专利名称：具有低电偏移的磁传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁传感器。
背景技术：
与永磁体或其它磁性元件结合使用的磁传感器可以用来检测机械元件的位置和速度。通过将磁性元件连接至机械元件或连接至接近机械元件的磁传感器装置，机械元件的转动或其它运动引起由磁性元件产生的磁场变化，这种变化随后可以由磁传感器检测。分析传感器的输出并了解机械元件的机械结构允许确定磁传感器位置处的时变磁场的频率和机械元件的速度。各向异性磁电阻(AMR)传感器通常用作用于这种应用的磁场传感器。AMR传感器与其它磁传感器相比通常具有相对高的灵敏度；然而，AMR传感器通常遇到大的电偏移。用·于对所述偏移进行滤波的常规方法由于用来对偏移进行滤波的元件的尺寸或复杂性或者甚至在某些应用中丢失信息，因而通常是不实际的。此外，用来减小或消除偏移的调制AMR传感器会在输入中引入噪声和降低灵敏度。
发明内容
描述了一种的实施例。在一种实施例中，该装置为高灵敏度磁传感器装置。该装置包括低偏移磁传感器；高灵敏度磁传感器；以及偏移补偿电路，该偏移补偿电路被配置为根据低偏移磁传感器的输出确定感测场的过零点；在过零点处对高灵敏度磁传感器的偏移值进行采样；以及从高灵敏度磁传感器的输出中减去偏移值。还描述该装置的其它实施例。描述了一种方法的实施例。在一种实施例中，该方法为用于磁检测的方法。该方法包括下述步骤采用低偏移磁传感器和高灵敏度磁传感器检测感测场；根据低偏移磁传感器的输出确定感测场的过零点；在过零点处对高灵敏度磁传感器的偏移值进行采样；以及从高灵敏度磁传感器的输出中减去偏移值。还描述了该方法的其它实施例。描述了一种系统的实施例。在一种实施例中，该系统为磁检测系统。该系统包括靠近可移动机械元件的磁性元件；以及磁传感器，该磁传感器被配置为基于由磁性元件产生的磁场确定机械元件的运动，该磁传感器包括低偏移磁检测元件；高灵敏度磁检测元件；以及偏移补偿电路，该偏移补偿电路被配置为根据低偏移磁检测元件的输出确定感测场的过零点；在过零点处对高灵敏度磁检测元件的偏移值进行采样；以及从高灵敏度磁检测元件的输出中减去偏移值。还描述了系统的其它实施例。根据接下来联合以举例方式说明本发明的原理的附图进行的详细描述，本发明的实施例的其它方法和优点将变得明显。
图I描述磁检测系统的一个实施例的示意图。
图2描述图I的磁传感器装置的一个实施例的示意图。图3描述图2的调制传感器的一个实施例的示意图。图4描述磁传感器响应的一个实施例的曲线不意图。图5描述图I的磁传感器装置的一个实施例的示意图。图6描述用于磁检测的方法的一个实施例的流程图。在整个说明书中，相似的附图标记可以用来标识相似的元件。
具体实施例方式将容易理解，如大致在此描述和在附图中描述的实施例的元件可以被以多种不同的结构配置和设计。因此，如在附图中表示的多种实施例的接下来更详细的描述不是意图限制本公开内容的范围，而是仅仅表示多种实施例。虽然在附图中呈现了实施例的多个方面，但附图没有必要按比例绘制，除非具体说明。在不偏离本发明的精神或本质特性的前提下可以以其它具体形式实现本发明。所描述的实施例在所有方面将仅被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的保护范围由随附权利要求表示，而不是由这种详细说明表示。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化将被包含在它们的范围内。在整个说明书中对特征、优点或类似语言的提及不是暗示可以用本发明实现的所有特征和优点应当在或者在本发明的单个实施例中。确切地说，涉及特征和优点的语言被理解为是指结合一个实施例描述的具体特征、优点或特性被包括在本发明的至少ー个实施例中。因此，在整个说明书中，特征和优点的讨论以及类似的语言可以，但没有必要，涉及同
