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磁場(chǎng)方向傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及磁場(chǎng)方向傳感器。一種磁方向傳感器包括磁阻元件的第一陣列，所述陣列具有第一陣列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相對(duì)于主方向的第一角度，而且剩余元件也相對(duì)于主方向傾斜。
【專利說(shuō)明】磁場(chǎng)方向傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁場(chǎng)方向傳感器、以及實(shí)現(xiàn)傳感器性能相對(duì)于已知傳感器的改進(jìn)的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 磁場(chǎng)方向傳感器可被用于測(cè)量諸如永磁體之類的磁場(chǎng)產(chǎn)生對(duì)象相對(duì)于磁場(chǎng)方向 傳感器的感測(cè)軸的定向。因此，當(dāng)磁體被加載在諸如將對(duì)其位置進(jìn)行編碼的軸之類的旋轉(zhuǎn) 對(duì)象上時(shí)，可以以非接觸式方法來(lái)確定軸的角位置。這種非接觸式操作可給出極佳的傳感 器長(zhǎng)使用壽命。類似地，也可以通過(guò)磁場(chǎng)方向傳感器確定旋轉(zhuǎn)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)速率。對(duì)于在期 望知道軸的旋轉(zhuǎn)位置的情況，存在許多用途，例如用于確定內(nèi)部?jī)?nèi)燃機(jī)中的曲柄軸位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本文本公開了一種改進(jìn)采用磁阻元件的磁場(chǎng)方向傳感器的性能的方法，其通過(guò)形 成提前和延遲的響應(yīng)以校正磁場(chǎng)方向傳感器的響應(yīng)特性中的誤差。
[0004] 本文本還公開了一種磁場(chǎng)傳感器，其包括在襯底上定向的感測(cè)元件以減小磁場(chǎng)傳 感器中的形狀各向異性誤差。
[0005] 在實(shí)施例中，提供了一種磁方向傳感器，包括磁阻元件的第一陣列，所述陣列具有 第一陣列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相對(duì) 于主方向的第一角度，而且剩余元件也相對(duì)于主方向傾斜。
[0006] 在實(shí)施例中，傳感器具有名義上的感測(cè)方向，在此也稱為主方向。主方向可平行于 支持諸如磁阻元件之類的磁場(chǎng)感測(cè)元件的襯底的表面。感測(cè)元件可以是基本線性的。感測(cè) 元件可被分成相對(duì)于主方向傾斜的多個(gè)組由此沒(méi)有線性元件與主方向平行。
[0007] 永磁體被有利地定向布置，以使得其在與載有感測(cè)元件的襯底的平面相平行的平 面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。襯底可以是集成電路的一部分。集成電路可包括信號(hào)處理組件，例如差分放大 器、ADC和數(shù)字處理電路。感測(cè)元件無(wú)需再襯底表面暴露，而且可被布置成使得它們通過(guò)其 它材料接合。
[0008] 響應(yīng)特性中的誤差可以是由于磁方向傳感器的一個(gè)或多個(gè)磁阻元件內(nèi)的形狀各 向異性和/或磁阻材料的沉積或進(jìn)一步處理中引入的晶體各向異性而導(dǎo)致的與理想性能 的偏離。這種磁方向傳感器可包括形成為具有主方向的一個(gè)或多個(gè)磁阻元件。在磁阻元件 是總體長(zhǎng)條形的并且如例如現(xiàn)有技術(shù)的傳感器那樣布置成彼此平行的情況下，主方向總體 上平行于磁阻元件的縱軸。作為另一種方式，每個(gè)單獨(dú)的元件具有與單獨(dú)的元件的縱軸平 行的感測(cè)方向。電阻對(duì)比磁場(chǎng)方向響應(yīng)特性大致相對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的元件的感測(cè)方向?qū)ΨQ。 