CN109141482A - 杂散场鲁棒磁位置传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及杂散场鲁棒磁位置传感器装置。提供了磁场位置传感器和感测方法。磁场位置传感器包括：至少两个磁场传感器元件，至少两个磁场传感器元件配置为响应于磁场生成传感器信号，其中，至少两个磁场传感器元件对磁场的同一磁场分量敏感；以及传感器电路，传感器电路配置为基于传感器信号来生成差分测量信号，该差分测量信号基本上独立于均匀外部杂散磁场。

Description

杂散场鲁棒磁位置传感器装置
技术领域
本公开总体上涉及磁位置感测，并且更具体地涉及杂散场鲁棒磁位置传感器。
背景技术
例如，磁传感器包括磁阻传感器和霍尔效应传感器(霍尔传感器)。磁阻是在向材料施加外部磁场时材料改变其电阻值的性质。磁阻效应的一些示例是：巨磁阻(GMR)，该巨磁阻(GMR)是在由交替的铁磁层和非导磁层组成的薄膜结构中观察到的量子力学磁阻效应；隧道磁阻(TMR)，该隧道磁阻(TMR)是在磁隧道结(MTJ)中发生的磁阻效应，磁隧道结(MTJ)是由被薄绝缘体分开的两个铁磁体组成的组件；或者各向异性磁阻(AMR)，该各向异性磁阻(AMR)是其中观察到电阻对电流方向与磁化方向之间的角度的依赖性的材料的性质。多种不同的磁阻效应通常被缩写为xMR，其中，“x”充当各种磁阻效应的占位符。xMR传感器可以通过利用单片集成磁阻传感器元件测量正弦角分量和余弦角分量，来检测施加的磁场的定向。
霍尔效应传感器是响应于磁场而改变其输出电压(霍尔电压)的换能器。霍尔效应传感器基于利用洛伦兹力的霍尔效应。在存在垂直于通过传感器或者霍尔板的电流流动的磁场的情况下，洛伦兹力使运动电荷偏转。因此，霍尔板可以是薄片的半导体或者金属。偏转引起电荷分离，电荷分离引起霍尔电场。该电场在与洛伦兹力相反的方向上作用于电荷。两种力相互平衡，并且产生垂直于电流流动方向的电位差。可以测量该电位差，作为霍尔电压，并且对于小的值，该电位差以与磁场的线性关系而变化。霍尔效应传感器可以用于接近切换应用、定位应用、速度检测应用和电流感测应用。
目前，在接近切换应用、运动感测应用和定位感测应用中，可以使用霍尔单一单元配置。例如，与霍尔单一单元传感器结合的磁化反偏置磁体在含铁的目标(即，感测对象)在传感器前方移动时生成信号。
不利的是，霍尔单一单元传感器在杂散场鲁棒性方面有缺点。杂散场是由磁性恶劣环境或者位于传感器的接近环境中的其它外部装置引入的磁场。磁性恶劣环境可能是由位于传感器附近的大电流密度(车辆的混合动力)或者在感测位置旁边的电动机造成的。例如，位于车辆内的组件(例如，针对混合动力汽车，由于电流轨道驱动高电流靠近感测装置，或者由于电感式电池充电)可能产生磁性恶劣环境。另外，生成磁场的流过铁路系统的轨道的电流可能引起在车辆接近轨道时可检测到的杂散场干扰。杂散场干扰可以贡献于所测量的感测信号。这可能导致传感器生成的信号不准确，并且可能影响传感器系统的整体性能。
因此，可能需要对杂散场具有较高耐受性的改进装置。
发明内容
提供了磁场位置传感器和感测方法。
在一个示例实施例中，一种磁场位置传感器包括：至少两个磁场传感器元件，该至少两个磁场传感器元件配置为响应于磁场生成传感器信号，其中，至少两个磁场传感器元件对磁场的同一磁场分量敏感；以及传感器电路，该传感器电路配置为基于传感器信号生成差分测量信号，差分测量信号基本上独立于均匀的外部杂散磁场。
在另一示例实施例中，一种磁场感测方法包括：使用至少两个磁场传感器元件来测量磁场，该至少两个磁场传感器元件配置为响应于磁场生成传感器信号，其中，至少两个磁场传感器元件对磁场的同一磁场分量敏感；以及基于传感器信号来生成差分测量信号，该差分测量信号基本上独立于均匀的外部杂散磁场。
附图说明
本文参照附图来描述实施例。
图1A至图1C图示了根据一个或者多个实施例的一个或者多个铁磁目标的磁场感测原理的示意图；
图1D图示了根据一个或者多个实施例的输出信号的曲线图；
图2示出了根据一个或者多个实施例的传感器系统的示意图；
图3示出了根据一个或者多个实施例实施的传感器电路的示意图；
图4示出了根据一个或者多个实施例的传感器系统的示意图；
图5示出了根据一个或者多个实施例的另一传感器系统的示意图；
