一种磁阻混频器

摘要

本发明公开了一种磁阻混频器，包括螺旋线圈、桥式磁阻传感器以及磁屏蔽层，螺旋线圈位于桥式磁阻传感器和磁屏蔽层之间。组成桥式磁阻传感器的四个隧道磁阻传感器单元各包含N个阵列式磁隧道结行，磁隧道结行之间以串联、并联或串、并联混合连接成两端口结构。四个磁阻传感器单元分别位于螺旋线圈具有相反电流方向的两个区域内，磁隧道结敏感轴垂直于电流方向，且在这两个区域内磁阻传感器单元敏感轴向磁场分布特征相反，单个区域内分布特征相同。第一频率信号通过螺旋线圈两端输入，第二频率信号通过桥式磁阻传感器电源-地两端输入，混频信号通过桥式磁阻传感器信号输出端输出。该磁阻混频器具有线性好、输入信号相互隔离，低功耗的特点。

权利要求

1.一种磁阻混频器，用于对输入的第一频率信号源和第二频率信号源进行混频得到混频信号，其特征在于，其包括：螺旋线圈、桥式磁阻传感器以及磁屏蔽层，所述的螺旋线圈位于所述的磁屏蔽层和所述的桥式磁阻传感器之间；

所述的桥式磁阻传感器包括四个构成桥式结构的磁阻传感器单元，两两一组分别位于所述的螺旋线圈上方或下方具有相反电流方向的两个区域内；

每个所述的磁阻传感器单元包含N个阵列式磁隧道结行，每个阵列式磁隧道结行由M个磁隧道结构成，M、N均为正整数，且各所述的阵列式隧道结行之间以串联、并联或者串并联混合连接成两端口结构，且所述的磁隧道结的敏感轴垂直于其所在的所述的区域内所述的螺旋线圈中的电流方向；

在两个所述的区域内，所述的磁阻传感器单元中的磁隧道结的敏感轴向磁场分布特征相反，而在单个所述的区域内，所述的磁阻传感器单元中的磁隧道结的敏感轴向磁场分布特征相同；

所述的第一频率信号源通过所述的螺旋线圈输入，从而使所述的第一频率信号源转变成与所述的磁隧道结的敏感轴向磁场具有相同频率的磁场信号并作用于所述的磁隧道结，使得所述的磁阻传感器单元的电阻发生变化，所述的第二频率信号源通过所述的桥式磁阻传感器的电源-地端口输入，使得所述的磁阻传感器单元两端的电压发生变化；

所述的混频信号通过所述的桥式磁阻传感器的信号输出端输出，其输出的混频信号的信号频率为所述的第一频率信号源和所述的第二频率信号源的频率之和或之差。

2.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，四个所述的磁阻传感器单元具有相同的电阻-磁场特征。

3.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，位于所述的螺旋线圈上方或下方具有相反电流方向的两个区域内的所述磁阻传感器单元具有相同的磁隧道结连接结构，且相位相反。

4.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，在所述的第一频率信号源通过所述的螺旋线圈所产生磁隧道结敏感轴向磁场范围内，所述的磁阻传感器单元中的磁隧道结的电阻与外磁场之间为线性特征关系。

5.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，位于所述的螺旋线圈上方或下方的所述的磁阻传感器单元内的所述的阵列式磁隧道结行的敏感轴向磁场具有均匀或非均匀磁场分布特征。

6.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，位于所述的螺旋线圈上方或下方的所述的区域内的所述的磁阻传感器单元的阵列式磁隧道结行垂直或平行于该区域内所述的螺旋线圈中的电流方向。

7.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，所述的第一频率信号源通过有源或无源方式与所述的螺旋线圈相连。

8.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，所述的第二频率信号源通过无源或有源方式与所述的桥式磁阻传感器的电压-地端口相连。

9.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，所述的混频信号通过无源或有源方式由桥式磁阻传感器的信号输出端输出。

10.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于，所述的螺旋线圈由铜、金或银这种高导电率金属材料制成。

