CN101688789A - Amr传感器的校准 - Google Patents

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Abstract

操纵杆模块具有操纵杆和传感器，所述传感器用于响应对代表操纵杆位置和/或方向的磁场的感测来产生信号。使用传感器灵敏度对操纵杆与传感器之间距离的线性相关性，可以以简单的方式来校准代表操纵杆倾角的传感器的信号。

Description

AMR传感器的校准
技术领域
本发明涉及包括信号处理子系统的系统，该信号处理子系统具有物体和用于响应对参考平面中的磁场分量的感测来产生信号的传感器，所述信号代表所述物体相对于所述平面的位置和/或方位。本发明还涉及用在这样的系统中的子系统、用于在这样的系统中执行的校准方法、以及用于执行该校准方法的软件。本发明具体的但非排他的兴趣在于具有一个或多个磁电阻传感器的这种系统和子系统。
背景技术
AMR(各向异性磁电阻)类型的磁电阻传感器对于汽车应用中的转速测量以及角度测量来说是已知的。其他应用可以在例如移动电话之类的感兴趣的消费市场中，与汽车工业相比，在这样的消费市场中所涉及的更多。这些新应用的示例是小的集成指针控制设备(操纵杆)、加速度计或倾斜传感器、以及集成麦克风。典型地，它们是可以用在移动电话或诸如膝上型计算机、PDA、GPS系统、(远程)控制以及数字摄像机之类的其他便携式设备中的集成部件。
到目前为止，大多数移动电话都配备有基于切换(开/关)机制的“数字”操纵杆。然而，目前移动电话制造商正在寻找提供全模拟信号而不是仅切换信号的操纵杆，具体地以便于在他们的高端电话中进行游戏应用和网络浏览。
本发明人的且并通过引用结合在本文中的WO2006/035350公开了一种使用AMR传感器技术的传感器模块。该模块包括操纵杆以及衬底上的小的集成模拟磁传感器。操纵杆可以相对于传感器管芯移动。传感器对操纵杆在X-Y平面(即，在静止时与操纵杆垂直的平面)的移动以及Z方向(即，在静止时沿着操纵杆的方向)的移动敏感。
传感器提供了与这些移动成比例的信号。由于该传感器对与X-Y平面垂直的操纵杆移动敏感，所以该传感器可以用于例如“按压选择”功能或“确认”功能。
发明内容
本发明人已经认识到在WO2006/035350中描述的模块对X-Y平面中的移动的灵敏度依赖于操纵杆与磁传感器之间的距离。操纵杆与传感器之间的距离越短，对操纵杆的X-Y移动的灵敏度越高。另一方面，这可以用作为用户给出更多控制的额外的操纵杆特征。另一方面，这在实际使用中还可能具有一些缺点。操纵杆典型地用于控制在例如膝上型PC或移动电话的显示器监控器的屏幕上的指针图标的移动。传感器的输出信号确定指针图标的方向，以及还确定指针图标在屏幕上移动的速度。传感器的输出信号Vout＝S·θ依赖于操纵杆相对于传感器的倾角θ以及依赖于传感器的灵敏度S。如果灵敏度受到操纵杆与传感器之间的距离的影响，则输出也受到影响，从而指针速度也受到影响。由于因操纵杆与传感器之间的较短的距离而导致的增大的灵敏度使得产生较大的信号，所以当按压操纵杆时，指针加速。这在实际使用中是不期望的效果。
