CN110133543A - 利用辅助传感器信号进行杂散场抵消的磁阻传感器系统 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括第一和第二磁感测元件，用于响应于沿着与第一感测元件的平面平行的感测轴的外部磁场分别产生第一和第二输出信号，第二元件的磁化方向在该平面中相对于第一元件的磁化方向旋转。第二输出信号与第一输出信号的不同之处在于对沿着第一磁场的非感测轴的磁干扰场的依赖性。处理电路接收第一和第二输出信号，从第一与第二输出信号之间的关系中识别磁干扰场对第一输出信号的影响，并将校正因子应用于第一输出信号以产生其中基本上消除磁干扰场的影响的组合输出信号。

Description

利用辅助传感器信号进行杂散场抵消的磁阻传感器系统
技术领域
本发明大体上涉及磁阻传感器。更具体地，本发明涉及磁阻传感器和并有磁阻传感器的系统，该磁阻传感器用于测量磁场同时基本上抵消沿着一个或多个轴的杂散磁场的影响。
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、旋转角度感测、接近感测等的目的测量磁场。磁阻传感器可能对干扰磁场敏感，干扰磁场也称为杂散磁场。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，从而不利地影响磁场检测质量。沿着磁场传感器的感测轴的杂散磁场可以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：
第一磁感测元件，所述第一磁感测元件被配置成响应于沿着与所述第一磁感测元件的平面平行的感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，所述第一磁感测元件具有第一磁化方向；
第二磁感测元件，所述第二磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第一磁化方向旋转的第二磁化方向，所述第二磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第二输出信号，其中所述第二输出信号与所述第一输出信号的不同之处在于对沿着所述第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性；以及
处理电路，所述处理电路与所述第一和第二磁感测元件耦接，其中所述处理电路被配置成接收所述第一和第二输出信号、从所述第一与第二输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第一输出信号的影响，并将校正因子应用于所述第一输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的组合输出信号。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁感测元件形成于基板上，所述平面与所述第一和第二磁感测元件的层磁化对准，所述平面平行于所述基板的平面表面，所述感测轴和非感测轴平行于所述平面表面，并且所述非感测轴垂直于所述感测轴。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁感测元件中的每个磁感测元件被表征为磁阻元件。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括基板，其中所述第一和第二磁感测元件形成于所述基板上的同一结构层中。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括基板，其中所述第一磁感测元件形成于所述基板上的第一结构层中，并且所述第二磁感测元件形成于与所述第一结构层以堆叠配置布置的第二结构层中。
在一个或多个实施例中，所述第一磁感测元件具有第一中心点并且所述第二磁感测元件具有第二中心点，所述第一和第二中心点被布置成使得所述第一和第二中心点沿着垂直于所述系统的所述平面的另一轴彼此对准。
在一个或多个实施例中，所述处理电路包括：
提取元件，所述提取元件被配置成接收所述第一和第二输出信号，并且计算作为第一输出信号与第二输出信号的比的商值；
校正因子计算元件，所述校正因子计算元件被配置成使用所述商值来确定所述校正因子；以及
补偿元件，所述补偿元件与所述第一磁感测元件和所述校正因子计算元件中的每个耦接，所述补偿元件被配置成将校正因子应用到所述第一输出信号。
在一个或多个实施例中，所述商值对于沿着所述非感测轴的多个磁干扰场中的一个不同，并且取决于所述外部磁场的磁场强度。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第三输出信号，所述第三磁感测元件具有第三磁化方向，其中所述第二磁感测元件的所述第二磁化方向在所述平面中相对于所述第一和第三磁化方向两者旋转，其中在存在所述磁干扰场的情况下所述第三输出信号不同于所述第二输出信号，并且其中所述处理电路还被配置成接收所述第三输出信号并将所述校正因子或另一校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括：
第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第三输出信号，所述第三磁感测元件具有第三磁化方向；以及
第四磁感测元件，所述第四磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第三磁化方向旋转的第四磁化方向，所述第四磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第四输出信号，其中所述第四输出信号与所述第三输出信号的不同之处在于对沿着所述第三磁感测元件的所述非感测轴引导的所述磁干扰场的依赖性，并且所述处理电路还被配置成接收所述第三和第四输出信号、从所述第三与第四输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第三输出信号的影响，并将第二校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号。
在一个或多个实施例中，所述磁干扰场是第一磁干扰场；
所述系统还包括第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被配置成响应于沿着所述感测轴的所述外部磁场产生第三输出信号；
所述第一和第三磁感测元件受沿着所述感测轴的第二磁干扰场影响；并且
所述处理电路还被配置成产生作为所述第一与第三输出信号之间的差值的差分输出信号，所述第一与第三输出信号之间的所述差值基本上消除所述第二磁干扰场。
在一个或多个实施例中，所述组合输出信号指示所述第一输出信号是第一组合输出信号；
所述第三磁感测元件具有第三磁化方向；
所述第二磁感测元件的所述第二磁化方向在所述平面中相对于的第一和第三磁体方向两者旋转；以及
所述处理电路进一步被配置成接收所述第三输出信号、将所述校正因子或另一校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述第一磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号，以及产生作为指示所述第一输出信号的所述第一组合输出信号与指示所述第三输出信号的所述第二组合输出信号之间的差值的所述差分输出信号。
在一个或多个实施例中，所述组合输出信号是第一组合输出信号；
所述系统进一步包括第四磁感测元件，所述第四磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第三磁化方向旋转的第四磁化方向，所述第四磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第四输出信号，其中所述第四输出信号与所述第三输出信号的不同之处在于对所述第一磁干扰场的依赖性；并且
所述处理电路进一步被配置成接收第三和第四输出信号、从所述第三与第四输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第三输出信号的影响、将第二校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号，并且产生作为指示所述第一输出信号的所述第一组合输出信号与指示所述第三输出信号的所述第二组合输出信号之间的差值的所述差分输出信号。
根据本发明的第二方面，提供一种方法，包括：
在第一磁感测元件处响应于沿着与所述第一磁感测元件的平面平行的感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，所述第一磁感测元件具有第一磁化方向；
在第二磁感测元件处响应于所述外部磁场产生第二输出信号，所述第二磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第一磁化方向旋转的第二磁化方向，其中所述第二输出信号与所述第一输出信号的不同之处在于对沿着所述第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性；
