CN104677266A - 强磁场误差校准的磁电阻角度传感器及其校准方法 - Google Patents

Abstract

强磁场误差校准的磁电阻角度传感器及其校准方法。本发明提出一种双轴磁电阻角度传感器，包括两个检测沿相互垂直的X-轴和Y-轴方向外加磁场的单轴磁电阻角度传感器，实时计算单轴磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的电压输出的矢量幅度的元件，计算已知的校准矢量幅度和测量的矢量幅度的差别的元件，将差别用相除以计算信号误差的元件，分别将所述信号误差加入到所述X-轴输出和Y-轴输出或从其中减去以计算校准的X-轴和Y-轴的输出信号的元件，计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号所得的商的反正切以计算所述外加磁场的旋转角度的元件。本发明还提供了一种磁场误差校准方法，将该方法应用在双轴磁电阻角度传感器中，降低了测量误差、扩大了磁场应用范围并提高了其在高磁场中的测量精度。

Description

强磁场误差校准的磁电阻角度传感器及其校准方法

技术领域

本发明涉及在强磁场下使用的双轴磁电阻角度传感器的输出误差的校准。

背景技术

磁电阻传感器和旋转磁体相结合提供了用于各种汽车，工业和消费产品的旋转轴的方向的非接触式测量的一个有吸引力的手段。在现有技术中有许多不同类型的磁角度传感器，用于测量磁场的方向。不幸的是，它们都存在在本领域中公知的问题，例如，过大的尺寸，灵敏度不足，动态范围不足，高成本，低可靠性，以及其他问题。因此，仍然有必要对磁电阻角度传感器进一步地改进以设计具有高性能的磁电阻角度传感器，特别是可以与集成电路和现有制造方法很容易地结合使用的磁电阻角度传感器。

当外加磁场增加时，GMR或TMR磁电阻角度传感器的钉扎层的可能取得的有限值导致了增加的输出的误差是本领域的公知常识。其原因是所施加的外磁场造成被钉扎层的磁化方向的轻微的移动。为解决此问题，本发明提出了一个校正算法。本算法应用于双轴TMR/GMR角度传感器时，大大降低了和外加磁场强度强烈相关的测量误差。新算法包括简单的数学和简单的一次性校准，扩大了双轴TMR/GMR磁电阻角度传感器的磁场应用范围并极大地提高了其在高磁场中的测量的精度。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种双轴磁电阻角度传感器，包括两个检测沿相互垂直的X-轴和Y-轴方向外加磁场的正交单轴磁电阻角度传感器，

实时计算所述单轴磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的电压输出的测量的矢量幅度的元件，

计算已知的校准矢量幅度和所述测量的矢量幅度的差值的元件，

将所述的差值用相除以计算出信号误差的元件，

分别将所述信号误差加入到所述X-轴输出和Y-轴输出或从其中减去以计算校准的X-轴输出信号和校准的Y-轴的输出信号的元件，

计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号的商的反正切以计算所述外加磁场的旋转角度的元件。

所述沿X-轴输出和Y-轴输出分别是偏移校准的X-轴电压输出和偏移校准的Y-轴电压输出，将第一偏移校准值从所述X-轴电压输出减去获得所述偏移校准的X-轴电压输出；将第二偏移校准值从所述Y-轴电压输出减去获得所述的偏移校准的Y-轴电压输出。 

所述沿X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述沿Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

所述偏移校准的X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述偏移校准的Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

所述每一个单轴磁电阻角度传感器均为GMR自旋阀或TMR传感器。

所述双轴磁电阻角度传感器还包括温度感应传感器。

所述温度传感器产生的温度信号用来相对于温度计算线性扩展峰值、所述偏移校准值和/或矢量幅度校准值。

两个正交的所述X-轴单轴磁电阻传感器和Y-轴单轴磁电阻传感器的电压输出的最大振幅近似相等。

已知的校准矢量幅度为

V_p＝{Max[Vx(θ,H)]-Min[Vx(θ,H)]+Max[Vy(θ,H)]-Min[Vy(θ,H)]}/4。

所述第一偏移校准值是Vox＝{Max[V_cos(θ,H)]+Min[V_cos(θ,H)]}/2，所述第二偏移校准值是Voy＝{Max[V_sin(θ,H)]+Min[V_sin(θ,H)]}/2。

