CN111837035B - 传感器模块 - Google Patents

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Abstract

一种传感器模块，包括：主传感器单元(1)，用于感测第一环境参数；从传感器单元(2)，用于感测第二环境参数；共同基板(3)，所述主传感器单元(1)和所述从传感器单元(2)安装在所述共同基板上；以及数字总线接口(4)，用于所述主传感器单元(1)与所述从传感器单元(2)之间的通信。所述主传感器单元(1)包括用于存储所述主传感器单元(1)和所述从传感器单元(2)的校准数据和配置数据的非易失性存储器(12)。所述主传感器单元(1)被实施为第一芯片，并且所述从传感器单元(2)被实施为第二芯片。这种传感器模块是紧凑的、鲁棒的和通用的。

Description

传感器模块
技术领域
本发明涉及一种传感器模块。
背景技术
期望传感器模块不仅感测一个环境参数，而且感测各种环境参数，诸如相对湿度、温度、气体浓度或气溶胶浓度中的至少两个量。为了实现该目标，通常将多个单独的传感器连接到中央控制单元并由其控制，该中央控制单元表示与传感器分离并可能远离传感器布置的物理实体。然而，这种设置导致大的且易受干扰的传感器布置。
生成更紧凑装置的方法是将不同的传感器组合在单个芯片上。然而，由于不同传感器的不同工作原理和/或工作状况和/或不同制造工艺，这种组合带来了困难。例如，MOX(金属氧化物)气体传感器需要加热器用以加热敏感元件，而加热器所生成的热破坏例如温度传感器的测量。或者，MOX气体传感器可能不太适于与其它传感器CMOS(互补金属氧化物半导体)共同集成。因此，开发单个芯片上具有不同传感器的紧凑传感器模块可能是昂贵且复杂的。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种用于感测不同环境参数的传感器模块，其克服了现有传感器装置的缺点和限制。
通过一种传感器模块解决了该问题，该传感器模块包括用于感测第一环境参数的主传感器单元和用于感测第二环境参数的从传感器单元。主传感器单元和从传感器单元安装在共同基板上，并且使用数字总线接口用于主传感器单元与从传感器单元之间的通信。
要由传感器单元感测的环境参数通常表示传感器模块的环境中的介质的物理量，该介质优选地是空气。环境参数可以例如是周围环境的相对湿度、传感器模块的周围环境的温度、目标气体浓度或目标气溶胶浓度，特别是周围环境中的颗粒物浓度。具体地，目标气体可包括气体混合物(诸如挥发性有机化合物)，或者单独的气体(诸如单独的挥发性有机化合物(例如，乙醇、甲醛、异丙醇)、氧化氮、氢气、臭氧、一氧化碳、氨气或二氧化碳)。
不同的目标气体应该构成不同的环境参数。不同的目标气溶胶应该构成不同的环境参数。然而，单独目标气体或单独气溶胶的不同浓度范围也应被视为不同的环境参数。对除目标气体以外的气体具有不同交叉灵敏度的传感器(特别是气体传感器)应被认为是感测不同环境参数的传感器单元。当例如由光学粒子计数器所感测的颗粒物被分类到不同的尺寸/尺寸范围(例如，颗粒物尺寸为1、2.5、5、10等，单位均为微米)时，这些颗粒物应该构成不同的环境参数。优选地，主传感器单元和一个或多个从传感器单元所感测的环境参数彼此不同。
共同基板例如可以是电路板(优选地是印刷电路板)、陶瓷基板、引线框架之一，传感器单元可以安装到该共同基板并且例如通过接合线电连接到该共同基板。或者，共同基板可以是任何形式的支撑件，主传感器单元和从传感器单元可以安装在该支撑件上，并且传感器单元经由该支撑件(例如通过基板上或基板中的导线)彼此电连接。
主传感器单元和从传感器单元是独立的物理实体，诸如两个单独的单元，诸如两个单独的半导体芯片，并且尤其是各自包含一个传感器的两个单独的集成电路。
虽然明确地称为主传感器单元和从传感器单元，但是主传感器单元和从传感器单元在下文中可以统称为传感器单元。
所提出的传感器模块在传感器单元之间建立主从关系，这可以实现空间节省和紧凑的配置，这是因为主传感器单元不仅是控制单元，而且还测量物理量。例如，主传感器单元可包括湿度传感器或组合的湿度和温度传感器，其中，温度传感器优选地被设置和布置为感测传感器模块的周围环境的温度。
同时，所提出的传感器模块允许使用具有有限处理功能和/或有限存储容量和/或有限数据可用性和/或有限接口能力的传感器作为从传感器单元-诸如MOX气体传感器和/或电化学气体传感器(例如用于CO2)和/或光学粒子计数器(例如用于测量气溶胶浓度)，它们分别被实现为传感器芯片-而不会破坏主传感器单元的测量或破坏主传感器单元本身。
