專利名稱：非線性磁場傳感器和電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，具體地說，涉及一種非線性傳感器，比如那些在傳感器信號與傳感器所測量的性質(zhì)的對數(shù)之間表現(xiàn)出基本線性關(guān)系的傳感器，并且可以用作在幾十年期間都能提供恒定的相對靈敏度和均勻SNR的寬動態(tài)范圍傳感器。
背景技術(shù)：
由定義可知，磁阻(MR)傳感器在測量的范圍內(nèi)是線性傳感器。在中和低場范圍內(nèi)最為廣泛使用的MR傳感器類型，基于各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)，巨磁阻(GMR)效應(yīng)，或者近年來基于隧道磁阻(TMR)效應(yīng)。
原則上講，一種“好”的磁傳感器是在場檢測范圍內(nèi)表現(xiàn)出線性性質(zhì)的傳感器，超過檢測范圍，則傳感器信號達到飽和。從而，由特性曲線的線性部分斜率決定的傳感器的靈敏度與檢測范圍不相關(guān)。例如，通過調(diào)整傳感器設(shè)計，可把靈敏度和場范圍調(diào)節(jié)成滿足不同應(yīng)用的要求。
例如，飛利浦基于AMR的KMZ場傳感器系列的不同產(chǎn)品，可提供從0.05kA/m直至高達100kA/m的不同檢測范圍。檢測范圍越寬，則靈敏度變得越低。同樣，基于磁阻效應(yīng)的傳統(tǒng)電流傳感器，在傳感器信號與電流之間可提供線性關(guān)系。例如，F(xiàn).W.Bell的商品化電流傳感器，它提供從幾安培到150A的線性電流范圍，當(dāng)然，其靈敏度相當(dāng)?shù)汀＝陙?，我們提出一種利用TMR效應(yīng)的用于IC測試的非常靈敏的集成式電流傳感器，它的檢測范圍可以低至mA，或者幾十mA的范圍(參見申請?zhí)枮镋P03104937.2的歐洲申請，“High sensitivity magnetic built-in currentsensor”)。該種集成式傳感器所用的技術(shù)與普通MRAM技術(shù)相似，能夠在不明顯具有額外成本的情況下實現(xiàn)傳感器。
在EP 1 225 453中，描述了磁場傳感器對預(yù)定磁功能提供所需響應(yīng)的電路和方法。該文獻涉及被組合成單一磁傳感電路的多個磁場傳感器，它根據(jù)所需的磁場密度函數(shù)，比如角度的函數(shù)或位置，提供適合的響應(yīng)?；谳敵鎏匦詠磉x擇磁場傳感器，并在結(jié)構(gòu)上組合成提供偏移傳感器誤差，能夠基本上抵消彼此內(nèi)的誤差，從而提供線性響應(yīng)。圖1表示EP 1 225453中所述磁傳感器電路10的一個實施例，其中，將霍爾效應(yīng)傳感器12配置成具有磁致電阻分路14。偏壓VB 16把電流自恒流源18驅(qū)動至與地20連接的霍爾效應(yīng)傳感器12。磁致電阻14橫跨地連接在霍爾效應(yīng)傳感器12上，使磁致電阻14的電阻在霍爾效應(yīng)傳感器12上提供分路，并且在VOUT 22處提供電路輸出。
對于圖1所示的電路，圖2繪出在使用和不使用磁致電阻分路時，輸出電壓對角度位置響應(yīng)的曲線圖。在測量角度位置，如在角度編碼器的應(yīng)用中，磁場密度遵循正弦函數(shù)。曲線24表示沒有磁致電阻分路14時，霍爾效應(yīng)傳感器12的輸出電壓與單個霍爾效應(yīng)傳感器12的角度之間的關(guān)系。增加磁致電阻分路14，得到圖1的電路，調(diào)整霍爾效應(yīng)傳感器12的響應(yīng)，產(chǎn)生圖2中曲線26所示的電壓響應(yīng)。受到任一極性的場密度B的值較低的影響，磁致電阻分路14表現(xiàn)出相對較低的電阻，從而使總驅(qū)動電流的較大部分偏移開霍爾效應(yīng)傳感器12。隨著場強度增大，與霍爾效應(yīng)傳感器12的電阻相比，磁致電阻14的電阻更容易增大，從而更少的電流發(fā)生偏移，導(dǎo)致霍爾效應(yīng)傳感器12的輸出相應(yīng)地增大。這些對正弦磁場密度的偏移效應(yīng)，使響應(yīng)曲線變直，有如從圖2中兩個比較曲線可以看出的那樣。從而，當(dāng)解決遵循正弦函數(shù)的磁場時，使用與霍爾效應(yīng)傳感器12耦合的磁致電阻分路14，可明顯改進霍爾效應(yīng)傳感器12的線性化。
不過，有些應(yīng)用中可能需要對數(shù)特性，例如，當(dāng)被測量的量或性質(zhì)擴展到幾十年的寬動態(tài)范圍或者包含指數(shù)現(xiàn)象時，比如測量化學(xué)濃度，測量壓力和體積，光發(fā)射等?；蛘咦鳛檫x擇，在其他應(yīng)用中，在磁場或電流的寬動態(tài)范圍內(nèi)可能需要同等良好的靈敏度和SNR。
通常，對數(shù)傳感器是一種在傳感器信號與被測量的量或性質(zhì)的對數(shù)之間產(chǎn)生基本線性或準(zhǔn)線性關(guān)系的傳感器。使用線性傳感器構(gòu)成對數(shù)傳感器的一種已知方法，是使用外部電子設(shè)備將其線性性質(zhì)轉(zhuǎn)換成對數(shù)性質(zhì)。然而，最近幾十年來，該方法常常產(chǎn)生較差的SNR。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對數(shù)傳感器，它可用作寬動態(tài)范圍傳感器，能夠在幾十年期間提供恒定的相對靈敏度和均勻的SNR；以及該對數(shù)傳感器的制造和操作方法。
通過本發(fā)明的方法和設(shè)備以實現(xiàn)上述目的。
本發(fā)明提供一種傳感器設(shè)備，它包括至少兩個串聯(lián)或并聯(lián)連接的磁傳感器元件，每個磁傳感器元件具有一定的靈敏度，其中，每個磁傳感器的靈敏度與任何其他磁傳感器元件的靈敏度不同。可將磁傳感器元件的靈敏度定義為傳感器元件的線性特性曲線的斜率。
在本發(fā)明的傳感器設(shè)備中，所述至少兩個傳感器元件中的每一個可以在所檢測的參數(shù)范圍上輸出傳感器信號，并且損傷傳感器設(shè)備可以在所述檢測參數(shù)的整個范圍輸出傳感器信號。所述至少兩個磁傳感器當(dāng)中每一個傳感器信號的和，在傳感器設(shè)備的整個范圍，為被檢測參數(shù)的非線性函數(shù)。損傷非線性函數(shù)可以為對數(shù)或準(zhǔn)對數(shù)函數(shù)。本發(fā)明一個方面在于，獲得在傳感器信號與被測性質(zhì)之間表現(xiàn)出非線性關(guān)系的傳感器輸出信號，例如在傳感器信號與被測性質(zhì)的對數(shù)之間基本上為線性關(guān)系。被測性質(zhì)可以為比如磁場或電流。通過調(diào)節(jié)所述至少兩個磁傳感器元件當(dāng)中每一個的靈敏度，可以實現(xiàn)這種傳感器。
