离轴磁场角度传感器
阅读：844发布：2021-10-30
专利汇可以提供离轴磁场角度传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且离轴 磁场 角 度 传感器 。 实施例 涉及磁场角度感测系统和方法。在实施例中，一种被配置成确定绕轴线的磁场源的旋转 位置 的磁场角度感测系统包括：N个传感器设备，其布置在与轴线同心的圆周中，其中并且传感器设备沿着该圆周彼此间隔开大约（360/N）度，每个传感器设备包括具有包含磁场感测设备的至少一个参考方向的灵敏度平面的磁场感测设备，其中磁场感测设备对灵敏度平面中的磁场分量敏感并且被配置成提供与参考方向和灵敏度平面中的磁场之间的角度的（余）正弦相关的 信号 ；以及 电路 ，其耦合到N个传感器设备并且被配置成提供通过组合来自N个传感器设备的磁场感测设备的信号而确定的、指示绕轴线的磁场源的旋转位置的信号。，下面是离轴磁场角度传感器专利的具体信息内容。
1.一种被配置成确定绕旋转轴线的磁场源的旋转位置的磁场角度感测
系统，包括：N 个传感器设备，其布置在与所述旋转轴线同心的圆周中，其中 并且
所述传感器设备沿着该圆周彼此间隔开大约（360/N）度，每个传感器设备包括：
磁场感测设备，其具有包括该磁场感测设备的至少一个参考方向的灵敏度平面，其中所述磁场感测设备对该灵敏度平面中的磁场分量敏感并且被配置成提供与该参考方向和该灵敏度平面中的所述磁场之间的角度的（余）正弦相关的信号；以及电路，其耦合到所述N个传感器设备并且被配置成提供通过组合来自所述N个传感器设备的所述磁场感测设备的所述信号而确定的、指示绕所述旋转轴线的磁场源的旋转位置的信号。
2.权利要求1所述的系统，其中所述磁场源包括具有哈尔巴赫磁化的永磁体。
3.权利要求1所述的系统，其中所述N 个传感器设备被布置在单管芯上。
4.权利要求1所述的系统，其中所述磁场感测设备包括霍尔效应元件或磁阻（MR）元件。
5.权利要求4所述的系统，其中所述磁场感测设备包括包含具有不同参考方向的两个MR元件的半桥电路。
6.权利要求1所述的系统，其中所述N 个传感器设备的每一个的所述磁场感测设备的所述灵敏度平面是名义上平行的。
7.权利要求1所述的系统，其中所述电路被配置成作为所述组合的一部分而对所述信号进行预处理和平均。
8.权利要求7所述的系统，其中所述电路被配置成通过组合等于360度的整数倍与输入数据来对所述信号进行预处理以导致在所述N 个传感器设备的相应一些的角度位置的单一顺时针或逆时针方向上至少一个单调上升或下降的值的序列。
9.权利要求7所述的系统，其中所述电路被配置成通过将所述N 个传感器设备的信号解释为复数指示器的坐标并且将该复数指示器旋转成对于所有N个传感器设备都相同的归一化的旋转位置来对所述信号进行预处理。
10.权利要求1所述的系统，其中所述电路被配置成作为所述组合的一部分而对所述磁场感测设备的一组N 个信号应用离散傅里叶变换。
11.一种确定绕旋转轴线的磁场源的旋转位置的方法，包括：
将 个传感器设备布置在与所述旋转轴线同心的圆周中，使得所述传感器设备沿着该圆周彼此间隔开大约（360/N）度；
通过所述 个传感器设备中的每一个的磁场感测设备来感测该磁场感测设备的参考方向与由所述磁场源感应的该磁场感测设备的灵敏度平面中的所述磁场之间的角度的（余）正弦，该灵敏度平面包括所述磁场感测设备的至少一个参考方向；
提供与所述参考方向和所述灵敏度平面中的所述磁场之间的所述角度的（余）正弦相关的信号；以及
通过组合来自所述 个传感器设备的所述磁场感测设备的所述信号来提供指示绕所述旋转轴线的所述磁场源的旋转位置的信号。
12.权利要求11所述的方法，进一步包括提供包含具有哈尔巴赫磁化的磁体的所述磁场源。
13.权利要求11所述的方法，进一步包括在单管芯上提供所述 个传感器设备。
14.权利要求11所述的方法，其中所述磁场感测设备包括霍尔效应元件或磁阻（MR）元件。
15.权利要求14所述的方法，进一步包括将所述磁场感测设备布置在具有不同参考方向的两个MR元件的半桥电路中。
16.权利要求11所述的方法，其中所述 个传感器设备中的每一个的所述磁场感测设备的所述灵敏度平面是名义上平行的。
17.权利要求11所述的方法，进一步包括作为所述组合的一部分而对所述信号进行预处理和平均。
18.权利要求17所述的方法，其中所述预处理包括组合等于360度的整数倍与输入数据以识别在所述N个传感器设备的相应一些的角度位置的单一顺时针或逆时针方向上的至少一个单调上升或下降的值的序列。
19.权利要求17所述的系统，其中所述预处理包括将所述N 个传感器设备的信号解释为复数指示器的坐标并且将该复数指示器旋转成对所有N 个传感器设备都相同的归一化的旋转位置。
20.权利要求1所述的系统，进一步包括作为所述组合的一部分而对所述磁场感测设备的一组N 个信号应用离散傅里叶变换。
离轴磁场角度传感器
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及磁场传感器，并且更具体地涉及离轴（off-axis）磁场角度传感器。
背景技术
[0002] 磁场传感器可以用来感测轴或其它物体的旋转角度。例如，磁体可以安装在轴上使得其与轴一起旋转，并且可以将磁场传感器布置成接近磁体以便当磁体与轴一起旋转时感测由磁体感应的磁场。当紧接着或邻近轴，即离开轴的旋转轴线而安装磁场传感器时，该传感器可以被称为“离轴”磁场角度传感器。当轴的末端无法用作传感器的位置或者仅仅轴上不存在可用的空间时，经常实施离轴磁场角度传感器。
[0003] 在许多应用中，对于磁场角度传感器（包括离轴磁场角度传感器），可能存在对廉价且不复杂的同时相对于外部磁场和其它干扰也鲁棒（robust）、能够计及组装公差和与包括非均匀磁化的大的磁体在内的一系列磁体兼容的普遍偏好。于是，一些常规方法的缺点是要求具有传感器元件至少两个传感器衬底，该传感器元件具有相同磁灵敏度。所要求的匹配的磁灵敏度难以获得，并且与对多个传感器衬底的需求相组合生产起来更加昂贵。
发明内容
[0004] 实施例涉及磁场角度感测系统和方法。在实施例中，一种被配置成确定绕旋转轴线的磁场源的旋转位置的磁场角度感测系统包括：N个传感器设备，其布置在与旋转轴线同心的圆周中，其中 并且传感器设备沿着该圆周彼此间隔开大约（360/N）度，每个传感器设备包括具有包含磁场感测设备的至少一个参考方向的灵敏度平面的磁场感测设备，其中磁场感测设备对灵敏度平面中的磁场分量敏感并且被配置成提供与参考方向和灵敏度平面中的磁场之间的角度的（余）正弦相关的信号；以及电路，其耦合到N 个传感器设备并且被配置成提供通过组合来自N 个传感器设备的磁场感测设备的信号而确定的、指示绕旋转轴线的磁场源的旋转位置的信号。
[0005] 在另一实施例中，一种确定绕旋转轴线的磁场源的旋转位置的方法包括：将个传感器设备布置在与旋转轴线同心的圆周中，使得传感器设备沿着该圆周彼此间隔开大约（360/N）度；通过 个传感器设备中的每一个的磁场感测设备来感测该磁场感测设备的参考方向与由磁场源感应的该磁场感测设备的灵敏度平面中的磁场之间的角度的（余）正弦，该灵敏度平面包括磁场感测设备的至少一个参考方向；提供与参考方向和灵敏度平面中的磁场之间的角度的（余）正弦相关的信号；以及通过组合来自 个传感器设备的磁场感测设备的信号来提供指示绕旋转轴线的磁场源的旋转位置的信号。附图说明
[0007] 图2A是根据实施例的半桥电路的图。
[0008] 图2B是根据实施例的管芯（die）布置的框图。
[0009] 图2C是根据实施例的半桥电路配置的图。
[0010] 图2D是根据实施例的全桥电路的图。
[0011] 图3A是根据实施例的传感器系统的框图。
[0012] 图3B是根据实施例的传感器系统信号流的框图。
[0013] 图4A是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0014] 图4B是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0015] 图4C是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0016] 图5A是根据实施例的传感器系统的侧视截面图。
[0017] 图5B是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0018] 图5C是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0019] 图5D是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0020] 图6A是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0021] 图6B是根据实施例的传感器系统的示意性俯视图。
