CN113432517A - 基于磁场梯度的位置传感器设备、方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种确定磁传感器设备相对于磁源或者确定磁源相对于磁传感器设备的线性位置或角位置的方法，该传感器设备包括至少四个磁传感器元件，该方法包括以下步骤：a)确定第一磁场梯度；b)确定第二磁场梯度；c)确定第一磁场梯度与第二磁场梯度的比率；d)将该比率转换为位置；同时匹配磁传感器元件的信号路径，以便改善信噪比(SNR)。

Description

基于磁场梯度的位置传感器设备、方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及磁传感器系统、设备和方法的领域。本发明具体地涉及基于两个磁场梯度的测量来确定位置的系统、设备和方法。

背景技术

用于测量磁场强度的设备是本技术领域中已知的。它们通常包含一个或多个霍尔元件或磁阻元件。磁传感器通常用于电流传感器、距离传感器、接近度传感器、接近度开关、线性位置或角位置传感器等，虽然磁感测提供了若干优点，诸如非接触测量、较少的机械磨损，但在外部干扰场存在的情况下，这些设备的准确性受到限制。

近年来，发现通过测量磁场梯度以及通过根据磁场梯度信号计算电流或距离或位置，而不是根据磁场分量值本身计算电流或距离或位置，可以很大程度上减少外部干扰场的影响。

其中基于两个正交磁场分量值来确定位置的磁位置传感器系统也是本技术领域中已知的。

总是存在改进和替代的余地。

发明内容

本发明的实施例的目的在于提供基于至少两个磁场梯度来确定线性位置或角位置的磁位置传感器系统和/或磁位置传感器设备和/或方法。

本发明的实施例的目的在于提供磁位置传感器系统和/或磁位置传感器设备和/或方法，其中梯度被更加准确地测量。

本发明的实施例的目的在于提供测量具有经改进的信噪比(SNR)的所述至少两个梯度的磁位置传感器系统和/或磁位置传感器设备和/或方法。

本发明的实施例的目的在于提供更准确地确定线性位置或角位置的磁位置传感器系统和/或磁位置传感器设备和/或方法，尽管温度变化和/或传感器设备上的应力变化。

本发明的实施例的目的在于提供以简单的方式(例如，无需对一组方程式进行求解)更准确地确定线性位置或角位置的磁位置传感器系统和/或磁位置传感器设备和/或方法，尽管温度变化和/或传感器设备上的应力变化。

本发明的特定实施例的目的在于提供角位置传感器系统，该角位置传感器系统包括围绕虚拟轴可旋转的磁体，以及位置传感器设备，其中位置传感器设备基本上被安装在所述虚拟轴上(也称为“轴上位置”)。

本发明的特定实施例的目的在于提供角位置传感器系统，该角位置传感器系统包括围绕轴线可旋转的磁体，以及位置传感器设备，其中位置传感器设备被安装成基本上与所述轴线偏移(也称为“离轴位置”)。

本发明的特定实施例的目的在于提供此类位置传感器系统，其中磁体具有围绕所述轴线的外半径的形状，并且其中位置传感器设备被安装在距所述旋转轴线为所述外半径的20％、或所述外半径的至少30％、或至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少100％、或至少105％的距离(Rs)处。

根据第一方面，本发明提供了一种确定磁传感器设备相对于磁源或确定磁源相对于磁传感器设备的线性位置或角位置的方法；磁传感器设备包括：第一磁传感器元件、第二磁传感器元件、第三磁传感器元件和第四磁传感器元件；第一偏置源、第二偏置源、第三偏置源和第四偏置源，用于对所述传感器元件进行偏置；第一放大器、第二放大器、第三放大器和第四放大器，用于对源自所述传感器元件的信号进行放大；至少一个模数转换器，用于将源自所述放大器的信号进行数字化；温度传感器和差分应力测量电路中的一者或两者；数字处理电路，数字处理电路连接在模数转换器的下游；方法包括以下步骤：获得温度值(T)和差分应力值(Δ∑)中的一者或两者；a)基于从第一磁传感器元件和第三磁传感器元件获得的信号来确定第一磁场梯度；b)基于从第二磁传感器元件和第四磁传感器元件获得的信号来确定第二磁场梯度；c)计算第一磁场梯度与第二磁场梯度的比率；d)基于所述比率来确定所述线性位置或角位置；其中，步骤a)包括：使用温度和/或差分应力的第一预定义函数(例如f3)来调整第三偏置源和/或调整包括第三放大器的信号路径，以使包含第三传感器元件的信号路径与包含第一传感器元件的信号路径相匹配；以及其中步骤b)包括：使用温度和/或差分应力的、与第一预定义函数(f3)不同的第二预定义函数(例如f4)来调整第四偏置源和/或调整包括第四放大器的信号路径，以使包含第四传感器元件的信号路径与包含第二传感器元件的信号路径相匹配；以及其中步骤d)进一步包括：基于所述比率来确定所述线性位置或角位置，任选地考虑预定义因子K或温度的预定义函数K。

该方法的主要优点在于，以改进的准确性确定在步骤a)和b)中确定的梯度或差值，更具体地，是通过将确定第一梯度和第二梯度所涉及的两个传感器元件的信号路径进行匹配，以及通过独立地将与两个梯度有关的两对信号路径进行匹配。将每对信号路径内的信号进行匹配可以降低杂散场的影响。对每对信号路径进行单独地匹配(例如通过单独地改善或最大化每条路径的信噪比(SNR))也增加信噪比的准确性，并且因此增加所得位置的准确性。本发明的见解在于，四个传感器路径不需要进行匹配，因为那将意味着每个信号路径的灵敏度需要降低到四个传感器元件的最低灵敏度。通过不将传感器对匹配到同一水平而引入的失配(或可能引入的失配)随后通过使用因子K或函数K来考虑。

所述“调整第三偏置源和/或调整包括第三放大器的信号路径”可以包括：调整第三电流源，和/或在模拟域中调整第三放大器增益，和/或在数字域中利用校正因子来对经数字化的并经放大的第三传感器信号进行校正。

所述“调整第四偏置源和/或调整包括第四放大器的信号路径”可以包括：调整第四电流源，和/或在模拟域中调整第四放大器增益，和/或在数字域中利用校正因子来对经数字化的并经放大的第四传感器信号进行校正。

该位置可以是线性位置、或者是角位置、或者是沿着既非线性也非圆形的预定义曲线轨迹的位置。

步骤d)可以包括基于所述比率的反正切函数来确定线性位置或角位置。这可以例如使用存储在传感器设备的非易失性存储器中的预定义转换表来实现，任选地利用线性插值。

第一预定义函数和第二预定义函数(例如f3和f4)可以是相同的函数，但优选地是不同的函数。

在实施例中，温度传感器的位置(如果存在)与第一传感器位置不同，并且与第二传感器位置不同。

在实施例中，温度传感器的位置(如果存在)基本上位于第一磁传感器与第二磁传感器之间的中间。

在实施例中，预定义函数f(T)依赖于所测得的温度T，但不依赖于差分应力。在该实施例中，可以省略差分应力传感器电路。

在实施例中，预定义函数f(△∑)依赖于差分应力，但不依赖于所测得的温度。在该实施例中，温度传感器可以被省略。

在实施例中，预定义函数f(T)既依赖于温度又依赖于差分应力。

在实施例中，预定义函数是在校准测试期间被确定的，或者是在相对较多(例如至少200个或至少500个)磁设备的鉴定或校准过程期间被确定的。

在实施例中，一个或多个步骤(例如“调整“的步骤)由可编程控制器(例如微控制器或DSP)通过将控制信号施加到可调偏置源(例如电流源或电压源)或施加到可调放大器来执行，该可编程控制器包括或连接至存储预定义函数f(T)、f(T,△σ)、f(△σ))的一个或多个系数或值或参数的非易失性存储器。

在一个实施例中，磁场梯度通过在模拟或数字减法单元中将两个磁场分量值相减来确定，并且第一预定义函数(例如f3)被选择成使得在操作期间，在预定义的温度范围内(例如，从-40℃至+160℃，或者从-20℃至+120℃)，第一磁传感器(例如H1)的磁灵敏度与从第一磁传感器的输出到所述模拟或数字减法单元的第一信号路径的第一总增益的乘积基本上等于第二磁传感器的磁灵敏度与从第二磁传感器的输出到所述模拟或数字减法单元的第二信号路径的第二总增益的乘积；并且其中，第二预定义函数(例如f4)被选择成使得在操作期间，在预定义温度范围(例如从-40℃到+160℃，或从-20℃到+120℃)内，第三磁传感器的磁灵敏度与从第三磁传感器的输出到所述模拟或数字减法单元的第三信号路径的第三总增益的乘积基本上等于第四磁传感器的磁灵敏度和从第四磁传感器的输出到所述模拟或数字减法单元的第四信号路径的第四总增益的乘积。

或者在数学上表达，预定义函数被选择使得S1*OG1＝S2*OG2，其中S1是第一磁传感器的、以[伏特/特斯拉]为单位的磁灵敏度(当由第一偏置源进行偏置时)，S2是第二磁传感器的磁灵敏度(当由第二偏置源进行偏置时)，OG1是在第一磁传感器的输出端处开始并通过第一放大器的所述第一信号路径的总增益，并且OG2是在第二磁传感器的输出端处开始并通过第二放大器的所述第二信号路径的总增益。

如将进一步所解释的，能以不同的方式使乘积S1*OG1＝S2*OG2相等，不同的方式例如通过调整偏置信号(参见例如图3(b)和图3(c))、通过调整放大器增益(参见例如图3(d)和图3(e))、或通过校正数字域中的值(参见例如图3(f))。

这也可以被表达为：S1.A1.D1＝S2.A2.D2，其中，A1、A2是模拟域中的第一、第二信号路径的放大，D1、D2是数字域中第一、第二信号路径的放大。

类似地，f4被选择成使得S3*OG3＝S4*OG4。

预定义函数f(.)可以例如以查找表的形式被存储、或者由分段线性函数表示，或者由一个变量(温度或差分应力)或两个变量(温度和/或差分应力)的一阶多项式表示、或者由一个或两个变量(温度和/或差分应力)的二阶多项式表示、或者由一个或两个变量(温度和/或差分应力)的三阶多项式表示、或者由具有至少四阶的多项式表示。

例如可以在每个单独设备的校准过程期间，或通过模拟、或通过限定多个测试样本(例如至少50个、或至少100个、或至少500个)来确定值或系数或参数，例如作为需要被施加到处理器的DAC的值，使得当施加恒定磁场时，被确定的梯度例如在DAC的某个公差裕度内(例如+/-1％、或+/-0.5％、或+/-1最低有效位)基本上为零。

在实施例中，步骤a)包括：确定沿第一方向按所述第一方向取向的第一磁场分量(例如Bx)的第一磁场梯度(例如，dBx/dx)；以及其中，步骤b)包括：确定沿所述第一方向、按与第一方向基本上垂直的第二方向取向的第二磁场分量(例如，Bz或By)的第二磁场梯度(例如dBz/dx或dBy/dx)。

或者简而言之，该方法是针对使用沿单个方向的两个正交梯度(例如dBx/dx和dBz/dx)的位置感测。图14(a)至图15(c)示出使用该方法的磁位置传感器系统的示例。

在实施例中，步骤a)包括：确定沿与第一方向基本上垂直的第二方向(例如X)、按第一方向(例如Z)取向的磁场分量(例如Bz)的第一磁场梯度(例如dBz/dx)；以及其中步骤b)包括：确定沿第三方向(例如Y)、按所述第一方向取向的所述磁场分量(例如Bz)的第二磁场梯度(例如dBz/dy)，第三方向(例如Y)与第一方向基本上垂直并且与所述第二方向基本上垂直。

或者简而言之，该方法是针对使用单个分量(例如Bz)沿两个正交方向(例如X、Y)的两个梯度(例如dBz/dx和dBz/dy)的位置感测。图12(a)至图13(c)示出使用该方法的磁位置传感器系统的示例。

根据第二方面，本发明还提供了一种确定磁传感器设备相对于磁源或确定磁源相对于磁传感器设备的线性位置或角位置的方法；磁传感器设备包括：第一磁传感器元件、第二磁传感器元件、第三磁传感器元件和第四磁传感器元件；第一偏置源、第二偏置源、第三偏置源和第四偏置源，用于对所述传感器元件进行偏置；第一放大器、第二放大器、第三放大器和第四放大器，用于对源自所述传感器元件的信号进行放大；至少一个模数转换器，用于将源自所述放大器的信号进行数字化；温度传感器和差分应力测量电路中的一者或两者；数字处理电路，数字处理电路连接在模数转换器的下游；方法包括以下步骤：获得温度值(T)和差分应力值(Δ∑)中的一者或两者；a)基于从所述磁传感器元件获得的信号的第一数学组合(例如，两个差值的差)来确定第一磁场梯度(例如，dBx/dx)；b)基于从所述磁传感器元件获得的信号的第二数学组合(例如，两个总和的差)来确定第二磁场梯度(例如，dBz/dx)；c)计算第一磁场梯度与第二磁场梯度的比率；d)基于所述比率来确定所述线性位置或角位置；其中：步骤a)包括：使用温度和/或差分应力的第一预定义函数(f3)或第一控制函数集来调整所述偏置源和/或包含所述第三放大器和所述第四放大器的信号路径，以在执行所述第一数学组合时对所述磁传感器元件的所述信号路径进行匹配(或者换句话说：使得从所述第三传感器和所述第四传感器获得的信号的第一数学组合与从所述第一传感器和所述第二传感器获得的信号的第一数学组合相匹配)；并且其中步骤b)包括：使用温度和/或差分应力的第二预定义函数(f4)或第二控制函数集来调整偏置源和/或包含第三放大器和第四放大器的信号路径，以在执行第二数学组合时对磁传感器元件的信号路径进行匹配(或换句话说：使得从第三传感器和第四传感器获得的信号的第二数学组合与从第一传感器和第二传感器获得的信号的第二数学组合相匹配)，第二预定义函数(f4)与第一预定义函数(f3)不同，或第二预定义函数集与第一预定义函数集不同；并且其中，步骤d)进一步包括：基于所述比率来确定所述线性位置或角位置，任选地考虑预定义因子K或温度的预定义函数K(T)。

在该实施例中，某些磁传感器元件的匹配是根据传感器信号将如何被使用来完成的。更具体地，当传感器元件的信号被用于测量Bx分量时(例如，当该传感器信号从另一传感器信号中减去时)或当传感器元件的信号被用于测量Bz分量时(例如，当该传感器信号与另一信号相加时)，该传感器元件的偏置可能不同。图16(a)至图17(c)示出了该实施例的示例。具体而言，该方法适用于具有两个IMC结构和水平霍尔元件的传感器设备，其中Bx与由两个霍尔元件所提供的信号的差成比例，而Bz与相同的两个霍尔元件所提供的信号的总和成比例。

在实施例中(根据第一方面或第二方面)，步骤a)包括：确定第一信号(例如A_v1)与第二信号(例如A_v2corr)之间的模拟差信号(例如Δv)，该第一信号是通过对第一磁传感器进行偏置、并对第一传感器信号进行放大而获得的，该第二信号是通过对第二磁传感器进行偏置、并对第二传感器信号进行放大而获得的，该差值是在测量温度和/或差分应力、并使用所测得的温度和/或差分应力的预定义函数调整第二偏置源或第二放大器之后而取得的；以及将模拟差信号进行数字化以获得第一梯度。

类似的技术可以应用于权利要求1的步骤b)中的第二梯度。简而言之，在该方法中，调整第二偏置源和/或放大器，并在模拟域中将经放大的传感器信号相减，从而得到经改进的SNR，因为整个DAC-范围可以用于梯度的幅度，而不是从中导出梯度的磁分量。类似的技术可以应用于权利要求1的步骤b)中。该技术的示例在图3(c)、图4(c)、图5(c)(经调整的电流源)，以及在图3(e)、图4(e)、图5(e)(经调整的放大器增益)等中被示出。

在实施例中(根据第一方面或第二方面)，步骤a)包括：在测量温度和/或差分应力并使用所测得的温度和/或差分应力的预定义函数调整第二偏置源或第二放大器之后，确定以下两者之间的数字差值(例如ΔV)：通过对第一磁传感器进行偏置并且对第一磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化而获得的第一数字值(例如A_V1)，以及通过对第二磁传感器进行偏置并且对第二磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化而获得的第二数字值(例如A_V2)。

类似的技术可以应用于权利要求1的步骤b)中的第二梯度。简而言之，在该方法中，第二偏置源和/或放大器被调整，并在数字域中将经放大的并经数字化的传感器信号相减。该技术的示例在图3(b)、图4(b)、图5(b)(经调整的电流源)，以及在图3(d)、图4(d)、图5(d)(经调整的放大器增益)等中被示出。

在实施例中(根据第一方面或第二方面)，步骤a)包括：确定以下第一数字值(例如，A_V1)和第二数字值(A_V2)之间的数字差值(例如ΔV)，第一数字值是通过对第一磁传感器进行偏置并且对第一磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化而获得的，第二数字值是通过对第二磁传感器进行偏置并且对第二磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化、并通过与使用所述所测得的温度和/或差分应力的预定义函数(f)的校正因子相乘来调整经数字化的值而获得的。

类似的技术可以应用于权利要求1的步骤b)中的第二梯度。该技术的示例在图3(f)、图4(f)和图5(f)等中示出。

在实施例中(根据第一方面或第二方面)，用于调整偏置源和/或放大器增益和/或用于对第二数字化值进行校正的预定义函数是仅温度的函数；

在实施例中(根据第一方面或第二方面)，用于调整偏置源和/或放大器增益和/或用于对第二数字化值进行校正的预定义函数是温度和差分应力的函数。

在实施例中(根据第一方面或第二方面)，用于调整偏置源和/或放大器增益和/或用于对第二数字化值进行校正的预定义函数是仅差分应力的函数。

本发明还提供了被配置成用于执行根据第一方面或第二方面的方法的磁位置传感器设备。

根据第三方面，本发明提供了包括半导体衬底的磁位置传感器设备，包括：至少第一磁传感器和第二磁传感器，第一磁传感器位于第一传感器位置处，第二磁传感器位于与第一传感器位置间隔开的第二传感器位置处；至少第一偏置源和第二偏置源，第一偏置源用于对第一磁传感器进行偏置，第二偏置源用于对第二磁传感器进行偏置；至少第一放大器和第二放大器，第一放大器用于对从第一磁传感器获得的信号进行放大，第二放大器用于对从第二磁传感器获得的信号进行放大；至少第三磁传感器，以及任选的第四磁传感器；至少第三偏置源，用于对第三磁传感器进行偏置，以及任选的第四偏置源，用于对第四磁传感器进行偏置；至少第三放大器，用于对从第三磁传感器获得的信号进行放大，以及任选的第四放大器，用于对从第四磁传感器获得的信号进行放大；温度传感器，温度传感器位于衬底上的预定义位置处；至少一个差分应力感测电路，至少一个差分应力感测电路被配置成用于确定所述磁传感器中的两个磁传感器之间的至少一个应力差；至少一个模数转换器，至少一个模数转换器被连接在所述放大器的下游；数字处理电路，数字处理电路连接在模数转换器的下游；非易失性存储器，非易失性存储器可操作地连接至数字处理电路，非易失性存储器被配置成用于存储所述预定义函数的一个或多个值或参数；其中，数字处理电路被配置成用于执行根据第一方面或根据第二方面的方法。

