CN109917309B - 具有杂散场抵消的磁阻式传感器及并有此类传感器的系统 - Google Patents

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CN109917309B CN201811514642.8A CN201811514642A CN109917309B CN 109917309 B CN109917309 B CN 109917309B CN 201811514642 A CN201811514642 A CN 201811514642A CN 109917309 B CN109917309 B CN 109917309B
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Abstract

一种系统包括用于检测沿感测轴线的外部磁场的磁感元件和接近所述磁感元件用于提供沿所述感测轴线的辅助磁场的磁场源。所述磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制。处理电路从所述第一输出信号中鉴定磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的影响，所述磁干扰场沿所述磁感元件的非感测轴线导向，所述处理电路还将校正系数应用于所述磁场信号分量以产生其中基本上除去所述磁干扰场的所述影响的第二输出信号。

Description

具有杂散场抵消的磁阻式传感器及并有此类传感器的系统
技术领域
本发明大体上涉及磁阻式传感器。更具体地说，本发明涉及磁阻式传感器和并有磁阻式传感器的系统，该磁阻式传感器用于测量磁场同时基本上抵消沿一个或多个轴线的杂散磁场。
背景技术
磁场传感器系统用于各种商业、工业和汽车应用中，以出于速度和方向感测、旋转角感测、接近感测等的目的测量磁场。磁阻式传感器可对干扰磁场(又称为杂散磁场)敏感。沿磁场传感器的非感测轴线的杂散磁场可改变传感器的灵敏度和线性范围，因此不利地影响磁场检测质量。另外，沿磁场传感器的感测轴线的杂散磁场可另外在传感器的输出信号中引入误差分量(例如，电压位移)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种系统，包括：
磁感元件，所述磁感元件用于检测沿感测轴线的外部磁场；
磁场源，所述磁场源接近所述磁感元件用于提供沿所述磁感元件的所述感测轴线的辅助磁场，其中所述磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制；和
与所述磁感元件联接的处理电路，其中所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号，从所述第一输出信号中鉴定磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的影响，所述磁干扰场沿所述磁感元件的非感测轴线导向，并且所述处理电路进一步被配置成将校正系数应用于所述第一输出信号的所述磁场信号分量以产生其中从所述磁场信号分量中基本上除去所述磁干扰场的影响的第二输出信号。
在一个或多个实施例中，所述磁感元件包括磁阻式感测元件。
在一个或多个实施例中，所述磁场源包括导电线圈结构。
在一个或多个实施例中，所述导电线圈结构为平面线圈结构或包围所述磁感元件的三维线圈结构。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括电源，所述电源与所述导电线圈结构联接并且被配置成提供通过所述导电线圈结构的定期时变电流，用于产生作为时变辅助磁场的所述辅助磁场。
在一个或多个实施例中，所述外部磁场呈现第一频率，所述辅助磁场呈现大于所述第一频率的第二频率，并且所述处理电路包括：
频带分离元件，所述频带分离元件被配置成接收所述第一输出信号并且分别响应于所述外部磁场的所述第一频率和所述辅助磁场的所述第二频率而从所述磁场信号分量中分离所述辅助磁场信号分量；
与所述频带分离元件通信的提取元件，所述提取元件被配置成接收所述辅助磁场信号分量并且计算作为所述辅助磁场信号分量的第一信号量值与第二信号量值的比率的商值，其中所述第一信号量值受所述磁干扰场影响，并且所述第二信号量值为在无所述磁干扰场的情况下所述第一信号量值的期望值；和
与所述频带分离元件和所述提取元件中的每一个通信的补偿元件，所述补偿元件被配置成利用所述商值确定所述校正系数。
在一个或多个实施例中，处于所述第二频率的所述辅助磁场信号分量由通过所述磁场源产生的最大磁场强度和通过所述磁场源产生的最小磁场强度表征，并且其中所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的所述影响被鉴定为由所述最大磁场强度和所述最小磁场强度造成的传感器响应的改变。
在一个或多个实施例中，对于多个沿所述非感测轴线的磁干扰场中的一个磁干扰场，所述商值不同。
在一个或多个实施例中，所述磁感元件为第一磁感元件，所述磁场源为第一磁场源，并且所述系统进一步包括：
用于检测沿所述感测轴线的所述外部磁场的第二磁感元件；和
所述第一磁场源或第二磁场源，所述第二磁场源接近所述第二磁感元件，用于提供沿所述第二磁感元件的所述感测轴线的所述辅助磁场，其中：
所述第二磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的第二磁场信号分量的第三输出信号，所述第二磁场信号分量通过所述辅助磁场信号分量调制；
所述处理电路进一步与所述第二磁感元件联接并且被配置成接收所述第三输出信号，从所述第三输出信号中鉴定所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的所述影响，和将所述校正系数应用于所述第三输出信号以产生指示所述第二磁场信号分量的第四输出信号，在所述第四输出信号中从所述第二磁场信号分量中基本上除去所述磁干扰场的影响。
在一个或多个实施例中，所述磁干扰场为第一磁干扰场；
所述第一磁感元件和所述第二磁感元件遭受沿所述感测轴线的第二磁干扰场；
所述第一磁感元件和所述第二磁感元件被布置为梯度单元；并且
所述处理电路被配置成产生线性的第二输出信号和第四输出信号并且产生作为所述第二输出信号和所述第四输出信号之间的差的差分输出信号，所述第二输出信号和所述第四输出信号之间的所述差基本上除去所述第二磁干扰场。
在一个或多个实施例中，所述第一磁感元件和所述第二磁感元件形成于基板上，所述感测轴线和所述非感测轴线平行于所述基板的平坦表面，并且所述感测轴线和所述非感测轴线彼此垂直。
根据本发明的第二方面，提供一种在包括用于检测沿感测轴线的外部磁场的磁感元件的系统中的方法，包括：
对接近所述磁感元件定位的磁场源通电以产生沿所述磁感元件的所述感测轴线的辅助磁场，其中所述磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制；
在处理电路处接收所述第一输出信号；
从所述第一输出信号中鉴定磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的影响，所述磁干扰场沿所述磁感元件的非感测轴线导向；和
将校正系数应用于所述第一输出信号的所述磁场信号分量以产生其中基本上除去所述磁干扰场的所述影响的第二输出信号。
在一个或多个实施例中，所述外部磁场呈现第一频率，且通电操作包括提供通过所述磁场源的定期时变电流以得到处于大于所述第一频率的第二频率的作为时变辅助磁场的所述辅助磁场。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
在所述处理电路处，分别响应于所述外部磁场的所述第一频率和所述辅助磁场的所述第二频率而从所述磁场信号分量中分离所述辅助磁场信号分量；
计算作为所述辅助磁场信号分量的第一信号量值与第二信号量值的比率的商值，其中所述第一信号量值受所述磁干扰场影响，并且所述第二信号量值为在无所述磁干扰场的情况下所述第一信号量值的期望值；和
利用所述商值确定所述校正系数。