[0022] 图7A是根据实施例的传感器系统的透视图。
[0023] 图7B是图7A的传感器系统的侧视截面图。
[0024] 图7C根据实施例的传感器系统的俯视图。
[0025] 图8A是根据实施例的传感器系统的透视图。
[0026] 图8B是图8A的传感器系统的侧视图。
[0027] 图9A是根据实施例的传感器系统封装的透视图。
[0028] 图9B是根据实施例的传感器系统封装的透视图。
[0029] 图10是根据实施例的传感器系统的透视图。
[0030] 虽然本发明服从各种修改和替换形式，但是其细节在附图中已经通过示例的方式被示出并且将被详细地描述。然而，应当理解，意图并非将本发明限制到所描述的特定实施例。相反，旨在覆盖落入如由所附的权利要求定义的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同物和替换。
具体实施方式
[0031] 实施例涉及磁场角度传感器、系统和方法。在实施例中，磁场角度传感器包括在旋转轴线周围可旋转的磁体和布置成离开（例如，不与之成一直线）但接近旋转轴线的至少一个磁场传感器元件。在实施例中，至少一个磁场传感器元件可以包括磁阻（XMR）传感器元件、霍尔效应传感器元件或一些其它的磁场传感器元件。
[0032] 参照图1，在俯视图中描绘了磁场角度感测系统100的实施例。系统100包括磁场源，诸如磁体110和至少一个传感器设备120。在实施例中，系统100包括 个传感器设备，诸如在如本文下面更为详细地讨论的各种实施例中， 或 。尽管在图1的实施例中，至少一个传感器设备120布置在大于磁体110的半径的径向距离处，但是在其它实施例中，（多个）传感器设备120可以布置成比磁体110的半径更靠近旋转轴线。
[0033] 磁体110是在旋转轴线z 的周围可旋转的，其延伸进入如图1中所描绘的页面并从其延伸出来。在实施例中，磁体110是关于z轴旋转对称的，诸如在所描绘的实施例中。磁体110可以是一般来说圆柱形的，但是在其它实施例中磁体110可以包括盘、圆环面（torus）、被截断的圆锥体、球体、旋转的椭圆体或一些其它旋转对称的形状。在又一些实施例中，磁体110可以是非旋转对称的并且包括例如块或其它形状，但是此类实施例可以具有相对于其它实施例而减小的准确度，然而其在一些情形或应用中可以是可接受的。在实施例中，磁体110被安装或以其它方式固定到轴（在图1中未示出），使得它与之一起旋转，其在实施例中可以是含铁的或无铁的，使得其磁导率μr可以从大约1变动到大约100000。
[0034] 在实施例中磁体110在直径上被磁化，诸如在图1中所指示的 方向上，其与磁体110一起旋转。因此，在一个实施例中被如此磁化的磁体110所感应的磁场可以由下式描述：以及
其中，振幅 和 可以具有不同的值和/或不同的符号，取决于测试点的径向位置R和轴向位置z，其为如图1中所图示的传感器设备120的位置。该测试点的角向坐标为 。
其中，振幅 和 可以具有不同的值和/或不同的符号，取决于测试点的径向位置R和轴向位置z，其为如图1中所图示的传感器设备120的位置。该测试点的角向坐标为 。
[0035] 更一般地来说，磁体110可以具有根据下式的磁化：由此， 是磁化矢量的幅度并且p 是杆对（pair pole）的整数数目并可以是负的。对于 ，这提供了x方向上的直径的磁化。这个类型的磁化可以称为哈尔巴赫磁化，其可以产生具有对于角向坐标的正弦变化的磁场。如果周期（period）小于360°，则这些磁体仍然可以用于具有较小的角度范围的角度传感器。例如，对于 ，周期为180°并且此类磁体可以用于具有全范围小于或等于180°的角度传感器。
[0036] 在实施例中，至少一个传感器设备120可以包括一个或多个磁阻（MR）传感器元件、霍尔效应传感器元件或一些其它的合适的磁场传感器元件。在实施例中，传感器设备120包括至少一个强场MR传感器元件并且在各种实施例中可以包括各向异性磁阻器（AMR）、巨磁阻器（GMR）、隧穿磁阻器（TMR）和/或超巨磁阻器（CMR）。一般而言，MR是具有定义灵敏度平面并且远大于第三（厚度或深度）维度的两个横向维度的薄的结构。MR响应于磁场在该灵敏度平面中的投影或分量，即面内场。“强场”MR是电阻对于其而言是磁角度（即，面内磁场与平行于灵敏度平面的参考方向之间的角度）的余弦的函数的一个，并且至少在诸如大约10mT到大约200mT的宽范围中独立于面内磁场（即，磁场矢量到灵敏度平面上的投影，其可以通过从磁场矢量减去与灵敏度平面垂直的磁场分量而获得）的幅度。相比之下，弱场MR是其中在被施加的磁场的方向为恒定且只有幅度变化的情况下电阻显著地变化的MR。
[0037] 对于AMR来说，参考方向与流过磁阻器的电流方向相同。因此，具有由螺旋状条纹（barber poles）定义的参考方向 的AMR由下式建模：其中，h 是小的，诸如在实施例中为大约0.03，并且其中 表示矢量 与 之间的角度。 是面内磁场。灵敏度平面与所有三个矢量 平行。对于
GMR、TMR和CMR，例如，参考方向由硬磁参考层中的磁化方向定义，该硬磁参考层也称为钉扎层（pinned layer）或预磁化。具有参考方向 的GMR和TMR可以由下式建模：
对于GMR，h通常是较小的数字，诸如大约0.05；对于TMR，h 较大，诸如在一个实施例中为大约0.5。
GMR、TMR和CMR，例如，参考方向由硬磁参考层中的磁化方向定义，该硬磁参考层也称为钉扎层（pinned layer）或预磁化。具有参考方向 的GMR和TMR可以由下式建模：
对于GMR，h通常是较小的数字，诸如大约0.05；对于TMR，h 较大，诸如在一个实施例中为大约0.5。
[0038] 同样参照图2A，在实施例中至少一个传感器设备120包括半桥电路200。半桥电路200包括两个MR元件210和220，每一个都具有钉扎层并且串联地耦合在供应电压与诸如地的参考电压之间，由此形成分压电路。MR元件210和220具有反平行的参考方向，-x和+x，如图2A中所图示的。贯穿本文，如果参考传感器设备，诸如MR元件210和220，则相对于本地参考系(x, y, z)来描述灵敏度方向。不同的通用笛卡尔参考系(x, y, z)或等同的通用圆柱参考系（例如，R，psi，z）可以用来定义测试点的位置和作用于磁场感测设备（例如，MR元件210和220）上的磁场分量。
[0039] 在一个实施例中，MR元件210和220是相同的或几乎相同，除了它们的参考方向之外在电和磁参数上接近地匹配。实现这个的一个方式是元件210和220，根据相同的制造工艺和顺序来一起（例如，同时）制造。因此，在实施例中并且还参照图2B，半桥电路200布置在较大衬底（例如，硅或玻璃晶片或其它结构）的单体化（singulation）之后的单管芯230上。在一些实施例中，一个或多个附加的半桥电路和/或诸如前置放大器、接口电路或其它电路之类的其它元件也可以被布置在管芯230上。
[0040] 在操作中，供应电压 被施加在串联耦合的元件210和220两端，并且元件210与220之间的公共节点处的电势被指定为输出电压 ：
然后，并且还参考包括半桥200和分压器202的图2C，进一步可能的是从 中减去 ：
还可以使用归一化（normalize）信号：
在实施例中，如果传感器系统包括几个半桥电路，则只需要单分压器（例如，202）并且不需要位于任何特定的测试点处。归一化信号 易于唯一地或毫无疑义地确定磁场角度的余弦，由此磁角度在上面被定义为面内磁场 与参考方向 之间的角度。然
而，归一化信号 不易于唯一地或毫无疑义地确定磁角度，因为余弦的反函数在360度的完整周期（revolution）上不是唯一函数。下面将示出如何组合在绕旋转轴线的几个测试点处采样的信号 以便重构磁体的角度位置，即使该角度一般来说不能单独地从任何单一测试点处的信号 推导出。
然后，并且还参考包括半桥200和分压器202的图2C，进一步可能的是从 中减去 ：
还可以使用归一化（normalize）信号：
在实施例中，如果传感器系统包括几个半桥电路，则只需要单分压器（例如，202）并且不需要位于任何特定的测试点处。归一化信号 易于唯一地或毫无疑义地确定磁场角度的余弦，由此磁角度在上面被定义为面内磁场 与参考方向 之间的角度。然
而，归一化信号 不易于唯一地或毫无疑义地确定磁角度，因为余弦的反函数在360度的完整周期（revolution）上不是唯一函数。下面将示出如何组合在绕旋转轴线的几个测试点处采样的信号 以便重构磁体的角度位置，即使该角度一般来说不能单独地从任何单一测试点处的信号 推导出。
