CN107229024A - 磁场检测器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及磁场检测器。本装置和方法使用磁阻元件提供象限、角度或距离的感测。象限或角度传感器可以具有分离成多个角度的磁阻元件，以产生具有减少谐波的输出。距离传感器可以具有分开和间隔开的磁阻元件，以产生具有减少谐波的输出。偏置导体可以交替地携带用于DC偏移补偿或消除的不同的电流量(在大小或方向中的至少一个上不同)。

Description

磁场检测器
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求保护于2016年3月23日提交的标题为“MAGNETICFIELD DETECTOR”的美国临时申请No.62/312,359的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请涉及名为MAGNETIC FIELD DIRECTION DETECTOR的申请，序列号为13/655,059，申请日为2012年10月18日，现为美国专利第9,310,446号，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及电子器件。特别地本发明涉及磁场传感器。
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。这样的物体可以包括例如方向盘、凸轮轴、曲轴、轮/轮胎、轮毂、转子等。旋转信息可以用于防抱死制动系统、牵引控制、发动机凸轮轴控制、点火和/或燃料喷射正时等。
发明内容
象限或角度传感器可以具有分成多个角度的磁阻元件以产生具有减少的谐波的输出。距离传感器可以具有分开和间隔开的磁阻元件，以产生具有减少谐波的输出。偏置导体可以交替地携带用于DC偏移补偿或消除的不同电流量(在大小或方向中的至少一个上不同)。
一个实施例包括一种装置，其包括磁场方向检测器或象限检测器中的至少一个，其中该装置包括：第一磁场检测器，每个具有多个组的一个或多个磁阻元件，其中多个组被布置成桥式配置以产生第一半桥输出信号和第二半桥输出信号，所述多个组包括至少第一组、第二组、第三组和第四组，其中第一组的一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于参考轴成第一角度的第一轴的第一电流方向上携带电流；其中所述第二组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第二角度的第二轴的第二电流方向上携带电流，其中所述第二角度不同于所述第一角度；其中所述第三组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述基准轴成第三角度的第三轴的第三电流方向上传送电流，其中所述第三角度不同于所述第一角角度和第二角度；其中所述第四组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第四电流方向上携带电流，所述第四电流方向基本上平行于相对于所述参考轴线处于第四角度的第四轴，其中所述第四角度不同于所述第一角度、第二角度和第三角度；以及扰动发生器，其被配置为产生用于所述第一磁场检测器的磁场偏置。
一个实施例包括一种确定磁场的方向或象限中的至少一者的方法，其中所述方法包括：从多个群组中产生第一半桥输出信号和第二半桥输出信号一个或多个磁阻元件，每个第一磁场检测器，其中所述第一组的一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于第一轴的第一电流方向上传送电流，所述第一轴相对于参考轴处于第一角度；其中所述第二组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第二角度的第二轴的第二电流方向上传送电流，其中所述第二角度不同于所述第一角度；其中所述第三组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述基准轴成第三角度的第三轴的第三电流方向上传送电流，其中所述第三角不同于所述第一角度和第二角度；其中所述第四组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第四电流方向上携带电流，所述第四电流方向基本上平行于相对于所述参考轴线处于第四角度的第四轴线，其中所述第四角度不同于所述第一角度、第二角度和第三角度；以及产生用于所述第一磁场检测器的磁场偏置。
一个实施例包括一种包括磁场传感器的装置，其中该装置包括：第一磁场检测器，具有以至少两个角度布置的多个磁阻元件，第一磁场检测器具有第一半桥输出信号；与所述磁阻元件相邻的一个或多个偏置导体；偏置电路，其被配置为在感测周期的第一阶段使第一量的电流通过所述一个或多个偏置导体，并且在所述感测周期的第二阶段使第二量的电流通过所述一个或多个偏置导体，其中所述第一量在量值或方向中的至少一个上不同于所述第二量；以及差分电路，被配置为形成在所述第一阶段期间遇到的所述第一半桥输出信号的电平与在所述第二阶段期间遇到的所述第一半桥输出信号的电平之间的差。
一个实施例包括一种以减小的偏移感测磁场的方法，其中所述方法包括：在感测周期的第一阶段中，从第一磁场检测器产生第一半桥输出信号，同时使第一量的电流经由偏置电路通过一个或多个偏置导体，其中所述第一磁场检测器具有以至少两个角度布置的多个磁阻元件，其中所述一个或多个偏置导体与所述磁阻元件相邻；在所述感测周期的第二阶段中，当使第二量的电流通过所述一个或多个偏置导体时，产生所述第一半桥输出信号，其中所述第一量在幅度或方向中的至少一个上不同于所述第二量；以及经由差分电路形成在第一阶段期间遇到的第一半桥输出信号的电平与在第二阶段期间遇到的第一半桥输出信号的电平之间的差，以感测磁场。
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发生器的导体的平面图；
图9是图8的扰动发生器的平面图，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是扰动发生器的另一构造的示意平面图；
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；
图20示出了用于具有谐波消除的象限检测器的磁电阻器的布置；
图21示出了用于象限检测器或开关的磁阻元件的相对紧凑的布置；
图22示出了图21的象限检测器的磁阻元件的电连接；
图23示出了可用于产生磁偏置的偏置导体，用于干扰图21的象限检测器的磁阻元件的磁场；
图24示出了象限检测器的模拟结果；
图25示出了用于磁场方向或角度检测器的磁阻器的布置；
图26示出了用于磁场方向或角度检测器的磁阻元件的相对紧凑的布置；
图27示出了图26的磁场方向检测器的磁阻元件的电连接；
图28示出了可用于产生用于扰动磁场方向检测器的磁阻元件的磁场的磁偏置的偏置导体；
图29示出了图25-28的磁场方向检测器的模拟结果；
图30示出了具有相对长且窄的条的磁阻元件的示例；
图31示出了具有相对短和宽条纹的磁阻元件的示例；
图32示出了具有2μm宽的磁阻元件条的磁场方向检测器的测量结果；
图33示出具有4μm宽的磁阻元件条的磁场方向检测器的测量结果；
图34示出了磁场方向检测器的模拟结果，其中磁阻元件条布置在±60.5度、±35.5度、±24.5度和±0.5度；
图35示出具有布置在±60.2度、±35.5度、±24.2935度和±0.5度的磁阻元件条的磁场方向检测器的模拟结果；