因此，传感器模块提供用于检测环境状况的手段。环境状况对人类的健康、舒适度和生产力具有重大影响。传感器模块可以提供关于关键环境参数(诸如湿度、温度、挥发性有机化合物(VOC)、颗粒物(PM2.5μm)和/或CO2)的详细和可靠的数据。环境参数的可靠检测和评估打开了创造更智能的装置的新的可能性，这些装置改善了人类的舒适度和健康并且在各种应用中提高了能量效率。例如，传感器模块的应用可包括但不限于：监测和/或分析室内空气质量、室外空气质量、通风空气质量或呼吸分析中的一个或多个。
在优选的实施例中，从传感器单元包括气体传感器。优选地，气体传感器被实施为以下之一：光学气体传感器；光声气体传感器；热力气体传感器；电化学气体传感器，其中，电化学气体传感器优选是固体电化学(EC)气体传感器或室温有机液体EC气体传感器中的一种。优选地，在基于MOX的气体传感器的情况下，感测CO2以外的目标气体浓度。优选地，在光学气体传感器的情况下，感测CO2的浓度。优选地，在热力气体传感器的情况下，感测高范围(特别是高于由基于MOX的传感器所感测的范围)内的目标气体浓度。优选地，在包括加热器的固体电化学(EC)气体传感器的情况下，感测CO2的浓度。优选地，在室温有机液体电化学(EC)气体传感器的情况下，感测CO2以外的目标气体的浓度，并且优选地与基于MOX的气体传感器相比具有改进的选择性。在不同的实施例中，气体传感器被实施为气溶胶浓度传感器，特别是PM传感器，并且特别是光学粒子计数器。在另一实施例中，气体传感器是湿度传感器。
优选地，除了上述传感器单元以外，还提供了另一个传感器单元，其包括以上段落中的列表中的传感器，该传感器感测与从传感器单元不同的环境参数。优选地，除了所述传感器单元和所述另一个传感器单元以外，还提供了又一个传感器单元，其包括上述列表中的传感器，该传感器感测与所述传感器单元和所述另一个传感器单元中之一不同的环境参数。然而，甚至可以提供更多的从传感器单元，分别用于感测不同的环境参数。
在优选的实施例中，在一组多个从传感器单元中，至少两个从传感器单元包括上面列出的那些中的气体传感器，用于感测不同的环境参数。
不同的传感器单元可以但不必通过相同的工艺技术制造。特别地，在通过应用不同的工艺技术制造不同的传感器单元的情况下，本模块的益处在于，尽管为各种传感器提供了不同的单元，但是仍然实现了紧凑的布置。例如，可以通过与控制单元的处理器的处理技术共同的(诸如CMOS处理)或兼容的(诸如CMOS和MEMS处理)的工艺技术制造的一个传感器可以与处理器集成在一起，并得到主传感器单元，而优选地通过与用于制造主传感器单元的工艺技术不同的工艺技术制造的传感器可以单独制造，并且仅在随后作为从传感器单元与主传感器单元一起安装到共同基板。这可以便于通用传感器组合的开发和生产。
在优选的实施例中，传感器模块可包括多于一个从传感器单元，诸如一组从传感器单元，优选地其中，每个从传感器单元被配置为感测与由该组的一个或多个其它从传感器单元所感测的环境参数不同的环境参数。
主传感器单元包括用于存储主传感器单元和从传感器单元的校准数据和配置数据的非易失性存储器。校准数据优选地包括以下示例性但非限制性列表的数据类别中的至少一个：
-模拟电路的修整数据，例如振荡器修整数据、偏置电流修整数据、上电复位(POR)电平修整数据中的一个或多个；
-数字信号处理参数，例如信号偏移和/或增益数据、查找表中的一个或多个。
配置数据优选地包括以下示例性但非限制性列表的数据类别中的至少一个：
-模拟数据路径配置数据，例如，传感器选择数据、模数转换器(ADC)采样频率中的一个或多个；
-数字数据路径配置数据，例如，处理步骤选择数据、测量序列数据中的一个或多个；
-通信接口配置数据，例如，从传感器单元地址、协议选择数据；
-I/O板配置，例如，驱动强度选择数据。
校准组和配置数据组内或跨校准组和配置数据组的所列出的数据类别的任何组合、或者数据类别内的单独项的任何组合、或者跨共同组的数据类别的任何组合、或者跨校准数据组和配置数据组的任何组合是可能的。
优选地，从传感器单元不包括用于其相应传感器元件的校准和/或配置数据的存储器，因为该数据存储在主传感器单元中。因此，至少不需要在一个或多个从传感器单元中提供非易失性存储器，这使得更容易集成。
