外，当使用梯度传感器的输出信号校正场传感器的输出信号时，可以进行特别精确的测量。
18.为了能够一次辨别一个以上的磁性特征，集成磁力计有利地能够输出一个以上的通道。为了实现这种多通道测量，至少一个第一换能器元件被布置在至少一对第二换能器元件的两个第二换能器元件之间，第一和第二换能器元件被对准以形成第一换能器组，并且至少一个另外的换能器组被布置在公共基板上。每组对应一个输出信号通道。
19.根据有利的实施例，第一换能器元件包括两个磁阻元件，这两个磁阻元件彼此相邻定位，并且电连接以形成半桥。半桥的电路拓扑的优点是，它可以通过额外的恒定电阻形成全桥，从而可以从桥电压中获得测量信号。这种测量桥具有很高的灵敏度和准确度。
20.以相同的方式，至少一个梯度传感器单元的两个第二换能器元件可以各自包括一个磁阻元件，其被定位成彼此隔开并且电连接以形成半桥。
21.根据本公开的另一有利示例，磁力计包括用于将集成磁力计连接到外部部件的多
个端子，其中第一端子连接到场传感器单元，第二端子连接到梯度传感器单元，并且其中第一端子以对应于第二端子围绕基板的中心轴线旋转180度的图案的图案布置。换句话说，可以选择传感器外壳的引脚分配，使得当仅使用一种操作模式时，可以通过焊接到旋转180度的印刷电路板来在操作模式之间进行选择。因为只有一种类型的芯片能够适合三种完全不同的测量架构，所以这可以简化制造和库存。
22.根据另一个有利的例子，外壳是表面安装技术(smt)兼容的外壳。表面安装技术(smt)是一种生产电子电路的方法，其中元件直接安装或放置在电路载体的表面上，例如印刷电路板(pcb)。如此制造的电子器件被称为表面安装装置(smd)。在工业上，它在很大程度上取代了将带有引线的元件装配到电路板孔中的通孔技术构造方法。这两种技术可以用在同一块板上，通孔技术用于不适合表面安装的元件，如大型变压器和散热功率半导体。表面安装技术在制造中的一个重要优势包括降低电路板成本、降低材料处理成本和控制制造过程。迹线的布线减少，板的尺寸减小，并且钻孔的数量也减少。结合本公开，主要使用smd外壳，因为它们的尺寸小且平坦，导致芯片表面和待测量物体之间的距离小。此外，smd部件可以特别精确地定位，并且彼此之间的距离很小。这对于实现沿着传感器线性阵列的无缝读取是有利的。
23.有利地，基板还包括用于保护传感器的电子元件和/或用于执行信号处理的电子元件。通过这种额外的集成程度，减少了空间需求并提高了精度。
24.本发明还涉及一种使用根据本发明的至少一个集成磁力计检测磁场的方法，其中该方法包括以下步骤：
25.测量集成磁力计的第一位置处的磁场强度，并产生绝对输出信号；
26.同时，测量集成磁力计的第二和第三位置处的磁场强度，并计算差分信号；
27.评估绝对信号和差分信号以产生组合输出信号。
28.根据本发明的有利示例，待检测的磁场相对于集成磁力计是可移动的。例如，本发明可以与钞票或其他文件的认证系统一起使用，其中钞票(或其他文件)上的磁性安全特征通过扫描仪来检测。当然，本公开也可以用于许多其他应用环境，例如位置感测、电流感测、流量感测和计量，或者需要磁场精确检测的任何其他应用。本发明的其他应用可以在材料检测领域中看到，例如金属(不一定是铁磁)材料中的磁性裂纹检测。用于磁性裂纹检测的传感器阵列可以包括集成的预磁化磁体，该磁体在导电金属材料中产生涡流。这些涡流会受到缺陷的影响，从而改变磁场，并通过磁传感器检测到缺陷。
29.此外，本发明可以有利地用于其他材料测试目的。例如，这种磁性传感器线通常可用于检测铁磁或导电物体，例如食物中的金属颗粒或信件中的金属物体(信件炸弹)。该系统还可以检测生物学、医学或分析中的磁性粒子(微珠)。
30.此外，绝对信号和差分信号可以相互比较，以产生表示测量质量的质量信号。以这种方式，例如干扰外部磁场的存在，或者磁力计的非最佳安装可以被检测和移除。特别地，根据本公开的有利示例，组合输出信号是通过消除干扰来校正的重构场信号。
31.如上所述，要检测的磁场可以由文件的磁性安全特征产生。在这种情况下，同时检测一个或多个安全特征是有利的。这可以通过提供由第一和第二换能器元件形成的多个组来测量多个信号通道来实现。