图36示出了具有正和负偏置电流方向的磁场检测器的半桥的仿真结果；
图37和38示出结合了DC偏移校正电路的磁场检测器的图；
图39示出了长度检测器和磁性标尺的透视图；
图40示出了长度检测器和磁性标尺的更详细的透视图；
图41示出了用于长度检测器的磁阻元件的布置和示例场方向；
图42示出了用于长度检测器的磁阻元件和相关连接的布置；
图43示出了可用于产生磁偏置的偏置导体，用于干扰长度检测器的磁阻元件的磁场；
图44示出了长度检测器的示意图；
图45示出了用于长度检测器的替代实施例的透视图；
图46示出了用于长度检测器的替代实施例的磁阻元件的布置和示例场方向；
图47示出了在集成电路中实现的检测器的一个实施例的横截面图；和
图48示出了在集成电路中实现的检测器的替代实施例的横截面图。
具体实施方式
在下文中参考附图更全面地描述新颖的系统，装置和方法的各个方面。然而，本公开的各方面可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于贯穿本公开呈现的任何特定结构或功能。相反，提供这些方面使得本公开将是彻底和完全的，并且将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。基于本文的教导，本领域技术人员应当理解，本公开的范围旨在覆盖本文公开的新颖系统，装置和方法的任何方面，无论是独立实现还是与任何其它方面组合。例如，可以使用本文所阐述的任何数量的方面来实现装置或者可以实践方法。另外，范围旨在包括使用除本文所阐述的各种方面之外或不同于本文所阐述的各种方面的其它结构，功能或结构和功能来实践的这种装置或方法。应当理解，本文公开的任何方面可以通过权利要求的一个或多个元件来实现。
尽管本文描述了特定方面，但这些方面的许多变化和排列落入本公开的范围内。虽然提及了优选方面的一些益处和优点，但是本公开的范围不旨在限于特定的益处，用途或目的。相反，本公开的各方面旨在广泛地适用于各种系统和技术，其中一些在附图中和在优选方面的以下描述中作为示例示出。详细描述和附图仅仅是对本公开的说明而不是限制，本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。
在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可以表示相同或功能相似的元件。应当理解，图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，将理解，某些实施例可以包括比附图中示出的更多的元件和/或附图中示出的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。
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。可以由比较器或差分放大器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发生器的第二平面的第一平面中。扰动发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发生器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发生器50的导体中流动而将遭遇磁通量。
返回到图1，可观察到扰动发生器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，当扰动发生器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Hp表示。在每个实例中，对于每个磁电阻器Hp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，(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(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Vout2>Vout1，而如果磁场具有第二方向42上的分量，那么Vout2<Vout1。
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发生器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示出了包括一个半导体扰动发生器50的共享扰动发生器的路径，半导体扰动发生器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发生器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/或通过颠倒在扰动发生器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。
示出了来自导体150中的电流的磁通量线156(到图12的平面中的常规电流方向)。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，但是不具有扰动发生器。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Vout＝Vout-a–Vout-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Vout_bridge1和Vout_bridge2。
可将来自桥接器的输出组合如下式1所示。
输出角＝0.5arctan2(Vout_bridg e1,Vout_bridg e2) 式1
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桥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发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字形扰动发生器上方具有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发生器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，给扰动发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的电源使得扰动发生器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。然后给扰动发生器通电，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。
包括磁致电阻传感器和允许分辨外部磁场的方向不确定性的导体或扰动发生器的用于磁场检测的装置和方法在美国专利申请题为“MAGNETIC FIELD DIRECTIONDETECTOR”的美国专利申请No.13/655,059(“'059申请”)公开，其全部内容通过引用并入本文。如'059申请中所公开的，磁阻传感器可以在包括磁阻传感器的层之下或之上的隔离层中具有伴随的扰动发生器，并且扰动发生器可以被配置为在磁阻传感器的不同条纹附近的不同方向传导电流。如'059申请中所公开的那样实现的扰动发生器允许通过比较由导体扰动的不同条纹的输出值来确定外部磁场的方向或角度处于哪个象限。如在'059申请中所讨论的，具有扰动发生器的方向检测器可以利用以桥构造形成的磁阻传感器来实现。在这样的示例中，在具有第一检测轴的一个方向上提供第一组磁阻条，并且在另一个方向上提供具有第二检测轴的第二组磁阻条，其中第一和第二方向可以近似彼此垂直。第一和第二组磁阻带可以分别称为正弦桥电阻器和余弦桥电阻器。
