一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器，包括硅基衬底、通量引导器、磁敏电阻、信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器,本发明专利技术通过在推拉式垂直灵敏的磁传感器芯片上设置在位信号反馈线圈，当通有反馈电流时信号反馈线圈上方的磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等方向相反的磁场信号，分别抵消原信号磁场，而形成闭环式反馈结构，有效改善传感器输出线性度，提高测量精度，降低功耗；利用磁敏电阻距通量引导器间距不同，进而使得磁敏电阻接收的水平方向磁场分量不同，实现分别对大磁场和小磁场不同量程检测的目的。

A closed-loop on core feedback wide range vertical sensitive magnetic sensor

The invention discloses a wide range vertical sensitive magnetic sensor fed back on a closed-loop core, which comprises a silicon-based substrate, a flux director, a magnetoresistance, a signal feedback coil, an operational amplifier and a power amplifier. The invention sets a in place signal feedback coil on a push-pull vertical sensitive magnetic sensor chip, and when there is a feedback current, the magnetoelectricity above the signal feedback coil In the direction of the resistance sensitive axis, magnetic field signals of the same size and opposite direction are generated to cancel the magnetic field of the original signal respectively, forming a closed-loop feedback structure, effectively improving the output linearity of the sensor, improving the measurement accuracy, and reducing the power consumption; the distance between the magnetic resistance and the flux director is different, so that the magnetic field components of the horizontal direction received by the magnetic resistance are different, and the large magnetic field is respectively realized And small magnetic field different range detection purpose.

