CN104457796A - 感测模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种感测模块，包括感测装置、电压产生装置、补偿装置以及电压控制装置。感测装置包含第一参考端以及第二参考端。补偿装置耦接于第二参考端以及一个电压参考端之间。电压控制装置分别耦接至第一参考端、第二参考端以及电压产生装置。电压控制装置是用以依据电压产生装置产生的参考电压信号以及补偿装置的跨压，来输出第一电压信号至第一参考端。补偿装置的阻抗的温度变化与感测装置的阻抗的温度变化成正相关。而感测装置的灵敏度的温度变化与参考电压信号的温度变化成负相关。藉此，感测装置随温度飘移的特性得以被补偿。

Description

感测模块

技术领域

本发明涉及一种感测器，特别涉及一种具有温度补偿电路的感测器。

背景技术

随着科技的进步，有越来越多的感测器被设计发展出来。感测器的种类繁多，有针对压力、温度、气体、声音、亮度、速度、影像...等因素进行感测的感测器；而感测器也充分地被应用在人类的日常生活，例：如医疗器材、大众运输工具、安全检测、娱乐、国防...等等。

在现今有用到感测器的系统中，因为环境温度所造成感测器准确性的问题，为了提升准确度，一般都会针对感测器进行温度补偿措施，常采用的包括了：(1)使用硬件线路进行温度补偿、及(2)使用硬件线路并搭配软件温度补偿等二类。

然而，前述的二种现有感测器的温度补偿方式皆具有缺点。首先，前者的电路结构复杂且需调校；而后者的电路结构虽简单，但需针对各温度点进行漂移量的校正，耗费生产工时。

为此，如何提供一种可针对因环境温度变化而产生输出变化进行补偿的一种感测器温度补偿电路及方法，以避免上述现有感测器的温度补偿方式的缺失，实已成为业界亟待解决的难题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种感测模块，不但电路结构简单，且无需针对各温度点进行漂移量的校正，可有效地提升感测模块的运作表现。

依据本发明一种感测模块，包含感测装置、电压产生装置、补偿装置以及电压控制装置。其中感测装置包含第一参考端以及第二参考端，用以依据所接收的压力，产生感测信号，其中该第一参考端以及该第二参考端之间具有等效阻抗值。电压产生装置用以产生参考电压信号。补偿装置耦接于第二参考端以及一个电压参考端之间。电压控制装置分别耦接至第一参考端、第二参考端以及电压产生装置，用以依据参考电压信号以及补偿装置的跨压，对第一参考端输出第一电压信号。其中感测装置的灵敏度是一个温度的第一函数，等效阻抗值是一个温度的第二函数，补偿装置的阻抗值是一个温度的第三函数，参考电压信号的电压值是一个温度的第四函数。温度的第一函数与温度的第四函数负相关，且温度的第二函数与温度的第三函数正相关。

依据本发明一实施例，温度的第二函数与温度的第三函数成正比。

依据本发明一实施例，温度的第一函数是领导系数为正的二次多项式，且温度的第四函数领导系数为负的二次多项式。

依据本发明一实施例，温度的第一函数是领导系数为负的二次多项式，且温度的第四函数是领导系数为正的二次多项式。

依据本发明一实施例，电压产生装置是能隙带差参考电压电路(bandgapreference circuit)。

依据本发明一实施例，电压产生装置包含温度感测单元以及电压产生单元。温度感测单元用以依据环境温度产生温度信号。电压产生单元用以依据温度信号产生参考电压信号。

依据本发明一实施例，补偿装置耦接至电压产生装置，且补偿装置包含电压源以及数字模拟转换器。电压源用以提供与温度无关的电流。数字模拟转换器用以依据温度信号产生与温度相关的电流。其中补偿装置的输出电流等于与温度无关的电流加上与温度相关的电流，并且补偿装置的阻抗值等于补偿装置的输出电压与补偿装置的输出电流的比值。

