專利名稱：具有傳感器裝置的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有傳感器裝置的設(shè)備，并且還涉及一種傳感 器裝置，并且涉及傳感方法。這種設(shè)備的實例是便攜式個人電腦以及諸如移動電話、個人數(shù) 字助理、數(shù)碼相機、全球定位系統(tǒng)設(shè)備之類的手持電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
從US 6131457可以得知現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備，其中US 6131457公 開了一種加速度傳感器，其包括磁體和四個磁阻元件，該磁體裝配 在具有三維自由度的振蕩器上。這四個磁阻元件對起源于磁體的磁 場分量進行檢測。沿X軸放置的兩個磁阻元件之間的輸出電壓的差 指示在X方向上的加速度，沿Y軸放置的兩個磁阻元件之間的輸出 電壓的差指示在Y方向上的加速度。所有磁阻元件的輸出電壓的總 和指示在Z方向上的加速度。該已知的加速度傳感器是不利的，尤其是，由于其除了源于磁 體的磁場之外，還需要偏磁場才能正確運行。該額外的偏磁場改進 了加速度傳感器的靈敏性和線性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的尤其是提供一種包括傳感器裝置的設(shè)備，該傳感 器裝置能夠檢測元件平面內(nèi)的加速度，而無需額外的偏磁場來確保 正確運行。本發(fā)明的其他目的尤其是提供一種無需額外的偏磁場來確保正 確運行就能夠檢測元件平面內(nèi)的加速度的傳感器裝置，以及提供一 種無需額外的偏磁場來確保正確運行就能夠檢測元件平面內(nèi)的加速
度的傳感方法。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括傳感器裝置，該傳感器裝置包括 -場發(fā)生器，用于產(chǎn)生至少一部分磁場，-場檢測器，包括磁場相關(guān)元件，用于檢測在所述磁場相關(guān)元件 的平面內(nèi)所述磁場的分量，以及-可移動物體，用于響應(yīng)于所述可移動物體的加速度，改變所述 磁場的分量，-用于檢測所述磁場的特定分量的特定磁場相關(guān)元件的長度軸與這個特定分量成負80度到正80度之間的角。通過引入至少包括兩個磁場相關(guān)元件的場檢測器，其中磁場相 關(guān)元件，例如磁阻元件，是阻值取決于該元件所處磁場強度和方向的元件；并且通過給出用于檢測在磁阻元件平面內(nèi)特定磁場分量的 特定磁阻元件的長度軸與這個特定分量之間角度為負80度到80度 之間的值，該加速度傳感器在無需使用額外的偏磁場的情況下具有 良好的性能。在US 6131457中，用于檢測特定磁場分量的特定磁場 相關(guān)元件的長度軸與該特定分量垂直。根據(jù)本發(fā)明，避免了該咋一 看來似乎合理的垂直解決方案。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備更有利，尤其是加速度傳感器無需使用額外 的偏磁場就具有良好的靈敏性以及良好的線性。加速度可以是線性 加速度，用于檢測傳感器裝置的旋轉(zhuǎn)的角加速度，和/或用于檢測傳 感器裝置的傾斜的重力加速度。該加速度可以是一維或者二維加速 度，例如平行于磁場相關(guān)元件的平面。在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，場發(fā)生器包括與磁場相關(guān)元件的平面 不平行的磁軸。從US 6131457所知的設(shè)備之外的其它包括具有與磁 場相關(guān)元件平面平行的磁軸的場發(fā)生器的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，因此與根 據(jù)本發(fā)明的設(shè)備完全不同。優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，場發(fā) 生器包括與磁場相關(guān)元件的平面成正20度到正160之間角的磁軸， 更優(yōu)選地，這個角最好在正45度和正135度之間，更優(yōu)選地，這個 角基本上垂直于該平面，即，在70度到110度之間。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，在可移動物體的靜止 位置下，所述特定磁場相關(guān)元件的長度軸與所述特定分量基本上成零度角，該特定磁場相關(guān)元件包括螺旋條紋(Barberpole)帶。此加 速度傳感器具有改進的靈敏性和線性，代價是當(dāng)具有螺旋條紋帶時 具有減小阻值的特定磁場相關(guān)元件所導(dǎo)致的更高的功率消耗?；?