测量磁场在平面中的方向的磁场传感器和电流传感器制造技术

一种用于测量磁场在平面中的方向的磁场传感器，包括可以作为旋转的霍尔元件来操作的两个感测结构（１Ａ；１Ｂ）。沿相反的方向以离散的步进来旋转这两个霍尔元件。可以使用这样的磁场传感器作为用于测量流过导体（１５）的初级电流的电流传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种测量磁场在平面中的方向的磁场传感器和一种具有这样的磁场 传感器的电流传感器。
技术介绍
本专利技术的测量原理一方面基于对称为初级电流的待测量电流所产生的磁场的测 量，并且另一方面基于对流过线圈的次级电流所产生的辅助磁场的测量。电流传感器因此 包括磁场传感器(如例如霍尔器件、磁门传感器或者AMR或GMR传感器等的磁阻传感器)。 在现有技术中，待测量电流产生的磁场和流过线圈的初级电流产生的辅助磁场在相同方向 上传播，并且磁传感器是灵敏轴与这一方向共线的单轴传感器。现有技术主要将这一测量 原理区分为两种不同实施方式。就称为开环型的第一实施方式而言，辅助磁场用来校准磁 场传感器。这种实施方式的弊端在于辅助磁场的值低，辅助磁场在与初级电流的磁场相同 的方向上传播，这使得难以在包括初级电流的磁场和辅助磁场这两者的信号中有选择地测 量辅助磁场的值。就称为闭环型的第二实施方式而言，辅助磁场用来补偿待测量电流产生 的磁场。该第二方式的优点在于电流传感器的输出信号并不依赖于磁场传感器的特性而弊 端在于辅助磁场必须与初级电流产生的磁场等规格。从JP2001136921中已知一种无磁轭 的闭环电流传感器，其中包含关于所测量磁场的信息的电信号被包含有关于基准场的信息 的电信号抵消，该基准磁场由流过基准线圈的电流产生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于开发一种没有上述弊端的电流传感器。在下文中，术语“初级电流”和“初级磁场”用来表示待测量电流产生的磁场，而术 语“基准电流”和“基准磁场”用来表示辅助磁场和经过线圈流动以产生辅助磁场的电流。 初级磁场和基准磁场合计为总磁场。本专利技术提出以不同方向对准基准磁场(优选为与初级 磁场垂直对准)并且使用如下磁场传感器，该磁场传感器分别测量总磁场的方向或者总磁 场与由基准磁场所限定的方向形成的角度。磁场传感器递送一个输出信号。电流传感器还 包括用于操作磁场传感器并且用于生成基准磁场的电子电路(优选为用于在所谓闭环中 操作)。磁场传感器被设计用于测量磁场在平面中的方向并且包括第一感测结构和第二感测结构，各感测结构包括环形电传导井，和预定数目为N的至少8个等规格接触器，所述接触器沿着环形井彼此等间距地放 置并且接触环形井，以及电子电路，包括至少一个电流源，用于处理第一霍尔电压的第一处理块，用于处理第二霍尔电压的第二处理块以及具有第一和第二输入的异或门，各处理块包括电压差放大器，带通滤波器和比较器，其中第 一和第二处理块的输出直接地或者间接地耦接至异或门的第一或者第二输入，切换块，包括与第一感测结构的接触器关联的第一组电子开关和与第二感测结构 的接触器关联的第二组电子开关，定时电路，提供用于根据预定时间方案来断开和接通切换块的开关的时钟信号， 从而第一感测结构的多个接触器中的预定数目的接触器形成按照每圈预定次数的步进的 方式沿着第一感测结构的环形井按顺时针方向移动的第一霍尔元件，而第二感测结构的多 个接触器中的预定数目的接触器形成按照每圈相同的预定次数的步进的方式沿着第二感 测结构的环形井按逆时针方向移动的第二霍尔元件，其中从所述至少一个电流源向第一和 第二霍尔元件供应电流，并且第一和第二霍尔元件各自向处理块递送至少一个霍尔电压。优选地，接触器数目N为8，并且第一切换块适合于接通和断开第一组电子开关， 从而在每次步进中第一感测结构的所有8个接触器连接到至少一个电流源，或者直接地或 间接地连接至处理块之一，而第二切换块适合于接通和断开第二组电子开关，从而在每次 步进中第二感测结构的所有8个接触器连接到至少一个电流源，或者直接地或间接地连接 至处理块之一。