在图12和图13中，位置传感器设备具有位于四个不同位置处(例如位于虚拟圆上)的四个磁传感器元件。在该情况下，优选地确定两个差分应力，针对X方向的一个差分应力、针对Y方向的一个差分应力。

在图14和图17中，位置传感器设备具有位于两个不同位置处的四个磁传感器元件。在该情况下，优选地仅确定一个差分应力。

在图18和图19中，位置传感器设备具有位于两个不同位置处的八个磁传感器元件。在该情况下，优选地仅确定一个差分应力。

磁位置传感器设备可以进一步包括第三磁传感器、以及第三偏置源、和第三放大器。

磁位置传感器设备可以进一步包括第四磁传感器、以及第四偏置源、和第四放大器。

数字处理电路可以包括包含或连接至所述非易失性存储器的数字处理器(例如μC或DSP)，以及数模转换器或PWM-发生器，然后是低通滤波器。DAC或PWM发生器可以被包括在所述数字处理器中。

温度传感器(如果存在的话)可以位于所述半导体衬底上的任何任意位置处，该位置可以与任何传感器位置不同，例如基本上位于第一传感器位置与第二传感器位置的中间。温度传感器被配置成用于测量衬底的温度。

(多个)差分应力测量电路(如果存在)可被配置成用于确定第一传感器位置与第二传感器位置之间的差分机械应力并用于提供差分应力信号。

至少一个模数转换器可以被配置成用于将第一传感器信号或从其导出的信号进行数字化，和/或将第二传感器信号或从其导出的信号进行数字化，和/或将所述温度信号进行数字化以获得数字温度值，和/或将所述差分应力信号进行数字化以获得差分应力值。

数字处理器可以被配置成用于获得所述温度值和所述差分应力值中的一者或两者，并用于基于温度值和/或差分应力值的预定义函数来调整偏置源、放大器增益和经放大的传感器信号的数字值中的至少一者。

在实施例中(例如，如图3(b)、图3(d)所图示的，或从其导出的实施例)，数字处理电路被配置成用于通过调整第二偏置信号或通过使用所测得的温度的预定义校正函数来调整第二放大器增益，以及通过将第一经放大的信号进行数字化以获得第一数字值，并通过将第二经放大的信号进行数字化以获得第二数字值，以及通过(在数字域中)计算第二数字值与第一数字值之间的差值，来确定第一梯度。第二梯度能以类似的方式来确定。

在实施例(例如如图3(b)、图3(d)中所图示的，或由其导出的实施例)中，数字处理电路被配置成用于通过调整第二偏置信号或通过使用所测量的温度的预定义校正函数来调整第二放大器增益、以及通过(在模拟域中)生成第一经放大的传感器信号与第二经放大的传感器信号之间的差信号、并通过将差信号进行数字化，从而确定第一梯度。第二梯度能以类似的方式来确定。

在实施例(例如，如图3(b)、图3(d)所图示的，或从其导出的实施例)中，数字处理电路被配置成用于通过对第一传感器信号进行放大并进行数字化以获得第一数字值、通过对第二传感器信号进行放大并进行数字化以获得第二数字值、并使用所测得的温度的预定义校正函数乘以第二数字值从而获得经校正的第二数字值、以及通过(在数字域中)计算第一数字值与经校正的第二数字值之间的差值，从而确定第一梯度。第二梯度能以类似的方式来确定。

在实施例(例如如图3(b)所图示的，或基于图3(b)的实施例)中，第一偏置源是被配置成用于提供第一预定义电流信号的第一电流源，并且第二偏置源是被配置成用于提供可调第二电流信号的可调电流源；并且第一放大器被配置成用于以第一预定义增益进行放大，并且第二放大器配置成用于以第二预定义增益进行放大；并且第一数字值是通过利用第一电流信号对第一磁传感器进行偏置、并通过以第一预定义增益对第一传感器信号进行放大、并通过将该经放大的信号进行数字化而获得的；并且第二数字值是通过利用第二电流信号对第二磁传感器进行偏置、并通过以第二预定义增益对第二传感器信号进行放大、并通过将该经放大的信号进行数字化而获得的；并且第一梯度是通过将第一数字值与第二数字值进行相减而计算出的；并且第二电流信号使用所述预定义校正函数进行调整。传感器设备可具有用于确定第二梯度的类似规定。第二放大器增益可以与第一放大器增益基本上相等，或者可以无意地与第一放大器增益略微不同。优点在于，经调整的电流也可以对放大器的任何增益失配进行补偿。梯度可以任选地乘以预定义因子。

在实施例中，通过将由所述预定义函数定义的电压施加到第二电流源的晶体管的栅极来调整第二电流信号。这提供优点在于，在生产期间通过执行校准测量可以很容易地确定校正函数，并且在实际使用期间中设备可以使用相同的函数。

在实施例(例如如图3(c)所图示的，或者基于图3(c)的实施例)中，第一偏置源是被配置成用于提供第一预定义电流信号的第一电流源，并且第二偏置源是配置成用于提供可调第二电流信号的可调电流源；并且第一放大器被配置成用于以第一预定义增益对第一传感器信号进行放大以获得第一经放大的传感器信号，第二放大器被配置成用于以第二预定增益对第二传感器信号进行放大以获得第二经放大的传感器信号；并且磁传感器设备进一步包括模拟减法电路，该模拟减法电路被配置成用于将第一经放大的传感器信号与第二经放大的传感器信号相减，以获得模拟差分信号；并且至少一个模数转换器被配置成用于对所述模拟差分信号进行数字化，该模拟差分信号等于梯度或与梯度成比例；并且使用所述预定义校正函数来调整第二电流信号。传感器设备可具有用于确定第二梯度的类似规定。第二放大器增益可以与第一放大器增益基本上相等，或者可以无意地与第一放大器增益略微不同。优点在于，经调整的电流也可以对放大器的任何增益失配进行补偿。经数字化的差值可以任选地乘以预定义因子。本实施例的优点在于，在模拟域中计算差值(通常为量化噪声的一半)。本实施例的主要优点在于，ADC的范围可以完全用于对梯度信号进行数字化，这与例如图3(b)的传感器设备不同，在该传感器设备中，梯度仅占总数字信号的一小部分。以此方式，信噪比(SNR)可以被显著地改善。

在实施例(例如如图3(e)所图示的，或者基于图3(e)的实施例)中，第一偏置源是被配置成用于提供第一预定义电流信号的第一电流源，并且第二偏置源是配置成用于提供第二预定义电流信号的第二电流源；并且第一放大器被配置成用于以第一预定义增益进行放大，并且第二放大器被配置成用于以第二可调增益进行放大；并且磁传感器设备进一步包括模拟减法电路，该模拟减法电路被配置成用于将第一经放大的传感器信号与第二经放大的传感器信号相减，以获得模拟差分信号；并且至少一个模数转换器被配置成用于对所述模拟差分信号进行数字化，该模拟差分信号等于梯度或与梯度成比例；并且使用所述预定义校正函数来调整第二电流信号。传感器设备可具有用于确定第二梯度的类似规定。第二电流可以与第一电流基本上相等，或者可以无意地与第一电流略微不同。优点在于，第二放大器的经调整的增益也可以对电流源的任何电流失配进行补偿。经数字化的差值可以任选地乘以预定义因子。本实施例的优点在于，在模拟域中计算差值(通常为量化噪声的一半)。本实施例的主要优点在于，ADC的范围可以完全用于对梯度信号进行数字化，这与例如图3(b)的传感器设备不同，在该传感器设备中，梯度仅占总数字信号的一小部分。以此方式，信噪比(SNR)可以被显著地改善。

在实施例(例如如图3(d)所图示的，或基于图3(d)的实施例)中，第一偏置源是被配置成用于提供第一预定义电流信号的第一电流源，并且第二偏置源是被配置成用于提供第二预定义电流信号的第二电流源；并且第一放大器被配置成用于以第一预定义增益进行放大，并且第二放大器配置成用于以可调增益进行放大；并且第一数字值是通过利用第一电流信号对第一磁传感器进行偏置、并通过以第一预定义增益对第一传感器信号进行放大、并通过将该经放大的信号进行数字化而获得的；并且第二数字值是通过利用第二电流信号对第二磁传感器进行偏置、并通过以第二增益对第二传感器信号进行放大、并通过将该经放大的信号进行数字化而获得的；并且第二增益是使用所述预定义校正函数来调整的。传感器设备可具有用于确定第二梯度的类似规定。第二电流可以与第一电流基本上相等，或者可以无意地与第一电流略微不同。优点在于，第二放大器的经调整的增益也可以对电流源的任何电流失配进行补偿。

在实施例(例如如图3(f)所图示的，或基于图3(f)的实施例)中，第一偏置源是被配置成用于提供第一预定义电流信号的第一电流源，并且第二偏置源是被配置成用于提供第二预定义电流信号的第二电流源；并且第一放大器被配置成用于以第一预定义增益进行放大，并且第二放大器被配置成用于以第二预定义增益进行放大；并且至少一个数模转换器被配置成用于将第一经放大的传感器信号进行数字化以提供第一数字值，并且用于将第二经放大的传感器信号进行数字化以提供第二数字值；并且数字处理电路被配置成用于通过将使用所述预定义校正函数的数字校正因子与第二数字值相乘，以提供经校正的第二数字信号；并且数字处理电路进一步配置成用于确定第一数字值与经校正的第二数字信号之间的差值以获得梯度。传感器设备可具有用于确定第二梯度的类似规定。第二预定义电路可以基本上等于第一预定义电路，但是这不是绝对必需的。同样，第二放大器增益可以基本上等于第一放大器增益，但是这不是绝对必要的。

磁位置传感器设备优选地是封装的集成半导体设备，通常称为“芯片”。

在实施例中，磁位置传感器设备包括被布置在假想圆上并且在角度上间隔开90°的四个水平霍尔元件(不具有IMC)，例如如图12(a)或图13(a)所示。

在实施例中，磁位置传感器设备包括沿轴线间隔开的两个磁传感器，每个磁传感器包括水平霍尔元件和垂直霍尔元件。垂直霍尔元件按单个方向取向，例如如图14(a)或图15(a)所示。

在实施例中，磁位置传感器设备包括沿轴线间隔开的两个磁传感器，每个磁传感器包括集成磁聚集器(IMC)和位于IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。四个水平霍尔元件位于所述轴线上，例如如图16(a)或图17(a)所示。

在实施例中，磁位置传感器设备包括沿轴线间隔开的两个磁传感器，每个磁传感器包括集成磁聚集器(IMC)和位于IMC的外周上的四个水平霍尔元件。四个水平霍尔元件位于所述轴线上，例如如图18(a)或图19(a)所示。

根据第四方面，本发明提供了一种磁位置传感器系统，该系统包括磁体或磁体结构，以及相对于磁体或磁体结构可移动的磁位置传感器设备，并被配置成用于执行根据第一方面或第二方面的方法。

在实施例中，磁位置传感器系统进一步包括：围绕轴线可旋转的双极环形或盘状磁体；以及磁位置传感器设备，该磁位置传感器设备相对于所述磁体可移动地布置，并包括被布置在假想圆上并且在角度上间隔开90°的四个水平霍尔元件，以及四个偏置源和四个放大器；以及其中磁传感器设备进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，该数字处理电路包括非易失性存储器；并且其中该磁传感器设备被配置成用于执行根据第一方面或第二方面的方法。

在变型中，该系统包括具有至少四个磁极的多极环形磁体或盘状磁体，并且四个水平霍尔元件在角度上间隔开小于90°，例如对于四极磁体而言是90°/2＝45°，或者对于六极磁体而言是90°/3＝30°等等。

在实施例中，磁位置传感器系统进一步包括：具有至少四个磁极的磁结构；以及磁位置传感器设备，该磁位置传感器设备可移动地布置在距所述磁结构一定距离处，并且包括两个相互间隔开的磁传感器，其中每个磁传感器包括水平霍尔元件和垂直霍尔元件，以及四个偏置源和四个放大器；并且其中磁传感器设备进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，该数字处理电路包括非易失性存储器；并且其中该磁传感器设备被配置成用于执行根据第一方面或第二方面的方法。

磁结构可以是四极环形磁体，或四极盘状磁体，或具有多于四个磁极的环形磁体或盘状磁体，或具有多个交替磁极的线性磁结构。

在实施例中，磁位置传感器系统进一步包括：具有至少四个磁极的磁结构；以及磁位置传感器设备，该磁位置传感器设备相对于所述磁结构可移动地布置，并包括两个相互间隔开的磁传感器；其中，每个磁传感器包括集成磁聚集器和位于对应的集成磁聚集器的相对侧上的两个水平霍尔元件，以及两个偏置源，和两个放大器；并且其中磁传感器设备进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，该数字处理电路包括非易失性存储器；并且其中该磁传感器设备被配置成用于执行根据第一方面或第二方面的方法。

在实施例中，磁位置传感器系统进一步包括：具有至少四个磁极的磁结构；以及磁位置传感器设备，该磁位置传感器设备相对于所述磁结构可移动地布置，并包括两个相互间隔开的磁传感器；其中，每个磁传感器包括集成磁聚集器和位于对应的集成磁聚集器的外周上的四个水平霍尔元件，以及四个偏置源，和四个放大器；并且其中磁传感器设备进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，该数字处理电路包括非易失性存储器；并且其中该磁传感器设备被配置成用于执行根据第一方面或第二方面的方法。

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与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那样。根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

附图说明

图1(a)示出了本领域中已知的、用于测量磁场梯度的说明性传感器布置。

图1(b)示出了本领域中已知的、用于图1(a)的传感器布置的偏置和读出的电路的示意性框图。

图2图示出本发明底层的技术问题。

图3(a)示出图1(a)的、具有温度传感器的传感器布置的变体。

图3(b)示出根据本发明的实施例的图1(b)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和可调电流源、以及数字减法(或数字域中的减法)。

图3(c)示出根据本发明的实施例的图1(b)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和可调电流源、以及模拟减法(或模拟域中的减法)。

图3(d)示出根据本发明的实施例的图1(b)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和可调放大器增益以及数字减法。

图3(e)示出根据本发明的实施例的图1(b)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和可调放大器增益以及模拟减法。

图3(f)示出根据本发明的实施例的图1(b)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器以及数字域中的乘法和减法。

图3(g)示出可以在图3(b)至图3(f)的实施例中使用的说明性校正函数。

图4(a)示出了根据本发明的另一个实施例的图1(a)的、具有温度传感器和差分应力传感器的传感器布置的变体，该传感器布置的变体也可以被看作是图3(a)的、具有差分应力传感器的传感器布置的变体。

图4(b)至图4(f)示出根据本发明的另一实施例的图3(b)至图3(f)的电路的变体，该电路的变体进一步使用差分应力信号。

图5(a)示出根据本发明的另一个实施例的图4(a)的、没有温度传感器的传感器布置的变体。

图5(b)至图5(f)示出图4(b)至图4(f)的、没有温度传感器的电路的变体。根据本发明的其他实施例，这些电路也可以被认为是图3(b)至图3(f)的、具有差分应力传感器的变体。

图6(a)示出了根据本发明的另一实施例的具有两个磁传感器的传感器布置，每个磁传感器包括被布置在集成磁聚集器IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。

图6(b)示出根据本发明的实施例的图3(b)的电路的变体，该电路的变体还使用温度传感器和可调电流源、以及数字减法。

图6(c)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体还使用温度传感器和可调放大器增益、以及数字减法。

图7(a)示出根据本发明的实施例的图6(a)的、具有差分应力传感器的传感器布置的变体。

图7(b)和图7(c)示出根据本发明的实施例的图6(b)和图6(c)的电路的变体，该电路的变体进一步使用差分应力信号。

图8(a)示出根据本发明的实施例的图7(a)的、没有温度传感器的传感器布置的变体。

图8(b)和图8(c)示出根据本发明的实施例的图7(b)和图7(c)的、没有温度传感器的电路的变体。

图9(a)示出了图示出可在本发明的实施例中用于确定磁场梯度或磁差分信号的方法的通用流程图。

图9(b)示出了图9(a)的方法的更详细的版本，该版本针对将第二偏置源或第二放大器增益作为单个温度和/或差分应力的函数进行调整、并且其中在模拟域中将传感器信号相减、并且然后进行数字化的情况。

图9(c)示出了图9(a)的方法的更详细的版本，该版本针对将第二偏置源或第二放大器增益作为单个温度和/或差分应力的函数进行调整、并且其中在数字域中将传感器信号相减的情况。

图9(d)示出了图9(a)的方法的更详细的版本，该版本针对利用预定义的偏置源对两个磁传感器进行偏置、并且其中利用预定义增益对信号进行放大、并且其中在数字域中将传感器信号相减的情况。

图10示出了根据本发明的实施例的、基于两个磁场梯度或两个磁场差来确定相对于磁源(例如相对于永磁体)的位置(例如线性位置或角位置)的方法的流程图。

图11(a)示出了根据本发明的实施例的、基于两个磁场梯度或两个磁场差来确定相对于磁源(例如相对于永磁体)的位置(例如线性位置或角位置)的另一方法的流程图。

图11(b)示出了图11(a)的方法的更详细的版本，该版本针对其中使用沿单个方向(例如沿X)的两个正交磁场分量(例如Bx，Bz)的梯度确定位置的情况。

图11(c)示出了图11(b)的方法的更详细的版本，该版本针对其中使用沿两个正交方向(例如沿X和Y)的单个磁场分量(例如Bz)的梯度确定位置的情况。

图12(a)示出了图3(a)的传感器布置的变体，包括位于四个不同传感器位置处的、在同一方向(在此为：Z)上敏感的四个传感器，这些传感器用于测量磁场分量(在此为：Bz)沿两个正交方向(在此为：X、Y)的两个磁场梯度(在此为：dBz/dx和dBz/dy)。

图12(b)示出角位置传感器系统，该系统包括两极磁体和具有如图12(a)所示的传感器布置的传感器设备。

图12(c)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和两个可调电流源。如图12(c)所示，四个传感器形成两对传感器，并且每对传感器被单独地匹配，以增加(例如最大化)每对传感器的SNR。

图12(d)示出根据本发明的实施例的图3(e)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和两个可调放大器。

图12(e)示出根据本发明的实施例的图12(a)的传感器布置的变体，在该变体中，四个传感器元件不位于具有位于旋转轴线上的中心的圆上。

图13(a)示出图12(a)的传感器布置的变体，进一步包括四个应力传感器，每个传感器位置处或附近有一个应力传感器。

图13(b)示出根据本发明的实施例的图12(c)的电路的变体，进一步包括四个应力传感器，其中两个可调电流源作为单个温度和差分应力的函数被控制。

图13(c)示出根据本发明的实施例的图12(d)的电路的变体，进一步包括四个应力传感器，其中两个可调放大器作为单个温度和差分应力的函数被控制。

图14(a)示出图3(a)的传感器布置的变体，该变体包括位于两个传感器位置处的四个传感器元件，这些传感器元件用于测量沿单个方向(在此：X)的两个正交磁场分量(在此为：Bx和Bz)的梯度。

图14(b)示出一种示例性角位置传感器系统，该系统包括四极磁体和具有如图14(a)所示的传感器布置的、被定位成与旋转轴线偏移(“离轴”)的传感器设备。

图14(c)示出示例性线性位置传感器系统，该系统包括具有多个交替磁极的线性磁结构，以及具有如图14(a)所示的传感器布置的传感器设备。

图14(d)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和两个可调电流源。

图14(e)示出根据本发明的实施例的图3(d)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和两个可调放大器。

