CN114594414A - 转动侦测装置、方法及可转动设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转动侦测装置、方法及可转动设备，该转动侦测装置包括：各向异性磁阻器件，各向异性磁阻器件用于侦测平行于基板平面的磁场分量，并产生第一输出信号及第二输出信号；平面霍尔器件，平面霍尔器件用于侦测垂直于基板平面的磁场分量，并产生第三输出信号；垂直霍尔器件，垂直霍尔器件用于侦测平行基板平面一方向的磁场分量，并产生第四输出信号；信号处理电路，分别与各向异性磁阻器件、平面霍尔器件及垂直霍尔器件连接，信号处理电路用于根据第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。本发明通过平面霍尔器件、垂直霍尔器件与各向异性磁阻器件的结合，以实现转动物体相位侦测。

Description

转动侦测装置、方法及可转动设备

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种转动侦测装置、方法及可转动设备转动侦测装置、方法及可转动设备。

背景技术

转动侦测的装置的一个实施例如图1所示，通常包括一磁传感器芯片，距离磁感测芯片一段距离处配置一磁场信号源，该磁场信号源可为一双级磁铁或一多极配向磁铁；该磁铁固定于待测物体的一端，当磁感测芯片配置对齐磁铁几何中心时，磁铁的转动将导致磁感测芯片所感测到的磁场方向产生一对应转动，而产生一输出。当磁场方向旋转360度时，霍尔器件、巨磁阻与穿隧磁阻可产生一正弦与一余弦波输出，并以此二输出运算以得到角度信息；而以各向异性磁阻技术构成的感测装置，在磁场方向旋转360度时则会产生两个正弦与两个余弦波输出，这意味着各向异性磁阻磁感测芯片仅能量测180度的角度变化，此为该技术先天的一个限制。许多技术方案为了解决此一限制而被开发。

为解决各向异性磁阻器件180度侦测角度的限制，其中一类做法是将各向异性磁阻器件与一可量测360度磁场转动的磁传感器件整合，配合对应算法而使各向异性器件得以输出360角度信息。有别于各种磁阻技术需要特殊工艺，霍尔器件完全兼容于CMOS工艺，故在实现360度磁场感测的做法中，以各向异性磁阻器件整合霍尔器件最具有成本优势，以下相关技术分析即针对各向异性磁阻器件整合霍尔器件的方案进行比较。

现有技术一(CN108474669B)

此装置中磁场感测单元32包括一个或多个整合在半导体基板的平面霍尔器件，与两个各向异性磁阻器件，如图2所示。其中各向异性磁阻器件配置于图2中34的位置；而多个平面霍尔器件围绕着各向异性磁阻器件配置在36、37、38，与39的位置。转动测量装置由磁场感测单元32与一信号磁场源构成，图3所示范例中信号磁场源为一永久磁铁42，其磁极配向方向为平行于基板平面，该磁场感测单元32配置于该永久磁铁42的上方或下方，并与该永久磁铁42的几何中心对齐；多个霍尔器件以正交方式配置于该各向异性磁阻器件周围。该磁场感测单元32所侦测到的磁场如图4所示，为该永久磁铁42外露磁场，配置于磁场感测单元32中心位置的各向异性磁阻器件侦测信号磁场平行基板平面方向的分量；而周围的平面霍尔器件侦测信号磁场垂直基板平面方向的分量，因该霍尔器件群的正交配置，而产生输出波形的相位差。

当该磁铁42转动时，磁场感测单元32内平行与垂直于基板方向的磁信号分量均发生旋转，该两个各向异性磁阻器件产生一周期为180度的正弦与余弦输出，藉由运算而得到180度旋转的角度信息；而周围的霍尔器件则透过差动方式，如图2中霍尔器件34与37的信号差与36与38的信号差，产生一周期为360度的正弦与余弦输出，藉由信号处理电路，可通过磁场信号的相位判断，使该各向异性磁阻器件产生一周期为360度的最终输出。

现有技术一的缺点

生产成本较高：

平面霍尔器件面积较大，且需要使用并联结构以降低零点飘移，若使用多个平面霍尔器件实现360度周期的角度测量，会导致较高的芯片成本，使产品竞争力下降。

设计较复杂：

平面霍尔器件必须围绕各向异性磁阻器件排列，已获得较为准确的量测结果，而此配置将导致较为复杂的电路布局，增加设计的复杂度。

对信号磁场的对齐相当敏感：

装置中霍尔器件输出波形的相位差，是通过该霍尔器件群以永久磁铁的几何中心，正交配置而产生的，但在实际应用情形中，由于装配误差的缘故，永久磁铁的中心必然与感测装置的中心位置有所偏移，故该霍尔器件群的输出波形相位必然小于90度，随着装配偏差的增加，相位的偏移相对减小，一者使差动输出的信号严重衰减，信噪比劣化；二者使输出波形相位严重偏移，相位判断失准，导致最终输出错误。

