CN116379898A - 具有误差检测的磁位置传感器设备、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述具有误差检测的磁位置传感器设备、方法和系统。位置传感器设备包括两个或更多个磁传感器(S1、S2)和处理电路，两个或更多个磁传感器(S1、S2)能够在不同传感器位置处测量一个或两个或三个正交磁场分量(Bx、By、Bz)；处理电路用于确定两个相应分量的第一差、第二差和第三差(ΔBx12、ΔBz12、ΔBy12)，并且用于确定第一差与第二差(ΔBx12、ΔBz12)的第一比率(R1)，并且基于该第一比率(R1)来确定和输出第一角度(θ主要)；以及用于确定第一差与第三差(ΔBx12、ΔBy12)的第二比率(R2)，用于任选地确定第二角度(θ辅助)，任选地对两个角度或两个比率进行比较；以及用于输出以下各项中的至少一项：第二角度、两个比率、基于角度或比率的比较的诊断信号。

Description

具有误差检测的磁位置传感器设备、方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及磁位置传感器系统、设备和方法的领域，并且更具体地涉及具有误差检测能力的线性磁位置和角磁位置传感器系统和设备以及确定线性位置或角位置并检测是否已发生误差的方法。
背景技术
磁传感器系统，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。它们提供的优点在于，能够在不进行物理接触的情况下测量线性位置或角位置，从而避免了机械磨损、刮擦、摩擦等问题。
存在位置传感器系统的许多变体，解决以下要求中的一者或多者：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、能够以高准确性进行测量、仅需简单的算术、能够以高速进行测量、对安装误差是高度稳健的、对外部干扰场是高度稳健的、提供冗余、能够检测误差、能够检测并校正误差、具有良好的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)等。
经常，这些要求中的两者或更多者彼此冲突，因此需要进行权衡。
EP3783316(A1)公开了磁位置传感器系统，该磁位置传感器系统包括磁体或磁结构，以及相对于所述磁体或磁结构可移动地安装的传感器设备。然而，该文档中描述的系统不具有误差检测能力。
总是存在改进或替代的空间。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供能够确定传感器设备相对于磁体或磁结构的位置，并且能够检测误差(例如，与有缺陷的传感器或换能器相关的误差)的磁位置传感器系统。
本发明的实施例的目的也是提供专门适用于此类系统的传感器设备。
本发明的实施例的目的也是提供确定传感器设备相对于磁体或磁结构的位置的方法，并提供指示误差的附加信息，和/或允许连接到传感器设备的另一处理器检测误差。
本发明的实施例的目的是提供此类系统、设备和方法：其中以对外部干扰场(也称为“杂散场”)高度不敏感的方式确定位置，并且其中误差检测也对外部干扰场高度不敏感。
本发明的实施例的目的是提供此类传感器设备：采取具有硅衬底的集成电路的形式，该硅衬底具有减小的面积(即硅芯片的较小尺寸)，而不降低所测量的位置的准确性。
本发明的特定实施例的目的是提供此类传感器设备：采取具有硅衬底的集成电路的形式，该硅衬底具有减少数量的传感器元件。
这些目的和其他目的通过本发明的实施例被实现。
根据第一方面，本发明提供位置传感器设备，包括：衬底，包括在第一方向(例如，X)上间隔开的第一磁传感器和第二磁传感器(例如，S1、S2)，每个磁传感器能够测量三个正交磁场分量(例如，Bx、By、Bz)，包括在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx)、在垂直于第一方向的第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz)、以及在垂直于第一方向并垂直于第二方向的第三方向(例如，Y)上定向的第三磁场分量(例如，By)；处理电路，连接至所述第一磁传感器和第二磁传感器，并且被配置成用于：a)通过第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)中的每个传感器来测量在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)、以及在第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)、以及在第三方向(例如，Y)上定向的第三磁场分量(例如，By1、By2)；b)确定(例如，计算)第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)之间的第一差(例如，ΔBx12)、以及第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)之间的第二差(例如，ΔBz12)、以及第三磁场分量(例如，By1、By2或例如，Bc1、Bc2)之间的第三差(例如，ΔBy12；ΔBc12)；c)(例如，根据公式R1＝ΔBx12/ΔBz12)确定第一差(例如，ΔBx12)与第二差(例如，ΔBz12)的第一比率(例如，R1)，以及基于第一比率(例如，R1)来确定第一角度(例如，θ主要)，并输出第一角度(例如，θ主要)；d)确定第一差(例如，ΔBx12)与第三差(ΔBy12、ΔBc12)的第二比率(例如，R2)，或确定第一差(ΔBx12)(在分子中)与第三差(例如，ΔBy12)和第二差(例如，ΔBz12)的线性组合(在分母中)的第二比率(例如，R2)；e)任选地基于第二比率(例如，R2)来确定第二角度(例如，θ辅助)；任选地将第一角度(例如，θ主要)与第二角度(例如，θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将第一比率(例如，R1)与第二比率(例如，R2)进行比较，从而产生第二结果；以及输出以下各项中的至少一项：第二角度(例如，θ辅助)、第一比率和第二比率(例如，R1、R2)、基于第一结果和/或第二结果的诊断信号。
该实施例的主要优点在于，第一角度(本文中也称为“主要角度”)以及第二角度(本文中也称为“辅助角度”)两者都是基于差信号(或梯度)来计算的，因为这些差信号对外部磁干扰场高度稳健。这同样适用于第一比率和第二比率本身。
该实施例的主要优点在于，第一角度是基于两个差信号(或梯度)的比率来计算的，因为该比率对温度变化、退磁效应、磁体与传感器设备之间的距离是高度稳健的。
该实施例的主要优点在于，其提供了误差检测的能力，而不使磁传感器元件的数量变为两倍，因此不使这些传感器元件占据的占用空间(footprint)变为两倍。
其中传感器包括集成磁聚集器的实施例的主要优点在于，由IMC占据的空间没有变为两倍，而仅增加了50％，因为变为两倍可能对生产此类设备的方法具有负面影响，具体而言是对电镀所需的时间和/或对产量具有负面影响。
可以使用以下公式来计算步骤d)的线性组合：(a*ΔBz12-b*ΔBy12)，其中a、b是常数，并且b不同于零。例如，第二比率可以是R2＝ΔBx12/ΔBy12，或者第二比率可以是R2＝ΔBx12/(ΔBz12-ΔBy12)，或者第二比率可以是R2＝ΔBx12/(a*ΔBz12-b*ΔBy12)。
第一传感器和第二传感器中的每个传感器都是“3D磁像素”。
在实施例中，第二磁场分量平行于衬底而被定向，并且第三磁场分量垂直于衬底而被定向。
在另一实施例中，第三磁场分量平行于衬底而被定向，并且第二磁场分量垂直于衬底而被定向。
在实施例中，步骤d)包括：确定第一差(例如，ΔBx12)与第三差(例如，ΔBy12)的第二比率(例如，R2)；并且步骤e)包括：基于第二比率(例如，R2)来确定第二角度(例如，θ辅助)；以及输出以下各项中的至少一项：第二角度(例如，θ辅助)、基于第一角度(例如，θ主要)和第二角度(例如，θ辅助)的比较的诊断信号。
在该实施例中，传感器设备计算两个角度，并对它们进行(内部地)比较，并基于角度的比较来输出指示误差的诊断信号。
在实施例中，步骤d)包括：确定第一差(例如，ΔBx12)与第三差(例如，ΔBy12)的第二比率(例如，R2)；并且步骤e)包括：输出以下各项中的至少一项：第一比率和第二比率(例如，R1、R2)、基于第一比率(例如，R1)和第二比率(例如，R2)的比较的诊断信号。
在实施例中，其中步骤d)包括：确定分子中的第一差(例如，ΔBx12)与分母中的第三差(例如，ΔBy12)和第二差(例如，ΔBz12)的线性组合的第二比率(例如，R2)；并且步骤e)包括：基于第二比率(例如，R2)来确定第二角度(例如，θ辅助)；以及输出以下各项中的至少一项：第二角度(例如，θ辅助)、基于第一角度(例如，θ主要)和第二角度(例如，θ辅助)的比较的诊断信号。
在实施例中，其中步骤d)包括：确定分子中的第一差(例如，ΔBx12)与分母中的第三差(例如，ΔBy12)和第二差(例如，ΔBz12)的线性组合的第二比率(例如，R2)；并且步骤e)包括：输出以下各项中的至少一项：第一比率和第二比率(例如，R1、R2)、基于第一比率(例如，R1)和第二比率(例如，R2)的比较的诊断信号。
在实施例中，位置传感器设备仅包括两个磁传感器。
该实施例的优点在于，其仅需要两个传感器位置，因此与包括在X方向上间隔开的三个或更多个传感器的传感器设备相比，需要更少的衬底面积(例如，硅面积)。或者换句话说：该实施例的优点是，这两个传感器之间的距离(对于给定的硅面积)可以大于具有多于两个传感器位置的现有传感器的传感器之间的距离，因此差分信号(或梯度)通常具有更大的幅度和/或更大的信噪比。
根据第二方面，本发明还提供位置传感器设备，包括：衬底，包括在第一方向(例如，X)上间隔开的至少三个或至少四个磁传感器中的多个磁传感器，每个磁传感器(例如，S1、S2、S3)能够测量至少两个正交磁场分量，包括在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx)、以及在垂直于第一方向并垂直于衬底的第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz)和在垂直于第一方向并平行于衬底的第三方向(例如，Y)上定向的第三磁场分量(例如，By)中的一者或两者；处理电路，连接至所述至少三个磁传感器，并且被配置成用于：a)通过第一对所述传感器(例如，S1、S2)来测量在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)和在第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)；b)通过第二对所述传感器(例如，S3、S2)来测量在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx3、Bx2)和在第三方向(例如，Y)上定向的第三磁场分量(例如，By3、By2)；c)确定(例如，计算)第一对的第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)之间的第一差(例如，ΔBx12)，以及第一对的第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)之间的第二差(例如，ΔBz12)；d)(例如，根据公式R1＝ΔBx12/ΔBz12)确定(第一分子中的)第一差(例如，ΔBx12)和(第一分母中的)第二差(例如，ΔBz12)的第一比率(例如，R1)，以及基于第一比率(例如，R1)来确定第一角度(例如，θ主要)，并输出第一角度(例如，θ主要)；e)确定(例如，计算)第二对的第一磁场分量(例如，Bx3、Bx2)之间的第三差(例如，ΔBx32)，以及第二对的第三磁场分量(例如，By3、By2)之间的第四差(例如，ΔBy32)；f)确定第三差(例如，ΔBx32)和第四差(ΔBy32)的第二比率(例如，R2)；g)任选地基于第二比率(例如，R2)来确定第二角度(例如，θ辅助)，任选地将第一角度(例如，θ主要)与第二角度(例如，θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将第一比率(例如，R1)与第二比率(例如，R2)进行比较，从而产生第二结果；并且输出以下各项中的至少一项：第二角度(例如，θ辅助)、第一比率和第二比率(例如，R1、R2)、基于第一结果和/或第二结果的诊断信号。
