CN105322649A - 具有微中断补偿的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有微中断补偿的传感器。传感器装置包括高电压部件、传感器部件和电荷存储部件。传感器部件利用低电压供电。高电压部件被配置成从高电压供电生成低电压供电。电荷存储部件被配置成在电力中断期间为低电压供电提供电荷。电荷存储部件具有垂直电容器。

Description

具有微中断补偿的传感器

背景技术

在传感系统中利用传感器来检测性质，例如光、温度、运动等。传感器一般被配置成测量性质并接着提供适当形式的测量。例如，传感器可测量磁场并接着提供测量作为输出信号。测量然后用于由控制器，例如电子控制单元计算特性或结果。

给传感器供应电力，以便正确地操作和提供准确的测量。如果所供应的电力中断或从电压和/或电流的适当范围偏离，则错误的测量、无测量等可发生。

用来补偿电力中断等并促进准确的测量的适当机构是需要的。

附图说明

图1是补偿电力中断的传感器系统的图。

图2是图示可出现在传感器系统中的电力中断的曲线图。

图3是具有补偿电力中断的沟槽电容器的传感器系统的图解。

图4是垂直或沟槽电容器的横截面视图。

图5是描绘可在上述系统中使用的其它适当的阻塞部件的示例的图解。

图6是在高电压电平下补偿电力中断的传感器系统的图解。

图7是使用集成高电压电荷存储部件来在高电压电平下补偿电力中断的传感器系统的图解。

图8是图示操作传感器装置的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明，其中相似的参考数字始终用于指代相似的元件，且其中所示结构和装置并不一定按比例绘制。

公开了补偿在向传感器和/或信号处理部件供应电力中的电力中断的系统和方法。电力中断是在相对短的时间段内在供应电力中的打断。

图1是补偿电力中断的传感器系统100的图解。提供简化形式的系统100以便促进理解。可在汽车系统、车辆系统等中利用系统100。系统100可被制造到一个或多个装置中。

系统100包括高电压部件102、电荷存储部件104以及传感器和信号处理部件106。高电压部件102接收高电压供电108并提供低电压供电110。高电压供电108在相对高的电压下，例如12伏、20伏等。在汽车系统中，高电压供电108可由电池装置供应。在一个示例中，高电压供电108在8或更多伏的电压下。在一般低于高电压供电108的电平下提供低电压供电110。在适合于传感器和信号处理部件106的电平下提供低电压供电110。在一个示例中，在大约3伏下提供低电压供电110。在另一示例中，在5或更小伏下提供低电压供电110。

高电压部件102包括用来调节低电压供电110并阻塞反向电压传播到高电压供电108的机构。一般，部件102包括高电压反向阻塞部件和调节装置。阻塞部件减轻负电压、尖峰信号等，以防影响高电压供电108。否则，高电压供电108的源和/或连接到其的其它部件可能被损坏或消极地影响。在一个示例中，高电压反向阻塞部件是配置成阻塞的PMOS晶体管。在另一示例中，高电压反向阻塞部件是阻塞二极管。

部件102的调节装置根据调节输入信号112来调节并生成低电压供电110。在一个示例中，调节装置包括电力NMOS晶体管。调节输入信号112控制低电压供电110的电平。因此，调节输入信号112可在整个范围中变化以在值的范围内在选定电平下选定低电压供电110的输出电平。还认识到，设想其它适当的阻塞部件和调节装置。下面提供适当的机构的一些示例。

传感器和信号处理部件106包括传感器、控制单元、处理单元等中的一个或多个。为了正确的操作，部件106需要低电压供电110。电力中断，例如微中断可使部件106出故障、不稳定、提供不准确的信息等。

电荷存储部件104被配置成在电力中断期间在适当的电平下维持低电压供电110。电荷存储部件104在非中断时间段期间存储并维持电荷。部件104在电力中断期间提供它的存储的电荷的至少一部分以补偿在低电压供电110中的偏差或下降。作为结果，变更高电压部件102的输出的电力中断由电荷存储部件104补偿。

部件104被配置成在选定时间段内存储足以补偿电力中的中断的电荷。在一个示例中，电荷存储部件104包括一个或多个电容器。电容器的大小和配置被选定以减轻成本和面积消耗。例如，可利用垂直电容器，例如沟槽电容器。垂直电容器是具有电极和相对于水平衬底通常垂直地布置的电容器电介质的电容器。此外，电容器可以是低电压电容器，因为它们使用低电压供电110来操作。

