CN102565726A

CN102565726A - 杂散场传感器电路及方法

Info

Publication number: CN102565726A
Application number: CN2011104168633A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·亨里克斯·玛格丽塔·范费尔德温; 维克多·齐伦
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-07-11
Also published as: EP2466325A1; US8669761B2; EP2466325B1; US20120153942A1

Abstract

一种在存在干扰的情况下配置和操作的传感器电路。根据不同示例实施例，利用电流传感器感测杂散磁场，其中电流传感器还分别感测由于电流以相反方向流过导体的不同部分而产生的电流感应磁场。电流感应磁场和杂散磁场是共面的，电流传感器被布置为使得当传感器的输出被组合时消除来自每个电流传感器的输出中与杂散磁场相对应的部分。

Description

杂散场传感器电路及方法

技术领域

本发明的各个方面涉及磁传感器，更具体地，涉及能够在存在杂散场(stray field)的情况下实现的磁传感器。

背景技术

磁传感器在各种应用和工业中越来越重要。例如，通常在汽车应用中实现磁传感器。磁停车传感器、角传感器、防抱死刹车系统(Anti-lockBraking System，ABS)传感器和胎压(tire pressure)传感器被广泛用于现代车辆中。这些和其它类型的传感器对于改善舒适度和安全性是有用的。因为磁场容易穿透大多数的材料，所以磁传感器在汽车应用中尤其有用。磁传感器还对污垢和其它条件非常不敏感，而这些条件对于例如光传感器的适当操作而言可能是具有挑战性的。

尽管在这些和其它应用以及工业中是有用的，但是许多磁传感器易受到干扰，干扰会影响磁传感器检测由于电流流动而引起的场的能力。例如，由于与具体应用有关的环境条件，在诸如汽车应用之类的多种应用中可以存在杂散磁场。

杂散或其它磁场干扰仍然是具有挑战性的，尤其是在相对来说比较需要以合理成本制造的传感器的生产中。因此，杂散场对于多种传感器应用来说都是棘手的。

发明内容

不同示例实施例涉及包括以上讨论的器件在内的多种器件的杂散场补偿，以及涉及包括这些器件的这些应用。

根据示例实施例，一种电流传感器电路包括第一磁场传感器和第二磁场传感器。第一磁场传感器感测杂散磁场和由于电流流过导体而产生的第一电流感应磁场(current-induced magnetic field)。第二磁场传感器感测杂散磁场和由于电流流过导体而产生的第二电流感应磁场，其中，第二电流感应磁场与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场相反。电流感应磁场和杂散磁场是共面的，每个磁场传感器电路提供输出，当组合所述输出时，消除(cancel)了每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

另一示例实施例涉及一种集成电路芯片，所述集成电路芯片具有半导体衬底、在衬底中的导体、磁场传感器和输出电路，其中所述导体被布置为使电流沿相反方向流动。第一磁场传感器位于衬底中的导体的第一部分的上方，并感测杂散磁场和由于电流流过导体的第一部分而产生的第一电流感应磁场，杂散磁场和第一电流感应磁场是共面的。第二磁场传感器位于衬底中的导体的第二部分的上方，并感测杂散磁场和由于电流流过导体的第二部分而产生的第二电流感应磁场。第二电流感应磁场与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场相反，杂散磁场和第二电流感应磁场是共面的。输出电路处理传感器的输出以消除每个输出的与杂散磁场相对应的部分，并且提供处理的结果作为对流过导体的电流的量加以指示的输出。

另一示例实施例涉及一种感测电流的方法。利用第一磁场传感器，感测杂散磁场和由于电流通过导体而产生的第一电流感应磁场。利用第二磁场传感器来感测杂散磁场和由于电流通过导体而产生的第二电流感应磁场，第二电流感应磁场与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场相反，电流感应磁场和杂散磁场是共面的。在组合每个磁场传感器电路的输出时，消除了每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