本發(fā)明的傳感器設(shè)備可用作分離的磁場傳感器，它可以在幾十年期間檢測寬動態(tài)范圍的場；并且可用作分離的電流傳感器，它可以檢測寬動態(tài)范圍的電流。此外，本發(fā)明的傳感器設(shè)備可以用作集成式電流傳感器，它可檢測寬動態(tài)范圍的電流，并且還可應(yīng)用于需要非侵入地檢測從被測量轉(zhuǎn)換成的電流的任何應(yīng)用中，而且所述的量隨時間呈指數(shù)變化。
按照本發(fā)明的一種具體實施例，所述至少兩個磁傳感器元件中的每一個可具有相同的幾何形狀和尺寸。在另一實施例中，所述至少兩個磁傳感器元件可以具有不同的幾何形狀及尺寸。通過改變所述至少兩個傳感器元件當(dāng)中至少一個的尺寸和/或幾何形狀，可以得到具有不同靈敏度的磁傳感器元件。在又一實施例中，可以將所述兩個磁傳感器元件中的至少一個分割成至少兩個彼此并聯(lián)或串聯(lián)的子元件。將至少一個傳感器元件分割，可以產(chǎn)生更大的自由度，以便同時調(diào)節(jié)靈敏度和面積(用于調(diào)節(jié)電阻)。所述子元件最好具有相同的尺寸，因為需要相同的飽和場，從而，所述子元件需要相同的形狀各向異性。
在其他的實施例中，所述設(shè)備還包括設(shè)置在所述至少兩個磁傳感器元件下面的導(dǎo)線。在本發(fā)明的某些實施例中，在至少兩個磁傳感器元件的至少一個的位置，導(dǎo)線可表現(xiàn)出不同的寬度。為了改變傳感器元件的靈敏度，可通過改變導(dǎo)線寬度，而改變加給傳感器元件的場。例如，為了減小傳感器元件的靈敏度，可以通過加大導(dǎo)線寬度，以減小加給傳感器元件的場。
本發(fā)明的傳感器設(shè)備還包括旁路電流路徑。在這種實施例中，在需要電流靈敏度非常小的至少一個傳感器元件的位置處，可以把被測電流分開到幾個并聯(lián)的導(dǎo)電路徑中，稱之為旁路電流路徑，其中只有一個路徑流經(jīng)元件的附近。
在另一實施例中，所述傳感器設(shè)備可以包括至少一個磁屏蔽器。所述至少一個磁屏蔽器可處在至少一個磁傳感器元件的附近。所述至少一個磁屏蔽器比如可由軟磁材料，如透磁合金制造而成。用屏蔽因子F表示屏蔽器減小外加場的效果。于是，為了調(diào)節(jié)靈敏度，可以改變屏蔽因子F。例如，可通過調(diào)節(jié)屏蔽器的幾何形狀來實現(xiàn)。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，可以使用包括如上所述調(diào)節(jié)磁傳感器元件靈敏度特性的任意組合，藉以形成本發(fā)明包括至少兩個磁傳感器元件的傳感器設(shè)備，每個磁傳感器元件具有不同的靈敏度。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種制造傳感器設(shè)備的方法。所述方法包括步驟提供至少兩個串聯(lián)或并聯(lián)連接的磁傳感器元件，每個磁傳感器元件具有一定的靈敏度，從而將所述至少兩個磁傳感器元件的靈敏度設(shè)置成，使每個磁傳感器元件的靈敏度與任何其他磁傳感器元件的靈敏度不同。
可以按照不同的方式調(diào)節(jié)至少兩個磁傳感器元件當(dāng)中每一個的靈敏度。在第一實施例中，可以通過改變至少兩個磁傳感器元件的幾何形狀和/或尺寸，以設(shè)定至少兩個磁傳感器元件的靈敏度。
在另一實施例中，通過將至少兩個磁傳感器元件當(dāng)中的至少一個分割來設(shè)定所述至少兩個磁傳感器元件的靈敏度。將至少一個傳感器元件分割，給出更大的自由度以同時調(diào)節(jié)靈敏度和面積(用于調(diào)節(jié)電阻)。各個子元件最好具有相同的尺寸，因為需要相同的飽和場，從而子元件需要相同的形狀各向異性。
在另一實施例中，通過在至少兩個磁傳感器元件當(dāng)中至少一個的附近設(shè)置磁屏蔽器，可以設(shè)定所述至少兩個磁傳感器元件的靈敏度。至少一個磁屏蔽器比如可由軟磁材料，如透磁合金制造而成。用屏蔽因子F表示屏蔽器減小外加場的效果。于是，為了調(diào)節(jié)靈敏度，可以改變屏蔽因子F。例如，可通過調(diào)節(jié)屏蔽器的幾何形狀來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一實施例中，在所述至少兩個磁傳感器元件下面可以設(shè)置導(dǎo)線。在本發(fā)明的某些實施例中，可將導(dǎo)線設(shè)置成使它在至少兩個磁傳感器元件當(dāng)中至少一個的位置以外，表現(xiàn)出不同的寬度。為了改變傳感器元件的靈敏度，可以通過改變導(dǎo)線寬度，去改變施加給傳感器元件的場。例如，為了減小傳感器元件的靈敏度，可以通過加大導(dǎo)線寬度來減小加給傳感器元件的場。
按照本發(fā)明，可使用用于改變或設(shè)定磁傳感器元件靈敏度的上述方法的任意組合。
盡管在本領(lǐng)域中已經(jīng)對設(shè)備進行了不斷的改進、改型和發(fā)展，但相信本發(fā)明的概念代表了實質(zhì)上新穎的改進，包括對現(xiàn)有慣例的背離，導(dǎo)致提供了這種更加有效、穩(wěn)定和可靠的設(shè)備。
通過下面結(jié)合附圖的詳細描述，及使本發(fā)明的這些以及其他性質(zhì)、特征和優(yōu)點更加清楚，其中，各附圖通過舉例說明本發(fā)明的原理。這樣的描述僅只是為了舉例而給出，并不限制本發(fā)明的范圍。下面提到的參考圖指的是附圖。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)利用磁阻分路的霍爾效應(yīng)傳感器的示意圖；圖2為在具有和不具有磁阻分路時，按照圖1電路的電路電壓隨所示角度旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)圖；圖3表示本發(fā)明一種實施例傳感器設(shè)備的電路圖；圖4表示在圖3的電路圖中不同元件的個體性質(zhì)；
圖5表示圖3傳感器設(shè)備的總信號曲線；圖6為圖3傳感器設(shè)備總信號的半對數(shù)圖；圖7表示構(gòu)成本發(fā)明一種實施例傳感器設(shè)備的六個不同元件的個體性質(zhì)的模擬；圖8表示包括圖7的六個不同元件的傳感器設(shè)備的總信號曲線；圖9表示圖8所示總傳感器信號的半對數(shù)圖；圖10表示本發(fā)明一種實施例傳感器設(shè)備的并聯(lián)示意圖；圖11表示處于外加磁場中的本發(fā)明一種實施例的帶屏蔽傳感器設(shè)備的側(cè)視圖；圖12表示根據(jù)圖11的帶屏蔽傳感器設(shè)備的俯視圖；圖13表示對于圖12和圖13中所示的帶屏蔽傳感器設(shè)備，屏蔽因子F與屏蔽器的寬度的曲線圖；圖14至17表示可應(yīng)用于場傳感器的不同實施例示意圖；圖18至21表示用于電流傳感器的不同實施例示意圖；在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的元件。
具體實施例方式
