低功率磁场传感器的制作方法

专利名称：低功率磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种利用磁场传感器感测速度、位置和/或方向的设 备和方法，更具体而言涉及用于低功率应用中的这种设备和方法。
背景技术：
用于在低功率应用中感测磁场的磁场传感器是公知的。 一种这样的装
置是由本发明的受让人MA, Worcester的Allegro Microsystems, Inc.以部 件号no.A3211销售的。这种装置包括用于以极性不敏感的方式(即不论磁 性物体相对于霍尔效应元件的取向如何)感测具有预定强度的磁场是否存 在的霍尔效应元件。该装置包括低功率特征，由此在每个时钟周期期间仅 在短的"清醒"时段内激活该装置的部分。适当的低功率应用包括电池操 作的手持式设备，例如蜂窝和无绳电话、传呼机、掌上型电脑或手持计算 机、个人数字助理(PDA)等。
用于感测旋转磁性物体，例如旋转环形磁体的旋转方向和速度的磁场 传感器也是公知的。 一种这样的装置是由本发明的受让人MA, Worcester的 Allegro Microsystems, Inc.以部件号no. 3422销售的。具体而言，这种装 置包括同一硅衬底上的两个霍尔效应元件以及处理电路，所述处理电路用 于提供表示磁体的旋转速度的速度输出信号和表示磁体的旋转方向的方向 输出信号。

发明内容
根据本发明， 一种磁场传感器包括半导体衬底，在所述半导体衬底 上形成两个间隔开的磁场感测元件，每个所述磁场感测元件提供和所感测 的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁场信号；以及配置成以一抽样率对
所述两个磁场信号抽样并产生表示所述磁性物体的旋转速度的第一传感器 输出信号和表示所述磁性物体的旋转方向的第二传感器输出信号的电路。
对于这种布置而言，对两个磁场信号通道的抽样是同步的(且优选由 相同时的钟信号进行控制)，从而消除了由于两个通道的抽样时间的差异而 导致的传感器方向输出信号的任何不精确性。磁场传感器还可以包括用户 可编程抽样率特征，用户可以由此选择提供外部时钟信号来控制抽样率。 也可以提供双抽样率特征，由此以第一预定抽样率对磁场信号进行抽样， 在检测到传感器速度输出信号的转换之后的预定时段内以更快的第二预定 抽样率对其进行抽样。传感器还可以用于产生表示所述磁性物体相对于所
述磁场感测元件的位置的第三传感器输出信号。
还描述了一种磁场传感器，该磁场传感器包括磁场感测元件，提供
和所感测的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁场信号；以及配置成以一
抽样率对所述磁场信号进行抽样并产生表示所感测磁场的传感器输出信号 的电路。根据本发明的另一方面，抽样率最初对应于第一预定抽样率，响 应于传感器输出信号的状态变化，抽样率对应于更快的第二预定抽样率。
利用这种双抽样率特征，在传感器输出信号不受对磁场信号的周期性 处理的不利影响的工作时间期间，在低功耗模式下有利地操作传感器(由 此仅在每个时钟周期的一部分内处理磁场信号或对其进行抽样)。在检测到 输出信号转换时，在预定时段内提高抽样率，以便由此提高传感器输出信 号的精确性。
根据本发明的另一方面， 一种磁场传感器包括提供磁场信号的磁场 感测元件；以及配置成以用户指定的抽样率对所述磁场信号进行抽样并产
生表示所述磁性物体的特征的传感器输出信号的电路。这种用户可编程抽 样率特征有利地在期望抽样率方面为用户提供了灵活性。实际上，利用该 特征，用户可以选择连续处理(即连续抽样)磁场信号。
另一磁场传感器实施例包括磁场感测元件，提供和所感测的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁场信号；响应于所述磁场信号并配置成产生 表示所述磁性物体的特征的传感器输出信号的电路；以及时钟电路。所述 时钟电路响应于至少一个用户提供的输入信号，并配置成产生抽样率由输 入信号确定的时钟信号。所述抽样率是选自以下的一种(a)最初为第一
预定抽样率且在传感器输出信号状态的改变之后的预定时段内为第二预定
抽样率；(b)用户定义的抽样率；或(c)固定的预定抽样率。这种布置提 供了上述双抽样率特征和用户可编程抽样率特征这两者的益处。


通过以下对附图的详细描述将可以更充分地理解本发明的上述特征以 及本发明本身，附图中
图1示出根据本发明的诸方面的包括用户可编程抽样率特征和/或双抽 样率特征的磁场传感器；
图1A示出图1中的时钟电路的一个实施例，其包括双抽样率特征；
图1B示出图1中的时钟电路的可选实施例，其包括用户可编程抽样率 特征；
图1C示出图1中的时钟电路的另一实施例，其既包括双抽样率特征又 包括用户可编程抽样率特征；
图2示出与图1、 1A和1C的传感器的双抽样率特征相关的若干示例性 波形；
图2A示出与图1、 1B和1C的传感器的用户可编程抽样率特征相关的 若干示例性波形；
图3是可选磁场传感器实施例的简化示意图，其包括位置、速度和方 向感测并且还包括用户可编程抽样率特征和双抽样率特征；
图4是包含图3的磁场传感器的手持式电子装置的平面图；以及 图5示出与图3的磁场传感器相关的若干示例性波形。
具体实施例方式
参考图l，根据本发明的诸方面，低功率磁场传感器10具有双抽样率 特征和用户可编程抽样率特征。传感器10被设置成接近磁性物体14，并提供表示具有预定强度的磁场是否存在的传感器输出信号18。于是，可以将 传感器表征为接近检测器或磁场开关。