附图说明

以上讨论并非旨在描述本公开的每种实施例或每种实现。附图和以下描述也是对各种实施例进行举例说明。

考虑结合附图的以下详细描述，可以更完整地理解各种示例实施例，其中：

图1示出了根据本发明示例实施例的磁传感器电路；

图2示出了根据本发明另一示例实施例的用于感测电流的另一磁传感器电路，所述另一磁传感器电路采用一般共线电路结构(generallycollinear circuit arrangement)；

图3示出了根据本发明另一示例实施例的用于感测电流的另一磁传感器电路，所述另一磁传感器电路采用一般平行电路结构(generallyparallel circuit arrangement)。

具体实施方式

尽管本发明能够适应各种修改和备选形式，但是通过举例在附图中示出了本发明的具体示例，并且将对本发明的具体示例进行详细的描述。然而，应该理解地是：本发明不局限于特定实施例描述的发明。相反，本发明覆盖落在包括权利要求所限定方面的本发明范围内的所有修改、等价物和备选。此外，贯穿本文档所使用的术语“示例”是说明性而非限制性的。

本发明可应用到使用传感器应用(包括磁电流传感器应用)的各种不同类型的工艺、器件和装置中。尽管不必如此限制本发明，但是可以通过使用本上下文对示例的讨论来理解本发明的各个方面。

根据示例实施例，电流传感器电路被配置为便于在存在一个和多个杂散磁场情况下检测电流感应磁场。电流传感器电路包括响应于环境磁场的两个和多个传感器，所述环境磁场包括由于电流通过导体而产生的场以及任何杂散场。这些传感器中的两个传感器被布置为使得通过导体的电流沿不同的方向经过相应的传感器，其中，这两个传感器被布置为一致性地(consistently)检测任何杂散场。

因此，每个传感器的输出包括与每个传感器检测的杂散场相对应的分量。这些传感器保持相对靠近并且是以共同的(common)部件来实现的，使得通过将各个传感器的输出相互组合，消除了在每个传感器处检测到的杂散场。在传感器的灵敏度是平面灵敏度的情况下，减小或消除了的杂散场与电流产生的场(例如，两个场均可由传感器感测)一般共面。组合输出例如可以包括：根据配置(例如，传感器取向(orientation)或传感器偏置，以及当传感器180旋转度时或者以不同方式偏置时可以反向的相关信号的极性)来将输出相减和相加。因此，各个输出的其余部分与由于电流通过导体而产生的场相对应。

不同实施例涉及使用多种不同类型传感器的实现。结合一个或多个实施例使用的一些传感器根据霍尔效应或磁电阻效应来工作。各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)传感器是使用磁电阻效应来工作的传感器类型的具体示例。可以将霍尔效应传感器单片地(monolithically)集成到集成电路中，这可以是一种相对经济的方法。可以以一般较高的灵敏度来实现磁电阻传感器。例如，AMR传感器表现出比霍尔效应传感器高得多的灵敏度，而GMR传感器可以实现比AMR传感器的灵敏度高的灵敏度。

磁电阻传感器相对于霍尔效应传感器(例如，相对于霍尔效应传感器被单片地集成的能力)可以包括附加的制造步骤。例如，可以通过在单独的管芯上或在单片结构的顶部溅射Ni₈₀Fe₂₀，来沉积AMR传感器。有时在磁场中，可以使用退火工艺来稳固(stabilize)磁电阻材料。可以在多种薄层和界面中形成GMR传感器，这些薄层和界面可以包括相对复杂的制造。

可以结合不同示例实施例来使用一种或多种类型的霍尔传感器。在一些实现中，霍尔传感器被单片地集成到半导体器件中，并且被布置为感测如本文所讨论的电流感应场和杂散场。可以根据一个或多个实施例使用若干不同类型的霍尔传感器(例如，垂直的)或其它已知的半导体传感器，如，霍尔片(Hall plate)、磁场灵敏的(magnetic fieldsensitive)双极结型晶体管(磁敏晶体管)、磁场灵敏的结型场效应晶体管(JFET，junction field-effect transistor)、磁场灵敏的金属氧化物半导体FET(MOSFET)、在MOSFET(MAGFET)的沟道区中的霍尔传感器、或霍尔电阻器。在一些实现中，如本文所描述的一个或多个传感器在传感器所位于的芯片或衬底的平面中表现出磁灵敏度主轴(main axisof magnetic sensitivity)，使得可以根据这些实施例使用这些传感器。应该理解的是：本文所涉及的芯片的平面可以随着检测的磁场而改变(例如，由于制造条件以及在平面角范围内(比如，几度至25度)的灵敏度)。

