磁场传感器 |
|||||||
| 申请号 | CN201210062390.6 | 申请日 | 2012-03-09 | 公开(公告)号 | CN102680916B | 公开(公告)日 | 2015-10-28 |
| 申请人 | 英飞凌科技股份有限公司; | 发明人 | 阿明·萨茨; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 磁场 传感器 。该磁场传感器包括：磁场发生器，除测量磁场之外生成辅助磁场，其中，测量磁场指示可旋转元件的 角 度或旋转；至少一个XMR元件，生成XMR检测 信号 ；以及计算单元，基于XMR检测信号和辅助磁场确定角度或旋转特性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种方法，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 磁场传感器技术领域[0001] 本发明涉及一种磁场传感器。 背景技术[0002] 磁场传感器当前被用在许多用来确定磁场的大小、磁场的角度或者与磁场相关的其他特性的多种应用中。这样的应用实例包括：电流传感器，其通过由电流生成的磁场测量电流；角度传感器，用于感测诸如由可旋转元件生成的磁场的可旋转磁场的角度；或者速度传感器，用于通过测量磁场来确定元件的旋转或其他速度。已知各种类型的传感器可用于测量磁场。除霍尔传感器(Hall sensor)之外，XMR传感器对于测量磁场来说变得越来越重要。XMR传感器是基于磁阻效应的磁阻传感器，其中，“X”表示各种类型的磁阻效应的占位符。例如，XMR传感器包括GMR传感器(GMR＝巨磁阻)、AMR传感器(AMR＝各向异性磁阻)、CMR传感器(CMR＝庞磁电阻)和TMR传感器(TMR＝隧道磁阻)。 发明内容[0003] 根据本发明的一个实施方式，提供了一种方法，所述方法包括：除测量磁场之外生成辅助磁场，使得辅助磁场和测量磁场的最终合成磁场在XMR元件处超过XMR元件的饱和极限；用XMR元件感测最终合成磁场；基于最终合成磁矢量的感测来确定测量磁场的至少一个特性。 [0004] 本发明的另一个实施方式，提供了一种磁感测装置，所述磁感测装置包括：XMR元件；磁场发生器，除测量磁场之外生成辅助磁场，使得辅助磁场和测量磁场的最终合成磁场在XMR元件处超过XMR元件的饱和极限；其中，XMR元件被配置为感测合成磁场，基于感测的合成磁场确定测量磁场的至少一个特性的单元。 [0005] 根据本发明的再一个实施方式，提供了一种用于确定可旋转元件的角度或旋转特性的传感器，所述传感器包括：磁场发生器，除测量磁场之外生成辅助磁场，其中，测量磁场指示可旋转元件的角度或旋转；至少一个XMR元件，生成XMR检测信号；以及计算单元，基于XMR检测信号和辅助磁场确定角度或旋转特性。附图说明 [0006] 图1示出了根据实施方式的框图； [0007] 图2A、图2B和图2C为示出了XMR传感器的操作的实例图； [0008] 图3A和图3B为示出了根据实施方式的磁矢量的实例； [0009] 图4A和图4B示出了根据具有多个XMR元件的实施方式的示图；以及[0010] 图5示出了根据实施方式的流程图。 具体实施方式[0012] 在附图和以下描述所示的示例性实施方式中，附图或下文中所示的功能模块、装置、部件或其它物理或功能单元之间的任何直接连接或耦合还可以通过间接连接或耦合来实现。可以以硬件、固件、软件或它们的组合来实现功能模块。 [0014] 在多个附图中，相同或类似的实体、模块、装置等可以由相同的参考标号表示。 [0015] 现在，参照图1，示出了用于测定测量磁场(measurement magnetic field)的至少一种特性的示例性磁场传感器100的框图。