CN110231494A - 具有分布式惠斯通桥的磁性速度传感器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有分布式惠斯通桥的磁性速度传感器。例如，一种磁性传感器包括第一桥电路，其包括多个磁场传感器元件，每个元件均被配置为响应于施加于该元件上的磁场生成传感器信号。第一桥电路被配置为基于由多个磁场传感器元件生成的传感器信号生成第一差分信号。多个磁场传感器元件包括第一对、第二对和第三对传感器元件。第一对被布置在磁性传感器的中心区域处，第二对被布置在磁性传感器的第一侧区域处且被移位为距第一对第一距离，并且第三对被布置在磁性传感器与第一侧区域相对的第二侧区域处且被移位为距第一对第二距离，第二距离基本等于第一距离。

Description

具有分布式惠斯通桥的磁性速度传感器

技术领域

本公开总体上涉及磁性传感器，并且更具体地，涉及具有分布式惠斯通桥的磁性速度传感器。

背景技术

在速度感测领域中，可以通过磁性传感器响应于目标对象(诸如车轮、凸轮轴、曲轴等)的旋转而生成正弦信号。正弦信号可以转换为脉冲，脉冲进一步被转换为移动检测或速度输出。

例如，在速度传感器应用中，可以使用速度信号路径和方向信号路径。具体地，速度信号路径测量左侧定位的感测元件和右侧定位的感测元件位置上的差分磁场。方向路径利用放置在中心感测位置处的单体(monocell)传感器元件测量磁场。通过这种概念，速度信号和方向信号之间的相位差或相位偏移可以被评估，并且可以根据相位偏移确定旋转方向。用于方向检测的单体的使用具有外磁场鲁棒性的缺陷并且更加容易被电噪声影响。两个方面对于混合动力和全电动汽车中的传感器的实现均变得更加重要。

在一些实现中，相同的概念可用于速度和方向。可以使用两个传感器惠斯通桥，一个用于生成速度信号，另一个用于生成方向信号，在它们之间具有移位。然而，这种配置的缺陷在于：信号之间的相位偏移等于两个桥的移位。在具有20mm间距的目标车轮和1mm的桥的移位的情况下，所得到的相位偏移较小(360°/20＝18°)。即使方向信号的信号幅度较大，相位偏移也太小而不能允许良好且稳健的方向检测。

因此，期望具有更良好且更稳健的方向检测的改进设备。

发明内容

根据一个实施例，一种磁性传感器包括第一桥电路，其包括多个第一磁场传感器元件，每个元件均被配置为响应于施加于该元件上的磁场生成传感器信号，第一桥电路被配置为基于由多个第一磁场传感器元件生成的传感器信号来生成第一差分信号。多个第一磁场传感器元件包括第一对传感器元件、第二对传感器元件和第三对传感器元件。第一对传感器元件被布置在磁性传感器的位于第二对传感器元件和第三对传感器元件之间的中心区域处，第二对传感器元件被布置在磁性传感器的第一侧区域处并且被移位为距第一对传感器元件第一距离，并且第三对传感器元件被布置在磁性传感器的与第一侧区域相对的第二侧区域处并且被移位为距第一对传感器元件第二距离，第二距离基本等于第一距离。

根据另一实施例，一种磁性传感器包括：多个磁场传感器元件，每个元件均具有对磁场的相同磁场分量敏感的参考方向，并且每个元件均被配置为响应于施加于该元件上的磁场而生成传感器信号；第一桥电路，包括多个磁场传感器元件中的第一组传感器元件，其中第一桥电路被配置为基于由第一组传感器元件生成的传感器信号来生成第一差分信号；以及第二桥电路，包括多个磁场传感器元件中的第二组传感器元件，第二桥电路被配置为基于由第二组传感器元件生成的传感器信号生成第二差分信号，第二差分信号相对于第一差分信号相位偏移90°。

附图说明

本文参照附图来描述实施例。

图1A和图1B示出了使用第一种类型的磁性编码器的磁场感测原理；

图2A和图2B示出了使用第二种类型的磁性编码器的磁场感测原理；

图3示出了根据一个或多个实施例的磁性速度传感器的示意性框图；

图4示出了根据一个或多个实施例的磁性速度传感器的传感器布置生成的正弦波形的示例；

图5A示出了根据一个或多个实施例的磁性速度传感器的速度传感器布置和方向传感器布置的示意性框图；

图5B示出了根据一个或多个实施例的示例传感器桥配置的示意图；

图5C示出了根据一个或多个实施例的由磁性速度传感器的第一传感器布置实现的桥电路的示意图；

图5D示出了根据一个或多个实施例的由磁性速度传感器的第二传感器布置实现的桥电路的示意图；

图6A是根据一个或多个实施例的嵌套配置的传感器元件的框图；

图6B是根据一个或多个实施例的两个并行子传感器元件的示意性框图；以及

图7示出了根据一个或多个实施例的速度传感器信号和方向传感器信号的波形。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述各个实施例。仅为了说明的目的给出这些实施例，而不用于限制。例如，虽然实施例可以描述为包括多个特征或元件，但在其他实施例中，这些特征或元件中的一些可以省略，和/或可以被替代特征或元件所代替。在其他实施例中，可以提供除了所示或所述特征或元件之外的又一些特征或元件。此外，以下描述的不同实施例的特征可以相互组合以形成又一些实施例，除非另有明确指定。例如，参照一个实施例描述的变型或修改还可以应用于其他实施例，除非明显相反。

因此，虽然又一些实施例能够实现各种修改和替换形式，但在附图中示出其一些具体示例并且随后将进行详细描述。然而，这种详细描述不将又一些示例限于所描述的具体形式。又一些示例可以覆盖落入本公开范围的所有修改、等效和替换。

此外，具有等效或类似功能的等效或类似元件在下文的描述中用等效或相似的参考符号来表示。由于在附图中为相同或功能等效的元件给出相同的参考符号，所以可以省略提供有相同参考符号的元件的重复描述。因此，为具有相同或相似参考符号的元件提供的描述可相互交换。