上為零度的角對應(yīng)于負20到度正20度之間最好為零度的角。螺旋 條紋帶通常在相對于特定磁場相關(guān)元件長度軸的士45度方向上，不 排除其它方向根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，在可移動物體的靜止 位置和給定磁場強度下，特定磁場相關(guān)元件的長度軸與該特定磁場 相關(guān)元件的磁化方向基本上成45度角。此加速度傳感器無需使用螺 旋條紋帶就具有改進的靈敏性和線性?；旧蠟?5度的角對應(yīng)于25 度到65度之間最好為45度的角。在45度，傳感器裝置具有最大線 性和最大靈敏性。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，傳感器裝置進一步包 括用于強制可移動物體進入靜止狀態(tài)的裝置。用于強制可移動物體進入靜止狀態(tài)的裝置允許在給定加速度下 穩(wěn)定可移動物體的位置，并且允許檢測兩個或多個加速度，而不用 在每次檢測之后重設(shè)傳感器裝置。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，用于強制可移動物體 進入靜止狀態(tài)的裝置包括彈性材料，該彈性材料用于至少在可移動 物體處于非靜止位置的情況下，在平行于所述平面的至少一個方向 上對可移動物體施加至少一個力。這種彈性材料防止了不受約束地 使用移動部件的需要。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，可移動物體包括場發(fā) 生器。該實施例的優(yōu)點是其可以造得緊湊。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，用于強制所述可移動 物體進入靜止位置的裝置包括固定物體， 一個物體包括場發(fā)生器， 另一物體包括磁材料。在可移動物體包括諸如磁體的場發(fā)生器的情 況下，該固定物體可以包括磁材料。在可移動物體包括磁材料的情 況下，該固定物體可以包括諸如磁體的場發(fā)生器。在兩種情況下，
磁材料可以互相吸引。優(yōu)選地，磁材料包括軟磁材料，以防止磁滯 效應(yīng)。更優(yōu)選地，可以引入部分地環(huán)繞一個或者多個物體的一個或 多個磁通閉合部件，以使得傳感器裝置對外部場更不靈敏，并且降 低該磁體散發(fā)到該傳感器裝置外面的雜散場。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，可移動物體是位于腔 中的球形的形式。這種腔允許球形物體即使在極度加速或者極度沖 擊之后也能返回到其靜止位置。腔的最大尺寸取決于兩個物體之間的吸引力強度。通常，該腔在z方向上的高度可以是例如球形物體的直徑的101 %或102%。在X方向上的寬度和在Y方向上的深度 可以是例如此直徑的110%或120，不排除其它大小。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，所述腔包括液體。這 種液體增加了阻尼效應(yīng)并且防止球形物體氧化。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，所述腔包括入口和出 口。可以將這種傳感器裝置用作風(fēng)傳感器或者氣流傳感器。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，將可移動物體連接到 操縱桿。這種傳感器裝置不僅可以用于檢測加速度，而且可以用于 檢測操縱桿移動(位置改變)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，所述傳感器裝置進一 步包括另一可移動物體，用于響應(yīng)于外力來移動所述可移動物體。 該另一可移動物體代替了操縱桿，并且允許將該傳感器裝置不僅用 于檢測加速度，而且用于檢測該另一可移動物體的移動(位置改變)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，所述傳感器裝置是外 力檢測器。這種傳感器裝置可以用作力傳感器，以檢測外力的強度。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例定義為，包括磁材料的所述另 一物體是另一場發(fā)生器，用于產(chǎn)生至少另一部分磁場。該場發(fā)生器 和該另一場發(fā)生器例如各包括一個磁體，這兩個磁體優(yōu)選具有對準 的磁軸，以達到最佳效率。根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的實施例和根據(jù)本發(fā)明的方法的實施 例對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的實施例。本發(fā)明尤其基于以下見解，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的不利之處在于需要
