CN111981964A - 磁位置传感器系统、设备、磁体和方法 - Google Patents

磁位置传感器系统、设备、磁体和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁位置传感器系统、设备、磁体和方法。一种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)，该磁结构(101)包括多个非等距磁极；所述传感器设备，该传感器设备包括间隔开预定义的距离(Δx12、Δx23)的至少三个磁传感器(S1、S2、S3)；并且传感器设备适于：a)测量至少三个平面内磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)，并适于从中计算两个平面内场梯度；b)测量至少三个平面外磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)，并适于从中计算两个平面外场梯度；c)基于这些梯度来计算粗略信号(Sc)；d)基于这些梯度来计算精细信号(Sf)；e)基于粗略信号(Sc)和精细信号(Sf)来确定所述位置(X、α)。

Description

磁位置传感器系统、设备、磁体和方法
技术领域
本发明总体上涉及磁位置传感器设备、方法和系统的领域，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设备，并且 涉及特定磁体或磁结构。
背景技术
磁传感器系统，特别是线性位置传感器系统和角度位置传感器系统在本 领域中是已知的。它们提供的优点在于，在不进行物理接触的情况下能够测量 线性位置或角度位置，从而避免了机械磨损、刮擦、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 是高度稳健的、对外部干扰场是高度稳健的、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。典型的 示例是较大的测量范围与高精度之间的权衡。
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在于提供一种位置传感器设备以及一种确定位 置传感器设备相对于磁结构的位置的方法，并且提供一种包括此类设备以及此 类磁结构的位置传感器系统，以及一种在此类系统中使用的特定磁体或磁结构。
本发明的实施例的目的在于提供一种用于确定位置传感器设备相对于 具有多个磁极(例如，多个交替的磁极)的永磁体形式的磁结构的位置的位置 传感器设备、方法和系统。
本发明的实施例的目的还在于提供一种可以在此类位置传感器系统中 使用的磁结构和位置传感器设备。
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，以及具有相同特性的确定位置的方法。
本发明实施例的目的在于提供一种对外部干扰场基本上不敏感的位置 传感器设备、方法以及系统。
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)而不包括离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)， 其通常需要具有乘法累加指令的数字信号处理器(DSP)，并且通常还需要相 当地更多的随机存取存储器(RAM)。
本发明的实施例的目的在于提供使用一个或多个永磁体的位置传感器 设备、方法和系统，其中位置确定对于所述(多个)磁体的去磁基本上是稳健 的。
这些目的通过位置传感器系统、和通过用于确定位置的方法、和通过位 置传感器设备、以及通过根据本发明的实施例的磁体或磁结构来实现。
根据第一方面，本发明提供一种用于位置感测系统中的位置传感器设备， 其中该位置传感器设备相对于具有多个磁极的磁结构是可移动的，该位置传感 器设备包括：半导体衬底；至少三个传感器(例如，S1、S2、S3)，该至少三 个传感器(例如，S1、S2、S3)用于测量至少三个第一磁场分量(例如，Bx1、 Bx2、Bx3)(在本文中也称为“平面内磁场分量”)并且用于测量至少三个第二 磁场分量(例如，Bz1、Bz2、Bz3)(在本文中也称为“平面外磁场分量”)， 该至少三个第一磁场分量(例如Bx1、Bx2、Bx3)在至少三个不同位置(例如， X1、X2、X3)上按基本上平行于衬底的第一方向(例如，X)取向，该至少 三个不同位置(例如，X1、X2、X3)沿第一方向间隔开预定义的距离(例如， S1和S2之间的Δx12以及例如S2和S3之间的Δx23)，该至少三个第二磁场 分量(例如，Bz1、Bz2、Bz3)在所述至少三个不同的位置(例如X1、X2、 X3)上按取向成基本上垂直于衬底的第二方向(例如，Z)取向；处理单元， 该处理单元适于：a)计算沿第一方向的第一磁场分量(例如Bx1、Bx2、Bx3) 的两个第一梯度(例如，ΔBx12/Δx12、ΔBx23/Δx23)(在本文中也称为“平面 内梯度”)；b)计算沿第一方向的第二磁场分量(例如Bz1、Bz2、Bz3)的两 个第二梯度(例如，ΔBz12/Δx12、ΔBz23/Δx23)(在本文中也称为“平面外梯 度”)；c)基于第一梯度和第二梯度中的至少一些或全部来计算粗略信号(Sc)； d)基于第一梯度和第二梯度中的至少一些来计算精细信号(Sf)；e)基于粗 略信号(Sc)和精细信号(Sf)来确定位置(例如，X、α)。
应注意，第一传感器S1与第二传感器S2之间的预定义距离Δx12可以 同第二传感器S2与第三传感器S3之间的预定义距离Δx23相同，但这不是绝 对必需的。通过适当地缩放各个差异可以容易地考虑不同的距离。优选地，三 个传感器彼此等距，即Δx12＝Δx23。
在四个传感器的情况下，第一传感器与第二传感器之间的距离Δx12优 选地等于第三传感器与第四传感器之间的距离Δx34，但这不是绝对必需的。优 选地，四个传感器彼此等距，即Δx12＝Δx23＝Δx34。
至少三个传感器或至少四个传感器可以位于虚拟线上(共线)，但这不 是绝对必需的。
粗略信号指示在第一范围内(例如，在对应于由多个磁极跨越的距离的 整个范围内)的相对位置。精细信号指示在作为第一范围的子集的第二范围内 (例如，在对应于两个相邻磁极的范围内)的相对位置。
该位置传感器设备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。
该位置传感器设备的优点在于可以使用相对简单的控制器来确定位置， 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 表的基本操作而不需要例如离散傅立叶变换(DFT)。应注意，测角函数本身 也可以使用查找表和可选的插值来执行。
该位置传感器设备的主要优点在于，精细信号以及粗略信号两者均基于 对(基本恒定的)外部干扰场(也称为“杂散场”)不敏感的梯度信号，因此， 组合的信号对外部杂散场也高度不敏感。
该位置传感器设备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。
优点在于，传感器设备相对于磁结构的位置由精细信号和粗略信号的组 合唯一地限定。即使粗略信号没有严格单调变化，也是如此。
该位置传感器设备以及该设备在其中使用的位置传感器系统的优点在 于，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，精细信号和粗略信号至少包含一些冗余。取决于应用，该信息可用于检 测错误状况。
该位置传感器设备，以及在其中使用该设备的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，通电后)的情况下，唯一地确 定传感器设备相对于磁结构的位置。
优选地，移动轨迹位于单个平面中。优选地，传感器设备包括取向成平 行于所述单个平面的半导体衬底。至少三个平面内磁场分量(例如，Bx1、Bx2、 Bx3)优选地沿移动方向(在线性移动轨迹的情况下)或与移动轨迹相切(在 移动轨迹是圆形或弯曲的情况下)被测量。至少三个平面外磁场分量(例如， Bz1、Bz2、Bz3)优选地被取向成垂直于半导体平面。
位置传感器设备优选地被取向成使得第一方向(例如，X)按与(相对) 移动的方向平行或相切的方向取向。因此，第一(或“平面内”)磁场分量(例 如Bx)与相对移动的方向平行或相切，而第二(或“平面外”)磁场分量(例 如Bz)被取向成垂直于(相对)移动的方向。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器(例如，S1、S2、 S3)，并且适于计算作为两个第一梯度(例如，ΔBx12/Δx12、ΔBx23/Δx23) 和两个第二梯度(例如，ΔBz12/Δx12、ΔBz23/Δx23)的函数的粗略信号(Sc)。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器(S1、S2、S3)， 并且适于基于第一值(v1)和第二值(v2)的线性组合(例如，差)来计算粗 略信号(Sc)，第一值(v1)是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得 的分量信号的第一(平面内)梯度和第二(平面外)梯度的函数(例如，测角 函数)，并且第二值(v2)是从第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的分量信号的第一(平面内)梯度和第二(平面外)梯度的函数(例如，测角函 数)。该函数可以是测角函数，例如，反正切函数或arctan2函数。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器，并且适于计算作为 第一比率(R1)和第二比率(R2)的函数(例如，测角函数或多项式表达式) 的粗略信号(Sc)，其中，第一比率(R1)被计算为从第一传感器(S1)和第 二传感器(S2)获得的第一(平面内)梯度与第二(平面外)梯度的比率，并 且其中第二比率(R2)被计算为从第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得 的第一(平面内)梯度和第二(平面外)梯度的比率。这可被写成如下：
R1＝(ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
R2＝(ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23),
Sc＝f(R1,R2)。
由于R1的分母和分子中存在Δx12，因此可以省略除以Δx12的除法。同 样，在R2中可以省略除以Δx23的除法。因此，这可以简化为：
R1＝ΔBx12/ΔBz12,
R2＝ΔBx23/ΔBz23,
Sc＝f(R1,R2)。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器，并适于基于以下公 式来计算粗略信号(Sc)：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23),
delta＝(v1-v2+n*360°),
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于 从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，atan2或arctan2是两参数反正 切函数，ΔBx12/Δx12是从第一传感器和第二传感器获得的第一磁场分量(Bx1、 Bx2)的第一梯度(或“平面内梯度”)，ΔBx23/Δx23是从第二传感器和第三传 感器获得的第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一传 感器和第二传感器获得的第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度(或“平面外 梯度”)，并且ΔBz23/Δx23是从第二传感器和第三传感器获得的第二磁场分量 (Bz2、Bz3)的第二梯度。
出于与上文解释的相同原因，可以省略除以Δx12的除法和除以Δx23的 除法，并且因此v1和v2的公式可以简化为：
v1＝arctan2(K*ΔBx12,ΔBz12)，以及
v2＝arctan2(K*ΔBx23,ΔBz23)。
K可以是等于1.0的预定义常数。K可以是不同于1.0的预定义常数， 例如小于0.95或大于1.05。在一些实施例中，将K确定为温度的函数K(T)。 为此，位置传感器设备可以包括温度传感器。该温度传感器可以被配置用于在 任何位置测量衬底温度。
可以选择K的值，使得对于传感器设备相对于磁体的特定位置， K*dBx/dx的大小基本上等于dBz/dx的大小，或者K*ΔBx12的大小在设想的 测量范围内基本上等于ΔBz12的大小。K的值或函数K(T)的值或参数可以 在校准或模拟期间被确定，并且可以被存储在非易失性存储器中。
