CN103424128A - 传感器中的偏移误差补偿系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式大体涉及传感器中的偏移误差补偿系统和方法，特别是涉及减小传感器系统中的偏移误差。在实施方式中，传感器的灵敏度和偏移分别不同地取决于某些参数（例如，电压）以使在参数的两个不同值下对传感器进行的操作能够消除偏移误差。实施方式适用于应力传感器、霍尔板、垂直霍尔器件、磁阻传感器等。

Description

传感器中的偏移误差补偿系统和方法
技术领域
本发明大致涉及传感器，特别是涉及对传感器中的偏移误差的补偿。
背景技术
传感器经常被用作传感器桥，例如，具有以惠特斯通桥（Wheatstonebridge）配置耦合的四个相同的传感器元件。桥电路被供应电压或者电流，并提供不同的输出电压。这样的例子包括应力传感器、磁阻传感器、霍尔板和垂直霍尔器件，等等。
然而，传感器桥普遍的问题是偏移误差。偏移是在不存在传感器应该检测的物理量时的输出信号。例如。对于霍尔板而言，偏移是在所施加磁场为零时的输出信号，对于应力传感器而言，偏移是在机械应力为零时的输出信号。一般，偏移误差的根源在于桥的传感器元件之间存在微小的不匹配。换句话说，“相同”的传感器元件不是完全相同。典型的不匹配是在0.1%到1%的量级，这意味着尽管四个传感器元件具有相同的电阻，但是这些电阻实际上相差大约0.1到1%。
对于霍尔传感器而言，传统的解决方法包括使用旋转电流原理（spining current principle），该原理在多个时钟相位（状态）中使用不同的传感器元件以消除任何偏移并增强信号中磁场的比例量。通过反转电源电极并使用多于四个的传感器元件，该方法可扩展至多于两个的时钟相位。但是，该方法仍然产生小的偏移误差，该误差被称作残余偏移。典型地，该残余偏移对于霍尔板而言，在大约30微特斯拉的量级，对于垂直霍尔器件而言，在大于0.5到1mT的量级。
因此，需要对传感器的偏移误差补偿进行改进。
发明内容
实施方式涉及传感器中的偏移误差补偿。在一个实施方式中，被配置为感应物理特性的传感器包括至少一个具有输出的传感器元件，其中，输出信号包括：在不存在物理特性时的偏移误差；除了其他影响偏移误差的物理特性以外的输入量，其中，在传感器的第一操作相位中第一输入量产生具有第一偏移误差的第一输出信号，以及其中，在传感器的第二操作相位中，不同于第一输入量的第二输入量产生具有第二偏移误差的第二输出信号；该传感器还包括耦接至输出的偏移校正电路，该电路被配置为提供传感器输出信号，该传感器输出信号包括第二输出信号与校正因子的乘积再与第一输出信号的和，其中，该校正因子被选为抵消第一偏移误差与第二偏移误差之间的差异。
在一个实施方式中，一种方法包括：在具有第一传感器输入量的第一操作相位中操作传感器以获得第一传感器输出信号和第一传感器偏移误差；在具有第二传感器输入量的第二操作相位中操作传感器以获得第二传感器输出信号和第二传感器偏移误差；以及提供总传感器输出信号，该总传感器输出信号包括第一传感器输出信号与经由偏移校正因子调整的第二传感器输出信号的和，该偏移校正因子与第一和第二传感器偏移误差相关。
在一个实施方式中，传感器包括：至少一个传感器元件，被配置为感应特性并具有输入和输出；以及偏移补偿电路，耦接至输出并被配置为通过由校正因子校正至少一个传感器的输出信号来消除传感器的偏移误差，该校正因子与在第一相位中操作时传感器的偏移误差和在第二相位中操作时传感器的偏移误差相关。