在处理电路处接收所述第一和第二输出信号；
在所述处理电路处，从所述第三与第四输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第一磁场信号分量的影响，并将校正因子应用于所述第一输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的组合输出信号。
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，计算作为所述第一输出信号与所述第二输出信号的比的商值；以及
在所述处理电路处，使用所述商值以确定所述校正因子，其中所述商值对于沿着所述非感测轴的多个磁干扰场中的一个不同，并且取决于所述外部磁场的磁场强度。
根据本发明的第三方面，提供一种系统，包括：
基板；
形成于所述基板上的第一磁阻元件，所述第一磁阻元件被配置成响应于沿着感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，所述第一磁阻元件具有第一磁化方向；
第二磁阻元件，所述第二磁阻元件形成于所述基板上且具有平行于平面表面相对于所述第一磁化方向旋转的第二磁化方向，所述第二磁阻元件被配置成响应于所述外部磁场产生第二输出信号，其中所述第二输出信号与所述第一输出信号的不同之处在于对沿着所述第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性，所述感测和非感测轴平行于所述基板的平面表面，并且所述非感测轴垂直于所述感测轴；以及
处理电路，所述处理电路与所述第一和第二磁阻元件耦接，其中所述处理电路被配置成接收所述第一和第二输出信号、从所述第二输出信号中识别所述磁干扰场对所述第一输出信号的影响，并且将校正因子应用于所述第一输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的组合输出信号。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二磁阻元件形成于所述基板上的同一结构层中。
在一个或多个实施例中，所述第一磁阻元件形成于所述基板上的第一结构层中，并且所述第二磁阻元件形成于与所述第一结构层以堆叠配置布置的第二结构层中。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括形成于所述基板上的第三磁阻元件，所述第三磁阻元件被配置成响应于所述外部磁场产生第三输出信号，所述第三磁阻元件具有第三磁化方向，所述第二磁化方向平行于所述平面表面相对于所述第一和第三磁化方向两者旋转，其中所述处理电路还被配置成接收所述第三输出信号，并将所述校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括：
第三磁阻元件，所述第三磁阻元件被配置成响应于所述外部磁场产生第三输出信号，所述第三磁阻元件具有第三磁化方向；以及
第四磁阻元件，所述第四磁阻元件具有平行于所述平面表面相对于所述第三磁化方向旋转的第四磁化方向，所述第四磁阻元件被配置成响应于所述外部磁场产生第四输出信号，其中所述处理电路还被配置成接收所述第三和第四输出信号、从所述第四输出信号识别所述磁干扰场对所述第三输出信号的影响，并将第二校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号。
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指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，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示出磁感测元件的半桥结构；
图2示出单个磁感测元件的简化顶视图；
图3示出磁感测元件相对于变化的外部磁场的示例电压响应的曲线图；
图4示出磁感测元件响应于沿着感测轴的外部磁场的电压响应以及电压响应对非感测轴杂散磁场的场强的依赖性的示例曲线图；
图5示出根据实施例的磁感测元件的顶视图；
图6示出图5的磁感测元件的线性化电压响应的曲线图；
图7示出绘制的商值曲线相对于沿着感测轴的外部磁场的场强的曲线图；
图8示出包括图5的磁感测元件的系统的简化框图；
图9示出布置为梯度单元的一对磁感测元件的简化顶视图；
图10示出沿平行于图9的梯度单元的感测轴方向的磁梯度场分布以及响应于沿着感测轴引导的空间均匀干扰磁场修改的磁梯度场分布的曲线图；
图11示出用于旋转角度感测的系统的简化局部侧视图；
图12示出图11的系统的简化局部顶视图；
图13示出包括用于从传感器响应抵消沿着感测轴的杂散磁场的梯度单元配置的简化局部框图；
图14示出的各种简化顶视图示出可替代地并入到图11-12的系统中的梯度单元的位置；
图15示出的各种简化顶视图示出可替代地并入到图11-12的系统中的梯度单元的另外的位置；
图16示出沿着图15的剖面线16-16的一个梯度单元配置的局部侧剖视图；
图17示出的各种简化顶视图示出可替代地并入到图11-12的系统中的梯度单元的更多位置；
图18示出根据另一实施例的磁感测元件的顶视图；
图19示出包括图18的磁感测元件的用于转速测量的系统的简化局部侧视图；以及
图20示出包括图18的磁感测元件的用于转速测量的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包括磁场传感器的系统，该磁场传感器用于测量磁场同时基本上抵消沿着一个或多个轴的杂散磁场。更具体地，一种系统包括一个或多个主要磁场感测元件和位于主要磁场感测元件附近的一个或多个辅助磁场感测元件。辅助磁场感测元件在某一平面中相对于主要磁场感测元件旋转。更具体地，辅助磁场感测元件的磁化方向在该平面中相对于主要磁场感测元件的磁化方向旋转。设置从辅助磁场感测元件输出的辅助传感器信号与从主要磁场感测元件输出的主要传感器信号相关联使得能够沿着非感测轴提取杂散磁场的磁场强度。可以使用对该场强的了解来补偿或以其它方式抵消由沿着非感测轴的杂散磁场引起的不利信号影响。可以用梯度单元方法结合主要磁感测元件和辅助磁感测元件，该方法还能够抵消由沿着感测轴的均匀(即，一致)杂散磁场引起的不利信号影响。因此，可以有效地实现单轴(即，单个轴)磁感测元件。可以在各种系统配置中实现具有一个或多个辅助感测元件的一个或多个磁场感测元件，以用于速度和方向感测、旋转角度感测、接近感测等目的。
提供本公开以另外通过能够实现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。另外提供本发明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，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，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，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，附图中的一些可通过使用各种底纹和/或阴影线来说明以区分在各个结构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层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用了不同的底纹和/或阴影线，但是结构层内的不同元件可能由相同材料形成。
参考图1，图1以简化和代表性的形式示出了半桥结构20，其包括第一磁感测元件22和第二磁感测元件24。第一磁感测元件22和第二磁感测元件24中的每一个被配置成检测(例如，感测)外部磁场，由在页面上从左到右方向定向的箭头26表示。在这个例子中，外部磁场26在三维坐标系内基本上平行于Y轴28定向，该三维坐标系还包括在页面上沿上下方向定向的X轴30。Y轴28和X轴30限定磁感测元件22、24的平面33，其中平面33对应于磁感测元件22、24的层磁化。Z轴32定向到页面内外，并且因此垂直于平面33。在平面33内基本上平行于Y轴28定向的外部磁场26在本文中可以被称为HY外部磁场26。
第一磁感测元件22和第二磁感测元件24可以是各向异性磁阻(AMR)感测元件，其能够响应于外部施加的磁场而改变其电阻值。例如，第一磁感测元件22可以包括相对于外部磁场26的方向定向为正四十五度的坡莫合金(Ni80Fe20)条带，并且第二磁感测元件24可以包括相对于外部磁场26的方向定向为负四十五度的坡莫合金条带。条带的定向可以实现第一磁感测元件22和第二磁感测元件24的最大灵敏度和准线性响应，用于高达几千安培每米(kA/m)的小磁场。然而，其它角度定向也是可能的。尽管本文中提及AMR感测元件。替代实施例可以包括其它磁阻传感器技术，如巨磁阻(GMR)感测元件、隧道磁阻(TMR)磁感元件等。
用于半桥磁传感器结构20的连接端包括VDD端34、VSS端35和VOUT端36。VDD端34可以连接到调节的内部电压源(未示出)的正输出端，并且VSS端35可以连接到调节的内部电压源的负输出端或连接到系统接地。Vout端36是半桥磁传感器结构20的输出端，在该输出端处，响应于外部磁场26由第一磁感测元件22和第二磁感测元件24的半桥磁传感器结构20产生的第一输出信号38可用于另外的处理。
