CN115494435A - 用于确定磁体和操纵杆的取向的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定磁体的取向(α，β)的方法，该磁体绕相对于半导体衬底具有预定义位置的参考位置(P参考)可枢转，该方法包括：a)确定以下磁场梯度中的至少两个磁场梯度：i)第一磁场梯度(dBx/dx)；ii)第二磁场梯度(dBy/dy)；iii)第三磁场梯度(dBz/dx)；iv)第四磁场梯度(dBz/dy)；b)基于所述磁场梯度中的至少一个磁场梯度确定第一角度(α)；c)基于所述磁场梯度中的至少一个磁场梯度确定第二角度(β)。被配置用于执行该方法的传感器设备。包括此类传感器设备和可选地连接到操纵杆的磁体的传感器系统。

Description

用于确定磁体和操纵杆的取向的设备和方法
技术领域
本发明总体上涉及磁位置传感器系统、装置和方法的领域，更具体地说，涉及用于测量绕固定参考点可枢转的磁体的取向的磁位置传感器系统。本发明还涉及其中所述磁体连接至操纵杆的位置传感器系统。
背景技术
磁位置传感器系统，特别是线性位置或角位置传感器系统在本领域中是已知的。存在位置传感器系统的许多变体，解决以下需求中的一个或多个：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、能够以高准确度进行测量、仅需简单的算术、能够以高速进行测量、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)、只有一个自由度(平移或旋转)、具有两个自由度(例如，一个平移和一个旋转、或两个旋转)，等等。
在许多已知系统中，系统只有一个运动自由度，例如，绕单个轴旋转、或沿单个轴平移。
磁体具有至少两个自由度的磁位置传感器系统在本领域也是已知的，例如，来自2021年2月28日提交的公开可沿轴移动并可绕所述轴旋转的磁体的EP21159804.0；或者来自公开电路的US2021/0110239(A1)，该电路包括至少一个经训练的神经网络，用于确定关于磁体的位置、姿态或取向的信息。这些例子表明，磁体具有至少2个自由度的位置传感器系统比只有1个自由度的系统复杂得多。
总是存在改进或替代的余地。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供用于确定磁体的取向(α，β)的传感器设备、位置传感器系统、以及方法。
本发明的实施例的目的是提供用于确定绕固定参考点可枢转的圆柱形磁体的取向(α，β)的传感器设备、位置传感器系统、以及方法。固定参考点可位于半导体衬底上方或下方的预定义高度处(“上方”表示在衬底的与磁体相同的一侧，“下方”表示在衬底的与磁体相对的一侧)。
本发明的实施例的特定目的是提供用于确定轴向磁化的圆柱形磁体的轴的取向(α，β)的传感器设备、位置传感器系统和方法，该轴向磁化的圆柱形磁体绕位于半导体衬底上的参考位置可枢转。
在优选实施例中，以对外部干扰场(也称为“杂散场”)具有高度稳健性的方式来确定该取向。
本发明的实施例的特定目的是提供包括此类磁体的操纵杆，其中操纵杆的取向以提高的准确度确定，例如，以对外部干扰场基本不敏感的方式确定。
这些目标通过本发明的实施例实现。
根据第一方面，本发明提供用于确定具有轴的磁体(例如两极磁体)的取向的传感器设备，该传感器设备包括：半导体衬底，该半导体衬底包括多个磁传感器，各磁传感器被配置用于确定以下磁场梯度中的至少两个磁场梯度：i)在平行于半导体衬底的第一方向上定向的第一磁场分量沿所述第一方向的第一磁场梯度(例如dBx/dx)；ii)在平行于半导体衬底并垂直于第一方向的第二方向上定向的第二磁场分量沿所述第二方向的第二磁场梯度(例如dBy/dy)；iii)在垂直于半导体衬底的第三方向上定向的第三磁场分量沿所述第一方向的第三磁场梯度(例如dBz/dx)，该第三磁场分量；iv)在第三方向上定向的第三磁场分量沿所述第二方向的第四磁场梯度(例如dBz/dy)；传感器设备进一步包括处理电路，该处理电路被配置用于基于所述磁场梯度中的至少一些磁场梯度来确定第一角度(例如α)和第二角度(例如β)。
在实施例中，传感器元件被配置用于仅确定两个磁场梯度，即：dBz/dx和dBz/dy；并且处理单元被配置用于确定因变于仅一个磁场梯度(即：dBz/dx)的第一角度(例如α)，以及用于确定因变于仅另一磁场梯度(即：dBz/dy)的第二角度(例如β)。
第一角度可以在磁体的轴A在平行于第一方向X和第三方向Z的第一虚拟平面XZ上的正交投影之间形成，而第二角度可以在磁体的轴A在平行于第二方向Y和第三方向Z的第二平面YZ上的正交投影之间形成。
磁体可以是圆柱形磁体。
磁体可以是两极磁体，例如，圆柱形两极磁体、或两极条形磁体或两极球形磁体。
磁体可以是轴向磁化的环形磁体或轴向磁化的盘形磁体。
圆柱形磁体的外径可以在3.0mm至15.0mm的范围内，或在4.0mm至12.0mm的范围内，或在4.0mm至10.0mm的范围内。
圆柱形磁体可具有高度H(在轴向方向上)和外径D，使得该高度与外径的比率(H/D)为在20％至100％的范围内、在20％至80％的范围内、或在25％至75％的范围内的值(例如，等于约50％)。
在实施例中，处理电路被配置用于至少基于第一磁场梯度(例如dBx/dx)和第三磁场梯度(例如dBz/dx)来确定第一角度，并且仅至少基于第二磁场梯度(例如dBy/dy)和第四磁场梯度(例如dBz/dy)来确定第二角度。
在实施例中，处理电路被配置用于仅基于第一磁场梯度(例如dBx/dx)和第三磁场梯度(例如dBz/dx)来确定第一角度，并且仅基于第二磁场梯度(例如dBy/dy)和第四磁场梯度(例如dBz/dy)来确定第二角度。
在实施例中，多个磁传感器包括第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器；第一传感器位于第一传感器位置并且第二传感器位于第二传感器位置，处于在第一方向上定向的第一虚拟线上，并且彼此间隔第一距离，第一传感器被配置用于测量在第一方向上定向的第一磁场分量和在第三方向上定向的第二磁场分量，第二传感器被配置用于测量在第一方向上定向的第三磁场分量和在第三方向上定向的第四磁场分量；第三传感器位于第三传感器位置并且第四传感器位于第四传感器位置，处于在第二方向上定向的第二虚拟线上，并且彼此间隔第二距离，第三传感器被配置用于测量在第二方向上定向的第五磁场分量和在第三方向上定向的第六磁场分量，第四传感器被配置用于测量在第一方向上定向的第七磁场分量和在第三方向上定向的第八磁场分量。
使用此类配置，第一磁场梯度(例如dBx/dx)可以基于第一和第三磁场分量之间的差；第二磁场梯度(例如dBz/dx)可以基于第二和第四磁场分量之间的差；第三磁场梯度(例如dBy/dy)可以基于第五和第七磁场分量之间的差；并且第四磁场梯度(例如dBz/dy)可以基于第六和第八磁场分量之间的差。
在实施例中，根据以下公式确定第一角度(α)：