在現(xiàn)有技術(shù)的傳感器中，各個(gè)元件彼此平行而且被連接成使得電流以往返于該傳感器陣列 的方式出現(xiàn)。對(duì)于該現(xiàn)有技術(shù)配置，陣列的主方向平行于用于形成陣列的傳感器的各個(gè)感 測(cè)方向。在本文的實(shí)施例中，主方向相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件的縱軸成角度布置。感測(cè) 元件通常由于需要限制所述或每個(gè)磁阻元件在電壓模式下被驅(qū)動(dòng)時(shí)所流經(jīng)的電流而被布 置成總體長(zhǎng)條形元件，因此得到上升的傳感器電阻。這可以通過(guò)使得元件的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 它們的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，使得該長(zhǎng)條形元件開始將形狀各向異性置入每個(gè)長(zhǎng)條形磁阻元 件中。增大的長(zhǎng)寬比使得磁阻元件內(nèi)的形狀各向異性增大，從而引起實(shí)際響應(yīng)與理想響應(yīng) 之間增大的偏離。然而，該方案不通過(guò)傳感器在被任何具體電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)提供提高的傳感器 電阻以及因此更小的功耗。
[0009] 傳感器響應(yīng)內(nèi)由于形狀各向異性導(dǎo)致的貢獻(xiàn)可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在磁場(chǎng)方向傳感器附近 使用更強(qiáng)的磁場(chǎng)。這可以通過(guò)使用更強(qiáng)的磁體、更近的耦合或這兩種技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。然 而，更強(qiáng)的磁體導(dǎo)致附加成本并可占用更多體積。與磁體在工作環(huán)境中的布置相關(guān)的物理 體積限制、以及潛在的對(duì)限制雜散磁場(chǎng)與其它組件干擾的影響的需求、或?qū)е碌臏u流加熱 可能對(duì)更強(qiáng)磁場(chǎng)的使用產(chǎn)生不利影響。因此，可以看出，通過(guò)減小其中的誤差來(lái)改進(jìn)傳感器 的性能，可允許傳感器性能通過(guò)向傳感器耦合距離使用更弱磁體或更大磁體來(lái)保持在可接 收的限度內(nèi)。
[0010] 在實(shí)施例中，通過(guò)以第一角度相對(duì)于主方向偏移的至少一個(gè)（優(yōu)選地多個(gè)）磁阻 元件，可以提供提前的響應(yīng)?？商鎿Q地，所述或每個(gè)磁阻元件的部分可設(shè)置成第一角度。通 過(guò)以第二角度相對(duì)于主方向偏移的至少一個(gè)（優(yōu)選地多個(gè)）磁阻元件，可以提供延遲的響 應(yīng)。可替換地，磁阻元件的部分可被設(shè)置成第二角度。在一些實(shí)施例中，第一和第二角度彼 此具有相反的符號(hào)。
[0011] 通過(guò)進(jìn)一步形成相對(duì)于主方向成第三角度的多個(gè)磁阻元件，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提前 的響應(yīng)。類似地，通過(guò)進(jìn)一步提供相對(duì)于主方向成第四角度的多個(gè)磁阻元件，可以形成進(jìn)一 步提前的響應(yīng)。在一些實(shí)施例中，通過(guò)以第一至第四角度形成元件，多個(gè)磁阻元件可被形成 為與主方向平行。
[0012] 磁阻元件可組成在一起以形成各個(gè)感測(cè)陣列。感測(cè)陣列本身可組成在一起以形成 傳感器。因此，例如，具有沿第一軸的感測(cè)方向的感測(cè)陣列可與具有與第一感測(cè)陣列的感測(cè) 方向基本正交的感測(cè)方向的第二感測(cè)陣列關(guān)聯(lián)地布置。這種布置提供了改進(jìn)的敏感度。第 一和第二感測(cè)陣列可串聯(lián)布置，而且可將陣列互相連接的節(jié)點(diǎn)處的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比 較。基準(zhǔn)電壓可由電壓源產(chǎn)生或者可實(shí)際上由進(jìn)一步的一對(duì)串聯(lián)感測(cè)陣列產(chǎn)生。因此第一 至第四陣列可被布置為形成傳感器橋。