诸如各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻传感器(TMR)或任何其它磁阻(XMR)传感器的磁传感器各自在实现磁场检测器时提供不同的优点。并且使用不同类型的磁传感器实现的应用可以能够感测外部场的角度的不同范围。例如，形成在桥中的AMR传感器的一些应用可能仅能够确定0到180度范围内的外部磁场的角度，因为来自AMR传感器桥的输出可以每180度重复。如本文所公开实施的某些磁场检测器允许具有相对宽的磁窗口和相对高的精度的全部360度范围的外部场角检测。这可以允许传感器受益于某些磁阻传感器(例如AMR传感器)的优点，同时克服与那些传感器相关联的某些缺点。
AMR象限检测器可以补充AMR角度位置传感器并将其范围从180度扩展到完整的360度旋转。一些AMR角度传感器提供对应于具有2×增加的相位的外部场的角度的输出信号，使得对于360度磁场旋转，提供2个周期(720度)的输出信号。因此，区分实际测量的角度是α还是α+180度可能是困难的。
许多应用可以受益于解决这种模糊性的能力。'059申请中公开的解决方案涉及添加2个特别设计的AMR桥(AMR象限检测器)，其在正常操作中可以具有零输出，但是在用覆盖的“线圈”偏置时，其也可以被称为扰动发生器或偏置导体，将在象限内提供测量场的方向。应当理解，“线圈”可以具有除线圈之外的形状，并且通常可以与磁阻元件相邻。这种附加信息与AMR角度传感器组合提供了完整的360度操作范围。象限检测器可以基于与角AMR桥基本上相同的过程，并且在某些实施例中可以仅使用一个附加金属层来实现。因此，在单个管芯内的集成是可能的。
如本文所公开的，通过使象限检测器内的电阻条角度从'059应用(在此参见图9)倾斜，可以避免奇点歧义，而不必使用象限检测器和角度检测器。还示出了在电阻带的一个实施例中，可以获得具有360度周期的正弦波输出。此外，通过改变偏置电流的极性，可以通过信号处理来检测，减少和/或去除桥偏移(及其漂移)。此外，除了所施加的磁场的角度方向之外，可以通过该布置来测量施加的磁场的相对大的场强度。这可以具有显着的功能安全特征用途。
与不同技术的传感器的各种共同封装的组合相比，这种提出的解决方案的一个优点是本文公开的实施例可以使用与一种类型的磁传感器(例如，AMR传感器)相同的过程。因此，可以利用附加的金属层在相同的管芯上集成。另外，如果磁性传感器(例如，AMR)被单片集成到ASIC上，则与一些其它方法中的至少三个相比，封装中的管芯数量降至一个。在一些实施方式中，当不需要象限信息以节省功率并且仅在给定间隔或按需打开时，偏置电流可以在大多数时间关闭。
图20示出了根据一个实施例的用于象限检测器或开关的磁阻元件或磁电阻(“电阻器”)的示例布置，并且图24示出了示例布置的模拟传感器输出结果。如图20所示，正弦桥电阻条以不平行于或垂直于正弦桥的检测轴的不同角度布置。类似地，余弦电桥电阻条以不平行于或垂直于余弦电桥的检测轴的变化角度布置。每个桥的两个电阻器可以彼此以相反的角度定向(例如，X°和-X°)，并且每个桥的两个其他电阻器可以以彼此相反的不同角度定向(例如，Y°和-Y°，其中X不等于Y)，它们不同于两个电阻器。在所示的示例中，正弦和余弦桥条相对于它们各自的对称轴线布置在-36°，-12°，12°和36°，这些对称轴线垂直于它们各自的检测轴线。
所示的象限检测器400包括第一磁场检测器402和第二磁场检测器404。为了本公开的目的，除非另有说明，图中相同的附图标记表示相同的特征。第一磁场检测器402可以对应于正弦桥，并且第二磁场检测器404可以对应于余弦桥。在一个实施例中，第二磁场检测器404的磁阻元件可以具有与第一磁场检测器402的磁阻元件相同的一般布置，但是从第一磁场检测器402的布置旋转90度。
所示的第一磁场检测器402包括第一组磁阻元件412、第二组磁阻元件414、第三组磁阻元件416和第四组磁阻元件418。如参考点描述角度，四个垂直轴在图20中示出。这些轴将被称为参考轴。在这种情况下，参考轴与检测轴正交，检测轴对于图20的第一磁场检测器402将是水平的。
第一组412的一个或多个磁阻元件被配置为在第一电流方向上传送电流，该第一电流方向基本上平行于相对于参考轴线处于第一角度α1的第一轴线。可以以各种方式迫使电流沿着第一电流方向行进，例如通过将磁阻元件形成为在第一电流方向的长度方向上的相对长且窄的条带。然而，其它方式也是可能的，因为大多数电流将沿着最小电阻的路径行进，并且磁阻元件可以被形成为除了相对长和薄之外的形状，其中触点的位置控制电流方向。
第二组414的一个或多个磁阻元件被配置为在第二电流方向上携带电流，该第二电流方向基本上平行于相对于参考轴线处于第二角度α2的第二轴线。第三组416的一个或多个磁阻元件被配置为在第三电流方向上携带电流，该第三电流方向基本上平行于相对于参考轴线处于第三角度α3的第三轴线。第四组418的一个或多个磁阻元件被配置为承载在第四电流方向上的电流，该第四电流方向基本上平行于相对于参考轴线处于第四角度α4的第四轴线。
在某些实施方案中，角度α1，α2，α3和α4的象限检测器400的第一磁场检测器402被选择以减少和优选取消的输出信号的至少两个连谐波的存在第一磁场检测器402和第二磁场检测器404。在其他实施例中，可以通过添加附加的磁阻元件组来消除或减少多于两个的偶次谐波。
用于象限检测器400的第一磁场检测器402的角度α1，α2，α3和α4的量的示例可以在宽范围内变化。在一些实施例中，角度α1、α2、α3和α4分别范围为-39至-33度、-15-9度、9至15度以及33至39度内。在其它实施例中，角度α1、α2、α3和α4分别范围为-38至-34度、-14度至-10度、10至14度以及34至38度内。在其他实施例中，角度α1、α2、α3和α4分别为大约-36度、-12度、12度和36度。
图21示出了用于该象限检测器400的第一磁场检测器402和第二磁场检测器404对图21是在相同的角度为与图20的所述的磁阻元件的磁阻元件的较紧凑的布置，但已经重新排列，以更实用、节省空间的布局。在某些实施例中，象限检测器400可以具有单端配置，并且包括第一磁场检测器402和第二磁场检测器404。在其他实施例中，象限检测器400具有差分配置，并且包括第一磁场检测器402，第二磁场检测器404，第三磁场检测器406和第四磁场检测器408。对于差分操作，第三磁场检测器406和第四磁场检测器408应当布置成使得磁阻元件约为分别从第一磁场检测器402，第二磁场检测器404的磁阻元件旋转180度。
图22示出了图21的象限检测器的磁阻元件的电连接。标记为COS1，SIN1，COS2，SIN2的端子或接合焊盘可以对应于第一传感器输出信号，第二传感器输出信号，第三传感器输出信号和第四传感器输出信号。这些信号(COS1，SIN1，COS2，SIN2)中的每一个是半桥的输出。这些信号可以被转换为数字的并且在数字域中被分析，或者可以最初在模拟域中与例如差分放大器组合。例如，在差分操作中，差分放大器可以用于从第三传感器输出信号COS2减去第一传感器输出信号COS1，并且另一差分放大器可以用于从第四传感器输出信号减去第二传感器输出信号SIN1SIN2。减法运算的结果可以转换为数字，并且通过符号(正或负)的分析或参考查找表确定象限。
