CN108020150A - 使用磁传感器的多维测量以及相关系统、方法和集成电路 - Google Patents

使用磁传感器的多维测量以及相关系统、方法和集成电路 Download PDF

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Abstract

本申请涉及使用磁传感器的多维测量以及相关系统、方法和集成电路。本公开尤其描述了使用3维(3D)磁传感器来检测磁性靶的位置的装置、系统和方法的实施方案。通过使用3D磁传感器，可以使用这种磁传感器的两维阵列来确定磁性靶的3D位置。

Description

使用磁传感器的多维测量以及相关系统、方法和集成电路
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2016年11月4日提交的题为“使用磁传感器的三维位置测量”的美国临时专利申请No.62/417,968的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及检测磁性靶的位置。
背景技术
使用磁传感器的各种布置来测量磁体的位置。例如，磁传感器可以被布置成确定一个、两个或三个维度的磁体的位置。示例磁传感器包括磁阻传感器和霍尔效应传感器。
发明内容
本公开尤其描述了使用3维(3D)磁传感器来检测磁性靶的位置的装置、系统和方法的实施方案。通过使用3D磁传感器，可以使用这种磁传感器的两维阵列来确定磁性靶的3D位置。
在一个方面，本公开提供一种用于检测磁性靶的位置的磁传感器，所述磁传感器包括：第一磁传感元件；第二磁传感元件，第一和第二磁传感元件位于第一基板平面上；第三磁传感元件，位于相对于第一基板平面以非零角度取向的第二基板平面上；和一个或多个输出触点，被配置为从指示磁性靶的3-维(3D)位置的第一、第二和第三磁传感元件提供信息。
磁传感器还可包括处理电路，被配置为从第一、第二和第三磁传感元件接收数据，并且基于接收到的数据来计算磁场的角度。磁传感器还可包括位于第二基板平面上的第四磁传感元件。磁传感元件可包括各向异性磁阻(AMR)传感元件、巨磁阻(GMR)传感元件或隧道磁阻(TMR)传感元件中的至少一种。第一磁传感元件可包括以桥梁构造布置的磁阻元件。在磁传感器中，第一基板平面可以与第二基板平面基本正交。
在另一方面，本公开提供一种用于检测磁性靶的位置的系统，所述系统包括：磁传感器集成电路(IC)阵列，其中阵列的第一磁传感器IC包括至少三个第一磁传感元件和一个或多个第一输出触点，所述第一输出触点被配置为提供指示磁性靶的三维(3D)位置的第一信息，并且其中所述阵列的第二磁传感器IC包括至少三个第二磁传感元件和一个或多个第二输出触点，所述第二输出触点被配置为提供指示磁性靶的3D位置的第二信息；和计算电路，被配置为基于所述第一信息和第二信息输出位于阵列附近的磁性靶的3D位置信息。
第一磁传感元件可包括位于第一基板平面上的两个磁传感元件和位于第二基板平面上的另一磁传感元件，其中所述第二基板平面相对于所述第一基板平面以非零角度取向。第一磁传感元件可以是各向异性磁阻传感元件。所述系统可以确定磁性靶的角度。所述系统可以以非对称布置、矩形布置和/或三角形布置来配置。IC传感器的两个IC传感器之间的最大距离可以在基本上平行于2-维阵列的平面中小于磁性靶的尺寸。计算电路可以是微控制器。其中计算电路被配置为确定粗略位置以确定用于精细位置测量的阵列中的磁传感器IC组，其中所述组包括第一磁传感器IC和第二磁传感器IC，并且其中所述3D位置信息包括所述精细位置测量。计算电路可以确定磁性靶的三维旋转。计算电路可以输出磁性靶的三维旋转信息。所述阵列的磁传感器IC的列可包括与所述列中的相邻磁传感器IC不均匀地分隔的磁传感器IC。彼此最接近的所述阵列的两个IC相邻磁传感器IC之间的最大距离可小于所述磁性靶的最大尺寸。计算电路可包括包括微控制器。计算电路还可包括耦合在所述阵列的磁传感器IC与所述微控制器之间的模数转换器。
在另一方面，本公开提供一种确定磁性靶的位置的方法，该方法包括：确定所述磁性靶的粗略位置，以识别产生满足阈值的信号的磁传感器阵列的磁传感器组；基于磁传感器组的至少三个磁传感器的测量来测量磁性靶的旋转；和基于所述磁传感器组的磁传感器的测量来确定磁性靶的精细位置。
所述阵列中的磁传感器可各自包括：第一基板平面中的两个磁传感元件、和与所述第一基板平面大致正交的第二基板平面中的第三磁传感元件。该方法还可包括：测量所述磁性靶的更新旋转；和确定所述磁性靶的更新精细位置。所述精细位置可以是三维位置，并且测量旋转可包括三维测量磁性靶的旋转。
在另一方面，本公开提供一种使用集成电路(IC)传感器来检测磁性靶的位置的方法，该方法包括：在第一磁传感元件处检测第一磁场信息；在第二磁传感元件处检测第二磁场信息，所述第一和第二磁传感元件位于第一基板平面上；在第三磁传感元件处检测第三磁场信息，所述第三磁传感元件位于相对于第一基板平面以非零角度取向的第二基板平面上；和提供指示在一个或多个输出触点处磁性靶的3-维(3D)位置的第一、第二和第三磁场信息。.
