CN103777154B - 磁场方向检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场方向检测器，公开了一种用于检测磁通量是否具有来自检测轴的第一侧或第二侧的场分量的磁场方向检测器；所述磁场方向检测器包括：第一磁阻传感器；和扰动产生器；其中所述扰动产生器造成外部磁场受扰动而造成磁通量的视向在第一磁阻传感器处改变角度θ₁。

Description

磁场方向检测器

技术领域

本发明涉及一种可操作地辨别磁通量是否源于传感方向的一侧或另一侧的磁场方向检测器。可以组合使用两个这样的检测器以确定磁通量所源自的圆的象限。一般来说，可以使用一个或多个这样的检测器以确定磁通量所源自的二维或三维扇区。

背景技术

本文中描述的类型的磁场方向检测器可用来将磁场方向分解成一对或多个扇区中的一个。这可极为有利于使用磁铁追踪物体的旋转运动而解决角位置传感器的不确定性。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于检测磁通量是否具有来自检测轴的第一侧或第二侧的场分量的磁场方向检测器；所述磁场方向检测器包括：

第一磁阻传感器；和

扰动产生器；

其中扰动产生器造成外部磁场受扰动而造成磁通量的视向在第一磁阻传感器处改变角度θ₁。

在实施方案中，提供了一种用于检测磁通量是否具有来自检测轴的第一侧或第二侧的场分量的磁场方向检测器；所述磁场方向检测器 包括：

第一磁阻传感器；

第二磁阻传感器；和

扰动产生器；

其中扰动产生器造成外部磁场受扰动而造成磁通量的视向在第一磁阻传感器处改变角度θ₁，且磁通量的视向在第二磁阻传感器处改变角度θ₂，使得第一磁阻传感器和第二磁阻传感器的相对电阻相对于彼此改变。

因此，提供一种稳定固态传感器，其可识别从哪个扇区行进磁通量线，在这个实例中所述扇区是半圆(或三维环境中的半球)。

此外，可以协同使用多个传感器以将磁场方向集中到更严格界定的扇区中。在本发明的实施方案中，以交叉构造提供两个磁场方向检测器以允许将磁场方向分解到象限中。

根据本发明的第二方面，提供了一种解决关于磁场方向的方向不确定性的方法，所述方法包括：在磁传感器处产生扰动磁场，使得对于第一磁场方向，合成组合使磁场传感器的参数作出第一明显改变，且对于与第一方向反向的第二磁场方向，合成组合使磁场传感器的参数作出第二明显改变。

