DE102011017698B4 - Vorrichtung, Sensorschaltung und Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung oder einer Sensorschaltung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen einer vorbestimmten physikalischen Größe von einer Quelle (410) der vorbestimmten physikalischen Größe, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: ein erstes Sensorelement (120) und ein zweites Sensorelement (220), die an einer ersten bzw. einer zweiten Position bzgl. der Quelle angeordnet sind, und die angepasst sind, um von der Quelle die vorbestimmte physikalische Größe zu erfassen, und um ansprechend auf die vorbestimmte physikalische Größe ein erstes Sensorsignal (120b) bzw. ein zweites Sensorsignal (110a) zu erzeugen; eine Signalverarbeitungsschaltung (110), die angepasst ist, um das erste Sensorsignal (120b) und das zweite Sensorsignal (110a) gemäß einem ersten Algorithmus zu verarbeiten, um ein Ausgangssignal (110b) zu erhalten; und eine Auswertungsschaltung (130), die angepasst ist, um das erste Sensorsignal (120b) und das zweite Sensorsignal (110a) gemäß einem zweiten Algorithmus zu verarbeiten, um zu bestimmen, ob ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium erfüllt ist, und um ein Anzeigesignal zu erhalten, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das vorbestimmte Normalbetriebskriterium nicht erfüllt ist.

Description

• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung, die ein Sensorelement aufweist, auf Sensorschaltungen und Verfahren zum Betreiben derselben.
• Sensoren werden häufig bei Anwendungen verwendet, wo äußerste Zuverlässigkeit und Verhinderung von Missbrauch oder betrügerischer Manipulation entscheidend ist: lebenserhaltende Anwendungen bei medizinischer Behandlung, Anwendungen im Transportwesen, wo aufgrund einer Fehlfunktion Leben in Gefahr sein können, Gebührenerfassungs-, Abrechnungs- und Fernzahlsysteme, die Schutz gegen Fälschung oder betrügerische Falsifikation benötigen.
• Anwendungen für Magnetsensoren im Allgemeinen und für Differenzmagnetsensoren im Besonderen sind beispielsweise Systeme, die die Drehungen eines mechanischen Bauglieds zählen, beispielsweise zum Messen der Wassermenge, die durch ein Rohr fließt, oder zum Messen der Anzahl von Drehungen eines Rads in einem Automobil, die gegen Manipulationen durch elektromagnetische Stimuli geschützt werden müssen. Beispielsweise könnte man versuchen, ein drehendes Magnetfeld an ein solches Sensorsystem anzulegen, um die Drehung des mechanischen Bauglieds zu imitieren, wodurch die Anzahl von erfassten Drehungen manipuliert wird. Das Drehfeld könnte erzeugt werden durch Befestigen eines Permanentmagneten an einer tragbaren Bohrmaschine oder durch Verwenden zweier orthogonaler Spulen, die mit zwei sinusförmigen Strömen mit 90° Phasenverschiebung versorgt werden.
• Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf elektrische Messgeräte, bei denen versucht werden könnte, in betrügersicher Absicht einen kleinen Permanentmagneten nahe einem Sensor zu befestigen. Falls der Strom durch einen Leiter gemessen wird, beispielsweise unter Verwendung eines Magnetsensors, könnte man versuchen, den Leiter zu biegen, so dass der Strom in entgegengesetzte Richtung und nahe dem ursprünglichen Sensor fließt, wodurch das Magnetfeld auf dem Sensor reduziert wird, was den gemessenen Wert des Scheinstroms verringern würde.
• Neben absichtlichem Missbrauch, wie oben beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn diese Sensorsysteme auch widerstandsfähig sind gegenüber unbeabsichtigter Manipulation oder allgemeiner gesagt, gegen anormale Betriebsbedingungen. Falls beispielsweise ein Drehpositionssensor einem großen Magnetfeld ausgesetzt ist, kann dies seine Genauigkeit beeinträchtigen. In einem Automobilsystem kann dies zu einer falschen Zündeinstellung führen mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch und erhöhter Luftverschmutzung. Bei medizinischen Instrumenten kann dies zu ungenauer Bestimmung einer dreidimensionalen Position (3D-Position) eines Mikrooperationswerkzeugs während einer schwierigen Herz- oder Hirnoperation führen.
• Die EP 1 849 683 A1 offenbart einen Winkeldetektor, der einen Detektor mit mehreren magnetischen Sensoren umfasst, der über entsprechende Leitungen mit einem Mikrocomputer verbunden ist, der ein Ausgangssignal entsprechend einem Drehwinkel der Welle angibt, welches durch die Sensoren erfasst wird. Die durch den Mikrocomputer gebildete Steuerung berechnet den Absolutwert des Rotationswinkels und dient ferner dazu, eine abnormale Bedingung in den magnetischen Sensor aus den Erfassungssignalen, die durch die entsprechenden Sensoren ausgegeben werden, zu erfassen.
• Die US 2005 0217126 A1 offenbart einen der EP 1 849 683 A1 ähnlichen Aufbau, wobei ein Beurteilungswert bezogen auf eine anfängliche Phasendifferenz zwischen den erfassten Werten erzeugt wird, und wobei die Steuerung vorgesehen ist, um Anomalitäten zu erfassen, falls der Beurteilungswert eine Schwelle übersteigt.
• Die US 6 204 658 B1 zeigt ein Verfahren zum Beurteilen eines Ausgangssignals eines Drehsensors. Das Ausgangssignal des Sensors wird überwacht, um plötzliche Änderungen in dem Ausgangssignal zu erfassen, um Unregelmäßigkeiten zu erfassen.
• Die US 5 795 997 A beschreibt ein Überwachungsgerät, um eine Verschiebung einer Fahrzeugsteuerung zu erkennen, wobei verschiedene Sensoren vorgesehen sind, die entsprechende Ausgangssignale erzeugen, wobei entsprechende Fehlerwerte erfasst werden.
• Die US 5 173 680 A beschreibt einen Ansatz zum Anzeigen einer abnormalen Bedingung in einem Fahrzeug, wobei eine Einrichtung zum Erfassen einer abnormalen Bedingung vorgesehen ist, die basierend auf einem erfassten Signal arbeitet.
• Daher besteht ein Bedarf, Sensoren oder Systeme, die solche Sensoren verwenden, widerstandsfähig zu machen gegenüber Manipulation oder gegenüber einer anormalen Betriebsbedingung, und/oder zu erfassen, ob eine Manipulation oder eine anormale Betriebsbedingung auftritt.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, eine Stromsensorschaltung, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorschaltung sowie ein Computerprogramm mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Signalverarbeitungsschaltung, die angepasst ist, um ein Eingangssignal zu verarbeiten, um ein Ausgangssignal zu erhalten; ein Sensorelement zum Erfassen einer vorbestimmten physikalischen Größe, wobei das Sensorelement angepasst ist, um ansprechend auf die vorbestimmte physikalische Größe ein Sensorsignal zu erzeugen; wobei die Signalverarbeitungseinheit angepasst ist, um das Eingangssignal zu verarbeiten, um das Ausgangssignal abhängig von dem Sensorsignal zu erhalten; und wobei die Vorrichtung ferner eine Auswertungsschaltung aufweist, die angepasst ist, um das Sensorsignal auszuwerten und ein Signal zu erzeugen, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das Sensorsignal ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt.
• Ausführungsbeispiele der Auswertungsschaltung können angepasst sein, um das Signal, das auch als ein Auswertungssignal bezeichnet wird, nur in dem Fall auszugeben, falls anormale Betriebsbedingungen erfasst wurden, oder können angepasst sein, um das Signal in jedem Fall auszugeben, wobei z. B. ein erster Wert des Signals eine normale Betriebsbedingung anzeigt und ein zweiter Wert, der sich von dem ersten Wert unterscheidet, die anormale Betriebsbedingung anzeigt. Das Signal, das durch die Auswertungsschaltung erzeugt wird, falls dieselbe eine anormale Betriebsbedingung erfasst, kann auch als ein Anormale-Betriebsbedingung-Signal bezeichnet werden.
• Das Signal oder Auswertungssignal, das durch die Auswertungsschaltung erzeugt wird, ist nicht zu verwechseln mit einem Sensorsignal oder Messsignal, z. B. einem Temperaturwert, der durch einen Temperatursensor ausgegeben wird, der die Temperatur darstellt, aber keine Auswertung oder Bewertung der Temperatur bezüglich der Betriebsbedingungen aufweist, bei denen das Temperatursignal gemessen wurde. Anders ausgedrückt, im Gegensatz zu Sensorsignalen oder Messsignalen stellt das Auswertungssignal nicht die zu messende physikalische Größe dar, sondern weist z. B. Informationen über eine Auswertung auf, ob die Betriebsbedingungen, bei denen die Sensorsignale und Messsignale erhalten wurden, als normal anzusehen sind oder nicht. Falls die Auswertung anzeigt, dass die Betriebsbedingungen normal sind, können die Sensorsignale und die Messsignale (oder jedes andere Ausgangssignal, das durch die Signalverarbeitungseinheit erzeugt wird) z. B. als „vertrauenswürdig” oder „zuverlässig” angesehen werden, während, falls das Auswertungssignal anzeigt, dass die Betriebsbedingungen nicht normal oder anormal sind, die Sensorsignale und Messsignale (oder jedes andere Ausgangssignal, das durch die Signalverarbeitungseinheit erzeugt wird) als „nicht vertrauenswürdig” oder „unzuverlässig” angesehen werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Sensorschaltung, die folgende Merkmale aufweist: ein erstes Primärsensorelement, das angepasst ist, um ansprechend auf eine erste primäre physikalische Größe, die einen ersten gewünschten Teil oder einen ersten unerwünschten Umgebungsteil aufweist, ein erstes Primärsensorsignal zu erzeugen; und ein zweites Primärsensorelement, das angepasst ist, um ansprechend auf eine zweite primäre physikalische Größe, die einen zweiten erwünschten Teil oder einen zweiten unerwünschten Umgebungsteil aufweist, ein zweites Primärsensorsignal zu erzeugen, wobei die zweite primäre physikalische Größe von einem gleichen Typ ist wie die erste physikalische Größe; eine Signalverarbeitungsschaltung, die angepasst ist, um das erste Primärsensorsignal und das zweite Primärsensorsignal gemäß einem ersten Algorithmus zu verarbeiten, um ein Messsignal zu erhalten; und eine Auswertungsschaltung, die angepasst ist, um das erste Primärsensorsignal und das zweite Primärsensorsignal gemäß einem zweiten Algorithmus auszuwerten, der sich von dem ersten Algorithmus unterscheidet, und um ein Signal zu erzeugen, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das Ergebnis des zweiten Algorithmussensorsignals ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Sensorschaltung, die folgende Merkmale aufweist: eine Signalverarbeitungseinheit, die angepasst ist, um zumindest ein Sensorsignal einer Mehrzahl von Sensorsignalen zu verarbeiten, die durch zumindest ein Sensorelement erzeugt werden, um ein Messsignal zu erhalten; und eine Auswertungsschaltung, die angepasst ist, um das zumindest eine Sensorsignal der Mehrzahl von Sensorsignalen auszuwerten, um ein Signal abzuleiten, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das zumindest eine Sensorsignal ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt, wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium eine vorbestimmte Beziehung zwischen einem Wert des zumindest einen Sensorsignals und einem Wert des zumindest einen anderen Sensorsignals der Mehrzahl von Sensorsignalen während eines normalen Betriebs definiert, oder eine Beziehung zwischen dem Wert des zumindest einen Sensorsignals und einem Wert eines Messsignals während eines normalen Betriebs.
• Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Mehrzahl von Sensorsignalen erzeugt werden durch das gleiche Sensorelement oder andere Sensorelemente der gleichen Klasse von Sensorelementen über der Zeit, um eine Zeitbeziehung zwischen dem zumindest einen Sensorsignal und dem zumindest einen anderen Sensorsignal oder dem Messsignal auszuwerten.
• Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Mehrzahl von Sensorsignalen erzeugt werden durch unterschiedliche Sensorelemente der gleichen Klasse von Sensorelementen, d. h. durch Sensorelemente, die angepasst sind, um den gleichen Typ physikalischer Größe zu messen, um eine räumliche Beziehung zwischen dem zumindest einen Sensorsignal und dem zumindest einen anderen Sensorsignal oder dem Messsignal auszuwerten.
• Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen kann die Mehrzahl von Sensorsignalen durch unterschiedliche Sensorelemente unterschiedlicher Klassen von Sensorelementen erzeugt werden, d. h. durch Sensorelemente, die angepasst sind, um unterschiedliche Typen physikalischer Größen zu messen, und die Auswertungsschaltung kann angepasst sein, um eine zeitliche oder räumliche Beziehung zwischen dem zumindest einen Sensorsignal und dem zumindest einen anderen Sensorsignal oder dem Messsignal auszuwerten. Falls beispielsweise ein hoher Strom durch einen Magnetstromsensor fließt, erhöht sich die Temperatur aufgrund innerer Wärmeerzeugung. Dieser Effekt oder andere ähnliche Effekte können verwendet werden, um ein Primärsensorsignal basierend auf einem Sekundärsensorsignal auszuwerten.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, die ein Sensorelement zum Erfassen einer vorbestimmten physikalischen Größe aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen der vorbestimmten physikalischen Größe durch das Sensorelement und Erzeugen eines Sensorsignals ansprechend auf die vorbestimmte physikalische Größe; Verarbeiten eines Eingangssignals, um abhängig von dem Sensorsignal ein Ausgangssignal zu erhalten; und Auswerten des Sensorsignals und Erzeugen eines Signals, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das Sensorsignal ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorschaltung, die ein erstes Primärsensorelement und ein zweites Primärsensorelement aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines ersten Primärsensorsignals durch das erste Primärsensorelement ansprechend darauf, dass eine erste primäre physikalische Größe einen ersten erwünschten Teil oder einen ersten unerwünschten Umgebungsteil aufweist; und Erzeugen eines zweiten Primärsensorsignals durch das zweite Primärsensorelement ansprechend darauf dass eine zweite primäre physikalische Größe einen zweiten erwünschten Teil oder einen zweiten unerwünschten Umgebungsteil aufweist, wobei die zweite primäre physikalische Größe vom gleichen Typ ist wie die erste physikalische Größe; Verarbeiten des ersten Primärsensorsignals und des zweiten Primärsensorsignals gemäß einem ersten Algorithmus, um ein Messsignal zu erhalten; und Auswerten des ersten Primärsensorsignals und des zweiten Primärsensorsignals gemäß einem zweiten Algorithmus, der sich von dem ersten Algorithmus unterscheidet, und um ein Signal zu erzeugen, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das Ergebnis des zweiten Algorithmussensorsignals ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen beispielsweise eine Vorrichtung oder ein Sensorsystem, das widerstandsfähig ist gegenüber externen Störungen. Anders ausgedrückt, Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung und/oder Sensorsysteme, die in der Lage sind, anormale Betriebsbedingungen zu erfassen, wobei „anormale Betriebsbedingungen” Betriebsbedingungen sind, die sich wesentlich von normalen Betriebsbedingungen unterscheiden.
• Normale Betriebsbedingungen sind beispielsweise in einem Datenblatt des Elektroniksystems gegeben. Das Datenblatt listet beispielsweise die Versorgungsspannung, die Umgebungstemperatur, für Sensorsysteme auch einen bestimmten Bereich angelegter Werte für die zu messenden physikalischen Größen auf. Es kann auch Umgebungsgrößen aufweisen wie z. B. eine maximal erlaubte Strahlungsdosis oder Umgebungsdruck oder Feuchtigkeit oder einen Bereich erlaubter Höhen oder eine maximale Beschleunigung oder Schwingung. Diese Betriebsbedingungen können auch als „explizit vorgegebene normale Betriebsbedingungen” bezeichnet werden.
• Viele Betriebsbedingungen sind nicht explizit gegeben, sondern eher implizit, beispielsweise falls das Datenblatt eine Regel zum Löten oder Befestigen einer Vorrichtung in einem Modul erläutert, oder wie dieselbe an einem Wärmekern (heat slug) zu befestigen ist oder wie seine Anschlussleitungen zu biegen sind. Jede Verletzung dieser Regel kann zu Betriebsbedingungen führen, die weit von normal sind, kann beispielsweise zu einer zu hohen mechanischen Belastung fuhren oder zu einer zu hohen Temperatur während des Zusammenbaus und potentiell auch während des Betriebs, was erneut die Messqualität verschlechtern kann.
• Der Begriff „anormale Betriebsbedingungen” sollte nicht verwechselt werden mit „Defekten” oder „defekten Systemen”. Beispielsweise kann (i) ein hochdichter Speicher erfassen, dass ein bestimmter Adressraum des Speichen bei Null oder Eins hängt, oder (ii) ein Telekommunikationssystem erfassen, dass Fehler während der Speicherung oder Übertragung von Daten aufgetreten sind, was durch Fehlercodiertechniken wie dem gut bekannten Reed-Solomon-Code für Compakt-Disks für Audioaufzeichnung durchgeführt wird, oder (iii) ein Sensorsystem erfassen, dass ein Teil eines großen Arrays von Sensorelementen defekt sein kann, da es Signale ausgibt, die sich wesentlich von dem Rest des Sensorarrays unterscheiden, obwohl das gesamte Array dem gleichen Druck, der gleichen Temperatur oder Magnetfeld ausgesetzt ist, oder welche physikalische Größe auch immer durch das Sensorarray gemessen wird. Kein solcher Defekt, noch ein anderer intern erzeugter Defekt, beispielsweise Herstellungsfehler oder Defekte, die durch einen externen Ursprung verursacht werden, wie z. B. Schäden aufgrund von elektrostatischer Entladung (ESD) oder unzureichender Kühlung oder zu hoher Versorgungsspannung oder umgekehrter Polarität einer Spannung zu bestimmten Eingangs-/Ausgangstoren (I/O-Toren) des elektronischen Systems, sollte mit den „anormalen Betriebsbedingungen” verwechselt werden, mit denen sich Ausführungsbeispiele der Erfindung befassen.