该方法还可包括处理来自磁传感元件的数据，以计算与磁性靶相关联的磁场的角度。磁传感元件可包括各向异性磁阻(AMR)传感元件、巨磁阻(GMR)传感元件、或隧道磁阻(TMR)传感元件中的至少一种。磁传感元件还可以以桥梁构造布置。该方法可包括确定磁性靶的角度。
为了总结本公开，本文已经描述了创新的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据任何特定实施例，不一定都可以实现所有这些优点。因此，可以以实现或优化本文教导的一个优点或优点组的方式来体现或实施创新，而不一定实现本文可教导或建议的其他优点。
附图说明
提供这些附图和相关描述以说明本发明的具体实施例，而不是限制。
图1是检测磁场和角度的磁传感器的图。
图2是根据本公开的实施方案3D磁传感器的透视图。
图3是根据本公开的实施方案3D磁传感器的透视图。
图4是根据本公开的实施方案3D传感器的示意图。
图5是根据本公开的实施方案3D传感器的示意图。
图6是示例性磁性靶的透视图。
图7是根据本公开的实施方案磁性靶和传感器阵列的透视图。
图8A是根据本公开的实施方案传感器阵列的平面图。
图8B是根据本公开的实施方案传感器阵列的平面图。
图8C是根据本公开的实施方案传感器阵列的平面图。
图8D是根据本公开的实施方案传感器阵列的平面图。
图8E是根据本公开的实施方案传感器阵列的平面图。
图8F是根据本公开的实施方案传感器阵列的平面图。
图9是根据本公开的实施方案传感器阵列和微控制器的示意图。
图10是根据本公开的实施方案传感器阵列、模数转换器和微控制器的示意图。
图11A是根据本公开的实施方案包括具有软磁性部件的霍尔效应传感器的3D传感器的透视图。
图11B是图12的3D传感器的侧视图，其具有受软磁性部件影响的均匀磁场。
图12是根据本公开的实施方案3D位置确定过程的流程图。
图13A是传感器阵列和磁性靶的平面图，描述了与图12的方法相对应的粗略位置确定。
图13B是传感器阵列和磁性靶的平面图，描述了当磁性靶处于与图13A不同的位置时，与图12的方法相对应的粗略位置确定。
图14A是传感器子阵列和磁性靶的平面图，对应于在图12的方法中确定场旋转测量。
图14B是传感器的不同子阵列和磁性靶的平面图，对应于当磁性靶处于与图14A不同的位置时在图12的方法中确定场旋转测量。
图15是根据本公开的实施方案3D位置确定过程的流程图。
图16是根据本公开的实施方案3D位置确定过程的流程图。
具体实施方式
新颖的系统、装置和方法的各个方面在下文中参考附图进行更全面的描述。然而，本公开的方面可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于在本公开内容中呈现的任何特定结构或功能。而是提供这些方面，使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。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，无论是独立于或与任何其他方面组合实现。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使用方法来实施。此外，本发明的范围旨在包括除了本文阐述的各个方面之外或者除本文所阐述的各个方面以外使用其它结构、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由权利要求的一个或多个要素体现。
尽管这里描述了特定方面，但是这些方面的许多变化和排列都落在本公开的范围内。虽然提及了优选方面的一些益处和优点，但是本公开的范围并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。详细描述和附图仅仅是说明本公开而不是限制，本公开的范围由任何所附权利要求及其等同物来限定。
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，附图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，应当理解，某些实施例可以包括比图中所示出的更多的元件和/或图中所示元件的子集。此外，一些实施例可以包括来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。本文提供的标题仅为方便起见，并不一定影响权利要求的范围或含义。
本公开的方面涉及检测磁性靶的3-维(3D)位置和/或角度。这种检测可以使用磁场和/或角度传感器实现。3D磁场传感器可以包括至少三磁传感元件。例如，3D磁场传感器可以包括以三维排列的霍尔效应传感器或使用软磁元件的单片集成元件。使用这样的传感器，可以使用反正切(arctan或atan)函数来计算磁场的角度(高程和方位角)。可以结合包括各向异性磁阻(AMR)传感元件、巨磁阻(GMR)传感元件、隧道磁阻(TMR)传感元件等，或其任何组合的3D角传感器来执行类似的计算。磁阻传感器可以提供具有比霍尔效应传感器更少受磁场强度影响的振幅的信号。
