改型惠斯通半桥电路及传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种改型惠斯通半桥电路及传感器，所述改型惠斯通半桥电路包括两个半桥电阻单元，两个半桥电阻单元的一端经第一连接导体电连接，两个半桥电阻单元的另一端分别设有第二连接导体和第三连接导体，其特征在于：两个半桥电阻单元的电阻在零偏置场时的不对称性不大于±5%，其中至少一个半桥电阻单元由至少两个电阻支路并联或串联构成。本发明专利技术通过设置并联电阻产生的二次方项有效地消弱了两个半桥电阻阻值不对称性所造成的噪声响应，或者通过串联电阻完全抵消偏置场所造成的电阻阻值不对称性的增加，从而大幅提高信噪比。

【技术实现步骤摘要】
改型惠斯通半桥电路及传感器
本专利技术涉及一种传感电路，具体涉及一种惠斯通半桥电路的改进，以及采用该电路的传感器，用于微弱信号场精密检测。
技术介绍
传感器技术广泛应用于交通、航天航空、金融、工业、生物医学、及智能手机、平板电脑、数码相机、互动游戏等各个领域。随着传感器应用领域的迅速发展，迫切需要提高传感器检测微弱信号场的能力、检测的稳定性和降低成本,而抑制噪声等外界干扰是提高上述性能指标的关键因素。惠斯通电桥是一种常见的传感器电路，检测信号对电阻施加影响，例如根据检测对象采用磁敏电阻、压敏电阻、热敏电阻等，改变电桥中的电阻阻值，以此检测信号。通常使用抑制噪声的方法为采用传统的惠斯通半桥或全桥电路,然而传统的惠斯通电桥电路要求电桥各个电阻的阻值完全一致。但在现实中,一旦由于批量生产工艺重复性问题以及在有偏置场时造成电阻阻值不完全相同时，其抑制噪声能力将大打折扣。就目前工业界大规模生产水平，就算要百分百实现电阻阻值的不对称性小于+/-1%都具有一定挑战性。因此，往往还必须借助于各种信号滤波电路去滤除具有特定频率的噪声。图1示意了一种使用传统的惠斯通半桥电路的传感器示意图。如图1所示，在基板1上，由两个电阻与导线组成了惠斯通半桥电路，其中，一个电阻5的阻值为R1，另一个电阻4的阻值为R2。两个电阻间经第一导线6构成电连接，电阻5的另一端设有第二导线2，电阻4的另一端设有第三导线3。两个电阻的阻值分别为，R1=R0-Rw+R1s+R1n(1)R2=R0+Rw+R2s+R2n(2)其中零场电阻R0为零场时的电阻R1和R2的平均电阻值；不对称性电阻Rw为零场时电阻R1与R2阻值之差的二分之一；电阻不对称性定义为Rw/R0，通常远小于1；信号电阻R1s与R2s分别为电阻R1与R2因信号场所导致的电阻值的变化；噪声电阻R1n与R2n分别为R1与R2因噪声所导致的电阻值的变化。在检测局部信号场时，来自外界的噪声场梯度远小于被检测的信号场梯度。当电阻R1与R2间距远小于噪声场变化距离时，可以近似表达噪声电阻为R1n=R2n=Rn。在对半桥电路施加偏置电压Vin时,输出电压Vout为Vout=Vin×R2/(R1+R2)=0.5Vin×[1+(Rw-(R1s-R2s)/2)/[R0+(R1s+R2s)/2+Rn]](3)在无信号输入时,噪声所导致的输出电压变化Vn为Vn=0.5Vin×[1+(Rw/R0)/(1+(Rn/R0)](4)当有偏置场时,噪声导致的输出电压变化Vn为Vn=0.5Vin×[1+(Rwb/Rb)/(1+(Rn/Rb)](5)其中,偏置电阻Rb=R0+dRb，dRb为偏置场所导致的电阻值的变化；Rwb=Rw+dRwb，dRwb为在偏置场下R1与R2的电阻值差值的二分之一。在恒定偏置场下，Rwb/Rb=Rw/R0；在梯度偏置场下，通常Rwb/Rb>Rw/R0。显然,两个半桥电阻阻值的不对称性Rw导致了输出信号中的噪声响应，降低该不对称性(Rw/R0)有助于抑制噪声。然而，减小电阻不一致性受到生产工艺和装配能力的限制。施加偏置磁场可激励磁信号而大幅提高信号强度，有利于提高信噪比。但是，非恒定的梯度偏置磁场会大幅增加电阻不对称性(Rw/R0)。此外，尽管可以采用大偏置场有利于通过(Rw/Rb)降低不对称性，偏置场大小受到不能过量偏置而导致磁阻饱和的限制。因此，单靠传统半桥的一阶项[(Rw/R0)/(1+(Rn/Rb)]来衰减噪声的效果有限。图2示意了噪声对一个使用传统的惠斯通半桥电路的磁传感器输出信号的影响。其设置为，磁阻为磁阻率200%的隧道磁阻，两个隧道磁阻的磁场敏感方向相同，其零场电阻的不对称性为+/-1%，无外加偏置场，一个恒定的点信号磁场源由传感器上方近距离先经过R1再经过R2，信号磁场所产生的最大电阻变化为零场电阻的0.002%，并在半桥电路上方用一个通过三角函数电流导线所产生的磁场来模拟环境噪声干扰。由图2可见，在与信号相同大小的噪声干扰下，输出信号已能显示出噪声造成的波动，当噪声为信号的5倍时，要辨认并判断输出信号的波形已经相当困难。