传感器的制作方法

专利名称：传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器。一些实施例涉及一种具有本体和磁场传感器的传感器。一些实施例涉及一种具有轮和磁场传感器的旋转传感器。一些实施例涉及一种改进的GMR速度传感器。
背景技术：
传感器可以用于多种应用，诸如用于检测本体的位置、速 度或加速度。例如，关于旋转传感器，本体可以是附接到枢轴(shaft)的轮，其中传感器用于检测枢轴的旋转位置、角度、速度或加速度。

发明内容
本发明的实施例提供了一种具有本体和磁场传感器的传感器。该本体包括布置在第一方向上的多个结构，用于在本体在第一方向上移动时引发(effect)周期性变化的磁场。磁场传感器被配置为检测在第二方向上和在第三方向上的磁场分量，其中磁场传感器被布置为与本体相邻，使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。本发明的实施例提供了一种包括轮和磁场传感器的(旋转)传感器。该轮包括多个方位角分布的结构，用于在轮旋转时引发周期性变化的磁场。磁场传感器被配置为检测在第二方向上和在第三方向上的磁场分量，其中磁场传感器被布置为与轮相邻，使得第二方向对应于轮的轴方向并且第三方向对应于轮的径向方向。本发明的另外的实施例提供了一种用于测量本体移动的方法，其中该本体包括布置在第一方向上的多个结构，用于在本体在第一方向上移动时引发周期性变化的磁场。该方法包括利用磁场传感器检测在第二方向上和在第三方向上的磁场分量，其中磁场传感器被布置为与轮相邻，使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。本发明的一些实施例提供了一种用于制造传感器的方法。在第一步骤中，向本体提供布置在第一方向上的多个结构以在本体在第一方向上移动时引发周期性变化的磁场。在第二步骤中，提供被配置为检测在第二方向上和在第三方向上的磁场分量的磁场传感器，其中磁场传感器被布置为与轮相邻，使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。


在这里参照附图来描述本发明的实施例。图I示出了具有本体和磁场传感器的传感器的实施例的说明图。图2示出了具有本体和磁场传感器的传感器的替选实施例的说明图。图3示出了具有轮和磁场传感器的(旋转)传感器的实施例的说明图。
图4示出了具有轮和磁场传感器的(旋转)传感器的替选实施例的说明图。图5示出了具有传感器管芯上的三个XMR传感器和极轮(pole-wheel)的常见旋转传感器。图6示出了针对所施加的磁场的X分量的不同值的GMR带中的磁化取向的说明图。图7不出了由图5中所不的极轮生成的磁场的X分量和y分量的不图。图8a示出了作为时间的函数的磁化的y分量的示图。图Sb示出了作为时间的函数的XMR电阻的示图。 图9a和9b示出了轮旋转时的GMR信号的示图。图10示出了具有轮以及第一 XMR传感器和第二 XMR传感器的(旋转)传感器的实施例的说明图。图11示出了图10中所示的(旋转)传感器的说明侧视图。图12示出了用于将XMR信号与霍尔(Hall)信号进行比较的装置。图13示出了具有四个GMR传感器的(旋转)传感器的惠斯通(Wheatstone)桥的输出电压。图14示出了极轮的小部分以及由该极轮的小部分生成的磁场的通量线。图15不出了由图14中所不的极轮的小部分生成的磁场的X分量、y分量和z分量。图16示出了在沿X方向的路径上磁场的X分量比对(versus)磁场的z分量以及磁场的y分量比对磁场的z分量。图17示出了作为参考坐标系的y分量的函数的小气隙处的磁通量密度的y分量和z分量。图18示出了作为参考坐标系的I分量的函数的大气隙处的磁通量密度的y分量和z分量。在下面的描述中通过相同或等同的附图标记来表示相同或等同的元件或者具有相同或等同的功能的元件。
具体实施例方式除非另外明确指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合。图I示出了具有本体102和磁场传感器104的传感器100的实施例的说明图。由此，仅示出了本体102的小部分，该小部分包括布置在第一方向上的多个结构106_1至106_18，用于在本体102在第一方向上移动时引发周期性变化的磁场。磁场传感器104被配置为检测在第二方向上和在第三方向上的磁场分量，其中磁场传感器104被布置为与本体102相邻,使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。附图示出了具有彼此垂直的X轴、y轴和z轴的x-y-z参考坐标系。y轴和z轴限定了与磁场传感器104的活性(active)或灵敏区域平行的竖直平面或者竖直维度。x轴限定了与磁场传感器104的活性或灵敏区域垂直的横向维度。在一些实施例中，磁场传感器104被布置为与本体102相邻，使得磁场传感器104的活性或灵敏区域(自由层)被布置为与第二方向(参考坐标系的I轴)和第三方向(参考坐标系的Z轴)限定的平面平行。在第二方向上检测到的磁场分量(By)和在第三方向上检测到的磁场分量(Bz)同相,其中与第二方向和第三方向垂直的第一方向上的磁场分量(Bx,磁场传感器104处的磁场的X分量)有90°相位差。由于磁场传感器104的布置,第一方向上的磁场分量(Bx)与磁场传感器104的活性或灵敏区域(自由层)垂直并且因此不相关。因此，第二方向上的磁场分量(By)不能引起自由层的磁化的不需要的旋转，该旋转可能导致磁场传感器104的电阻的不连续的跳跃。如图I中示例性地示出的，在一些实施例中本体102的结构106_1至106_18是磁极，其被布置为具有交替极性。替选地，传感器100可以包括被布置为与磁场传感器104相邻的磁元件，其中本体102的结构106_1至106_18可以包括在第二方向上或在第三方向上在本体102处周期性地形成的凸起或凹陷。