11.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于：所述的磁屏蔽层的组成材料为选自高磁导率铁磁合金NiFe、CoFeSiB、CoZrNb、CoFeB、FeSiB或FeSiBNbCu中的一种。

12.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于：所述的螺旋线圈的厚度为

1-20um，宽度为5-40um，相邻两个单线圈之间的间距为10-100um。

13.根据权利要求1所述的一种磁阻混频器，其特征在于：所述的磁屏蔽层的厚度为

1-20 um。

说明书

一种磁阻混频器

技术领域

[0001] 本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种磁阻混频器。

技术领域

[0002] 混频器指将频率为f1的信号源与频率为f2的信号源转变成具有f1+f2和f1-f2特征频率输出信号的电子器件。通过混频器，可以使得信号源频率移动到高频或低频位置，从而方便进行信号处理。例如通过混频技术将信号频率发生移动，从而使其同噪音信号分离开来，进而通过滤波技术可以将噪音过滤掉，再通过混频技术使得信号频率恢复到原来的数值，从而可以实现噪音信号的处理。因此，混频技术在信号处理电路技术中得到广泛应用。

[0003] 目前使用的混频器包括无源和有源两种类型。无源混频器采用一个或多个二极管，利用二极管电流-电压特征曲线的非线性段近似具有二次方特征来实现乘法运算，操作时将两个输入信号之和作用于二极管，则进一步将二极管输出电流信号转变成电压信号即可以得到包含两个信号乘积的输出项。

[0004] 有源混频器采用乘法器（例如晶体管或真空管）增加乘积信号强度，通过将输入频率信号和本振频率进行混频，从而可以得到包含两个频率的加法和减法的信号输出频率，有源混频器提高了两个输入端的隔离程度，但可能具有更高噪音，并且其功耗也更大。

[0005] 以上混频器存在如下问题：

[0006] 1）二极管混频器采用近似处理方法，输出信号除了包含所需频率之外，还存在着其他频率，而且其信号强度还比较大，需要后续采用滤波器等技术来分离噪音，才能得到所需信号。

[0007] 2）有源混频器采用本振实现频率混合，输出信号包含多种其他频率，同样需要采用滤波器进行分离，而且需要使用乘法器以及本振等器件，增加了电路的复杂程度和功耗。

[0008] 3）输入信号和输出信号无法实现有效的隔离，二者之间会产生相互影响。

发明内容

[0009] 为了解决以上存在的问题，本发明提出了一种磁阻混频器，利用磁阻传感器的电阻随外磁场变化具有良好线性关系的特点，将其中一种流过螺旋线圈的频率信号转变成磁场信号，另外一种频率信号转变成电源信号作用于磁阻传感器，则磁阻传感器的输出信号即为两种频率信号的乘法运算信号，所得信号的频率为其之和或之差，而没有其他多余的信号，从而不需要滤波器等其他元件；由于螺旋线圈和磁阻传感器之间采用磁场耦合，从而实现了输入信号之间以及输入信号和输出信号之间的有效隔离；此外，磁阻传感器还具有低功耗特点，并具有高的磁场灵敏度，因此磁场敏感电流不需要太大，而且输出信号较大，这些保证了低功耗和低噪音。