在实施例中，位置传感器设备包括至少四个磁传感器，并且适于基于以 下公式集合来计算粗略信号(Sc)：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34),
Δ＝(v1-v2+n*360°),
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于 从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，atan2或arctan2是两参数反正 切函数，ΔBx12/Δx12是从第一传感器和第二传感器获得的第一磁场分量(Bx1、 Bx2)的第一梯度(或“平面内梯度”)，ΔBx34/Δx34是从第三传感器和第四传 感器获得的第一磁场分量(Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一传 感器和第二传感器获得的第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度(或“平面外 梯度”)，并且ΔBz34/Δx34是从第三传感器和第四传感器获得的第二磁场分量 (Bz3、Bz4)的第二梯度。
因为arctan2函数基于其两个参数的比率，因此v1和v2的公式可以简 化为：
v1＝arctan2(K*ΔBx12,ΔBz12),
v2＝arctan2(K*ΔBx34,ΔBz34)。
如上文所提及，K可以是等于1.0的预定义常数，或者K可以是不同于1.0的预定义常数，或者K可以由温度的函数K(T)确定。
这些公式的优点在于，粗略信号对磁体的退磁效应基本上不敏感，但是， 此外，由于该信号基于差分信号，因此对于外部干扰场是稳健的。应注意，粗 略信号可以在感兴趣的测量范围内单调增加或单调减小，但这不是绝对必需的。 替代地，对于每个要测量的位置，特定的精细信号值和对应的粗略信号值的组 合都是唯一的。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器(S1、S2、S3)或 至少四个传感器(S1、S2、S3、S4)，并且适于基于两个第一梯度(ΔBx12/Δx12、 ΔBx23/Δx23)的比率，或基于两个第二梯度(ΔBx34/Δx34、ΔBz34/Δx34)的 比率来计算精细信号(Sf)。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器(S1、S2、S3)或 至少四个传感器(S1、S2、S3、S4)，并且适于基于两个第一梯度的比率的测 角函数，或基于两个第二梯度(ΔBx34/Δx34、ΔBz34/Δx34)的比率的测角函数 来计算精细信号(Sf)。
在实施例中，位置传感器设备包括至少三个传感器，并适于基于以下公 式中的一个来计算精细信号(Sf)：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx13/Δx13,ΔBz13/Δx13)
其中Sf是精细信号，atan2或arctan2是两参数反正切函数，K是预定义 常数或是温度的预定义函数，ΔBx12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感 器(S2)获得的第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从第 二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第 一梯度，ΔBx13/Δx13是从第一传感器(S1)和第三传感器(S3)获得的第一 磁场分量(Bx1、Bx3)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的第二磁场分量(Bz1，Bz2)的第二梯度，ΔBz23/Δx23 是从第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的第二磁场分量(Bz2、Bz3) 的第二梯度，ΔBz13/Δx13是从第一感器(S1)和第三传感器(S3)获得的第 二磁场分量(Bz1、Bz3)的第二梯度。
如上文所提及，K可以是等于1.0的预定义常数，或者K可以是不同于 1.0的预定义常数，或者K可以由温度的函数K(T)确定。
出于与上文所提及的相同的原因，Sf的公式可以简化为：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12,ΔBz12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23,ΔBz23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx13,ΔBz13)
在实施例中，位置传感器设备包括等距地布置的至少三个传感器，并适 于基于以下公式集合来计算精细信号(Sf)：
Δ2Bx/Δx2＝(ΔBx23/Δx)-(ΔBx12/Δx)
Δ2Bz/Δx2＝(ΔBz23/Δx)-(ΔBz12/Δx)
Sf＝arctan2(L*Δ2Bx/Δx2,Δ2Bz/Δx2),
其中L是预定义的常数，或者是温度的函数。这些公式也可以写成：
d2Bx＝(ΔBx23-ΔBx12),
d2Bz＝(ΔBz23-ΔBz12),
Sf＝arctan2(L*d2Bx,d2Bz).
在实施例中，位置传感器设备包括至少四个传感器，并适于基于以下公 式中的一个来计算精细信号(Sf)：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34)
其中Sf是精细信号，atan2或arctan2是两参数反正切函数，K是预定义 常数或是温度的预定义函数，ΔBx12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感 器(S2)获得的第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从第 二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第 一梯度，ΔBx34/Δx34是从第三传感器(S3)和第四传感器(S4)获得的第一 磁场分量(Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，ΔBz23/Δx23 是从第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的第二磁场分量(Bz2、Bz3) 的第二梯度，ΔBz34/Δx34是从第三感器(S3)和第四传感器(S4)获得的第 二磁场分量(Bz3、Bz4)的第二梯度。
出于与上文所提及的相同的原因，这些公式也可以被写成：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12,ΔBz12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23,ΔBz23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx34,ΔBz34)
但是当然，也可以基于从传感器S1和传感器S3获得的信号、或者从 S1和S4获得的信号、或者从S2和S4获得的信号的比率的反正切函数来确定 Sf。
在实施例中，位置传感器设备包括等距地布置的四个传感器，并适于基 于以下公式的集合来计算精细信号(Sf)：
Δ2Bx/Δx2＝(ΔBx34/Δx)-(ΔBx12/Δx)
Δ2Bz/Δx2＝(ΔBz34/Δx)-(ΔBz12/Δx)
Sf＝arctan2(L*Δ2Bx/Δx2,Δ2Bz/Δx2),
其中L是预定义的常数，或者是温度的函数。这些公式也可以写成：
d2Bx＝ΔBx34-ΔBx12,
d2Bz＝ΔBz34-ΔBz12,
Sf＝arctan2(L*d2Bx,d2Bz)
优点在于，精细信号Sf(或从其中导出的值)基本上对退磁效应不敏 感，因为它是基于比率的。
优点在于，精细信号Sf对于(恒定的)外部干扰场是高度稳健的，因 为它是基于磁场梯度的。
在实施例中，传感器设备适用于通过仅基于精细信号来确定多个至少两 个候选位置(例如，xA、xB)，然后还考虑粗略信号来选择这些候选位置中 的一个来确定所述位置。
第二步骤(选择)可以包括选择候选位置，对于该候选位置，粗略信号 偏离于与所述精细信号相关联的预定义的粗略位置最小。
在实施例中，每个磁传感器包括集成磁聚集器(IMC)和一对布置在磁 聚集器相对侧上的两个水平霍尔元件，如图4a或图4b所图示。
优选地，多个磁传感器的水平霍尔元件是共线的。
优点在于，每个包括一对水平霍尔元件和磁聚集器的此类“磁传感器” 可以在一个传感器位置处测量Bx和Bz。因此，三个此类“磁传感器”允许在三 个不同的传感器位置处测量Bx和Bz的值。相邻传感器结构的Bx值和Bz值 的成对减法允许计算梯度(或空间导数)。
在实施例中，每个磁传感器包括水平霍尔元件和垂直霍尔元件，例如如 图5a和图5b所图示。
优选地，水平霍尔元件的中心之间的距离Δx12、Δx23与垂直霍尔元件 的中心之间的距离相同，但这不是绝对必需的。
在实施例中，垂直霍尔元件的中心之间的距离比水平霍尔元件的中心之 间的距离大例如至少5％至10％，而不必增加衬底的尺寸。以此方式，从垂直 霍尔元件获得的信号可以(稍微)增加，因此，SNR可以稍微增加，并且可以 改善所确定的位置的精度。
在实施例中，位置传感器设备包括在第一方向上等距地间隔开第一距离 的三个水平霍尔元件；并且包括在第一方向上等距地间隔开第二距离的三个垂 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(不 具有IMC)适于在三个不同的传感器位置处测量(取向成垂直于传感器衬底的) 平面外磁场向量Bz。三个垂直霍尔元件适于测量(取向成平行于传感器衬底 的)平面内磁场向量Bx。通过在三个不同的传感器位置处确定Bx和Bz，可 以通过成对减法计算出两个梯度(或空间导数)dBx/dx和dBz/dx。
根据第二方面，本发明还提供一种确定位置感测系统中的位置传感器设 备的位置的方法，其中该位置传感器设备相对于具有多个磁极的磁结构是可移 动的，并且其中该位置传感器设备包括：半导体衬底、至少三个传感器、以及 处理单元，该至少三个传感器用于测量至少三个第一磁场分量(例如，Bx1、 Bx2、Bx3)并且用于测量至少三个第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2、Bz3)， 该至少三个第一磁场分量(Bx1,Bx2,Bx3)在至少三个不同位置(例如，X1、 X2、X3)上按基本上平行于衬底的第一方向(例如，X)取向，该至少三个不 同位置(X1、X2、X3)沿着第一方向间隔开预定义的距离(例如，Δx12、Δx23)， 该至少三个第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)在所述至少三个不同位置上按取 向成基本上垂直于所述衬底的第二方向(例如，Z)取向；该方法包括以下步 骤；a)在所述至少三个位置(例如，X1、X2、X3)中测量第一磁场分量(例 如，Bx1、Bx2、Bx3)，并计算沿着第一方向的第一磁场分量的两个第一梯度 (例如，ΔBx12/Δx12、ΔBx23/Δx23)；b)在所述至少三个位置中测量第二磁 场分量(例如，Bz1、Bz2、Bz3)，并计算沿着第一方向的第二磁场分量的两 个第二梯度(例如，ΔBz12/Δx12、ΔBz23/Δx23)；c)基于第一梯度和第二梯 度中的至少一些来计算粗略信号(Sc)；d)基于第一梯度和第二梯度中的至 少一些来计算精细信号(Sf)；e)基于粗略信号(Sc)和精细信号(Sf)来确 定位置(例如，X、α)。
如上文所述，该方法的主要优点在于，可以确定唯一的位置、由于精细 信号该位置是准确的、由于粗略信号可以确定绝对位置、由此所确定的位置对 磁降级和外部干扰场(如果存在)基本不敏感。
另一个优点是，该方法可以由简单的处理器执行(例如，以中等时钟速 度(例如低于40MHz)运行的8位或16位处理器)。
在实施例中，粗略信号(Sc)和精细信号(Sf)中的每一个均从平面内 磁场梯度(例如，dBx/dx)和平面外磁场梯度(例如，dBz/dx)的比率中导 出。
在实施例中，步骤c)包括：基于第一值和第二值(例如v1、v2)的线 性组合(例如，差)来计算粗略信号(Sc)，第一值(v1)是从第一传感器(S1) 和第二传感器(S2)获得的分量信号的第一(平面内)梯度和第二(平面外) 梯度的函数(例如，测角函数)，并且第二值(v2)是从第二传感器(S2)和 第三传感器(S3)获得的分量信号的第一(平面内)梯度和第二(平面外)梯 度的函数(例如，测角函数)。该函数可以是测角函数，例如，反正切函数或arctan2函数。
在实施例中，步骤c)包括：基于以下公式的集合来计算粗略信号(Sc)， 包括：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23),
Δ＝(v1-v2+n*360°)，
