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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Differenzsensoren und insbesondere den Ausgleich von Spannungen bzw. Stress in Differenzsensoren.
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HINTERGRUND
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Differenzsensoren umfassen typischerweise zumindest zwei Sensorelemente, die an zwei verschiedenen Stellen auf einem Substrat oder in einem Gehäuse angeordnet sind. Signale von diesen zumindest zwei Sensorelementen werden voneinander subtrahiert, um ein Differenzsignal bzw. die Differenz der an den Sensoren jeweils abgefühlten Signale zu erhalten. Zu den Beispielen für Differenzsensoren gehören unter anderem magnetische Stromdifferenzsensoren, Raddrehzahldifferenzsensoren und Temperaturdifferenzsensoren.
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Die Ausgangssignale von Differenzsensoren hängen hauptsächlich von der physikalischen Größe ab, die gemessen wird. Ein Hall-Differenzsensor reagiert beispielswiese auf Magnetfelder, während ein Differenzdrucksensor auf Druck reagiert, etc. Die Veränderung des Ausgangssignals im Vergleich zu einer kleinen Änderung der eingegebenen physikalischen Größe wird als Sensorempfindlichkeit bezeichnet (z.B. magnetische Empfindlichkeit, Druckempfindlichkeit etc.). Diese Empfindlichkeit hängt auch von mechanischen Spannungen ab, die auf die Sensorelemente einwirken. Diese Spannungen stehen oft mit der Sensorgehäuseanordnung zusammen, in der verschiedene Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammengefügt werden. Diese Spannungen können verschiedene Sensorelemente unterschiedlich beeinflussen, was ungenaue und fehlerhafte Sensorausgabesignale verursachen kann.
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Herkömmliche Ansätze umfassen die Verwendung spezieller Gehäuse, die geringe Spannungen aufweisen, mit Chipbefestigungs- (engl. die attach) und Formverbindungen sowie Keramik- anstelle von Kunststoffgehäusen oder den Versuch, die Spannung in jedem Sensorelement einzeln auszugleichen. Diese Ansätze sind jedoch untauglich, kompliziert und kostspielig, da sie zu höheren Sensorkosten führen.
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Die
DE 10 2004 003 853 B4 bezieht auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation von Piezo-Einflüssen auf eine integrierte Schaltungsanordnung. Die
DE 10 2011 017 698 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung, Sensorschaltung und ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung oder einer Sensorschaltung, während die
US 2009/0108839 A2 eine integrierte Schaltung mit einem Stress erfassenden Element beschreibt. Die
US 7,302,357 B2 beschreibt schließlich ein Konzept zum Kompensieren von Piezo-Einflüssen auf eine integrierte Halbleiterschaltung. Bei diesem wird jeweils ein separates Sensorelement zur Erfassung des mechanischen Stresses herangezogen.
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Aus diesem Grund besteht Bedarf für einen verbesserten Spannungsausgleich in Differenzsensoren. Deshalb besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Verbesserung des Spannungsausgleichs in Differenzsensoren. Dieses Ziel wird durch einen Differenzsensor nach Anspruch 1, ein Spannungsausgleichsverfahren für einen Differenzsensor nach Anspruch 12, eine Sensoranordnung nach Anspruch 18 oder einen Differenzsensor nach Anspruch 19 erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Ausführungsformen betreffen den Spannungsausgleich in Differenzsensoren. In einer Ausführungsform umfasst ein Differenzsensorsystem Folgendes: zumindest zwei Sensorelemente, die konfiguriert sind, um eine erste Eigenschaft abzufühlen; eine Ausgleichsschaltung, die mit den zumindest zwei Sensorelementen verbunden ist, um die zumindest zwei Sensorelemente zu nutzen, um eine zweite mechanische Spannungseigenschaft abzufühlen, die die zumindest zwei Sensorelemente beeinflusst, und die konfiguriert ist, einen Ausgleichsfaktor zu bestimmen, der eine Funktion einer Differenz zwischen den mechanischen Spannungen der zumindest zwei Sensorelemente ist; sowie einen Sensorsystemausgang, der konfiguriert ist, ein Ausgangssignal bereitzustellen, bei dem es sich um die Differenz zwischen den Ausgängen der zumindest zwei Sensorelemente handelt und das durch den Ausgleichsfaktor angepasst wurde.
