[发明专利]正交磁通门磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及集成的正交磁通门磁传感器及其制造方法。

背景技术

在低成本小型磁场传感器的许多应用中，存在以特定精度测量弱磁场的总体需求。磁通门是最普遍的、利用容易饱和的铁磁芯构建的高灵敏度磁传感器。磁通门式磁传感器可以用于直流或低频交流磁场的大小和方向测量。典型的应用是电子罗盘、电流传感器、磁墨水读取、含铁材料的检测、以及非破坏性实验[1，2]。磁通门传感器的主要优点在于它的高灵敏度和极低的偏移(offset)。另一方面，目前的磁通门传感器中存在低磁场工作范围和高透磁效应(perming)的问题。

磁通门传感器的工作原理是基于在交流励磁场下铁磁材料的周期性饱和来检测通过磁芯的磁通的变化，其中磁通与外部磁场成比例。以下两种磁通门配置是公知的：平行磁通门，其具有平行于被测磁场的励磁场；和正交磁通门，其具有垂直于被测磁场的励磁场。

为了简化制造工艺，可以仅使用一个铁磁芯组合线圈作为磁通门传感器。在仅使用一个铁磁芯的情况下，优选正交磁通门配置，因为在此配置下磁通门传感器的信号处理动态特性更好。通过将传感线圈置于相对于励磁场的正交位置，将待测量的磁场从励磁场物理地去耦合。从而将励磁场的贡献从被测信号去除[6]。

图1示出了现有技术的单磁芯磁通门传感器的正交配置。环形励磁场H_exc正交于磁芯(C)的轴，并由此正交于外部施加的磁场H_ext。上述配置将传感线圈(S)从励磁线圈(E)去耦合。

但是，图1所示的现有技术的正交磁通门传感器制造成本高，特别是考虑到需要围绕铁磁芯卷绕励磁线圈、一部分线圈通过磁芯中设置的中心孔引入。围绕磁芯卷绕传感线圈也不是特别成本有效。励磁线圈卷绕还限制了其实际长度。上述结构还限制了小型化程度以及传感器在小型电子器件中的集成可能性。

鉴于上述问题，已经开发了若干技术以将磁通门传感器集成在小型和成本有效的配置中。[7]、[8]或[9]中描述的平面配置总是使用平行配置中的开口磁芯结构和差分模式，具有如下特点：

●两个铁磁芯或一个铁磁芯的两部分，

●被在磁芯的纵向磁化，

●两个磁芯被在相反方向磁化-差分模式，

●磁芯尺寸(磁芯部分区域上的磁芯长度)和磁芯的磁性立即确定传感器分辨率和对励磁场性能的需求，

●通过围绕磁芯的3D微机械加工的线圈，或者位于磁芯之下且利用CMOS技术的金属化制造的平面线圈，进行磁芯的励磁和/或被测磁场的检测。

上述已知的集成的磁通门传感器的配置，尽管是小型的且对于大规模生产而言是成本有效的，但是具有如下缺点：

●两个铁磁芯的使用使得传感器配置相对复杂且占用了较多空间。

●开口磁芯结构并不是完全沿磁芯的整个长度被磁化。磁芯中心首先饱和，磁芯的末端最后饱和。磁芯的末端永远无法获得深度饱和，从而产生了传感器的透磁效应(即，传感器对硬磁冲击的记忆效应)。

●检测和励磁场的磁芯尺寸的限制。在不同的励磁条件下，磁芯越短，测量范围越宽。但是，磁芯越短，越难以产生具有足够强度以沿整个长度饱和磁芯的磁场。因此，磁芯长度在相反方向影响测量范围和励磁配置。

●励磁和检测均使用平面线圈导致紧密耦合的线圈结构。这种结构产生与被测信号相比巨大的电容性和磁性寄生信号。这种干扰信号损害了传感器的信噪比和稳定性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种正交磁通门传感器，该传感器为小型的、在工业规模制造上成本有效的，并且呈现良好的性能，特别是宽的测量范围、低透磁效应和高精度。

更为有利的是，提供一种能够成本有效地集成在集成电路中且易于驱动和控制的正交磁通门传感器。

有利的是，提供一种具有低功耗的正交磁通门传感器。

本发明的上述目的通过提供如权利要求1所述的正交磁通门磁场传感器而实现。

这里公开的是一种正交磁通门磁场传感器，其包括：由非磁性导电材料制成的励磁导体；可饱和磁性材料；以及至少一个拾取线圈，其中该励磁导体包括以杆的形式的实质上线性部，该可饱和磁性材料沿着且围绕该线性部覆盖。一个或多个拾取线圈优选地设置在铁磁覆层的末端附近。铁磁覆层可以与励磁导体直接接触，在铁磁覆层与励磁导体之间没有绝缘。