通过磁场传感器100测量的测量磁场通常可以为外部磁场，诸如通过物体的移动或旋转而引起的磁场。在一些实施方式中，例如，测量磁场可以包括依赖于或允许确定元件的特定位置或旋转角度的磁场。在一些实施方式中，例如，磁场传感器100可以为允许识别元件的旋转角度的能够测量磁场的旋转或空间方向的角度传感器或者用于测量元件的旋转速度的速度传感器。然而，磁场传感器100不限于上述类型。 [0016] 磁场传感器100包括用于感测磁场的XMR感测元件110。XMR感测元件110可以为任何已知的XMR类型，包括但不限于GMR(巨磁阻)、AMR(各向异性磁阻)、CMR(庞磁电阻)、TMR(隧道磁阻)等。XMR感测元件110例如可以包括单个XMR条、多个XMR条(它们例如可以以特定结构进行配置，诸如Wheatstone桥式结构或者用于感测磁场的其他类型或结构)。XMR感测元件110被配置为通过电阻的改变来感测XMR感测元件110处存在的磁场。根据具体的结构，XMR感测元件110通常可以通过提供表示在XMR感测元件110处存在的磁场的至少一种特性的输出电压或输出电流来感测磁场。 [0017] 图2A示出了作为磁场的函数的GMR感测元件的典型的电阻特性。 [0018] 从图2A可以看出，对于大小大于饱和极限Blim的磁场，电阻表现出饱和。在饱和区域中，电阻根据磁场的方向而处于最低值Rmin或处于最大值Rmax，并且近似保持在各自的饱和水平。 [0019] 为了感测磁场，XMR感测元件包括磁层，所述磁层包括可磁化材料。当感测磁场时，可磁化材料在外部测量磁场的方向上被磁化。换句话说，磁层的磁化跟随外部测量场的磁化。磁层的该磁化的角度确定了XMR传感器元件的电阻，这允许将XMR元件用作传感器。 [0020] 虽然强磁场在外部磁场的方向上使得磁层全磁化，但对于弱磁场来说，只有磁层的部分或区域在测量场的方向上被磁化，而其他部分或区域可以仍然具有在其他方向上的磁化。由于XMR感测元件的阻抗依赖于磁层内磁化的角度，所以，应该理解的是，对于弱测量磁场来说，进一步增加测量磁场的大小导致更多的区域在相同的方向上被对准，因此阻抗发生变化。在饱和状态下，测量磁场足够强而使得磁场被完全磁化，因此磁场的任何进一步的增加都不会引起阻抗的进一步的改变。 [0021] 对于XMR传感器的许多应用，诸如在角度或旋转感测应用中，期望在饱和状态下操作XMR感测元件，即，使得测量磁场矢量的大小超过饱和极限。测量磁场是通过XMR传感器为其确定诸如角度或旋转速度的至少一个特性的磁场。在如速度传感器或角度传感器的应用中，测量磁场通常与旋转的物体相关。图2B示出了角度传感器200的实例。具有南极210A和北极210B的磁体210被安装在被设置为绕轴204旋转的物体202上。磁场传感器 100被设置为通过测量由磁体210产生的测量磁场的角度来感测物体202的角度。 [0022] 然而，如果测量磁场的矢量M在饱和极限之下，则如图2C所示，XMR感测元件可以认为在操作范围之外。 [0023] 本文所述实施方式提供了一种新的概念，以解决当测量场的大小较低(诸如在饱和极限之下)时磁场的至少一个特性(诸如测量磁场的角度或旋转速度)的测量。新概念利用所产生的辅助磁场以在XMR传感元件的位置处具有作为测量磁矢量和辅助磁矢量的矢量相加结果的合成磁矢量。在实施方式中，所得到的合成磁矢量的大小至少在感测阶段超过饱和极限，这使得磁场传感器感测饱和极限之上的合成磁矢量。基于所感测的合成磁矢量的信息和辅助磁场的特性，可以得到测量磁场的至少一种特性。 [0024] 图3A示出了新概念的实例示图，其中，通过矢量相加将辅助磁场矢量A与测量磁矢量M相加以得到最终的合成磁矢量C。