图2示出单个磁感测元件的简化顶视图。在这个例子中，图2示出第一磁感测元件22。以下讨论也适用于第二磁感测元件24(图1)。如上文所提及，第一磁感测元件22被配置成检测(例如，感测)沿着感测轴的外部磁场26，在这个例子中，感测轴是Y轴28。然而，第一磁感测元件22也可能对与第一磁感测元件22的层磁化平行的杂散磁场(磁干扰场)敏感。因此，第一磁感测元件22可能受到来自沿着感测轴(即，Y轴28)和平行于传感器的平面33的非感测轴(即X轴30)的杂散磁场的干扰。
通常，第一磁感测元件22是磁阻传感器，其沿着Z轴32具有非常薄的膜或层(例如，在一些应用中为几纳米至十纳米厚度)。这个非常薄的层导致强层内部各向异性场。该场通常防止磁化旋转到Z方向。因此，磁阻传感器(例如，第一磁感测元件22和第二磁感测元件24)对沿着Z轴32的杂散磁场相对不敏感。因此，这里不考虑沿着Z轴32的杂散磁场。
在这个例子中，沿着非感测X轴30定向的杂散磁干扰场由在页面上向上指向的箭头40表示并且标记为HXI。因此，此杂散磁干扰场可以被称为非感测轴杂散磁场40。类似地，沿着感测Y轴28定向的杂散磁干扰场由在页面上向右指向的箭头42表示并且标记为HYI。因此此杂散磁场可以被称为感测轴杂散磁场42。非感测轴杂散磁场40和感测轴杂散磁场42可能破坏第一输出信号38(图1)或将信噪比(SNR)降低到不可接受的水平。在例如汽车行业中，这对安全临界设计可具有显著影响。
图3示出磁感测元件相对于变化的外部磁场的呈电压响应46形式(例如，图1的半桥磁传感器结构的VOUT 38)的实例传感器响应的曲线图44。更具体地，曲线图44在横轴上描绘时间48(TIME)且在竖轴上描绘输出电压50(VOUT)。响应于变化的外部磁场(例如，图1的外部磁场26)，磁感测元件的电压响应46也将变化。在该图示中，电压响应46是正弦变化的。在图3中电压响应46描述为正弦曲线式变化是可因为非感测轴杂散磁场40和感测轴杂散磁场42而失真的理想或代表性信号。
图4示出磁感测元件响应于沿着感测轴的外部磁场26(图2)的电压响应(例如，图1的半桥磁传感器结构的VOUT 38)以及电压响应对非感测轴杂散磁场40(图2)的场强的依赖性的实例曲线图52。更具体地，曲线图52示出沿着横轴的外部磁场的场强54(HY)和沿着竖轴的输出电压56(VOUT)。曲线图52提供特征电压响应曲线58的阵列(例如，电压响应)，其例示了在存在非感测轴杂散磁场40的情况下感测的外部磁场26(图1)的依赖性(例如，方差)(图2)。也就是说，特征电压响应曲线58响应于非感测轴杂散磁场40的场强59而改变。在曲线图52中，为简单起见，场强54、输出电压56和非感测轴杂散磁场40的场强59以任意单位(A.U.)示出。
特征曲线58阵列内的实曲线表示非感测轴杂散磁场40的场强59等于零的条件(例如，没有非感测轴杂散磁场40)。特征曲线阵列58内的剩余曲线表示当施加特定场强59的非感测轴杂散磁场40时磁感测元件的电压响应的方差(例如，失真)。因此，非感测轴杂散磁场40的存在，或非感测轴杂散磁场40的场强59的改变，导致来自磁感测元件的输出电压的改变，这可能被误认为是外部磁场26的场强54的变化。由非感测轴杂散磁场40的场强59引起的特征电压响应曲线的改变可以描述为函数f(HXI)，并且其对针对线性化系统沿着Y轴28(图2)的外部磁场26的场强54HY的影响可以描述如下：
VOUT＝f(HXI)*HY (1)
因此，与不存在非感测轴杂散磁场40的情况相比，在存在非感测轴杂散磁场40时由特征曲线58表示的失真可以容易地表征和可视化。
磁阻传感器技术可以实现比例如霍尔传感器更好的抖动精度。然而，磁阻传感器技术通常在两个空间轴上是敏感的，因此即使与梯度计方法(下文论述)结合，也更容易受到磁干扰(即，杂散)场影响。根据下文描述的实施例，非感测轴杂散磁场40的知识和外部磁场26的电压响应变化对依赖于非感测轴杂散磁场40的依赖性的知识(例如，由于如图4中所示的表征)能够校正或抵消非感测轴杂散磁场40的影响。另外，梯度单元方法(下文论述)可以另外能够校正或抵消感测轴杂散磁场42(图2)的影响。因此，包括磁阻感测元件的系统获得了比霍尔传感器更好的抖动精度的益处，而本文所描述的杂散磁场抵消技术能够减少通常在磁阻传感器技术中观察到的失真影响。
现在参考图5，图5示出根据实施例的磁感测元件的顶视图。具体地，图5示出第一磁感测元件60和在平面33中相对于第一磁感测元件60旋转的第二磁感测元件62。在实施例中，第一磁感测元件60和第二磁感测元件62形成于基板70的平面表面68上。平面33平行于平面表面68，并且平面33对应于第一磁感测元件60和第二磁感测元件62的层磁化，即，与对该层磁化准。为简单起见，第一磁感测元件60和第二磁感测元件62表示为单个结构元件。在实施方案中，第一磁感测元件60和第二磁感测元件62可以半桥配置连接。此外，第一感测元件60可以形成为具有定向+/-45°的感测层(例如，坡莫合金条带)的第一磁化方向，第二感测元件62可以形成为具有定向+/-25°的感测层(例如，坡莫合金条带)的第二磁化方向，使得该半桥配置的第一磁感测元件60和第二磁感测元件62之间的磁化方向相差大约20°。因此，本文使用的第二磁感测元件62相对于第一磁感测元件60旋转的术语是指第一磁感测元件60和第二磁感测元件62的感测层的磁化方向的差值。
第一磁感测元件60和第二磁感测元件62可以是磁阻感测元件，例如能够检测磁场的AMR、GMR、TMR感测元件等。此外，第一磁感测元件60和第二磁感测元件62中的每一个可以是单个条带或点以及包括前者的阵列，并且可以如单桥、半桥或全桥配置那样连接。如下文将更详细地讨论的，第一磁感测元件60可以替代地在本文中称为主要磁感测元件60，并且第二磁感测元件62可以替代地在本文中称为辅助磁感测元件62。为简单起见，仅示出一个主要磁感测元件60和一个辅助磁感测元件62。其它配置可以包括以半桥或全桥配置布置的多个主要和辅助磁感测元件。
如图5中所描绘，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62适当地制造成具有标记为“S”的感测轴64和标记为“NS”的非感测轴66。主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62中的每个被配置成在平行于Y轴28的平面33中感测外部磁场26。在一些实施例中，辅助磁感测元件62可以在平面33中相对于主要磁感测元件60旋转例如20度。换句话说，辅助磁感测元件62的感测层的磁化方向相对于主要磁感测元件旋转。辅助磁感测元件62的磁化方向相对于主要磁感测元件60的旋转改变了辅助磁感测元件62相对于主要磁感测元件60可获得的灵敏度/斜率和可能的最大/最小值。虽然在本文中讨论了20度的示例旋转，但在替代实施例中可以实施辅助磁感测元件62的磁化方向相对于主要感测元件60的其它旋转幅度。
如上文详细讨论的，例如主要和辅助磁感测元件60、62的磁阻感测元件对与磁阻感测元件的层磁化(例如，非感测轴杂散磁场40和感测轴杂散磁场42)平行的干扰磁场敏感。根据实施例，可以利用在存在非感测轴杂散磁场40的情况下旋转的辅助磁感测元件62相对于主要磁感测元件60的传感器响应的不同传感器响应来补偿或以其它方式抵消由沿着非感测轴(例如，X轴30)的杂散磁场40引起的不利信号影响。
同时参考图5和6，图6示出图5的磁感测元件的线性化电压响应的曲线图72。更具体地，曲线图72在横轴上展示外部磁场的场强54(HY)且在竖轴上展示输出电压56(VOUT)。曲线图72提供电压响应阵列74、76，其展示了在各种场强59(HXI(n)，其中n＝1-5)处存在非感测轴杂散磁场40的情况下来自所感测的外部磁场26(图1)的电压响应的依赖性(即，方差)。在曲线图72中，为了简单起见，非感测轴杂散磁场40的场强54、输出电压56和场强59再次由任意单位(A.U.)表示。此外，磁感测元件的行为针对线性灵敏度工作范围示出或者通过线性化磁感测元件示出(例如，通过微调)。可以替代地使用其它非线性响应曲线。
在曲线图72中，来自主要磁感测元件60的电压响应80(实线)表示其中非感测轴杂散磁场40的场强59等于零(即，不存在非感测轴杂散磁场40)的条件并且来自辅助磁感测元件62的电压响应81(虚线)。因此，来自主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62的电压响应80、81的斜率可以是不同的。电压响应74(实线)表示当施加特定场强59的非感测轴杂散磁场40时来自主要磁感测元件60的传感器信号的方差(即，失真)。类似地，电压响应76(虚线)表示当施加特定场强59的非感测轴杂散磁场40时来自辅助磁感测元件62的传感器信号的方差(即，失真)。从曲线图72可以容易地观察到，电压响应76与电压响应74在非感测轴杂散磁场40的各种场强59处不同。这可以容易地观察为在同一场强59处电压响应76的斜率相对于电压响应74的斜率之间的差值。在非感应轴杂散磁场40的场强59的较高值处，电压响应74、76的斜率的差值更明显。曲线图72中展现的线性化响应产生以下：
