CN114441086A - 双压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了双压力传感器。一种控制器(120)，被配置成用于监测压力传感器组件(110)的干扰，所述压力传感器组件(110)包括至少两个传感器(112、114)，其中传感器(112、114)被配置成用于测量压力，并且其中至少两个传感器(112、114)具有传感器相关的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器(112、114)中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中对于至少两个传感器(112、114)，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的，控制器(120)被配置成用于通过比较至少两个传感器的输出来检测干扰。

Description

双压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器领域。更具体地说，本发明涉及一种传感器系统和控制器，其被配置成用于监测压力传感器组件的干扰。
背景技术
压力传感器可包括组织在膜上的多个元件，诸如例如应力敏感元件或应变敏感元件。当膜因该膜两侧之间的压差变化而偏转时，这可能导致敏感元件的电阻率变化。这种变化可导致压力传感器信号的变化，该信号可用作膜两侧之间压差的指示。
此类压力传感器可用于安全关键应用，诸如例如用于汽车应用。汽车安全完整性等级(ASIL)是由ISO 26262-道路车辆功能安全标准定义的风险分类方案。在该标准中定义了不同的等级。ASIL-D代表保证最终的安全要求时所应用的最高程度的汽车危险和最高程度的严格性。功能安全度量在每个系统的FMEDA(故障模式、影响和诊断分析)中计算。
需要两个传感器以制造ASIL-D集成压力传感器。冗余是提高功能安全性的关键概念，但由于常见的原因故障，冗余可能不足够，尤其是不足以达到ASIL-D。
然而，干扰也可能影响压力传感器的工作。这些干扰可能有多种原因。从模拟和测量可知，应力变化(例如，由于封装应力)是MEMS压力传感器最重要的漂移因素。例如，如果两个压力传感器实现在同一个管芯上，则它们两者可能由于封装应力以类似的方式漂移(即使它们使用两个不同的膜)。
解决这个问题的一种方法是使用2个不同的管芯，但那增加了成本和复杂性，甚至可能不足够地得到帮助，特别是当这两个传感器在同一个封装中时。
在现有技术中，不同的解决方案被提出：
-重复的传感器，两个在同一衬底上(例如，在MEMS情况下为同一管芯)
-重复的传感器，在2个不同的管芯上(可以使用完全相同的传感器)
-两个不同的传感器，其中传感器使用两种不同的测量原理(例如电阻式和电容式传感器)。
然而，第一个(并且潜在地第二个)解决方案对于最高ASIL评级来说不够好。尤其是当干扰导致两个传感器的漂移时，这可能在此类配置中不被注意到。第二和第三种解决方案是昂贵的，并且增加封装的复杂性。
因此，需要配置成用于检测压力传感器的传感器组件操作中的干扰的传感器系统和控制器。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供用于检测压力传感器的传感器组件的操作中的干扰的良好的传感器系统和控制器。
以上目的由根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明的实施例涉及配置成用于监测压力传感器组件的干扰的控制器。压力传感器组件包括至少两个传感器。传感器配置成用于测量压力，并且至少两个传感器具有传感器相关的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中，对于至少两个传感器，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的。控制器被配置成用于通过比较至少两个传感器的输出来检测干扰。
本发明的实施例的优点在于，当使用具有不同Sm/Sd的传感器时，干扰对传感器的输出的影响将因传感器而异。因此，有可能确定何时干扰对传感器组件产生如此大的影响以至于对压力的可靠测量是不可能的。例如，当输出之间的差值超过预定义阈值时，干扰可以被检测到。
例如，干扰可能由传感器组件的封装中的应力引起。然而，本发明不限于此。其他原因(诸如，电荷或泄漏电流)也可能是影响压力测量的干扰。只要使用具有不同灵敏度比率的压力传感器，本发明就可应用于监测干扰。
在第二方面，本发明的实施例涉及用于测量压力的传感器系统。传感器系统包括压力传感器组件和控制器。