附图说明
鉴于下面结合附图对本发明的各个实施方式进行的详细描述，可更加完整地理解本发明，其中：
图1是根据实施方式的应力传感器电路的示图；
图2是根据实施方式的霍尔板电路的示图。
图3是根据实施方式的垂直霍尔电路的示图。
图4是根据实施方式的偏移校正电路的示图。
虽然本发明适合各种修改和替代形式，但其细节已经通过示例的形式示出在附图中并将被详细描述。然而，应该理解的是，本文并不旨在将本发明限制为所描述的具体的实施方式。相反，本文旨在是覆盖所有落在由所附权利要求所规定的本发明的精神和范围内的修改、等同物、和替代。
具体实施方式
实施方式涉及减小传感器系统中的偏移误差。在实施方式中，传感器的灵敏度和偏移不同地取决于某些参数（例如，电压）以使在两个不同的参数值处对传感器进行的操作能够消除偏移误差。实施方式适用于应力传感器（图1）、霍尔板（图2）、垂直霍尔器件（图3）、磁阻传感器和其他。
传感器的灵敏度S和偏移Off不同地取决于某些参数，例如，电源电压。在实施方式中，在第一电源电压Usup1和第二电源电压Usup2下对传感器进行的操作提供两个不同的输出信号Ua1和Ua2，这两个输出信号分别取决于两个未知量：由传感器测量的物理量Q和偏移Off。也就是说：
Ua1=S1Q+Off1
Ua2=S2Q+Off2
可以发现信号的某些线性组合将消除偏移：
Ua1+kUa2=(S1+kS2)Q+(Off1+kOff2)
其中k=-Off1/Off2。由此，偏移、或者零点误差被移除：
Ua,total=Ua1+kUa2=(S1+kS2)Q
一般，实施方式不适用于完全线性的传感器，因为其灵敏度和偏移以相同的方式取决于诸如电压这样的参数。但是，实际上，传感器很少是完美线性的，由于结型场效应，所有的半导体传感器都是非线性的。因此，实施方式具有普遍的和广泛的用途。
第一个示例性实施方式涉及图1中的应力传感器100，其单体电阻器Rn是硅制的扩散电阻，电阻Rn在两个不同的方向上排列，
Figure BDA00003225049100041
和
Figure BDA00003225049100042
在实施方式中，向桥电路100施加1V的电源电压，测量输出电压Ua1。然后，向桥电路100施加2V的电源电压，再次测量输出电压。1V和2V电源电压值仅仅是为了该示例的示范的目的，并且在不同的实施方式中是可变的。一般，桥100关于机械应力的敏感度是直接正比于电源电压的，但是电阻以及偏移电压不是单纯与电源电压直接成正比的，而是包括一些二次项。因此，桥100在2V电源电压下的偏移误差多于1V电压下的偏移电压的两倍。为了便于讨论，假设该因子是2.1，其在不同的实施方式中将会变化。
接下来，在第二电压下的输出电压Ua2除以系数2.1，然后减去第一电源电压下的输出电压Ua1。这样就消除了偏移误差。数学上表示为：
Ua1(Usup=1V)=S(Usup=1V)*STRESS+Off(Usup=1V)
Ua2(Usup=2V)=S(Usup=2V)*STRESS+Off(Usup=2V)
其中         S(Usup=2V)=2*S(Usup=1V)
和
Off(Usup=2V)=2.1*Off(Usup=1V)
接下来确定：
Ua2(Usup=2V)/2.1–Ua1(Usup=1V)
这与       (S(Usup=2V)/2.1–S(Usup=1V))*STRESS
是相同的，
因为       Off(Usup=2V)/2.1–Off(Usup=1V)=0.
