阅读说明：本技术 磁传感器设备、系统和方法 (Magnetic sensor device, system and method ) 是由 N·迪普雷 L·通贝兹 G·克洛斯 Y·比多 D·戈伊瓦尔茨 于 2020-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及磁传感器设备、系统和方法。角位置传感器系统,该系统包括：围绕旋转轴可旋转的圆柱形磁体；以及角位置传感器设备,该角位置传感器设备包括：衬底,该衬底包括被配置成用于测量第一方向(X)上的第一磁场分量(Bx1)和垂直于第一方向(X)的第二方向(Y；Z)上的第二磁场分量(By1；Bz1)的多个磁敏元件；以及处理电路,该处理电路被配置成用于计算角位置(α)；该传感器设备被取向成使得第一方向(X)按周向方向取向并且第二方向(Y,Z)与旋转轴平行或正交；传感器设备位于预定义位置处,在该预定义位置处,在360°角范围上,与第一磁场分量和第二磁场分量(By1；Bz1)正交的第三磁场分量(Bz1；Bz1)的幅度可以忽略不计。(The invention relates to a magnetic sensor device, a system and a method. An angular position sensor system, the system comprising: a cylindrical magnet rotatable about a rotation axis; and an angular position sensor apparatus comprising: a substrate comprising a plurality of magneto-sensitive elements configured for measuring a first magnetic field component (Bx1) in a first direction (X) and a second magnetic field component (By 1; Bz1) in a second direction (Y; Z) perpendicular to the first direction (X); and a processing circuit configured for calculating an angular position (α); the sensor device is oriented such that the first direction (X) is oriented in a circumferential direction and the second direction (Y, Z) is parallel or orthogonal to the rotation axis; the sensor device is located at a predefined position at which the amplitude of a third magnetic field component (Bz 1; Bz1) orthogonal to the first and second magnetic field components (By 1; Bz1) is negligible over an angular range of 360 deg..)

磁传感器设备、系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及磁传感器系统和设备以及方法的领域，并且更具体地涉及角位置传感器系统、角位置传感器设备和确定角位置的方法。

背景技术

磁传感器系统，特别是角位置传感器系统在本领域中是已知的。它们提供的优点在于，能够在不进行物理接触的情况下测量角位置，从而避免了机械磨损、刮擦、摩擦等问题。

存在许多位置传感器系统的变体，解决以下需求中的一个或多个：使用简单或便宜的磁结构、使用简单或便宜的传感器设备、能够在相对大范围上进行测量、能够进行高精度测量、仅需简单的运算、能够进行高速测量、对定位误差是高度稳健的、对外部干扰场是高度稳健的、提供冗余、能够检测误差、能够检测并纠正误差、具有良好的信噪比(SNR)等。

经常，这些需求中的两个或多个彼此冲突，因此需要进行权衡。

US2018/0372475A1公开了用于旋转角度检测的设备，该文献的全部内容通过引用结合于此。

总是存在改进或替代的余地。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供能够确定传感器设备相对于磁体的角位置的磁位置传感器系统。

本发明的实施例的目的是提供一种磁位置传感器系统，其中位置能以改善的准确性的方式被确定。

本发明的实施例的目的是提供一种磁位置传感器系统，该系统具有(1)对串扰(例如，不同的磁场分量Bx、By、Bz之间的串扰)改善的稳健性，和/或具有(2)对外部干扰场改善的稳健性，和/或具有(3)对(例如，由传感器设备上的机械应力变化引起)长期漂移的改善的稳健性，并且优选地具有所有这三种改善的稳健性。

本发明的实施例的目的是提供一种对(1)串扰和(2)对外部干扰场具有改善的稳健性的磁位置传感器系统。

本发明的实施例的目的是提供一种对(1)串扰和(2)对长期漂移具有改善的稳健性的磁位置传感器系统。

本发明的实施例的目的是提供一种对(1)外部干扰场和(2)长期漂移具有改善的稳健性的磁位置传感器系统。

这些目的由本发明的各实施例来完成。

根据第一方面，本发明提供一种角位置传感器系统，该系统包括：用于生成磁场的永磁体，磁体是圆柱形磁体(例如，环形磁体或盘状磁体)，该磁体围绕旋转轴可旋转要被确定的角位置；以及角位置传感器设备，该角位置传感器设备具有包括多个磁敏元件的衬底；其中这些磁敏感元件被配置成用于测量至少按第一方向(例如，X)取向的第一磁场分量(例如，Bx1)和按垂直于第一方向的第二方向(例如，Y或Z)取向的第二磁场分量(例如，By1或Bz1)；并且传感器设备进一步包括处理电路，该处理电路被配置成用于至少基于所测得的第一磁场分量和第二磁场分量来计算磁体的角位置；并且传感器设备被取向成使得第一方向(例如，X)相对于所述旋转轴按周向方向取向，并且使得第二方向(例如，Y、Z)平行于旋转轴或与旋转轴正交；并且传感器设备位于相对于磁体的预定义位置处，在该预定义位置处，在预定义的角范围上，与第一磁场分量和第二磁场分量(例如，By1)正交的第三磁场分量(例如，Bz1)的幅度具有小于第一磁场分量(例如，Bx1)的幅度的20％的幅度和/或具有小于第二磁场分量(例如，By1)的幅度的20％的幅度。

受益于本公开并且领悟本公开的技术人员，尤其是在被告知存在其中两个正交磁场分量基本上表现得像正弦和余弦信号并且第三正交磁场分量具有小得多幅度的“环形区域”之后，可以容易地确定该环形区域的位置，例如通过对具有给定尺寸和针对“给定配置”的环形磁体例如在距磁体的给定距离处“角落附近”、“赤道附近”或“在磁体下面/上方”处执行计算机模拟。据发明人所知，此类区域的存在在本领域中是未知的。

尽管据信本发明对于具有任意尺寸的磁体起作用，但在优选的实施例中，角位置传感器系统包括小磁体，该磁体例如具有在从10至50mm的范围内的外径和在从2至10mm的范围内的高度，并且传感器设备将位于距磁体从0.5至大约5.0mm范围内的轴向距离处，和/或位于距磁体的径向距离多达10mm处。

优选地，传感器设备位于其中第三分量的幅度(例如，|Bz|)与第一磁场分量和/或第二磁场分量的幅度(例如，|Bx|和/或|By|)的比率<15％、或<10％、或<5％或理想地基本上等于零所在的位置。

在实施例中，预定义的角范围(其中第三磁场分量的幅度小于第一磁场分量和/或第二磁场分量的幅度的20％或15％或10％或5％)是至少180°、或至少210°、或至少240°、或至少270°、或至少300°或至少330°的范围，或者是整个360°范围。

位置传感器设备优选地被布置在磁体附近，例如在距离小于10mm处，例如在距离小于5mm、或小于2.5mm，但优选地至少0.5mm处。

位置传感器设备优选地被布置在距旋转轴大于0(例如至少2mm、或至少3mm、或至少5mm、或至少10mm)的径向距离Rs处，因此明确“离轴”位置。或者换句话说，传感器设备优选地从旋转轴偏移至少2mm。

在实施例中，磁体是环形磁体。环形磁体可被轴向磁化或被直径地(diametrically)磁化。

在实施例中，磁体是盘状磁体。盘状磁体可被轴向磁化或被直径地磁化。

在实施例中，磁体是两极磁体，例如，直径地磁化的两极环形磁体，或直径地磁化的两极盘状磁体，或轴向磁化的两极环形磁体，或轴向磁化的两极盘状磁体。

在实施例中，磁体是四极磁体，例如轴向磁化的四极环形磁体或轴向磁化的四极盘状磁体。

在实施例中，磁体是具有至少四个磁极的多极磁体，例如,轴向磁化的多极环形磁体，或具有四个磁极、或具有六个磁极、或具有八个磁极、或具有十个极或具有十二个极的轴向磁化的多极盘状磁体。在实施例中，磁体具有外半径Ro，并且传感器设备的预定义位置由磁体的底表面下方或顶表面上方的在从1.0至5.0mm的范围内或在从1至4mm的范围内或在从1至3mm的范围内的距离“g”来定义；并且由在从Ro-7mm至Ro+7mm的范围内、或在从Ro-5mm至Ro+5mm的范围内、或在从Ro-3mm至Ro+3mm的范围内、或在从Ro-7mm至Ro-1mm的范围内、或在从Ro-5mm至Ro-1mm的范围内、或在从Ro-3mm至Ro-1mm的范围内、或在从Ro+1mm至Ro+7mm的范围内、或在从Ro+1mm至Ro+5mm的范围内、或在从Ro+1mm到Ro+3mm的范围内的径向距离“Rs”来定义。

例如，所述平面与磁体的底表面或顶表面之间的距离(间隙)可等于大约1.0mm、或大约1.2mm、或大约1.4mm、或大约1.6mm、或大约1.8mm、或大约2.0mm、或大约2.2mm、或大约2.4mm、或大约2.6mm、或大约2.8mm、或大约3.0mm、或大约3.2mm、或大约3.4mm、或大约3.6mm、或大约3.8mm、或大约4.0mm。

在实施例中，距离“g”是预定义的间隙距离，并且通过对该间隙距离进行模拟来确定Rs的值。

在实施例中，磁体是具有内半径“Ri”和外半径“Ro”的环形磁体；并且预定义位置由磁体的底表面下方或顶表面上方的在从1.0至5.0mm、或从1.0至4.0mm、或从1.0至3.0mm的范围内的距离“g”来限定，并且由在从Ri+ΔR*35％至Ri+ΔR*65％的范围内的径向距离“Rs”限定，其中ΔR＝(Ro-Ri)。

在实施例中，径向距离是从Ri+ΔR*40％至Ri+ΔR*90％范围内的值。

在实施例中，径向距离是从Ri+ΔR*35％至Ri+ΔR*48％范围内的值。

在实施例中，径向距离是从Ri+ΔR*52％至Ri+ΔR*65％范围内的值。

在实施例中，距离“g”是预定义的间隙距离，并且通过对该间隙距离进行模拟来确定Rs的值。

在实施例中，磁体具有外半径“Ro”和轴向高度“H”，并且预定义位置位于在磁体的底表面与顶表面之间的基本上中间处的平面中，并且径向距离“Rs”在从Ro+1.0mm至Ro+10mm的范围内。

在实施例中，传感器设备被取向成使得第二轴(例如Y)与旋转轴正交。优选地，Y轴与旋转轴正交地相交。

在实施例中，传感器设备被取向成使得第二轴(例如Y)平行于磁体的旋转轴。

在实施例中，传感器设备包括至少一个传感器，该传感器包括集成磁聚集器结构(IMC)和被布置在所述IMC的圆周上并且成角度地间隔开90°的仅四个水平霍尔元件。优选地，这些霍尔元件中的两个霍尔元件位于所述X轴上，并且这些霍尔元件中的两个霍尔元件位于垂直于所述X轴的所述Y轴上。

或者更具体地，在实施例中，衬底包括位于预定义轴(X)上的第一位置(X1)处的第一传感器(S1)和位于所述预定义轴(X)上的、与第一位置(X1)间隔开(ΔX)的第二位置(X2)处的第二传感器(S2)；第一传感器(S1)包括第一IMC结构(IMC1)和四个水平霍尔元件，这四个水平霍尔元件包括第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件和第三水平霍尔元件以及第四水平霍尔元件(HP1、HP2、HP3、HP4)，第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件(HP1、HP2)位于所述第一IMC结构(IMC1)的边缘处、在所述预定义轴(X)上并且在所述轴(X)上定义第一线段，第三水平霍尔元件(HP3)和任选地第四水平霍尔元件(HP4)位于第一IMC结构(IMC1)的边缘处的所述第一线段的第一垂直平分线(Y1)上；第二传感器(S2)包括第二IMC结构(IMC2)和四个水平霍尔元件，这四个水平霍尔元件包括第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件和第七水平霍尔元件以及第八水平霍尔元件(HP5、HP6、HP7、HP8)，第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件(HP5、HP6)位于所述第二IMC结构(IMC2)的边缘处、在所述轴(X)上并且在所述轴(X)上定义第二线段，第七水平霍尔元件和第八水平霍尔元件(HP7、HP8)位于第二IMC结构(IMC2)的边缘处、在所述第二线段(Y2)的第二垂直平分线(Y2)上；并且其中，所述位置传感器设备进一步包括处理电路(620)，该处理电路(620)被配置成用于：仅基于从第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件(HP1、HP2)获得的信号来确定第一位置(X1)处的平面内磁场分量(Bx1)；仅基于从第三水平霍尔元件和第四水平霍尔元件(HP3、HP4)获得的信号来确定第一位置(X1)处的平面内磁场分量(By1)和/或平面外磁场分量(Bz1)；仅基于从第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件(HP5、HP6)获得的信号来确定第二位置(X2)处的平面内磁场分量(Bx2)；仅基于从第七水平霍尔元件和第八水平霍尔元件(HP7、HP8)获得的信号来确定第二位置(X2)处的平面内磁场分量(By2)和/或平面外磁场分量(Bz2)；并且其中，处理电路进一步被配置成用于基于第一平面内磁场分量和第二平面内磁场分量(Bx1、Bx2)并且基于平面内磁场分量(By1、By2)或基于第一平面外磁场分量和第二平面外磁场分量(Bz1、Bz2)来确定传感器设备相对于磁场源的角位置(α)。

因此，简单地说，该布置使用各自具有四个霍尔元件的两个传感器，而不是例如，如图1所示的两个传感器各自只有两个霍尔元件。

该布置的优点在于，它允许对每个传感器的霍尔元件进行单独的修整，以便获得Bx和Bz(或Bx和By)两者的更准确的结果，这在图1的结构中是不可能的，在每个传感器中，两个霍尔元件用于测量Bx和Bz两者，因此修整以针对Bx进行优化会对Bz的测量产生负面影响，反之亦然。

