CN1343889A - 检测磁场方向用的传感器 - Google Patents

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Abstract

一种检测磁场方向用的传感器,包括单独一个平坦形状的磁场聚集器(3)及至少一第一霍尔效应元件(2.1)和一第二霍尔效应元件(2.2),其中该霍尔效应元件被安置在磁场聚集器(3)的边缘(4)的区域内。磁场聚集器(3)可改变磁场磁力线(13)的走向,其影响是使没有磁场聚集器(3)时本来应该平行于霍尔效应元件(2.1、2.2)表面(8)的磁力线变成几乎垂直于表面(8)而穿透霍尔效应元件。除水平霍尔效应元件外,垂直霍尔效应元件也可以使用。

Description

检测磁场方向用的传感器
本发明涉及一种检测磁场方向用的传感器，其类型在权利要求1的前序中提出。
这样一种传感器适合于例如作为控制无刷电动机的角度传感器，这种电动机具有一包括若干线圈的定子。该电动机的转子具有一永磁体，它与该传感器组合以产生一与转动角相关的信号用于对该线圈的与相位协调的控制。这样一种安排在欧洲专利申请EP 954508中是已知的。带有几个支路(arm)的垂直霍尔效应元件用作该传感器，通过它在每个支路中产生一与永磁体的转动位置相关的霍尔电压。此霍尔电压用来控制电动机的线圈。垂直的霍尔效应元件对于由永磁体所产生的磁场的那些分量是敏感的，这些分量和芯片的表面相平行。它的缺点是它不能够和处理电子电路在同一芯片上一起实现，因为它是基于一种特别的半导体工艺的。
使用水平的霍尔效应元件也是已知的，它对由永磁体所产生的磁场的那些分量也是敏感的，这些分量垂直进入芯片表面。这些霍尔效应元件可以和处理电子电路集成在同一芯片上。但是这一方案具有内在的缺点，即霍尔效应元件必须安排在永磁体的边缘区域，而在那里磁场的垂直分量是最强的。在旋转轴的区域垂直分量较小。霍尔效应元件的放置取决于永磁体的尺寸。在较大的永磁体的情况下将霍尔效应元件集成在单独一个半导体芯片上也就不再经济了。
带有基于磁阻效应的磁场传感器元件的角度传感器是从欧洲专利申请EP 893668中已知的。为了增加可测角度的范围以超过180°，有一个外加的霍尔效应元件。但是，霍尔效应元件必须放置在不同于磁场传感器元件的位置，因为磁场传感器元件必须测量旋转永磁体中磁场的水平走向的分量，而霍尔效应元件则必须测量磁场的垂直分量。此外，基于磁阻效应的传感器显示出磁滞效应，这限制了分辨率。
从欧洲专利申请EP 772046已知一种磁场传感器，它对调整到平行于芯片表面的磁场是敏感的而且它可以和电子电路一起在一块半导体芯片上实现。但是，利用这样一种磁场传感器只能测量磁场的单独一种分量。
本发明的目标是提出一种传感器，它不再具有在开头所说的各种缺点。
本发明包括权利要求1所给出的特性。从属权利要求则给出有利的各种配置。
按照本发明的第一方面，一种检测磁场方向用的传感器，包括单独一个具有平坦形状的磁场聚集器和至少一第一霍尔效应元件及一第二霍尔效应元件或至少第一组及第二组霍尔效应元件，这里霍尔效应元件被安排在磁场聚集器的边缘区域。
平坦形状的磁场聚集器的任务是以这样一种方式去影响磁场，使它能以最优方式穿透霍尔效应元件。
霍尔效应元件可以是通常所说的水平霍尔效应元件和通常所说的垂直霍尔效应元件。水平霍尔效应元件对磁场的垂直进入到它表面上的分量是敏感的，而垂直霍尔效应元件则对磁场的平行地通过其表面的分量是敏感的。由于这一原因水平霍尔效应元件必须放在磁场聚集器的下面，而垂直霍尔效应元件则必须放在边缘旁边的区域，在磁场聚集器之外。
