阅读说明：本技术 用于速度测量的磁场传感器、系统和方法 (Magnetic field sensor, system and method for speed measurement ) 是由 克劳斯·莱曼 哈特穆特·马茨 马克·艾斯勒 约尔格·科克 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：一种传感器包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件,所述第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件被配置成响应于外部磁场而产生对应的第一输出信号和第二输出信号。所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件形成梯度单元,所述磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括具有涡旋磁化图案的感测层。处理电路耦接到所述传感器元件并且被配置成产生作为所述梯度单元的所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件的所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差的差分输出信号。系统包括产生外部磁场的编码器和具有一个或多个梯度单元的传感器,其中所述梯度单元可以以二阶梯度感测配置布置。(A sensor includes first and second magnetoresistive sensor elements configured to generate corresponding first and second output signals in response to an external magnetic field. The first and second magnetoresistive sensor elements form a gradient unit, each of the magnetoresistive sensor elements comprising a sensing layer having a vortex magnetization pattern. Processing circuitry is coupled to the sensor elements and configured to generate a differential output signal as a difference between the first and second output signals of the first and second magnetoresistive sensor elements of the gradient unit. The system includes an encoder that generates an external magnetic field and a sensor having one or more gradient units, where the gradient units may be arranged in a second order gradient sensing configuration.)

用于速度测量的磁场传感器、系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及磁场传感器。更具体地说，本发明涉及磁阻传感器，所述磁阻传感器的感测层处于涡旋状态，用于以梯度配置测量磁场。

背景技术

磁场传感器系统在各种商业、工业和汽车应用中用于测量磁场以实现速度和方向感测、旋转角度感测、接近感测等目的。一些磁场传感器基于磁阻效应，在磁阻效应中，材料具有响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的趋势。磁阻装置包括例如各向异性磁阻(AMR)技术、巨磁阻(GMR)技术、隧道磁阻(TMR)技术等。

发明内容

在所附权利要求中限定了本公开的各个方面。

第一方面，提供了一种传感器，所述传感器包括：第一磁阻传感器元件，所述第一磁阻传感器元件被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号；第二磁阻传感器元件，所述第二磁阻传感器元件被配置成响应于所述外部磁场而产生第二输出信号，其中所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件形成梯度单元，所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括具有涡旋磁化图案的感测层；以及处理电路，所述处理电路电耦接到所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件，其中所述处理电路被配置成产生作为所述梯度单元的所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件的所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差的差分输出信号。

第二方面，提供了一种系统，所述系统包括：编码器，所述编码器被配置成响应于所述编码器的运动而产生具有预定磁变化的外部磁场；和传感器。所述传感器包括：第一磁阻传感器元件，所述第一磁阻传感器元件被配置成响应于所述外部磁场而产生第一输出信号；第二磁阻传感器元件，所述第二磁阻传感器元件被配置成响应于所述外部磁场而产生第二输出信号，所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件形成梯度单元，所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括具有涡旋磁化图案的感测层；以及处理电路，所述处理电路电耦接到所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件，其中所述处理电路被配置成产生作为所述梯度单元的所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件的所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差的差分输出信号。

第三方面，提供了一种确定设备的速度的方法，所述方法包括：提供耦接到所述设备的编码器，所述编码器被配置成响应于所述编码器和所述设备的运动而产生具有预定磁变化的外部磁场；响应于所述外部磁场而在多个磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件处产生多个输出信号，其中所述磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括具有涡旋磁化图案的感测层；从所述多个磁阻传感器元件中选择第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件作为第一梯度单元；以及产生作为所述梯度单元的所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件的第一输出信号与第二输出信号之间的差的第一差分输出信号。

附图说明

附图用于进一步示出各个实施例并用于解释全部根据本发明的各种原理和优点，在附图中，贯穿单独的视图，相同的附图标记指代相同的元件或功能上类似的元件，附图不一定按比例绘制，并且附图连同以下详细说明结合到本说明书中并形成本说明书的一部分。

图1示出了具有单畴状态的隧道磁阻(TMR)传感器元件的简化透视图；

图2示出了图1的TMR传感器元件的单畴状态的取决于磁场强度的磁阻传递曲线的曲线图；

图3示出了具有涡旋状态的TMR传感器元件的简化透视图；

图4示出了图3的具有涡旋磁化图案的TMR传感器元件的感测层的俯视图；

图5示出图4的TMR传感器元件的感测层的俯视图，其中涡旋磁化图案响应于外部磁场的施加而偏移；

图6示出了图3的TMR传感器元件的涡旋状态的取决于磁场强度的磁阻传递曲线的曲线图；

图7示出了根据一个实施例的TMR传感器元件的示意性横截面；

图8以简化和代表性的形式示出了根据一个实施例的用于转速测量的系统的例子；

图9示出了磁场输入信号和磁阻传感器输出信号的曲线图；

图10示出了根据另一实施例的用于转速测量的系统的例子；

图11示出了根据一实施例的图10的系统的框图；

图12示出了根据图10的示例系统的磁场输入信号和磁阻传感器输出信号的曲线图；

图13示出了根据另一实施例的用于转速测量的系统的例子；

图14示出了根据图13的示例系统的磁场输入信号和磁阻传感器输出信号的曲线图；

图15示出了根据一实施例的图13的系统的框图；

图16示出了用于图13的系统的示例磁场输入信号的曲线图；

图17示出了用于图13的系统的两个二阶梯度配置的示例差分输出信号的曲线图；并且

图18示出了根据另一实施例的速度确定过程的流程图。

具体实施方式

总的来说，本公开涉及一种磁场传感器、结合所述磁场传感器的系统以及用于测量物体的转速的方法。更具体地，一种系统包括以梯度磁场感测配置布置的多个磁阻传感器元件，如隧道磁阻(TMR)传感器元件。TMR传感器元件的感测层(也称为自由层)配置为涡旋状态，并且因此对沿单条轴线的平面内磁场敏感。传感器元件的涡旋状态的稳定性可以通过包括以下的措施的组合来实现：采用具有饱和磁化强度较高的较厚的软磁材料的多层感测层和使感测层的直径相对较小，其中在层厚度与直径的可制造性之间取得了折衷。另外，传感器元件在涡旋状态下的稳定性可以通过编码器磁体和传感器布局布置、二阶梯度布置以及检测临界情况并将其标记给传感器的用户的能力来实现。