VOUT＝m1(HXI)×HY (2)
VAUX-OUT＝m2(HXI)×HY (3)
在等式(2)中，VOUT表示在非感测轴杂散磁场40的特定场强59处的主要磁感测元件60的电压响应74，并且m1是电压响应74的斜率。在等式(3)中，VAUX-OUT表示在非感测轴杂散磁场40的特定场强59处的辅助磁感测元件62的电压响应76，并且m2是电压响应76的斜率。电压响应74、76的斜率被修改，或者受非感应轴杂散磁场HXI影响。由于它们的接近，所感测的外部磁场26的场强54HY在等式(2)和(3)的每一个中是相同的。因此，可以从等式(2)和(3)确定商值q，如下：
因此，在等式(4)中，商值Q是主要磁感测元件60的输出电压(VOUT)与辅助磁感测元件62的输出电压(VAUX-OUT)的比。更具体地，商值Q表示在非感测轴杂散磁场40的特定场强59处主要磁感测元件60的响应曲线74的斜率与辅助磁感测元件62的响应曲线76的斜率的差值。在不存在非感测轴杂散磁场40的情况下，通过响应曲线80例示，m1等于m2。因此，对于响应弯曲80的商值Q是1。然而，在存在非感测轴杂散磁场40的情况下，m1不等于M2。
图7示出了绘制的商值曲线84的曲线图82。更具体地，曲线图82在横轴上展示外部磁场的场强54(HY)且在竖轴上展示商值88(Q)。可以观察到，非感测轴杂散磁场40的某些场强59(HXI)导致不同的商值曲线84，其取决于外部磁场26的场强54(即，响应于外部磁场26的场强54而变化)。因此，可以从商值88确定非感测轴杂散磁场40的场强59。通过使用线性化响应曲线74、76、80(图6)的依赖性的知识，对特征曲线是可能的，并且可以消除由于非感测轴杂散磁场40引起的误差(下面讨论)。
总而言之，根据曲线图72(图6)中呈现的线性化响应，可以根据等式(2)-(4)计算商值Q，作为相关VOUT和VAUX-OUT的斜率的差值。因此，对于非感测轴杂散磁场40的给定场强59，商值Q几乎恒定。商因子Q可以与非感测轴杂散磁场40的特定场强相关联，并且在最终测试和校准过程期间存储在存储器(下文论述)中。另外，是主要磁感测元件60的传感器输出VOUT的斜率m1的倒数的校正因子可以与商因子Q和非感测轴杂散磁场40的特定场强59相关联地存储在存储器中。
如将结合图8更详细地讨论的那样，在操作中，可以根据接收的传感器信号VOUT和VAUX-OUT计算商值Q。可以将计算的商值与存储在存储器中的商值进行比较，以提取非感测轴杂散场40的场强59。另外，可以从存储器中提取相关的校正因子，并且可以将其应用于主要磁感测元件60的传感器输出VOUT，用于补偿非感测轴杂散场40的特定场强59的影响，以便获得外部磁场26的测量的场强。
图8示出包括主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62的系统92的简化框图。提供图8是为了展示抵消非感测轴杂散磁场40和感测轴杂散磁场42对表示外部磁场26的输出信号的不利信号影响。为简洁起见，这里将不再描述额外的处理操作。
第一磁感测元件60(这里称为主要磁感测元件60)被配置成产生第一(即，主要)输出信号94，标记为VOUT(HY、HXI、HYI)，且第二磁感测元件62(这里称为辅助磁感测元件62)被配置成产生第二(即，辅助)输出信号96，标记为VAUX-OUT(HY、HXI、HYI)。第一输出信号94和第二输出信号96中的每一个反射所有磁场源(即，外部磁场26、非感测轴杂散磁场40和感测轴杂散磁场42)。因此，主要磁感测元件60响应于外部磁场26产生具有的第一磁场信号分量98的第一输出信号94(在这种情况下为电压输出)。在存在杂散磁干扰场的情况下，第一输出信号94将另外具有非感测轴杂散场信号分量100和感测轴杂散场信号分量102。类似地，辅助磁感测元件62响应于外部磁场26产生具有的第二磁场信号分量104的第二输出信号96(在这种情况下为电压输出)。在存在杂散磁干扰场的情况下，第二输出信号96将另外具有非感测轴杂散场信号分量101和感测轴杂散场信号分量103。因此，这里使用的术语“分量”是指构成第一输出信号94的部件或组分(即，外部磁场26、非感测轴杂散磁场40和感测轴杂散磁场42)。此外，非感应轴杂散场信号分量100、101和感应轴杂散场信号分量102、103表示非感应轴杂散磁场40和感应轴杂散磁场42分别对第一输出信号94和第二输出信号96的不利影响。
为了清楚起见，外部磁场26、第一磁场信号分量98和第二磁场信号分量104在图示中共享相同的标记HY。非感测轴杂散磁场40和非感测轴杂散场信号分量100、101共享相同的标记HXI。并且，感测轴杂散磁场42和感测轴杂散场信号分量102、103共享相同的标记HYI。根据实施例，利用由辅助磁感测元件62产生的第二输出信号96中提供的信息，将很大程度地抵消非感测轴杂散场信号分量100、101。
在一些实施例中，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62可以在专用集成电路(ASIC)106上制造或以其它方式与其集成，由围绕系统92的框图中的框的虚线框指定。作为示例，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62可以在ASIC 106的一个或多个顶部金属层中制造。除了其它特征之外，ASIC 106可以实现定制以与主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62一起工作的处理电路108。如下所述，处理电路108可以包括各种各样的处理、控制或其它结构。此外，结合处理电路108的结构使用的术语“电路”可以包括模拟、数字和/或混合信号电子电路。因此，为了简洁起见且使混淆各种实施例的原理和概念的任何风险最小化，此类结构(如果存在的话)的进一步论述将限于相对于各种实施例的原理和概念的本质。
将第一输出信号94提供给处理电路108的第一模数(AD)转换和微调电路110。在第一AD转换和微调电路110，将第一输出信号94从模拟信号转换为数字信号。在图8中，第一输出信号94在第一AD转换和修整电路110处的AD转换之后保持相同的附图标记，以强调其与从主要磁感测元件60输出的信号的关系。另外，基于例如微调数据，第一输出信号94可以经历进一步处理，例如温度补偿、偏移补偿等。类似地，将第二输出信号96提供给处理电路108的第二AD转换和微调电路112。在第二AD转换和微调电路112，将第二输出信号96从模拟信号转换为数字信号，并且第二输出信号96可以基于例如微调数据经历温度补偿、偏移补偿等。又如图8所示，第二输出信号96在第二AD转换和微调电路112处的AD转换之后保持相同的附图标记，以强调其与从辅助磁感测元件62输出的信号的关系。
在第一AD转换和微调电路110处的处理之后，可以将第一输出信号94提供给商值提取电路114。类似地，可以在第二AD转换和微调电路112处的处理之后将第二输出信号96提供给商值提取电路114。商值提取电路114提取标记为Q的商值116，作为第一输出信号94相对于第二输出信号96的比，如等式(2)-(4)所示。在商值提取电路114处提取商值116后，就将商值116提供给校正因子计算电路118。校正因子计算电路118可以具有与其相关联的包含校准数据的存储器元件120。此校准数据可以包括商值数据库122、与每个商值122相关联的非感测轴杂散磁场40(HXI)的唯一磁场强度参数124，以及取决于每个商值122的唯一校正因子(CF)126，如上文结合图6和7所讨论的。
然后，将校正因子126提供给非感测轴干扰补偿电路128。另外，将由包含磁场信号分量98、非感测轴杂散场信号分量100和感测轴杂散场信号分量102的主要磁感测元件60产生的第一输出信号94从第一模/数(AD)转换和微调电路110提供给非感测轴干扰补偿电路128。非感测轴干扰补偿电路128将校正因子126应用于第一输出信号94以产生组合输出信号130，其中基本上消除了表示非感测轴杂散磁场40的影响的非感测轴杂散场信号分量100HXI。如图所示，非感测轴干扰补偿电路128输出或以其它方式提供其中抵消非感测轴杂散场信号分量100的组合输出信号130。
总而言之，由系统92执行的方法需要响应于外部磁场26在第一磁感测元件60处产生第一输出信号94。第一输出信号94具有第一磁场信号分量98和磁干扰场信号分量(非感测轴杂散场信号分量100)。第一磁场信号分量98响应于沿着与第一磁感测元件60的平面33平行的感测轴(Y轴28)引导的外部磁场，并且磁干扰场信号分量100响应于沿着第一磁感测元件60的非感测轴(X轴30)引导的磁干扰场(非感测轴杂散磁场40)。在平面33中相对于第一磁感测元件60旋转的第二磁感测元件62处，该方法还需要产生第二输出信号96，其具有响应于外部磁场26的第二磁场信号分量104并具有磁干扰场信号分量(非感测轴杂散场信号分量101)。该方法还需要在处理电路108处接收第一输出信号94和第二输出信号96，从第二输出信号96识别磁干扰场40对第一磁场信号分量98的影响100(HXI)，并将校正因子126应用于第一输出信号94以产生其中基本上消除磁干扰场信号分量100的组合输出信号130。