图6示出了根据一个或者多个实施例的另一传感器系统的示意图；以及
图7示出了根据一个或者多个实施例的磁场感测方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，阐述细节以提供对示例性实施例的更透彻的解释。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。在其它实例中，按照框图的形式或者按照示意图示出了众所周知的结构和装置，而不是详细地示出以避免模糊实施例。另外，在下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合，除非另有特别说明。
进一步地，在下面的描述中用等效的或者相似的附图标记来表示等效或者相似元件或者具有等效或者相似功能的元件。因为在图中向相同或者在功能上等效的元件给出了相同的附图标记，所以，可以省略对被提供有相同附图标记的元件的重复描述。因此，针对具有相同或者相似附图标记的元件所提供的描述是可相互交换的。
将明白，当元件被称为“连接”或者“耦合”至另一元件时，其可以直接连接或者耦合至该另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或者“直接耦合”至另一元件时，不存在中间元件。应该以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其它词语(例如“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
在本文描述的或者在附图中示出的实施例中，还可以通过间接连接或者耦合(即，具有一个或者多个附加中间元件的连接或者耦合)来实施任何直接电连接或者耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或者耦合)，或者反之亦然，只要基本上保持连接或者耦合的一般目的(例如传输某种信号或者传输某种信息)。可以组合来自不同实施例的特征以形成其它实施例。例如，针对实施例中的一个实施例描述的变化或者修改还可以适用于其它实施例，除非相反地指出。
实施例涉及传感器和传感器系统，并且涉及获取关于传感器和传感器系统的信息。传感器可以指将待测量的物理量转换为电信号(例如电流信号或者电压信号)的组件。例如，物理量可以包括磁场、电场、压力、力、电流或者电压，但是不限于此。
例如，磁场传感器包括测量磁场的一个或者多个特性(例如磁场通量密度的量、场强度、场角、场方向、场定向等)的一个或者多个磁场传感器元件，磁场的一个或者多个特性对应于检测和/或测量生成磁场的元件(例如磁体、承载电流的导体(例如接线)、地球或者其它磁场源)的磁场模式。每个磁场传感器元件配置为响应于一个或者多个磁场而生成传感器信号。
例如，由每个磁场传感器元件生成的传感器信号(例如电压信号)可以与磁场的大小成比例。进一步地，将了解，贯穿本说明书，术语“传感器”和“感测元件”可以交换使用，并且贯穿本说明书，术语“传感器信号”和“测量值”可以交换使用。
磁场传感器元件包括但不限于：霍尔效应传感器(霍尔传感器)或者磁阻xMR传感器(诸如AMR、GMR或者TMR传感器元件)。
在一些示例中，可以将霍尔传感器元件实施为垂直霍尔传感器元件。垂直霍尔传感器是对平行于其表面延伸的磁场分量敏感的磁场传感器。这意味着它们对平行于IC表面或者在IC表面平面内的磁场敏感。本文可以将敏感平面称为“敏感轴线”或者“感测轴线”，并且每个感测轴线具有参考方向。对于霍尔传感器元件，由传感器元件输出的电压值根据在感测轴线方向上的磁场强度而改变。
在其它示例中，可以将霍尔传感器元件实施为横向霍尔传感器元件。横向霍尔传感器对垂直于其表面的磁场分量敏感。这意味着它们对垂直于集成电路(IC)表面或者在集成电路(IC)表面平面外的磁场敏感。本文可以将敏感平面称为“敏感轴线”或者“感测轴线”，并且每个感测轴线具有参考方向。对于霍尔传感器元件，由传感器元件输出的电压值根据在感测轴线方向上的磁场强度而改变。
