CN115855122A - 一种对传感器芯片进行温度补偿的方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对传感器芯片进行温度补偿的方法、装置及电子设备。该方法包括对传感器芯片施加高频磁场信号；对传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号，其中，第一输出信号中与高频磁场信号同频的信号幅值与直流信号成比例；根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。该方法通过闭环控制，保证了传感器芯片灵敏度不随温度显著变化，实现了自动温度补偿。
Description
技术领域
本实施例涉及传感器芯片技术领域，尤其涉及一种对传感器芯片进行温度补偿的方法、装置及电子设备。
背景技术
磁阻传感器芯片被广泛应用于数据存储、电流测量、位移测量、物体的移动以及角度测量等测量领域。例如直接集成有磁阻的TMR磁阻传感器芯片，间接集成有铁磁性物质的压阻式压力传感器芯片，其灵敏度往往呈温度依赖性，随温度的升高而降低，此种现象称为灵敏度温漂。
现有减小灵敏度温漂的方法一般为将传感器芯片内部电阻以惠斯通全桥形式配置，但试验证明，在惠斯通全桥配置下传感器芯片灵敏度的温度漂移仍然不可忽略。灵敏度温漂不仅会影响直流测量也会影响交流测量精度。因上述传感器芯片灵敏度温漂系数较大且线性度不佳，一般情况，使用LUT(补偿查找)的方法对传感器芯片进行补偿，该方法存在的效率上的问题，对每一片芯片需要单独测试出温漂曲线然后将补偿数据写入查找表，如纳芯微NSA5312等芯片，在遇到单温度点校准不良时需全温度段重新测试的缺点。
发明内容
本发明实施例提供了一种对传感器芯片进行温度补偿的方法、装置及电子设备，可以在较大温度范围内实现对传感器芯片灵敏度的自动补偿，且无需预先采集当前温度数据。
本发明的技术方案为：
第一方面，本申请实施例提供了一种对传感器芯片进行温度补偿的方法，所述方法包括：
对所述传感器芯片施加高频磁场信号；
对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号；所述第一输出信号中与所述高频磁场信号同频的信号幅值与所述直流信号成比例；
根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
进一步地，所述高频磁场信号的频率高于所述传感器芯片的带宽频率；
所述高频磁场信号为一种方波信号；
所述直流信号与所述传感器芯片的灵敏度线性相关。
进一步地，所述对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号，包括：
对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤，输出第二输出信号；
对所述第二输出信号进行解调，输出第三输出信号；所述第三输出信号包括直流信号以及高于所述高频磁场信号频率的噪音信号；
对所述第三输出信号进行过滤，输出所述直流信号。
进一步地，通过高通滤波器对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤。
进一步地，通过锁相放大器对所述第二输出信号进行解调。
进一步地，通过低通滤波器对所述第三输出信号中高于所述高频磁场信号频率的信号进行过滤。
进一步地，所述根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整，包括：
获取第一参考信号；
确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相同；
如所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
进一步地，确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相同，通过比较器进行实现。
进一步地，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整，通过积分器进行实现。
进一步地，所述传感器芯片为磁阻传感器芯片。所述磁阻传感器芯片包括AMR传感器芯片、GMR传感器芯片、TMR传感器芯片以及其他具有磁阻效应的传感器芯片。
第二方面，本发明实施例还提供了一种对传感器芯片进行温度补偿的装置，包括：
高频磁场发生模块，用于对所述传感器芯片施加高频磁场信号；
调理模块，用于对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行解调，输出直流信号；所述第一输出信号中与所述高频磁场信号同频的信号幅值与所述直流信号成比例；
调整模块，用于根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
进一步地，所述调理模块包括：
