CN109154639B - 用于测量外部磁场的磁场传感器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量外部磁场(100)的磁场传感器(1；2；4；6)，具有传感器装置(107；607)；和磁通导体组件(110；210；410；610)，该磁通导体组件具有至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)，所述可切换元件构造为用于将外部磁场(100)的磁通根据所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态转向到传感器装置(107；607)上，其中，所述传感器装置(107；607)设计为用于测量所述外部磁场(100)的经转向的磁通；和分析处理装置(111)，所述分析处理装置设计为用于根据由所述传感器装置(107；607)测量出的所述外部磁场(100)的经转向的磁通和所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态求取所述外部磁场(100)的值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量外部磁场的磁场传感器和一种用于测量外部磁场的方法。
背景技术
为了能够用移动设备尽可能准确地探测例如地球磁场的小磁场，需要具有低耗电的噪声少的测量系统。为此已知用于测量磁场的传感器的多种变型，所述传感器基于不同的物理测量原理。然而，如果试图通过在较长时段上求平均使噪声最小化，则出现以下问题：通过1/f噪声产生测量精度的原理上的限制。
为了抑制1/f噪声，对于霍尔传感器已知自旋电流技术(Spinning-Current)，在该自旋电流技术中，在霍尔传感器内的电流方向以预给定的顺序变化。通过这样连续改变的电流方向，将霍尔传感器的测量方向调换。通过测量电流的快速周期性的转向可以区分由1/f噪声引起的偏移和指示磁场强度的实际信号。由WO2009/019025A1已知这种自旋电流霍尔传感器。
然而，TMR传感器或GMR传感器优选用于移动设备的使用，因为它们比霍尔传感器更省电。TMR传感器基于隧穿磁阻(TMR)，其中，隧道电流根据两个薄磁层的磁定向而改变。GMR传感器基于巨磁阻(GMR)，该巨磁阻出现在具有不同磁性和非磁性薄层的结构中。在此，电阻取决于这些不同层的磁化的相互取向。
TMR传感器和GMR传感器具有强1/f噪声。然而，霍尔传感器的自旋电流原理不能直接应用于TMR传感器和GMR传感器，因为测量电流的转向不会导致测量信号的逆转。
发明内容
本发明提供一种用于测量外部磁场的磁场传感器和一种用于测量外部磁场的方法。
因此，根据第一方面设置一种用于测量外部磁场的磁场传感器，该磁场传感器包括传感器装置和磁通导体组件。所述磁通导体组件具有至少一个可切换元件，该可切换元件构造为用于将外部磁场的磁通根据所述至少一个可切换元件的切换状态转向到传感器装置上。此外，传感器装置设计为用于测量外部磁场的经转向的磁通。此外，磁场传感器具有分析处理装置，该分析处理装置设计为用于根据由传感器装置测量出的、外部磁场的经转向的磁通和所述至少一个可切换元件的切换状态来求取外部磁场的值。
根据另一方面，本发明涉及一种用于测量外部磁场的方法，其中，在第一方法步骤中，将外部磁场的磁通通过磁通导体组件根据磁通导体组件的所述至少一个可切换元件的切换状态转向到传感器装置上。在另一方法步骤中，通过传感器装置测量经转向的磁场的磁通，并且随后，根据测量出的经转向的磁场的测量出的磁通和所述至少一个可切换元件的切换状态求取外部磁场的值。
本发明还提出优选的实施方式。
本发明提供一种磁场传感器，该磁场传感器具有极大减低的噪声性，因为可以去除1/f噪声量值。为此，通过改变可切换元件的切换状态使外部磁场相应地转向。类似于霍尔传感器的自旋电流原理，可以通过外部磁场的调制或者说转向实现由传感器装置测量出的经转向的磁通在不同切换状态中的周期性逆转。通过外部磁场的这种磁调制，可以区分偏移和指示外部磁场的实际大小的信号。
