专利名称：磁性位置传感器、系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及传感器，特别涉及磁性位置传感器。
背景技术：
磁性传感器可用于线性位置感测(即感测在一维度中的目标的位置)以及多维定位感测。永久磁体附接至目标，由磁性传感器测量磁体的磁场。但是使用磁性传感器进行位置感测的常规方案存在一些缺点。一些方案没有多维度中感测位置的能力。其它解决方案不准确和/或需要复杂的数学计算，而用有限的硅面积难以进行这样的计算。
因此，需要改进的磁性位置传感器、感测系统和方法。

发明内容
本发明公开了磁性位置传感器、系统和方法。在一个实施方式中，位置感测系统包括磁场源，其在沿z轴的方向具有偶极矩；以及传感器模块，其沿y轴与偶极矩的中心分隔距离y0，并沿z轴与偶极矩的中心分隔距离z0，磁场源或传感器模块中的至少一个被配置为沿y=y0平面中的路径相对另一个移动，传感器模块被配置为根据梯度dBz/dx与梯度dBz/dy的比率来确定磁场源与传感器模块关于路径的相对位置，其中Bz是与永久磁体相关的磁场分量，且其中X轴、y轴和z轴成直角。在一个实施方式中，位置感测系统包括磁场源；以及传感器模块，其与所述磁场源分隔，磁场源或传感器模块中的至少一个被配置为沿路径相对另一个移动，传感器模块被配置为根据磁场源的磁场的第一分量与磁场源的磁场的第二分量的比率的非线性函数来确定磁场源相对于传感器模块的位置。在一个实施方式中，一种感测物体的线性位置的方法包括将永久磁体或传感器的中的一个耦合至所述物体，永久磁体在z方向被磁化；将传感器或所述永久磁体中的另一个布置为在y方向与永久磁体或传感器中的一个邻近但分隔；由传感器的第一传感器元件感测永久磁体的磁场分量Bz的X方向的变化；由传感器的第二传感器元件感测永久磁体的磁场分量Bz的y方向的变化；确定dBz/dx与dBz/dy的比率；以及根据比率确定物体在路径上的位置。在一个实施方式中，一种感测物体的线性位置的方法包括将永久磁体或传感器的中的一个耦合至物体，永久磁体在y方向被磁化；将传感器或永久磁体中的另一个布置为在Z方向与永久磁体或传感器中的一个邻近但分隔；由传感器的第一传感器兀件感测永久磁体的磁场分量Bx ;由传感器的第二传感器兀件感测永久磁体的磁场分量Bz ;确定Bx与Bz的非线性函数；以及根据非线性函数确定物体在路径上的位置。在一个实施方式中，一种位置感测系统包括偶极磁体(dipole magnet),其在z方向均勻磁化,且具有消失性八极矩(vanishing octupole moment);传感器模块,其定位为与偶极磁体邻近但分隔，并包括多个传感器元件以感测偶极磁体的磁场的x、y和z分量，传感器模块被配置为根据磁场的X、y和Z分量确定磁体与传感器模块的相对位置。


由以下的对本发明不同实施方式的结合附图的详细说明，可更全面地理解本发明，其中图I是根据一个实施方式的磁体和传感器的框图。图2是根据一个实施方式的磁体路径的图。图3A是根据一个实施方式的磁场分量对距离的图。图3B是根据一个实施方式的磁场分量对距离的比率图。 图3C是根据一个实施方式的距离误差对距离的图。图4A是根据一个实施方式的传感器系统的图。图4B是根据一个实施方式的传感器系统的图。图5A是根据一个实施方式的磁场梯度对距离的图。图5B是根据一个实施方式的距离误差对距离的图。图6A是根据一个实施方式的传感器系统的框图。图6B是根据一个实施方式的传感器系统的框图。图7A是根据一个实施方式的传感器系统的图。图7B是根据一个实施方式的传感器系统的图。图7C是根据一个实施方式的传感器系统的图。虽然本发明可经过各种修改和其它形式，但是其具体说明已通过举例的方式在附图中示出，并将详细介绍。然而应理解其目的不是将本发明限于所描述的特定实施方式。相反，将涵盖落入如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有的修改、等同方案和替代方案。
具体实施例方式实施方式涉及磁性位置传感器。图I描绘了磁体100和被配置为感测磁体位置的传感器系统102。磁体100最普遍的是磁场源并在实施方式中可包括永磁体、电磁体、线圈绕组或一些其它配置。如图I中的定向，磁体在垂直(Z)方向被磁化，且传感器系统102感测磁体100在X轴的线性位置，但在其它实施方式中，这些方向和轴可以不同。整个本文中所使用的特定的轴、坐标系统和方向仅用于示例和方便说明，而不是固定在空间中。相反，x、y和z轴用于描述轴系统的三个垂直轴，其可以定向在任何空间方向，且可以相对于地球的坐标系固定、移动和/或旋转。传感器系统102检测By和Bz分量，其中y是沿磁体路径的坐标，而z是垂直方向。传统的系统根据以下方程来估计y位置Xpos=m*arctan(By/Bz) 这些计算很复杂，而且该系统仅在传感器系统102位于路径正下方(没有任何y偏移)并且在精确的垂直距离时工作。