[0041] 然后，并且参照图2D，可以组合两个半桥200a和200b以形成全桥电路201，对于该全桥电路201，可以根据下式来确定 ：再次地，还可以使用归一化信号：
全桥电路201可以对于单半桥而使输出电压翻倍，但是还需要通常两倍的空间，并且与例如图2A中半桥电路200的单输出相比，假定全桥201具有两个输出，输出(+)和输出(-)，则可以需要附加的布线或连接以便被读出。在实施例中，全桥电路201的半桥200a和
200b布置在相同的测试点处。如由本领域技术人员所认识到的，在知道了半桥电路可以由全桥取代或替代的情况下，本文一般来说可以讨论半桥电路。
全桥电路201可以对于单半桥而使输出电压翻倍，但是还需要通常两倍的空间，并且与例如图2A中半桥电路200的单输出相比，假定全桥201具有两个输出，输出(+)和输出(-)，则可以需要附加的布线或连接以便被读出。在实施例中，全桥电路201的半桥200a和
200b布置在相同的测试点处。如由本领域技术人员所认识到的，在知道了半桥电路可以由全桥取代或替代的情况下，本文一般来说可以讨论半桥电路。
[0042] 返回图1，描绘了在单测试点处的一个传感器设备120（例如，传感器设备120和磁体110关于z轴的相对布置），但是在实施例中使用在多个测试点处的多个传感器设备120。例如，并且现在还参照图4A的传感器系统400，在一个实施例中使用至少三个测试点0、1和
2，使得实施至少三个传感器设备120。如图4A中所描绘的，本文一般来说将讨论其中传感器元件120布置在每个测试点处（例如，N 是测试点的数目并且 ，并且传感器系统包括N = 3个传感器元件120）的以前的布置，然而在其它实施例中可以使用其它布置。
2，使得实施至少三个传感器设备120。如图4A中所描绘的，本文一般来说将讨论其中传感器元件120布置在每个测试点处（例如，N 是测试点的数目并且 ，并且传感器系统包括N = 3个传感器元件120）的以前的布置，然而在其它实施例中可以使用其它布置。
[0043] 在实施例中，还假设假定每个传感器设备120的MR元件210和220的小尺寸且考虑元件210和220远小于磁体110，则在它们处的磁场本质上是均匀的。例如，在一个实施2
例中，元件210和220大约为0.05mm，而磁体110（在旋转轴线z 的方向上观察）更大至少约500倍（为了说明性目的，图4A中和其它地方的描绘不一定合比例）。换言之，传感器设备120之间的间距显著地大于同一半桥的元件210、220之间的间距，使得半桥的两个元件
210、220经历大体上相同的磁场而不同设备120的元件经历不同的场。虽然单半桥的元件
210、220之间小的间距可以导致那些元件经历稍微不同的场，但是可以解决（address）任何结果的角度误差。
例中，元件210和220大约为0.05mm，而磁体110（在旋转轴线z 的方向上观察）更大至少约500倍（为了说明性目的，图4A中和其它地方的描绘不一定合比例）。换言之，传感器设备120之间的间距显著地大于同一半桥的元件210、220之间的间距，使得半桥的两个元件
210、220经历大体上相同的磁场而不同设备120的元件经历不同的场。虽然单半桥的元件
210、220之间小的间距可以导致那些元件经历稍微不同的场，但是可以解决（address）任何结果的角度误差。
[0044] 在实施例中，多个传感器元件120在z轴周围相等地和/或均匀地间隔开，例如以360°/N，并且每个测试点的径向距离（例如，旋转轴线z 与测试点之间的距离）大致相等。
因此，在包括三个传感器元件120_0、120_1和120_2的实施例中，传感器元件在与旋转轴线同心的读取圆周上大约每隔120°地布置在z轴周围。在图4A中描绘了此类配置。在实施例中，读取圆周的直径被定尺寸（size）使得旋转轴线不与传感器元件120_0、120_1和120_2的任何管芯交叉；换言之，在其上布置测试点的读取圆周的直径大于磁体110的直径。在其它实施例中，测试点可以在磁体110的外直径内，然而仍被布置在足够的径向距离处，使得在旋转轴线处的、并且磁体110被安装到的轴未被阻隔。换言之，传感器元件120_0、120_1和120_2一般来说仍然是与同轴（on-axis）传感器元件相对的离轴传感器元件。
因此，在包括三个传感器元件120_0、120_1和120_2的实施例中，传感器元件在与旋转轴线同心的读取圆周上大约每隔120°地布置在z轴周围。在图4A中描绘了此类配置。在实施例中，读取圆周的直径被定尺寸（size）使得旋转轴线不与传感器元件120_0、120_1和120_2的任何管芯交叉；换言之，在其上布置测试点的读取圆周的直径大于磁体110的直径。在其它实施例中，测试点可以在磁体110的外直径内，然而仍被布置在足够的径向距离处，使得在旋转轴线处的、并且磁体110被安装到的轴未被阻隔。换言之，传感器元件120_0、120_1和120_2一般来说仍然是与同轴（on-axis）传感器元件相对的离轴传感器元件。
[0045] 此外，在实施例中测试点0、1和2布置在与旋转轴线z 垂直的平面中。该平面为具有圆柱参考系的 -平面，或具有笛卡尔坐标系的(x, y)-平面。
[0046] 此外，在实施例中传感器系统400计算有限和，诸如：其中， 为在等距的方位角 处采样的信号，并且指标a
表示MR的参考方向 。通常来说，这是具有复数值的加权因子 的线性
组合，其中j 是虚部。它还可以视作是N 个采样数据 的复数值的离散傅里叶变换。替代单一复数值的和，可以使用一组两个实数值的和：
和
在其中使用大量测试点的实施例中，这收敛到积分 ，其可
以通过许多求积方案（例如，辛普森法则或高斯求积分等）中的一个来数字地计算。例如，一个人可以选择具有非等距采样点的求积分方案，使得在实施例中系统400中的测试点无需等距（然而在一些实施例中它们将是或可以是，因为规则地间隔的测试点可以改善包括关于必要的计算或其它努力的系统的准确度）。此外，可以使用函数 ，其一般来说被定义为：
由此，增加2π的整数倍直到结果在区间 或[0°, 360°]中为止。
它等同于 与 之间的角度。
表示MR的参考方向 。通常来说，这是具有复数值的加权因子 的线性
组合，其中j 是虚部。它还可以视作是N 个采样数据 的复数值的离散傅里叶变换。替代单一复数值的和，可以使用一组两个实数值的和：
和
在其中使用大量测试点的实施例中，这收敛到积分 ，其可
以通过许多求积方案（例如，辛普森法则或高斯求积分等）中的一个来数字地计算。例如，一个人可以选择具有非等距采样点的求积分方案，使得在实施例中系统400中的测试点无需等距（然而在一些实施例中它们将是或可以是，因为规则地间隔的测试点可以改善包括关于必要的计算或其它努力的系统的准确度）。此外，可以使用函数 ，其一般来说被定义为：
由此，增加2π的整数倍直到结果在区间 或[0°, 360°]中为止。
它等同于 与 之间的角度。
[0047] 因此，在系统400中，每个测试点0、1和2包括半桥200_0、200_1和200_2，其中参考方向 平行于 -平面。在实施例中，参考方向可以与 或 相同。如所描绘的，N = 3的测试点被布置在角向位置 处。操
作中，系统400对从具有参考方向 的半桥200_0、200_1和200_2中导出的信号（ ）进行采样。
作中，系统400对从具有参考方向 的半桥200_0、200_1和200_2中导出的信号（ ）进行采样。
[0048] 在实施例中，可以通过形成半桥200_0、200_1和200_2的一部分或以其它方式耦合到其的控制或其它电路来执行本文所讨论的采样、确定和计算。在图3A中描绘了一个实施例，其中电路410是系统400的一部分并且耦合到至少一个传感器设备120_0、120_1和120_n，然而在实施例中可以在系统400中实施更多或更少的传感器设备和/或半桥或其它传感器电路。电路410可以包括控制、评估、信号调节（conditioning）和/或其它电路并且可以是专用的传感器系统电路，或者它可以包括另一系统或部件的一部分（例如，汽车或其它应用中的电子控制单元，ECU）。系统400可以布置在多个管芯或封装上或其中，并且各种部件（并非其全部都在图3A的简化的框图中被描绘）可以如适合或适于任何给定的应用或实现而电气地、通信地和/或操作地相互耦合，因为本领域技术人员将认识到这些布置可以变化。
[0049] 在实施例中，电路410可以（在实施例中同时地）对N个信号进行采样。因此，电路410可以包括具有采样保持和电路的N 个输入通道。一旦对N 个信号进行了采样，电路410就可以立即处理它们或保持它们以用于处理直到例如当N 个信号被再次采样的下一时钟循环为止。如果系统资源有限，则还可能连续地对该N个信号采样，诸如在实施例中其中采样顺序为顺时针、逆时针或根据某个其它的非任意的方案，例如在一个实施例中在磁体的旋转方向上。