32.这种高度集成使得例如在最小的可生产安装空间实现高分辨率线传感器成为可
能。这是下一代线性传感器阵列应用于钞票、水平仪和线性应用的重要一步。此外，这种方法很容易应用于下一代tmr传感器，它们具有更高的灵敏度、更高的电阻(更低的功耗)，并且可以直接沉积在专用集成电路上。
33.附图被结合到说明书中并形成说明书的一部分，以说明本发明的几个实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅仅是为了说明如何制造和使用本发明的优选和替代例子的目的，并且不应当被解释为将本发明限制为仅图示和描述的实施例。
34.附图描述
35.此外，根据本发明，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合形式形成解决方案。从如附图所示的本发明的各种实施例的以下更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
36.图1是示出磁性梯度传感器操作的示意图；
37.图2是示出磁场传感器操作的示意图；
38.图3是双通道磁性梯度传感器的示意图；
39.图4是传统三通道磁性梯度传感器的示意图；
40.图5是传统三通道磁场传感器的示意图；
41.图6是根据本公开的集成磁力计的示意性布局图；
42.图7是图6所示的集成磁力计的电路图；
43.图8是示出图6所示磁力计的场感测操作模式的示意图；
44.图9是示出图6所示磁力计的梯度感测操作模式的示意图。
具体实施方式
45.现在将参照附图更详细地解释本发明。参考图1，示出了通过磁性梯度传感器检测钞票上的移动(铁磁)磁性标记的示意图。特别地，具有磁性安全特征102的钞票100相对于磁性梯度传感器104移动。安全特征102通常被称为具有北极和南极以及磁通线106的磁场源。如上所述，磁性源102可以附接到用于不同测量应用的任何其他可移动物体上，例如位置的确定。然而，在下文中，钞票认证系统的场景将被解释为根据本发明的集成磁力计如何工作和使用的示例。
46.图1的图示出了作为时间t的函数的测量信号δ的曲线108。特别地，δ(t)是两个换能器元件112a、112b的测量值之间的差。图示a、b和c示出了当钞票100沿箭头110的方向移动时，在特定时刻磁性源102相对于磁性梯度传感器104的相应位置。不失一般性，该方向被假设为沿着y方向，而钞票100在z方向上远离磁性梯度传感器104。图1示意性地示出了相应的笛卡尔磁场分量h
y
和h
z
的方向。
47.例如，钞票100可以以1米/秒至10米/秒的速度在方向110上移动。磁性梯度传感器104具有两个换能器元件112a、112b。每个换能器元件112a、112b检测y方向上的磁通量。当磁性源102处于图1所示的位置a时，在负方向上测量到最大差，因为只有位于磁性梯度传感器104左侧的换能器元件112a测量到如箭头114所示的磁通量。
48.当包含磁性源102的钞票100在方向110上进一步移动时，左侧换能器元件112a的可测量磁通量变小，而右侧换能器元件112b的可测量磁通量增加。因为测量信号δ(t)表示两个换能器元件112a和112b的信号之间的差，所以位置b的配置(其中磁性源102相对于换
能器元件112a、112b对称)导致零信号。
49.最后，对于位置c，可以看到曲线108的另一个(正)最大值，其中右手侧换能器元件112b最接近磁性源102。
50.这种梯度测量的优点是差分测量固有的干扰磁场不会损害测量的精度。然而，信号幅度低于检测磁通密度绝对值的磁场传感器。
51.图2示出了具有磁场传感器116而不是磁性梯度传感器104的钞票认证系统(对应于图1所示的系统)。磁场传感器116仅具有一个换能器元件118，该换能器元件118输出信号h(t)，该信号指示y方向上磁通量的绝对值。曲线120示出了当钞票100沿着方向110移动时信号随着时间t的进展。从与图1的比较中可以看出，可测量的信号幅度更高。然而，磁场传感器的一个问题是它们对直接影响测量信号的干扰磁场敏感。
