CN101688902A - 用于测量平面内磁场的方向的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

用于测量平面内磁场的方向的磁场传感器，包括：传感结构(4)，包括环形阱(10)、相同大小的沿环形阱彼此以相同距离分隔的多个接触(11)；以及电子电路(5)，包括与传感结构(4)的接触(11)相关的多个电子开关(12)、用于控制电子开关(12)的逻辑块(18)、至少一个电流源(13、14)、用于测量第一电压和第二电压之间的差的装置、提供用于控制逻辑块(18)的控制信号并提供参考信号的时序电路，其中逻辑块适用于根据预定方案在控制信号的控制下闭合和断开电子开关，使得多个接触中的预定数目的接触形成被所述至少一个电流源提供电流并且具有两个连接到用于测量的装置的接触的竖直霍尔元件，以及使得竖直霍尔元件按步沿着环形阱移动，以及用于测量参考信号与电压测量装置的输出信号之间的相移的装置。

Description

用于测量平面内磁场的方向的磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量平面内磁场的方向的磁场传感器。

背景技术

这种磁场传感器可用于较宽的应用范围，即各个需要测量平面内的磁场方向的地方。这种应用包括包含可绕着轴旋转的磁体的角度编码器中的角度位置测量，在指南针等中的使用。

基于静磁原理的角度位置微系统主要从霍尔效应传感器获益。它们由二维传感部件结合旋转永磁体组成。从EP 1182461获知一种利用磁场聚集器的技术。从WO 9810302获知另一种技术。如在因特网http://www.novotechnik.com/pdfs/Vert-X.pdf上可以得到的文章中描述的，还有另一种技术利用特殊竖直霍尔传感器。这些已知技术的缺陷包括必须进行复杂的数学计算以从霍尔效应传感器的输出信号导出关于磁场方向的信息。

发明内容

本发明的目的是开发一种用于测量平面内磁场方向的磁场传感器，其避免不必要的复杂数学计算。

通过权利要求1和3的特征解决所指出的任务。

本发明使用测量关于平面内磁场B的方向的空间信息的传感结构。电子电路操作传感结构，使得该信息被转换为时间信号。传感结构包括环形导电阱以及相同大小的沿着环形阱彼此以相同距离隔开并且接触环形阱的至少8个的多个接触。电子电路根据预定方案选择预定数目的接触以形成移动竖直霍尔元件。移动是通过逐步改变所选择接触使得竖直霍尔元件沿环形阱移动并在一圈之后完成另一圈进行的。关于平面内磁场B的方向的信息包含在移动竖直霍尔元件的输出信号与参考信号之间的相移中。参考信号具有与移动竖直霍尔元件的圈的频率相等的频率，其具有涉及预定接触在环形阱的位置的相位。

附图说明

包含于本说明书中并构成本说明书的一部分的附图，与详细的说明一起，示出了本发明的一个或更多个实施例，以解释本发明的原理和实现。附图不依比例决定。在附图中：

图1示出传感原理的示意图；

图2示出传感结构的立体图；

图3和图4例示作为具有5个接触的移动竖直霍尔元件的传感结构的操作；

图5示出用于传感结构的操作的电子电路；

图6示出不同的信号；

图7到图9示出具有3、4或6个接触的竖直霍尔元件的传感结构的操作。

具体实施方式

图1示出根据本发明的传感原理的示意图。笛卡尔坐标系的轴用x、y和z表示。在本实施例中，可绕旋转轴2旋转的永磁体1产生磁场B。包括传感结构4和电子电路5(图5)的传感器3产生代表磁场B在xy平面上的方向的输出信号。可选地，传感器3可以产生与磁场B的强度成比例的第二输出信号。传感器3由具有有效表面的半导体芯片组成，即传感结构4和电子电路5嵌入到有效表面中。传感结构4限定x和y轴的位置。永磁体的旋转轴2限定z轴的位置。传感结构4具有关于中心6对称的圆。除了安装容许偏差之外，永磁体1的旋转轴2穿过中心6，并且相对于半导体芯片的有效表面垂直定向。附图标记7表示磁场在xy平面内的径向分量。

图2示出根据本发明实施例的传感器3的半导体芯片8的传感结构4的立体图。半导体芯片8包括第一导电类型的区域9和嵌入到所述区域9之内的第二导电类型的环形阱10。环形阱10优选地形成围绕中心6的圆形通道。至少n＝8个的同等大小的多个接触11沿着环形阱10以相等距离彼此隔开，接触环形阱10。以角度位置设置每个接触11，两个接触11之间的角距离等于360°/n。接触#k的角度位置是k/n＊360°，其中k是从1到n的整数。优选地，接触11的数目总计n＝2^m，其中数字m是整数，其值为至少3。当n＝64时可实现好的结果。如图所示，不需要用两个同心圆界定环形阱10。可以例如用两个规则多边形或其它合适形式界定环形阱10。

