CN103543293A - 校正装置、传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于传感器的、尤其是具有运动栅电极的加速度传感器的一种校正装置，具有至少一个电流测量装置，具有可调电压源，该电压源与该传感器的传感器元件电气耦合，具有控制装置，该控制装置被构造用于调节该电压源，使得在该传感器元件上的电压具有至少三个不同的电压值，其中该电流测量装置被构造用于在借助该可调电压源所调节的每个电压时测量流过该传感器元件的测量电流和/或相应传感器元件的基本电流；以及具有补偿装置，该补偿装置被构造用于基于所测量的电流和对应调节的电压来确定该传感器的敏感性和/或偏移，并对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配该传感器的输出信号。本发明还公开了一种传感器和一种方法。

Description

校正装置、传感器和方法

技术领域

本发明涉及用于传感器的一种校正装置、一种传感器和一种方法。

背景技术

虽然可以应用于许多传感器，但在下文中参照加速度传感器来详细描述本发明。

当今在许多应用中需要对运动进行探测或检测。例如在ESP应用（电子稳定程序）中，机动车的运动被检测，以利用展现该机动车的理论运动的模型参量来对该运动进行补偿。

作为用于检测运动的运动传感器，在此例如可以采用加速度传感器。在此加速度传感器通过测量作用于物体的惯性力来测量加速度。

加速度传感器在此例如可以作为压电陶瓷系统或者作为微机械系统来构造。加速度传感器尤其还可以作为具有运动栅电极的晶体管（Moving-Gate Sensoren，运动栅极传感器）来构造。

运动栅极传感器具有非常高的信噪比，从而还适于记录非常小的加速度。运动栅极传感器通常具有场效应晶体管，该场效应晶体管具有运动栅极。该栅极通过外力而在x方向或y方向上被偏移。又通过这种偏移，在该场效应晶体管沟道中电荷载体的数量发生变化，并且在场效应晶体管漏极和源极之间沟道的电阻下降或上升。该电阻变化可以通过简单的测量来探测，其方式是例如在该场效应晶体管上施加恒定的电压并测量所产生的电流，或者在该场效应晶体管上施加恒定的电流并测量在该场效应晶体管上所产生的电压降。

这种运动栅极传感器的敏感性主要通过在场效应晶体管的沟道与栅极之间的表面电荷来确定。这些表面电荷导致制造所决定的敏感性波动，并还导致随时间的敏感性波动。这使得这种运动栅极传感器难以在工业应用中采用。

发明内容

本发明公开了具有权利要求1所述特征的一种校正装置、具有权利要求4所述特征的一种传感器以及具有权利要求8所述特征的一种方法。

据此设置了：

用于传感器的、尤其用于具有运动栅电极的加速度传感器的一种校正装置，具有至少一个电流测量装置，具有可调电压源，该电压源与该传感器的传感器元件电气耦合，具有控制装置，该控制装置被构造用于调节该电压源，使得在该传感器元件上的电压具有至少三个不同的电压值，其中该电流测量装置被构造用于在借助该可调电压源所调节的每个电压时测量流过该传感器元件的测量电流和/或相应传感器元件的基本电流，并且具有补偿装置，该补偿装置被构造用于基于所测量的电流和对应调节的电压来确定该传感器的敏感性和/或偏移和/或漂移，并对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配该传感器的输出信号。

一种传感器，尤其是加速度传感器，具有至少一个场效应晶体管，尤其是具有包括运动栅电极的第一场效应晶体管，具有用于每个场效应晶体管的第一电流源，该第一电流源提供相应场效应晶体管的基本电流，具有用于每个场效应晶体管的第二电流源，该第二电流源为相应场效应晶体管提供测量电流，并且具有根据本发明的校正装置。

用于尤其是借助本发明的校正装置来校正传感器的一种方法，具有以下步骤：调节在该传感器的测量元件上的电压，使得在该传感器元件上的电压具有至少三个不同的电压值，在借助可调电压源所调节的每个电压时检测流过该传感器元件的测量电流和/或相应传感器元件的基本电流，基于所检测的电流和对应调节的电压来确定该传感器的敏感性和/或偏移，以及对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配该传感器的输出信号。

本发明的优点

本发明所基于的知识在于，可以通过对传感器的补偿来改善传感器的测量结果的质量。

现在本发明所基于的想法是，考虑这种知识并提供一种可能性，以能够非常精确地对传感器进行补偿。

如本发明所设置的，如果在不同的电压情况下来测量传感器的测量电流的电流值和/或传感器的基本电流的电流值，那么就可以基于所测量的电流和/或电压来确定传感器的敏感性和/或偏移。接着借助本发明的补偿装置可以基于所确定的敏感性和所确定的偏移来匹配该传感器的测量值。