在其它示例中，可以利用xMR传感器元件。每个xMR传感器元件可以是例如具有被利用来测量磁场的感测轴线的单轴线或者多轴线xMR传感器元件。该感测轴线可以例如与平面内磁场分量中的一个平面内磁场分量对准，以测量该场分量。每个xMR传感器元件可以包括具有参考方向的参考层，参考方向提供与感测轴线对应的感测方向。因此，如果磁场分量精确地指向与参考方向相同的方向，则xMR传感器元件的电阻处于最大值，并且如果磁场分量精确地指向与参考方向相反的方向，则xMR传感器元件的电阻处于最小值。
根据一个或者多个实施例，可以将磁场传感器和传感器电路两者容纳(即，集成)在同一芯片封装(例如塑料包封的封装，诸如引线封装或者无引线封装，或者表面安装器件(SMD)封装)中。该芯片封装还可以被称为传感器封装。传感器封装可以与反偏置磁体结合，以形成传感器模块、传感器装置等。
传感器电路可以被称为信号处理电路和/或信号调理电路，其从一个或者多个磁场传感器元件接收原始测量数据形式的一个或者多个信号(即，传感器信号)，并且从传感器信号获得表示磁场的测量信号。如本文使用的，信号调理是指操纵模拟信号，使得信号满足用于进一步处理的下一阶段的要求。信号调理可以包括：从模拟转换为数字(例如经由模数转换器)、放大、过滤、转换、偏置、范围匹配、隔离以及使传感器输出适用于在调理之后的处理所需的任何其它处理。
因此，传感器电路可以包括数字转换器(ADC)，数字转换器(ADC)将来自一个或者多个传感器元件的模拟信号转换为数字信号。待在下面讨论的，传感器电路还可以包括对数字信号执行某一处理的数字信号处理器(DSP)。因此，传感器封装包括经由信号处理和/或调理来调理和放大磁场传感器元件的小信号的电路。
如本文使用的，传感器装置可以是指包括如上所述的传感器和传感器电路的装置。可以将传感器装置集成在单个半导体裸片(例如硅裸片或者芯片)上，但是在其它实施例中，可以使用多个裸片来实施传感器装置。因此，传感器和传感器电路设置在同一半导体裸片上或者在同一封装中的多个裸片上。例如，传感器可以在一个裸片上，而传感器电路在另一裸片上，使得它们在封装内彼此电连接。在这种情况下，裸片可以由相同或者不同的半导体材料(诸如GaAs和Si)组成，或者可以向不是半导体的陶瓷或者玻璃小板溅射传感器
图1A至图1D图示了根据一个或者多个实施例的一个或者多个铁磁目标1的磁场感测原理。具体地，一个或者多个铁磁目标1由吸引磁场的铁磁材料(例如铁)制成。另外，将传感器装置4配置为感测由反偏置磁体5产生的磁场，其中，传感器装置4和反偏置磁体5构成传感器模块6。本文中可以一般地将传感器装置4称为传感器或者传感器集成电路(IC)，并且传感器装置4可以包括传感器电路和两个或者更多个磁场传感器元件。此外，传感器装置4可以设置在传感器封装中。
在图1A至图1C中示出的传感器4配置为将磁信息或者磁编码信息转换为电信号以供传感器电路处理，并且可以用于许多不同类型的应用中，诸如感测位置、接近度、速度、速率或者方向运动。具体地，随着铁磁目标1的位置变得更靠近反偏置磁体5，由反偏置磁体5产生的偏置磁场的磁场线在朝向铁磁目标1的方向上更强烈地被拉动。相反，随着铁磁目标1的位置变得更远离反偏置磁体5，或者在没有反偏置磁体5的情况下，偏置磁场的磁场线变得更松弛(即，被拉动得较少)。
因此，偏置磁场的方向场分量根据铁磁目标1的位置和/或运动而改变。由于传感器4被放置成与反偏置磁体5相邻或者接近，因此，传感器4能够检测偏置磁场的一个或者多个方向场分量在定向和/或强度上的变化。
方向场分量可以包括：磁场分量Bx(即，x平面中的磁场)、磁场分量By(即，y平面中的磁场)或者磁场分量Bz(即，z平面中的磁场)。磁场分量Bx和By可以被称为平面内场分量，因为它们相对于传感器装置4(即，传感器IC)的主表面在平面内。相反，磁场分量Bz可以被称为平面外场分量，因为其相对于传感器装置4(即，传感器IC)的主表面在平面外。
还将了解，在一些实施例中，目标1本身可以被磁化。在这种情况下，可以使用或者可以不使用反偏置磁体，因为传感器4可以配置为检测由目标1产生的磁场。在其它情况下，可以使用铁磁材料来代替反偏置磁体，以帮助感测磁化目标的磁场。
图1A示出了在传感器模块6(即，与反偏置磁体5结合的传感器装置4)与铁磁目标1之间的线性运动的一个示例。具体地，铁磁目标1在z方向上的两个极限位置之间的前后或者振荡路径中移动。当铁磁目标1沿着其在z方向上的路径移动时，传感器模块6与铁磁目标1之间的空气间隙发生变化(即，空气间隙变得更小或者更大)，并且基于铁磁目标1的位置改变偏置磁场的至少一个方向场分量。
