改型惠斯通半橋電路及傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種改型惠斯通半橋電路及傳感器，所述改型惠斯通半橋電路包括兩個(gè)半橋電阻單元，兩個(gè)半橋電阻單元的一端經(jīng)第一連接導(dǎo)體電連接，兩個(gè)半橋電阻單元的另一端分別設(shè)有第二連接導(dǎo)體和第三連接導(dǎo)體，其特征在于：兩個(gè)半橋電阻單元的電阻在零偏置場(chǎng)時(shí)的不對(duì)稱性不大于±5%，其中至少一個(gè)半橋電阻單元由至少兩個(gè)電阻支路并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成。本發(fā)明通過(guò)設(shè)置并聯(lián)電阻產(chǎn)生的二次方項(xiàng)有效地消弱了兩個(gè)半橋電阻阻值不對(duì)稱性所造成的噪聲響應(yīng)，或者通過(guò)串聯(lián)電阻完全抵消偏置場(chǎng)所造成的電阻阻值不對(duì)稱性的增加，從而大幅提高信噪比。
【專利說(shuō)明】改型惠斯通半橋電路及傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感電路，具體涉及一種惠斯通半橋電路的改進(jìn)，以及采用該電路的傳感器，用于微弱信號(hào)場(chǎng)精密檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通、航天航空、金融、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、及智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、互動(dòng)游戲等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，迫切需要提高傳感器檢測(cè)微弱信號(hào)場(chǎng)的能力、檢測(cè)的穩(wěn)定性和降低成本，而抑制噪聲等外界干擾是提高上述性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。
[0004]惠斯通電橋是一種常見(jiàn)的傳感器電路，檢測(cè)信號(hào)對(duì)電阻施加影響，例如根據(jù)檢測(cè)對(duì)象采用磁敏電阻、壓敏電阻、熱敏電阻等，改變電橋中的電阻阻值，以此檢測(cè)信號(hào)。通常使用抑制噪聲的方法為采用傳統(tǒng)的惠斯通半橋或全橋電路，然而傳統(tǒng)的惠斯通電橋電路要求電橋各個(gè)電阻的阻值完全一致。但在現(xiàn)實(shí)中，一旦由于批量生產(chǎn)工藝重復(fù)性問(wèn)題以及在有偏置場(chǎng)時(shí)造成電阻阻值不完全相同時(shí)，其抑制噪聲能力將大打折扣。就目前工業(yè)界大規(guī)模生產(chǎn)水平，就算要百分百實(shí)現(xiàn)電阻阻值的不對(duì)稱性小于+/-1%都具有一定挑戰(zhàn)性。因此，往往還必須借助于各種信號(hào)濾波電路去濾除具有特定頻率的噪聲。
[0005]圖1示意了一種使用傳統(tǒng)的惠斯通半橋電路的傳感器示意圖。如圖1所示，在基板I上，由兩個(gè)電阻與導(dǎo)線組成了惠斯通半橋電路，其中，一個(gè)電阻5的阻值為R1，另一個(gè)電阻4的阻值為R2。兩個(gè)電阻間經(jīng)第一導(dǎo)線6構(gòu)成電連接，電阻5的另一端設(shè)有第二導(dǎo)線2，電阻4的另一端設(shè)有第三導(dǎo)線3。
[0006]兩個(gè)電阻的阻值分別為，
R1=R0-Rw+Rls+Rln(I)
R2=R0+Rw+R2s+R2n(2)
其中零場(chǎng)電阻RO為零場(chǎng)時(shí)的電阻Rl和R2的平均電阻值；不對(duì)稱性電阻Rw為零場(chǎng)時(shí)電阻Rl與R2阻值之差的二分之一；電阻不對(duì)稱性定義為Rw/RO，通常遠(yuǎn)小于I ;信號(hào)電阻Rls與R2s分別為電阻Rl與R2因信號(hào)場(chǎng)所導(dǎo)致的電阻值的變化；噪聲電阻Rln與R2n分別為Rl與R2因噪聲所導(dǎo)致的電阻值的變化。
[0007]在檢測(cè)局部信號(hào)場(chǎng)時(shí)，來(lái)自外界的噪聲場(chǎng)梯度遠(yuǎn)小于被檢測(cè)的信號(hào)場(chǎng)梯度。當(dāng)電阻Rl與R2間距遠(yuǎn)小于噪聲場(chǎng)變化距離時(shí)，可以近似表達(dá)噪聲電阻為Rln=R2n=Rn。