依据本发明一实施例，补偿装置是一电阻。

依据本发明一种感测模块，包含感测装置、电压产生装置、补偿装置以及电压控制装置。其中感测装置包含第一参考端以及第二参考端，用以依据所接收的压力，产生感测信号，其中该第一参考端以及该第二参考端之间具有等效阻抗值。电压产生装置用以产生参考电压信号。补偿装置耦接于第二参考端以及一个电压参考端之间。电压控制装置分别耦接至第一参考端、第二参考端以及电压产生装置，用以依据参考电压信号以及补偿装置的跨压，对第一参考端输出第一电压信号。其中感测装置的灵敏度是一个温度的第一函数，参考电压信号的电压值是一个温度的第二函数。温度的第一函数与温度的第二函数负相关。

如上所述，依据本发明的感测模块提供具有一个感测信号，此感测信号对温度变异不敏感，且具有高电源电压抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)。因此，依据本发明的感测模块降低了感测应用领域中，后端装置的设计复杂度。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1，其是依据本发明一实施例的一种感测模块的功能方框图；

图2A，其是依据本发明一实施例的感测装置的电路示意图；

图2B，其是依据本发明一实施例的感测装置的另一电路示意图；

图3，其是感测装置的灵敏度相对于温度的关系的示意图；

图4A，其是依据本发明一实施例的电压产生装置的电路示意图；

图4B，其是依据本发明一实施例的电压产生装置的功能方框示意图；

图5，其是依据本发明一实施例的补偿装置的功能方框示意图。

其中，附图标记

1            感测模块

11           感测装置

13           电压产生装置

15           补偿装置

17           电压控制装置

19           电压参考端

111          第一参考端

113          第二参考端

115a～c,118a～b  电阻

116a～d          端点

117,119a～b      应变规

133              温度感测单元

135        电压产生单元

151        电流源

153        数字模拟转换器

155        输出端

M1～M5     金属氧化物场效晶体管

Q1～Q3     双极性接面晶体管

R1～R2     电阻

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求范围及附图，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参考图1，其是依据本发明一实施例的一种感测模块的功能方框图。如图1所示，感测模块1包含感测装置11、电压产生装置13、补偿装置15以及电压控制装置17。感测装置11包含第一参考端111以及第二参考端113。补偿装置15耦接于第二参考端113以及一个电压参考端19之间。电压控制装置17分别耦接至第一参考端111、该第二参考端113以及该电压产生装置13。

感测装置11是用以依据所接收的压力，产生感测信号。于一实施例中，请参照图2A，其是依据本发明一实施例的感测装置的电路示意图。如图2A所示，感测装置11包含第一参考端111、第二参考端113、第一电阻115a、第二电阻115b、第三电阻115c以及应变规(strain gauge)117。第一电阻115a、第二电阻115b以及第三电阻115c都是对于压力不敏感的电阻。当感测装置11没有接收到压力时，电阻115a至115c的电阻值以及应变规117的电阻值相等。当感测装置11接收到压力，应变规117的电阻值会被所接收到的压力所改变。如果在第一参考端111以及第二参考端113只间有一个电压差，则只有在感测装置11接收到压力时，在端点116a的电压值将会不同于在端点116b的电压值。

端点116a以及端点116b之间的电压差就是感测信号。假设电阻115a至115c中每个电阻的电阻值是R，且所接收到的压力是ΔP，则应变规117的电阻值等于(R+kΔP)。此时若有个电压差Vin被施加于第一参考端111以及第二参考端113之间，则端点116a以及116b之间的电压差Vo可以以下列方程式表示。

Vo=kΔPVin/(4R+2kΔP)…………………(1)

当所接收到的压力ΔP够小时，方程式(1)可以被近似成下列方程式。

Vo=kΔPVin/4R……………………………(2)

因此电压差Vo大致上是所接收到的压力ΔP的一个线性函数。

于另一实施例中，请参考图2B，其是依据本发明一实施例的感测装置的另一电路示意图。如图2B所示，感测装置11包含第一参考端111、第二参考端113、第一电阻118a、第二电阻118b、第一应变规119a以及第二应变规119b。其中，第一电阻118a以及第二电阻118b都是对压力不敏感的电阻，换句话说其电阻值与所受到的压力无关。当感测装置11未接收压力时，第一电阻118a、第二电阻118b、第一应变规119a以及第二应变规119b的电阻值相等。而当感测装置11接收压力时，第一应变规119a以及第二应变规119b的电阻值被所接收的压力所改变。若此时有一个电压差被施加至第一参考端111与第二参考端113之间，则端点116c与端点116d的电压值不同。

