CN104976948B - 磁阻角度传感器以及使用该传感器的传感器系统 - Google Patents
磁阻角度传感器以及使用该传感器的传感器系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104976948B CN104976948B CN201510162808.4A CN201510162808A CN104976948B CN 104976948 B CN104976948 B CN 104976948B CN 201510162808 A CN201510162808 A CN 201510162808A CN 104976948 B CN104976948 B CN 104976948B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetoresistive
- magnetoresistive element
- angle
- axis
- reference direction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
- G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
- G01D5/24471—Error correction
- G01D5/24485—Error correction using other sensors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
本发明涉及磁阻角度传感器以及使用该传感器的传感器系统。磁阻角度传感器包括：包括第一磁阻元件和第二磁阻元件的第一半桥电路，以及具有第三磁阻元件和第四磁阻元件的第二半桥电路，其中，所述第一、第二、第三和第四磁阻元件平行于具有x'轴和y'轴（二者彼此正交）的笛卡尔参考系统的x'/y'平面布置。第一半桥电路的第一和第二磁阻元件的几何重力中心以及第二半桥电路的第三和第四磁阻元件的几何重力中心具有相同的x'坐标，其中，第一磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第二磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，x'/y'平面中的第三磁阻元件的几何离心矩的值和x'/y'平面中的第四磁阻元件的几何离心矩的负值的总和在公差范围内消失。
Description
技术领域
本公开涉及磁阻角度传感器以及使用该传感器的传感器系统。尤其是，本公开涉及用于离轴XMR角度传感器的传感器元件的优化或最佳布局。
背景技术
一般来说，磁角度传感器装置包括旋转轴上的小的永久磁铁，例如，附着到定子系统。磁场传感器检测旋转磁铁的场并反向推断轴的旋转位置。角度误差部分地由传感器元件引起，部分地由电子处理引起以及部分地由角度传感器系统的装配公差引起。随着传感器技术、电子电路和半导体制造商的终端测试中的自动校准的持续改进，角度传感器装置的精度将由装配公差所主导。
发明内容
磁阻角度传感器包括：包括第一磁阻元件和第二磁阻元件的第一半桥电路，以及具有第三磁阻元件和第四磁阻元件的第二半桥电路，其中，所述第一、第二、第三和第四磁阻元件平行于具有x'轴和y'轴（二者彼此正交）的笛卡尔参考系统的x'/y'平面布置。第一半桥电路的第一和第二磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的x'坐标。第二半桥电路的第三和第四磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的x'坐标。第一磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第二磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，x'/y'平面中的第三磁阻元件的几何离心矩的值和x'/y'平面中的第四磁阻元件的几何离心矩的负值的总和在公差范围内消失。此外，第三磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第四磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，x'/y'平面中的第一磁阻元件的几何离心矩的负值和x'/y'中的第二磁阻元件的几何离心矩的值的总和在公差范围内消失。
磁阻传感器元件可包括GMR元件、TMR元件和/或AMR元件，其中，第一磁阻元件具有第一参考方向和第二磁阻元件具有不同于第一参考方向的第二参考方向，以及其中第三磁阻元件具有第三参考方向和第四磁阻元件具有不同于第三参考方向的第四参考方向；并且其中所述第一、第二、第三和第四参考方向平行于x'/y'平面。
如果磁阻传感器元件包括GMR元件或TMR元件，那么第二参考方向反平行于第一参考方向，以及其中第四参考方向反平行于第三参考方向。如果磁阻传感器元件包括AMR元件，那么第二参考方向正交于第一参考方向，以及其中第四参考方向正交于第三参考方向。
磁阻角度传感器包括：具有第一和第四磁阻元件以及第二和第三磁阻元件的第一全桥电路，以及包括第五和第八磁阻元件以及第六和第七磁阻元件的第二全桥电路，其中，所述第一到第八磁阻元件平行于具有x'轴和y'轴（二者彼此正交）的笛卡尔参考系统的x'/y'平面布置。
第一和第二全桥电路的第一到第八磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有消失的y'坐标。x'/y'平面中的第一到第八磁阻元件的几何离心矩的值在公差范围内消失。第一全桥的第一和第二磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第一x'坐标，以及第一全桥的第三和第四磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第二x'坐标，其中，第一和第二x'坐标在公差范围内具有相等的大小和相反的符号。第二全桥电路的第五和第六磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第三x'坐标，以及第二全桥电路的第七和第八磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第四x'坐标，其中，第三和第四x'坐标在公差范围内具有相等的大小和相反的符号。
第一和第二磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩，第三和第四磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩，第五和第六磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩，以及第七和第八磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩。
磁阻传感器元件可包括GMR元件、TMR元件和/或AMR元件，其中，第一和第四磁阻元件具有第一参考方向，以及第二和第三磁阻元件具有不同于第一方向的第二参考方向，以及其中第五和第八磁阻元件具有第三参考方向，以及第六和第七磁阻元件具有不同于第三参考方向的第四参考方向，并且其中所述第一、第二、第三和第四参考方向平行于x'/y'平面。
如果磁阻传感器元件包括GMR元件或TMR元件，那么第二参考方向反平行于第一参考方向，以及其中第四参考方向反平行于第二参考方向。如果磁阻传感器元件包括AMR元件，那么第二参考方向正交于第一参考方向，以及其中第四参考方向正交于第二参考方向。
传感器系统包括至少三个子单元，每个子单元包括磁阻角度传感器，其中，所述子单元被对称地布置在对应于几何圈的不同位置上，所述几何圈包括作为中心点的传感器系统的旋转轴。
本公开基于以下发现：在角度传感器的输出信号中，角度误差的最小化可通过优化传感器元件的布局来实现，特别是考虑到形成磁角度传感器装置的相应的传感器元件的有限尺寸（大小与形状）。
假定具有固定磁化的磁阻传感器元件（例如，GMR或TMR元件）的可能布局是由两个正交曲流组成的，其中，所述曲流覆盖矩形区域。此外，不具有固定磁化的磁阻传感器元件（例如，AMR元件）的可能布局包括AMR电阻条带（例如，具有所谓的理发店旋转立柱配置）。
磁阻传感器元件的几何形状的综合可被假定，其中，所述具有或不具有固定磁化的磁阻传感器元件的几何布局具有被折叠的细长形状使得基本上填满衬底主表面上的二维形状，诸如矩形区域、正方形区域、圆形区域、椭圆形区域、半月形状、三角形区域、五角形区域、六角形区域、规则或不规则多边形区域。这种几何布局可经由曲流、螺旋和/或填充二维形状的磁阻元件的细长层状结构的较少对称形状来实现。
