TMR磁场传感器

技术领域

本发明属于传感测量技术领域，尤指涉及一种TMR磁场传感器。

背景技术

TMR元件是一种新型的磁电阻效应传感器，其相较于AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率、更好的温度特性和线性度等优点，在工业环境中得到了广泛应用。TMR磁场传感器的输出灵敏度受到自身测量频率范围的限制，当测量频率范围在TMR磁场传感器的工作频率范围内时，TMR磁场传感器的输出灵敏度衰减可在-3dB以下，变化的磁场信号能够被较好地还原，而当测量频率范围超出TMR磁场传感器的工作频率范围时，TMR磁场传感器的输出灵敏度衰减就会超过-3dB，从而导致测量变化磁场信号的失真。TMR磁场传感器的可测量磁场频率范围和灵敏度主要受TMR磁传感器芯片的寄生电容、TMR元件的电阻值、传感器的电路结构等因素的影响。为了提高TMR磁场传感器的磁场测量范围，人们提出了如优化芯片的版图布局、减小TMR元件的电阻值以及改变TMR传感器的电路结构等多种方法，但这些方法在应用中仍存在局限。

通过优化芯片的版图布局，减小线路和元件之间的寄生电容可以扩展TMR磁场传感器的工作频率范围，从而拓宽TMR磁场传感器的磁场测量频率范围。但是TMR磁传感器的芯片版图尺寸已经是微米级别，通过优化版图来减小寄生电容的作用有限，对TMR磁场传感器测量频率的提升也有限。

通过减小TMR单元的电阻值来拓展TMR磁场传感器的测量磁场频率范围主要是通过调节TMR单元的材料配方，通过获取不同RA值的材料来得到不同阻值的TMR单元。RA值是指TMR单元材料的电阻*面积值，在材料配方不变的情况下RA值是固定值，材料的RA值越小，在厚度不变的情况下可以得到更小的电阻值。而TMR材料配方还有另一个衡量指标——TMR值，TMR值是指TMR电阻值在磁场中的变化量与最小电阻值的比值，即(最大电阻值-最小电阻值)/最小电阻值，通常希望获得较高的TMR值。在传感器其它结构不变的情况下，TMR单元的阻值越小，其所形成的TMR磁场传感器的工作频率范围就越大。但由于需要更改TMR单元的材料配方，可能存在材料的RA值和TMR值不兼容的风险，所选配方要同时满足较高的TMR值以及较小的RA值会增加研发成本。另一方面，减小TMR元件的电阻值就要求降低TMR磁传感器的外加工作电压，以避免工作电流过大，而降低TMR磁传感器的工作电压会造成TMR磁传感器的输出信号幅值减小，不利于TMR磁场传感器的应用。

改变传感器的电路结构也可以拓宽TMR磁场传感器的测量磁场频率范围，如将TMR单元连接成单桥电路，单桥电路相较于全桥电路结构更简单，因此相比于全桥电路也具有更少的寄生电容，寄生电容越小，TMR磁场传感器的工作频率范围就越大，从而具有更宽的频率测量范围。但单桥电路相比于推挽全桥结构，灵敏度较低，仅为全桥TMR磁场传感器的一半。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量频率范围宽的TMR磁场传感器。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

TMR磁场传感器，包括连接成全桥电路的TMR单元，全桥电路的每一个桥臂上均设置有一个TMR单元，相邻桥臂上的TMR单元的对外磁场敏感方向相反，相对桥臂上的TMR单元的对外磁场敏感方向相同，全桥电路的4个桥臂两两相交，共形成4个交点，两个供电端子设置在两个相对的交点处，两个输出端子设置在另外两个相对的交点处，两个供电端子中一个接电源，另一个接地；还包括至少一个负电容电路，一个负电容电路与全桥电路中一个桥臂上的TMR单元并联，所述负电容电路的一端与接地的供电端子相连、另一端与输出端子相连，所述负电容电路两端的等效电容和与其并联的TMR单元的寄生电容的符号相反。

进一步的，所述负电容电路的等效电容值为与其并联的TMR单元的寄生电容值的0.5～5倍。

进一步的，所述负电容电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻以及电容；所述运算放大器的反相输入端和一个输出端子相连，同时运算放大器的反相输入端经所述第一电阻和运算放大器的输出端相连，运算放大器的同相输入端经所述电容和接地的供电端子相连，同时运算放大器的同相输入端还经所述第二电阻与运算放大器的输出端相连。

进一步的，每一个TMR单元分别与一个所述负电容电路并联，所述负电容电路的一端和与其并联的TMR单元的与输出端子连接的一端相连，另一端和与其并联的TMR单元的与供电端子连接的一端相连。

进一步的，所述负电容电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻以及电容；所述运算放大器的反相输入端和与其并联的TMR单元的与输出端子连接的一端相连，同时运算放大器的反相输入端经所述第一电阻和运算放大器的输出端相连，运算放大器的同相输入端经所述电容和与其并联的TMR单元的与供电端子连接的一端相连，同时运算放大器的同相输入端还经所述第二电阻与运算放大器的输出端相连。

