CN110785673B - 用于线圈致动位置传感器的封装 - Google Patents

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Abstract

一种设备，包括一个或多个基底和一个或多个线圈。线圈中的至少一个被配置为产生第一磁场，该第一磁场在导电目标中感生涡流，该涡流产生反射磁场。由一个或多个基底支撑的一个或多个磁场感测元件检测反射磁场。导电支撑结构支撑一个或多个基底。支撑结构在与该一个或多个线圈相邻的区域中包括间隙，使得支撑结构不会响应于第一磁场而生成反射磁场。

Description

用于线圈致动位置传感器的封装
技术领域
本公开涉及磁场感测，并且更具体地，涉及用于生成反射磁场的磁场传感器的结构布置。
背景技术
磁场传感器通常用于检测铁磁目标。它们通常充当传感器以检测目标的运动或位置。这种传感器在包括机器人技术、汽车、制造等许多技术领域无处不在。例如，磁场传感器可用于检测车轮何时锁死，触发车辆的控制处理器啮合防抱死制动系统。在该示例中，磁场传感器可以检测轮子的旋转。磁场传感器还可以检测至物体的距离。例如，磁场传感器可以用于检测液压活塞的位置。
发明内容
在实施例中，一种设备，包括：一个或多个基底；一个或多个线圈，所述线圈中的至少一个线圈被配置为产生第一磁场，所述第一磁场在导电目标中感生出生成反射磁场的涡流；一个或多个磁场感测元件，由所述一个或多个基底支撑，用于检测所述反射磁场；以及导电支撑结构，用于支撑所述一个或多个基底，所述支撑结构在与所述一个或多个线圈相邻的区域中具有间隙，使得所述支撑结构不会响应于所述第一磁场而生成反射磁场。
可以包括一个或多个以下特征。
所述一个或多个磁场感测元件可以以网格图案布置在所述一个或多个基底上。
所述线圈中的至少一个线圈可以包括多个迹线，并且其中，所述一个或多个磁场感测元件安置在所述基底上，在所述线圈的迹线之间的空间中。
所述线圈可以包括反线圈，以在与所述第一磁场的方向相反的方向上产生局部磁场。
所述线圈中的至少一个线圈可以包括多个迹线，并且其中，所述一个或多个磁场感测元件安置在所述反线圈的一个或多个迹线之间的空间中。
所述一个或多个基底可以包括以下中的一种或多种：半导体材料、玻璃材料或陶瓷材料。
所述一个或多个基底中的第一基底可以支撑所述一个或多个线圈，并且所述一个或多个基底中的一个或多个第二基底支撑所述一个或多个磁场感测元件。
所述一个或多个基底中的第三基底可以支撑处理电路。
所述第一基底可以支撑两个或更多个线圈。
所述第一基底可以支撑一个或多个线圈和一个或多个磁场感测元件。
所述第二一个或多个基底可以支撑一个或多个处理电路。
所述磁场感测元件中的每个磁场感测元件可以由不同的基底支撑。
所述基底、所述线圈和所述磁场感测元件可以形成一个或多个磁场传感器。
粘合剂可以将所述一个或多个基底中的至少两个基底彼此粘合。
所述导电支撑结构可以包括引线框架或焊盘框架。
所述一个或多个线圈中的至少一个线圈可以由所述一个或多个基底中的至少一个基底支撑。
在另一实施例中，一种设备，包括：第一基底；两个线圈，由所述第一基底支撑并彼此邻近地布置，所述线圈被配置为各自生成在导电目标中产生涡流并从所述导电目标产生反射磁场的磁场，所述两个线圈布置成使得他们分别生成的磁场在所述线圈之间的区域中基本上彼此抵消；以及一个或多个磁场感测元件，安置于所述线圈之间的所述区域中，并被配置为检测所述反射磁场。
可以包括一个或多个以下特征。
所述一个或多个磁场感测元件可以包括桥电路。
所述一个或多个磁场感测元件可以包括至少两对磁场感测元件。
所述导电目标的中心区域可以与所述对磁场感测元件中的一个相邻，并且所述导电目标的边缘可以与所述对磁场感测元件中的另一个相邻。
所述设备可以包括第二基底，其中，所述一个或多个磁场感测元件和/或处理电路由所述第二基底支撑。
所述第二基底可以在所述线圈之间的所述区域中居中。
所述第一基底和/或所述第二基底可以包括以下中的一种或多种：半导体材料、玻璃材料或陶瓷材料。
在另一实施例中，一种设备，包括：第一基底；由所述第一基底支撑的第一磁场传感器，所述第一磁场传感器包括由所述第一基底支撑并彼此邻近地布置的第一对两个线圈，所述线圈被配置为各自生成在第一导电目标中产生涡流并从所述导电目标产生第一反射磁场的磁场，所述第一对两个线圈布置成使得它们各自生成的磁场在所述线圈之间的区域中基本彼此抵消。所述设备包括第二基底，所述第二基底支撑一个或多个磁场感测元件，所述一个或多个磁场感测元件安置于所述第一对两个线圈之间的所述区域中并被配置为检测所述第一反射磁场；以及由所述第一基底支撑的第二磁场传感器，所述第二磁场传感器包括第二对两个线圈，所述第二对两个线圈由所述第一基底支撑并彼此邻近地布置，所述第二对两个线圈被配置为各自生成在第二导电目标中产生涡流并从所述第二导电目标产生反射磁场的磁场，所述第二对两个线圈布置成使得它们各自生成的磁场在所述线圈之间的区域中基本彼此抵消。所述设备包括第三基底，所述第三基底支撑一个或多个磁场感测元件，所述一个或多个磁场感测元件安置于所述第二对两个线圈之间的所述区域中，并被配置为检测所述第二反射磁场。
在另一实施例中，一种系统，包括：一个或多个基底；一个或多个磁场感测元件，由所述一个或多个基底支撑，用于检测交变磁场；以及导电支撑结构，用于支撑所述一个或多个基底，所述支撑结构在与所述磁场感测元件相邻的区域中具有不会响应于所述交变磁场而生成反射磁场的形状。
可以包括一个或多个以下特征。
所述设备可以包括一个或多个线圈，其中，所述一个或多个线圈中的至少一个线圈生成所述交变磁场。
所述一个或多个线圈中的至少一个线圈可以由所述一个或多个基底中的至少一个基底支撑。
附图说明
从附图的以下描述可以更充分地理解前述特征。附图有助于解释和理解所公开的技术。由于示例和描述每个可能的实施例通常是不切实际或不可能的，因此所提供的图描绘了实施例的一个或多个示例。因此，图无意限制本发明的范围。图中相似的数字表示相似的元件。
图1是用于感测目标的系统的框图。
图2是用于感测目标的系统的等距视图。
图2A示出了图2的系统的横截面视图。
图3是用于感测目标的线圈和磁阻(MR)元件的示意图。
图3A是用于感测包括接合焊盘的目标的线圈和MR元件的实施例的示意图。
图3B是用于感测目标的线圈和MR元件的实施例的示意图。
图4是用于感测目标的系统的横截面视图。
图5是用于感测目标的线圈和MR元件的示意图。
图5A是用于感测目标的线圈和MR元件的实施例的示意图。
图5B是用于感测包括引线框架的目标的线圈和MR元件的实施例的示意图。
图5C是用于感测目标的线圈和MR元件的实施例的示意图。
图6是用于感测目标的线圈和MR元件的实施例的示意图。
图7是用于感测目标的线圈和MR元件的横截面视图。
图8是压力传感器的等距视图。
图8A是图8的压力传感器的实施例的等距视图。
图9是包括基底的压力传感器的实施例的横截面视图。
图10是用于感测磁性目标的电路的框图。
图10A是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11A是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11B是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11C是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11D是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11E是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图11F是用于感测磁性目标的电路的实施例的框图。
图12是表示系统的输出信号与灵敏度检测的图。
图12A是磁场检测电路与灵敏度检测的框图。
图12B是磁场检测电路与灵敏度检测的实施例的框图。
图12C是磁场检测电路与灵敏度检测的实施例的框图。
图13是包括线圈和MR元件的磁场检测电路与灵敏度检测的实施例的示意图。
图13A是在迹线之间具有反线圈(countercoil)和间隙的线圈的实施例的示意图。
图13B是磁场检测电路与灵敏度检测的的实施例的框图。
图14是磁场传感器和包括具有变化厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图14A是磁场传感器和包括具有变化厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图14B是磁场传感器和包括具有变化厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图15是磁场传感器和包括具有多个厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图15A是磁场传感器和包括具有多个厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图15B是磁场传感器和包括具有多个厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图15C是磁场传感器和包括具有多个厚度的材料的磁性目标的侧视图。
图16是磁场传感器和具有倾斜平面的磁性目标的侧视图。
图16A是磁场传感器和包括具有倾斜平面的磁性目标的侧视图。
图17是通过引线导线连接的基底和引线框架的侧视图。
图17A是通过焊料凸块连接的基底和引线框架的侧视图。
图18是包括一个或多个线圈的双管芯封装的示意图。
图18A是包括一个或多个线圈的双管芯封装的示意图。
图19是包括一个或多个线圈的多管芯封装的示意图。
具体实施方式
如本文所使用的，术语“磁场感测元件”用于描述可以感测磁场的各种电子元件。磁场感测元件可以是但不限于霍尔效应元件、磁阻(MR)元件或磁晶体管。众所周知，存在不同类型的霍尔效应元件，例如，平面霍尔元件、垂直霍尔元件和圆形垂直霍尔(CVH)元件。众所周知，存在不同类型的磁阻元件，例如，诸如锑化铟(InSb)的半导体磁阻元件、巨磁阻(MR)元件、各向异性磁阻元件(AMR)、隧道磁阻(TMR)元件和磁性隧道结(MTJ)。磁场感测元件可以是单个元件，或者替代地可以包括以各种配置(例如，半桥或全(惠斯通)桥)布置的两个或更多个磁场感测元件。根据设备类型和其他应用要求，磁场感测元件可以是由IV型半导体材料或III-V型半导体材料制成的设备，该IV型半导体材料诸如是硅(Si)或锗(Ge)，该III-V型半导体材料是例如砷化镓(GaAs)或铟化合物(例如锑化铟(InSb))。
众所周知，上述磁场感测元件中的一些倾向于具有平行于支撑该磁场感测元件的基底的最大灵敏度轴，而上述磁场感测元件中的另一些倾向于具有正交于支撑磁场感测元件的基底的最大灵敏度轴。特别地，平面霍尔元件倾向于具有正交于基底的灵敏度轴，而金属基或金属磁阻元件(例如，MR，TMR，AMR)和垂直霍尔元件倾向于具有平行于基底的灵敏度轴。
如本文所使用的，术语“磁场传感器”用于描述通常与其他电路组合使用磁场感测元件的电路。磁场传感器用于多种应用，包括但不限于感测磁场的方向角的角度传感器、感测由电流承载导体承载的电流生成的磁场的电流传感器、感测铁磁性物体的接近度(proximity)的磁性开关、感测经过的铁磁性物品的旋转检测器、以及感测磁场的磁场强度的磁场传感器，该铁磁性物品例如是磁场传感器与背偏置磁体或其他磁体组合使用所在的环形磁铁或铁磁性目标(例如齿轮)的磁畴。
如本文所使用的，术语“目标”和“磁性目标”用于描述将被磁场传感器或磁场感测元件感测或检测的物体。目标可以包括允许涡流在目标内流动的导电材料，例如导电的金属目标。
