CN102192703A

CN102192703A - 磁场角度传感器和传感方法

Info

Publication number: CN102192703A
Application number: CN2011100351184A
Authority: CN
Inventors: 维克托·泽尔恩; 罗伯特·H·M·范费尔德温
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-01-30
Also published as: EP2360455A1; US20110187354A1; US20140028299A1; US8680850B2; EP2360455B1; CN102192703B; US8648591B2

Abstract

提出了一种磁阻传感器和感测方法，其中将外部磁场发生器用于提供第一模式，在所述第一模式中沿预定方向提供dc外部磁场，并且所述dc外部磁场相对于输入装置产生的待感测磁场是主导的。在第二模式中，所述外部磁场较小。对来自两种模式的角度传感器装置输出进行组合，并且这使得能够利用偏移电压补偿来确定输入装置的角度取向。

Description

磁场角度传感器和传感方法

技术领域

本发明涉及磁场传感器和感测方法。具体地，本发明涉及磁阻角度传感器。

背景技术

磁传感器在各种行业正变得越来越重要。具体地在汽车工业中，在现代交通领域已经见到了诸如停车传感器、角度传感器、ABS(自动刹车系统)传感器和胎压传感器之类的各种传感器的存在，用于改善舒适性和安全性。磁传感器在汽车应用方面尤为重要，因为磁场容易穿透大多数材料。与例如光学传感器不同，磁传感器对于污垢非常不敏感。

诸如基于霍尔效应或磁阻效应的传感器之类的几种不同磁传感器技术目前是可用的。各向异性磁阻(AMR)和巨磁阻(GMR)传感器是基于磁阻效应的传感器类型的具体示例。可以将霍尔效应传感器单片集成到集成电路中，从而使其便宜，但是也知晓霍尔效应传感器也由于其低灵敏度和随之而来的不精确性。尽管AMR传感器与霍尔效应传感器相比具有更高的灵敏度，AMR传感器要求更多的制造步骤，因为它们不能够单片集成，使得整体传感器系统更加昂贵。通常可以通过在分立管芯上或者在单片结构的顶部上溅射Ni₈₀Fe₂₀来沉积AMR传感器。退火工艺(有时在磁场中)通常用于增加磁阻材料中的磁状态的稳定性。

GMR传感器典型地具有比AMR传感器更高的灵敏度。然而，GMR传感器包括各种薄层和临界界面。制造这种传感器所要求的技术相当复杂和昂贵。另外，由于组成GMR传感器的薄的多层，也限制了工作温度范围。因此，通常选择AMR传感器作为磁传感器应用中的良好折衷。本发明通常可应用于磁阻传感器。

作为示例，图1左侧简要绘出了AMR传感器101。AMR传感器提供感测电流I_sense，所述感测电流I_sense可以例如从与电阻器R串联的参考电压V_ref提取。在图1右侧示出了根据所施加的(或者外部)磁场H_ext的典型AMR传递函数102，将其定义为AMR传感器电阻R_AMR。

在角度传感器中，由具有待测量的角度位置的器件的旋转引起外部磁场旋转。当所述外部磁场与电流路径对齐时，与电流方向垂直的分量为零，这就处于图中的峰值。

传递函数相对于y轴对称，并且因此具有在H_ext的零交叉附近消失的灵敏度。这强烈地妨碍了对零场交叉的精确检测：对于这种对称的传递曲线，电噪声和其他干扰电信号在H_ext＝0处以及周围具有较大影响。

解决这种问题的一种已知方式是在AMR传感器的顶部上添加线圈201，参见图2左侧。当通过所述线圈驱动DC电流(I_bias)时在AMR传感器中产生附加场H_bias。如图2右侧所示，现在在AMR传递函数上将AMR传感器的偏置点从0(点22)偏移至H_bias(点23)。AMR现在在零H_ext处是灵敏的，并且其对于AMR传感器的正弦H_ext的响应看起来和图2右侧所示的一样。

用于解决这种灵敏度问题的角度传感器的一种已知备选电路实现是双桥传感器，具有两个全惠斯通桥，所述两个惠斯通桥互相交织以节省空间。这两个桥相同，但是彼此成45度角，使得一个具有外部场角度的正弦函数的输出，而另一个具有外部场角度的余弦函数的输出。将正弦和余弦输出(V_y＝Ssin(2φ)和V_x＝Scos(2φ))用于计算角度：

φ＝1/2arctg(V_y/V_x)

