CN109254252B - 具有磁场屏蔽结构的磁场传感器及结合磁场传感器的系统 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括至少一个磁场传感器，所述至少一个磁场传感器具有在基板上形成的磁感测元件。所述感测元件感测沿着朝向平行于所述基板的表面的第一方向的感测轴的磁场。屏蔽结构在所述基板上形成。所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，并且所述磁感测元件被安置在所述屏蔽部分之间。所述屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段。所述主体平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且平行于所述基板的所述表面。所述边沿段基本上平行于所述第一方向对准。所述屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述边沿段朝彼此延伸。

Description

具有磁场屏蔽结构的磁场传感器及结合磁场传感器的系统
技术领域
本发明总体上涉及磁场传感器。更具体地说，本发明涉及具有集成的磁场屏蔽的磁场传感器以及结合用于测量磁场同时抑制杂散磁场的磁场传感器的系统。
背景技术
出于速度和方向感测、旋转角感测、接近度感测等目的，磁场传感器系统在各种商业、工业和自动化应用中用于测量磁场。沿着磁场传感器的非感测轴的杂散磁场可以改变传感器的灵敏度和线性范围，因此负面地影响磁场检测质量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种磁场传感器，包括：
在基板上形成的磁感测元件，所述磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面；以及
在所述基板上形成的屏蔽结构，所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，所述磁感测元件被安置在所述第一与第二屏蔽部分之间，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段，所述主体基本上平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的所述表面，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准，所述第一和第二屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述第一和第二边沿段朝彼此延伸。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构被配置成抑制沿着所述第二方向上的非感测轴的杂散磁场，其中，所述第一和第二边沿段的长度确定抑制量值，使得所述第一和第二边沿段在所述第一方向上的较大的长度产生对所述杂散磁场的较大的抑制，并且所述第一和第二边沿段在所述第一方向上的较短的长度产生对所述杂散磁场的较小的抑制。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的所述主体包括：
第一端区段，所述第一端区段耦合至所述第一边沿段；
第二端区段，所述第二端区段耦合至所述第二边沿段，所述第一和第二端区段中的每一个端区段具有第一侧壁；以及
中间区段，所述中间区段插入在所述第一与第二端区段之间，所述中间区段具有第一区段侧壁，所述第一区段侧壁耦合至所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁并与其邻接，所述第一区段侧壁与所述磁感测元件间隔开一定的间隙，其中，所述中间区段的所述第一区段侧壁在所述第一方向上以第一距离横向地偏离所述磁感测元件的中心线，并且所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁远离所述磁感测元件的所述中心线横向地成锥形，从所述第一区段侧壁与所述第一侧壁的交叉点处的所述第一距离到所述第一侧壁与所述第一和第二边沿段中的对应边沿段的交叉点处的第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
在一个或多个实施例中，所述中间区段包括在所述第一方向上以所述中间区段的宽度与所述第一区段侧壁分离的第二区段侧壁，并且所述主体的所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段具有第二侧壁，所述第二侧壁耦合至所述第二区段侧壁并与其邻接，所述第二侧壁远离所述第二区段侧壁朝所述第一侧壁横向地成锥形。
在一个或多个实施例中，所述中间区段包括在所述第一方向上以所述中间区段的宽度与所述第一区段侧壁分离的第二区段侧壁，并且所述主体的所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段具有第二侧壁，所述第二侧壁耦合至所述第二区段侧壁并与其邻接，所述第二侧壁被朝向成基本上平行于所述主体的所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁。
在一个或多个实施例中，所述宽度是第一宽度，并且所述第一和第二端区段中的每一个端区段在所述第一方向上展现基本上等于所述第一宽度的第二宽度。
在一个或多个实施例中，所述中间区段包括在所述第一方向上以所述中间区段的宽度与所述第一区段侧壁分离的第二区段侧壁，并且所述主体的所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段具有第二侧壁，所述第二侧壁耦合至所述第二区段侧壁并与其邻接，所述第二侧壁在所述第二方向上与所述第二区段侧壁纵向地对准。
在一个或多个实施例中，所述磁感测元件具有朝向所述第二方向的第一长度；并且
所述主体的所述中间区段具有朝向所述第二方向的第二长度，所述第二长度不小于所述磁感测元件的所述第一长度。
在一个或多个实施例中，所述磁感测元件被嵌入在所述基板的所述表面上的保护材料层内，并且所述屏蔽结构在所述保护材料层的外表面上形成。
在一个或多个实施例中，所述磁感测元件被嵌入在所述基板的所述表面上的保护材料层内，并且所述屏蔽结构的至少一部分被嵌入在所述保护材料层内。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分具有锥形轮廓，使得所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的最靠近所述磁感测元件的第一侧壁具有第一厚度，并且所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的最远离所述磁感测元件的第二侧壁具有大于所述第一厚度的第二厚度。
在一个或多个实施例中，所述第一侧壁以第一距离与所述基板的所述表面间隔开，并且所述第二侧壁以第二距离与所述基板的所述表面间隔开，所述第二距离小于所述第一距离。
在一个或多个实施例中，所述磁场传感器进一步包括接近所述磁感测元件的偏置磁体，所述偏置磁体被配置成产生朝向所述第二方向的偏置磁场。
在一个或多个实施例中，所述磁场传感器进一步包括编码器，所述编码器被配置成产生所述测量磁场。
根据本发明的第二方面，提供一种系统，包括：
在基板上形成的磁感测元件，所述磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面；
在所述基板上形成的屏蔽结构，所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，所述磁感测元件被安置在所述第一与第二屏蔽部分之间，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段，所述主体基本上平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的所述表面，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准，所述第一和第二屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述第一和第二边沿段朝彼此延伸；