• Anormale Betriebsbedingungen können auch zu einem Systemfehler führen, aber dies ist nicht notwendigerweise der Fall. Anormale Betriebsbedingungen – im Gegensatz zu den Defekten, die in dem System, wie oben erläutert, erfasst werden – verursachen häufig weniger offensichtliche Effekte im Vergleich zu diesen „Defekten”, beispielsweise reduzierte Qualität des Systems, die noch nicht als „fehlerhaft” oder falsch klassifiziert wird, beispielsweise erhöhtes Rauschen, ungenaue Verarbeitung von Signalen, ungenaue Lesungen von Sensorwerten, reduzierte Lebensdauer (z. B. aufgrund von erhöhter Belastung des Systems) oder reduzierte Zuverlässigkeit (z. B. höhere Bitfehlerraten, reduzierte Geschwindigkeit für Datenübertragung). Darüber hinaus kann das Vorliegen von anormalen Betriebsbedingungen auch ein Zeichen sein, dass etwas falsch ist mit der Umgebung oder Umgebungsbedingungen, in denen das System arbeitet. Schließlich können anormale Betriebsbedingungen auch das Ergebnis beabsichtigten Missbrauchs des Systems durch einen Nutzer oder durch reinen Vandalismus sein, beispielsweise kann es sein, dass Benutzer bei Abrechnungssystemen versuchen, das System zu manipulieren.
• Um die hierin erörterten „anormalen Betriebsbedingungen” von den obigen „Defekten” zu unterscheiden, können die anormalen Betriebsbedingungen auch als „anormale Umgebungsbedingungen” oder „anormale Umgebungsbetriebsbedingungen” bezeichnet werden, da sich Ausführungsbeispiele der Erfindung auf die Erfassung anormaler Umgebungsbedingungen beziehen. Solche anormalen Umgebungsbedingungen oder Umweltbedingungen haben den Effekt, typischerweise nur vorübergehend, d. h. ohne dauerhaften Schaden an dem Sensor oder System zu verursachen, dass der Sensor oder das System sich nicht wie erwartet verhalt oder wie erwartet funktioniert, z. B. wie es unter normalen Umgebungsbedingungen erwartet wird.
• Daher gibt es auch einen Bedarf zu erfassen, ob eine anormale Umgebungsbetriebsbedingung auftritt, z. B. ob die anormale Umgebungsbetriebsbedingung bestimmte Grenzen überschreitet, zwischen denen der Sensor des Systems annehmbar arbeitet, und um dieses Überschreiten der bestimmten Grenzen beispielsweise einer Steuerung zu signalisieren. Durch Erfassen einer anormalen Umgebungsbetriebsbedingung können Sensoren oder Systeme, die solche Sensoren verwenden, widerstandsfähiger gemacht werden gegenüber Manipulation (z. B. gegenüber einer Manipulation durch Anlegen einer externen physikalischen Größe, die den normalen Betrieb der Vorrichtung oder des Systems stört, was einen beabsichtigten Fall von anormalen Umgebungsbetriebsbedingungen bildet, um einen spezifischen Effekt an dem Sensor oder System zu erreichen) oder unbeabsichtigtem Verschlechtern der Umgebungsbetriebsbedingungen, so dass die Umgebungsbetriebsbedingungen anormal werden.
• Sensoren werden verwendet, um eine physikalische Größe in ein Sensorsignal umzuwandeln, wobei das Sensorsignal eine Eigenschaft der physikalischen Größe darstellt. Die physikalische Größe, die durch das Sensorelement zu messen ist, kann auch als ein physikalischer Messwert bezeichnet werden und kann beispielsweise ein Magnetfeld, eine Temperatur, mechanische Belastung usw. sein. Das Sensorsignal kann beispielsweise eine Spannung oder ein Strom sein, der hauptsächlich oder im Wesentlichen von einer zu messenden physikalischen Größe abhängt. Beispielsweise hängt im Fall eines Hall-Sensors zum Messen eines Magnetfelds der Polaritäts- und Spannungswert oder Stromwert des durch den Hall-Sensor ausgegebenen Sensorsignals hauptsächlich von der Polarität und Stärke eines durch den Hall-Sensor gemessenen Magnetfelds ab. Außerdem hängt das Sensorsignal typischerweise auch von anderen physikalischen Umgebungsgrößen ab, beispielsweise einer Temperatur oder einer mechanischen Belastung, die an den Hall-Sensor angelegt sind. Der Einfluss einer Temperatur und einer mechanischen Belastung ist typischerweise sehr viel kleiner als der Einfluss oder die Abhängigkeit des Sensorsignals von der primären physikalischen Größe, die durch das Sensorelement zu messen ist. Daher kann im Fall eines Hall-Sensors, der zum Messen der physikalischen Größe „Magnetfeld” entworfen ist, das Magnetfeld als die „primäre physikalische Größe” bezeichnet werden (die physikalische Größe, die der Sensor erfassen oder messen soll), und die anderen physikalischen Größen können auch als die „sekundären physikalischen Größen” (die physikalischen Größen, die der Sensor nicht erfassen oder messen soll, die aber die Messung der primären physikalischen Größe des Sensors beeinflussen, z. B. durch Verursachen einer Drift) bezeichnet werden. Der Einfluss dieser sekundären physikalischen Größen auf die Messung der primären physikalischen Größe kann beispielsweise ausgeglichen werden durch Implementieren von Sekundärsensorelementen, die angepasst sind, um diese sekundären physikalischen Größen in entsprechende Sensorsignale umzuwandeln, und den Betrieb oder die Auslegung des Primärsensorelements anzupassen, um eine Messung der primären physikalischen Größe zu erreichen, die im Wesentlichen unabhängig ist von einer oder mehreren solcher sekundären physikalischen Größen, z. B. durch Kompensieren der Drift eines Magnetfeldmesssignals, erzeugt durch einen Magnetfeldsensor aufgrund von Temperatur oder mechanischer Belastung. Anders ausgedrückt, die sekundäre physikalische Größe kann jede physikalische Größe sein, die sich von der primären physikalischen Größe unterscheidet oder zu einem anderen Typ physikalischer Größe gehört, wobei beispielsweise das Magnetfeld einen ersten Typ physikalischer Größe, die Temperatur einen zweiten Typ physikalischer Größe und die mechanische Belastung einen dritten Typ physikalischer Größe bildet.
• Da der Bereich von Sensorsignalen und Messwerten für normale Betriebsbedingungen bekannt ist, können dieselben bezüglich ihrer erwarteten Charakteristika oder Werte (erwartet für normale Betriebsbedingungen) ausgewertet werden. Daher können Ausführungsbeispiele der Auswertungsschaltung angepasst sein, um das Sensorsignal oder die Sensorsignale basierend auf statischen oder dynamischen erwarteten Charakteristika der Sensorsignale und der Messsignale auszuwerten, die von denselben abgeleitet sind, um anormale Betriebsbedingungen zu erfassen.
• Weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung oder der Sensorschaltung verwenden die Tatsache, dass unterschiedliche Sensorsignale typischerweise eine bestimmte Beziehung zeigen während normalen Betriebsbedingungen, die verwendet werden können, um zu erfassen, ob eine anormale Betriebsbedingung vorliegt. Diese Beziehung kann zeitlich oder räumlich sein.
• Physikalische Umgebungsgrößen wie Umgebungstemperatur zeigen typischerweise eine homogene räumliche Charakteristik. Dies kann durch Ausführungsbeispiele verwendet werden, die beispielsweise mehrere (zumindest zwei) Temperatursensorelemente als Sekundärsensorelemente aufweisen, um fortlaufend auszuwerten, ob diese Temperatursensorelemente tatsächlich die gleiche Temperatur messen. Falls der Unterschied zwischen den zumindest zwei Temperatursensorelementen zu groß wird, kann eine anormale Umgebungsbedingung signalisiert werden.
• Magnetfelder eines Stroms, der durch einen Magnetfeldstromsensor zu messen ist, zeigen typischerweise eine inhomogen räumliche Charakteristik. Beispielsweise aufgrund der radialen Charakteristik des Magnetfelds und/oder aufgrund der Struktur oder Geometrie des Leiters, z. B. aufgrund von sich ändernden Querschnitten, Kerben innerhalb des Stromleiters und/oder aufgrund von Biegen des Stromleiters. Im Gegensatz dazu ist das unerwünschte Erdmagnetfeld, das das erwünschte Magnetfeld des zu messenden Stroms überlagert, räumlich (und zeitlich) homogen, zumindest bezüglich der Abmessungen der Sensorschaltungen. Ferner erzeugen andere Stromleiter nahe dem Stromsensor ebenfalls ein unerwünschtes Magnetfeld, das das durch den zu messenden Strom erzeugte erwünschte Magnetfeld überlagert. Dieses unerwünschte Magnetfeld kann eine inhomogen räumliche Charakteristik (radial, usw.) zeigen, diese inhomogen räumliche Charakteristik unterscheidet sich jedoch von der räumlichen Charakteristik des zu messenden Stroms. Beispielsweise im Fall eines Magnetstromsensors mit zwei Magnetfeldsensorelementen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Primärleiters des Magnetstromsensors und mit dem gleichen Abstand zu dem Primärleiter angeordnet sind, hat das erwünschte Magnetfeld des zu messenden Stroms an beiden Magnetfeldsensorelementen den gleichen Betrag aber mit einem anderen Vorzeichen. Ein paralleler anderer Stromleiter würde ebenfalls ein radiales Magnetfeld erzeugen, dieses unerwünschte Magnetfeld würde jedoch unterschiedliche Beträge aufweisen an den Stellen der zwei Magnetfeldsensorelemente und würde das gleiche Vorzeichen haben. Somit können die erwünschten und unerwünschten Magnetfeldteile durch ihre unterschiedlichen räumlichen Charakteristika unterschieden werden.
• Daher können Ausführungsbeispiele der Vorrichtung oder Sensorschaltungen das Wissen der spezifischen räumlichen (oder zeitlichen) Charakteristik der erwünschten physikalischen Größen verwenden und auswerten, ob die erfasste oder gemessene physikalische Größe zumindest im Wesentlichen die erwartete Charakteristik zeigt, und eine anormale Betriebsbedingung signalisieren, falls die Abweichung der erfassten oder gemessenen Charakteristik der physikalischen Größe zu sehr von der erwarteten abweicht. Anders ausgedruckt, Ausführungsbeispiele können verifizieren, ob die Sensorsignale und das Messsignal übereinstimmend sind, d. h. die erwarteten räumlichen oder zeitlichen Abhängigkeiten reflektieren, und das Anormale-Betriebsbedingung-Signal erzeugen, falls die Signale oder das Messsignal nicht übereinstimmend oder zumindest nicht ausreichend übereinstimmend sind.
• Somit weisen weitere Ausführungsbeispiele eine Stromsensorschaltung auf, die folgende Merkmale aufweist: eine Signalverarbeitungseinheit, die angepasst ist, um zumindest ein Sensorsignal einer Mehrzahl von Sensorsignalen zu verarbeiten, die durch zumindest ein Magnetfeldsensorelement erzeugt werden, um ein Messsignal zu erhalten; und eine Auswertungsschaltung, die angepasst ist, um das zumindest eine Sensorsignal der Mehrzahl von Sensorsignalen auszuwerten unter Verwendung des zumindest einen anderen Sensorsignals oder des Messsignals, um ein Signal abzuleiten, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das zumindest eine Sensorsignal ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt, wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium abgeleitet ist von einer vorbestimmten zeitlichen oder räumlichen Beziehung zwischen einem Wert des zumindest einen Sensorsignals und einem Wert des zumindest einen anderen Sensorsignals der Mehrzahl von Sensorsignalen während einer Normalbetriebsbedingung.
• Je größer der Grad der räumlichen oder zeitlichen Inhomogenität der erwünschten physikalischen Größe, um so schwieriger wird es für eine Person, die versucht, die Vorrichtung oder Sensorschaltung zu manipulieren, diese Charakteristik zu imitieren, und um so besser wird der Schutz der Vorrichtung oder Sensorschaltung gegenüber beabsichtigter Manipulation, aber auch gegen jede unerwünschte störende physikalische Größe.
• Bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Klasse von Systemen, die besonders anfällig ist für Betriebsbedingungen, da die Systeme physikalische Umgebungsgrößen messen: Sensorsysteme.
• Typische elektronische Sensorsysteme sind angepasst, um zumindest eine physikalische Größe zu messen und das Ergebnis dieser Messung durch zumindest ein Signal auszugeben. Zu diesem Zweck müssen Sensoren unmittelbarer mit ihrer Umgebung interagieren als andere Elektroniksysteme. Daher sind Sensorsysteme oder Sensoren im Allgemeinen anfälliger gegenüber Umgebungseinflüssen oder Umgebungsbedingungen. In der Tat sind Sensoren typischerweise angepasst, um zumindest eine primäre physikalische Größe zu messen, dennoch wird die Messung dieser zumindest einen primären physikalischen Größe typischerweise durch zumindest eine sekundäre physikalische Größe beeinflusst. Ein Hall-Sensor ist beispielsweise angepasst, um eine Komponente eines Magnetfelds zu messen (d. h. eine Magnetfeldkomponente, die erwünschte und unerwünschte Teile aufweisen kann), das an denselben angelegt ist, dennoch ist derselbe auch empfindlich gegenüber Temperaturänderungen oder mechanischer Belastung, die an denselben angelegt ist. Ein weiteres Beispiel ist ein magnetoresistiver Sensor, der angepasst ist, um eine Komponente (d. h. eine Magnetfeldkomponente mit einer ersten dreidimensionalen Ausrichtung) des Magnetfelds zu messen, dennoch ist der magnetoresistive Sensor auch empfindlich gegenüber einer zweiten senkrechten Komponente des Magnetfelds (d. h. einer zweiten Magnetfeldkomponente mit einer zweiten dreidimensionalen Ausrichtung orthogonal zu der ersten Ausrichtung).
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen Ausfühungsbeispiele der Sensorschaltung mehr als ein Sensorelement auf, das angepasst ist, um die gleiche physikalische Größe oder die gleiche Art physikalischer Größe zu messen. Eine bestimmte Klasse solcher Sensorsysteme, die zwei oder mehr Sensorelemente des gleichen Typs oder der gleichen Klasse aufweist, werden als „Gradiometer” bezeichnet. Gradiometer erfassen eine räumliche Abweichung einer primären physikalischen Größe. Ein einfaches Beispiel ist ein Differenz-Hall-Sensor, der eine Differenz in einem Magnetfeld an zwei Punkten oder Stellen auf dem Halbleitersubstrat misst. Die zwei Punkte sind beispielsweise 2,5 mm voneinander beabstandet. Der Vorteil von Gradiometern ist, dass es dieselben ermöglichen, Störungen oder unerwünschte Teile oder Abschnitte der primären physikalischen Größe von dem erwünschten Teil oder Abschnitt der physikalischen Größe zu trennen. Ein Beispiel ist ein Magnetstromsensor, der zwei Hall-Platten und einen Draht zwischen den beiden aufweist. Der Strom durch den Draht erzeugt kreisförmige Magnetfeldlinien, so dass beide Hall-Platten, die symmetrisch zu dem Draht angeordnet sind, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Drahts bezüglich des Stromflusses durch den Draht, den gleichen Betrag des Feldes erfassen, jedoch mit einem anderen Vorzeichen. Die Signalverarbeitungsschaltung gemäß diesem Differenzsensorprinzip subtrahiert die Signale beider Hall-Platten, wobei jedes der Signale beispielsweise einen erwünschten Teil (das Magnetfeld erzeugt durch den Strom, der durch den Draht fließt) und einen unerwünschten Teil (das Erdmagnetfeld oder jedes andere Hintergrundmagnetfeld) umfasst, was effektiv die Beiträge der kreisförmigen Feldlinien (der erwünschten Teile) verdoppelt, dennoch ist das Erdmagnetfeld (der umerwünschte Teil) auf beiden Hall-Platten identisch (identisch bezüglich des Vorzeichens und der Ausrichtung des Magnetfelds) und wird daher aufgehoben nach der Subtraktion der beiden gesamten gemessenen primären physikalischen Größen. Daher ermöglicht es das Differenzsensorprinzip, den unerwünschten Magnetfeldteil von der Erde von dem erwünschten Feldteil des Stroms, der durch den Draht fließt, zu trennen.
• Dieses Beispiel zeigt auch eine zweite Eigenschaft von Gradiometern: Redundanz. Das beschriebene System hat zwei Hall-Platten, um nur einen Strom zu messen. Das Signal der zweiten Hall-Platte ist redundant bei Abwesenheit irgendwelcher Hintergrundfelder, da es das Signal der ersten Hall-Platte multipliziert mit „–1” ist. So ergibt die zweite Hall-Platte keine zusätzlichen Informationen über den zu messenden Strom. Dennoch ergibt dieselbe Informationen, falls ein Hintergrundfeld vorliegt, da es sich dann von dem Feld auf der ersten Hall-Platte multipliziert mit „1” unterscheidet, und die Differenz ist zweimal das Hintergrundfeld. Anders ausgedrückt, Addieren des Sensorsignals der ersten Hall-Platte und des Sensorsignals der zweiten Hall-Platte hebt den erwünschten Signalteil auf (da dieselben im Wesentlichen gleich sind im Betrag, aber nicht dem Vorzeichen) und führt zum Bereitstellen eines Werts, der die Stärke und Ausrichtung des Erdmagnetfelds oder jedes anderen homogenen Magnetfelds multipliziert mit 2 darstellt. Eine Auswertungsschaltung (AS) kann den Wert dieses homogenen Magnetfelds mit einem vorbestimmten Wert vergleichen, wie z. B. 20 mT, und gibt eine „anormale Betriebsbedingung” aus, falls das homogene Magnetfeld diesen Wert überschreitet. Dann funktioniert das System perfekt (d. h. mit vernachlässigbarem Fehler) bei einer normalen Betriebsbedingung und signalisiert „anormale Betriebsbedingung”, wenn das homogene Feld so groß ist, dass es den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems gefährdet.