压力传感器组件包括至少两个传感器。传感器被配置成用于测量压力，并且每个传感器具有传感器相关的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感。对于至少两个传感器，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的。
控制器是根据本发明的实施例的控制器，并且被配置成用于通过比较至少两个传感器的输出来监测压力传感器组件的干扰。
在第三方面中本发明的实施例涉及用于监测传感器组件的干扰的方法。该方法包括：
-测量至少两个传感器的输出，其中传感器被配置成用于测量压力，并且其中至少两个传感器具有传感器相关的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中，对于至少两个传感器，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的，
-通过比较至少两个传感器的输出来检测干扰。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的传感器系统的示意图。
图2示出了膜上的压力传感器组件的示意图。
图3示出了惠斯通电桥配置中的压力传感器的示意图。
图4示出了被配置为两个半桥以产生两个差分输出的压力传感器的示意图。
图5至图8示出了根据本发明的实施例的膜上的压力传感器组件的示意图。
图9示出了根据本发明的实施例的传感器组件，其中可能发生可使用控制器监测和/或补偿的干扰。
图10示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于对本发明的实现的实际减少。
说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，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够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等是用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。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够以与本文中所描述或图示的取向不同的取向进行操作。
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装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、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“包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅由部件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所描述的特定的特征、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，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以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个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，不应当将这种公开方法解释为反映要求保护的本发明需要比每项权利要求中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中。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实现方式中，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，但是如本领域技术人员将理解的那样，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能以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下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。
在第一方面，本发明的实施例涉及被配置成用于监测压力传感器组件110的干扰的控制器120。