在一些应用中，霍尔片传感器包括半导体材料的N或P掺杂区以及用于驱动电流通过半导体的接触点(contact)(例如，如结合以下附图描述的四个接触点)。响应于垂直施加至半导体表面的磁场，电荷载流子在洛伦兹力的影响下开始偏斜，这导致了通过半导体材料的可测量电压差。霍尔片可以用于响应于(as being responsive to)经过霍尔片的电流感应场线(current-induced field line)来检测电流产生的场，该电流被驱动通过靠近霍尔片的布线(wire)。

在一些实现中，使用印刷电路板(PCB)上的布线将电流转换为磁场，以用于安装在PCB上的位于布线上方或紧邻布线的传感器。传感器与布线之间的距离可以保持较小，以促进强电流场。可以使用磁通量集中器(flux concentrator)来集中磁场线以及使磁场线弯曲，并使用霍尔片来测量磁场。在使用两个霍尔片的情况下，两个霍尔片均对来自外部的在Z方向上的杂散场敏感，而Z方向上的待测(to-be-measured)(由电流感应的)场线具有相反的符号(sign)。通过将传感器输出相减，可以利用这种效应来降低Z方向上的杂散场的灵敏度。在将与电流相对应的期望场相加时，消除了Z轴杂散场。

在另一实施例中，平面磁传感器被配置为检测平面内(in-plane)磁场。向传感器施加基准电流或电压，并经由输出接触点来检测来自传感器的相应输出。例如通过针对与所施加的磁场相对应的差分电流或电压检测/提供输出，使用输出接触点来检测设备的响应于磁场的变化。基准接触点和输出接触点的位置和顺序可以被设置为适合于具体的应用，例如从期望的杂散场或导体的场的观点来看，其中针对所述导体感测电流。传感器可以被定向(orient)为感测一个或多个磁场，并且可以与一个或多个附加传感器相结合使用以减弱(mitigate)杂散场效应。

现在转到附图，图1示出了根据本发明示例实施例的磁传感器电路100。电路100包括两个传感器110和120，可以根据以上一个或多个实施例讨论的来实现所述两个传感器。导体130传送电流通过传感器110，以及经由导体132传送电流通过传感器120。导体130和132可以例如是连续的导体或布线，或者可以包括两个或更多个不同的互连导体。类似地，传感器110和120可以被布置为如所示或者其他形式，其中，两个传感器均易受到相似(或相同)杂散磁场的影响。

作为示例，在附图中由术语B_stray及其相应的箭头来表示杂散场。然而，电路100及其变型可以用于检测和减弱其它取向上的杂散磁场效应或两个或多个这种场的效应。例如，可以通过将传感器和导体布置为使经过导体的电流一般垂直于杂散磁场(例如，在几度范围内垂直)，将各个传感器110和120以及导体130和132不同地定向为与不同的杂散场相对应。为了适合包括不可预测的场的应用，可以相对于示出的这些传感器以变化的角度来实现如所示的多个传感器对，以减弱不同取向的杂散磁场效应。

可以使用一种或多种类型的传感器电路来实现传感器110和120。在一个实施例中，传感器是平面传感器，所述平面传感器检测平面内磁场(例如，如所示的X或Y)。传感器包括两个基准接触点(REF)和两个输出接触点(OUT)。基准偏置电路140使用基准电流或电压来偏置基准接触点，输出接触点用于检测器件的响应于磁场的变化。例如，在敏感方向S_B(例如，Y方向)上在磁场B的影响下，由于诸如霍尔效应之类的磁效应，可以在输出接触点处测量差分电流或电压。可以根据传感器110和120所采用的传感器的类型来改变基准接触点和输出接触点的位置和顺序，例如如图1所示来布置基准接触点和输出接触点的位置和顺序。根据以上讨论，可以相对于X或Y轴可旋转地布置传感器110和120，以感测磁场组合中的一个或多个磁场。

