CN103312269A - Xmr信号的倍频 - Google Patents

Abstract

本发明涉及XMR信号的倍频。实施例涉及传感器，例如速度传感器和角度传感器，其使用已调供给电压来使传感器的输出信号大致加倍，这是由于传感器元件和供给电压表现出相同的频率。在实施例中，传感器元件为xMR元件，且已调供给电压在芯片上生成，例如通过另一个xMR元件。因此可获得传感器元件的输出信号的直接倍频而不需额外和复杂的电路或信号处理。

Description

XMR信号的倍频

技术领域

本发明涉及磁阻(xMR)传感器，尤其涉及提高基于xMR的传感器信号的频率。

背景技术

在速度和角度传感器中需要高精度。对于速度传感器，需要对换能器轮(transducer wheel)进行高度精确的采样以便得到最佳角分辨率。在极轮(polewheel)作为换能器轮的情况下，在一定轮盘直径下增加极数可以支持分辨率增强，但是要以牺牲磁场并且由此牺牲工作距离为代价。

对于基于角度传感器的速度传感器，例如采用“顶部读取(top read)”配置的xMR传感器，其中传感器位于极轮的正面上以使得旋转场向量被检测，倍频可用于克服AMR和GMR/TMR传感器之间的兼容性问题。AMR角度传感器表现出同有的180度唯一性(uniqueness)，而GMR和TMR传感器具有360度唯一性，也就是说，在旋转磁场中360度的旋转对于GMR/TMR角度传感器，导致输出信号的单个周期，以及对于AMR角度传感器，导致两个周期。利用GMR/TMR角度传感器的倍频，AMR传感器可很容易地由GMR/TMR传感器替代而不改变相关信号评估电路。对于角度传感器而言，通常需要高精度和高分辨率，至少在有限范围内。

传统的解决方案存在缺点。例如，一些速度传感器使用数字脉冲倍增技术，其涉及外部磁场上的输出信号的增量插补。这种方法的缺点是复杂电路以及需要全磁场周期以实现插补和倍增，这对于小角度范围行不通。其他磁阻速度传感器以“顶部读取”配置结合磁极轮而使用AMR角度传感器固有的倍频属性，其也存在关于较小信号大小的缺点。

因此，需要改进的速度和角度传感器。

发明内容

实施例涉及磁阻传感器。

在一个实施例中，一种传感器系统包括磁场源；磁阻传感器，其配置为提供与磁场源相关的输出信号，该输出信号具有频率；以及电压源(voltage supply)，其耦合至传感器元件以提供具有与传感器元件输出信号的频率相同的频率的已调供给电压(supply voltage)。

在一个实施例中，一种方法，包括提供具有对外部磁场的响应的传感器；以及向传感器提供供给电压，该供给电压具有与传感器的响应基本相同的频率。

在一个实施例中，一种传感器系统包括磁阻传感器，该磁阻传感器包括第一传感器元件配置和第二传感器元件配置；以及电压源，其耦合至传感器以将由第二传感器元件配置的输出信号所调制的供给电压提供给第一传感器元件配置。

在一个实施例中，一种用于测量旋转磁场的参数的传感器系统包括第一磁阻(xMR)传感器电桥；以及第二xMR传感器电桥，其中，该第一和第二xMR传感器电桥彼此耦合，以使得从第一xMR传感器电桥抽出(tap)的信号的频率是旋转磁场的频率的两倍。

在一个实施例中，一种用于确定磁场的旋转的至少一个参数的传感器系统，其包括磁阻(xMR)传感器电桥布置，该磁阻传感器电桥布置包括第一和第二xMR传感器电桥，其被配置为使得xMR传感器电桥布置的模拟输出信号具有磁场的旋转频率两倍的信号频率。

附图说明

考虑结合与附图有关的对本发明各个实施例的下述详细描述，可更加完全地理解本发明，其中：

图1描述了根据一个实施例的传感器设备和极轮。

图2描述了根据一个实施例的传感器的示意图。

图3描述了根据一个实施例的传感器的示意图。

虽然本发明适于各种修改和替代形式，其具体内容已经通过示例的方式显示在附图中以及将进行详细说明。然而应当理解的是，并不意在将本发明限制于所描述的特定实施例。相反，目的是要涵盖落入由所附权利要求限定的本发明精神和范围内的所有修改、等价形式和替代形式。