该实施例的主要优点在于，第一角度(本文中也称为“主要角度”)以及第二角度(本文中也称为“辅助角度”)两者都是基于差信号(或梯度)来计算的，因为这些差信号对外部磁干扰场是高度稳健的。这同样适用于第一比率和第二比率本身。
该实施例的主要优点在于，第一角度是基于两个差信号(或梯度)的比率来计算的，因为该比率对温度变化、退磁效应、磁体与传感器设备之间的距离是高度稳健的。
该实施例的主要优点在于，其提供了误差检测的能力，而不使磁传感器元件的数量变为两倍，因此不使这些传感器元件占据的占用空间变为两倍。
其中传感器包括集成磁聚集器的实施例的主要优点在于，由IMC占据的空间没有变为两倍，而仅增加了50％，因为变为两倍可能对生产这种设备的方法具有负面影响，具体而言是对电镀所需的时间和/或对产量具有负面影响。
在该实施例中，不需要每个传感器都是“3D磁像素”。例如，在仅具有三个磁传感器的实施例中，传感器中的一个可以是在X和Z方向上敏感的2D磁像素，传感器中的一个可以是在X和Y方向上敏感的2D磁像素，并且传感器中的一个可以是在X、Y和Z方向上敏感的3D磁像素。作为另一示例，在仅具有四个磁传感器的实施例中，传感器中的两个(例如，外部两个传感器)可以是在X和Z方向上敏感的2D磁像素，传感器中的两个(例如，内部两个传感器)可以是在X和Y方向上敏感的2D磁像素。
在第一方面和第二方面的实施例中，可以根据以下公式计算第一角度：θ主要＝atan2(ΔBx13,ΔBz13)，其中θ主要是第一角度，ΔBx13是第一差，并且ΔBz13是第二差。
在实施例中，位置传感器设备仅包括三个磁传感器，即所述第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器(S1、S2、S3)。
该实施例的优点在于，其仅需要三个传感器位置，因此与包括在X方向上间隔开的四个传感器的传感器设备相比，需要更少的衬底面积(例如，硅面积)。
在实施例中，该至少三个传感器位于直线上。
在实施例中，该至少三个传感器位于三角形或梯形的角处。
在实施例中，第一传感器、第二传感器和第三传感器位于直线上，并且第一传感器(例如，S1)和第二传感器(例如，S2)间隔开1.0mm至3.0mm、或1.25mm至2.75mm、或1.5mm至2.5mm；并且第三传感器(例如，S3)被定位在第一传感器(例如，S1)与第二传感器(例如，S2)之间。
第三传感器可位于距第一传感器和第二传感器至少0.3mm或至少0.4mm的距离处。
作为示例，第一传感器可位于X1＝0.0mm处，第三传感器可位于X2＝0.4mm，并且第二传感器可位于X3＝2.5mm处。令人惊讶的是，第一传感器位置与第二传感器位置之间的距离可以小到0.3mm，特别是如果这些传感器中的每个传感器都包括具有约150微米至250微米直径的集成磁聚集器，该IMC使IMC附近的场线弯曲。
在实施例中，第一传感器、第二传感器或第三传感器位于三角形的角处。在特定实施例中，该三角形具有底、以及垂直于底的高，并且高与底的比率(H/B)小于20％。在另一实施例或进一步实施例中，底具有在1.0mm至3.0mm范围内、或在1.25mm至2.75mm范围内、或在1.5mm至2.5mm范围内的长度；并且具有小于0.5mm、或小于0.4mm、或小于0.3mm的高；并且第一传感器和第二传感器(S1、S2)位于底上，而第三传感器位于“顶”上。
在实施例中，衬底是半导体衬底。优选地，第一传感器、第二传感器和第三传感器被集成在半导体衬底中。
在(第二方面的)实施例中，每个磁传感器是(逐硬件的)3D磁像素，但读出电路被配置成用于仅读出磁传感器中的一个或多个的一些(而不是所有)磁场分量。这提供了可以(重新)使用现有硬件(例如，布局)的优点。这还提供了传感器可以被更快(以更高频率)读出的优点。
在(第二方面的)实施例中，每个磁传感器是(逐硬件的)3D磁像素，并且读出电路被配置成用于读出所有磁场分量，但处理软件仅使用这些分量中的一些(而不是所有)。这提供了可以(重新)使用现有硬件(例如，布局)以及读出方案的优点，同时利用了本发明的有利效果。
在实施例中，位置传感器设备仅包括三个传感器(例如，S1、S2、S3)，并且这些传感器位于直线上，且传感器中的一个(例如，S3)被定位在其他两个传感器(例如，S1、S2)之间的中间处。
该实施例的优点在于，其提供与仅具有第一传感器和第二传感器而没有其间的第三传感器的位置传感器设备相同的准确性(对于主要角度)；但是额外提供误差检测的益处。具体地，本实施例允许以杂散场免疫(strayfield-immune)的方式计算三个角度，并且主要角度(具有高准确性)应当等于两个其他角度(具有稍低的准确性，这是因为减小的距离Δx)的平均值。然而，注意到，如果第三传感器没有恰好位于第一传感器和第二传感器之间的中间处，本发明仍将起作用。
在实施例中，传感器中的一个或多个或每个传感器包括集成磁聚集器(IMC)和布置在IMC的相对侧上的两个(或仅两个)水平霍尔元件。
在实施例中，传感器中的一个或多个或每个传感器包括集成磁聚集器(IMC)和以90°的倍数成角度地间隔开的三个(或仅三个)水平霍尔元件。
在实施例中，传感器中的一个或多个或每个传感器包括集成磁聚集器(IMC)和以90°的倍数成角度地间隔开的四个(或仅四个)水平霍尔元件。
在实施例中，传感器中的一个或多个传感器包括水平霍尔元件和单个垂直霍尔元件或位于水平霍尔元件的相对侧上的一对两个垂直霍尔元件。
在实施例中，传感器中的一个或多个传感器包括两个垂直霍尔元件，这两个垂直霍尔元件具有彼此垂直的最大灵敏度方向。
在实施例中，每个传感器包括集成磁聚集器(IMC)和以90°的倍数成角度地间隔开的四个水平霍尔元件，这四个水平霍尔元件由沿第一方向(例如，X)间隔开的第一霍尔元件和第二霍尔元件(例如，H1、H2)、以及在垂直于第一方向(例如，X)的方向(例如，Y)上间隔开的第三霍尔元件和第四霍尔元件(例如，H3、H4)组成；其中第一角度是基于从第一霍尔元件和第二霍尔元件(例如，H1、H2)获得的信号来计算的；并且其中传感器设备进一步被配置成用于将第一总和(例如，sum1)确定为从第一霍尔元件和第二霍尔元件获得的信号的总和，以及用于将第二总和(例如，sum2)计算为从第三霍尔元件和第四霍尔元件获得的信号的总和，以及用于在确定诊断信号时考虑到第一总和与第二总和的匹配。
或者简单地说，在该实施例中，将位于X轴上的霍尔元件的信号的第一和与位于Y轴上的霍尔元件的第二和进行比较，并且第一总和与第二总和的失配被视为对误差检测的指示。
根据第三方面，本发明还提供位置传感器系统，包括：衬底，包括沿在第一方向上延伸的第一轴(例如，X)间隔开的第一磁传感器(例如，S1)和第二磁传感器(例如，S2)，其中每个磁传感器(例如，S1、S2)包括集成磁聚集器(IMC)和仅三个水平霍尔元件，这三个水平霍尔元件包括第一水平霍尔元件(例如，H1)、第二水平霍尔元件(例如，H2)和第三水平霍尔元件(例如，H3；H4)，第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件(例如，H1、H2)位于第一轴上，第三水平霍尔元件(例如，H3；H4)相对于第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件以90°成角度地间隔开；处理电路，连接至所述第一磁传感器和第二磁传感器，并且被配置成用于：a)通过第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)中的每个传感器来测量在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)作为从第一霍尔元件和第二霍尔元件(例如，H1、H2)获得的信号(例如，h1、h2)的差；以及通过第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)中的每个传感器来测量在垂直于第一方向的第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)作为从第一霍尔元件和第二霍尔元件(例如，H1、H2)获得的信号(例如，h1、h2)的总和；以及通过第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)中的每个传感器来测量第三值(例如，Bc1、Bc2)作为从第三霍尔元件(例如，H3)获得的信号(例如，h3)；b)确定(例如，计算)第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)之间的第一差(例如，ΔBx12)、以及第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)之间的第二差(例如，ΔBz12)、以及第三值(例如，Bc1、Bc2)之间的第三差(例如，ΔBc12)；c)确定第一差(例如，ΔBx12)与第二差(例如，ΔBz12)的第一比率(例如，R1)，以及基于第一比率(例如，R1)来确定第一角度(例如，θ主要)，并输出第一角度(例如，θ主要)；d)确定第一差(例如，ΔBx12)与第三差(例如，ΔBc12)的第二比率(例如，R2)；e)任选地基于第二比率(例如，R2)来确定第二角度(例如，θ辅助)，任选地将第一角度(例如，θ主要)与第二角度(例如，θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将第一比率(例如，R1)与第二比率(例如，R2)进行比较，从而产生第二结果；f)输出以下各项中的至少一项：第二角度(例如，θ辅助)、第一比率和第二比率(例如，R1、R2)、基于第一结果和/或第二结果的诊断信号。
根据第四方面，本发明还提供磁位置传感器系统，包括：磁源，用于生成具有至少两个极的磁场；根据第一方面或第二方面或第三方面的位置传感器设备，相对于所述磁源可移动，或反之亦然。
在实施例中，磁源是永磁体，可围绕旋转轴线旋转；并且位置传感器设备安装在与旋转轴线相距非零径向距离(例如，Rs)处，并且定向成使得第一方向(例如，X)与具有在旋转轴线上的中心的假想圆相切。
这样的位置传感器系统通常被称为“角位置传感器系统”。
磁体可以是轴向或直径地或径向磁化的环形磁体或盘状磁体，更具体地，轴向磁化或直径地磁化的两极环形磁体或盘状磁体，或具有多于两个极的轴向或径向磁化的环形磁体或盘状磁体，例如至少四个极或至少六个极、或至少八个极。
磁体可以是轴向磁化的两极环形或盘状磁体。
磁体可以是轴向磁化的环形或盘状磁体，该磁体具有多个至少四个极、或至少六个极、或至少八个极。
在实施例中，传感器设备的衬底垂直于旋转轴线定向，并且磁体具有外径(例如，Ro)，并且传感器设备位于小于外径的径向位置处，并且位于在磁体顶表面上方或磁体底表面下方的轴向位置处。