[0013] 在一些實(shí)施例中，該傳感器橋可與由基本相同定向的傳感器陣列所形成的第二傳 感器橋相關(guān)聯(lián)，不同之處在于該結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)例如45°。通過(guò)利用來(lái)自第一和第二傳感器橋的 輸出，可以獲取180°范圍的線性響應(yīng)。如果第一橋的輸出是VI，其中VI是所施加磁場(chǎng)與 主方向之間的角度Θ的函數(shù)，而且第二橋的輸出V2,其中V2也是角度Θ的函數(shù)，則與磁場(chǎng) 角度相對(duì)應(yīng)的基本線性的響應(yīng)D可被計(jì)算如下
[0014] D = 0. 5Atan2(V2, VI)
[0015] 函數(shù)"Atan2"被提供作為許多計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，而且是具有兩個(gè)幅角的 反正切函數(shù)。兩個(gè)幅角而不是單個(gè)幅角的使用，是為了允許函數(shù)收集與幅角的符號(hào)相關(guān)的 信息并返回所計(jì)算的角度的適當(dāng)象限。這對(duì)于采用單個(gè)幅角的反正切函數(shù)是不可能。
[0016] 第一和第二傳感器橋可與運(yùn)算放大器關(guān)聯(lián)以形成VI和V2,而且運(yùn)算放大器的輸 出可隨后在模擬、數(shù)字或混合電子電路中進(jìn)行處理以計(jì)算磁場(chǎng)的角度。所有組件都可布置 在集成電路中。
[0017] 在另一實(shí)施例中，提供了一種磁方向傳感器，包括磁阻元件的第一陣列，所述陣列 具有第一陣列主方向，而且其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成 相對(duì)于主方向的第一角度。
[0018] 有利地，第一多個(gè)磁阻元件或磁阻元件的部分相對(duì)于主方向成第一角度，而且第 二多個(gè)磁阻元件或第二多個(gè)磁阻元件的部分相對(duì)于主方向成第二角度。在一些實(shí)施例中， 不存在與主方向平行的磁阻元件。
[0019] 相對(duì)于主方向傾斜的磁阻兀件的提供意味著，隨著磁場(chǎng)相對(duì)于磁傳感器旋轉(zhuǎn)，一 些元件提供比與主方向平行的元件將提供的響應(yīng)提前的響應(yīng)，同時(shí)一些元件比與主方向平 行的元件將提供的響應(yīng)延遲的響應(yīng)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 現(xiàn)在將參考附圖僅僅通過(guò)示例的方式討論實(shí)施例，其中：
[0021] 圖1示意性地圖示出長(zhǎng)條形的線性磁阻元件，其中電流沿其表示感測(cè)方向的第一 方向P流過(guò)；
[0022] 圖2a和2b示意性地示出了外部磁場(chǎng)Η和形狀引起的各向異性矢量I之間的相互 作用以設(shè)置磁阻材料內(nèi)的磁矢量Μ的方向；
[0023] 圖3a至3f示意性地表示了相對(duì)于感測(cè)方向的角度0、45、88、92、135和180°下形 狀各向異性I和外部磁場(chǎng)Η之間的相互作用；
[0024] 圖4比較了圖1的磁阻傳感器的電阻隨著磁場(chǎng)方向Η變化的理想的和觀測(cè)到的變 化；
[0025] 圖5示意性地圖示出磁阻元件的已知陣列，其中每個(gè)元件與主方向Ρ平行；
[0026] 圖6示意性地圖示出包括磁阻元件陣列的磁場(chǎng)方向傳感器，其中第一多個(gè)元件相 對(duì)于第一陣列主方向成第一角度而且第二多個(gè)磁阻元件相對(duì)于第一陣列主方向成第二角 度；
[0027] 圖7示意性地圖示出圖1所示類型的傳感器的方向模糊性；
[0028] 圖8示意性地圖示出由磁阻元件的第一至第四陣列形成的橋；
[0029] 圖9不意性地圖不出具有兩個(gè)橋陣列的傳感器；
[0030] 圖10比較了圖9的陣列的輸出的相位；
[0031] 圖11圖示出如何通過(guò)處理橋的輸出來(lái)提供180°范圍的基本線性的響應(yīng)以解析 輸出；
[0032] 圖12a示出了采用現(xiàn)有技術(shù)的傳感器形成的雙橋陣列（其中感測(cè)元件被配置成與 每個(gè)陣列的主方向?qū)R），而且圖12b比較了兩個(gè)傳感器中的每個(gè)的測(cè)得的輸出與理想的 正弦響應(yīng)；
