本發(fā)明涉及一種測(cè)量磁場(chǎng)的儀器,尤指一種單電橋磁場(chǎng)傳感器。
背景技術(shù):
磁場(chǎng)傳感器可測(cè)定空間中的磁場(chǎng)向量,但指出磁場(chǎng)的方向需要在同一個(gè)位置測(cè)定三個(gè)互相正交的磁場(chǎng)分量。雖然目前已存在多種向量磁場(chǎng)傳感器技術(shù),但各種裝置的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)定范圍不相同,例如霍耳傳感器適合測(cè)定10μT至1T的磁場(chǎng),而磁阻式傳感器可測(cè)定1mT至0.1μT的磁場(chǎng),故不同磁場(chǎng)范圍需要不同類型的向量傳感器。此外,目前的向量傳感器設(shè)計(jì)其三個(gè)分量傳感器各自獨(dú)立且位置不同,再加上各分量傳感器分別為一電橋單元所構(gòu)成,因此,三個(gè)分量傳感器的配置使得整個(gè)裝置的體積偏大,且測(cè)定的磁場(chǎng)分量并非位于同一水平基準(zhǔn)面,因而引起磁場(chǎng)向量強(qiáng)度出現(xiàn)數(shù)值誤差;向量磁場(chǎng)傳感器仍有持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展的必要性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處,本案發(fā)明人提出一種單電橋磁場(chǎng)傳感器,該單電橋磁場(chǎng)傳感器包括:
一基板。
一磁通導(dǎo)引器(fluxguide),該磁通導(dǎo)引器為一四角柱體且直接或間接設(shè)于該基板表面。
一電橋單元,該電橋單元包括第一磁阻組件、第二磁阻組件、第三磁阻組件和第四磁阻組件,該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻 組件和該第四磁阻組件依序繞設(shè)于該磁通導(dǎo)引器的各環(huán)側(cè)面外側(cè)且位于該基板頂面,該第一磁阻組件與該第三磁阻組件的釘札方向遠(yuǎn)離該磁通導(dǎo)引器,該第二磁阻組件與該第四磁阻組件的釘札方向朝向該磁通導(dǎo)引器。
一切換電路,該切換電路電性連接兩個(gè)輸入電壓、兩個(gè)接地端、兩個(gè)電壓輸出端及該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻組件和該第四磁阻組件,該切換電路引用根據(jù)欲測(cè)量的各軸向的磁場(chǎng)進(jìn)行電路切換以改變各輸入電壓、各接地端、各電壓輸出端及該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻組件和該第四磁阻組件之間的電性連接關(guān)系。
一測(cè)量單元,該測(cè)量單元電性連接各電壓輸出端及該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻組件和該第四磁阻組件,該測(cè)量單元引用測(cè)量該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻組件和該第四磁阻組件的磁阻值,配合各電壓輸出端的輸出電壓值得到一磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中,該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻組件和該第四磁阻組件的外側(cè)分別設(shè)有一第一磁通集中器。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中,該磁通導(dǎo)引器與該基板之間設(shè)有一第二磁通集中器。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中,各第一磁通集中器的形狀為矩形,該第二磁通集中器的形狀為方形。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中,該第一磁阻組件、該第二磁阻組件、該第三磁阻組件和該第四磁阻組件為巨磁阻自旋閥或穿隧磁阻自旋閥。
本發(fā)明主要通過(guò)該磁通導(dǎo)引器將磁場(chǎng)導(dǎo)引至各磁阻組件,再通過(guò)該切換電路隨欲測(cè)量的軸向磁場(chǎng)改變各磁阻組件、各電壓輸入源、各接地端及各電壓輸出端之間的電性連接關(guān)系,通過(guò)各電壓輸出端輸出的電壓值及各磁阻組件的磁阻值得到各軸向的磁場(chǎng)。相較于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明僅需利用 單一電橋單元即可達(dá)到測(cè)量各軸向磁場(chǎng)的目的,進(jìn)而能夠縮小整體的體積,較佳可縮小體積至1mm3以內(nèi)。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的外觀圖;