在实施例中，传感器设备的衬底平行于旋转轴线定向，并且磁体具有外径(例如，Ro)，并且传感器设备位于小于外径的径向位置处，并且位于在磁体顶表面上方或磁体底表面下方的轴向位置处。
在实施例中，传感器设备的衬底垂直于旋转轴线定向，并且磁体具有外径(例如，Ro)，并且传感器设备位于大于外径的径向位置处，并且位于在磁体顶表面上方或磁体底表面下方的轴向位置处。
在实施例中，传感器设备的衬底平行于旋转轴线定向，并且磁体具有外径(例如，Ro)，并且传感器设备位于大于外径的径向位置处，并且位于在磁体顶表面上方或磁体底表面下方的轴向位置处。
在实施例中，传感器设备的衬底垂直于旋转轴定向，并且磁体具有外径(例如，Ro)，并且传感器设备位于大于外径的径向位置处，并且位于在底表面和顶表面之间的轴向位置处。
在实施例中，传感器设备的衬底平行于旋转轴线定向，并且磁体具有外径(例如，Ro)，并且传感器设备位于大于外径的径向位置处，并且位于在底表面和顶表面之间的轴向位置处。
在实施例中，磁源是两极磁体，或在纵向方向上延伸并包括至少两个的多个交变磁极对的细长结构；并且位置传感器设备可在纵向方向上移动，在距磁源的非零距离处。
优选地，距离基本上是恒定的。优选地，传感器设备被定向为其第一方向(X)平行于磁源的纵向方向。
此类位置传感器系统通常被称为“线性位置传感器系统”。优选地，在这种情况下，位置传感器设备进一步被配置成用于以本领域已知的方式将第一角度θ1转换为第一线性位置。
优选地，磁位置传感器位于虚拟平面中，该虚拟平面从Y方向上的磁结构的对称平面偏移。参考图12，Y方向上的偏移优选地被选择，使得由磁场生成的By分量的幅度(如可以由传感器设备测量的)是磁场的Bz分量的幅度的至少25％，并且是磁场的Bx分量的幅度的至少25％。实际偏移值取决于磁结构的大小、以及传感器元件和磁结构之间的距离(“气隙”)，并且可以通过仿真来确定。
在实施例中，传感器设备的衬底与磁源内的剩余磁场的取向正交地定向，例如，如图13B中所示。
在实施例中，传感器设备的衬底与磁源内的剩余磁场的取向平行地定向，例如，如图13C中所示。
在实施例中，磁位置传感器系统进一步包括第二处理器(例如，ECU)，该第二处理器(例如，ECU)通信地连接到位置传感器设备，并且被配置成用于执行以下各项中的一项：i)接收第一角度(例如，θ主要)；ii)接收以下各项中的一项或多项：第二角度(例如，θ辅助)、第一比率(例如，R1)和第二比率(例如，R2)、指示误差的诊断信号。
在该实施例中，第一处理器和第二处理器可以协作以检测是否发生了误差，和/或在系统级别下采取适当的动作。通过在两个不同的处理器上执行某些功能，可以进一步提高检测误差的概率。
第二处理器可以被配置成用于将第一角度与第二角度进行比较(如果后者被提供)，和/或将第一比率与第二比率进行比较(如果比率被提供)。
根据第五方面，本发明还提供基于从第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)获得的信号来确定线性位置或角位置的方法，第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)在第一方向(例如，X)上间隔开，每个都能够测量三个正交磁场分量(例如，Bx、By、Bz)；该方法包括以下步骤：a)通过第一传感器和第二传感器(例如，S1、S2)中的每个传感器来测量在第一方向(例如，X)上定向的第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)、以及在垂直于第一方向(例如，X)的第二方向(例如，Z)上定向的第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)、以及在垂直于第一方向和第二方向(例如，X、Z)的第三方向(例如，Y)上定向的第三磁场分量(例如，By1、By2)；b)确定(例如，计算)第一磁场分量(例如，Bx1、Bx2)之间的第一差(例如，ΔBx12)、以及第二磁场分量(例如，Bz1、Bz2)之间的第二差(例如，ΔBz12)、以及第三磁场分量(例如，By1、By2)之间的第三差(例如，ΔBy12)；c)确定第一差(例如，ΔBx12)与第二差(例如，ΔBz12)的第一比率(例如，R1)(例如，根据公式R1＝ΔBx12/ΔBz12)，以及基于第一比率(例如，R1)来确定第一角度(例如，θ主要)，并输出第一角度(例如，θ主要)；d)确定第一差(例如，ΔBx12)和第三差(例如，ΔBy12、ΔBc12)的第二比率(例如，R2)；或确定第一差(ΔBx12)(在分子中)与第三差(例如，ΔBy12)和第二差(例如，ΔBz12)的线性组合(在分母中)的第二比率(例如，R2)；e)任选地基于第二比率(例如，R2)来确定第二角度(例如，θ辅助)，任选地将第一角度(例如，θ主要)与第二角度(例如，θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将第一比率(例如，R1)与第二比率(例如，R2)进行比较，从而产生第二结果；并且输出以下中的至少一项：第二角度(例如，θ辅助)、第一比率和第二比率(例如，R1、R2)、基于第一结果和/或第二结果的诊断信号。
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(诸)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是明显的，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是可在本发明的实施例中使用的传感器结构的示意性框图。该传感器结构包括沿X轴间隔开的在第一传感器位置X1处的第一传感器和在第二传感器位置X2处的第二传感器。每个传感器包括集成磁聚集器(IMC)和布置在IMC的相对侧上的一对两个水平霍尔元件。每个传感器是2D磁像素，能够测量在X方向上定向的第一磁场分量Bx、以及垂直于X轴的第二磁场分量Bz。
图2A是可在本发明的实施例中使用的另一传感器结构的示意性框图。
图2B是可在本发明的实施例中使用的另一传感器结构的示意性框图。
图2C是可在本发明的实施例中使用的另一传感器结构的示意性框图。
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。传感器结构包括两个传感器，每个传感器具有集成磁聚集器(IMC)和四个水平霍尔元件，这四个水平霍尔元件布置在IMC外周附近，并且以90°的倍数成角度地间隔开。每个传感器都是3D磁像素。
图4是可在本发明的实施例中使用的另一传感器结构的示意性框图。传感器结构包括两个传感器，每个传感器具有一个水平霍尔元件和在垂直方向上定向的两个垂直霍尔元件。每个传感器都是3D磁像素。
图5(a)示出角位置传感器系统500，该角位置传感器系统500包括可绕旋转轴线旋转的圆柱形磁体501，以及安装在距旋转轴线径向距离Rs处的传感器设备502。传感器设备502包括垂直于旋转轴线定向的衬底。具有三个正交轴X、Y、Z的坐标系连接至衬底，使得X和Y平行于衬底，并且Z垂直于衬底，并且使得X轴与具有位于旋转轴线处的中心的虚拟圆相切。图5(b)示出可由图5(a)的传感器设备测量的磁场分量(Bx、By、Bz)与由磁体生成的磁场的轴向(B轴向)、径向(B径向)和切向(B切向)磁场分量如何相关。
图5(c)示出角位置传感器系统550，该角位置传感器系统550包括可绕旋转轴线旋转的圆柱形磁体551，以及安装在距旋转轴线径向距离Rs处的传感器设备552。传感器设备552包括平行于旋转轴线定向的衬底。具有三个正交轴X、Y、Z的坐标系连接至衬底，使得X和Y平行于衬底，并且Z垂直于衬底，并且使得X轴与具有位于旋转轴线处的中心的虚拟圆相切。图5(d)示出可由图5(c)的传感器设备测量的磁场分量(Bx、By、Bz)与由磁体生成的磁场的轴向(B轴向)、径向(B径向)和切向(B切向)磁场分量如何相关。
图6(a)和图6(b)示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统。系统包括圆柱形磁体和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备，例如，如图5(a)中所示。图6(c)至图6(f)图示出传感器结构和公式，该传感器结构和公式可由图6(a)的传感器设备用于确定角位置，并且用于检测误差。该传感器设备具有两个磁传感器，每个传感器都是3D磁像素。
图7(a)至图7(f)示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统，该角位置传感器系统可以被视作图6(a)至图6(f)的变体。传感器设备具有两个磁传感器，每个传感器都是3D磁像素。
图8(a)至图8(f)示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统，该角位置传感器系统可以被视作图7(a)至图7(f)的变体，其中每个传感器包括IMC和仅三个水平霍尔元件。
图9(a)至图9(f)示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统，该角位置传感器系统可以被视作图6(a)至图6(f)的变体。系统包括圆柱形磁体和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备，例如，如图5(a)中所图示。该传感器设备具有三个磁传感器，每个传感器都是3D磁像素。
图10(a)至图10(f)示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统，该角位置传感器系统可以被视作图9(a)至图9(f)的变体。系统包括圆柱形磁体和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备，例如，如图5(a)中所图示。该传感器设备具有三个磁传感器，一些磁传感器是2D磁像素，一些磁传感器是3D磁像素。
图11(a)至图11(d)示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统，该角位置传感器系统可以被视作图6(a)至图6(d)的变体。系统包括圆柱形磁体和磁传感器设备。该传感器设备具有四个磁传感器，一些磁传感器是2D磁像素，一些磁传感器是3D磁像素但被用作2D磁像素。
图12(a)示出包括细长磁结构和磁传感器设备的线性位置传感器系统，该细长磁结构具有多个交替磁极，该磁传感器设备包括可相对于磁结构移动的衬底。传感器设备具有与磁结构内部的剩余磁场垂直的衬底。传感器设备不是定位在磁结构的对称平面中，而是在Y方向上偏移。
图12(b)至图12(f)图示传感器结构，该传感器结构可由图12(a)的传感器设备用于确定线性位置，并且用于检测误差。
图13A至图13C图示图12(a)至图12(f)的线性位置传感器系统的变体，其中磁体是两极磁体。
图14是由本发明提出的、可由图6(a)或图7(a)或图8(a)或图9(a)或图12(a)的传感器设备执行的方法的流程图。该方法的变体可由图10(a)和图11(a)的传感器设备应用。
图15示出可在上文所述的位置传感器设备中使用的电路的电气框图。
这些附图只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。
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不同的其它顺序来进行操作。