[0050] 在前面提到的采样之后，电路410可以计算以下内容，其是复数数字的和但也可以看作是在实值数字上的两个和的速记（short-hand）：，其中虚单位 。该离散傅立叶变换的基频
表示磁体110的场的主要部分，而平均数 和更高的谐波 是由诸如背景磁干
扰、磁体110或传感器200相对旋转轴线的偏心安装、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）等之类的非理想情况所引起的。因此，传感器系统400通常仅计算基频，由此其实部和虚部的比根据下式提供了磁体100的所估计的旋转位置的正切（tangent）：
这里，带上标符号的角度表示角度的估计；因此，它们可以包含角度误差。相反地，不带上标符号的角度表示确切的几何角度。
表示磁体110的场的主要部分，而平均数 和更高的谐波 是由诸如背景磁干
扰、磁体110或传感器200相对旋转轴线的偏心安装、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）等之类的非理想情况所引起的。因此，传感器系统400通常仅计算基频，由此其实部和虚部的比根据下式提供了磁体100的所估计的旋转位置的正切（tangent）：
这里，带上标符号的角度表示角度的估计；因此，它们可以包含角度误差。相反地，不带上标符号的角度表示确切的几何角度。
[0051] 换言之，电路410可以配置成通过组合来自传感器设备的与由磁体110感应且由半桥电路200感测的磁场相关的信号来估计磁体110的角度位置。由此，每个传感器设备的信号可以唯一地和/或毫无疑义地确定在该传感器设备的位置处的磁角度的余弦。来自多个传感器设备的信号的组合包括对于信号的两个实值的加权的求和，由此第一个和的加权与相应的传感器单元的角向位置的正弦成比例，并且第二个和的加权与相应的传感器单元的角向位置的余弦成比例。此外，该组合还包括关于两个和的arctan2操作（上面）。
[0052] 还参照图3B，传感器设备可以包括半桥电路，例如如上面讨论的具有输出电压的GMR半桥电路。电路410可以接收该信号，并且在实施例中在确定来自多个半桥电路或其它传感器设备的信号的和并最终确定磁体的角度位置之前执行至少一个预处理（pre-condition）操作。在一个实施例中，电路410可以首先减去以减少或消除半桥输出的大的共模电压。实际上，仍然可以存在由任何半桥中的MR之间的失配所引起的某个小的偏移。在实施例中，电路410可以包括其中存储该偏移的存储器，或者该偏移可以在操作中确定，例如，在磁体的一个或多个周期之后，仅仅通过对最大和最小输出电压进行平均。因此，可以识别该偏移并从信号中减去。
[0053] 信号的振幅是 ，其中项“h”受制于（subject to）过程扩散和部分到部分（part-to-part）失配。该项也经常被存储在存储器中或者在先前的周期期间被观察到（即，仅仅通过根据所有传感器单元的输出信号计算最大减最小输出电压）。因此，电路410可以将所有信号从振幅 归一化到1。此外，半桥的参考方向受制于公差，该公差可以当生产中MR的钉扎层被磁化时由未对准误差所引起，但是它们也可以由绕旋转轴线的传感器管芯的放置公差所引起。传感器系统还可以根据先前的离线或在线校准运行（run）中知晓这些组装误差并且相应地操纵该信号。
[0054] 最后，电路410得到一组归一化的信号。然后可以用这些归一化信号 来计算和 。
[0055] 图4A中的系统400包括 的测试点，然而其它实施例可以包括更多或更少。例如，一些实施例可以包括如例如图4B中所描绘的偶数数目的测试点，并且在这些实施例中，在系统401中可以将两个直径上相对的半桥200a和200b集合在一起，并且其之间的输出电压的差被选定。除了半桥电路200a和200b为不同的位置之外，这类似于全桥电路配置（例如，参考图2D）。
[0056] 图4B还描绘了半桥电路200a和200b的不同的参考方向。此处，参考方向平行和反平行于正切方向，而在图4A中它平行和反平行于径向方向。在实施例中参考方向可以是任意的，并且对于所有的传感器设备，它还可以与图4B中的x轴对准。比较图4A和4B，传感器设备具有参考方向 和 。由于等式 ，所以图4A中的传感器单元的归一化信号与磁角度的余弦成比例，而图4B中的传感器单元的归一化信号与磁角度的正弦成比例。因此，可以使用与磁角度的正弦或余弦成比例的传感器设备的归一化信号，换言之，传感器单元的归一化信号与磁角度的（余）正弦成比例。
[0057] 另一实施例包括AMR。图4C描绘了在角向位置 和 处具有两个AMR半桥电路200a和200b的布置。AMR不具有钉扎的磁化，并且它们的参考方向由电流的方向（其经常由螺旋条状纹）确定。因为AMR的电阻不依赖于电流的极性，所以这在图4C中通过使用双向黑色箭头来表示。输出电压由下式给出：两者之差除以 则给出归一化信号
如果这些信号在角向位置 处的N 个测试点处（m=0, 1, …, N-1）
被采样，则系统可以确定离散傅立叶变换 ，其中对于
，第一个和第二个谐波（n = 1, 2）并且对于 ，第二个和第（N-2）个谐波（n = 2和N-2）携带关于磁体110的旋转位置的信息，而所有其它谐波仅仅由于系统缺陷（比如径向和角向场的不同振幅、组装公差和背景磁干扰）而出现。对于 ，磁体的旋转角度由下式给出
因此，GMR、TMR和CMR半桥包括具有其钉扎层的反平行参考方向的MR，而AMR半桥包括具有由电流流动方向定义的正交参考方向的MR。GMR、TMR和CMR半桥的输出信号取决于磁角度的余弦或正弦，而AMR半桥的输出信号取决于磁角度的余弦或正弦的平方。在两个情形中，角度传感器系统经由离散傅立叶变换或传感器单元的信号的其它合适的计算或处理来估计磁体的旋转位置，而在GMR、TMR和CMR（即，具有钉扎层的那些MR）的情况下，它使用基频 ，然而在AMR（即没有钉扎层的MR）的情况下，它使用第二个谐波频率 。第二个谐波只有在180°的角度范围内是唯一的，使得在没有对系统的进一步修改的情况下，AMR离轴角度传感器不能区分磁体的旋转位置 和 ，然而在实施例和应用中这可以被酌情考虑。
如果这些信号在角向位置 处的N 个测试点处（m=0, 1, …, N-1）
被采样，则系统可以确定离散傅立叶变换 ，其中对于
，第一个和第二个谐波（n = 1, 2）并且对于 ，第二个和第（N-2）个谐波（n = 2和N-2）携带关于磁体110的旋转位置的信息，而所有其它谐波仅仅由于系统缺陷（比如径向和角向场的不同振幅、组装公差和背景磁干扰）而出现。对于 ，磁体的旋转角度由下式给出
因此，GMR、TMR和CMR半桥包括具有其钉扎层的反平行参考方向的MR，而AMR半桥包括具有由电流流动方向定义的正交参考方向的MR。GMR、TMR和CMR半桥的输出信号取决于磁角度的余弦或正弦，而AMR半桥的输出信号取决于磁角度的余弦或正弦的平方。在两个情形中，角度传感器系统经由离散傅立叶变换或传感器单元的信号的其它合适的计算或处理来估计磁体的旋转位置，而在GMR、TMR和CMR（即，具有钉扎层的那些MR）的情况下，它使用基频 ，然而在AMR（即没有钉扎层的MR）的情况下，它使用第二个谐波频率 。第二个谐波只有在180°的角度范围内是唯一的，使得在没有对系统的进一步修改的情况下，AMR离轴角度传感器不能区分磁体的旋转位置 和 ，然而在实施例和应用中这可以被酌情考虑。
[0058] 如果传感器系统的实施例在输出电压为 情况下具有N 个角向位置处的N 个半桥（ ），则可能选定两端的电压（例如相邻的半桥）：
这提供了N-1个差分电压。第N个电压可以称为绝对点（并且没有一个其它半桥输出） ，以便具有N 个线性的独立等式。可替换地，传感器系统可以包括位于另外位置处的附加的半桥，所有其它半桥输出都参考该附加的半桥。例如，如果假设半桥#N为该另外的参考桥，则传感器系统可以选定N 个差分电压 ，
，…… ，由此半桥#0到#(N-1)在规则位置 到 上，并且
该另外的参考桥在不同于所有其它位置的位置 处。因此，在一个实施例中所有(N+1)个桥必须在不同的位置处。如先前所提到的，在实施例中N 个桥被布置在规则网格（ ）上可以是有利的，使得另外的参考桥可以布置在离
网格的不规则位置处。
这提供了N-1个差分电压。第N个电压可以称为绝对点（并且没有一个其它半桥输出） ，以便具有N 个线性的独立等式。可替换地，传感器系统可以包括位于另外位置处的附加的半桥，所有其它半桥输出都参考该附加的半桥。例如，如果假设半桥#N为该另外的参考桥，则传感器系统可以选定N 个差分电压 ，