【技术实现步骤摘要】
一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器
本专利技术属于磁传感器
，涉及一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器。
技术介绍
随着磁传感器领域的迅速发展，其应用越来越广泛，目前的垂直磁传感器大量应用于消费电子领域例如手机等以及电子罗盘移动设备中，该类产品要求较小的封装尺寸以及较高的测量稳定性。现有的垂直灵敏的磁传感器多为Z轴封装式设计，Z轴封装是将传感芯片的灵敏轴垂直水平面封装，例如专利CN102426344A，名称为一种三轴磁场传感器的专利技术专利，其采用三个传感器封装集成的方法，其中Z轴的传感器采用垂直平面放置来测量垂直方向的磁场。该种办法制成传感器体积大，封装成本大，工艺复杂，稳定性低且封装易断裂等。专利CN103995240B的名称为一种磁电阻Z轴梯度传感器芯片，该专利技术利用通量引导器将Z轴磁场分量在XY平面内。但是该专利技术主要利用通量引导器将Z轴磁场引导在XY平面内对Z轴梯度进行测量。现有的磁敏元件构成的传感器为了保证其灵敏度，其检测磁场的区间多在正负10Gs内，对较大磁场检测能力不足。尽管存在单芯集成的垂直灵敏的磁传感器，但目前均采用开环式设计，例如申请号为201820341886.X的名称为一种推拉式垂直灵敏磁传感，其利用通量引导器将垂直方向的Z轴磁场转化成平面内的漏磁磁场分量，实现垂直方向上的磁场检测，但是该种设计在测量较大磁场的情况下磁敏电阻容易磁饱和而且在测量时磁滞较大，很大程度上影响传感器的测量带宽、测量精度以及线性度，而且开环设计线性度差，测量精度低，难以满足现代产业的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术方案的不足，提供一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器。本专利技术包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻、一个信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；所述的通量引导器为长条形结构，与四个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，通量引导器的正下方设置两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻，通量引导器左右两侧各设置有一个磁敏电阻，这两个磁敏电阻关于通量引导器左右对称，这两个磁敏电阻的敏感轴方向处于同一水平线且方向一致，均垂直于通量引导器左右两侧面；通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在其两侧的磁敏电阻处产生一个面内磁场分量，且在两个磁敏电阻敏感轴方向上产生的信号磁场分量大小相等、方向相反；所述的通量引导器左右两侧对称的磁敏电阻组成一组半桥，通量引导器正下方设置的两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻组成另一组半桥，四个磁敏电阻共同组成一个推拉输出的惠斯通电桥结构；信号反馈线圈为两边相互平行的U型结构，信号反馈线圈设置在磁敏电阻的下方的硅基衬底上，信号反馈线圈两平行边分别设置在通量引导器左右两侧的磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈在通量引导器两侧磁敏电阻的敏感轴方向上处产生大小相等方向相反的磁场信号；所述的信号反馈线圈的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上并形成闭环反馈结构。本专利技术还可以包括硅基衬底、通量引导器、六个相同的磁敏电阻、两个信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；其特征在于：所述的通量引导器为长条形结构，与六个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，通量引导器的正下方设置两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻，通量引导器左侧和右侧分别设置两个磁敏电阻，靠近通量引导器左右两侧边的两个磁敏电阻组成一对，远离通量引导器左右两侧边的两个磁敏电阻组成一对，每一对磁敏电阻均关于通量引导器左右对称，六个磁敏电阻敏感轴方向相同，通量引导器与六个磁敏电阻的位置配置可检测垂直平面的磁场信号；两个信号反馈线圈均为U型结构，一个U型结构的反馈线圈设置在靠近通量引导器左右两侧边一对磁敏电阻下方的硅基衬底上，另一个U型结构的反馈线圈设置在远离通量引导器左右两侧边的一对磁敏电阻下方的硅基衬底上，该U形结构的两个边互相平行，分别设置在通量引导器两侧两对磁敏电阻的正下方；靠近通量引导器的一对磁敏电阻与通量引导器正下方设置的两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻形成一个推拉输出的惠斯通电桥结构，用于小量程垂直平面的磁场信号的检测；远离通量引导器的一对磁敏电阻与通量引导器正下方设置的两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻形成另一个推拉输出的惠斯通电桥结构，用于大量程垂直平面的磁场信号的检测；两对惠斯通电桥结构设计满足传感器芯片对垂直平面的磁场信号不同量程检测的需求；所述的通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向上并在通量引导器左右两侧的两对磁敏电阻敏感轴方向上分别产生漏磁分量，垂直磁场信号经过通量引导器诱导后，分别在第一对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等、方向相反的漏磁分量，在第二对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等、方向相反的漏磁分量；通反馈电流时，靠近通量引导器左右两侧边的一对磁敏电阻下方的信号反馈线圈在其上方的两磁敏电阻的敏感轴方向上产生抵消该磁敏电阻敏感轴方向的漏磁分量反馈磁场；远离通量引导器左右两侧边的一对磁敏电阻下方的信号反馈线圈在其上方的两磁敏电阻的敏感轴方向上产生抵消该磁敏电阻敏感轴方向的漏磁分量反馈磁场；两个惠斯通电桥的输出端均通过开关连接在运算放大器的输入端，开关的作用在于选择两组惠斯通电桥中的一组作为检测电桥，间接具有选择测量量程的作用；运算放大器经过放大信号幅值后输出，运算放大器的输出端连接在功率放大器的输入端上，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上，反馈线圈的另一端串接待测电阻，待测电阻的另一端接地。作为优选，所述的通量引导器采用镍系、钴系或铁系软磁材料制成。作为优选，所述的磁敏电阻选用巨磁阻电阻或隧道结磁电阻。作为优选，所述信号反馈线圈采用非磁性、低阻值、良导电性的金属银、铜、铝、金钛或其合金制成。本专利技术通过在推拉式垂直灵敏的磁传感器芯片设置芯上在位信号反馈线圈，当通有反馈电流时信号反馈线圈上方的两对磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等方向相反的磁场信号，分别抵消原信号磁场，而形成闭环式反馈结构，有效改善传感器输出线性度，提高测量精度，降低功耗；还可以利用两组磁敏电阻距通量引导器间距不同，进而使得两组磁敏电阻接收的水平方向磁场分量不同，六个相同的磁敏电阻形成的两对推拉式电桥实现分别对大磁场和小磁场不同量程检测的目的。附图说明图1为本专利技术实施例一结构示意图；图2为本专利技术实施例一总体系统结构图；图3为本专利技术实施例一中外磁场作用下通量引导器诱导垂直磁场示意图；图4为本专利技术实施例一中推拉式惠斯通电桥示意图；图5为本专利技术实施例一中在信号反馈线圈作用下反馈磁场抵消原磁场的示意图；图6为本专利技术实施例一中在信号反馈线圈作用下惠斯通电桥状的态示意图；图7为本专利技术实施例二结构示意图；图8为本专利技术实施例二总体系统结构图；图9为本专利技术实施例二中外磁场作用下通量引导器诱导垂直磁场示意图；图10为本专利技术实施例二中推拉式惠斯通电桥示意图；图11为本专利技术实施例二中在信号反馈线圈作用下反馈磁场抵消原磁场的示意图；图12为本专利技术实施例二中在信号反馈线圈作用下惠斯通电桥状的态示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻、一个信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；其特征在于：所述的通量引导器为长条形结构，与四个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，通量引导器的正下方设置两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻，通量引导器左右两侧各设置有一个磁敏电阻，这两个磁敏电阻关于通量引导器左右对称，这两个磁敏电阻的敏感轴方向处于同一水平线且方向一致，均垂直于通量引导器左右两侧面；通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在其两侧的磁敏电阻处产生一个面内磁场分量，且在两个磁敏电阻敏感轴方向上产生的信号磁场分量大小相等、方向相反；所述的通量引导器左右两侧对称的磁敏电阻组成一组半桥，通量引导器正下方设置的两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻组成另一组半桥，四个磁敏电阻共同组成一个推拉输出的惠斯通电桥结构；信号反馈线圈为两边相互平行的U型结构，信号反馈线圈设置在磁敏电阻的下方的硅基衬底上，信号反馈线圈两平行边分别设置在通量引导器左右两侧的磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈在通量引导器两侧磁敏电阻的敏感轴方向上处产生大小相等方向相反的磁场信号；所述的信号反馈线圈的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上并形成闭环反馈结构。...