无论何时使用诸如“一个”和“该”的单数形式并且仅单个元件既没有明示也没有暗示限定为单数，又一些示例还可以使用多个元件来实现相同的功能。类似地，当功能随后被描述为使用多个元件实现时，又一些示例可以使用单个元件或处理实体实现相同的功能。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定所提特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、动作、元件、部件和/或任何它们的组合的存在或附加。

应理解，当元件被提到“连接”或“耦合”至另一元件时，其可以直接连接或耦合至其他元件或者可以存在中间元件。相反，当元件被提到“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应该以类似方式解释(例如，“在…之间”与“直接在..之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

在本文所示或图中所示的实施例中任何直接的电连接或耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或耦合)还可以通过间接连接或耦合(即，具有一个或多个附加中间元件的连接或耦合)来实现，反之亦然，只要基本上保持连接或耦合的一般目的(例如，传输特定种类的信号或者传输特定种类的信息)即可。

附图被认为是示意性的表示，并且图中所示的元件不需要按比例绘制。相反，表示各种元件，使得它们的功能和一般目的对本领域技术人员来说是明显的。还可以通过间接连接或耦合实现功能块、设备、部件或者图中所示的其他物理或功能单元之间的任何连接或耦合。功能块可以硬件、固件、软件或它们的组合来实现。

实施例涉及传感器和传感器系统以及获取关于传感器和传感器系统的信息。传感器可以表示将被测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。例如，物理量可以包括磁场、电场、压力、力、电流或电压，但是不限于此。如本文所描述的，传感器设备可以是角度传感器、线性位置传感器、速度传感器、运动传感器等。

例如，磁场传感器包括一个或多个磁场传感器元件，它们测量磁场的一个或多个特性(例如，磁场通量密度、磁场强度、磁场角度、磁场方向、磁场定向等的量)。磁场可以通过磁体、电流承载导体(例如，导线)、地球或其他磁场源来产生。每个磁场传感器元件都被配置为响应于施加在传感器元件上的一个或多个磁场来生成传感器信号(例如，电压信号)。因此，传感器信号表示施加于传感器元件的磁场的幅度和/或定向。

应理解，术语“传感器”和“感测元件”可以在本说明书中交换使用，并且术语“传感器信号”和“测量信号”可以在本说明书中交换使用。

如本文所提供的，磁性传感器可以是磁阻传感器。磁阻是当对材料施加外部磁场时改变材料的电阻值的材料特性。磁阻效应的一些示例是：巨磁阻(GMR)，其是在由交替的铁磁和非磁性导电层组成的薄膜结构中观察到的量子机械磁阻效应；隧穿磁阻(TMR)，其是在磁性隧穿结(MTJ)中发生的磁阻效应，MTJ是由被薄绝缘体隔开的两个铁磁体组成的部件；或者各向异性磁阻(AMR)，其是观察到电阻取决于电流方向和磁化方向之间的角度的材料特性。例如，在AMR传感器的情况下，用于AMR传感器元件的电阻根据在AMR传感器元件的感测轴上投射的磁场分量的角度的正弦的平方而改变。

多个不同的磁阻效应通常缩写为xMR，其中，“x”用作各种磁阻效应的占位符。xMR传感器可以通过利用单片集成的磁阻传感器元件测量正弦和余弦角度分量来检测所施加磁场的定向。

这种xMR传感器的磁阻传感器元件通常包括多层，其中至少一层是具有参考磁化(即，参考方向)的参考层。参考磁化是提供与xMR传感器的感测轴相对应的感测方向的磁化方向。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，而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。例如，磁场分量可以是x磁场分量(Bx)、y磁场分量(By)或z磁场分量(Bz)，其中Bx和By磁场分量在磁性传感器的平面内，而Bz在磁性传感器的平面外。

在一些应用中，xMR传感器包括多个磁阻传感器元件，它们具有不同的参考磁化。其中使用各种参考磁化的这种应用的示例是角度传感器、罗盘传感器或特定类型的速度传感器(例如，桥布置的速度传感器)。

通过示例，这种磁阻传感器元件被用于速度、角度或旋转速度测量装置，其中磁体可以相对于磁阻传感器元件被移动，因此磁阻传感器元件的位置处的磁场在移动的情况下变化，这又导致电阻可测量的变化。

根据一个或多个实施例，磁场传感器和传感器电路均可以容纳(即，集成)在相同的芯片封装(例如，塑料密封的封装，诸如含铅封装或无铅封装，或者表面安装器件(SMD)封装)中。该芯片封装还可以称为传感器封装。传感器封装可以与反偏置磁体组合以形成传感器模块、传感器设备等。

传感器电路可以称为信号处理电路和/或信号调节电路，其接收来自一个或多个磁场传感器元件的原始测量数据形式的一个或多个信号(即，传感器信号)，并且从传感器信号中得到表示磁场的传感器信号。如本文所使用的，信号调节表示以信号满足用于进一步处理的下一级的要求的这种方式来处理模拟信号。信号调节可以包括从模拟转换为数字(即，经由模数转换器)、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离以及使传感器输出适合于调节之后的处理所要求的任何其他处理。

因此，传感器电路可以包括模数转换器(ADC)，其将来自一个或多个传感器元件的模拟信号转换为数字信号。传感器电路还可以包括数字信号处理器(DSP)，其如下文将要讨论的对数字信号执行一些处理。因此，传感器封装可以包括经由信号处理和/或调节来调节和放大磁场传感器元件的小信号的电路。

如本文所使用的，传感器设备可以表示包括上述传感器和传感器电路的设备。传感器设备可以集成在单个传感器裸片(例如，硅裸片或芯片)上，尽管在其他实施例中，多个裸片可用于实现传感器设备。因此，传感器和传感器电路设置在相同的传感器裸片上或者相同封装的多个裸片上。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，使得它们在封装内相互电连接。在这种情况下，裸片可以包括相同或不同的半导体材料，诸如GaAs和Si，或者传感器可以溅射到不是半导体的陶瓷或玻璃板。

