基于霍尔效应的角方位传感器和相应的方法
【专利摘要】用于感测磁场的角方位的方法包括：a)提供一组N≥2个霍尔效应装置（S），每个霍尔效应装置具有检测方向并包括两个连接器对；b)提供至少一个具有基频f=1/Tf的带通滤波器（F）；c)提供至少一个用于在其输出处输出电流的电流源（2）；其中，将霍尔效应装置的两个连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述带通滤波器的特定方式被称为“连线方案”；d1)在持续0.5Tf的第一时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的特定次序，在持续时间ti的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi+应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个；以及d2)在持续0.5Tf的所述第一时间周期之后的持续0.5Tf的第二时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个；其中，所述连线方案Wi+中的每一个是相应的另一连线方案Wi-的正交且反向的连线方案；以及e)响应于步骤d1)和d2)的进行，从由所述带通滤波器输出的信号取得指示所述角方位的输出信号(4a)；其中i=1,…,N。
【专利说明】基于霍尔效应的角方位传感器和相应的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及借助霍尔效应来感测磁场的角方位的领域。特别地，本发明涉及用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的传感器并涉及用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的方法。
[0002]其涉及根据权利要求的开头条款的方法和设备。相应的装置在许多领域中得到应用，例如在汽车和飞机工业中的例如位置感测和旋转速度测量方面。
【背景技术】
[0003]在现有技术中，已知利用霍尔效应来确定磁场的角方位的几种方式。在许多情况下，限定至平面内的方位，即确定磁场至该平面内的投影的角方位就足够了。
[0004]例如，已知使用两个正交布置的霍尔装置并使用模拟数字转换器将它们各自的霍尔电压转换成数字的数。之后通过计算这两个数的比的反正切(arc tangent, ATAN)来得到表示想要的角方位的角度，其中诸如微控制器的数字控制器通常使用CORDIC算法或查找表来计算ATAN函数。
[0005]该解决方案具有几个相当不期望的结果。由于涉及两个模拟数字转换器以及通常还涉及微控制器，所以消耗了相对高量的能量。而且微控制器通常引入了时间延迟，并且特别地，用于初始化微控制器所需的时间将合计为该延迟。此外，微控制器是软件控制的，并且在诸如飞机工业中的一些应用中，软件在传感器系统中的使用需要专门且相对严格的鉴定过程。
[0006]为了能够免除两个信号的模拟数字转换，已经提出了相位灵敏系统。它们通常以如下方式配置:在传感器的输出处获得正弦信号，其相位表示要测量的角度。其优点在于该信号可以被馈送至用于获得期望角度的简单的相位检测电路。已经提出了用于生成其相位包含期望角度信息的信号的各种方法。
[0007]例如，在EP2028450A2中，通过将两个正交布置的霍尔效应装置的输出相加来生成期望信号(装置中的一个相对于另一个倾斜90°角)。为了实现此目的，向霍尔效应装置提供正弦形状的偏置电流，所述偏置电流具有相同幅度并且相对于彼此移位90°。所需正弦波电流的生成是相对有挑战性并且昂贵的，并且如果相位移位不正好是90°和/或如果正弦波的幅度不相等，则所输出的角度信息不会精确地反映磁场方位。
[0008]另一种方法在W02008/145662A1中公开。其中，提出提供一种特定的感测结构，其可以被认为是自然地产生正弦波输出的圆形垂直霍尔装置。从该正弦信号，可以容易地获得与角度成比例的PWM信号。所需的专门霍尔装置的制造是相对昂贵的，并且测量所需的时间相对长。
[0009]期望提供一种确定磁场投影在平面内的角方位的改进方式。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的一个目标是提供一种确定磁场投影在平面内的角方位的改进方式，特别地不具有上述缺点的方式。
[0011]将提供一种相应的传感器，更特别地一种用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的传感器，以及另外还将提供相应的方法，更特别地用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的相应方法。
[0012]本发明的另一个目标是提供一种相对容易实现的确定磁场投影在平面内的角方位的方式。
[0013]本发明的另一个目标是提供一种产生特别准确的结果的确定磁场投影在平面内的角方位的方式。
[0014]本发明的另一个目标是提供一种具有良好可制造性的合适的传感器。
[0015]本发明的另一个目标是提供一种确定磁场投影在平面内的角方位的特别节能的方式。
[0016]本发明的另一个目标是提供一种确定磁场投影在平面内的角方位的相对简单的方式，特别地通过免除复杂的组件或过程来提供。
[0017]本发明的另一个目标是提供一种确定磁场投影在平面内的角方位的特别快速的方式。
[0018]其他目标从以下的说明书和实施例中浮现。
[0019]这些目标中的至少一个至少部分通过根据专利权利要求的设备和方法来实现。
[0020]用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的传感器包括:
[0021 ]-至少第一组N ^ 2个霍尔效应装置，每个霍尔效应装置具有检测方向并包括两个连接器对，其中，在存在所述磁场的情况下，在所述连接器对中的任一对的连接器之间的电流流动允许拾取(或测量)由所述磁场引起的相应的另一连接器对的连接器之间的霍尔电压，所述磁场沿所述检测方向的磁场分量为零的情况除外，其中所述N个霍尔效应装置被对齐使得它们的检测方向在所述平面内，以及其中所述霍尔效应装置中的至少两个具有不相同的检测方向；
[0022]-至少一个滤波或谐振单元，其包括输入和输出，其中从所述输出输出的信号被称为滤波后信号；
[0023]-至少一个电流源，其包括输出，用于在其输出处输出电流；
[0024]-连线单元，其操作地连接至所述N个霍尔效应装置中的每一个的所述连接器中的每一个，所述连线单元被构造和配置为选择性地将所述连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述滤波或谐振单元的所述输入，其中，连线霍尔效应装置的两个连接器对的特定方式被称为“连线方案”，其中，如果以两个连线方案中的一个连接至所述电流源的连接器对以两个连线方案中的另一个连接至所述滤波或谐振单元，则这两个连线方案被称为“正交的”连线方案，以及其中，如果两种连线方案产生了不同符号的霍尔电压，则这两个连线方案被称为“反向的”连线方案；
[0025]-控制单元，其被构造和配置为控制所述连线单元以使得:
[0026]-在持续0.5Tf的第一时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的特定次序，在持续时间ti，i=l，…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi+应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及
[0027]-在持续0.5Tf的第一时间周期之后的持续0.5Tf的第二时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l, -,N；
[0028]-其中，所述连线方案Wi+中的每一个是相应的另一连线方案W1-的正交且反向的连线方案，i=l,-,N；
[0029]-输出单元，其操作地连接至所述滤波或谐振单元的所述输出，所述输出单元被构造和配置为从滤波后信号获得指示所述角方位的输出信号并输出所述信号；
[0030]其中，所述滤波或谐振单元被构造和配置为改变基频f=l/Tf的输入信号，以使得高次谐波的强度相对于所述基频的强度减小，其中所述输入信号除了所述基频还包含所述高次谐波。
[0031]这种传感器使得有可能在仅使用相对简单的组件的同时以高精度感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位。这种传感器可以以相对简单的方式被构造而不缺乏测量准确度。另外，这种传感器可以仅使用CMOS工艺以硅来实现。相互正交的霍尔效应装置的使用允许消除(或至少强有力地减小)偏移。霍尔效应装置中的这种偏移意味着即使不存在磁场(B=O)，也存在非零霍尔电压(VHall古O)。
