CN109946637A - 冗余组合读出 - Google Patents

Abstract

本公开涉及冗余组合读出。本发明涉及一种包括四个或更多个传感器元件的传感器设备。包括控制电路的控制器控制传感器元件以测量环境属性，产生与该测量相对应的多于两个的值，并比较这些值以确定故障。通过具有至少一个共同的传感器元件和一个非共同的传感器元件的传感器元件的不同组合来获得多于两个的值。这些值可以在不同的坐标系中测得，并且控制电路可以将场矢量转换到共同的坐标系中。

Description

冗余组合读出

技术领域

本发明总体上涉及场传感器故障检测结构、电路和方法。

背景技术

传感器被广泛用于电子设备中以测量环境的属性并报告测量到的传感器值。具体地，磁传感器用于例如在诸如汽车的运输系统中测量磁场。磁传感器可以包含霍尔效应传感器或磁阻材料，霍尔效应传感器生成与施加的磁场成比例的输出电压，磁阻材料的电阻响应于外部磁场而改变。在许多应用中，期望传感器是小的并且与电子处理电路集成，以便减小总体传感器尺寸并提供改进的测量和集成到外部电子系统中。例如，申请US2016/299200描述了一种用于测量磁场的霍尔效应磁传感器，该霍尔效应磁传感器包括在基板上的半导体材料中形成的集成电路，以及绝缘层和粘合层。

来自传感器的测量会随时间漂移，从而即使在暴露于相同的场时也提供不同的测量。例如，场测量会从期望的标称值偏离，灵敏度会变化，使得测量是期望值的倍数(大于或小于1)，或测量是期望值的大于1的倍数且测量是期望值的小于1的倍数。这种变化可能是环境条件(例如，温度或湿度)或操作因素(诸如，振动或老化)变化的结果。此外，由于类似的原因，设备可能随着时间而失效。此外，制造传感器的材料可能具有影响传感器响应的精度、偏移偏置或对称性的缺陷。

因此，重要的是要包括诊断能力，以检测复杂的安全关键性系统(诸如，汽车系统)中的故障或失效，以便可以执行维修或者可以为任何故障或失效的传感器设备提供替换。例如，WO2015/038564描述了一种用于验证来自霍尔效应传感器系统中的磁霍尔效应传感器的测量的方法。在此方法中，霍尔效应传感器用具有第一值的激励电流激励。当霍尔效应传感器用具有第一值的激励电流激励时，对应于霍尔效应传感器的电压输出的第一测量被获得。另外，霍尔效应传感器用具有第二值的激励电流激励，该第二值不同于第一值。当霍尔效应传感器用具有第二值的激励电流激励时，对应于霍尔效应传感器的电压输出的第二测量被获得。然后，至少基于第一测量和第二测量来验证霍尔效应传感器的操作。

在US2016/252599中描述了用于管理磁场传感器中的诊断的另一种方法。该设计使用与磁场传感器相关联的、提供错误信息的开关。具体而言，提供一种设备，该设备包括磁场传感器、与磁场传感器相关联的多个开关、以及控制电路，该控制电路被配置为控制多个开关并且基于开关的操作来提供至少一个指示故障的信号。

US 9,523,589描述了一种旋转角度测量装置，该装置具有四个霍尔元件对，这四个霍尔元件对用于检测四个不同方向上的磁场分量并且用于计算旋转磁体的位置。比较检测到的场分量的角度来确定故障。在该设计中，幅度计算单元基于来自第一霍尔元件对和第二霍尔元件对的输出信号的强度来计算表示来自旋转磁体的磁场强度的第一幅度值M，并且基于来自第三霍尔元件对和第四霍尔元件对的输出信号的强度来计算表示来自旋转磁体的磁场强度的第二幅度值Mc。因此，幅度计算单元基于来自多对霍尔元件(即，磁传感器)的输出信号计算多条幅度信息；输出信号对应于多条旋转角度信息，并且通过比较多条旋转角度信息并且在一些版本中通过旋转元件场的强度来确定故障。

US 8,749,005描述了一种具有多个多边形布置的竖直霍尔元件的磁场传感器。US9,581,426公开了一种在磁感测表面上具有四个磁-电换能器的磁场测量设备。US 7,664,619描述了一种用于旋转角度检测设备的故障检测单元，该故障检测单元通过将测量到的值与正常范围进行比较，并以其他方式确定故障。

由于场传感器在传感器材料或设备中会受到导致不正确的场测量的操作或结构故障或缺陷的影响，，因此，在传感器设备和系统中需要操作并测试这些传感器设备和系统以在关键操作条件下检测或校正传感器中的故障的电路和方法。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种能够使用不同的传感器布置进行对相同物理量的冗余测量的传感器设备。

上述目标通过根据本发明的解决方案来实现。

本发明的实施例提供一种场传感器设备，其包括：第一场传感器，以第一取向设置，该第一场传感器响应于外部场以产生第一传感器信号；第二场传感器，以与第一取向不同的第二取向设置，该第二场传感器响应于外部场以产生第二传感器信号；以及控制器，具有控制电路，该控制电路控制第一和第二场传感器以产生相应的第一和第二传感器信号，接收第一和第二传感器信号，将第一或第二传感器信号或这两者转换为在共同取向上的等效可比较的传感器信号，比较可比较的传感器信号以确定有故障的场传感器(如果有的话)，并且如果确定有故障的场传感器，则可选地提供故障传感器信号，并确定第一和第二场传感器中的哪一个有故障，或者如果没有确定有故障的传感器，则响应于第一、第二或可比较的传感器信号提供输出传感器信号。

根据本发明的实施例，场是具有幅度和方向的环境属性或特性，例如，矢量场。在各种实施例中，场可以是磁场、压力场、电场或重力场，并且场传感器可以是磁场传感器、压力场传感器、电场传感器或重力场传感器。

在本发明的一些实施例中，第一取向在两个正交的维度中与第二取向不同。在本发明的其他实施例中，第一取向在三个正交的维度中与第二取向不同。第一和第二取向可以是对应的第一和第二坐标系、方向或维度。传感器的取向由传感器提供的测量的轴线确定。如果第一传感器具有与第二传感器的测量轴线不共线的测量轴线，则第一传感器和第二传感器至少在由测量轴线限定的维度上具有不同的取向。

在一些配置中，控制电路包括存储电路，用于存储第一传感器信号、第二传感器信号和任何可比较的传感器信号中的任何一个或多个。在一些配置中，控制电路包括转换电路(例如，具有存储的软件程序的计算机)，用于将第一传感器信号和第二传感器信号中的任一个或这两者转换到不同的取向或坐标系。在一些配置中，控制电路包括比较电路，用于比较第一传感器信号、第二传感器信号和任何可比较的传感器信号中的任何一个或多个。

在一些实施例中，第一或第二场传感器是可以测量场矢量相对于坐标的角度系统的角度的角度场传感器，该角度场传感器包括一个或多个传感器元件，成对的传感器元件，或者是具有多个传感器元件的桥式传感器。每个传感器元件或每对传感器元件可以测量特定方向上的场矢量，并且共同的角度场传感器中的传感器元件或成对的传感器元件可以正交地布置以测量不同方向上的场，从而提供相对于坐标系的角度测量。例如，第一角度场传感器可以测量具有方向和幅度的场，并且根据第一坐标系提供具有两个分量(例如Bx，By)的角度传感器测量。第二角度场传感器可以测量相同的场，并且根据不同于第一坐标系的第二坐标系提供具有两个分量(例如Bx’，By’)的角度传感器测量。在不同坐标系中进行的两次测量可以通过将它们转换为共同的、可比较的坐标系来进行比较，例如，通过将Bx’和By’测量转换到第一坐标系，通过将Bx和By测量转换到第二个坐标系，或通过将Bx和By测量以及Bx’和By’两者的测量转换到第三个共同的坐标系。

