CN107389100A - 离轴磁场角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离轴磁场角度传感器。一种被配置成确定磁场源绕轴的旋转位置的磁场角度感测***包括被布置成与轴同心的圆的N个传感器设备，每个传感器设备都包括：具有灵敏度平面的磁场感测设备，其中磁场感测设备对灵敏度平面中的磁场分量敏感并且被配置成提供与灵敏度平面中的磁场和参考方向之间的角度的正弦（余弦）有关的信号；以及电路，其中所述电路被配置成：（i）将N个传感器设备的信号解释为角度值，（ii）将相当于360°的整数倍加到N个角度值中的选择性的角度值，以导致在N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的所有N个经校正的值的至少一个单调上升或下降的序列，和（iii）对这些经校正的值取平均值。

Description

离轴磁场角度传感器

相关申请

本申请是申请号为14/083,643的美国专利申请的部分继续，所述美国专利申请提交于2013年11月19日，并且通过全文引用而结合在本文中。

技术领域

本发明总体上涉及磁场传感器，并且更具体地涉及离轴（off-axis）磁场角度传感器。

背景技术

磁场传感器可以用于感测轴类件（shaft）或其他对象的旋转角度。例如，磁体可以被装配在该轴类件上，使得该磁体随着该轴类件旋转；并且磁场传感器可以被布置成贴近该磁体，以便感测由该磁体在它随着轴类件旋转时所感生的磁场。当靠近或邻近该轴类件、即离开该轴类件的旋转轴地装配磁场传感器时，该传感器可以被称为“离轴”磁场角度传感器。当该轴类杆的端部不可用作用于该传感器的位置或简单地说在该轴类件上没有可用空间时，常常实施离轴磁场角度传感器。

在许多应用中，可能存在对于（包括离轴磁场角度传感器的）磁场角度传感器的普遍偏好，所述磁场角度传感器不昂贵且不复杂、同时相对于外部磁场和其他干扰也是鲁棒的（robust）、能够计及组装公差并且与（包括非均质地磁化的大磁体的）一系列磁体兼容。一些常规途径的缺陷于是是要求具有传感器元件的至少两个传感器基底，所述传感器元件有相同的磁灵敏度。所要求的匹配的磁灵敏度难以获得，并且与对于多个传感器基底的需求相组合生产起来更昂贵。

附图说明

在根据本发明的一个方面，提供了一种被配置成确定磁场源绕旋转轴的旋转位置的磁场角度感测***。该磁场角度感测***包括被布置成与所述旋转轴同心的圆的N个传感器设备，其中N＞1，并且所述传感器设备沿着所述圆被彼此间隔开约（360/N）度。每个传感器设备都包括：

具有灵敏度平面的磁场感测设备，所述灵敏度平面包括所述磁场感测设备的至少一个参考方向，其中所述磁场感测设备对所述灵敏度平面中的磁场分量敏感，并且被配置成提供与在所述灵敏度平面中的磁场和所述参考方向之间的角度的正弦（余弦）有关的信号；以及

电路，所述电路被耦合到所述N个传感器设备，并且被配置成提供通过组合来自所述N个传感器设备的所述磁场感测设备的所述信号而确定的如下信号：所述信号指示磁场源绕所述旋转轴的旋转位置。

所述电路被配置成：（i）将所述N个传感器设备的所述信号解释为角度值，（ii）将相当于360°的整数倍加到所述N个角度值中的选择性的角度值，以导致在所述N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的所有N个经校正的值的至少一个单调上升或下降的序列，以及（iii）对这些经校正的值取平均值

在根据本发明的另一方面，提供了一种确定磁场源绕旋转轴的旋转位置的方法。该方法包括：

将N＞1个传感器设备布置成与所述旋转轴同心的圆，使得所述传感器设备沿着所述圆被彼此间隔开约（360/N）度；

通过所述N＞1个传感器设备中的每个传感器设备的磁场感测设备，感测如下角度的正弦（余弦）：所述角度为在所述磁场感测设备的参考方向与由所述磁场源感生的在所述磁场感测设备的灵敏度平面中的磁场之间的角度，所述灵敏度平面包括所述磁场感测设备的至少一个参考方向；

提供与在所述灵敏度平面中的所述磁场和所述参考方向之间的所述角度的正弦（余弦）有关的信号；

通过组合来自所述N＞1个传感器设备的所述磁场感测设备的所述信号，提供指示所述磁场源绕所述旋转轴的旋转位置的信号；以及

作为所述组合的部分而对所述信号进行预调节和取平均值，其中所述预调节包括将相当于360度的整数倍与输入数据进行组合，以识别在所述N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的至少一个单调上升或下降的值序列；

将所述N个传感器设备的所述信号解释为角度值；

将相当于360°的整数倍加到所述N个角度值中的选择性的角度值，以导致在所述N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的所有N个经校正的值的至少一个单调上升或下降的序列，以及

对这些经校正的值取平均值。

附图说明

结合随附的附图考虑本发明的各种实施例的以下详细描述，可以更完整地理解本发明，在所述附图中：

图1是根据实施例的传感器***的部分的平面视图。

图2A是根据实施例的半桥电路的图。

图2B是根据实施例的管芯布置的框图。

图2C是根据实施例的半桥电路配置的图。

图2D是根据实施例的全桥电路的图。

图3A是根据实施例的传感器***的框图。

图3B是根据实施例的传感器***信号流的框图。

图4A是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图4B是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图4C是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图5A是根据实施例的传感器***的侧面截面视图。

图5B是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图5C是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图5D是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图6A是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图6B是根据实施例的传感器***的示意性平面视图。

图7A是根据实施例的传感器***的透视图。

图7B是图7A的传感器***的侧面截面视图。

图7C是根据实施例的传感器***的平面视图。

图8A是根据实施例的传感器***的透视图。

图8B是图8A的传感器***的侧视图。

图9A是根据实施例的传感器***封装的透视图。

图9B是根据实施例的传感器***封装的透视图。

图10是根据实施例的传感器***的透视图。

虽然本发明能服从各种修改和可替换形式，但是其细节已经在附图中通过实例的方式被示出并且将被详细描述。然而，应当理解的是，意图并不是要将本发明限制到所描述的特定实施例。相反，意图是要涵盖落入本发明的如由所附权利要求限定的精神和范围之内的所有修改、等同物以及可替换方案。

具体实施方式

实施例涉及磁场角度传感器、***和方法。在实施例中，磁场角度传感器包括绕旋转轴可旋转的磁体以及被布置成离开该旋转轴（例如不和该旋转轴成一直线）但是贴近该旋转轴的至少一个磁场传感器元件。在实施例中，所述至少一个磁场传感器元件可以包括磁阻（XMR）传感器元件、霍尔效应传感器元件或某种其他磁场传感器元件。

参考图1，磁场角度感测***100的实施例被描绘在平面视图中。***100包括磁场源、诸如磁体110，并且包括至少一个传感器设备120。在实施例中，***100包括N＞1个传感器设备，诸如在如以下在本文中更详细地讨论的各种实施例中，N≥3或N≥5。尽管在图1的实施例中，所述至少一个传感器设备120被布置在大于磁体110的半径的径向距离处，但是在其他实施例中，（多个）传感器设备120可以被布置得比磁体110的半径更接近旋转轴。

磁体110是可绕旋转轴z旋转的，所述旋转轴z延伸到如图1中所描绘的页面中并且从如图1中所描绘的页面当中延伸出。在实施例中，磁体110关于z轴旋转对称，诸如在所描绘的实施例中那样。磁体110可以一般是圆柱形的，然而磁体110在其他实施例中可以包括盘、环面、截锥、球体、旋转椭球体或某种其他旋转对称的形状。在仍另外的实施例中，磁体110可以是非旋转对称的，并且包括例如块或其他形状，然而这样的实施例相对于其他实施例可能具有降低的准确度，尽管如此，这些实施例在一些情形或应用中可能是可接受的。在实施例中，磁体110被装配或以其他方式被贴到轴类件（在图1中未示出），使得它随之旋转，所述轴类件在实施例中可以是含铁的或非铁的，使得其磁导率μr的范围可以从约1到约100000。

