CN1902465A - 用于角度测量的amr传感器元件 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种磁阻角传感器(100)，其包含传感器装置，该传感器装置用于检测外部磁场相对于该传感器装置基准轴的角度(α)，该磁阻角传感器允许在测量结果不受加工误差影响的情况下该角度(α)的测量，建议该传感器装置包含平坦的AMR层(14，15)，该AMR层具有一个用于施加电流(I)的电触点(K0)和多个用于测量经通过该AMR层(14，15)的电流的流动的电触点(Ki)。

Description

用于角度测量的AMR传感器元件
技术领域
本发明涉及一种磁阻角传感器，其包含传感器装置，用于检测外部磁场相对于该传感器装置基准轴的角度α。
背景技术
磁阻传感器通常用于在机动车技术中检测角度，特别是用于监测和控制踏板的位置或油门的位置。在这种情况下，磁阻角传感器通常由两个惠斯登电桥组成，这两个电桥相对彼此偏移45°，所述电桥被暴露于外部磁场。这两个电桥分别提供角度相关的电压输出信号作为该外部磁场相对于该传感器或由该电桥形成的传感器装置的基准轴的角度α的函数，该输出信号可以以本领域技术人员已知的方式使用下列关系表示：
U1＝U0sin(2α)
U2＝U0cos(2α)
这里，U1和U2是这两个电桥的电压输出信号，U0是该输出信号的电压振幅，其特别依赖于环境温度，而α是外部磁场相对于该传感器装置基准轴的角度。
外部磁场相对于该传感器或相对于该电桥的角度α可以从这些输出信号中计算出，例如使用CORDIC算法。为了实现这个算法，必须通过模/数转换器将该电桥的模拟输出信号转换成数字信号。
然后利用相似的已知关系
α＝arctan(U1/U2)＝arctan(sin(2α)/cos(2α))
例如使用适合于这个目的的数字信号处理装置确定外部磁场相对于该传感器的角度α。考虑输出电压U2的符号，使用在180°上的反正切函数可以以极高的精度计算出该角度α。
通常以这样的方式设计形成传感器装置的惠斯登电桥，即将电阻以曲折的方式布置在AMR层中。这里的一个缺点是由于在蚀刻该曲折电阻结构过程的制造公差产生了相对大的偏移信号，并且这些偏移信号作为误差被直接包括在角度测量中。特别是在该曲折结构的边缘，可能产生引起强偏移信号的底切(undercut)。在计算从该电桥获得的输出信号时，需要通过技术上复杂的评价(evaluation)单元将这个偏移考虑在内。
发明内容
本发明的目的在于限定磁阻角传感器，由于其设计该传感器具有相当小的偏移信号，由此允许更加精确的测量，其中可以直接将该输出信号提供用于评价。这个目的通过在权利要求1中详细说明的特征得到实现。
本发明的核心方面是惠斯登电桥的多个曲流电阻(meanderingresistor)由单个、连续和平坦的AMR层代替，其中该AMR层具有一个用于施加电流的电触点。而且，多个电触点形成在该AMR层上以便能够检测从前面提到的在每种情况下的电触点到该多个电触点之一的电流流动。这利用了这样的事实，即当施加外部磁场时，该AMR在施加外部磁场的方向上具有其最大的电阻。从而，在垂直于该外部磁场的方向上它具有其最小的电阻。因此，通过确定该多个电触点和用于提供电流的该一个电触点之间的电流流动，通过确定最低电流流过的触点可以确定外部磁场相对于该AMR层的方向。
实质上可以随意选择AMR的外部形状。优选地以下面介绍的方式设计。实质上也可以随意地选择用于测量电流流动的电触点的数量，并且在理论上可以提供无限数量的电触点。多个电触点相对于用于施加电流的一个电触点的距离必须被选择地足够大，以获得垂直于外部磁场方向的足够的电流流动。
本发明的优点在于，由于该磁阻AMR层的平坦设计，因为与该AMR层表面面积相比，该AMR层边缘的长度比在已知的惠斯登电桥的曲折结构的情况下要小得多，因此在该AMR层边缘的底切实质上对测量结果不具有影响。结果，该输出信号实质上不再被窜改或提供有偏移信号。
本发明有利的进步的特征在于从属权利要求。