在一些配置中，第一和第二场传感器被设置在包括基板材料的设备基板上，并且第一或第二场传感器包括至少部分地不同于基板材料的一种或多种传感器材料。基板材料可以是半导体，并且控制电路可以至少部分地形成在半导体基板中或半导体基板上。控制电路可以包括控制电路材料，该控制电路材料至少部分地不同于基板材料，并且控制电路可以设置在基板上。

根据本发明的实施例的诊断场传感器设备的方法包括：提供场传感器设备；向场传感器设备提供电力；使用控制电路控制第一和第二场传感器产生相应的第一和第二传感器信号；使用控制电路接收第一和第二传感器信号；使用控制电路将第一或第二传感器信号或这两者转换为共同取向上的等效可比较的传感器信号；以及使用控制电路比较可比较的传感器信号，并确定第一或第二场传感器是否有故障；以及如果确定了有故障的场传感器，则使用控制电路响应于可比较的传感器信号提供故障传感器信号，并且可选地，确定第一和第二场传感器中的哪一个有故障，或者如果有故障的场传感器未被确定，则使用控制电路响应于第一、第二或类似的传感器信号以提供输出传感器信号。如果第二场传感器有故障，则可以提供作为第一传感器信号或从第一传感器信号导出的输出传感器信号。如果第一场传感器有故障，则可以提供作为第二传感器信号或从第二传感器信号导出的输出传感器信号。因此，即使当场传感器中的一个发生故障时，本发明的场传感器设备也可以通过识别失效的场传感器并使用来自剩余的其他场传感器的传感器信号来继续操作。

在一些实施例中，第一传感器或第二传感器包括两个或更多个传感器元件，并且如果第一或第二传感器中的一个有故障，则通过比较第一和第二传感器的不同测量并对该不同测量进行分类来确定两个或多个传感器元件中的哪一个有故障，其中第一传感器测量x和y维度上的场，并且第二传感器测量不同于x、y维度的x’和y’维度上的场。如果测量被转换到第一坐标系，并且差异在x方向上，则第一传感器的x传感器元件有故障。如果差异在y方向上，则第一传感器的y传感器元件有故障。如果差异在x’方向，则第二传感器的x’传感器元件有故障。如果差异在y’方向，则第二传感器的y’传感器元件有故障。当差异超过预定的幅度阈值、公差或裕度时，可以确定该差异，从而不必将小的差异(例如，由于制造可变性而导致的差异)视为故障。

在一些实施例中，在第一时间重复这些步骤，并且存储第一、第二或任何可比较的传感器信号。在不同于第一时间的第二时间重复这些步骤，并且比较、处理或组合所存储的信号中的任何一个或多个以及第二时间的第一、第二或可比较的传感器信号中的任何一个。在其他实施例中，可比较的传感器信号或从第一和第二传感器信号导出的信号被组合以提供输出传感器信号。在本发明的各种实施例中，传感器是磁霍尔效应传感器或磁阻传感器。传感器可以是桥式传感器，可以包含多个传感器元件或者可以包含一对或多对传感器元件。成对的传感器元件可以在场传感器内以不同的方向或维度取向。

在本发明的实施例中，传感器设备包括四个或更多个传感器元件并包括控制器，该控制器包括控制电路，该控制电路控制四个或更多个的传感器元件测量环境属性，并产生对应于测量的两个或更多个值。两个或更多个值中的每一个值从具有至少三个非共线传感器元件的四个或更多个传感器元件的集合获得。控制电路比较所获得的值以确定故障(如果存在的话)。每一组传感器元件包括与其他组共同的至少一个传感器元件。每个组包括不包括被在其他组中的指示一个不同的传感器元件和/或这些组测量不同取向上的环境属性。

在一些实施例中，任何传感器元件中的至少两个在第一坐标系中形成第一线，并且任何传感器元件中的至少两个在与第一坐标系不同的第二坐标系中形成不同于第一线的第二线。包括控制电路的控制器控制传感器元件以测量环境属性，例如，场(诸如，磁场)，产生对应于测量的多于两个的值(例如，场矢量)，并比较这些值以确定对应于故障传感器元件的故障值。在一些实施例中，在不同的坐标系中测量这些值中的至少两个值，并且控制电路将这些值转换到共同的坐标系中。在其他实施例中，这些值在相同的坐标系中被测量，但是用至少部分不相同的传感器元件确定这些值。

在一些实施例中，四个传感器元件以四边形、矩形、正方形或圆形布置被布置，并且控制电路组合来自限定具有不同方向的线的成对的传感器元件的测量，以产生测量到的值。

操作本公开的实施例的传感器设备的方法包括：使用控制电路以利用传感器元件来测量环境属性；组合传感器元件测量以产生表示环境属性的多于两个的值；以及比较这些值(例如，场矢量，诸如，磁场矢量)来确定故障(如果存在的话)。

在实施例中，值是场矢量，并且来自限定具有不同方向的线的成对传感器元件的测量被组合以产生场矢量，并且不同方向可以是正交的。值或场矢量可以在不同的坐标系中产生，并且可以转换到共同的坐标系中。

本发明的实施例提供了使用更小且更便宜的电路的、具有改进的诊断能力的传感器设备，并且可以补偿或检测传感器或传感器材料中的故障或细微缺陷。故障可以包括但不限于断开、高电阻连接、短路或材料故障。检测可以在传感器电路正在操作的同时发生。

出于对本发明以及相对现有技术所实现的优势加以总结的目的，上文已描述了本发明的某些目的和优势。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本发明的任何特定实施例而实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到本发明可按实现或优化如本文中所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定要实现如本文可能教导或建议的其他目的或优势。