现有技术二(CN112097800A)

此装置中磁场感测单元包括一个或多个整合在半导体基板的垂直霍尔器件，与两个各向异性磁阻器件。其中各向异性磁阻器件为两个惠斯同全桥，该二全桥间以夹角45度配置；而垂直霍尔器件可在基板平面上以正交方向配置，其结构如图5所示，由一N阱202与多个电极所构成。驱动电流在电极间以弧形路径流动，其输出电压正比于Y方向的磁场分量。

当信号磁场旋转时，该二组各向异性磁阻器件感测平行于基板平面的信号磁场分量，产生一周期为180度的正弦波形输出与一180度周期的余弦波形输出；通过运算，可得到一180度周期的角度输出。而该正交配置的垂直霍尔器件，同样感测平行基板方向的磁场信号分量，但产生一周期为360度的正弦与余弦波形输出。通过垂直霍尔器件群的输出与各向异性磁阻器件的输出，可产生一最终周期为360度的信号。

现有技术二的缺点

垂直霍尔器件开发成本较高，时程较长：

垂直霍尔器件的输出是由器件中电流的垂直分量变化而产生，此种结构在开发上时间较长，投入资源较多，且往往需要特殊工艺支持，在成本与时间上较不具竞争力。

垂直霍尔器件感度较低：

垂直霍尔器件本质上对磁场的感度较平面霍尔器件低，为达到所需要的信噪比，需要较长的采样时间，将导致磁场感测单元较为耗电，且反应较慢，带宽较低。

垂直霍尔器件零点飘移较大：

垂直霍尔器件本质上零点飘移较平面霍尔器件大，且对工艺偏差较为敏感。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种转动侦测装置、方法及可转动设备，旨在通过平面霍尔器件、垂直霍尔器件与各向异性磁阻器件的结合，以实现转动物体相位侦测。

为实现上述目的，本发明提出一种转动侦测装置，所述转动侦测装置包括：

基板；

各向异性磁阻器件，设置于所述基板上，所述各向异性磁阻器件用于侦测平行于基板平面的磁场分量，并产生第一输出信号及第二输出信号；

平面霍尔器件，设置于所述基板上，所述平面霍尔器件用于侦测垂直于所述基板平面的磁场分量，并产生第三输出信号；

垂直霍尔器件，设置于所述基板上，垂直霍尔器件用于侦测平行基板平面一方向的磁场分量，并产生第四输出信号；

信号处理电路，分别与所述各向异性磁阻器件、所述平面霍尔器件及所述垂直霍尔器件连接，所述信号处理电路用于根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。

可选地，所述转动侦测装置还包括：

第一切换模块串联设置于所述平面霍尔器件与所述信号处理电路之间，所述第一切换模块的多个连接端子与所述平面霍尔器件的多个连接点一一对应连接；所述第一切换模块用于切换所述平面霍尔器件多个连接点之间的连接状态，以使所述平面霍尔器件能够至少工作于第一工作状态或者第二工作状态。

可选地，所述转动侦测装置还包括：

第二切换模块串联设置于所述垂直霍尔器件与所述信号处理电路之间，所述第二切换模块的多个连接端子与所述垂直霍尔器件的多个连接点一一对应连接；所述第一切换模块用于切换所述平面霍尔器件多个连接点之间的连接状态，以使所述垂直霍尔器件能够至少工作于第三工作状态或者第四工作状态。

可选地，所述转动侦测装置还包括：

输出处理电路，其输入端分别与所述平面霍尔器件及所述垂直霍尔器件连接，所述输出处理电路的输出端与所述信号处理电路连接，所述输出处理电路用于对所述平面霍尔器件输出的第三输出信号及所述垂直霍尔器件输出的第四输出信号进行均值处理后输出至所述信号处理电路。

可选地，所述转动侦测装置还包括：

信号放大校正处理电路，串联设置于所述各向异性磁阻器件与所述信号处理电路连接之间，所述信号放大校正处理电路用于对所述各向异性磁阻器件输出的第一输出信号及第二输出信号进行放大及校正处理后输出至所述信号处理电路。

可选地，所述信号处理电路用于将所述各向异性磁阻器件产生的第一输出信号与第二输出信号转换为一180度周期的角度输出；

将所述平面霍尔器件产生的第三输出信号转换成第三输出方波信号；

将所述垂直霍尔器件产生的第四输出信号转换成第四输出信号方波信号；以及，

根据所述角度输出、所述第三输出方波信号及所述第四输出信号方波信号产生对应的角度信息并输出。

可选地，所述平面霍尔器件包括至少二个平面霍尔单元，两个所述平面霍尔单元并联设置；

和/或，所述垂直霍尔器件包括至少二个垂直霍尔单元，两个所述垂直霍尔单元并联设置；

和/或，所述各向异性磁阻器件为二独立电阻单元、二独立半桥结构，或二独立惠斯同全桥结构中的任意一种。

本发明还提出一种可转动设备，包括如上所述的转动侦测装置。

本发明还提出一种转动侦测方法，使用了如上所述的转动侦测装置，所述转动侦测装置包括基板及设置于所述基板上的各向异性磁阻器件、平面霍尔器件及垂直霍尔器件；所述转动侦测方法包括以下步骤：