所述双轴磁电阻角度传感器还包括储存偏移值和最大振幅的校准常数的元件，所述的最大振幅的校准常数是由每一个单轴磁电阻角度传感器在所述外加磁场旋转一个 360度时得到的最大和最小峰值计算而来，所述双轴磁电阻角传感器只需储存所述的峰值和所述每一个单轴磁电阻传感器用于校准的所述偏移值。

相应地，本发明还提供了一种磁电阻角度传感器磁场测量误差校准方法，包括：

通过两个正交的单轴磁电阻角度传感器检测沿相互垂直的X-轴和Y-轴方向的外加磁场；

实时计算所述磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的电压输出的测量的矢量幅度；

计算已知的校准矢量幅度和所述测量的矢量幅度的差值；

将所述的差值用相除以计算出信号误差；

分别将所述信号误差加入到所述X-轴输出和Y-轴输出或从其中减去以计算校准的X-轴输出信号和校准的Y-轴的输出信号；

计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号所得的商的反正切以计算所述外加磁场的旋转角度。

所述沿X-轴输出和Y-轴输出分别是偏移校准的X-轴电压输出和偏移校准的Y-轴电压输出，将第一偏移校准值从所述X-轴电压输出减去获得所述偏移校准的X-轴电压输出；将第二偏移校准值从所述Y-轴电压输出减去获得所述的偏移校准的Y-轴电压输出。 

所述沿X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述沿Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

所述偏移校准的X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述偏移校准的Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

所述峰值、所述偏移校准值和/或矢量幅度校准值相对于温度线性扩展。

所述两个正交的X-轴单轴磁电阻传感器和Y-轴单轴磁电阻传感器的电压输出的最大振幅近似相等。

所述已知的校准矢量幅度为

V_p＝{Max[Vx(θ,H)]-Min[Vx(θ,H)]+Max[Vy(θ,H)]-Min[Vy(θ,H)]}/4。

所述第一偏移校准值是Vox＝{Max[V_cos(θ,H)]+Min[V_cos(θ,H)]}/2，所述第二偏移校准值是Voy＝{Max[V_sin(θ,H)]+Min[V_sin(θ,H)]}/2。

储存偏移值和最大振幅的校准常数，所述的最大振幅的校准常数是由在每一个单轴磁电阻角度传感器在所述外加磁场旋转一个360度时得到的最大和最小峰值计算而来，所述磁电阻角度传感器只需储存所述的峰值和所述每一个单轴磁电阻传感器用于校准的所述偏移值。

由于以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明将校正算法应用在双轴磁电阻角度传感器中，大大降低了和外加磁场强度强烈相关的测量误差，扩大了双轴磁电阻角度传感器的磁场应用范围并极大地提高了其在强磁场中的测量的精度。