参考本文以下描述的(多个)实施例，本发明的上述和其他方面将是显而易见的和可阐明的。

附图说明

通过参照以下结合附图的描述，本公开的前述和其他目标、方面、特征和优点将变得更加明显且更好理解，在附图中：

图1是本发明的说明性实施例的透视图。

图2是本发明的其他说明性实施例的透视图。

图3是本发明另一说明性实施例的透视图。

图4是本发明的替代说明性实施例的透视图。

图5A示出了根据本发明实施例的第一坐标系。图5B示出了根据本发明实施例的第二坐标系。图5C示出了根据本发明实施例的第三坐标系。

图6是根据本发明的说明性实施例的控制器的透视图。

图7是根据本发明的说明性实施例的方法的流程图。

图8是根据本发明说明性实施例的坐标系中的传感器元件的示意图。

图9是根据本发明的说明性实施例的具有在两个不同坐标系中的传感器元件的场传感器的示意图。

图10和图11是根据本发明的说明性实施例的两个不同坐标系中的场矢量的图示。

图12是根据本发明的说明性实施例的在x坐标测量中具有误差的场矢量的图示。

图13是根据本发明的说明性实施例的在y坐标测量中具有误差的场矢量的图示。

图14A是在经旋转的x’坐标测量中具有误差的场矢量的图示，并且图14B是根据本发明的说明性实施例的、图14A的测量到的场矢量在x，y坐标系中的图示。

图15A是在经旋转的y’坐标测量中具有误差的场矢量的图示，并且图15B是根据本发明的说明性实施例的、图15A的测量到的场矢量在x，y坐标系中的图示。

图16是根据本发明的说明性实施例的传感器元件对和不同坐标系的图示。

图17是根据本发明的说明性实施例的流程图。

图18A和图18B是根据本发明的说明性实施例的传感器元件对的图示。

图19A和图19B是根据本发明的说明性实施例的传感器元件对的图示。

图20A、图20B、图20C和图20D是根据本发明的说明性实施例的传感器元件对的图示。

图21是根据本发明的说明性实施例的另一配置和坐标系中的传感器元件对的图示。

具体实施方式

将针对具体实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。当结合附图时，本公开的特征和优点将从以下阐述的详细描述中变得更加明显，在附图中，相同的字符在整个说明书中标识对应的要素。在附图中，相同的附图标记一般指示完全相同的、功能上类似的和/或结构上类似的要素。这些图不是按比例绘制的，因为图中各种要素的尺寸变化过大而不允许按比例绘制。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明实施例能够以与本文中所描述或展示的顺序不同的顺序来操作。

要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件，或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由部件A和B构成的设备。它意味着对于本发明，该设备的仅有的相关部件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语在“一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，而是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时对特定术语的使用不应当用来暗示该术语在本文中被重新定义以受限于包括与所述术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。

在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。

本发明的实施例提供了使用更小且更便宜的电路的、具有改进的诊断能力的传感器设备，并且可以在传感器设备正在运行时补偿、检测或诊断传感器材料中的故障或细微缺陷或传感器的损坏。这些缺陷可以是用于制造传感器的材料中固有的，或者可以是由于使用或响应于传感器上的机械或其他环境应力而随时间形成的。在本发明的各种实施例中，传感器可以检测具有包括方向和幅度的矢量的场，例如磁场、电场、压力场或重力场。

参见图1和图2，在本发明的实施例中，场传感器设备99包括第一场传感器20A和第二场传感器20B，第一场传感器20A以第一取向设置，响应于外部场以产生第一传感器信号；第二场传感器20B以不同于第一取向的第二取向设置，响应于外部场以产生第二传感器信号。第一和第二场传感器20A、20B统称为场传感器20。控制器30包括控制电路32，该控制电路32控制第一和第二场传感器20A、20B以产生相应的第一和第二传感器信号，接收第一和第二传感器信号，将第一或第二传感器信号或第一和第二传感器信号两者转换为共同取向或坐标系中的等效可比较的传感器信号，比较可比较的传感器信号以确定第一或第二场传感器20A、20B是否有故障，并且如果确定了有故障的场传感器20，则提供故障传感器信号42，并且可选地确定第一和第二场传感器20A、20B中的哪一个是有故障的。如果未确定有故障的场传感器20，则控制器30响应于第一、第二或可比较的传感器信号提供指示所感测的场的属性的输出传感器信号40。在各种实施例中，场是磁场、电场、压力场或重力场，并且传感器20是磁场传感器、电场传感器、压力场传感器或重力场传感器。第一和第二取向也可以描述为对应的第一和第二坐标系、方向或维度，例如每个具有正交的x、y或z维度。在本发明的其他实施例中，多于两个或多于三个的场传感器20包括场传感器设备99。

常规意义上而言，当测量不同时，多个传感器对共同场的测量之间的比较可以指示传感器中的一个传感器的故障。然而，根据本发明的实施例，第一和第二场传感器20具有不同的取向，使得它们的测量轴线中的至少一些测量轴线不是共线的，因此场传感器20在不同的坐标系中提供冗余的场测量。因此，在共同坐标系中对冗余场测量的比较不仅可以指示第一或第二场传感器20中的错误或故障，而且可以指示哪个场传感器20有故障，从而提供对场传感器20的附加测试和检查。此外，与可以检测到失效但由于无法识别失效或将失效与特定的场传感器相关联而不能继续操作的传感器系统形成对照，通过识别失效的场传感器，场传感器设备99可以通过使用来自其他场传感器的感测到的信号来继续操作。在包括多于两个的场传感器20的进一步实施例中，可以将多于两个传感器信号转换为共同取向，并且可以比较多于两个可比较的信号以确定有故障的场传感器20。

第一场传感器20A、第二场传感器20B以及控制器30可以被设置在设备基板10上，并且与诸如导线12的电导体电连接，并且可以包括多个单根的导线12或总线，该总线包括多根导线12，多根导线12可以将电力、接地和控制信号传送到场传感器设备99、控制器30、第一场传感器20A或第二场传感器20B或从场传感器设备99、控制器30、第一场传感器20A或第二场传感器20B传送电力、接地和控制信号。场传感器20可以是霍尔效应场传感器或磁阻传感器，并且可以包括化合物半导体材料。或者，场传感器20是电场传感器、压力场传感器或重力场传感器，并且可以包括例如微机电系统(MEMS)设备。

第一和第二场传感器20A、20B可以被设置在共同平面中或共同表面上，如图1中所示，并且如果第一场传感器20A相对于第二场传感器20B旋转，则第一场传感器20A在两个取向(两个维度或两个方向x，y)上与第二场传感器20B(x’，y’)不同，从而为第一和第二场传感器20定义不同的坐标系。只有竖直的z维度具有相同的方向。如图2中所示，第二场传感器20B被设置在相对于第一场传感器20A被设置在的表面倾斜约45度的表面上，并且相对于第一场传感器20A旋转45度。因此，如图2中所示，第一场传感器20A也在z维度上相对于第二场传感器20B旋转，使得第一场传感器20A在三个取向(三个维度或方向x，y，z)上与第二场传感器20B(x’,y’,z’)不同。

控制器30可以是分立或集成电路，或者可包括分立和集成部件，并且控制电路32可以是模拟、数字或混合信号电路。导线12可以是任何图案化的导电体，例如金属、金属合金、导电金属氧化物或导电聚合物。设备基板10可以是具有一个或多个表面的任何基板，第一和第二场传感器20A、20B可以被设置在该表面上并且电连接。控制器30也可以但不一定被设置在基板10的表面上。

场传感器设备99可以通过形成在设备基板10上的电接触焊盘14被电连接到外部系统，电接触焊盘14通过导线12电连接到控制器30。虽然图1和图2将控制器30示出为设置在设备基板10上，但是在本发明的其他实施例中，控制器30被设置在与设备基板10分开的基板或结构(例如，印刷电路板)上。类似地，第一和第二场传感器20A、20B可以被设置在不同的基板、表面或设备上。

参考图3，在一些实施例中，设备基板10是半导体基板或包括半导体基板，该半导体基板包括控制器30的至少一部分，并且控制电路32形成在该半导体基板中或形成在该半导体基板上。在另一实施例中并且如图1和图2中所示，控制器30是被设置在设备基板10上的集成电路，并且设备基板10是电介质或具有电介质层或表面。因此，设备基板10可以包括基板材料，该基板材料至少部分地不同于第一和第二场传感器20A、20B的材料，并且至少部分地不同于控制电路32的材料。在一些实施例中，第一和第二场传感器20A、20B包括化合物半导体，控制器30包括硅半导体，并且基板材料包括电介质(图1和图2)。在另一实施例中，第一和第二场传感器20A、20B包括化合物半导体，并且设备基板10的材料包括硅半导体，并且控制电路32形成在硅半导体中或形成为硅半导体的一部分(图3)。

