CN111174682B - 磁位置传感器系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于确定传感器设备相对于磁结构的位置(X，α)的位置传感器系统(100)，该系统包括：所述磁结构(101)，包括多个极；所述传感器设备(102)，包括多个磁传感器；该磁结构相对于传感器设备可移动(X，α)，反之亦然；其中：相邻极的中心之间的距离沿运动方向变化；传感器设备适于：用于确定平行于运动方向的第一磁场分量，和垂直于运动方向的第二磁场分量，并且用于基于这些分量计算粗略信号(Sc)；以及用于确定这些信号沿运动方向的第一梯度和第二梯度，并且用于基于这些梯度计算精细信号(Sf)；以及用于基于粗略信号和精细信号确定所述位置。

Description

磁位置传感器系统和方法

发明领域

本发明总体上涉及磁位置传感器系统的领域，并且更具体地涉及用于以相对高的精度确定相对大范围上的位置的位置传感器系统。本发明还涉及确定此类位置的方法。

发明背景

磁传感器系统，特别是线性位置传感器系统和角位置传感器系统在本领域中是已知的。它们的优点是能够在不进行物理接触的情况下测量线位置或角位置，因此避免了机械磨损、划痕、摩擦等问题。

存在许多位置传感器系统的变体，解决一个或多个以下需求：使用简单或便宜的磁结构、使用简单或便宜的传感器设备、能够在相对大范围上进行测量、能够进行高精度测量、仅需简单的运算、能够进行高速测量、对定位误差具有很高的鲁棒性、对外部干扰场具有很高的鲁棒性、提供冗余、能够检测误差、能够检测并纠正误差、具有良好的信噪比(SNR)等。

经常，这些需求中的两个或多个彼此冲突，因此需要进行权衡。一个典型的示例是大测量范围与高精度之间的权衡。

WO2018122283(A1)公开了一种位移传感器，其包括两个相对于磁换能器可滑动地布置的传感器单元。

US2011291645描述了一种用于检测相对运动的测量装置。

US2016069708描述了线性位置和旋转位置磁传感器、系统和方法。

总是存在改进或替代的余地。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供确定传感器设备相对于磁结构的位置的位置传感器系统和方法。

本发明的实施例的另一个目的是提供可用于此类位置传感器系统中的特定磁结构和特定传感器设备。

本发明的实施例的特定目的是提供具有相对大的测量范围和相对高的精度的位置传感器系统，以及确定具有相同特性的位置的方法。

本发明的实施例的目的是提供对外部干扰场基本不敏感的位置传感器系统和方法。

本发明的实施例的目的是提供位置传感器系统和方法，其仅需要能够在简单的微控制器上执行的相对简单的运算(诸如例如，加法、减法、乘法、除法、查找表、插值)，但不包括离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)，其通常需要数字信号处理器(DSP)，并且通常还需要相当地更多的RAM。

本发明的实施例的目的是提供使用一个或多个永磁体的位置传感器系统和方法，其对于退磁基本是鲁棒的。

这些目的通过根据本发明的实施例的用于确定位置(例如，线性位置或角位置)的位置传感器系统和方法来实现。

在第一方面，本发明提供用于确定传感器设备相对于磁结构的位置的位置传感器系统，该系统包括：所述磁结构，包括多个极；所述传感器设备，包括多个磁传感器；磁结构相对于传感器设备在运动方向上或沿运动轨迹可移动，反之亦然；其中磁结构的相邻极的中心之间的距离沿运动方向或沿运动轨迹变化；传感器设备适于：a)用于确定在基本平行于所述运动方向或正切于所述运动轨迹的第一方向上定向的一个或多个第一磁场分量，以及在基本垂直于第一方向的第二方向上定向的一个或多个第二磁场分量，并且用于基于这些磁场分量计算粗略信号；以及b)用于确定该一个或多个第一磁场分量沿第一方向的第一梯度，以及该一个或多个第二磁场分量沿第一方向的第二梯度，并且用于基于这些梯度计算精细信号；以及c)用于基于粗略信号和精细信号两者确定所述位置。

传感器设备可包括半导体衬底，并且传感器可被嵌入在所述半导体衬底中。衬底可具有矩形形状。

粗略信号指示在第一范围内(例如，在整个范围内)的相对位置。精细信号指示在第二范围内的相对位置，该第二范围是第一范围的子集。

该位置传感器系统的优点在于它使用粗略信号和精细信号的组合，因为以该方式可以将细粒度(高精度)与大范围组合。

该位置传感器系统的优点在于可以使用相对简单的控制器确定位置，并且不需要功能强大的处理器(诸如数字信号处理器(DSP))，因为确定位置所需的运算例如可以是基于如加法、减法、乘法、除法、测角函数和/或查找表的基本操作，但不需要例如离散傅立叶变换(DFT)。注意，测角函数本身也可以使用查找表和可选的插值来执行。

该位置传感器系统的优点在于精细信号是基于对(基本上恒定的)外部杂散场不敏感的梯度信号，因此经组合信号(在一定程度上)对外部杂散场也不敏感。

该位置传感器系统的优点在于如果需要或期望，则可以仅基于粗略信号快速地确定粗糙位置指示。

该位置传感器系统的优点在于精细信号和粗略信号至少包含一些冗余，就它们允许确定两个信号之间的不一致或相对(过于)大的干扰场的存在而言。取决于应用，该信息可用于检测错误状况。

该位置传感器系统的优点在于可以在不必首先移动到"已知位置"(例如，开机后)的情况下，唯一地确定传感器设备相对于磁结构的位置。

在优选的实施例中，传感器设备是包含半导体衬底的半导体芯片，该半导体衬底包括所述多个磁传感器。

在实施例中(参见例如图1)，传感器设备被定向成使得半导体衬底垂直于磁结构的剩余磁场的方向定向。可以定义具有三个正交轴X、Y、Z的坐标轴系统，该坐标轴系统被固定到传感器设备，其中衬底平面定义了XY平面。X方向可以在运动方向上定向，并且可以平行于Z轴定向剩余磁场，剩余磁场因此垂直于半导体衬底。

在另一实施例中(参见例如图2)，传感器设备被定向成使得半导体衬底平行于磁结构的剩余磁场的方向定向。可以定义具有三个正交轴U、V、W的坐标轴系统，该坐标轴系统被固定到传感器设备，其中衬底平面定义了UV平面。U方向可以在运动方向上定向，并且可以平行于V轴定向剩余磁场，剩余磁场因此平行于半导体衬底。

在实施例中，磁结构具有面向传感器设备的基本平坦的表面或基本平面的表面(例如，没有凹槽的表面)。

在实施例中，磁结构具有面向传感器设备的非平面的表面(例如，有凹槽的表面)。

在实施例中，磁结构内部的剩余磁场的定向基本平行于第二方向。

在实施例中，传感器设备相对于磁结构可移动地布置在距磁结构基本恒定的距离处。

在实施例中，磁结构包括至少四个或至少五个或至少六个极对。

这意味着传感器设备适于在沿其轨迹移动时面对至少四个极或至少五个极等，但是磁体本身可以具有例如四个轴向磁化的极对，传感器设备仅可以"看到"(每对)极中的一个极。

在实施例中，磁结构是多个离散永磁体的组件。

在实施例中，磁结构包括被磁化成具有沿相反方向定向的多个极的单片磁性材料。

在实施例中，磁结构具有具有纵轴的(整体)细长形状(例如，具有线性形状)。

这被称为"线性位置传感器系统"，在该情况下，传感器设备可适于沿与所述纵轴一致或基本平行的轨迹相对于磁结构移动。

在实施例中，磁结构具有具有弯曲轴的弯曲形状(例如，圆形、螺旋形、椭圆形、抛物线形等)。

这被称为"角位置传感器系统"，在该情况下，传感器设备可适于沿与所述弯曲轴一致或位于距所述弯曲轴基本恒定的距离处的轨迹相对于磁结构移动。弯曲轴可以，但不必一定是闭合的。例如，它可以是圆段或弧段。