主要的优点在于，平面内磁场分量(Bx1、Bx2)和平面外磁场分量(Bz1、Bz2)或平面内磁场分量(By1、By2)的测量是从不同的霍尔元件获得的信号中导出的。以此方式实现电去耦，特别是与现有技术相比(例如，图1)，具有更低的串扰，从而得到更高的准确性。

该结构的进一步的优点在于，可以利用被动放大因子(通常在大约5的数量级上)测量平面内磁场分量(Bx)，由于IMC结构改善了信噪比(SNR)，并且因此进一步改善准确性。

主要的优点在于一方面第一霍尔元件和第二霍尔元件，另一方面第三霍尔元件和任选的第四霍尔元件位于IMC结构或IMC组件的边缘或下面。并且同样应用于第二传感器的霍尔元件。以此方式，每个传感器的霍尔元件是机械地耦合的，并且因此经受基本上相同的温度和机械应力。因此，由于温度变化和/或机械应力和/或其他环境或老化效应，从这些霍尔元件获得的信号以相同的方式漂移，从而得到具有减小的长期漂移的位置传感器。

该传感器设备理想地适于以如下方式测量磁场：由传感器设备测得的Bx和Bz(或By)分量取决于位置而变化，例如根据正弦和余弦函数而变化，并且传感器设备所看到的第三分量(By或Bz)基本上为零(例如小于Bx分量的幅度的20％或小于Bx分量的幅度的10％或小于Bx分量的幅度的5％)。实际上，通过使用在IMC边缘或IMC下面处具有三个或四个水平霍尔元件的特定结构，从磁场的Bx分量到由设备测得的Bz分量的任何潜在串扰基本上被消除，并且没有By分量到Bz分量的任何潜在串扰，因为没有(显著的)By分量。因此，从平面内场分量(Bx或By或其组合)到Bz值的串扰可以忽略不计。

最后，优点在于使用两个传感器而不是仅使用一个传感器，因为它允许确定Bx和Bz(或By)的空间梯度信号，表示为dBx/dx和dBz/dx(或dBy/dx)。优点在于基于梯度信号而不是基于原始磁场值来计算位置，因为梯度信号基本上对外部干扰场不敏感，这进一步有助于更高的精度。

第三霍尔元件和第四霍尔元件可位于由第一霍尔元件和第二霍尔元件限定的第一线段的垂直平分线(Y1)上。同样，第七霍尔元件和第八霍尔元件可位于由第五霍尔元件和第六霍尔元件限定的第二线段的垂直平分线(Y2)上。

处理单元可被配置成用于基于从第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件(HP1、HP2)获得的信号之间的差来确定第一平面内磁场分量(Bx1)，和/或用于基于从第三水平霍尔元件和第四水平霍尔元件(HP3、HP4)获得的信号之间的差来确定平面内磁场分量By1，和/或用于基于从第三水平霍尔元件和第四水平霍尔元件(HP3、HP4)获得的信号的总和来确定平面外磁场分量(Bz1)，并且对于第二传感器也是类似。或者换句话说，传感器设备可以基于从HP1和HP2获得的信号来确定Bx1，并基于HP3和HP4来确定Bx2，并基于HP5和HP6来确定Bz1，并基于HP7和HP8来确定Bz2。因此，信号HP1和HP2不被用于确定Bz1。因此，与现有技术的解决方案相比，来自HP1和HP2的共模信号对Bz1的值没有影响。同样，来自HP5和HP6的信号不被用于确定Bz2。信号的减法和求和可以在模拟域或数字域中执行。

在实施例中，传感器设备被配置成用于基于从所述仅四个水平霍尔元件中的第一对两个水平霍尔元件(HP1、HP2)获得的信号的第一差来确定第一传感器位置处的、被取向成平行于衬底第一磁场分量(Bx1)；并且其中传感器设备被配置成用于基于从所述仅四个水平霍尔元件中的第二对另外两个水平霍尔元件(HP3、HP4)获得的信号的第二差来确定第一传感器位置处的、被取向成平行于衬底的第二磁场分量(By1)。

任选地，第一对中的水平霍尔元件被单独修整以确定所述第一磁场分量(Bx1)；并且第二对中的水平霍尔元件被单独修整以确定所述第二磁场分量(By1)。

在实施例中，传感器设备被配置成用于基于从所述仅四个水平霍尔元件中的第一对两个水平霍尔元件(HP1、HP2)获得的信号的第一差来确定第一传感器位置处的、被取向成平行于衬底第一磁场分量(Bx1)；并且传感器设备被配置成用于基于从所述仅四个水平霍尔元件中的第二对另外两个水平霍尔元件(HP3、HP4)获得的信号的总和来确定第一传感器位置(例如，X1)处的、被取向成与衬底正交的第二磁场分量(Bz1)。

任选地，第一对中的水平霍尔元件被单独修整以确定所述第一磁场分量(Bx1)；并且第二对中的水平霍尔元件被单独修整以确定所述第二磁场分量(Bz1)

其中，所述传感器设备包括至少一个传感器，该传感器包括集成磁聚集器结构(IMC)、位于所述IMC的相对侧上的第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件、以及位于所述第一水平霍尔元件与所述第二水平霍尔元件之间在IMC下面的第三水平霍尔元件。

或者更具体地，在实施例中，传感器设备可以包括第一传感器(S1)和第二传感器(S2)，其中第一传感器(S1)仅包括三个水平霍尔元件(HP1、HP2、HP3)，第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件位于第一IMC结构(IMC1)的相对侧上，第三水平霍尔元件(HP3)位于第一IMC结构的下面(例如，位于第一霍尔元件与第二霍尔元件之间的中间)；并且其中第二传感器(S2)仅包括三个水平霍尔元件(HP5、HP6、HP7)，第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件位于第二IMC结构(IMC2)的相对侧上，第七水平霍尔元件(HP7)位于第二IMC结构的下面(例如，在第五水平霍尔元件与第六水平霍尔元件之间的中间)；并且其中处理电路(620)进一步被配置成用于：确定从指示第一平面内磁场分量(Bx1)的第一水平霍尔元件和第二水平霍尔元件(HP1、HP2)获得的信号之间的第一差(diff1)；以及用于确定从指示第二平面内磁场分量(Bx2)的第五水平霍尔元件和第六水平霍尔元件(HP5、HP6)获得的信号之间的第二差(diff2)；以及用于从指示第一平面外磁场分量(Bz1)的第三霍尔元件(HP3)获得第三信号；以及用于从指示第二平面外磁场分量(Bz2)的第七霍尔元件(HP7)获得第七信号；并且其中，处理电路被配置成用于基于所述第一差和第二差(diff1、diff2)并且基于所述第三信号和第七信号来确定所述位置。或者简单地说，在该实施例中(例如，图8所图示)，传感器设备基于从HP1和HP2获得的信号来确定Bx1，基于HP5和HP6来确定Bx2，基于HP3来确定Bz1，并且基于HP7来确定Bz2。因此，信号HP1和HP2不被用于确定Bz1。同样，来自HP5和HP6的信号不被用于确定Bz2。信号的减法和求和可以在模拟域或数字域中执行。

在(仅有单个传感器的)实施例中，IMC结构是单个盘状的IMC。

在(具有间隔开ΔX的两个传感器的)实施例中，第一IMC结构(IMC1)包含单个IMC组件，而第二IMC结构(IMC2)包含单个IMC组件。

优点在于使用单个IMC组件或对象(每个传感器)，因为它更均匀地将局部缺陷和/或局部机械应力集中和/或温度变化的影响扩散到三个或四个水平霍尔元件。这对长期漂移和环境变化的稳健性是有益的，因为所有霍尔元件(每个传感器)都暴露于基本上相同的影响。

在(具有间隔开ΔX的两个传感器的)实施例中，第一集成磁聚集器和第二集成磁聚集器中的每一个具有基本上圆形或基本上椭圆形的形状。

圆形集成磁聚集器也被称为“IMC盘”。

此类IMC的优点在于易于制造，并减少了机械应力集中的风险(与具有锐利边缘的形状相反)。基本上圆形或基本上椭圆形形状也对从任何方向的磁场线的平滑弯曲具有积极影响，这可以促进传感器设备相对于磁结构的适当放置。

在(具有单个传感器的)实施例中，IMC结构由四个单独的IMC元件组成(例如，参见图4的左侧的传感器)。

在(具有间隔开ΔX的两个传感器的)本实施例中，IMC结构中的每个结构由四个单独的IMC元件组成(参见图4)。在本实施例中，每个霍尔元件与其自身的IMC组件相关联。这些单独的集成磁聚集器组件中的每一个可能具有基本上圆形或椭圆形或雨滴或泪滴形状。与上文提及的优点相同的优点在此也是可适用的。

在实施例中，霍尔元件中的每一个霍尔元件被单独地修整。以此方式，也可以减少或消除工艺变化的影响。

在实施例中，传感器设备包括至少一个传感器，该传感器包括被取向成用于测量所述第一方向(例如，X)上的第一磁场分量(例如，Bx1)的第一垂直霍尔元件和被取向成用于测量所述第二方向(例如，Y)上的第二磁场分量(例如，By1)的第二垂直霍尔元件。

在实施例中，位置传感器设备包括用于测量第一磁场梯度(例如dBx/dx)和第二磁场梯度(例如dBy/dx；dBz/dx)的、在所述第一方向(例如，X)上间隔开的两个传感器(例如S1、S2)；并且处理电路被配置成用于基于该第一梯度和第二梯度来计算磁体的角位置。

在实施例中，该磁传感器设备包括第一传感器(S1)，该第一传感器(S1)包括被配置成用于测量第一传感器位置(X1)处的按所述第一方向(X)取向的所述第一磁场分量(Bx1)和按垂直于第一方向(X)的所述第二方向(Y；Z)取向的所述第二磁场分量(By1；Bz1)的多个磁敏元件；并且磁传感器设备进一步包括第二传感器(S2)，该第二传感器(S2)包括被配置用于测量与第一传感器位置间隔开的第二传感器位置(X2)处的按所述第一方向(X)取向的第三磁场分量(Bx2)和按所述第二方向(Y；Z)取向的第四磁场分量(By2；Bz2)的多个磁敏元件；并且处理电路进一步被配置成用于基于第一磁场分量和第三磁场分量(Bx1、Bx2)来确定第一磁场梯度(dBx/dx)，以及用于基于第二磁场分量和第四磁场分量来确定第二磁场梯度(dBy/dx；dBz/dx)；并且处理电路被配置成用于基于该第一磁场梯度(dBx/dx)和第二磁场梯度(dBy/dx；dBz/dx)来计算磁体的角位置(α)。

在实施例中，处理单元被配置成用于计算两个平面内场梯度dBx/dx和dBy/dx，并且用于基于这些梯度(例如作为这些梯度的比率的函数，例如测角函数)来确定所述角位置。进一步地优点在于，该比率对于退磁效应或某些定位误差也是高度稳健的，因为分子和分母的以基本上相同的方式变化。

在实施例中，处理单元被配置成用于计算平面内场梯度dBx/dx和平面外场梯度dBz/dx，并且用于基于这些梯度(例如作为这些梯度的比率的函数，例如测角函数)来确定所述角位置。进一步地优点在于，该比率对于退磁效应或某些定位误差也是高度稳健的，因为分子和分母的以基本上相同的方式变化。

平面内磁场梯度通常被计算为平面内磁场分量之间的差，而平面外磁场梯度通常被计算为平面外磁场分量之间的差。

除了上文的优点之外，进一步的优点在于梯度信号具有对外部干扰场的减少的敏感度。通过基于这些梯度确定相对位置，所确定的位置对外部干扰场是更加稳健的。

在实施例中，根据图3的情形(a)或情形(b)或情形(c)或情形(d)的公式来确定角位置。

在实施例中，处理单元被配置成使用查找表、使用该比率作为索引来确定所述位置。

在实施例中，处理单元被配置成用于使用数学公式(例如测角公式、例如反正切函数)来确定所述位置。

在实施例中，磁体具有在从10至50mm的范围内的外径“Do”；并且具有在从2至10mm的范围内的高度“H”。

在实施例中，外径Do与高度H的比率为在从0.1至2.0、或从0.2至2.0、或从0.2至1.5、或从0.2至1.0、或从0.5至2.0、或从0.5至1.5的范围内的值。

在实施例中，传感器设备位于距旋转轴至少5mm的距离处。

在实施例中，磁体是两极磁体。

在实施例中，磁体是四极磁体。

在实施例中，磁体是具有6个磁极、或具有8个磁极、或具有10个磁极或具有12个磁极的多极磁体。

本发明的特定方面和优选方面在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述。来自从属权利要求的特征可在适当时与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征组合，而不仅仅是在这些权利要求中明确地阐述的。

根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

附图说明

图1是可用于位置传感器设备的传感器结构的示意框图。该结构包括沿X轴在第一位置X1处的第一传感器和在第二位置X2处的第二传感器，每个传感器包括集成磁聚集器(IMC)和布置在IMC的相对侧的一对两个水平霍尔元件。平面内磁场梯度(dBx/dx)和平面外磁场梯度(dBz/dx)可由该设备测量，并由此导出传感器设备相对于磁体的线性位置或角位置。