提供本公开的目的在于以使能方式进一步解释根据本发明的至少一个实施例。提供本公开的目的还在于增强对本公开的发明性原理和优点的理解和认识，而不是以任何方式对本发明进行限制。本发明仅由所附权利要求限定，包括在本申请未决期间做出的任何修改以及如所公布的那些权利要求的所有等效物。

应当理解，对如第一和第二、顶部和底部等关系术语(如果有的话)的使用仅用于将实体或动作彼此区分，而不一定需要或暗示这种实体或动作之间的任何这种实际关系或顺序。此外，可以使用各种阴影和/或影线来示出附图中的一些，以便区分在各个结构层内产生的不同元件。可以利用当前和即将到来微制作技术——沉积、图案化、蚀刻等——来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管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以由同一种材料形成。

图1示出了具有单畴状态的隧道磁阻(TMR)传感器元件20的简化透视图。TMR传感器元件20通常包括布置在公共衬底(未示出)上的交替的非磁性、(反)铁磁性或亚铁磁性层的层堆叠22。在具有X轴24、Y轴26和Z轴28的笛卡尔坐标系中，层堆叠22的层在由X轴24和Y轴26跨越的平面中延伸。

TMR结构通常包括金属-绝缘体-金属夹层(例如，层堆叠22)，在所述夹层中，金属层是磁性的并且绝缘体层非常薄。在此例子中，TMR传感器元件20的层堆叠22包括被电绝缘的隧道势垒层34分离的磁性层30、32。磁性层30可以被固定或“钉扎”以具有参考磁化，如箭头36所示。因此，铁磁层30在下文中被称为参考层30。磁性层32是“自由的”以对所施加的磁场进行响应(即，感测)从而提供感测磁化，如箭头38所示。因此，磁性层32在下文中被称为感测层32。TMR传感器元件20的单畴状态配置具有均匀的平面内磁化。

在操作中，电荷可以从隧道势垒层34的一侧传递到另一侧。对于跨隧道势垒的给定电压，TMR效应表示为在给定时间间隔内通过隧道势垒层34的电荷量的变化。这种效应可能由于外部磁场的变化引起感测层32的磁化的方向变化而产生。因此，可以通过传感器元件的电导(或电阻)的变化来感测外部磁场或场角。

图2示出了针对TMR传感器元件20(图1)的单畴状态的磁场强度44H_Y的磁阻传递曲线42的曲线图40。在一个例子中，根据用于被动编码器轮的当前磁阻速度传感器，磁阻传递曲线42具有沿X轴24(图1)的外部稳定场H_X(BIAS)。传递曲线42示出了具有较轻磁滞的总体上线性的响应。然而，在此例子中，灵敏度以及因此显然所测量的磁场44H_Y取决于交叉轴磁场强度46H_X1或H_X2。

现在参考图3，图3示出了具有涡旋状态的TMR传感器元件50的简化透视图。TMR传感器元件50包括层堆叠52，所述层堆叠包括磁参考层54和由电绝缘隧道势垒层58分离的磁感测层56。同样，参考层54被固定或“钉扎”以具有参考磁化，如箭头60所示。磁感测层56是旋转对称的圆形或盘状形状。提供具有旋转对称形状的感测层56可以导致在感测层56中形成闭合的磁通量磁化图案。此闭合的磁通量磁化图案可以包括涡旋磁化图案，其中涡旋磁化图案可以基本上是圆形的。在涡旋状态的此例子中，磁感测层56具有涡旋磁化图案62，其中磁化通过圆周(例如，圆形)图案和中心点64(也称为涡核)表征，在所述中心点处，磁化方向相对于Z轴28指向外部或内部。椭圆形、多边形、矩形或其它形状的层也可以形成涡旋状态，并且其行为类似于本文呈现的例子。

参考图4和5，图4示出了具有涡旋磁化图案62的TMR传感器元件50的感测层56的俯视图，并且图5示出了TMR传感器元件50的感测层56的俯视图，其中涡旋磁化图案62已经响应于外部磁场66(例如，H_Y)的施加而偏移。在一些实施例中，涡旋磁化图案62被图案化成圆形，这可以为各向同性层特性提供有效的涡旋图案稳定性。在其它实施例中，可以根据特定应用和晶体各向异性来修改此圆形形状。

在图4中，没有施加外部磁场(例如，H_Y＝0)。这样，涡旋磁化图案62的涡核(例如，中心点64)居中(例如，位于中心虚线处)。施加外部磁场66使涡旋磁化图案62垂直于外部磁场66移动。也就是说，涡旋磁化图案62偏离中心虚线，并且产生净磁化。在图5中通过区域68示意性地表示了此净磁化。由于一阶假设的磁化结构不是一成不变的，因此净磁矩将取决于感测层56的微磁细节。然而，图4和5大体上展示了感测原理。因此，如果参考层54(图3)平行于Y轴26被磁化，则所示出的配置会生成与H_Y磁场分量成比例的电导变化。类似地，如果参考层54平行于X轴24被磁化，则电导变化将与H_X磁场分量成比例。

图6示出了针对TMR传感器元件50(图3)的涡旋状态的取决于磁场强度的74H_Y的磁阻传递曲线72的曲线图70。传递曲线72在零H_Y磁场附近的线性范围内未显示出交叉轴依赖性。即，根据TMR传感器元件50的电导的测量得到的表观磁场分量74H_Y不受交叉轴磁场强度H_X的影响。可以描述存在涡旋状态的状况的临界参数分别称为涡旋成核的成核场HN和涡旋消失并再次被破坏的湮没场H_A。曲线图70还示出了这些涡旋特性，即成核场H_N和湮没场H_A。