在实施例中，磁性材料内部的剩余磁场基本垂直于第一(例如，线性或弯曲)轴(X、U)定向。

换句话说，在该实施例中，剩余磁场垂直于(局部)相对运动的方向(局部地)定向。

在实施例中，相邻极的中心之间的所述距离沿所述纵轴或线性轴或弯曲轴严格单调变化。

换句话说，当从磁结构的开始位置移动到结束位置时，极中心之间的距离对于遇到的每个新极而增加或减小。

该实施例的优点在于传感器设备相对于磁结构的位置由两个信号唯一地定义。

在实施例中，传感器设备包括：第一集成磁聚集器和布置在第一集成磁聚集器的相对侧上的第一和第二水平霍尔元件；以及第二集成磁聚集器，其位于距第一集成磁聚集器预定义距离处；以及布置在第二集成磁聚集器的相对侧的第三和第四水平霍尔元件，第一、第二、第三和第四水平霍尔元件是共线的。

此类传感器设备可以在第一传感器位置处测量Bx1、Bz1，并且在第二传感器位置处测量Bx2、Bz2，从中可以导出dBx/dx和dBz/dx，例如如图1所示。

在实施例中，传感器设备包括：第一集成磁聚集器和布置在第一集成磁聚集器的边缘附近的第一组四个水平霍尔元件，其成90°角度地间隔开；以及布置在第二集成磁聚集器的边缘附近的第二组四个水平霍尔元件，其成90°角度地间隔开；第二IMC位于距第一集成磁聚集器预定义距离ΔX处。

此类传感器设备可以在第一传感器位置处测量Bx1、By1，并且在第二传感器位置处测量Bx2、By2，从中可以导出dBx/dx和dBy/dx，例如如图2所示。

在实施例中，传感器设备包括在第一方向上间隔开第一距离的两个水平霍尔元件；并且包括在第一方向上间隔开第二距离的两个垂直霍尔元件。

第一距离可以等于第二距离，但这不是绝对必需的。水平霍尔元件适于在两个不同位置处测量在垂直于传感器平面的方向上定向的磁场向量Bz。两个垂直霍尔元件适于在两个不同位置处测量在平行于传感器平面的方向上定向的磁场向量Bx。通过在两个不同的位置处确定Bx和Bz，可以计算梯度dBx/dx和dBz/dx。

在实施例中，传感器设备适于根据以下公式或等效公式来计算粗略信号“Sc”：

Sc＝√[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/√[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)],

其中Sc是粗略信号，√是平方根函数，sqr是平方函数，Bx是第一磁场分量，Bz是第二磁场分量。

该公式的优点在于，该信号以对退磁效应基本不敏感的方式从测量范围的一端到另一端基本逐渐增加。

在实施例中，传感器设备适于根据以下公式或等效公式来计算精细信号“Sf”：Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx),

其中Sf是精细信号，Arctan2是反正切函数，dBx/dx是第一磁场分量沿第一方向的梯度，dBz/dx是第二磁场分量沿第一方向的梯度。

该公式的优点在于，该信号对退磁效应基本不敏感。

优点在于精细信号对于(恒定的)外部干扰场是鲁棒的，因为它基于磁场梯度。

在实施例中，传感器设备适用于通过基于精细信号确定多个至少两个候选位置，并且然后基于粗略信号选择这些候选位置中的一个位置来确定所述位置。

第二步骤(选择)可包括选择候选位置，对其粗略信号与跟所述精细信号相关联的预定义粗略位置偏离最小(例如，图5d中选择点C而不是点D)。

在第二方面，本发明还提供确定传感器设备相对于磁结构的位置的方法，该磁结构具有多个极，所述传感器设备包括多个磁传感器，磁结构相对于传感器设备在运动方向上或沿运动轨迹可移动，反之亦然；其中磁结构的相邻极的中心之间的距离沿运动方向或沿运动轨迹变化；并且该方法包括以下步骤：a)确定在平行于所述运动方向或正切于所述运动轨迹的第一方向上定向的一个或多个第一磁场分量，以及在垂直于第一方向的第二方向上定向的一个或多个第二磁场分量，并且基于这些磁场分量计算粗略信号“Sc”；以及b)确定该一个或多个第一磁场分量沿第一方向的第一梯度，以及该一个或多个第二磁场分量沿第一方向的第二梯度，并且基于这些梯度计算精细信号“Sf”；c)基于粗略信号“Sc”和精细信号“Sf”两者确定所述位置。

在实施例中，确定该一个或多个第一磁场分量包括确定平行于传感器设备的半导体衬底的一个或多个磁场分量(在本文中也称为"平面内磁场分量")，以及确定该一个或多个第二磁场分量包括确定垂直于传感器设备的半导体衬底的一个或多个磁场分量(在本文中也称为"平面外磁场分量")。

在实施例中，确定该一个或多个第一磁场分量以及确定该一个或多个第二磁场分量包括确定平行于传感器设备的半导体衬底的一个或多个磁场分量(在本文中两者皆称为"平面内磁场分量")。

在实施例中，步骤b)包括：根据以下公式或等效公式中的一个计算粗略信号“Sc”：

Sc＝√[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/√[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)],或者

Sc＝[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)],

其中Sc是粗略信号，√是平方根函数，sqr是平方函数，Bx是第一磁场分量，且Bz是第二磁场分量。

在实施例中，步骤b)包括：根据以下公式或等效公式计算精细信号“Sf”：Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx)，其中Sf是精细信号，Arctan2是反正切函数，dBx/dx是第一磁场分量沿第一方向的梯度，dBz/dx是第二磁场分量沿第一方向的梯度。

在实施例中，步骤c)包括：通过基于精细信号“Sf”确定多个至少两个候选位置，并且然后基于测得的粗略信号“Sc”选择这些候选位置中的一个来确定所述位置。

步骤c)可以包括：选择显示出与对应于该精细信号的(例如，在校准步骤期间确定的)预定粗略信号最小偏差的候选。传感器设备可包括例如具有至少三列的查找表，第一列存储用于精细信号的值，第二列存储用于粗略信号的值，第三列存储沿运动方向、或沿运动轨迹的实际位移值，并且方法可包括以下步骤：找到最佳匹配值，例如使用插值(例如，线性插值)。