例如，随着铁磁目标1移动得更靠近传感器模块6并且空气间隙减小，由反偏置磁体5产生的磁场的磁场线在z方向上被拉向铁磁目标1。因此，磁场线从x轴线和y轴线(即，x传感器平面和y传感器平面)被拉开，并且在x方向和y方向上的磁场强度减小。同时，在z方向上的磁场强度增加。当铁磁目标1移动得更远离传感器模块6时，出现相反的现象。因此，可以以线性方式来对传感器装置4的机械运动参数输出协议进行编码，使得传感器装置4的传感器电路的输出(即，测量信号)相对于铁磁目标1的位置和运动是线性的。
图1B示出了铁磁目标1的线性运动的另一示例。具体地，铁磁目标1在与传感器装置4的主表面平行的x方向上的两个极限位置之间的前后或者振荡路径中移动。再次，方向场分量中的一个或者多个方向场分量的定向和/或强度根据铁磁目标1相对于传感器装置4的位置而改变。因此，可以以线性方式来对传感器装置4的机械运动参数输出协议进行编码，使得传感器装置4的传感器电路的输出(即，测量信号)相对于铁磁目标1的位置和运动是线性的。
图1C示出了多个铁磁目标1a至1d(一般地称为铁磁目标1)的旋转运动的另一示例。铁磁目标1a至1d可以是单独的物体，或者可以是单个集成构件的一部分，诸如齿轮或者轴上的齿。随着铁磁目标1a至1d旋转，铁磁目标1a至1d交替经过传感器模块6，导致一个或者多个方向场分量在两个极值之间振荡。例如，传感器装置4内的磁场传感器元件可以感测根据正弦波形(即，根据信号调制)变化的x轴线和/或y轴线磁场强度和/或定向的变化，该正弦波形的频率对应于铁磁目标1a至1d的旋转速度，该正弦波形还可以对应于驱动轮旋转的驱动轴(例如凸轮轴)的旋转速度(在铁磁目标1a至1d是齿轮的齿的情况下)。因此，传感器装置4的传感器电路可以配置为从磁场传感器元件接收信号(即，传感器信号)，并且根据信号调制从传感器信号获得表示磁场的测量信号。
在本文提供的每个示例中，传感器电路还可以将测量信号转换为输出信号，输出信号是铁磁目标1的位置的函数。因此，输出信号可以表示每个铁磁目标1相对于传感器模块6的线性位置。还可以将输出信号输出至外部控制器、控制单元或者处理器(例如电子控制单元(ECU))。
图1D示出了作为铁磁目标1相对于传感器装置4的位置的线性函数的输出信号的一个示例。
图2示出了根据一个或者多个实施例的传感器系统200的示意图。具体地，图2示出了配置为追踪铁磁目标1的(线性)运动的、在存在均匀外部杂散磁场的情况下的传感器系统200，传感器系统200包括传感器装置4和反偏置磁体5。要注意，传感器装置4的放大的横截面图被绘制在右方，通过展开虚线被连接至绘制在反偏置磁体5与目标1之间的磁场线内部的传感器元件4。
传感器装置4包括两个磁场传感器元件7L和7R，这两个磁场传感器元件7L和7R间隔开，具有相同的敏感轴线(例如x轴线)，但是在相反的感测方向上对准。具体地，磁场传感器元件7L具有在-Bx方向上的感测方向，而磁场传感器元件7R具有在+Bx方向上的感测方向。因此，磁场传感器元件7L和7R两者都对x平面中的磁场敏感，但是生成相对于平面内磁场分量Bx具有相反符号的信号。
传感器装置4还包括传感器电路8，传感器电路8配置为接收来自磁场传感器元件7L和7R的传感器信号，并且使用差分计算从传感器信号生成模拟信号，该模拟信号被称为差分测量信号。例如，差分测量信号可以表示：由于磁场分量Bx撞击在每个传感器元件位置上，由磁场传感器元件7L和7R生成的传感器值(传感器信号)之间的差值(即，增量Bx值)。
用于在图2中图示的示例的差分方程可以是一阶差分方程，诸如：
SEΔ＝SER-SEL (1),
其中，SER对应于由磁场传感器元件7R生成的电阻值(例如对于xMR传感器元件)或者电压值(例如对于霍尔效应传感器元件)，SEL对应于由磁场传感器元件7L生成的电阻值或者电压值，并且SEΔ对应于增量测量值并且表示差分测量信号的值。