在图I中，结构的数目被示例性地选择为18。当然，本体102可以包括高达n个结构106_1至106_n，其中n可以是自然数，例如在50和70之间或者在20和90之间。图2示出了具有本体102和磁场传感器104的传感器100的替选实施例的说明图。对比图1，轮102的结构106_1至106_9在第三方向上周期性地从本体102凸出。而且，包括磁北极和磁南极的磁元件110被布置为与本体102相邻，使得磁元件110的磁化矢量与磁场传感器104的活性或灵敏区域(自由层)垂直。因此，如图2中所示，磁元件110可以布置在与参考坐标系的X轴平行的直线上，使得磁元件110的磁北极与磁场传感器104相邻。在一个实施例中，本体102可以包括使磁元件110生成的磁场偏转的铁磁材料，其中在本体102处周期性地形成的凸起106_1至106_9在本体102在第一方向上移动时引发磁场传感器104处的变化磁场。在一些实施例中，本体102的材料可以包括不等于I的相对磁导率U ro而且，本体102的材料可以是包括大于1000的相对磁导率U ( y r>1000)的软磁材料，诸如钢或铁。在一个实施例中，本体102可以包括轮。在一些实施例中，图I和2中所示的传感器100可以进一步包括被配置为检测磁场传感器104的传感器信号的估计器。而且，该估计器可以被配置为基于检测到的传感器信号来估计本体102的位置、速度或加速度。图I和2中所示的磁场传感器104可以包括XMR传感器，例如各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)或庞磁阻(CMR)传感器。在下文中，描述了本发明的实施例，其中本体102包括轮的形状，并且其中通过本体102的旋转引起本体102和磁场传感器104之间的相对移动。图3示出了具有轮102和磁场传感器104的(旋转)传感器100的实施例的说明图。轮102包括多个方位角分布的结构106_1至106_16，用于在轮102旋转时引发周期性变化的磁场。磁场传感器104被配置为检测在第二方向上和在第三方向上的磁场分量，其中磁场传感器104被布置为与轮102相邻，使得第二方向对应于轮102的轴108方向并且第三方向对应于轮102的径向方向。在一些实施例中，磁场传感器104被布置为与轮102相邻，使得磁场传感器104的活性或灵敏区域(自由层)被布置为与由轮102的轴108 (参考坐标系的y轴)和轮102的径向方向(参考坐标系的z轴)限定的平面平行。换言之，磁场传感器104被配置为检测与轮102的轴108的方向对应的第二方向上的磁场分量(By,磁场传感器104处的磁场的y分量)和与轮102的径向方向对应的第三方向上的磁场分量(Bz,磁场传感器104处的磁场的Z分量)。在第二方向上检测到的磁场分量(By)和在第三方向上检测到的磁场分量(Bz)同相，其中与第二方向和第三方向垂直的第一方向上的磁场分量(Bx,磁场传感器104处的磁场的X分量)有90°相位差。由于磁场传感器104的布置,第一方向上的磁场分量(Bx)与磁场传感器104的活性或灵敏区域(自由层)垂直并且因此不相关。因此，第二方向上的磁场分量(By)不能引起自由层的磁化的不需要的旋转，该旋转可能导致磁场传感器104的电阻的不连续的跳跃。如图3中示例性地示出的，在一些实施例中轮102的方位角分布的结构106_1至106_16是磁极，其被布置为具有交替极性。或者换言之，图3中所示的轮102是磁极轮，其包括被布置为具有交替极性的磁北极和磁南极。替选地，(旋转)传感器100可以包括被布置为与磁场传感器104相邻的磁元件，其中轮的方位角分布的结构106_1至106_n可以包括在轮102的径向方向上或者在轮102的轴108方向上在轮102处周期性地形成的凸起或凹陷。在图3中，方位角分布的结构的数目被示例性地选择为16。当然，轮102可以包括高达n个方位角分布的结构106_1至106_n，其中n可以是自然数，例如在50和70之间或者在20和90之间。图4示出了具有轮102和磁场传感器104的(旋转)传感器100的替选实施例的说明图。对比图3，轮102的方位角分布的结构106_1至106_8在轮102的径向方向上周期性地从轮102凸出。而且,包括磁北极和磁南极的磁元件110被布置为与轮102相邻,使得磁元件110的磁化矢量与磁场传感器104的活性或灵敏区域(自由层)垂直。因此，如图4中所示，磁元件110可以布置在与参考坐标系的X轴平行的直线上，使得磁元件110的磁北极与磁场传感器104相邻。在一个实施例中，轮102可以包括使磁元件110生成的磁场偏转的铁磁材料，其中在轮102处周期性地形成的凸起106_1至106_8在轮102旋转时引发变化的磁场。在一些实施例中，轮102的材料可以包括不等于I的相对磁导率U r0而且，轮102的材料可以是包括大于1000的相对磁导率Ii r ( y r>1000)的软磁材料,诸如钢或铁。在一些实施例中，图3和4中所示的(旋转)传感器100可以进一步包括被配置为检测磁场传感器104的传感器信号的估计器。而且，该估计器可以被配置为基于检测到的传感器信号来估计轮102的位置、速度或加速度。图3和4中所示的磁场传感器104可以包括XMR传感器，例如各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)或庞磁阻(CMR)传感器。对比诸如霍尔传感器和磁阻传感器的常见磁场传感器，XMR传感器104具有较高的磁灵敏度。因此，在一个实施例中它们优选用于检测转动的目标轮102的角位置或速度。XMR传感器104的常见特征在于它们具有自由层，该自由层是其中磁化自由移动的层。层磁化所对准的方向取决于外部磁场和各种各向异性项。一个各向异性项由XMR传感器104的几何形状确定。例如，对于GMR传感器，已知薄层结构的形状各向异性迫使磁化进入自由层的平面。此外，如果GMR传感器具有长带的形状，则形状各向异性将磁化拉到带的长边方向——这是易轴。如果施加具有GMR传感器的平面内的分量(以下称为“面内场”)和垂直于GMR带(GMR传感器)的分量的外部场，则它们使磁化转离易轴。图5示出了具有传感器管芯112上的三个XMR传感器104_1至104_3和极轮102、的常见旋转传感器。在该图中仅示出了极轮102的小部分并且忽略了弯曲。磁极轮可以在其圆周上具有若干个(通常60个)小的永磁畴,这些永磁畴生成交替磁场图形(pattern)。磁场传感器检测在极轮旋转时的磁场改变，由此检测例如枢轴的移动。极轮102的旋转轴平行于y轴，磁极106_1至106_8的切向移动沿x轴。