说明书和权利要求书中的术语顶部、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其它取向进行操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他元件或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件、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“一实施例”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”“在一实施例中”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，虽然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，本公开的这种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，如所附权利要求书所反映，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，具体实施例所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施例中，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没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。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可以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中，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，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，该至少一个“磁传感器”或至少一个“磁传感器元件”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，虽然这不是绝对必需的。传感器设备优选地包含半导体衬底。
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(MR)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聚集器(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，具有两个彼此间隔180°的水平霍尔元件的盘状IMC(例如，如图1中所示)，或具有四个相互间隔90°的水平霍尔元件的IMC(例如，如图3中所示)。
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。如果传感器设备是或包括衬底，则这也意味着“磁场分量平行于衬底”。
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。
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。此外，X轴在线性位置传感器的情形中优选地按“平行于相对移动的方向”定向，或者在弯曲的移动轨迹的情形中优选地按“与移动轨迹相切”定向，或者在包括可旋转的磁体的角位置传感器系统的情形中优选地按“周向方向”(即，与具有位于旋转轴线上的中心的假想圆相切)定向。在角位置传感器系统的情形中，其它轴(Y或Z)中的一个轴优选地按平行于磁体的旋转轴线定向。
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，梯度通常被确定为在X方向上间隔开的两个位置处测量的两个值之间的差。理论上，梯度被计算为两个值之间的差除以传感器位置之间的距离“dx”，但是在实践中，除以“dx”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。因此，在本发明的上下文中，磁场差(ΔBx)和磁场梯度dBx/dx可互换使用。
在本文档中，术语“磁场分量By的幅度”意指“在磁体的整个360°(电)旋转上By信号的绝对值的最大值”，并且对于“Bx的幅度”和“Bz的幅度”也是如此。
在本申请中，水平霍尔板通常由H1、H2等表示，来自这些水平霍尔板的信号通常由h1、h2等表示；垂直霍尔板通常由V1、V2等表示；并且来自这些垂直霍尔板的信号通常由v1、v2等表示。
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。
在本申请中，表述“传感器设备位于轴向位置和径向位置”实际上意味着该设备的传感器的中心位置位于该轴向和径向位置。
在本文档中，符号ΔBx12用于指示从传感器S1和传感器S2获得的Bx信号的差。如果仅存在两个传感器，则这也可以写作ΔBx，而不显式地指向传感器S1和S2。这也适用于其他差，例如，ΔBy12和ΔBz12。
在本文档中，符号“A≈B”用于指示“A约等于B”，使用预定义的匹配准则，例如，通过将A和B的值相减，并将差与预定义的合适阈值进行比较；或通过将A和B的值相除，并将比率与合适范围(例如，100％±5％)进行比较，但可以使用其他匹配标准。
本发明总体涉及线性和角磁位置传感器系统，该系统包括传感器设备和磁源，例如永磁体，例如轴向或直径或径向磁化的环形或盘状磁体，例如轴向或直径磁化的两极环形或盘状磁体，或者具有多于两个极的轴向或径向磁化的环形或盘状磁体，例如至少四个极或至少六个极或至少八个极。本发明还涉及线性位置传感器系统，该系统包括传感器设备和以两极磁体或包括多个交替磁极的细长磁结构的形式的磁源。
更具体地，本发明涉及磁传感器设备和方法和系统，该设备和方法和系统对外部干扰场是稳健的，并且具有误差检测能力。
参考附图。
图1示出传感器结构，该传感器结构包括位于X轴上的第一位置X1处的第一传感器S1和位于所述X轴上的、与X1间隔开的第二位置X2处的第二传感器S2。第一传感器S1和第二传感器S2中的每个传感器都包括盘状集成磁聚集器(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包括被配置成用于提供第一信号h1的第一水平霍尔元件H1和被配置成用于提供第二信号h2的第二水平霍尔元件H2。第二传感器S2包括被配置成用于提供第三信号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，知晓第一传感器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(平行于传感器衬底)和平面外磁场分量Bz1(垂直于传感器衬底)就足够了。更具体地，平面内磁场分量Bx1可以通过信号的相减来计算，并且平面外磁场分量Bz1可以通过信号的求和来计算。这可以在数学上被表达如下：
Bx1＝(h2-h1)[1]
Bz1＝(h2+h1)[2]
同样地，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可以例如根据以下公式被确定：
Bx2＝(h4-h3)[3]
Bz2＝(h4+h3)[4]
并且从这些值可以例如根据以下公式确定平面内磁场梯度ΔBx和平面外磁场梯度ΔBz：
ΔBx＝Bx2-Bx1[5]
ΔBz＝Bz2-Bz1[6]
值ΔBx也可以被称为dBx/dx，并且值ΔBz也可以被称为dBz/dx。如上文所提到的，缩放因子“dx”通常被省略，因为它是恒定的，并且从传感器元件获得的值无论如何都需要被缩放。出于该原因，在本申请中，术语“磁场梯度”和“磁场差”的含义相同。
已知，梯度信号ΔBx、ΔBz对外部干扰场高度不敏感。
图2A是可在本发明的实施例中使用的、或与可在本发明的实施例中使用的结构类似的另一传感器结构的示意性框图。传感器结构包括在第一传感器位置X1处的第一传感器和在第二传感器位置X2处的第二传感器，第一传感器与第二传感器沿X轴以例如在1.0mm至3.0mm范围内、优选地在1.5mm至2.5mm范围内的距离Δx间隔开。第一传感器S1包括水平霍尔元件H1和垂直霍尔元件V1，并且能够测量两个正交磁场分量Bx1和Bz1。第二传感器S2包括水平霍尔元件H2和垂直霍尔元件V2，并且能够测量两个正交磁场分量Bx2和Bz2。垂直霍尔元件V1、V2具有在X方向上定向的最大灵敏度的轴线。水平霍尔元件H1、H2具有在Z方向上定向的最大灵敏度的方向。如果传感器元件被集成在半导体衬底中，则磁场分量Bx1和Bx2平行于衬底，而磁场分量Bz1、Bz2垂直于衬底。可从这些信号得出两个差或梯度，即ΔBx＝Bx2-Bx1和ΔBz＝Bz2-Bz1。
图2B是可在本发明的实施例中使用的、或与可在本发明的实施例中使用的结构类似的另一传感器结构的示意性框图。该传感器结构包括在第一传感器位置X1处的第一传感器S1和在第二传感器位置X2处的第二传感器S2，第一传感器S1与第二传感器S2沿X轴以例如在1.0mm至3.0mm范围内、优选地在1.5mm至2.5mm范围内的距离Δx间隔开。第一传感器S1包括水平霍尔元件H1和两个垂直霍尔元件V1、V2，这两个垂直霍尔元件V1、V2位于水平霍尔元件H1的相对侧上并且具有在X方向上定向的最大灵敏度的轴线。同样地，第二传感器S2包括水平霍尔元件H2和两个垂直霍尔元件V3、V4，这两个垂直霍尔元件V3、V4位于水平霍尔元件H2的相对侧上并且具有在X方向上定向的最大灵敏度的轴线。从垂直霍尔元件V1和V2获得的信号v1和v2的总和或平均与第一传感器位置X1处的磁场分量Bx1成比例。从水平霍尔元件H1获得的信号h1与第一传感器位置处的磁场分量Bz1成比例。同样地，Bx2＝(v3+v4)且Bz2＝h2。可从这些信号得出两个差或梯度，即ΔBx＝Bx2-Bx1和ΔBz＝Bz2-Bz1。
图2C是可在本发明的实施例中使用的、或与可在本发明的实施例中使用的结构类似的另一传感器结构的示意性框图。该传感器结构包括在第一传感器位置X1处的第一传感器S1和在第二传感器位置X2处的第二传感器S2，第一传感器S1与第二传感器S2沿X轴以例如在1.0mm至3.0mm范围内、优选地在1.5mm至2.5mm范围内的距离Δx间隔开。第一传感器S1包括水平霍尔元件H1和两个垂直霍尔元件V1、V2，这两个垂直霍尔元件V1、V2位于水平霍尔元件H1的相对侧上并且具有在Y方向上定向、垂直于X轴但与其中实现传感器元件的衬底平行的最大灵敏度的轴线。同样地，第二传感器S2包括水平霍尔元件H2和两个垂直霍尔元件V3、V4，这两个垂直霍尔元件V3、V4位于水平霍尔元件H2的相对侧上并且具有在Y方向上定向的最大灵敏度的轴线。可通过第一传感器S1来测量两个磁场分量By1、Bz1，即By1＝(v1+v2)和Bz1＝h1。同样地，By2＝(v3+v4)且Bz2＝h2。可从这些信号得出两个差或梯度，即ΔBy＝By2-By1和ΔBz＝Bz2-Bz1。
图1至图2C的传感器S1和S2中的每个传感器被称为“2D磁像素”，因为它们能够测量两个正交的磁场分量值。
图3是可在本发明的实施例中使用的、或与可在本发明的实施例中使用的结构类似的传感器结构的示意性框图。该传感器结构包括在第一传感器位置X1处的第一传感器S1和在第二传感器位置X2处的第二传感器S2，第一传感器S1与第二传感器S2沿X轴以例如在1.0mm至3.0mm范围内、优选地在1.5mm至2.5mm范围内的距离Δx间隔开。每个传感器包括集成磁通量聚集器(IMC)和四个水平霍尔元件，这四个水平霍尔元件位于IMC外周附近，并且以90°的倍数间隔开。这些水平霍尔元件中的两个水平霍尔元件位于X轴上。每个传感器都是3D磁像素，能够测量相应传感器位置处的三个正交的磁场分量Bx、By、Bz。可从这些信号得出三个差或梯度，即Bx＝Bx2-Bx1、ΔBy＝By2-By1和ΔBz＝Bz2-Bz1。
