CN100460820C - 具有测试模式激活的磁阻传感器 - Google Patents

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Abstract

特别是在汽车应用中，包括几何泄漏移位传感器元件的传感器系统必须符合关于质量、精度和安全性的特性和要求。为此，必须对传感器进行测试和微调。根据本发明的一个典型实施例，提供一种磁阻传感器，允许通过对该传感器施加均匀磁场而测试和微调该传感器。有利地，这样可以提供一种具有简单结构的磁阻传感器。

Description

具有测试模式激活的磁阻传感器
本发明涉及磁阻传感器领域.特别地，本发明涉及一种磁阻传感器，一种操作磁阻传感器的方法，一种对磁阻传感器进行测试和微调至少其中之一的方法，和一种对磁阻传感器进行测试和微调至少其中之一的设备.
磁阻传感器元件正在变得越来越普及。特别地，在汽车工业中需要磁阻传感器，其能够实现高标准的质量、精度和安全性。
这种传感器通常包括多个磁阻元件和信号处理单元，例如以集成电路的形式来估计和变换该磁阻元件的输出信号为输出信号.例如，这种磁场传感器可以用于测量例如轴的位置和旋转速度.与机械组件例如有源或无源编码器相结合，这种传感器可以生成模拟正弦信号，其可以变换为数字信号。
如上所述，特别是在汽车应用中，传感器必须满足质量、精度和安全性的特性和需求。例如由磁阻元件的非线性或生产中的偏差所导致的传感器系统公差会对性能有影响，并且必须在安装之前通过使用测试和微调(trimming)方法来补偿.常规的磁场传感器使用简单的磁线圈进行测试和微调.例如，可以通过调节附加到传感器后部的磁体而补偿这种传感器的偏差.
为了激活测试模式以允许对传感器进行测试和微调，传感器通常具有测试模式激活引脚。对该测试模式激活引脚应用一个显著高于传感器正常供给电压的电压应用以激活测试模式.然而，这需要在传感器上提供额外的测试模式激活引脚。而且，由于需要提供具有更高电位的其他线，所以传感器的布线会变得更复杂。此外，这种系统容易受到EMV影响。
本发明的目的是提供一种改进的磁阻传感器.
根据如权利要求1所述的本发明的典型实施例，提供一种磁阻传感器，包括第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件。而且，提供第一信号处理单元，其连接到该第一多个第一磁阻元件以生成第一输出信号.该第一输出信号具有第一相位.此外，提供第二信号处理单元，其连接到该第二多个第二磁阻元件以生成第二输出信号.该第二输出信号具有第二相位.该传感器具有工作模式和测试模式.根据本发明的本实施例的一个方面，该测试模式可以适应于调节例如该磁阻元件的偏置，和微调该磁阻元件以例如补偿生产偏差.
提供第三信号处理单元，用于处理该第一和第二信号处理单元的第一和第二输出信号.该第三信号处理单元适应于基于该第一和第二输出信号激活该工作模式和测试模式之一。
根据本发明的本实施例，该第三信号处理单元适应于当该第一和第二磁阻元件暴露于均匀磁场时激活该测试模式.
有利地，这使得可以通过对该磁阻元件施加均匀磁场而非常简单和安全地激活该磁阻传感器的测试模式.有利地，这可以实现该磁阻传感器的简化的布线，因为不需要提供具有更高电位的其他线.而且，由于在正常环境中，在这种磁阻传感器的应用区域中不会出现均匀磁场，所以可以避免该测试模式的意外激活，从而可以提供更安全的系统。而且，不需要提供额外的测试模式激活引脚，当该第一、第二和第三信号处理单元被集成为集成电路时这是特别有利的。
根据本典型实施例的一个方面，对该磁阻传感器的磁阻元件应用不均匀磁场会导致该第一和第二输出信号之间存在基本为90°的相位差。
根据如权利要求2所述的本发明的另一典型实施例，该第三信号处理单元适应于当该第一相位和第二相位之间的相位差基本上是0°和180°之一，即0和π之一时，激活测试模式。
有利地，这样可以允许该第三信号处理单元的简单布置和电路。而且，这样可以允许提供一种容易制造并且廉价的磁阻传感器.
