專利名稱：一種基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器，屬于磁場(chǎng)測(cè) 量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在輸電線路和變電站內(nèi)，正常工作電流、短路電流和沖擊電流會(huì)在周圍空間產(chǎn)生 非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。對(duì)之進(jìn)行測(cè)量的關(guān)鍵部件就是磁場(chǎng)傳感器。該傳感器不僅要能夠耐受強(qiáng)電 場(chǎng)環(huán)境，而且要具有相當(dāng)?shù)撵`敏度，能夠測(cè)量出磁場(chǎng)的大小和方向。傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量一般采用電磁感應(yīng)原理的磁場(chǎng)傳感器。新型的磁場(chǎng)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(tǒng)的電磁感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器還是新 型的磁場(chǎng)傳感器，都只能感知某一方向上的磁場(chǎng)大小，對(duì)于方向未知的磁場(chǎng)不能直接測(cè)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(yīng)寬、靈敏度高、成本低廉的磁場(chǎng)傳 感器，其常規(guī)電橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。但是常規(guī)電橋結(jié)構(gòu)不能測(cè)量磁場(chǎng)的方向，因此迫切需要 研究一種可同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的新結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器。改 變常規(guī)的磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)，利用巨磁電阻材料對(duì)于不同方向磁場(chǎng)的靈敏度的變化規(guī)律測(cè) 出磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度，以用于地磁場(chǎng)，輸電線路和變電站處磁場(chǎng)等各類磁場(chǎng)測(cè)量中，以及用 于電力系統(tǒng)中和電子系統(tǒng)中的電流測(cè)量。本發(fā)明提出的基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器，包括X傳感單元，用于測(cè)量X方向上的磁場(chǎng)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后形成電橋 結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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后形成電橋 結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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(fù)輸出端與第二 電橋的負(fù)輸入端相連；Y傳感單元，用于測(cè)量Y方向上的磁場(chǎng)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后形成電橋 結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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 后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(jí)電橋的負(fù)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(fù)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(fù)輸 出端與第四電橋的負(fù)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(fù)輸入端與Y傳感單元的第三電橋的負(fù)輸入端為同一 電源的負(fù)極。本發(fā)明提出的基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器，適用于方向未 知磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向的測(cè)量，既能夠應(yīng)用于地磁場(chǎng)，輸電線路和變電站處磁場(chǎng)等各類磁場(chǎng) 測(cè)量中，也可以用于電力系統(tǒng)中和電子系統(tǒng)中的電流測(cè)量。本傳感器尺寸較小，適用于磁場(chǎng) 的體外測(cè)量和分布式測(cè)量。本磁場(chǎng)傳感器使用的正交測(cè)量結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和 方向，并且在傳感器的方向在發(fā)生較大變化時(shí)，依然能夠保證穩(wěn)定的輸出電壓，大大提高了 測(cè)量的穩(wěn)定性。該傳感器使用巨磁電阻材料，其響應(yīng)速度快、靈敏度高，極大地提高了傳感 器的測(cè)量頻率范圍和響應(yīng)速度。


圖1為常規(guī)的巨磁電阻磁場(chǎng)傳感器的電橋結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提出的基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器的電路 結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提出的磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量原理示意圖。圖1-圖3中，1、3分別為常規(guī)電橋結(jié)構(gòu)中的第一，第二巨磁電阻，2、4分別為常規(guī) 電橋結(jié)構(gòu)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(fù)輸入端，7和8分別為 電橋的正輸出端和負(fù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)輸出端。U1為X敏感軸上的磁場(chǎng)信號(hào)，U2為Y敏感軸上的 磁場(chǎng)信號(hào)，U為平面內(nèi)的合成磁場(chǎng)信號(hào)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括X傳感單元9，用于測(cè)量X方向上的磁場(chǎng)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首尾相接后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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 首尾相接后形成 電橋結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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(fù)輸出端仏-與第二電橋的負(fù)輸入端相連；Y傳感單元10，用于測(cè)量Y方向上的磁場(chǎng)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首尾相接后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(fù) 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(fù)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 尾相接后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(jí)電橋的負(fù)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(fù)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(fù)輸出端U2_與第四電橋的負(fù)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(fù)輸入端與Y傳感單元的第三電橋的負(fù)輸入端為同 一電源的負(fù)極GND。