額外的偏磁場來改進加速度傳感器的靈敏性和線性；并且本發(fā)明尤 其基于以下基本想法，轉(zhuǎn)動現(xiàn)有技術(shù)磁場相關(guān)元件，使得它們的長度軸與要檢測的磁場分量成負80度到正80度之間的角。本發(fā)明尤其解決的問題是提供一種包括傳感器裝置的設(shè)備，該 傳感器裝置無需額外的偏磁場來確保正確運行就能夠檢測元件平面 內(nèi)的加速度，并且本發(fā)明的進一步益處尤其在于，無需使用額外的 偏磁場，該加速度傳感器就能具有良好的靈敏性和良好的線性。


根據(jù)結(jié)合以下所述實施例的說明，本發(fā)明的各個方面將變得清楚。在附圖中圖a—g圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的包括可移動物體、場發(fā)生器 以及位于它們之間的場檢測器的傳感器裝置的功能；圖2a—b示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置中的磁場線； 圖3示出了場在檢測器平面內(nèi)施加在可移動物體上的磁力分量 與可移動物體位置的關(guān)系；圖4示出了通過根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的傾角測量的數(shù)據(jù)； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第一設(shè)備的橫截面，該第一設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的第一傳感器裝置；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第二設(shè)備的橫截面，該第二設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的第二傳感器裝置；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第三傳感器裝置的橫截面； 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第四傳感器裝置的橫截面； 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第五傳感器裝置的橫截面； 圖IO示出了根據(jù)本發(fā)明的第六傳感器裝置的橫截面； 圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的第七傳感器裝置的橫截面； 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的第八傳感器裝置的橫截面；
圖n示出了根據(jù)本發(fā)明的第九傳感器裝置的橫截面。
具體實施方式
圖1 (a) — (g)中示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的功能。根 據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置包括由導(dǎo)磁材料制成的球體或者球形物體 形式的可移動物體44，永磁體形式的場發(fā)生器42，以及位于它們之 間的場檢測器43。該永磁體產(chǎn)生磁場。位于基板61上、保護層60 之下的場檢測器43包括兩個或多個磁場相關(guān)元件，例如磁阻元件。 在圖1 (a)中，傳感器裝置處于靜止位置，即元件平面處于水平位 置并且傳感器裝置沒有加速度。箭頭71所示的由永磁體所引起的磁 力將球形物體牢牢地固定到保護層60上。在此(水平)靜止位置(沒 有加速度)，球形物體的中心自動對準永磁體的中心。箭頭70所示 的重力以及箭頭71所示的施加在球形物體上的磁力在豎直方向?qū)?準。在圖1 (c)中，詳細示出了場檢測器43。場檢測器43包括八 個磁場相關(guān)元件51 — 58。 51 — 54這四個元件形成了第一電橋(Y) 的一部分，檢測第一水平方向(X)上的加速度；55 — 58這四個元 件形成了第二電橋(X)的一部分，檢測第二水平方向(Y)上的加 速度。在(水平)靜止位置，如圖1 (c)所示，位于場檢測器43 的平面內(nèi)(換句話說，在八個元件51 — 58的平面內(nèi))的磁場徑向分 量的中心位于場檢測器43的元件51 — 58的中心。結(jié)果，在兩個(例 如惠斯通)電橋的輸出端沒有觀察到信號。圖2A示出了在此情況下 的仿真場線在圖1 (b)中，由于發(fā)生了箭頭85所示的加速，傳感器裝置不 再處于(水平)靜止位置。箭頭81所示的虛擬力以與加速度方向相 反的方向施加到球形物體上，將球形物體拉出中心(球形物體通過 滾動來移動)。在此位置，箭頭83所示的磁力作用在球形物體上。 箭頭83所示的磁力不再豎直，而是稍微傾斜向(接近)永磁體的中 心?？梢詫⒓^83所示的磁力分解成兩個分量，箭頭84所示的垂 直分量,其與箭頭82所示的重力一起保持球形物體固定在保護層60