• Allgemein besteht ein Gradiometer n-ter Größe aus n + 1 Sensorelementen des gleichen Typs oder der gleichen Klasse. Dasselbe kann verwendet werden, um eine primäre physikalische Größe abzuleiten und n räumliche Ableitungen der primären physikalischen Größe zu erfassen, nämlich die räumliche Ableitung nullter Ordnung (was dem homogenen Abschnitt der primären physikalischen Größe entspricht, die nicht von der Position abhängt), die räumliche Ableitung erster Ordnung (was der Neigung entspricht), die räumliche Ableitung zweiter Ordnung (was der Krümmung entspricht) usw. und schließlich die räumliche Ableitung (n – 1)-ter Ordnung. Eine von allen diesen räumlichen Ableitungen kann verwendet werden für die Bestimmung des Messwerts, und alle anderen räumlichen Ableitungen können verwendet werden, um auf eine Verletzung normaler Betriebsbedingungen zu prüfen. Die n-te räumliche Ableitung skaliert mit der n-ten Leistung der Größe des Systems, was für integrierte Sensorsysteme in der Größenordnung von mehreren Millimeter oder weniger ist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung können angepasst werden, um Manipulation oder anormale Umgebungsbedingungen auf einer integrierten Schaltung durch eingebaute Sensoren (wie z. B. Magnetfeld, Temperatur oder mechanische Belastung) zu erfassen durch Verarbeiten deren Auslesungen durch Algorithmen und Vergleichen der Ergebnisse mit vorbestimmten festen oder dynamischen Grenzen über eine bestimmte Zeit und dieses über Ausgangstore zu einer externen Steuerung zu signalisieren.
• In vielen Fällen ist es gute Praxis, eine Differenzfeldmessung zu verwenden: Zu diesem Zweck tastet das System beispielsweise eine Magnetfeldkomponente an zwei Position ab und subtrahiert beide. Ein wichtiger Vorteil dieses Messsystems ist, dass dasselbe homogene Hintergrundfelder (wie z. B. Erdfeld oder das Streufeld von Motoren und anderen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen) aufhebt.
• Spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung können angepasst werden, um Manipulation an Differenzmagnetfeldsensoren zu erfassen durch Verwenden der redundanten Informationen, die durch die große Zahl von Sensorelementen auf dem Chip geliefert werden durch Verarbeiten deren Auslesungen durch Algorithmen und Vergleichen der Ergebnisse mit vorbestimmten festen oder dynamischen Grenzen über eine bestimmte Zeit und dieses über Ausgangstore zu einer Steuerung zu signalisieren.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1A ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die ein Sensorelement und eine Auswertungsschaltung aufweist;
• 1B ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß 1A, die zusätzlich eine Zeitbasis und eine Rückkopplung des Ausgangssignals zu der Auswertungsschaltung aufweist;
• 2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Sensorschaltung, die ein Primärsensorelement und ein zusätzliches (Primär- oder Sekundär-)Sensorelement und eine Auswertungsschaltung aufweist;
• 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Sensorschaltung mit zwei Primärsensorelementen, die an zwei unterschiedlichen Stellen der Sensorschaltung angeordnet sind, und einer Auswertungsschaltung;
• 4 eine Draufsicht eines Magnetfeldstromsensors mit zwei Hall-Sensorelementen;
• 5A eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Magnetfeldstromsensorschaltung mit drei Hall-Sensorelementen;
• 5B eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldstromsensorgehäuses mit zwei externen Quellen zum Stören des Magnetfelds;
• 5C eine beispielhafte Stromdichteverteilung in einem Teil des Primärleiters eines Magnetfeldstromsensors gemäß 5A;
• 5D eine beispielhafte Magnetflussdichteverteilung der vertikalen Komponente des Magnetfelds für einen Teil des Magnetfeldstromsensors gemäß 5A; und
• 6 eine schematische Ansicht einer Magnetdrehsensorschaltung mit zwei Magnetfeldsensorelementen an zwei Stellen.
• Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleichen oder äquivalenten Funktionalitäten sind in der folgenden Beschreibung der Figuren durch gleiche oder äquivalente Bezugszeichen bezeichnet.
• 1A zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, die eine Signalverarbeitungsschaltung (SVS) 110, ein Sensorelement (SE) 120 und eine Auswertungsschaltung (AS) 130 aufweist. Die Signalverarbeitungsschaltung 110 ist angepasst, um ein Eingangssignal 110a zu verarbeiten, um ein Ausgangssignal 110b zu erhalten. Das Sensorelement 120 ist angepasst, um eine vorbestimmte physikalische Größe 140 zu erfassen, beispielsweise eine physikalische Umgebungsgröße 140, die einen Einfluss oder eine Auswirkung auf die Signalverarbeitungsschaltung 110 haben kann, wobei das Sensorelement 120 angepasst ist, um ein Sensorsignal 120b zu erzeugen, abhängig von oder ansprechend auf die vorbestimmte physikalische Größe 140.
• Die vorbestimmte physikalische Größe, z. B. Temperatur oder mechanische Belastung, kann beispielsweise einen unerwünschten Einfluss auf das Eingangssignal 110a selbst oder auf die Verarbeitung des Eingangssignals durch die Signalverarbeitungsschaltung 110 haben, kann z. B. eine Abweichung des Eingangssignals verursachen, z. B. eine Drift aufgrund einer Schwankung der Temperatur. Daher ist die Signalverarbeitungsschaltung 110 angepasst, um das Eingangssignal 110a zu verarbeiten, um das Ausgangssignal 110b abhängig von dem Sensorsignal 120b (siehe Pfeil) zu erhalten, beispielsweise um die Drift auszugleichen, die durch die Temperaturschwankung verursacht wird.
• Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel, wie es später basierend auf 2 beschrieben wird, kann das Eingangssignal 110a ein Signal sein, das durch einen Primärsensor erzeugt wird, wobei das Sensorsignal 120b verwendet wird, um die Drift des Signals 110a auszugleichen, um eine Messung zu ermöglichen, die weniger anfällig ist für oder im Wesentlichen unabhängig ist von Temperaturschwankungen.
• Die Auswertungsschaltung 130 ist angepasst, um das Sensorsignal 120b auszuwerten und ein Signal 130b zu erzeugen, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das Sensorsignal 120b ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium oder eine Normalbetriebsbedingung nicht erfüllt, oder positiv definiert, falls das Sensorsignal 120b ein vorbestimmtes Anormalbetriebskriterium oder eine anormaler Betriebsbedingung erfüllt.
• Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung hauptsächlich basierend auf einer negativen Definition des Kriteriums beschrieben, d. h. die anormale Betriebsbedingung wird erhalten, falls ein Sensorsignal ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass positive oder negative Definitionen gleichermaßen angewendet werden können, um das gleiche Ergebnis zu erreichen. Daher gelten Erklärungen mit Bezug auf die negative Definition des Kriteriums entsprechend für die positive Definition des Entscheidungskriteriums.
• Anders ausgedrückt, die Auswertungsschaltung 130 ist angepasst, um eine Charakteristik des Sensorsignals zu erhalten und das Signal 130b zu erzeugen, falls die Charakteristik des Sensorsignals 120b nicht mit einer erwarteten Charakteristik des Sensorsignals übereinstimmt, die einen normalen Betrieb anzeigt.
• Das Sensorsignal 120 kann angepasst sein, um eine sekundäre physikalische Umgebungsgröße oder primäre physikalische Größe, beispielsweise eine unerwünschte primäre physikalische Umgebungsgröße, die z. B. ein unerwünschter Umgebungsteil einer primären physikalischen Größe ist, umzuwandeln.
• Die hierin beschriebenen Sensorelemente können angepasst werden, um ein Sensorsignal ansprechend auf eine physikalische Größe zu erzeugen, die das jeweilige Sensorelement zu erfassen oder messen hat, wobei das Sensorsignal, das durch das Sensorelement ausgegeben wird, ein fortlaufendes analoges Signal sein kann, das die jeweilige physikalische Größe darstellt, die aus zeitkontinuierlichen analogen Werten besteht. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Sensorelemente angepasst sein, um Analog/Digital-Wandler (ADC) aufzuweisen und das analoge kontinuierliche Signal, das beispielsweise durch eine Hall-Platte ausgegeben wird, oder eine Magnetfeldmessung oder eine Spannung, die durch einen negativen Temperaturkoeffizientenwiderstand (NTC) oder einen positiven Temperaturkoeffizientenwiderstand (PTC) erzeugt wird, in eine Reihe von digitalen Sensorsignalen oder Sensorsignalwerten umzuwandeln, d. h. eine Sequenz von einzelnen Sensorsignalen oder Sensorsignalwerten über der Zeit, und um diese digitalen Werte als Sensorsignal 110a oder 120b auszugeben.
• Das Anormalbetriebskriterium kann einen Schwellenwert definieren oder von demselben abgeleitet sein, den das Sensorsignal während eines normalen Betriebs nicht überschreiten soll (weil die Drift des Eingangssignals nicht mehr ausreichend ausgeglichen werden kann oder weil die Messabweichung oder Verarbeitungsabweichung des Eingangs zu groß wird). Das Anormalbetriebskriterium kann einen Maximalwert und einen Minimalwert definieren oder von demselben abgeleitet sein, den das Sensorsignal nicht überschreiten soll (wobei der Normalbetriebsbereich definiert ist als der Bereich zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert), oder kann eine maximale zeitliche Abweichungsgröße definieren oder von derselben abgeleitet sein, die das Sensorsignal nicht überschreiten soll (wobei der Normalbetriebsbereich definiert ist durch Abweichungen des Sensorsignals über der Zeit unter dem maximalen zeitlichen Abweichungsbetrag). Ferner kann das Anormalbetriebskriterium abgeleitet sein von einem Vorzeichen oder einer Polarität, die das Signal nicht haben sollte, einem Mittelwert (z. B. falls erwünschte physikalische Umgebungsgrößen eine bekannte Frequenz f oder Periode T haben und unerwünschte oder anormale physikalische Umgebungsgrößen eine andere Frequenz oder Periode aufweisen), oder Frequenzbeiträge, die das Sensorsignal nicht haben sollte (z. B. falls erwünschte physikalische Umgebungsgrößen ein bekanntes frequenzbegrenztes Spektrum haben).
• Das Anormalbetriebskriterium kann ferner Toleranzen für die obigen oder anderen Kriterien umfassen oder definieren, um Rauschen oder andere Einflüsse auf das Sensorsignal und die Auswertung des Sensorsignals zu berücksichtigen, um z. B. falsche Erfassungen von anormalen Betriebsbedingungen aufgrund der obigen Einflüsse zu vermeiden, und somit eine zuverlässigere Erfassung von echten anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingungen zu erreichen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel definiert das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen Maximalwert des Sensorsignals 120b, und die Auswertungsschaltung ist angepasst, um einen Wert des Sensorsignals mit dem Maximalwert zu vergleichen und das Signal 130b zu erzeugen, das eine anormale Betriebs- oder Umgebungsbedingung anzeigt, falls der Wert des Sensorsignals höher ist als der Maximalwert. Zusätzlich oder statt dem vorher erwähnten Maximalwert kann das vorbestimmte Normalbetriebskriterium auch einen Minimalwert des Sensorsignals 120b definieren, und die Auswertungsschaltung kann angepasst sein, um den Wert des Sensorsignal mit dem Minimalwert zu vergleichen und das Signal 130b zu erzeugen, falls der Wert des Sensorsignals 120b kleiner ist als der Minimalwert.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Maximalwert oder der Minimalwert ein Nullwert Somit können physikalische Umgebungsgrößen, die ein Vorzeichen, eine Polarität oder Ausrichtung aufweisen, die sich von einem/einer erwarteten oder annehmbaren Vorzeichen, Polarität oder Ausrichtung der physikalischen Umgebungsgröße unterscheidet, erfasst werden, und das Signal 130b zum Anzeigen einer anormalen Umgebungsbedingung wird erzeugt und z. B. durch die Vorrichtung 100 ausgegeben. Das/Die erwartete oder annehmbare Vorzeichen, Polarität oder Ausrichtung der physikalischen Umgebungsgröße definiert z. B. die normale Umgebungs- oder Betriebsbedingung der physikalischen Größe.
• Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Sensorelement angepasst, um eine Mehrzahl von Sensorsignalen 120b über der Zeit zu erzeugen, beispielsweise eine Zeitsequenz von Sensorsignalen, ansprechend auf die physikalische Umgebungsgröße, wobei die Zeitsequenz von Sensorsignalen die physikalische Größe über der Zeit darstellt, einschließlich aller Schwankungen der physikalischen Größe über der Zeit. Um die Zeitsequenz von Sensorsignalen zu erhalten, weist die Vorrichtung z. B. eine Zeitbasis auf, entweder für jedes Sensorelement einzeln oder zentral für einige oder alle Sensorelemente. Die Zeitbasis kann z. B. ein Oszillator oder ein einfaches RC-Tiefpassfilter sein, das schnelle Schwankungen von langsamen Schwankungen trennt.
• Bei weiteren Entwicklungen solcher anderer Ausführungsbeispiele kann das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen maximalen Betrag für eine Änderung des Sensorsignals über der Zeit definieren, und die Auswertungsschaltung kann angepasst sein, um einen Betrag einer Änderung des Sensorsignals über der Zeit mit dem maximalen Betrag für eine Änderung des Sensorsignals zu vergleichen, und das Signal 130b zu erzeugen, falls der Betrag der Änderung des Sensorsignals über der Zeit höher ist als der maximale Betrag für eine Änderung des Sensorsignals. Das vorbestimmte Anormalbetriebskriterium kann beispielsweise den maximalen Betrag für eine Änderung des Sensorsignals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorsignalen oder zwischen zwei Sensorsignalen mit einer vorbestimmten Zeitdifferenz definieren. Dieses Verfahren kann auch als Zeitgradientenerfassungsverfahren bezeichnet werden.
• Bei weiteren Entwicklungen solcher anderer Ausführungsbeispiele, die eine Mehrzahl von Sensorsignalen verwenden, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch das Sensorelement erhalten werden, kann das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen maximalen Mittelwert des Sensorsignals für eine vorbestimmte Dauer definieren, und die Auswertungsschaltung kann angepasst sein, um einen Mittelwert des Sensorsignals für die vorbestimmte Dauer zu bestimmen, und das Signal zu erzeugen, falls der Mittelwert des Sensorsignals höher ist als der maximale Mittelwert des Sensorsignals. Für solche weitere Entwicklungen kann das vorbestimmte Normalbetriebskriterium zusätzlich oder alternativ zu dem maximalen Mittelwert einen minimalen Mittelwert des Sensorsignals für eine vorbestimmte Dauer definieren (die gleiche Dauer wie für den maximalen Mittelwert oder eine andere Dauer), und die Auswertungsschaltung kann angepasst sein, um einen Mittelwert des Sensorsignals für die vorbestimmte Dauer zu bestimmen und das Signal zu erzeugen, falls der Mittelwert des Sensorsignals niedriger oder geringer ist als der minimale Mittelwert des Sensorsignals.
• Die vorbestimmte Dauer kann einer Periode der vorbestimmten oder umgebenden physikalischen Größe bei normalen Betriebsbedingungen entsprechen, z. B. falls kein unerwünschter Teil der vorbestimmten oder umgebenden physikalischen Größe vorliegt, oder einer erwarteten oder erwünschten physikalische Größe des Typs physikalischer Größe, die durch das Sensorelement 120 zu messen ist, während eine anormale oder unerwünschte physikalische Größe oder Teil des Typs zu messender physikalischer Größe überhaupt nicht periodisch ist oder eine andere Periode T aufweist, und somit erfasst werden kann, weil der Mittelwert, der durch die Auswertungsschaltung 130 erhalten wird, kleiner ist als der minimale Mittelwert oder höher ist als der maximale Mittelwert.
• Bei weiteren Entwicklungen solcher anderer Ausführungsbeispiele, die eine Mehrzahl von Sensorsignalen verwenden, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch das Sensorelement erhalten werden, kann das vorbestimmte Normalbetriebskriterium eine maximale Frequenz des Sensorsignals definieren, wobei die Auswertungsschaltung angepasst ist, um die Mehrzahl von Sensorsignalen zu verarbeiten, um eine spektrale Darstellung der Mehrzahl von Sensorsignalen zu erhalten und das Signal zu erzeugen, falls die spektrale Darstellung einen wesentlichen Beitrag hat mit zumindest einer Frequenz, die höher ist als die maximale Frequenz. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das vorbestimmte Normalbetriebskriterium zusätzlich oder alternativ eine Minimalfrequenz des Sensorsignals definieren, wobei die Auswertungsschaltung angepasst ist, um die Mehrzahl von Sensorsignalen zu verarbeiten, um eine spektrale Darstellung der Mehrzahl von Sensorsignalen zu erhalten und um das Signal zu erzeugen, falls die spektrale Darstellung einen wesentlichen Beitrag hat mit zumindest einer Frequenz, die kleiner ist als die minimale Frequenz. Ein wesentlicher Beitrag kann beispielsweise jeder Betrag sein, der höher ist als 10% oder 20% eines maximalen Betrags der spektralen Darstellung.
• Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 100 ist das Sensorelement 120 an einer ersten Position der Vorrichtung angeordnet, und die Vorrichtung weist ein weiteres Sensorelement (in 1A oder 1B nicht gezeigt) auf das an einer zweiten Position der Vorrichtung angeordnet ist zum Erfassen der physikalischen Umgebungsgröße an der zweiten Position. In diesem Fall ist das Sensorelement 120 angepasst, um das Sensorsignal 120b abhängig von der physikalischen Umgebungsgröße 140 an der ersten Position zu erzeugen, und das weitere Sensorelement ist angepasst, um ein weiteres Sensorsignal abhängig von der physikalischen Umgebungsgröße an der zweiten Position zu erzeugen. Zusätzlich definiert das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen maximalen Betrag einer Differenz zwischen dem Sensorsignal 120b und dem weiteren Sensorsignal, und die Auswertungsschaltung ist angepasst, um eine Differenz zwischen dem Sensorsignal und dem weiteren Sensorsignal auszuwerten und das Signal zu erzeugen, falls ein Betrag der Differenz höher ist als ein maximaler Betrag der Differenz zwischen dem Sensorsignal und dem weiteren Sensorsignal. Dieses Verfahren kann auch als Raumgradienterfassungsverfahren bezeichnet werden. Das Sensorsignal und das weitere Signal, die für die Raumgradientenerfassung zu vergleichen sind, werden beispielsweise gleichzeitig, d. h. synchron oder im Wesentlichen gleichzeitig, d. h. ohne wesentliche Verzögerung erzeugt, wobei ohne wesentliche Verzögerung bedeutet, dass die Zeitdifferenz zwischen der Messung oder Erfassung der zwei Signale sehr viel geringer ist als der Zeitmaßstab der Störungen, die zu erfassen sind. Die Letztere kann auch als Echtzeitmessung bezeichnet werden.