参考图4，设备基板10可以被安装在系统基板16上，该系统基板16例如另一个设备或系统的系统基板16。设备基板10、控制器30、第一场传感器20A或第二场传感器20B中的任何一个都可以是微转移印刷部件，并且包括断裂的、破碎的或分离的系绳(tether)。控制器30、第一场传感器20A或第二场传感器20B可以是集成电路或裸管芯，并且可以微转移印刷到设备基板10上，并且设备基板10可以微转移印刷到系统基板16上。

在本发明的实施例中，第一取向在一个维度上、在如图1中所示的两个维度上或在如图2中所示的三个维度上不同于第二取向。在一些实施例中，每个取向中的维度是正交的，在其他实施例中，维度不是正交的。例如，图5A示出了一个取向或坐标系中的三个正交维度(x，y，z)，图5B示出了另一取向或坐标系中的三个正交维度(x’，y’，z)，其中x’和y’维度相对于图5A的取向旋转45度，但z维度具有相同的取向，使得图5B的取向在两个维度上不同于图5A的取向。

图5C示出了在又一取向或坐标系中的三个正交维度(x’,y’,z’)，其中x、y和z维度都相对于图5A旋转了45度，使得图5C的取向在三个维度上不同于图5A的取向。图1中所示的第一和第二场传感器20A、20B具有与图5A和图5B的不同取向对应的不同的第一和第二取向。图2中所示的第一和第二场传感器20A、20B具有与图5A和图5C的不同取向对应的不同的第一和第二取向。

参见图6，控制电路32包括：存储电路34，用于存储第一传感器信号、第二传感器信号和任何经转换的或可比较的传感器信号中的任何一个或多个；转换电路36，用于将第一或第二传感器信号转换成可比较的传感器信号；以及比较电路38，用于比较第一传感器信号、第二传感器信号和任何可比较的传感器信号或预定公差、裕度或阈值中的任何一个或多个。电路可以是例如硅电路，其是模拟电路或数字电路，例如，CMOS电路。

参见图7，根据本发明的实施例，场传感器诊断方法包括：在步骤100中，提供场传感器设备99；以及在步骤110中，向场传感器设备99提供电力以操作场传感器设备99。在步骤120中，使用控制电路32来控制第一和第二场传感器20A、20B以产生第一和第二传感器信号，并接收相应的第一和第二传感器信号。在步骤130中，使用控制电路32将接收到的第一或第二传感器信号或第一和第二传感器信号两者转换为在共同取向或坐标系中的等效可比较的传感器信号，并在步骤140中对它们进行比较。然后，控制电路32在步骤150中确定第一场传感器20A或第二场传感器20B中的任一个是否有故障。如果场传感器20有故障(在步骤160中测试)，则使用控制电路32以响应于可比较的传感器信号来提供故障传感器信号42(步骤180)，并且可选地，确定第一和第二场传感器20A、20B中的哪一个有故障(步骤190)。如果场传感器20没有故障(在步骤160中测试)，则在步骤170中，使用控制电路32以提供的响应于第一、第二或可比较的传感器信号的或从第一、第二或可比较的传感器信号中导出的输出传感器信号40。在实施例中，输出传感器信号40是可比较的传感器信号40或从第一和第二传感器信号导出的信号的组合，例如平均值，从而减少可变性并改善输出传感器信号40的准确度和一致性(图1、图2)。

步骤120至150可以在不同时间重复执行，并且第一和第二传感器信号被存储在存储电路34中，并且随时间求平均或以其他方式组合以改善第一和第二传感器信号的信噪比。替代地，经转换的、可比较的传感器信号可以被存储在存储电路34中，并随时间求平均或以其他方式组合以改善可比较的传感器信号的信噪比。

在本发明的一些方法中，如果第二场传感器20B有故障，则在步骤180中，提供作为第一传感器信号或从第一传感器信号导出的输出传感器信号40(图1、图2)，使得场传感器设备99可以继续操作。如果第一场传感器20A有故障，则在步骤180中，提供作为第二传感器信号或从第二传感器信号导出的输出传感器信号40(图1、图2)，使得场传感器设备99可以继续工作。因此，与可以检测失效但由于没有已知的好的场传感器信号可以被识别而不能继续操作的传感器系统形成对照，通过识别失效的场传感器20，场传感器设备99可以通过使用来自其他场传感器20的感测到的信号来继续操作。

场传感器20可以是传感器元件22，或者可包括单个传感器元件22或多个传感器元件22。参见图8，在本发明的实施例中，第一场传感器20A或第二场传感器20B可以包括一个或多个传感器元件22或一对或多对传感器元件22，例如，一对霍尔效应传感器元件22。如图8中所示，场传感器20包括四个传感器元件22，这四个传感器元件22被布置成两个正交对(A、C和B、D)，以提供与这两个正交对的方向相对应的两个维度中的每个维度的测量。在一个方向上的每对传感器元件22可以提供该方向上的场的测量。因此，在本发明的实施例中，第一或第二场传感器20A、20B中的任一个包括被布置成检测在第一维度或方向上的场的幅度的两个传感器元件22以及被布置成检测在不同于第一维度或方向的第二维度或方向上的场的幅度的两个传感器元件22。在一些实施例中，第一和第二维度是正交的维度。

参见图9，第一和第二场传感器20A、20B旋转45度，并布置在共同的平面中，使得第一取向在两个维度上不同于第二取向，并且还对应于图1、图3、图4、图5A、图5B以及图8的图示。在本发明的配置中，在笛卡尔坐标系中，不同坐标系的轴线之间的相关性在45度处最大化。在其他实施例中，使用其他坐标系，例如，柱坐标系、极坐标系或球坐标系。通常，测量是实际场到坐标系上的投影。在实施例中，本发明的方法包括：在步骤190(图7)中，确定两个或更多个场传感器20中的哪个有故障。

在本发明的实施例中，第一和第二场传感器20A、20B在空间上彼此偏移，如图1-4中所示。在本发明的另一实施例中，第一和第二场传感器20A、20B在空间上彼此重叠，如图9中所示。在本发明的进一步的实施例中，空间上重叠的第一和第二场传感器20A、20B具有共同的中心，也如图9中所示。第一和第二场传感器20A、20B可以被设置在本发明的场传感器设备99内的共同的结构或设备中。

场传感器20可以是磁传感器，诸如霍尔效应传感器，可以是磁阻传感器，诸如极磁阻传感器(XMR)、超磁电阻传感器(EMR)、巨磁阻传感器(GMR)、隧穿磁阻传感器(TMR)、庞磁阻传感器(CMR)或各向异性磁阻传感器(AMR)。

场传感器设备99中的元件中的任何元件可以是模拟部件，包括模数转换器，或者可以是数字部件。电路可以包括具有存储在存储器中的程序的CPU，存储的程序机，状态机等。类似地，在本发明的各种实施例中，第一和第二场传感器20A、20B和控制器30中的每一个都能以分立电路部件或集成电路的组合来实现，或者可以集成到共同的电路或共同的集成电路中。在一些实施例中，第一或第二场传感器20A、20B或控制电路32共享电路部件或封装。

第一和第二场传感器20A、20B或控制电路32可以包括电子电路、数字逻辑电路、模拟电路或混合信号电路或电路类型与电子设备的组合。这些电路的部分或全部可以在一个或多个电路中、在共同电路中、在一个或多个集成电路中或封装或在共同的集成电路或封装中提供。场传感器设备99的各种部件可以例如设置在与导线12电连接的电子电路、集成电路或分立电子设备中。