这里讨论的磁感应可以例如在工业自动化应用中实现。例如，本文讨论的3D位置感测可以在具有三维移动的部件的组装线中实现。
3D磁传感器
图1是磁传感器检测磁场的图，图1示出了产生磁场120的磁性靶110。在图1中，磁传感器130A和130B布置成测量发射磁场的角度120。可以使用磁传感器130A和130B的输出来确定磁性靶110的3D位置。可以基于磁性靶产生在磁性靶周围独特的场角来检测磁性靶110的位置。图1示出了在磁性靶110附近的角度变化。
图2是根据本公开的实施例的3D磁传感器200的透视图。3D磁传感器200包括第一基板210和第二基板250。磁传感元件220A和220B布置在第一基板210上。磁感应220A和220B元件可以分别测量正弦和余弦磁场信号。磁传感元件260布置在第二基板250上，并且被配置成在第三轴上测量磁场信号。磁传感元件220A、220B和260中的每一个可以包括如图所示的全桥。如图所示，磁感应220A和220B可相对于彼此以大约45°的角度定向。磁传感元件220A、220B和260各自可以是诸如任何合适的磁阻(xMR)传感元件的磁阻传感元件。示例xMR传感元件包括巨磁阻(GMR)传感元件、隧道磁阻(TMR)传感元件和AMR传感元件。磁传感元件220A、220B和260可以被布置成检测三维的磁场。第二基板250相对于第一基板210被定向成非零角度。如图2所示，第一基板210和第二基板240可以彼此大致正交。
图3是根据本公开的实施例的3D磁传感器300的透视图。3D磁传感器300包括比图2的3D磁传感器200多一个磁传感元件。3D磁传感器300包括第一基板310和第二基板350。磁传感元件320A和320B布置在第一基板310上。磁传感元件310A和310B可以分别测量正弦和余弦磁场信号。磁传感元件360A和360B布置在第二基板350上，并且可以测量第三轴上的磁场信号。与第一衬底310相比，第二衬底350位于非零角度。如图3所示，第一衬底310和第二衬底350可以彼此大致正交。磁传感元件320A、320B、360A和360B可以是磁角传感器。例如，这些传感器可以是AMR传感器。
图4是根据本公开的实施例的3D磁传感器400的示意图。3D磁传感器400包括磁传感元件410A、410B和410C。磁传感元件410A、410B和410C可分别对应于图2的磁传感元件220A、220B和260。例如，磁传感元件410A、410B和410C的物理布局可以根据图2的图相对于彼此定向。每个磁传感元件可以包括如图4所示的全桥。磁传感元件410A、410B和410C耦合到处理电路420。处理电路420被配置为从磁传感元件410A、410B和410C接收数据。处理电路420可以处理磁传感元件410A、410B和410C的输出。例如，处理电路420可以计算与磁性靶相关联的磁场的大小。处理电路420可以包括在与磁传感元件410A、410B和410C相同的集成电路中。处理电路420可以接收指示磁性靶的检测磁场的信息，并使用该信息来使用反正切(arctan或atan)函数计算场磁场的角度(高程和方位角)。具有两个参数的反正切函数可以称为atan2函数。在某些实施例中，处理电路420的输出信号是模拟信号(例如每个磁传感元件410A、410B和410C的放大信号)。在一些其他实施例中，输出信号是表示传感元件的输出的反正切函数对的数字角度信号(例如，atan2(磁传感元件410A的输出，磁传感元件410B的输出)和atan2(磁传感元件410B的输出，磁传感元件410C的输出))。可以将处理电路420的输出提供给微控制器以确定磁性靶的3D位置。在一些其他实施例中，可以将一个或多个磁传感元件的输出提供给微控制器，而无需对包含磁传感元件的IC进一步处理。任何其他合适的计算电路可以用于代替本文讨论的微控制器中的任何一种或与之组合使用。例如，专用集成电路(ASIC)可以代替微控制器或与微控制器一起来计算磁性靶的位置信息。
图5是根据本公开的实施例的3D磁传感器500的示意图。3D磁传感器500包括磁传感元件510A、510B、510C和510D。在基于AMR的传感器中，磁传感元件510A、510B、510C和510D可以被实现为全桥。可以为基于AMR的传感器实现两对全新的新娘。AMR传感器可以检测磁场的角度。每对的一个桥可以相对于该对的另一个桥在非零角度(例如，45度角)定向。