，…… ，由此半桥#0到#(N-1)在规则位置 到 上，并且
该另外的参考桥在不同于所有其它位置的位置 处。因此，在一个实施例中所有(N+1)个桥必须在不同的位置处。如先前所提到的，在实施例中N 个桥被布置在规则网格（ ）上可以是有利的，使得另外的参考桥可以布置在离
网格的不规则位置处。
[0059] 如果不存在干扰磁场，并且如果 和 的幅度相同，则此类传感器系统对于可以具有零角度误差。不过，对于任意的磁体110和任意的读取圆周位置， 和的幅度不同，并且即使仔细地布置读取圆周使得两个磁场幅度在名义上相同，它们也由于组装公差和生产扩散而可能略微不同。在这些情况下，角度误差可以随着更大的N而减小，但不是单调地。例如，在N = 4情况下的系统通常将具有比在N = 3情况下的系统更大的角度误差。此外，在N = 6情况下的系统可以具有与对于N = 3相同的误差，然而在N = 5情况下的系统可以具有甚至更小的角度误差。一般来说，具有奇数N 的系统可以具有较低的角度误差。在 情况下的系统可以具有与在 情况下的系统相同的角度误差。角度误差还可以取决于 和 的幅度的比不同于1的程度。
[0060] 图5A中描绘了传感器系统500的另一实施例。在系统500中，磁体110包括安装或以其它方式固定到轴130使得磁体110在操作中与轴130一起旋转的环形磁体。z旋转轴线与轴130的中心对准。如由图5A中的箭头所图示的，磁体110在直径上被磁化。描绘了布置成在直径上彼此相对且具有同心读取圆周的直径的两个传感器设备120_0和120_1。可以包括附加的传感器设备120_n，然而在图5A中未被描绘或者可见。
[0061] 例如，图5B包括三个传感器设备230_0、230_1和230_2。具有奇数N（在其中每个处布置传感器设备120的测试点的数目）的实施例可以是更加高效的。在许多应用中可以是足够准确的并且具有充分的背景场抑制。 可以比 更好，并且 可以类似于 。 可以类似于 。 一般来说可以比 或 更不
准确。一般而言，可以根据特定的应用和/或期望的性能特性来选择N。
准确。一般而言，可以根据特定的应用和/或期望的性能特性来选择N。
[0062] 传感器设备120_0和120_1（图5A，但是一样可以对其它实施例，例如图5B成立）与磁体110间隔开垂直（如图5A中的页面上所布置的，并且其中取向可以在实施例中变化）距离vs。每个传感器120_0和120_1（图5B中的230_1、230_2和230_3）包括具有参考方向和 的两个半桥（不可见），每个与 -平面平行并且在实施例中其间具有不是0°或180°的角度（因此 和 不共线）。在一个实施例中， 和 垂直并且对应于和 ，其在该示例讨论中将被假设但在其它实施例中可以变化。在实施例中系统500在角向位置处具有N 个测试点：
在操作中，系统（例如，500或501）对从具有参考方向 和 的半桥导出的信号和 （ ）进行采样（例如，通过与图3的电路410类似的控
制电路）。然后，系统计算 和
（ ），其中虚单位 。
在操作中，系统（例如，500或501）对从具有参考方向 和 的半桥导出的信号和 （ ）进行采样（例如，通过与图3的电路410类似的控
制电路）。然后，系统计算 和
（ ），其中虚单位 。
[0063] 如图5B中所描绘的，如果传感器设备使用具有钉扎层的MR（例如，GMR、TMR和/或CMR），则基频 和 表示包括关于磁体的旋转位置的信息的磁体110的场的主要部分，而平均数 和更高的谐波 由比如背景磁干扰、磁体或传感
器相对于旋转轴线的偏心安装、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）等的非理想情况所引起。在实施例中， 是 的共轭，这意味着两者都包含关于磁体
的旋转位置的相同信息并且因此可以使用任何一个。如图5C中所描绘的，如果传感器设备使用没有钉扎层的MR（例如AMR），则第二个谐波 和 表示磁体110的
场的主要部分。因此，在具有钉扎层MR的实施例中，传感器系统只需要计算基频，由此其实部和虚部的比给出磁体的所估计的旋转位置的正切：
和
缺少角度误差的情况下并且对于 ，和 ，和 ，和 ，它具
有：
和 ，
于是，系统可以根据下式计算两个角度的预处理的平均（即，对传感器设备的角度输出增加或减去360度的整数倍，直到当在顺时针方向上观察时所有的值上升或下降为止）：
如果 ，则增加360°到
预处理平均可以比单传感器设备的单一值更加准确，因为它可以减少或消除与 和振幅的不同幅度相关的误差，减少或消除与组装公差相关的误差，和/或减少或消除干扰磁场。
器相对于旋转轴线的偏心安装、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）等的非理想情况所引起。在实施例中， 是 的共轭，这意味着两者都包含关于磁体
的旋转位置的相同信息并且因此可以使用任何一个。如图5C中所描绘的，如果传感器设备使用没有钉扎层的MR（例如AMR），则第二个谐波 和 表示磁体110的
场的主要部分。因此，在具有钉扎层MR的实施例中，传感器系统只需要计算基频，由此其实部和虚部的比给出磁体的所估计的旋转位置的正切：
和
缺少角度误差的情况下并且对于 ，和 ，和 ，和 ，它具
有：
和 ，
于是，系统可以根据下式计算两个角度的预处理的平均（即，对传感器设备的角度输出增加或减去360度的整数倍，直到当在顺时针方向上观察时所有的值上升或下降为止）：
如果 ，则增加360°到
预处理平均可以比单传感器设备的单一值更加准确，因为它可以减少或消除与 和振幅的不同幅度相关的误差，减少或消除与组装公差相关的误差，和/或减少或消除干扰磁场。
[0064] 为了良好地抑制背景磁干扰， 和 应当尽可能相似（在实施例中理想情况下）并且具有相同的符号。对于圆柱形或环形磁体，这意味着所有测试点位于其中并且与旋转轴线z垂直的平面不同于磁体110的对称平面；换言之，它在轴向方向上被移位，使得测试点位于磁体110上方或下方，如图5A中所描绘的。因此，在对应于系统500的示例实施例中，磁体110包括具有大约5mm的内直径、大约15mm的外直径和大约3mm的厚度（例如，在如图5A中的z 方向上）的环形磁体。测试点0和1在磁体110下方vs=大约1.5mm处。如果轴130是无铁的（例如，其相对磁导率接近1），则读取圆周具有大约17.4mm的直径，并且如果轴130是含铁的（例如，其相对磁导率大于大约1000），则读取圆周可以具有不同的直径。为了良好地抑制背景磁场和干扰， 和 的符号可以相同，如所描述的，其中径向测试位置0和1在磁体110的外直径的外部。
[0065] 图5B中描绘了包括具有钉扎层的MR并且其中N = 3且对于 和 和和 的系统501的实施例。系统501在与直径上被磁化的磁体110的旋转轴
线z 同心的读取圆周上包括以大约120°的规则角向间距的三个测试点0、1和2。每个测试点0、1和2分别包括传感器设备120_0、120_1和120_2，其中每一个包括具有如由每个MR元件上或邻近它的箭头所图示的不同参考方向的至少两个半桥。在其中使用AMR（其不包括钉扎层）的实施例中，两个参考方向意味着例如第一个半桥的AMR具有与 和平行的参考方向，而第二个半桥的AMR具有与如图5C中所示的 和 平
行的参考方向。
线z 同心的读取圆周上包括以大约120°的规则角向间距的三个测试点0、1和2。每个测试点0、1和2分别包括传感器设备120_0、120_1和120_2，其中每一个包括具有如由每个MR元件上或邻近它的箭头所图示的不同参考方向的至少两个半桥。在其中使用AMR（其不包括钉扎层）的实施例中，两个参考方向意味着例如第一个半桥的AMR具有与 和平行的参考方向，而第二个半桥的AMR具有与如图5C中所示的 和 平
行的参考方向。
[0066] 在图5B和5C的示例实施例中，相邻测试点（例如0和1，1和2，2和0）的参考方向还被旋转大约120°，然而在每个实施例中不需要这种情况，因为它们也可以是相同的（例如，代替如所描绘的R-和 -参考方向，系统501还可以对所有测试点使用相同的通用x-和y-参考方向）。这是因为由任何两个参考方向给出的信号可以被重新计算成等同的参考方向的任何其它集合。在一个实施例中，在每个测试点0、1、2处的两个MR半桥都被分别布置在单管芯230_0、230_1和230_2上。这可以将生产成本、管芯的总面积和管芯的安装公差减小或最小化（即，因为如果两个MR半桥制造在单管芯上，则它们的相对位置可以准确直到微米级，而如果使用针对微电子电路的组装的标准和经济的拾取和放置（pick-and-place）和标准的管芯附着（die-attach）方法，则两个管芯的相对位置通常为约50…150μm）。对于具有使用参考方向 和 的钉扎层的MR，角向位置 处