上，以及箭頭80所示的徑向分量，其試圖將球形物體拉回傳感器裝 置的中心。箭頭80所示的徑向分量隨著在特定的允許位移范圍內(nèi)位移的增 加而增加。因此，徑向分量最終抵消了箭頭81所示的虛擬力，使得 球形物體置于新的穩(wěn)定位置。球形物體離中心的位移與箭頭81所示 的虛擬力的強度有關(guān)，因此與加速度有關(guān)。如圖1 (d)所示，在該 新的位置，系統(tǒng)的磁對稱性被打破，導(dǎo)致磁場的徑向分量的中心產(chǎn) 生位移。可以通過電橋(Y)的傳感器測量此位移(X)。在圖2B中， 示出了此情況下的仿真場線，其中該球形物體從電橋的中心位移了 300,。徑向分量的中心從傳感器裝置的中心、以與球形物體的位 移相反的方向位移了 185pm。在更一般的情況下，可以通過兩個電 橋(X、 Y)的信號來確定傳感器平面內(nèi)任意方向上的加速度(即加 速度的大小和方向)。此外，以下同樣參考圖1 (e) — (g)詳細討 論場檢測器43。圖3示出了在場檢測器43平面內(nèi)施加在可移動物體44上的磁 力分量與可移動物體44位置的關(guān)系(牛頓與米的關(guān)系)。在中心(即 X=0)，該力為零。當(dāng)球形物體在任一方向(+X或-X)上移動時， 存在試圖將球形物體拉回該中心的力。如圖所示，當(dāng)球形物體的位 置在允許范圍101之中時，箭頭80所示的徑向分量的大小隨位移的 增加而增加。因此當(dāng)傳感器在使得球形物體的位移在允許范圍101 之中的范圍內(nèi)加速時，總是能得到箭頭80所示的徑向分量與箭頭81 所示的虛擬力之間的穩(wěn)定平衡。如果強制球形物體移動到允許范圍 101之外，不再能將力平衡在穩(wěn)定狀態(tài)。因此如果沒有固定部件來阻 止超出該范圍，永磁體就失去了對該球形物體的控制并且該球形物 體可能掉出來。有更小的范圍102，在該范圍中的曲線基本上是線性 的。理想情況下，應(yīng)該將傳感器裝置設(shè)計為使得其工作范圍在此線 性范圍之中。通過計算可以得出，箭頭80所示的徑向分量和箭頭84所示的 垂直分量隨著球形物體大小以及永磁體強度的增加而增加，并且兩 個分量都不顯著地依賴于球形物體的磁化率。 重力是加速度的特別原因。因此，還可以將該傳感器裝置用作 傾角(傾斜)傳感器裝置。在傾角測量中為了測量純粹的重力影響，應(yīng)該在該傳感器裝置沒有加速度的時候進行測量。圖1 (e)概述了 傾角測量中的傳感器裝置的側(cè)視圖。在此情況下，可以將箭頭92所 示的重力分解成兩個分量，箭頭93所示的垂直分量垂直于元件平面， 箭頭91所示的平行分量平行于平面。類似于加速度測量的情況，平 行分量將球形物體拉出中心，箭頭90所示的(磁場的)徑向分量抵 消該平行分量并且試圖將球形物體拉回該中心。因為電橋X和Y的 信號線性依賴于球形物體的位移，從而在由加速度或者重力所導(dǎo)致 的力的平行分量上，該信號是傾角的正弦函數(shù)，信號(X， Y) 箭 頭91 =箭頭92sin(ax，y)，其中c^和ay分別是投影到X或Y方向上的 傾角。這樣可以從電橋(X、 Y)的信號來確定在X和Y方向(俯 仰和滾軸)上的傾角。圖4示出了通過根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的 傾角測量的數(shù)據(jù)。(伏特與度數(shù)的關(guān)系)。該傳感器裝置的維數(shù)和參 數(shù)與之前所示的仿真中所使用的類似。當(dāng)傳感器裝置繞Y方向旋轉(zhuǎn) 時，記錄了X方向上的信號。當(dāng)傳感器裝置繞X方向旋轉(zhuǎn)時，也可 以測量在Y方向上的信號行為。圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一設(shè)備40的橫截面，其包括根據(jù) 本發(fā)明的第一傳感器裝置41。磁材料所制球體形式的可移動物體44 位于裝配在保護層60上的腔47中，該保護層60覆蓋場檢測器43。 保護層60位于基板61上，基板61位于引線框63上。焊接線46將 場檢測器43連接到外界。在引線框63之下，包括磁體形式的場發(fā) 生器42的固定物體46固定在引線框63上。腔47、保護層60、基 板61以及固定物體46形成了封裝件62的一部分。腔47的大小必須剛好足以允許球形物體在工作范圍內(nèi)滾動。腔 的頂可以非常接近(但是不接觸)球形物體的最高點。由于此緊密 的腔，如果磁體失去了對球形物體的控制(例如在超范圍的加速度 或者嚴重的沖擊之后)，球形物體以后可以輕易地返回靜止位置。磁 體一球形物體系統(tǒng)作為經(jīng)典的彈簧一質(zhì)點系統(tǒng)，該球形物體在突然 的加速之后可以輕微地在平衡點周圍擺動。通常，球形物體與腔47