图15(a)示出图14(a)的传感器布置的变体，进一步包括两个应力传感器，每个传感器位置处有一个应力传感器。

图15(b)示出根据本发明的实施例的图14(d)的电路的变体，进一步包括两个应力传感器，其中两个可调电流源作为单个温度和差分应力的函数被控制。

图15(c)示出根据本发明的实施例的图14(e)的电路的变体，进一步包括两个应力传感器，其中两个可调放大器作为单个温度和差分应力的函数被控制。

图16(a)示出图3(a)的传感器布置的变体，该变体包括位于两个传感器位置(X1、X2)处的四个传感器元件，这些传感器元件被配置成用于测量沿单个方向(在此为：X)的两个正交磁场分量(在此为：Bx和Bz)的梯度。

图16(b)示出一种示例性角位置传感器系统，该系统包括四极磁体和具有如图16(a)所示的传感器布置的、被定位成与旋转轴线偏移(“离轴”)的传感器设备。

图16(c)示出示例性线性位置传感器系统，该系统包括具有多个交替磁极的线性磁结构，以及具有如图16(a)所示的传感器布置的传感器设备。

图16(d)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和使用单个预定义函数控制的两个可调电流源。

图16(e)示出根据本发明的实施例的图3(d)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和使用单个预定义函数控制的两个可调放大器。

图16(f)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和使用两个预定义函数控制的两个可调电流源。

图16(g)示出根据本发明的实施例的图3(e)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和使用两个预定义函数控制的两个可调放大器。

图16(h)示出根据本发明的实施例的图16(d)的电路的变体，其中当测量第一磁场分量(在此为：Bx)时，以第一方式控制两个可调电流源，并且当测量与第一磁场分量正交的第二磁场分量(在此为：Bz)时，以第二方式控制两个可调电流源。

图16(i)示出根据本发明的实施例的图16(e)的电路的变体，其中当测量第一磁场分量(在此为：Bx)时，以第一方式控制两个可调放大器，并且当测量与第一磁场分量正交的第二磁场分量(在此为：Bz)时，以第二方式控制两个可调放大器。

图17(a)示出图16(a)的传感器布置的变体，进一步包括两个应力传感器，每个传感器位置处(例如，在IMC的下方或附近)有一个应力传感器。

图17(b)示出根据本发明的实施例的图16(d)、图16(f)和图16(h)的电路的变体，进一步包括两个应力传感器，其中两个可调电流源作为温度和差分应力的函数被控制。

图17(c)示出根据本发明的实施例的图16(e)、图16(g)和图16(i)的电路的变体，进一步包括两个应力传感器，其中两个可调放大器作为温度和差分应力的函数被控制。

图18(a)示出图3(a)的传感器布置的变体，包括两个集成磁聚集器，以及位于每个集成磁聚集器外周的四个水平霍尔元件，这些霍尔元件用于测量沿X轴的两个正交磁场分量(在此为：Bx和Bz)的梯度(在此为：dBx/dx和dBz/dx)。

图18(b)示出一种示例性角位置传感器系统，该系统包括轴向磁化的四极磁体和具有如图18(a)所示的传感器布置的、被定位成与旋转轴线偏移(“离轴”)的传感器设备。

图18(c)示出一种示例性角位置传感器系统，该系统包括径向磁化的八极磁体和具有如图18(a)所示的传感器布置的、被定位在磁体外部(“在磁赤道处或磁赤道附近”)的传感器设备。

图18(d)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和使用仅两个预定义函数的四个可调电流源。

图18(e)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用温度传感器和使用四个预定义函数的四个可调电流源。

图18(f)示出了图18(e)的变体，该变体使用由六个预定义函数控制的六个可调电流源。

图18(g)示出了图18(e)的变体，该变体使用由七个预定义函数控制的七个可调电流源。

图19(a)示出图18(a)的传感器布置的变体，进一步包括两个应力传感器，每个传感器位置处有一个应力传感器。

图19(a)至图19(d)是图18(d)至图18(f)的变体，该变体增加了应力传感器。

各附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。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且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于对本发明的实施的实际减少。

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、以排名或以任何其他方式描述顺序。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解说的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进行操作。

要注意，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“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，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所描述的特定的特征、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，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，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，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之后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，应当理解，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，当参考图3时，是指图3(a)至图3(g)的所有图。同样，当参考图4时，是指图4(a)至图4(f)的所有图。

在本文档中，附图标记“T”既用于指示温度传感器，又用于指示从其获得的温度信号。有时使用小写字母“t”指示模拟温度信号，并且使用大写字母“T”指示数字温度信号，但并不总是这样区分。应从上下文中应明确旨在哪种含义。

在本文档中，参考文献"σ1"通常用于指示第一应力信号，指示由第一磁传感器施加的机械应力。同样，参考文献"σ2"通常用于指示第二应力信号，指示施加在第二磁传感器上的机械应力。附图标记"Δσ"通常用于指示σ1与σ2之间的模拟差值，而附图标记“Δ∑通常用于指示与该模拟差值信号相对应的数字值。_

在本文档中，附图标记“I1”既用于指示第一电流源，又用于指示第一电流信号。应从上下文中应明确旨在哪种含义。

在本文档中，附图标记"A1"既用于指示第一放大器，又用于指示第一放大器增益。应从上下文中应明确旨在哪种含义。

在本文档中，附图标记"S1"用于指示第一磁灵敏度或第一应力传感器。应从上下文中应明确旨在哪种含义。

在本文档中，符号"f(.)"或"f()"用于指示函数，而不明确指定该函数的参数。它可以例如是单个所测得的温度值的函数f(T)，或者是单个温度和差分应力的函数f(T,Δ∑)，或者是差分应力的函数f(△∑)，其中T是所测得的温度，△∑是差分应力。

在本发明中对“电流源”作出引用的情况下，意味着能够向节点提供电流的元件或电路基本上与该节点的电压无关。通常，电流源具有相对较大的输出阻抗，例如至少1K欧姆、或至少10K欧姆。

在本文档中，“应力差信号”和“差分应力信号”作为同义词使用。

在该文档中，术语arctan函数或atan2函数指的是反正切函数。不熟悉atan2函数(或“2参数反正切”函数)的读者可以例如参考https://en.wikipedia.org/wiki/Atan2了解更多信息。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。

在本文档中，术语“磁传感器设备”或“传感器设备”是指包括衬底(优选为半导体衬底)的设备，该衬底包括至少两个“磁传感器元件”。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。

如本文中所使用的术语“磁传感器”或“磁传感器结构”或“磁传感器布置”可指能够测量诸如霍尔效应或磁阻(MR)效应之类的一种或多种磁效应的一个或多个传感器元件。磁阻效应的非限制性示例包括GMR(巨磁阻)、CMR(庞磁阻)、AMR(各向异性磁阻)或TMR(隧穿磁阻)。取决于上下文，术语“磁传感器”可指单个磁敏元件(例如，水平霍尔元件或垂直霍尔元件)，或者可指(例如，布置在惠斯通电桥中的或布置成与集成磁聚集器(IMC)相邻的)一组磁性元件，或者可指进一步包括以下各项中的一项或多项的子电路：偏置电路、读出电路、放大器、模数转换器等。

在本发明中，表述“磁灵敏度”是指如例如在公式：v＝S*B中使用的值“S”，其中v＝电压信号，S＝磁灵敏度，B＝磁场强度。磁灵敏度可以用[伏特/特斯拉]表达。

在本发明中，表述“电流相关的磁灵敏度”是指如例如在公式：v＝s*I*B中使用的值“s”，其中v＝电压信号，S＝电流相关的磁灵敏度，I＝电流磁场强度，B＝磁场强度。电流相关的磁灵敏度可以用[伏特/(安培特斯拉)]表达。

除非另有提及或从上下文中另有明确说明，在本发明中，具有三个轴X、Y、Z的虚拟正交坐标系被附加到传感器设备，其中X和Y与半导体衬底平行，并且Z轴与半导体衬底垂直。此外，X轴优选地被取向成与传感器设备和磁源的相对运动的方向相切。因此，Bx和By与衬底平行，并且Bz与衬底垂直。

在本文档中，“函数”f3、f4等可被称为“控制函数”或“校正函数”。在本发明中，这些函数通常用于调整可调电流源的电流，或调整可调放大器的增益，或用于在数字域中对值进行缩放。

本发明涉及基于两个磁场差或梯度来确定位置(例如线性位置或角位置)的系统、设备和方法(例如参见图13(a)至图19(d))。

图1(a)示出了本领域中已知的、用于测量磁场梯度的传感器布置100。该传感器布置包括沿着预定义的轴线X间隔开距离dx的两个水平霍尔元件H1、H2。第一霍尔元件H1位于位置X1，并且测量按与衬底垂直的Z方向取向的磁场分量Bz1。第二霍尔元件H2位于位置X2处，并且测量同样按与衬底垂直的Z方向取向的磁场分量Bz2。

图1(b)示出了具有两个电流源的经典偏置电路、以及包括数字器的读出电路、以及处理电路的示意表示。

按Z方向(与半导体衬底垂直)取向的磁场分量Bz沿着X方向(与半导体衬底平行)的磁场梯度dBz/dx可以被确定为：

dBz/dx～ΔBz＝(Bz2-Bz1) [1]

其中符号～是指“与……成比例”。

使用梯度信号而不是单个磁场分量值的主要原因之一在于，梯度信号对均匀的外部干扰场高度不敏感。该优点在其他专利文献中也进行了描述(例如WO98/54547或WO2014/029885A1)，并且被越来越多地用于工业或汽车应用的磁位置传感器的领域，通常与多极(例如四极或六极)环形或盘状磁体结合使用。

实际上，使用梯度往往还有助于减少定位误差的影响，因为通常情况下，如果一个信号增加，另一信号就会减少，因此梯度基本上保持相同。并且这同样适用于传感器的灵敏度失配：传感器的灵敏度或多或少相同就足够了，因为灵敏度失配在很大程度上可以通过计算梯度信号来补偿。此外，在这些应用的许多应用中，甚至梯度的绝对值也是不重要的，而是两个梯度的比率值是重要的。例如，在角位置或线性位置传感器中，其中角位置被计算为两个梯度的比率的反正切函数。这些传感器对磁体的退磁效应和/或温度效应也是高度鲁棒的。

多年来，这些发展使梯度测量磁传感器领域中的技术人员相信，通过测量基于梯度测量的量，结果更加准确，因为梯度对外部磁场不敏感，并且开发者不必那么担心磁源的缺陷、定位误差、灵敏度失配、温度变化等，因为这些都在本质上被梯度和/或被两个梯度的比率应对。

然而，本发明的发明人发现，如果梯度信号本身相比于杂散场是相对小的，该推理是不正确的。在本发明的实施例中，杂散场是第一传感器和第二传感器两者共用的场部分。

图2图示出在图1(b)的示意性框图中，如何常规地处理两个Bz场分量，即在位置X1处测得的Bz1和在距X1间隔距离Δx的位置X2处测得的Bz2。假设信号Bz1是(例如由磁体感应出的)信号Bz1m加上杂散场分量Bzext的总和，因此Bz1＝Bz1m+Bzext，并且同样地，Bz2＝Bz2m+Bzext。进一步假设第一霍尔元件H1以第一偏置电流I1偏置，并且第一霍尔元件H1根据以下公式提供与偏置电流I1和所施加的磁场分量Bz1的乘积成比例的电压信号v1：

v1＝s1.I1.Bz1 [4]

其中s1表示第一霍尔元件的“电流相关的磁灵敏度”(用[伏特/(特斯拉*安培)]表示)，

并且第二霍尔元件H2以第二偏置电流I2偏置，并且第二霍尔元件H2提供与偏置电流I2成比例的电压信号v2，并且第二霍尔元件H2根据以下公式提供与偏置电流I2和所施加的磁场分量Bz2的乘积成比例的电压信号v2：

v2＝s2.I2.Bz2 [5]

其中s2表示第二霍尔元件的“电流相关的磁灵敏度”(用[伏特/(特斯拉*安培)]表示)。

假设模数转换器(ADC)将这些信号分别转换为第一数字值V1和第二数字值V2，那么处理电路(例如DSP)将梯度计算为V2与V1之间的差值，该差值可表示如下：

梯度＝V2-V1 [6]

梯度＝s2.I2.(Bz1m+Bzext)-s1.I1.(Bz2m+Bzext) [7]

现在假设第一偏置电流I1约等于第二偏置电流I2，并且s1.I1约等于s2.I2，那么表达式[7]可近似为：

梯度≈(s2-s1).I1.Bzext+(s1.I1).(ΔBzm) [8]

其中≈是指“约等于”。

从该表达式[8]中可以看出，第二项是真实的梯度项，该梯度项确实与所施加的偏置电流I1和磁场差ΔBz成比例，但令人惊讶的是，计算出的梯度值还具有意料之外的误差项，该误差项与传感器位置处的杂散场Bzext乘以灵敏度不匹配度(s2-s1)成比例。

如上文所述，在杂散场值基本等于零的情况下，误差项可以忽略不计，但在杂散场值Bzext大于ΔBzm值的系统中，误差项就会变大，这在一些应用中确实是如此。

为了减少或最小化使用单个梯度的系统的误差项，本发明提出在从第一模拟信号或第一数字值中减去第二偏置源和/或第二放大器和/或第二数字值之前，使用预定义函数相对于第一偏置源和/或第一放大器和/或第一数字值动态地调整第二偏置源和/或第二放大器和/或第二数字值。

更具体地，本发明提出了一种具有独立设备权利要求的特征的磁传感器设备，并提出了一种具有独立方法权利要求的特征的测量磁场梯度的方法。为了充分理解和领会所提出的解决方案，公开了以下附加的见解。

本发明的发明人想到了进一步的见解，即为了减少方程[8]的误差项，不需要将两个灵敏度都调整到预定义的绝对值，而将一个灵敏度调整到与另一个灵敏度基本上相等就足够了。该进一步的见解允许他们找到比例如EP3109658中提出的解决方案更简单的解决方案，在EP3109658中，每个磁传感器均被提供有温度传感器和机械应力传感器，并且其中磁场的绝对值是通过求解一组数学方程式来计算出的。

在本发明中，基本上提出了三种解决方案：

i)其中测量单个温度T，但不测量机械应力，并且其中将第二偏置源和/或第二信号路径作为所测得的温度的函数f(T)来进行调整的解决方案(参见例如图3(a)至图3(g)，以及对于在本文中被称为“双盘结构”的传感器结构而言，参见例如图6(a)至图6(c))；

ii)其中测量差分应力、但不测量温度、并且将第二偏置源和/或第二信号路径作为所测得的应力差的函数f(Δ∑)来进行调整的解决方案(对于具有两个水平霍尔元件的传感器结构而言，参见例如图5(a)至图5(f)；以及对于在本文中被称为“双盘结构”的传感器结构而言，参见例如图8(a)至图8(c))；

iii)其中测量单个温度T、并且还测量差分应力、并且其中将第二偏置源和/或第二信号路径作为温度和所测得的应力差两者的函数f(T,Δ∑)来进行调整的解决方案(例如，参见图4(a)至图4(f)，以及对于在本文中被称为“双盘结构”的传感器结构而言，参见例如图7(a)至图7(c))，

但当然，本发明并不限于这些特定的传感器结构，并且所提出的原理也可以应用于其他传感器结构，例如具有按相同方向取向的两个垂直霍尔元件的传感器结构，或具有磁阻元件的传感器结构等。

应注意，当磁传感器未利用电流源进行偏置，而是例如使用“电压源”(具有相对较低的输出阻抗，例如小于10欧姆，或小于1欧姆)进行偏置时，也会发生该问题。

在下列内容中，为了便于解释，本发明将参考作为偏置源的电流源进行解释，但本发明不限于此。同样，即使附图中被示出具有作为数字处理电路的DSP，但本发明并不限于此，并且还可以使用其他数字处理电路，例如可编程数字逻辑、微控制器等。

图3(a)示出了与图1(a)的传感器布置类似的、具有温度传感器(更具体地，具有单个温度传感器)的传感器布置300。

该图的主要目的是用于说明两个磁传感器(在本示例中由单个水平霍尔元件H1、H2表示)沿X轴间隔预定义距离dx，但偏置电路和读出电路未在该图中示出。如上文所解释，该传感器结构可以用于测量X1处的Bz1，X2处的Bz2，并且用于基于Bz1和Bz2来计算梯度dBz/dx。如上文所解释，在实践中，第一磁传感器的灵敏度并不总是与第二磁传感器的灵敏度完全相同，即使使用完全相同的布局符号，并且即使当它们利用(例如由电流镜生成的)完全相同的电流进行偏置时。

图3(b)示出了磁传感器设备320，包括：

半导体衬底(如图3(a)所示)；

第一磁传感器H1，该第一磁传感器H1位于所述半导体衬底上的第一传感器位置X1(参见图3(a))处，并且被布置成用于提供指示按与衬底垂直的第一方向Z取向的第一磁场分量Bz1的第一传感器信号(例如电压信号)v1；

第二磁传感器H2，该第二磁传感器H2位于所述半导体衬底上的、与第一传感器位置X1间隔开的第二位置X2(参见图3(a))处，并且被布置成用于提供指示按所述第一方向Z取向的第二磁场分量Bz2的第二传感器信号(例如电压信号)v2corr。应注意，该信号被标记为“v2corr”，因为电流I2被调整；

温度传感器，该温度传感器位于所述半导体衬底上的第三位置，并且被配置成用于测量衬底的温度(T)并且用于提供温度信号。第三位置可以靠近第一传感器位置、或者靠近第二传感器位置、或者基本上在第一传感器位置与第二传感器位置之间的中间、或者可以是衬底上的任何其他位置；

第一电流源，该第一电流源被布置用于利用第一预定义电流I1对第一磁传感器H1进行偏置。该第一电流优选地为由本领域公知的温度补偿电流发生器电路生成的预定义电流；

第二电流源，该第二电流源被布置成用于使用第二电流信号I2对第二磁传感器H2进行偏置。第二电流源是具有控制端口或控制门的可调电流源，将该可调电流源作为所测得的温度的函数f(T)来由处理单元(例如DSP)进行控制；

第一放大器，该第一放大器被布置成用于以第一预定义增益A放大第一磁传感器信号v1，并用于提供第一经放大的传感器信号A_v1。

第二放大器，该第二放大器被布置成用于以第二预定义增益A放大第二磁传感器信号v2corr，并用于提供第二经放大的传感器信号A_v2corr。第二放大器增益可以等于第一放大器增益，但是这不是绝对必要的。

至少一个模数转换器ADC，用于例如以时间复用的方式转换第一放大信号A_v1和第二放大信号A_v2corr。这由具有多个输入的ADC示意性地表示，但在ADC前面使用模拟多路复用器也是可能的。出于说明性的目的，此类细节在附图中被省略；

数字处理电路，该数字处理电路连接在模数转换器ADC下游，其中，磁传感器设备被配置成用于在确定第一数字值A_V1与第二数字值A_V2corr之间的差值之前，基于所测得的温度的预定义函数f(T)来调整第二偏置信号I2。