按照本发明的另一方面，一种检测磁场方向用的传感器包括至少三个磁场聚集器，它们相对于一个对称点对称性地安放在一平面中，这些聚集器在对称点的区域内有相互面对的边缘，它们相互平行地延伸，并且每个磁场聚集器有一个霍尔效应元件或一组霍尔效应元件，在这里霍尔效应元件被安排在各自的磁场聚集器的平行延伸边缘的区域中。
下面，本发明的各实施例将根据附图作更详细的说明。
图1表示按照本发明的带有水平霍尔效应元件的传感器的第一例，
图2表示图1沿I-I线穿过传感器的截面，
图3表示按照本发明的传感器的第二例，
图4表示传感器的细节，
图5、6表示按照本发明的带有垂直霍尔效应元件的传感器的例子，
图7a、b表示按照本发明的传感器，利用它可以在三维中确定外部磁场的方向，以及
图8-11表示按照本发明的另外的传感器。
图1表示按照本发明的一个传感器的平面图，它适合于，例如，用作控制带有三个线圈的无刷电动机的角度传感器。该传感器包括一半导体芯片1，带有6个水平霍尔效应元件2.1到2.6以及单独一个磁场聚集器3。在这第一例中，磁场聚集器3按盘形构成，而6个霍尔效应元件2是以相等距离沿着磁场聚集器3的边缘4而分布定位的。
霍尔效应元件2.1到2.6是用通常已知的工艺实现的，最好是用在p-掺杂的衬底7(图2)上的n-掺杂的阱6(图2)的CMOS工艺。水平霍尔效应元件对磁场中垂直地进入半导体芯片1的表面8的分量是敏感的。在这一例中，霍尔效应元件2.1到2.6具有十字形状的结构，它的定向最好是平行于100晶轴，以使机械应力的变化对霍尔信号的影响保持在尽可能低。
磁场聚集器3含有铁磁材料，优选为坡莫合金或镍铁高导磁合金或金属玻璃，例如它们可以作为厚度为15μm到30μm的带而从市场上得到。优选的是具有较低矫顽场强的金属玻璃，以便不会发生磁滞效应。此外，它们的磁化在很大程度上是各向同性的。
磁场聚集器3在平面9中延伸并具有平坦的形状，即它的厚度要比它在平面中的尺寸小得多。磁场聚集器3最好有相等的厚度。但是它也可以形成一个比边缘更厚的中部。因此磁场聚集器3作为一个位于平面9中的磁场分量的聚集器而工作。磁场聚集器3的作用将根据图2作更详细的说明。在本例中，磁场聚集器3有一个对称中心5，因此它是旋转对称的。
图2表示图1的传感器沿I-I线的截面以及一个产生磁场的永磁体10，它是例如安置在带3个线圈的无刷电动机12的旋转轴11上的。在它的环境中，磁场聚集器3改变了磁场磁力线13的路程，尤其是它具有这样的效果，即在没有磁场聚集器3的情况下磁力线平行通过半导体芯片1的表面8，而现在磁力线将几乎是垂直于表面8而穿过霍尔效应元件2.1。磁场聚集器3的材料的相对导磁率为大于1000，而空气和半导体衬底7的相对导磁率约等于1。因此，磁力线实际上总是被垂直地对准在磁场聚集器3的表面上。霍尔效应元件2.1到2.6排列在磁场聚集器3的侧面边缘4的区域，因为那里磁场的垂直分量为最大。
位于沿径向相对于对称中心5(图1)的相对面的霍尔效应元件形成一对，每一对产生一输出信号，从而一个霍尔效应元件的霍尔电压要减去另一个霍尔效应元件的霍尔电压。由于磁力线以相反的垂直方向同时穿透一对霍尔效应元件，故由“重新定向”的磁场所建立的电压将累加，而由于例如外部的、垂直穿透霍尔效应元件的磁性干扰场所建立的霍尔电压将会相互抵销。此外，与工艺相关的偏置电压至少是部分被补偿的。因此，霍尔效应元件2.1和2.4一起产生输出信号S1，霍尔效应元件2.2和2.5产生输出信号S2，霍尔效应元件2.3和2.6则产生输出信号S3。输出信号S1、S2和S3的强度取决于平面9中的磁场方向。
当永磁体10围绕旋转轴11旋转时，磁场就跟着它转动并产生近似于正弦的输出信号S1、S2和S3，它们之间有120°的相移。当永磁体10的磁场方向平行于连接两个霍尔效应元件2.1和2.4的轴线时输出信号S1总是在最大值，当永磁体10的磁场方向平行于连接两个霍尔效应元件2.2和2.5的轴线时输出信号S2总是在最大值，如此等等。如在欧洲专利申请EP 954 085中所述，输出信号S1、S2和S3可以用来控制电动机12的三个线圈。
