針對差分豎直位置傳感器的目標信號最大化以及偏置分量消除的制作方法
【技術領域】
[0001] 實施例一般涉及磁場傳感器，并且更特別地涉及豎直磁場位置傳感器的配置和布 置以及有關方法。
【背景技術】
[0002] 各種常規(guī)傳感器測量磁場的量值。一些這樣的傳感器測量與傳感器(例如霍爾效 應傳感器)的主體垂直的磁場，而其它傳感器測量平面內(nèi)的磁場(例如磁阻傳感器)。除了其 它方面以外，磁阻傳感器（xMR傳感器）包括各向異性磁阻（AMR)傳感器、巨磁阻（GMR)傳感 器、巨大磁阻（CMR)傳感器以及隧穿磁阻（TMR)傳感器。通常，xMR傳感器是包括易受由于 外部磁場的磁化的影響但是當移除外部磁場時并不保留這樣的磁化的感測層的多層器件。 隨著感測層的磁化被磁場定向，xMR傳感器的阻抗改變。
[0003] 線性位置傳感器通常使用被布置在目標附近的偏置磁體和傳感器器件。偏置磁體 創(chuàng)建通過傳感器器件和目標的磁場。軟磁目標具有大的相對磁導率(通常大于300,優(yōu)選地 大于1500或4000)，從而它被偏置磁體的磁場有效率地磁化，并且生成具有與其對于偏置 磁體的接近度成比例的場強度的響應磁場。傳感器器件可以包括諸如上面描述的那些的 xMR傳感器。通常，目標具有帶齒的或齒狀的外邊緣，以使得隨著目標的表面上的齒和間隙 在偏置磁體之下通過，由目標生成的磁場波動。在已知目標的齒間隔的情況下，可以通過測 量由傳感器封裝所測量的磁場中的波動的頻率來確定目標的速度。
[0004] 常規(guī)的位置傳感器必須在由偏置場源引起的磁場與和目標的位置有關的場之間 進行區(qū)分。通常，偏置場比目標場更大得多，并且來自周圍器件的磁場中的波動可能使目標 位置的精確測量復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 實施例涉及傳感器器件以及用于傳感器器件的使用的方法。
[0006] 在實施例中，一種傳感器系統(tǒng)包括：偏置磁體，被配置為生成對于總磁場的偏置磁 場貢獻；以及至少一個傳感器管芯，被機械地耦合到所述偏置磁體。所述傳感器系統(tǒng)包括： 一個或多個磁場傳感器元件的第一集合，被布置在所述至少一個傳感器管芯上，其中，所述 第一集合中的所述一個或多個磁場傳感器元件中的每一個被配置為感測在第一方向上的 總磁場。所述傳感器系統(tǒng)進一步包括：一個或多個磁場傳感器元件的第二集合，被布置在所 述至少一個傳感器管芯上，并且被通過距離而與所述第一集合的所述磁場傳感器元件分離 開，其中，所述第二集合的所述一個或多個磁場傳感器元件中的每一個被配置為感測在所 述第一方向上的總磁場。存儲器被配置為存儲修正值集合，并且電路被配置為提供輸出信 號。
[0007] 在實施例中，磁場感測系統(tǒng)包括至少一個傳感器管芯、偏置磁體、一個或多個磁場 傳感器元件的第一集合和第二集合、存儲器、電路以及目標。所述偏置磁體被配置為生成對 于總磁場的偏置磁場貢獻。所述偏置磁體和所述至少一個傳感器管芯被機械地耦合。所述 一個或多個磁場傳感器元件的第一集合被布置在所述至少一個傳感器管芯的第一表面上， 并且所述一個或多個磁場傳感器元件的第一集合中的每一個被配置為感測在第一方向上 的總磁場。所述一個或多個磁場傳感器元件的第二集合被布置在所述至少一個傳感器管芯 的第二表面上，并且與所述第一集合的磁場傳感器元件間隔開，并且所述一個或多個磁場 傳感器元件的第二集合中的每一個被配置為感測在所述第一方向上的總磁場。所述存儲器 被配置為存儲修正值集合。所述電路被配置為：組合來自所述第一集合的所述一個或多個 磁場傳感器元件中的每一個的被感測的磁場以形成第一集合輸出；并且將所述第二集合的 所述一個或多個磁場傳感器元件中的至少一個的被感測的磁場乘以所述修正值集合中的 至少一個修正值，并且據(jù)此推導第二集合輸出。所述目標被通過距離而與所述至少一個場 傳感器管芯分離開，以使得與所述目標有關的被感測的磁場具有在所述一個或多個磁場傳 感器元件的第一集合處的第一場值以及在所述一個或多個磁場傳感器元件的第二集合處 的第二場值。