或者换言之，梯度的测量例如可以按以下步骤执行：

a)首先测量温度信号t，并将其数字化为值T，

b)数字处理电路(例如数字控制器或DSP)接收数字值T，并使用值T的预定义函数调整第二电流I2，

c)然后对第一磁传感器信号v1、第二磁传感器信号v2corr进行测量、放大和数字化，

d)然后数字处理电路(例如数字控制器或DSP)通过将第一数字值A_V1和第二数字值A_V2corr相减来计算梯度。

预定义函数f(T)可以被选择成使得在操作期间，第一磁传感器H1的磁灵敏度S1与从第一磁传感器H1的输出到所述确定差值(例如，在数字处理电路中执行的减法)的第一信号路径的第一总增益OG1的乘积基本上等于第二磁传感器H2的磁灵敏度S2与从第二磁传感器H2的输出到所述确定差值(该差值可以在模拟域或数字域中确定)的第二信号路径的第二总增益OG2的乘积。因此，f(T)被选择成使得S1*OG1＝S2*OG2。

读者将理解，在第二电流I2被调整之前，第一磁传感器信号v1也可以被测量、被放大和被数字化，因为第一传感器值v1不受第二电流I2的影响，但为了使本实施例起作用，在第二磁传感器信号v2corr被放大、被数字化并被发送至DSP之前调整第二电流I2是必要的。

或简单地说，对于图3(b)所示的特定电路，并假设处理电路通过简单地将数字值A_V1与A_V2corr相减来计算梯度，而不需要数字域中的进一步的乘法，并假设两个放大器的增益等于A，当按照“与电流有关的磁灵敏度”来表达温度T的各种值时，函数f(T)被优选地选择成使得(s1.I1).A＝(s2.I2).A，或者在一般情况下，当按照“磁灵敏度”来表达温度T的各种值时，函数f(T)被优选地选择成使得S1.A1.D1＝S2.A2.D2，其中A1、A2是模拟域中的第一信号路径、第二信号路径的放大，并且D1、D2是数字域中的第一信号路径、第二信号路径的放大。

作为示例，假设通过施加MOS晶体管的栅极电压来控制第二电流源I2，并且数字处理电路包含具有DAC(数模转换器)的DSP(数字信号处理器)，并且由DAC生成栅极电压，然后例如可以通过在各种温度下执行校准测试来求解函数f(T)。对于每个温度而言，施加恒定的磁场，重复测量值A_V1和A_V2，并且找到值A_V2基本上等于值A_V1的栅极电压(在给定的公差裕度内，例如小于1％，或者由DAC的最低有效位LSB定义的栅极电压)，并且将每个温度的相应栅极电压值添加到列表中，该列表被存储在DSP内部的非易失性存储器中或被连接至DSP。在正常的操作期间，DSP可以简单地测量温度，并将温度用作索引来找到要施加到第二电流源的对应的栅极电压。该示例说明使用(例如以列表或表格形式的)校正函数来校正操作期间的灵敏度失配可以是非常简单的，而且不需要两个温度传感器或求解一组数学方程式。

DAC可以是控制电路的一部分，该控制电路被配置成用于在预定义的范围内(例如在预定义的工作点周围)调整电流源和/或放大器增益。优选地，DAC具有足以允许以小于预定义工作点的1％(优选小于0.5％、或小于0.4％、或小于0.3％、或小于0.2％)的步长调整电流和/或放大器增益的分辨率。在实践中，DAC可以具有至少2位、或至少4位、或至少6位的分辨率。

综上所述，图3(b)示出用于在将第二偏置信号I2作为温度的函数进行调整之后通过在数字域中将两个值相减来测量磁场梯度的磁传感器设备320。

该电路的许多变体是可能的，例如：

在一变体中，磁传感器不是水平霍尔元件，而是按照相同方向取向的垂直霍尔元件。

在一变体中，不是只存在一个ADC，而是存在多个ADC。

在一变体中，第二电流源的控制信号不是由DAC生成的，而是由PWM块随后是低通滤波器生成的。

在一变体中，偏置源不是可调电流源，而是可调电压源。

在一变体中，数字处理电路不包含数字信号处理器(DSP)，而包含微控制器。

在一变体中，温度传感器不提供由ADC数字化的模拟信号“t”，而是直接向处理电路提供数字信号“T”。

在上文的示例中，校正函数f(T)可以被存储为(T，V)值的列表，其中T是温度，并且V是由DAC生成并应用于MOS晶体管的电压。但是当然，该列表也可以通过一个或多个线段的逐段线性组合来近似，或者通过数学表达式来近似，例如通过变量T的一阶或二阶或三阶多项式来近似。系数可以被存储在非易失性存储器中，并且在正常使用期间，多项式表达式可以利用所测得的温度值进行求值。

图3(c)示出根据本发明的另一实施例的图3(b)的电路的变体，该电路的变体使用单个温度传感器和可调电流源以及模拟减法。图3(c)的电路与图3(b)的电路之间的主要区别在于，第一磁传感器信号v1减去第二磁传感器信号v2corr不是在数字域(例如在DSP的软件中)执行的，而是在模拟域(在框331中)执行的。

在图3(c)的电路中，减法电路331被配置成用于确定第一放大信号A_v1和第二放大信号A_v2corr之间的差值Δv。

ADC被配置成用于例如以时间复用的方式将温度T以及差信号Δv数字化。

与上文类似，DSP被配置成用于获得数字温度值T，并且用于使用预定义的校正函数f(T)调整第二电流源I2。与上文不同的是，DSP接收指示梯度的经数字化的差信号ΔV。该值可以任选地乘以预定义常数。

或者换言之，使用图3(c)的电路对梯度的测量例如可以按以下步骤执行：

a)首先测量温度信号t，并将其数字化以得到值T，

b)DSP接收数字温度值T，并使用值T的预定义函数调整第二电流I2，

c)然后将第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2corr进行测量和放大，并且在框331中生成差信号Δv，并且差信号Δv在ADC中被数字化，

d)DSP获得该经数字化的差信号ΔV，并将其视为梯度。

为了使该实施例起作用，在生成差信号Δv之前(在框331中)调整第二电流I2，并使其数字化后并发送给DSP是必要的。

上文所述的优点中的许多优点在此也适用。

图3(c)的电路330提供了附加的优点，通过在由ADC进行数字化之前在模拟域中执行减法。通过这样做，梯度的信噪比(SNR)可以被大大地改善，因为现在可以使用ADC的全部范围来对差信号进行数字化，而与其中需要ADC的全部范围来量化各个磁场分量的图3(b)不同。

减法电路331之后可任选地跟随具有放大因子的第三放大器B(用虚线指示)，但这不是绝对必需的。

对于这种情况，校正函数f(T)例如可以按照以下操作获得：再假设通过施加MOS晶体管的栅极电压来控制第二电流源I2，并且DSP包含DAC，并且通过将DAC信号施加到MOS晶体管的栅极来执行对第二电流源I2的调整，则例如可以通过在各种温度下执行校准测试来求解函数f(T)。对于每个温度而言，施加恒定的磁场、改变DAC电压、以及测量所得到的值ΔV，并且差值ΔV最小(以绝对值的形式)的DAC电压被视为要被施加以通过使得总增益(来自[以mT表达的]磁场强度)与DSP中的数字值之比对于两个信号路径而言基本上相同的方式调整第二电流源的栅极电压。同样，各种温度的DAC电压可以被存储在非易失性存储器的列表中，或者可以用于曲线拟合，在该情况下，曲线的参数(例如二阶多项式)被存储在所述非易失性存储器中。

综上所述，图3(c)示出用于通过将两个值相减来测量磁场梯度的磁传感器设备，其中在模拟域中执行减法，并且其中第二电流作为温度的函数进行调整。

针对图3(b)所描述的所有变体也可以应用于图3(c)。例如，磁传感器元件可以是垂直霍尔元件；可以存在多个ADC而不是仅有一个ADC；控制信号可以由PWM-生成器-块和低通滤波器生成而不是由DAC生成；偏置源可以是偏置电压；数字处理电路可以包括微控制器；温度传感器可以提供数字温度信号，梯度可以进一步被缩放，或上述各项的组合。

图3(d)示出根据本发明的另一实施例的图3(b)的电路的变体，该电路的变体使用单个温度传感器和可调放大器增益以及数字减法。图3(d)的电路与图3(b)的电路之间的主要区别在于，第二电流源是预定义的电流源，(例如温度补偿电流源，或第一电流源的电流镜)，并且第二放大器具有可调的增益A2。第二电流可以例如使用电流镜与第一电流基本上相同，但是这不是绝对必要的，例如也可以使用温度补偿的预定义第二电流源。

DSP被配置成用于获得数字温度值T，并且用于使用预定义的校正函数f(T)调整第二放大器增益。对于该情况而言，校正函数f(T)可以以与图3(b)中所描述的方式类似的方式获得，区别在于，在图3(d)中，DAC电压被施加到第二放大器的端口或节点。

为了使该实施例起作用，在传感器信号v2corr被数字化并被发送至DSP以供进一步处理之前调整第二增益A2是有必要的。

综上所述，图3(d)示出用于在将第二放大器的增益作为温度的函数进行调整之后通过在数字域中将两个值A_V1和A_V2相减来测量磁场梯度的磁传感器设备340。

针对图3(b)所描述的所有变体也可以应用于图3(d)。

图3(e)示出根据本发明的另一实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体使用单个温度传感器和可调放大器增益以及模拟减法。图3(e)的电路与图3(c)的电路的主要区别在于，第二电流源是预定义的电流源，并且第二放大器具有可调的增益A2。第二电流I2可以与第一电流I1基本上相同，但是这不是绝对必要的。

DSP被配置成用于获得数字温度值T，并且用于使用预定义的校正函数f(T)调整第二放大器增益。对于该情况而言，校正函数f(T)可以以与图3(c)中所描述的方式类似的方式获得，区别在于，在图3(e)中，DAC电压被施加到第二放大器的端口或节点，而不是被施加到第二电流源的端口或节点。

为了使该实施例起作用，在框351中生成经放大的传感器信号A_v1与A_v2corr之间的差值Δv并且然后由ADC进行数字化，并且然后被发送至DSP以供进一步处理之前调整第二增益A2是有必要的。

综上所述，图3(e)示出用于在将第二放大器的增益作为温度的函数进行调整之后通过模拟域中的两个经放大的传感器信号A_v1、A_v2corr来测量磁场梯度的磁传感器设备350。

针对图3(b)所描述的所有变体也可以应用于图3(e)。

图3(f)示出根据本发明的另一实施例的图3(b)的电路的变体，该电路的变体使用单个温度传感器，但没有可调的电流源，并且没有可调的放大器增益。图3(f)的电路与图3(b)的电路的主要区别在于，第二电流源是预定义的电流源，并且第二放大器具有预定义的增益。第二电流I2可以与第一电流I1基本上相同，但是这不是绝对必要的。第二放大器增益可以基本上等于第一放大器增益，但是这不是绝对必要的。

DSP被配置成用于从温度传感器获得数字温度值T，并用于将数字校正因子Fcorr确定为温度的函数f(T)。

对于该情况而言，校正函数f(T)例如可以通过在各种温度下执行校准测试来获得。对于每个温度而言，施加恒定的磁场，测量A_V1和A_V2的值，并选择校正因子Fcorr的值，使得所得到的梯度值基本上等于零。这可以通过简单的计算获得：

Fcorr*A_V2-A_V1必须是＝0，因此Fcorr需要是＝A_V1/A_V2。

在设备的实际使用期间，测量温度，从非易失性存储器中计算出或检取出对应的校正因子Fcorr，从ADC中获得值A_V1和A_V2，首先将A_V2的值与校正因子Fcorr相乘以获得经校正的第二数字值A_V2corr，并且然后在数字域中计算A_V1与A_V2corr的差值以获得梯度。

综上所述，图3(f)示出用于在将第二数字值A_V2与作为温度的函数的校正因子Fcorr相乘之后、通过在数字域中将两个值A_V2corr、A_V1相减来测量磁场梯度的磁传感器设备360。

针对图3(b)所描述的所有变体也可以应用于图3(f)。

图3(g)示出了可在图3(b)的实施例中使用的、被封装在特定封装中的特定磁传感器设备的说明性校正函数f(T)。发现被嵌入在两个不同封装中的特定半导体管芯可能会得到不同的校正函数，但其原理仍然保持不变。

回顾图3(a)至图3(g)中提出的解决方案，其中测量温度，并且执行对一个偏置源或一个信号路径中的一个组件或步骤的调整(例如通过可调电流源或可调放大器执行调整或在数字域中执行调整)，本领域技术人员将理解，调整第二信号路径中的多个组件或步骤，或者甚至调整两个信号路径当然也是可能的，但此类实施例是更加复杂的，而且不是优选的。

图4(a)和图4(b)示出了图3(a)和图3(b)的传感器布置的变体，其中增加了差分应力测量电路传感器，包括：第一应力传感器S1，该第一应力传感器S1位于第一磁传感器H1附近并被配置成用于提供第一应力信号σ1；以及第二应力传感器S2，该第二应力传感器S2位于第二磁传感器H2附近并被配置成用于提供第二应力信号σ2；以及减法电路421，用于确定第一应力信号σ1与第二应力信号σ2之间的差值以获得所述差分应力信号Δσ。

从图4(b)中可以看出，至少一个模数转换器ADC进一步被配置成用于将差分应力信号Δσ任选地在由第三放大器B进行放大之后数字化为“差分应力值”Δ∑(在本文中也被称为“应力差值”)，并且用于将该差分应力值Δ∑提供给数字处理电路DSP。

梯度的测量例如可以按以下步骤来执行：

a)首先温度信号t和差分应力信号Δσ被测量，被任选地放大并且被数字化，

b)DSP接收数字温度值T和Δ∑，并使用这些值T和△∑的预定义函数调整第二电流I2，

c)然后对第一磁传感器信号v1、第二磁传感器信号v2corr进行测量、放大和数字化，

d)然后DSP通过将第一数字值A_V1与第二数字值A_V2corr相减来计算梯度。

为了使该实施例正确地起作用，在第二磁传感器信号v2corr被放大和被数字化并被发送至DSP以供进一步处理之前调整第二电流I2是有必要的。

针对图3(b)所描述的所有变体也可以应用于图4(b)。

图4(c)至图4(f)示出图3(c)至图3(f)的电路的变体，该电路的变体进一步包括图4(a)和图4(b)中所描述的差分应力传感器电路。操作的原理与上文所述的原理类似，区别在于，在图4(b)至图4(f)的实施例中，预定义函数不仅是温度的函数，而且是温度T和差分应力Δ∑的函数。

简而言之，在图4(c)中，温度t和差分应力Δσ被测量并被数字化为T、Δ∑并被发送至DSP，DSP使用所述温度和差分应力的预定义函数f(T，Δ∑)调整第二电流源I2，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2corr被放大(得到A_v1、A_v2corr)并在模拟域中相减，并且差分信号Δv被数字化为ΔV并作为梯度被发送至DSP。

简而言之，在图4(d)中，温度t和差分应力Δσ被测量并被数字化为T、Δ∑并被发送至DSP，DSP使用所述温度和差分应力f(T，Δ∑)的预定义函数调整第二放大器增益A2，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2被放大为A_v1、A_v2corr并被数字化为A_V1、A_V2corr，并且被发送至DSP，DSP将这些数字值相减以获得梯度。

简而言之，在图4(e)中，温度t和差分应力Δσ被测量并被数字化为T、Δ∑并被发送至DSP，DSP使用所述温度和差分应力的预定义函数f(T，Δ∑)调整第二放大器增益A2，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2被放大(得到A_v1、A_v2corr)并在模拟域中相减(得到Δv)，差信号Δv被数字化(得到ΔV)并作为梯度被发送至DSP。

简而言之，在图4(f)中，温度t和差分应力Δσ被测量并被数字化为T、Δ∑，并且被发送至DSP，DSP使用所述温度和差分应力的预定义函数f(T,Δ∑)来确定校正因子Fcorr，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2被放大(得到A_v1、A_v2)并且被数字化(得到A_V1、A_V2)并被发送至DSP，DSP将第二数字信号A_V2与校正因子Fcorr相乘以获得A_V2corr，并且然后在数字域中将第一数字值A_V1和经校正的第二数字值A_V2corr相减以获得梯度。

针对图3(c)至图3(f)所描述的所有变体也适用于图4(c)至图4(f)，这些变体例如使用垂直霍尔元件代替水平霍尔元件、使用多个ADC、使用具有DAC或PWM和LPF的DSP、利用电压源代替电流源进行偏置、使用微控制器代替DSP、使用具有数字输出的温度传感器等。

图5(a)和图5(b)示出图4(a)和图4(b)的传感器布置和电路的变体，该电路的变体具有差分应力测量电路，但没有温度传感器，其意义在于DSP没有明确地使用温度值来调整可调电流源或可调放大器或在其计算梯度时使用温度。该电路520的工作与图4(b)类似，区别在于，温度未被测量和被数字化。差分应力Δσ被测量并被数字化，并且使用差分应力Δ∑的函数f(Δ∑)而不是温度的函数来调整第二电流源I2。

图5(c)至图5(f)示出图4(b)至图4(f)的电路的变体，该电路的变体没有温度传感器。这些电路也可以被认为是图3(b)至图3(f)的变体，该变体利用差分应力传感器代替温度传感器。操作的原理与上文所描述的原理类似，区别在于，预定义的函数是差分应力的函数，而不是温度的函数。

简而言之，在图5(c)中，差分应力Δσ被测量，任选地被放大，并且被数字化(得到Δ∑)并被发送至DSP，DSP使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)来调整第二电流源I2，然后第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2corr被放大(得到A_v1、A_v2corr)并在模拟域中相减(得到Δv)，并且差信号Δv被数字化(得到ΔV)并作为梯度被发送至DSP。

简而言之，在图5(d)中，差分应力Δσ被测量并被数字化为Δ∑，并且被发送至DSP，DSP使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)来调整第二放大器增益A2，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2被放大(得到A_v1、A_v2corr)并被数字化(得到A_V1、A_V2corr)，并且被发送至DSP，DSP将第一数字值A_V1与第二数字值A_V2corr相减以获得梯度。

简而言之，在图5(e)中，差分应力Δσ被测量，任选地被放大，并且被数字化(得到Δ∑)并被发送至DSP，DSP使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)来调整第二放大器增益A2，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2被放大(得到A_v1、A_v2corr)并在模拟域中相减(得到Δv)，差信号Δv被数字化(得到ΔV)并作为梯度被发送至DSP。

简而言之，在图5(f)中，差分应力Δσ被测量，任选地被放大，并被数字化(得到Δ∑)，并且被发送至DSP，DSP使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)来确定校正因子Fcorr，第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2被放大(得到A_v1、A_v2)并被数字化(得到A_V1、A_V2)并且被发送至DSP，DSP将第二数字信号A_V2与校正因子Fcorr相乘以获得A_V2corr，并且然后在数字域中将第一数字值A_V1与经校正的第二数字值A_V2corr相减以获得梯度。

针对图3(b)至图3(f)所描述的、除了使用具有数字输出的温度传感器之外的所有变体也适用于图5(b)至图5(f)，例如使用垂直霍尔元件代替水平霍尔元件、使用多个ADC、使用具有DAC或PWM和低通滤波器的DSP、利用电压源代替电流源进行偏置、使用微控制器代替DSP、进一步缩放梯度等。

回顾图3(a)至图5(f)，可以看出，图3的实施例具有温度传感器，但没有差分应力传感器，图5的实施例具有差分应力传感器，但没有温度传感器，并且图4的实施例既有差分应力传感器，又有温度传感器。