图23示出了可用于产生用于扰动磁场的磁偏置的偏置导体440。偏置导体可以以各种方式实现。例如，偏置导体可以由单层或多层实现。较少的层具有较低成本的优点，但是彼此串联的多个层可以提供功率节省，因为相同的电流可以通过多个层并且对于给定量的电流产生更高的磁场。例如，这些层可以在磁阻元件的层之上和/或之下。在一个示例中，偏置导体被实现在磁阻元件上方的层和下面的层中。在另一示例中，偏置导体被实现在磁阻元件之上的两层和两层之下。其他变化将适用。还应当注意，提供扰动磁场的其他方式是适用的。例如，可以替代地使用永磁体，而不是通过电流产生磁场。
图24示出了图20-23的象限检测器的传感器输出的模拟结果。以下条件适用于模拟。如上所述，图20所示的示例性布置包括相对于它们各自的对称轴布置在-36°，-12°，12°和36°的磁阻条。在该示例中的磁阻条纹由具有宽度为大约2微米(μm)和厚度为10纳米(nm)的尺寸的AMR传感器条带实现。在该示例中，偏置导体440或扰动发生器具有宽度为大约3μm并且厚度为1μm的尺寸，并且远离包含AMR传感器条纹的层大约1μm。其他尺寸是可应用的，并且将由本领域普通技术人员容易地确定。通过使10毫安(mA)的电流通过偏置导体440获得的磁阻元件处的磁场约为800安培/米(A/M)。10mA时的输出信号电平为0.174mV/V。获得3千欧姆的AMR带长度为107微米。
如图24所示，模拟结果示出了来自正弦和余弦桥电阻器的输出的组合至少在每个象限中是不同的，并且在从一个象限到另一个象限的转换处或周围没有不明确的点(即，在0°，90°，180°和270°)，在0到360度的整个范围内。例如，标记为Vout1的信号可以对应于COS1信号或对应于COS1和COS2信号之间的差。标记为Vout2的信号可以对应于SIN1信号或者对应于SIN1和SIN2信号之间的差。通过检查Vout1和Vout2信号的符号，特定象限可以由象限检测器唯一地识别。在一个象限中，Vout1和Vout2信号都可以是正的，在另一个象限中，Vout1和Vout2信号都可以是负的，在另一个象限中，Vout1信号可以是正的，Vout2信号可以是负的，Vout1信号可以为负，Vou1信号可以为正。象限检测可用于旋转物体，例如电动机，转子，轮毂，轮子，轴等。
图25示出了根据一个实施例的检测器的磁阻元件或磁电阻器(“电阻器”)的另一示例布置和所示示例布置的模拟传感器输出结果。图25中所示的示例布置示出了正弦和余弦桥电阻条被布置为相对于相应的检测轴或垂直于正弦和余弦桥电阻条的相应检测轴的轴以变化的角度。两组这些条纹对应于桥中的每个电阻器。因此，在每个桥中可以有8组桥电阻条。在图25所示的示例中，正弦和余弦桥条分别布置在相对于它们的-60.5°，-35.5°，-24.5°，-0.5°，0.5°，24.5°，35.5°和60.5°各自的对称轴，其垂直于它们各自的检测轴。
所示的磁场方向或角度检测器500包括第一磁场检测器502和第二磁场检测器504。第一磁场检测器502可以对应于正弦桥，并且第二磁场检测器504可以对应于余弦桥。在一个实施例中，第二磁场检测器504的磁阻元件可以具有与第一磁场检测器502的磁阻元件相同的一般布置，但是从第一磁场检测器502的布置旋转90度。
所示的第一磁场检测器502包括第一组磁阻元件512、第二组磁阻元件514、第三组磁阻元件516、第四组磁阻元件518、第五组磁阻元件520、第六组磁阻元件522、第七组磁阻元件524和第八组磁阻元件526。作为用于描述角度的参考点，在图25中示出参考轴501。参考轴是正交的到检测轴，其对于图25的第一磁场检测器502是水平的，对于第二磁场检测器504是垂直的。
第一组512的一个或多个磁阻元件被配置为在第一电流方向上传送电流，该第一电流方向基本上平行于相对于参考轴501处于第一角度α1的第一轴。电流可以是被迫沿着第一电流方向以各种方式行进，例如通过将磁阻元件形成为在第一电流方向的方向上纵向的相对长且窄的条带。然而，其它方式也是可能的，因为大多数电流将沿着最小电阻的路径行进，并且磁阻元件可以被形成为除了相对长和薄之外的形状，其中触点的位置控制电流方向。
第二组514的一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于参考轴501成第二角度α2的第二轴的第二电流方向上传送电流。一个或多个第三组516的磁阻元件被配置为在第三电流方向上携带电流，该第三电流方向基本上平行于相对于参考轴501成第三角度α3的第三轴。第四组518的一个或多个磁阻元件被配置为承载在第四电流方向上的电流，该第四电流方向基本上平行于相对于参考轴线501处于第四角度α4的第四轴线。
第五组520的一个或多个磁阻元件被配置为在第五电流方向上携带电流，该第五电流方向基本上平行于相对于参考轴501处于第五角度α5的第五轴。一个或多个第六组522的磁阻元件被配置为在第六电流方向上传送电流，该第六电流方向基本上平行于相对于参考轴501处于第六角度α6的第六轴。第七组524的一个或多个磁阻元件被配置为在第七电流方向上传送电流，该第七电流方向基本上平行于相对于参考轴501处于第七角度α7的第七轴。第八组526的一个或多个磁阻元件被配置为在第八电流方向基本上平行于相对于参考轴线501处于第八角度α8的第八轴线。
在某些实施例中，选择磁场方向检测器500的第一磁场检测器502的角度α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7和α8以减小并优选地消除第三谐波和至少一个其他谐波在第一磁场检测器502和第二磁场检测器504的输出信号中。在一些实施例中，至少一个其他谐波可以是第五谐波。在其他实施例中，至少一个其他谐波可以是第5谐波和第8谐波。附加或替代谐波可以通过除所示之外的其他布置来消除或减少。
对于磁场方向检测器500的第一磁场检测器502的角度α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7和α8的量的示例可以在宽范围内变化。在一些实施例中，对于3次，5次和8次谐波消除和8组，角度α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7和α8在57.2至63.2度，32.5至38.5度，21.2927.29度，-21.29-27.29度，-32.5-38.5度，-57.2-63.2度，-2.53.5度和-3.52.5度。在其它实施例中，角度α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7和α8在58.2至62.2度，33.5至37.5度，22.29至26.29度，-22.29至-26.29度，-33.5至-37.5度，-28.2至-62.2度，-1.5至2.5度和-2.5至1.5度。在其他实施例中，角度α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7和α8分别为约60.2度，35.5度，24.29度，-24.29度，-35.5度，-60.2度，0.5度和-0.5度。
如上所述，第七和第八组具有几乎相同的角度。在一些实施例中，代替具有单独的第七和第八组，两个组可以合并成具有两倍于其它组的长度的单个第七组。在具有第三，第五和第八谐波消除和7组的一些实施例(未绘出)中，角度α1、α2、α3、α4、α5、α6和α7在57.2至63.2度、32.5至38.5度、21.2927.29度、-21.29-27.29度、-32.5-38.5度、-57.2-63.2度、-3.53.5度。在其它实施例中，角度α1、α2、α3、α4、α5、α6和α7在58.2至62.2度、33.5至37.5度、22.29至26.29度、-22.29至-26.29度、-33.5至-37.5度、-28.2-62.2度、-2.52.5度。
