CN109490795A - 杂散磁场鲁棒的磁场传感器和*** - Google Patents

杂散磁场鲁棒的磁场传感器和*** Download PDF

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Abstract

一种磁场传感器包括形成在基板上的磁感元件和屏蔽结构。所述屏蔽结构完全环绕所述磁感元件以用于抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，所述第一轴线和所述第二轴线均与所述基板的表面平行并且彼此垂直。磁场沿着与所述基板的所述表面垂直的第三轴线朝向，并且所述磁感元件被配置成感测沿着所述第一轴线的磁场。在所述基板上靠近所述磁感元件形成的磁场偏转元件将所述磁场从所述第三轴线重定向到所述第一轴线中，以被所述磁感元件感测为测量磁场。各自被屏蔽结构完全环绕的至少两个磁场传感器形成用于确定磁场梯度的梯度单元。

Description

杂散磁场鲁棒的磁场传感器和***
技术领域
本发明总体上涉及磁场传感器。更具体地说，本发明涉及具有用于测量平面外磁场的梯度计配置的集成屏蔽结构的磁场传感器，以及一种结合用于测量平面外磁场同时抑制平面内杂散磁场的磁场传感器的***。
背景技术
磁场传感器***用于各种商业、工业和汽车应用中，以测量磁场用于速度和方向感测、旋转角度感测、接近度感测等目的。沿着磁场传感器的非感测轴线和感测轴线的干扰磁场(也被称为杂散磁场)可改变传感器的灵敏度和线性范围，由此不利地影响磁场检测质量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种磁场传感器，包括：
磁感元件，其形成在基板上；以及
屏蔽结构，其形成在所述基板上并且完全环绕所述磁感元件，所述屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，其中所述第一轴线和所述第二轴线与所述基板的表面平行并且彼此垂直。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构沿着与所述基板的所述表面平行的所述第一轴线和所述第二轴线环绕所述磁感元件，并且所述屏蔽结构并未在与所述基板的所述表面垂直的方向上环绕所述磁感元件。
在一个或多个实施例中，所述磁感元件被配置成感测沿着与所述基板的表面垂直朝向的第三轴线的外部磁场。
在一个或多个实施例中，外部磁场沿着与所述基板的表面垂直的第三轴线朝向，所述磁感元件被配置成感测沿着所述第一轴线的测量磁场，并且所述磁场传感器进一步包括在所述基板上靠近所述磁感元件形成的磁场偏转元件，其中所述磁场偏转元件被配置成将所述外部磁场从所述第三轴线重定向到所述第一轴线中以被所述磁感元件感测为所述测量磁场。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构另外环绕所述磁场偏转元件的侧壁。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构包括面向彼此的第一结构侧壁和面向彼此的第二结构侧壁，其中所述第一结构侧壁的第一端联接到所述第二结构侧壁的第二端以产生针对所述屏蔽结构的矩形配置，所述矩形配置具有中心区域，并且所述磁感元件位于所述中心区域中。
在一个或多个实施例中，所述第一端中的一个与所述第二端中的一个的每个交点表现出弯曲形状。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构包括用于产生针对所述屏蔽结构的椭圆形配置的连续结构侧壁，所述椭圆形配置具有中心区域，并且所述磁感元件位于所述中心区域中。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构环绕中心区域，并且所述磁感元件位于所述中心区域中、在偏离所述中心区域的中心点的位置处。
在一个或多个实施例中，所述磁感元件是第一磁感元件，所述屏蔽结构是第一屏蔽结构，并且所述磁场传感器进一步包括：
第二磁感元件，其形成在所述基板上；以及
第二屏蔽结构，其形成在所述基板上并且完全环绕所述第二磁感元件的侧壁，所述第二屏蔽结构被配置成抑制沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述杂散磁场。
在一个或多个实施例中，所述第一磁感元件和所述第二磁感元件彼此间隔开以形成梯度单元，所述梯度单元被配置成确定磁场梯度。
在一个或多个实施例中，所述梯度单元被实施在角位置传感器中。
在一个或多个实施例中，所述基板是有源硅基板。
根据本发明的第二方面，提供一种磁场传感器，包括：
磁感元件，其形成在有源硅基板上；
屏蔽结构，其形成在所述有源硅基板上并且完全环绕所述磁感元件，所述屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场；以及
磁场偏转元件，其在所述基板上靠近所述磁感元件形成并且完全被所述屏蔽结构环绕，其中所述第一轴线和所述第二轴线与所述基板的表面平行并且彼此垂直，磁场沿着与所述有源硅基板的表面垂直的第三轴线朝向，所述磁感元件被配置成感测沿着所述第一轴线的测量磁场，并且所述磁场偏转元件被配置成将所述磁场从所述第三轴线重定向到所述第一轴线中以被所述磁感元件感测为所述测量磁场。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构包括面向彼此的第一结构侧壁和面向彼此的第二结构侧壁，其中所述第一结构侧壁的第一端联接到所述第二结构侧壁的第二端以产生针对所述屏蔽结构的矩形配置，所述矩形配置具有中心区域，并且其中所述磁感元件和所述磁场偏转元件位于所述中心区域中。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构包括用于产生针对所述屏蔽结构的椭圆形配置的连续结构侧壁，所述椭圆形配置具有中心区域，并且其中所述磁感元件和所述磁场偏转元件位于所述中心区域中。