图5的实施例背后的原理在于，明确地测量温度可能不是必要的，因为温度变化通常也会引起由于材料的热膨胀或收缩而造成的应力变化，因此在对差分应力进行补偿时，温度变化也将(至少部分地)被补偿。

同样，图3的实施例背后的原理在于，在对温度进行补偿时将自动地对由温度变化引起的应力变化的补偿。

图4(a)至图4(f)中的、既具有温度传感器又具有差分应力测量电路的实施例能够对不是由温度变化引起的、而是由其他原因引起的(例如由设备被安装在其上的印刷电路板(PCB)的机械弯曲引起的)机械应力进行补偿。因此，图4(a)至图4(f)的实施例可能对长期漂移是更加稳健的。

到目前为止，仅描述了磁传感器结构，其中每个磁传感器由单个水平霍尔板或单个垂直霍尔板组成。但本发明并不限于此，并且对其他磁传感器(例如对包含磁阻元件的磁传感器(未示出))同样起作用。

在图6(a)至图8(c)中还将针对包括所谓的“双盘结构”的传感器设备来描述本发明的原理，其中，每个磁传感器由被布置在集成磁聚集器(IMC)的相对侧上的两个水平霍尔板组成。

IMC盘通常具有约为200-250微米的直径，并且通常间隔开约1.0mm至约3.0mm(例如等于约2.0mm)的距离，但是当然，本发明并不限于此，并且也可以使用其他尺寸。可以通过假设属于一个磁传感器的所有元件具有相同的温度并经历相同的机械应力，将上文所描述的原理容易地应用于此类传感器设备。

图6(a)示出了具有两个磁传感器的传感器布置600，每个磁传感器包括被布置在集成磁聚集器IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。

由IMC1、H1a和H1b组成的第一磁传感器位于第一传感器位置xL处。由IMC2、H2a和H2b组成的第二磁传感器位于第二传感器位置xR处。第一传感器位置和第二传感器位置沿X轴间隔开距离dx。这四个水平霍尔元件均位于X轴上。

在其他专利申请中对该传感器结构进行了描述，例如在US2018372475A1和EP19193068.4中，这两份专利申请均通过引用以其整体结合于此，但出于本发明的目的，知道以下各项就足够了：

处于第一传感器位置XL处并且按与衬底平行的X方向取向的磁场分量BxL可以被计算为：BxL＝(v1b-v1a)(或与(v1b-v1a)成比例)，其中v1b是由H1b提供的信号，并且v1a是由H1a提供的信号。

处于第一传感器位置XL处并且按与衬底垂直的Z方向取向的磁场分量BzL可以被计算为：BzL＝(v1b+v1a)(或与(v1b+v1a)成比例)，

处于第一传感器位置XR处并且按与衬底平行的X方向取向的磁场分量BxR，该磁场分量BxR可以被计算为：BxR＝(v2b-v2a)(或与(v2b-v2a)成比例)，其中v2b是由H2b提供的信号，并且v2a是由H2a提供的信号。

处于第二传感器位置XR处并且按与衬底垂直的Z方向取向的磁场分量BzR可以被计算为：BzR＝(v2b+v2a)(或与(v2b+v2a)成比例)，

沿X轴被取向成与衬底平行的磁场分量Bx的梯度dBx/dx可以被计算为：dBx/dx～ΔBx＝BxR-BxL，其中符号～表示“与……成正比”，

以及沿X轴被取向成与衬底垂直的磁场分量Bz的梯度dBz/dx可以被计算为：dBz/dx～△Bz＝BzR-BzL。

根据本发明，受益于本公开的本领域技术人员将理解，以该方式计算出的梯度信号dBx/dx和dBz/dx在两个传感器结构之间的灵敏度失配的情况下，可能会遭受如上述公式[8]或[8b]所述的杂散场误差信号。

图6(b)图示出如何将相对于图3(b)所描述的原理应用于图6(b)的传感器结构，以减少或基本消除杂散场误差信号。

应注意，图6(a)的传感器结构包含用于测量衬底的温度的单个温度传感器。如上文所述，温度传感器可以位于衬底上的任何位置，例如位于距第一磁传感器和第二磁传感器的距离相等的位置。

应进一步地注意，利用围绕两个霍尔元件H1a和H1b的虚线指示第一磁传感器，两个霍尔元件H1a和H1b的输出被组合，例如在框611中进行相减，以形成指示磁场分量BxL的第一磁传感器信号v1。

同样，利用围绕两个霍尔元件H2a和H2b的虚线指示第二磁传感器，两个霍尔元件H2a和H2b的输出被组合，例如在框612中进行相减，以形成指示磁场分量BxR的第二磁传感器信号v2。

出于完整性，应提及的是，两个霍尔板H1a和H1b的灵敏度通常以已知的方式(例如使用I1和I1的电流镜，和/或微调)相互(静态地)匹配，并且两个霍尔板H2a和H2b的灵敏度也通常以已知的方式相互(静态地)匹配。但是除了现有技术之外，根据本发明的原理，根据温度的函数和/或根据差分应力的函数,第一传感器作为整体的灵敏度还与第二传感器作为整体的灵敏度进行动态匹配。

通过将图6(b)和图3(b)进行比较，本领域读者将理解，例如，可以使用图6(a)的拓扑和图6(b)的电路按以下步骤来确定梯度dBx/dx：

a)首先测量温度信号t，并将其进行数字化(为值T)，

b)DSP接收到数字值T，并使用值T的预定义函数调整第二传感器的偏置电流(这里指：偏置电流I3和偏置电流I4)，

c)然后对第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2进行测量、放大和数字化，

d)然后DSP通过将第一数字值A_V1与第二数字值A_V2corr相减来计算梯度。

针对图3(b)至图3(f)所描述的变体(除使用垂直霍尔元件之外)也适用于图6(b)，这些变体例如使用多个ADC、具有DAC或PWM和低通滤波器的DSP，利用电压源代替电流源进行偏置，使用微控制器代替DSP、进一步缩放梯度等。

在图6(b)的又一变体中，由H1a和H1b生成的信号v1a和v1b在框611中相加(而不是相减)，在该情况下，信号v1指示BzL(而不是BxL)，并且由H2a和H2b生成的信号v2a和v2b在框612中相加(而不是相减)，在该情况下，信号v2指示BzR(而不是BxL)，并且被测量的梯度是dBz/dx(而不是dBx/dx)。

图6(c)示出可以被看作是图6(b)的电路610的变体的电路620，该电路使用的原理与图3(d)中解释的原理相同。可以使用图6(a)的拓扑和图6(c)的电路例如按以下步骤来计算梯度：

a)首先测量温度信号t，并将其进行数字化，

b)DSP接收数字值T，并使用值T的预定义函数调整第二放大器的增益A2，

c)然后对第一磁传感器信号v1和第二磁传感器信号v2进行测量、放大和数字化，

d)然后DSP通过将第一数字值A_V1与第二数字值A_V2corr相减来计算梯度。

对于图6(b)所描述的变体也适用于图6(c)。

在图6(b)或图6(c)的又一个或进一步的变体中，经放大的信号A_v1和A_v2corr在模拟域中相减，并且差信号Δv被放大并被数字化，并且由DSP以与图3(c)或图3(e)中所描述的方式类似的方式进一步处理。如上文所提及，该实施例提供了更高的信噪比(SNR)，因为ADC的范围可用于对梯度信号而不是分量信号进行数字化。

在图6(b)和图6(c)(未示出)的又一个或进一步的变体中，第二传感器的偏置源(因此：I3和I4)不受DSP控制，而是使用例如预定义电流I3(通常由温度补偿电流源生成)和(例如，利用电流镜从I3中再现的)预定义电流I4，并将信号v1、v2进行放大和数字化，并将值A_V1和值A_V2提供给DSP，并且DSP首先在数字域中通过使用温度的预定义函数的校正因子Fcorr来校正第二数字值A_V2，然后以与图3(f)中描述的方式类似的方式将第一数字值A_V1和经校正的第二数字值A_V2corr相减。

图7(a)示出图6(a)的传感器布置的变体，该传感器布置的变体进一步包括用于测量第一传感器(包括：IMC1、H1a、H1b)的机械应力的第一机械应力传感器S1和用于测量第二传感器(包括：IMC2、H2a、H2b)的机械应力的第二机械应力传感器S2。应力传感器S1可以被定位成与IMC1相邻，或被定位成在IMC1的下方。同样，应力传感器S2可以被定位成与IMC2相邻，或被定位成在IMC2的下方。

图7(b)示出与图6(b)的电路类似的电路710，其中增加了差分应力传感器电路，该电路被配置成用于提供差分应力信号Δσ，该差分应力信号Δσ由ADC进行数字化，并由DSP以与图4(b)所描述的方式类似的方式进一步进行处理，考虑到在该情况下“调整第二偏置源”意味着使用温度和差分应力的预定义函数f(T，Δ∑)调整电流源I3和I4。

图7(c)示出与图6(c)的电路类似的电路720，其中增加了差分应力传感器电路，该电路被配置成用于提供差分应力信号Δσ，该差分应力信号Δσ由ADC进行数字化，并由DSP以与图4(d)所描述的方式类似的方式进一步进行处理，其中，使用温度T和差分应力Δ∑的预定义函数f(T，Δ∑)调整第二放大器增益。

针对图6(b)和图6(c)描述的变体也适用于图7(b)和图7(c)，

例如，在与图4(c)的实施例类似的实施例中，磁传感器信号v1和v2在模拟域中相减，并且第二磁传感器的偏置源(因此I3和I4)使用温度和差分应力的预定义函数f(T，△∑)进行调整，以及

例如，在与图4(e)的实施例类似的实施例中，磁传感器信号v1和v2在模拟域中相减，并使用温度和差分应力的预定义函数f(T，△∑)调整第二放大器增益，以及

例如，在与图4(f)的实施例类似的实施例中，第二磁传感器的偏置源包含预定义(不可调)的电流源I3和I4，并且其中磁传感器信号v1、v2被放大并被数字化，并且值A_V1和值A_V2被提供给DSP，并且DSP首先在数字域中通过使用温度和差分应力的预定义函数f(T，△∑)的校正因子Fcorr来校正第二数字值A_V2，然后以与图4(f)中所描述的方式类似的方式将第一数字值A_V1与经校正的第二数字值A_V2corr相减。

图8(a)示出图7(a)的传感器布置的变体，该传感器布置的变体没有温度传感器，而图8(b)和图8(c)示出图7(b)和图7(c)的电路的变体，该电路的变体没有温度传感器。

针对图7(b)和图7(c)描述的变体也适用于图8(b)和图8(c)，

例如，在与图4(c)的实施例类似的实施例中，磁传感器信号v1和v2在模拟域中相减，并且使用所测得的差分应力的预定义函数f(△∑)调整第二磁传感器的偏置源(因此I3和I4)，以及

例如，在与图4(e)的实施例类似的实施例中，磁传感器信号v1和v2在模拟域中相减，并使用所测得的差分应力的预定义函数f(△∑)调整第二放大器增益，以及

例如，在与图4(f)的实施例类似的实施例中，第二磁传感器的偏置源包含预定义(不可调)的电流源I3和I4，并且其中磁传感器信号v1、v2被放大并被数字化，并且值A_V1和值A_V2被提供给DSP，并且DSP首先在数字域中通过使用所测得的差分应力的预定义函数f(△∑)的校正因子Fcorr来校正第二数字值A_V2，然后以与图4(f)中所描述的方式类似的方式将第一数字值A_V1与经校正的第二数字值A_V2corr相减。

在图3至图8中，已经描述了用于通过动态地调整一个信号路径相对于另一个信号路径的灵敏度或增益，以减少杂散场信号的影响的方式确定磁场的梯度的若干种传感器结构和方法。在下文中，将描述可以在其中使用(单个)梯度测量的示例性系统。

在图9(a)至图9(d)中将描述用于确定单个磁场梯度的方法。

图9(a)示出了图示出可在本发明实施例中用于确定梯度信号的方法的通用流程图。方法900包括以下步骤：

a)提供半导体衬底，该半导体衬底包括：

沿预定义轴线间隔开的第一磁传感器和第二磁传感器；

第一偏置源和第二偏置源(例如，第一电流源和第二电流源)；

第一放大器和第二放大器；

温度传感器和/或微分应力感测电路；

(例如，温度传感器，但没有差分应力感测电路；或差分应力感测电路，但没有温度传感器；或既有温度传感器又有差分应力感测电路)

至少一个ADC、处理单元、和非易失性存储器；

b)对第一磁传感器进行偏置；

c)测量第一磁传感器信号；

d)对第一磁传感器信号进行放大；

e)对第二磁传感器进行偏置，

f)测量第二磁传感器信号；

g)对第二磁传感器信号进行放大；

h)测量温度(T)和/或差分应力信号(Δσ)

i)使用单个所测得的温度(T)和/或差分应力(Δ∑)的预定义函数(例如，使用单个所测得的温度T的预定义函数f(T)、或使用差分应力的预定义函数f(Δ∑)、或使用单个所测得的温度和差分应力的预定义函数f(T，Δ∑))来调整：

第二偏置信号或

第二放大器增益或

由第二传感器信号导出(例如仅由第二传感器信号导出)的数字值然后确定以下两者之间的差值：

从第一磁传感器信号中导出的信号或值，和

从第二磁传感器信号中导出的信号或数值

以获得磁场差或磁场梯度。

虽然图9(a)的表述是紧凑的，但不同的步骤没有按时间顺序列出，并且因此可能无法立即辨认。出于该原因，在图9(b)至图9(d)中提供了三种稍微更详细的方法。

图9(b)示出图示可用于本发明的实施例的方法的流程图，其中第二偏置源或第二放大器增益被调整，并且其中在模拟域中计算出磁传感器信号之间的差值，例如如图3(c)、图3(e)、图4(c)、图4(e)、图5(c)和图5(e)所示。图9(b)的流程图可能比图9(a)的流程图更容易理解，因为步骤是按时间顺序列出的，尽管一些步骤可以并行地执行。

方法920包括以下步骤：

a)提供半导体衬底，该半导体衬底包括：

沿预定义轴线间隔开的第一磁传感器和第二磁传感器；

第一偏置源和第二偏置源；

第一放大器和第二放大器；

温度传感器和/或差分应力感测电路；

ADC、处理单元、和非易失性存储器；

b)在步骤a之后，

测量并数字化温度信号(t)和/或测量并数字化差分应力信号(Δσ)；

c)在步骤b)之后，使用单个温度和/或差分应力的预定义函数；(例如，使用单个所测得的温度T的预定义函数f(T)、或使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)、或使用单个所测得的温度和所测得的差分应力的预定义函数f(T，Δ∑))来调整以下各项中的至少一项：

第二偏置信号；

第二放大器增益；

(d)在步骤c)之后

–对第二磁传感器进行偏置；

测量第二传感器信号；

对第二传感器信号进行放大；

e)在步骤a)之后

对第一磁传感器进行偏置；

测量第一磁传感器信号；

对第一磁传感器信号进行放大；

f)在步骤d)和步骤e)之后，

在模拟域中计算第一磁传感器信号与第二磁传感器信号的差值Δv，以及

将差值Δv数字化为ΔV，以得到磁场差值或梯度。

图9(c)示出图示可以在本发明的实施例中使用的方法的流程图，其中第二偏置源或第二放大器被调整，并且其中磁传感器信号之间的差值在数字域中被计算出，例如，如图3(b)、图3(d)、图4(b)、图4(d)、图5(b)、图5(d)、图6(b)、图6(c)、图7(b)、图7(c)、图8(b)、图8(c)所示。该流程图可能比图9(a)的流程图更容易理解，因为步骤是按时间顺序列出的，尽管一些步骤可以并行地执行。

方法940包括以下步骤：

a)提供半导体衬底，该半导体衬底包括：

沿预定义轴线间隔开的第一磁传感器和第二磁传感器；

第一偏置源和第二偏置源；

第一放大器和第二放大器；

温度传感器和/或差分应力感测电路；

(例如，温度传感器，但没有差分应力感测电路；或差分应力感测电路，但没有温度传感器；或既有温度传感器又有差分应力感测电路)

ADC、处理单元、和非易失性存储器；

b)在步骤a)之后，

测量并数字化温度信号(t)和/或测量并数字化差分应力信号(Δσ)；

c)在步骤b)之后，使用单个温度和/或差分应力的预定义函数；

(例如，使用单个所测得的温度T的预定义函数f(T)、或使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)、或使用单个所测得的温度和所测得的差分应力的预定义函数f(T，Δ∑))

第二偏置信号；

第二放大器增益；

d)在步骤c)之后

–对第二磁传感器进行偏置；

测量第二磁传感器信号；

对第二磁传感器信号进行放大；

对第二经放大的信号进行数字化；

e)在步骤a)之后

对第一磁传感器进行偏置；

测量第一磁传感器信号；

对第一磁传感器信号进行放大；

对第一经放大的信号进行数字化；

f)在步骤d)和步骤e)之后，

在数字域中计算经放大并且经数字化的第一值A_V1与第二值A_V2corr之间的差值，以获得磁场差或磁场梯度。

图9(d)示出了图示出可以在本发明的实施例中使用的方法的流程图，其中偏置源和放大器不被调整，并且其中在数字域中计算出信号之间的差值之前，在数字域中对数字信号中的一个数字信号进行校正，例如如图3(f)、图4(f)、图5(f)所示。图9(d)的流程图可能比图9(a)的流程图更容易理解，因为步骤是按时间顺序列出的，尽管一些步骤可以并行地执行。

方法960包括以下步骤：

a)提供半导体衬底，该半导体衬底包括：

沿预定义轴线间隔开的第一磁传感器和第二磁传感器；

第一偏置源和第二偏置源；

第一放大器和第二放大器；

温度传感器和/或差分应力感测电路；

ADC、处理单元、和非易失性存储器；

(例如，温度传感器，但没有差分应力感测电路；或差分应力感测电路，但没有温度传感器；或既有温度传感器又有差分应力感测电路)

b)在步骤a之后，

测量并数字化温度信号(t)和/或测量并数字化差分应力信号(Δσ)；

c)在步骤b)之后

–对第二磁传感器进行偏置；

测量第二磁传感器信号；

对第二磁传感器信号进行放大；

对第二经放大的信号进行数字化；

d)在步骤a)之后

对第一磁传感器进行偏置；

测量第一磁传感器信号；

对第一磁传感器信号进行放大；

对第一经放大的信号进行数字化；

e)在步骤c)之后,

使用单次测得的温度和/或差分应力的预定义函数对第二数字值进行校正，

(例如，使用单个所测得的温度T的预定义函数f(T)、或使用所测得的差分应力的预定义函数f(Δ∑)、或使用单个所测得的温度和所测得的差分应力的预定义函数f(T，Δ∑))

f)在步骤d)和步骤e)之后，

在数字域中计算第一数字值A_V1与经校正的第二数字值A_V2corr之间的差值，以获得磁场差或磁场梯度。

从高级别的角度来看，图3(a)至图8(c)中图示出的结构和图9(a)至图9(d)中图示出的方法可用于确定具有与杂散场和灵敏度失配相关的减小的误差项的磁场梯度或磁场差(图2中图示出)。