各种部件中的任何一个或全部可以被设置在印刷电路板上或半导体基板上，或者各种部件中的任何一个或全部可以被集成为半导体基板内或半导体基板上的电路，或者集成为在半导体基板上提供的集成电路与在半导体基板内或半导体基板上形成的电路的某种组合。可以在被放置到或微转移印刷到半导体基板或其他基板上的封装的集成电路中或裸管芯中提供各种组件中的任何一个或全部。可以使用光刻方法和材料来提供导线12，以连接各种部件、集成电路管芯或集成在半导体基板上的电路。

第一或第二场传感器20A、20B中的每一个可以是各种磁传感器(诸如，霍尔效应传感器或磁阻传感器)中的任何一个，并且可以例如在集成电路、分立元件中提供或作为单独的集成电路部件(诸如，裸管芯)来提供，该单独的集成电路部件例如通过贴片(pick-and-place)、表面安装、打印技术被安装在传感器设备基板(诸如，玻璃、陶瓷、聚合物或半导体基板)上。场传感器设备99的集成电路部件或元件中的一个或多个(诸如，控制器30)可以被设置在第一或第二场传感器20A，20B上，作为通过微转移印刷和电连接而沉积的裸管芯。替代地，第一或第二场传感器20A、20B可以被设置在控制器30上，作为通过微转移印刷和电连接而沉积的裸管芯。控制电路32可以被提供为半导体基板中的光刻法限定的电路，并且第一或第二场传感器20A、20B可以作为裸管芯被设置在半导体基板上，并且使用光刻工艺和材料电连接到控制电路32。

参见图10，相对于第一取向(第一坐标系)示出了任意的和说明性的场矢量B，并且参见图11，相对于第二方向(第二坐标系)示出了相同的场矢量B。由于场矢量B在这两种情况(图10和11)下是完全相同的，因此由第一和第二场传感器20A、20B测量的第一和第二传感器信号矢量是等效的，但不是直接可比较的(即，对于第一和第二取向，测量轴线中的每个测量轴线中的场矢量的幅度值是不同的)。然而，由于第一场传感器20A相对于第二场传感器20B的相对设置可以在构造(设置在基板10的表面上，图1)场传感器设备99时预先确定，因此第一传感器信号可以从第一取向(第一坐标系)转换(变换)到第二取向(第二坐标系)，并且直接比较场矢量的幅度。替代地，可以将第二传感器信号从第二取向(第二坐标系)转换(变换)为第一取向(第一坐标系)，并且直接比较场矢量的幅度。在又一其他实施例中，第一传感器信号可以被转换成不同于第一和第二取向(第一和第二坐标系)的第三取向(第三坐标系)，并且第二传感器信号也可以同样地被转换成第三取向(第三坐标系)，使得可以直接比较两个经转换的场传感器信号的场矢量的幅度。当两个传感器信号被转换为共同取向(共同坐标系)时，它们是可比较的信号。该操作可以作为利用旋转矩阵的矩阵变换来执行。虽然不需要检测传感器故障，但是在识别出故障传感器的实施例中，当测量轴线投影到另一个坐标系时，这些测量轴线在故障所位于的轴线坐标之间的变换矩阵中具有非对角子矩阵系数。

在图9中所示的示例(对应于图1、图5A和图5B)中，第一和第二取向在平行于设备基板10的x、y平面中相差角度θ(45°)(图1)，并且在z维度(正交于第一和第二场传感器20A、20B设置在的共同平面)上是完全相同的，使得图9的示例中的第一和第二取向(坐标系)在两个维度或方向上不同。

第一坐标系中的测量到的场矢量可以具有值Bx和By，并且在第二坐标系中测量到的相同矢量可以具有值Bx’和By’。给定两个取向之间的已知角度θ，可以用x’＝xcos(θ)+ysin(θ)和y’＝ycos(θ)-xsin(θ)来计算x’和y’矢量。反向计算是x＝x’cos(θ)-y’sin(θ)和y＝y’cos(θ)+x’sin(θ)。可以类似地计算向任意第三取向的转换。

在其中θ＝45°的简化示例中，如在图1和图9的示例中，sin(θ)＝cos(θ)＝1/(2^1/2)＝k≈0.707。从第一坐标系转换到第二坐标系的简化方程是

x’＝k(x+y),y’＝k(y-x)

并且从第二坐标系转换到第一坐标系的方程是

x＝k(x’-y’),y＝k(y’+x’).

在任何物理实现中，第一和第二场传感器20A、20B不一定完全相同，并且可以具有精度和准确度的限制以及它们之间在预定公差内可接受的差异。使用在不同维度上相差45°的取向在不同维度上提供更大的幅度差异，从而改善了在不同维度中的每一个维度中的检测故障的能力，但是可以使用其他角度。

可以提供预定的测量公差裕度来确定来自第一和第二场传感器20A、20B的测量是否有故障。可以在每个维度(Bx，By)中指定预定的测量公差裕度，或者该预定的测量公差裕度可指定为指定单个净场测量(Be)的组合。如果通过将第一和第二传感器信号转换到相同的坐标系中而导出的可比较的传感器信号相差不超过期望的公差裕度，则可比较的传感器信号可以被组合并且被提供为输出传感器信号40。如果可比较的传感器信号相差超过期望的公差裕度，则第一或第二场传感器20A、20B中的一个被认为是有故障的。

作为说明，图12中示出了任意的场矢量B，该场矢量B在x维度中的长度是在y维度中的长度的两倍，其中长度表示对应维度中的场强度。给定在第一取向上的第一场传感器20A和具有正交的维度x、y的第一坐标系、以及在第二取向上的第二场传感器20B和具有从第一取向旋转θ＝-45度(图1和9)的正交的维度x’、y’的第二坐标系，第一场传感器20A的x维度传感器中的误差导致错误的场测量B_e，该错误的场测量B_e仅在第一坐标系中的x维度上与正确的场B不同。参照图13，第一场传感器20A的y维度传感器中的误差导致错误的场测量B_e，该错误的场测量B_e仅在第一坐标系中的y维度上与正确的场B不同。

参照图14A，第二场传感器20B的x’维度传感器中的误差导致错误的场测量B_e，该错误的场测量B_e仅在第二坐标系中的x’维度上与正确的场B不同。当转换到第一坐标系(图14B)中时，错误的场测量B_e与正确场B相差与第二坐标系中的x’维度的方向对应的第一坐标系中的方向(用图14B中的实线箭头示出)。参照图15A，第二场传感器20B的y’维度传感器中的误差导致错误的场测量B_e，该错误的场测量B_e仅在第二坐标系中的y’维度上与正确的场B不同。当转换到第一坐标系(图15B)中时，错误的场测量B_e与正确的场B相差与第二坐标系中的y’维度的方向对应的第一坐标系中的方向(用图15B中的实线箭头示出)。

在图12、图13、图14A、图14B、图15A、图15B的所有示例中，第一和第二坐标系之间的角度差为θ＝-45度(如图14A、图15A中所示)，并且误差是传感器响应在各个维度上的加倍(doubling)，由示图中的两个共线的箭头表示。