磁体110在实施例中在直径上被磁化，诸如在图1中指示的方向上被磁化，所述方向随磁体110旋转。因此，由在一个实施例中这样被磁化的磁体110所感生的磁场可以通过下式来描述：

以及

其中幅度和可以具有不同的值和/或不同的符号，这取决于测试点的径向位置R和轴向位置z，该测试点是如图1中所图示的传感器设备120的位置。测试点的方位坐标（azimuthal coordinate）是。

更一般地，磁体110可以具有根据下式的磁化：

由此，是磁化矢量的幅值（magnitude），并且p是极对的整数数目而且可以是负的。对于p=1，这提供在x-方向上的直径磁化。这个类型的磁化可以被称为哈尔巴赫（Halbach）磁化，该哈尔巴赫磁化可以产生相对方位坐标具有正弦变化的磁场。如果周期小于360°，那么这些磁体仍可以用于具有较小的角度范围的角度传感器。例如，对于p=2，周期是180°，并且这样的磁体可以用于具有小于或等于180°的全范围的角度传感器。

至少一个传感器设备120在实施例中可以包括一个或多个磁阻（MR）传感器元件、霍尔效应传感器元件、或某些其他的合适的磁场传感器元件。在实施例中，传感器设备120包括至少一个强场MR传感器元件，并且在各种实施例中可以包括各向异性磁阻器（AMR）、巨磁阻器（GMR）、隧穿磁阻器（TMR，tunneling magnetroresistor）和/或超磁阻器（CMR，colossal magnetroresistor）。通常，MR是薄的结构，所述薄的结构具有两个横向尺寸，所述横向尺寸限定灵敏度平面并且比第三（厚度或深度）尺寸大得多。MR响应于磁场在这个灵敏度平面中的投影或分量，即面内场。“强场”MR是如下MR：针对所述MR，电阻是磁角度（即在面内磁场与平行于该灵敏度平面的参考方向之间的角度）的余弦的函数，并且独立于面内磁场（即磁场矢量到灵敏度平面上的投影，这可以通过从磁场矢量中减去垂直于该灵敏度平面的磁场分量而获得）的幅值，所述幅值至少在诸如约10mT到约200mT之类的宽范围中。相比之下，弱场MR是这样的MR：在所述MR中，如果所施加的磁场的方向恒定并且仅仅幅值改变，则电阻显著改变。

对于AMR，参考方向与通过磁阻器的电流流动的方向相同。因此，具有通过巴伯极（Barber pole）所限定的参考方向的AMR通过下式来建模：

其中h是小的，诸如在实施例中为约0.03，并且其中标示在矢量和之间的角度。是面内磁场。灵敏度平面平行于所有三个矢量。对于GMR、TMR和CMR，例如，参考方向由硬磁参考层中的磁化方向来限定，所述硬磁参考层还被称为钉扎层（pinned layer）或预磁化。具有参考方向的GMR和TMR可以通过下式来建模：

对于GMR，h通常是较小的数，诸如为约0.05；对于TMR，h较大，诸如在一个实施例中为约0.5。

也参考图2A，在实施例中，至少一个传感器设备120包括半桥电路200。半桥电路200包括两个MR元件210和220，所述两个MR元件210和220中的每个都具有钉扎层并且串联耦合在供给电压Vsupply与参考电压（诸如地）之间，从而形成分压器电路。MR元件210和220具有反平行的参考方向，即-x和+x，如图2A中所图示的那样。在本文中贯穿全文，如果参考传感器设备、诸如MR元件210和220，则相对于局部参考坐标系（x,y,z）描述灵敏度方向。不同的全局笛卡尔参考坐标系（x,y,z）或等同的全局圆柱参考坐标系（例如，R,Ψ,z）可以用于限定作用于磁场感测设备（例如MR元件210和220）的磁场分量和测试点的位置。

在一个实施例中，MR元件210和220是相同的或几乎相同，除了它们的参考方向以外在电和磁参数方面高度匹配。对此进行实现的一种方式是对于元件210和220而言要一起（例如同时地）根据相同的制造工艺和序列来制造。因此，在实施例中并且也参考图2B，在较大基底（例如硅或玻璃晶片或其他结构）的分离成型（singulation）之后，半桥电路200被布置在单个管芯230上。在一些实施例中，一个或多个附加的半桥电路和/或诸如前置放大器、接口电路或其他电路之类的其他元件也可以被布置在管芯230上。

在操作中，在串联耦合的元件210和220两端施加供给电压Vsupply，并且在元件210和220之间的公共节点处的电势被分接为输出电压Voutx：

然后，并且也参考包括半桥200和分压器202的图2C，进一步可能的是从Voutx中减去Vsupply/2：

被归一化的信号也可以被使用：

在实施例中，如果传感器***包括若干个半桥电路，则仅需要单个分压器（例如202）并且不需要位于任何特定的测试点处。被归一化的信号易于唯一地或毫无疑义地确定磁场角度的余弦，由此磁角度在上面已被限定为面内磁场与参考方向之间的角度。然而，被归一化的信号不易于唯一地或毫无疑义地确定磁角度，因为余弦的反函数在360度的完整转动（a full revolution）上并不是唯一的函数。在下文中，将示出如何组合在旋转轴周围的若干测试点处采样的信号，以便重构磁体的角度位置，尽管该角度一般不能从单独地在任何单个测试点处的信号中推断出。

然后，并且参考图2D，两个半桥200a和200b可以被组合以形成全桥电路201，针对该全桥电路201，Vx可以根据下式被确定：

再次，被归一化的信号也可以被使用：

。

全桥电路201相对单个半桥可以使输出电压加倍，但是还要求一般两倍的空间，并且给定：与针对例如图2A中的半桥电路200的单个输出相比，全桥201具有两个输出，即输出(+)和输出(-)，则该全桥电路201可能要求附加的布线或连接，以便被读出。全桥电路201的半桥200a和200b在实施例中被布置在相同的测试点处。利用如本领域技术人员所领会到的半桥电路可通过全桥来取代或替代的认知，在本文中一般地可以讨论半桥电路。

返回到图1，描绘了在单个测试点处的一个传感器设备120（例如，传感器设备120和磁体110关于轴z的相对布置），然而在实施例中在多个测试点处的多个传感器设备120被使用。例如，并且现在还参考图4A的传感器***400，在一个实施例中，使用至少三个测试点0、1和2，使得至少三个传感器设备120被实施。一般地将在本文中讨论如下的早先的（former）布置：在所述早先的布置中，传感器元件120被布置在每个测试点处（例如N是测试点的数目并且≥3，并且传感器***包括N=3个传感器元件120），如图4A中所描绘的那样，然而在其他实施例中可以使用其他布置。

在实施例中，还假定，在给定每个传感器设备120的MR元件210和220的小的大小的情况下并且考虑到元件210和220比磁体110小得多，在这些MR元件210和220处的磁场基本上是均质的。例如，在一个实施例中，元件210和220为约0.05mm²，而磁体110（在旋转轴z的方向上来查看）至少约500倍大（出于说明性目的，图4A并且在别处中的描绘不一定按比例）。换言之，在传感器设备120之间的间距显著大于在相同半桥的元件210、220之间的间距，使得半桥的两个元件210、220一般经历相同的磁场，而不同设备120的元件经历不同的场。尽管单个半桥的元件210、220之间的小间距可能导致那些元件经历稍微不同的场，但是任何结果产生的角度误差可以被解决。