[0008]在對(duì)半橋電路施加偏置電壓Vin時(shí)，輸出電壓Vout為 Vout=VinXR2/(R1+R2)
=0.5VinX [l+ (Rw-(Rls- R2s)/2)/[R0+ (Rls+R2s)/2+Rn]] (3)
在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，噪聲所導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為 Vn=0.5VinX [1+(Rw/R0) / (1+(Rn/R0) ](4)
當(dāng)有偏置場(chǎng)時(shí)，噪聲導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為
Vn=0.5VinX [1+(Rwb/Rb) / (1+(Rn/Rb) ](5) 其中，偏置電阻Rb=RO+dRb，dRb為偏置場(chǎng)所導(dǎo)致的電阻值的變化；Rwb=Rw+dRwb，dRwb為在偏置場(chǎng)下Rl與R2的電阻值差值的二分之一。在恒定偏置場(chǎng)下，Rwb/Rb=Rw/RO ;在梯度偏置場(chǎng)下，通常Rwb/Rb>Rw/RO。
[0009]顯然，兩個(gè)半橋電阻阻值的不對(duì)稱性Rw導(dǎo)致了輸出信號(hào)中的噪聲響應(yīng)，降低該不對(duì)稱性(Rw/R0)有助于抑制噪聲。然而，減小電阻不一致性受到生產(chǎn)工藝和裝配能力的限制。
[0010]施加偏置磁場(chǎng)可激勵(lì)磁信號(hào)而大幅提高信號(hào)強(qiáng)度，有利于提高信噪比。但是，非恒定的梯度偏置磁場(chǎng)會(huì)大幅增加電阻不對(duì)稱性(Rw/RO)。此外，盡管可以采用大偏置場(chǎng)有利于通過(guò)(Rw/Rb)降低不對(duì)稱性，偏置場(chǎng)大小受到不能過(guò)量偏置而導(dǎo)致磁阻飽和的限制。
[0011]因此，單靠傳統(tǒng)半橋的一階項(xiàng)[(Rw/RO)/(l+(Rn/Rb)]來(lái)衰減噪聲的效果有限。
[0012]圖2示意了噪聲對(duì)一個(gè)使用傳統(tǒng)的惠斯通半橋電路的磁傳感器輸出信號(hào)的影響。其設(shè)置為，磁阻為磁阻率200%的隧道磁阻，兩個(gè)隧道磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同，其零場(chǎng)電阻的不對(duì)稱性為+/_1%，無(wú)外加偏置場(chǎng)，一個(gè)恒定的點(diǎn)信號(hào)磁場(chǎng)源由傳感器上方近距離先經(jīng)過(guò)Rl再經(jīng)過(guò)R2，信號(hào)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的最大電阻變化為零場(chǎng)電阻的0.002%，并在半橋電路上方用一個(gè)通過(guò)三角函數(shù)電流導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)模擬環(huán)境噪聲干擾。
[0013]由圖2可見(jiàn)，在與信號(hào)相同大小的噪聲干擾下，輸出信號(hào)已能顯示出噪聲造成的波動(dòng)，當(dāng)噪聲為信號(hào)的5倍時(shí)，要辨認(rèn)并判斷輸出信號(hào)的波形已經(jīng)相當(dāng)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種改型惠斯通半橋電路，減小半橋中電阻值不完全一致造成的影響，特別是由于偏置磁場(chǎng)所造成的電阻值不一致性變差的影響，提高檢測(cè)靈敏度；本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明目的是提供應(yīng)用這種改型惠斯通半橋電路的傳感器。
[0015]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種改型惠斯通半橋電路，包括兩個(gè)半橋電阻單元，兩個(gè)半橋電阻單元的一端共同經(jīng)第一連接導(dǎo)體電連接，兩個(gè)半橋電阻單元的另一端分別設(shè)有第二連接導(dǎo)體和第三連接導(dǎo)體，兩個(gè)半橋電阻單元的電阻在零偏置場(chǎng)時(shí)的不對(duì)稱性不大于±5%，其中至少一個(gè)半橋電阻單元由至少兩個(gè)電阻支路并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成。