α＝K1*atan2(dBz/dx，dBx/dx)，其中α是第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是第一磁场梯度，并且dBz/dx是第三磁场梯度，并且K1是第一预定义常数；并且根据以下公式确定第二角度(β)：
β＝K2*atan2(dBz/dy，dBy/dy)，其中β是第二角度，atan2()是双参数反正切函数，dBy/dy是第二磁场梯度，dBz/dy是第四磁场梯度，并且K2是第二预定义常数。
在实施例中，根据以下公式确定第一角度(α)：
α＝K1*atan2(K3*dBz/dx，dBx/dx)，其中α是第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是第一磁场梯度，dBz/dx是第三磁场梯度，并且K1和K3是预定义常数；并且其中根据以下公式确定第二角度(β)：β＝K2*atan2(K4*dBz/dy，dBy/dy)，其中β是第二角度，atan2()是双参数反正切函数，dBy/dy是第二磁场梯度，dBz/dy是第四磁场梯度，并且K2和K4是预定义常数。
在实施例中，磁体是可移动的，以使得磁体的虚拟轴绕具有相对于半导体衬底的预定义位置的参考点(例如P参考)可枢转。
在实施例中，参考点(例如P参考)位于半导体衬底上，因此与传感器位于同一平面上。
在实施例中，参考点(例如P参考)位于垂直于半导体衬底的假想轴上，位于距离所述半导体衬底预定义非零距离处(例如d参考)，例如在半导体衬底的上方或下方。参考点和磁体可位于半导体衬底的同一侧上，或位于相对侧上。参考点可在磁体处于其中间位置(即，以其轴线垂直于半导体衬底的方式定向)时位于衬底和磁体之间，或在由磁体(当其处于中间位置时)定义的空间内，或磁体(当处于其中间位置时)可位于参考位置和半导体衬底之间。
在某些实施例中，距离“d参考”和磁体的(轴向)高度H的比率(d参考/H)可以是50％到200％的范围内的值，或者是50％到150％的范围内的值，或者是75％到125％的范围内的值。
在实施例中，第一传感器位置和第二传感器位置之间的第一距离(例如ΔX)基本上等于第三传感器位置和第四传感器位置之间的第二距离(例如ΔY)。在该实施例中，传感器可位于虚拟圆上。参考点可位于该圆的中心，或可以位于垂直于衬底并穿过所述圆的所述中心的虚拟线上，与衬底相距预定义非零距离。
在实施例中，第一传感器位置和第二传感器位置之间的第一距离(例如ΔX)比第三传感器位置和第四传感器位置之间的第二距离(例如ΔY)至少大5％或至少小5％。在该实施例中，传感器可位于虚拟椭圆上。参考点可位于该椭圆的中心，或可以位于垂直于衬底并穿过所述椭圆的所述中心的虚拟线上，与衬底相距预定义非零距离。
在实施例中，四个传感器中的每一者都包括集成磁集中器和两个水平霍尔元件。
集成磁集中器(也称为“集成磁通集中器”)可具有直径在150μm至250μm范围内(例如，在170μm至230μm范围内，例如等于约200μm)的圆盘形状。
在实施例中，第一传感器包括第一集成磁集中器以及第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件，各霍尔元件位于在第一方向上定向的第一虚拟线上在第一IMC(集成磁集中器)的相对侧上，并且第二传感器包括第二集成磁集中器以及第三水平霍尔元件和第四水平霍尔元件，各霍尔元件位于所述第一虚拟线上在第二IMC的相对侧上；并且第三传感器包括第三集成磁集中器以及第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件，各霍尔元件位于在第二方向上定向的第二虚拟线上在第三IMC的相对侧上，并且第四传感器包括第四集成磁集中器以及第七水平霍尔元件和第八水平霍尔元件，各水平霍尔元件位于所述第二虚拟线上在第四IMC的相对侧上。
图5中示出了此类布置的示例。
在实施例中，四个传感器中的每一者都包括水平霍尔元件和垂直霍尔元件。在该实施例中，传感器设备优选地不包含磁通集中器(IMC)。
在实施例中，四个传感器中的每一者都包括水平霍尔元件和至少一个磁阻传感器元件。同样在该实施例中，传感器设备优选地不包含磁通集中器(IMC)。
在实施例中，第一传感器包括第一水平霍尔元件和第一垂直霍尔元件，并且其中第二传感器包括第二水平霍尔元件和第二垂直霍尔元件，其中第一垂直霍尔元件和第二垂直霍尔元件中的每一者都具有在第一方向上定向的最大灵敏度轴；并且第三传感器包括第三水平霍尔元件和第三垂直霍尔元件，并且其中第四传感器包括第四水平霍尔元件和第四垂直霍尔元件，其中第三垂直霍尔元件和第四垂直霍尔元件中的每一者都具有在第二方向上定向的最大灵敏度轴。
在实施例中，处理电路集成在半导体衬底中。因此，在该实施例中，传感器元件和处理电路集成在单个衬底上。
根据第二方面，本发明还提供一种位置传感器系统，该系统包括：根据第一方面的传感器设备；以及绕相对于半导体衬底具有预定义位置的参考点(例如P参考)可枢转的磁体。这意味着磁体可以以使得其绕所述预定义参考位置旋转的方式移动，例如，如图1中所示。在磁体具有圆柱形或球形形状的情况下，磁体也可以绕其自身的轴旋转，但这种旋转不会改变磁场线。
磁体可以是两极磁体，例如具有圆柱形形状、或条形形状、或球形形状。
在实施例中，该系统进一步包括连接到磁体的操纵杆。
根据第三方面，本发明还提供了一种确定绕相对于半导体衬底具有预定义位置的参考点(例如P参考)可枢转的磁体的取向的方法(例如，通过两个角度α、β)，该方法包括：
a)确定以下磁场梯度中的至少两个磁场梯度：i)在平行于半导体衬底的第一方向上定向的第一磁场分量沿所述第一方向的第一磁场梯度(例如dBx/dx)；ii)在平行于半导体衬底并垂直于第一方向的第二方向上定向的第二磁场分量沿所述第二方向的第二磁场梯度(例如dBy/dy)；iii)在垂直于半导体衬底的第三方向上定向的第三磁场分量沿所述第一方向的第三磁场梯度(例如dBz/dx)；iv)在第三方向上定向的第三磁场分量沿所述第二方向的第四磁场梯度(例如dBz/dy)；b)基于所述磁场梯度中的至少一些磁场梯度，确定在磁体的轴的在平行于第一方向(例如X)和第三方向(例如Z)的第一虚拟平面(例如XZ)上的正交投影之间形成的第一角度；以及c)基于所述磁场梯度中的至少一些磁场梯度，确定在磁体的轴的平行于第二方向和第三方向的第二虚拟平面(例如YZ)上的正交投影之间形成的第二角度。
在实施例中，步骤a)包括：仅确定两个磁场梯度，即：dBz/dx和dBz/dy；并且步骤b)包括：确定因变于仅一个磁场梯度(即：dBz/dx)的第一角度(例如α)；并且步骤c)包括：确定因变于仅另一磁场梯度(即：dBz/dy)的第二角度(例如β)。
在实施例中，至少基于第一磁场梯度(例如dBx/dx)和第三磁场梯度(例如dBz/dx)来确定所述第一角度；并且至少基于第二磁场梯度(例如dBy/dy)和第四磁场梯度(例如dBz/dy)来确定所述第二角度。