具体实施方式

实施例涉及传感器，例如速度传感器和角度传感器，其使用已调供给电压来使传感器的输出信号大致加倍，这是由于传感器元件和供给电压表现出相同的频率。在实施例中，传感器元件为xMR元件，而且已调供给电压在芯片上产生，例如由另一个xMR元件产生。因此可获得传感器元件的输出信号的直接倍频而不需额外和复杂的电路或信号处理。

图1描述了传统速度传感器和极轮系统100。系统100包括速度传感器102和极轮104。速度传感器102包括xMR结构106，例如GMR，其具有两个间隔开的惠斯登半桥。极轮104的极距或齿距被配置为使得在左、右半桥106处的磁场移动了180度。因此，当极轮106旋转时，得到了差分输出信号。

在两个xMR半桥106之间的中间点，相对于在半桥106处的相位，磁场移动了90度。因此，如果左、右半桥106分别输送sin_MR(α)和-sin_MR(α)，则惠斯登电桥结构在中间部分输送信号cos_MR(α)，其中α为励磁磁场的相位。

因此，在一个实施例中，诸如速度传感器和极轮系统或角度传感器系统之类的传感器系统包括额外的电桥结构作为传感器配置的一部分。参见图2，传感器系统200的实施例包括左半桥结构202、右半桥结构204和中间电桥结构206。在图2描述的一个示例中，实施例的中间电桥结构206可包括惠斯登全桥或半桥、电阻或一些其他合适结构。在一个实施例中，其中可获得用于所有GMR元件的一个参考磁化方向，中间电桥206被配置为具有两个阻值类似的固定电阻的半桥。图2中的箭头指示GMR自旋阀叠层的参考层磁化，其在实施例中全部是相同的以提供一种成本有效的晶片级磁化过程。

在实施例中，来自中间电桥结构206的信号通过放大器208反馈给左右电桥结构202和204中的每一个，这样V_supply变成g x V_cos(α)，其中g为放大器208的放大系数。给定sin(α)×cos(α)＝１/2sin(2α)，新电桥输出信号为：

$V_{\mathrm{OUT}}\left(\mathrm{\α}\right)=V_{\mathrm{supply}}\·\frac{{\mathrm{dR}}_{\mathrm{MRspeed}}}{R_{\mathrm{MRspeed}}}{\sin }_{\mathrm{MR}}\left(\mathrm{\α}\right)=V_{\mathrm{DD}}\·\frac{{\mathrm{dR}}_{\mathrm{MRMiddle}}}{R_{\mathrm{MRmiddle}}}\·g\·{\cos }_{\mathrm{MR}}\left(\mathrm{\α}\right)\·\frac{{\mathrm{dR}}_{\mathrm{MRSpeed}}}{R_{\mathrm{MRSpeed}}}{\sin }_{\mathrm{MR}}\left(\mathrm{\α}\right)$

$=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DD}}\frac{{\mathrm{dR}}_{\mathrm{MRmiddle}}}{R_{\mathrm{MRmiddle}}}\·\frac{{\mathrm{dR}}_{\mathrm{MRSpeed}}}{R_{\mathrm{MRSpeed}}}\·g\·{\sin }_{\mathrm{MR}}\left(2\mathrm{\α}\right)\∝{\sin }_{\mathrm{MR}}\left(2\mathrm{\α}\right)$

其中，dR_MRMiddle/R_MRMiddle和dR_MRSpeed/R_MRSpeed分别表示中间206和左/右202/204惠斯登电桥的xMR输出灵敏度，并且V_DD为中间惠斯登电桥的供给电压。通过这一措施，新的输出信号遵循sin(2α)的特性而不是sin(α)。也就是说，倍频的信号由速度感测惠斯登电桥200自身以简单的方式产生并且不需要复杂的电路。

