CN104251979A

CN104251979A - 磁场方向传感器

Info

Publication number: CN104251979A
Application number: CN201410285925.5A
Authority: CN
Inventors: J·库比克
Original assignee: Ya De Promise Semiconductor Technology Co
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: EP2818883A2; CN104251979B; US9377327B2; US20150002142A1; EP2818883A3

Abstract

本发明涉及磁场方向传感器。一种磁方向传感器包括磁阻元件的第一阵列，所述阵列具有第一阵列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相对于主方向的第一角度，而且剩余元件也相对于主方向倾斜。

Description

磁场方向传感器

技术领域

本发明涉及磁场方向传感器、以及实现传感器性能相对于已知传感器的改进的方法。

背景技术

磁场方向传感器可被用于测量诸如永磁体之类的磁场产生对象相对于磁场方向传感器的感测轴的定向。因此，当磁体被加载在诸如将对其位置进行编码的轴之类的旋转对象上时，可以以非接触式方法来确定轴的角位置。这种非接触式操作可给出极佳的传感器长使用寿命。类似地，也可以通过磁场方向传感器确定旋转对象的旋转速率。对于在期望知道轴的旋转位置的情况，存在许多用途，例如用于确定内部内燃机中的曲柄轴位置。

发明内容

本文本公开了一种改进采用磁阻元件的磁场方向传感器的性能的方法，其通过形成提前和延迟的响应以校正磁场方向传感器的响应特性中的误差。

本文本还公开了一种磁场传感器，其包括在衬底上定向的感测元件以减小磁场传感器中的形状各向异性误差。

在实施例中，提供了一种磁方向传感器，包括磁阻元件的第一阵列，所述阵列具有第一阵列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相对于主方向的第一角度，而且剩余元件也相对于主方向倾斜。

在实施例中，传感器具有名义上的感测方向，在此也称为主方向。主方向可平行于支持诸如磁阻元件之类的磁场感测元件的衬底的表面。感测元件可以是基本线性的。感测元件可被分成相对于主方向倾斜的多个组由此没有线性元件与主方向平行。

永磁体被有利地定向布置，以使得其在与载有感测元件的衬底的平面相平行的平面内旋转。衬底可以是集成电路的一部分。集成电路可包括信号处理组件，例如差分放大器、ADC和数字处理电路。感测元件无需再衬底表面暴露，而且可被布置成使得它们通过其它材料接合。

响应特性中的误差可以是由于磁方向传感器的一个或多个磁阻元件内的形状各向异性和/或磁阻材料的沉积或进一步处理中引入的晶体各向异性而导致的与理想性能的偏离。这种磁方向传感器可包括形成为具有主方向的一个或多个磁阻元件。在磁阻元件是总体长条形的并且如例如现有技术的传感器那样布置成彼此平行的情况下，主方向总体上平行于磁阻元件的纵轴。作为另一种方式，每个单独的元件具有与单独的元件的纵轴平行的感测方向。电阻对比磁场方向响应特性大致相对于每个单独的元件的感测方向对称。在现有技术的传感器中，各个元件彼此平行而且被连接成使得电流以往返于该传感器阵列的方式出现。对于该现有技术配置，阵列的主方向平行于用于形成阵列的传感器的各个感测方向。在本文的实施例中，主方向相对于一个或多个感测元件的纵轴成角度布置。感测元件通常由于需要限制所述或每个磁阻元件在电压模式下被驱动时所流经的电流而被布置成总体长条形元件，因此得到上升的传感器电阻。这可以通过使得元件的长度远远大于它们的宽度来实现。然而，使得该长条形元件开始将形状各向异性置入每个长条形磁阻元件中。增大的长宽比使得磁阻元件内的形状各向异性增大，从而引起实际响应与理想响应之间增大的偏离。然而，该方案不通过传感器在被任何具体电压驱动时提供提高的传感器电阻以及因此更小的功耗。