下面將針對具體實施例并參照附圖描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些，而由權(quán)利要求予以限定。各權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)當(dāng)被理解為限制它的范圍。所描述的附圖僅是示意性的，而非限定性的。在附圖中，為了說明的目的，夸大了某些元件的尺寸，并非依照比例繪制的。本說明書和權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括”不排除其他元件或步驟。而當(dāng)提到單數(shù)名詞時，使用不定冠詞或定冠詞，例如“一個”，包括多個這種名詞，除非特別指出。
另外，在說明書和權(quán)利要求中，使用術(shù)語第一、第二和第三等在相同元件之間進行區(qū)分，并非必須是描述連續(xù)或時間順序。應(yīng)當(dāng)理解，在適當(dāng)?shù)臈l件下，所用的術(shù)語是可以互換的，并且，本文所描述的實施例可以按照除此處所描述或說明以外的其他順序進行操作。
應(yīng)予說明的是，不應(yīng)把權(quán)利要求中所用的術(shù)語“包括”理解為局限于后面所列出的設(shè)備，而是不排除其他元件或步驟。從而，理解為表明存在所述特征、整體部分、步驟或部件，不過不排除存在或增加一個或多個其他特征、整體部分、步驟或部件或者它們的組合。從而，表述“設(shè)備包括裝置A和裝置B”的范圍，不應(yīng)當(dāng)局限于僅由部件A和B組成的設(shè)備。這只表明，對于本發(fā)明來說，設(shè)備的相關(guān)部件為A和B。
本發(fā)明提供一種制造傳感器設(shè)備30的方法，所述傳感器設(shè)備30在傳感器信號與被測性質(zhì)之間表現(xiàn)出非線性關(guān)系，例如在傳感器信號與被測性質(zhì)的對數(shù)之間表現(xiàn)出基本上線性或準(zhǔn)線性關(guān)系；還提供通過該方法獲得的傳感器設(shè)備30。被測性質(zhì)可以為比如磁場或電流?？梢允褂帽景l(fā)明的傳感器設(shè)備30作為寬動態(tài)范圍傳感器，它可以在幾十年期間提供恒定的相對靈敏度以及均勻的SNR。按照本發(fā)明所提供的傳感器設(shè)備30的設(shè)計，可以應(yīng)用于分離的磁場傳感器或電流傳感器，以及包括MRAM模塊的集成電路中的集成式電流傳感器。在其他描述中，利用TMR傳感器設(shè)備來描述本發(fā)明。不過，應(yīng)當(dāng)理解的是，這僅是為了便于說明而非限制本發(fā)明。本發(fā)明還可以應(yīng)用于比如AMR和GMR傳感器。
基本地說，本發(fā)明中提出的對數(shù)或準(zhǔn)對數(shù)傳感器設(shè)備30，是一種包括至少兩個具有不同靈敏度并且是串聯(lián)或并聯(lián)連接的線性磁阻傳感器的系統(tǒng)。有如下面將要描述的那樣，可以按照不同方式來設(shè)定所述至少兩個磁阻傳感器當(dāng)中每一個的靈敏度。
按照一個實施例，提供一種傳感器設(shè)備30，包括多個(n個)串聯(lián)連接的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1，其中，n為≥2的整數(shù)。作為一種示例，圖3表示本發(fā)明的一種傳感器設(shè)備30。為了易于描述，圖3中的傳感器設(shè)備30只包括三個傳感器元件R0，R1，R2。由電流源31為系統(tǒng)供給能量，并在電流源31的接線端測量輸出電壓。按照本發(fā)明，每個傳感器元件R0，R1，R2具有不同的電壓與場或電流性質(zhì)的關(guān)系，如圖4所示者，該圖表示出不同傳感器元件R0，R1，R2的個體性質(zhì)。每個傳感器元件R0，R1，R2在低于它的飽和場H1，H2，H3的場下表現(xiàn)出線性性質(zhì)，并在高于這些值H1，H2，H3的場處飽和。最好可以將傳感器元件R0，R1，R2設(shè)計成，使得在零場下它們的電阻相等，并且，它們的整體電阻改變相同。不過，應(yīng)予說明的是，本發(fā)明并不限于電阻相同，每個傳感器元件R0，R1，R2可具有不同的電阻(不過這樣不太有利)，盡管在這種情況下不能保證最佳的工作狀態(tài)。
例如，對于TMR傳感器，通過保持傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的面積相同，即使它們縱橫比不同，也能得到相等的電阻。
按照本發(fā)明，形成所述傳感器設(shè)備30的不同傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度S0，S1，S2，…，Sn-1，必須滿足以下關(guān)系S0＞S1＞S2＞…＞Sn-1，其中，將靈敏度定義為每個傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的線性特性曲線的斜率，即每個磁傳感器元件R0，R1，…，Rn-1應(yīng)當(dāng)具有不同的靈敏度，尤為重要的是，在傳感器設(shè)備30的輸出端處獲得的所有個體信號的和，必須符合非線性，更為重要的是，必須為準(zhǔn)對數(shù)函數(shù)(參見圖5)。當(dāng)以對數(shù)刻度描繪場時，應(yīng)當(dāng)?shù)玫接腥鐖D6中所示的準(zhǔn)線性特性曲線。有如從圖6中可以看出的，曲線中的每一段并未形成一條完美的直線，而是稍呈弓形，這是因為從線性到對數(shù)標(biāo)度變換的緣故。不過，正如說明書中將要進一步討論的那樣，實際上，在飽和開始處附近各個特性曲線通常變圓，導(dǎo)致總信號曲線更平滑，從而對數(shù)標(biāo)度圖中的實際特性曲線將更接近直線。應(yīng)當(dāng)注意，由于對數(shù)函數(shù)的特性，原則上起始場H0不能為零，不過實際上比如為小于10e的非常小的數(shù)值。
當(dāng)如圖3和4所示那樣研究傳感器設(shè)備30的操作時，注意到最低場從H0到H1，總信號為各元件的所有線性斜率的和，并且由具有最高靈敏度S0的傳感器(傳感器R0)來控制。從而，該部分具有最陡峭的斜率。在從H1到H2的場下，R0飽和，從而它的信號對于總信號不再起作用。此時，總斜率急劇減小，并由次高靈敏度(second highly sensitive)的單元R1來控制，以此類推。最終，在除最不靈敏的一個Rn-1外的所有元件都飽和的最高場范圍處，總信號只受來自Rn-1的信號影響，從而具有Sn-1的斜率。通過構(gòu)造本發(fā)明這一實施例的傳感器設(shè)備30，使傳感器設(shè)備30的總動態(tài)范圍被分成若干段。每個傳感器元件R0，R1，…，Rn-1主要對具有最適合靈敏度的某一段起作用。為了對于各段作出最佳選擇，傳感器設(shè)備30的相對靈敏度可以是完全恒定的，在幾十年都能得到均勻的SNR。
為了在傳感器設(shè)備30的輸出端處得到對數(shù)函數(shù)，每個傳感器元件R0，R1，…，Rn-1必須具有確定的靈敏度S0，S1，S2，…，Sn-1。由于將靈敏度S0，S1，S2，…，Sn-1加起來，它們必須彼此很好地聯(lián)系起來。下面，將描述確定這些值的方法。