根据磁场传感器的一个优选的扩展方式，所述至少一个可切换元件这样地布置，使得外部磁场的磁通在所述至少一个可切换元件的第一或第二切换状态中转向到朝传感器装置的方向上，这些方向关于传感器装置的测量方向互逆。因此，通过改变可切换元件的切换状态，可以使作用到传感器装置上的磁场的磁通方向换向。
根据一个优选的扩展方式，传感器装置包括至少一个TMR传感器元件和/或GMR传感器元件。
根据磁场传感器的一个优选的扩展方式，可切换元件具有用于使外部磁场的磁通转向的磁通导体元件，所述外部磁场可以在饱和状态和不饱和状态之间切换。磁通导体元件被理解为由可磁化材料制成的组成部分，该组成部分构造为用于传导和转向外部磁场。在饱和状态中，磁通导体元件的材料达到饱和磁化，使得磁通导体元件的磁导性能急剧下降。因此，这样的磁通导体元件具有以下优点：能够根据切换状态执行外部磁场的磁通的转向，因为磁通导体元件在不饱和状态中可以良好地传导外部磁场的磁通，而在饱和状态中不能够或仅能少量地传导外部磁场的磁通。
根据磁场传感器的一个优选的扩展方式，可切换元件具有磁场产生装置，该磁场产生装置构造为用于通过施加磁控制场在磁通导体元件的饱和状态和不饱和状态之间切换。通过施加大的磁控制场，可使磁通导体元件进入到饱和状态中，并从而不再能够传导外部磁场的磁通。
根据一个优选的扩展方式，磁场传感器具有控制装置，该控制装置构造为用于通过适配流过布置在磁通导体元件中的电流导体的电流的电流强度来在磁通导体元件的饱和状态和不饱和态之间切换。根据电流强度在磁通导体元件中感生出磁场，使得可以通过施加足够大的电流使磁通导体元件进入到饱和状态中。
根据磁场传感器的一个优选的扩展方式，可切换元件具有调温装置，该调温装置构造为用于通过适配磁通导体元件的温度来在磁通导体元件的饱和状态和不饱和状态之间切换。因为磁化取决于所施加的温度，所以可以通过改变温度在饱和状态和不饱和状态之间来回切换。
根据磁场传感器的一个优选的扩展方式，磁通导体组件具有可磁化的屏蔽设备，该屏蔽设备构造为用于对传感器装置至少区域地屏蔽外部磁场。所述至少一个可切换元件包括电流导体，电流导体被可接通或关断的电流流过。该电流导体布置在屏蔽设备上并且构造为用于使能够在屏蔽设备中感生出的磁场在部分区域中饱和，使得外部磁场的磁通穿过所述部分区域被转向到传感器装置。根据切换状态，外部磁场的磁通可以有针对性地被转向到传感器装置上。尤其，在不同的切换状态中，可以逆转外部磁场的磁通转向到传感器装置上的方向。
根据本发明方法的一个优选的扩展方式中，所述至少一个切换元件的切换状态被周期性地改变并且外部磁场通过比较平均值来求取，所述平均值通过对在对应切换状态中测量出的、经转向的磁场的磁通的值求平均来求取。通过周期性变化可以计算偏移并且因此可以去除1/f噪声。
附图说明
附图示出了：
图1根据第一实施方式的磁场传感器的示意性的俯视图；
图2根据第二实施方式的磁场传感器的示意性的俯视图；
图3根据第二实施方式的磁通导体元件的示意性的横截面视图；
图4根据第三实施方式的磁场传感器的示意性的横截面视图；
图5根据第三实施方式的磁场传感器的示意性的横截面视图；
图6根据第四实施方式的磁场传感器示意性的横截面视图；
图7根据另一实施方式的屏蔽设备的示意性的横截面视图；和
图8根据一个实施方式的根据本发明的用于测量外部磁场的方法的流程图。
在所有附图中，相同或者功能相同的元件和设备设有相同的附图标记。只要没有其它规定，实施方式能够任意地相互组合。
具体实施方式
图1示出了用于测量外部磁场100的磁场传感器1的示意性的俯视图。磁场传感器1具有传感器装置107，该传感器装置优选构造为TMR传感器或GMR传感器。然而，根据另外的实施方式，传感器装置107也可以包括多个TMR传感器元件和/或GMR传感器元件。例如，传感器装置107可以包括三个TMR传感器元件和/或GMR传感器元件，所述TMR传感器元件和/或所述GMR传感器元件优选相对彼此成直角地布置并且构造为用于测量外部磁场100的三维走势。