和/或周圍環(huán)境之間的摩擦抑制這種擺動。為了增加抑制效果，可以用諸如油的液體來填充腔47。此外，此液體可以防止球形物體氧化。 封裝件62可以包括磁通閉合部分65，如圖6所示，其示出了根據(jù)本 發(fā)明的第二設(shè)備40的橫截面，該第二設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的第二傳 感器裝置41 。磁通閉合部分65有助于增加施加在場檢測器43上的 磁場，從而使得場檢測器43對外部場更不靈敏，并且降低該磁體散 發(fā)到傳感器裝置41外面的雜散場。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第三傳感器裝置41的橫截面?？梢苿?物體44現(xiàn)在包括永磁體形式的場發(fā)生器42。固定物體46現(xiàn)在由磁 材料制成。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第四傳感器裝置41的橫截面?？梢苿?物體44現(xiàn)在包括永磁體形式的場發(fā)生器42。固定物體46現(xiàn)在包括 另一永磁體形式的另一場發(fā)生器50。在靜止位置，磁軸是對準的。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第五傳感器裝置41的橫截面。腔47 包括彈性材料59和可移動物體44，可移動物體44包括永磁體形式 的場發(fā)生器42。可移動物體44具有以磁軸為對稱軸的對稱形狀，例 如圓柱形、球形或者平截頭棱錐體形。彈性材料是用于強制可移動 物體進入靜止位置，并且抵消由加速度或者重力所引起的力的平行 分量的裝置。傳感器裝置41可以更緊湊。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的第六傳感器裝置41的截面?？梢苿?物體44由磁材料制成，并且連接到操縱桿49以形成指點設(shè)備。操 縱桿49最好由諸如塑料的非磁以及輕材料做成。在靜止位置，可以 通過永磁體所產(chǎn)生的磁力來使操縱桿保持豎直。當(dāng)使用該設(shè)備時， 可以將操縱桿49在橫向方向移動，使得當(dāng)在接口出現(xiàn)足夠的摩擦?xí)r 球形物體輕微的滾動，導(dǎo)致在場檢測器43的輸出端的信號改變?？?替換地，可以用半球體或者僅球體的一部分來代替該球形物體。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的第七傳感器裝置41的截面?？梢苿?物體44由磁材料制成，并且另一可移動物體48可以響應(yīng)于外力來 移動可移動物體44，以形成指點設(shè)備。另一可移動物體的實例是位 于封裝件62內(nèi)部或者頂端的、可以在橫向方向上輕易滑動的非磁性 滑子。在該滑子的底端可以具有凹槽，其與球形物體的上部接觸。 當(dāng)例如通過使用者的手指來移動該滑子時，滑子可以輕易地拖動球形物體，導(dǎo)致在場檢測器43的輸出端的信號改變。當(dāng)然，可以將該 另一可移動物體48連接到部件42、 46，和/或包括部件42、 46。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的第八傳感器裝置的橫截面。腔47包 括入口 66和出口 67。通過在封裝件62內(nèi)形成通道來構(gòu)建氣體或液 體流傳感器裝置41。將球形物體放置在通道中間。當(dāng)氣體或液體流 通過通道時，在球形物體兩邊的壓力差將使球形物體從其靜止位置 發(fā)生位移。由于該流是一維的，在此情況下僅需要一個電橋。在操 作中優(yōu)選將傳感器裝置放置在水平位置，以避免重力的影響。如果 傳感器裝置是傾斜的，對應(yīng)地應(yīng)該重新校準其信號。類似于之前的實施例，可以構(gòu)建二維風(fēng)傳感器。在此情況下， 不用通道，而是將腔47對所有方向開放。通過多個小桿來支撐封裝 件62的頂蓋，使得二維空氣流不受影響。與在二維加速度傳感器裝 置41中相同，場檢測器43包括用于X方向和Y方向的電橋。水平 流動的風(fēng)使得球形物體沿著與導(dǎo)致輸出信號改變的相同方向輕微地 移動。從該信號可以確定風(fēng)的強度和方向。為了使得該傳感器更靈 敏，與閉合腔的環(huán)境相比可以增大球形物體的大小并且/或者該球形 物體可以是中空的。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的第九傳感器裝置的橫截面。