[0016]上述技術(shù)方案中，兩個(gè)半橋電阻單元的電阻阻值理論上應(yīng)當(dāng)相等，但在實(shí)際制作中，必然存在偏差，電阻不對(duì)稱性的定義如【背景技術(shù)】中所述，兩個(gè)半橋電阻單元的電阻不對(duì)稱性越大，噪聲的影響越大。
[0017]采用電阻支路并聯(lián)構(gòu)成半橋電阻單元后，可以產(chǎn)生二次方項(xiàng)，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)小于I的不對(duì)稱性項(xiàng)(Rw/RO)按二次方衰減，有效地抑制噪聲響應(yīng)。
[0018]而采用電阻支路串聯(lián)構(gòu)成半橋電阻單元后，可以抵消由于偏置場(chǎng)沿電阻間距造成的電阻變化項(xiàng)的dRwb，而保證零場(chǎng)電阻不對(duì)稱性不因偏置場(chǎng)增加，只提高信號(hào)強(qiáng)度而不增加噪聲，從而有效地提高信噪比。
[0019]優(yōu)選的技術(shù)方案，兩個(gè)半橋電阻單元中，一個(gè)半橋電阻單元由一個(gè)電阻支路構(gòu)成，另一個(gè)半橋電阻單元由兩個(gè)電阻支路并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成，該兩個(gè)電阻支路的另一端由第二連接導(dǎo)體電連接。
[0020]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述兩個(gè)電阻支路的兩個(gè)電阻沿其敏感方向等間距對(duì)稱分布在另一支路電阻的兩側(cè)，且其零場(chǎng)電阻不對(duì)稱性不大于±5%。
[0021]上述技術(shù)方案中，每個(gè)電阻支路為一個(gè)電阻或者由多個(gè)電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成。
[0022]一種傳感器，設(shè)有上述的改型惠斯通半橋電路，所述兩個(gè)半橋電阻單元由能感應(yīng)被檢測(cè)信號(hào)而產(chǎn)生電阻值變化的敏感電阻構(gòu)成?？梢詥为?dú)使用上述改型惠斯通半橋電路，也可以由改型惠斯通半橋電路構(gòu)成惠斯通全橋電路。
[0023]當(dāng)作為磁傳感器時(shí)，所述敏感電阻為磁阻，各個(gè)磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同或相反設(shè)置。所述磁阻可以是隧道磁阻、巨磁阻、各向異性磁阻、霍爾磁阻。
[0024]進(jìn)一步的技術(shù)方案，設(shè)有偏置磁場(chǎng)，所述磁阻的磁場(chǎng)敏感方向與偏置磁場(chǎng)方向相同或相反設(shè)置。
[0025]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述偏置磁場(chǎng)為線性梯度場(chǎng)，磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同且被布置在線性偏置磁場(chǎng)范圍內(nèi)，同時(shí)磁阻不被偏置磁場(chǎng)飽和。
[0026]上述技術(shù)方案中，所述偏置磁場(chǎng)采用單極或多級(jí)，即南極-北極-南極或北極-南極-北極組合，可以在磁阻分布的范圍內(nèi)產(chǎn)生線性梯度場(chǎng)。
[0027]偏置磁場(chǎng)可以由單個(gè)或多個(gè)永久磁鐵或者線圈磁鐵的組合來(lái)實(shí)施，亦可以由微加工制作在芯片表面的硬磁偏置薄膜或線圈結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施。
[0028]在使用梯度偏置磁場(chǎng)情況時(shí)，檢測(cè)到硬磁與軟磁信號(hào)的輸出波形具有明顯的不同特征。
[0029]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明其中至少一個(gè)半橋電阻單元由電阻支路并聯(lián)構(gòu)或串聯(lián)成，由于并聯(lián)電阻產(chǎn)生的二次方項(xiàng)對(duì)減弱電阻不一致性的作用遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)電路產(chǎn)生的一次方項(xiàng)，或者由于串聯(lián)電阻抑制了偏置場(chǎng)所帶來(lái)的電阻不對(duì)稱性增加，因此，本發(fā)明提供的改型惠斯通半橋電路及傳感器能更為有效地抑制噪聲響應(yīng)及提高信噪比；