接近所述磁感测元件的偏置磁体，所述偏置磁体被配置成产生朝向所述第二方向的偏置磁场；以及
编码器，所述编码器被配置成产生所述测量磁场。
根据本发明的第三方面，提供一种系统，包括：
在基板的表面上形成的第一梯度单元，所述第一梯度单元包括：
第一磁感测元件，所述第一磁感测元件被安置在第一屏蔽结构的第一与第二屏蔽部分之间；以及
第二磁感测元件，所述第二磁感测元件被安置在第二屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间，所述第一和第二磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的第一感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面；
在所述基板上形成的第二梯度单元，所述第二梯度单元相对于所述第一梯度单元旋转九十度并且相对于垂直于所述基板的所述表面的旋转轴与所述第一梯度单元间隔开九十度，所述第一和第二梯度单元位于远离所述旋转轴的相同径向距离，所述第二梯度单元包括：
第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被安置在第三屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间；以及
第四磁感测元件，所述第四磁感测元件被安置在第四屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间，所述第三和第四磁感测元件被配置成感测沿着朝向第二方向的第二感测轴的所述测量磁场，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的表面；以及
磁体，所述磁体被配置成相对于所述第一和第二梯度单元绕所述旋转轴旋转，所述磁体产生作为基本上平行于所述基板的所述表面的梯度磁场的所述测量磁场，所述梯度磁场可由所述第一和第二梯度单元检测。
在一个或多个实施例中，所述第一磁感测元件与所述第二磁感测元件横向地间隔开一定的距离；并且
所述第三磁感测元件与所述第四磁感测元件横向地间隔开所述距离。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段；
对于所述第一和第二磁感测元件，所述主体基本上平行于所述第二方向对准，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准；并且
对于所述第三和第四磁感测元件，所述主体基本上平行于所述第一方向对准，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第二方向对准。
在一个或多个实施例中，所述磁体包括直径上磁化的盘状磁体。
在一个或多个实施例中，所述第一磁感测元件被配置成响应于所述径向磁场而产生第一输出信号，所述第二磁感测元件被配置成响应于所述径向磁场而产生第二输出信号，所述第三磁感测元件被配置成响应于所述径向磁场而产生第三输出信号，所述第四磁感测元件被配置成响应于所述径向磁场而产生第四输出信号，并且所述系统进一步包括处理电路，所述处理电路与所述第一和第二梯度单元电耦合，其中，所述处理电路被配置成：
产生作为所述第一与第二输出信号之间的差的第一差分输出信号，所述第一与第二输出信号之间的所述差消除第一磁干扰场；
产生作为所述第三与第四输出信号之间的差的第二差分输出信号，所述第三与第四输出信号之间的所述差消除第二磁干扰场；并且
利用所述第一和第二差分输出信号识别所述永久盘状磁体相对于所述第一和第二梯度单元的角位置。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来全部根据本发明进一步说明各实施例并解释各种原理和优势，在附图中，相似附图标记在各个视图中指代相同或功能相似的元素，附图不必按比例绘制，并且和以下详细说明合并在一起组成说明书的一部分。
图1示出了包括各自被屏蔽结构包围的磁感测元件的磁场传感器的顶视图；
图2示出了用于进行旋转速度测量的系统的简化局部侧视图；
图3示出了根据实施例的展示屏蔽结构的几何配置的磁感测元件和屏蔽结构的顶视图；
图4示出了根据另一个实施例的展示屏蔽结构的几何配置的磁感测元件和屏蔽结构的顶视图；
图5示出了根据另一个实施例的展示屏蔽结构的几何配置的磁感测元件和屏蔽结构的顶视图；
图6示出了展示屏蔽结构的基线几何配置的磁感测元件和屏蔽结构的顶视图；
图7示出了展示具有尖锐边缘的配置的屏蔽结构的放大局部顶视图；
图8示出了展示具有圆形边缘的配置的屏蔽结构的放大局部顶视图；
图9示出了集成到基板上的磁感测元件和屏蔽结构的局部侧视图；
图10示出了根据另一个实施例的集成到基板上的磁感测元件和屏蔽结构的局部侧视图；
图11示出了根据另一个实施例的集成到基板上的磁感测元件和屏蔽结构的局部侧视图；
图12示出了根据另一个实施例的集成到基板上的磁感测元件和屏蔽结构的局部侧视图；
图13示出了展示抑制沿着非感测轴的杂散磁场的磁感测元件和屏蔽结构的简化顶视图；
图14示出了展示感测沿着感测轴的测量磁场的磁感测元件和屏蔽结构的简化顶视图；
图15示出了展示由于不同磁非感测轴场所产生的感测磁场的变化的曲线图；
图16示出了用于进行旋转角感测的系统的简化局部侧视图；
图17示出了图16的系统的简化顶视图；
图18示出了旋转磁体相对于图16的系统的磁感测元件的可能位置的表；
图19示出了图16的系统的框图；
图20示出了沿着图16的系统的第一梯度单元的感测轴的方向的磁场梯度的曲线图；
图21示出了沿着图16的系统的第二梯度单元的感测轴的方向的磁场梯度的曲线图；
图22示出了图16的第一和第二梯度单元处的径向磁场分量随旋转角的变化的曲线图；并且
图23示出了示出可以可替换地合并到图16的系统中的梯度单元的位置的不同简化顶视图。
具体实施方式
概括来说，本公开涉及磁场传感器以及具有用于测量磁场同时抑制杂散磁场的集成的磁场屏蔽结构的磁场传感器系统。更具体地说，磁场传感器包括各自被磁场屏蔽结构包围的一个或多个磁感测元件。屏蔽结构的特定几何配置可以变化以提供对沿着磁感测元件的非感测轴的杂散磁场的屏蔽或抑制，而具有对沿着磁感测元件的感测轴的测量磁场的微小增益或几乎没有增益。另外，屏蔽结构的几何参数可以变化以独立地调整沿着感测轴的增益以及沿着非感测轴的抑制。磁场屏蔽结构可以与磁感测元件垂直地整合以便实现尺寸减小和成本节约。另外，出于速度和方向感测、旋转角感测、接近度感测等目的，具有屏蔽结构的磁场感测元件可以被实现为各种系统配置。
本公开被提供用于在申请时以使能的方式进一步解释实施和使用根据本发明的各实施例的最佳方式。本公开被进一步提供用于提高对本发明原理及其优点的理解和了解，而不是以任何方式对本发明进行限制。本发明仅由所附权利要求来限定，所述权利要求书包括本申请未决期间所作的任何修改以及所公布的权利要求书的所有等效物。
应理解的是，相关术语的使用(如果有的话)，如第一和第二、顶部和底部等只用于彼此区分实体或动作，而不一定要求或暗示这种实体或动作之间任何实际的这种关系或顺序。此外，可以使用各种阴影和/或剖面线来示出附图中的一些以便区分不同结构层内所产生的不同元件。可以利用当前以及即将到来的沉积、图案化、蚀刻等微制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管使用不同阴影和/或剖面线进行说明，但是可以由相同材料形成结构层内的不同元件。
参照图1，图1示出了包括各自被屏蔽结构24包围的磁感测元件22的磁场传感器20的顶视图。在实施例中，磁感测元件22和屏蔽结构24在基板28的表面26上或其中形成。磁感测元件22表示各种磁致电阻器中的任何磁致电阻器，如隧道磁电阻(TMR)传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器等。另外，磁感测元件22可以是如点或条带等单一电阻器元件，或者磁感测元件22可以是包括多个单一电阻器元件的阵列。