"低功率"表示传感器10适于用在功率受限制的应用中，例如用电池 供电的装置中。这种类型的示例性应用包括手持设备，例如蜂窝和无绳电 话、传呼机、掌上型电脑或手持计算机、个人数字助理(PDA)等。
磁性物体14和传感器10可彼此相对移动。磁性物体14可以是固定不 动的而传感器是可移动的，传感器可以是固定不动的而磁性物体是可移动 的，或者磁性物体和传感器都是可以移动的。例如，可以将传感器10用在 蜂窝电话中，磁体14位于"翻盖电话"装置的盖中，传感器10位于机体 部分，从而传感器输出信号18基于是否检测到具有预定强度的磁场来表示 盖是打开的还是关闭的。
以包含半导体衬底的集成电路(IC)的形式提供传感器10，在所述半 导体衬底上形成各电路元件。然而，本领域的普通技术人员要认识到，可 以改变集成电路传感器10的特定边界以适于特定应用，从而被示为和/或 被描述为包含在IC之内的元件也可以设置在IC之外，在某些情况下，被 示为和/或被描述为在IC之外的元件也可以设置在IC之内。
传感器10包括也被称为磁场到电压的转换器的磁场感测元件20，其提 供信号电平与所感测的磁场成比例的磁场信号22。在示例性实施例中，磁 场感测元件为霍尔效应元件。然而要认识到，磁场感测元件可以采取本领 域公知的各种形式，包括但不限于霍尔效应元件、垂直霍尔效应元件、巨 磁阻(GMR)元件、各向异性磁阻(AMR)元件和隧道磁阻(TMR)元件。而 且，磁场感测元件20可以包括单个磁性响应元件或可选地可以包括多个设 置成各种配置的元件。
磁场感测元件20被示为在磁场信号处理电路24内，所述磁场信号处 理电路可以包含各种用于对所感测的磁场进行处理以产生磁场信号22的常 规电路。通常，电路24至少包含放大器26，用于放大磁场感测元件的输出 信号。电路24可以实现断续器的稳定性，由此通过调制开关电路将电源电 压交替连接到霍尔效应元件的触点，然后由放大器对调制信号进行解调， 以便提供磁场信号而没有常常与半导体霍尔效应元件有关的偏移电压。另 外或可选地，电路24可以实现偏移调节特征，由此使磁场信号在传感器和/或增益调节特征的电源范围内居中，由此调节磁场信号的增益以使电源范围内的峰-峰信号最大化而不导致削波。
传感器10还包括比较器电路30，用于处理磁场信号22以产生传感器输出信号18。比较器电路30包括第一比较器32和第二比较器34,所述第一比较器32用于将磁场信号22与第一阈值电平或工作点B。p进行比较，所述第二比较器34用于将磁场信号22与第二阈值电平或释放点B^进行比较。具体而言，当磁场信号22大于B。p阈值电平时，比较器32的输出信号处于逻辑高电平，当磁场信号降到B。P阈值电平以下时，其转换为逻辑低电平。当磁场信号22小于B^阈值电平时，比较器34的输出信号处于逻辑高电平，当磁场信号超过BBP阈值电平时，其转换为逻辑低电平。优选地，比较器32、34 (和其他本文所述的比较器)包括迟滞，使得例如一旦磁场信号超过B。P阈值电平，磁场信号一定在比较器32的输出变低之前降到比B。P阈值电平稍低的电压之下。类似地， 一旦磁场信号降到BBP阈值电平以下，磁场信号一定在比较器34的输出变低之前超过比BBP阈值电平稍高的电压。
将比较器32和34的输出信号耦合到或门36的输入，或门36在其输出提供比较输出信号38，如图所示。当磁场信号22大于第一B。P阈值电平或小于第二B^阈值电平时，比较输出信号38处于第一信号电平(即，在此为逻辑高电平)。对于这种布置而言，可以将比较输出信号38表征为极性不敏感或极性独立的，因为当磁性物体14在传感器10的预定距离之内时，无论磁体14的北极或南极靠近传感器(即无论磁性物体相对于传感器的取向如何)，信号都将位于相同的信号电平。
锁存器44响应于比较输出信号38并以下述方式锁存比较输出信号的状态。如将要描述的，这里可以说，锁存器44允许高速应用中的低功率运行。
为了实现低平均功率运行，可以在每个时钟循环或周期期间的第一时段内使传感器10激活(即"清醒")，并在每个周期期间的第二时段内使传感器10去激活(即"休眠")。在本文所谓的低功率运行模式期间进行这种操作。更具体而言，在第一时段期间(即在"清醒时段"期间)向传感器10的特定部分供电，在第二时段期间(即在"休眠时段"期间)使这些部分断电。在此将清醒时段期间对磁场信号22的处理称为对磁场信号"抽样"，
10于是也可以将清醒时段称为"抽样时段"。
如图所示，使能电路50、 52耦合在电源或Vcc总线54和处理电路24之间以及电源总线54和比较器电路30之间。时钟电路60向使能电路50、52提供时钟或使能信号62，以使使能电路在时钟信号的控制下将电源总线54连接到处理电路24和比较器电路30并使电源总线54与它们断开。在一个实施例中，由简单的开关布置提供使能电路50、 52，由此在时钟信号62处于第一信号电平(例如逻辑高电平)时，闭合每个使能电路50、 52的开关以将Vcc连接到相应电路24、 30，在时钟信号62处于第二信号电平(例如逻辑低电平)时，打开所述幵关以使Vcc与相应电路24断开。
根据本发明的双抽样率特征，最初时钟信号62具有第一预定抽样率(即抽样时段以第一预定速率出现)，之后，响应于检测到比较输出信号38的状态改变其具有更快的第二预定抽样率(即抽样时段以更快的第二预定速率出现)。为此，将比较输出信号38耦合到时钟电路60，以检测状态变化。将信号38连接到时钟电路60是任选的，因为在不实施双抽样率特征的实施例中不需要提供该连接。