• 1B zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß 1A, wobei das Ausführungsbeispiel 100' der Vorrichtung zusätzlich eine Zeitbasis (TB; TB = time-base) 180 und ein Ausgangstor 190 zum Ausgeben des Anormale-Betriebsbedingung-Signals 130b. Die gepunkteten Linien in 1B zeigen optionale Merkmale an.
• Das Ausgangstor kann jede Schnittstelle sein, beispielsweise eine Schnittstelle auf Basis eines elektrischen Kontakts, z. B. eines externen Kontakts oder einer Anschlussfläche zum elektrischen Verbinden der Vorrichtung oder Sensorschaltung mit einer externen Vorrichtung über Verbindungsdrähte oder Bondverbindungen, oder eine kontaktlose Schnittstelle, z. B. eine Antenne oder jede andere Funkfrequenzschnittstelle oder eine optische Schnittstelle. Die Vorrichtung oder Sensorschaltung ist angepasst, um das Signal 130b über das Ausgangstor zu kommunizieren, entweder sofort oder verzögert nach einer Zwischenspeicherung. Weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung oder Sensorschaltung können getrennte Ausgangstore für das Signal 130b und das Ausgangssignal oder Messsignal 110b aufweisen, oder können ein gemeinsames Ausgangstor verwenden, um sowohl das Signal 130b als auch das Ausgangs- oder Messsignal 110b auszugeben.
• Die Zeitbasis kann ein Filterelement sein, das in ein Sensorelement 120 integriert ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Zeitbasis 180 eine getrennte Oszillatoreinheit sein, die angepasst ist, um das Sensorelement 120 mit einem Taktsignal zu versehen, beispielsweise für Analog/Digital-Umwandlung oder jede andere Verarbeitung, die durch das Sensorelement durchgeführt wird. Bei weiteren Ausführungsbeispielen liefert die Zeitbasis 180 das Taktsignal 180b nicht nur an das Sensorelement 120, sondern an andere Schaltungselemente der Vorrichtung, beispielsweise an die Signalverarbeitungsschaltung 110, die Auswertungsschaltung 130 oder an andere Sensorelemente. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen hat jedes der Elemente seine eigene Zeitbasis oder verwendet eine Zeitbasis gemeinschaftlich mit anderen Elementen der Vorrichtung.
• Im Gegensatz zu der Vorrichtung gemäß 1A weist die Vorrichtung 100' eine Auswertungsschaltung 130 auf, die angepasst ist, um das Ausgangssignal 110b oder Messsignal 110b zu empfangen und die Auswertung des Sensorsignals 120b durchzuführen, d. h. die Auswertung, ob eine anormale Betriebsbedingung existiert, basierend auf dem Messsignal oder Ausgangssignal 110b.
• Ausführungsbeispiele der Vorrichtung oder Sensorschaltungen, die hierin beschrieben sind, können angepasst werden, um das Sensorsignal auszuwerten unter Verwendung von statischen Kriterien oder Schwellenwerten, z. B. statischen Minimal- oder Maximalwerten oder des Vorzeichens des Sensorsignals (d. h. Kriterien, die nicht von anderen Sensorsignalen oder dem Messsignal abhängen) oder Verwenden dynamischer Kriterien oder Schwellenwerte, z. B. Kriterien, die von anderen Sensorsignalen oder dem Messsignal abhängen, und/oder angepasst werden können, um das Sensorsignal unter Verwendung von nur einem oder mehreren anderen Sensorsignalen, unter Verwendung nur des Ausgangs- oder Messsignals 110b, oder unter Verwendung eines oder mehrerer anderer Sensorsignale und des Ausgangs- oder Messsignals 110b für die Auswertung auszuwerten.
• Andere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und/oder der Sensorschaltung, wie sie beispielsweise nachfolgend basierend auf 2 bis 6 beschrieben werden, können auch eine Auswertungsschaltung 130 aufweisen, die angepasst ist, um das Messsignal 110b zum Auswerten des Sensorsignals 120b zu empfangen. Diese anderen Ausführungsbeispiele können auch das Ausgangstor 190 aufweisen, um das Anormale-Betriebsbedingung-Signal 130b auszugeben, und/oder können eine oder mehrere Zeitbasiseinheiten 180 aufweisen zum Liefern von Taktsignalen 180b an die unterschiedlichen Elemente der Sensorschaltungen.
• Noch weitere Ausführungsbeispiele weisen eine Auswertungsschaltung 130 auf, die angepasst ist, um nicht nur das Eingangs- oder ein Sensorsignal 120b für die Manipulationsauswertung zu verwenden, sondern auch das Eingangssignal 110a oder ein weiteres Sensorsignal 110a und/oder das Ausgangssignal 110b oder Messsignal 11 Ob. Die Auswertungsschaltung kann ferner angepasst sein, um das Sensorsignal 120b des Sensorelements 120 nur auszuwerten, falls das Eingangssignal 110a oder das Ausgangssignal 110b klein ist. Falls die Vorrichtung 100 oder 100' eine Strommesseinheit oder eine Strommessvorrichtung ist, und die Signalverarbeitungsschaltung 110 einen großen Strom (d. h. ein großes Signal oder einen großen Signalwert 110b) anzeigt, kann die Strommessvorrichtung 100, 100' angepasst sein, um ein Sensorsignal 120b nicht auszuwerten, um eine Manipulation zu erfassen. Falls jedoch ein gemessener Strom, der durch das Messsignal 110b angezeigt wird, klein ist (d. h. ein Messwert 110b hat einen niedrigen Wert), kann es wichtiger sein, eine Manipulation auszuschließen und eine Auswertung des Sensorsignals 120b durchzuführen.
• Es sollte angemerkt werden, dass es insbesondere für eine Vorrichtung mit integrierten Sensorschaltungen leicht ist, die räumliche Verteilung einer physikalischen Größe über der Chipoberfläche zu bestimmen, da (i) die Position oder die Stelle der unterschiedlichen Sensorelemente auf einer Mikrometerebene gesteuert werden kann aufgrund von hochgenauen Herstellungstechniken, (ii) Herstellungsschwankungen der Sensorelemente gering gehalten werden können, da die Beabstandung der Elemente, die auf einem einzigen Chip oder einem einzigen Halbleiterstück integriert sind, sehr klein ist, beispielsweise nur wenige Millimeter (im Gegensatz zu Los-zu-Los- oder Wafer-zu-Wafer- oder Chip-zu-Chip-Schwankungen, falls unterschiedliche Sensorelemente in unterschiedliche Chips oder Halbleiterstücke integriert sind), und (iii) die verbleibende Schwankung beispielsweise der Sensorsignalwerte aufgrund der Schwankung der Position oder aufgrund anderer Herstellungsschwankungen der Sensorelemente selbst in einem Endserientest ausgeglichen werden kann, da die einzelnen Sensorelemente auf dem gleichen Chip bleiben und somit nicht gemischt werden mit Sensorelementen anderer Chips, was der Fall wäre diskreten Sensorelementen, wobei „diskret” bedeutet, dass ein einziges Sensorelement pro Chip implementiert wird.
• Es wird ferner betont, dass, falls ein System, beispielsweise eine Vorrichtung oder eine Sensorschaltung, wie sie hierin beschrieben sind, von außen gestört wird (beabsichtigt oder unbeabsichtigt), die unerwünschte externe physikalische Größe oder externe störende physikalische Größe eine räumliche Abhängigkeit hat, die um so kleiner ist, je größer der Abstand zwischen der Quelle der Störung des Sensorelements ist. Ein Vorteil der integrierten Halbleitertechnologie ist der Aspekt der Miniaturisierung. Daher ist es möglich, einen Stromsensor zu entwerfen, so dass die erwünschte primäre physikalische Größe (das Magnetfeld des zu messenden Stroms der durch einen Primärstromleiter fließt, der in das Gehäuse oder sogar in das Halbleitersubstrat integriert ist) eine relativ starke räumliche Abhängigkeit von den Sensorelementen bewirkt. Für Ausführungsbeispiele von gehäusten Vorrichtungen, gehäusten Sensoren, gehäusten Sensorschaltungen oder gehäusten Sensorgehäusen ist der Entwurf des Gehäuses oder der Häusung derart, dass externe Störer einen bestimmten minimalen Abstand zu den einzelnen Sensorelementen haben, so dass die störenden oder unerwünschten physikalischen Größen, die von außen an die Sensorelemente angelegt werden, nur eine geringere räumliche Abhängigkeit aufweisen. Dies kann ohne weiteres erreicht werden beispielsweise durch eine Kunststoffumhüllung oder Kunststoffeinkapselung mit ausreichenden Abmessungen, wie es nachfolgend mit Bezugnahme auf 5B näher beschrieben wird.
• 2 zeigt ein Blockdiagramm eines spezifischen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100, wobei die Vorrichtung 100 eine Sensorschaltung 200 ist. Die Sensorschaltung 200 weist die Signalverarbeitungsschaltung 110, das Sensorelement 120, die Auswertungsschaltung 130 und zusätzlich (im Vergleich zu 1A) ein Primärsensorelement 220 auf. Das Primärsensorelement 220 ist angepasst, um eine primäre physikalische Größe zu wandeln, oder anders ausgedrückt, um ein Primärsensorsignal 110a als ein Eingangssignal 110a zu erzeugen ansprechend auf die primäre physikalische Größe 240. Die Signalverarbeitungsschaltung 110 ist angepasst, um das Primärsensorsignal 110a abhängig von dem Sensorsignal 120b zu verarbeiten, um ein Primärmesssignal als Ausgangssignal 110b zu erhalten, wobei das Primärmesssignal 110b eine Eigenschaft der primären physikalischen Größe 240 darstellt.
• Das Sensorelement 120 kann ein Sekundärsensorelement sein zum Messen einer vorbestimmten sekundären physikalischen Größe oder sekundären physikalischen Umgebungsgröße oder kann ein Primärsensorelement sein zum Messen einer vorbestimmten primären physikalischen Größe oder einer primären physikalischen Umgebungsgröße oder eines Umgebungsteils einer physikalischen Größe des gleichen Typs physikalischer Größe wie die primäre physikalische Größe, die durch das Primärsensorelement 220 gemessen wird.
• Im Fall eines Hall-Sensors bildet das zu messende Magnetfeld die primäre physikalische Größe, die Temperatur oder die mechanische Belastung bildet die sekundäre physikalische Umgebungsgröße 140. Die Spannung, die durch den Hall-Sensor 220 (z. B. eine Hall-Platte) ausgegeben wird, hängt von der Feldstärke und Polarität des Magnetfelds ab, das durch das Sensorelement gemessen wird, und von der Schwankung über der Zeit des Magnetfelds 240 und weist somit Informationen auf über zumindest eine Eigenschaft oder mehrere Eigenschaften, beispielsweise Feldstärke, Polarität und Schwankung über der Zeit der primären physikalischen Größe. Das Sensorelement 120 kann beispielsweise auch angepasst werden, um ein Spannungssignal als Sensorsignal 120b zu liefern, wobei das Spannungssignal 120b zumindest eine Eigenschaft der sekundären physikalischen Umgebungsgröße darstellt, beispielsweise einen Temperaturwert oder einen mechanischen Belastungswert.
• Wie es oben erläutert wurde, kann die Signalverarbeitungsschaltung angepasst sein, um Driften des Primärsensorsignals auszugleichen, die durch Schwankungen bei der Temperatur oder der mechanischen Belastung bezüglich des Messsignals 110b verursacht werden, um den unerwünschten Effekt einer sekundären physikalischen Umgebungsgröße zu reduzieren.
• Wie bei der Vorrichtung 100 kann das Sensorelement 120 ein Sekundärsensorelement sein, das angepasst ist, um eine sekundäre physikalische Umgebungsgröße zu wandeln (z. B. um eine Drift des Primärsensorsignals 110a auszugleichen), oder ein Primärsensorelement, das angepasst ist, um einen unerwünschten Umgebungsteil einer primären physikalischen Größe zu wandeln, wobei das Sensorsignal 120b beispielsweise verwendet wird, um den Effekt von Hintergrundmagnetfeldteilen durch Differenzessprinzipien zu reduzieren.
• Ausführungsbeispiele der Sensorschaltung 200 weisen ein Ausgangstor auf, z. B. einen externen Kontakt oder eine Anschlussfläche oder eine drahtlose Schnittstelle, um das Primärmesssignal 110b auszugeben.
• Ausführungsbeispiele der Sensorschaltung 200 können ein Sensorgehäuse bilden, wobei das Primärsensorelement 220, das Sensorelement 120, die Signalverarbeitungseinheit 110 und die Auswertungsschaltung 130 vollständig oder zumindest teilweise eingekapselt sind durch ein Einkapselungsmaterial, wobei die Sensorschaltung einen externen Kontakt aufweist, um das Primärmesssignal 110b auszugeben, und optional einen anderen externen Kontakt, um das Anormale-Betriebsbedingung-Signal 120b auszugeben, und wobei die zwei externen Kontakt nicht oder nur teilweise durch das Einkapselungsmaterial bedeckt sind. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Sensorschaltung angepasst, um das Anormale-Betriebsbedingung-Signal 120b über den gleichen externen Kontakt oder die gleiche externe Schnittstelle auszugeben wie das Primärmesssignal 110b.
• Das Primärsensorelement 220, das Sensorelement 120, die Signalverarbeitungseinheit 110 und die Auswertungsschaltung 130 können auf unterschiedlichen Halbleiterstücken oder Chips (Mehrchipgehäuse) angeordnet sein, oder auf dem gleichen Halbleiterstück oder -chip (Einzelchipgehäuse oder Einzelstückgehäuse) integriert sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind alle Komponenten der Sensorschaltung, einschließlich weiterer Komponenten, die in 2 nicht gezeigt sind, außer den externen Kontakten eingekapselt oder hermetisch abgedichtet von der Umgebung durch das Einkapselungsmaterial.
• Das Integrieren des Primärsensorelements 220, des Sensorelements 120, der Signalverarbeitungseinheit 110 und der Auswertungsschaltung 130 auf einem Halbleiterstück macht es schwieriger, die Sensorsignale 110a und 120b von außen zu manipulieren (aufgrund der Integration und der kleinen Abmessungen der Verbindungsleitungen zwischen den Sensorelementen und der Signalverarbeitungsschaltung und insbesondere der Auswertungsschaltung).
• Ferner liefert das Bereitstellen einer Umgebungsbetriebsbedingungsüberwachung, wie es durch Ausführungsbeispiele einer solchen integrierten Sensorschaltung bereitgestellt wird, hochzuverlässige Miniatursensoren. Entwicklungsingenieure, die solche integrierte Sensorschaltungen verwenden, müssen nur das Anormale-Umgebungsbedingung-Signal lesen oder überwachen, um die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors zu verifizieren, und können automatische oder manuelle Gegenmaßnahmen ergreifen, falls durch den Sensor eine anormale Betriebsbedingung signalisiert wird.
• Die obigen Erläuterungen bezüglich des Häusens, der externen Kontakte oder Schnittstellen und der Integration auf unterschiedlichen oder den gleichen Halbleiterstücken gilt auf entsprechende Weise für die Vorrichtung 100 und andere Ausführungsbeispiele von hierin beschriebenen Sensorschaltungen.
• 3 zeigt ein Blockdiagramm eines spezifischen Ausführungsbeispiels der Sensorschaltung gemäß 2, wobei das Sensorelement 120 ein weiteres Primärsensorelement 120 ist. Somit weist die Sensorschaltung 300 ein erstes Primärsensorelement 220 und ein zweites Primärsensorelement 120 auf. Das erste und das zweite Primärsensorelement sind an getrennten Stellen angeordnet, das erste Primärsensorelement an einer ersten Stelle und das zweite Primärsensorelement 120 an einer zweiten Stelle. Das erste Primärsensorelement 220 ist angepasst, um die primäre physikalische Größe an der ersten Stelle oder Position zu messen, während das zweite Primärsensorelement 120 die primäre physikalische Größe an der zweiten Stelle oder Position misst. Die primäre physikalische Größe, die durch das erste Primärsensorelement gemessen oder erfasst wird, kann einen ersten erwünschten Teil, z. B. einen ersten erwünschten Teil einer primären physikalischen Größe, und einen ersten unerwünschten Teil aufweisen, z. B. einen ersten unerwünschten Teil einer primären physikalischen Größe. Der erwünschte und unerwünschte Teil können – abhängig vom Zusammenhang – auch unterschieden werden durch Bezugnahme auf den erwünschten Teil als „erste primäre physikalische Größe” oder „erste erwünschte primäre physikalische Größe” und den unerwünschten Teil als „erste primäre physikalische Umgebungsgröße” oder „erste unerwünschte primäre physikalische Umgebungsgröße”. Diese Nomenklatur gilt entsprechend auch für die zweite physikalische Größe und die potentiell enthaltenen erwünschten und unerwünschten Teile oder Abschnitte derselben.
• Weitere Ausführungsbeispiele können weitere (drittes, viertes usw.) Primärsensorelemente aufweisen, die an weiteren (dritten, vierten usw.) Stellen der Sensorschaltung angeordnet sind, um die primäre physikalische Größe an den weiteren Stellen zu messen und ansprechend auf die primäre physikalische Größe weitere (dritte, vierte usw.) Primärsensorsignale zu erzeugen, die die primäre physikalische Größe an den weiteren Stellen anzeigt oder zumindest eine Eigenschaft der primären physikalischen Größe an den weiteren Stellen anzeigt. Jede weitere Stelle (dritte, vierte usw.) unterscheidet sich von der ersten, zweiten oder anderen Stelle von anderen Primärsensorelementen. Wie bei der ersten und zweiten primären physikalischen Größe können auch die weiteren primären physikalischen Größen und die verwandten weiteren Primärsensorsignale erwünschte und unerwünschte Teile aufweisen, wobei bezüglich der Begriffe, die verwendet werden, um beide Teile zu beschreiben und/oder zu unterscheiden, das gleiche gilt auch, wie es in dem vorhergehenden Absatz für das erste und zweite Primärsensorsignal erläutert wurde.