根据如权利要求3所述的本发明的另一典型实施例，该磁阻元件被布置在电桥结构中。该第一信号处理单元连接到该磁阻元件以使得该第一信号处理单元处理第一半电桥的磁阻元件的测量信号，而该第二信号处理单元处理第二半电桥的磁阻元件的测量信号。有利地，由于这种布置，如果对该磁性磁阻元件提供均匀磁场，那么该第一和第二信号处理单元的第一和第二输出信号之一的信号电平会低于预定电平。例如，如果该传感器被良好微调并且该均匀磁场是理想均匀的，那么该第一和第二输出信号之一可以基本为0.这样就允许非常简单和安全地激活该测试模式.而且，该第一、第二和第三信号处理单元的电路是简单和稳健的.
根据如权利要求4所述的本发明的另一典型实施例，该第一和第二多个第一和第二磁阻元件在几何上彼此相对位移.例如，每一半电桥的磁阻元件被布置在彼此相距一定距离处。此外，根据本发明的本典型实施例，该传感器是特别用于需要精确和安全传感器的汽车应用中的位置传感器、转速传感器和角度传感器之一.
根据如权利要求5所述的本发明的另一典型实施例，该第三信号处理单元适应于当该第一和第二多个第一和第二磁阻元件暴露于均匀磁场和非均匀磁场中至少一个时激活该工作模式。有利地，这样可以允许非常简单地从测试模式切换到工作模式.
根据如权利要求6所述的本发明的另一典型实施例，提供一种操作磁阻传感器的方法.有利地，该方法可以用于操作根据如权利要求1-5所述的本发明的典型实施例的磁阻传感器。根据该操作磁阻传感器的方法的这一典型实施例，当对该传感器的磁阻元件施加均匀磁场时激活该测试模式.有利地，这样可以允许快速和安全地激活该测试模式，特别是由于实际上一般不会出现均匀磁场。
根据如权利要求7所述的本发明的另一典型实施例，提供一种对磁阻传感器进行测试和微调中至少之一的方法，其中对该磁阻传感器施加均匀磁场，并且当对该传感器施加该均匀磁场时执行对该磁阻传感器的测试和微调中的一个.这样可以允许对该磁阻传感器的快速和简单测试或微调.
根据如权利要求8所述的本发明的另一典型实施例，提供一种用于对磁阻传感器进行测试和微调中至少之一的设备.根据本发明的一个典型实施例，该设备包括适应于产生均匀磁场的线圈装置.
根据如权利要求9所述的本发明的另一典型实施例，该线圈结构包括亥姆霍兹(Helmholtz)线圈结构。
本发明的典型实施例的要点可以看作是，通过对磁阻传感器施加均匀磁场而激活磁阻传感器的测试模式.为此，根据本发明的磁阻传感器提供有电路，该电路根据磁阻元件的测量信号确定均匀磁场被施加到该传感器，然后将该磁阻传感器的工作模式切换为测试模式.在该测试模式期间，能够对该传感器进行测试和微调和调节.
结合下文中描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得非常清楚和明白。
下面将参照附图描述本发明的典型实施例：
图1示出了根据本发明的磁阻传感器的磁阻元件布置的第一典型实施例的简化电路图.
图2示出了根据本发明的磁阻传感器的磁阻元件布置的第二典型实施例的简化电路图.
图3示出了根据本发明的磁阻传感器的电子电路的简化框图，其可以与图1和图2所示的磁阻结构组合使用.
图4是电压对角度的示意图，示出了在图3所示电路中发生的信号。
图1示出了根据本发明的磁阻传感器的磁阻元件布置的第一典型实施例的电路示意图.参考数字2、4、6和8表示磁阻元件.如图1所示，磁阻元件2和6被布置成形成第一半电桥，而磁阻元件4和8被布置成形成另一半电桥.该第一半电桥的磁阻元件2和6分别被设置成使得它们在几何上与该第二半电桥的磁阻元件4和8分离。对于特定应用，可以有利地将每一半电桥的磁阻元件布置成彼此相距不同距离处。
如图1所示，通过磁阻元件2和6之间的连接得到第一信号.该信号接地被称为Vout1.此外，通过磁阻元件4和8之间的连接得到第二信号.该信号接地被称为Vout2。换句话说，如图1所示，从各个半电桥连接得到两个信号.