图4是可在本发明的实施例中使用的、或与可在本发明的实施例中使用的结构类似的另一传感器结构的示意性框图。传感器结构包括在第一传感器位置X1处的第一传感器和在第二传感器位置X2处的第二传感器，第一传感器与第二传感器沿X轴以例如在1.0mm至3.0mm范围内、优选地在1.5mm至2.5mm范围内的距离Δx间隔开。每个传感器包括水平霍尔元件H1、H2和两个垂直霍尔元件，这两个垂直霍尔元件具有在垂直方向上定向的最大灵敏度的轴线，即一个X方向上的最大灵敏度的轴线，以及一个Y方向上的最大灵敏度的轴线。每个传感器都是3D磁像素，能够测量三个正交的磁场分量Bx、By、Bz。可从这些信号得出三个差或梯度，即Bx＝Bx2-Bx1、ΔBy＝By2-By1和ΔBz＝Bz2-Bz1。
在图4的变体中，每个传感器具有一个水平霍尔元件和两对垂直霍尔元件，一对具有如图2B中所示的在X方向上定向的最大灵敏度的轴线，一对具有如图2C中所示的在Y方向上定向的最大灵敏度的轴线。在功能上，该变体还具有两个3D磁像素，并且能够测量同样的信号，但Bx和By信号的信噪比(SNR)比图4的Bx和By信号的信噪比更好。
图5(a)示出角位置传感器系统500，该角位置传感器系统500包括可绕旋转轴线503旋转的圆柱形磁体501，以及安装在距旋转轴线503径向距离Rs处的传感器设备502。磁体501可以是轴向磁化或直径地磁化或径向磁化的环形磁体或盘状磁体(例如，轴向磁化或直径地磁化的两极环形磁体或盘状磁体)，或具有多于两个极(例如至少四个极或至少六个极或至少八个极)的轴向磁化或径向磁化的环形磁体或盘状磁体。传感器设备502包括垂直于旋转轴线503定向的衬底。具有三个正交轴X、Y、Z的坐标系被连接至传感器设备的衬底，使得X和Y平行于衬底，并且Z垂直于衬底，并且使得X轴与具有位于旋转轴线处的中心的虚拟圆相切，并且Z平行于旋转轴线503。
图5(b)示出可由图5(a)的传感器设备测得的磁场分量(Bx、By、Bz)与由磁体生成的磁场的轴向分量B轴向、径向分量B径向和切向分量B切向如何相关。
图5(c)示出角位置传感器系统550，该角位置传感器系统550包括可绕旋转轴线553旋转的圆柱形磁体551，以及安装在距旋转轴线553径向距离Rs处的传感器设备552。磁体551可以是轴向磁化或直径地磁化或径向磁化的环形磁体或盘状磁体，例如，轴向磁化或直径地磁化的两极环形磁体或盘状磁体，或具有多于两个极(例如至少四个极或至少六个极或至少八个极)的轴向磁化或径向磁化的环形磁体或盘状磁体。传感器设备552包括平行于旋转轴线定向的衬底。具有三个正交轴X、Y、Z的坐标系连接至传感器设备的衬底，使得X和Y平行于衬底，并且Z垂直于衬底，并且使得X轴与具有位于旋转轴线处的中心的虚拟圆相切，并且Y平行于旋转轴线553。
图5(d)示出可由图5(c)的传感器设备测得的磁场分量(Bx、By、Bz)与由磁体生成的磁场的轴向分量B轴向、径向分量B径向和切向分量B切向如何相关。
图5(a)的磁体501是具有顶表面511和底表面512的圆柱形磁体。传感器设备502被安装在磁体的顶表面511上方或底表面512下方的距离“g”(也被称为“气隙”)处。距离“g”可以是在从0.5mm至5.0mm的范围内的值。传感器设备502被安装在距磁体的旋转轴线503径向距离“Rs”处。径向距离Rs优选地小于外径Ro加20mm(Rs≤Ro+20mm)。磁体可具有从4.0mm至30mm的外径、以及在从4mm至20mm的范围内的高度，但本发明不限于此。
在本发明的实施例中，传感器设备优选地定位在磁体周围的位置处，其中三个磁场分量Bx、By、Bz的幅度“足够高”，或者其中三个磁场梯度dBx/dx、dBy/dx、dBz/dx的幅度“足够高”。“足够高”是指所述幅度中的一个幅度的比率是其他两个幅度的至少10％(或至少15％，或至少20％，或至少25％)。
例如，如果磁体是轴向磁化的磁体，并且传感器设备502位于“磁体上方”，则分量Bx和Bz通常具有相对大的幅度，而分量By则通常具有相对小的幅度。在本发明的优选实施例中，传感器设备优选地位于其中By的幅度是Bx的幅度的至少10％(或至少15％，或至少20％，或至少25％)并且是Bz的幅度的至少10％(或至少15％，或至少20％，或至少25％)的位置处(随着磁体围绕其轴线旋转)。对于约等于Ro的50％的Rs(在图5(a)的“区域1”和“区域2”之间)，通常不满足该条件。
作为另一示例，如果磁体是径向磁化或直径地磁化的磁体，并且传感器设备通过其衬底垂直于旋转轴线来被定向，并且被定位在“赤道附近”，即基本上位于磁体的顶表面和底表面之间的中间的轴向位置处，并且在例如Rs＝Ro+10mm的径向位置处，则信号By和Bx的幅度通常相对大，但信号B轴向的幅度通常相对低。在本发明的优选实施例中，传感器设备优选地位于其中Bz的幅度是By的幅度的至少10％(或至少15％，或至少20％，或至少25％)并且是Bx的幅度的至少10％(或至少15％，或至少20％，或至少25％)的位置处(随着磁体围绕其轴线旋转)。在靠近“赤道”处通常不满足该条件，而在更靠近顶表面或顶表面上方的轴向位置处，满足该条件。
虽然用可以由传感器设备502测得的分量Bx、By、Bz来解释，但其中“三个磁场分量Bx、By、Bz的幅度或三个磁场梯度dBx/dx、dBy/dx、dBz/dx的幅度足够高”的合适位置实际上是磁体的属性，而不是传感器设备的属性。对于任何给定的盘状或环形磁体的几何形状，都可以通过计算机仿真很容易地找到这样的位置，但据发明者所知，不存在描述这个区域的分析公式。
为了描述和理解本发明，假定合适的位置如图5(a)的灰色“区域1”和灰色“区域2”所示意性地指示。要理解本发明的原理不需要知道这些区域的确切边界。
同样的推理适用于图5(c)的角度传感器系统。取决于特定的磁体，将存在潜在的传感器位置，其中磁场分量Bx、By或Bz中的一个磁场分量的幅度小于其他两个幅度的10％(或小于15％，或小于20％，或小于25％)，或者其中磁场梯度dBx/dx、dBy/dx、dBz/dx中的一个磁场梯度的幅度小于其他两个幅度的10％(或小于15％，或小于20％，或小于25％)，这是不期望的。同样，在本发明的优选实施例中，传感器设备优选地相对于磁体位于其中所有三个磁场分量的幅度或所有三个磁场梯度的幅度都“足够大”的位置处。为了描述和理解本发明，假定合适的位置如图5(c)的灰色“区域1”和灰色“区域2”所示意性地指示。第一区域和第二区域的确切位置取决于磁体的尺寸，但受益于本公开的技术人员通过测试设置中的测量或通过执行计算机仿真，对于任何特定磁体都可以很容易地找到这些位置。
本发明的另一基本原理是，发现分量Bz和By既可以是“同相”(0°相移)，也可以是“反相”(180°相移)。但在两种情况下，都可以从信号Bx和Bz确定得出第一角度，并从信号Bx和By确定得出第二角度，并且可以通过测试第一角度和第二角度的一致性来检测误差。为了不使描述过于复杂，上述180°相移没有进一步完整描述，但受益于本公开的技术读者可以容易地考虑到它。
图6(a)和图6(b)分别以前视图和俯视图示出了角位置传感器系统600。角度传感器系统600包括圆柱形磁体601和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备602。磁体601可以是环形磁体或盘状磁体。传感器设备602可以使用如图6(c)中所示的传感器或使用如图6(d)中所示的传感器来实现。
磁体是永磁体。磁体具有带有底表面612和顶表面611的圆柱形形状。磁体可围绕旋转轴线603旋转。磁体可以是径向磁化或直径地磁化的磁体，或者是具有至少四个极对(也称为四极)或具有至少六个极对、或具有至少八个极对的轴向磁化的环形或盘状磁体。磁体具有外径Do、外半径Ro和高度H。如果磁体是环形磁体，则该磁体还具有内半径Ri。
传感器设备602具有衬底，例如，半导体衬底。具有三个轴X、Y、Z的正交坐标系固定到传感器设备。轴X和轴Y平行于衬底。轴Z垂直于衬底。方向X与具有位于旋转轴线603上的圆心的假想圆相切。
传感器设备602安装在相对于磁体的“离轴”位置中，并且定向成使得衬底垂直于磁体的旋转轴线603定向。
传感器设备602包括两个磁传感器：第一传感器S1、以及第二传感器S2。
传感器设备602相对于磁体601定位，使得第一传感器S1和第二传感器S2位于距磁体轴向距离“g”处，(在该示例中：在顶表面611上方)，并且位于距旋转轴线603径向距离“Rs”处)。径向距离Rs优选地位于如上所述的“第一区域”内或“第二区域”内，其中“三个磁场分量Bx、By、Bz的幅度或三个磁场梯度dBx/dx、dBy/dx、dBz/dx的幅度足够高”，如上文所解释。
图6(c)和图6(d)示出两个说明性传感器结构，这些传感器结构可以在传感器设备602中实现，但本发明不限于此，并且也可以使用其他传感器元件，例如MR(磁阻)元件。
传感器设备602的每个磁传感器S1、S2都能够测量三个正交的磁场分量，即：在第一方向X上定向的第一磁场分量Bx、在第二方向Z上定向的第二磁场分量Bz、以及第三磁场分量By。
在图6(c)中，六个磁场分量可以确定如下：
使用来自S1的信号：Bx1＝(h2-h1)；Bz1＝(h2+h1)；By1＝(h3-h4)；
使用来自S2的信号：Bx2＝(h4-h2)；Bz2＝(h4+h2)；By2＝(h7-h8)；
传感器设备602进一步包括处理电路，该处理电路可以被配置成用于执行以下步骤：
b)确定1402(例如，计算)由第一传感器S1和第二传感器S2提供的第一磁场分量Bx1、Bx2之间的第一差ΔBx12；以及用于
-确定由第一传感器S1和第二传感器S2提供的第二磁场分量Bz1、Bz2之间的第二差ΔBz12；以及用于
-确定由第一传感器S1和第二传感器S2提供的第三磁场分量By1、By2之间的第三差ΔBy12；以及用于
c)(例如，使用公式R1＝ΔBx12/ΔBz12)确定1403第一差ΔBx12与第二差ΔBz12的第一比率R1，并且(例如，使用公式：θ主要＝atan2(ΔBx12,K1*ΔBz12)，其中K1是预定义的常数)，基于第一比率R1来确定第一角度θ主要，并输出第一角度(θ主要)；
d)(例如，使用公式：R2＝ΔBx12/ΔBy12)确定1404第一差ΔBx12与第三差ΔBy12的第二比率R2；
e)(例如，使用公式θ辅助1＝atan2(ΔBx12,K2*ΔBy12)，其中K2是预定义的常数)基于第二比率R2来确定第二角度θ辅助1，将第一角度θ主要与第二角度θ辅助1进行比较以根据预定义的匹配准则验证它们是否匹配，并基于该比较输出诊断信号以指示是否检测到误差。
许多变体是可能的，例如：
-传感器设备可任选地输出第二角度θ辅助1；
-传感器设备可任选地输出第一比率R1和第二比率R2；
-传感器设备可以将第一比率R1与第二比率R2进行比较(任选地将每个比率乘以预定义的常数)，而不是计算第二角度并将第一角度与第二角度进行比较；
-传感器设备可以不由其自身执行比较，而是输出第一角度和第二角度，以允许外部处理器(例如，ECU，参见例如图14)执行该比较；
-传感器设备可以不由其自身执行比较，而是输出第一比率R1和第二比率R2，以允许外部处理器(例如，ECU，参见例如图14)执行该比较；