• Die Sensorschaltung 300 ist beispielsweise eine Sensorschaltung, die angepasst ist, um einerseits ein Differenzmessprinzip durchzuführen durch Subtrahieren des zweiten Primärsensorsignals 120b von dem ersten Primärsensorsignal 120a, um das Messsignal 110b zu erhalten. Die Sensorschaltung ist ferner angepasst, um andererseits auszuwerten, ob die Betriebsbedingungen als normal oder anormal anzusehen sind, z. B. durch Addieren des ersten Primärsensorsignals 110a und eines zweiten Primärsensorsignals 120b und Vergleichen der Summe von beiden mit einem Schwellenwert oder Maximalwert, und das Anormale-Betriebsbedingung-Signal zu erzeugen, falls die Summe höher ist als ein bestimmter Schwellenwert.
• Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungsschaltung 110 angepasst, um das erste 110a und zweite 120b Primärsensorsignal gemäß einem ersten Algorithmus oder einer Funktion zu verarbeiten, um das Primärmesssignal 110b zu erhalten, und die Auswertungsschaltung 130 ist angepasst, um das erste 110a und das zweite 120b Primärsensorsignal gemäß einem zweiten Algorithmus zu verarbeiten, der sich von dem ersten Algorithmus unterscheidet, und um das Anormale-Betriebsbedingung-Signal 130b zu erzeugen, falls das Ergebnis des zweiten Algorithmus ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt.
• Der erste Algorithmus kann das Subtrahieren des ersten Primärsensorsignals 110a oder eines Mehrfachen davon von dem zweiten Primärsensorsignal 120b oder ein Mehrfaches davon aufweisen oder umgekehrt, und das Ausgeben der Differenz oder eines Signals, das davon abgeleitet ist, z. B. eine driftkompensierte Version davon, als Messsignal 110b.
• Der zweite Algorithmus kann das Addieren des ersten Primärsensorsignals 110a oder eines Mehrfachen davon und des zweiten Primärsensorsignals 120b oder eines Mehrfachen davon und das Erzeugen und Ausgeben des Anormale-Betriebsbedingung-Signals 130b umfassen, falls die Summe höher ist als ein Schwellenwert. Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der zweite Algorithmus nicht das Subtrahieren des ersten Primärsensorsignals 110a oder eines Mehrfachen davon von dem zweiten Primärsensorsignal 120b oder einem Mehrfachen davon oder umgekehrt.
• Weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung bilden ein Elektroniksensorsystem, das zumindest zwei Sensorelemente 120, 220 aufweist, die die gleiche physikalische Größe an zwei Punkten oder Stellen in ein erstes Sensorsignal 110a mit einem ersten Sensorsignalwert und ein zweites Sensorsignal 120b mit einem zweiten Sensorsignalwert wandeln, das ferner eine Signalverarbeitungseinheit 110 aufweist, die angepasst ist, um das Ausgangssignal 110b oder Messsignal 110b auszugeben, das eine Funktion einer Differenz des Werts des ersten Sensorsignals 110a und des Werts des zweiten Sensorsignals 120b ist, das ferner die Auswertungsschaltung 130 aufweist, die angepasst ist, um ein zweites Signal 130b oder ein Anormale-Betriebsbedingung-Signal 130b zu liefern, das auch von dem Wert des ersten Sensorsignals 110a und dem Wert des zweiten Sensorsignals 120b abhängt, aber nicht von der Differenz des Werts des ersten Sensorsignals 110a und des Werts des zweiten Sensorsignals 120b.
• Im obigen Kontext bezieht sich der begriff „Funktion” auf jede Funktion oder jeden Algorithmus, wobei das System oder die Schaltung für jeden Eingangswert x der Funktion f(x) einen Ausgangswert f(x) erhält. In einem engen mathematischen Sinne sollte dies eindeutig sein, im realen Sensorsystem ist dies jedoch nur annähernd eindeutig, das es durch Zufallsrauschen überlagert sein kann. In realen Sensorsystemen kann die Funktion jedoch quantisiert werden, so dass der Ausgangswert f(x) konstant bleibt, wenn x innerhalb eines ausreichend kleinen Nutzungsbereichs z. B. x1 < x < x2 abschneidet, d. h. falls der Eingangswert x innerhalb eines ausreichenden Bereichs von Eingangswerten bleibt. Dennoch hat die Funktion keine anderen Werte f(x) für den gleichen Wert x.
• Weitere Ausführungsbeispiele weisen ein Elektroniksensorsystem oder eine Sensorschaltung auf, die zumindest drei Sensorelemente aufweist, die die gleiche physikalische Größe an drei unterschiedlichen Punkten oder Stellen in ein erstes Sensorsignal, ein zweites Sensorsignal und ein drittes Sensorsignal wandeln und ein erstes Signal oder Messsignal ausgeben, das eine Funktion der Differenz der Werte des ersten und des zweiten Sensorsignals und der Differenz der Werte des zweiten und des dritten Sensorsignals ist, wobei die Auswertungsschaltung das Signal 130b erzeugt oder ableitet, so dass dasselbe nicht erhalten werden kann durch eine einzelne Sequenz mathematischer Operationen, die an dem Ausgangssignal oder Messsignal 110b durchgeführt werden. Anders ausgedrückt, die Funktion oder der Algorithmus, die/der durch die Auswertungsschaltung verwendet wird, verarbeitet die Werte der Sensorsignale derart, dass das Ergebnis der Funktion zusätzliche Informationen über die physikalische Größe aufweist im Vergleich zu dem Messsignal 110b.
• Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen weist das Elektroniksensorsystem oder die Sensorschaltung zumindest vier Sensorelemente auf, die die gleiche physikalische Größe an vier unterschiedlichen Stellen oder Positionen in ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Sensorsignal wandeln, wobei die Signalverarbeitungsschaltung angepasst ist, um ein Messsignal oder Ausgangssignal als eine Funktion der Differenz eines Werts des ersten Sensorsignals und eines Werts des vierten Sensorsignals, und als eine Differenz eines Werts des zweiten Sensorsignals und eines Werts des dritten Sensorsignals auszugeben, und wobei die Auswertungsschaltung angepasst ist, um das Signal 130b zu liefern, abhängig von zumindest zwei Werten des ersten, zweiten, dritten oder vierten Sensorsignals, und wobei die Auswertungsschaltung ferner angepasst ist, um diese zumindest zwei Werte des Sensorsignals zu verarbeiten, so dass das Ergebnis der Funktion oder des Signals 130b nicht erhalten werden kann durch eine einzige Sequenz mathematischer Operationen, die an dem Ausgangs- oder Messsignal 110b durchgeführt werden.
• Diese und andere Ausführungsbeispiele zum Verarbeiten des ersten Primärsensorsignals 110a, des zweiten Primärsensorsignals 120b und optional weiterer (drittes, viertes usw.) Primärsensorsignale zum Erhalten des Messsignals 110b und/oder zum Auswerten, ob eine anormale Umgebungsbetriebsbedingung existiert, werden nachfolgend in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 100 und der Sensorschaltungen 200, 300 erläutert.
• Die zwei oder mehr Sensorelemente, die angepasst sind, um den gleichen Typ physikalischer Größe zu messen, müssen nicht vom gleichen Sensortyp sein. Zum Messen der Temperatur können Ausführungsbeispiele beispielsweise einen Widerstand oder eine Diode verwenden, und falls die Temperatur beispielsweise an zwei Punkten der Schaltung oder des Chips gemessen wird, kann die Temperatur mit einem Widerstand an einem ersten Punkt oder einer ersten Stelle gemessen werden und mit einer Diode als einem zweiten Sensorelement an dem zweiten Punkt oder der zweiten Position. Hierin nachfolgend werden solche unterschiedlichen Sensorelementtypen zum Messen der gleichen physikalischen Größe so bezeichnet, dass sie zu der gleichen Klasse von Sensoren oder Sensorelementen gehören, während unterschiedliche Widerstände zum Messen einer Temperatur so bezeichnet werden, dass sie zu dem gleichen Typ (d. h. Widerstandstyp) von Sensoren oder Sensorelementen gehören.
• 4 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Differenzmagnetsensors oder einer Differenzmagnetsensorschaltung 300, die beispielsweise als kernloser Stromsensor 400 implementiert ist. Die Sensorschaltung 400 weist ein erstes Hall-Sensorelement oder eine erste Hall-Platte 220, ein zweites Hall-Sensorelement oder Hall-Platte 120, die in einem Halbleiterstück 430 auf gegenüberliegenden Seiten eines Stromleiters 410 des Stromsensors angeordnet sind, auf Der Strom I, der zu messen ist, fließt durch den Stromleiter 410 und erzeugt ein radiales Magnetfeld B, das von der Stromdichte und Flussrichtung (siehe Pfeil) des zu messenden Stroms abhängt. Falls der Strom von links nach rechts fließt (bezüglich der Ausrichtung von 4), erzeugt der Strom ein radiales Magnetfeld B, das eine positive z-Ausrichtung aufweist (bezüglich des Koordinatensystems, wie es in 4 gezeigt ist, siehe B₁, das aus dem Bild heraus gerichtet ist), an einer ersten Stelle x₁, wo das erste Primärsensorelement 320 angeordnet ist, und eine negative z-Ausrichtung (bezüglich des Koordinatensystems, wie es in 4 gezeigt ist, siehe B₂, das in das Bild hinein gerichtet ist), an einer zweiten Stelle x₂, wo das zweite Primärsensorelement 120 angeordnet ist. Die Signalverarbeitungsschaltung 110 und die Auswertungsschaltung 130 sind in 4 nicht gezeigt.
• Der Stromleiter 410 weist Kerben 420a und 420b an gegenüberliegenden Seiten des Stromleiters bezüglich der Flussrichtung des Stroms auf, um die Stromdichte und somit die Messempfindlichkeit zu erhöhen.
• Das erste und das zweite Sensorelement 120, 220 sind bezüglich ihrer lateralen Position (x, y-Ebene, siehe Koordinatensystem von 4) über oder zumindest teilweise über den Kerben 420a, 420b angeordnet, so nahe wie möglich zu dem Leiter 410 und auf gegenüberliegenden Seiten des Leiters bezüglich der Flussrichtung des Stroms. Falls die Kerben 420a und 420b symmetrisch sind und das erste und das zweite Sensorelement 220, 120 ebenfalls symmetrisch bezüglich einer Mittelachse in der Stromflussrichtung des Stromleiters angeordnet sind, hat das erste Magnetfeld gemessen durch das erste Primärsensorelement, den gleichen Betrag wie das Magnetfeld gemessen durch das zweite Primärsensorelement 110, und die beiden unterscheiden sich nur bezüglich des Vorzeichens oder der Ausrichtung des gemessenen Magnetfelds.
• Weitere Ausführungsbeispiele der Stromsensorschaltung 300 können Kerben 420a, 420b mit anderen Geometrien aufweisen, mit nur einer Kerbe oder überhaupt keinen Kerben.
• Andere Ausführungsbeispiele des Stromsensors können einen Draht als Leiter aufweisen, wobei der Draht in einer geraden Weise oder in einer gebogenen Weise angeordnet sein kann, z. B. in einer mäanderartigen Weise, und die Primärsensorelemente können auf gegenüberliegenden Seiten des Drahts angeordnet sein.
• Ausführungsbeispiele des Magnetfeldstromsensors 400 können auch den Stromleiter 410 als integrale Komponente oder Element eines Stromsensorgehäuses 400 aufweisen, um eine feste und genaue relative Positionierung der Hall-Sensoren 220 und 120 bezüglich des Stromleiters zu ermöglichen. Falls ein Strom gemessen werden muss, kann das gesamte Gehäuse 400 mit einem äußeren (bezüglich des Gehäuses selbst) Leiter verbunden sein, für den der Strom gemessen werden soll.
• Mit erneuter Bezugnahme auf 4 misst der Differenzmagnetsensor 400 das Magnetfeld B oder eine einzelne Komponente des Magnetfelds an zwei Positionen x₁, x₂, um ein erstes Primärsensorsignal 110a zu erhalten, das das Magnetfeld oder B-Feld B₁ an der Position x₁ darstellt, und ein zweites Primärsensorsignal 120b zu erhalten, das das Magnetfeld oder B-Feld B₂ an der Position x₂ darstellt. Die Signalverarbeitungsschaltung 110 berechnet die Differenz der zwei Sensorsignale oder Sensorsignalwerte, die die Differenz zwischen den Magnetfeldern an den zwei Positionen darstellt d. h. die Signalverarbeitungseinheit 110 berechnet die Differenz B₁ – B₂. Die als Ausgangs- oder Messsignal 110b zu messende oder auszugebende Größe ist eine Funktion dieser Differenz Q = f(B₁ – B₂), wobei B₁ und B₂ erwünschte und unerwünschte Magnetfeldteile aufweisen können. Diese Größe oder gemessene Größe kann die Stärke, das Vorzeichen, die Phase, die Frequenz, die Welligkeit oder der Taktzyklus des Stroms sein, der durch den Stromleiter fließt oder eine Winkelposition oder Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung eines Zielrads im Falle eines magnetischen Drehsensors, wie es später basierend auf 6 erläutert wird.
• Differenzsysteme höherer Ordnung haben n Magnetsensorelemente, die die gleiche Komponente des Magnetfelds auf n unterschiedlichen Stellen mit n > 2 messen. Sie berechnen die Größe Q, beispielsweise als eine Funktion vieler Differenzen gemäß: Q = f(B₁ – B₂, B₂ – B₃, ..., B_n-1 – B_n).
• Anders ausgedrückt, solche Messsysteme weisen 3 oder mehr Magnetfeldsensoren H1, H2, H3 usw. auf, wo die Signale von zwei Sensorelementen subtrahiert werden und die resultierenden Terme addiert werden als eine lineare Kombination mit festen Koeffizienten.
• 5A zeigt eine schematische Draufsicht eines Magnetfeldsensors oder einer Stromsensorschaltung 500 mit drei (n = 3) Hall-Sensoren 220, 120 und 520, jeweils H1, H2 und H3 (die Signalverarbeitungsschaltung und die Auswertungsschaltung sind nicht gezeigt). Jeder der Hall-Sensoren H1, H2 und H3 ist an einer anderen Stelle x₁, x₂ und x₃ angeordnet und misst das Magnetfeld B₁, B₂ und B₃ an der jeweiligen Stelle der Hall-Sensoren. Der Stromleiter weist drei Schlitze auf, wobei jeder der Hall-Sensoren oder jede der Hall-Platten zumindest teilweise über einem der Schlitze 420a, 420b und 420c und nahe dem Stromleiter 410 angeordnet ist. Das erste Sensorelement H1 erzeugt das erste Sensorsignal S1 (entspricht 110a) ansprechend auf das Magnetfeld B1, das zweite Sensorelement H2 erzeugt das erste Sensorsignal S2 (entspricht 120b) ansprechend auf das Magnetfeld B2, und das dritte Sensorelement H3 erzeugt das erste Sensorsignal S3 ansprechend auf das Magnetfeld B3. Für Ausführungsbeispiele mit einer Leiterstruktur, wie sie in 5A gezeigt ist (drei Schlitze 420a bis 420c, die sich zu der Mittelachse des Leiters erstrecken und in abwechselnder Reihenfolge auf gegenüberliegenden Seiten des Stromleiters angeordnet sind bezüglich der Mittelachse in der Stromflussrichtung), und einer Anordnung der Hall-Platten, wie sie in 5A gezeigt ist (jede der Hall-Platten, angeordnet über einem der Schlitze und in einer geraden Linie über der Mittelachse oder Zentralachse 590 des Stromleiters), sind das Vorzeichen und der Betrag der Sensorsignale S1 und S3 etwa gleich, der Betrag des Sensorsignals S2 ist etwa um einen Faktor 2 höher als der Betrag der Sensorsignale S1 oder S3, und das Vorzeichen des zweiten Sensorsignals ist invers oder entgegengesetzt zu den Vorzeichen des ersten und dritten Sensorsignals S1 und S3. Falls der Strom von links nach rechts fließt (gemäß der Ausrichtung von 5A), haben die Sensorsignale S1 und S3 beispielsweise ein positives Vorzeichen und das Sensorsignal S2 ein negatives Vorzeichen. Falls der Strom von rechts nach links fließt (gemäß der Ausrichtung von 5A), gilt das Gegenteil, die Sensorsignale S1 und S3 haben ein negatives Vorzeichen und das Sensorsignal S2 ein positives Vorzeichen. Diese Beziehungen zwischen den Beträgen und den Vorzeichen der drei Sensorsignale beziehen sich auf die Messung des Magnetfelds des Stroms I, der durch den Stromleiter 410 fließt, und berücksichtigen keine magnetischen Hintergrundfelder, z. B. das Erdmagnetfeld. Das Erdmagnetfeld ist im Gegensatz zu dem Magnetfeld des zu messenden Stroms über den Bereich des Stromsensors 500 homogen, d. h. das Erdmagnetfeld überlagert ein zusätzliches Umgebungsmagnetfeld oder einen Umgebungsmagnetfeldteil, das/der (aufgrund seiner Homogenität) in Bezug auf das Vorzeichen und den Betrag für alle drei Sensoren H1 bis H3 gleich ist.
• Die Signalverarbeitungseinheit 130 ist beispielsweise angepasst, um den Strom I, der durch den leitenden Streifen 410 mit den drei Schlitzen fließt, zu berechnen gemäß I = (S1 – S2) – (S2 – S3) = S1 + S3 – 2·S2, wobei S1, S2, S3 die vorher erwähnten Signale der planaren Hall-Platten H1, H2, H3 sind. Wie es erläutert wurde, sind somit die Erdmagnetfeldkomponenten aufgehoben, während der Strom berechnet wird als 16 * S, falls S1 = S3 = S und S2 = –2·S. Gleichartig dazu wird jedes andere homogene Magnetfeld, z. B. verursacht durch einen benachbarten Leiter oder angelegt, um den Magnetfeldstromsensor zu manipulieren, aufgehoben. Anders ausgedrückt, der Differenzmagnetfeldstromsensor ist robust gegenüber solchen homogenen Umgebungsmagnetfeldern. Da der Sensor aus drei Hall-Elementen an drei Stellen besteht, ist derselbe ein Gradiometer zweiter Ordnung. Daher kann derselbe nicht nur räumliche Ableitungen nullter Ordnung (= homogenes Hintergrundfeld) ausheben, sondern auch räumliche Ableitungen erster Ordnung (= lineare Gradienten des Hintergrundfelds). Es kann jedoch sein, dass Magnetfelder mit räumlichen Ableitungen zweiter oder höherer Ordnung nicht aufgehoben werden und dieselben können unannehmbare Messbedingungen verursachen, d. h. anormale Umgebungsbetriebsbedingungen, die durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht erfasst werden können. Je höher der Grad des Gradiometers, um so besser ist daher die Erfassung von anormalen Umgebungsbedingungen, die z. B. an den Sensor angelegt sind, um denselben zu manipulieren.