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于 从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，arctan2是两参数反正切函数， ΔBx12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的第一磁场分量 (Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从第二传感器(S2)和第三传感器 (S3)获得的第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一 传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二 梯度，并且ΔBz23/Δx23是从第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的第 二磁场分量(Bz2、Bz3)的第二梯度。
如上文所提及，K可以是等于1.0的预定义常数，或者K可以是不同于 1.0的预定义常数，或者K可以由温度的函数K(T)确定。
如上文所述，v1和v2的公式可以通过省略除以Δx12的除法和除以Δx23 的除法而被简化。
在实施例中，步骤c)包括：基于第二公式集合来计算粗略信号(Sc)， 包括：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34),
Δ＝(v1-v2+n*360°)，
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ位于 0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，arctan2是两参数反正切函数，ΔBx12 /Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的第一磁场分量(Bx1、 Bx2)的第一梯度，ΔBx34/Δx34是从第三传感器(S3)和第四传感器(S4)获 得的第一磁场分量((Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一传感器(S1) 和第二传感器(S2)获得的第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，以及 ΔBz34/Δx34是从第三传感器(S3)和第四传感器(S4)获得的第二磁场分量 (Bz3、Bz4)的第二梯度。如上文所提及，K可以是等于1.0的预定义常数， 或者K可以是不同于1.0的预定义常数，或者K可以由温度的函数K(T)确 定。
如上文所述，v1和v2的公式可以通过省略除以Δx12的除法和除以Δx34 的除法来被简化。
在实施例中，步骤d)包括：计算从所述至少三个传感器中的两个传感 器(例如，S1和S2、或S1和S3、或S2和S3)获得的信号的第一(平面内) 磁场梯度和第二(平面外)磁场梯度的函数的精细信号(Sf)。该函数可以是 测角函数，例如，反正切函数或arctan2函数。
在实施例中，步骤d)包括：基于以下公式中的一个来计算精细信号(Sf)：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34)
其中Sf是精细信号，arctan2是两参数反正切函数，K是预定义常数或是 温度的预定义函数，ΔBx12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2) 获得的第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从第二传感器 (S2)和第三传感器(S3)获得的第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度， ΔBx34/Δx34是从第三传感器(S3)和第四传感器(S4)获得的第一磁场分量 (Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器 (S2)获得的第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，ΔBz23/Δx23是从第二 传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的第二磁场分量(Bz2、Bz3)的第二 梯度，ΔBz34/Δx34是从第三感器(S3)和第四传感器(S4)获得的第二磁场 分量(Bz3、Bz4)的第二梯度。
如上文所述，Sf的公式可以通过省略除以Δx12的除法和除以Δx23的除 法以及除以Δx34的除法来简化。
但是当然，也可以基于从传感器S1和传感器S3获得的信号、或者从 S1和S4获得的信号的、或者从S2和S4获得的信号的比率的反正切函数来确 定Sf。
在实施例中，步骤d)包括：根据以下公式集合，基于二阶梯度来计算 精细信号(Sf)：
Δ2Bx/Δx2＝(ΔBx23/Δx)-(ΔBx12/Δx)
Δ2Bz/Δx2＝(ΔBz23/Δx)-(ΔBz12/Δx)
Sf＝arctan2(L*Δ2Bx/Δx2,Δ2Bz/Δx2),
其中L是预定义的常数，或者是温度的函数，
或根据以下公式的集合：
Δ2Bx/Δx2＝(ΔBx34/Δx)-(ΔBx12/Δx)
Δ2Bz/Δx2＝(ΔBz34/Δx)-(ΔBz12/Δx)
Sf＝arctan2(L*Δ2Bx/Δx2,Δ2Bz/Δx2)。
如上文所述，Sf的这些公式可以通过省略/Δx的除法和除以Δx2的除 法来简化。
在另一个或进一步的实施例中，步骤e)包括：通过基于精细信号(Sf) 确定多个至少两个候选位置(例如，xA、xB)并且然后基于粗略信号(Sc) 选择这些候选位置(例如，xA、xB)中的一个来确定所述位置。
步骤e)可以包括：选择显示出与对应于该(例如，在校准步骤期间所 确定的并被存储在非易失性存储器中的)精细信号的预定粗略信号最小偏差的 候选。传感器设备可以包括例如具有至少三列的查找表，第一列存储精细信号 Sf的值，第二列存储粗略信号Sc的值，第三列存储沿移动方向或沿移动轨迹 的实际位移的值，并且该方法可以包括例如使用插值(例如线性插值)寻找最 佳匹配值的步骤。
根据第三方面，本发明还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品 用于在根据第一方面的位置传感器设备上执行时执行根据第二方面的方法。
根据第四方面，本发明还提供一种位置传感器系统，该系统包括：根据 第一方面的位置传感器设备；包括多个磁极的磁结构；磁结构相对于位置传感 器设备在移动方向上或沿着移动轨迹是可移动的(或反之亦然)；其中，磁结 构的相邻磁极的中心之间的距离(例如，Xpp、αpp)沿着移动方向或沿着移动 轨迹变化；其中，传感器设备被被取向成使得其第一轴线(例如，X)与移动 方向或移动轨迹相切。
在实施例中，位置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磁极对。
这意味着，当沿着其轨迹移动时，传感器设备适于面对至少四个或至少 五个等的磁极。
在实施例中，磁结构是具有多个离散永磁体的组件。
在实施例中，磁结构包括被磁化以便具有多个磁极的单片磁性材料，其 中，相邻的磁极按相反的方向取向。
在实施例中，磁结构具有带纵轴的(整体)细长形状(例如，具有基本 上线性形状)。
这被称为“线性位置传感器系统”，在该情况下，位置传感器设备可适于 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“角度位置传感器系统”，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。弯曲的轴可以但不必一定是封闭的。例如，它可以是圆圈段或圆弧段。
在实施例中，磁性材料内部的剩余磁场被取向成基本垂直于所述(例如， 线性或弯曲)轴。
优选地，传感器设备包括单个半导体衬底，并且磁性材料内部的剩余磁 场被取向成垂直于所述半导体衬底。
在实施例中，磁性材料内部的剩余磁场被取向成基本上平行于所述第二 轴(例如，Z)。
在实施例中，相邻的磁极的中心之间的所述距离沿所述第一轴严格单调 变化。换句话说，当从磁结构的开始位置移动到结束位置时，磁极中心之间的 距离对于遇到的每个新磁极增加或减小。
在另一实施例中，相邻磁极的中心之间的所述距离在第一部分上增加而 在第二部分上减小。
根据第五方面，本发明还提供一种轴向或径向磁化的环形磁体，其包括 多个交替的磁极，其中，在以沿顺时针方向测量时，在环形磁体的周边处测量 的相邻磁极中心之间的角度距离(αi)在整个360°范围的第一角度部分上增 大并且整个360°范围的第二角度部分上减小。
磁极可具有饼区段的形状，在这种情况下，轴向或径向磁化的环形磁 体包括多个饼区段，这些饼区段跨过环形磁体的外围的不同圆弧段。
在实施例中，环形磁体恰好具有四个饼区段，这四个饼区段具有四个 不同的相邻饼尺寸，即尺寸1、尺寸2、尺寸3、尺寸4，其中尺寸1是最小尺 寸，并且尺寸3是最大尺寸，并且其中尺寸1＜尺寸4＜尺寸2<尺寸3，或其 中尺寸1<尺寸2<尺寸4<尺寸3。
在实施例中，环形磁体恰好具有六个饼区段，这六个饼区段具有六个 不同的相邻饼尺寸，即，尺寸1、尺寸2、尺寸3、尺寸4、尺寸5、尺寸6， 其中尺寸1是最小尺寸，尺寸4是最大尺寸，并且其中尺寸1<尺寸6<尺寸2 <尺寸5<尺寸3<尺寸4，或者其中尺寸1<尺寸6<尺寸2<尺寸3<尺寸5< 尺寸4，或者其中尺寸1<尺寸2<尺寸6<尺寸5<尺寸3<尺寸4，或者其中 尺寸1<尺寸2<尺寸6<尺寸3<尺寸5<尺寸4。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。来自从属 权利要求的特征可与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适 当地而不仅仅是如在权利要求中明确阐述地那样组合。
根据下文所描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将会是明 显的，并且将参考这些实施例来阐明本发明的这些和其他方面。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的示例性线性位置传感器系统的示意性框 图。
图2是根据本发明的实施例的示例性角度位置传感器系统的示意性框 图。图2的(a)部分以俯视图示出了传感器系统，而图2的(b)部分以透视 图示出了传感器系统。可以看出，传感器设备被安装在轴外(即，偏离旋转轴， 距磁体轴为非零距离处)。
图3(a)至图3(h)示出了与图1的示例性线性位置系统相关的信号， 图示本发明的一些原理。
图4a和图4b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2的角度位置传感器系统中。图4a的传感器设备包含三 个共线传感器，图4b的传感器设备包含四个共线传感器。这些传感器中的每 一个传感器都包含一对布置在IMC元件相对侧的水平霍尔元件。
图5a和图5b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2的角度位置传感器系统中。图5a的传感器设备包 含三个共线传感器，图5b的传感器设备包含四个共线传感器。这些传感器中 的每一个传感器均包含水平霍尔元件和垂直霍尔元件。
图6示出了可以用于图1或图2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7图示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的线性位置传感器系统中的磁结构的第一方法。
图8图示了产生可以用于图1的线性位置传感器系统中的磁结构的第二 方法。
图9图示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2的角度位置传感器系统中的磁结构的方法。
图10图示了可用于图1的线性位置传感器系统中的又一磁结构。
图11图示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。
图12(a)示出了根据本发明实施例的另一线性位置传感器系统的示意 性框图，其中，磁结构的相邻磁极之间的距离在磁结构的第一部分中增大而在 磁结构的第二部分中减小，图12(a)可以看作是图1的变型。
图12(b)示出了根据本发明的实施例的另一线性位置传感器系统的示 意性框图，该线性位置传感器系统包括被定位成彼此相邻的如图12(a)中所 描述的两个磁体。
图13(a)至图13(c)示出了可通过图12(a)的位置传感器获得的 信号，图13(a)至图13(c)所示的信号可以看作是图3(e)至图3(g)的 信号的变型。
图14(a)和图14(b)分别以俯视图和透视图示出了根据本发明的实 施例的轴向磁化的环形磁体，该环形磁体可以看作是图2中所示的环形磁体的 变型。环形磁体的相邻磁极之间的距离在环形磁体的第一部分中增加而在环形 磁体的第二部分中减小。