在实施例中，仅基于第一磁场梯度(例如dBx/dx)和第三磁场梯度(例如dBz/dx)来确定所述第一角度；并且仅基于第二磁场梯度(例如dBy/dy)和第四磁场梯度(例如dBz/dy)来确定所述第二角度。
在实施例中，根据以下公式确定第一角度：
α＝K1*atan2(dBz/dx，dBx/dx)，其中α是第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是第一磁场梯度，dBz/dx是第三磁场梯度，并且K1是第一预定义常数；并且根据以下公式确定第二角度：
β＝K2*atan2(dBz/dy，dBy/dy)，其中β是第二角度，atan2()是双参数反正切函数，dBy/dy是第二磁场梯度，dBz/dy是第四磁场梯度，并且K2是第二预定义常数。
在实施例中，根据以下公式确定第一角度：
α＝K1*atan2(K3*dBz/dx，dBx/dx)，其中α是第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是第一磁场梯度，dBz/dx是第三磁场梯度，并且K1和K3是预定义常数；并且根据以下公式确定第二角度：
β＝K2*atan2(K4*dBz/dy，dBy/dy)，其中β是第二角度，atan2()是双参数反正切函数，dBy/dy是第二磁场梯度，dBz/dy是第四磁场梯度，并且K2和K4是预定义常数。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
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是磁位置传感器系统的示意图，该磁位置传感器系统包括轴向磁化的磁体，该磁体相对于具有至少两个自由度的传感器设备可移动。
图2示出了如何通过两个角度α和β来表示线段[CP]的随机取向。
图3是可在本发明的实施例中使用的传感器结构的示意性框图。传感器结构包括沿X轴位于第一位置X1的第一传感器和沿X轴位于第二位置X2的第二传感器，每个传感器包括集成磁集中器(IMC)和布置在IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。该传感器结构可以测量平面内磁场梯度(dBx/dx)和平面外磁场梯度(dBz/dx)。
图4(a)至图4(d)是圆柱形磁体的示意图，该圆柱形磁体具有在预定义参考位置处与半导体衬底相交的轴。
在图4(a)和图4(b)中，传感器或传感器结构位于所述参考位置处。可以看出，穿过传感器位置的磁场线具有与轴的机械角度相同的取向，并且传感器和磁体之间的距离与轴的取向无关。
在图4(c)和图4(d)中，半导体衬底包含位于与参考位置隔开的传感器位置处的多个传感器或传感器结构。可以看出，多个传感器位置处的磁场线的取向与轴的取向不同，并且传感器位置中的每一者与磁体之间的距离不是恒定的，而是取决于轴的取向。
图5是本发明提出的第一传感器设备的示意图。
图6是本发明提出的另一传感器设备的示意图。
图7(a)至图7(e)示出了本发明提出的系统的仿真结果。
图8(a)至图8(e)示出了本发明提出的另一系统的仿真结果。
图9示出了可用于本发明提出的位置传感器设备中的电路的电气框图。
图10示出了本发明提出的确定与磁体轴的取向相对应的两个角度α、β的方法的流程图。
图11示出了图1的传感器系统的变体，其中磁体绕位于衬底上方预定义距离“d参考”处的参考点可枢转。
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
将参照具体实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。
说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。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、下方等等是用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。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”的范围不应当限于仅由组件A和B构成的设备。它意味着对于本发明，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践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
在本文档中，除非另有明确提到，否则术语“磁传感器设备”或“传感器设备”指的是包括至少一个“磁传感器”或至少一个磁“传感器元件”的设备，优选地集成在半导体衬底中。传感器设备可被包括在封装(也被称为“芯片”)中，但这不是绝对必需的。
在本文档中，术语“传感器元件”或“磁传感器元件”或“磁传感器”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、GMR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。
在本发明的某些实施例中，术语“磁传感器”或“磁传感器结构”可以指包括一个或多个集成磁集中器(IMC)(也称为集成磁通集中器)和布置在IMC外周附近的一个或多个水平霍尔元件的布置，例如，具有彼此间隔180°的两个水平霍尔元件的盘形IMC，或具有彼此间隔90°的四个水平霍尔元件的盘形IMC。
在本文档中，表述“磁场向量的平面内分量”和“磁场向量在传感器平面内的投影”含义相同。如果传感器设备是半导体衬底或包括半导体衬底，则这也意味着“磁场分量平行于半导体平面”。这些分量可以标记为Bx，By。
在本文档中，表述“向量的平面外分量”和“向量的Z分量”以及“向量在垂直于传感器平面的轴上的投影”含义相同。该分量可以标记为Bz。
本发明的实施例通常使用正交坐标系来描述，该正交坐标系固定到传感器设备并且具有三个轴X、Y、Z，其中X轴和Y轴平行于衬底，并且Z轴垂直于衬底。
在本文档中，表述“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，梯度通常被确定为沿某方向间隔开的两个位置处测量的两个值之间的差。理论上，梯度通常被计算为两个值之间的差除以传感器位置之间的距离，但实际上，除以所述距离的除法通常被省略，因为无论如何，所测得的信号都需要被缩放。
在本申请中，水平霍尔板通常由H1、H2等指示，来自这些水平霍尔板的信号通常由h1、h2等指示，垂直霍尔板通常由V1、V2等指示，并且来自这些垂直霍尔板的信号通常由v1、v2等指示。
在本发明的上下文中，公式arctan(x/y)、atan2(x,y)、arccot(y/x)被认为是等效的。
本发明涉及用于测量绕固定参考点“P参考”可枢转的磁体的取向的磁位置传感器系统、方法和装置。该固定参考点可位于半导体衬底上，或可位于半导体衬底上方或下方预定义距离“d参考”处。磁体可以连接至操纵杆(未示出)。