图1是用于检测导电目标102的系统100的框图。在各种实施例中，目标102可以是磁性的或非磁性的。系统100包括一个或多个磁阻(MR)元件104和MR驱动器电路106。MR驱动器电路可以包括向MR元件104提供功率的电源或其他电路。在实施例中，MR元件104可以用诸如霍尔效应元件等的其他类型的磁场感测元件来代替。MR元件104可以包括单个MR元件或多个MR元件。在某些实施例中，MR元件可以以桥配置布置。
系统100还可以包括一个或多个线圈108和线圈驱动器电路110。线圈108可以是导线圈、绕组、导线、迹线等，其被配置为当电流流过线圈108时生成磁场。在实施例中，线圈108包括两个或更多个线圈，每个由基底支撑的迹线，诸如半导体基底、玻璃基底、陶瓷基底等。在其他实施例中，线圈108可以不由基底支撑。例如，线圈108可以由芯片封装、框架、PCB或可以支撑线圈的迹线的任何其他类型的结构支撑。在其他实施例中，线圈108可以是独立式导线，即不由单独的支撑结构支撑。
线圈驱动器110是将电流提供给线圈108以生成磁场的电源电路。在实施例中，线圈驱动器110可以产生交变电流，使得线圈108产生交变磁场(即，磁矩随时间变化的磁场)。线圈驱动器110可以是全部或部分在半导体管芯上实现的电路。
系统100还可以包括处理器112，该处理器112被耦合以从MR元件104接收信号104a，该信号可以表示由MR元件104检测到的磁场。处理器100可以接收信号104a并且使用它来确定目标102的位置、速度、方向、或其他属性。
MR元件104和线圈108可以位于基底114上。基底114可以包括半导体基底，例如硅基底、芯片封装、PCB或其他类型的板级基底，或可以支撑MR元件104和线圈108的任何类型的平台。基底114可以包括单个基底或多个基底，以及单一类型的基底或多个类型的基底。
在操作中，MR驱动器106向MR元件104提供功率，并且线圈驱动器110向线圈108提供电流。作为响应，线圈108产生可由MR元件104检测到的磁场，该磁场产生表示检测到的磁场的信号104a。
当目标102相对于磁场运动时，其位置和在该场中的运动会改变该场。作为响应，由MR元件104产生的信号104a改变。处理器112接收信号104a并处理该信号(和/或的状态)中的改变以确定目标102的位置、运动或其他特性。在实施例中，系统100可以检测目标102沿轴116的运动或位置。换句话说，当目标102朝向或远离MR元件104和线圈108运动时，系统100可以检测到MR元件104附近的目标102的位置。系统102还能够检测目标102的其他类型的位置或运动。
现在参考图2，系统200可以与系统100相同或类似。基底202可以与基底114相同或类似，并且可以支撑线圈204、线圈206和MR元件208。尽管示出了一个MR元件，但是取决于系统200的实施例，MR元件208可以包括两个或更多个MR元件。目标203可以与目标102相同或类似。
尽管未示出，但是MR驱动器电路106可以向MR元件208提供电流，并且线圈驱动器电路110可以向线圈204和206提供电流。
线圈204和206可以被布置为使得电流沿相反的方向流过线圈204和206，如箭头208(指示线圈204中的顺时针电流)和箭头210(指示线圈206中的逆时针电流)所示。结果，线圈204可产生在负Z方向(即，在图2中向下)上具有磁矩的磁场，如箭头212所示。类似地，线圈206可产生在相反的方向(正Z方向)上具有磁矩的磁场，如箭头214所示。由两个线圈产生的聚集磁场211的形状类似于磁力线211所示的形状。可以理解，线圈204、206可以由分别缠绕的单个线圈结构形成，使得通过线圈的电流沿相反方向流动。替代地，线圈204、206可以由单独的线圈结构形成。
在实施例中，可以将MR元件208放置在线圈204和206之间。在这种布置中，除了线圈204和206产生的磁场之外，没有任何其他磁场，MR元件208处的净磁场可以为零。例如，线圈204产生的磁场的负Z分量可以被线圈206产生的磁场的正Z分量抵消，并且基底202上方所示的磁场的负X分量可以由在基底202下方示出的磁场的正X分量抵消。在其他实施例中，可以将附加线圈添加到基底202并布置成使得MR元件208处的净磁场基本上为零。
为了在MR元件208的场所处获得基本为零的磁场，可以放置线圈204和线圈206，以使通过线圈的电流以圆形图案在基本相同的平面中流动。例如，通过线圈204和206的电流以圆形图案流过线圈。如所示，那些圆形图案彼此基本共面，并且与基底202的顶表面216共面。
如上所述，线圈驱动器110可以产生交变场。在这种布置中，由磁力线211示出的磁场可以随时间改变方向和大小。然而，在这些改变期间，在MR元件208的场所处的磁场可以基本上保持为零。
在操作中，当着目标203朝向和远离MR元件208运动(即，沿正Z方向和负Z方向)时，磁场211将导致在目标203内流动的涡流。这些涡流将产生他们自己的磁场，该磁场将在MR元件208的平面中产生非零磁场，该非零磁场可被感测到以检测目标203的运动或位置。
参考图2A，如沿Y方向在线218处观察到的，系统200的横截面视图250示出了目标203内的涡流。“x”符号表示流入页面的电流，而“·”符号表示流出页面的电流。如上所述，通过线圈204和206的电流可以是交变电流，这可以导致磁场211的交变强度。在实施例中，通过线圈204的交变电流的相位与通过线圈206的交变电流的相位匹配，使得磁场211是交变场或周期场。
交变磁场211可以在磁性目标203内产生反射涡流240和242。涡流240和242的方向可以分别与流经线圈204和206的电流相反。如图所示，涡流246从页面流出，且涡流248流入页面，而线圈电流251流入页面，且电流252流出页面。而且，如图所示，涡流242的方向与通过线圈206的电流的方向相反。
涡流240和242形成具有与磁场211相反方向的反射磁场254。如上所述，由于磁场211，MR元件208检测到的净磁场为零。但是，MR元件208将在存在反射磁场254的情况下，检测到非零磁场。如磁力线256所示，在MR元件208处，反射磁场254的值不为零。
当目标203运动更靠近线圈204和206时，磁场211可以在目标203中产生更强的涡流。结果，磁场254的强度可以改变。在图2A中，磁场211'(在图2A的右侧面板中)可以表示比磁场211更强的磁场，这是由于例如目标203与线圈204和206的更靠近的接近度的缘故。因此，涡流240'和242'可能比涡流240和242更强，而磁场254'可能比磁场254强。这种现象可能导致MR元件208在目标203更靠近线圈204和206时检测到更强的磁场(即磁场254')，并且当目标203更远离线圈204和206时，检测到更弱的磁场(即磁场254)。
此外，涡流240'和242'通常发生在目标203的表面上或附近。因此，当目标203运动更靠近MR元件208时，MR元件208可以经受来自涡流的更强磁场，因为磁场的源更靠近MR元件208。
图3是包括线圈302和304以及MR元件306和308的电路300的示意图。线圈302和304可以与线圈204和206相同或类似，并且MR元件306和308可以均与MR元件208相同或类似。
在实施例中，线圈302和304以及MR元件306和308可以由基底支撑。例如，线圈302和304可以包括由基底支撑的导电迹线，并且MR元件306和308可以形成在基底的表面上或基底中。
在实施例中，线圈302和304可以包括承载电流的单个导电迹线。迹线的形成线圈302的部分可以在与迹线的形成线圈304的部分相反的方向上成环或成螺旋形，使得通过每个线圈的电流相等并且在相反的方向上流动。在其他实施例中，可以使用多个迹线。
线圈302和304对称地安置于MR元件306和308的相对侧，而MR元件308和304位于中间。这可能导致MR元件306和308位于由线圈302和304产生的磁场的中心，因此，在没有任何其他刺激的情况下，作为线圈302和304产生的磁场(在本文中称为直接耦合磁场)的结果而由MR元件306和308检测到的磁场基本上为零。
图3A是磁场检测电路300'的实施例的示意图，其可以与图1中的系统100相同或类似。如上所述，线圈302和304可以由基底支撑。电路300'可以包括四个MR元件310、312、314和316，它们可以以桥配置318耦合。在实施例中，桥318可以产生由信号318a和318b组成的差分输出。
在某些实施例中，将MR元件以桥布置可以增加磁场传感器的灵敏度。在实施例中，目标相对于电路300'是可运动的，使得当目标接近电路时，它主要朝向MR元件310、312运动，但不朝向MR元件314、316运动。通过这种配置，当目标接近和退出MR元件时，MR元件310和312的电阻可以改变并且MR元件314和316的电阻可以保持相对恒定。例如，如果对准MR元件，使得当目标的接近时，310、312的MR电阻减小，并且MR元件314、316的电阻增大，则随着目标的接近，信号318a将在电压上减小，信号318b将在电压上增大。MR元件的相反反应(以及差分信号318a和318b)可以增大磁场检测电路的灵敏度，同时还允许接收差分信号的处理器忽略任何共模噪声。
在实施例中，将MR元件310-316以桥布置可以允许检测在电阻器组之上的目标的位置的差异和/或检测电桥输出之间的相位差。例如，这可以用于检测目标的倾斜或变形。
电路300'还可以包括具有多个引线322的接合焊盘320，该多个引线322可被访问并形成芯片封装(未示出)外部的连接。引线导线或导电迹线324可以将MR元件310、312、314和316连接到外部引线或焊盘322，因此它们可以耦合到其他电路，例如MR驱动器106。
参考图3B，电路323包括四个线圈324-330和三行MR元件332、334和336。电路323可以用于检测目标的场所或运动。
线圈可以以交变模式产生磁场。例如，线圈324可以产生进入页面的场，线圈326可以产生从页面出来的场，线圈328可以产生进入页面的场，并且线圈330可以产生从页面出来的场。结果，作为由线圈324、326、328、330产生的磁场的结果，由行332、334和336中的MR元件检测到的磁场可以基本上为零。
电路323也可以通过添加附加线圈和附加MR元件来扩展。在实施例中，如上所述，附加线圈可以被配置为产生具有交变方向的磁场，并且可以在线圈之间放置MR元件，使得它们检测到基本上为零的磁场。
行332、334和336中的MR元件可以形成网格。随着目标在网格上方运动并接近MR元件，由于线圈324-330产生的磁场，MR元件将暴露于并检测到由在目标中流动的涡流产生的反射磁场。例如，如果目标在MR元件338和340之上运动，则那些MR元件可以检测道反射磁场并产生指示反射磁场的输出信号。接收来自MR元件的输出信号的处理器随后可以将目标的场所标识为位于MR元件338和340上方或附近。如果目标随后运动至靠近MR元件342，则MR元件342将检测到来自目标的反射磁场并产生指示检测到目标的输出信号。接收输出信号的处理器随后可以将目标的场所标识为位于MR元件342上方或附近。
单个大目标可以放置在网格332、334和336的前面。然后，每个MR元件所经历的反射场的差异是目标与网格平面的平行度的映射。它也可以用来根据外部约束而映射目标的变形。
参考图4，用于检测目标402的系统400可以使用单个线圈和MR元件来检测目标402。MR元件404可以被放置为接近线圈406。在实施例中，MR元件404可以放置在线圈406和目标402之间。在其他实施例中，线圈406的迹线可以放置在MR元件404和目标402之间(未示出)。
在单线圈配置中，即使在没有磁性目标402的情况下，MR元件404也会受到磁场的影响。如果不存在磁性目标402，则将没有涡流并且没有反射磁场。但是，由于MR元件404放置在单个线圈406的附近，而不是放置在两个相对的线圈之间，因此它可能会受到线圈406产生的直接耦合磁场405的影响。