更具体地，典型地以mV/deg表示的操纵杆的倾斜灵敏度S依赖于操纵杆与传感器之间的距离，并且在该距离缩短时该倾斜灵敏度S增大。在理想操纵杆的情况下，如果倾角θ等于零度则输出Vout＝S·θ是零伏，如果操纵杆与传感器之间的距离改变则输出保持为零。然而，在制造过程中很难实现这种理想的操纵杆。这将需要操纵杆底部的磁板与传感器管芯良好地平行对齐。由于操纵杆悬浮的容限，在胶合连接中、部件的机械加工中等，将总是有略微的错位。该错位包括磁板相对于相对于传感器管芯的特定倾斜偏移θoffset。这意味着即使没有触摸操纵杆(θ＝0)，也存在小的倾角并且结果传感器的输出信号将是非零的Vout＝S·(θ-θoffset)。输出信号对倾角的灵敏度是操纵杆与传感器管芯之间的距离z的函数S(z)。因此，如果操纵杆与传感器管芯之间的距离改变，则灵敏度改变，因此输出信号也改变。因此，在Z方向上按压操纵杆引起了被膝上型计算机或移动电话解释为操纵杆的特定倾斜的输出信号。这是一种不期望的效果，因为现在在Z方向上按压操纵杆使显示屏上的光标或指针移动或加速。
为了说明该问题，考虑以下表示实际操纵杆配置的数字示例。如果用户没有按压操纵杆，则传感器的灵敏度是1.5mv/deg。操纵杆的典型最大倾角是2度，这将导致3mV的输出信号。例如，该输出电平可以被解释为显示屏上指针的最大速度。如果向下按压操纵杆，则由于操纵杆与传感器管芯之间缩短的距离使得灵敏度变成5mV/deg。假定倾角的偏移误差是0.5度。如果没有任何附加倾斜地(即，θ保持为零)向下按压操纵杆，则输出信号将改变0.5·(1.5-5)＝1.75mV。如果操纵杆倾斜过1.2度，则将得到同样的输出电平。因此，仅按压操纵杆对指针的控制具有与操纵杆倾斜1.2度相同的效果。这是不期望的效果。
该问题的解决方案之一是当Z信号快速改变时保持光标在原地。然后将Z信号的快速改变解释为按压动作。该方案需要存储指针的其他参数的坐标的当前值。如果Z信号快速改变，则保持存储指针坐标或其他参数(例如，速度)使得指针的行为不受影响，例如当已经由于在按压时刻的检测到的X信号和Y信号而导致移动时，指针不移动或者不加速。然后忽略这些信号。当Z信号仅缓慢地改变时，假定允许指针在传感器所产生的X信号、Y信号以及Z信号的组合控制下移动。该方案可能根据实现在操纵杆移动与光标移动之间产生小的延迟。
另一解决方案是使用校准过程来确定倾角偏移以及计算传感器的新的输出信号，该过程减小或消除了操纵杆的垂直移动。该方案避免了第一次提到的方法而导致的延迟。
更具体地，本发明涉及<权利要求1>。这里该系统包括例如在系统的操作使用中容纳传感器、物体和校准装置的移动电话、膝上型PC、或另一更大实体(例如，汽车)。
本发明的基本原理如下。如上所述，灵敏度S依赖于物体与参考平面之间的距离。为了便于说明，考虑以下示例：在该示例中，传感器位于参考平面中，然而其他配置也起作用，如集成的传感器与物体。为了在物体的静止位置且在物体没有倾斜的情况下使倾斜信号的值等于零，从当前值中减去第一量。为了使因此而校正的当前值线性依赖于倾角，从最初校正的值中减去第二量。所述第二量是θoffset与静止位置中和沿着参考轴的当前位置中的灵敏度之差的乘积。本发明基于以下构思：在良好近似的情况下，距离信号是距离的线性函数。这意味着可以以距离信号测量的差异来表达不同距离处的灵敏度值。此外，一方面可以将θoffset表达为在角度为零且距离具有预定长度的情况下倾斜信号的值与静止位置和预定距离处灵敏度值的差异之间的比值。因此，可以以传感器所提供的信号值来完整地表达第二量，使得校准过程简单。
子系统的校准装置包括例如在软件控制下的数据处理器或专用于执行简单信号处理的门阵列。
在实施例中，子系统包括用于当物体处于预定长度的距离时将物体限制到零倾角的装置。该实施例在物体处于预定长度的距离时确保表示倾斜信号的项的精确零值。