一点是，磁阻传感器元件以基本上均匀的方式对着或覆盖二维区域，意思是（i）该元件的本地部分对总信号的贡献不显著取决于二维区域内的确切位置，只要磁场在整个此二维区域内是均匀的，以及（ii）该元件均匀地分布在整个二维区域内使得该区域的主要部分从元件的部分来看没有空的，并且每部分区域的元件部分的密度是恒定的。二维形状经常优选矩形区域，因为它们可以在不浪费间隙空间的情况下被包裹。如果磁阻传感器元件包括固定磁化并且如果这借助于激光加热来磁化，那么如果该区域具有足够简单的边界使得它们可以采用单个激光点被均匀地加热也是优选的。
在具有矩形区域的图中示出了下面的示例性实施例，但应指出，代替这些形状，所有以上提到的形状和另外的形状也是可能的，只要它们遵守这些规则。这就是为什么规则使用像几何惯性矩或几何离心矩的抽象实体，该抽象实体适用于所有的二维形状而不管确切的几何形状。
基于磁阻传感器元件的形状和有限大小对所产生的离轴角度传感器的角度误差的影响的分析计算，可分别实现大量的约束和要求用于磁阻角度传感器的优化几何布局，这进一步取决于基于半桥或全桥电路设计的磁阻角度传感器的实现的实现方式。
附图说明
在本文中参照附图对本公开的实施例进行描述。
图1a示出了依据实施例的具有三个子单元（卫星）的离轴角度传感器的示意平面图；
图1b示出了依据另外实施例的具有偶数个子单元（磁阻角度传感器）的离轴角度传感器的示意正视图；
图2示出了依据实施例的包括磁阻角度传感器的磁阻传感器元件的第一和第二半桥电路的示意图；
图3示出了相对于示例坐标系的离轴角度传感器系统；
图4示出了单个磁阻传感器元件的典型形状；
图5a示出了依据实施例的磁阻角度传感器的几何布局的示意图；
图5b示出了依据另外实施例的磁阻角度传感器的几何布局的示意平面图；
图5c示出了依据另外实施例的磁阻角度传感器的几何布局的示意平面图；
图6示出了依据另外实施例的磁阻传感器的几何布局的示意平面图；
图7示出了用于图6的磁阻角度传感器的具有八个磁阻传感器元件的两个全桥电路的示意图；以及
图8示出了用于图6的磁阻角度传感器的具有八个AMR传感器元件的两个全桥电路的示意图。
在下面的描述中，由同等或等效的附图标记来表示同等或等效的元件或者具有同等或等效功能性的元件。
具体实施方式
在下文中，阐述了多个细节以提供对本公开的实施例的更详尽的说明。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下来实施。在其他实例中，以框图的形式或示意图而非详细地示出众所周知的结构和设备以避免模糊本公开的实施例。此外，在下文中描述的不同实施例的特征可相互结合，除非另外特别指出。
基于具有（至少）三个子单元（以至少三个磁阻角度传感器的形式）的离轴角度传感器系统的如图1a-b所示的配置，将更详细地描述用于（磁阻角度传感器的）第一，第二，第三和第四磁阻元件R1、R2、R3、R4的可选布局要求#5和#6以及布局要求#1至#4的评估和确定。
依据本公开的实施例，用于检测磁场的磁阻角度传感器包括磁阻传感器元件或结构，其在下文中一般被称为磁阻（MR）传感器元件。在下面的描述中，术语“磁阻传感器元件”包括所有已知的磁阻结构，诸如AMR（各向异性磁阻）结构、GMR（巨磁阻）结构、CMR（超巨磁阻）结构、TMR（隧道磁阻）结构或EMR（非常磁阻）结构。在GMR和TMR传感器组装件的技术应用中，例如，经常使用所谓的自旋阀结构。
图1a示出了具有三个子单元或卫星（磁阻角度传感器）的离轴角度传感器系统的示意平面（顶式）图，其中，图1b示出了具有偶数个子单元（磁阻角度传感器）的类似离轴角度传感器系统的示意正视图。如图1a和1b一般所示，磁铁103在平面图（图1a）中比在正视图（图1b）中更小，因为它的具体大小与发明构思无关。一般来说，磁铁103可适合在传感器单元之间或它可在平面图中重叠它们，或者它甚至可以是环绕传感器单元的环。例如，磁铁103可以是环形磁铁或者盘式磁铁，它可被定位在传感器单元的上方（如图1b的正视图所示）或它可被定位在传感器单元的下方，或者在相同的轴向位置。磁铁103甚至可具有无旋的形状，诸如像椭圆形、正方形、矩形或平面图中的其他形状。还可以把多个磁铁安装在旋转轴上，例如在传感器单元的上方和下方或堆叠在轴向方向上或交错（其中一个磁铁停留在较大的磁铁或其任何组合的孔中）。
图1a示出了磁角度传感器系统100的示意平面图。图1a的磁角度传感器系统100包括轴102，磁铁103和硅管芯106a-c，硅管芯106a-c具有分别安装在其上的磁场传感器108a-c（其可对应于如下所说明的图5a-c的磁阻角度传感器108中的一个）。具有孔105的磁铁103例如被安装在贯通轴102上，其中，所述角度传感器108a-c被放置在旁边，即离开轴的旋转轴，在硅管芯106a-c上。
所述磁角度传感器系统100使用多个卫星或传感器子单元108a-c（参见如下所说明的图3a-c的磁阻角度传感器108#），它们中的每一个优选地在单个管芯106a-c上，并且以一种固定的模式放置它们，即在绕旋转轴z的角距∆ = 360°/N = 120°）处 ，例如在正交于旋转轴z并与旋转轴z同心的圆C上的固定距离处。每个卫星108a-c基本上在角度传感器108a-c的区域中的单个测试点0、1、2中抽样磁场。这里是具有三颗卫星（N=3）的离轴传感器系统100的示例。
图1b示出了例如具有偶数个卫星108的离轴角度传感器100的示意正视图，其中假设偶数n个卫星，那么不同磁阻角度传感器108的测试点相对于旋转轴z径向相对（反向镜像）布置。如图1b另外示出，在环形磁铁103（固定到轴102）和使各自的磁阻角度传感器100a-n布置在其上的相应的管芯106a-n的表面之间，存在平行于旋转轴z的垂直间距d。所述磁铁103被径向磁化。
如果传感器元件是MR，那么它们具有参考方向：例如AMR（各向异性MR）具有电流方向作为参考方向，而不管电流的极性；GMR（巨MR）和TMR（隧道MR）具有固定层中的磁化方向作为参考方向，其中，所述固定层是在制造期间被磁化并在操作期间保持不变的硬磁材料，只要没有过分强的外部磁场施加在其上。在图1a中（以及也在图2中）的示意图中，如果磁电阻器具有固定层，那么电阻器旁边的箭头表示该参考方向。如果磁电阻器不具有固定层，那么参考方向由在图8的电阻器符号内的笔画“–”、“|”、“/”、“\”表示。
紧接着假定任意子系统的管芯106具有本地参考系（x'，y'），其与如图3所示的整个传感器系统100的参考系（x，y）有关：如果磁铁是绕z轴旋转的，那么它的磁场沿着平行或反平行于x'方向的切线方向移动。因此，y'方向平行或反平行于径向方向。在实践中，如果x'在布局中平行于水平方向且y'在布局中平行于垂直方向，那么是很方便的，但是这可以被改变并且不能被理解为用于本公开的必要要求。图3示出了相对于示例坐标系的具有离轴角度传感器108的管芯106，即离轴角度传感器108具有参考系（x，y）和原点 O （z轴）而卫星108具有本地参考系（x'，y'）和原点O'。此外，它示出了第二本地坐标系（x"，y"，z"），其中z"=z'并且（x"，y"，z"）对着（x'，y'，z'）绕z"轴以任意角度α旋转。所述第二本地坐标系表示磁阻元件的磁化方向：如果它们包括固定层，那么它们的参考方向是+x"、-x"、+y"、-y"组中的一个（参见图2）；如果它们不包括固定层，那么它们的参考方向是x"、y"组中的一个，并且偏离x"+/-45°（参见图8）。在实践中，具有x'=x"以及y'=y"可能是很方便的，其例如是指本地坐标系（x'，y'，z'）和（x"，y"，z"）二者是相同的。然而，一般来说（x'，y'，z'）可不同于（x"，y"，z"），因为x'方向表示传感器元件和磁场之间的相对移动的方向，然而，（x"，y"）表示磁阻元件的参考方向。
下面的论述集中于传感器元件的优化布局，其导致最小化的角度误差。虽然以上叙述了原则上每个子单元108应在基本上单个测试点来采样场，但这不是严格意义上的情况。原因是传感器元件的有限大小和形状。典型的MR电阻器具有例如大约50µm x 50µm 或250µm x 250µm，或者与0.1至10的纵横比相当的矩形大小。类似区域的其他形状也是可能的，诸如像直径56µm或282µm的盘或者具有相同面积和0.1至10的纵横比的椭圆形以及更进一步形状是可能的。从而不可能把两个元件放置在相同（无穷小）的点，其中，通常它们的位置相差至少实际大小，即至少50µm或更多。如果例如把芯片放置在到旋转轴的距离R0=8mm处，那么在切线方向上，两个MR电阻器之间的100µm的位移相当于0.1/10*180/pi = 0.6°的角度，如果角度应该采用约0.5°的精度进行测量，那么其是不容忽视的。从而，两个MR不完全采样相同的场，并且这被发现在磁铁的所测量的旋转位置中引起了显著的误差。这个误差对离轴角度传感器比对轴上角度传感器更大，因为磁场在前者中不那么均匀。
下面的论述将为角度传感器元件的几何布局提供适当的设计规则以使所得到的角度传感器的角度误差可被最小化。
下面的论述集中于如图1a-b所示的离轴XMR角度传感器100的类型，其具有N ≥ 3个包括至少一个x"半桥和至少一个y"半桥（例如，参见图2）的传感器子单元108#。整个系统在半径R0=D/2、与旋转轴z同心的读出圆（reading circle）c上的角位置n*360°/N（其中n=0,1，…，N-1）处具有N ≥ 3个子单元。磁铁103可被径向磁化，然而，其他磁化模式也是已知的，诸如哈尔巴赫（Halbach）型磁化或径向、轴向和方位角方向及其组合上的一般多极磁化。