[0010] 本发明提出的用于对输入的第一频率信号源和第二频率信号源进行混频得到混频信号的磁阻混频器包括：

[0011] 螺旋线圈、桥式磁阻传感器以及磁屏蔽层，所述的螺旋线圈位于所述的磁屏蔽层和所述的桥式磁阻传感器之间；所述的桥式磁阻传感器包括四个构成桥式结构的磁阻传感器单元，两两一组分别位于所述的螺旋线圈上方或下方具有相反电流方向的两个区域内；每个磁阻传感器单元包含N个阵列式磁隧道结行，每个阵列式磁隧道结行由M个磁隧道结构成，M、N均为正整数，且各所述的阵列式隧道结行之间以串联、并联或者串并联混合连接成两端口结构，且所述的磁隧道结的敏感轴垂直于其所在的所述的区域内所述的螺旋线圈中的电流方向；在两个所述的区域内，所述的磁阻传感器单元中的磁隧道结的敏感轴向磁场分布特征相反，而在单个所述的区域内，所述的磁阻传感器单元中的磁隧道结的敏感轴向磁场分布特征相同；所述的第一频率信号源通过所述的螺旋线圈输入，从而使所述的第一频率信号源转变成与所述的磁隧道结敏感轴向磁场具有相同频率的磁场信号并作用于所述的磁隧道结，使得所述的磁阻传感器单元的电阻发生变化，所述的第二频率信号源通过所述的桥式磁阻传感器的电源-地端口输入，使得所述的磁阻传感器单元两端的电压发生变化，所述的混频信号通过所述的桥式磁阻传感器的信号输出端输出，其输出的混频信号的频率为所述的第一频率信号源和所述的第二频率信号源的频率之和或之差。

[0012] 优选地，四个所述的磁阻传感器单元具有相同的电阻-磁场特征。

[0013] 优选地，位于两个所述的区域内的所述的磁阻传感器单元具有相同的磁隧道结连接结构，且相位相反。

[0014] 优选地，在所述的第一频率信号源通过所述的螺旋线圈所产生的磁场范围内，所述的磁阻传感器单元中的磁隧道结的电阻与外磁场之间为线性特征关系。

[0015] 优选地，位于所述的螺旋线圈上方或下方的单个磁阻传感器单元内的所述的阵列式磁隧道结行的敏感轴向磁场具有均匀或非均匀磁场分布特征。

[0016] 优选地，位于所述的螺旋线圈上方或下方的所述的区域内的所述的磁阻传感器单元中的阵列式磁隧道结行垂直或平行于该区域内的所述的螺旋线圈中的电流方向。

[0017] 优选地，所述的第一频率信号源通过有源或无源方式与所述的螺旋线圈相连。

[0018] 优选地，所述的第二频率信号源通过无源或有源方式与所述的桥式磁阻传感器的电压-地端口相连。

[0019] 优选地，所述的混频信号通过无源或有源方式由桥式磁阻传感器的信号输出端输出。

[0020] 优选地，所述的螺旋线圈由铜、金或银这种高导电率金属材料制成。

[0021] 优选地，所述的磁屏蔽层的组成材料为选自高磁导率铁磁合金NiFe、CoFeSiB、CoZrNb、CoFeB、FeSiB或FeSiBNbCu中的一种。

[0022] 优选地，所述的螺旋线圈厚度为1-20um，宽度为5-40um，相邻两个单线圈之间的间距为10-100um。

[0023] 优选地，所述的磁屏蔽层厚度为1-20um。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