将了解，虽然图2中的磁场传感器元件7L和7R配置为在相反的感测方向上感测平面内磁场分量Bx，但是实施例不限于此。可以生成差分测量信号，只要磁场传感器元件7L和7R配置为检测相同平面中的磁场分量(例如x或者y平面内场分量或者z平面外场分量)。进一步地，磁场传感器元件7L和7R可以配置为具有相反的感测方向(如在图2中那样)或者相同的感测方向。因此，可以调整差分方程以适应平行或者反平行的感测方向，只要从差分方程生成增量值。
传感器电路8还可以基于铁磁目标1的位置的函数(例如基于如在图1D中看得最好的铁磁目标1相对于传感器的线性位置)，来将差分测量信号转换为输出信号。例如，传感器电路8可以包括根据差分测量信号的增量Bx值满足触发条件，来切换输出信号的逻辑状态(例如，从低到高，或者从高到低)的切换机制。
可替代地，切换机制可以是脉冲机制，使得在引起对传感器装置4的输出信号进行调制的触发事件下，生成信号脉冲(这与单一的逻辑状态转变相反)。在这种情况下，如果检测到触发事件，则传感器电路8可以传送已知长度的脉冲。在一些系统中，可以经由脉冲宽度调制来改变脉冲长度，例如，以传送附加信息，诸如足够的磁场强度的指示、运动方向或者错误标志。
仍然进一步地，传感器电路8可以输出差分测量信号，作为输出信号，或者可以基于增量Bx值和铁磁目标的位置的函数，来将差分测量信号转换为另一类型的调制信号(例如线性信号)。
触发事件可以涉及过阈值。例如，由传感器电路8生成的增量Bx值可以随着铁磁目标1变得更靠近传感器元件7L和7R(例如空气间隙减小)而减小，并且增量Bx值可以随着铁磁目标1变得更远离传感器元件7L和7R(例如空气间隙增加)而增加。
因此，可以设置阈值或者切换点，使得基于增量Bx值来对输出信号进行调制。阈值可以配置为对应于铁磁目标1相对于传感器装置4(例如，距离传感器元件之间的中点)的特定距离或者特定位置。此外，切换点可以是取决于方向的，使得触发事件仅在铁磁目标1在特定方向上移动时(例如当铁磁目标1移动得更靠近或者更远离传感器装置4时)发生。
传感器电路8还可以配置为监测多个触发事件(诸如两个或者更多个阈值(例如最小阈值或者最大阈值)的阈值交叉)，并且基于每个触发事件或者选择的触发事件来生成输出信号。
鉴于上述情况，可以了解，由于反偏置磁体5的几何形状，在传感器元件7L和7R的两个位置处，由于磁场的平面内分量Bx在这两个位置处的撞击而产生了差分磁场。传感器电路8可以对两个传感器信号使用差分学(differential calculus)而产生差分测量信号，并且可以基于铁磁目标1的位置或者位置的函数来生成输出信号。外部装置可以使用输出信号来计算铁磁目标1相对于传感器模块6的位置，以确定铁磁目标1是在距离传感器模块6的期望接近范围内还是外，和/或通过例如对调制输出信号的脉冲数量进行计数来确定铁磁目标1的速度。
现在考虑存在外部杂散磁场。当存在外部杂散磁场时，外部杂散磁场将向已经产生的反偏置场添加累积效应，从而产生可由磁场传感器元件7L和7R检测的总磁场(目标磁场+杂散磁场)。即，除了反偏置磁场的Bx分量之外，每个磁场传感器元件7L和7R还可以感测外部杂散磁场的Bx分量。然而，注意，外部杂散磁场按照类似的方式影响每个磁场传感器元件7L和7R。
具体地，杂散磁场可能导致每个磁场传感器元件7L和7R感测的总磁场偏移相同量或者相似量(即，在可接受公差内)。因此，根据杂散磁场的Bx分量的定向和/或强度，由每个磁场传感器元件7L和7R生成的传感器值将改变相同的或者相似的正量或者负量。作为结果，与不存在杂散磁场时将实现的差值相比较，传感器值之间的差值(即，增量Bx)保持基本相同。由于增量Bx保持基本相同，因此，可以使用上述差分学来抵消x方向上的杂散场。
因此，传感器电路8配置为接收来自磁场传感器元件7L和7R的传感器信号，并且使用差分计算来从传感器信号生成差分测量信号，该差分计算抵消x方向上的均匀杂散场。在该示例中，由于用于铁磁目标1的位置感测的感测轴线是x轴线，而y分量和z分量不影响位置感测，因此，计算集中于杂散场的x分量。
图3图示了根据一个或者多个实施例实施的传感器电路8的示意图。传感器电路包括在空间上分布的磁场传感器元件7，该磁场传感器元件7配置为响应于磁场撞击在其上而生成传感器信号。磁场传感器元件7中的至少两个磁场传感器元件7连接至差分信号放大器11，差分信号放大器11配置为通过从磁场传感器元件7接收的传感器信号而生成差分测量信号。例如，磁场传感器元件7中的两个磁场传感器元件7可以与图2中示出的传感器元件7L和7R对应。