2、采用本發(fā)明制備磁傳感器時(shí)，設(shè)置偏置磁場(chǎng)可以大幅提高信號(hào)強(qiáng)度從而提高信噪t匕，結(jié)合并聯(lián)電阻產(chǎn)生的二次方項(xiàng)，或者結(jié)合串聯(lián)電阻抑制了偏置場(chǎng)所帶來(lái)的電阻不對(duì)稱性增加，可以最大限度地抑制噪聲響應(yīng)及提高信噪比；
3、由于上述超常的抑制噪聲能力，可避免使用噪聲濾波電路，而且可放寬對(duì)制造工藝公差和裝配公差的要求，有利于提高成品率及降低成本；
4、米用中心磁場(chǎng)為零且左右磁場(chǎng)方向相反的偏置磁場(chǎng)時(shí)，可以明確區(qū)分磁信號(hào)的軟磁與硬磁特征。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中使用惠斯通半橋電路的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是采用圖1的電路作為磁傳感器在無(wú)偏置磁場(chǎng)時(shí)噪聲干擾下的信號(hào)輸出圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是實(shí)施例一中采用圖3結(jié)構(gòu)作為磁傳感器在噪聲干擾下的信號(hào)輸出圖；
圖5是使用本發(fā)明實(shí)施例一磁傳感器與圖1所示傳感器在噪聲干擾下的信號(hào)比區(qū)別的對(duì)比圖。
[0031]圖6是本發(fā)明實(shí)施例二的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例三的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例四的磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9是本發(fā)明實(shí)施例四的磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的輸出波形。
[0032]圖10是本發(fā)明實(shí)施例四所述的磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的軟磁信號(hào)的輸出波形。
[0033]圖11是本發(fā)明實(shí)施例一和實(shí)施例四的磁傳感器與采用傳統(tǒng)惠斯通半橋電路的磁傳感器之間信噪比區(qū)別的對(duì)比圖。
[0034]圖12是本發(fā)明實(shí)施例五的磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖13是本發(fā)明實(shí)施例五的磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的輸出波形。
[0035]圖14是本發(fā)明實(shí)施例五所述的磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的軟磁信號(hào)的輸出波形。
[0036]圖15是本發(fā)明實(shí)施例六的磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖16是處于偏置磁場(chǎng)下的傳統(tǒng)磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的輸出波形。
[0038]圖17是本發(fā)明實(shí)施例六的磁傳感器處于偏置磁場(chǎng)下時(shí)，在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的輸出波形。