传感器响应内由于形状各向异性导致的贡献可远远小于在磁场方向传感器附近使用更强的磁场。这可以通过使用更强的磁体、更近的耦合或这两种技术的组合来实现。然而，更强的磁体导致附加成本并可占用更多体积。与磁体在工作环境中的布置相关的物理体积限制、以及潜在的对限制杂散磁场与其它组件干扰的影响的需求、或导致的涡流加热可能对更强磁场的使用产生不利影响。因此，可以看出，通过减小其中的误差来改进传感器的性能，可允许传感器性能通过向传感器耦合距离使用更弱磁体或更大磁体来保持在可接收的限度内。

在实施例中，通过以第一角度相对于主方向偏移的至少一个(优选地多个)磁阻元件，可以提供提前的响应。可替换地，所述或每个磁阻元件的部分可设置成第一角度。通过以第二角度相对于主方向偏移的至少一个(优选地多个)磁阻元件，可以提供延迟的响应。可替换地，磁阻元件的部分可被设置成第二角度。在一些实施例中，第一和第二角度彼此具有相反的符号。

通过进一步形成相对于主方向成第三角度的多个磁阻元件，可以实现进一步提前的响应。类似地，通过进一步提供相对于主方向成第四角度的多个磁阻元件，可以形成进一步提前的响应。在一些实施例中，通过以第一至第四角度形成元件，多个磁阻元件可被形成为与主方向平行。

磁阻元件可组成在一起以形成各个感测阵列。感测阵列本身可组成在一起以形成传感器。因此，例如，具有沿第一轴的感测方向的感测阵列可与具有与第一感测阵列的感测方向基本正交的感测方向的第二感测阵列关联地布置。这种布置提供了改进的敏感度。第一和第二感测阵列可串联布置，而且可将阵列互相连接的节点处的电压与基准电压进行比较。基准电压可由电压源产生或者可实际上由进一步的一对串联感测阵列产生。因此第一至第四阵列可被布置为形成传感器桥。

在一些实施例中，该传感器桥可与由基本相同定向的传感器阵列所形成的第二传感器桥相关联，不同之处在于该结构旋转例如45°。通过利用来自第一和第二传感器桥的输出，可以获取180°范围的线性响应。如果第一桥的输出是V1，其中V1是所施加磁场与主方向之间的角度θ的函数，而且第二桥的输出V2，其中V2也是角度θ的函数，则与磁场角度相对应的基本线性的响应D可被计算如下

D＝0.5Atan2(V2，V1)

函数“Atan2”被提供作为许多计算机语言中的标准函数，而且是具有两个幅角的反正切函数。两个幅角而不是单个幅角的使用，是为了允许函数收集与幅角的符号相关的信息并返回所计算的角度的适当象限。这对于采用单个幅角的反正切函数是不可能。

第一和第二传感器桥可与运算放大器关联以形成V1和V2，而且运算放大器的输出可随后在模拟、数字或混合电子电路中进行处理以计算磁场的角度。所有组件都可布置在集成电路中。

在另一实施例中，提供了一种磁方向传感器，包括磁阻元件的第一阵列，所述阵列具有第一阵列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相对于主方向的第一角度。

有利地，第一多个磁阻元件或磁阻元件的部分相对于主方向成第一角度，而且第二多个磁阻元件或第二多个磁阻元件的部分相对于主方向成第二角度。在一些实施例中，不存在与主方向平行的磁阻元件。

相对于主方向倾斜的磁阻元件的提供意味着，随着磁场相对于磁传感器旋转，一些元件提供比与主方向平行的元件将提供的响应提前的响应，同时一些元件比与主方向平行的元件将提供的响应延迟的响应。