[0008] 在實施例中，一種校準磁傳感器的方法包括：通過感測在第一傳感器集合的所述 至少一個傳感器中的每一個處的總磁場來生成第一傳感器集合信號。所述方法進一步包 括：組合所述第一傳感器集合的所述至少一個傳感器元件的被感測的磁場以形成第一傳感 器集合信號。所述方法進一步包括：通過感測在第二傳感器集合的至少一個傳感器元件中 的每一個處的總磁場來生成第二傳感器集合信號；按修正值集合中的一個修正值來對所述 第二傳感器集合的所述至少一個傳感器元件的被感測的磁場中的每一個進行加權；以及組 合所述第二傳感器集合的所述至少一個傳感器元件的被加權的磁場以形成第二傳感器集 合信號。所述方法進一步包括：組合所述第一傳感器集合信號和所述第二傳感器集合信號 以生成輸出信號。
【附圖說明】
[0009] 與隨附附圖有關地考慮本發(fā)明各個實施例的以下詳細描述，可以更完整地理解本 發(fā)明，在附圖中： 圖1是根據(jù)實施例的目標轉(zhuǎn)盤和傳感器器件的立體圖。
[0010] 圖2A-圖2E是目標轉(zhuǎn)盤的立體圖。
[0011] 圖3是現(xiàn)有技術目標轉(zhuǎn)盤和常規(guī)的磁場傳感器器件的局部截面圖。
[0012] 圖4是根據(jù)實施例的目標轉(zhuǎn)盤和具有下場傳感器和上場傳感器的傳感器器件的 局部截面圖。
[0013] 圖5是根據(jù)實施例的目標轉(zhuǎn)盤和具有下場傳感器、中場傳感器和上場傳感器的傳 感器器件的局部截面圖。
[0014] 圖6是根據(jù)實施例的用于計算來自目標轉(zhuǎn)盤和具有很多場傳感器的傳感器器件 的磁場貢獻的方法的示意圖。
[0015] 圖7是圖解根據(jù)實施例的作為沿著z軸的位置的函數(shù)的圖5的z方向上的磁場強 度B的圖線。
[0016] 圖8是根據(jù)實施例的對扭轉(zhuǎn)不靈敏（twist-insensitive)傳感器器件配置的立體 圖。
[0017] 圖9A-圖9C是根據(jù)三個實施例的對扭轉(zhuǎn)不靈敏傳感器器件配置的磁場示圖。
[0018] 圖10是根據(jù)實施例的目標轉(zhuǎn)盤和具有交錯（interdigitated)場傳感器的傳感器 器件的局部截面圖。
[0019] 盡管實施例會經(jīng)受各種修改和替換形式，但是其特性已經(jīng)在附圖中通過示例的方 式示出并且將被詳細描述。然而，應當理解，本發(fā)明并不限制于所描述的特定實施例。相反， 本發(fā)明將要覆蓋落入到所附權利要求的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換。
【具體實施方式】
[0020] 在實施例中，按距目標的變化的距離來布置一個或若干個傳感器集合?？梢孕拚?并且組合傳感器的輸出，以在使目標貢獻最大化的同時抑制對于磁場信號的偏置貢獻。在 一些實施例中，還按對扭轉(zhuǎn)不靈敏的安裝配置來布置傳感器。為了實現(xiàn)對扭轉(zhuǎn)不靈敏性，傳 感器被定位為使得在距目標的任何給定距離處，在與該距離正交的方向上的相對扭轉(zhuǎn)不影 響最終信號讀取。
[0021] 貫穿本申請(包括在附圖中）使用包括X軸、y軸和z軸的笛卡爾坐標系統(tǒng)。貫穿 本申請，按慣例，z方向被限定為(多個）傳感器芯片和目標被沿著其間隔開的方向。X方向 通常被限定為目標隨著目標經(jīng)過傳感器而沿著其行進的方向。磁場分量B是由下面描述的 系統(tǒng)中的磁場傳感器中的每一個測量的主要興趣量。由此，B表示分量，其可以是BxSBy 或Bz或其任何組合。在一些實施例中，測量Bz，因為其對于對扭轉(zhuǎn)不靈敏傳感器而言是理 想的。如果對扭轉(zhuǎn)不靈敏傳感器圍繞z軸旋轉(zhuǎn)，則民保持恒定，而BJPB￥根據(jù)投影定律而 變化。如果想要對扭轉(zhuǎn)不靈敏設計，則所使用的這樣的偏置磁體的幾何形狀還應當具有旋 轉(zhuǎn)對稱性。所示出的坐標系統(tǒng)僅為了清楚的目的而使用，并且不應當被理解為以任何方式 進行限制。應當理解的是，各種替換的坐標系統(tǒng)或布置可以被用于描述與在此所描述的那 些相同或相似的系統(tǒng)。