图2示出了根据本发明的磁阻传感器的磁阻元件布置的第二典型实施例的电路示意图.如图2所示，提供多个磁阻元件例如磁阻电阻器10、12、14、16、18、20、22和24.如图2所示，该磁阻元件10、12、14、16、18、20、22和24形成在几何上彼此分离的两个完整电桥。在该两个完整电桥之间，提供距离x。分别通过磁阻元件10和18以及12和20之间的连接得到信号Vout1。此外，分别通过磁阻元件14和22以及16和24的连接得到第二测量信号Vout2.
下面，将参照图3描述根据本发明的一个典型实施例能够连接到图1和2所示的惠斯登电桥(wheatstone bridge)的电路.
图3示出了可以提供为与图1和2所示布置中的磁阻元件组合以形成根据本发明的磁阻传感器的电路的简化框图.
参考数字26和28表示用于将如图1或2所示测量的信号Vout1和Vout2输入到信号处理电路的信号输入装置.如图3所示，图3所示的电路可以被分成包括元件30、32和34的第一信号处理单元和包括元件40、42和46的第二信号处理单元.该第一和第二信号处理单元的输出信号被输入到包括元件36和38的第三信号处理单元.
具体地，信号Vout1和Vout2被输入到加法器30和减法器40。该加法器将信号Vout1和Vout2相加而形成和信号Vsum，然后将其输入到由参考数字34表示的比较器Comp1.
该输出信号Vout1和Vout2在减法器40中彼此相减以形成信号Vdiff，该信号Vdiff被输入到由参考数字46表示的第二比较器Comp2。参考数字32和42可以表示滤波器装置，然而它们是可选地提供的。在比较器34和46中，比较该各个输入信号以预设信号.由此，可以对该信号数字化以使得该比较器34和46的输出信号是0或具有预设的导通电平(on-leve1)。然后，该比较器34和46的输出信号被输入到逻辑单元36(例如XOR门)以形成输出信号Vdig。为了激活传感器的测试模式，例如可以使用该输出信号Vdig.在测试模式中，可以测试该磁阻传感器和例如补偿偏差。而且，可以在测试模式中补偿例如由该传感器的制造而导致的偏置。
图4示出了在图3所示电路中发生的信号的电压对相位角的示意图。如图4所示，并且如图3所示，减法器40的输出信号即信号Vdiff以及加法器30的输出信号即信号Vsum是正弦信号.信号Vdiff和Vsum的比较示出了两信号之间的相位差是90°或π/2.输出信号Vdig是具有恒定频率的方波.信号Vout1和Vout2具有依赖于几何形状自适应的相位差，即依赖于各个磁阻元件被安置处的差x。此外，该相位差可以依赖于例如该传感器元件的磁化编码器的磁极对的宽度。
在该传感器系统的工作模式期间应用不均匀磁场导致例如60°-120°的相位差，其例如可以进行进一步处理.
有利地，由于图3所示对信号Vout1和Vout2求和以及相减的电路布置，信号Vsum和Vdiff具有确切或基本为90°或π/2的相位差.然而，如果对如图1和2所示布置并且连接到图3所示电路的磁阻元件施加均匀磁场，那么该信号Vsum和Vdiff的相位差基本为0°或180°，即0或π.而且，依赖于该均匀磁场的方向，该信号Vsum和Vdiff中的一个会具有减少或增加的信号电平或幅度。例如，信号Vsum和Vdiff之一的幅度可以是0，而信号Vsum和Vdiff中的另一个具有与工作模式相应的正常幅度或增加的幅度.根据本发明的典型实施例，该第三处理单元适应于当Vsum和Vdiff之间的相位差是0或180°时激活该测试模式.此外，该第三处理单元可以适应于当信号Vsum或Vdiff中的一个具有低于预设电平的信号电平时激活该测试模式.
根据本发明的这一典型实施例的变体，在应用该均匀磁场期间并且由于信号Vsum和Vdiff之一具有几乎为0的幅度，可以在切换到测试模式之前确定例如信号Vdig或信号Vsum和Vdiff之一的边缘的预定数量。在该测试模式期间，当对该磁阻元件施加均匀磁场时，可以快速测试和微调该传感器.
