一種磁性接近開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種磁性接近開關(guān)，包括用于產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁、用于測量磁場的磁性傳感單元和用來將磁性傳感單元的輸出信號處理為開關(guān)信號的電路模塊，磁性傳感單元為梯度全橋結(jié)構(gòu)或梯度半橋結(jié)構(gòu)；梯度半橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻；所述梯度全橋結(jié)構(gòu)包括四個(gè)磁電阻，其中的兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻與另兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻并聯(lián)；所述磁電阻由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)構(gòu)成；所述磁性傳感元件為各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件，磁性傳感元件的磁場敏感方向相同；所述磁性傳感單元與電路模塊電連接。本實(shí)用新型還可以包括骨架。本實(shí)用新型的磁性接近開關(guān)具有無視環(huán)境臟污、靈敏度高、體積小、精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
【專利說明】
一種磁性接近開關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種開關(guān)傳感器，特別是一種磁性接近開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]接近開關(guān)在航空航天、現(xiàn)代工業(yè)、生活和消費(fèi)電子產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用，尤其是電梯、賓館、車庫等場所的自動(dòng)門、自動(dòng)熱風(fēng)機(jī)上都有廣泛的應(yīng)用。接近開關(guān)主要用于檢測電梯、升降設(shè)備的停止、起動(dòng)、通過位置;檢測車輛的位置，防止兩物體相撞檢測;檢測工作機(jī)械的設(shè)定位置，移動(dòng)機(jī)器或部件的極限位置;檢測回轉(zhuǎn)體的停止位置，閥門的開或關(guān)位置。
[0003]常用的接近式開關(guān)主要為電容式接近開關(guān)、光電式接近開關(guān)、渦流式接近開關(guān)以及霍爾接近開關(guān)。電容式接近開關(guān)的測量通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開關(guān)的外殼。這個(gè)外殼在測量過程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通或斷開。但是電容式接近開關(guān)的靈敏度偏低，且容易受環(huán)境的影響，例如臟污，維護(hù)上較為麻煩;光電式接近開關(guān)利用光敏傳感器和發(fā)光模塊做成開關(guān)。當(dāng)有遮擋物(被檢測物體)接近時(shí)，將發(fā)光模塊發(fā)射的光束擋住，光敏傳感器此時(shí)處于低電平，由此便可“感知”有物體接近。由于此類接近開關(guān)的發(fā)光器件容易臟污，因此要定期維護(hù)，具有安全隱患；渦流式接近開關(guān)是利用導(dǎo)電物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場接近開關(guān)時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。該類接近開關(guān)由于其后端的電路模塊算法復(fù)雜，因此其功耗很大，且體積較大，測量精度不高?；魻柦咏_關(guān)是常用的磁性接近開關(guān)，當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。采用磁性接近開關(guān)的優(yōu)勢是不會受到臟污的影響，但是會收到干擾磁場的影響，同時(shí)，采用霍爾元件為敏感元件的磁性接近開關(guān)其靈敏度很低，因此不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。
[0004]由上述不難看出，現(xiàn)有的接近開關(guān)會受到環(huán)境臟污的影響，具有安全隱患，且精度較低，維護(hù)成本高，靈敏度低，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種磁性接近開關(guān)，該磁性接近開關(guān)具有無視環(huán)境臟污、靈敏度高、體積小、精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
[0006]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0007]根據(jù)本實(shí)用新型提出的一種磁性接近開關(guān)，包括用于產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁、用于測量磁場的磁性傳感單元和用來將磁性傳感單元的輸出信號處理為開關(guān)信號的電路模塊，
[0008]所述磁性傳感單元為梯度全橋結(jié)構(gòu)或梯度半橋結(jié)構(gòu)；