在另外的实施例中，校准装置还操作用于利用因子对倾斜信号的校正值进行缩放。该因子是第三项与第四项的另外的比值。第三项代表当物体在静止位置时传感器的灵敏度的值。第四项代表当物体在当前位置时传感器的灵敏度的值。例如，第四项是提高到“n”次幂的当前灵敏度值的当前灵敏度值，其中n可以大于单位一(unity)。在该另外的实施例中，当物体被按压或倾斜时，减小了减小的距离对倾斜信号的影响。
本发明还涉及一种在信号处理系统中执行的校准方法，以及一种具有用于执行该方法的指令的软件。关于后者，可以通过提供软件的形式来在商业上开发本发明(例如，作为售后市场附加装置)，该软件将安装在具有前述物体-传感器组合的信号处理系统中。例如，该信号处理系统包含在诸如移动电话或膝上型PC之类的移动设备中，所述物体包括在用户界面中的操纵杆。然后所述软件被安装在移动设备的数据处理系统处。该软件使得在软件的操作使用中显著提高了用户界面的用户友好性。
本发明还涉及包括上述物体、传感器、以及校准装置在内的子系统。可以在商业上将这样的子系统开发为用在较大系统(例如，移动电话、膝上型PC)中使用的或在汽车等中使用的模块。
附图说明
参考附图以示例的方式进一步详细地说明了本发明，其中：
图1是本发明的传感器系统的一组框图；
图2和3是示意了系统中传感器的特性的一些方面的图示；
图4给出了说明传感器系统的不同物理量之间的关系的公式；
图5是对于不同的传感器实现来说传感器的输出信号对灵敏度的相关性的图示。
在所有图中，以相同的参考数字来指示相似或相应的特征。
具体实施方式
在示例实施例中，操纵杆模块具有操纵杆以及用于响应对代表操纵杆位置和/或方位的磁场的感测来产生信号的传感器。使用传感器灵敏度对操纵杆与传感器之间的距离的线性相关性，可以以简单的方式来校准代表操纵杆倾角的传感器信号。
图1是传感器系统100的框图，所述传感器系统100包括：物体102，例如操纵杆，可以在如所指示的至少X-Z平面中相对于传感器104移动；以及场发生器206，用于产生场，例如磁场。物体102相对于发生器106的不同位置和/或方位导致了传感器104所感测的场的差异。传感器104连接至(例如，电连接至、光连接至、或无线连接至)信号处理器子系统(未示出)，所述信号处理器子系统对传感器输出信号进行处理。该信号可以用于控制显示屏上的光标位置，或通过传感器系统基于测量物体102的相对位置或相对方位上的变化来控制另一功能性。
图1的图示示意了物体102相对于传感器104的不同方位和位置。在图1中，相对于传感器102稳定地安装发生器106作为与物体102分开的部件。备选地，可以将发生器106安装在物体102中或物体102上，使得物体102和发生器106可以相对于传感器104一致地移动。备选地，可以将传感器104安装在物体102中或物体102上，使得这些部件可以一起相对于发生器106移动。在所有配置中，物体102的位置或方位的相对变化导致了传感器104所感测到的场的差异。然后可以将所感测的差异处理成表示物体102的相对位置或相对移动。图1仅示出了可能配置之一。对于其他实现细节参见例如上述WO2006/035350。
在下文中，将表示物体102在X方向上的位置或方位变化的传感器104输出信号称作VX，将表示物体102在Z方向上的位置或方位变化的传感器104输出信号称作VZ。
图2是示意了未校准传感器系统的一般倾斜输出特性的图示，例如，其中物体102包括操纵杆。该系统具有输出电压VX的偏移误差Voffset，以及倾角θ偏移误差θoffset。在倾角θ与输出电压VX之间假定有线性相关性。图2的图示示意了针对传感器104与物体102之间的距离Z等于Z0的情况的线202，Z0表示在物体102静止时(例如不被用户触摸时)传感器104与物体102之间的距离。图2的图示还示意了针对传感器104与物体102之间等于ZC(ZC小于Z0)的情况的线204。由于因距离的差异而导致的灵敏度的差异，使得线202和204的斜率不同。对于越短的距离灵敏度越高。偏移误差Voffset和θoffset都是事先未知的，因为偏移误差Voffset和θoffset是由例如制造工艺的容限而导致的。