如果本发明的校正装置设置在传感器中，或者与传感器相耦合，那么由此就可以在运行中对传感器进行校正。这还实现了在制造传感器时能够省略最终测量和校正的步骤。由此能够更简单地制造本发明的传感器。

有利的实施方案和改进由从属权利要求以及参照附图的描述来得到。

在一个实施方案中，该控制装置被构造用于调节该电压源，使得在该传感器元件上的电压至少或者构造为零伏的电压，构造为负的电压，构造为对应于该传感器元件的工作点的电压，构造为位于该传感器元件的工作点上方的电压，或者构造为在零伏与对应于每个传感器元件的工作点的电压之间的电压。这实现了对与传感器特征曲线有关的特征数据的检测。由此例如能够在该补偿装置中执行该传感器特征曲线的重建，并基于重建的传感器特征曲线来匹配输出信号。

在一个实施方案中，该补偿装置另外还被构造用于基于所测量的电流和对应调节的电压来确定该传感器的工作点偏移。如果确定了该传感器的工作点偏移，那么就可以把该传感器的电压供应和/或电流供应与该工作点偏移相匹配。由此保证了该传感器总是在最佳的工作点时被驱动，并从而例如具有最大的敏感性。

在一个实施方案中，该传感器具有至少一个第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，其中该第一场效应晶体管在第一垂直方向上加速时生成正的偏转，并且该第二传感器在该第一垂直方向上加速时生成负的偏转，和/或其中该第一场效应晶体管在第一水平方向上加速时生成正的偏转，并且该第二传感器在该第一水平方向上加速时生成负的偏转。如果把两个场效应晶体管采用在一个传感器中，那么就例如可以补偿加速度测量的失真，这种失真例如由系统决定地在场效应晶体管情况下在特定方向上加速时出现。

在一个实施方案中，该第一电流源和/或该第二电流源作为电流反射镜来构造，其中该第一电流源具有被构造用于把该基本电流调节为恒定值的恒定电流反射镜，和/或其中该第二电流源的调节输入端与该场效应晶体管相耦合，使得在该场效应晶体管沟道中的电阻波动引起该第二电流源输出电流的电流变化。这实现了通过该第一电流源给该传感器简单地提供恒定电流以进行工作点调节。流过该场效应晶体管的电流从而在该传感器的测量范围中围绕该工作点而变化。如果该第二电流反射镜被设置为使得围绕该工作点的所述电流变化被输入给该第二电流反射镜的控制输入端，那么该电流反射镜就把所述电流波动反射到该电流反射镜的输出端上。接着在该输出端上可以测量表征所测量的加速度的电流。

在一个实施方案中，该传感器作为微机电系统来构造。这实现了该传感器的非常简单的制造。微机电系统例如可以通过当前研发完善的并且一般可控制的硅半导体制造流程来制造。

上述的扩展和改进只要有意义，就可以任意地相互组合。本发明的其他可能的扩展、改进和实施也包括前文或下文中参照实施例所描述的本发明特征的未明确阐述的组合。在此专业人员尤其还将增加一些个别方面作为对本发明相应基本方案的改善或补充。

附图说明

下面借助在附图的示意图中所说明的实施例来对本发明进行详细阐述。其中：

图1示出了本发明的校正装置的一个实施方案的电路框图；

图2示出了本发明的传感器的一个实施方案的电路框图；

图3示出了本发明的方法的一个实施方案的流程图；

图4示出了本发明的场效应晶体管的一个实施方案的框图，该场效应晶体管具有运动栅电极；

图5示出了本发明的场效应晶体管的一个实施方案的电压/电流曲线，该场效应晶体管具有运动栅电极。

在所有附图中，相同的或功能相同的元件和装置-除非另外说明-都配备有相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出了本发明的校正装置1的一个实施方案的电路框图。

该校正装置1具有电流测量装置2，该电流测量装置在图1中与传感器10电气耦合。另外该校正装置1还具有可调电压源3，该电压源同样与该传感器10电气耦合。

该校正装置1另外还具有控制装置4，该控制装置被构造用于如此来调节该电压源3，使得该电压源给该传感器10提供具有不同电压值的至少三个不同的电压。

该电流测量装置2被构造用于在借助该可调电压源3所调节的每个电压时来测量流过该传感器的测量电流6和/或相应传感器元件的基本电流6。

最后该校正装置1具有补偿装置7，该补偿装置被构造用于基于所测量的电流6和对应调节的电压5来确定该传感器10的敏感性和/或偏移，并对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配该传感器10的输出信号。