附图说明

图1为磁电阻角度传感器的工作原理。

图2A为双轴磁电阻角度传感器1的理想的电压输出曲线。

图2B为双轴磁电阻角度传感器1由X-轴输出和Y-轴输出作图得到的理想XY-曲线图。

图3A为双轴磁电阻角度传感器1的非理想的电压输出曲线。

图3B为双轴磁电阻角度传感器1由X-轴输出对Y-轴输出作图得到的非理想XY-曲线图。

图4A为不同外加磁场的强度对双轴磁电阻角度传感器1的X-轴输出对Y-轴输出作图得到的XY-曲线的影响。

图4B为在不同外加磁场的强度下测得的双轴角度传感器1的输出的最大误差。

图5为一个曲线图，展示了在所有GMR/TMR角度传感器观察到的共同效果。

图6为MTJ(隧道磁阻结)元件的示意图。

图7为一个示意图解释由所施加的外磁场而产生的钉扎层的移动。

图8A为当外加磁场相对于钉扎层的角度为33°时的最大误差XY-曲线。

图8B为当外加磁场相对于钉扎层的角度为33°时，在不同的磁场强度HPS下计算得到的由于钉扎层移动引起的最大误差。

图9表明非理想输出波形的幅度等于或小于理想输出的波形的幅度。

图10示出了双轴的幅度和单轴误差的比较。

图11为单轴输出误差以双轴幅值误差为函数作图，表明单轴误差和双轴幅度误差之间成比例。

图12的曲线图表明的角度传感器的非理想输出可以通过将测得的双轴幅度误差加回非理想的变形的波形，从而对非理想输出进行校正。

图13A为在几个不同强度的外加磁场中由没有校准的X轴输出对Y轴输出作图得到的XY-曲线。

图13B在几个不同的外加磁场强度下由校正的沿X轴的输出与Y轴输出作图得到的XY-曲线，表明了输出误差可以被校正。

图13C显示了校正后的角度误差比原始误差小很多。

图14显示该算法在输出变化超过10％时，依然有效，这表明所述校正算法应该是对温度变化不敏感。

图15A-C表明本算法用于校准高度扭曲的输出时可以使误差降低3倍。

图16为一种双轴磁电阻角度传感器的设计。

图17为另一种双轴磁电阻角度传感器的设计。

具体实施方式

图1为双轴磁电阻角度传感器1工作原理示意简图。双轴的磁电阻角度传感器1包括两个相对彼此旋转90°的单轴磁电阻角度传感器，以便分别沿X轴和Y轴测量磁场的强度。其中之一测量余弦波形被称为余弦传感器，另一个用于测量正弦波形被称为正弦传感器。磁电阻(MR)角度传感器1被放置在由磁铁3产生的一个旋转磁场2中，通过检测双轴磁电阻角度传感器1的电阻变化，双轴磁电阻角度传感器1可以测量磁铁3的旋转角度。前述的双轴磁电阻角度传感器1的电阻变化呈正余弦波规律变化。

图2A为双轴磁电阻角度传感器1的正余弦输出曲线。双轴磁电阻角度传感器1的输出对旋转磁场2的旋转角度作图，得到理想的正弦和余弦输出曲线：沿X轴方向是一余弦波形，沿Y轴向是正弦波形；这两个波形是理想的Y轴正弦波形7和理想X轴余弦波形5。如果理想的X轴电压输出对Y轴电压输出作图，所得曲线是如图2B所示的正圆 9。具体而言，这意味着输出电压分量的矢量幅度是独立于旋转角度的，如下面讨论的，这一特点是使得本发明所提出的校正算法的可以工作的关键部分。在任何情况下，旋转角度可以使用公知的CORDIC算法计算，其中正弦传感器的电压除以余弦传感器的电压，然后计算比值的反正切，来确定磁铁3的旋转角度。

图3A和图3B为TMR(tunneling magnetoresistance)或GMR(giant magnetoresistance)双轴磁电阻传感器1在外加强磁场时的非理想输出曲线。图3A显示双轴的磁电阻角度传感器1的Y轴波形曲线13和X轴波形曲线11被强烈扭曲。图3B是理想的输出形成的理想的XY-输出曲线9和非理想的输出形成非理想的XY-输出曲线15。在该图，很明显非理想XY-输出曲线15不成圆形，并趋向于形成在XY平面内的星形线或正方形的形状，其中所述双轴传感器1的矢量大小并不是独立于旋转角度。在33度的矢量33和在45度矢量31显示前述的扭曲在用CORDIC计算旋转磁场2的角度时会产生误差。扭曲的曲线15上点32应该是理想曲线的曲线9上的点32′。在扭曲曲线15上的点34不沿矢量33映射到理想曲线9上对应的一点，而是映射到有较小角度的点34′。这表明输出曲线在高场时会有误差，会产生角度依赖性误差或非线性的误差，因此需要对MR角度传感器1的输出进行修正。

往往存在可以最小化传感器输出的这种非线性的外加的磁场2测量误差的最佳值，但一般来说,测量误差随着所施加的外磁场2的强度增加而增加。图4显示了的测量误差对磁场强度依赖性。图4A是在不同的磁场强度下测得的XY-输出曲线，需要注意，增强的外加磁场会导致误差的增加，图4A的一组在较高外加磁场下输出曲线15说明了这一点。对磁电阻角度传感器1施加不同强度的外加磁场。图4B为外加旋转磁场2做360度旋转，双轴磁电阻角度传感器1的输出所产生的最大误差对外加旋转磁场2的强度作图得出的曲线，其进一步清楚地表明了输出误差随着磁场强度增加而增加。