即使这样，该方程只是近似值。此外，结果只在X的特定范围内为线性。因此，获得的结果不准确且计算复杂。实施方式利用类似的磁性传感器配置，但作出某些提高系统的精度并降低其复杂性的假设。参照图2，传感器系统102放置在(0，0，0)，且在一个实施方式中，磁体100沿所示的磁体路径移动，且在y方向具有偶极矩。因此在一个实施方式中，传感器系统102相对磁体路径在y方向偏移(shift)yO,且在z方向偏移z0。在其它实施方式中,磁体100固定在(0，0，0)，而传感器系统102沿路径移动。在一个实施方式中，传感器系统102包括至少两个的多个传感器元件。第一传感器元件检测Bx分量，而第二传感器元件检测Bz分量。传感器系统102计算Bx/Bz的比率，其与偶极的X位置成比例。如果磁体100是理想的偶极(dipole,偶极子),则X=Ztl* (Bx/Bz)。如果磁体100不是理想的(球形)偶极，则x=f (Bx/Bz)，其中f是非线性函数，其可以在传感器系统102中由二阶或更高阶的多项式或由查找表表示。在实践中，球·形磁体可用于获取纯偶极，但也可使用其它磁体形状，包括圆柱(cylinder)、块(block)和其它合适的配置。在实施方式中，可以选择具有小或消失性八极矩形状，其非常近似偶极。对于均匀磁化，八极矩对磁体的特定纵横比(例如圆柱形磁体的长度与直径)消失(vanish)。较高的磁多极在 Ausserlechner 等人“Pick-Up Systems for VibratingSample Magnetometers:A Theoretical Discussion Based on Magnetic MultipoleExpansions, ” Meas. Sci. Techno I. 5, 213-225,1994中讨论，其全部内容通过引用的方式并入本文。在用于X的上述方程中，可以看出参数y0不是一个因素。因此，系统在y方向相对装配公差是稳定的。此外，这意味着路径并不一定必须是如在图2中所示的与X轴平行的直线路径；在实施方式中，其在平面z=z0中可以是任意曲线。在这样的实施方式中，传感器102输出在X轴上的位置投影，即磁体位置的X坐标。此外，实施方式可以单独检测Bx和Bz，然后计算比率。例如，这在传感器102包括霍尔效应器件的实施方式中可以成为有用的方法。此外，系统还可以检测与Bx/sqrt(Bx2+Bz2)成比例的余弦信号，和与Bz/sqrt (Bx2+Bz2)成比例的正弦信号。两者的比率也可以计算为Bx/Bz。在实施方式中，传感器102可以包括直接检测Bx/Bz和/或Bz/Bx的其它传感器元件。换言之，在不同的实施方式中，期望获得与Bx/Bz成比例的一些信号，并且这样的信号在一些实施方式中是来自传感器102还是在其它实施方式中由片上信号获得并不重要。系统还独立于基板支持传感器102的定向。可以将半导体芯片与其平行于xy平面的主表面对准。在这种情况下，Bz是磁通密度的平面外分量，而Bx是在两个平面内分量中的一个。在一个实施方式中，可用常规的霍尔板(Hall plate)检测Bz，用垂直霍尔效应器件(vertical Hall effect device)检测 Bx。在实施方式中，传感器基板的顶面可以平行于XZ平面。在这样的实施方式中，Bx和Bz都为磁通密度的平面内分量。然后两者都可用布置为相互垂直的垂直霍尔效应器件检测，或者用磁阻(xMR)条检测。例如，在一个实施方式中，使用具有垂直电流方向的各向异性磁阻(AMR)条，尽管在其它实施方式中，可使用巨磁阻(GMR)或其它xMR技术。参照图3A，示出在y方向被磁化的具有IOmm直径和IT剩磁的球形磁体的模拟结果。磁体沿平行于X轴的路径移动，y0=10mm和z0=10mm (也参照图2)。磁通密度Bx和Bz示于在图3A中。可以看出，在中心的约+/ - 20mm之外的磁通密度Bx和Bz大于lmT，其可很容易通过像xMRs和/或霍尔效应器件的各种磁场传感器检测。在图3B中描绘的磁场的比率是线性的。假设Bx-偏移(Bx-offset)的Bx传感器的零点误差=100 U T，则位置估计的误差如图3C所示。在约X=+/ - 13mm时，X-估计的误差为-0.2mm。在约x=+/ - 20mm时,误差为约-0.7mm。如果X位置保持固定在例如约+/ - 20mm的较大值且Bx传感器的零点误差改变，则X位置的估计中的误差相对零点误差是线性的。在其它实施方式中，横向霍尔板可单独用于实施梯度测量系统(gradiometricsystem)(其对均匀背景磁场是稳定的)。参照图4A，传感器系统400包括至少两个传感器兀件402,如霍尔板。传感器兀件402布置在基板或半导体芯片404上。