磁传感元件510A、510B、510C和510D可以分别对应于图3的磁传感元件310A、310B、330A和330B。每个磁传感元件可以包括如图5所示的全桥。磁传感元件510A、510B、510C和510DD耦合到处理电路520。处理电路520处理来自磁传感元件510A、510B、510C和510D的数据。例如，处理电路520可以计算磁场的角度。处理电路520可以包括在与磁传感元件510A、510B、510C和510D相同的集成电路中。可以将处理电路520的输出提供给微控制器或其他计算电路以确定磁性靶的3D位置。在某些实施例中，处理电路520的输出信号是模拟信号(例如每个磁传感元件510A、510B、510C，510D的放大信号)。在一些其他实施例中，输出信号是表示传感元件的输出的反正切函数对的数字角度信号(例如，atan2(磁传感元件510A的输出，磁传感元件510B的输出)和atan2(磁传感元件510C的输出，磁传感元件510D的输出))。在某些实施例中，可以向微控制器或其他计算电路提供一个或多个磁传感元件的输出，而不对包括磁传感元件的IC进一步处理。
棒状磁体周围的磁场角分布可以是唯一的，但是围绕磁棒磁体是对称的。因此，棒状磁体围绕轴线的旋转，指向棒状磁体的北极至南极，180度应产生相同的视场角分布。在方形磁铁的情况下，90度的旋转应该产生与90度旋转之前相同的视场角分布。非对称磁性靶可以产生即使在整个角度谱中旋转之后也是唯一的场分布。因此，可以计算包括用于非对称磁性靶的每个物理位置中的所有角度的绝对位置。此外，非对称磁性靶的磁场角分布应该是唯一的和可预测的。因此，基于将检测到的场角与预测的视场角分布进行比较，可以检测x、y、z轴中的这种磁性靶的位置以及围绕所有三个轴的旋转。因此，使用本文讨论的磁传感器阵列的非对称磁性靶可能是有利的。将参考图6描述这种非对称磁性靶的示例。
图6是磁性靶600的透视图。磁性靶600包括多个磁体610A、610B、610C和610D。磁性靶600可以产生围绕磁性靶600独特的磁场角。磁传感器在此讨论可以检测包括两个或多个磁体(例如磁性靶600)的磁性靶的3D位置。本文所讨论的磁传感器还可以检测包括单个磁体的磁性靶的3D位置。
本文讨论的磁传感器集成电路(IC)可以以2D阵列排列。这种阵列可用于确定磁性靶的3D位置。本文讨论的任何磁传感器IC阵列可以包括任何合适数量的磁传感器IC。作为示例，可以将数百或数千个这样的磁传感器IC包括在2D阵列中。将讨论磁传感器IC阵列的例子。然而，可以实现磁传感器IC的任何合适的布置以确定磁性靶的3D位置。
图7是根据本公开的一个实施例的如图6所示的磁性靶600的透视图和2D传感器阵列700。2D传感器阵列200可以用于检测几个不同位置的场角。磁性靶600可以包括多个磁体610A，610B，610C和610D。传感器阵列700包括包括磁传感器IC 710A、710B和710C的3D磁传感器IC。如图所示，传感器阵列700包括比磁传感器IC 710A、710B和710C多的附加传感器IC。3D磁传感器IC中的每一个可以根据参照图25讨论的任何合适的原理和优点来实现。例如，3D磁传感器IC 710A、710B和710C中的每一个可以包括图2的3D磁传感器、图3的3D磁传感器、图4的3D磁传感器或图5的3D磁传感器，或这些3D磁传感器的特征的任何合适的组合。场角分布应该对于磁性靶600是唯一的。场角的检测可以提供关于不同位置处的场角的信息，并且可以从这样的信息确定磁性靶600的位置。
在某些情况下，可以期望测量磁场的角度角而不是与磁性靶相关联的磁场的大小。磁性靶周围的磁场强度(即大小)可随着磁性靶的温度变化而显着变化。这可能是由于磁性剩磁和矫顽力的温度系数。相比之下，磁场角在给定的温度范围内可以保持基本恒定。因此，通过测量磁场角而不是磁场强度，可以降低温度对磁性靶的位置测量的影响。此外，某些磁性靶的磁场角分布应该是唯一的和可预测的。因此，基于将检测到的视场角与预测的视场角进行比较，可以使用3D磁性位置传感器IC的阵列来检测这种磁性靶在x轴、y轴和z轴上的位置以及围绕所有三个轴的旋转。
磁传感器IC阵列
磁传感器IC可以以各种不同的方式排列成阵列。将描述磁性IC传感器阵列的一些例子。这些传感器阵列的任何合适的原理和优点可以彼此组合地实现。
图8A是根据本公开的实施例的传感器阵列800的平面图。传感器阵列800包括磁传感器集成电路710A、710B和710C以及如图8A所示的多个附加传感器。每个传感器阵列800的磁传感器可以通过单独的IC根据图2-5的任何合适的原理和优点来实现。如图8A所示，磁传感器被配置成矩形(例如，正方形)的形状。传感器阵列800包括排列成行和列的磁传感器。所示的磁传感器以行和列规则地彼此间隔开。在同一列或相同行中彼此最接近的两个磁传感器之间的最大距离可以短于由传感器阵列800感测的磁性靶的尺寸。更具体地，对于图6的磁性靶600，在同一列或相同行中彼此最接近的两个磁传感器之间的最大距离可以小于磁性靶600的x或y尺寸的较大值。在一些实施例中，传感器阵列800中的三个相邻传感器配置成三角形排列(例如磁传感器710A、710B和710C)。三个传感器装置提供用于计算磁性靶的位置的磁场和旋转测量，如下所述。传感器阵列900中的两组传感器之间的距离可以小于由传感器阵列800感测的磁性靶的尺寸。