在一个或多个实施例中，处于所述第二频率的所述辅助磁场信号分量由通过所述磁场源产生的最大磁场强度和通过所述磁场源产生的最小磁场强度表征，并且其中所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的所述影响被鉴定为由所述最大磁场强度和所述最小磁场强度造成的传感器响应的改变。
根据本发明的第三方面，提供一种系统，包括：
磁阻式感测元件，所述磁阻式感测元件用于检测沿感测轴线的外部磁场，所述外部磁场呈现第一频率；
导电线圈结构，所述导电线圈结构接近所述磁感元件用于提供沿所述磁感元件的所述感测轴线的辅助磁场，所述辅助磁场呈现大于所述第一频率的第二频率，其中所述磁阻式感测元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制；和
处理电路，所述处理电路与所述磁感元件联接，其中所述处理电路被配置成：
接收所述第一输出信号，并且分别响应于所述外部磁场的所述第一频率和所述辅助磁场的所述第二频率而从所述磁场信号分量中分离所述辅助磁场信号分量；
计算作为所述辅助磁场信号分量的第一信号量值与所述辅助磁场信号分量的第二信号量值的比率的商值，其中所述第一信号量值受磁干扰场影响并且所述第二信号量值为在无所述磁干扰场的情况下所述第一信号量值的期望值，所述磁干扰场沿所述磁阻式感测元件的非感测轴线导向；
利用所述商值确定校正系数；和
将所述校正系数应用于所述第一输出信号的所述磁场信号分量以产生其中从所述磁场信号分量中基本上除去所述磁干扰场的影响的第二输出信号。
在一个或多个实施例中，处于所述第二频率的所述辅助磁场信号分量由通过所述线圈结构产生的最大磁场强度和通过所述线圈结构产生的最小磁场强度表征，并且其中所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的所述影响被鉴定为由所述最大磁场强度和所述最小磁场强度造成的传感器响应的改变。
在一个或多个实施例中，对于多个沿所述非感测轴线的磁干扰场中的一个磁干扰场，所述商值不同。
在一个或多个实施例中，所述磁阻式感测元件为第一磁阻式感测元件，所述线圈结构为第一线圈结构，并且所述系统另外包括：
用于检测沿所述感测轴线的所述外部磁场的第二磁阻式感测元件；和
所述第一线圈结构或第二导电线圈结构，所述第二导电线圈结构接近所述第二磁阻式感测元件，用于提供沿所述第二磁阻式感测元件的所述感测轴线的所述辅助磁场，其中所述第二磁阻式感测元件产生具有响应于所述外部磁场的第二磁场信号分量的第三输出信号，所述第二磁场信号分量通过所述辅助磁场信号分量调制，所述处理电路与所述第二磁阻式感测元件联接，其中所述处理电路进一步被配置成接收所述第三输出信号，从所述第三输出信号中鉴定所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的影响，和将所述校正系数应用于所述第三输出信号以产生指示所述第二磁场信号分量的第四输出信号，在所述第四输出信号中基本上除去所述磁干扰场的影响。
在一个或多个实施例中，所述磁干扰场为第一磁干扰场；
所述第一磁阻式感测元件和所述第二磁阻式感测元件形成于基板上，所述感测轴线和所述非感测轴线平行于所述基板的平坦表面，并且所述感测轴线和所述非感测轴线彼此垂直；
所述第一磁阻式感测元件和所述第二磁阻式感测元件遭受沿所述感测轴线的第二磁干扰场；
所述第一磁阻式感测元件和所述第二磁阻式感测元件被布置为梯度单元；并且
所述处理电路被配置成产生线性的第二输出信号和第四输出信号并且产生作为所述第二输出信号和所述第四输出信号之间的差的差分输出信号，所述第二输出信号和所述第四输出信号之间的所述差基本上除去所述第二磁干扰场。
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
附图用来另外示出各种实施例并且解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图是指相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，并且附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1以简化和代表性形式描绘磁感元件的半桥式结构；
图2示出单个磁感元件的简化俯视图；
图3示出相对于变化的外部磁场信号，电压响应的输出电压对时间的例子的曲线图；
图4示出输出电压对沿感测轴线的外部磁场的例子和其对非感测轴线杂散磁场的场强度的相关性的曲线图；
图5示出根据一实施例的包括磁场源的磁感元件的俯视图；
图6示出沿图5的截面线6-6的磁感元件和磁场源的侧截面图；
图7示出并有图5-图6的磁感元件和磁场源的简化的框图系统；
图8示出电压输出信号随时间推移的曲线图，该电压输出信号包括通过沿感测轴线由磁场源提供的辅助磁场信号分量调制的磁场信号分量；
图9示出电压输出信号随时间推移的曲线图，其中图8的电压输出信号通过沿非感测轴线导向的干扰磁场调制；
图10示出响应于图9中示出的电压输出信号计算的商值随时间推移的曲线图；
图11示出被布置为梯度单元的一对磁感元件的简化俯视图，每一个磁感元件包括磁场源；
图12示出对于图11的梯度单元，在平行于感测轴线的方向上磁梯度场分布的例子的曲线图；
图13示出对于响应于沿感测轴线导向的干扰磁场而修改的梯度单元，沿感测轴线的方向的磁梯度场分布的曲线图；
图14示出用于旋转角感测的系统的简化局部侧视图；
图15示出图14的系统的简化局部俯视图；
图16示出并有用于抵消沿感测轴线的杂散磁场的梯度单元配置的图7系统的简化局部框图；
图17示出示出可替代地并入到图16的系统中的梯度单元的位置的各种简化俯视图；
图18示出用于转速测量的系统的简化局部侧视图；和
图19示出用于转速测量的另一系统的简化局部侧视图。
具体实施方式
概括地说，本公开涉及磁场传感器和并有磁场传感器的系统，该磁场传感器用于测量磁场同时基本上抵消沿一个或多个轴线的杂散磁场。更具体地说，系统包括接近于一个或多个磁场源(如线圈结构)定位的一个或多个磁场感测元件。磁场源被配置成提供沿磁场传感器的感测轴线的定期变化的辅助磁场。定期变化的辅助磁场因此产生磁场传感器的定期变化的电压(或电流)响应。定期变化的电压(或电流)响应根据沿非感测轴线的杂散磁场的场强度而从期望值改变。因此，定期变化的辅助磁场可用于产生辅助磁场信号分量，该辅助磁场信号分量继而可用于确定沿非感测轴线的均一(即，均匀)杂散磁场的场强度。了解此场强度可用于消除或以其他方式抵消由沿非感测轴线的杂散磁场产生的不利信号贡献，以便有效地降低敏感轴线的数目从而产生单轴线磁阻式感测元件。磁感元件连同磁场源(得到单轴线磁阻式感测元件)可并入梯度单元方法中，该梯度单元方法使能抵消由沿感测轴线的均一(即，均匀)杂散磁场产生的不利信号贡献。因此，可有效地实现单轴(即，单轴线)磁感元件。具有一个或多个磁场源的一个或多个磁场感测元件可出于速度和方向感测、旋转角感测、接近感测等的目的以各种系统配置实施。
提供本公开以另外通过使能的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求书限定，该所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的未决期间所作出的任何修正。
应理解，如第一和第二、顶部和底部等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于彼此区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。此外，附图中的一些可使用各种底纹和/或阴影线来示出以区分在各个结构性层内产生的不同元件。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微型制造技术来产生结构性层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用不同的底纹和/或阴影线，但是结构性层内的不同元件可由相同材料形成。