[0039]圖18是本發(fā)明實(shí)施例七的磁傳感器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實(shí)施例一:一種改型惠斯通半橋電路，包括兩個(gè)半橋電阻單元，兩個(gè)半橋電阻單元的一端經(jīng)第一連接導(dǎo)體6電連接，其中一個(gè)半橋電阻單元由兩個(gè)電阻支路并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)電阻支路中設(shè)有一個(gè)電阻5，該半橋電阻單元的另一端設(shè)有第二連接導(dǎo)體2，兩個(gè)電阻支路由第二連接導(dǎo)體2連接構(gòu)成并聯(lián)，另一個(gè)半橋電阻單元由一個(gè)電阻4構(gòu)成單個(gè)電阻支路，該半橋電阻單元的另一端設(shè)有第三連接導(dǎo)體3，且兩個(gè)并聯(lián)電阻支路相對(duì)于單個(gè)電阻支路的半橋電阻單元對(duì)稱分布設(shè)置。
[0041]參照附圖3所示，為采用上述改型惠斯通半橋電路的磁傳感器芯片，包括基底1，電阻和導(dǎo)體設(shè)置在基底I上。其中，電阻4和電阻5為磁阻，電阻5由兩個(gè)磁阻并聯(lián)，組成了惠斯通半橋電路的一個(gè)半橋電阻單元，而另一個(gè)磁阻組成了惠斯通半橋電路的另一個(gè)半橋電阻單元，兩個(gè)并聯(lián)的磁阻沿其磁場(chǎng)敏感方向?qū)ΨQ分布在單個(gè)磁阻的兩側(cè)。第二連接導(dǎo)體2、第三連接導(dǎo)體3、第一連接導(dǎo)體6設(shè)置于上述磁場(chǎng)敏感電阻的兩端，分別用于連接導(dǎo)電電路的偏置電壓端、接地端和信號(hào)輸出端。
[0042]其中，磁阻可以是隧道磁阻、巨磁阻、各向異性磁阻、霍爾磁阻。
[0043]參照?qǐng)D3，兩個(gè)并聯(lián)磁阻的阻值分別為，
R11=R0-Rw+Rlls+Rlln(6)
R12=R0+Rw+R12s+R12n(7)
另一磁阻的阻值為
R2=0.5(R0+R2s+R2n)(8)
信號(hào)電阻Rlls，R12,和R2s分別為被檢測(cè)磁信號(hào)對(duì)兩個(gè)并聯(lián)磁阻Rll，R12，及磁阻R2產(chǎn)生的電阻值的變化；噪聲電阻Rlln，R12n，及R2n分別為外界噪聲干擾對(duì)兩個(gè)并聯(lián)磁阻Rll, R12,及磁阻R2產(chǎn)生的電阻值的變化，可近似為RlIn=Rl2n=R2n=Rn。
[0044]并聯(lián)電阻的阻值為
Rl=0.5(R0+Rlsm+Rn)(1-((Rw-Rlsd)/(RO+Rlsm+Rln))~2) (9)
其中，Rlsm= (Rlls+R12s)/2, Rlsd= (Rlls-R12s)/2 ；
惠斯通半橋的輸出電壓為
Vout=0.5Vin/(1-0.5((Rw-Rs12d)/(R0+Rsl2m+Rn))~2) (10)
在無(wú)信號(hào)時(shí)，噪聲所導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為 Vn=0.5Vin/[l-0.5((Rw/R0)/(l+(Rn/R0))) ~2] (11)
與傳統(tǒng)傳感器的一階項(xiàng)(見(jiàn)公式4)相比，本發(fā)明所述并聯(lián)電阻所產(chǎn)生的二階平方項(xiàng)((Rw/RO)/(1+ (Rn/R0)))~2能夠更有效地衰減噪聲干擾。
[0045]圖4為噪聲對(duì)本實(shí)施例中磁傳感器輸出信號(hào)的影響。其設(shè)置為，磁阻為磁阻率200%的隧道磁阻，兩個(gè)隧道磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同，兩個(gè)并聯(lián)磁阻零場(chǎng)電阻的不對(duì)稱性為+/_1%，無(wú)外加偏置場(chǎng)，一個(gè)恒定的點(diǎn)信號(hào)磁場(chǎng)源由傳感器上方近距離先經(jīng)過(guò)Rl再經(jīng)過(guò)R2，信號(hào)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的最大電阻變化為零場(chǎng)電阻的0.002%，半橋電路上方用一個(gè)通過(guò)三角函數(shù)電流導(dǎo)線所產(chǎn)生 的磁場(chǎng)來(lái)模擬環(huán)境噪聲干擾。
[0046]可見(jiàn)，即便在50倍于信號(hào)的噪聲干擾下，本發(fā)明所用磁傳感器依然能保證良好的輸出波形與信噪比，其抑制噪聲能力遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的磁傳感器。
[0047]圖5為本實(shí)施例中磁傳感器與使用圖1所示的傳統(tǒng)半橋磁傳感器在同樣條件下輸出信號(hào)信噪比的對(duì)比圖。