由于上述原因，主传感器单元被实施为第一芯片，并且从传感器单元被实施为第二芯片。优选地，一组从传感器单元的每个另外的从传感器单元也被实施为单独的芯片。优选地，不同的传感器单元并排布置在共同基板上，而不堆叠。
优选地，传感器模块包括用于共同基板上的主传感器单元和一个或多个从传感器单元的壳体。壳体可以是塑料外壳或金属外壳，或者在不同的实施例中，它可以是封装传感器单元和共同基板的模制化合物，以生成鲁棒的传感器封装。有利地，壳体包括用于传感器单元的至少一个开口，以便快速且精确地感测环境参数。通过至少一个开口，待研究的介质能够进入相应的传感器单元，并且诸如空气的介质的环境参数能够由相应的传感器单元感测。在不同的实施例中，在壳体中可以仅存在所有传感器单元的一个共同开口，或者可存在不同传感器单元的独立开口。
优选地，主传感器单元或共同基板还包括用于从外部接触主传感器单元的引脚。一方面，这些引脚用于接收单个或多个外部电源电压，即，VDDIO。另一方面，主传感器单元被配置为经由这些引脚提供和接收信号，相应的引脚在物理上表示传感器模块的接口以与外部进行通信，即，与传感器模块分离且在传感器模块外部的一个或多个电子单元进行通信。优选地，传感器模块被配置为仅经由主传感器单元的接口与一个或多个外部单元进行通信，而从传感器单元缺少任何到这些外部单元的接口。
优选地，所有从传感器单元连接到同一数字总线接口以与主传感器单元进行通信，并且每个从传感器单元和/或数字总线接口的协议被配置为使从传感器单元仅与主传感器单元进行通信，而不与任何其它从传感器单元进行通信。
此外，主传感器单元可以被配置为接收外部时间基准，特别是从石英晶体振荡器接收外部时间基准，并且可以被配置为从所接收的外部时间基准获得主传感器单元和一个或多个从传感器单元的共同时钟，特别是用于使主传感器单元与一个或多个从传感器单元之间的通信同步。上下文中的同步意指主传感器单元和从传感器单元以具有共同时钟周期和共同相位的共同时钟运行，其中，主传感器单元优选向从传感器单元提供共同时钟。这便于经由数字总线接口的通信，该数字总线接口可以例如类似于I2C接口。可替代地，主传感器单元可以配备有时钟生成单元，其时钟也可以用作所有传感器单元的共同时钟。优选地，从传感器单元不包括其自身的时钟，诸如石英。相反，在该实施例中，从传感器单元的时钟由主传感器单元提供。
优选地，经由单个引脚上的数字总线接口上的组合信号将共同时钟和复位信号提供给至少一个从传感器单元。如果共同时钟周期以定义的方式偏离标称共同时钟周期，则在至少一个从传感器单元中可以从组合信号获得复位脉冲。通过这种方式，仅需单一引脚即可传输共同时钟与复位信号，这节省空间并且使传感器模块更加简单。
限定共同时钟周期偏离标称共同时钟周期而引起复位脉冲的方式的优选方式如下：优选地，至少一个从传感器单元包括复位序列检测器，其中，当在组合信号中检测到比标称高时间更长的高脉冲之后紧跟着比标称低时间更短的低脉冲时，复位序列检测器生成复位脉冲。特别地，复位脉冲直接在低脉冲的末端(所谓的复位序列的末端，该复位序列由一个比正常更长的高脉冲和一个比正常更短的低脉冲组成)生成。
这种复位序列与“功率-复位-时钟”方案兼容，其中至少一个从传感器单元的电源电压也经由数字总线接口与组合信号一起传输：优选地，数字总线接口上的组合信号另外用于将电源电压提供给至少一个从传感器单元。优选地，组合信号中的高脉冲的累积持续时间比低脉冲的累积持续时间更长。后一种状况确保了足够的供电。然而，它不是在大多数时间内呈现低电压的通常的“功率-复位-时钟”方案中实现的。如果适于允许更连续供电，则可以对组合信号进行低通滤波。这种“功率-复位-时钟”方案不需要其它引脚(即用于电源电压的引脚)。
在优选的实施例中，主传感器单元包括用于生成内部电源电压和用于数字总线接口的电源电压的功率管理单元，它们全部从外部电源电压获得。内部电源电压可以用于操作传感器以及主传感器单元的处理单元。数字总线接口的电源电压用于与一个或多个从传感器单元进行通信。从传感器单元可包括其自身的功率管理单元，以用于生成也从共同的外部电源电压获得的内部电源电压。在该实施例中，内部电源电压优选地用于为从传感器单元的所有部件(即包括模拟部件以及数字部件)供电。
在不同的实施例中，如上所述保持对从传感器单元的模拟部件的供电，即，从共同的外部电源电压获得电源电压。然而，用于从传感器单元的数字部件的电源电压是从数字总线接口获得的。因此，在该实施例中，主传感器单元的功率管理单元将电源电压经由数字总线接口提供给从传感器单元。