极轮102包括支承结构114诸如钢背，其将极轮102附接到枢轴并且固持永磁带116。带116包括若干个畴(磁极106_1至106_8)，其中磁化指向正的和负的z方向。极轮102的磁化用撇号(primeXM；)表示以便使其区别于XMR传感器104_1至104_3的无撇号磁化(MY)。图5也示出了 x=0周围的较大的磁北极,其用作索引区(index zone)118。通常XMR传感器104_1至104_3位于半导体管芯112的表面上。对比图3和4中所示的本发明的实施例，图5中所示的常见旋转传感器的XMR传感器104_1至104_3被布置为使得XMR传感器104_1至104_3的活性或灵敏区域(自由层)与由参考坐标系的X轴和y轴限定的平面平行。或者换言之，XMR平面(XMR平面=XMR传感器104_1至104_3的自由层的平面)与x-y平面相同，其中z轴垂直于XMR平面，并且其中易轴与y轴相同。因此，图5中所示的常见旋转传感器的XMR传感器104_1至104_3被配置为检测轮102的旋转方向上的磁场分量(Bx，XMR传感器104_1至104_3处的磁场的x分量)和轮102的轴108方向上的磁场分量(By，XMR传感器的磁场的y分量)。如果目标轮(轮102)包括交替极性的多个或众多小永磁体，则具有XMR传感器104_1至104_3的常见旋转传感器面临下面的问题。由轮102生成或引发的XMR传感器104_1至104_3上的场矢量(磁场矢量)旋转，即其由与XMR传感器104_1至104_3的平面(或自由层)平行的两个正交分量组成并且这两个分量有90°相位差。如果它们具有相等的幅度则场矢量在圆上旋转——如果它们具有不同的幅度则场矢量在椭圆上旋转(情况通常是这样)。这使得每当磁化从一个半空间跨越到另一半空间时XMR传感器104_1至104_3的磁化跳跃。理想地，XMR传感器104_1至104_3上的极轮102的磁场应仅具有x分量(Bx)，其中磁场的I分量应等于零(By=0)。在实践中，磁场的X分量(Bx)的空间依赖性可以接近正弦波。这意味着，如果枢轴以恒定速度旋转，则XMR传感器104_1至104_3上的磁场的X分量(Bx)的时间依赖性是正弦的。然而对于某些应用，极轮102上的磁化图形被设计成具有某种非对称性，其被称为索引区118或参考区。主要地，索引区中的场图形仍接近正弦，然而正弦波的周期是较大的。在这些理想情形下，XMR元件的自由层中的磁化矢量根据从极轮102施加的磁场的X分量(Bx)而从易轴略微向左侧和右侧移动。在下文中，借助于GMR带示例性地描述XMR传感器104_1至104_3的自由层中的磁化矢量从易轴略微向左边和右边的移动。图6示出了针对所施加的磁场的X分量的不同值的GMR带中的磁化取向的说明图。如图6中所示，磁化取向可以由磁化矢量130描述。向GMR带施加具有负的X分量(Bx<0)的磁场导致了主要包括正的y分量和 小的负的X分量的磁化矢量130。向GMR带施加没有X分量(Bx=O)的磁场导致了仅包括正的y分量的磁化矢量130。向GMR带施加具有正的X分量(Bx>0)的磁场导致了主要包括正的y分量和小的正的X分量的磁化矢量130。如图6中所示，显然GMR带的磁化在所有情形下指向上，或者换言之，磁化矢量130不改变其半空间一其保留在(参考坐标系的)上半空间中。在实践中极轮102具有如下磁场，该磁场具有大于零或小于零的y分量(ByOO)以及大于零或小于零的z分量(BzOO)——仅存在非常少的其中磁场的y分量为零(By=O)的位置(例如，极轮102的对称平面)。考虑到XMR传感器104_1至104_3关于极轮102的组装公差并且考虑到极轮102的制造公差，该情形全然更加严重。随后，考虑在图5中所示的常见旋转传感器的极轮102旋转时引发的磁场分量。
图7不出了由图5中所不的极轮102生成的磁场的X分量和y分量的不图。纵坐标描述磁通量密度，其中横坐标描述参考坐标系的X轴并且因此描述极轮102在旋转方向上的位置。而且，在正的y方向上针对距极轮0 mm的距离和距极轮2 mm的距离绘出了磁场的X分量和y分量。磁场的X分量(Bx)的图形是良好的，而磁场的y分量(By)仅针对位置y=0消失，但是其针对诸如y=2mm的偏心位置(这在实践中可能由于组装公差而发生)取正值和负值。这可能导致XMR传感器104_1至104_3上的磁场的负的y分量(BY〈0)。更具体地，在磁场的X分量(Bx)经过零时,磁场的y分量(By)最大。磁场的X分量(Bx)和磁场的y分量(By)有90°相位差。如果磁场的y分量(By)的幅值足够强，则其可能迫使磁化指向下(在负的y方向上)。这可以导致如下情形磁化离开(参考坐标系的)上半空间一实际上在极轮102旋转时，磁化的(例如，图6中所示的磁化矢量130的)尖端可以在椭圆上旋转。在下文中，描述了图5中所示的常见旋转传感器的XMR传感器104_1至104_3的自由层的磁化的旋转效应。图8a示出了作为时间的函数的磁化的y分量(My)的示图。或者换言之，图8a描述了在轮102旋转时引发的XMR传感器104_1至104_3的自由层的磁化的旋转。图8b示出了作为时间的函数的XMR电阻的示图。如图8a和Sb中所示，XMR电阻取决于磁化取向。而且，实验上观察到，每当磁化的I分量(My)的符号改变时或者换言之每当磁化矢量130离开参考坐标系的上半空间时，XMR电阻呈现不连续的跳跃。严格来说，XMR电阻的跳跃相对于磁化的I分量(My)的过零(zero crossing)有延迟。而且，图5中所示的XMR传感器104_1至104_3可以是GMR传感器。接下来给出针对该情况的实验结果。图9a和9b示出了轮102旋转时的GMR信号的示图。纵坐标描述了 GMR信号的幅值。横坐标描述了角度，其中按照定义，360°的角度表示一个全周期或者换言之在图5中由一个北极和一个南极示出的极轮102的旋转。而且，将四个周期复制到单个示图上。GMR带的自由层的磁化旋转引起图9a和9b中所示的GMR信号中的跳跃。该跳跃可能导致GMR传感器的故障一因此其应被避免。在下文中，参照与图3和4中所示的(旋转)传感器100相似的、包括轮102和两个XMR传感器104_1和104_2的(旋转)传感器100，示例性地描述了避免XMR电阻跳跃的本发明的实施例。当然，下面的描述也可适用于如图I和2中所示的包括本体102和磁场传感器的传感器。