在此實施 例中，球形永磁體具有穿過其中心的旋轉(zhuǎn)軸68。球形磁體可以繞旋 轉(zhuǎn)軸68旋轉(zhuǎn)。球形磁體的旋轉(zhuǎn)軸68垂直于其磁軸。在靜止位置， 由于靜磁耦合，球形磁體的磁軸對準磁體的磁軸。在角加速度測量 期間，虛擬力矩將使得球形磁體從靜止位置旋轉(zhuǎn)開。由靜磁耦合引 起的力矩與虛擬力矩之間的平衡確定了球形磁體的旋轉(zhuǎn)角，可以經(jīng) 由場發(fā)生器43的輸出端的信號改變來測量該旋轉(zhuǎn)角。這樣，由于旋 轉(zhuǎn)只在一個方向，就僅需要一個電橋。未示出根據(jù)本發(fā)明的第十傳感器裝置41，但是例如，示出了與圖11中的傳感器裝置的一些相似點。第十傳感器裝置是用于檢測外 力的外力檢測器?？梢詫⒃撏饬z測器視為等價于元件平面內(nèi)的加
速度的施加。在外力與平面之間的角度已知并且不等于90度的條件 下，可以將此檢測轉(zhuǎn)換成外力大小。可替換地，在外力的大小已知 并且外力與平面之間的角度不等于卯度的條件下，可以將該檢測轉(zhuǎn) 換成外力的角度。關(guān)于場檢測器43，需要注意到以下方面。圖1 (c)和1 (d)中 所示的場檢測器43包括磁阻元件51—58。該磁阻元件的阻值取決于 在該元件中流動的電流與該元件的磁化強度M之間的角度e。在各 向異性的磁電阻器的情況下，電阻R-Ro+ARcos20,其中R是元件 51—58的總電阻值，Ro是基準電阻，并且AR/Ro決定了磁阻效應(yīng)。 元件之中的磁化強度M —方面想要與元件的長度方向?qū)剩硪环?面想要與元件所處的磁場的方向?qū)?。結(jié)果，磁化強度M將位于元 件的長度方向與磁場方向之間的位置。對于低磁場，該位置更靠近 元件的長度方向，對于更高的磁場，該位置更靠近徑向磁場的方向。 在無限高的磁場，磁化強度M將與磁場對準。從而元件的阻值取決 于磁場的強度和方向。為了線性化轉(zhuǎn)移曲線，直接將由非導(dǎo)磁材料 制成的螺旋條紋帶(短路棒)設(shè)置在該元件上。該短路棒與元件的 長度方向具有角度(3，例如(+/-) 45度。該短路棒使得電流關(guān)于元 件的長度方向偏轉(zhuǎn)角度|3。這意味著該電流以垂直于短路棒的方向 流動，從而在此情況下電阻變成R-Ro+ARco^(e，+(3)，其中e'是磁化 強度M與元件的長度方向之間的角度。對圖1 (c) 一l (d)的元件 51—58中的螺旋條紋結(jié)構(gòu)進行排列，使得在惠斯通電橋中相鄰的元 件的角度P具有相反的符號。例如，在元件51中的角度|3是正45 度，而在元件52中的角度(3是負45度。當(dāng)源自場發(fā)生器42的磁場投射到場檢測器43的平面上，換言 之，投射到元件51 — 58的平面上時，產(chǎn)生徑向磁場。該平面例如包 括X軸和Y軸。在圖l (c)中，在可移動物體44的靜止位置下， 徑向磁場的中心是在元件51—58的中間。由于元件51—58的徑向 分量，靜止位置中的徑向磁場向量與元件51-58的長度方向?qū)R， 從而強制磁化強度向量M平行于長度方向。根據(jù)以上公式，元件51 —58的電阻具有相同的值I^Ro+ARcos2((3)。結(jié)果，包括元件51 — 58
的惠斯通電橋的輸出電壓為零。當(dāng)徑向磁場的中心在X—Y平面內(nèi)從圖1 (c)中的中間位置移 動到圖1 (d)中的偏移位置時，徑向磁場的方向相對于元件51—58 的長度方向改變了。例如，在元件51和54中，徑向場向量朝著電 流方向移動，減小了磁化強度M與電流之間的角度，從而增加了元 件51和54的阻值。對于元件52和53，發(fā)生相反的情況。徑向場向 量遠離電流方向移動，增加了磁化強度M與電流之間的角度e，從 而減小了該阻值。通過正確地將元件51 — 54連接成電橋構(gòu)造，例如 惠斯通電橋，可以創(chuàng)建輸出信號，其隨著X方向上的徑向場中心位 置近似線性地變化。對于Y方向，可以通過將整個構(gòu)造旋轉(zhuǎn)卯度來 得到類似的構(gòu)造。典型地，元件51—54與徑向分量的徑向場中心之 間的距離將會比該中心的典型位移(例如20prn)大得多(例如 300pm)。因此，當(dāng)徑向場中心發(fā)生位移時，主要是徑向場的方向?qū)?會改變，而徑向場的強度僅發(fā)生更小程度的改變。因此，根據(jù)圖1 (c)和1 (d)，在特定磁場相關(guān)元件包括螺旋 條紋帶的情況下，應(yīng)該使得用于檢測磁場的特定分量的特定磁場相 關(guān)元件的長度軸在可移動物體的靜止位置下與該特定分量基本上成 零度角?；旧蠟榱愣鹊慕菍?yīng)于負20度和正20度之間的角，最好為零度。該螺旋條紋帶的方向通常相對于特定磁場相關(guān)元件的長 度軸成土45度，不排除其它方向?？商鎿Q地，可以將元件51 — 58構(gòu)建為沒有螺旋條紋帶，如圖l (f)和(g)所示。