在图3A中，通过相加辅助磁场矢量，合成磁矢量C的大小在饱和极限之上，这允许在XMR感测元件的饱和极限中感测合成矢量C。 [0025] 可以了解的是，辅助磁场112A可以被当作调制磁场，使得测量磁场被调制到辅助磁场上，以建立超过XMR感测元件的饱和极限且通过XMR感测元件来感测的磁场。 [0026] 再次参照图1，如上所述，设置辅助磁场发生器112以生成辅助磁场112A。 [0027] 通过实施辅助磁场112A，磁场传感器100能够测量小于XMR感测的饱和极限的测量磁场的特性。这里应该注意的是，提供辅助磁场112A不是用于使XMR感测元件总体上具有测量磁场的功能。换句话说，不具有辅助磁场的XMR感测元件可以为全功能感测元件。然而，辅助磁场112A添加至测量磁场以在XMR感测元件110处提供超过XMR感测元件110的饱和极限的合成磁场矢量，以能够对于小测量场来说进行可变磁层的全饱和的测量。 [0028] 在一些实施方式中，磁场发生器112可以包括能够生成大小和/或方向可变的磁场的发生器。这样的磁场发生器的实例例如可以包括线圈。可以通过控制器来控制流过线圈的电流，以预定大小和方向至少在感测阶段生成辅助磁场112A，使得感测的所得合成磁矢量超过XRM感测元件的饱和极限。 [0029] 在一些实施方式中，辅助磁场发生器112永久生成磁场。在这样的实施方式中，辅助磁场发生器112例如可以包括具有用于生成辅助磁场的永磁化材料的永磁体。然而，在一些实施方式中，辅助磁场可以以例如通过流过线圈的永久电流等的其他方式永久生成。 [0030] 在一些实施方式中，仅在XMR感测元件110的位置处局部生成辅助磁场。在一些实施方式中，磁通量整形元件可用于对辅助磁场进行整形，例如，以将场局部地集中在XMR感测元件110的位置处。 [0031] 在一些实施方式中，所生成的辅助磁场112A在XMR感测元件110的位置处具有等于或大于XMR感测元件110的饱和极限的大小。在一些实施方式中，所生成的辅助磁场112A可在XMR感测元件110的位置处具有稍微小于或大于XMR感测元件110的饱和极限的大小。饱和极限依赖于XMR传感器的材料和类型。通常，饱和极限在0.5毫特斯拉和5毫特斯拉之间的范围内。因此，在一些实施方式中，所生成的辅助磁场112A可以在XMR感测元件110的位置处具有0.5毫特斯拉和20毫特斯拉之间的范围中的大小。在一些实施方式中，所生成的辅助磁场112A可以在XMR感测元件110的位置处具有0.5毫特斯拉和5毫特斯拉之间的范围中的大小。应该注意的是，辅助磁场发生器112可以集成到与XMR感测元件110相同的封装中或者可以设置在外部。在一些实施方式中，辅助磁场发生器112可以集成在与XMR感测元件相同的芯片上。 [0032] 如图1所示，为了提取关于测量磁场的一个或多个特性的信息，来自XMR感测元件110的感测输出信号可以被传送至测量单元114。测量单元114可以集成到与传感器元件 110相同的装置上或者可以在其外部。测量单元114可以由例如被实施为状态机的纯硬件来实施、或者纯软件或固件来实施、或者它们的组合。 [0033] 测量单元114基于XMR感测元件110的输出信号确定测量磁场的至少一个特性。在一些实施方式中，所确定的测量磁场的特性可以为基于可旋转物体的角度位置的可旋转磁场的角度位置。在一些实施方式中，所确定的特性可以为可旋转磁场的旋转速度。 [0034] 为了确定测量磁场的至少一个特性，一些实施方式使用与所生成的辅助磁场对XMR感测元件110的输出信号的贡献相关的信息，以基于输出信号计算测量磁场的至少一个特性。例如，这样的信息可以包括关于辅助磁场的大小和方向的信息。