各种传感器结构可用于测量各种磁场梯度，例如：

图3、图4、图5的、具有两个水平霍尔元件的结构提供dBz/dx，

与图3的结构类似的、但具有在X方向上按其最大灵敏度的轴线取向的两个垂直霍尔元件的结构提供dBx/dx，

与图3的结构类似的、但具有在Y方向上按其最大灵敏度的轴线取向的两个垂直霍尔元件的结构提供dBy/dx，

图6、图7、图8的、被配置成用于将来自与每个IMC相关联的两个霍尔元件的信号相减的结构提供dBx/dx，

图6、图7、图8的、被配置成用于将来自与每个IMC相关联的两个霍尔元件的信号相加的结构提供dBz/dx。

但本发明并不限于此，还可以使用其他传感器结构，例如基于磁阻元件的传感器结构。

本领域的读者将理解，如果图3(a)至图8(c)中所示的磁传感器结构将在Y方向而不是X方向上间隔开，则可以测量磁场梯度dBz/dy、dBx/dy和dBy/dy。

在本文档的其余部分中，描述了其中沿着不同的方向测量两个梯度，并且其中计算这些梯度的比率(该比率指示线性位置或角位置)并且其中基于所述比率来(例如根据公式：arctan(K*梯度1/梯度2)，其中K是预定义常数，或者根据公式：arctan(K(T)*梯度1/梯度2)，其中K是温度的函数)计算线性位置或角位置的实施例。

将在图10和图11(a)至图11(c)中描述确定线性位置或角位置的方法。

在图12和图13中，将描述一种角位置传感器系统，在该系统中，角位置基于按单个方向Z取向的但沿两个不同方向(例如X、Y)的两个磁场梯度的比率(例如dBz/dx和dBz/dy)。

在图14和图15中，将描述使用水平和垂直霍尔元件的线性位置和角位置传感器系统，在该系统中，位置基于沿单个方向X的两个正交磁场梯度的比率(例如dBz/dx和dBx/dx)。

在图16和图17中，将描述使用所谓的“双盘”结构的线性位置和角位置传感器系统，在该系统中，位置基于沿单个方向X的两个正交磁场梯度的比率(例如dBz/dx和dBx/dx)。

在图18和图19中，将描述另一种角位置传感器系统，在该系统中，角位置基于沿单个方向X的两个正交磁场梯度的比率(例如dBx/dx和dBy/dx)或(dBx/dx和dBz/dx)，该角位置传感器系统使用两个传感器结构，每个传感器具有IMC和四个水平霍尔元件。

但是当然，本发明并不限于这些示例，并且其他的传感器结构(例如基于具有2x2个垂直霍尔元件的传感器结构、或者基于磁阻元件的传感器结构)也是可能的。

这些位置传感器系统中的每一个位置传感器系统都具有至少四个传感器。在优选的实施例中，这四个传感器的灵敏度并不是全部匹配到单个灵敏度值，而是按轴线、或者按方向、或者依赖于被测量的磁场分量(例如Bx或Bz)而单独地匹配灵敏度。这允许增加(例如最大化)每个梯度值的信噪比(SNR)，并且如果取得梯度值的比率，则可以增加(例如最大化)比率的信噪比(SNR)。可以基于该比率来确定位置，例如根据以下公式：

arctan(K*梯度1/梯度2)，

其中K是常数值，该常数值可以在校准测试期间被确定并被存储在非易失性存储器中，或根据以下公式确定位置：

arctan(K(T)*梯度1/梯度2),

其中K(T)是温度的函数，温度的函数可以例如以表的形式、或作为片断线性近似、或作为多项式的一组系数、或以任何其他合适的方式在校准测试期间被确定并被存储在非易失性存储器中。K的值(或K(T)的值)可以等于1.0，但通常不同于1.0。总结果是增加的位置准确性。

图10示出了图示出基于两个磁场梯度或两个磁场差的比率来确定位置的方法1000，位置例如传感器设备相对于磁源(例如永磁体)的线性位置或角位置。该方法1000包括以下步骤：

a)基于从四个磁传感器元件获得的信号的第一数学组合(例如成对差)来确定1001第一磁场差(例如ΔBx/Δx)或第一磁场梯度(例如dBx/dx)，同时使用第一控制函数(f3)或使用第一控制函数集(例如使用图9(a)至图9(d)中任一者所图示的方法)调整磁传感器元件中的至少一些磁传感器元件的信号路径；

b)基于从所述四个磁传感器元件获得的信号的第二数学组合(例如，成对求和)来确定1002与第一磁场差或第一磁场梯度不同的第二磁场差(例如，ΔBz/Δx)或第二磁场梯度(例如，dBz/dx)，第二数学组合与第一数学组合不同，同时使用与第一控制函数不同或与第一控制函数集不同的第二控制函数(f4)或第二控制函数集(例如使用如图9(a)至图9(d)中任一者中所图示的方法)来调整磁传感器元件中的至少一些磁传感器元件的信号路径；

c)计算1003第一磁场梯度或第一磁场差与第二磁场梯度或第二磁场差的比率；

d)基于所述比率来确定1004线性位置或角位置，任选地考虑因子K或依赖于温度的函数K(T)，例如使用具有或不具有插值的查找表、或基于数学公式(例如基于反正切函数或atan2函数，例如根据arctan(梯度1/梯度2)，或者根据arctan(K*梯度1/梯度2)，其中K是预定义常数，或者根据arctan(K(T)*梯度1/梯度2)，其中K(T)是预定义的温度常数，该温度常数可以例如在校准过程期间被确定，并被存储在传感器设备的非易失性存储器中。

图16和图17图示出该方法的示例。

该方法的主要优点在于，在步骤a)和b)中确定的梯度或差值是在减少的杂散场影响的情况下确定的，从而增加了比率的准确性，并且因此提高了位置的准确性。

图11(a)示出了图示出基于两个磁场梯度或两个磁场差的比率来确定位置的方法1100，位置例如传感器设备相对于磁源(例如永磁体)的线性位置或角位置。该方法1100包括以下步骤：

a)通过例如使用图9(a)-9(d)的方法将第二传感器元件的信号路径与第一传感器元件的信号路径进行匹配，基于从第一磁传感器元件和第二磁传感器元件获得的信号来确定1101第一磁场差或第一磁场梯度；(或者换句话说：将第一传感器路径视为参考传感器路径，并且将第二传感器路径视为需要被匹配的可调传感器路径；或者将第二传感器路径视为参考传感器路径，并且将第一传感器路径视为需要被匹配的可调传感器路径)

b)通过例如使用图9(a)-9(d)的方法将第四传感器元件的信号路径与第三传感器元件的信号路径进行匹配，基于从与第一磁传感器元件和第二磁传感器元件不同的第三磁传感器元件和第四磁传感器元件获得的信号来确定1102第二磁场差或第二磁场梯度；(或者换句话说：将第三传感器路径视为参考传感器路径，并且将第四传感器路径视为需要被匹配的可调传感器路径；或者将第四传感器路径视为参考传感器路径，并且将第三传感器路径视为需要被匹配的可调传感器路径)；

c)计算1103第一磁场梯度或第一磁场差与第二磁场梯度或第二磁场差的比率；

d)基于所述比率来确定1104线性位置或角位置，任选地考虑因子K或依赖于温度的函数K(T)，例如使用具有或不具有插值的查找表、或基于数学公式(例如基于反正切函数或atan2函数，例如根据arctan(梯度1/梯度2)，或者例如根据arctan(K*梯度1/梯度2)，其中K是预定义常数，或者根据arctan(K(T)*梯度1/梯度2)，其中K(T)是温度的预定义函数，该函数可以例如在校准过程期间被确定，并被存储在传感器设备的非易失性存储器中。

该方法的主要优点在于，在步骤a)和b)中确定的梯度或差值是在减少的杂散场影响的情况下确定的，从而增加了比率的准确性，并且因此提高了位置的准确性。图11(a)的方法可以看作是涵盖图11(b)和图11(c)的更具体方法的通用方法。

图11(b)示出图11(a)的方法的更详细版本，该版本针对使用沿给定方向的两个正交磁场分量的梯度或差值(诸如例如(dBx/dx和dBz/dx)、或(dBx/dx和dBy/dx))来确定位置(例如线性位置或角位置)的情况。图11(b)的方法1120包括以下步骤：

a)通过例如使用图9(a)-9(d)的方法将第二传感器元件的信号路径与第一传感器元件的信号路径进行匹配，基于从第一磁传感器元件和第二磁传感器元件获得的信号来确定1121沿第一方向(X)按所述第一方向(X)取向的第一磁场分量(例如Bx)的第一磁场差(例如ΔBx/Δx)或第一磁场梯度(例如dBx/dx)；

b)通过例如使用图9(a)-9(d)的方法将第四传感器元件的信号路径与第三传感器元件的信号路径进行匹配，基于从第三磁传感器元件和第四磁传感器元件获得的信号来确定1122沿所述第一方向(X)按与所述第一方向(X)垂直的第二方(Z)取向的第二磁场分量(Bz)的第二磁场差(例如ΔBz/Δx)或第二磁场梯度(例如dBz/dx)；

c)计算1123第一磁场梯度或第一磁场差与第二磁场梯度或第二磁场差的比率；

d)基于所述比率来确定1124线性位置或角位置，任选地考虑到因子K或依赖于温度的函数K(T)，例如基于反切函数或atan2函数，例如，根据arctan(梯度1/梯度2)、或根据arctan(K*梯度1/梯度2)、或根据arctan(K*梯度1/梯度2)，其中K是预定义常数、或根据arctan(K(T)*梯度1/梯度2)，其中K(T)是温度的预定义函数。

例如在图14和图15中图示出使用该方法的磁位置传感器系统的示例。

图11(c)示出图11(a)的方法的更详细版本，该版本针对使用沿两个正交方向的两个正交磁场分量的梯度或差值(诸如例如(dBx/dx和dBz/dx)、或(dBx/dx和dBy/dx))来确定位置(例如线性位置或角位置)的情况。图11(c)的方法1140包括以下步骤：

a)通过例如使用图9(a)-9(d)的方法将第二传感器元件的信号路径与第一传感器元件的信号路径进行匹配，基于从第一磁传感器元件和第二磁传感器元件获得的信号来确定1141沿与第一方向(例如Z)垂直的第二方向(例如X)按该第一方向(例如Z)取向的磁场分量(例如Bz)的第一磁场差(例如ΔBz/Δx)或第一磁场梯度(例如dBz/dx)；

b)通过例如使用图9(a)-9(d)的方法将第四传感器元件的信号路径与第三传感器元件的信号路径进行匹配，基于从与第一磁传感器元件和第二磁传感器元件不同的第三磁传感器元件和第四磁传感器元件获得的信号来确定1142沿与第一方向(例如Z)和第二方向(例如X)垂直的第三方向(例如Y)按所述第一方向(例如Z)取向的所述磁场分量(例如Bz)的第二磁场差(例如ΔBz/Δy)或第二磁场梯度(例如dBz/dy)；

c)计算1143第一磁场梯度或第一磁场差与第二磁场梯度或第二磁场差的比率；

d)基于所述比率来确定1144线性位置或角位置，任选地考虑到因子K或依赖于温度的函数K(T)，例如基于反切函数或atan2函数，例如根据arctan(梯度1/梯度2)、或根据arctan(K*梯度1/梯度2)、或根据arctan(K*梯度1/梯度2)，其中K是预定义常数、或根据arctan(K(T)*梯度1/梯度2)，其中K(T)是温度的预定义函数。

例如在图12和图13中图示出使用该方法的磁位置传感器系统的示例。

图12(a)示出图3(a)的传感器布置的变体，该变体包括位于四个不同的传感器位置处(例如位于一个虚拟圆上)的四个传感器H1至H4；以及可以位于衬底上的任何位置的温度传感器。该传感器设备被配置成用于测量沿着与半导体衬底平行的两个正交方向(例如X、Y)的、被取向成与半导体衬底垂直的磁场分量(例如Bz)的两个磁场梯度(例如dBz/dx和dBz/dy)。

在图12(a)所示的具体示例中，四个传感器H1-H4中的每一个传感器都由单个水平霍尔元件组成，但这并不是绝对必需的，并且也可以使用其他传感器元件。在本实施例中，重要的是四个传感器对第一方向(在示例中为：Z)敏感，传感器H1和H3位于与第一轴线(在此为：Z)垂直的第二轴线(在此为：X)上，传感器H2和H4位于与第一轴线(在此为：Z)和第二轴线(在此为：X)垂直的第三轴线(在此为：Y)上。

图12(b)示出一种角位置传感器系统1200，该系统包括两极磁体1201(例如，两极盘状磁体或环形磁体)和具有如图12(a)所示的传感器布置的传感器设备1202。如上所述，角位置可以被计算为反正切函数，但不必匹配所有传感器的灵敏度。(第一梯度所涉及的)传感器H1和H3的灵敏度被主动地匹配，并且(第二梯度所涉及的)传感器H2和H4的灵敏度被主动地匹配就足够了。第一磁传感器对(H1，H3)和第二磁传感器对(H2，H4)之间的任何失配都可以使用因子K来处理，该因子K可以是常数，或可以是温度的函数。磁体1401相对于传感器设备(或传感器设备相对于磁体1401)的角位置例如可以根据以下各项公式中的一项来计算：

θ＝atan2(K.dBz/dx,dBz/dy) [11]

其中K是预定以常数，或：

θ＝atan2(K(T).dBz/dx,dBz/dy) [12]

其中K是可被计算为温度的预定义函数的因子。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。

对于在0℃至100℃的范围内的至少五个不同的温度值而言，K的值通常与1.0不同和/或K(T)的值通常与1.0不同，但这不是绝对必需的，并且K的值或K(T)的值也可以巧合地正好等于1.0。

图12(c)示出了如何使用本发明的原理使H3的灵敏度与H1的灵敏度相匹配，以及如何使用本发明的原理使H4的灵敏度与H2的灵敏度相匹配。

并且更具体地，图12(c)是图3(c)的电路的变体，但仅示出了电路的一部分。本领域的读者可以很容易地利用图3(b)或图3(c)来完成偏置和读出电路的其余部分，考虑到在该情况下，对于每个方向(例如X、Y)而言，存在一个独立的电流源(在此为：I1、I2)和一个可调电流源(在此为：I3、I4)，并且考虑到数字处理电路(例如微处理器或DSP)提供两个控制信号(在此为：f3和f4)，一个控制信号用于基于预定义函数f3(T)来调整第三电流源I3，而另一控制信号用于基于预定义函数f4(T)来调节第四电流源I4。

(针对第一梯度从H1和H3导出、以及针对第二梯度从H2和H4导出的)对应的信号之间的差值可以在数字域中计算(例如图3(b))，或可以在模拟域中计算(如图3(c))。后者提供更好的信噪比(SNR)。

优选的是，第二电流I2例如使用电流镜与第一电流I1基本上相等，但是这对于本发明起作用不是绝对必需的。但是，即使I1与I2相同，第一传感器路径(包括H1)的总灵敏度很少与第二传感器路径(包括H2)的总灵敏度相同。缩放因子K(如上述[11]和[12]中提到的)可以在校准期间被确定，并被存储在非易失性存储器中，并在实际使用设备期间从所述非易失性存储器中被检取，并在计算反正切函数之前用于缩放从第二传感器和第四传感器导出的梯度。常数K或K(T)通常与100％不同，尽管这不是强制性的。

在变体中，不仅I3和I4是可调电流源，而且第二电流源I2也是可调电流源，第二电流源I2基于温度的预定义函数f2(T)也由数字处理电路来控制。在该情况下，公式[11]和[12]中的因子K等于1，并且可以被省略。这允许对I2进行动态调谐，但如已经提及的，这不是绝对必需的。

图12(d)示出图12(c)的电路的变体，包括可调放大器而不是可调电流源。同样，仅示出了电路的一部分。本领域的读者可以很容易地利用图3(d)或图3(e)来完成偏置和读出电路的其余部分，考虑到在该情况下，对于每个方向(例如X、Y)而言，存在一个独立的放大器(在此为：A1、A2)和一个可调放大器(在此为：A3、A4)，并且考虑到数字处理电路(例如微处理器或DSP)提供两个控制信号，一个控制信号用于基于预定义函数f3(T)来调整第三放大器A3，而另一控制信号用于基于预定义函数f4(T)来调节第四放大器A4。

(针对第一梯度从H1和H3导出的、以及针对第二梯度从H2和H4导出的)对应的信号之间的差值可以如在图3(d)中在数字域中计算，或者可以如在图3(e)中在模拟域中计算。后者提供更好的信噪比(SNR)。

优选的是，第二放大器增益A2与第一放大器增益A1基本上相等，但这不是本发明起作用绝对必需的。但是，即使I1与I2相同，并且A1与A2相同，但第一传感器路径(包括H1)的总灵敏度很少与第二传感器路径(包括H2)的总灵敏度相同。缩放因子K可以进一步在校准期间被确定，并被存储在非易失性存储器中，并在实际使用设备期间从所述非易失性存储器中被检取，并在计算反正切函数之前用于缩放从第二传感器和第四传感器导出的梯度。

在变体中，不仅A3和A4是可调放大器，而且第二放大器A2也是可调放大器，第二放大器A2基于温度的预定义函数f2(T)也由数字处理电路来控制。在该情况下，公式[11]和[12]中的因子K可以等于1，并且可以被省略。

针对图12(c)和图12(d)的电路还设想了针对图3(c)所描述的类似变体，使用多个ADC(而不是只有一个ADC)，该变体使用具有数字输出的温度传感器，使用具有DAC或PWM发生器和低通滤波器的DSP等。

在图12(c)和图12(d)的、与图3(f)类似的另一个变体中，电流源中的任何一个未被调整、并且放大器增益中的任何一个也未被调整，但在数字域中使用相应的校正因子Fcorr3＝f3(T)和Fcorr4＝f4(T)，并且任选地还使用相应的温度的预定义函数Fcorr2＝f2(T)将从第三传感器和第四传感器(以及任选的第二传感器)中获得的信号进行校正。

图12(e)是图12(a)的布置的变体，该变体图示出相同的原理也可以在其中位置传感器设备与旋转轴线偏移(如虚线中的圆圈所示)的角位置传感器系统中使用。同样在该情况下，来自杂散场的影响可以减少，并且同样在该情况下，可以基于两个梯度的比率来确定角位置。

在图12(a)的另一个变体中(未示出)，角位置传感器系统仅包括三个磁传感器元件H1、H2、H3，其中H1和H2不位于单个轴线上。优选地H1和H2位于第一轴线上，并且H2和H3位于第二轴线上，形成90°的角度。将H1与H2相减可以形成第一梯度信号，并且将H2与H3相减可以形成第二梯度信号。不需要像通常所做的那样将所有传感器元件的灵敏度都匹配到具有最低灵敏度的传感器元件，但是能以如上文所述的类似方式成对地匹配两个梯度信号，使得每个梯度的SNR被优化。

图13(a)示出图12(a)的传感器布置的变体，进一步包括四个机械应力传感器S1、S2、S3、S4，每个传感器位置处或附近各一个。

图13(b)示出图12(c)的电路的变体，该电路的变体使用图12(a)的传感器布置。同样，仅示出了示意图的一部分。两个应力差或两个差分应力信号被确定，即每个轴一个：位于X轴上的第一传感器H1与第三传感器H3之间的Δσ₁₃，以及位于Y轴上的第二传感器H2与第四传感器H4之间的Δσ₂₄。该应力差被数字化为Δ∑₁₃和Δ∑₂₄，并被提供给数字处理电路。

