CN111103560B - 传感器诊断设备和方法 - Google Patents

Abstract

传感器设备(99)包括用于感测诸如环境属性之类的物理量的量并提供响应于感测到的物理量而形成的传感器信号的传感器(10)。诊断测试电路(20)提供各自表示对物理量的特定量的期望响应的多个诊断测试信号(22)。信号电路(30)选择传感器信号(12)或诊断测试信号(22)并形成信号电路输出(32)。参考电路(40)提供对应于物理量的阈值量的经校准的参考信号(42)。比较器(50)接收经校准的参考信号(42)并将其与信号电路输出(32)比较以形成比较信号(52)。控制电路(60)控制信号电路(30)、参考电路(40)以及诊断测试电路(20)并接收比较信号(52)，以输出传感器设备传感器信号(64)或传感器设备诊断信号(62)。

Description

传感器诊断设备和方法

技术领域

本发明涉及集成传感器设备诊断结构、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物理量(例如，环境的属性)并报告测量到的传感器值。具体而言，磁传感器用于例如在诸如汽车之类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，期望磁传感器是小型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到外部电子系统中的集成。例如，美国专利公布第20160299200号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含在衬底上的半导体材料中形成的集成电路、以及绝缘层和粘合层。

来自磁传感器的测量会随时间漂移，从而即使在暴露于相同的磁场时也提供不同的测量结果。例如，磁场测量结果会从期望的标称值偏离，灵敏度可能变化，使得测量结果是期望值的倍数(大于或小于1)，或者这两者。此类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)改变的结果。此外，由于类似的原因，设备可能随着时间而失效。

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设备提供替换。例如，WO2015038564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，用具有第一值的激励电流来激励霍尔效应传感器。当用具有第一值的激励电流激励霍尔效应传感器时，与霍尔效应传感器的电压输出对应的第一测量被获得。另外，用具有第二值的激励电流来激励霍尔效应传感器，该第二值不同于第一值。当用具有第二值的激励电流激励霍尔效应传感器时，与霍尔效应传感器的电压输出对应的第二测量被获得。随后，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US20160252599A1中描述了用于管理磁场传感器中的诊断的另一种方法。此种设计使用与磁场传感器相关联的、提供误差信息的开关。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，该控制电路被配置成用于控制多个开关并且用于基于这些开关的操作来提供指示故障的至少一个信号。

然而，这些方法以及其他类似的方法不一定在临界条件下(例如，对于接近于传感器系统切换点或切换阈值的情况下的操作)对系统进行操作，并且因此在此类临界条件下可能提供假肯定结果。

因此，对于在传感器系统中对这些传感器系统进行操作和测试的电路和方法，需要在临界测试条件下提供更可靠的诊断。

发明内容

本发明的实施例提供一种传感器设备，该传感器设备包括用于感测物理量的量的传感器，该物理量例如一个或多个环境属性，该一个或多个环境属性诸如磁场或电场、压力、加速度或温度，该传感器适于提供并输出响应于物理量的所感测到的量而形成的离散的传感器信号。传感器设备可以是磁传感器设备。传感器设备包括用于提供并任选地存储多个诊断测试信号的诊断测试电路，每个诊断测试信号表示对物理量的特定量的预定的期望传感器响应。传感器设备包括信号电路，该信号电路具有电连接至传感器以从该传感器接收传感器信号的输入端以及连接至诊断测试电路以在不同的时刻从该诊断测试电路接收诊断测试信号的输入端。信号电路包括选择电路，该选择电路用于在传感器信号与诊断测试信号之间进行选择以形成信号电路输出，或者用于修改传感器信号以充当诊断测试信号。传感器设备包括参考电路，该参考电路用于提供被校准至物理量的阈值量的第一经校准的参考信号。(阈值量也可以是或被认为是阈值。)传感器设备包括比较器，该比较器用于接收第一经校准的参考信号，并将该第一经校准的参考信号与信号电路输出进行比较，以形成比较信号。如果信号电路向比较器提供传感器信号作为信号电路输出，则比较信号可以是传感器比较信号。如果信号电路向比较器提供诊断测试信号作为信号电路输出，则比较信号可以是诊断比较信号。传感器设备进一步包括控制电路，该控制电路用于控制信号电路、诊断测试电路以及参考电路，以接收与诊断测试信号对应的诊断比较信号并且响应于该诊断比较信号而产生传感器设备诊断信号。控制电路还适于控制信号电路、诊断测试电路和参考电路接收与传感器信号对应的传感器比较信号并且响应于该传感器比较信号而产生并输出传感器设备传感器信号。

多个诊断测试信号包括第一诊断测试信号并包括第二诊断测试信号，其中，该第一诊断测试信号表示通过将预定义的公差加到第一经校准的参考信号而计算出的规格上限(USL)并优选地被存储在诊断测试电路中，其中，该第二诊断测试信号表示通过从第一经校准的参考信号减去预定义的公差而计算出的规格下限(LSL)并优选地被存储在诊断测试电路中。规格上限和规格下限限定阈值的诊断公差。针对规格上限和规格下限的预定义的公差可以是相同的或不同的。

在本发明的一些实施例中，使用仅两个诊断测试信号来产生传感器设备诊断信号。在本发明的一些实施例中，参考电路提供一个或多个附加的经校准的参考信号。每个附加的经校准的参考信号被校准至物理量的附加阈值量。对于每个附加的经校准的参考信号，提供附加的第一诊断测试信号并提供附加的第二诊断测试信号，其中，该附加的第一诊断测试信号表示通过将预定义的公差加到附加的经校准的参考信号而计算出的附加的规格上限并优选地被存储在诊断测试电路中，其中，该附加的第二诊断测试信号表示通过从附加的经校准的参考信号减去预定义的公差而计算出的附加的规格下限并优选地被存储在诊断测试电路中。