通常，磁感测元件22被配置成感测沿着朝向第一方向32的感测轴的测量磁场30，所述第一方向32近似平行于基板28的表面26。在此例子中，感测轴与三维坐标系中的Y轴34相对应。如此，Y轴34可以可替换地在本文中被称为感测轴34。屏蔽结构24被配置成抑制沿着朝向第二方向38的非感测轴的杂散磁场36，所述第二方向36垂直于第一方向32并且近似平行于基板28的表面26。在此例子中，非感测轴与三维坐标系中的X轴40相对应。如此，X轴40可以可替换地在本文中被称为非感测轴40。
在此说明中，每个屏蔽结构24包括第一屏蔽部分42和第二屏蔽部分44，其中，磁感测元件22之一被安置在第一与第二屏蔽部分42、44之间。第一和第二屏蔽部分42、44可以由高磁导率的软磁材料(例如，坡莫合金)形成，所述高磁导率的软磁材料被安置在磁感测元件22中的每一个磁感测元件的相对侧上。第一和第二屏蔽部分42、44中的每一个屏蔽部分包括主体46以及分别从主体46的相对端延伸的第一和第二边沿段48、50。主体46基本上平行于第二方向38纵向地对准，并且因此平行于非感测轴40。第一和第二边沿段48、50基本上平行于第一方向32纵向地对准，并且因此平行于感测轴34。第一和第二屏蔽部分42、44被布置成镜像对称，其中，第一和第二屏蔽部分42、44的第一和第二边沿段48、50朝彼此延伸以近似围绕所述磁感测元件22之一。也就是说，第一屏蔽部分42的第一和第二边沿段48、50朝第二屏蔽部分44的第一和第二边沿段48、50延伸，反之亦然。
为了简单说明，仅示出了三个磁感测元件22，所述磁感测元件中的每一个磁感测元件被安置在每个屏蔽结构24的第一和第二屏蔽部分42、44之间。替代实施例可以包括单个或多个磁阻式元件，所述磁阻式元件被布置在同一平面中且横向地间隔开，并且连接成半惠斯通电桥或全惠斯通电桥配置以形成集成到基板28中或其上的一个或多个磁感测元件22。
图2示出了用于进行旋转速度测量的系统52的简化局部侧视图，在所述系统52中可以实现磁场传感器20。磁场传感器(如磁场传感器20)检测已经产生或修改的磁场的变化或干扰，并且因此得出性能信息，如方向、存在、(旋转)速度、角度、或电流。尽管替代实施例可以实现铁磁齿轮或其它类似结构，但是在此例子中，系统52包括用于产生磁场的磁化编码器轮54。图2中示出的存在的北(N)和南(S)极配置是编码器轮的一个例子。其它可能磁化是可能的，如具有交替的北极和南极的齿对齿。可替换的是，如在无源编码器的情况下，编码器轮可能未被磁化。
在此实例配置中，磁场传感器20被配置成测量编码器轮54的旋转速度。因此，磁场传感器20与Y轴34对准以便检测在编码器轮54的交替磁北极和南极在编码器轮54旋转期间经过时所产生的测量磁场30。磁场传感器20将极序列转换成脉冲输出电压，并且可以通过对每秒的脉冲进行计数来得出编码器轮54的旋转速度。如以下将更加详细讨论的，偏置磁体(未示出)可以用于调整磁场传感器20的灵敏度和测量范围。
为了简单说明，图2未示出呈封装形式并附接至对应结构的磁场传感器20。而是，示出了相对于三维坐标系的Z轴56偏离编码器轮54的磁场传感器20。在实际配置中，应当显而易见的是，磁场传感器20将被封装并附接至与编码器轮54有合适接近度的支撑结构。
以下结合图3至图6讨论的屏蔽结构(例如，屏蔽结构24)的特定几何配置可以变化以提供对沿着磁感测元件22的非感测轴40的杂散磁场36(图1)的屏蔽或抑制，而具有对沿着磁感测元件22的感测轴34的测量磁场30的微小增益或几乎没有增益。
现在参照图3，图3示出了根据实施例的展示屏蔽结构24的第一几何配置60的磁感测元件22和屏蔽结构24的顶视图。第一和第二屏蔽部分42、44中的每一个屏蔽部分的主体46包括耦合至第一边沿段48的第一端区段62、耦合至第二边沿段50的第二端区段64以及插入在第一与第二端区段62、64之间的中间区段66。第一和第二端区段62、64中的每一个端区段具有第一侧壁68和第二侧壁70。类似地，中间区段66具有第一区段侧壁72和第二区段侧壁74。中间区段66的第一区段侧壁72耦合至第一和第二端区段62、64中的每一个端区段的第一侧壁68并与其邻接，并且第二区段侧壁74耦合至第一和第二端区段62、64中的每一个端区段的第二侧壁70并与其邻接。包括第一和第二侧壁68、70以及第一和第二区段侧壁72、74的屏蔽结构24平行于Z轴56延伸，并且因此进入图3被绘制的页面。
第一和第二屏蔽部分42、44中的每一个屏蔽部分的主体46的第一区段侧壁72与磁感测元件22横向地间隔开间隙76。另外，第二区段侧壁74在第一方向32上以中间区段66的宽度78与第一区段侧壁72分离。中间区段66的第一区段侧壁72在第一方向32上以第一距离横向地偏离磁感测元件22的中心线80，所述第一距离是W2的一半。在此例子中，第一和第二端区段62、64中的每一个端区段的第一侧壁68远离中心线80成锥形，从第一区段侧壁72与第一侧壁68的交叉点84处的第一距离(所述第一距离是W2的一半)到第一侧壁68与第一和第二边沿段48、50中的对应边沿段的交叉点88处的第二距离(所述第二距离是W2的一半加W3)，使得第二距离大于第一距离。另外，第一和第二端区段62、64中的每一个端区段的第二侧壁70远离第二区段侧壁74朝第一侧壁68成锥形。因此，在所示出的第一几何配置中，第一和第二端区段62、64中的每一个端区段的第一和第二侧壁68、70朝彼此成锥形以便适当地引导杂散磁场38通过中间区段66朝第一和第二边沿段48、50。
在图3中所示出的例子中，屏蔽结构24的第一几何配置60可以由平行于第一方向32的宽度W1表征，所述宽度W1是宽度W2、W3和W4之和。宽度W2表示第一和第二屏蔽部分42、44的第一区段侧壁72之间的间隔。宽度W3表示每个第一和第二屏蔽部分42、44的中间区段66的位于第一区段侧壁72同第一和第二端区段62、64的第一侧壁68与第一和第二边沿段48、50的互连之间的材料部分。宽度W4表示第一和第二端区段62、64与中间区段66的恒定宽度。宽度W5表示每个第一和第二屏蔽部分42、44的中间区段66的位于第二区段侧壁74同第一和第二端区段62、64的第二侧壁70与第一和第二边沿段48、50的互连之间的材料部分。因此，在第一几何配置60中，中间区段66的宽度78等于W3+W4+W5，第一距离是W2的一半，并且第二距离是W2的一半加W3。
尺寸H1是第一和第二屏蔽部分42、44平行于第二方向38的总长度。尺寸H2是中间区段66在第二方向38上的长度，并且尺寸H3是第一和第二边沿段48、50在第二方向38上的宽度。在实施例中，朝向第二方向38的H2不小于磁感测元件22在第二方向38上的长度90。然而，在替代实施例中，H2可以小于或等于长度90。
一些先前技术系统可以经历在存在非常高的测量磁场30时的饱和效应。例如，速度感测应用可以经历大约60kA/m的测量磁场30，其中，kA/m表示每米千安培。屏蔽结构的饱和可以导致μr从远大于一(如在一些先前技术系统中)变化到值一(即，真空磁导率)。也就是说，当磁测量场30增加到高值(超过饱和极限)时，增益将减小。由磁感测元件22检测到的磁测量场30中的组合效应可能减小，导致错误的测量。
因此，磁感测元件22可能期望是鲁棒的以对抗存在非常高的测量磁场30时的饱和效应。通过实例的方式，可能优选的是引发测量磁场30的微小增益到没有增益。这可以通过对区域H2中的中间区段66的宽度(例如，W3+W4+W5)的精益设计来完成。因此，各个宽度(W1、W2、W3、W4、W5)可以影响在第一方向32上沿着感测轴34的测量磁场30的增益。
相反地，由H3和W6限定的第一和第二边沿段48、50允许调谐抑制效应以便有效地抑制在第二方向38上沿着非感测轴40的杂散磁场36。具体地说，第一和第二边沿段48、50的由W6表示的长度确定对杂散磁场36的抑制量值。如此，第一和第二边沿段48、50在第一方向32上的较大长度W6产生对杂散磁场36的较大的抑制，并且第一和第二边沿段48、50的较短长度W6产生对杂散磁场36的较小的抑制。
在一些情况下，可能期望利用偏置磁体(以下讨论的)使磁感测元件22稳定(即，防止翻转、调整灵敏度并且调整范围)以便为磁场传感器20(图1)有效地建立合适的工作条件。来自偏置磁体的偏置磁场可以受对杂散磁场36的抑制量值的影响。具体地说，对杂散磁场36的较大的抑制需要更强的偏置磁场。然而，偏置磁体的最大可生成偏置磁场受物理(材料)和技术(设计)约束的限制。因此，屏蔽值可以保持相对低以实现对偏置磁体的使用。在一些实施例中，对杂散磁场36的抑制或屏蔽的目标值在两次到二十次的范围内以实现包含用于使磁场传感器稳定的偏置磁体。