第一滤波单元，与所述传感器芯片电连接，用于对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤，输出第二输出信号；
锁相放大单元，分别与所述高频磁场发生模块和所述第一滤波单元电连接，用于对所述第二输出信号进行解调，输出第三输出信号；所述第三输出信号包括直流信号和噪音信号，所述噪音信号的频率高于所述高频磁场信号频率；
第二滤波单元，分别与所述锁相放大单元和调理模块电连接，用于对所述第三输出信号中噪音信号进行过滤，输出所述直流信号。
进一步地，所述调整模块包括：
参考单元，用于获取第一参考信号；
比较单元，与所述参考单元和所述调理模块电连接，用于确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相等；
调整单元，分别与所述比较单元和所述传感器芯片电连接，用于在所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同时，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
进一步地，所述比较单元包括比较器，所述调整单元包括积分器；所述比较器的正相端连接参考单元的输出端，由参考单元提供第一参考信号，所述比较器的负相端连接调理单元的输出端，所述比较器用于将调理单元输出的直流信号与所述第一参考信号进行比较，并输出比较后的差值；所述积分器的输入端连接所述比较器的输出端，所述积分器的输出端连接传感器芯片的供电端，所述积分器用于将所述比较器输出的直流信号与第一参考信号比较后的差值积分后，输入到传感器芯片供电端，自动调整传感器芯片的供电电压。
进一步地，所述高频磁场发生模块包括：
高频电信号发生单元，用于产生高频电信号；
激励磁场发生单元，与所述高频电信号发生单元电连接，用于对所述传感器芯片施加高频磁场信号；所述高频磁场信号的方向与所述传感器芯片的至少部分敏感方向平行。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括传感器芯片以及对所述传感器芯片进行温度补偿的装置；所述装置为上述装置，或由上述方法所制得。
本申请一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：通过外部施加频率高于被测电流频率数倍的高频磁场信号，检测提取对应的传感器芯片的输出，对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行解调，输出直流信号；根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整；所述对传感器芯片进行温度补偿的方法，在温度变化时自动调整其供电电压，使得传感器芯片的灵敏度随温度自动补偿，且无需预先采集当前温度数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的电路结构框图；
图3为本发明实施例的激励磁场发生线路的布局结构示意图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，本申请所提到的连接可为直接连接或间接连接。本申请提到的传感器芯片可为其灵敏度与供电电压线性相关的传感器芯片，尤其适用在芯片内部直接集成有磁阻的磁阻传感器芯片或在芯片外部间接集成有铁磁性物质的磁阻传感器芯片等灵敏度与供电电压线性相关的传感器芯片。另外，作为补充说明，传感器芯片灵敏度单位为mV/V/Oe，实际使用时通过改变供电电压可控制灵敏度ST,灵敏度可由公式ST＝pVsSTo(1+a(T-T0)获得，其中，p为放大倍数；Vs为供电电压。另外，而且本申请适用于10kHz以下电流的传感器芯片测量领域。
下面以直接集成磁阻的TMR磁阻传感器芯片为例对上述的传感器芯片进行举例说明，并且简称为传感器芯片。
本申请实施例技术方案的基本原理是通过外部施加频率高于被测电流频率数倍的高频磁场信号，检测提取对应的传感器芯片的输出，与外加磁场比对，实时提取不同温度点的传感器芯片的灵敏度信息，通过将该灵敏度信息与参考电平进行比对，得出差值，并在出现差值时自动调整磁传感器芯片的供电电压，使得不同温度点的传感器芯片的灵敏度自动补偿至恒定值附近，实现的外在整体效果是传感器芯片灵敏度不随温度变化，实现了自动温度补偿。
参看图1，一种对传感器芯片进行温度补偿的方法，所述方法包括步骤：
S1，对传感器芯片施加高频磁场信号；