因此，在本发明的实施例中，经校准的参考信号是被校准至物理量的第一阈值量的第一参考信号，USL表示第一规格上限(USL1)，并且LSL表示第一规格下限(LSL1)。附加的经校准的参考信号包括被校准至物理量的第二阈值量的第二参考信号。多个诊断测试信号可以包括第三诊断测试信号，其中，该第三诊断测试信号表示通过将预定义的公差加到经校准的第二参考信号而计算出的第二规格上限(USL2)并优选地被存储在诊断测试电路中。多个诊断测试信号还可以包括第四诊断测试信号，其中，该第四诊断测试信号表示通过从第二参考信号减去预定义的公差而计算出的第二规格下限(LSL2)并优选地被存储在诊断测试电路中。第一规格上限和第一规格下限、以及第二规格上限和第二规格下限分别可以限定第一阈值和第二阈值的诊断公差。针对第二规格上限和规格下限的预定义的公差可以是相同的或不同的。针对第一阈值量和第二阈值量的预定义的公差可以是相同的或不同的。

在一些实施例中，传感器设备诊断信号是误差信号。在一些实施例中，传感器、参考电路、诊断测试电路以及信号电路的任何组合是处理在两根导线上提供的差分电压信号的差分电路。在一些实施例中，传感器、参考电路、诊断测试电路以及信号电路的任何组合是处理在一根导线上提供的单端电压信号的单端电路。因此，传感器信号、测试信号、输出信号或参考信号可以是在一根导线上提供的单端电压信号或在两根导线上提供的差分电压信号。比较器可以是差分比较器。传感器设备可以包括在控制参考电路的控制电路中实现的锁存和开关功能。锁存器具有切换点或切换阈值。参考电路向比较器提供适当的参考信号。

在本发明的一些配置中，传感器设备包括任选的放大器，该任选的放大器从信号电路接收信号电路输出以形成被输出到比较器的经放大的信号电路输出。在实施例中，控制电路控制放大器的增益。

在一些实施例中，诊断测试电路存储多个诊断测试信号，并且控制电路选择由诊断测试电路输出的期望诊断测试信号。类似地，在一些实施例中，参考电路存储多个参考信号，并且控制电路选择由参考电路输出的期望参考信号。

诊断测试电路、参考电路或控制电路中的任何一者或多者可以包括非易失性存储器以及用于读取该存储器并向该存储器写入的存储器控制电路。参考电路的存储器可以存储经校准的参考信号，诊断测试电路的存储器可以存储诊断测试信号，并且控制电路的存储器可以存储比较信号或其他控制信息。存储器可以是数字存储器，并且这些电路中的任一者可以包括数模转换电路。在一些实施例中，参考电路存储多个经校准的参考信号，并且控制电路选择由参考电路输出的期望的经校准的参考信号。在一些实施例中，诊断测试电路存储多个诊断测试信号，并且控制电路选择由诊断测试电路输出的期望诊断测试信号。

诊断测试信号、参考信号、信号电路输出、比较信号、传感器设备传感器信号、或传感器设备诊断信号中的任何一者或多者可以是数字信号、诸如电压之类的模拟信号、或差分信号。

在一些实施例中，第一或第二诊断测试信号是从传感器信号推导出的。

诊断测试电路、参考电路或控制电路中的任何一者或多者可以对诸如温度、应力或电源电压之类的环境条件或对传感器设备的历史使用作出响应，以修改诊断测试信号或参考信号中的任一者，从而例如补偿诸如磁迟滞之类的传感器设备迟滞。

在一些实施例中，控制电路适于组合多个所接收的比较信号，以形成组合比较信号，并且传感器设备传感器信号或传感器设备诊断信号响应于该组合比较信号。

在第二方面，本发明提供一种用于对根据本发明的实施例的传感器设备的传感器进行操作和测试的方法。该方法包括：对传感器执行诊断，并操作该传感器以感测物理量的量。执行诊断和操作传感器的动作共享信号电路、比较器、参考电路、以及控制电路的至少部分。

在本发明的实施例中，传感器诊断方法包括：利用控制电路控制诊断测试电路提供第一诊断测试信号，该第一诊断测试信号表示对物理量的第一量的期望的传感器响应；利用控制电路控制信号电路选择第一诊断测试信号并提供第一信号电路输出；利用控制电路控制参考电路提供与物理量的量的阈值对应的经校准的参考信号；将经校准的参考信号与第一信号电路输出进行比较，以产生第一比较信号；利用控制电路控制诊断测试电路提供第二诊断测试信号；利用控制电路控制信号电路选择该第二诊断测试信号并提供第二信号电路输出；将参考信号与第二信号电路输出进行比较，以产生第二比较信号；以及利用控制信号响应于第一和/或第二比较信号而生成传感器设备诊断信号。

在本发明的实施例中，操作传感器可包括：利用控制电路控制信号电路选择传感器信号；将该传感器信号与经校准的参考信号进行比较以产生传感器比较信号；以及响应于该传感器比较信号而生成传感器设备传感器信号。

在本发明的实施例中，可在操作传感器的步骤之后重复执行诊断的步骤。在执行诊断的步骤再次被执行之前，可操作传感器多个周期。

第一诊断测试信号可以表示规格上限(USL)，该规格上限(USL)通过将预定义的公差加到经校准的参考信号而计算出并被存储在诊断测试电路中，并且第二诊断测试信号可以表示规格下限(LSL)，该规格下限(LSL)通过从经校准的参考信号减去预定义的公差而计算出并被存储在诊断测试电路中。规格上限和规格下限可以限定阈值的诊断公差。