参考图1，图1以简化和代表性形式描绘半桥式磁传感器结构20，该半桥式磁传感器结构20包括第一磁感元件22和第二磁传感器元件24。第一磁感元件22和第二磁感元件24中的每一个磁感元件被配置成检测，即感测由页面上以从左到右方向朝向的箭头26表示的外部磁场。在此例子中，外部磁场26朝向成基本上平行于三维坐标系内的Y轴28，该三维坐标系还包括以页面上上下方向朝向的X轴30和进出页面朝向的Z轴32。因此，外部磁场26在本文中可被称作HY外部磁场26。
第一磁感元件22和第二磁感元件24可为能够响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的各向异性磁阻式(AMR)感测元件。举例来说，第一磁感元件22可包括相对于外部磁场26的方向朝向为正四十五度的坡莫合金(Ni80Fe20)条，并且第二磁感元件24可包括相对于外部磁场26的方向朝向为负四十五度的坡莫合金条。对于第一磁感元件22和第二磁感元件24对外部磁场26的至多几千安培/米(kA/m)的小磁场，条的朝向可使能最高灵敏度和准线性响应。然而，其它角朝向也是可能的。尽管本文中提及AMR感测元件。替代实施例可包括其它磁阻式传感器技术，如巨磁阻(GMR)感测元件、隧道磁阻(TMR)磁感元件等。
半桥式磁传感器结构20的连接端子包括V入端子34、-V入端子35和V出端子36。V入端子34可连接到经调节的内部电压电源(未示出)的正输出端子并且-V入端子35可连接到经调节的内部电压电源的负输出端子或连接到系统接地。V出端子36为半桥式磁传感器结构20的输出端子，在该输出端子处，响应于外部磁场26由第一磁感元件22和第二磁感元件24的半桥式磁传感器结构20产生的第一输出信号38可用于另外的处理。
图2示出单个磁感元件的简化俯视图。在此例子中，图2示出第一磁感元件22。以下论述也适用于第二磁感元件24(图1)。如上文所提及，第一磁感元件22被配置成检测，即感测沿感测轴线(在此例子中为Y轴28)的外部磁场26。然而，第一磁感元件22还可遭受来自沿感测轴线(即Y轴28)和平行于传感器平面的非感测轴线(即X轴30)的杂散磁场的干扰。一般来说，第一磁感元件22为沿Z轴具有非常薄的膜或层(例如，在一些应用中几纳米至多十纳米厚度)的磁阻式传感器。此非常薄的层产生强层内部各向异性场。此场一般防止磁化向Z方向旋转。因此，磁阻式传感器对沿Z轴32的杂散磁场相对地不敏感，并且因此在本文中不考虑。
在此例子中，沿非感测X轴30朝向的杂散磁场由页面上向上导向的箭头40表示并且标记为HXI。因此，此杂散磁场可被称作非感测轴线杂散磁场40。类似地，沿感测Y轴28朝向的杂散磁场由页面上向右导向的箭头42表示并且标记为HYI。因此，此杂散磁场可被称作感测轴线杂散磁场42。非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42可破坏第一输出信号38(图1)或将信噪比(SNR)降低到不可接受的水平。这在例如汽车行业中对安全临界设计可具有显著影响。
图3示出相对于变化的外部磁场，电压响应49的输出电压46对时间48的例子的曲线图44。在图3中电压响应49被描述为正弦曲线式变化是可由非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42失真的理想或代表性信号。
图4示出输出电压52对沿感测轴线28的外部磁场26(图2)的例子的曲线图50。更具体地说，曲线图50提供例示感测的外部磁场26对非感测轴线杂散磁场40的相关性的特征曲线56阵列。在曲线图50中，为简单起见，输出电压52、场强度54和非感测轴线杂散磁场40的各种场强度以任意单位(A.U.)示出。在特征曲线56阵列内的实心曲线表示其中非感测轴线杂散磁场40等于零(即，不存在非感测轴线杂散磁场40)的状况。在特征曲线56阵列内的其余曲线表示当施加一定场强度的非感测轴线杂散磁场40时的差异(即，失真)。因此，相较于不存在非感测轴线杂散磁场40，在存在非感测轴线杂散磁场40的情况下由特征曲线56表示的失真可容易地表征和观测。
磁阻式传感器技术可实现比例如霍尔(Hall)传感器更好的抖动精度。然而，磁阻式传感器技术通常在两个空间轴线中灵敏并且因此更易受到磁干扰(即，杂散)场影响，尤其是与梯度计方法(下文论述)组合。根据下文描述的实施例，了解非感测轴线杂散磁场40和了解在存在非感测轴线杂散磁场40的情况下外部磁场26的电压响应变化的相关性(例如，由于如图4中所指示的表征)使能校正或抵消非感测轴线杂散磁场40对外部磁场26的影响。另外，梯度单元方法(下文论述)可另外使能校正或抵消感测轴线杂散磁场42对外部磁场26的影响。因此，包括磁阻式感测元件的系统增进优于霍尔传感器的改进的抖动精度的益处，同时本文所描述的杂散磁场抵消技术使能降低通常在磁阻式传感器技术中观察到的失真影响。
现在参考图5和图6，图5示出根据一实施例的包括磁场源62的磁感元件60的俯视图，并且图6示出沿图5的截面线6-6的磁感元件60和磁场源62的侧截面图。磁感元件60可为能够检测磁场的磁阻式感测元件，如AMR、GMR、TMR感测元件等。另外，磁感元件60可为单个条或斑点，并且包括前者的阵列。为简单起见，仅示出一个磁感元件60。其它配置可包括以半桥式或全桥式配置布置的多个磁感元件。磁感元件60被配置成感测沿感测轴线的外部磁场26，在此例子中该感测轴线为Y轴28。如上文详细论述，磁阻式感测元件，如磁感元件60，对干扰磁场(例如，非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42)敏感。
根据一实施例，磁场源62定位成接近磁感元件60。在此例子中，磁场源62包括用于提供辅助磁场的导电线圈结构，该辅助磁场由箭头64表示并且标记为HY(线圈)。因此，磁场源62可替代地在本文中被称作线圈结构62。辅助磁场64一般以与外部磁场26相同的方向朝向并且因此与感测轴线例如Y轴28对齐。线圈结构62可包括接近磁感元件62的导电(例如金属的)迹线。在示出的例子中，线圈结构62可包括定位于磁感元件60正下方的第一组迹线66和定位于磁感元件60上方的第二组迹线68。第一组迹线66和第二组迹线68在其端点处与通孔70连接以形成线圈结构62。在图5中示出的俯视图中不可见第一组迹线66并且因此在图5中由虚线表示。
如下文将更详细地论述，线圈结构62可被布置成使得由在图5中的进入和出去的箭头72表示的线圈电流流动通过线圈结构62。当对线圈结构62通电时，线圈电流72流动通过线圈结构62并且产生辅助磁场64。此辅助磁场64可被磁感元件62检测。如下文将更显著详细论述，此辅助磁场62将叠加在外部磁场26上，并且传感器响应(在本文中也被称作电压响应)将由非感测轴线杂散磁场40修改或改变。
在图5-图6中示出的配置中，线圈电流72流动通过总共第一组迹线66的三个迹线和第二组迹线68的四个迹线以形成三个半线圈匝。替代实施例可包括大于或小于所示出的线圈匝的量以获得辅助磁场64的所需磁场强度。另外其它实施例可包括安置于磁感元件60上方或下方的第一组迹线和安置成大致与磁感元件60共面的第二组迹线。另外，线圈结构62不必为三维的，但是可替代地为大体上平面的并且位于磁感元件60正上方或正下方。另外，单个磁场源(线圈结构)62可定位成接近两个或更多个磁感元件60，用于同时向多个磁感元件60提供辅助磁场64，或两个或更多个磁场源可实施成其中每个磁场源向不同磁感元件60提供辅助磁场64。
磁感元件60和线圈结构62可制造在专用集成电路(ASIC)74上或使用例如ASIC 74的顶金属层以其他方式与该专用集成电路(ASIC)74集成。在其它特征之中，ASIC 74可实施用于向线圈结构62提供线圈电流72的电流产生器76和/或定制成与磁感元件60和线圈结构62一起运作的处理电路78。电流产生器76和处理电路78由ASIC74内的简单块表示。然而，本领域的技术人员将认识到，电流产生器76和处理电路78可涵盖各种各样加工、控制或其它结构。因此，为简洁起见并且使混淆各种实施例的原理和概念的任何风险降至最小，这类结构(如果存在的话)的另外论述将限于相对于各种实施例的原理和概念的要点。