[0025] 图1为本发明的磁阻混频器的截面图。

[0026] 图2为本发明的磁阻混频器的俯视图。

[0027] 图3为本发明的磁阻混频器中的桥式磁阻传感器的示意图。

[0028] 图4为本发明的磁阻混频器中的螺旋线圈-磁屏蔽层中的磁场分布图。

[0029] 图5为本发明的磁阻混频器中的螺旋线圈在有无磁屏蔽层时垂直于电流方向磁场分量分布图。

[0030] 图6为本发明的磁阻混频器的磁屏蔽层对平行外磁场衰减模型。

[0031] 图7为本发明的磁阻混频器在空气屏蔽层（即无屏蔽层）情况下的磁场分布曲线。

[0032] 图8为本发明的磁阻混频器在有磁屏蔽层情况下的磁场分布曲线。

[0033] 图9为本发明的磁阻混频器中的磁隧道结的磁阻-外磁场特征曲线图。

[0034] 图10为本发明的磁阻混频器中串联N行磁隧道结构成的磁阻传感器单元的示意图。

[0035] 图11为本发明的磁阻混频器中并联N行磁隧道结构成的磁阻传感器单元的示意图。

[0036] 图12为本发明的磁阻混频器中混合串并联N行磁隧道结构成的磁阻传感器单元的示意图。

[0037] 图13为本发明的磁阻混频器的工作原理图。

[0038] 图14为本发明的磁阻混频器中均匀磁场区域磁阻传感器单元与螺旋线圈位置排布图。

[0039] 图15为本发明的磁阻混频器中磁场区域磁阻传感器单元与螺旋线圈平行位置排布图。

[0040] 图16为本发明的磁阻混频器中磁场区域磁阻传感器单元与螺旋线圈垂直位置排布图。

[0041] 图17为本发明的磁阻混频器采用无源线圈信号、无源电源信号、无源输出信号时混频器的信号处理电路图。

[0042] 图18为本发明的磁阻混频器采用有源线圈信号、有源电源信号、无源输出信号时混频器的信号处理电路图。

[0043] 图19为本发明的磁阻混频器采用有源线圈信号、有源电源信号、有源输出信号时混频器的信号处理电路图。

[0044] 图20为本发明的磁阻混频器采用无源线圈信号、无源电源信号、有源输出信号时混频器的信号处理电路图。

具体实施方式

[0045] 下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

[0046] 实施例一

[0047] 图1为磁阻混频器的截面图，其包括磁屏蔽层1、螺旋线圈2、桥式磁阻传感器9，其中螺旋线圈2位于磁屏蔽层1和桥式磁阻传感器9之间。本实施例中，依据图1中所示的方向，桥式磁阻传感器9位于螺旋线圈2的下方。当然也可以采用桥式磁阻传感器9位于螺旋线圈2的上方的方案。

[0048] 螺旋线圈由高导电率金属材料（例如铜、金或银等）制成，其厚度为1-20um，宽度为5-40um，相邻两个单线圈之间的间距为10-100um。

[0049] 磁屏蔽层由高磁导率铁磁合金（例如NiFe、CoFeSiB、CoZrNb、CoFeB、FeSiB或FeSiBNbCu等）制成，其厚度为1-20um。

[0050] 图2为磁阻混频器的俯视图。桥式磁阻传感器9如图3所示，其包含四个构成桥式结构的磁阻传感器单元R3、R6、R4和R5，两两一组分别位于螺旋线圈2表面具有反电流方向的两个区域7和8内，即位于同一半桥的磁阻传感器单元R3和R4分别位于区域7和区域8中，而位于另一半桥的磁阻传感器单元R5和R6分别位于区域8和区域7中。区域7中又分为包含磁阻传感器单元R3的子区域3和包含磁阻传感器单元R6的子区域6；区域
8中分为包含磁阻传感器单元R4的子区域4和包含磁阻传感器单元R5的子区域5。桥式磁阻传感器9要求四个磁阻传感器单元R3、R6、R4和R5具有相同的电阻-外磁场特征，且在区域7和8内，磁阻传感器单元R3和R6与R4和R5的磁场分布特征相反，但在子区域3和6内，磁阻传感器单元R3和R6的磁场分布特征相同，同样在子区域4和5内，磁阻传感器单元R4和R5的磁场分布特征也相同。

[0051] 图4为螺旋线圈2和磁屏蔽层1所产生磁场的分布曲线图，可以看出，螺旋线圈2所产生电磁场在经过磁屏蔽层1之后，产生明显磁力线集中现象，表明磁场得到增强。图5为有磁屏蔽层1和无磁屏蔽层1这两种条件下，螺旋线圈2表面放置桥式磁阻传感器9的在区域7和8内垂直于电流方向的磁场分量分布图，从图5中可以看出施加磁屏蔽层1后，其磁场强度得到显著增强。此外，磁场在区域7和8内具有反对称分布特征，且螺旋线圈2表面和螺旋线圈2的间隙处磁场方向相反，在靠近螺旋线圈2的对称中心和边缘的区域10和11内磁场为非均匀分布，而在中间区域12内则具有均匀分布特征。