[0033] 圖13a示出了構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例的傳感器配置，而且圖13b比較了具有磁阻元件 偏移的雙橋相對(duì)于其名義感測(cè)方向的測(cè)得的輸出與理想的正弦響應(yīng)；
[0034] 圖14示出了作為磁阻元件遠(yuǎn)離名義主方向的角度傾斜的函數(shù)的RMS百分比誤差 的模型曲線；
[0035] 圖15示出了具有四個(gè)陣列的傳感器；
[0036] 圖16圖示出傳感器和旋轉(zhuǎn)磁體的相對(duì)位置的示例；以及
[0037] 圖17是實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)方向傳感器的集成電路的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 圖1示意性地圖示出單個(gè)磁阻感測(cè)元件（標(biāo)記為10)，其被布置成磁阻材料的長(zhǎng) 條形線性帶的形式。因此帶10的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于其寬度W。雖然為了簡(jiǎn)化示意，感測(cè)元件10 被繪制成長(zhǎng)條形矩形，元件10的端部可被描繪成具有非矩形形狀，例如它們可以是圓的或 放大的。類似地，帶的寬度無(wú)需沿長(zhǎng)度恒定。在使用時(shí)，帶負(fù)載沿方向L傳播的電流。本領(lǐng) 域技術(shù)人員已知的是，磁阻材料一般由鎳和鐵的混合物制成。外部磁場(chǎng)的應(yīng)用導(dǎo)致帶10內(nèi) 的磁化矢量Μ與外部磁場(chǎng)的方向?qū)R，而且?guī)У碾娮枋谴呕噶康姆较蚺c流經(jīng)帶內(nèi)的電流 的方向之間的角度的函數(shù)。對(duì)于這種方向，傳感器磁場(chǎng)通常被選擇成足夠大以使得磁阻材 料是磁飽和的。通常，電阻中的這一變化可以被建模為不變電阻值上疊加的余弦函數(shù)。所 得到的磁化矢量的一部分（此處在圖2中標(biāo)記為Η)源自外部磁場(chǎng)的存在。然而，另一部分 (此處標(biāo)記為I)源自形狀各向異性和晶體各向異性，而且該部分I極大地受限于帶的幾何 形狀。Η和I的相對(duì)大小未按比例繪制，而且在工作時(shí)，外部磁場(chǎng)的傳感器強(qiáng)度被選擇成使 得Η遠(yuǎn)大于I。由于由于Η和I的相互作用所得到的磁化矢量（標(biāo)記為M Tra)可被看作是具 有恒定幅值。
[0039] 如圖2a所示，當(dāng)Η平行于I時(shí)，Mtot也平行于Η和I，而且可被看作是具有幅值M TOT1。 然而，當(dāng)Η相對(duì)于I傾斜時(shí)，如圖2b所示，總的磁化矢量Mtot變得相對(duì)于Η傾斜一個(gè)誤差角 度"e"。"e"的大小在圖2b中放大以便可以清楚示意。磁化的幅度被表示為M TCT2，而且可 以看出MTOT2基本上等于MTrai?？赏ㄟ^(guò)施加更強(qiáng)外部磁場(chǎng)來(lái)減小角誤差"e"，但是形狀各向 異性的類似效果變大，如果外部磁場(chǎng)例如由于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體與傳感器位置之間距離的增 大而減小。在給定應(yīng)用下，顯示世界的限制可能限制磁體與傳感器之間的最小距離。
[0040] 圖3a至3f示意性地圖示出Η和I之間的這種相互作用以及一系列角度下磁化矢 量Μ的方向。因此，從圖3a開始，處于角度0的外部磁場(chǎng)Η (表不為HJ與I對(duì)齊。因此，所 得到的磁化矢量Μ的方向平行于％。隨著外部場(chǎng)Η旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離I的方向（在附圖中這一選擇 是逆時(shí)針的），Η和I的相互作用導(dǎo)致了與方向Η不對(duì)齊的磁化Μ。因此，如圖3b所示，當(dāng)Η 處于角度45°時(shí)，磁各向異性分量I的作用導(dǎo)致了矢量Μ滯后至Η45之后。該滯后在磁矢量 Η旋轉(zhuǎn)時(shí)得到保持。因此，如圖3c所示，其中Η被示出為處于角度88°，滯后量將接近最大 值。