图7示出并有磁感元件60和线圈结构62的系统80的简化框图。提供图7的框图以展示抵消非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42对表示外部磁场的输出信号的不利信号贡献。为简洁起见，本文中将不描述附加处理操作。
系统80包括ASIC 74的电流产生器76和处理电路78(图7)。电流产生器76可在本文中被称作高频(HF)调制产生器。电流产生器76被配置成将线圈电流72作为定期变化的电流输出到线圈结构62。在一实施例中，线圈电流72的频率高于外部磁场26(例如，来自编码器轮)的预期频率，因此为术语“高频”或“HF”。通过线圈结构62的定期变化的线圈电流72产生对应的定期变化的辅助磁场64。在示出的例子中，定期变化的线圈电流72可为方波，该方波具有产生具有最大场强度82HY(线圈)最大(在图9中示出)的辅助磁场64的最大值IY(线圈)最大，并且具有产生具有最小场强度84HY(线圈)最小(在图9中示出)的辅助磁场64的最小值IY(线圈)最小，该最大场强度82和最小场强度84通过线圈结构62产生。另外在图9中示出的对具有梯级高度86ΔHY(线圈)的方波辅助磁场64的梯级高度响应(即，最大场强度82和最小场强度84之间的差)，响应于非感测轴线磁场40，从基线或期望值变化或改变。尽管在本文中示出方波，但是替代实施例可实施另一种定期变化的波形。
在正常使用期间，线圈结构62借助线圈电流72连续地通电。磁感元件60的第一输出信号88V出(HY，HY(线圈)，HXI，HYI)反映所有磁场源(即，外部磁场26、辅助磁场64、非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42)。因为线圈结构62借助线圈电流72连续地通电，所以辅助磁场64将叠加在感测的外部磁场26上或调制(改变)该感测的外部磁场26，因此术语“调制”是在术语高频调制产生器中的。因此，磁感元件60产生具有响应于外部磁场26的磁场信号分量90和响应于辅助磁场64的辅助磁场分量92的第一输出信号88(在此实例中，电压输出)。在存在杂散磁场的情况下，第一输出信号88将另外具有非感测轴线杂散场信号分量94和感测轴线杂散场信号分量96。因此，本文所用的术语“分量”是指构成第一输出信号88的部分或成分(即，外部磁场26、辅助磁场64、非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42)。
为清楚起见，在图示中外部磁场26和磁场信号分量90共用相同标记HY。同样地，辅助磁场64和辅助磁场分量92共用相同标记HY(线圈)。非感测轴线杂散磁场40和非感测轴线杂散场信号分量94共用相同标记HXI。并且，感测轴线杂散磁场42和感测轴线杂散场信号分量96共用相同标记HYI。根据一实施例，非感测轴线杂散场信号分量94将利用辅助磁场分量92而很大程度上被抵消。
在继续描述图7之前，将论述图8-图10。现在参考图8，图8示出电压输出信号100随时间102推移的曲线图98，该电压输出信号100包括通过由沿感测轴线例如Y轴28(图5)的辅助磁场64(图5)产生的辅助磁场分量92调制的磁场信号分量90(图7)。继续呈现于图3中的例子，图8描绘通过辅助磁场64(图5)调制以得到电压输出信号100的外部磁场信号49(图3)。时变较高频率辅助磁场信号分量92(对应于辅助磁场64)叠加在磁场信号49(即，测量信号)上。然而，在曲线图98中电压输出信号100并不通过非感测轴线杂散磁场40(图5)另外修改。
图9示出电压输出信号106、108随时间110推移的曲线图104，其中图8的电压输出信号100通过干扰磁场(例如，沿非感测轴线(例如，X轴30，图5))导向的非感测轴线杂散磁场40(图5)修改。在曲线图104中复制电压输出信号100以示出在不存在非感测轴线杂散磁场的情况下的基线输出信号并且突出在两种例子场强度112、114下，非感测轴线杂散磁场40(图5)对电压输出信号106、108的影响。在此例子中，电压输出信号106受场强度112为-2A.U.的非感测轴线杂散磁场40影响，并且电压输出信号108受场强度114为2A.U.的非感测轴线杂散磁场40影响。特别相关的是，对定期变化的方波辅助磁场64(图7)的梯级高度响应86(其为最大场强度82和最小场强度84之间的差)根据非感测轴线杂散磁场40的场强度而改变。作为副作用，可在图9中观察到根据非感测磁场40的场强度的偏移位移。
图10示出响应于图9中示出的电压输出信号100、106、108和梯级高度响应86计算的商值118、120、122(Q)随时间124推移的曲线图116。商值Q可如下确定：
Figure BDA0001900552250000141
在等式(1)中，术语“V出”是指磁场传感器60(图5)的电压响应，“HY(线圈)最大”是指通过线圈结构62产生的最大场强度82，“HY(线圈)最小”是指通过线圈结构62产生的最小场强度84，并且V出，正常为在不存在非感测轴线杂散磁场40(图5)的情况下预期的电压响应。在存在杂散磁场40的情况下传感器电压响应“VOUT”改变，其继而改变在不存在非感测轴线杂散磁场40的情况下相对于基线差的梯级高度响应86(即，最大场强度82和最小场强度84之间的电压差并且在图5中标记为ΔV出(ΔHY(线圈)))。可从等式(1)观察到比率随时间124推移是恒定的并且可确定来自非感测轴线杂散磁场40的场强度的明显影响。也就是说，非感测轴线杂散磁场40的一定场强度产生不同或独特的商值118、120、122。因此，可从商值118、120、122确定非感测轴线杂散磁场40的场强度。通过使用来自非感测轴线杂散磁场40的特征曲线相关性的知识，可以校正特征曲线并且可消除由于非感测轴线杂散磁场40造成的误差。
返回参考图7并且根据图8-图10中所呈现的信息，在校准过程期间，在存在非感测轴线杂散磁场40的情况下的商值可被表征并且保存在ASIC 74的存储器中。在正常使用期间，可对线圈结构62连续地通电以产生辅助磁场64。为了鉴定非感测轴线杂散磁场40，由辅助磁场64引起的传感器输出分量(即，辅助磁场信号分量92)可与来自校准的预期数据比较。基于比较，可基于商值确定非感测轴线杂散磁场40的场强度的鉴定，并且可应用与商值相关联的校正系数以从第一输出信号88中很大程度上抵消非感测杂散场信号分量94。
现在继续参考图7的框图，第一输出信号88被提供到处理电路78的频带分离电路系统126。如上文所论述，线圈电流72和因此辅助磁场64的频率可高于预期的外部激励(例如，外部磁场26)。因此，频带分离电路系统126从第一输出信号88中分离较高频率辅助磁场信号分量92。频带分离电路系统126可包括高通滤波器以从包括辅助磁场信号分量92的第一输出信号88中提取高频输出信号128。频带分离电路系统126可另外包括低通滤波器以从包括磁场信号分量90的第一输出信号88中提取低频输出信号130。低频输出信号130可另外包括非感测轴线杂散场信号分量94和感测轴线杂散场信号分量96。
频带分离电路系统126表示为通用滤波器块。本领域的技术人员将认识到，可实施各种各样滤波电路和/或缩混配置以从第一输出信号88中提取或以其他方式分离辅助磁场信号分量92。另外，第一输出信号88可为模拟信号。可在数字域中执行另外的处理。因此，频带分离电路系统126可另外需要借助预定义低通特征和附加滤波器进行的第一输出信号88的模数转换，以实现高频/低频分离。
在提取较高频率辅助磁场信号分量92后，高频输出信号128可被提供到商值提取电路系统132。信号振幅的期望值(即，不存在非感测轴线杂散磁场40)已知为在高频调制产生器76处产生的。因此，商值提取电路系统132提取商值134，标记为Q，作为测量的输出信号128相对于预期输出信号(即，不存在非感测轴线杂散磁场40)的比率，如等式(1)中所展示。在商值提取电路系统132处提取商值134后，商值134被提供到校正系数计算电路系统136。校正系数计算电路系统136可具有与该校正系数计算电路系统136相关联的含有校准数据的存储器元件138。此校准数据可包括商值140的数据库、与每个商值140相关联的独特磁场强度参数142和取决于每个商值140的独特校正系数(CF)144。校正系数144表示非感测轴线杂散场信号分量94的反向行为。作为一个例子，如果磁阻式感测元件的传递函数为1×并且由于非感测轴线杂散场信号分量94造成传递函数改变2×，那么校正系数144将为(1/2)×以便校正非感测轴线杂散场信号分量94。