• Die Magnetfeldteile, die durch den zu messenden Strom I erzeugt werden, bilden die erste, zweite und dritte primäre physikalische Größe oder den ersten, zweiten und dritten Teil der gewünschten primären physikalischen Größe, während die Magnetfeldteile, die durch das Erdmagnetfeld oder jede andere Magnetfeldumgebungsquelle erzeugt werden, die erste, zweite und dritte primäre physikalische Umgebungsgröße oder den ersten, zweiten und dritten Teil der unerwünschten primären physikalischen Größe bilden.
• Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele zum Erfassen anormaler Umgebungsbedingungen für Magnetfeldstromsensoren beschrieben, und insbesondere für einen Differenzstromsensor, wie er basierend auf 5A beschrieben ist. Falls eine beabsichtigte oder unbeabsichtigte Manipulation eines Sensorsystems mit einem extern angelegten Magnetfeld durchgeführt wird, kann diese von der erwünschten physikalischen Größe Q auf verschiedene Arten unterschieden werden. Nachfolgend wird bezüglich einer Magnetfeldstromsensorschaltung, wie sie beispielsweise basierend auf 5A und 5B (aber auch basierend auf 4) beschrieben ist, das Magnetfeld, das durch den Strom, der durch den Stromleiter der Stromsensorschaltung fließt, erzeugt wird, als „internes Magnetfeld” angesehen, während jedes Magnetfeld, das durch eine andere Quelle als den durch den Stromleiter fließenden Strom verursacht wird, als störendes Magnetfeld oder externes Magnetfeld angesehen wird (extern bezüglich der Stromsensorschaltung und insbesondere bezüglich des Stromsensorgehäuses), z. B. das Erdmagnetfeld oder Permanentmagneten, die nahe dem Sensorschaltung angeordnet sind, oder Magnetfelder, die durch Ströme erzeugt werden, die durch nahegelegene Leiter fließen usw., werden als „externes Magnetfeld” angesehen. Innerhalb dieses Kontextes könnte man „extern” auch interpretieren als „umgebend”, „unerwünscht” oder „störend”, und „intern” als „erwünscht”.
• Das extern angelegte Magnetfeld oder Umgebungsmagnetfeld kann beispielsweise eine Feldstärke aufweisen, die eine Grenze überschreitet. In einem Stromsensor mit einem Vollausschlagbereich von 100 A ist das Magnetfeld auf der mittleren Hall-Sonde H2 z. B. 25 mT. Falls durch die Hall-Sonde H2 oder die Auswertungsschaltung 130 35 mT erfasst werden, kann dies entweder an einem Überstromereignis liegen oder an einer Manipulation mit einem Permanentmagneten, der in nächste Nähe zu dem Sensor gebracht wird.
• Es ist wahrscheinlich, dass extern angelegte Magnetfelder ein Feldmusteraufweisen, dessen räumliche Abhängigkeit deutlich unterschiedlich ist zu dem Feldmuster, das durch die erwünschte physikalische Größe Q erzeugt wird. In dem Stromsensor von 5A mit drei Schlitzen in einem Streifen eines Leiters ist beispielsweise das durch den Strom erzeugte Feld B äußerst inhomogen: es ist positiv auf H1 und H3 und negativ auf H2. Es ist sehr schwierig, ein Magnetfeld extern anzulegen über einen Permanentmagneten, der die gleiche räumliche Abhängigkeit zeigt es muss nicht nur unterschiedliche Vorzeichen auf den drei Sensorelementen haben, sondern muss auch gleiche Beträge auf H1 und H3 haben und der Betrag auf H2 muss gleich der Summe der Beträge auf H1 und H2 sein. Daher können mehrere Indikatoren verwendet werden zum Erfassen einer Manipulation oder allgemein anormaler Umgebungsbedingungen, wie es nachfolgend erläutert wird.
• Als erster Indikator oder erstes Kriterium darf die Summe der Sensorsignale oder Sensorsignalwerte S1 + S2 + S3 einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreiten. Idealerweise sollte die Summe null sein, in der Praxis sollte dieselbe z. B. in einem Bereich innerhalb von –10 mT sein (minimaler Wert für normalen Betrieb) und +10 mT (maximaler Wert für normalen Betrieb). Falls der Summenwert S1 + S2 + S3 diese Schwellenwerte überschreitet, ist die Auswertungsschaltung angepasst, um eine anormale Umgebungsbedingung zu erfassen und das Signal 130b zu erzeugen.
• Andere Ausführungsbeispiele können auch einen dynamischen Schwellenwert wie S1 + S3 – 2·S2 verwenden, der sich direkt auf den Messwert Q bezieht, und können eine Manipulation oder anormale Umgebungsbedingung erfassen, falls die folgende Ungleichung wahr ist: abs(S1 + S2 + S3) > X·abs(S1 + S3 – 2·S2), wobei X ein Gewichtsfaktor ist und beispielsweise einen Wert wie 0,1 haben kann. Der Wert von X stellt die Wahrscheinlichkeit einer Manipulation oder anormalen Betriebsbedingungen ein.
• In der Praxis wird die Genauigkeit der Sensorsignale schlecht für kleine Signale, so dass ein robusterer Algorithmus zum Erfassen anormaler Umgebungsbedingungen wie folgt lauten kann: abs(S1 + S2 + S3) > max(X·abs(S1 + S3 – 2·S2); Y), wobei max(a, b) der größere Wert von a oder b ist und Y der oben erwähnte absolute Grenzwert ist wie 10 mT.
• Ein zweites Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist, dass S1 und S3 nicht zu weit voneinander abweichen dürfen: idealerweise sollten dieselben gleich sein, falls kein externes Feld angelegt ist Manipulation oder starke externe Feder werden erfasst, falls abs(S1/S2 – 1) > EPS, EPS kann beispielsweise 0,1 sein. Falls EPS klein ist, ist die Erfassbarkeit einer Manipulation erhöht. EPS sollte so gewählt werden, dass die Bedingung nur WAHR wird, falls magnetische Hintergrundfelder einen Pegel überschreiten, der die Messung von Q merklich verschlechtert. In der Praxis sollte diese Bedingung ausgeblendet werden, falls S nahe Null ist, durch Verwenden der folgenden Bedingung: abs((abs(S1) + X)/(abs(S2) + Y) – 1) > EPS, wobei X gleich Y sein kann. Allgemein sollten X und Y zwei- bis zehnmal größer gewählt werden als der Nulldurchgangsfehler der Sensoren. Als Nulldurchgangsfehler eines Magnetsensors bezeichnet man seinen Ausgang bei einem Nullfeld (z. B. versetzt von Hall-Sensoren oder einer Koerzitivkraft von Sensoren, die weichmagnetische Teile umfassen). Beispielsweise ist der Restversatz eines Spinning-Current-integrierten Hall-Sensors etwa 50 μT und daher sollte X beispielsweise 50 bis 500 μT sein. Bei den obigen Gleichungen kann man abs(x) mit x^(2·n) ersetzen, mit n = positive gerade Ganzzahl.
• Ein drittes Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist, dass S1 + S3 nicht zu sehr abweichen dürfen von (–1)·S2: dies ist identisch mit dem ersten Kriterium.
• Ein viertes Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist, dass (–2)·S1 und S2 nicht zu sehr voneinander abweichen dürfen: dies ist identisch mit dem ersten Kriterium kombiniert mit dem zweiten Kriterium.
• Ein fünftes Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist, dass (–2)·S3 und S2 nicht zu sehr voneinander abweichen dürfen: dies ist identisch mit dem ersten Kriterium kombiniert mit dem zweiten Kriterium.
• Um das oben Erwähnte zusammenzufassen: mit drei Sensorelementen S1, S2, S3 kann man dieselben in verschiedenen linearen Kombinationen kombinieren, jedoch nur drei dieser Kombinationen sind wesentlich unterschiedlich – alle anderen können von Überlagerungen von diesen Dreien abgeleitet werden. Eine dieser Kombinationen kann verwendet werden, um den Messwert Q zu finden, oder kann, anders ausgedrückt, verwendet werden durch die Signalverarbeitungseinheit 110, um das Messsignal 110b zu bestimmen. Die anderen zwei linearen Kombinationen sollten gleich Null sein, im Fall von verschwindenden magnetischen Störungen oder Umgebungsmagnetfeldern. Diese zwei Kombinationen können verwendet werden, um das Hintergrundmagnetfeld zu schätzen und dadurch können dieselben durch die Auswertungsschaltung 130 verwendet werden, um zu schützen, ob jemand den Sensor manipulieren möchte oder eine anormale Umgebungs- oder Betriebsbedingung existiert.
• Ein sechstes Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist das Auswerten des Vorzeichens des Sensorsignals S1, S2 oder S3. Das extern angelegte Magnetfeld kann z. B. ein Vorzeichen haben, das entgegengesetzt ist zu dem Feld von der erwünschten physikalischen Größe oder dem Messwert Q. Mit erneuter Bezugnahme auf den Magnetfeldstromsensor 500 von 5A, falls die Polarität des Stroms bekannt ist, dann ist die Polarität des Magnetfelds auf den drei Hall-Platten bekannt. Falls der Strom in der in der Figur gezeigten Richtung fließt, dann zeigt die nichtplanare Komponente des Magnetfelds auf den Sensoren H1 und H3 aus der Zeichenebene, während dieselbe auf dem Sensor H2 in die Ebene zeigt. Falls ein externes Feld angelegt wird, kann dieses eine falsche Richtung haben und dies kann verwendet werden, um Manipulation zu erfassen.
• Ein siebtes Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist das Auswerten des Mittelwerts von einem oder mehreren Sensorsignalen. Das extern angelegte Magnetfeld kann einen zeitlichen Mittelwert haben, der entgegengesetzt ist zu dem Feld von dem erwünschten Messwert Q oder der sich von dem Mittelwert des erwünschten Messwerts Q unterscheidet. Falls man ein sich drehendes Coderad mit gleichem Nord- und Südpol entlang seinem Umfang betrachtet, ist der zeitliche Mittelwert des Magnetfelds auf jedem Sensor null (es sei denn, die Beobachtungsperiode ist kürzer als die Zeit, während der ein Nord- und Südpol vor dem Sensor verlaufen).
• 6 zeigt eine schematische Ansicht einer Magnetdrehschaltung 600, die einen ersten und einen zweiten Primärmagnetfeldsensor 220 und 120 aufweist, z. B. einen Hall-Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor, wie einen XMR-Sensor (die Signalverarbeitungsschaltung und die Auswertungsschaltung sind nicht gezeigt). Das in 6 gezeigte System weist ferner einen Permanentmagneten auf zum Vorspannen der Magnetfeldsensorschaltung 600 und eine Schutzabdeckung 634, die den Permanentmagneten und die Sensorschaltung umgibt. Das Zielrad 610, dessen Drehung durch den Magnetdrehsensor 600 gemessen werden soll, ist z. B. ein Zahnrad aus Eisen mit Zähnen an seiner Peripherie, und die zwei Magnetsensorelemente sind an einem Abstand 612, der auch als ein magnetischer Luftzwischenraum bezeichnet wird, von diesen Zähnen angeordnet, und messen fortlaufend das Magnetfeld, das durch die Zähne und die Zwischenräume dazwischen verursacht wird.
• Gleichartig dazu ist der Mittelwert eines rein sinusförmigen Stroms durch eine Netzversorgung null für Integrationszeiten von beispielsweise mehr als 1/50 oder 1/60 Sekunden. So kann das Sensorsystem eines Strommessgeräts, beispielsweise eines Strommessgeräts, das den verbrauchten Strom eines Haushalts misst, einfach das Ausgangssignal über eine ziemlich lange Zeit integrieren. Falls das Ergebnis größer ist als ein vordefinierter Wert, ist das Hintergrundfeld zu hoch.
• Selbstverständlich ist es auch möglich, das Signal jedes einzelnen Sensors in einem Differenzsensorsystem zu integrieren – in der Tat funktioniert dies auch für einen absoluten Sensor mit nur einem einzigen Sensorelement.
• Ein achtes Kriterium zum Erfassen einer anormalen Umgebungs- oder Betriebsbedingung ist das Auswerten des Spektrums des gemessenen Magnetfelds oder der physikalischen Größe. Das extern angelegte Magnetfeld kann wesentliche spektrale Beiträge außerhalb der Signalbandbreite des erwünschten Messwerts Q haben. Falls man ein Energiemessgerät für die Netzversorgung betrachtet, ist klar, dass das dominante Spektrum nahe der Netzfrequenz 50 Hz oder 60 Hz ist. Falls eine Manipulation mit einer wesentlich anderen Frequenz, z. B. unter 40 Hz oder über 70 Hz (oder unter 30 Hz oder über 80 Hz), durchgeführt wird, kann dies in dem Gesamtsignal oder in einzelnen Sensorsignalen erfasst werden.
• Ein Magnetsensorsystem oder jedes andere Sensorsystem kann auch einen Temperatursensor aufweisen, um Driften der primären physikalischen Größe oder Sensorcharakteristik gegenüber der zweiten physikalischen Größe Temperatur auszugleichen. Mit Differenzmagnetsensoren ist es sogar besser, einen Temperatursensor nahe jedem Magnetsensor zu haben – falls die Temperatur über dem Halbleiterstück nicht homogen ist. Diese Temperatursensoren können auch verwendet werden, um Manipulation oder anormale Umgebungs- oder Betriebsbedingungen zu erfassen (neuntes Kriterium). Eine solche Manipulation kann sein, dass jemand die Sensorschaltung mit einer Heißluftpistole oder mit einem Zigarettenfeuerzeug oder einer Lötlampe erwärmt. Da das Sensorsystem typischerweise einen integrierten Oszillator hat, der einen Zeitrahmen definiert (z. B. für Spinning-Current-Betrieb (Spinning-Strom-Betrieb) von Hall-Platten oder um eine zeitdiskrete Signalverarbeitung zu definieren, oder um eine digitale Schaltung anzutreiben, um die Daten zu verarbeiten, oder um Zeitschlitze zu definieren, die in einem Datenübertragungsprotokoll verwendet werden), kann man auch Temperatur und Magnetfeldinformationen kombinieren, um anormale Umgebungsbedingungen zu erfassen. Eine Manipulation ist wahrscheinlich und eine anormale Umgebungsbedingung wird erfasst, falls die Temperatur ein bestimmtes Band verlässt (zu niedrige oder zu hohe Temperatur). Ferner ist eine Manipulation wahrscheinlich und eine anormale Umgebungsbedingung wird erfasst, falls der räumliche Temperaturgradient über dem Halbleiterstück zu groß ist. Schließlich ist eine Manipulation wahrscheinlich und eine anormale Umgebungsbedingung wird erfasst, falls die Änderungsrate der Temperatur oder der zeitliche Gradient der Temperatur zu groß ist: z. B. ist es in einem Energiemessgerät nicht üblich, dass die Temperatur innerhalb einer Sekunde um 100°C steigt, es sei denn, der Strom ist zu groß – dies kann verwendet werden, um eine Manipulation mit einer offenen Flamme zu erfassen.
• Präzise Magnetsensoren benötigen häufig eine Art von eingebautem mechanischen Belastungssensor als Sekundärsensor, der die mechanische Belastung auf dem Halbleiterstück misst. Dies wird durch die Signalverarbeitungsschaltung 110 verwendet, um Driften der Sensorcharakteristik auszugleichen, die durch Änderungen der mechanischen Belastung verursacht werden. Manipulation bei einer konstanten Temperatur oder einer moderaten Temperaturänderung kann beispielsweise durchgeführt werden durch Wegätzen von Teilen des Gehäuses z. B. mit Schwefelsäure oder durch mechanisches Kratzen, Schneiden, Drücken, Fräsen oder Abschaben von Teilen des Sensorgehäuses. Die kann auch durchgeführt werden durch absichtliches Ändern des Feuchtigkeitsgehalts der Formmasse des Sensorgehäuses durch Trocknen oder Benetzen desselben. All diese Manipulationen führen entweder zu einer plötzlichen oder einer beträchtlichen Änderung mechanischer Belastung auf dem Halbleiterstück und dies kann durch die eingebauten Belastungssensoren erfasst werden. Die Auswertungsschaltung 130 kann angepasst werden, um eine Manipulation oder eine anormale Umgebungsbedingung zu erfassen, falls die mechanische Belastung auf dem Halbleiterstück sich zu sehr ändert oder falls eine Belastungsrate sich ändert, d. h. eine Belastungsänderung geteilt durch die Zeit oder ein zeitlicher Gradient der mechanischen Belastung zu hoch ist.
• Nachfolgend werden weitere Aspekte der Häusung einer Magnetfeldstromsensorschaltung oder eines Magnetfeldstromsensorgehäuses, wie es in 5A gezeigt ist, beschrieben. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass diese Erklärungen auf gleiche Weise für andere Stromsensorausführungsbeispiele oder andere Sensoren im Allgemeinen gelten.