因此，给定第一和第二坐标系之间的角度差θ，误差矢量E＝Be-B，如果E≠0并且第一坐标系中的矢量E的角度等于：

0度，则误差在第一场传感器20A的x维度传感器中；

90度，则误差在第一场传感器20A的y维度传感器中；

θ度，则误差在第二场传感器20B的x’维度传感器中(在图14A和图14B的示例中为-45度)；以及

-θ度，则误差在第二场传感器20B的y’维度传感器中(在图15A和图15B的示例中为45度)。

通常，只要故障仅存在于单个场传感器维度测量中,误差矢量的方向就对应于由有故障的场传感器20测量的维度。换句话说，误差矢量在测量到的有故障的传感器元件22的轴线(方向)方向上具有唯一的分量。误差矢量可以表示为有故障的传感器测量的轴线(方向)的单位矢量的倍数。因此，控制电路32可以包括比较可比较的传感器信号(例如，Bx，By，Bx’，By’)之间差异的方向以确定有故障的场传感器20的电路。

根据本发明的实施例，磁场传感器设备99用于如果检测到故障则在监视和诊断第一和第二场传感器20A、20B的同时测量场，以提供对应于第一和第二场传感器20A、20B中的任何一个或这两者的实时诊断信号。

在本发明的实施例中，传感器设备99包括四个或更多个的传感器元件22和控制器30，该控制器30包括控制电路32，该控制电路32控制四个或更多个传感器元件22测量环境属性，并产生对应于测量且与环境属性相关的两个或更多个值。控制电路32比较这些值以确定故障。通常，每个值是从四个或更多个传感器元件22的集合中获得的，并且每个集合包括至少一个相同的传感器元件12。每个集合包括不被包括在其他集合中的至少一个不同的传感器元件22，或者，可替代地，这些集合测量不同取向上的环境属性。另一选项是每个都包括不被包括在其他组中的指示一个不同的传感器元件22，并且这些集合测量不同取向上的环境属性。

例如，四个或更多个传感器元件22包括第一组传感器元件22和第二组传感器元件22。第一组传感器元件22包括也在第二组传感器元件22中的至少一个传感器元件22。因此，第一组和第二组的交集包括共同被包括的至少一个相同的传感器元件22(使得第一组和第二组不是不相交的)。第一组和第二组可以被认为是四个或更多个传感器元件22的集合的子集。

在一些实施例中，第一组传感器元件22包括不在第二组传感器元件22中的至少传感器元件22，使得第一组和第二组不是相同的组，并且不包括所有相同的传感器元件22。相反，第一组与第二组包括传感器元件22的不同的重叠的组合。因此，在这些实施例中，第一组与第二组的并集导致大于第一组或第二组中的任一者的集合。

在其他实施例中，第一组和第二组包括相同的传感器元件22(使得第一组和第二组的并集至少等于第一组或第二组中的任一者，但不一定等于这两者)，但是控制电路32使用传感器元件22来测量不同取向(不同的坐标系)上的环境属性。因此，在任一实施例中，这些值提供相同的环境属性的不同测量，并且可以被比较以确定故障(如果存在故障)。如果(在共同坐标系中)测量值相同，则不会检测到故障。

在本发明的实施例中，第一组和第二组传感器元件22各自都包括至少三个传感器元件22，并且三个传感器元件22不被布置在共同的线上(即，它们不是共线的)，例如，三个传感器元件22被布置成以形成三角形的角。因此，使用至少三个传感器元件22的测量可以产生包括与环境属性测量相对应的坐标系中的幅度和方向的矢量。

控制电路32控制第一组传感器元件22测量环境属性并产生与该环境属性相关的第一值，并且控制第二组传感器元件22测量环境属性并产生与该环境属性相关的第二值。因此，第一和第二组传感器元件22各自都使用不同组的传感器元件22或使用不同的坐标系来产生对应于相同环境属性的值。两个或更多个值中的每一个值是从至少三个非共线传感器元件22的不同组合或取向获得的。控制电路32比较这些值以确定这些值(例如，第一和第二值)是否匹配，并且如果值不匹配，则确定故障。在本发明的实施例中，值是矢量，并且两个值的比较可以包括仅比较值的幅度、仅比较值的角度或者比较值的幅度和值的角度两者。在其他实施例中，所比较的值是从矢量导出的信息，例如，磁比率或磁场方向。在一些实施例中，第一组中的传感器元件的测量方向不是共线的，或者第二组中的传感器元件的测量方向不是共线的。

在其他实施例中，传感器设备99可以包括多于四个传感器元件22。附加的传感器元件22可以与成对的传感器元件22中的传感器元件22共线。传感器设备99可以是场传感器设备99，传感器20可以是场传感器20，环境属性可以是场，诸如，磁场，并且这些值可以是矢量，诸如，场矢量，并且在本文的示例中如此使用。然而，本发明不限于场传感器20、场、磁场或场矢量。

在本发明的一些实施例中，传感器设备99包括单个传感器20，该单个传感器20包括至少两对传感器元件22(或等效地，各自都具有一对传感器元件22的两个传感器20)，其中成对的传感器元件22是非共线的，例如，如在图8中所示布置在四边形、矩形或正方形的角上。共线意味着在共同的线上。如本文中所预期，成对的传感器元件22是非共线的(不是共线的)，使得没有能够穿过这两个传感器元件或这两对传感器元件22的单个线。在另一个实施例中，没有三个传感器元件22是共线的。在本发明的一些布置中，任何传感器元件22中只有两个是共线的。然而，线可以穿过传感器元件22中的任何两个，从而形成一对共线的传感器元件22(因为线是由空间中的两个点限定的)。因此，在图8中所示的实施例中，有六个传感器元件22的对，A和C(AC)、B和D(BD)、A和B(AB)、C和D(CD)、A和D(AD)以及B和C(BC)，它们表示包括所有可能的成对的传感器元件22的线段。

成对的传感器元件22可以测量环境属性，例如在通过传感器元件22的线指定的方向上的场幅度。例如，布置在竖直线上的一对传感器元件22AC可以测量y方向(维度)上的场幅度。例如，布置在水平线上的一对传感器元件22BD可以测量x方向(维度)上的场幅度。参见图16，能以不同的组合来使用传感器元件22的相同布置，以测量不同方向上的场幅度。因此，一对传感器元件22AB可以测量x’方向(维度)上的场幅度，一对传感器元件22CD也可以。类似地，一对传感器元件22AD可以测量y’方向(维度)上的场幅度，一对传感器元件22BC也可以。方向上的每个测量可以与另一个不同方向上的测量组合以产生值，诸如，场矢量测量。

在操作中，控制电路32操作传感器20以提供来自每个传感器元件22A、B、C、D的传感器信号，并且组合来自传感器元件22A、C的传感器信号以提供y方向上的传感器信号，组合来自传感器元件22B、D的传感器信号以提供x方向上的传感器信号，组合来自传感器元件22A、B的传感器信号以提供x’方向上的传感器信号，并且组合来自传感器元件22A、D的传感器信号以提供y’方向上的传感器信号。控制电路32还可以或者替代地组合来自传感器元件22C、D的传感器信号以提供x’方向上的传感器信号，并且组合来自传感器元件22B、C的传感器信号以提供y’方向上的传感器信号。因此，可以确定在方向x’和y’中的每个方向上的两个传感器信号。来自限定具有不同方向的线的传感器元件22的成对的传感器信号可以产生值，诸如，如上文所述可以被转换到共同的坐标系中的场矢量。

与包括两个传感器20的实施例一样，如果x、y坐标系中的值在预定的公差裕度内与x’、y’坐标系中的值匹配，则这些值可以被报告为表示所感测的场。然而，如果值(在预定的公差裕度内)不匹配，则确定并可报告传感器设备99中的故障。