[0048]在同等噪聲干擾下，本發(fā)明磁傳感器的信噪比遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)半橋磁傳感器。即便電阻不對(duì)稱性比傳統(tǒng)半橋磁傳感器差一倍，本發(fā)明磁傳感器的信噪比仍然明顯高出傳統(tǒng)半橋磁傳感器。
[0049]因此，本發(fā)明磁傳感器可以容忍更大的電阻不對(duì)稱性。
[0050]實(shí)施例二
圖6為本發(fā)明磁傳感芯片的另一種設(shè)計(jì)。兩個(gè)并聯(lián)的磁阻本身由兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的磁阻組成。
[0051]實(shí)施例三
圖7為本發(fā)明所述磁傳感芯片的另一種設(shè)計(jì)。磁阻本身由多個(gè)串聯(lián)的磁阻組成。
[0052]實(shí)施例四
如圖8所示，在實(shí)施例一的磁傳感器芯片基礎(chǔ)上，增加施加梯度偏置磁場(chǎng)，構(gòu)成帶有偏置磁場(chǎng)的磁傳感器。在裝配模組8和9中的偏置磁鐵7在偏離中心零偏置場(chǎng)的一側(cè)對(duì)所述構(gòu)成惠斯通半橋的磁阻實(shí)施磁場(chǎng)偏置，偏置位置處在南北兩個(gè)磁極當(dāng)中，磁場(chǎng)梯度接近最小。此時(shí)，惠斯通半橋的輸出電壓為
Vout=0.5Vin/(1-0.5((Rwb/Rb-R12sd/Rb)/(1+R12sm/Rb+Rn/Rb))~2) (12)
其中，R12sm= (Rls+R2s)/2，R12sd= (Rls_R2s)/2 ；
在無(wú)信號(hào)時(shí)，噪聲所導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為
Vn=0.5Vin/[l-0.5((Rwb/Rb)/(l+(Rn/Rb))) ~2](13)
雖然偏置磁場(chǎng)可能導(dǎo)致電阻不對(duì)稱性(Rwb/Rb)增加，但亦導(dǎo)致信號(hào)項(xiàng)(R12sd/Rb)與(R12sm/Rb)的大幅增加。當(dāng)電阻不對(duì)稱性的增加比例小于信號(hào)項(xiàng)的增加比例時(shí)，將獲益于/[目噪比的提聞。
圖9為實(shí)施例四所述磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的輸出波形。
[0053]該磁傳感器具體設(shè)置為，磁場(chǎng)敏感電阻采用磁阻率為了 200%的隧道磁阻薄膜，不一致電阻Rw為零場(chǎng)電阻RO的+/-4%，偏置40%即偏置電阻Rb為零場(chǎng)電阻RO的140%，一個(gè)不能被偏置磁場(chǎng)磁化反轉(zhuǎn)的硬磁信號(hào)由磁傳感器上方沿偏置磁場(chǎng)方向通過(guò)磁傳感器，該硬磁信號(hào)磁場(chǎng)產(chǎn)生的最大電阻變化為零場(chǎng)電阻RO的0.2%。
[0054]由圖9可見(jiàn)，在噪聲干擾造成零場(chǎng)電阻變化2%時(shí)，本發(fā)明提供的磁傳感器依然能保持良好的硬磁信號(hào)輸出波形。由于偏置磁場(chǎng)無(wú)法磁化反轉(zhuǎn)該硬磁信號(hào)，圖9中左右兩個(gè)信號(hào)峰值相當(dāng)。
[0055]圖10為實(shí)施例四所述磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的軟磁信號(hào)的輸出波形。其設(shè)置與上相同。
[0056]圖10表明，在噪聲干擾造成零場(chǎng)電阻變化2%時(shí)，本發(fā)明提供的磁傳感器依然能保持良好的軟磁信號(hào)輸出波形。由于偏置磁場(chǎng)可以磁化反轉(zhuǎn)該軟磁信號(hào)，而且軟磁信號(hào)隨偏置磁場(chǎng)的大小而改變，圖9中左右兩個(gè)信號(hào)峰值相差明顯。
[0057]比較圖9與圖10可以看出，本發(fā)明提供的磁傳感器能夠由信號(hào)峰值特征差別辨別出被檢測(cè)磁信號(hào)的軟磁或硬磁屬性。
[0058]圖11為采用本發(fā)明實(shí)施例四所述磁傳感器與傳統(tǒng)半橋電路磁傳感器在有無(wú)偏置磁場(chǎng)時(shí)的信噪比的對(duì)比。
[0059]可見(jiàn)，無(wú)論是否偏置，本發(fā)明所述磁傳感器的信噪比均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)半橋電路磁傳感器。在允許的條件下施加偏置磁場(chǎng)，會(huì)最大限度地提高本發(fā)明所述磁傳感器的抗噪聲干擾能力。
