CN117990129A - 位置传感器系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及位置传感器系统。位置传感器系统的一个示例包括磁体组件(1)，磁体组件分别具有至少一个北极(2)和南极(4)。第一传感器(10)与磁体组件(1)间隔开，其中第一传感器(10)包括四个在第一全桥电路中互相连接并且对于第一场方向(22)敏感的磁阻元件，其中第一全桥电路的第一分支(12)的两个磁阻元件(12a、12b)以多于0.5mm的间距(16)布置，并且其中第一全桥电路的第二分支(14)的两个磁阻元件(14a、14b)以间距(16)布置。磁体组件(1)和传感器(10)能够在测量方向(20)上相对于彼此运动。

Description

位置传感器系统

技术领域

实施例涉及具有传感器和磁体组件的位置传感器系统。

背景技术

用于线性位置和运动检测的位置传感器系统具有许多应用。

通常，这种位置传感器系统基于对磁场的测量，对此例如使用测量几何形状已知的磁场组件的磁场的线性霍尔和3D磁场传感器。传统的线性霍尔和3D磁场传感器是单个单元传感器，并且因此相对于杂散场具有较小的鲁棒性。可能存在的外部磁场干扰待测量的磁场的场并且因此可能导致错误的位置信息。

这些问题可能例如在车辆的电传动系中出现，其中用于驱动车辆的电动马达部分地产生非常强的磁场。

存在对改进位置传感器系统的需求。

发明内容

该需求通过根据本申请的主题来满足。

位置传感器系统例如包括磁体组件，磁体组件分别具有至少一个北极和南极。第一传感器与磁体组件间隔开，其中第一传感器包括四个在第一全桥电路中互相连接的并且对于第一场方向敏感的磁阻(MR)元件，其中第一全桥电路的第一分支的两个磁阻元件以多于0.5mm的间距布置，并且其中第一全桥电路的第二分支的两个磁阻元件以所述间距布置。磁体组件和所述传感器在测量方向上可相对于彼此运动。

在一个分支内的磁阻元件彼此之间的间距引起已经在桥电路自身内对杂散场的补偿，这些杂散场分别同相地并且以相同的强度与两个磁阻元件叠加并且因此基于桥电路的测量原理进行补偿。同时，桥电路的同向作用的磁阻元件可以关于待测量的磁场的相位位置处于相同位置。由此，该测量结果可以比如下的其他解决方案更精确：其他解决方案具有两个分支彼此的空间错位，进而具有磁阻元件在分离的分支内所处的位置之间的磁场的相位差。

附图说明

下面参照附图仅示例地更详细阐述装置和/或方法的一些示例。示出了：

图1示出位置传感器系统的两个实施例；

图2a示出用于位置传感器系统的传感器的实施例；

图2b示出用于位置传感器系统的第一传感器和第二传感器的实施例，

图2c示出图2a和图2b的传感器的布局的两个示例；

图3a-图3e示出位置传感器系统的实施例的磁场分量和由此得到的测量值以及位置确定的误差的图示；以及

图4a-图4b示出传统的位置传感器系统及其测量误差的图示。

具体实施方式

现在将更详细地参考附图描述一些示例。然而另外的可能的示例不限于这些详细描述的实施方式的特征。这些可以具有特征的修改以及特征的类似物和替代物。此外，本文中用于描述特定示例的术语并不旨在限制另外的可能的示例。

在对附图的整个描述中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件或特征，这些元件或特征可以分别相同地或者还以改变的形式实现，而这些元件或特征提供相同或相似的功能。此外，为了清楚起见，在附图中，线、层的厚度和/或区域可以被夸大。

当使用“或”组合两个元件A和B时，应当理解公开了所有可能的组合，即，仅A、仅B、以及A和B，除非在个别情况下明确地另外限定。作为用于相同组合的替代性表述，可以使用“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。这等同地适用于两个以上元件的组合。

如果使用单数形式，例如“一”、“一个”和“该”，并且仅单个元件的使用未被明确地或隐含地限定为是强制性的，则另外的示例也可以使用多个元件来实现相同的功能。当在下文中将功能描述为使用多个元件来实现时，另外的示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。还应理解的是，当使用术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”时，这些术语描述指定的特征、整数、步骤、操作、过程、元件、组件和/或其群组的存在，但在此不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、过程、元件、组件和/或其群组的存在或添加。