在第三方面，本发明还提供了用于在根据第一方面的位置感测系统中使用的位置传感器设备，位置传感器设备包括：-半导体衬底；用于在沿着第一方向间隔开第一预定义距离的至少两个不同位置上确定在基本平行于衬底的第一方向上定向的第一磁场分量，以及用于在沿着所述第一方向间隔开第二预定义距离的至少两个不同位置上确定在基本垂直于第一方向的第二方向上定向的第二磁场分量，该第二方向基本平行于半导体衬底或基本垂直于半导体衬底；处理单元，适用于基于这些磁场分量中的至少一些来计算粗略信号；处理单元进一步适用于确定第一磁场分量沿第一方向的梯度和第二磁场分量沿第一方向的梯度，以及用于基于这些梯度来计算精细信号；处理单元进一步适用于基于粗略信号和精细信号两者来确定所述位置。

第二预定义距离可以与第一预定义距离相同或不同。

半导体衬底可以是硅衬底或CMOS衬底。

在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。

参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的示例性线性位置传感器系统。

图2示出了根据本发明的实施例的另一示例性线性位置传感器系统，其可以被视为图1的变体。

图3(a-d)是根据本发明的实施例的示例性角位置传感器系统的示意性框图。图3(a)以俯视图示出了传感器系统，图3(b)和图3(c)以侧视图示出了分别在Y方向或从X方向看时的传感器系统。

图4示出了根据本发明的实施例的另一示例性角位置传感器系统，其可以被视为图3的变体。

图5(a)至图5(d)示出了与图1的示例性线性位置系统相关的信号，示出本发明的一些原理。

图6(a)是示出可以用于根据本发明的实施例的传感器设备中的传感器元件的示例性布置的示意性框图，该传感器设备可以用于图1的线性位置传感器系统中和/或图3的角位置传感器系统中。该传感器布置包含四个共线水平霍尔元件和两个IMC元件。

图6(b)是示出可以用于根据本发明的实施例的传感器设备中的传感器元件的另一示例性布置的示意性框图，该传感器设备可以用于图1的线性位置传感器系统中和/或图3的角位置传感器系统中。该传感器布置包含两个水平霍尔元件和两个垂直霍尔元件。

图7(a)是示出可以用于根据本发明的实施例的传感器设备中的传感器元件的示例性布置的示意性框图，该传感器设备可以用于图2的线性位置传感器系统中和/或图4的角位置传感器系统中。该传感器布置包含两个IMC元件和八个水平霍尔元件。

图7(b)是示出可以用于图2的线性位置传感器系统和/或图4的角位置传感器系统的传感器设备中的传感器元件的另一示例性布置的示意性框图。该传感器布置包含四个垂直霍尔元件。

图8示出了可以用于图1至图4的位置传感器系统中的根据本发明的实施例的传感器设备的示意性框图。

图9示出了基于使用流过导体的(强)电流对磁性材料进行磁化产生可以用于图1或图2的线性位置传感器系统中的磁结构的第一方法。

图10示出了产生可以用于图1或图2的线性位置传感器系统中的磁结构的第二方法。

图11示出了基于使用流过导体的(强)电流对磁性材料进行磁化产生可以用于图3或图4的角位置传感器系统中的磁结构的方法。

图12示出了可用于图1的线性位置传感器系统的又一磁结构。该磁结构包含多个离散磁体。

图13示出了图12的变体。

图14示出了根据本发明的实施例的确定传感器设备相对于磁结构的位置的方法。

这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。

具体实施方式

将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性且非限制性的。在附图中，出于解说性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际减少量。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明的实施例与本文中所描述或图示的相比能够以其他顺序来进行操作。

另外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等等被用于描述性目的而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在合适情况下是互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或图示的取向的之外的其他取向来操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限制于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各发明性方面中的一个或多个发明性方面的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明性方面存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式所附的权利要求由此被明确并入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独的实施例。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应当理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

在本文档中，除非另外明确提及，否则术语"磁传感器设备"或"传感器设备"是指包括至少一个磁"传感器元件"的设备。传感器设备可被包括在封装(也被称为"芯片")中，但这不是绝对必需的。

在本文档中，术语“传感器元件”或“磁传感器元件”或“传感器”可以指能够测量磁量的组件或组件组或子电路或结构，诸如例如，磁阻元件、XMR元件、水平霍尔板、垂直霍尔板、包含至少一个(但优选地为四个)磁阻元件的惠斯通电桥等。

在本文档中，表达“向量的平面内分量”和“场分量在传感器平面内的投影”含义相同。示例是图1中的Bx分量或图2至图4中的Bu分量。

在本文档中，术语“传感器平面”指由包含传感器元件的半导体衬底定义的平面。

在该文档中，表达“向量的平面外分量”和“场分量在垂直于传感器平面的轴上的的投影”含义相同。示例是图1中的Bz分量。

在该文档中，除非从上下文中清楚地意味其他含义，表达“空间导数”或“导数”或“空间梯度”或“梯度”被用作同义词。在该文档中，沿运动的方向获取分量的梯度，例如图1中的d/dx、与图2中的d/dx相等的d/du，在与图3和图4中的圆形路径正切的方向上的d/du。

在本发明的上下文中，公式arctan(x/y)、atan2(x,y)、arccot(y/x)被认为是等效的。

本发明的目的是提供确定传感器设备相对于磁结构的位置的位置传感器系统和方法。

本发明提供：位置传感器系统，用于确定传感器设备相对于磁结构的位置，位置传感器系统包括：磁结构，包括多个极；传感器设备，包括多个磁传感器；磁结构相对于传感器设备在运动方向上或沿运动轨迹可移动，或者传感器设备相对于磁结构在运动方向上或沿运动轨迹可移动；其中磁结构的相邻极的中心之间的距离沿运动方向或沿运动轨迹变化；以及其中传感器设备适用于(a)确定在平行于所述运动方向或正切于所述运动轨迹的第一方向上定向的一个或多个第一(例如，平面内)磁场分量，以及在垂直于第一方向的第二方向上定向的一个或多个第二(例如，平面内或平面外)磁场分量，并且用于基于这些磁场分量计算粗略信号“Sc”；以及(b)用于确定该一个或多个第一磁场分量沿第一方向的第一梯度，以及该一个或多个第二磁场分量沿第一方向的第二梯度，并且用于基于这些梯度计算精细信号“Sf”；以及(c)用于基于粗略信号“Sc”和精细信号“Sf”两者确定传感器设备相对于磁结构的(例如，线性或角)位置。

本发明的传感器系统利用特定的磁结构，其中极之间的距离不是恒定的而是变化的。该磁结构生成具有特定特性的特定磁场。就发明人所知，此类磁结构及其特性在本领域中是未知的。

本发明至少部分地基于以下见解(例如，参见可应用于图1的系统的图5的波形)：

(1)在距磁结构预定义距离处测得的第一磁场分量(例如，Bx)和第二磁场分量(例如，Bz)基本偏移90°或者可以基本偏移90°，以及

(2)这些磁场分量(Bx，Bz)的大小|Bxz|随着相邻极对之间的距离增加而增加(因此，在距磁体预定义距离处测得的两个场分量的平方和不是恒定的)，以及

(3)这些磁场分量沿运动方向的空间导数结果是基本恒定的，尽管场分量本身的大小(例如，基本线性地)增加，因为极中心之间的距离也增加，并且因此空间导数在很大程度上保持恒定，以及

(4)第一和第二场分量(在图1中：Bx和Bz)的平方和(作为分子)与空间导数的平方和(作为分母)的比基本上独立于实际的磁场强度，因此粗略信号(coarse signal)“Sc”对退磁效应基本不敏感，以及