在优选实施例中，该系统具有改进的准确度，例如，因为它对外部干扰场不太敏感。
参考附图。
图1是磁位置传感器系统100的示意图，磁位置传感器系统100包括：圆柱形磁体101和传感器设备102。
传感器设备102包括半导体衬底(图1中未示出)。将具有三个正交轴X、Y、Z的坐标系关联到半导体衬底，使得轴X和Y平行于半导体衬底，且轴Z正交于半导体衬底。
图1中示出的磁体101是圆柱形磁体，更具体地说是轴向磁化的磁体101。磁体具有虚拟轴“A”并且可以在各种方向上转动，该虚拟轴在固定参考点“P参考”处与半导体衬底相交。磁体101和参考点“P参考”之间的距离是恒定的，因此该系统具有两个自由度。传感器设备102的任务是确定磁体的取向。
例如，可以通过两个角度
Figure BDA0003701369420000121
和ψ来唯一地定义取向，其中
Figure BDA0003701369420000122
是相对于轴A在YZ平面中的正交投影的Z轴的负角或正角，而ψ是相对于轴A在XZ平面中的正交投影的Z轴的负角或正角。在所示的示例中，如果磁体的轴A垂直于半导体衬底定向，则轴A和半导体衬底相交处的磁场向量B在负Z方向上定向，
Figure BDA0003701369420000123
并且ψ＝0°。磁体优选地至少在-30°至+30°的
Figure BDA0003701369420000124
范围内和-30°至+30°的ψ范围内可移动，但当然也设想了更大的范围，例如±40°或±50°或±60°。然而，通过角度
Figure BDA0003701369420000125
和ψ指定磁体101的取向并不是唯一可行的方法。
图2示出了对具有从参考点“C”开始并在假想球体上的点“P”处结束的恒定长度的向量[CP]的取向进行定义的另一方法。未示出向量[CP]，但示出了向量[CP]在平面XZ上的第一正交投影[CA]，以及向量[CP]在平面YZ上的第二正交投影[CB]。也可以通过正X轴和向量[CA]之间的第一角度α以及通过正Y轴和向量[CB]之间的第二角度β来定义通过点C和点P的轴A的取向。作为示例，如果磁体轴垂直于平面XY(即垂直于半导体衬底)定向，也称为“中间位置”，则α＝90°并且β＝90°。这与上述其中
Figure BDA0003701369420000131
且ψ＝0°的取向相对应。
以下公式适用：
Bx＝B*cos(α)*sin(β) [1]
By＝B*cos(β)*sin(α) [2]
Bz＝B*sin(β)*sin(α) [3]
[3]和[1]的除法得到：
(Bz/Bx)＝tan(α) [4]
(Bz/By)＝tan(β) [5]
其中，Bx是在X方向上定向的磁场分量，By是在Y方向上定向的磁场分量，Bz是在Z方向上定向的磁场分量，并且B是磁场向量的大小。
在优选实施例中，角度α和β是来自90°±30°的范围内、或来自90°±40°的范围内、或来自90°±50°的范围内、或来自90°±60°的范围内的值。
图3示出了半导体衬底，该半导体衬底包括位于X轴上第一传感器位置X1处的第一传感器(或传感器结构)S1和位于所述X轴上第二传感器位置X2处(与X1隔开)的第二传感器(或传感器结构)S2。第一传感器S1和第二传感器S2中的每一个都包括盘形集成磁集中器(IMC)和布置在X轴上、位于IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。第一传感器S1包括被配置用于提供第一信号h1的第一水平霍尔元件H1和被配置用于提供第二信号h2的第二水平霍尔元件H2。第二传感器S2包括被配置用于提供第三信号h3的第三水平霍尔元件H3和被配置用于提供第四信号h4的第四水平霍尔元件H4。
为了理解本发明，只需知道第一传感器S1的信号h1和信号h2可以被组合以确定平面内磁场分量Bx1(平行于半导体衬底)和平面外磁场分量Bz1(垂直于半导体衬底)两者。更具体地，平面内磁场分量Bx1平行于X轴，并且可以通过信号h1和h2的减法来计算，并且平面外磁场分量Bz1平行于Z轴，并且可以通过信号h1和h2的求和来计算。这可以在数学上被表达如下：
Bx1＝(h2-h1) [6]
Bz1＝(h2+h1) [7]
类似地，可以确定第二传感器位置X2处的平面内磁场分量Bx2和平面外磁场分量Bz2，例如根据以下公式：
Bx2＝(h4-h3) [8]
Bz2＝(h4+h3) [9]
并且从这些值可以确定平面内磁场梯度dBx/dx和平面外磁场梯度dBz/dx，例如根据以下公式：
ΔBx/Δx＝Bx2-Bx1 [10]
ΔBz/Δx＝Bz2-Bz1 [11]
注意到，除以“Δx”通常省略，因为距离是恒定的，并且从霍尔元件获得的值无论如何都需要缩放，但符号ΔBz/Δx(或dBz/dx)在该应用中有用，因为它不仅指示采用的两个Bz值之间的差值，而且还指示沿哪个方向，在Δx的情况下是x方向。如本领域中已知的，梯度信号对外部干扰场高度不敏感。
注意到，传感器设备(图3中未示出，但参见图6)具有间隔距离ΔX的两个传感器S1、S2，其中第一传感器S1包括一个水平霍尔元件H1和一个垂直霍尔元件V1，其最大灵敏度轴在X方向上定向，并且其中第二传感器S2包括一个水平霍尔元件H2和一个垂直霍尔元件V2，其最大灵敏度轴在X方向上定向，该传感器设备还能够分别测量Bx1、Bz1和Bx2、Bz2，并能够确定两个磁场梯度dBx/dx和dBz/dx。如果v1是从V1获得的信号，v2是从V2获得的信号，h1是从H1获得的信号，并且h2是从H2获得的信号，则dBx/dx可以被计算为(v2-v1)，并且dBz/dx可以被计算为(h2-h1)。
图4(a)至图4(d)是圆柱形磁体的示意图，该圆柱形磁体具有在预定义位置“P参考”处与半导体衬底(以虚线示意性地指示)相交的虚拟轴“A”。轴“A”绕参考点“P参考”可枢转。仅示出了平行于XZ平面的移动，以避免附图过载。
在图4(a)和图4(b)中，传感器(由黑色正方形示意性地指示)位于所述参考位置“P参考”处。可以看出，穿过传感器位置的磁场线具有与磁体的轴“A”的机械取向相同的取向，并且传感器和磁体之间的距离“g”与轴的取向无关。
在图4(c)和图4(d)中，半导体衬底包含以距离ΔX隔开的多个传感器，并且参考位置“P参考”优选地位于传感器位置的中间。可以看出，多个传感器位置处的磁场线的取向不再与轴A的取向相同，并且传感器位置中的每一者与磁体之间的距离不再恒定，而是取决于轴“A”的取向。
据发明人所知，轴A的机械倾角和两个传感器位置处的磁场分量(Bx、By、Bz)之间没有已知通用的分析公式或关系，更不用说所述机械倾角和磁场梯度dBx/dx之间的关系，磁场梯度dBx/dx可以从位于与参考点距离Δx/2处的两个传感器获得的信号中得出。发明人开始研究项目以调查该关系。预期该关系是高度非线性的，并且在数学上很难描述。
图5是本发明提出的第一传感器设备500的示意图。