如在权利要求2中详细说明的该AMR层的进步意味着将该传感器装置设计得关于该外部磁场所有可能的方向对称。从而装配于此的该传感器装置或该磁阻角传感器可以检测该外部磁场和圆形AMR层之间的任意角度。
有利地，如在权利要求3中所详细说明的，在圆形AMR层中，将用于施加电流的电触点布置在该圆形AMR层的中心。由此获得以这种方式形成的该传感器装置的对称设计，其中，特别是当如权利要求4中所要求的存在布置在该圆形AMR层边缘的另外的电触点时，流过该AMR层的磁通量分别经过从中心触点到边缘触点的AMR层的等长路径，而不管外部磁场的方向。在这种情况下，优选地布置在边缘的多个电触点，以使得它们围绕边缘等距离地分布。在一个有利的进步中，在该边缘提供八个电触点。通过外推测量结果，这允许该外部磁场和该传感器装置的假象的基准轴之间的角度的足够精确的分辨率。由于在该外部磁场角上的该AMR层的180°周期，特别有利的是添加在每种情况下依次流过两个相对边缘触点的电流以获得四个差电流信号。通过流过边缘触点1和5的电流获得第一电流信号，通过流过触点2和6的电流获得第二电流信号，通过流过触点3和7的电流获得第三电流信号，并且通过流过触点4和8的电流获得第四电流信号。如果从第一差电流信号中减去第三差电流信号，并从第二差电流信号中减去第四差电流信号，获得两个另外的电流信号，这两个另外的电流信号，在360°角度范围上观察，在每种情况下具有对应于已知惠斯登电桥的输出电压的正弦或余弦形式。以相似的已知方式从这些信号中可以推导出外部磁场和传感器装置之间的角度α。
在一个可选择的进步中，其在权利要求5中被详细说明，将该AMR层设计成实质上半圆形。结果，有可能特别地减小该传感器装置的大小，因为如上所述只需要整个圆的表面面积的一半。该AMR层的半圆形设计是足够的，因为如上所述，该AMR层具有相对于外部磁场的180°周期。
根据该AMR层的进步，如在权利要求6中所详细说明的，当其以半圆形的方式设计时，再一次将施加电流的电流触点布置在该相关的整圆的中心或在半圆形AMR层的半圆的直边的中心。
而且，如在权利要求7中所详细说明的，建议将多个电触点布置在该半圆形AMR层的边缘，特别地是五个电触点，它们被布置在该层的半圆形边缘，并相对彼此等距分布。因此该外部磁场和和该传感器装置之间的角度的足够分辨率是可能的。通过加上出现在第一和第五触点上的电流减去出现在第三触点上的电流，或通过从出现在第二触点上的电流减去出现在第四触点上的电流，在这种情况下获得上述正弦和余弦信号。
为了改进该磁阻角传感器的测量精度，在权利要求8中建议将多个电触点放置在同一电位，以便避免影响在该触点测量的电流强度。特别地将所有的电触点放置在地电位，以便没有故障电流流动和没有误差电位存在。
依靠在权利要求9中详细说明的进步，使得通过本领域技术人员的该AMR层的简单加工成为可能。将坡莫合金(permalloy)层施加到硅支撑基底和为所述坡莫合金层提供电触点可以由本领域技术人员执行，其中，依靠该AMR层的上述进步，在加工过程中发生在该AMR层边缘的坡莫合金层的任何底切实质上是无关紧要的(consequence)，因此该传感器的测量结果不会被窜改。
将能够理解这些传感器可以用于需要测量旋转物体的角度的所有技术领域。然而，有利地，这些传感器用于机动车技术，如在权利要求10中所详细说明的，特别是为了监测和控制踏板的位置和/或油门的位置，从而调节发动机功率。以这些传感器能够获得的该外部磁场和该传感器之间角度的角度分辨率对于在机动车技术中的应用是足够的。
附图说明
参考示于附图中的两个实施例的例子，将对本发明进行进一步的描述，但是，本发明不限定于这两个例子。
图1表示现有技术中的AMR角传感器。
图2表示这个传感器的计算出的角度α。
图3表示圆形AMR传感器。
图4表示这个传感器的电流信号。
图5表示半圆形AMR传感器。
图6表示这个传感器的电流信号。
具体实施方式