• 5B zeigt ein Gehäuse 500' für einen integrierten Stromsensor oder, anders ausgedrückt, ein Stromsensorgehäuse 500'. Das Stromsensorgehäuse 500' weist ein Halbleiterstück 550 auf, das einen Magnetfeldsensor 560 aufweist, beispielsweise eines der Magnetfeldsensorelemente 120, 220 oder 620, wie es in 5A gezeigt ist. Das Stromsensorgehäuse 500' weist ferner einen Leiter oder Primärleiter 410 auf, durch den der zu messende Strom I fließt. Eine dielektrische Isolationsschicht 540 ist zwischen den Leiter 410 und das Halbleiterstück 550 platziert, um eine Spannungsisolation zwischen dem hohen Strom 410 und der Sensorschaltung oder dem Magnetfeldsensor 560 zu liefern. Das Halbleiterstück 550 ist auf einem Substrat 570 oder auf einem Leitungsrahmen 570 befestigt. Alle vorher erwähnten Teile sind durch eine Formmasse 520 bedeckt. Die Formmasse 520 hat den Zweck, die Sensorschaltung und insbesondere den Stromleiter und das Halbleiterstück vor der Umgebung zu schützen, beispielsweise vor Licht, Feuchtigkeit oder mechanischen Einflüssen. Bezüglich des Stromsensorgehäuses 500', wie es in 5 gezeigt ist, gibt es jetzt zwei Möglichkeiten zum Positionieren einer Quelle einer störenden oder unerwünschten physikalischen Größe nahe dem Sensorelement oder der Sensorelemente. Einerseits kann die Quelle der störenden physikalischen Größen auf dem Gehäuse angeordnet sein, wie es mit dem Bezugszeichen 510 dargestellt ist, oder unter dem Gehäuse, wie es mit Bezug auf das Bezugszeichen 580 gezeigt ist. Wenn man den vertikalen Abstand (in z-Richtung) zwischen dem Sensorelement 560 und einer unteren Oberfläche des Stromleiters 410 mit DI, die vertikale Dicke des Stromleiters selbst mit TC, die vertikale Dicke der Formmasse über dem Leiter (bezüglich der Ausrichtung von 5B) mit TM und den vertikalen Abstand zwischen dem Sensorelement 560 und der unteren Oberfläche des Gehäuses mit TB bezeichnet, dann hat die Störquelle 510, 580 einen vertikalen Abstand zu dem Sensorelement 560 von entweder TB oder DI + TC + TM. In jedem Fall, wenn das Gehäuse entworfen wird, können diese Abstände so gewählt werden, dass dieselben viel größer sind als DI, und daher ist die räumliche Inhomogenität der störenden physikalischen Größen, die auf den Sensor 560 treffen und durch die externen Quellen 510 oder 580 erzeugt werden, weniger ausgeprägt als die räumliche Inhomogenität der erwünschten physikalischen Größen, die durch den Leiter 530 erzeugt werden und auf den Sensor 560 auftreffen.
• Bei bestimmten Ausführungsbeispielen gemäß 5B kann der vertikale Abstand DI etwa 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer sein, falls der Stromleiter 540 eine vertikale Dicke von etwa TC = 1 mm aufweist. Falls die vertikale Dicke eines Formmaterials auf dem Stromleiter etwa TM = 0,3 mm ist, ist der minimale Abstand zwischen der Störquelle 510 und den Sensorelementen DI + TC + TM ≈ 1,4 mm. Anders ausgedrückt, der minimale Abstand ist etwa vierzehn mal größer als der Abstand DI zwischen dem Stromleiter und den Sensorelementen. Solche Einkapselungen sind in 5B gezeigt und können beispielsweise mit wie in 5A gezeigten Stromsensoren 500 verwendet werden.
• Daher können Ausführungsbeispiele des Stromsensorgehäuses eine Einkapselung oder einen Formkörper aufweisen, wobei eine äußere Oberfläche der Einkapselung des Formkörpers angeordnet ist, so dass ein minimaler Abstand zwischen der äußeren Oberfläche und jedem der Magnetfeldsensorelemente mehr als 10 mal, mehr als 20 mal oder mehr als 30 mal größer ist als ein maximaler Abstand zwischen dem Stromleiter, durch den der zu messende Strom fließt, und jedem der Magnetfeldsensorelemente.
• 5C zeigt eine Draufsicht einer rechten Hälfte oder eines Teils eines Leiters 410, das in 5A gezeigt ist. Die linke Hälfte oder der linke Teil ist spiegelsymmetrisch zu der rechten Hälfte, wie es in 5A gezeigt ist. 5C zeigt die Stromlinien und wie sich dieselben um die Schlitze herum biegen. 5D zeigt die entsprechende vertikale Komponente oder z-Komponente der Magnetflussdichte 30 μm über oder unter dem Leiter 410. Der Punkt des stärksten positiven Magnetfelds oder Bz-Felds ist angezeigt durch das Bezugszeichen P, der Punkt des stärksten negativen Bz-Felds ist angezeigt durch N, und die Stellen des verschwindenden Bz-Felds sind durch eine schlangenartige Figur angezeigt, die mit S gekennzeichnet ist. Stellen unter (mit Bezugnahme auf die Figur) der Schlangenlinie S haben ein positives Magnetfeld und Stellen über der schlangenartigen Linie S haben ein negatives Magnetfeld. Somit hat das Feld an Punkt A einen großen Betrag, aber ein negatives Vorzeichen. Die Intensität des Bz-Felds in der z-Richtung ist auf der Legende der rechten Seite gezeigt, die sich von –0,02 T (Tesla) zu +0,02 T erstreckt. Wie es von 5C und 5D ersichtlich ist, ist es vorteilhaft, die Magnetfeldsensoren H2 und H3 (siehe 5A) an den Punkten oder Stellen P und N zu platzieren. Die geraden senkrechten Linien zwischen P und N und zwischen P und A sind die Wege, auf denen die höchsten Inhomogenitäten, d. h. die steilsten Neigungen oder größten räumlichen Ableitungen des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird, der durch den Leiter fließt, auftreten. Für Manipulatoren ist es sehr schwierig, externe Störquellen zu liefern, die Magnetfelder erzeugen, die entlang diesen Wegen ähnliche Inhomogenitäten aufweisen. Daher weisen Ausführungsbeispiele der Vorrichtung oder der Sensorschaltung ein oder mehrere Sensorelemente auf, die entlang diesen Wegen platziert sind, um eine Erfassung externer Störungen zu optimieren.
• Die Auswertungsschaltung 130 kann beispielsweise angepasst sein, um alle Lesungen dieser Sensorelemente mit der vorher erwähnten räumlichen Struktur zu vergleichen, die durch einen Strom durch den Leiter verursacht wird, und falls wesentliche Unterschiede von dieser theoretischen Struktur auftreten, bestimmt die Auswertungsschaltung 130, dass eine beträchtliche Störung vorliegt, und gibt das Anormale-Betriebsbedingung-Signal an das Ausgangstor 190 aus.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Sensorsystems oder der Sensorschaltung ist eine Hall-Platte an dem Punkt P platziert oder angeordnet und eine andere Hall-Platte an dem Punkt N. In diesem Fall kann der durch den Leiter fließende Strom durch die Signalverarbeitungsschaltung 110 als eine lineare Kombination der Magnetfeldwerte bestimmt werden, erfasst durch die zwei Sensorelemente H2 und H2, angeordnet an Punkt P und Punkt N.
• Außerdem ist es möglich, eine andere lineare Kombination zu finden, die unabhängig von dem Strom ist. Diese zweite lineare Kombination wird durch die Auswertungsschaltung 130 berechnet und mit einem Referenzwert verglichen. Falls die Diskrepanz oder Differenz zu groß ist, signalisiert die Auswertungsschaltung die „anormale Betriebsbedingung” an dem Ausgangstor 190.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensorsystems weist eine Hall-Platte an dem Punkt P und eine weitere Hall-Platte an der Linie S auf Die Auswertungsschaltung 130 kann dann angepasst werden, um beide Werte zu vergleichen, einen Wert des Sensorsignals gemessen an Punkt P, und den Wert des Sensorsignals gemessen an der Linie S, und falls die Differenz zu klein ist und gleichzeitig der Wert an dem Punkt P einen mittleren oder großen Strom anzeigt, signalisiert die Auswertungsschaltung „anormale Betriebsbedingung” an dem Ausgangstor 190.
• Selbst robustere Sensorsysteme, die bezüglich der Erfassung externer Störungen robuster oder zuverlässiger sind, weisen Sensorelemente auf, die nicht nur entlang einer geraden Linie 590 angeordnet sind, wie es in 5A gezeigt ist. Stattdessen haben diese Ausführungsbeispiele Sensorelemente, die die gesamte x, y-Ebene überspannen. Der Vorteil solcher Anordnungen ist, dass es sehr viel leichter ist, das System zu manipulieren, falls das externe Feld nur gut definierte Störungen entlang einer einzigen Richtung erzeugen muss, beispielsweise eine eindimensionale Störung entlang der x-Achse, und dennoch ist es schwieriger, gut definierte Störungen mit genauen Inhomogenitäten entlang zwei Richtungen zu erzeugen, insbesondere entlang zwei senkrechten Richtungen, beispielsweise entlang der x-Achse und entlang der y-Achse. Daher weisen weitere Ausführungsbeispiele des obigen Beispiels eines Stromsensors drei Hall-Platten auf, wobei die erste Hall-Platte an Punkt P angeordnet ist, die zweite Hall-Platte nur in der x-Richtung verschoben ist (z. B. die zweite gesamte Platte ist an einer Stelle oder einem Punkt N angeordnet), und die dritte Hall-Platte ist nur in der y-Richtung verschoben (z. B. die dritte gesamte Platte ist an einem Punkt A angeordnet). Basierend auf diesen drei unterschiedlichen Punkten oder drei unterschiedlichen Messungen kann eine erste lineare Kombination dieser drei Sensorlesungen bestimmt werden, die proportional zu dem zu messenden Strom ist (z. B. die Gesamtsignalfunktion, wie es in 5A gezeigt ist), während eine zweite lineare Kombination unabhängig von dem zu messenden Strom ist, z. B. bestimmt wird, so dass die erwünschten Magnetfeldteile des zu messenden Stroms einander aufheben und nur unerwünschte oder störende Magnetfeldteile verbleiben, und die ausgewertet werden, um zu erfassen, ob eine anormale Betriebsbedingung vorliegt. Die zweite lineare Kombination kann beispielsweise durch die Auswertungsschaltung mit der ersten linearen Kombination und mit anderen Referenzwerten verglichen werden, um zu entscheiden, ob eine anormale Betriebsbedingung vorliegt. Es sollte angemerkt werden, dass es mit drei Sensorelementen oder drei Sensorlesungen zwei lineare Kombinationen verfügbar sind, die unabhängig von dem Strom sind und die anormale Betriebsbedingungen anzeigen.
• Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die Sensorelemente auch spiegelsymmetrisch über dem linken Teil des Leiters platziert sein, der in 5C und 5D nicht gezeigt ist. Wie es vorher erwähnt wurde, kann eine weitere oder andere Hall-Platte an dem Punkt N' angeordnet sein, was der Position der Hall-Platte H1 von 5A entspricht Um das oben Erwähnte zusammenzufassen, gibt es viele Möglichkeiten, die Sensorelemente zu platzieren, um anormale Betriebsbedingungen zu erfassen. Die optimale Platzierung der Sensorelemente ist diejenige, die die größten Unterschiede ergibt beim Lesen oder Erfassen von Werten, geteilt durch Beabstandung, wie es basierend auf 5D beschrieben ist bezüglich der Kombination von Punkten P und N auf der einen Seite und P und A auf der anderen Seite. Dies ist identisch mit der Tatsache, dass die Sensorelemente so platziert sein sollten, dass dieselben die größten räumlichen Ableitungen der umgebenden oder störenden physikalischen Größe erfassen. Falls zumindest drei Sensorelemente verwendet werden, sind dieselben beispielsweise entlang zumindest zwei vorzugsweise orthogonalen Richtungen platziert.
• Daher können weitere Ausführungsbeispiele der Stromsensorschaltung ein drittes Magnetfeldsensorelement als drittes Primärsensorelement aufweisen, das angepasst ist, um ein drittes Sensorsignal zu erzeugen, wobei das erste, zweite und dritte Magnetfeldsensorelement nicht auf einer geraden Linie angeordnet sind oder so angeordnet sind, dass das erste und das zweite Primärsensorelement eine erste Abmessung definieren und das erste und dritte Primärsensorelement eine zweite Abmessung definieren, die orthogonal zu der ersten Abmessung ist, und wobei die Signalverarbeitungsschaltung angepasst ist, um das erste, zweite und dritte Sensorsignal zu verarbeiten, um das Messsignal gemäß einem Differenzmessprinzip zu erhalten.
• Falls zumindest vier Sensorelemente verwendet werden, sind dieselben entlang drei vorzugsweise orthogonalen Richtungen platziert, was für gewöhnliche CMOS-Technologien schwierig ist, es ist jedoch manchmal möglich, Sensorelemente auf mehreren Oberflächen eines Halbleiterstücks anzuordnen, beispielsweise auf einer Oberseite und einer Rückseite des Halbleiterstücks oder auch entlang dem Umfang.
• Daher können weitere Ausführungsbeispiele der Stromsensorschaltung ein viertes Magnetfeldsensorelement als viertes Primärsensorelement aufweisen, das angepasst ist, um ein viertes Sensorsignal zu erzeugen, wobei das erste, zweite und dritte Magnetfeldsensorelement nicht auf der gleichen zweidimensionalen Ebene angeordnet sind oder so angeordnet sind, dass das erste und das zweite Primärsensorelement eine erste Dimension definieren, das erste und dritte Primärsensorelement eine zweite Dimension definieren, die orthogonal zu der ersten Dimension ist, und das erste und das vierte Primärsensorelement eine dritte Dimension definieren, die orthogonal zu der ersten und zweiten Dimension ist, und wobei die Signalverarbeitungsschaltung angepasst ist, um das erste, zweite, dritte und vierte Sensorsignal zu verarbeiten, um das Messsignal gemäß einem Differenzmessprinrip zu erhalten.
• Je größer die Differenzen der zu messenden primären physikalischen Größe (z. B. das Magnetfeld des Stroms durch den Leiter im Fall eines Stromsensors) oder, anders ausgedrückt, je inhomogener die räumliche Verteilung der zu messenden physikalischen Größe zwischen den Stellen der Sensorelemente ist, um so zuverlässiger ist die Erfassung von anormalen Betriebsbedingungen oder Störquellen.
• Dies erfordert bestimmte Voraussetzungen der Quelle, die die primäre physikalische Größe erzeugt.
• Daher weisen Ausführungsbeispiele der Vorrichtung oder Sensorschaltung, die einen Stromsensor aufweist, einen Leiter auf, der räumlich inhomogene Magnetfelder erzeugt. Beispielsweise erzeugt ein Stromsensor inhomogen Felder, falls sein Leiter ein dünner Draht ist: dann nehmen die Felder mit 1/r ab, wobei r der radiale Abstand zu der Mitte des Drahts ist, und für ein radialen Abstand r von beispielsweise 100 μm, kann eine starke Inhomogenität erhalten werden. Für größere Ströme muss der Leiter ein planarer Leiter sein oder lagenartig, um einen ausreichend niedrigen elektrischen Widerstand zu haben. In diesem Fall verursachen feine Schlitze oder Kerben in dem planaren Leiter Inhomogenitäten des Stroms und folglich auch Inhomogenitäten des Magnetfelds, wie es basierend auf 5A bis 5D beschrieben ist.
• Im Fall eines Geschwindigkeitssensors weist die Vorrichtung oder die Sensorschaltung ein Zielrad mit feinen Zähnen oder kleinen magnetischen Domänen auf.
• Es sollte ferner angemerkt werden, dass Ausführungsbeispiele der Auswertungsschaltung das Sensorsignal 120b auswerten, d. h. nicht nur das Sensorsignal zu dem Ausgangstor 190 leiten. Anders ausgedrückt, falls das Sensorelement 120 ein Magnetfeldsensor ist, liefert die Auswertungsschaltung kein Ausgangssignal 130b, das das gemessene Magnetfeld darstellt, oder falls das Sensorelement 120 ein Temperatursensor ist, gibt die Auswertungsschaltung kein Signal 130b aus, das die gemessene Temperatur darstellt. Ausführungsbeispiele der Auswertungsschaltung werten das Sensorsignal 120b aus und liefern beispielsweise in einem rudimentären Fall nur ein binäres Signal, das anzeigt, ob eine normale Betriebsbedingung vorliegt oder nicht, z. B. ein binäres Signal mit einem ersten Wert (z. B. WAHR), der eine normale Betriebsbedingung anzeigt, und mit einem zweiten Wert (z. B. FALSCH), der eine anormale Betriebsbedingung anzeigt. Weitere Ausführungsbeispiele können nicht nur zwischen einer normalen Betriebsbedingung und einer anormalen Betriebsbedingung unterscheiden, sondern können auch unterschiedliche Grade von „anormalen” Bedingungen anzeigen durch Unterscheiden zwischen drei oder mehr Werten, wobei z. B. nur einer dieser Werte eine normale Betriebsbedingung anzeigt und die anderen Werte unterschiedliche Grade von anormalen Betriebsbedingungen anzeigen. Solche Ausführungsbeispiele der Auswertungsschaltung sind angepasst, um einzelne Werte oder einzelne anormale Betriebsbedingungswerte auszugeben. Die Anzahl unterschiedlicher einzelner Werte ist typischerweise gering, beispielsweise geringer als ein Dutzend. Die Anzahl diskreter Werte des Signals 130b kann beispielsweise der Redundanz der Sensorelemente entsprechen. Im Fall von drei Sensoren wird beispielsweise ein Primärsensorsignal erzeugt, und zwei andere Bedingungen verbleiben, die verwendet werden können, um unterschiedliche Verletzungen von normalen Betriebsbedingungen anzuzeigen, wobei in diesem Fall vier unterschiedliche Signale oder Warnungen gegeben werden können: eine erste Verletzungsart, eine zweite Verletzungsart, beide Bedingungen für eine normale Betriebsbedingung (NOC; NOC = normal operating condition) sind nicht erfüllt, oder normale Betriebsbedingungen sind erfüllt.
• Nachfolgend wird ein Verfahren oder Algorithmus beschrieben, der durch ein Ausführungsbeispiel der Auswertungsschaltung verwendet wird, um zu bestimmen, ob eine normale Betriebsbedingung (NOC) vorliegt („NOC = wahr”) oder nicht („NOC = falsch”, d. h. eine anormale Betriebsbedingung liegt vor).
• Das Signal 110b wird durch die Signalverarbeitungsschaltung auf zuverlässigste Weise berechnet, typischerweise verwendet dieselbe alle oder die meisten Sensorelemente für diese Berechnung. Die Auswertungsschaltung prüft, ob das Signal 110b innerhalb der erforderlichen Grenzen oder eines vorbestimmten Bereichs von Messwerten liegt. Falls das System beispielsweise ein Stromsensor ist und der Strom zu hoch ist, dann ist 110b zu hoch. Dann ist dies bereits genug, um über das Signal 130b „NOC = falsch” auszugeben.