切换块优选地被配置成在由8次步进构成的圈中或者在由4次步进构成的圈中使 第一霍尔元件和第二霍尔元件沿着它们各自的环形井移动。优选地，每次步进包括数目为2或者4的子步进，其中根据所谓的自旋电流方法来 交换用于馈送电流的接触器和用于测量各个霍尔电压的接触器。优选地，提供用于交替地交换第一和第二处理块的至少为一个的另外的切换块。一种用于测量流过导体的初级电流的电流传感器可以由这样的磁场传感器、线圈 和向线圈馈送基准电流的电流源形成。线圈的绕组参照初级电流的方向被定向，使得由初 级电流生成的初级磁场和由基准电流生成的基准磁场形成非零的角度β。该电流传感器还 包括耦接至磁场传感器的异或门的输出的电子电路，所述电子电路生成与初级电流成比 例的输出信号。这一电子电路可以例如是模拟电路，该模拟电路包括积分器，配置成生成与正切 函数成比例的输出信号，该积分器包括运算放大器、数目为M个的开关和电阻器，以及电容 器，其中M个开关和电阻器被布置成串联布置的一个开关和一个电阻器的并联集，其中开 关的一个端子连接到电压源而电阻器的一个端子连接到运算放大器的输入。就第一感测结构的接触器数目为8，第二感测结构的接触器数目为8并且进行操 作使得在4次步进中的每一阶段使霍尔元件完备，而且在每次步进具有放大器的各自的放 大因子和/或流过霍尔元件的各自的电流的磁场传感器而言，即使基准磁场与初级磁场相 比较小也能够实现高精确度。附图说明包括在本说明书中并且构成本说明书一部分的附示了本专利技术的一个或者多 个实施例，并且与具体实施方式一起用于说明本专利技术的原理和实施方式。附图未按照比例。 在附图中图1和图2示出了在不同操作条件下可作为移动霍尔元件操作的平面感测结构，图3示出了霍尔电压图，图4示出了包括两个感测结构的角度传感器的框图，图5示出了不同电压图，图6示出了又一角度传感器的框图，图7示出了用于电流测量的组件组合，图8示出了用于生成正切函数的模拟电路，并且图9示出了在某些操作条件下的平面感测结构。具体实施例方式图1示出了平面感测结构1，该结构包括环形电传导井2以及数目为N的至少8个 等规格接触器3，这些接触器沿着环形井2彼此等间距地放置并且接触环形井2。环形井2 具有第一传导类型并且嵌入于第二传导类型的井或者基板中。感测结构1位于轴由χ和y 表示的平面中。从国际专利申请WO 2008145662已知将这样的感测结构1及其操作作为移 动霍尔元件。就一个优选实施例而言，如图1中所示，接触器3的数目为N = 8。8个接触 器3记为C1至C8。在这一实施例中，8个接触器3——如从环形井2的中心看去——在角 度上移位45°。尽管接触器3的数目N很小，但由于向第一和第五接触器供应电流而从第三接触 器释放电流，并且由于测量在第二与第四接触器之间产生的霍尔电压^11,因此组合彼此相 邻放置的五个接触器、即第1、第2、第3、第4和第5接触器以形成竖直霍尔元件。然后按顺 时针方向或者按逆时针方向沿着环形阱2步进地移动这样形成的竖直霍尔元件。用于完成 一圈的步进数目等于接触器3的数目N。因而当在顺时针方向上移动时，在第一步进中，记 为C1至C5的接触器形成竖直霍尔元件，在第二步进中，记为C2至C6的接触器形成竖直霍尔 元件，其余类似。为此，提供优选为直流电流源的电流源4、优选为差动差值放大器的电压差 放大器5、包括与接触器3关联的多个电子开关的切换块6和提供用于控制切换块的开关的 时钟信号的定时电路7。