可以改变时钟信号62以通过不同的方式实现两个抽样率。在一个实施例中，时钟信号62具有这样的时钟脉冲，即该脉冲至少具有对应于清醒或抽样时段的预定最短时长，且响应于检测到比较输出信号的状态变化改变休眠时段的时长(从而也改变时钟信号周期和抽样率或抽样时段的出现率)。通常，基于允许感测元件/过程导通、稳定并确定适当信号所需的最小时间段来选择预定的最小清醒时长。然而，本领域的普通技术人员要认识到，还可以或者可选地响应于检测到比较输出信号的状态变化改变清醒时段。将第一抽样率与第二抽样率区分开的显著参数变化仅仅是更多地对磁场信号进行抽样，而不论这是通过同样时长的清醒时段的更加频繁的发生、更长的清醒时段还是它们的一些组合来实现的。
根据用户可编程抽样率特征，可以根据用户提供的外部时钟信号改变休眠和/或清醒时段的时长。实际上，如将要描述的，根据该特征，用户甚至可以选择连续地对磁场信号进行抽样，由此以根本没有休眠时段的方式工作。更具体而言，如图所示，将传感器IC 10的输入，这里标识为选择输入70和时钟输入72，耦合到时钟电路60。如将要所 述的，选择和时钟输入70、 72适于分别接收用户提供的选择和时钟信号42、 46，以在包含 用户可编程抽样率特征的实施例中实施这种特征。输入70、 72以及选择和 时钟信号42、 46分别是任选的，因为在不实施用户可编程抽样率特征的实 施例中不需要提供它们。
锁存器44耦合到输出驱动器电路48，这里为如图所示的图腾柱推挽输 出配置，当磁性物体14在传感器10的预定距离之内时，该输出驱动器电 路提供处于第一信号电平的传感器输出信号18，当磁性物体不在传感器的 预定距离之内时，该输出驱动器电路提供处于第二信号电平的传感器输出 信号18。优选地，锁存器44用于在对应于每个清醒时段结束的每个时钟信 号脉冲的下降沿上锁存比较输出信号38的状态。在示例性实施例中，将反 相器66提供的时钟信号62的反相信号64耦合到锁存器44，该锁存器44 是正边沿触发锁存器。有利地，通过在每个清醒时段结束时锁存信号38， 使传感器能够有充足的时间来完全"醒来"，因此在其被锁存之前提供高完 整性、高精确性的输出信号。然而，本领域的普通技术人员要认识到，传 感器输出信号18 (和其他本文所述的传感器输出信号)可以通过提供不同 的电流电平和/或不同的电压电平来传达其磁场信息。因为锁存器44在休 眠时段期间"记住了"比较输出信号38的状态并从而"记住了"传感器输 出信号18的状态，因此当装置下次醒来时，它会记住其在比较器32、 34 的迟滞带(hysteresis band)中的位置。为此，如图所示，将反馈信号40 从锁存器44耦合到比较器电路30。
图1A、 1B和1C分别示出了时钟电路60的不同实施例60a、 60b、 60c， 它们取决于传感器10是否包括双抽样率特征和/或用户可编程抽样率特征。 具体而言，图1A示出了用于仅包含双抽样率特征的传感器的示例性时钟电 路60a，图1B示出了用于仅包含用户可编程抽样率特征的传感器的示例性 时钟电路60b，图1C示出了用于包含双抽样率特征和用户可编程抽样率特 征两者的传感器的示例性时钟电路60c。
参考图1A，示出了用于仅包含双抽样率特征的传感器的时钟电路实施 例60a。时钟电路60a响应于比较输出信号38并产生用于耦合到使能电路 50、 52的时钟信号62 (图1)。更具体而言，边沿清除电路(edge strip circuit) 78响应于比较输出信号38并在比较输出信号的每次转换(即在每个上升沿和每个下降沿)处产生脉冲信号。将边沿清除电路78的输出耦
合到单触发器74，其提供控制信号76以控制开关82。于是，在比较输出 信号38的每个边沿在如单触发器74所设置的预定时长内维持控制信号76 (例如在逻辑高电平)。单触发时段对应于预定时长，在此期间在比较输出 信号38转换之后时钟信号62处于第二预定抽样率。通常，基于传感器的 预期应用选择预定时长。例如，在拇指轮或滚轮应用中，用户不太可能每 次滚动超过两秒钟。于是，在这种应用中，单触发器74使得在两秒量级上 的时段内维持控制信号76。
在运行期间，在向传感器10加电时，开关82位于实线所示的位置， 以将慢速休眠计时器86耦合到清醒定时器84。清醒计时器84的输出提供 时钟信号62。在维持控制信号76 (例如在逻辑高电平)时，开关82切换 到虚线所示的位置，以将快速休眠计时器80耦合到清醒计时器84。
清醒计时器84设置时钟信号62的清醒或抽样时段。如上所述，清醒 时段至少具有预定最短时长。根据哪个计时器80、 86经由开关82耦合到 清醒计时器84，快速休眠计时器80和慢速休眠计时器86设置时钟信号62 的休眠时段。在一个示例性实施例中，清醒时段在50us的量级上，慢速 休眠计时器86确定在250ms量级上的休眠时段，快速休眠计时器确定在50 Ps量级上的休眠时段。于是，在该范例中，在慢速休眠计时器86耦合到 清醒计时器84时对磁场信号22抽样的第一预定抽样率在4Hz的量级上， 在比较输出信号38转换之后对磁场信号22抽样的第二预定抽样率在10kHz 的量级上。
要认识到，各种电路方案可以实施快速休眠计时器80、慢速休眠计时 器86和清醒计时器84以提供所述的时钟信号62。在一个实施例中，利用 由传感器10的主时钟控制的18比特计数器实现计时器80、 84和86。对于 这种布置而言，由控制信号76选择的计数器输出处的不同抽头实现开关82。 有利地，这种布置有助于在芯片时钟频率的倍数下提供时钟信号62。
还参考图2，将参考示例性波形描述包含图la的时钟电路60a的图1 的传感器10的运行。时钟信号62最初(即在加电之后且在检测到比较输 出信号38的转换之前)对应于第一预定抽样率，之后(在时间tl之后) 对应于更快的第二预定抽样率。图2中还分别示出了传感器输出信号18和相对于第一和第二阈值电平B。p和BKP的磁场信号22。