主传感器单元还可包括上电复位生成，以将也是从传感器单元的处理单元和易失性存储器复位到初始状态。因此，从传感器单元自身不包括复位功能，而是由主传感器单元复位。
主传感器单元还可包括测量序列单元，以用于控制并且特别是触发不同传感器单元进行的测量的序列。在优选的实施例中，优选地基于所有传感器单元施加的具有共同时钟周期和共同相位的共同时钟，同步地触发传感器单元的测量序列。这意味着，在每个传感器单元处，仅与时钟同步地(即，基于共同时钟)触发测量，并且频率为共同时钟周期的整数倍。在优选的实施例中，测量序列单元被配置为同时触发所有传感器单元的测量。优选地，从传感器单元不包括其自身的测量序列单元，而是被主传感器单元触发进行测量。
特别地，测量序列单元被配置为根据不同的传感器单元(例如，主传感器单元)测量的值来启动特定传感器单元(例如，从传感器单元之一)的测量。通过这种方式，便于测量值、交叉校准或有条件的测量(例如，报警唤醒)的合理组合。此外，测量序列单元可被配置为减小从传感器单元测量之间的干扰，并且可以优化测量获取时间。
优选地，主传感器单元包括用于处理传感器单元所测量的信号的处理单元。处理单元可以被配置为组合不同传感器单元的测量信号，以生成处理信号。这对于基于测量的温度值对特定物理量的信号执行求平均值或温度补偿特别有用。具体地说，使用包括温度传感器的传感器单元之一所测量的温度值对另一传感器单元所测量的不同物理量的信号执行温度补偿。和/或，使用传感器单元之一所测量的相对湿度值对另一传感器单元所测量的不同物理量的信号执行湿度补偿。
可以通过主传感器单元的存储器中存储的查找表来实现对来自一个、两个或更多个传感器单元的信号的这种处理。
此外，主传感器单元可包括易失性或非易失性存储器，以用于存储一个或多个传感器单元的测量信号或处理信号。特别地，存储的信号可以通过添加时间戳而与测量的时间相关。
在优选的实施例中，主传感器单元包括自测试单元，其被配置为在传感器模块的制造或应用期间对一个或多个传感器单元执行测试序列。测试序列可以触发测试测量，随后给出指示，哪个传感器单元被损坏或者可能已经出现了什么缺陷，如果传感器模块包括多个不同的传感器单元，则这是特别有帮助的。
在一个实施例中，从传感器单元包括MEMS传感器、用于交互传感器信号的模拟前端电子器件以及模数转换器。除了数字总线接口以外，可以在主传感器单元与从传感器单元之间提供模拟接口，使得从传感器单元可以被配置为通过模拟信号与主传感器单元进行通信。
从传感器单元可包括用于存储用于通信的唯一单元标识号的非易失性存储器。在这种情况下，数字总线接口可包括用以单独地寻址每个从传感器单元的协议。非易失性存储器能够电子地、通过光学手段(例如，通过激光修整)、通过光刻或通过增材打印技术进行编程。
优选地，数字总线接口是低引脚数数字接口，特别是两线接口或单线接口。该接口可以是双向接口。该接口也可以传输复位信号或共同时钟信号，以确保所有传感器单元的同步运行。优选地，数字总线接口在从传感器单元与主传感器单元之间提供测量数据的无损传输。
优选地，该组的该从传感器单元或每个从传感器单元缺少其自身的时钟(诸如石英)，缺少其自身的复位，缺少校准和/或配置数据的存储器，并且缺少其自身的用于对其测量进行定时的测量序列单元。相反，所有这些功能由主传感器单元接管，该主传感器单元优选地不仅针对其自身的感测元件实现这些功能，还针对从传感器单元实现这些功能。
附图说明
以上限定的实施例以及本发明的其它方面、特征和优点还可从在下文中描述的实施例的示例得出，并且参照附图进行说明。在附图中，示出了：
图1是根据本发明的实施例的传感器模块的示意图；
图2是根据本发明的实施例的传感器模块的框图；
图3是根据本发明的实施例的传感器模块的框图；
图4示出了在根据本发明的实施例的传感器模块中使用的时钟的定时和测量；
图5示出了共同时钟和用于获得复位脉冲的复位信号的组合信号，以及
图6是使用组合信号用于共同时钟、复位脉冲和电源电压(“功率-复位-时钟”)的框图。
具体实施方式
图1示出了传感器模块的第一实施例的示意图，该传感器模块具有位于共同基板3上的主传感器单元1和两个从传感器单元2。主传感器单元1和从传感器单元2集成在三个单独的芯片(优选地半导体芯片)中。共同基板3可以是印刷电路板或用于在其上安装芯片的任何其它支撑件。从传感器单元2的数量可以是一个、两个或更多个。