出于该原因，在下面的图10中忽略了轮102的弯曲。此外，随后的描述示例性地涉及其中用于检测在第二和第三方向上的磁场分量的磁场传感器是XMR传感器的(旋转)传感器100。自然，随后的描述也可适用于其他类型的应被布置为使得避免对旋转磁场的检测的磁场传感器。图10示出了具有轮以及第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2的(旋转)传感器100的实施例的说明图。该轮包括多个方位角分布的结构106_1至106_n，用于在轮102旋转时引发周期性变化的磁场。在图10中，仅示出了轮102的小部分，即包括方位角分布的结构106_1至106_8的部分。第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量，其中第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2被布置为与轮102相邻，使得第二方向对应于参考坐标系的I轴并且使得第三方向对应于参考坐标系的z轴。 换言之，本发明的实施例示出了如何通过修改极轮(或者极轮关于XMR传感器104_1和104_2的布置)来避免XMR电阻的跳跃。而且，(旋转)传感器100不需要特殊的极轮或者偏置磁体来防止XMR传感器104_1和104_2的自由层的磁化旋转。通过避免偏置磁体，增强了 XMR传感器104_1和104_2的磁灵敏度，(旋转)传感器100 (或传感器模块)不太昂贵并且需要较小的体积，并且避免了磁体针对XMR传感器104_1和104_2(随温度和寿命)的漂移以及关于组装公差的问题。通过避免特殊的极轮，(旋转)传感器100不太昂贵并且对于客户而言处置不太复杂。在本发明的实施例中，由于XMR传感器104_1和104_2关于由轮102生成的磁场的布置，避免了 XMR电阻的跳跃。XMR传感器104_1和104_2的布置防止了旋转磁场。如上文已经描述的，观察到磁场的X分量(Bx)相对于磁场的y分量(By)有90°相位差。磁场的X分量(Bx)也相对于磁场的z分量(Bz)有90°相位差。因此，磁场的y分量(By)和磁场的z分量(Bz)同相。因此，传感器管芯112以如下方式布置使得管芯表面(=相关XMR平面)与参考坐标系的y_z平面平行。现在磁场的X分量(Bx)垂直于传感器管芯112并且因此其与XMR传感器104_1和104_2不相关。在实践中由于传感器管芯112和目标轮102之间的倾斜和未对准，将存在耦合到XMR传感器104_1和104_2的磁场的小的X分量(Bx)，然而如果X分量是小的，则这无关紧要。两个相关的磁场分量是y分量(By)和z分量(Bz)。它们两者同相，从而施加到XMR传感器104_1和104_2的场不会旋转并且因此XMR传感器104_1和104_2的磁化不会在(参考坐标系的)两个半空间之间跳跃。磁场的z分量(Bz)在轮102的中心处(在y=0处)最强并且比对y适度地下降。磁场的y分量(By)针对y=0消失并且随着y线性地增加直至轮102的边缘。因此，XMR传感器104_1和104_2可以被安置在如图10中所示的大于零或小于零(y〈>0)的位置。而且，在图10中示出了其中可以安置XMR传感器104_1和104_2的示例性区域，然而这并非意味着XMR传感器104_1和104_2必须是沿y方向伸长的带。它们也可以由沿z方向的若干个带组成或者由曲径(meander)、螺旋形、0形或L形等组成。在一些实施例中，XMR传感器104_1和104_2可以被安置为接近管芯112的距目标轮102最近(或者与目标轮102相邻)的边缘。图11示出了图10中所示的(旋转)传感器100的说明侧视图。轮102可以被布置为限定与轮102的轴108垂直的平面120，其中第一 XMR传感器104_1以到平面120的限定距离布置在平面120的第一侧(正的y方向)，并且其中第二 XMR传感器104_2以到平面120的限定距离布置在平面120的第二侧(负的y方向)。在一些实施例中，第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2可以布置在与轮102的平面120的表面法线122上。由此，第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2可以被布置在到轮102的相同距离处。
对于GMR、CMR和TMR (而非对于AMR)，重要的是将(固定层或钉扎层的)预磁化限定在哪个方向上。对于XMR传感器104_1和104_2两者，这应是在正的或负的y方向上。对于该布置，上XMR传感器104_1 (在y>0处)具有磁场的y分量(By)并且因此具有方向与下XMR传感器104_2 (在y〈0处)相反的电阻偏离。XMR传感器104_1和104_2两者可以构成半桥并且可以通过电路估计两者的差。以这种方式，可以实现差分场测量，该差分场测量针对背景磁场(干扰)是鲁棒的。而且，可以实现第二半桥(其中各XMR传感器处于与图10中所示的相同的地点，然而彼此互换)并且这两个半桥可以组合以形成如传感器电路中常见的全惠斯通桥电路。或者换言之，第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2可以包括钉扎层，其中第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2的钉扎层在相同方向上预磁化。XMR传感器104_1和104_2两者的钉扎层可以例如在正的y方向上、在负的y方向上、在正的z方向上或者在负的z方向上预磁化。估计器可以被配置为检测取决于第一 XMR传感器104_1或第二 XMR传感器104_2的电阻的XMR信号并且基于检测到的XMR信号来估计轮102的位置、速度或加速度。而且，估计器可以包括被配置为减小背景磁场的影响的估计电路。为了减小背景磁场的影响，估计电路可以包括连接到半桥的第一 XMR传感器104_1的电阻和第二 XMR传感器104_2的电阻。图11中所示的(旋转)传感器100可以可选地包括被配置为检测第二和第三方向上的磁场分量的第三XMR传感器104_3和第四XMR传感器104_4，其中第三XMR传感器104_3和第四XMR传感器104_4被布置为与轮102相邻,使得第二方向对应于参考坐标系的I轴并且使得第三方向对应于参考坐标系的z轴。