根据本发明的一个典型实施例，当停止施加该均匀磁场时，通过该均匀磁场停止来自动退出测试模式，或者当对该传感器施加不均匀磁场时，该第三信号处理单元可以适应于自动切换回工作模式.
均匀磁场可以例如由具有亥姆霍兹结构的线圈来产生.由此，根据本发明的一个典型实施例，可以提供一种用于对磁阻传感器进行测试和微调至少其中之一的简单设备，具有适应于产生均匀磁场的线圈结构。这样可以实现一种对根据本发明典型实施例的磁阻传感器进行测试和微调至少其中之一的非常简单的方法.为了激活该磁阻传感器的测试和微调模式，对该磁阻传感器的磁阻元件提供均匀磁场.然后，可以执行该测试和/或微调例如偏差调节.然后，可以关闭该均匀磁场或可以对该传感器施加不均匀磁场以将该传感器切换回工作模式，即停止测试模式。

Claims (8)

1.磁阻传感器，包括：第一多个第一磁阻元件(2，6，10，12，18，20)；第二多个第二磁阻元件(4，8，14，16，22，24)；第一信号处理单元(30，32，34)，其连接在该第一多个第一磁阻元件(2，6，10，12，18，20)以生成第一输出信号；其中该第一输出信号具有第一相位；第二信号处理单元(40，42，46)，其连接到该第二多个第二磁阻元件(4，8，14，16，22，24)以生成第二输出信号；其中该第二输出信号具有第二相位；其中该传感器具有工作模式和测试模式；第三信号处理单元(36，38)，用于处理该第一和第二输出信号；其中该第三信号处理单元(36，38)适应于基于该第一和第二输出信号激活该工作模式和测试模式之一；以及其中当该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件暴露于均匀磁场时，第三信号处理单元(36，38)适应于激活该测试模式。
2.如权利要求1所述的传感器，其中该第三信号处理单元(36，38)适应于当该第一相位和第二相位之间的相位差为0和π之一时激活该测试模式。
3.如权利要求1所述的传感器，其中该第一多个第一磁阻元件(2，6，10，12，18，20)形成第一电桥以产生第一电桥信号；其中该第二多个第二磁阻元件(4，8，14，16，22，24)形成第二电桥以产生第二电桥信号；其中该第一处理单元(30，32，34)包括用于将该第一和第二电桥信号相加的加法器(30)；其中该第二处理单元(40，42，46)包括用于从该第二电桥信号中减去该第一电桥信号的减法器(40)；以及其中该第三信号处理单元适合于当该第一和第二输出信号之一的信号电平低于预设电平时激活该测试模式。
4.如权利要求1所述的传感器，其中该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件在几何上相对彼此位移；其中该传感器是位置传感器、转速传感器和角度传感器之一；以及其中在测试模式中，该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件是可调节的。
5.如权利要求4所述的传感器，其中该传感器用于汽车应用。
6.如权利要求1所述的传感器，其中该第三信号处理单元适应于当该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件不再暴露于均匀磁场或者暴露于不均匀磁场其中至少之一时激活该工作模式；以及其中该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件被布置成，在该工作模式中，该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件暴露于不均匀磁场会导致在该第一和第二相位之间为π/2的相位差。
7.操作磁阻传感器的方法，该磁阻传感器包括：第一多个第一磁阻元件；第二多个第二磁阻元件；第一信号处理单元，其连接在该第一多个第一磁阻元件以生成第一输出信号；其中该第一输出信号具有第一相位；第二信号处理单元，其连接到该第二多个第二磁阻元件以生成第二输出信号；其中该第二输出信号具有第二相位；其中该传感器具有工作模式和测试模式；第三信号处理单元，用于处理该第一和第二输出信号；以及其中该第三信号处理单元适应于基于该第一和第二输出信号激活该工作模式和测试模式之一；该方法包括步骤：当对该第一多个第一磁阻元件和第二多个第二磁阻元件施加均匀磁场时，该第三信号处理单元激活该测试模式。
8.如权利要求7所述的方法，该方法还包括：
-为了对该磁阻传感器执行测试和微调中至少一个，对该磁阻传感器施加均匀磁场；以及
-当对该磁阻传感器施加均匀磁场时，执行对该磁阻传感器的测试和微调中的一个。
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