CN210665858U - 一种大动态范围磁传感器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种大动态范围磁传感器组件，包括：第一磁铁结构位于线路板的一侧上，第一磁铁结构的第一磁极的中心点与磁敏元件的中心点构成的第一连接线垂直于第一磁极所在平面，第一磁铁结构的第二磁极的中心点位于第一连接线的延长线上，磁敏元件的灵敏方向位于磁敏元件的平面内且垂直于第一连接线；磁敏元件包括至少一个磁敏单元，磁敏单元包括底电极和顶电极以及位于底电极和顶电极之间的多层薄膜结构，多层薄膜结构包括自由层，在没有外加磁场时，自由层的磁矩方向垂直于磁敏元件所在平面，在施加外加磁场时，自由层的磁矩方向发生偏离。本实用新型实施例能够对大磁场进行测量。

Description

一种大动态范围磁传感器组件

技术领域

本实用新型实施例涉及磁传感技术，尤其涉及一种大动态范围磁传感器组件。

背景技术

随着固态磁敏器件的发展和成熟，集成有磁敏器件的磁传感器越来越多地被制作成电流传感器以用于电流的测量。磁敏器件与传统电流传感器中的电流互感器、罗氏线圈等电感原理器件相比，具有体积小、成本低和可测直流电流等特点。

在目前的固态磁敏器件中，霍尔器件工艺最为成熟，应用也最为广泛，但是霍尔器件中的载流子运动受温度的影响较大，导致霍尔器件的温度稳定性较差，限制了其在高温下的应用。铁磁性磁阻器件工艺是近年发展起来的，在温度稳定上优于霍尔器件，但是在较大的磁场下会饱和，导致测量失效。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种大动态范围磁传感器组件，以解决现有传感器在较大磁场下易失效的问题。

本实用新型实施例提供了一种大动态范围磁传感器组件，包括：第一磁铁结构、线路板和设置在所述线路板上的磁敏元件，所述第一磁铁结构位于所述线路板的一侧上，所述第一磁铁结构的第一磁极的中心点与所述磁敏元件的中心点构成的第一连接线垂直于所述第一磁极所在平面，所述第一磁铁结构的第二磁极的中心点位于所述第一连接线的延长线上，所述磁敏元件的灵敏方向位于所述磁敏元件的平面内且垂直于所述第一连接线；

所述磁敏元件包括至少一个磁敏单元，所述磁敏单元包括底电极和顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构包括依次层叠设置的种子层、反铁磁层、交换偏置层、隔离层和自由层，所述交换偏置层包括铁磁层、间隔层和钉扎层且所述钉扎层的磁矩方向在所述磁敏元件的平面内；在没有外加磁场时，所述自由层的磁矩方向垂直于所述磁敏元件所在平面，在施加外加磁场时，所述自由层的磁矩方向发生偏离。

进一步地，还包括：第二磁铁结构，所述第二磁铁结构位于所述线路板的背离所述第一磁铁结构的一侧上，所述第二磁铁结构的第一磁极的中心点和第二磁极的中心点均位于所述第一连接线的延长线上，所述第二磁铁结构的第二磁极面向所述线路板，所述第二磁铁结构与所述第一磁铁结构相对设置且所述第二磁铁结构的第二磁极与所述第一磁铁结构的第一磁极的极性相反。

进一步地，所述第一磁铁结构包括第一磁铁和第一磁铁座，所述第一磁铁嵌入在所述第一磁铁座中；所述第二磁铁结构包括第二磁铁和第二磁铁座，所述第二磁铁嵌入在所述第二磁铁座中；

所述第一磁铁和所述第二磁铁具有相同的形状，所述相同的形状为圆柱体形状、长方体形状、棱台形状或者圆台形状；

所述第一磁铁和所述第二磁铁具有相同的材料，所述相同的材料为钐钴、钕铁硼、铝镍钴或者铁氧体。

进一步地，所述磁敏单元的底电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面平行，所述磁敏单元的顶电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面平行；或者，