第三XMR传感器104_3和第四XMR传感器104_4的钉扎层可以在相同方向上预磁化。而且，第三和第四XMR传感器104_3和104_4的钉扎层可以在与第一和第二 XMR传感器104_1和104_2的钉扎层相同或相反的方向上预磁化。如图11中所示，第一和第三XMR传感器104_1和104_3可以按到平面120的限定距离布置在平面120的第一侧(正的y方向)，其中第二和第四XMR传感器104_2和104_4可以按到平面120的限定距离布置在平面120的第二侧。而且，估计电路可以包括连接到惠斯通桥的第一、第二、第三和第四XMR传感器104_1至104_4的电阻。在下文中，描述了图10和11中所示的具有两个XMR传感器104_1和104_2的(旋转)传感器100的功能(图11没有可选的第三和第四XMR传感器104_3和104_4)。当然，下面的描述也可适用于具有四个XMR传感器104_1至104_4的(旋转)传感器100。在一些实施例中，磁场的z分量(Bz)对于XMR传感器104_1和104_2仍是重要的。其合计为XMR传感器104_1和104_2的各向异性场(比如例如形状各向异性)。当磁场的z分量(Bz)具有大幅值(与其符号无关)时，XMR传感器104_1和104_2关于磁场的y分量(By)的磁灵敏度减小。由于两者是同相的，因此这无关紧要。当磁场的y分量(By)是大的时，磁场的z分量(Bz)是大的并且因此磁场的z分量(Bz)不会影响XMR传感器104_1和104_2的信号(XMR信号)的重要过零。磁场的z分量(Bz)和y分量(By)可以呈现相同的寿命漂移或者温度漂移或者工艺散布或者随气隙的漂移以及也呈现X依赖性。或者换言之，磁场的Z分量(Bz)和y分量(By)是完美的一对。在大气隙处，磁场的J分量(By)变小并且幸运地磁场的z分量(Bz)也变小。因此，磁场的z分量(Bz)不会在大气隙处减小系统(旋转传感器100)的磁灵敏度。实际上，磁场的z分量(Bz)S至具有有益的效果。这是一种负反馈，其防止XMR传感器104_1和104_2在小气隙处或者对于强磁体变得饱和。传感器管芯112朝向目标轮的取向具有优点和缺点。优点在于对于比如来自Infineon Technologies 的PG-SSO-封装线的引线封装,客户不再必须弯曲引线，这节约了成本和空间。另一优点在于传感器布局不需要与目标轮102的间距匹配。如果轮102的磁极106_1至106_8在X方向上仅3 mm长或者在X方向上10 mm长，则这无关紧要——XMR传感器104_1和104_2总是在交替磁极106_1至106_8的每个边界处递送信号(XMR信号)的过零。缺点自然是XMR传感器104_1和104_2与目标轮102的增加的距离，因为半导体管芯112仍必须由封装部分(图10中未示出)覆盖。然而这不是严重的缺陷，因为XMR传感器104_1和104_2的磁灵敏度高。另一缺点在于实现参考或索引区118是较复杂的，并且也不可能利用到此为止所示出的XMR传感器104_1和104_2来检测轮102的旋转方向。然而,这可以通过例如在下和上XMR传感器104_1和104_2之间的中心处添加可选的霍尔传感器126而得到极大的改进。霍尔传感器126检测磁场的X分量(Bx)，该分量是最强的并且因此补偿霍尔传感器126的较小磁灵敏度的部分。此外，磁场的z分量(Bz)相对于磁场的X分量(Bx)和y分量(By)有90°相位差，从而可以通过将XMR信号与霍尔信号进行比较来推断轮102的旋转方向。或者换言之，(旋转)传感器可以包括在第一 XMR传感器104_1和第二 XMR传感器104_2之间被布置为与轮相邻的霍尔传感器126，其中霍尔传感器126可以被配置为检测第一方向上的磁场分量，并且其中第一方向垂直于第二方向和第三方向。估计器可以被进一步配置为检测霍尔传感器126的霍尔信号并且基于检测到的霍尔信号来估计轮的旋转方向。图12示出了用于将XMR信号与霍尔信号进行比较的装置。该装置具有用于基于待检测的参数接收两个输入信号的输入12和14、用于输出信号的输出、用于在输入12处的第一输入信号A超过大于限定值18的阈值的情况下将输出信号切换到第一逻辑电平并且在第一输入信号A下降到低于限定值18的第二阈值以下的情况下将输出信号切换到第二逻辑电平的装置、以及用于使用输入14处的第二输入信号B调整阈值的装置22。该装置具有用于基于待检测的参数接收第一和第二输入信号A和B的输入12和14，由此如果第一输入信号A具有限定值,则第二输入信号B大于第一输入信号A ;用于第一输出信号OUT的输出20 ;用于在第一输入信号A超过大于限定值18的阈值的情况下将输出信号切换到第一逻辑电平并且在第一输入信号A下降到低于限定值18的第二阈值以下的情况下将输出信号切换到第二逻辑电平的装置16 ;以及用于使用第二输入信号的电平调整阈值的装置22。而且,霍尔传感器126的方向信号对于系统(或(旋转)传感器100)的正确性能而言不像XMR传感器104_1和104_2的速度信号那样关键。速度信号需要具有较高质量以便 获得低的抖动和准确的切换电平，然而仅需要在速度信号从正值或负值(或反之亦然)横跨零时的方向信号的符号以得到旋转方向。也要注意，霍尔传感器可以用于测量场的准确幅值，这对于真实开机功能(其在系统开机之后立即确定是北极还是南极与传感器最近)是必要的。该系统的另一缺点在于利用霍尔传感器和XMR传感器，可以实现具有方向检测的速度传感器，其与目标轮102的间距无关。霍尔传感器126具有能够检测传统参考/索引区118的额外优点。总之，根据本发明的概念的(旋转)传感器110具有若干个优点，这些优点可以以吸引人的方式组合。在实践中对于目标轮的最常见几何特征，磁场的z分量(Bz)比磁场的y分量(By)强。然而，这不是问题，因为XMR传感器104_1和104_2的灵敏度高，如根据下面的描述而将变得清楚的。接下来，借助于包括四个GMR传感器104_1至104_4的(旋转)传感器100的实施例论证了 XMR传感器的高灵敏度。四个GMR传感器104_1至104_4可以如图11中所描述的那样布置，其中GMR传感器104_1至104_4的电阻连接到惠斯通桥。