压力传感器组件110包括至少两个传感器112、114。这些传感器112、114被配置成用于测量压力。每个压力传感器具有其自身的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器112、114中的至少一个对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感。对于至少两个传感器(112，114)，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd不同。当传感器对干扰不敏感或几乎不敏感时，这暗示干扰灵敏度Sd等于或接近零。
控制器120被配置成用于通过比较至少两个传感器的输出来检测干扰。
在本发明的实施例中，控制器可配置成用于缩放传感器的输出，使得在没有干扰的情况下，相关于相同压力的经缩放的输出相等，使得对于这两个传感器，针对压力的灵敏度Sm相同。由于传感器之间的比率Sm/Sd不同，因此在存在干扰的情况下，经缩放的输出将具有不同的输出电平。因此，可以通过比较传感器的经缩放的输出之间的差来确定干扰的影响。经缩放的输出的差例如可以与阈值进行比较。在本例中，输出是经缩放的。然而，其他算法可以被使用来确定干扰对测量的影响。这是可能的，因为比率Sm/Sd在传感器之间有所不同。
如果比率Sm/Sd相同，则仅将传感器重复将不足以满足安全关键应用。在那种情况下，将压力变化引起的输出信号变化与干扰变化引起的输出信号变化区分开将会不太可能。
本发明的实施例的优点在于，对于两个传感器，压力灵敏度相比干扰灵敏度(例如，对封装应力的灵敏度)的比率是不同的。在那种情况下，干扰将对两个传感器具有不同的影响。因此，检测此类干扰的存在是可能的。因此，通过比较两个传感器的结果来检测干扰的过度影响也是可能的。例如，如果两个传感器的(经缩放的)输出之差超过阈值，则其可被控制器120报告为安全问题。该阈值例如可以是预定义的阈值。该阈值可取决于安全要求(例如，取决于ASIL-D要求)来选择。
可完成输出的缩放，以使压力对经缩放的输出的影响对两个传感器相同。例如，第一传感器可具有压力灵敏度Sm1和干扰灵敏度Sd1，并且第二传感器可以具有压力灵敏度Sm2和干扰灵敏度Sd2。Sm1例如可与2Sm2基本相同，Sd1例如可与Sd2基本相同。经缩放的输出的差(Odiff)可通过以下方式获得(其中P为压力的测量值，D为干扰的测量值)：
Odiff＝(P*Sm1+D*Sd1)-2*(P*Sm2+D*Sd2)＝(D*Sd1-2*D*Sd1)
＝-D*Sd1
如果传感器相关的测量灵敏度相同，则无需缩放(即缩放因子为1的缩放)。
在第二方面，本发明的实施例涉及用于测量压力的传感器系统100。此外，该系统被配置成用于监测系统的操作中的干扰。根据本发明的实施例，传感器系统100包括压力传感器组件110和控制器120。压力传感器组件110包括至少两个传感器112、114。传感器112、114被配置成用于测量压力。每个传感器112、114具有传感器相关的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感。此外，对于传感器112、114中的至少两个，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd不同。控制器120被配置成用于测量、监测压力传感器组件110的干扰。
在本发明的实施例中，一个传感器的比率Sm/Sd的绝对值可以例如比另一个传感器的比率Sm/Sd比的绝对值大1.5倍或甚至大2倍或甚至大2倍(例如，Sd1＝Sd2且Sm1＝2*Sm2)或甚至大5倍(例如，Sm1＝2*Sm2且Sd1>10*Sd2)。在本发明的一些实施例中，如果两个比率具有不同的符号(例如Sm1＝-Sm2且Sd1＝Sd2)，则一个传感器的比率的绝对值甚至可以与另一个传感器的比率的绝对值相同。
在本发明的实施例中，可在膜118上提供传感器112、114中的至少一些传感器。该膜例如可具有圆形、矩形或方形的形状。然而，本发明不限于这些形状。在本发明的一些实施例中，传感器可存在于相同的膜上。在本发明的其他实施例中，传感器112、114中的至少一些传感器可存在于第一膜上，而传感器112、114中的一些传感器可存在于第二膜上。
例如，所测量的压力可以是膜的一侧与膜的另一侧之间的压力差。为了测量绝对压力，具有真空或已知压力的空腔可存在于膜的一侧上。
在本发明的一些实施例中，膜是圆形膜。在本发明的一些实施例中，膜是方形或者矩形膜。
在本发明的实施例中，传感器使用相同的感测原理。传感器例如可以是应力传感器、应变传感器或力传感器。例如，可在膜上提供此类传感器，用于测量膜上的压力。传感器例如可以是设置在膜上的压电电阻器。
在本发明的实施例中，传感器组件可以是微机电系统(MEMS)。在此类传感器中，电子部件(诸如，读出电路和处理电子器件)和机械部件(诸如，其上安装有应力、应变或力传感器的膜)可以存在于相同的半导体衬底上。半导体衬底例如可以是硅衬底。因此，可以获得单个芯片或多个芯片。该单个芯片或多个芯片可以组装在封装中。