主要地，有多种方法从子单元的信号Sx"，Sy"构建磁铁的角位置。一种方法是，计算每个子单元的arctan2（Sx"，Sy"） ，其是角度的粗略估计，然后对角度加上或减去360°直到如果把子单元顺时针方向排成一行，所有子单元的角度为升序或降序，并且最后计算这些值的平均值并加上或减去360°直到该结果处在0°和360°之间的范围内。另一种方法是，计算所有信号Sx"的空间傅里叶变换并把磁铁的角位置与这个傅里叶变换的基波的实部和虚部的arctan2等同起来。也许甚至有其他的可能性来计算角度。一点是，用于这一计算的精确算法对于发明构思是无关的或不重要的，其中它仅计数信号Sx"，Sy"由磁阻元件MR采样，这对着管芯106上的某些扩展区域。
GMR元件和TMR元件具有以下列方式依赖于磁场的电阻，其中，具有正x"方向的固定层的磁化方向的电阻器依据下式变化：
其中“”是大约几百欧姆到几千欧姆的参考电阻值，“h”对于GMR大约为0.05而对于TMR大约为0.3至0.5，“”是磁场在XMR被溅射到其上的表面上的投影，“”是磁场在具有和旋转轴相同的z轴的圆柱坐标系中的径向和方位角分量，以及“”正x"方向上的单位向量。具有在正y"方向的固定层的磁化方向的电阻器依据下式变化：
如果固定层的磁化方向被反向，那么这意味着我们可以在这两个等式中用“h”乘以（-1）。
参考图2，其示出了具有有+/-x"参考方向的磁阻传感器元件R1，R2的第一半桥电路（左侧）。第一半桥电路（R1，R2-左部）包括两个具有参考方向+x"和-x"的磁阻（MR）传感器元件R1，R2。在右侧的分压器由无磁电阻器Rnm，Rnm组成并可被放置在任何地方（它的精确位置与角度误差无关）。第一角度信号Sx"在第一半桥电路的中心抽头和由两个无磁电阻器Rnm，Rnm组成的分压器的中心抽头之间是可抽头的。
图2进一步示出了具有有+/-y"参考方向的磁阻传感器元件R3，R4的第二半桥电路（右侧）。所述+/-y"方向正交于+/-x"方向。第二半桥电路（R3，R4-左部）包括两个具有参考方向+y"和-y"的磁阻（MR）传感器元件R3，R4。在右侧的分压器由无磁电阻器Rnm，Rnm组成并可被放置在任何地方（它的精确位置与角度误差无关）。第二角度信号Sy"在第二半桥电路的中心抽头和由两个无磁电阻器Rnm，Rnm组成的分压器的中心抽头之间是可抽头的。
所述磁阻传感器元件R1，R2和R3，R4分别在它们的参考方向和磁场矢量到（x"，y"）平面中的投影之间感测角度的余弦值。
在图4中，给出了具有固定磁化（MR）R#的磁阻元件的示例和典型形状。假定具有固定磁化（例如，GMR或TMR元件）的磁阻传感器元件的典型布局是由两个正交曲流组成的，其中，所述曲流覆盖矩形区域。此外，不具有固定磁化（例如，AMR元件）的磁阻传感器元件的可能布局包括AMR电阻条带（例如，具有所谓的理发店旋转立柱配置）。
磁阻传感器元件的这种几何形状的综合可被假定，其中，具有或不具有固定磁化的磁阻传感器元件的几何布局具有被折叠的细长形状使得基本上填满矩形区域。这种几何布局可经由曲流、螺旋和/或磁阻元件的细长层状结构的较少对称形状来实现。选择图4的这种几何布局以实现小区域内的大电阻，其中，使用被折叠的细条带使得填满区域。
代替条带，可使用略微重叠的小盘使得它看起来像一串珍珠。这样的串也可被使用并且它也可被类似地折叠成像图4中的条带的曲流。原则上，可以使用任何小的形状来代替小盘并且这些形状可略微重叠它们的相邻者以构成电流可沿其流动的串。甚至更一般地，可以使用多个串或条带来构成网状结构，其基本上是并联和串联分支的简单混合。因此，长的曲流仅是具有无并联分支的网格的极限情况，其最大化给定区域中的电阻——如果元件的表面电阻足够大，那么人们可容易地使用一个或多个并联分支以再次减少电阻。所有这些类型的曲流和网格均匀地填满二维形状（这里示例性地为矩形）。
然而，本公开并不局限于在单个固定层矩形中具有两个曲流的磁阻传感器元件。此外，如果应用没有必要消除AMR效应（因为它与更大的TMR效应相比是可以忽略的），那么它例如也可以在每个固定层矩形中使用单一曲流方向。对于不具有固定层的磁阻传感器元件，也可以使用单一曲流方向，因为在那里人们不需要消除AMR效应，因为它是存在于该设备中的唯一效应。
关于这点，应当指出这样的事实：即对于具有固定层的磁阻传感器元件，不可能使用像用于运算放大器的输入对晶体管或电流镜的指状组合型布局技术，因为每个电阻器具有不同的参考方向，例如R1具有正x"方向的参考方向（在布局上从左到右），而R2具有负x"方向的固定层的磁化的参考方向（在布局上从右到左）。所述固定层通过将其暴露于大约1T的大的外加场并且把元件加热到250°C以上（超过在激光写入期间的各自的阻挡温度，其取决于确切的材料成分和层厚）而被磁化。这种加热例如由到矩形区域上的激光束来支持。从而，在一个实施例中，针对固定层的不同磁化方向的其他矩形区域未必被加热以不改变它们的固定层的磁化。
显然，这个过程还设置用于相邻固定层的间距和大小的下限。如果相邻固定层被定位的太近，那么激光加热将具有显著的热交扰并且这将恶化某些固定层的磁化。
因此在实践中，为了具有低角度误差，寻找一个权衡，人们将不得不减少MR的间距和大小，但另一方面，个别磁阻传感器元件MR的误差在太小的间距处由于固定层的不完全磁化而增加。
对于离轴角度传感器，MR的有限大小和形状对角度误差的影响的分析计算可基于不同的达到下面的一组布局规则/要求的计算方法来进行：
永久磁铁的磁场可以展开成传感器元件的位置上的泰勒（Taylor）级数。场不均匀性的影响可通过本地计算磁阻响应并对磁阻（磁阻传感器元件）的整个形状积分来计算。这个积分考虑到这一事实：磁阻传感器元件基本上均匀地对着它的整个形状。如果对桥接电路的所有磁阻这样做，那么输出信号作为磁场不均匀性和传感器元件的几何形状的函数被获得。最后，可计算出传播到所估计角度中的误差。事实证明，如果磁阻传感器元件的布局遵守下面的规则和要求，那么角度误差的主导部分消失：
要求#1:
要求#2:
要求#3:
要求#4:
要求#5: （可选）
要求#6: （可选）。
由此索引1，2，3，4指的是电阻R1，R2，R3，R4。电阻R1和R2具有如图2的左半桥电路所示的固定层的磁化方向，其中，电阻R3和R4具有如图2的右半桥电路所示的固定层的磁化方向，由此，指出参考系（x"，y"）可以对着（x'，y'）以任意角度旋转。管芯的位置和定向与旋转轴的关系优选地依据图3。
尤其是，所述x'方向平行于传感器元件对着磁场移动的相对方向。
电阻器#1（R1）的重力中心的x'坐标为：
，
由此，积分对着由电阻器#1（R1）覆盖的整个区域 。这一定义表明，通过“重力中心”，我们表示几何重力中心而不管传感器元件内部的质量分布。
电阻器#1（R1）的重力中心的y'坐标为：
。
电阻器#1（R1）的离心矩由下式给出：
离心矩取决于x'和y'轴二者。
电阻器#1（R1）的绕y'轴的惯性矩由下式给出：
。
类似地，其他索引2，3，4指的是电阻器#2（R2），#3（R3）和#4（R4）。前两个定义表明，通过“离心矩”和“惯性矩”，分别表示几何离心矩和几何惯性矩而不管传感器元件内部的实际质量分布。
对几何布局的优化折衷同时满足要求#1，#2，#3，#4，由此，大小 和 应是小的（如果这些大小消失，则我们具有完美的布局）。从而，如果它保持，则就被称为小，换言之，“小”被定义为在大小上小于减数和被减数二者的大小的平均值的30%。
最后，进一步优化布局的规则是，进一步优化布局何时同时满足要求#1，#2，#3，#4，#5，#6。
在本公开的上下文中，所述惯性矩 I'xx' ，I'yy'表示为轴向惯性矩。惯性矩I'xy'表示为离心矩（或双轴向惯性矩）。在一个实施例中，所述轴向惯性矩总是正的。所述离心矩可以是正的、负的或零。如果其中一个轴是对称轴，那么离心矩是零。
此外，指出这一事实：在本公开的上下文中，具体数量或值一致（是相同的）、消失（约为零）等被指示用于定义一些发明方面。然而，应当清楚的是，由于不同的制造公差，不同的公差范围可存在为如在本申请中，并且特别是在该组权利要求中所定义的不同的值或数量。针对如在本申请中，并且特别是在该组权利要求中所指示的不同数量或不同数量之间的可能偏差的公差范围，例如，可小于10%，5%或3%，并且应尽可能的低。详细地，要求#1表示为 ，这和正 和负 的总和消失的要求是相同的：。在实践中，和 的大小约为如上所述的10µm至500µm。显然，具有 的系统几乎和具有的完美系统一样好，因为1µm比10...500µm小的多。因此，数学方程式 在实践中应被解释为 。为了更明确和精确，我们定义： 意为。用语言：如果它的大小小于各项大小的平均值的30%，20%或10%，那么几项的和或减法被定位为近似意义上的消失。
这一说明也可适用于要求#2...6。例如，要求#4表示为 ，其具有实际意义（或有人可能说它仅仅是下式的简化表示）：