当然，下面的描述通 常也可适用于XMR传感器。图13示出了具有四个GMR传感器104_1至104_4的(旋转)传感器100的惠斯通桥的输出电压。纵坐标以伏特[V]为单位描述了输出电压，其中横坐标以毫米[mm]为单位描述了参考坐标系的X轴并且因此描述了极轮102在旋转方向上的位置。惠斯通桥示例性地由IV的供电电压供电。在图13中，假设位于z=l mm和z=2 mm之间的6 mmX6 mmX Imm的磁畴以及250 mT的剩磁。如图13中所示，即使在7 mm气隙处，GMR传感器的幅度大于ImV (没有额外的放大器)，这由信号调节电路容易地处理。此外，即使在小气隙处，曲线接近正弦。如上文解释的，GMR传感器104_1至104_4由于来自磁场的z分量(Bz)的负反馈而不会饱和。在一些实施例中，如果整个传感器因组装公差而在y方向上移位，则这无关紧要。下XMR传感器104_2和104_4上的磁场的y分量减小，而上XMR传感器104_1和104_3上的y分量增加，或者反之亦然。因此作为两者的差的总信号保持不变。在下文中，详细地描述了由示例性极轮102生成的磁场。图14示出了极轮102的小部分以及由极轮102的小部分生成的磁场的通量线。极轮102的小部分包括两个磁体或磁极106_1和106_2。钢背114具有例如I mm (从z=0到z=l mm)的厚度以及例如4000的相对磁导率。磁体106_1和106_2通过正的(磁体106_2)和负的(磁体106_l)z方向上的例如IT的剩磁进行磁化。假设整个几何特征相对于y=0镜像对称。图15不出了由图14中所不的极轮102的小部分生成的磁场的X分量、y分量和z分量。纵坐标以特斯拉[T]为单位描述了磁通量密度，其中横坐标以毫米[mm]为单位描述了参考坐标系的X轴。图16示出了在沿X方向的路径上(在y=l. 5mm并且z=9mm处)磁场的x分量(Bx)比对磁场的z分量(Bz)以及磁场的I分量(By)比对磁场的z分量(Bz)。纵坐标以特斯拉[T]为单位描述了磁通量密度的X分量和y分量，其中横坐标以特斯拉[T]为单位描述了磁通量密度的z分量。图16不出了针对磁场的X分量(Bx)比对磁场的z分量(Bz)的椭圆以及针对磁场的y分量(By)比对磁场的z分量(Bz)的直线。在y_z平面中，场仅往复，而在x-z平面中场旋转。此外，在大气隙处，磁通量密度的I分量(By)的幅度(仅I mT )较之磁通量密度的X分量(Bx) (6 mT)较小。因此，磁灵敏度减小到六分之一(并且由于较大的气隙仍存在某种额外的减小)。
图17示出了作为参考坐标系的y分量的函数的小气隙(z=3 mm并且x=3 mm)处的磁通量密度的I分量(By)和z分量(Bz)。纵坐标以特斯拉[T]为单位描述了磁通量密度，其中横坐标以毫米[_]为单位描述了参考坐标系的I轴。磁通量密度的z分量(Bz)比磁通量密度的I分量(By)强。而且，磁通量密度的y分量(By)相对于与中心线的y偏移是线性的。图18示出了作为参考坐标系的y分量的函数的大气隙(z=7 mm并且x=3 mm)处的磁通量密度的I分量(By)和z分量(Bz)。纵坐标以特斯拉[T]为单位描述了磁通量密度，其中横坐标以晕米[mm]为单位描述了参考坐标系的y轴。而且，磁通量密度的y分量(By)相对于与中心线的I偏移是线性的。本发明的实施例提供了一种磁传感器，其安置成管芯表面的法线在目标轮的切向方向上，其中XMR传感器元件在接近轮的边缘附近且相对于尸0 (由尸0限定的)中心平面偏移。如果XMR传感器元件是GMR传感器元件，则钉扎层可以与正的/负的y方向平行磁化。磁传感器包括处于不同y位置处的至少两个XMR传感器并且输出被相减以进行差分场 测量。此外，磁传感器可以包括霍尔传感器，在接近轮的边缘附近并且优选地在XMR元件之间的中心处，用于检测真实开机位置、轮的旋转方向以及目标轮的索引区。本发明的另外的实施例提供了一种用于测量本体移动的方法，其中本体包括布置在第一方向上的多个结构以用于在本体在第一方向上移动时引发周期性变化的磁场。该方法包括利用XMR传感器检测第二方向上和第三方向上的磁场分量，其中XMR传感器被布置为与本体相邻，使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。在一些实施例中，用于测量本体移动的方法可以进一步包括两个额外的步骤。在一个步骤中，检测取决于XMR传感器的电阻的XMR信号。在另一步骤中，基于检测到的XMR信号来估计本体的位置、速度或加速度。在一些实施例中，用于测量本体移动的方法可以进一步包括利用霍尔传感器检测第一方向上的磁场分量，其中霍尔传感器被布置为与本体相邻。本发明的另外的实施例提供了一种用于测量轮旋转的方法，其中轮包括多个方位角分布的结构以用于在轮旋转时引发周期性变化的磁场。该方法包括利用XMR传感器检测第二方向上和第三方向上的磁场分量，其中XMR传感器被布置为与轮相邻,使得第二方向对应于轮的轴方向并且第三方向对应于轮的径向方向。在一些实施例中，用于测量轮旋转的方法可以进一步包括两个额外的步骤。在一个步骤中，检测取决于XMR传感器的电阻的XMR信号。在另一步骤中，基于检测到的XMR信号来估计轮的位置、速度或加速度。在一些实施例中，用于测量轮旋转的方法可以进一步包括利用霍尔传感器检测第一方向上的磁场分量，其中第一方向垂直于第二方向和第三方向。本发明的实施例进一步提供了一种用于制造传感器的方法。在第一步骤中，提供本体，该本体具有布置在第一方向上的多个结构以用于在本体在第一方向上移动时弓I发周期性变化的磁场。在第二步骤中，提供XMR传感器，其被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量，其中XMR传感器被布置为与轮相邻,使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。
在一些实施例中，用于制造传感器的方法可以进一步包括提供估计器，其被配置为检测取决于XMR传感器的电阻的XMR信号并且基于检测到的XMR信号来估计本体的位置、速度或加速度。在一些实施例中，用于制造传感器的方法可以进一步包括提供霍尔传感器以检测第一方向上的磁场分量，其中霍尔传感器被布置为与轮相邻。本发明的实施例进一步提供了一种用于制造(旋转)传感器的方法。在第一步骤中，提供轮，该轮具有多个方位角分布的结构以用于在轮旋转时引发周期性变化的磁场。在第二步骤中，提供XMR传感器，其被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量，其中XMR传感器被布置为与轮相邻，使得第二方向对应于轮的轴方向并且第三方向对应于轮的径向方向。