在一些实施例中，系统100还包括输出电路150，所述输出电路150产生与传感器感测的磁场相对应的输出。例如，输出电路可以被配置为通过将每个传感器的值相减来产生传感器110和120的组合输出，以去除传感器输出的与所感测的杂散场B_stray相对应的部分。

在一些实施例中，输出电路150如下计算与干扰减少的信号相对应的输出，其中，所述干扰减少的信号与导体130/132中感测的电流相对应。在电流测量中，通过导体130和132的电流在每个传感器110和120中产生电流感应的磁场B_I。传感器对标记为B_I的相应磁场和杂散场B_stray进行感测，其中，给出了与相同的电流源相对应的磁场之间的类似性。传感器110和120的输出分别是：

OUT₁₁₀＝REF*S_B(B_I-B_stray) (等式1.a)

OUT₁₂₀＝REF*S_B(-B_I-B_stray) (等式1.b)

在输出电路150中，通过以下操作来补偿杂散场效应：将磁场相减，以产生如下的(输出电路150的)组合输出：

OUT＝REF*(S_B(B_I-B_stray)-S_B(-B_I-B_stray))＝REF*(2S_BB_I) (等式2)

可以传送该组合输出，以例如提供对经过导体130和132的电流的特性的指示。

输出电路150可以包括多种电路中的一个或多个。例如，输出电路150可以包括执行如以上等式1.a、1.b或2中表征的数学函数的一个或多个电路。在更复杂的实施例中，输出电路150包括计算机处理器，所述计算机处理器例如通过生成对电流值加以指示的输出来产生对导体130和132中的电流的特性加以指示的输出。

在一些实施例中，如下利用第一磁场传感器和第二磁场传感器来实现磁传感器电路100。第一磁场传感器(110)感测杂散磁场和由于电流流经导体(130/132)而产生的第一电流感应磁场。第二磁场传感器(120)被配置和布置为感测杂散磁场和由于电流流经导体(130/132)而产生的第二电流感应磁场，第二电流感应磁场与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场相反。场“相反”是指流经每个传感器的电流相对于流经一个传感器的电流而言是以相反的方向流动的，这将导致对传感器施加相反的场(即，符号相反的场)。电流感应磁场与杂散磁场是共面的，并且每个磁场传感器电路提供输出，所述输出当与另一传感器的输出组合时消除了每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

图2示出了根据本发明另一示例实施例的用于感测电流的另一磁传感器电路200，所述另一磁传感器电路200差异一般共线电路结构。电路200包括彼此相邻的传感器210和220，其中，导体230以一般共线的方式(generally collinear fashion)传送电流通过每个传感器。例如，可以按照与图1所示的电路100的实现方式类似的方式使用类似部件和功能来实现电路200。

这里，传感器210和220彼此相邻或者位于导体230上方，其中，经由导体230沿着第一X方向(用于说明目的，从左至右)来传送电流通过第一传感器210。相对于经过传感器210的电流，经由导体230以与X方向相反的方向(从右至左)来传送相同的电流通过传感器220。在每个电路中感测到的相应磁场包括Y方向上相反符号的电流感应磁场以及由B_stray表示的杂散场。

还可以利用诸如图1所示的电路150之类的输出电路以及向各个传感器210和220施加偏置的对应基准偏置电路140来实现电路200。可以使用这种输出电路来产生组合输出，该组合输出具有减少了或去除了的杂散场感应干扰。通过使用以上的等式2，两个传感器的净组合输出(netcombined output)再次是：

OUT＝REF*(2S_BB_I) (等式3)

通过使用这种方法，消除了一部分或全部的杂散场。在一些实现中，因为传感器在X和Z轴方向上不敏感，所以X和Z方向的场对测量没有影响。

图3示出了根据本发明另一示例实施例的用于感测电流的另一磁传感器电路300，所述另一磁传感器电路300采用一般平行电路结构。电路300包括Y方向上彼此相邻的传感器310和320，其中，导体330传送电流通过每个传感器。例如，可以按照与图1所示的电路100的实现方式类似的方式使用类似部件和功能来来实现电路300。