本文的实施例可以采用一个或多个桥电路。如本文所使用的，“桥电路”、“桥设备”和“桥”可以交换使用。桥电路是两个电路分支(通常相互并行)在沿着它们的一些中间点处通过连接在前两个分支之间的第三分支“桥接”的电路拓扑。桥电路可以包括无源元件，诸如电阻、电容和电感元件或者它们的组合。

xMR传感器的磁阻传感器元件是可以按照桥配置进行布置的电阻元件。一个或多个磁场传感器元件的电阻值可以在暴露给磁场时改变。对应于磁场特性的电阻值可以被测量，使得得到关于磁场特性的信息。此外，电阻值可以以电压或电流测量的形式来测量。由此，xMR传感器中的磁场传感器元件可以按照桥形式进行布置，以提供对应于磁场的测量特性的电阻值(例如，电压输出的形式)。

本文提供的磁场传感器可以被配置用于增加旋转磁性编码器(诸如磁性编码器(例如，车轮)或凸轮轴)的速度、位置测量和旋转方向检测。

一种类型的磁性编码器可以是铁磁编码器，其可以是铁磁材料的齿轮或者齿盘，具有在磁场传感器的前面通过的孔或凹槽。磁场可以通过耦合至磁场传感器的背部的反偏置磁体产生。因此，由反偏置磁体产生的磁场的磁场图案通过旋转磁性编码器的齿或凹槽的通过来改变。因此，在特定感测平面或感测方向(例如，x、y或z平面或者方向)中由反偏置磁体产生的磁场的强度根据磁场图案的变化而改变。

第二种类型的磁性编码器是由交替磁体组成的编码器轮，其在相反方向上被磁化(例如，交替的南极和北极磁体)。在这种情况下，增速传感器被放置在编码器的前面，并且检测测量的磁场是否改变其极性。在这种情况下，速度传感器生成指示经过的极点的输出信号。

图1A-图1B以及图2A-图2B示出了根据一个或多个实施例的磁场感测原理。具体地，图1A和图1B示出了使用第一种类型的磁性编码器的磁场感测原理，以及图2A和图2B示出了使用第二种类型的磁性编码器的磁场感测原理。

图1A和图1B示出了根据一个或多个实施例的齿轮1，其可以在任意旋转方向上旋转并具有交替的齿2和凹槽3。具体地，齿轮1可以由吸引磁场的铁磁材料(例如，铁)制成。此外，传感器布置4可以包括两个传感器元件5L和5R，它们被配置为感测由反偏置磁体6产生的磁场。传感器元件4和反偏置磁体6一起可以包括传感器模块。传感器布置4在本文通常可以被称为传感器4，并且可进一步包括传感器电路(未示出)并且可以设置在传感器封装中。

随着齿轮1的旋转，齿和凹槽3交替经过包括反偏置磁体6以及传感器元件5L和5R的传感器模块。在齿2经过传感器模块时，由反偏置磁体6产生的偏置磁场的磁场线在朝向齿2的z方向上拉动。因此，磁场线被拉离x和y平面，并且x和y方向上的感测磁场强度减小，使得x和y方向上的最小磁场强度将在齿2的中心处被检测。相反，增加z方向上的感测磁场强度，使得z方向上的最大磁场强度可以在齿2的中心处被检测。这会不同于现实应用，其中最小值由于组装容限而不会精确地出现在中心处，但是最小磁场强度应该基本在齿2的中心处被检测。

相反地，在凹槽3经过传感器模块时，由反偏置磁体5产生的偏置磁场的磁场线不在朝向凹槽3的z方向上拉动(或者被较少拉动)。因此，磁场线相对于x和y平面保持集中，并且x和y方向上的感测磁场强度将在凹槽3的中心处在x和y方向上处于最大。相反，z方向上的感测磁场强度减小，使得可以在凹槽3的中心处检测z方向上的最小磁场强度。这与现实应用不同，其中最大值不会精确地出现在中心处，但是最大磁场强度应该基本在凹槽3的中心处被检测。

图1A示出了以顶部读取配置进行设置的传感器布置4，使得传感器元件5L和5R设置在反偏置磁体6的前面。此外，如由相邻箭头所指示的，传感器元件5L和5R具有在相同感测方向(例如，负z方向)上对准的参考方向。

另一方面，图1B示出了以并行读取配置设置的传感器布置4，使得传感器元件5L和5R设置在反偏置磁体6和编码器轮1之间。此外，传感器元件5L和5R与齿轮1的旋转方向线性对齐或者平行于齿轮1的旋转方向。这里，如由相邻箭头所指示的，传感器元件5L和5R具有沿着相同感测方向(例如，x方向)对准的相对参考方向。

图1A和图1B中的两个磁场传感器元件5L和5R可以是差分传感器元件。在这种差分配置中，每个差分传感器元件5L和5R的传感器信号被提供给传感器电路，传感器电路使用可用于取消xMR传感器的感测轴中的均匀和/或非均匀杂散场的差分计算来计算差分测量信号。此外，差分传感器元件5L和5R可以移位为距中心大约为轮1的间距的一半的距离，以生成具有高信噪比的差分测量信号。即，差分传感器元件5L和5R(它们均与中心相距约一半间距的距离)之间的距离可以与轮1的间距匹配或基本匹配(例如，在5％内以允许制造容限)。间距是沿着齿轮的两个相邻齿之间的齿节圆的距离。然而，应理解，其他间隔布置也是可以的。最后，引线7提供去向和来自传感器布置4的各种输入和输出信号(例如，功率、命令和输出信号)的电通路。

将图1B所示的并行读取配置用作示例，随着轮1的旋转，齿2和凹槽3交替经过传感器模块，并且传感器元件5L和5R感测随正弦波形(即，信号调制)改变的x轴和y轴磁场强度的变化，其频率对应于轮1的旋转速度，并且进一步对应于驱动轮1的旋转的驱动轴(例如，凸轮轴)的旋转速度。因此，传感器布置4的传感器电路接收来自磁场传感器元件5L和5R的信号(即，传感器信号)，并且从传感器信号中得到将磁场表示为信号调制的差分测量信号。然后，差分测量信号可以作为输出信号输出至外部控制器、控制单元或处理器(例如，电子控制单元(ECU))，或者在输出至外部设备之前被传感器电路内部用于进一步的处理(例如，生成脉冲输出信号)。例如，外部设备可以对脉冲输出信号的脉冲进行计数，并且从中计算轮速度。

