CN101010593A - 集成磁阻速度和方向传感器 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种集成电路磁阻速度和方向传感器，包括其方法和系统。本文所示和说明的传感器一般使用AMR(各向异性磁阻)电桥电路。和传统的基于霍尔效应元件的传感器相比，使用这种技术允许有增加的气隙性能。本文公开的AMR传感器能够感测用一个或多个磁极沿预期行程磁化的环形磁体或条形磁体。磁极数应根据应用设计而优化。本文公开的AMR传感器的AMR电桥设计产生最小偏移，这导致其最佳的性能。为了获得速度和方向信息，可将两个电桥电路放置为互相接近(即，电桥的准确位置和形状可根据目标和预期性能确定)。两个电桥电路的信号可以在共同位于其硅片上的集成电子器件上进行比较。电桥一般旋转45度，以减少和/或消除偏移，这就为传感器提供了大的气隙性能。

Description

集成磁阻速度和方向传感器

相关申请的引用

本专利申请要求2004年7月8日提交的、题为“集成磁阻速度和方向传感器(Integrated Magnetoresistive Speed and Direction Sensor)”的临时专利申请No.60/586,769在35 U.S.C.§119(e)下的优先权，其公开内容通过引用结合在本文中。

技术领域

实施例一般涉及传感器方法和系统。实施例也涉及速度和方向传感器。实施例另外还涉及磁阻感测装置，包括AMR感测元件及其集成电路实现。实施例还涉及AMR电桥电路。

背景技术

在汽车和航空航天产业中，特别是在电子和机电控制系统领域中，电子学的使用已经增加，并将继续增加。例如，电子引擎、传动装置和转向控制器以及在航空航天领域中的电子实现控制器都更为常见和更为复杂。

通常，控制器由许多传感器提供数据。由于这些系统日益复杂，需要传感器提供的信息或数据在复杂性方面也在增加，例如，传递的信息量、数据的精确度、数据的可靠性以及获取数据的速度等。如今的传感器通常必须增加每个这些参数，而同时最小化整体成本。

例如，在现代汽车上提供有电子控制器以监控汽车的运行，且电子控制器向引擎、传动装置和其它系统提供信息以控制它们的功能。在汽车的几个系统中被监控的一个参数是旋转部件的速度。一些旋转部件提供在传动装置、动力传动系统以及车轮中。

大多数传统系统检测这些部件的速度，但常常不提供方向信息。在这种系统中，有一个传感器检测旋转部件的旋转。通常，转子上设有多个均匀间隔的齿，将转子固定到旋转轴。转子随轴旋转，并将拾取传感器放置在接近转子的位置上，以便当转子在传感器下方移动时感测这些齿。可以提供一个控制器来接收来自传感器的信号。通过对这些齿进行计数和测量时间，控制器就可计算轴的速度。

在大多数传统系统中需要有附加传感器来确定部件的旋转方向。在这种系统中，两个传感器可放置成与转子的齿成特定的空间关系。传感器确定检测边缘的相对时间。然后，控制器可确定旋转的方向。附加传感器增加了系统成本并降低了可靠性。

因此，对于精确和有效地感测旋转和线性目标的速度和方向，特别是在汽车和航空航天产业中，存在有持续的需求。传统系统的一个问题在于，间隙性能必须足够大，以适应整个系统的机械容差和变化。传统系统通常缺少这种大的间隙性能。就是说，给定目标行程或旋转的容差(即轴向偏转或错位)，传感器和目标之间的距离也会改变。因此，在速度和方向感测中，气隙性能是个关键因素。相信本文公开的实施例解决了气隙性能的困难。

发明内容

本发明的以下概述是为了便于理解本发明独有的一些创新特性而提供，并不旨在提供完全的说明。将整个说明书、权利要求书、附图以及摘要作为整体来考虑，就可获得对本发明各个方面的完全了解。

所以，本发明的一个方面是提供改进的传感器方法和系统。

本发明的另一方面是提供改进的速度和方向感测方法和系统。

本发明还有一个方面是提供结合有磁阻感测元件的改进的速度和方向传感器。

本发明的上述方面以及其它目的和优点现可按本文所述实现。本文公开了集成磁阻速度和方向传感器，包括其方法和系统。本文所示和说明的传感器一般使用AMR(各向异性磁阻)电桥电路。和传统的基于霍尔效应元件的传感器相比，使用这种技术允许有增加的气隙性能。本文公开的AMR传感器能够感测用一个或多个磁极沿预期行程磁化的环形磁体或条形磁体。磁极数应根据应用设计而优化。本文公开的AMR传感器的AMR电桥设计产生最小偏移，这导致其最佳性能。

为了获得速度和方向信息，可将两个电桥电路放置为互相接近(即，电桥的准确位置和形状可根据目标和预期性能确定)。两个电桥电路的信号可以在共同位于硅片上的集成电子器件上进行比较。电桥一般旋转45度，以减少和/或消除偏移，这就为传感器提供了大的气隙性能。

附图说明

附图中相同的参考编号在所有各个视图中指相同或功能类似的元件，附图被结合在说明书中并形成说明书的一部分，这些附图进一步示明了本发明，并且和对本发明的详细说明一起，用于解释本发明的原理。

图1示出按照本发明一个实施例的焊盘位置方框图、接口图以及代表供电电流相对温度的关系图；

图2示出按照本发明一个实施例的时序图；

图3示出按照本发明一个实施例的上电图；

图4示出按照本发明一个实施例的MR电桥直观图，以及MR电桥的尺寸；

图5示出按照本发明一个实施例的环形磁体、气隙和8-管脚封装的方框图；

图6示出按照本发明一个实施例的环形磁体以及示例环形磁体尺寸；以及

图7示出按照本发明优选实施例的包括集成电路的系统，集成电路包括两个电桥电路(或电桥)以及定位成45度的流道(runner)。

具体实施方式

在这些非限制性实例中所讨论的特定值和配置可以改变，它们的引用仅是为了示明至少一个本发明的实施例，而不是为了限制本发明的范围。

图1示出按照本发明一个实施例的焊盘位置方框图、接口图110、以及代表供电电流相对温度的关系图114。图2示出按照本发明一个实施例的时序图116。图3示出按照本发明一个实施例的上电图118。图1-2一般互相相关，其意思是图114、时序图116和上电图118提供的数据表明图1所示传感器100的性能。一般来说，传感器100包括至少两个MR电桥104和106。请注意，在本文中使用的术语“电桥”可以和术语“电桥电路”互换使用，指同一部件。大致的焊接位置108示于图1。

传感器100一般用作环形磁体速度和方向(RM S&D)传感器，它使用各向异性磁阻(AMR)技术能检测环形磁体的速度和方向。RMS&D IC一般包括两个输出管脚以提供速度和方向信息。标准配置是一个速度管脚和一个方向管脚。在速度管脚上的输出信号的频率与环形磁体的旋转速度成比例。方向管脚的数字输出状态指示环形磁体的旋转方向。环形磁体的方向从配置在集成电路(IC)102上的两个空间上分隔开的AMR电桥104和106之间的相位差来确定。

RM S&D传感器100可以例如实现为置于8-管脚SOIC封装中的集成电路。集成电路可以用含有薄膜AMR传感器的双极技术实现。RM S&D IC传感器100非常适合于环形磁体应用，例如传动系统、车轮速度系统、转向系统、或“智能”门锁系统的旋转速度检测应用。

基于AMR的传感器100可以提供优于机械或其它磁性位置感测备选方案的以下优点：低成本、高灵敏度、快速响应、小尺寸以及可靠性。通过将AMR传感器与信号调节和输出电路相组合，完全集成的电路能有最小的成本和最高的可靠性。由于对低磁场的灵敏度，这种传感器一般具有工作气隙，它们允许用户解决在常规应用中的各种问题。

RM S&D传感器100可以实现为8-管脚SOIC封装，有两个接头用于电源和接地，以及两个接头用于输出，一个用于速度，一个用于方向信号。这些都是集电极开路型输出。传感器100的IC设计也有可能提供两个速度输出，但需要有外部信号处理以确定方向。该选项可以通过不同的晶圆掩模来实现。传感器100也可提供周期性方波，其每个周期对应于环形磁体的一个磁极，例如本文图5和6中所公开的环形磁体502。

图4示出按照本发明一个实施例的MR电桥400的直观图，以及所建议的MR电桥尺寸。图4中还公开了流道402。这些流道402可以定位成45度。图5示出按照本发明一个实施例的系统500的方框图，它包括环形磁体502、气隙503和8-管脚封装504。8-管脚封装504可以配置成一个塑料封装，它包括8-管脚引线框和S&D IC 506，它类似于图1的传感器100。因此，根据设计考虑，也可实现图1的传感器100来代替S&D IC 506。图6示出按照本发明一个实施例的环形磁体502以及示例环形磁体尺寸。应理解，此处所示的所有尺寸仅是建议的或优选尺寸，且根据设计和实现的考虑这些尺寸可大可小。所以不应认为这些尺寸限制了本文所公开的发明和/或其实施例的特性。

图7示出按照本发明优选实施例的包括集成电路的系统700，集成电路包括两个电桥电路或电桥702和704，以及定位成45度的流道。图7所示的每个电桥702和704相似或类似于图4中的MR电桥400以及图1中所示的MR电桥104和106。

本文所公开的实施例一般针对传感器IC，例如系统700，它能满足用于车轮速度传感器、传动装置传感器以及通用锁系统的速度和方向感测要求。诸如系统700的IC可以使用两个空间上分隔开的MR电桥，例如电桥702和704，来确定旋转的速度和方向。IC可以放置在8-管脚SOIC表面安装封装中。这就是该装置与其它MR速度和方向传感器不同的独特之处。所得到的感测装置可以实现为具有电源、接地和两个输出的4导线装置。输出能够提供两个速度输出或速度和方向输出。这样作就有可能用于通用锁系统以及在传动装置或车轮速度上的其它可能应用。

本文所公开的速度和方向传感器可应用于许多系统，例如汽车传动系统和汽车车轮速度系统。其它应用包括汽车转向系统以及“智能”汽车门锁系统。附加应用包括一般的旋转速度信息采集装置。

本文阐述的实施例和实例是为了最好地解释本发明及其实际应用而提供，以使所属领域的技术人员能实现和使用本发明。但所属领域的技术人员会认识到，上述说明和实例的提出仅是为了说明和举例的目的。对所属领域的技术人员而言，对本发明的其它改变和修改是显而易见的，且所附权利要求书旨在含盖这些改变和修改。

所提出的说明并不旨在详尽无遗或为了限制本发明的范围。在不背离以下权利要求书范围的前提下，根据以上说明内容可以作许多修改和改变。考虑到使用本发明会涉及具有不同特征的部件。本发明的范围应由本文所附的权利要求书定义，对所有方面的等效物给予充分的认识。

Claims (20)

1.一种传感器系统，包括：

第一电桥电路，放置在第二电桥电路附近并与其在空间上分隔开；以及

磁性目标，用多个磁极沿预期行程路径对其磁化，其中所述第一和第二电桥电路位于所述磁性目标附近，以使所述第一电桥电路产生第一信号且所述第二电桥电路产生第二信号，其中所述第一和第二信号互相作比较，并用于确定所述磁性目标的速度和方向。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二电桥电路位于集成电路(IC)芯片上。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电桥电路包括磁阻(MR)电路，且其中所述第二电桥电路包括磁阻(MR)电路。

4.如权利要求1所述的系统，还包括四端子器件，所述器件包括所述第一和第二电桥电路，其中所述四端子器件包括电源接头、接地接头以及第一和第二输出，其中所述第一和第二输出分别提供速度和方向数据，它们提供的数据表明所述磁性目标的所述速度和方向。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一输出提供以方波信号形式的速度数据，所述方波信号的每个周期对应于所述磁性目标的一个磁极。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述第二输出提供以数字状态的方向数据，它表明所述磁性目标的旋转方向。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二电桥电路提供在其工作温度范围内大致恒定的磁性灵敏度。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述磁性目标包括环形磁体。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述磁性目标包括条形磁体。

10.一种传感器系统，包括：

第一电桥电路，放置在第二电桥电路附近并与其在空间上分隔开，其中所述第一和第二电桥电路位于集成电路(IC)芯片上，且其中所述第一电桥电路包括磁阻(MR)电路，且其中所述第二电桥电路包括磁阻(MR)电路；

磁性目标，用多个磁极沿预期行程路径对其磁化，其中所述第一和第二电桥电路位于所述磁性目标附近，以使所述第一电桥电路产生第一信号，且所述第二电桥电路产生第二信号，其中所述第一和第二信号互相作比较，并用于确定所述磁性目标的速度和方向；以及

其中所述IC包括四端子器件，所述器件包括所述第一和第二电桥电路，其中所述四端子器件包括电源接头、接地接头以及第一和第二输出，其中所述第一和第二输出分别提供速度和方向数据，它们提供的数据表明所述磁性目标的所述速度和方向。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述第一输出提供以方波信号形式的速度数据，所述方波信号的每个周期对应于所述磁性目标的一个磁极。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述第二输出提供以数字状态的方向数据，它表明所述磁性目标的旋转方向。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述第一和第二电桥电路提供在其工作温度范围内大致恒定的磁性灵敏度。

14.一种传感器方法，包括以下步骤：

将第一电桥电路定位在第二电桥电路附近并与其在空间上分隔开，其中所述第一和第二电桥电路；以及

提供磁性目标，用多个磁极沿预期行程路径对其磁化，其中所述第一和第二电桥电路位于所述磁性目标附近，以使所述第一电桥电路产生第一信号，且所述第二电桥电路产生第二信号，其中所述第一和第二信号互相作比较，并用于确定所述磁性目标的速度和方向。

15.如权利要求14所述的方法，还包括在集成电路(IC)芯片上配置所述第一和第二电桥电路的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

将所述第一电桥电路配置成包括磁阻(MR)电路；以及

将所述第二电桥电路配置成包括磁阻(MR)电路。

17.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

提供包括所述第一和第二电桥电路的四端子器件，其中所述四端子器件包括电源接头、接地接头以及第一和第二输出，其中所述第一和第二输出分别提供速度和方向数据，它们提供的数据表明所述磁性目标的所述速度和方向。

18.如权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

从所述第一输出产生以方波信号形式的速度数据，所述方波信号的每个周期对应于所述磁性目标的一个磁极；

从所述第二输出产生以数字状态的方向数据，以提供所述磁性目标的旋转方向的指示；以及

其中所述第一和第二电桥电路提供在其工作温度范围内大致恒定的磁性灵敏度。

19.如权利要求14所述的方法，还包括将所述磁性目标配置成包括环形磁体的步骤。

20.如权利要求14所述的方法，还包括将所述磁性目标配置成包括条形磁体的步骤。

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