在本步骤中，通过高频信号发生器发生高于传感器芯片被测电信号频率的高频电信号，高频电信号产生后，通过激励磁场发生线路，感应所述高频电信号，并生成存在部分分量与传感器芯片敏感方向平行的高频磁场信号，此处的部分分量为生成的高频磁场信号中的主要分量，传感器芯片中的或外部的磁阻感应该高频磁场信号，进而发生电流变化。理想状态下，高频信号发生器发生的高频电信号的频率即高频磁场信号频率，应该高于被测电流频率数倍，一般情况下，也要(要求)高于传感器芯片带宽的2倍以上。使用高频外部激励，可将测量工作电路与补偿电路工作回路分别设置到两个不同的工作频点上去，使得两者互不干扰。在本实施例中，所述高频电信号为方波信号，并且选择占空比为25％-75％之间的幅值恒定的方波电压，占空比优选为50％。这样可以获得稳定的直流信号，然后此高频电信号作用于激励磁场发生线路，所述激励磁场发生线路可为基于PCB板上的走线，其中，PCB走线可根据实际情况布局，但是，在本实施例中，优选最少需要保证线路产生的磁场中有的主要分量与传感器芯片敏感方向平行。
S2，对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号，所述第一输出信号中与高频磁场信号同频的信号幅值与直流信号成比例，所述直流信号与所述传感器芯片的灵敏度线性相关。
在本步骤中，通过以下方式对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号，包括：
对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤，输出第二输出信号；
对所述第二输出信号进行解调，输出第三输出信号；所述第三输出信号包括直流信号以及高于所述高频磁场信号频率的噪音信号；
对所述第三输出信号进行过滤，输出所述直流信号。
其中，首先需要滤除第一输出信号中低于高频电信号频率的低频分量，然后将其中与高频电信号同频的高频信号调制为直流分量输出；该直流分量，即直流信号，其中，所述直流分量与传感器芯片的灵敏度线性相关。还需要解释说明的是，锁相放大器用于特定频率信号的测量具有较高精度及等效Q值较高，使用锁相放大器可以排除其他频率干扰，并且，所述锁相放大器用于锁频的参考信号与作用于传感器芯片的高频磁场信号同源，也即同频。经上述步骤可得到与传感器芯片灵敏度线性相关的直流信号。
S3，根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
在本步骤中，根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整的方法，包括：
获取第一参考信号；
确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相同；
如所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
本步骤中，在确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相同时通过比较器进行实现，所述比较器的正相端连接参考信号发生装置，参考信号发生装置为比较器提供参考电压源，由参考电压源提供第一参考信号，即第一参考电平，所述比较器的负相端输入上述直流信号。
在一些实施例中，所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整时可通过积分器实现，所述积分器的输入端连接所述比较器电路的输出端，所述积分器的输出端连接传感器芯片的供电端，积分器将上述直流信号与第一参考信号比较后的差值积分后，输入到传感器芯片供电端，进而自动调整传感器芯片的供电电压。
本实施例还提供了一种对传感器芯片进行温度补偿的装置，包括
高频磁场发生模块，用于对所述传感器芯片施加高频磁场信号；
调理模块，用于对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行解调，输出直流信号；所述第一输出信号中与所述高频磁场信号同频的信号幅值与所述直流信号成比例；
调整模块，用于根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
在一些实施例中，所述调理模块包括：
第一滤波单元，与所述传感器芯片电连接，用于对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤，输出第二输出信号；
锁相放大单元，分别与所述高频磁场发生模块和所述第一滤波单元电连接，用于对所述第二输出信号进行解调，输出第三输出信号；所述第三输出信号包括直流信号和噪音信号，所述噪音信号的频率高于所述高频磁场信号频率；
第二滤波单元，分别与所述锁相放大单元和调理模块电连接，用于对所述第三输出信号中噪音信号进行过滤，输出所述直流信号。
在一些实施例中，所述调整模块包括：
参考单元，用于获取第一参考信号；
比较单元，与所述第一参考单元和所述调理模块电连接，用于确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相等；
调整单元，分别与所述比较单元和所述传感器芯片电连接，用于在所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同时，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
在一些实施例中，如图2所示，上述装置可通过以下电路实现：