在本发明的一些方法中，可以提供与物理量的其他阈值(阈值量)对应的附加的经校准的参考信号，并将其与附加的诊断测试信号(例如，第三和第四诊断测试信号)进行比较，以使用所描述的步骤产生附加的比较信号和输出诊断信号。

在本发明的特定实施例中，可以执行感测步骤，在该感测步骤中，信号电路被控制以选择来自传感器的传感器信号，从比较器接收传感器比较信号，并且输出表示该比较信号的信号。

可在诊断步骤之后或之前执行这些感测步骤。可以在执行诊断步骤之间重复地执行这些感测步骤。在特定实施例中，多个比较信号形成组合比较信号，诸如平均化的比较信号，该组合比较信号由控制电路用来输出传感器设备传感器信号。

本发明的实施例提供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。

附图说明

通过参照以下结合附图的描述，本发明的前述和其他目标、方面、特征和优势将变得更加明显且更好理解，在附图中：

图1是根据本发明实施例的传感器设备的示意性图示；

图2是根据本发明实施例的信号电路的示意性图示；

图3是根据本发明的实施例的传感器诊断方法的流程图；

图4是根据本发明的实施例的传感器方法的流程图；以及

图5是根据本发明的实施例的顺序驱动的诊断和传感器方法的流程图，其中，传感器设备进行操作以感测物理量的量，并且偶然地且周期性地对传感器设备进行测试以确保正确的操作。

当结合附图时，本发明的特征和优势将从以下阐述的详细描述中变得更加显而易见，在附图中，相同的附图标记贯穿说明书标识对应的元件。这些附图仅是示意性而非限制性的。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/或结构上类似的元件。这些图不是按比例绘制的，因为图中各种元件尺寸的变化过大而不能按比例绘制。

具体实施方式

将参考特定实施例并且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。

说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等等用于在类似的元件之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以其他方式的顺序。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的实施例能以除本文中所描述或图示的顺序之外的其他顺序进行操作。

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“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指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开对本领域普通技术人员将是显而易见的，能以任何合适的方式对特定的特征、结构或特性进行组合。

类似地，应当理解，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理解各发明性方面中的一个或多个发明性方面的目的，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，各发明性方面存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式所附的权利要求由此被明确并入本具体实施方式中，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不包括其他实施例中所包括的其他特征，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，特定术语的使用不应当被视作暗示该术语在本文中被重新定义为受限于包括该术语所关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。

本发明的实施例提供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。参考图1，传感器设备99包括传感器10，该传感器10用于感测物理量并且用于测量该物理量的量，该物理量例如，诸如温度或压力之类的环境属性或条件。物理量的量可以是物理量的幅值、强度或水平。传感器10可以是桥式传感器。传感器10提供响应于物理量的所测量的量而形成的传感器信号12，该物理量例如，诸如磁场或电场、压力、加速度或温度之类的一个或多个环境属性。传感器设备99可以是磁传感器设备99，并且传感器10可以是磁传感器10。传感器信号12可以是两根导线上携载的差分信号(如图1中所示)，这两根导线的电压的差表示传感器信号12。此类差分信号较不易受电噪声影响。替代地(未图示出)，传感器信号12可以由单根导线携载，该传感器信号12例如，其值为相对于偏置信号的电压的电压信号，该偏置信号例如，被提供给传感器10或信号电路30的接地信号(未示出)。传感器10响应于物理量的不同的量而提供不同的传感器信号12，也就是说，不同的传感器信号12各自与物理量的不同的量对应。

诊断测试电路20提供并存储(或可能获得)多个诊断测试信号22，每个诊断测试信号表示对物理量的对应的量的预定的期望响应。诊断测试信号22可以是差分信号，并且在图1中被示出为差分信号。同样参考图2，信号电路30选择诊断测试信号22或传感器信号12(如所示)，或者使用传感器信号12(例如，通过加上dc偏置(未示出))来形成诊断测试信号22以产生信号电路输出32。信号电路30可以是多路复用器。因此，信号电路30在其输出端可控地提供传感器信号12或诊断测试信号22。在与如图1中的差分诊断测试信号22和传感器信号12对应的实施例中，信号电路30包括连接至携载传感器信号12的(多根)导线的输入端36以及连接至携载诊断测试信号22的(多根)导线的输入端38。选择电路(任选地，在差分实现方式中，两个选择电路34a、34b)响应于信号电路控制信号66而在传感器信号12与诊断测试信号22之间进行选择以形成信号电路输出32，该信号电路输出32也被示出为差分信号。

参考电路40提供被校准至物理量的阈值量的经校准的参考信号42。比较器50接收信号电路输出32，并将其与经校准的参考信号42进行比较，以形成比较信号52。如果信号电路30选择诊断测试信号22，则比较信号52可以是诊断比较信号52。如果信号电路30选择传感器信号12，则比较信号52可以是传感器比较信号52。

取决于其操作模式(通过控制信号电路30的选择器来确定)，根据本发明的实施例的传感器设备99的输出是传感器设备传感器信号64或传感器设备诊断信号62。

在本发明的一些实施例中，使用仅两个诊断测试信号22来产生传感器设备诊断信号62。多个诊断测试信号22可以包括第一诊断测试信号22，其中，第一诊断测试信号22表示规格上限(USL——参见下文)，该规格上限通过将预定义的公差加到经校准的参考信号42计算出，并且优选地被存储在诊断测试电路20中。多个诊断测试信号还可以包括第二诊断测试信号22，其中，第二诊断测试信号22表示规格下限(LSL——参见下文)，该规格下限通过从经校准的参考信号42减去预定义的公差计算出，并且优选地被存储在诊断测试电路20中。规格上限和规格下限限定阈值的诊断公差。针对规格上限和规格下限的预定义的公差值可以是相同的值或不同的值。