半导体芯片8优选地以CMOS技术制造。传感结构4基于霍耳效应测量磁场7的强度。因为在硅中电子的移动性大于空穴的移动性，所以区域9优选地是p型硅，因此阱10是n型硅。电子开关12是例如MOS传输栅。区域9不需要由导电材料组成，区域9也可以由电绝缘材料组成。

已知的基本霍耳元件具有4个接触：在工作中，两个接触连接到电流源，两个接触连接到电压测量设备。由此，布置在阱10中的多个接触11中任意一组四个相邻的接触形成霍耳元件，即所谓的竖直霍耳元件，其对位于竖直霍尔元件的位置的磁场的与半导体芯片8的有效表面平行并与环形阱10垂直的分量敏感。在例子中，竖直霍尔元件对永磁体的位于xy平面并穿过其中心的磁场7的径向分量敏感。然而，具有三个接触、五个接触、六个接触、以及甚至八个接触的竖直霍尔元件也是已知的。传感结构4可以如这些竖直霍尔元件或甚至具有任意其它数目的接触的竖直霍尔元件一样地工作。由三、四、五或六个接触形成的竖直霍尔元件的主要问题是所谓的偏移。偏移是当不存在磁场时两个电压接触之间存在的电压。

如将在下面关于图3和图4说明的，将传感结构4作为移动竖直霍尔元件操作。由于传感结构4包含n个接触，可以临时形成标记了从#1到#n的n个竖直霍尔元件。基于五个接触的竖直霍尔元件详细说明该操作，因为该配置较好地适用于将偏移问题最小化。五个电子开关12与每个单独接触11相关，使得每个接触11可以临时地连接到以下任意一个：第一电流源13、第二电流源14、例如像地15的恒定电压电势、优选地是差分差值放大器16的电压测量装置的第一输入或第二输入。电压测量装置可以选择性地包括用于输出滤波差值信号的带通滤波器17(图5)。电流源13、14是镜像电流源，且传递相同电流I/2。传感结构3通过以下k＝1到n的多个步骤操作。

步骤1

在步骤1中，临时形成第一个五个接触的竖直霍尔元件#1，其霍尔电压被测量并放大：

1.1如图3所示，闭合属于具有标记1、2、3、4和5的五个相邻接触的25个电子开关中的五个电子开关12，使得这些接触连接到两个电流源13、14、地m和差分差值放大器16：接触#1连接到第一电流源13，接触#2连接到差分差值放大器16的第一输入，接触#3连接到地m，接触#4连接到差分差值放大器16的第二输入，以及接触#5连接到第二电流源14。因此电流I/2流入接触#1，相同强度I/2的电流流入接触#5，电流I流出接触#3。剩余的电子开关12全部断开，使得剩余的接触11断开。

1.2差分差值放大器16传递与接触#2和#4之间出现的霍尔电压成比例的输出信号。

1.3断开五个分别闭合的电子开关12。

步骤2

在步骤2中，临时形成第二个五个接触的竖直霍尔元件#2，其霍尔电压被测量和放大。

2.1如图4所示，闭合属于具有标记2、3、4、5和6的五个相邻的接触的25个电子开关中的五个电子开关12，使得这些接触连接到两个电流源13、14、地m以及差分差值放大器16：接触#2连接到第一电流源13，接触#3连接到差分差值放大器16的第一输入，接触#4连接到地m，接触#5连接到差分差值放大器16的第二输入，以及接触#6连接到第二电流源14。剩余的电子开关12全部断开，使得剩余的接触11断开。

2.2差分差值放大器16传递与接触#3和#5之间出现的霍尔电压成比例的输出信号。

2.3断开五个分别闭合的电子开关12。

因此，在此后每个步骤中活动竖直霍尔元件的位置沿着环形阱10移动一个位置，步骤k可被一般地描述为：

步骤k

在步骤k中，临时形成五个接触的竖直霍尔元件#k，其霍尔电压被测量和放大：

k.1闭合属于具有标记k、k+1、k+2、k+3和k+4的五个相邻接触的25个电子开关中的五个电子开关12，使得接触#k连接到第一电流源13、接触k+1连接到差分差值放大器16的第一输入，接触k+2连接到地m，接触k+3连接到差分差值放大器16的第二输入，以及接触k+4连接到第二电流源14。全部断开剩余电子开关12，使得剩余接触11断开。