磁角度传感器的问题是存在偏移，使得即使在没有磁场的情况下也会产生输出，或者当产生零输出时，实际上存在磁场。

对于这种双桥实现，每一个桥对于双倍角度2φ敏感，因此只可能测量角度间隔0-180°。如果V_y和/或V_x包含偏移电压，以上算法将产生角度误差。因此需要减小偏移，或者优选地完全抵消所述偏移。这包括设置双桥传感器的灵敏度和偏移。为此目的，在系统中可以使用预校准传感器，或者可以在ASIC板上存储器中存储偏移值。

对于传感器的几乎每一种应用，这种偏移仍然是个问题，在存在已知值的激励(在该情况下是磁场)的情况下，要求工厂将电压或电流或阻抗输出微调为固定值。通常在工厂中所谓的“零高斯”腔室中针对零场条件来设置该偏移。

在传感器的寿命期间，偏移由于老化而可能变化。甚至在较短的时间间隔中，所述偏移也将由于环境条件的变化而改变。最常见的影响因素是温度。同样，机械(振动、压力)或化学条件可以影响这种偏移。

已经提出了考虑这些变化条件的偏移补偿方法。这要求对于诸如温度之类的实际参数值的充分了解。然而在非线性情况下，补偿算法将变得非常复杂。另一个因素是在使用传感器时，无法设置与偏移微调期间的工厂条件类似的条件。在角度传感器的情况下，用于检测位置的磁场将总是存在于传感器邻近。因此，不可能再次实现零场条件。

本发明目的在于提供一种角度传感器，其中实现了对于这种偏移的补偿。

图3中示出了用于补偿这种偏移的第一种已知方法。将测试线圈施加在磁阻传感器的顶部上。这提供了产生AC测试场H_Tsin(ω_T·t)的可能性，例如，针对余弦x桥。由于在磁阻传感器的区域中存在旋转磁场H_A，这提供了添加至传感器信号的ac桥输出电压。这种测试场提供了具有与具有(V_ox)的x传感器相同偏移的输出。如果H_A＝0(正在感测器件的磁场)，所述方法包括：测量测试线圈输出的平均值；以及使用所述平均值来调节系统下一部分中的放大器的dc电平。如果H_A＞0，这种输入场的旋转频率ω_A应该足够大，以将其与测试线圈频率ω_T分离(滤波)。通常不会是这种情况，并且所述方法将变得无用。此外，如果ω_A＞0，ω_A上的信号本身可以用于确定偏移。那么，测试场就不是必须的。

图4用于解释偏移补偿的另一种已知方法，例如US 4,694,248中所述。这种方法称作灵敏度调制。传感器具有用于在S和S’之间调制灵敏度的控制参数。这产生了如所示的环形(V_x，V_y)输出，其中V_x和V_y是两个桥式电路输出。在某些时刻，输出位于点A。对于灵敏度S以及当切换到较低灵敏度S’(这将输出设置到点A’)时，示出了V_xA和V_yA的值。然后，应用值V_xA’和V_yA’。如果对于x通道和y通道分别存在偏移V_x0和V_y0，可以如下抵消偏移：

V_xA＝V_x0+S_xH_Acos(φ)

V_xA’＝V_x0+S’_xH_Acos(φ)

V_yA＝V_y0+S_yH_Asin(φ)

V_yA’＝V_y0+S’_yH_Asin(φ)

现在可以计算电压差：

V_xA-V_xA’＝(S_x-S’_x).H_Acos(φ)

V_yA-V_yA’＝(S_y-S’_y).H_Asin(φ)

这与任意偏移完全无关。定义：

Q≡(V_xA-V_xA′)/(V_yA′-V_yA)

如果S_x＝S_y≡S并且S’_x＝S’_y，≡S’，那么S-S’＝S_x-S’_x＝S_y-S’_y。

如果S≠S’，得到：

φ＝arctg(-1/Q)。

只有满足以下条件时这种方法才工作良好：

a)偏移不会受到S和S’之间的切换的影响；

b)需要提供用于改变灵敏度的控制参数

对于某些类的硅基霍尔传感器，这是如此，但是对于磁阻传感器，这种灵敏度控制不容易实现。

因此，需要一种磁阻角度传感器中抵消偏移的方法。

发明内容

根据本发明，提出了一种磁阻角度传感器，包括：

角度传感器装置；

输入装置，所述输入装置的角度取向是要感测的，并且所述输入装置包括磁场发生器；

外部磁场发生器；

控制装置，用于控制所述外部磁场发生器；以及

处理装置，用于处理角度传感器装置输出，

其中所述控制装置适于控制外部磁场发生器提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，沿预定的方向提供dc外部磁场，并且所述外部磁场相对于输入装置产生的磁场是主导的(dominate over)；在所述第二模式中，所述外部磁场较小，