ー实施例。而且，本发明的所描述的特征、优点和特性可以以任何合适的方式在ー个或多个实施例中组合。本领域技术人员将会认识到，根据本文中的描述，可以在不具有特定实施例的具体特征或优点中的ー个或多个的情况实现本发明。在其它示例中，在某些实施例中可以认识到可能未存在于本发明的所有实施例中的附加特征和优点。在整个说明书中对“ー个实施例”、“实施例”或类似语言的提及是指联系所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明的至少ー个实施例中。因此，整个说明书中的措词“在一种实施例中”、“在一种实施例中”和类似语言可以，但没有必要，都涉及同ー实施例。虽然本文描述了多个实施例，但所描述的实施例中的至少ー些提出了用于采用磁传感器检测机械元件的位置和速度的系统和方法。更具体地，该系统采用包括高灵敏度磁传感器和低偏移磁传感器的两路径架构来产生高灵敏度、低偏移输出。在一种实施例中，该系统基于低偏移磁传感器的输出确定过零点，随后对高灵敏度磁传感器的输出进行采样以确定所述偏移。随后可以从高灵敏度磁传感器的输出中减去所述偏移。一些常规解决方案对磁传感器的电读出装置进行滤波。然而，在多种应用中，该信号具有处于非常低频率的成分，并且当集成在硅上时这种滤波器中的无源元件(如电阻器和电容器)的值太大而不经济。即使传感器输出信号被直接数字化并且在数字域内进行滤波使得传感器不需要大的模拟电路，但大的偏移会占据模数转换器(ADC)的动态范围的大部分，増加ADC的复杂性。在一些应用中，感兴趣的带宽包括直流(DC)，在无信息损失的情况下不对电读出装置进行滤波是可行的。此外，可能需要非常短的启动时间。即使采用低频滤波也可能不能实现快的启动时间，因为启动时间此时受到DC偏移抑制滤波器的长的时间常数的限制。各向异性磁电阻(AMR)传感器可以用作用于本文中描述的实施例的磁场传感器。在AMR传感器中，一个或多个电阻器的电阻随着传感器处存在的磁场变化。电阻变化由电子前端检测并转换成电信号，如电压或电流。典型地，在电阻电桥中使用四个AMR电阻器。如果恒压用来向电桥供电，则输出电压差与磁场成比例。然而，由于电阻器之间的失配，可能存在大的偏移叠加至输出电压。为了去除偏移，调制AMR传感器被描述用在本文中描述的系统和方法中。在这种传感器中，在AMR电阻器位置处产生附加磁场。该磁场以频率fm()d随着时间变化。由于AMR电阻器对该磁场的非线性响应，将感测到的磁场(如来自磁化轮或任何其它磁化机械部件的磁场)和调制场相互调制，并且传感器前端的输出具有与将被检测的磁场成比例并具有频率U的成分。在阻止DC偏移之后，以fMd对该信号进行解调。由于DC部件去除了电桥输出偏移，因此可以采用比较器容易地发现过零点。在将感兴趣的 信号调制到远离其中存在偏移的DC的频谱区域的意义上，调制原理可以以类似于用来消除模拟前端的偏移的斩波器技术的方式工作。虽然调制AMR传感器提供了无偏移或低偏移传感器，但它也可能明显地影响传感器的灵敏度。这是因为感测场和调制场之间的相互调制是由AMR响应中的较高阶项(通常而ニ阶项)引起的。由于较高阶项明显小于通常在标准未调制AMR传感器中使用的线性成分，因此调制传感器的灵敏度比未调制AMR传感器的灵敏度差。较低的灵敏度转换成对噪声和诸如电子干扰(EMI)或电源波动之类的其它干扰的较低的稳健性。本系统和方法特别用在汽车应用和速度传感器中，包括防抱死系统、传动系统、曲轴系统和凸轮轴系统。图I描述磁检测系统100的一个实施例的示意图。所描述的磁检测系统100包括下文更详细地描述的多个元件，所述多个元件能够执行在此描述的功能和操作。磁检测系统100可以包括多种元件，如磁性机械元件102、磁传感器装置104和存储装置106。磁检测系统100可以包括比在此描述的元件或子系统多或少的元件或子系统。在一些实施例中，磁检测系统100可以用来执行在本文中如在图6中描述的方法。在一种实施例中，磁性机械元件102为包括一个或多个永磁体或磁化元件的可移动机械元件102。所述磁体可以定位在机械元件102上的预定位置，使得每个磁体的位置和间距是已知的。在一些实施例中，机械元件102的精确位置是未知的。