目标402的存在可以导致反射磁场，并且该附加场可以由MR元件404检测以指示目标402的存在。例如，通过线圈406的电流可以在目标402中产生涡流(由电流408和410示出)，这可以产生反射磁场412。反射磁场412可以增大MR元件404所经历的磁场的强度。因此，当存在目标402时，与没有目标402时的情况相比，MR元件404可以检测到更强的磁场。
目标402的接近度也可以增大或减小由MR元件404检测到的反射磁场的强度。当目标402运动更靠近线圈406(或反之亦然)时，涡流(由电流408'和410'示出)将增大强度，这将产生具有更大强度的反射磁场412'。因此，当目标402运动更靠近线圈406时，MR元件404将检测到更强的磁场。
在图4所示的实施例中，MR元件404安置成与线圈406的回路(loop)相邻。这可能会导致MR元件404检测反射场412的灵敏度更大。但是，因为由线圈406产生的场在MR元件404的位置不为零，所以MR元件404不仅可以检测到反射场，而且可以检测到由线圈406直接产生的磁场，即“直接耦合”磁场。可以使用各种技术来降低MR元件404对直接耦合磁场的灵敏度。
参考图5，电路500包括线圈502和放置在线圈502的迹线上方或下方的四个MR元件1-4。MR元件可以以桥配置504连接。桥配置可以提供由信号504a和504b组成的差分输出。。
在实施例中，电路500可以用作用于检测目标的单线圈电路。例如，当目标接近MR元件1和2时，输出信号504a可以改变，并且当目标接近MR元件3和4时，输出信号504b可以改变。MR元件1-4可以被对准，使得当目标接近元件1-4时，输出信号504a的值增大而输出信号504b的值减小，或反之亦然。例如，在这样的实施例中，与由元件3和4附近的线圈所产生的场相比，由元件1和2附近的线圈所产生的场的符号是相反的。因此，反射场在相反的方向上，增强了输出到反射场的桥差分的灵敏度，同时抑制了由于外部公共场引起的变化。
参考图5A，电路500'包括线圈506，该线圈506被布置成使得如果电流沿箭头508所示的方向流过线圈506，则电流将沿顺时针方向流过线圈部分510并且沿逆时针方向流过反回路线圈部分512。因此，如上所述，线圈部分510和512可以产生具有相反方向的局部磁场。MR元件1-4可以如所示地布置，以形成桥，当目标接近时，该桥提供差分信号。反回路可以减小由线圈产生并由MR元件检测到的直接耦合磁场。例如，由线圈506产生的磁场可以由MR元件1-4直接检测(例如直接耦合)。线圈部分510和512可各自在与由线圈506所产生的磁场相反的方向上产生局部磁场。因此，至少在MR元件1-4周围的局部区域中，局部磁场可(至少部分地)抵消由线圈506所产生的直接耦合的场。这可以减小或消除由MR元件1-4检测到的直接耦合场，从而由MR元件1-4检测到的磁场是来自目标的反射场。
在实施例中，反回路用于测量线圈的反射场和直接场以提供灵敏度检测。还有，在此配置中，可以放置MR元件1-4，使得他们看不到主线圈产生的场。
在实施例中，目标可以安置成与MR元件1和3相邻，但不与2和4相邻(或反之亦然)。如果MR元件1-4以桥形式布置，则当目标朝向或远离MR元件1和3运动时，桥的差分输出可能会发生改变。
在实施例中，可以将目标安置成使得MR元件1和2在一个方向上经历反射磁场(例如，经历反射磁场的一侧)，而MR元件3和4在相反的方向上经历反射磁场(例如，经历反射磁场的另一侧)。在该实施例中，随着目标运动更靠近MR元件，信号504a可以增大，而信号504b可以减小(或反之亦然)以产生差分信号。
参考图5B，电路500”包括两个MR桥。MR桥514包括MR元件1-4，并产生由信号514a和514b组成的差分输出信号，而MR桥516包括MR元件508，并产生由信号516a和516b组成的差分输出信号。随着目标接近MR元件1-8，MR桥514和516的输出信号可以改变以指示目标的存在和接近度。电路500”也显示为具有接合焊盘518。
在实施例中，目标可以安置成与桥514(MR元件1-4)相邻，使得随着目标运动更靠近或远离桥514，桥514的差分输出受到影响。在此实施例中，当目标运动时，桥516的输出可以保持相对稳定。因此，桥516的输出可以用作参考。特别地，该布置可以在其中要检测的目标相对靠近桥514的情况下起作用，使得目标的运动对桥514具有更大的影响而对桥516具有更小或零的影响。
附加地或替代地，可以使用相同的配置来测量距离差，第一距离在大目标与MR元件1、2、3和4的锁之间，而第二距离在相应的目标和MR元件5、6、7和8之间。
附加地或替代地，图5B的相同配置可用于精确地确定目标沿着正交于线圈的平面并沿着线530与线圈的平面相交的平面的中心，线530以相等距距处于桥514和516之间。
参考图5C，电路501包括线圈520和在线圈520周围间隔布置的多个MR元件522。MR元件522可以形成网格，类似于上述的且在图3B中所示的网格。在实施例中，MR元件522可以以桥配置连接。在其他实施例中，MR元件522可以充当不与其他MR元件共享的独立电路(或者是其一部分)。在任何一种情况下，当检测到目标(及其反射磁场)时，MR元件522可以产生信号。处理器可以接收这些信号并计算目标的场所(location)、位置、速度、平行度、角度或其他属性。
在实施例中，电路501可以用于检测目标在三个维度上相对于线圈的位置。因为MR元件安置在沿着线圈520的平面中，所以它们可以充当网格。当目标接近一个(或多个)MR元件，它们将产生输出信号，该输出信号可用于确定目标沿网格的二维的场所。同样，如上所述，线圈520和MR元件可以用于检测在正交于线圈和网格的二维的方向(即，进入和离开页面的方向)上与MR元件的距离。
现在参考图6，用于检测目标的电路600可以包括线圈602以及一个或多个MR元件604和606。线圈602可以具有由间隙612隔开的两个线圈部分608和610。在实施例中，通过部分608和610的电流沿相同方向流动。例如，如果通过部分608的电流在线圈周围沿顺时针方向流动，则通过部分610的电流也可以沿顺时针方向流动。
MR元件604和606可以被放置在间隙内，使得它们不直接在线圈602的迹线上方(或下方)。将MR元件放置在间隙612内可以减小线圈602与MR元件604和606之间的电容性或电感性耦合。而且，间隙612的宽度W可以小于MR元件与目标之间的距离。由于间隙612相对小，所以目标中感应出的涡流和所产生的反射磁场可能会出现(即可由MR元件检测到)，就像是在部分之间没有任何间隙的单个线圈正在产生磁场一样。
在实施例中，将MR元件安置在间隙612内可降低MR元件对由间隙612产生的直接耦合磁场的灵敏度，从而使MR元件保持对反射场的灵敏度。
在其他实施例中，线圈602可以在一条或多条迹线中包括急转弯(jog)。MR元件604和606可以与急转弯对准。
图7是具有被夹在线圈700的迹线之间的MR元件604和606的电路的横截面视图。在实施例中，线圈700可以与线圈602相同或类似。线圈迹线602a和602b可以安置在基底(未示出)的表面上。MR元件604和606可以放置在迹线602a和602b顶部，使得迹线602a和602b安置于MR元件604和606与基底之间。迹线614a和614b的附加层可以安置于MR元件604和606的顶部。迹线602a、602b、614a和614b可以是同一线圈的一部分，使得流经迹线的电流以圆形或螺旋形图案流动以感生磁场。将MR元件604和606放置在线圈的迹线之间可以减小由线圈产生的直接耦合磁场。
参考图8，压力传感器800包括磁场传感器802，磁场传感器802具有支撑线圈804以及MR元件806和808的基底803。在实施例中，磁场传感器802可以与图5中的电路500、图3中的电路300或可以检测目标的接近度的上述的任何磁场检测电路相同或类似。
在实施例中，线圈804和MR元件806、808可以由同一基底803支撑。在其他实施例中，MR元件806、MR元件808和线圈804可以被支撑在不同的基底(未示出)上。例如，线圈804可以由一个基底支撑，而MR元件806和808可以由不同的基底支撑。在另一个示例中，MR元件806、MR元件808和线圈804可以各自由单独的基底支撑。支撑电路元件的基底的任何其他组合也是可能的。
压力传感器800包括具有导电部分811和可变形部分812的腔室810。在实施例中，腔室810由细长管形成。在图8的实施例中，导电部分和可变形部分812可以包括设置在管的一端的膜，该膜可以起到隔膜的作用，并且可以变形以朝向或远离磁场检测电路802运动。
可变形部分812可以由不锈钢、铍铜合金、钛合金、超合金和/或蓝宝石形成。当腔室810内部的压力大于腔室810外部的压力时，可变形部分812可朝向磁场检测电路802延伸。如果腔室810外部的压力较大，则可变形部分812可从磁场检测电路812缩回，并且如果腔室810内部和外部的压力处于平衡，则可变形部分可以采用延伸位置和缩回位置之间的中立位置。
在圆形可变形部分的情况下，膜的变形由以下公式给出：
Figure BDA0002288958330000161
其中，h是可变形部分的厚度，ν是泊松模量，E是杨氏模量，a是可变形部分的半径，r是测量变形所在的点。
在实施例中，最大变形可以足够低，使得即使在180℃以上的温度，可变形部分也总是在材料的弹性域中。因此，如马氏体时效合金或钛合金的超合金可能是合适的材料。
如上所述，磁场检测电路802可包括至少一个布置在线圈804附近的磁场感测元件806和/或808。线圈804可以产生磁场，该磁场在导电部分812中感生出与上述涡流和反射场类似的涡流和反射磁场。磁场检测电路802还可以包括生成指示腔室810的内部和外部之间的压力差的输出信号的电路。
在实施例中，磁场检测电路802包括两个间隔开的MR元件806和808，并且当可变形部分朝向MR元件延伸和/或远离MR元件缩回时，检测导电部分812与MR元件806和808之一之间的距离。在实施例中，磁场检测电路802可以被配置为检测以下之间的差：a)导电部分812和磁场传感器808之间的距离；以及b)导电部分812和磁场传感器806之间的距离。这些距离之间的差可以用于产生磁场检测电路802的输出信号。
由磁场检测电路802产生的输出信号可以表示距离，然后该距离可以由处理器接收以计算腔室810内的相关联的压力。MR元件806和808可以包括多个MR元件并且可以以桥配置布置(如上所述)，以产生差分输出。
在实施例中，MR元件806与导电的可变形部分812的边缘对准，并且MR元件808与导电的可变形部分812的中心或中心区域对准。在这种布置中，当可变形部分812朝向和远离MR元件808运动时，MR元件808将起反作用，并且MR元件806将不受影响或受影响的程度远小于元件808受影响的程度，并且因此可具有相对恒定的电阻值。以这种方式安置MR元件可以用于消除由于杂散场引起的误差。它还可以帮助补偿MR元件之间的气隙公差。例如，两个传感器检测到的距离差可用于补偿气隙随时间、温度等的微小变化。
参考图8A，压力传感器818的另一实施例包括第一细长管820，其具有可变形的侧壁821和开口823，该开口823允许流体进入细长管820内的腔室。当流体在管820内产生压力时，侧壁821可以像气球一样膨胀或延伸。管820的端部828可以是导电的。
压力传感器818还包括具有开口824的第二细长管822。细长管822可具有刚性壁826和开口824。开口824的直径或尺寸可大到足以将管820插入开口824中。
压力传感器818可以包括磁场传感器830，该磁场传感器830可以与磁场传感器802和/或上述任何磁场传感器相同或类似。
在实施例中，当管820、822被组装时，管820的导电端部828可以安置成接近MR元件808。随着管820内的压力增大和减小，管822的刚性壁可以防止可变形侧壁821横向地膨胀。然而，当管腔室823内的压力改变时，端部828可朝向MR元件808膨胀和延伸，并远离MR元件808缩回。磁场传感器830可以检测距离的变化并产生表示端部828和MR元件808之间的距离的输出信号。在实施例中，磁场检测电路802可以被配置为检测如下之间的差异：a)导电端部828和磁场传感器808之间的距离；以及b)导电808和磁场传感器806之间的距离。这些距离之间的差可以用于产生磁场检测电路830的输出信号。处理器电路可以接收该信号并基于该距离计算管820内的压力。