图5是一个曲线图，用来说明GMR角度传感器的作用。它涉及一种GMR或TMR元件的结构。当旋转磁场是低至50奥斯特，输出传输曲线4和理想的输出曲线5相同。如果旋转磁场的强度高达400奥斯特，输出曲线6变为三角形。扭曲曲线和理想曲线的差或单轴误差为曲线8。

这种偏离理想的输出曲线的误差可能是由不完全饱和或自由层在低外加磁场的非理想行为引起的。它也可能是在强外加磁场下钉扎层(PL)钉扎场的有限的强度造成的。 下面，我们将说明，高场误差主要由钉扎层的非理想性行为引起，其中所述被钉扎层磁化方向由于所施加的外磁场而稍微移动，而此种移动随所施加的外加磁场的强度值而增加。

本发明公开了一种校正算法，校准由钉扎层或其它原因引起的前述的传感器输出的高场误差。

图6为简单的MTJ结构。传感器元件各自包括一铁磁性层-绝缘层-铁磁层结构(FM-Ⅰ-FM)的。通常有至少两个被绝缘隧道势垒19分隔开的铁磁金属层，隧道势垒19的厚度约为2nm厚，该层的厚度控制所述隧道结的电阻。这种结构的磁阻效应被称为隧道磁阻(TMR)，它的大小可以很容易地超过DR/R 0≈200％。传感元件的电阻的变化是正比于自由层17和钉扎层(PL)21的磁化方向之间的相对取向角的余弦，因此，如果MTJ的设计使得FL17旋转的响应于施加的外磁场H，而PL21的磁化方向被刚性地固定，所述传感器元件的输出电阻是与所施加的磁场的方向有关。因为MTJ的电阻变化为FL和PL层的磁化方向之间的相对角度的函数，所以钉扎层21的任何微小的旋转都会增加传感器的误差。

假设FL17的磁化完全遵循所施加的外磁场的角度，误差的分析可以通过仅考虑PL21磁化的方向21。图7示出了钉扎磁场的方向22，PL21的磁化的方向21’，和外加磁场2的两个分量的X2’和Y2”的方向。为了确定PL21所施加的外加磁场2的响应，作了如下通常的自由能分析了，其中该系统的能量依赖于相对于总磁场的PL21的磁化方向：

$E=-\frac{1}{2}{\stackrel{\→}{M}}_s\·({\stackrel{\→}{H}}_p+\stackrel{\→}{H})---\left(1\right)$

$E=-\frac{1}{2}{M}_s\{(H_p+H_x)\cos \mathrm{\θ}+H_y\sin \mathrm{\θ}\}---\left(2\right)$

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{d\θ}}=0=-\frac{1}{2}{M}_s\{-(H_p+H_x)\sin \mathrm{\θ}+H_y\cos \mathrm{\θ}\}---\left(3\right)$

通过方程(3)可以求出PL的磁化方向的旋转角度，这个旋转角度表示为θ_err.

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}=a\tan \left\{\frac{H_y}{H_p+H_x}\right\}---\left(4\right)$

方程(4)中的钉扎磁场(Hp)强度通常约为1500 Oe,这限制了MTJ磁电阻传感器的精确度。

测得的数据表明，当所施加的外加磁场的角度约为30度，角度的测量误差最严重，这一点可以通过把数据点从非理想的曲线15的映射到理想曲线9观察到，见图8A。另外，外加磁场的角度是45度时，测量误差最小。图8B是用计算出的最大PL角度误差对Hp作图。假设最大测量误差是发生在当外加磁场的施加的角度为33°时，计算由方程(5)进行。用公式5计算得到的误差曲线与在真实设备上测量的误差曲线非常一致。

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}=a\tan \left\{\frac{H/3}{H_p+2H/3}\right\}---\left(5\right)$