示于图1中的AMR角传感器10实质上由两个惠斯登电桥11、12组成，这两个电桥相对彼此偏移45°，并且每个由四个曲流电阻13组成。如果这个AMR角传感器10被外部磁场将通过，那么在每种情况下在这两个惠斯登电桥11、12中以已知的方式导出输出电压U1＝U0sin(2α)，U2＝U0cos(2α)，其中使用已知的CORDIC算法从这些输出电压中可以确定该外部磁场和AMR角传感器10或在该AMR角传感器10中的基准轴之间的角度α，如图2中所示。
图3表示磁阻角传感器100，其实质上由圆形AMR层14，优选地是在硅支撑基底上的坡莫合金层组成。布置在中心的是电流触点K0，通过该电流触点电流I进入该AMR层14。将八个触点K1到K8布置在边缘，围绕着该圆形AMR层14的圆周等距地分布，为的是在每种情况下测量该中心触点K0和边缘触点Ki之间的电流流动。由于该AMR层14在该外部磁场角度上的180°周期，可以将流过相对触点的电流相加，为的是以这种方式获得四个电流信号：
I1＝IK10+IK5
I2＝IK2+IK6
I3＝IK3+IK7
I4＝IK4+IK8
如果从I1中减去I3，并且从I2中减去I4，那么获得两个新的差信号，其每个具有在360°上预期的正弦或余弦形式，如图4中所示。使用本质上已知的CORDIC算法，可以从这些差信号中依次计算该角度α和外部磁场之间的关系(示于图2中)。
图5中所示的可选择实施例允许该磁阻角传感器100小型化，因为半圆形的AMR层15占据比整圆形的AMR层14更少的空间。在这种情况下，以围绕该AMR层15半圆边缘等距分布的形式布置五个触点K1到K5，为的是在每种情况下获得这些触点Ki和布置在该AMR层15的直边中心的触点K0之间的电流流动。然后通过如下将各种信号相加或相减获得上述正弦或余弦信号：
I1＝IK1+IK5-IK3
I2＝IK2-IK4.
从这些示于图6中的差信号，有可能再次使用已知的CORDIC算法，来获得在360°上的角度α的形式，其示于图2中。
可以使用本领域技术人员已知的电子元件执行上述操作。
参考标记列表：
100   磁阻角传感器
10    AMR角传感器(现有技术)
11    惠斯登电桥
12    惠斯登电桥
13    曲流电阻
14    圆形AMR层
15    半圆形AMR层
K0   中心电流触点
Ki   边缘电流触点，i＝1到8
α          在磁场和传感器装置之间的角度
I     电流强度
U     电压

Claims (10)

1.一种磁阻角传感器(100)，包含传感器装置，用于检测外部磁场相对于该传感器装置基准轴的角度(α)，其特征在于，该传感器装置包含平坦的AMR层(14，15)，该平坦的AMR层具有一个用于施加电流(I)的电触点(K0)和多个用于测量通过该AMR层(14，15)的电流的流动的电触点(Ki)。
2.如权利要求1所述的磁阻角传感器，其特征在于该传感器装置是圆形AMR层(14)。
3.如权利要求2所述的磁阻角传感器，其特征在于将用于施加电流(I)的该电触点(K0)布置在该圆形AMR层(14)的中心。
4.如权利要求2或3所述的磁阻角传感器，其特征在于将多个电触点(Ki)等距地布置在该圆形AMR层(14)的边缘，特别是八个电触点。
5.如权利要求1所述的磁阻角传感器，其特征在于该传感器装置是半圆形AMR层(15)。
6.如权利要求5所述的磁阻角传感器，其特征在于将用于施加电流(I)的该电触点(K0)布置在相关的整圆的中心。
7.如权利要求5或6所述的磁阻角传感器，其特征在于将多个电触点(Ki)等距地布置在该半圆形AMR层(15)的半圆形边缘，特别是八个电触点。
8.如权利要求1到7的任一项所述的磁阻角传感器，其特征在于将该多个电触点(Ki)放置在同一电位，特别是在地电位。
9.如权利要求1到8任一项所述的磁阻角传感器，其特征在于该AMR层(14，15)是坡莫合金层，特别地将后者施加到硅支撑基底。
10.如权利要求1到9的任一项所述的磁阻角传感器(100)在机动车技术中的使用，特别地来监测踏板的位置和/或油门的位置。
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