图8B是根据本公开的实施例的简化传感器阵列810的平面图。与图8A的矩形传感器阵列800相比，简化的传感器阵列810包括更少的磁传感器。通过减少传感器阵列，可以通过比在图8A的磁传感器阵列800中较少的磁传感器获得精确的位置和/或场角测量值。传感器阵列810包括磁传感器710A、710B和710C以及若干附加传感器，如图8B所示。传感器阵列810的每个磁传感器可以根据图2-5的任何合适的原理和优点由单独的IC实现。在该实施例中，磁传感器被配置成缩小的矩形(例如，正方形)的形状。所示的传感器阵列810包括4个磁传感器IC的簇。在相同列或相同行中彼此最接近的两个磁传感器之间的最大距离可以比传感器阵列810感测到的磁性靶的尺寸更短。在一些实施例中，传感器阵列800中的三个相邻传感器配置成三角形排列(例如，图8B中的磁传感器710A、710B和710C)。三个传感器装置提供用于计算磁性靶的位置的磁场和旋转测量，例如，如下所述。传感器阵列810的缩小矩形中的两组传感器之间的距离可以小于由传感器阵列810感测的磁性靶的尺寸。
图8C和8D分别是简化传感器阵列820和830的其它实施例的平面图。与图8A的常规矩形传感器阵列相比，这些减少的传感器阵列包含更少的磁传感器。所示的传感器阵列820和830各自包括磁传感器710A、710B和710C以及多个额外的传感器。传感器阵列820或830的每个磁传感器可以根据图2-5的任何合适的原理和优点通过单独的IC来实现。在相同列或相同行中彼此最接近的两个磁传感器之间的最大距离可以比传感器阵列820或830感测到的磁性靶的尺寸更短。在一些实施例中，传感器阵列820或830中三个相邻传感器被配置成三角形布置(例如磁传感器710A、710B和710C)。三个传感器装置提供用于计算磁性靶的位置的磁场和旋转测量，如下所述。传感器阵列820或830中的每组两个传感器之间的距离可以小于由传感器阵列820或830感测的磁性靶的尺寸。
额外的磁传感器阵列840和850在图8E和8F中分别示出。这些磁传感器阵列是根据本文所讨论的原理和优点来实现磁传感器IC阵列的替代方式。图8E的磁传感器阵列840包含以三角形排列配置的三个磁传感器IC组。传感器阵列840中的每组两个传感器之间的距离可以小于由传感器阵列840感测的磁性靶的尺寸。传感器阵列850示出了磁传感器IC的替代布置。
计算电路可以用磁传感器阵列来实现，以处理磁传感器IC的输出。这样的计算电路可以计算位置和/或场角。计算电路可以包括微控制器。在一些情况下，计算电路可以包括模数转换器和微控制器。任何其他合适的计算电路可以根据本文讨论的原理和优点来实现。例如，计算电路可以包括ASIC。作为另一示例，计算电路可以包括与存储器组合的处理器。
图9是根据本公开的实施例的传感器阵列900和微控制器920的示意图。传感器阵列900包括包括磁传感器IC 710A、710B和710C以及如图所示的附加磁传感器IC的磁传感器IC。微控制器920是可以计算磁性靶的位置和旋转信息的计算电路。微控制器920与传感器阵列900的磁传感器IC连通。在一个实施例中，微控制器920接收来自所有传感器的所有角度信息。然后微控制器920可以将检测到的场角分布与磁性靶的已知场角分布进行比较，以确定第一位置。在随后的操作中，微控制器920可接收传感器阵列900的接近磁性靶(例如，至少三个磁传感元件)的传感器子集的信号。使用该信息，微控制器920可以执行相同的操作(例如，与已知的场分布的比较)。根据位置结果，微控制器920可以在另一个随后的操作中从不同的传感器接收不同的传感器信号。通过执行这些操作，微控制器920可以基于3D传感器的输出输出位于传感器阵列900附近的磁性靶的3D位置信息。
图10是根据本公开的实施例的具有计算电路的传感器阵列1000的示意图。传感器阵列1000包括包括磁传感器IC 710A、710B和710C以及如图所示的附加磁传感器IC的磁传感器IC。在图10中，计算电路包括模数转换器1030和微控制器1020。模数转换器1030与传感器阵列1000的磁传感器IC通信。图10所示的实施例与图9所示的实施例相似，ADC1030将模拟输出的磁传感器IC转换成微控制器1020的数字信号。在图10中，模数转换器1030被配置为基于磁传感器IC的输出，输出表示位于传感器阵列1000附近的磁性靶的3D位置信息的数字信号。
其他磁传感器
上述实施例包括磁阻传感元件。可以替代地或附加地实现其他类型的磁传感器。这样的传感器可以根据本文讨论的任何合适的原理和优点以阵列的形式实现。现在将描述包括霍尔效应传感器的示例3D磁传感器。
