[发明专利]一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器

说明书

本发明公开了一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器，包括硅基衬底、通量引导器、磁敏电阻、信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器,本发明通过在推拉式垂直灵敏的磁传感器芯片上设置在位信号反馈线圈，当通有反馈电流时信号反馈线圈上方的磁敏电阻敏感轴方向上产生大小相等方向相反的磁场信号，分别抵消原信号磁场，而形成闭环式反馈结构，有效改善传感器输出线性度，提高测量精度，降低功耗；利用磁敏电阻距通量引导器间距不同，进而使得磁敏电阻接收的水平方向磁场分量不同，实现分别对大磁场和小磁场不同量程检测的目的。

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，涉及一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器。

背景技术

随着磁传感器领域的迅速发展，其应用越来越广泛，目前的垂直磁传感器大量应用于消费电子领域例如手机等以及电子罗盘移动设备中，该类产品要求较小的封装尺寸以及较高的测量稳定性。

现有的垂直灵敏的磁传感器多为Z轴封装式设计，Z轴封装是将传感芯片的灵敏轴垂直水平面封装，例如专利CN 102426344 A，名称为一种三轴磁场传感器的发明专利，其采用三个传感器封装集成的方法，其中Z轴的传感器采用垂直平面放置来测量垂直方向的磁场。该种办法制成传感器体积大，封装成本大，工艺复杂，稳定性低且封装易断裂等。专利CN103995240B的名称为一种磁电阻Z轴梯度传感器芯片，该发明利用通量引导器将Z轴磁场分量在XY平面内。但是该发明主要利用通量引导器将Z轴磁场引导在XY平面内对Z轴梯度进行测量。现有的磁敏元件构成的传感器为了保证其灵敏度，其检测磁场的区间多在正负10Gs内，对较大磁场检测能力不足。

尽管存在单芯集成的垂直灵敏的磁传感器，但目前均采用开环式设计，例如申请号为201820341886.X的名称为一种推拉式垂直灵敏磁传感，其利用通量引导器将垂直方向的Z轴磁场转化成平面内的漏磁磁场分量，实现垂直方向上的磁场检测，但是该种设计在测量较大磁场的情况下磁敏电阻容易磁饱和而且在测量时磁滞较大，很大程度上影响传感器的测量带宽、测量精度以及线性度，而且开环设计线性度差，测量精度低，难以满足现代产业的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术方案的不足，提供一种闭环式芯上反馈的宽量程垂直灵敏磁传感器。

本发明包括硅基衬底、通量引导器、四个相同的磁敏电阻、一个信号反馈线圈、运算放大器和功率放大器；

所述的通量引导器为长条形结构，与四个磁敏电阻均设置在同一硅基衬底上，通量引导器的正下方设置两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻，通量引导器左右两侧各设置有一个磁敏电阻，这两个磁敏电阻关于通量引导器左右对称，这两个磁敏电阻的敏感轴方向处于同一水平线且方向一致，均垂直于通量引导器左右两侧面；通量引导器将垂直磁场信号诱导到平面内方向，在其两侧的磁敏电阻处产生一个面内磁场分量，且在两个磁敏电阻敏感轴方向上产生的信号磁场分量大小相等、方向相反；

所述的通量引导器左右两侧对称的磁敏电阻组成一组半桥，通量引导器正下方设置的两个被屏蔽的用于参考的磁敏电阻组成另一组半桥，四个磁敏电阻共同组成一个推拉输出的惠斯通电桥结构；信号反馈线圈为两边相互平行的U型结构，信号反馈线圈设置在磁敏电阻的下方的硅基衬底上，信号反馈线圈两平行边分别设置在通量引导器左右两侧的磁敏电阻的正下方，通反馈电流时的信号反馈线圈在通量引导器两侧磁敏电阻的敏感轴方向上处产生大小相等方向相反的磁场信号；

所述的信号反馈线圈的输出端与接地端之间设置有一个检测电阻；惠斯通电桥的输出端连接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接在功率放大器上的输入端，功率放大器的输出端连接在信号反馈线圈上并形成闭环反馈结构。