规格上限(USL)等同于传感器10的传感器信号12可靠地高于切换阈值(例如，通过超出切换点期望的安全余量，使得系统误差和波动或统计误差和波动将不影响传感器10对物理量的测量)所处于的测量值，并且规格下限(LSL)等同于传感器10可靠地低于切换阈值(例如，通过小于切换点期望的安全余量，使得系统误差和波动或统计误差和波动将不影响传感器10对物理量的测量)所处于的测量值。在此类情况下，第一诊断测试信号是使得获得高于阈值的期望响应的诊断测试信号，并且第二诊断测试信号22是使得获得低于阈值的期望响应的诊断测试信号。

在本发明的一些实施例中，参考电路40提供一个或多个附加的经校准的参考信号42。每个附加的经校准的参考信号42被校准至物理量的附加的阈值量，并且每个附加的参考信号42包括附加的第一诊断测试信号22和附加的第二诊断测试信号22，其中，附加的第一诊断测试信号22表示通过将预定义的公差加到附加的经校准的参考信号42而计算出的并且被存储在诊断测试电路20中的附加的规格上限，其中，附加的第二诊断测试信号22表示通过从附加的经校准的参考信号42减去预定义的公差而计算出的并被存储在诊断测试电路20中的附加的规格下限。

因此，在本发明的实施例中，经校准的参考信号42是被校准至物理量的第一阈值量的第一参考信号，USL是第一规格上限(USL1)，并且LSL是第一规格下限(LSL1)。多个诊断测试信号22还包括第三诊断测试信号22，其中，第三诊断测试信号22表示通过将预定义的公差加到被校准至物理量的第二阈值量的第二参考信号42而计算出的并且被存储在诊断测试电路20中的第二规格上限。多个诊断测试信号还可以包括第四诊断测试信号22，其中，第四诊断测试信号22表示通过从第二参考信号42减去预定义的公差而计算出的并且被存储在诊断测试电路20中的第二规格下限(LSL2)。第一规格上限和下限以及第二规格上限和下限可以分别限定第一阈值和第二阈值的诊断公差。规格上限和规格下限的预定义的公差值可以是相同的值或不同的值，并且针对第一和第二诊断测试信号22可以是相同的或不同的。

在正常操作(感测模式)期间，为了避免在物理量的单个量下快速地接通和断开，可以采用迟滞，以使得由参考电路40提供的物理量的第一阈值量不同于(例如，强于或大于)物理量的第二阈值量。在本发明的实施例中，在正常操作期间，将传感器10对物理量的测量值与两个阈值(操作开启阈值或BOP、以及操作关闭阈值释放点或BRP)进行比较。

通过对传感器设备99测试(诊断模式)物理量的第一量和第二量(USL和LSL)，获得表示物理量的临界量下传感器设备99的操作性能的更可靠的诊断。在其中传感器设备99使用多个阈值的情况下，并且为了应对系统和/或统计误差和波动并且避免抖动，可以执行反复测试，其中，在第一步骤中，可以将第一阈值设置为BOP操作点的LSL操并将第一参考信号设置为BOP，并且可以将第二阈值设置为BOP操作点的USL并将第二参考信号设置为BOP。在第二步骤中，可以将第一阈值设置为BRP操作点的LSL并将第一参考信号设置为BRP，并且可以将第二阈值设置为BRP操作点的USL并将第二参考信号设置为BRP。

参考电路40提供与物理量的第一和第二阈值量中的每个阈值量对应的经校准的第一和第二参考信号。比较器50接收并比较参考信号42和信号电路输出32以形成比较信号52。参考信号42和信号电路输出32可以是差分信号，并且比较器50可以是产生比较信号52的差分比较器50，比较信号52的值与输入信号的例如电压的差对应。因此，在本发明的一些实施例中，传感器10、参考电路40、诊断测试电路20、以及信号电路30的任何组合是对被提供在两根导线上的差分信号(例如，电压信号)进行处理的差分电路。替代地，在本发明的一些实施例中，传感器10、参考电路40、诊断测试电路20、以及信号电路30的任何组合是对被提供在一根导线上的单端电压信号进行处理的单端电路。

控制电路60经由控制信号66来控制信号电路30、诊断测试电路20、以及参考电路40，并且取决于传感器设备99正在感测模式下(其中，信号电路30选择传感器信号12，并且比较器50形成传感器比较信号52)还是在诊断模式下(其中，信号电路30选择或形成诊断测试信号22，并且比较器50形成诊断比较信号52)操作而接收比较信号52以输出传感器设备传感器信号64或传感器设备诊断信号62。

在本发明的一些操作配置中，控制电路60控制诊断测试电路20、信号电路30以及参考电路40在测试模式或诊断模式下进行操作。控制电路60随后控制诊断测试电路20首先提供第一诊断测试信号22，控制信号电路30选择第一诊断测试信号22并提供第一信号电路输出32，并且控制参考电路40提供参考信号42。比较器50将第一信号电路输出32与参考信号42进行比较，以形成被提供给控制电路60的第一诊断比较信号52。控制电路60随后控制诊断测试电路20提供第二诊断测试信号22，控制信号电路30选择第二诊断测试信号22并提供第二信号电路输出32，并且控制参考电路40提供参考信号42。比较器50将第二信号电路输出32与参考信号42进行比较，以形成被提供给控制电路60的第二诊断比较信号52。在诊断模式下，控制电路60例如通过检查比较信号是否如预期并且通过在并非如预期的情况下提出错误标志来提供响应于第一和第二诊断比较信号52的传感器设备诊断信号62。