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种改型惠斯通半桥电路，减小半桥中电阻值不完全一致造成的影响，特别是由于偏置磁场所造成的电阻值不一致性变差的影响，提高检测灵敏度；本专利技术的另一个专利技术目的是提供应用这种改型惠斯通半桥电路的传感器。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种改型惠斯通半桥电路，包括两个半桥电阻单元，两个半桥电阻单元的一端共同经第一连接导体电连接，两个半桥电阻单元的另一端分别设有第二连接导体和第三连接导体，两个半桥电阻单元的电阻在零偏置场时的不对称性不大于±5%，其中至少一个半桥电阻单元由至少两个电阻支路并联或串联构成。上述技术方案中，两个半桥电阻单元的电阻阻值理论上应当相等，但在实际制作中，必然存在偏差，电阻不对称性的定义如
技术介绍
中所述，两个半桥电阻单元的电阻不对称性越大，噪声的影响越大。采用电阻支路并联构成半桥电阻单元后，可以产生二次方项，通过对远小于1的不对称性项(Rw/R0)按二次方衰减，有效地抑制噪声响应。而采用电阻支路串联构成半桥电阻单元后，可以抵消由于偏置场沿电阻间距造成的电阻变化项的dRwb，而保证零场电阻不对称性不因偏置场增加，只提高信号强度而不增加噪声，从而有效地提高信噪比。优选的技术方案，两个半桥电阻单元中，一个半桥电阻单元由一个电阻支路构成，另一个半桥电阻单元由两个电阻支路并联或串联构成，该两个电阻支路的另一端由第二连接导体电连接。进一步的技术方案，所述两个电阻支路的两个电阻沿其敏感方向等间距对称分布在另一支路电阻的两侧，且其零场电阻不对称性不大于±5%。上述技术方案中，每个电阻支路为一个电阻或者由多个电阻串联或并联构成。一种传感器，设有上述的改型惠斯通半桥电路，所述两个半桥电阻单元由能感应被检测信号而产生电阻值变化的敏感电阻构成。可以单独使用上述改型惠斯通半桥电路，也可以由改型惠斯通半桥电路构成惠斯通全桥电路。当作为磁传感器时，所述敏感电阻为磁阻，各个磁阻的磁场敏感方向相同或相反设置。所述磁阻可以是隧道磁阻、巨磁阻、各向异性磁阻、霍尔磁阻。进一步的技术方案，设有偏置磁场，所述磁阻的磁场敏感方向与偏置磁场方向相同或相反设置。优选的技术方案，所述偏置磁场为线性梯度场，磁阻的磁场敏感方向相同且被布置在线性偏置磁场范围内，同时磁阻不被偏置磁场饱和。上述技术方案中，所述偏置磁场采用单极或多级，即南极-北极-南极或北极-南极-北极组合，可以在磁阻分布的范围内产生线性梯度场。偏置磁场可以由单个或多个永久磁铁或者线圈磁铁的组合来实施，亦可以由微加工制作在芯片表面的硬磁偏置薄膜或线圈结构来实施。在使用梯度偏置磁场情况时，检测到硬磁与软磁信号的输出波形具有明显的不同特征。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：1、本专利技术其中至少一个半桥电阻单元由电阻支路并联构或串联成，由于并联电阻产生的二次方项对减弱电阻不一致性的作用远超过传统电路产生的一次方项，或者由于串联电阻抑制了偏置场所带来的电阻不对称性增加，因此，本专利技术提供的改型惠斯通半桥电路及传感器能更为有效地抑制噪声响应及提高信噪比；2、采用本专利技术制备磁传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改型惠斯通半桥电路，包括两个半桥电阻单元，两个半桥电阻单元的一端共同经第一连接导体电连接，两个半桥电阻单元的另一端分别设有第二连接导体和第三连接导体，其特征在于：两个半桥电阻单元的电阻在零偏置场时的不对称性不大于±5%，其中至少一个半桥电阻单元由至少两个电阻支路并联或串联构成。

【技术特征摘要】
2013.12.20 CN 201310708848.51.一种改型惠斯通半桥电路，包括两个半桥电阻单元，两个半桥电阻单元的一端共同经第一连接导体电连接，两个半桥电阻单元的另一端分别设有第二连接导体和第三连接导体，其特征在于：两个半桥电阻单元的电阻在零偏置场时的不对称性不大于±5%，其中至少一个半桥电阻单元由至少两个电阻支路并联或串联构成；构成一个半桥电阻单元的电阻支路，沿其感应方向等间距对称分布在另一个半桥电阻单元的两侧。2.根据权利要求1所述的改型惠斯通半桥电路，其特征在于：两个半桥电阻单元中，一个半桥电阻单元由一个电阻支路构成，另一个半桥电阻单元由两个电阻支路并联或串联构成，该两个电阻支路的另一端由第二连接导体电连接。3.根据权利要求1或2所述的改型惠斯通半桥电路，其特征在于：每个电阻支路为一个电阻或者由多个电阻串联或并联构成。4.一种传...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶友忠，
申请(专利权)人：叶友忠，
类型：发明
国别省市：中国香港;81