图2是作为图1的变体的传感器结构的示意性框图。

图3是如可以在本发明的实施例中使用的传感器结构的示意性框图，该传感器结构包括沿X轴间隔开的两个传感器，每个传感器具有IMC结构和四个水平霍尔元件。

图4是如可以在本发明的实施例中使用的另一传感器结构的示意性框图，该另一传感器结构包括沿X轴间隔开的两个传感器，每个传感器具有IMC结构和四个水平霍尔元件。

图5示出了根据本发明的实施例的角位置传感器系统，该系统包括环形磁体和相对于磁体可移动的传感器设备(或反之亦然)，传感器设备具有如图3所示的传感器结构。

图6是根据本发明的实施例的示例性位置传感器设备的示意性框图，示出其处理电路的有关的更多细节。

图7是如可以在图5的系统中使用的用于确定传感器设备(例如，具有如图3、图4或图8所示的结构)相对于磁体的位置的方法的流程图。

图8是如可以在本发明的实施例中使用的另一示例性传感器结构的示意性框图，该另一示例性传感器结构包括沿X轴间隔开的两个传感器，每个传感器具有IMC结构和仅三个水平霍尔元件。

图9至图16示出根据本发明的实施例的角位置传感器系统的示例。示出了三种配置，本文称为：(i)“边缘附近”；(ii)“磁体上方或下方”，以及(iii)“赤道附近”。

在图9中，传感器设备位于磁体的外边缘附近，并且被取向成并且被配置成用于测量dBx/dx和dBz/dx，并且位于传感器所看到的|By|/|Bx|<20％的位置。

在图10中，传感器设备位于磁体的外边缘附近，并且被取向成并且被配置成用于测量dBx/dx和dBy/dx，并且位于传感器所看到的|Bz|/|Bx|<20％的位置。

在图11中，传感器设备位于磁体的外边缘附近，并且被取向成并且被配置成用于测量Bx和Bz，并且位于传感器所看到的|By|/|Bx|<20％的位置。

在图12中，传感器设备位于环形磁体的顶表面或底表面附近，基本上位于内径与外径之间的中间，并且被取向成并且被配置成用于测量dBx/dx和dBy/dx，并且位于传感器所看到的|Bz|/|Bx|<20％的位置。

在图13中，传感器设备位于环形磁体的顶表面或底表面附近，基本上位于内径与外径之间的中间，并且被取向成并且被配置成用于测量Bx和By，并且位于传感器所看到的|Bz|/|Bx|<20％的位置。

在图14中，传感器设备位于磁体的外径的外部，位于基本上处于磁体的上表面与下表面之间的中间的平面中，并且被取向成并且被配置成用于测量dBx/dx和dBy/dx，并且位于传感器所看到的|Bz|/|Bx|<20％的位置。

在图15中，传感器设备位于磁体的外径的外部，位于基本上处于磁体的上表面与下表面之间的中间的平面中，并且被取向成并且被配置成用于测量dBx/dx和dBz/dx，并且位于传感器所看到的|By|/|Bx|<20％的位置。

在图16中，传感器设备位于磁体的外径的外部，位于基本上处于磁体的上表面与下表面之间的中间的平面中，并且被取向成并且被配置成用于测量Bx和By，并且位于传感器所看到的|Bz|/|Bx|<20％的位置。

图17至图24示出各种示例性磁体在相对于磁体的不同位置处的径向向内定向或径向向外定向的磁场分量的模拟。

图17的(a)部分至图17的(e)部分示出第一示例性环形磁体(具有OD＝15mm，ID＝5mm，H＝2.5mm)在磁体的底表面下方2mm距离处的平面中的径向向内定向或径向向外定向的磁场分量的幅度的模拟，该磁场分量与由图9或图11的传感器设备可感测的By分量或由图10的传感器设备可感测的Bz分量相对应。

作为图17的变体，图18的(a)部分至图18的(e)部分示出第二示例性环形磁体(具有OD＝30mm，ID＝20mm，H＝10mm)在磁体底表面下方2mm距离处的平面中的径向向内定向或径向向外定向的磁场分量的幅度的模拟。

图19的(a)部分至图19的(d)部分示出图17的示例性环形磁体(具有OD＝15mm，ID＝5mm，H＝2.5mm)在磁体的底表面下方2mm距离处的平面中的径向向内定向或径向向外定向的磁场分量的幅度的模拟的另一表示。

图20的(a)部分示出图19的磁场在磁体的底表面下方2mm平面中、在具有半径Rs的圆上的磁场分量Bx、By、Bz的幅度作为半径Rs的函数的曲线图。

图20的(b)部分以放大图示出图20的(a)部分的一部分的By幅度与Bx幅度的比率的曲线图。

图21的(a)部分至图21的(e)部分示出示例性磁体(具有OD＝30mm，ID＝20mm，H＝10mm)在磁体底表面下方2mm距离处的平面中的轴向定向的磁场分量的幅度的模拟，该磁场分量与由图12或图13的传感器设备可感测的Bz分量相对应。

作为图21的变体，图22的(a)部分至图22的(d)部分示出示例性磁体(具有OD＝15mm，ID＝5mm，H＝2.5mm)在磁体底表面下方2mm距离处的平面中的轴向定向的磁场分量的幅度的模拟。

图23的(a)部分和图23的(b)部分示出如可以在图14、图15或图16的角传感器系统中使用的示例性直径地磁化的环形磁体(具有OD＝10mm，ID＝5mm和H＝5mm)的磁化。

图24的(a)部分示出图23的磁场在磁体的一半高度处垂直于旋转轴的平面中、在具有半径Rs的圆上的磁场分量Bx、By、Bz的幅度作为半径Rs的函数的曲线图。

图24的(b)部分以放大图示出图24的(a)部分的一部分的By幅度与Bx幅度的比率的曲线图。

图25的(a)部分至图25的(g)部分示出使用轴向磁化的四极磁体的图12或图13的角位置传感器系统的变体。

图26(a)至图26(c)以灰度示出如可在图25的角位置传感器系统中使用的示例性四极磁体(具有OD＝12mm，ID＝8mm，H＝4mm)在磁体底表面下方3mm距离处的平面中的径向取向、周向取向和轴向取向的磁场分量的幅度的模拟。

图27的(a)部分至图27的(c)部分以10个抖动等级的方式示出与图26的(a)部分至图26的(c)部分相同的绘图。

图28示出了与图26的(a)部分相同的数据，但是以清晰的图像呈现，示出其中径向分量的幅度小于在同一平面的不同位置处可测量的最大磁场分量的30％的环形区域。

图29示出与图26的(a)部分和图28相同的数据，但是以不同的灰度呈现，示出其中径向分量的幅度小于在同一平面的不同位置处可测量的最大磁场分量的大约11％的环形区域。

这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且没有按比例绘制。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。

具体实施方式

将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于解说目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且没有按比例绘制。尺度和相对尺度并不与对本发明的实践的真实缩小相对应。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或以任何其他方式描述顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够按照与本文中所描述或图示的取向不同的取向来进行操作。

应注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提及的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各发明性方面中的一个或多个发明性方面的目的，本发明的各种特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映要求保护的本发明要求比每项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式所附的权利要求由此被明确并入到该具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

在本文档中，除非另外明确提及，否则术语“磁传感器设备”或“传感器设备”是指优选地集成在半导体衬底中的、包括至少一个“磁传感器”或至少一个磁“传感器元件”的设备。传感器设备可被包括在封装(也被称为“芯片”)中，但这不是绝对必需的。传感器设备可被配置成用于测量至少两个平面内磁场分量(本文称为Bx和By)，或用于测量至少一个平面内磁场分量(例如，Bx)和至少一个平面外磁场分量(例如，Bz)。

在本文档中，术语“传感器元件”或“磁传感器元件”或“磁传感器”可以指能够测量磁量的组件或组件组或子电路或结构，诸如例如，磁阻元件、GMR元件、XMR元件、水平霍尔板、垂直霍尔板、包含至少一个(但优选地为四个)磁阻元件的惠斯通电桥等或其组合。

在本发明的某些实施例中，术语“磁传感器”可以指包括一个或多个集成磁聚集器(IMC)和一个或多个水平霍尔元件的布置，例如盘状IMC和布置在IMC的外周附近的两个或四个水平霍尔元件。

在本文档中，表述“磁场向量的平面内分量”和“磁场向量在传感器平面内的投影”含义相同。如果传感器设备被实现在半导体衬底中，则这也意味着“磁场分量平行于半导体平面”。

在本文档中，表述“向量的平面外分量”和“向量的Z分量”以及“向量在垂直于传感器平面的轴上的投影”含义相同。

本发明的实施例通常使用正交坐标系来描述，该正交坐标系固定到传感器设备并且具有三个轴X、Y、Z，其中X轴和Y轴位于衬底中，并且Z轴垂直于衬底。此外，X轴在线性位置传感器的情形中优选地按“平行于相对移动的方向”取向，或者在弯曲的移动轨迹的情形中优选地按“与运动轨迹相切”取向，或者在包括可旋转的磁体的角位置传感器系统的情形中优选地按“周向方向”(即，与具有位于旋转轴上的圆心的假想圆相切)取向。在角位置传感器系统的情形中，其它轴(Y或Z)中的一个轴优选地按平行于磁体的旋转轴而取向。例如，在图11至图15和图25中，Z轴平行于磁体的旋转轴，而在图16和图17中，Y轴平行于旋转轴。

在本文档中，表述“空间导数”或“导数”或“空间梯度”或“梯度”被用作同义词。在本发明的上下文中，梯度通常被确定为在X方向上间隔开的两个位置处测得的两个值之间的差。理论上，梯度通常被计算为两个值之间的差除以传感器位置之间的距离“dx”，但实际上，除以“dx”的除法通常被忽略，因为无论如何，所测得的信号都需要被缩放。

在本文档中，术语“磁场分量By的幅度”意指“在整个360°旋转上By信号的绝对值的最大值”，并且Bx和Bz也是如此。

在本文档中，例如，不带括号的“图19的e部分”与带括号的图19的(e)部分含义相同，对于其他图片也是如此。

注意，在本申请中，附图标记“HP1”、“HP2”、……“HPn”可以指第一、第二、……、第n个霍尔元件本身，或指该元件提供的信号。预期的含义应从上下文中明确。

本发明总体上涉及角磁位置传感器系统，包括传感器设备和磁源，该磁源例如永磁体。

更具体地，本发明涉及磁传感器系统，该系统包括相对于永磁体可移动的磁传感器设备，该系统在以下一个或两个或全部方面具有改善的准确度：

-改善的对“串扰”的稳健性，

-改善的对外部干扰场的稳健性，

-改善的对(特别是与机械应力相关的)长期漂移的稳健性。

本发明之下的(多个)技术问题、本文提供的(多个)技术方案以及与现有解决方案的区别可以借助图1和图2得到最好的解释。

图1示出传感器结构，该传感器结构包括位于X轴上的第一位置X1处的第一传感器S1和位于所述X轴上的、与X1间隔开的第二位置X2处的第二传感器S2。第一传感器S1和第二传感器S2中的每一个包括盘状集成磁聚集器(IMC)和布置在X轴上的、在IMC的相对侧上的两个水平霍尔元件。

图1所示的传感器结构也在同一申请人于2019年11月6日提交的专利申请EP19207358.3中进行了描述，该专利申请要求于2018年11月12日提交的EP18205705.9的优先权，这两个文件的全部内容通过引用合并于此。但是，在存在冲突的情形中，以本文档中的信息为准。在该文档中，传感器S1、S2用于确定平面内磁场梯度(dBx/dx)和平面外磁场梯度(dBz/dx)，以便确定包括这些传感器的传感器设备相对于磁结构的角位置。

为了理解本发明，知道来自每个传感器的两个霍尔元件(也称为“霍尔板”)的信号可用于确定平面内磁场分量Bx(平行于传感器衬底)和平面外磁场分量Bz(垂直于传感器衬底)两者就足够了。更具体地，平面内磁场分量Bx可以通过对两个信号相减来计算，而平面外磁场分量Bz可以通过对两个信号求和来计算。这可以在数学上被表达如下：

Bx1＝(HP2-HP1)[1]

Bz1＝(HP1+HP2)[2]

虽然是简洁而绝妙的解决方案，但该结构可能会遭受“串扰”或“共模”问题。实际上，从公式[1]和[2]可以理解，如果存在任何失配，例如由于几何布局失配、和/或由于这些霍尔板的偏置电路和/或读出电路的失配、和/或由于通常在读出电路中使用的运算放大器的偏移误差、或者磁增益或灵敏度的失配，则Bx1和Bz1中的一者或两者可能是不准确的。例如，如果HP1的灵敏度和HP2的灵敏度不匹配，则按Z方向(垂直于衬底)取向的磁场可能会错误地导致Bx1的非零值。该现象被称为“从Bz场到被测量的Bx分量的泄漏”，或“从Z分量到X分量的串扰”。同样，在失配的情形中，平行于传感器平面而取向的磁场可能错误地导致Bz的非零值。

当然，使用已知的技术(例如，通过使用相同的布局符号和/或通过激光微调，和/或通过使用所谓的“旋转电流”读出技术)尽可能地限制此类失配，但存在对在生产环境中实际上和经济上可行的技术的限制。因此，一定程度的失配将始终存在。甚至更难控制的是随着时间推移而漂移的失配，例如与机械应力(例如由塑料封装的模塑化合物施加的应力)变化相关的失配。

期望进一步改善传感器系统的准确性，发明人想到了通过对Bx分量的测量和Bz分量的测量进行“去耦(decoupling)”来减少串扰，并且他们想到了图2中提出的结构，其中专用的水平霍尔元件HP5被添加到第一传感器S1以测量第一位置X1处的Bz分量，并且专用的水平霍尔元件HP6被添加以测量第二位置X2处的Bz分量。霍尔元件HP5与HP1和HP2间隔开HP1与HP2之间距离的至少1.5倍，以便将HP5与HP1和HP2去耦；并且同样，霍尔元件HP6与HP4和HP5间隔开HP4与HP5之间距离的至少1.5倍，以便将HP6与HP4和HP5去耦。预期到通过使用专用传感器元件并通过将这些传感器定位成相对远离于相应IMC结构，准确性将由于去耦而被改善。