可以关于成核场H_N和湮没场H_A区分两个不同的工作范围。在本文中称为涡旋形成范围76的第一工作范围由成核场H_N+和H_N-限定，并且可以不受磁历史的影响，因为可以确保涡旋成核。在本文中称为涡旋湮没范围78的第二工作范围由湮没场H_A+和H_A-限定。只要不超过涡旋湮没范围78(例如，由于如高磁场脉冲等干扰事件)，就可以保持涡旋状态。换句话说，磁化的平面内分量dR/R可以通过改变外部磁场沿曲线72移动。然而，在涡旋湮没范围78外发生干扰事件之后，可能需要“重置”，以便通过将外部磁场强度减小到涡旋形成范围76内的值来重新形成涡旋磁化图案62(图3)。在干扰事件和涡旋再形成之间，磁化的平面内分量dR/R可以遵循磁滞曲线80、82。因此，对于相对较低的外部磁场，可能存在几乎为零的磁滞。然而，对于较高的外部磁场，由于涡核的湮没(在H_A处)和成核(在H_N处)，会发生很强的磁滞。因此，理想情况下，外部磁场应低于成核场，以确保在应用中正确且安全地运行。

因此，图6示出了涡旋(例如，涡旋磁化图案62)对线性外部磁场的典型响应。所述涡旋的稳定性有限。所述涡旋可能在高于H_A的磁场下湮没(即，被破坏)，并且仅在较低的磁场H_N下才成核，从而引起磁滞。这种有限的稳定性妨碍了在具有较大动态运行范围的某些应用(例如，汽车应用)中使用涡旋模式传感器。

根据下文所述的实施例，系统包括多个如TMR传感器元件50等磁阻传感器元件，每个磁阻传感器元件包括被配置成在磁感测层56中生成涡旋磁化图案62的磁感测层56，并且每个磁阻传感器元件被配置成响应于外部磁场而产生输出信号，所述外部磁场可以由系统内的编码器磁体产生。涡旋状态磁阻传感器元件(例如，TMR传感器元件50)可能适合用作磁梯度仪，由于它们对交叉轴磁场不敏感，并且在很广的可调磁场范围内具有高度线性响应。

图7示出了根据一个实施例的TMR传感器元件的示意性横截面。更具体地说，图7示出了根据一些实施例的TMR传感器元件50(也称为磁隧道结或MTJ)的示意性横截面。磁场传感器可以包括适当地连接在一起的多个TMR传感器元件50。TMR传感器元件50包括多个结构层，并且这些层又可以包括多个层。在此例子中，TMR传感器元件50包括底部触点84，所述底部触点84本身可以包括底部电极、缓冲层和晶种层(本文中未区分)。可以将电连接和/或衬底(未示出)定位于底部触点84下方。

在底部接触点84上形成有钉扎层86，并且在钉扎层86上形成有磁参考层54。钉扎层86可以是反铁磁、亚铁磁或铁磁材料。钉扎层86还可以包含磁性耦接的合成反铁磁或亚铁磁层堆叠。参考层54的参考磁化60(图3)通过与钉扎层86的耦接而被钉扎，使得参考磁化60不会随着外部磁场而显著变化。在磁参考层54上形成有隧道势垒层58。隧道势垒层58可以是氧化镁组合物(MgOx)、氧化铝组合物(AL₂O₃)或任何其它合适的电绝缘材料。

可以在隧道势垒层58上形成磁感测层56。理论上，可以通过增大运行场范围来提高TMR传感器元件50的性能。可以通过审慎地选择感测层56的形状、厚度和/或材料来增大运行场范围。举例来说，感测层材料的饱和磁化越高且感测层的厚度与侧向尺寸(例如，直径)的纵横比越高，运行场范围越大。但是，存在工艺限制。例如，光刻工艺要求用于汽车鲁棒配置的直径最小(例如，大于100纳米)。另外，感测层的厚度不应太厚，以避免与机械应力或蚀刻有关的问题。另外，无法自由选择与隧道势垒层58接触的磁材料。

考虑到以上讨论的权衡，在一些实施例中，感测层56可以由层88、90、92形成。如果参考层54主要被均匀地磁化(例如，单畴态，花态或类似状态)，则TMR效应使得感测层56的净磁化的分量被转换成电导。在一些实施例中，与隧道势垒层58接触的层88可以由与参考层54的材料相似的材料形成。另外，可以针对通过隧道势垒层58的隧道电流的最高电阻变化(例如，R_max/R_min-1)优化层88。层88可以采用的材料可以是例如钴-铁-硼(CoFeB)组合物，但是可替换的是可以使用其它合适的材料。

在一些实施例中，层90是软磁铁磁材料层。软磁铁磁材料是一种内部的磁化容易逆转的材料。在一些实施例中，软磁铁磁材料层90可以是钴-钽-锆(CoTaZr)合金或镍-铁-钴合金(Ni₇₄Fe₁₀Co₁₆)。这些材料的饱和磁化(例如，最大可能磁化)比典型AMR传感器中使用的镍-铁材料(例如，坡莫合金)的饱和磁化高。另外，这些材料足够均匀(例如，无定形)并且包含可以被合理蚀刻的元件。即，均匀性和组成两者对于良好控制的蚀刻工艺都很重要。仍另外，所述材料的磁致伸缩性(例如，与铁磁体的由其磁化状态变化引起的尺寸变化有关的特性)低。低磁致伸缩性对于最小化TMR传感器元件50的应力敏感度很重要。

在一些实施例中，感测层56由使得在不存在外部磁场的情况下在感测层56内仅生成单个涡旋磁化图案62(图3)的形状和尺寸表征。举例来说，在一些实施例中，感测层56具有圆形形状，如上所述。另外，圆形的软磁铁磁材料层90的厚度94可以介于20纳米与60纳米之间并且直径96可以介于150纳米与500纳米之间。尽管示出了感测层56的圆形形状，但是更一般地，感测层56可以具有椭圆形状，其中椭圆的长轴和短轴中的每一个的长度均介于150纳米与500纳米之间。

