CN101065676A

CN101065676A - 传感器

Info

Publication number: CN101065676A
Application number: CNA2005800405401A
Authority: CN
Inventors: 汉斯·范宗
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-19
Publication date: 2007-10-31
Also published as: CN101107617A; CN101065720A

Abstract

一种具有传感器装置(10)的设备(1)，包括可移动对象(13)，该可移动对象(13)响应于运动而改变磁场，具有场探测器(12)，该场探测器包括具有两个或多个元件(21－24，31－34)的桥和具有用于探测桥的平面中磁场的分量的两个或多个元件(35－38)的进一步的桥。该桥包括取决于Z－向上运动的第一特性和取决于X－向上运动的第二特性。进一步的桥包括取决于Z－向上运动的第三特性和取决于Y－向上运动的第四特性。第一和第三特性表示基本上随着相同值增大或减小的全部元件的阻抗值。第二和第四特性表示基本上随着相同值增大的两个元件的阻抗值和基本上随着相同值减小的两个其他元件的阻抗值。

Description

传感器

技术领域

本发明涉及具有传感器装置的设备，并且也涉及一种传感器装置以及一种传感方法。

这种设备的例子是便携式的pc，以及小的手持电子设备，比如移动电话、个人数字助理、数字式照相机以及全球定位系统设备。

背景技术

从US6,738,043B2已知现有技术设备，其公开了一种坐标输入设备，该坐标输入设备包括用于产生磁场的磁体和用于生成输出电压的电磁换能器。这些输出电压具有依据电磁换能器和磁体之间的间隙而改变的值。以这种方式，三维空间中一个磁体的运动被转换成三维坐标。

已知的设备是有缺陷的，尤其由于它需要用以评估输出电压的个人计算机的事实。换句话说，已知的设备生成以相对不直接的方式限定运动的输出电压。这是相对复杂和相对昂贵的。

发明内容

本发明的目的尤其是提供一种包括以相对直接的方式限定运动的传感器装置的设备。

本发明的进一步的目的尤其是提供一种以相对直接的方式限定运动的传感器装置以及一种以相对直接的方式限定运动的传感方法。

依据本发明的设备包括传感器装置，该传感器装置包括：

-可移动对象(movable object)，用于响应于运动而改变至少一部分磁场，以及

-场探测器，包括具有用于探测桥的平面中磁场的每一个元件分量的元件的桥，该桥包括取决于第一方向上运动的第一特性和取决于不同的第二方向上运动的不同的第二特性。

通过以桥的形式引入场探测器，该桥包括至少两个磁场依赖元件，比如磁阻元件，其是其阻抗值取决于其中定位该元件的磁场的强度和方向的元件，桥的不同特性可以用于以相对直接的方式表示不同的运动。结果，再也不需要用以评估电磁换能器的现有技术输出电压的复杂和昂贵的个人计算机。桥的第一特性取决于第一方向上可移动对象的运动，并表示第一方向上的第一坐标，并且桥的不同的第二特性取决于不同的第二方向上可移动对象的运动，并表示第二坐标。不排除不是磁阻元件的其他磁场依赖元件。

依据本发明的设备是进一步有利的，尤其在于：相比较于利用用以评估电磁换能器的现有技术输出电压的个人计算机，减小了总功率消耗。

通过对于可移动对象的静止位置和对于给定的磁场强度成25-65度的角度、该元件的长轴和该元件的磁化方向限定依据本发明的设备的实施例。该实施例是有利的，在于：可以避免螺旋条状相间的纹条(barberpolestrip)。当被定位于元件上时，该螺旋条状纹条减小了该元件的总阻抗值，并增大了功率消耗。

通过基本上是45度的角度限定依据本发明的设备的实施例。该实施例是有利的，在于：传感器装置具有最大的线性和最大的灵敏度。

通过传感器装置限定依据本发明的设备的实施例，进一步的传感器装置包括：

-固定对象，位于两个对象之间的场探测器，并且一个对象包括用于产生磁场的场发生器，并且另一个对象包括用于传导磁场的场导体。

相比较于利用在US6,738,043B2中公开的两个或多个磁体，比如磁体的场发生器和场导体的使用减小了设备的成本。

通过是外部特性的第一特性和是内部特性的第二特性限定依据本发明的设备的实施例，并且第一方向是基本上垂直于桥的平面的方向，并且第二方向是基本上在桥的平面中的方向。在桥的平面对应于X-轴和Y-轴的情况中，第一方向对应于Z-轴，并且第二方向例如对应于X-轴。