磁传感器装置104可以定位成紧密靠近机械元件102，使得磁传感器装置104能够检测由机械元件102的磁体或磁化元件产生的磁场。通过检测和分析机械元件102的变化磁场，磁检测系统100能够确定机械元件102的运动，这可以包括机械元件102在任何给定时间的位置和速度。例如，机械元件102可以为磁化轮，其圆周分为被交替磁化为磁性南极和北极的多段。紧密靠近磁化轮放置的磁传感器在磁化轮转动时能够检测周期性磁场。由于磁化轮的机械结构(包括磁化部分的位置)是已知的，因此磁检测系统100能够确定磁检测系统100的位置处的时变磁场的频率，并且因此能够确定磁化轮的角速度。在一种实施例中，磁检测系统100包括存储装置106。存储装置106可以用来存储来自磁传感器装置104的数据。存储装置106上存储的数据可以由磁传感器装置104获取，用于稍后使用。在一些实施例中，存储装置106可以用来存储用于磁检测系统100内的其它元件的数据。在一些实施例中，存储装置106可以结合在具有处理装置的计算装置中。处理装置可以利用存储装置106上存储的数据或来自磁传感器装置104的数据进行多种操作。在其它实施例中，磁性元件可以连接至磁传感器装置104并邻近可移动机械元件102，使得磁性元件基于机械元件102的运动产生磁场。磁传感器装置104因而能够利用磁场的变化确定机械元件102的运动。图2描述图I的磁传感器装置104的一个实施例的示意图。虽然在此结合图2的磁传感器装置104描述磁检测系统100，但磁检测系统100可以与磁传感器装置104—起使用。在一种实施例中，磁传感器装置104包括低偏移传感器200和主传感器202。低 偏移传感器200和主传感器202产生被配置为检测由磁化机械元件102产生的磁场的感测场。低偏移传感器200和主传感器202可以以任何方式定位机械元件102的磁场内，使得磁传感器装置104能够精确地确定机械元件102的运动。在一种实施例中，低偏移传感器200和主传感器202彼此邻近地定位。在一种实施例中，低偏移传感器200和主传感器202定位成使得它们每一个的感测场不相互干扰。在一种实施例中，低偏移传感器200为调制AMR传感器。虽然在一些实施例中主传感器202可以高灵敏度的未调制AMR传感器，但主传感器202可以为任何磁传感器。在一种实施例中，磁传感器装置104包括偏移补偿电路204。偏移补偿电路204可以被配置为去除或减小来自磁传感器装置104的输出的信号偏移。虽然低偏移传感器200，如调制AMR传感器,产生无偏移输出，但未调制传感器在它们的输出中会具有偏移。此外，该偏移可能由于温度变化和传感器的老化而改变或漂移。在一种实施例中，主传感器202为高灵敏度未调制传感器。采用低偏移传感器200和高灵敏度传感器实现磁检测系统100提供了两路径架构，其允许磁传感器装置104具有低偏移和高灵敏度输出。图3描述图2的调制传感器200的一个实施例的示意图。虽然在此结合图3的调制传感器200描述磁检测系统100，但磁检测系统100可以与任何调制传感器200 —起使用。在一种实施例中，调制传感器200为调制AMR传感器200。调制AMR传感器200可以电阻电桥传感器。在当前实施例中，电阻元件_R1，R2，R3和R4-受到感测场Hy，其沿传感器的敏感方向。调制AMR传感器200还受到调制场Hm，其具有与感测场Hy相同的方向。调制场由调制传感器的顶部上的线圈300(在图3中被描述为电感器)产生。电流Inwd在电感器中的流动使得调制AMR传感器200的位置处的磁场，分别地，对于Rl和R3等于Hy+Hm，对于R2和R4等于Hy-Hm。在施加磁场时调制AMR传感器的电阻由下述表达式给出R = K[\+ /(")]- /<, I + a, H+^a1H2其中已经用二阶泰勒展开对响应进行近似。则输出电压为一η K,,,.,,,,,,, ,,,,-——:----:--2屮十"丨//, - Ci2HyHm
h,as 2其中最后一个近似在该传感器由二阶非线性(a2Hy >> B1)主导时是有效的。则灵敏度由下述表达式给出