图15示出了根据本发明的实施例的角度位置传感器系统，该角度位置 传感器系统包括如图14(a)和图14(b)所示的磁体的轴向磁化的磁体以及 面向磁体的圆形或环形底表面的、被定位成从旋转轴偏移的位置传感器设备。
图16(a)至图16(c)示出了可通过图15的位置传感器获得的信号， 图16(a)至图16(c)所示的信号可以看作是图3(e)至图3(g)的信号的 变型。
图17(a)和图17(b)分别以俯视图和透视图示出了根据本发明的实 施例的径向磁化的环形磁体，该环形磁体可以看作是图2中以及图14(a)和 图14(b)中所示的环形磁体的变型。环形磁体的相邻磁极之间的距离在环形 磁体的第一部分中增加而在环形磁体的第二部分中减小。
图18示出了根据本发明的实施例的角度位置传感器系统，该角度位置 传感器系统包括如图17(a)和图17(b)所示的磁体的径向磁化的磁体以及 面向环形磁体的圆柱形侧面的、被定位在磁体的外部的位置传感器设备。
这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说目的，可将要 素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘制。权利要求书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，相同的附图标记指代相同或相似的要 素。
具体实施方式
将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，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的并且是非限制性的。在 附图中，出于解说目的，可将要素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘制。 尺寸和相对尺寸并不对应于对本发明实际的真实缩小比例。
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能够以与本文中所描述或图示的顺序不同的顺序来 进行操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性的目的并 且不一定用于描述相对位置。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能够以与本文中所描述或图示的 取向不同的取向来进行操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制于其后列出 的手段；它并不排除其他元件或步骤。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”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于 本发明，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 全部是指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中， 如从本公开文本对本领域普通技术人员将显而易见的，特定的特征、结构或特 性能以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，本发明的各种 特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，此种公开方法不 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，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公 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 被明确纳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实 施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些 特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解 的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实 施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均 能以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而要理解，可以在 没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。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。传感器设备通常包括半导体衬 底。
在本文档中，术语“传感器平面”或“由传感器设备的衬底限定的平面” 含义相同。它们指代平行于半导体衬底的平面。
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 惠斯通电桥等或其组合。
在本文档中，表达“向量的平面内分量”和“磁场分量在传感器平面内的 投影”含义相同。如果传感器设备在半导体衬底中实现，则这也意味着“磁场分 量平行于半导体平面”。平面内分量可以进一步指定为Bx分量和By分量。如 本文所使用，Bx分量在线性位置传感器的情况下通常指代在平行于移动方向 的方向上的平面内分量，或者在弯曲轨迹的情况下指代在与移动轨迹相切的方 向上的平面内分量，而By分量指代垂直于Bx分量的(例如，在角度位置传 感器的情况下径向地指向的)分量。
在本文档中，表达“向量的平面外分量”和“向量的Z分量”以及“场分量 在垂直于传感器平面的轴上的投影”含义相同。
在本文档中，除非从上下文中清楚地意味其他含义，否则表达“空间导 数”或“导数”或“空间梯度”或“梯度”被用作同义词。在本发明的上下文中。梯度 被确定为在X方向上间隔开的两个位置处测量的两个值之间的差，其中在线性 位置传感器的情况下，X方向意指“平行于移动的方向”，或在弯曲移动轨迹(例 如角度位置传感器)的情况下，X方向意指“与移动轨迹相切”。
在本文档中，除非从上下文中清楚地意指仅一幅图，否则参考图4a-4b 意指图4a和图4b两者。同样，当参考图5a-5b时，参考图5a和图5b。
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(例如，绝对位置传感器系统)和方法。
本发明提供一种用于位置感测系统中的位置传感器设备，其中该位置传 感器设备相对于具有多个磁极的磁结构是可移动的，该位置传感器设备包括： 半导体衬底；至少三个传感器(例如S1、S2、S3)，该至少三个传感器(例 如S1、S2、S3)用于测量至少三个第一磁场分量(例如Bx1、Bx2、Bx3)(在 本文中也称为“平面内磁场分量”)并且用于测量至少三个第二磁场分量(例如， Bz1、Bz2、Bz3)(在本文中也称为“平面外磁场分量”)，该至少三个第一磁 场分量(例如Bx1、Bx2、Bx3)在至少三个不同位置(例如，X1、X2、X3) 上按基本上平行于衬底的第一方向(例如，X)取向，该至少三个不同位置(例 如，X1、X2、X3)沿第一方向间隔开预定义的距离(例如，S1与S2之间的 Δx12，例如S2与S3之间的Δx23)，该至少三个第二磁场分量(例如，Bz1、 Bz2、Bz3)在所述至少三个不同的位置(例如X1、X2、X3)上按基本上垂直 于衬底定向的第二方向(例如，Z)取向；处理单元，该处理单元适于：a)计 算沿第一方向的第一磁场分量(例如Bx1、Bx2、Bx3)的两个第一梯度(例如 ΔBx12/Δx12、ΔBx23/Δx23)(在本文中也称为“平面内梯度”)；b)计算沿第 一方向的第二磁场分量(例如Bz1、Bz2、Bz3)的两个第二梯度(例如ΔBz12/Δx12、 ΔBz23/Δx23)(在本文中也称为“平面外梯度”)；c)基于第一梯度和第二梯 度中的至少一些或全部来计算粗略信号(Sc)；d)基于第一梯度和第二梯度 中的至少一些来计算精细信号(Sf)；e)基于粗略信号(Sc)和精细信号(Sf) 来确定位置(例如，X、α)。
本发明还提供：位置传感器系统，该位置传感器系统包括此类位置传感 器设备和具有多个磁极的磁结构，其中该位置传感器设备相对于磁结构是可移 动的，或者反之亦然。
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属性的特定磁场。据发明人所知，此类磁 结构及其属性在本领域中是未知的。
本发明至少部分地基于以下见解(参见例如图3(a)至图3(h))：
(1)平面内磁场分量(Bx)和平面外磁场分量(Bz)基本上相移90° (如图3(a)中所示)，以及
(2)这些磁场分量(Bx、Bz)的大小|Bx|和|Bz|随着相邻磁极对之间的 距离增加而增加(如图3(b)所示)，(因此，在距磁体预定义的距离处测量 的两个场分量的平方和不是恒定的)，以及
(3)这些磁场分量的平面内导数(即，d/dx)被证明是基本上恒定的 (参见图3(c))，尽管场分量本身的大小(例如，基本上线性地)增加，因 为磁极的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)平面内导数(dBx/dx)与平面外导数(dBz/dx)的比率基本上与 实际磁场强度无关，因此精细信号(Sf)对退磁效应基本上不敏感，以及
(5)精细信号基本上与外部干扰场(特别是恒定干扰场)无关，因为 精细信号基于磁场梯度；以及
(6)从梯度信号中导出粗略信号Sc也是可能的，因此精细信号“Sf” 以及粗略信号“Sc”两者基本上都与外部干扰场无关。
这些特征的组合为位置传感器系统提供了独特的属性，即高精度(精细 定位)、测量范围大(尽管精度高)、对外部干扰场是稳健的并且对退磁是稳 健的。
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102相对于磁结构101是可移动的，意味着磁结构101可能是固定 的而传感器设备102是可移动的，或者传感器设备102是固定的而磁结构101 是可移动的，或者传感器设备102和磁结构101两者都是可移动的。
本发明将在假定磁结构101是固定的而传感器设备102是可移动的情况 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被布置在垂直于传感器平面的Z方向上距磁结 构101基本上恒定的距离H(例如大约0.5至大约5.0mm)处，并且可以在基 本上平行于磁结构的表面的X方向上移动，因此保持距磁结构101恒定的距离 “H”。
磁结构101包括以特定方式磁化的磁性材料。所示出的是磁结构的垂直 截面，并且箭头示出了磁性材料内部的剩余磁场按正Z方向或负Z方向取向， 因此垂直于移动方向X。
本发明的基本思想之一是磁结构101具有不等距地定位的多个磁极P1、 P2、P3等，但相邻极的中心之间的距离是变化的。优选地，距离严格单调地 变化，尤其意味着所有距离都是不同的。
在图1的示例中，磁结构101具有10个磁极P1……P10，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磁极的磁结构，例 如从3到50、或从4到50、或从5到50的范围内的任何数量，或者从3到30 的范围内的任何数量，或者从4到20的范围内的任何数量。
在图1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的示例中，从图1的左侧到图1 的右侧，该距离单调增加，表示d1<d2<d3<...<d9。发明人发现，基于传感器 设备102可以测量的信号，可以唯一地确定传感器设备102在X轴上的位置， 并且该位置具有高精度(例如，具有比如果磁结构101将包含仅两个或仅三个 或仅四个等距磁极的情况下可能的精度更高的精度)，如将在讨论图3(a) 至图3(h)时进一步解释的那样。另外，本发明的传感器设备具有对外部干扰 场(如果存在的话)降低的敏感度，或者换句话说，具有对外部干扰场(如果 存在的话)改善的稳健性。
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]可以被选 择为基本上等于距离d[i]乘以因子F，该因子F取决于应用而在从大约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3(a)至图3(h)时， 其影响将变得清楚。
虽然图1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，在大约从110％至大约800％的范围内 的任何比率，或在大约从150％至大约400％的范围内的比率。