此外，该方法需要在处理电路108处计算作为第一输出信号94与第二输出信号96的比的商值116，并在处理电路108处利用商值116以确定校正因子126，其中商值116对于沿着非感测轴(X轴30)的多个磁干扰场59中的一个不同，并且取决于外部磁场26的磁场强度54。
在这个例子中，组合输出信号130因此可以包括磁场信号分量98 HY和感测轴杂散场信号分量102 HYI或以另外的方式作为其函数。根据一些实施例，可以将作为第一组合输出信号130的组合输出信号130提供给感测轴干扰补偿电路132。感测轴干扰补偿电路132补偿或以其它方式抵消来自第一组合输出信号130的感测轴杂散场信号分量102从而产生第二组合输出信号134。如图所示，感测轴干扰补偿电路132提供其中抵消感测轴杂散场信号分量102的第二组合输出信号134。可以根据下文结合图9-17描述的梯度单元配置方法来执行感测轴杂散场信号分量102的抵消。在图8中，为了简化说明，感测轴干扰补偿电路132被示为具有单个输入。然而，在梯度单元配置中，系统92将被配置成包括到感测轴干扰补偿电路132的至少一个附加输入，如结合图13所示和所讨论的。此后，第二组合输出信号134可以经历进一步的处理操作，例如偏移校正、协议产生、脉冲整形等，为简洁起见，这里未对其进行描述。
结合图9-17的后续论述适用于可用于抵消或以其它方式补偿在系统92内的例如感测轴干扰补偿电路132处的感测轴杂散磁场42的梯度单元方法。首先将讨论图9-10以提供用于抵消或以其它方式补偿感测轴杂散磁场42的通用方法。随后提供图11-17以描述用于确定旋转角度的配置，该配置另外包括上文讨论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18-20以描述用于转速测量的配置，其另外包括上文讨论的用于抵消至少非感测杂散磁场40的结构。
现在参考图9，图9示出了布置为梯度单元140的一对磁感测元件的简化顶视图。梯度单元140包括第一磁感测元件142和第二磁感测元件144。第一磁感测元件142和第二磁感测元件144沿着感测轴方向(即，Y轴28)横向间隔开。第一磁感测元件142和第二磁感测元件144被配置成沿着感测轴(在本文中为Y轴28)感测外部磁场26。因此，出于清楚起见，第一磁感测元件142感测外部磁场26(A)，标记为HY(A)，并且第二磁感测元件144感测外部磁场26(B)，标记为HY(B)。由第一磁感测元件142和第二磁感测元件144中的每一个测量的磁场强度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。
结合图9参考图10，图10示出在与梯度单元140的感测轴(即，Y轴28)平行的方向上的磁梯度场分布148和响应于沿着Y轴28引导的空间均匀干涉磁场(即，感测轴杂散磁场42HYI)而修改的磁梯度场分布150的曲线图146。更具体地，曲线图146描绘第一磁感测元件142和第二磁感测元件144沿着Y轴28在横轴上的相对位置152(即，相对于原点的移位)以及竖轴上的场强154。因而，曲线图146示出在没有磁干扰场的情况下磁梯度场分布148。在存在磁干扰场(即，场感应轴杂散磁场42)的情况下，曲线图146另外示出了由磁梯度场分布148表示的理想条件修改的磁梯度场分布150。
通常，外部磁场26(A)与传感器灵敏度S(下面讨论)相乘产生第一输出信号分量156，标记为VOUTA(HY(A))，如图9所示。此外，感测轴杂散磁场42与传感器灵敏度S相乘产生第一杂散场信号分量158，标记为VOUTA(HYI)，如图9所示。因此，来自第一磁感测元件142的电压输出信号160(通常由图10中的术语VOUTA表示)可以表征为VOUTA(HY(A)+HYI)。类似地，外部磁场26(B)与传感器灵敏度S(下面讨论)相乘产生第二输出信号分量162，标记为VOUTB(HY(B))。同样，感测轴杂散磁场42与传感器灵敏度S相乘产生第二杂散场信号分量164，标记为VOUTB(HYI)。因此，来自第二磁感测元件144的电压输出信号166(在图10中一般由术语VOUTB表示)可表征为VOUTB(HY(B)+HYI)。
在图10中，虚线描绘了作为线性梯度范围的磁梯度场分布148和相关场强154，其在没有感测轴杂散磁场42的情况下在第一磁感测元件142和第二磁感测元件144的相对位置处产生电压输出信号160、166。在图10中，实线描绘了作为线性梯度范围的磁梯度场分布150和相关场强154，其在具有另外的空间均质干扰磁场分量(例如，感测轴杂散磁场42 HYI)的情况下在第一磁感测元件142和第二磁感测元件144的相对位置处产生第一输出电压信号160和第二输出电压信号166。
一般来说，梯度单元140的第一磁感测元件142和第二磁感测元件144的输出电压VOUTA和VOUTB(即，电压输出信号160、166)可以总体如下描述：
VOUTA＝S×HY(A) (5)
VOUTB＝S×HY(B) (6)
S是磁感测元件的灵敏度并且假设对于第一磁感测元件142和第二磁感测元件144两者相等(例如，通过制造精度或微调来实现)。因此，感测轴杂散磁场42HYI在第一磁感测元件142和第二磁感测元件144两者中产生相同电压位移，如下：
VOUTA＝S×(HY(A)+HYI)＝S×HY(A)+S×HYI (7)
VOUTB＝S×(HY(B)+HYI)＝S×HY(B)+S×HYI (8)
只有在磁感测元件142、144为线性(即，例如通过微调具有线性响应曲线，并且为非饱和)时等式(7)和(8)才有效。因此，灵敏度(S)并不取决于感测轴磁场的磁场幅度。梯度单元140的差分输出信号的计算需要获取两个电压信号的差值，从而抵消感测轴杂散场信号分量158、164，如下面的等式所示：
DA，B＝VOUTB-VOUTA＝(S×HY(B)+S×HYI)-(S×HY(A)+S×HYI)＝S×(HY(B)-HY(A)) (9)
如结合图5-8所示，旋转的辅助磁感测元件62以及主要磁感测元件60的实施可以中和或以其它方式抵消非感测轴杂散磁场40的影响。另外，结合图9-10讨论的梯度单元配置的实施可以中和或以其它方式抵消在磁阻感测元件中感测轴杂散磁场42的影响。因此，下面描述的配置将旋转的辅助磁感测元件和梯度单元配置组合以产生磁阻感测元件，该磁阻感测元件对于来自每个方向的大致均匀的杂散磁场是稳固的。
现在参考图11-12，图11示出了用于旋转角度感测的系统170的简化局部侧视图，且图12示出了系统170的简化局部顶视图。在图11-12的实施例中，具有旋转的辅助磁感测元件62的主要磁感测元件60可以适当地被配置成感测梯度计配置中的物体的角位置。
系统170通常包括形成于基板178的表面176上的第一梯度单元172和第二梯度单元174以及沿Z轴32远离第一梯度单元172和第二梯度单元174竖直移位的磁体180。在图12所示的顶视图中未示出磁体180以便更好地可见在基板178的表面176上形成的特征。第一梯度单元172包括第一主要磁感测元件(标记为60A)和第一辅助磁感测元件(标记为62A)以及第二主要磁感测元件(标记为60B)和第二辅助磁感测元件(标记为62B)。类似地，第二梯度单元174包括第三主要磁感测元件(标记为60C)和第三辅助磁感测元件(标记为62C)以及第四主要磁感测元件(标记为60D)和第四辅助磁感测元件(标记为62D)。
根据实施例，第二梯度单元174相对于第一梯度单元172旋转90度。即，第一主要磁感测元件60A和第二主要磁感测元件60B以及第一辅助磁感测元件62A和第二辅助磁感测元件62B的纵向尺寸与X轴30对准。另外，第三磁感测元件60C和第四磁感测元件60D以及第三辅助磁感测元件62C和第四辅助磁感测元件62D的纵向尺寸与Y轴28对准。因此，第一主要磁感测元件60A和第二主要磁感测元件60B被配置成沿着大致平行于基板178的表面176定向的第一感测轴(即，Y轴28)感测平面内外部磁场182。由第一主要磁感测元件60A和第二主要磁感测元件60B中的每个测量的磁场强度的任何差值可以用于确定沿平行于Y轴28的方向上的磁场梯度。第三主要磁感测元件60C和第四主要磁感测元件60D被配置成沿着大致平行于基板178的表面176定向的第二感测轴(即，X轴30)感测平面内测量磁场184。由第三主要磁感测元件60C和第四主要磁感测元件60D中的每个测量的磁场强度的任何差值可以用于确定沿平行于X轴30的方向上的磁场梯度。
第二梯度单元174相对于垂直于基板178的表面176的旋转轴186与第一梯度单元172间隔开90度。另外，第一梯度单元172和第二梯度单元174可以远离旋转轴186位于相同的径向距离188处。此外，第一主要磁感测元件60A可以与第二主要磁感测元件60B横向间隔开距离190，并且第三主要磁感测元件60C可以与第四主要磁感测元件60D横向间隔开相同的距离190。在其它实施例中，主要磁感测元件60A、60B、60C、60D之间的距离可以不同。
磁体180可以是呈例如盘形、环形、矩形或条形的永久磁体。磁体180被配置成相对于第一梯度单元172和第二梯度单元174围绕旋转轴186旋转。磁体180产生磁场192，磁场192与磁体180一起相对于第一梯度单元172和第二梯度单元174旋转。磁场192具有梯度性质的平面内外部磁场分量182、184和平面外磁场分量194。平面外磁场分量194具有随距旋转轴186的距离而改变的磁场强度，如通过变化的长度箭头所表示。借助于例子，磁场强度可以在最接近旋转轴186的位置处最低并且在最远离旋转轴186的位置处最大，但是在磁体尺寸内。