通过桥限定依据本发明的设备的实施例，该桥包括用于提供外部特性的第一和第二外部端子和用于提供内部特性的第一和第二内部端子，以及在外部端子之间被并联定位的第一和第二串联支路，第一串联支路包括经由第一内部端子被彼此耦合的第一和第二元件，并且第二串联支路包括经由第二内部端子被彼此耦合的第三和第四元件。外部特性例如表示基本上随着相同值增大或基本上随着相同值减小的全部元件的阻抗值。内部特性例如表示基本上随着相同值增大的两个元件的阻抗值和基本上随着相同值减小的两个其他元件的阻抗值。内部特性与温度变化相对无关，外部特性相对取决于温度变化。

通过传感器装置限定依据本发明的设备的实施例，该传感器装置进一步包括用于补偿桥的温度依赖性(dependency)的温度补偿器。

温度补偿器补偿桥的温度依赖性，并进一步补偿外部特性的温度依赖性，并允许传感器装置在改变温度环境的环境下被使用。

通过场探测器限定依据本发明的设备的实施例，该场探测器包括具有进一步的元件的进一步的桥，该进一步的元件用于探测进一步的桥的进一步的平面中的磁场的每一个进一步元件分量，该进一步的桥包括取决于第一方向上运动的第三特性和取决于不同的第三方向上运动的第四特性。该传感器装置对三个不同方向的运动敏感。通常，桥的平面和进一步的桥的进一步的平面基本上是一致的平面。

通过第三特性和第四特性限定依据本发明的设备的实施例，该第三特性是外部特性，并且第四特性是内部特性，并且第一方向是基本上垂直于进一步桥的进一步的平面的方向，并且第三方向是基本上在进一步的桥的进一步的平面中的方向，第二和第三方向是基本上垂直的方向。在进一步的桥的进一步的平面对应于X-轴和Y-轴的情况中，第一方向对应于Z-轴，并且第三方向例如对应于Y-轴。

通过进一步的桥限定依据本发明的设备的实施例，该进一步的桥包括用于提供外部特性的第三和第四外部端子和用于提供内部特性的第三和第四内部端子，以及在外部端子之间被并联定位的第三和第四串联支路，第三串联支路包括经由第三内部端子被彼此耦合的第五和第六元件，并且第四串联支路包括经由第四内部端子被彼此耦合的第七和第八元件。外部特性例如表示基本上随着相同值增大或基本上随着相同值减小的全部元件的阻抗值。内部特性例如表示基本上随着相同值增大的两个元件的阻抗值和基本上随着相同值减小的两个其他元件的阻抗值。内部特性与温度变化相对无关，外部特性相对取决于温度变化。

通过传感器装置限定依据本发明的设备的实施例，该传感器装置进一步包括用于补偿桥的温度依赖性的温度补偿器。

通过温度补偿器限定依据本发明的设备的实施例，该温度补偿器包括形成进一步包括桥和进一步的桥的又一个进一步桥的一部分的两个温度依赖元件。通过定位桥和进一步的桥进入又一个进一步的桥，并通过定位两个温度依赖元件进入又一个进一步的桥，该温度依赖元件例如具有类似于桥和进一步桥的温度依赖性的温度依赖性，桥和进一步桥的温度依赖外部特性已被转换成又一个进一步的桥的内部特性，其与温度相对无关。

通过温度依赖元件和由相同的磁性材料制成的元件限定依据本发明的设备的实施例，并且温度依赖元件每一个都包括以下面的方式被设置的一对电阻器：温度依赖元件基本上不响应磁场的变化。例如在各向异性磁阻材料被使用的情况中，成对的电阻器例如包括两个基本上垂直的电阻器。

依据本发明的传感器装置和依据本发明的方法的实施例对应于依据本发明的设备的实施例。

本发明尤其基于传感器装置以相对直接的方式限定运动的见解，并且尤其基于一种基本想法：场探测器将包括至少一个桥，该至少一个桥包括替代输出电压的现有技术评估的不同特性。