进一步的，所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值相等或不相等。

进一步的，所述第一电阻和所述第二电阻为固定阻值电阻或可调电阻器。

进一步的，所述第一电阻和所述第二电阻的带宽在GHz以下。

进一步的，所述电容为固定容值或可调电容器。

进一步的，所述负电容电路与所述TMR单元集成在一起。

进一步的，所述运算放大器的带宽大于TMR磁场传感器的带宽。

由以上技术方案可知，本发明在TMR磁场传感器中设置和TMR单元并联的负电容电路，TMR单元连接成推挽全桥电路，由于TMR单元和负电容电路并联，并且负电容电路的电容值与TMR单元的寄生电容值相近且符号相反，所以负电容电路可以补偿推挽全桥电路的寄生电容，通过补偿推挽全桥电路的寄生电容，进而使TMR磁场传感器的测量频率范围得到拓展。本发明通过负电容电路单元补偿全桥电路的寄生电容，不需改变隧道磁电阻的配方，降低了研发成本，并且可以保留推挽全桥电路结构，有利于得到更高的TMR磁传感器灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例1的结构图；

图2为本发明实施例1一个TMR单元和一个负电容电路的连接示意图；

图3为本发明实施例1的等效电路模型；

图4本发明实施例1和不带电容补偿的TMR磁场传感器频率响应对比图；

图5为本发明实施例2的结构图；

图6为本发明实施例2和不带电容补偿的TMR磁场传感器频率响应对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

如图1所示，本实施例的TMR磁场传感器包括用于实现对外磁场感测的TMR单元，4个TMR单元(1、2、3、4)连接成推挽全桥电路。全桥电路的每一个桥臂上均设置有一个TMR单元，相邻桥臂上的TMR单元的对外磁场敏感方向(图1中箭头A所示方向)相反，如第一TMR单元1和第二TMR单元2、第三TMR单元3和第四TMR单元4的对外磁场敏感方向相反，相对桥臂上的TMR单元的对外磁场敏感方向相同，如第一TMR单元1和第三TMR单元3、第二TMR单元2和第四TMR单元4的对外磁场敏感方向相同。TMR单元可以是单个的隧道磁电阻(MTJ)，也可以由多个隧道磁电阻串联构成。TMR磁场传感器还包括两个供电端子和两个输出端子，本实施例中，在第一TMR单元1和第二TMR单元2之间以及第三TMR单元3和第四TMR单元之间分别设有第一供电端子5和第二供电端子6，供电端子用于为TMR磁场传感器芯片31以及运算放大器芯片提供工作电压，供电端子有一个接地，本实施例的第二供电端子6接地，第一供电端子5接电源。在第一TMR单元1和第四TMR单元4之间以及第二TMR单元2和第三TMR单元3之间分别设置有第一输出端子7和第二输出端子8，输出端子用于输出反应磁场大小的差分电压。即全桥电路的4个桥臂两两相交，共形成4个交点，两个供电端子设置在两个相对的交点处，两个输出端子设置在另外两个相对的交点处。

结合图1和图2所示，本实施例中每一个TMR单元都并联有一个负电容电路，共有4个负电容电路(9、10、11、12)和4个TMR单元对应设置。下面以和第一TMR单元1并联的第一负电容电路9为例进行说明，其它TMR单元的负电容电路结构相同。第一负电容电路9包括运算放大器9-1、第一电阻9-2、第二电阻9-3以及电容9-4。运算放大器9-1的反相输入端和第一TMR单元1与输出端子连接的一端(输出端子)相连，同时运算放大器9-1的反相输入端还经第一电阻9-1和运算放大器9-1的输出端相连，运算放大器9-1的同相输入端经电容9-4和第一TMR单元与供电端子连接的一端(供电端子)相连，同时运算放大器9-1的同相输入端还经第二电阻9-2与运算放大器9-1的输出端相连。负电容电路中的电容可以是固定容值的电容或可调电容器，第一电阻和第二电阻的电阻值可以相等或不相等，两个电阻可以使用固定的普通电阻，也可以使用可调电阻器，电阻类型优选带宽大的电阻，以确保电路正常工作，电阻的带宽在GHz以下(小于等于1GHz)，主要由寄生电容的容值来确定，通常消除15pF以下的寄生电容需要使用1MHz左右带宽的电阻构成负电容电路。

负电容电路用于补偿TMR单元和推挽全桥电路的寄生电容，如图2所示，理想状况下，对于运算放大器9-1来说，U+＝U-，I+＝I-，有U

运算放大器9-1工作时，令第一电阻9-2、第二电阻9-3的阻值相等，使TMR单元两端(端口a和端口b)之间表现出与电容9-4大小相等的负电容特性，从而该负电容可以补偿TMR单元的寄生电容。本实施例的4个TMR单元都带有负电容补偿，连接成推挽全桥电路后，可以获得具有扩展测量频率范围的TMR磁场传感器。TMR单元的负电容电路可以使用CMOS工艺制备，和TMR单元集成在一起，以降低负电容电路的寄生电容对推挽全桥电路的影响，从而提升TMR磁场传感器的频率性能。可以通过绘制PCB将负电容电路分别与TMR磁传感器的外接端子(供电端子、输出端子)相连，构成带有负电容补偿的推挽全桥磁场传感器。