在一个或多个实施例中，所述屏蔽结构环绕中心区域，所述磁感元件和所述磁场偏转元件位于所述中心区域中，并且所述磁感元件位于偏离所述中心区域的中心点的位置处。
根据本发明的第三方面，提供一种磁场传感器***，包括：
形成在基板上的梯度单元，所述梯度单元包括：
第一磁感元件；
第一屏蔽结构，其完全环绕所述第一磁感元件，所述第一屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，其中所述第一轴线和所述第二轴线与所述基板的表面平行并且彼此垂直；
第二磁感元件，其形成在所述基板上；以及
第二屏蔽结构，其形成在所述基板上并且完全环绕所述第二磁感元件，所述第二屏蔽结构被配置成抑制沿所述第一轴线和所述第二轴线的所述杂散磁场，其中所述第一磁感元件和所述第二磁感元件彼此横向间隔开并且被配置成感测沿着与所述基板的表面垂直朝向的第三轴线的磁场，其中所述梯度单元被配置成响应于在所述第一磁感元件和所述第二磁感元件中的每一个处感测到的磁场来确定磁场梯度。
在一个或多个实施例中，所述磁场传感器***进一步包括被配置成相对于所述梯度单元围绕旋转轴线旋转的磁体，所述磁体产生所述磁场。
在一个或多个实施例中，所述梯度单元被实施在角位置传感器中。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在整个分开的视图中指代相同或功能类似的元件，附图不一定按比例绘制，并且这些附图与具体实施方式一起结合到说明书中并形成说明书的一部分，用于进一步示出各种实施例并解释根据本发明的各种原理和优点。
图1示出了包括磁感元件的磁场传感器的俯视图，每个磁感元件都被屏蔽结构完全环绕；
图2示出了沿着图1的剖面线2-2的磁场传感器的侧视图；
图3示出了磁感元件和屏蔽结构的俯视图，该俯视图表明沿着第一轴线定向的杂散磁场的分流；
图4示出了磁感元件和屏蔽结构的俯视图，该俯视图表明沿着第二轴线定向的杂散磁场的分流；
图5示出了根据实施例的磁感元件和磁场偏转元件的侧视图；
图6示出了根据另一个实施例的磁感元件和磁场偏转元件的侧视图；
图7示出了磁感元件和屏蔽结构的俯视图，该俯视图表明根据实施例的屏蔽结构的几何配置；
图8示出了磁感元件和屏蔽结构的俯视图，该俯视图表明根据另一个实施例的屏蔽结构的几何配置；
图9示出了磁感元件和屏蔽结构的俯视图，该俯视图表明根据另一个实施例的屏蔽结构的几何配置；
图10示出了磁感元件和屏蔽结构的俯视图，该俯视图表明根据另一个实施例的屏蔽结构的几何配置；
图11示出了磁感元件与磁场偏转元件的配置的简化俯视图；
图12示出了磁感元件与磁场偏转元件的另一种配置的简化俯视图；
图13示出了磁感元件与磁场偏转元件的另一种配置的简化俯视图；
图14示出了磁感元件与屏蔽结构的配置的简化俯视图；
图15示出了磁感元件与屏蔽结构的另一种配置的简化俯视图；
图16示出了磁感元件与屏蔽结构的另一种配置的简化俯视图；
图17示出了磁感元件与屏蔽结构的另一种配置的简化俯视图；
图18示出了用于旋转角度感测的***的简化局部侧视图；
图19示出了图18的***的简化俯视图；
图20示出了旋转磁体相对于图18的***的磁感元件的可能位置的表格；
图21示出了图18的***的框图；
图22示出了图18的***的第一梯度单元的梯度磁场分布的曲线图；
图23示出了图18的***的第二梯度单元的梯度磁场分布的曲线图；
图24示出了在图18的***的第一梯度单元和第二梯度单元处作为旋转角度的函数的磁场的变化的曲线图；
图25示出了处于相对于旋转轴线的对称位置的第一梯度单元和第二梯度单元的磁感元件的简化俯视图；
图26示出了对于图25的配置的第一梯度单元沿着感测轴线的示例磁梯度场分布的曲线图；并且
图27示出了示出可替换的是可被结合到图18的***中的梯度单元的位置的各种简化俯视图。
具体实施方式
总的来说，本公开涉及具有用于测量磁场同时抑制杂散磁场的集成磁场屏蔽结构的磁场传感器和磁场传感器***。更具体地，磁场传感器包括一个或多个磁感元件，每个磁感元件都被集成磁场屏蔽结构完全环绕以用于测量平面外磁场同时抑制平面内干扰磁场。磁场屏蔽结构可与磁感元件垂直集成以实现尺寸的减小和成本节约。另外，为了旋转角度感测目的，磁场感测元件与屏蔽结构可以各种***配置来实施。一种***配置可包含用于旋转角度感测的梯度计，即，梯度检测方法。梯度检测方法可使得能够抵消均匀干扰磁场以提高磁场检测质量。
本公开的提供是为了进一步以能够实现的方式解释在应用时制作和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式。本公开的进一步提供是为了增强对本公开的发明原理和优点的理解和认识，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求限定，包括在本申请未决期间所作的任何修改以及所发布的那些权利要求的所有等同物。
应当理解的是，诸如第一和第二、顶部和底部等关系术语(如果有的话)的使用仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开来，而不必要求或暗示这样的实体或动作之间有任何实际的这种关系或顺序。此外，可使用各种阴影和/或影线来示出一些附图以区分在各种结构层内产生的不同元件。结构层内的这些不同元件可利用当前和即将到来的沉积、图案化、蚀刻等微制造技术来生产。因此，虽然在图示中利用了不同的阴影和/或影线，但是结构层内的不同元件可由相同材料形成。