假設(shè)在傳感器設(shè)備30的輸出端處，獲得必須滿足以下關(guān)系式的對數(shù)函數(shù)V＝(a×logH)+b(1)其中，V為傳感器的總信號電壓，H為被測量的場，a和b為該函數(shù)的兩個參數(shù)。公式(1)應(yīng)用于場傳感器。對于場傳感器將要進行進一步計算，不過不限于場傳感器。應(yīng)予說明的是，在電流傳感器的情況下，必須用I取代H，I為被測電流。在任何場H下曲線的斜率為dV/dH＝(a×loge)/H(2)要求所有傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的總信號滿足公式(1)。不過，作為線性特性之和的總信號曲線的每一段，實際上是直線，從而原則上講，它們僅形成準(zhǔn)對數(shù)函數(shù)。可以通過增加更多的段，以便通過為傳感器設(shè)備30增加更多傳感器元件R0，R1，…，Rn-1來減小與理想對數(shù)函數(shù)的偏離。
假設(shè)總信號曲線的每一段的斜率近似等于公式(2)中所定義的在該段起始場的斜率。從而，作為傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的所有單獨斜率之和的第一段(從H0-H1)的斜率可以被表示為-從H0到H1S0Σ=S0+S1+S2+...Sn-1=(a×loge)/H0---(3)]]>當(dāng)場大于H1，且小于H2時，第一元件R0達到飽和?？傂甭蕿槌齋0值外的所有斜率之和-從H1到H2S1Σ=S0+S1+S2+...Sn-1=(a×loge)/H1---(4)]]>
使H1＝(ΔV+S0H0)/S0，其中，ΔV＝V1-V0，則公式(4)變成S1+S2+...+Sn-1=a×loge×S0ΔV+S0H0---(5)]]>-從H2到H3，R0和R1均飽和，從而，它們的斜率S0和S1從和中消失S2Σ=S0+S1+S2+...Sn-1=(a×loge)/H2---(6)]]>與公式(5)類似，可以將公式(6)寫成S2+...+Sn-1=a×loge×S1ΔV+S1H0---(7)]]>以此類推。
通常，可以得到n個等式的系統(tǒng)對于i＝0Σk=0n-1Sk=a×logeH0---(8)]]>對于1≤i≤n-1Σk=in-1Sk=a×loge×Si-1ΔV+Si-1H0---(9)]]>該公式系統(tǒng)具有n個需要求解的未知數(shù)，即a，S1，…，Sn-1。
通過從下一公式減去一個等式(即第i個等式-第i-1個等式)，可以得到下面的等式
a=S0loge(1H0-S0ΔV+S0H0)---(10)]]>并且，Si(i從1到n-1)為下面二次方程的正解H0Si2+(ΔV+alge-alogeSi-1H0ΔV+Si-1H0)Si-alogeSi-1ΔVΔV+Si-1H0=0---(11)]]>從這個解可以看出，第一斜率S0是可以被選擇的，而且可以由對數(shù)函數(shù)的參數(shù)“a”和其余斜率(Si，i從1→n-1)唯一確定?；蛘咦鳛檫x擇，可以將參數(shù)“a”視作已知參數(shù)(如必要條件)，并通過分別求解公式(10)和(11)，以確定S0和Si。必須按照升序求解公式(11)，因為求解Si時需要已知Si-1。
原則上講，為了構(gòu)建能夠覆蓋更低檢測極限的傳感器設(shè)備30，必須將元件R0設(shè)計成具有盡可能高的靈敏度。從而，其余傳感器元件R1，R2，…，Rn-1可具有較低的靈敏度S1，S2，…，Sn-1。
為了說明這一原則，下面將進行模擬。在這種模擬的過程中，假設(shè)傳感器設(shè)備30包括6個串聯(lián)連接的傳感器元件R0到R5。第一元件R0可具有4％/Oe的靈敏度，其相當(dāng)于8×10-3V/Oe。對于良好的TMR傳感器而言，這是一個典型數(shù)值。其他輸入?yún)?shù)可以為ΔV＝0.04V，V0＝0.2V以及H0＝1Oe。
求解公式(10)和(11)，得到a＝2.21×10-2S1＝1.3×10-3(V/Oe)S2＝2.44×10-4(V/Oe)S3＝4.69×10-5(V/Oe)S4＝9.06×10-6(V/Oe)S5＝1.75×10-6(V/Oe)
通過計算確定的斜率S0到S5的數(shù)值，注意在與傳感器設(shè)備30的動態(tài)范圍幾乎相同的幾十年期間，斜率S0到S5在較寬范圍改變。不過，后面將會說明，在較寬范圍改變斜率原則上并非是微不足道的。
假設(shè)各個特性曲線具有弧形形狀，與實際更為接近。使用∑函數(shù)來模擬特性曲線y=y0+α1+exp(-x-x0β)---(12)]]>最大斜率(在x＝x0處)為α/4β。用通過以上計算獲得的S0到S5取代該斜率。
圖7表示6個傳感器元件S0到S5的單獨特性曲線。圖8表示通過將所有的單獨特性曲線求和而得到的總信號。當(dāng)以半對數(shù)刻度繪圖線時(參見圖9)，除了在第一段處稍稍呈弓形以外，總信號曲線表現(xiàn)為直線。這表明可以獲得良好的對數(shù)函數(shù)特性。在本例中，傳感器設(shè)備30可以在四十年的期間提供對數(shù)性質(zhì)。
一方面，增大的第一傳感器元件S0的靈敏度將擴展較低的幾十年的范圍，同時，可以改善第一段的對數(shù)標(biāo)度圖線的線性度。另一方面，增加更多的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1，將擴展更高的幾十年的場范圍。不過，對于同時擴展低端和高端的動態(tài)范圍則存在局限性。實際上，最高靈敏度受可用技術(shù)的限制。另一方面，為了擴展高端，增加更多傳感器元件R0，R1，…，Rn-1需要某些更高編號的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1具有非常低的靈敏度。更低的靈敏度將使設(shè)備結(jié)構(gòu)增加更多的復(fù)雜性，通常不易于實現(xiàn)。后面將會進一步討論這些問題。
或者作為選擇，在本發(fā)明的另一實施例中，傳感器設(shè)備30可以包括n個并聯(lián)連接的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1，如圖10中所示那樣。電壓源32為傳感器元件R0，R1，…，Rn-1供電，并測量總電流作為傳感器設(shè)備30的輸出信號。對于傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度計算與對于本發(fā)明第一實施例所討論的計算相同。為了更好地避免外界干擾，如溫度改變，比如，還可以將傳感器元件R0，R1，…，Rn-1連接成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)。
于是，本發(fā)明可用作電流傳感器和磁場傳感器。在這兩種情況下，都要求很好地調(diào)節(jié)傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度S0，S1，S2，…，Sn-1。如以下部分中將要描述的那樣，有多種調(diào)節(jié)靈敏度S0，S1，S2，…，Sn-1的方法。