每个从传感器单元2经由数字总线接口4与主传感器单元1进行通信。数字总线接口4是低引脚数数字接口，优选地是两线或单线接口。经由数字总线接口4的通信至少包括从传感器单元2所测量的信号以及测量的开始/停止状况。经由数字总线接口4的通信也可包括用于同步主传感器单元1和从传感器单元2的通信和测量的时钟信号。该时钟信号例如可以由可位于主传感器单元1内部的石英生成，或者可以是从外部提供给传感器模块(优选提供给主传感器单元1)的信号。
主传感器单元1和从传感器单元2布置在壳体5中，该壳体保护芯片并且生成鲁棒的传感器模块。壳体5可以由塑料或金属制成，或者可以是封装，例如包括模塑料。壳体5包括至少一个开口6，使得传感器单元1、2能够感测传感器模块的环境的物理量。在一个实施例中，壳体5包括用于所有传感器单元1、2的一个共同的开口6。在不同的实施例中，在壳体中存在用于多个或所有传感器单元1、2的单独开口6。
所感测的物理量可包括各种量，例如相对湿度、温度、气体浓度或气溶胶浓度，优选地包括周围环境的所有量。在优选的实施例中，主传感器单元1包括用于相对湿度和温度的组合传感器，一个从传感器单元2包括4像素MOX气体传感器，并且另一个从传感器单元2包括电化学CO2(二氧化碳)传感器。可以扩展到更多的从传感器单元2，例如，利用光学粒子计数器作为额外的从传感器单元2。上述设置和通信使得能够将普通传感器单元集成到传感器模块中作为从传感器单元2，否则，将难以或不可能将其与主传感器单元1的传感器、处理器和存储器一起集成到小的封装中。
主传感器单元1经由一个或多个引脚7接收从外部供应的功率。引脚7还用于接收和供应控制信号和测量信号，因此代表主传感器单元1与外部单元通信的接口。在一个实施例中，主传感器单元1包括用于生成内部电源电压和数字总线接口4的电源电压的功率管理单元。内部电源电压也可被提供给从传感器单元2，使得它们不必需要单独的功率管理单元。
图2示出了根据本发明的实施例的传感器模块的框图，该传感器模块具有主传感器单元1和一个从传感器单元2以及它们各自的子单元(主传感器单元1的子单元1x、3x和从传感器单元2的子单元2x)。通过图2右侧的虚线表示可能扩展至不止一个从传感器单元2。在该实施例中，主传感器单元1和从传感器单元2由通用外部电源电压8(VDDIO)供电。
主传感器单元1经由数字或模拟输入和输出线9(D/A IO)接收和发送信号，D/A IO也称为主传感器单元1的接口。输入信号可以是用于执行特定测量例程的控制信号。输出信号可以是传感器单元1和2所测量的一个或多个物理量的信号，或者包括来自多于一个传感器单元1和2的组合的或处理的信号，或者诸如警报的控制信号。主传感器单元1通过数字总线接口4与从传感器单元2通信。为此，主传感器单元1包括数字主接口30，并且从传感器单元包括数字从接口26。
主传感器单元1可包括用于获得主传感器单元1和从传感器单元2的共同时钟的振荡器31。共同时钟信号优选地经由数字总线接口4传输到从传感器单元2。
主传感器单元1包括对相对湿度和/或温度敏感的敏感元件11。在不同的实施例中，敏感元件11是电容式CO2传感器。主传感器单元1还包括用于存储主传感器单元1和从传感器单元2的校准数据的非易失性存储器12，以及用于存储主传感器单元1和从传感器单元2两者的配置数据的非易失性存储器13。非易失性存储器12和13可以由以常规存储器结构存储各种数据的常规非易失性存储器来表示。校准数据可以以查找表的形式存储，该查找表便于对测量信号进行不同的操作。相应地，校准数据可包括传感器响应的校正因子、线性化参数、插值参数或例如温度的补偿参数。
为了处理不同的传感器单元1、2所测量的信号，主传感器单元1包括处理单元14，其可以是例如硬连线逻辑。处理单元14被配置为例如通过使用由非易失性存储器12和13提供的查找表对测量信号执行上述操作。测量信号和/或处理信号存储在存储器18中。
主传感器单元1另外包括用于生成数字总线接口4的电源电压的功率管理单元15。功率管理单元15还可以为诸如敏感元件11的其它子单元提供不同于VDDIO的电源电压。
有利地，主传感器单元1包括用于控制传感器单元1和2的测量序列的测量序列单元16。测量序列单元16例如可以确保不同传感器单元1、2的正确测量次序，或者可以应用特定传感器单元1、2的状况以提供测量值，或者可以对不同传感器单元1、2应用不同采样率。
此外，主传感器单元1优选地包括自测试单元17，其被配置为在传感器模块的制造或应用期间对至少一个传感器单元1、2执行测试序列。自测试单元17可以将特定的测量例程应用于特定的传感器单元1、2，将测量的数据与存储的基准进行比较，并且输出指示特定传感器单元1、2的可能缺陷的信号。