此外，磁场传感器1具有磁通导体组件110，该磁通导体组件包括四个围绕传感器装置107布置的可切换元件101,102,103,104。可切换元件101,102,103,104分别包括磁通导体元件101b,102b,103b,104b，所述磁通导体元件由可磁化材料，尤其镍或铁构成并且定向为用于使外部磁场100的磁通转向。磁通导体元件101b至104b具有细长的形状，其中，纵长方向垂直于传感器装置107的测量方向109定向。
磁场传感器1优选这样地定向，使得外部磁场100的方向平行于磁通导体元件101b至104b的纵长方向。然而，本发明不局限于此，而是更确切地说能够应用于磁场传感器1的任意取向。
此外，可切换元件101至104包括磁场产生装置101a至104a，例如电磁线圈，所述磁场产生装置分别相邻于磁通导体元件101b至104b布置并且设计为用于通过产生磁控制场将相应的磁通导体元件101b至104b从不饱和状态转变到饱和状态中。因此可以通过由磁场产生装置101a至104a施加和关断磁控制场，在磁通导体元件101b至104b的饱和状态和不饱和状态之间切换。磁场产生装置101a至104a优选这样地设置，使得产生的磁控制场不影响或仅少量影响各其它磁通导体元件101b至104b。
磁通导体元件101b至104b这样地布置，使得在第一切换状态中，外部磁场100的磁通被转向到沿传感器装置107的测量方向109。
在第一切换状态中，左上方的磁通导体元件101b和右下方的磁通导体元件104b进入到饱和状态中，使得它们并不传导外部磁场100的磁通，而左下方的磁通导体元件103b和右上方的磁通导体元件102b进入到不饱和状态中并且传导外部磁场100的磁通。因此，外部磁场的磁通这样地转向，使得外部磁场100的磁通通过左下方的磁通导体元件103b被转向到传感器装置107的下端部并且进一步沿着基本上相应于测量方向109的第一转向方向108转向到右上方的磁通导体元件102b并且转向成穿过该磁通导体元件。传感器装置107设计为用于测量外部磁场100的经转向的磁通。
在第二切换状态中，外部磁场100的磁通与传感器装置107的测量方向109相反地转向。
在此，左下方的磁通导体元件103b和右上方的磁通导体元件102b进入到饱和状态中，使得它们并不传导外部磁场100的磁通，而左上方的磁通导体元件101b和右下方的磁通导体元件104b进入到不饱和状态中并且传导外部磁场100的磁通。外部磁场的磁通这样地转向，使得外部磁场100的磁通通过左上方的磁通导体元件101b被转向到传感器装置107的上端部并且进一步沿着基本上与测量方向109相反的第二转向方向106被转向到右下方的磁通导体元件104b并且转向成穿过该磁通导体元件。传感器装置107设计为用于测量外部磁场100的经转向的磁通。
因此，在可切换元件101至104的第一切换状态中，外部磁场100的磁通沿第一转向方向108被转向，该第一转向方向与在可切换元件101至104的第二切换状态中的第二转向方向106相反。因此，能够通过改变切换状态使外部磁场100的磁通到传感器装置107上的转向方向逆转。
磁通导体元件101b至104b优选具有沿到传感器装置107的纵长方向逐渐变细的形状，以便将外部磁场100的磁通朝传感器装置107聚焦。
可切换元件101至104的形状以及数量或精确位置均不固定。
此外，磁场传感器1包括分析处理装置111，该分析处理装置111设计为用于根据由传感器装置107测量的、外部磁场100的经转向的磁通以及可切换元件101至104的切换状态求取外部磁场100的值。在此，可以类似于由现有技术已知的用于霍尔传感器的自旋电流方法来执行所述求取。
根据一个实施方式，切换元件101至104的切换状态可以在第一切换状态和第二切换状态之间被周期性地改变。分析处理装置111设计为用于通过求由传感器装置107在第一切换状态及第二切换状态中测量出的外部磁场100的经转向的磁通值的平均值来对应地确定第一磁场值及第二磁场值。此外，分析处理装置111构造为用于通过比较第一磁场值和第二磁场值来求取外部磁场100的值。在此，分析处理装置111通过所述比较来计算由于1/f噪声造成的偏移以及外部磁场100的实际值。