附图说明

现在将参考附图仅仅通过示例的方式讨论实施例，其中：

图1示意性地图示出长条形的线性磁阻元件，其中电流沿其表示感测方向的第一方向P流过；

图2a和2b示意性地示出了外部磁场H和形状引起的各向异性矢量I之间的相互作用以设置磁阻材料内的磁矢量M的方向；

图3a至3f示意性地表示了相对于感测方向的角度0、45、88、92、135和180°下形状各向异性I和外部磁场H之间的相互作用；

图4比较了图1的磁阻传感器的电阻随着磁场方向H变化的理想的和观测到的变化；

图5示意性地图示出磁阻元件的已知阵列，其中每个元件与主方向P平行；

图6示意性地图示出包括磁阻元件阵列的磁场方向传感器，其中第一多个元件相对于第一阵列主方向成第一角度而且第二多个磁阻元件相对于第一阵列主方向成第二角度；

图7示意性地图示出图1所示类型的传感器的方向模糊性；

图8示意性地图示出由磁阻元件的第一至第四阵列形成的桥；

图9示意性地图示出具有两个桥阵列的传感器；

图10比较了图9的阵列的输出的相位；

图11图示出如何通过处理桥的输出来提供180°范围的基本线性的响应以解析输出；

图12a示出了采用现有技术的传感器形成的双桥阵列(其中感测元件被配置成与每个阵列的主方向对齐)，而且图12b比较了两个传感器中的每个的测得的输出与理想的正弦响应；

图13a示出了构成本发明实施例的传感器配置，而且图13b比较了具有磁阻元件偏移的双桥相对于其名义感测方向的测得的输出与理想的正弦响应；

图14示出了作为磁阻元件远离名义主方向的角度倾斜的函数的RMS百分比误差的模型曲线；

图15示出了具有四个阵列的传感器；

图16图示出传感器和旋转磁体的相对位置的示例；以及

图17是实现了磁场方向传感器的集成电路的示意图。

具体实施方式

图1示意性地图示出单个磁阻感测元件(标记为10)，其被布置成磁阻材料的长条形线性带的形式。因此带10的长度L远大于其宽度W。虽然为了简化示意，感测元件10被绘制成长条形矩形，元件10的端部可被描绘成具有非矩形形状，例如它们可以是圆的或放大的。类似地，带的宽度无需沿长度恒定。在使用时，带负载沿方向L传播的电流。本领域技术人员已知的是，磁阻材料一般由镍和铁的混合物制成。外部磁场的应用导致带10内的磁化矢量M与外部磁场的方向对齐，而且带的电阻是磁化矢量的方向与流经带内的电流的方向之间的角度的函数。对于这种方向，传感器磁场通常被选择成足够大以使得磁阻材料是磁饱和的。通常，电阻中的这一变化可以被建模为不变电阻值上叠加的余弦函数。所得到的磁化矢量的一部分(此处在图2中标记为H)源自外部磁场的存在。然而，另一部分(此处标记为I)源自形状各向异性和晶体各向异性，而且该部分I极大地受限于带的几何形状。H和I的相对大小未按比例绘制，而且在工作时，外部磁场的传感器强度被选择成使得H远大于I。由于由于H和I的相互作用所得到的磁化矢量(标记为M_TOT)可被看作是具有恒定幅值。

如图2a所示，当H平行于I时，M_TOT也平行于H和I，而且可被看作是具有幅值M_TOT1。然而，当H相对于I倾斜时，如图2b所示，总的磁化矢量M_TOT变得相对于H倾斜一个误差角度“e”。“e”的大小在图2b中放大以便可以清楚示意。磁化的幅度被表示为M_TOT2，而且可以看出M_TOT2基本上等于M_TOT1。可通过施加更强外部磁场来减小角误差“e”，但是形状各向异性的类似效果变大，如果外部磁场例如由于产生磁场的磁体与传感器位置之间距离的增大而减小。在给定应用下，显示世界的限制可能限制磁体与传感器之间的最小距离。

图3a至3f示意性地图示出H和I之间的这种相互作用以及一系列角度下磁化矢量M的方向。因此，从图3a开始，处于角度0的外部磁场H(表示为H₀)与I对齐。因此，所得到的磁化矢量M的方向平行于H₀。随着外部场H旋转远离I的方向(在附图中这一选择是逆时针的)，H和I的相互作用导致了与方向H不对齐的磁化M。因此，如图3b所示，当H处于角度45°时，磁各向异性分量I的作用导致了矢量M滞后至H₄₅之后。该滞后在磁矢量H旋转时得到保持。因此，如图3c所示，其中H被示出为处于角度88°，滞后量将接近最大值。存在与感测元件的长条形方向平行的形状各向异性分量I，但是巧妙地同等地在一个方向与另一个面对。因此，随着H场通过90°并继续旋转，例如如图3d所示处于角度92°，形状各向异性分量I可翻转方向。因此，总磁化矢量M突然从滞后于外部磁场跳变为领先于它。随着磁场从90°旋转至180°，该领先情况保持，分别如图3e和3f所示，其中领先量减小直到该时间减小为0。随着外部磁场矢量H继续旋转，总磁场M在180°至270°的角范围内滞后于H，并随后开始在270°至0/360°的范围比它领先。