在其他操作配置中，控制电路60控制信号电路30和参考电路40在感测模式下进行操作，在感测模式下，信号电路30被控制以选择传感器信号12并提供信号电路输出32。由参考电路40提供的参考信号42可以是具有相同电压或偏置信号(诸如，接地)的差分信号，以使得比较器50输入信号电路输出32并输出比较信号52，该比较信号52类似于信号电路输出32并由此类似于传感器信号12。在感测模式下，控制电路60提供取决于比较信号52、与物理量的感测到的量对应的传感器设备传感器信号64。一般而言，根据本发明的一些实施例，传感器设备99将受控制电路60控制，以在周期性的诊断测量期间作出多个传感器测量——由此提供多个传感器设备传感器信号。

传感器10可以是各种传感器(诸如，磁霍尔效应传感器或磁阻传感器)中的任一者，并且可以被设置在例如集成电路中，或者作为安装在传感器衬底上的单独的集成电路组件(诸如，裸管芯)被提供，该传感器衬底诸如玻璃、陶瓷、聚合物或半导体衬底。集成电路组件中的一个或多个可作为通过微转移印刷而被沉积的裸管芯被设置在传感器衬底上，或者在半导体衬底的情况下，被形成在半导体衬底中或半导体衬底上并且使用导线80电连接，这些导线80使用光刻材料和方法形成。传感器10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、或电路类型和电子设备的组合。

诊断测试电路20同样可以包括电子电路、数字逻辑电路、模拟电路或混合信号电路、或电路类型和电子设备的组合。在一些实施例中，诊断测试电路20是包括用于以数字状态存储多个预定的诊断测试信号22值的非易失性存储器的数字电路，例如，CMOS电路。诊断测试电路20还可以包括用于将数字诊断测试信号22值转换为通过一根或多根导线被供应给信号电路30的电压或差分电压信号的一个或多个数模转换器。诊断测试电路20可以包括存储器控制电路，该存储器控制电路响应于由控制电路60提供的控制信号66而将地址提供给存储器并且从存储器读取值。

参考图1和图2，信号电路30同样可以包括电子电路、数字逻辑电路、模拟电路、或混合信号电路、或电路类型和电子设备的组合。在一些实施例中，信号电路30是数字电路，例如，CMOS电路。在其他实施例中，信号电路30包括模拟晶体管。在差分信号实施例中，信号电路30可以包括两个选择电路34a、34b。一个选择电路34a要么选择传感器信号12中的一个传感器信号，要么选择诊断测试信号22中对应的一个诊断测试信号，并且另一选择电路34b要么选择传感器信号12中的另一个传感器信号，要么选择诊断测试信号22中对应的另一个诊断测试信号，这两种情况均在由控制电路60提供的控制信号66的控制之下。所选择的信号作为信号电路输出32被提供。信号电路输出32可以是数字信号或模拟信号，诸如电压信号。

在本发明的一些实施例中，信号电路输出32被放大以提供更大的范围，例如，更大数量的数字值或增加的电压范围或电压差(对于差分信号)。放大电路可以被设置在信号电路30中，或者作为单独的放大器电路70而被提供，该单独的放大器电路70对来自信号电路30的信号电路输出32进行放大并提供经放大的信号电路输出。如图1中所示，放大器70可以是用于差分信号电路输出32的差分放大器70。在此类实施例中，差分放大器70从信号电路30接收信号电路输出32，以形成被输出到差分比较器50的经放大的信号电路输出。放大器70的增益可以由控制电路60通过携载一个或多个控制信号66的一根或多根导线来控制。

参考电路40也可以包括电子电路、数字逻辑电路、模拟电路或混合信号电路、或电路类型和电子设备的组合。在一些实施例中，参考电路40是包括用于以数字状态存储多个参考信号42值的非易失性存储器的数字电路，例如，CMOS电路。这些值可以是预定的校准值。参考电路40可以包括用于将数字参考信号42值转换为被供应给比较器50的电压或差分电压的数模转换器。参考电路40可以包括存储器控制电路，该存储器控制电路响应于由控制电路60提供的控制信号66而将地址提供给存储器并且从存储器读取值。参考电路40可以提供差分参考信号42(如图1中所示)或单个参考信号42(未示出)，例如电压。所选择的参考值可以与诊断测试电路20中所选择的测试值以及物理量的量对应，以使得参考值与测试值匹配。

不论是否放大，比较器50均接收信号电路输出32和参考信号42并将它们进行比较，并且输出比较值52，该比较值52的值与输出信号32与参考信号42之间的差对应。如果输出信号32和参考信号42是差分信号，并且比较器50是差分比较器50，则差分比较器首先找到多个差分信号电路输出32之间的差以及多个差分参考信号42之间的差。随后对这些差值进行比较以提供比较信号52。因此，在诊断模式下，大的比较信号52表示大的误差，并且小的比较信号52表示小的误差。在数字实施例中，差分比较器50可以包括执行算术计算以找到多个输入数字值之间的差的数字电路。在模拟实施例中，差分比较器50可以包括向诸如电压信号之类的信号提供差和比较的运算放大器(Op Amp)。

控制电路60可以包括数字逻辑电路、模拟电路、或混合信号电路、或电路类型和电子设备的组合。在一些实施例中，控制电路60包括状态机或中央处理单元(例如，具有存储在存储器中的程序的存储程序机)。控制电路60可以包括存储器、驱动器、数字逻辑电路和模拟电路。在一些实施例中，控制电路60包括环境传感器，并且控制电路60响应于所感测到的环境来控制诊断测试电路20和/或参考电路40。例如，可以响应于环境温度、湿度、振动、或者其他环境属性或条件来调整或修改诊断测试信号22和/或参考信号42。而且，在一些实施例中，控制电路60可以响应于环境条件而使用在那些环境条件下对传感器10和传感器设备组件的预定的校准来使传感器设备传感器信号64或传感器设备诊断信号62适配。在相同的实施例或其他实施例中，控制电路60可以存储传感器设备99的使用历史和条件，并且响应于该使用历史和条件来使传感器设备传感器信号64或传感器设备诊断信号62适配。例如，组件可能在已知的环境条件或已知的使用模式下随时间可预测地大幅降级，并且可以响应于使用或环境条件历史而对传感器设备传感器信号64或传感器设备诊断信号62进行调整。