传感器电路8还包括配置为对差分测量信号执行信号调理的ADC和数字核逻辑12。具体地，ADC和数字核逻辑12可以配置为基于一种或者多种信号生成技术来将差分测量信号转换为数字输出信号。例如，ADC和数字核逻辑12可以包括一个或者多个处理器和/或数字逻辑，以基于触发事件，或者基于差分测量信号和铁磁目标1的位置的线性函数，来生成输出信号。
传感器电路8还包括输出级13，该输出级13配置为接收来自ADC和数字核逻辑12的输出信号，并且将该输出信号提供至传感器电路8的一个或者多个输出引脚14(即，传感器芯片的输出引脚)。因此，可以将输出信号提供至外部装置，以便进一步使用。
传感器电路8还包括电压调节器15，该电压调节器15配置为调节和稳定提供至一个或者多个电路组件(例如磁场传感器元件7、差分信号放大器11、ADC和数字核逻辑12以及输出级13)的电压。电压调节器15可以经由输入引脚16来从电压源(诸如电池)接收功率，并且可以具有至接地GND的一个或者多个连接。
图4示出了根据一个或者多个实施例的传感器系统400的示意图。要注意，传感器装置4的放大的横截面图被绘制在右方，通过展开虚线被连接至绘制在磁场线内部的传感器元件4。
具体地，与在图2中示出的传感器系统200相似，传感器系统400包括传感器装置4、反偏置磁体5和两个磁场传感器元件7L和7R，这两个磁场传感器元件7L和7R间隔开，具有相同的敏感轴线(例如x轴线)，但是在相反的感测方向上对准。然而，代替铁磁目标1在传感器模块(即，传感器装置4和反偏置磁体5)的前方线性地移动，铁磁目标1沿着经过传感器模块的一侧的路径线性地移动。然而，尽管铁磁目标1相对于传感器模块的放置发生偏移，但是可以使用方程(1)来基于由磁场传感器元件7L和7R生成的传感器信号计算差分测量信号。
图5示出了根据一个或者多个实施例的传感器系统500的示意图。要注意，传感器装置4的放大的横截面图被绘制在右方，通过展开虚线被连接至邻近磁场线绘制的传感器元件4。
具体地，与在图2中示出的传感器系统200相似，传感器系统500包括传感器装置4和反偏置磁体5。然而，沿着反偏置磁体5的一侧布置传感器装置4，并且传感器装置4可以横向跨过反偏置磁体5的两个磁极。
此外，传感器系统包括三个磁场传感器元件7L、7C和7R，这三个磁场传感器元件7L、7C和7R间隔开，具有相同的敏感轴线(例如x轴线)，在相同的感测方向(例如-Bx方向)上对准。因此，可以使用二阶差分方程，从磁场传感器元件7L、7C和7R生成的传感器信号生成差分测量信号。例如，传感器电路8可以使用方程(2)来生成差分测量信号：
SEΔ＝(SEC-SEL)-(SEC-SER) (2),
其中，SER对应于由磁场传感器元件7R生成的电阻值(例如对于xMR传感器元件)或者电压值(例如对于霍尔效应传感器元件)，SEL对应于由磁场传感器元件7L生成的电阻值或者电压值，SEC对应于由磁场传感器元件7C生成的电阻值或者电压值，并且SEΔ与增量测量值对应并且表示差分测量信号的值。
图6示出了根据一个或者多个实施例的传感器系统600的示意图。要注意，传感器装置4的放大的横截面图被绘制在右方，通过展开虚线被连接至邻近磁场线绘制的传感器元件4。
具体地，与在图5中示出的传感器系统500相似，传感器系统600包括传感器装置4和反偏置磁体5。此外，传感器系统包括三个磁场传感器元件7L、7C和7R，这三个磁场传感器元件7L、7C和7R间隔开，具有相同的敏感轴线(例如x轴线)，在相同的感测方向(例如-Bx方向)上对准。因此，传感器电路8可以使用方程(2)来生成差分测量信号。
虽然上述示例包括使用两个或者三个磁场传感器元件，但是将了解，可以使用超过三个磁场传感器元件，只要它们配置为感测用于进行位置感测的相同磁场分量。
图7示出了根据一个或者多个实施例的磁场感测方法700的流程图。具体地，感测方法700包括：使用两个或者更多个传感器元件来生成传感器信号(操作705)，使用该传感器信号来生成差分测量信号(操作710)，以及基于该差分测量信号和铁磁目标的位置来生成输出信号(操作715)。