-如果传感器包括IMC和四个水平霍尔元件，则可以执行附加测试，从而增加可找到误差的概率。实际上，分量Bz1可被计算为(h1+h2)或被计算为(h3+h4)，这应当(在正常情况下)提供大约相同的结果。因此，通过测试(h1+h2)是否约等于(h3+h4)，可以检测到与霍尔元件H1至H4中的一个霍尔元件相关的误差。本文中，该测试被称为“Bz测试”。通过测试(h5+h6)是否约等于(h7+h8)，也可以对第二传感器S2执行类似的测试；
以及这些的组合。
可以使用比率的反正切函数来计算角度θ主要和θ辅助1。也可以使用具有插值的查找表来确定角度。
步骤(b)至(d)可以概括为：“基于ΔBx12和ΔBz12来计算第一角度θ主要，并且基于ΔBx12和ΔBy12来计算第二角度θ辅助1”。第一角度(也称为“主要角度”)是要被测得的角度；第二角度(也称为“辅助角度”)可用于检测误差。误差检测可由传感器设备自身执行或在传感器设备外部(例如，在ECU中)执行。
K1和K2的值可以通过执行校准测试来确定，并且可以存储在传感器设备的非易失性存储器中(参见例如图15)。K1的值可以被确定为径向位置Rs处的Bx和Bz的幅度的比率；并且K2的值可以被确定为径向位置Rs处的Bx和By的幅度的比率。为了完整性，注意，在将第一比率与第二比率进行比较时，因子K1和K2的使用可以是有用的，但并不是绝对必需的，例如，在使用其中由反正切函数确定的值通过分段线性近似进行调整的后处理步骤的情况下。
在实施例中，传感器设备可以确定并输出诊断信号，并且还任选地确定并输出第二角度θ辅助1。在另一实施例中，传感器设备自身不执行误差检测，并且仅输出第一角度θ主要和第二角度θ辅助1，而不输出诊断信号。
重要的是应注意，两个比率(和/或两个角度)都是基于磁场差(或梯度)来计算的，并且因此都对外部干扰场高度敏感。
在优选实施例中，两个传感器S1与S2之间的距离“dx”是在从1.0mm至3.0mm、或从1.5mm至2.5mm范围内的、例如等于约2.2mm的值。
到目前为止，主要描述了具有如图6(c)中所描绘的传感器结构的传感器设备的实施例，但本发明不限于此，并且也可以使用具有如图6(d)中所图示的传感器结构的传感器设备。以上关于具有如图6(c)所示的传感器结构的实施例所提到的任何内容也适用于此处，唯一的区别是以不同方式测量磁场分量。在图6(d)中，六个磁场分量可以确定如下：
使用来自S1的信号：Bx1＝v1；Bz1＝h1；By1＝v2；
使用来自S2的信号：Bx2＝v3；Bz2＝h2；By2＝v4；
但是在这里可以使用如上所述的用于差的相同公式。例如：
ΔBx12＝Bx2-Bx1；
ΔBz12＝Bz2-Bz1；
ΔBy12＝By2-By1；
并且如上所述的用于主要角度θ主要和用于辅助角度θ辅助1的相同公式也可适用于图5(d)的传感器结构。
在图6(a)中所示的角度传感器系统的变体(未示出)中，传感器设备602被定向成使得其衬底平行于磁体的旋转轴线。如6(c)和图6(d)中所示的相同传感器结构、以及如图6(e)和图6(f)中所示的相同公式可用于确定角位置，但K1和K2的值(如果使用)可以不同。
图7(a)至图7(f)示出角位置传感器系统700，该角位置传感器系统700可以被视作图6(a)至图6(f)的传感器系统600的变体。角位置传感器系统700包括圆柱形磁体701和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备702。传感器设备702可以使用如图7(c)中所示的传感器或使用如图7(d)中所示的传感器来实现。
传感器设备702a、702b可以使用与传感器设备602a、602b的相同传感器结构，但替代于计算θ辅助1，或附加于计算θ辅助1，该传感器设备被配置(或被进一步被配置)成用于计算辅助角度θ辅助2a＝atan2(ΔBx12,K3*ΔBc12)，其中ΔBc12＝(Bc2-Bc1)，并且Bc1＝Bz1-By1，并且Bc2＝Bz2-By2。当传感器设备位于其中信号Bz和By反相的位置Rs处时，这尤其有用。本实施例底层的主要思想是，Bc1＝(Bz1-By1)的值更大(绝对值)，并且基于两个测量的组合，并且可具有与By1和Bz1中的任何一者相比的改进的信噪比(SNR)。类似地，值Bc2可具有与Bz2和By2中的任何一者相比的改进的SNR。但更重要地，ΔBc12的SNR可比ΔBz12和ΔBy12中的任何一者的SNR更好。在使用更准确的信号时，匹配的比较也可以更准确，并且因此检测到误差(和/或避免假失配)的可能性也可以被改进。
在传感器设备位于其中信号Bz和By“反相”的径向位置Rs处的情况下，可以使用以下公式计算辅助角度θ辅助2b：θ辅助2b＝atan2(ΔBx12,K4*ΔBd12)，其中ΔBd12＝(Bd2-Bd1)，并且Bd1＝Bz1+By1，并且Bd2＝Bz2+By2。主要优势是，Bd1＝(Bz1+By1)的值大于By1和Bz1，并且同样地，Bd2＝(Bz2+By2)的值大于By2和Bz2，并且因此ΔBd12的值可以比ΔBz12或ΔBy12的准确性更准确。
在实施例中，传感器设备可以计算主要角度θ主要(基于ΔBx和ΔBz)、以及辅助角度θ辅助1(基于ΔBx和ΔBy)、以及辅助角度θ辅助2a(基于ΔBx和ΔBc)和θ辅助2b(基于ΔBx和ΔBd)中的一者或两者。同样，实际上不要求计算角度值以便检测误差，而是将从其中得出的比率进行比较就已足够。因此，为了检测误差，可以使用以下测试中的一个或多个测试：测试是否θ主要≈(θ辅助2)，和/或测试是否(K1*ΔBz12)≈(K3*ΔBc12)，和/或测试是否(K1*ΔBz12)≈(K4*ΔBd12)，其中K1、K3和K4是预定义的常数，这些常数可以通过仿真或在校准期间确定，并且可以被存储在非易失性存储器中。替代地，不使用值K1、K3、K4，而是使用分段线性近似对由反正切函数提供的值进行后处理。
在图7(a)中所示的角度传感器系统的变体(未示出)中，传感器设备702被定向成使得其衬底平行于磁体的旋转轴线。如7(c)和图7(d)中所示的相同传感器结构、以及如图7(e)和图7(f)中所示的相同公式可用于确定角位置。
图8(a)至图8(d)示出角度传感器系统800，该角度传感器系统800可以被视作图7(a)至图7(f)的角度传感器系统700的变体。角度传感器系统800包括圆柱形磁体801和“离轴位置”中的磁传感器设备802。传感器设备802可以使用如图8(c)中所示的传感器或使用如图8(d)中所示的传感器来实现。
主要区别是，设备802a的传感器包括IMC和仅三个水平霍尔元件，而不是如图7(c)中的IMC和四个水平霍尔元件。发明者发现，实际上不要求测量Bz1和By1、以及通过将Bz1和By1相减来确定Bc1(如图7(c)中所进行的)，但Bc1的值(或与其成比例的值)实际上可以通过水平霍尔元件H4直接测量，如图8(c)中所进行的。因此，可以省略传感器元件H3。令人惊讶的是，仅具有三个霍尔元件的传感器S1可以提供信号Bx1、Bz1和Bc1。同样，图7(c)的传感器元件H7可以被省略，而仅具有三个霍尔元件的传感器S2可以提供信号Bx2、Bz2和Bc2。图7(e)至图7(f)的相同公式可适用。因此，传感器设备802a能够确定第一角度θ主要(基于ΔBx和ΔBz)、以及辅助角度θ辅助1(基于ΔBx和ΔBy)、以及辅助角度θ辅助2a(基于ΔBx和ΔBc)。设备802a可以提供如上所提及的相同优势：以对外部干扰场高度敏感的方式测量第一角度，并且以同样对外部干扰场高度敏感的方式检测误差，但还提供了附加优势：设备802a仅需要六个水平霍尔元件，因此需要更少的偏置、更少的读取、更少的数字化和更少的处理。传感器设备802a非常适合安装在其中信号Bz和By“反相”的位置。
设备802b与设备802a非常类似，并且也包含两个传感器，每个传感器具有IMC和仅三个水平霍尔元件。设备802b可以被视为图7(d)的设备702b的变体，其中传感器元件H4和H8被省略。传感器设备802a能够确定第一角度θ主要(基于ΔBx和ΔBz)、以及辅助角度θ辅助1(基于ΔBx和ΔBy)、以及辅助角度θ辅助2b(基于ΔBx和ΔBd)。设备802a可以提供如上所述的相同优势：以对外部干扰场高度敏感的方式测量第一角度θ主要，并且以同样对外部干扰场高度敏感的方式检测误差，但还提供了附加优势：设备802a仅需要六个水平霍尔元件，因此需要更少的偏置、更少的读取、更少的ADC和更少的处理。传感器设备802b非常适合安装在其中信号Bz和By“反相”的位置。
在图8(a)中所示的角度传感器系统的变体(未示出)中，传感器设备802被定向成使得其衬底平行于磁体的旋转轴线。如8(c)和图8(d)中所示的相同传感器结构、以及如图8(e)和图8(f)中所示的相同公式可用于确定角位置。
图9(a)至图9(f)示出角位置传感器系统900，该角位置传感器系统900可以被视作图6(a)至图6(f)的传感器系统600的变体。系统900也包括圆柱形磁体901和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备902。传感器设备902可以使用如图9(c)中所示的传感器或使用如图9(d)中所示的传感器来实现。传感器设备902与传感器设备602之间的主要区别在于传感器设备902包括三个磁传感器S1、S2、S3，每个传感器都是3D磁像素。
三个传感器可以位于直线上，但这不是绝对必需的。三个传感器可以等距地间隔开，但这也不是绝对必需的。
在替代性实施例中，三个传感器位于三角形(未示出)的角处。在特定实施例中，三角形具有底(B)、以及垂直于底的高(H)，并且高与底的比率(H/B)小于20％。在另一实施例或进一步实施例中，底具有在1.0mm至3.0mm范围内、或在1.25mm至2.75mm范围内、或在1.5mm至2.5mm范围内的长度；并且具有小于0.5mm、或小于0.4mm、或小于0.3mm的高；并且第一传感器S1和第二传感器S2位于底上，并且第三传感器位于“顶”上。三角形可以是等腰三角形，但这不是绝对必需的。
在图6(a)至图7(f)中适用于两个传感器的、如上所述的公式也可以应用于图9(a)的设备中，但应用三次：用于S1和S2(也称为“外部传感器”)、用于S1和S3、以及用于S2和S3。如图9中可见的，这导致可以被执行以检测误差的大量测试。
在该方面中，应注意，优选地使用差信号ΔBx12和ΔBz12来计算主要角度(该主要角度被输出)，差信号ΔBx12和ΔBz12从间隔最远的两个外部传感器S1和S2获得。
应领会，例如，从根据传感器S1和S3获得的信号得出的角度(例如，θ辅助13a或θ辅助13b)将与从根据传感器S2和S3获得的信号得出的角度(例如，θ辅助32a或θ辅助32b)轻微偏移，并且将与主要角度轻微偏离。然而，如果三个传感器位于直线上并且等距地间隔开，使得S3定位在S1与S2之间的中间处，则θ辅助13a和θ辅助32a的平均通常不会相对于主要角度偏移。
在其中三个传感器位于直线上并且其中第三传感器S3位于第一传感器与第二传感器之间的中间处的特定实施例中，上文还没有描述的辅助角度θ辅助4可以使用以下公式来计算：
θ辅助4＝atan2[(ΔBx32-ΔBx13),K10*(ΔBz32-ΔBz13)]，并且另一角度θ辅助5可以使用以下公式来计算：θ辅助5＝atan2[(ΔBx32-ΔBx13),K11*(ΔBy32-ΔBy13)]，其中K10和K11是可以通过仿真或校准确定的预定义的常数，但并不是如上文已描述的绝对必需的。这些角度θ辅助4和θ辅助5应提供与主要角度θ主要相同的结果，而没有偏移。
在图9(a)中所示的角度传感器系统的变体(未示出)中，传感器设备902被定向成使得其衬底平行于磁体的旋转轴线。如9(c)和图9(d)中所示的相同传感器结构、以及如图9(e)和图9(f)中所示的相同公式可用于确定角位置。