【技术特征摘要】
1.一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻、一个信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；其特征在于：所述的通量引导器为长条形结构，与四个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，通量引导器的正下方设置两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻，通量引导器左右两侧各设置有一个磁敏电阻，这两个磁敏电阻关于通量引导器左右对称，这两个磁敏电阻的敏感轴方向处于同一水平线且方向一致，均垂直于通量引导器左右两侧面；通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在其两侧的磁敏电阻处产生一个面内磁场分量，且在两个磁敏电阻敏感轴方向上产生的信号磁场分量大小相等、方向相反；所述的通量引导器左右两侧对称的磁敏电阻组成一组半桥，通量引导器正下方设置的两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻组成另一组半桥，四个磁敏电阻共同组成一个推拉输出的惠斯通电桥结构；信号反馈线圈为两边相互平行的U型结构，信号反馈线圈设置在磁敏电阻的下方的硅基衬底上，信号反馈线圈两平行边分别设置在通量引导器左右两侧的磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈在通量引导器两侧磁敏电阻的敏感轴方向上处产生大小相等方向相反的磁场信号；所述的信号反馈线圈的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上并形成闭环反馈结构。2.根据权利要求1所述的一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的通量引导器采用镍系、钴系或铁系软磁材料制成。3.根据权利要求1所述的一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述的磁敏电阻选用巨磁阻电阻或隧道结磁电阻。4.根据权利要求1所述的一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器，其特征在于：所述信号反馈线圈采用非磁性、低阻值、良导电性的金属银、铜、铝、金钛或其合金制成。5.一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器，包括硅基衬底、通量引导器、六个相同的磁敏电阻、两个信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；其特征在于：所述的通量引导器为长条形结构，与六个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，通量引导器的正下方设置两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻，通量引导器左侧和右侧分别设置两个磁敏电阻，靠近通量引导器左右两侧边的两个磁敏电阻组成一对，远离通量引导器左右两侧边的两个磁敏电阻组成一对，每一对磁敏电阻均关于通量...

【专利技术属性】
技术研发人员：白茹，王志强，钱正洪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33