本发明解决了该问题，尤其提供了一种设备，该设备包括传感器装置，该传感器装置以相对直接的方式限定运动，并且是进一步有利地，尤其在于：相比较于利用用以评估电磁换能器的现有技术输出电压的个人计算机，减小了总功率消耗。

本发明的这些和其他方面将从在下面描述的实施例显而易见，并参照在下面描述的实施例进行阐述。

附图说明

在附图中：

图1示意性示出了依据本发明的设备，包括以截面依据本发明示出的传感器装置；

图2示意性示出了依据本发明的传感器装置的性能；

图3示意性示出了包括元件的场探测器，并公开了磁场的每一个元件分量，磁化和电流；

图4以截面示意性示出了被距离D1分离的可移动对象13和场探测器12以及通过距离D2被与场探测器12分离的固定对象11；

图5示出了作为对于可移动对象和场探测器之间的不同距离D1的场探测器的平面中位置的函数的磁场的分量的强度；

图6示意性示出了包括桥的场探测器，该桥具有用于以非差分和非温度补偿方式检测桥的外部特性的耦合至进一步元件的元件；

图7示意性示出了场探测器，该场探测器包括桥和形成又一个进一步的桥的一部分的进一步的桥，该又一个进一步的桥进一步包括用于以非差分和非温度补偿方式探测桥和进一步的桥的外部特性的两个温度依赖元件；以及

图8示出了由各向异性磁阻材料制成的温度依赖元件，并且其对磁场变化敏感。

具体实施方式

依据在图1中示出的本发明的设备1包括依据本发明的传感器装置10。传感器装置10包括固定对象11，比如用于产生磁场的场发生器，比如磁体。传感器装置10进一步用于探测磁场的分量(如图3中所示)的场探测器12，以及可移动对象13，比如可移动的场导体，比如操纵杆，响应运动，改变至少一部分磁场。场探测器的平面上磁场的投影基本上是径向场。被探测的磁场的分量是位于场探测器的平面中的磁场矢量。换句话说，该分量是径向场矢量。改变例如包括径向场中心19的位移(如图2中所示)。

比如永磁体的固定对象11和比如磁传导棒的可移动对象13例如与芯片一起被集成进入封包(package)中。以下面的方式修改封包：利用例如揉曲性粘合剂14、O-环或任何其他机械弹簧可将可移动对象装配进盲孔中。场探测器12装配在衬底16上，其经由丝焊被耦合至引线框15。

在图2中示出的传感器装置10的性能公开了可移动对象13包括在可移动对象13的点和最接近场探测器12被定位的可移动对象13的端部之间被定位的枢轴点。优选地，该枢轴点基本上与最接近场探测器12被定位的可移动对象13的端部一致。通过绕轴旋转可移动对象13，磁场的分量的径向场中心19(如图3中所示)被移动，其被场探测器12探测到。这种场探测器12例如包括如图3中所示的元件。

在图3中示出的场探测器12包括元件21-24。公开了每一个元件21-24，径向场H，磁化M和电流I。当从场发生器发射的磁场被投射于场探测器的平面上时发生径向场。点C是可移动对象13的静止点中的径向场H的中心。通过箭头H表示该径向场的磁场线。四个磁阻元件21-24，其是其电阻值取决于其中定位元件的磁场的强度和方向的元件，也就是例如没有螺旋条状纹条的四个磁阻材料条被放置成使元件中的磁化M和磁阻元件21-24的长度方向获得某一个角度，比如25-65度的角度，优选地45度的角度。电流I流过磁阻元件21-24。一方面，元件21-24中的磁化M想要与元件21-24的长度方向对准，另一方面，它想要与径向场H的方向对准。结果，磁化M将获得元件21-24的长度方向和磁场H的分量之间的位置。对于下部磁场H，它将更接近于元件21-24的长度方向，对于较高的下部磁场H，它将更接近于磁场H的分量的方向。在无限高的磁场H处，磁化M将与磁场H对准。