还参考图9，压力传感器900包括：第一基底902，其可以与图8的基底803相同或类似；以及附接到第一基底902的第二基底904。第二基底904可以包括表面908和形成在该表面中的凹部906。凹部906可以被蚀刻到基底中。在实施例中，可以蚀刻晶片904，使得其足够薄以在压力下偏转，如由虚线910所示。由基底902支撑的MR元件可以检测(如上所述，通过反射磁场)晶片904的偏转。随后可以将检测到的偏转与压力相关联。
在实施例中，可以在基底902上安置MR元件，以使一个或多个MR元件与凹部906的边缘(例如，非偏转部分)相邻，并且一个或多个MR元件与凹部906的中心(例如，偏转部分)相邻，类似于上面描述的并且在图8A中示出的布置。
在实施例中，基底904可以由导电材料例如铜形成。因此，可以通过基底902上的磁场传感器来检测由基底904上的压力(和/或凹部906内的压力)引起的基底904的导电可变形部分的运动。
替代地，基底904可以由诸如蓝宝石的晶体材料形成，该晶体材料例如被足够厚的例如铜的导电材料涂覆。
在实施例中，在制造过程中将凹部906排空以确定参考压力。在实施例中，参考压力是真空或小于标准压力的压力(例如，小于100kPa)。在某些配置中，MR桥(例如，图3A中的桥318)的一个或多个输出信号可以用于生成以表示参考压力的值。
参考图10，示出了磁场传感器1000的框图。磁场传感器包括产生磁场的线圈1002、向线圈提供功率的线圈驱动器1004、MR元件1006、以及向MR元件1006提供功率的MR驱动器电路1008。MR元件1006可以是单个MR元件或MR元件可以包括多个MR元件，其可以以桥配置布置。如上所述，线圈1002和MR元件1006可以被配置为检测导电目标的距离。在实施例中，线圈驱动器1004和/或MR驱动器1008可以产生AC输出以驱动线圈1002和MR元件1008，如上所述，并且如AC源1010所指示。AC源1010可以是用于驱动线圈1002和MR元件1006二者的公共源。在实施例中，信号1012可以是AC信号。
磁场传感器1000还包括用于放大MR元件1006的输出信号1012的放大器。输出信号1012可以是差分信号，并且放大器1014可以是差分放大器。输出信号1012和放大信号1016可以是DC信号。
磁场传感器1000还可以包括：低通滤波器1018，以从信号1016中滤除噪声和其他伪像；以及偏移模块1024，其可以根据温度(例如，由温度传感器1020进行的温度测量)并且根据材料类型模块1022的材料的类型缩放输出信号。还可以包括分段线性化电路1026，其可以对补偿信号1028执行线性回归并产生输出信号1030。
在实施例中，来自目标的反射磁场将具有频率f(与线圈驱动器1004相同的频率)。因为由线圈1002产生的磁场和反射场具有相同的频率，所以MR元件1006的输出可以包括0Hz(或DC)分量、频率为f的分量以及频率为f的倍数的谐波分量。本领域技术人员将认识到，最低频率谐波分量可能出现在频率2*f处。但是，MR桥的平衡中的任何差异都可能生成信号中可能存在的频率分量。因此，低通滤波器1018可以被配置为去除频率f和更高的频率(即，低通滤波器1018可以包括截止频率f截止，其中f截止<f。在实施例中，滤波器可以被设计为去除可能的f信号。因此，频率f可以被选择为大于目标的运动频率范围的频率。
在实施例中，MR元件1008的灵敏度随温度变化。反射场的强度也可能随温度而变化，这取决于目标材料类型和频率。为了补偿，模块1022可以包含用于补偿所用材料和/或温度的影响的参数。参数可以包括线性和/或二阶补偿值。
在实施例中，处理电路1032可以处理表示磁场的信号。因为使用公共源1010来驱动MR元件1006和线圈1002，所以线圈1002和MR元件1006的频率基本相同。在这种情况下，信号的后处理可以包括滤波、线性回归、增益和放大或其他信号整形技术。
MR元件1006可以检测由线圈1002直接产生的磁场，并且还可以检测由导电目标中的涡流所产生的反射磁场，导电目标中的涡流由通过线圈1002的电流生成的磁场感生。
参考图10A，磁场传感器1000'可以包括如上所述的线圈1002、线圈驱动器1004、公共AC源1010、MR驱动器1008、MR元件1006、放大器1014和低通滤波器1018。
磁场传感器1000'可以不同于图10的传感器1000，因为它是闭环传感器，并且所以它还可以包括第二线圈1035，其可以以与线圈1002不同的AC频率工作。在该示例中，线圈1035可以与线圈1002异相180度，如由“-f”符号指示的。线圈1035还可产生可用于检测目标的第一磁场。在实施例中，线圈1035可以相对小于线圈1002。线圈1035可以放置为与MR元件1006相邻，以产生可以被MR元件1006检测到，但是不会在目标中产生涡流的磁场。
在实施例中，线圈1035可用于偏移由于MR元件的磁阻引起的误差。例如，可以改变驱动通过线圈1035的电流的大小，直到MR元件1006的输出为零伏。此时，可以测量通过线圈1035的电流(例如，通过测量与线圈1035串联的分流电阻器两端的电压)。可以与MR元件1006的输出类似地处理所测量的电流，以去除与MR 1006相关的磁阻误差。
磁场传感器1000'还可以包括放大器1036以接收信号1038。磁场传感器1000'还可以包括如上所述的低通滤波器1019、材料类型模块1022、温度传感器1020、偏移模块1024和分段线性化模块1026。
图11-11F包括具有信号处理以减少感应耦合或影响信号准确性的其他噪声的磁场传感器的各种示例。图11-11F中的示例磁场传感器还可以采用与检测来自目标的反射场有关的各种特征，诸如跳频等。这种磁场传感器还可以包括计算灵敏度值的电路。
现在参考图11，磁场传感器1100可以包括线圈1002、线圈驱动器1004、AC驱动器1010、MR驱动器1008、MR元件1006、放大器1014、低通滤波器1018、温度传感器1020、材料类型模块1022、偏移模块1024和分段线性化模块1026。
MR元件1006可以响应于感测元件驱动信号并且被配置为检测由线圈1002生成的直接耦合磁场，以作为响应产生信号1012。处理电路可以计算与通过MR元件1006对由线圈1002产生的直接耦合磁场进行的检测相关的灵敏度值。该灵敏度值可以基本上独立于目标中的涡流所产生的反射场。
如所示，AC驱动器1010耦合到线圈驱动器1004，但是不耦合到传感器1100中的MR驱动器1008。在该实施例中，MR驱动器1008可以产生DC信号(例如，具有大约零频率的信号)以驱动MR元件1006。
线圈1002可以产生可由MR元件1006检测到的DC(或基本上低频AC)磁场，但不会在目标中产生涡流。通过检测DC(或基本上低频AC)磁场产生的信号可用于调节磁场传感器的灵敏度。
线圈1002还可以在较高频率处产生在目标中感生出涡流的AC磁场，该涡流在那些较高频率处产生可以由MR元件1006检测的反射磁场。
MR元件1006可以产生信号1012，该信号1012可以包括：DC或基本上低的AC频率处的频率分量(例如，“直接耦合”信号或信号分量)，其表示不会在目标中引起涡流的较低频磁场；和/或在较高AC频率处的表示检测到的反射场的的频率分量(例如“反射”信号或信号分量)。直接耦合信号可以用于调节传感器的灵敏度，而反射信号可以用于检测目标。线圈驱动器1004和/或MR驱动器1008可以使用直接耦合信号作为灵敏度信号，以响应于灵敏度信号来调节它们各自的输出驱动信号。
在实施例中，直接耦合信号和反射信号可以被包括为同一信号的频率分量。在这种情况下，可以驱动线圈1002以同时产生两个频率分量。在其他实施例中，直接耦合信号和反射信号的产生可以在不同时间生成，例如使用时分复用方案。
传感器1100还可以包括解调电路1050，其可以调制信号1016以从信号中去除AC分量或将信号内的AC分量移位到不同的频率。例如，解调电路1050可以以频率f调制信号1016。如本领域中已知的，因为信号1016包括在频率f处的表示检测到的磁场的信号分量，所以以频率f调制信号1016可以将表示检测到的磁场的信号元素移位到0Hz或DC。信号1016内的其他频率分量可以被移位至更高的频率，因此它们可以被低通滤波器1018去除。在实施例中，可以表示灵敏度值的信号1016的DC或低频分量可以被反馈到线圈驱动器1004以响应于该信号来调节线圈1002的输出，和/或反馈到MR驱动器1008以响应于灵敏度值来调节驱动信号1009。DC输出信号1052可以表示目标与MR元件1006的接近度。
在其他实施例中，可以使用时分复用方案。例如，线圈驱动器1004可以在第一时间段期间以第一频率，在第二时间段期间以第二频率等来驱动线圈1002。在一些情况下，第一和第二(以及后续)时间段不重叠。在其他情况下，第一时间段和第二时间段可以重叠。在这些情况下，线圈驱动器1004可以同时以两个或更多个频率驱动线圈1002。当第一时间段和第二时间段不重叠时，解调器1050可以以与线圈驱动器1004相同的频率操作。当时间段重叠时，可以使用多个调制器，第一调制器以第一频率运行，且第二调制器以第二频率运行，以便在每个频率处分离出信号。
虽然减少MR元件1006检测到的直接耦合磁场以实现对反射场(从而检测到的目标)的准确读取可能是有利的，但具有一定数量的直接耦合(即，直接检测由线圈1002产生的磁场)以允许计算灵敏度值也可以是有利的。同时测量反射场和线圈产生的场，容许准确确定物体的距离，而不取决于MR元件的灵敏度、线圈驱动电流等。MR元件的灵敏度可能随温度和/或MR阵列平面中的不期望的DC或AC杂散场的存在而变化。反射场和线圈场之间的比率仅取决于几何设计，并且因此是准确确定距离的良好参数。
参考图11，可以使用跳频方案。例如，线圈驱动器1004可以以不同的频率驱动线圈1002(例如，随着时间在频率之间交变，或者产生包含多个频率的信号)。在这样的实施例中，传感器1100可以包括多个解调电路和/或滤波器，以检测每个频率的信号。
参考图11A，磁场传感器1100'包括线圈1002、线圈驱动器1004、AC驱动器1010、MR驱动器1008、MR元件1006、放大器1014、低通滤波器1018、温度传感器1020、材料类型模块1022和偏移模块1024。
如所示，AC驱动器1010耦合到线圈驱动器1004，以以频率f1驱动线圈1002。MR驱动器1008耦合到AC驱动器1102，以以频率f2驱动MR元件1006。频率f1和f2可以是不同的频率，并且可以是非谐波频率(换句话说，f1可能不是f2的谐波频率，并且反之亦然)。在实施例中，频率f1低于频率f2。在其他实施例中，频率f1和f2可以相对彼此靠近，使得两个频率之间的差远低于f1和f2。频率f2可以是零值或非零值频率，但是替代地，我们可以选择大于f2的f1。然后在f2-f1处进行解调。
在实施例中，可以选择频率f1以避免在目标中生成大于预定水平的涡流和/或选择频率f1以在目标中提供全反射。根据以下公式，反射场可能与目标中的趋肤深度有关：
Figure BDA0002288958330000221
在以上公式中，σ是目标材料的电导率，μ是目标材料的磁导率，并且f是工作频率。如果目标材料料的厚度大于趋肤深度δ的5倍，则该场可被全反射。在目标的厚度等于趋肤深度的情况下，仅大约一半的场可以被反射。因此，被选择为足够低以使得趋肤深度变得大于目标的厚度的频率f可能感应出低的涡流和强度降低的反射场。上面给出的公式对于高导电和低磁性材料可能是有效的。对于电导率低的材料或对于铁磁材料，涡流的损耗(可能在复杂的趋肤深度处转换)可能导致反射场强度降低。