在图3中示出了另一实施例。传感器系统300包含，带有差分输出V_sin和V_cos的标准GMR/TMR角度传感器布局的惠斯登电桥元件302，结合额外的输送信号V’_sin的惠斯登电桥元件304。图3中的箭头指示GMR/TMR自旋阀叠层的参考层的磁化方向。

通常地，假定具有角度α的外部旋转磁场，当施加恒定的供给电压给传感器电桥时，信号V_sin和V_cos遵循sin(α)和cos(α)的特性。通过反正切计算，可以确定具有360度唯一性的外部磁场角度。根据实施例，额外的惠斯登电桥304输送像sin(α)(或者像cos(α))的输出信号，其由放大系数为g的放大器306来放大。

给定sin’(α)x cos(α)＝1/2sin(2α)和sin’(α)x sin(α)＝-1/2cos(2α)+1/2，当V’sin信号在放大后被反馈到角度传感器双惠斯登电桥302的供给输入时，sin(α)和cos(α)输出信号遵循cos(2α)和sin(2α)的特性。由于输出信号之一受到偏移(sin’(α)x sin(α)＝-1/2cos(2α)+1/2)，可进行校准，并在实施例中只进行一次。此外，sin和cos电桥的符号中的差异应考虑在内。

而且，唯一计算出的角度值的角度范围被减半，这在某些应用中是一个缺点。这在实施例中可通过关掉已调供给电压并且将其替换成恒定的供给电压V_DD来解决。在图3中，开关308提供该切换能力。如果使用GMR结构，这使得传感器300能够保持完整的360度角度唯一性，并且具有增强的角度分辨率。通常地，仅传感器启动需要360度唯一性，在此之后对180度旋转的数目计数。因此，在使用期间，供给电压的切换不会影响传感器速度。

实施例因此提供传感器元件输出信号的倍频而不需要复杂的信号处理。例如，在实施例中包括第一和第二xMR传感器电桥，所述电桥互相耦合，以使得从第一传感器电桥抽出的信号的频率是旋转外部磁场的频率的两倍。在另一示例中，第一和第二xMR传感器电桥被配置为使得，xMR传感器电桥布置的模拟输出信号具有两倍于外部磁场的频率的信号频率。实施例适用于角度和速度感测设备，尤其包括磁阻设备，例如GMR、AMR和TMR。

本文已描述了系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例仅通过示例给出，并不是意图要限制发明的范围。而且应当意识到，已描述的实施例的各种特征可以多种方式结合，来产生多个附加实施例。此外，虽然各种材料、尺寸、形状、配置和位置等被描述用于所公开的实施例，但在不超出本发明范围的情况下，也可以利用公开之外的其他参数。

相关领域的技术人员将认识到本发明可包括少于前述任一单独实施例中所示出的特征。本文所描述的实施例并不意味着是本发明的各种特征可以组合的方式的穷举呈现。因此，实施例不是相互排斥的特征的组合；而是，本领域技术人员可理解，本发明可包括选自不同单独实施例的不同单独特征的组合。

上述任何通过引用并入的文件被限制为使得与此处明确披露相反的主题没有被并入。上述通过引用并入的文件被进一步限制为使得所述文件中的权利要求没有通过引用并入这里。任何通过引用并入的文件被进一步限制为使得在文件中提供的任何定义没有通过引用并入，除非在此明确包含。

为了解释本发明的权利要求，明确希望不调用35U.S.C的112条第6款的规定，除非在权利要求中记载了特定术语“用于...的装置”或者“用于...的步骤”。

Claims (27)

1.一种传感器系统，包括：

磁场源；

磁阻传感器，其配置为提供与磁场源相关的输出信号，该输出信号具有频率；以及

电压源，其耦合至传感器元件，以提供具有与传感器元件输出信号的频率相同的频率的已调供给电压。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，与未调制的供给电压相比，已调供给电压使输出信号的频率加倍。

3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，传感器包括传感器元件的第一半桥配置和传感器元件的第二半桥配置，所述第一半桥配置和第二半桥配置形成传感器元件的第一惠斯登电桥配置；以及布置在第一和第二半桥配置之间的传感器元件的第二惠斯登电桥配置。