传感器310和320彼此相邻或者位于导体330上方，其中，经由导体330沿着第一X方向(基于说明的目的，从左至右)传送电流通过第一传感器310。相对于传送通过传感器310的电流，经由导体330以与X方向相反的方向(从右至左)传送相同的电流通过传感器320。在每个电路中感测到的相应磁场包括Y方向上相反符号的电流感应磁场以及由B_stray表示的杂散场。电流产生的磁场对于两个传感器具有相反的符号，而杂散场对于两个传感器具有相同的符号。相对于图2中所示的方法，该方法对于在易受X方向的杂散场B_stray变化的影响的应用中的实现可以是有用的。

还可以利用诸如图1所示的电路150之类的输出电路以及对各个传感器310和320施加偏置的对应基准偏置电路140来实现电路300。可以使用这种输出电路来产生组合输出，该组合输出具有减少了或去除了的杂散场感应干扰。通过使用以上的等式2，两个传感器的净组合输出再次如等式3一样。

导体可以包括多种类型的导体中的一种或多种以适合于应用，其中，可以检测通过导体的电流。例如，如附图中所示的导体130、230和330可以是引线框布线、在印刷电路板上形成的布线、片上布线(on-chipwire)或者另外的外部连接布线，与跟传感器电路结合使用的片上布线所能承载的电流相比，所述外部连接的线可以承载更大的电流。

根据以上描述，其它实施例涉及对多于一对传感器的使用。例如，如果在相同的芯片上组合两个X传感器和两个Y传感器以用于平面(X，Y)感测，那么可以测量两个垂直电流方向上的磁场，内部消除了(built-incancellation)杂散场效应。再次参考图3，可以使用另一对传感器(如传感器电路360)和相关的导体330来实现这种方法，所述传感器电路360具有与传感器310和320中的特性类似的特性。传感器360被定向为检测电流I₂和X方向的杂散场B_stray2。在一些实现中，电流I₂与电流I₁相同，其中，使通过所有四个传感器的导体相连以使电流流过导体，并且如所示的与传感器相邻。

基于以上的讨论和说明，本领域技术人员将容易认识到，可以对本发明进行各种修改和改变，而不必不严格地遵循本文所示出和描述的示例实施例和应用。例如，除了根据以上各种实施例讨论的传感器之外，或者作为以上各种实施例讨论的传感器的备选，可以实现不同类型的传感器，如，不同类型的磁电阻传感器、霍尔传感器或易受到平面内干扰的其它传感器。这种修改没有背离包括以下权利要求保护的范围在内的本发明的真正精神和范围。

Claims

1.一种电流传感器电路，包括：

第一磁场传感器，被配置和布置为感测杂散磁场和由于电流流过导体而产生的第一电流感应磁场；以及

第二磁传感器，被配置和布置为感测杂散磁场和由于电流流过导体而产生的第二电流感应磁场，第二电流感应磁场的方向与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场的方向不同，

电流感应磁场和杂散磁场是共面的，每个磁场传感器电路被配置为提供输出，其中，在将所述输出在与另一磁场传感器的输出相组合时，消除了每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

2.如权利要求1所述的电路，还包括输出电路，所述输出电路被配置为通过以下操作来组合磁场传感器的输出：

响应于杂散磁场具有共同的极性，将一个传感器的输出与另一个传感器的输出相减，以消除每个输出的与杂散磁场相对应的部分；以及

响应于杂散磁场具有不同的极性，将一个传感器的输出与另一个传感器的输出相加，以消除每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

3.如权利要求1所述的电路，还包括偏置电路，所述偏置电路被配置为对传感器施加偏置，每个传感器被配置为产生响应于偏置的并且对感测到的电流感应场和杂散磁场加以表征的输出。