校正系数144继而被提供到非感测轴线干扰补偿电路系统146。另外，将含有磁场信号分量90、非感测轴线杂散场信号分量94和感测轴线杂散场信号分量96的低频输出信号130从频带分离电路系统126提供到非感测轴线干扰补偿电路系统146。非感测轴线干扰补偿电路系统146将校正系数144应用于低频输出信号130以产生第二输出信号148，在该第二输出信号148中基本上除去表示非感测轴线杂散磁场40的影响的非感测轴线杂散场信号分量94，HXI。如图所示，HXI补偿电路系统146提供第二输出信号148，在该第二输出信号148中抵消非感测轴线杂散场信号分量94。
总而言之，通过系统80执行的方法需要对定位成接近磁感元件60的磁场源(线圈结构62)通电以产生沿磁感元件60的感测轴线(Y轴28)的辅助磁场64。磁感元件60产生具有响应于外部磁场26的磁场信号分量90的第一输出信号88，磁场信号分量90通过响应于辅助磁场64的辅助磁场信号分量92调制。方法另外包括在处理电路78处接收第一输出信号88，从第一输出信号88中鉴定磁干扰场40对辅助磁场信号分量92的影响94(HXI)，磁干扰场40沿磁感元件60的非感测轴线(X轴30)导向，和将校正系数144应用于第一输出信号88的低频输出信号130以产生第二输出信号148，在该第二输出信号148中基本上除去磁干扰场40的影响。
在此例子中，第二输出信号148可因此包括或以其他方式为磁场信号分量90HY和感测轴线杂散场信号分量96HYI的函数。根据一些实施例，第二输出信号148可被提供到感测轴线干扰补偿电路系统150。感测轴线干扰补偿电路系统150补偿或以其他方式从第二输出信号148中抵消感测轴线杂散场信号分量96以得到第三输出信号152。如图所示，感测轴线干扰补偿电路系统150提供第三输出信号152，在该第三输出信号152中抵消感测轴线杂散场信号分量96。可根据下文结合图11-图17描述的梯度单元配置方法执行感测轴线杂散场信号分量96的抵消。在图7中，为图示的简单起见，感测轴线干扰补偿电路系统150示出为具有单个输入。然而，在梯度单元配置中，系统80将被配置成包括到感测轴线干扰补偿电路系统150的至少一个附加输入，如结合图16所示和所论述。
其后第三输出信号152可进行为简洁起见未在本文中描述的另外的处理操作，如偏移校正、协议产生、脉冲成形等。另外，在包括非线性磁感元件的配置中，处理电路78可包括沿信号处理链的线性化电路系统。另外，甚至在实施线性磁感元件的配置中，也可能需要执行线性化(经由微调)以满足预定设计要求。
因此，第三输出信号152很大程度上包括表示测量的外部磁场26的磁场信号分量90，在该磁场信号分量90中除去或抵消非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42的影响。另外，因为磁阻式感测元件很大程度上对沿Z轴32的杂散磁场不敏感，如上文所论述，所以所得第三输出信号152基本上免受来自沿所有三条轴线的杂散磁场(干扰磁场)的影响。
结合图11-图17的后续论述适用于可用于抵消或以其他方式补偿在系统80(图7)内的例如感测轴线干扰补偿电路系统150处的感测轴线杂散磁场42的梯度单元方法。首先将论述图11-图13以提供用于抵消或以其他方式补偿感测轴线杂散磁场42的通用方法。随后提供图14-图17以描述用于确定旋转角的配置，该配置另外包括上文所论述的用于抵消非感测杂散磁场40和感测杂散磁场42的结构。另外，提供图18和图19以描述用于转速测量的配置，该配置另外包括上文所论述的用于至少抵消非感测杂散磁场40的结构。
现在参考图11，图11示出被布置为梯度单元154的一对磁感元件的简化俯视图。梯度单元154包括被第一线圈结构158(即，第一磁场源)包围的第一磁感元件156和被第二线圈结构162(即，第二磁场源)包围的第二磁感元件160。第一磁感元件156和第二磁感元件160沿感测轴线方向(即，Y轴28)横向隔开。第一磁感元件156和第二磁感元件160被配置成沿感测轴线(在本文中为Y轴28)感测外部磁场26。因此，出于清楚起见的目的，第一磁感元件156感测外部磁场26(A)，标记为HY(A)，并且第二磁感元件160感测外部磁场26(B)，标记为HY(B)。通过第一磁感元件156和第二磁感元件160中的每一个磁感元件测量的磁场强度中的任何差值可用于确定在平行于Y轴28的方向上的磁场梯度。
像结合图5-图7提供的描述，第一线圈结构158和第二线圈结构162被布置成使得线圈电流72流动通过第一线圈结构158和第二线圈结构162中的每一个线圈结构并且产生磁辅助磁场64(图5)。同样，此辅助磁场64可用于鉴定和抵消非感测轴线杂散磁场40(图5)，如上文详细论述。可实施第一磁感元件156和第二磁感元件160的梯度单元配置以另外抵消沿感测轴线即Y轴28的均一感测轴线杂散磁场42。
结合图11参考图12和图13，图12示出在平行于感测轴线(即，Y轴28)的方向上磁梯度场分布的例子的曲线图164，以及图13示出沿响应于沿Y轴28导向的感测轴线杂散磁场42HYI而修改的感测轴线(即，Y轴28)梯度单元154的方向的磁梯度场分布的曲线图166。因而，曲线图164示出在不存在磁干扰场的情况下的磁梯度场分布，以及曲线图166示出在存在磁干扰场感测轴线杂散磁场42的情况下的磁梯度场分布。
一般来说，外部磁场26(A)与传感器灵敏度S的乘积(下文论述)产生第一输出信号分量168，标记为V出A(HY(A))，呈现于图11中。另外，感测轴线杂散磁场42与传感器灵敏度S的乘积产生第一杂散场信号分量170，标记为V出A(HYI)，呈现于图11中。因此，来自第一磁感元件156的电压输出信号172(在图12中一般由术语V出A表示)可表征为V出A(HY(A)+HYI)。类似地，外部磁场26(B)与传感器灵敏度S的乘积(下文论述)产生第二输出信号分量174，标记为V出B(HY(B))。同样，感测轴线杂散磁场42与传感器灵敏度S的乘积产生第二杂散场信号分量176，标记为V出B(HYI)。因此，来自第二磁感元件160的电压输出信号178(在图12中一般由术语V出B表示)可表征为V出B(HY(B)+HYI)。
在图12中，点线180表示在第一磁感元件156和第二磁感元件160的相对位置处产生第一电压输出电压信号172和第二电压输出电压信号178的线性梯度范围和相关磁场182。在图13中，再次示出点线180。另外，实线184表示在附加空间均一干扰磁场分量，例如感测轴线杂散磁场42HYI的情况下，在第一磁感元件156和第二磁感元件160的相对位置处产生第一输出电压信号172和第二输出电压信号178的线性梯度范围和相关磁场182。
一般来说，梯度单元154的第一磁感元件156和第二磁感元件160的输出电压VA和VB(即，电压输出信号172、178)可如下描述：
V出A＝S×HY(A) (2)
V出B＝S×HY(B) (3)
S为磁感元件的灵敏度并且假设对于第一磁感元件156和第二磁感元件160两者相同(例如，通过制造精度或微调来实现)。因此，感测轴线杂散磁场42HYI在第一磁感元件156和第二磁感元件160两者中导致相同电压位移，如下：
V出A＝S×(HY(A)+HYI)＝S×HY(A)+S×HYI (4)
V出B＝S×(HY(B)+HYI)＝S×HY(B)+S×HYI (5)
等式(4)和(5)仅当磁感元件156、160为线性的(即，例如通过微调具有线性响应曲线并且处于不饱和)时才有效。因此，灵敏度(S)并不取决于感测轴线磁场的磁场振幅。计算梯度单元154的差分输出信号需要取两个电压信号的差值并且从而抵消感测轴线杂散场信号分量170、176，如以下等式(6)中所示：
DA，B＝V出B-V出A＝(S×HY(B)+S×HY1)-(S×HY(A)+S×HYI)＝S×(HY(B)-HY(A)) (6)