该电流测量装置2在一个实施方案中作为分流电阻2来构造。在另一实施方案中，该电流测量装置2作为无接触的电流测量装置2来构造。

该控制装置4例如可以作为微控制器4来构造。在一个实施方案中，该微控制器4还具有该补偿装置7，并与该电流测量装置2例如通过模拟/数字变换器相耦合，其中该模拟/数字变换器被构造用于例如检测在该分流电阻上下降的电压。

在其他实施方案中，该分析装置7不是作为微控制器7、而是作为专用集成电路（ASIC）或者作为可配置的逻辑组件来构造。

在一个实施方案中，该电流测量装置2可以作为具有数字数据接口的电流传感器2来构造。在这种实施方案中，该分析装置7与该电流测量装置2例如通过SPI接口、I²C接口或诸如此类的相耦合。

图2示出了本发明的传感器的一个实施方案的电路框图。

该传感器10具有一个场效应晶体管11。在一个实施方案中，该场效应晶体管11具有运动栅电极20。该传感器10另外还具有用于该场效应晶体管11的第一电流源12，该第一电流源提供相应场效应晶体管11的基本电流6。该基本电流6用于使该场效应晶体管运行在其工作点上。

该场效应晶体管11另外还具有用于该场效应晶体管11的第二电流源13，该第二电流源为该场效应晶体管11提供测量电流6。最后该传感器10具有本发明的校正装置1，该校正装置与该场效应晶体管11相耦合。

在另一实施方案中，该传感器11不仅具有一个场效应晶体管11，而且还具有至少两个场效应晶体管11。在此在一个实施方案中这些场效应晶体管11相反地设置。这意味着，在一个方向上加速时这些场效应晶体管11之一检测正的加速度信号，并且第二场效应晶体管11检测负的加速度信号。

在另一实施方案中，在一个传感器中组合有许多场效应晶体管11，使得该传感器可以检测在至少三个相互垂直的轴中的加速度。

图3示出了本发明的方法的一个实施方案的流程图。

在第一步骤S1中，调节在该传感器10的测量元件上的电压，使得在该传感器元件上的该电压5具有至少三个不同的电压值。在此即使在单个步骤S1中生成不同的电压，也不意味着这些电压被同时生成。而是这些电压可以被依次生成。

在第二步骤S2中，在每个所调节的电压5时检测流过该传感器元件11的测量电流6和/或相应传感器元件11的基本电流6。

在第三步骤S3中，基于所检测的电流6和对应调节的电压5来检测该传感器10的敏感性和/或偏移。

最后在最终步骤S4中对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配该传感器10的输出信号。

图4示出了本发明的场效应晶体管11的实施方案的框图，该场效应晶体管具有运动栅电极20。

该场效应晶体管11具有衬底14，在该衬底上构造有该场效应晶体管11。在该衬底14中设置有电极—漏极16和源极17，在它们之间具有该场效应晶体管11的沟道15。该沟道15被绝缘层18覆盖，在该绝缘层上示出了表面电荷19。最后在该沟道15和绝缘层18的上方以大致等于衬底14厚度一半的距离设置了运动栅极20。最后在该运动栅极20处示出了两个轴X和Y。在此在垂直方向上示出X轴，并在水平方向上示出Y轴。

图5示出了本发明的场效应晶体管11的一个实施方案的电压/电流曲线，该场效应晶体管具有运动栅电极20。

在图5的图中，在纵坐标轴上绘出在该场效应晶体管11的漏极和源极之间的电流Ids，并在横坐标轴上绘出在该场效应晶体管11的栅极和源极之间的电压Ugs。在该图中描绘了一个曲线，该曲线对应于本发明的场效应晶体管11的一个实施方案的特征曲线。在该图中另外还通过垂直虚线P1-P4标出了四个电压。在此在P1处的第一线位于0伏的电压附近。第二线P2位于如下的一个电压附近，在该电压时该场效应晶体管11的特征曲线尽可能平坦地延伸、也即没有陡度。第三线P3在该第一线P1与该第二线P3之间位于该第一线P1与该第二线P2之间距离的约三分之一处。最后绘出在负电压情况下的第四线，并且该第四线和该第一线P1之间大致具有与该第三线P3和该第一线之间相同的距离。

该曲线在电流为0A时一直延伸至电压0伏。从0V开始到第一线P1和第二线P2之间距离的约1/10该曲线以非常大的梯度上升。之后该曲线直到该第二线P2处变平，从第二线P2开始该曲线基本平坦地延伸。