圖2為本發(fā)明的俯視暨釘札方向示意圖;
圖3為本發(fā)明于X軸或Y軸磁場(chǎng)中的磁通線分布示意圖;
圖4為本發(fā)明于Z軸磁場(chǎng)中的磁通線分布示意圖;
圖5為本發(fā)明于X軸磁場(chǎng)中各磁阻組件的磁阻變化示意圖;
圖6為本發(fā)明于Y軸磁場(chǎng)中各磁阻組件的磁阻變化示意圖;
圖7為本發(fā)明于Z軸磁場(chǎng)中各磁阻組件的磁阻變化示意圖;
圖8為本發(fā)明中的切換電路與各元件電性連接示意圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明:A-單電橋磁場(chǎng)傳感器;1-基板;2-磁通導(dǎo)引器;3-電橋單元;31~34-磁阻組件;4-第二磁通集中器;51~54-第一磁通集中器;6-切換電路;61-輸入電壓源;62-接地端;63-電壓輸出端;63A~63D-電壓輸出端。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)圖式的輔助說(shuō)明本發(fā)明的構(gòu)造、特點(diǎn)與實(shí)施例,以使審查員對(duì)于本發(fā)明有更進(jìn)一步的了解。
如圖1所示,本發(fā)明涉及一種單電橋磁場(chǎng)傳感器,該單電橋磁場(chǎng)傳感器A包括:
一基板1;
如圖1所示,該基板1較佳為可制作磁阻式感測(cè)組件的基板,例如但不限于為硅晶基板。
一磁通導(dǎo)引器2;
如圖2所示,該磁通導(dǎo)引器(fluxguide)2為一四角柱體且直接或間接設(shè)于該基板1表面,該磁通導(dǎo)引器2的材質(zhì)較佳為具有高磁透率及低磁滯率的軟磁材料所制,如鎳鋅鐵氧軟磁材料(Ni-Zn ferrite)或鎳鐵合金(Ni-Fe)。如圖3及圖4所示,該磁通導(dǎo)引器2主要可將水平面(X軸方向、及Y軸方向)的外加磁場(chǎng)偏折至后述各磁阻組件31~34可感測(cè)的方向,并可將Z軸方向的外加磁場(chǎng)導(dǎo)引至水平方向。為了使本發(fā)明提供的單電橋磁場(chǎng)傳感器A于感測(cè)時(shí)磁通密度較強(qiáng)且分布較為均勻,該磁通導(dǎo)引器2間接設(shè)于該基板1的表面,該磁通導(dǎo)引器2與該基板1之間設(shè)有一第二磁通集中器(flux concentrator)4,且為了使該第二磁通集中器4具有最佳磁場(chǎng)均勻化的效果,該第二磁通集中器4的形狀為正方形。此外,磁通密度與沿平面方向的磁場(chǎng)分量強(qiáng)度成正比。
一電橋單元3;
如圖1所示,該電橋單元3包括一第一至第四磁阻組件31~34,第一至第四磁阻組件31~34依序繞設(shè)于該磁通導(dǎo)引器2的各環(huán)側(cè)面外側(cè)且位于該基板1表面,該第一磁阻組件31及該第三磁阻組件33的釘札方向遠(yuǎn)離該磁通導(dǎo)引器2,該第二磁阻組件32及該第四磁阻組件34的釘札方向朝向該磁通導(dǎo)引器2。其中,各磁阻組件較佳為巨磁阻(GMR)自旋閥或穿隧磁阻(TMR)自旋閥。
為了使本發(fā)明提供的單電橋磁場(chǎng)傳感器A于感測(cè)時(shí)磁通密度較強(qiáng)且分布較為均勻,于各磁阻組件31~34的外側(cè)分別設(shè)有一第一磁通集中器51~54,以使各磁阻組件31~34分別位于各第一磁通集中器51~54與該磁通導(dǎo)引器2之間,且為了使各第一磁通集中器51~54具有最佳磁場(chǎng)均勻化的效果,各第一磁通集中器51~54的形狀為長(zhǎng)方形,且該各第一磁通集中器51~54的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度及方向分別對(duì)應(yīng)該第二磁通集中器4的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度及方 向。此外,磁通密度與沿平面方向的磁場(chǎng)分量強(qiáng)度成正比。
一切換電路6;
如圖8所示,該切換電路6電性連接兩個(gè)輸入電壓源61、兩個(gè)接地端62、兩個(gè)電壓輸出端63及該第一至第四磁阻組件31~34,該切換電路6可根據(jù)欲測(cè)量的各軸向的磁場(chǎng)進(jìn)行電路切換,以改變各輸入電壓源61、各接地端62、各電壓輸出端63及該第一至第四磁阻組件31~34之間的電性連接關(guān)系。該切換電路6的工作方式容后述。
一測(cè)量單元7;