所述磁敏单元的底电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面垂直，所述磁敏单元的顶电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面垂直。

进一步地，所述磁敏元件的电路结构为半桥结构，所述半桥结构的两个桥臂均由若干个所述磁敏单元串并联构成，所述桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，所述两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向相反。

进一步地，所述磁敏元件的电路结构为全桥结构，所述全桥结构的四个桥臂均由若干个所述磁敏单元串并联构成，所述桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，所述四个桥臂中交叉对应的两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，所述四个桥臂中相邻的两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向相反。

进一步地，所述磁敏元件为巨磁阻元件或者隧道磁阻元件。

本实用新型实施例中，在没有外界磁场时，自由层的磁矩方向与第一磁铁结构在磁敏元件处产生的偏置磁场的方向相同；在施加被测磁场时，自由层的磁矩方向发生偏离。本实用新型实施例中，第一磁铁结构的充磁方向垂直于磁敏元件所在平面，且第一磁铁结构的磁极正对磁敏元件，因此第一磁铁结构在磁敏元件处产生的偏置磁场与自由层在无外界磁场时的磁矩方向相同，偏置磁场能够减小自由层的磁矩在被测磁场下的偏转变化，且第一磁铁结构产生的垂直磁敏元件表面的磁场很大，使得磁敏元件难以饱和，因此能够达到增加磁场动态范围的效果，使磁敏元件能够探测到更大的外界磁场，解决现有磁敏元件在大磁场下测量失效的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种大动态范围磁传感器组件的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的大动态范围磁传感器组件中隧道磁阻敏感单元的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种大动态范围磁传感器组件的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种大动态范围磁传感器组件的装配示意图；

图5是本实用新型实施例提供的大动态范围磁传感器组件的示意图；

图6是本实用新型实施例提供的大动态范围磁传感器组件中巨磁阻敏感单元的示意图；

图7是本实用新型实施例提供的大动态范围磁传感器组件的全桥结构电路图；

图8是本实用新型实施例提供的大动态范围磁传感器组件的全桥结构电路图；

图9是本实用新型实施例提供的全桥结构磁传感器组件的响应曲线示意图；

图10是现有磁敏元件的响应曲线示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1所示，为本实用新型实施例提供的一种大动态范围磁传感器组件的示意图，如图2所示为磁敏单元的结构示意图。本实施例提供的大动态范围磁传感器组件包括：第一磁铁结构2、线路板(未示出)和设置在线路板上的磁敏元件1，第一磁铁结构2位于线路板的一侧上，第一磁铁结构2的第一磁极2a的中心点21与磁敏元件1的中心点构成的第一连接线23垂直于第一磁极2a所在平面，第一磁铁结构2的第二磁极2b的中心点位于第一连接线23的延长线上，磁敏元件1的灵敏方向位于磁敏元件1的平面内且垂直于第一连接线23；如图2所示，磁敏元件1包括至少一个磁敏单元31，磁敏单元31包括底电极101和顶电极109以及位于底电极101和顶电极109之间的多层薄膜结构1a，多层薄膜结构1a包括依次层叠设置的种子层102、反铁磁层103、交换偏置层1b、隔离层107和自由层108，交换偏置层1b包括铁磁层104、间隔层105和钉扎层106且钉扎层106的磁矩方向111在磁敏元件1的平面内；在没有外加磁场时，自由层108的磁矩方向112垂直于磁敏元件1所在平面，在施加外加磁场时，自由层108的磁矩方向112发生偏离。