在实施例中，所述多个传感器元件120关于z-轴相等地和/或均匀地间隔开，例如以360°/N间隔开，并且每个测试点的径向距离（例如在旋转轴z和测试点之间的距离）近似相等。因此，在包括三个传感器元件120_0、120_1和120_2的实施例中，在与旋转轴同心的读取圆（reading circle）上，传感器元件围绕z-轴近似每隔120°地被布置。这样的配置被描绘在图4A中。在实施例中，读取圆的直径被定大小（size）来使得该旋转轴并没有跨越（cross）传感器元件120_0、120_1和120_2的任何管芯；换言之，测试点被布置在其上的读取圆的直径大于磁体110的直径。在其他实施例中，测试点可能在磁体110的外直径之内，然而仍被布置在足以不妨碍在旋转轴处的以及磁体110被装配到其的轴类件的径向距离处。换言之，传感器元件120_0、120_1和120_2一般仍然是如与同轴（on-axis）传感器元件相对的离轴传感器元件。

此外，在实施例中，测试点0、1和2被布置在垂直于旋转轴z的平面中。该平面在圆柱参考坐标系的情况下是-平面，或在笛卡尔坐标系的情况下是(x,y)-平面。

另外，在实施例中，传感器***400计算有限个和（finite sums），诸如：

其中是在等距的方位角处采样的信号，并且索引a标示MR的参考方向。一般而言，这是具有复数值加权因子的线性组合，其中j是虚数单位。它也可以被视为N个采样数据的复数值离散傅里叶变换。不是单个复数值的和，而是可以使用两个实数值的和的集合：

和

在其中使用大量测试点的实施例中，这收敛于积分，该积分可以通过许多求积分方案（例如辛普森法则（Simpson's rule）或高斯求积（Gaussquadrature）及其他）中的一个而在数值上被计算。例如，可以选择具有非等距的样本点的求积分方案，使得：在实施例中，***400中的测试点不需要是等距的（尽管它们在一些实施例中将是或可能是等距的，因为有规则地间隔的测试点可以改善***的准确度，包括在必要的计算或其他努力方面进行改善）。另外，可以使用函数，其一般被限定为：

由此，2π的整数倍相加直到结果在区间[0弧度，2π弧度）或[0°，360°）中。它相当于在和之间的角度。

因此，在***400中，每个测试点0、1和2都包括具有平行于-平面的参考方向的半桥200_0、200_1和200_2。在实施例中，参考方向可以与或相同。N=3个测试点被布置在方位角位置处，如所描绘的那样。在操作中，***400对从具有参考方向的半桥200_0、200_1和200_2中导出的信号（）进行采样。

在实施例中，本文中所讨论的采样、确定和计算可以通过形成半桥200_0、200_1和200_2的部分或以其他方式耦合到半桥200_0、200_1和200_2的控制或其他电路来实现。在图3A中描绘了一个实施例，其中电路410是***400的部分并且耦合到至少一个传感器设备120_0、120_1和120_n，然而在实施例中，在***400中可以实施更多或更少的传感器设备和/或半桥或其他传感器电路。电路410可以包括控制、评估、信号调节（signalconditioning）和/或其他电路，并且可以是专用的传感器***电路，或者它可以包括另一***或部件（例如在汽车或其他应用中的电子控制单元ECU）的部分。***400可以被布置在多个管芯或封装上，或被布置在多个管芯或封装中，并且各种部件（不是其全部都被描绘在图3A的简化框图中）可以电气地、通信地、和/或操作地（operatively）与另一组件耦合，如对于任何给定的应用或实施方式而言合适或适当的那样，因为本领域技术人员将领会到这些布置将变化。

在实施例中，电路410可以（在一实施例中同时地）对N个信号进行采样。因此，电路410可以包括具有采样保持电路的N个输入通道。一旦对N个信号进行了采样，电路410就可以立即处理这些信号，或者可以保持这些信号以用于处理，直到例如当N个信号被再次采样时的下一时钟循环为止。如果***资源是有限的，则还可能的是连续地对N个信号进行采样，诸如以如下采样顺序进行采样：所述采样顺序在实施例中是顺时针的、逆时针的或根据某种其他非任意方案，例如在一个实施例中在磁体的旋转方向上。

在前面提及的采样之后，电路410可以计算下式，这是复数的和，但是也可以被视为在实数值的数上的两个和的简写（short-hand）：

（n=0,1,…,N-1），其中虚数单位。这个离散傅里叶变换的基频表示磁体110的场的主导部分，而均值（n=0）以及更高次谐波（n＞1）由非理想因素引起，所述非理想因素诸如是背景磁干扰、磁体110或传感器200相对旋转轴的偏心装配、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）和其他因素。因此，传感器***400一般仅仅计算基频，由此其实部和虚部的比根据下式提供了磁体100的所估计的旋转位置的正切：

此处，有上标符号的角度标示角度的估计；因此它们可能包含角度误差。相反地，没有上标符号的角度标示确切的几何角度。

换言之，电路410可以被配置成通过组合来自传感器设备的如下信号而估计磁体110的角度位置：所述信号与由磁体110所感生的和由半桥电路200所感测的磁场有关。从而，每个传感器设备的信号都可以唯一地和/或毫无疑义地确定在传感器设备的位置处的磁角度的余弦。来自所述多个传感器设备的信号的组合包括对于（over）这些信号的两个实数值的加权求和，由此第一和的权重与相应传感器单元的方位角位置的正弦成比例，并且第二和的权重与相应传感器单元的方位角位置的余弦成比例。此外，所述组合也包括关于两个和的运算（在上面）。

也参考图3B，传感器设备可以包括半桥电路、例如GMR半桥电路，该半桥电路具有如在上面所讨论的输出电压。电路410可以接收该信号，并且在实施例中在确定来自所述多个半桥电路或其他传感器设备的信号的和并且最终确定磁体的角度位置之前执行至少一个预调节操作。在一个实施例中，电路410首先可以减去Vsupply/2，以减少或去除半桥输出的大的共模电压。在实践中，仍可能有某种小偏移存在，该偏移由任何半桥中的MR之间的失配引起。在实施例中，电路410可以包括存储器，在该存储器中将存储该偏移，或者该偏移可以在操作中被确定，例如在磁体的一个或多个转动之后，简单地通过取最大和最小输出电压的均值来确定。因此，偏移可以被识别并且从该信号中被减去。

信号的幅度是h*Vsupply，其中项“h”受制于过程散布（process-spread）和部分到部分失配（part-to-part-mismatch）。该项也经常被存储在存储器中，或在先前的转动期间被观察（即简单地通过根据所有传感器单元的输出信号计算最大减最小输出电压）。结果，电路410可以将所有信号从幅度h*Vsupply归一化到1。此外，半桥的参考方向受制于公差，这些公差可能当在生产中使MR的钉扎层磁化时由未对准误差引起，但是它们也可能由在旋转轴周围的传感器管芯的放置公差引起。传感器***也可以从先前的离线或在线校准运行中知道这些组装误差，并且相应地操纵这些信号。

最后，电路410得出被归一化的信号的集合。和然后可以利用这些被归一化的信号来计算。

图4A中的***400包括N=3个测试点，然而其他实施例可能包括更多的或更少的测试点。例如，一些实施例可以包括偶数数目的测试点，如例如在图4B中所描绘的那样，并且在这些实施例中，两个在直径上相对的半桥200a和200b可以在***401中被归成一组，并且在其之间的输出电压的差被分接。除了半桥电路200a和200b为不同的位置以外，这类似于全桥电路配置（例如参考图2D）。