优选地，主传感器单元1包括上电复位生成32，其用以将处理单元14和/或易失性存储器18复位到初始状态。
与主传感器单元1相比，从传感器单元2具有有限的功能。从传感器单元2包括微电子机械系统(MEMS)传感器21(例如，MOX气体传感器或电化学气体传感器)、模拟前端电子器件22(诸如用于交互传感器信号的读出器)以及模数转换器23就足够了。因此，从传感器单元2可以是通用的MEMS芯片。
有利地，从传感器单元2包括用于存储唯一的单元标识号的非易失性存储器24。这便于经由数字总线接口4单独地寻址每个从传感器单元2。
从传感器单元2还可包括功率管理单元25，其用于生成从通用外部电源电压8(VDDIO)获得内部电源电压，并用于向从传感器单元的模拟部件及其数字部件供电。
图3示出了根据本发明的另一实施例的传感器模块的框图。图3的传感器模块与图2的传感器模块的区别仅在于，不同地实现从属传感器单元2的供电。代替图2的负责为从传感器单元2的模拟部件和数字部件供电的功率管理单元25，在图3的实施例中，设置功率管理单元25a，其用于生成从通用外部电源电压8(VDDIO)获得的内部电源电压，但仅限于向从传感器单元2的模拟部件供电。相反，通过不同的功率管理单元25b实现从传感器单元2的数字部件的供电，功率管理单元25b从数字总线接口4获得用于数字部件的电源电压。因此，在该实施例中，主传感器单元1的功率管理单元15经由数字总线接口4向从传感器单元2提供电源电压(优选地不同于VDDIO，但从VDDIO获得)。
图4示出了在根据本发明实施例的传感器模块中使用的时钟和测量的定时。这种定时可以用在根据图1至3的任何传感器模块实施例中。在第一曲线图中示出了主传感器单元的时钟随时间的变化。主传感器单元的时钟周期由(2)表示。第二曲线图示出了第一从传感器单元的时钟，该时钟的周期等于主传感器单元时钟的周期。第三曲线图示出了第二从传感器单元的时钟，该时钟的周期等于主传感器单元时钟的周期和第一从传感器单元的时钟。因此，优选的是，所有传感器单元(即，主传感器单元和任何从传感器单元)在相同的时钟信号下工作，即在具有定义的共同时钟周期(5)和共同相位的共同时钟下工作。因此，所有时钟是同相的。
关于各个传感器单元触发或进行的测量的定时，基准(1)指示测量选通的时间点，即，图4中的所有粗体笔划表示传感器单元进行的测量序列内的测量选通。因此，主传感器单元的传感器进行测量/由测量序列单元触发，以每两个时钟周期进行一次测量。第一从传感器单元的传感器进行测量/由主传感器单元的测量序列单元触发，以每三个时钟周期进行一次测量。第二从传感器单元的传感器进行测量/由主传感器单元的测量序列单元触发，以每四个时钟周期进行一次测量。因此，主传感器单元和从传感器单元中的各个传感器的测量同步进行(即基于共同时钟进行)，并且测量的频率为共同时钟周期的整数倍。
图5示出了共同时钟和用于获得复位脉冲42的复位信号41的组合信号40。组合信号40经由数字接口总线从主传感器单元提供到任何从传感器单元。组合信号40可经由单个引脚传输，复位信号和时钟信号共享该引脚。如果时钟定时以特定方式偏离标称时钟定时，则在芯片上生成从传感器单元的复位脉冲。
图5描绘了共同时钟和复位信号在一个组合信号中的可能实施。图5的上部示出了如下情况：由于时钟定时对应于具有标称高时间Thigh，nom和标称低时间Tlow，nom的标称时钟定时，因此没有生成来自组合信号40的复位脉冲。
图5的下部示出了如下情况：组合信号40中的高脉冲比标称高时间Thigh，nom更长，并且该高脉冲之后紧跟着比标称低时间Tlow，nom更短的低脉冲。高脉冲和低脉冲的该序列(称为复位序列)被解释为复位脉冲42，并且从传感器单元被复位。
图6示出了使用组合信号40用于共同时钟43、复位信号41和额外的电源电压44的框图，这种信号的组合或使用也被称为“功率-复位-时钟”。复位序列检测器45评估供应给从传感器单元的组合信号40。如果复位序列检测器45检测到例如如图5中所描绘的那些限定的复位序列，则它生成复位脉冲。除了共同时钟43和复位信号41以外，从传感器单元的电源电压44也从组合信号40获取。通过这种方式，不需要电源电压的专用引脚。由于组合信号40在大部分时间内为“高”(即高脉冲的累积持续时间比低脉冲的累积持续时间更长)，因此便于经由组合信号40提供电源电压44。而且，如上定义的复位序列与“功率-复位-时钟”方案兼容，其中通过组合信号连同共同时钟一起提供从传感器单元的电源电压。出于这些目的，可对组合信号进行低通滤波。