并且其中所述处理装置适于对来自两种模式的角度传感器装置输出进行组合，并且利用偏移电压补偿来确定所述输入装置角度取向。

所述方法使用外部场来产生两组角度传感器输出。通过知晓测试场的取向并且使其相对于被感测的场是主导的，可以在组合传感器测量时补偿偏移电压。

角度传感器装置包括由磁阻元件形成的第一和第二角度传感器电路。使用两个传感器电路使得能够在增加的角度范围内提供灵敏度，以补偿单个磁阻元件的对称响应曲线。例如，第一角度传感器可以包括由磁阻元件形成第一桥电路，以及第二角度传感器电路可以包括由磁阻元件形成、但是与第一桥电路成45°取向的第二桥电路。每一个桥电路均包括四个磁阻元件，所述四个磁阻元件排列成矩形/正方形，并且电连接为惠斯通桥。

优选地，所述第二模式中的外部磁场是所述第一模式中的至多1/10，并且实际上，所述外部场应该在设计限制范围之内尽可能大。在第二模式中，角度传感器用于感测输入装置的磁场，因此这需要对存在的总磁场产生可测量的影响。例如，第二模式中的外部磁场可以是零。

优选地，所述第一模式的外部场应该至少是由输入装置产生的磁场的10倍。这使得外部场相对于角度传感器测量是主导的，使得所述测量关于已知磁场方向是有效地。

外部磁场发生器可以包括在磁阻元件附近的线圈或者多个线圈。

本发明也提出了一种磁阻角度感测方法，包括：

在第一模式，沿预定的方向向角度传感器装置施加第一dc外部磁场，其中所述外部磁场相对于输入装置产生的磁场是主导的，其中输入装置的角度位置是要感测的；

在第二模式，向角度传感器施加较小的第二外部磁场；

处理两种模式下的角度传感器装置输出，以利用偏移电压补偿来确定输入装置角度取向。

在第一模式中，如果可以使输入装置产生的磁场为零，则改善了方法的精确度。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了已知的磁阻传感器和典型的磁阻传递函数；

图2示出了图1的传感器顶部上添加了线圈以及修改的磁阻传递函数；

图3用于解释补偿偏移电压的第一种方式；

图4用于解释补偿偏移电压的第二种方式；

图5用于解释作为本发明的偏移补偿方法的基础的概念；

图6和图7示出了利用沿第一方向的外部场实现本发明的偏移补偿方法的第一组计算；

图8和图9示出了利用沿第二方向的外部场实现本发明的偏移补偿方法的第二组计算；

图10和图11示出了利用沿第三方向的外部场实现本发明的偏移补偿方法的第三组计算；

图12和图13示出了利用沿第四方向的外部场实现本发明的偏移补偿方法的第四组计算；

图14提供了对于图6至图13中所说明的结果的总结；以及

图15示意性地示出了本发明的磁阻角度传感器。

具体实施方式

本发明提出了一种磁阻传感器，其中外部磁场发生器用于提供第一模式，在所述第一模式中沿预定方向提供dc外部磁场，并且所述dc外部磁场相对于输入装置产生的待感测磁场是主导的。在第二模式中，外部磁场较小。对来自两种模式的角度传感器装置输出进行组合，并且这使得能够利用偏移电压补偿来确定输入装置角度取向。

图5示出了对于这两种情况的伸长磁阻带的电阻R_MR和角度θ的已知关系。

磁阻带的图像示出了待感测的外部磁场H_A的方向以及磁阻带的磁化结果方向M。示出了与磁阻带长度垂直的方向上的外部场H_A。角度θ是磁化结果方向M和电流矢量I之间的角度。如果在电流轴I方向上存在附加磁场，则这种附加场的幅度将影响磁化方向。非常大的附加场H_long将引起矢量M沿I矢量方向对齐，而较小的附加场或者没有附加场将允许被感测的磁场H_A影响磁化矢量M的方向。

只有在纵向场H_long＝0时曲线R是正确的。如果H_long＞＞0，附加的力将引起磁化不太容易旋转。结果，角度θ将变得更小。效果上，对于给定的值H_A，将更加遵循上部的曲线R’。