[0022] 圖1是包括目標轉(zhuǎn)盤10和傳感器器件12的磁場感測系統(tǒng)8的立體圖。磁場感測 系統(tǒng)8生成表示目標轉(zhuǎn)盤10與傳感器器件12之間的距離的信號輸出Sig。Sig中的波動 的頻率與齒14T經(jīng)過傳感器器件12的頻率相同（S卩，Sig是目標轉(zhuǎn)盤10相對于傳感器器件 12的旋轉(zhuǎn)位置的函數(shù))。該頻率可以被用于斷定目標轉(zhuǎn)盤10的旋轉(zhuǎn)速度和/或旋轉(zhuǎn)位置。
[0023]目標轉(zhuǎn)盤10包括若干齒14T，其包括被規(guī)則間隔開的齒14TR和不規(guī)則的齒14T1<3 傳感器器件12可以包括外殼16以及至少一個引線18?？諝忾g隙20是目標轉(zhuǎn)盤10與傳感 器器件12之間沿著z軸的距離。旋轉(zhuǎn)軸Ay僅在y方向上延伸，并且近似穿過目標轉(zhuǎn)盤10 的重心。在一些實施例中，目標轉(zhuǎn)盤10與凸輪軸傳感器關聯(lián)。齒-凹槽過渡可以指示氣缸 頭部的具體位置，并且提供用以關閉或打開用于燃料的入口 /出口閥的指示，以觸發(fā)用于 點火的火花等。齒的數(shù)量可以與電機的氣缸的數(shù)量對應。
[0024]目標轉(zhuǎn)盤10是旋轉(zhuǎn)組件，諸如附接到凸輪軸或曲軸的環(huán)。目標轉(zhuǎn)盤10關于旋轉(zhuǎn) 軸八￥在x-z平面中是可旋轉(zhuǎn)的?？梢杂绍洿挪牧?諸如鐵磁金屬合金)來制成目標轉(zhuǎn)盤10。 像這樣，在實施例中，目標轉(zhuǎn)盤10具有相對高的磁化率。在替換的實施例中，目標轉(zhuǎn)盤10 可以是具有沿著其周緣布置的交替的北極和南極的硬磁材料。在那些實施例中，因為目標 轉(zhuǎn)盤10生成其自身的場，所以傳感器器件12不需要生成任何磁場。在被永久磁化的目標 的情況下，偏置磁體可以被用于對磁場傳感器元件進行偏置，特別是如果它們是磁阻器。在 替換的實施例中，可以采用并非目標轉(zhuǎn)盤的各種其它目標。例如，目標可以包括鼓、盤或線 性幾何形狀(如標尺或嵌齒軌)。
[0025] 偏置磁體生成貫穿本申請被提及為Bb的偏置場，其可能由易磁化的目標的移動所 調(diào)制或影響。可以感測并且分析貫穿本申請被提及為目標貢獻匕的這種調(diào)制，以確定目標 自身的位置。偏置磁體生成對在傳感器附近移動的軟磁目標進行磁化的偏置場（Bb)。這種 被磁化的目標生成目標場（Bt)。由此，81是與中間/直接偏置場Bb不同的Bb的間接后果。 附加的背景場也可能在任何點處影響總場。通常地，這些背景場貫穿感測系統(tǒng)基本上是同 類的。背景場可以是由傳感器系統(tǒng)外部的環(huán)境所生成的任何場，其起干擾的作用并且是傳 感器輸出中的可能的誤差源。
[0026] 偏置磁體不僅激勵目標，而且還可以穩(wěn)定傳感器器件12內(nèi)的元件的工作點一也 就是說，偏置磁體可以提供足夠的場以激活磁阻元件。常規(guī)地，后偏置磁體被用于磁化移動 目標轉(zhuǎn)盤。為此，目標轉(zhuǎn)盤通常包括具有300或更大(通常1500或更大)的相對磁導率的軟 磁材料。例如，可以由含鐵材料來制成常規(guī)的目標轉(zhuǎn)盤。例如，在磁阻器的情況下，常規(guī)的 后偏置磁體也可以被用于對感測元件進行偏置。像這樣，后偏置磁體將提供傳感器元件上 的場的主要部分，由此限定傳感器元件的磁工作點。目標轉(zhuǎn)盤可以于是在該后偏置場周圍 引起場的小波動。雖然相似的、相對地可透過的目標轉(zhuǎn)盤可以與在此所描述的系統(tǒng)結(jié)合而 被使用，但是關于這些系統(tǒng)可以使用偏置磁體(不一定是后偏置磁體，因為它不需要被定位 于傳感器之后)。
[0027] 傳感器器件12可以包括生成磁場的元件，并且也可以包括能夠