傳感器設(shè)備30的靈敏度，即電流與場(或電流)關(guān)系曲線的線性部分的斜率，與傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的傳感層的各向異性成反比S＝MRmaxμ0Ms/(4K)(13)式中的MRmax為傳感器的最大磁致電阻改變(％)，μ0為真空磁導(dǎo)率，Ms為傳感材料的飽和磁化，K為傳感層的各向異性常數(shù)。
通?？捎赏复藕辖鹬瞥傻膫鞲衅髟0，R1，…，Rn-1的傳感層的各向異性是形狀各向異性與晶態(tài)各向異性的代數(shù)和。晶態(tài)各向異性是材料的內(nèi)在性質(zhì)，不能被局部地改變，而形狀各向異性取決于傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的幾何形狀，從而可以改變。可以將形狀各向異性能量密度Kshape表示成Kshape＝(1/2)μ0Ms2(Nx-Ny)(14)其中，Nx和Ny分別為沿易軸和難軸的去磁因子，它們僅取決于元件的幾何形狀。對于較大，即大于幾μm的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1而言，形狀各向異性近似為Kshape＝(1/2)μ0Ms2t/w(15)式中的t和w分別為傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的傳感層的厚度和寬度。
例如，可以通過減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的傳感層的層厚度，或者通過減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的縱橫比，來減小各向異性，從而增大傳感器設(shè)備30的靈敏度。不過，各向異性過小導(dǎo)致明顯的磁滯作用，將使傳感層中的磁象變得不穩(wěn)定。
例如，可以通過減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的寬度來增大傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的傳感層的(形狀)各向異性，從而減小靈敏度。理論上講，對于Ny→1，從而對于Nx和Nz→0(由于Nx+Ny+Nz＝1)，可以獲得最大形狀各向異性Kshape＝(1/2)μ0Ms2。理論上講，這表明在大約30年期間可改變形狀各向異性。由于技術(shù)上的要求和希望，比如構(gòu)造期間的最小可能橫向尺寸和最大允許層厚度，實際的范圍要小得多。
下面將描述用于減小更高編號傳感器元件靈敏度的可選擇的和輔助裝置。
可以通過減小外加磁場來減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度(參見圖11和圖12)?？梢酝ㄟ^比如在傳感器元件R0，R1，…，Rn-1附近設(shè)置磁屏蔽器33來實現(xiàn)。這種屏蔽器33比如可由如透磁合金類的軟磁材料制造而成?？梢杂善帘我蜃覨表示屏蔽器33減小外加場的效果，可以將屏蔽因子F定義為沒有屏蔽器33時的外加場與具有屏蔽器33時該場的殘留之間的比值。在更一般的定義下，是沒有屏蔽器33時傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的響應(yīng)與屏蔽器33附近傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的響應(yīng)的比值。使用后一種定義，將屏蔽器對傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的響應(yīng)的任何實際影響也包括在內(nèi)。后者的一個示例比如為通過軟磁屏蔽中傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的鏡象來減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的形狀各向異性。
為了調(diào)節(jié)靈敏度，可以改變屏蔽因子F?？梢酝ㄟ^比如調(diào)節(jié)屏蔽器33的幾何形狀來實現(xiàn)。下面將進行說明。
圖11和12分別表示本發(fā)明一種實施例的傳感器元件/屏蔽系統(tǒng)35的側(cè)視圖和俯視圖。圖11說明屏蔽器33的功能。將傳感器元件/屏蔽系統(tǒng)35暴露于整個外加場Happ下。該場使屏蔽器33磁化，反過來，被磁化的屏蔽器沿與磁化方向相反的方向產(chǎn)生去磁場H0。從而，傳感器元件R0，R1，…，Rn-1暴露于作為Happ和HD之和的合成場Happ_sens下Happ_sens＝Happ+HD＝Happ-NshieldMshield＝Happ-NshieldHi_shieldχshield(16)
其中，Nshield，χshield和Mshield分別為屏蔽器33的去磁因子、磁化系數(shù)和磁化，其中Hi_shield表示屏蔽器33中的內(nèi)部場。只有當(dāng)屏蔽器33位于距離磁傳感器元件R0，R1，…，Rn-1較小距離，以致距離損失可忽略不計時，公式(16)才有效。例如，當(dāng)屏蔽器33具有40μm的寬度，2μm的厚度和2000的磁化系數(shù)時，屏蔽器33與傳感器元件R0，R1，…，Rn-1之間的距離應(yīng)當(dāng)為20nm或者更小，以便能夠使用公式(16)。
權(quán)且忽略因傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的磁化所產(chǎn)生的場(實際上是對于相當(dāng)薄的傳感器而言)。由于在本例中，可將傳感器元件R0，R1，…，Rn-1設(shè)置成非?？拷帘纹?3，在屏蔽器邊界上磁場是連續(xù)的，可以認(rèn)為Happ_sens≈Hi_shield，公式(16)變成Happ_sens＝Happ-NshieldHapp_sensχshield(17)這導(dǎo)致Happ_sens＝Happ/(1+Nshieldχshield)＝Happ/F (18)從而→F＝1+Nshieldχshield(19)如果傳感器元件R0，R1，…，Rn-1與屏蔽器33之間的距離變大，則應(yīng)當(dāng)考慮距離損失。通過用周期等于屏蔽器33的寬度wshield兩倍的周期性磁化圖案，可近似出距離損耗，其中，在較小距離2πd＜wshield處，屏蔽因子F變成F=1+Nshieldχshield1+πdNshieldχshield/wshield---(20)]]>
其中Nshield≈tshield/wshield。