存在與感測(cè)元件的長(zhǎng)條形方向平行的形狀各向異性分量I，但是巧妙地同等地在一個(gè)方 向與另一個(gè)面對(duì)。因此，隨著Η場(chǎng)通過(guò)90°并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，例如如圖3d所示處于角度92°， 形狀各向異性分量I可翻轉(zhuǎn)方向。因此，總磁化矢量Μ突然從滯后于外部磁場(chǎng)跳變?yōu)轭I(lǐng)先 于它。隨著磁場(chǎng)從90°旋轉(zhuǎn)至180°，該領(lǐng)先情況保持，分別如圖3e和3f所示，其中領(lǐng)先 量減小直到該時(shí)間減小為0。隨著外部磁場(chǎng)矢量Η繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，總磁場(chǎng)Μ在180°至270°的 角范圍內(nèi)滯后于Η，并隨后開始在270°至0/360°的范圍比它領(lǐng)先。
[0041] 圖4比較了圖1的磁阻傳感器10的電阻，其示出了傳感器的理想響應(yīng)和傳感器的 標(biāo)準(zhǔn)化成相同比例的實(shí)際響應(yīng)。應(yīng)該注意的是，可通過(guò)使得傳感器的寬度W變得更寬以使 得寬度可更比擬于傳感器的長(zhǎng)度，來(lái)使得傳感器的形狀各向異性變小。因此，具有1 : 1的 長(zhǎng)寬比的傳感器，例如方形或圓形，呈現(xiàn)出可忽略的形狀各向異性。然而，該傳感器還呈現(xiàn) 出低電阻，并因此可在被典型的驅(qū)動(dòng)電壓（例如幾伏）驅(qū)動(dòng)時(shí)傳遞大量的電流。鏈路線40 表示理想的余弦響應(yīng)，其中電阻起始于當(dāng)外部磁場(chǎng)對(duì)齊至流經(jīng)傳感器的電流的方向并因此 對(duì)齊至磁阻帶的感測(cè)方向時(shí)的最大值Rmax，而且電阻逐漸減小至當(dāng)外部磁場(chǎng)垂直于流經(jīng)傳 感器的電流的方向時(shí)的最小值R nin。
[0042] 在考慮曲線42所示的形狀各向異性的結(jié)果時(shí)，可以看出在0和180°角度附近，形 狀各向異性的效果是使得磁矢量Μ徘徊而比其一般情況下更靠近這些值。但是，在90°和 270°值附近，形狀各向異性從一側(cè)至另一側(cè)的翻轉(zhuǎn)使得磁化矢量Μ避免了這些角度。曲線 42顯示在0和180°值附近更圓滑，在90°和270°值附近更尖銳。
[0043] 發(fā)明人意識(shí)到，通過(guò)將相位偏移版本的響應(yīng)添加至彼此以補(bǔ)償圖4所示的90°和 270°范圍的過(guò)度的"開槽"，可以使得使得實(shí)際響應(yīng)42不同于理想響應(yīng)40的響應(yīng)的這種變 化部分地減小。
[0044] 雖然在圖1中示出了單個(gè)磁阻元件，已知的是形成該元件的陣列，其中陣列中的 元件彼此平行。圖5示出了該陣列。因此形成了一系列元件10,每個(gè)都平行于構(gòu)成陣列的 感測(cè)方向的主方向Ρ。平行元件電氣串聯(lián)，以使得總效果是合成了非常長(zhǎng)的材料帶。但是， 這種陣列將呈現(xiàn)圖4的曲線42的扭曲。
[0045] 在圖6所示的配置中，多個(gè)磁阻元件被分成兩個(gè)組?？傮w被標(biāo)記為60的第一組以 第一角度+ Θ相對(duì)于主方向Ρ傾斜?？傮w被標(biāo)記為70的磁阻元件的第二組以角度φ相對(duì) 于主方向Ρ傾斜。出于方便的原因，雖然不是必須的基本特征，使得φ = -Θ。在該布置下， 組60和70中的磁阻元件相對(duì)于主方向Ρ對(duì)稱布置。因此，相對(duì)于圖5的現(xiàn)有技術(shù)，帶的陣 列被分成兩個(gè)子組，每個(gè)子組相對(duì)于主方向Ρ傾斜成，在本示例中，使得陣列的帶平行于方 向Ρ。
[0046] 單個(gè)帶磁阻傳感器的已知問(wèn)題在于它們承受角度模糊性。如圖7所示，磁化矢量 Μ的四個(gè)方向產(chǎn)生了完全相同的電阻值。為了解決這個(gè)，已知的是將多個(gè)磁阻傳感器連接 成兩個(gè)橋。出于完整的原因，參考圖8描述了單個(gè)橋。橋包括處于第一和第二電源節(jié)點(diǎn)90 和92之間的磁阻傳感器的第一至第四陣列80,82,84和86。第一陣列80沿第一軸設(shè)置其 主方向，例如相對(duì)于圖8的X軸平行。第一陣列80與第二陣列82串聯(lián)，第二陣列82的主 方向與第一陣正交列的主方向，例如平行于Υ軸。為了提高敏感度，第一和第二陣列形成了 橋布置的一個(gè)分支。橋布置的第二分支由第三和第四陣列形成，其中第三陣列84的主方向 平行于第一陣列80的主方向，第四陣列86的主方向平行于第二陣列82的主方向。通過(guò)比 較第一和第二陣列之間的節(jié)點(diǎn)處的電壓與第三和第四陣列之間的節(jié)點(diǎn)處的電壓來(lái)提供橋 輸出電壓VI。