参考图1和图2，图1示出了包括磁感元件22的磁场传感器20的俯视图，每个磁感元件22都被屏蔽结构24完全环绕，并且图2示出了磁场传感器20沿着图1的剖面线2-2的侧视图。在实施例中，磁感元件22和屏蔽结构24形成在基板28的表面26上或该表面26中，并且基板28的表面26可被钝化。磁感元件22表示诸如隧道磁电阻(TMR)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器等各种磁电阻中的任何一种。另外，磁感元件22可为作为点或条的单个电阻器元件，或者磁感元件22可为包括多个单个电阻器元件的阵列。
在具有与基板28的表面26平行并且彼此垂直的第一轴线(称为X轴30)和第二轴线(称为Y轴32)的三维坐标系中，磁场传感器20被配置成感测沿着与基板28的表面26垂直朝向的第三轴线(称为Z轴36)定向的平面外外部磁场34(由图2中的宽双向箭头表示)。
在此例子中，磁感元件22的灵敏轴对应于X轴30。因此，为了感测沿着Z轴36定向的平面外磁场34，磁场传感器20另外包括磁场偏转元件38，该磁场偏转元件38靠近每个磁感元件22形成在基板28上或基板28中。磁场偏转元件38被配置成将平面外磁场34从Z轴36重定向到X轴30中以被磁感元件22感测为平面内测量磁场40(由图1中的宽箭头表示)。在下面结合图18到图27讨论的实施例中，平面内测量磁场40可为在页面上指向右并且对应于平面外磁场34的磁场梯度。因此，指向右的宽箭头表示平面内测量磁场40。
在可替换的实施例中，磁感元件22的灵敏轴可对应于Z轴36。在这种配置中，屏蔽结构24仍将完全环绕磁感元件22以便抑制沿着X轴30和Y轴32的杂散磁场42、44。然而，此配置将不包括磁场偏转元件38，因为平面外磁场34将被磁感元件22有效地感测而不重定向到与基板28的表面26平行的轴线中。
杂散磁场42、44(由窄箭头表示)是可能存在于磁场传感器20周围的不利磁场。杂散磁场42、44可为静态的(即，非周期性的)或交替的(即，周期性的)并且可由外部干扰引起。杂散磁场42、44在被注入到非感测轴线上或者在与感测轴线平行的杂散磁场叠加到测量信号上时可改变传感器的灵敏度和线性范围，由此不利地影响磁场检测质量。
根据实施例，每个磁感元件22都包括侧壁46，这些侧壁46表现出与X轴30和Y轴32垂直的第一高度48，并且每个屏蔽结构24都包括结构侧壁50，这些结构侧壁50表现出与X轴30和Y轴32垂直的第二高度52，其中第二高度50不小于第一高度。另外，每个屏蔽结构24都环绕磁感元件22中的一个和磁场偏转元件38中的一个。然而应当注意的是，屏蔽结构24沿着X轴30和Y轴32环绕磁感元件22。然而，屏蔽结构24并未在与基板28的表面26垂直的方向上(即，在与Z轴36平行的方向上)环绕磁感元件。
屏蔽结构24的几何配置有效地抑制沿与基板28的表面26平行的X轴30和Y轴32定向的杂散磁场42、44，并且使得能够检测与基板28的表面26垂直的外部磁场34。举例来说，屏蔽结构24使磁感元件22周围的平面内杂散磁场42、44分流(即，重定向/偏转)以抑制或防止磁感元件22检测到平面内杂散磁场42、44。因此，磁感元件22主要限于感测由磁场偏转元件38重定向的磁场34以产生平面内测量磁场40。
参考图3到图4，图3示出了磁感元件22和屏蔽结构24的俯视图，该俯视图表明沿着第一轴线(例如，X轴30)定向的杂散磁场42的分流，并且图4示出了磁感元件22和屏蔽结构24的俯视图，该俯视图表明沿着第二轴(例如，Y轴32)定向的杂散磁场44的分流。在图3和图4中的每一个图中，为了简单起见并未示出磁场偏转元件38。屏蔽结构24可由高磁导率软磁材料(例如，坡莫合金)形成，该高磁导率软磁材料被沉积成使得其环绕磁感元件22的侧壁46，但是与这些侧壁46横向地间隔开。
在图3中，沿着X轴30的杂散磁场42在屏蔽结构24的连续配置内并且因此在磁感元件22周围分流或重定向。同样地，在图4中，沿着Y轴32的杂散磁场44在屏蔽结构24的连续配置内并且因此在磁感元件22周围分流或重定向。因此，磁感元件22所处的并且被屏蔽结构24环绕的体积(在本文中被称为中心区域54)具有由杂散磁场42、44引起的大幅减小的磁场。
参考图5和图6，图5示出了根据实施例的磁感元件22和磁场偏转元件38的侧视图，并且图6示出了根据另一个实施例的磁感元件22和磁场偏转元件38的侧视图。在图5和图6中，为了简单起见并未示出屏蔽结构24。如图5中所示，磁感元件22可被嵌入在基板28的表面26上的保护材料层56(例如，钝化涂层、氮化硅、晶片涂层等)内。然而，磁场偏转元件38形成在保护层56的外表面58处，使得磁场偏转元件38横向地且垂直地移离磁感元件22的侧壁46。
另外，如图6中所示，磁感元件22被嵌入在基板28的表面26上的保护材料层56内。然而，在此例子中，磁场偏转元件38的至少一部分也被嵌入保护层的外表面58内并位于该外表面58下方，使得磁场偏转元件38的此部分横向地移离磁感元件22的侧壁46，但是并未垂直地移离侧壁46。在图5和图6中所示的任一个例子中，磁场34的Z分量将在磁场偏转元件38的边缘区模处偏转，并且因此在与X轴30大致上平行的方向上产生磁场分量(例如，平面内测量磁场40)。
图5中呈现的配置通常涉及将形成磁场偏转元件38的材料沉积在其中形成有多个磁感元件22的晶片的顶部上。相反，图6中呈现的配置通常涉及在保护材料层56中形成空间(即，降低保护材料层56的表面)并且将形成磁场偏转元件38的材料沉积到这些空间中以产生至少部分嵌入保护材料层56内的磁场偏转元件38。因此，图6中呈现的配置的制造可能比图5中呈现的配置更复杂。然而，图6中呈现的在紧邻磁感元件22处具有磁场偏转元件38的配置可能更有效地偏转磁场34的Z分量以便于磁感元件22检测，由此潜在地提高平面内测量磁场40的信号质量。