该结构被构建并且被评估，但惊人地表明，信号Bx和Bz的准确性没有被改善。分析表明，图2的结构遭受“漂移问题”，这些“漂移问题”可能与各霍尔元件之间的温度失配和/或机械应力失配相关。

基于这些领悟，并与(图2的)他们基于对Bx和Bz的测量“进行最大程度地去耦”的原始想法相反，发明人领悟到：最好是对Bx和Bz的测量进行电去耦和磁去耦，但对Bx和Bz的测量进行机械耦合，以便改善(短期和长期)准确性。据发明人所知，被如此清楚地阐明的耦合和去耦的此种特定组合在本领域中是未知的。

此外，发明人想到了：通过将传感器设备定位在相对于磁体的特定位置来减少串扰，该特定位置即磁场分量中的一个磁场分量比其他磁场分量小得多的位置，例如，在幅度上至少小5倍(即最大20％)、或至少小10倍(即最大10％)、或具有小于另一幅度的5％的幅度、或理想情况下基本上等于零。并且在优选的实施例中，也使用了该领悟。本文档的其余部分描述了各种提出的解决方案，并包含四个主要部分：

-在图3至图8中，提出了若干传感器结构(如将进一步明确的，这些传感器结构具有IMC和水平霍尔元件，但这些传感器结构并非可用于本发明实施例中的仅有的传感器结构)，

-在图10至图16中，提出了若干传感器布置，示出传感器设备相对于磁结构的若干优选位置(本文也称为“最佳点”)，

-在图17至图24中示出了模拟结果和图形，以使若干示例性两极磁体的“最佳点”可视化。

-在图25中描述了具有四极磁体的传感器系统，并且在图26至图29中示出了模拟结果以使示例性四极磁体的“最佳点”可视化。

在图14至图16所图示的实施例中，传感器设备基本上位于磁体的对称平面中。在其他实施例中，传感器设备不位于磁体的对称平面中，而是位于磁体的对称平面之外。

本发明提供一种角位置传感器系统，该角位置传感器系统包括用于生成磁场的永磁体和用于测量所述磁场的磁传感器设备。磁体相对于传感器设备是可移动的，或者反之亦然。永磁体是圆柱形磁体(例如环形磁体或盘状磁体)并且可绕旋转轴旋转角度α，该角度α需要由传感器设备确定。角位置传感器设备具有包括多个磁敏元件的衬底，该多个磁敏元件被配置成用于测量至少按第一方向(X)取向的第一磁场分量(Bx1)和按垂直于第一方向(X)的第二方向(Y或Z)取向的第二磁场分量(By1或Bz1)。该传感器设备进一步包括处理电路，该处理电路被配置成用于至少基于所测得的第一磁场分量和第二磁场分量(Bx1和By1；或Bx1和Bz1；或Bx1、Bx2、By1和Bz2；或Bx1、Bx2、Bz1和Bz2)来计算磁体的角位置(α)。传感器设备被取向成使得第一方向(X)相对于所述旋转轴按周向方向取向，并且使得第二方向(Y或Z)平行于旋转轴，或与旋转轴正交(例如，正交相交)。传感器设备位于相对于磁体的预定义位置，其中在预定义的角范围内，与第一磁场分量和第二磁场分量正交的第三磁场分量(Bz1或By1)的幅度具有小于第一磁场分量(Bx1)幅度的20％的幅度，优选地小于15％、或小于10％、或小于5％、或理想情况下具有基本上等于零的幅度。

表述“相对于旋转轴的周向”意味着“与位于垂直于旋转轴的假想平面中并且具有位于旋转轴上的圆心的假想圆相切”。

在一些实施例中，环形磁体或盘状磁体是直径地磁化的。

在一些实施例中，环形磁体或盘状磁体是轴向磁化的。

在优选的实施例中，预定义的角范围是至少180°、或至少270°、或是360°。

此类位置传感器系统的优点在于，它可以更准确地测量磁场分量，更具体地，以对磁场分量之间的串扰较不敏感的方式测量磁场分量。

在优选的实施例中，传感器设备假定在以下相对于磁体的三个“最佳点”中的一个“最佳点”中的位置：

(1)在垂直于旋转轴的平面β中、距磁体的平坦底表面或顶表面的预定义距离为从0.5至5.0mm、或从1.0mm至4.0mm、或从1.0至3.0mm、或从1.5至2.5mm处(例如，距离等于大约2mm处)、并且径向距离Rs为外半径的从40％至60％或从40％至48％(在盘状磁体的情形中)或者径向距离Rs为环形磁体的内半径Ri与外半径Ro之间(例如基本上处于环形磁体的内半径Ri与外半径Ro之间的中间处)的位置处(本文称为“磁体上方或下方”)，例如，如图12、图13或图29中所示。该传感器设备可被取向成使得其衬底垂直于旋转轴或平行于旋转轴；

(2)在垂直于旋转轴的穿过磁体中心的平面中、径向距离Rs为环形磁体或盘状磁体的外半径的从大约102％至150％、或从大约103％至140％，或从大约105％至125％的位置处(本文称为“赤道附近”)，例如，如图14、图15、图16所示。该传感器设备可被取向成使得衬底垂直于旋转轴(例如，图14、图16)或平行于旋转轴(例如，图15)；

(3)在垂直于旋转轴的平面中、距磁体的平坦底表面或顶表面的预定义距离为从0.5至5.0mm、或从1.0mm至4.0mm、或从1.0至3.0mm、或从1.5至2.5mm(例如，距离等于大约2mm处)、并且径向距离为环形磁体或盘状磁体的外半径90％到110％或者环形磁体或盘状磁体的外半径的90％到98％、或102％到110％的位置处(本文称为“角落附近”)，例如，如图5、图9、图10、图11所示。该传感器设备可被取向成使得衬底垂直于旋转轴(例如，图5、图9、图11)或平行于旋转轴(例如，图10)。

在优选的实施例中，传感器设备还可被配置成用于同样测量沿着X轴与第一位置X1间隔开的第二位置X2处的第一磁场分量(例如Bx)和第二磁场分量(例如By或Bz)，并且处理电路可进一步适于确定第一磁场梯度(例如dBx/dx)和第二磁场梯度(例如dBy/dx或dBz/dx)并且适于基于这些梯度来确定磁体的角位置。示例尤其在图5、图9、图10、图12、图14、图15、图25中示出。此类实施例提供附加的优点是对外部干扰场是高度稳健的。

在优选的实施例中，传感器设备还可以使用包括一个或多个传感器的传感器结构，每个传感器包括IMC结构，该IMC结构包括一个或多个IMC元件，并且每个传感器包括多个水平霍尔元件，例如，每个传感器位置四个水平霍尔元件(例如，如图3或图4所示)，或每个传感器位置仅三个水平霍尔元件(例如，如图8所示)。此类实施例提供了对机械应力和/或长期漂移高度稳健的附加优点，因为这些霍尔元件的温度和由这些霍尔元件感测到的机械应力基本上相同。

这些是本发明的主要基本原理。

现在参考各附图。

上文已经描述了图1和图2。简言之，图1示出用于测量沿X轴间隔开的两个位置X1、X2处的、按X方向(平行于传感器设备中包括的衬底的平面)取向的磁场分量Bx和按Z方向(垂直于衬底的平面)取向的磁场分量Bz的结构。该结构在功能上起作用，但在失配的情形中可能会遭受串扰。

图2示出具有沿X轴间隔开的第一传感器S1和第二传感器S2的传感器结构。第一传感器S1包括IMC和三个水平霍尔元件HP1、HP2、HP5，第一元件HP1和第二元件HP2被布置在IMC的外周处，第三元件HP5被定位成相对远离于IMC，以便将Bz测量(仅使用HP5)与Bx测量(仅使用HP1和HP2)去耦。同样，第二传感器S2包括第二IMC与两个水平霍尔元件HP4、HP5并包括水平霍尔元件HP6，该水平霍尔元件HP6被定位成相对远离于IMC以便将Bz测量(仅使用HP6)与Bx测量(仅使用HP4和HP5)去耦。此类结构在功能上起作用，但对机械应力变化和长期漂移问题敏感。

图3是由本发明提出的第一示例性传感器结构的示意性框图。

该结构可用于测量两个不同位置X1、X2处的平面内磁场分量Bx(平行于传感器平面)和平面外磁场分量Bz(垂直于传感器平面)两者，从而允许确定平面内梯度(dBx/dx)和平面外梯度(dBz/dx)，此外，还具有减少的串扰和减少的漂移问题。

图3的传感器结构(或“传感器布置”)包括两个传感器S1、S2，每个传感器具有IMC结构和被布置在IMC结构的外周处、成角度地间隔90°的四个水平霍尔元件。该传感器结构可用于测量第一位置X1、第二位置X2处的第一平面内磁场分量Bx1、第二平面内磁场分量Bx2，并用于测量所述第一位置X1、第二位置X2处的平面外磁场分量Bz1、Bz2。可以从值Bx1、Bx2计算平面内磁场梯度dBx/dx，并且可以从值Bz1、Bz2计算平面外磁场梯度dBz/dx。

图3情形(b)示出公式的集合，这些公式可用于基于第一磁场梯度与第二磁场梯度的比率的反正切函数来确定传感器设备相对于磁体的角位置(或反之亦然)，但这不是绝对必需的，并且例如，还可以使用具有用于将所述比率转换为角位置的查找表(以及任选地也可以是线性插值)的处理器。

为了减少磁场分量之间的潜在串扰，Bx1的测量仅基于从HP1和HP2获得的信号，并且Bz1的测量仅基于从HP3和HP4获得的信号，并且Bx2的测量仅基于从HP5和HP6获得的信号，并且Bz2的测量仅基于从HP7和HP8获得的信号，并且该结构优选地位于By分量的幅度(表示为|By|)小于幅度|Bx|的20％和/或小于幅度|Bz|的20％所在的位置处。以此方式，从Bz到Bx的潜在泄漏至少减少了5倍。如果传感器设备位于|By|小于|Bx|和/或|Bz|的10％所在的位置处，则串扰至少减少10倍等。将进一步描述此类位置实际上存在，以及它们大致位于何处。

但是，图3的传感器结构也可用于使用图3情形(d)中列出的公式的集合来测量两个平面内磁场梯度dBx/dx和dBy/dx(例如，如可以在图12和图14的角传感器系统中使用)。在该情形中，传感器设备优选地位于，Bz分量的幅度(如传感器设备所见)相比于Bx和/或By的幅度(如传感器设备所见)是小的所在的位置。

图3的传感器S1包含单个集成磁聚集器(IMC)和四个水平霍尔元件HP1、HP2、HP3、HP4(也称为“水平霍尔板”)。IMC具有圆盘形状，但也可以使用其他形状，例如椭圆形状。霍尔元件被布置在IMC的附近，并且在IMC外周处或在IMC外周附近成角度地间隔90°。第二传感器S2具有类似的结构，其中四个水平霍尔元件HP5、HP6、HP7、HP8布置在第二IMC聚集器盘IMC2的附近。

第一传感器S1位于衬底上的第一位置X1处，并且第二传感器S2位于衬底上的、与X1间隔开预定义距离Δx的第二位置X2处，因此在X方向上X2＝X1+Δx。如上文所述，传感器设备优选地被取向成使得传感器设备的X轴相对于磁体的旋转轴(图3中未示出)按周向方向取向。

第一传感器S1的两个霍尔元件HP1、HP2位于X轴上，并且第二传感器S2的两个霍尔元件HP5、HP6位于X轴上。第一传感器S1的另外两个元件HP3、HP4位于垂直于X轴的轴Y1上，并且第二传感器S2的另外两个元件HP7、HP8位于也垂直于X轴的轴Y2上。更具体地，传感器元件HP1、HP2在X轴上限定第一线段，并且传感器元件HP3、HP4位于第一线段的垂直平分线Y1上。同样，传感器元件HP5、HP6在X轴上限定第二线段，并且传感器元件HP7、HP8位于该第二线段的垂直平分线Y2上。

平面内磁场分量Bx1的值仅作为信号HP1和HP2的函数来确定(与HP3、HP4无关)，而平面外磁场分量Bz1的值仅作为信号HP3、HP4的函数来确定(与HP1、HP2无关)。因此，信号Bx1和Bz1被“电去耦”。

此外，由于一方面包含HP1、HP2的第一对霍尔元件与另一方面包含HP3、HP4的第二对霍尔元件的垂直布置，所以Bx1和Bz1的测量也被“磁去耦”。

此外，由于霍尔元件HP1至HP4布置在第一IMC结构的外周附近，这四个霍尔元件将具有基本上相同的温度，并且它们将经受基本上相同的机械应力，因此它们是“热耦合和机械耦合的”。该两对水平霍尔元件的“电去耦和磁去耦”与同时“热耦合和机械耦合”的组合通过减少串扰和通过减少机械应力变化改善了准确性，尤其是当位置作为信号的比率的函数来确定时，因为来自温度和机械应力的影响会发生在此类比率的分子和分母两者中，因此基本上抵消掉了。

如图3情形(b)的公式所示，平面内磁场分量的梯度可计算为：dBx/dx＝Bx2-Bx1，并且平面外磁场分量的梯度可计算为：dBz/dx＝Bz2-Bz1。这是使用梯度的优点，因为它自动减少或抵消了(恒定的)外部干扰场的影响。

然后，可以基于这些梯度的比率(例如使用查找表、或使用测角函数)来计算传感器设备的角位置，例如在|dBx/dx|的幅度与|dBz/dx|的幅度不相同的情形中，任选地在与预定义常数K相乘之后，使用比率的反正切函数。使用查找表的优点是任何角度的非线性变换都可以被自动地包括在查找表中。

图3情形(a)提供可以在使用与图3的传感器结构类似的传感器结构(但仅具有单个传感器)来测量Bx和Bz时用于确定角位置的公式的集合，该传感器结构如可以例如在图11的(e)部分或图25的(c)部分的传感器系统中使用。