此类配置可以实现有效的可制造性，同时实现单个涡旋磁化图案的特性。尽管感测层56被描述为包括三层88、90、92，但是这些层可以由多个不同的子层构成(例如，以控制结晶度、增加遮盖物以及生长层等等)。另外，可以通过处理隧道势垒层上方的参考层来反转层堆叠52。由于TMR传感器元件具有高输出信号，因此可以在本文中有利地实现TMR传感器元件。但是，可替换的实施例可以实施其它配置，如具有涡旋状态的AMR或GMR。

图8以简化和代表性的形式示出了根据一个实施例的可以实施一对TMR传感器元件的用于转速测量的系统100(例如，速度传感器)的例子。在此例子中，系统100包括编码器102，所述编码器102被配置成响应于编码器102的旋转(由弯曲箭头105表示)而产生具有预定磁变化的外部磁场104(由虚线箭头表示)。图8所示的所呈现的交替的北极(N)和南极(S)配置会产生预定的磁变化。可替换的实施例可以实施铁磁齿轮或其它类似结构。其它可能的磁化也是可能的，如北极和南极交替的齿到齿。

系统100另外包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件。第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件等同于TMR传感器元件50(图7)。因此，第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件在本文中称为第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B。如上所述，第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B中的每个TMR传感器元件包括具有涡旋磁化图案62的感测层56(图7)。处理电路106电耦接到第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B。在此示例配置中，第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B被配置成测量编码器102的转速，并因此测量与编码器102附接的设备的转速。在此例子中，所述设备可以是轴108。

结合系统100和以下描述的其它系统示出了单个TMR传感器元件50。然而，应理解，每个TMR传感器元件可以表示单个TMR传感器元件、TMR传感器元件的半桥、TMR传感器元件的全桥、串联的多个TMR传感器元件、使用参考电阻器、测量电流或电压等等。另外，尽管本文讨论了TMR传感器元件，但是本领域的技术人员将认识到，涡旋结构不限于TMR效应。可替换的系统实施例可以实施巨磁阻(GMR)传感器结构、各向异性磁阻(AMR)传感器结构或其它xMR结构。

根据一些实施例，将TMR传感器的高灵敏度与涡旋状态传感器(例如，涡旋磁化图案62)的线性度和梯度感测原理相组合。在此例子中，系统100采用一阶梯度感测配置。即，编码器102产生外部磁场104，所述外部磁场104具有朝向在感测层56的平面(由X轴24和Y轴26限定)的分量H_Y和朝向为垂直于感测层56的平面的分量H_Z。然而，第一传感器元件50A和第二传感器元件50B中的磁涡旋(例如，涡旋磁化图案62)仅对感测层56的平面中的磁场分量H_Y产生反应。这样，仅感测感测层56的平面中的外部磁场104的沿平行于Y轴26的方向的分量。因此，第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B与Y轴26对准以检测外部磁场104的分量H_Y，所述分量在感测层56的平面中朝向为处于第一方向(例如，并且更具体地说，平行于Y轴26)。外部磁场104的Y轴分量H_Y在本文中称为Y轴外部磁场110。

在一些实施例中，系统100包括梯度单元112，所述梯度单元112包括第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B。第一TMR传感器元件50A被配置成响应于Y轴外部磁场110而产生第一输出信号114H₀。类似地，第二TMR传感器元件50B被配置成响应Y轴外部磁场110而产生第二输出信号116H₊₁。可以将第一输出信号114和第二输出信号116输入到处理电路106。在一个例子中，处理电路106可以是差分单元，所述差分单元被配置成产生作为梯度单元112的第一输出信号114与第二输出信号116之间的差的差分输出信号118ΔH_Y。处理电路106的另外的信号处理能力可能需要响应于差分输出信号118而生成速度脉冲。例如，每当差分输出信号118经过零电平时，例如差分输出信号近似为零，可以生成速度脉冲。速度脉冲表示与编码器102耦接的设备(例如，轴108)的速度。这样，可以通过对每秒的速度脉冲进行计数来得出轴108的转速。

图9示出了磁场输入信号和磁阻传感器输出信号的曲线图120。具体地说，曲线图120示出了相对于编码器相位124α的外部磁场强度122H_Y，其中如果编码器102以恒定速度旋转，则编码器相位124与时间成比例。曲线图120包括输入曲线126(虚线)，所述输入曲线126表示在编码器相位124α上绘制的Y轴外部磁场110(作为磁场输入信号)。曲线图120包括输出信号曲线128(实线)，所述输出信号曲线128表示TMR传感器元件50的经缩放以表示表观磁场分量的输出。当涡旋磁化图案62(图8)在±H_A下湮没并且在±H_N下成核时，输出信号曲线128是滞后的。沿Y轴26(图8)的传感器位置对应于相移。第一黑点表示在给定时间点沿着输出信号曲线128的第一输出信号114，并且第二黑点表示在给定时间点沿着输出信号曲线128的第二输出信号116。即，点随时间沿着输出信号曲线128移动。在磁场梯度(例如，差分输出信号118(图8))为零的位置处绘制输出信号曲线128上的白点。换句话说，当第一输出信号114与第二输出信号116之间的差为零时，白点表示预期的信号输出130。然而，产生第二输出信号116的第二TMR传感器元件50B的涡旋磁化图案62被湮没。因此，差分输出信号118为非零。

具有单个(也称为一阶)梯度单元112的系统100(图8)的配置在一些应用中可以以令人满意的方式运行。然而，由于涡旋磁化图案62的湮没可能会妨碍梯度感测速度传感器的运行，所以由编码器102产生的外部磁场104不能太强以至于湮没第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B中的任一TMR传感器元件中的涡旋磁化图案62。

参考图10，图10示出了根据另一实施例的用于转速测量的系统132(例如，速度传感器)的例子。如上所述，系统100(图8)采用一阶梯度感测配置。根据一些实施例，系统132采用二阶梯度感测配置来感测外部磁场104的Y轴分量H_Y(例如，Y轴外部磁场110)。为了简单起见，系统100和132中的每个系统共同的特征将通过相同的附图标记表不。