其它实施例可具有处于与所示不同的垂直位移处的磁场偏转元件38，和/或包括完全封装磁场偏转元件38的另外钝化涂层。另外，虽然结合图5和图6讨论了磁场偏转元件38相对于磁感元件22的垂直位移，但是应当理解，屏蔽结构24(图2)也可形成在保护层56的表面58上或者也至少部分地嵌入保护层56内。
参考图7和图8，图7示出了磁感元件22和屏蔽结构24的俯视图，该俯视图表明根据实施例的屏蔽结构24的几何配置，并且图8示出了磁感元件22和屏蔽结构24的俯视图，该俯视图表明根据另一个实施例的屏蔽结构的另一种几何配置。再次为了简单起见，图7中未示出磁场偏转元件38(图1)。
在图7中，屏蔽结构24包括面向彼此的第一结构侧壁60和面向彼此的第二结构壁62。第一结构侧壁60的第一端64联接到第二结构侧壁62的第二端66以产生第一矩形配置68用于屏蔽结构24，其中第一矩形配置68围绕磁感元件22所处的中心区域54。类似地，在图8中，屏蔽结构24包括面向彼此的第一结构侧壁60和面向彼此的第二结构壁62。第一结构侧壁60的第一端64联接到第二结构侧壁62的第二端66以产生第二矩形配置70用于屏蔽结构24，其中第二矩形配置70围绕磁感元件22所处的中心区域54。
在图7中可另外观察到，第一结构侧壁60的第一端64和第二结构侧壁62的第二端66的每个交点都表现出锐边72(即，90度弯曲)。然而，在图8中，第一结构侧壁60的第一端64和第二结构侧壁62的第二端66的每个交点都表现出弯曲或圆形形状以产生圆形边缘74。这些圆形边缘74可被设置在第一结构侧壁60与第二结构侧壁62之间的每个过渡区处以产生相对平滑形状。锐边72可能导致磁场在这些锐边72处发生显著变化(例如，磁场出现峰值/下降)，由此导致不均匀性。相反，圆形边缘74相对于锐边72可减小磁场变化，由此导致改善的均匀性。
图9示出了磁感元件22和屏蔽结构24的俯视图，该俯视图表明根据另一个实施例的屏蔽结构24的几何配置。在此例子中，屏蔽结构24具有连续结构侧壁76，该连续结构侧壁76产生细长椭圆形配置78用于屏蔽结构24，其中细长椭圆形配置78围绕磁感元件22所处的中心区域54。
图10示出了磁感元件22和屏蔽结构24的俯视图，该俯视图表明根据另一个实施例的屏蔽结构24的几何配置。在此例子中，屏蔽结构24具有连续结构侧壁80，该连续结构侧壁76产生圆形椭圆形配置82用于屏蔽结构24，其中该圆形椭圆形配置82围绕磁感元件22所处的中心区域54。
图7到图10中呈现的各种几何配置是用于示出目的。可替换的屏蔽结构可具有不同的形状，这些不同的形状具有连续延伸结构壁，这些连续延伸结构壁完全环绕磁感元件22以有效地分流杂散磁场42、44。下面参考图11到图17，接下来的讨论将针对用于磁场偏转元件38的各种几何配置。
参考图11到图13，图11示出了磁感元件22与磁场偏转元件38的配置的简化俯视图。图12示出了磁感元件22与磁场偏转元件38的另一种配置的简化俯视图。图13示出了磁感元件22与磁场偏转元件38的另一种配置的简化俯视图。图11到图13中所示的每一种配置都包括用于将平面外磁场34(图2)重定向到平面内测量磁场40(图1)中的专用软磁结构。
在图11中，单个磁场偏转元件38位于单个磁感元件22附近，并且因此被指定为单侧简易棒。在图12中，单个磁场偏转元件38位于一对磁感元件22之间，并且因此被指定为双侧简易棒。在图13中，单个磁传感元件22位于一对磁性偏转元件38之间，每个磁性偏转元件38都被配置成简易棒。应当理解，磁场偏转元件38的各种可替换的配置可适当地将平面外磁场34重定向到平面内测量磁场40中。
参考图14到图17，图14示出了磁感元件22与屏蔽结构24的配置的简化俯视图。图15示出了磁感元件22与屏蔽结构24的另一种配置的简化俯视图。图16示出了磁感元件22与屏蔽结构24的另一种配置的简化俯视图。图17示出了磁感元件22与屏蔽结构24的另一种配置的简化俯视图。在图14到图17中所示的每一种配置中，屏蔽结构24用于抑制杂散磁场42、44和使平面外磁场34(图2)重定向以产生平面内测量磁场40(图1)的双重目的。
在图14中，磁感元件22位于被屏蔽结构24的矩形配置环绕的中心区域54中、在偏离中心区域54的中心点84的位置处。由此，屏蔽结构24完全环绕磁感元件22以抑制杂散磁场42、44。另外，由于磁感元件22接近一个侧壁60，所以屏蔽结构24的侧壁60还用于将平面外磁场34(图2)以单侧配置重定向到平面内测量磁场40(图1)中。
在图15中，磁感元件22位于被屏蔽结构24的矩形配置环绕的中心区域54中的大体上居中于中心区域54的位置处。由此，屏蔽结构24完全环绕磁感元件22以抑制杂散磁场42、44。然而，在此配置中，屏蔽结构24的矩形形状显著变窄，使得磁感元件22非常靠近屏蔽结构24的两个侧壁60。由于磁感元件22接近两个侧壁60，所以屏蔽结构24还用于将平面外磁场34(图2)以双侧配置重定向到平面内测量磁场40(图1)中。
在图16中，磁感元件22位于被屏蔽结构24的细长椭圆形配置环绕的中心区域54中、在偏离中心区域54的中心点84的位置处。由此，屏蔽结构24完全环绕磁感元件22以抑制杂散磁场42、44。另外，由于磁感元件22接近连续结构侧壁76，所以屏蔽结构24还用于将平面外磁场34(图2)以单侧配置重定向到平面内测量磁场40(图1)中。