然而，输出信号S1、S2和S3也可以用来确定当电动机12是静止时旋转轴11的旋转角度φ。这里重要之处在于要尽可能地在输出信号S1、S2和S3上设有叠加不是从永磁体10的磁场所引起的信号。这里所提出的例子将相应的霍尔效应元件连接成对特别适合于这一点，因为外加的干扰磁场的影响基本上被消除而且与工艺有关的偏置电压也大体上得到补偿。如果不是用单个的霍尔效应元件2.1到2.6，而是使用包括两个或更多的霍尔效应元件的成组的霍尔效应元件，那么与工艺有关的偏置电压还进一步减少，这是因为在一组中不同的霍尔效应元件的电流方向是不同的。
这样的例子示于图3中，这里使用了4个组14到17，每组有两个霍尔效应元件2.1到2.8。沿直径方向相对的霍尔效应元件组连接成对，使得传感器送出两个输出信号S1和S2。因此，这意味着，输出信号S1是由霍尔效应元件2.1、2.2、2.5和2.6的霍尔电压形成的，而输出信号S2则是由霍尔效应元件2.3、2.4、2.7和2.8的霍尔电压形成的。在图3中霍尔效应元件是十字形的，且每个霍尔效应元件有一箭头指定，这表示在霍尔效应元件内的电流方向。在这一例子中，磁场聚集器3也具有十字形的结构，它和前面例子中所表示的圆形结构相反，能导致在霍尔效应元件所在位置的磁场有更高的集中。这种传感器适合于，例如控制具有两个线圈的电动机12。如果需要，有可能把输出信号S1和S2的值作为旋转角φ的函数而储存。由于输出信号S1和S2是经过移相的，所以能容易地根据输出信号S1和S2清晰而唯一地确定旋转角φ。
图4示意性但不按比例地表示参考第一例中的传感器上带有两个集成的霍尔效应元件2.1和2.4的半导体芯片1的形象，这两个元件相对于旋转轴11(同时参阅图1)和圆形磁场聚集器3在平面中是径向相对的。由永磁体10(图2)在两个霍尔效应元件2.1和2.4的区域中所产生的磁场强度和方向用垂直的箭头来表示。将磁场聚集器3沿正的X方向移出理想位置会使霍尔效应元件2.1的霍尔电压降低而使霍尔效应元件2.4的霍尔电压2.4增加。磁场聚集器3的直径最好是和两个霍尔效应元件2.1和2.4之间的距离相适应，以便在磁场聚集器3相对于两个霍尔效应元件2.1和2.4定位于理想位置时，两个霍尔效应元件2.1和2.4并不位于磁场的场强达到其最大值的区域内：霍尔效应元件2.1和2.4或者更接近于中心，如图4所示，或者位于离中心更远的地方。在这种方式下，磁场聚集器3相对于两个霍尔效应元件2.1和2.4的定位变化的影响被减至最小。
如果传感器只是用于控制电动机，从而当电动机是静止时对其旋转角是不感兴趣的，那么只有一对配对的霍尔效应元件可供使用时也已足够了。对于第一实施例，这些元件是霍尔效应元件2.1、2.2和2.3。
除了圆形的磁场聚集器外，具有不同形状的，例如多边形的磁场聚集器也可以使用。尤其是，由于光刻的原因，人们推荐使用多边形来趋近于圆形。同样，霍尔效应元件的数量可以增加。
图5表示带有垂直霍尔效应元件2的一实施例。垂直霍尔效应元件对于穿透霍尔效应元件平行于半导体芯片1的表面8的磁场分量是敏感的。能够和电子电路集成的垂直霍尔效应元件在例如美国专利US5572058中有说明。垂直霍尔效应元件2以切线方式排列在磁场聚集器3的边缘4。它们位于磁场聚集器3的边缘4的地区，但是并不像水平霍尔效应元件那样在磁场聚集器3的下面，而是在侧面偏离于磁场聚集器3的外面，那里穿过平行于半导体芯片1的表面8的磁场磁力线13(图2)是最大的。
在图6中，箭头表示磁场在垂直霍尔效应元件2的地区的平行穿过的磁力线13(图2)的强度，这里箭头的长度与磁场强度成正比。