此外，附加传感器元件(未示出)可以设置在传感器布置4上，以生成能够使传感器确定轮1的旋转方向的另一差分传感器信号。如本文所使用的，该另一传感器信号将被称为方向信号或方向传感器信号，而在先前短路中描述的第一信号将被称为速度信号或速度传感器信号。

图2A和图2B示出可根据一个或多个实施例的使用第二种类型的磁性编码器(磁化编码器轮21)的磁场感测原理。类似于图1A和图1B，图2所示的传感器布置4分别以顶部读取配置和并行读取配置来布置。由此，类似于图1A和图1B，传感器布置4包括传感器电路(未示出)以及两个差分磁场传感器元件5L和5R。

每个差分传感器元件5L和5R的传感器信号被提供给传感器电路，传感器电路使用可用于取消感测方向上的均匀和/或非均匀杂散场的差分计算来计算差分测量信号。此外，差分传感器元件5L和5R可设置为与中心相距约磁化编码器轮21的极点的间距的一半的距离，以生成具有高信噪比的差分测量信号。即，差分传感器元件5L和5R(均与中心相距约一半的间距)之间的距离可以与轮21的间距匹配或基本匹配(例如，在5％内以允许制造容限)。间距是沿着磁化编码器轮的相同极性的两个极点之间(即，两个相邻正极或两个相邻负极之间)的齿节圆的距离。然而，应理解，其他间距布置也是可以的。

磁化编码器轮21包括交替的北极段22和南极段23。因此，北极段22和南极段23表示上述齿和凹槽轮1的齿和凹槽。如参照图1A和图1B所描述的，传感器布置4的传感器元件5L和5R对被轮21的北极段22和南极段23影响的磁场敏感。这里，由于磁场被轮21主动生成，所以可以省略反偏置磁体。以参照图1A和图1B所述类似的方式，通过检测交替的磁场的变化，传感器输出对应于磁化编码器轮21的旋转速度。因此，传感器布置4的传感器电路生成将由一条引线7输出的传感器输出。

图3是示出根据一个或多个实施例的磁性速度传感器300的示意性框图。磁性速度传感器300包括传感器布置S和传感器布置D，它们均被配置为响应于施加于其上的磁场生成传感器信号。具体地，传感器布置S可以被配置为生成速度传感器信号，并且传感器布置D可以被配置为生成方向传感器信号，其中方向传感器信号与速度传感器信号相位偏移90°或者基本相位偏移90°。速度信号和方向信号之间的相位偏移可以被评估，并且可以基于相位偏移是正还是负来确定目标对象的旋转方向。

图3所示的传感器布置S和D均可以表示电阻器桥，其包括以桥配置布置的传感器元件的对应集合。传感器布置S和D均被配置为根据相同的感测平面(例如，x平面、y平面或z平面)来测量磁场。即，组成桥的传感器元件具有与相同感测平面对准的参考方向。

磁性速度传感器300还包括传感器电路30，其接收来自传感器布置S和D的传感器信号进行处理，并且用于在输出31处生成脉冲输出速度信号和方向指示符信号。传感器电路30包括两条信号路径：S信号路径和D信号路径。S信号路径上的速度(S)信号可以为表示目标对象的旋转速度的正弦曲线(正弦)波形的形式，并且D信号路径上的方向(D)信号可以是与速度信号相位偏移90°的类似波形。即，方向信号是表示目标对象的旋转速度的余弦曲线(余弦)波形，但是被数字信号处理器33使用，以通过分析速度信号和方向信号之间的相位差来确定旋转方向。

图4是由磁性速度传感器的传感器布置S和D中的一个生成的正弦波形的示例。具体地，图4示出了上文讨论的编码器轮的一个全旋转的全旋转速度传感器信号响应。

极对包括磁化编码器轮上的相邻北极和南极，或者齿轮上的相邻齿或凹槽。典型地，对于速度应用来说，磁化目标轮的极对的数量(还对应于齿轮上的齿的数量)转换为360°的全旋转的正弦波形的数量。对于该示例，根据图4所示的正弦波形，磁化编码器轮21将包括24个极对。

从图4所示的波形可以看出，传感器300根据编码器轮的旋转，基于在两个极值(例如，最小值和最大值)之间振荡的感测磁场来生成输出信号。处理器可以被配置为基于由传感器电路30生成的输出信号计算旋转编码器轮的轮速和旋转方向。

鉴于上文所述，传感器信号是通过磁性速度传感器300随时间感测的磁场B的测量值，并且随着磁性传感器的旋转在两个极值之间振荡。此外，传感器信号可以在y轴方向上具有相对于x轴的偏移，并且可进一步通过传感器电路30执行的处理被标准化为普通幅度。

应理解，虽然本文的示例描述了正弦波形被用作速度信号且余弦波形被用作方向信号，但只要两个信号彼此相位偏移90°，反过来也是可以的。

返回到图3，信号路径S和D可以分别包括ADC 32s和ADC 32d，它们将相应信号路径的(差分)传感器信号转换为数字信号用于被传感器电路30的剩余部分(例如，被数字信号处理器33)进行进一步的处理。

数字信号处理器33被配置为接收速度信号和方向信号用于进一步的处理，包括确定目标对象的旋转方向。例如，数字信号处理器33可以包括一个或多个处理器和/或逻辑单元，其执行各种信号调节功能，诸如绝对信号转换、标准化、线性化、频率增加等。可以与存储在存储器中的查找表组合执行一个或多个信号调节功能。数字信号处理器33的输出31可以向外部设备(诸如ECU)提供一个或多个输出信号。

例如，目标对象的旋转速度可以被输出作为速度脉冲信号。因此，由传感器布置S生成的正弦信号可以通过数字信号处理器33转换为脉冲，其可以进一步转换为移动检测或速度输出。此外，数字信号处理器33可以基于速度信号和方向信号之间的相位偏移输出指示旋转方向的信号。