图9是用双轴磁电阻角度传感器1的电压输出波对所施加的外磁场的角度作图。图中的零度表示所施加的平行于Hp方向的磁场。双轴磁电阻角度传感器1的输出模型，Cos＝理想余弦轴电压，Sin＝理想正弦轴电压，为Ct＝三角形非理想余弦信号，ST＝三角形非理想正弦信号。

需要注意的是非理想曲线11和13的幅度是始终等于或比理想曲线5和7幅度小，并且测量误差大小呈90度相位。非理想曲线11和13和理想曲线5和7具有相同的最大和最小峰值。上述模型在测量中具有普遍性，表明可以据此建立一个校正算法。

为了解释这个校正方法中，图10是绘制的误差波形曲线。理想幅度27＝双轴矢量幅度；原始幅值29＝双轴三角波的矢量幅度；幅度差31＝理想幅度-原始幅度；三角波形的误差33＝理想正余弦波形曲线和三角波形误差的单轴差。

注意，幅度差很容易实时计算，三角形误差33在实际测量中不可知，但它与幅度差相关，这一点显示于图11。在图10中Cos-CT(曲线7-曲线13)的差被表示为曲线31对CT和ST的向量幅度(曲线11和13矢量幅度)曲线29作图。令人惊讶的是，图11表明，非理想曲线的幅度(测量的矢量幅度)和每一个轴的预期峰值(振幅)之间的差与角度测量误差(三角形误差)成比例！！，这个比例，也就是斜率为：

$1.39\≈1.41=\sqrt{2}---\left(6\right)$

由此可见，非理想和理想响应之间的向量幅度计算的差值可以实时地被加回到传感器1的输出中校准正交单轴波形。其结果是，图12中的三角形误差34变得比图10中的小得多,非理想的余弦波曲线11经校准后取得了校准的X-轴电压输出曲线16，其与理想的X-轴电压输出曲线的5相同。

将非理想的正弦波形13表示作为V_SIN(θ，H)；将非理想的余弦波11表示为Vcos(θ，H)；正弦和余弦波形的偏移分别表示为V_0S与V_OC；将正弦和余弦波形的峰值表示为V_ps和V_pc；V'sin(θ，H)和V'cos(θ，H)作为偏移和幅度校正的传感器输出；然后下面的方程可用于实时纠正非理想的输出波形：

V′_s(θ,H)＝{V_sin(θ,H)-V_os}/V_ps        (7) 

V′_c(θ,H)＝{V_cos(θ,H)-V_oc}/V_pc          (8) 

$\mathrm{Error}(\mathrm{\θ},H)=\{1-\sqrt{{\left(\frac{V_c^{\′}(\mathrm{\θ},H)}{V_{\mathrm{pc}}}\right)}^2+{\left(\frac{V_s^{\′}(\mathrm{\θ},H)}{V_{\mathrm{ps}}}\right)}^2}\}/\sqrt{2}---\left(9\right)$

$V_{\sin }{(\mathrm{\&theta;},H)}_{\mathrm{corr}}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)\&GreaterEqual;0:& V_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)+\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\\ V_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)<0:& V_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)-\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\end{array}\right.---\left(10\right)$

$V_{\cos }{(\mathrm{\&theta;},H)}_{\mathrm{corr}}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)\&GreaterEqual;0:& V_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)+\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\\ V_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)<0:& V_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)-\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\end{array}\right.---\left(11\right)$

可以通过公式12-15计算得到V_peak(V_peak是最大或最小信号的传感器或幅度)和V_offset的(传感器信号的偏移):

V_pc＝{Max[V_cos(θ,100)]-Min[V_cos(θ,100)]}/2      (12) 

V_ps＝{Max[V_sin(θ,100)]-Min[V_sin(θ,100)]}/2      (13) 

V_oc＝{Max[V_cos(θ,100)]+Min[V_cos(θ,100)]}/2       (14) 

V_os＝{Max[V_sin(θ,100)]+Min[V_sin(θ,100)]}/2      (15) 

通常情况下只需要计算这四个参数(V_PC，V_PS，V_oc和V_OS)。在实际操作中，如果该正弦和余弦波形是相互匹配，只需V_P就足够的。这种方法的优点在于不需要储存波形，至多只有需储存四个参数。磁体3只需旋转一个360度就足够了。只要磁阻角度传感器1是饱和的，H可以是任何值。