在本发明的同一实施例或另外的其他实施例中，例如随时间记录的多个比较信号52可被存储在控制电路60中的存储器中，并且例如通过求平均而被组合以形成具有更少噪声或者更准确或更精确的组合比较信号。传感器设备传感器信号64可以响应于组合比较信号。在一些实施例中，制作多个比较信号52并在诊断模式下存储这些比较信号52，并且例如通过求平均来对多个比较信号52进行组合以提供改进的传感器设备诊断信号62。

在本发明的实施例中，提供诊断和感测两者所要求的电路的量通过对于两种功能使用相同的电路而被大大减少，并且通过在两种模式下以同一种方式使用相同组件中的大部分组件而被更彻底地测试。

控制电路60、诊断测试电路20、信号电路30、参考电路40、以及差分比较器50中的部分或全部可以被设置在一个或多个集成电路中，或者可以包括分立的电子组件。单个集成电路可以包括提供控制电路60的控制功能、诊断测试电路20的诊断测试功能、以及参考电路40的部分或全部的电路。替代地，多个集成电路可以包含以许多方式中的任一方式分布在多个集成电路之间的控制电路60、诊断测试电路20、以及参考电路40的全部或部分。

传感器设备99的各种组件可以例如被设置在利用导线电连接的电子电路、集成电路或分立电子器件中。各种组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衬底上，或者各种组件中的任何一个或全部可以被集成为半导体衬底中或半导体衬底上的电路，或者某个组合可以由设置在半导体衬底上的集成电路和形成在半导体衬底中或半导体衬底上的电路制成。各种组件中的任何一个或全部可以被设置在经封装的集成电路中或裸管芯中，这些经封装的集成电路或裸管芯被微转移印刷到半导体衬底或其他衬底上。可以使用光刻方法和材料来提供导线，以连接集成在半导体衬底上的各种组件、集成电路管芯或电路。

参考图3，在本发明的一些实施例中，传感器诊断方法包括：在步骤110A中，由控制电路60控制诊断测试电路20提供表示对物理量的第一量的期望响应的第一诊断测试信号22(例如，USL或LSL)；以及在步骤120A中，由控制电路60控制信号电路30选择第一诊断测试信号并且生成第一信号电路输出32。在步骤130中，控制电路60控制参考电路40提供与物理量的量对应的参考信号42，例如，高切换量或低切换量。在步骤140A中，比较器50接收参考信号42和第一信号电路输出32，以产生在步骤150A中由控制电路60接收并存储的第一比较信号52。随后在步骤110B中，由控制电路60控制诊断测试电路20提供表示对物理属性的与第一量不同的第二量的期望响应的第二诊断测试信号22，并且在步骤120B中，由控制电路60控制信号电路30选择第二诊断测试信号22并产生第二信号电路输出32。在步骤140B中，比较器50接收参考信号42和第二信号电路输出32，以产生第二比较信号52。在步骤150B中，控制电路60接收第二比较信号52，并且随后可以对第一和第二比较信号52进行评估、比较或处理，以在步骤160A中产生并输出或以其他方式使用传感器设备诊断信号62。例如，传感器设备诊断信号62可以被供应给外部控制系统，或者可以被用来修改传感器设备99自身的行为(例如，通过修改其操作特性)或被用来关闭传感器设备诊断信号62。随后对于第二参考信号42以及第三和第四诊断测试信号22可以重复该过程。

参考图4，在本发明的传感器方法中，在步骤100中，提供传感器设备99。在步骤110C中，传感器10产生传感器信号12，在步骤120C中，由信号电路30在控制电路60的控制下选择该传感器信号12。如果使用差分信号电路输出32，则差分比较器50形成作为传感器比较信号52被输出的差分信号。如果使用非差分信号，则比较器50将信号电路输出32用作针对传感器比较信号52的物理属性的量。由控制电路60在步骤150C中接收传感器比较信号52，并由控制电路60对该比较信号52进行评估、比较或处理，以在步骤160B中产生传感器设备传感器信号64。

诊断模式和感测模式中的每一种模式都可以在任意时刻或对于任意时间段被操作。然而，在本发明的一些实施例中并且参考图5，在步骤100中，提供传感器设备99。在步骤200(包括来自图3的步骤110A-150A、110B-150B以及160A)中，传感器设备99进入诊断模式，并且由控制电路60输出传感器诊断信号62。在步骤210(包括来自图4的步骤110C-150C和160B)中，传感器设备99进入感测模式，并且由控制电路60输出传感器设备传感器信号64。传感器设备99保持处于感测模式，直到其被完成(步骤220)，例如，通过返回到步骤210持续预定的时间段或持续预定数量的传感器周期。在该时间点，传感器设备99离开感测模式，并且进入诊断模式，从而执行步骤200。当诊断测试完成时，传感器设备99离开诊断模式，并且再次进入感测模式(步骤210)。因此，传感器设备99正常操作以感测物理量的量(如图4中所示)，并且偶然地或周期性地被测试(如图3中所示)以确保正确的操作。

在本发明的实施例中，例如通过对在多个单独的感测步骤200之间取得的多个比较信号52求平均来组合多个比较信号52，以产生由控制电路60用来输出传感器设备传感器信号64的组合比较信号52。替代地，在诊断模式下取得的多个第一和第二比较信号52被组合以产生由控制电路60用来输出传感器设备诊断信号62的组合比较信号52。