(5)第一梯度与第二梯度的比基本上独立于实际磁场强度，因此精细信号(finesignal)对退磁效应基本不敏感，以及

(6)精细信号基本上独立于外部干扰场(特别是恒定干扰场)，因为精细信号基于梯度。

这些特征的组合为位置传感器系统提供了独特的特性，即高精度(精细定位)、测量范围大(尽管精度高)、对外部干扰场具有鲁棒性并且对退磁具有鲁棒性。

在现有解决方案中，经常需要在精度与范围之间进行权衡(例如，如WO2014029885A1中所述，其中一些实施例的最大范围减小到360°/N)。

图1(a)是根据本发明的实施例的示例性线性位置传感器系统100的示意性框图。

它是线性位置传感器系统，包括以集成芯片形式的传感器设备102，该传感器设备相对于磁结构101可移动，意味着在传感器设备102可移动同时磁结构101可固定，或者在磁结构101可移动的同时传感器设备102固定，或者传感器设备102和磁结构101两者都可移动。

本发明将在假设磁结构101固定而传感器设备102可移动的情况下被进一步描述以简化讨论，但本发明不限于此。

图1的传感器设备102被布置在距磁结构101基本恒定的距离H处，例如大约0.5至大约5.0mm，并且可以沿X方向基本平行于磁结构的表面移动，因此保持距磁结构恒定的距离“H”。

磁结构101包括以特定方式磁化的磁性材料。图1(a)示出了磁结构的垂直截面，并且箭头示出了磁性材料内部的剩余磁场沿正Z方向或负Z方向定向，因此垂直于运动方向X。

本发明的基本思想之一是磁结构101具有不等距定位的多个磁极P1、P2、P3……，但相邻极的中心之间的距离是变化的。优选地，距离严格单调变化，尤其意味着所有距离是不同的。

在图1(a)的示例中，磁结构101具有10个磁极P1……P10，并且在图1(c)的示例中，磁结构101具有七个磁极，但是当然本发明不限于此，并且也可以使用具有更多数量或更少数量的极的磁结构，例如从3到50、或4到50、或5到50的范围内的任何数，或3到30的范围内的任何数，或4到20的范围内的任何数。

在图1(a)的示例中，第一极P1与第二极P2之间的距离d1比第二极P2与第三极P3之间的距离d2小，等等。在图1(a)的示例中，距离从图1(a)的左边到图1(a)的右边单调增加，意味着d1<d2<d3<……<d9。发明人发现，基于传感器设备102可以测得的信号，可以唯一地确定传感器设备102在X轴上的位置，并且具有高精度(例如，具有比如果磁结构101将包含仅两个或仅三个或仅四个等距极的情况下可能的精度更高的精度)，如将在讨论图5时进一步解释的。

在不将本发明限于此的情况下，在优选实施例中，距离d[i+1]可以选择为基本上等于距离d[i]乘以因子F，该因子F取决于应用在从大约103％到200％的范围内选择。因子F在磁结构101的整个长度上可以是恒定的，但这不是绝对必需的。在其他实施例中，因子F针对每个对或针对一些对可以变化。

在图1中所示的特定示例中，因子F是恒定的并且大约等于111％，但也可以使用其他值，例如大约103％或大约104％或大约105％或大约106％或大约107％或大约108％或大约109％或大约110％或大约111％或大约112％或大约114％或大约116％或大约118％或大约120％或大约125％或大约130％或大约135％或大约140％或大约145％或大约150％或大约160％或大约170％或大约180％或大约190％或大约200％。当讨论图5时，其影响将变得清楚。

虽然图1(a)所示的磁结构的距离d9比距离d1大大约2.3倍，但这仅是示例，并且还可以选择最大距离“dmax”与最小距离“dmin”之间的另一比率dmax/dmin，例如但不将本发明限于此，在大约110％至大约800％的范围内的任何比率，或在大约150％至大约400％的范围内的比率。当讨论图5时，其影响将变得清楚。

在图1(a)至图1(c)的实施例中，传感器设备102被定向成使得其半导体衬底基本垂直于磁结构内部剩余磁场的定向。

在图1中，可以认为坐标轴X、Y、Z固定地附接到磁结构。磁传感器优选地被配置用于测量在X方向上平行于半导体衬底定向的一个或多个磁场分量Bx，其因此可以被称为图1的传感器设备的“平面内”磁场分量，并且用于测量在Z方向上垂直于半导体衬底的一个或多个磁场分量Bz，其因此可以被称为传感器设备的“平面外”磁场分量。在图1中的情况下，因此还可以考虑X、Y、Z轴被固定到传感器设备。

图1(c)示出了具有七个磁极的磁结构的透视图，以更好地示出磁结构101和传感器设备102的优选相对位置。

图2示出了图1的变体，其中传感器设备152被定向成使得其半导体衬底基本平行于磁结构内部的剩余磁场。假设正交轴X、Y、Z被固定到磁结构，并且假设正交轴U、V、W被固定到传感器设备，本领域技术人员将理解，如果U轴平行于X轴、且V轴平行于Z轴、且W轴平行于Y轴，则磁场分量Bu和Bv分别相对于磁结构对应于磁场分量Bx和Bz。如将进一步解释的(参见图7)，传感器设备152被配置用于测量平行于半导体衬底定向的平面内场分量Bu1、Bv1、Bu2、Bv2，并且用于计算第一梯度dBu/du和第二梯度dBv/du。

在图1的另一个变体(未示出)中，磁性材料基本沿运动方向(例如纵轴的方向)磁化，例如正X轴或负X轴。

图3是根据本发明的实施例的示例性角位置传感器系统200的示意性框图。

与上面所述相同的原理在细节上加以必要修改也适用于此，尤其意味着“线性距离”需要被转换为“角距离”，而“在线性X轴上的位移”需要被转换为“绕Z轴的旋转”等。

应用于该实施例的本发明的基本思想之一是磁结构201具有多个磁极，在图3的示例中，具有十个极P1、P2、……、P10，这些极P1、P2、……不是等距放置，而是相邻极的中心之间的角距离α1、α2、……是变化的，使得α1<α2<……<α9(也参见图11)。结构可以被轴向磁化，或者磁化可以是平面内的(例如，径向地被定向或正切地被定向)，或者结构可以在Z方向上被各向同性地磁化。

发明人发现，基于可以由传感器设备202测量的磁信号，可以唯一地并且以高精度(例如，大于如果磁结构将包含仅三个或仅四个极的情况下可能的精度)确定传感器设备202相对于磁结构201的参考位置的角位置α。

关于乘法因子F(例如，在从大约103％至大约200％的范围内的值)和比率dmax/dmin(在该示例中表示角距离)的相同或相似的注释也适用于此。

在图3的示例中，传感器设备202位于“离轴位置”(即，不位于旋转轴上，而位于距旋转轴大于1mm(例如，至少2mm或至少3mm)的非零距离Rs处)并且被定向成使得其半导体衬底基本垂直于磁结构的旋转轴。