在图5中清楚看出，通过测量在不同电压时的电流可以重建场效应晶体管11的特征曲线。

虽然借助优选实施例在前文中描述了本发明，但其并不局限于此，而是可以以很多方式和方法来修改。本发明尤其可以多种方式来变化或修改，而不脱离本发明的核心。

Claims (10)

1.用于传感器（10）、尤其是具有运动栅电极（20）的加速度传感器的校正装置（1），

具有至少一个电流测量装置（2）；

具有可调电压源（3），该电压源与该传感器（10）的传感器元件电气耦合；

具有控制装置（4），该控制装置被构造用于调节该电压源（3），使得在该传感器元件上的电压（5）具有至少三个不同的电压值，其中该电流测量装置（2）被构造用于在借助该可调电压源（3）所调节的每个电压时测量流过该传感器元件的测量电流（6）和/或相应传感器元件的基本电流（6）；以及

具有补偿装置（7），该补偿装置被构造用于基于所测量的电流（6）和对应调节的电压（5）来确定该传感器（10）的敏感性和/或偏移和/或漂移，并对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配该传感器（10）的输出信号。

2.根据权利要求1所述的校正装置，

其中该控制装置（4）被构造用于调节该电压源（3），使得在该传感器元件上的电压（5）至少或者是零伏的电压（5）、负的电压（5）、对应于该传感器元件的工作点的电压（5）、位于该传感器元件的工作点上方的电压（5）、或者是在零伏与对应于每个传感器元件的工作点的电压之间的电压（5）。

3.根据前述权利要求之一所述的校正装置，

其中该补偿装置（7）还被构造用于基于所测量的电流（6）和对应调节的电压（5）来确定该传感器（10）的工作点偏移。

4.传感器、尤其是加速度传感器，

具有至少一个场效应晶体管（11），尤其是具有包括运动栅电极（20）的第一场效应晶体管（11），

具有用于每个场效应晶体管（11）的第一电流源（12），该第一电流源提供相应场效应晶体管（11）的基本电流（6），

具有用于每个场效应晶体管（11）的第二电流源（13），该第二电流源为相应场效应晶体管（11）提供测量电流（6）；

具有根据权利要求1-3至少之一所述的校正装置（1）。

5.根据权利要求4所述的传感器，

其中该传感器（10）具有至少一个第一场效应晶体管（11）和第二场效应晶体管（11），其中该第一场效应晶体管（11）在第一垂直方向上加速时生成正的偏转，并且该第二传感器（10）在该第一垂直方向上加速时生成负的偏转，和/或其中该第一场效应晶体管（11）在第一水平方向上加速时生成正的偏转，并且该第二传感器（10）在该第一水平方向上加速时生成负的偏转。

6.根据前述权利要求4和5之一所述的传感器，

其中该第一电流源（12）和/或该第二电流源（13）作为电流反射镜来构造；

其中该第一电流源（12）具有恒定电流调节器，该恒定电流调节器被构造用于把该基本电流（6）调节为恒定值；

和/或

其中该第二电流源（13）的调节输入端与该场效应晶体管（11）相耦合，使得在该场效应晶体管（11）的沟道中的电阻波动引起该第二电流源（13）的输出电流的电流变化。

7.根据前述权利要求4-6之一所述的传感器，

其中该传感器（10）作为微机电系统来构造。

8.尤其借助根据权利要求1-3之一所述的校正装置来校正传感器（10）的方法，具有以下步骤：

调节（S1）在该传感器（10）的测量元件上的电压，使得在该传感器元件上的该电压（5）具有至少三个不同的电压值；

在借助该可调电压源（3）所调节的每个电压（5）时检测（S2）流过该传感器元件（11）的测量电流（6）和/或相应传感器元件（11）的基本电流（6）；以及

基于所检测的电流（6）和对应调节的电压（5）来确定（S3）该传感器（10）的敏感性和/或偏移；

对应于所确定的敏感性和/或所确定的偏移来匹配（S4）该传感器（10）的输出信号。

9.根据权利要求8所述的方法，

其中在该传感器元件上的电压（5）被调节为，使得该电压（5）至少或者是零伏的电压（5）、负的电压（5）、对应于该传感器元件的工作点的电压（5）、位于该传感器元件的工作点上方的电压（5），或者是在零伏与对应于每个传感器元件的工作点的电压之间的电压（5）。

10.根据权利要求8或9之一所述的方法，

其中还基于所测量的电流（6）和对应调节的电压（5）来确定该传感器（10）的工作点偏移。

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