如果物体102处于静止位置，即，用户没有触摸物体102，则存在输出电压Voffset。由于希望具有在物体102静止时为零的输出电压，因此可以从该值中减去偏移电压，使得最终结果为零伏。一种简单的过程针对物体102静止测量输出电压VX并将该测量值存储为Voffset。例如当首次接通系统100时或当开始校准过程时，执行该过程。然后从操作过程中实际测量的值中减去该存储值。在该第一校准步骤之后，输出特性变成图3图示的特性。将线202转换成线302，将线204转换成线304。现在，针对θ＝0和Z＝Z0的输出电压VX是零。然而，当没有倾斜地朝向传感器104按压时，距离变成Z＝ZC，输出电压VX变成(0，ZC)。由于倾斜偏移误差θoffset不为零，信号处理子系统将该信号解释为倾角θ的变化。
可以由图4中的表达式(402)来表示图3的一组倾角/电压特性。其中出现的各种量以上已经介绍过了。
然而，所需的一组特性具有仅依赖于倾角θ和灵敏度S(Z)的输出电压VX(即，VX＝S(Z)·θ)。如果在表达式(402)中从测量电压VX中减去包括倾斜偏移误差θoffset的项，则得到这些所需的特性。即，需要附加的校准过程。所需的特性由图4中的表达式(404)来表示。
通常，倾斜偏移误差θoffset和灵敏度S(Z)不是公知的。以下示出了非常简单的附加过程。该过程基于：传感器104的输出电压VZ(Z)与X方向上的倾斜灵敏度之间的关系在良好近似的情况下是线性的。在本发明的实施例中，如在WO2006/035350中公开的，传感器104包括AMR元件的桥配置，以感测X方向和Z方向的磁场分量。图5的图示中是数值模拟示出了在共模电阻与倾斜灵敏度S(Z)之间的确是线性关系。然而，由于倾斜灵敏度依赖于有限永磁体106的磁场线形状，而Z桥的共模电阻依赖于参考平面中磁场分量的强度(称作“径向场(radialfield)”)，所以理解该关系为何是线性的很重要。这里所述参考平面是传感器104的平面。倾斜灵敏度与物体102和传感器104之间的距离粗略地成反比地变化，桥的共模电阻与平面中的磁场粗略地成反比变化。该线性关系(粗略地)隐藏在以下事实中：当物体102与传感器104之间的距离减小时平面中的径向场强度减小。可以从以下事实中理解实际上径向场强度减小：可以将物体102看作是磁体106的具有相反极性的镜像。物体越接近磁体106，由具有相反极性的镜像所补偿的径向场越多，从而减小了径向场强度。
表达式(406)和(408)表示距离信号VZ(Z)对灵敏度S(Z)的线性相关性。对于WO2006/035350中所示的桥配置，在4μm的磁力线宽度的情况下，线性因子α具有-1.31度的值。图5的图示表示针对4μm、6μm和10μm的磁力线宽度而执行的数值仿真的结果。
所提出的校准过程现在包括以下步骤。在第一步骤中，补偿传感器信号VX(θ，Z)，使得VX(θ，Z0)为0。以上参考图2和3已经描述了这一点。在下一步骤中，将物体102没有倾斜地(θ＝0)朝向传感器104移动，直到其覆盖了预定的距离ZC为止。那么输出信号VX取值VX(0，ZC)，输出信号VZ取值VZ(ZC)。在该移动期间微小的倾斜导致略微偏离的VX(0，Zc)值，这意味着校准的效率将较低。如果必要的话，可以将物体102构造成使得如果物体移动了预定的距离ZC，则由于例如机械限制不会再倾斜。例如，当物体102移动了距离ZC时，至少部分地被外壳夹紧，所述外壳的形状与物体102的形状相匹配，以便使物体102的横向移动最小化或消除。备选地，当物体102在距离ZC处时，使物体102为空心的并紧贴在固定在参考平面中的棘上。