电路1100'还可以包括带通滤波器1104和解调电路1106。带通滤波器1104可以具有不包括频率f1和f2但保留频率|f1-f2|的通带。以这种方式，可以滤除从线圈和/或GMR驱动器进入磁传感器的感应噪声。电路1100'还可包括：解调电路1106，其以频率|f1-f2|解调；以及低通滤波器，用于恢复以DC为中心的信号，该信号可以表示在f1处由磁传感器看到的磁场。在实施例中，频率|f1-f2|处的信号可以包括关于目标和/或直接耦合磁场的信息，但是可以减少来自感应耦合或其他噪声源的噪声。
现在参考图11B，磁场传感器1100”包括线圈1002、线圈驱动器1004、AC驱动器1010、MR驱动器1008、MR元件1006、放大器1014、低通滤波器1018、温度传感器1020、材料类型模块1022、偏移模块1024、以及分段线性化模块1026。
如所示，AC驱动器1010耦合到线圈驱动器1004，但是不耦合到传感器1100中的MR驱动器1008。在该实施例中，MR驱动器1008可以产生DC信号(例如，具有大约零频率的信号)以驱动MR元件1006。
线圈1002可以产生AC磁场，该AC磁场在目标中感生出涡流和反射磁场。
传感器1100”还可以包括可以对信号1016进行解调的解调电路1060。解调电路1060可以将信号1016与频率f的信号相乘，这可以将信号1016中的关于目标的信息移位至DC，并且可以将信号中的噪声或其他信息移位至更高的频率。低通滤波器1018可以从信号中去除较高频率的噪声。在实施例中，解调电路1060可以是在数字域中对信号1016进行解调的数字电路，或者是在模拟域中对信号1016进行解调的模拟信号。
传感器1100”还可包括相位检测和补偿电路1062，其检测线圈1002中的电流的相位和/或频率以及其产生的磁场。电路1062可以检测并补偿线圈1002和f中的相位差异，并产生可用于调制信号1016的校正信号1063。
在实施例中，频率f、目标的材料类型、目标的形状、布线和电子器件和/或其他因素可能导致到线圈1002的驱动信号1010与由MR元件1008检测的反射磁场之间的相移。信号之间的相位可以被测量并且用于调节来自相位检测和补偿电路1062的信号1063的相位以匹配信号1016的相位。
也可以使用跳频方案。例如，线圈驱动器1004和/或MR驱动器1008可以以多个频率驱动信号。在每个频率处，相位检测和补偿模块1062可以调节信号1063的相位以匹配信号1016的相位。
现在参考图11C，磁场传感器1100”'包括线圈1002、线圈驱动器1004、AC驱动器1010、MR驱动器1008、MR元件1006、放大器1014、温度传感器1020、材料类型模块1022、偏移模块1024和分段线性化模块1026。
如所示，AC驱动器1010耦合到线圈驱动器1004，但是不耦合到传感器1100中的MR驱动器1008。在该实施例中，MR驱动器1008可以产生DC信号(例如，具有大约零频率的信号)以驱动MR元件1006。
线圈1002可以产生AC磁场，该AC磁场在目标中感生出涡流和反射磁场。MR元件1006可以检测反射磁场，该MR元件产生表示检测到的磁场的信号1012。
传感器1100”'还可包括可以对信号1016执行快速傅立叶变换(FFT)的FFT电路1070。执行FFT可以识别信号1016中的一个或多个频率分量。在实施例中，FFT电路1070可以识别信号1016中具有最大幅度的频率分量，其可以表示在频率f处的检测到的磁场。FFT电路1070可以产生输出信号1072，该输出信号包括频率为f的检测到的信号以及信号1016的任何其他频率分量。
替代地，驱动器可以同时生成不同的频率fa、fb、fc，并且FFT模块可以计算fa、fb、fc处的幅度，其可以用于确定目标的不同参数，包括位置、材料、厚度等。另外，如果在特定频率下发生干扰(例如，来自目标的变形、杂散磁场、噪声源等)，则系统可以检测到该干扰并忽略该频率下的数据。FFT模块计算出的幅度也可以用于确定在任何特定频率下是否存在可以通过后续处理忽略的干扰。在实施例中，可以在模拟和/或数字域中计算FFT温度增益补偿和线性化。
现在参考图11D，磁场传感器1100D包括线圈1002、线圈驱动器1004、MR驱动器1008和MR元件1006。MR传感器1006的输出信号1007可以表示检测到的磁场。尽管未示出，但是传感器1100D还可包括放大器1014、低通滤波器1018、温度传感器1020、材料类型模块1022、偏移模块1024和分段线性化模块1026。振荡器1182可用于以频率f操作线圈驱动器1004。
如所示，振荡器1182耦合到线圈驱动器1004，但是不耦合到传感器1100D中的MR驱动器1008。在该实施例中，MR驱动器1008可以产生DC信号(例如，具有大约零频率的信号)以驱动MR元件1006。
传感器1100D还包括正交解调电路1180。正交解调电路1180包括移位电路1188以产生驱动频率f的90°移位。振荡器1182可以产生频率为f的余弦信号。因此，1188的输出可能是频率为f的正弦信号。因此，通过在解调器1190和1192中相乘(以及随后的低通滤波)，可以将MR传感器1006的检测信号分离为同相和异相分量(例如，信号1184a和1186a)。所得的相位和大小可用于确定有关反射场和目标的信息。例如，相位信息可用于确定目标中是否存在缺陷或异常，以确定目标的材料的磁性能、目标是否正确对准等。振荡器1182还可产生周期1/f的方波，并且移位电路1188可以将方波在时间上移位1/(4f)。
参考图11E，在另一个实施例中，作为提供同相和异相信息的替代，磁场传感器1100E可以经由两个信号路径产生正交调制信号。在电路1100E中，MR元件的一半可以由频率f的信号驱动，且MR元件的一半可以以异相90°的频率驱动。解调链(例如，包括系统的解调功能的电路)可以与图10中的解调电路相同或相似，该解调电路包括DC处的低通滤波器以及补偿和线性化。
在实施例中，可以使用正交调制来确定返回信号的绝对大小和相位。这可以允许对信号的不期望的相移进行自动校正，这可以提供目标性能的更准确的确定以及与材料的磁性或损耗性能有关的信息的检索。
参考图11F，磁场传感器1100F包括以f1的频率驱动线圈1002的线圈驱动器1004。MR驱动器1008可以以相同但是相对于线圈驱动器1004异相90度的频率f1驱动MR元件。结果，由MR元件1006产生的信号1016的频率可以是f1的两倍(即2*f1)，这可能是正弦和余弦相乘的结果。传感器1100F可以包括解调电路1195，其可以对信号进行解调以将反射场信息转换为DC附近的频率。
参考图12，信号1270可以表示由线圈驱动器1004用来驱动线圈1002的信号。当该信号为高时，线圈驱动器1004可以以在一个方向上流动的电流来驱动线圈1002，并且当该信号为低时，线圈驱动器可以以沿相反方向流动的电流来驱动线圈1002。在实施例中，线圈驱动器1004可以用直流电(即，在DC下)或以足够低的频率来驱动线圈1002，使得由线圈1002产生的磁场不会在目标中产生涡流。
作为示例，参考上面的趋肤深度公式，铜在r 50Hz时的趋肤深度约为10mm，并且在10kHz时的趋肤深度约为600μm。因此，给定0.5mm厚的铜目标，低于5kHz的频率可能会产生强度相对较低的反射磁场。
线圈驱动器1004可以以相对较低的频率或DC频率来驱动线圈1002，如由信号部分1272和1274所示。该频率可以足够低，并且因此部分1272和1274的持续时间可以足够长，从而通过信号1270的切换(例如，从部分1272期间的高值切换到部分1274期间的低值)在目标中生成的任何涡流都有时间稳定下来并消散。在部分1272和1274期间示出的直接耦合信号可以从高切换到低(表示检测到的磁场的改变)，以便去除归因于线圈1002的直接耦合磁场的任何偏移。
信号1270的部分1276可表示由MR元件1006检测到的磁场，而线圈驱动器1004以足够高的频率驱动线圈1002以在目标中感生出涡流。当部分1276处于活动时，MR元件1006可以检测由线圈1002直接产生的直接耦合磁场，以及由目标中的涡流产生的磁场。随后可以对检测到的信号进行处理，以将直接耦合场与涡流产生的场分开。尽管未示出，但是部分1276可以具有比部分1272更大或更小的大小，因为这些部分可以包含不同的信息。例如，部分1276可以包括反射信号以及直接耦合信号。
如信号1270所示，不同极性的低频部分1272和1274可以在信号1270内彼此相邻。在其他实施例中，如信号1270'所示，不同极性的低频部分1272'和1274'在信号内可以彼此不相邻。例如，它们可以由高频信号部分1276分开。
在其他实施例中，可以同时以低频(低频部分1272和1274)和高频(高频部分1276)两者驱动线圈。然后可以使用信号处理技术来分离频率，以测量MR元件的响应。
在某些情况下，低频部分1272和1274与高频部分1276的比率可用于确定或指示反射信号的大小。以这种方式测量比率可能会降低大小测量对外部不期望变化(诸如由于温度、杂散磁场等引起的变化)的灵敏度。
现在参考图12A，磁场传感器1200可以被配置为响应于灵敏度值来调节磁场传感器的输出信号。传感器1200可以包括线圈1202和线圈驱动器1204。如上所述，MR元件1206可以检测由线圈1202产生并被目标反射的磁场。在实施例中，MR元件1206的输出信号1208可以包括第一频率和第二频率。例如，第一频率可以是线圈驱动器的频率，并且第二频率可以是0Hz或DC。在这种情况下，MR元件1206可以由DC偏置电路1210驱动。在其他示例中，第二频率可以是非零频率。
在另一个实施例中，线圈驱动器1204可以在第一时间段期间以一个频率驱动线圈1202，而在第二时间段期间以另一频率驱动线圈1202。时间段可以交替并且不重叠。
传感器1200还可包括分离器电路，其可包括一个或多个低通滤波器1214和1216，以及解调器1224和1226。传感器1200还可包括混频器电路1212。振荡器1218和1220可提供用于驱动线圈1202和处理信号1208的振荡信号。在实施例中，振荡器1220可以提供具有比振荡器1218的频率(flow)更高的频率(fhigh)的信号。在实施例中，flow是足够低的频率，使得作为频率流的结果由目标产生的任何反射场为零、足够小以至于无法检测到、或者足够小以至于其对输出的影响可忽略不计或在系统公差内。
混频器1212可以混合(例如相加)来自振荡器1218和1220的信号以产生信号1222，其被馈送到线圈驱动器1204。然后，线圈驱动器1204可以根据混合的信号1202来驱动线圈1202。
因为线圈1202由混合信号驱动，所以输出信号1208可以包括由MR传感器1206检测到的fhigh和flow处的振荡。解调器1226可以以频率fhigh解调信号1208，以从信号中其他频率分离信号1208的处于频率fhigh的一部分。本领域的技术人员可以认识到，解调过程可能导致其他频率移位至信号中的更高的频率。然后低通滤波器1214可以从信号中去除这些频率，并且产生滤波后的信号1228，该滤波后的信号1228主要包括频率fhigh或DC处的信息。
类似地，解调器1224可以解调在频率flow处的信号1208，以使信号1208的频率flow处的部分与信号中的其它频率分离。本领域的技术人员可以认识到，调制过程可能导致其他频率移位到信号中的更高的频率。然后低通滤波器1216可以从信号中去除这些频率，并且产生滤波后的信号1230，该滤波后的信号1230主要包括频率flow或DC处的信息。处理电路1232可以处理信号1228和1230以产生表示检测到的目标的输出信号1232。
处理电路1232可以以各种方式处理信号1228和1230，包括采用信号的比率以提供对由杂散磁场干扰、温度移位、封装应力或其他外部刺激引起的不期望变化基本上不敏感的输出。采用信号的比率还可提供对由于温度、电源电压变化、外部刺激等引起的线圈驱动器变化(例如，线圈驱动器提供的电流或电压变化)基本不敏感的输出。