鉴于上述示例实施例，xMR传感器元件或者霍尔传感器元件对相同的磁场分量敏感，该相同的磁场分量例如为平面内磁场分量(平行于传感器元件的主表面)、或者平面外磁场分量(垂直于传感器元件的主表面)，并且xMR传感器元件或者霍尔传感器元件被用于生成差分测量信号，该差分测量信号基本上独立于(即，在可接受的公差内)均匀的外部杂散场，但是代表铁磁目标相对于传感器元件的位置。可以执行附加的信号处理和调理，以生成数字输出信号。数字输出信号可以指示铁磁目标的位置，或者其可以指示铁磁目标在传感器元件的目标接近度(例如距离传感器元件的预设距离)内或者外。还可以相对于铁磁目标的运动来使数字输出信号线性化。
虽然在检测轮或者凸轮轴速度的上下文中描述了上述实施例，但是传感器可以用于检测任何旋转构件或者物体的旋转速度，该任何旋转构件或者物体在其旋转时产生磁场的正弦变化，并且可以由传感器感测。例如，可以使用含铁轮和反偏置磁体的组合来生成随时间变化的磁场。可替代地，可以使用有源编码器轮(没有反偏置磁性)来生成随时间变化的磁场。
进一步地，虽然已经描述了各种实施例，但是对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，更多的许多实施例和实施方式在本发明的范围内是可能的。因此，除了根据所附权利要求及其等效物之外，本发明不受限制。关于由上述组件或者结构(装配件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，用于描述这种组件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的组件的指定功能(即，功能上等效)的任何组件或者结构，即使在结构上不等效于执行本文所说明的本发明的示例性实施方式中的功能的公开结构。
此外，所附权利要求由此被并入具体实施方式中，其中，每个权利要求可以独立地作为单独的示例实施例。虽然每个权利要求可以独立地作为单独的示例实施例，但是要注意——虽然从属权利要求可能在权利要求书中涉及与一个或者多个其它权利要求的特定组合——但是其它示例实施例还可以包括从属权利要求与每个其它从属权利要求或者独立权利要求的主题的组合。本文提出了这种组合，除非声明不打算使用特定组合。此外，旨在的是，还将权利要求的特征包含于任何其它独立权利要求，即使该权利要求不直接引用独立权利要求。
还要注意，在本说明书或者权利要求书中公开的方法可以由如下装置实施：该装置具有用于执行这些方法的相应动作中的每个动作的装置。
进一步地，要明白，在本说明书或者权利要求书中公开的多个动作或者功能的公开可以不被解释为要在具体顺序内。因此，多个动作或者功能的公开不会将这些动作或者功能局限于特定的顺序，除非这样的动作或者功能因技术原因而不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或者可以被分解成多个子动作。这种子动作可以做为该单个动作的公开的一部分而被包括进来，除非明确排除了这种子动作。

Claims (22)

1.一种磁场位置传感器，包括：
至少两个磁场传感器元件，所述至少两个磁场传感器元件被配置为响应于磁场生成传感器信号，其中，所述至少两个磁场传感器元件对所述磁场的同一磁场分量敏感；以及
传感器电路，所述传感器电路被配置为基于所述传感器信号生成差分测量信号。
2.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，其中，所述同一磁场分量是平面内磁场分量。
3.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，其中，所述至少两个磁场传感器元件共享敏感轴线。
4.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，其中，所述至少两个磁场传感器元件包括：位于第一传感器位置处的第一磁场传感器元件、和位于第二传感器位置处的第二磁场传感器元件，其中，所述差分测量信号表示存在于所述第一传感器位置和所述第二传感器位置处的所述磁场之间的差值。
5.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，其中，所述至少两个磁场传感器元件包括：被分组到第一差分对和第二差分对中的第一磁场传感器元件、第二磁场传感器元件和第三磁场传感器元件，以及