[0032]完全有可能通过垂直霍尔效应装置来实现这种传感器。
[0033]在试图更好地理解本发明时，可以说，N个霍尔效应装置被读出并提供有偏置电流以使得读出的霍尔电压的序列模拟正弦波，该正弦波具有频率f，并且该模拟以呈阶梯信号的阶跃函数的形式实现。滤波或谐振单元在抑制其他频率的同时加强(基)频率f，所述其他频率特别是不可避免发生的高次谐波。并且根据所产生的正弦或正弦状波的相位，取得想要的角方位，其通常通过简单相位检测的方式实现。持续0.5T的所述时间周期中的每一个可以与正弦波的半波相关，其中所述时间周期不必在0°或180°开始。
[0034]数量N是正整数，总共至少为2。
[0035]针对术语0.5Tf，要注意的是，不应将其理解为0.50000Tf或恰好0.5Tf。与恰好
0.5Tf的偏差越大，分别在由滤波或谐振单元输出的信号和输出信号中引入的失真越高。通常，针对0.5Tf的第一和第二时间跨度，持续时间将在0.45Tf和0.55Tf之间或者甚至在
0.47Tf和0.53Tf之间，更好的结果在0.49Tf和0.51Tf之间。
[0036]持续时间ti，i=l,…，N也类似，其在0.5Tf的第一和第二时间跨度中不必恰好相同，而是可以偏差多达±5%或±10%，优选地仅高达±2%。
[0037]但是所有ti (即，针对i=l,...，N)的总和总共为上述的0.5Tf。
[0038]所施加的电流也可以被称为偏置电流。
[0039]所述平面通常是预定平面，通常由传感器，或更特别地N个霍尔效应装置，的空间内的方位给定。
[0040]在一个实施例中，传感器包括恰好一个滤波或谐振单元。
[0041 ] 所述基频通常可以被称为滤波频率或谐振频率。
[0042]在所述滤波或谐振单元中实现的改变通常是滤波。
[0043]在可以与上述实施例组合的一个实施例中，所述滤波或谐振单元是或者包括带通滤波器。
[0044]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述滤波或谐振单元是或者包括低通滤波器，特别地，其还包括用于消除任何DC偏移，即用于消除OHz的电压的偏移消除器。
[0045]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述滤波或谐振单元包括放大器，特别地输入放大器，用于在实现信号改变/信号滤波之前对霍尔电压进行放大。
[0046]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，传感器包括恰好一个电流源或恰好两个电流源，特别地恰好一个电流源。
[0047]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，由电流源输出的电流是预定电流。
[0048]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，由电流源输出的电流是可调节电流。
[0049]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，对N个霍尔效应装置中的每一个施加相同安培数的偏置电流。
[0050]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，对N个霍尔效应装置中的每一个施加恒定电流脉冲。
[0051]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，在测量时间期间，即在将霍尔电压从相应霍尔效应装置馈送至滤波单元的时间期间施加恒定电流。
[0052]通常，至少一个电流源能够输出恒定电流，特别地可以用作偏置电流的这种恒定电流。
[0053]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，在持续0.5Tf的所述第一时间周期(第一半波)期间施加至所述N个霍尔效应装置中的第i个的电流一不管电流是恒定的还是时间相关的——必须与在持续0.5Tf的所述第二时间周期(第二半波)期间施加至所述N个霍尔效应装置中的该第i个的电流相同。
[0054]在分别使用术语“随后”和“随后地”的情况下，这通常意味着一些事情紧随在后，即没有延迟或具有可忽略的延迟。
[0055]针对所述检测方向，要注意的是，其不是有方向的对象，因为其不具有像箭头一样的方向意义，而是像直线一样的对象。
[0056]所述“将连接器对连线至所述电流源的所述输出”通常引起将电流(偏置电流)施加至相应霍尔装置；以及“将连接器对连线至所述滤波或谐振单元的所述输入”通常引起霍尔电压被馈送至滤波或谐振单元，用于根据经处理(滤波)的信号的相位来处理并最终确定想要的角方位。
[0057]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，在所产生的滤波后信号中，高次谐波相对于基频f减小至少10dB，特别地至少20dB。
[0058]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，在所产生的滤波后信号中，高次谐波减小以使得任意高次谐波的所产生强度相对于基频f的强度总共最多 _20dB。
[0059]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，滤波或谐振单元进行的衰减在2f处是至少20dB，以及特别地在f/2处也是至少20dB。在2f处20dB的衰减在与0.3°的感测误差相对应的输出信号中通常将产生约0.3°的失真。
[0060]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述控制单元是或者包括逻辑电路。
[0061 ] 在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，在输出单元中，检测所述滤波后信号的相位，以使得输出单元可以被认为是相位读取单元。
[0062]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，输出信号取决于所述滤波后信号的相位。
[0063]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，输出信号是PWM信号或数字信号。
[0064]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述N个霍尔效应装置中的一个或通常每一个包括两个或更多个操作互连的霍尔效应装置，特别地其中霍尔效应装置串联或并联地互连。这可以提供改进的准确度。在多于一个霍尔效应装置平行互连线的情况下，霍尔效应装置将通常包括加法器，用于将互连线的单个霍尔效应装置的霍尔电压相加。
[0065]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，N个霍尔效应装置是垂直霍尔效应装置，换句话说，它们的检测方向与制造的半导体装置的半导体表面平行对齐。
[0066]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述特定次序是相关于或取决于所述霍尔效应装置的所述检测方向的相对对齐的次序。
[0067]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述时间周期的所述持续时间ti，i=l，…，N相关于或取决于所述霍尔效应装置的所述检测方向的相对对齐。特别地，在本实施例中，可以提供的是，所述持续时间相关于或取决于在所述检测方向被绘制到x-y坐标系的正I半平面内时所述检测方向的分布。
[0068]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所有的所述持续时间ti, i=l,…，N是相等的。
[0069]在可以与上述实施例中除最后一个以外的一个或多个组合的实施例中，在要感测的磁场已知是不均匀的情况下(在具有角度相关的磁场幅度的意义上)，选择持续时间ti，i=l, *.., N以通过适当选择所述持续时间补偿该不均匀性来增大感测准确度。
[0070]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述控制单元还被构造和配置为控制所述连线单元，以使得在持续0.5Tf的上述第一时间周期和第二时间周期之后，实现以下:
[0071]-在持续0.5Tf的所述第二时间周期之后的持续0.5Tf的第三时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在所述相同持续时间ti，?=1，...，Ν的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi++应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及
[0072]-在持续0.5Tf的所述第三时间周期之后的持续0.5Tf的第四时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l, -,N；
[0073]-其中，所述连线方案Wi++中的每一个是相应的连线方案W1-的正交且反向的连线方案，i=l,…，N ;
[0074]-其中，所述连线方案Wi++中的每一个是与相应的另一连线方案Wi+不相同的所述相应的另一连线方案Wi+的非正交且非反向的连线方案，i=l,…，N;以及
[0075]-其中，所述连线方案W1-中的每一个是与相应的另一连线方案W1-不相同的所述相应的另一连线方案W1-的非正交且非反向的连线方案，i=l,…，N。
[0076]通常，重复在持续0.5Tf的第一至第四时间周期期间执行的次序。
[0077]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述特定次序是能够通过以下获得的次序:将所述霍尔效应装置的所述检测方向绘制到χ-y坐标系的正I半平面内，并且根据相应霍尔效应装置的检测方向和正X轴之间包围的相应角度来对霍尔效应装置进行排序，以使得所述角度构成单调增大或单调减小的数列。当霍尔效应装置根据增大或减小的角度排序时，上述阶梯信号将具有用于提取上述正弦波的适当形式。
[0078]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述滤波或谐振单元具有滤波频率f，在该频率处裳减最小或幅度最大。
[0079]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述滤波或谐振单元是或者包括具有约Q= η/2的品质因数Q (有时也简称为“品质”)的带通滤波器。这里，表示阿基米德常数，大约为3.14。特别地，所述品质因数为Q=1.57±0.25，或更好的结果是Q=L 57±0.1。这样，在诸如旋转速`度测量的旋转磁场的测量中，在滤波频率f附近的频率处的自然发生的相位移位可以用于减小、特别地用于补偿输出信号的输出相对于磁场事实上具有输出信号中指示的角位置时的时间的时间迟滞。所述特定次序在该情况下将取决于磁场的旋转方向而被选择。
[0080]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述控制单元还被构造和配置为控制所述连线单元以使得针对所述N个霍尔效应装置中的至少一个，实现:
[0081]-在持续时间ti，i=l，…，N的相应时间周期期间连接至所述电流源的相应霍尔效应装置的相应连接器对在所述相应时间周期开始之前已经连线至所述电流源，并且该连线被维持直到并贯穿所述相应时间周期；
[0082]和/ 或
[0083]-在持续时间ti，i=l，…，N的相应时间周期期间连接至所述电流源的相应霍尔效应装置的相应连接器对的所述连线被维持贯穿所述相应时间周期并直到所述相应时间周期结束之后。
[0084]特别地，将提供的是，这针对所述N个霍尔效应装置中的每一个而应用，以及更特别地，将针对所述N个霍尔效应装置中的每一个实现这两者。这允许解决由当将霍尔效应装置连接至电流源和/或当将霍尔效应装置从电流源断开连接时的切换尖峰产生的问题。这种连接/断开连接可能导致反映在霍尔电压中的电流尖峰，从而使得测量准确度减小。所述实施例提出当没有霍尔电压从相应霍尔效应装置馈送至滤波单元，或更准确地，当没有该相应霍尔效应装置的霍尔信号贡献于输出信号时，制造(建立)或撤销相应霍尔效应装置到至少一个电流源的连接。本实施例将导致需要至少一个电流源来产生在没有所述提前连接/延迟断开连接的情况下操作传感器时所需(最小)电流的两倍，这可以通过更强力的电流源或通过提供两个电流源来实现。
[0085]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，传感器包括:
[0086]-附加的第二组NS2个霍尔效应装置，所述第二组的每个霍尔效应装置被构造为基本上与所述第一组的相应霍尔效应装置相同，所述第二组的每个霍尔效应装置与所述第一组的所述相应霍尔效应装置以相同方式对齐，但是相对于所述第一组的所述相应霍尔效应装置围绕与所述平面垂直的轴旋转基本上180° ；
[0087]其中所述控制单元还被构造和配置为控制所述连线单元以使得:
[0088]-针对相同的持续时间ti，i=l,- ,N,以及以与针对所述第一组的相应霍尔效应装置相同的特定次序，对所述第一组的所述霍尔效应装置的所述连接器对的连线方案的上述应用同时被应用于所述第一组的相应霍尔效应装置；
[0089]其中，所述滤波或谐振单元包括具有两个输入的减法单元，所述减法单元用于获得馈送至所述输入的信号之间的差，其中连接至所述滤波或谐振单元的所述第一组和所述第二组的霍尔效应装置的那些连接器对的每一个分别操作地连接至所述输入之一。这在强非线性霍尔效应装置的情况下允许非常良好的偏移补偿。因此，可以实现更进一步改进的信号准确度。可以在滤波之前或之后提供所述操作连接:来自第一组和第二组的霍尔效应装置的霍尔电压信号分别在滤波或谐振单元中以所述方式被单独滤波，之后形成各滤波后信号之间的差，或者更典型地，首先分别获得来自第一组和第二组的霍尔效应装置的霍尔电压信号之间的差，之后在滤波或谐振单元中以所述方式对所产生的差信号进行滤波。通常，滤波或谐振单元包括加法器和逆变器(逆变器位于加法器的一个输入处)来用于完成所述减法。
[0090]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述输出单元还被构造和配置为将滤波后信号与非零恒定信号进行比较并从所述比较的结果取得指示所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的幅度的附加输出信号。这样，有可能测量所述磁场至所述平面内的所述投影的幅度。这是可能的，因为近似正弦形状的滤波后信号与非零恒定信号的比较产生了脉冲信号，其长度取决于近似正弦形状的滤波后信号的幅度并由此取决于所述磁场的所述投影的幅度。
[0091]要注意的是，获得指示所述磁场的所述投影的幅度的输出信号的上述方式不必与所述投影的角方位的上述感测组合。
[0092]在可以与上述实施例中的一个或多个组合的一个实施例中，所述输出单元包括比较器和相位检测单元，更特别地包括锁存器、比较器和计数器，特别地其中所述输出单元基本上由比较器和相位检测单元组成，更特别地由锁存器、比较器和计数器组成。这是实现输出单元、特别地输出数字信号的输出单元的非常简单且节省成本的方式。而且，另外，这种输出单元对输入信号(滤波后信号)反应非常迅速。特别地，所述锁存器是置位-复位锁存器(SR锁存器)。
[0093]针对具有N=2个霍尔效应装置的传感器，传感器可以被描述为用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的传感器，其中所述传感器包括:
[0094]-至少第一霍尔效应装置和第二霍尔效应装置，每个霍尔效应装置具有检测方向，所述第一霍尔效应装置和第二霍尔效应装置的所述检测方向相对于彼此以非平行方式对齐，每个所述霍尔效应装置包括两个连接器对，其中，在存在所述磁场的情况下，在所述连接器对中的任一对的连接器之间的电流流动允许拾取(或测量)由所述磁场引起的相应的另一连接器对的连接器之间的霍尔电压，所述磁场沿所述检测方向的磁场分量为零的情况除外；
[0095]-至少一个滤波或谐振单元，其包括输入和输出；[0096]-至少一个电流源,其包括输出，用于在其输出处输出电流；
[0097]-连线单元，其操作地连接至所述霍尔效应装置中的每一个的所述连接器中的每一个，所述连线单元被构造和配置为选择性地将所述连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述滤波或谐振单元的所述输入，其中，连线霍尔效应装置的两个连接器对的特定方式被称为“连线方案”，其中，如果以两个连线方案中的一个连接至所述电流源的连接器对以两个连线方案中的另一个连接至所述滤波或谐振单元，则这两个连线方案被称为“正交的”连线方案，以及其中，如果两个连线方案产生了不同符号的霍尔电压，则这两个连线方案被称为“反向的”连线方案；
[0098]-控制单元，其被构造和配置为控制所述连线单元以使得:
[0099]-针对持续Tf/4的持续时间，将第一连线方案应用于至少一个所述第一霍尔效应装置，以及随后，
[0100]-针对持续Tf/4的持续时间，将第二连线方案应用于所述第二霍尔效应装置，以及随后，
[0101]-针对持续Tf/4的持续时间，将第三连线方案应用于第一霍尔效应装置，以及随后，
[0102]-针对持续Tf/4的持续时间，将第四连线方案应用于第二霍尔效应装置；
[0103]-其中，所述第一连线方案和所述第三连线方案是正交且反向的连线方案；以及
[0104]-其中，所述第二连线方案和所述第四连线方案是正交且反向的连线方案；
[0105]-输出单元，其操作地连接至所述滤波或谐振单元的所述输出，所述输出单元被构造和配置为从输出自所述滤波或谐振单元的信号获得指示所述角方位的输出信号并输出所述信号；
[0106]其中，所述滤波或谐振单元被构造和配置为对基频f=l/Tf的输入信号进行滤波，以使得高次谐波的强度相对于所述基频的强度减小，其中所述输入信号除了所述基频还包含所述高次谐波。
[0107]通常，所述第一霍尔效应装置和第二霍尔效应装置的检测方向相对于彼此以垂直方式对齐。而且，通常，所述第一霍尔效应装置和第二霍尔效应装置被对齐使得它们的检测方向在所述平面内。
[0108]一般地，本发明包括具有根据本发明的相应传感器的相应特征的方法，以及具有根据本发明的相应方法的相应特征的传感器。
[0109]方法的优点基本上对应于相应设备的优点，并且反之亦然。
[0110]用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的方法包括以下步骤:
[0111]a)提供至少第一组NS 2个霍尔效应装置，每个霍尔效应装置具有检测方向并包括两个连接器对，其中，在存在所述磁场的情况下，在所述连接器对中的任一对的连接器之间的电流流动允许拾取(或测量)由所述磁场引起的相应的另一连接器对的连接器之间的霍尔电压，所述磁场沿所述检测方向的磁场分量为零的情况除外，其中所述N个霍尔效应装置被对齐使得它们的检测方向在所述平面内，以及其中所述霍尔效应装置中的至少两个具有不相同的检测方向；
[0112]b)提供至少一个滤波或谐振单元，其包括输入并被构造和配置为改变基频f=l/Tf的输入信号，以使得高次谐波的强度相对于所述基频的强度减小，其中所述输入信号除了所述基频还包含所述高次谐波；
[0113] c)提供至少一个电流源，其包括输出并能够在其输出处输出电流；
[0114]其中，将霍尔效应装置的两个连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述滤波或谐振单元的所述输入的特定方式被称为“连线方案”，其中，如果以两个连线方案中的一个连接至所述电流源的连接器对以两个连线方案中的另一个连接至所述滤波或谐振单元，则这两个连线方案被称为“正交的”连线方案，以及其中，如果两个连线方案产生了不同符号的霍尔电压，则这两个连线方案被称为“反向的”连线方案；
[0115]dl)在持续0.5Tf的第一时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的特定次序，在持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi+应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及
[0116]d2)在持续0.5Tf的所述第一时间周期之后的持续0.5Tf的第二时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N;
[0117]其中，所述连线方案Wi+中的每一个是相应的另一连线方案W1-的正交且反向的连线方案，i=l,…，N;以及
[0118]e)响应于步骤dl)和d2)的进行，从由所述滤波或谐振单元输出的信号取得指示所述角方位的输出信号。
[0119]由所述滤波或谐振单元输出的信号可以被称为“滤波后信号”。通常，重复进行步骤dl、d2的序列，特别地，连续进行。
[0120]在一个实施例中，所述方法包括在步骤d2)之后进行以下步骤:
[0121]d3)在持续0.5Tf的所述第二时间周期之后的持续0.5Tf的第三时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在所述相同持续时间ti，?=1，...，Ν的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi++应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及
[0122]d4)在持续0.5Tf的所述第三时间周期之后的持续0.5Tf的第四时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在所述相同持续时间ti，?=1，...，Ν的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l, *.., N ；
[0123]其中，所述连线方案Wi++中的每一个是相应的连线方案W1-的正交且反向的连线方案，?=1，...，Ν;以及
[0124]其中，所述连线方案Wi++中的每一个是与相应的另一连线方案Wi+不相同的所述相应的另一连线方案Wi+的非正交且非反向的连线方案，i=l,…，N;以及
[0125]其中，所述连线方案W1--中的每一个是与相应的另一连线方案W1-不相同的所述相应的另一连线方案W1-的非正交且非反向的连线方案，i=l,…，N。
[0126]在本实施例中，通常，重复进行步骤dl、d2、d3、d4的序列，特别地，连续进行。通常，所述输出信号将在两个周期，即2Tf的持续时间内被平均。
[0127]在可以与上述实施例组合的一个实施例中，所述磁场是旋转磁场，以及所述滤波或谐振单元是或者包括具有基本上Q= η/2的品质因数Q的带通滤波器，所述方法包括:
[0128]在所述磁场矢量的所述投影被绘制到所述x-y坐标系的所述正I半平面内时朝向增大的角度移动的情况下的以下步骤
[0129]el)选择所述特定顺序以使得所述角度构成单调增大的数列；
[0130]或者，在所述磁场矢量的所述投影被绘制到所述x-y坐标系的所述正I半平面内时朝向减小的角度移动的情况下的以下步骤
[0131]e2)选择所述特定顺序以使得所述角度构成单调减小的数列。
[0132]这样，可以实现的是，输出信号的输出与所感测的磁场的投影事实上具有输出信号中指示的角方位(实际上)同时发生。换句话说，输出信号相对于实际(当前)磁场位置的时间迟滞可以被减小或者甚至被完全补偿。
[0133]本发明还包括一种集成电路，其包括根据本发明中的一项的至少一个传感器，特别地其中所述集成电路使用CMOS工艺来制造。
[0134]本发明还包括位置传感器，特别地用于感测附接磁体的可旋转项的旋转位置的传感器。
[0135]本发明还包括旋转速度传感器，其包括根据本发明的至少一个传感器或根据本发明的集成电路。特别地，旋转速度传感器还包括操作地连接至所述输出单元的评估单元，所述输出单元被构造和配置为获得指示所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的旋转速度的输出。
[0136]本发明还包括转数计数器，其包括根据本发明的至少一个传感器或根据本发明的集成电路。特别地，转数计数器还包括操作地连接至所述输出单元的评估单元，所述输出单元被构造和配置为获得指示从初始时间点发生的、所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的旋转次数的输出。
[0137]另外的实施例和优点根据从属权利要求和附图而浮现。
【专利附图】
【附图说明】
[0138]以下通过示例和所包括的附图更详细地描述了本发明。附图示出:
[0139]图1示出传感器的示意框图图示；
[0140]图2示出霍尔效应装置的所有可能连线方案的示意符号图示；
[0141]图3示出霍尔效应装置的四个非反向的连线方案的示意符号图示；
[0142]图4示出所施加的偏置电流和所产生的霍尔电压的图示；
[0143]图5示出所施加的偏置电流和所产生的霍尔电压的图示；
[0144]图6示出改进的传感器的示意框图图示；
[0145]图7示出可用于获得与磁场的幅度有关的信息的信号的图示；
[0146]图8示出合成的霍尔效应装置的框图图示；
[0147]图9示出合成的霍尔效应装置的框图图示；
[0148]图10示出相位检测单元的框图图示；
[0149]图11示出通过垂直集成霍尔效应装置的横截面的示意透视图；
[0150]图12示出应用于垂直集成霍尔效应装置的四个非反向的连线方案的示意符号图
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[0151]在图中使用的参考符号和它们的含义在参考符号列表中概述。所描述的实施例意欲作为示例而不将限制本发明。【具体实施方式】
[0152]图1示出了用于感测磁场至平面中的投影B的角方位的传感器I的示意框图图示，其中所述平面是绘图平面，以及其中所述角方位通过角度α来描述。传感器I包括两个霍尔效应装置Sx、Sy。装置Sx、Sy是分别沿着x轴(Sx)和沿着y轴(Sy)行进的垂直霍尔效应装置，它们各自的检测方向在所述平面中。装置Sx、Sy的每一个具有两个连接器对，并且为了感测角方位，偏置电流经由一个连接器对施加至装置，并且所产生的霍尔电压经由另一个连接器对来检测。
[0153]装置Sx、Sy操作地连接至由控制单元L控制的连线单元W。连线单元W将连线方案应用于装置Sx、Sy，所述连线方案确定连接器对中的哪一对用于施加偏置电流以及哪一对用于拾取霍尔电压。因此，传感器I包括操作地连接至连线单元W的电流源2。
[0154]连线单元W还操作地连接至滤波单元F，以便对经由连线单元W从霍尔效应装置Sx、Sy获得的霍尔电压信号进行滤波，滤波单元F在图1的实施例中体现为带通滤波器。
[0155]通过滤波单元F输出的滤波后信号被馈送至比较器3的一个输入中，比较器3的另一输入连接至地电势。由比较器3输出的信号是数字信号(数字信号被绘制为粗箭头，模拟信号被绘制为细线)，并且其相位可以以现有技术中已知的方式检测。为了检测相位，例如可以使用如图1中所描绘的相位检测单元5。相位检测单元5被馈送由比较器3输出的信号(其是PWM (脉宽调制)信号)、由控制单元L输出的信号(通常是方波信号)以及由时钟6输出的时钟信号。比较器3和相位检测单元5构成传感器I的输出单元4。指示所寻求的角方位的信号在输出单元4的输出4a处被输出(“输出信号”)。
[0156]如可以在图1的实施例中使用的示例性相位检测单元5在图10中更详细地以框图方式示出。相位检测单元5包括置位-复位锁存器8和计数器9。来自比较器3和控制单元L的逻辑信号分别被输入至锁存器8的两个输入，例如来自比较器3的信号被输入至锁存器8的置位(或使能)输入以触发接通状态(或高电平状态)，以及来自控制单元L的信号被输入至锁存器8的复位输入以触发断开状态(或空闲状态)，反之亦然。所输入的两个逻辑信号具有相同的频率，但它们的相对相位取决于(并且甚至可以表示)所寻求的角度α。结果，输出具有表示所输入的两个逻辑信号的相对相位并由此表示所寻求的角度α的占空比的PWM信号。由锁存器8输出的PWM信号被馈送至计数器9中，向计数器9另外提供具有高得多频率的时钟信号(参见图1 )，例如取决于期望的分辨率比上述PWM信号高3或4个数量级。计数器9输出输出信号4a，例如像图10中绘制的那样的表示所寻求角度α的八位信号。如前所述，可以使用其他相位检测原理和实现，并且一般地，可以使用其他输出单元4。
[0157]图2是霍尔效应装置的所有可能方案的示意符号图示。示出了可应用于霍尔效应装置的八个连线方案。在图2中，霍尔效应装置被符号化为方形，偏置电流I的流动方向被符号化为细箭头，以及霍尔电压VHall的检测方向被符号化为虚线箭头。这些“方向”当然仅对应于连线霍尔效应装置，即使得连接到霍尔效应装置的连接器的方式。霍尔效应装置的检测方向垂直于绘图平面，以及霍尔效应装置中间的符号指示两个连线方案引起相同还是相反符号的霍尔电压。
[0158]在图2的左手侧的那些连线方案都引起相同符号的VHall，因此，这些连线方案不是反向的连线方案。图2的右手侧的连线方案也是如此。但是在图2中，左侧的任意连线方案是右侧的任意连线方案的反向的连线方案。
[0159]此外，图2的上半部分的任意连线方案与图2的下半部分的任意连线方案正交，这是由于偏置电流I施加至图2的上半部分中的霍尔效应装置所处的连接器对被用于输出图2的下半部分中的霍尔效应装置处的VHall，反之已然。
[0160]图3以与图2稍微不同的方式示出霍尔效应装置(符号化为交叉框)的四个非反向的连线方案X1、X2、X3、X4。字母i和V分别指示针对偏置电流施加和霍尔电压检测而连接的连接器，以及“ + ”和指示极性(或“方向”，参见以上)。相应的反向的连线方案可以通过使霍尔效应装置的输出连接器交叉，即通过在图3中以V-代替V+以及以V+代替V-来获得；这些(反向的)连线方案将通过添加减号来指示，即以-X1、-X2、-X3、-X4来指示。
[0161]图4将帮助理解图1的传感器I的工作方式并示出当将偏置电流施加至图1的霍尔效应装置Sx和Sy时所产生的霍尔电压VHall的图示，以及特别地，示出其的时间发展。其中参考了图3所示的连线方案，其中应用于装置Sx的连线方案将利用字母X表示(X1、X2、X3、X4)，如图3所示，而应用于装置Sy的相同连线方案利用字母Y表示(Y1、Y2、Y3、Y4)。使得施加至霍尔效应装置的偏置电流在将相应的霍尔电压信号馈送至滤波单元F的同时保持恒定，并且因此，偏置电流以(矩形)电流脉冲，即恒定电流脉冲的形式施加至霍尔效应
装置。
[0162]连线单元W首先应用连线方案Xl，之后依次是Yl、-Χ2和-Υ2。之后，将不断重复相同次序的连线方案。换句话说，从电流源2抽取的恒定电流I将被交替施加至装置Sx和Sy，并且同时，施加了偏置电流I的相应装置利用其另一个连接器对连接至滤波单元F。进入滤波单元F的霍尔电压描述了阶跃函数(在图4中用实线绘制)。由滤波单元F输出的滤波后信号在图4中被绘制为虚线。
[0163]滤波单元F具有与周期T=l/f相对应的基频f，其中T在图4中对应于2 Ji。每个连线方案在将连线改变为下一连线方案之前被施加Tf/4。时钟6与控制单元L 一起被相应地操作。
[0164]所应用的连线方案以如下方式选择:(针对图1的示例中所示的特定磁场方向)在Tf/2的第一半周期中，装置Sx、Sy生成相同符号的霍尔电压，以及在随后跟着的Tf/4的第二半周期中，将应用正交的反向连线方案，其中，连线方案应用于霍尔装置的次序在第一和第二半周期中相同。
[0165]这产生了具有基频f=l/Tf并且基本上为正弦形状的滤波后信号，其中，滤波后信号的相位指示描述要检测的磁场的投影B的角方位的角度α。此外，显著的是，这种方式将消除霍尔效应装置中通常存在的偏移。
[0166]在比较器3中将滤波后信号与地电势进行比较产生数字信号(更特别地，方波信号)，并且借助该数字信号以及由时钟6输出的时钟信号和由控制单元L输出的逻辑信号(通常是方波信号)，相位检测单元5 (也参见图10)可以输出不仅指示要检测的磁场的投影B的角度α还直接指示所寻求的角度的数字信号。
[0167]通常，所有以下三个信号(参见图1和10)具有相同的频率，即前述频率f:来自比较器3的信号、来自控制单元L的信号和从锁存器8馈送至计数器9的信号。
[0168]当然，可以想到评估滤波后信号的其他方式，特别是免除比较器3和/或锁存器8和/或计数器9的其他方式。但这些方式将通常是更复杂和/或更慢的。
[0169]如图4所指示的，当在建立与滤波单元F的连接的同时建立与电流源2的连接时，可能发生电流尖峰和相应的霍尔电压尖峰(未在图4中示出)，特别是发起所述连接时，还有断开所述连接时。
[0170]馈送至滤波单元F的电压信号中的这种尖峰导致了所检测到的角度α的不准确。为了避免这些问题，有可能在进行与滤波单元F的连接之前已经建立装置Sx、Sy与电流源2的连接和/或在断开相应的霍尔效应装置与滤波单元F的连接之后从该霍尔效应装置断开连接电流源2。因此，存在抽取两倍的偏置电流I的时间。当然，这需要电流源2可以同时提供两倍的偏置电流I，或者提供第二个电流源。
[0171]图5示出适于完成用于抑制尖峰并由此改进测量精度的上述过程的所施加的偏置电流I和所产生的霍尔电压VHall的图示，特别地示出了 I和VHall的时间发展。在其中示出了所施加的电流I的图5的下部，所指示的针对Sx和Sy的连线方案被加入引号，因为所有连线方案(包括两个连接器对的连接)当然仅存在于另一个连接器对也适当连接即连接至滤波单元F的那部分时间期间。
[0172]阅读图5的示例:针对Sy，根据连线方案Yl的至滤波单元F的连接仅存在于从π /4至3 π /4 (图5的上部)，而根据连线方案Yl的至电流源2的连接存在于从O至π /2(图5的下部)。在该情况下，用于施加偏置电流I的连接的建立和断开分别比至滤波单元F的连接早和晚Tf/8 (对应于π/4)的持续时间；它们的存在比至滤波单元F的连接的存在长两倍并关于至滤波单元F的连接存在的时间来定中心。
[0173]甚至是在强非线性霍尔效应装置的情况下也允许实现极佳的偏移消除的另一可能改进不仅仅利用两个连线方案(在每个霍尔效应装置中)，而是利用四个。
[0174]在该情况下的重复连线序列不具有仅Tf的长度，而是具有2Tf的长度。在长度Tf的第一周期期间，可以使用如图4所示的相同序列，即，X1、Y1、-X2、-Y2。但是在长度Tf的第二周期中，应用序列Χ3、Υ3、-Χ4、-Υ4 (参见图3)。于是，滤波后信号是长度Tf的第一周期和第二周期之间的平均。
[0175]当然，本实施例还可以与图5所示的实施例组合。
[0176]另一可能的改进在图6中示出。图6示出改进的传感器I的示意框图图示。在该情况下，提供了附加的第二组霍尔效应装置:其包括装置SxlSO和Syl80。这些装置优选地与相应装置Sx、Sy被相同地构造，并且它们以与这些相同的方式对齐，但相对于相应的另一装置围绕与绘制平面垂直的轴旋转180°。附加的装置Sxl80、Syl80也由连线单元W控制，或者如图6所示由与连线单元W类似的附加连线单元Ψ控制；两个连线单元W、W’由控制单元L控制。在其他方面，图6的实施例的性质可以从图1 (和图10)的实施例的性质来推断。
[0177]针对Sxl80和Sx，同时应用相同的连线方案，以及针对Syl80和Sy，同时应用相同的连线方案。连线方案可以是结合图4所讨论的那些(X1、Y1、-X2、-Y2)或者上述改进的实施例中的那些(乂1、￥1、42、-￥2、乂3、￥3、44、-￥4)，其中这里当然也可以应用尖峰抑制构思(参见图5)。
[0178]在将霍尔效应装置的VHall信号馈送至滤波单元F之前，使用例如体现为加法器和逆变器的减法单元7来形成来自第一组装置(Sx、Sy)的VHall信号和来自第二组装置(Sxl80、Syl80)的VHall信号之间的差，之后将该差信号馈送至滤波单元F。由于第二组的两个装置Sxl80、SylSO的旋转对齐，该差信号的绝对值将大约是从每组装置得到的绝对值的两倍，由此，不仅将改进信噪比，而且重要得多的是，至少将较大程度地消除(通过改变连线方案)建立或断开至滤波单元6的连接时发生的切换噪声。因此，可以获得甚至更准确的输出信号，但与仅使用一半数量的霍尔效应装置相比，必须付出提供两倍的偏置电流的代价。
[0179]在投影B旋转时特别适用的另一特殊实施例中，滤波单元基本上是带通滤波器，特别是具有优选约η /2的品质因数Q的带通滤波器。
[0180]在磁场(以及投影B也)在旋转的情景中，如在附接至旋转轴的永磁体的典型情况中那样，可用数据(由输出单元4输出)总是相对于(当前)轴位置延迟，因为传感器的输出与测量周期期间的轴的平均位置有关，而与测量周期结束时的位置无关。
[0181]当测量时间相对于磁体旋转周期不短时或者当数据随后被求平均(例如为了降低噪声)时，该迟滞变得重要。一个解决方案将是通过评估旋转速度例如通过采集前一位置来校正输出数据，并加上或减去半输出周期期间的轴位移。然而，这需要一些逻辑处理，其耗费测量时间并需要相对复杂的实现。
[0182]然而，所提出的解决方案将利用当频率移动远离中心频率时由带通滤波器生成的自然相位移位。并且确切地，这在场旋转时发生。带通滤波器输入处的信号的频率在磁场投影B以与连线序列(在图1的示例中:x、y、-x、-y，字母指示霍尔效应装置Sx、Sy，符号指示反向的连线方案)所述相同的方向旋转时减小，并且其在磁体以与连线序列所述相反的方向旋转时增大。结果，滤波器在磁体逆着连线序列旋转时引入正的相位移位，而在磁体顺着连线序列旋转时引入负的相位移位。
[0183]由此，可以以适当的方式设计带通滤波器，检测磁场投影的旋转方向并相应地设置测量方向(更精确地，连线方案序列)，使得相位移位至少基本上消除了上述迟滞(X、
1、-X、-y ;或-y> -X、1、χΧ
[0184]基本上为π /2的品质因数Q允许实际上极好地补偿所述迟滞。
[0185]不必与上述实施例和特定连线方式关联的另一方面涉及确定磁场的投影B的幅度的可能性。然而，为了更详细地对此进行解释，我们将仍参考以上实施例，为了简单的原因，具体参考图1的实施例。
[0186]图7是可用于获得与磁场的幅度有关的彳目息的/[目号的图不，更精确地是可用于确定磁场至平面中的投影B的幅度的信号的图示。参考图1，有可能使用不仅具有一个接地输入的比较器3,还有可能将电压Vc施加至一个输入。另一输入接收霍尔电压信号VHall,如图1的情况那样，特别地，至少近似为正弦形状的信号(还参见图4中的虚线)。
[0187]在图7的上部，示出了霍尔电压信号VHall (具有周期Tf )，如为电压Vc。在图7的下部，指示从比较器3输出的信号。在Vc (Vc古O伏)被适当地调节至具有比预期的最小VHall信号幅度小的绝对值的电压的情况下，从比较器输出的信号的占空比dT将取决于磁场的投影B的上述幅度，dT越大，所述投影B的幅度越大。
[0188]适当地度量dT比所述磁场幅度的大小允许建立用于感测磁场的磁场矢量至平面中的投影的磁场幅度的磁场幅度测量装置或传感器，以及相应的方法。
[0189]如将从以上评论清楚的是，这种将比较器用于确定磁场的磁场矢量至平面中的投影的磁场幅度的使用可以利用任意霍尔电压信号(其是连续的或准连续的)工作，而不仅仅是利用正弦形状的霍尔电压信号工作，以及特别地不仅仅是利用像本文之前描述的那样使用连线方案改变取得的霍尔电压信号工作。
[0190]当然，所有上述概念不仅仅利用2个或4个霍尔效应装置工作。并且这些装置不一定必须被布置为它们的检测方向与两个垂直方向平行，尽管通常将是如此。还有可能使用三个或更多个(以及六个或更多个)霍尔效应装置并应用与如上所述相同的构思。但是在该情况下，建议仔细选择霍尔电压从相应霍尔效应装置馈送至滤波单元的顺序(次序)。并且，另外，例如如果霍尔效应装置的角方位不规则地间隔开，则建议仔细调整每个相应霍尔效应装置将其霍尔电压馈送至滤波单元F的时间段。
[0191]顺序(次序)和时间都将被选择以使得馈送至滤波单元的阶梯信号模拟(尽可能接近)频率f=l/Tf的正弦信号。
[0192]此外，要注意，这里提到的每个霍尔效应装置可以是简单霍尔效应装置或者可以由两个或更多个简单霍尔效应装置组成，后者以并联或串联或者以并联和串联混合的方式连线。
[0193]针对由(关于它们的电流源)并联连线的两个简单霍尔效应装置组成的霍尔效应装置，这在图8中以框图示出。合成的霍尔效应装置I具有其两个连接器对，两个简单霍尔效应装置中的每一个并联连接到所述两个连接器对。
[0194]图9示出另一个由两个简单霍尔效应装置组成的合成的霍尔效应装置的框图图示。针对两个简单霍尔效应装置中的每一个，提供单独的电流源，其中还有可能把这两个单独的电流源看做一个(合成的)电流源的两个组件。两个简单霍尔效应装置的电压V-和V+分别被馈送至单独的加法器以提供合成的霍尔效应装置的霍尔电压。
[0195]通常，根据本发明的霍尔效应装置当然可以具有比对应于上述两对触点的四个触点更多的触点。在图9中给出示例，其中存在六个触点:v+和V-(从加法器输出)以及针对每个简单霍尔效应装置，提供了一个i+和一个i_触点，其中还有可能短接两个电流触点，每个简单霍尔效应装置一个，例如两个i_触点，以使得合成的霍尔效应装置可以被认为具有五个触点。
[0196]与图9所示类似，还有可能接合(即，短接)两个电流触点，例如左边的简单霍尔效应装置的i_触点和右边的简单霍尔效应装置的i+触点，并使用一个(简单)电流源来将偏置电流供应至两个简单霍尔效应装置，由此实现包括(关于它们的电流源)串联连接的两个简单霍尔效应装置的合成的霍尔效应装置。在其他方面，合成的霍尔效应保持为如图9所描绘的一样，包括两个加法器。
[0197]所有上述实施例可以在单个硅芯片中很好地实现，特别地使用CMOS工艺。所谓的垂直集成霍尔效应装置特别好地适用于这种实现。
[0198]图11示例性示出通过垂直集成霍尔效应装置I的横截面的示意透视图。在P型掺杂硅基板中，提供了 η型掺杂阱，体现为平行对齐的接触线的五个金属触点提供在硅基板的表面上，用于施加偏置电流I和拾取霍尔电压VHall。通常,将短接五个金属触点中的两个，即最外边两个，如图11中粗线所示意性指示的。垂直集成霍尔效应装置I的左边的标记为B的箭头示出与垂直集成霍尔效应装置I的检测方向平行对齐的磁场的磁场矢量。
[0199]根据图11所指示的一个示例性连线方案，中间的触点用于注入偏置电流，偏置电流之后如弯曲箭头所示流动至两个最外边触点，电流源(在图11中仅符号地描绘)连接在最中间和两个最外边触点之间。当然，还有可能使用两个单独(简单)的电流源，每个接触最外边金属触点中的一个，并且两个都接触最中间金属触点。如图11所示，另两个触点用于拾取所产生的霍尔电压(其在非零磁场分量与检测方向平行存在的情况下存在)。
[0200]图12是应用于垂直集成霍尔效应装置的四个非反向的连线方案的示意符号图示。参照图11的垂直集成霍尔效应装置1，图12可以被理解为符号化所述垂直集成霍尔效应装置I的顶视图。图12所示的四个连线方案正如图3所示那样命名，细节请参照图3。
[0201]上述所有实施例都可以用于位置感测(例如，确定转子马达的旋转位置)、旋转计数、旋转速度感测，并用于涉及磁场的类似目的。
[0202]已经根据功能单元描述了实施例的各方面。容易理解，这些功能单元可以被虚拟地实现为适于执行指定功能的任意数量的组件。例如，一个控制单元L和仅一个连线单元可以用于实现如图6的实施例那样运转的实施例，但也可以使用两个控制单元和两个连线单元W、W’来实现其。
[0203]此外，至少在与使用具有合适品质因数的带通滤波器来补偿时间上的迟滞的上述实施例不同的实施例中，滤波单元F还可以实现为低通滤波器，以及可能地另外实现为偏移消除器(用于抑制DC电压偏移)。通常，滤波单元的主要目的是从霍尔电压阶梯信号中提取(具有所寻求相位的)频率f=l/Tf的正弦波。
[0204]参考符号列表
[0205]I传感器
[0206]2电流源
[0207]3比较器
[0208]4输出单元
[0209]4a输出、输出单元的输出
[0210]5相位检测单元
[0211]6 时钟
[0212]7减法单元
[0213]8锁存器、置位-复位锁存器
[0214]9计数器
[0215]B磁场至平面中的投影
[0216]F滤波或谐振单元、滤波单元、滤波器I电流、偏置电流
[0217]L控制单元
[0218]Sx、Sy、Sxl80、Syl80霍尔效应装置Td占空比
[0219]Vc电压、比较器处的电压
[0220]VHall霍尔电压
[0221]W连线单元
[0222]α 角度
【权利要求】
1.一种用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的传感器，所述传感器包括: -至少第一组N > 2个霍尔效应装置，每个霍尔效应装置具有检测方向并包括两个连接器对，其中，在存在所述磁场的情况下，在所述连接器对中的任一对的连接器之间的电流流动允许拾取由所述磁场引起的相应的另一连接器对的连接器之间的霍尔电压，所述磁场沿所述检测方向的磁场分量为零的情况除外，其中所述N个霍尔效应装置被对齐使得它们的检测方向在所述平面内，以及其中所述霍尔效应装置中的至少两个具有不相同的检测方向； -至少一个滤波或谐振单元，其包括输入和输出，其中从所述输出输出的信号被称为滤波后信号； -至少一个电流源，其包括输出，用于在其输出处输出电流； -连线单元，其操作地连接至所述N个霍尔效应装置中的每一个的所述连接器中的每一个，所述连线单元被构造和配置为选择性地将所述连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述滤波或谐振单元的所述输入，其中，连线霍尔效应装置的两个连接器对的特定方式被称为“连线方案”，其中，如果以两个连线方案中的一个连接至所述电流源的连接器对以两个连线方案中的另一个连接至所述滤波或谐振单元，则这两个连线方案被称为“正交的”连线方案，以及其中，如果两个连线方案产生了不同符号的霍尔电压，则这两个连线方案被称为“反向的”连线方案； -控制单元， -在持续0.5Tf的第一时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的特定次序，在持续时间ti，i=l，…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi+应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及 -在持续0.5Tf的所述第一时间周期之后的持续0.5Tf的第二时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ; -其中，所述连线方案Wi+中的每一个是相应的另一连线方案W1-的正交且反向的连线方案，i=l，…，N; -输出单元，其操作地连接至所述滤波或谐振单元的所述输出，所述输出单元被构造和配置为从滤波后信号获得指示所述角方位的输出信号并输出所述信号； 其中，所述滤波或谐振单元被构造和配置为改变基频f=l/Tf的输入信号，以使得高次谐波的强度相对于所述基频的强度减小，其中所述输入信号除了所述基频还包含所述高次谐波。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述特定次序是相关于或取决于所述霍尔效应装置的所述检测方向的相对对齐的次序，以及其中所述时间周期的所述持续时间ti，i=I，…，N相关于或取决于所述霍尔效应装置的所述检测方向的相对对齐。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述控制单元还被构造和配置为控制所述连线单元以使得在持续0.5Tf的上述第一时间周期和第二时间周期之后，实现以下: -在持续0.5Tf的所述第二时间周期之后的持续0.5Tf的第三时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在所述相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi++应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l，…，N ;以及 -在持续0.5Tf的所述第三时间周期之后的持续0.5Tf的第四时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l, -,N； -其中，所述连线方案Wi++中的每一个是相应的连线方案W1-的正交且反向的连线方案，i=l，…，N; -其中，所述连线方案Wi++中的每一个是与相应的另一连线方案Wi+不相同的所述相应的另一连线方案Wi+的非正交且非反向的连线方案，i=l,...』；&& -其中，所述连线方案W1-中的每一个是与相应的另一连线方案W1-不相同的所述相应的另一连线方案W1-的非正交且非反向的连线方案，i=l,…，N。
4.根据前述权利要求中的一项所述的传感器，其中，所述特定次序是能够通过以下获得的次序:将所述霍尔效应装置的所述检测方向绘制到x_y坐标系的正I半平面内，并且根据相应霍尔效应装置的检测方向和正X轴之间包围的相应角度来对霍尔效应装置进行排序，以使得所述角度构成单调增大或单调减小的数列。
5.根据前述权利要求中的一项所述的传感器，其中，所述滤波或谐振单元是或者包括具有Q= /2±0.25的品质因数Q的带通滤波器。
6.根据前述权利要求中的一项所述的传感器，其中，所述控制单元还被构造和配置为控制所述连线单元以使得针对所述N个霍尔效应装置中的至少一个，实现: -在持续时间ti，i=l，…，N的相应时间周期期间连接至所述电流源的相应霍尔效应装置的相应连接器对在所述相应时间周期开始之前已经连线至所述电流源，并且该连线被维持直到并贯穿所述相应时间周期； 和/或 -在持续时间ti，i=l，…，N的相应时间周期期间连接至所述电流源的相应霍尔效应装置的相应连接器对的所述连线被维持贯穿所述相应时间周期，并直到所述相应时间周期结束之后； 特别地其中，这针对所述N个霍尔效应装置中的每一个而应用，更特别地其中，针对所述N个霍尔效应装置中的每一个实现这两者。
7.根据前述权利要求中的一项所述的传感器，包括: -附加的第二组NS 2个霍尔效应装置，所述第二组的每个霍尔效应装置被构造为基本上与所述第一组的相应霍尔效应装置相同，所述第二组的每个霍尔效应装置与所述第一组的所述相应霍尔效应装置以相同方式对齐，但是相对于所述第一组的所述相应霍尔效应装置围绕与所述平面垂直的轴旋转基本上180° ； 其中所述控制单元还被构造和配置为控制所述连线单元以使得: -针对相同的持续时间ti，i=l,…，N，以及以与针对所述第一组的相应霍尔效应装置相同的特定次序，对所述第一组的所述霍尔效应装置的所述连接器对的连线方案的上述应用同时被应用于所述第一组的相应霍尔效应装置； 其中，所述滤波或谐振单元包括具有两个输入的减法单元，所述减法单元用于获得馈送至所述输入的信号之间的差，其中连接至所述滤波或谐振单元的所述第一组和所述第二组的霍尔效应装置的那些连接器对的每一个分别操作地连接至所述输入之一。
8.根据前述权利要求中的一项所述的传感器，其中所述输出单元还被构造和配置为将滤波后信号与非零恒定信号进行比较并从所述比较的结果取得指示所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的幅度的附加输出信号。
9.根据前述权利要求中的一项所述的传感器，其中所述输出单元包括相位检测单元和比较器，特别地其中所述输出单元基本上由锁存器、比较器和计数器组成。
10.一种集成电路，包括根据前述权利要求中的一项所述的至少一个传感器，特别地其中所述集成电路使用CMOS工艺来制造。
11.一种旋转速度传感器，包括根据权利要求1至9中的一项所述的至少一个传感器或根据权利要求10所述的集成电路，和操作地连接至所述输出单元的评估单元，所述输出单元被构造和配置为获得指示所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的旋转速度的输出。
12.—种转数计数器，包括根据权利要求1至9中的一项所述的至少一个传感器或根据权利要求10所述的集成电路，和操作地连接至所述输出单元的评估单元，所述输出单元被构造和配置为获得指示从初始时间点发生的、所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的旋转次数的输出。