附图说明

将仅仅通过非限制性实例并参考附图描述本发明的实施方案，其中：

图1是磁场方向检测器的实施方案的示意图；

图2是图1中所示的检测器的等效电路；

图3是沿图1的线A-A′取得的横截面；

图4是示出了每个磁电阻器处的扰动磁场与要测量方向的磁场的向量加法的向量图；

图5是示出了用于测量磁场与磁电阻器中的电流方向之间的方向的参考框架的图；

图6是示出了电阻率根据测量的磁场对电流方向的角度变化的图；

图7是磁场方向检测器的另一实施方案的平面图；

图8是用作构成本发明的实施方案的象限检测器的扰动产生器的导体的平面图；

图9是图8的扰动产生器的平面图，其中磁电阻器的位置和其互连件在图式中重合；

图10是示意地示出了图9的磁电阻器处的扰动磁场方向的图；

图11是示出了对于磁场所源自的每个象限两个方向检测器的输出的图；

图12是遍及另一实施方案且示出了扰动磁通量的相对方向的横截面；

图13是表示磁角方向检测器中的磁阻传感器处的方向不确定性的图；

图14示意地示出了各向异性磁阻桥接磁角传感器；

图15示意地示出了双桥接磁角位置传感器；

图16是表示跨双桥接磁角位置传感器中的每个桥接器的输出电 压对角度的图；

图17是示出了在已经发生信号处理后双桥接磁角传感器在有限角度范围内的单调输出；

图18是扰动产生器的另一构造的示意平面图；和

图19是使用一个磁电阻器的磁场方向检测器的实施方案的电路图。

具体实施方式

图1是磁场方向检测器的第一实施方案的平面图。磁场方向检测器10包括具有各自电阻R1至R4的第一磁电阻器12、第二磁电阻器14、第三磁电阻器16、第四磁电阻器18。第一磁电阻器12和第二磁电阻器14串联连接在第一参考节点20与第二参考节点22之间。为方便起见，在使用时可以连接第一参考节点20以接收第一参考电压Vref+且第二参考节点可以接收第二参考Vref-。有利的是，这些电压可以由稳定电压参考提供。在其中很好地控制参考电压Vref+和Vref-的情况下，方向检测器仅仅需要具有第一磁电阻器12和第二磁电阻器14中的一个。然而，为更好地免于电压变化、检测器温度漂移且为了增强灵敏度，有利地提供第三电阻器16和第四电阻器18以形成如图2中所示的桥接器构造。

参考图2，通过将第一磁电阻器12的第一端连接到第一参考节点20且将第二端连接到第一输出节点30和第二磁电阻器14的第一端而形成桥接器。第二磁电阻器14的第二端连接到第二电压参考节点22。

类似地，第四电阻器18的第一端连接到第一参考节点20。第四电阻器的第二端连接到第二输出节点32和第三磁电阻器16的第一端。第三磁电阻器16的第二端连接到第二参考节点22。

在使用时，可相互比较第一输出节点处的输出电压与第二输出节点处的输出电压以确定磁场是否具有在由箭头40(图1)指定的第一方向上或与第一方向40反向的第二方向42上的分量。因此，传感器响应于磁场相对于检测轴44的方向且用以确定磁场是否具有来自检测轴的第一侧或第二侧的磁场分量。可以由比较器34执行所述比较。

第一磁电阻器12至第四磁电阻器18安置在偏离承载用于扰动磁电阻器处的磁场的扰动产生器的第二平面的第一平面中。扰动产生器可以是一段磁化材料以产生永久磁场。然而，在集成电路的背景下，通常更便于使用在导体中流动的电流以产生扰动。这具有以下优点：可由驱动电路系统改变扰动强度和方向。这有利于确定磁场方向检测器的灵敏度或执行步骤以增强信号处理，诸如自动归零动作以测量和/或补偿在连接到输出端子30和32的放大器或比较器中发生的偏移。

图3是沿图1的线A-A′取得且示出了第一磁电阻器12和第二磁电阻器14以及由导电元件形成的扰动产生器50的横截面。导电元件是形成在基板(诸如硅基板52或一层绝缘体，诸如硅基板上方的聚酰胺)上方。导电元件本身被诸如聚酰胺的绝缘体54包围且嵌入在绝缘体54内。在磁场方向检测器的制造期间，绝缘体54可以经平面化以形成上方放置磁电阻器12和14的平坦表面56。然后将电阻器围封在保护层58中以使其免受环境破坏。

装置制造领域的熟练技术人员习知且这里无需描述这些步骤。可知，由于磁电阻如图3中所示般定位，所以其由于电流在扰动产生器50的导体中流动而将遭遇磁通量。

返回到图1，可观察到扰动产生器50具有折叠路径使得如果在第一磁电阻器12下方流动的电流具有第一方向(即，如图1中所示般向上流动且流到图3的页平面中)，那么在第二磁电阻器14下方流动的电流在相反方向上流动(顺着图1的页面流动且流出图3的平面)。因此，当扰动产生器50携带电流时，第一磁电阻器12和第二 磁电阻器14处发生不同的扰动磁场。