在下文中，如图5a-c所示的传感器装置，每一个表示具有各种对称条件的磁阻角度传感器的可能和示例几何布局，其符合上述的要求#1至#4（以及可选#5和#6）。然而，如图5a-c所示的具有其他对称条件的磁阻角度传感器的不同几何布局也可满足所有上述的要求#1至#4（以及可选#5和#6），使得应当指出的是，上述的要求#1至#4（以及可选#5和#6）定义本发明构思，而不是如图5a-c所示的传感器装置的几何布局的特定对称条件。
图5a示出了依据实施例的磁阻角度传感器108的几何布局的示意图，其中，图2示出了依据第一实施例的包括磁阻角度传感器108的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4的第一和第二半桥电路110，120的示意图。
更具体的地，图5a示出了8种相对于本地参考系x'，y'（坐标系）被对称布置的磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b，其中，第一轴x'平行于布局中的水平方向而第二轴y'平行于布局中的垂直方向。传感器元件的参考方向也被示出平行于x'和y'轴，然而，应当指出的是，所有它们都可以在不损害角度传感器的情况下以某个任意角度任意旋转。
8种磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b相对于x'轴成对地对称布置，其中，所述磁阻传感器元件结构R1a-b和R3a-b以及磁阻传感器元件结构R2a-b和R4a-b相对于y'轴相互对称地布置。
磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b每个示出一种布局（在平面图中），其是由两个正交曲流组成的，由此，该曲流覆盖矩形区域。在下文中，它被称作这个几何形状的综合，其中，几何MR布局具有被折叠的细长形状使得基本上填满矩形区域。各磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b的这个几何形状可经由曲流或螺旋或较少对称形状来实现。
如图5a所示，磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b被选择性地连接以使磁阻传感器元件结构R1a-b形成磁阻传感器元件R1，磁阻传感器元件结构R2a-b形成磁阻传感器元件R2，磁阻传感器元件结构R3a-b形成磁阻传感器元件R3，以及磁阻传感器元件结构R4a-b形成磁阻传感器元件R4。
依据图5a中的布局，磁阻（MR）传感器元件R1，R2，R3，R4被连接成依据图2的半桥电路，由此，在图5a中，R1和R2之间的连接未明确示出（R1的两端的任一端可被连接到R2的两端的任一端）。此外，R3和R4之间的连接未明确示出（R3的两端的任一端可被连接到R4的两端的任一端）。每个磁阻（MR）传感器元件R1，R2，R3，R4被分离成两部分（即，磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b）并且两部分由粗的灰线连接，这可是芯片级铝线。磁阻传感器元件结构R1a-b，R2a-b，R3a-b，R4a-b具有阴影矩形，其表示固定层。固定层的磁化方向由阴影矩形右边或左边的箭头表示。所指示的方向与图2一致。在每个阴影矩形内，有两个正交曲流，这两个曲流被用于消除净电阻中的AMR效应。
如上所指示的，图2示出了具有有+/-x"参考方向的磁阻传感器元件R1，R2的第一半桥电路并用于提供第一角度信号Sx"。第一半桥电路（R1，R2-左部）包括两个具有参考方向+x"和-x"的磁阻传感器元件R1，R2。图2进一步示出了具有有+/-y"参考方向的磁阻传感器元件R3，R4的第二半桥电路并用于提供第二角度信号Sy"。第二半桥电路（R3，R4-左部）包括两个具有参考方向+y"和-y"的磁阻（MR）传感器元件R3，R4。
从而，磁阻角度传感器108包括：包括具有在第一方向x"平行于第一轴（x"轴）的第一参考方向（即，具有固定层的第一磁化方向）的第一磁阻元件（磁电阻器）R1和具有在第一方向x"反平行于第一轴（即，在-x"方向）的第二参考方向的第二磁阻元件R2的第一半桥电路110。磁阻角度传感器100进一步包括：包括具有在第二方向y"平行于第二轴（y"轴）的第三参考方向的第三磁阻元件R3和具有在第二方向y"反平行于第二轴（即，在-y"方向）的第四参考方向的第四磁阻元件R4的第二半桥电路120。
第一半桥电路R1-2的第一和第二磁阻元件R1，R2具有相同的x'坐标（要求#1：）。
第二半桥电路R3-4的第三和第四磁阻元件R3，R4具有相同的x'坐标（要求#2：）。
此外，第一磁阻元件R1绕y'轴的惯性矩I'xx,1（即，几何惯性矩）的值，第二磁阻元件R2绕y'轴的惯性矩I'xx,2的负值，第三磁阻元件R3的离心矩I'xy,3的值和第四磁阻元件R4的离心矩I'xy,4的负值的总和“消失”（或约为零）（要求#3）：
。
进一步，第三磁阻元件R3绕y'轴的惯性矩I'xx,3的值，第四磁阻元件R4绕y'轴的惯性矩I'xx,4的负值，第一磁阻元件R1的离心矩I'xy,1的负值和第二磁阻元件I'xx,2的离心矩I'xy,2的值的总和消失（或约为零）（要求#4）：
。
可选地，在磁阻角度传感器100中，第一半桥电路R1-2的第一和第二磁阻元件R1，R2的几何重力中心的y'坐标 可以是相同的（可选要求#5）：
。
可选地，第二半桥电路R3-4的第三和第四磁阻元件R3，R4的几何重力中心的y'坐标 可以是相同的（可选要求#6）：
。
如图5a所示，第一方向x'和第二方向y'相互正交。
换言之，图5a示出了磁阻传感器元件R1-R4（MR-磁电阻器#1，#2，#3，#4）的布局，所述磁阻传感器元件R1-R4被连接成依据图2的半桥，但此连接未在这里示出。每个MR被分离成两部分并且这两部分由粗的灰线（其可是芯片级铝线）连接。每部分都具有阴影矩形，其表示固定层。然而，也可以使用除矩形之外的其他形状。固定层的磁化方向由阴影矩形右边或左边的箭头表示。所指示的方向与图2一致。在图5a中，箭头指向正或负x'或y'方向，然而，也允许以某一任意角度旋转它们。因此，我们用x"和y"方向表示它们，其可不同于x'和y'方向——即，互相旋转，如图3所示。在每个阴影矩形内，有两个正交曲流——所述两个曲流被用于消除净电阻中的AMR效应。
电阻器#1和电阻器#2的重力中心可以是相同的（即，一致的）并且由图中的G12标记。从而，要求#1和#5都达到了。电阻器#3和电阻器#4的重力中心可以是相同的（即，一致的）并且由图中的G34标记。从而，要求#2和#6都达到了。
电阻器#1和#2的绕y'轴的惯性矩是相同的：
。
此外，电阻器#3和#4的绕y'轴的惯性矩是相同的：
。
每个电阻器的离心矩由于对称而消失：
。
因此，要求#3和#4也都达到了。
因此，该布局在如下意义上至少优化或（几乎）完美，即MR的不同位置和有限延伸在从MR半桥的信号获得的磁铁的测量角位置中不产生任何误差。
然而，应当指出的是，在单个固定层矩形中，可以使用除两个曲流之外的具有不同设计的磁阻传感器元件。磁阻传感器条带可在任何像矩形、盘、椭圆形、半月形、多边形的二维形状内部被折叠得像不规则的蛇。此外，如果应用没有必要消除AMR效应（因为它与更大的TMR效应相比是可以忽略的），那么它例如也可以在每个固定层矩形中使用单一曲流方向。
此外，可以连接电阻#1（图5a的R1）的两部分的两个固定层矩形。这甚至可允许在y'方向上、在两个矩形之间的较低间距，这不管怎样有利于减少由大小和形状引起的角度误差。
图5b示出了依据另外实施例的磁阻角度传感器108的几何布局的示意平面图，其中，磁阻角度传感器108也达到了上述要求#1至#4。此外，磁阻角度传感器108的优点在于：由于磁阻传感器元件R1-R4的“独立”和单独布局，故激光可采用单个点来加热各磁阻传感器元件R1-R4。
更具体地，图5b示出了相对于本地参考系x'，y'（坐标系）对称布置的四个磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4。可选地，第一轴x'平行于布局中的水平方向而第二轴y'平行于布局中的垂直方向。从而，电阻器之间的连接并未示出。可将R1的任何触点与R2的任何触点连接以构成第一半桥电路，由此，这个连接点作为输出而R1和R2的其他两个剩余触点作为正供应端和负供应端。类似地，可将R3的任何触点与R4的任何触点连接以构成第二半桥电路，由此，这个连接点作为输出而R3和R4的其他两个剩余触点作为正供应端和负供应端。
磁阻传感器元件R1，R2和R3，R4相对于x'轴成对地对称布置，其中磁阻传感器元件R1，R3和R2，R4相对于y'轴成对地对称布置。
磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4每个示出一种布局（在平面图中），其是由两个正交曲流组成的，由此，该曲流覆盖矩形区域。在下文中，它被称作这种几何形状的综合，其中MR布局具有被折叠的细长形状使得基本上填满矩形区域。各磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4的这种几何形状可经由曲流或螺旋或较少对称形状来实现。
再次参见图2，示出了依据另外实施例的包括磁阻角度传感器108的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4的第一和第二半桥电路110，120的示意图。
磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4具有阴影矩形，其表示固定层。固定层的磁化方向由阴影矩形右边或左边的箭头表示。所指示的方向与图2一致。在每个阴影矩形内，有两个正交曲流，其中这两个曲流被用于消除净电阻中的AMR效应。
换言之，图5b的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4仅由一个具有基本上均匀地对着矩形的某种曲流的固定层矩形组成（由此，曲流的实际形状与该构思无关）。x"半桥的两个电阻器R1和R2具有相同的重力中心的x'坐标，但不同的y'坐标。此外，y"半桥的两个电阻器R3和R4具有相同的重力中心的x'坐标，但不同的y'坐标。
（可选）要求#5和#6未达到。然而，所有其他要求#1，#2，#3，#4由于对称都达到了，并且这足以消除由MR的有限大小效应引起的角度误差的主要部分。此外，尽管要求#5和#6未达到，但可以以不产生角度误差这样的方式优化磁铁。
图5c示出了依据另外实施例的磁阻角度传感器108的几何布局的示意平面图，其中，磁阻角度传感器108也达到了上述要求#1至#4。
在磁阻角度传感器108中，第一，第二，第三和第四磁阻元件R1，R2，R3，R4在第一x'方向上的延伸是在第二方向上的至少两倍。所述 x'方向平行于传感器元件移动的相对方向。此外，这里表示参考方向的箭头可以任意角度旋转。
再次参见图2，示出了依据第二实施例的包括磁阻角度传感器300的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4的第一和第二半桥电路110，120的示意图。
换言之，依据图5c的磁阻角度传感器108的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4包括MR的矩形的增加的纵横比（当与依据图5b的磁阻角度传感器108的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4相比时），使得依据图5c的磁阻角度传感器108的磁阻传感器元件R1，R2，R3，R4覆盖较小的y区域，而这将导致 和 的减少，这也减少了相关的角度误差。
作为替代实现方式，磁阻传感器元件R1和R2还可绕它们的几何重力中心转动180°以使曲流的水平部分更接近y'轴，但是这并不显著地改变角度误差。
可将磁阻角度传感器108的第一，第二，第三和第四磁阻元件R1，R2，R3，R4定位在相同的半导体管芯106上。磁阻传感器元件例如为GMR元件或TMR元件。
以上，讨论了具有半桥电路110，120的角度传感器108。
依据另外实施例，图6示出了依据另外实施例的磁阻传感器的几何布局的示意平面图，其中，图7示出了用于图6的磁阻角度传感器的具有八个磁阻传感器元件的两个全桥电路的示意图。
在下文中，讨论了具有半桥电路210，220的角度传感器208，其中，从而一个或两个半桥电路由以下的如图6和7所示的全桥电路来代替。
如图6和7所示，编号R'1–R'4指示x"全桥电路的磁电阻器#1' - #4'（图6a左侧），而编号R'5–R'8指示y"全桥电路的磁电阻器#5'-#8'（图6a右侧）。
图7示出了第一全桥电路210（左侧），其包括四个具有参考方向+x"和–x"的磁阻（MR）传感器元件R'1–R'4。第一角度信号Sx"在第一全桥电路的中心抽头处是可抽头的。图7进一步示出了包括两个具有参考方向+y"和–y"的磁阻（MR）传感器元件R'5–R'8的第二全桥电路220（右侧）。第二角度信号Sy"在第二全桥电路的中心抽头处是可抽头的。
在这种系统中，减少由MR的有限大小和形状引起的角度误差的一种方法是达到以下要求的集合：
要求#1:
要求#2:
要求#3:
要求#4:
要求#5a:
要求#5b:
要求#5c:
要求#5d:
如果所有XMR电阻器都被对称地放置在x'轴上或具有在x'轴的镜像对称形状，那么要求#1和#2就达到了。因此，XMR电阻器#1'， #3'， #5'， #'被集中且对称地放置在x'轴上，其中，XMR电阻器#2'， #4'， #6'， #8'被分离成相等的两部分并对称地放置在x'轴的上面和下面。
要求#3和#4表示每个半桥的两个电阻器的重力中心的x坐标是相同的，并且对于构成全桥电路的两个半桥电路，它们具有相反的符号。
如果每个半桥电路中的两个电阻器的x位置的大小和形状是相同的，那么要求#5a..d就达到了。
从而，图6的磁阻角度传感器208包括：包括具有在第一x"方向平行于第一轴的第一参考方向的第一和第四磁阻元件R'1和R'4以及具有在第一x"方向反平行于第一轴的第二参考方向的第二和第三磁阻元件R'2和R'3的第一全桥电路210。磁阻角度传感器208进一步包括：包括具有在第二y"方向平行于第二轴的第三参考方向的第五和第八磁阻元件R'5和R'8以及具有在第二y"方向反平行于第二轴的第四参考方向的第六和第七磁阻元件R'6，R'7的第二全桥电路220。
第一和第二全桥电路的第一至第八磁阻元件的重力中心具有相同的y'坐标，即，要求#1：
这个方程式是以下多个实际条件的简化形式：
， ， ，， ， ，。
第一至第八磁阻元件的离心矩的值消失（约为零），即要求#2：
这个方程式是以下多个实际条件的简化形式：
， ，， ，， ，。
第一全桥的第一和第二磁阻元件的重力中心具有相同的第一x'坐标，以及第一半桥的第三和第四磁阻元件的重力中心具有相同的第二x'坐标，其与第一x'坐标相比具有相同的大小但相反的符号，即，要求#3：
。
这是对以下多个实际条件的简化形式：
， ，。
要求#3表示两个磁电阻器R'1，R'2（第一半桥）的重力中心的x坐标和两个磁电阻器R'3，R'4（第二半桥）的重力中心的x'坐标是相同的，并且对于构成第一全桥的两个半桥R'1，R'2和R'3，R'4，所述x'坐标具有相反的符号。
第二全桥电路的第五和第六磁阻元件的重力中心具有相同的第三x'坐标，以及第二半桥电路的第七和第八磁阻元件的重力中心具有相同的第四x'坐标，其具有与第三x'坐标相同的大小但相反的符号，即，要求#4：
。
要求#4表示两个磁电阻器R'5，R'6（第三半桥）的重力中心的x坐标和两个磁电阻器R'7，R'8（第四半桥）的重力中心的x'坐标是相同的，并且对于构成第二全桥的两个半桥R'5，R'6和R'7，R'8，所述x'坐标具有相反的符号。
第一和第二磁阻元件R'1，R'2具有绕第二轴y'的相同的惯性矩，即，要求#5a：
。
从更加实际的意义上看，这意味着 。
第三和第四磁阻元件R'3，R'4具有绕第二轴y'的相同的惯性矩，即，要求#5b：
。
第五和第六磁阻元件R'5，R'6具有绕第二轴y'的相同的惯性矩，即，要求#5c：
。
第七和第八磁阻元件R'7，R'8具有绕第二轴y'的相同的惯性矩，即，要求#5d：
。
如图6所示，第一方向x'和第二方向y'相互正交。磁阻角度传感器208的第一至第八磁阻元件R'1–R'8可位于相同的半导体管芯上。磁阻传感器元件例如为AMR元件、GMR元件或TMR元件。
换言之，每个矩形基本上均匀地与电阻条带对着（例如，呈一个或多个曲流或螺旋或类似的形状）。电阻器#2（R'2），#4（R'4），#6（R'6），#8（R'8）被分成相等的两部分并且镜像对称于x'轴放置。从而，这使它们的重力中心的y'坐标消失了。电阻器#1（R'1），#3（R'3），#5（R'5），#7（R'7）的重力中心的y'坐标由于它们恰好被放置在x'轴上而消失。电阻器#1（R'1）和#2（R'2）的x'坐标是相等的，并且在y'轴镜像，给出电阻器#3（R'3）和#4（R'4）。电阻器#5（R'5）和#6（R'6）的x'坐标是相等的，并且在y'轴镜像，给出电阻器#7（R'7）和#8（R'8）。
依据本公开的实施例，用于检测磁场的磁阻角度传感器包括磁阻传感器元件或结构，其一般被称为磁阻（XMR）传感器元件。术语“磁阻传感器元件”包括所有已知的磁阻结构，诸如AMR（各向异性磁阻）结构、GMR（巨磁阻）结构或TMR（隧道磁阻）结构。
更具体地，依据本公开的实施例，任何具有参考方向的磁阻传感器元件或结构都可用于本发明的磁阻角度传感器来检测磁场。此外，在本公开的上下文中，一般使用对着x"轴具有+/-45°和0°/90°的参考方向，其中，只需要半桥的电阻器的布局满足上述要求。
在GMR和TMR传感器组装件的技术应用中，例如，经常使用所谓的自旋阀结构。在AMR传感器元件的情况下，参考方向由通过AMR结构的电流流动的方向给出。当使用AMR传感器元件时，应该考虑AMR半桥包括具有两个参考方向的电阻器，其不像在GMR和TMR中相差180 °而仅差90°。
图8示出了用于图6的磁阻角度传感器的具有八个AMR传感器元件的两个全桥电路的示意图。更具体地，图2示出了完整的（a）具有输出信号 的X"桥和（b）具有输出信号的Y"桥的四个AMR电阻器的电路图。在电阻器符号内的线表示在AMR中电流流动的方向。如果电阻器R3'，R4'由无磁电阻器Rnm和Rnm代替，则图8（a）对应于图2中的110。此外，如果电阻器R6'，R7'由无磁电阻器Rnm和Rnm代替，则图8（b）对应于图2中的120。换言之，采用AMR传感器元件，可以建立包括半桥的角度传感器以及可以建立包括全桥的角度传感器。