获取所述各向异性磁阻器件输出的第一输出信号及第二输出信号、所述输出的第三输出信号及所述垂直霍尔器件输出的第四输出信号；

根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。

本发明还提出，所述根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出的步骤具体包括：

将所述各向异性磁阻器件产生的第一输出信号与第二输出信号转换为一180度周期的角度输出，并记为θ；

将所述平面霍尔器件产生的第三输出信号转换成第三输出方波信号；

将所述垂直霍尔器件产生的第四输出信号转换成第四输出信号方波信号；

在第三输出方波信号与第四输出信号方波信号均为正时，θ≤180°则最终角度输出为θ；θ≤Δθ则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波信号为正，第四输出信号方波信号为负时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为θ；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波信号与第四输出信号方波信号均为负时，θ≤180°则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤Δθ则最终角度输出为θ；

在第三输出方波信号为负，第四输出信号方波信号为正时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为θ。

本发明通过各向异性磁阻器件侦测平行于基板平面的磁场分量，并产生第一输出信号及第二输出信号，并通过平面霍尔器件侦测垂直于所述基板平面的磁场分量，并产生第三输出信号；以及，垂直霍尔器件侦测平行基板平面一方向的磁场分量，并产生第四输出信号；本发明还通过设置信号处理电路，以根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。本发明通过平面霍尔器件、垂直霍尔器件与各向异性磁阻器件的结合，以实现转动物体相位侦测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为转动侦测装置的工作原理示意图；

图2为现有技术一磁场感测单元示意图；

图3为现有技术转动测量装置上视图；

图4为现有技术转动测量装置侧视图；

图5为现有技术垂直霍尔器件示意图；

图6为本发明转动量测装置一实施例的电路结构示意图；

图7为本发明转动量测装置一实施例的俯视角度示意图；

图8为本发明转动量测装置一实施例的侧视角度示意图；

图9为本发明转动量测装置中平面霍尔器件一实施例的结构示意图；

图10为本发明转动量测装置中垂直霍尔器件一实施例的结构示意图；

图11为本发明转动量测装置中各向异性磁阻器件、平面霍尔器件与垂直霍尔器件的输出波形；

图12为本发明转动量测装置中各向异性磁阻器件、平面霍尔器件与垂直霍尔器件通过信号处理后的输出；

图13为本发明转动量测方法一实施例的流程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	各向异性磁阻器件	60	信号放大校正处理电路
20	平面霍尔器件	70	第一切换模块
				30	垂直霍尔器件	80	第二切换模块
40	信号处理电路	90	信号磁场源
				50	信号放大校正处理电路	100	基板

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明提出一种转动侦测装置。

物体的转动侦测在现今的应用分布很广，从工业应用如水表、机械体的转动、轴承的转动，到各种交通载具的应用，如汽车中方向盘、汽车电机、与车速的侦测等。

现今的技术中可以实现转动侦测功能的方案中，以磁场为基础的技术占有一关键的地位，这是由于其耐脏污、抗粉尘、对机械震动耐受性好等独特优点所致。在磁技术中可实现转动侦测的方案，主要包括霍尔器件、各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、穿隧磁阻(TMR)等。在这些方案中，霍尔器件与各向异性磁阻为一在应用方面有相当历史的成熟技术，而各向异性磁阻具有相对于霍尔器件高约一到两个数量级的磁场感度，可支援反应速度较快的应用；相对于巨磁阻与穿隧磁阻而言，各向异性磁阻具有明显较低的生产成本与较佳的环境耐受度，故在各领域的应用相当广泛，并且占有其不可取代的重要性与地位。

本发明提出一种转动侦测装置，参照图6至图12，在本发明一实施例中，该转动侦测装置包括：

基板100；

各向异性磁阻器件10，设置于所述基板100上，所述各向异性磁阻器件10用于侦测平行于基板100平面的磁场分量，并产生第一输出信号及第二输出信号；

平面霍尔器件20，设置于所述基板100上，所述平面霍尔器件20用于侦测垂直于所述基板100平面的磁场分量，并产生第三输出信号；

垂直霍尔器件30，设置于所述基板100上，垂直霍尔器件30用于侦测平行基板100平面一方向的磁场分量，并产生第四输出信号；

信号处理电路40，分别与所述各向异性磁阻器件10、所述平面霍尔器件20及所述垂直霍尔器件30连接，所述信号处理电路40用于根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。