[0060]實(shí)施例五
如圖12所示，兩個(gè)并聯(lián)電阻支路分布在單個(gè)電阻支路的半橋電阻單元的一邊，兩個(gè)改型半橋電路對(duì)稱分布在偏置磁場(chǎng)中心兩邊而形成了改型的慧斯通全橋電路，其磁場(chǎng)敏感方向相反，每個(gè)改型半橋電路磁阻的磁場(chǎng)敏感方向與所在位置的橫向偏置磁場(chǎng)方向相同，其它設(shè)置與實(shí)施例四相同。亦可以只用單個(gè)半橋電路。
[0061]圖13為實(shí)施例五所述磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的半橋與全橋電路的輸出波形。
[0062]由圖13可見(jiàn)，全橋電路比半橋電路有更低的噪聲響應(yīng)或更高的抗噪聲能力。同時(shí)，因?yàn)槠么艌?chǎng)無(wú)法磁化反轉(zhuǎn)硬磁信號(hào)，位于偏置磁鐵中心兩側(cè)的輸出波形具有相同的幅值方向。
[0063]圖14為實(shí)施例五所述磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的軟磁信號(hào)的半橋與全橋電路的輸出波形。
[0064]由于軟磁信號(hào)可以被偏置磁場(chǎng)磁化反轉(zhuǎn),其位于磁鐵中心兩側(cè)的輸出波形具有正負(fù)相反的幅值。
[0065]實(shí)施例六
如圖15所示，兩個(gè)串聯(lián)電阻支路對(duì)稱分布在單個(gè)電阻支路的半橋電阻單元的兩邊，構(gòu)成惠斯通半橋電路。
[0066]參照附圖15所示，為采用上述改型惠斯通半橋電路的磁傳感器芯片，包括基底1，電阻和導(dǎo)體設(shè)置在基底I上。其中，電阻為磁阻，兩個(gè)磁阻5-1和5-2串聯(lián)組成了惠斯通半橋電路的一個(gè)半橋電阻單元，而另一個(gè)磁阻(電阻4)組成了惠斯通半橋電路的另一個(gè)半橋電阻單元，兩個(gè)串聯(lián)的磁阻沿其磁場(chǎng)敏感方向?qū)ΨQ分布在單個(gè)磁阻的兩側(cè)。第二連接導(dǎo)體
2、第三連接導(dǎo)體3、第一連接導(dǎo)體6設(shè)置于上述磁場(chǎng)敏感電阻的兩端，分別用于連接導(dǎo)電電路的偏置電壓端、接地端和信號(hào)輸出端。
[0067]在施加線性偏置場(chǎng)時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)磁阻的阻值分別為，
Rll=0.5(Rb-Rwb+Rlls+Rlln)(14)
R12=0.5(Rb+Rwb+R12s+R12n)(15)
其串聯(lián)后阻值為，
Rl=Rb+0.5(Rlls+R12s+Rlln+R12n)(16)
可見(jiàn)偏置場(chǎng)所產(chǎn)生的電阻不對(duì)稱項(xiàng)Rwb因電阻串聯(lián)被完全抵消了。
[0068]另一磁阻的阻值為
R2= Rb+Rw+R2s+R2n(17)
在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，噪聲所導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為 Vn=0.5VinX [1+(Rw/Rb) / (1+(Rn/Rb) ](18)
與公式(5)相比，由于電阻不對(duì)稱性Rw遠(yuǎn)小于Rwb，即電阻不對(duì)稱性并沒(méi)有因?yàn)樵黾悠脠?chǎng)而改變，本發(fā)明所用串聯(lián)方法具備遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法的噪聲輸出。
[0069]值得指出的是，本實(shí)例示意了偏離磁鐵中心偏置的應(yīng)用，該原理亦適用于在磁鐵中心偏置的應(yīng)用，即Rb=RO的場(chǎng)合。
[0070]圖16為使用偏置磁場(chǎng)時(shí)傳統(tǒng)半橋電路磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)輸出波形。雖然加偏置磁場(chǎng)有助于抑制噪聲，但在噪聲產(chǎn)生的阻值變化為零場(chǎng)電阻的
0.1%時(shí)，已嚴(yán)重干擾了信號(hào)輸出波形。