在图17中，磁感元件22位于被屏蔽结构24的细长椭圆形配置环绕的中心区域54中的大体上居中于中心区域54的位置处。由此，屏蔽结构24完全环绕磁感元件22以抑制杂散磁场42、44。然而，在此配置中，屏蔽结构24的椭圆形形状显著变窄，使得磁感元件22的两侧非常靠近屏蔽结构24的连续结构侧壁76。由于磁感元件22的两侧接近连续结构侧壁76，所以屏蔽结构24还用于将平面外磁场34(图2)以双侧配置重定向到平面内测量磁场40(图1)中。
应当理解，屏蔽结构24的各种可替换的几何配置(包括但不限于图7到图10中所示的那些)可适当地用于抑制杂散磁场42、44和使平面外磁场34重定向以产生面内测量磁场40的双重目的。
现在参考图18到图19，图18示出了用于旋转角度感测的***90的简化局部侧视图，并且图19示出了***90的简化俯视图。在图18到图19的实施例中，磁感元件22与集成屏蔽结构24可被适当地被配置成感测梯度计配置中的对象的角位置。
***90通常包括形成在基板98的表面96上的第一梯度单元92和第二梯度单元94以及沿着Z轴36垂直移离第一梯度单元92和第二梯度单元94的磁体100。在图19中所示的俯视图中未示出磁体100以便更好地可视化形成在基板98的表面96上的特征。第一梯度单元92包括被第一屏蔽结构(标记为241)完全环绕的磁感元件中的第一个(标记为22A)和磁场偏转元件中的一个(标记为381)，以及被第二屏蔽结构(标记为242)完全环绕的磁感元件中的第二个(标记为22A′)和磁场偏转元件中的一个(标记为382)。同样地，第二梯度单元94包括被第三屏蔽结构(标记为243)完全环绕的磁感元件中的第三个(标记为22B)和磁场偏转元件中的一个(标记为383)，以及被第四屏蔽结构(标记为244)完全环绕的磁感元件中的第四个(标记为22B′)和磁场偏转元件中的一个(标记为384)。
根据实施例，第二梯度单元94相对于第一梯度单元92旋转九十度。即，第一磁感元件22A和第二磁感元件22A′的纵向尺寸与X轴30对齐。另外，第三磁感元件22B和第四磁感元件22B′的纵向尺寸与X轴32对齐。因此，磁感元件22A、22A′被配置成感测沿着与基板98的表面96近似平行朝向的第一感测轴线(即，Y轴32)的平面内测量磁场102。由磁感元件22A、22A′中的每一个测量的磁场强度中的任何差值都可用于确定与Y轴32平行的方向上的磁场梯度。磁感元件22B、22B′被配置成感测沿着与基板98的表面96近似平行朝向的第二感测轴线(即，X轴30)的平面内测量磁场104。由磁感元件22A、22A′中的每一个测量的磁场强度中的任何差值都可用于确定与X轴30平行的方向上的磁场梯度。
第二梯度单元94相对于与基板98的表面96垂直的旋转轴线106与第一梯度单元92间隔开90度。另外，第一梯度单元92和第二梯度单元94位于远离旋转轴线106的相同径向距离108处。另外，第一磁感元件22A与第二磁感元件22A′横向间隔开距离110，并且第三磁感元件22B与第四磁感元件22B′横向间隔开相同距离110。在另一个实施例中，磁感元件22A、22A′、22B和22B′之间的距离可不同。
磁体100可为例如盘形、环形、矩形或棒形形状等形式的永磁体。磁体100被配置成相对于第一梯度单元92和第二梯度单元94围绕旋转轴线106旋转。磁体100产生磁场112，该磁场112与磁体100一起相对于第一梯度单元92和第二梯度单元94旋转。磁场112具有平面外磁场分量114，该平面外磁场分量114的磁场强度作为相距旋转轴线106的距离(如由不同长度的箭头所表示)的函数而变化。举例来说，磁场强度在最接近旋转轴线106的位置处可能最低，并且在离旋转轴线106最远的位置处可能最大。
在实施例中，平面外磁场分量114可由第一梯度单元92和第二梯度单元94检测到，并且由此在本文中可被称为梯度磁场114。例如，磁场偏转元件381、382、383、384可适当地将平面外磁场分量114重定向到由X轴30和Y轴32限定的X-Y平面中，以便于磁感元件22A、22AA′、22B、22B′检测。当然，如上所述，磁感元件22A、22A′、22B、22B′可被配置成直接感测平面外磁场。在这种配置中，梯度单元92和94不需要包括磁场偏转元件381、382、383、384。
如下面将要讨论的，由第一梯度单元92和第二梯度单元94检测到的平面外磁场分量114可被适当地处理以识别磁体100相对于第一梯度单元92和第二梯度单元94的旋转角度116(标记为)。虽然仅示出了两个梯度单元(例如，第一梯度单元92和第二梯度单元94)，但是可替换的实施例可包括多个梯度单元。在这种配置中，可将相反梯度单位的信号平均化等等。由此，可缓解由于偏心等等引起的可能误差。
图20示出了磁体100相对于***90(图18)的第一梯度单元92和第二梯度单元94的磁感元件22A、22A′、22B、22B′旋转的可能旋转角度116的表格。在此例子中，磁体100是在其直径两端被磁化的直径方向磁化的磁体，该磁体100的北极和南极相对于其直径位于磁体100的相对侧。表118中所示的旋转角度116包括等于0或360°、 和图20中所示的旋转角度116仅作为例子提供。应当理解，可具有范围在0到360°之间的更多可能的旋转角度116。
图21示出了***90的框图。包括被屏蔽结构(未示出，如上所述)完全环绕的第一磁感元件22A和第二磁感元件22A′的第一梯度单元92的输入联接到处理电路120。同样地，包括被屏蔽结构(未示出，如上所述)完全环绕的第三磁感元件22B和第四磁感元件22B′的第二梯度单元94的输入联接到处理电路120。第一磁感元件22A被配置成响应于磁场112的平面外磁场分量114(图18)而产生第一输出信号122(VA)。第二磁感元件22A′被配置成响应于磁场112的平面外磁场分量114(图18)而产生第二输出信号124(VA′)。第三磁感元件22B被配置成响应于磁场112的平面外磁场分量114而产生第三输出信号126(VB)。并且第四磁感元件22B′被配置成响应于磁场112的平面外磁场分量114而产生第四输出信号128(VB′)。