Sfflod = B2Hffl如果调制场为方波(或正弦信号)，则传感器输出为由感测场调制的方波(或正弦波)。灵敏度受到外加调制场的強度和a2系数的影响。对于标准AMR传感器，将&2系数可以较大，但受到实际因素的限制。在用于偏置(稳定)AMR传感器的操作期间使用产生垂直于感测场的磁场的偏置磁体。偏置磁场用来防止传感器被外部干扰磁场消磁。然而，仅在将AMR传感器用作线性传感器时希望传感器响应的线性化。当采用调制时，可能需要最大非线性，即，大的a2以最大化灵敏度SMd。由于可能需要偏置磁体确保传感器的可靠性，因此相对于没有任何偏置磁体的情況，灵敏度降低。图4描述了磁传感器响应的一个实施例的曲线图400。曲线图400针对无偏置磁 场和有偏置磁场的情况不出相对于外加场404的AMR传感器的AMR电阻变化402。不出了在此描述的对应于调制AMR传感器200的ニ阶非线性，以及采用具有11千安培每米(kA/m)的典型值的偏置磁场时非线性的降低。独立调制AMR传感器200的灵敏度受到下述因素的限制调制场的強度Hm，其又受到驱动电子元件的功耗和可以提供至线圈的电流的限制；以及ニ阶非线性的值，其又受到磁电阻本征物理学和可靠性问题(即，偏置磁场)的限制。图5描述图I的磁传感器装置104的一个实施例的示意图。虽然在此结合图5的磁传感器装置104描述磁检测系统100，但磁检测系统100可以与任何磁传感器装置104结合使用。在一种实施例中，图6中描述的磁传感器装置104的两路径架构帮助改善独立调制传感器200的降低的灵敏度，同时保持其无偏移能力。磁传感器装置104包括两条不同的路径低偏移路径和高灵敏度路径。低偏移路径由低偏移调制AMR传感器200和比较器500表示；高灵敏度路径由高灵敏度标准(未调制)AMR传感器202及其电读出装置表示。调制AMR传感器的输出处的比较器500和/或其它解调元件以及高灵敏度AMR传感器202的电读出装置可以为偏移补偿电路204的一部分，该偏移补偿电路204被配置为从磁传感器装置104的输出中去除偏移。波形m(t)为馈给至偏置电路502和偏移补偿电路204的调制信号，偏置电路502产生用于线圈300的调制电流，偏移补偿电路204包括解调电路并对来自传感器的偏移进行滤波且将感兴趣的信号解调成DC。在一种实施例中，调制AMR传感器200的输出信号由比较器500限幅。比较器500的切换对应感测场的过零点。由于感测场在该时刻为零，因此磁传感器装置104的输出等于高灵敏度AMR传感器202的偏移，即，高灵敏度AMR传感器202及其读出电子元件的级联偏移。在切换比较器500时,该偏移可以被米样并被从主传感器202输出信号中减去,产生无偏移输出。偏移的采样和减去可以在数字域或在模拟域中操作。而且，由于该输出源自高灵敏度AMR传感器202的输出，因此整个系统的灵敏度将等于高灵敏度路径的灵敏度。然而，由于调制传感器200的灵敏度差，调制传感器200的输出信号可能明显地受到噪声的影响。这可能引起在比较器切換的定时的抖动和高灵敏度路径的偏移的采样的误差的存在。如果在每个过零点对偏移进行重新采样，则调制传感器200的噪声出现在输出处，如下文所述。如果Iinrod为调制传感器200的涉及输入(在磁域中)的噪声的标准差，则比较器切換的抖动为
权利要求
1.一种低偏移、高灵敏度磁传感器装置，包括 低偏移磁传感器； 高灵敏度磁传感器；和 偏移补偿电路，该偏移补偿电路被配置为 根据低偏移磁传感器的输出确定感测场的过零点； 在过零点处对高灵敏度磁传感器的偏移值进行采样；以及 从高灵敏度磁传感器的输出中减去偏移值。
2.根据权利要求I所述的磁传感器装置，其中偏移补偿电路进一歩被配置为响应于检测到偏移值变化对偏移值重新进行采样。
3.根据权利要求2所述的磁传感器装置，其中所述偏移值变化超过预定阈值。
4.根据权利要求3所述的磁传感器装置，还包括被配置为存储先前偏移值的存储装置，其中偏移补偿电路进一歩被配置为 将当前偏移值与先前偏移值进行比较以获得偏移差值；以及 响应于偏移差值大于所述预定阈值而将当前偏移值存储在存储装置中。