的信号为
因此在 的情况下，根据第一算法，系统501可以计算，例如对于N= 3：
一个人可以以几个方式从其获得旋转角度，例如
或
或者根据
如果 ，则增加360°到 并且
，如先前所讨论的。对于 和 以及等于零的干扰场，对于磁体的各种角度
位置 可以获得表1中所示的信号。
的信号为
因此在 的情况下，根据第一算法，系统501可以计算，例如对于N= 3：
一个人可以以几个方式从其获得旋转角度，例如
或
或者根据
如果 ，则增加360°到 并且
，如先前所讨论的。对于 和 以及等于零的干扰场，对于磁体的各种角度
位置 可以获得表1中所示的信号。
[0067] 表１可替换地，在其它实施例中，图5B的系统501可以使用另一方法和/或算法来导出磁体100的旋转位置。例如，系统501可以确定磁角度 （ ）。该方法的优
点是测试点可以具有规则或非规则的间距。在此类实施例中，对于 和 ，传感器系统可以确定下式：
（ ）。
点是测试点可以具有规则或非规则的间距。在此类实施例中，对于 和 ，传感器系统可以确定下式：
（ ）。
[0068] 如 此 处 可 见，在 每 个 测 试 点 处 的 传 感 器 设 备120 对 磁 角 度（并且不只是其（余）正弦）进行采样并且减去其角向位置以获得粗略的角度估计 。将这与系统501（以及例如下面讨论的系统400和
600）相比，在该系统501中角度估计仅根据Ｎ个测试点的组合确定。
600）相比，在该系统501中角度估计仅根据Ｎ个测试点的组合确定。
[0069] 于是，系统可以预处理N 个角度以获得单调上升或下降的数字序列：如果 ，则
否则如果 ，则
否则不改变
在实施例中，可以使用不同于180°的角度，例如90°与270°之间，或者45°与315°之间的角度，然而在具有180°的实施例中可以将关于无偏统计角度误差（即，正的和负的角度误差都不占优势）的确定的鲁棒性最大化。存在两个可能性：（i）这是对于 和完成的，或者（ii）这是对于 和 完成的。换言
之，预处理的目的是避免粗略的角度估计中的一些位于0°附近而其它的位于360°附近，因此预处理增加360°到0°附近的值或者其从360°附近的值中减去360°。
否则如果 ，则
否则不改变
在实施例中，可以使用不同于180°的角度，例如90°与270°之间，或者45°与315°之间的角度，然而在具有180°的实施例中可以将关于无偏统计角度误差（即，正的和负的角度误差都不占优势）的确定的鲁棒性最大化。存在两个可能性：（i）这是对于 和完成的，或者（ii）这是对于 和 完成的。换言
之，预处理的目的是避免粗略的角度估计中的一些位于0°附近而其它的位于360°附近，因此预处理增加360°到0°附近的值或者其从360°附近的值中减去360°。
[0070] 最后，系统根据下式确定所有预处理的角度估计的平均该方法一般来说可以与任何种类的磁角度传感器一起使用。因此，传感器设备可以使用包括诸如图5B中所示的MR的两个（或更多）半桥电路，不过它也可以使用不同的传感器技术，包括在传感器设备的相应的测试点处测量磁角度的垂直霍尔设备。图5D中示出了此类系统501的示例。每个测试点设备包括沿着不共面的两个方向（诸如正交，例如图5D中如由黑色箭头所图示的径向和角向）对于面内磁场敏感的两个垂直霍尔效应设备。可以使用每个设备具有三个、四个、五个或甚至更多接触的垂直霍尔设备，并且图5D作为示例仅仅示出了三个接触的设备。该图不合比例，并且实际上可能有利的是使得垂直霍尔效应设备尽可能小并将它们布置为尽可能靠近在一起。此外，在实施例中可以使用针对霍尔设备的共质心（common centroid）布局。
[0071] 然后，利用两个正交的垂直霍尔效应设备，传感器设备对分量 和 进行采样，其包括与信号 和 相同的关于磁角度的信息，其如上面所讨论的由使用具有钉扎层的MR的两个正交的半桥电路所检测。磁角度是矢量
与参考方向（例如， ）之间的角度，其与矢量 和该同一
参考方向之间的角度相同。
与参考方向（例如， ）之间的角度，其与矢量 和该同一
参考方向之间的角度相同。
[0072] 一般而言并且如在其它实施例中那样，如果 和 具有相同的符号，则该系统可以被优化。对于圆柱形磁体，这可以在大于磁体的外直径的一半的径向距离处实现。如果 ，则实现对背景磁场的最佳抑制。对于圆柱形磁体，在实施例中这可以在径向距离略微大于磁体的外直径的一半且轴向位置略微在磁体的上方或下方处实现。
[0073] 根据图5B、5C和5D的传感器系统并且一般而言使用测量磁角度且不仅其（余）正弦的传感器设备的其它传感器系统还可以使用略微不同的方法来确定磁体的旋转位置。例如，图5D中的传感器设备230_0位于角向位置 处，它在那里测量分量和 ，其可以被视作具有磁角度
的指示器（pointer）的第一和第二坐标，该磁角度是在该指示器与沿着该第一坐标的方向的单位矢量之间（其中 为标准正交矢量）。第二传感器设备230_1位于角向位置处并且因此其磁角度为 。
所以如果振幅 和 相同，则在第二传感器设备230_1处的指示器仅被相对于第一传感器设备230_0的指示器旋转120°。即使 ，系统也可以执行坐标旋转来将第二传感器设备230_1的指示器转回到第一传感器设备230_0的指示器的附近：
这样系统可以继续进行所有传感器设备的信号。对于角向位置 处的第m个传
感器设备，系统通过如下的矩阵相乘来变换其信号 ：
其是具有恒定系数 的两个实值线性等式的简单的集合。该
变换也可以被视作是预处理程序。在实施例中在根据下式的该矩阵相乘之前来将信号归一化可能是有利的
，
。接下来，系统将所有
指示器加起来：
由此此求和也可以被视作是平均过程乘以Ｎ（由此该标量数字N在角度确定的上下文中是不相关的）。最后，磁体的旋转位置被给出为该指示器与沿着第一坐标的方向的单位矢量之间的角度 。因此，该算法不计算由Ｎ个传感
器单元采样的磁角度的预处理的平均；替代地，它将每传感器设备处的磁指示器变换成经变换的角度位置（其可以与第一个传感器设备的角度位置相同，但是一般来说可以选择任何角度位置），将这些经变换的指示器加起来并且确定该指示器与参考方向的角度。该方法的优点是变换可以需要较少的计算能力并且系统需要仅一次执行反正切（arctan）计算。这可以加速计算、使用较少的功率以及需要较小的芯片面积。
的指示器（pointer）的第一和第二坐标，该磁角度是在该指示器与沿着该第一坐标的方向的单位矢量之间（其中 为标准正交矢量）。第二传感器设备230_1位于角向位置处并且因此其磁角度为 。
所以如果振幅 和 相同，则在第二传感器设备230_1处的指示器仅被相对于第一传感器设备230_0的指示器旋转120°。即使 ，系统也可以执行坐标旋转来将第二传感器设备230_1的指示器转回到第一传感器设备230_0的指示器的附近：
这样系统可以继续进行所有传感器设备的信号。对于角向位置 处的第m个传
感器设备，系统通过如下的矩阵相乘来变换其信号 ：
其是具有恒定系数 的两个实值线性等式的简单的集合。该
变换也可以被视作是预处理程序。在实施例中在根据下式的该矩阵相乘之前来将信号归一化可能是有利的
，
。接下来，系统将所有
指示器加起来：
由此此求和也可以被视作是平均过程乘以Ｎ（由此该标量数字N在角度确定的上下文中是不相关的）。最后，磁体的旋转位置被给出为该指示器与沿着第一坐标的方向的单位矢量之间的角度 。因此，该算法不计算由Ｎ个传感
器单元采样的磁角度的预处理的平均；替代地，它将每传感器设备处的磁指示器变换成经变换的角度位置（其可以与第一个传感器设备的角度位置相同，但是一般来说可以选择任何角度位置），将这些经变换的指示器加起来并且确定该指示器与参考方向的角度。该方法的优点是变换可以需要较少的计算能力并且系统需要仅一次执行反正切（arctan）计算。这可以加速计算、使用较少的功率以及需要较小的芯片面积。
[0074] 图6A中描绘了另一系统600。系统600包括在两个同心读取圆周上的测试点。较大和较小的圆周可以在同一平面上，如所描绘的，或者在不同平面上（即，不同的z位置），并且可以比磁体110的直径更大或更小（或一个更大并且一个更小）。为了改善对背景磁场的抑制，在一个实施例中， 和 的符号在一个读取圆周上相同并且在另一个读取圆周上不同。在每个读取圆周上的每个测试点处（对于系统600中的每个读取圆周，N = 3，然而在其它实施例中在每个圆周上可以存在不同数目的测试点），布置具有与 -平面平行且与 相同的参考方向 的半桥。在一些实施例中，参考方向在读取圆周上不同。因此，在每个读取圆周上系统600在角向位置 处具有N 个测试点。在其它实施例中，如所提到的，N对于每个读取圆周是不同的，并且 对于每个读取圆周可以不同。例如，如果针对两个读取圆周上的测试点的半桥电路位于同一管芯上，则这可以是有利的，因为那时两个测试点之间的方向可以相对于径向方向而被倾斜以便使间距与所需要的读取半径的差相匹配。