具有三个正交轴X、Y、Z的第一坐标系被固定到磁结构，而具有三个正交轴U、V、W的第二坐标系被固定到传感器设备。

传感器设备202优选地被定向成使得U轴与绕旋转轴的假想圆正切，并且使得传感器设备的W轴平行于磁结构的Z轴。图3的磁信号Bu和Bw与图1(a)的信号Bx和Bz是可比较的，同样梯度信号dBu/du和dBw/du与图1(a)的信号dBx/dx和dBz/dx是可比较的。可以在图3的传感器设备202和图1的传感器设备102中使用相同的传感器元件，在例如图6(a)和图6(b)中示出了其示例，但是本发明不限于此，也可以使用其他传感器元件。

图4示出了图3的变体，其中传感器设备252被定向成使得其半导体衬底基本平行于磁结构内部的剩余磁场。假设正交轴X、Y、Z被固定到磁结构，并且假设正交轴U、V、W被固定到传感器设备，传感器设备252优选地被定向成使得U轴与绕旋转轴的假想圆正切，并且使得传感器设备的V轴平行于磁结构的Z轴。图4的磁信号Bu和Bv与图2的信号Bu和Bv是可比较的，并且因此由此导出的梯度信号也是可比较的。可以在图4的传感器设备252和图2的传感器设备152中使用相同的传感器元件，在图7中示出了其示例，但是本发明不限于此，也可以使用其他传感器元件，例如，四个垂直霍尔元件或多个磁阻元件。

图5(a)至图5(d)示出了与图1的示例性线性位置系统相关的信号，示出本发明的一些原理。

图5(a)示出了磁性材料内部的剩余磁场Brx、Brz。注意，剩余磁场可以沿Brz和Brx，或者仅沿Brz，或者仅沿Brx。

图5(b)示出了如可以由传感器设备102测量的在磁性材料外部的预定义距离“H”处的磁场分量Bx(由黑色正方形表示)、Bz(由黑色圆圈表示)。图还(以虚线)示出了值|B|，在此计算如下：

|B|＝sqrt(Bx*Bx+Bz*Bz) [1]

可以看出，值|B|是相对平滑的信号，该信号(至少在测量范围的一部分上)随X单调增加(尽管对于本发明工作不是绝对需要的)。发现如果极的中心距离更远，则由传感器设备测量的磁场强度(在相对小的恒定距离H处)增加。

发明人得出确定这些信号在X方向上的空间梯度的想法。图5(c)示出了平面内场分量Bx的空间导数dBx/dx(由黑色正方形表示)，并且示出了平面外磁场分量Bz的空间导数dBz/dx(由黑色圆圈表示)。图5(c)还(以虚线)示出了值|B|，在此计算如下：

|dB|＝sqrt(dBx/dx*dBx/x+dBz/dx*dBz/dx) [2]

可以看出，值|B|也是相对平滑的信号，该信号(至少在测量范围的一部分上)基本恒定(尽管对于本发明工作不是绝对需要的)。

发明人还得出基于例如平面内磁场分量Bx和平面外磁场分量Bz的函数，更具体地，信号|B|与信号|dB|的比率来计算第一信号“Sc”的想法，因此：

Sc＝|B|/|dB| [3]

根据[1]和[2]，其可以写成：

Sc＝sqrt(Bx*Bx+Bz*Bz)/sqrt(dBx/dx*dBx/x+dBz/dx*dBz/dx) [4]

从图5(d)可以理解，该信号可以用作传感器设备102相对于磁结构101的位置X的粗糙或粗略指示符，但是可以看出，该信号的精度相对低。

在变体中，信号Sc被定义为：

Sc'＝(Bx*Bx+Bz*Bz)/(dBx/dx*dBx/dx+dBz/dx*dBz/dx) [5]

其也基本平滑，但是避免了两个平方根函数的计算。实际上，也不需要除以“dx”，因为其是恒定的。

发明人还得出基于例如场梯度dBx/dx与dBz/dx的函数来计算第二信号“Sf”的想法，更具体地，函数为：

Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx) [6]

(函数arctan2也称为atan2-函数。不熟悉该函数的读者可以找到更多信息，例如，在“https://en.wikipedia.org/wiki/Atan2”上)

从图5(d)可以理解，信号Sf看起来像“锯齿函数”，但是具有非恒定齿。该信号可以用作传感器设备102的位置X的精细指示符(在每个齿内)，但是可以看出，每个齿的范围仅是总范围的子范围。

通过组合粗略信号Sc和精细信号Sf，可以在X轴上高精度地限定传感器设备102的唯一位置X。此外，由于信号Sf基于梯度信号，该位置对(恒定的)外部干扰场Bext高度不敏感。

下面的示例将解释如何可以确定唯一位置，而本发明不限于该示例，甚至不限于该方法，因为还可以使用其他方法。参考图5(d)，假设值Sf产生值50°，并且假设函数Sc产生值0.96。如图5(d)所示，存在值Sf＝50°的多个可能的(每个锯齿上一个)位置。例如，考虑与点“A”(白色三角形)和点“B”(黑色三角形)相关联的两个候选xA和xB。然后，函数Sc＝0.96可用于确定这些候选中的哪个是最可能的候选。在所示示例中，点C(白星)对应于大约0.93的值Sc，而点D(黑星)对应于大约1.10的值Sc。在该示例中，点A因此是最可能的点，因为(0.96-0.93＝0.03)小于(1.10-0.96＝0.14)。

多个位置的Sc的值可以在校准期间被确定，并且可以例如被存储在非易失性存储器中，或者可以被存储为分段线性函数，或者以任何其他合适的方式被存储。

值Sc对外部干扰场略微敏感，因此由于外部干扰场，实际值Sc可能与在点C或点D处存储(或内插)的值Sc不同。然而，注意在上述算法“选择错误的齿”之前，外部干扰场需要相当高。因此，上述算法对于(中等强度的)外部干扰场非常鲁棒。公差裕度可以被理解为等于步长ε的大约一半。因此，该步长ε越大，传感器系统对外部干扰场的容忍性越强。受益于本公开，本领域技术人员现在将理解，(对于给定的总范围)增加极数对应于减小对外部场干扰的该公差。然而，只要实际的外部干扰场小于该公差裕度，传感器就可以在相对大的范围内(在示例中跨越多极)提供高度准确的唯一位置。

从图5(d)可以理解，不能使用在磁结构的左端和在磁结构的右端上的信号，但是在实践中，技术人员可以使磁结构略微大于待测量的范围。

虽然在图5的示例中，磁场分量的大小|Bxz|随相邻极对之间距离增加而增加(参见图5b)，并且这些磁场分量的平面内导数基本恒定(参见图5c)，但这不是绝对必需的，并且如果d[Bxz]/dx改变而导数本身不基本恒定的情况下本发明也将工作，只要精细信号Sf和粗略信号Sc的组合(例如，在查找表中以两个值的形式)是唯一的，即，对应于单个位置。这也意味着，即使粗略信号Sc(参见图5d)不单调增加，而是具有恒定部分，或者甚至具有局部下降，本发明仍将工作，只要两个信号Sf和Sc的组合是唯一的。

图6(a)是示出可以结合到图1的线性位置传感器设备102和/或图3的角位置传感器设备202中的传感器元件的示例性布置的示意性框图。图6(a)中所示的该传感器布置包含四个共线水平霍尔元件(由黑色正方形指示)和两个IMC元件(由灰色圆形指示)。如本领域中已知的(例如，根据WO2014029885A1)，此类结构可以被用于确定(例如，测量和/或计算)以平行于半导体衬底的方向定向的平面内磁场分量Bx和以垂直于传感器设备的半导体衬底的方向定向的平面外磁场分量Bz。