本实施例中，磁敏元件1设置在线路板上，线路板包括第一侧面和第二侧面，可选线路板为PCB线路板，磁敏元件1焊接在线路板的第一侧面上，磁敏元件1通过线路板的线路实现磁感应效果。第一磁铁结构2位于线路板的一侧上，在此第一磁铁结构2可以位于线路板的第一侧面上，也可以位于线路板的第二侧面上。第一磁铁结构2中集成有磁铁且该磁铁具有第一磁极2a和第二磁极2b，可选第一磁极2a为N极且第二磁极2b为S极，或者，可选第一磁极2a为S极且第二磁极2b为N极，其中，第一磁铁结构2的第一磁极2a正对磁敏元件1，相应的第一磁铁结构2的第二磁极2b背离磁敏元件1。

本实施例中，第一磁铁结构2的第一磁极2a的中心点21是指第一磁极2a所在平面的形状的中心点，例如，第一磁铁结构1中的磁铁为圆柱体，第一磁极所在平面的形状为圆形，则中心点为圆形的圆心。磁敏元件1的中心点是指磁敏元件1所在平面的形状的中心点，例如，磁敏元件1为片状长方体，磁敏元件1所在平面的形状为长方形，则中心点为长方形的两条对角线的交点。

第一磁铁结构2的第一磁极2a的中心点21作为一端点，磁敏元件1的中心点作为另一端点，连接可构成第一连接线23，该第一连接线23垂直于第一磁极2a所在平面，第一磁铁结构2的第二磁极2b的中心点位于第一连接线23的延长线上，第一磁铁结构2的第一磁极2a正对磁敏元件1，第一磁铁结构2的第二磁极2b背离磁敏元件1且其中心点位于第一连接线23的延长线上，显然，第一磁铁结构2所在平面垂直于第一连接线23，第一磁铁结构2的充磁方向平行于第一连接线23。在此第一磁铁结构2所在平面为X-Y平面，则第一磁铁结构2的充磁方向和第一连接线23的延伸方向均为Z方向。

磁敏元件1的灵敏方向位于磁敏元件1的平面内且垂直于第一连接线23，因此磁敏元件1所在平面垂直于第一连接线23。由此可知，磁敏元件1所在平面与第一磁铁结构2所在平面平行且均为X-Y平面，则磁敏元件1的灵敏方向在X-Y平面内，第一磁铁结构2的充磁方向与磁敏元件1的灵敏方向垂直。

本实施例中，根据磁铁在空间中产生的磁场分布规律，第一磁铁结构2产生沿Z方向的磁场，磁敏元件1与第一磁铁结构2所在平面平行，因此第一磁铁结构2在磁敏元件1处具有沿着Z方向的磁场，该磁场在本实用新型中定义为偏置磁场。

本实施例中，磁敏元件1包括基板3和制作在基板3上的磁敏单元31，可选基板3为硅基板，但不限于此。可选底电极101位于基板3上，在其他实施例中还可选磁敏单元的其它膜层位于基板上。底电极101和顶电极109之间为多层薄膜结构1a，多层薄膜结构1a包括依次层叠设置的种子层102、反铁磁层103、交换偏置层1b、隔离层107和自由层108，交换偏置层1b包括铁磁层104、间隔层105和钉扎层106。

可选种子层102由钽Ta和钌Ru的多层膜构成，例如种子层102包括4层膜层，其中第一层和第三层为Ta金属层，第二层和第四层为Ru金属层，但本实用新型的种子层不限于该层数和叠层方式。设置种子层102的目的是为了反铁磁层103的晶格匹配，种子层102的设置可使反铁磁层103按照预计的晶格生长，减少磁敏单元31的缺陷。在反铁磁层103的上方是交换偏置层1b，交换偏置层1b包括铁磁层104、间隔层105和钉扎层106，通过交换偏置层1b这样的结构，钉扎层106的磁矩会被固定在其所在平面内，已知磁敏元件1位于X-Y平面，因此钉扎层106的磁矩方向111在X-Y平面内。参考图2所示的磁敏单元31，钉扎层106的磁矩在X-Y平面内且沿+X方向，即钉扎层106的磁矩方向111为X-Y平面内的+X轴方向。