参照图2和3，其他的示例涉及诸如普通的霍尔板200或者垂直霍尔器件300这样的霍尔效应器件。在实施方式中，使用之前提及的旋转电流法，其中，霍尔器件有多个触点，在第一时钟相位中，该触点中某些用作电源端点，其他的用作感应端点，在其他时钟相位中，交换电源端点和感应端点的角色，电压或者电流源的符号会被反转。之后感应到的信号被加上适当的符号。在所有的信号均被加上适当的符号之后，该传感器具有带有第一残余零点偏移Off1的第一输出信号Ua1。接下来，传感器系统在不同的电源电压或者电源电流下操作霍尔器件200或300，这提供了不同的磁灵敏度、不同的第二输出信号Ua2和不同的第二残余零点误差Off2。最后可计算出总的输出：
Ua_total=Ua1+k*Ua2
其中，k=-Off1/Off2。
另一个示例性实施方式涉及磁阻传感器桥，例如巨磁阻（GMR）传感器。在该实施方式中，并不施加两个不同的电压，而是施加两个不同的磁场。为了区别于传感器所检测到的来自外部源的初级磁场，这些磁场被称作次级磁场。传感器系统控制次级磁场而不控制初级磁场。因此，在实施方式中，电磁、线圈、电线或其他源被设置得靠近GMR传感器桥，以便当该系统注入部分电流穿过其中时产生次级磁场。具体地，次级磁场能够与初级磁场正交，可以用这样的方式构造GMR以便主要对初级磁场进行响应，以及仅仅对第二磁场具有低得多的灵敏度。
操作中，传感器系统可向GMR施加第一次级磁场（例如，零）并取样输出信号Ua1：
Ua1=S1*Bx+Off(By1)
其中，S1是在该第一操作相位期间传感器桥的磁灵敏度，Bx是由系统检测的初级磁场，Off是桥的偏移误差，假设Off是次级磁场By1的函数，Bx和By1彼此垂直。
接下来，将第二次级磁场施加至GMR，对输出信号Ua2进行取样：
Ua2=S2*Bx+Off(By2)
最后，确定总的输出：
Ua_total=Ua1+k*Ua2
其中，k=-Off(By1)/Off(By2)。因此：
Ua_total=(S1+k*S2)*Bx
其不再有偏移误差。
虽然已经给出了包括桥配置的示例，但无需使用桥。例如，GMR的实施方式不依赖任何桥的属性。
基于上面所讨论的实施方式，并参考图4，描述根据实施方式的示例性偏移校正电路400。电路400包括至少一个诸如本文所讨论的任一传感器这样的传感器402。在实施方式中，传感器402经由开关S1和S2顺序地由两个电源U1和U2供电，并由主时钟振荡器404进行时钟同步。在实施方式中，传感器402的输出信号被模数转换器（图4中未示出）放大，并被与主时钟404同步地馈送至移位寄存器406。移位寄存器406中的第n个值被延迟n个时钟周期后乘以已选好的合适的常量k，并与移位寄存器406中的第(n+1)个值相加。结果在跟踪和保持电路408中被取样，并且是偏移补偿后的输出。
本文已经描述了系统、器件和方法的各个实施方式。这些实施方式仅是以示例的方式给出，并不旨在限制本发明的范围。另外，应该理解的是，可以以各种方式将所描述的各个实施方式的各种特征进行组合以产生多种其他的实施方式。此外，虽然已经描述了所公开的实施方式中所使用的各种材料、尺寸、形状、配置和位置等，但是在不超出本发明范围的情况下，除了那些已公开的以外，也可利用其他的各种材料、尺寸、形状、配置和位置等。
本领域技术人员将意识到本发明可包括比以上所描述的任何个体实施方式中所示出的更少的特征。这里所描述的实施方式并不意味着是对本发明的各种特征的组合方式的穷举。因此，如本领域的技术人员所理解的，本发明不是特征的相互排他的组合；相反地，本发明可包括选自不同个体实施方式的不同个体特征的组合。
对以上文献的任何通过参考的并入被限制为不会并入与本文的明确公开相反的主题。对以上文献的任何通过参考的并入被进一步限制为这些文献中所包括的权利要求不被通过参考并入本文。对以上文献的任何通过参考的并入被再一步限制为这些文献中的所提供的定义不被通过参考并入本文，除非这些定义明确地被包含在本文中。
出于对本发明的权利要求进行解释的目的，明确地指出，除非特定的术语“用于……的装置”或者“用于……的步骤”被记载在权利要求中，否则不会援引35U.S.C.的第六章，112节的规定。

Claims (20)

1.一种被配置为感应物理特性的传感器，包括：
至少一个具有输出的传感器元件，其中，输出信号包括在不存在所述物理特性时的偏移误差；
除影响所述偏移误差的所述物理特性之外的输入量，其中，在所述传感器的第一操作相位中第一输入量产生具有第一偏移误差的第一输出信号，以及其中，在所述传感器的第二操作相位中与所述第一输入量不同的第二输入量产生具有第二偏移误差的第二输出信号；以及