信号1230也可以用作馈入DC偏置电路1220的灵敏度信号，如箭头1234所示。DC偏置电路1210可以基于信号1230的值调节用于驱动MR元件1206的电压电平，以补偿由于温度、杂散磁场、封装应力等导致的系统灵敏度的改变。
参考图12B，磁场传感器1200'可以类似于传感器1200，并且还可以包括附加的平面内场线圈1236。DC偏置电路1236可以利用DC电流来驱动线圈1232以产生恒定的磁场。恒定磁场可以由MR元件1206直接检测，并且可以是偏置磁场。在其他实施例中，由平面内场线圈1232产生的磁场可用于生成与MR灵敏度成比例的信号，该信号可由MR元件1206检测并随后反馈并用于调节电路1200'的灵敏度。在实施例中，由平面内场线圈1232产生的磁场可以正交于由线圈1202产生的磁场，并用于增大/减小MR元件的灵敏度。DC偏置电路1236可以以补偿由闭环系统看到的灵敏度的改变的方式来驱动线圈1232。换句话说，DC偏置电路可以响应于反馈信号1234而改变提供给线圈1232的驱动电流的大小，以补偿高达反馈回路系统的带宽的灵敏度误差。带宽可以由滤波器1216的截止频率确定(或至少在很大程度上受到影响)。
如所示，DC偏置电路1236可以接收信号1230并调节提供给平面内场线圈1232的电流量，其随后因此可以调节由平面内场线圈1232产生的磁场的强度。虽然图12B未示出，但是DC偏置电路1210'也可以接收信号1230，并使用它来调节驱动MR元件1206的电流。在实施例中，DC偏置电路1210'、DC偏置电路1236或两者都可以基于信号1230来调节它们的输出。
参考图12C，磁场传感器1240包括振荡器1220、振荡器1218和混频器1212。线圈驱动器1204接收由混频器1212产生的信号，并利用包括频率fhigh和flow的信号来驱动线圈1202。
传感器1240可以包括两个(或更多)MR元件1254和1256。MR驱动器1250可以耦合至振荡器1220，并且可以以频率fhigh驱动MR传感器1254，并且MR驱动器1252可以在频率flow处耦合至振荡器1218和我的驱动器MR传感器1256。低通滤波器1216可以对来自MR传感器1254的输出信号1258进行滤波，并且低通滤波器1264可以对来自MR传感器1256的输出信号1260进行滤波。归因于驱动MR传感器1254和1256所在的频率，输出信号1258可以包括在fhigh处的频率分量，并且输出信号1260可以包括在flow处的频率分量。滤波后的信号1230可以是可以用来调节传感器1240的灵敏度的灵敏度信号。因此，信号1230可以被反馈到MR驱动器1252、MR驱动器1250和/或线圈驱动器1204，它们可以各自基于信号1230的值来调节他们的输出。在实施例中，信号1230可以是DC或振荡信号。
参考图13，电路1300包括线圈1302和以桥配置布置的MR元件1-8。线圈1302可包括所谓的反线圈部分1304A、B和1306A、B。首先，反线圈部分1304A可在其下方的MR元件的左侧产生场。随后，部分1304B可以在右侧产生场，部分1306A可以在右侧产生场，而部分1306B可以在左侧产生场。MR元件1和3安置于反线圈部分1304A附近，而MR元件2和4安置于反线圈部分1304B附近。MR元件5、6安置于反线圈部分1306A附近，并且MR元件7、8安置于反线圈部分1306B附近。而且，MR桥被分开，使得每个桥中的一些元件位于反线圈部分1304附近，并且一些元件位于反线圈部分1306附近。例如，MR桥1308包括MR元件1和3(安置于反线圈部分1304附近)和MR元件5和6(安置于反线圈部分1306附近)。提供反线圈部分1304和1306可影响MR元件上直接耦合场的大小和极性。
MR元件1、3相对于线圈1302可以具有第一耦合因数，MR元件2、4可以具有第二耦合因数，MR元件5和6可以具有第三耦合因数，并且MR元件7、8相对于线圈1302可以具有第四耦合因数。在实施例中，MR元件1、3、7和8的耦合因数可以等于MR元件2、4、5和6的耦合因数并且与其相反。例如，这可能归因于在相反的线圈方向上承载相等电流的线圈部分1304A、B和1306A、B，以及MR元件相对于它们的安置。
在实施例中，桥1308和1310将均等地响应反射场。但是，它们可能对直接耦合场产生相反的响应。两个桥的输出的相加可以包含关于反射场的信息，并且两个桥的相减可以包含关于直接耦合场的信息。然后，直接耦合场信息可以用作系统灵敏度的量度，并且可以用于标准化反射场信息。在另一个实施例中，桥1308和1310均等地响应于反射场。但是，它们对直接耦合场的响应可能不同(不一定刚好相反)。两个桥的减法仍然导致信号仅包含有关直接耦合场的信息，该信息可用作系统灵敏度的度量。两个桥的相加可以包括一些直接耦合场信息以及关于反射场的信息。但是，这可以通过线性化块进行补偿，因为它显示为恒定偏移量。
例如，在操作期间，以下公式可能适用：
Vbridge1＝(Cr+C1)*i*S1
Vbridge2＝(Cr+C2)*i*S2
在以上公式中，Cr表示反射场，C1表示由第一MR桥检测到的直接耦合场，C2表示由第二MR桥检测到的直接耦合场，i是通过线圈的电流，S1表示第一MR桥的灵敏度，且S2表示第二MR桥的灵敏度。假设S1＝S2并求解Cr：
Figure BDA0002288958330000301
上面的等式提供了独立于MR元件的电流和灵敏度的对于Cr的公式。在实施例中，线圈、MR元件和目标的几何形状可以提供C1＝-C2。在其他实施例中，系统的几何形状可以提供C1和C2的其他比率。以已知的比率，可以计算出Cr以提供反射场的值。
参考图13A，线圈1302'可以包括反线圈部分1304'A、B和1306'A、B以及线圈元件之间的间隙。在图13A中，仅示出了线圈1302'和MR元件1-8的中间部分。
反线圈(countercoil)部分1304'和1306'可以各自放置在主线圈的迹线之间的相应间隙1350和1352中。MR元件1-8可以放置在主线圈的间隙内。如图6中的间隙，将MR元件放置在间隙1350和1350内可以减小MR元件对直接耦合磁场的灵敏度。因此，用于线圈1302'的线圈设计可通过包括间隙1350和1352以减小灵敏度且包括反线圈部分1304'和1306'以增大灵敏度，以在每个元件上实现期望的直接耦合，来调节MR元件对直接耦合场的灵敏度。在实施例中，直接耦合场在大小上类似于反射场。
参考图13B，磁场传感器1320可以包括如图13中布置的线圈1302、MR桥1308和MR桥1310。线圈驱动器1322可以以频率f驱动线圈1302。MR驱动器1324可以以0Hz(即DC)或另一频率驱动一个或两个MR桥1308和1310。
解调器1324和解调器1326可以分别以频率f解调来自MR桥1308和1310的输出信号。这可以将频率为f的信号的频率分量移位至0Hz或DC，并且可以将信号中的其他频率分量移位至更高的频带。低通滤波器1328和1330可以从信号中去除高频分量，并提供DC信号V1(对应于由MR桥1308检测到的磁场)和DC信号V2(对应于由MR电桥1310检测到的磁场)至处理块1332。处理块1332可以处理信号V1和V2以产生表示检测到的目标的信号。在实施例中，处理块可以执行操作X＝(V1+V2)/(V1-V2)，其中X是表示检测到的目标的信号。在该实施例中，以这样的方式选择桥1308和1310的MR的位置：第一电桥看到来自线圈的负信号(直接耦合场)，且第二电桥看到来自线圈的相反信号。两个桥可能会看到相同的反射信号。因此，V1+V2可以基本上包括反射信号，而V1-V2可以包括线圈信号。于是，该比率给出量X，其与例如由于温度或杂散场以及线圈电流的变化引起的MR元件的灵敏度改变无关。在该实施例中，可以选择MR(和/或线圈)的位置，以使得每个MR都看到(例如可以检测)相同幅度范围的线圈信号和反射信号，即典型地反射场从直接检测到的场的0.1％到100％变化。
现在参考图14，系统1400包括磁场传感器1402和目标1404。磁场传感器1402可以与磁场传感器100和/或上述任何磁场传感器相同或类似。因此，磁场传感器1402可包括：线圈，以产生磁场并在导电目标1404内产生涡流；以及一个或多个磁场感测元件，以根据涡流检测反射场。
通过控制反射的磁信号的量并使用反射信号的量来编码目标位置，可以使用目标1404的趋肤效应来检测线性、速度和角度(在旋转目标的情况下)的测量结果。可以通过组合高电导率的材料(浅趋肤深度，使用高频信号测量的)和相对低电导率的材料(深趋肤深度，使用中频或低频信号测量的)来创建目标。可以通过将线性斜率或数字齿形图案研磨或蚀刻成低电导率材料来创建目标。在随后的步骤中，可以将高电导率材料沉积在表面之上，然后进行研磨或抛光以创建平坦的表面。替代地，可以省略低电导率材料。
测量技术还可以利用各种频率(例如，线圈1002的频率)和目标的趋肤效应。相对高的频率和浅趋肤深度可用于测量传感器与目标物的面之间的气隙距离。然后，该信号可用于校准系统的灵敏度。趋肤深度超过高电导率材料的最大厚度的中频可用于感测由低电导率材料形成的目标的部分的位置。相对低频率的信号(例如，足够低以至于不被目标反射)可用于测量MR传感器的整体灵敏度，并提供反馈以补偿由于杂散场、温度或封装应力而引起的灵敏度改变。再次参考图14，目标1404可以包括第一材料部分1406和第二材料部分1408。第一材料部分1406可以是高导电率的材料，诸如金属；且第二材料部分1408可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。在实施例中，第一和第二材料部分1406和1408可以是可以整体形成的一体结构，或者可以是彼此物理耦合的分离元件，如图14所示。
第一材料部分1406的厚度1410可以沿着目标1404的长度变化，使得在一端1412处，第一材料部分1406相对厚，而在另一端1414处，第一材料部分1406相对薄。由磁场传感器1402在第一材料部分1406的厚端1412处感生的涡流可与在薄端1414处感生的涡流不同。因此，在厚端1406处产生的反射磁场也可能与在薄端1414处所产生的反射磁场不同。因为第一材料部分1406的厚度沿着目标1404的长度线性变化，所以反射磁场也可以沿着目标1404的长度线性变化。因此，磁场传感器1402的磁场感测元件可以检测到反射磁场的差异，以确定沿目标1404的长度将磁场传感器1402安置在何处。在实施例中，如果使用相对高的频率来感测气隙，则可以将在端1414处的厚度选择为在选择的频率下大于一个趋肤深度，并且小于五个趋肤深度。可以将在端1412处的厚度选择为在相对较低的频率下大于一个趋肤深度。
在实施例中，目标标1404可以相对于磁场传感器1402沿线性方向(由箭头1416示出)运动。当目标标1404运动时，磁场传感器1402可以检测反射场的改变以确定目标1404相对于磁场传感器1402的位置。当然，在其他实施例中，目标1416可以是静止的，磁场传感器1402可以相对于目标1404运动。
作为另一个示例，可以使用多个频率来确定气隙并求解目标1404的位置。例如，如果在端1414处第一材料部分1406的厚度在频率f1处大于一个趋肤深度，则频率f1处的响应可能仅根据目标1404与MR元件之间的气隙而变化。使用第二频率，如果在端1414处的第一材料部分1406的厚度在频率f2处小于一个趋肤深度，则响应可能会根据气隙和目标1404的位置而变化。
现在参考图14A，系统1400'可以包括磁场传感器1402和旋转目标1418，其可以是圆柱体、齿轮等的形状。目标1418可以包括第一材料部分1420和第二材料部分1422。第一部分1420可以是高电导率材料，诸如金属；且第二材料部分1422可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。在实施例中，第一和第二材料部分1420和1422可以是可以整体形成的一体结构，或者可以是彼此物理耦合的分离元件，如图14所示。