Claims (22)

1.一种传感器模块，包括：
主传感器单元(1)，被配置为感测第一环境参数；
从传感器单元(2)，被配置为感测第二环境参数；
共同基板(3)，所述主传感器单元(1)和所述从传感器单元(2)安装在所述共同基板(3)上；
数字总线接口(4)，用于所述主传感器单元(1)与所述从传感器单元(2)之间的通信；
其中，所述主传感器单元(1)被实施为第一芯片，并且所述从传感器单元(2)被实施为第二芯片，
其特征在于：
所述主传感器单元(1)包括非易失性存储器(12)，所述非易失性存储器(12)被配置为存储所述主传感器单元(1)和从传感器单元(2)的校准数据和配置数据，
所述主传感器单元(1)和至少一个从传感器单元(2)被配置为基于针对每个传感器单元具有共同时钟周期和共同相位的共同时钟同步地运行，
经由单个引脚上的所述数字总线接口(4)上的组合信号(40)将共同时钟(43)和复位信号(41)提供给所述至少一个从传感器单元(2)，
如果所述共同时钟周期以定义的方式偏离标称共同时钟周期，则在所述至少一个从传感器单元(2)中从所述组合信号(40)获得复位脉冲(42)；
其中，所述主传感器单元(1)包括用于处理所述传感器单元(1，2)所测量的信号的处理单元(14)，所述处理单元(14)被配置为组合不同传感器单元(1，2)的测量信号，以生成处理信号，
其中，所述处理单元(14)被配置为，使用所述传感器单元(1，2)中的一个所测量的温度值对所述传感器单元(1，2)中的另一个所测量的不同物理量的信号执行温度补偿，和/或
所述处理单元(14)被配置为，使用所述传感器单元(1，2)中的一个所测量的相对湿度值对所述传感器单元(1，2)中的另一个所测量的不同物理量的信号执行湿度补偿。
2.根据权利要求1所述的传感器模块，包括一组从传感器单元(2)，该组的每个从传感器单元(2)被配置为感测与该组的一个或多个其它从传感器单元(2)所感测的环境参数不同的环境参数，该组的每个从传感器单元(2)被实施为单独的芯片。
3.根据权利要求1所述的传感器模块，
其中，所述主传感器单元(1)被配置为接收一个外部时间基准，并且被配置为从所接收的外部时间基准获得所述共同时钟，
其中，所述主传感器单元(1)被配置为将所述共同时钟提供给所有从传感器单元(2)。
4.根据权利要求1所述的传感器模块，
其中，所述至少一个从传感器单元(2)包括复位序列检测器(45)，
其中，当在所述组合信号(40)中检测到比标称高时间更长的高脉冲之后紧跟着比标称低时间更短的低脉冲时，所述复位序列检测器(45)生成所述复位脉冲(42)。
5.根据权利要求1所述的传感器模块，
其中，所述数字总线接口(4)上的所述组合信号(40)另外用于向所述至少一个从传感器单元(2)提供电源电压(44)，
其中，所述组合信号(40)中的高脉冲的累积持续时间比低脉冲的累积持续时间长。
6.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述主传感器单元(1)包括测量序列单元(16)，所述测量序列单元(16)被配置为触发所述传感器单元(1，2)的测量序列；
其中，所述测量序列单元(16)被配置为基于所有传感器单元(1，2)应用的所述共同时钟，同步地触发所述传感器单元(1，2)的测量序列，
其中，所述测量序列单元(16)被配置为同时触发所有传感器单元(1，2)的测量，或者
其中，所述测量序列单元(16)被配置为，依据不同的传感器单元(2，1)测量的值启动传感器单元(1，2)的测量。
7.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，
包括所述主传感器单元(1)的接口(9)，用于与所述传感器模块外部的一个或多个单元进行通信；
其中，所述传感器模块被配置为仅经由所述主传感器单元(1)的所述接口(9)与一个或多个外部单元进行通信，
其中，所有从传感器单元(2)通过同一数字总线接口(4)连接到所述主传感器单元(1)，
其中，所述数字总线接口(4)的协议被配置为，使每个从传感器单元(2)仅与所述主传感器单元(1)进行通信，
其中，所述数字总线接口(4)是两线接口或单线接口。
8.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述主传感器单元(1)包括湿度传感器。
9.根据权利要求2所述的传感器模块，
其中，所述从传感器单元(2)包括以下之一：