因此，以上所描述的各种几何参数的可变性实现对在第一方向32上沿着感测轴34的增益以及在第二方向38上沿着非感测轴40的抑制的独立调整。
图4示出了根据另一个实施例的展示第二几何配置94的磁感测元件22和屏蔽结构92的顶视图。在此例子中，屏蔽结构92包括第一屏蔽部分96和第二屏蔽部分98，其中，磁感测元件22之一被安置在第一与第二屏蔽部分96、98之间。第一和第二屏蔽部分96、98中的每一个屏蔽部分包括主体100以及分别从主体100的相对端延伸的第一和第二边沿段102、104。主体100基本上平行于第二方向38纵向地对准，并且因此平行于非感测轴40。第一和第二边沿段102、104基本上平行于第一方向32纵向地对准，并且因此平行于感测轴34。第一和第二屏蔽部分96、98被布置成镜像对称，其中，第一和第二屏蔽部分96、98中的每一个屏蔽部分的第一和第二边沿段102、104朝彼此延伸。也就是说，第一屏蔽部分96的第一和第二边沿段102、104朝第二屏蔽部分104的第一和第二边沿段102、104延伸，反之亦然。
第一和第二屏蔽部分96、98中的每一个屏蔽部分的主体100包括耦合至第一边沿段102的第一端区段106、耦合至第二边沿段104的第二端区段108以及插入在第一与第二端区段106、108之间的中间区段110。第一和第二端区段106、108中的每一个区段具有第一侧壁112和第二侧壁114。类似地，中间区段110具有第一区段侧壁116和第二区段侧壁118。中间区段110的第一区段侧壁116耦合至第一和第二端区段106、108中的每一个端区段的第一侧壁112并与其邻接，并且第二区段侧壁118耦合至第一和第二端区段106、108中的每一个端区段的第二侧壁114并与其邻接。包括第一和第二侧壁112、114以及第一和第二区段侧壁116、118的屏蔽结构92平行于Z轴56延伸，并且因此进入图3被绘制的页面。第一和第二屏蔽部分96、98中的每一个屏蔽部分的主体100的第一区段侧壁116与磁感测元件22横向地间隔开间隙120。另外，第二区段侧壁118在第一方向32上以中间区段110的宽度(标记为W4)与第一区段侧壁116分离。中间区段110的第一区段侧壁116在第一方向32上以第一距离(即，W2的一半)横向地偏离磁感测元件22的中心线80。
在图4的第二几何配置94中，第一和第二端区段106、108中的每一个端区段的第一侧壁112远离中心线80成锥形，从第一区段侧壁116与第一侧壁112的交叉点126处的第一距离(即，W2的一半)到第一侧壁112与第一和第二边沿段102、104中的对应边沿段的交叉点130处的第二距离(即，W2的一半加W4)，使得第二距离大于第一距离。另外，第一和第二端区段106、108中的每一个端区段的第二侧壁114远离第二区段侧壁118成锥形，但是朝向成基本上与第一和第二端区段106、108的第一侧壁112平行。另外，第一和第二端区段106、108中的每一个端区段在第一方向32上的宽度131基本上等于中间区段110在第一方向32上的宽度(标记为W4)。
图5示出了根据另一个实施例的展示屏蔽结构132的第三几何配置134的磁感测元件22和屏蔽结构132的顶视图。在此例子中，屏蔽结构132包括第一屏蔽部分136和第二屏蔽部分138，其中，磁感测元件22之一被安置在第一与第二屏蔽部分136、138之间。第一和第二屏蔽部分136、138中的每一个屏蔽部分包括主体140以及分别从主体140的相对端延伸的第一和第二边沿段142、144。主体140基本上平行于第二方向38纵向地对准，并且因此平行于非感测轴40。第一和第二边沿段142、144基本上平行于第一方向32纵向地对准，并且因此平行于感测轴34。第一和第二屏蔽部分136、138被布置成镜像对称，其中，第一和第二屏蔽部分136、138中的每一个屏蔽部分的第一和第二边沿段142、144朝彼此延伸。也就是说，第一屏蔽部分136的第一和第二边沿段142、144朝第二屏蔽部分144的第一和第二边沿段142、138延伸，反之亦然。
第一和第二屏蔽部分136、138中的每一个屏蔽部分的主体140包括耦合至第一边沿段142的第一端区段146、耦合至第二边沿段144的第二端区段148以及插入在第一与第二端区段146、148之间的中间区段150。第一和第二端区段146、148中的每一个区段具有第一侧壁152和第二侧壁154。类似地，中间区段150具有第一区段侧壁156和第二区段侧壁158。第一和第二端区段146、148中的每一个端区段的第一侧壁152耦合至第一区段侧壁156并与其邻接。第一和第二端区段146、148中的每一个端区段的第二侧壁154耦合至第二区段侧壁158并与其邻接。屏蔽结构132的第三几何配置134类似于第一几何配置60(图1)，除了第一和第二端区段146、148的第二侧壁154在第二方向38上与第二区段侧壁158纵向地对准。
图6示出了展示屏蔽结构160的基线几何配置162的磁感测元件22和屏蔽结构160的顶视图。像屏蔽结构24(图3)、92(图4)和132(图5)那样，屏蔽结构160包括第一屏蔽部分164和第二屏蔽部分166，其中，磁感测元件22之一被安置在第一与第二屏蔽部分164、166之间。第一和第二屏蔽部分164、166中的每一个屏蔽部分包括主体168以及分别从主体168的相对端延伸的第一和第二边沿段170、172。主体168基本上平行于第二方向38纵向地对准，并且因此平行于非感测轴40。第一和第二边沿段170、172基本上平行于第一方向32纵向地对准，并且因此平行于感测轴34。第一和第二屏蔽部分164、166被布置成镜像对称，其中，第一和第二屏蔽部分164、166中的每一个屏蔽部分的第一和第二边沿段170、172朝彼此延伸。也就是说，第一屏蔽部分164的第一和第二边沿段170、172朝第二屏蔽部分172的第一和第二边沿段170、166延伸，反之亦然。
共同参照图3至图6，各尺寸H1、H2、H3、W1、W2、W3、W4、W5、W6影响在第一方向32上沿着感测轴34的测量磁场30的增益并且影响对在第二方向38上沿着非感测轴40的杂散磁场36的抑制。在以上呈现的例子中，屏蔽结构24、92、132、160中的每一个屏蔽结构的几何配置可以增强沿着感测轴34的测量磁场30的分布的磁场均匀性，其中，第二和第三几何配置94(图4)、132(图5)排名最好。另外，屏蔽结构24、92、132、160中的每一个屏蔽结构可以增强沿着非感测轴40的杂散磁场36的分布的磁场均匀性，其中，第二和第三几何配置94、132再次排名最好。通常，较大的W2值可以产生较小的抑制和较小的增益。较大的W3、W4、W5值可以产生较大的增益和较大的饱和场(对高测量磁场有利)。较大的H2、H3、W6可以产生较大的抑制。
屏蔽结构24的第一几何配置60可以产生最大增益，基线几何配置162可以产生最小增益，并且第二和第三几何配置92、132的增益可以落入所达到的最大增益与最小增益之间。然而，增益的范围可以从大约针对第一几何配置60的1.1到针对基线几何配置162的1.0。在所有配置中，对杂散磁场36的抑制可能类似。因此，屏蔽结构92、132的第二和第三几何配置94、134可以产生最佳磁场均匀性以及足够小的增益以便在很大程度上缓解存在非常高的测量磁场时的饱和效应问题。
现在参照图7和图8，图7示出了展示具有尖锐边缘182的配置的屏蔽结构92的放大局部顶视图，并且图8示出了展示具有圆形边缘184的配置的屏蔽结构92的放大部分顶视图。可以在屏蔽结构的不同区段之间的每个转变处提供圆形边缘184以便产生相对平滑的形状。以上所描述的屏蔽结构24、92、132、160中的任何屏蔽结构可以具有尖锐边缘182或圆形边缘184。尖锐边缘182可以在这些尖锐边缘182处引起显著磁场变化(例如，磁场峰/谷)，因此导致不均匀。相反，圆形边缘184相对于尖锐边缘182可以减小磁场变化，由此导致改善的均匀性。
图9示出了根据实施例的集成到基板28上的磁感测元件22和屏蔽结构24的局部侧视图。如所示出的，磁感测元件22被嵌入在基板28的表面26上的保护材料层182(例如，钝化涂层、氮化硅、晶片涂层等)内。在保护层182的外表面184处形成屏蔽结构24的第一和第二部分42、44。