4.根据权利要求3所述的传感器系统，其中，将传感器元件的第二惠斯登电桥配置的输出信号提供给传感器元件的第一惠斯登电桥配置的供给电压输入，以提供已调供给电压。

5.根据权利要求4所述的传感器系统，进一步包括放大器，其中通过所述放大器将第二惠斯登电桥配置的输出信号提供给传感器元件的第一惠斯登电桥配置的供给电压输入。

6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，传感器包括巨磁阻传感器元件(GMR)、隧道磁阻传感器元件(TMR)或各向异性磁阻传感器元件(AMR)中至少一个。

7.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，传感器包括传感器元件的第一、第二和第三惠斯登电桥配置，其中第一电桥配置的输出信号相对于第二电桥配置的输出信号相移90度，其中第三电桥配置的输出信号具有与第一或第二电桥配置的输出信号之一基本相同的相位，以及其中将第三电桥配置的输出信号提供给第一和第二电桥配置的供给电压输入以提供已调供给电压。

8.根据权利要求7所述的传感器系统，进一步包括放大器，其中通过所述放大器将第三电桥配置的输出信号提供给第一和第二电桥配置的供给电压输入。

9.根据权利要求7所述的传感器系统，进一步包括开关，其配置为在已调供给电压和恒定供给电压之间切换第一和第二电桥配置的供给电压输入。

10.一种方法，包括：

提供具有对外部磁场的响应的传感器；以及

向传感器提供供给电压，所述供给电压具有与传感器的响应基本相同的频率。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，提供传感器包括提供第一传感器配置和第二传感器配置，以及其中提供供给电压包括通过第二传感器配置的输出来调制对第一传感器配置的供给电压。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括通过调制使传感器的响应的频率加倍。

13.根据权利要求11所述的方法，其中提供供给电压包括放大第二传感器配置的输出。

14.根据权利要求11所述的方法，其中提供第一传感器配置和第二传感器配置包括提供第一和第二惠斯登电桥传感器配置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中提供第一和第二惠斯登电桥传感器配置包括在第一惠斯登电桥配置的第一和第二半桥之间布置第二惠斯登电桥配置。

16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括提供第三惠斯登电桥传感器配置。

17.根据权利要求10所述的方法，其中提供传感器包括提供磁阻传感器。

18.根据权利要求14所述的方法，其中提供磁阻传感器包括提供巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)或各向异性磁阻传感器(AMR)中至少一个。

19.一种传感器系统，包括：

磁阻传感器，包括第一传感器元件配置和第二传感器元件配置；以及

电压源，耦合至传感器以将由第二传感器元件配置的输出信号调制的供给电压提供给第一传感器元件配置。

20.根据权利要求19所述的传感器系统，进一步包括磁场源。

21.根据权利要求20所述的传感器系统，其中，当磁场源提供变化的磁场时，已调供给电压的频率与第二传感器元件的输出信号的频率基本相同。

22.根据权利要求19所述的传感器系统，进一步包括放大器电路，以放大第二传感器元件的输出信号。

23.根据权利要求19所述的传感器系统，其中，磁阻传感器包括巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)或各向异性磁阻传感器(AMR)中至少一个。

24.一种用于测量旋转磁场的参数的传感器系统，包括：

第一磁阻(xMR)传感器电桥；以及

第二xMR传感器电桥，其中，该第一和第二xMR传感器电桥彼此耦合，以使得从第一xMR传感器电桥抽出的信号的频率是旋转磁场的频率的两倍。

25.根据权利要求24所述的传感器系统，其中，第一和第二xMR传感器电桥彼此耦合，以使得第一xMR传感器电桥的至少一个操作参数受第二xMR传感器电桥影响。

26.根据权利要求25所述的传感器系统，其中，旋转磁场的频率变化产生至少一个操作参数中的相应变化。

27.一种确定磁场的旋转的至少一个参数的传感器系统，包括：

磁阻(xMR)传感器电桥布置，所述磁阻传感器电桥布置包括第一和第二xMR传感器电桥，其被配置为使得xMR传感器电桥布置的模拟输出信号具有磁场的旋转频率两倍的信号频率。

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