在其他实施例中，距离d[i]随磁极数量线性地变化，或随磁极数量平方 地变化。
在图1的变体中，磁性材料基本上在移动方向上(例如在纵轴X的方 向上)被磁化，该方向例如正X轴或负X轴。
图2是根据本发明的实施例的示例性角度位置传感器系统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“角度距离”，并且“线性X轴上的移位”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 P1、P2、……P10，这些磁极P1、P2、……被不等距地定位，但相邻磁极的中 心之间的角度距离α1、α2、......是变化的，使得α1<α2<...<α9(还参见图9)。 该结构可以被轴向地磁化，或者磁化可以是平面内的(例如，径向地取向或切 向地取向)，或者该结构可以在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，传感器设备 202相对于磁结构201的参考位置的角度位置α可以被唯一地确定，并且具有 高精度(例如，比如果磁结构将包含仅三个或仅四个磁极的情况下可能的精度 更高)，并以对外部干扰场高度稳健的方式。
关于乘法因子F(例如，是在从大约103％至大约200％的范围内的值) 和比率dmax/dmin(在该示例中表示角度距离)的相同或相似的注释也适用于 此。
但是，磁极中心之间的距离也能以另一种单调增加的方式变化，例如(随 磁极数量)线性地或平方地变化。
在图2中，具有三个正交的轴X、Y、Z的坐标系被附加至传感器设备， 并且Z轴被取向成平行于磁体的旋转轴，并且X轴被取向成与以虚线示出的 假想圆正切，X轴是移动的方向。X-Y平面平行于传感器设备的衬底。Z轴与 所述衬底正交。除非以其他方式明确提到，否则在本发明的所有实施例中都 是这种情况。
图3(a)至图3(h)示出了与图1的示例性线性位置系统相关的信号， 图示本发明的一些原理。
图3(a)示出了磁性材料内部的剩余磁场Brx、Brz。注意，剩余磁化 可以沿着Brz和Brx，或者仅沿着Brz，或者仅沿着Brx。
图3(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)。 该附图还(以虚线)示出值|B|，值|B|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(但是对于本发明工作不是绝对必需的)。发现如果磁极的中心 被定位成相距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。
发明人想到确定这些信号在X方向上的空间梯度。图3(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)。
尽管对于本发明不是必需的，但图3(c)还(以虚线)示出值|dB|，值 |dB|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(但对于本发明工作不是绝对必需的)。
发明人还想到计算作为场梯度dBx/dx与dBz/dx的函数的信号“Sf”，更 具体地，作为函数：
Sf＝Arctan2(dBx/dx,dBz/dx) [3]
(函数arctan2也称为atan2-函数。不熟悉该函数的读者可以例如在 “https://en.wikipedia.org/wiki/Atan2”上找到更多信息)
从图3(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。
如图4a、图4b和图5a、图5b所图示，信号“Sf”可以基于从位于位置 X1处的第一传感器S1获得的信号Bx1和Bz1并且根据从位于位置X2处的第 二传感器S2获得的信号Bx2和Bz2来生成。
发明人想到在位置X3处添加第三传感器S3并且想到根据从第二传感 器S2获得的信号和从第三传感器S3获得的信号来确定第二梯度。再次计算公 式[3]时，但现在基于来自第二传感器和第三传感器的信号来获得另一个锯齿函 数Sf2，该锯齿函数Sf2可以用数学方式表示为：
Sf2＝Arctan2(ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23) [4]
其中ΔBx23＝(Bx3-Bx2)，并且ΔBz23＝(Bz3-Bz2),
其中Bx2、Bx3是分别从第二传感器和第三传感器获得的平面内场分量，而Bz2、Bz3是分别从第二传感器和第三传感器获得的平面外场分量。
图3(e)在单个绘图中示出了两个锯齿函数Sf和Sf2。如可以领会的 是，Sf2的波形非常类似于Sf的波形，但是在X轴上略有偏移。
发明人进一步想到对Sf和Sf2进行减法从而得到图3(f)所示的波形。 或者更确切地说，图3(f)示出了本文中称为“Δ(Sf，Sf2)”的函数，该函数 定义为：
Δ(Sf,Sf2)＝Sf-Sf2+n*360° [5]
其中n是整数，其被选择为使得Δ处于从0°至360°(包括0°，但不包括360°) 的范围内。如可以看出，该函数在从大约10mm到大约40mm的感兴趣范围 内基本上单调减小，并且发明人想到将该函数用作粗略信号Sc。
图3(f)示出了该函数的倒数1/Δ(Sf,Sf2)，该函数的倒数1/Δ(Sf,Sf2) 在感兴趣的范围内基本上单调增加，并且发明人意识到该函数也可以用作粗略 信号Sc。倒数信号稍微更加线性，并且可以提供稍微更好的结果。受益于本公 开的技术人员将理解，还可以使用从Δ函数导出的其他信号，例如，Sc＝A*Δ 或Sc＝A/Δ，其中A是预定义常数。
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和Sc两者均基于梯度信号，因 此所确定的(例如线性或角度)位置对外部干扰场(如果存在)高度不敏感。
下面的示例将解释可以如何确定唯一位置，而本发明不限于该示例，或 者甚至不限于该方法，因为还可以使用其他方法。参考图3(h)，假设值Sf 产生值50°，并且假设函数Sc产生值0.017。如图3(h)所指示，存在具有值 Sf＝50°的多个可能的位置(每个锯齿上一个)。例如，考虑与点“A”(白色圆 圈)和点“B”(白色三角形)以及点“C”(白色正方形)相关联的三个候选xA、 xB、xC。然后，函数Sc＝0.017可用于确定这些候选中的哪一个是最可能的候 选。在所示示例中，点“a”(黑色圆圈)对应于Sc＝0.012，点“b”(黑色三角形) 对应于0.017，以及点“c”(黑色正方形)对应于Sc＝0.020。因此，在此示例 中，点B是最可能的点，因为点“b”的Sc值偏差最小。
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。
由于信号Sc基于磁场梯度，因此(理想情况下)它应该对恒定的外部 磁干扰场完全不敏感，因为梯度抵消恒定的场。然而，可以领会的是，该传感 器系统还对非恒定的外部干扰场具有降低的敏感度，因为在消除外部干扰场的 恒定部分之后，仅保留了二阶效应。
因此，实际上，(在设备的实际使用期间所确定的)值Sc可能与(在 校准期间所确定的)所存储的(或插值的)值Sc稍微不同，但是可以领会的 是，在上文所述的算法“选择错误的齿”之前外部干扰需要很高。因此，上文所 述的算法对外部干扰场是高度地稳健。公差裕度可以被领会为等于步长ε的大 约一半。因此，步长ε越大，传感器系统对外部干扰场就更加容忍。只要实际 的外部干扰场小于该公差裕度，传感器设备就可以在相对大的范围内(在示例 中跨越多个磁极)提供正确且高精度的唯一位置。
从图3(h)可以领会，不能使用在磁结构的左端上和在磁结构的右端 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。
注意，在上文示例中，粗略信号Sc被选择为等于图3(g)所示的倒数 Δ函数，但本发明不限于此，并且例如图3(f)所示的Δ函数本身也可以用作 粗略信号Sc。
出于完整性，应注意，即使粗略信号Sc(参见图3(f)或图3(g)， 在从大约10mm至大约40mm的范围中)不单调增加或不单调减小，但例如， 具有恒定部分，或甚至具有局部下降，只要两个信号Sf和Sc的组合对于X 轴上的每个位置都是唯一的，则本发明仍将工作。
发明人还发现，如果第一梯度信号和第二梯度信号的大小不同，则在确 定反正切函数之前，优选将梯度中的一个乘以因子K。因此，因子K可以是等 于1.0的预定义常数，或者可以是不同于1.0的预定义常数，例如小于0.95或 大于1.05。在一些实施例中，因子K还可以使用温度的预定义函数K(T)来 确定。K的值或预定义函数K(T)的值或参数可以被存储在非易失性存储器 中。
发明人还发现，可以基于二阶梯度来计算精细信号“Sf”，该二阶梯度可 以作一阶梯度之间的差来计算，例如如下，假定传感器S1、S2、S3被等距离 地间隔：
Δ2Bx/Δx2＝(ΔBx23/Δx)-(ΔBx12/Δx) [8a]
Δ2Bz/Δx2＝(ΔBz23/Δx)-(ΔBz12/Δx) [8b]
Sf＝arctan2(Δ2Bx/Δx2,Δ2Bz/Δx2) [8c]
图4a和图4b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2的角度位置传感器系统中。图4a的传感器设备包含三 个共线传感器S1、S2、S3。图4b的传感器设备包含四个共线传感器S1、S2、 S3、S4。
每个传感器均包含被布置在集成磁聚集器(IMC)元件(由灰色圆圈 指示)的相对侧上的一对水平霍尔元件(由黑色正方形指示)。如本领域中所 知(例如，从WO2014029885A1中所知)，此类结构可以用于确定(例如， 测量和/或计算)X方向(即，假想线穿过水平霍尔元件的方向)上的平面内磁 场分量Bx和(垂直于传感器平面的方向上的)平面外磁场分量Bz。
在图4a中，第一传感器S1与第二传感器S2之间的距离为ΔX12，而 S2与S3之间的距离为ΔX23。优选地，S1与S2之间的距离等于S2与S3之 间的距离，但这不是绝对必需的，因为梯度可被计算为ΔB/Δx(或梯度可与 ΔB/Δx成比例)。如果距离相同，则梯度可以被计算为ΔB(或与ΔB成比例)。 如果距离不相等，则可以使用适当的缩放比例。
更具体地，如果由第一、第二、第三、第四霍尔元件提供的信号分别是 HP1、HP2、HP3和HP4，
则位置X1处的Bx的值可以被计算为：
Bx1＝HP1-HP2 [6.1],
并且位置X1处的值Bz可以被计算为：
Bz1＝HP1+HP2 [6.2],
并且位置X2＝X1+ΔX12处的Bx的值可以被计算为：
Bx2＝HP3-HP4 [6.3],
并且位置X2＝X1+ΔX12处的Bz的值可以被计算为：
Bz2＝HP3+HP4 [6.4]
根据直接或间接测量的这些磁场值Bx1、Bz1、Bx2、Bz2，可以计算其他值， 例如以下各项中的一项或多项：
X1处的平面内场梯度：
dBx(X1)＝(Bx2-Bx1)/ΔX12＝HP1-HP2+HP4-HP3 [6.5]
X1处的平面外场梯度(其中假定ΔX12＝ΔX23，则/ΔX的除法被省略)：
dBz(X1)＝(Bz2-Bz1)/ΔX12＝HP1+HP2-HP3-HP4 [6.6]
X1处的精细信号：
Sf＝Arctan2(dBx(X1),dBz(X1)) [6.7]
基于从传感器S2和S3获得的信号，可以编写类似的公式来计算X2处的 梯度：
Bx2＝HP3-HP4 [6.8],
Bz2＝HP3+HP4 [6.9],
Bx3＝HP5-HP6 [6.10],
Bz3＝HP5+HP6 [6.11]
X2处的平面内场梯度：
dBx(X2)＝(Bx3-Bx2)/ΔX23＝HP3-HP4+HP6-HP5 [6.12]
X2处的平面外场梯度：
dBz(X2)＝(Bz3-Bz2)/ΔX23＝HP3+HP4-HP5-HP6 [6.13]
X2处的精细信号：
Sf2＝Arctan2(dBx(X2),dBz(X2)) [6.14]
根据本发明的方面，然后基于Sf与Sf2之间的差来计算粗略信号Sc，例如基 于以下公式：
Δ＝Sf-Sf2+n*360° [6.15]
其中n是整数，其被选择为使得Δ处于从0°至360°(包括0°，但不包 括360°)的范围内。
Sc＝Δ [6.16a]
或Sc＝1/Δ [6.16b]
如上文所解释，然后Sc和Sf的组合产生X或α的单个值。
注意，如果ΔX12不等于ΔX23，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。
在图4b中，第一传感器S1与第二传感器S2之间的距离为ΔX12，S2 与S3之间的距离为ΔX23，并且S3与S4之间的距离为ΔX34。优选地，出于 与上文所提及的相同的原因，S1与S2之间的距离等于S3与S4之间的距离， 但这不是绝对必需的。四个传感器S1、S2、S3、S4可以等距地定位，但这不 是必需的。距离ΔX23可以大于或小于ΔX12。实际上，传感器S3甚至可以位 于传感器S1与传感器S2之间。
对于这种传感器设备，经适当修改后可以导出一组类似的公式。更具 体地，公式[6.1]至[6.7]也是适用的，但是公式[6.8至6.16]将基于传感器S3和 S4的信号而不是传感器S2和传感器S3的信号来计算。