元件21-24中磁化M和电流I之间的角度θ确定元件21-24的电阻值，因此在各向异性的磁-电阻器的情况中，电阻R＝R₀+ΔRcos²θ，其中R是元件21-24的总电阻器，R₀是基本电阻，并且ΔR/R₀是磁阻效应。如果在45度附近选择角度θ，元件21-24的响应特性将更多或更少地线性。对于θ＝45度，获得最佳线性。通过在具有元件21-24的长度方向的角度下设置磁场，不需要螺旋条状纹条，其给出了多个优点(更容易的处理，更高的阻抗，更好的阻抗再现性)。通常，当磁场从正至负来回循环时，该结构将增大磁化的磁滞切换。然而，在具有永磁场的该结构中，首先，磁场不在正和负之间循环(仅在特定值周围被调制)，并且其次，该磁场大于在磁滞区域之外带来磁化的各向异性场。

径向场H例如是位于场探测器12的平面中的径向场矢量，换句话说位于元件21-24的平面中。该平面例如包括X-轴和Y-轴。当径向场的中心19在该X-Y平面中从位置C移动至位置D时，主要改变径向场H的方向。在元件21和23中，径向场矢量朝向电流I的方向移动，减小了磁化M和电流I之间的角度，并因此增大了元件21和23的阻抗值。对于元件22和24，出现相反的情况。径向场矢量远离电流I的方向地移动，增大了磁化M和电流I之间的角度，并因此减小了阻抗值。通过合适地连接元件21-24进入桥结构，比如惠斯登(Wheatstone)桥，可以产生输出信号，其随着X-方向上径向场中心位置19近似线性地变化。对于Y-方向，通过旋转整个结构超过90度可以获得类似的结构。典型地，元件21-24和径向分量的径向场中心19之间的距离将比该中心的典型位移(例如20μm)大得多(例如300μm)。因此，当径向场中心19位移时，径向场H的方向主要改变，并且仅至较小的程度，径向场H的强度将被改变。

以截面在图4中示出被距离D1分离的可移动对象13和场探测器12以及通过距离D2被与场探测器12分离的固定对象11。为了允许距离D1是可改变的，在图1中，粘合剂14可以是柔性粘合剂，而不排除允许3维运动的其他实施例。

对于可移动对象13和场探测器12之间的不同距离D1而在图5中示出作为场探测器12的平面中位置的函数的径向场H的强度。该强度明显地取决于该距离D1。

在图6中示出包括具有元件31-34的惠斯登桥的场探测器12。惠斯登桥的第一外部端子被耦合至电源50，并且第二外部端子被耦合至电阻器30，该电阻器进一步被耦合接地。经由惠斯登桥的内部端子，将示出X-方向上的运动。经由外部端子，将示出Z-方向上的运动。由于电阻器30和惠斯登桥一起形成串联电路的事实，也横越电阻器30地示出Z-方向上的运动。这可以如下获得。

在静止位置中，径向场中心19将在位置C处。元件的位置处径向场的强度将具有某一值。例如通过固定对象11和场探测器12之间的轴向距离D2和/或通过场探测器12和可移动对象确定该值之间的距离D1确定该值。在图5中，示出作为距离D1的函数的径向场的计算强度。随着改变距离，径向场的强度改变。

当例如通过在轴向方向上挤压可移动对象时，可移动对象13和场探测器之间的距离改变，X-Y平面中径向分量的径向场中心9的位置保持在位置C处。径向场的方向保持不变。然而，由于距离改变磁场的振幅的事实，改变了径向场的振幅。在图3中，在改变磁场的强度的情况中，磁化M的方向对于全部元件改变。并且对于全部元件，在磁化M的方向上的改变将是相同的。因为磁阻元件元件21-24，31-34是惠斯登桥结构的一部分，桥的内部端子处的输出不被磁场H的强度的改变而改变。换句话说，桥输出不对垂直方向上可移动对象31的运动灵敏。

然而，桥的总阻抗值改变。这可被比如电阻器30的另一个电路探测到，以便提供Z-功能性。例如当恒定电压被施加至桥时，阻抗值的改变将导致电流改变。通过经过与惠斯登桥串联的电阻器30发送电流，电流变化可被转换成横越被测量的电阻器30的电压变化。以这种方式，以非差分和非温度补偿的方式检测桥的总阻抗值。为了以温度补偿的方式检测桥的阻抗值，可以引入温度补偿器，例如通过使与温度有关的电阻器30具有例如桥的相同的温度依赖性。

