CN107329102B

CN107329102B - 一种传感器校准方法和用户可校准传感器结构

Info

Publication number: CN107329102B
Application number: CN201710626774.9A
Authority: CN
Inventors: 黄海滨; 马辉; 尹有杰
Original assignee: Hangzhou Sitai Microelectronics Co ltd
Current assignee: Hangzhou Sitai Microelectronics Co ltd
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107329102A

Abstract

本发明涉及传感器芯片，具体为一种传感器校准方法和用户可校准传感器结构，能够在不需要额外管脚的条件下进行校正，一种传感器校准方法，校准步骤包括：（1）传感器芯片工作于测试模式，传感器芯片的输出管脚输出测量值，外部设备\根据上述测量值计算得到校准值；（2）传感器芯片工作于编程模式，从输出管脚输入步骤（1）中得到的校准值，并进行存储；（3）传感器芯片工作于工作模式，输出经过芯片内部存储的校准值校准后的测量值，传感器芯片包括测试模式、编程模式和工作模式三种模式，测试模式下，传感器芯片的输出管脚输出测量值，编程模式下，传感器芯片的输出管脚输入校准值，工作模式下，传感器芯片的输出管脚输出经校准后的测量值。

Description

一种传感器校准方法和用户可校准传感器结构

技术领域

本发明涉及传感器芯片，更具体的涉及一种通过新的基于集成电路的传感器校正架构来完成量产芯片或客户使用芯片中的校正，具体为一种传感器校准方法和用户可校准传感器结构。

背景技术

传感器是那些可以自然信号（温度、磁场及压力等）变化转换为电信号变化的器件，这些器件由于其工作机理的不同，可以划分为温度传感器、磁传感器及压力传感器等。由于半导体技术的飞速发展，目前大多数传感器已经集成到了半导体硅片上，从而成为半导体集成传感器。

由于半导体器件本身的特性，半导体集成传感器的测量精度容易受到外界环境的干扰（如环境温度、封装应力），其中影响最大的是封装应力。目前广泛使用的塑封体封装方式：将切割好的半导体晶圆用塑封体包裹。这种包裹固然会对脆弱的晶圆提供保护，但也对晶圆带来了应力的影响，由应力带来的晶圆形变将改变晶圆上器件的特性，从而引发传感器的测量误差。

故此，大部分半导体集成传感器均需要在封装完成后进行校准，甚至由于应用环境的要求，在半导体集成传感器焊接到PCB板后由客户进行校准。另一方面，由于当前电子设备小型化要求，其PCB板的面积持续缩小，客户希望能缩小包括半导体集成传感器在内的芯片面积。基于以上要求，在保持芯片管脚数量最少的条件下进行校准就成为了半导体集成传感器芯片的重要特性。

图1显示了一种典型的磁传感器芯片外观：其中100是传感器芯片； 103是芯片的接地管脚，102是芯片的电源管脚；101是芯片的检测信号输出管脚，其输出管脚电压随着芯片上集成的磁传感器感应到的周边磁场大小和极性而变化。

以上所述的磁传感器，经常会面临的问题是：

由于封装应力的影响，该磁传感器芯片的检测信号输出部分可能与标准的输出电压产生误差，如：在S磁场强度下，应该会有A的电压输出，但实际输出为A+ΔA，其中ΔA为封装应力所引起的误差；

在特定使用环境下存在恒定的背景磁场ΔT，客户希望该磁传感器敏感的磁场为T，在这样的使用环境下，磁传感器输出电压为B+ΔB，其中B与ΔB分别对应T与ΔT。但客户要求磁传感器的输出剔除背景磁场的影响，仍然保持输出为B；

以上问题都需要对传感器芯片进行校正，从而消除误差或进行客户所需要的调整。目前需要进行校正的话需要在芯片上增加额外管脚，导致占用较多的PCB板的面积。

但是，由于传感器芯片的管脚资源有限，如何在不需要额外管脚的条件下进行校正就成为了本发明需要解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种传感器校准方法和用户可校准传感器结构，其能够在不需要额外管脚的条件下进行校正。

其技术方案是这样的：一种传感器校准方法，其包括传感器芯片，其特征在于，传感器芯片包括测试模式、编程模式和工作模式三种模式，校准步骤包括：

（1）传感器芯片工作于测试模式，传感器芯片的输出管脚输出测量值，外部设备\根据上述测量值计算得到校准值；

（2）传感器芯片工作于编程模式，从输出管脚输入步骤（1）中得到的校准值，并进行存储；

（3）传感器芯片工作于工作模式，输出经过芯片内部存储的校准值校准后的测量值。

其进一步特征在于，当传感器芯片的电源管脚的电压低于阈值，且芯片内部工作模式标志位为初始值时，传感器芯片处于测试模式；当传感器芯片的电源管脚的电压高于阈值，且芯片内部工作模式标志位为初始值时，传感器芯片处于编程模式；当芯片内部工作模式标志位变更为设定值后，传感器芯片处于工作模式。