更具体地，如果由第一、第二、第三和第四霍尔元件提供的信号分别为HP1、HP2、HP3和HP4，则可以如下计算位置X处的Bx的值：

BxL＝HP1-HP2 [4.1],

并且可以如下计算位置X处的Bz值：

BzL＝HP1+HP2 [4.2],

并且可以如下计算位置X+ΔX处的Bx的值：

BxR＝HP3-HP4 [4.3],

并且可以如下计算位置X+ΔX处的Bz的值：

BzR＝HP3+HP4 [4.4]

根据直接或间接测量的这些磁场值BxL、BzL、BxR、BzR，可以计算其他值，例如以下中的一个或多个：

平面内场梯度(其中/ΔX的除法被省略了，因为它是恒定的)：

dBx＝HP1-HP2+HP4-HP3 [4.5]

平面外场梯度(其中/ΔX的除法被省略了，因为它是恒定的)：

dBz＝HP1+HP2-HP3-HP4 [4.6]

平均平面内场值：

|Bx|＝(BxL+BxR)/2 [4.7]

平均平面外场值：

|Bz|＝(BzL+BzR)/2 [4.8]

磁场的平均大小：

|Bxz|＝sqrt(sqr(Bx)+sqr(Bz)) [4.9]

|dBxz|＝sqrt(sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx))[4.10]

粗略信号：

Sc＝|Bxz|/|dBxz|| [4.11]

精细信号：

Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx) [4.12]

如上所解释的，Sc和Sf的组合随后得出X或α的单个值。

但是当然，本发明不限于这些特定公式，而变体也是可能的。例如，代替在公式[4.7]中计算BxL和BxR的平均值，还可以使用Bx＝BxL或Bx＝BxR。

作为另一变体，粗略信号Sc的值还可以被计算为NN/DD，其中NN代表分子，而DD代表分母，其中NN是√(Bx1*Bx1+Bz1*Bz1)或√(Bx1*Bx2+Bz1*Bz2)或√(Bx2*Bx2+Bz2*Bz2)或√(Bxavg*Bxavg+Bzavg*Bzavg)中的任何一个，而分母＝|dBxz|。受益于本公开的技术人员可以容易地想到其他变体。

图6(b)是示出可以结合到图1的线性位置传感器设备102和/或图3的角位置传感器设备202中的传感器元件的另一示例性布置的示意性框图。图6(b)中所示的传感器布置包含：间隔开距离ΔX1的两个水平霍尔元件HH1、HH2(不具有IMC)，以及间隔开第二距离ΔX2的两个垂直霍尔元件VH1、VH2，该第二距离ΔX2可等于ΔX1或大于ΔX1或小于ΔX1。两个水平霍尔元件HH1、HH2可以被用于在两个不同的位置处测量Bz场，并且两个垂直霍尔元件VH1、VH2可以被用于在两个不同的位置处测量Bx场。

更具体地，以下公式(如果在图1中使用)可用于确定位置X或(如果在图3中使用)可用于确定α：

第一位置处的平面外磁场分量可以被确定为：

BzL＝HH1 [5.1]

第二位置处的平面外磁场分量可以被确定为：

BzR＝HH2 [5.2]

根据这两个值，平面外磁场梯度dBz可以被计算为：

dBz＝HH1-HH2 [5.3]

第一位置处的平面内磁场分量可以被确定为：

Bx1＝VH1 [5.4]

第二位置处的平面内磁场分量可以被确定为：

Bx2＝VH2 [5.5]

根据这两个值，平面内磁场梯度dBx可以被计算如下：

dBx＝VH1-VH2 [5.6]

根据这些值，平均平面内磁场分量|Bx|可以被计算为：

|Bx|＝(BxL+BxR)/2 [5.7]

并且平均平面外磁场分量|Bz|可以被计算为：

|Bz|＝(BzL+BzR)/2 [5.8]

与图6(a)相似，基于这些值，可以例如基于以下公式来确定粗略信号Sc和精细信号Sf：

|Bxz|＝sqrt(sqr(Bx)+sqr(Bz)) [5.9]

|dBxz|＝sqrt(sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx))[5.10]

Sc＝|Bxz|/|dBxz|| [5.11]

Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx) [5.12]

如上所解释的，Sc和Sf的组合随后得出X或α的单个值。(注意，如果ΔX1不等于ΔX2，则可能需要使用略微不同的公式，但是这里无需更详细地解释此类细节，并且此类细节完全在受益于本公开的磁位置传感器领域的技术人员的范围内)。

图7(a)是示出可以结合到图2的线性位置传感器设备152和/或图4的角位置传感器设备252中的传感器元件的另一示例性布置的示意性框图。

图7中所示的传感器布置包含两个IMC结构，每个该IMC结构具有四个水平霍尔元件，并且可以被视为图6(a)的传感器布置的变体，其中：

水平霍尔元件HP1和HP2可用于确定位置U处的Bu，例如，使用公式：

BuL＝HP1-HP2 [6.1]

水平霍尔元件HP5和HP6可用于确定位置U处的Bv，例如，使用公式：

BvL＝HP5-HP6 [6.2]

水平霍尔元件HP3和HP4可用于确定位置U+ΔU处的Bu，例如，使用公式：

BuR＝HP3-HP4 [6.3]

水平霍尔元件HP7和HP8可用于确定位置U+ΔU处的Bv，例如，使用公式：

BvR＝HP7-HP8 [6.4]

根据直接或间接测量的这些磁场值BuL、BvL、BuR、BvR，可以计算其他值，例如以下中的一个或多个：

沿U方向的第一梯度(其中/ΔU的除法被省略，因为它是恒定的)：

dBu＝BuR-BuL [6.5]

沿U方向的第二梯度(其中/ΔU的除法被省略，因为它是恒定的)：

dBv＝BvR-BvL [6.6]

平均第一磁场分量值：

|Bu|＝(BuL+BuR)/2 [6.7]

平均第二磁场分量值：

|Bv|＝(BvL+BvR)/2 [6.8]

磁场的平均大小：

|Buv|＝sqrt(sqr(Bu)+sqr(Bv)) [6.9]

|dBuv|＝sqrt(sqr(dBu/du)+sqr(dBv/du))[6.10]

粗略信号：

Sc＝|Buv|/|dBuv|| [6.11]

精细信号：

Sf＝Arctan2(dBu/du,dBv/du) [6.12]