-气体传感器；所述气体传感器是以下之一：基于金属氧化物(MOX)的气体传感器；光学气体传感器，光声气体传感器；热力气体传感器；电化学气体传感器；
-气溶胶浓度传感器；
-湿度传感器；
其中，该组的另一从传感器单元(2)包括以下之一：
-气体传感器；所述气体传感器是以下之一：基于金属氧化物(MOX)的气体传感器；光学气体传感器，光声气体传感器；热力气体传感器；电化学气体传感器；
-气溶胶浓度传感器；
-湿度传感器；
其中，该组的又一从传感器单元(2)包括以下之一：
-气体传感器；所述气体传感器是以下之一：基于金属氧化物(MOX)的气体传感器；光学气体传感器，光声气体传感器；热力气体传感器；电化学气体传感器；
-气溶胶浓度传感器；
-湿度传感器。
10.根据权利要求1所述的传感器模块，
包括所述主传感器单元(1)和所述至少一个从传感器单元(2)的壳体(5)，
其中，所述壳体(5)包括至少一个开口(6)，所述至少一个开口(6)被布置和配置为使介质能够进入所述传感器单元(1，2)，以使得所述传感器单元(1，2)能够感测相应的环境参数，或者
其中，所述壳体(5)包括至少两个开口(6)，所述至少两个开口(6)被布置和配置为使介质能够进入所述传感器单元(1，2)，以使得所述传感器单元(1，2)能够感测相应的环境参数，或者
其中，所述壳体(5)针对每个传感器单元(1，2)包括一个开口(6)，每个开口(6)被布置和配置为使介质能够进入所述传感器单元(1，2)，以使得所述传感器单元(1，2)能够感测相应的环境参数。
11.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，
所述主传感器单元(1)包括用于生成内部电源电压和所述数字总线接口(4)的电源电压的功率管理单元(15)，并且
所述从传感器单元(2)包括用于生成内部电源电压的功率管理单元(25)。
12.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述主传感器单元(1)包括存储器(18)，所述存储器(18)用于存储传感器单元(1，2)的测量信号或处理信号，并且所述测量信号或处理信号结合与测量的时间相关的时间戳进行存储。
13.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述主传感器单元(1)包括自测试单元(17)，所述自测试单元(17)被配置为在所述传感器模块的制造或应用期间对至少一个传感器单元(1，2)执行测试序列。
14.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述从传感器单元(2)包括用于交互传感器信号的模拟前端电子器件(22)和模数转换器(23)。
15.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述从传感器单元(2)不包括时钟、复位和/或用于校准和/或配置数据的存储器。
16.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述从传感器单元(2)包括唯一单元标识号，并且
所述数字总线接口(4)包括用于通过所述唯一单元标识号单独地寻址每个从传感器单元(2)的协议。
17.根据权利要求3所述的传感器模块，其中，所述主传感器单元(1)被配置为从石英接收一个外部时间基准。
18.根据权利要求6所述的传感器模块，其中，所述测量序列单元(16)被配置为基于所述共同时钟周期的整数倍的频率，同步地触发所述传感器单元(1，2)的测量序列。
19.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述主传感器单元(1)包括组合的湿度和温度传感器，其中，所述温度传感器被布置和配置为确定所述传感器模块的周围环境的温度。
20.根据权利要求9所述的传感器模块，其中，所述电化学气体传感器是固体电化学(EC)气体传感器或室温有机液体EC气体传感器。
21.根据权利要求9所述的传感器模块，其中，所述气溶胶浓度传感器是颗粒物(PM)传感器，并且其中，所述颗粒物(PM)传感器是光学粒子计数器。
22.根据权利要求14所述的传感器模块，其中，所述从传感器单元(2)包括微电子机械系统(MEMS)传感器(21)。
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