[0047] 為了提供精確的位置感測(cè)，形成了第二橋，但是這次其相對(duì)于第一橋旋轉(zhuǎn)45°。因 此第二橋可包括第一至第四陣列80a，82a，84a和86a，其中第一陣列相對(duì)于X軸成-45°的 角度，第二陣列成+45°的角度，以此類推。圖9示意地示出了這種配置。圖10示出了，來(lái) 自橋（橋2)的理想輸出比來(lái)自一個(gè)橋（例如橋1)的理想輸出滯后45°。橋的輸出可被處 理以提供圖11所示的180°的范圍內(nèi)的線性響應(yīng)，如前所述
[0048] Vout = 0. 5Atan2 (V2, Y,)
[0049] 該方案假設(shè)兩個(gè)正弦曲線都是理想化的，由此得出結(jié)論，前面參考圖4描述的那 種類型響應(yīng)的瑕疵導(dǎo)致了傳感器輸出特性的非線性。但是，形成相對(duì)于標(biāo)稱響應(yīng)的提前和 延遲的響應(yīng)的相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)、及其之和提供了不昂貴的明顯改進(jìn)。圖12a是傳感器的平 面圖，其包括由傳感器陣列100,102,104和106形成的第一橋以及由傳感器陣列110,112， 114和116形成的相對(duì)于第一橋旋轉(zhuǎn)45°的第二橋。傳感器陣列每個(gè)都包括沿各個(gè)單個(gè)方 向的長(zhǎng)條形磁阻元件。所以，陣列100和104沿Y方向（90° )，陣列102和106沿X方向 (0° )，陣列112和116處于45°，陣列114和110處于135°。來(lái)自陣列的輸出被記錄并 且被擬合至理想正弦曲線。圖12b示出了理想輸出與觀測(cè)到的輸出之間的誤差。如果相同 地形成這兩個(gè)傳感器陣列，則擬合誤差也相同。然而，針對(duì)第二陣列的擬合誤差之"擬合誤 差2"稍稍不同于第一陣列的"擬合誤差1"，這是因?yàn)殛嚵兄g的制造變化和/或晶體各向 異性的影響?？梢钥闯?，例如，對(duì)于由包括長(zhǎng)度為50微米且寬度為4微米的的24個(gè)磁阻元 件磁阻陣列組成的芯片，擬合誤差最大達(dá)到大約5%。
[0050] 圖13a示出了修改的陣列，其中各個(gè)感測(cè)陣列的每個(gè)都由其中一半的磁阻元件在 第一方向上傾斜15°而且另一半元件在第二方向上傾斜15°的陣列替代，由此整體看來(lái) 每個(gè)陣列仍具有相同的主感測(cè)方向。因此與圖12a的陣列100對(duì)應(yīng)的陣列110a具有75° 和105°下的元件。與陣列102對(duì)應(yīng)的陣列102a具有15。和345°下的元件。與陣列116 對(duì)應(yīng)的陣列116a具有30。和60。下的元件。與陣列114對(duì)應(yīng)的陣列114a具有120°和 150°下的元件。圖13b示出了相應(yīng)的擬合誤差，而且可以看出最大誤差已經(jīng)從大約5%減 小至大約2%。
[0051] 圖14比較了針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的陣列以及所示出的其中它們被分成相對(duì)于感測(cè)方向 傾斜的磁阻元件組的陣列的估計(jì)的RMS擬合誤差。針對(duì)相對(duì)主方向以±5°，±9，±15°， ±20°傾斜的陣列以及其中磁阻元件被分成四個(gè)組（其中兩個(gè)組相對(duì)于陣列主感測(cè)方向 傾斜±9°，兩個(gè)組相對(duì)于陣列主感測(cè)方向傾斜±15° )的其它實(shí)施例執(zhí)行仿真?？梢钥?出，估計(jì)的誤差從針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)陣列（其中所有感測(cè)元件都平行于主感測(cè)軸）的大約1.3% 減小至大約0.4% (其中陣列傾斜±15° )。這些角范圍不是限制性的，很可能的是大部分 陣列將相對(duì)主方向在2°和25°之間傾斜。