如图2所示，钉扎层106的上方是隔离层107，隔离层107由金属氧化物构成，可选金属氧化物为氧化镁和氧化铝。隔离层107上方是自由层108，自由层108由镍Ni、铁Fe、钴Co、硼B中的一种或者多种材料复合构成。自由层108的上方是顶电极109，从顶电极109到底电极101，构成了磁敏元件1的一个最小单元即磁敏单元31，将若干个最小单元串并联即可构成磁敏元件1。在整个磁敏元件1的薄膜层的最上方，是保护层110，保护层110可以防止薄膜被破坏、氧化。

本实施例中，自由层108在没有外界磁场时，其磁矩方向112垂直于薄膜平面，薄膜平面为X-Y平面，因此在没有外加磁场时自由层108的磁矩方向112为Z方向，同时，自由层108的磁矩方向112与偏置磁场的方向相同。在施加被测磁场时，自由层108的磁矩方向112发生偏离。已知第一磁铁结构2的充磁方向为Z方向，且第一磁铁结构2的磁极正对磁敏元件1，因此第一磁铁结构2在磁敏元件1处产生的偏置磁场与自由层108在无外界磁场时的磁矩方向112相同，能够减小自由层108的磁矩在被测磁场下的偏转变化，使得磁敏元件1难以饱和，以此达到增加磁场动态范围的效果，使磁敏元件1能够探测到更大的外界磁场。

本实施例中，磁敏元件1探测被测磁场的过程是，当外界存在与钉扎层106的磁矩方向111相同或相反的被测磁场时，自由层108的磁矩方向112将产生偏离，底电极101和顶电极109之间的磁电阻发生相应变化，根据两个电极之间的电阻值可确定被测磁场的大小。当外界不存在被测磁场时，自由层108的磁矩方向112垂直于钉扎层106的磁矩方向111，底电极101和顶电极109之间的磁电阻保持不变，根据两个电极之间的电阻值可确定外界无被测磁场。

本实施例中，在没有外界磁场时，自由层的磁矩方向与第一磁铁结构在磁敏元件处产生的偏置磁场的方向相同；在施加被测磁场时，自由层的磁矩方向发生偏离。本实施例中，第一磁铁结构的充磁方向垂直于磁敏元件所在平面，且第一磁铁结构的磁极正对磁敏元件，因此第一磁铁结构在磁敏元件处产生的偏置磁场与自由层在无外界磁场时的磁矩方向相同，偏置磁场能够减小自由层的磁矩在被测磁场下的偏转变化，且第一磁铁结构产生的垂直磁敏元件表面的磁场很大，使得磁敏元件难以饱和，因此能够达到增加磁场动态范围的效果，使磁敏元件能够探测到更大的外界磁场，解决现有磁敏元件在大磁场下测量失效的问题。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图3所示还包括：第二磁铁结构4，第二磁铁结构4位于线路板的背离第一磁铁结构2的一侧上，第二磁铁结构4的第一磁极4a的中心点41和第二磁极4b的中心点均位于第一连接线23的延长线上，第二磁铁结构4的第二磁极4b面向线路板，第二磁铁结构4与第一磁铁结构2相对设置且第二磁铁结构4的第二磁极4b与第一磁铁结构2的第一磁极2a的极性相反。

本实施例中，在图1所示大动态范围磁传感器组件的基础上，增加了第二磁铁结构4。第二磁铁结构4的两个磁极位于第一连接线23的延长线上，因此第二磁铁结构4所在平面垂直于第一连接线23，第二磁铁结构4的充磁方向平行于第一连接线23，由此可知第二磁铁结构4所在平面为X-Y平面，第二磁铁结构4的充磁方向为Z方向，第二磁铁结构4在磁敏元件1处产生沿Z轴方向的偏置磁场。在图1的基础上增加第二磁铁结构4，第二磁铁结构4的充磁方向同样垂直于磁敏元件1，可以使磁敏元件1位置处的沿Z方向的偏置磁场分量更强。