可以看出，在该实施例中，第三电流源I3使用温度T和第一传感器位置与第三传感器位置之间的(经数字化的)差分应力Δ∑₁₃的预定义函数f3(T,Δ∑13)进行调整，以便减少潜在杂散场对沿X轴的梯度的影响。同样，第四电流源I4使用温度T和第二传感器位置与第四传感器位置之间的(经数字化的)差分应力Δ∑₂₄的函数进行调整，以便降低潜在杂散场对沿Y轴的梯度的影响。公式[11]和[12]是适用的。如上文所提及，K的值和/或K(T)的值可以恰好等于1.0，但通常与1.0不同。

如图12(c)所述，可以在数字域(例如如在图3(b)中)、或在模拟域(例如如在图3(c))中计算对应的磁传感器信号之间的差值。后者提供更好的信噪比(SNR)。

在图13(b)的变体(未示出)中，第一传感器H1与第二传感器H2之间的应力差Δσ₁₂也被确定并被数字化，并且第二电流源I2也作为温度和差分应力的预定义函数f2(T,Δ∑₁₂)进行动态调整。在该情况中，传感器H2、H3、H4的灵敏度均相对于第一传感器被调整。公式[11]和[12]仍然适用，但在该情况下K因子可以被省略。

图13(c)示出图12(d)的电路的变体，其中添加了四个应力传感器S1至S4。这也可以看作是图13(b)的电路的变体，其中放大器A3和A4而不是电流源I3和I4被控制。公式[11]

在图13(c)的变体(未示出)中，第一传感器H1与第二传感器H2之间的应力差Δσ₁₂也被确定并被数字化，并且第二放大器增益A2也作为温度和差分应力的预定义函数f2(T,Δ∑₁₂)进行动态调整。

针对图13的实施例还设想了与针对图4(c)所描述的变体类似的其他变体，其他变体例如使用多个ADC(而不是仅使用一个ADC)、使用具有数字输出的温度传感器、使用具有DAC或PWM发生器和低通滤波器的DSP，等等。

在图13(b)和图13(c)的、与图4(f)类似的另一变体中，电流源中的任何一个未被调整、并且放大器中的任何一个未被调整，但在数字域中分别使用基于温度和差分应力的第一函数f3(T,△∑₁₃)的第一校正因子Fcorr3对从第三传感器H3获得的信号进行校正，并且使用基于温度和差分应力的第二函数f4(T,△∑₂₄)的第二校正因子Fcorr4对从第四传感器H4获得的信号进行校正，然后再分别从对应的经放大的并且经数字化的第一值A_V1和第二值A_V2中减去。

在进一步的变体中，还可以在数字域中使用校正因子Fcorr2对第二传感器信号进行校正，该校正因子Fcorr2可以作为温度和差分应力的函数f2(T,Δ∑₁₂)来确定。

在图13(a)至图13(c)的、与图5(a)至图5(f)中所描述的变体类似的又一变体中(未示出)，第三偏置源和第四(并且任选地第二)偏置源，或第三放大器增益和第四(并且任选地第二)放大器增益作为仅机械应力的预定义函数f3(Δ∑₁₃)、f4(Δ∑₂₄)来进行控制。在这些实施例中，温度传感器可以被省略。

图14和图15分别示出角位置传感器系统1400和线性位置传感器系统1450的示例，其中可以使用图11(a)和图11(b)的方法。上文所描述的相同原理在此也是可适用的，并且因此不再完全详细重复。只将描述主要区别。

图14(a)示出了图3(a)的传感器布置的变体，包括四个传感器元件，四个传感器元件包括位于第一传感器位置X1处的HH1、VH1和位于沿X轴与第一传感器位置X1间隔开距离dx的第二传感器位置X2处的HH2、VH2，并且被配置成用于测量沿单个方向(在此为：X)的两个正交磁场分量(在此为：Bx和Bz)的两个梯度(在此为：dBz/dx和dBx/dx)。第一传感器元件和第三个传感器元件是用于测量按与衬底垂直的方向Z取向的Bz1、Bz3的水平霍尔元件HH1、HH2。第二传感器元件和第四传感器元件是用于测量按与衬底平行的X方向取向的Bx1、Bx2的垂直霍尔元件VH1、VH2。

图14(b)示出一种示例性角位置传感器系统1400，该系统1400包括四极磁体1401(例如，环形磁体或盘状磁体)和具有如图14(a)所示的传感器布置的、被定位成与旋转轴线偏移(“离轴”)的传感器设备1402。磁体的角位置例如可以根据以下各项公式中的一项来计算：

θ＝atan2(K.dBx/dx,dBz/dx)/2 [13]

其中K是预定义常数，或：

θ＝atan2(K(T).dBx/dx,dBz/dx)/2 [14]

其中K(T)是温度的预定义函数。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。

在该系统的变体中，使用了六极磁体或八极磁体，在该情况下，在公式[13]和[14]中，反正切函数将分别除以3和4。

图14(c)示出示例性线性位置传感器系统1450，该系统包括具有多个交替磁极的线性磁结构1451，以及具有如图14(a)所示的传感器布置的传感器装置1452。传感器设备1452相对于磁体1451的线性位置(或磁体1451相对于传感器设备1452的线性位置)能以已知的方式从角度值θ中导出，该角度θ可使用图14(b)中提到的相同公式[13]和[14]来计算。

图14(d)示出根据本发明的实施例的图3(c)的电路的变体，该电路的变体具有两个可调偏置源。在所示的实施例中，第一偏置源和第二偏置源是预定义的电流源，并且第三偏置源和第四偏置源是可调电流源I3、I4，可调电流源I3、I4分别作为温度的预定义函数f3(T)、f4(T)来进行控制。这些预定义函数的表示(例如表或参数或系数)如K-因子或温度的K-函数那样被存储在非易失性存储器中。

在该实施例的变体中，第二偏置源I2也具有可调电流，该可调电流基于温度的预定义函数f2(T)进行控制。在该情况下，因子K等于1(100％)，并且可以从公式[13]和[14]以及从非易失性存储器中被省略。

针对该电路还设想了上文所述(例如如图3(b)和图3(c)中所述)变体。例如，磁传感器信号可以在模拟域或数字域中相减，电路可以具有多个ADC，温度传感器可以具有数字输出，等等。

图14(e)示出根据本发明的实施例的图14(d)的电路的变体，该电路的变体具有两个可调放大器。在所示的实施例中，第一放大器和第二放大器具有预定义的增益，并且第三放大器A3和第四放大器A4具有可调增益，该可调增益分别根据温度的预定义函数f3(T)、f4(T)来控制。

在该实施例的变体中，第二放大器A2也具有可调增益，该可调增益基于温度的预定义函数f2(T)进行控制。在该情况下，可以从公式[13]和[14]中省略因子K。

针对该电路还设想了上文所描述(例如针对图3(d)和图3(e)所描述)的变体，例如，磁传感器信号可在模拟域或数字域中相减，该电路可具有多个ADC，温度传感器可具有数字输出等。

在图14(d)和图14(e)中的、与图4(f)类似的另一个变体(未示出)中，电流源中的任何一个不是可调的、并且放大器中的任何一个不具有可调增益，但在数字域中分别使用温度的函数f3(T)的第一校正因子Fcorr3对从第三传感器元件HH2获得的信号进行校正，并且使用温度的函数f4(T)的第二校正因子Fcorr4对从第四传感器元件VH2获得的信号进行校正，然后再分别与对应的经放大的并且经数字化的传感器值相减。函数f3(T)和f4(T)是分别被确定的，并且通常彼此不相同。

在图14(e)的变体中，第二放大器A2也具有可调增益，该可调增益基于温度的预定义函数f2(T)进行控制。

图15(a)至图15(c)示出了图14(a)至图14(e)中所示的电路和系统的变体，进一步包括两个应力传感器S1、S2，每个传感器位置处一个。如所示出，在第一传感器位置X1与第二传感器位置X2之间测量差分应力Δσ₁₂。根据本发明的原理，仅具有用于测量第一传感器位置X1处的机械应力的一个应力传感器S1和仅具有用于测量第二传感器位置X2处的机械应力的一个应力传感器S2就足够了。

图15(b)示出图14(d)的电路的变体，进一步包括所述两个应力传感器和模拟差分电路。两个可调电流源I3、I4作为温度和差分应力的函数进行控制，在本示例中分别由f3(T，△∑₁₂)和f4(T，△∑₁₂)进行控制。

图15(c)示出图14(e)的电路的变体，进一步包括所述两个应力传感器和所述模拟差分电路。两个可调放大器A3、A4作为温度和差分应力的函数进行控制，在本示例中分别由f3(T，△∑₁₂)和f4(T，△∑₁₂)进行控制。

在图15(b)和图15(c)中的、与图4(f)类似的又一个变体(未示出)中，电流源中的任何一个不是可调的、并且放大器中的任何一个不具有可调增益，但在数字域中分别使用基于温度的第一函数f3(T)的校正因子Fcorr3对从第二传感器元件HH2获得的信号进行校正，并且使用基于温度的第二函数f4(T)的校正因子Fcorr4对从第四传感器元件VH2获得的信号进行校正，然后再分别与对应的经放大的并且经数字化的传感器值相减。函数f3(T)和f4(T)是分别被确定的，并且通常彼此不相同。

在图14和图15的、与图5(a)至图5(f)中所描述的变体类似的又一变体中(未示出)，用于调整偏置源、用于调整放大器增益、以及用于在数字域中计算校正因子的预定义函数f3和f4(并且任选地也可以为f2)是差分应力的函数，但不是温度的函数。在这些实施例中，温度传感器可以被省略。

图16(a)至图16(i)示出根据本发明的传感器系统1600、1650的其他示例，其中可以使用图10的方法1000。图16(a)的结构具有两个传感器结构，一个传感器结构位于X1处，另一个传感器结构位于X2处。每个传感器结构包括集成磁聚集器盘(IMC)，和位于IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。四个霍尔元件H1-H4均位于同一轴线X上。

图16(a)的传感器结构可用于测量与图14(a)的传感器结构相同的磁场分量Bz1、Bx1、Bz2、Bx2，由此可计算出相同的磁场梯度dBx/dx和dBz/dx。上文针对图14(a)至图14(e)所描述的一切加以必要修改也适用于图16(a)至图16(i)。

细心的读者可能想知道能够确定仅一个梯度(dBx/dx或dBz/dx)的图6的实施例与能够确定两个梯度(dBx/dx和dBz/dx)的图16的实施例的区别。在图6(a)或图16(a)中不能看出答案，但可以从图6(b)和图6(c)中理解，并作出以下解释。在图6的电路中，框611、612、621、622被配置成用于将来自IMC下方的两个霍尔元件的信号相加，在该情况下，Bz1、Bz2的值被测量，或者将来自IMC下方的两个霍尔元件的信号相减，在该情况下，Bx1、Bx2的值被测量。相反，在图16(a)至图16(i)的实施例中，电路被配置成用于在测量Bx分量时的第一时刻t1选择地将每个IMC下方的两个霍尔元件的信号相减，并且用于在测量Bz分量时的第二时刻t2将每个IMC下方的两个霍尔元件的信号相加。或者，图16(a)至图16(i)的电路可以既具有加法块又具有减法块。然而，电流源或放大器增益或数字校正因子被不同地控制，这取决于要被测量的分量：Bx或Bz，如将在下文所解释。

除了对每个传感器的各个霍尔元件提供的信号进行相加和相减之外，霍尔元件可以以各种方式被偏置，如将在图16(d)至图16(i)中所图示的。在这些情况中的每一种情况下，可以使用以下公式：

vx1＝(vH1-vH2) [17]

其中vx1为指示Bx1的差信号，vH1为从H1获得的信号，并且vH2为从H2获得的信号，

vx2＝(vH3-vH4) [18]

其中vx2为指示Bx2的差信号，vH3为从H3获得的信号，并且vH4为从H4获得的信号，

vz1＝(vH1+vH2) [19]

其中vz1为指示Bx1的总和信号，vH1为从H1获得的信号，并且vH2为从H2获得的信号，

vz2＝(vH3+vH4) [20]

其中vz2为指示Bz2的总和信号，vH3为从H3获得的信号，并且vH4为从H4获得的信号。

然后，可以基于以下公式(在模拟域或数字域中)确定第一梯度：

dBx/dx＝vx2-vx1 [21]

并且然后可以基于以下公式(在模拟域或数字域中)确定第二梯度：

dBz/dx＝vz2-vz1 [22]

如上文所提及，在ADC之前，优选地在模拟域中执行[21]和[22]的相减，，因为这样可以得到更好的SNR。然后，角位置或线性位置可以基于以下各项公式中的一项来计算：

θ＝atan2(K.dBx/dx,dBz/dx)/N [23]

其中K是预定义常数，或：

θ＝atan2(K(T).dBx/dx,dBz/dx)/N [24]

其中K是温度的预定义函数，并且N的值是由磁体定义的整数值(针对偶极磁体，N＝1，针对四极磁体，N＝2，针对六极磁体，N＝3等)。N的值、和K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。

在图16(d)中，I1和I2是预定义电流源(例如，用于生成I1和I2的两个温度稳定的电流源；或者用于生成I1的一个温度稳定的电流源和用于生成I2的一个电流镜)，并且I3和I4是可调的电流源。例如，通过使用电流镜，电流I2优选地被选择等于I1。例如使用另一个电流镜，I4的电流优选地被选择等于I3。在正常操作期间，当测量Bx时使用预定义函数f3(T)、并且当测量Bz时使用预定义函数f7(T)，动态地调整第三电流源I3和第四电流源I4。这允许根据被测量/被确定的磁场分量/梯度对传感器元件进行不同地偏置，这进而又取决于如何将从传感器元件获得的值进行数学组合。

函数f3(T)例如可以按以下方式确定：例如借助于屏蔽、或使用磁体、或电磁体施加恒定磁场、或零磁场。针对各个温度T，施加电流I1＝I2，并施加初始电流I3＝I4，并且使用公式[17]、[18]确定Bx1和Bx2。然后，通过对第三电流源、第四电流源的控制门施加参数来调整(例如，重复地增加和/或减少)I3(＝I4)，并确定Bx1、Bx2的经调整的值，直到找到针对Bx1＝Bx2的、在给定公差裕度(例如<1％或<0.5％)内的参数。该参数值是针对该特定温度T的f3的值。针对多个温度重复该过程，并且工作点(参数相对于T)被存储在列表中。可以应用曲线拟合(与图3(g)类似)。列表值或经拟合的曲线的系数被存储在非易失性存储器中。

类似的过程加以修改可以应用于确定f7(T)，尤其意味着要将Bz1与Bz2进行比较而不是将Bx1与Bx2进行比较。

图16(e)示出了图16(d)的电路的变体，在该电路的变体中，四个电流源是预定义电流源(优选地I1＝I2＝I3＝I4)，并且其中，第一放大器和第二放大器具有预定义增益A1、A2(A1＝A2)，并且其中，在测量第一梯度dBx/dx的第一时刻t1使用预定义函数f3(T)动态地调整第三放大器和第四放大器的增益，并且在测量第二梯度dBz/dx的第二时刻t2使用函数f7(T)动态地调整第三放大器和第四放大器的增益。该解决方案允许根据要被测量/被确定的磁分量/梯度不同地调整信号路径，这进而取决于如何将从传感器元件获得的值进行数学组合。

图16(f)示出了图16(d)的变体，其中第三电流源I3和第四电流源I4在测量Bx(确定dBx/dx)的第一时刻分别基于函数f3(T)和f4(T)进行控制，并在测量Bz(确定dBz/dx)的第二时刻分别基于函数f7(T)和f8(T)进行控制。这允许进一步微调，以甚至进一步增加准确性。

图16(g)示出了图16(e)的变体，其中第三放大器增益A3和第四放大器增益A4在测量Bx(用于确定dBx/dx)的第一时刻分别使用函数f3(T)和f4(T)进行控制，并在测量Bz(用于确定dBz/dx)的第二时刻分别使用函数f7(T)和f8(T)进行控制。这允许进一步微调，以甚至进一步增加准确性。

图16(h)示出图16(f)的变体，在该变体中，同样在t1时使用函数f2(T)，并且在t2时使用函数f6(T)来控制第二电流源I2。如上文所述，在该情况下，K因子或K(T)可以省略。

图16(i)示出图16(g)的变体，在该变体中，同样在t1时使用函数f2(T)，并且在t2时使用函数f6(T)来控制第二放大器增益A2。如上文所述，在该情况下，K因子或K(T)可以省略。

在图16(d)至图16(i)的其他变体中，与图3(f)类比，所有的电流源均是预定义的(未被调整的)，并且所有的放大器均是预定义的(未被调整的)，但经放大的并且经数字化的信号是在数字域中进行校正的。在实施例中，在确定dBx/dx时和在确定dBz/dx时，使用单个校正函数f3(T)对经放大并且经数字化的值A_V3和A_V4进行校正。在另一实施例中，校正函数f3(T)用于在确定dBx/dx时、对经放大的并且经数字化的值A_V3进行校正，并且另一个校正函数f7(T)用于在确定dBz/dx、，对经放大的并且经数字化的值A_V4进行校正。在又一实施例中，当确定dBx/dx时，校正函数f3(T)用于对经放大的并且经数字化的值A_V3进行校正，并且校正函数f4(T)用于对经放大的并且经数字化的值A_V4进行校正，并且在确定dBz/dx时，校正函数f7(T)用于对经放大的并且经数字化的值A_V3进行校正，并且校正函数f8(T)用于对经放大的并且经数字化的值A_V4进行校正。

图17(a)示出了图16(a)的传感器布置的变体，进一步包括两个应力传感器，每个传感器位置处一个应力传感器。

图17(b)示意性地图示出图16(d)和图16(f)以及图16(h)的变体，进一步包括两个应力传感器，其中预定义函数不仅取决于温度，还取决于差分应力。

图17(c)示意性地图示出图16(e)和图16(g)以及图16(i)的变体，进一步包括两个应力传感器，其中预定义函数不仅取决于温度，还取决于差分应力。

还设想了一种变体，与图3(f)类比，在该变体中偏置源是预定义电流源，并且其中放大器具有预定义增益，并且其中源自第二传感器的信号在数字域中被校正。

在图17的其他或进一步的变体中，用于调整偏置源、和/或用于调整放大器增益、和/或用于在数字域中对经放大的并且经数字化的值进行校正的预定义函数仅是差分应力的函数，而不是温度的函数，与图5(a)至图5(f)中所描述的内容类似。在一些实施例中，温度传感器可被省略。

图18(a)示出图3(a)的传感器布置的变体，包括两个传感器结构，每个传感器结构包括集成磁聚集器(IMC)和被布置在IMC外周的四个水平霍尔元件。通过将来自每个IMC周围的霍尔元件的信号进行适当地组合(例如相加或相减)，每个传感器结构可用于测量Bx和/或By和/或Bz。

实际上，在第一传感器位置X1处的Bx1可以从(vH3-vH1)中导出、在第一传感器位置X1处的By1可以从(vH4-vH2)中导出、以及在第一传感器位置X1处的Bz1可以从(vH1+vH3)或(vH2+vH4)或(vH1+vH2+vH3+vH4)中导出。同样，Bx2可以被计算为(vH7-vH5)，并且By2可以被计算为(vH8-vH6)，并且Bz2可以被计算为(vH5+vH7)、或被计算为(vH6+vH8)、或者被计算为(vH5+vH6+vH7+vH8)。梯度dBx/dx可被计算为：(Bx2-Bx1)、梯度dBy/dx可被计算为：(By2-By1)、以及梯度dBz/dx可被计算为：(Bz2-Bz1)。