图4B还描绘了针对半桥电路200a和200b的不同参考方向。此处，参考方向平行和反平行于正切方向，而在图4A中，它平行和反平行于径向方向。在实施例中，参考方向可以是任意的，并且针对所有的传感器设备，它还可以与图4B中的x轴对准。比较图4A和4B，传感器设备具有参考方向和。由于等式，所以图4A中的传感器单元的被归一化的信号与磁角度的余弦成比例，而图4B中的传感器单元的被归一化的信号与磁角度的正弦成比例。因此，传感器设备的与磁角度的正弦或余弦成比例的被归一化的信号可以被使用，换言之，传感器单元的被归一化的信号与磁角度的正弦（余弦）成比例。

另一实施例包括AMR。图4C描绘了一种布置，该布置在方位角位置和处具有两个AMR半桥电路200a和200b。AMR没有钉扎磁化（pinned magnetization），并且其参考方向通过电流流动的方向（其经常由巴伯极限定）来确定。由于AMR的电阻并不取决于电流的极性，所以这在图4C中通过使用双向黑箭头来被标示。输出电压通过下式给出：

二者的差除以给出被归一化的信号

如果这些信号在方位角位置（其中m=0,1,…N-1）处的N个测试点处被采样，则该***可以确定离散傅里叶变换，其中针对N=3为一次和二次谐波（n=1,2）并且针对N＞4为二次谐波和（N-2）次谐波（n=2和N-2）承载关于磁体110的旋转位置的信息，而所有其他谐波仅仅因为***瑕疵而出现，所述***瑕疵比如径向和方位场（azimuthal field）的不同幅度、组装公差和背景磁干扰。针对N≠4，磁体的旋转角度通过下式给出：

。

因此，GMR、TMR和CMR半桥包括具有其针扎层的反平行参考方向的MR，而AMR半桥包括具有由电流流动方向所限定的正交参考方向的MR。GMR、TMR和CMR半桥的输出信号取决于磁角度的余弦或正弦，而AMR半桥的输出信号取决于磁角度的余弦或正弦的平方。在这两种情形中，角度传感器***经由离散傅里叶变换或对传感器单元的信号的其他合适的计算或处理而估计磁体的旋转位置，不过在GMR、TMR和CMR（即具有针扎层的那些MR）的情况下，它使用基频n=1，而在AMR（即没有针扎层的MR）的情况下，它使用二次谐波频率n=2。二次谐波仅在180°的角度范围中是唯一的，使得在没有对***的进一步修改的情况下，AMR离轴角度传感器不能在磁体的旋转位置和之间进行区分，然而这在实施例和应用中可以被酌情考虑。

如果传感器***的实施例在N个方位角位置处具有N个半桥，其具有输出电压（），那么可能的是跨例如相邻的半桥而分接电压：

这提供了N-1个差分电压。第N个电压可以被认为与绝对点（并且没有一个其他半桥输出）有关，以便具有N个线性独立的等式。可替换地，该传感器***可以包括位于另外的位置处的附加的半桥，所有其他半桥输出被认为与所述附加的半桥有关。例如，如果假定半桥#N是该另外的参考桥，则该传感器***可以分接N个差分电压，由此半桥#0到#（N-1）在规则的位置到上，并且所述另外的参考桥处于不同于所有其他位置的位置处。因此，在一个实施例中，所有(N+1)个桥必须处于不同的位置处。如先前所提及的那样，在实施例中可以有利的是使N个桥被布置在规则网格（）上，使得所述另外的参考桥可以被布置在离开网格的（off-grid）不规则的位置处。

如果不存在干扰磁场，并且如果和的幅值相同，则这样的传感器***针对N≥3可以具有零角度误差。不过，针对任意磁体110以及读取圆的任意位置，和的幅值不同，并且即使读取圆被仔细布置为使得这两个磁场幅值名义上相同，它们也可能由于组装公差和生产散布（production spread）而稍微不同。在这些情况下，角度误差可能随着更大的N而减小，但不是单调地减小。例如，在N=4的情况下的***通常将比在N=3的情况下的***具有更大的角度误差。此外，在N=6的情况下的***可以具有与针对N=3的***相同的误差，然而在N=5的情况下的***可以具有甚至更小的角度误差。一般地，具有奇数N的***可以具有较低的角度误差。在N=2*i+1的情况下的***可以具有与在N=4*i+2的情况下的***相同的角度误差。角度误差还可以取决于和的幅值的比不同于1到什么程度。

传感器***500的另一实施例在图5A中被描绘。在***500中，磁体110包括环形磁体，所述环形磁体被装配或以其他方式被固定到轴类件130，使得磁体110在操作中随轴类件130旋转。z旋转轴与轴类件130的中心对准。磁体110在直径上被磁化，如通过图5A中的箭头所图示的那样。描绘了两个传感器设备120_0和120_1，这两个传感器设备120_0和120_1被布置成在直径上与彼此相对并且具有同心读取圆的直径。可以包括附加的传感器设备120_n，然而该附加的传感器设备120_n在图5A中没有被描绘或不可见。

例如，图5B包括三个传感器设备230_0、230_1和230_2。具有奇数N（在其中每个处布置传感器设备120的测试点的数目）的实施例可以更高效。在许多应用中，N=3可以是足够准确的，并且具有充分的背景场抑制。N=5可以比N=3更好，并且N=6可以类似于N=3。N=10可以类似于N=5。N=4与N=3或N=5相比可能一般较不准确。通常，可以根据特定的应用和/或期望的性能特性来选择N。

传感器设备120_0和120_1（图5A，然而对于其他实施例、例如图5B，可以同样如此）与磁体110间隔开垂直的（如在图5A中的页面上所布置的，并且其定向在实施例中可以变化）距离vs。每个传感器设备120_0和120_1（图5B中的230_1、230_2和230_3）包括具有参考方向和的两个半桥（不可见），这两个半桥中的每个都与平面平行，并且其中在实施例中在那之间的角度不是0°或180°（因此和不共线）。在一个实施例中，和垂直并且对应于和，这将在该实例讨论中被假定，但是在其他实施例中可以变化。***500在实施例中在方位角位置处具有N个测试点：

。

在操作中，***（例如500或501）对从具有参考方向和的半桥导出的信号和（）进行采样（例如通过与图3中的电路410类似的控制电路进行采样）。然后，该***计算和（），其中虚数单位。

如果传感器设备如在图5B中所描绘的那样使用具有钉扎层的MR（例如GMR、TMR和/或CMR），则基频和（n=1）表示磁体110的场的主导部分，该主导部分包括关于该磁体的旋转位置的信息，而均值（n=0）以及更高次谐波（n＞1）由非理想因素引起，所述非理想因素比如背景磁干扰、磁体或传感器相对旋转轴的偏心装配、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）和其他因素。在实施例中，是的共轭，这意味着二者包含关于磁体的旋转位置的相同信息并且因此可以使用任何一个。如果传感器设备如在图5C中所描绘的那样使用没有钉扎层的MR（例如AMR），则二次谐波和（n=2）表示磁体110的场的主导部分。因此，在具有钉扎层MR的实施例中，传感器***仅仅需要计算基频，由此其实部和虚部的比给出磁体的所估计的旋转位置的正切：

和

在不存在角度误差的情况下，并且针对和以及和，认为：

且，（）。

然后，该***可以根据下式来计算两个角度的经过预调节的平均值（即向传感器设备的角度输出加上或减去360度的整数倍，直到当在顺时针方向上查看时所有的值要么上升要么下降为止）：

如果，那么向加上360°，

经过预调节的平均值与单个传感器设备的单个值相比可以是更准确的，因为它可以减少或消除与和幅度的不同幅值有关的误差，减少或消除与组装公差有关的误差，和/或减少或消除干扰磁场。这些整数可以包括零和负整数，即，该值并不改变，或者加法也可以是减法。