[0071]圖17為實(shí)施例六所述磁傳感器在噪聲干擾下所檢測(cè)到的硬磁信號(hào)的輸出波形。即使噪聲產(chǎn)生的阻值變化為零場(chǎng)電阻的0.5%時(shí)，仍然能保持良好的信號(hào)輸出波形。與圖16相比可見(jiàn)，實(shí)施例六所述的本發(fā)明磁傳感器的抗干擾能力要強(qiáng)過(guò)傳統(tǒng)半橋電路磁傳感器5倍。
[0072]實(shí)施例七
如圖18所示，兩個(gè)半橋支路電阻各有多個(gè)相同的磁阻(MR)串聯(lián)組成，且一個(gè)支路的電阻在磁感應(yīng)方向上以等距(W)離分布在另一個(gè)支路電阻的兩邊。
【權(quán)利要求】
1.一種改型惠斯通半橋電路，包括兩個(gè)半橋電阻單元，兩個(gè)半橋電阻單元的一端共同經(jīng)第一連接導(dǎo)體電連接，兩個(gè)半橋電阻單元的另一端分別設(shè)有第二連接導(dǎo)體和第三連接導(dǎo)體，其特征在于:兩個(gè)半橋電阻單元的電阻在零偏置場(chǎng)時(shí)的不對(duì)稱性不大于±5%，其中至少一個(gè)半橋電阻單元由至少兩個(gè)電阻支路并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改型惠斯通半橋電路，其特征在于:兩個(gè)半橋電阻單元中，一個(gè)半橋電阻單元由一個(gè)電阻支路構(gòu)成，另一個(gè)半橋電阻單元由兩個(gè)電阻支路并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成，該兩個(gè)電阻支路的另一端由第二連接導(dǎo)體電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改型惠斯通半橋電路，其特征在于:構(gòu)成一個(gè)電阻支路的兩個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)電阻，沿其感應(yīng)方向等間距對(duì)稱分布在另一個(gè)支路電阻的兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改型惠斯通半橋電路，其特征在于:每個(gè)電阻支路為一個(gè)電阻或者由多個(gè)電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成。
5.一種傳感器，其特征在于:設(shè)有權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的改型惠斯通半橋電路，所述兩個(gè)半橋電阻單元由能感應(yīng)被檢測(cè)信號(hào)而產(chǎn)生電阻值變化的敏感電阻構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于:當(dāng)作為磁傳感器時(shí)，所述敏感電阻為磁阻，各個(gè)磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同或相反設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于:所述磁阻選自隧道磁阻、巨磁阻、各向異性磁阻或霍爾磁阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的傳感器，其特征在于:當(dāng)作為設(shè)有偏置磁場(chǎng)的磁傳感器時(shí)，所述磁阻的磁場(chǎng)敏感方向與偏置磁場(chǎng)方向相同或相反設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于:當(dāng)作為設(shè)有偏置磁場(chǎng)的磁傳感器時(shí)，所述偏置磁場(chǎng)為線性梯度場(chǎng)，磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同且被布置在線性梯度場(chǎng)范圍內(nèi)，同時(shí)磁阻不被偏置磁場(chǎng)飽和。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于:當(dāng)作為設(shè)有偏置磁場(chǎng)的磁傳感器時(shí)，所述偏置磁場(chǎng)采用單極或多級(jí)，在磁阻分布的范圍內(nèi)產(chǎn)生線性梯度場(chǎng)。
【文檔編號(hào)】G01R33/09GK103901365SQ201410164791
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】葉友忠 申請(qǐng)人:葉友忠