系统132包括编码器102，所述编码器102被配置成产生外部磁场104。在此例子中，系统132另外包括第一磁阻传感器元件、第二磁阻传感器元件和第三磁阻传感器元件。第一磁阻传感器元件、第二磁阻传感器元件和第三磁阻传感器元件等同于TMR传感器元件50(图7)。因此，第一磁阻传感器元件、第二磁阻传感器元件和第三磁阻传感器元件在本文中称为第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C。如上所述，第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C中的每个TMR传感器元件包括具有涡旋磁化图案62(图3)的感测层56(图7)。处理电路134电耦接到第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C。在此示例配置中，第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C被配置成测量编码器102的转速，并因此测量轴108的转速。

在所示出的配置中，第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C平行于Y轴26彼此对准。在一些实施例中，第TMR传感器元件50A插置在第二TMR传感器元件50B与第三TMR传感器元件50C之间。另外，在一些实施例中，第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C与第一TMR传感器元件50A等距间隔。

系统132包括第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B的第一梯度单元136，以及第一TMR传感器元件50A和第三TMR传感器元件50C的第二梯度单元138。第一TMR传感器元件50A被配置成响应于Y轴外部磁场110而产生第一输出信号140H₀。第二TMR传感器元件50B被配置成响应于Y轴外部磁场110而产生第二输出信号142H₊₁。第三TMR传感器元件50C被配置成响应于Y轴外部磁场110而产生第三输出信号144H_-1。

可以将第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144输入到处理电路134。在一个例子中，处理电路134可以是差分单元，所述差分单元被配置成产生作为第一梯度单元136的第一输出信号140与第二输出信号142之间的差的第一差分输出信号146ΔH_0，+1。类似地，处理电路134可以被配置成产生作为第一输出信号140与第三输出信号144之间的差的第二差分输出信号148ΔH_-1，0。此后，处理电路134被配置成产生作为第一差分输出信号146与第二差分输出信号148之间的差的传感器输出信号150Δ²H_-1，0，+1(其中上标“2”表示二阶梯度感测)如下：

Δ²H_-1，0，+1＝ΔH_0，+1-ΔH_-1，0 (1)

如本领域的技术人员所知，在二阶梯度的数模处理中，在第一差分输出信号146ΔH_0，+1＝(H₊₁-H₀)且第二差分输出信号148ΔH_-1，0＝(H₀-H_-1)的情况下，则Δ²H_-1，0，+1＝(H₊₁-H₀)-(H₀-H_-1)是Δ²H_-1，0，+1＝(H₊₁+H_-1)-2H₀的等效运算。

处理电路106的其它信号处理能力可能需要响应于传感器输出信号150而生成速度脉冲。例如，每当差分输出信号150经过零电平时，例如差分输出信号近似为零，可以生成速度脉冲。速度脉冲表示与编码器102耦接的设备(例如，轴108)的速度。这样，可以通过对每秒的速度脉冲进行计数来得出轴108的转速。尽管本文呈现了一个例子，但是信号的任何加权组合都可能形成更高阶梯度和/或使信号整形为适合生成速度脉冲。

系统132的二阶梯度感测配置有利地将绝对磁场强度H_i置中在零附近以产生速度脉冲。这样，单独的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C的涡旋磁化图案62(图3)未被湮没。因此，与系统100(图8)相比，可以通过添加第三TMR传感器元件50来增大系统132中的运行磁场范围。

结合图10参考图11，图11示出了根据一个实施例的用于磁场测量的系统132的框图。所述框图是具体地关于具有第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C的系统132的配置呈现的。下文将讨论可替换的实施例。应当回顾的是，在存在大磁场的情况下，磁阻传感器元件的安全运行范围受到涡旋(例如，涡旋磁化图案62)的不稳定性的限制。根据一些实施例，系统132被配置成识别第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C中的任何TMR传感器元件在何时处于临界情况。当检测到的磁场超过湮没场并保持临界状态直到检测到的磁场低于成核场时，就会发生临界情况。因此，系统132可以被配置成检测临界情况并将其标记给可以采取措施缓解临界情况的用户(例如，人或设备)。在一些实施例中，可以针对安全性关键应用更保守地配置临界情况检测能力。例如，每当超过成核场H_N时，而不仅在超过湮没场H_A时，传感器状态可以被视为临界/不确定。

再次，系统132包括相对于彼此位于对应位置i＝0、+1和-1处并被配置成检测Y轴外部磁场110的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C。可以将第一输出信号140和第二输出信号142输入到第一差分单元152以产生第一差分输出信号146。可以将第一输出信号140和第三输出信号144输入到第二差分单元154以产生第二差分输出信号148。可以将第一差分输出信号146和第二差分输出信号148输入到第三差分单元156以产生传感器输出信号150。

为了检测临界情况，系统132的处理电路134另外包括：第一检测器158，所述第一检测器158被配置成从第一TMR传感器元件50A接收第一输出信号140；第二检测器160，所述第二检测器160被配置成从第二TMR传感器元件50B接收第二输出信号142；以及第三检测器162，所述第三检测器162被配置成从第三TMR传感器元件50C接收第三输出信号144。第一检测器158、第二检测器160和第三检测器162中的每个检测器被配置成从对应接收到的第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中确定相关联的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C是否在安全范围内运行。

检测器生成标志信号。例如，第一检测器158可以生成第一标志信号164(例如，标志(A))，第二检测器160可以生成第二标志信号166(例如，标志(B))，并且第三检测器162可以生成第三标志信号168(例如，标志(C))。第一检测器158、第二检测器160和第三检测器162可以是比较器、滞后施密特触发器、模数转换后的数字电路系统或任何其它合适的电平检测器。可以将磁滞调节成近似于涡旋磁化图案生成和湮没的磁滞。尽管本文指示了三个标志信号164、166、168，但是在一些实施例中，这三个标志信号可以组合成单个信号。另外，来自TMR传感器元件50A、50B、50C或来自检测器158、160、162的所有信号另外可以经历温度补偿。