如上文所展示，如结合图5-图10论述的线圈结构的实施连同结合图11-图13论述的梯度单元配置的实施可消除或以其他方式抵消磁阻式感测元件中非感测轴线杂散磁场40和感测轴线杂散磁场42的影响，以得到针对来自每一个方向的大体上均一的杂散磁场稳固的磁阻式感测元件。
现在参考图14-图15，图14示出用于旋转角感测的系统190的简化局部侧视图，以及图15示出系统190的简化局部俯视图。在图14-图15的实施例中，具有线圈结构62的磁感元件60可适当地被配置成在梯度计配置中感测物体的角位。
系统190一般包括形成于基板198的表面196上的第一梯度单元192和第二梯度单元194和沿Z轴32竖直地移位远离第一梯度单元192和第二梯度单元194的磁体200。在图15中所示的俯视图中未示出磁体200，以便更佳观察形成于基板198的表面196上的特征。第一梯度单元192包括第一磁感元件(标记为60A)和一个线圈结构(标记为621)以及第二磁感元件(标记为60B)和一个线圈结构(标记为622)。同样地，第二梯度单元194包括第三磁感元件(标记为60C)和一个线圈结构(标记为623)以及第四磁感元件(标记为60D)和一个线圈结构(标记为624)。
根据一实施例，第二梯度单元194相对于第一梯度单元192旋转九十度。也就是说，第一磁感元件60A和第二磁感元件60B的纵向维度与X轴30对齐。另外，第三磁感元件60C和第四磁感元件60D的纵向维度与Y轴28对齐。因此，磁感元件60A、60B被配置成感测沿第一感测轴线(即Y轴28)的大致平行于基板198的表面196朝向的平面内外部磁场202。通过磁感元件60A、60B中的每一个磁感元件测量的磁场强度中的任何差值可用于确定在平行于Y轴28的方向上的磁场梯度。磁感元件60C、60D被配置成感测沿第二感测轴线(即X轴30)的大致平行于基板198的表面196朝向的平面内测量磁场204。通过磁感元件60C、60D中的每一个磁感元件测量的磁场强度中的任何差值可用于确定在平行于X轴30的方向上的磁场梯度。
第二梯度单元194相对于垂直于基板198的表面196的旋转轴206与第一梯度单元192隔开九十度。另外，第一梯度单元192和第二梯度单元194可定位成距旋转轴206相同径向距离208。另外，第一磁感元件60A可与第二磁感元件60B横向隔开距离210并且第三磁感元件60C可与第四磁感元件60D横向隔开相同距离210。在其它实施例中，磁感元件60A、60B、60C、60D之间的距离可不同。
磁体200可为呈例如盘、环、矩形或棒状形式的永久磁体。磁体200被配置成相对于第一梯度单元192和第二梯度单元194围绕旋转轴206旋转。磁体200产生连同磁体200相对于第一梯度单元192和第二梯度单元194旋转的磁场212。磁场212具有平面内外部磁场分量202、204和带有梯度特性的平面外磁场分量214。平面外磁场分量214具有作为距旋转轴206的距离的函数而改变的磁场强度，如由变化的长度箭头所表示。借助于例子，磁场强度可在最接近旋转轴206的位置处最低并且在最远离旋转轴206但在磁体维度内部的位置处最大。
在一实施例中，平面外磁场分量214可通过第一梯度单元192和第二梯度单元194检测，并且因此可在本文中被称作磁梯度场214。举例来说，系统190可包括磁场偏转元件，有时被称作通量引导件(未示出)，该磁场偏转元件被配置成将平面外磁场分量214适当地重新导向到由X轴30和Y轴28限定的X-Y平面中，用于由磁感元件60A、60B、60C、60D检测。
通过第一梯度单元192和第二梯度单元194检测的平面外磁场分量214可适当地处理以鉴定磁体200相对于第一梯度单元192和第二梯度单元194的旋转角216，标记为
Figure BDA0001900552250000221
。尽管示出仅两个梯度单元(例如，第一梯度单元192和第二梯度单元194)，但是替代实施例可包括众多的梯度单元。在此类配置中，可对相对的梯度单元的信号求平均，等。因此，可减低来自偏心率等的可能误差。提供的例子是以非限制性方式用于具有平面外梯度场的配置。替代实施例可实施具有平面内梯度场分量。
结合图14和图15参考图16，图16示出并有用于从电压输出信号中抵消感测轴线杂散磁场分量96的梯度单元配置的系统80(图7)的简化局部框图。将结合系统190的第一梯度单元192和第二梯度单元194描述图16的特征。然而，在第二梯度单元和“第N”梯度单元218之间的省略号指示系统可根据特定设计配置包括任何预定量的梯度单元。另外，与电压输出V出N1和V出N2相关联的术语字母“M”指示任意轴线。再者，尽管在图16中具体地示出两个或更多个梯度单元，但是另一个实施例可仅实施单个梯度单元，如由图11所表示。
提供图16以强调系统80可被调适成处理来自多个磁感元件的多个电压输出信号。在此例子中，多个电压输出信号已经通过非感测轴线干扰补偿电路系统146处理，从而很大程度上抵消由非感测轴线杂散磁场产生的非感测轴线杂散场信号分量。因此，感测轴线杂散磁场补偿电路系统150可具有多个输入。出于说明性目的，非感测轴线干扰补偿电路系统146的第一补偿电路系统部分146A电连接到第一梯度单元192的第一磁感元件60A以提供第一电压输出信号220V出A，该第一电压输出信号220V出A具有作为平面内外部磁场202的函数的外部磁场分量222HY(A)并且具有感测轴线杂散磁场分量96。类似地，非感测轴线干扰补偿电路系统146的第二补偿电路系统部分146B电连接到第一梯度单元192的第二磁感元件60B以提供第二电压输出信号224V出B，该第二电压输出信号224V出B具有作为平面内外部磁场202的函数的外部磁场分量226HY(B)并且具有感测轴线杂散磁场分量96。
应从图15回顾，第三磁感元件60C和第四磁感元件60D被配置成感测沿第二感测轴线(即X轴30)的大致平行于基板198的表面196朝向的平面内外部磁场204。因此，来自第三磁感元件60C和第四磁感元件60D的电压输出信号可包括感测轴线杂散磁场分量228，标记为HXI，与X轴30对齐。同样出于说明性目的，非感测轴线干扰补偿电路系统146的第三补偿电路系统部分146C电连接到第二梯度单元194的第三磁感元件60C以提供第三电压输出信号230V出C，该第三电压输出信号230V出C具有作为平面内外部磁场204的函数的外部磁场分量232HX(C)并且具有感测轴线杂散磁场分量228。类似地，非感测轴线干扰补偿电路系统146的第四补偿电路系统部分146D电连接到第二梯度单元194的第四磁感元件60D以提供第四电压输出信号234V出D，该第四电压输出信号234V出D具有作为平面内外部磁场204的函数的外部磁场分量236HX(D)并且具有感测轴线杂散磁场分量228。
因此，电压输出信号中的每一个电压输出信号为外部磁场信号分量和感测轴线杂散磁场信号分量的函数。更具体地说，电压输出信号中的每一个电压输出信号为外部磁场信号分量和感测轴线杂散场信号分量的总和，如等式(4)和等式(5)中所示。再者，沿第一感测轴线例如Y轴28的感测轴线杂散磁场信号分量96可不同于沿第二感测轴线例如X轴30的感测轴线杂散磁场信号分量228。
感测轴线杂散磁场补偿电路系统150与第一梯度单元192电联接并且被配置成产生第一差分输出信号238(DA，B)，作为根据上述等式(2)至等式(6)的第一电压输出信号220和第二电压输出信号224之间的差。同样地，感测轴线杂散磁场补偿电路系统150与第二梯度单元194电联接并且被配置成产生第二差分输出信号240(DC，D)，作为第三电压输出信号230和第四电压输出信号234之间的差。当然，根据梯度单元的配置，可计算多个差分输出信号，如由DN1，N2所表示。第二差分输出信号240计算如下：
V出C＝S×HX(C) (7)
V出D＝S×HX(D) (8)
S为磁感元件的灵敏度并且假设对于第三磁感元件60C和第四磁感元件60D两者相同(例如，通过制造精度或微调来实现)。因此，感测轴线杂散磁场228HXI在第三磁感元件60C和第四磁感元件60D两者中导致相同电压位移，如下：
V出C＝S×(HX(C)+HXI)＝S×HX(C)+S×HXI (9)
V出D＝S×(HX(D)+HXI)＝S×HX(D)+S×HXI (10)
因此，计算第二梯度单元194的差分输出信号需要取两个电压信号的差值并且从而抵消感测轴线杂散场信号分量228，如下：