图1示出位置传感器系统的两个实施例。

位置传感器系统包括磁体组件1，所述磁体组件分别具有至少一个北极2和南极4。在图1的实施例中，作为用于绝对位置确定的系统的一种可能实现方式，示出具有单个偶极磁体1的系统。然而，在其他实施例中，也可以使用具有多个交替的北极和南极的磁体组件，这些磁体组件具有更大的长度，并且不仅可以用作用于线性位置确定的磁体组件而且可以用于角度确定。

以下不仅讨论具有一个传感器的实现方式而且讨论具有两个传感器的实现方式，其中，首先，为了阐述功能原理，仅考虑单个第一传感器10。第一传感器10与磁体组件1间隔开。从传感器10到磁体组件1的最小间距18也被称为气隙(空隙)。磁体组件1和传感器10可沿着测量方向20彼此相对运动，并且磁体组件1与传感器10之间的相对位置应由位置传感器系统来确定。为此，传感器测量特性、例如磁场的各个分量，并且可选的评估设备或评估逻辑由此确定相对位置。

第一传感器10利用其元件在原理图中在图2a中呈现，并且其具有四个在第一全桥电路中互相连接的磁阻元件12a、12b、14a和14b。第一传感器10对第一磁场方向22敏感，因此传感器10的所有磁阻元件12a、12b、14a和14b中的固定磁化层(钉扎层)具有在与其对应的方向上的磁化。第一全桥电路的第一分支12的两个磁阻元件12a、12b彼此以多于0.5mm的间距16布置。第一全桥电路的第二分支14的两个磁阻元件14a、14b也彼此以该间距16布置。

不同于传统的，在图2a的传感器中，磁阻元件12a、12b和14a、14b在一个分支内各自以宏观尺度上彼此间隔开并且多于0.5mm。在此，宏观尺度理解为磁场在该尺度上发生显著变化，也就是说，该尺度与磁体1的尺寸相关。与此不同，微观尺度理解为描述半导体结构元件的结构大小并且尤其是磁阻元件的结构大小的尺度。两个尺度例如可以相差10倍或更多倍。其他可能的间距16的示例是大于或等于0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm的间距。这种间距已经在全桥电路自身内实现了对外部杂散场的信号分量的补偿，因为杂散场在一个分支内的两个磁阻元件处分别同相地且以相同的强度叠加于磁体组件的待测量的场，并且因此基于全桥电路的测量原理补偿其在全桥电路的分支之间所读取的电压中的分量。同时，在这样构造的传感器10中，全桥电路的同向作用的磁阻元件关于待测量的磁场的相位位置基本(以宏观尺度)处于相同的位置。由此，测量结果可以比其他解决方案更精确，这些其他解决方案例如具有两个分支(半桥)彼此的空间错位、进而具有在各个分支内的磁阻元件相应位置处的磁场中的相位差。与为了补偿杂散场将两个独立传感器的测量结果彼此相减的解决方案相比，磁阻元件的数量可以减半，并且不仅在模拟信号处理中而且在数字信号处理中也可以减少电路耗费。

在全桥电路各个分支中的磁阻元件以上述数量级空间分离的情况下，间距虽然对于所述有利效果足够大，但是其也足够小，以便传感器的所有磁阻元件可以可选地安装在共同的壳体中。这可以引起可简单操作的、有利的并且仍然稳健的实现方式。

图1在左视图中示出一个实施例，其中全桥电路的分支内的磁阻元件之间的间距16垂直于测量方向20。

图1在右视图中示出一个实施例，其中全桥电路的分支内的磁阻元件之间的间距16平行于测量方向20。

然而，根据另外的实施例，间距16相对于测量方向20的任意其他相对定向也是可能的。

根据一些实施例，四个磁阻元件12a、12b、14a、14b基于磁隧道电阻(TMR)。由于其高灵敏度，由此可以例如使用小偶极磁体或小磁体组件，以便获得可以在许多安装情况下使用的紧凑系统。根据其他实施例，四个磁阻元件12a、12b、14a、14b也可以基于其他效应，例如基于各向异性磁阻效应(AMR)或巨磁阻(GMR)。