4.如权利要求1所述的电路，还包括导体。

5.如权利要求1所述的电路，其中，第二传感器被定向为检测电流产生的磁场，所述电流产生的磁场的方向与第一传感器感测的磁场的方向相反。

6.如权利要求1所述的电路，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器被布置为感测来自导体的不同部分的电流感应磁场，所述导体的不同部分彼此共线并且使电流沿相反方向流动。

7.如权利要求1所述的电路，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器沿着与杂散磁场垂直的轴彼此横向相邻。

8.如权利要求1所述的电路，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器被布置为感测来自导体的不同部分的电流感应磁场，所述导体的不同部分不成直线。

9.如权利要求1所述的电路，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器被布置为感测来自导体的不同部分的电流感应磁场，所述导体的不同部分彼此不成直线并且使电流沿彼此平行的相反方向流动。

10.如权利要求1所述的电路，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器沿着与杂散磁场平行的轴彼此相邻。

11.如权利要求1所述的电路，其中，导体被布置在衬底上，第一磁场传感器和第二磁场传感器被布置为在导体的不同部分的上方。

12.如权利要求1所述的电路，还包括：第三磁场传感器和第四磁场传感器，所述第三磁场传感器和第四磁场传感器分别被配置和布置为感测不同的杂散磁场和由于电流流过导体而产生的相反的电流感应磁场，

其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器被排列为感测杂散磁场，第三磁场传感器和第四磁场传感器被排列为感测所述不同的杂散磁场。

13.一种用于感测导体中的电流的集成电路芯片，所述导体被布置为使电流沿相反方向流动，所述芯片包括：

半导体衬底；

第一磁场传感器，所述第一磁场传感器在导体的第一部分的上方，并且被配置和布置为感测杂散磁场和由于电流流过导体的第一部分而产生的第一电流感应磁场，杂散磁场和第一电流感应磁场是共面的；

第二磁场传感器，所述第二磁场传感器在导体的第二部分的上方，并且被配置和布置为感测杂散磁场和由于电流流过导体的第二部分而产生的第二电流感应磁场，第二电流感应磁场与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场相反，杂散磁场和第二电流感应磁场是共面的；

输出电路，被配置为处理传感器的输出以消除每个输出的与杂散磁场相对应的部分，并提供处理的结果作为对流过导体的电流的量加以指示的输出。

14.如权利要求13所述的电路，还包括偏置电路，所述偏置电路被配置为对传感器施加偏置，每个传感器被配置为产生与偏置相对应并且对感测到的电流感应场和杂散磁场加以表征的输出。

15.如权利要求13所述的电路，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器中的每个磁场传感器包括双极磁敏晶体管、磁场敏感的结型场效应晶体管JFET、磁场敏感的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、垂直型霍尔传感器和霍尔电阻器中的至少一种，并且在芯片的平面内具有磁灵敏度主轴。

16.如权利要求13所述的电路，其中，

第一磁场传感器中和第二磁场传感器中的每个磁场传感器包括衬底中的掺杂区和在掺杂区的不同部分处的用于驱动电流通过掺杂区的接触点，

还包括偏置电路，所述偏置电路与接触点相连，并被配置为对接触点施加偏置，

每个传感器被配置为产生与偏置相对应并且对掺杂区中感测到的电流感应场和杂散磁场加以表征的输出。

17.一种感测电流的方法，所述方法包括：

利用第一磁场传感器来感测杂散磁场和由于电流流过导体而产生的第一电流感应磁场；以及

利用第二磁场传感器来感测杂散磁场和由于电流流过导体而产生的第二电流感应磁场，第二电流感应磁场与第一磁场传感器感测的第一电流感应磁场相反，

电流感应磁场和杂散磁场是共面的，在组合每个磁场传感器电路的输出时，消除了每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：将一个传感器的输出与另一个传感器的输出相减，以消除每个输出的与杂散磁场相对应的部分。

19.如权利要求17所述的方法，还包括：对传感器施加偏置，以使传感器产生与偏置相对应并且对感测到的电流感应场和杂散磁场加以表征的输出。

20.如权利要求17所述的方法，还包括：

处理传感器的输出以消除每个输出的与杂散磁场相对应的部分，以及

提供处理的结果作为对流过导体的电流的量加以指示的输出。