如上所解释的，Sc和Sf的组合随后得出X或α的单个值。

但是当然，本发明不限于这些特定公式，而变体也是可能的。例如，代替在公式[6.7]中计算BuL和BuR的平均值，还可以使用Bu＝BuL或Bu＝BuR。

图7(b)示出了包括四个垂直霍尔元件的传感器布置，该传感器布置可以结合到图2的线性位置传感器设备152和/或图4的角位置传感器设备252中。传感器布置包括：

-第一垂直霍尔件，配置用于测量位置U处以U方向定向的BuL，

-第二垂直霍尔件，配置用于测量位置U处以V方向定向的BvL，

-第三垂直霍尔件，配置用于测量位置U+ΔU处以U方向定向的BuR，

-第四垂直霍尔件，配置用于测量位置U+ΔU处以V方向定向的BvR。

如上所解释的，随后可以使用公式[6.5]至[6.12]或类似公式来获得粗略信号和精细信号，由此可以获得单个位置值X或α。

图8示出了可以在图1的线性位置传感器系统100或图3的角位置传感器系统200中使用的传感器设备800的示例性示意框图。

图8中所示的位置传感器设备800包括：多个四个磁传感器元件811、812、813、814，例如四个水平霍尔元件(如图6(a)中所示)或两个水平霍尔元件和两个垂直霍尔元件(如图6(b)中所示)，或四个垂直霍尔元件(如图7(b)中所示)，以用于提供第一和第二磁场分量(例如Bx和Bz、或Bu和Bv)，但是本发明不限于此，并且传感器设备可包括多于四个磁传感器元件，例如八个磁传感器元件(例如，八个水平霍尔元件，如图7(a)中所示)。

位置传感器设备800进一步包括处理单元815，该处理单元815适用于基于所述至少第一和第二磁场分量，例如使用公式[4.11]或[5.11]或[6.11]来计算粗略信号“Sc”。处理单元815进一步适用于确定第一空间梯度和第二空间梯度(例如，dBx/dx和dBz/dx或dBu/du和dBv/du)，并且适用于基于这些空间梯度，例如使用公式[4.12]或[5.12]或[6.12]来计算精细信号“Sf”。

处理单元815进一步适用于基于粗略信号Sc和精细信号Sf两者确定所述线性位置X或所述角位置α，例如使用查找表和插值，或以任何其他合适的方式。

处理单元815可包括可编程设备，该可编程设备适用于执行如上所述或如图14所示确定所述线位置或角位置的方法。

图9示出了产生可以用于图1或图2的线性位置传感器系统中的磁结构901的第一方法。该方法基于使用相对强的电流磁化磁性材料(本领域公知的技术，但不用于该特定拓扑)。所示出的是包括磁性材料的结构的表面的俯视图。在表面上方的短距离处，如所示地放置电导体，形成了之字形(zig-zag)，并且相对大的电流被注入通过导体，从而感应出大磁场，该磁场进入附图页(由x指示)，并从附图页中出来(由·指示)，只示出了一些向量。

图10示出了产生可以用于图1或图2的线性位置传感器系统中的磁结构的第二方法。

此类磁体结构可以例如通过用于制造粘结磁体的技术来生产。尽管对于等距磁体极，该技术已众所周知。通常，将包含磁性颗粒的称为“原料”的混合物注入模具的腔中，并且在模制期间，一个或多个永磁体位于腔的附近，但位于腔的外部。

图11示出了基于对磁性材料进行磁化产生可以用于图3或图4的角位置传感器系统中的磁结构的方法。与图9中所述的类似的技术加以必要修改可用于此。注意，在该附图中清楚地示出了α1<α2<α3<……<α9。在该特定示例中，极数(可通过面对环形表面之一的传感器设备看到，如图3中所示)为10，并且α9/α1的比率＝约2.63，并且乘法因子F＝α3/α2＝α2/α1＝大约1.13，但是如上所述，本发明不限于此，并且可以使用不同的极数和/或第一角距离与第二角距离之间的不同的比率，和/或不同的乘法因子F。

图12示出了可用于图1的角位置传感器系统的又一磁结构1201。磁结构包括用作保持器的非磁结构，该非磁结构具有多个开口，并且在每个开口中插入了永磁体。磁体可以被轴向磁化，或者磁化也可以是平面内或各向同性的。

与以上解释的相同的原则加以必要修改也适用于此。磁体可以是圆柱形磁体，但这不是绝对必需的。圆柱形磁体可以具有单个直径(如图所示)，或者可以具有不同直径(未示出)。重要的是磁体中心之间的距离变化。

传感器设备1202被定向成使得其半导体衬底垂直于磁体内部的剩余磁场的方向，并且使得其内部X轴(传感器元件沿该内部X轴间隔开)，例如如图6(a)或图6(b)中所示，平行于磁结构的X方向，离散磁体沿该X方向定位。

图13示出了图12的变体，其中传感器设备1252被定向成使得其半导体衬底平行于磁体内部的剩余磁场的方向，并且使得其内部U轴(传感器元件沿该内部U轴间隔开)，例如如图7(a)或图7(b)中所示，平行于磁结构的X方向，离散磁体沿该X方向定位。

图14示出了确定传感器设备(例如参见具有图6(a)或图6(b)或图7(a)或图7(b)的传感器配置的图8)相对于磁结构(例如参见图1或图2或图3或图4或图12或图13的磁结构)的位置的方法1400，该磁结构具有多个极，并且所述传感器设备包括多个磁传感器或传感器元件，并且其中磁结构相对于传感器设备是可移动的(例如，线性地或旋转地)，反之亦然，并且其中相邻极的中心之间的距离(Xpp、αpp)沿运动方向或沿运动轨迹变化。

方法包括以下步骤：

a)1401：确定以运动方向定向的第一磁场分量(例如，Bx或Bu)，以及以垂直于运动方向的方向定向的第二磁场分量(例如，Bz或Bv)，并且基于这些磁场分量计算粗略信号(Sc)；

b)1402：确定第一磁场分量沿运动方向的第一梯度(例如，dBx/dx或dBu/du)，以及第二磁场分量沿所述运动方向的第二梯度(例如，dBz/dx或dBv/du)，并且基于这些磁场梯度计算精细信号(Sf)；

c)1403：基于粗略信号(Sc)和精细信号(Sf)两者确定位置(例如X、α)。

Claims (16)

1.一种位置传感器系统(100；150；200；250；1200；1250)，用于确定传感器设备(102；152；252；1202；1252)相对于磁结构(101；201；1201)的位置(X，α)，所述系统包括：

-所述磁结构(101；201；1201)，包括多个极；

-所述传感器设备，包括多个磁传感器，所述传感器设备用于确定一个或多个磁场分量并且用于确定磁场梯度；

-所述磁结构相对于所述传感器设备在运动方向上或沿运动轨迹可移动(X、α)，反之亦然；

其特征在于，

-所述磁结构的相邻极的中心之间的距离(Xpp，αpp)沿所述运动方向或沿所述运动轨迹变化；

-所述传感器设备适于：

a)用于确定在基本平行于所述运动方向或正切于所述运动轨迹的第一方向(X；U)上定向的一个或多个第一磁场分量(Bx1，Bx2)，以及在基本垂直于第一方向(X；U)的第二方向(Z；V)上定向的一个或多个第二磁场分量(Bz1，Bz2)，并且用于基于这些磁场分量(Bx1，Bx2，Bz1，Bz2)计算粗略信号(Sc)；以及

b)用于确定所述一个或多个第一磁场分量沿所述第一方向(X；U)的第一梯度(dBx/dx；dBu/du)，以及所述一个或多个第二磁场分量(Bz；Bv)沿所述第一方向(X；U)的第二梯度(dBz/dx；dBv/du)，并且用于基于这些梯度计算精细信号(Sf)；以及

c)用于基于所述粗略信号(Sc)和所述精细信号(Sf)两者来确定所述位置(X，α)。

2.根据权利要求1所述的位置传感器系统(100；150；200；250；1200；1250)，其中所述传感器设备相对于所述磁结构可移动地布置在距所述磁结构基本恒定的距离(H)处。