可以通过提供衬底并将传感器10安装在该衬底上来构造本发明的实施例。衬底可以是另一设备或结构的组件。在一些实施例中，诊断测试电路20、信号电路30、参考电路40、比较器50以及控制电路60被设置在(经封装的或作为裸管芯的)一个或多个集成电路中，并且被设置在衬底表面上。可以通过将传感器10和集成电路从对应的源晶片微转移印刷到衬底表面上来将它们设置在衬底表面上。替代地，衬底表面可以是或可以包括半导体层，并且诊断测试电路20、信号电路30、参考电路40、差分比较器50以及控制电路60中的每一者的一个或多个或者任何部分形成在半导体层中，并且使用衬底表面上的导线80(例如，使用光刻或印刷电路板方法和材料)电连接在一起或与设置在衬底表面上的任何集成电路电连接。

衬底可以是具有能够支撑或接纳传感器10和集成电路的表面的许多衬底中的一种，例如，具有两个相对的相对平坦且平行的侧的玻璃、塑料、陶瓷或半导体衬底。衬底可以具有各种厚度，例如，10微米至几毫米。衬底可以是另一设备的部分或表面，并且可以包括电子电路。传感器10可以是各种传感器中的任何传感器，例如，霍尔效应传感器或磁阻传感器。传感器10可以被设置在经封装的或未经封装的集成电路中，或者可以被设置在一电路中，该电路形成或设置在衬底、衬底的表面、或衬底上的层上，或形成或设置在衬底、衬底的表面或衬底上的层中，或形成或设置为与衬底、衬底的表面、或衬底上的层直接接触。

如果传感器10或者诊断测试电路20、信号电路30、参考电路40、差分比较器50以及控制电路60中的一者或多者或诊断测试电路20、信号电路30、参考电路40、差分比较器50以及控制电路60中的每一者的任何部分被微转移印刷到衬底或衬底上的层(例如，电介质层)，则可以根据需要通过任何中间层(诸如，电介质层)中的通孔将它们彼此电连接，如在集成电路和印刷电路板领域中通常所做的那样。替代地，传感器10或任何集成电路是表面贴装设备，并使用表面贴装技术设置。

可以通过向传感器10以及诊断测试电路20、信号电路30、参考电路40、比较器50和控制电路60中的任何一者或多者提供电功率来对本发明的传感器设备99的实施例进行操作。响应于电功率，控制电路60如参考图3、图4和图5所描述地对传感器99的其他元件进行操作。

例如，在文献“使用转移印刷集成电路的AMOLED显示器(AMOLED Displays usingTransfer-Printed Integrated Circuits)”(信息显示学会期刊，2011，DOI#10.1889/JSID19.4.335,1071-0922/11/1904-0335，第335-341页)和US专利8,889,485中描述了以上所引用的形成微转移可印刷结构的方法。对于微转移印刷技术的讨论参见US专利第8,722,458号、第7,622,367号和第8,506,867号，这些专利中的每件专利的相关内容通过引用结合于此。使用复合微装配结构和方法的微转移印刷也可以与本发明一起使用，例如，如2015年8月10日提交的题为“复合微装配策略和设备(Compound Micro-Assembly Strategies andDevices)”的美国专利申请序列号14/822,868中所描述，其相关内容通过引用结合于此。在实施例中，传感器设备99是复合微装配设备。在理解和执行本发明的各方面时有用的附加细节在2015年6月18日提交的题为“微装配LED显示器和发光元件(Micro Assembled LEDDisplays and Lighting Elements)”的美国专利申请序列号14/743,981中进行描述，其相关内容通过引用整体结合于此。

如本领域技术人员所理解，术语“上方(over)”、“下方(under)”、“之上(above)”、“之下(below)”、“在...下(beneath)”和“在...上(on)”是相对术语，并且在参考本发明中所包括的层、元件和衬底的不同取向时可以互换。例如，在第二层上的第一层在一些实施例中意指直接在第二层上并且与第二层接触的第一层。在其他实施例中，在第二层上的第一层可以包括其间的另一层。另外，“在...上(on)”可以意指“在...上(on)”或“在...中(in)”。

已经描述了某些实施例，对于本领域技术人员而言将变得显而易见的是，可使用包含本发明的概念的其他实施例。因此，本发明不应限于所描述的实施例，而是应当仅由所附权利要求的精神和范围来限制。

在整个说明书中，在设备和系统被描述为具有(having)、包含(including)或包括(comprising)特定组件的情况下，或者在过程和方法被描述为具有(having)、包含(including)或包括(comprising)特定步骤的情况下，另外设想存在基本上由所述组件组成或由所述组件组成的所公开技术的装置和系统，并且设想存在基本上由所述处理步骤组成或由所述处理步骤组成的根据所公开技术的过程和方法。

应当理解，只要所公开的技术保持可操作，步骤的顺序或执行某些动作的顺序就无关紧要。此外，在一些情况下，可以同时进行两个或更多个步骤或动作。已经具体参照其某些实施例详细描述了本发明，但将会理解，可以在本发明的精神和范围内进行变化和修改。

Claims (16)

1.一种传感器设备，包括：

传感器，用于感测物理量的量，所述传感器适于提供响应于所述物理量的所感测到的量而形成的传感器信号；

参考电路，用于提供被校准至所述物理量的阈值量的第一经校准的参考信号；

诊断测试电路，用于提供多个诊断测试信号，每个诊断测试信号表示对所述物理量的特定量的预定的期望传感器响应；

信号电路，用于提供所述传感器信号或诊断测试信号作为信号电路输出；

比较器，用于接收所述信号电路输出并将所述信号电路输出与所述第一经校准的参考信号进行比较，以形成比较信号；以及

控制电路：

i)用于控制所述信号电路、所述诊断测试电路、以及所述参考电路接收与诊断测试信号对应的诊断比较信号并且响应于所述诊断比较信号而产生传感器设备诊断信号；以及

ii)用于控制所述信号电路、所述诊断测试电路以及所述参考电路接收与传感器信号对应的传感器比较信号并且响应于所述传感器比较信号而产生并输出传感器设备传感器信号；并且，