关于图3(a)至图3(h)中提及的因子K的相同注释也适用于图4a 至图4b中。
在四个传感器的情况下，还可以基于二阶梯度来计算精细信号“Sf”，该 二阶梯度可以再次被计算为一阶梯度之间的差。在这种情况下，传感器S1与 传感器S2之间的距离Δx12优选地与传感器S3与传感器S4之间的距离Δx34 相同。S2与S3之间的距离Δx23也可以与Δx12相同，但这不是绝对必需的。 在这种情况下，可以使用以下公式：
Δ2Bx/Δx2＝(ΔBx34/Δx)-(ΔBx12/Δx) [9a]
Δ2Bz/Δx2＝(ΔBz34/Δx)-(ΔBz12/Δx) [9b]
Sf＝arctan2(Δ2Bx/Δx2,Δ2Bz/Δx2) [9c]
图5a和图5b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 感器元件的其他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100中和/或图2的角度位置传感器系统200中。图5a的传感 器设备包含三个共线传感器，图5b的传感器设备包含四个共线传感器。每个 传感器均包含不具有IMC的水平霍尔元件(由正方形指示)和垂直霍尔元件 (由矩形指示)。
水平霍尔元件适于测量垂直于传感器平面(例如半导体衬底)的Z方 向上的磁场分量Bz。垂直霍尔元件被取向成以便测量磁场的Bx分量，该磁场 的Bx分量按X方向取向，该X方向为移动的方向或与移动轨迹相切(例如， 在角度位置传感器的情况下，则与圆相切)的方向。
在图5a中，第一传感器S1与第二传感器S2之间的距离为ΔX12，而 S2与S3之间的距离为ΔX23。优选地，S1与S2之间的距离等于S2与S3之 间的距离，但这不是绝对必需的，因为梯度可被计算为ΔB/Δx(或梯度可与 ΔB/Δx成比例)。如果距离相同，则梯度可以被计算为ΔB(或与ΔB成比例)。 实际上，水平霍尔元件之间的距离不需要等于垂直霍尔元件之间的距离。
图5a所示的传感器设备可以测量三个不同位置处的平面内场分量Bx 和平面外场分量Bz。更具体地，传感器S1可以测量位置X1处的Bx1和Bz1， 传感器S2可以测量位置X2处的Bx2和Bz2，并且传感器S3可以测量位置 X3处的Bx3和Bz3。
更具体地，如果由第一、第二、和第三水平霍尔元件提供的信号分别是 HH1、HH2、HH3，并且由第一、第二、和第三垂直霍尔元件提供的信号分别 是VH1、VH2、VH3，
则第一位置X1处的平面外磁场分量可以被确定为：
Bz1＝HH1 [7.1]
第二位置X2处的平面外磁场分量可以被确定为：
Bz2＝HH2 [7.2]
根据这些值，X1处的平面外磁场梯度dBz可以被计算为：
dBz(X1)＝HH1-HH2 [7.3]
第一位置X1处的平面内磁场分量可以被确定为：
Bx1＝VH1 [7.4]
第二位置X2处的平面内磁场分量可以被确定为：
Bx2＝VH2 [7.5]
根据这些磁场值，X1处的平面内磁场梯度dBx可以被计算为：
dBx(X1)＝VH1-VH2 [7.6]
与图4a和图4b类似，基于这些值，可以基于以下公式来确定X1处的精 细信号Sf：
Sf＝Arctan2(dBx(X1),dBz(X1)) [7.7]
以类似的方式，基于从S2和S3获得的信号，可以计算X2处的精细信号 Sf2，如下：
Sf2＝Arctan2(dBx(X2),dBz(X2)) [7.8]
并且可以基于Sf与Sf2之间的差来定义粗略信号，例如基于：
Δ＝Sf-Sf2+n*360° [7.9]
其中n是整数，其被选择成使得Δ处于从0°至360°(包括0°，但不包 括360°)的范围内。
Sc＝Δ [7.10a]
或Sc＝1/Δ [7.10b]
如上文所解释，然后Sc和Sf的组合产生X或α的单个值。
注意，如果ΔX12不等于ΔX23，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。
在图5b中，第一传感器S1与第二传感器S2之间的距离为ΔX12，S2 与S3之间的距离为ΔX23，并且S3与S4之间的距离为ΔX34。优选地，出于 与上文所提及的相同的原因，S1与S2之间的距离等于S3与S4之间的距离， 但这不是绝对必需的。四个传感器S1、S2、S3、S4可以等距地定位，但这不 是必需的。距离ΔX23可以大于或小于ΔX12。实际上，传感器S3甚至可以位 于传感器S1与传感器S2之间。
对于这种传感器设备，经适当修改后可以导出一组类似的公式。更具体 地，公式[7.1]至[7.7]也是适用的，但是公式[7.8至7.10]将基于传感器S3和S4 的信号而不是传感器S2和传感器S3的信号来计算。
图6示出了可以在图1的线性位置传感器系统100或图2的角度位置传 感器系统200中使用的传感器设备600的示意性框图。
位置传感器设备600包括：多个传感器元件611-618(例如，水平霍尔 元件和/或垂直霍尔元件)，允许确定在间隔开预定义距离的至少三个不同位 置X1、X2、X3上的至少三个平面内磁场分量Bx1、Bx2、Bx3和至少三个平 面外磁场分量Bz1、Bz2、Bz3，例如如图4a、图4b和图5a、图5b所示。
位置传感器设备600进一步包括处理单元620，该处理单元620适于计 算两个不同位置(图4a和图5b中的X1和X2；或图4b和图5b中的X1和 X3)处的平面内场梯度dBx/dx(也表示为dBx)和平面外场梯度dBz/dx(也 表示为dBz)，并适于基于这些梯度信号来计算精细信号“Sf”和粗略信号“Sc”， 例如使用公式[6.1]至[6.16]和[7.1]至[7.10]中的一个或多个。
处理单元620进一步适于基于粗略信号Sc和基于精细信号Sf两者来确 定所述线性位置X或所述角度位置α，例如，如图3(h)中所解释，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620可包括可编程设备，该可编程设备适用于执行如上文所述 或将如图11所述的确定所述线性位置或角度位置的方法。
在一些实施例中，位置传感器设备可以进一步包括连接到处理单元620 的温度传感器(未示出)，在其中K是温度的函数的实施例中，该温度传感器 可用于计算K的值。
图7图示了产生可以用于图1的线性位置传感器系统中的磁结构701 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8图示了产生可以用于图1的线性位置传感器系统中的磁结构的第二 方法。此类磁结构可以例如通过用于制造接合的磁体的技术来产生。尽管对于 等距磁体磁极，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体中，并且在模制期间，一个或多个永磁体位于腔体的附 近，但位于腔体的外部。
图9图示了基于对磁性材料进行磁化来产生可以用于图2的角度位置传 感器系统中的磁结构的方法。与图7中所述的类似的技术加以必要修改可用于 此。注意，在该图中清楚地示出了α1<α2<α3<...<α9。在此特定示例中， (如图2所图示，可由面对环形表面中的一个环形表面的传感器设备看到的) 磁极的数量为10，并且α9/α1的比率＝大约2.63，并且乘法因子F＝α3/α2＝α2/ α1＝大约1.13，但是如上文所述，本发明不限于此，并且可以使用不同的磁极 数量和/或第一角度距离与第二角度距离之间不同的比率、和/或不同的乘法因子F，或者角度距离可以作为磁极数的线性函数单调变化，或者平方地变化， 或者以任何其他合适的方式变化。
图10图示了可用于图1的角度位置传感器系统的又一磁结构1001。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1003a、1003b等可以被轴向地磁化，或者磁化也可以 是平面内或各向同性的。
与以上解释原理的相同的原理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)， 或者可以具有不同的直径(未示出)。重要的是磁体的中心之间的距离是变化 的。
图11图示了确定传感器设备(例如参见具有图4a或图4b或图5a或图 5b的传感器配置的图6)相对于具有多个磁极的磁结构(例如参见图1或图2 或图10的磁结构)的位置的方法1100，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(例如，线性地或旋转 地)可移动的，或反之亦然，并且其中相邻磁极的中心之间的距离(Xpp、αpp) 沿着移动方向或沿着移动轨迹变化。
方法包括以下步骤：
a)测量1101至少三个平面内磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)，并计算这 些平面内磁场分量的两个平面内磁场梯度(例如，ΔBx12/Δx、ΔBx23/Δx)；
b)测量1102至少三个平面外磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)，并计算两 个平面外磁场梯度(例如ΔBz12/Δx、ΔBz23/Δx)；
c)基于这些梯度来计算1103粗略信号“Sc”；
d)基于这些梯度来计算1104精细信号“Sf”；
e)基于粗略信号“Sc”和精细信号“Sf”例如使用查找表和插值来确定 1105所述位置X、α。
图12(a)示出了可以被看作图1的变型的另一线性位置传感器系统1200 的示意性框图。如可以在图12(a)中看出，相邻磁极中心之间的磁极距离沿 着传感器设备的移动方向X变化，但是与图1相反，图12(a)的磁结构的磁 极之间的距离不会从磁结构1201的一端到另一端单调地增加或减小，但是该 距离在磁结构的第一部分上增加，并且在磁结构的第二部分上减小。在图12 (a)的特定示例中，当考虑从图的左端到右端的距离时，该距离首先从d1增 加到d5，并且然后从d6减小到d9。
由图12(a)的磁结构1201创建的磁场将与由图1的磁结构101创建 的磁场不同，并且传感器设备1202(例如，通过使用非易失性存储器保存不同 的值或不同的多项式系数)被相应地适配，如图13(a)至图13(c)中更详 细地解释。然后，由于仍然基于粗略信号Sc和精细信号Sf来计算线性位置， 并且由于粗略信号Sc和精细信号Sf仍然是从一个或多个梯度信号(例如，从 沿X方向的磁场分量Bx的梯度dBx/dx和/或从沿X方向的磁场分量Bz的梯度dBz/dx，X方向是相对移动的方向，Z方向垂直于X)，因此主要原理保持 不变。
图13(a)至图13(c)示出了与图3(e)至图3(g)的那些信号类似 的信号，但图13(a)至图13(c)示出的信号针对图12(a)的磁体结构。尽 管图3(g)的粗略信号由于就精细信号曲线而言这会得到更好的定义的交点(更 加垂直)因而可能优于图3(f)的粗略信号，但图13(b)的粗略信号Sc1的 斜率和图13(c)的粗略信号Sc2的斜率有所不同。取决于实现方式，可以使 用粗略信号Sc1、Sc2中的一者或两者。
在实施例中，图13(b)的信号Sc1被用作粗略信号，并且基于图13 (a)的精细信号Sf1、Sf2中的一者与Sc1结合来计算线性位置。
在另一实施例中，图13(c)的信号Sc2被用作粗略信号，并且基于图13(a)的精细信号Sf1、Sf2中的一者与Sc2结合来计算线性位置。
返回参考图12(a)，距离d1-d5可以在所述第一部分上根据第一因子 F1增加，并且可以在所述第二部分上根据与第一因子F1不同的第二因子F2 减小。从图13(b)和图13(c)可以领会，其效果是粗略信号Sc1、Sc2将 在第一部分和第二部分上具有不同的“斜率”，这可以帮助增加Sc值和Sf值的 组合在整个范围上是唯一的概率。如上文已指示(在讨论图1时)，可以使用 因子1和因子2的许多值，例如在从大约111％至大约800％或从111％至400％的范围内。实际上，不要求距离以乘法方式变化，尽管这对于理解和描述是 方便的。距离是不同的就足够了。
优选地，磁结构1201是不对称的。
图12(b)示出了系统1250，该系统1250包括至少两个如图12(a) 所示的磁结构1201a、1201b，每个结构具有不同的因子(例如，F1、F2、F3、 F4)。同样，此处使用的因子仅出于便于说明的目的，但它们并非绝对必需的。 距离是不同的就足够了。在所示的特定示例中，该系统包括：(i)第一磁结构 1201a，该第一磁结构1201a与图12(a)的磁结构相同，该第一磁结构1201a 具有第一部分和第二部分，在第一部分中距离按因子F1增加，在第二部分中 距离按不同于F1的因子F2减小，以及(ii)第二磁结构1201b，该第二磁结 构1201b具有第一部分和第二部分，在第一部分中距离按与F1和F2不同的因 子F3增加，在第二部分中距离减按与F1到F3中的任何一个都不相同的因子 F4减少。
尽管图12(b)的系统仅包含两个不同的磁结构1201a、1201b，但当然 本发明不限于此，并且在其他实施例中，系统1250可以具有3个不同的磁体 或4个不同的磁体，或者甚至更多的磁体，从而允许在甚至更大的范围上以高 精度并且以抵抗外部干扰场和抵抗磁性降级和温度变化高度稳健的方式确定 唯一的位置。