这一方案与已知的现有技术相比其优点在于：
(a)霍尔效应元件相对于永磁体的位置不是很严格的，因为霍尔效应元件不是一定要放在永磁体的边缘地区，那里磁场的垂直分量为最大，而是可以放在水平分量为最大的旋转轴的地区，这使得在其上集成霍尔效应元件的半导体芯片的摆放可以不依赖于永磁体的边缘的位置而进行，
(b)磁场聚集器额外地放大了霍尔效应元件区域内的磁场，
(c)霍尔效应元件和处理用电子电路可以集成在同一半导体芯片上，以及
(d)磁场聚集器的实际位置对其设定位置的偏离在通常的加工容差范围之内时对所产生的信号基本上没有任何影响。
所说明的传感器也适合于在开头所引用的欧洲专利申请EP 893668中所说明的应用中作传感器之用。
图7a表明按照本发明的传感器的第三个例子，其中的磁场聚集器3具有环的形状。这能够将另外一个水平霍尔效应元件2′安置在例如环的中心，利用它垂直地进入霍尔效应元件2′的磁场分量可以被测量。这样一种传感器适用于例如操纵杆中，因为它能够确定外部磁场在三维空间中的方向。
由于磁场聚集器3是很薄的，所以它对垂直进入霍尔效应元件2，的磁场分量实际上没有影响。图7b中表示的传感器也能够确定外部磁场在三维空间中的方向。但是，这里存在这样的危险，即垂直分量是叠加在水平分量上的，因为第一，磁场聚集器3放大了水平分量，第二，………但是应该指出，按照图7a的例子，磁场聚集器3也可以作为磁场的垂直分量的聚集器工作，即在铁磁环的宽度和它的厚度可相比拟时就是这样。从两个霍尔效应元件2.1和2.3的信号之和或两个霍尔效应元件2.2和2.4信号之和，可以得到一与磁场的垂直分量成正比的信号，而从它们的差，如上面所表明的，可以确定磁场的水平分量。这样甚至可以省掉霍尔效应元件2′。
一个单独的霍尔效应元件需要相当小的面积，典型地是约10乘10个微米。圆形的磁场聚集器的直径大概在0.2mm到0.5mm之间。在理想情况下，磁场聚集器的直径小于永磁体的直径，后者典型地为1.3mm或更大。
超过20mT时，外部场一般会导致磁场聚集器的饱和效果。当永磁体和传感器之间的设定距离选择得使磁场聚集器至少部分地磁饱和时，那么这会有这样的优点：输出信号S1、S2等不会或仅仅轻微地和永磁体与传感器间的距离的变动有关。
也有可能把霍尔效应元件作为脉冲发生器来工作，这时有多少个可供使用的霍尔效应元件，则永磁体每转一周就产生多少个脉冲。
图8表示一具有三个磁场聚集器18.1、18.2和18.3的角度传感器，它和第一例中的传感器一样，与作为角度确定元件工作的永磁体在一起，适合于作为角度传感器来控制具有三个线圈的电动机。磁场聚集器18.1、18.2和18.3相对于对称点19对称性地排列，即120°的旋转对称。水平霍尔效应元件2.1、2.2或2.3位于每个磁场聚集器的边缘4的地区并面向对称点19。磁场聚集器的边缘4分成两个区域，即一内部区，其中磁场聚集器18.1，18.2和18.3的相对边界20有平行的走向，以使磁场的磁力线的密度在两个边界20之间的间隙中尽可能地均匀而且避免峰值的饱和；以及一外部区，其中相邻的磁场聚集器之间的距离要大得多以避免这里的磁场“短路”。磁场聚集器18.1、18.2和18.3的外部边缘21要延伸到一尽可能大的角度区域以便在霍尔效应元件2.1、2.2和2.3的区域内尽可能高效地集中外部磁场并避免会影响到信号的角度相关性的饱和峰值。对于这一例子，每个霍尔效应元件2.1、2.2和2.3产生一输出信号S1、S2和S3。
也可以预见使用成组的霍尔效应元件以取代单独的霍尔效应元件2.1、2.2和2.3，前者它们自己已经是偏置校正过的。