端点116c与端点116d之间的电压差Vo就是感测信号。假设第一电阻118与第二电阻118b的阻值为R，所接收到的压力为ΔP，第一应变规119a与第二应变规119b的阻值为(R+kΔP)，且电压差Vin被施加到第一参考端111以及第二参考端113之间。端点116c与端点116d之间的电压差Vo可以下列方程式表示。

Vo=kΔPVin/(2R+kΔP)……………………(3)

当所接收到的压力ΔP够小时，方程式(3)可以被近似成下列方程式。

Vo=kΔPVin/2R……………………………(4)

因此电压差Vo大致上是所接收到的压力ΔP的一个线性函数。

虽然上述仅揭示两种惠司通电桥为基础的压力感测装置，其并非用以限制本发明的范畴，其他具有惠司通电桥的装置也可以依据本发明而据以实施。

虽然感测信号Vo与所接收到的压力ΔP大致为线性转换的关系，感测装置11仍然被其他非线性问题所困扰，例如灵敏度的变异以及等效阻抗的变异。

请参照图3，其是感测装置的灵敏度相对于温度的关系的示意图。当一个固定的电压差被施加于第一参考端111与第二参考端113之间时，感测装置11的灵敏度被预期是固定的。然而在某些实施例中，如图3所示，随着温度上升，感测装置11的灵敏度下降。同时，也可以发现感测装置11的灵敏度是温度的第一函数。温度的第一函数可以被视为一个领导系数为正的二次多项式。为了补偿感测装置11的灵敏度的变异，需要一个电压值与温度的第一函数呈负相关的电压，因此如后述的电压产生装置13被应用于本发明一实施例中。

此外，感测装置11的等效阻抗的变异是来自于感测装置11中的电阻以及应变规的电阻值的变异。感测装置11的等效阻抗的阻值被定义为第一参考端111与第二参考端113之间的阻抗，且此等效阻抗是温度的第二函数，可以用下列方程式所描述。

Rsensing(T)=R0[1+α(T-T0)]…………………(5)

在方程式(5)中，T是温度、α是感测装置11的等效阻抗的电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)、T0是参考温度、R0是感测装置11在参考温度T0的等效阻抗值、而Rsensing是感测装置11在温度T时的等效阻抗。

请回到图2B，因为每个应变规的电阻温度系数与每个电阻的电阻温度系数，所以会产生另一个被称为零点偏移(zero offset)的误差。所谓的零点偏移是当感测装置11未接收到任何压力时，感测装置11的输出电压的偏移。为了补偿零点偏移，并确保施加于感测装置11的电压差Vin可被控制，因此使用了补偿装置15。

电压产生装置

电压产生装置13用以产生参考电压信号。详细来说，电压产生装置13是用来补偿感测装置11的灵敏度的变异。

于一实施例中，请参照图4A，其是依据本发明一实施例的电压产生装置的电路示意图。如图4A所示，电压产生装置13包含第一金属氧化物场效晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)M1、第二金属氧化物场效晶体管M2、第三金属氧化物场效晶体管M3、第四金属氧化物场效晶体管M4、第五金属氧化物场效晶体管M5、第一双极性接面晶体管(bipolarjunction transistor,BJT)Q1、第二双极性接面晶体管Q2、第三双极性接面晶体管Q3、第一电阻R1以及第二电阻R2。所属领域具有通常知识者知道图4A所示的电压产生装置13是一个能隙带差参考电压电路(bandgap referencecircuit)。一般而言，能隙带差参考电压电路通常是用来提供不随温度而变异的电压。然而，本发明一实施例中的电压产生装置13中，须适当的选择电阻及/或晶体管，以使输出的参考电压信号Vref随温度而变。实际上，本发明一实施例中的参考电压信号Vref大致与绝对温度成正比，此外，参考电压信号Vref的电压值是温度的第四函数。第四函数大致为一个领导系数为负的二次多项式。且第四函数与第一函数在特定的温度区间(例如摄氏20度至摄氏60度、摄氏-15度至摄氏20度或是摄氏-15度至摄氏60度)呈现负相关或是成反比。

于另一实施例中，请参照图4B，其是依据本发明一实施例的电压产生装置的功能方框示意图。如图4B所示，电压产生装置13包含一个温度感测单元133与一个电压产生单元135，电压产生单元135耦接至温度感测单元133。