[0075] 这在图6B中为一个实施例而示出，在该实施例中单管芯230上的两个测试点之间的方向被倾斜使得它与较小的读取圆周是相切的。确切的切线对准是不必要的，并且事实上管芯上的两个测试点之间的直线还可以具有相对于切线方向的任意角度。在系统601中，对从第一和第二读取圆周上的半桥导出的信号 和 （
）进行采样。系统601然后确定 和
（ ），其中虚单位 。基频 和 表示磁体110的场的主要
部分，而平均数 和更高的谐波 由比如背景磁干扰、磁体或传感器相对于旋转轴线的偏心安装、传感器误差、磁体误差（例如，与空间正弦场的偏差）等的非理想情况所引起。因此，系统601确定基频，由此其实部和虚部的比给出磁体110的所估计的旋转位置的正切：
和
然后，系统601可以根据下式确定两个角度的预处理的平均：
如果 ，则增加360°到
那么，
在其它实施例中提到的、可以变化的特性也可以应用于系统601的实施例（例如，每个圆周上测试点的数目、读取圆周相对于彼此以及磁体110的相对直径，等等）。为了良好地抑制背景磁干扰，以下表达式
在两个读取圆周上可以具有相等的幅度和相反的符号。
）进行采样。系统601然后确定 和
（ ），其中虚单位 。基频 和 表示磁体110的场的主要
部分，而平均数 和更高的谐波 由比如背景磁干扰、磁体或传感器相对于旋转轴线的偏心安装、传感器误差、磁体误差（例如，与空间正弦场的偏差）等的非理想情况所引起。因此，系统601确定基频，由此其实部和虚部的比给出磁体110的所估计的旋转位置的正切：
和
然后，系统601可以根据下式确定两个角度的预处理的平均：
如果 ，则增加360°到
那么，
在其它实施例中提到的、可以变化的特性也可以应用于系统601的实施例（例如，每个圆周上测试点的数目、读取圆周相对于彼此以及磁体110的相对直径，等等）。为了良好地抑制背景磁干扰，以下表达式
在两个读取圆周上可以具有相等的幅度和相反的符号。
[0076] 在其中N = 7的系统601的一个示例实施例中，如果在第二个读取半径上要求的比，则 （指标1表示“在读取圆周#1上”）并且（指标1和2表示“分别在读取圆周#1和#2上”，而不管哪一个较大或
较小，只要保持一致即可）。对于 的10%的干扰，角度误差大约为0.1°。
较小，只要保持一致即可）。对于 的10%的干扰，角度误差大约为0.1°。
[0077] 图7A和7B中描绘了又一个实施例，其中环形磁体110耦合到贯穿轴130并相对于轴130所穿过的印刷电路或部件板140而被布置。在图7A和7B中，如本文一般来说那样，相似的参考数字用来指代类似的元件或特征，然而在各中实施例中类似的元件或特征仍然可以以如所描绘或讨论的一个或多个方式而与另一个不同。三个传感器设备120_1、120_2和120_3布置在与轴130同心的读取圆周（未描绘）上。还描绘了电路410，在一个实施例中，其例如通过板140的顶部和/或底部上的铜迹线操作地与传感器设备120_1、120_2和120_3耦合，并且在实施例中可以包括控制、评估、信号调节和/或其它电路以便接收和处理来自传感器设备120_1、120_2和120_3的信号并确定或获得有关磁体110的旋转位置或角度的估计。
[0078] 在实施例中，传感器设备120_1、120_2和120_3可以包括布置在板140上的小的管芯（例如，管芯230），在一个示例中，诸如大约为约0.5mm×约0.5mm×约0.2mm，然而在其它实施例中这些维度可以变化。如所描绘的，每个传感器设备120_1、120_2和120_3的边缘一般来说与轴130的径向和角向方向对准，并且在与轴130垂直的平面中的板140上与轴130等距地间隔。在一个实施例中，在其上布置传感器设备120_1、120_2和120_3的读取圆周的直径具有大约17.4mm的直径。
[0079] 磁体110在直径方向上被均匀地磁化。在一个实施例中，磁体110具有大于6mm的内直径（其例如基本上与轴130的直径相等）、大约15mm的外直径以及大约3mm的厚度或深度。尽管它的材料可以变化，但是在一个实施例中它可以包括具有大约220mT的剩磁（remanence）的硬铁氧体。
[0080] 板140包括中心孔或开孔150以容纳轴130连同允许轴130自由旋转的某个合理的间隙（clearance）。在实施例中，开孔150包括向内延伸的部分以使得板能够相对于轴130安装而不必被拉伸超过在轴130的末端。一般而言，开孔150的宽度大于轴130的直径但小于例如传感器设备120_2与120_3之间的距离。在实施例中，该宽度不需要在开孔
150的所有部分处是相同的，并且在其它实施例中可以实施其它形状和布置。
150的所有部分处是相同的，并且在其它实施例中可以实施其它形状和布置。
[0081] 所描绘的各种部件（例如，传感器设备120_1、120_2和120_3、电路410）以及系统700的其它的或其中的其它的可以被常规地安装到板140（即，其中它们的背部或后侧耦合到板140），并且可以通过诸如钉结合或楔结合之类的线结合在板140上进行元件和迹线之间的电连接，并且结合线和管芯中的一个或多个可以被覆盖模塑料（mold compound）或一些其它材料或结构以用于保护。在其它结合中，（例如，传感器设备120_1、120_2和120_3、电路410的）管芯可以在它们的前侧与板140相对的情况下被倒装芯片地安装，并且然后在每个管芯的前侧与板140之间经由焊料或其它突起物、球或底部填充（underfill）进行电连接。然后管芯可以再次被保护性模塑料或其它材料或结构覆盖。
[0082] 在实施例中，每个传感器设备120_1、120_2和120_3包括至少一个半桥电路，诸如在图4A、4C、5A、5B和/或6A中所描绘并参考其而被讨论的那些中的任何一个或一些其它布置或配置。除了其它元件以外，用于耦合传感器设备120_1、120_2和120_3、电路410与板410的布线和迹线可以取决于所实施的特定实施例。例如，如果传感器设备120_1、120_2和120_3包括类似于图4A的那些的半桥（这是与其它可能的相比更简单的布置），则每个传感器设备120_1、120_2和120_3通常将需要三条线：两个供应端子和一个信号端子。其它半桥配置可能需要另外的耦合，诸如对于图5A、5B和/或6A或其它而言，每个传感器设备120_1、120_2和120_3四条线（即，两个信号端子和两个供应端子）。在实施例中，所有线布置在与传感器管芯相同的板140的面上。在一个实施例中，传感器设备120_1和/或电路
410可以包括单管芯或封装，使得在系统中给定较少的元件下可以减少布线。
410可以包括单管芯或封装，使得在系统中给定较少的元件下可以减少布线。
[0083] 在另一实施例中，传感器设备120_1的管芯和电路410可以堆叠，其中总有一个被倒装芯片地安装在另一个上。一般而言，事实上任何配置都是可能的，然而应当注意保持传感器设备120_1、120_2、120_3的一致的位置（例如，相同的z 位置）。如前面所提到的，传感器设备120_1、120_2、120_3为相同的一般来说是有利的，因此在一个实施例中它们的管芯由同一晶片被单体化（singulate）以保持一致的厚度、制造公差和其它因素，如果其在逐个传感器地变化，则可以将不一致、非规则或误差引入到系统700中。
[0084] 在这个和其它实施例中，另一个考虑可以是耦合传感器设备120和电路410的线的长度。较长的线可以易受诸如热-EMF、热和其它噪声和/或电磁干扰之类的干扰的影响，尤其是在信号为低（例如近似小于毫伏或微安）的情况下。因此，在实施例中，可以选择传感器元件来补偿或避免这个并输出足够强的信号，或者可以增加信号调节电路。因此，在实施例中使用TMR传感器设备，因为它们可以提供大的信号摆幅（例如，大约其供应电压的50%）。可以将每个TMR传感器设备管芯的尺寸最小化以降低成本，例如横向近似大约250微米，这仍然可以在管芯上容纳多个半桥。还可以选择管芯的材料以降低成本；例如，在实施例中可以使用玻璃或一些其它合适的材料。如由本领域技术人员所认识到的，在实施例中可以选择或定制（customize）与所使用的传感器元件的类型有关的其它特性和配置，特定应用的需求或某个其它因素。
[0085] 在又一实施例中，板140可以被翻转或反转，使得保护传感器设备120_1、120_2、120_3和电路410免受移动磁体110的影响。在此类实施例中，可以将附加的中间板增加到系统700；虽然这可以增加传感器设备120_1、120_2、120_3与磁体110之间的距离，但是它可以增强可靠性，保护传感器设备120_1、120_2、120_3和电路410免于任何故障，该故障可能引起磁体110撞击或以其它方式与板140及其上的元件碰撞。