如圖8所示,該測(cè)量單元7電性連接各電壓輸出端63及該第一至第四磁阻組件31~34,該測(cè)量單元7可供測(cè)量各磁阻組件31~34的磁阻值,配合各電壓輸出端63的輸出電壓值得到一磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。
如圖4、圖1與圖2所示,本發(fā)明提供的單電橋磁場(chǎng)傳感器A的制造方法,可利用磁控濺鍍與微影蝕刻于該基板1表面制作各磁阻組件31~34,再利用電鑄法制作軟磁性的Ni-Fe或Co-Fe薄膜作為各第一磁通集中器51~54及該第二磁通集中器4,完成后再利用無(wú)磁滯性的肥粒鐵材料切割成形為該磁通導(dǎo)引器2并對(duì)準(zhǔn)貼合固定于該第二磁通集中器4表面,構(gòu)成本發(fā)明提供的單電橋磁場(chǎng)傳感器A。電鑄法成形的各薄膜型第一磁通集中器51~54及該第二磁通集中器4的尺寸準(zhǔn)確、定位精度高。該磁通導(dǎo)引器2使出平面磁場(chǎng)發(fā)生磁通偏折效果需要較大的高度,但電鑄法可制作的厚度因時(shí)間成本而受限,故較佳的方法為切割成形及貼合。圖4中的磁通分布分析結(jié)果顯示,該第一磁通集中器51~54及該第二磁通集中器4的設(shè)計(jì)能夠提高磁通密度的均勻性,并能克服對(duì)準(zhǔn)貼合的誤差的影響。
由以上說(shuō)明可知,相較于現(xiàn)有技術(shù)需使用四個(gè)電橋單元,本發(fā)明提供的單電橋磁場(chǎng)傳感器A僅利用單一電橋單元3,并配合該磁通導(dǎo)引器2,再加上利用該切換電路6進(jìn)行電路切換,從而改變各元件的電性連接關(guān)系, 即可測(cè)量各軸向的磁場(chǎng),從而具有高磁場(chǎng)靈敏度、三軸感測(cè)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
以下說(shuō)明該單電橋磁場(chǎng)傳感器A進(jìn)行各軸向磁場(chǎng)感測(cè)時(shí),該切換電路6的工作方式及磁場(chǎng)測(cè)量手段:
如圖5、圖3、圖4、圖6至圖8所示,當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)分量Bx為X方向,該磁通導(dǎo)引器2、各第一磁通集中器51~54與該第二磁通集中器4的組合,令各磁阻組件31~34分別感測(cè)到均勻的磁通密度,其磁場(chǎng)方向相對(duì)于釘札方向分別為順向、逆向、逆向、順向,使各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為減小、增大、增大、減小,此時(shí)各輸入電壓源61分別電性連接該第一磁阻組件31及該第四磁阻組件34,該第二磁阻組件32及該第三磁阻組件33分別電性連接一接地端62,該磁場(chǎng)分量Bx使該電壓輸出端63A、63B產(chǎn)生的輸出電壓為:
其中Va與Vb為該電壓輸出端63A及該電壓輸出端63B的輸出電壓,R1為該第一磁阻組件31的電阻,R2為該第二磁阻組件32的電阻,其余R3、R4依此類推,Vcc為該輸入電壓源61的輸入電壓。當(dāng)該磁場(chǎng)Bx=0時(shí),所有的磁阻組件31~34的電阻相同,皆為零磁場(chǎng)磁阻值R0,即R1=R2=R3=R4=R0,此時(shí)該電橋單元3的輸出電壓為零。當(dāng)磁場(chǎng)Bx不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻增加或減少ΔR成為:R1=R0–ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,此時(shí)該電橋單元3的輸出電壓為Vx(Bx)=VccΔR/R0。當(dāng)磁場(chǎng)By不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為R1=R0–ΔR、R2=R0–ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0+ΔR,由上述公式(1)可知該電橋單元3的輸出電壓為零。當(dāng)磁場(chǎng)Bz不為零時(shí),四個(gè)磁阻組件R1、R2、R3與R4的磁阻變化分別 為R1=R0+ΔR、R2=R0–ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(1)可知該電橋單元3的輸出電壓為零。