以及，第二磁铁结构4的第二磁极4b正对线路板中的磁敏元件1，第一磁铁结构2的第一磁极2a正对磁敏元件1，且第一磁铁结构2和第二磁铁结构4位于线路板的两侧，第二磁铁结构4的第二磁极4b和第一磁铁结构2的第一磁极2a的极性相反，则第二磁铁结构4在磁敏元件1处产生的沿XY方向的偏置磁场分量和第一磁铁结构2在磁敏元件1处产生的沿XY方向的偏置磁场分量方向相反且大小相同，两个磁铁结构在磁敏元件1处的XY方向偏置磁场分量可以产生抵消。如此，在图1的基础上增加第二磁铁结构4，第二磁铁结构4的第二磁极4b与第一磁铁结构2的第一磁极2a相对设置且磁极极性相反，可以减小第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿XY平面的偏置磁场分量。

沿XY平面的偏置磁场分量与钉扎层106的磁矩方向平行，且与自由层108的磁矩方向垂直，会影响自由层108的磁矩偏转变化，本实施例中，在图1的基础上增加第二磁铁结构4，第二磁铁结构4的第二磁极4b与第一磁铁结构2的第一磁极2a相对设置且磁极极性相反，可以增强第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿Z方向的偏置磁场分量，同时减小第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿XY平面的偏置磁场分量，如此可进一步增大被测磁场动态范围，同时降低偏置磁场对自由层108偏转影响，提高测量精度。

本实施例中，可选第一磁铁结构2的第一磁极2a为N极，第二磁铁结构4的第一磁极4a为N极；或者，可选第一磁铁结构2的第一磁极2a为S极，第二磁铁结构4的第一磁极4a为S极。还可选第二磁铁结构4的第二磁极4b的中心点41到磁敏元件1的垂直距离42等于第一磁铁结构2的第一磁极2a的中心点21到磁敏元件1的垂直距离22，如此可使第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿XY平面的偏置磁场分量接近，进而减小第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿XY平面的偏置磁场分量。

可选的，如图4所示第一磁铁结构2包括第一磁铁201和第一磁铁座202，第一磁铁201嵌入在第一磁铁座202中；第二磁铁结构4包括第二磁铁401和第二磁铁座402，第二磁铁401嵌入在第二磁铁座402中；第一磁铁201和第二磁铁401具有相同的形状，相同的形状为圆柱体形状、长方体形状、棱台形状或者圆台形状；第一磁铁201和第二磁铁401具有相同的材料，相同的材料为钐钴、钕铁硼、铝镍钴或者铁氧体。本实施例中，第一磁铁201和第二磁铁401均为永磁铁，可采用相同材料和形状构成构成，如此可进一步使第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿XY平面的偏置磁场分量接近，进而进一步减小第一磁铁结构2和第二磁铁结构4在磁敏元件1位置处的沿XY平面的偏置磁场分量。

图4还表征了磁传感器组件的装配结构。其中，磁传感器组件的结构为：磁敏元件1位于线路板5上，线路板5上具有若干个通孔，目的是对磁铁座202和402进行限位。第一磁铁201沿着厚度方向(Z方向)充磁，其位于第一磁铁座202的凹槽(未示出)内。同样，第二磁铁401也沿着厚度方向(Z方向)充磁，充磁方向和第一磁铁201相同，第二磁铁401也位于第二磁铁座402的凹槽403内。磁铁座202和402正对线路板5的通孔位置处，线路板5具有卡槽结构，使得磁铁座202和402正好上下对齐并卡合在线路板5中，且线路板5位于两个磁铁座202和402之间。由于第一磁铁201、第二磁铁401、磁敏元件1分别位于第一磁铁座202、第二磁铁座402和线路板5的中心位置，因此，第一磁铁201、第二磁铁401、磁敏元件1的中心在一条直线上。安装完毕后的磁传感器组件100如图5所示。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图2所示磁敏单元31的底电极101所在平面与多层薄膜结构1a的膜层所在平面平行，磁敏单元31的顶电极109所在平面与多层薄膜结构1a的膜层所在平面平行。本实施例中，可选磁敏元件为隧道磁阻元件。其中，可选底电极101位于基板3上，多层薄膜结构1a位于底电极101上，顶电极109位于多层薄膜结构1a上，磁敏单元31的底电极101和顶电极109位于多层薄膜结构1a的膜层结构的上下两侧。此时磁敏单元31是基于隧道磁阻原理构成的磁敏薄膜结构。在其他实施例中，还可选磁敏单元基于其他磁阻原理构成。