在另一个示例(未示出)中，对于第三和第五谐波消除和4个组，角度α1、α2、α3和α4在45至51度、9至15度、-9至-15度、-45至-51度。在其他实施例中，角度α1、α2、α3和α4分别在46至50度，10至14度，-10至-14度和-46至-50度的范围内。在其他实施例中，角度α1，α2，α3和α4分别在47至49度，11至13度，-11至-13度和-47至-49度的范围内。
图26示出了用于磁场方向检测器500的磁阻元件的相对紧凑的布置。图26的第一磁场检测器502和第二磁场检测器504的磁阻元件与图26的磁阻元件具有相同的角度25，但是已经重新排列了一个更实用，节省空间的布局。在某些实施例中，磁场方向检测器500可以具有单端配置，并且包括第一磁场检测器502和第二磁场检测器504。在其他实施例中，磁场方向检测器500具有差分配置，并且包括第一磁场检测器502、第二磁场检测器504、第三磁场检测器506和第四磁场检测器508。对于差分操作，第三磁场检测器506和第四磁场检测器508应当布置成使得磁阻元件分别与第一磁场检测器502、第二磁场检测器504的磁阻元件旋转约180度。
图27示出了图26的磁场方向检测器500的磁阻元件的电连接。标记为COS1，SIN1，COS2，SIN2的端子或接合焊盘可以对应于第一传感器输出信号、第二传感器输出信号、第三传感器输出信号和第四传感器输出信号。这些信号(COS1，SIN1，COS2，SIN2)中的每一个是半桥的输出。这些信号可以被转换为数字的并且在数字域中被分析，或者可以最初在模拟域中与例如差分放大器组合。例如，在差分操作中，差分放大器可以用于从第三传感器输出信号COS2减去第一传感器输出信号COS1，并且另一差分放大器可以用于从第四传感器输出信号减去第二传感器输出信号SIN1SIN2。减法操作的结果可以被转换为数字并且参考可以包括校准数据的查找表通过分析确定的角度。
图28示出了偏置导体540，其可以用于产生用于扰动磁场方向检测器500的磁阻元件的磁场的磁偏置。偏置导体可以以各种方式实现。例如，偏置导体可以由单层或多层实现。较少的层具有较低成本的优点，但是彼此串联的多个层可以提供功率节省，因为相同的电流可以通过多个层并且对于给定量的电流产生更高的磁场。例如，这些层可以在磁阻元件的层之上和/或之下。在一个示例中，偏置导体被实现在磁阻元件上方的层和下面的层中。在另一示例中，偏置导体被实现在磁阻元件之上的两层和两层之下。其他变化将适用。还应当注意，提供扰动磁场的其他方式是适用的。例如，可以替代地使用永磁体，而不是通过电流产生磁场。
图29示出了图25-28的磁场方向检测器500的模拟结果。以下条件适用于模拟。图25-28中所示的示例性布置或SIN/COS或角度设计可以包括布置在相对于它们各自的对称轴线的-60.5°、-35.5°、-24.5°、-0.5°、0.5°、24.5°、35.5°和60.5°。在该示例中的磁阻条纹由具有宽度为大约3μm并且厚度为10nm的尺寸的AMR传感器条实现。在该示例中的偏置导体540或扰动发生器可以具有宽度为大约4μm并且厚度为1μm的尺寸，并且离包含AMR传感器条纹的层大约1μm。其他尺寸是可应用的，并且将由本领域普通技术人员容易地确定。除了类似于图20-21所示的模拟传感器输出之外，图22还包括当大约10mA的电流被施加到偏置导体或扰动发生器时的模拟磁场。
通过使10毫安(mA)的电流通过偏置导体540获得的磁阻元件处的磁场约为720安培/米(A/M)。具有10mA偏置电流的输出信号电平约为0.162mV/V。获得3千欧姆的AMR带长度为161μm。模拟结果表明约±15度的预期误差。
图29的正弦和余弦桥传感器的传感器输出的模拟示出每个输出波具有约360°而不是约180°的周期，这允许正弦和余弦桥电阻器输出的组合是唯一的在0至360度的整个角度范围内。正弦和余弦桥电阻器输出的组合允许确定由布置在桥配置中的磁阻传感器确定地检测的外部磁场的角度或方向。例如，标记为Vout1的信号可以对应于SIN1信号或者对应于SIN1和SIN2信号之间的差。标记为Vout2的信号可以对应于COS1信号或对应于COS1和COS2信号之间的差。通过检查Vout1和Vout2信号的符号和幅度，特定角度可以由磁场方向检测器500唯一地识别。例如，符号和幅度可以与存储在查找表中的数据进行比较。角度检测可用于旋转物体，例如马达、转子、轮毂、轮子、轴等。
图30示出了具有相对长且窄的条的磁阻元件的示例。图31示出了具有相对短和宽条纹的磁阻元件的示例。相对较短和较宽的条带可以具有比相对较长和较窄的条带更小的形状各向异性。这有利地减少了磁畴的突然跳跃，这导致如图32和33所示的更平滑的输出。
图32示出了具有2μm宽的磁阻元件条的磁场方向检测器的测量结果。图33示出了具有4μm宽的磁阻元件条的磁场方向检测器的测量结果。如图32和33所示，输出电压更平滑并且相对较宽的条纹具有较小的误差。
没有本文公开的谐波消除技术，磁场方向检测器可以具有相对大量的第3，第5和第8谐波。存在其他谐波，但幅度较小。现在将描述用于确定用于谐波消除的初始角度的技术。然后可以通过实验进一步优化这些初始角度，其可以通过模拟来执行。可以通过将磁阻元件分成两个来顺序地确定初始角度，其中两个180度除以谐波之间的角度。
为了减少或消除三次谐波，最初与参考轴对准的磁阻元件可以分成具有180度除以3或60度间隔的两个元件。60度也对应于±30度。
为了进一步减少或消除五次谐波，两个元件再次被分成180度除以5或36度。36度也对应于±18度。通过组合±30度和±18度，获得48度，12度，-12度和-48度的预备角。
为了进一步减少或消除8次谐波，四个元件被分成180度除以8或22.5度。22.5度对应于±11.25度。通过将±30度，±18度和±11.25组合在一起，获得59.25度，36.75度，23.25度，0.75度，-0.75度，-23.25度，-36.75度和-59.25度的初始角度。然后可以通过实验调整这些初始角度。在一些实施例中，使用±60.2度，±35.5度，±24.29度和±0.5度的角度作为更优化的量。
图34示出了具有以±60.5度，±35.5度，±24.5度和±0.5度布置的磁阻元件条的磁场方向检测器的模拟结果。图35示出了具有以±60.2度，±35.5度，±24.2935度和±0.5度布置的磁阻元件条的磁场方向检测器的模拟结果。如模拟结果所示，图35的配置具有稍微更好的优化。
图36示出了图25-28的磁场检测器的半桥的仿真结果，其中偏置导体540在正方向和负方向上携带电流。尽管在使用在两个不同方向上的相同幅度偏置电流的上下文中示出，但是原理和优点可以扩展到偏置电流的差异。例如，如果使用两个不同量的偏置电流，则基于它们对DC偏移的影响的观察，可以估计和消除DC偏移。例如，可以使用在相同方向上的5mA的第一偏置电流和15mA的第二偏置电流。本文提出的直接方式是具有相同的幅度但相反的方向。然而，只要在第一偏置电流和第二偏置电流之间幅度或方向中的至少一个不同，就可以观察和减少或消除偏置电流对DC偏移的影响。