图10(a)至图10(f)示出角位置传感器系统1000，该角位置传感器系统1000可以被视作图9(a)至图9(f)的变体。角位置传感器系统1000包括圆柱形磁体1001和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备1002。传感器设备1002可以使用如图10(c)中所示的传感器或使用如图10(d)中所示的传感器来实现。传感器设备1002与传感器设备902之间的主要区别在于，传感器设备1002具有三个磁传感器，但一些磁传感器是2D磁像素，而一些磁传感器是3D磁像素。
在所示出的示例中，基于从由第一传感器S1和第二传感器S2提供的信号得出的差信号ΔBx12和ΔBz12来确定主要角度θ主要；并且基于由第二传感器S2和第三传感器S3提供的差信号ΔBx23和ΔBy23来确定辅助角度θ辅助。如上文所提及，实际上不需要计算角度以便检测误差，而是将第一比率与第二比率进行比较就已足够。
图10(c)的传感器设备1002a具有一个2D磁像素和两个3D磁像素。图10(d)的传感器设备1002b具有两个2D磁像素和一个3D磁像素。
在图10(a)中所示的角度传感器系统的变体(未示出)中，传感器设备1002被定向成使得其衬底平行于磁体的旋转轴线。如10(c)和图10(d)中所示的相同传感器结构、以及如图10(e)和图10(f)中所示的相同公式可用于确定角位置。
图11(a)至图11(d)示出角位置传感器系统1100，该角位置传感器系统1100可以被视作图9(a)至图9(f)的传感器系统的另一变体。角位置传感器系统1100包括圆柱形磁体1101和安装在“离轴位置”中的磁传感器设备1102。传感器设备1102可以使用如图11(c)中所示的传感器或使用如图11(d)中所示的传感器来实现。传感器设备1102与传感器设备902之间的主要区别在于，传感器设备1102具有四个磁传感器S1至S4，这四个磁传感器可以是2D磁像素或3D磁像素或其混合。图11(c)的传感器设备1102a具有两个2D磁像素和两个3D磁像素。图11(d)的传感器设备1102b具有四个2D磁像素。与以上所述的相同或类似的公式加以必要修改也适用于此。设备1102能够确定角位置，并且能够检测误差，或提供用于允许外部处理器检测误差的信号。
在图11(a)中所示的角度传感器系统的变体(未示出)中，传感器设备1102被定向成使得其衬底平行于磁体的旋转轴线。如图11(c)和图11(d)中所示的相同传感器结构可用于确定角位置。
图12(a)示出了包括细长磁结构1201和磁传感器设备1202的线性传感器系统1200，细长磁结构1201包括多个交替磁极，磁传感器设备1202包括相对于磁结构可移动的衬底。传感器设备1202具有垂直于磁结构内部的剩余磁场而定向的衬底。
传感器设备1102优选地定位于从磁结构的中间偏移的横向位置(在Y方向上)处。优选地，横向偏移是至少0.5mm或至少1.0mm，但偏移在0.5mm至5.0mm、或在1.0mm至4.0mm的范围内。
在图6(a)至图11(d)中如上所述的相同传感器结构和相同公式可以被使用。除了确定角位置之外，线性传感器设备1202的处理电路通常会被配置成用于进一步以已知方式将角位置转换为线性位置，已知方式例如使用倍增因子，并且在磁体具有多个极的情况下，通过考虑到极间距来将角位置转换为线性位置。
图13A图示出线性位置传感器系统1300，线性位置传感器系统1300可被视作图12的线性位置传感器系统1200的特例或变体，其中磁体1301是两极磁体，而不是包括多个交替磁极的磁结构。
图13B示出线性位置传感器系统1320，线性位置传感器系统1320可被视作图12(a)的线性位置传感器系统1200的另一变体。
图13C示出线性位置传感器系统1340，线性位置传感器系统1340可被视作图12(a)的线性位置传感器系统1200的又另一变体。
在图13A至图13C的所有实施例中，传感器设备可相对于磁体在X方向上移动，或者磁体可相对于传感器设备沿X方向移动，并且传感器设备可以以对外部干扰场高度敏感的方式确定线性位置，并且可以检测误差。
图14示出方法1400的流程图，该方法1400可由角位置传感器系统600的位置传感器设备602或其变体执行。传感器设备602包括衬底，该衬底具有在X方向上间隔开的两个传感器S1、S2。这些传感器中的每个传感器都能够测量三个正交的磁场分量Bx、By、Bz。方法包括以下步骤：
a)通过第一传感器和第二传感器S1、S2中的每个传感器来测量1401在第一方向X上定向的第一磁场分量Bx1、Bx2，以及测量在垂直于第一方向X的第二方向Z上定向的第二磁场分量Bz1、Bz2，以及测量在垂直于第一方向和第二方向X、Z的第三方向Y上定向的第三磁场分量By1、By2；
b)确定1402第一磁场分量Bx1、Bx2之间的第一差ΔBx12；以及确定第二磁场分量Bz1、Bz2之间的第二差ΔBz12；以及确定第三磁场分量By1、By2之间的第三差ΔBy12；
c)确定1403第一差ΔBx12与第二差ΔBz12的第一比率R1，以及基于第一比率R1来确定第一角度θ主要，并输出第一角度θ主要；
d)确定1404第一差ΔBx12与第三差ΔBy12的第二比率R2；
e)任选地基于第二比率R2来确定第二角度θ辅助；
任选地将第一角度θ主要与第二角度θ辅助进行比较，从而产生第一结果；
任选地将第一比率R1与第二比率R2进行比较，从而产生第二结果；
输出1405以下各项中的至少一项：第二角度θ辅助、第一比率R1和第二比率R2、基于第一结果和/或第二结果的诊断信号。
如上所述，尤其是在图6(a)至图11(d)中，该方法的许多变体是可能的。
图15示出可在上述位置传感器设备中使用的电路的电气框图，但本发明不限于此，并且也可以使用其他框图。
电路1510包括多个磁传感器元件、以及处理单元1530、以及非易失性存储器1531。该框图可用于例如具有像图6(c)的传感器结构那样的传感器结构的传感器设备中，该传感器设备包括八个水平霍尔元件H1至H8，但本发明不限于此。例如，在传感器设备具有像图6(d)的传感器结构那样的传感器结构的情况下，传感器设备将包括两个水平霍尔元件和四个垂直霍尔元件。在传感器设备具有像图8(c)或图8(d)的传感器结构那样的传感器结构的情况下，传感器设备将仅包括六个水平霍尔元件。在传感器设备具有像图9(c)的传感器结构那样的传感器结构的情况下，传感器设备将包括十二个水平霍尔元件等。并且如上所述，使用磁阻(MR)元件也是可能的。
处理单元1530可以被配置成用于执行如上所述的方法1400或其变体。传感器设备1510可以借助于一个或多个有线或无线方式(例如经由射频链路RF或红外链路IR)连接到第二处理器1540，例如连接到电子控制单元1540(ECU)。
传感器设备输出至少一个主要角度θ主要。取决于哪种方法被实现，传感器设备1510还可输出如上所述的以下值中的一者或多者：θ辅助12、θ辅助23、θ辅助12和θ辅助23的平均、θ辅助3等。传感器设备可在设备内部执行匹配或一致性检查，并且提供测试结果作为诊断信号，但这不是绝对必需的，并且让外部处理器1540执行比较或一致性检查也是可能的。
处理单元1530可以包括数字处理器，数字处理器可以任选地包括或连接到非易失性存储器1531。该存储器可以被配置成用于存储一个或多个常量(例如，阈值的偏移值ε12、ε23中的一者或多者)，以用于确定角度是否匹配或过度偏离上文所述的K因子中的一者或多者等。数字处理器可以是例如8比特处理器或16比特处理器。
虽然未明确示出，但电路1510可以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：偏置源(例如，电流源、电压源)、放大器、差分放大器、模数转换器(ADC)等。ADC可具有至少8比特或至少10比特或至少12比特或至少14比特或至少16比特的分辨率。这些组件在本领域中是众所周知的，并且因此这里不需要更详细描述。

Claims (20)

1.一种位置传感器设备，包括：
衬底，所述衬底包括在第一方向(X)上间隔开的第一磁传感器和第二磁传感器(S1、S2)，每个磁传感器能够测量三个正交磁场分量(Bx、By、Bz)，所述三个正交磁场分量包括在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)、在垂直于所述第一方向的第二方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz)、以及在垂直于所述第一方向(X)并垂直于所述第二方向(Z)的第三方向(Y)上定向的第三磁场分量(By)；
处理电路，所述处理电路连接至所述第一磁传感器和所述第二磁传感器，并且被配置成用于：
a)通过所述第一磁传感器和所述第二磁传感器(S1、S2)中的每个磁传感器来测量(1401)在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx1、Bx2)，以及在所述第二方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz1、Bz2)，
以及在所述第三方向(Y)上定向的第三磁场分量(By1、By2)；
b)确定(1402)所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)之间的第一差(ΔBx12)，
以及所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)之间的第二差(ΔBz12)，以及所述第三磁场分量(By1、By2；Bc1、Bc2)之间的第三差(ΔBy12；ΔBc12)；
c)确定(1403)所述第一差(ΔBx12)与所述第二差(ΔBz12)的第一比率(R1)，以及基于所述第一比率(R1)来确定第一角度(θ主要)，
并输出所述第一角度(θ主要)；
d)确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12、ΔBc12)的第二比率(R2)；或确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12)和所述第二差(ΔBz12)的线性组合的第二比率(R2)；
e)任选地基于所述第二比率(R2)来确定第二角度(θ辅助)，任选地将所述第一角度(θ主要)与所述第二角度(θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将所述第一比率(R1)与所述第二比率(R2)进行比较，从而产生第二结果；
以及输出(1405)以下各项中的至少一项：所述第二角度(θ辅助)、所述第一比率和所述第二比率(R1、R2)、基于所述第一结果和/或所述第二结果的诊断信号。
2.如权利要求1所述的位置传感器设备，
其中步骤d)包括：确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12)的第二比率(R2)；并且
其中步骤e)包括：基于所述第二比率(R2)来确定第二角度(θ辅助)；以及输出以下各项中的至少一项：所述第二角度(θ辅助)、基于所述第一角度(θ主要)与所述第二角度(θ辅助)的比较的诊断信号。
3.如权利要求1所述的位置传感器设备，
其中步骤d)包括：确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12)的第二比率(R2)；并且
其中步骤e)包括：输出(1405)以下各项中的至少一项：所述第一比率和所述第二比率(R1、R2)、基于所述第一比率(R1)和所述第二比率(R2)的比较的诊断信号。
4.如权利要求1所述的位置传感器设备，
其中步骤d)包括：确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12)和所述第二差(ΔBz12)的线性组合的第二比率(R2)；