至少一个传感器元件检测与磁体406的磁场相关的梯度dBz/dx,且至少一个其它传感器元件检测梯度dBz/dy。传感器系统400确定(dBz/dx)/(dBz/dy)的比率，其与磁体406的x位置成比例。传 感器系统400可以单独检测梯度并确定它们的比率，或系统400可以检测Bz (x+del_x/2)和 Bz (x - del_x/2)并估计 dBz/dx (Bz (x+del_x/2) - Bz (x - del_x/2)/del_x,对于 y 方向类似地进行。如果磁体406是理想的偶极,如上所述,则x=y0*(dBz/dx)/(dBz/dy)。如在其它实施方式中，可以使用理想的(即球形)磁体，或者在其它实施方式可使用其它形状。如果磁体406在z方向是理想的偶极，则梯度如下=
L 」& & if ^且
dB_ -SBrmiV X2 +J02 -4zl[_ 。从而
dB_ / DB x^ =—。
& /Jo在实践中，当磁体406经过以下点，传感器系统可能面临问题2|z0| = ^jx2 + yl因为这两个梯度消失，且在以下方程发生除以零
「 1dB. jdB-x= y%—z~ °
ox / Dy因此,在实施方式中，设计了 2*abs (z0)〈abs (y0),选择z0=0。此外，在实施方式中，X轴和磁体406的路径之间的距离y0尽可能小，以便具有强磁场梯度，该距离受限于磁体406不与传感器系统400的传感器封装碰撞的要求。类似于上文所讨论的，即使磁体406不是理想的偶极，则x=f ((dBz/dx) / (dBz/dy))，其中f是可以由二阶或更高阶的多项式或查找表表示的非线性函数。类似于所讨论的其它实施方式，参数z0不进入用于X的上述方程。由此，这些实施方式相对装配公差(assembly tolerance)是稳定的,这里是在z方向上。此外,路径不需要是平行于X轴的直线，且路径可以是在y=y0平面中的任意曲线。如在其它实施方式中，系统400独立于基板404定向。在图4A中，安装有传感器元件402的基板404的主表面平行于xy平面。Bz是磁通密度的平面外部分，并可以由常规的横向霍尔板检测。沿X轴的Bz梯度由沿X轴放置的两个霍尔板检测，然后减去这些板的信号。由沿y轴放置的两个霍尔板检测沿y轴的梯度Bz，并且它们的信号被减去。这在这样的实施方式中对于将封装在传感器组件(sensor package)中的芯片(die)或基板404是有利的，所述传感器组件具有与磁体406相反的该组件的单侧上的传感器引线。在图4B的实施方式中，基板404定向为安装有传感器元件402的主表面与xz平面平行。在该实施方式中，Bz是磁通密度的平面内分量，且可通用垂直霍尔元件或磁阻(xMR)条检测，如AMR、GMR或某种其它技术，作为传感器元件402。如图4B所示，传感器元件402位于相同的I坐标，且可以从麦克斯韦方程可以推导出Y -梯度
权利要求
1.一种位置感测系统，包括 磁场源，在沿Z轴的方向具有偶极矩；以及 传感器模块，沿y轴与所述偶极矩的中心分隔距离yO，并沿z轴与所述偶极矩的中心分隔距离zO，所述磁场源或所述传感器模块中的至少一个被配置为沿y=yO平面中的路径相对另一个移动，所述传感器模块被配置为根据梯度dBz/dx与梯度dBz/dy的比率来确定所述磁场源与所述传感器模块关于所述路径的相对位置，其中Bz是与永久磁体相关的磁场分量，且其中X轴、所述I轴和所述z轴成直角。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述传感器模块包括多个磁性传感器元件。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个磁性传感器元件中的第一磁性传感器元件检测与所述梯度dBz/dx有关的磁场分量的差异，且所述多个磁性传感器元件中的第二磁性传感器元件检测与所述dBz/dy梯度有关的磁场分量的差异。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个传感器元件包括霍尔元件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个传感器元件包括被配置来感测Bz的霍尔元件。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述传感器模块还包括多个查找表，且其中Bz的最小值和最大值用于确定所述多个查找表中的合适的一个。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个传感器元件包括磁阻(xMR)传感器元件。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个传感器元件安装在基板的表面。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述基板的所述表面与xy平面平行。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述基板的所述表面与XZ平面平行。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述多个传感器元件包括垂直霍尔元件或磁阻(xMR)元件中的一种。