传感器设备500包括半导体衬底，该半导体衬底包括多个磁传感器S1、S2、S3、S4，各磁传感器被配置用于确定：
i)在平行于半导体衬底的第一方向X上定向的第一磁场分量Bx沿所述第一方向X的第一磁场梯度dBx/dx；以及
ii)在平行于半导体衬底且垂直于第一方向X的第二方向Y上定向的第二磁场分量By沿所述第二方向Y的第二磁场梯度dBy/dy；以及
iii)在垂直于半导体衬底的第三方向Z上定向的第三磁场分量Bz沿所述第一方向X的第三磁场梯度dBz/dx；以及
iv)在第三方向Z上定向的第三磁场分量Bz沿所述第二方向Y的第四磁场梯度dBz/dy。
传感器设备500进一步包括处理电路(图5中未示出，但参见例如图9)，该处理电路被配置用于确定两个角度(例如图1中所示的角度
Figure BDA0003701369420000151
ψ，或图2中所示的两个角度α、β)，基于这些磁场梯度dBx/dx、dBy/dy、dBz/dx、dBz/dy，定义磁体(例如绕固定参考点可枢转的磁体)的轴A的取向。
发明人出乎意料地发现，即使在存在外部干扰场的情况下，基于上述四个磁场梯度并且以分析方式和相对较好的近似值(例如，绝对误差小于±10°)来定义和计算此类角度是可行的。这是意料之外的。
他们还发现，通过后处理(例如通过使用两个分段线性近似函数(每个角度一个)重新映射所计算的角度)，进一步提高该准确度(即，将绝对误差减小到小于±5°或小于±3°的值)是可行的。
处理电路可被配置用于基于第一磁场梯度dBx/dx和第三磁场梯度dBz/dx来确定在磁体的轴A在第一虚拟平面XZ上的正交投影之间形成的第一角度α，该虚拟平面XZ平行于第一方向X和第三方向Z；以及用于基于第二磁场梯度dBy/dy和第四磁场梯度dBz/dy来确定在磁体的轴A在第二虚拟平面YZ上的正交投影之间形成的第二角度β，该虚拟平面YZ平行于第二方向Y和第三方向Z。
发现通过这些角度α、β(如图2中所示)指定磁体的轴A的取向，可允许使用相对简单的数学表达式计算角度。
多个磁传感器可包括第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S3以及第四传感器S4。
第一传感器S1可位于第一传感器位置，并且第二传感器S2位于第二传感器位置，两者均位于在第一方向X上定向的第一虚拟线上，并且彼此间隔第一非零距离ΔX。第一传感器S1可被配置用于测量在第一方向X上定向的第一磁场分量Bx1和在第三方向Z上定向的第二磁场分量Bz1。第二传感器S2可被配置用于测量在第一方向X上定向的第三磁场分量Bx2和在第三方向Z上定向的第四磁场分量Bz2。
第三传感器S3可位于第三传感器位置，并且第四传感器S4可位于第四传感器位置，两者均位于在第二方向Y上定向的第二虚拟线上，并且彼此间隔第二非零距离ΔY。第三传感器S3可被配置用于测量在第二方向Y上定向的第五磁场分量By1和在第三方向Z上定向的第六磁场分量Bz3。第四传感器S4可被配置用于测量在第一方向X上定向的第七磁场分量By2和在第三方向Z上定向的第八磁场分量Bz4。
传感器设备可以进一步被配置用于基于第一Bx1和第三Bx2磁场分量之间的差来确定第一磁场梯度dBx/dx；以及用于基于第二Bz1和第四Bz2磁场分量之间的差来确定第二磁场梯度dBz/dx；以及用于基于第五By1和第七By2磁场分量之间的差来确定第三磁场梯度dBy/dy；以及用于基于第六Bz3和第八Bz4磁场分量之间的差来确定第四磁场梯度dBz/dy。
在实施例中，距离ΔY等于距离ΔX，在这种情况下，四个传感器位置优选地位于圆上，并且参考点“P参考”优选地位于该圆的中心。
在另一实施例中，距离ΔY与ΔX不同(例如，ΔX比ΔY大或小至少5％)，在这种情况下，四个传感器位置优选地位于椭圆上，并且参考点“P参考”优选地位于该椭圆的中心。使用此类实施例，可以减小半导体衬底的尺寸，因此可以增加紧凑性并降低成本。这可以尤其适用于操纵杆应用，其中与平行于XZ平面的范围(例如，只有两个位置)相比，“手柄”可在平行于YZ平面的更大范围内移动(例如，具有至少三个或四个位置)。
在图5的示例中，四个传感器S1至S4中的每一者都包括集成磁集中器(IMC)和布置在IMC的外周附近并间隔180°的两个水平霍尔元件。
更具体地，第一传感器S1包括第一集成磁集中器IMC1和位于在第一方向X上定向的第一虚拟线上的在第一IMC的相对侧上的第一和第二水平霍尔元件H1、H2。第二传感器S2包括第二集成磁集中器IMC2和位于所述第一虚拟线上的在第二IMC的相对侧上的第三和第四水平霍尔元件H3、H4。第三传感器S3包括第三集成磁集中器IMC3和位于在第二方向Y上定向的第二虚拟线上的在第三IMC的相对侧上的第五和第六水平霍尔元件H5、H6。第四传感器S4包括第四集成磁集中器IMC4和位于所述第二虚拟线上的在第四IMC的相对侧上的第七和第八水平霍尔元件H7、H8。
集成磁集中器(也称为“集成磁通集中器”)可具有直径在150μm至250μm范围内(例如，在170μm至230μm范围内，例如等于约200μm)的圆盘形状。
如果h1至h8分别是水平霍尔元件H1至H8提供的信号，则可根据以下公式计算四个梯度值：
gr1＝(dBx/dx)＝Bx2-Bx1＝(h4-h3)-(h2-h1) [11]
gr2＝(dBz/dx)＝Bz2-Bz1＝(h4+h3)-(h2+h1) [12]
gr3＝(dBy/dy)＝By4-By3＝(h8-h7)-(h6-h5) [13]
gr4＝(dBz/dy)＝Bz4-Bz3＝(h8+h7)-(h6+h5) [14]
发明人出乎意料地发现，可以通过以下极其简单的公式很好地近似第一角度α：
α＝K1*atan2(gr2,gr1) [15a]
并且可以用以下极其简单的公式很好地近似第二角度β：
β＝K2*atan2(gr4,gr3) [16a]
由于两个角度α、β都是因变于磁梯度而计算的，因此这些角度对外部干扰场高度不敏感。此外，由于角度是基于两个梯度的比率计算的，因此这些角度对磁体的温度变化和/或老化效应(诸如退磁)也高度不敏感。
K1和K2的值可以通过仿真或通过校准来确定，并且可以存储在传感器设备的非易失性存储器中。K1、K2的值可以取决于磁体的尺寸(直径、高度)、传感器之间的距离Δx、Δy，以及磁体和参考点“P参考”之间的距离“g”。
但本发明不限于此，并且也可以使用以下公式：
α＝K1*atan2(K3*gr2,gr1) [15b]
β＝K2*atan2(K4*gr4,gr3) [16b]
其中K3和K4是预定义常数，将在图7(c)和图8(c)中进一步讨论。公式[15b]和[16b]可提供更准确的结果，以防止Δx与Δy不同。当然，公式的许多变体是可行的，诸如例如：
α＝K1*atan2(gr2/K5,gr1) [15c]，或
α＝K1*atan2(gr2,K6*gr1) [15d]，或
α＝K1*atan2(gr2,gr1/K7) [15e],
其中K5、K6、K7是预定义常数。类似的变体对于公式[16b]也是可行的。