图3情形(d)提供可以在使用图3的传感器结构来测量dBx/dx和dBy/dx时用于确定角位置的公式的集合，该传感器结构如可以例如在图12和图14的传感器系统中使用。

图3情形(c)提供可以在使用与图3的传感器结构类似的传感器结构(但只有单个传感器)来测量Bx和By时用于确定角位置的公式的集合，该传感器结构如可以例如在图13或图16的传感器系统中使用。

图4是如可以在本发明的实施例中使用的第二示例性传感器结构的示意性框图，该第二示例性传感器结构包括两个传感器S1、S2，每个传感器具有IMC结构和四个水平霍尔元件。

该传感器结构是图3的传感器结构的变体，主要区别在于第一传感器的IMC结构和第二传感器的IMC结构各自包括四个单独的集成磁聚集器组件IMC1a-d和IMC2a-d，一个集成磁聚集器组件针对一个水平霍尔元件，而不是具有单个盘状IMC。这些单独的IMC组件优选地具有平滑的形状，例如圆形、或椭圆形、或泪滴形、雨滴形等。

在减少的串扰和减少的长期漂移(例如，与温差和/或机械应力差相关)方面，与上文所述的相同的有益效果在此处也可适用，因为这些霍尔元件中的每一个霍尔元件也将经受基本上相同的温度和相同的机械应力，因为它们由类似的IMC组件覆盖。图3和图4的传感器结构是高度对称的：它们都具有四个对称轴(X、Y和45°的对角线)，并且它们在旋转90°之后看起来完全相同。与图3中的情形(a)到情形(d)中相同的公式是可适用的。

虽然没有进一步明确示出，但是图4的传感器结构(或其单个传感器)可以在其中可以使用图3的传感器结构(或其单个传感器)的所有实施例中使用。

图5示出位置传感器系统500，该位置传感器系统500包括两极磁体501(更具体地是直径地磁化的环形磁体)并且包括以集成半导体器件形式的传感器设备502。环形磁体501相对于传感器设备502是可移动的，或反之亦然。更具体地，环形磁体501绕旋转轴515是可旋转的(例如，当被安装到转子或被安装到轴杆时)，而传感器设备通常具有固定的位置(例如，被安装到定子或被安装到支撑所述轴杆的框架上)。传感器设备502包括具有一个或两个传感器的传感器结构(例如，如图3或图4所示)并且包括将在图6中进一步描述的电子器件。

在图5的实施例中，传感器设备502位于平行于磁体501的上表面的平面β中，例如，在距所述顶表面503从大约1.0mm至大约3.0mm(例如等于大约2.0mm)的距离处，但是如果传感器设备被定位在距环形磁体的底表面504所述距离处，本发明也将起作用。传感器设备502被取向成其中其内部X轴与相对移动的方向相切(即与以虚线示出的假想圆相切)并且其中其内部Y轴垂直于所述切线。优选地，Y轴位于第一传感器S1的轴Y1与第二传感器S2的轴Y2之间的中间，并且与旋转轴515垂直地相交。因此，传感器设备502被取向成使得其包含水平霍尔元件以及X轴和Y轴的衬底垂直于旋转轴515，并且(垂直于衬底的)Z轴平行于旋转轴515。

在所示的传感器位置处，在磁体的顶表面或底表面的圆形外边缘附近，Bx分量和Bz分量的变化基本上像可能具有不同的振幅的、角位置α的正弦函数和余弦函数。因此，基于Bx和Bz的图3情形(a)的公式，或基于dBx/dx和dBz/dx的图3情形(b)的公式可用于确定角位置α。

为了减少或进一步减少潜在串扰，传感器设备502优选地位于相对于磁体例如径向距离为Rs的位置处，其中By分量的幅度小于Bx分量的幅度的20％或小于Bx分量的幅度的15％或小于Bx分量的幅度的10％或小于Bx分量的幅度的5％，和/或其中By分量的幅度小于Bz分量的幅度的20％或小于Bz分量的幅度的15％或小于Bz分量的幅度的10％或小于Bz分量的幅度的5％。更优选地，对于测量范围的磁体的任何角位置α而言，传感器设备502位于其中|By|/|Bx|和|By|/|Bz|中的一者或两者小于15％、或甚至小于10％、或甚至小于5％，或者其中|By|的值基本上等于零的位置处。

令人惊讶地发现，此类位置实际上存在(对于两极磁体而言，参见例如图17和图18，并且对于多极磁体而言，参见图25至图29)，并且几乎令人难以置信的是，满足此条件所在的位置包括围绕磁体的旋转轴的整个360°上的小环形区域，这意味着，当传感器设备位于该位置时，对于磁体的任意角位置而言，By分量的幅度比Bx和/或Bz的幅度至少小5倍(甚至10倍或更多)。

返回参考图5。

在实施例中，或在操作模式中，从第一传感器S1获得的Bx1和Bz1的值被用来例如根据公式α1＝arctan(K*Bx1/Bz1)计算第一角度α1，并且从第二传感器S2获得的Bx2和Bz2的值被用来例如根据公式α2＝arctan(K*Bx2/Bz2)计算第二角度α2，其中K是预定义常数，在Bx和Bz的幅度不相同的情形中，该预定义常数通常不同于1.0。α2的值从值α1略微偏移，因为传感器S2的位置与S1的位置略微不同，但该偏移可以被补偿，因为它是固定的。此类传感器设备提供冗余，但对外部干扰场敏感。如果α1和α2的值偏差大于预定义阈值，则将检测到发生了错误(错误检测)，并且可输出警告信号或错误信号。否则，可以提供α1或α2的值、或α1和α2的平均值(任选地利用所述偏移进行补偿)作为要被测量的角位置。

在另一实施例或在进一步的实施例中，例如在另一操作模式中，值Bx1、Bx2、Bz1、Bz2进一步被处理，以获得平面内场梯度dBx/dx和平面外场梯度dBz/dx的值，并计算这些梯度的比率，并基于该比率例如使用图3情形(b)中的测角公式、或使用查找表(任选地利用插值)来确定传感器设备的角位置。可以以已知的方式(例如通过设计、通过模拟、通过校准或通过这些方式的组合)来确定此类表的值，并且可以将此类表的值存储在非易失性存储器621(例如闪存或EPROM或EEPROM)等中。使用磁场梯度的比率来计算角位置的优点在于，因为它使结果对老化效应(例如退磁效应)高度不敏感，并且对外部磁干扰场高度不敏感。

在图5的变体(未示出)中，传感器设备将围绕其X轴旋转90°，使得其Y轴平行于磁体的旋转轴515，而Z轴平行于磁体表面，并且任选地，传感器设备可位于距上磁体表面或下磁体表面稍大的距离处。在该配置中，Bx分量和By分量将基本上表现得像正弦函数和余弦函数。根据本发明的方面，传感器设备将优选地位于径向距离Rs处，在该径向距离Rs处，(由传感器设备可感测的)Bz分量的幅度将小于Bx分量的和/或By分量的幅度的20％。在该情形中，可以使用图3情形(c)或(d)的公式来确定磁体的角位置α。该实施例具有优点是Bx分量和By分量两者都被IMC以基本上相同倍数被动地放大，这不是图5的实施例中针对Bz的情形，但是缺点是传感器设备由于其尺寸而通常需要被定位在离磁体稍远的地方。

图6是如可在本发明实施例中使用的示例性位置传感器设备602的示意性框图。位置传感器设备在本领域是已知的，但出于完整性提供简要说明。

图6的位置传感器设备602包括以特定方式布置在半导体衬底上的多个水平霍尔元件(在示例中：HP1至HP8)，其未在图6中示出，而是例如如图3或图4所示。

位置传感器设备602进一步包括处理电路，例如可编程处理单元620，该可编程处理单元620适于基于从水平霍尔元件获得的信号例如通过求和或减法来确定(例如计算)值Bx1、Bz1、Bx2和Bz2，并且适于例如使用图3情形(b)中所示公式中的一个或多个公式来计算两个不同位置处的平面内磁场梯度dBx/dx和平面外磁场梯度dBz/dx。

处理单元620优选地进一步适于基于这些梯度信号的比率例如使用查找表和插值、或者通过利用测角函数(例如，反正切函数)或以任何其他合适的方式来确定角位置。

角度值可由控制器输出，任选地与可用于功能安全性的错误指示信号一起输出。错误指示信号可以例如通过测试Bx1与Bx2之间的差是否足够小，和/或基于Bz1与Bz2之间的差是否足够小，或者以其他合适的方式来指示Bx1、Bx2、Bz1、Bz2的值是否充分匹配。

虽然未明确示出，但传感器设备602通常还进一步包括偏置电路、读出电路、一个或多个放大器、模数转换器(ADC)等。此类电路在本领域是公知的，并且不是本发明的主要焦点。

然而，本发明不限于具有被布置成用于测量平面内磁场梯度dBx/dx和平面外磁场梯度dBz/dx的八个水平霍尔元件的传感器设备，并且在变体中，处理单元620适于基于从水平霍尔元件获得的信号例如通过求和或减法或直接确定(例如计算)值Bx1、By1、Bx2和By2，并且适于例如使用图3情形(d)中所示公式中的一个或多个公式来计算第一方向X上的平面内磁场梯度dBx/dx和垂直于X的第二方向Y上的平面内梯度dBy/dx。

然而，本发明不限于具有八个水平霍尔元件的传感器设备，并且还可以使用具有不同数量和/或不同类型的磁传感器元件的传感器结构。例如，在图6的传感器设备的变体中，位置传感器设备可包括从由以下项组成的群组选择的多个磁敏元件：水平霍尔元件、垂直霍尔元件、磁阻元件(例如XMR或GMR元件)等，例如：

-图9的(f)部分、图15的(e)部分、图25(d)部分、(f)部分示出具有沿X轴间隔开的两个传感器的传感器布置的示例，每个传感器包括一个水平霍尔元件和一个垂直霍尔元件而不具有IMC；

-图11的(e)部分、图13的(c)部分、图16的(c)部分、图25的(c)部分示出具有单个传感器的传感器布置的示例，该单个传感器包括IMC和四个水平霍尔元件；

-图11的(f)部分、图15的(e)部分、图25的(d)部分示出具有单个传感器的传感器布置的示例，该单个传感器包括水平霍尔元件和垂直霍尔元件而不具有IMC；

-图13的(d)部分、图16的(d)部分示出具有单个传感器的传感器布置的示例，该单个传感器包括两个垂直霍尔元件而不具有IMC；

-图10的(e)部分、图12的(d)部分、图12的(e)部分、图14的(d)部分示出具有沿X轴间隔开的两个传感器的传感器布置的示例，每个传感器包括两个垂直霍尔元件而不具有IMC；

但也可以使用其他传感器结构。

图7图示使用传感器设备来确定角位置的方法，该传感器设备包括如图3或图4所述的或如将在图8中所述的两个传感器S1、S2，每个传感器具有IMC结构(IMC结构包括一个或多个IMC组件)，并且具有三个或四个水平霍尔元件。

方法700包括以下步骤：

任选的步骤a)是在第一位置X1处提供701包括三个或四个水平霍尔元件的第一传感器S1，并在第一方向X上与第一位置X1间隔开的第二位置X2处提供包括三个或四个水平霍尔元件的第二传感器S2。

b)使用第一传感器S1的两个水平霍尔元件(例如，HP1、HP2)来确定702第一平面内磁场分量(例如，Bx1)，并使用第一传感器S1的一个(例如，图8的HP3)或两个其他霍尔元件(例如，图3或图4的HP3、HP4)来确定第一平面外磁场分量(例如，Bz1)；

c)使用第二传感器S2的两个水平霍尔元件(例如，HP5、HP6)来确定703第二平面内磁场分量(例如，Bx2)，并使用第二传感器S2的一个(例如，图8的HP7)或两个其他霍尔元件(例如，图3或图4的HP7、HP8)来确定第二平面外磁场分量(例如，Bz2)；

d)基于第一和第二平面内磁场分量(例如，Bx1、Bx2)并且基于第一和第二平面外磁场分量(例如，Bz1、Bz2)来确定704角位置。

该方法可以进一步包括以下步骤：按照以下方式相对于磁源来布置包括所述第一传感器S1和所述第二传感器S2的传感器设备：使得由第一传感器S1的位置X1和第二传感器S2的位置X2限定的内部X轴与位于垂直于磁体旋转轴的平面中且具有在该旋转轴上的圆心的假想圆相切，并且使得传感器设备的Y轴位于第一传感器位置X1与第二传感器位置X2之间的中间并平行于衬底、与旋转轴515相交、并且垂直于所述旋转轴515。这意味着垂直于传感器设备衬底的Z轴平行于旋转轴515。

根据本发明的重要方面，传感器设备还优选地(相对于磁体)位于一位置处，优选地，对于磁体的整个360°范围的每个角度而言，在该位置处传感器设备看到的磁场的(多个)By分量(该By分量按磁体的径向方向取向)具有小于按磁体的周向方向取向的(多个)Bx分量的幅度的20％、或小于(多个)Bx分量的幅度的15％、或小于(多个)Bx分量的幅度的10％、或小于(多个)Bx分量的幅度的5％的幅度，和/或小于所述位置处的按磁体的轴向方向取向的Bz分量幅度的20％或15％或10％或5％。

该方法700与图3情形(b)的公式相对应，但本发明不限于此，并且用于图3的其他公式集合的类似方法、或用于如本文所述的其他传感器结构的类似公式(例如参见图8)、或者用于甚至本文中未明确详细描述的其他传感器结构的类似公式可以经必要修改后易于制定。

例如，一种适用于图14的方法，其中传感器设备被布置在“赤道附近”，并且其中传感器设备被取向成其中其半导体衬底垂直于旋转轴，该传感器设备将测量两个平面内分量Bx和By，并且将优选地位于|Bz|相对于|Bx|和/或|By|较小所在的位置处，这也可以表述为：在对于磁体的任何角位置而言，与磁体的周向场和/或径向场相比，磁体的轴向场较小所在的位置处。