结合图21的框图参考图22到图23，图22示出了在与Y轴32平行的方向上由磁体100(图18)产生的磁梯度场分布(图19)的例子的曲线图130。即，曲线图130表明与Y轴32平行的偏转后平面内测量磁场102响应于由磁体100(图18)产生的平面外磁场分量114(图18)的变化。此例子是针对旋转角度116等于90°的情况提供的，如上面结合图20所呈现。示出了存在和不存在干扰磁场分量132(Bi)的磁梯度场分布。类似地，图23示出了在与X轴30(图19)平行的方向上由磁体100产生的磁梯度场分布的例子的曲线图134。即，曲线图134表明与X轴30平行的偏转后平面内测量磁场104响应于由磁体100产生的平面外磁场分量114的变化。此例子是针对旋转角度116等于90°的情况提供的，如上面结合图20所呈现。示出了存在和不存在干扰磁场分量136(Bi)的磁梯度场分布。
平面内测量磁场102与传感器灵敏度S(下面讨论)的乘积产生第一输出电压信号122和第二输出电压信号124(图21)。同样地，平面内测量磁场104与传感器灵敏度S的乘积产生第三输出电压信号126和第四输出电压信号128(图21)。结果，图22到图23可与图21的框图相关联。由此，图22示出了产生用于第一梯度单元92的第一输出电压信号122和第二输出电压信号124的磁场强度以及干扰磁场分量132(Bi)可能对第一输出电压信号122和第二输出电压信号124的影响的曲线图130。同样地，图22示出了产生用于第二梯度单元94的第三输出电压信号126和第四输出电压信号128的磁场强度以及干扰磁场分量136(Bi)可能对第三输出电压信号126和第四输出电压信号128的影响的曲线图134。
在图22中，虚线138表示在由相距旋转轴线106的径向距离108(图19)以及第一磁感元件22A与第二磁感元件22A′之间的距离110(图19)限定的相对位置处的线性梯度范围和相关磁场/磁通量B(131)(产生第一输出电压信号122和第二输出电压信号124)。实线140表示在具有另外的空间均匀干扰磁场分量132(Bi)的情况下的线性梯度范围和相关磁场/磁通量131(产生第一输出电压信号122和第二输出电压信号124)。同样地，在图23中，虚线142表示在由相距旋转轴线106的径向距离108以及第三磁感元件22B与第四磁感元件22B′之间的距离110限定的相对位置处的线性梯度范围和相关磁场/磁通量131(产生第三输出电压信号126和第四输出电压信号128)。实线140表示在具有另外的空间均匀干扰磁场分量136(Bi)的情况下的线性梯度范围和相关磁场/磁通量131(产生第三输出电压信号126和第四输出电压信号128)。
处理电路120可为专用集成电路(ASIC)，其包括用于适当处理第一输出电压信号122、第二输出电压信号124、第三输出电压信号126和第四输出电压信号128以识别旋转角度116的硬件和软件的组合。处理电路120与第一梯度单元92电联接并且被配置成产生作为第一输出电压信号122与第二输出电压信号124之间的差值的第一差分输出信号146，第一输出电压信号122与第二输出电压信号124之间的差值抵消干扰磁场分量132。另外，处理电路120与第二梯度单元94电联接并且被配置成产生作为第三输出电压信号126与第四输出电压信号128之间的差值的第二差分输出信号148，第三输出电压信号126与第四输出电压信号128之间的差值抵消干扰磁场分量136。屏蔽结构24(图1)抑制杂散磁场42、44(图1)，由此在很大程度上消除了它们对磁感元件22A、22A′、22B、22B′的灵敏度的影响。随后可通过第一差分输出信号和第二差分输出信号的相除来识别磁体100(图18)相对于第一梯度单元92和第二梯度单元94的旋转角度116。
第一梯度单元92的第一磁感元件22A和第二磁感元件22A′的输出电压VA和VA′(即，第一输出电压信号122和第二输出电压信号124)可描述如下：
VA＝S×BA (1)
VA′＝S×BA′ (2)
S是磁感元件的灵敏度，并且假定对于第一磁感元件22A和第二磁感元件22A′这两者是相等的(例如，通过制造精度或修整来实现)。空间均匀干扰磁场分量132(Bi)导致第一磁感元件22A和第二磁感元件22A′这两者中如下产生相同电压偏移：
VA＝S×BA+S×Bi (3)
VA′＝S×BA′+S×Bi (4)
差分输出信号146(DA)(图21)的计算需要取两个电压信号的差值，并且由此抵消干扰磁场分量132，如下所示：
DA＝VA′-VA＝(S×BA′+S×Bi)-(S×BA+S×Bi)＝S×(BA′-BA) (5)
类似地，第二梯度单元94的第三磁感元件22B和第四磁感元件22B′的输出电压VB和VB′(即，第三输出电压信号126和第四输出电压信号128)可描述如下：
VB＝S×BB (6)
VB′＝S×BB′ (7)
再次，S是磁感元件的灵敏度，并且假定对于第三磁感元件22B和第四磁感元件22B′这两者是相等的(例如，通过制造精度或修整来实现)。空间均匀干扰磁场分量132(Bi)导致第三磁感元件22B和第四磁感元件22B′这两者中如下产生相同电压偏移：
VB＝S×BB+S×Bi (8)
VB′＝S×BB′+S×Bi (9)
差分输出信号148(DA)(图21)的计算需要取两个电压信号的差值，并且由此抵消干扰磁场分量136，如下所示：
DB＝VB′-VB＝(S×BB′+S×Bi)-(S×BB+S×Bi)＝S×(BB′-BB) (10)