k.2差分差值放大器16传递与接触k+1和k+3之间出现的霍尔电压成比例的输出信号。

k.3断开五个分别闭合的电子开关12。

必须指出接触的标记的计算必须根据已知的算术模运算一直采用模n进行，使得每个接触标记位于1到n的范围内。

因此，在操作中，在任意时间仅仅一个由五个相邻的接触形成的片段有效，该片段像具有五个接触的竖直霍尔元件一样工作。步骤#1到#n在时序电路的控制下一个接着一个地进行，使得有效的竖直霍尔元件沿着环形阱10移动。在步骤n完成之后，序列再次开始，因为步骤n+1与步骤1相同，步骤n+2与步骤2相同，以此类推。因此在一圈之后进行另一圈。转圈根据特定频率f发生，该特定频率f首先根据应用的需要来选择。然而，如果应用允许，优选地尽可能选择高的频率f，使得竖直霍尔元件的1/f噪声不显著。频率f可以是约10kHz，尽管也可以选择任何其它值。

差分差值放大器16的输出信号是阶梯信号。带通滤波器17过滤差分差值放大器16的输出信号。

图5示出适用于传感结构4的操作的电子电路5的实施例。电子开关12以块排列在传感结构4的环形阱10周围。电子电路5包括：用于控制电子开关12的逻辑块18，包括电流源13和14以及其它电路用于向电子电路5的各个部件提供必需能量供应的偏置电路19，包括差分差值放大器16和带通滤波器17的电压测量装置，包括振荡器20、第一分频器21和第二分频器22的时序电路，比较器23，计数器24和输出缓冲器25。

差分差值放大器16的输出信号参照参考电压Vref。带通滤波器17为了使以频率f为中心围绕的频率通过而设计。带通滤波器17可由任意已知类型而形成，可以例如是被由时序电路传递的时钟信号控制的模拟开关电容滤波器。比较器23通过将带通滤波器17的输出信号与参考电压V_ref比较而将其转换为二进制LS信号。振荡器20传递基本时钟信号，该基本时钟信号被第一分频器21划分为用于控制电子开关12的开关的时钟信号，并被第二分频器22划分为二进制参考信号RS。参考信号RS的频率等于移动竖直霍尔元件的转圈的频率。永磁体1在xy平面内的磁场B相对于所选择的接触例如接触#1的方向可用平面内角度

描述。信号LS和参考信号RS之间的相移Φ直接与平面内角度

成比例。计数器24将相移Φ转换为数字字，例如长度12位的数字字(这在附图中分别用计数器24和输出缓冲器25旁边的数字12示出)。振荡器20的时钟信号被供给到计数器24的时钟输入，信号RS被供给到计数器24的复位输入，以及信号LS被供给到计数器24的使能输入。在信号RS的上升沿，即当信号RS从0到1改变其状态时，计数器24被复位并开始计数来自振荡器20信号的脉冲。在信号LS的上升沿，即当信号LS从0到1改变其状态时，计数器24停止计数。计数器24的输出在信号RS的上升沿被转移到输出缓冲器25。输出缓冲器25以数字形式提供传感器的第一输出信号。本领域技术人员可容易地认识到存在更多可能从差分差值放大器16的输出信号提取关于平面内角度

的信息。

图6示出第一分频器21(图5)的时钟信号26、从时钟信号26导出的参考信号RS、差分差值放大器16的输出信号27以及带通滤波器17的输出信号28。此图还例示了带通滤波器17的输出信号28(或等同地从带通滤波器17的输出信号28导出的信号LS)与参考信号RS之间的相移Φ。横坐标一方面代表时间t，另一方面还代表竖直霍尔元件沿着环形阱10的位置。横坐标下方所示的数字代表n＝64个接触的实施例的接触11。因此，图6例示信号作为时间t的函数的曲线，以及它们与接触11的角度位置的关系。

通常，当磁场消失时，输出信号27的值OS不消失，而是具有所谓的偏移值OS₀。然而，该偏移值OS₀可以在校准步骤中测量。差值信号OS-OS₀然后被偏移补偿，直接与磁场B的平面内角度成比例。

带通滤波器17的输出信号28的幅度包含关于在xy平面上的磁场的径向分量7的强度的信息，A/D转换器或其它合适的电路可被加到电子电路5以将该信息数字化并以数字形式输出。