对于传感器值的分配存在许多可能性。例如，如果在0°、90°、180°和270°处存在N=4个传感器，并且每个传感器被定位成使得x-轴同样地对准，则这些传感器会在磁体的5°位置处输出以下角度值：5°、95°、185°和275°。如果90°传感器绕其自己的轴旋转90°，180°传感器绕其自己的轴旋转180°，且270°传感器绕其自己的轴旋转270°，则这些传感器会输出以下值：5°、5°、5°和5°。会要求仅四个输出值，而不需要将这些值布置成升序。

在一实施例中，这些传感器可能被定位在周长处，在那里为了标准化，传感器均等地对准，例如沿着x-轴对准。如果磁体被旋转至0°，那么这些传感器然后可能提供分别为0°、91°、179°和270.3°的输出值，因为这些传感器没有精确地对准或者具有微小的缺点。用这些相应的偏移可以对每个传感器进行编程，即，第一传感器从其输出值减去0°，第二传感器从其输出值减去91°，第三传感器从其输出值减去179°，并且第四传感器从其输出值减去270.3°。当磁体在0°位置中时，这些传感器输出值中的每个都是0°。如果磁体被转向例如70°，那么这些传感器中的每个都提供为70°的输出值。于是，这对于基于这些值来执行计算的ECU而言是更容易的，因为ECU可以对于所有输出值取平均值。

为了良好地抑制背景磁干扰，和应当尽可能相似（在实施例中，理想地=），并且具有相同的符号。对于圆柱形或环状磁体，这意味着所有测试点位于其中并且垂直于旋转轴z的平面不同于磁体110的对称平面；换言之，它在轴向方向上移位，使得测试点位于磁体110上方或下方，如在图5A中所描绘的那样。因此，在对应于***500的实例实施例中，磁体110包括环形磁体，所述环形磁体具有约5mm的内直径、约15mm的外直径以及约3mm的（例如，如在图5A中在z方向上的）厚度。测试点0和1处于在磁体110下方的vs=约1.5mm处。如果轴类件130是非铁的（例如其相对磁导率接近1），则读取圆具有为约17.4mm的直径，并且如果轴类件130是含铁的（例如其相对磁导率大于约1000），则读取圆可以具有不同的直径。和的符号可以相同，以用于良好地抑制背景磁场和干扰，其中径向测试位置0和1在磁体110的外直径之外，如所描绘的那样。

在图5B中描绘了***501的实施例，所述***501包括具有钉扎层的MR并且其中N=3而且针对和以及和。***501在如下读取圆上包括在约120°的规则方位间距处的三个测试点0、1和2：所述读取圆与直径上被磁化的磁体110的旋转轴z同心。每个测试点0、1、2分别包括传感器设备120_0、120_1、120_2，这些传感器设备中的每个都包括具有如由在每个MR元件上或与每个MR元件邻近的箭头所图示的不同参考方向的至少两个半桥。在其中使用并不包括钉扎层的AMR的实施例中，这两个参考方向例如意味着第一半桥的AMR具有平行于和的参考方向，而第二半桥的AMR具有平行于如图5C中所示的和的参考方向。

在图5B和5C的实例实施例中，相邻测试点（例如0和1、1和2、2和0）的参考方向也旋转约120°，然而这不需要在每个实施例中都是这种情况，因为它们还可以是相同的（例如，不是如所描绘的R-和参考方向，而是***501还可以对于所有测试点使用相同的全局x-和y-参考方向）。这是因为由任何两个参考方向所给出的信号可以被重新计算成等同的任何其他的参考方向集合。在一个实施例中，在每个测试点0、1、2处的两个MR半桥被分别布置在单个管芯230_0、230_1和230_2上。这可以减少或最小化生产成本、管芯的总面积以及管芯的装配公差（即，因为如果两个MR半桥被制造在单个管芯上，则这两个MR半桥的相对位置可以准确直到微米级，而如果使用用于组装微电子电路的标准和经济的拾取和放置（pick-and-place）以及标准的管芯附着（die-attach）方法，则两个管芯的相对位置通常在50…150μm的数量级）。对于具有参考方向和的有钉扎层的MR，在方位角位置处的信号是：

因而在的情况下，根据第一算法，***501可以计算，例如针对N=3：

从其中可以以若干方式获得旋转角度，例如：

或

或根据如先前所讨论的：

如果，那么向加上360°，并且

对于且以及消没的干扰场，可以针对磁体的各种角度位置获得表1中所示的信号。

表1

可替换地，在其他实施例中，图5B的***501可以使用另一方法和/或算法来导出磁体100的旋转位置。例如，***501可以确定针对的磁角度。这个方法的优点是，测试点可以具有规则的或不规则的间距。在这样的实施例中，针对和，传感器***可以确定下式：

（）。如此处可以看到的那样，每个测试点处的传感器设备120对磁角度（并且不仅仅其正弦（余弦））进行采样，并且减去其方位角位置，以获得粗略的角度估计。将此与***501（以及例如下面讨论的***400和600）进行对比，在该***501中，仅仅根据N个测试点的组合确定角度估计。

然后，该***可以预调节N个角度，以获得单调上升或下降的数序列：

如果，那么

否则如果，那么

否则不改变

“单调地”意味着该数序列以不变的方式上升或下降。在实施例中，可以使用除了180°之外的角度，例如在90°到270°之间的或在45°到315°之间的角度，然而在具有180°的实施例中，关于无偏统计角度误差（即，既没有正的也没有负的角度误差占优势）的确定的鲁棒性可以被最大化。存在两种可能性：（i）这是针对m=0以及完成的，或（ii）这是针对m=l-1以及完成的。换言之，预调节的目标是要避免粗略角度估计中的一些位于0°附近，而其他位于360°附近，因此预调节向0°附近的值加上360°或它从360°附近的值减去360°。

最后，该***根据下式来确定所有经过预调节的角度估计的平均值：

。

该途径一般可以与任何种类的磁角度传感器一起被使用。因此，该传感器设备可以使用两个（或更多）包括MR的半桥电路，诸如在图5B中所示出的那样，不过它也可以使用不同的传感器技术，包括垂直霍尔设备，以在传感器设备的相应测试点处测量磁角度。这样的***501的实例在图5D中被示出。每个测试点设备都包括沿着不共面的（诸如正交的，例如，如由图5D中的黑箭头图示的径向的和方位角的）两个方向对面内磁场敏感的两个垂直霍尔效应设备。可以使用每设备具有三个、四个、五个或甚至更多接触部（contact）的垂直霍尔设备，并且图5D仅仅作为实例而示出三接触部的设备。该图并不是按比例的，并且在实践中可能有利的是使得垂直霍尔效应设备尽可能小，并且将它们布置得尽可能靠近在一起。此外，在实施例中可以使用针对霍尔设备的共质心布局（common centroid layout）。

在两个正交的垂直霍尔效应设备的情况下，于是传感器设备对分量和进行采样，所述分量和包括与信号和相同的关于磁角度的信息，所述信号和由如在上面所讨论的具有带钉扎层的MR的两个正交半桥电路来检测到。磁角度是在矢量和参考方向（例如）之间的角度，该角度与在矢量和相同参考方向之间的角度相同。

通常，并且如在其他实施例中那样，如果和具有相同的符号，则该***可以被优化。对于圆柱形磁体，这可以在比磁体的外直径的一半更大的径向距离处实现。如果，则实现背景磁场的最佳抑制。对于圆柱形磁体，这在实施例中可以在比磁体的外直径的一半稍微更大的径向距离处和略微在磁体上方或下方的轴向位置处实现。

