一種基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器的製作方法

2023-11-04 11:50:47 2

專利名稱：一種基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器，屬於磁場測 量技術領域。
背景技術：
在輸電線路和變電站內，正常工作電流、短路電流和衝擊電流會在周圍空間產生 非常強的磁場。對之進行測量的關鍵部件就是磁場傳感器。該傳感器不僅要能夠耐受強電 場環境，而且要具有相當的靈敏度，能夠測量出磁場的大小和方向。傳統的磁場測量一般採用電磁感應原理的磁場傳感器。新型的磁場傳感器主要有 Hall傳感器，光纖傳感器和巨磁電阻傳感器。無論是傳統的電磁感應式磁場傳感器還是新 型的磁場傳感器，都只能感知某一方向上的磁場大小，對於方向未知的磁場不能直接測量 出其大小和方向。其中，巨磁電阻傳感器是一種體積小、頻率響應寬、靈敏度高、成本低廉的磁場傳 感器，其常規電橋結構如圖1所示。但是常規電橋結構不能測量磁場的方向，因此迫切需要 研究一種可同時測量磁場方向和強度的新結構。

發明內容
本發明的目的是提出一種基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器。改 變常規的磁場傳感器的結構，利用巨磁電阻材料對於不同方向磁場的靈敏度的變化規律測 出磁場的方向和強度，以用於地磁場，輸電線路和變電站處磁場等各類磁場測量中，以及用 於電力系統中和電子系統中的電流測量。本發明提出的基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器，包括X傳感單元，用於測量X方向上的磁場分量，X傳感單元由第一電橋和第二電橋組 成，所述的第一電橋由第一巨磁電阻、第一屏蔽電阻、第二巨磁電阻和第二屏蔽電阻組成， 所述的第一巨磁電阻、第一屏蔽電阻、第二巨磁電阻和第二屏蔽電阻首尾相接後形成電橋 結構，所述的第一巨磁電阻和第二屏蔽電阻的連接端為第一電橋的正輸入端，第二巨磁電 阻和第一屏蔽電阻的連接端為第一電橋的負輸入端，第一巨磁電阻和第一屏蔽電阻的連接 端為第一電橋的負輸出端，第二巨磁電阻和第二屏蔽電阻的連接端為第一電橋的正輸出 端；所述的第二電橋由第三巨磁電阻、第三屏蔽電阻、第四巨磁電阻和第四屏蔽電阻組成， 所述的第三巨磁電阻、第三屏蔽電阻、第四巨磁電阻和第四屏蔽電阻首尾相接後形成電橋 結構，所述的第三巨磁電阻和第四屏蔽電阻的連接端為第二電橋的正輸入端，第四巨磁電 阻和第三屏蔽電阻的連接端為第二電橋的負輸入端，第三巨磁電阻和第三屏蔽電阻的連接 端為第二電橋的負輸出端，第四巨磁電阻和第四屏蔽電阻的連接端為第二電橋的正輸出 端；所述的第一電橋的正輸出端與第二電橋的正輸入端相連，第一電橋的負輸出端與第二 電橋的負輸入端相連；Y傳感單元，用於測量Y方向上的磁場分量，Y傳感單元由第三電橋和第四電橋組成，所述的第三電橋由第五巨磁電阻、第五屏蔽電阻、第六巨磁電阻和第六屏蔽電阻組成， 所述的第五巨磁電阻、第五屏蔽電阻、第六巨磁電阻和第六屏蔽電阻首尾相接後形成電橋 結構，所述的第五巨磁電阻和第六屏蔽電阻的連接端為第三電橋的正輸入端，第六巨磁電 阻和第五屏蔽電阻的連接端為第三電橋的負輸入端，第五巨磁電阻和第五屏蔽電阻的連接 端為第三電橋的負輸出端，第六巨磁電阻和第六屏蔽電阻的連接端為第三電橋的正輸出 端；所述的第四電橋由第七巨磁電阻、第七屏蔽電阻、第八巨磁電阻和第八屏蔽電阻組成， 所述的第四電橋由第七巨磁電阻、第七屏蔽電阻、第八巨磁電阻和第八屏蔽電阻首尾相接 後形成電橋結構，所述的第七巨磁電阻和第八屏蔽電阻的連接端為第四電橋的正輸入端， 第八巨磁電阻和第七屏蔽電阻的連接端為第四級電橋的負輸入端，第七巨磁電阻和第七屏 蔽電阻的連接端為第四電橋的負輸出端，第八巨磁電阻和第八屏蔽電阻的連接端為第四電 橋的正輸出端；所述的第三電橋的正輸出端與第四電橋的正輸入端相連，第三電橋的負輸 出端與第四電橋的負輸入端相連；X傳感單元的第一電橋的正輸入端與Y傳感單元的第三電橋的正輸入端為同一電 源的正極，X傳感單元的第一電橋的負輸入端與Y傳感單元的第三電橋的負輸入端為同一 電源的負極。