图10示出了根据另一个实施例的集成到基板28上的磁感测元件22和屏蔽结构24的局部侧视图。如所示出的，磁感测元件22被嵌入在基板28的表面26上的保护材料层182内。然而，在此例子中，屏蔽结构24的第一和第二部分42、44中的至少一部分还被嵌入在保护层182的外表面184内或位于其下方。
图11示出了根据另一个实施例的集成到基板28上的磁感测元件22和屏蔽结构24的局部侧视图。像图9的配置那样，磁感测元件22被嵌入在基板28的表面26上的保护材料层182内，并且通常在保护层182的外表面184处形成屏蔽结构24的第一和第二部分42、44。然而，在此例子中，屏蔽结构24的第一和第二部分42、44中的每一部分具有锥形轮廓，使得最靠近磁感测元件22的第一侧壁186具有第一厚度188，并且最远离磁感测元件22的第二侧壁190具有大于第一厚度188的第二厚度192。因此，第一侧壁186以第一距离194与基板28的表面26间隔开，并且第二侧壁188以第二距离196与基板的表面26间隔开，其中，第二距离196小于第一距离194。
图12示出了根据又另一个实施例的集成到基板28上的磁感测元件22和屏蔽结构24的局部侧视图。像图10的配置那样，磁感测元件22被嵌入在基板28的表面26上的钝化/保护材料层182内。同样地，屏蔽结构24的第一和第二部分42、44中的至少一部分被嵌入在保护层182的外表面184内或位于其下方。另外，像图11的配置那样，屏蔽结构24的第一和第二部分42、44中的每一部分具有锥形轮廓，使得最靠近磁感测元件22的第一侧壁186具有第一厚度188，并且最远离磁感测元件22的第二侧壁190具有大于第一厚度188的第二厚度192。因此，第一侧壁186以第一距离194与基板28的表面26间隔开，并且第二侧壁188以第二距离196与基板的表面26间隔开，其中，第二距离196小于第一距离194。
图9和图11中所呈现的配置通常涉及将形成屏蔽结构24的材料沉积在其中形成多个磁感测元件22的晶片顶部上。相反地，图10和图12中所呈现的配置通常涉及在保护材料层182中形成空间(即，使保护材料层182的表面下降)并且将形成屏蔽结构24的材料沉积在这些空间中以便产生至少部分地嵌入有保护材料层182的屏蔽结构24。因此，制造图10和图12中所呈现的配置可能比制造图9和图11中所呈现的配置更复杂。图11和图12中所呈现的锥形轮廓可以实现Z轴56上的磁场线的缩合，因此增大了感测轴34中的测量磁场30的增益并且潜在地提高信号质量。
尽管结合屏蔽结构24讨论了图9至图12，但是应当显而易见的是，屏蔽结构24的集成的配置同样适用于先前讨论的屏蔽结构中的任何屏蔽结构。另外，替代实施例可以包括附加钝化涂层，所述附加钝化涂层填充屏蔽结构24的第一与第二部分42、44之间的空间并且完全包封磁感测元件22和屏蔽结构24。
图13示出了展示对沿着非感测轴40(例如，X轴)的杂散磁场36的抑制的磁感测元件22和屏蔽结构92的简化顶视图。尽管结合图13示出了屏蔽结构92，但是以下讨论同样适用于先前讨论的屏蔽结构中的任何屏蔽结构或其变体。
在此例子中，沿着非感测轴40的杂散磁场36由偏置磁体和/或杂散磁场源产生，其中，参考号200表示偏置磁体和/或杂散磁场源中的任一者。由于屏蔽结构92的形状，杂散磁场36将被抑制。也就是说，屏蔽结构92的形状引起对杂散磁场36的重定向并且减少屏蔽结构92的第一与第二屏蔽部分96、98之间的磁场。因此，减小施加到磁感测元件22上的沿着非感测轴40的磁场效应。偏置磁体和/或杂散磁场源200表示杂散磁场36的源，在此例子中，所述杂散磁场36可以沿着第二方向38产生。因此，此例子展示了沿着第二方向38的磁场(杂散磁场36和/或偏置磁场)将在屏蔽结构92以及其它先前所描述的屏蔽结构24、132、160内部被削弱。将结合图15提供对偏置磁体200的进一步讨论。
图14示出了展示对沿着感测轴34(例如，Y轴)的测量磁场30的感测的磁感测元件22和屏蔽结构92的简化顶视图。再次，尽管结合图14示出了屏蔽结构92，但是以下讨论同样适用于先前讨论的屏蔽结构中的任何屏蔽结构或其变体。
在此例子中，编码器202产生可以由磁感测元件22检测的测量磁场30。在实施例中，编码器202可以表示编码器轮54(图2)，所述编码器轮54在编码器轮54的交替磁北极和南极在编码器轮54旋转期间经过时产生测量磁场30。由于屏蔽结构92的形状，测量磁场30将在屏蔽结构92的第一与第二屏蔽部分96、98之间的空间上被平滑(即，经历平行化)，而仅有微小的增益增加(例如，近似百分之十)。在另一个实施例中，编码器202可以表示盘状磁体(参见图16，盘状磁体240)，所述盘状磁体在盘状磁体的北极和南极在盘状磁体旋转期间经过磁感测元件(例如，图16，22A、22A′、22B、22B′)时产生交替磁场。
关于图13和图14，图13示出了源自偏置磁体200或杂散磁场源(不需要编码器)的磁通量线(例如，杂散磁场36或偏置磁场)以及经由屏蔽结构92实现的抑制，并且图14示出了源自编码器202(不需要偏置磁体)的磁通量线(即，测量磁场30)以及经由屏蔽结构92实现的平滑。另外，图13和图14中所示出的偏置磁体和/或杂散磁场源200以及编码器202的位置和物理配置仅是代表性的。相反，本文中重要的是，杂散磁场和/或偏置磁场36由偏置磁体和/或杂散磁场源200沿着非感测轴40产生，并且测量磁场30由编码器202沿着感测轴34产生。在实际使用中，偏置磁体200和编码器202两者可以呈现在系统中，如仅示出编码器的系统52(图2)。
图15示出了展示由于不同磁偏置和/或磁杂散场36所产生的感测磁场的变化的曲线图212。所呈现的例子用于线性化AMR传感器元件(45°半桥元件或巴伯极结构)。对于TMR或GMR传感器元件，曲线可能看起来不同。然而，行为是可转换的。偏置磁体200可以被实施为调整磁传感器系统中的灵敏度和线性范围。在此例子中，第一曲线214将产生第一磁场Hx216的特定偏置磁体和/或磁杂散场源200表示为响应电压210对测量磁场30。第二曲线218将产生第二磁场Hx 220的特定偏置磁体和/或磁杂散场源200表示为响应电压210对测量磁场30。第一曲线214相比于第二曲线218具有更高的灵敏度(即，陡峭)和更小的线性范围。
图15展示了将偏置磁体200包括在磁传感器系统中可以产生更高的鲁棒性来对抗杂散磁场并实现可调整和/或增加的线性范围。另一方面，图15展示了来自磁体杂散场源200的杂散磁场对传感器特性曲线的影响，因此影响传感器响应。
现在参照图16和图17，图16示出了用于旋转角感测的系统230的简化局部侧视图，并且图17示出了系统230的简化顶视图。在以上所描述的例子中，具有集成的屏蔽结构的磁感测元件22(例如，TMR、AMR、GMR等)可以合并到用于旋转速度测量的系统52(图2)中。在图16和图17的实施例中，具有集成的屏蔽结构的磁感测元件22可以被适当地配置成感测物体的角位置。屏蔽结构92在系统230中示出。然而，以下讨论同样适用于先前讨论的屏蔽结构中的任何屏蔽结构或其变体。
系统230通常包括在基板238的表面236上形成的第一和第二梯度单元232、234以及沿着Z轴56垂直偏离第一和第二梯度单元232、234的磁体240。图17中所示出的顶视图中未示出磁体240以便更好地形象化在基板238的表面236上形成的特征。第一梯度单元232包括安置在第一屏蔽结构(标记为921)的第一与第二屏蔽部分96、98之间的磁感测元件(标记为22A)中的第一磁感测元件以及安置在第二屏蔽结构92(标记为922)的第一与第二屏蔽部分96、98之间的磁感测元件(标记为22A′)中的第二磁感测元件。同样地，第二梯度单元234包括安置在第三屏蔽结构92(标记为923)的第一与第二屏蔽部分96、98之间的磁感测元件(标记为22B)中的第三磁感测元件以及安置在第四屏蔽结构92(标记为924)的第一与第二屏蔽部分96、98之间的磁感测元件(标记为22B′)中的第四磁感测元件。
根据实施例，第二梯度单元234相对于第一梯度单元232旋转九十度。也就是说，第一和第二磁感测元件22A、22A′以及第一和第二屏蔽结构921、922的第一和第二屏蔽部分92、96与X轴40对准。另外，第三和第四磁感测元件22B、22B′以及第三和第四屏蔽结构923、924的第一和第二屏蔽部分92、96与Y轴34对准。因此，磁感测元件22A、22A′被配置成感测沿着朝向第一方向244的第一感测轴(即，Y轴34)的测量磁场242，所述第一方向244近似平行于基板238的表面236。磁感测元件22B、22B′被配置成感测沿着朝向第二方向246的第二感测轴(即，X轴40)的测量磁场242，所述第二方向246近似平行于基板238的表面236。