[0009]所述梯度半橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻;所述梯度全橋結(jié)構(gòu)包括四個(gè)磁電阻，其中的兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻與另兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻并聯(lián)；
[0010]所述磁電阻由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)構(gòu)成;所述磁性傳感元件為各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件，磁性傳感元件的磁場敏感方向相同；
[0011 ]所述磁性傳感單元與電路模塊電連接。
[0012]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，還包括骨架，所述骨架用來固定磁性傳感單元和電路模塊。
[0013]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，還包括骨架，所述骨架用來固定磁性傳感單元、電路模塊和勵(lì)磁。
[0014]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述骨架具有凹陷。
[0015]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，還包括2個(gè)骨架，其中，一個(gè)骨架用來固定勵(lì)磁，另一個(gè)骨架用來固定磁性傳感單元和電路模塊。
[0016]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述骨架是非磁性物質(zhì)。
[0017]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件為納米級厚度的多層膜結(jié)構(gòu)。
[0018]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述多層膜結(jié)構(gòu)包括納米級薄膜自由層、非磁性層以及釘扎層，納米級薄膜自由層、釘扎層分別位于非磁性層的上下兩側(cè)。
[0019]作為本實(shí)用新型所述的一種磁性接近開關(guān)進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述勵(lì)磁為永勵(lì)磁或電磁鐵。
[0020]本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0021 ] ( I)本實(shí)用新型中的磁性傳感單元采用靈敏度和精度高，同時(shí)體積小的各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件為優(yōu)選的敏感元件，由于上述磁性傳感元件的高靈敏度特性，其可以在較長的距離下實(shí)現(xiàn)高精度測量；
[0022](2)本實(shí)用新型中的磁性傳感單元采用梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)，由于梯度計(jì)式傳感器只對梯度場敏感，因此對于大的干擾磁場(為均勻場)并不敏感，解決了磁場干擾問題；
[0023](3)本實(shí)用新型的磁性接近開關(guān)具有無視環(huán)境臟污、靈敏度高、體積小、精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0024]圖1是本實(shí)用新型提出的磁性接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意俯視圖。
[0025]圖2是本實(shí)用新型提出的磁性接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。
[0026]圖3是梯度半橋式磁性傳感單元的電連接示意圖。
[0027]圖4是梯度半橋式磁性傳感單元的輸出信號圖。
[0028]圖5是梯度全橋式磁性傳感單元的電連接示意圖。
[0029]圖6是梯度全橋式磁性傳感單元的物理位置圖。
[0030]圖7是梯度全橋式磁性傳感單元的輸出信號圖。[0031 ]圖8是本實(shí)用新型提出的磁性接近開關(guān)的輸出信號圖。
[0032]圖中的附圖標(biāo)記解釋為:1-磁性傳感單元的磁場敏感方向，11-磁性傳感單元，21-遮擋物，32-勵(lì)磁施加的磁場，12-勵(lì)磁，31-勵(lì)磁的充磁方向，13-骨架，71-第一磁電阻，72-第二磁電阻，73-第三磁電阻，74-第四磁電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0034]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請實(shí)施例中的附圖，對本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本申請中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。