• Falls das Messsignal innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, wertet die Auswertungsschaltung eines oder alle Sensorsignale 120b, 110a usw. aus, beispielsweise auf eine iterative Weise.
• Die Auswertungsschaltung beginnt mit dem Auswerten des Sensorsignals des ersten Sensors einer Mehrzahl von Sensoren, die an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, durch Prüfen, ob das Signal des ersten Sensorelements innerhalb eines schmalen Bereichs liegt, der bei einem Wert zentriert ist, der durch die physikalische Größe verursacht wird, der dem Wert des Signals 110b entspricht Im Fall eines Stromsensors kennt das System beispielsweise den Wert des Signals des ersten Sensorelements, falls ein Strom eines bestimmten Betrags, angezeigt durch das Signal 110b, durch den Leiter fließt. Falls das Signal des ersten Sensorelements außerhalb dieses vorbestimmten Bereichs liegt, ist der Ausgang 130b der Auswertungsschaltung eingestellt auf „NOC = falsch”, um eine anormale Betriebsbedingung anzuzeigen. Der vorbestimmte schmale Bereich kann ein fester Wert sein oder häufiger ein Prozentsatz eines festen Werts, wo der Prozentsatz von dem Signal 110b abhängt. Dennoch muss man häufig die Größe des Messwerts berücksichtigen (bei niedrigen Strömen muss der prozentuale Bereich weniger schmal sein aufgrund von Ungenauigkeiten des Systems wie Rauschen und unvermeidbaren kleinen Hintergrundfeldern).
• Danach wiederholt die Auswertungsschaltung die vorher erwähnten Schritte für das Sensorsignal des zweiten Sensorelements, danach das dritte usw. Somit wertet die Auswertungsschaltung alle Sensorsignale der Mehrzahl von Sensorelementen aus. Sobald ein Sensorsignal das Normalbetriebskriterium nicht erfüllt, d. h. nicht übereinstimmend ist, kann die Auswertungsschaltung die Iteration anhalten und das Anormale-Betriebsbedingung-Signal ausgeben oder damit fortfahren, zu prüfen, ob weitere Sensorsignale ebenfalls nicht übereinstimmend sind.
• Nachfolgend wird ein Beispiel für einen Stromsensor gemäß 5A bis 5D an beispielhaften Werten erläutert. Es wird angenommen, dass die Schlitze des Leiters auf solche Weise geformt sind und die Dicken und vertikalen Abstände derart sind, dass ein Strom von 1 A 100 μT ergibt bei dem Sensor P, –80 μT bei dem Sensor N und N' (wobei N' an der spiegelsymmetrischen Stelle platziert ist über der linken Hälfte des Leiters, nicht gezeigt in 5D), und –90 μT an dem Sensor A. Falls man das Magnetfeld bei P mit BP bezeichnet, bei N mit BN, bei N' mit BN' und bei A mit BA, wird das Signal 110b berechnet durch I = (3·BP – BN – BN' – BA)/(550 μT/A), wobei I den geschätzten Wert des Stroms bezeichnet, d. h. das Messergebnis 110b. Es wird ferner angenommen, dass der Sensor einen maximalen Spitzenstrom von 100 A aufweist: höhere Ströme können nicht gemessen werden, da die Verstärker in der Schaltung oder die Sensorelemente gesättigt wären. Die Auswertungsschaltung AS vergleicht zunächst, ob I zwischen –100 A und +100 A liegt: falls nicht, existiert eine anormale Betriebsbedingung und „NOC = falsch” wird über ein Signal 130b und Tor 190 ausgegeben; falls ja, existiert eine normale Betriebsbedingung und „NOC = wahr” kann über ein Signal 130b und Tor 190 ausgegeben werden. Als Nächstes vergleicht die Auswertungsschaltung BP mit 1·100 μT/A, da das Feld an der Stelle P 100 μT pro Amp sein sollte. Falls die Differenz zu groß ist: „NOC = falsch” wird über ein Signal 130b und Tor 190 ausgegeben. Als Nächstes vergleicht die Auswertungsschaltung AS BN mit I·(–80) μT/A, da das Feld an der Stelle N –80 μT pro Amp sein sollte. Falls die Differenz zu groß ist „NOC = falsch” wird über ein Signal 130b und Tor 190 ausgegeben. Als Nächstes vergleicht die Auswertungsschaltung AS BN' mit I·(–80) μT/A, da das Feld an der Stelle N' –80 μT pro Amp sein sollte. Falls die Differenz zu groß ist: „NOC = falsch” wird über ein Signal 130b und Tor 190 ausgegeben. Als Nächstes vergleicht die Auswertungsschaltung AS BA mit I·(–90) μT/A, da das Feld an der Stelle A –90 μT pro Amp sein sollte. Falls die Differenz zu groß ist „NOC = falsch” wird über ein Signal 130b und Tor 190 ausgegeben. An diesem Punkt hat die Auswertungsschaltung AS alle einzelnen Sensorsignale verglichen, ob dieselben mit dem geschätzten Wert I oder Messsignal übereinstimmen. Im Fall einer Übereinstimmung gibt die Auswertungsschaltung „NOC = wahr” über das Tor 190 aus, im entgegengesetzten Fall gibt die Auswertungsschaltung „NOC = falsch” über das Signal 130b und das Tor 190 aus.
• Es ist möglich, das Prüfen von einem dieser Sensoren einzeln zu überspringen, da seine Information bereits in der Schätzung von I enthalten ist, was am Beginn durch die Auswertungsschaltung geprüft wird.
• Daher schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Sensorschaltung 100, 200, 300, 400, 500, die folgende Merkmale aufweist: eine Signalverarbeitungseinheit 110, die angepasst ist, um zumindest ein Sensorsignal 120b einer Mehrzahl von Sensorsignalen zu verarbeiten, die durch zumindest ein Sensorelement 120 erzeugt werden, um ein Messsignal 120b zu erhalten; und eine Auswertungsschaltung 130, die angepasst ist, um das zumindest eine Sensorsignal 120b der Mehrzahl von Sensorsignalen auszuwerten, um ein Signal abzuleiten, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das zumindest eine Sensorsignal ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium nicht erfüllt, und wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium eine vorbestimmte Beziehung zwischen einem Wert des zumindest einen Sensorsignals und einem Wert des zumindest einen anderen Sensorsignals der Mehrzahl von Sensorsignalen (bedingt durch eine vorbestimmte zeitliche oder räumliche Beziehung des zumindest einen Sensorsignals und des zumindest einen anderen Sensorsignals) während eines normalen Betriebs definiert, oder die Beziehung zwischen einem Wert des zumindest einen Sensorsignals und einem Wert eines Messsignals während eines normalen Betriebs (ebenfalls bedingt durch eine vorbestimmte zeitliche oder räumliche Beziehung des zumindest einen Sensorsignals und des zumindest einen anderen Sensorsignals, da beide verwendet wurden, um das Messsignal zu bestimmen).
• Es sollte ferner angemerkt werden, dass Ausführungsbeispiele der Auswertungsschaltung angepasst werden können, um die Auswertung während eines Testmodus und während eines Normalbetriebsmodus durchzuführen. Die Vorrichtung oder Sensorschaltung kann beispielsweise in einen Testmodus geschaltet werden, um z. B. die Funktionalität der einzelnen Sensorelemente, der Signalverarbeitungseinheit und/oder der Auswertungsschaltung zu testen. Während dieses Testmodus kann die Schaltung auch kalibriert werden durch Anlegen eines definierten Stroms und Abtasten der Lesungen aller einzelnen Sensorelemente. Aufgrund der Herstellungstoleranzen kann es sein, dass z. B. die Lesungen der Sensoren N und ihre spiegelsymmetrischen Gegenstücke N' in 5D nicht identisch sind. Die abgetasteten Werte können in einem Speicher gespeichert werden, der Teil des Systems ist, und später während des Betriebs im Feld kann die Auswertungsschaltung diese gespeicherten Referenzwerte verwenden, um zu beurteilen, ob „NOC = falsch” oder „NOC = wahr”. Nach dem Testen kann die Vorrichtung oder Sensorschaltung zu dem Betriebsmodus geschaltet werden, wo die Vorrichtung oder Sensorschaltung ihren normalen oder primären Betrieb durchführt, d. h. die Verarbeitung der Eingangs- und Sensorsignale, um das Ausgangssignal oder Messsignal zu erhalten, während gleichzeitig die Auswertungsschaltung die normalen Betriebsbedingungen überwacht und eine anormale Betriebsbedingung signalisiert, falls die Auswertung des Sensorsignals ergibt, dass es die normalen Betriebsbedingungen nicht erfüllt. Die Signalverarbeitungsschaltung und die Auswertungsschaltung können als getrennte Schaltungen implementiert sein oder als eine Schaltung, die beide Aufgaben durchführt.
• Sobald die Manipulation durch die Auswertungsschaltung 130 erfasst wird, ist die Auswertungsschaltung angepasst, um zu kommunizieren, dass eine anormale Umgebungs- oder Betriebsbedingung erfasst wurde.
• Es gibt mehrere verfügbare Strategien für die Auswertungsschaltung. Das Ereignis kann in einem eingebauten Speicher gespeichert sein, z. B. EEPROM (EEPROM = electronically erasable programmable read only memory = elektronisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher), und später kommuniziert werden, oder wird sofort durch einen zweckgebundenen Anschlussstift des Sensors kommuniziert, oder in das Ausgangssignal codiert, z. B. durch Pulscodemodulation (PCM; PCM = pulse code modulation) oder Pulsbreitenmodulation (PWM; PWM = pulse width modulation) oder digitale Protokolle wie SPI oder als einfache analoge Ausgangsspannung. Im Fall eines codierten Ausgangssignals sollte es auch bei Abwesenheit einer Manipulation oder anormalen Betriebsbedingungen Informationen über den Manipulationszustand geben, so dass, falls diese Informationen fehlen, die Steuerung dies als „Manipulation erfasst” interpretiert. Somit ist eine störungssichere Kommunikation bereitgestellt.
• In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, die erfasste Manipulation zurück in das System zu führen, um sofort auf dieselbe zu reagieren: z. B. kann es bei Kreditkarten wünschenswert sein, die Kreditkarte sofort zu deaktivieren oder zu sperren, falls eine Manipulation erfasst wird. Bei Abrechnungssystemen für Energiemessgeräte kann es wünschenswert sein, maximalen Strom auszugeben, falls Manipulation erfasst wird.
• Teile der Erfindung können auch für andere Arten von Sensoren verwendet werden, wie z. B. Drucksensoren. Sie können sogar auch für andere Arten integrierter elektronischer Schaltungen verwendet werden, die anderen Zwecken dienen als der Erfassung physikalischer Größen: z. B. Kreditkarten oder Kommunikationsschaltungen.
• Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen der erfindungsgemäßen Verfahren können die erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann durchgeführt werden unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, insbesondere einer Disk, CD, DVD oder Blue-ray-Disk mit einem elektronischen lesbaren Steuersignal, das auf derselben gespeichert ist, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeitet, so dass ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird. Allgemein ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung daher ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, wobei der Programmcode wirksam ist zum Durchführen der erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Anders ausgedrückt, Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren sind daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen zumindest eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn ein Computerprogramm auf einem Computer lauft.
• Das Vorhergehende wurde besonders gezeigt und beschrieben mit Bezugnahme auf die bestimmten Ausführungsbeispiele desselben, für Fachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass verschiedene andere Änderungen bei der Form und Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich abzuweichen. Es ist daher klar, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können beim Anpassen an unterschiedliche Ausführungsbeispiele, ohne von dem hierin offenbarten breiteren Konzept abzuweichen, wie es durch die folgenden Ansprüche beschrieben wird.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Erfassen einer vorbestimmten physikalischen Größe von einer Quelle (410) der vorbestimmten physikalischen Größe, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: ein erstes Sensorelement (120) und ein zweites Sensorelement (220), die an einer ersten bzw. einer zweiten Position bzgl. der Quelle angeordnet sind, und die angepasst sind, um von der Quelle die vorbestimmte physikalische Größe zu erfassen, und um ansprechend auf die vorbestimmte physikalische Größe ein erstes Sensorsignal (120b) bzw. ein zweites Sensorsignal (110a) zu erzeugen; eine Signalverarbeitungsschaltung (110), die angepasst ist, um das erste Sensorsignal (120b) und das zweite Sensorsignal (110a) gemäß einem ersten Algorithmus zu verarbeiten, um ein Ausgangssignal (110b) zu erhalten; und eine Auswertungsschaltung (130), die angepasst ist, um das erste Sensorsignal (120b) und das zweite Sensorsignal (110a) gemäß einem zweiten Algorithmus zu verarbeiten, um zu bestimmen, ob ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium erfüllt ist, und um ein Anzeigesignal zu erhalten, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das vorbestimmte Normalbetriebskriterium nicht erfüllt ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, mit einem Ausgangstor, das angepasst ist, um das Anzeigesignal auszugeben.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das Ausgangstor angepasst ist, um ferner das Ausgangssignal (110b) auszugeben, oder bei der ein weiteres Ausgangstor vorgesehen ist, das angepasst ist, um das Ausgangssignal (110b) auszugeben.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Gehäuse, wobei die Sensorelemente (120, 220), die Signalverarbeitungseinheit und die Auswertungsschaltung (130) durch ein Einkapselungsmaterial in dem Gehäuse eingekapselt sind.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der erste Algorithmus ein Differenzmessalgorithmus ist, der ein Subtrahieren des ersten Sensorsignals oder eines Mehrfachen davon von dem zweiten Sensorsignal oder einem Mehrfachen davon oder umgekehrt aufweist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der der zweite Algorithmus ein Addieren des ersten Sensorsignals oder eines Mehrfachen davon und des zweiten Sensorsignals oder eines Mehrfachen davon aufweist, um einen Summenwert zu erhalten, wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen statischen Maximalwert definiert, und wobei die Auswertungsschaltung (130) angepasst ist, um das Anzeigesignal zu erzeugen, falls der Summenwert oder ein davon abgeleiteter Wert größer ist als der statische Maximalwert, oder wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen statischen Maximalbetrag definiert, und wobei die Auswertungsschaltung (130) angepasst ist, um das Anzeigesignal zu erzeugen; falls ein Betrag des Summenwerts oder eines davon abgeleiteten Werts größer ist als der statische Maximalbetrag, oder wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen dynamischen Maximalwert definiert basierend auf zumindest entweder dem ersten Sensorsignal oder dem Ausgangssignal, und wobei die Auswertungsschaltung (130) angepasst ist, um das Anzeigesignal zu erzeugen, falls der Summenwert oder ein davon abgeleiteter Wert größer ist als der dynamische Maximalwert, oder wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium einen dynamischen Maximalbetrag definiert basierend auf zumindest entweder dem ersten Sensorsignal oder dem Ausgangssignal, und wobei die Auswertungsschaltung (130) angepasst ist, um das Anzeigesignal zu erzeugen, falls ein Betrag des Summenwerts oder ein davon abgeleiteter Wert größer ist als der dynamische Maximalbetrag.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der der zweite Algorithmus das Bestimmen eines Verhältnisses des ersten Sensorsignals zu dem zweiten Sensorsignal oder umgekehrt aufweist, wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium ein Maximalverhältnis definiert, und wobei die Auswertungsschaltung (130) angepasst ist, um das Anzeigesignal zu erzeugen, falls das Verhältnis, ein Betrag des Verhältnisses oder ein anderer von dem Verhältnis abgeleiteter Wert größer ist als das Maximalverhältnis.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die vorbestimmte physikalische Größe ein Magnetfeld umfasst.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, mit einem Primärleiter, der das Magnetfeld durch einen zu messenden Strom erzeugt, der durch den Primärleiter fließt, wobei das erste und zweite Sensorelement ein erstes Magnetfeldsensorelement und ein zweites Magnetfeldsensorelement umfassen, die gegenüberliegend zueinander mit dem Primärleiter dazwischen angeordnet sind.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zumindest das erste Sensorelement (120) und das zweite Sensorelement (220) in ein gemeinsamen Halbleiterstück integriert sind.
11. Stromsensorschaltung, die folgende Merkmale aufweist: eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10; wobei das vorbestimmte Normalbetriebskriterium abgeleitet ist von einer vorbestimmten zeitlichen oder räumlichen Beziehung zwischen einem Wert des ersten Sensorsignals von dem ersten Sensorelement und einem Wert des zweiten Sensorsignals von dem zweiten Sensorelement während einer Normalbetriebsbedingung.
12. Stromsensorschaltung gemäß Anspruch 11, bei der die Vorrichtung ferner ein drittes Sensorelement aufweist, das angepasst ist, um ein drittes Sensorsignal zu erzeugen, wobei das erste, zweite und dritte Sensorelement nicht auf einer geraden Linie angeordnet sind, und wobei die Signalverarbeitungsschaltung (110) angepasst ist, um das erste, zweite und dritte Sensorsignal zu verarbeiten, um das Messsignal gemäß einem Differenzmessprinzip zu erhalten.
13. Verfahren zum Erfassen einer vorbestimmten physikalischen Größe von einer Quelle (410) der vorbestimmten physikalischen Größe, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen der vorbestimmten physikalischen Größe (140) von der Quelle durch ein erstes und ein zweites Sensorelement, die bzgl. der Quelle an einer ersten bzw. zweiten Position angeordnet sind, um ein erstes Sensorsignal (120b) bzw. ein zweites Sensorsignal (110a) zu erzeugen; Verarbeiten des ersten Sensorsignals (120b) und des zweiten Sensorsignals (110a) gemäß einem ersten Algorithmus, um ein Ausgangssignal (110b) zu erhalten; Verarbeiten des ersten Sensorsignals (120b) und des zweiten Sensorsignals (110a) gemäß einem zweiten Algorithmus, um zu bestimmen, ob ein vorbestimmtes Normalbetriebskriterium erfüllt ist; und Erhalten eines Anzeigesignal, das eine anormale Betriebsbedingung anzeigt, falls das vorbestimmte Normalbetriebskriterium nicht erfüllt ist.

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