图11A是包括霍尔效应传感器的3D磁传感器和根据本公开的实施例布置的软磁性部件的透视图。所示的3D传感器1100包括位于基板1120上的软磁性部件1110。3D传感器1100还包括霍尔效应传感器1160A、1160B和1160C。3D传感器1100可以检测沿x轴1130的磁场、沿y轴1140的磁场以及沿z轴1150的磁场。使用所示的3D传感器1100，可以使用反正切(arctan或atan)函数来计算场磁场的角度(高程和方位角)。
图11B是图11A的3D传感器1100的侧视图和受软磁部件1110影响的均匀磁场。如图所示，软磁部件1110弯曲磁通1130。
确定磁性靶位置和旋转的方法
根据本文讨论的原理和优点，利用磁传感器IC阵列，可以确定磁性靶的3维位置和3维旋转。将讨论确定磁性靶位置和旋转的示例方法。这些方法可以用磁传感器和/或具有本文所讨论的一个或多个特征的磁传感器IC阵列进行。本文讨论的任何方法的操作可以以任何合适的顺序进行。本文讨论的某些操作或任何方法可以适当地串行或并行地执行。
图12是根据本公开的实施方案确定磁性靶的位置和旋转的过程1200的流程图。过程1200包括在块1220处确定粗略位置、在块1230处测量磁性靶的场旋转、以及在框1240处确定磁性靶的精细位置。
在框1220，确定磁性靶的粗略位置。磁传感器，如图2至图5所示的任一个磁传感器，可以产生指示与磁性靶相关联的磁场或角度的输出。计算电路可以确定检测到的磁场是否超过阈值。计算电路可以在磁传感器IC上、在磁传感器IC外部、或部分地在磁传感器IC上以及部分地位于磁传感器IC的外部实现。计算电路可以确定等式1的不等式是否有效。
sin(x)2+cos(x)2≥thr (1)
在一个示例中，阈值可以为约8KA/m。当检测到的磁场的大小大于8KA/m时，检测有效。然而，如果检测到的磁场的大小小于8KA/m，则检测无效。其他值也可以用作阈值。
图13A和13B是表示块1220的粗略位置确定处理的传感器阵列1300的平面图。图13A和13B示出了磁性靶1310的不同位置和磁性靶1310的不同粗略位置。例如，磁性靶1310最初可以处于图13A的位置，然后移动到图13B的位置。多个磁传感器IC可以排列成阵列。可以对每个磁传感器IC执行上述使用等式1的有效性确定。有效性确定可以通过计算电路在每个磁传感器上或通过与阵列的磁传感器IC通信的计算电路来执行。每个磁传感器IC可以被指定为有效的(例如，诸如磁传感器1320A的阴影磁传感器IC)或无效的(例如，磁传感器1320B等不被遮蔽的磁传感器IC)。在一些实施例中，微控制器920或1020(未示出)可以被配置为存储每个磁传感器IC是否有效的信息指示。可以从这样的微控制器输出磁图像，其包括反映磁性靶1310的粗略位置的每个有效传感器的映射。
返回到图12，在块1230，检测与磁性靶相关联的磁场旋转。磁场旋转可以在三维中确定。在块1220处确定的来自有效传感器的场旋转信息可以在框1230处使用。为了确定场旋转的目的，可以忽略来自在框1220处确定的无效传感器的信息。在进行测量之前，磁性靶的取向可以是已知的。磁性靶可以是不对称的。阵列的每个磁传感器IC是独立的传感器，其可以提供指示围绕诸如图14A所示的x轴或y轴的轴定向的场旋转的信息。当磁性靶旋转时，磁传感器IC可以提供指示围绕旋转轴线(例如图14B所示的x'轴或y'轴)定向的场旋转的信息。磁性靶由于磁性靶的旋转而在x轴和y轴上移动的距离可以使用公式2来计算：
dist＝arctan2(1st传感器)-arctan2(2nd s (2)
图14A和14B是图13A的阵列的磁性IC传感器的子阵列的平面图，13B示出了框1230的场旋转测量过程。图14A示出了与图13A中的磁性靶1310的位置对应的传感器阵列1300的子阵列1400A。图14B示出了与图13B中的磁性靶1310的位置对应的传感器阵列1300的子阵列1400B。磁传感器IC的子集在块1220处被识别为有效的数组1300可以执行例如根据等式2的场旋转测量。图14A和14B包括磁传感器IC 1420A和其它类似的阴影磁传感器IC，其提供指示围绕x轴的场旋转的信息。14A和14B还包括磁传感器IC 1420B和其它类似的阴影磁传感器IC，其提供指示围绕y轴的场旋转的信息。图14B示出了磁性靶旋转后的磁传感器子阵列1400B。图14B中，磁性传感器IC 1420A和类似的阴影磁传感器IC提供表示x'轴上的场旋转的信息，磁传感器IC 1420B和类似的阴影磁传感器IC提供指示在y'轴上的场旋转的信息。
返回到图12，在块1240，可以确定与磁性靶相关联的精细位置。精细位置使用公式3确定：
在等式3中，real_dist值表示磁传感器IC之间的已知物理距离，位置可以是特定维度(例如x维度)中的精细位置测量。利用等式3，可以相对于磁传感器IC位置来确定磁性靶的位置。