在实施例中，平面外磁场分量194可由第一梯度单元172和第二梯度单元174检测，因此在本文中可以被称为磁梯度场194。例如，系统170可以包括磁场偏转元件，有时称为磁通引导器(未示出)，其被配置成适当地将平面外磁场分量194重定向到由X轴30和Y轴28限定的X-Y平面33中以便由主要磁感测元件60A、60B、60C、60D和辅助磁感测元件62A、62B、62C、62D进行检测。
可以适当地处理由第一梯度单元172和第二梯度单元174检测到的平面外磁场分量194，以识别磁体180相对于第一梯度单元172和第二梯度单元174的旋转角度196，标记为尽管仅示出了两个梯度单元(例如，第一梯度单元172和第二梯度单元174)，但是替代实施例可以包括多个梯度单元。在此类配置中，可以对相对的梯度单元的信号求平均，等等。因此，可以缓和来自偏心等的可能误差。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。可以使用平面内梯度场分量来实现替代实施例。
结合图11和12参考图13，图13示出了包括梯度单元配置用于抵消电压输出信号的感测轴杂散磁场分量102的系统92的简化局部框图。将结合系统170的第一梯度单元172和第二梯度单元174描述图13的特征。然而，第二梯度单元174与“第N”梯度单元198之间的省略号表示根据特定设计配置系统可以包括任何预定数量的梯度单元。此外，与电压输出VOUTN1和VOUTN2相关联的术语字母“M”指示任意轴。再者，尽管图13中具体示出两个或更多个梯度单元，但是其它实施例可以仅实施单个梯度单元。
提供图13以强调系统92可以适于处理来自多个磁感测元件的多个传感器信号(例如，电压输出信号)。在这个例子中，已经通过非感测轴干扰补偿电路128处理了多个电压输出信号，从而在很大程度上抵消了由非感测轴杂散磁场引起的非感测轴杂散场信号分量。因此，感测轴杂散磁场补偿电路132可以具有多个输入。为了说明的目的，非感测轴干扰补偿电路128的第一补偿电路部分128A电连接到第一梯度单元172的第一磁感测元件60A以提供第一电压输出信号200 VOUTA，该第一电压输出信号220 VOUTA具有取决于平面内外部磁场182的外部磁场分量202 HY(A)且具有感测轴杂散磁场分量102。类似地，非感测轴干扰补偿电路128的第二补偿电路部分128B电连接到第一梯度单元172的第二磁感测元件60B以提供第二电压输出信号204 VOUTB，该第二电压输出信号204 VOUTB具有取决于平面内外部磁场182的外部磁场分量206 HY(B)且具有感测轴杂散磁场分量102、103。
应从图12回顾，第三主要磁感测元件60C和第四主要磁感测元件60D被配置成沿着大致平行于基板178的表面176定向的第二感测轴(即，X轴30)感测平面内外部磁场184。因此，来自第三主要磁感测元件60C和第四主要磁感测元件60D的电压输出信号可以包括与X轴30对准的感测轴杂散磁场分量208、209，标记为HXI。同样出于说明性目的，非感测轴干扰补偿电路128的第三补偿电路部分128C电连接到第二梯度单元174的第三主要磁感测元件60C以提供第三电压输出信号210 VOUTC，该第三电压输出信号210 VOUTC具有取决于平面内外部磁场184的外部磁场分量212 HX(C)且具有感测轴杂散磁场分量208。类似地，非感测轴干扰补偿电路128的第四补偿电路部分128D电连接到第二梯度单元174的第四主要磁感测元件60D以提供第四电压输出信号214 VOUTD，该第四电压输出信号214 VOUTD具有取决于平面内外部磁场184的外部磁场分量216 HX(D)且具有感测轴杂散磁场分量209。
因此，电压输出信号200、204、210、214中的每一个是外部磁场信号分量和感测轴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是外部磁场信号分量和感测轴杂散场信号分量的总和，如等式(7)和等式(8)中所示。此外，沿第一感测轴(例如，Y轴28)的感测轴杂散磁场信号分量102、103可以与沿着第二感测轴(例如，X轴30)的感测轴杂散磁场信号分量208、209不同。
感测轴杂散磁场补偿电路132与第一梯度单元172电耦接，且被配置成产生第一差分输出信号218(DA，B)，作为根据上述等式(5)到(9)的第一电压输出信号200和第二电压输出信号204之间的差值。类似地，感测轴杂散磁场补偿电路132与第二梯度单元174电耦接，且被配置成产生第二差分输出信号220(DC，D)，作为第三电压输出信号210与第四电压输出信号214之间的差值。当然，取决于梯度单元的配置，可以计算多种差分输出信号，如DN1，N2所表示。第二差分输出信号220可以计算如下：
VOUTC＝S×HX(C) (10)
VOUTD＝S×HX(D) (11)
S是磁感测元件的灵敏度并且假设对于第三主要磁感测元件60C和第四主要磁感测元件60D两者相等(例如，通过制造精度或微调来实现)。因此，感测轴杂散磁场208HXI在第三磁感测元件60C和第四磁感测元件60D两者中产生相同电压位移，如下：
VOUTC＝S×(HX(C)+HXI)＝S×HX(C)+S×HXI (12)
VOUTD＝S×(HX(D)+HXI)＝S×HX(D)+S×HXI (13)
因此，计算第二梯度单元174的差分输出信号需要获取两个电压信号的差值，从而抵消感测轴杂散场信号分量228，如下所示
DC，D＝VOUTD-VOUTC＝(S×HX(D)+S×HXI)-(S×HX(C)+S×HXI)＝S×(HX(D)-HX(C)) (14)
参考图11-13，处理电路108可以包括旋转角度确定电路222。借助于例子，旋转角度确定电路222包括结构和软件配置组件的组合以根据图11-12中示出的系统170的配置来确定旋转角度196。通常，在第一梯度单元172的第一磁感测元件60A和第二磁感测元件60B的位置处的例如用于平面外磁场分量194(图11)的磁场梯度可以描述为：
在等式(15)和(16)以及后续等式(17)和(18)中，Hm表示重定向/偏转的平面内外部磁场的幅度。由于第一梯度单元172和第二梯度单元174的九十度旋转布置，第二梯度单元174的第三磁感测元件60C和第四磁感测元件60D的数学关系可被描述为：
第一梯度单元172的磁场梯度因此可被描述为：
运算符HmG1等于(HmB-HmA)。类似地，第二梯度单元174的磁场梯度因此可被描述为：
通过将等式(19)代入等式(9)，可以如下确定第一差分输出电压218 DA，B：
通过将等式(20)代入等式(14)，可以如下确定第二差分输出电压220 DC，D：
因此，可以在旋转角度确定电路222处通过差分输出电压218 DA，B和220 DC，D的相除计算角位置(即，旋转角度196)
并且：
现在参考图14，图14示出各种简化顶视图，示出可以替代地并入图11-12的系统中的梯度单元的位置。如先前所提到，系统170的替代实施例可以包括多个梯度单元。此外，这些梯度单元可以不同地布置。图14中所示的梯度单元的每个配置包括主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62，两者均形成于同一结构层中，并且辅助磁感测元件62以一对一的配置与相应的主要磁感测元件60相邻地定位。替代实施例(结合图18讨论)可以包括一个以上的主要磁感测元件60和仅单个辅助磁感测元件62。
图14包括具有两个主要磁感测元件60与两个辅助磁感测元件62的第一配置214，所述磁感测元件沿着感测轴(例如，Y轴28)广泛地间隔开但是形成单个梯度单元216。另外，第二配置218包括两个主要磁感测元件60和两个辅助磁感测元件62，所述磁感测元件沿着感测轴(例如，Y轴28)紧密间隔且形成单个梯度单元216。第三配置220包括沿着感测轴(Y轴28)间隔开的三个主要磁感测元件60和三个辅助磁感测元件62。在第三配置220中，一个磁感测元件60可以位于中心点处，并且其余两个磁感测元件60分隔在中心点的对边上且距中心点相等距离。可以形成各对磁感测元件60以产生三个梯度单元216，如图所示。第四配置222具有各自间隔开90°的四个梯度单元216。
参考图15-16，图15示出各种简化顶视图，示出可以替代地并入图11-12的系统中的梯度单元的另外的位置，并且图16示出沿着图15的剖面线16-16的一个梯度单元配置的局部侧剖视图。图14中呈现的配置描绘与主要磁感测元件60形成于同一结构层中的辅助磁感测元件62。此外，辅助磁感测元件62中的每个辅助磁感测元件紧邻主要磁感测元件60中的对应一个。在图15-16中呈现的替代配置中，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62以堆叠配置224布置。
如图所示，主要磁感测元件60可以形成于基板230的平面表面228上的第一结构层226中。基板230可以包括上文结合图8所论述的ASIC 106。相应的辅助磁感测元件62可以形成于第二结构层232中，该第二结构层232可以通过例如电绝缘层234在空间上与第一结构层226分离。在一些结构中，另一电绝缘层236可以覆盖第二结构层232。另外，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62可以堆叠配置224布置，使得主要磁感测元件60的第一中心点238沿着垂直于基板230的平面表面228的Z轴32与辅助磁感测元件62的第二中心点240对准。