相对于垂直于基板238的表面236的旋转轴248，第二梯度单元234与第一梯度单元232间隔开九十度。另外，第一和第二梯度单元232、234位于远离旋转轴248的相同径向距离250。另外，第一磁感测元件22A以距离252与第二磁感测元件22A′横向间隔开，并且第三磁感测元件22B以相同距离252与第四磁感测元件22B′间隔开。在另一个实施例中，磁感测元件22A、22A′、22B和22B′之间的距离可以不同。
磁体240可以是采用例如盘状、环状、矩形或条形形式的永磁体。磁体240被配置成相对于第一和第二梯度单元232、234绕旋转轴248旋转。磁体240产生基本上平行于基板238的表面236的磁场254。磁场254相对于第一和第二梯度单元232、234沿磁体240旋转。此磁场254可由第一和第二梯度单元232、234检测，并且因此在本文中可以被称为梯度磁场254。如以下将讨论的，由第一和第二梯度单元232、234检测的梯度磁场254可以被适当地处理成识别磁体240相对于第一和第二梯度单元232、234的旋转角256(标记为
Figure BDA0001726780780000211
)。尽管仅示出了两个梯度单元(例如，第一和第二梯度单元232、234)，但是替代实施例可以包括许多梯度单元。在这种配置中，可以对相对梯度单元的信号求平均。因此，可以缓解离心率等的可能误差。
图18示出了磁体240相对于系统230(图16)的第一和第二梯度单元232、234的磁感测元件22A、22A′、22B、22B′旋转的可能旋转角
Figure BDA0001726780780000212
的表258。在此例子中，磁体240是直径上磁化的磁体，所述直径上磁化的磁体跨其直径被磁化，具有位于磁体240相对于其直径的相对侧处的北极和南极。表258中示出的旋转角256包括等于0或360°的
Figure BDA0001726780780000213
Figure BDA0001726780780000214
以及
Figure BDA0001726780780000215
图20中示出的旋转角256仅作为例子提供。应当理解的是，可能存在范围在0与360°之间的更多可能旋转角256。
图19示出了系统230的框图。包括安置在屏蔽结构(未示出，以上所描述的)之间的第一和第二磁感测元件22A、22A′的第一梯度单元232具有耦合至处理电路260的输入端。同样地，包括安置在屏蔽结构(未示出，以上所描述的)之间的第三和第四磁感测元件22B、22B′的第二梯度单元234具有耦合至处理电路260的输入端。第一磁感测元件22A被配置成响应于磁场254(图16)而产生第一输出信号262VA。第二磁感测元件22A′被配置成响应于磁场254而产生第二输出信号264VA′。第三磁感测元件22B被配置成响应于磁场254而产生第三输出信号266VB。并且第四磁感测元件22B′被配置成响应于磁场254而产生第四输出信号268VB′。
结合图19的框图参照图20和图21，图20示出了由磁体240沿着方向40产生的磁场梯度的典型例子的曲线图270。此例子被提供用于如以上结合图18所呈现的旋转角
Figure BDA0001726780780000221
等于0°的情况。在存在和不存在磁干扰场分量272Bi的情况下示出磁场梯度。同样地，图21示出了由磁体240沿着方向34产生的磁场梯度的典型例子的曲线图274。此例子被提供用于如以上结合图18所呈现的旋转角
Figure BDA0001726780780000222
等于90°的情况。在存在和不存在磁干扰场分量276Bi的情况下示出磁场梯度。
磁场254与传感器灵敏度S(以下讨论的)相乘得到第一和第二输出信号262、264(图20)以及第三和第四输出信号262、268(图21)。因此，图20和图21可以与图19的框图相关联。图20因此示出了第一梯度单元232的第一和第二输出信号262、264的曲线图270以及磁干扰场分量272Bi可能已经对第一和第二输出信号262、264的影响。同样地，图21因此示出了第二梯度单元234的第三和第四输出信号266、268的曲线图274以及磁干扰场分量276Bi可能已经对第三和第四输出信号266、268的影响。
在图20中，虚线278表示在由离旋转轴248(图17)的径向距离250(图17)以及第一与第二磁感测元件22A、22A′之间的距离252(图17)限定的相对位置处的线性梯度范围和相关磁场(即，第一和第二输出信号262、264)。实线280表示具有附加空间均匀干扰磁场分量272Bi的线性梯度范围和相关磁场(即，第一和第二输出信号262、264)。同样地，在图21中，虚线282表示在由离旋转轴248的径向距离250以及第三与第四磁感测元件22B、22B′之间的距离252限定的相对位置处的线性梯度范围和相关磁场(即，第三和第四输出信号266、268)。实线284表示具有附加空间均匀磁干扰场分量276Bi的线性梯度范围和相关磁场(即，第三和第四输出信号266、268)。
处理电路260可以是专用集成电路(ASIC)，所述专用集成电路包括用于适当地处理第一、第二、第三和第四输出信号262、264、266、268以识别角位置256的硬件和软件的组合。处理电路260与第一梯度单元232电耦合并且被配置成产生作为第一与第二输出信号262、264之间的差的第一差分输出信号283，第一与第二输出信号262、264之间的差消除了磁干扰场分量272。另外，处理电路260与第二梯度单元234电耦合并且被配置成产生作为第三与第四输出信号266、268之间的差的第二差分输出信号285，第三与第四输出信号266、268之间的差消除了磁干扰场分量276。磁屏蔽(例如，此例子中的屏蔽结构92)分别从方向40和34抑制了杂散磁场效应，因此消除了对磁感测元件22A、22A′、22B、22B′的灵敏度的影响。之后，可以通过除以第一和第二差分输出信号来识别磁体240(图16)相对于第一和第二梯度单元232、234的旋转角256(图17)。
第一梯度单元232的第一和第二磁感测元件22A和22A′的输出电压VA和VA′可以如下描述：
VA＝S×BA (1)
VA′＝S×BA′ (2)
S是磁感测元件的灵敏度并且被假设针对第一和第二磁感测元件22A、22A′两者相等(例如，通过制造准确度或修整来实现)。空间均匀磁干扰场分量272Bi在第一和第二磁感测元件22A、22A′两者中产生相同电压偏移，如下：
VA＝S×BA+S×Bi (3)
VA′＝S×BA′+S×Bi (4)
计算差分输出信号283DA(图21)需要取得两个电压信号的差并且由此消除磁干扰场分量274，如下：
DA＝VA′-VA＝(S×BA′+SBi)-(S×BA+SBi)＝S(BA′-BA) (5)
类似地，第二梯度单元234的第三和第四磁感测元件22B和22B′的输出电压VB和VB′可以如下描述：
VB＝S×BB (6)
VB′＝S×BB′ (7)
再次，S是磁感测元件的灵敏度并且被假设针对第三和第四磁感测元件22B、22B′两者相等(例如，通过制造准确度或修整来实现)。空间均匀磁干扰场分量276Bi在第三和第四磁感测元件22B、22B′两者中产生相同电压偏移，如下：
VB＝S×BB+S×Bi (8)
VB′＝S×BB′+S×Bi (9)
计算差分输出信号285DA(图21)需要取得两个电压信号的差并且由此消除磁干扰场分量276，如下：
DB＝VB′-VB＝(S×BB′+SBi)-(S×BB+SBi)＝S(BB′-BB) (10)
图22示出了在第一和第二梯度单元232、234(图16)的位置处的径向磁场分量288随旋转角256的变化的曲线图286。实曲线290表示在第一梯度单元232处的磁场分量288随旋转角256的变化，并且虚曲线292表示在第二梯度单元234处的磁场分量288随旋转角256的变化。关于曲线图286，在第一梯度单元232的第一和第二磁感测元件22A、22A′的位置处的磁场254(图16)可以被描述为：
Figure BDA0001726780780000251
Figure BDA0001726780780000252