3.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，

其中所述磁结构是多个离散永磁体的组件；

或者其中所述磁结构包括被磁化成具有以相反方向定向的多个极的单片磁性材料。

4.根据权利要求1所述的位置传感器系统(100；150；1200；1250)，其中所述磁结构具有线性轴的细长形状。

5.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其中所述磁结构具有弯曲轴的弯曲形状。

6.根据权利要求3所述的位置传感器系统，

其中所述磁性材料内部的剩余磁场(Brz)基本垂直于所述第一方向或基本平行于所述第二方向定向。

7.根据权利要求4所述的位置传感器系统，其中相邻极的中心之间的所述距离(Xpp，αpp)沿所述线性轴严格单调变化。

8.根据权利要求5所述的位置传感器系统，其中相邻极的中心之间的所述距离(Xpp，αpp)沿所述弯曲轴严格单调变化。

9.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中所述传感器设备包括：第一集成磁聚集器(IMC1)和布置在所述第一集成磁聚集器(IMC1)的相对侧上的第一和第二水平霍尔元件(HP1，HP2)；以及第二集成磁聚集器(IMC2)，所述第二集成磁聚集器(IMC2)位于距所述第一集成磁聚集器(IMC1)预定义距离(Δx)处；以及布置在所述第二集成磁聚集器(IMC2)的相对侧的第三和第四水平霍尔元件(HP3，HP4)，所述第一、第二、第三和第四水平霍尔元件是共线的；或者

其中所述传感器设备包括第一集成磁聚集器(IMC1)和布置在所述第一集成磁聚集器(IMC1)的边缘附近的第一组四个水平霍尔元件，以及位于距所述第一集成磁聚集器(IMC1)预定义距离(Δx)处的第二集成磁聚集器(IMC2)，以及布置在所述第二集成磁聚集器(IMC2)的边缘附近的第二组四个水平霍尔元件。

10.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中所述传感器设备包括在所述第一方向(X)上间隔开第一距离(Δx1)的两个水平霍尔元件(HH1，HH2)；

并且包括在所述第一方向(X)上间隔开第二距离(Δx2)的两个垂直霍尔元件(VH1，VH2)。

11.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中所述传感器设备适用于根据以下公式中的一个公式来计算所述粗略信号(Sc)：

Sc＝√[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/√[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)],

或者

Sc＝[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)]

其中Sc是所述粗略信号，√是平方根函数，sqr是平方函数，Bx是所述第一磁场分量，Bz是所述第二磁场分量，dBx/dx是所述第一磁场分量沿所述第一方向的梯度，dBz/dx是所述第二磁场分量沿所述第一方向的梯度。

12.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中所述传感器设备适用于根据以下公式来计算所述精细信号(Sf)：

Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx)

其中Sf是所述精细信号，Arctan2是2参数反正切函数，dBx/dx是所述第一磁场分量沿所述第一方向的所述梯度，dBz/dx是所述第二磁场分量沿所述第一方向的所述梯度。

13.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中所述传感器设备适用于通过基于所述精细信号(Sf)确定多个至少两个候选位置(xA，xB)，并且然后基于所述粗略信号(Sc)选择这些候选位置(xA，xB)中的一个位置来确定所述位置。

14.一种确定传感器设备(102；152；202；252；1202；1252)相对于磁结构(101；201；1201)的位置(X，α)的方法，所述磁结构具有多个极，所述传感器设备包括多个磁传感器，所述传感器设备用于确定一个或多个磁场分量并且用于确定磁场梯度，所述磁结构相对于所述传感器设备在运动方向上或沿运动轨迹可移动(X、α)，反之亦然；

其特征在于：

-所述磁结构的相邻极的中心之间的距离(Xpp、αpp)沿所述运动方向或沿所述运动轨迹变化；

并且该方法包括以下步骤：

a)确定在基本平行于所述运动方向或基本正切于所述运动轨迹的第一方向(X；U)上定向的一个或多个第一磁场分量(Bx1，Bx2)，以及在基本垂直于所述第一方向(X；U)的第二方向(Z；V)上定向的一个或多个第二磁场分量(Bz1；Bz2)，并且基于这些磁场分量(Bx1，Bx2，Bz1，Bz2)计算粗略信号(Sc)；以及

b)确定所述一个或多个第一磁场分量沿所述第一方向(X；U)的第一梯度(dBx/dx)，以及所述一个或多个第二磁场分量沿所述第一方向(X；U)的第二梯度(dBz/dx；dBv/du)，并且基于这些梯度计算精细信号(Sf)；

c)基于所述粗略信号(Sc)和所述精细信号(Sf)两者来确定所述位置(X，α)。

15.根据权利要求14所述的方法，

其中步骤a)包括：根据以下公式中的一个计算所述粗略信号(Sc)：

Sc＝√[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/√[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)],

或者

Sc＝[sqr(Bx)+sqr(Bz)]/[sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)]

其中Sc是所述粗略信号，√是平方根函数，sqr是平方函数，Bx是所述第一磁场分量，Bz是所述第二磁场分量，dBx/dx是所述第一磁场分量沿所述第一方向的梯度，dBz/dx是所述第二磁场分量沿所述第一方向的梯度；

和/或其中步骤b)包括：根据以下公式计算所述精细信号(Sf)：

Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx)

其中Sf是所述精细信号，Arctan2是2参数反正切函数，dBx/dx是所述第一磁场分量沿所述第一方向的所述梯度，dBz/dx是所述第二磁场分量沿所述第一方向的所述梯度；

和/或其中步骤c)包括：通过基于所述精细信号(Sf)确定多个至少两个候选位置(xA，xB)，并且然后基于所测得的粗略信号(Sc)选择这些候选位置(xA，xB)中的一个来确定所述位置。

16.一种适用于在根据权利要求1-12中任一项所述的位置传感器系统中使用的位置传感器设备(800)，所述位置传感器设备包括：

-半导体衬底；

-多个传感器元件(811，812，813，814)，用于在沿着第一方向间隔开预定义距离(Δx)的至少两个不同的位置(X1，X2)上确定在基本平行于所述衬底的第一方向(X；U)上定向的第一磁场分量(Bx1，Bx2；Bu1，Bu2)，以及用于在沿着所述第一方向间隔开所述预定义距离(Δx)的至少两个不同位置上确定在基本垂直于所述第一方向的第二方向(Z；V)上定向的第二磁场分量(Bz1，Bz2；Bv1，Bv2)，所述第二方向基本平行于所述衬底或基本垂直于所述衬底；

-处理单元(815)，适用于基于这些磁场分量(Bx1，Bx2，Bz1，Bz2)中的至少一些来计算粗略信号(Sc)；

-所述处理单元进一步适用于确定第一磁场分量(Bx)沿所述第一方向的第一梯度(dBx/dx；dBu/du)，以及所述第二磁场分量(Bz；Bv)沿所述第一方向的第二梯度(dBz/dx；dBv/du)，并且用于基于这些梯度计算精细信号(Sf)；

-所述处理单元(815)进一步适用于基于所述粗略信号(Sc)和所述精细信号(Sf)两者来确定所述位置(X，α)。

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