此外，电荷存储部件104与高电压部件102和可选地其它部件一起集成在单个封装内。相反，其它方法需要大外部电容器的使用，以便在电力中的中断期间提供电荷。

图2是示出可出现在传感器系统中的电力中断的曲线图200。曲线图200包括描绘高电压供电108的上部分和描绘低电压供电110的下部分。曲线图200描绘在x轴上的时间和在y轴上的伏特。

高电压供电108被示为在上部分中的线。在本例中是微中断的电力中断出现在202处。多种可能的事件可引起中断，例如电源损坏、临时断开连接、磁场等。微中断具有在1-100微秒的范围内的相对短的短暂持续时间。在这个示例中，微中断202导致高电压供电108的下降。在其它中断中，电压可转变成负的，下降到零，等等。

低电压供电110被示为在下部分中的线。电位故障204被显示在与微中断202对应的时间处。故障204导致低电压供电110的电压中的下降。依赖于低电压供电110的部件，例如传感器、处理部件等可能由于故障204而出故障。

然而，利用电荷存储部件，例如上面描述的部件104，通过在故障204和微中断202期间提供它的电荷的至少一部分来减轻故障204的影响。

图3是具有补偿电力中断的沟槽电容器的传感器系统300的图解。可在汽车系统、车辆系统等中利用系统300。此外，系统300可被制造到一个或多个装置中。可使用上面描述的系统100来利用系统300。上面可在系统100的描述中找到相似编号的部件的附加描述。

系统300包括高电压部件102、电荷存储部件104、传感器和信号处理部件106以及高电压电容器314。高电压电容器314从高电压供电108对不想要的信号/噪声进行滤波。

高电压电容器314被配置或选定成适应高电压供电108。高电压电容器包括一个或多个电容器。这些电容器可在一个或多个管芯（包括电荷存储部件104被形成于其上的管芯）上形成。可替换地，电容器314可以是与部件，例如电荷存储部件104物理地分离的外部电容器。一些或所有电容器314是垂直或沟槽电容器，不管是内部的还是外部的。例如，至少一些高电压电容器314可由于大小和成本约束而布置在部件104的外部。在另一示例中，高电压电容器318利用可被形成有系统300的其它部件/与系统300的其它部件集成在一起的一系列低电压电容器。在一个示例中，多个垂直或沟槽电容器串联地连接以便为高电压供电108提供高电压滤波。

高电压供电108在相对高的电压下，例如12伏、20伏等。在汽车系统中，高电压供电108可由电池装置供电。在一个示例中，高电压供电108在8或更多伏的电压下。

高电压部件102接收高电压供电108并提供低电压供电110。在低于高电压供电108的电平下提供低电压供电110。此外，在适合于传感器和信号处理部件106的电平下提供低电压供电110。在一个示例中，在大约3伏下提供低电压供电110。在另一示例中，在5或更小伏下提供低电压供电110。

高电压部件102包括调节低电压供电110并阻塞反向电压等传播到高电压供电108的机构。阻塞部件316耦合到高电压供电108并减轻负电压、尖峰信号等以防影响高电压供电108。否则，高电压供电108的源和/或连接到其的其它部件可能被损坏或消极地影响。在一个示例中，阻塞部件316是配置成阻塞的PMOS晶体管。在另一示例中，阻塞部件316是阻塞二极管。

电力放大器调节装置318耦合到阻塞部件316和低电压供电110。调节装置318根据调节输入信号112生成低电压供电110。在一个示例中，调节装置包括电力NMOS晶体管。调节输入信号112控制低电压供电110的电平。因此，调节输入信号112在整个范围中变化以在值的范围内的选定电平下选定低电压供电110的输出电平。

传感器和信号处理部件106包括传感器、控制单元、处理单元等中的一个或多个。为了正确的操作，部件106需要低电压供电110。电力中断，例如微中断可使部件106出故障、不稳定、提供不准确的信息等。