其中步骤e)包括：基于所述第二比率(R2)来确定第二角度(θ辅助)；以及输出以下各项中的至少一项：所述第二角度(θ辅助)、基于所述第一角度(θ主要)与所述第二角度(θ辅助)的比较的诊断信号。
5.如权利要求1所述的位置传感器设备，
其中步骤d)包括：确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12)和所述第二差(ΔBz12)的线性组合的第二比率(R2)；
其中步骤e)包括：输出(1405)以下各项中的至少一项：所述第一比率和所述第二比率(R1、R2)、基于所述第一比率(R1)与所述第二比率(R2)的比较的诊断信号。
6.如权利要求1所述的位置传感器设备，
其中所述传感器中的一个或多个传感器或每个传感器包括集成磁聚集器IMC和布置在所述IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器或每个传感器包括集成磁聚集器IMC和以90°的倍数成角度地间隔开的三个水平霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器或每个传感器包括集成磁聚集器IMC和以90°的倍数成角度地间隔开的四个水平霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器包括水平霍尔元件和单个垂直霍尔元件或位于所述水平霍尔元件的相对侧上的一对两个垂直霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器包括具有彼此垂直的最大灵敏度方向的两个垂直霍尔元件。
7.如权利要求1所述的位置传感器设备，
其中每个传感器包括集成磁聚集器IMC和以90°的倍数成角度地间隔开的四个水平霍尔元件，所述四个水平霍尔元件由沿所述第一方向(X)间隔开的第一霍尔元件和第二霍尔元件(H1、H2)以及在垂直于所述第一方向(X)的方向(Y)上间隔开的第三霍尔元件和第四霍尔元件(H3、H4)组成；
其中基于从所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件(H1、H2)获得的信号来计算所述第一角度；
并且其中所述传感器设备进一步被配置成用于确定作为从所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件获得的信号的总和的第一总和(sum1)，并且用于计算作为从所述第三霍尔元件和所述第四霍尔元件获得的信号的总和的第二总和(sum2)，并且用于在确定所述诊断信号时考虑所述第一总和与所述第二总和的匹配。
8.一种位置传感器设备，包括：
衬底，所述衬底包括在第一方向(X)上间隔开的至少三个磁传感器中的多个磁传感器，
每个磁传感器(S1、S2、S3)都能够测量至少两个正交的磁场分量，
所述至少两个正交的磁场分量包括在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx)、以及在垂直于所述第一方向并垂直于所述衬底的第二方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz)和在垂直于所述第一方向并平行于所述衬底的第三方向(Y)上定向的第三磁场分量(By)中的一者或两者；
处理电路，所述处理电路连接至所述至少三个磁传感器，并且被配置成用于：
a)通过第一对所述传感器(图7B：S1、S2)来测量在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx1、Bx2)和在所述第二方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz1、Bz2)；
b)通过第二对所述传感器(图7B：S3、S2)来测量在所述第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx3、Bx2)和在所述第三方向(Y)上定向的第三磁场分量(By3、By2)；
c)确定所述第一对的所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)之间的第一差(ΔBx12)，以及所述第一对的所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)之间的第二差(ΔBz12)；
d)确定(1403)所述第一差(ΔBx12)与所述第二差(ΔBz12)的第一比率(R1)，以及基于所述第一比率(R1)来确定第一角度(θ主要)，并输出所述第一角度(θ主要)；
e)确定所述第二对的所述第一磁场分量(Bx3、Bx2)之间的第三差(ΔBx32)，以及所述第二对的所述第三磁场分量(By3、By2)之间的第四差(ΔBy32)；
f)确定(1404)所述第三差(ΔBx32)与所述第四差(ΔBy32)的第二比率(例如，R2)；
g)任选地基于所述第二比率(R2)来确定第二角度(θ辅助)，任选地将所述第一角度(θ主要)与所述第二角度(θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将所述第一比率(R1)与所述第二比率(R2)进行比较，从而产生第二结果；
以及输出(1405)以下各项中的至少一项：所述第二角度(θ辅助)、所述第一比率和所述第二比率(R1、R2)、基于所述第一结果和/或所述第二结果的诊断信号。
9.如权利要求8所述的位置传感器设备，
其中所述至少三个传感器位于直线上；
或者其中所述至少三个传感器位于三角形的角处。
10.如权利要求8所述的位置传感器设备，
其中所述传感器中的一个或多个传感器或每个传感器包括集成磁聚集器IMC和布置在所述IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器或每个传感器包括集成磁聚集器IMC和以90°的倍数成角度地间隔开的三个水平霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器或每个传感器包括集成磁聚集器IMC和以90°的倍数成角度地间隔开的四个水平霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器包括水平霍尔元件和单个垂直霍尔元件或位于所述水平霍尔元件的相对侧上的一对两个垂直霍尔元件；
或者其中所述传感器中的一个或多个传感器包括具有彼此垂直的最大灵敏度方向的两个垂直霍尔元件。
11.如权利要求8所述的位置传感器设备，
其中每个传感器包括集成磁聚集器IMC和以90°的倍数成角度地间隔开的四个水平霍尔元件，所述四个水平霍尔元件由沿所述第一方向(X)间隔开的第一霍尔元件和第二霍尔元件(H1、H2)以及在垂直于所述第一方向(X)的方向(Y)上间隔开的第三霍尔元件和第四霍尔元件(H3、H4)组成；
其中基于从所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件(H1、H2)获得的信号来计算所述第一角度；
并且其中所述传感器设备进一步被配置成用于确定作为从所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件获得的信号的总和的第一总和(sum1)，并且用于计算作为从所述第三霍尔元件和所述第四霍尔元件获得的信号的总和的第二总和(sum2)，并且用于在确定所述诊断信号时考虑到所述第一总和与所述第二总和的匹配。
12.一种磁位置传感器系统，包括：
-磁源，所述磁源用于生成具有至少两个磁极的磁场；
-如权利要求1所述的位置传感器设备，所述位置传感器设备能相对于所述磁源移动，或者所述磁源能相对于所述位置传感器设备移动。
13.如权利要求12所述的磁位置传感器系统，
其中所述磁源是能够绕旋转轴线旋转的永磁体；并且
其中所述位置传感器设备安装在距所述旋转轴线非零径向距离(Rs)处，并且被定向成使得所述第一方向(X)与具有在所述旋转轴线上的中心的假想圆相切。
14.如权利要求12所述的磁位置传感器系统，
其中所述磁源是两极磁体，或者是在纵向方向上延伸并且包括多个至少两个交替磁极对的细长结构；并且
其中所述位置传感器设备在距所述磁源非零距离处能在纵向方向上移动。
15.如权利要求12所述的磁位置传感器系统，
进一步包括第二处理器(ECU)，所述第二处理器(ECU)通信地连接到所述位置传感器设备，并且被配置成用于执行以下操作中的一者：
i)接收所述第一角度(θ主要)；
ii)接收以下各项中的一项或多项：所述第二角度(θ辅助)、所述第一比率(R1)和所述第二比率(R2)、指示误差的诊断信号。
16.一种磁位置传感器系统，包括：
-磁源，所述磁源用于生成具有至少两个磁极的磁场；
-如权利要求8所述的位置传感器设备，所述位置传感器设备能相对于所述磁源移动，或者所述磁源能相对于所述位置传感器设备移动。
17.如权利要求16所述的磁位置传感器系统，
其中所述磁源是能够绕旋转轴线旋转的永磁体；并且
其中所述位置传感器设备安装在距所述旋转轴线非零径向距离(Rs)处，并且被定向成使得所述第一方向(X)与具有在所述旋转轴线上的中心的假想圆相切。
18.如权利要求16所述的磁位置传感器系统，
其中所述磁源是两极磁体，或者是在纵向方向上延伸并且包括多个至少两个交替磁极对的细长结构；并且
其中所述位置传感器设备在距所述磁源相距非零距离处能在纵向方向上移动。
19.如权利要求16所述的磁位置传感器系统，
进一步包括第二处理器(ECU)，所述第二处理器(ECU)通信地连接到所述位置传感器设备，并且被配置成用于执行以下操作中的一者：
i)接收所述第一角度(θ主要)；
ii)接收以下各项中的一项或多项：所述第二角度(θ辅助)、所述第一比率(R1)和所述第二比率(R2)、指示误差的诊断信号。
20.一种基于从第一传感器和第二传感器(S1、S2)获得的信号来确定线性位置或角位置的方法(1400)，所述第一传感器和所述第二传感器(S1、S2)在第一方向(X)上间隔开，每个都能够测量三个正交的磁场分量(Bx、By、Bz)；所述方法包括以下步骤：
a)通过所述第一传感器和所述第二传感器(S1、S2)中的每个传感器来测量(1401)在第一方向(X)上定向的第一磁场分量(Bx1、Bx2)、以及在垂直于所述第一方向(X)的第二方向(Z)上定向的第二磁场分量(Bz1、Bz2)、以及在垂直于所述第一方向和所述第二方向(X、Z)的第三方向(Y)上定向的第三磁场分量(By1、By2)；
b)确定(1402)所述第一磁场分量(Bx1、Bx2)之间的第一差(ΔBx12)，以及所述第二磁场分量(Bz1、Bz2)之间的第二差(ΔBz12)，以及所述第三磁场分量(By1、By2)之间的第三差(ΔBy12)；
c)确定(1403)所述第一差(ΔBx12)与所述第二差(ΔBz12)的第一比率(R1)，以及基于所述第一比率(R1)来确定第一角度(θ主要)，并输出所述第一角度(θ主要)；
d)确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12、ΔBc12)的第二比率(R2)；或确定(1404)所述第一差(ΔBx12)与所述第三差(ΔBy12)和所述第二差(ΔBz12)的线性组合的第二比率(R2)；
e)任选地基于所述第二比率(R2)来确定第二角度(θ辅助)，任选地将所述第一角度(θ主要)与所述第二角度(θ辅助)进行比较，从而产生第一结果；任选地将所述第一比率(R1)与所述第二比率(R2)进行比较，从而产生第二结果；
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