一种用户可校准传感器结构，其包括传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片包括测试模式、编程模式和工作模式三种模式，测试模式下，所述传感器芯片的输出管脚输出测量值，编程模式下，所述传感器芯片的输出管脚输入校准值，工作模式下，所述传感器芯片的输出管脚输出经校准后的测量值。

其进一步特征在于，所述传感器芯片内设置有标准电压产生器、比较器、传感器、存储控制模块和双向选择开关，所述标准电压产生器输入端连接所述传感器芯片的电源管脚、第一电阻一端，所述第一电阻另一端连接第二电阻一端、所述比较器的一个输入端，所述第二电阻另一端连接所述传感器芯片的接地管脚、第二开关的一端，所述第二开关另一端连接第一开关一端、所述比较器的另一个输入端，所述第一开关另一端连接所述标准电压产生器的输出端，所述比较器的输出端连接所述双向选择开关的选通信号端、所述存储控制模块一端，所述存储控制模块的输出端连接所述传感器的输入端，所述存储控制模块的输入端、传感器的输出端分别连接所述双向选择开关的一个支路，所述双向选择开关的输出端连接所述传感器芯片的输出管脚；

所述存储控制模块包括数字控制模块和数字存储模块，所述数字控制模块实现数据的写入与读出，所述数字存储模块存储工作模式标志数据和所述校正值数据。

采用本发明后，通过传感器芯片内部测试模式、编程模式和工作模式三种模式的切换，实现了数据校正，无需额外增加传感器芯片外部管脚。

附图说明

图1为现有技术结构示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明三种模式转换的状态图；

图4为本发明测试模式下原理图；

图5为本发明编程模式下原理图；

图6为本发明工作模式下原理图；

图7为本发明扩展原理图。

具体实施方式

见图2，图3所示，一种用户可校准传感器结构，其包括传感器芯片200,202为电源管脚，203为接地管脚，传感器芯片包括测试模式、编程模式和工作模式三种模式，测试模式下，传感器芯片200的输出管脚201输出测量值，编程模式下，传感器芯片200的输出管脚201输入校准值，工作模式下，传感器芯片200的输出管脚201输出经过校准后的测量值。传感器芯片200内设置有Bandgap标准电压产生器204、比较器205、传感器206、存储控制模块207和双向选择开关208，Bandgap标准电压产生器204输入端连接传感器芯片200的电源管脚202、第一电阻212一端，第一电阻212另一端连接第二电阻213一端、比较器205的一个输入端，第二电阻213另一端连接传感器芯片200的接地管脚203、第二开关211的一端，第二开关211另一端连接第一开关210一端、比较器205的另一个输入端，第一开关210另一端连接Bandgap标准电压产生器204的输出端，比较器205的输出端连接双向选择开关208的选通信号端、存储控制模块207一端，存储控制模块207的输出端连接传感器206的输入端，存储控制模块207的输入端、传感器206的输出端分别连接双向选择开关208的一个支路，双向选择开关208的输出端连接传感器芯片200的输出管脚201；存储控制模块207包括数字控制模块和数字存储模块，数字控制模块实现数据的写入与读出，数字存储模块存储模式标志数据和校正值数据。

校准步骤包括：

（1）传感器芯片工作于测试模式，传感器芯片的输出管脚输出测量值，外部设备可以根据这些测量值计算得到校准值；

（2）传感器芯片工作于编程模式，从输出管脚输入根据步骤（1）中的测量值计算得到的校准值，并进行存储；

当传感器芯片的电源管脚的电压低于阈值，且芯片内部工作模式标志位为初始值（值为0）时，传感器芯片处于测试模式；当传感器芯片的电源管脚的电压高于阈值，且芯片内部工作模式标志位为初始值（值为0）时，传感器芯片处于编程模式；当芯片内部工作模式标志位被设定后（值为1）后，在任何电源管脚电压下芯片皆处于工作模式。测试模式如图4所示，其出现条件为：

207模块中数字存储模块的工作模式标志为0；

芯片电源管脚（202）的电压不超过设定的阈值（该阈值通过调整212与213的阻值大小比例设定），例如：4V；

当202管脚电压为3.3V时，Bandgap模块（204）输出标准电压1.2V，这个电压与202管脚电压与212和213的分压值进行比较，比较器模块（205）的输出控制207与208模块：