电荷存储部件104在这个示例中是沟槽电容器。沟槽电容器是垂直电容器。为了说明的目的而提供部件104的横截面视图。

沟槽电容器104被配置成在电力中断期间在适当的电平下维持低电压供电110。在非中断时间段期间，电容器104存储并维持电荷。在电力中断期间，电容器104提供它的存储的电荷的至少一部分以补偿在低电压供电110中的偏差或下降。作为结果，变更高电压部件102的输出的电力中断由沟槽电容器104补偿。

沟槽电容器104与低电压兼容并消耗相对小数量的面积。作为结果，沟槽电容器104可与其它高电压部件102和可选地与其它部件一起被提供到单个封装中。相反，其它方法需要大外部电容器的使用，以便在电力中的中断期间提供电荷。

图4是垂直或沟槽电容器104的横截面视图。电容器104用作电荷存储部件。为了说明的目的在横截面视图中提供电容器104。应认识到，图4所示的尺寸和大小比率仅为了说明的目的。

电容器104包括由适当的半导体材料，例如硅组成的衬底416。由半导体材料形成沟槽。第一垂直电极418在衬底416的沟槽内形成。第一电极418在它的取向上是基本上垂直的。电容器电介质层428在第一电极418上/之上形成。层418也被形成为在它的取向上是基本上垂直的。第二电极422在电介质层420中形成。上层424在其它层之上形成并用于保护下层。上层424包括并提供与第一电极418和第二电极422的互连。

应认识到，设想电容器104的变体，以及可使用上述系统及其变体来利用其它电容器和/或垂直电容器。

图5是描绘可在上面系统中使用的其它适当的阻塞部件的示例的图解。可在一个示例中使用肖特基二极管528。也可在另一示例中使用反串联HVnMOS或HV-DMOS器件526。应认识到，也可使用其它适当的阻塞部件。

图6是在高电压电平下补偿电力中断的传感器系统600的图解。提供简化形式的系统600以便促进理解。可在汽车系统、车辆系统等中利用系统600。系统600可被制造到一个或多个装置中。

系统600包括高电压部件102、低电压电荷存储部件104、传感器和信号处理部件106以及高电压电荷存储部件604。系统600在封装或装置610内形成，除了高电压电荷存储部件604在封装610外部以外。

高电压部件102接收高电压供电108并提供低电压供电110。在适合于传感器和信号处理部件106的电平下提供低电压供电110。在一个示例中，在大约3伏下提供低电压供电110。在另一示例中，在5或更小伏下提供低电压供电110。

高电压部件102包括根据欠电压信号602操作的反向保护装置。如果信号602指示欠电压情况，则反向保护装置从高电压供电108断开。在这个示例中，也有将反向保护装置连接到高电压供电108的电阻器R。

高电压部件102还包括生成低电压供电110的调节装置。调节装置接收调节控制信号以选定用于供电110的低电压电平。

高电压部件102耦合到高电压电荷存储部件604。高电压电荷存储部件604供应减轻的电力中断，并可在电力中断期间向调节装置提供它的存储的电荷的至少一部分。高电压电荷存储部件604以比低电压电荷存储部件104更高的电压操作。高电压电荷存储部件604在一个示例中使用一个或多个垂直电容器，例如沟槽电容器来以高电压操作，并维持、存储和供应用于电力中断的电荷。

在一个示例中，反向保护装置和调节装置的晶体管漏极连接到高电压电荷存储部件604。此外，静电放电（ESD）保护装置606也可耦合到高电压部件102。

低电压电荷存储部件104耦合到低电压供电110。如上面关于图1的电荷部件104所述的，低电压电荷存储部件104维持、存储并提供用于电力中断（包括微中断）的电荷。应认识到，可从系统600省略低电压电荷存储部件104。

类似于上面描述的那些的传感器和信号处理部件106包括传感器、控制单元、处理单元等中的一个或多个。为了正确的操作，部件106需要低电压供电110。电力中断，例如微中断可使部件106出故障、不稳定、提供不准确的信息等。

图7是使用集成高电压电荷存储部件在高电压电平下补偿电力中断的传感器系统700。系统700类似于上面描述的系统600，且它的描述可针对附加的细节而被参考。

代替外部高电压电荷存储部件604，系统700使用在封装或装置712内的集成高电压电荷存储部件704。

高电压电荷存储部件704包括一个或多个垂直电容器。一般，存在以高电压电平共同操作的多个电容器。

应认识到，高电压存储部件604和704及其变体可与上面描述的系统100和300集成在一起。

图8是图示操作传感器装置的方法800的流程图。方法800利用电荷存储部件来在电力中断期间补充低电压供电。可结合上面的系统及其变体来使用方法800。

方法800在块802开始，其中配置电荷存储部件。该部件被配置成具有选定的电荷存储能力和低电压操作。电荷存储能力被选定为足以在一般或预期电力中断持续时间内提供或补充低电源。在一些示例中，电荷存储器被选定成在20微秒的电力中断持续时间内提供电力。