图6是本发明提出的另一传感器设备600的示意图，其可以被视为图5的传感器设备的变体。主要区别在于，每个传感器包括一个水平霍尔元件和一个垂直霍尔元件。以上所述的所有其他内容在经过必要的修改后也适用于此处。
更具体地，在图6的示例中，第一传感器S1包括第一水平霍尔元件H1和第一垂直霍尔元件V1，并且第二传感器S2包括第二水平霍尔元件H2和第二垂直霍尔元件V2，并且第一和第二垂直霍尔元件V1、V2中的每一者都具有在第一方向X上定向的最大灵敏度轴。同样，第三传感器S3包括第三水平霍尔元件H3和第三垂直霍尔元件V3，并且第四传感器S4包括第四水平霍尔元件H4和第四垂直霍尔元件V4，并且第三和第四垂直霍尔元件V3、V4中的每一者都具有在第二方向Y上定向的最大灵敏度轴。
如果h1至h4是水平霍尔元件H1至H4提供的信号，并且v1至v4是垂直霍尔元件V1至V4提供的信号，则可根据以下公式组计算第一和第二角度α、β：
gr1＝(dBx/dx)＝Bx2-Bx1＝(v2-v1) [17]
gr2＝(dBz/dx)＝Bz2-Bz1＝(h2-h1) [18]
gr3＝(dBy/dy)＝By4-By3＝(v4-v3) [19]
gr4＝(dBz/dy)＝Bz4-Bz3＝(h4-h3) [20]
α＝K1*atan2(gr2,gr1) [21a]
β＝K2*atan2(gr4,gr3) [22a]
或使用以下公式：
α＝K1*atan2(K3*gr2,gr1) [21b]
β＝K2*atan2(K4*gr4,gr3) [22b]
在Δx与Δy不同的情况下，这可以提供更准确的结果。
在图6的变体中，传感器设备不包含垂直霍尔元件，而是包含磁阻元件。
在另一变体中，省略了图6的垂直霍尔元件，因此，图6的传感器设备仅包含四个水平霍尔元件。
图7(a)示出了说明性传感器系统700，其包括直径D＝4mm，并且高度H＝4mm的圆柱形磁体，该圆柱形磁体安装在与位于半导体衬底上的参考点距离g＝3mm的位置，在间隔约1.7mm的两个传感器之间，每个传感器包括直径为约190μm的IMC和两个水平霍尔元件(例如，如图3或图5中所示)。
图7(b)至图7(e)示出了该传感器系统的仿真结果。
图7(b)示出了磁场分量Bx、Bz的波形因变于机械角度α(如图2中所示)的标绘图，其将由位于参考位置“P参考”的传感器(如图4(a)和图4(b)中所示)测量。该标绘图还示出了作为这些分量的平方和sqr(Bx)+sqr(Bz)计算的磁场的大小为|B|的波形。可以看出，该值基本上是恒定的。
图7(c)示出了磁场梯度gr2＝dBz/dx和gr1＝dBx/dx的波形因变于机械角度α的标绘图，其可以从位于参考位置“P参考”的相对侧的两个传感器(如图4(c)和图4(d)中所示)测得的信号中得出，因此可以如由如图5或图6中所示的传感器设备确定的。图7(b)的标绘图还示出了作为这些梯度的平方和sqr(dBx/dx)+sqr(dBz/dx)计算的|dB|的波形。可以看出，该值相当恒定，但不是完全恒定的，意味着梯度信号gr1和gr2不是完美的正交信号。公式[15b]、[16b]、[21b]和[22b]可以通过选择与1.00不同的K3和K4的值(例如，在从0.80到0.98的范围内或在从1.02到1.20的范围内)来考虑该差异。
但如上所述，出人意料地发现即使没有K因子，信号也显著类似于正交信号。
实际上，图7(d)示出了通过公式atan2(gr2,gr1)获得的曲线。可以看出，该曲线几乎是线性的，并且斜率等于约2.5。如此高的线性度是完全在意料之外的。
图7(e)显示了机械角度α与作为(0.4)*atan2(gr2,gr1)(即通过应用公式[15a]，其中K1＝0.4)所计算的值之间的差值(或误差)。可以看出，对于从约60°到约120°变化的机械角度α，误差小于±4°。对于如此简单的公式来说，如此小的误差是没有预测到的。
图7(a)至图7(e)仅示出了角度α的仿真，但这些仿真也代表了第二角度β，但在这种情况下，曲线的标记将是“By”而非图7(b)中的“Bx”，和“dBz/dy”而非“dBz/dx”，以及“dBy/dy”而非图7(c)中的“dBx/dx”。
如上所述，发明人还发现，通过已知的“后处理技术”，例如基于使用分段线性近似(其参数可在校准步骤期间确定，并可存储在传感器设备的非易失性存储器中)重新映射图7(d)的曲线，可以将该误差进一步减小到小于±5°，或小于±3°，或小于±1.0°，或小于±0.5°，甚至小于±0.2°，或小于±0.1°的值。
从图7(c)可以理解，单独的信号dBz/dx也可以用作第一角度的粗略指示，并且类似地，单独的信号dBz/dy可以用作第二角度的粗略指示。取决于应用(例如游戏机、挖掘机……)，粗略指示可能足够，也可能不够。可通过使用查找表或分段线性校正进一步改进粗略指示。
图8(a)示出了说明性传感器系统800，其包括直径D＝8mm，并且高度H＝4mm的圆柱形磁体，该圆柱形磁体安装在与位于间隔约1.7mm的两个传感器之间的参考点“P参考”距离g＝3mm的位置，每个传感器包括直径为约190μm的IMC和两个水平霍尔元件(例如，如图3或图5中所示)。
图8(b)至图8(e)示出了该传感器系统的仿真结果。
可以看出，图8(b)至图8(e)的曲线与图7(b)至图7(e)的曲线非常相似，但图8(d)中所示曲线的固有线性度得到改善，并且图8(e)中所示的固有误差减小到±3°范围内的值。(其中“固有线性度”是指无“后处理”情况下的曲线的线性度)。如上所提及的，还可以使用公式[15b]、[16b]、[21b]和[22b]中的任一者来改善固有线性度，其中K3、K4与1.00不同。
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Figure BDA0003701369420000212
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Figure BDA0003701369420000213
痉⒚鞑幌抻诰哂型1/4 7(a)和图8(a)的示例中所示的特定尺寸的传感器系统，还适用于具有例如以下参数组合的系统：·
Figure BDA0003701369420000211
受益于本公开的技术人员可以很容易地找到K1、K2和可选的K3、K4(如使用)的最佳值，例如通过执行仿真和/或校准测试。K1至K4的值可以存储在传感器设备的非易失性存储器931中(例如，见图9)。
图9示出了可用于上文所描述的位置传感器设备中的电路910的电气框图。电路910包括多个磁传感器元件M1至M8(例如，水平霍尔元件、垂直霍尔元件、MR元件等)和处理单元930(例如，包括模拟组件和/或数字组件)以及非易失性存储器931(例如，EEPROM或闪存)。霍尔传感器或包括MR元件的电路的偏置和读出在本领域中是众所周知的，因此这里无需进一步详细解释。
该框图可用于例如具有如图5或图6或其变体中所示的传感器结构的传感器设备中。