图9和10表示另外两种具有4个磁场聚集器18.1到18.4的传感器，利用它们可以在两维空间中确定磁场的方向。这里，在径向相互面对的两个霍尔效应元件相对于对称点19而被耦联成对。霍尔效应元件2.1和2.3一起产生输出信号S1，霍尔效应元件2.2和2.4一起产生输出信号S2。根据输出信号S1和S2，在传感器的平面9中的磁场方向就可确定。
对于图8到10所示的传感器，磁场聚集器并不是平面形状的。它们可以在趋向边缘时有更厚的形状或者可以和另外的外部磁场聚集器耦联以便在霍尔效应元件的区域内尽可能高效地集中磁场。
图11表示有三个磁场聚集器18.1、18.2和18.3和三个垂直的霍尔效应元件2.1、2.2、2.3的实施例，这三个元件中的每一个都安排在相邻的磁场聚集器18.1、18.2、18.3的平行走向的边缘20之间的中央。
虽然本发明的实施例和应用已被表示和叙述，但是对于熟悉本技术并得益于此公开的人来说明显的是，对于上面所说的可以有许多修改而不会偏离这里本发明的概念。因此，本发明除了所附权利要求的精神之外是不应受限制的。

Claims (10)

1.用于检测磁场方向用的传感器，包括：一个具有平坦形状的单独的磁场聚集器(3)，至少一第一霍尔效应元件(2.1)和一第二霍尔效应元件(2.2)或至少第一组(14)和第二组(15)霍尔效应元件，其中该霍尔效应元件被安置在磁场聚集器(3)的边缘(4)的区域中。
2.按照权利要求1的传感器，其特征在于磁场聚集器(3)有一个对称中心(5)，还存在第三霍尔效应元件元件(2.4)和第四霍尔效应元件(2.5)或第三组(16)或第四组(17)霍尔效应元件，这些霍尔效应元件被安置在磁场聚集器(3)的边缘(4)区域，第一霍尔效应元件(2.1)和第三霍尔效应元件(2.4)或第一组(14)霍尔效应元件和第三组(16)霍尔效应元件是相对于对称中心(5)对称性安置的，且第二霍尔效应元件(2.2)和第四霍尔效应元件(2.5)或第二组(15)霍尔效应元件和第四组(17)霍尔效应元件是相对于对称中心(5)对称性安置的。
3.按照权利要求1或2的传感器，其特征在于霍尔效应元件(2)是水平霍尔效应元件。
4.按照权利要求3的传感器，其特征在于霍尔效应元件(2)是安置在磁场聚集器(3)的边缘(4)侧面并面对磁场聚集器(3)的中心的。
5.按照权利要求1或2的传感器，其特征在于霍尔效应元件(2)是垂直的霍尔效应元件，且霍尔效应元件(2)被安置在磁场聚集器(3)之外。
6.检测磁场方向用的传感器，包括：至少三个磁场聚集器(18.1、18.2、18.3；18.1、18.2、18.3、18.4)，它们在一个平面内相对于对称点(19)而对称地安置，其面对、相邻的边界(20)在对称点(19)的区域中的部分走向是相互平行的，以及每个磁场聚集器(18.1、18.2、18.3；18.1、18.2、18.3、18.4)有一个霍尔效应元件(2.1、2.2、2.3；2.1、2.2、2.3、2.4)或一组霍尔效应元件，这里的霍尔效应元件是安置在相应的磁场聚集器(3)的边缘(4)的平行走向边界(20)的区域中的。
7.按照权利要求6的传感器，其特征在于霍尔效应元件(2.1、2.2、2.3；2.1、2.2、2.3、2.4)是水平霍尔效应元件。
8.按照权利要求6的传感器，其特征在于霍尔效应元件(2.1、2.2、2.3)是垂直霍尔效应元件。
9.按照权利要求1到8之一的传感器，其特征在于磁场聚集器(3；18.1、18.2、18.3)是由金属玻璃制成的。
10.按照权利要求1到9之一的传感器作为角度传感器的应用，以确定可围绕旋转轴(11)旋转物体的旋转位置，这里在旋转轴(11)上固定着一个永磁体(10)，其特征在于传感器和永磁体(10)之间的距离这样选择，以使磁场聚集器(3)至少是部分地磁饱和的。
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