图24示出了在第一梯度单元92和第二梯度单元94(图19)的位置处作为旋转角度116的函数的磁场152的变化的曲线图150。实线153表示感测元件22A处的磁场分量152的变化，并且虚线曲线154表示在感测元件22B处作为旋转角度116的函数的磁场分量152的变化。关于曲线图150，可将第一梯度单元92的第一磁感元件22A和第二磁感元件22A′的位置处的磁场梯度114(图18)可描述为：
在等式(11)中，Bm表示重定向/偏转后平面内磁场的振幅。由于第一梯度单元和第二梯度单元的九十度旋转布置，第二梯度单元94的第三磁感元件22B和第四磁感元件22B′的数学关系可被描述为：
因此第一梯度单元92的磁场梯度可被描述为：
运算符BmGA等于(Bm′-Bm)。类似地，第二梯度单元94的磁场梯度可被描述为：
通过将等式(15)代入等式(5)，可如下确定差分输出电压146(DA)：
通过将等式(16)代入等式(10)，可如下确定差分输出电压148(DB)：
由此，可通过差分输出电压DA和DB的相除来计算角位置116如下所示：
由此，可利用差分输出电压DA和DB来识别磁体100(图18)的角位置(即，旋转角度116)，如下所示：
图25示出了处于相对于旋转轴线106的对称位置的第一梯度单元92和第二梯度单元94的磁感元件22A、22A′、22B、22B′的简化俯视图。再次，第一梯度单元92包括被第一屏蔽结构(标记为241)完全环绕的磁感元件中的第一个(标记为22A)和磁场偏转元件中的一个(标记为381)，以及被第二屏蔽结构(标记为242)完全环绕的磁感元件中的第二个(标记为22A′)和磁场偏转元件中的一个(标记为382)。同样地，第二梯度单元94包括被第三屏蔽结构(标记为243)完全环绕的磁感元件中的第三个(标记为22B)和磁场偏转元件中的一个(标记为383)，以及被第四屏蔽结构(标记为244)完全环绕的磁感元件中的第四个(标记为22B′)和磁场偏转元件中的一个(标记为384)。
然而，第一梯度单元92的磁感元件22A、22A′在X轴30的相对侧上沿着Y方向设置。另外，磁感元件22A、22A′移离X轴30相同的距离156。类似地，第二梯度单元94的磁感元件22A、22A′在Y轴32的相对侧上沿着X方向设置。另外，磁感元件22B、22B′移开Y轴32移开相同的距离158。在其它实施例中，距离156、158不需要相同。上面描述的等式(1)到(20)可结合图25的配置来实施以确定旋转角度116。
通常，梯度单元的磁感元件之间的距离越大，就可产生更大的磁场梯度(即，在两个磁感元件中的每一个处测量的磁场强度之间的差值)。此较大的磁场梯度可实现磁体100(图18)与第一梯度单元92和第二梯度单元94之间的气隙的宽度的更大公差。较大的最大允许气隙可实现放松对角位置传感器的机械公差的限制，而不会在操作期间引起潜在的信号损失，例如，信号丢失。
图26示出了对于图25的配置的第一梯度单元92沿着感测轴线(例如，Y轴32)的示例磁梯度场分布的曲线图160。即，曲线图160表明与Y轴32平行的重定向/偏转后平面内测量磁场102的磁场强度162响应于由磁体100(图18)产生的平面外磁场分量114(图18)的变化。此例子是针对旋转角度等于90°的情况提供的，如上面结合图20所呈现。当磁感元件22A、22A′与旋转轴线106间隔开相同的距离156(图25)时，在磁感元件22A处感测到的磁场的大小BA将等于在磁感元件22A′处感测的磁场的大小-BA′但是符号相反。
图27示出了示出可替换的是可被结合到图18的***中的梯度单元的位置的各种简化俯视图。如前所述，***90(图18)的可替换的实施例可包括多个梯度单元。另外，这些梯度单元可不同地布置。因此，图27包括具有各自分开90°的四个梯度单元166的第一配置164。另外，示出了具有各自分开45°的八个梯度单元166的第二配置168。示出了具有分开45°的两个梯度单元166的第三配置170。并且示出了具有两个梯度单元166的第四配置172，其中磁感元件22分开大于之前所示的距离。图27仅示出了梯度单元的几种配置。其它配置可能等同地适用。
本文中描述的实施例需要具有用于测量磁场同时抑制杂散磁场的集成磁场屏蔽结构的磁场传感器和磁场传感器***。磁场传感器的实施例包括形成在基板上的磁感元件以及屏蔽结构，该屏蔽结构形成在该基板上并且完全环绕磁感元件，该屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，其中该第一轴线和该第二轴线与该基板的表面平行并且彼此垂直。
磁场传感器的另一个实施例包括形成在有源硅基板上的磁感元件；屏蔽结构，该屏蔽结构形成在该有源硅基板上并且完全环绕磁感元件，该屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场；以及磁场偏转元件，该磁场偏转元件形成在基板上靠近磁感元件并且完全被屏蔽结构环绕。第一轴线和第二轴线与基板的表面平行并且彼此垂直，磁场沿着与有源硅基板的表面垂直的第三轴线朝向，该磁感元件被配置成感测沿着第一轴线的测量磁场，并且该磁场偏转元件被配置成将磁场从第三轴线重定向到第一轴线中以被磁感元件感测为测量磁场。
磁场传感器***的实施例包括形成在基板上的梯度单元。梯度单元包括第一磁感元件和完全环绕第一磁感元件的第一屏蔽结构，该第一屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，其中第一轴线和第二轴线与基板的表面平行并且彼此垂直。该梯度单元另外包括：第二磁感元件，其形成在该基板上；以及第二屏蔽结构，其形成在该基板上并且完全环绕第二磁感元件，该第二屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场。第一磁感元件和第二磁感元件彼此横向间隔开并且被配置成感测沿着与该基板的表面垂直朝向的第三轴线的磁场，其中该梯度单元被配置成响应于在第一磁感元件和第二磁感元件中的每一个处感测的磁场来确定磁场梯度。