执行过程1200的操作的顺序可以根据某些实施例而变化。例如，块1220处的粗略位置确定可以针对x轴、y轴、z轴的磁性靶执行。那么方框1230处的磁场旋转确定可以执行x轴、y轴、z轴。最后，块1240处的精细位置确定可以执行x轴、y轴、z轴。或者，可以执行块1220、1230和1240处的操作以确定磁性靶在x轴中的位置，然后确定磁性靶在y轴中的位置，然后确定磁性靶在z轴中的位置。在另一示例中，过程1200的各种操作可以针对不同维度的位置并行地执行。
图15是根据实施例的用于确定磁性靶的位置和旋转的过程1500的流程图。过程1500类似于图12的过程1200，除了过程1500可以不同于过程1200来更新测量。过程1200和1500可以各自包括在框1220处确定磁性靶的粗略位置、测量在块1230处的磁性靶的场旋转、在块1240处确定磁性靶的精细位置。一旦执行了这些操作，过程1500可以在块1550处测量磁性靶的更新的精细位置。粗略位置和/或场旋转确定可以在框1550基于更新的精细位置确定来更新。
图16是根据实施例的用于确定磁性靶的位置和旋转的过程1600的流程图。过程1600类似于图15的过程1500，除了可以以不同的顺序执行操作，并且可以不同地更新测量。在过程1600中，方框1240处的精细位置确定可以在方框1230测量场旋转之前执行。过程1600可以在块1650处测量更新的场旋转。粗略位置和/或定位确定可以在框1650基于更新的精细场旋转来更新。
应用与术语
本公开的方面可以在各种电子设备中实现。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、工业电子设备、车载电子系统等。电子设备的示例可以包括但不限于计算设备、装配线电子、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。
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等词将以包容性的意思来解释，而不是排他或详尽的意思，也就是说，“包括但不限于”的意思。此外，在本申请中使用时，“本文”、“以上”、“以下”和类似的词语在本申请中使用时，应将本申请作为整体，而不是本申请的任何特定部分。在上下文许可的情况下，使用单数或复数的上述详细描述中的词也可以分别包括复数或单数。在上下文许可的情况下，提及两个或多个项目列表中的“或”一词旨在涵盖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项目的任意组合。
此外，本文中使用的条件语言，诸如“可以”、“可能”、“例如”、诸如“等，除非另有明确说明或者在所使用的上下文中以其他方式理解的情况，通常旨在表达某些实施例包括但其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件语言通常不意图暗示特征、元素和/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这些特征、元件和/或状态包括在内或将在任何具体实施例中执行。
上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，而不一定是机械连接。同样，除非另有明确说明，否则“耦合”是指一个元件/特征直接或间接地耦合到另一个元件/特征，而不一定是机械的。因此，虽然附图中所示的各种原理图描绘了元件和部件的示例性布置，但在实际实施例中可以存在额外的中间元件、装置、特征或部件(假定所描绘的电路的功能性不受不利影响)。
如本文所使用的，术语“确定”包括各种各样的动作。例如，“确定”可以包括计算、处理、导出、调查、查找(例如查找表、数据库或其他数据结构)、确定等。此外，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解决、选择、建立等。而且，这里使用的“信道宽度”可以包括或者也可以在某些方面被称为带宽。
上述方法的各种操作可以通过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，附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。
结合本公开描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列信号(FPGA)或其他可编程逻辑器件(PLD)、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合，用于执行本文所述的功能。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何可商购的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