电荷存储部件由至少一个垂直电容器，例如沟槽电容器组成。此外，该部件可包括多个垂直电容器和/或单个垂直电容器。在一个示例中，至少一个电容器是具有垂直电极和垂直电容器电介质的沟槽电容器。

在块804，在正常操作期间将电荷存储在电荷存储部件内。在正常操作或非电力中断时间段期间将电荷从低电压供电和/或高电压供电提供到部件。足够的电荷被存储以按需要补充或提供足够的电力。

在块806，低电压供电从高电平供电由调节装置生成。控制信号可用于选定或调节低电压供电。高电平供电比低电压供电在更高的电压电平下。在一个示例中，高电平供电在大约10伏之上，而低电平供电在大约5伏之下。

在块808，低电压供电在电力中断时由电荷存储部件补充。来自电荷存储部件的所存储的电荷用于补充或缓冲低电压供电。该供电被带到允许部件，例如传感器元件和处理部件的操作的至少阈值/电压。所存储的电荷一般对电力中断的短暂持续时间是足够的。

在一个变体中，高电压供电在电力中断时由高电压电荷存储部件补充。高电压电荷存储部件被配置成在高电压下操作并具有足够的电荷存储能力。在一个示例中，高电压电荷存储部件包括单独地可以没有高电压能力的多个电容器，包括垂直电容器。

在另一变体中，使用一个或多个高电压电容器来对高电压供电进行滤波。这些电容器对高电压供电进行滤波以移除不需要的噪声和分量。电容器可包括低电压电容器和高电压电容器中的一个或多个。此外，一些或所有电容器可在具有电荷存储部件的管芯上形成。此外，一些或所有电容器可在电荷存储部件和/或低电压供电产生调节装置之外形成。一般，高电压电容器包括垂直电容器，例如沟槽电容器。

如上所述，电力中断是所提供的电力的临时减少或损失。在一个示例中，电力中断是微中断，并在短的时间段内，例如在20微秒或更少内出现。

虽然方法及其变体在下面被图示和描述为一系列行动或事件，应认识到，这样的行动或事件的所示排序不应在限制性的意义上被解释。例如，一些行动可以按不同的次序和/或与除了在本文图示和/或描述的那些行动或事件以外的其它行动或事件同时出现。此外，不是所有图示的行动都可能需要来实现本文的公开的一个或多个方面或实施方式。此外，可在一个或多个分开的行动和/或阶段中执行在本文描绘的一个或多个方面。

应认识到，可使用标准编程和/或工程设计技术将所要求保护的主题实现为方法、设备或制品以产生软件、固件、硬件或其任何组合以控制计算机来实现所公开的主题（例如图1、2所示的系统/装置是可用于实现上述方法的系统的非限制性示例）。如在本文所使用的术语“制品”旨在包括从任何计算机可读装置、载体或介质可访问的计算机程序。当然，本领域中的技术人员将认识到，可对这个配置进行很多修改而不偏离所要求保护的主题的范围或精神。

传感器装置包括高电压部件、传感器部件和电荷存储部件。传感器部件利用低电压供电。高电压部件被配置成从高电压供电生成低电压供电。电荷存储部件被配置成在电力中断期间为低电压供电提供电荷。电荷存储部件具有垂直电容器。

在一个示例中，垂直电容器是在水平衬底中形成的沟槽电容器并具有通常垂直的电极。在另一示例中，垂直电容器在小于5伏的低电压下操作。在又一示例中，电荷存储部件和高电压部件在封装内形成。在另一示例中，另一传感器被配置成使用低电压电压以进行操作。