根据另外的实施例，磁体由于传感器的高灵敏度而可以由相对廉价的材料、例如由烧结的铁氧体材料构成。

在传感器灵敏度高的情况下，在磁体组件1与第一传感器10之间的间距也可以在宏观尺度上选择得比在使用灵敏度较低的传感器的情况下更大。在所示的实施例中，在磁体组件1与第一传感器10之间的最小间距18为一毫米。该值可以根据要求或根据可供使用的磁场强度来改变，并且在另外的实施例中例如大于0.5mm、大于0.8mm或大于1.0mm。

图2b示出用于位置传感器系统的一个实施例，该位置传感器系统具有对不同磁场分量灵敏的两个传感器。借助图2a讨论的第一传感器10被补充了几乎相同构造的第二传感器30。也就是说，第二传感器30同样具有四个在第二全桥电路中互相连接的并且对于第二场方向24(参见图1)敏感的磁阻元件，其中第二全桥电路的第一分支32的两个磁阻元件32a和32b以间距16(节距)布置，并且其中第二全桥电路的第二分支34的两个磁阻元件34a和34b也以间距16布置。在所示出的实施例中，第二场方向24是z方向并且垂直于第一场方向22、即x方向。

如果涉及面内传感器，则x和z方向展开的平面平行于传感器芯片的平面。第二传感器30测量第二场方向。测量方向20在由第一场方向22和第二场方向24展开的平面中延伸。

第二场方向的附加信息可以借助已知的CORDIC算法用于分辨单个场分量(在此，x方向和z方向)的测量结果中的模糊性，并且由此使可用于明确的线性位置确定的区域加倍，如以下也从图3a至图3e中可见的那样。

在具有图2b中所呈现的传感装置的位置传感器系统中，对于图1的左侧实施例，在宏观尺度上，第一传感器10的第一分支12的磁阻元件在测量方向20上基本处于与第二传感器30的第一分支32的磁阻元件相同的位置处，并且可能在相同的衬底上或在相同的芯片中。这在图2c中以示意图呈现，该示意图示出旋转90度的传感器装置。

因此，图2b的传感器装置(例如xMR电阻)的磁阻元件12a、12b、14a、14b、32a、32b、34a、34b物理上布置在两个彼此嵌套的并且空间上分布的惠斯通电桥(全桥电路)中。第二传感器30或第二桥的MR元件的参考层磁化相对于第一传感器10或第一桥的MR元件的参考层磁化旋转了正90°或负90°。全桥电路在布局中彼此嵌套。以这种方式，它们在磁场的相位方面基本占据相同的空间位置。

当传感器暴露于磁场时，它们输出彼此相移90度的两个电信号(Vsin和Vcos)(至少在具有北极和南极的交替图案的多极条形磁体的磁体组件的情况下或在单个偶极磁体时)。信号可以在评估电路40内例如首先利用ADC来数字化，并且然后在DSP中利用CORDIC算法来处理。然后从两个输入信号中利用函数atan2计算角度。

基于差分的桥配置，在此如前所述地抵消了外部均匀的杂散磁场。如在图3d中所示，通过线性地适配所测量的角度信息，可以直接反算出磁体的实际位置。

在图1的左侧图示的实施方式中，传感器10被定向成使得传感器元件或磁阻元件以与磁体表面相对的不同气隙(即，不同的z位置)被布置。在第二实施方式(图1中的右侧图示)中，传感器元件或者磁阻元件以相同的气隙被布置，但是x位置不同。磁体组件由简单的块状磁体或圆柱磁体组成。该块状磁体或圆柱状磁体可以在x或z方向上磁化/定向。

图2b中示意呈现的评估电路40因此基于第一传感器10的第一全桥电路的两个分支12、14之间的第一测量值(Vsin)并且基于第二传感器30的第二全桥电路的两个分支32、34之间的第二测量值(Vcos)计算在测量方向20上磁体组件1与第一传感器10之间的相对位置。

在图3a至图3c中呈现传感器10和30的磁阻元件位置处的磁场分量以及由此得到的测量参量。由评估电路40由此计算的位置和其误差在图3d和图3e中例示。

图3a示出在更靠近磁体1(具有1mm间距)的磁阻元件12a、14a、32a、34a的位置处的B场分量302(Bz)和304(Bx)。图3b示出在更远离磁体1(具有2mm间距)的磁阻元件12b、14b、32b、34b的位置处的B场分量312(Bz)和314(Bx)。图3c示出从中得到的差信号322和324，也就是说输出信号Vsin和Vcos，这些输出信号相应于两个传感器10和30或者两个惠斯通电桥的差分电桥输出。