图3为常规的TMR全桥电路在GHz以下频段内的等效电路模型。如图3所示，全桥电路的四个端子之间分别具有第一寄生电容36、第二寄生电容37、第三寄生电容38、第四寄生电容39、第五寄生电容40和第六寄生电容41。其中，第一寄生电容36、第二寄生电容37、第三寄生电容38、第四寄生电容39、第五寄生电容40和各个桥臂的TMR单元电阻值共同决定TMR全桥电路的频率响应；寄生电容值和TMR单元电阻值越小，TMR全桥电路输出灵敏度随着频率增加而衰减得越慢。

本实施例通过设置与每一个TMR单元并联的负电容电路来补偿TMR单元的寄生电容和全桥电路的寄生电容，以扩展传感器的测量频率范围。图4为采用multisim电路仿真软件仿真得到的本实施例带负电容电路的TMR磁场传感器的频率响应曲线图以及常规的不带负电容电路的TMR磁场传感器的频率响应曲线图。图4中的曲线42为常规的无负电容补偿的TMR全桥磁场传感器的频率响应曲线，四个桥臂TMR电阻值均为90kΩ，6个寄生电容均为15pF；曲线43、44、45、46分别为含有不同负电容值补偿的TMR全桥磁场传感器的频率线性曲线，除了具有负电容补偿外，其它参数和无负电容补偿的TMR全桥磁场传感器的参数相同，其中，曲线43为具有-8pF补偿电容的TMR磁场传感器的频率响应曲线，曲线44为具有-15pF补偿电容的TMR磁场传感器的频率响应曲线，曲线45为具有-30pF补偿电容的TMR磁场传感器的频率响应曲线，曲线46为具有-60pF补偿电容的TMR磁场传感器频率响应曲线。

从图4可以看出，曲线42的灵敏度增益下降-3dB的频点约为59kHz，曲线43至46的灵敏度增益下降-3dB的频点分别约为80kHz、140kHZ、220kHz以及70kHz，带负电容补偿的TMR磁场传感器的测量频率范围得到了扩展。而且通过不同补偿负电容值的多个曲线对比，可以指导补偿电容的选取，如图4所示，在设置了4个负电容电路的情况下，负电容电路的等效电容值为TMR单元的寄生电容值的0.5～4倍时，都可以获得拓展带宽的效果。

为了确保能够扩展TMR磁场传感器的测量磁场频率范围，运算放大器的带宽要大于TMR全桥磁场传感器的带宽。此外，作为优选的技术方案，为了减小TMR单元的电阻值，TMR单元的电极层应尽可能地增加电流截面，即减小单个电极层的长宽比，使得两个MTJ磁电阻(TMR单元)之间的距离越近，连接它们的电极电阻越小，从而可以减小TMR单元的电阻值。受工艺限制两个MTJ磁电阻之间的最短距离为2um左右，此时选取MTJ横截面大的方向连接电极，即可获得最小的连接电极电阻。

实施例2

负电容电路中，必须要与接地的供电端子(假设端口b接地)连接才能产生负电容特性，因此作为本发明的另一种实施方式，可以只设置和接地端相连的负电容电路。如图5所示，本实施例和实施例1不同的地方在于：本实施例只包括第三负电容电路11和第四负电容电路12，第三负电容电路11和第四负电容电路12的结构相同，同样都包括运算放大器、第一电阻、第二电阻以及电容，运算放大器的反相输入端和第二输出端子8相连，同时运算放大器的反相输入端还经第一电阻和运算放大器的输出端相连，运算放大器的同相输入端经电容和接地的第二供电端子6相连，同时运算放大器的同相输入端还经第二电阻与运算放大器的输出端相连。在其他的实施例中，也可以只设置一个与接地的供电端子连接的负电容电路。

图6为采用multisim电路仿真软件仿真得到的本实施例带负电容电路的TMR磁场传感器的频率响应曲线图以及不带负电容电路的TMR磁场传感器的频率响应曲线图。图6中的曲线47为不带负电容电路的TMR磁场传感器频率响应曲线，四个桥臂TMR电阻值均为90kΩ，6个寄生电容均为15pF；曲线48、49、50、51、52分别为具有-8pF、-15pF、-30pF、-75pF、-120pF补偿电容的TMR磁场传感器频率响应曲线，曲线48、49、50、51、52的等效电容值分别是TMR单元的寄生电容值的0.5、1、2、5、8倍。从图6可以看出，曲线47、48、49、50、51、52灵敏度增益下降-3dB的频点分别为60kHz、80kHz、250kHz、180kHz、110kHz、60kHz，在设置了2个负电容电路的情况下，负电容电路的等效电容值为TMR单元的寄生电容值的0.5～5倍时，都可以获得拓展带宽的效果，负电容电路的等效电容值超过TMR单元的寄生电容值的8倍时，没有拓展带宽的效果。且从图6可以看出，通过负电容电路的补偿可以提升全桥传感器电路的带宽，随着负电容电路等效电容值的增大，传感器的带宽呈现先上升后下降的趋势。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。