图5A是根据一个或多个实施例的磁性速度传感器500的速度传感器布置和方向传感器布置的示意性框图。磁性速度传感器500可以被认为是在x-y平面中具有维度的传感器芯片。磁性速度传感器500的速度和方向传感器布置包括被配置为生成差分速度信号的速度传感器布置510以及被配置为生成差分方向信号的方向传感器布置520，其中每个传感器布置510和520均包括以桥配置布置的传感器元件。此外，为了说明的目的，磁性速度传感器500被示为具有叠加栅格图案，这表示磁性速度传感器500的芯片中心处于0.0并且相对于芯片中心的维度朝向磁性速度传感器500的芯片边缘。

速度传感器布置510包括位于左侧位置L处的左侧对传感器元件(SL1和SL2)以及位于右侧位置R处的右侧对传感器元件(SR1和SR2)。方向传感器布置520包括位于左侧位置L处的左侧对传感器元件(DL1和DL2)、位于中心位置C处的中心对传感器元件(DC1和DC2)以及位于右侧位置R处的右侧对传感器元件(DR1和DR2)。用于两个传感器布置510和520的左侧传感器元件和右侧传感器元件被布置为使得左侧和右侧双方与中心对传感器元件(DC1和DC2)均等间隔。因此，左侧对传感器元件(SL1和SL2)相对于中心对传感器元件(DC1和DC2)与右侧对传感器元件(SR1和SR2)均等间隔。类似地，左侧对传感器元件(DL1和DL2)相对于中心对传感器元件(DC1和DC2)与右侧对传感器元件(DR1和DR2)均等间隔。

虽然中心对传感器元件(DC1和DC2)在该示例中被示为处于芯片中心，但不是对于所有配置的情况都必须如此。备选地，中心对传感器元件(DC1和DC2)可以放置在芯片的中心区域中但远离芯片中心。同时，设置在芯片左侧上的传感器元件可以说是位于芯片的左侧区域中，并且设置在芯片右侧上的传感器元件可以说是位于芯片的右侧区域中。

不管中心对传感器元件(DC1和DC2)是否设置在芯片中心处，相应的左侧和右侧双方保持与中心对传感器元件(DC1和DC2)均匀间隔。因此，可以维持相对于中心对传感器元件(DC1和DC2)的磁场感测的对称性。

如上所述，左侧对传感器元件SL1、SL2相对于中心对传感器元件DC1、DC2(例如，相对于芯片中心)与右侧对传感器元件SR1、SR2均等间隔。因此，可以补偿从左侧和右侧测量的互补磁性偏移场。例如，左侧对传感器元件SL1、SL2和右侧对传感器元件SR1、SR2之间的距离可以与目标对象(例如，编码器轮)的间距匹配或基本匹配(例如，在5％以允许制造容限)。

此外，每一对传感器元件(SL1、SL2)、(SR1、SR2)、(DL1、DL2)、(DC1、DC2)和(DR1、DR2)可以被布置为使得它们还可以相对于它们成对的传感器元件在y方向上均等隔开。例如，传感器元件SL1与中心x轴(0.0)相距的距离与其成对的传感器元件SL1与中心x轴(0.0)相距的距离相同。在该示例中，可以说每一对传感器元件都相对于它们成对的传感器元件在y方向上垂直对准。因此，可以维持相对于中心对传感器元件DC1、DC2(例如，相对于芯片中心)的磁场感测的对称性。

此外，磁性速度传感器500可以具有每个传感器布置510和520的传感器元件与其对准的感测轴。因此，如果磁性速度传感器500具有x感测轴，则感测元件SL1、SL2、SR1、SR2、DL1、DL2、DC1、DC2、DR1和DR2均可以具有它们的与x感测轴对准的磁化方向(即，参考方向)。即，它们的磁化方向可以在x方向或y方向上钉扎(pin)。如果磁性速度传感器500具有y感测轴或z感测轴，同样如此。

图5B是示出使用四个xMR传感器元件的两种可能的传感器桥配制的示意图。例如，图5B示出了磁性传感器桥电路X的示例，其生成差分传感器信号Sx并且包括四个xMR传感器元件R1、R2、R3和R4，其中提供箭头来表示在x方向上对准的每个传感器元件的钉扎层磁化的方向。在这种情况下，可以说是磁性速度传感器500具有x感测轴。

磁性传感器桥电路X包括第一磁阻传感器元件R1和第四磁阻传感器元件R4。第一和第四磁阻传感器元件R1和R4串联连接。此外，磁性传感器桥电路X包括第二磁阻传感器元件R2和第三磁阻传感器元件R3。第二和第三磁阻传感器元件R2和R3串联连接。第一和第三磁阻传感器元件R1和R3被连接至磁性传感器桥电路X的第一供电端子。第二和第四磁阻传感器元件R2和R4被连接至磁性传感器桥电路X的不同的第二供电端子。

应理解，如图所示的每个钉扎层磁化的具体钉扎定向可以根据设计旋转180°，同时保持与x感测轴对准。补偿差分传感器信号Sx，使其在不存在所施加磁场的情况下为零。

图5B进一步示出了磁性传感器桥电路Y的示例，其生成差分传感器信号Sy并包括四个xMR传感器元件R1、R2、R3和R4，其中提供箭头来表示在y方向上对准的每个传感器元件的钉扎层磁化的方向。在这种情况下，可以说是磁性速度传感器500具有y感测轴。

磁性传感器桥电路Y包括第一磁阻传感器元件R1和第四磁阻传感器元件R4。第一和第四磁阻传感器元件R1和R4串联连接。此外，磁性传感器桥电路X包括第二磁阻传感器元件R2和第三磁阻传感器元件R3。第二和第三磁阻传感器元件R2和R3串联连接。第一和第三磁阻传感器元件R1和R3连接至磁性传感器桥电路Y的第一供电端子。第二和第四磁阻传感器元件R2和R4连接至磁性传感器桥电路Y的不同的第二供电端子。

应理解，如图所示的每个钉扎层磁化的具体钉扎定向可以根据设计旋转180°，同时保持与y感测轴对准。补偿差分传感器信号Sy，使其在不存在所施加磁场的情况下为零。

图5C是根据一个或多个实施例的由传感器布置510实现的桥电路的示意图。具体地，根据图5B所示的一种布置，传感器元件SL1、SL2、SR1和SR2以桥配置进行布置，其中VSout表示由桥电路输出的差分速度传感器信号。输出电压VSout是提供两对传感器元件的两个位置处测量的磁场的函数。