图4比较了图1的磁阻传感器10的电阻，其示出了传感器的理想响应和传感器的标准化成相同比例的实际响应。应该注意的是，可通过使得传感器的宽度W变得更宽以使得宽度可更比拟于传感器的长度，来使得传感器的形状各向异性变小。因此，具有1∶1的长宽比的传感器，例如方形或圆形，呈现出可忽略的形状各向异性。然而，该传感器还呈现出低电阻，并因此可在被典型的驱动电压(例如几伏)驱动时传递大量的电流。链路线40表示理想的余弦响应，其中电阻起始于当外部磁场对齐至流经传感器的电流的方向并因此对齐至磁阻带的感测方向时的最大值R_max，而且电阻逐渐减小至当外部磁场垂直于流经传感器的电流的方向时的最小值R_min。

在考虑曲线42所示的形状各向异性的结果时，可以看出在0和180°角度附近，形状各向异性的效果是使得磁矢量M徘徊而比其一般情况下更靠近这些值。但是，在90°和270°值附近，形状各向异性从一侧至另一侧的翻转使得磁化矢量M避免了这些角度。曲线42显示在0和180°值附近更圆滑，在90°和270°值附近更尖锐。

发明人意识到，通过将相位偏移版本的响应添加至彼此以补偿图4所示的90°和270°范围的过度的“开槽”，可以使得使得实际响应42不同于理想响应40的响应的这种变化部分地减小。

虽然在图1中示出了单个磁阻元件，已知的是形成该元件的阵列，其中阵列中的元件彼此平行。图5示出了该阵列。因此形成了一系列元件10，每个都平行于构成阵列的感测方向的主方向P。平行元件电气串联，以使得总效果是合成了非常长的材料带。但是，这种阵列将呈现图4的曲线42的扭曲。

在图6所示的配置中，多个磁阻元件被分成两个组。总体被标记为60的第一组以第一角度+θ相对于主方向P倾斜。总体被标记为70的磁阻元件的第二组以角度相对于主方向P倾斜。出于方便的原因，虽然不是必须的基本特征，使得在该布置下，组60和70中的磁阻元件相对于主方向P对称布置。因此，相对于图5的现有技术，带的阵列被分成两个子组，每个子组相对于主方向P倾斜成，在本示例中，使得阵列的带平行于方向P。

单个带磁阻传感器的已知问题在于它们承受角度模糊性。如图7所示，磁化矢量M的四个方向产生了完全相同的电阻值。为了解决这个，已知的是将多个磁阻传感器连接成两个桥。出于完整的原因，参考图8描述了单个桥。桥包括处于第一和第二电源节点90和92之间的磁阻传感器的第一至第四阵列80，82，84和86。第一阵列80沿第一轴设置其主方向，例如相对于图8的X轴平行。第一阵列80与第二阵列82串联，第二阵列82的主方向与第一阵正交列的主方向，例如平行于Y轴。为了提高敏感度，第一和第二阵列形成了桥布置的一个分支。桥布置的第二分支由第三和第四阵列形成，其中第三阵列84的主方向平行于第一阵列80的主方向，第四阵列86的主方向平行于第二阵列82的主方向。通过比较第一和第二阵列之间的节点处的电压与第三和第四阵列之间的节点处的电压来提供桥输出电压V1。

为了提供精确的位置感测，形成了第二桥，但是这次其相对于第一桥旋转45°。因此第二桥可包括第一至第四阵列80a，82a，84a和86a，其中第一阵列相对于X轴成-45°的角度，第二阵列成+45°的角度，以此类推。图9示意地示出了这种配置。图10示出了，来自桥(桥2)的理想输出比来自一个桥(例如桥1)的理想输出滞后45°。桥的输出可被处理以提供图11所示的180°的范围内的线性响应，如前所述