然后，当分析XMR感测元件的输出信号并确定测量磁场的至少一个特性时，可以考虑XMR感测元件的位置处的辅助磁场矢量的贡献。据此，基于关于添加的辅助磁场矢量对XMR感测元件的输出信号的影响(即，由辅助磁场的存在所引起的XMR感测元件输出信号的改变)的信息，来确定测量磁场的特性。例如，可以通过对应于辅助磁场矢量的减法的计算来确定测量磁场的至少一种特性。此外，这种信息例如可以包括磁场传感器的训练(training)、校准或测试期间所获得和存储的映射信息。 [0035] 映射信息例如可以包括基于在训练、校准或测试期间当施加基准测量磁场时获得的XMR感测元件110的输出信号值的观察和存储的值。输出信号向所施加的基准测量磁场的相应值的映射可被应用和存储。映射信息可以表示来自XMR感测元件110的输出信号信息向测量磁场的至少一个特性的值的映射。例如，映射信息可以包括XMR感测元件的输出信号信息向磁场的角度值或者直接对引起磁场的物体的角度的映射。可以通过使用统计或其它方法或者诸如内插或外推技术的算法来利用映射信息，以确定用于测量磁场的至少一个特性的值。 [0036] 图3B示出了感测的合成磁场C的角度Ψ向测量磁场M的角度Φ的映射的实例。应该注意的是，在图3B的实施方式中，对于不同的角度Φ，假设测量具有相同的大小。从图 3B可以看出，在0和180度之间，测量磁场M的每个角度Φ均对应于感测的合成磁场C的具体角度Ψ。 [0037] 图5示出了用于测定测量磁场的至少一个特性的流程图500的实例。流程图开始于502，其中，除测量磁场之外，生成辅助磁场。在504中，通过使用XMR元件来感测所得的合成磁场。在506中，基于所得的合成磁场的感测来确定测量磁场的至少一个特性。 [0038] 在一些实施方式中，测量单元114还可以提供测量信号是否低于饱和极限的指示或确定。 [0039] 现在，参照图4A，示出了磁场传感器的示例性实施方式，所述磁场传感器具有多于一个的XMR感测元件，设置这些XMR感测元件以确定测量磁场的特性。 [0040] 尽管具有增加的面积，但使用多于一个的XMR感测元件对于一些实施方式来说可以是具有优势的，例如，确保了至少一个XMR感测元件对于每个可能的测量磁场具有饱和极限之上的合成磁场。 [0041] 虽然图4A示出了具有四个XMR感测元件110的实施方式，但应该注意的是，可以在其他实施方式中实施任何其他多个XMR感测元件，诸如两个、三个、五个或更多个。 [0042] 在图4A的实施方式中，四个XMR感测元件110沿着圆形分布。然而，在其他实施方式中，可以包括XMR感测元件110的任何其他对称或不对称的配置或分布。 [0043] 此外，每个XMR感测元件110都具有方向彼此不同的对应的辅助磁场。在图4A所示实施方式中，对应XMR感测元件110的位置处的每个辅助磁场的大小相同。然而，其他实施方式可以包括变化大小。 [0044] 在图4A的实施方式中，四个辅助磁场矢量对称设置，即，在对应于360°/4的方向上，其中，n＝4。然而，其他实施方式可以具有辅助磁场矢量的非对称设置。 [0045] 图4B示出了多个辅助磁场矢量A1至A4如何加至测量场的矢量M。可以看出，由于辅助磁场A1至A4被固定或是预定的，所述合成磁场矢量C1至C4的最终方向对于每个测量磁场矢量M提供了特征角度分布。因此，当每个XMR感测元件110在输出信号信息中提供了关于相应的合成磁场矢量C1至C4的测量角度时，可以根据合成磁场矢量C1至C4的角度的测量分布来确定测量磁场矢量M的角度和/或大小。为了确定矢量C1至C4的测量角度分布向测量磁场M的角度和/或大小的映射，可以使用各种方法。例如，在测试或校准期间，可以施加预定的测量磁场以为每个施加的测量磁场确定合成矢量C1至C4的相应的角度分布。