或者作為選擇，當(dāng)用橢圓形(與矩形具有相同厚度和寬度)來近似矩形屏蔽器時，也能得出用于距離損失的解析表示。對于相對較小的距離，距離損失比上面的近似中小2/π倍。從而，在小距離2πd＜wshield處屏蔽因子F為F=1+Nshieldχshield1+2πdNshieldχshield/wshield---(21)]]>這表明，公式(21)也適用于細矩形棒。這是由于當(dāng)Nshieldχwshield＞＞1時，薄橢圓形棒中每一處的去磁化場和細矩形棒中的場與外加場相反，但幅值相等的緣故。從而，兩個去磁化場相等，因此電荷密度也相等。由于矩形和橢圓形棒中具有相等的電荷密度，棒外部的場也必須相等。
在上面的計算中，假設(shè)屏蔽器33沒有飽和，因為當(dāng)發(fā)生飽和時，磁化系數(shù)為零，從而場效應(yīng)消失。由下式給出不飽和的條件Nshield>HappMs-1χ]]>或wshield＜wshield_sat(22)其中wshield_sat=tshieldHsppMs-1χ---(23)]]>并且，其中將wshield_sat定義為發(fā)生飽和時的屏蔽器寬度。
當(dāng)考慮到軟磁場中由傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的反射導(dǎo)致的傳感器元件R1，…，Rn-1的去磁化作用減小時，屏蔽因子F等于F=1+Nshieldχshield1+(2d/wshield)Nshieldχshield×(4d/wsensor)Hdemo+HkHdemo+hk---(24)]]>假設(shè)d＜wsensor/4π，以及Nshieldtshield/wsensor＞＞1，并且其中
Hk＝2K/(μ0Ms)(25)其中，Hk為傳感器的各向異性場。
對于簡單的傳感器元件結(jié)構(gòu)，采用Hdem0＝(tsensor/wsensor)Ms_sensor(26)在公式(24)中，第一項的分子表示裸屏蔽器33附近的場減小系數(shù)。第一項的分母表示在較大距離處屏蔽的減小作用。第二項表示由于傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的形狀各向異性減小所引起的對屏蔽的減小作用。對于自由層例如具有數(shù)nm或更小厚度的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1，后一種作用通常是可以忽略不計的。
為了針對傳感器設(shè)備30中的不同傳感器元件R0，R1，…，Rn-1改變屏蔽因子F，不同傳感器元件R0，R1，…，Rn-1有可能需要具有不同屏蔽因子F的分離的屏蔽器33。顯然，從制造過程的觀點來看，在影響F的不同參數(shù)中，比如傳感器元件R0，R1，…，Rn-1和屏蔽器33的厚度、寬度、磁化系數(shù)，其中寬度是最容易改變的參數(shù)。圖13中給出一個示例，其中，繪出分別對于χshield＝∞，3000和1500，屏蔽因子F與屏蔽器寬度的曲線。對于每個磁化系數(shù)(∞、3000和1500)，計算對于兩種情形(即具有和不具有反射效應(yīng))的屏蔽因子F。在計算過程中，作以下假設(shè)tshield＝2μm，Ms_shield＝800kA/m，d＝0.1μm，tsensor＝0.005μm，wsensor＝5μm，Ms_sensor＝800kA/m和Hk＝400A/m。
對于屏蔽器33沒有飽和的狀態(tài)，假設(shè)Happ＝56kA/m(700Oe)是很重要的。對于該場值，當(dāng)屏蔽器寬度小于wshield sat＝29μm時，屏蔽器33沒有飽和。對于2μm厚度的屏蔽器，按照一種可控的方式，很容易獲得數(shù)十量級的屏蔽因子，不受屏蔽器磁化系數(shù)或飽和的影響。
該方法的優(yōu)點在于，利用屏蔽器幾何形狀的某種組合，易于使屏蔽因子F獨立于χshield。為了使其成立，必須2dNshieldχshield/wshield＝2dtshieldχshield/wshield2＞＞1 (27)
從而F=wshield2d×(4d/wsensor)Hdemo+HKHdemo+HK---(28)]]>在圖13中，在wshield的較小值處，比如對于曲線的上限設(shè)定為低于10μm時，發(fā)生這種飽和，其中的F并沒有明顯地依賴于屏蔽器的磁化系數(shù)。
從而，通過使用磁屏蔽器33，取決于屏蔽器幾何形狀，僅通過選擇足夠高但依然切實可行的磁導(dǎo)率，可按照一種完全可控的方式將傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度幅值減小大約1到2個量級。
在基于磁致電阻效應(yīng)的電流傳感器中，在傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的附近可設(shè)置導(dǎo)線36。導(dǎo)線36在傳感器R0，R1，…，Rn-1的位置處產(chǎn)生與電流成正比的場。假設(shè)傳感器元件R0，R1，…，Rn-1與導(dǎo)線36之間的距離固定，則傳感器元件R0，R1，…，Rn-1處產(chǎn)生的該場與導(dǎo)線36的寬度成反比。從而，為了減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度，可以通過加寬導(dǎo)線寬度以減小加給傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的場。在電流傳感器中，導(dǎo)線36的加寬與磁場傳感器33中的屏蔽器33具有相同的作用，如上所述那樣。
在電流傳感器的情形中，通過將電流分割到若干并聯(lián)傳導(dǎo)路徑中，可以進一步減小傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度，在若干并聯(lián)傳導(dǎo)路徑中，僅允許一條路徑靠近傳感器元件R0，R1，…，Rn-1流動。從而減小了在傳感器元件R0，R1，…，Rn-1附近流動的電流，導(dǎo)致加給傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的場減小，從而減小對(總)電流的靈敏度。傳感器元件R0，R1，…，Rn-1附近流動的電流可以表示為Isensor＝Imeasured/(1+R/Rby-pass) (29)其中，Isensor和Imeasured分別為在傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的附近流動的電流和被測量的總電流。R和Rby-pass為在傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的附近流動的傳導(dǎo)路徑的電阻和旁路路徑的電阻。
該方法與使用較寬電流導(dǎo)體的前一種方法具有許多共同之處。
按照本發(fā)明的不同實施例，可以使用上述用來調(diào)節(jié)傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度方法中的任何一種或者它們的組合，在相同基片上獲得具有不同靈敏度的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1。必須根據(jù)上述計算很好地調(diào)節(jié)傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度，從而在求出其信號的總和時，可以產(chǎn)生對數(shù)函數(shù)特性。