[0035]圖1是本實(shí)用新型提出的磁性接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意俯視圖，圖2是本實(shí)用新型提出的磁性接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖；如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型提出的磁性接近開關(guān)包括磁性傳感單元11、勵(lì)磁12、電路模塊(圖中未標(biāo)示)以及骨架13。磁性傳感單元11用以測量勵(lì)磁12施加的磁場32，當(dāng)沒有遮擋物21經(jīng)過時(shí)，磁性傳感單元11處于高輸出電壓值，當(dāng)有遮擋物21經(jīng)過時(shí)，勵(lì)磁12的磁場分布發(fā)生變化，磁性傳感單元11的輸出處于低輸出電壓值。電路模塊和磁性傳感單元11電連接，其用以將磁性傳感單元11的輸出信號處理為開關(guān)信號，其輸出信號的模擬結(jié)果如圖7所示，在工作場HjPH2之間，接近開關(guān)輸出一開關(guān)信號。其中，遮擋物21為包含磁性材料的物質(zhì)，其運(yùn)動(dòng)方向平行于y軸，31是勵(lì)磁12的充磁方向，I是磁性傳感單元的磁場敏感方向，在本實(shí)施例中，磁場敏感方向I平行于z軸。勵(lì)磁12的充磁方向31可以是任意方向，磁場敏感方向I也可以是任意方向，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置。
[0036]本實(shí)施例中，磁性傳感單元11、勵(lì)磁12以及電路模塊共用一個(gè)骨架13，骨架13的作用為固定前述的部件，該骨架13具有凹陷以便于遮擋物21通過。實(shí)際使用中，也可將磁性傳感單元11和電路模塊固定在一個(gè)骨架中，勵(lì)磁12位于另一個(gè)骨架中；或者該接近開關(guān)不需要骨架，只是固定即可;也可以將磁性傳感單元11和電路模塊固定在骨架中，勵(lì)磁12不需要骨架。前述的磁性傳感單元11、勵(lì)磁12以及電流模塊可以位于骨架13內(nèi)，也可固定在其上。
[0037]勵(lì)磁12可以是永勵(lì)磁，也可以是電磁鐵，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置。
[0038]就結(jié)構(gòu)而言，圖1和圖2披露的結(jié)構(gòu)依然是常用的磁性接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)，因此依然具有兩個(gè)缺陷:(I)采用以霍爾元件為敏感元件的磁性傳感單元精度和靈敏度都很低，因此不能實(shí)現(xiàn)長間距的測量，同時(shí)會有安全隱患；(2)磁性傳感單元會受到外場的影響，因此會出現(xiàn)誤跳操作，具有安全隱患。
[0039]針對問題(1)，本實(shí)用新型中的磁性傳感單元11采用靈敏度和精度高，同時(shí)體積小的各向異性磁電阻元件(AMR)、巨磁電阻元件(GMR)或磁性隧道結(jié)元件(MTJ)為優(yōu)選的敏感元件，由于上述磁性傳感元件的高靈敏度特性，其可以在較長的距離下實(shí)現(xiàn)高精度測量。
[0040]針對問題(2)，本實(shí)用新型中的磁性傳感單元11采用梯度半橋或梯度全橋結(jié)構(gòu)。由于梯度計(jì)式傳感器只對梯度場敏感，因此對于大的干擾磁場(為均勻場)并不敏感，解決了磁場干擾問題。
[0041 ]通常磁性傳感單元為單電阻、半橋或全橋結(jié)構(gòu)。所述單電阻結(jié)構(gòu)包括一個(gè)磁電阻；所述半橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻;所述全橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu);所述磁電阻由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)構(gòu)成，所述磁性傳感元件包括各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件和/或磁性隧道結(jié)元件。巨磁電阻元件和磁性隧道結(jié)元件是一種阻值隨外磁場變化而變化的磁電阻元件，通過現(xiàn)有的技術(shù)磁電阻元件的R-H(阻值-外磁場)曲線具有低磁滯，高飽和場和寬線性范圍的特性，相對于傳統(tǒng)的磁性傳感元件如電感線圈和霍爾元件具有更高的精度和更好的溫度特性，相比于各向異性磁電阻元件具有更高的飽和場，其作為磁性傳感單元的敏感元件是最理想的。
[0042]巨磁電阻元件以及磁性隧道元件的結(jié)構(gòu)圖和工作原理，以及磁性傳感器芯片的具體工作方式可參考公開號為CN103645369A的中國專利:一種電流傳感裝置以及公開號為CN204740297U的中國專利:電磁輻射測量模塊。
[0043]圖3是梯度半橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。如圖所示，第一磁電阻71和第二磁電阻72串聯(lián)起來，三個(gè)端口 Vin、GND以及Vout接入系統(tǒng)，Vin和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。第一磁電阻71和第二磁電阻72沿著磁場敏感方向I的位于不同的位置，由于磁場32是梯度場，沿著磁場梯度方向的場強(qiáng)大小不同，因此第一磁電阻71和第二磁電阻72的阻值不同，進(jìn)而產(chǎn)生輸出，其輸出曲線和外場H的依賴關(guān)系如圖4所示。當(dāng)沒有遮擋物時(shí)，由于磁場32不變，因此磁性傳感單元11的輸出電壓為一恒定值；當(dāng)含有磁性物質(zhì)的遮擋物21經(jīng)過勵(lì)磁12和磁性傳感單元11之間的位置時(shí)，磁場32的分布發(fā)生變化，有部分磁力線被遮擋物21屏蔽，磁性傳感單元11的輸出電壓位于低電壓輸出。