结合图10和11参考图12，图12示出了根据示例系统132的磁场输入信号和磁阻传感器输出信号的曲线图170。在此例子中，对于恒定转速，编码器相位轴线与时间成比例。在曲线图170中，输入部分包括第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C的对应位置i＝0、+1、和-1处的Y轴外部磁场110。在曲线图170中，输出部分包括第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144。另外，在曲线图170中，标志部分包括第一标志信号164、第二标志信号166和第三标志信号168。因此，实线表示在第一TMR传感器元件50A处可检测到的Y轴外部磁场110H_Y(0)、第一输出信号140和第一标志信号164。虚线表示在第二TMR传感器元件50B处可检测到的Y轴外部磁场110H_Y(+1)、第二输出信号142和第二标志信号166。双点划线表示在第三TMR传感器元件50C处可检测到的Y轴外部磁场110H_Y(-1)、第三输出信号144和第三标志信号168。

曲线图170的输入部分另外包括安全范围172。另外，曲线图170的输出部分包括在TMR传感器元件50A、50B、50C的信号传递曲线174中表示的安全范围172。可以通过第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144的阈值上限176和阈值下限178在信号传递曲线174中划定安全范围172。安全范围172指示来自TMR传感器元件50A、50B、50C中的任何TMR传感器元件的信号输出(例如，第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144)有效的区域。在给定时间点处于安全范围172外的第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中的任何输出信号可以被视为无效。在此例子中，第一标志信号164、第二标志信号166和第三标志信号168中的任何标志信号的值“1”表示有效信号，而第一标志信号164、第二标志信号166和第三标志信号168中的任何标志信号的值“0”表示无效信号。因此，当对应的第一标志信号164、第二标志信号166和第三标志信号168中的任何标志信号为“0”时，针对第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中的任何输出信号指示临界情况。在此例子中，值“1”被视为有效，而值“0”被视为无效。然而，反之亦然，或者可以使用更多的标志级别。

如上所述，当检测到的磁场超过湮没场并保持临界状态直到检测到的磁场低于成核场时，就会发生临界情况。然而，可能难以检测磁结构(例如，具有涡旋磁化图案的TMR传感器元件50A、50B、50C)的确切状态。另外，由于磁滞，可能无法很好地定义磁结构的状态。因此，在一些实施例中，可以将安全范围172选择为在成核场(±H_N)以下有效。

通常，当第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C均在安全范围172内运行时(例如，当第一标志信号164、第二标志信号166和第三标志信号168均为值“1”时)，处理电路134产生作为第一差分输出信号146与第二差分输出信号148之间的差的传感器输出信号150。在一些实施例中，处理电路134可以被另外配置成丢弃第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中的任何无效输出信号，并且在丢弃第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中的无效输出信号之后，使用第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中剩余的一个或多个输出信号产生传感器输出信号。举例来说，如果第二输出信号142和第三输出信号144之一无效，则可以将对应的第一差分输出信号146或第二差分输出信号148用作传感器输出信号150。可替换的是，TMR传感器元件50A的绝对场值的过零可以作为回退。

然而，注意，在此例子中，对于强Y轴外部磁场110(例如，H_Y(+1)和H_Y(-1))，第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C没有第二输出信号142和第三输出信号144的重叠安全范围172，这可能导致第二输出信号142和第三输出信号144高于阈值上限176或阈值下限178。换句话说，第二标志信号166和第三标志信号168将不会同时具有值“1”。下面结合图13-15讨论的其它技术可以在一些实施例中实施以补救此问题。

现在参考图13，图13示出了根据另一实施例的用于转速测量的系统180(例如，速度传感器)的例子。系统180是系统132(图10)的扩展。因此，系统132和180中的每个系统共同的特征将通过相同的附图标记表示。

系统180包括编码器102，所述编码器102被配置成产生外部磁场104。在此例子中，系统180另外包括第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E。类似于TMR传感器元件50A、50B、50C，第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E中的每个TMR传感器元件也包括具有涡旋磁化图案62(图3)的感测层56(图7)。处理电路182电耦接到第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E。再次，第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E被配置成测量编码器102的转速，并且因此测量轴108的转速。

在所示出的配置中，TMR传感器元件50A、50B、50C、50D、50E平行于Y轴26彼此对准。第一TMR传感器元件50A插置在第二TMR传感器元件50B与第三TMR传感器元件50C之间。第四TMR传感器元件50D在位置i＝+2处与第二TMR传感器元件50B相邻，并且第五TMR传感器元件50E在位置i＝-2处与第三TMR传感器元件50C相邻。再次，在一些实施例中，第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C与第一TMR传感器元件50A等距间隔。另外，在一些实施例中，第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E与第一TMR传感器元件50A等距间隔。

系统180包括第一TMR传感器元件50A和第二TMR传感器元件50B的第一梯度单元136，以及第一TMR传感器元件50A和第三TMR传感器元件50C的第二梯度单元138。系统180另外包括第一TMR传感器元件50A和第四TMR传感器元件50D的第三梯度单元184，以及第一TMR传感器元件50A和第五TMR传感器元件50E的第四梯度单元186。如前所述，响应于Y轴外部磁场110，第一TMR传感器元件50A被配置成产生第一输出信号140H₀，第二TMR传感器元件50B被配置成产生第二输出信号142H₊₁，并且第三TMR传感器元件50C被配置成产生第三输出信号144H_-1。另外，响应于Y轴外部磁场110，第四TMR传感器元件50D被配置成产生第四输出信号188H₊₂，并且第五TMR传感器元件50E被配置成产生第五输出信号190H_-2。

结合图13参考图14，图14示出了根据系统180的磁场输入信号和磁阻传感器输出信号的曲线图196。具体地说，曲线图196示出了相对于编码器相位200α的外部磁场强度198H_Y，其中如果编码器102以恒定速度旋转，则编码器相位200与时间成比例。曲线图196包括输入信号曲线202(虚线)，所述输入信号曲线202表示在编码器相位200α上绘制的Y轴外部磁场110(作为磁场输入信号)。曲线图196另外包括输出信号曲线204(实线)，所述输出信号曲线204表示TMR传感器元件50的经缩放以表示表观磁场分量的输出。当涡旋磁化图案62(图3)在±H_A下湮没并且在±H_N下成核时，输出信号曲线204是滞后的。