传感器设备可被配置用于测量第一传感器位置处的磁场分量Bx1和Bz1、第二传感器位置处的磁场分量Bx2和Bz2、第三传感器位置处的磁场分量By1和Bz3、第四传感器位置处的磁场分量By2和Bz4，其中第一和第二传感器位置位于X轴上，第三和第四传感器位置位于垂直于X轴的Y轴上，其中，传感器设备被配置用于确定沿X方向的平面内梯度dBx/dx和平面外梯度dBz/dx，以及用于确定沿Y方向的平面内梯度dBy/dy和平面外梯度dBz/dy，以及用于基于这些磁场梯度来确定两个角度值α、β。
可以通过上述方式确定第一角度α和第二角度β，例如通过使用上述数学公式[15a]和[15b]，或[21a]和[21b]，和/或通过使用查找表(可选地具有插值)。可选地，还应用后校正步骤，例如，对α使用分段线性校正，并且对β使用分段线性校正。α的分段线性校正可独立于β的分段线性校正。
可在放大之前或之后的模拟域中，或在数字域中执行用于确定磁场分量(例如，图5的h2-h1)和/或用于确定磁场梯度(例如，图5中的Bx2-Bx1，或图6中的v4-v3)的信号的减法。
处理单元930可以包括数字处理器，该数字处理器可以可选地包括或连接到非易失性存储器931(例如，NVRAM或EEPROM或闪存)。该存储器可以被配置用于存储一个或多个常数，例如K1、K2，并且如果使用，还可以存储K3、K4，并且如果应用后校正步骤，还可以可选地存储用于后校正步骤的值或系数。数字处理器930可以是例如8位处理器或16位处理器。
虽然未明确示出，但传感器设备910可进一步包括从由以下各项组成的组中选择的一个或多个组件或子电路：放大器、差分放大器、模数转换器(ADC)、多路复用器等。ADC可具有至少8位或至少10位或至少12位或至少14位或至少16位的分辨率。
处理电路不必执行快速傅立叶变换(FFT)，也不必实现具有数百个节点的神经网络是主要优点。
图10示出了用于确定圆柱形磁体的取向(α，β)的方法1000的流程图，该圆柱形磁体具有相对于位于半导体衬底上的参考点“P参考”的轴(A)，该方法包括：
a)确定1001在平行于半导体衬底的第一方向X上定向的第一磁场分量Bx沿所述第一方向X的第一磁场梯度dBx/dx；
b)确定1002在平行于半导体衬底且垂直于第一方向X的第二方向Y上定向的第二磁场分量By沿所述第二方向Y的第二磁场梯度dBy/dy；
c)确定1003在垂直于半导体衬底的第三方向Z上定向的第三磁场分量Bz沿所述第一方向X的第三磁场梯度dBz/dx；
d)确定1004在第三方向Z上定向的第三磁场分量Bz沿所述第二方向Y的第四磁场梯度dBz/dy；
e)基于所述磁场梯度中的至少两个磁场梯度，确定1005在磁体的轴“A”在平行于第一方向X和第三方向Z的第一虚拟平面XZ上的正交投影之间形成的第一角度α；以及
f)基于所述磁场梯度中的至少两个磁场梯度，确定1006在磁体的轴“A”在平行于第二方向Y和第三方向Z的第二虚拟平面YZ上的正交投影之间形成的第二角度β。
步骤e)可以包括：仅基于第一磁场梯度dBx/dx和第三磁场梯度dBz/dx来确定所述第一角度α。
步骤f)可以包括：仅基于第二磁场梯度dBy/dy和第四磁场梯度dBz/dy来确定所述第二角度β。
步骤e)可以包括根据公式[15a]或[15b]确定第一角度α。
步骤f)可以包括根据公式[21a]或[21b]确定第二角度β。
该方法可以进一步包括后校正步骤，以提高准确度，例如以减少或基本消除图7(e)和图8(e)中所示的非线性度误差。
在该方法的变体中，(未明确示出)，省略步骤a)和步骤b)，并且步骤e)包括：基于仅一个磁场梯度(即dBz/dx)确定第一角度，并且步骤f)包括：基于仅一个磁场梯度(即dBz/dy)确定第二角度。
上文描述了系统，其中，磁体是绕位于半导体表面上的参考点“P参考”可枢转的圆柱形磁体，但本发明不限于此，并且如果磁体是具有另一形状(例如球形或条形)的两极磁体，和/或如果参考点“P参考”位于距离半导体衬底固定但非零的距离“d参考”处，则本发明也适用。
图11示出了图1的传感器系统的变体，其中磁体1101绕位于半导体衬底上方预定义非零距离“d参考”处的参考点“P参考”可枢转(未明确示出，但也由XY平面定义)。在该示例中，参考点“P参考”位于正Z轴上，意味着磁体和参考点位于衬底的同一侧。但本发明不限于此，并且参考点也可以位于负Z轴上，即与磁体位于衬底的相对侧。
图1和图11中所示系统的参考点“P参考”位于由圆柱形磁体的尺寸定义的空间之外，并且当磁体处于其中性位置时(意味着当α＝0°且β＝0°时)，位于半导体衬底和磁体之间。
但本发明不限于此，且如果(实或虚)参考点“P参考”(磁体的轴可绕其枢转)位于由磁体定义的空间内或在磁体定义的空间上方，则本发明也将适用。
发现上述用于计算α和β的相同公式也可用于这些情况。替代地，可以作为“atan2”函数(双参数反正切函数)计算第一角度α和第二角度β，其中第一参数和第二参数中的每一者都是从由dBx/dx、dBz/dx、dBy/dy和dBz/dy组成的组中选择的两个或多个磁场梯度的线性组合。
可选地，传感器设备可以进一步适配用于以本领域已知的方式对这些角度应用后处理，例如，通过使用第一组预定义系数对角度α应用第一分段线性校正，并且通过使用第二组预定义系数对角度β应用第二分段线性校正。这些系数可以在校准步骤期间确定，并且可以存储在传感器设备的非易失性存储器中。

Claims (14)

1.一种传感器设备，用于确定具有轴(A)的磁体的取向(α,β)，所述传感器设备包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括多个磁传感器，所述磁传感器被配置用于确定以下各项中的至少两项：
i)在平行于所述半导体衬底的第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)沿所述第一方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)；以及
ii)在平行于所述半导体衬底且垂直于所述第一方向(X)的第二方向(Y)上定向的第二磁场分量(By)沿所述第二方向(Y)的第二磁场梯度(dBy/dy)；以及
iii)在垂直于所述半导体衬底的第三方向(Z)上定向的第三磁场分量(Bz)沿所述第一方向(X)的第三磁场梯度(dBz/dx)；以及
iv)在所述第三方向(Z)上定向的所述第三磁场分量(Bz)沿所述第二方向(Y)的第四磁场梯度(dBz/dy)；
处理电路(930)，所述处理电路(930)被配置用于基于所述磁场梯度中的至少一些磁场梯度来确定第一角度(α)和第二角度(β)。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，
其中所述多个磁传感器包括第一传感器(S1)、第二传感器(S2)、第三传感器(S3)以及第四传感器(S4)，
所述第一传感器(S1)位于第一传感器位置并且所述第二传感器(S2)位于第二传感器位置，处于在所述第一方向(X)上定向的第一虚拟线上，并且彼此间隔第一距离，