根据图5B、5C和5D的传感器***（以及一般地使用对磁角度并且不仅其正弦（余弦）进行测量的传感器设备的其他传感器***）也可以使用稍微不同的方法来确定磁体的旋转位置。图5D中的传感器设备230_0例如位于方位角位置处，在该方位角位置，它测量分量和，这些分量可以被视为指示器（pointer）的第一和第二坐标，所述指示器具有在该指示器和沿着第一坐标的方向的单位矢量之间的磁角度（其中是标准正交矢量（ortho-normal vector））。第二传感器设备230_1位于方位角位置处并且因此其磁角度是。因此，如果幅度和相同，则在第二传感器设备230_1处的指示器对着第一传感器设备230_0的指示器仅仅旋转120°。即使，该***也可以执行坐标旋转，以将第二传感器设备230_1的指示器转回到在第一传感器设备230_0的指示器附近：

这样，该***可以继续进行所有传感器设备的信号。对于在方位角位置处的第m个传感器设备，该***通过如下的矩阵乘法来变换其信号：

其是具有恒定系数的两个实数值线性方程的简单集合。该变换也可以被视为预调节过程。在实施例中可以有利的是，在该矩阵乘法之前根据 而使信号归一化。接下来，该***将所有指示器加起来：

由此，该求和也可以被视为取平均值过程乘以N（由此，该标量数N在角度确定的上下文中是不相关的）。最后，磁体的旋转位置作为在该指示器与沿着第一坐标的方向的单位矢量之间的角度被给出。因此，该算法并不计算通过N个传感器单元所采样的磁角度的经过预调节的平均值；而是该算法将在每个传感器设备处的磁指示器变换成经变换的角度位置（该经变换的角度位置可以与第一传感器设备的角度位置相同，但是一般地可以选择任何角度位置），将这些经变换的指示器加起来并且确定该指示器与参考方向的角度。该途径的优点是，所述变换可能要求较少的计算能力，并且该***需要执行反正切计算仅一次。这可以使计算加速，使用较少的功率并且需要较小的芯片面积。

在图6A中描绘了另一***600。***600包括在两个同心读取圆上的测试点。较大的和较小的圆可以在相同的平面上，如所描绘的那样，或在不同的平面上（即不同的z位置），并且可以比磁体110的直径更大或更小（或一个更大，而一个更小）。为了改善对背景磁场的抑制，在一个实施例中，和的符号在一个读取圆上是相同的，并且在另一个读取圆上是不同的。在每个读取圆上的每个测试点处（在***600中，对于每个读取圆，N=3，然而在其他实施例中在每个圆上可以存在不同数目的测试点），布置具有与平面平行并且与相同的参考方向的半桥。在一些实施例中，读取圆上的参考方向不同。因此，在每个读取圆上，***600在方位角位置处具有N个测试点。在其他实施例中，如所提及的那样，N对于每个读取圆是不同的，并且对于每个读取圆可以不同。例如，如果针对两个读取圆上的测试点的半桥电路位于相同的管芯上，则这可以是有利的，因为那么在两个测试点之间的方向可以对着径向方向倾斜，以便使该间距与所要求的读取半径的差匹配。

这在图6B中针对一个实施例示出，在该实施例中，在单个管芯230上的两个测试点之间的方向倾斜，使得它与较小的读取圆相切。确切的切线对准是不必要的，并且事实上在管芯上的两个测试点之间的直线也可以相对于切线方向具有任意角度。在***601中，从第一和第二读取圆上的半桥导出的信号和（）被采样。***601然后确定和（），其中虚数单位。基频和表示磁体110的场的主导部分，而均值（n=0）以及更高次谐波（n＞1）由非理想因素引起，所述非理想因素比如背景磁干扰、磁体或传感器相对旋转轴的偏心装配、传感器误差、磁体误差（例如与空间正弦场的偏差）和其他因素。因此，***601确定基频，由此其实部和虚部的比给出磁体110的所估计的旋转位置的正切：

和

然后，***601可以根据以下内容确定两个角度的经过预调节的平均值：

如果，则向加上360°

那么

在其他实施例中所提及的可以变化的特性也可以应用于***601的实施例（例如每个圆上的测试点的数目，读取圆相对于彼此和磁体110的相对直径，等等）。为了良好地抑制背景磁干扰，以下表达式不得不满足两个要求（即，它在两个读取圆上应当具有相等的幅值和相反的符号）：

在两个读取圆上可以具有相等的幅值和相反的符号。

在其中N=7的***601的一个实例实施例中，如果在第二读取半径上要求比，则（索引1标示“在读取圆#1上”）并且（索引1和2标示“分别在读取圆#1和#2上”，而不管哪一个较大或较小，只要维持一致即可）。对于为的10%的干扰，角度误差是约0.1°。

在图7A和7B中描绘了又一实施例，其中环形磁体110耦合到贯穿轴类件130并且相对于轴类件130穿过的印刷电路或部件板140而被布置。在图7A和7B中，如在本文一般地，相似的参考数字用于指代相似的元件或特征，然而各种实施例中的相似的元件或特征仍可以以如所描绘或讨论的一种或多种方式而与另一个不同。三个传感器设备120_1、120_2和120_3被布置在与轴类件130同心的读取圆（未描绘）上。还描绘了电路410，该电路410操作地与传感器设备120_1、120_2和120_3耦合，例如在一个实施例中通过在板140的顶部和/或底部上的铜迹线来耦合，并且在实施例中，该电路410可以包括控制、评估、信号调节和/或其他电路，以便接收并处理来自传感器设备120_1、120_2和120_3的信号，而且确定或获得与磁体110有关的旋转位置或角度的估计。

传感器设备120_1、120_2和120_3在实施例中可以包括被布置在板140上的小管芯（例如管芯230），诸如在一个实例中在约0.5mm乘约0.5mm乘约0.2mm的数量级，然而这些尺寸在其他实施例中可以变化。如所描绘的那样，每个传感器设备120_1、120_2和120_3的边缘一般与轴类件130的径向和方位角方向对准，并且在处于与轴类件130垂直的平面中的板140上与轴类件130等距地间隔开。在一个实施例中，其上布置了传感器设备120_1、120_2和120_3的读取圆的直径具有为约17.4mm的直径。

磁体110在直径方向上均质地磁化。在一个实施例中，磁体110具有为约6mm的内直径（该内直径例如基本上等于轴类件130的直径）、为约15mm的外直径以及为约3mm的厚度或深度。尽管其材料可以变化，但是它在一个实施例中可以包括具为有约220mT的剩磁的硬铁氧体。

板140包括中心孔或开孔（aperture）150，以容纳轴类件130连同准许轴类件130自由旋转的某种合理的间隙。在实施例中，开孔150包括向内延伸的部分，以使得板能够相对于轴类件130被装配，而不必从轴类件130的端部套下去（pull over）。通常，开孔150的宽度大于轴类件130的直径，但是小于在例如传感器设备120_2和120_3之间的距离。在实施例中，该宽度不需要在开孔150的所有部分处都是相同的，并且在其他实施例中，可以实施其他形状和布置。

所描绘的各种部件（例如传感器设备120_1、120_2和120_3、电路410）以及***700的其他部件或***700中的其他部件可以常规地被装配到板140（即，以其中它们的耦合到板140的背侧或后侧来装配到板140），并且可以通过诸如钉接合或楔形接合之类的线接合在板140上进行元件与迹线之间的电连接，而且接合线和管芯中的一个或多个可以覆盖有模制化合物（mold compound）或某种其他材料或结构，以用于保护。在其他接合中，（例如传感器设备120_1、120_2和120_3、电路410的）管芯可以以它们的与板140相对的前侧被倒装芯片式地装配，其中然后经由焊料或其他***物、球或底部填充（underfill）而在每个管芯的前侧和板140之间进行电连接。管芯然后再次可以被保护性的模制化合物或其他材料或结构覆盖。