使用该传感器结构的位置传感器系统可以使用图10或图11(a)或图11(b)的方法来确定角位置或线性位置。

在其中使用dBx/dx和dBz/dx的比率的实施例中，将来自H1、H3的信号和H5、H7的信号以如上文所述的方式(图6和图16)成对地相减以用于确定dBx/dx，并将来自H2、H4和H6、H8的信号成对地相加以确定dBz/dx。对来自单个磁传感器的两个霍尔元件的信号的这种“加法”和“减法”可以在模拟域中执行(例如参见图6(c)的块611、块622，其中示出了减法)。优选地，并行执行该加法和减法，因为使用了来自不同霍尔元件的信号，因此不需要时间复用。在该情况下，图18(a)的结构可以被认为是由具有共享IMC盘的两个电气独立的传感器结构组成，一个传感器结构与图6所示的传感器结构相同，包括读出电路(具有减法块611、612、621、622)，并且在将两个霍尔元件围绕IMC盘的中心移动90°之后，另一个传感器结构具有与图6(a)的布局类似的布局，并且具有与图6(b)-图6(c)中所描述的读出电路类似的读出电路，但是具有加法器块而不是减法块611-621。

在其中使用dBy/dx与dBz/dx的比率的实施例中，将来自H1、H3的信号和H5、H7的信号以如上文所述的方式(图6和图16)成对地相加以用于确定dBz/dx，并将来自H2、H4和H6、H8的信号成对地相减以确定dBy/dx。在该情况下，图18(a)的结构也可以被认为是由具有共享IMC盘的两个电气独立的传感器结构组成，一个传感器结构具有与图6(a)中所示的布局相同的布局，但具有加法器块(而不是减法块611、612、621、622)，并且在将两个霍尔元件围绕IMC盘的中心移动90°之后，另一个传感器结构具有与图6(a)的布局类似的布局，并具有如图6中讨论的读出电路(具有减法块)。

在另一个实施例中，该结构用于确定dBx/dx和dBy/dx的比率。类似的考虑也适用。

在所有情况下，每组四个霍尔元件均可以使用图16(a)至图16(i)中描述的原理被独立地被偏置并读出，这些原理中一些原理将进一步详细描述。

图18(b)示出一种示例性角位置传感器系统1800，该系统1800包括轴向磁化的四极磁体1801和具有如图18(a)所示的传感器布置的、被定位成与旋转轴线偏移(“离轴”)的传感器设备1802。传感器设备1802被配置成用于使用图11(a)或图11(b)中图示出的方法基于dBx/dx和dBy/dx的比率来确定磁体的角位置，其中传感器设备被取向成使得其X轴在磁体的圆周方向上(与具有半径Rs的假想圆相切)，并且其Z轴与旋转轴线平行，并且其Y轴基本上按径向取向的。

图18(c)示出另一个示例性角位置传感器系统1850，包括径向磁化的八极环形或盘状磁体1851，以及具有如图18(a)所示的传感器布置的传感器设备1852，该传感器设备1852位于磁体的外部，基本上在磁体的高度的一半处(“赤道附近”)。传感器设备1852被配置成用于基于dBx/dx和dBz/dx的比率来确定传感器设备相对于磁体1851的角位置，或者确定磁体1851相对于传感器设备的角位置，其中，传感器设备被取向成使得其X轴在磁体的圆周方向上(与具有半径Rs的假想圆相切)，并且其Y轴与磁体的旋转轴线平行，并且其Z轴基本上按径向取向的。如上所述，必须使用传感器信号H1、H3、H5、H7来确定dBx/dx，但存在用于确定dBz/dx的若干种方法。在使用H2、H4、H6和H8来确定dBz/dx的实施例中，奇数编号的传感器元件和偶数编号的元件的偏置可以同时发生，即使用于确定dBx/dx和dBz/dx的函数不同。

图18(d)示出了图6(b)和图16(d)的电路的变体，其中I5和I7使用预定义函数f5(T)调整，并且其中I6和I8使用预定义函数f6(T)调整。这是简单的实现方式，只需要两个预定义函数。

能以与上文所描述的方式类似的方式确定校正函数f5和f6。例如(简要的)：选择I1＝I2＝I3＝I4，提供可调的I5和I6，使用电流镜使得I7＝I5，使用另一个电流镜使得I8＝I6。施加恒定的磁场，并且根据H1、H3、H5、H7如何被使用来调整I5＝I7，直到BxL＝BxR或直到BzL＝BzR。并根据H2、H4、H6、H8如何被使用来调整I6＝I8，直到ByL＝ByR或直到BzL＝BzR。将函数f5、f6以合适的形式存储在非易失性存储器中。

在图18(d)的变体中，还使用预定义函数f3(T)调整I3和I4。

图18(e)示出图6(b)的和图16(f)的电路的变体，其中使用预定义函数f5(T)调整I5、使用预定义函数f6(T)调整I6、使用预定义函数f7(T)调整I7、使用预定义函数f8(T)调整I8。

图18(f)示出了图18(e)的电路的变体，其中进一步使用预定义函数f3(T)调整I3，并且使用预定义函数f4(T)调整I4。

图18(g)示出图18(e)的电路的变体，其中进一步使用预定义函数f2(T)调整I2。这相对复杂，但提供了最高的灵活性。

在图18(d)至图18(g)所示的电路的变体中，电流源是预定义电流源(未被调整)，并且2个、4个、6个或7个放大器是具有可调增益的放大器，由图18(d)至图18(g)所示的预定义函数控制。

在图18(d)至图18(g)所示电路的其他变体中，与图3(f)类比，电流源是预定义电流源(未被调整)，并且放大器是预定义放大器(未被调整)，但使用两个、四个、六个或七个预定义函数在数字域中执行校正。

图19(a)示出图18(a)所示的传感器结构的变体，其中增加了两个应力传感器，每个传感器位置处或附近一个应力传感器。

图19(b)、图19(c)和图19(d)分别示出图18(d)、图18(e)和图18(f)的变体。主要的区别在于，用于控制可调电流源的预定义函数不仅取决于温度，而且取决于差分应力。

对于图18所描述的所有变体也设想了增加差分应力传感器。

在图18和图19的又一变体中(未示出)，与图5(a)至图5(f)类比，用于调整偏置源、用于调整放大器增益、以及用于在数字域中计算校正因子的预定义函数是差分机械应力的函数，而不是温度的函数。在这些实施例中，温度传感器可以被省略。

在对本发明的若干实施例进行了详细描述之后，本领域技术人员可以容易地提出小的修改。例如，虽然各实施例针对提供电压信号(该电压信号被放大和/或被相减和/或被数字化)的磁传感器进行了描述，但在实际实现方式中，电压信号可以被转换为电流信号，该电流信号被放大和/或被相减和/或被数字化，或者电流经过放大后又被转换为电压等。

本发明描述了使用两个一阶磁场差或两个一阶磁场分量的组合(例如比率)的位置传感器系统，但是当然，同样的技术也可以应用于使用一阶磁场梯度和二阶磁场梯度的组合(例如比率)、或两个二阶磁场梯度的比率、或更高阶磁场梯度的比率(分子或分母至少为一阶)的系统。应注意，二阶磁场梯度例如可以通过将两个一阶磁场梯度相减、或者通过形成三个磁场分量值的线性组合来获得，线性组合诸如例如B1-2*B2+B3，其中B1、B2和B3从位于轴线上的三个磁传感器导出，B2位于B1与B3之间的中间。

Claims (15)

1.一种确定磁传感器设备相对于磁源或确定磁源相对于磁传感器设备的线性位置或角位置的方法(1100)；所述磁传感器设备包括：

第一磁传感器元件、第二磁传感器元件、第三磁传感器元件和第四磁传感器元件；

第一偏置源(I1)、第二偏置源(I2)、第三偏置源(I3)和第四偏置源(I4)，用于对所述传感器元件进行偏置；

第一放大器(A1)、第二放大器(A2)、第三放大器(A3)和第四放大器(A4)，用于对源自所述传感器元件的信号进行放大；

至少一个模数转换器(ADC)，用于将源自所述放大器的信号进行数字化；

温度传感器和差分应力测量电路中的一者或两者；

数字处理电路，所述数字处理电路连接在所述模数转换器(ADC)的下游；

所述方法包括以下步骤：

获得温度值(T)和差分应力值(Δ∑)中的一者或两者；

a)基于从所述第一磁传感器元件和所述第三磁传感器元件获得的信号来确定(1101)第一磁场梯度；

b)基于从所述第二磁传感器元件和所述第四磁传感器元件获得的信号来确定(1102)第二磁场梯度；

c)计算(1103)所述第一磁场梯度与所述第二磁场梯度的比率；

d)基于所述比率来确定(1104)所述线性位置或角位置；

其特征在于：

步骤a)包括：使用温度和/或差分应力的第一预定义函数(f3)来调整所述第三偏置源和/或调整包括所述第三放大器的信号路径，以使包含所述第三传感器元件的信号路径与包含所述第一传感器元件的信号路径相匹配；以及

步骤b)包括：使用温度和/或差分应力的、与所述第一预定义函数(f3)不同的第二预定义函数(f4)来调整所述第四偏置源和/或调整包括所述第四放大器的信号路径，以使包含所述第四传感器元件的信号路径与包含所述第二传感器元件的信号路径相匹配；

步骤d)进一步包括：基于所述比率来确定所述线性位置或角位置，任选地考虑预定义因子K或温度的预定义函数K。

2.根据权利要求1所述的方法(1120)，

其中步骤a)包括：确定(1121)沿第一方向(X)按所述第一方向(X)取向的第一磁场分量(Bx)的第一磁场梯度(dBx/dx)；以及

其中步骤b)包括：确定(1122)沿所述第一方向(X)、按第二方向(Z；Y)取向的第二磁场分量(Bz；By)的第二磁场梯度(dBz/dx；dBy/dx)，所述第二方向(Z；Y)与所述第一方向(X)基本上垂直。

3.根据权利要求1所述的方法(1140)，

其中步骤a)包括：确定(1141)沿第二方向(X)、按第一方向(Z)取向的磁场分量(Bz)的第一磁场梯度(dBz/dx)，所述第二方向(X)与所述第一方向(Z)基本上垂直；以及

其中步骤b)包括：确定(1142)沿第三方向(Y)、按所述第一方向(Z)取向的所述磁场分量(Bz)的第二磁场梯度(dBz/dy)，所述第三方向(Y)与所述第一方向(Z)基本上垂直并且与所述第二方向(X)基本上垂直。

4.一种确定磁传感器设备相对于磁源或确定磁源相对于磁传感器设备的线性位置或角位置的方法(1000)；所述磁传感器设备包括：

-第一磁传感器元件、第二磁传感器元件、第三磁传感器元件和第四磁传感器元件；

第一偏置源(I1)、第二偏置源(I2)、第三偏置源(I3)和第四偏置源(I4)，用于对所述传感器元件进行偏置；

第一放大器(A1)、第二放大器(A2)、第三放大器(A3)和第四放大器(A4)，用于对源自所述传感器元件的信号进行放大；

至少一个模数转换器(ADC)，用于将源自所述放大器的信号进行数字化；

温度传感器和差分应力测量电路中的一者或两者；

数字处理电路，所述数字处理电路连接在所述模数转换器(ADC)的下游；

所述方法包括以下步骤：

获得温度值(T)和差分应力值(Δ∑)中的一者或两者；

a)基于从所述磁传感器元件获得的信号的第一数学组合来确定(1001)第一磁场梯度(dBx/dx)；

b)基于从所述磁传感器元件获得的信号的第二数学组合来确定(1002)第二磁场梯度(dBz/dx)；

c)计算(1003)所述第一磁场梯度与所述第二磁场梯度的比率；

d)基于所述比率来确定(1004)所述线性位置或角位置；

其特征在于：

步骤a)包括：使用温度和/或差分应力的第一预定义函数(f3)或第一控制函数集来调整所述偏置源和/或包含所述第三放大器和所述第四放大器的信号路径，以在执行所述第一数学组合时对所述磁传感器元件的所述信号路径进行匹配(或者换句话说：使得从所述第三传感器和所述第四传感器获得的信号的第一数学组合与从所述第一传感器和所述第二传感器获得的信号的第一数学组合相匹配)；以及

步骤b)包括：使用温度和/或差分应力的第二预定义函数(f4)或第二控制函数集来调整所述偏置源和/或包含所述第三放大器和所述第四放大器的信号路径，以在执行所述第二数学组合时对所述磁传感器元件的所述信号路径进行匹配(或换句话说：使得从所述第三传感器和所述第四传感器获得的所述信号的第二数学组合与从所述第一传感器和所述第二传感器获得的所述信号的第二数学组合相匹配)，所述第二控制函数(f4)与所述第一控制函数(f3)不同，或所述第二控制函数集与所述第一控制函数集不同；以及

步骤d)进一步包括：基于所述比率来确定所述线性位置或角位置，任选地考虑预定义因子K或温度的预定义函数K。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤a)包括：

在测量(922)温度(T)和/或差分应力(Δσ)并使用所测得的温度和/或差分应力的预定义函数(f)调整(923)所述第二偏置源(图5(c):I2)或所述第二放大器(图5(d):A2)之后，

确定(926)以下两者之间的模拟差分信号(Δv)：

通过对所述第一磁传感器(图5(c):H1))进行偏置并对所述第一磁传感器信号进行放大而获得的第一信号(A_v1)，

以及通过对所述第二磁传感器(图5(c):H2))进行偏置并对所述第二磁传感器信号进行放大而获得的第二信号(A_v2corr)，

以及将所述模拟差分信号(Δv)进行数字化(926)以获得所述第一梯度。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤a)包括：

在测量(942)温度和/或差分应力(Δσ)并使用所测得的温度和/或差分应力的预定义函数(f)调整(943)所述第二偏置源(I2)或所述第二放大器(A2)之后，

确定(946)以下两者之间的数字差值(ΔV)：

通过对所述第一磁传感器进行偏置并且对所述第一磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化而获得的第一数字值(A_V1)；

以及通过对所述第二磁传感器进行偏置并且对所述第二磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化而获得的第二数字值(A_V2)。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤a)包括：

确定以下两者之间的数字差值(ΔV)：

通过对所述第一磁传感器进行偏置(964)并且对所述第一磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化而获得的第一数字值(A_V1)；

以及通过对所述第二磁传感器进行偏置(963)并且对所述第二磁传感器信号进行放大、并将经放大的信号进行数字化、并通过与使用所述所测得的温度和/或差分应力的预定义函数(f)的校正因子(Fcorr)相乘来调整(965)经数字化的值而获得的第二数字值(A_V2)。

8.如权利要求1到7中的任一项所述的方法，

其中，用于调整所述偏置源和/或所述放大器增益和/或用于对所述经数字化的值进行校正的所述预定义函数(f3)是仅温度的函数。

9.如权利要求1到7中的任一项所述的方法，

其中，用于调整所述偏置源和/或所述放大器增益和/或用于对所述经数字化的值进行校正的所述预定义函数(f3)是温度和差分应力的函数。

10.如权利要求1到7中的任一项所述的方法，

其中，用于调整所述偏置源和/或所述放大器增益和/或用于对所述经数字化的值进行校正的所述预定义函数(f3)是仅差分应力的函数。

11.一种包括半导体衬底的磁位置传感器设备，包括：

至少第一磁传感器和第二磁传感器，所述第一磁传感器位于第一传感器位置处，所述第二磁传感器位于与所述第一传感器位置间隔开的第二传感器位置处；

至少第一偏置源和第二偏置源，所述第一偏置源用于对所述第一磁传感器进行偏置，所述第二偏置源用于对所述第二磁传感器进行偏置；

至少第一放大器和第二放大器，所述第一放大器用于对从所述第一磁传感器获得的信号进行放大，所述第二放大器用于对从所述第二磁传感器获得的信号进行放大；

至少第三磁传感器，以及任选的第四磁传感器；

至少第三偏置源，用于对所述第三磁传感器进行偏置，以及任选的第四偏置源，用于对所述第四磁传感器进行偏置；

至少第三放大器，用于对从所述第三磁传感器获得的信号进行放大，以及任选的第四放大器，用于对从所述第四磁传感器获得的信号进行放大；

温度传感器，所述温度传感器位于所述衬底上的预定义位置处；

至少一个差分应力感测电路，所述至少一个差分应力感测电路被配置成用于确定所述磁传感器中的两个磁传感器之间的至少一个应力差(Δσ)；

至少一个模数转换器(ADC)，所述至少一个模数转换器(ADC)被连接在所述放大器的下游；

数字处理电路(DSP)，所述数字处理电路(DSP)连接在所述模数转换器的下游；

非易失性存储器，所述非易失性存储器可操作地连接至所述数字处理电路，所述非易失性存储器被配置成用于存储所述预定义函数(f)的一个或多个值或参数；

其中，所述数字处理电路被配置成用于执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

12.一种磁位置传感器系统(1200)，包括：

围绕轴线可旋转的双极环形或盘状磁体(1202)；

磁位置传感器设备(1202)，所述磁位置传感器设备(1202)被布置在距所述磁体一定距离处，并包括被布置在假想圆上并且在角度上间隔开90°的四个水平霍尔元件(H1、H2、H3、H4)，以及四个偏置源和四个放大器；

该磁传感器进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；和数字处理电路，所述数字处理电路包括非易失性存储器，并被配置成用于执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

13.一种磁位置传感器系统(1400；1450)，包括：

具有至少四个磁极的磁结构(1401；1451)；

磁位置传感器设备(1402；1452)，所述磁位置传感器设备(1402；1452)被布置在距所述磁结构一定距离处，并且包括两个相互间隔开的磁传感器，

每个磁传感器包括水平霍尔元件(H1、HH2)和垂直霍尔元件(VH1、VH2)，和四个偏置源、以及四个放大器，

该磁传感器进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，所述数字处理电路包括非易失性存储器，并且被配置成用于执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

14.一种磁位置传感器系统(1600；1650)，包括：

具有至少四个磁极的磁结构(1601；1651)；

磁位置传感器设备(1602；1652)，所述磁位置传感器设备(1402；1452)被布置在距所述磁结构一定距离处，并且包括两个相互间隔开的磁传感器，

每个磁传感器包括集成磁聚集器(IMC1、IMC2)和位于对应的集成磁聚集器相对侧的两个水平霍尔元件(H1、H2；H3、H4)，以及两个偏置源和两个放大器，

该磁传感器进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，所述数字处理电路包括非易失性存储器，并且被配置成用于执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

15.一种磁位置传感器系统(1800；1850)，包括：

具有至少四个磁极的磁结构(1801；1851)；

磁位置传感器设备(1802；1852)，所述磁位置传感器设备(1402；1452)被布置在距所述磁结构一定距离处，并且包括两个相互间隔开的磁传感器，

每个磁传感器包括集成磁聚集器(IMC1、IMC2)和被布置在所述集成磁聚集器的外周处的四个水平霍尔元件，以及四个偏置源和四个放大器；

该磁传感器进一步包括：至少一个模数转换器，以及温度传感器和两个差分应力传感器；以及数字处理电路，所述数字处理电路包括非易失性存储器，并且被配置成用于执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。

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