在本发明的一些实施例中，传感器20具有布置成两对传感器元件22的四个传感器元件，这两对传感器元件处于非共线布置。等效结构包括两个传感器20，每个传感器都具有一对传感器元件22，其中这两对传感器元件22不是共线的。具有四个传感器元件22的传感器20与各自具有一对传感器元件22的两个传感器20之间的区别是任意的，并且此类实施例被包括在本发明中。

如图16中所示并且如上所述，可由控制电路32使用成对的传感器元件22以使用传感器元件22D、B来确定的x方向场测量值(x值)，使用传感器元件22A、C来确定y方向场测量值(y值)，使用传感器元件22A、B来确定第一x’方向场测量(第一x’值)，使用传感器元件22D、C来确定第二x’方向场测量(第二x’值)，使用传感器元件22D、A来确定第一y’方向场测量(第一y’值)，并且使用传感器元件22C、B来确定第二y’方向场测量(第二y’值)。(第一和第二测量指定是任意的，并且可以反转。)传感器信号可以通过单独地测量每个传感器元件22或通过提供关闭或打开不同传感器元件22的开关来获得，并使用不同的开关设置进行顺序测量。替代地，可以采用模拟或数字信号处理来区分单独的传感器元件22测量。

由限定在不同方向上(例如，正交地)延伸的线的成对的传感器元件22进行的测量可以组合在共同的坐标系中以形成指定测量到的场(诸如，磁场)的(具有场幅度和方向的)场矢量。例如，由传感器元件22AC进行的测量可以与由传感器元件22BD进行的测量组合以形成如图18A中所示的x、y坐标系中的场矢量。参见图18B，由传感器元件22AB进行的测量可以与由传感器元件22AD进行的测量组合以在x’，y’坐标系中形成场矢量，由传感器元件22AB进行的测量可以与由传感器元件22BC进行的测量组合以在x’，y’坐标系中形成场矢量，由传感器元件22AD进行的测量可以与由传感器元件22CD进行的测量组合以在x’，y’坐标系中形成场矢量，并且由传感器元件22BC进行的测量可以与由传感器元件22CD进行的测量组合以在x’，y’坐标系中形成场矢量。因此，可以通过组合x，y值来确定第一场矢量，可以通过组合第一x’和第一y’值来确定第二场矢量，可以通过组合第一x’和第二y’值来确定第三场矢量，可以通过组合第二x’和第一y’值来确定第四场矢量，并且可以通过组合第二x’和第二y’值来确定第五场矢量。如上所述，第一、第二、第三、第四和第五场矢量中的任何一个或更多个都可以转换到共同的坐标系中。在本实施例中，相同的传感器元件12用于两个或更多个值测量，但是在x、y坐标系中获得一个值(图18A)，其他值(图18B)在x’，y’坐标系中通过x’和y’测量的任何组合获得。

如果所有五个场矢量(或者如果必要，当转换到共同的坐标系中时的场矢量的任何组合，并且在预定的公差范围内)匹配，则可以输出组合第一、第二、第三、第四或第五场矢量的任何一个或任何组合的场测量信号。然而，如果单个传感器元件22有故障(产生故障测量值)，则包含有故障的传感器元件22的场测量将不匹配不包含有故障的传感器元件22的场测量。例如，如果传感器元件22B有故障，则包含来自传感器元件22B的测量的场矢量同样将有故障。在这个示例中，第一、第二、第三和第五场矢量都包括来自传感器元件22B的测量值，因此如果传感器元件22B有故障，则将产生故障值。仅第四场矢量(包括来自传感器元件22A，C和D的测量值)将是正确的。

在本发明的各种实施例中，可以比较不同对的场矢量测量。例如，参见图19A，由通过虚线连接的传感器元件20的对AC、BD确定的场矢量提供(x，y坐标系中的)第一值。参见图19B，由通过虚线连接的传感器元件20的对AD、DC确定的场矢量提供(x’、y’坐标系中的)第二值。第一和第二值可以转换到共同的坐标系中(例如，通过将第二值转换到第一值的坐标系，或者反之亦然)，并且比较以确定传感器设备99中是否存在故障。在这种情况下，图19A中使用的传感器元件22的集合包括图19B中使用的所有传感器元件22，但是测量是在不同的坐标系中进行的。

参见图20A、图20B、图20C和图20D，示出了三个非线性传感器元件22的四种不同组合，所有这些组合都确定提供场矢量值的正交测量，并且所有这些组合都在同一个坐标系(x’，y’)中。四种不同组合中的任何两种都具有至少一个共同的传感器元件22和至少一个非共同的传感器元件22。例如，图20A和20B的配置具有共同的传感器元件22A和B，并且传感器元件22C和D不是共同的。图20A、图20B、图20C和图20D的四个不同组合中的任意两个都可以提供第一和第二值，比较该第一和第二值以确定故障(如果存在)。在本发明的另外的实施例中，提供并比较多于两个的值以确定传感器设备99中是否存在故障。

因此，在本发明的实施例中，传感器设备99包括四个传感器元件22。传感器元件22中的任何传感器元件中的至少两个在第一坐标系中限定第一线，并且传感器元件22中的任何传感器元件中的至少两个在与第一坐标系不同的第二坐标系中限定不同于第一线的第二线。如果在传感器设备99中提供多于四个传感器元件22，则附加的传感器元件22可以在第一和第二坐标系之一或这两个坐标系中共线。控制器30包括控制电路32，其中控制器30使用控制电路32来控制传感器元件22以测量环境属性，例如，场(诸如，磁场)，并产生多于两个的对应值，例如，场矢量，其中从至少两个传感器元件22的不同组合获得多于两个的值中的每一个值，将值(例如，场矢量)转换到共同的坐标系中，比较值并确定故障。

在本发明的另一实施例中，控制电路32用于：使用第一对传感器元件22测量第一方向上的第一场值；使用与第一对传感器元件22不同的第二对传感器元件22测量与第一方向不同的第二方向上的第二场值；使用与第一对和第二对传感器元件22不同的第三对传感器元件22测量与第一和第二方向不同的第三方向上的第三场值；使用与第一、第二和第三对传感器元件22不同的第四对传感器元件22测量与第一、第二和第三方向不同的第四方向上的第四场值；使用与那些用于测量第三场矢量的传感器元件不同的传感器元件22测量第三方向上的第五场值；以及使用与那些用于测量第四场矢量的传感器元件不同的传感器元件22测量第四方向上的第六场矢量。

参见图17，控制电路32在步骤110中操作传感器设备99，并且在步骤200中，使用传感器元件22的对测量相同和不同方向上的环境属性(场)以在步骤210中产生值(例如，场矢量)。如果必要的话，控制电路32还在步骤220中将值(例如，场矢量)转换到共同的坐标系中。使用控制电路32来比较值(例如，场矢量)以在步骤230中确定它们是否匹配。如果环境属性(场)测量在预定的公差范围内匹配，则在步骤170中，输出环境属性测量信号，其中测量信号可以是从第一、第二、第三、第四和第五场矢量或其经转换的等效量中的任何一个或其组合导出的信号。可替代地，如果共同的坐标系中的场矢量在预定的公差范围内不是全部相同，则确定故障，并且输出故障传感器信号(步骤180)。