如图6所示磁敏单元31的底电极101所在平面与多层薄膜结构1a的膜层所在平面垂直，磁敏单元31的顶电极109所在平面与多层薄膜结构1a的膜层所在平面垂直。本实施例中，可选磁敏元件为巨磁阻元件。其中，可选底电极101、多层薄膜结构1a和顶电极109均位于基板3上且多层薄膜结构1a的种子层102位于基板3上，具体的，磁敏单元31的底电极101和顶电极109位于多层薄膜结构1a的膜层结构的左右两侧。此时磁敏单元31是基于巨磁阻原理构成的磁敏薄膜结构。

本实施例中，种子层102由Ta、Ru多层膜构成，其目的是为了晶格匹配，使反铁磁层103按照预计的晶格生长，减少缺陷。在反铁磁层103的上方，是由104、105和106构成的交换偏置层1b，其中铁磁层104和钉扎层106中间具有间隔层105，通过这样的结构，钉扎层106的磁矩会被固定在平面内，其方向如111所示。钉扎层106的上方是隔离层107，由金属如铜、金构成。隔离层107上方是自由层108，由Ni、Fe、Co、B中的一种或者多种材料复合构成。

本实施例中，其两个电极101和109位于多层薄膜结构1a的两侧。从电极101到109构成了磁敏元件的一个最小单元，将若干个最小单元串并联，即构成了磁敏元件。在整个薄膜的最上方是保护层110，防止薄膜被破坏、氧化。在没有外界磁场时，磁敏单元31的磁矩方向平行于自由层108的磁矩方向112且均垂直于薄膜平面，当外界存在与箭头111相同或者相反方向的磁场时，自由层108的磁矩方向112将产生偏离，根据磁阻原理，两个电极101和109之间的多层薄膜结构1a的电阻值将发生变化，根据电阻值可测量出外界磁场的大小。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选7和图8所示磁敏元件的电路结构为全桥结构，全桥结构的四个桥臂均由若干个磁敏单元串并联构成，桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，四个桥臂中交叉对应的两个桥臂的敏感单元的钉扎层的磁矩方向一致，四个桥臂中相邻的两个桥臂的敏感单元的钉扎层的磁矩方向相反。

在图7和图8中实线箭头表征钉扎层的磁矩方向，虚线箭头表征自由层的磁矩方向。如图7所示全桥结构中桥臂501和504交叉对应以及桥臂502和503交叉对应，全桥结构中桥臂501分别和桥臂502、503相邻，桥臂504分别和桥臂502、503相邻。如图8所示全桥结构中桥臂601和604交叉对应以及桥臂602和603交叉对应，全桥结构中桥臂601分别和桥臂602、603相邻，桥臂604分别和桥臂602、603相邻。

对于任意一个桥臂，该桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，全桥结构中交叉对应的两个桥臂如501和504(或桥臂601和604)的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致且均为-X轴方向，全桥结构中交叉对应的两个桥臂如502和503(或桥臂602和603)的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致且均为+X轴方向。