本实施例中，转动侦测装置还设置有信号磁场源90，设置所述基板100的一侧；所述向异性磁阻器件的几何中心与所述信号磁场源90的几何中心重合。各向异性磁阻器件10配置于基板100上，信号磁场源90可以为永久磁铁，永久磁铁配置于该基板100上方或下方，产生具有XYZ方向分量的信号磁场，该永久磁铁为单轴配向，即半圆为N半圆为S，该各向异性磁阻器件10的几何中心与该永久磁铁的几何中心重合；由于各向异性磁阻器件10与该永久磁铁的几何中心对齐，故各向异性磁阻器件10配置范围内主要信号磁场方向平行于基板100平面，即XY平面；该平面霍尔器件20与该垂直霍尔器件30偏置于该永久磁铁的几何中心，故除了XY平面的信号磁场分量外，亦能侦测到较大强度的Z方向信号磁场分量。当该永久磁铁旋转时，各磁场感侧器件所感测到的信号磁场分量亦发生变化，其变化特征符合旋转特征。在一外加磁场信号下，针对XY平面的分量能同时产生一第一输出信号，即一180度周期的正弦波形，以及一第二输出信号，即一180度周期的余弦波形；一平面霍尔器件20与一垂直霍尔器件30配置于该基板100上并位于该各向异性磁阻器件10的一侧，该平面霍尔器件20感测信号磁场平行Z方向的分量，并产生一第三输出，即一360度周期的正弦波形；该垂直霍尔器件30感测信号磁场平行Y方向的分量，并产生一第四输出信号，即一360度周期的余弦波形；该二霍尔器件间的距离与排列没有限制。

本发明通过各向异性磁阻器件10侦测平行于基板100平面的磁场分量，并产生第一输出信号及第二输出信号，并通过平面霍尔器件20侦测垂直于所述基板100平面的磁场分量，并产生第三输出信号；以及，垂直霍尔器件30侦测平行基板100平面一方向的磁场分量，并产生第四输出信号；本发明还通过设置信号处理电路40，以根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。本发明通过平面霍尔器件20、垂直霍尔器件30与各向异性磁阻器件10的结合，以实现转动物体相位侦测。

本发明至少具有以下优势：

由于各向异性磁阻器件10本质上的较高磁场感度，与优异的可靠度，以其实现360度转动量测，可在较低的信号磁场下达到高响应速度、高精确度、低耗电，与高可靠度的装置表现。

相较于采用两个平面霍尔器件20或者两个垂直霍尔器件30来实现差分信号的输出，本发明通过一平面霍尔器件20与垂直霍尔器件30的结合，以实现相位判断，可有效降低芯片面积，达到缩减芯片成本的目标。

本发明中信号磁场的相位判断功能，是以一水平霍尔器件与一垂直霍尔器件30的绝对强度输出实现，对比于以平面霍尔器件20差动信号输出实现的相位判断功能，本发明有较高的信号磁场感度；而对比于仅用垂直霍尔器件30的现有技术二，本发明亦具有较高的磁场感度，可使装置反应速度较快且功耗较低。

本发明可解决现有技术一中，霍尔器件群对信号磁场对齐的敏感性问题。现有技术一以单一方向的信号磁场分量实现相位判断，其所产生的信号输出与输出波形的相位差，是藉由装置中平面霍尔器件20相对于信号磁场源90方向的正交配置而产生，而实际生产伴随的装配误差将不可避免免的使霍尔器件群的输出产生感度与相位的不确定性。而本发明通过一平面霍尔器件20与一垂直霍尔器件30的结合，使一正弦与一余弦的输出波形透过霍尔器件自身的感测方向而产生，如此霍尔器件群的输出感度与相位便不受装配误差的影响，具有生产稳定性方面的优势。

本发明中实现信号磁场相位判断的霍尔器件群，相位差来自霍尔器件自身感测方向，故在霍尔器件的配置方面没有硬性的需求，此特性在电路布局方面提供良好的自由度，有助于简化与优化电路设计。

参照图6，在一实施例中，所述转动侦测装置还包括：

输出处理电路50，其输入端分别与所述平面霍尔器件20及所述垂直霍尔器件30连接，所述输出处理电路50的输出端与所述信号处理电路40连接，所述输出处理电路50用于对所述平面霍尔器件20输出的第三输出信号及所述垂直霍尔器件30输出的第四输出信号进行均值处理后输出至所述信号处理电路40。

本实施例中，该可以对平面霍尔器件20及垂直霍尔器件30在不同工作状态下产生的第三输出信号与第四输出信号进行平均；该输出处理电路50可以校正第三输出信号与第四输出信号该二输出波形的振幅并放大信号；该输出处理电路50校正第三输出信号与第四输出信号该二输出波形的温度效应。经过该输出处理电路50，该水平霍尔器件与垂直霍尔器件30分别产生第三输出信号与第四输出信号，如图11中长虚线(Planar Hall)与短虚线(Vertical Hall)所示。该第三输出信号为一360度周期的正弦波形；第四输出信号的波形为一360周期的余弦波形；第三输出信号的波形与第四输出信号该二输出相位差为90度，且具有相同振幅与相同零点位准。