由差信号322和324由评估电路40借助反正切函数计算角度330，该角度在图3d中相对于相对位置绘出。应用线性拟合函数以获得角度330的图表的斜率值和截距值。基于这些参数，分别针对Vsin和Vcos的测量值，计算磁体的位置。图3e示出所计算的磁体位置330和相应的位置误差332。所观察的实施例的最大位置误差为+-138μm或8mm的测量范围的+-1.7％。测量原理是散射场鲁棒的、与温度无关的，并且误差明显小于标准3D传感器解决方案的位置误差，所述标准3D传感器解决方案为了比较在图4a和图4b中示出并且所述标准3D传感器解决方案具有+241μm的误差。

图4a-图4b为了比较示出传统的位置传感器系统和其测量误差的图示。

图4a为了比较而示出常规测量系统，其在桥电路分支内没有空间上分离的敏感元件。

如在图3a至图3e的视图中所基于的配置那样，轴向磁化的圆柱磁体在x方向420上从假定的-4mm移动至+4mm(8mm的运动范围)。传感器430处于1mm的间距处。例如典型的侧向霍尔传感器将对沿z方向440的Bz场作出反应，并且因此对垂直于霍尔传感器的平面的场作出反应。然而，与8mm的运动范围相比，该信号是多义的。因此在1D传感器的情况下，8mm的测量范围仅限于4mm(0至4mm)。

利用传统的3D传感器，与借助图2a至图3e描述的类似，可以组合Bx和Bz信号，并且可以借助反正切计算代表磁体位置的角度，并且可以通过应用角度的线性拟合函数计算位置。

对于具有3D传感器的比较组件，图4b示出根据在X轴450上绘制的实际位置而在Y轴460上测量的磁体位置和相应位置误差470。最大误差为+-241μm或测量范围的+-3％，因此明显大于借助图1至图3描述的实施例的测量精度。此外，作为附加的缺点，该位置测量不是散射场稳定的，这将进一步减小许多实际安装情况下的精度并且强调上述实施例中的优点。

位置传感器系统的实施例可以用于机动车的传动系中，但也可以用于许多其他应用中。这些能够实现可靠的、精确的和对杂散场不敏感的(绝对)位置测量或角度测量，并且因此可以用于汽车电子、工业电子和消费电子中的许多应用。由于小尺寸，它们也适合于消费类应用，例如智能电话。一种可能的情景是应用于智能电话摄像头，其中，使用小型语音线圈致动器(当线圈被供应电流时，磁体由洛伦兹力运动)来使镜头运动并且与磁位置传感器结合实现精确的自动聚焦。

所提出的(例如线性)位置传感器系统是散射场鲁棒的并且与现代的霍尔单电池解决方案相比尤其具有扩展的检测区域。

传感器装置可以通过xMR元件来实现，所述xMR元件连接到两个空间分布的惠斯通电桥。传感器装置测量两个处于平面中的磁场分量。从两个差分电桥信号中可以计算表示磁体位置的角度信息。通过线性地适配该角度，可以计算磁体的真实位置，该方法与温度无关。

在传感器装置中，两个差分的惠斯通电桥可以以嵌套布局来布置。第二桥的MR堆叠的参考层磁化相对于第一桥的MR电阻器的参考层磁化偏移了正90°或负90°。桥在布局中彼此嵌套。以这种方式，桥在相位上基本占据相同的空间位置。

这种布局能够实现散射场鲁棒且绝对的线性位置测量，具有与1D传感器相比扩展的检测区域。该测量与温度无关(因为用于位置确定的atan2的函数仅考虑信号比例，而不考虑绝对值(矢量长度))。高xMR灵敏度可以实现成本有利的磁体解决方案，并且因此由于简单磁体设计(无多极磁体)，可以实现在更大延伸区域上的绝对位置检测。此外，传感器装置可以以小封装实现。

可以基于根据上述考虑的用于绝对线性位置检测的差分xMR技术来构造低成本的位置传感器。传感器元件例如可以具有仅1mm的间距，并且因此集成到具有小的基面的共同的壳体中。传感器装置可以由两个彼此嵌套并且在空间上分布的惠斯通电桥(两个传感器)组成。每个桥测量磁场的处于平面中的场分量。通过借助反正切函数从各个传感器的两个差分电桥信号计算角度，获得杂散场固定、明确并且与温度无关的测量信号。根据该角度信息和线性拟合函数，散射场鲁棒地并且以高精度计算磁体和运动对象的真实位置。