本發明提出的基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器，適用於方向未 知磁場的強度和方向的測量，既能夠應用於地磁場，輸電線路和變電站處磁場等各類磁場 測量中，也可以用於電力系統中和電子系統中的電流測量。本傳感器尺寸較小，適用於磁場 的體外測量和分布式測量。本磁場傳感器使用的正交測量結構能夠同時測量磁場的強度和 方向，並且在傳感器的方向在發生較大變化時，依然能夠保證穩定的輸出電壓，大大提高了 測量的穩定性。該傳感器使用巨磁電阻材料，其響應速度快、靈敏度高，極大地提高了傳感 器的測量頻率範圍和響應速度。


圖1為常規的巨磁電阻磁場傳感器的電橋結構示意圖。圖2是本發明提出的基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器的電路 結構示意圖。圖3是本發明提出的磁場傳感器的測量原理示意圖。圖1-圖3中，1、3分別為常規電橋結構中的第一，第二巨磁電阻，2、4分別為常規 電橋結構中的第一，第二屏蔽電阻，5和6分別為電橋的正輸入端和負輸入端，7和8分別為 電橋的正輸出端和負輸出端。9為X傳感單元，10為Y傳感單元；其中，I X1，Rx2，Rx3，^i4分 別為X傳感單元內的第一，第二，第三和第四巨磁電阻，Rsxl, Rsx2, RSX3' Kx4分別為X傳感單 元內的第一，第二，第三和第四屏蔽電阻；RY1，RY2，RY3，RY4分別為Y傳感單元內的第五，第六， 第七和第八巨磁電阻，RSY1, Rsy2, Rsy3，Rsw分別為Y傳感單元內的第五，第六，第七和第八屏 蔽電阻；Vcc為電源正極，GND為電源負極；U1+和U1-分別為X傳感器單元的第一電橋的正 輸出端和負輸出端，U12+和U12-分別為X傳感器單元的第二電橋的正輸出端和負輸出端；U2+ 和U2_分別為Y傳感器單元的第三電橋的正輸出端和負輸出端，U22+和U22_分別為Y傳感器 單元的第四電橋的正輸出端和負輸出端。U1為X敏感軸上的磁場信號，U2為Y敏感軸上的 磁場信號，U為平面內的合成磁場信號。
具體實施例方式本發明提出的基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器，其結構如圖2 所示，包括X傳感單元9，用於測量X方向上的磁場分量，X傳感單元由第一電橋和第二電橋組 成，所述的第一電橋由第一巨磁電阻1^、第一屏蔽電阻、第二巨磁電阻Rx2和第二屏蔽電 阻I^2組成，所述的第一巨磁電阻K1、第一屏蔽電阻、第二巨磁電阻Rx2和第二屏蔽電阻 Rsx2首尾相接後形成電橋結構，所述的第一巨磁電阻&和第二屏蔽電阻I^2的連接端為第 一電橋的正輸入端Vcc，第二巨磁電阻Rx2和第一屏蔽電阻Iisxi的連接端為第一電橋的負輸 入端GND，第一巨磁電阻和第一屏蔽電阻I S)a的連接端為第一電橋的負輸出端U1-，第二 巨磁電阻Rx2和第二屏蔽電阻的連接端為第一電橋的正輸出端U1+ ；所述的第二電橋由 第三巨磁電阻Rx3、第三屏蔽電阻、第四巨磁電阻R5i4和第四屏蔽電阻IW組成，所述的第 三巨磁電阻Rx3、第三屏蔽電阻、第四巨磁電阻Ι Χ4和第四屏蔽電阻I 首尾相接後形成 電橋結構，所述的第三巨磁電阻Rx3和第四屏蔽電阻的連接端為第二電橋的正輸入端， 第四巨磁電阻Rx4和第三屏蔽電阻的連接端為第二電橋的負輸入端，第三巨磁電阻Ι Χ3 和第三屏蔽電阻的連接端為第二電橋的負輸出端U1L第四巨磁電阻Rx4和第四屏蔽電 阻I^4的連接端為第二電橋的正輸出端U12+ ；所述的第一電橋的正輸出端U1+與第二電橋的 正輸入端相連，第一電橋的負輸出端仏-與第二電橋的負輸入端相連；Y傳感單元10，用於測量Y方向上的磁場分量，Y傳感單元由第三電橋和第四電橋 組成，所述的第三電橋由第五巨磁電阻Ι Υ1、第五屏蔽電阻Rsyi、第六巨磁電阻Ry2和第六屏蔽 電阻Rsre組成，所述的第五巨磁電阻Ryi、第五屏蔽電阻、第六巨磁電阻Ry2和第六屏蔽電 阻I^2首尾相接後形成電橋結構，所述的第五巨磁電阻Ryi和第六屏蔽電阻Rsy2的連接端為 第三電橋的正輸入端Vcc，第六巨磁電阻Ry2和第五屏蔽電阻Ryi的連接端為第三電橋的負 輸入端GND，第五巨磁電阻Ryi和第五屏蔽電阻的連接端為第三電橋的負輸出端U2_，第 六巨磁電阻Ry2和第六屏蔽電阻I^2的連接端為第三電橋的正輸出端U2+ ；所述的第四電橋 由第七巨磁電阻Ry3、第七屏蔽電阻、第八巨磁電阻Ry4和第八屏蔽電阻I^4組成，所述的 第四電橋由第七巨磁電阻Ry3、第七屏蔽電阻、第八巨磁電阻Ry4和第八屏蔽電阻Rsy4首 尾相接後形成電橋結構，所述的第七巨磁電阻Ry3和第八屏蔽電阻Rsy4的連接端為第四電橋 的正輸入端，第八巨磁電阻Ry4和第七屏蔽電阻的連接端為第四級電橋的負輸入端，第 七巨磁電阻Ry3和第七屏蔽電阻的連接端為第四電橋的負輸出端U22-,第八巨磁電阻Ry4 和第八屏蔽電阻I^4的連接端為第四電橋的正輸出端U22+；所述的第三電橋的正輸出端U2+ 與第四電橋的正輸入端相連，第三電橋的負輸出端U2_與第四電橋的負輸入端相連；X傳感單元的第一電橋的正輸入端與Y傳感單元的第三電橋的正輸入端為同一電 源的正極Vcc，X傳感單元的第一電橋的負輸入端與Y傳感單元的第三電橋的負輸入端為同 一電源的負極GND。如圖2中所示，磁場傳感器由X傳感單元和Y傳感單元構成，其敏感軸分別為X敏 感軸和Y敏感軸，兩個敏感軸相互正交。每個傳感單元都由兩級電橋結構組成。X傳感單元 的第一級輸出為第一電橋的差模輸出，其大小為，與X敏感軸方向上的磁場大小 成正比；X傳感單元的第二級輸出為第二電橋的差模輸出，其大小為U12 = υΛ-υΛ，與X敏
5感軸方向上的磁場大小的平方成正比。Y傳感單元的第一級輸出為第三電橋的差模輸出，其 大小為U2 = u2+-u2_，與Y敏感軸方向上的磁場大小成正比；Y傳感單元的第二級輸出為第四 電橋的差模輸出，其大小為U22 = u22+-u22_，與Y敏感軸方向上的磁場大小的平方成正比。根 據巨磁電阻材料的方向敏感性，可以計算出平面內磁場的強度和方向。本發明提出的傳感器測量磁場方向和強度的工作原理是巨磁電阻傳感器對於 不同方向的磁場信號的靈敏度不一樣，存在著靈敏度最大的方向，稱為敏感軸。隨著磁場 方向與傳感器敏感軸的夾角的變化，靈敏度隨著夾角呈現出正弦變化的規律，變化周期為 360°。如圖3所示，任何一個外加磁場都可以分解為X敏感軸方向和Y敏感軸方向的兩 個磁場的疊加。當測量平面內磁場信號時，X敏感軸方向的磁場在傳感器的X傳感單元中 產生的電壓為為U1, Y敏感軸方向的磁場在傳感器的Y傳感單元中產生的電壓為U2，由於U1
和U2正交，根據正弦的性質，則總磁場在傳感器上產生的電壓為"=^/時+仏2，磁場的方向
表示為磁場與χ敏感軸的夾角Θ，其大小為tane = U2ZU10 χ傳感單元和Y傳感單元的第 一級輸出分別為U1和U2，X傳感單元和Y傳感單元的第二級輸出分別為U12和U22,通過外 部運算電路可以很容易地計算出磁場在傳感器上產生的電壓的大小￠/ = ^^7,2+%2和磁場的 方向tan θ = UyU10由於傳感器的輸出電壓與磁場強度成正比，故傳感器可以反映磁場強 度。這種測量方法的優點在於有效地克服傳感器的角度敏感的問題，即當傳感器發生大角 度偏轉時，通過X傳感單元敏感軸和Y傳感單元敏感軸的正交布置，依然能夠保證測量磁場 強度的準確性，同時反映磁場的方向。相關實驗結果表明，當傳感器在二維空間360°內旋 轉時，其偏差不超過10%。上述磁場傳感器中的巨磁電阻可以是多層金屬膜材料或自旋閥材料，採用濺射方 法製備。採用光刻方法形成引線和電極，電源採用開關電源或電池供電。