也可以针对仅具有单个传感器位置的实施例重新制定该方法，例如，如图11或图13或图16或图25的(c)部分、图25的(d)部分。

图8示出具有第一传感器S1和第二传感器S2的传感器结构的示例，该第一传感器S1具有IMC结构IMC1(在图8的示例中具有圆盘形状)和仅三个水平霍尔元件HP1、HP2、HP3，该第二传感器S2沿着X轴与第一传感器间隔开并且具有类似IMC结构IMC2和仅三个水平霍尔元件HP5、HP6、HP7。

所有水平霍尔元件均位于X轴上。元件HP1和HP2位于IMC1的相对侧上，元件HP3位于HP1与HP2之间的中间、在IMC1的中心并且在IMC1的下方。与大多数人所认为的相反，尽管它位于IMC下面，但霍尔元件HP3完全能够测量取向成垂直于衬底的磁场分量Bz1。同样，元件HP5与HP6位于IMC2的相对侧上，元件HP7位于HP5与HP6之间的中间、在IMC2的中心并且在IMC2的下方。由于其取向和其中心位置，元件HP3和HP7不拣取Bx场或By场，而只测量Bz场，因此分别与HP1、HP2和HP5、HP6磁去耦。由于HP3的信号不用于确定Bx1，并且HP1和HP2的信号也不用于确定Bz1，所以传感器元件HP1和HP2也与HP3电去耦。

重要的是，霍尔元件HP3与HP1和HP2经受基本上相同的机械应力，因为它们位于同一个IMC盘的下面，并且由于霍尔元件HP3的位置在HP1与HP2之间的中间，HP3的温度基本上等于HP1和HP2的温度。同样，霍尔元件HP7与HP5和HP6经受基本上相同的机械应力，并且具有基本上相同的温度。

综上所述，受益于本公开的本领域技术人员将理解，在准确性方面，尤其是在对外部干扰场不敏感、对串扰的减少的敏感度(尤其是Bx到Bz，反之亦然)、对机械应力的减少的敏感度、以及减少的长期漂移方面，图8的传感器结构提供了与图3或图4的传感器结构相同的优点中的许多或全部。

图9至图16示出角位置传感器系统的示例，该角位置传感器系统包括绕旋转轴可旋转的永磁体和位于所述磁体附近的传感器设备。在单独地描述实施例之前，首先给出一般性评论。

在设想的实施例中，磁体优选地是的轴向或直径地磁化的两极环形磁体，该磁体具有至少为5mm(例如大约8mm)的内径ID以及在从10mm至50mm(例如从15mm至45mm)的范围内(例如等于大约20mm、或等于大约25mm，或等于大约30mm)的外径；并且具有在从2至10mm范围内(例如等于大约2.5mm或等于大约5.0mm)的高度H。在替代实施例中，磁体是具有为环形磁体所指定的外径OD范围和高度范围的盘状磁体。

图9至图16的实施例主要在传感器设备相对于磁体的相对位置和取向上不同。图9至图16所示的传感器设备可以包括如明确示出的传感器结构，但是本发明不限于所示的具体示例，并且还可以使用其他传感器结构，例如图3或图4或图8所示的传感器结构中的任一个，但是也可以使用其他合适的传感器结构，例如具有一个或多个磁阻元件的传感器结构。

这些传感器系统的传感器设备包括具有一个或多个传感器的半导体衬底，每个传感器包括多个传感器元件，该多个传感器元件被配置用于测量至少两个正交方向上的磁场分量(例如，三个方向中的两个方向从由以下项组成的群组选择：相对于磁体的旋转轴的径向、周向或轴向)。在附图中，三个正交轴X、Y、Z被固定到传感器设备。X轴和Y轴平行于衬底(例如，传感器设备的半导体衬底)，Z轴垂直于衬底，因此Bx分量和By分量被称为“平面内磁场分量”，并且Bz分量被称为“平面外磁场分量”。

在本发明的实施例中，传感器设备相对于磁体被取向成使得：

1)X轴按周向方向取向，即与位于垂直于旋转轴的平面中、并且具有在所述旋转轴上的圆心的假想圆相切，并且

2a)Y轴与旋转轴正交地相交(在该情形中，Z轴平行于旋转轴)，或

2b)Z轴与旋转轴正交地相交(在该情形中，Y轴平行于旋转轴)。

在(1)+(2a)的情形中，Bx按磁体的周向方向取向，By按磁体的径向方向取向，并且Bz按磁体的轴向方向取向。因此，由传感器设备“看到”的By场分量与由磁体“看到”的径向场分量相对应，并且由传感器设备看到的Bz场分量与由磁体“看到”的轴向场分量相对应。

在(1)+(2b)的情形中，Bx按磁体的周向方向取向，Bz按磁体的径向方向取向，并且By按磁体的轴向方向取向。因此，由传感器设备“看到的”Bz场分量与由磁体“看到”的径向场分量相对应，并且由传感器设备看到的By场分量与由磁体“看到的”轴向场分量相对应。

在本发明的优选实施例中，传感器设备(或其磁中心点)(相对于磁体)被定位于以下三个位置中的一个位置：

i)在本文中被称为“磁体上方或下方”的位置：

在圆柱形磁体的底表面下方或圆柱形磁体的顶表面上方大约1.0至5.0mm的小距离处的平面β中、在环形磁体的内半径Ri与外半径Ro之间的径向距离Rs处(例如，基本上在Ri与Ro之间的中间)，例如，如图12、图13和图25所示。理想的Rs值取决于磁体的尺寸(内径ID、外径OD、高度H)并且取决于传感器设备的衬底所位于的平面β与磁体底表面或顶表面之间的预定义距离(g)及其磁化(例如两极、四极、六极，直径地磁化、轴向磁化的磁材料)并且(对于给定磁体)可以通过执行模拟容易地确定，例如，如图17、图21、图22和图29所示；

ii)在本文中被称为“角落附近”的位置：

在圆柱形磁体的底表面下方或圆柱形磁体的顶表面的上方大约1.0至5.0mm的小距离处的平面β中、在径向距离Rs为环形磁体或盘状磁体的外半径Ro的大约90％至110％、或90％至98％、或102％至110％处，例如，如图9、图10和图11所示。理想的Rs值取决于磁体的尺寸(内径ID、外径OD、高度H)并且取决于传感器设备的衬底所位于的平面β与磁体底表面或顶表面之间的预定义距离(g)及其磁化(例如两极、四极、六极，直径地磁化、轴向磁化的磁材料)并且(对于给定磁体)可以通过执行模拟容易地确定，例如，如图17至图20所示。发现对于某些磁体和某些距离(g)而言，理想的径向位置Rs大于外半径Ro，例如至少为外半径Ro的102％(Rs≥Ro*102％)。对于一些磁体和距离(g)而言，理想的径向位置基本上等于外半径(Rs≈Ro)。对于其他磁体和距离(g)而言，理想的径向位置Rs小于外半径Ro，例如最多为外半径的98％(Rs≤Ro*98％)。

iii)在本文中被称为“赤道附近”的位置：

在垂直于磁体旋转轴的平面β中、在磁体高度H的基本上一半处、在径向距离Rs为环形磁体或盘状磁体的外半径Ro的大约102％至120％处，例如，如图14至图16所示。理想的轴位置是在磁体高度的一半处，而理想的径向位置Rs并不重要，但优选地相对靠近于磁体，其中Bx信号相对较大，因此提供了良好的SNR，例如Rs是在从1.0至10mm范围内、或者在从2.0到7mm的范围内的值，例如等于大约2.5mm、或等于大约3.0mm、或等于大约3.5mm、或等于大约4mm。图23和图24示出对于Rs值等于3.0mm而言，磁体的轴向方向上的场分量(图14和图16中的Bz，图15中的By)的幅度如何作为传感器设备的衬底所位于的平面β与磁体高度的一半处的对称平面之间的距离“g”的函数而变化。

下表包含以下项的各种组合的列表：磁体类型(第2列)、附图(第1列)、被测量的磁场分量的指示(第3列)、传感器设备的位置(第4列)、基于场分量(单个传感器)还是基于场梯度(两个传感器)计来算角度的指示(第5列)。

表1：磁体与传感器位置和取向的一些组合的列表

其中：

(i)是指“磁体上方或下方”，

(ii)是指“角落附近”(或“外边缘附近”)

(iii)是指“赤道附近”，

[*1]在该情形中，针对传感器设备的Bx、Bz、By分别＝磁体的B切向、B轴向、B径向

[*2]在该情形中，针对传感器设备的Bx、Bz、By分别＝磁体的B切向、B径向、B轴向

“|By|是小的”意味着|By|/|Bx|<20％或<15％或<10％或<5％，和/或|By|/|Bz|<20％或<15％或<10％或<5％，或理想地，|By|＝0

“|Bz|是小的”意味着|Bz|/|Bx|<20％或<15％或<10％或<5％，和/或|Bz|/|By|<20％或<15％或<10％或<5％，或理想地，|Bz|＝0。

现在将更详细地讨论图9至图16的实施例。

图9以前视图(图9的(a)部分)、以俯视图(图9的(b)部分)、并以透视图(图9的(c)部分)示出角位置传感器系统900。磁体901可以是直径地磁化的两极盘状磁体或环形磁体(图9的(d)部分)。传感器设备902位于相对于磁体的预定义位置处，该预定义位置由平面β和径向距离Rs限定。平面β与磁体的旋转轴正交，并且位于距磁体的底表面或距磁体901的顶表面距离“g”处。

或者更精确地，图9的(e)部分的传感器设备902具有带有如图3所述的传感器结构的衬底，并且被取向成：使得衬底基本上位于平面β中，并且使得传感器结构的X轴按围绕磁体的旋转轴的周向方向取向，或者换言之，使得X轴与定位于平面β中且具有半径Rs的假想圆相切，并且使得Y轴与磁体的旋转轴相交。因此，垂直于传感器设备的衬底的Z轴平行于磁体的旋转轴。

具有图9的(e)部分的传感器结构的传感器设备902优选地被配置成用于基于梯度dBx/dx和dBz/dx例如使用图3情形(b)的公式中的一些或全部来确定磁体的角位置。

在本发明的优选实施例中，将径向位置Rs具体地选择为值R3与值R4之间的值，在该径向位置Rs处，在预定义的角范围上，例如在磁体围绕其轴的整个360°旋转上，由传感器看到的磁场的By分量(即，由磁体看到的磁场的径向向量分量)的幅度小于传感器设备看到的磁场的Bx分量(即，由磁体看到的磁场的切向分量或周向分量)的幅度的20％，优选地小于Bx分量的幅度的15％，更加优选地小于Bx分量的幅度的10％或甚至小于Bx分量的幅度的5％，并且最优选地大约等于零，和/或小于传感器设备看到的磁场的Bz分量(即，由磁体看到的磁场的轴向分量)的幅度的20％，优选地小于Bz分量的幅度的15％，更加优选地小于Bz分量的幅度的10％或甚至小于Bz分量的幅度的5％，并且最优选地大约等于0。

图10的(a)部分以透视图示出直径地磁化的环形磁体，优选地是由NdFeB(但也可使用其他合适的材料，例如铁氧体)制成的、具有15mm的外径OD、5mm的内径以及2.5mm的高度H的磁体。

图17的(b)部分示出磁体看到的在磁体下方2.0mm距离“g”处的平面中的径向磁场分量的幅度(即，振幅的绝对值)的模拟，该径向磁场分量的幅度与由传感器设备看到的、表示为|By|的By分量的幅度相对应。这些模拟是使用“Comsol”来执行的，但也可以使用其他工具。图片以灰度示出幅度，其中白色与零相对应，并且黑色与相对较高的幅度相对应，例如以[mT]来表达，幅度的准确值是不重要的。磁体的径向尺寸在图17的(b)部分中被叠加，但在图17的(c)部分中被省略，以清楚地示出其中|By|小于|Bx|的10％的“环形区域”。

由于灰度图片通常不会被专利局以非常高的质量再现，所以图17的(b)部分和图17的(c)部分也被提供为图17的(d)部分、(e)部分中使用10个抖动等级的抖动黑白图片，从而示出量程的大致10％的步长。细心的读者会注意到，图17的(d)部分和图17的(e)部分的图片不是完全对称的，这是由彩色图片的转换引起的伪像。然而，要被显示的效果(环形白色区域的存在和位置)仍然是良好可见的。

令人惊讶的是，存在其中|By|的值非常小的区域，或者更精确地说，|By|的值小于|Bx|的20％、或小于|Bx|的15％、或小于|Bx|的10％、或小于|Bx|的5％，和/或小于|Bz|的20％、或小于|Bz|的15％、或小于|Bz|的10％、或小于|Bz|的5％，或|By|的值大致为零。但更令人惊讶的是，该区域是在整个360°范围上延伸的环形区域，尤其是考虑到磁体是直径地磁化的(而不是径向磁化的)。发明人决定将传感器设备定位在该区域中(或者更准确地说，将传感器设备定位成使得其磁敏元件位于该区域中)，使得对于磁体的任何角度而言，由传感器设备看到的|By|的值将接近于零，从而大幅度减少从By场分量到Bx的值的潜在的串扰。