第三电阻器16和第四电阻器18处也发生完全相同的效果。

图4示意地示出了包括具有由向量“H”所示的强度和方向的外部磁场的扰动磁场的向量加法。每个磁电阻器处的扰动是由向量H_p表示。在每个实例中，对于每个磁电阻器，H_p的强度示为相同，但是第一磁电阻器和第三磁电阻器的方向与第二磁电阻器和第四磁电阻器的方向相反。

对于每个电阻器12、14、16和18，合成向量和指定为“M”，且可知第一电阻器12的合成场M₁的方向改变第一角度θ₁，所述方向不同于改变第二角度θ₂的第二磁电阻器14的合成场M₂的方向。同样地但未明确示出，向量和M₁和M₂的强度可以不同。

磁场方向和强度的改变分别影响第一磁电阻器12、第二磁电阻器14、第三磁电阻器16和第四磁电阻器18的电阻R1至R4，且每个向量和相对于H旋转各自角度θ₁至θ₄。

图5示出了界定长形线性磁电阻器60中的电流方向与由周围磁场H引起的磁电阻器磁化向量M之间的角度的参考框架，且图6是示出了磁电阻器的体积电阻率ρ如何随变化的图。本领域熟练技术人员已知足够大的磁场H造成磁化向量M与H对齐。这是用于角磁场传感器的操作模式。

应注意，ρ(rho)最低限度是±90°，且响应是关于±90°对称。如后文将论述，可利用这种效果以通过允许由具有相反电流方向的磁阻元件形成磁阻传感器来增加磁电阻器的有效长度且因此增加灵敏度。

比较图4与图6，显然第一磁电阻器12的电阻R1将变为不同于第二磁电阻器14的电阻R2的范围。在图4中所示的实例中，M₂是在高于M₁的角度ρ(rho)处，且因此R2＜R1，假设当缺少任何磁场时R1＝R2。类似地，R4＜R3。因此，对于如图2中所示的桥接器 构造中的这些电阻器，如果磁场具有第一方向40上的分量，那么V输出₂＞V输出₁，而如果磁场具有第二方向42上的分量，那么V输出₂＜V输出₁。

可通过使用与其“宽度”相比“长度”有所增加的电阻器来增强磁阻响应的强度。这可通过在形成磁电阻器的材料中形成弯曲或蜿蜒图案或通过形成磁阻材料的多个串联连接的带状物或元件的每个磁电阻器而实现。磁阻材料的带状物或元件可以相互平行放置。

图7以简易形式示出了其中每个磁电阻器现包括多个互连磁阻元件的磁场方向检测器。比较图7与图1，第一磁电阻器12现包括通过金属链路71连接在一起的两个磁阻元件12-1和12-2，所述金属链路71可以形成在磁阻材料上方或形成在扰动产生器50的导体与磁阻元件中间的层中或可以是磁阻材料的部分。

类似地，其它磁电阻器是由磁阻元件14-1、14-2；16-1、16-2；18-1和18-2形成。

虽然磁阻元件12-2内的电流方向与元件12-1中的电流方向相反，但是电阻率特性中关于90°方向对称意指所述两个元件的响应相同。每个磁电阻器12、14、16和18可由多个(例如，两个、三个、四个、五个，以此类推)磁阻元件制成。电阻和因此电阻变化随电阻元件的数量进行调整。

电阻元件已绘制为线性元件，因为这是最简单的构造且认为最有可能，但是本发明并无此限制。即使当希望外部磁场的方向在方向检测器的空间存在期间大致呈线性时，磁电阻器和形成其的磁阻元件也可以呈现其它几何形状，诸如弧形或z字形。这可以增强将磁场方向检测器组装到包括其它组件的晶粒上。

如现将描述，可使用两个磁场方向检测器以形成象限检测器。

图8示出了包括一个导体50的共享扰动产生器的路径，导体50 用于在具有沿箭头102的方向的检测轴的第一方向检测器100和具有沿箭头106的方向的检测轴的第二方向检测器104中产生磁扰动。因此，可在两个磁场方向检测器中同时控制扰动磁场的强度和方向。图9类似于图8，而且还示意地指示第一磁电阻器至第四磁电阻器在每个方向检测器100和104中的位置(磁电阻器可以由如参考图7描述的多个磁阻元件制成)。