现在回到图36，分别向偏置导体540或扰动发生器施加正电流和负电流导致具有相同DC偏移的相反的磁阻传感器电桥输出，这可以归因于偏置导体540的各种非理想特性。传感器，导体和/或其他元件或环境因素(例如，温度)，在两种情况下(即，正和负施加电流)存在和共同。在该示例中，传感器输出的偏移为约0.0124V，并且通过用正和负施加电流处理两个输出，可以减小或消除该DC偏移。DC偏移的这种减小有利地允许本发明的实施例更好地区分信号和偏移。虽然结合图25-28的磁场方向检测器500示出，但是DC偏移消除的原理和优点一般可应用于其他布置。另外，本文公开的DC偏移消除技术适用于单端和差分配置。此外，本文公开的DC偏移消除技术也适用于线性检测器。
图37和38示出结合了DC偏移校正电路的示例性磁场检测器600、630的图。基于先前结合图36讨论的内容，可以利用以半桥配置布置的磁阻传感器来实现传感器偏移消除。如图37和38所示，正弦和余弦电阻器的每个半桥602、604可以耦合到采样和保持(S&H)电路612、614，采样和保持电路612,614被配置成采样和保持半桥602,604的输出。例如，在第一阶段中，来自正弦半桥602的输出被采样并存储在第一采样和保持电路612中，在偏置导体640处具有正电流然后，在第二阶段中，正弦半桥602的输出被采样并存储在第二采样和保持电路614中，在偏置导体640处具有负电流。来自采样和保持电路612,614的输出可以由差分电路622减去以产生去除了公共DC偏移的正弦半桥输出。
类似地，来自余弦半桥604的输出可以被采样，存储和处理，以产生去除了公共DC偏移的余弦半桥输出。此外，来自正弦和余弦半桥602,604的输出信号可以在采样和保持电路612、614、616、618之前和/或之后被放大。例如，缓冲器626、628可以被放置在信号路径在半桥602,604与采样和保持电路612、614、616、618之间。本文公开的DC偏移校正可以利用在'059申请中公开的实施例以及包括公开的磁阻传感器的实施例来实现。除了所示的半桥配置之外，具有差分输出的全桥配置也是可应用的，并且在某些应用中可能是有利的。差分电路622、624可以由模拟电路或数字电路实现。例如，对于模拟电路，可以使用差分放大器。对于数字电路，可以通过将两个模拟信号转换为数字值并在数字域中执行减法来数字地实现DC偏移校正。
所公开的DC偏移校正技术的益处可以相对较大。例如，在现实世界环境中，常常存在否则需要校准的杂散静磁场。利用所公开的DC偏移校正技术，这些静态磁场将被自动地补偿。此外，磁传感器面临的最大问题之一是随时间的偏移漂移。利用DC偏移校正/消除，可以自动补偿这些漂移。
图39示出了长度检测器700和磁性标尺702的透视图。为了本公开的目的，长度，线性和距离检测或感测指的是相同的事物。这种长度检测器700的实际应用包括但不限于长度感测，长度编码，轮编码，相对高精度的线性位置感测等。例如，线性感测可以用于移动用于聚焦和/或图像稳定的相机透镜。在另一个示例中，线性感测可以用于确定发动机气门的位置。其他示例包括感测用于计算机数控机器，传送带等的距离/运动。磁性标尺702包括永磁体并且可以与待测量的物体(例如传送带)集成或附接到该物体。长度检测器700的感测允许确定一个或多个距离。
图40示出了长度检测器700和磁性标尺702的更详细的透视图。图40还示出了长度检测器700的磁阻元件的局部磁场的示例。长度检测器700应当与被感测的磁标尺702的磁畴的间距匹配。
图41-43示出了根据本文的公开内容实现的长度或线性检测器700的示例应用。在该示例中，正弦和余弦磁阻传感器桥可以被布置为使得正弦和余弦桥的半桥可以沿着基本上平行于长度检测轴的线交替地放置。感兴趣对象的长度可以包括产生将由交替布置的正弦和余弦桥检测的磁场的一个或多个磁性元件(例如，永磁体)。长度检测器可以用根据在'059申请中讨论的任何原理和优点实现的偏置导体或扰动发生器实现。
图41示出了磁阻元件Rs1，Rs4，Rc1，Rc4的布置和用于长度检测器700的示例性场方向。通常，一个或多个桥电阻器(见图2)的分支的电阻被分到组的两个或更多个磁电阻元件中，并被间隔开，以降低不期望的谐波。在所示出的实施例中，桥或半桥的每个分支的电阻被分到两个或更多个磁电阻元件的组中，并且间隔开，以减少不期望的谐波。这类似于前面结合磁场方向或角度检测器500讨论的磁阻元件的角度分裂。例如，如图42所示，磁阻元件Rs1被分成用于长度检测器700的两个部分。
图42示出了磁阻元件Rs1，Rs4，Rc1，Rc4和用于长度检测器700的相关连接的布置。示出了差分配置，但是原理和优点也将适用于单端配置。
图43示出了偏置导体或偏置线圈740，偏置导体或偏置线圈740可用于产生用于干扰长度检测器700的磁阻元件Rs1Rs4，Rc1Rc4的磁场的磁偏置。应当注意，磁阻元件在半桥的相对侧上具有不同的电流方向。例如，磁阻元件Rs2的电流方向与磁阻元件Rs1的电流方向相反。
图44示出了所示长度检测器700的四个半桥或两个全桥的示意图。这提供了差分检测。例如，对于差分感测，差分电路可以从Vs+中减去输出Vs-。然而，如果需要单端配置，则可以消除具有输出Vs-和Vc-的半桥。差分电路可以由差分放大器实现，或者可以通过首先将输出Vs-和Vs+转换为数字域来数字地实现。在获得差分结果并将其转换为数字之后，可以参考例如对于相对粗糙的距离的磁标尺的域的数量的计数来计算长度或距离，以及针对域之间的相对精细的距离的查找表。
图45示出了用于长度检测器800的替代实施例的透视图。由于磁阻元件Rs1-Rs4，Rc1-Rc4的取向不同，所以磁阻元件Rs1-Rs4，Rc1-Rc4对于长度检测器700的响应不同然而，图45所示的结构起作用。图46示出了磁阻元件Rs1-Rs4，Rc1-Rc4的布置和用于长度检测器800的可选实施例的示例场方向。所示的磁场直接通过附图并指示由舷窗飞出飞机。磁阻元件Rs1-Rs4，Rc1-Rc4对平面外磁场相对不敏感。
图47和48示出了根据本文的公开内容实现的示例性检测器的截面图。这些横截面示出了可以用本文所讨论的任何磁性检测器实现的示例性结构。这些横截面的任何原理和优点可以用本文所讨论的任何电路来实现。此外，这些横截面图示了本文讨论的检测器可以单片集成。如上所述，偏置导体或扰动发生器通过绝缘层与磁阻元件隔离，并且可以放置在磁阻元件的上方或下方。第一示出的示例示出了导体(金属或偏置线圈)首先设置或更靠近衬底，并且磁阻元件(AMR)设置在导体之后。第二示出的示例示出了磁阻元件首先设置或更靠近基板，并且导体设置在磁阻元件的后面。可以替代地使用其他的磁电阻材料，包括但不限于：GMR或TMR。一个实施例包括这样的装置，其包括至少一个磁性长度或位置检测器，其中所述装置包括：第一差分磁场检测器，其具有多个分别具有一个或多个磁电阻元件的组，其中所述多个组以桥配置布置，以生成第一半桥输出信号和第二半桥输出信号，所述多个组至少包括第一组和第二组，其中所述第一组的一个或多个磁电阻元件放置在第一位置以感测磁场角；其中所述第二组的一个或多个磁电阻元件放置在于第一位置不同的第二位置以感测磁场角；以及干扰发生器，被配置来产生用于所述第一差分磁场检测器的磁场偏置。一个实施例包括包含磁场距离检测器或长度检测器中的至少一个的装置,其中所述装置包括：第一磁场检测器，其具有以桥或半桥配置布置的磁电阻器，其中至少一个磁电阻器的电阻各自被分到两个或更多个磁电阻元件中,其中所述两个或更多个磁电阻元件被配置来携载彼此分开的电流以减少输出信号中一个或多个谐波的存在；以及干扰发生器，其被配置来产生用于所述第一磁场检测器的磁场偏置。在某些实施例中，第一磁场检测器的桥或半桥的各磁电阻器可以分成两个或更多个磁电阻元件，其被配置来携载彼此分开的电流以减少输出信号中一个或多个谐波的存在。磁电阻元件可以被配置来通过以彼此分开的相对伸长的形状来携载电流，但也可以使用其他技术(注入放置触点)来约束电流。