显然，在大约1.0秒时，磁场信号22穿越第一阈值电平B。P。然而，由 于时钟信号的抽样率(即，因为比较器电路30在时刻t二1.0秒处未清醒)， 而使得传感器输出信号18直到在大约1. 1秒时才转换。时钟电路60a检测 输出信号转换并作为响应提供对应于恰在1.1秒的时刻之后开始的更快的 第二预定抽样率的时钟信号62。之后，当传感器以第二预定抽样率工作时， 显然，输出信号18转换得更靠近磁场信号22穿越相应阈值电平的时刻， 如所期望的那样。例如，在1.4秒时磁场信号22穿越第一阈值电平，而在 1. 45秒时输出信号18转换到逻辑高电平。
在示例性实施例中，在时刻tl之前，时钟信号脉冲宽度(即清醒时间) 为50ys，信号周期为300ms，导致4Hz的第一预定抽样率。在时刻tl之 后，时钟信号脉冲宽度仍为50us，信号周期为100us，导致10kHz的第 二预定抽样率。然而，本领域的普通技术人员要认识到，可以容易地改变 清醒时间、休眠时间和/或时钟信号周期以适应特定应用。例如，可以使用 用于提供计时器80、 84和86的18位计数器上的不同抽头来选择不同的清 醒时间、休眠时间和时钟信号周期。
在大约4. 3秒时，时钟信号62返回到第一预定抽样率，在单触发器 74(图1A)超时之后将发生这种情况，由此导致控制信号76转换，并且开关 82返回到其最初的实线位置。
现在参考图1B,示出了用于仅包含用户可编程抽样率特征的传感器的 时钟电路实施例60b。时钟电路60b包含设置时钟信号62的休眠时段的休 眠计时器90以及设置时钟信号62的清醒时段的清醒计时器92。在这里， 休眠时段和清醒时段是固定的预定时段。
通过向传感器的相应选择和时钟输入70、 72提供适当的选择输入信号 42和吋钟输入信号46，用户可以在使用如在清醒计时器92的输出提供的 内部固定时钟信号或经由时钟输入72提供外部时钟信号46之间做出选择。 为此，时钟电路60b包含与门96，与门96具有耦合到选择输入70的第一 反相输入和耦合到清醒计时器92的输出的第二输入。与门96的输出耦合 到或 98的第一输入，或门98的第二输入耦合到时钟输入72。在或门98 的输出提供时钟信号62。在运行中，如果用户希望提供外部时钟信号，那么将逻辑高选择信号
42耦合到选择输入70，并在时钟信号输入72处施加外部时钟信号46。对 于这种布置而言，由施加在时钟输入72处的外部时钟信号46提供时钟信 号62。
此外，如上所述，用户可以选择以连续抽样的方式来进行工作，由此 不间断地连续处理磁场(即，没有休眠时段)。这种操作是通过向选择输入 70施加逻辑高选择信号42并向时钟输入72施加逻辑高时钟信号46来实现 的。对于这种布置而言，使能电路50、 52连续地将Vcc总线54分别连接 到处理电路24和比较器电路30，未实现磁场信号的周期性抽样的较低功率 的优点。于是，可以将用户可编程抽样率特征的这种使用称为全功率运行 模式。
如果用户希望使用内部产生的时钟信号，那么在选择输入70处提供逻 辑低选择信号，在时钟输入72处也提供逻辑低信号46。对于这种布置而言， 在清醒计时器92的输出提供时钟信号62，并且该时钟信号具有如睡眠计时 器90和清醒计时器92分别确定的固定的预定休眠和清醒时段。
还参考图2A，示出了与包含图1B的时钟电路60b的图1的传感器的用 户可编程外部时钟特征相关联的示例性波形。具体而言，示出了施加到图 1B的时钟电路60b的时钟输入72的示例性外部时钟信号46，并示出了施 加到时钟电路60b的选择输入70的选择信号42。还示出了由时钟电路60b 提供的时钟信号62、传感器输出信号18和分别相对于第一和第二阈值电平 B。p和B^的磁场信号22。
根据示例性波形，用户最初允许传感器io利用内部固定的抽样率时钟 信号进行工作，在时刻tl处，通过使选择输入70处的选择信号42变为逻 辑高电平，而选择使用施加到时钟输入72的外部时钟信号46。于是，在时 刻tl之前，由休眠计时器90和清醒计时器92以预定抽样率提供时钟信号 62。在一个范例中，由计时器90和92提供的内部抽样率对应于50us的 清醒时段和700 us的休眠时段。在时刻tl处，如图所示，选择输入信号 42发生转换，并由外部时钟信号46提供时钟信号62。示例性的外部时钟 信号46具有50 u s的清醒时段和50 u s的休眠时段。然而，更一般地，可 以改变外部时钟信号46的清醒时段、休眠时段和/或周期以适应特定应用。
15在外部时钟信号46包含清醒和休眠时段的应用中，清醒时段必需至少具有 预定最短时长。
想到了各种可以提供外部时钟信号46的方案。例如，可以将电阻器和 电流源耦合到时钟输入72，以便对内部电容器(未示出)充电，可以将可 编程振荡器耦合到输入72，或者可以将脉冲宽度调制(P丽)信号耦合到输 入72，如微控制器可以提供的那样。
作为另一可选方案，可以提供电路(未示出)来检测预定时段内传感 器输出信号18转换的次数，如果输出信号转换的次数小于预定数量，例如 由此表示遗漏了输出信号转换，则选择施加外部时钟信号46。作为示例性 范例，在磁性物体14是具有四个极对且以100rpm旋转的环形磁体的应用 中，预计至少每lms传感器输出信号18会转换一次。如果未检测到这种预 计的输出信号转换，那么可以施加外部时钟信号46。
显然，在时刻tl之前，输出信号18不会像其应当的那样在磁场信号 22每次穿越阈值电平B。p、 BKP之一时都进行转换。然而，在外部时钟信号46 的控制下，在时刻tl之后，输出信号转换会如所期望的那样进行。