比较器(未示出)可以连接到第一方向检测器100的第一输出和第二输出以比较V₁₁与V₁₂。类似地，连接到第二桥接器104的输出的比较器可以比较V₂₁与V₂₂。

图10示出了当如所示般给扰动产生器50的导体通电且将其埋藏在图9的磁电阻器下方时扰动磁场的方向。

由于磁场在图11中所示的x-y平面中从左至右或从右至左行进，可绘制V₁₁和V₁₂以及V₂₁和V₂₂的相对强度，其中在x-y平面中示出了检测轴102和106以对应图10中所示的方向。

因此，对于从左至右行进的磁场，扰动的影响是使V₁₁＞V₁₂。

第二方向检测器进行检查以查看磁场在图11中所示的坐标系中是向上还是向下行进。如果磁场向上行进，那么V₂₁＞V₂₂。

如果比较器经配置使得V₁₁＞V₁₂＝1、V₁₁＜V₁₂＝0；V₂₁＞V₂₂＝1且V₂₁＜V₂₂＝0，那么可将磁场方向表示为也如图11中所示的两位字。

因此，在这个实例中，由1，1表示源于行进起点到0°至90°方向的磁场。在90°至180°方向上，由1，0表示磁场，以此类推。可通过将输入连接变更为V₁₁和V₁₂以及V₂₁和V₂₂和/或通过颠倒在扰动产生器50(图8、图9和图10)中流动的电流的极性来改变比较器输出的正负号。

显然偏离45°的两个象限检测器可用来确定构成1/8圆的扇区内的磁场方向。经过修改，检测器也可能对垂直于其中形成磁电阻器的平面的磁场方向敏感。图12中示意地示出了这种配置。

如图12中所示，导体150形成在基板152上方且嵌入在绝缘体154内。第一磁电阻器160和第二磁电阻器162(对应于图1的磁电阻器12和14)形成在层154上方且在导体150的任一侧横向移位。

图12示出了来自导体150中的电流(到图12的平面中的常规电流方向)的磁通量线156。扰动磁场在磁电阻器160处具有向上分量且在磁电阻器162处具有向下分量。这允许在垂直于承载磁电阻器的集成电路的平面的方向上发生传感。这种配置可以与由在Z方向上较薄的材料引起的磁电阻器的形状形成各向异性竞争。由于这种各向异性，可以限制这个实施方案的灵敏度使得其需要存在强磁场和/或需要形成在Z方向上具有额外厚度的磁电阻器。

象限检测器可以用来使用各向异性磁阻增大来自磁角方向检测器的输出。这些传感器也是由形成磁电阻器的磁阻材料的带状物制成，但是不具有扰动产生器。为了理解AMR元件作为旋转检测器的限制，例如当传动轴上承载条形磁铁以测量传动轴的角旋转时，考虑图13，其表示图6的数据且例示磁场方向M相对于赋予相同电阻率且因此赋予相同电阻的磁电阻器的纵轴存在四个方向。

当将磁电阻器安放在图14中示意地示出的类型的桥接阵列中时，这种角度不确定性仍保持不变。在此，磁阻元件相互平行铺置在四个方框中以形成电阻器的桥接器。因此，区域180内包括的7个磁阻元件形成一个磁电阻器。区域182、184和186形成然后安放成桥接器构造的其它磁电阻器，使得磁电阻器180和186协作以形成桥接器的一个分支，且磁电阻器182和184协作以形成桥接器的另一分支。

在已知角位置传感器中，已知形成两个磁阻桥接器构造190和192，其中如图15中所示，一个桥接器相对于另一桥接器旋转45°。 对于每个桥接器，可形成输出信号V_输出＝V_输出-a-V_输出-b。图16中分别将第一桥接器190和第二桥接器192的这些响应示为V_{输出_桥接器1}和V_{输出_桥接器2}。