磁敏单元构成的全桥结构的磁敏元件的阻值表达式为：

A和B为常数，与多层薄膜结构1a的MR值以及最小电阻值有关，θ为自由层108和钉扎层106的夹角。

如图7所示当外加磁场为零时，θ为90度，自由层的磁矩方向与钉扎层的磁矩方向垂直。

如图8所示当外加磁场不为零时，θ不为90度。假设外界被测磁场方向为图中箭头605的方向，被测磁场方向与桥臂602/603的钉扎层方向相同。由于钉扎层的磁矩相对较强，不会被外界磁场干扰，因此其方向不会发生改变；而自由层的磁矩能够随着外界磁场干扰而发生变化，其偏转方向倾向于与外界磁场方向相同。当施加足够大的外界磁场时，如数千高斯，自由层的磁矩方向将完全与外界被测磁场方向相同。

对于如图2所示的隧道磁阻敏感单元来说，其构成的全桥结构的磁敏元件中，桥臂501和桥臂504(或桥臂601和604)的磁敏单元的顶电极109与基板3接触，底电极101与保护层110接触，桥臂502和桥臂503(或桥臂602和603)的磁敏单元的底电极101与基板3接触，顶电极109与保护层110接触。桥臂501/504的多层薄膜结构1a与桥臂502/503的多层薄膜结构1a的膜层叠层顺序完全相反，桥臂601/604的多层薄膜结构1a与桥臂602/603的多层薄膜结构1a的膜层叠层顺序完全相反。下面进行计算，阐述如图8所示全桥结构的隧道磁阻敏感元件的原理：

假设图中桥臂601～604的电阻分别为R1～R4，R1和R4完全相同，R2和R3完全相同。在外界被测磁场的影响下，桥臂601和604中自由层磁矩方向与钉扎层磁矩方向夹角为θ，而桥臂602和603中自由层磁矩方向与钉扎层磁矩方向夹角为180°-θ，则其输出特性有如下推导：

其中B为常数，Vcc为供电电压。由上式可见，输出电压取决于θ的变化。

图9是本实施例磁敏元件的测试数据，其中虚线和实线分别对应上式的R1和R2，点画线对应全桥的输出电压，其中偏转角度θ影响电阻值，根据电阻值可确定输出电压。从图中可见，在正负1000Gs范围内，输出电压基本上呈线性变化。图10是现有磁敏元件的实测数据，其中虚线和实线分别对应R1和R2，点画线对应全桥的输出电压，从图中可见，在正负100Gs范围内，输出电压基本上呈线性变化，但是磁场较大时特别是达到200Gs时，输出电压基本上不再变化，此时磁敏元件达到饱和状态，对外界被测磁场的测量将失效。

显然，现有技术提供的磁敏元件仅可测量200Gs以内的磁场。而本实施例提供的磁敏元件，采用了外置磁铁即第一磁铁结构和第二磁铁结构，外置磁铁在磁敏元件处产生的偏置磁场与磁敏元件的自由层磁矩方向相同，可以减小θ的变化，使磁敏元件更难饱和，从图9中可见，线性范围可以增加到接近1000Gs，达到增加动态范围的效果，使磁敏元件能够探测到更大的磁场。

对于如图6所示的巨磁阻敏感单元GMR来说，其构成的全桥结构的磁敏元件中，桥臂501和桥臂504(或桥臂601和604)的磁敏单元的顶电极109位于多层薄膜结构1a的左侧，底电极101位于多层薄膜结构1a的右侧。桥臂502和桥臂503(或桥臂602和603)的磁敏单元的顶电极109位于多层薄膜结构1a的右侧，底电极101位于多层薄膜结构1a的左侧。桥臂501/504的多层薄膜结构1a与桥臂502/503的多层薄膜结构1a的膜层叠层顺序完全相反，桥臂601/604的多层薄膜结构1a与桥臂602/603的多层薄膜结构1a的膜层叠层顺序完全相反。