参考图1C，用于图1的传感器10的另一可选时钟电路实施例60c包括 双抽样率特征和用户可编程抽样率特征两者。对于这种布置而言，在用户 提供的选择输入信号42和时钟输入信号46的控制下，传感器10能够以三 种不同模式中的一种进行工作(l)双抽样率模式，其中如上文结合图1A 所描述的那样以第一或第二预定抽样率对磁场信号22进行抽样；(2)用户 可编程抽样率模式，其中如上文结合图1B所描述的那样以用户指定的速率 对磁场信号进行抽样；或者(3)内部固定抽样率模式，其中也如上文结合图 1B所描述的那样以固定的预定抽样率对磁场信号进行抽样。
时钟电路60c包含边沿清除电路106，其响应于比较输出信号38(图1) 并向单触发器108提供边沿被清除的信号。单触发器108的输出在比较输 出信号每次转换之后在由单触发器所设置的时长内提供处于高逻辑电平上 的信号。如图所示，单触发器108的输出和时钟输入信号46耦合到与门112 的相应输入。与门112的输出向开关118提供控制信号116。根据双抽样率 特征，开关118处于将慢速休眠计时器120耦合到清醒计时器126的第一 位置(由实线示出)或将快速休眠计时器122耦合到清醒计时器126的第二位置(由虚线示出)。更具体而言，最初(即，在传感器加电之后且在比
较输出信号38转换之前)，控制信号116使慢速休眠计时器120耦合到清 醒计时器126，从而以如慢速休眠计时器120和清醒计时器126所设置的第 一预定抽样率对磁场信号22迸行抽样。在比较输出信号38转换之后，控 制信号116使得开关118将快速休眠计时器122耦合到清醒计时器126，从 而以如快速休眠计时器122和清醒计时器126所设置的更快的第二预定抽 样率对磁场信号进行抽样。
时钟电路60c还包含额外的门电路，通过所述门电路用户提供的选择 输入信号42和时钟输入信号46可以控制时钟信号62。选择输入70耦合到 与门130的输入和与门132的反相输入。如图所示，由时钟输入信号46提 供与门130的第二输入。由清醒计时器126提供与门132的第二输入。与 门130的输出和与门132的输出耦合到或门136的相应输入，或门136又 在其输出提供时钟信号62。
在运行中，如果用户希望以固定的内部抽样率操作传感器10，则使选 择信号42和时钟信号46为逻辑低电平。对于这种布置而言，与门112的 输出为低，由此使控制信号116将开关118保持在实线位置处，使得慢速 休眠计时器120耦合到清醒计时器126。而且，与门130的输出为低。因为 选择输入信号42也为低，因此在清醒计时器126的输出为高时与门132的 输出将为高，在清醒计时器126的输出为低时与门132的输出将为低(即， 与门132的输出和或门136的输出将跟随清醒计时器126的输出)。于是， 由清醒计时器126的输出以如慢速休眠计时器120和清醒计时器126的组 合所确定的固定抽样率提供时钟信号62。
如果用户希望以双抽样率模式操作传感器10，那么将选择输入信号42 设为逻辑低电平，将外部时钟信号46设为逻辑高电平。对于这种布置而言， 与门130的输出为低，与门132的输出将跟随清醒计时器126的输出。因 为外部时钟信号46为高，响应于比较输出信号38的转换，与门112的输 出变为高，由此使开关116切换到虚线位置，以便将快速休眠计时器122 耦合到清醒计时器126。在比较输出信号转换之后的预定时段(该时段由单 触发器108设置)，控制信号116切换到其实线位置，由此使清醒计时器126 的输出处的信号具有由慢速休眠计时器120设置的休眠时段。通过这种方式，低选择输入信号42和高时钟输入信号46使传感器10以双抽样率模式 进行工作。
最后，如果用户希望通过以期望的抽样率(或者对于全功率运行模式 而言，以静态高逻辑电平)提供外部时钟信号46而以用户可编程抽样率模 式操作传感器，那么使选择输入信号42为逻辑高电平。对于这种布置而言， 与门130的输出将跟随外部时钟信号46 (即，在外部时钟信号46为高时与 门130的输出将为高，在外部时钟信号46为低时与门130的输出将为低)， 并且作为逻辑高选择输入信号42的结果，与门132的输出将为低。或门136 的输出将跟随与门130的输出，由此如所期望的那样将跟随施加到时钟输 入72的外部时钟信号46。
参考图3，提供一种可选磁场传感器150，该磁场传感器除了感测具有 预定强度的磁场是否存在(即磁性物体154的接近度或位置)之外，还感 测磁性物体154的旋转速度和方向。像图1的传感器10那样，传感器150 是一种能够在功率受限制的应用中工作的低功率传感器。
还参考图4， 一种这样的应用是包含传感器150和磁性物体154的无线 手持装置160，所述磁性物体耦合到拇指轮(或仅为旋转控制元件)158或 形成其一部分。可以驱动各种输入装置，例如拇指轮158和小键盘156，以 控制装置的各种功能。例如，可以沿一个方向旋转拇指轮158以实现一种 功能，可以沿相反方向旋转拇指轮158以实现另一种功能(由箭头154a表 示的这种旋转)，和/或可以以按钮方式(沿着箭头154b表示的轴)推入或 释放拇指轮以实现又一种功能。 一些这样的装置160在特定情况下(例如 在预定时长内未驱动一个或多个诸如拇指轮158的输入装置时)能够进入 低功率或休眠模式以便节省电池功率。
传感器150提供拇指轮158和装置的控制元件例如微处理器164之间 的接口，以便影响所期望的功能。为此，传感器150检测与磁性物体154 相关联的磁场，以便提供表示拇指轮相对于传感器150的位置的第一、位 置输出信号170，表示拇指轮的旋转速度的第二、速度输出信号174，以及 表示拇指轮的转动方向的第三、方向输出信号178。