可将来自桥接器的输出组合为

图17中示出了所述输出且所述输出在-90°＜X＜90°的范围中是单调的，其中X表示磁场相对于第一传感器190的传感轴的方向。因此，例如-45°与+135°之间仍存在不确定性。然而，通过包括如本文中描述的象限检测器，可解决角度不确定性并赋予不确定输出。

如前文提及，象限检测器的元件或形成象限检测器的个别方向检测器无需是直立或线性元件。类似地，检测器的个别电阻器无需并排安放，但是却可以分布在基板上方以实现更大的组装密度。类似地，用以形成磁扰动的导体无需遵循前文中公开的路径，且(例如)可形成到螺旋路径中。

图18示出了其中磁电阻器中的每个是由形成在扰动产生器的各自的部分上方的多个磁阻元件形成的已修改的磁场检测器。这比较图18与图1，图1的第一电阻器12现包括4个磁阻元件200.1至200.4。磁阻元件200.1至200.4相对于彼此倾斜以在Z字形扰动产生器上方具有Z字形图案。类似地形成其它磁电阻器。

扰动导体无需永久地通电。角位置传感器应能够保持角位置的运行估计，因此其应足以在初始化时和/或出于检查目的而定期给象限检测器供电或实际上仅仅给方向检测器供电。

图19示出了其中将磁电阻器的数量减小到(在这个实例中)紧挨着可由可控电流槽214(或电流源)选择性地通电的扰动产生器50方案的一个电阻器210的另一实例。通过磁电阻器的电流也可以受控于如所示的电流槽220或电流源。当存在具有横向于电阻器210的传感或检测方向的分量的磁场时，给扰动产生器通电造成取决于磁场方向而减小或增大电阻器210的电阻。这造成节点222处的电压改变。如果可监控这个变化，那么便可估计磁场方向。图19示出了能够监控节点222处的电压变化的电路。电容器224具有连接到运算放大器226的非反相输入的第一端子。电容器的第二端子连接到本地接地或电源轨228。提供例如由FET形成的电控开关230以将电容器224的第一端子连接到节点222。放大器226的反相输入通过电阻器连接到节点222，且还通过电阻器234连接到放大器226的输出。这些电阻器用以界定放大器226的增益。

当开关230闭合时，电容器可对节点222的电压进行充电。在这段时间内，可以切断电流槽214的电源使得扰动产生器50中无电流。当希望检查磁场方向时，断开开关230使得在电容器224上保持节点222处的电压。然后给扰动产生器通电，从而造成电阻器210的电阻改变且因此节点222处的电压改变。将这个新的电压提供到反相输入，在反相输入中，这个新的电压通过放大器226与之前不久的值进行比较且放大器输出的正负号指示磁场方向。放大器226可以由可有可无的比较器以及电阻器232和234取代，且比较器的反相输入可以直接连接到节点222。

方向检测器适用于整合在包括角位置传感器的集成电路内，且在某些情况下，相同的AMR桥接器可以用来形成角方向检测器和方向检测器的部分，即本发明的半球形或象限检测器。

本文是以适于USPTO呈现的单相依格式呈现权利要求。然而，对于其中在不要求罚款的情况下可呈现多相依权利要求的其它权限，应了解惟其中技术上明确不可行的权利要求以外，每个权利要求均可以取决于相同或类似权利要求类型的任何前述权利要求。

Claims (16)

1.一种用于检测磁通量具有来自检测轴的第一侧还是第二侧的场分量的磁场方向检测器；所述磁场方向检测器包括：

第一磁阻传感器；

第二磁阻传感器；和

扰动产生器；

其中所述扰动产生器造成外部磁场受扰动而造成磁通量的视向在所述第一磁阻传感器处改变角度θ₁，

其中所述扰动产生器造成磁通量的视向在所述第二磁阻传感器处改变角度θ₂，使得所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器的电阻相对于彼此改变，