本文公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个操作者动作。方法操作和/或动作可以彼此互换，而不脱离适当的本公开的范围。换句话说，除非指定了特定的步骤或动作的顺序，否则在不脱离本公开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，实施方式不限于上述精确配置和组件。在不脱离实施范围的情况下，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。
虽然已经参考某些实施例描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员显而易见的包括不提供本文所阐述的所有特征和优点的实施例的其他实施例也在本公开的范围内。此外，可以组合上述各种实施例以提供其他实施例。此外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以结合到其他实施例中。

Claims (20)

1.一种用于检测磁性靶的位置的系统，所述系统包括：
磁传感器集成电路(IC)阵列，其中所述阵列的第一磁传感器IC包括至少三个第一磁传感元件和一个或多个第一输出触点，所述第一输出触点被配置为提供指示磁性靶的三维(3D)位置的第一信息，并且其中所述阵列的第二磁传感器IC包括至少三个第二磁传感元件和一个或多个第二输出触点，所述第二输出触点被配置为提供指示磁性靶的3D位置的第二信息；和
计算电路，被配置为基于所述第一信息和第二信息输出位于阵列附近的磁性靶的3D位置信息。
2.权利要求1所述的系统，其中所述第一磁传感元件包括位于第一基板平面上的两个磁传感元件和位于第二基板平面上的另一磁传感元件，所述第二基板平面相对于所述第一基板平面以非零角度取向。
3.权利要求2所述的系统，其中所述第一磁传感元件是各向异性磁阻传感元件。
4.权利要求2所述的系统，其中所述第一磁传感元件包括位于所述第二基板平面上的附加磁传感元件。
5.权利要求1所述的系统，其中所述计算电路被配置为确定粗略位置以确定用于精细位置测量的阵列中的磁传感器IC组，其中所述组包括第一磁传感器IC和第二磁传感器IC，并且其中所述3D位置信息包括所述精细位置测量。
6.权利要求5所述的系统，其中所述计算电路被配置为确定用于所述磁性靶的三维旋转信息。
7.权利要求1所述的系统，其中所述计算电路被配置为输出所述磁性靶的三维旋转信息。
8.权利要求1所述的系统，其中所述阵列的磁传感器IC的列包括与所述列中的相邻磁传感器IC不均匀地分隔的磁传感器IC。
9.权利要求1所述的系统，其中彼此最接近的所述阵列的两个IC相邻磁传感器IC之间的最大距离小于所述磁性靶的最大尺寸。
10.权利要求1所述的系统，其中所述计算电路包括微控制器。
11.权利要求10所述的系统，其中所述计算电路还包括耦合在所述阵列的磁传感器IC与所述微控制器之间的模数转换器。
12.一种确定磁性靶的位置的方法，该方法包括：
确定所述磁性靶的粗略位置，以识别产生满足阈值的相应信号的磁传感器阵列的磁传感器组；
基于所述磁传感器组的磁传感器的测量来测量所述磁性靶的旋转；和
基于所述磁传感器组的磁传感器的测量来确定所述磁性靶的精细位置。
13.权利要求12所述的方法，其中所述阵列中的磁传感器各自包括：第一基板平面中的两个磁传感元件、和与所述第一基板平面大致正交的第二基板平面中的第三磁传感元件。
14.权利要求12所述的方法，还包括：
测量所述磁性靶的更新旋转；和
确定所述磁性靶的更新精细位置。
15.权利要求12所述的方法，其中所述精细位置是三维位置，并且其中测量旋转包括三维测量所述磁性靶的旋转。
16.一种用于检测磁性靶的位置的磁传感器，所述磁传感器包括：
位于第一基板平面上的第一磁传感元件和第二磁传感元件；
位于相对于所述第一基板平面以非零角度取向的第二基板平面上的第三磁传感元件和第四磁传感元件；和
一个或多个输出触点，被配置为从指示所述磁性靶的3-维(3D)位置的第一、第二、第三和第四磁传感元件提供信息。
17.权利要求16所述的磁传感器，还包括处理电路，被配置为从第一、第二、第三和第四磁性传感元件接收数据，并且基于所接收的数据来计算磁场的角度。
18.权利要求16所述的磁传感器，其中所述第一磁传感元件包括各向异性磁阻(AMR)传感元件。
19.权利要求16所述的磁传感器，其中所述第一磁传感元件包括以全桥构造布置的磁阻元件。
20.权利要求16所述的磁传感器，其中所述第一基板平面基本上与所述第二基板平面正交。
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