位置传感器系统的实施例非常适合于散射场鲁棒的线性位置检测和轴外的角度测量。

对于线性位置测量，例如可以利用线性拟合函数将已知CORDIC算法的输出信号线性化。

当使用具有多个交替磁极的磁体组件用于产生待测量的磁场时，使用游标原理也可以求取在轴的整个机械回转上的明确角度。

由于线性TMR结构元件的高灵敏度，成本有利的磁体(烧结铁氧体)可以用于相应的实施例中，其中尽管如此，大的气隙仍是可能的。这可以实现成本有利的并非常灵活的系统设计。

结合前述示例中的一个特定示例描述的方面和特征也可以与另外的示例中的任何一个或多个示例组合，以便替换该另外的示例的相同或相似的特征，或者以便另外地将特征引入到另外的示例中。

例如评估电路40的步骤、操作或过程可以由编程计算机、处理器或其他可编程硬件部件实施。另外的示例也可以是被编程以在评估电路40中实施上述方法的步骤的计算机、处理器、控制器、控制单元、现场可编程逻辑阵列((F)PLA)、现场可编程门阵列((F)PGA)、图形处理器(GPU)、专用集成电路(ASIC)、集成电路(IC)或单芯片系统(SoC＝片上系统)。

以下权利要求由此被结合到具体描述中，其中，每个权利要求可以独立作为单独的示例。此外应注意，尽管从属权利要求在权利要求书中涉及与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。这种组合在此明确地被提出，只要在个别情况下没有说明不是想要特定的组合。此外对于任何其他独立权利要求而言还应该包括这样的权利要求的特征，即使该权利要求不直接被定义为从属于该其他独立权利要求。

Claims (13)

1.一种位置传感器系统，包括：

磁体组件(1)，所述磁体组件分别具有至少一个北极(2)和南极(4)；

第一传感器(10)，所述第一传感器与所述磁体组件(1)间隔开，其中所述第一传感器(10)包括四个在第一全桥电路中互相连接并且对于第一场方向(22)敏感的磁阻元件，其中所述第一全桥电路的第一分支(12)的两个磁阻元件(12a、12b)以多于0.5mm的间距(16)布置，并且其中所述第一全桥电路的第二分支(14)的两个磁阻元件(14a、14b)以所述间距(16)布置；以及

其中所述磁体组件(1)和所述传感器(10)在测量方向(20)上能够相对于彼此运动。

2.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其中，四个所述磁阻元件(12a、12b、14a、14b)基于磁隧道电阻TMR。

3.根据权利要求1或2所述的位置传感器系统，还包括：第二传感器(30)，所述第二传感器与所述磁体组件间隔开，其中所述第二传感器(30)包括四个在第二全桥电路中互相连接并且对于第二场方向(24)敏感的磁阻元件，其中所述第二全桥电路的第一分支(32)的两个磁阻元件以所述间距(16)布置，并且其中所述第二全桥电路的第二分支(34)的两个磁阻元件以所述间距(16)布置，其中，

所述第二场方向(24)垂直于所述第一场方向(22)。

4.根据权利要求3所述的位置传感器系统，其中，所述测量方向(20)在由所述第一场方向(22)和所述第二场方向(24)展开的平面中延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述间距(16)大于或等于0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3mm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述间距(16)平行于所述测量方向(20)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述间距(16)垂直于所述测量方向(20)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述磁体组件与所述第一传感器(10)之间的最小间距(18)大于0.5mm、大于0.8mm或大于1.0mm。

9.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述第一传感器(10)的四个所述磁阻元件(12a、12b、14a、14b)布置在共同的壳体中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述磁体组件(1)包括烧结的铁氧体材料。

11.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述传感器的第一分支(12)的磁阻元件在所述测量方向上与所述第二传感器(30)的第一分支(32)的磁阻元件处于基本相同的位置。

12.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，其中，所述磁体组件由单个偶极磁体(1)组成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器系统，还包括：

评估电路(40)，所述评估电路被构造成基于所述第一传感器(10)的所述第一全桥电路的两个分支(12、14)之间的第一测量值并且基于所述第二传感器(30)的所述第二全桥电路的两个分支(32、34)之间的第二测量值确定在所述测量方向(20)上所述磁体组件(1)与所述第一传感器(10)之间的相对位置。