如圖6、圖3至圖5及圖7、圖8所示,當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)分量By為Y方向時(shí),各磁阻組件31~34所感測(cè)到的磁通密度相對(duì)于釘札場(chǎng)的方向分別為逆向、逆向、順向、順向,使各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為增大、增大、減小、減小,此時(shí)各輸入電壓源61分別電性連接該第一磁阻組件31及該第三磁阻組件33,該第二磁阻組件32及該第四磁阻組件34分別電性連接該接地端62,磁場(chǎng)分量By使該電壓輸出端63C、63D產(chǎn)生的輸出電壓為:
其中Vc與Vd為電壓輸出端63C、63D的輸出電壓。當(dāng)磁場(chǎng)By=0時(shí),各磁阻組件31~34的電阻相同,皆為零磁場(chǎng)磁阻值R0,即R1=R2=R3=R4=R0,此時(shí)該電橋單元3的輸出電壓為零。當(dāng)磁場(chǎng)By不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為:R1=R0+ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0–ΔR、R4=R0–ΔR,此時(shí)該電橋單元3的輸出電壓為Vy(By)=VccΔR/R0。當(dāng)磁場(chǎng)Bx不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為R1=R0–ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(2)可知該電橋單元3的輸出電壓為零。當(dāng)磁場(chǎng)Bz不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為:R1=R0+ΔR、R2=R0–ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(2)可知該電橋單元3的輸出電壓為零。
如圖7、圖3至圖6及圖8所示,當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)分量Bz為Z方向時(shí),各磁阻組件31~34所感測(cè)到的磁通密度相對(duì)于釘札場(chǎng)的方向分別為逆向、順向、逆向、順向,使各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為增大、減小、增 大、減小,此時(shí)該輸入電壓源61電性連接該第一磁阻組件31及該第四磁阻組件34,該第二磁阻組件32及該第三磁阻組件33分別電性連接該接地端62,磁場(chǎng)分量Bz使該電壓輸出端63A、63B產(chǎn)生的輸出電壓為:
其中Va與Vb為電壓輸出端63A、63B的輸出電壓。當(dāng)磁場(chǎng)Bz=0時(shí),各磁阻組件31~34的電阻相同,即R1=R2=R3=R4=R0,此時(shí)該電橋單元3的輸出電壓為零。當(dāng)磁場(chǎng)Bz不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為:R1=R0+ΔR、R2=R0–ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,此時(shí)該電橋單元3的輸出電壓為Vz(Bz)=VccΔR/R0。當(dāng)磁場(chǎng)Bx不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為:R1=R0–ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0+ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(3)可知該電橋單元3的輸出電壓為零。當(dāng)磁場(chǎng)By不為零時(shí),各磁阻組件31~34的磁阻變化分別為R1=R0+ΔR、R2=R0+ΔR、R3=R0–ΔR、R4=R0–ΔR,由上述公式(3)知該電橋單元3的輸出電壓為零。
由以上說(shuō)明可知,本發(fā)明提供的單電橋磁場(chǎng)傳感器A可通過(guò)該切換電路6于三種線路之間進(jìn)行切換,從而構(gòu)成上述公式(1)、(2)、(3)三種輸出模式,通過(guò)單一電橋即可測(cè)量三軸磁場(chǎng)分量。此三種輸出模式的切換可利用模擬開關(guān)電路實(shí)現(xiàn),亦可通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量各磁阻組件31~34的磁阻變化后利用公式(1)、(2)、(3)以數(shù)字計(jì)算方式得出。
以上所述為本發(fā)明在產(chǎn)業(yè)上的一較佳實(shí)施例,舉凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所作的均等變化,皆屬本案保護(hù)的范疇。