在下文中，描述8-AMR角度传感器的一般操作原理。传感器包括8个AMR电阻器：
四个 -AMR被连接成全桥电路（图8）。它们被对齐以使电流在 和 方向（极性无关）流动。四个 -AMR的参考方向对着x"-AMR的参考方向以45°旋转。通过AMR电阻器R'1的电流流动平行于 方向。 是x"和y"方向上的单位向量；它们位于管芯表面并且 垂直于两个 。描述了传感器元件在管芯上的无穷小的小部分的位置。所述AMR传感器在管芯 的顶部。因此引量（primed quantity）描述几何形状和位置，而双引量（double-primed quantity）描述传感器元件的参考方向。在布局坐标系中的场分量 是管芯表面 中的坐标和x"和y"轴的方向的函数（因此例如， ）。第一磁电阻器的电阻由 给出，其中，是基本电阻而 是由于AMR效应的最大电阻变化（通常为基本电阻的2.5%）。角度 在磁场到管芯表面的投影（面内场分量）和 方向之间，
其中，AMR电阻器R'1位于 。如果AMR电阻器是小的，那么这成立。如果它具有某种有限延伸，那么余弦的平方变为：
由此，在电阻器R'1的整个形状上进行积分。
通过AMR电阻器R'3的电流方向平行于 方向。因此，它的电阻由下式给出：
。
角度 在面内场分量和AMR电阻器R'3的位置上的 方向之间，其中
AMR电阻器R'5的参考方向平行于 。它的电阻是：
。
AMR电阻器R'7平行于。它的电阻是：
。
针对两种桥的1V电源电压和 ，输出电压为：
如果磁点的偶极矩在负y方向，则。如果磁点的偶极矩在正y方向，则 。一些AMR角度传感器只使用半桥电路而非像图8中的全桥电路。从而，它们只需四个而非八个电阻器。在这种情况下，Sx"和Sy"的项的一半不得不被屏除。
另外实施例是传感器系统，其包括至少三个子单元，每个子单元包括磁阻角度传感器108或208（如上所述）。子单元108，208被对称地布置在对应于几何圈的不同位置上，所述几何圈包括该传感器系统作为中心点的旋转轴。至少三（N≤3）个子单元的几何位置相对于彼此方位转移360°除以子单元的数目N（360°/N），其中，径向和轴向位置是相同的。所述第一方向切向于绕旋转轴的旋转运动，以及其中，所述第二方向径向于绕旋转轴的旋转运动。这种传感器系统可以实现为使用如相对于图5a-c和图6描述的磁阻角度传感器的几何布局的具有图1a-b的三个子单元（卫星）的离轴角度传感器。
虽然一些方面已在设备的上下文中进行了描述，但显然这些方面也表示对应方法的描述，其中，块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应设备的对应块或项或特征的描述。一些或所有的方法步骤可由（或使用）硬件设备（例如像微处理器、可编程计算机或电路）执行。在一些实施例中，一些最重要的方法步骤的一个或多个可以由这种设备执行。
在一些实施例中，可编程逻辑设备（例如现场可编程门阵列）可用来执行一些或所有在本文中描述的方法的功能性。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器合作以执行本文中所描述的方法的其中一个。一般地，所述方法由任何硬件设备优选执行。
上述实施例仅用于说明本公开的原理。应当理解的是，本文中所述细节和布置的修改和变化对本领域其他技术人员将是显而易见的。因此，意在仅由即将出现的专利权利要求的范围限制而不由借助于本文实施例的描述和说明呈现的具体细节限制。
Claims (21)
1.一种磁阻角度传感器，包括：
第一半桥电路，包括第一磁阻元件和第二磁阻元件，以及
第二半桥电路，包括第三磁阻元件和第四磁阻元件；
其中，第一、第二、第三和第四磁阻元件平行于具有二者彼此正交的x'轴和y'轴的笛卡尔参考系统的x'/y'平面布置；
其中，第一半桥电路的第一和第二磁阻元件中的每一个的几何重力中心在公差范围内具有相同的x'坐标和相同的y'坐标，
其中，第二半桥电路的第三和第四磁阻元件中的每一个的几何重力中心在公差范围内具有相同的x'坐标和相同的y'坐标，
其中，第一磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第二磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，x'/y'平面中的第三磁阻元件的几何离心矩的值和x'/y'平面中的第四磁阻元件的几何离心矩的负值的总和在公差范围内消失，以及
其中，第三磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第四磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，x'/y'平面中的第一磁阻元件的几何离心矩的负值和x'/y'中的第二磁阻元件的几何离心矩的值的总和在公差范围内消失。
2.如权利要求1所述的磁阻角度传感器，其中，第一磁阻元件具有第一参考方向而第二磁阻元件具有不同于第一参考方向的第二参考方向，以及其中，第三磁阻元件具有第三参考方向而第四磁阻元件具有不同于第三参考方向的第四参考方向；以及其中，第一、第二、第三和第四参考方向平行于x'/y'平面。
3.如权利要求2所述的磁阻角度传感器，其中，第二参考方向反平行于第一参考方向，以及其中第四参考方向反平行于第三参考方向。
4.如权利要求3所述的磁阻角度传感器，其中，磁阻传感器元件包括GMR元件或TMR元件。
5.如权利要求2所述的磁阻角度传感器，其中，第二参考方向正交于第一参考方向，以及其中第四参考方向正交于第三参考方向。
6.如权利要求5所述的磁阻角度传感器，其中，磁阻传感器元件包括AMR元件。
7.如权利要求1所述的磁阻角度传感器，
其中，第一半桥电路的第一和第二磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的y'坐标，以及
其中，第二半桥电路的第三和第四磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的y'坐标。
8.如权利要求1所述的磁阻角度传感器，其中，第一、第二、第三和第四磁阻元件在x'方向上的延伸是在第二方向上的至少两倍。
9.如权利要求1所述的磁阻角度传感器，其中，第一、第二、第三和第四磁阻元件位于相同的半导体管芯上。
10.如权利要求1所述的磁阻角度传感器，其中，磁场相对角度传感器元件的运动方向平行于或反平行于x'方向。
11.一种磁阻角度传感器，包括：
第一全桥电路，具有第一和第四磁阻元件以及第二和第三磁阻元件，以及
第二全桥电路，包括第五和第八磁阻元件，以及第六和第七磁阻元件，
其中，第一至第八磁阻元件平行于具有二者彼此正交的x'轴和y'轴的笛卡尔参考系统的x'/y'平面布置；
其中，第一和第二全桥电路的第一至第八磁阻元件中的每一个的几何重力中心在公差范围内具有消失的y'坐标，
其中，x'/y'平面中的第一至第八磁阻元件中的每一个的几何离心矩的值在公差范围内消失，
其中，第一全桥的第一和第二磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第一x'坐标，以及第一全桥的第三和第四磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第二x'坐标，其中第一和第二x'坐标在公差范围内具有相等的大小和相反的符号，
其中，第二全桥电路的第五和第六磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第三x'坐标，以及第二全桥电路的第七和第八磁阻元件的几何重力中心在公差范围内具有相同的第四x'坐标，其中第三和第四x'坐标在公差范围内具有相等的大小和相反的符号，以及
其中，第一和第二磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩，第三和第四磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩，第五和第六磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩，以及第七和第八磁阻元件在公差范围内具有绕y'轴的相同的几何惯性矩。
12.如权利要求11所述的磁阻角度传感器，其中，第一和第四磁阻元件具有第一参考方向，而第二和第三磁阻元件具有不同于第一方向的第二参考方向，以及其中，第五和第八磁阻元件具有第三参考方向，而第六和第七磁阻元件具有不同于第三参考方向的第四参考方向，以及其中第一、第二、第三和第四参考方向平行于x'/y'平面。
13.如权利要求12所述的磁阻角度传感器，其中，第二参考方向反平行于第一参考方向，以及其中第四参考方向反平行于第二参考方向。
14.如权利要求13所述的磁阻角度传感器，其中，磁阻传感器元件包括GMR元件或TMR元件。
15.如权利要求12所述的磁阻角度传感器，其中，第二参考方向正交于第一参考方向，以及其中第四参考方向正交于第二参考方向。