在返回到图9之前，接下来描述一些其他模拟。

图18示出具有30mm的外径OD、20mm的内径ID和10mm的高度H的另一磁体的模拟结果。图18的(a)部分以透视图示出该磁体。图18的(b)部分以灰度示出(如由传感器设备所看到的)By分量的幅度，By分量与针对位于磁体表面下方或上方2mm的距离处的平面β中的各位置的磁体的径向磁场分量相对应。具有50mm的直径的圆1899由模拟工具提供，但对于本发明而言是不相关的。图18的(c)部分示出具有五个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致20％相对应。图18的(d)部分示出具有十个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致10％相对应。图18的(e)部分示出具有十七个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致6％相对应。如上文所提及，由于颜色转换的伪像，图片是不对称的，但尽管存在该异常，图片清楚地示出存在其中By分量的幅度非常小的环形区域，或者更准确地，By分量的幅度小于Bx分量的幅度的20％，或者By分量的幅度接近于零。

图19示出图17所示的磁体的模拟结果的另一表示，该磁体具有外径OD＝15mm、内径ID＝5mm、高度H＝2.5mm。应注意，这些图片是高度对称的，并且不受到上文提及的伪像的影响，因为该图片不是从彩色图片导出的。

图19的(a)部分以灰度示出针对位于磁体表面下方或上方2mm的距离处的平面中的各种位置的、与磁体的径向磁场分量相对应的(如由传感器设备所看到的)By分量的幅度。图19的(b)部分示出具有五个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致20％相对应。图19的(c)部分示出具有十个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致10％相对应。图19的(d)部分示出具有十七个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致6％相对应。

该模拟的主要目的是为了展示其中By分量具有所述的相对较低值且理想地基本上等于零的环形区域可以位于比环形磁体或盘状磁体的外半径Ro小的径向位置Rs处，但如可见的，还在该情形中，环形区域被定位成非常靠近于磁体的外边缘，在外半径Ro的从90％至99％的范围内，或者在外半径Ro的聪大约95％至98％的范围内。

利用其他磁体进行的模拟已表明，其中By分量具有所述相对较小值的设想的环形区域可以位于：

i)外半径内部，在R3＝Ro*90％与R4＝Ro*98％之间；或

ii)基本上在磁体的外边缘上，在R3＝Ro*95％与R4＝Ro*105％之间；或

iii)在外半径外部，在R3＝Ro*102％与R4＝Ro*110％之间。

受益于本公开的技术人员例如通过进行计算机模拟可以容易地发现给定磁体(给定磁体材料、给定磁体尺寸、给定磁化)和给定距离“g”的准确范围。实际上，从本公开中可以理解，环形区域存在，并且其中环形区域的最窄宽度位于例如穿过磁体的旋转轴的线上，并平行于磁化方向(或另有说明：在平面β与包含旋转轴的第二平面的相交处并且平行于例如如图11的(d)部分中的箭头所指示的磁化方向)。因此，不需要模拟2D平面的所有点中的By值，而是模拟仅单个线上的By值，但是当然，如果需要，技术人员还可以模拟多于一条线上(例如在两条或三条线上)的数个点中的By值。

图20的(a)部分示出作为距旋转轴的径向距离Rs的函数的Bx、By和Bz分量的幅度如何沿此类线变化。其中By分量的幅度很小的“最佳点”由以虚线形式的矩形指示。

图20的(b)部分以放大示图示出该最佳点。在所示的示例中，如果传感器设备位于距离Rs为从大约7.1至大约8.4mm处(因此在具有大约1.3mm的宽度的环形区域内)，则|By|与|Bx|的比率小于20％；并且如果传感器设备位于距离Rs为从大约7.5至大约8.1mm处(因此在具有大约0.6mm的宽度的环形区域内)，则|By|与|Bx|的比率小于10％，距离Rs大于IMC盘的典型直径，该典型直径为大约200至400微米的数量级的值。

返回到图9，现在可以理解，当将传感器设备902定位在上文所述的(白色)环形区域内部时，By分量的幅度比Bx分量和/或Bz分量的幅度小得多，并且因此从By到Bx和/或By到Bz的任何潜在的串扰减少了至少5倍或10倍甚至更多。这是本发明的基本思想中的一个思想。

图9的(f)部分示出具有两个传感器的传感器设备，每个传感器具有水平霍尔元件和垂直霍尔元件但不具有IMC。水平霍尔元件能够测量Bz1和Bz2。垂直霍尔元件能够测量Bx1和Bx2。当在图9的系统中使用此类传感器设备时，与上文所述的相同的优点中的许多或全部可以利用该传感器结构来实现，包括具有360°的测量范围、具有对串扰的减少的敏感度、对外部干扰场是高度稳健的等。

在另一变体(未示出)中，使用图4或图8的传感器结构。

图10示出图9中描述的角位置系统的另一个或进一步的变体，其中传感器设备1002被取向成使得其X轴与半径为Rs的假想圆相切，但Z轴与磁体的旋转轴相交，并且Y轴与所述旋转轴平行(可以通过将图9的传感器设备902绕其X轴旋转90°来获得)。在该实施例中，(如传感器设备所看到的)信号Bx和By像磁体的角位置的正弦函数和余弦函数(可能具有不同的振幅)那样变化，而(如传感器设备所看见的)Bz分量具有接近于零的幅度(或更精确地说：|Bz|/|Bx|<20％或<15％或<10％或<5％；和/或|Bz|/|By|<20％或<15％或<10％或<5％；或理想地|Bz|≈0)。

传感器设备1002例如可以包括图3的传感器结构(如图10的(d)部分所示)或图4的传感器结构，并且可以例如使用图3情形(d)的公式来确定磁体的角位置，具有与上文所述的相同的优点，特别是具有减少的串扰和长期漂移、对机械应力和对外部干扰场的稳健性。但本发明不限于此，并且还可以使用其它传感器结构，例如图8或图10的(e)部分的传感器结构，或包括被配置成用于至少测量Bx和By的磁阻元件(未示出)的传感器结构。

在图10的变体(未示出)中，传感器设备1002仅包含单个传感器，并且可使用图3情形(c)的公式来确定角位置。此类实施例的缺点在于测量对外部干扰场是不稳健的，但是减少的串扰和具有360°角范围的优点仍然存在。

图11示出作为图9的角传感器系统900的变体的角位置传感器系统1100。图11的传感器系统1100与图9的传感器系统900之间的主要区别在于传感器设备1102包含被配置成用于以下操作的传感器结构：测量单个平面内磁场分量Bx和单个平面外磁场分量Bz的传感器结构，并且基于这些分量Bx、Bz(优选地作为这些值的比率的函数)例如使用如图3情形(a)中所述的测角函数或使用用于将比率转换为角位置的查找表来计算磁体的角位置。由于系统1100不使用梯度信号，因此它对外部干扰场不是稳健的，但是上文针对图9所提及的所有其他优点，特别是例如具有减少的串扰，在此也适用。

可以使用能够测量平面内磁场分量Bx和平面外磁场分量Bz的各种传感器设备，例如具有如图11的(e)部分所示的、具有IMC和四个霍尔元件的传感器结构的传感器设备，或具有如图11的(f)部分所示的、具有按合适方向取向的一个垂直霍尔元件和一个水平霍尔元件的传感器结构的传感器设备。

在图11的系统的变体中，使用具有如图4(具有四个单独的IMC元件)或图8(具有IMC且仅具有三个水平霍尔元件)所述的单个传感器的传感器设备。

在另一个变体或进一步的变体(未示出)中，图11中描述的传感器设备1102被取向成其中它们的X轴按切向方向但它们的Y轴平行于旋转轴，在该情形中，(周向方向上的)Bx分量和(在磁体的轴向方向上的)By分量将在实际使用期间测得，并且图3情形(c)的公式是可适用的。在该情形中，(在磁体的径向方向上的)Bz分量将是非常小的(理想地接近于零)。

在另外的其他的实施例中，将磁阻元件用作磁敏元件。

图12以前视图(图12的(a)部分)和俯视图(图12的(b)部分)示出角位置传感器系统1200。磁体1201可以是直径地磁化的两极环形磁体。传感器设备1202位于由平面β和径向距离Rs限定的位置处。平面β与磁体的旋转轴正交，并且位于距磁体1201的底表面或磁体的顶表面距离“g”处(与图5中所示的内容类似)。

传感器设备1202可以具有如图3所述的传感器结构(参见图12的(c)部分)，并且被取向成使得传感器结构的X轴与在平面β中并且具有半径Rs的假想圆相切，并且使得传感器结构的Y轴与磁体的旋转轴垂直地相交，并且使得传感器设备的Z轴平行于磁体的旋转轴。

传感器设备1202优选地被配置成用于基于梯度dBx/dx和dBy/dx例如根据图3情形(d)的公式的一些或全部来确定磁体的角位置。

在本发明的优选的实施例中，径向位置Rs可以被具体地选择为值R3与值R4之间的值，在该径向位置Rs处，优选地在磁体绕其轴的整个360°旋转上，传感器看到的磁场的Bz分量(与磁体看到的磁场的轴向向量分量相对应)的幅度小于传感器设备看到的磁场的Bx分量(与磁体看到的磁场的切向分量或周向分量相对应)的幅度的20％、优选地小于Bx分量的幅度的15％、更加优选地小于Bx分量的幅度的10％、或甚至小于Bx分量的幅度的5％，和/或小于传感器设备看到的磁场的By分量(即，磁体看到的磁场的径向分量)的幅度的20％、优选地小于By分量的幅度的15％、更加优选地小于By分量的幅度的10％、或甚至小于By分量的幅度的5％，并且理想地位于|Bz|≈0(大致为零)的位置处。

为了完整地领会本发明的该实施例的益处，参考接下来讨论的模拟。

图21的(a)部分以透视图示出由NdFeB制成的、具有30mm的外径OD、20mm的内径ID和10mm的高度H的直径地磁化的环形磁体。

图21的(b)部分示出磁体在磁体下方或上方2.0mm的距离“g”处所看到的轴向磁场分量的模拟，该轴向磁场分量与“由图12的传感器设备看到的Bz分量”相对应。图片以灰度示出幅度，(其中白色意味着低幅度，并且黑色意味着高幅度)。图21的(b)部分中叠加了磁体的内径和外径，以更好地示出环形区域所在的位置。具有50mm的直径的圆2199通过模拟来提供，但对于本发明而言是不相关的，并且可以被忽略。图21的主要目的是为了展示存在区域，更具体地，存在其中由传感器设备看到的Bz分量接近于零的环形区域。

由于灰度图片通常不会被专利局以足够的质量再现，所以图21的(b)部分也被提供为图21的(c)部分至图21的(e)部分中的抖动黑白图片，图21的(c)部分至图21的(e)部分分别使用与满量程的大约20％、10％和6％的步长相对应的5、10和17个抖动等级。应注意，图21的图片不是完全对称的，这是由彩色图片的转换而导致的伪像，但是环形区域的位置和宽度仍然是非常良好可见的，其中W20％是|Bz|/|Bx|<20％的情况下的宽度，W10％是|Bz|/|Bx|<10％的情况下的宽度，并且W6％指示|Bz|/|Bx|<6％的情况下的宽度。宽度W6％<W10％，并且W10％<W20％。

同样令人惊讶的是，存在其中Bz分量非常小的区域，或者更精确地说，其中|Bz|/|Bx|和/或|By|/|Bz|小于20％、或小于10％、或小于5％、或|Bz|≈0，并且该条件在整个360°范围上延伸的环形区域中被满足，尤其是考虑到磁体是直径地磁化的(不是径向磁化的)情况下。

图22示出具有15mm的外径OD、5mm的内径ID和2.5mm的高度H的另一磁体的模拟结果。图22的(a)部分示出针对位于磁体表面下方或上方2mm的距离处的平面中的各种位置的、与磁体的轴向分量相对应的(如由传感器设备所看见的)Bz分量的幅度。

图22的(a)部分以灰度示出模拟结果。图22的(b)部分示出具有五个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致20％相对应。图22的(c)部分示出具有十个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致10％相对应。图22的(d)部分示出具有十七个抖动等级的模拟结果，每个等级与满量程的大致6％相对应。如上文所提及，由于颜色转换的伪像，图片不是对称的，但尽管存在该异常，图片仍清楚地示出此类区域存在，并且随着所允许的Bz分量的幅度的减小，该环形区域的宽度变窄。

返回到图12，现在可以理解，当将传感器设备1202定位在环形区域内部时，Bz分量的幅度比Bx分量和/或Bz分量的幅度小得多，并且因此从Bz到Bx和/或By到Bz的任何潜在的串扰减少了至少5倍或10倍甚至更多，因此改善准确性。

图12的(c)部分示出具有如图3所述的传感器结构的传感器设备。此类传感器系统具有如针对图9所述的相同的优点中的许多或全部，包括具有360°的测量范围、具有对串扰的减少的敏感度、对外部干扰场是高度稳健的等。

传感器系统1200还可与其它传感器结构一起使用，例如图12的(d)部分或图12的(e)部分所示的传感器结构，该传感器结构具有沿X轴间隔开的两个传感器，每个传感器包括两个垂直霍尔元件，一个垂直霍尔元件被配置成用于测量Bx分量，另一个垂直霍尔元件被配置成用于测量垂直于X的方向上的By分量。

在另一个变体(未示出)中，使用图4的传感器结构(具有四个水平霍尔元件和四个分立的IMC元件)。

在另外的其他实施例中，将磁阻元件用作磁敏元件。

在另一个或进一步的变体(未示出)中，具有图3或图4的传感器结构的传感器设备1202被取向成使得其X轴与具有半径Rs的假想圆相切，但Z轴与磁体的旋转轴相交，并且Y轴平行于所述旋转轴(如在从图12的(a)部分的系统开始的情况下，将在使传感器设备1202绕其X轴旋转90°后获得)。在该实施例中，(如由传感器设备看到的)信号Bx和Bz像磁体的角位置的正弦函数和余弦函数(可能具有不同的振幅)那样变化，而与(如由磁体看到的)轴向磁场分量相对应的(如由传感器设备看到的)By分量具有比Bx的幅度小得多的幅度。在该实施例中，传感器设备可以使用图3情形(b)的公式来确定磁体的角位置，具有与上文所述的相同的优点，具体地具有减少的串扰。