如果应用如下面所说明的自旋电流方法，则如在各步进或各子步进 中所要求的，根据预定的时间方案来接通和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量磁场在平面中的方向的磁场传感器，包括：　　第一感测结构和第二感测结构，各感测结构包括：　　环形电传导井（２），和　　预定数目为Ｎ的至少８个等规格接触器（３），所述接触器（３）沿着所述环形井（２）彼此等间距地放置并且接触所述环形井（２），以及　　电子电路，包括：　　至少一个电流源（４），　　用于处理第一霍尔电压的第一处理块（９Ａ），用于处理第二霍尔电压的第二处理块（９Ｂ）以及具有第一和第二输入的异或门（１２），各处理块（９Ａ；９Ｂ）包括电压差放大器（５Ａ；５Ｂ），带通滤波器（１０Ａ；１０Ｂ）和比较器（１１Ａ；１１Ｂ），其中所述第一和第二处理块（９Ａ；９Ｂ）的输出直接地或者间接地耦接至所述异或门（１２）的所述第一或者第二输入，　　切换块（６），包括与所述第一感测结构（１Ａ）的所述接触器（３）关联的第一组电子开关和与所述第二感测结构（１Ｂ）的所述接触器（３）关联的第二组电子开关，　　定时电路（７），提供用于根据预定时间方案来断开和接通所述切换块（６Ａ）和（６Ｂ）的所述开关的时钟信号，从而所述第一感测结构（１Ａ）的所述多个接触器（３）中的预定数目的接触器（３）形成按照每圈预定次数的步进的方式沿着所述第一感测结构（１Ａ）的所述环形井（２）按顺时针方向移动的第一霍尔元件，而所述第二感测结构（１Ｂ）的所述多个接触器（３）中的预定数目的接触器（３）形成按照每圈相同的预定次数的步进的方式沿着所述第二感测结构（１Ｂ）的所述环形井（２）按逆时针方向移动的第二霍尔元件，其中从所述至少一个电流源（４）向所述第一和第二霍尔元件供应电流，并且所述第一和第二霍尔元件各自向所述处理块（９Ａ；９Ｂ）递送至少一个霍尔电压。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2008-4-8 08103446.41.一种用于测量磁场在平面中的方向的磁场传感器，包括 第一感测结构和第二感测结构，各感测结构包括 环形电传导井O)，和预定数目为N的至少8个等规格接触器( ，所述接触器( 沿着所述环形井( 彼此 等间距地放置并且接触所述环形井O)，以及 电子电路，包括 至少一个电流源G)，用于处理第一霍尔电压的第一处理块(9A)，用于处理第二霍尔电压的第二处理块 (9B)以及具有第一和第二输入的异或门(12)，各处理块(9A;9B)包括电压差放大器(5A ； 5B)，带通滤波器(IOA5IOB)和比较器(11A;11B)，其中所述第一和第二处理块(9A ；9B)的 输出直接地或者间接地耦接至所述异或门(1 的所述第一或者第二输入，切换块(6)，包括与所述第一感测结构(IA)的所述接触器(3)关联的第一组电子开关 和与所述第二感测结构(IB)的所述接触器(3)关联的第二组电子开关，定时电路(7)，提供用于根据预定时间方案来断开和接通所述切换块(6A)和(6B)的 所述开关的时钟信号，从而所述第一感测结构(IA)的所述多个接触器(3)中的预定数目的 接触器C3)形成按照每圈预定次数的步进的方式沿着所述第一感测结构(IA)的所述环形 井( 按顺时针方向移动的第一霍尔元件，而所述第二感测结构(IB)的所述多个接触器 (3)中的预定数目的接触器C3)形成按照每圈相同的预定次数的步进的方式沿着所述第二 感测结构(IB)的所述环形井( 按逆时针方向移动的第二霍尔元件，其中从所述至少一个 电流源向所述第一和第二霍尔元件供应电流，并且所述第一和第二霍尔元件各自向所 述处理块(9A;9B)递送至少一个霍尔电压。2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于 所述接触器的数目N为8，所述第一切换块(6A)适合于接通和断开所述第一组电子开关，从而在每次步进中所 述第一感测结构(IA)的所有8个接触器C3)连接至所述至少一个电流源G)，或者直接地 或间接地连接至所述处理块(9A;9B)之一，并且所述第二切换块(6B)适合于接通和断开所述第二组电子开关，从而在每次步进中所 述第二感测结构(IB)的所有8个接触器C3)连接到所述至少一个电流源G)，或者直接地 或间接地...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉迪沃耶波波维奇，米里亚娜巴涅维奇，
申请(专利权)人：洛桑联邦综合工科学校，
类型：发明
国别省市：CH