[0044]圖5是梯度全橋結(jié)構(gòu)的電連接示意圖。如圖所示，第一磁電阻71和第二磁電阻72串聯(lián)，第三磁電阻73和第四磁電阻74串聯(lián)，串聯(lián)的兩個(gè)電阻對再并聯(lián)，端口 Vin和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。
[0045]圖6是梯度全橋的物理位置擺放圖。如圖所示，I是磁性傳感單元的磁場敏感方向，沿著磁場敏感方向I的方向，第一磁電阻71和第四磁電阻74的位置相同，第二磁電阻72和第三磁電阻73的位置相同。在沒有外場的作用下，磁電阻71、72、73、74的阻值相同，輸出端沒有電勢差，無輸出。當(dāng)磁場32施加于四個(gè)磁電阻上時(shí)，由于該磁場是梯度場，沿著梯度方向的場強(qiáng)大小不同，則沿著磁場敏剛方向I位置相同的第一磁電阻71和第四磁電阻74的電阻值相同，第二磁電阻72和第三磁電阻73的電阻值相同，第一磁電阻71和第二磁電阻72(第三磁電阻73和第四磁電阻74)的阻值不同，則梯度全橋的輸出端V+和V-之間具有輸出電壓V.，其輸出值和外場的依賴關(guān)系如圖7所示。當(dāng)沒有遮擋物時(shí)，由于磁場32不變，因此磁性傳感單元11的輸出電壓為一恒定值;當(dāng)含有磁性物質(zhì)的遮擋物21經(jīng)過勵(lì)磁12和磁性傳感單元11之間的位置時(shí)，磁場32的分布發(fā)生變化，有部分磁力線被遮擋物21屏蔽，磁性傳感單元11的輸出電壓位于低電壓輸出。
[0046]無論是梯度半橋還是梯度全橋，其輸出信號通過電路模塊處理后輸出開關(guān)信號，其輸出曲線圖如圖8所示。工作場出和出可根據(jù)需求設(shè)置，不一定是飽和場Hs大小?，F(xiàn)有的電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)將線性信號轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號，因此電路模塊為一公知常識，在此不贅述，具體可參考中國公開號為CN102901941A的專利:用于磁開關(guān)傳感器的電路以及中國公開號為CN102931965A的專利:一種用于開關(guān)傳感器的電路。
[0047]顯然，本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種磁性接近開關(guān)，包括用于產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁、用于測量磁場的磁性傳感單元和用來將磁性傳感單元的輸出信號處理為開關(guān)信號的電路模塊，其特征在于， 所述磁性傳感單元為梯度全橋結(jié)構(gòu)或梯度半橋結(jié)構(gòu)； 所述梯度半橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻;所述梯度全橋結(jié)構(gòu)包括四個(gè)磁電阻，其中的兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻與另兩個(gè)串聯(lián)的磁電阻并聯(lián)； 所述磁電阻由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)構(gòu)成;所述磁性傳感元件為各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件，磁性傳感元件的磁場敏感方向相同； 所述磁性傳感單元與電路模塊電連接。2.如權(quán)利要求1所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，還包括骨架，所述骨架用來固定磁性傳感單元和電路模塊。3.如權(quán)利要求1所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，還包括骨架，所述骨架用來固定磁性傳感單元、電路模塊和勵(lì)磁。4.如權(quán)利要求3所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，所述骨架具有凹陷。5.如權(quán)利要求1所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，還包括2個(gè)骨架，其中，一個(gè)骨架用來固定勵(lì)磁，另一個(gè)骨架用來固定磁性傳感單元和電路模塊。6.如權(quán)利要求2-5中任意一項(xiàng)所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，所述骨架是非磁性物質(zhì)。7.如權(quán)利要求1所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，所述巨磁電阻元件或磁性隧道結(jié)元件為納米級厚度的多層膜結(jié)構(gòu)。8.如權(quán)利要求7所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，所述多層膜結(jié)構(gòu)包括納米級薄膜自由層、非磁性層以及釘扎層，納米級薄膜自由層、釘扎層分別位于非磁性層的上下兩側(cè)。9.如權(quán)利要求1所述的一種磁性接近開關(guān)，其特征在于，所述勵(lì)磁為永勵(lì)磁或電磁鐵。
【文檔編號】H03K17/95GK205584167SQ201620200068
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】朱海華, 黎偉, 王建國, 白建民
【申請人】無錫樂爾科技有限公司