使用具有彼此相邻安装的具有增加的磁极距离的第一部分和具有减小 的磁极距离的第二部分的磁结构的优点在于，在不同的磁结构之间的转变附近， 磁信号将更平滑地变化，而不是突然地变化。这提供了进一步的优点在于，从 其导出的(多个)粗略信号Sc和(多个)精细信号Sf可以是更稳定的，并且 从其导出的线性位置可以更加精确。实际上，尽管未明确示出，但是如图12(b) 所示的组合的磁结构将具有含四个区域的粗略信号：与因子F1相关的第一区 域、与因子F2相关的第二区域、与因子F3相关的第三区域、以及与因子F4 相关的第四区域，但与图13(a)至图13(c)所示的信号的左端和右端相较 之下，有利地，组合的结构的信号将不仅在第一区域与第二区域之间、在第三 区域与第四区域之间平滑地变化，而且在第二区域与第三区域之间也平滑地变 化。由于这四个区域中的每个区域的斜率不同，因此精细信号的特定值对应于 仅一个粗略信号的概率非常高，这可以通过使用特定维度和因子执行模拟来轻 松地验证。
传感器设备1252可通过首先仅基于精细信号确定一组候选位置，然后 还通过查看粗略信号(或多个粗略信号)来选择这些候选位置中的最佳位置， 以如上文所述的方式(参见例如图3(h))相同或类似的方式找到相对于组合 的磁结构1251的唯一位置。以此方式，可以相对于由两个(或更多个)磁结 构形成的总长度来确定唯一位置。
在替代实施例中，位置传感器系统(未示出)包括四个不同的磁结构， 例如，每个磁结构(如图1所示)具有以不同的预定义因子F1至F4单调增加 的距离：
i)具有针对第一区域的因子F1的第一磁结构，
ii)具有针对第二区域的因子F2的第二磁结构，但是转过180°，使得 第一磁结构的末端和第二磁结构的开始端之间的转变不那么突然，
iii)具有针对第三区域的因子F3的第三磁结构，
ii)具有针对第四区域的因子F4的第四磁结构，但是转过180°，使得 第三磁结构的末端和第四磁结构的开始端之间的转变不那么突然。
通过选择四个不同的因子F1至F4，将获得与图12(b)所示的磁结构 相同或非常相似的磁结构。能以与上文所述的方式类似的方式来模拟由此类结 构生成的磁场，并且曲线类似于图13(a)至图13(c)所示的那些曲线，但 是可以生成具有两个增加部分和两个减少部分的曲线，并且传感器设备可以被 配置成以与上文所述的方式类似的方式沿着该组合的磁结构找到唯一的位置。
图14(a)和图14(b)分别以俯视图和透视图示出了轴向磁化的环形 磁体1401。该磁体可以看作是图2所示的环形磁体的变型。磁体1401包括多 个磁极(在该示例中：在顶表面处可以看到10个磁极)。例如当沿顺时针方 向在外围“行走”时，相邻磁极的中心之间的角度距离α1、α2、α3、α4、α5、α6 (在环形磁体的外围测量)在环形磁体的第一部分(从α1到α6)上增加，并 且角度距离α6、α7、α8、α9、α10、α1在环形磁体的第二部分(从α6到α10) 上减小。(逆时针方向也是如此)。或以数学术语表示，在图14(a)所示的 示例中，α1为最小角度距离并且α6为最大角度距离，并且α1<α2<α3<α4< α5<α6，且α6>α7>α8>α9>α10。可以看出，通过选择与α1仅稍有不同的 α10，从α10到α1(或反之亦然)的转变将非常平滑。
或简单地说，图14(a)和图14(b)示出了环形磁体，该环形磁体被 轴向磁化并且具有多个不同尺寸的“饼区段(pie segment)”。尺寸以此类方式 变化，即，当从具有最小尺寸的饼开始并沿顺时针方向转到时，遇到的饼区段 的尺寸首先增加，并且然后减小。
所述角度距离可以在所述第一角度部分中以第一预定义因子F1增加， 并且可以在所述第二角度部分中以不同于第一预定义因子F1的第二预定义因 子F2减小。但是，如上文已提及，针对每个部分的恒定因子不是必需的，而 是有助于以简单的方式解释本发明。距离是不同的就足够了。第一角度部分(其 中距离增加)中的饼的数量可以与第二角部分(其中距离减小)中的饼的数量 相同，或者可以不同于第二角部分中的饼的数量。
优选地，磁体是不对称的。
在实施例中，由α1定义的最小圆区段与由α6定义的最大圆区段不是 直径相对地定位。
在实施例中，由α1定义的最小圆区段与由α6定义的最大圆区段直径 相对地定位。
将进一步给出一些具体示例(当讨论图18时)。
在图14(a)和图14(b)的示例中，优选地选择角度距离，使得α10 仅略大于α1，这不是图9中的情况，在图9的情况中角度距离从区段P10突 然变化到区段P1。
从图16(a)至图16(c)可以领会增加和减小角度距离的主要优点， 表明精细信号Sf1、Sf2和粗略信号Sc1、Sc2是连续的(0°和360°附近)，并 且变化更加平稳，并且更稳定。这提供了进一步的优点在于，从这些信号导出 的角度位置在整个360°范围内都更加准确。
图15示出了角度位置传感器系统1500，该角度位置传感器系统1500 包括如图14(a)和图14(b)所示的轴向磁化的磁体1501，和被定位成面向 磁体1501的底表面的、从旋转轴偏移(距离Rs)的位置传感器设备1502。该 传感器系统1500可以被看作图2的传感器系统的变型，并且应用相同的原理 和公式，但是例如存储在传感器设备的非易失性存储器中的特定数据是基于如 图16(a)至图16(c)所示的精细信号和粗略信号的。如上文所提及，可以通过模拟和/或通过校准或以任何其他合适的方式来确定该数据。
已经关于图14(a)和图14(b)讨论了图16(a)至图16(c)。
图17(a)和图17(b)分别以俯视图和透视图示出了径向磁化的环形 磁体1701。该磁体1701可以被看作是图14(a)和图14(b)的磁体的变型， 除了该磁体是径向磁化而不是轴向磁化的。上文针对图14(a)和图14(b) 的轴向磁化磁体1401描述的所有其他内容也适用于图17(a)和图17(b)的 径向磁化磁体1701，尤其与角度距离α1至α10、距离在其中增加的第一部分、 以及距离在其中减小的第二部分有关。
图18示出了角度位置传感器系统1800，该角度位置传感器系统1800 包括如图17(a)和图17(b)所示的磁体的径向磁化的磁体1801以及位于磁 体外部、距旋转轴的径向距离Rs处的位置传感器设备1802，该位置传感器设 备1802距旋转轴的径向距离Rs大于环形磁体的外部半径。传感器设备1802 面向磁体的圆柱形侧面。传感器设备包括半导体衬底。具有三个正交轴X、Y、 Z的坐标系被附加到传感器设备，使得X轴和Y轴平行于半导体平面，并且Z 轴正交于半导体平面。
传感器设备1802被配置成用于测量沿X方向(平行于半导体衬底)的 磁场分量Bx的“平面内”梯度dBx/dx和沿着X方向按Z方向(垂直于半导体 衬底)取向的磁场分量Bz的“平面外”梯度dBz/dx。传感器设备1802被取向成 使得X轴按磁体的圆周方向取向，即，与以磁体1801的旋转轴为中心的假想 圆相切，并且使得Z轴按磁体的径向方向取向。结果是，Y轴平行于磁体的旋 转轴，Bx按磁体的圆周方向取向，并且Bz按磁体的径向方向取向。
图18的传感器设备1802将测量与图15的传感器设备所测量的信号非 常相似的信号Bx和Bz，并且因此，梯度信号dBx/dx和dBz/dx也非常相似， 并且可以从这些梯度信号导出与图16(a)至图16(c)所示的类似的精细信 号Sf和粗略信号Sc。
在图14(a)、图14(b)和图17(a)、图17(b)的磁体的变型中(未 示出)，环形磁体恰好具有四个饼区段，这四个饼区段具有四个不同的饼尺寸， 即尺寸1、尺寸2、尺寸3、尺寸4，其中尺寸1是最小尺寸，而尺寸3是最大 尺寸，其中：
a)尺寸1<尺寸4<尺寸2<尺寸3，或
b)尺寸1<尺寸2<尺寸4<尺寸3
在(a)的特定示例中，这些尺寸为：尺寸1＝70°，尺寸2＝95°，尺寸 3＝110°和尺寸4＝85°。
在(b)的特定情况下，这些尺寸为：尺寸1＝70°，尺寸2＝85°，尺寸 3＝110°和尺寸4＝95°。
但是，当然，本发明不限于这些特定示例，并且受益于本公开的技术人员 可以容易地找到其他合适的值。
在图14(a)、图14(b)和图17(a)、图17(b)的磁体的另一变型 中(未示出)，该环形磁体恰好具有六个饼区段，这六个饼区段具有六个不同 的饼尺寸，即尺寸1、尺寸2、尺寸3、尺寸4、尺寸5、尺寸6，其中尺寸1 是最小尺寸，而尺寸4是最大尺寸，并且其中：
a)尺寸1<尺寸6<尺寸2<尺寸5<尺寸3<尺寸4，或
b)尺寸1<尺寸6<尺寸2<尺寸3<尺寸5<尺寸4，或
c)尺寸1<尺寸2<尺寸6<尺寸5<尺寸3<尺寸4，或
d)尺寸1<尺寸2<尺寸6<尺寸3<尺寸5<尺寸4。
在(a)的具体示例中，这些尺寸为：尺寸1＝30°，尺寸6＝42°，尺寸 2＝55°并且尺寸5＝65°并且尺寸3＝78°并且尺寸4＝90°但是，当然，本发明不 限于该特定示例，并且受益于本公开的技术人员可以另外容易地找到合适的值。

Claims (16)

1.一种用于位置感测系统中的位置传感器设备(600)，其中所述位置传感器设备相对于具有多个磁极的磁结构是能移动的，所述位置传感器设备(600)包括：
半导体衬底；
至少三个传感器(S1、S2、S3)，所述至少三个传感器(S1、S2、S3)用于测量至少三个第一磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)并且用于测量至少三个第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)，所述至少三个第一磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)在至少三个不同位置(X1、X2、X3)上按基本上平行于所述衬底的第一方向(X)取向，所述至少三个不同位置(X1、X2、X3)沿着所述第一方向(X)间隔开预定义的距离(Δx12、Δx23)，所述至少三个第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)在所述至少三个不同位置(X1、X2、X3)上按取向成基本上垂直于所述衬底的第二方向(Z)取向；
处理单元(615)，所述处理单元(615)适于：
a)计算沿着所述第一方向(X)的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2、
Bx3)的两个第一梯度(ΔBx12/Δx12、ΔBx23/Δx23)；
b)计算沿着所述第一方向(X)的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)的两个第二梯度(ΔBz12/Δx12、ΔBz23/Δx23)；
c)基于所述第一梯度和所述第二梯度中的至少一些来计算粗略信号(Sc)；
d)基于所述第一梯度和所述第二梯度中的至少一些来计算精细信号(Sf)；
e)基于所述粗略信号(Sc)和所述精细信号(Sf)来确定位置(X、α)。
2.根据权利要求1所述的位置传感器设备(600)，
其中，所述传感器设备包括至少三个传感器(S1、S2、S3)并适于基于以下公式集合来计算所述粗略信号(Sc)：
R1＝(ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)
R2＝(ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)
Sc＝f(R1,R2),
其中f()是预定义函数，R1是第一比率，R2是第二比率，ΔBx12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的值导出的第一梯度，且ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的值导出的第二梯度，ΔBx23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的值导出的第一梯度，且ΔBz23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的值导出的第二梯度。
3.根据权利要求1或2所述的位置传感器设备(600)，
其中，所述传感器设备包括至少三个传感器(S1、S2、S3)并适于基于以下公式集合来计算所述粗略信号(Sc)：
v1＝arctan2(ΔK*Bx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23),
Δ＝(v1-v2+n*360°),
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，arctan2是两参数反正切函数，ΔBx12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，并且ΔBz23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第二磁场分量(Bz2、Bz3)的第二梯度；
或者其中所述传感器设备包括至少四个传感器(S1、S2、S3、S4)并适于基于以下公式的集合来计算所述粗略信号(Sc)：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34),