5.根据权利要求I所述的磁传感器装置，其中偏移补偿电路包括位于高灵敏度磁传感器的输出处的离散时间低通滤波器，其中该低通滤波器被配置为基于在毎次偏移补偿电路确定过零点时从高灵敏度磁传感器的输出采样的偏移值提供偏移估计值。
6.根据权利要求I所述的磁传感器装置，其中偏移补偿电路包括比较器，该比较器用于根据低偏移磁传感器的输出获得感测场的过零点。
7.根据权利要求I所述的磁传感器装置，其中低偏移磁传感器为调制的各向异性磁电阻传感器。
8.ー种方法，包括下述步骤 采用低偏移磁传感器和高灵敏度磁传感器检测感测场； 根据低偏移磁传感器的输出确定感测场的过零点； 在过零点处对高灵敏度磁传感器的偏移值进行采样；以及 从高灵敏度磁传感器的输出中减去偏移值。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括响应于检测到偏移值变化对偏移值重新进行采样的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述偏移值超过预定阈值。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括下述步骤 将当前偏移值与先前偏移值进行比较以获得偏移差值；以及 响应于偏移差值大于预定阈值而将当前偏移值存储在存储装置中。
12.根据权利要求8所述的方法，其中减去偏移值的步骤还包括 采用离散时间低通滤波器对高灵敏度磁传感器的输出进行滤波， 其中该低通滤波器基于在每次偏移补偿电路确定过零点时从高灵敏度磁传感器的输出采样的偏移值提供偏移估计值。
13.根据权利要求8所述的方法，其中确定过零点的步骤还包括检测低偏移磁传感器的输出处的比较器的切換的步骤，其中所述切换对应于过零点。
14.根据权利要求8所述的方法，其中低偏移磁传感器为调制的各向异性磁电阻传感器。
15.—种磁检测系统,包括 靠近可移动机械元件的磁性元件；和 磁传感器，该磁传感器被配置为基于由磁性元件产生的磁场确定机械元件的运动，该磁传感器包括 低偏移磁检测元件； 闻灵敏度磁检测兀件；和 偏移补偿电路，该偏移补偿电路被配置为 根据低偏移磁检测元件的输出确定感测场的过零点； 在过零点处对高灵敏度磁检测元件的偏移值进行采样；以及 从高灵敏度磁检测元件的输出中减去偏移值。
16.根据权利要求I所述的磁检测系统，其中偏移补偿电路进一歩被配置为响应于检测到偏移值变化对偏移值重新进行采样。
17.根据权利要求2所述的磁检测系统，还包括被配置为存储先前偏移值的存储装置，其中偏移补偿电路进一歩被配置为 将当前偏移值与先前偏移值进行比较以获得偏移差值；以及 响应于偏移差值大于所述预定阈值而将当前偏移值存储在存储装置中。
18.根据权利要求I所述的磁检测系统，其中偏移补偿电路包括位于高灵敏度磁检测元件的输出处的离散时间低通滤波器，其中该低通滤波器被配置为基于在毎次偏移补偿电路确定过零点时从高灵敏度磁检测元件的输出采样的偏移值提供偏移估计值。
19.根据权利要求I所述的磁检测系统，其中偏移补偿电路包括比较器，该比较器用于根据低偏移磁检测元件的输出获得感测场的过零点。
20.根据权利要求I所述的磁检测系统，其中低偏移磁检测元件为调制的各向异性磁电阻传感器。
全文摘要
公开了低偏移、高灵敏度磁传感器装置及其方法和磁检测系统，该磁检测系统包括靠近可移动机械元件的磁性元件；以及磁传感器，该磁传感器被配置为基于由磁性元件产生的磁场确定机械元件的运动。该磁传感器包括低偏移磁检测元件；高灵敏度磁检测元件；以及偏移补偿电路，该偏移补偿电路被配置为根据低偏移磁检测元件的输出确定感测场的过零点；在过零点处对高灵敏度磁检测元件的偏移值进行采样；以及从高灵敏度磁检测元件的输出中减去偏移值。
文档编号G01D5/12GK102954808SQ20121030071
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月22日 优先权日2011年8月24日
发明者法比奥·塞巴斯蒂亚诺, 罗伯特·亨里克斯·玛格丽塔·范费尔德温 申请人:Nxp股份有限公司