16.如权利要求15所述的磁阻角度传感器，其中，磁阻传感器元件包括AMR元件。
17.如权利要求11所述的磁阻角度传感器，其中，第一至第八磁阻元件位于相同的半导体管芯上。
18.一种传感器系统，包括：
至少三个子单元，每个子单元包括如权利要求1所述的磁阻角度传感器，其中，所述子单元被对称地布置在对应于几何圈的不同位置上，所述几何圈包括作为中心点的传感器系统的旋转轴。
19.如权利要求18所述的传感器系统，其中，至少三个子单元的位置相对于彼此方位转移360°除以子单元的数目N（360°/N），其中，径向和轴向位置在公差范围内是相同的。
20.如权利要求18所述的传感器系统，其中，磁阻角度传感器元件相对磁场的运动方向平行于或反平行于x'方向。
21.一种磁阻角度传感器，包括：
第一半桥电路，包括第一磁阻元件和第二磁阻元件，以及
第二半桥电路，包括第三磁阻元件和第四磁阻元件；
其中第一、第二、第三和第四磁阻元件包括具有两个正交曲流的布局，其中所述曲流覆盖矩形区域；
其中，第一、第二、第三和第四磁阻元件平行于相对于具有二者彼此正交的x'轴和y'轴的笛卡尔参考系统的x'/y'平面布置；
其中，第一半桥电路的第一和第二磁阻元件中的每一个的几何重力中心基本上具有相同的x'坐标，
其中，第二半桥电路的第三和第四磁阻元件中的每一个的几何重力中心基本上具有相同的x'坐标，
其中，第一磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第二磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，（x'/y'）中的第三磁阻元件的几何离心矩的值和（x'/y'）中的第四磁阻元件的几何离心矩的负值的总和基本上消失，以及
其中，第三磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的值，第四磁阻元件绕y'轴的几何惯性矩的负值，（x'/y'）中的第一磁阻元件的几何离心矩的负值和（x'/y'）中的第二磁阻元件的几何离心矩的值的总和基本上消失。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14/247,361 US9435662B2 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Magneto-resistive angle sensor and sensor system using the same |
| US14/247361 | 2014-04-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104976948A CN104976948A (zh) | 2015-10-14 |
| CN104976948B true CN104976948B (zh) | 2018-10-16 |
Family
ID=54146650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510162808.4A Expired - Fee Related CN104976948B (zh) | 2014-04-08 | 2015-04-08 | 磁阻角度传感器以及使用该传感器的传感器系统 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9435662B2 (zh) |
| CN (1) | CN104976948B (zh) |
| DE (1) | DE102015206075A1 (zh) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9244134B2 (en) * | 2013-01-15 | 2016-01-26 | Infineon Technologies Ag | XMR-sensor and method for manufacturing the XMR-sensor |
| US9164155B2 (en) | 2013-01-29 | 2015-10-20 | Infineon Technologies Ag | Systems and methods for offset reduction in sensor devices and systems |
| US9605983B2 (en) | 2014-06-09 | 2017-03-28 | Infineon Technologies Ag | Sensor device and sensor arrangement |
| US9823168B2 (en) | 2014-06-27 | 2017-11-21 | Infineon Technologies Ag | Auto tire localization systems and methods utilizing a TPMS angular position index |
| DE102016212173A1 (de) * | 2016-07-05 | 2018-01-11 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse verdrehbaren Bauteils |
| DE102016124948B4 (de) * | 2016-12-20 | 2019-05-29 | Infineon Technologies Ag | Magnetische Winkelsensorvorrichtung und Betriebsverfahren |
| CN106871778B (zh) * | 2017-02-23 | 2019-11-22 | 江苏多维科技有限公司 | 一种单芯片双轴磁电阻角度传感器 |
| DE102017206025A1 (de) * | 2017-04-07 | 2018-10-11 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Magnetische Anordnung zur Erfassung von Relativbewegungen oder Relativpositionen |
| US10605626B2 (en) | 2017-06-12 | 2020-03-31 | Infineon Technologies Ag | Angle sensor bridges including star-connected magnetoresistive elements |
| US10782154B2 (en) | 2017-06-26 | 2020-09-22 | Texas Instruments Incorporated | Tilted segmented anisotropic magneto-resistive angular sensor |
| US10627459B2 (en) * | 2017-07-17 | 2020-04-21 | Texas Instruments Incorporated | Anisotropic magneto-resistive (AMR) angle sensor die comprising a plurality of AMR angle sensors |
| DE102017128869B3 (de) * | 2017-12-05 | 2019-05-29 | Infineon Technologies Ag | Magnetwinkelsensoranordnung und Verfahren zum Schätzen eines Rotationswinkels |
| JP7001513B2 (ja) * | 2018-03-22 | 2022-01-19 | 株式会社東海理化電機製作所 | 磁気センサ |
| CN110132124A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-16 | 微传智能科技（常州）有限公司 | 磁角度传感器及磁角度传感装置 |
| DE102019121392A1 (de) * | 2019-08-08 | 2021-02-11 | Infineon Technologies Ag | Vorrichtung und verfahren zum kalibrieren eines winkelsensors |
| US10825984B1 (en) | 2019-08-21 | 2020-11-03 | Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. | Sensors including dummy elements arranged about a sensing element |