可以通过堆叠处理方法、交错的平面内几何形状或不通过堆叠处理来实现堆叠配置224。在堆叠配置224中，相应的主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62可以经受基本相同的磁场行为。另外，堆叠配置224可以有助于相对于图12和14中所示的相邻定位的主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62减小系统大小。尽管主要磁感测元件60被描绘为位于最接近基板230的表面228的第一结构层226中，但是在替代实施例中，辅助磁感测元件62可以制造于堆叠配置中的第一结构层226中且主要磁感测元件60可以制造于堆叠配置中的第二结构层232中。此外，第一和第二结构层中的每个结构性层可以包括组合以形成特定第一或第二结构层的多个材料子层。
因此，图15包括具有两个主要磁感测元件60与两个辅助磁感测元件62的第五配置242，所述磁感测元件以堆叠配置224布置，沿着感测轴(例如，Y轴28)广泛地间隔开但是形成单个梯度单元216。另外，第六配置244包括两个主要磁感测元件60和两个辅助磁感测元件62，所述磁感测元件呈堆叠配置224，沿着感测轴(例如，Y轴28)紧密间隔且形成单个梯度单元216。第七配置246包括沿着感测轴(Y轴28)间隔开的以堆叠配置224布置的三个主要磁感测元件60和三个辅助磁感测元件62。在第七配置246中，一个磁感测元件60可以位于基板230的中心处，并且其余两个磁感测元件60分隔在中心点的对边上且距中心点相等距离。可以形成各对磁感测元件60以产生三个梯度单元216，如图所示。第八配置248具有各自间隔开90°的四个梯度单元216，并且第九配置250具有间隔开90°的两个梯度单元216。
图17示出的各种简化顶视图示出可替代地并入到图11-12的系统中的梯度单元216的更多位置。使用主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62的堆叠配置224实现的空间节省可以用于在基板230的平面表面228上的多个位置中结合多个梯度单元。
在图17中，示出第十配置252具有各自间隔开45°的呈堆叠配置224的八个梯度单元216。第十一配置254示出为具有梯度单元216，其中平行于轴的角度(例如，α1、α2和αn)和距中心的距离(d1、d2、dn)可以不同。在第十二配置256中，多对主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62沿着Y轴28(感测轴)横向位移，每个磁感测元件60之间具有相同的距离，从而形成多个梯度单元216。在第十三配置258中，距离变化，并且多对主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62可以沿着X轴30和/或Y轴28横向位移以产生多个梯度单元216。图12、14、15和17仅示出了梯度单元的一些配置。可以等效地应用其它配置。
图18示出根据另一实施例的磁感测元件的顶视图。具体地，图18示出了两个主要磁感测元件60和单个辅助磁感测元件62，其中感测层的磁化方向相对于两个所示的主要感测元件60在平面33中旋转。在此类配置中，两个主要磁感测元件60中的每个可以产生电压输出信号260、262(分别标记为VOUTA和VOUTB)，并且单个辅助磁感测元件62可以产生电压输出信号264(标记为VAUX-OUT)。处理电路108(图8)可以适于接收电压输出信号260、262、264，并将导出的校正因子126(图8)应用于电压输出信号260、262以产生两个组合输出信号，其中基本上从这两个组合输出信号中的每一个中消除了非感测轴干涉场(例如，非感测轴杂散磁场40)。
两个主要磁感测元件60和单个辅助磁感测元件62的配置可以并入梯度单元配置中，但是此配置不是限制。举个例子，两个主要磁感测元件60和单个辅助磁感测元件62的配置可以并入转速传感器系统中，如下文将讨论的。此外，替代配置可以具有与单个辅助磁感测元件62相关联的超过两个主要磁感测元件60。
图19示出了包括图18的磁感测元件的用于转速测量的系统266的简化局部侧视图。具体地，系统266包括主要磁感测元件60与至少一个辅助磁感测元件62，其中该辅助磁感测元件62的磁化方向相对于主要磁感测元件60旋转。在这个例子中，系统266包括用于产生磁场的磁化编码器轮268，但是替代实施例可以实施铁磁齿轮(见图20)或其它类似结构。在图19中示出的呈现的北(N)极和南极(S)配置是编码器轮的一个例子。
在这个示例配置中，主要磁感测元件60被配置成测量编码器轮268的转速。因此，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62与Y轴28对准以检测在编码器轮262旋转期间编码器轮268的交替的磁北极和磁南极通过时产生的沿着感测轴(例如，Y轴28)的外部磁场26。每个主要磁感测元件60将极序转换为正弦状输出电压，编码器轮268的转速可以通过对例如零交叉进行计数来导出。偏置磁体(未示出)可以用于调节主要和辅助磁感测元件62的灵敏度和测量范围。如上文详细讨论的，辅助磁感测元件62在本文中实施为沿着非感测轴(例如X轴30)的补偿非感测轴杂散磁场40(图2)。
为了简化说明，图19未示出呈封装形式且附接到相应结构的主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62。实际上，示出相对于三维坐标系的Z轴32远离编码器轮268移位的主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62。在实际配置中，应显而易见的是，磁感测元件60将被封装并附接到适当接近编码器轮268的支撑结构。此外，出于说明性目的，主要磁感测元件60和辅助磁感测元件62在图19中可见。在实际配置中，一个或多个主要磁感测元件60可以沿着X轴远离辅助磁感测元件62横向移位。在此类配置中，辅助磁感测元件62将位于主要磁感测元件60的前面或后面，使得在图19的取向中不会看到一个或另一个。此外，为简单起见，示出了两个主要磁感测元件60和单个辅助磁感测元件62。这些磁感测元件60、62可以被布置成梯度单元。替代地，来自每个磁感测元件60的输出信号可经由例如求和组合以增强系统260对外部磁场26的精度。
图19仅示出转速测量系统的简化配置。可以等效地应用其它配置。此外，可以设想包括磁感测元件与辅助磁感测元件的其它系统，其中辅助磁感测元件定位在主要磁感测元件附近，用于沿着感测轴提供辅助传感器信号，并利用辅助传感器信号来补偿沿着非感测轴的非感测轴杂散磁场。
图20示出用于转速测量的另一系统270的简化局部侧视图。系统264包括结合系统266(图19)描述的许多结构特征。因此，为简洁起见，将不再重复对这些特征的描述。在系统270的配置中，实现了非磁化的无源铁磁编码器轮272，在这种情况下，可以使用偏置磁体(未示出)来磁化无源铁磁编码器轮272。
本文描述的实施例需要磁场传感器和包括磁场传感器的系统，用于测量磁场同时基本上抵消沿一个或多个轴的杂散磁场的影响。系统的实施例包括第一磁感测元件，该第一磁感测元件被配置成响应于沿着与该第一磁感测元件的平面平行的感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，该第一磁感测元件具有第一磁化方向。该系统还包括第二磁感测元件，该第二磁感测元件具有在该平面中相对于第一磁化方向旋转的第二磁化方向，该第二磁感测元件被配置成响应于外部磁场产生第二输出信号，其中第二输出信号与第一输出信号的不同之处在于对沿着第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性。该系统还包括处理电路，该处理电路与第一和第二磁感测元件耦接，其中该处理电路被配置成接收第一和第二输出信号、从第一与第二输出信号之间的关系中识别磁干扰场对第一输出信号的影响，并将校正因子应用于第一输出信号以产生其中基本上消除磁干扰场的影响的组合输出信号。
方法的实施例包括：在第一磁感测元件处响应于沿着与第一磁感测元件的平面平行的感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，第一磁感测元件具有第一磁化方向；在第二磁感测元件处响应于外部磁场产生第二输出信号，第二磁感测元件具有在该平面中相对于第一磁化方向旋转的第二磁化方向，其中第二输出信号与第一输出信号的不同之处在于对沿着第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性；以及在处理电路处接收第一和第二输出信号。该方法还包括：在处理电路处，从第三与第四输出信号之间的关系中识别磁干扰场对第一磁场信号分量的影响，并将校正因子应用于第一输出信号以产生其中基本上消除磁干扰场的影响的组合输出信号。