磁场屏蔽结构可与磁感元件垂直集成以实现尺寸的减小和成本节约。另外，为了旋转角度感测目的，磁场感测元件与屏蔽结构可以各种***配置来实施。该屏蔽结构可有效地抑制沿着非感测轴线的杂散场，并且梯度计配置可抵消沿着感测轴线的杂散磁场以积极地提高磁场检测质量。
本公开旨在解释如何形成和使用根据本发明的各种实施例，而不是限制本发明的真实的、预期的和合理的范围和精神。以上描述不旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改或变化是可能的。选择并描述实施例以提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳示出，并且使得本领域的普通技术人员能够以各种实施例和适于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据公正、合法以及合理授权的权利要求的范围来解释时，所有这样的修改和变化都在附随权利要求及其等同物所确定的本发明的范围内，这些权利要求在本申请未决期间可能被修改。

Claims (10)

1.一种磁场传感器，其特征在于，包括：
磁感元件，其形成在基板上；以及
屏蔽结构，其形成在所述基板上并且完全环绕所述磁感元件，所述屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，其中所述第一轴线和所述第二轴线与所述基板的表面平行并且彼此垂直。
2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构沿着与所述基板的所述表面平行的所述第一轴线和所述第二轴线环绕所述磁感元件，并且所述屏蔽结构并未在与所述基板的所述表面垂直的方向上环绕所述磁感元件。
3.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁感元件被配置成感测沿着与所述基板的表面垂直朝向的第三轴线的外部磁场。
4.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，外部磁场沿着与所述基板的表面垂直的第三轴线朝向，所述磁感元件被配置成感测沿着所述第一轴线的测量磁场，并且所述磁场传感器进一步包括在所述基板上靠近所述磁感元件形成的磁场偏转元件，其中所述磁场偏转元件被配置成将所述外部磁场从所述第三轴线重定向到所述第一轴线中以被所述磁感元件感测为所述测量磁场。
5.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构包括面向彼此的第一结构侧壁和面向彼此的第二结构侧壁，其中所述第一结构侧壁的第一端联接到所述第二结构侧壁的第二端以产生针对所述屏蔽结构的矩形配置，所述矩形配置具有中心区域，并且所述磁感元件位于所述中心区域中。
6.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构包括用于产生针对所述屏蔽结构的椭圆形配置的连续结构侧壁，所述椭圆形配置具有中心区域，并且所述磁感元件位于所述中心区域中。
7.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构环绕中心区域，并且所述磁感元件位于所述中心区域中、在偏离所述中心区域的中心点的位置处。
8.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁感元件是第一磁感元件，所述屏蔽结构是第一屏蔽结构，并且所述磁场传感器进一步包括：
第二磁感元件，其形成在所述基板上；以及
第二屏蔽结构，其形成在所述基板上并且完全环绕所述第二磁感元件的侧壁，所述第二屏蔽结构被配置成抑制沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述杂散磁场。
9.一种磁场传感器，其特征在于，包括：
磁感元件，其形成在有源硅基板上；
屏蔽结构，其形成在所述有源硅基板上并且完全环绕所述磁感元件，所述屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场；以及
磁场偏转元件，其在所述基板上靠近所述磁感元件形成并且完全被所述屏蔽结构环绕，其中所述第一轴线和所述第二轴线与所述基板的表面平行并且彼此垂直，磁场沿着与所述有源硅基板的表面垂直的第三轴线朝向，所述磁感元件被配置成感测沿着所述第一轴线的测量磁场，并且所述磁场偏转元件被配置成将所述磁场从所述第三轴线重定向到所述第一轴线中以被所述磁感元件感测为所述测量磁场。
10.一种磁场传感器***，其特征在于，包括：
形成在基板上的梯度单元，所述梯度单元包括：
第一磁感元件；
第一屏蔽结构，其完全环绕所述第一磁感元件，所述第一屏蔽结构被配置成抑制沿着第一轴线和第二轴线的杂散磁场，其中所述第一轴线和所述第二轴线与所述基板的表面平行并且彼此垂直；
第二磁感元件，其形成在所述基板上；以及
第二屏蔽结构，其形成在所述基板上并且完全环绕所述第二磁感元件，所述第二屏蔽结构被配置成抑制沿所述第一轴线和所述第二轴线的所述杂散磁场，其中所述第一磁感元件和所述第二磁感元件彼此横向间隔开并且被配置成感测沿着与所述基板的表面垂直朝向的第三轴线的磁场，其中所述梯度单元被配置成响应于在所述第一磁感元件和所述第二磁感元件中的每一个处感测到的磁场来确定磁场梯度。
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