图7到图9如下示意地示出传感结构4的接触11和在特定步骤k中竖直霍尔元件与电流源、差分差值放大器16以及地15之间的电连接：图7例示作为各具有三个接触的两个竖直霍尔元件的传感结构4的操作。两个竖直霍尔元件相对于环形阱10的中心6直径彼此相对地设置。传感结构3以k＝1到n的步骤操作，重复多次，使得竖直霍尔元件沿着环形阱10移动，在一圈之后完成另一圈。为了清楚，未示出为了形成竖直霍尔元件的接触临时连接到电子电路5所需的开关。在步骤k，连接是：接触#k和#(k+n/2)连接到地15，接触#(k+1)连接到差分差值放大器16的第一输入，接触#(k+1+n/2)连接到差分差值放大器16的第二输入，接触#(k+2)连接到第一电流源13，接触#(k+2+n/2)连接到第二电流源14。图8和图9例示作为分别具有四个或六个接触的竖直霍尔元件的传感结构4的操作。在步骤k，连接是：接触#k连接到地15，接触#(k+1)和#(k+3)连接到差分差值放大器16的第一或第二输入，接触#(k+4)连接到电流源13。图9中示出具有六个接触的竖直霍尔元件，接触#(k-1)和#(k+5)彼此连接。与每一个接触11相关的电子开关12的数目取决于操作所形成的霍尔元件所需的连接的数目：对于图7和图9所示的实施例，五个电子开关12与每个接触11相关。对于图9所示的实施例，四个电子开关12与每个接触11相关。

为了进一步减少偏移，可采用已知的旋压(spinning)技术。旋压技术是一种开关技术，其交替地交换霍尔元件的电流和电压终端。开关方案例如从DT 2333080和WO 2006074989可获知。当旋压技术用于本发明的移动竖直霍尔元件时，每个步骤k被划分为至少两个优选地四个子步骤，其中形成实际竖直霍尔元件的接触#k被整流(commutate)。

如果竖直霍尔元件具有四个、五个或六个接触，则可以形成第二竖直霍尔元件并且连接到电流源和电压测量装置，其中第二竖直霍尔元件的接触与第一竖直霍尔元件的接触相对于环形阱10的中心6对角相对设置。与第一竖直霍尔元件相同，该第二竖直霍尔元件测量相同的磁场，但具有相反的符号。该应用相似于图7所示的应用，区别在于第一和第二竖直霍尔元件均是完整的霍尔元件。

差分差值放大器16是优选的电压测量装置，但也可使用其它电压测量装置。

尽管示出并描述了本发明的实施例和应用，对学习了本公开的本领域技术人员明显除了以上提到的之外还存在更多的修改而不背离本发明的概念。因此，本发明不受所附的权利要求和等同物之外的限制。

Claims (3)

1.用于测量平面内磁场的方向的磁场传感器，包括：

传感结构(4)，包括：

环形的导电阱(10)，以及

相同大小的沿着环形阱彼此以相同距离隔开并且接触所述环形阱的至少8个的多个接触(11)，以及

电子电路(5)，包括：

至少一个电流源(13、14)，

用于测量第一电压和第二电压之间的差的装置，

与所述传感结构的接触相关联的多个电子开关(12)，其中至少四个电子开关与所述接触的每一个相关联，

逻辑块(18)，用于控制所述电子开关，

时序电路，提供用于控制所述逻辑块的控制信号，以及提供参考信号，

其中所述逻辑块适用于根据预定方案在所述控制信号的控制下闭合和断开所述电子开关，使得所述多个接触中的预定数目的接触形成从所述至少一个电流源提供电流并且具有连接到用于测量的装置的两个接触的竖直霍尔元件，以及使得所述竖直霍尔元件沿着所述环形阱按步移动，以及

用于测量所述参考信号与用于测量第一电压和第二电压之间的差的装置的输出信号之间的相移的装置。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中，用于测量第一电压和第二电压之间的差的所述装置包括带通滤波器(17)。

3.用于利用传感结构测量平面内磁场的方向的方法，所述传感结构包括环形的导电阱(10)和相同大小的沿着环形阱彼此以相同距离隔开并且接触所述环形阱的n个接触(11)，数字n至少是8，所述方法包括：

沿着所述环形阱从竖直霍尔元件的当前位置到相邻的下一位置按步相继移动所述竖直霍尔元件，使得所述竖直霍尔元件在一圈之后完成另一圈，其中，对于每一步，所述竖直霍尔元件由从所述n个接触中选择的预定数目的接触形成，

将所选择的接触与至少一个电流源以及电压测量装置连接，从而将所选择的接触作为竖直霍尔元件操作，

提供代表所述竖直霍尔元件沿所述环形阱的位置的参考信号，以及

确定所述参考信号与所述电压测量装置的输出信号之间的相移。

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