CN117405281A - 电阻电桥偏移补偿的温度系数 - Google Patents
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Abstract
公开用于电阻电桥偏移补偿的温度系数的系统和方法。在一个方面中，以与电阻电桥内的电阻元件并联的方式添加一个或多个电流源。所述电流源可选择性地接通且由控制电路基于来自温度传感器的读数进行调节。以此方式，可以消除或校正温度引起的电阻变化，从而使得所述电阻电桥的性能更好。
Description
优先权申请
本申请涉及2022年7月15日提交的标题为“电阻电桥偏移补偿的温度系数(TEMPERATURE COEFFICIENT OF OFFSET COMPENSATION FOR RESISTANCE BRIDGE)”的第63/368,556号美国专利临时申请，其内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开的技术大体上涉及例如压电电阻电桥等压力感测电路，且更具体地说涉及为所述压力感测电路提供温度补偿的电路。
背景技术
计算装置在现代社会中比比皆是。这些计算装置的普及在某种程度上是由此类装置上现在支持的许多功能推进的。随着此类装置可用的多种功能的出现，装置执行的处理也有所增加，这反过来会产生热并导致提供这些功能的电路发生温度变化。虽然有些电路对温度变化不敏感，但例如基于压电的压力传感器等其它电路对温度变化敏感。一种此类电路是压电电阻电桥，例如可用于微机电系统(MEMS)传感器中。这种敏感性为创新提供了空间。
发明内容
详细描述中公开的方面包含用于电阻电桥偏移补偿的温度系数的系统和方法。具体地说，本公开的示例性方面设想以与电阻电桥内的电阻元件并联的方式添加一个或多个电流源。所述电流源可选择性地接通且由控制电路基于来自温度传感器的读数进行调节。以此方式，可以消除或校正温度引起的电阻变化，从而使得电阻电桥的性能更好。
就此而言，在一个方面中，公开一种压力传感器。所述压力传感器包括电阻电桥。所述电阻电桥包括定位于第一端子节点与第二端子节点之间的第一电阻器。所述电阻电桥还包括定位于所述第一端子节点与第三端子节点之间的第二电阻器。所述电阻电桥还包括定位于所述第二端子节点与第四端子节点之间的第三电阻器。所述电阻电桥还包括定位于所述第三端子节点与所述第四端子节点之间的第四电阻器。所述压力传感器还包括至少一个电流源，其与所述第一电阻器到所述第四电阻器中的相应一个电阻器相关联且电并联。所述压力传感器还包括开关，其与所述至少一个电流源相关联且被配置成将所述至少一个电流源选择性地耦合到所述第一电阻器到所述第四电阻器中的所述相应一个电阻器。
在另一方面中，公开一种装置。所述装置包括压力传感器。所述压力传感器包括电阻电桥。所述电阻电桥包括定位于第一端子节点与第二端子节点之间的第一电阻器。所述电阻电桥还包括定位于所述第一端子节点与第三端子节点之间的第二电阻器。所述电阻电桥还包括定位于所述第二端子节点与第四端子节点之间的第三电阻器。所述电阻电桥还包括定位于所述第三端子节点与所述第四端子节点之间的第四电阻器。所述压力传感器还包括至少一个电流源，其与所述第一电阻器到所述第四电阻器中的相应一个电阻器相关联且电并联。所述压力传感器还包括开关，其与所述至少一个电流源相关联且被配置成将所述至少一个电流源选择性地耦合到所述第一电阻器到所述第四电阻器中的所述相应一个电阻器。所述装置还包括温度传感器。所述装置还包括控制电路，其被配置成从所述温度传感器接收信号并控制所述开关和所述至少一个电流源以基于所述信号补偿温度变化。
在另一方面中，公开一种用于补偿压力传感器中的温度变化的方法。所述方法包括用温度传感器检测温度。所述方法还包括基于所述温度将电流源选择性地耦合到电阻电桥中的电阻器。
附图说明
图1A是示例性常规电阻电桥的电路图；
图1B是温度相对于偏移电压的图表，示出图1A的电阻电桥中的偏移电压随温度变化的可能方式；
图2是根据本公开的包含示例性温度补偿式电阻电桥的装置的框图；
图3是根据本公开的示例性方面的具有温度补偿电流源的电阻电桥的电路图；并且
图4是图3的电阻电桥的温度相对于偏移电压的图表。
具体实施方式
下文阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例并且说明实践实施例的最佳模式所必需的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到这些概念在此未特别述及的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
应理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所用，术语“和/或”包含相关联所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。
应当理解，当例如层、区域或基板的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到”另一元件上时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当例如层、区域或基板的元件被称为“在另一元件上方”或“在另一元件上方延伸”时，其可以直接在另一元件上方或直接在另一元件上方延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上方”或“直接在另一元件上方”延伸时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
例如“以下”或“以上”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与如图所示的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上面讨论的那些旨在包括除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。