也可以使用如图9的(f)部分所示的传感器结构，该传感器结构具有两个传感器，每个传感器包括单个水平霍尔元件和单个垂直霍尔元件而不具有IMC。

图13示出作为图12的角传感器系统1200的变体的角位置传感器系统1300。图13的传感器系统1300与图12的传感器系统1200之间的主要区别在于传感器设备1302包含被配置成用于以下操作的传感器结构：测量单个平面内磁场分量Bx和单个平面内磁场分量By，并且基于这些分量Bx、By(优选地作为这些值的比率的函数)例如使用如图3情形(c)中所述的测角函数或使用用于将比率转换为角位置的查找表来计算磁体的角位置。由于系统1300不使用梯度信号，因此它对外部干扰场不是稳健的，但是上文针对图12所提及的所有其他优点，特别是具有减少的串扰，在此也适用。

还构想了针对图12提及的但仅具有一个传感器而不是两个传感器的所有变体，包括其中传感器设备的衬底垂直于旋转轴的所有变体，以及其中传感器设备的衬底与旋转轴平行的所有变体。

图14以前视图(图14的(a)部分)和俯视图(图14的(b)部分)中示出角位置传感器系统1400。磁体1401可以是直径地磁化的两极盘状磁体或环形磁体(例如，如图9的(d)部分所描绘)。传感器设备1402位于由平面β和径向距离Rs限定的位置处。该平面β与磁体的旋转轴正交，并且位于距底表面的距离“h”处，大致位于圆柱形磁体的顶表面与底表面之间的中间。该位置在本文中被称为“赤道附近”。

传感器设备1402可以具有如图3所述的传感器结构(参见图14的(c)部分)，并且被取向成使得传感器结构的X轴与在平面β中并且具有半径Rs的假想圆相切，并且使得传感器结构的Y轴与磁体的旋转轴垂直地相交，并且使得传感器设备的Z轴平行于磁体的旋转轴。

传感器设备1402优选地被配置成用于基于梯度dBx/dx和dBy/dx例如根据图3情形(d)的公式中的一些或全部来确定磁体的角位置。

在本发明的优选的实施例中，具体地选择(在磁体的轴向上的)高度位置h，使得优选地在磁体围绕其轴的整个360°旋转上，由传感器看到的磁场的Bz分量(即，由磁体看到的磁场的轴向向量分量)的幅度小于由传感器设备看到的磁场的Bx分量(即，由磁体看到的磁场的切向分量或周向分量)的幅度的20％，优选地小于Bx分量的幅度的15％，更加优选地小于Bx分量的幅度的10％或甚至小于Bx分量的幅度的5％，和/或小于由传感器设备看到的磁场的By分量(即，由磁体看到的磁场的径向分量)的幅度的20％，优选地小于By分量的幅度的15％，更加优选地小于By分量的幅度的10％或甚至小于By分量的幅度的5％。在该实施例中，径向距离Rs并不重要，并且优选地小于Ro*200％或小于Ro*150％，例如，是在从Ro*102％至Ro*120％的范围内的值。在优选的实施例中，Rs的值可以是在从Ro+1mm至Ro+10mm的范围内的值，或者是在从Ro+2mm至Ro+7mm的范围内的值。

为了完整地领会本发明的该实施例的益处，参考接下来讨论的模拟。

图23的(a)部分以透视图示出由NdFeB制成的、具有10mm的外径、5mm的内径和5mm的高度的直径地磁化的环形磁体。

图23的(b)部分示出作为抖动图像的磁体表面上的磁化的模拟。

图24的(a)部分示出对于3mm的Rs值，Bx分量、By分量和Bz分量的幅度如何作为高度位置的函数而变化。其中By分量的幅度“小”的“最佳点”(更精确的陈述参见上文)由以虚线形式的矩形指示。

图24的(b)部分以放大示图示出该“最佳点”。在所示的示例中，如果传感器设备位于在H/2±0.9mm的高度处的平面中，则|Bz|与|Bx|的比率小于20％；如果传感器设备位于在H/2±0.5mm的高度处的平面中，则|Bz|与|Bx|的比率小于10％。

返回参考图14，现在可以理解，当将传感器设备1402定位在该最佳点(或最佳区域)中时，Bz分量的幅度比Bx分量和/或By分量的幅度小得多，并且因此从Bz到Bx和/或Bz到By的任何潜在的串扰减少了至少5倍或10倍甚至更多。

图14的(c)部分示出具有如图3所述的传感器结构的传感器设备。此类传感器系统具有如针对图9所述的相同的优点中的许多或全部，包括具有360°的测量范围、具有对串扰的减少的敏感度、对外部干扰场是高度稳健的等。

传感器系统1400还可与其它传感器结构一起使用，例如图14的(d)部分所示的传感器结构，该传感器结构具有沿X轴间隔开的两个传感器，每个传感器包括两个垂直霍尔元件，一个垂直霍尔元件被配置成用于测量Bx分量，另一个垂直霍尔元件被配置成测量垂直于X的方向Y上的By分量。

在另一个变体(未示出)中，使用图4的传感器结构(具有四个水平霍尔元件和四个分立的IMC元件)。

在另外的其他实施例中，将磁阻元件用作磁敏元件。

图15示出图14中描述的角位置系统的另一个或进一步的变体，其中传感器设备1502被取向成使得其X轴与半径为Rs的假想圆相切，但Z轴与磁体的旋转轴相交，并且Y轴与所述旋转轴平行(可以通过将图14的传感器设备1402绕X轴旋转90°来获得)。图15的(a)部分以前视图示出系统，图15的(b)部分以俯视图示出系统，并且图15的(c)部分以侧视图示出在观看方向A-A上看到的系统。

在该实施例中，(如由传感器设备看到的)信号Bx和Bz像磁体的角位置的正弦函数和余弦函数(可能具有不同的振幅)那样变化，而与(如由磁体看到的)轴向磁场分量相对应的(如由传感器设备看到的)By分量具有非常小的幅度，或者更准确地，|By|/|Bx|<20％或<10％或<5％，或者理想地接近于零。

传感器设备1502例如可以包括图3的传感器结构(如图15的(d)部分所示)或图4的传感器结构，并且可以例如使用图3情形(b)的公式来确定磁体的角位置，具有与上文所述的相同的优点，特别是具有减少的串扰和长期漂移、对机械应力和对外部干扰场的稳健性。但是也可以使用其他传感器结构，例如图8或图15的(e)部分的传感器结构，或者包括磁阻元件的传感器结构。

在图15的变体(未示出)中，传感器设备1502仅包含单个传感器，并且可使用图3情形(a)的公式来确定角位置。此类实施例的缺点在于测量对于外部干扰场不是稳健的，但是(尤其)减少的串扰的优点仍然存在。

图16示出作为图14的系统的变体的位置传感器系统，其中传感器设备1602仅包含单个传感器而不是两个传感器。图16的(c)部分和图16的(d)部分中示出传感器结构的仅两个示例，但本发明不限于这些传感器结构，并且还构想了针对图14提及的但具有仅一个传感器而不是两个传感器的所有变体，尤其是例如图4所示的传感器，或使用被布置成用于测量两个平面内磁场分量Bx、By的磁阻敏感元件的传感器。

上文已经讨论了图17至图20，并且示出模拟结果，该模拟结果展示了在距示例性环形磁体或盘状磁体的底表面或顶表面大约2mm距离处的平面中存在环形区域，其中定位于该区域中的传感器设备的三个磁场分量Bx、By、Bz中的一个磁场分量在整个360°范围上具有接近于零的幅度。在图9、图10和图11中所述的角传感器系统中利用了该观察。

出于完整性，应提及的是，对于距底表面或顶表面1至5mm范围内的其他距离也将存在环形区域，但其径向位置可能略有不同。受益于本公开的技术人员可以通过执行模拟容易地发现该位置。

上文已经讨论了图21和图22，并且示出模拟结果，该模拟结果展示了在距示例性环形磁体或盘状磁体的底表面或顶表面大约2mm距离处的平面中存在环形区域，其中定位于该区域中的传感器设备的三个磁场分量Bx、By、Bz中的一个磁场分量在整个360°范围上具有接近于零的幅度。在图12和图13中所述的角传感器系统中利用了该观察。对于距底表面或顶表面的其他距离也存在环形区域。

上文已经讨论了图23和图24，并且示出模拟结果，该模拟结果展示了(在示例性环形磁体或盘状磁体的高度方向上)存在小区域，其中定位于该区域中的传感器设备的三个磁场分量Bx、By、Bz中的一个磁场分量在整个360°范围上具有接近于零的幅度。在图14至图16所述的角传感器系统中利用了该观察。

上文所述的实施例主要使用直径地磁化的两极环形或盘状磁体来说明，但本发明不限于此，并且对于其他磁体同样起作用，该其他磁体例如轴向磁化的两极环形或盘状磁体、或具有至少四个磁极的轴向磁化多极环形或盘状磁体，接下来将更详细地描述。

图25的(a)部分至图25的(g)部分示出使用轴向磁化的四极(也称为“四极的(quadrupole)”)磁体的图12或图13的角位置传感器系统的变体。发明人惊奇地发现一环形区域，在该环形区域中，从由周向分量、轴向分量和径向分量组成的群组选择的三个正交磁场分量中的一个分量比另外两个分量中的一个或两个分量小得多(例如，小于20％、或小于15％、或小于10％或小于5％)并且这另外两个分量表现得像可能具有不同振幅的正弦和余弦信号。使用对称四极磁体，测量范围仅为180°，但这对于某些应用可能是足够的。

图25的(a)部分以前视图示出传感器系统2500。

图25的(b)部分以俯视图示出传感器系统。

图25的(c)部分和图25的(d)部分示出被配置成用于确定仅一个位置处的Bx和Bz的传感器结构，并且示出与图3情形(a)的那些公式类似的公式。使用这些传感器结构，测量对干扰场不是稳健的，但上文提及的其他优点中的许多优点仍然是可适用的，例如对串扰、由于老化引起的长期漂移等高度不敏感。

图25的(e)部分和图25的(f)部分示出被配置成用于确定第一位置处的Bx1和Bz1以及在X方向上与第一位置间隔开的第二位置处的Bx2和Bz2的传感器结构。与上文所描述的类似，这两组值可用于冗余目的和/或可用于基于磁场梯度dBx/dx和dBz/dx来确定角位置。给出了与图3情况(b)的那些公式类似的公式。使用这些传感器结构，上文所提及的优点中的许多优点在此也是可适用的，例如，对串扰、由于老化引起的长期漂移等高度不敏感，包括对外部干扰场的高敏感度。

图25的(g)部分以透视图示出此类磁体的示例。

在图25的系统的变体中，磁体不是跨360°角范围的完整的环形，而仅是跨小于360°角范围的部分环形。在其中环形磁体是“半圆”的示例中，多极环形磁体定义仅180°的角开口角度，但当然，也可以使用其他角范围，诸如例如大约120°、或大约150°、或大约210°、或大约240°。同样的操作原理以及同样的优点也是可适用的。

在图25的系统的另一变体(未明确示出)中，传感器设备2502相对于X轴旋转90°，从而产生与图10的取向类似的取向。在该情形中，传感器设备测量Bx(周向)和By(轴向)，而Bz(径向)非常小。如果Bz被By代替，则与图25的(c)部分-图25的(f)部分所示的那些公式类似的公式是可适用的。

图26至图29以灰度示出如可在图25的角位置传感器系统中使用的、具有外径OD＝12mm、内径ID＝8mm、高度H＝4mm的示例性轴向磁化四极磁体在磁体底表面下方3mm距离处的平面中的模拟结果。

图26的(a)部分示出与由传感器设备看到的By分量相对应的径向分量Br(相对于磁体)的幅度。

图26的(b)部分示出与由传感器设备看到的Bx分量相对应的切向分量Bt(相对于磁体)的幅度。

图26的(c)部分示出与由传感器设备看到的Bz分量相对应的轴向分量Bz(相对于磁体)的幅度。

还指示了环形磁体的内半径和外半径。如从图26的(a)部分可以领会，在该情形下，也存在其中|By|/|Bx|和/或|By|/|Bz|<20％、或<15％、或<10％的环形区域。应注意，图26至图29的图片从彩色模拟图片中导出，并且可能由于彩色图片到灰度图片的转换而引入一些伪像，但是这些图片的主要目的，即示出环形区域的存在和位置是非常良好可见的。

图27的(a)部分至图27的(c)部分以10个抖动等级的方式示出与图26的(a)部分至图26的(c)部分相同的绘图。(与图25的(b)部分的半径R3和R4相对应的)两个弧段被添加以给出环形区域的尺寸和位置的印象。

图28示出与图26的(a)部分相同的数据，但是以清晰的图像呈现，示出其中径向分量的幅度小于在同一平面的不同位置处可测量的最大磁场分量的30％的环形区域。

图29示出与图26的(a)部分以及图28相同的数据，但是以不同的灰度呈现，示出其中径向分量的幅度小于在同一平面的不同位置处可测量的最大磁场分量的大约11％的环形区域。

发现(大致)：

对于|By|/|Bx|<30％，R3＝9.8mm和R4＝11.6mm(因此W30％＝1.8mm)

对于|By|/|Bx|<22％，R3＝9.9mm和R4＝11.3mm(因此W22％＝1.4mm)

对于|By|/|Bx|<11％，R3＝10.0mm和R4＝11.0mm(因此W11％＝1.0mm)

这(如上文所述)足以安装例如具有水平霍尔元件和IMC盘的传感器设备，因为典型IMC盘的直径通常在大约200至400微米的数量级。

对于具有其他尺寸的四极磁体可以获得类似的结果。

虽然模拟中使用的磁体通常由FeNdB制成，但本发明不限于此，并且也可以使用其他材料，例如铁氧体或SmCo。