在图2中图示出根据本发明第二实施方式的磁场传感器2的俯视图，该第二实施方式与第一实施例的区别在于磁通导体组件210的构型。所述磁通导体组件具有四个可切换元件201至204，所述可切换元件包括由可磁化的材料，尤其镍或铁制成的磁通导体元件201b至204b，所述磁通导体元件围绕对应的电流导体201a至204a构造并且例如具有柱体的形状。在图3中图示出这种可切换元件201的示例性的横截面。
控制装置205构造为用于控制流过相应的电流导体201a至204a的电流强度，以便在相应的磁通导体元件201b至204b的饱和状态和不饱和状态之间切换。在高电流强度时，感生出强磁场，使得磁通导体元件201b至204b变换或者说切换到饱和状态中，并且在电流强度减小或关断时，磁通导体元件201b至204b又变换到不饱和状态中。除此之外，磁场传感器2的布置和作用方式相应于第一实施方式，因此不再重复。
图4示出根据本发明另一实施方式的磁场传感器4的横截面图，图5示出所述磁场传感器4的俯视图。磁场传感器4的磁通导体组件410具有四个可切换元件401至404。所述可切换元件401至404具有细长的形状，其中，纵长方向相应于传感器装置107的测量方向109。左上方的可切换元件401和右下方的可切换元件404具有比左下方的可切换元件403和右上方的可切换元件402大的长度。因此在投影到纵长方向上时，存在左上方的可切换元件401、右下方的可切换元件404和布置在磁通导体元件401至404之间的传感器装置107之间的重叠区域。
磁场传感器4优选这样地定向，使得传感器装置107的测量方向109平行于外部磁场100定向。
如在图5中示例性地图示出左上方的可切换元件401和右上方的可切换元件402，可切换元件401至404具有对应的磁通导体元件401b至404b以及致动器401a,402a，其中，致动器401a,402a构造为用于这样地操控磁通导体元件401b,402b，使得所述磁通导体元件可以在饱和状态和不饱和状态之间切换。致动器401a,402a可以包括在图1中图示出的磁场产生装置101a至104a，然而也可以包括调温装置，该调温装置构造为用于通过适配磁通导体元件401b至404b的温度来在磁通导体元件401b，402b的饱和状态和不饱和态之间切换。
根据另一实施方式，致动器401a,402a构造为用于施加压力到磁通导体元件401b,402b上。
磁通导体元件401b至404b这样地布置，使得在第一切换状态或者第二切换状态中，外部磁场100的磁通对应地沿着或逆着传感器装置107的测量方向109被转向。
在第一或者第二切换状态中，左上方的磁通导体元件101b和右下方的磁通导体元件104b对应地进入到饱和状态或者不饱和状态中，而左下方的磁通导体元件103b和右上方的磁通导体元件102b对应地进入到不饱和状态或者饱和状态中。因此，在第一或第二切换状态中，外部磁场100的磁通对应地沿基本上相应于测量方向109的第一转向方向408或者沿基本上与测量方向109相反的第二转向方向406转向。另外的作用方式相应于上面所说明的实施方式。
在图6中图示出根据本发明第四实施方式的磁场传感器6。该磁场传感器6具有屏蔽设备605，该屏蔽设备由可磁化的材料、尤其镍或铁构成，环形地围绕传感器装置607布置，并且对传感器装置607至少区域地屏蔽外部磁场100。传感器装置607包括第一传感器元件606和第二传感器元件608，它们相对彼此垂直地布置并且对应地具有第一测量方向611和第二测量方向609。在屏蔽设备605上布置有四个可切换元件601至604。可切换元件601至604分别包括布置在环形屏蔽设备605中的孔601a至604a，以及电流导体601b至604b，所述电流导体穿过对应的孔601a至604a绕着屏蔽设备605卷绕。电流导体601b至604b构成线圈，其中，通过以磁场传感器6的未示出的控制装置接通和关断电流，屏蔽设备605围绕对应的孔601a至604a的对应的部分区域能够在饱和状态和不饱和状态之间切换。
如果一对应的部分区域处于饱和状态中，那么外部磁场100不再被屏蔽，而是通过对应的孔601a至604a转向到传感器装置607。