因此，磁阻传感器能够切换其灵敏度，虽然是明显的非线性方式。

本发明基于使用外部测试场在这些不同的特性之间进行切换，可以将不同的特性看作是高灵敏度和低灵敏度模式，并且这些差别用于抵消偏移。

可以按照下文解释的多种不同方式实现附加的可切换的场。

图6示出了角度传感器的两个惠斯通桥。在这种情况下，因为测试场沿x方向施加，将其称作H_x。图6给出了对于H_x，T＞＞0时桥输出电压的值。

假设所述场足够大，使得磁化与该测试场平行，因此，在测试期间φ＝0，使得测试场相对于待感测的磁场(该磁场仍然存在)是主导的。

该计算示出了对于沿正x方向的测试场(称作H_xT)的情况，V_x＝S，并且V_y＝0。

将值S定义为V_CCΔR/(2R₀+ΔR)＝S。这里，V_CC是桥电源电压。图5中给出了ΔR和R₀(ΔR是最大和最小电阻之间的差，R₀是最小电阻)。如果测试场沿负x方向，可以得到相同的结果。

图7示出了表示角度传感器的输出V_x和V_y的圆。H_A是待感测的旋转场，并且具有瞬时角度φ。矢量指向点A。在存在偏移的情况下，圆的中心通常不会处于原点。V_x0和V_y0分别是x通道和y通道的偏移。

图7中的计算给出了在正常角度传感器测量时(即没有附加外部场，使得H_x，T＝0)的V_x和V_y的值。在这种情况下，单独的磁阻传感器输出如下定义：

R＝R₀+ΔRcos²(θ)

桥输出如下给出：

V_xA＝V_x0+S·cos(2φ(H_A，H_x，T＝0))

V_yA＝V_y0+S·sin(2φ(H_A，H_x，T＝0))。

利用所施加的外部测试场(H_x，T＞＞0)，也获得了至V_x’和V_y’。假设通过测试场的调制不会改变偏移。测试场将矢量(从原点沿x方向)移动至点A’：

V_xA’＝V_x0+S

V_yA’＝V_y0+0

那么通过求差可以示出：

V_xA′-V_xA＝2·S·sin²(φ(H_A，H_x，T＝0))

V_yA-V_yA′＝S·sin(2φ(H_A，H_x，T＝0))

并且在定义

Q＝(V_xA-V_xA′)/(V_yA′-V_yA)之后，

得到：

φ＝arctg(Q)。

该结果示出了甚至在存在偏移的情况下，也可以根据传感器输出数据获得被测量的φ。

图8和图9给出了对于沿y方向施加的外部场的相应计算。

+y方向和-y方向(H_y，T)给出了V_x＝-S，以及V_y＝0。

图10和图11给出了对于沿xy方向施加的外部场的相应计算：

+xy方向和-xy方向(H_xy，T)给出了V_x＝0，以及V_y＝S。

图12和图13给出了对于沿yx方向施加的外部场的相应计算：

+yx方向和-yx方向(H_yx，T)给出了V_x＝0，以及V_y＝-S。

图14给出了对上述结果的总结。

该方法包括(沿任意选择的方向)施加附加外部场，并且所述外部场足够大，能够相对于正在被测量角度取向的器件的磁场而言是占优势的。也可以执行正常测量(没有附加的外部磁场)，并且将这些结果进行组合以能够抵消偏移值。

这些结果总结如下：

如果测试场是H_yx，T，那么φ_yx＝arctg((Q+1)/(1-Q))

如果测试场是H_x，T，那么φ_x＝arctg(Q)

如果测试场是H_xy，T，那么φ_xy＝arctg((Q-1)/(Q+1))

如果测试场是H_y，T，那么φ_y＝arctg(-1/Q)。

测试场可以通过片上线圈或者通过磁阻传感器封装中的线圈产生。占空比循环将有助于显著减小耗散。将在较短的测试场脉冲期间测量的测试数据存储在存储器中，优选地存储在处理器ASIC上。

只需要选择这些测试条件之一。

这里没有给出单独的磁阻传感器元件的详细设计，因为这些详细设计完全是常规的。磁阻传感器元件是一种基于材料特性而工作的器件，其中在所述材料中，观察到电阻对电流方向和磁化取向之间的角度的依赖性。这种效果归因于导电电子沿磁化方向的s-d散射的较大概率。净效果是当电流方向与磁化方向平行时电阻具有最大值。