DC，D＝V出D-V出C＝(S×HX(D)+S×HXI)-(S×HX(C)+S×HXI)＝S×(HX(D)-HX(c)) (11)
参考图14-图16，处理电路78可包括旋转角确定电路系统242。借助于例子，旋转角确定电路系统242包括结构和软件配置组件的组合以根据在图14-图15中示出的系统190的配置来确定旋转角216。一般来说，磁场梯度，例如对于在第一梯度单元192的第一磁感元件60A和第二磁感元件60B的位置处的平面外磁场分量214(图14)可被描述为：
Figure BDA0001900552250000241
Figure BDA0001900552250000242
在等式(12)和等式(13)以及后续等式(14)和等式(15)中，Hm表示经重新导向/经偏转的平面内外部磁场的振幅。由于第一梯度单元和第二梯度单元的九十度旋转布置，第二梯度单元194的第三磁感元件60C和第四磁感元件60D的数学关系可被描述为：
Figure BDA0001900552250000243
Figure BDA0001900552250000244
第一梯度单元192的磁场梯度可因此被描述为：
Figure BDA0001900552250000245
运算符HmG1等于(HmB-HmA)。类似地，第二梯度单元194的磁场梯度可被描述为：
Figure BDA0001900552250000251
通过将等式(16)代入等式(6)中，差分输出电压238DA，B可如下确定：
Figure BDA0001900552250000252
通过将等式(17)代入等式(11)中，差分输出电压240DC，D可如下确定：
Figure BDA0001900552250000253
因此，角位(即，旋转角216)
Figure BDA0001900552250000254
可在旋转角确定电路系统242处通过差分输出电压DA，B和DC，D的除法来计算，如下：
Figure BDA0001900552250000255
因此，磁体200(图14)的角位(即旋转角216)可利用差分输出电压DA，B和DC，D鉴定，如下：
Figure BDA0001900552250000256
现在参考图17，图17示出示出可替代地并入到图14-图15的系统中的梯度单元的位置的各种简化俯视图。如先前所提到，系统190的替代实施例可包括众多的梯度单元。另外，这些梯度单元可不同地布置。在图17中示出的梯度单元的配置中的每一种配置包括具有接近磁感元件定位的磁场源(例如，线圈结构62)的磁感元件60。
因此，图17包括具有带有两个磁场源62的两个磁感元件60的第一配置244，该两个磁感元件60沿感测轴线(例如，X轴30)宽远地隔开但形成单个梯度单元246。另外，第二配置248包括两个磁感元件60，该两个磁感元件60沿感测轴线(例如，X轴30)紧密地隔开并且形成单个梯度单元246。第三配置250包括沿感测轴线/X轴30隔开的三个磁感元件60。在第三配置250中，磁感元件60中的一个磁感元件60可位于中心点处，并且其余两个磁感元件60在中心点的相对侧上隔开并且距中心点相同距离。可形成各对磁感元件60以得到多个梯度单元246，如图所示。
第四配置252具有四个梯度单元246，每个梯度单元246分开90°。第五配置254示出为具有八个梯度单元246，每个梯度单元246分开45°。第六配置256示出为具有梯度单元246，在该梯度单元246中距平行于轴线的角(例如，α和β)和距中心的距离(d1、d2、d3、d4)可不同。在第七配置258中，多个磁感元件60用省略号表示，该多个磁感元件60以每个磁感元件60之间相同距离沿X轴30(感测轴线)横向位移，从而形成多个梯度单元。在第八配置260中，距离变化并且磁感元件60可沿X轴30和/或Y轴28横向位移以得到梯度单元246。图17仅示出梯度单元的几种配置。其它配置可等效地适用。
图18示出用于转速测量的系统262的简化局部侧视图，其中可实施具有磁场源(例如，线圈结构)的磁感元件60。在此例子中，系统262包括用于产生磁场的磁化编码器轮264，但是替代实施例可实施铁磁性齿轮或其它类似结构。在图18中示出的呈现的北(N)极和南极(S)配置为编码器轮的一个例子。
在此例子配置中，磁感元件60被配置成测量编码器轮264的转速。因此，磁感元件60与Y轴28对齐以检测沿感测轴线(例如，Y轴28)的外部磁场26，该外部磁场26在编码器轮264的旋转期间随着编码器轮264的交替磁北极和磁南极经过而产生。磁感元件60中的每一个磁感元件60将极序列转换成正弦状输出电压，并且可通过计数例如过零点推导出编码器轮264的转速。偏置磁体(未示出)可用于调整磁感元件60的灵敏度和测量范围。
在图18中示出的磁场源为形成于图18中示出的结构的单个导电层中的平面线圈结构266。平面线圈结构266可相对于上文所论述的三维线圈结构62以更简单(因此价格低廉)的板型得到足够场强度的辅助磁场64。然而，在系统262中可替代地实施三维线圈结构62。可对平面线圈结构266连续地通电以提供沿感测轴线(例如Y轴28)的辅助磁场64，并且从而补偿沿非感测轴线(例如X轴30)的非感测轴线杂散磁场40(图5)，如上文详细论述。
为图示的简单起见，图18未示出呈包装形式并且附接到对应结构的磁感元件60。相反，示出相对于三维坐标系的Z轴32，磁感元件60移位远离编码器轮264。在实际配置中，应易于显而易见的是，磁感元件60将被包装并且附接到适当接近于编码器轮264的支撑结构。另外，为简单起见，示出三个磁感元件60。这些磁感元件60可被布置为梯度单元，类似于第三配置250(图17)的梯度单元246(图17)。可替换的是，来自磁感元件60中的每一个磁感元件60的输出信号可经由例如求和来组合以增强系统262对外部磁场26的精度。
图18仅示出转速测量系统的简化配置。其它配置可等效地适用。另外，可设想包括磁感元件的其它系统，该磁感元件具有接近磁感元件定位的磁场源，用于提供沿感测轴线的辅助磁场并且利用辅助磁场补偿沿非感测轴线的非感测轴线杂散磁场。
图19示出用于转速测量的另一系统268的简化局部侧视图。系统268包括结合系统262(图18)描述的结构特征中的许多结构特征。因此，为简洁起见，将不重复那些特征的描述。在系统268的配置中，实施未磁化无源编码器轮270，在此情况下偏置磁体(未示出)可用于磁化无源含铁磁性编码器轮270。
本文所述的实施例需要磁场传感器和并有磁场传感器的系统，该磁场传感器用于测量磁场同时基本上抵消沿一个或多个轴线的杂散磁场。系统的实施例包括用于检测沿感测轴线的外部磁场的磁感元件和接近磁感元件用于提供沿磁感元件的感测轴线的辅助磁场的磁场源。磁感元件产生具有响应于外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，磁场信号分量通过响应于辅助磁场的辅助磁场信号分量调制。系统另外包括与磁感元件联接的处理电路，其中处理电路被配置成接收第一输出信号，从第一输出信号中鉴定磁干扰场对辅助磁场信号分量的影响，磁干扰场沿磁感元件的非感测轴线导向，并且处理电路另外被配置成将校正系数应用于第一输出信号的磁场信号分量以产生其中从磁场信号分量中基本上除去磁干扰场的影响的第二输出信号。
在包括用于检测沿感测轴线的外部磁场的磁感元件的系统中，方法的实施例包括对接近磁感元件定位的磁场源通电，以产生沿磁感元件的感测轴线的辅助磁场。磁感元件产生具有响应于外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，磁场信号分量通过响应于辅助磁场的辅助磁场信号分量调制。方法另外包括在处理电路处接收第一输出信号，从第一输出信号中鉴定磁干扰场对辅助磁场信号分量的影响，磁干扰场沿磁感元件的非感测轴线导向，和将校正系数应用于第一输出信号的磁场信号分量以产生其中基本上除去磁干扰场的影响的第二输出信号。