在实施例中，每个传感器设备120_1、120_2、120_3都包括至少一个半桥电路，诸如在图4A、4C、5A、5B和/或6A中所描绘的以及参考图4A、4C、5A、5B和/或6A所讨论的那些中的任何一个或者某种其他布置或配置。用于耦合传感器设备120_1、120_2、120_3、电路410和板410以及其他元件的布线和迹线可以取决于所实施的特定实施例。例如，如果传感器设备120_1、120_2、120_3包括与图4A的那些相似的半桥（这是比其他可能的布置更简单的布置），则每个传感器设备120_1、120_2、120_3通常将需要三条线：两个供给端子和一个信号端子。其他半桥配置可能需要附加的耦合，诸如针对图5A、5B和/或6A或其他需要每传感器设备120_1、120_2、120_3四条线（即两个信号端子和两个供给端子）。在实施例中，所有线被布置在板140的与传感器管芯相同的一侧上。在一个实施例中，传感器设备120_1和/或电路410可以包括单个管芯或封装，使得在***中给定较少元件的情况下可以减少布线。

在另一实施例中，电路410和传感器设备120_1的管芯可以堆叠，其中总有一个被倒装芯片式地装配在另一个上。通常，实际上任何配置都是可能的，然而在任何情况下都应当注意维持传感器设备120_1、120_2、120_3的一致的位置（例如相同的z位置）。如先前所提及的那样，一般有利的是使传感器设备120_1、120_2、120_3是相同的，因此在一个实施例中，它们的管芯从相同的晶片被分离成型，以维持一致的厚度、制造公差和其他因素，所述厚度、制造公差和其他因素如果因传感器而异则可能将不一致、不规则或误差引入到***700中。

在这个实施例和其它实施例中，另一考虑可以是用以耦合传感器设备120和电路410的线的长度。特别是如果信号为低的（例如在小于毫伏或微安的数量级），则较长的线可能易受干扰损坏，所述干扰诸如热EMF、热噪声和其他噪声和/或电磁干扰。因此，在实施例中，传感器元件可以被选择来对此进行补偿或避免，并且输出足够强的信号，或者可以添加信号调节电路。因此，在实施例中，TMR传感器设备被使用，因为它们可以提供大的信号摆幅（例如其供给电压的约50%）。每个TMR传感器设备管芯的大小可以被最小化，以降低成本，例如在横向上约250微米的数量级，这仍可以在该管芯上容纳多个半桥。管芯的材料也可以被选择，以降低成本；例如，在实施例中可以使用玻璃或某种其他合适的材料。在实施例中可以选择或定制与将使用的传感器元件的类型、特定应用的需求或某种其他因素有关的其他特性和配置，如本领域技术人员所领会到的那样。

在又一实施例中，板140可以被翻转或被反转，使得传感器设备120_1、120_2、120_3和电路410被保护免受移动的磁体110影响。在这样的实施例中，附加的中间板可以被添加到***700；虽然这可能增加在传感器设备120_1、120_2、120_3和磁体110之间的距离，但是它可以增强可靠性，从而保护传感器设备120_1、120_2、120_3和电路410免受任何误动作影响，所述误动作可能引起磁体110撞击板140和其上的元件或以其他方式与板140和其上的元件碰撞。

传感器的数目在***700的实施例中可以变化。参考图7C，***701的实施例包括五个传感器设备120_1、120_2、120_3、120_4和120_5。在具有更多传感器的实施例中，开孔150的大小或其他特性可能需要被调整，以便使传感器相对于那里和其他传感器而被布置。例如，在图7C中，在传感器设备120_3或120_4与开孔150的边缘之间的最小距离是约0.65mm，而开孔150本身为约8mm宽。在其中大小和间距由于一个因素或另一个因素而更加关键的一些实施例中，传感器的大小可以被调整。例如，它们可以被制作得更小，例如在一个实例中为约0.25mm乘约0.25mm乘约0.2mm。

比如图7A-7C的那些的、包括三个或五个传感器设备120的实施例相对于以下内容可能是有利的：在低的角度误差以及对抗背景磁场和干扰的鲁棒性方面是高效的，而同时具有最小数目的传感器（这可以降低成本），并且与板和开孔几何结构相兼容，以便于组装。

在诸如图8中描绘的实施例之类的实施例中，组装可能更加复杂，其中传感器设备120（在***800中N=6）相对于磁体110的中面被布置，而不是被布置在它上方或下方。在这样的实施例中，可能对于开孔不可能被制得足够大，以使得磁体110（或至少轴类件130）能穿过其，而同时在板140上维持足够的空间和区域，以用于将被布置的各种***部件。因此，在比如图8的那些的实施例中，板140可以通过越过（pass over）轴类件130的端部而相对于轴类件130被装配。在这样的实施例中，开孔150可以在板140中包括足以容纳板140和磁体110而不延伸到板140的侧面的简单的孔（simple hole）。

在又一实施例中，可以提供如在图9A和9B中所描绘的单个传感器“封装”900，其中提供所有期望的传感器元件和到板的布线，这可以取代用于塑料包封的封装的普通引线框架。封装900可以包括板140，所述板140具有合适的互连迹线、传感器120和电路410以及端子910，其可以不同于图9中所示的实例。模制化合物可以覆盖封装900中的各种部件，并且开孔150可以被提供来容纳磁体110和130（图9B）。当由例如如与模块制造商相对的半导体制造商实现封装900时，该封装900可以提供传感器120相对于彼此的更准确的和更好的放置。封装900可以被认为是PCB封装，因为它包括装配在如下板上的若干管芯：所述板把管芯固定就位并且为操作提供电耦合。封装900的特定设计（例如具有开孔150）可以针对特定的磁体、轴类件配置、应用或其他因素而被定制。例如，封装900可以包括与图7A中所描绘的开孔相同或相似的开孔，如果它导致封装900的总体较小的大小，则该封装可以是较不昂贵的，否则其可能相当大，以便容纳磁体和轴类件。

在这个实施例或另一实施例中，磁体110的配置还可以改变。例如，在图10的***1000中，磁体110包括被布置在磁体110的顶部和底部上的板片（plate）160。板片160在图10的实施例中具有比磁体110更大的直径，但是在其他实施例中可以是与之相同的大小或更小，并且在实施例中可以包括含铁的或非铁的材料。在含铁的实施例中，板片160可以起到磁“镜”的作用，从而增大磁体110所生成的磁场。板片160还可以简单地保护传感器管芯或其他部件免受环境影响。轴类件130也可以是含铁的或非铁的，而不管板片160如何。

不管传感器***配置如何，在实施例中和在操作中，电路410或耦合到传感器***的其他电路可以将由每个传感器元件所估计的磁角度进行比较。这可以被完成，以例如检测影响传感器中的一个或多个的显著误差（例如，如果数据通信由于EMC干扰或断开的线而已是错误的，或者如果单个传感器设备已有缺陷，或者如果磁体脱离轴类件或裂成碎片，以及其他）。因此，该电路可以根据在上面概述的方案来计算“最佳猜测”角度值，并且在随后的步骤中将所有磁角度与这个最佳猜测进行比较。如果差大于例如45°，则该电路可以识别，相应的传感器设备或与该传感器单元的通信有错误。然后，该电路可以用信号通知该错误。该电路还可以尝试获得如下新的最佳猜测：所述新的最佳猜测丢弃由一个或若干传感器单元所获得的信号。因此，在实施例中，传感器***可以使用若干传感器设备的冗余，以改善其总角度估计的可靠性。可以是特别鲁棒的传感器***包括2*N个传感器设备。如果该***通过比较2N个角度读数发现一个或多个值很可能是错误的，则该***可以通过使用例如每隔一个传感器设备的值或否则丢弃至少一个读数来确定新的经调节的平均值。N个角度读数的准确度仍然相对地或足够地高，使得性能方面的降级是低的。例如，在60度的整数倍处具有传感器设备的N=6***中，如果传感器设备N=3显著不同于所有其他的，则该***可以使用传感器设备N=2、4和6，以形成N=3***并且仍获得准确的角度读数。