通过模拟和测量，发明人已发现应力变化(例如，由于封装应力)是MEMS压力传感器最重要的漂移因素。
在本发明的实施例中，传感器112、114可以具有不同的压力灵敏度。在本发明的实施例中，至少一个传感器112、114可以对干扰基本不敏感。在本发明的实施例中，传感器例如可以是应力传感器、应变传感器或力传感器，其对已知干扰因子基本不敏感。
在本发明的实施例中，通过改变传感器在膜上的位置来改变灵敏度比率。
虽然将传感器中的一个传感器的位置改变到较不理想的位置并不是显而易见的，但发明人发现，通过这样做，可以获得系统，该系统允许确定干扰(诸如，封装应力)是否对传感器组件的影响如此之大，以至于对压力的可靠测量是不再可能的。此外，在本发明的实施例中，两个传感器都用于测量压力。因此，仅使用两个压力传感器，可获得冗余系统，该系统还能够检测传感器组件上的过度干扰(诸如，封装应力)。
例如，改变传感器在膜上的位置可能主要改变压力灵敏度，而可能不会改变传感器对诸如封装应力的影响之类的干扰的灵敏度，或者在较小程度上改变传感器对诸如封装应力的影响之类的干扰的灵敏度。
如将在下文所说明，在其他示例性实施例中，外部干扰(例如，封装应力)的影响是降低的数量级，而压力灵敏度仅降低了较小的因子，例如因子2。
在本发明的一些实施例中，传感器可存在于相同的衬底上。然而，这不是严格要求的。当使它们位于同一衬底上时，可获得比使它们位于不同衬底上时更不昂贵的传感器系统。
现有技术的压力传感器可包括膜上的多个电阻器R1、R2、R3、R4。图2中图示了其示例。在此示例中，每个电阻器R1、R2、R3和R4被配置为2个电阻器的串联连接(由膜上的平行线象征性地表示；这些平行线指示膜上的位置)。这些能按如图3中所示的惠斯通电桥配置来配置。电阻器R1和R2串联连接并在顶部节点与底部节点之间形成一个分支，并且电阻器R3和R4串联连接并在顶部节点与底部节点之间形成另一个分支。R1与R2之间的节点称为左节点，R3与R4之间的节点称为右节点。通常，在电桥的顶部节点与底部节点之间供给电压，并且在左节点与右节点之间测量电压差。电压差取决于膜的两侧之间的压力差。也可以在两个节点之间施加电流，而不是施加电压。类似地，可以测量电流而不是测量电压。
惠斯通电桥配置的示例在图3中示出，显示了完整的惠斯通电桥。这种电桥配置也可以看作两个半桥，每个半桥产生单端电压，并且表示一个传感器。在本发明的实施例中，第一传感器112(由实线表示)可包括第一半桥的电阻器R1、R2，并且第二传感器114(由虚线表示)可包括第二半桥的电阻器R3和R4。这些半桥也可以像图4中所示以不同方式制成。图4中的虚线表示用于所有分支的可选公共节点。图4的优点在于，获得了两个差分电压(V1-V2和V3-V4)，这两个差分电压可以比两个单端电压更准确地被测量。
在本发明的实施例中，次级半桥被置于膜的另一位置，以使其对压力较不敏感，但对封装应力具有类似的敏感性。
其示例性实施例在图5中图示。在此示例中，第一传感器112包括电阻器R1、R2，并且第二传感器包括电阻器R3和R4。每个电阻器R1、R2、R3和R4被配置为2个电阻器的串联连接(由膜上的平行线象征性地表示，其指示在布局中，这些电阻器基本上是平行的)。在本示例中，膜为方形或矩形。在该示例中，电阻器R1和R2在膜的某侧居中，以具有带有最大压力灵敏度的第一传感器。电阻器R3和R4在膜的某侧偏离中心，以获得具有降低的压力灵敏度的第二传感器。通过将电阻器对放置在膜的某侧的不是中间的位置但靠近第一传感器的电阻，由这些传感器形成的次级半桥对压力较不敏感，但对封装应力具有类似的灵敏度。
图6中示出了根据本发明的实施例的膜上的另一示例性传感器配置。在此示例中，第一传感器112包括电阻器R1和R2，并且第二传感器114包括电阻器R3和R4。该示例中的膜为方形膜。然而，本发明不限于此，并且可以使用例如矩形或圆形膜。在这些实施例中，电阻器R1和R2中的电阻器存在于膜侧的侧面附近且完全存在于膜上，并且电阻器R3和R4部分地存在于膜上且部分地存在于膜外。通过将次级半桥的电阻器放置为部分地脱离膜，可以获得对压力较不敏感的传感器，但该传感器对封装应力具有类似的灵敏度。
在图7中所示的示例中，第一传感器112的电阻器R1和R2存在与膜的侧面附近且完全存在于膜上，并且对于电阻器R3和R4，电阻器的一部分存在于膜上且电阻器的其他部分存在于膜外。在该示例中，每个电阻器R1、R2、R3和R4被配置为2个电阻器的串联连接(每次为第一部分和第二部分；这些部分定位在膜上的基本平行的布局中)。在此示例中，电阻器R1和R2存在于膜的相邻侧，并且电阻器R3和R4存在于膜的不同的相邻侧。然而，本发明不限于此。例如，电阻器R2和R3可定位成在膜的同一侧紧靠在一起。在本发明的实施例中，膜可以是圆形的。在那种情况下，电阻器R1、R2、R3和R4可以是相邻的电阻器。在该示例中，第二传感器的电阻器R3、R4放置成部分地脱离膜，第二传感器的对压力的灵敏度减半，但第二传感器对封装应力具有类似的灵敏度。