为了实现低功率运行，传感器150包含上述双抽样率特征和用户可编 程抽样率特征之一或两者。为此，传感器包括时钟电路180，所述时钟电路对速度信号182、在传感器IC 150的选择输入186处提供的用户提供的选 择输入信号184和在IC的时钟输入192处提供的用户提供的时钟输入信号 190做出响应。如下所述，传感器还包括对时钟电路提供的时钟信号188做 出响应的使能电路194和204。
传感器150包括在半导体衬底上间隔开的两个磁场感测元件196、 198， 每个所述元件提供信号电平与所感测的磁场成比例的相应磁场信号200、 202。可以称感测元件196及其相关电路提供一个通道，可以称感测元件198 及其相关电路提供第二通道。磁场感测元件196、 198中的每一个，像图l 的感测元件20那样，可以采取各种常规磁场到电压转换器的形式，包括但 不限于霍尔效应元件，并可以形成包含诸如断续器稳定、信号放大、偏移 调节和/或增益调节的信号调节电路的相应处理电路206、 208的一部分。
检测电路210包括提供位置信号214的位置或按钮检测电路212、提供 速度信号182的速度检测电路216以及提供方向信号220的方向检测电路 218，所述速度和方向检测电路共享公共比较器电路224，如下所述。检测 电路210的输出信号214、 182和220中的每一个耦合到相应锁存器230、 232、 234，所述锁存器用于在时钟信号188 (或更具体地，如反相器222提 供的时钟信号188的反相信号226)的控制下，以与锁存器44 (图1)相同 的方式在传感器休眠时段期间锁存相应输出信号。每个锁存器耦合到相应 的输出驱动器240、 242、 244，所述输出驱动器分别提供传感器输出信号 170、 174、 178，例如可以将所述传感器输出信号提供给图4的装置160的 处理器164。此外，锁存器230经由反馈信号236耦合到比较器电路212， 并且锁存器232经由反馈信号238耦合到比较器电路224，从而在下一抽样 时段时，传感器知道磁场信号相对于相应比较器的迟滞带的位置。
为了检测磁性物体154的接近度，例如图4的拇指轮158的位置，按 钮检测电路212包括第一对比较器250a、 250b，其响应于第一和第二阈值 电平B,和B^并具有耦合到与门256的输入的输出，使得仅当磁场信号200 处于第一和第二阈值电平B。p,和Bm之间的电压范围之内时，与门256的输 出才为高。类似地，所提供的第二对比较器252a、 252b向与门258的输入 输出信号，使得仅当磁场信号202位于第一和第二阈值电平B。P1、 B^之间的 电压范围之内时，与门258的输出才为高。与门256、 258的输出耦合到与门260的输入，使得仅当磁场信号200和202都处于第一和第二阈值电平 之间的电压范围之内时，与门260的输出(即位置信号214)才为高。换言 之，位置信号214为高有效，以表示不存在具有预定强度的磁场。本领域 的普通技术人员要认识到，微弱磁场或没有磁场的这种情况可能对应于朝 着如下配置中的手持装置外壳向内推拇指轮158 (图4):这种运动将耦合 到拇指轮的磁性物体154移动到远离磁性感测元件196、 198之处。在示例 性实施例中，耦合到比较器250a、 252a的第一阈值电平B。P可以在10高斯 的量级上，耦合到比较器250b、 252b的第二阈值电平B,可以大在-IO高斯 的量级上。
提供速度信号182的速度检测电路216包括比较器电路224和异或 (XOR)门270。比较器电路224包括第一对比较器272a、 272b和或门276， 或门276的输入耦合到比较器272a、 272b的输出，用于检测磁场信号200 何时大于相应的第一阈值电平B。P2或小于相应的第二阈值电平BRP2。于是， 当磁场信号200大于第一阈值电平或小于第二阈值电平时，或门276的输 出信号为高。比较器电路224还包括第二对比较器274a、 274b和或门278， 或门278的输入耦合到比较器274a、 274b的输出，用于检测磁场信号202 何时大于第一阈值电平B。P2或小于第二阈值电平B啦。于是，当磁场信号202 大于第一阈值电平或小于第二阈值电平时，或门278的输出信号为高。或 门276和278的输出耦合到异或门270的输入，并且在异或门270的输出 提供速度信号182。于是，每当磁场信号200大于第一阈值电平或小于第二 阈值电平，或磁场信号202大于第一阈值电平或小于第二阈值电平，速度 信号182就转换为逻辑高电平。对于这种布置而言，在异或门270的输出 处提供的速度信号182的频率是任一磁场信号200、 202的频率的两倍。在 示例性实施例中，耦合到比较器272a、 274a的第一阈值电平B。P2可以在40 高斯的量级上，耦合到比较器272b、 274b的第二阈值电平B啦可以在-40 高斯的量级上。
提供方向信号220的方向检测电路218包括比较器电路224和D触发 器280。如图所示，或门276的输出耦合到触发器280的D输入，或门278 的输出耦合到触发器280的时钟输入。由于磁场感测元件196、 198间隔开， 而使磁场信号200、 202彼此相对相移。于是，可以使用一个信号的转换(高到低或低到高)来对其他信号的状态进行时钟控制(clock)。可以使用该
结果来确定两个信号之间彼此相对的相位。在所示的范例中，当信号278
的时钟为高时，将把信号276的状态提供为方向信号220。在顺时针旋转的 范例中，方向信号220为低，并导致OV的方向输出信号178。相反，在逆 时针方向旋转时，当信号278的时钟为高时，信号276将为高，导致高的 方向信号220和Vdd方向输出信号178。
本领域的普通技术人员要认识到，检测电路210仅仅是示例性的，可 以用各种电路元件和配置以各种方式实现检测电路。