所述第一传感器(S1)被配置用于测量在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx1)和在所述第三方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz1)，
所述第二传感器(S2)被配置用于测量在所述第一方向(X)上定向的第三磁场分量(Bx2)和在所述第三方向(Z)上定向的第四磁场分量(Bz2)。
所述第三传感器(S3)位于第三传感器位置并且所述第四传感器(S4)位于第四传感器位置，处于在所述第二方向(Y)上定向的第二虚拟线上，并且彼此间隔第二距离，
所述第三传感器(S3)被配置用于测量在所述第二方向(Y)上定向的第五磁场分量(By1)和在所述第三方向(Z)上定向的第六磁场分量(Bz3)，
所述第四传感器(S4)被配置用于测量在所述第一方向(X)上定向的第七磁场分量(By2)和在所述第三方向(Z)上定向的第八磁场分量(Bz4)。
3.根据权利要求1所述的传感器设备，
其特征在于，根据以下公式确定所述第一角度(α)：
α＝K1*atan2(dBz/dx,dBx/dx)，
其中α是所述第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是所述第一磁场梯度，并且dBz/dx是所述第三磁场梯度，并且K1是第一预定义常数；
并且其中根据以下公式确定所述第二角度(β)：
β＝K2*atan2(dBz/dy,dBy/dy)，
其中β是所述第二角度，atan2()是所述双参数反正切函数，dBy/dy是所述第二磁场梯度，dBz/dy是所述第四磁场梯度，并且K2是第二预定义常数。
4.根据权利要求1所述的传感器设备，
其特征在于，根据以下公式确定所述第一角度(α)：
α＝K1*atan2(K3*dBz/dx,dBx/dx)，
其中α是所述第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是所述第一磁场梯度，dBz/dx是所述第三磁场梯度，并且K1和K3是预定义常数；
并且其中根据以下公式确定所述第二角度(β)：
β＝K2*atan2(K4*dBz/dy,dBy/dy)，
其中β是所述第二角度，atan2()是所述双参数反正切函数，dBy/dy是所述第二磁场梯度，dBz/dy是所述第四磁场梯度，并且K2和K4是预定义常数。
5.根据权利要求1所述的传感器设备，
其特征在于，所述磁体是可移动的，以使得所述磁体的虚拟轴(A)是绕相对于所述半导体衬底具有预定义位置的参考点(P参考)可枢转的。
6.根据权利要求1所述的传感器设备，
其特征在于，所述第一传感器位置和所述第二传感器位置之间的第一距离(ΔX)基本上等于所述第三传感器位置和所述第四传感器位置之间的第二距离(ΔY)。
或者其中所述第一传感器位置和所述第二传感器位置之间的第一距离(ΔX)比所述第三传感器位置和所述第四传感器位置之间的第二距离(ΔY)至少大5％或至少小5％。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的传感器设备，
其特征在于，所述四个传感器(S1-S4)中的每个传感器包括集成磁集中器(IMC1-IMC4)和两个水平霍尔元件(H1-H8)。
8.根据权利要求1所述的传感器设备，
其特征在于，所述四个传感器(S1-S4)中的每个传感器包括水平霍尔元件和垂直霍尔元件；
或者其中所述四个传感器(S1-S4)中的每个传感器包括水平霍尔元件和至少一个磁阻传感器元件。
9.根据权利要求1所述的传感器设备，
其特征在于，所述处理电路集成在所述半导体衬底中。
10.一种位置传感器系统(100；700；800；1100)，包括：
根据权利要求1所述的传感器设备，所述传感器设备包括半导体衬底；以及
磁体，所述磁体是绕相对于所述半导体衬底具有预定义位置的参考点(P参考)可枢转的。
11.根据权利要求10所述的位置传感器系统，
其特征在于，所述系统进一步包括连接到所述磁体的操纵杆。
12.一种确定磁体的取向(α，β)的方法(1000)，所述磁体是绕相对于半导体衬底具有预定义位置的参考点(P参考)可枢转的，所述方法包括：
a)确定(1001、1002、1003、1004)以下磁场梯度中的至少两个磁场梯度：
i)在平行于半导体衬底的第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)沿所述第一方向(X)的第一磁场梯度(dBx/dx)；
ii)在平行于所述半导体衬底且垂直于所述第一方向(X)的第二方向(Y)上定向的第二磁场分量(By)沿所述第二方向(Y)的第二磁场梯度(dBy/dy)；
iii)在垂直于所述半导体衬底的第三方向(Z)上定向的第三磁场分量(Bz)沿所述第一方向(X)的第三磁场梯度(dBz/dx)；
iv)在所述第三方向(Z)上定向的所述第三磁场分量(Bz)沿所述第二方向(X)的第四磁场梯度(dBz/dy)；
b)基于所述磁场梯度中的至少一个磁场梯度，确定(1005)在所述磁体的轴(A)在平行于所述第一方向(X)和所述第三方向(Z)的第一虚拟平面(XZ)上的正交投影之间形成的第一角度(α)；以及
c)基于所述磁场梯度中的至少另一磁场梯度，确定(1006)在所述磁体的所述轴(A)在平行于所述第二方向(Y)和所述第三方向(Z)的第二虚拟平面(YZ)上的正交投影之间形成的第二角度(β)。
13.根据权利要求12所述的方法(1000)，
其特征在于，根据以下公式确定所述第一角度(α)：
α＝K1*atan2(dBz/dx,dBx/dx)，
其中α是所述第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是所述第一磁场梯度，dBz/dx是所述第三磁场梯度，并且K1是第一预定义常数；
并且其中根据以下公式确定所述第二角度(β)：
β＝K2*atan2(dBz/dy,dBy/dy)，
其中β是所述第二角度，atan2()是所述双参数反正切函数，dBy/dy是所述第二磁场梯度，dBz/dy是所述第四磁场梯度，并且K2是第二预定义常数。
14.根据权利要求12所述的方法(1000)，
其特征在于，根据以下公式确定所述第一角度(α)：
α＝K1*atan2(K3*dBz/dx,dBx/dx)，
其中α是所述第一角度，atan2()是双参数反正切函数，dBx/dx是所述第一磁场梯度，dBz/dx是所述第三磁场梯度，并且K1和K3是预定义常数；
并且其中根据以下公式确定所述第二角度(β)：
β＝K2*atan2(K4*dBz/dy,dBy/dy)，
其中β是所述第二角度，atan2()是所述双参数反正切函数，dBy/dy是所述第二磁场梯度，dBz/dy是所述第四磁场梯度，并且K2和K4是预定义常数。
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