从这些测量中，可以根据表达式(410)来确定倾角偏移θoffset。针对θ＝0和Z＝ZC将表达式(408)代入表达式(402)，得到针对θoffset的表达式(410)。使用表达式(408)和(410)，可以将表达式(404)变换成表达式(412)。表达式(412)利用来自传感器104的可用的其他信号给出校准后的VX(θ，Z)信号。
尽管上述示例仅提到了X方向和Z方向，然而应清楚，也可以在参考平面内针对Y方向上的VY来执行类似的校准，其中Y方向与X方向和Y方向垂直。
上述校准过程防止物体102的实际垂直移动对VX(和VY)输出信号造成严重影响。然而，当物体102沿着参考轴倾斜地移动时，灵敏度S将增大，仍然导致物体102向传感器104移动越远则VX(和VY)输出信号失真越大。这也是不期望的效果。由于粗略地已知灵敏度S(Z)是如何依赖于距离的，因此可以使用传感器104的输出信号VZ(Z)来计算校正因子，使得在这些情况下灵敏度S(Z)不增大或仅略微地增大。在表达式(414)中给出了一种可能的校正方法，使用表达式(408)来得到灵敏度S(Z)。如果将指数“n”设置为单位一，则从表达式404将清楚去除了对Z的相关性。为了应用该方法，有必要知道表达式(408)中α和S(Z0)的值。在WO2006/035350中使用的传感器中的典型的α和S(Z0)的值是α＝-1.31度，S(Z0)＝1.5mV/度。如果指数“n”增大，则由于距离变短导致表达式(414)中的VXcorr更不易受增大的灵敏度的影响。可以在操作使用中根据应用和使用情况来设置“n”的值。
尽管本文中仅参考X方向和Z方向，然而应清楚，也可以在参考平面内针对Y方向来执行类似的校正，Y方向与X方向和Y方向垂直。

Claims (11)

1、一种包括信号处理子系统(100)的系统，所述信号处理子系统(100)具有物体(102)以及用于响应对参考平面中的磁场分量的感测来产生信号的传感器(104)，所述磁场分量代表所述物体相对于所述参考平面的位置和/或方位，其中：
所述子系统被配置成将物体的移动限制为相对于实质上垂直于参考平面的参考轴倾斜，以及限制为沿着参考轴移动；
所述传感器操作用于产生距离信号，所述距离信号代表物体沿着参考轴相对于静止位置而移动的距离；
所述传感器操作用于产生倾斜信号，所述倾斜信号代表物体相对于参考轴的倾角；
所述子系统具有用于对倾斜信号进行校准的校准装置；
所述校准装置操作用于通过从倾斜信号的当前值中减去第一量和第二量来产生该倾斜信号的校正值，
其中，
所述第一量代表当物体处于静止位置并且倾角为零时倾斜信号的值；
所述第二量是第一因子与第二因子的乘积；
所述第一因子代表当倾角为零且距离具有预定的长度时倾斜信号的值；
所述第二因子代表第一项与第二项的比值；
所述第一项是当物体处于静止位置时的距离信号的值与距离信号的当前值之差；以及
所述第二项是当物体处于静止位置时的距离信号的值与当距离具有所述预定长度时的距离信号的值之差。
2、根据权利要求1所述的系统，其中，所述子系统包括用于在物体处于预定长度的距离时将物体限制为零倾角的装置。
3、根据权利要求1或2所述的系统，其中：
所述校准装置还操作用于利用因子来对倾斜信号的校正值进行缩放；