沿Y轴26(图3)的传感器位置对应于相移。第一黑点表示在给定时间点沿着输出信号曲线204的第一输出信号140，第二黑点表示在给定时间点的第二输出信号142，第三黑点表示在给定时间点的第三输出信号144，第四黑点表示在给定时间点的第四输出信号188，第五黑点表示在给定时间点沿着输出信号曲线204的第五输出信号190。即，所述点随时间的推移沿着输出信号曲线204移动。在此例子中，产生第五输出信号190的第五TMR传感器元件50E的涡旋磁化图案62湮没，并且第四TMR传感器元件50D的涡旋磁化图案62接近于湮没。

结合图13和14参考图15，图15示出了根据一实施例的系统180的框图。所述框图是具体地关于具有第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E的系统180的配置呈现的。根据一些实施例，系统180被配置成检测第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E中的任何传感器元件在何时处于临界情况，将其标记给可以采取措施缓解临界情况的用户(例如，人或设备)。

再次，系统132包括相对于彼此位于对应位置i＝0、+1、-1、+2和-2处并被配置成检测Y轴外部磁场110的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C、50D、50E。可以将第一输出信号140和第二输出信号142输入到第一差分单元152以产生第一差分输出信号146。可以将第一输出信号140和第三输出信号144输入到第二差分单元154以产生第二差分输出信号148。可以将第一差分输出信号146和第二差分输出信号148输入到第三差分单元156以产生传感器输出信号150Δ²H_-1，0，+1，如上文使用等式(1)所解释的。另外，可以将第一输出信号140和第四输出信号188输入到第四差分单元206以产生第三差分输出信号208ΔH_0，+2。可以将第一输出信号140和第五输出信号190输入到第五差分单元210以产生第四差分输出信号212ΔH_0，-2。可以将第三差分输出信号208和第四差分输出信号212输入到第六差分单元214，以根据以下等式产生另一个二阶传感器输出信号216Δ²H_-2，0，+2：

Δ²H_-2，0，+2＝ΔH_0，+2-ΔH_-2，0 (2)

处理电路182的另外的信号处理能力可能需要响应于传感器输出信号150、216之一而生成速度脉冲。以上呈现的传感器信号(例如，Δ²H_-1，0，+1和Δ²H_-2，0，+2)的组合作为例子提供。然而，应理解，其它组合也是可能的，例如，Δ²H_{-2，-1，+1，+2}＝ΔH_+1，+2-ΔH_-2，-1，这也是二阶梯度感测配置。

为了检测临界情况，系统180的处理电路182另外包括：第一检测器158，所述第一检测器158被配置成从第一TMR传感器元件50A接收第一输出信号140；第二检测器160，所述第二检测器160被配置成从第二TMR传感器元件50B接收第二输出信号142；以及第三检测器162，所述第三检测器162被配置成从第三TMR传感器元件50C接收第三输出信号144。处理电路182另外包括：第四检测器218，所述第四检测器218被配置成从第四TMR传感器元件50D接收第四输出信号188；以及来自第五TMR传感器元件50E的第五检测器220。第一检测器158、第二检测器160、第三检测器162、第四检测器218和第五检测器220中的每个检测器被配置成从对应接收到的第一输出信号140、第二输出信号142、第三输出信号144、第四输出信号188和第五输出信号190中确定相关联的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E是否在安全范围内运行。

再次，检测器生成标志信号。例如，第一检测器158可以生成第一标志信号164(例如，标志(A))，第二检测器160可以生成第二标志信号166(例如，标志(B))，并且第三检测器162可以生成第三标志信号168(例如，标志(C))。同样，第四检测器218可以生成第四标志信号222(例如，标志(D))，并且第五检测器220可以生成第五标志信号224(例如，标志(E))。如上所述，检测器158、160、162、218、220可以是比较器、滞后施密特触发器、模数转换后的数字电路系统或任何其它合适的电平检测器。可以将磁滞调节成近似于涡旋磁化图案生成和湮没的磁滞。

包括五个TMR传感器元件50A、50B、50C、50D、50E从而产生四个梯度单元136、138、184、186的系统180的配置可以通过根据编码器的场强切换到其它传感器组合来检测安全运行范围(例如，图12的安全范围172)。这使得可以使用更灵敏的传感器，而不是始终工作(例如，成核场大于最大外部磁场)但信号微弱的传感器。这有利于实现更好的信噪比、更广泛的可用编码器磁体、更低的功耗等等。

在二阶梯度感测实施方案中，将使用中心TMR传感器元件加上两个相同间隔的TMR传感器元件。在系统180中，二阶梯度传感器组合为对应于位置i＝+1、0和-1的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C或对应于位置i＝+2、0和-2的第一TMR传感器元件50A、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E。TMR传感器元件的所选组合将基于检测到的标志信号(例如，第一标志信号164、第二标志信号166、第三标志信号168、第四标志信号222和第五标志信号224)。在一例子中，当编码器102产生相对较强的外部磁场104时，可以在二阶梯度感测配置中利用第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C。可替换的是，当编码器102产生相对较弱的外部磁场104时，可以在二阶梯度感测配置中利用第一TMR传感器元件50A、第四TMR传感器元件50B和第五TMR传感器元件50E。

因此，包括五个TMR传感器元件50A、50B、50C、50D、50E(从而产生四个梯度单元136、138、184、186)的系统180可以实现在两种传感器配置(例如，低外部磁场与高外部磁场)之间的切换。这种切换可以在系统启动之后在编码器102和轴180的第一旋转期间完成。在另外的操作期间，系统180的处理电路182可以通过利用标志信号164、166、168、222、224来确定选择是否正确，或者是否存在其它安全问题(例如，噪音过大、无有效信号等等)。仍另外，如果不能进行二阶梯度选择，则回退可以是切换到一阶梯度选择或者甚至振幅过零。