因此，系统包括接近于一个或多个磁场源(如线圈结构)定位的一个或多个磁场感测元件。磁场源被配置成提供沿磁场传感器的感测轴线的定期变化的辅助磁场。定期变化的辅助磁场因此产生磁场传感器的定期变化的电压(或电流)响应。定期变化的电压(或电流)响应根据沿非感测轴线的杂散磁场的场强度而从期望值改变。因此，定期变化的辅助磁场可用于产生辅助磁场信号分量，该辅助磁场信号分量可继而用于确定沿非感测轴线的杂散磁场的场强度。了解此场强度可用于消除或以其他方式抵消由沿非感测轴线的杂散磁场产生的不利信号贡献，以便有效地降低敏感轴线的数目从而产生单轴线磁阻式感测元件。磁感元件连同磁场源(得到单轴线磁阻式感测元件)可并入梯度单元方法中，该梯度单元方法使能抵消由沿感测轴线的均一(即，均匀)杂散磁场产生的不利信号贡献。另外，具有一个或多个磁场源的一个或多个磁场感测元件可出于速度和方向感测、旋转角感测、接近感测等的目的以各种系统配置实施。
本公开旨在阐明如何形成和使用根据本发明的各种实施例而非限制根据本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不旨在是穷尽性的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，许多修改或变化是可以的。选择和描述一个或多个实施例以提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳说明，以及使能本领域的普通技术人员在各种实施例中并且利用适合于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有这类修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本申请未决期间可以修正。

Claims (9)

1.一种磁场传感器系统，其特征在于，包括：
磁感元件，所述磁感元件用于检测沿感测轴线的外部磁场，所述外部磁场呈现第一频率；
磁场源，所述磁场源接近所述磁感元件用于提供沿所述磁感元件的所述感测轴线的辅助磁场，所述辅助磁场呈现大于所述第一频率的第二频率，其中所述磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制；和
与所述磁感元件联接的处理电路，其中所述处理电路被配置成接收所述第一输出信号，从所述第一输出信号中鉴定磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的影响，所述磁干扰场沿所述磁感元件的非感测轴线导向，并且所述处理电路进一步被配置成将校正系数应用于所述第一输出信号的所述磁场信号分量以产生其中从所述磁场信号分量中基本上除去所述磁干扰场的影响的第二输出信号；
并且所述处理电路包括：
频带分离元件，所述频带分离元件被配置成接收所述第一输出信号并且分别响应于所述外部磁场的所述第一频率和所述辅助磁场的所述第二频率而从所述磁场信号分量中分离所述辅助磁场信号分量；
与所述频带分离元件通信的提取元件，所述提取元件被配置成接收所述辅助磁场信号分量并且计算商值，所述商值为所述辅助磁场信号分量的第一信号量值与第二信号量值的比率，其中所述第一信号量值受所述磁干扰场影响，并且所述第二信号量值为在无所述磁干扰场的情况下所述第一信号量值的期望值；和
与所述频带分离元件和所述提取元件中的每一个通信的补偿元件，所述补偿元件被配置成利用所述商值确定所述校正系数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁感元件包括磁阻式感测元件。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁场源包括导电线圈结构。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述导电线圈结构为平面线圈结构或包围所述磁感元件的三维线圈结构。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，进一步包括电源，所述电源与所述导电线圈结构联接并且被配置成提供通过所述导电线圈结构的定期时变电流，用于产生作为时变辅助磁场的所述辅助磁场。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处于所述第二频率的所述辅助磁场信号分量由通过所述磁场源产生的最大磁场强度和通过所述磁场源产生的最小磁场强度表征，并且其中所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的所述影响被鉴定为由所述最大磁场强度和所述最小磁场强度造成的传感器响应的改变。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁感元件为第一磁感元件，所述磁场源为第一磁场源，并且所述系统进一步包括：
用于检测沿所述感测轴线的所述外部磁场的第二磁感元件；和
所述第一磁场源或第二磁场源，所述第二磁场源接近所述第二磁感元件，所述第二磁场源用于提供沿所述第二磁感元件的所述感测轴线的所述辅助磁场，其中：
所述第二磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的第二磁场信号分量的第三输出信号，所述第二磁场信号分量通过所述辅助磁场信号分量调制；
所述处理电路进一步与所述第二磁感元件联接并且被配置成接收所述第三输出信号，从所述第三输出信号中鉴定所述磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的所述影响，和将所述校正系数应用于所述第三输出信号以产生指示所述第二磁场信号分量的第四输出信号，在所述第四输出信号中从所述第二磁场信号分量中基本上除去所述磁干扰场的影响。
8.一种在包括用于检测沿感测轴线的外部磁场的磁感元件的系统中的方法，其特征在于，包括：
对接近所述磁感元件定位的磁场源通电以产生沿所述磁感元件的所述感测轴线的辅助磁场，其中所述磁感元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制；
在处理电路的频带分离元件处接收所述第一输出信号并且分别响应于所述外部磁场的第一频率和所述辅助磁场的第二频率而从所述磁场信号分量中分离所述辅助磁场信号分量；
从所述第一输出信号中鉴定磁干扰场对所述辅助磁场信号分量的影响，所述磁干扰场沿所述磁感元件的非感测轴线导向，包括在与所述频带分离元件通信的提取元件处接收所述辅助磁场信号分量并且计算商值，所述商值为所述辅助磁场信号分量的第一信号量值与第二信号量值的比率，其中所述第一信号量值受所述磁干扰场影响，并且所述第二信号量值为在无所述磁干扰场的情况下所述第一信号量值的期望值；和与所述频带分离元件和所述提取元件中的每一个通信的补偿元件，所述补偿元件被配置成利用所述商值确定校正系数；和
将所述校正系数应用于所述第一输出信号的所述磁场信号分量以产生其中基本上除去所述磁干扰场的所述影响的第二输出信号。
9.一种磁场传感器系统，其特征在于，包括：
磁阻式感测元件，所述磁阻式感测元件用于检测沿感测轴线的外部磁场，所述外部磁场呈现第一频率；
导电线圈结构，所述导电线圈结构接近所述磁阻式感测元件用于提供沿所述磁阻式感测元件的所述感测轴线的辅助磁场，所述辅助磁场呈现大于所述第一频率的第二频率，其中所述磁阻式感测元件产生具有响应于所述外部磁场的磁场信号分量的第一输出信号，所述磁场信号分量通过响应于所述辅助磁场的辅助磁场信号分量调制；和
处理电路，所述处理电路与所述磁阻式感测元件联接，其中所述处理电路被配置成：
接收所述第一输出信号，并且分别响应于所述外部磁场的所述第一频率和所述辅助磁场的所述第二频率而从所述磁场信号分量中分离所述辅助磁场信号分量；
计算商值，所述商值为所述辅助磁场信号分量的第一信号量值与所述辅助磁场信号分量的第二信号量值的比率，其中所述第一信号量值受磁干扰场影响并且所述第二信号量值为在无所述磁干扰场的情况下所述第一信号量值的期望值，所述磁干扰场沿所述磁阻式感测元件的非感测轴线导向；
利用所述商值确定校正系数；和
将所述校正系数应用于所述第一输出信号的所述磁场信号分量以产生其中从所述磁场信号分量中基本上除去所述磁干扰场的影响的第二输出信号。
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