在方程式(11)中，Bm表示磁场254的径向振幅。由于第一和第二梯度单元的九十度旋转布置，第二梯度单元234的第三和第四磁感测元件22B、22B′的数学关系可以被描述为：
Figure BDA0001726780780000253
Figure BDA0001726780780000254
第一梯度单元232的磁场梯度因此可以被描述为：
Figure BDA0001726780780000255
运算符BmGA等于(Bm′-Bm)。类似地，第二梯度单元234的磁场梯度因此可以被描述为：
Figure BDA0001726780780000256
通过将方程式(15)代入方程式(5)，差分输出电压283DA可以被确定为如下：
Figure BDA0001726780780000257
通过将方程式(16)代入方程式(10)，差分输出电压285DB可以被确定为如下：
Figure BDA0001726780780000261
因此，可以通过除以差分输出电压DA和DB来计算角位置
Figure BDA0001726780780000262
如下：
Figure BDA0001726780780000263
因此，可以通过利用差分输出电压DA和DB来识别磁体240(图16)的角位置256，如下：
Figure BDA0001726780780000264
图23示出了示出可以可替换地合并到图16的系统中的梯度单元的位置的不同简化顶视图。如之前提及的，系统230(图16)的替代实施例可以包括许多梯度单元。另外，这些梯度单元可以被区别地布置。因此，图23包括具有各自以90°隔开的四个梯度单元302的第一配置300。另外，示出了具有各自以45°隔开的八个梯度单元302的第二配置304。示出了具有各自以45°隔开的两个梯度单元302的第三配置306。并且示出了具有两个梯度单元的第四配置308，在所述第四配置中，磁感测元件22以比之前示出的距离更大的距离隔开。图23仅示出了梯度单元的几个配置。其它配置可以同样地可适用。
本文中所描述的实施例涉及磁场传感器以及具有用于测量磁场同时抑制杂散磁场的集成的磁场屏蔽结构的磁场传感器系统。磁场传感器的实施例包括：在基板上形成的磁感测元件，所述磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面。屏蔽结构在所述基板上形成。所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，并且所述磁感测元件被安置在所述第一与第二屏蔽部分之间。所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段。所述主体基本上平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的所述表面，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准，所述第一和第二屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述第一和第二边沿段朝彼此延伸。
系统的实施例包括：在基板上形成的磁感测元件，所述磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面。屏蔽结构在所述基板上形成。所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，并且所述磁感测元件被安置在所述第一与第二屏蔽部分之间。所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括：主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿端，所述主体基本上平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的所述表面，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准，所述第一和第二屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述第一和第二边沿段朝彼此延伸。所述系统进一步包括：接近所述磁感测元件的偏置磁体，所述偏置磁体被配置成产生朝向所述第二方向的偏置磁场；以及编码器，所述编码器被配置成产生所述测量磁场。
系统的另一个实施例包括：在基板的表面上形成的第一梯度单元。所述第一梯度单元包括：第一磁感测元件，所述第一磁感测元件被安置在第一屏蔽结构的第一与第二屏蔽部分之间；以及第二磁感测元件，所述第二磁感测元件被安置在第二屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间，所述第一和第二磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的第一感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面。所述系统进一步包括在所述基板上形成的第二梯度单元，所述第二梯度单元相对于所述第一梯度单元旋转九十度并且相对于垂直于所述基板的所述表面的旋转轴与所述第一梯度单元间隔开九十度，所述第一和第二梯度单元位于远离所述旋转轴的相同径向距离。所述第二梯度单元包括：第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被安置在第三屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间；以及第四磁感测元件，所述第四磁感测元件被安置在第四屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间，所述第三和第四磁感测元件被配置成感测沿着朝向第二方向的第二感测轴的测量磁场，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的表面。磁体被配置成相对于所述第一和第二梯度单元绕所述旋转轴旋转，所述磁体产生作为基本上平行于所述基板的所述表面的梯度磁场的所述测量磁场，所述梯度磁场可由所述第一和第二梯度单元检测。
屏蔽结构的特定几何配置可以变化以提供对沿着磁感测元件的非感测轴的杂散磁场的屏蔽或抑制，而具有对沿着磁感测元件的感测轴的测量磁场的微小增益或几乎没有增益。另外，屏蔽结构的几何参数可以变化以独立地调整沿着感测轴的增益以及沿着非感测轴的抑制。磁场屏蔽结构可以与磁感测元件垂直地整合以便实现尺寸减小和成本节约。另外，出于速度和方向感测、旋转角感测、接近度感测等目的，具有屏蔽结构的磁场感测元件可以被实现为各种系统配置。
本公开旨在解释如何设计并利用根据本发明的各实施例，而非限制本发明的真实的、预期的和合理的范围及其精神。前述描述并不旨在是详尽的或将本发明限制在所公开的确切形式。鉴于以上教导，修改和变体是可能的。选择和描述(多个)实施例以便提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明，并且当适合于所构想的特定用法时，使得本领域普通技术人员能够在具有各种修改的各实施例中利用本发明。在根据公平、合法和合理授权的范围来进行解释时，所有这种修改和变体落入如由可能在本申请未决期间进行修订的所附权利要求书确定的本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种磁场传感器，其特征在于，包括：
在基板上形成的磁感测元件，所述磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面；以及
在所述基板上形成的屏蔽结构，所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，所述磁感测元件被安置在所述第一与第二屏蔽部分之间，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段，所述主体基本上平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的所述表面，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准，所述第一和第二屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述第一和第二边沿段朝彼此延伸；