[0052] 图6为磁屏蔽层1对平行于平面内外磁场的衰减率计算模型，在该模型中磁屏蔽层1和空气层分别放置于赫姆霍茨线圈（图中未示出）所产生的平行于磁屏蔽层1的磁场当中。图7为无磁屏蔽层1的情况下赫姆霍茨线圈在桥式磁阻传感器9位置处所产生磁场的分布图，图8为有磁屏蔽层1的情况下赫姆霍茨线圈在桥式传感器9位置处所产生磁场分布图，对比图7和图8可以看出，其磁场衰减率为1/9，表明磁屏蔽层1对外磁场具有良好屏蔽性。本实施例只为说明有无屏蔽层对外磁场的影响，跟所采用的线圈无关，所以所得结论也同样适用于本发明中的螺旋线圈2。图9为组成磁阻传感器单元R3、R4、R5和R6的磁隧道结的电阻-磁场特征曲线，在图4所示螺旋线圈2所产生磁场工作区域内，其为线性分布特征。

[0053] 图10-12为磁阻传感器单元R3、R4、R5、R6结构图，每个磁阻传感器单元包含N（N为正整数）个阵列式磁隧道结行，每个阵列式磁隧道结行由M（M为正整数）个磁隧道结构成，各行阵列式磁隧道结行之间为串联连接如图11所示或并联连接如图12所示或者为串并联混合连接如图13所示。区域7和8中的磁阻传感器单元具有相同的磁隧道结连接结构，但相位相反，并且位于螺旋线圈上方或下方的单个磁阻传感器单元内的阵列式磁隧道结行的敏感轴向磁场具有均匀或非均匀磁场分布特征，且位于螺旋线圈上方或下方的单个磁阻传感器单元内的阵列式磁隧道结行垂直或平行于其所在区域7或8内的螺旋线圈2中的电流方向。

[0054] 图13为磁阻混频器的工作原理图，频率为f1的第一频率信号源通过螺旋线圈2输入使得螺旋线圈2中流过电流I，则其在螺旋线圈2中所产生对应磁场信号H的频率同样为f1。由于子区域3、6和5、4内对应的四个磁阻传感器单元R3和R6与R5和R4分别具有反对称磁场分布特征，而磁阻传感器单元R3和R6、R5和R4的磁场分布特征则两两相同，则只需要对其中一个磁阻传感器单元在磁场作用下的电阻变化进行分析即可。

[0055] 假设图9所示磁隧道结的电阻-磁场曲线斜率为dR/dh，假定桥式磁阻传感器9中的磁阻传感器单元R3的N行阵列式隧道结行中，每行包含M（M为正整数）个串联的磁隧道结。假设第n（0

[0056] 因此，构成串联或并联的磁隧道结行的电阻变化正比于电流I的频率f1，并且与磁隧道结行所处的敏感轴向磁场Hnm分布有关。另一方面，敏感轴向磁场Hnm正比于螺旋线圈2中的电流I，即Hnm=KnmI,Knm是与螺旋线圈2及磁屏蔽层1的电磁性能及几何尺寸有关的特征系数。

[0057] 因此隧道结行之间串联、并联以及串并联混合结构，仅仅表示为特征系数Knm之间的运算。对于N行之间串联的情况，磁阻传感器单元R3的特征因子表示为：

[0058]

[0059] 而对于N行之间并联的情况，特征因子表示为

[0060]

[0061] 对于混合串并联的情况，假设串联有N1行，并联有N-N1行，则特征因子K可以表示为：

[0062]

[0063] 磁阻传感器单元R3的总电阻变化为：

[0064]

[0065] 假设没有外磁场作用时，磁阻传感器单元的总电阻为R0，桥式磁阻传感器9的电压-地两端电压为Vdd，则单臂中流过的电流为 由于两个半桥的总电阻不变，则桥式磁阻传感器输出电压信号为：

[0066]

[0067] 假设桥式磁阻传感器9的电源-电压特征频率为f，且具有如下形式：

[0068] Vdd=Vm·sin(2πft)，其中Vm为Vdd的幅值，

[0069] 则桥式磁阻传感器输出电压信号为：

[0070]