Δ＝(v1-v2+n*360°),
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，arctan2是两参数反正切函数，ΔBx12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx34/Δx34是从所述第三传感器(S3)和第四传感器(S4)获得的所述第一磁场分量(Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，并且ΔBz34/Δx34是从所述第三传感器(S3)和所述第四传感器(S4)获得的所述第二磁场分量(Bz3,Bz4)的第二梯度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的位置传感器设备(600)，
其中，所述传感器设备包括至少三个传感器(S1、S2、S3)并适于基于以下公式中的一个公式来计算所述精细信号(Sf)：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx13/Δx13,ΔBz13/Δx13)
或者其中所述传感器设备包括至少四个传感器(S1、S2、S3、S4)并适于基于以下公式中的一个公式来计算所述精细信号(Sf)：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34)
其中Sf是精细信号，arctan2是两参数反正切函数，K是预定义常数或是温度的预定义函数，ΔBx12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度，ΔBx13/Δx13是从所述第一传感器(S1)和所述第三传感器(S3)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx3)的第一梯度，ΔBx34/Δx34是从所述第三传感器(S3)和所述第四传感器(S4)获得的所述第一磁场分量(Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，ΔBz23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第二磁场分量(Bz2、Bz3)的第二梯度，ΔBz13/Δx13是从所述第一传感器(S1)和所述第三传感器(S3)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz3)的第二梯度，ΔBz34/Δx34是从所述第三感器(S3)和所述第四传感器(S4)获得的所述第二磁场分量(Bz3、Bz4)的第二梯度。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的位置传感器设备(600)，
其中所述传感器设备(600)适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)中的一个候选位置来确定所述位置。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的位置传感器设备(600)，
其中每个磁传感器(S1、S2、S3)均包括集成磁聚集器IMC和一对布置在所述磁聚集器IMC相对侧上的两个水平霍尔元件(HP1、HP2；HP3、HP4；HP5、HP6)；或者
其中，每个磁传感器包括水平霍尔元件(HH)和垂直霍尔元件(VH)。
7.一种确定位置感测系统中的位置传感器设备(102；202)的位置(X、α)的方法(1100)，
其中所述位置传感器设备相对于具有多个磁极的磁结构是能移动的，并且其中所述位置传感器设备(600)包括：半导体衬底、至少三个传感器(S1、S2、S3)以及处理单元(615)，所述至少三个传感器(S1、S2、S3)用于测量至少三个第一磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)并且用于测量至少三个第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)，所述至少三个第一磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)在至少三个不同位置(X1、X2、X3)上按基本上平行于所述衬底的第一方向(X)取向，所述至少三个不同位置(X1、X2、X3)沿着所述第一方向(X)间隔开预定义的距离(Δx12、Δx23)，所述至少三个第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)在所述至少三个不同位置上按取向成基本上垂直于所述衬底的第二方向(Z)取向；
所述方法包括以下步骤：
a)在所述至少三个位置中测量(1101)第一磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)，并计算沿所述第一方向(X)的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2、Bx3)的两个第一梯度(ΔBx12/Δx12、ΔBx23/Δx23)；
b)在所述至少三个位置中测量(1102)第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)，并计算沿所述第一方向(X)的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2、Bz3)的两个第二梯度(ΔBz12/Δx12、ΔBz23/Δx23)；
c)基于所述第一梯度和所述第二梯度中的至少一些来计算(1103)粗略信号(Sc)；
d)基于所述第一梯度和所述第二梯度中的至少一些来计算(1103)精细信号(Sf)；
e)基于所述粗略信号(Sc)和所述精细信号(Sf)来确定(1105)位置(X、α)。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，步骤c)包括：基于以下公式集合来计算所述粗略信号(Sc)：
R1＝(ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)
R2＝(ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)
Sc＝f(R1,R2),
其中f()是预定义函数，R1是第一比率，R2是第二比率，ΔBx12/Δx12是从第一传感器(S1)和第二传感器(S2)获得的值导出的第一梯度，且ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的值导出的第二梯度，ΔBx23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和第三传感器(S3)获得的值导出的第一梯度，且ΔBz23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的值导出的第二梯度。
9.根据权利要求7或8所述的方法，
其中，步骤c)包括：基于以下公式集合来计算所述粗略信号(Sc)：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23),
Δ＝(v1-v2+n*360°),
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，arctan2是两参数反正切函数，ΔBx12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，并且ΔBz23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第二磁场分量(Bz2、Bz3)的第二梯度；
或者其中，步骤c)包括：基于以下公式集合来计算所述粗略信号(Sc)：
v1＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12),
v2＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34),
Δ＝(v1-v2+n*360°),
Sc＝Δ，或Sc＝1/Δ，
其中K是预定义的常数或是温度的预定义函数，n是被选择成使得Δ处于从0°至360°的范围中的整数，Sc是粗略信号，arctan2是两参数反正切函数，ΔBx12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx34/Δx34是从所述第三传感器(S3)和第四传感器(S4)获得的所述第一磁场分量(Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，并且ΔBz34/Δx34是从所述第三传感器(S3)和所述第四传感器(S4)获得的所述第二磁场分量(Bz3、Bz4)的第二梯度，
和/或其中步骤d)包括：基于以下公式中的一个公式来计算所述精细信号(Sf)：
Sf＝arctan2(K*ΔBx12/Δx12,ΔBz12/Δx12)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx23/Δx23,ΔBz23/Δx23)，或者
Sf＝arctan2(K*ΔBx34/Δx34,ΔBz34/Δx34)
其中Sf是精细信号，arctan2是两参数反正切函数，K是预定义常数或是温度的预定义函数，ΔBx12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)的第一梯度，ΔBx23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第一磁场分量(Bx2、Bx3)的第一梯度，ΔBx34/Δx34是从所述第三传感器(S3)和所述第四传感器(S4)获得的所述第一磁场分量(Bx3、Bx4)的第一梯度，ΔBz12/Δx12是从所述第一传感器(S1)和所述第二传感器(S2)获得的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)的第二梯度，ΔBz23/Δx23是从所述第二传感器(S2)和所述第三传感器(S3)获得的所述第二磁场分量(Bz2、Bz3)的第二梯度，ΔBz34/Δx34是从所述第三感器(S3)和所述第四传感器(S4)获得的所述第二磁场分量(Bz3、Bz4)的第二梯度，
和/或其中步骤e)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)并且然后基于所述粗略信号(Sc)选择这些候选位置(xA、xB)中的一个候选位置来确定所述位置。
10.一种计算机程序产品，当由根据权利要求1至6中任一项所述的位置传感器设备执行时，用于执行根据权利要求7至9中任一项所述的方法。
11.一种位置传感器系统(100)，所述位置传感器系统(100)包括：
根据权利要求1至6中的任一项所述的位置传感器设备；
磁结构(101；201)，所述磁结构(101；201)包括多个磁极；
磁结构，所述磁结构相对于所述传感器设备在移动方向上或沿着移动轨迹移动是能移动的(X、α)，或者反之亦然；
其中，所述磁结构的相邻磁极的中心之间的距离(Xpp、αpp)沿着所述移动方向或沿着所述移动轨迹变化；
其中所述传感器设备被取向成使得所述传感器设备的第一轴(X)与所述移动方向或所述移动轨迹相切。
12.根据权利要求11所述的位置传感器系统(100)，
其中所述磁结构(400)是具有多个分立的永磁体的组件；或者
其中，所述磁结构包括被磁化成具有按相反方向取向的多个磁极的单片磁性材料。
13.根据权利要求11或12所述的位置传感器系统(100)，
其中，所述磁结构具有带纵轴的细长形状；
或其中所述磁结构具有带弯曲轴的弯曲形状。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的位置传感器系统(100)，
其中，所述磁性材料内部的剩余磁场(Brz)被取向成基本上平行于所述第二轴(Z)。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的位置传感器系统(100)，
其中，相邻磁极的中心之间的所述距离(Xpp、αpp)沿所述第一轴(X)严格单调变化；或者
其中，相邻磁极的中心之间的所述距离(Xpp、αpp)在所述多个相邻磁极的第一子集上增大，并且在所述多个相邻磁极的第二子集上沿所述第一轴(X)减小。
16.一种包括多个磁极的轴向或径向地磁化的环形磁体(1401、1501)，
其中以顺时针方向测量时，在所述环形磁体的外围处测量的相邻磁极(P1-P10)的中心之间的角度距离(αi)在整个360°范围的第一角度部分上沿着所述外围增大，并且在所述整个360°范围的第二角部分上减小。
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