在一些实施例中，用于制造(旋转)传感器的方法可以进一步包括提供估计器，其被配置为检测取决于XMR传感器的电阻的XMR信号并且基于检测到的XMR信号来估计轮的位置、速度或加速度。在一些实施例中，用于制造(旋转)传感器的方法可以进一步包括提供霍尔传感器以检测第一方向上的磁场分量，其中霍尔传感器被布置为与轮相邻，使得第一方向垂直于第二方向和第三方向。尽管在设备的背景下描述了一些方面，但是清楚的是，这些方面也表示对应的方法的描述，其中块或装置对应于方法步骤或者方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的背景下描述的方面也表示对应的设备的对应的块、项或特征的描述。一些或所有方法步骤可以由(或者使用)硬件设备执行，例如微处理器、可编程计算机或者电子电路。在一些实施例中，一个或多个最重要的方法步骤可以由这样的设备执行。通常，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时该程序代码可操作用于执行一种方法。该程序代码可以例如存储在机器可读载体上。其他实施例包括存储在机器可读载体上的、用于执行在这里描述的一种方法的计算机程序。换言之，因此，发明方法的实施例是一种具有程序代码的计算机程序，当计算机程序产品在计算机上运行时该程序代码用于执行在这里描述的一种方法。因此，发明方法的另外的实施例是数据载体(或者数字存储介质、或者计算机可读介质)，其包括记录在其上的用于执行在这里描述的一种方法的计算机程序。数据载体、数字存储介质或者记录介质典型地是有形的和/或非暂态的。另外的实施例包括一种处理装置，例如计算机或可编程逻辑装置，其被配置为或者适于执行在这里描述的一种方法。另外的实施例包括一种计算机，其具有安装在其上的用于执行在这里描述的一种方法的计算机程序。在一些实施例中，可以使用可编程逻辑装置(例如现场可编程门阵列)来执行在这里描述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行在这里描述的一种方法。通常，这些方法可以由任何硬件设备执行。上述实施例仅用于说明本发明的原理。要理解，在这里描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。因此，意图是仅受待决专利权利要求的范围限制，而不受借助在这里的实施例的描述和解释而呈现的具体细节 限制。
权利要求
1.一种传感器,包括 本体，具有布置在第一方向上的多个结构，所述多个结构被配置为在所述本体在所述第一方向上移动时引发周期性变化的磁场； 磁场传感器，被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量； 其中所述磁场传感器被布置为与所述本体相邻，使得所述第二方向垂直于所述第一方向并且使得所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。
2.根据权利要求I所述的传感器，其中所述本体的所述多个结构包括被布置为具有交替极性的磁极。
3.根据权利要求I所述的传感器，进一步包括被布置为与所述磁场传感器相邻的磁元件，其中所述本体的所述多个结构分别包括在所述第二方向上或在所述第三方向上在所述本体上或在所述本体中周期性地形成的凸起或凹陷。
4.根据权利要求I所述的传感器，其中所述磁场传感器包括XMR传感器。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述XMR传感器包括各向异性传感器、巨传感器、隧道传感器或庞磁阻传感器。
6.根据权利要求I所述的传感器，进一步包括估计器，被配置为检测所述磁场传感器的传感器信号并且基于检测到的传感器信号来估计所述本体的位置、速度或加速度。
7.根据权利要求I所述的传感器，进一步包括额外的磁场传感器，被布置为与所述本体相邻并且被配置为检测所述第一方向上的磁场分量。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述额外的磁场传感器包括霍尔传感器。
9.根据权利要求7所述的传感器，进一步包括估计器，被配置为检测所述磁场传感器的传感器信号并且检测所述额外的磁场传感器的额外的传感器信号，并且基于检测到的传感器信号来估计所述本体的位置、速度或加速度并且基于检测到的额外的传感器信号来估计所述本体的移动方向。
10.一种传感器,包括 轮，具有多个方位角分布的结构，所述多个方位角分布的结构被配置为在所述轮旋转时引发第一方向上周期性变化的磁场； 第一磁场传感器和第二磁场传感器，被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量; 其中所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器被布置为与所述轮相邻，使得所述第二方向对应于所述轮的轴方向并且所述第三方向对应于所述轮的径向方向。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述第一磁场传感器包括第一XMR传感器并且所述第二磁场传感器包括第二 XMR传感器。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述第一XMR传感器和所述第二 XMR传感器包括钉扎层，其中所述第一 XMR传感器和所述第二 XMR传感器的钉扎层在相同方向上预磁化。
13.根据权利要求10所述的传感器，其中所述轮被布置为限定垂直于所述轮的轴的平面，其中所述第一磁场传感器以到所述平面的第一限定距离布置在所述平面的第一侧，并且其中所述第二磁场传感器以到所述平面的第二限定距离布置在所述平面的第二相反侧。