为了说明的目的提供标为R1、R2、R3和R4的虚线框，以示出传感器元件SL1、SL2、SR1和SR2中的每一个如何对应于图5B所示的电阻元件R1、R2、R3和R4的位置和参考方向。

图5D是根据一个或多个实施例的由传感器布置520实现的桥电路的示意图。具体地，传感器元件DL1、DL2、DC1、DC2、DR1和DR2以桥配置进行布置，其中VDout表示由桥电路输出的差分方向传感器信号。输出电压VDout是三对传感器元件所位于的三个位置处测量的磁场的函数。

为了说明的目的提供标为R1、R2、R3和R4的虚线框，以示出传感器元件DL1、DL2、DC1、DC2、DR1和DR2中的每一个如何对应于图5B所示的电阻元件R1、R2、R3和R4的位置和参考方向。然而，代替如传感器布置510使用四个电阻元件，传感器布置520使用六个电阻元件。

根据传感器布置520，桥(DC1、DC2)的一半的一个电阻被放置在速度传感器对之间(即，左侧对传感器元件(SL1和SL2)与右侧对传感器元件(SR1和SR2)之间)的中心。桥的另一半的电阻使用左侧芯片位置和右侧芯片位置上的剩余电阻元件(DL1、DL2、DR1和DR2)。

并行传感器元件DL1和SR1的等效电阻被配置为等于或基本等于传感器元件DC1的电阻，并且并行传感器元件DL2和DR2的等效电阻被配置为等于或基本等于传感器元件DC2的电阻。传感器元件DC1和DC2的电阻可进一步被配置为彼此(基本)相等。

传感器布置520的桥电路包括位于R1位置处的传感器元件DC1、位于R2位置处的传感器元件DC2、在R3位置处彼此并联连接的传感器元件DL1和DR1、以及在R4位置处彼此并联连接的传感器元件DL2和DR2。桥电路的第一腿状件包括对应于R1位置(例如，DC1)和R4位置(DL2//DR2)的传感器元件，并且桥电路的第二腿状件包括对应于R2位置(例如，DC2)和R3位置(DL1//DR1)的传感器元件。因此，传感器布置520的桥电路的两个腿状件中的每个腿状件均具有相同或基本相同的等效电感或电阻，使得每个腿状件彼此均衡(即，平衡)。因此，当磁性传感器500不被暴露给所施加的磁场时，VDout等于零。桥电路被配置为使得VDout响应于所施加磁场的改变而线性地变化。

从电性能的观点来看，传感器布置520的配置相当于与传感器布置510的配置类似的桥电路。然而，传感器布置520的磁特性的不同在于，输出电压VDout(即，差分方向传感器信号)是在三个位置上测量的磁场的函数。例如，该函数可如下表示：C-(L/R)，其中C表示在中心位置处测量的磁场，R表示在右侧位置处测量的磁场，以及L表示在左侧位置处测量的磁场。由于这种配置，即使在左侧和右侧存在互补偏移场的情况下，传感器布置520仍然平衡。此外，差分方向传感器信号被生成为与差分速度传感器信号异相90°。因此，旋转方向可以更容易且更精确地检测到，对于外部杂散场具有改进的稳健性。

图6A是示出根据一个或多个实施例的嵌套配置的传感器元件的框图。具体地，图5A所示的传感器元件DL1和DL2均可以被分为子传感器元件，其中DL1被分为DL1a和DL1b，以及DL2可以被分为子传感器元件DL2a和DL2b。因此，如果y位置也是设计因素，则除了由图5A所示传感器元件显示的x对称性之外，传感器布置510和520中的每个L、C和R传感器元件的放置可仅进一步被分为并行子电路的嵌套配置，例如如图6A中的传感器元件DL1和SL2所示。这里，传感器元件DL1a和DL1b相对于彼此显示出x对称性和y对称性。类似地，传感器元件DL2a和DL2b也相对于彼此显示出x对称性和y对称性。

此外，速度传感器布置510和方向传感器布置520的传感器元件可以相似方式组合，使得一个位置(L或R)上的所有四个元件共享相同的平均坐标。

图6B是根据一个或多个实施例的两个子传感器元件的并行组合的示意性框图。具体地，如图6A所示，图5C和图5D所示的一个或多个传感器元件可以被分为子传感器元件。因此，在电路配置中，图5C或图5D中的对应传感器元件可以被相应的子传感器元件的并行组合所替代。例如，图6B示出了还在图5D中示出的传感器元件DL1如何将被分为两个并行的子传感器元件DL1a和DL1b。因此，DL1a和DL1b的并行组合将替代图5D中的DL1。这种替代可以针对图5C和图5D中的一个或多个电阻器(即，传感器元件)来进行。

图7示出了根据一个或多个实施例的用于速度传感器信号(SPEED)和方向传感器信号(DIR)的波形。具体地，由于传感器布置520的配置，方向传感器信号相对于速度传感器信号相位偏移90°，并且两个信号都是差分的。

可以在差分速度传感器信号的每个零交叉处确定旋转方向。例如，DSP 33可以确定差分速度传感器信号是在下降沿上还是在上升沿上具有零交叉，并且可进一步分析与差分方向传感器信号的负值和正值的相关性。

例如，差分方向传感器信号在差分速度传感器信号的下降沿处的负值可以表示第一旋转方向。差分方向传感器信号在差分速度传感器信号的上升沿处的正值也可以表示第一旋转方向。差分方向传感器信号在差分速度传感器信号的下降沿处的正值可表示第二旋转方向。差分方向传感器信号在差分传感器信号的上升沿处的负值也可以表示第二旋转方向。由于方向传感器信号与速度传感器信号相位偏移90°，所以旋转方向的确定不太容易受可由外部杂散场、偏置噪声和其他类型的干扰所引起的误差的影响。

附加地或备选地，DSP 33可以评估差分速度传感器信号的每个零交叉处的差分方向传感器信号的符号。如果差分方向传感器信号的符号在两个连续的零交叉之间交替(+-或-+)，则旋转方向保持相同。然而，如果两个连续零交叉之间的差分方向传感器信号的符号不交替(++或--)，则通过DSP 33检测到方向改变。