高频磁场发生模块包括高频电信号发生单元和激励磁场发生单元，通过高频电信号发生单元即高频信号发生器发生高于传感器芯片被测电信号频率的高频电信号，高频电信号产生后，通过激励磁场发生单元即激励磁场发生线路，感应所述高频电信号，并生成存在部分分量与传感器芯片敏感方向平行的高频磁场信号，传感器芯片中的或绑定在普通其他类型传感器芯片外的传感器芯片感应该高频磁场信号，进而发生电流变化，这里的部分分量优选生成的磁场方向中的主要分量，理想状态下，高频信号发生器发生的高频电信号的频率应该高于被测电流频率数倍，一般情况下，也要(要求)高于传感器芯片带宽的2倍以上。使用高频外部激励，可将测量工作电路与补偿电路工作回路分别设置到两个不同的工作频点上去，使得两者互不干扰。在本实施例中，所述高频电信号为方波信号，并且选择占空比为25％-75％之间的幅值恒定的方波电压，占空比优选为50％。这样可以获得稳定的直流信号，然后此高频电信号作用于激励磁场发生线路，所述激励磁场发生线路可为基于PCB板上的走线，其中，PCB走线可根据实际情况布局，但是，在本实施例中，优选最少需要保证线路产生的磁场中有的主要分量与传感器芯片敏感方向平行，在本实施例中，如图3所示，为一个激励磁场发生线路的布局结构示意图，第一PCB板102和第二PCB板103，第一PCB板102和第二PCB板103用于走线，走线与高频信号发生器连接，可平行设置，精密电阻101可设置在第一PCB板102上，并与第一PCB板102上的线路连接，传感器芯片104安装在第一PCB板102和第二PCB板103之间，外加方波电压信号通过精密电阻101转化为电流，电流通过第一PCB板102与第二PCB板103形成回路后在传感器芯片104所在位置产生有与传感器芯片104敏感方向同向的外加磁场。然后获取经过传感器芯片104经过上述激励操作后的电信号，该电信号为下面所述的第一输出信号。
如图3所示，第一滤波单元采用高通滤波器HPF，锁相放大单元包括锁相放大器，第二滤波单元采用低通滤波器LPF，其中，第一参考信号可以为传感器芯片工作在上述工作环境且正常工作温度下测得的直流信号的值；比较单元包括比较器，调整单元包括积分器。所述高通滤波器HPF的输入端连接传感器芯片的输出端，高通滤波器HPF的输出端连接锁相放大器的输入端，所述锁相放大器的信号参考端连接所述高频信号发生器，由高频信号发生器为所述锁相放大器提供第二参考信号，锁相放大器的输出端连接低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端连接比较器的负相输入端，比较器的正相输入端连接参考单元，由参考单元提供第一参考信号。
在本实施例中，所述比较器用于将调理单元输出的直流信号与所述第一参考信号进行比较，并输出比较后的差值；所述积分器用于将所述比较器输出的直流信号与第一参考信号比较后的差值积分后，输入到传感器芯片供电端，调整传感器芯片的供电电压。
本实施例的装置，工作状态如下：
初次上电，由于积分器存在，当装置工作未进入稳定状态时积分器输出为最大值，即传感器芯片供电电压为最大值，传感器芯片的灵敏度最大；
当传感器芯片灵敏度大于期望值时，锁相放大器输出的直流信号大于第一参考信号，及第一参考电平，比较器输出电压为负，经积分器积分后缩小了积分器输出的电压，进而传感器芯片的供电电压减小，灵敏度降低；
当传感器芯片灵敏度小于期望值时，锁相放大器输出的直流信号小于第一参考信号，比较器输出电压为正，经积分器积分后增大了积分器输出的电压，进而抬高了传感器芯片的供电电压，灵敏度提高。
综上可知，传感器芯片输出的检测信号经过滤波器输出与第一参考信号比较形成差值后再通过积分器延迟形成传感器芯片的供电电压，通过闭环控制，或者运用闭环并使得闭环工作到无静差系统的状态，可使补偿的精度更高，理想情况下可达到零漂效果，因此可以保证传感器芯片的灵敏度恒定，即保证锁相放大器输出经低通滤波器LPF后的值恒定。
另外，当调整第一参考信号时，调整量经过比较器与积分器后可以直接反映到传感器芯片的供电，传感器芯片的灵敏度与第一参考信号严格线性相关。
还需要说明的是，当上述实施例的传感器芯片用于测量时，低频信号经HPF衰减后不影响电路工作，高于高频磁场信号频率的信号可通过后方的锁相放大器、低通滤波器LPF及积分器排除影响。
需要注意的是，与上述实施例中方波信号相近频率可影响电路工作精度，因此本方案适用于低于方波信号频率电流测量。
上述实施例通过获取传感器芯片的经过高频激励后的第一输出信号，对第一输出信号进行调制，使第一输出信号中与高频信号发生器同频的信号调制为直流信号输出，其中，所述直流信号与传感器芯片的灵敏度线性相关，然后将所述直流信号作为负相与作为正相的第一参考信号进行比较，并输出比较后的差值，最后将比较后的差值积分后，输入到传感器芯片供电端，自动调整传感器芯片的供电电压，实现了传感器芯片的灵敏度温漂的全温度段内连续补偿，实现了无需进行温度采集。