V_out＝0.5Atan2(V₂,V₁)

该方案假设两个正弦曲线都是理想化的，由此得出结论，前面参考图4描述的那种类型响应的瑕疵导致了传感器输出特性的非线性。但是，形成相对于标称响应的提前和延迟的响应的相对简单的技术、及其之和提供了不昂贵的明显改进。图12a是传感器的平面图，其包括由传感器阵列100，102，104和106形成的第一桥以及由传感器阵列110，112，114和116形成的相对于第一桥旋转45°的第二桥。传感器阵列每个都包括沿各个单个方向的长条形磁阻元件。所以，阵列100和104沿Y方向(90°)，阵列102和106沿X方向(0°)，阵列112和116处于45°，阵列114和110处于135°。来自阵列的输出被记录并且被拟合至理想正弦曲线。图12b示出了理想输出与观测到的输出之间的误差。如果相同地形成这两个传感器阵列，则拟合误差也相同。然而，针对第二阵列的拟合误差之“拟合误差2”稍稍不同于第一阵列的“拟合误差1”，这是因为阵列之间的制造变化和/或晶体各向异性的影响。可以看出，例如，对于由包括长度为50微米且宽度为4微米的的24个磁阻元件磁阻阵列组成的芯片，拟合误差最大达到大约5％。

图13a示出了修改的阵列，其中各个感测阵列的每个都由其中一半的磁阻元件在第一方向上倾斜15°而且另一半元件在第二方向上倾斜15°的阵列替代，由此整体看来每个阵列仍具有相同的主感测方向。因此与图12a的阵列100对应的阵列110a具有75°和105°下的元件。与阵列102对应的阵列102a具有15°和345°下的元件。与阵列116对应的阵列116a具有30°和60°下的元件。与阵列114对应的阵列114a具有120°和150°下的元件。图13b示出了相应的拟合误差，而且可以看出最大误差已经从大约5％减小至大约2％。

图14比较了针对现有技术的阵列以及所示出的其中它们被分成相对于感测方向倾斜的磁阻元件组的阵列的估计的RMS拟合误差。针对相对主方向以±5°，±9，±15°，±20°倾斜的阵列以及其中磁阻元件被分成四个组(其中两个组相对于阵列主感测方向倾斜±9°，两个组相对于阵列主感测方向倾斜±15°)的其它实施例执行仿真。可以看出，估计的误差从针对现有技术阵列(其中所有感测元件都平行于主感测轴)的大约1.3％减小至大约0.4％(其中阵列倾斜±15°)。这些角范围不是限制性的，很可能的是大部分阵列将相对主方向在2°和25°之间倾斜。

误差的减小实际上意味着传感器可用于更弱的磁体并实现与现有技术的系统类似的误差性能，或者传感器可用于相同强度的磁体并实现改进的线性度。

在进一步的实施例中，磁阻元件之间的空间可塞进磁阻材料，由此使得传感器阵列的总性能更接近具有相对低的长宽比的大致方形或矩形。因此磁阻材料的非感测部分会影响并降低形状各向异性。

该方案的优势在于，磁阻元件的所有组都是沿主方向对称布置的，而且阵列的每个组具有名义上的相同电阻和尺寸以及作为其镜像的组。这就避免了制造具有不同尺寸或电阻的组的必要性。

每个阵列中元件的数量可具有所示的可变形式。在测试中，每个组可由14个和42个之间的磁阻元件组成，但是这些数量不是限制性的。然而，有利的是，一个组中的元件的组合电阻匹配另一组中的元件的组合电阻。这可通过在每个组中使用相同数量的元件并且其中组间的元件的长度和宽度相互匹配来实现。传感器可包括多于两个磁阻元件组，如图15所示。此处，元件130和132的组在第一方向上形成角度，但是处于不同角度。这些组相对于主方向P与组134和136镜像。