下面，給出與對于磁場和電流傳感器調(diào)整靈敏度的方法有關(guān)的不同示例。借助于TMR傳感器來描述不同示例。不過，應(yīng)當(dāng)理解，還可以采用其他種類的磁致電阻傳感器元件，諸如GMR或AMR基傳感器。
先來描述用于磁場傳感器的不同的傳感器結(jié)構(gòu)。
在第一示例中，傳感器設(shè)備30可以包括串聯(lián)連接的四個傳感器元件R0到R3(參見圖14)。在本例中，改變傳感器元件R0到R3的幾何結(jié)構(gòu)，使其具有不同的靈敏度，不過它們都具有相同電阻(在零場下)。由于假定為TMR傳感器元件，傳感器面積必須相等，從而得到相同電阻。正如上面所述的那樣，在獲得最佳對數(shù)傳感器方面，電阻相同是很重要的。
在圖15所示的第二示例中，傳感器設(shè)備30與第一示例相同，不過可以將一個或多個傳感器元件R0到R3分成若干個并聯(lián)連接的子元件。但須理解，在本發(fā)明的其他實施例中，子元件也可以串聯(lián)連接。在圖15給出的示例中，傳感器元件R1被分成2個并聯(lián)子元件R1′和R1″。將傳感器元件R0到R3中的至少一個分割，在同時調(diào)節(jié)靈敏度和面積(用于調(diào)節(jié)電阻)時產(chǎn)生更大的自由度。子元件R1′和R1″最好具有相同的尺寸，因為需要相同飽和場，從而子元件R1′和R1″需要相同的形狀各向異性。
或者作為選擇，在磁場傳感器的第三示例中，通過在傳感器元件R0到R3的附近設(shè)置具有不同屏蔽因子的屏蔽器33來改變靈敏度(參見圖16)。在這種情況下，傳感器元件R0到R3可以具有相同的尺寸。通常，第一傳感器元件R0不被屏蔽，因為根據(jù)本發(fā)明，它必須具有最高的靈敏度。
圖17中，作為第四實施例說明了用作磁場傳感器的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)。該示例是最實際的設(shè)計，因為它結(jié)合了幾何形狀和屏蔽效應(yīng)的改變，從而在調(diào)節(jié)傳感器元件R0到R3的靈敏度方面具有最大自由度。在本例中還可以采用如第二示例中所述的將部分傳感器分割。
圖14到17中的附圖標(biāo)記40表示傳感電流。
接下去的圖18到21中描述和說明用于電流傳感器的可能結(jié)構(gòu)的一些示例。
在第一示例中，傳感器設(shè)備30可以包括串聯(lián)連接的四個傳感器元件R0到R3(圖18)。這些傳感器元件R0到R3可具有不同幾何結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生不同的場靈敏度。在傳感器元件R0到R3下面，為具有恒定寬度的流動著被測電流的隔離導(dǎo)線36(附圖標(biāo)記50所示)。導(dǎo)線36在傳感器元件R0到R3的位置處產(chǎn)生磁場。不同傳感器元件R0到R3處的場值是相同的，從而電流靈敏度僅由傳感器元件R0到R3的幾何形狀決定。應(yīng)予說明的是，對于電流傳感器來說，有兩種不同類型的靈敏度，即場靈敏度是傳感器對任何外加場的靈敏度，電流靈敏度是傳感器對被測電流的靈敏度，即信號電壓/電流比率。在第一示例中，如從圖18可以看出，傳感器元件R0到R3可具有不同幾何形狀。
圖19中所示的傳感器設(shè)備30與第一示例的傳感器設(shè)備30相似，不過在不同位置處導(dǎo)線36的寬度可以改變，導(dǎo)致施加給不同傳感器元件R0到R3的場不同。將幾何形狀與導(dǎo)線寬度的改變相結(jié)合，在調(diào)節(jié)傳感器元件R0到R3的電流靈敏度時，會產(chǎn)生更大的自由度。
在第三示例的電流傳感器設(shè)備30中，在要求電流靈敏度非常小的至少一個傳感器單元位置R0到R3的位置處，可以將被測電流50分割到數(shù)個并聯(lián)的傳導(dǎo)路徑中，稱做旁路電流路徑37，其中，僅有一條路徑在元件附近流動。對于使用IC生產(chǎn)的應(yīng)用中，比如對于集成式電流傳感器，旁路電流路徑37最好處于不同互連平面，以使整個系統(tǒng)的橫向面積保持最小。
在第四示例中，采用幾何形狀、導(dǎo)體寬度和屏蔽的組合。此外，還可以采用有如前一示例中的傳導(dǎo)路徑和有如磁場傳感器的第二示例中所述的將傳感器元件R0到R3分割(未示出)。
圖18到21中的附圖標(biāo)記40表示傳感電流。
上述示例并不是限制本發(fā)明，因為應(yīng)當(dāng)理解可以采用傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的不同組合。此外，按照本發(fā)明的傳感器設(shè)備30，它可以包括任意數(shù)量的傳感器元件R0，R1，…，Rn-1。
按照本發(fā)明的傳感器設(shè)備30，在傳感器信號與被測磁場或電流的對數(shù)之間表現(xiàn)出線性關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備30可用作為能夠在數(shù)十年期間檢測寬動態(tài)場范圍的分立的磁場傳感器，以及作為能夠檢測寬動態(tài)電流范圍的分立的電流傳感器。此外，本發(fā)明的傳感器設(shè)備30還可以用作能夠檢測寬動態(tài)電流范圍的集成式電流傳感器，以及需要非侵入地檢測從被測量轉(zhuǎn)換出的電流的任何應(yīng)用中，所述的量，比如隨時間呈指數(shù)改變。
必須理解，上面的描述中所給出的示例并不對本發(fā)明構(gòu)成限制。根據(jù)本發(fā)明，可以使用上述用于調(diào)節(jié)傳感器元件R0，R1，…，Rn-1的靈敏度S0，S1，…，Sn-1的方法的任何可能的組合，獲得輸出信號在傳感器信號與被測性質(zhì)(例如磁場或電流)的對數(shù)之間表現(xiàn)出準(zhǔn)線性關(guān)系的傳感器設(shè)備。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管此處已經(jīng)針對本發(fā)明的設(shè)備討論了優(yōu)選實施例、特定結(jié)構(gòu)和配置，以及材料，不過在不偏離本發(fā)明范圍和精神的條件下，可對形式和細節(jié)作出多種改變或變型。
權(quán)利要求