[0052] 誤差的減小實(shí)際上意味著傳感器可用于更弱的磁體并實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)類 似的誤差性能，或者傳感器可用于相同強(qiáng)度的磁體并實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的線性度。
[0053] 在進(jìn)一步的實(shí)施例中，磁阻元件之間的空間可塞進(jìn)磁阻材料，由此使得傳感器陣 列的總性能更接近具有相對(duì)低的長(zhǎng)寬比的大致方形或矩形。因此磁阻材料的非感測(cè)部分會(huì) 影響并降低形狀各向異性。
[0054] 該方案的優(yōu)勢(shì)在于，磁阻元件的所有組都是沿主方向?qū)ΨQ布置的，而且陣列的每 個(gè)組具有名義上的相同電阻和尺寸以及作為其鏡像的組。這就避免了制造具有不同尺寸或 電阻的組的必要性。
[0055] 每個(gè)陣列中元件的數(shù)量可具有所示的可變形式。在測(cè)試中，每個(gè)組可由14個(gè)和42 個(gè)之間的磁阻元件組成，但是這些數(shù)量不是限制性的。然而，有利的是，一個(gè)組中的元件的 組合電阻匹配另一組中的元件的組合電阻。這可通過(guò)在每個(gè)組中使用相同數(shù)量的元件并且 其中組間的元件的長(zhǎng)度和寬度相互匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器可包括多于兩個(gè)磁阻元件組，如圖 15所示。此處，元件130和132的組在第一方向上形成角度，但是處于不同角度。這些組相 對(duì)于主方向P與組134和136鏡像。
[0056] 在使用時(shí)，如圖16所示，傳感器可形成在襯底140上。傳感器無(wú)需處于襯底140 的上表面，因此未在圖16的示意圖中示出。磁體142可繞著軸144旋轉(zhuǎn)。如果從上面看去 磁體沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則組136和134相對(duì)于主方向P形成了提前的信號(hào)響應(yīng)，而組130 和132形成了延遲的響應(yīng)。
[0057] 應(yīng)該注意的是，陣列中的所有感測(cè)元件無(wú)需具有相同長(zhǎng)度、寬度或長(zhǎng)寬比。感測(cè)元 件尺寸的變化可被用來(lái)改進(jìn)傳感器至襯底的封裝，和/或用來(lái)減小傳感器呈現(xiàn)的角誤差。 每個(gè)組內(nèi)的磁阻元件可通過(guò)用于形成磁阻元件的相同材料相互連接，或者不同的互連材料 (銅、鋁、金等）可用于提供一系列元件之間的電連接。類似地，磁阻元件陣列可通過(guò)用于形 成磁阻元件的相同材料或者通過(guò)其它導(dǎo)電材料相互連接。
[0058] 傳感器橋（例如參考圖13,14,15和16)可被布置在集成電路封裝件中。因此，如 圖17所示，每個(gè)傳感器橋可連接至各個(gè)運(yùn)算放大器150和152,運(yùn)算放大器150和152可被 形成在載有磁阻傳感器的半導(dǎo)體襯底中。放大器150和152的輸出可被提供給信號(hào)處理電 路155,磁阻傳感器可實(shí)現(xiàn)處理功能（例如Atan2函數(shù)）從而輸出角度的測(cè)量結(jié)果。處理電 路可在模擬域或數(shù)字域中執(zhí)行其功能，并且可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯電路以便導(dǎo)出輸 出信號(hào)。示意性地由鏈路線160劃界的集成電路還可包括電壓基準(zhǔn)162,用于提供相對(duì)穩(wěn)定 的電壓以驅(qū)動(dòng)磁阻陣列。在替換實(shí)施例中，放大器150和152輸出的模擬值可被傳遞至其 它集成電路以進(jìn)行處理。
[0059] 此處描述的配置可提供簡(jiǎn)單且穩(wěn)健的角位置測(cè)量，并且可應(yīng)用于工業(yè)、汽車和航 空行業(yè)以及消費(fèi)產(chǎn)品。
[0060] 因此可以提供改進(jìn)的傳感器。
【權(quán)利要求】