在使用时，如图16所示，传感器可形成在衬底140上。传感器无需处于衬底140的上表面，因此未在图16的示意图中示出。磁体142可绕着轴144旋转。如果从上面看去磁体沿逆时针方向旋转，则组136和134相对于主方向P形成了提前的信号响应，而组130和132形成了延迟的响应。

应该注意的是，阵列中的所有感测元件无需具有相同长度、宽度或长宽比。感测元件尺寸的变化可被用来改进传感器至衬底的封装，和/或用来减小传感器呈现的角误差。每个组内的磁阻元件可通过用于形成磁阻元件的相同材料相互连接，或者不同的互连材料(铜、铝、金等)可用于提供一系列元件之间的电连接。类似地，磁阻元件阵列可通过用于形成磁阻元件的相同材料或者通过其它导电材料相互连接。

传感器桥(例如参考图13，14，15和16)可被布置在集成电路封装件中。因此，如图17所示，每个传感器桥可连接至各个运算放大器150和152，运算放大器150和152可被形成在载有磁阻传感器的半导体衬底中。放大器150和152的输出可被提供给信号处理电路155，磁阻传感器可实现处理功能(例如Atan2函数)从而输出角度的测量结果。处理电路可在模拟域或数字域中执行其功能，并且可包括模数转换器和数字逻辑电路以便导出输出信号。示意性地由链路线160划界的集成电路还可包括电压基准162，用于提供相对稳定的电压以驱动磁阻阵列。在替换实施例中，放大器150和152输出的模拟值可被传递至其它集成电路以进行处理。

此处描述的配置可提供简单且稳健的角位置测量，并且可应用于工业、汽车和航空行业以及消费产品。

因此可以提供改进的传感器。

Claims

1.一种磁方向传感器，包括磁阻元件的第一阵列，所述阵列具有第一阵列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相对于主方向的第一角度，而且剩余元件也相对于主方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的磁方向传感器，其中多个磁阻元件或磁阻元件的部分相对于主方向成第一角度，而且第二多个磁阻元件或磁阻元件的部分相对于主方向成第二角度，而且其中第二角度与第一角度基本上大小相等并且符号相反。

3.根据权利要求2所述的磁方向传感器，其中来自第一和第二多个磁阻元件的电响应被组合在一起。

4.根据权利要求2所述的磁方向传感器，其中第一阵列与第二阵列串联，第二阵列与第一阵列基本相同但是具有与第一阵列主方向基本正交的第二阵列主方向。

5.根据权利要求4所述的磁方向传感器，其中第一和第二阵列以桥结构与第三和第四阵列相互作用。

6.根据权利要求5所述的磁方向传感器，进一步包括桥，其中第二桥中的传感器阵列的主方向相对于第一桥的相应阵列旋转，优选地旋转大致45°。

7.根据权利要求2所述的磁方向传感器，其中第一和第二角度介于相对于主方向的2°和25°之间。

8.根据权利要求2所述的磁方向传感器，其中第一阵列进一步包括与主方向成第三角度的第三多个磁阻元件以及与主方向成第四角度的第四多个磁阻元件。

9.一种改进磁场方向传感器的性能的方法，所述传感器采用长条形磁阻元件来测量磁场相对于主方向的方向，所述方法包括添加提前和延迟的响应从而校正传感器的响应特性中的误差。

10.根据权利要求9所述的方法，其中以第一角度相对于主方向布置的第一磁阻元件提供了提前信号，以第二角度相对于主方向布置的第二磁阻元件提供了延迟信号，而且不存在与主方向对齐的磁阻元件。

11.根据权利要求10所述的方法，其中第一磁阻元件和第二磁阻元件串联。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述或每个第一磁阻元件的长宽比可用于调节提前信号对输出响应的贡献。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述或每个第一磁阻元件的角度可用于控制提前信号的贡献。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述或每个第二磁阻元件的长宽比可用于控制延迟信号的贡献。

15.根据权利要求9所述的方法，其中多个磁场方向传感器被布置成桥阵列以便提供基本线性的响应。

16.根据权利要求9所述的方法，其中磁场由具有与包含磁场方向传感器的平面基本平行的磁轴的磁体提供磁场。