第一材料部分1420的厚度1423可以基于围绕目标1418的角度围绕目标1418的周边(circumference)变化，从而在点1424处，第一材料部分1420相对薄，并且在点1426处，第一材料部分1420相对厚。由磁场传感器1402在第一材料1420的较厚部分中感生的涡流可以与在较薄部分中感生的涡流不同。因此，在点1424处产生的反射磁场也可以与在点1426处产生的反射磁场不同。由于第一材料部分1420的厚度基于围绕目标1418的角度围绕目标1418的周边变化，因此磁场也可以围绕该周边变化。
磁场传感器1402可以放置在目标1418的半径之外，并且与目标1418的外表面相邻。因此，磁场传感器1402的磁场感测元件可以检测反射磁场中的差异以确定目标1418的旋转角度。磁场传感器1402还可以检测目标1418的旋转速度和/或方向。
现在参考图14B，系统1400”可以包括磁场传感器1402和旋转目标1428。目标1428可以包括第一材料部分1430和第二材料部分1432。第一材料部分1430可以是高电导率的材料，诸如金属；并且第二材料部分1432可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。在实施例中，第一和第二材料部分1430和1432可以是可以整体形成的一体结构，或者可以是彼此物理耦合的分离元件，如图14所示。
在图14B中，第一材料部分1430的厚度可以延伸到页面中。第一材料部分1430的厚度可以基于围绕目标1428的角度围绕目标1428的周边变化，从而在点1434处，第一材料部分1430相对厚，并且在点1436处，第一材料部分1430相对薄。由磁场传感器1402在第一材料1430的较厚部分中感生的涡流可以与在较薄部分中感生的涡流不同。因此，在点1434处产生的反射磁场也可以与在点1436处产生的反射磁场不同。由于第一材料部分1430的厚度围绕目标1428的周边变化，因此反射磁场也可以围绕该周边变化。
磁场传感器1402可以放置在目标1428的半径内，并且与目标1428的基本平坦的面1440相邻。换句话说，如果目标1428放置在旋转轴的末端，则磁场传感器1402可以与轴的一端的面相邻。因此，磁场传感器1402的磁场感测元件可以检测反射磁场中的差异以确定目标1428的旋转角度。磁场传感器1402还可以检测目标1418的旋转速度和/或方向。
磁传感器1402可以以梯度仪模式安装，例如如图3A所示。梯度仪的一半可以位于导电部分1450与目标之间的距离保持基本恒定的位置，而梯度仪的一半可以位于导电材料的斜面(slope)1404存在所在的位置。两个信号之间的差异可用于抑制由于目标的振动而引起的不期望的波动。
参考图15，系统1500可以包括磁场感测元件1502和目标1504。磁场传感器1502可以与磁场传感器100和/或上述任何磁场传感器相同或类似。因此，磁场传感器1502可包括：线圈，其产生磁场并在目标1504内产生涡流；以及一个或多个磁场感测元件，以根据涡流检测反射场。
目标1504可以包括第一材料部分1506和第二材料部分1508。第一材料部分1506可以是高电导率的材料，诸如金属；并且第二材料部分1508可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。在实施例中，第一和第二材料部分1506和1508可以是可以整体形成的一体结构，或者可以是彼此物理耦合的分离元件，如图14所示。
第一材料部分1506可以包括一系列交替的井1510和谷1512。井1510的厚度1514可以比谷1512的厚度相对大。因此，在井1510内产生的反射磁场可以与在谷1512处产生的反射磁场不同。因此，当目标1504相对于磁场传感器1502运动时，磁场传感器1502的磁场感测元件可以检测由井1510和谷1512产生的不同磁场。可以使用检测到的磁场来检测例如磁性目标1500的速度、位置、旋转角度和/或方向。
系统1500'可以包括磁场传感器1502和目标1516。目标1516可以包括一个或多个第一材料部分1518和第二材料部分1520。第一材料部分1518可以是高电导率的材料，诸如金属；并且第二材料部分1522可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。
第一材料部分1518可以包括一系列沿着目标1516的长度以间隔布置安置的离散井。因此，当磁场传感器1502与齿1518相邻时，将产生并检测到反射磁场。当磁场感测元件与绝缘区域(例如，区域1522)相邻时，绝缘区域1522可能不会产生反射磁场。因此，当目标1516相对于磁场传感器1502运动时，磁场传感器1502的磁场感测元件可以检测由井1518所产生的反射磁场并检测何时没有产生反射磁场。例如，检测到的磁场可用于检测磁性目标1516的速度和/或方向。
参考图15A，系统1522可以包括磁场传感器1502和旋转目标1524。目标1524可以包括第一材料部分1526和第二材料部分1528。第一材料部分1526可以是高电导率的材料，诸如金属；并且第二材料部分1528可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。
第一材料部分1526可以包括一个或多个齿1530，这些齿1530以围绕目标1524的各种角度围绕目标1524的周边以间隔布置安置。尽管示出了两个齿，但是目标1524可以包括一个齿、两个齿或围绕目标1524的周边成间隔关系的更多个齿。牙齿可以均匀地间隔或以不均匀图案间隔。
因此，当磁场传感器1502与齿1530相邻时，将产生并检测到反射磁场。当磁场感测元件不与齿相邻时，第一材料部分1526可以产生具有不同强度的反射磁场。因此，当目标1524相对于磁场传感器1502旋转时，磁场传感器1502的磁场感测元件可以检测由齿1530产生的反射磁场以及由第一材料1526的没有齿的区域产生的反射磁场。例如，检测到的磁场可以用于检测磁性目标1500的速度和/或方向。
参考图15B，系统1522'可以包括磁场传感器1502和旋转的1532。目标1532可以包括一个或多个第一材料部分1534和第二材料部分1536。第一材料部分1534可以是高电导率的材料，诸如金属；并且第二材料部分1536可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。
第一材料部分1534可包括围绕目标1532的径向周边以间隔布置安置的一系列离散井。第一材料部分1530可均匀地间隔或根据任何类型的图案间隔。因此，当磁场传感器1502与第一材料部分1534中的一个相邻时，将产生并检测到反射磁场。当磁场传感器1502与绝缘区域(例如区域1538)相邻时，绝缘区域1538可能不会产生反射磁场。因此，当目标1532相对于磁场传感器1502旋转时，磁场传感器1502的磁场感测元件可以检测由第一材料部分1534产生的反射磁场，并且检测绝缘区域1538何时不产生反射磁场。例如，检测到的磁场可以用于检测磁性目标1532的旋转速度和/或方向。
磁场传感器1502可以放置在目标1532的最外半径之内，并与目标1532的基本平坦的面1540相邻。换句话说，如果目标1532放置在旋转轴的端处，则磁场传感器1502可安置成与轴的一端的面相邻。因此，当目标1532旋转时，磁场传感器1502的磁场感测元件可以在第一材料部分1534经过时检测它们。
参考图15C，系统1522”可以包括磁场传感器1502和旋转目标1532。目标1532可以包括一个或多个第一材料部分1534'和第二材料部分1536。第一材料部分1534可以是高电导率的材料，诸如金属；并且第二材料部分1536可以是相对低电导率的材料，诸如塑料、陶瓷或其他绝缘材料；或反之亦然。
第一材料部分1534'可以包括围绕目标1532的不同径向周边以间隔布置安置的数个系列的离散井。第一材料部分1530可以均匀地间隔，或者根据任何类型的图案间隔。因此，当磁场传感器1502与第一材料部分1534中的一个相邻时，将产生并检测到反射磁场。当磁场传感器1502与绝缘区域(例如区域1538)相邻时，绝缘区域1538可能不会产生反射磁场。因此，当目标1532相对于磁场传感器1502旋转时，磁场传感器1502的磁场感测元件可以检测到由第一材料部分1534产生的反射磁场，并检测何时绝缘区域1538不产生反射磁场。第二径向序列的井可以布置成使得第二径向系列中的每个井1560放置成与第一径向系列中的井1534之间的间隙1562相邻。当磁场传感器1502检测到每个径向序列时，在第一径向系列的井和第二径向系列的井的检测之间可以存在90度的相移或不同的节距，这可用于通过游标尺类型的方案提高角度的准确性。
磁场传感器1502可以放置在目标1532的最外半径之内，并且与目标1532的基本平坦的面1540相邻。换句话说，如果目标1532放置在旋转轴的端处，则磁场传感器1502可安置成与轴的一端的面相邻。因此，随着目标1532旋转，磁场传感器1502的磁场感测元件可以在第一材料部分1534经过时检测它们。
参考图16，系统1600可以包括第一磁场传感器1602、第二磁场传感器1604和旋转目标1606。磁场传感器1602和1604可以与磁场传感器100和/或任何一个上述磁场传感器相同或类似。
目标1606可以包括围绕中心轴线1610安置的螺旋倾斜平面1608。在实施例中，中心轴线1610可以是旋转轴。目标1606还可包括导电参考部分1612。参考部分1612和倾斜平面1608可以由导电材料形成。
在实施例中，磁场传感器1602安置成与参考部分1612相邻。磁场传感器1602的线圈产生磁场，该磁场又在参考部分1612中产生涡流。磁场传感器1602可以检测涡流产生的反射磁场。
类似地，磁场传感器1604可以相对于倾斜平面1608安置。磁场传感器1608的线圈可以产生磁场，该磁场又可以在与磁场传感器1604相邻的倾斜平面的部分1614中产生涡流。磁场传感器1604可以检测由倾斜平面1608中的涡流产生的反射磁场。
当目标1606旋转时，倾斜平面1608的与磁场传感器1604相邻的部分1614将朝向和/或远离磁场传感器1604运动。部分1614与磁场传感器1604的接近度D可由磁场传感器1604检测。处理电路(未示出)可以将接近度D与目标1606的旋转角度相关联，并确定位置、旋转速度、旋转方向等。
参考图16A，系统1600'可以包括磁场传感器的网格1616和旋转目标1606。
目标1606可以包括围绕中心轴线1610安置的螺旋倾斜平面1608。在实施例中，中心轴线1610可以是旋转轴。目标1606还可包括导电参考部分1612。参考部分1612和倾斜平面1608可以由导电材料形成。
在实施例中，网格1616的磁场传感器1602安置成与参考部分1612相邻。磁场传感器1602的线圈产生磁场，该磁场又在参考部分1612中产生涡流。磁场传感器1602可以检测由涡流产生的反射磁场。
其他磁场传感器1618a-h可以相对于倾斜平面1608安置在网格1616上的各个场所。每个磁场传感器1618a-h的线圈可以产生磁场，该磁场又可以在倾斜平面的与每个磁场传感器1618a-h相邻的部分中产生涡流，每个磁场传感器1618a-h各自可以检测由倾斜平面1608中的涡流产生的局部反射磁场。
当目标1606旋转时，倾斜平面1608的与磁场传感器1618a-h相邻的部分将朝向和/或远离磁场传感器1618a-h运动。任何部分1614与任何磁场传感器1618a-h的接近度D可以由每个磁场传感器检测。处理电路(未示出)可以将接近度D与目标1606的旋转角度相关联，并确定位置、旋转速度、旋转方向等。
参考图16A，形成网格的多个传感器1618a-h可用于测量螺旋在不同点处的距离，因此它允许校正在正交于旋转轴的方向上的螺旋的振动，而网格的中心传感器抑制沿旋转轴的振动。