其中所述磁场方向检测器还包括用于比较所述第一磁阻传感器的电阻与所述第二磁阻传感器的电阻以确定所述磁场源于哪个方向的电子电路。

2.根据权利要求1所述的磁场方向检测器，其中所述扰动产生器是当电流通过其时产生磁场的导电元件。

3.根据权利要求2所述的磁场方向检测器，其中可抑制所述扰动产生器中的所述电流或使所述电流反向。

4.根据权利要求3所述的磁场方向检测器，其中所述导电元件从所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器移位。

5.根据权利要求2所述的磁场方向检测器，其中所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器形成在第一平面中，且所述导电元件至少部分形成在平行于所述第一平面的第二平面中。

6.根据权利要求2所述的磁场方向检测器，其中所述导电元件形成为弯曲轨道以在所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器处提供相反的扰动磁场。

7.根据权利要求1所述的磁场方向检测器，其还包括第三磁阻传感器和第四磁阻传感器，且其中所述扰动产生器造成磁通量的视向在所述第三磁阻传感器处改变角度θ₃，且磁通量的视向在所述第四磁阻传感器处改变角度θ₄。

8.根据权利要求7所述的磁场方向检测器，其中所述第一磁阻传感器和所述第四磁阻传感器在缺少磁场时具有相同的标称电阻，且所述第二磁阻传感器和所述第三磁阻传感器在缺少磁场时具有相同的标称电阻，并且所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器串联连接在第一参考电压输入节点与第二参考电压输入节点之间，且所述第四磁阻传感器和所述第三磁阻传感器串联连接在所述第一参考电压输入节点与所述第二参考电压输入节点之间。

9.一种包括第一磁场方向检测器和第二磁场方向检测器的象限检测器，所述第一磁场方向检测器和所述第二磁场方向检测器中的每一个磁场方向检测器是根据权利要求1所述的磁场方向检测器，并且所述第一磁场方向检测器和所述第二磁场方向检测器具有定向为相对于彼此成大致90°的各自检测轴。

10.根据权利要求9所述的象限检测器，其中所述第一磁场方向检测器和所述第二磁场方向检测器的所述扰动产生器是由当电流通过其时产生磁场的共享导体形成。

11.根据权利要求9所述的象限检测器，其中每个磁场方向检测器包括配置成桥接电路的第一磁阻传感器至第四磁阻传感器，其中所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器配置在一个分支中，且经历来自所述扰动产生器的相反的扰动磁通量。

12.根据权利要求9所述的象限检测器，其结合角方向检测器。

13.一种解决关于磁场方向的方向不确定性的方法，所述方法包括：

在磁阻传感器处产生扰动磁场，使得对于扰动磁场的第一方向，合成组合使所述磁阻传感器的参数作出第一明显改变，且对于与扰动磁场的所述第一方向反向的扰动磁场的第二方向，所述合成组合使所述磁阻传感器的参数作出第二明显改变；以及

通过比较第一明显改变和第二明显改变来解决关于磁场方向的方向不确定性。

14.根据权利要求13所述的方法，其中当所述磁场具有横向于磁阻传感器或其部分中的电流方向的分量时，然后对于扰动磁场的所述第一方向和所述第二方向中的一个方向，所述磁阻传感器处的视磁场相对于所述电流方向更加倾斜或强度增大，对于扰动磁场的所述第一方向和所述第二方向的另一方向，所述磁阻传感器处的所述视磁场相对于所述电流方向更不倾斜或强度减小。

15.根据权利要求13所述的方法，其包括通过观察形成为桥接器构造的多个磁阻传感器的输出来确定磁场方向。

16.根据权利要求13所述的方法，其包括提供相互成大致90°的两个桥接器，且处理每个桥接器的输出以将磁场方向分解到圆的象限中。