| DE102019124371B9 (de) * | 2019-09-11 | 2021-04-29 | Infineon Technologies Ag | Vorrichtung und verfahren zum ermitteln eines drehwinkels |
| CN115752319B (zh) * | 2022-10-18 | 2023-08-15 | 天津风霖物联网科技有限公司 | 一种水平位移自动监测系统及监测方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4053829A (en) * | 1974-07-31 | 1977-10-11 | Sony Corporation | Apparatus for detecting the direction of a magnetic field to sense the position of, for example, a rotary element or the like |
| CN102032863A (zh) * | 2009-09-24 | 2011-04-27 | 株式会社捷太格特 | 旋转角传感器、电动机、旋转角检测装置和电动动力转向装置 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004017086A1 (de) * | 2002-07-26 | 2004-02-26 | Robert Bosch Gmbh | Gmr-sensorelement und dessen verwendung |
| JP4259937B2 (ja) | 2003-06-30 | 2009-04-30 | アルプス電気株式会社 | 角度検出センサ |
| WO2008062778A1 (fr) * | 2006-11-21 | 2008-05-29 | Hitachi Metals, Ltd. | Dispositif de détection d'angle de rotation, dispositif de rotation et procédé de détection d'angle de rotation |
| US8564286B2 (en) * | 2010-06-28 | 2013-10-22 | Infineon Technologies Ag | GMR sensors having reduced AMR effects |
| US8698490B2 (en) * | 2010-12-15 | 2014-04-15 | Infineon Technologies Ag | Magnetoresistive angle sensors having conductors arranged in multiple planes |
| JP2013257231A (ja) * | 2012-06-13 | 2013-12-26 | Jtekt Corp | 回転角センサ |
-
2014
- 2014-04-08 US US14/247,361 patent/US9435662B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2015
- 2015-04-02 DE DE102015206075.6A patent/DE102015206075A1/de not_active Withdrawn
- 2015-04-08 CN CN201510162808.4A patent/CN104976948B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4053829A (en) * | 1974-07-31 | 1977-10-11 | Sony Corporation | Apparatus for detecting the direction of a magnetic field to sense the position of, for example, a rotary element or the like |
| CN102032863A (zh) * | 2009-09-24 | 2011-04-27 | 株式会社捷太格特 | 旋转角传感器、电动机、旋转角检测装置和电动动力转向装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104976948A (zh) | 2015-10-14 |
| US9435662B2 (en) | 2016-09-06 |
| US20150285661A1 (en) | 2015-10-08 |
| DE102015206075A1 (de) | 2015-10-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104976948B (zh) | 磁阻角度传感器以及使用该传感器的传感器系统 | |
| US11789097B2 (en) | Magnetoresistive sensors and methods for generating closed flux magnetization patterns | |
| TWI513993B (zh) | 三軸磁場感測器、製作磁場感測結構的方法與磁場感測電路 | |
| JP6420665B2 (ja) | 磁場を測定する磁気抵抗センサ | |
| US10989769B2 (en) | Magneto-resistive structured device having spontaneously generated in-plane closed flux magnetization pattern | |
| TWI440875B (zh) | 穿隧磁電阻結構以及集成式３軸向磁場感測器與感測電路的製造方法 | |
| TWI493209B (zh) | 一種單晶片三軸磁阻感測裝置 | |
| JP5170679B2 (ja) | 磁気センサおよび回転角度検出装置 | |
| TWI452319B (zh) | 磁阻感測元件 | |
| US7956610B2 (en) | Sensor for sensing a magnetic field direction, magnetic field direction sensing, method for producing magnetic field sensors, and write-in apparatus for producing magnetic field sensors | |
| JP7136340B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気センサ | |
| US10585148B2 (en) | Magnetic sensor device and method for a magnetic sensor device having a magneto-resistive structure | |
| JP2014516406A (ja) | 単一チップブリッジ型磁界センサおよびその製造方法 | |
| JP2009031292A (ja) | 磁場角測定方法および装置、並びにｍｒ素子の磁化方法 | |
| US8896304B2 (en) | Magnetic sensor | |
| JP2008277834A (ja) | 磁場角センサおよび磁気トンネル接合素子並びに磁場角センサの製造方法 | |
| US11037715B2 (en) | Magnetic sensor including a plurality of magnetic detection elements and a plurality of magnetic field generators | |
| CN103460065A (zh) | 用于依次重置磁传感器阵列的元件的装置和方法 | |
| US9810748B2 (en) | Tunneling magneto-resistor device for sensing a magnetic field | |
| JP2011503540A5 (zh) | ||
| JP2010286236A (ja) | 原点検出装置 | |
| JP2017103378A (ja) | 磁気抵抗効果素子及び磁気センサ、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気センサの製造方法 | |
| CN116930833B (zh) | 磁传感器及其制备方法 | |
| JP2022538754A (ja) | 磁気抵抗差動フルブリッジを備える磁気電流磁場センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181016 Termination date: 20200408 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |