强磁场误差校准的磁电阻角度传感器及其校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在强磁场下使用的双轴磁电阻角度传感器的输出误差的校准。
【背景技术】
[0002] 磁电阻传感器和旋转磁体相结合提供了用于各种汽车，工业和消费产品的旋转轴 的方向的非接触式测量的一个有吸引力的手段。在现有技术中有许多不同类型的磁角度传 感器，用于测量磁场的方向。不幸的是，它们都存在在本领域中公知的问题，例如，过大的尺 寸，灵敏度不足，动态范围不足，高成本，低可靠性，以及其他问题。因此，仍然有必要对磁电 阻角度传感器进一步地改进以设计具有高性能的磁电阻角度传感器，特别是可以与集成电 路和现有制造方法很容易地结合使用的磁电阻角度传感器。
[0003] 当外加磁场增加时，GMR或TMR磁电阻角度传感器的钉扎层的可能取得的有限值 导致了增加的输出的误差是本领域的公知常识。其原因是所施加的外磁场造成被钉扎层的 磁化方向的轻微的移动。为解决此问题，本发明提出了一个校正算法。本算法应用于双轴 TMR/GMR角度传感器时，大大降低了和外加磁场强度强烈相关的测量误差。新算法包括简单 的数学和简单的一次性校准，扩大了双轴TMR/GMR磁电阻角度传感器的磁场应用范围并极 大地提高了其在高磁场中的测量的精度。
【发明内容】
[0004] 为了解决以上问题，本发明提供一种双轴磁电阻角度传感器，包括两个检测沿相 互垂直的X-轴和Y-轴方向外加磁场的正交单轴磁电阻角度传感器， 实时计算所述单轴磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的电压输出的测量的矢量幅度 的元件， 计算已知的校准矢量幅度和所述测量的矢量幅度的差值的元件， 将所述的差值用^相除以计算出信号误差的元件， 分别将所述信号误差加入到所述X-轴输出和Y-轴输出或从其中减去以计算校准的 X-轴输出信号和校准的Y-轴的输出信号的元件， 计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号的商的反正切以计算所述外加 磁场的旋转角度的元件。
[0005] 所述沿X-轴输出和Y-轴输出分别是偏移校准的X-轴电压输出和偏移校准的 Y-轴电压输出，将第一偏移校准值从所述X-轴电压输出减去获得所述偏移校准的X-轴电 压输出；将第二偏移校准值从所述Y-轴电压输出减去获得所述的偏移校准的Y-轴电压输 出。
[0006] 所述沿X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述沿Y-轴电压输出 被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢 量幅度校准值设定为1。
[0007] 所述偏移校准的X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述偏移校 准的Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校 准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。
[0008] 所述每一个单轴磁电阻角度传感器均为GMR自旋阀或TMR传感器。
[0009] 所述双轴磁电阻角度传感器还包括温度感应传感器。
[0010] 所述温度传感器产生的温度信号用来相对于温度计算线性扩展峰值、所述偏移校 准值和/或矢量幅度校准值。
[0011] 两个正交的所述X-轴单轴磁电阻传感器和Y-轴单轴磁电阻传感器的电压输出的 最大振幅近似相等。
[0012] 已知的校准矢量幅度为 Vp = {Max [Vx ( θ，H) ] -Min [Vx ( θ，H) ] +Max [Vy ( θ，H) ] -Min [Vy ( θ，H) ]} /4 〇
[0013] 所述第一偏移校准值是Vox = {Max[Vras( Θ，H)]+Min[VMS( Θ，!1)]}/2，所述第二偏 移校准值是 Voy = {Max [Vsin ( θ，Η) ] +Min [Vsin ( θ，Η) ]} /2。
[0014] 所述双轴磁电阻角度传感器还包括储存偏移值和最大振幅的校准常数的元件， 所述的最大振幅的校准常数是由每一个单轴磁电阻角度传感器在所述外加磁场旋转一个 360度时得到的最大和最小峰值计算而来，所述双轴磁电阻角传感器只需储存所述的峰值 和所述每一个单轴磁电阻传感器用于校准的所述偏移值。
[0015] 相应地，本发明还提供了一种磁电阻角度传感器磁场测量误差校准方法，包括： 通过两个正交的单轴磁电阻角度传感器检测沿相互垂直的X-轴和Y-轴方向的外加磁 场； 实时计算所述磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的电压输出的测量的矢量幅度； 计算已知的校准矢量幅度和所述测量的矢量幅度的差值； 将所述的差值用^相除以计算出信号误差； 分别将所述信号误差加入到所述X-轴输出和Y-轴输出或从其中减去以计算校准的 X-轴输出信号和校准的Y-轴的输出信号； 计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号所得的商的反正切以计算所述 外加磁场的旋转角度。
[0016] 所述沿X-轴输出和Y-轴输出分别是偏移校准的X-轴电压输出和偏移校准的 Y-轴电压输出，将第一偏移校准值从所述X-轴电压输出减去获得所述偏移校准的X-轴电 压输出；将第二偏移校准值从所述Y-轴电压输出减去获得所述的偏移校准的Y-轴电压输 出。
[0017] 所述沿X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述沿Y-轴电压输出 被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢 量幅度校准值设定为1。
[0018] 所述偏移校准的X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述偏移校 准的Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校 准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。
[0019] 所述峰值、所述偏移校准值和/或矢量幅度校准值相对于温度线性扩展。
[0020] 所述两个正交的X-轴单轴磁电阻传感器和Y-轴单轴磁电阻传感器的电压输出的 最大振幅近似相等。
[0021] 所述已知的校准矢量幅度为 Vp = {Max [Vx ( θ，H) ] -Min [Vx ( θ，H) ] +Max [Vy ( θ，H) ] -Min [Vy ( θ，H) ]} /4 〇
[0022] 所述第一偏移校准值是 Vox = {Max [Vras ( θ，Η) ] +Min [V_ ( θ，Η) ]} /2,所述第二偏 移校准值是 Voy = {Max [Vsin ( θ，Η) ] +Min [Vsin ( θ，Η) ]} /2。
[0023] 储存偏移值和最大振幅的校准常数，所述的最大振幅的校准常数是由在每一个单 轴磁电阻角度传感器在所述外加磁场旋转一个360度时得到的最大和最小峰值计算而来， 所述磁电阻角度传感器只需储存所述的峰值和所述每一个单轴磁电阻传感器用于校准的 所述偏移值。
[0024] 由于以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明将校正算法应用在双轴磁电阻 角度传感器中，大大降低了和外加磁场强度强烈相关的测量误差，扩大了双轴磁电阻角度 传感器的磁场应用范围并极大地提高了其在强磁场中的测量的精度。
【附图说明】
[0025] 图1为磁电阻角度传感器的工作原理。
[0026] 图2Α为双轴磁电阻角度传感器1的理想的电压输出曲线。
[0027] 图2Β为双轴磁电阻角度传感器1由X-轴输出和Y-轴输出作图得到的理想XY-曲 线图。
[0028] 图3Α为双轴磁电阻角度传感器1的非理想的电压输出曲线。
[0029] 图3Β为双轴磁电阻角度传感器1由X-轴输出对Y-轴输出作图得到的非理想 XY-曲线图。
[0030] 图4Α为不同外加磁场的强度对双轴磁电阻角度传感器1的X-轴输出对Y-轴输 出作图得到的XY-曲线的影响。
[0031] 图4Β为在不同外加磁场的强度下测得的双轴角度传感器1的输出的最大误差。
[0032] 图5为一个曲线图，展示了在所有GMR/TMR角度传感器观察到的共同效果。
[0033] 图6为MTJ(隧道磁阻结）元件的示意图。
[0034] 图7为一个示意图解释由所施加的外磁场而产生的钉扎层的移动。
[0035] 图8Α为当外加磁场相对于钉扎层的角度为33°时的最大误差XY-曲线。
[0036] 图8Β为当外加磁场相对于钉扎层的角度为33°时，在不同的磁场强度HPS下计算 得到的由于钉扎层移动引起的最大误差。
[0037] 图9表明非理想输出波形的幅度等于或小于理想输出的波形的幅度。
[0038] 图10示出了双轴的幅度和单轴误差的比较。
[0039] 图11为单轴输出误差以双轴幅值误差为函数作图，表明单轴误差和双轴幅度误 差之间成比例。
[0040] 图12的曲线图表明的角度传感器的非理想输出可以通过将测得的双轴幅度误差 加回非理想的变形的波形，从而对非理想输出进行校正。
[0041] 图13Α为在几个不同强度的外加磁场中由没有校准的X轴输出对Y轴输出作图得 到的XY-曲线。
[0042] 图13Β在几个不同的外加磁场强度下由校正的沿X轴的输出与Y轴输出作图得到 的XY-曲线，表明了输出误差可以被校正。
[0043] 图13C显示了校正后的角度误差比原始误差小很多。
[0044] 图14显示该算法在输出变化超过10%时，依然有效，这表明所述校正算法应该是 对温度变化不敏感。
[0045] 图15A-C表明本算法用于校准高度扭曲的输出时可以使误差降低3倍。
[0046] 图16为一种双轴磁电阻角度传感器的设计。
[0047] 图17为另一种双轴磁电阻角度传感器的设计。
【具体实施方式】
[0048] 图1为双轴磁电阻角度传感器1工作原理示意简图。双轴的磁电阻角度传感器1 包括两个相对彼此旋转90°的单轴磁电阻角度传感器，以便分别沿X轴和Y轴测量磁场的 强度。其中之一测量余弦波形被称为余弦传感器，另一个用于测量正弦波形被称为正弦传 感器。磁电阻（MR)角度传感器1被放置在由磁铁3产生的一个旋转磁场2中，通过检测双 轴磁电阻角度传感器1的电阻变化，双轴磁电阻角度传感器1可以测量磁铁3的旋转角度。 前述的双轴磁电阻角度传感器1的电阻变化呈正余弦波规律变化。
[0049] 图2A为双轴磁电阻角度传感器1的正余弦输出曲线。双轴磁电阻角度传感器1 的输出对旋转磁场2的旋转角度作图，得到理想的正弦和余弦输出曲线：沿X轴方向是一余 弦波形，沿Y轴向是正弦波形；这两个波形是理想的Y轴正弦波形7和理想X轴余弦波形5。 如果理想的X轴电压输出对Y轴电压输出作图，所得曲线是如图2B所示的正圆9。具体而 言，这意味着输出电压分量的矢量幅度是独立于旋转角度的，如下面讨论的，这一特点是使 得本发明所提出的校正算法的可以工作的关键部分。在任何情况下，旋转角度可以使用公 知的CORDIC算法计算，其中正弦传感器的电压除以余弦传感器的电压，然后计算比值的反 正切，来确定磁铁3的旋转角度。
[0050] 图 3A 和图 3B 为 TMR (tunneling magnetoresis