根据本发明，传感器150包含双抽样率特征和用户可编程抽样率特征。 为此，使能电路194耦合在Vcc或电源总线176和处理电路206、 208之间， 并且使能电路204耦合在Vcc总线176和检测电路210之间。如上文结合 图1的使能电路所述，使能电路206、 208响应于时钟信号188，以将电源 总线176连接到相应电路206、208和210以及将电源总线176与它们断开。 于是，当时钟信号188处于对应于清醒或抽样时段的第一状态(例如，逻 辑高状态)时，向处理电路206、 208和检测电路210供电，当时钟信号处 于对应于休眠时段的第二状态(例如逻辑低状态)时，使处理电路206和 检测电路210断电。有利地，对两个通道同时抽样(即它们的抽样是同步 的)，因为处理电路206、 208和(处理两个通道的)检测电路210是经由 使能电路的时钟信号控制同时供电的。于是，磁场信号200和202的检测 以及所得的或门276和278的输出信号将准确地反映在放置装置的环境中 发生的事件；SP，磁体154的旋转方向。尽管这种同步抽样的优点对于方 向输出信号178而言是最显著的，但对于速度输出信号174而言其也提供 了同样的益处。
时钟电路180产生时钟信号188的具体方式可以如上文结合图1A-1C 的时钟电路实施例60a、 60b、 60c中的任何一个所描述的。于是，传感器 150可以仅包括双抽样率特征，在这种情况下，可以由图1A的实施例60a 提供时钟电路180，传感器可以仅包括用户可编程抽样率特征，在这种情况 下，可以由图1B的实施例60b提供时钟电路180，或者传感器可以既包括 双抽样率特征又包括用户可编程抽样率特征，在这种情况下可以由图ic的 实施例60c提供时钟电路180。现在参考图5，将参考示例性波形描述图3的传感器150的工作，所述 波形包括位置信号214、与门256的输出信号262、与门258的输出信号264、 方向信号220、速度信号182、或门276的输出信号282、或门178的输出 信号284、以及相对于分别耦合到比较器250a、 250b、 252a和252b的第一 和第二阈值电平B昭和B^和分别耦合到比较器272a、 272b、 274a和274b 的第一和第二阈值电平B啦和B^的磁场信号200、 202。
在标识为"A"的时刻，磁场信号200、 202都处于由B。p,和B,阈值电 平确定的电压范围之内，在移动磁性物体使其远离传感器150时(例如， 在按下拇指轮且这种按压导致磁性物体154移动而远离霍尔效应元件196、 198时)会发生这种情况。 一旦发生这种情况，与门256、 258的输出信号 262、 264分别变低，由此导致位置信号214转换为低，如图所示。如上所 述，位置信号214为低有效，于是，变低的位置信号214的脉冲表示感测 到的磁场降到预定水平或强度以下。
图5中还示出了磁性物体154的旋转方向发生变化，例如，可能与图4 的拇指轮158旋转方向变化同时发生。在标识为"B"的时刻，旋转方向发 生变化。这种情况导致方向信号220在耦合到负边沿触发的触发器280的 时钟输入的或门278的输出信号284的下一变负边沿时改变状态，因为在 发生这种时钟边沿时或门276的输出信号282处于逻辑高电平。在标识为 "C"的时刻发生下一旋转方向改变，这使得方向信号220在或门278的输 出信号284的下一变负边沿时再次改变状态，因为在发生这种时钟边沿时 或门276的输出信号282处于逻辑低电平。
如上所述，可以分别由图1A、 1B、 1C的时钟电路实施例60a、 60b、 60c 中的任意一种提供传感器150的时钟电路180。然而，对于时钟电路180而 言，是由速度信号182而不是由比较信号38 (例如图1A)来提供导致抽样 率从第一预定抽样率变为与双抽样率特征有关的第二预定抽样率的反馈信 号。作为范例，在由图1A的时钟电路实施例60a提供时钟电路180的情况 下，时钟信号188可以如图2的示例性时钟信号62所示，速度信号182可 以如图2的示例性信号18所示。于是，尽管在图5中未示出时钟信号，但 要理解的是，在该范例中，时钟信号188最初(在加电之后且在检测到速 度信号182转换之前)对应于第一预定抽样率，之后在检测到速度信号182的转换(例如每次变正转换)之后，在由单触发器74 (图1A)确定的预定
时长内对应于更快的第二预定抽样率。
在此将本文中提到的所有参考文献通过引用全文并入到本文中。
已经描述了本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员现在将明了 可以使用结合了其原理的其他实施例。
例如，本领域的普通技术人员要认识到，本发明的双抽样率特征和用 户可编程抽样率特征可以用在其他类型的用于低功率应用的传感器中，所 述传感器将受益于低功率抽样工作模式，在这种模式下，至少部分传感器 在特定时间段内是"休眠的"。
因此认为这些实施例不应限于所披露的实施例，而应仅受到所附权利 要求书的精神和范围的限制。
2权利要求
1、一种磁场传感器，包括半导体衬底，在所述半导体衬底上提供两个间隔开的磁场感测元件，每个所述磁场感测元件提供和所感测的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁场信号；以及配置成以一抽样率对所述两个磁场信号进行抽样并产生表示所述磁性物体的旋转速度的第一传感器输出信号和表示所述磁性物体的旋转方向的第二传感器输出信号的电路。
2、 根据权利要求1所述的传感器，还包括向所述电路提供时钟信号的时钟电路，其中所述抽样率由所述时钟信号来控制。