相关的合金Ni₈₀Fe₂₀具有2％-2.5％的效应，这足以使得传感器工作。然而，在一些铁磁铀化合物中已经观察到了高达50％的磁阻效应。

测试磁场需要相对于旋转的磁场是主导的。可以将100mA的直流电流用于在10微米的MR带长度上产生5kA/m的测试磁场强度。如果可能，在施加测试场期间可以关闭或者屏蔽待感测器件的磁场，使得在这种情况下旋转磁场为零。

实际上，在存在旋转磁场的情况下，测试磁场绝不会导致沿所需方向(方向M)的理想静磁场，因为旋转磁场将仍然摄动占优势地位的测试场。可以基于对输入磁场的大小的知晓，来进行附加处理。

以上分析假设在测试输入角度时没有外部磁场。然而，可以施加较小的外部磁场。在这种情况下，允许抵消偏移电压的数学方程将改变，但是保持相同个数的变量和未知参数，使得可以按照类似的方式求解所述方程。

本发明可以应用于不同类型的角度传感器，并且关键特征在于dc测试场的施加，使得可以组合两组输出。对于AMR传感器，具有两个桥的配置是优选配置，以给出180°的角度范围，而GMR传感器可以产生360°的角度范围。将优选的惠斯通桥配置用于平衡当使用桥的单一分支时固有存在的大多数偏移。然而，本发明并非意欲局限于上述特定的传感器配置。

图15示意性地示出了本发明的磁阻角度传感器。所述角度传感器装置150用于检测输入装置154的角度取向。所述传感器装置150将其传感器输出提供给处理器158。

将所述外部磁场发生器示出为线圈152，所述线圈由控制器156供能和控制。处理器158处理角度传感器装置输出，以利用偏移电压补偿来确定输入装置的角度取向。控制器156在处理器158的最终命令下提供两种模式的操作。在图15中示意性地示出了线圈的两个示例，一个示出为两部分结构(左半部图像)，另一个示出为圆柱形线圈，但是在每一种情况下均提供沿圆柱轴的磁场。

各种修改对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。

Claims

1.一种磁阻角度传感器，包括：

角度传感器装置(150)；

输入装置(154)，所述输入装置的角度取向被感测，并且所述输入装置包括磁场(H_A)发生器；

外部磁场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)发生器(152)；

控制装置(156)，用于控制所述外部磁场发生器；以及

处理装置(158)，用于处理角度传感器装置输出，

其中所述控制装置适于控制所述外部磁场发生器以提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，沿预定的方向提供dc外部磁场，并且dc外部磁场相对于输入装置产生的磁场是主导的，在所述第二模式中，所述外部磁场较小，

并且其中所述处理装置适于对来自两种模式的角度传感器装置输出进行组合，并且利用偏移电压补偿来确定输入装置角度取向。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述角度传感器装置包括由磁阻元件形成的第一(R₁-R₄)和第二(R’₁-R’₄)角度传感器电路。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中第一角度传感器电路(R₁-R₄)包括由磁阻元件形成的第一桥电路，并且第二角度传感器(R’₁-R’₄)包括由磁阻元件形成的、并且相对于第一桥电路成45°取向的第二桥电路。

4.根据权利要求3所述的传感器，每一个桥电路均包括四个磁阻元件，所述四个磁阻元件排列成矩形/正方形，并且电连接为惠斯通桥。

5.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述第二模式中所施加的外部磁场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)至多是所述第一模式中的外部磁场的1/10。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述第二模式中的外部磁场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)是零。

7.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述第一模式的外部场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)至少是由输入装置产生的磁场(H_A)的10倍。

8.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述外部磁场发生器包括在磁阻元件附近的线圈或者多个线圈。

9.一种磁阻角度感测方法，包括：

在第一模式，沿预定的方向向角度传感器装置施加第一dc外部磁场，其中所述外部磁场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)相对于输入装置产生的磁场是主导的，其中所述输入装置的角度位置是待感测的；

在第二模式，向角度传感器装置施加较小的第二外部磁场；

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述角度传感器装置包括第一和第二角度传感器电路。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述角度传感器装置包括彼此成45°取向的第一(R₁-R₄)和第二(R’₁-R’₄)角度传感器电路。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述第二模式中施加的外部磁场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)至多是所述第一模式中施加的外部磁场的1/10。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二模式中施加的外部磁场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)是零。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的传感器，其中所述第一模式中施加的外部场(H_x，T；H_y，T；H_xy，T；H_yx，T)至少是由输入装置产生的磁场(H_A)的10倍。