可切换元件601至604分别90°错开地布置在可磁化的屏蔽设备605上。在第一切换状态中，绕着左上方的可切换元件601及右下方的可切换元件604的孔601a,604a的部分区域通过调整经过相应的电流导体601b,604b的电流强度而处于饱和状态中，而绕着左下方的可切换元件603及右上方的可切换元件602的部分区域通过关断经过相应的电流导体603b,602b的电流强度而处于不饱和状态中，使得外部磁场100的磁通可以穿过绕着左上方的可切换元件601的孔601a的部分区域到达传感器装置607并且沿着第一转向方向612穿过屏蔽设备605的绕着右下方的可切换元件604的孔604a的部分区域穿出。
在第二切换状态中，绕着左上方的可切换元件601或者右下方的可切换元件604的孔601a,604a的部分区域通过关断经过相应的电流导体601b,604b的电流强度而处于不饱和状态中，而绕着左下方的可切换元件603或者右上方的可切换元件602的部分区域通过调整经过相应的电流导体603b,602b的电流强度而处于饱和状态中，使得外部磁场100的磁通可以穿过绕着左下方的可切换元件603的孔603a的部分区域到达传感器装置607并且沿着与第一转向方向612相比旋转90度的第二转向方向613穿过屏蔽设备605的绕着右上方的可切换元件602的孔602a的部分区域穿出。
进一步的分析处理类似于上面所说明的实施方式。
根据另一实施方式，与在图7中的第四实施方式不同，磁通导体组件具有在横截面中局部地图示出的屏蔽设备703，该屏蔽设备由两个可磁化的彼此叠置的环形的屏蔽环701,702构成。所述屏蔽环701,702相应于第四实施方式的屏蔽设备605。代替在图6中图示出的电流导体601b至604b，屏蔽环701,702在可切换元件601至604的区域中以电流导体704,705缠绕，由此能够通过适配电流强度感生出磁场，从而屏蔽设备703的围绕电流导体704,705的部分区域能够从不饱和状态进入到饱和状态中。除此之外，作用方式相应于第四实施方式。
图8示出用于阐述测量外部磁场的方法的流程图。在第一步骤S1中，将外部磁场的磁通通过磁通导体组件根据磁通导体组件的至少一个可切换元件的切换状态被转向到传感器装置上。为此，优选使用上面所说明的磁场传感器中的一个磁场传感器。
在第二步骤S2中，通过传感器装置测量经转向的磁场的磁通。在进一步的步骤S3中，根据经转向的磁场的测量出的磁通和所述至少一个可切换元件的切换状态求取外部磁场100的值。
根据另一实施方式，所述至少一个可切换元件的切换状态被周期性地改变。外部磁场100可以通过比较平均值来求取，所述平均值通过对在对应的切换状态中测量出的经转向的磁场100的磁通值求平均来计算。
Claims (9)
1.一种用于测量外部磁场(100)的磁场传感器(1；2；4；6)，具有
-传感器装置(107；607)和
-磁通导体组件(110；210；410；610)，该磁通导体组件具有至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)，所述可切换元件构造为用于将所述外部磁场(100)的磁通根据所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态转向到所述传感器装置(107；607)上，其中，所述传感器装置(107；607)设计为用于测量所述外部磁场(100)的经转向的磁通，其中，所述可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)具有用于使所述外部磁场(100)的磁通转向的磁通导体元件(101b至104b；201b至204b；401b至404b)，所述磁通导体元件能够在饱和状态和不饱和状态之间切换；和
-分析处理装置(111)，所述分析处理装置设计为用于根据由所述传感器装置(107；607)测量出的、所述外部磁场(100)的经转向的磁通和所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态求取所述外部磁场(100)的值。