權利要求
1. 一種基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器，其特徵在於該傳感器包括X傳感單元，用於測量X方向上的磁場分量，X傳感單元由第一電橋和第二電橋組成，所 述的第一電橋由第一巨磁電阻、第一屏蔽電阻、第二巨磁電阻和第二屏蔽電阻組成，所述的 第一巨磁電阻、第一屏蔽電阻、第二巨磁電阻和第二屏蔽電阻首尾相接後形成電橋結構，所 述的第一巨磁電阻和第二屏蔽電阻的連接端為第一電橋的正輸入端，第二巨磁電阻和第一 屏蔽電阻的連接端為第一電橋的負輸入端，第一巨磁電阻和第一屏蔽電阻的連接端為第一 電橋的負輸出端，第二巨磁電阻和第二屏蔽電阻的連接端為第一電橋的正輸出端；所述的 第二電橋由第三巨磁電阻、第三屏蔽電阻、第四巨磁電阻和第四屏蔽電阻組成，所述的第三 巨磁電阻、第三屏蔽電阻、第四巨磁電阻和第四屏蔽電阻首尾相接後形成電橋結構，所述的 第三巨磁電阻和第四屏蔽電阻的連接端為第二電橋的正輸入端，第四巨磁電阻和第三屏蔽 電阻的連接端為第二電橋的負輸入端，第三巨磁電阻和第三屏蔽電阻的連接端為第二電橋 的負輸出端，第四巨磁電阻和第四屏蔽電阻的連接端為第二電橋的正輸出端；所述的第一 電橋的正輸出端與第二電橋的正輸入端相連，第一電橋的負輸出端與第二電橋的負輸入端 相連；Y傳感單元，用於測量Y方向上的磁場分量，Y傳感單元由第三電橋和第四電橋組成，所 述的第三電橋由第五巨磁電阻、第五屏蔽電阻、第六巨磁電阻和第六屏蔽電阻組成，所述的 第五巨磁電阻、第五屏蔽電阻、第六巨磁電阻和第六屏蔽電阻首尾相接後形成電橋結構，所 述的第五巨磁電阻和第六屏蔽電阻的連接端為第三電橋的正輸入端，第六巨磁電阻和第五 屏蔽電阻的連接端為第三電橋的負輸入端，第五巨磁電阻和第五屏蔽電阻的連接端為第三 電橋的負輸出端，第六巨磁電阻和第六屏蔽電阻的連接端為第三電橋的正輸出端；所述的 第四電橋由第七巨磁電阻、第七屏蔽電阻、第八巨磁電阻和第八屏蔽電阻組成，所述的第四 電橋由第七巨磁電阻、第七屏蔽電阻、第八巨磁電阻和第八屏蔽電阻首尾相接後形成電橋 結構，所述的第七巨磁電阻和第八屏蔽電阻的連接端為第四電橋的正輸入端，第八巨磁電 阻和第七屏蔽電阻的連接端為第四級電橋的負輸入端，第七巨磁電阻和第七屏蔽電阻的連 接端為第四電橋的負輸出端，第八巨磁電阻和第八屏蔽電阻的連接端為第四電橋的正輸出 端；所述的第三電橋的正輸出端與第四電橋的正輸入端相連，第三電橋的負輸出端與第四 電橋的負輸入端相連；X傳感單元的第一電橋的正輸入端與Y傳感單元的第三電橋的正輸入端為同一電源的 正極，X傳感單元的第一電橋的負輸入端與Y傳感單元的第三電橋的負輸入端為同一電源 的負極。
全文摘要
本發明涉及一種基於巨磁電阻效應的測量磁場方向和強度的傳感器，屬於磁場測量技術領域。本傳感器，包括用於測量X方向上的磁場分量的X傳感單元以及用於測量Y方向上的磁場分量的Y傳感單元。每個傳感單元採用兩級電橋結構，第一級電橋採用相同的恆壓電源供電，第二級電橋採用第一級電橋的輸出為其供電，第一級輸出為所測磁場產生的電壓，第二級輸出為所測磁場產生的電壓的平方。本發明傳感器適用於未知磁場的強度和方向的測量，既能夠應用於地磁場，輸電線路和變電站處磁場等各類磁場測量中，也可以用於電力系統中和電子系統中的電流測量，且體積小，響應速度快、靈敏度高，極大地提高了傳感器的測量頻率範圍和響應速度。
文檔編號G01R33/09GK102129053SQ20111002332
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者何金良, 劉俊, 嵇士傑, 歐陽勇, 胡軍 申請人:清華大學