其中

a)所述多个诊断测试信号包括第一诊断测试信号，其中，所述第一诊断测试信号表示通过将预定义的公差加到所述第一经校准的参考信号而计算出的规格上限；

b)所述多个诊断测试信号包括第二诊断测试信号，其中，所述第二诊断测试信号表示通过从所述第一经校准的参考信号减去预定义的公差而计算出的规格下限；并且

c)所述规格上限和所述规格下限限定所述阈值量的诊断公差。

2.如权利要求1所述的传感器设备，其中，使用仅两个诊断测试信号来产生所述传感器设备诊断信号。

3.如权利要求1所述的传感器设备，其中，所述参考电路提供一个或多个附加的经校准的参考信号，所述一个或多个附加的经校准的参考信号各自被校准至所述物理量的附加阈值量，并且其中，对于每个附加的经校准的参考信号，以下各项被提供：

i)附加的第一诊断测试信号，其中，所述附加的第一诊断测试信号表示通过将预定义的公差加到所述附加的经校准的参考信号而计算出的附加的规格上限；以及

ii)附加的第二诊断测试信号，其中，所述附加的第二诊断测试信号表示通过从所述附加的经校准的参考信号减去预定义的公差而计算出的附加的规格下限。

4.如权利要求3所述的传感器设备，其中：

所述第一经校准的参考信号被校准至所述物理量的第一阈值量，所述规格上限表示第一规格上限，并且所述规格下限表示第一规格下限；

附加的经校准的参考信号包括被校准至所述物理量的第二阈值量的第二参考信号；并且

a)所述多个诊断测试信号包括第三诊断测试信号，其中，所述第三诊断测试信号表示第二规格上限，所述第二规格上限通过将预定义的公差加到经校准的第二参考信号而计算出并被存储在所述诊断测试电路中；

b)所述多个诊断测试信号包括第四诊断测试信号，其中，所述第四诊断测试信号表示第二规格下限，所述第二规格下限通过从所述第二参考信号减去预定义的公差而计算出并被存储在所述诊断测试电路中；并且

c)所述第一规格上限和所述第一规格下限、以及所述第二规格上限和所述第二规格下限分别限定所述第一阈值和所述第二阈值的诊断公差。

5.如权利要求1所述的传感器设备，包括放大器，所述放大器适于从所述信号电路接收所述信号电路输出，以形成被输出到所述比较器的经放大的信号电路输出。

6.如权利要求5所述的传感器设备，其中，所述控制电路适于控制所述放大器的增益。

7.如权利要求1所述的传感器设备，其中，所述比较器是差分比较器。

8.如权利要求1所述的传感器设备，其中，所述诊断测试电路或所述控制电路适于对环境条件或历史使用进行响应，以修改所述多个诊断测试信号中的一个或多个诊断测试信号。

9.如权利要求1所述的传感器设备，其中，所述参考电路或所述控制电路适于对环境条件或历史使用进行响应，以修改所述经校准的参考信号中的一个或多个经校准的参考信号，或者

其中，所述控制电路适于组合多个比较信号以形成组合比较信号，并且其中所述传感器设备传感器信号响应于所述组合比较信号。

10.如权利要求1所述的传感器设备，其中，所述参考电路适于存储多个经校准的参考信号，并且所述控制电路适于选择由所述参考电路输出的期望的经校准的参考信号，或者

其中，所述诊断测试电路适于存储多个诊断测试信号，并且所述控制电路适于选择由所述诊断测试电路输出的期望的诊断测试信号。

11.一种适于对根据权利要求1所述的传感器设备的传感器进行操作和测试的方法，所述方法包括：对所述传感器执行诊断，并操作所述传感器以感测物理量的量，

其中，执行诊断和操作所述传感器共享所述信号电路、所述比较器、所述参考电路、以及所述控制电路的至少部分。

12.如权利要求11所述的方法，其中，执行诊断包括：

a)利用所述控制电路控制所述诊断测试电路提供第一诊断测试信号；

b)利用所述控制电路控制所述信号电路选择所述第一诊断测试信号并提供第一信号电路输出；

c)利用所述控制电路控制所述参考电路提供被校准至所述物理量的阈值量的经校准的参考信号；

d)将所述经校准的参考信号与所述第一信号电路输出进行比较，以产生第一比较信号；

e)利用所述控制电路控制所述诊断测试电路提供第二诊断测试信号；

f)利用所述控制电路控制所述信号电路选择所述第二诊断测试信号并提供第二信号电路输出；

g)将所述经校准的参考信号与所述第二信号电路输出进行比较，以产生第二比较信号；

h)响应于所述第一比较信号和所述第二比较信号而生成传感器诊断信号。

13.如权利要求11所述的方法，其中，操作所述传感器包括：

i)利用所述控制电路控制所述信号电路选择传感器信号；

j)将所述传感器信号与经校准的参考信号进行比较，以产生传感器比较信号；

k)响应于所述传感器比较信号而生成传感器设备传感器信号。

14.如权利要求12所述的方法，其中，操作所述传感器包括：

i)利用所述控制电路控制所述信号电路选择传感器信号；

j)将所述传感器信号与经校准的参考信号进行比较，以产生传感器比较信号；

k)响应于所述传感器比较信号而生成传感器设备传感器信号。

15.如权利要求14所述的方法，包括：

在执行步骤i)至k)之后，重复步骤a)至h)。

16.如权利要求14所述的方法，包括：

重复步骤i)至k)若干次，并且随后执行步骤a)至h)。

Images