该数据例如可以存储在查找表中。然后，在操作期间可以利用所存储的数据，以为未知的测量磁场确定角度和/或大小。仅作为实例，可以使用诸如内插、外推、最小均方(least square means)等的统计手段以根据所存储的数据和XMR感测元件的输出信号(它们基于相应的XMR感测元件处的合成磁场C1-C4的测量)来确定测量磁场的角度和/或大小。 [0046] 此外，在一些实施方式中，可以在开始传感器的操作之前确定XMR感测元件110的位置处的辅助场A1至A4的值。例如，这可以通过在传感器的操作之前的校准、测试或其他处理期间测量每个辅助场而获得。基于该信息，可以在传感器的操作期间确定未知测量磁场M的大小和/或角度。在数学上，这例如可以从解答考虑M、A1-A4矢量和C1-C4合成矢量而建立的等式来得到。对于每个XMR感测元件i，可以获得以下等式，其中，Mx为测量磁场的x轴分量，Ax，i为辅助磁场的x轴分量，My是测量磁场的y轴分量，Ay，i为辅助磁场的y轴分量，θi是辅助磁场Ai的角度，以及ψi是合成磁场Ci的角度： [0047] Tanθi＝Ay，i/Ax，i [0048] TanΨ＝My/Mx [0049] Cx＝Mx+Ax，i [0050] Cy＝My+Ay，i [0051] 本领域的技术人员可以了解的是，通过对每个XMR感测元件i建立上述等式，可以基于与相应的XMR感测元件i的输出信号相对应的感测的角度θi容易地确定测量磁场M的角度Ψ。 [0052] 可以认识到，可以以低成本实施上述概念。不需要改变XMR感测元件本身的现有设计，只要XMR感测元件能够感测磁场的角度即可。仅需要增加磁场发生器并采用测量单元或对测量单元进行编程，来以上述方式确定测量磁场。然而，应该注意的是，上述实例仅是从感测的合成磁场中得到测量磁场的特性(诸如角度)的多个实例中的一个。 [0053] 如上所述，在一些情况下，一个XMR感测元件处感测的合成矢量可能低于饱和极限。可以了解的是，通过多个XMR感测元件，可以检测XMR感测元件中的一个是否具有低于饱和极限的合成矢量。例如，这可以通过不仅考虑所有XMR感测元件来计算角度Ψ而且还仅考虑多个XMR感测元件的子集来另外计算角度Ψ来实现。如果确定角度Ψ对于所有XMR感测元件和XMR感测元件的子集都相同或基本相同，则所有XMR感测元件感测饱和极限之上的合成磁矢量。反之，如果所计算的角度Ψ对于两个计算导致不同的值，则至少一个XMR感测元件的合成磁场在饱和极限之下。在另一实例中，可以基于相应的XMR感测元件处确定的合成磁矢量来为每一个XMR感测元件计算角度Ψ。然后，比较角度Ψ的各个确定的值。如果所有值都相同或基本相同，则对于每个XMR感测元件来说，合成矢量在饱和极限之上。如果一个值与其他值显著不同，则对应的XMR感测元件被确定为具有在饱和极限之下的感测的合成矢量。然后，对于角度Ψ的测量，丢弃该对应的值。 [0054] 此外，在一些实施方式中，考虑到灵敏度和功率效率，可以利用所生成的辅助磁场的动态控制以优化磁场的生成。通常，当合成磁矢量稍微在饱和极限之上时，期望最大的灵敏度。因此，一些实施方式结合动态控制，其中，来自测量单元114的控制信号被反馈至辅助磁场发生器112，以根据所感测的合成磁场来调整辅助磁场。 [0055] 虽然针对旋转感测应用描述了上述一些实施方式，但应该理解的是，其他实施方式可包括其他应用。在这样的应用中，可以感测除测量场的角度之外的特性。 [0056] 在以上描述中，本文已经示出和描述了实施方式，使本领域的技术人员能够足够详细地实施本文所公开的教导。可以从中利用和得到其他实施方式，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。 [0057] 因此，详细的描述并不用于限制，并且仅通过所附权利要求以及这些权利要求所要求的等同替换的全部范围来限定各个实施方式的范围。 [0058] 为了方便，发明主题的这些实施方式可以在本文单独和/或统称为术语“发明”，并且如果实际上公开了多于一个的发明，则并不意在自动将本申请的范围限于任何单个发明或发明概念。因此，尽管本文已经示出和描述了具体实施方式，但应该理解的是，对所示的具体实施方式可以用实现相同目的的任何配置来替换。该公开意在覆盖各个实施方式的任何和所有修改和变形。上述实施方式的组合和其他实施方式在本文没有具体描述，但考虑到上述描述，这对于本领域的人员来说是显而易见的。 [0059] 进一步注意的是，说明书和权利要求中使用的特定术语可以以广义的含义来解释。例如，这里使用的术语“电路(circuit)”或“线路(circuitry)”应该被解释为不仅包括硬件而且包括软件、固件或它们的任何组合。术语“数据”可以被解释为包括任何形式的表示，诸如模拟信号表示、数字信号表示、载波信号上的调制等。术语“信息”除了包括任何形式的数字信息之外，还包括表示信息的其他形式。实施方式中的术语“实体”或“单元”可以包括任何装置、设备电路、硬件、软件、固件、芯片或其他半导体以及逻辑单元或物理实现方式。此外，术语“耦合(coupled)”或“连接(connected)”可以以广义地解释为不仅涵盖直接耦合而且还涵盖间接耦合。 [0060] 进一步应该注意的是，结合具体实体描述的实施方式除了包括在这些实体中的实施之外还包括在所述实体的一个或多个子实体或子部分中的一个或多个实施。例如，本文中所描述的在发射机、接收机或收发机中实施的具体实施方式可以在设置在这样的实体中的诸如芯片或电路的子实体中实施。 [0061] 形成具体实施方式的一部分的附图通过图示的形式示出，但并不是限制性的，在具体实施方式中可以实践主题。 [0062] 在前述详细的描述中，可以看出，各种特征结合在单个实施方式中以使得本公开流畅。本公开的该方法不应该被解释为反映所提出的实施方式要求比每个权利要求中明确引用的特征更多。而是，如以下权利要求反映的，发明的主题在于比单个披露的实施方式的所有技术特征更少的技术特征。因此，以下的权利要求与具体实施方式相结合，其中，每个权利要求可以作为单独的实施方式表示其自身。虽然每个权利要求作为单独的实施方式表示其自身，但应该注意，尽管在权利要求中从属权利要求可以引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他实施方式还可以包括从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合。除非表明不期望特定的组合，否则在本文提出了这种组合。此外，期望将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求不直接引用该独立权利要求。 [0063] 还应该注意的是，说明书或权利要求中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的每一个对应步骤的装置的设备来实施。 [0064] 此外，应该理解的是，说明书或权利要求中公开的多个步骤或功能的公开不应该被解释为以具体的顺序。因此，多个步骤或功能的公开并不限于这些具体顺序，除非这些步骤或功能由于技术原因不能互换。 [0065] 此外，在一些实施方式中，单个步骤可以包括或可以分为多个子步骤。除非明确排除，否则该单个步骤的公开包括这些子步骤或者这些子步骤为该单个步骤的公开的一部分。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