[0086] 传感器的数目可以在系统700的实施例中变化。参照图7C，系统701的实施例包括五个传感器设备120_1、120_2、120_3、120_4和120_5。在具有更多传感器的实施例中，开孔150的尺寸或其它特性可能需要被调节以便使传感器相对于到那里和其它传感器而被布置。例如，在图7C中传感器设备120_3或120_4与开孔150的边缘之间的最小距离大约为0.65mm，而开孔150本身为大约8mm宽。在其中由于一个或另一因素而尺寸和间距更加关键的一些实施例中，可以调整传感器的尺寸。例如，它们可以被制作得较小，诸如在一个示例中大约0.25mm×大约0.25mm×大约0.2mm。
[0087] 包括三个或五个传感器设备120的、比如图7A-7C的那些的实施例可以在具有最少数目的传感器的同时，关于就低角度误差和相对于背景磁场和干扰的鲁棒性方面的高效是有利的，这可以降低成本，并且与板和开孔几何结构相兼容以便于组装。
[0088] 在诸如图8中所描绘的实施例的实施例中，组装可以更为复杂，其中传感器设备120（在系统800中N = 6）相对于磁体110的中平面布置而非在它上方或下方。在此类实施例中，开孔可能不可能制作得足够大以使得磁体110或至少轴130在穿过那里的同时为将布置的各种系统部件在板140上保持足够的空间和面积。因此，在比如图8的那些的实施例中，可以通过越过（pass over）轴130的末端来相对于轴130安装板140。在此类实施例中，开孔150可以包括足以容纳板140和磁体110而不延伸到板140的面的板140中的简单的孔。
[0089] 在又一实施例中，可以提供如图9A和9B中所描绘的单传感器“封装”900，其中提供了所有期望的传感器元件和到板的布线，这可以针对塑料包装的封装而取代普通引线框架。封装900可以包括具有合适的互连迹线、传感器120和电路410以及端子910的板140，其可以不同于图9中所示的示例。模塑料可以覆盖封装900中的各种部件，并且可以提供开孔150以容纳磁体110和130（图9B）。当由例如与模块制造商相对的半导体制造商执行时，封装900可以提供传感器120相对于彼此的更准确且更好的放置。封装900可以被认为是PCB封装，因为它包括安装在将管芯保持在合适的位置并且为操作提供电耦合的板上的几个管芯。可以针对特定磁体、轴配置、应用或其它因素来定制封装900的特定设计（例如，具有开孔150）。例如，封装900可以包括与图7A中所描绘的开孔相同或类似的开孔，如果它导致封装900总体上较小的尺寸，则其可以是较不昂贵的，否则其可能是相当大的以便容纳磁体和轴。
[0090] 在这个或另一实施例中还可以改变磁体110的配置。例如，在图10的系统1000中磁体110包括布置在磁体110的顶部和底部上的盘160。在图10的实施例中盘160具有比磁体110更大的直径，但是在其它实施例中可以是相同或更小的尺寸并且在实施例中可以包括含铁或无铁的材料。在含铁的实施例中，盘160可以用作磁“镜”，增加由磁体110所生成的磁场。盘160还可以仅仅保护传感器管芯或其它部件免受环境影响。轴130也可以是含铁或无铁的，而不管盘160如何。
[0091] 不管传感器系统的配置如何，在实施例中并且在操作中，电路410或者耦合到传感器系统的其它电路可以将每个传感器元件估计的磁角度进行比较。这可以被完成以例如检测影响传感器中的一个或多个的显著的误差（例如，如果由于EMC干扰或破损的线而引起数据通信错误，或者如果单传感器设备有缺陷，或者如果磁体脱离轴或成为碎片等等）。因此，电路可以根据前面概述的方案来计算“最佳猜测”角度值并且在随后的步骤中将所有的磁角度与该最佳猜测进行比较。如果差大于例如45°，则它可以识别相应的传感器设备或与该传感器单元的通信有错误。然后，它可以向该错误发信号。它还可以尝试获得丢弃由一个或几个传感器单元获得的信号的新的最佳猜测。因此，在实施例中，传感器系统可以使用几个传感器设备的冗余性来改善其总的角度估计的可靠性。可以是特别鲁棒的一个包括 个传感器设备。如果系统通过比较2N个角度读数发现一个或多个值可能是错误的，则系统可以使用例如每隔一个传感器设备的值或以其它方式丢弃至少一个读数来确定新的被调节（condition）的平均。N 个角度读数的准确性仍然是相对的或者足够高使得性能的恶化是低的。例如，在60度的整数倍处具有传感器设备的N = 6的系统中，如果传感器设备N = 3显著不同于所有其它，则系统可以使用传感器设备N = 2、4和6来形成N = 3系统并且仍然获得准确的角度读数。
[0092] 如果传感器设备检测到磁场分量，则在实施例中它们也可以使用自适应学习算法。在启动时系统如本文通常所讨论的那样来操作。它可以相应地估计磁体的旋转位置并且因此它还知晓360°的角度行程（stroke）何时已经被执行（例如，通过存储最小和最大的估计角度并且当0°/360°或360°/0°的转变发生时设置标志）。当已经检测到磁体的完整的360°旋转时，系统知晓一定已经检测到两个磁场分量的最大值和最小值两者。如果这些最大值和最小值被存储，则系统可以通过 来计算k-因子（即，径向和角向磁场分量的振幅的比），其中B1和B2表示两个磁场分量。然后，它可以使用该k-因子来改善另外的角度估计的准确性。如果存在此类学习算法，则传感器单元还可以将这个向控制器发信号。然后，控制器可以决定是否将一些传感器单元断电以节省能量。在一个实施例中控制器发起操作模式，其中传感器单元间断地工作：第一组传感器单元在第一时间段期间工作，并且然后第二组传感器单元在第二时间段期间工作，并且这可以再次以第一组开始，等等。
[0093] 在各种实施例中，系统可以使用磁场到平面上的投影与在每个传感器单元上的位置上采样的参考方向之间的角度，但是传感器单元不一定需要提供这些角度。传感器还可以提供面内磁场的两个分量或者它们可以以许多不同的方式来编码该信息，例如，（其中1和2表示两个不同的分量）。然后，在实施例中，传感器单元可以提供原始数据，但是其可以是从原始数据导出角度的传感器单元或者控制电路。例如，传感器单元可以是磁阻设备，例如诸如强场GMR或TMR或AMR。此类设备不提供磁场分量，替代地，它提供与到芯片表面上的磁场投影与参考方向之间的角度的余弦或正弦成比例的信号。
[0094] 本文已经描述了系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例仅仅通过示例的方式被给出并且不意图限制本发明的范围。此外，应当理解，可以以各种方式组合已经描述的实施例的各种特征以产生大量附加的实施例。此外，虽然已经描述了各种材料、维度、形状、配置和位置等等供所公开的实施例使用，但是可以使用所公开的那些之外的其它的而不超出本发明的范围。
[0095] 相关领域普通技术人员将认识到，本发明可以包括比前面描述的任何单独的实施例中所例示说明的更少的特征。本文所描述的实施例不旨在是其中可以组合本发明的各种特征的方式的详尽呈现。因此，实施例并非是特征的相互排斥的组合；更确切地说，如由本领域普通技术人员所理解的，本发明可以包括从不同的单独的实施例中所选择的不同的单独的特征的组合。此外，除非另外注明，关于一个实施例而描述的元件可以在其它实施例中实施，即使在此类实施例中未被描述时。尽管从属权利要求可以在权利要求中指的是与一个或多个其它权利要求的特定组合，但是其它实施例还可以包括该从属权利要求与每一个其它从属权利要求的主题的组合或一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。在本文提出此类组合，除非声明特定的组合不是所意图的。此外，还意图包括在任何其它独立权利要求中的权利要求的特征，即使该权利要求并不直接从属于该独立权利要求。
[0096] 通过引用前面的文献的任何并入是受限制的，使得没有与本文清楚的公开内容相反的主题被并入。通过引用前面的文献的任何并入进一步受限制，使得没有包括在这些文献中的权利要求通过引用而并入本文。通过引用前面的文献的任何并入还进一步受限制，使得文献中提供的任何定义未通过引用并入本文，除非在本文明确地被包括。
[0097] 为了解释本发明的权利要求的目的，明确地旨在不应援引35 U.S.C.的第六段第112节的规定，除非权利要求中记载了特定的术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。
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