在此情況下，設(shè)置電橋的四條磁阻材料，例如 元件510—540，使得磁化強度M與磁阻元件元件51 — 54的長度方 向成特定角度，例如25—56度角，最好是45度角。如果將角度e 選在45度附近，元件510 — 540的響應(yīng)特性就基本上是線性的。對 于0 = 45度，獲得最佳線性。通過設(shè)置磁場與元件510—540的長度 方向成一定角度，就不需要螺旋條紋帶，這帶來了多個益處(更易 于處理、更高的電阻、更好的電阻再生)。如圖1 (f)所示，當(dāng)在可移動物體44的靜止位置下徑向磁場的 中心位于元件510—540的中間時，四個元件510—540的角度9在
大小上相等，從而惠斯通電橋的輸出電壓為零。當(dāng)徑向磁場的中心在X—Y平面內(nèi)從圖1 (f)中的中間位置移動到圖l (g)中的偏移 位置時，徑向磁場的方向相對于元件510—540的長度方向改變了。 例如，在元件520和540中，徑向場向量朝著電流I的方向移動， 減小了磁化強度M與電流I之間的角度，從而增加了元件520和540 的阻值。對于元件510和530，發(fā)生相反的情況。徑向場向量從電流 I的方向移動開，增加了磁化強度M與電流I之間的角度e，從而減 小了該阻值。通過正確地將元件510—540連接成電橋構(gòu)造，例如惠 斯通電橋，可以生成輸出信號，其隨著在X方向上的徑向場中心位 置近似線性地變化。對于Y方向，可以通過將全部構(gòu)造旋轉(zhuǎn)90度來 得到類似的包括元件550—580的構(gòu)造。加速度傳感器裝置(41)廣泛地應(yīng)用于各種應(yīng)用，例如傳動系 統(tǒng)(車輛動態(tài)控制設(shè)備、主動懸架控制設(shè)備、大燈位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè) 備、汽車報警設(shè)備等等)，導(dǎo)航(移動電話設(shè)備、全球定位系統(tǒng)設(shè)備 等等)，家用電器(包括平衡設(shè)備的洗衣設(shè)備等等)，沖擊/震動檢測 (檢測器設(shè)備等等)，游戲和機器人技術(shù)(游戲設(shè)備等等，機器人設(shè) 備等等)，用于個人數(shù)字助理的數(shù)據(jù)錄入(手持設(shè)備等等)，地震監(jiān) 視(監(jiān)視設(shè)備等等)，人工監(jiān)視設(shè)備(人工監(jiān)視設(shè)備等等)，天線方 位控制(天線方位控制設(shè)備等等)，等等。應(yīng)該注意到的是，上述實施例說明而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng) 域的技術(shù)人員將能夠在不脫離所附權(quán)利要求的前提下設(shè)計多個可替 換的實施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將括號中的參考標號視為限制該 權(quán)利要求。動詞"包括"及其組合的使用并不排除出現(xiàn)權(quán)利要求中 所述的之外的元件或者步驟。元件前的冠詞"一個"不排除多個這 樣的元素的存在。在枚舉了多個裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，可以通過 一個相同的硬件項來實現(xiàn)多個這些裝置。在相互不同的從屬權(quán)利要 求中提及了特定的技術(shù)特征，并不表示不可以有利地使用這些技術(shù) 特征的組合。
權(quán)利要求
1、一種具有傳感器裝置(41)的設(shè)備(40)，所述傳感器裝置(41)包括場發(fā)生器(42)，用于產(chǎn)生至少一部分磁場，場檢測器(43)，包括磁場相關(guān)元件(51-58)，用于檢測在所述磁場相關(guān)元件(51-58)的平面內(nèi)所述磁場的分量，以及可移動物體(44)，用于響應(yīng)于所述可移動物體(44)的加速度，改變所述磁場的所述分量，用于檢測所述磁場的特定分量的特定磁場相關(guān)元件(51-58)的長度軸與這個特定分量成負80度到正80度之間的角。
2、 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(40)，在所述可移動物體(44) 的靜止位置下，所述特定磁場相關(guān)元件(51—58)的長度軸與所述 特定分量成基本上零度的角，所述特定磁場相關(guān)元件(51_58)包 括螺旋條紋帶。
3、 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(40)，在所述可移動物體(44) 的靜止位置以及所述磁場的給定強度下，所述特定磁場相關(guān)元件(51 一58)的長度軸與所述特定磁場相關(guān)元件(51 — 58)的磁化方向成 基本上45度的角。