所述因子是第三项与第四项的另外的比值；
所述第三项代表在物体处于静止位置时传感器的灵敏度的值；
所述第四项代表当物体处于当前位置时传感器的灵敏度的值。
4、根据权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述物体包括操纵杆。
5、一种在信号处理子系统(100)中执行的校准方法，其中：
所述子系统包括物体(102)以及用于响应对参考平面中的磁场分量的感测来产生信号的传感器(104)，所述磁场分量代表所述物体相对于所述参考平面的位置和/或方位；
所述子系统被配置成将物体的移动限制为相对于实质上垂直于参考平面的参考轴倾斜，以及限制为沿着参考轴移动；
所述传感器操作用于产生距离信号，所述距离信号代表物体沿着参考轴相对于静止位置而移动的距离；
所述传感器操作用于产生倾斜信号，所述倾斜信号代表物体相对于参考轴的倾角；
所述方法包括：通过从倾斜信号的当前值中减去第一量和第二量来产生该倾斜信号的校正值，
所述第一量代表当物体处于静止位置并且倾角为零时倾斜信号的值；所述第二量是第一因子与第二因子的乘积；
所述第一因子代表当倾角为零且距离具有预定的长度时倾斜信号的值；
所述第二因子代表第一项与第二项的比值；
所述第一项是当物体处于静止位置时的距离信号的值与距离信号的当前值之差；以及
所述第二项是当物体处于静止位置时的距离信号的值与当距离具有所述预定长度时的距离信号的值之差。
6、根据权利要求5所述的方法，包括：当物体处于预定长度的距离时将物体限制为零倾角。
7、根据权利要求5或6所述的方法，还包括利用因子来对倾斜信号的校正值进行缩放，其中：
所述因子是第三项与第四项的另外的比值；
所述第三项代表在物体处于静止位置时传感器的灵敏度的值；
所述第四项代表当物体处于当前位置时传感器的灵敏度的值。
8、根据权利要求5、6或7所述的方法，其中，所述物体包括操纵杆。
9、一种用于在信号处理子系统(100)中执行校准方法的软件，其中：
所述子系统包括物体(102)以及用于响应对参考平面中的磁场分量的感测来产生信号的传感器(104)，所述磁场分量代表所述物体相对于所述参考平面的位置和/或方位；
所述子系统被配置成将物体的移动限制为相对于实质上垂直于参考平面的参考轴倾斜，以及限制为沿着参考轴移动；
所述传感器操作用于产生距离信号，所述距离信号代表物体沿着参考轴相对于静止位置而移动的距离；
所述传感器操作用于产生倾斜信号，所述倾斜信号代表物体相对于参考轴的倾角；
所述软件包括用于通过从倾斜信号的当前值中减去第一量和第二量来产生该倾斜信号的校正值的指令，其中：
所述第一量代表当物体处于静止位置并且倾角为零时倾斜信号的值；
所述第二量是第一因子与第二因子的乘积；
所述第一因子代表当倾角为零且距离具有预定的长度时倾斜信号的值；
所述第二因子代表第一项与第二项的比值；
所述第一项是当物体处于静止位置时的距离信号的值与距离信号的当前值之差；以及
所述第二项是当物体处于静止位置时的距离信号的值与当距离具有所述预定长度时的距离信号的值之差。
10、根据权利要求9所述的软件，包括用于利用因子来对倾斜信号的校正值进行缩放的另外的指令，其中：
所述因子是第三项与第四项的另外的比值；
所述第三项代表在物体处于静止位置时传感器的灵敏度的值；
所述第四项代表当物体处于当前位置时传感器的灵敏度的值。
11、一种在根据权利要求1、2、3或4的系统中使用的信号处理子系统。
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