参见图21，相同的过程和分析可以应用于传感器元件22的其他布置。坐标系指定是任意的，传感器元件22的标签也是任意的。只要传感器元件22的对的各种组合可以提供正确的值并且值经分析以确定有故障的传感器元件22，则可以在传感器设备99中采用本文所述的方法。此外，本发明的传感器设备99可以包括多于四个的传感器元件22，并且控制电路32可以成对地控制传感器元件22，以在不同方向上进行类似的环境属性测量，这些测量可以提供一组值，其中一些值可以是冗余的。

本发明的实施例还可以提供梯度测量，例如，场梯度(诸如，磁场梯度)。如上所述，可以在x’坐标系中进行两个不同的测量，并且可以在y’坐标系中进行两个不同的测量。如果传感器设备99被确定位没有故障(不同的测量在共同的坐标系中提供共同的矢量)，则由于传感器元件22在空间上偏移，因此在x’和y’坐标系中的每一个中的不同测量可以组合提供梯度测量。例如，可以将AB测量与CD测量进行比较，以确定可以归因于测量到的环境属性在y’方向上的梯度的差异。类似地，可以将AD测量与BC测量进行比较，以确定可以归因于测量到的环境属性在x’方向上的梯度的差异。然而应注意，不应将梯度与传感器元件22中的误差或其测量混淆。

如果传感器设备99具有八个传感器元件22(如图9中所示)，或者等效地，两个场传感器设备99设置有空间偏移并且它们的传感器元件22的测量被组合，则也可以在x和y方向上确定梯度。例如，假设从E、F、G和H的左上到右下的附加的四个传感器元件22的标记系统，可以将EG测量结果与GH测量结果进行比较以确定x方向上的梯度，并且可以将EF测量与GH测量进行比较以确定y方向上的梯度。

本发明的实施例可以通过提供基板并将第一或第二场传感器20A、20B和控制器30作为集成电路安装在该基板上来构造。可以使用贴片技术或者通过将它们从相应的源晶片微转移印刷到基板表面上来将集成电路设置在基板表面上。可替代地，基板表面可以是或可包括半导体层，并且第一或第二场传感器20A、20B以及控制器30中的每一个的一个或多个或任何部分形成在半导体层中，并且使用基板表面上的导线12、例如通过使用光刻或印刷电路板方法和材料与设置在基板表面上的任何集成电路电连接。可替代地，控制电路32或场传感器20可以通过光刻方式被限定在半导体基板中。

基板可以是具有能够支撑或接纳第一或第二场传感器20A、20B和控制器30的一个或多个表面的许多基板中的一个，例如，具有两个相对的相对平面和平行侧面的玻璃、塑料、陶瓷或半导体基板。基板可以具有各种厚度，例如，从10微米到几毫米。基板可以是另一设备的一部分或表面，并且可以包括电子电路。

零件清单：

10 设备基板

12 导线

14 接触焊盘

16 系统基板

20 传感器/场传感器

20A 第一传感器/第一场传感器

20B 第二传感器/第二场传感器

22 传感器元件

30 控制器

32 控制电路

34 存储电路

36 转换电路

38 比较电路

40 输出传感器信号

42 故障传感器信号

50 相开关

52 差分放大器

54 差分比较器

99 传感器设备/场传感器设备

100 提供传感器设备步骤

110 操作传感器设备步骤

120 接收第一和第二信号步骤

130 转换(多个)所接收的传感器信号步骤

140 比较(多个)经转换的信号步骤

150 确定传感器是否故障步骤

160 有故障的传感器判定步骤

170 输出测量信号步骤

180 提供故障传感器信号步骤

190 可选的确定有故障的传感器步骤

200 测量场方向步骤

210 产生场矢量步骤

220 将场矢量转换到共同的坐标步骤

230 场矢量匹配测试步骤

240 确定有故障的传感器步骤

虽然已在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但是此类例示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的。前面的描述详述了本发明的某些实施例。然而，将会理解，不管以上在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式实现。本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员可在实践要求保护的发明时理解和实施所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可实现权利要求书中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可被存储/分布在合适的介质(诸如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质)上，但也能以其他形式(诸如，经由因特网或者其他有线或无线电信系统)来分布。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种传感器设备，包括：

四个或更多个传感器元件；以及

控制器，包括控制电路，所述控制电路被布置成控制所述四个或更多个传感器元件测量环境属性，并且被布置成产生与所述环境属性相关的两个或更多个值并比较所述两个或更多个值以确定故障，

其中，每个值是从所述四个或更多个传感器元件的集合中获得的，并且每个集合包括至少一个相同的传感器元件，并且

其中，每个集合包括不被包括在其他集合中的至少一个不同的传感器元件；或者多个集合被布置成测量不同取向上的所述环境属性；或者每个集合包括不被包括在其他集合中的至少一个不同的传感器元件且多个集合被布置成测量不同取向上的所述环境属性。

2.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于：

所述四个或更多个传感器元件包括传感器元件的第一集合和传感器元件的第二集合，其中所述第一集合包括也在所述第二集合中的至少一个传感器元件，

所述控制器的所述控制电路被布置成控制所述传感器元件的第一集合在第一取向上测量所述环境属性并产生与所述环境属性相关的第一值，被布置成控制所述传感器元件的第二集合在第二取向上测量所述环境属性并产生与所述环境属性相关的第二值，并且被布置成比较所述第一值和所述第二值以确定故障，

其中，所述第一集合包括不在所述第二集合中的至少一个传感器元件；或者其中，所述第一取向与所述第二取向不相同；或者所述第一集合包括不在所述第二集合中的至少一个传感器元件且所述第一取向与所述第二取向不相同。

3.如权利要求2所述的传感器设备，其特征在于，所述第一值和所述第二值在不同的坐标系中测得，并且其中，所述控制电路被布置成将所述第一值和所述第二值中的一个或多个转换到共同的坐标系中。

4.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述值是场矢量、从所述场矢量导出的信息、幅度值、角度值、或幅度值和角度值两者。

5.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述值是磁场矢量、从所述磁场矢量导出的磁比率、或从所述磁场矢量导出的磁方向。

6.如权利要求2所述的传感器设备，其特征在于，所述第一集合中的所述传感器元件不是共线的，或者所述第二集合中的所述传感器元件不是共线的；或者其中，所述第一集合中的所述传感器元件的所述测量方向不是共线的，或者所述第二集合中的所述传感器元件的所述测量方向不是共线的。

7.如权利要求4所述的传感器设备，其特征在于，所述控制电路被布置成组合来自限定具有不同方向的线的成对的传感器元件的测量，以产生每个场矢量。

8.如权利要求7所述的传感器设备，其特征在于，所述不同的方向是正交的。

9.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述四个传感器元件以四边形、矩形、正方形或圆形布置被布置。

10.一种操作如前述权利要求中的任一项所述的传感器设备的方法，所述方法包括：

使用所述控制电路以利用所述传感器元件来测量环境属性；

组合传感器元件测量以产生表示所述环境属性的多于两个的值；以及

比较所述值以确定单个正确值。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述两个值表示在不同坐标系中的测量，并且所述方法包括：将所述值中的一个或多个转换到共同的坐标系中。

12.如权利要求10所述的方法，包括：组合来自成对的传感器元件的测量。

13.如权利要求10所述的方法，包括：使用所述控制电路组合传感器元件测量以产生场矢量。

14.如权利要求10所述的方法，包括：使用所述控制电路组合来自限定具有不同方向的线的成对的传感器元件的测量以产生所述值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述不同的方向是正交的。