4、 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(40)，所述傳感器裝置(41)進 一步包括用于強制所述可移動物體(44)進入靜止位置的裝置。
5、 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備(40)，所述用于強制所述可移動 物體(44)進入靜止位置的裝置包括彈性材料(59)，用于至少在所 述可移動物體(44)處于非靜止位置的情況下，在平行于所述平面 的至少一個方向上對所述可移動物體(44)施加至少一個力。
6、 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備(40)，所述可移動物體(44)包 括所述場發(fā)生器(42)。
7、 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備(40)，所述用于強制所述可移動 物體(44)進入靜止位置的裝置包括固定物體(46)， 一個所述物體 包括所述場發(fā)生器(42)，另一所述物體包括磁材料。
8、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(40)，所述可移動物體(44)是 位于腔(47)中的球體的形式。
9、 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備(40)，所述腔(47)包括液體。
10、 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備(40)，所述腔(47)包括入口 (66) 和出口 (67)。
11、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(40)，將所述可移動物體(44) 連接到操縱桿(49)。
12、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(40)，所述傳感器裝置(41)進 一步包括另一可移動物體(48)，用于響應(yīng)于外力來移動所述可移動物體 (44)。
13、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(40)，所述傳感器裝置(41)是 外力檢測器。
14、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(40)，包括磁材料的所述另一物 體是另一場發(fā)生器(50)，用于產(chǎn)生至少另一部分所述磁場。
15、 一種傳感器裝置(41)，包括場發(fā)生器(42)，用于產(chǎn)生至少一部分磁場，場檢測器(43)，包括磁場相關(guān)元件(51 — 58)，用于檢測在所 述磁場相關(guān)元件(51—58)的平面內(nèi)所述磁場的分量，以及可移動物體(44)，用于響應(yīng)于所述可移動物體(44)的加速度， 改變所述磁場的所述分量，用于檢測所述磁場的特定分量的特定磁場相關(guān)元件(51—58) 的長度軸與這個特定分量成負80度到正80度之間的角。
16、 一種傳感方法，包括步驟 產(chǎn)生至少一部分磁場，通過磁場相關(guān)元件(51 — 58)檢測在所述磁場相關(guān)元件(51 —58)的平面內(nèi)所述磁場的分量，以及響應(yīng)于可移動物體(44)的加速度，改變所述磁場的所述分量， 用于檢測所述磁場的特定分量的特定磁場相關(guān)元件(51—58)的長度軸與這個特定分量成負80度到正80度之間的角。
全文摘要
提供了一種具有傳感器裝置(41)的設(shè)備(40)，傳感器裝置(41)包括場發(fā)生器(42)，用于產(chǎn)生磁場；場檢測器(43)，包括磁場相關(guān)元件(51-58)，用于檢測在所述磁場相關(guān)元件(51-58)的平面內(nèi)磁場的分量；可移動物體(44)，用于響應(yīng)于平行于該平面的可移動物體(44)的加速度，改變磁場的分量。磁場相關(guān)元件(51-58)的長度軸與要檢測的分量成負80度與80度之間的角。用于強制可移動物體(44)進入靜止位置的裝置包括彈性材料(59)或者固定物體(46)，其中一個物體(44、46)包括場發(fā)生器(42)，另一個物體包括磁材料或另一場發(fā)生器(50)。
文檔編號G01P15/18GK101163973SQ200680013096
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
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