假设传感器饱和了，经验表明，传感器只需要在一个单一的磁场校准。假设传感器在100G得到了饱和，正弦和余弦曲线匹配的很好，那么下面的实施例说明了如何校准的传感器1:

V_p＝{Max[V_c(θ,100)]-Min[V_c(θ,100)]+Max[V_s(θ,100)]-Min[V_s(θ,100)]}/4      (16) 

为了校正误差把下面的方程加到每个测量值中：

V′_s(θ,H)＝V_sin(θ,H)           (17) 

V′_c(θ,H)＝V_cos(θ,H)            (18) 

$\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)=\{V_p-\sqrt{V_c^{\&prime;}{(\mathrm{\&theta;},H)}^2+V_s^{\&prime;}{(\mathrm{\&theta;},H)}^2}\}/\sqrt{2}---\left(19\right)$

$V_{\sin }{(\mathrm{\&theta;},H)}_{\mathrm{corr}}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)\&GreaterEqual;0:& V_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)+\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\\ V_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)<0:& V_s^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)-\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\end{array}\right.---\left(20\right)$

$V_{\cos }{(\mathrm{\&theta;},H)}_{\mathrm{corr}}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)\&GreaterEqual;0:& V_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)+\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\\ V_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)<0:& V_c^{\&prime;}(\mathrm{\&theta;},H)-\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\end{array}\right.---\left(21\right)$

另一个实施例，偏移值比较小，并且正弦和余弦波的峰值相同，那么校准可以通过下面的方程进行：

$\mathrm{VMag}(\mathrm{\&theta;},H)=\sqrt{V_X^2(\mathrm{\&theta;},H)+V_Y^2(\mathrm{\&theta;},H)}---\left(22\right)$

$\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)=\{V_p-\sqrt{\mathrm{Vx}{(\mathrm{\&theta;},H)}^2+\mathrm{Vy}{(\mathrm{\&theta;},H)}^2}\}/\sqrt{2}---\left(23\right)$

$V_{\sin }{(\mathrm{\&theta;},H)}_{\mathrm{corr}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Vy}(\mathrm{\&theta;},H)\&GreaterEqual;0:& \mathrm{Vy}(\mathrm{\&theta;},H)+\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\\ \mathrm{Vy}(\mathrm{\&theta;},H)<0:& \mathrm{Vy}(\mathrm{\&theta;},H)-\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\end{array}\right.---\left(24\right)$

$V_{\cos }{(\mathrm{\&theta;},H)}_{\mathrm{corr}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Vx}(\mathrm{\&theta;},H)\&GreaterEqual;0:& \mathrm{Vx}(\mathrm{\&theta;},H)+\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\\ \mathrm{Vx}(\mathrm{\&theta;},H)<0:& \mathrm{Vx}(\mathrm{\&theta;},H)-\mathrm{Error}(\mathrm{\&theta;},H)\end{array}\right.---\left(25\right)$

图13A是没有校准的X轴输出对Y轴输出作图得到的一组非理想的XY-曲线15和理想的X轴输出对Y轴输出作图得到的理想的XY-曲线9。图13B和13C示出了用公式(18)和(19)修正后的效果。图13B表明经校准的X轴电压输出对Y轴电压输出作图得到的校准的XY-曲线10是理想的圆，和理想输出XY-曲线9的圆相同。图13C显示了校正后的角度误差41比原始误差39小很多，算法修正似乎降低了非线性角度误差和外加磁场的强度的相关性。

使用本算法时需要注意，如果峰值和偏移随温度变化，在这种情况下，需要进行温度相关的校准。一般来说，这可以通过下面的假设进行：

V_ps＝V_ps(T)＝V_ps(T1)–aT          (26) 

V_pc＝V_pc(T)＝V_pc(T1)–aT          (27) 

V_os＝V_os(T)＝V_os(T1)–βT          (28) 

V_oc＝V_oc(T)＝V_oc(T1)–βT         (29) 