根据传感器布置520的配置，可以补偿来自磁性速度传感器500的左侧和右侧的互补磁性偏移场，可以实现与速度信号的90°相位偏移，并且也可以实现桥配置的优势(例如，悬置的公共模式以及对偏置噪声的稳健性)。

与两个位置相对，由于方向信号是在三个位置处测量的磁场的函数，所以与速度信号相比，传感器布置520的配置可以减小信号幅度。此外，当与传感器布置520的传感器元件对之间的距离(不与编码器轮的间距匹配)相比，与编码器轮的间距匹配或基本匹配的传感器布置510的传感器元件对之间的距离可以产生更高的信号幅度，这主要是由于存在三对。然而，即使减小了方向信号的信号幅度，与速度信号显著的90°的相位偏移和减小的偏置噪声可允许改进旋转方向检测。

应理解，虽然在传感器布置510用于生成速度信号的上下文中描述了本实施例，但传感器布置520用于生成用于速度感测和方向感测应用的方向信号，反过来也可以。即，传感器布置510可用于生成方向信号，并且传感器布置520可用于生成速度信号。此外，其他应用可使用传感器布置520的配置来替代传感器布置510，使得使用具有与传感器布置520相似的传感器布置的两个或更多个传感器布置。备选地，一个或多个应用可使用单个传感器桥，其具有与传感器布置520类似的布置。进一步地，应理解，传感器布置520可在除速度感测应用之外的其他应用中使用，并且可以在测量差分磁场(即，具有偏移场的磁场)的任何应用中使用。

传感器布置520拥有即使存在也被称为差分磁场的大偏移场(例如，在左侧为正，在右侧为负，且在中心为零)也对杂散场稳健的能力。因此，针对传感器芯片的左侧和右侧(即，提供左侧和右侧传感器元件)，差分磁场可以具有相等但相反的场强度。在简单的左-右桥中，该偏移场使得桥失去均衡(失衡)，这强烈地减小了杂散场稳健性。通过将左侧和右侧传感器元件组合成一个桥元件(例如，图5D中的元件R3和R4)，偏移场的效应被取消，并且即使存在偏移场，桥也保持平衡。

此外，虽然已经描述了各个实施例，但本领域技术人员应理解，更多的实施例和实现在本公开的范围内是可能的。因此，除了根据所附权利要求及其等效，否则而不限制本发明。关于由上述部件或结构(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有指定，否则用于描述这些部件的术语(包括“装置”)用于对应于执行所述部件的特定功能的任何部件或结构(即，功能等效)，即使结构上不等效于执行本文所示本发明的示例性实现的功能的公开结构。

此外，以下权利要求并入详细描述中，其中每条权利要求都可以作为独立的示例实施例。虽然每条权利要求可以作为独立的示例实施例，但注意，尽管从属权利要求可以在该权利要求中表示与一个或多个其他实施例的特定组合，但其他示例实施例还可以包括该从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。本文提出了这些组合，除非明确特定组合是不想要的。此外，还将权利要求的特征包括至任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于独立权利要求。

进一步注意，说明书和权利要求中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的每个代表性动作的装置的设备来实现。

此外，应理解，说明书和权利要求中公开的多个动作或功能的公开可以不构造为特定顺序。因此，多个动作或功能的公开将不将它们限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因不可交换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或者可以分为多个子动作。除非明确排除，否则这种子动作可以包括为或者作为该单个动作的公开的一部分。

本公开描述的技术可以至少部分地以硬件、软件、估计或任何它们的组合来实现。例如，所述技术的各个方面可以在一个或多个处理器中实现，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或任何其他等效集成或分立逻辑电路以及这些部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以表示单独或与其他逻辑电路组合的任何前述逻辑电路或者任何其他等效电路。包括硬件的控制单元还可以执行本公开的一种或多种技术。这种硬件、软件和估计可以在相同的设备内或者独立的设备内实现，以支持本公开描述的各种技术。

尽管已经描述了各个示例性实施例，但本领域技术人员将明白，可以进行各种改变和修改，它们将实现本文公开的概念的一些优点而不背离本发明的精神和范围。本领域技术人员应理解，执行相同功能的其他部件可以被适当地替换。应理解，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变而不背离本发明的范围。应该提及，参照特定附图解释的特征可以与其他附图的特征组合，即使它们没有被明显提出。对一般发明概念的这些修改被所附权利要求及其法律等效所覆盖。

Claims (20)

1.一种磁性传感器，包括：

第一桥电路，包括多个第一磁场传感器元件，每个元件均被配置为响应于施加于该元件上的磁场生成传感器信号，其中所述第一桥电路被配置为基于由所述多个第一磁场传感器元件生成的传感器信号来生成第一差分信号，

其中所述多个第一磁场传感器元件包括第一对传感器元件、第二对传感器元件和第三对传感器元件，

其中所述第一对传感器元件被布置在所述磁性传感器的位于所述第二对传感器元件和所述第三对传感器元件之间的中心区域处，所述第二对传感器元件被布置在所述磁性传感器的第一侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第一距离，并且所述第三对传感器元件被布置在所述磁性传感器的与所述第一侧区域相对的第二侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第二距离，所述第二距离基本等于所述第一距离。