系统180的配置包括五个TMR传感器元件50(其可以是单一TMR传感器元件、TMR传感器元件的半桥、TMR传感器元件的全桥、串联连接的多个TMR传感器元件等等)。应进一步理解，可替换的系统可以包括其它位置(例如，i＝+3、0和-3；i＝+4、0和-4等等)处具有不等距间隔或处于多个传感器朝向的另外的TMR传感器元件(或其它磁阻传感器元件)，以及对应的另外的差分单元和检测器。还应理解，可以使用具有不同特性(例如，具有不同直径)的传感器元件。此类变体可以采用2x3传感器元件，其中第二传感器元件组将由于尺寸更大而更加灵敏。还应理解，传感器元件可能对各种场朝向敏感，并且可以放置在最适合给定应用的位置(例如，不一定以等距间隔位于单个行中)。

参考图16和17，图16示出了系统180(图13)的示例磁场输入信号的曲线图226，并且图17示出了针对相对较弱的编码器磁场强度的系统180的两个二阶梯度感测配置的示例差分输出信号的曲线图228。提供曲线图226、228以展示系统180中可能的二阶梯度感测配置的选择。因此，应结合下面的讨论同时参考图13和15。

曲线图226示出了相对于编码器相位232α的外部磁场强度230H_Y，其中如果编码器102以恒定速度旋转，则编码器相位232与时间成比例。在曲线图226中，在第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E的对应位置i＝0、+1、-1、+2和-2处示出了Y轴外部磁场110。因此，曲线图226示出了在五个传感器位置处的未被干扰的相对较小的外部磁场。

曲线图228示出了位置i＝0、+1和-1处的第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B和第三TMR传感器元件50C的二阶梯度配置以及对应的传感器输出信号150。标志信号234表示通过AND运算组合的第一标志信号150、第二标志信号166和第三标志信号168。在上述例子中，标志信号“1”表示有效信号。因此，标记信号234为“1”表示第一输出信号140、第二输出信号142和第三输出信号144中的每个输出信号均是有效信号。类似地，曲线图228示出了位置i＝0、+2和-2处的第一TMR传感器元件50A、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E的二阶梯度配置以及对应的传感器输出信号216。标志信号236表示通过AND运算组合的第一标志信号150、第四标志信号222和第五标志信号224。标志信号236也为“1”，由此指示第一输出信号140、第四输出信号188和第五输出信号190中的每个输出信号均是有效信号。在此例子中，传感器输出信号216明显强于传感器输出信号150。因此，第二输出信号216可能是优选的，并且处理电路182可以切换到包括第一TMR传感器元件50A、第四TMR传感器元件50B和第五TMR传感器元件50E的二阶梯度配置。

当然，当任何标志信号为“0”从而指示相关联的输出信号无效时，可能会出现其它情况。这样，可以选择丢弃任何无效信号并用输出信号中的剩余的有效的一个或多个输出信号产生传感器输出信号，如上所述。

现在参考图18，图18示出了根据另一实施例的速度确定过程240的流程图。速度确定过程240总结了可以在系统100(图8)、132(图10)和180(图13)中的任何系统或具有更大量磁阻传感器的另一系统内执行的操作。然而，为简单起见，可以结合以下描述参考系统180(图13和15)。这样，提供了耦接到轴108的编码器102，其中编码器102被配置成产生具有预定磁变化的外部磁场104(编码器102的所呈现的交替的北极(N)和南极(S)配置产生预定的磁变化)。外部磁场104具有分量，即Y轴外部磁场110，所述分量可以由具有涡旋磁化图案的TMR传感器元件检测到。

在框242处，响应于Y轴外部磁场110而在感测层中具有涡旋磁化图案的多个磁阻传感器元件(例如，第一TMR传感器元件50A、第二TMR传感器元件50B、第三TMR传感器元件50C、第四TMR传感器元件50D和第五TMR传感器元件50E)中的每个磁阻传感器元件处产生输出信号(例如，第一输出信号140、第二输出信号142、第三输出信号144、第四输出信号188和第五输出信号190)。在框244处，从输出信号中确定哪个或哪些磁阻传感器元件在安全范围(例如，图12的安全范围172)内运行。

在框246处，选择在安全范围内运行的磁阻传感器元件，并且在框248处，由所选择的一个或多个磁阻传感器元件产生传感器输出信号(例如，传感器输出信号150或216)。此后，在框250处，可以如上所述在检测到的过零点处生成速度脉冲，并且在框252处，使用速度脉冲来确定转速。即，可以通过对每秒的速度脉冲进行计数来得出轴108的转速。在查询框254处，确定是否应继续执行过程240。例如，速度确定过程240可以在轴108继续旋转时继续执行，并且在轴108不再旋转时中止。当继续执行速度确定过程240时，过程控制循环回到框242。否则，速度确定过程240结束。

应理解，图18中所描绘的过程框中的某些过程框可以彼此并行地执行或与其它过程并行执行。此外，在实现基本上相同的结果的同时，可以修改图18中所描绘的过程框的特定顺序。因此，此类修改旨在包括在本发明主题的范围内。

本文公开的实施例需要一种磁场传感器、结合所述磁场传感器的系统以及用于测量物体的转速的方法。所述系统中的每个系统包括以梯度磁场感测配置布置的多个磁阻传感器元件，如隧道磁阻(TMR)传感器元件。TMR传感器元件的感测层(也称为自由层)配置为涡旋状态，并且因此对沿单条轴线的平面内磁场敏感。传感器元件的涡旋状态的稳定性可以通过包括以下的措施的组合来实现：采用具有饱和磁化强度较高的较厚的软磁材料的多层感测层和使感测层的直径和厚度相对较小，其中在层厚度与直径的可制造性之间取得了折衷。另外，涡旋状态的稳定性可以通过编码器磁体和传感器布局布置、二阶梯度布置以及检测临界情况并将其标记给传感器的用户的能力来实现。

本公开旨在解释如何设计并使用根据本发明的各个实施例，而不旨在限制本发明的真实、预期且合理的范围和精神。上述说明不旨在是详尽的或将本发明限制于所公开的确切形式。鉴于以上教导，修改和变化是可能的。选择并描述了一个或多个实施例以提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明并且使本领域的技术人员能够在各个实施例中且连同如适合于所设想的特定用途的各种修改而利用本发明。在根据公平、合法和合理授权的范围解释时，所有这种修改和变化都处于本发明的如由可在本专利申请未决期间加以修改的所附权利要求及其所有等效物确定的范围内。