在图8中所示的示例性实施例中，第一传感器包括电阻器R1和R2，并且第二传感器包括电阻器R3和R4。每个电阻器R1、R2、R3和R4被配置为2个电阻器的串联连接。R1的电阻器以基本平行的布局来配置。R2的电阻器以基本平行的布局来配置。R3的电阻器以基本正交的布局来配置。R4的电阻器以基本正交的布局来配置。在该示例中，膜为方形或矩形，但圆形膜也可被使用。电阻器R1存在于膜的一侧上，并且电阻器R2存在膜的相邻侧上。电阻器R3和R4也存在于膜的相邻侧上。电阻器R1和R2存在于侧面附近，并且完全存在于膜上。
对于电阻器R3，一个电阻器存在于膜上，并且另一个电阻器位于膜外；并且同样对于电阻器R4，一个电阻器存在于膜上，并且另一个电阻器存在于膜外。因此，同样在该示例中，第二传感器114被放置为部分地脱离膜。在此示例中，第二传感器的对压力的灵敏度降减半，但对封装应力的灵敏度更显著地降低。因此，原因在于，封装应力对于电阻器的两半是类似的，但由于这两半的正交方向，这两半将在相反的方向上变化。
在上述示例中，根据本发明的实施例的控制器被配置成用于通过比较半桥的输出(例如，V1-V2和V3-V4)来检测干扰(例如，过度的封装应力)。
在上述示例中，可以使用两个半桥或一个全桥。然而，本发明不限于此。还可以使用其他配置来获得具有不同灵敏度比率的多个传感器。例如，在本发明的一些实施例中，可以使用两个全桥。
在本发明的实施例中，传感器使用读出电路来读出。该读出电路可以在不同的传感器之间共享，或者不同的传感器可以具有不同的读出电路。读出电路可以例如被配置成用于放大传感器的输出信号。例如，输出信号可以是电流或电压。读出电路可以例如包括放大器(例如，低噪声放大器)，用于放大传感器的输出信号。读出电路可被配置成用于将一个或多个传感器的(放大的)信号数字化。传感器的经数字化的输出可由控制器比较，以检测干扰。该控制器例如可以是微处理器、微控制器、现场可编程门阵列或另一种类的处理设备。
如上文所解释成，在本发明的实施例中，控制器被配置用于通过比较至少两个传感器的输出来检测干扰。此外，控制器可被配置成用于根据传感器的输出来确定压力。
这可以通过使用设计上具有最高Sm/Sd比率的传感器并通过从该传感器确定压力来实现。根据两个传感器的(经缩放的)输出之间的差，可以确定干扰的测量。该测量可用于补偿，从而获得对干扰较不敏感的压力。因此，对于其中在不同传感器之间存在已知关系的情况，与仅包含一个压力传感器的系统相比，获得具有对干扰的显著降低的影响的压力是可能的。
如果根据设计，第一压力传感器的灵敏度Sm1与第二压力传感器的灵敏度Sm2类似，并且第一压力传感器的干扰灵敏度Sd1与第二压力传感器的干扰灵敏度Sd2相比具有类似的幅值，但具有相反的符号，则可对两个传感器输出进行平均，以获得具有对干扰的相助降低的相关性的输出信号。
在3个压力传感器且对于这3个压力传感器哪个传感器具有最高可靠性是未知的情况下，可使用导致来自其他两个传感器的压力之间的压力的输出来获得压力。
在本发明的实施例中，可以进行传感器系统的校准。在那种情况下，可针对多个压力测量压力传感器的输出信号。因此，可以定义每个压力传感器的测量灵敏度Sm。在本发明的实施例中，测量灵敏度对于控制器120可以是可访问的。知晓每个传感器的测量灵敏度允许控制器缩放输出，使得如果没有干扰影响测量，则经缩放的输出将是相同的。经缩放的输出之间的差的结果是对干扰的测量。例如，可将该差与阈值进行比较，以确定传感器系统是否仍在正确地操作。如果两个传感器具有相同的测量灵敏度，则不需要缩放传感器输出。
在本发明的实施例中，干扰可由压力传感器组件110中的电荷或由通过压力传感器组件110的泄漏电流引起。
压力传感器组件中的电荷例如可以是移动离子。取决于传感器配置，与另一位置相比，更多的移动离子可能存在于传感器的一个位置。例如，在惠斯通电桥配置的情况下，与更接近供电电压的电阻器相比，更多移动离子可存在于更靠近接地的电阻器上。在本发明的实施例中，传感器系统被配置成用于对于两个传感器112、114中的至少一个传感器仅在部分时间施加供电电压，使得在其间施加电压的供电持续时间对于至少两个传感器112、114是不同的，以便在传感器112、114之间对于由电荷引起的干扰具有不同的灵敏度Sd。上述示例中的电阻器R3、R4可例如在一半时间偏置。本发明的实施例的优点在于，通过改变传感器中一个传感器的供电的占空比，对于其中干扰至少部分地由传感器上的电荷引起的传感器，改变该传感器的比率Sm/Sd是可能的。