总之，上述实施例可以做到在无温度传感器芯片的情况下，无需得知外界温度，也无需传感器芯片温度均匀，即可实现传感器芯片灵敏度温漂补偿，并且不影响传感器芯片本身的测量效果。通过本方法还实现了通过第一参考信号设置经补偿后的传感器芯片的灵敏度，以及无温度传导过程的延时和滞后性，响应快而准确等技术效果。
本实施例还提供了一种电子设备，包括传感器芯片以及对所述传感器芯片进行温度补偿的装置；所述装置为本实施例的上述装置，或依上述方法所制得。该电子设备中的传感器芯片及对所述传感器芯片进行温度补偿的装置参看上述论述，在此不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (10)
1.一种对传感器芯片进行温度补偿的方法，其特征在于，所述方法包括：
对所述传感器芯片施加高频磁场信号；
对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号；所述第一输出信号中与所述高频磁场信号同频的信号幅值与所述直流信号成比例；
根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述高频磁场信号的频率高于所述传感器芯片的带宽频率；
所述高频磁场信号为一种方波信号；
所述直流信号与所述传感器芯片的灵敏度线性相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行调理，解调出直流信号，包括：
对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤，输出第二输出信号；
对所述第二输出信号进行解调，输出第三输出信号；所述第三输出信号包括直流信号以及高于所述高频磁场信号频率的噪音信号；
对所述第三输出信号进行过滤，输出所述直流信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整，包括：
获取第一参考信号；
确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相同；
如所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
5.一种对传感器芯片进行温度补偿的装置，其特征在于，包括
高频磁场发生模块，用于对所述传感器芯片施加高频磁场信号；
调理模块，用于对所述传感器芯片输出的第一输出信号进行解调，输出直流信号；所述第一输出信号中与所述高频磁场信号同频的信号幅值与所述直流信号成比例；
调整模块，用于根据所述直流信号对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调理模块包括：
第一滤波单元，与所述传感器芯片电连接，用于对所述第一输出信号中低于高频磁场信号频率的信号进行过滤，输出第二输出信号；
锁相放大单元，分别与所述高频磁场发生模块和所述第一滤波单元电连接，用于对所述第二输出信号进行解调，输出第三输出信号；所述第三输出信号包括直流信号和噪音信号，所述噪音信号的频率高于所述高频磁场信号频率；
第二滤波单元，分别与所述锁相放大单元和调理模块电连接，用于对所述第三输出信号中噪音信号进行过滤，输出所述直流信号。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调整模块包括：
参考单元，用于获取第一参考信号；
比较单元，与所述参考单元和所述调理模块电连接，用于确定所述直流信号与所述第一参考信号的数值是否相等；
调整单元，分别与所述比较单元和所述传感器芯片电连接，用于在所述直流信号与所述第一参考信号的数值不同时，对所述传感器芯片的供电电压进行自动调整。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述比较单元包括比较器，所述调整单元包括积分器；
所述比较器的正相端连接参考单元的输出端，由参考单元提供第一参考信号，所述比较器的负相端连接调理单元的输出端，所述比较器用于将调理单元输出的直流信号与所述第一参考信号进行比较，并输出比较后的差值；
所述积分器的输入端连接所述比较器的输出端，所述积分器的输出端连接传感器芯片的供电端，所述积分器用于将所述比较器输出的直流信号与第一参考信号比较后的差值积分后，输入到传感器芯片供电端，自动调整传感器芯片的供电电压。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述高频磁场发生模块包括：
高频电信号发生单元，用于产生高频电信号；
激励磁场发生单元，与所述高频电信号发生单元电连接，用于对所述传感器芯片施加高频磁场信号；所述高频磁场信号的方向与所述传感器芯片的至少部分敏感方向平行。
10.一种电子设备，其特征在于，包括传感器芯片以及对所述传感器芯片进行温度补偿的装置；
所述装置为权利要求5-9中任一项所述的装置，或依权利要求1-4中任一项所述的方法所制得。
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