CN101855563A - 磁电阻传感器及操作磁电阻传感器的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种磁电阻传感器系统(400)，其中所述系统包括磁场源(402)、具有易轴的磁电阻传感器(403)、以及微分元件(404)，其中所述磁场源(402)适于发出由振荡输入信号(401)产生的辅助磁场，其中所述辅助磁场与所述磁电阻传感器(403)的易轴正交，其中所述磁电阻传感器(403)适于感测与外部磁场和辅助交变磁场的叠加相关的信号，并且，其中所述微分元件(404)适于对所感测的信号进行微分。

Description

磁电阻传感器及操作磁电阻传感器的方法

技术领域

本发明涉及磁电阻传感器。

本发明还涉及操作磁电阻传感器的方法。

并且，本发明涉及程序元件。

此外，本发明涉及计算机可读介质。

背景技术

现今广泛使用磁电阻传感器，如各向异性磁电阻传感器(AMR)或巨磁电阻传感器(GMR)。例如，AMR传感器是许多汽车应用中的关键部件，例如防抱死制动系统(ABS)、发动机管理、传动或安全系统。尤其在汽车传动领域中，需要大气隙能力(air gap capability)。

典型地，通过Barber电极(Barber pole)结构来线性化用于转速测量的磁电阻传感器。由于Barber电极传感器具有两个稳定的输出特性，必须采用偏置磁体以防止在正和负磁化方向之间翻转。然而，由偏置磁体所提供的沿着x方向的辅助场H_x，即平行于磁电阻传感器的易轴(easyaxis)的辅助场降低了灵敏度，如以下等式所示：

$\frac{d{R}_{\mathrm{sensor}}}{\mathrm{dH}}~\frac{1}{H_0+H_x}---\left(1\right)$

Barber电极传感器的主要缺点是由该辅助场引起的降低的灵敏度。并且，对于增加的气隙，传感器头的输出信号减小，这导致对智能传感器系统的信号处理和调节单元的沉重要求。因而，现有技术中配备有由铁、铁氧体、或AlNiCo合金组成的标准磁体的AMR速度传感器不能提供在诸如汽车传动系统等许多应用领域中都需要的气隙能力。

因而，需要提供具有改善的灵敏度的磁电阻传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有改善的灵敏度的磁电阻传感器以及操作该磁电阻传感器的方法。

为了实现上述目的，提供根据独立权利要求的磁电阻传感器系统、操作磁电阻传感器系统的方法、程序元件及计算机可读介质。

根据示例实施例，提供一种磁电阻传感器系统，其中所述系统包括：磁场源、具有易轴的磁电阻传感器以及微分元件，其中，所述磁场源适于发出由振荡输入信号产生的辅助磁场，其中所述辅助磁场与所述磁电阻传感器的易轴正交，其中所述磁电阻传感器适于感测与外部磁场和所述辅助交变磁场的叠加相关的信号，并且其中所述微分元件适于对所感测的信号进行微分。具体地，所述磁电阻传感器可以是非线性磁电阻传感器，例如可能不具有像在现有技术中已知的Barber电极传感器的线性特性。具体地，所述微分元件可以适于对所感测的信号在时间上进行微分。所述辅助场也被称为激励场。

根据示例实施例，提供一种线性化磁电阻传感器的传感器传递函数的方法，所述方法包括产生与所述磁电阻传感器的易轴正交的辅助磁场，感测与外部磁场和所述辅助交变磁场的叠加相关的信号，以及对所感测的信号进行微分。具体地，所述微分可以采用微分元件执行。

根据示例实施例，提供一种程序元件，当其被处理器执行时，所述程序元件适于控制或执行根据示例实施例的方法。

根据示例实施例，提供一种计算机可读介质，其中可以存储计算机程序，当其被处理器执行时，所述计算机可读介质适于控制或执行根据示例实施例的方法。

这种提供对通过与所述磁电阻传感器的易轴垂直的附加交变场产生的磁电阻传感器的感测信号的微分可以改善所述磁电阻传感器系统的灵敏度。在这种情况下，所述磁电阻传感器系统的灵敏度仅受到时间测量的准确度的限制。因此，有可能提供一种更大的感测距离，例如可能实现更大的气隙，这可能是汽车传动应用中的关键要求。这种磁电阻传感器的改善的灵敏度也开启了新的应用领域。具体地，与已知的Barber电极传感器相比，省去附加偏置磁体可以导致生产成本的降低。一般说来，这种磁电阻传感器系统可以用于汽车行业的转速传感器。由于灵敏度的提高，有可能可靠地测量弱磁场。具体地，根据示例实施例的磁电阻传感器系统可以提供被感测的信号的相位调制。