在本发明的实施例中，传感器系统被配置用于交换传感器中的一个传感器的供电电压，以便对于由电荷或由泄漏电流引起的干扰，在传感器112、114之间具有不同的灵敏度Sd。
在本发明的实施例中，传感器系统被配置成用于对至少两个传感器112、114具有不同的供电电压，以便对于由泄漏电流引起的干扰，在传感器112、114之间具有不同的灵敏度Sd。
例如，泄漏电流可由用于保护传感器的静电放电(ESD)电路引起。该泄漏电流不随供电电压线性变化(例如，由于ESD保护电路的PN结)。因此，通过对两个传感器中的一个施加不同的电压，这将导致该传感器的Sm/Sd比率的变化。
在本发明的实施例中，传感器系统可被配置成用于改变压力传感器中的一个压力传感器的供电极性。使用图9中所示的示例给出其示例，其中压力传感器以惠斯通电桥配置来配置。供电开关单元115被配置成用于将供电电压连接到顶部节点并将接地连接到底部节点，反之亦然。读出切换单元116被配置成用于将左节点和右节点连接到读出电路。这些输出节点(左节点和右节点)可由读出开关单元交换。
在本发明的实施例中，传感器系统被配置成使得在一部分时间期间(正)供电电压可以连接到电桥的顶部节点且接地连接到底部节点，并且被配置成使得在一部分时间期间接地连接到顶部节点且供电连接到底部节点。传感器系统可以通过控制供电开关单元115来实现这一点。
交换供电极性也改变传感器电桥输出的极性(两个中间节点之间的差异)。为了避免这种极性变化，也可以交换输出节点。传感器系统可被配置成用于通过控制读出开关单元116来进行此操作。或者，控制器120可以被配置成用于改变输出信号的符号。这种输入和输出的交换也称为斩波。
在本发明的实施例中，ESD保护电路可连接至传感器组件。在图9中所示的示例中，两个输出节点(左节点和右节点)都与ESD保护电路117连接。该ESD保护电路可以是传感器组件的一部分(例如，存在于同一管芯处)，也可以是外部的(例如，连接到接口)，或者是以上两种情况。如先前所讨论，ESD保护电路通常是泄漏电流的来源。在本图中，泄漏将接地，因此下拉传感器节点。在本示例中的两个保护的泄漏将不良好地匹配，因此它们将产生差分信号，该差分信号可被视为压力信号。
在交换输出时，由泄漏产生的差分输出电压将得到不同的符号。然而，所需的压力输出将保持相同的极性，因为供电和输出被交换。在本发明的实施例中，控制器可被配置成用于对两相的差分输出电压求平均。因此，在没有(或很大程度上减少的)泄漏影响的情况下获得压力信号是可能的。因此，在此示例中，通过交换供电电压，传感器中的一个传感器对干扰的灵敏度显著地降低。通过将该传感器的输出信号与不通过交换供电电压补偿泄漏的传感器的输出信号进行比较，可以监测有泄漏电流引起的干扰。补偿泄漏的传感器将具有与非补偿的传感器不同的Sm/Sd，因为对于补偿的传感器，对干扰的灵敏度较低。
在图9中的示例中，ESD保护仅存在于传感器输出处。然而，本发明不限于此。ESD保护也可存在于电桥的上节点和下节点处。然而，值得注意的是，它们通常对泄漏电流的影响较小。
此外，在图9中，ESD保护指的是接地，因此在此示例中，仅泄漏可能接地。一般来说，ESD保护如何连接以及泄漏如何流动并不重要，例外在于不应将其引用到与电桥一起被交换的节点。例如，电桥的右节点和底部节点之间的泄漏无法通过交换方法进行补偿。
当然，还可能存在除了有ESD保护产生的泄漏之外的其他泄漏。只要泄漏发生在两对开关之间(并且如果泄漏流到不通过切换而被改变的节点)，这些泄漏就可以使用供电交换方法被监控，并且将被补偿。
在本发明的实施例中，电压供电的交换优选地仅应用于传感器中的一个传感器。因此，原因在于，在切换期间不太可能进行测量，作为其结果，传感器系统将在一段时间内将是盲的。此外，如果电容器被连接到传感器(例如，由于EMI原因)，则稳定将花费一段时间，这将进一步增加盲时段。这可能不是同时对所有传感器都是允许的。因此，在本发明的实施例中，传感器系统被配置成具有其中不应用供电电压的交换的至少一个传感器以及其中应用供电电压的交换的其他传感器。后者的所得到的输出信号可用于检查第一者的输出的合理性。
供电交换也可能有利于浮动电荷(移动离子)的问题。如果两个供电极性被施加达相同的时间量，则被每个电阻器看到的电压平均而言是相同的且等于0。因此，由于电荷而引起的漂移将减少，并且对于传感器电桥的所有电阻器都是非常类似的。
在第三方面，本发明的实施例涉及用于监测传感器组件的干扰的方法200。图10中示出了此类方法的示例性流程图。
该方法包括：
-测量210至少两个传感器的输出，其中传感器112、114被配置成用于测量压力，并且其中至少两个传感器112、114具有传感器相关的针对压力的测量灵敏度Sm，并且传感器112，114中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中对于至少两个传感器112、114，测量灵敏度和干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的，