13.一种用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的方法，所述方法包括以下步骤: a)提供至少第一组NS2个霍尔效应装置，每个霍尔效应装置具有检测方向并包括两个连接器对，其中，在存在所述磁场的情况下，在所述连接器对中的任一对的连接器之间的电流流动允许拾取由所述磁场引起的相应的另一连接器对的连接器之间的霍尔电压，所述磁场沿所述检测方向的磁场分量为零的情况除外，其中所述N个霍尔效应装置被对齐使得它们的检测方向在所述平面内，以及其中所述霍尔效应装置中的至少两个具有不相同的检测方向； b)提供至少一个滤波或谐振单元，其包括输入并被构造和配置为改变基频f=l/Tf的输入信号，以使得高次谐波的强度相对于所述基频的强度减小，其中所述输入信号除了所述基频还包含所述高次谐波； c)提供至少一个电流源，其包括输出并能够在其输出处输出电流； 其中，将霍尔效应装置的两个连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述滤波或谐振单元的所述输入的特定方式被称为“连线方案”，其中，如果以两个连线方案中的一个连接至所述电流源的连接器对以两个连线方案中的另一个连接至所述滤波或谐振单元，则这两个连线方案被称为“正交的”连线方案，以及其中，如果两个连线方案产生了不同符号的霍尔电压，则这两个连线方案被称为“反向的”连线方案； dl)在持续0.5Tf的第一时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的特定次序，在持续时间ti，i=l，…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi+应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及 d2)在持续0.5Tf的所述第一时间周期之后的持续0.5Tf的第二时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l, -,N；其中，所述连线方案Wi+中的每一个是相应的另一连线方案W1-的正交且反向的连线方案，1=1,…，N;以及 e)响应于步骤dl)和d2)的进行，从由所述滤波或谐振单元输出的信号取得指示所述角方位的输出信号。
14.根据权利要求13所述的方法，包括在步骤d2)之后进行以下步骤: d3)在持续0.5Tf的所述第二时间周期之后的持续0.5Tf的第三时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在所述相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案Wi++应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ;以及 d4)在持续0.5Tf的所述第三时间周期之后的持续0.5Tf的第四时间周期期间，以及以所述N个霍尔效应装置的相同特定次序，在所述相同持续时间ti，i=l,…，N的各个随后时间周期期间将相应的连线方案W1-应用于所述N个霍尔效应装置中的每一个，i=l,…，N ; 其中，所述连线方案Wi++中的每一个是相应的连线方案W1-的正交且反向的连线方案，i=l，…，N;以及 其中，所述连线方案Wi++中的每一个是与相应的另一连线方案Wi+不相同的所述相应的另一连线方案Wi+的非正交且非反向的连线方案，i=l,…，N;以及 其中，所述连线方案W1-中的每一个是与相应的另一连线方案W1-不相同的所述相应的另一连线方案W1-的非正交 且非反向的连线方案，i=l,…，N。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中，所述特定次序是能够通过以下获得的次序:将所述霍尔效应装置的所述检测方向绘制到χ-y坐标系的正y半平面内，并且根据相应霍尔效应装置的检测方向和正X轴之间包围的相应角度来对所述霍尔效应装置进行排序，以使得所述角度构成单调增大或单调减小的数列。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述磁场是旋转磁场，并且所述滤波或谐振单元是或者包括具有Q= η /2±0.25的品质因数Q的带通滤波器，所述方法包括: 在所述磁场矢量的所述投影被绘制到所述χ-y坐标系的所述正y半平面内时朝向增大的角度移动的情况下的以下步骤 el)选择所述特定顺序以使得所述角度构成单调增大的数列； 或者，在所述磁场矢量的所述投影被绘制到所述x-y坐标系的所述正I半平面内时朝向减小的角度移动的情况下的以下步骤 e2)选择所述特定顺序以使得所述角度构成单调减小的数列。
17.根据权利要求13至16中的一项所述的方法，包括针对所述N个霍尔效应装置中的至少一个的以下步骤中的至少一个: Π)在持续时间ti，i=l，…，N的相应时间周期期间开始之前已经实现在所述相应时间周期期间连接至所述电流源的相应霍尔效应装置的相应连接器对至所述电流源的所述连线，并且维持所述连线直到并贯穿所述相应时间周期；以及 f2)将在持续时间ti，i=l，…，N的相应时间周期期间连接至所述电流源的相应霍尔效应装置的相应连接器对的所述连线维持贯穿所述相应时间周期并直到所述相应时间周期结束之后； 特别地其中，针对所述N个霍尔效应装置中的每一个进行所述步骤fl和f2中的至少一个，更特别地其中，针对所述N个霍尔效应装置中的每一个进行所述步骤fl和f2 二者。
18.根据权利要求13至17中的一项所述的方法，包括以下步骤: a’ )提供附加的第二组NS 2个霍尔效应装置，所述第二组的每个霍尔效应装置被构造为基本上与所述第一组的相应霍尔效应装置相同，所述第二组的每个霍尔效应装置与所述第一组的所述相应霍尔效应装置以相同方式对齐，但是相对于所述第一组的所述相应霍尔效应装置围绕与所述平面垂直的轴旋转基本上180° ； d’)与所述第一组的相应霍尔效应装置同时并且针对相同的持续时间ti，i=l,-,N,以及以与针对所述第一组的相应霍尔效应装置相同的特定次序，将与所述第一组的所述相应霍尔效应装置相同的连线应用于所述第二组的每个霍尔效应装置； g)获得从所述第二组的霍尔效应装置馈送至所述滤波或谐振单元的信号或者从其取得的信号与从所述第一组的所述相应霍尔效应装置馈送至所述滤波或谐振单元的信号或者从其取得的信号之间的差。
19.根据权利要求13至18中的一项所述的方法，包括以下步骤: h)响应于步骤dl)和d2)的进行，将由所述滤波或谐振单元输出的所述信号与非零恒定信号进行比较；以及 i)从所述比较的结果取得指示所述磁场的所述磁场矢量至所述平面内的所述投影的幅度的输出信号。
20.一种用于感测磁场的磁场矢量至平面内的投影的角方位的传感器，所述传感器包括: -至少第一霍尔效应装置和第二霍尔效应装置，每个霍尔效应装置具有检测方向，所述第一霍尔效应装置和第二霍尔效应装置的所述检测方向相对于彼此以非平行方式对齐，每个所述霍尔效应装置包括两个连接器对，其中，在存在所述磁场的情况下，在所述连接器对中的任一对的连接器之间的电流流动允许拾取由所述磁场引起的相应的另一连接器对的连接器之间的霍尔电压，所述磁场沿所述检测方向的磁场分量为零的情况除外； -至少一个滤波或谐振单元，其包括输入和输出； -至少一个电流源，其包括输出，用于在其输出处输出电流； -连线单元，其操作地连接至所述霍尔效应装置中的每一个的所述连接器中的每一个，所述连线单元被构造和配置为选择性地将所述连接器对连线至所述电流源的所述输出或者所述滤波或谐振单元的所述输入，其中，连线霍尔效应装置的两个连接器对的特定方式被称为“连线方案”，其中，如果以两个连线方案中的一个连接至所述电流源的连接器对以两个连线方案中的另一个连接至所述滤波或谐振单元，则这两个连线方案被称为“正交的”连线方案，以及其中，如果两个连线方案产生了不同符号的霍尔电压，则这两个连线方案被称为“反向的”连线方案； -控制单元，其被构造和配置为控制所述连线单元以使得: -针对持续Tf/4的持续时间，将第一连线方案应用于至少一个所述第一霍尔效应装置，以及随后， -针对持续Tf/4的持续时间，将第二连线方案应用于所述第二霍尔效应装置，以及随后， -针对持续Tf/4的持续时间，将第三连线方案应用于所述第一霍尔效应装置，以及随后， -针对持续Tf/4的持续时间，将第四连线方案应用于所述第二霍尔效应装置； -其中，所述第一连线方案和所述第三连线方案是正交且反向的连线方案；以及 -其中，所述第二连线方案和所述第四连线方案是正交且反向的连线方案； -输出单元，其操作地连接至所述滤波或谐振单元的所述输出，所述输出单元被构造和配置为从输出自所述滤波或谐振单元的信号获得指示所述角方位的输出信号并输出所述信号; 其中，所述滤波或谐振单元被构造和配置为对基频f=l/Tf的输入信号进行滤波，以使得高次谐波的强度相对于所述基频的强度减小，其中所述输入信号除了所述基频还包含所述高次谐波。
【文档编号】G01D5/14GK103649685SQ201280034347
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年5月4日 优先权日:2011年5月11日
【发明者】S·瑞伊蒙德, P·凯吉克 申请人:森希玛技术股份有限公司