可以从采用微分元件对所感测的信号进行准相位(quasi phase)调制的事实，看出本发明的示例方面的要点。因此，可以通过占空比分析进行弱磁场的测量。为了提供其中占空比与待测量的外部磁场的幅度相对应的信号，可以执行所述传感器元件的交变激励以及适当的信号预处理。对于激励而言，采用辅助磁场或者激励磁场，其激励所述磁电阻传感器，并与待测量的外部磁场叠加。因此，与用于Barber电极传感器以抑制翻转的已知的辅助磁场不同，具有正交的方向。所述激励磁场具有与所述磁电阻传感器的易轴正交的极化。这样一个激励磁场可以由线圈产生，该线圈可在实现磁电阻传感器自身的芯片中实现。具体地，可以通过非线性元件，即具有非线性传递函数的磁电阻传感器，形成所述磁电阻传感器，以便所述外部磁场对激励的幅度进行调制。从这个幅度调制的激励信号开始产生一个新的信号，其中占空比表示外部磁场的幅度。在这种情况下，所述磁电阻传感器系统的灵敏度仅受到时间测量的准确度的限制。

总之，示例的磁电阻传感器系统的基本实施例可以是提供磁场源，所述磁场源提供或产生具有交变场并具有与所述磁电阻传感器系统的磁电阻传感器的易轴正交的方向的辅助磁场。然后，通过微分元件处理调制信号以获得相位调制传感器信号。

下一步，将描述本发明的进一步的示例实施例。

在下文中，将说明磁电阻传感器系统的进一步的示例实施例。然而，这些实施例也可应用于线性化磁电阻传感器的传感器传递函数的方法、应用于程序元件和应用于计算机可读介质。

根据所述磁电阻传感器系统的另一示例实施例，所述磁电阻传感器是各向异性磁电阻传感器和/或巨磁电阻传感器。

根据另一示例实施例，所述磁电阻传感器系统还包括一个适于将差分信号与振荡输入信号相混合的混合器。具体地，所述振荡输入信号也可以在送到所述混合器之前被微分。为了提供所述微分振荡输入信号，需提供另一微分单元或元件。

根据另一示例实施例，所述磁电阻传感器系统还包括一个低通滤波器，其中所述低通滤波器适于对所混合的滤波信号进行滤波。

提供低通滤波器可以是抑制和/或消除在所述磁电阻传感器系统的输出信号中的失真的适当措施。

根据所述磁电阻传感器系统的另一示例实施例，所述磁场源是线圈。

具体地，所述振荡信号可以由为所述线圈提供驱动信号的振荡器提供。具体来说，所述振荡信号可以是正弦信号。

从下文中描述的实施例的实例，上述定义的示例实施例和方面及本发明的其他方面是显而易见的，并将参考这些实施例的实例进行说明。尤其应当注意针对一个示例实施例或方面描述的特征可以与其他示例实施例和其他示例方面相结合。

附图说明

下文将参考实施例的实例更加详细地描述本发明，但本发明不受限于这些实例。

图1示意性示出电流馈送各向异性磁电阻(AMR)传感器的简化电路图。

图2示意性示出磁激励及外部磁场的叠加。

图3示意性示出相位调制传感器信号。

图4示出模拟处理单元的元件的示意性框图。

图5示出数字信号处理单元的示意性框图。

具体实施方式

在附图中的说明是示意性的。在不同的附图中，类似或相同的元件用类似或相同的参考符号表示。

在下文中，将参考图1至图5说明根据示例实施例的磁电阻传感器系统的一些基本原理。

图1表示采用正弦激励的电流馈送各向异性磁电阻传感器(AMR传感器)100的简化电路图。图1详细示出了包括驱动线圈102和振荡电压源103(例如振荡器)的磁场源101。此外，图1示出了包括AMR元件105的磁电阻传感器104。具体地，应当注意所述AMR元件105的易轴具有图1中大致垂直的方向，即沿着在图1中示出的电压U_sensor的方向，而由所述驱动线圈102引起的磁场的方向在图1中大致是水平的，即大致与在图1中示出的电压U_exc平行。具体地，应当注意所述AMR元件104是非线性AMR元件，即不会提供例如Barber电极的线性输出信号。所述驱动线圈102通常在y方向产生正弦磁激励，即沿着与所述AMR元件的易轴正交的方向，该易轴通常称为x方向。