-通过比较至少两个传感器的输出来检测220干扰。

Claims (15)

1.一种被配置成用于监测压力传感器组件(110)的干扰的控制器(120)，
所述压力传感器组件(110)包括至少两个传感器(112、114)，其中所述传感器(112、114)被配置成用于测量压力，并且其中所述至少两个传感器(112、114)具有传感器相关的针对所述压力的测量灵敏度Sm，并且所述传感器(112、114)中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中对于所述至少两个传感器(112、114)，所述测量灵敏度和所述干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的，
所述控制器(120)被配置成用于通过比较所述至少两个传感器的输出来检测所述干扰。
2.一种用于测量压力的传感器系统(100)，所述传感器系统(100)包括：
-压力传感器组件(110)，包括至少两个传感器(112、114)，其中所述传感器(112、114)被配置成用于测量所述压力，并且其中每个传感器(112、114)具有传感器相关的针对所述压力的测量灵敏度Sm，并且所述传感器中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中对于所述至少两个传感器(112、114)，所述测量灵敏度和所述干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的，
-根据权利要求1所述的控制器(120)，被配置成用于监测所述压力传感器组件(110)的干扰。
3.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器(112、114)在同一衬底上制成。
4.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器(112、114)使用所述相同的感测原理。
5.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器(112、114)针对所述压力具有不同的灵敏度。
6.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中至少一个传感器(112、114)对所述干扰基本不敏感。
7.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述干扰由机械应力引起。
8.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述干扰由所述压力传感器组件(110)中的电荷或由通过所述压力传感器组件(110)的泄漏电流引起。
9.根据权利要求8所述的传感器系统(100)，其中所述传感器系统被配置成用于对所述至少两个传感器(112、114)具有不同的供电电压。
10.根据权利要求8所述的传感器系统(100)，其中所述传感器系统被配置成用于对于所述两个传感器(112、114)中的至少一个传感器仅在部分时间施加供电电压，使得在其间施加电压的供电持续时间对于所述至少两个传感器(112、114)是不同的。
11.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器系统被配置成用于交换所述传感器中的至少一个传感器的供电电压。
12.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器(112、114)被提供在一个或多个膜上。
13.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器(112、114)是压电电阻器。
14.根据权利要求2所述的传感器系统(100)，其中所述传感器(112、114)包括应变计。
15.一种用于监测传感器组件的干扰的方法(200)，所述方法包括：-测量(210)至少两个传感器的输出，其中所述传感器(112、114)被配置成用于测量压力，并且其中所述至少两个传感器(112、114)具有传感器相关的针对所述压力的测量灵敏度Sm，并且所述传感器(112、114)中的至少一个传感器对具有传感器相关的干扰灵敏度Sd的干扰敏感，其中针对所述至少两个传感器(112、114)，所述测量灵敏度和所述干扰灵敏度的比率Sm/Sd是不同的，