对与GMR来说，假设图中桥臂601～604的电阻分别为R1～R4，R1和R4完全相同，R2和R3完全相同。则有如下推导：

R1＝R4＝C-D*cos(θ)

R2＝R3＝C+D*cos(θ)

其中C和D为常数，与多层薄膜结构的MR值以及最小电阻值有关，θ为自由层和钉扎层的夹角，其输出特性与隧道磁阻敏感元件相似，不再赘述。

在其他实施例中，还可选磁敏元件的电路结构为半桥结构，半桥结构的两个桥臂均由若干个磁敏单元串并联构成，桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向相反。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种大动态范围磁传感器组件，其特征在于，包括：第一磁铁结构、线路板和设置在所述线路板上的磁敏元件，所述第一磁铁结构位于所述线路板的一侧上，所述第一磁铁结构的第一磁极的中心点与所述磁敏元件的中心点构成的第一连接线垂直于所述第一磁极所在平面，所述第一磁铁结构的第二磁极的中心点位于所述第一连接线的延长线上，所述磁敏元件的灵敏方向位于所述磁敏元件的平面内且垂直于所述第一连接线；

所述磁敏元件包括至少一个磁敏单元，所述磁敏单元包括底电极和顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构包括依次层叠设置的种子层、反铁磁层、交换偏置层、隔离层和自由层，所述交换偏置层包括铁磁层、间隔层和钉扎层且所述钉扎层的磁矩方向在所述磁敏元件的平面内；在没有外加磁场时，所述自由层的磁矩方向垂直于所述磁敏元件所在平面，在施加外加磁场时，所述自由层的磁矩方向发生偏离。

2.根据权利要求1所述的大动态范围磁传感器组件，其特征在于，还包括：第二磁铁结构，所述第二磁铁结构位于所述线路板的背离所述第一磁铁结构的一侧上，所述第二磁铁结构的第一磁极的中心点和第二磁极的中心点均位于所述第一连接线的延长线上，所述第二磁铁结构的第二磁极面向所述线路板，所述第二磁铁结构与所述第一磁铁结构相对设置且所述第二磁铁结构的第二磁极与所述第一磁铁结构的第一磁极的极性相反。

3.根据权利要求2所述的大动态范围磁传感器组件，其特征在于，所述第一磁铁结构包括第一磁铁和第一磁铁座，所述第一磁铁嵌入在所述第一磁铁座中；所述第二磁铁结构包括第二磁铁和第二磁铁座，所述第二磁铁嵌入在所述第二磁铁座中；

所述第一磁铁和所述第二磁铁具有相同的形状，所述相同的形状为圆柱体形状、长方体形状、棱台形状或者圆台形状；

所述第一磁铁和所述第二磁铁具有相同的材料，所述相同的材料为钐钴、钕铁硼、铝镍钴或者铁氧体。

4.根据权利要求1所述的大动态范围磁传感器组件，其特征在于，所述磁敏单元的底电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面平行，所述磁敏单元的顶电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面平行；或者，

所述磁敏单元的底电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面垂直，所述磁敏单元的顶电极所在平面与所述多层薄膜结构的膜层所在平面垂直。

5.根据权利要求1所述的大动态范围磁传感器组件，其特征在于，所述磁敏元件的电路结构为半桥结构，所述半桥结构的两个桥臂均由若干个所述磁敏单元串并联构成，所述桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，所述两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向相反。

6.根据权利要求1所述的大动态范围磁传感器组件，其特征在于，所述磁敏元件的电路结构为全桥结构，所述全桥结构的四个桥臂均由若干个所述磁敏单元串并联构成，所述桥臂中每个磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，所述四个桥臂中交叉对应的两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向一致，所述四个桥臂中相邻的两个桥臂的磁敏单元的钉扎层的磁矩方向相反。

7.根据权利要求1所述的大动态范围磁传感器组件，其特征在于，所述磁敏元件为巨磁阻元件或者隧道磁阻元件。

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