2.按照权利要求1所述的磁场传感器(1；2；4；6)，其中，所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)布置成，使得所述外部磁场(100)的磁通在所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的第一切换状态及第二切换状态中沿互逆的方向被转向到所述传感器装置(107；607)上，所述互逆的方向是关于所述传感器装置(107；607)的测量方向而言。
3.按照权利要求1或2所述的磁场传感器(1；2；4；6)，其中，所述传感器装置(107；607)包括至少一个TMR传感器元件和/或GMR传感器元件。
4.按照权利要求1或2所述的磁场传感器(1；4)，其中，所述可切换元件(101至104；201至204；401至404)具有磁场产生装置(101a至104a；401a,404a)，所述磁场产生装置构造为用于通过施加磁控制场来在所述磁通导体元件(101b至104b；401b至404b)的饱和状态和不饱和状态之间切换。
5.按照权利要求1或2所述的磁场传感器(2；6)，具有控制装置(205)，所述控制装置构造为用于通过适配流过在所述磁通导体元件(201b至204b)中布置的电流导体(201a至204a)的电流的电流强度来在所述磁通导体元件(201b至204b)的饱和状态和不饱和态之间切换。
6.按照权利要求1或2所述的磁场传感器(4)，其中，所述可切换元件(101至104；201至204；401至404)具有调温装置，所述调温装置构造为用于通过适配所述磁通导体元件(401b至404b)的温度来在所述磁通导体元件(401b至404b)的饱和状态和不饱和状态之间切换。
7.按照权利要求1或2所述的磁场传感器(6)，其中，所述磁通导体组件(610)具有可磁化的屏蔽设备(605)，所述屏蔽设备构造为用于对所述传感器装置(607)至少区域地屏蔽所述外部磁场(100)，并且其中，所述至少一个可切换元件(601至604)包括被能接通和关断的电流流过的电流导体(601b至604b)，所述电流导体布置在所述屏蔽设备(605)上并且构造为用于使能够在所述屏蔽设备(605)中感生出的磁场在部分区域中饱和，使得所述外部磁场(100)的磁通穿过所述部分区域被转向到所述传感器装置(607)。
8.一种用于测量外部磁场(100)的方法，具有以下步骤：
将所述外部磁场(100)的磁通通过磁通导体组件(110；210；410；610)根据所述磁通导体组件(110；210；410；610)的至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态转向(S1)到传感器装置(107；607)上，其中，所述可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)具有用于使所述外部磁场(100)的磁通转向的磁通导体元件(101b至104b；201b至204b；401b至404b)，所述磁通导体元件能够在饱和状态和不饱和状态之间切换；
通过所述传感器装置(107；607)测量(S2)经转向的磁场(100)的磁通，和
根据测量出的、经转向的磁场(100)的磁通和所述至少一个可切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态求取(S3)所述外部磁场(100)的值。
9.按照权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个切换元件(101至104；201至204；401至404；601至604)的切换状态被周期性地改变，并且，所述外部磁场(100)通过比较平均值来求取，其中，所述平均值通过对在对应的切换状态中测量出的、经转向的磁场(100)的磁通的值求平均来计算。
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