温度感测单元133用以依据环境温度产生一个温度信号。在一种实作方式中，可以用电热偶作为温度感测单元，电热偶的电阻值会随着温度改变。举例来说，温度感测单元133可以是电热偶、以震荡器为基础的热感应器、以模拟数字转换器为基础的热感应器或其他可用来量测温度的装置。

电压产生单元135用以依据温度信号产生参考电压信号Vref。在实作上，因为参考电压信号Vref的电压值相对于温度应该要是一个二次函数，电压产生单元135可以包含一个处理器来温度信号以及一个内建的二次多项式来计算参考电压信号Vref所应有的电压值，并产生具有此电压值的电压信号作为参考电压信号Vref。

在前述电压产生装置13的实施例中，参考电压信号Vref与电压源互相独立。因此参考电压信号Vref几乎不会被来自于电压源的噪声所影响，从而具有高电压电源抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)。

虽然此处仅揭示两种电压产生装置13的实施态样，其并非用以限制本发明的范畴。任何可以产生大致上与绝对温度成正比、且实质上与温度关系是一个领导系数为负的二次函数的参考电压信号，同时能使参考电压信号具有高电压电源抑制比的电路都可应用于本发明中。

补偿装置

补偿装置15用以补偿感测装置11随温度而变异特性。详细来说，补偿装置15用以补偿感测装置11的等效阻抗的变异。在一个实施例中，补偿装置15可以是一个补偿电阻，此补偿电阻具有特定的电阻温度系数。详细来说，前述补偿电阻的电阻温度系数于感测装置11的等效阻抗的电阻温度系数接近或是相等，因此补偿装置15的电阻值是温度的第三函数，其与温度的第二函数，也就是感测装置11的等效阻抗的电阻值，至少在特定的温度区间(例如摄氏20度至摄氏60度、摄氏-15度至摄氏20度或是摄氏-15度至摄氏60度)呈现正相关的关系，或是呈现正比的关系。

于另一实施例中，前述补偿电阻的电阻温度系数在特定温度区间的边缘，也就是接近温度上限或接近温度下限的温度时，稍微高于感测装置11的等效阻抗的电阻温度系数。明确来说，补偿电阻的电阻值相对于温度大致上是一个领导系数为正的二次函数。因此，感测装置11的跨压在接近温度上限或接近温度下限时会低于在室温实感测装置11的跨压。藉此，因为温度而导致每个电阻的阻值与每个应变规的阻值的差异从而产生的零点偏移的偏移量可以被抑制。

于另一实施例中，补偿装置15可以包含一个数字模拟转换器(digital-to-analog converter,DAC)。请参照图5，其是依据本发明一实施例的补偿装置的功能方框示意图。如图5所示，补偿装置15包含一个电流源151以及一个数字模拟转换器153。电流源151用以产生一个不随温度而变的电流I1，而数字模拟转换器153从电压产生装置13接收温度信号，并依据温度信号产生一个随温度而变的电流I2。两个电流，也就是I1以及I2被输出至输出端155。因此，从输出端155所量测到的输出阻抗与两个电流的总和成反比。

详细来说，为了补偿感测装置11的等效阻抗的变异，补偿装置15的输出阻抗(也就是等效阻抗)应该是温度的第三函数，且第三函数与第二函数(也就是感测装置的等效阻抗的阻抗值)成正相关或是成正比的关系。

虽然此处仅揭示两种电压产生装置13的实施态样，其并非用以限制本发明的范畴。任何可以产生与感测装置11的等效阻抗的电阻值的电阻温度系数具有相近电阻温度系数的阻抗的装置都可应用于本发明中。

电压控制装置

电压控制装置17用以依据参考电压信号以及补偿装置15的跨压(或输出电压)来对第一参考端111输出一个第一电压信号。于一实施例中，电压控制装置17可以是一个运算放大器，此运算放大器具有第一输入端、第二输入端以及输出端。运算放大器的输出端连接于第一参考端111。第一输入端连接至电压产生装置13以接收参考电压信号Vref。第二输入端连接至第二参考端113以接收补偿装置15的跨压。因此，运算放大器会输出第一电压信号，而使补偿装置15的跨压与参考电压信号Vref的电压值相等。