14.根据权利要求13所述的传感器，其中所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器被布置在所述轮的所述平面的表面法线上。
15.根据权利要求10所述的传感器，其中所述第一限定距离和所述第二限定距离是相同距离。
16.根据权利要求10所述的传感器，进一步包括估计器，被配置为检测所述第一磁场传感器或所述第二磁场传感器的传感器信号，并且基于检测到的传感器信号来估计所述轮的位置、速度或加速度。
17.根据权利要求16所述的传感器，其中所述估计器包括被配置为减小背景磁场的影响的估计电路。
18.根据权利要求17所述的传感器，其中所述第一磁场传感器包括第一XMR传感器并且所述第二磁场传感器包括第二 XMR传感器，并且其中所述估计器的估计电路包括连接到半桥的所述第一 XMR传感器和所述第二 XMR传感器的电阻。
19.根据权利要求10所述的传感器，进一步包括额外的磁场传感器，所述额外的磁场传感器被布置为在所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器之间与所述轮相邻，其中所述额外的磁场传感器被配置为检测第一方向上的磁场分量，其中所述第一方向垂直于所述第二方向和所述第三方向。
20.根据权利要求19所述的传感器，进一步包括估计器，被配置为检测所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器的传感器信号并且检测所述额外的磁场传感器的额外的传感器信号，并且基于检测到的传感器信号来估计所述轮的位置、速度或加速度并且基于检测到的额外的传感器信号来估计所述轮的旋转方向。
21.根据权利要求10所述的传感器，进一步包括第三磁场传感器和第四磁场传感器，每个均被配置为检测所述第二方向和所述第三方向上的磁场分量，其中所述第三磁场传感器和所述第四磁场传感器被布置为与所述轮相邻。
22.根据权利要求21所述的传感器，其中所述第三磁场传感器包括第三XMR传感器并且所述第四磁场传感器包括第四XMR传感器。
23.根据权利要求21所述的传感器，其中所述轮被布置为限定垂直于所述轮的轴的平面，其中所述第一磁场传感器和所述第三磁场传感器以到所述平面的第一限定距离布置在所述平面的第一侧，并且其中所述第二磁场传感器和所述第四磁场传感器以到所述平面的第二限定距离布置在所述平面的第二相反侧。
24.根据权利要求21所述的传感器，进一步包括估计器，被配置为检测所述第一磁场传感器、所述第二磁场传感器、所述第三磁场传感器或所述第四磁场传感器的传感器信号，并且基于检测到的传感器信号来估计所述轮的位置、速度或加速度。
25.根据权利要求24所述的传感器，其中所述估计器包括被配置为减小背景磁场的影响的估计电路。
26.根据权利要求25所述的传感器，其中所述第一磁场传感器包括第一XMR传感器，所述第二磁场传感器包括第二 XMR传感器，所述第三磁场传感器包括第三XMR传感器并且所述第四磁场传感器包括第四XMR传感器，并且其中所述估计电路包括连接到惠斯通桥的所述第一 XMR传感器、所述第二 XMR传感器、所述第三XMR传感器和所述第四XMR传感器的电阻。
27.一种用于测量本体移动的方法，其中所述本体包括布置在第一方向上的多个结构以用于在所述 本体在所述第一方向上移动时引发周期性变化的磁场，所述方法包括 利用磁场传感器来检测第二方向上和第三方向上的磁场分量； 其中所述磁场传感器被布置为与轮相邻，使得所述第二方向垂直于所述第一方向并且使得所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。
28.根据权利要求27所述的方法，进一步包括 检测所述磁场传感器的传感器信号；以及 基于检测到的传感器信号来估计所述本体的位置、速度或加速度。
29.根据权利要求27所述的方法，进一步包括 利用额外的磁场传感器来检测所述第一方向上的磁场分量。
30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括 检测所述磁场传感器的传感器信号； 检测所述额外的磁场传感器的额外的传感器信号； 基于检测到的传感器信号来估计所述本体的位置、速度或加速度；以及 基于检测到的额外的传感器信号来估计所述本体的移动方向。
31.一种用于制造传感器的方法，所述方法包括下面的步骤 向本体提供布置在第一方向上的多个结构以用于在所述本体在所述第一方向上移动时引发周期性变化的磁场；以及 提供被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量的磁场传感器； 其中所述磁场传感器被布置为与本体相邻，使得所述第二方向垂直于所述第一方向并且使得所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括 提供估计器，所述估计器被配置为检测所述磁场传感器的传感器信号并且基于检测到的传感器信号来估计所述本体的位置、速度或加速度。
33.根据权利要求31所述的方法，进一步包括 提供额外的磁场传感器以检测所述第一方向上的磁场分量； 其中所述额外的磁场传感器被布置为与所述本体相邻。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述磁场传感器包括第一磁场传感器和第二磁场传感器，进一步包括 提供估计器，所述估计器被配置为检测取决于所述第一磁场传感器或所述第二磁场传感器的电阻的传感器信号并且检测所述额外的磁场传感器的额外的传感器信号，以及基于检测到的传感器信号来估计所述本体的位置、速度或加速度并且基于检测到的额外的传感器信号来估计所述本体的移动方向。
全文摘要
本发明涉及一种具有本体和磁场传感器的传感器。该本体包括布置在第一方向上的多个结构，用于在本体在第一方向上移动时引发周期性变化的磁场。磁场传感器被配置为检测第二方向上和第三方向上的磁场分量，其中磁场传感器被布置为与本体相邻，使得第二方向垂直于第一方向并且使得第三方向垂直于第一方向和第二方向。
文档编号G01D5/12GK102628696SQ201210022318
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者U.奥瑟莱希纳 申请人:英飞凌科技股份有限公司