如本文所公开实施的具有磁阻元件(例如AMR元件)的传感器或检测器提供各种优点。例如，上面在图47和48中讨论的配置提供了作为偏置电流和施加场的函数的输出信号幅度的益处。该功能关系可以用于实现独立的传感器以测量两个轴中的高场的大小，这允许相对大的场感测。此外，该函数关系可以用于通过检测场强度衰减来检测磁体故障，场强度衰减可以是附加的功能安全特征。该安全特征可以允许检测和校正由例如感兴趣的磁体的退磁，破坏，移除，老化和/或偏心引起的衰减。本文所示的实施例的另一个优点包括对导体施加电流或偏置导体的按需控制。例如，可以选择性地执行(例如，仅当正在执行实际测量时)用电流偏置导体以节省功率。在这样的示例中，在导体上没有电流的磁阻传感器可以执行其对于诸如转数的某些操作的180度感测的功能，但是偶尔可以通过向导体施加电流来启用360度感测或检测以允许其他操作，例如检查或验证功能以及执行安全检查。
本文公开的实施例提供相对高精度的感测，宽磁场窗口，偏移和偏移漂移消除以及磁体存在检测，可以允许单片集成或其任何组合。虽然在此讨论了关于各种示例应用的AMR传感器示例，但是在实现这些各种示例应用中可以以类似的方式使用其他磁阻传感器，例如TMR或GMR传感器。本文公开的可用于各种部门，例如汽车，工业和仪器部门，其通常使用各种传感器或检测器，例如伺服电机通信传感器，伺服位置传感器，绝对和增量旋转编码器，齿轮齿传感器，致动器位置控制器，奇数极对电动机控制器，绝对和增量线性编码器，无刷直流电动机控制器，汽车方向盘位置传感器，凸轮轴角度传感器，曲轴角度传感器，车轮传感器和离轴角度传感器。在绝对和增量旋转编码器的情况下，本文的公开允许实现用于绝对旋转编码器的游标原理以获得360度的离轴角度感测。
本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。例如，本公开的各方面可以在可以受益于磁阻传感器的任何电子设备或电子部件中实现。作为示例，本公开的各方面可以在可以受益于磁阻传感器的任何电子设备或电子部件中实现。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品，消费电子产品的部件，电子测试设备，车辆电子系统等。电子设备的示例可以包括但不限于计算机设备，通信设备，电子家用电器，汽车电子系统等。此外，电子设备可以包括未完成的产品。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”，“包括”，“包括”，“包括”等应以包括的意义来解释，排他性或穷举性；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。此外，当在本申请中使用时，词语“本文”，“上方”，“下方”和类似含义的词语应当指代应用作为整体，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，使用单数或复数的某些实施例的上述说明中的单词也可以分别包括复数或单数。在上下文允许的情况下，提及两个或更多个项目的列表的词语“或”旨在覆盖该词语的所有以下解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目，以及列表中的项目的任何组合。
此外，本文中使用的条件语言，诸如“可以”，“可能”，“可能”，“可以”，“例如”，“例如”，“诸如”等等之类的除其他之外，特定地另外说明或在所使用的上下文中以其它方式理解，通常旨在表达某些实施例包括某些特征，元件和/或状态，而其它实施例不包括某些特征，元件和/或状态。所述特征，元件和/或状态以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定是否包括这些特征，元素和/或状态的逻辑，将在任何特定实施例中执行。
前述描述和权利要求可以将元件或特征称为“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非另有明确说明，“连接”是指一个元件/特征直接或间接地连接到另一元件/特征，并且不一定机械地。同样，除非另有明确说明，“耦合”是指一个元件/特征直接或间接耦合到另一元件/特征，并且不一定机械地耦合。因此，虽然附图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例布置，但是在实际实施例中可以存在额外的中间元件，设备，特征或组件(假设所描绘的电路的功能不受不利影响)。
如本文所使用的，术语“基本上”意指修改的特性不需要是绝对的，而是足够接近以便实现特性的优点。
上述方法的各种操作可以由能够执行操作的任何合适的装置来执行，诸如各种硬件和/或软件组件，电路和/或模块。通常，图中所示的任何操作可以由能够执行操作的相应功能装置来执行。
本文公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或多个操作或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非指定操作或动作的特定顺序，否则在不脱离权利要求的范围的情况下，可以修改特定操作和/或动作的顺序和/或使用。
应当理解，实现方式不限于上面所示的精确配置和组件。在不脱离实施方式的范围的情况下，可以对上述方法和装置的布置，操作和细节进行各种修改，改变和变化。
虽然已经根据某些实施例描述了创新，但是本领域普通技术人员显而易见的其它实施例(包括不提供本文所阐述的所有特征和优点的实施例)也在本发明的范围内。此外，上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。另外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以并入到其他实施例中。
上面已经描述了各种实施例。虽然参考这些具体实施例进行描述，但是描述旨在是说明性的并且不意图是限制性的。本领域技术人员可以想到各种修改和应用。
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 (15)

1.一种包括磁场方向检测器或象限检测器中的至少一个的装置，所述装置包括：
第一磁场检测器，其具有每组一个或多个磁阻元件的多个组，其中所述多个组以桥式配置布置以产生第一半桥输出信号和第二半桥输出信号，所述多个组包括至少第一组、第二组、第三组和第四组，其中，所述第一组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第一电流方向上携带电流，所述第一电流方向基本上平行于相对于参考轴成第一角度的第一轴；
其中，所述第二组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第二角度的第二轴的第二电流方向上传送电流，其中所述第二角度不同于所述第一角度；
其中，所述第三组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第三角度的第三轴的第三电流方向上传送电流，其中所述第三角不同于所述第一角度和第二角度；
其中，所述第四组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第四电流方向上携带电流，所述第四电流方向基本上平行于相对于所述参考轴线处于第四角度的第四轴，其中所述第四角度不同于所述第一角度、第二角度和第三角度；和