1.一種傳感器設(shè)備(30)，它包括至少兩個串聯(lián)或并聯(lián)連接且各具有靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)的磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)，其中，每個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)與任何其他磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述至少兩個傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的每一個在所檢測參數(shù)的整個范圍輸出傳感器信號；并且至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的每一個傳感器信號之和，在傳感器設(shè)備(30)的范圍上為所檢測參數(shù)的非線性函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述非線性函數(shù)為準(zhǔn)對數(shù)函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的每一個具有相同的幾何形狀和尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的至少一個具有不同幾何形狀和尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的至少一個被分割成至少兩個彼此并聯(lián)或串聯(lián)連接的子元件(R1′和R1″)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，還包括設(shè)置在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)下面的導(dǎo)線(36)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，還包括設(shè)置在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)下面的導(dǎo)線(36)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述導(dǎo)線(36)在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的位置處表現(xiàn)出不同的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，還包括旁路電流路徑(37)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述設(shè)備(30)還包括至少一個磁屏蔽器(33)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器設(shè)備(30)，其中，所述磁屏蔽器(33)設(shè)置于至少一個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)附近。
13.一種用于制造傳感器設(shè)備(30)的方法，所述方法包括如下步驟提供至少兩個彼此串聯(lián)或者并聯(lián)連接的磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)，每個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)具有確定的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)，將至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)設(shè)置成，使每個磁傳感器元件的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)與任何其他磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)不同。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述傳感器設(shè)備(30)是非線性傳感器設(shè)備。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述傳感器設(shè)備(30)是準(zhǔn)對數(shù)或?qū)?shù)傳感器設(shè)備。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過改變至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的幾何形狀和/或尺寸，以設(shè)定所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過分割至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的至少一個，以設(shè)定所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的至少一個附近設(shè)置磁屏蔽器(33)，以設(shè)定所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中的至少一個的附近設(shè)置磁屏蔽器(33)，以設(shè)定所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的靈敏度(S0，S1，...，Sn-1)。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中還包括步驟在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)的下面設(shè)置導(dǎo)線(36)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，在所述至少兩個磁傳感器(R0，R1，...，Rn-1)下面設(shè)置導(dǎo)線(36)的步驟包括，在所述至少兩個磁傳感器元件(R0，R1，...，Rn-1)中至少一個的位置處設(shè)置具有不同寬度的導(dǎo)線(36)。
全文摘要
一種磁場傳感器或電流傳感器，它在傳感器信號與磁場或電流的對數(shù)之間實質(zhì)上表現(xiàn)出線性關(guān)系?？梢詫⑺鰝鞲衅饔米鲗拕討B(tài)范圍傳感器，能夠在數(shù)十年期間提供恒定的相對靈敏度和均勻的SNR?？梢栽诓环蛛x的磁場傳感器或電流傳感器以及在包括MRAM模塊的IC中的集成式電流傳感器中實現(xiàn)該傳感器設(shè)備的設(shè)計。
文檔編號G01R15/20GK101076737SQ200580042537
公開日2007年11月21日 申請日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者金·潘勒, 亞普·魯伊戈羅克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司