对沿y方向的小磁场H_y或沿x方向的可忽略场(H_x→0)，不具有Barber电极的AMR传感器可以被描述为

$R_{\mathrm{sensor}}=R_0+\mathrm{\ΔR}(1-{\left(\frac{H_y}{H_0}\right)}^2)---\left(2\right)$

其中H₀表示包括所谓的退磁场和各向异性场的常数。由所述驱动线圈产生的激励由下式给出

$H_{\mathrm{exc}}\left(t\right)={\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)---\left(3\right)$

其中H_exc表示由所述驱动线圈引起的激励磁场，并且

表示其幅度。所述线圈由振荡电压源或振荡电路根据以下等式的电压驱动

$u_{\mathrm{exc}}\left(t\right)={\hat{U}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right).---\left(4\right)$

在下文中，待测量的磁场被称为外部场H_ext，对于适当选择的ω_exc＝2πf_exc，外部场保持恒定不变。因此，我们发现AMR传感器的磁输入信号为：

$H_y\left(t\right)=H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right).---\left(5\right)$

图2示意性示出所述外部磁场和所述激励磁场的叠加。具体地，图2示出电阻R(单位为Ω)随场H_y(单位为A/m)变化的线201。此外，磁场H_ext(t)和H_exc(t)分别用线202和203示意性示出。如上文提及，由于使用H_exc(t)，采用正弦激励。在图2中可以看出电阻分布是对称分布，即对于-H_y和+H_y，电阻是相同的。

从等式(1)和(4)开始可以计算出所得的R_sensor(t)，R_sensor(t)表示通过H_ext产生的H_exc的幅度调制。如果等式(5)代入(2)，对于R₀＞＞ΔR，将得到以下等式：

$R_{\mathrm{sensor}}\left(t\right)=R_0-\mathrm{\ΔR}{\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)}{H_0}\right)}^2.---\left(6\right)$

因为I_sensor＝常量，所述传感器的输出由下式给出：

$u_{\mathrm{sensor}}\left(t\right)=R_0{I}_{\mathrm{sensor}}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}{\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)}{H_0}\right)}^2.---\left(7\right)$

从等式(7)得到下式：

$\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{sensor}}}{\mathrm{dt}}=-{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)}{H_0}\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right).---\left(8\right)$

等式(8)与下式的乘积

$\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{exc}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}{\hat{U}}_{\mathrm{exc}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)---\left(9\right)$

得到：

$m\left(t\right)=\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{sensor}}}{\mathrm{dt}}\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{exc}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}{\hat{U}}_{\mathrm{exc}}{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)}{H_0^2}\right)(1+\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exct}}\right)).---\left(10\right)$

这与时间差分感测信号和时间差分激励信号混合后的信号对应。

在采用近似为f_exc的截止频率进行低通滤波后，可以得到在图3中示出的信号u(t)

$u\left(t\right)=-{\mathrm{\ω}}_0^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{RI}}_{\mathrm{sensor}}{\hat{U}}_{\mathrm{exc}}{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\left(\frac{H_{\mathrm{ext}}+{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}t\right)}{H_0^2}\right),---\left(11\right)$

稍后将详细描述。通过在图4中示出的磁电阻传感器系统的信号处理单元可以获得信号u(t)，信号u(t)在以下位置过零

$t_{\mathrm{root}}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{exc}}}\arcsin (-\frac{H_{\mathrm{ext}}}{{\hat{H}}_{\mathrm{exc}}}),---\left(12\right)$

这定义了对应信号的占空比的变化

Δt＝|t_root|.    (14)

这意味着，如图3中所示，对于正的外部场H_ext，t＝[0，T/2+2Δt]时u(t)为正，而t＝[T/2+2Δt，T]时u(t)为负。所以，可能定义两个时间域，对于正的信号u*(t)

$t_{\mathrm{positive}}=\frac{T}{2}\±2\mathrm{\Δt}---\left(15\right)$

以及对于负的信号u*(t)

$t_{\mathrm{negative}}=\frac{T}{2}\stackrel{\‾}{+}2\mathrm{\Δt}---\left(16\right)$

等式(15)和(16)的差是无偏移的，并且与外部场的大小对应：

$t_H=t_{\mathrm{positive}}-t_{\mathrm{negative}}=4\mathrm{\Δt}=4\left|\arcsin (-\frac{H_{\mathrm{ext}}}{H_{\mathrm{exc}}})\right|.---\left(17\right)$