参照图6及图11，在一实施例中，所述转动侦测装置还包括：

信号放大校正处理电路60，串联设置于所述各向异性磁阻器件10与所述信号处理电路40连接之间，所述输出处理电路60用于对所述各向异性磁阻器件10输出的第一输出信号及第二输出信号进行放大及校正处理后输出至所述信号处理电路40。

本实施例中，该信号放大校正处理电路60可将各向异性磁阻器件10所产生的输出信号做信号放大与相关校正，经过该信号放大校正处理电路60，该各向异性磁阻器件10将产生第一输出信号与第二输出信号，该信号放大校正处理电路60具体可以校正各向异性磁阻器件10的零点飘移；以及校正第一输出信号与第二输出信号该二输出波形的相位、振幅并放大第一输出信号与第二输出信号；该信号放大校正处理电路60还可以校正第一输出信号与第二输出信号该二输出波形的温度效应。其输出波形随永久磁铁旋转角度的关系如图11中三角线段(AMR1)与圆点线段(AMR2)所示。其中，该第一输出信号的波形为一180度周期的正弦波形；第二输出信号的波形为一180度周期的余弦波形；第一输出信号与第二输出信号该二输出相位差为45度，且具有相同振幅与相同零点位准。

参照图6及图11，在一实施例中，所述信号处理电路40用于将所述各向异性磁阻器件10产生的第一输出信号与第二输出信号转换为一180度周期的角度输出；

将所述平面霍尔器件20产生的第三输出信号转换成第三输出方波信号；

将所述垂直霍尔器件30产生的第四输出信号转换成第四输出信号方波信号；以及，

根据所述角度输出、所述第三输出方波信号及所述第四输出信号方波信号产生对应的角度信息并输出。

本实施例中，第一输出、第二输出、第三输出与第四输出中，第一输出与第二输出通过arctan(指反正切函数)运算，可得到一180度周期的角度输出，如图12上图所示，该图中横轴为信号磁场旋转角度，纵轴为信号处理电路40通过运算得到的角度；在信号磁场旋转0到90度的区间中，运算的角度输出为90到180度；在信号磁场旋转90到270度的区间中，运算的角度输出为0到180度；在信号磁场旋转270到360度的区间中，运算的角度输出为0到90度。该信号处理电路40将第三输出通过比较处理后，可将其正弦波形转换为一以零点为中心的方波输出，如图12中图所示。在信号磁场旋转0到180度的区间中，方波输出为正；在信号磁场旋转180到360度的区间中，方波输出为负；该信号处理电路40将第四输出信号通过比较处理后，可将其正弦波形转换为一以零点为中心的方波输出，如图12下图所示。在信号磁场旋转0到90度的区间中，方波输出为正；在信号磁场旋转90到270度的区间中，方波输出为负；在信号磁场旋转270到360度的区间中，方波输出为正。

根据第三输出与第四输出产生的方波，可进行信号磁场的相位判断，以实现360的最终角度输出。第三输出方波与第四输出方波在信号磁场旋转360度范围内可组合出四种组合，分别为0到90度(正正)、90到180度(正负)、180到270度(负负)，与270到360度(负正)；结合各向异性磁阻器件10的角度θ、预设一角度值Δθ及第三输出方波与第四输出方波，侦测的物体转动相位判断方法如下：

在第三输出方波与第四输出信号方波均为正时，θ≤180°则最终角度输出为θ；θ≤Δθ则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波为正，第四输出信号方波为负时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为θ；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波与第四输出信号方波均为负时，θ≤180°则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤Δθ则最终角度输出为θ；

在第三输出方波为负，第四输出信号方波为正时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为θ。

参照图6及图12，在一实施例中，所述平面霍尔器件20包括至少二个平面霍尔单元，两个所述平面霍尔单元并联设置。

本实施例中，平面霍尔器件20可以包括两个平面霍尔单元，也可以包括四个，图9显示了一个水平霍尔器件范例，本实施例以两个为例，包括了第一霍尔单元21与第二霍尔单元22；该第一霍尔单元21包括一方形反应区，与配置于该反应区四个角落的四个电极A1、A2、A3，与A4；该第二霍尔单元22包括一方形反应区，与配置于该反应区四个对角的四个电极B1、B2、B3，与B4；该反应区可为一整合于基板100中的N型参杂区域，其参杂浓度较上述电极区域为低。将电极A2与B3连接至一第一接点P1；电极A4与B1连接至一第二接点P2；电极A1与B2连接至一第三接点P3；电极A3与B4连接至一第四接点P4，即可形成一并联结构。将P1或P2任一端连接电源，另一端连接地端，则P3与P4为信号输出端；将P3与P4任一端连接电源，另一端连接地端，则P1与P2为信号输出端。此并联结构的特征为在该第一与第二霍尔单元22中驱动电流的流向呈现正交，此配置可有效降低单一霍尔器件的零点飘移。