在这里，a和β是传感器1的已知的温度系数，T 1是MR角度传感器1被校准的时的温度，而T是用一个片上温度计测量的操作温度。这些温度校正系数可以被用在公式(7)和(8)，从而在本发明的算法中对温度引起的误差进行补偿。

替代的方法，如果峰值和偏移补偿值随温度没有太大变化，该算法不需要温度补偿。图14的A-C'示出了本发明的误差校正方法在10％的输出误差的变化内是有效的：VP/Vp'＝0.99，1，和1.1。图14的A'-C'表明随着外加磁场增强，原始最大误差增 大。除了在0-150奥斯特并且VP/Vp'＝1.1的范围，修正后的最大误差是较原始的最大误差小。图14的A-C表明，修正后的X-轴的输出对Y-轴的输出作图得到的XY-曲线是圆形。

图15A，15B和15C表明，输出误差的降低超过了3倍。该算法被应用于高度扭曲的输出曲线。15A是非理想的XY-曲线15，理想的XY-曲线9和纠正后的X轴与输出Y轴输出作图得到的校准的XY-曲线10。经过实时校正，三角形波形的曲线11和13成为图15B中的理想的余弦或正弦波形5和7。图15C表明校正后的角度误差比的原始误差小3倍。曲线35是校准前的误差，曲线37是校准后的误差。

图16为四个传感器芯片120，121，122和123的一种可能的排布以制作双轴磁场角度传感器1，用来检测旋转磁场的正弦和余弦分量。四个传感器被置于围绕中央的ASIC124的圆周上，并相互通过标准丝焊技术电连接。四个芯片的排布使得这个正交全桥有一共同的中心126。ASIC可含有静电放电保护电路，而且它也可提供用于将正交传感器的信号输出角度变换成数字格式的电路。

图17示出四个传感器芯片130，131，132和133的另一个可能的安排，以制作双轴磁场角传感器1，其检测所述旋转磁场的正弦和余弦分量。四个传感器相互之间呈圆对称，位于一个ASIC135的顶部上。不同于图16的设计，各传感器芯片歪斜使得传感器1更靠近共同几何中心。四个芯片的排布使得这个正交全桥有一共同的中心136。ASIC可含有静电放电保护电路，而且它也可提供用于将正交传感器的信号输出角度变换成数字格式的电路。

双轴磁场角度传感器1被沉积或连接到一个ASIC(application specific integrated chip)电路或其他装置来进行本发明所公开的算法的运行。设计还包括内部或外部的数据存储。具体而言，ASIC包括根据每个单轴磁场角度传感器X-轴和Y-轴的电压输出计算一个已知矢量幅度校准值和实时的两轴矢量幅度之间的差的装置，及其将所述差除以2的平方根以计算误差信号的装置，以及用于从所述各X和Y电压输出增加或减去误差信号的装置，以产生一个误差校正X电压输出信号和误差校正后的Y电压输出信号，其中所述误差校正后的Y电压信号和误差校正后的X电压输出的商的反正切值就是要测量的所施加的外磁场的角度值。

双轴磁场角度传感器1还可以包括温度传感器，来自温度传感器的温度信号被用 于线性扩展的相对于温度的已知的校准和偏移值。

温度传感器和数据存储可以包含在ASIC124中，或者它们可以与ASIC124分开位于角度传感器芯片内，或连接到芯片上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，本发明中的实施也可以进行不同组合变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，包括两个检测沿相互垂直的X-轴和Y-轴方向外加磁场的正交的单轴磁电阻角度传感器，

实时计算所述单轴磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的输出的测量的矢量幅度的元件，

计算已知的校准矢量幅度和所述测量的矢量幅度的差值的元件，

将所述的差值用相除以计算出信号误差的元件，

分别将所述信号误差加入到所述沿X-轴和Y-轴的输出或从其中减去以计算校准的X-轴输出信号和校准的Y-轴的输出信号的元件，

计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号所得的商的反正切以计算所述外加磁场的旋转角度的元件。

2.根据权利要求1所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述沿X-轴输出和Y-轴输出分别是偏移校准的X-轴电压输出和偏移校准的Y-轴电压输出，将第一偏移校准值从所述沿X-轴电压输出减去获得所述偏移校准的X-轴电压输出；将第二偏移校准值从所述沿Y-轴电压输出减去获得所述的偏移校准的Y-轴电压输出。