偏移校正电路，耦合至所述输出并被配置为提供传感器输出信号，所述传感器输出信号包括所述第二输出信号与校正因子的乘积再与所述第一输出信号的和，所述校正因子被选为抵消所述第一偏移误差与所述第二偏移误差之间的差异。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述输入量选自包括电压、电流或者偏置磁场的组。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个传感器选自包括霍尔效应传感器、垂直霍尔传感器、旋转电流垂直霍尔传感器、磁阻传感器和应力传感器的组。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个传感器元件包括多个耦合在传感器桥中的传感器元件。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述偏移校正电路包括耦合至所述输出的移位寄存器，以及其中，所述第一输出信号和所述第二输出信号由所述移位寄存器存储。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述校正因子包括-1*（所述第一偏移误差）/（所述第二偏移误差）。
7.一种方法，包括：
在具有第一传感器输入量的第一操作相位中操作传感器以获得第一传感器输出信号和第一传感器偏移误差；
在具有第二传感器输入量的第二操作相位中操作所述传感器以获得第二传感器输出信号和第二传感器偏移误差；以及
提供总传感器输出信号，所述总传感器输出信号包括所述第一传感器输出信号与经由偏移校正因子调整的所述第二传感器输出信号的和，所述偏移校正因子与所述第一传感器偏移误差和所述第二传感器偏移误差相关。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括通过将所述第一传感器偏移误差除以所述第二传感器偏移误差并将所得结果乘以-1来确定所述偏移校正因子。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，提供总输出信号还包括计算所述偏移校正因子与所述第二个传感器输出信号的乘积再与所述第一个传感器输出信号的和。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述偏移校正因子被选择为消除所述传感器的偏移误差。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二传感器输入量选自包括电压、电流和磁场的组。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，在不存在所述传感器所感应的物理量时，所述传感器具有偏移误差。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述物理量包括磁场、电压、电流、或者温度。
14.一种传感器，包括：
至少一个传感器元件，被配置为感应特性并具有输入和输出；以及
偏移补偿电路，耦合至所述输出并被配置为通过由校正因子校正所述至少一个传感器的输出信号来消除所述传感器的偏移误差，所述校正因子与在第一相位中操作时的所述传感器的偏移误差和在第二相位中操作时的所述传感器的偏移误差相关。
15.根据权利要求14所述的传感器，其中，在所述至少一个传感器元件的输入处的信号在所述第一相位和所述第二相位中是不同的。
16.根据权利要求15所述的传感器，其中，在所述至少一个传感器元件的输出处的信号在所述第一相位和所述第二相位中是不同的。
17.根据权利要求14所述的传感器，其中，所述校正因子包括将所述第一相位中的所述偏移误差除以所述第二相位中的所述偏移误差并乘以-1的结果。
18.根据权利要求14所述的传感器，其中，所述传感器包括磁场传感器、应力传感器、或者电流传感器。
19.根据权利要求14所述的传感器，其中，所述传感器的总输出包括在所述第一相位中所述传感器的输出与经由所述校正因子调整的在所述第二相位中所述传感器的输出之和。
20.根据权利要求19所述的传感器，其中，所述传感器的所述总输出包括在所述第二相位中所述传感器的输出与所述校正因子的乘积再与在所述第一相位中所述传感器的输出的和。
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