-通过比较所述至少两个传感器的所述输出来检测(220)所述干扰。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021206131A1 (de) * 2021-06-16 2022-12-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Modul und Verfahren zum Überwachen von Umwelteinflüssen auf ein Modul

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9503348D0 (en) * 1995-02-21 1995-04-12 D P Measurement Limited A differential pressure transducer
US5446279A (en) * 1993-08-27 1995-08-29 Hughes Aircraft Company Fiber optic sensor sensing curvature of a diaphragm
US20130152696A1 (en) * 2011-12-19 2013-06-20 Infineon Technologies Ag Micromechanical semiconductor sensing device
CN103308246A (zh) * 2012-03-08 2013-09-18 精工电子有限公司 压力传感器
CN107436205A (zh) * 2017-08-14 2017-12-05 中北大学 一种片内温度补偿石墨烯压力传感器
US20190064026A1 (en) * 2017-08-24 2019-02-28 Infineon Technologies Ag Packaged mems device with disturbance compensation

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4765184A (en) * 1986-02-25 1988-08-23 Delatorre Leroy C High temperature switch
WO1998001731A1 (en) * 1996-07-10 1998-01-15 Honeywell Data Instruments, Inc. Pressure transducer with error compensation
JP5867821B2 (ja) * 2012-03-08 2016-02-24 セイコーインスツル株式会社 圧力センサ
EP3035015B1 (en) * 2014-12-15 2017-04-12 Melexis Technologies NV Ir sensor for ir sensing based on power control
GB2539681A (en) * 2015-06-23 2016-12-28 Melexis Tech Sa Stress and temperature compensated hall sensor, and method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5446279A (en) * 1993-08-27 1995-08-29 Hughes Aircraft Company Fiber optic sensor sensing curvature of a diaphragm
GB9503348D0 (en) * 1995-02-21 1995-04-12 D P Measurement Limited A differential pressure transducer
US20130152696A1 (en) * 2011-12-19 2013-06-20 Infineon Technologies Ag Micromechanical semiconductor sensing device
CN103308246A (zh) * 2012-03-08 2013-09-18 精工电子有限公司 压力传感器
CN107436205A (zh) * 2017-08-14 2017-12-05 中北大学 一种片内温度补偿石墨烯压力传感器
US20190064026A1 (en) * 2017-08-24 2019-02-28 Infineon Technologies Ag Packaged mems device with disturbance compensation

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