参照图7至图12，在一实施例中，所述转动侦测装置还包括：

第一切换模块60串联设置于所述平面霍尔器件20与所述信号处理电路40之间，所述第一切换模块60的多个连接端子与所述平面霍尔器件20的多个连接点一一对应连接；所述第一切换模块60用于切换所述平面霍尔器件20多个连接点之间的连接状态，以使所述平面霍尔器件20能够至少工作于第一工作状态或者第二工作状态。

本实施例中，第一切换模块60可以实现流经平面霍尔器件20不同电流路径的切换，装置中水平霍尔器件与垂直霍尔器件30的零点飘移可大幅降低，并可使所需的并联结构数目降低，进一步缩小芯片面积。

参照图9，平面霍尔器件20的接点P1、P2、P3，与P4连接到一第一切换模块60。该第一切换模块60通过接点的切换可使平面霍尔器件20形成至少两个工作状态；在第一时间点形成一第一工作状态，即P1连接电源，P2连接地端，P3与P4产生一第一状态输出；在第二时间点形成一第二工作状态，即P3连接电源，P4连接地端，P1与P2产生一第二状态输出；将该第一状态输出与该第二状态输出通过平均运算，可得到一第三输出。通过第一切换模块60，该平面霍尔器件20可在第三时间点形成一第三工作状态，即P2连接电源，P1连接地端，P3与P4产生一第三状态输出；在第四时间点形成一第四工作状态，即P4连接电源，P3连接地端，P1与P2产生一第四状态输出；将上述第一状态输出、第二状态输出、第三状态输出，与第四状态输出通过平均运算，可得到一第三输出信号。

参照图6至图12，在一实施例中，所述垂直霍尔器件30包括至少二个垂直霍尔单元，两个所述垂直霍尔单元并联设置；

垂直霍尔器件30可由至少两个霍尔单元并联形成，也可以为四个霍尔单元并联形成，本实施例以图10显示了一个垂直霍尔器件30范例，本实施例以四个为例，其中包括了一第一霍尔单元A、一第二霍尔单元B、一第三霍尔单元C，与一第四霍尔单元D；每个霍尔单元均由一长方形反应区与五个电极所构成，每个霍尔单元中第一电极与五电极电气连接；该反应区可为一整合于基板100中的N型参杂区域，其参杂浓度较上述电极区域为低。上述四垂直霍尔单元通过电极间的连接，可形成一并联结构具有四接点P1、P2、P3，与P4。其中P1通过连接电极A4、B3、C2，与D1而形成；P2通过连接电极A5、B4、C3，与D2而形成；P3通过连接电极A2、B1、B5、C4，与D3而形成；P4通过连接电极A3、B2、C1、C5，与D4而形成。将P1或P2任一端连接电源，另一端连接地端，则P3与P4为信号输出端；将P3与P4任一端连接电源，另一端连接地端，则P1与P2为信号输出端。此并联结构可在四个垂直霍尔单元中产生不同的驱动电流路径，并且将其输出电压通过连接方式平均，可大幅降低垂直霍尔器件30的零点飘移。

参照图6至图12，在一实施例中，所述转动侦测装置还包括：

第二切换模块70串联设置于所述垂直霍尔器件30与所述信号处理电路40之间，所述第二切换模块70的多个连接端子与所述垂直霍尔器件30的多个连接点一一对应连接；所述第一切换模块60用于切换所述平面霍尔器件20多个连接点之间的连接状态，以使所述垂直霍尔器件30能够至少工作于第三工作状态或者第四工作状态。

参照图10，本实施例中，第二切换模块60可以实现流经平面霍尔器件20不同电流路径的切换，装置中平面霍尔器件20与垂直霍尔器件30的零点飘移可大幅降低，并可使所需的并联结构数目降低，进一步缩小芯片面积。

垂直霍尔器件30的接点P1、P2、P3，与P4连接到一第二切换模块70。该切换模块通过接点的切换可使垂直霍尔器件30形成至少两个工作状态；在第一时间点形成一第一工作状态，即P1连接电源，P3连接地端，P2与P4产生一第一状态输出；在第二时间点形成一第二工作状态，即P2连接电源，P4连接地端，P1与P3产生一第二状态输出；通过输出处理电路50将该第一状态输出与该第二状态输出通过平均运算，可得到一第四输出信号。通过切换模块，该平面霍尔器件20可在第三时间点形成一第三工作状态，即P3连接电源，P1连接地端，P2与P4产生一第三状态输出；在第四时间点形成一第四工作状态，即P4连接电源，P2连接地端，P1与P3产生一第四状态输出；通过输出处理电路50将上述第一状态输出、第二状态输出、第三状态输出，与第四状态输出通过平均运算，可得到一第四输出信号。