本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述”也旨在包含复数形式。还应理解，当在本文中使用时，项“包括(comprises/comprising)”和/或包含(includes/including)指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，除非本文明确地定义，否则本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关技术中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。
详细描述中公开的方面包含用于电阻电桥偏移补偿的温度系数的系统和方法。具体地说，本公开的示例性方面设想以与电阻电桥内的电阻元件并联的方式添加一个或多个电流源。所述电流源可选择性地接通且由控制电路基于来自温度传感器的读数进行调节。以此方式，可以消除或校正温度引起的电阻变化，从而使得所述电阻电桥的性能更好。
在论述本公开的特定方面之前，参考图1A和1B提供对常规系统的一些问题的概述。下面参考图2开始论述本公开的示例性方面。
就此而言，图1A是电路100的电路图，所述电路可以是例如惠斯通(Wheatstone)电桥电路并且充当电阻电桥。电阻电桥可以充当微机电系统(MEMS)中的压力传感器。电路100可包含具有端子节点104和106的第一电阻器102。第二电阻器108可耦合到端子节点104。第三电阻器110可耦合到端子节点106。电路100可进一步包含具有端子节点114和116的第四电阻器112。第二电阻器108可耦合到端子节点114，并且第三电阻器可耦合到端子节点116。电阻器102、108、110和112可由压电材料形成，使得当压力或力施加到电路100时，电阻器102、108、110和112的电阻可改变。
激励电压(Vs)可施加到端子节点104和116，并且端子节点106和114之间可生成偏移电压(Voff)。当电阻器102、108、110和112平衡时，Voff应为零(0)。当压力被施加时，电阻器102、108、110和112的压电性质引起电阻变化(产生不平衡)且因此生成Voff值。基于Voff值，可测量或近似所施加的力。简而言之，这种方法效果良好。然而，电阻器102、108、110和112可能对温度敏感，并且如图1B中所示，即使没有压力被施加，这种敏感性也可能导致Voff随温度的变化而变化。
具体地说，图1B示出其中Voff随温度的变化而变化的图表120。具体地说，给定温度T0，Voff可为第一值122，但对于第二温度T1>T0，Voff可为大于第一值122的第二值124。这种温度引起的Voff变化会对通过对Voff的评估进行的所需力测量具有不利影响。也就是说，在Voff既有力分量又有温度分量的情况下，可能很难或可能不可能隔离出有多少力被施加到电路100。
本公开的示例性方面将一个或多个电流源添加到电路以提供通过电阻电桥的一个或多个电阻的补偿电流。通过调节通过电阻器的电流，可以恢复电桥的平衡，以使得任何测得Voff仅随力的变化而变化，从而恢复电阻电桥作为压力传感器的功能性。
就此而言，图2是具有电流偏移温度系数(TC)补偿的压力传感器202(图3中有关于该传感器202的更多细节，下文进行论述)的装置200的框图。温度传感器204可以存在于装置200中或位于与其相对较近的位置，并且向控制电路206提供与温度有关的信息。控制电路206可向偏移控制电路208提供偏移控制信号，所述偏移控制电路继而控制传感器202内的元件。可将来自传感器202的输出提供到模拟处理电路210，所述模拟处理电路向控制电路206提供处理后的信号。
图3示出传感器202的细节。传感器202可包含具有端子节点304和306的第一电阻器302。第二电阻器308可耦合到端子节点304。第三电阻器310可耦合到端子节点306。传感器202可进一步包含具有端子节点314和316的第四电阻器312。第二电阻器308可耦合到端子节点314，并且第三电阻器310可耦合到端子节点316。电阻器302、308、310和312可由压电材料形成，使得当压力或力施加到传感器202时，电阻器302、308、310和312的电阻可改变。
可以分别与电阻器302、308、310和312电并联的方式提供一个或多个电流源320(1)-320(4)。可提供开关322(1)-322(4)以允许在传感器202内选择性地激活电流源320(1)-320(4)。电流源320(1)-320(4)和开关322(1)-322(4)可由控制电路206或偏移控制电路208控制。
在示例性方面中，电流源320(1)-320(4)可由带隙电路生成，使得其温度系数得到良好控制，并且可通过使用芯片上寄存器(未示出)或一次性可编程(OTP)存储器来微调。应进一步了解，电流源320(1)-320(4)具有相对较大的输出阻抗，且因此对传感器敏感性的影响可忽略。每个电流源320(1)-320(4)可单独地通过相关联的开关322(1)-322(4)打开或关闭。同样，并非所有电阻器302、308、310、312都可具有相关联的电流源320(1)-320(4)。虽然仅电流源320(1)以实线示出，而其它可选的电流源320(2)-320(4)以虚线示出以暗示可选性，但应了解，可能存在电流源320(1)-320(4)中的任何单个电流源，而省略其它三个电流源。同样，可能存在两个或三个电流源。然而，为了精细平衡，每个电阻器302、308、310和312都具有其相关联的电流源320(1)-320(4)。电流源320(1)-320(4)可提供正输出电压偏移或负输出电压偏移以校正温度变化。在示例性方面中，电流源320(1)、320(4)用于负偏移校正，而电流源320(2)、320(3)用于正偏移校正。
应了解，电流源320(1)-320(4)可以是与绝对温度成正比(PTAT)电流源，或者电流源320(1)-320(4)可以是与绝对温度成反比(CTAT)电流源。当传感器202具有默认正温度系数(即，没有通过本公开进行校正)时，可使用PTAT电流源。当传感器202具有默认负温度系数时，使用CTAT电流源。