52.此外，图3示出了图1所示的磁性梯度传感器的另一方面。在图3中，示出了磁性梯度传感器104的俯视图以及根据图1的侧视图。第一和第二换能器元件112a和112b之间的距离用δy表示。距离δy限制了梯度传感器在扫描方向即钞票100移动的方向110(见图1)上的分辨率。
53.在所示的例子中，不仅有一对换能器元件112a和112b，还有第二对换能器元件122a和122b。换能器元件112和122之间的距离δx决定了沿x方向布置的两个磁性特征之间的最小横向分辨率。两对换能器元件112、122的输出信号形成通道，每个通道包含关于x方向上特定区域的信息。
54.当然，通道的数量不限于一个或两个，三个或更多通道也是可能的。图4和5示出了三通道磁性传感器的例子。特别地，图4示出了三通道磁性梯度传感器400。磁性梯度传感器400包括三对换能器元件412a、412b。每对换能器元件412a、412b通过导电引线424串联连接。在第一和第二换能器元件412a、412b之间的连接线处，中心节点426连接到接触垫428。通过接触垫428，中心节点426可以连接到信号处理部件(图中未示出)。特别地，如上面参考图1所解释的，为每对换能器元件产生差分信号。
55.图5示出了根据参照图2解释的原理的三通道磁场传感器500。必须注意，换能器元件512可以形成为一对磁阻元件512a、512b。这些磁阻元件512a、512b彼此直接相邻布置，使得它们在任何给定时间基本上经历相同的磁通量。与图4中电阻器412a和412b二者对外部场的反应方式相同不同，电阻器512a和512b被设计成对具有相反电阻变化的均匀场作出反应，因此在这种情况下，两个电阻器上的均匀磁场导致来自分压器装置的强输出信号。
56.当使用amr磁阻元件时，两个电阻器的这种相反反应可以通过提供布置在镍铁条上的理发杆的不同倾斜方向来实现。在gmr和tmr元件的情况下，使用钉扎层的不同钉扎方向。
57.从信号评估的角度来看，磁阻元件512a、512b也可以被视为半桥(或分压器)。在第一和第二换能器元件512a、512b之间的连接线处，中心节点526经由导电引线534连接到接触垫528。经由接触垫528，中心节点526可以连接到信号处理部件(图中未示出)。
58.然而，图4和图5所示的布置具有上述缺点，并且是使用单独的芯片来测量磁性梯度或磁场所固有的。与之相反，参照图6和7，将解释根据本发明的改进的磁力计600。
59.图6示出了根据本发明的集成磁力计600的布局，将磁性梯度感测和磁场感测的优点结合在具有公共衬底的一个集成芯片上，并且克服了已知磁性传感器的问题。图7示出了
集成磁力计600的相应等效电路图。
60.集成磁力计600被设计用于检测双通道磁性特征，该特征的两个独立部分由通道距离602隔开。通道距离602例如可以是1.75毫米。对于两个通道中的每一个，集成磁力计600包括磁场传感器604、606，其包括分别作为换能器元件的两个磁阻元件r
h1
、r
h2
和r
h3
、r
h4
。第一磁场传感器604的两个磁阻元件r
h1
、r
h2
彼此紧密相邻地布置，第二磁场传感器606的两个磁阻元件r
h3
、r
h4
彼此紧密相邻地布置。因此，每个磁场传感器的磁阻元件经历基本相同的待测量磁通量。可以评估在端子u
oh1
处测量的电压，以产生表示磁场强度绝对值的第一输出信号。
61.此外，对于两个通道中的每一个，集成磁力计600包括磁性梯度传感器608、610，其分别包括两个磁阻元件r
g1
、r
g2
和r
g3
、r
g4
。第一磁性梯度传感器608的两个磁阻元件r
g1
、r
g2
被布置成彼此间隔开距离δy，并且第二磁场传感器610的两个磁阻元件r
g3
、r
g4
也被布置成彼此间隔开距离δy。因此，每个磁性梯度传感器的磁阻元件作为梯度传感器工作，如上面参考图1所解释的。可以评估在端子u
og1
处测量的电压，以产生指示磁场强度梯度的第二输出信号。有利地，当形成差分输出信号时，分别使用磁阻元件r
g1
、r
g2
和r
g3
、r
g4
的该输出信号不会受到干扰外部磁场的影响。另一方面，考虑到梯度传感器608、610的差分输出信号，磁场传感器604、606的强第一输出信号也可以被校正。