参考图17，基底1700可以支撑上述的一个或更多个磁场传感器电路，包括线圈和磁场感测元件。可以将基底1700安置(并粘附到)框架1702。基底1700可以是半导体基底、玻璃基底、陶瓷基底等。接合线1704可以将基底1700上的连接焊盘电耦合到框架1702的引线。框架1702可以是引线框架、焊盘框架或可以支撑基底1700的任何结构。
在实施例中，基底1700可以支撑线圈1701，该线圈可以与上述线圈相同或类似。线圈1701可产生可在目标中感生出涡流和反射磁场的磁场和/或可直接耦合至MR元件(例如由MR元件直接检测)的磁场。如所示，线圈1701可以安置成与框架1702中的间隙1703相邻(或相对)。如果框架1702是导电材料(诸如金属)，则线圈1701产生的磁场可以从框架1702感生出涡流和反射场。将线圈1701放置在间隙1703附近可以减少或消除否则可以由框架1702生成的任何不期望的反射场。
参考图17A，基底1706可以支撑上述一个或多个磁场传感器电路，包括线圈和磁场感测元件。可以将基底1706安置(并粘附到)引线框架1707。基底1706可以包括一个或多个过孔1708，其可以耦合到焊球(或焊料凸块)1710。焊球1710可以耦合到引线框架1707的引线，以在过孔1708和引线框架1707的引线之间提供电连接。该电连接可以通过引线1707将传感器电路(通常由基底1700的一个表面支撑)耦合到外部系统和组件。
在实施例中，基底1706可以支撑线圈1709，该线圈可以与上述线圈相同或类似。线圈1709可产生可在目标中感生出涡流和反射磁场的磁场和/或可直接耦合至MR元件(例如由MR元件直接检测)的磁场。如所示，线圈1709可以安置成与框架1707中的间隙1705相邻(或相对)。如果框架1707是导电材料(诸如金属)，则线圈1709产生的磁场可以从框架1707感生出涡流和反射场。将线圈1709放置在间隙1705附近可以减小或消除框架1707否则可能产生的任何不期望的反射场。
在实施例中，图16A中的传感器1608a-h的网格可可以形成于基底1700或1706的表面上。
参考图18，磁场传感器电路1800可以由一个或多个基底支撑。如图18所示，第一基底1802可以支撑一个或多个线圈1804、1806，其可以产生磁场。第二基底1808可以支撑一个或多个磁场感测元件1810，其可以如上所述检测反射磁场。半导体管芯1802、1808还可包括以上讨论的附加电路。由基底1802支撑的电路可以通过引线导线(lead wire)(未示出)电耦合至由基底1808支撑的电路。被支撑的电路也可以通过引线导线耦合到框架1811的引线。半导体封装(未示出)可以包围基底。
在实施例中，第二管芯1808可以胶合到第一管芯1802的顶表面。替代地，管芯1808可以被反转并且通过管芯到管芯的电连接电连接到管芯1802。
由线圈1804和1808产生的磁场可以在线圈1804和1806之间的区域，即MR元件1810安置所在的区域，中相互抵消。因此，基底1808可以安置成使得MR元件1810落在磁场抵消的区域内，以最小化由MR元件1810检测到的任何杂散或直接耦合场。
在实施例中，基底1802和1808可以是不同类型的基底。例如，基底1802可以是用于支撑诸如线圈1804和1806的金属迹线的廉价基底，而基底1808可以是用于支撑MR元件和/或其他集成电路的基底。
参考图18A，磁场传感器电路1800'可以由多个半导体管芯支撑。如所示，第一管芯1812可以支撑两组(或更多组)线圈。第一组线圈可以包括线圈1814和1816。第二组线圈可以包括线圈1818和1820。第二管芯1822可以支撑第一组磁场感测元件1824，并且第三管芯1826可以支撑第二组磁场感测元件1828。
在实施例中，磁场传感器电路1800'可以包括两个磁场传感器。第一传感器可以包括线圈1814和1816、管芯1822以及磁场感测元件1824。第二磁场传感器可以包括线圈1818和1820、管芯1826以及磁场感测元件1828。在其他实施例中，磁场传感器电路1800'可以包括附加磁场传感器，该附加磁场传感器包括附加线圈、管芯和磁场感测元件。
磁场传感器电路1800'可以在采用两个(或更多个)磁场传感器的上述任何系统中使用。附加地或替代地，可以以不同的频率来驱动电路1800'中的两个磁场传感器，以避免两个传感器之间的串扰。
参考图19，磁场传感器电路1900可以由多个基底支撑。第一基底可支撑线圈1902。四个较小的基底1904-1910可各自支撑一个或多个磁场感测元件。如所示，可以将基底1904-1910安置成与线圈1902的迹线相邻。在一些实施例中，可以安置基底1904-1910，从而其支撑的磁场感测元件放置成与线圈1902的迹线之间的间隙1912相邻。
第五基底1914可支撑用于驱动线圈1902和磁场感测元件的电路，以及用于处理从磁场感测元件接收的信号的处理电路。各个管芯上的电路可以通过引线导线1916耦合在一起。
尽管未示出，但是在另一个实施例中，较大的基底1402可支撑线圈和MR元件。较小的基底1904-1908可以支撑驱动线圈和MR元件的电路和/或处理磁场信号的电路。
在实施例中，磁场感测元件和线圈1902可以与在上述一些或所有磁场检测系统中描述的磁场感测元件(例如，MR元件)和线圈相同或类似。
已经描述了用于说明为本专利的主题的各种概念、结构和技术的优选实施例，对于本领域普通技术人员而言，现在显而易见的是，可以使用结合了这些概念、结构和技术的其他实施例。因此，应当理解，本专利的范围不应限于所描述的实施例，而应仅由所附权利要求的精神和范围来限定。通过引用本文引用的所有参考文献的整体将他们并入本文。

Claims (26)

1.一种磁场感测设备，包括：
一个或多个基底；
由所述一个或多个基底中的至少一个基底支撑的一个或多个线圈，所述线圈中的至少一个线圈被配置为产生第一磁场，所述第一磁场在导电目标中感生出生成反射磁场的涡流；
一个或多个磁场感测元件，由所述一个或多个基底支撑，用于检测所述反射磁场；以及
导电支撑结构，用于支撑所述一个或多个基底，所述导电支撑结构在与所述一个或多个线圈相邻的区域中具有间隙，使得所述导电支撑结构不会响应于所述第一磁场而生成反射磁场。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个磁场感测元件以网格图案布置在所述一个或多个基底上。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述线圈中的至少一个线圈包括多个迹线，并且其中，所述一个或多个磁场感测元件安置在所述基底上且在所述线圈的迹线之间的空间中。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述线圈包括反线圈，以在与所述第一磁场的方向相反的方向上产生局部磁场。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述线圈中的至少一个线圈包括多个迹线，并且其中，所述一个或多个磁场感测元件安置在所述反线圈的一个或多个迹线之间的空间中。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个基底包括以下中的一种或多种：半导体材料、玻璃材料或陶瓷材料。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个基底中的第一基底支撑所述一个或多个线圈，并且所述一个或多个基底中的一个或多个第二基底支撑所述一个或多个磁场感测元件。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述一个或多个基底中的第三基底支撑处理电路。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一基底支撑两个或更多个线圈。
10.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一基底支撑一个或多个线圈和一个或多个磁场感测元件。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述一个或多个第二基底支撑一个或多个处理电路。
12.如权利要求1所述的设备，其中，所述磁场感测元件中的每个磁场感测元件由不同的基底支撑。
13.如权利要求1所述的设备，其中，所述基底、所述线圈和所述磁场感测元件形成一个或多个磁场传感器。
14.如权利要求1所述的设备，还包括粘合剂，所述粘合剂将所述一个或多个基底中的至少两个基底彼此粘合。
15.如权利要求1所述的设备，其中，所述导电支撑结构包括引线框架或焊盘框架。
16.一种磁场感测设备，包括：
第一基底；
两个线圈，由所述第一基底支撑并彼此邻近地布置，使得通过所述线圈中的每一个线圈的电流在相同的平面中流动，所述线圈被配置为各自生成在导电目标中产生涡流并从所述导电目标产生反射磁场的磁场，所述两个线圈布置成使得他们分别生成的磁场在所述线圈之间的区域中基本上彼此抵消；以及
一个或多个磁场感测元件，安置于所述线圈之间的所述区域中，并被配置为检测所述反射磁场，以检测所述导电目标的位置、速度、旋转角度、或方向中的一个或多个。
17.如权利要求16所述的设备，其中，所述一个或多个磁场感测元件包括桥电路。
18.如权利要求16所述的设备，其中，所述一个或多个磁场感测元件包括至少两对磁场感测元件。
19.如权利要求18所述的设备，其中，所述导电目标的中心区域与所述对磁场感测元件中的一个相邻，并且所述导电目标的边缘与所述对磁场感测元件中的另一个相邻。
20.如权利要求16所述的设备，还包括第二基底，其中，所述一个或多个磁场感测元件和/或处理电路由所述第二基底支撑。
21.如权利要求20所述的设备，其中，所述第二基底在所述线圈之间的所述区域中居中。
22.如权利要求20所述的设备，其中，所述第一基底和/或所述第二基底包括以下中的一种或多种：半导体材料、玻璃材料或陶瓷材料。
23.一种磁场感测设备，包括：
第一基底；
由所述第一基底支撑的第一磁场传感器，所述第一磁场传感器包括：
由所述第一基底支撑并彼此邻近地布置的第一对两个线圈，所述线圈被配置为各自生成在第一导电目标中产生涡流并从所述导电目标产生第一反射磁场的磁场，所述第一对两个线圈布置成使得它们各自生成的磁场在所述线圈之间的区域中基本彼此抵消；以及
第二基底，支撑一个或多个磁场感测元件，所述一个或多个磁场感测元件安置于所述第一对两个线圈之间的所述区域中并被配置为检测所述第一反射磁场；以及
由所述第一基底支撑的第二磁场传感器，所述第二磁场传感器包括：
第二对两个线圈，由所述第一基底支撑并彼此邻近地布置，所述第二对两个线圈被配置为各自生成在第二导电目标中产生涡流并从所述第二导电目标产生反射磁场的磁场，所述第二对两个线圈布置成使得它们各自生成的磁场在所述线圈之间的区域中基本彼此抵消；以及
第三基底，支撑一个或多个磁场感测元件，所述一个或多个磁场感测元件安置于所述第二对两个线圈之间的所述区域中，并被配置为检测所述第二反射磁场。
24.一种磁场感测系统，包括：
一个或多个基底；
一个或多个磁场感测元件，由所述一个或多个基底支撑，用于检测交变磁场；以及
导电支撑结构，用于支撑所述一个或多个基底，所述支撑结构在与所述磁场感测元件相邻的区域中具有不会响应于所述交变磁场而生成反射磁场的形状。
25.如权利要求24所述的系统，还包括一个或多个线圈，其中，所述一个或多个线圈中的至少一个线圈生成所述交变磁场。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述一个或多个线圈中的至少一个线圈由所述一个或多个基底中的至少一个基底支撑。
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