如圖2中所示，磁場(chǎng)傳感器由X傳感單元和Y傳感單元構(gòu)成，其敏感軸分別為X敏 感軸和Y敏感軸，兩個(gè)敏感軸相互正交。每個(gè)傳感單元都由兩級(jí)電橋結(jié)構(gòu)組成。X傳感單元 的第一級(jí)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(chǎng)大小 成正比；X傳感單元的第二級(jí)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(chǎng)大小的平方成正比。Y傳感單元的第一級(jí)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(chǎng)大小成正比；Y傳感單元的第二級(jí)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(chǎng)大小的平方成正比。根 據(jù)巨磁電阻材料的方向敏感性，可以計(jì)算出平面內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。本發(fā)明提出的傳感器測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的工作原理是巨磁電阻傳感器對(duì)于 不同方向的磁場(chǎng)信號(hào)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(chǎng) 方向與傳感器敏感軸的夾角的變化，靈敏度隨著夾角呈現(xiàn)出正弦變化的規(guī)律，變化周期為 360°。如圖3所示，任何一個(gè)外加磁場(chǎng)都可以分解為X敏感軸方向和Y敏感軸方向的兩 個(gè)磁場(chǎng)的疊加。當(dāng)測(cè)量平面內(nèi)磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)，X敏感軸方向的磁場(chǎng)在傳感器的X傳感單元中 產(chǎn)生的電壓為為U1, Y敏感軸方向的磁場(chǎng)在傳感器的Y傳感單元中產(chǎn)生的電壓為U2，由于U1
和U2正交，根據(jù)正弦的性質(zhì)，則總磁場(chǎng)在傳感器上產(chǎn)生的電壓為"=^/時(shí)+仏2，磁場(chǎng)的方向
表示為磁場(chǎng)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(jí)輸出分別為U1和U2，X傳感單元和Y傳感單元的第二級(jí)輸出分別為U12和U22,通過外 部運(yùn)算電路可以很容易地計(jì)算出磁場(chǎng)在傳感器上產(chǎn)生的電壓的大小￠/ = ^^7,2+%2和磁場(chǎng)的 方向tan θ = UyU10由于傳感器的輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，故傳感器可以反映磁場(chǎng)強(qiáng) 度。這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于有效地克服傳感器的角度敏感的問題，即當(dāng)傳感器發(fā)生大角 度偏轉(zhuǎn)時(shí)，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(cè)量磁場(chǎng) 強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，同時(shí)反映磁場(chǎng)的方向。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傳感器在二維空間360°內(nèi)旋 轉(zhuǎn)時(shí)，其偏差不超過10%。上述磁場(chǎng)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，采用濺射方 法制備。采用光刻方法形成引線和電極，電源采用開關(guān)電源或電池供電。
權(quán)利要求
1. 一種基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器，其特征在于該傳感器包括X傳感單元，用于測(cè)量X方向上的磁場(chǎng)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后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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(fù)輸出端與第二電橋的負(fù)輸入端 相連；Y傳感單元，用于測(cè)量Y方向上的磁場(chǎng)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后形成電橋結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)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后形成電橋 結(jié)構(gòu)，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(jí)電橋的負(fù)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(fù)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(fù)輸出端與第四 電橋的負(fù)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(fù)輸入端與Y傳感單元的第三電橋的負(fù)輸入端為同一電源 的負(fù)極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于巨磁電阻效應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的傳感器，屬于磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本傳感器，包括用于測(cè)量X方向上的磁場(chǎng)分量的X傳感單元以及用于測(cè)量Y方向上的磁場(chǎng)分量的Y傳感單元。每個(gè)傳感單元采用兩級(jí)電橋結(jié)構(gòu)，第一級(jí)電橋采用相同的恒壓電源供電，第二級(jí)電橋采用第一級(jí)電橋的輸出為其供電，第一級(jí)輸出為所測(cè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓，第二級(jí)輸出為所測(cè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓的平方。本發(fā)明傳感器適用于未知磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向的測(cè)量，既能夠應(yīng)用于地磁場(chǎng)，輸電線路和變電站處磁場(chǎng)等各類磁場(chǎng)測(cè)量中，也可以用于電力系統(tǒng)中和電子系統(tǒng)中的電流測(cè)量，且體積小，響應(yīng)速度快、靈敏度高，極大地提高了傳感器的測(cè)量頻率范圍和響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01R33/09GK102129053SQ20111002332
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者何金良, 劉俊, 嵇士杰, 歐陽(yáng)勇, 胡軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)