207模块控制210闭合，211关断；

208模块中208A闭合，208B关断；

磁传感器206的测量结果通过208A向201管脚输出。用户或测试系统可以在这个时刻对该结果进行测量，通过将磁场激励强度设置为已知量，外部设备可以对照标准进行计算，并得到校准值。

编程模式如图5所示，其出现条件为：

207模块中数字存储模块的工作模式标志为0；

芯片电源管脚（202）的电压超过设定的阈值（该阈值通过调整212与213的组织大小比例设定），例如：4V；

当202管脚电压为5V时，Bandgap模块（204）输出标准电压1.2V，这个电压与202管脚电压与212和213的分压值进行比较，比较器模块（205）的输出控制207与208模块：

208模块中208A关断，208B闭合；

207模块进入到写入数字存储模块模式：

207模块接受通过201管脚经208B发送过来的地址与数据信号；

207模块完成与上述地址与数据相吻合的数字存储模块的数据写入；

207模块中的数字存储模块如图5所示，包含数字校正字节与系统工作模式标志位；

磁传感器接受外部设备（用户设备或芯片测试设备）通过201管脚经208B输入的地址与数据信号，这些信号可以使用各种标准串行总线协议，也可以是自定义的简化串行总线协议。写入的数据信号是用户或测试系统根据上一个测试模式所获取的测试结果计算得出的校准信号；

需要特别指出的是，用户在本次编程模式中可以选择写入系统工作模式标志位，一旦系统工作模式标志位被写入（值从0变化到1），传感器芯片将永远保持在工作模式，无论202管脚的工作电平是任何值。

工作模式如图6所示，其出现条件为：

207模块中数字存储模块的工作模式标志为1；

207模块根据工作模式标志为1的状态，控制210关断，211闭合，将比较器的一端电位拉到地电位。比较器205的输出将保持208A闭合，208B关断，传感器芯片将保持在201持续输出传感器206感应电压状态；

通常，客户或量产测试中也希望测量并校准芯片上其它的参数，如：基准电流源大小、振荡器的工作频率等。本方案在图2的基础上进行扩展，如图7所示。其基本结构与图2类似，传感器芯片300的输出管脚301输出测量值，传感器芯片300内设置有Bandgap标准电压产生器304、比较器305、传感器306、存储控制模块307和选择开关308，Bandgap标准电压产生器304输入端连接传感器芯片300的电源管脚302、第三电阻312一端，第三电阻312另一端连接第四电阻313一端、比较器305的一个输入端，第四电阻313另一端连接传感器芯片300的接地管脚303、第三开关311的一端，第三开关311另一端连接第四开关310一端、比较器305的另一个输入端，第四开关310另一端连接Bandgap标准电压产生器304的输出端，比较器305的输出端连接选择开关308的选通信号端、存储控制模块307一端，存储控制模块307的输出端连接传感器306的输入端；选择开关308内部设置308A和308B两路。

所不同的是：

在测试模式下，通过控制数字控制模块307，依次将所需要的多个信号（参考图中306虚线标注）依次通过308A输出至管脚301，而不是仅仅输出单个信号；于此同时，外部设备不断采集输出的多个信号，并根据参数计算出各自相应的校正值；

在编程模式下，写入的校正值和地址位也更多，从而满足对多个信号的校正任务；

通过以上变化，可以保证在一根管脚的基础上对芯片的多个信号/参数进行校正，从而充分利用了芯片的管脚资源，方便了用户的使用和测试工作。

Claims

1.一种用户可校准传感器结构，其包括传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片包括测试模式、编程模式和工作模式三种模式，测试模式下，所述传感器芯片的输出管脚输出测量值，编程模式下，所述传感器芯片的输出管脚输入校准值，工作模式下，所述传感器芯片的输出管脚输出经校准后的测量值；所述传感器芯片内设置有标准电压产生器、比较器、传感器、存储控制模块和双向选择开关，所述标准电压产生器输入端连接所述传感器芯片的电源管脚、第一电阻一端，所述第一电阻另一端连接第二电阻一端、所述比较器的一个输入端，所述第二电阻另一端连接所述传感器芯片的接地管脚、第二开关的一端，所述第二开关另一端连接第一开关一端、所述比较器的另一个输入端，所述第一开关另一端连接所述标准电压产生器的输出端，所述比较器的输出端连接所述双向选择开关的选通信号端、所述存储控制模块一端，所述存储控制模块的输出端连接所述传感器的输入端，所述存储控制模块的输入端、传感器的输出端分别连接所述双向选择开关的一个支路，所述双向选择开关的输出端连接所述传感器芯片的输出管脚；所述存储控制模块包括数字控制模块和数字存储模块，所述数字控制模块实现数据的写入与读出，所述数字存储模块存储工作模式标志数据和所述校准值的数据。