于另一实施例中，电压控制装置17可以包含一个处理单元以及一个数字模拟转换器(DAC)。处理单元接收补偿装置15的跨压以及参考电压信号Vref，并计算出第一电压信号的电压值与所需要的电压值之间的差值。处理单元也控制数字模拟转换器以调整第一电压信号，而使第一电压信号的电压值等于所需要的电压值。

虽然此处仅揭示两种电压控制装置17的实施态样，其并非用以限制本发明的范畴。任何可以依据补偿装置15的跨压以及参考电压信号来产生第一电压信号的装置都可应用于本发明中。

因为补偿装置15的输出阻抗的温度系数等于感测装置11的等效阻抗的温度系数，补偿装置15的跨压与感测装置11的跨压正相关，或者更精确来说，两者会成正比。藉由调整第一参考端111的第一电压信号以使补偿装置15的跨压与参考电压信号相同，感测装置11的跨压正相关(或者说正比于)参考电压信号。因此，感测装置11的灵敏度以及等效阻抗的变异可被降低。

如上所述，依据本发明多个实施例的感测模块提供具有一个感测信号，此感测信号对温度变异不敏感，且具有高电源电压抑制比(power supply rejectionratio,PSRR)。因此，依据本发明的感测模块降低了感测应用领域中，后端装置的设计复杂度。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种感测模块，其特征在于，包含：

一感测装置，包含一第一参考端以及一第二参考端，用以依据所接收的压力，产生一感测信号，其中该第一参考端以及该第二参考端之间具有一等效阻抗值；

一电压产生装置，用以产生一参考电压信号；

一补偿装置，耦接于该第二参考端以及一电压参考端之间；以及

一电压控制装置，分别耦接至该第一参考端、该第二参考端以及该电压产生装置，用以依据该参考电压信号以及该补偿装置的一跨压，对该第一参考端输出一第一电压信号；

其中该感测装置的一灵敏度是温度的一第一函数，该等效阻抗值是温度的一第二函数，该补偿装置的一阻抗值是温度的一第三函数，该参考电压信号的电压值是温度的一第四函数，该第一函数与该第四函数负相关，且该第二函数与该第三函数正相关。

2.根据权利要求1所述的感测模块，其特征在于，该第二函数与该第三函数成正比。

3.根据权利要求1所述的感测模块，其特征在于，该第一函数是一领导系数为正的二次多项式，且该第四函数是一领导系数为负的二次多项式。

4.根据权利要求1所述的感测模块，其特征在于，该第一函数是一领导系数为负的二次多项式，且该第四函数是一领导系数为正的二次多项式。

5.根据权利要求1所述的感测模块，其特征在于，该电压产生装置是一能隙带差参考电压电路。

6.根据权利要求1所述的感测模块，其特征在于，该电压产生装置包含：

一温度感测单元，用以依据环境温度产生一温度信号；以及

一电压产生单元，用以依据该温度信号产生该参考电压信号。

7.根据权利要求6所述的感测模块，其特征在于，该补偿装置耦接至该电压产生装置，且该补偿装置包含：

一电压源，用以提供一与温度无关的电流；以及

一数字模拟转换器，用以依据该温度信号，产生一与温度相关的电流；

其中该补偿装置的一输出电流等于该与温度无关的电流加上该与温度相关的电流，并且该补偿装置的该阻抗值等于该补偿装置的一输出电压与该补偿装置的该输出电流的一比值。

8.根据权利要求1所述的感测模块，其特征在于，该补偿装置为一电阻,或具阻抗特性的元件,并具有权利要求2或权利要求3的温度函数特性。

9.一种感测模块，其特征在于，包含：

一感测装置，包含一第一参考端以及一第二参考端，用以依据所接收的压力，产生一感测信号，其中该第一参考端以及该第二参考端之间具有一等效阻抗值；

一电压产生装置，用以产生一参考电压信号；

一补偿装置，耦接于该第二参考端以及一电压参考端之间；以及

一电压控制装置，分别耦接至该第一参考端、该第二参考端以及该电压产生装置，用以依据该参考电压信号以及该补偿装置的一跨压，对该第一参考端输出一第一电压信号；

其中该感测装置的一灵敏度是温度的一第一函数，该参考电压信号的电压值是温度的一第二函数，该第一函数与该第二函数负相关。