12.根据权利要求I所述的系统，其中，所述磁体的八极消失。
13.根据权利要求I所述的系统，其中，两倍的zO的绝对值小于yO的绝对值。
14.根据权利要求I所述的系统，其中，所述磁场源选自永久磁体、电磁体和线圈绕组。
15.一种位置感测系统，包括 磁场源；以及 传感器模块，与所述磁场源分隔，所述磁场源或所述传感器模块中的至少一个被配置为沿路径相对另一个移动，所述传感器模块被配置为根据所述磁场源的磁场的第一分量与所述磁场源的磁场的第二分量的比率的非线性函数来确定所述磁场源相对于所述传感器模块的位置。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述非线性函数避免饱和。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述传感器模块包括多个磁性传感器元件，所述多个磁性传感器元件包括霍尔元件或磁阻(xMR)元件中的至少一种。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述磁场源具有消失性八极。
19.一种感测物体的线性位置的方法，包括 将永久磁体或传感器中的一个耦合至物体，所述永久磁体在z方向被磁化； 将所述传感器或所述永久磁体中的另一个布置为在y方向与所述永久磁体或所述传感器中的所述一个邻近并分隔； 由所述传感器的第一传感器兀件感测所述永久磁体的磁场分量Bz的X方向的变化； 由所述传感器的第二传感器元件感测所述永久磁体的磁场分量Bz的y方向的变化； 确定dBz/dx与dBz/dy的比率；以及 根据所述比率确定所述物体在所述路径上的位置。
20.一种感测物体的线性位置的方法，包括 将永久磁体或传感器的中的一个耦合至所述物体，所述永久磁体在y方向被磁化； 将所述传感器或所述永久磁体中的另一个布置为在z方向与所述永久磁体或所述传感器中的所述一个邻近并分隔； 由所述传感器的第一传感器元件感测所述永久磁体的磁场分量Bx ； 由所述传感器的第二传感器元件感测所述永久磁体的磁场分量Bz ； 确定Bx与Bz的非线性函数；以及 根据所述非线性函数确定所述物体在所述路径上的位置。
21.一种位置感测系统，包括 偶极磁体，在z方向均匀磁化且具有消失性八极矩；以及 传感器模块，定位为与所述偶极磁体邻近但分隔，并包括多个传感器元件以感测所述偶极磁体的磁场的X、y和z分量，所述传感器模块被配置为根据所述磁场的X、y和z分量确定所述磁体与所述传感器模块的相对位置。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括磁屏蔽元件，其相对于所述偶极磁体布置以产生偶极磁场。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述磁屏蔽元件具有大于I的相对磁导率。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述磁屏蔽元件具有选自面板、弧形和圆柱的形状。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，所述偶极磁体耦合至所述磁屏蔽元件。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述偶极磁体是半球形。
27.根据权利要求22所述的系统，其中，所述偶极磁体与所述磁屏蔽元件分隔。
全文摘要
本发明公开了一种磁性位置传感器、系统和方法。在一个实施方式中，位置感测系统包括在沿z轴的方向具有偶极矩的磁场源；以及传感器模块，其沿y轴与偶极矩的中心间隔距离y0，并沿z轴与偶极矩的中心间隔距离z0，磁场源或传感器模块中的至少一个被配置为沿y=y0平面中的路径相对另一个移动，传感器模块被配置为根据梯度dBz/dx与梯度dBz/dy的比率来确定磁场源与传感器模块关于路径的相对位置，其中Bz是与永久磁体相关的磁场分量，且其中x轴、y轴和z轴成直角。
文档编号G01D5/12GK102954807SQ20121029794
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月20日 优先权日2011年8月19日
发明者乌多·奥塞尔勒基纳, 费迪南德·卡斯汀格尔, 阿明·萨茨 申请人:英飞凌科技股份有限公司