2.根据权利要求1所述的磁性传感器，其中：

所述第一桥电路包括并联连接在第一供电端子和第二供电端子之间的第一腿状件和第二腿状件，

所述第一腿状件包括所述第一对传感器元件中的第一传感器元件、所述第二对传感器元件中的第一传感器元件和所述第三对传感器元件中的第一传感器元件，并且

所述第二腿状件包括所述第一对传感器元件中的第二传感器元件、所述第二对传感器元件中的第二传感器元件和所述第三对传感器元件中的第二传感器元件。

3.根据权利要求2所述的磁性传感器，其中：

所述第二对传感器元件中的第一传感器元件和所述第三对传感器元件中的第一传感器元件彼此并联连接，并且均串联连接至所述第一对传感器元件中的第一传感器元件，并且

所述第二对传感器元件中的第二传感器元件和所述第三对传感器元件中的第二传感器元件彼此并联连接，并且均串联连接至所述第一对传感器元件中的第二传感器元件。

4.根据权利要求3所述的磁性传感器，其中：

并联连接的所述第二对传感器元件中的第一传感器元件和所述第三对传感器元件中的第一传感器元件的第一等效电阻基本等于所述第一对传感器元件中的第二传感器元件的电阻，并且

并联连接的所述第二对传感器元件中的第二传感器元件和所述第三对传感器元件中的第二传感器元件的第二等效电阻基本等于所述第一对传感器元件中的第一传感器元件的电阻。

5.根据权利要求1所述的磁性传感器，还包括：

至少一个处理器，被配置为接收所述第一差分信号，并且基于所述第一差分信号确定目标对象的旋转方向。

6.根据权利要求1所述的磁性传感器，其中所述多个第一磁场传感器元件是磁阻传感器元件。

7.根据权利要求1所述的磁性传感器，其中所述第一差分信号是所述磁性传感器的三个区域处测量的磁场的函数，所述三个区域包括所述中心区域、所述第一侧区域和所述第二侧区域。

8.根据权利要求1所述的磁性传感器，还包括：

第二桥电路，包括多个第二磁场传感器元件，每个元件均被配置为响应于施加于该元件上的磁场生成传感器信号，其中所述第二桥电路被配置为基于由所述多个第二磁场传感器元件生成的传感器信号生成第二差分信号，

其中所述第一差分信号相对于所述第二差分信号相位偏移90°。

9.根据权利要求8所述的磁性传感器，其中：

所述多个第二磁场传感器元件包括第四对传感器元件和第五对传感器元件，并且

所述第四对传感器元件被布置在所述磁性传感器的所述第一侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第三距离，并且所述第五对传感器元件被布置在所述磁性传感器的与所述第一侧区域相对的第二侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第四距离，所述第四距离基本等于所述第三距离。

10.根据权利要求8所述的磁性传感器，其中：

所述第二差分信号是对应于目标对象的旋转速度的速度信号，并且所述第一差分信号是对应于所述目标对象的旋转方向的方向信号。

11.根据权利要求8所述的磁性传感器，其中：

所述多个第一磁场传感器元件和所述多个第二磁场传感器元件均具有与相同感测轴对准的感测方向。

12.一种磁性传感器，包括：

多个磁场传感器元件，每个元件均具有对磁场的相同磁场分量敏感的参考方向，并且每个元件均被配置为响应于施加于该元件上的磁场而生成传感器信号；

第一桥电路，包括所述多个磁场传感器元件中的第一组传感器元件，其中所述第一桥电路被配置为基于由所述第一组传感器元件生成的传感器信号来生成第一差分信号；以及

第二桥电路，包括所述多个磁场传感器元件中的第二组传感器元件，其中所述第二桥电路被配置为基于由所述第二组传感器元件生成的传感器信号来生成第二差分信号，其中所述第二差分信号相对于所述第一差分信号相位偏移90°。

13.根据权利要求12所述的磁性传感器，其中：

所述磁场的磁场图案被配置为响应于目标对象的旋转而改变，

所述第一差分信号是对应于所述目标对象的旋转速度的速度信号，并且

所述第二差分信号是对应于所述目标对象的旋转方向的方向信号。

14.根据权利要求12所述的磁性传感器，其中：

所述第二组传感器元件包括第一对传感器元件、第二对传感器元件和第三对传感器元件，并且

所述第一对传感器元件被布置在所述磁性传感器的位于所述第二对传感器元件和所述第三对传感器元件之间的中心区域处，所述第二对传感器元件被布置在所述磁性传感器的第一侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第一距离，并且所述第三对传感器元件被布置在所述磁性传感器的与所述第一侧区域相对的第二侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第二距离，所述第二距离基本等于所述第一距离。

15.根据权利要求14所述的磁性传感器，其中：

所述第一组传感器元件包括第四对传感器元件和第五对传感器元件，并且

所述第四对传感器元件被布置在所述磁性传感器的所述第一侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第三距离，并且所述第五对传感器元件被布置在所述磁性传感器的与所述第一侧区域相对的所述第二侧区域处并且被移位为距所述第一对传感器元件第四距离，所述第四距离基本等于所述第三距离。

16.根据权利要求14所述的磁性传感器，其中：

所述第二桥电路包括并联连接在第一供电端子和第二供电端子之间的第一腿状件和第二腿状件，

所述第一腿状件包括所述第一对传感器元件中的第一传感器元件、所述第二对传感器元件中的第一传感器元件和所述第三对传感器元件中的第一传感器元件，并且

所述第二腿状件包括所述第一对传感器元件中的第二传感器元件、所述第二对传感器元件中的第二传感器元件和所述第三对传感器元件中的第二传感器元件。

17.根据权利要求16所述的磁性传感器，其中：

所述第二对传感器元件中的第一传感器元件和所述第三对传感器元件中的第一传感器元件彼此并联连接，并且均串联连接至所述第一对传感器元件中的第一传感器元件，并且

所述第二对传感器元件中的第二传感器元件和所述第三对传感器元件中的第二传感器元件彼此并联连接，并且均串联连接至所述第一对传感器元件中的第二传感器元件。

18.根据权利要求17所述的磁性传感器，其中：

并联连接的所述第二对传感器元件中的第一传感器元件和所述第三对传感器元件中的第一传感器元件的第一等效电阻基本等于所述第一对传感器元件中的第二传感器元件的电阻，并且

并联连接的所述第二对传感器元件中的第二传感器元件和所述第三对传感器元件中的第二传感器元件的第二等效电阻基本等于所述第一对传感器元件中的第一传感器元件的电阻。

19.根据权利要求12所述的磁性传感器，其中：

所述第一差分信号是在所述磁性传感器的两个区域处测量的磁场的函数，并且

所述第二差分信号是在所述磁性传感器的三个区域处测量的磁场的函数。

20.根据权利要求12所述的磁性传感器，还包括：

至少一个处理器，被配置为接收所述第一差分信号和所述第二差分信号，并且基于所述第二差分信号相对于所述第一差分信号的相位偏移是正还是负来确定目标对象的旋转方向。