传感器装置包括高电压反向保护部件、调节装置、高电压电荷存储部件和传感器部件。高电压反向保护部件耦合到高电压供电并被配置成在欠电压情况时隔离高电压供电。调节装置耦合到高电压反向保护部件并被配置成从高电压供电生成低电压供电。高电压电荷存储部件耦合到高电压反向保护部件。高电压电荷存储部件被配置成在电力中断时向调节装置提供高电压电荷。传感器部件被配置成在电力中断期间使用低电压供电来操作。

公开了操作传感器装置的方法。电荷存储部件被配置成具有选定电荷存储能力并在低电压下操作。电荷存储部件包括垂直电容器。电荷在正常操作期间被存储在电荷存储部件中。低电压供电从高电平供电由调节装置生成。低电平供电在电力中断时由电荷存储部件补充。

特别是关于由上述部件或结构（组件、装置、电路、系统等）执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语（包括对“装置”的提及）旨在对应于（除非另有指示）执行所述部件的规定功能的任何部件或结构（例如其在功能上是等效的），即使在结构上不等效于执行在本发明的本文图示的示例性实现中的功能的所公开的结构。此外，虽然可关于几个实现中的仅仅一个已经公开了本发明的特别的特征，但这样的特征可与其它实现的一个或多个其它特征组合，如对任何给定或特别的应用可以是期望和有利的。此外，在术语“包括”、“包括了”、“具有”、“具有了”、“带有”或其衍生在详细描述和权利要求中被使用的方面来说，这样的术语以与术语“包含”类似的方式旨在是包含性的。

Claims (20)

1.一种传感器装置，包括：

传感器部件，被配置成利用低电压供电；

高电压部件，被配置成从高电压供电生成所述低电压供电；以及

电荷存储部件，具有垂直电容器并被配置成在电力中断期间为所述低电压供电提供电荷。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述垂直电容器包括在半导体衬底中形成的沟槽电容器。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述垂直电容器是低电压电容器并在小于5伏的电压下操作。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述电荷存储部件和所述高电压部件在封装内形成。

5.如权利要求1所述的装置，还包括配置成使用所述低电压供电以进行操作的另一传感器。

6.如权利要求5所述的装置，还包括配置成使用所述低电压供电的信号处理部件。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述高电压部件包括配置成在欠电压情况时隔离所述高电压供电的高电压反向阻塞部件和配置成根据低电压调节控制信号来调节所述低电压供电的调节装置。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器部件是磁传感器。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述高电压供电高于10伏，而所述低电压供电低于5伏。

10.如权利要求1所述的装置，还包括配置成在所述电力中断期间向所述高电压部件提供高电压电荷的高电压电荷存储部件。

11.如权利要求1所述的装置，还包括配置成对所述高电压供电进行滤波的高电压滤波器，所述高电压滤波器包括多个低电压垂直电容器。

12.如权利要求1所述的装置，还包括配置成对所述高电压供电进行滤波的高电压滤波器，所述高电压滤波器包括多个外部垂直电容器。

13.一种传感器装置，包括：

高电压反向保护部件，耦合到高电压供电并被配置成在欠电压情况时隔离所述高电压供电；

调节装置，耦合到所述高电压反向保护部件并被配置成从所述高电压供电生成低电压供电；

高电压电荷存储部件，耦合到所述高电压反向保护部件并被配置成在电力中断时向所述调节装置提供高电压电荷；以及

传感器部件，被配置成在所述电力中断期间使用所述低电压供电来操作。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述高电压电荷存储部件包括多个低电压垂直电容器。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述高电压电荷存储部件包括沟槽电容器。

16.如权利要求13所述的装置，还包括配置成在所述电力中断时向所述传感器部件提供低电压电荷的低电压电荷存储部件。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述电力中断具有小于20微秒的持续时间。

18.一种操作传感器装置的方法，所述方法包括：

配置电荷存储部件以具有选定电荷存储能力并在低电压下操作，其中电荷存储部件包括垂直电容器；

在正常操作期间将电荷存储在所述电荷存储部件中；

从高电平供电由调节装置生成低电平供电；以及

在电力中断时由所述电荷存储部件补充所述低电平供电。

19.如权利要求18所述的方法，还包括使用所述低电平供电得到传感器测量。

20.如权利要求18所述的方法，还包括通过以下来形成所述垂直电容器：

在半导体材料中形成沟槽，

在所述沟槽中形成第一垂直电极；

在所述第一电极内形成电容器电介质材料；以及

在所述电容器电介质材料内形成第二垂直电极。