3、 根据权利要求2所述的传感器，其中所述电路用于以第一预定抽样 率或更快的第二预定抽样率对所述两个磁场信号进行抽样。
4、 根据权利要求3所述的传感器，其中所述时钟电路响应于所述第一 传感器输出信号，并最初配置成提供对应于所述第一预定抽样率的时钟信 号且响应于所述第一传感器输出信号的状态变化提供对应于所述第二预定 抽样率的时钟信号。
5、 根据权利要求4所述的传感器，其中所述时钟电路在所述第一传感 器输出信号的状态改变之后的预定时段恢复提供对应于所述第一预定抽样 率的时钟信号。
6、 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电路对输入信号做出响应， 以使所述电路以用户指定的抽样率对所述两个磁场信号进行抽样。
7、 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电路还配置成产生表示所 述磁性物体相对于所述磁场感测元件的位置的第三传感器输出信号。
8、 根据权利要求7所述的传感器，还包括比较器电路和逻辑电路，所 述比较器电路和逻辑电路用于在所述第一磁场信号小于第一阈值电平且大 于第二阈值电平时以及在所述第二磁场信号小于所述第一阈值电平且大于 所述第二阈值电平时，产生表示磁性物体接近所述磁场感测元件的所述第 三传感器输出信号。
9、 根据权利要求l所述的传感器，还包括比较器电路和逻辑电路，所 述比较器电路和逻辑电路用于每当所述第一磁场信号超过第一阈值电平或 降到第二阈值电平以下以及每当所述第二磁场信号超过所述第一阈值电平 或降到所述第二阈值电平以下，就使所述第一传感器输出信号发生转换。
10、 根据权利要求1所述的传感器，还包括比较器电路和逻辑电路， 所述比较器电路和逻辑电路用于产生所述第二传感器输出信号，以在所述 第一磁场信号领先于所述第二磁场信号时表示所述磁性物体的第一旋转方 向，并在所述第二磁场信号领先于所述第一磁场信号时表示所述磁性物体 的第二旋转方向。
11、 一种磁场传感器，包括磁场感测元件，提供和所感测的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁场信号；以及配置成以一抽样率对所述磁场信号进行抽样并产生表示所感测磁场的 传感器输出信号的电路，其中所述抽样率最初对应于第一预定抽样率，并 且其中响应于所述传感器输出信号的状态变化，所述抽样率对应于更快的第二预定抽样率。
12、 根据权利要求ll所述的传感器，其中所述电路包括响应于所述磁 场信号的比较器电路，所述比较器电路用于将所述磁场信号与第一阈值电 平和第二阈值电平进行比较，以在所述磁场信号小于所述第一阈值电平且 大于所述第二阈值电平时提供处于第一信号电平的传感器输出信号。
13、 根据权利要求12所述的传感器，还包括时钟电路，所述时钟电路 具有接收所述传感器输出信号的输入端并向所述比较器电路提供时钟信 号，其中最初所述时钟信号对应于所述第一预定抽样率，并且其中响应于 所述传感器输出信号的状态变化，所述时钟信号对应于所述第二预定抽样率。
14、 根据权利要求13所述的传感器，其中所述时钟电路在所述第一传 感器输出信号的状态改变之后的预定时段恢复提供对应于所述第一预定抽 样率的时钟信号。
15、 根据权利要求ll所述的传感器，还包括时钟电路，所述时钟电路 响应于外部时钟信号以使所述电路以与所述外部时钟信号相关联的抽样率 对所述磁场信号进行抽样。
16、 一种磁场传感器，包括磁场感测元件，提供和所感测的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁 场信号；以及配置成以用户指定的抽样率对所述磁场信号进行抽样并产生表示所述 磁性物体的特征的传感器输出信号的电路。
17、 根据权利要求16所述的磁场传感器，其中所述特征是所述磁性物 体与所述磁场感测元件的接近度、所述磁性物体的旋转速度或所述磁性物 体的旋转方向中的至少一个。
18、 一种磁场传感器，包括磁场感测元件，提供和所感测的与磁性物体相关联的磁场成比例的磁 场信号；响应于所述磁场信号和时钟信号并配置成产生表示所述磁性物体的特 征的传感器输出信号的电路；以及时钟电路，所述时钟电路响应于至少一个用户提供的输入信号并配置成产生具有抽样率的时钟信号，其中所述抽样率是选自以下的一种(a)最初为第一预定抽样率且在所述传感器输出信号的状态改变之后的预定时段内为第二预定抽样率；(b)用户定义的抽样率；或(c)固定的预定抽样率。
19、根据权利要求18所述的磁场传感器，其中所述特征是所述磁性物 体与所述磁场感测元件的接近度、所述磁性物体的旋转速度或所述磁性物 体的旋转方向中的至少一个。
全文摘要
一种用于低功率应用的磁场传感器包括磁场感测元件，在抽样时段期间所述磁场感测元件提供与所感测的磁场成比例的信号，所述磁场传感器还包括比较器电路，在抽样时段期间，所述比较器电路将磁场信号与阈值电平进行比较以产生表示磁场强度的传感器输出信号。根据双抽样率特征，最初以第一预定抽样率对磁场信号进行抽样，在检测到传感器输出信号的转换之后，在预定时段内以更快的第二预定抽样率对磁场信号进行抽样。根据用户可编程抽样率特征，用户可以以固定的预定抽样率或用户指定的抽样率操作传感器。磁场传感器可以检测旋转磁性物体的速度和/或旋转方向。
文档编号G01P13/02GK101688881SQ200880021801
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月5日 优先权日2007年6月25日
发明者M·C·杜格, P·戴维, S·D·米拉诺 申请人:阿莱戈微系统公司