[0071] 可以看出，输出信号的频率为螺旋线圈2中电流I的频率f1和桥式磁阻传感器9电源-地电压Vdd的频率f的和或差，并且不包含其他频率。故待混频的第一频率信号源经螺旋线圈2输入，第二频率信号源通过桥式磁阻传感器9的电源-地端口输入，而得到的混频信号则通过桥式磁阻传感器9的信号输出端输出。对于均匀场的情况，Km相同，则对于串联情况：

[0072]

[0073] 对于并联情况：

[0074]

[0075] 对于混合串并联情况：

[0076]

[0077] 图14为螺旋线圈2的均匀场区域13内，桥式磁阻传感器9在螺旋线圈2上的排布图。磁阻传感器单元R3、R6和R4、R5分别位于螺旋线圈2的上表面或下表面具有反电流方向的两个区域7和8内，并且两个区域内磁阻传感器单元具有反对称几何特征，磁阻传感器单元R3、R5、R4、R6中的磁隧道结行位于螺旋线圈2的通电段表面中心，且平行于电流方向，磁阻传感器单元R3和R6,R4和R5中的阵列式隧道结行为间隔排列形式，且磁隧道结的敏感轴垂直于螺旋线圈2的导电段。

[0078] 磁阻传感器单元中的磁隧道结还可以采用其他的排布方式。

[0079] 图15-16为螺旋线圈2上表面或下表面上桥式磁阻传感器9在螺旋线圈2上的排布图。磁阻传感器单元R3、R6和R4、R5分别位于螺旋线圈2上表面或下表面具有反电流方向的两个区域7和8内，并且两个区域内磁阻传感器单元具有反对称几何特征。且磁阻传感器单元R3和R4，R5和R6结构具有反对称特征，此时R3和R6结构完全相同，R4和R5结构完全相同。且在子区域3和6、4和5内磁阻传感器单元的N行阵列式隧道结单元的磁隧道结轴向磁场分布特征完全相同，而子区域3和4，5和6具有反对称磁场分布特征。磁阻传感器单元包含N行阵列式磁隧道结行，各阵列式隧道结行之间以串联、并联或串并联混合形式连接成两端口结构，磁阻传感器行平行于所对应的螺旋线圈行或者垂直于螺旋线圈行，磁隧道结的敏感轴垂直于螺旋线圈，此时，磁阻传感器单元可以位于磁场均匀区，也可以位于磁场非均匀区，也可以部分位于磁场均匀区或部分位于磁场非均匀区。

[0080] 第一频率信号源通过有源或无源方式与螺旋线圈相连；第二频率信号源通过无源或有源方式与桥式磁阻传感器的电压-地端口相连；混频信号通过无源或有源方式桥式由磁阻传感器的信号输出端输出。

[0081] 图17为磁阻混频器的信号处理电路图。其中，第一频率信号源f1直接以无源形式与螺旋线圈2的两端相连，第二频率信号源f直接以无源形式桥式从磁阻传感器9的电源-地端口输入，而混频信号频率通过桥式磁阻传感器9的信号输出端口直接以无源形式输出。

[0082] 图18为磁阻混频器的另外一种信号处理电路图，其中，第一频率信号源f1以有源方式通过V-I转换器14将电压信号转变成电流信号与螺旋线圈2的两端相连，第二频率信号源f以有源方式通过缓冲放大器13与桥式磁阻传感器9的电源-地端口输入，混频信号则通过桥式磁阻传感器9的信号输出端口直接以无源形式输出。

[0083] 图19为磁阻混频器的第三种信号处理电路图，其中，第一频率信号源f1以有源方式通过V-I转换器16将电压信号转变成电流信号与螺旋线圈2的两端相连，第二频率信号源f以有源方式通过缓冲放大器15与桥式磁阻传感器9的电源-地端口输入，混频信号通过缓冲电压放大器17间接以有源方式输出。

[0084] 图20为磁阻混频器的第四种信号处理电路图，其中，第一频率信号源f1以有源方式与螺旋线圈2的两端相连，第二频率信号源f以有源方式通过桥式磁阻传感器9的电源-地端口输入，混频信号通过缓冲电压放大器18间接以有源方式输出。

[0085] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。