1. 一種磁方向傳感器，包括磁阻元件的第一陣列，所述陣列具有第一陣列主方向，而且 其中磁阻元件中的一些但不是所有被完全地或者部分地布置成相對(duì)于主方向的第一角度， 而且剩余元件也相對(duì)于主方向傾斜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁方向傳感器，其中多個(gè)磁阻元件或磁阻元件的部分相對(duì)于 主方向成第一角度，而且第二多個(gè)磁阻元件或磁阻元件的部分相對(duì)于主方向成第二角度， 而且其中第二角度與第一角度基本上大小相等并且符號(hào)相反。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁方向傳感器，其中來(lái)自第一和第二多個(gè)磁阻兀件的電響應(yīng) 被組合在一起。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁方向傳感器，其中第一陣列與第二陣列串聯(lián)，第二陣列與 第一陣列基本相同但是具有與第一陣列主方向基本正交的第二陣列主方向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁方向傳感器，其中第一和第二陣列以橋結(jié)構(gòu)與第三和第四 陣列相互作用。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁方向傳感器，進(jìn)一步包括橋，其中第二橋中的傳感器陣列 的主方向相對(duì)于第一橋的相應(yīng)陣列旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選地旋轉(zhuǎn)大致45°。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁方向傳感器，其中第一和第二角度介于相對(duì)于主方向的 2°和25°之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁方向傳感器，其中第一陣列進(jìn)一步包括與主方向成第三角 度的第三多個(gè)磁阻元件以及與主方向成第四角度的第四多個(gè)磁阻元件。
9. 一種改進(jìn)磁場(chǎng)方向傳感器的性能的方法，所述傳感器采用長(zhǎng)條形磁阻元件來(lái)測(cè)量磁 場(chǎng)相對(duì)于主方向的方向，所述方法包括添加提前和延遲的響應(yīng)從而校正傳感器的響應(yīng)特性 中的誤差。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中以第一角度相對(duì)于主方向布置的第一磁阻兀件 提供了提前信號(hào)，以第二角度相對(duì)于主方向布置的第二磁阻元件提供了延遲信號(hào)，而且不 存在與主方向?qū)R的磁阻兀件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中第一磁阻元件和第二磁阻元件串聯(lián)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述或每個(gè)第一磁阻元件的長(zhǎng)寬比可用于調(diào)節(jié) 提前信號(hào)對(duì)輸出響應(yīng)的貢獻(xiàn)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述或每個(gè)第一磁阻元件的角度可用于控制提 前信號(hào)的貢獻(xiàn)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述或每個(gè)第二磁阻元件的長(zhǎng)寬比可用于控制 延遲信號(hào)的貢獻(xiàn)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中多個(gè)磁場(chǎng)方向傳感器被布置成橋陣列以便提供 基本線性的響應(yīng)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中磁場(chǎng)由具有與包含磁場(chǎng)方向傳感器的平面基本 平行的磁軸的磁體提供磁場(chǎng)。
【文檔編號(hào)】G01R33/09GK104251979SQ201410285925
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】J·庫(kù)比克 申請(qǐng)人:亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)公司