所述传感器电路被配置为：生成由所述第一差分对生成的所述传感器信号之间的第一差值，生成由所述第二差分对生成的所述传感器信号之间的第二差值，并且基于所述第一差值与所述第二差值之间的差值生成所述差分测量信号。
6.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，其中，所述磁场的特性响应于目标物体的位置而改变，并且所述差分测量信号表示所述目标物体相对于所述至少两个磁场传感器元件的所述位置。
7.根据权利要求6所述的磁场位置传感器，其中，所述传感器电路还被配置为基于所述差分测量信号，根据铁磁目标相对于所述磁场位置传感器的线性位置，生成输出信号。
8.根据权利要求6所述的磁场位置传感器，其中，所述传感器电路还被配置为基于铁磁目标相对于所述至少两个磁场传感器元件的线性运动，生成输出信号，
其中，所述传感器电路被配置为监测所述差分测量信号，并且响应于触发事件而改变所述输出信号的逻辑状态。
9.根据权利要求8所述的磁场位置传感器，其中，所述触发事件是所述差分测量信号与阈值的交叉，所述阈值对应于所述铁磁目标距离所述至少两个磁场传感器元件的预定距离。
10.根据权利要求6所述的磁场位置传感器，其中，所述目标物体被配置为在线性路径中跨所述磁场位置传感器横向移动，以及
其中，所述至少两个磁场传感器元件共享敏感轴线，并且所述线性路径与所述敏感轴线正交或者平行。
11.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，还包括：
反偏置磁体，所述反偏置磁体被配置为产生所述磁场的至少一部分，
其中，所述至少两个磁场传感器元件和所述传感器电路被集成在半导体裸片上，以及
所述半导体裸片和所述反偏置磁体被包含在半导体封装中。
12.根据权利要求1所述的磁场位置传感器，其中，所述传感器电路被配置为：通过抵消由第一磁场传感器元件测量的第一外部杂散磁场分量和由第二磁场传感器元件测量的第二外部杂散磁场分量，来生成所述差分测量信号。
13.一种磁场感测方法，包括：
在至少两个感测位置处测量磁场的同一磁场分量；
基于在所述至少两个感测位置中测量所述磁场的所述同一磁场分量，来生成传感器信号，所述传感器信号包括针对每个感测位置的传感器信号；以及
基于所述传感器信号来生成差分测量信号。
14.根据权利要求13所述的磁场感测方法，其中，所述同一磁场分量是平面内磁场分量。
15.根据权利要求13所述的磁场感测方法，其中，所述至少两个磁场传感器元件共享敏感轴线。
16.根据权利要求13所述的磁场感测方法，其中，所述差分测量信号表示存在于第一感测位置处的所述磁场与存在于第二感测位置处的所述磁场之间的差值。
17.根据权利要求13所述的磁场感测方法，还包括：
将第一磁场传感器元件、第二磁场传感器元件和第三磁场传感器元件分组到第一差分对和第二差分对中，以及
生成所述差分测量信号包括：
生成由所述第一差分对生成的所述传感器信号之间的第一差值；
生成由所述第二差分对生成的所述传感器信号之间的第二差值；以及
基于所述第一差值与所述第二差值之间的差值，生成所述差分测量信号。
18.根据权利要求13所述的磁场感测方法，其中，所述磁场的特性响应于目标物体的位置而改变，并且所述差分测量信号表示所述目标物体相对于所述至少两个感测位置的所述位置。
19.根据权利要求18所述的磁场感测方法，还包括：
基于所述差分测量信号，根据铁磁目标相对于所述至少两个感测位置的线性位置，生成输出信号。
20.据权利要求18所述的磁场感测方法，还包括：
基于铁磁目标相对于所述至少两个感测位置的线性运动来生成输出信号，包括监测所述差分测量信号、以及响应于触发事件而改变所述输出信号的逻辑状态。
21.据权利要求20所述的磁场感测方法，其中，所述触发事件是所述差分测量信号与阈值的交叉，所述阈值对应于所述铁磁目标距离所述至少两个感测位置的预定距离。
22.据权利要求13所述的磁场感测方法，其中：
生成所述差分测量信号包括：抵消在第一感测位置处测量的第一外部杂散磁场分量和在第二感测位置处测量的第二外部杂散磁场分量。
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