扰动发生器，其被配置为产生用于所述第一磁场检测器的磁场偏置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括磁场方向检测器，所述装置还包括配置成生成第三半桥输出信号和第四半桥输出信号的第二磁场检测器，其中所述第二磁场检测器相对于第一磁场检测器对称并且旋转90度。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括：
第一放大器，被配置为组合所述第一半桥输出信号和所述第二半桥输出信号以产生第一传感器输出信号；和
第二放大器，其经配置以组合所述第三半桥输出信号和所述第四半桥输出信号以产生第二传感器输出信号，其中所述第二传感器输出信号相对于所述第一传感器输出信号为约90度异相。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度和所述第四角度被布置成减小所述第一传感器输出信号中的三次谐波和至少一个其他谐波的存在。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述至少一个其他谐波包括第五谐波，以及：
其中，所述第一角度在45至51度的范围内；
其中，所述第二角度在9至15度的范围内；
其中，所述第三角度在从-9到-15度的范围内；和
其中，所述第四角度在-45至-51度的范围内。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述多组第一磁场检测器还包括第五组、第六组和第七组，每组具有一个或多个磁阻元件，
其中，所述第五组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第五电流方向上携带电流，所述第五电流方向基本上平行于相对于所述参考轴成第五角度的第五轴；
其中，所述第六组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第六角度的第六轴的第六电流方向上携带电流；和
其中，所述第七组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第七角度的第七轴的第七电流方向上携带电流。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述至少一个其他谐波包括第五谐波和第八谐波，以及：
其中，所述第一角度在从57.2至63.2度的范围内；
其中，所述第二角度在32.5至38.5度的范围内；
其中，所述第三角度在从21.29到27.29度的范围内；
其中，所述第四角度在从-21.29到-27.29度的范围内；
其中，所述第五角度在-32.5至-38.5度的范围内；
其中，所述第六角度在-57.2至-63.2度的范围内；和
其中，所述第七角度在-3.5至3.5度的范围内。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述多组第一磁场检测器还包括第五组、第六组、第七组和第八组，每组具有一个或多个磁阻元件，
其中，所述第五组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第五电流方向上携带电流，所述第五电流方向基本上平行于相对于所述参考轴成第五角度的第五轴；
其中，所述第六组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第六角度的第六轴的第六电流方向上携带电流；
其中，所述第七组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第七角的第七轴的第七电流方向上携带电流；和
其中，所述第八组的所述一个或多个磁阻元件被配置为承载在第八电流方向上的电流，所述第八电流方向基本上平行于相对于所述参考轴处于第八角度的第八轴。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个其他谐波包括第五谐波和第八谐波，以及：
其中，所述第一角度在从57.2至63.2度的范围内；
其中，所述第二角度在32.5至38.5度的范围内；
其中，所述第三角度在从21.29到27.29度的范围内；
其中，所述第四角度在从-21.29到-27.29度的范围内；
其中，所述第五角度在-32.5至-38.5度的范围内；
其中，所述第六角度在-57.2至-63.2度的范围内；
其中，所述第七角度在-2.5至3.5度的范围内；和
其中，所述第八角度在-3.5至2.5度的范围内。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括磁场象限检测器，其中所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度和所述第四角度被布置成减少所述第一角度中的至少两个偶次谐波的存在传感器输出信号。
11.根据权利要求1所述的装置：
其中，所述第一角度在-39至-33度的范围内；
其中，所述第二角度在从-15至-9度的范围内；
其中，所述第三角度在9至15度的范围内；和
其中，所述第四角度在33至39度的范围内。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扰动发生器包括与所述第一磁场检测器的磁阻元件相邻的一个或多个偏置导体，其中所述一个或多个偏置导体被配置为携带偏置电流。
13.一种确定磁场的方向或象限中的至少一个的方法，所述方法包括：
从多个组的一个或多个磁阻元件产生第一半桥输出信号和第二半桥输出信号，每个磁阻元件具有第一磁场检测器，
其中，所述第一组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第一电流方向上携带电流，所述第一电流方向基本上平行于相对于参考轴成第一角度的第一轴；
其中，所述第二组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述参考轴成第二角度的第二轴的第二电流方向上传送电流，其中所述第二角度不同于所述第一角度；
其中，所述第三组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在基本上平行于相对于所述基准轴成第三角度的第三轴的第三电流方向上传送电流，其中所述第三角不同于所述第一角度和第二角度；
其中，所述第四组的所述一个或多个磁阻元件被配置为在第四电流方向上携带电流，所述第四电流方向基本上平行于相对于所述参考轴线处于第四角度的第四轴线，其中所述第四角度不同于所述第一角度、第二角度和第三角度；和
产生用于所述第一磁场检测器的磁场偏置。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
通过组合所述第一半桥输出信号和所述第二半桥输出信号来产生第一传感器输出信号，其中所述第一角度、所述第二角度、所述第三角度和所述第四角度被布置成减少至少第一传感器输出信号中的两个谐波；
利用第二磁场检测器产生第三半桥输出信号和第四半桥输出信号；和
通过组合所述第三半桥信号和所述第四半桥输出信号来产生第二传感器输出信号，其中所述第二传感器输出信号相对于所述第一传感器输出信号具有大约90度的相位差。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将所述第一传感器输出信号和所述第二传感器输出信号的电平转换为数值；和
使用所述数值来参考查找表以确定磁场的方向。
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