换句话说，依据本发明的设备1包括依据本发明的传感器装置10，依据本发明的传感器装置10包括场探测器12，该场探测器12包括具有用于探测桥的平面中磁场的每一个元件分量的至少两个、并且优选四个元件31-34的桥，该桥包括取决于第一方向上的运动的第一特性和取决于不同的第二方向上的运动的不同的第二特性。该第一特性是以整体视角限定了桥的外部值的外部特性。第二特性是以平衡/不平衡视角限定了桥的外部值的内部特性。在桥的平面对应于X-轴和Y-轴的情况中，第一方向对应于Z-轴，并且第二方向例如对应于X-轴。

优选地，场探测器12进一步包括具有用于探测进一步桥的进一步的平面中磁场的每一个进一步的元件分量的进一步的元件35-38的进一步的桥，该进一步的桥包括取决于第一方向上的运动的第三特性和取决于不同的第三方向上的运动的第四特性。通常，桥的平面和进一步的桥的进一步的平面将是一致的平面。第三特性是外部特性，并且第四特性是内部特性。在进一步的桥的进一步的平面对应于X-轴和Y-轴的情况中，第一方面对应于Z-轴，并且第三方向例如对应于Y-轴。

在桥包括四个元件的情况中，外部特性例如表示全部元件的阻抗值已基本上随着相同值增加，或基本上随着相同值减小。内部特性例如表示交叉位置处两个元件的阻抗值基本上随着相同值增加，并且其他交叉位置处两个其他元件的阻抗值基本上随着相同值减小。

在桥包括两个元件的情况中，外部特性例如表示全部元件的阻抗值已基本上随着相同值增加，或基本上随着相同值减小。内部特性例如表示一个元件的阻抗值增加或减小，并且其他元件的阻抗值不改变。

在图7中示出的场探测器12包括桥和形成又一个进一步的桥的一部分的进一步的桥，该又一个进一步的桥进一步包括两个温度依赖电阻器39，40。在图8中示出的温度依赖电阻器对磁场的变化敏感。这全部将在下面被看到。

内部特性相对与温度变化无关，但外部特性相对取决于温度变化。包括例如NiFe的元件的温度系数是大约2.9×10^-3℃^-1。80℃(其可能是膝上电脑内部的温度)的温度变化因此将引起阻抗值的23％的变化。该变化不得不被与由于各向异性磁阻效应阻抗的2％的最大变化相比较。由在Z-向上可移动对象13的运动产生的阻抗值的变化甚至更低(0.1％)。

为了克服该温度问题，可以引入温度补偿器。温度补偿器补偿桥的温度依赖性，并因此补偿外部特性的温度依赖性，并允许传感器装置10在改变温度环境下被使用。这种温度补偿器例如测量温度，计算对桥的共模阻抗值(外部特性)的测量温度的效应，并且补偿桥的共模阻抗值。

可替代地，桥和进一步的桥的共模阻抗被输入进入又一个进一步的桥，比如再一次的惠斯登桥。又一个进一步的桥包括两个惠斯登桥(一个对于X-向，一个对于Y-向)，以及例如也存在于芯片(die)上的两个温度依赖元件39，40。这些温度依赖元件优选具有如桥和进一步的桥的相同温度依赖性。因此，它们可以由相同(磁)的材料制成。然而，它们将不响应磁场H的变化。通过这些温度依赖元件的具体结构，它们可以(几乎)对磁场的变化敏感。

该想法基于依据R₀+ΔR₀sin²φ(φ是磁化和电流之间的角度)一半元件响应径向分量的方向上的改变、同时另一半元件依据R₀+ΔR₀cos²Φ变化的事实。通过求和这些元件，总阻抗值变成与角度Φ无关的2(R₀+ΔR₀)。在芯片上，可以存在四个这些电阻器。两个可被用于获得新(嵌套的)的惠斯登桥，同时另外两个可被用于芯片自身的温度测量。以这种方式，如果必须，通过软件可以补偿任何得到的温度依赖性(惠斯登桥决不能完全消除温度依赖性，将常常存在桥中各个电阻器的温度系数的稍微变化)。