参照图6至图12，在一实施例中，各向异性磁阻器件10为二独立电阻单元、二独立半桥结构，或二独立惠斯同全桥结构中的任意一种。各向异性磁阻器件10包括二个各向异性磁阻感测单元，该感测单元可为一单段各向异性电阻构成，亦可为二段各向异性电阻形成的半桥构成，亦可为一惠斯同全电桥。该二个各向异性磁阻单元彼此成夹角配置。

上述实施例中，各向异性磁阻器件10、平面霍尔器件20、垂直霍尔器件30设置于同一基板100上，信号放大校正处理电路50、输出处理电路50及信号处理电路40均可以采用ASIC芯片来实现，可以采用堆叠的技术将各向异性磁阻器件10、平面霍尔器件20、垂直霍尔器件30堆叠于ASIC芯片上，从而将各向异性磁阻器件10、平面霍尔器件20、垂直霍尔器件30及ASIC芯片集成于同一封装中，也可以将ASIC芯片设置于另一基板100上，再采用二次封装的技术将ASIC芯片集成于同一封装中。第一切换模块60和第二切换模块70可以采用CMOS工艺在基板100上等制得的开关器件来构成切换模块，使得第一切换模块60和第二切换模块70可以切换平面霍尔器件20和垂直霍尔器件30的电流路径，以为平面霍尔器件20和垂直霍尔器件30提供多相旋转电流，从而减少平面霍尔器件20和垂直霍尔器件30自身器件原因带来的零点漂移。

本发明还提出一种可转动设备，包括如上所述的转动侦测装置。

该转动侦测装置的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明可转动设备中使用了上述转动侦测装置，因此，本发明可转动设备的实施例包括上述转动侦测装置全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

本发明还提出一种转动侦测方法，使用了如上所述的转动侦测装置，所述转动侦测装置包括基板及设置于所述基板上的各向异性磁阻器件、平面霍尔器件及垂直霍尔器件。

参照图13，所述转动侦测方法包括以下步骤：

获取所述各向异性磁阻器件输出的第一输出信号及第二输出信号、所述输出的第三输出信号及所述垂直霍尔器件输出的第四输出信号；

根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。

具体地，将所述各向异性磁阻器件产生的第一输出信号与第二输出信号转换为一180度周期的角度输出，并记为θ；

将所述平面霍尔器件产生的第三输出信号转换成第三输出方波信号；

将所述垂直霍尔器件产生的第四输出信号转换成第四输出信号方波信号。

本实施例中，第一输出、第二输出、第三输出，与第四输出中，第一输出与第二输出通过arctan(指反正切函数)运算，可得到一180度周期的角度输出，如图12上图所示，该图中横轴为信号磁场旋转角度，纵轴为信号处理电路40通过运算得到的角度；在信号磁场旋转0到90度的区间中，运算的角度输出为90到180度；在信号磁场旋转90到270度的区间中，运算的角度输出为0到180度；在信号磁场旋转270到360度的区间中，运算的角度输出为0到90度。该信号处理电路40将第三输出通过比较处理后，可将其正弦波形转换为一以零点为中心的方波输出，如图12所示。在信号磁场旋转0到180度的区间中，方波输出为正；在信号磁场旋转180到360度的区间中，方波输出为负；该信号处理电路40将第四输出通过比较处理后，可将其正弦波形转换为一以零点为中心的方波输出，如图12所示。在信号磁场旋转0到90度的区间中，方波输出为正；在信号磁场旋转90到270度的区间中，方波输出为负；在信号磁场旋转270到360度的区间中，方波输出为正。

根据第三输出与第四输出产生的方波，可进行信号磁场的相位判断，以实现360的最终角度输出。第三输出方波与第四输出方波在信号磁场旋转360度范围内可组合出四种组合，分别为0到90度(正正)、90到180度(正负)、180到270度(负负)，与270到360度(负正)；结合各向异性磁阻器件的角度θ、预设一角度值Δθ及第三输出方波与第四输出方波，侦测的物体转动相位判断方法如下：

在第三输出方波信号与第四输出信号方波信号均为正时，θ≤180°则最终角度输出为θ；θ≤Δθ则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波信号为正，第四输出信号方波信号为负时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为θ；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波信号与第四输出信号方波信号均为负时，θ≤180°则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤Δθ则最终角度输出为θ；

在第三输出方波信号为负，第四输出信号方波信号为正时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为θ。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种转动侦测装置，其特征在于，所述转动侦测装置包括：