为了得到时间间隔t_H，可能采用模拟和数字实现。由于数字信号处理具有隐含的模数转换的优点，优选数字化实现。

在图3中描述了信号u(t)和u*(t)。在图3的上部详细示出了信号u(t)，即相位调制混合信号，u(t)取决于H_exc，例如是成比例的。在图3中，在标记为301的正弦信号的附近标记了一些间隔。详细地，这些间隔是位于所述线303和304之间、标记为302的T/2+2Δt的间隔，以及位于所述线304和306之间、标记为305的T/2-2Δt的间隔。也描述了第三间隔307，第三间隔307位于所述线308和309之间，与信号的周期T＝2π/ω_exc对应。此外，在图3中描述了与信号u(t)的偏移相对应的外部信号H_ext。

在图3的下部描述了对应的信号u*(t)301，即与等式(13)对应的信号。

正如已经提及的，图4示意性示出了可用于获得信号u(t)的信号处理单元的框图。图4详细示出了根据包括处理单元的示例实施例的磁电阻传感器系统400的一部分的示意框图。所述磁电阻传感器系统包括适于产生驱动信号例如正弦电压信号的振荡器401，该驱动信号馈送至驱动线圈402。所述驱动线圈402产生与待测量的外部磁场H_ext叠加的激励磁场H_exc。此外，所述磁电阻传感器系统包括测量叠加的磁场的磁电阻传感器403，例如各向异性磁电阻传感器或巨磁电阻传感器。应当注意所述磁电阻传感器具有与激励磁场H_exc的方向正交的方向的易轴。所述磁电阻传感器403的输出信号是馈送至第一微分单元404的传感器电压U_sensor。然后，所述磁电阻传感器403的差分信号连同振荡器401的正弦电压信号馈送至混合器405，振荡器401的正弦电压信号还通过第二微分单元406微分。然后，混合信号m(t)馈送至低通滤波器407，产生输出电压u(t)。

图5示出了数字信号处理单元500的示意框图。所述数字信号处理单元500包括比较器501，输出信号u(t)馈送至该比较器501，并且在该比较器501中与地GND进行比较。此外，所述数字信号处理单元500包括加减计数器502，所述比较器501的输出信号馈送至该加减计数器502，并且该加减计数器502对于正u*(t)进行加计数，如果u*(t)为负则进行减计数。对于U/D的上升沿，所述计数器的输出是有效的并且与tH成比例。之后需要重置所述计数器以便准备下一次测量。具体地，应当提及的是智能磁电阻传感器系统的灵敏度仅取决于数字计数器的时钟频率。

总之，根据本发明的示例方面，可以提供基于非线性磁电阻传感器的磁电阻传感器系统。为了测量弱磁场，采用了激励磁场H_exc，所述激励磁场H_exc采用正弦信号产生并具有与所述磁电阻传感器的易轴正交的方向。微分元件用于处理所述磁电阻传感器的输出信号，然后该信号与振荡器的差分正弦电压信号混合经过低通滤波，以实现相位调制输出信号u(t)。

应当注意，术语“包括”不排除其他的元件或特征，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，与不同实施例或方面相关地描述的元件可以组合。还应当注意，在权利要求中的参考符号不解释为限制这些权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种磁电阻传感器系统(400)，用于线性化传感器传递函数，包括：

磁场源(402)，

具有易轴的磁电阻传感器(403)，以及

微分元件(404)，

其中所述磁场源(402)适于发出由振荡输入信号产生的辅助磁场，其中所述辅助磁场与所述磁电阻传感器(403)的易轴正交，

其中所述磁电阻传感器(403)适于感测与外部磁场和辅助交变磁场的叠加相关的信号，并且

其中所述微分元件(404)适于对所感测的信号进行微分。

2.根据权利要求1所述的磁电阻传感器系统(400)，

其中所述磁电阻传感器(402)是各向异性磁电阻传感器和/或巨磁电阻传感器。

3.根据权利要求1所述的磁电阻传感器系统(400)，还包括：

混合器(405)，适于将差分信号和振荡输入信号相混合。

4.根据权利要求4所述的磁电阻传感器系统(400)，还包括：

低通滤波器(406)，

其中所述低通滤波器(406)适于对所混合的滤波信号进行滤波。

5.根据权利要求1所述的磁电阻传感器系统(400)，

其中所述磁场源(402)是线圈。

6.一种处理磁电阻传感器(403)的信号的方法，所述方法包括：

产生与所述磁电阻传感器(403)的易轴正交的辅助磁场，

感测与外部磁场和辅助交变磁场的叠加相关的信号，以及

对所感测的信号进行微分。

7.一种程序元件，在由处理器执行时，所述程序元件适于控制或执行根据权利要求6所述的方法。

8.一种计算机可读介质，其中存储计算机程序，该计算机程序在由处理器执行时，适于控制或执行根据权利要求6所述的方法。

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