[发明专利]磁场检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及检测外部磁场的方向和幅度的磁场检测装置。

背景技术

AMR效应（各向异性磁致电阻效应）被用于各类传感器中，特别是用于地球磁场的测量，如电子罗盘或用于电流测量（通过测量在导体周围产生的磁场），以及用于交通流量检测、线性位置检测和角度检测。通常情况下，AMR磁场检测装置包括利用AMR效应的磁场感测元件，AMR效应是当导电性材料被施加外部磁场时其电阻值就改变的特性。采用惠斯通电桥配置能够实现AMR灵敏桥式电阻器的阻值变化的高灵敏度测量。由于越来越多的高度紧凑的电子设备都包含磁场传感器，如导航系统、脉冲手表、测速仪、移动式计算机和类似的电子产品，所以需要高度集成的小型化的磁场传感器芯片。

众所周知，通过引入磁场翻转机构可增加AMR传感器芯片的灵敏度，其中各个AMR磁传感元件的内部磁化被周期性地翻转，使得可以进行磁场单个分量的差分测量。因此，典型的传感器芯片包括用于产生偏转磁场的集成在AMR传感器芯片的单个芯片层中的磁翻转导体。许多装有磁场传感器芯片的电子设备式由低容量的电池或蓄电池供电。因此，理想的是，所述翻转机构不应当消耗套多的电力，由此应达到高的翻转频率以提高磁场测量的分辨率和精度。此外，由于传统设计的翻转导体的大小决定了磁场传感器芯片的总体尺寸，因此最好是使得翻转导体的设计小型化，从而有助于降低电感并因此增加翻转速率。

从美国专利US5247278A中可获知一种磁场检测装置，其中的翻转导体由螺旋式设计形成，并覆盖了磁场传感器芯片的大部分面积。翻转导体的布局决定了传感器芯片的尺寸。翻转导体被布置在单个层上，并由电气绝缘层实现与惠斯通电桥层和芯片基层相隔离。在传感器芯片的单个层上布置相对较大的翻转导体导致了在为了翻转磁场感测元件的内部磁化而生成足够大的偏转磁场的过程中的较高的电能消耗，占据了大部分的芯片面积，消耗了大量的电能并表现出高电感，这样只能得到较低的翻转频率，从而限制了磁场感测的时间分辨率。

本技术领域的现状的磁场检测装置遇到的问题在于关于AMR电阻器配置的磁场导体相对较大，消耗了相对多的电能，并不能提高翻转频率，使得更小型化的且具有更高分辨率的磁场检测装置受到限制。因此，最好是提供增强的磁场检测装置，其能够实现更高的集成度，更小的芯片尺寸，更低的功耗，更高的时间分辨率和灵敏度的磁场感测。

发明内容

本发明的目标是通过如权利要求1所述的磁场检测装置来实现的。

本发明建议一种包括数个功能不同的层的磁场检测装置，其中惠斯通电桥层包括惠斯通电桥的至少两个电阻器。惠斯通电桥的每个电阻器包括至少一个子电阻器形式的磁场感测元件。翻转导体层包括至少一个用来翻转各个磁场感测元件的内部磁化状态的翻转导体。翻转导体包括多个导体条，这些导体条被设置在所述翻转导体层的至少两个不同的翻转导体子层上，子层上的导体条通过连接，也就是所谓的通孔相互电气耦合。因而，磁场检测装置建议了一种传感器芯片的设计，其中翻转导体被布置在至少两个顶部可相互依靠或者可夹持惠斯通电桥电阻器的子层上。这种设计仅需要传统的磁传感器芯片面积的一半大小。这归因于被布置在至少两个子层上的多层结构的翻转导体。这种三维结构减少了放置磁场感测元件的区域外部的芯片尺寸，因而使得传感器芯片的整体尺寸更紧凑。而且，由于这种紧凑的设计，杂散磁场可以被降低，电感可以得到减小。与磁场感测元件相邻的磁活性导体条可以被设计为U形、曲折形状或螺旋形状，并可以在翻转机构上发挥与现有的翻转导体结构等同的或者更好的效果。翻转机构的基本概念遵循传统的设计，也就是，翻转与靠近磁场感测元件的翻转导体层的导体条相关的各个电阻器的磁阻条的方向。因此，这种电阻器结构的磁场感测元件相互之间能够更加靠近，使得磁场感测元件变得更加均匀，材料杂质和制造缺陷同等地影响两个或更多个的电阻器，产生了如下的改进：

·R/θ关系曲线的线性度的改善，其中θ式要被测量的外部磁场与磁场感测元件的排列之间的角度，R式所述元件的电阻值；

·对温度变化和制造变化的敏感度的下降；

·惠斯通电桥结构的偏移电压V0ff的降低；

·更紧凑的设计和更小的芯片尺寸；

·由于杂散磁场的减少导致翻转线圈电感的下降；

·检测频率范围的增加；

·翻转电压、翻转电流I F和能量消耗的降低。