基板；

各向异性磁阻器件，设置于所述基板上，所述各向异性磁阻器件用于侦测平行于基板平面的磁场分量，并产生第一输出信号及第二输出信号；

平面霍尔器件，设置于所述基板上，所述平面霍尔器件用于侦测垂直于所述基板平面的磁场分量，并产生第三输出信号；

垂直霍尔器件，设置于所述基板上，垂直霍尔器件用于侦测平行基板平面一方向的磁场分量，并产生第四输出信号；

信号处理电路，分别与所述各向异性磁阻器件、所述平面霍尔器件及所述垂直霍尔器件连接，所述信号处理电路用于根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。

2.如权利要求1所述的转动侦测装置，其特征在于，所述转动侦测装置还包括：

第一切换模块，串联设置于所述平面霍尔器件与所述信号处理电路之间，所述第一切换模块的多个连接端子与所述平面霍尔器件的多个连接点一一对应连接；所述第一切换模块用于切换所述平面霍尔器件多个连接点之间的连接状态，以使所述平面霍尔器件能够至少工作于第一工作状态或者第二工作状态。

3.如权利要求1所述的转动侦测装置，其特征在于，所述转动侦测装置还包括：

第二切换模块，串联设置于所述垂直霍尔器件与所述信号处理电路之间，所述第二切换模块的多个连接端子与所述垂直霍尔器件的多个连接点一一对应连接；所述第二切换模块用于切换所述垂直霍尔器件多个连接点之间的连接状态，以使所述垂直霍尔器件能够工作于至少第三工作状态或者第四工作状态。

4.如权利要求1所述的转动侦测装置，其特征在于，所述转动侦测装置还包括：

输出处理电路，其输入端分别与所述平面霍尔器件及所述垂直霍尔器件连接，所述输出处理电路的输出端与所述信号处理电路连接，所述输出处理电路用于对所述平面霍尔器件输出的第三输出信号及所述垂直霍尔器件输出的第四输出信号进行均值处理后输出至所述信号处理电路。

5.如权利要求1所述的转动侦测装置，其特征在于，所述转动侦测装置还包括：

信号放大校正处理电路，串联设置于所述各向异性磁阻器件与所述信号处理电路连接之间，所述信号放大校正处理电路用于对所述各向异性磁阻器件输出的第一输出信号及第二输出信号进行放大及校正处理后输出至所述信号处理电路。

6.如权利要求1所述的转动侦测装置，其特征在于，所述信号处理电路用于将所述各向异性磁阻器件产生的第一输出信号与第二输出信号转换为一180度周期的角度输出；

将所述平面霍尔器件产生的第三输出信号转换成第三输出方波信号；

将所述垂直霍尔器件产生的第四输出信号转换成第四输出信号方波信号；以及，

根据所述角度输出、所述第三输出方波信号及所述第四输出信号方波信号产生对应的角度信息并输出。

7.如权利要求1至6任意一项所述的转动侦测装置，其特征在于，所述平面霍尔器件包括至少二个平面霍尔单元，两个所述平面霍尔单元并联设置；

和/或，所述垂直霍尔器件包括至少二个垂直霍尔单元，两个所述垂直霍尔单元并联设置；

和/或，所述各向异性磁阻器件为二独立电阻单元、二独立半桥结构，或二独立惠斯同全桥结构中的任意一种。

8.一种可转动设备，其特征在于，包括如权利要求1至7任意一项所述的转动侦测装置。

9.一种转动侦测方法，其特征在于，使用了如权利要求1至7任意一项所述的转动侦测装置，所述转动侦测装置包括基板及设置于所述基板上的各向异性磁阻器件、平面霍尔器件及垂直霍尔器件；所述转动侦测方法包括以下步骤：

获取所述各向异性磁阻器件输出的第一输出信号及第二输出信号、所述输出的第三输出信号及所述垂直霍尔器件输出的第四输出信号；

根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出。

10.如权利要求9所述的转动侦测方法，其特征在于，所述根据所述第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号及第四输出信号产生对应的角度信息并输出的步骤具体包括：

将所述各向异性磁阻器件产生的第一输出信号与第二输出信号转换为一180度周期的角度输出，并记为θ；

将所述平面霍尔器件产生的第三输出信号转换成第三输出方波信号；

将所述垂直霍尔器件产生的第四输出信号转换成第四输出信号方波信号；

在第三输出方波信号与第四输出信号方波信号均为正时，θ≤180°则最终角度输出为θ；θ≤Δθ则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波信号为正，第四输出信号方波信号为负时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为θ；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；

在第三输出方波信号与第四输出信号方波信号均为负时，θ≤180°则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤Δθ则最终角度输出为θ；

在第三输出方波信号为负，第四输出信号方波信号为正时，θ≥(180°-Δθ)则最终角度输出为(θ+180°)；θ≤(90°+Δθ)则最终角度输出为θ。

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