系统的另一实施例包括基板；形成于基板上的第一磁阻元件，该第一磁阻元件被配置成响应于沿着感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，该第一磁阻元件具有第一磁化方向；以及第二磁阻元件，该第二磁阻元件形成于基板上且具有平行于平面表面相对于第一磁化方向旋转的第二磁化方向，该第二磁阻元件被配置成响应于外部磁场产生第二输出信号，其中第二输出信号与第一输出信号的不同之处在于对沿着第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性，感测和非感测轴平行于基板的平面表面，并且非感测轴垂直于感测轴。该系统还包括处理电路，该处理电路与第一和第二磁阻元件耦接，其中该处理电路被配置成接收第一和第二输出信号、从第二输出信号中识别磁干扰场对第一输出信号的影响，并且将校正因子应用于第一输出信号以产生其中基本上消除磁干扰场的影响的组合输出信号。
因此，一种系统包括一个或多个主要磁场感测元件和位于主要磁场感测元件附近的一个或多个辅助磁场感测元件。辅助磁场感测元件在某一平面中相对于主要磁场感测元件旋转。更具体地，辅助磁场感测元件的磁化方向在该平面中相对于主要磁场感测元件的磁化方向旋转。设置从辅助磁场感测元件输出的辅助传感器信号与从主要磁场感测元件输出的主要传感器信号相关联使得能够沿着非感测轴提取杂散磁场的磁场强度。可以使用对该场强的了解来补偿或以其它方式抵消由沿着非感测轴的杂散磁场引起的不利信号影响。可以用梯度单元方法结合主要磁感测元件和辅助磁感测元件，该方法还能够抵消由沿着感测轴的均匀(即，一致)杂散磁场引起的不利信号影响。因此，可以有效地实现单轴(即，单个轴)磁感测元件。可以在各种系统配置中实现具有一个或多个辅助感测元件的一个或多个磁场感测元件，以用于速度和方向感测、旋转角度感测、接近感测等目的。
本公开旨在阐明使用本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不意图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，可能有许多修改或变化。选择和描述实施例以提供对本发明的原理和其实际应用的最佳说明，以及使得本领域的技术人员能够在各种实施例中并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，所有这样的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保护范畴内，并且在本专利申请未决期间可以修正。

Claims (10)

1.一种系统，其特征在于，包括：
第一磁感测元件，所述第一磁感测元件被配置成响应于沿着与所述第一磁感测元件的平面平行的感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，所述第一磁感测元件具有第一磁化方向；
第二磁感测元件，所述第二磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第一磁化方向旋转的第二磁化方向，所述第二磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第二输出信号，其中所述第二输出信号与所述第一输出信号的不同之处在于对沿着所述第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性；以及
处理电路，所述处理电路与所述第一和第二磁感测元件耦接，其中所述处理电路被配置成接收所述第一和第二输出信号、从所述第一与第二输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第一输出信号的影响，并将校正因子应用于所述第一输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的组合输出信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二磁感测元件形成于基板上，所述平面与所述第一和第二磁感测元件的层磁化对准，所述平面平行于所述基板的平面表面，所述感测轴和非感测轴平行于所述平面表面，并且所述非感测轴垂直于所述感测轴。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括基板，其中所述第一和第二磁感测元件形成于所述基板上的同一结构层中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括基板，其中所述第一磁感测元件形成于所述基板上的第一结构层中，并且所述第二磁感测元件形成于与所述第一结构层以堆叠配置布置的第二结构层中。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理电路包括：
提取元件，所述提取元件被配置成接收所述第一和第二输出信号，并且计算作为第一输出信号与第二输出信号的比的商值；
校正因子计算元件，所述校正因子计算元件被配置成使用所述商值来确定所述校正因子；以及
补偿元件，所述补偿元件与所述第一磁感测元件和所述校正因子计算元件中的每个耦接，所述补偿元件被配置成将校正因子应用到所述第一输出信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第三输出信号，所述第三磁感测元件具有第三磁化方向，其中所述第二磁感测元件的所述第二磁化方向在所述平面中相对于所述第一和第三磁化方向两者旋转，其中在存在所述磁干扰场的情况下所述第三输出信号不同于所述第二输出信号，并且其中所述处理电路还被配置成接收所述第三输出信号并将所述校正因子或另一校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第三输出信号，所述第三磁感测元件具有第三磁化方向；以及
第四磁感测元件，所述第四磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第三磁化方向旋转的第四磁化方向，所述第四磁感测元件被配置成响应于所述外部磁场产生第四输出信号，其中所述第四输出信号与所述第三输出信号的不同之处在于对沿着所述第三磁感测元件的所述非感测轴引导的所述磁干扰场的依赖性，并且所述处理电路还被配置成接收所述第三和第四输出信号、从所述第三与第四输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第三输出信号的影响，并将第二校正因子应用于所述第三输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的第二组合输出信号。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述磁干扰场是第一磁干扰场；
所述系统还包括第三磁感测元件，所述第三磁感测元件被配置成响应于沿着所述感测轴的所述外部磁场产生第三输出信号；
所述第一和第三磁感测元件受沿着所述感测轴的第二磁干扰场影响；并且
所述处理电路还被配置成产生作为所述第一与第三输出信号之间的差值的差分输出信号，所述第一与第三输出信号之间的所述差值基本上消除所述第二磁干扰场。
9.一种方法，其特征在于，包括：
在第一磁感测元件处响应于沿着与所述第一磁感测元件的平面平行的感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，所述第一磁感测元件具有第一磁化方向；
在第二磁感测元件处响应于所述外部磁场产生第二输出信号，所述第二磁感测元件具有在所述平面中相对于所述第一磁化方向旋转的第二磁化方向，其中所述第二输出信号与所述第一输出信号的不同之处在于对沿着所述第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性；
在处理电路处接收所述第一和第二输出信号；
在所述处理电路处，从所述第三与第四输出信号之间的关系中识别所述磁干扰场对所述第一磁场信号分量的影响，并将校正因子应用于所述第一输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的组合输出信号。
10.一种系统，其特征在于，包括：
基板；
形成于所述基板上的第一磁阻元件，所述第一磁阻元件被配置成响应于沿着感测轴引导的外部磁场产生第一输出信号，所述第一磁阻元件具有第一磁化方向；
第二磁阻元件，所述第二磁阻元件形成于所述基板上且具有平行于平面表面相对于所述第一磁化方向旋转的第二磁化方向，所述第二磁阻元件被配置成响应于所述外部磁场产生第二输出信号，其中所述第二输出信号与所述第一输出信号的不同之处在于对沿着所述第一磁场的非感测轴引导的磁干扰场的依赖性，所述感测和非感测轴平行于所述基板的平面表面，并且所述非感测轴垂直于所述感测轴；以及
处理电路，所述处理电路与所述第一和第二磁阻元件耦接，其中所述处理电路被配置成接收所述第一和第二输出信号、从所述第二输出信号中识别所述磁干扰场对所述第一输出信号的影响，并且将校正因子应用于所述第一输出信号以产生其中基本上消除所述磁干扰场的所述影响的组合输出信号。
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