所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的所述主体包括：
第一端区段，所述第一端区段耦合至所述第一边沿段；
第二端区段，所述第二端区段耦合至所述第二边沿段，所述第一和第二端区段中的每一个端区段具有第一侧壁；以及
中间区段，所述中间区段插入在所述第一与第二端区段之间，所述中间区段具有第一区段侧壁，所述第一区段侧壁耦合至所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁并与其邻接，所述第一区段侧壁与所述磁感测元件间隔开一定的间隙，其中，所述中间区段的所述第一区段侧壁在所述第一方向上以第一距离横向地偏离所述磁感测元件的中心线，并且所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁远离所述磁感测元件的所述中心线横向地成锥形，从所述第一区段侧壁与所述第一侧壁的交叉点处的所述第一距离到所述第一侧壁与所述第一和第二边沿段中的对应边沿段的交叉点处的第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构被配置成抑制沿着所述第二方向上的非感测轴的杂散磁场，其中，所述第一和第二边沿段的长度确定抑制量值，使得所述第一和第二边沿段在所述第一方向上的较大的长度产生对所述杂散磁场的较大的抑制，并且所述第一和第二边沿段在所述第一方向上的较短的长度产生对所述杂散磁场的较小的抑制。
3.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁感测元件被嵌入在所述基板的所述表面上的保护材料层内，并且所述屏蔽结构在所述保护材料层的外表面上形成。
4.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁感测元件被嵌入在所述基板的所述表面上的保护材料层内，并且所述屏蔽结构的至少一部分被嵌入在所述保护材料层内。
5.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分具有锥形轮廓，使得所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的最靠近所述磁感测元件的第一侧壁具有第一厚度，并且所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的最远离所述磁感测元件的第二侧壁具有大于所述第一厚度的第二厚度。
6.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，进一步包括接近所述磁感测元件的偏置磁体，所述偏置磁体被配置成产生朝向所述第二方向的偏置磁场。
7.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，进一步包括编码器，所述编码器被配置成产生所述测量磁场。
8.一种磁场传感器系统，其特征在于，包括：
在基板上形成的磁感测元件，所述磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面；
在所述基板上形成的屏蔽结构，所述屏蔽结构具有第一和第二屏蔽部分，所述磁感测元件被安置在所述第一与第二屏蔽部分之间，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分包括主体以及从所述主体的相对端延伸的第一和第二边沿段，所述主体基本上平行于第二方向对准，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的所述表面，并且所述第一和第二边沿段基本上平行于所述第一方向对准，所述第一和第二屏蔽部分被布置成镜像对称，其中，所述第一和第二屏蔽部分中的每一个屏蔽部分的所述第一和第二边沿段朝彼此延伸；
接近所述磁感测元件的偏置磁体，所述偏置磁体被配置成产生朝向所述第二方向的偏置磁场；以及
编码器，所述编码器被配置成产生所述测量磁场；
所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的所述主体包括：
第一端区段，所述第一端区段耦合至所述第一边沿段；
第二端区段，所述第二端区段耦合至所述第二边沿段，所述第一和第二端区段中的每一个端区段具有第一侧壁；以及
中间区段，所述中间区段插入在所述第一与第二端区段之间，所述中间区段具有第一区段侧壁，所述第一区段侧壁耦合至所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁并与其邻接，所述第一区段侧壁与所述磁感测元件间隔开一定的间隙，其中，所述中间区段的所述第一区段侧壁在所述第一方向上以第一距离横向地偏离所述磁感测元件的中心线，并且所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁远离所述磁感测元件的所述中心线横向地成锥形，从所述第一区段侧壁与所述第一侧壁的交叉点处的所述第一距离到所述第一侧壁与所述第一和第二边沿段中的对应边沿段的交叉点处的第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
9.一种磁场传感器系统，其特征在于，包括：
在基板的表面上形成的第一梯度单元，所述第一梯度单元包括：
第一磁感测元件，所述第一磁感测元件被安置在第一屏蔽结构的第一与第二屏蔽部分之间；以及
第二磁感测元件，所述第二磁感测元件被安置在第二屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间，所述第一和第二磁感测元件被配置成感测沿着朝向第一方向的第一感测轴的测量磁场，所述第一方向近似平行于所述基板的表面；
在所述基板上形成的第二梯度单元，所述第二梯度单元相对于所述第一梯度单元旋转九十度并且相对于垂直于所述基板的所述表面的旋转轴与所述第一梯度单元间隔开九十度，所述第一和第二梯度单元位于远离所述旋转轴的相同径向距离，所述第二梯度单元包括：
第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被安置在第三屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间；以及
第四磁感测元件，所述第四磁感测元件被安置在第四屏蔽结构的所述第一与第二屏蔽部分之间，所述第三和第四磁感测元件被配置成感测沿着朝向第二方向的第二感测轴的所述测量磁场，所述第二方向垂直于所述第一方向并且近似平行于所述基板的表面；以及
磁体，所述磁体被配置成相对于所述第一和第二梯度单元绕所述旋转轴旋转，所述磁体产生作为基本上平行于所述基板的所述表面的梯度磁场的所述测量磁场，所述梯度磁场可由所述第一和第二梯度单元检测；
所述第一和第二屏蔽部分中的所述每一个屏蔽部分的主体包括：
第一端区段，所述第一端区段耦合至第一边沿段；
第二端区段，所述第二端区段耦合至第二边沿段，所述第一和第二端区段中的每一个端区段具有第一侧壁；以及
中间区段，所述中间区段插入在所述第一与第二端区段之间，所述中间区段具有第一区段侧壁，所述第一区段侧壁耦合至所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁并与其邻接，所述第一区段侧壁与所述磁感测元件间隔开一定的间隙，其中，所述中间区段的所述第一区段侧壁在所述第一方向上以第一距离横向地偏离所述磁感测元件的中心线，并且所述第一和第二端区段中的所述每一个端区段的所述第一侧壁远离所述磁感测元件的所述中心线横向地成锥形，从所述第一区段侧壁与所述第一侧壁的交叉点处的所述第一距离到所述第一侧壁与所述第一和第二边沿段中的对应边沿段的交叉点处的第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
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