虽然初始测试并不完美，但这些测试表明，使用电流源320(1)-320(4)提供一种对温度更加不敏感的传感器，如图4中的图表400所示，其中在温度T0，Voff(T)近似为零，同样地在T1，Voff(T)也近似为零。
提供这种温度补偿有效地减少或消除Voff对温度的依赖性，从而提供更线性且更可预测的操作。这种改进的线性改善了传感器的功能性，而不需要大量的外部电阻器或过度工程精确电阻器。同样，不需要将可变性及其附属误差裕度集成到互补金属氧化物半导体(CMOS)装置中。
还应注意，描述本文中的示例性方面中的任一者中所描述的操作步骤是为了提供示例和论述。可以用除了所说明的顺序之外的大量不同顺序执行所描述的操作。此外，单个操作步骤中所描述的操作实际上可在许多不同步骤中执行。另外，可组合在示例性方面中所论述的一个或多个操作步骤。应理解，本领域的技术人员将易于显而易见，流程图中所说明的操作步骤可经受多种不同修改。所属领域的技术人员还将了解，可使用多种不同技术和技法中的任一者来表示信息和信号。例如，可用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在整个上文描述中可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片。
提供对本公开的先前描述，使得本领域的任何技术人员都能够进行或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且本文中定义的一般原理可应用于其它变型。因此，本发明并不希望限于本文中所描述的实例和设计，而应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。
Claims (16)
1.一种压力传感器，包括：
电阻电桥，包括：
定位于第一端子节点与第二端子节点之间的第一电阻器；
定位于所述第一端子节点与第三端子节点之间的第二电阻器；
定位于所述第二端子节点与第四端子节点之间的第三电阻器；以及
定位于所述第三端子节点与所述第四端子节点之间的第四电阻器；
至少一个电流源，与所述第一电阻器到所述第四电阻器中的相应一个电阻器相关联且电并联；以及
开关，与所述至少一个电流源相关联且被配置成将所述至少一个电流源选择性地耦合到所述第一电阻器到所述第四电阻器中的所述相应一个电阻器。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述至少一个电流源包括四个电流源，所述四个电流源中的每一者与所述第一电阻器到所述第四电阻器中的相应电阻器相关联且电并联。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，进一步包括第二开关到第四开关，这些开关与所述四个电流源中的相应电流源相关联且被配置成将所述四个电流源中的所述相应电流源选择性地耦合到所述第一电阻器到所述第四电阻器中的相应电阻器。
4.根据权利要求2所述的压力传感器，其中所述四个电流源中的第一电流源包括与绝对温度成正比(PTAT)电流源。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中所述PTAT电流源被配置成基于来自温度传感器的信号补偿偏移电压。
6.根据权利要求2所述的压力传感器，其中所述四个电流源中的第一电流源包括与绝对温度成反比(CTAT)电流源。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其中所述四个电流源中的第二电流源包括与绝对温度成正比(PTAT)电流源。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述第一电阻器到所述第四电阻器包括压电材料。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其集成到微机电系统(MEMS)装置中。
10.根据权利要求1所述的压力传感器，进一步包括耦合到所述第一端子节点和所述第四端子节点的电压源(Vs)。
11.一种装置，包括：
压力传感器，包括：
电阻电桥，包括：
定位于第一端子节点与第二端子节点之间的第一电阻器；
定位于所述第一端子节点与第三端子节点之间的第二电阻器；
定位于所述第二端子节点与第四端子节点之间的第三电阻器；以及
定位于所述第三端子节点与所述第四端子节点之间的第四电阻器；至少一个电流源，与所述第一电阻器到所述第四电阻器中的相应一个电阻器相关联且电并联；以及
开关，与所述至少一个电流源相关联且被配置成将所述至少一个电流源选择性地耦合到所述第一电阻器到所述第四电阻器中的所述相应一个电阻器；
温度传感器；以及
控制电路，被配置成从所述温度传感器接收信号并控制所述开关和所述至少一个电流源以基于所述信号补偿温度变化。
12.一种用于补偿压力传感器中的温度变化的方法，所述方法包括：
用温度传感器检测温度；以及
基于所述温度将电流源选择性地耦合到电阻电桥中的电阻器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地耦合所述电流源包括激活开关以将所述电流源耦合到所述电阻器。
14.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地耦合所述电流源包括将四个电流源中的至少一个电流源选择性地耦合到所述电阻电桥中的相应电阻器。
15.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地耦合包括将与绝对温度成正比(PTAT)电流源选择性地耦合到所述电阻器。
16.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地耦合包括将与绝对温度成反比(CTAT)电流源选择性地耦合到所述电阻器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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