62.根据本公开，所有换能器元件、互连导电引线612和接触垫614被集成在一个公共基板616上，并且被公共保护层和/或外壳618覆盖。换句话说，集成磁力计600将梯度传感器和场传感器结合在一个传感器芯片上。
63.为了满足关于通道宽度和数量的各种需求，通过组合通道，也可以实现通道宽度是通道距离的整数倍。在最简单的情况下，相邻通道的输出信号可以通过直接连接来混合。然而，也可以产生模拟完整惠斯通电桥的成对差分信号或单独的半桥信号。
64.实际上，在整个传感器阵列长度上分布的较大通道宽度和较小数量的通道通常用于简化评估。在这种情况下，一个或多个集成磁力计的单独输出可以直接相互连接。替代地，可以使用两组独立的通道产生差分信号，每组通道使用一个或多个连接的通道输出，信号极性相反。为了获得为此目的所需的相同或相反的信号极性，可以相应地选择mr传感器操作所需的辅助磁场的方向，或者也可以用相同或相反的电源电压操作相邻的集成磁力计。
65.该解决方案允许测量高分辨率场信号和梯度信号，其积分提供具有较低分辨率但没有干扰的重建场信号。因此，两种操作模式的优点可以一起使用，而没有缺点。
66.此外，从图6中可以看出，传感器外壳的引脚分配经过选择，因此当仅使用一种工作模式时，可以通过将端子焊接到旋转180
°
的印刷电路板上来选择工作模式。特别地，由实线包围的属于场传感器(uoh2、uoh1、gnd、vcch)的端子以对应于图6中由虚线包围的属于梯度传感器(uog2、uog1、gnd、vccg)的端子的图案排列。
67.总之，该概念能够优化信号质量和信息检索。与单独采用的梯度传感器相比，场传感器与梯度传感器的集成不会增加空间需求。场和梯度测量不需要不同的传感器类型。这简化并降低了传感器生产、仓储和物流的成本。smt封装的引脚分配允许在不修改印刷电路板的情况下改变工作模式。这简化了传感器模块对客户要求的适应，并增加了开发和生产的灵活性。
68.本发明的概念特别适用于磁阻换能器元件，例如amr或tmr换能器。
69.如上所述，基板616可以包括另外的电子元件，例如保护部件，例如esd保护二极管、前置放大器和/或数字化电路。根据本公开，至少三个磁阻换能器元件以获得高分辨率场信号和鲁棒梯度场信号的方式布置，其积分提供具有较低分辨率但没有干扰的重构场信号。此外，两种信号的比较给出了关于测量质量的信息。
70.将参照图8和9更详细地解释集成磁力计600的操作。
71.图8示出了操作模式，其中只有磁阻场传感器604、606(在图8的截面图中只有一个传感器可见)在测量移动磁性源620的磁场。示意性地，磁通线622被示出具有切向分量(虚线箭头)和沿着磁阻换能器元件的敏感平面的分量(即沿着y方向，实线箭头)。
72.如图2所示的布置，当磁通线622平行于磁场传感器604、606的敏感平面时，可以测量最大信号。当磁通线垂直于磁场传感器604的敏感平面时，曲线h(t)(附图标记624)具有零值。
73.如图9所示，磁性梯度传感器608具有两个磁阻换能器元件608a、608b，它们在扫描方向上相隔距离δy。梯度测量产生的输出信号是跨磁阻元件608b测量的电压和跨另一个磁阻元件608a测量的电压之差。磁阻换能器元件608a、608b因此测量磁场分布的局部差异。距离δy决定了扫描方向上的分辨率，例如可以是0.75毫米。
74.总之，本发明提供了一种使用磁场敏感传感器元件检测材料表面上的铁磁或超顺磁结构的装置。这些磁场敏感传感器元件被组装在公共载体基板上。空间小的传感器元件阵列响应均匀磁场，该均匀磁场产生传感器信号，该传感器信号最初与场产生结构产生的磁场分量近似成比例。第二传感器元件布置对两个分别在空间上小但间隔开的传感器元件之间的场差做出反应。响应于均匀场的传感器元件布置在两个传感器元件之间的空间中，这两个传感器元件形成对局部场差敏感的传感器布置。具体地，每个传感器元件可以包括连接到分压器装置的两个电阻器，并且磁阻效应用于信号产生。此外，响应于均匀场和局部场差，可以为传感器元件阵列提供单独的电源电压端子。可以提供传感器封装的示例性端子分配，其允许通过在承载板上180
°
旋转放置来在局部场差的测量和均匀场的测量之间改变。