需要指出，上面提到的实施例描述而不是限制了本发明，并且本领域的熟练技术人员能够设计多个可替代的实施例，只要不脱离附加权利要求的范围。在权利要求书中，设置于圆括号之间的参考符号将不被设置为限制权利要求。利用术语“包括”和它的共轭性不排除没有存在于权利要求书中那些元件或步骤的元件或步骤存在。在元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。在相互不同的独立权利要求中叙述某些测量的纯粹事实不表示这些测量的组合不能被用于优化。

Claims

1、一种具有传感器装置(10)的设备(1)，包括：

-可移动对象(13)，用于响应于运动而改变至少一部分磁场，以及

-场探测器(12)，包括具有用于探测桥的平面中磁场的每一个元件分量的元件(21-24，31-34)的桥，该桥包括取决于第一方向上运动的第一特性和取决于不同的第二方向上运动的不同的第二特性。

2、根据权利要求1的设备(1)，该元件的长轴和该元件的磁化方向对于可移动对象的静止位置和对于给定的磁场强度成25-65度的角度。

3、根据权利要求2的设备(1)，该角度基本上是45度。

4、根据权利要求1的设备(1)，该传感器装置(10)进一步包括固定对象(11)，该场探测器(12)位于两个对象(11，13)之间，并且一个对象(11)包括用于产生磁场的场发生器，并且另一个对象(13)包括用于传导磁场的场导体。

5、根据权利要求1的设备(1)，第一特性是外部特性，并且第二特性是内部特性，并且第一方向是基本上垂直于桥的平面的方向，并且第二方向是基本上在桥的平面中的方向。

6、根据权利要求5的设备(1)，桥包括用于提供外部特性的第一和第二外部端子和用于提供内部特性的第一和第二内部端子，以及在外部端子之间被并联定位的第一和第二串联支路，第一串联支路包括经由第一内部端子被彼此耦合的第一和第二元件(31，33)，并且第二串联支路包括经由第二内部端子被彼此耦合的第三和第四元件(32，34)。

7、根据权利要求1的设备(1)，传感器装置(10)进一步包括用于补偿桥的温度依赖性的温度补偿器。

8、根据权利要求1的设备(1)，场探测器(12)包括具有用于检测进一步的桥的进一步的平面中的磁场的每一个元件分量的进一步的元件(35-38)的进一步的桥，该进一步的桥包括取决于第一方向上运动的第三特性和取决于不同的第三方向上运动的第四特性。

9、根据权利要求8的设备(1)，第三特性是外部特性，并且第四特性是内部特性，并且第一方向是基本上垂直于进一步桥的进一步的平面的方向，并且第三方向是基本上在进一步的桥的进一步的平面中的方向，第二和第三方向是基本上垂直的方向。

10、根据权利要求9的设备(1)，该进一步的桥包括用于提供外部特性的第三和第四外部端子和用于提供内部特性的第三和第四内部端子，以及在外部端子之间被并联定位的第三和第四串联支路，第三串联支路包括经由第三内部端子被彼此耦合的第五和第六元件(35，37)，并且第四串联支路包括经由第四内部端子被彼此耦合的第七和第八元件(36，38)。

11、根据权利要求8的设备(1)，传感器装置(10)进一步包括用于补偿桥的温度依赖性的温度补偿器。

12、根据权利要求11的设备(1)，温度补偿器包括形成进一步包括桥和进一步的桥的又一个进一步桥的一部分的两个温度依赖元件(39，40)。

13、根据权利要求12的设备(1)，温度依赖元件(39，40)和元件(31-38)由相同的磁性材料制成，并且温度依赖元件(39，40)每一个都包括以下面的方式被设置的一对电阻器：温度依赖元件(39，40)基本上不响应磁场的变化。

14、一种传感器装置(10)，包括：

-场探测器(12)，包括具有用于探测桥的平面中磁场的每一个元件分量的元件(21-24)的桥，该桥包括取决于第一方向上运动的第一特性和取决于不同的第二方向上运动的不同的第二特性。

15、一种传感方法，包括下面的步骤：

响应于运动而改变至少一部分磁场，以及

检测桥的平面中磁场的分量的桥的每一个分量，该桥包括取决于第一方向上运动的第一特性和取决于不同的第二方向上运动的不同的第二特性。