如果传感器设备检测到磁场分量，则在实施例中它们也可以使用自适应学习算法。在启动时，该***如在本文中一般地所讨论的那样来操作。该***可以相应地估计该磁体的旋转位置，并且因此它还知道何时已经执行了360°的角度行程（stroke）（例如通过存储最小和最大的估计角度，并且当0°/360°或360°/0°转变发生的时候设置标志）。当已经检测到磁体的完整的360°旋转时，该***知道，两个磁场分量的最大值和最小值二者必定已经被检测到。如果已存储了这些最大值和最小值，则该***可以通过来计算k因子（即径向和方位角磁场分量的幅度的比），其中B1和B2标示这两个磁场分量。然后，它可以使用该k因子来改善另外的角度估计的准确度。如果这样的学习算法存在，则传感器单元还可以用信号将此通知给控制器。然后，该控制器可以判定是否使一些传感器单元掉电，以节约能量。在一个实施例中，控制器发起操作模式，在那里传感器单元正间歇地工作：第一组传感器单元在第一时间段期间工作，然后第二组传感器单元在第二时间段期间工作，并且这可以再次以第一组开始，等等。

在各种实施例中，该***可以使用在磁场到平面上的投影与在每个传感器单元上的位置上采样的参考方向之间的角度，但是传感器单元并不一定需要提供这些角度。传感器还可以提供面内磁场的两个分量，或者它们可以以许多不同的方式来对该信息进行编码，例如（其中1和2标示两个不同的分量）。然后，在实施例中，传感器单元可以提供原始数据，但是可以是传感器单元或控制电路来从原始数据导出该角度。例如，传感器单元可以是磁阻设备，诸如例如强场GMR或TMR或AMR。这样的设备不提供任何磁场分量——而是，它提供与到芯片表面上的磁场投影与参考方向之间的角度的余弦或正弦成比例的信号。

在本文中已经描述了***、设备和方法的各种实施例。这些实施例仅仅通过实例的方式被给出，并且并不意图限制本发明的范围。此外，应当领会到的是，已经描述的实施例的各种特征可以以各种方式被组合，以产生众多附加的实施例。此外，虽然各种材料、尺寸、形状、配置和位置等等已经被描述，以供所公开的实施例使用，但是除了所公开的那些之外的其他的材料、尺寸、形状、配置和位置等等可以被利用，而不超出本发明的范围。

相关领域普通技术人员将认识到，本发明可能包括比在上述任何单独实施例中所说明的特征更少的特征。本文中所描述的实施例并不意欲是可以用来组合本发明的各种特征的方式的穷举性呈现。因此，这些实施例并不是特征的互斥组合；倒不如说，本发明可以包括从不同的单独实施例中选择的不同的单独特征的组合，如本领域普通技术人员所理解的那样。此外，除非另行注明，相对于一个实施例所描述的元件可以在其他实施例中被实施，甚至当在这样的实施例中没有被描述的时候也如此。尽管从属权利要求可能在权利要求中指的是与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他实施例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合或者一个或多个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非声明了特定的组合并不是所意图的，这样的组合在本文中被提出。此外，也意图将权利要求的特征包括在任何其他独立权利要求中，即使不是直接使该权利要求从属于所述独立权利要求。

任何通过引用在上面的文献的并入是受限制的，使得没有任何与本文中的明确的公开内容相反的主题被并入。任何通过引用在上面的文献的并入进一步受限制，使得没有任何被包括在这些文献中的权利要求通过引用被并入本文中。通过引用在上面的文献的任何并入还进一步受限制，使得在这些文献中所提供的任何限定并不通过引用被并入本文中，除非明确被包括在本文中。

出于解释本发明的权利要求的目的，明确意图的是不应援引35 U.S.C的第112节第六段的规定，除非在权利要求中记载了特定的术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。

Claims (17)

1.一种被配置成确定磁场源绕旋转轴的旋转位置的磁场角度感测***，其包括：

被布置成与所述旋转轴同心的圆的N个传感器设备，其中N＞1，并且所述传感器设备沿着所述圆被彼此间隔开约（360/N）度，每个传感器设备都包括：

具有灵敏度平面的磁场感测设备，所述灵敏度平面包括所述磁场感测设备的至少一个参考方向，其中所述磁场感测设备对所述灵敏度平面中的磁场分量敏感，并且被配置成提供与在所述灵敏度平面中的磁场和所述参考方向之间的角度的正弦（余弦）有关的信号；以及

电路，所述电路被耦合到所述N个传感器设备，并且被配置成提供通过组合来自所述N个传感器设备的所述磁场感测设备的所述信号而确定的如下信号：所述信号指示磁场源绕所述旋转轴的旋转位置，

其中所述电路被配置成：（i）将所述N个传感器设备的所述信号解释为角度值，（ii）将相当于360°的整数倍加到所述N个角度值中的选择性的角度值，以导致在所述N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的所有N个经校正的值的至少一个单调上升或下降的序列，以及（iii）对这些经校正的值取平均值。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述磁场源包括具有哈尔巴赫磁化的永磁体。

3.根据权利要求1所述的***，其中，所述N个传感器设备被布置在单个管芯上。

4.根据权利要求1所述的***，其中，所述磁场感测设备包括霍尔效应元件或磁阻（MR）元件。

5.根据权利要求4所述的***，其中，所述磁场感测设备包括半桥电路，所述半桥电路包括具有不同参考方向的两个MR元件。

6.根据权利要求1所述的***，其中，所述N个传感器设备中的每个传感器设备的所述磁场感测设备的所述灵敏度平面是名义上平行的。

7.根据权利要求1所述的***，其中，所述整数可以是正数、负数和零中的任何数。

8.根据权利要求1所述的***，其中，所述电路被配置成从所述角度值中的每个角度值减去相应的偏移。

9.一种确定磁场源绕旋转轴的旋转位置的方法，其包括：

将N＞1个传感器设备布置成与所述旋转轴同心的圆，使得所述传感器设备沿着所述圆被彼此间隔开约（360/N）度；

通过所述N＞1个传感器设备中的每个传感器设备的磁场感测设备，感测如下角度的正弦（余弦）：所述角度为在所述磁场感测设备的参考方向与由所述磁场源感生的在所述磁场感测设备的灵敏度平面中的磁场之间的角度，所述灵敏度平面包括所述磁场感测设备的至少一个参考方向；

提供与在所述灵敏度平面中的所述磁场和所述参考方向之间的所述角度的正弦（余弦）有关的信号；

通过组合来自所述N＞1个传感器设备的所述磁场感测设备的所述信号，提供指示所述磁场源绕所述旋转轴的旋转位置的信号；以及

作为所述组合的部分而对所述信号进行预调节和取平均值，其中所述预调节包括将相当于360度的整数倍与输入数据进行组合，以识别在所述N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的至少一个单调上升或下降的值序列；

将所述N个传感器设备的所述信号解释为角度值；

将相当于360°的整数倍加到所述N个角度值中的选择性的角度值，以导致在所述N个传感器设备中的相应传感器设备的角度位置的单个顺时针或逆时针方向上的所有N个经校正的值的至少一个单调上升或下降的序列，以及

对这些经校正的值取平均值。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括提供包括具有哈尔巴赫磁化的磁体的所述磁场源。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在单个管芯上提供所述N＞1个传感器设备。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述磁场感测设备包括霍尔效应元件或磁阻（MR）元件。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将所述磁场感测设备布置在具有不同参考方向的两个MR元件的半桥电路中。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述N＞1个传感器设备中的每个传感器设备的所述磁场感测设备的所述灵敏度平面是名义上平行的。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述整数可以是正数、负数和零中的任何数。

16.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

从所述角度值中的每个角度值减去相应的偏移。

17.根据权利要求1所述的***，进一步包括：作为所述组合的部分，将离散傅里叶变换应用于所述磁场感测设备的N个信号的集合。