3.根据权利要求1所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述沿X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述沿Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

4.根据权利要求2所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述偏移校准的X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述偏移校准的Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

5.根据权利要求1所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述每一个单轴磁电阻角度传感器均为GMR自旋阀或TMR传感器。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，包括温度感应传感器。

7.根据权利要求6所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述温度传感器产生的温度信号用来相对于温度计算线性扩展峰值、所述偏移校准值和/或矢量幅度校准值。

8.根据权利要求1所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，两个正交的所述X-轴单轴磁电阻传感器和Y-轴单轴磁电阻传感器的电压输出的最大振幅近似相等。

9.根据权利要求1所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，已知的校准矢量幅度为V_p＝{Max[Vx(θ,H)]-Min[Vx(θ,H)]+Max[Vy(θ,H)]-Min[Vy(θ,H)]}/4。

10.根据权利要求2所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于,所述第一偏移校准值是Vox＝{Max[V_cos(θ,H)]+Min[V_cos(θ,H)]}/2，所述第二偏移校准值是Voy＝{Max[V_sin(θ,H)]+Min[V_sin(θ,H)]}/2。

11.根据权利要求1所述的一种双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，包括储存偏移值和最大振幅的校准常数的元件，所述的最大振幅的校准常数是由每一个单轴磁电阻角度传感器在所述外加磁场旋转一个360度时得到的最大和最小峰值计算而来，所述双轴磁电阻角传感器只需储存所述的峰值和所述每一个单轴磁电阻传感器用于校准的所述偏移值。

12.一种磁电阻角度传感器磁场测量误差校准方法，其特征在于，包括：

通过两个正交的单轴磁电阻角度传感器检测沿相互垂直的X-轴和Y-轴方向的外加磁场；

实时计算所述磁电阻角度传感器的沿X-轴和Y-轴的电压输出的测量的矢量幅度；

计算已知的校准矢量幅度和所述测量的矢量幅度的差值；

将所述的差值用相除以计算出信号误差；

分别将所述信号误差加入到所述X-轴输出和Y-轴输出或从其中减去以计算校准的X-轴输出信号和校准的Y-轴的输出信号；

计算校准的Y-轴输出信号除以校准的X-轴的输出信号所得的商的反正切以计算所述外加磁场的旋转角度。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述沿X-轴输出和Y-轴输出分别是偏移校准的X-轴电压输出和偏移校准的Y-轴电压输出，将第一偏移校准值从所述X-轴电压输出减去获得所述偏移校准的X-轴电压输出；将第二偏移校准值从所述Y-轴电压输出减去获得所述的偏移校准的Y-轴电压输出。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述沿X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述沿Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述偏移校准的X-轴电压输出被第一已知的矢量幅度校准值相除，所述偏移校准的Y-轴电压输出被第二已知的矢量幅度校准值相除，并且所述第一已知的矢量幅度校准值和第二已知的矢量幅度校准值设定为1。

16.根据权利要求12-15中任意一项所述的方法，其特征在于，峰值、所述偏移校准值和/或矢量幅度校准值相对于温度线性扩展。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述两个正交的X-轴单轴磁电阻传感器和Y-轴单轴磁电阻传感器的电压输出的最大振幅近似相等。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述已知的校准矢量幅度为V_p＝{Max[Vx(θ,H)]-Min[Vx(θ,H)]+Max[Vy(θ,H)]-Min[Vy(θ,H)]}/4。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一偏移校准值是Vox＝{Max[V_cos(θ,H)]+Min[V_cos(θ,H)]}/2，所述第二偏移校准值是Voy＝{Max[V_sin(θ,H)]+Min[V_sin(θ,H)]}/2。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，储存偏移值和最大振幅的校准常数，所述的最大振幅的校准常数是由每一个单轴磁电阻角度传感器在所述外加磁场旋转一个360度时得到的最大和最小峰值计算而来，所述磁电阻角传感器只需储存所述的峰值和所述每一个单轴磁电阻传感器用于校准的所述偏移值。