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In einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform kann der Ausgleichsfaktor eine Nichtübereinstimmung der Empfindlichkeit der zumindest zwei Sensorelemente aufgrund von mechanischer Spannung, die auf die zumindest zwei Sensorelemente einwirkt, im Wesentlichen eliminieren.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Differenz zwischen den mechanischen Spannungen, die auf die zumindest zwei Sensorelemente wirken, in einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform anhand der Differenz zwischen den Versorgungsspannungswerten der zumindest zwei Spannungssensoren eingeschätzt werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Differenz zwischen den mechanischen Spannungen, die auf die zumindest zwei Sensorelemente wirken, in einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform anhand einer Differenz zwischen den Versorgungsstromwerten der zumindest zwei Spannungssensoren eingeschätzt werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform eine erste Eigenschaft aus der aus Magnetfeld, Stromstärke, Druck und Temperatur bestehenden Gruppe ausgewählt werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform ferner einen Chip umfassen, wobei die zumindest zwei Sensorelemente auf dem Chip beabstandet abgeordnet sind.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform ferner einen ersten und einen zweiten Chip umfassen, wobei ein erstes der zumindest zwei Sensorelemente auf dem ersten Chip angeordnet ist und ein zweites der zumindest zwei Sensorelemente auf dem zweiten Chip angeordnet ist.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform die Ausgleichsschaltung einen Analog-Digital-(A/D-)Wandler umfassen.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform die Ausgleichsschaltung zumindest einen Temperatursensor umfassen.
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Gegebenenfalls kann in einem solchen Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform ein erster Temperatursensor einem ersten der zumindest zwei Sensorelemente zugeordnet sein und ein zweiter Temperatursensor einem zweiten der zumindest zwei Sensorelemente zugeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einem Differenzsensorsystem gemäß einer Ausführungsform die Ausgleichsschaltung zumindest einen Temperatursensor umfassen, wobei der Ausgleichsfaktor zum Teil auf einem Ausgangssignal des zumindest einen Temperatursensors beruhen kann.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Spannungsausgleichsverfahren für einen Differenzsensor Folgendes: das Bestimmen eines Ausgleichsfaktors, der eine Funktion einer Spannungsdifferenz zwischen zumindest zwei Sensorelementen des Differenzsensors ist, wobei die zumindest zwei Sensorelemente genutzt werden, um die Spannungsdifferenz zu detektieren; und das Ausgleichen einer nicht übereinstimmenden Spannungsempfindlichkeit zwischen den zumindest zwei Sensorelementen durch die Anpassung einer Differenz zwischen den Ausgangssignalen der zumindest zwei Sensorelemente durch den Ausgleichsfaktor.
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Gegebenenfalls kann es sich in einem Verfahren gemäß einer Ausführung bei der Spannung um mechanische Spannung handeln und bei der nicht übereinstimmenden Spannungsempfindlichkeit um eine nicht übereinstimmende mechanische Spannungsempfindlichkeit.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Spannungsdifferenz zwischen den zumindest zwei Sensoren in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform anhand einer Differenz zwischen den Versorgungsspannungswerten der zumindest zwei Sensorelemente eingeschätzt werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Differenzsensor aus der aus folgenden bestehenden oder folgende umfassenden Gruppe ausgewählt sein: einem Magnetfeldsensor, einem Hall-Sensor, einem Stromsensor, einem Drucksensor und einem Temperatursensor. Dasselbe gilt auch für ein oder mehrere Sensorelemente, die Teil eines solchen Differenzsensors sind. Anders ausgedrückt können die Differenzsensorelemente aus einer aus folgenden bestehenden oder folgende umfassenden Gruppe ausgewählt sein: einem Magnetfeldsensorelement, einem Hall-Sensorelement, einem Stromsensorelement, einem Drucksensorelement und einem Temperatursensorelement.
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Zusätzlich oder alternative dazu kann in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform die Bestimmung eines Ausgleichsfaktors ferner zumindest die Verwendung zumindest eines Temperatursensors umfassen.
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Gegebenenfalls kann die Verwendung zumindest eines Temperatursensors in einem solchen Verfahren gemäß einer Ausführungsform ferner die Verwendung eines ersten Temperatursensors mit einem ersten der zumindest zwei Sensorelemente und die Verwendung eines zweiten Temperatursensors mit einem zweiten der zumindest zwei Sensorelemente umfassen.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Sensoranordnung Folgendes: einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor, die jeweils eine erste Eigenschaft abfühlen; eine mit dem ersten und dem zweiten Sensor verbundene Schaltung, die konfiguriert ist, einen ersten Wert eines Betriebsparameters, der dem ersten Sensor entspricht, und einen zweiten Wert dieses Betriebsparameters zu bestimmen, der dem zweiten Sensor entspricht; sowie eine Ausgleichsschaltung, die mit dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und der Schaltung verbunden ist und konfiguriert ist, ein kombiniertes Signal der abgefühlten ersten Eigenschaft von dem ersten und zweiten Sensor in Bezug auf eine mit mechanischer Spannung zusammenhängende Einflussgröße auszugleichen, wobei die Ausgleichsschaltung konfiguriert ist, auf Grundlage des ersten Werts und des zweiten Werts des Betriebsparameters einen Spannungsausgleich zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Differenzsensor Folgendes: einen ersten Sensor, der konfiguriert ist, ein erstes Signal bereitzustellen, das eine erste Eigenschaft an einer ersten Stelle eines Substrats anzeigt; einen zweiten Sensor, der konfiguriert ist, ein zweites Signal bereitzustellen, das die erste Eigenschaft an einer zweiten Stelle des Substrats anzeigt; eine Schaltung, die konfiguriert ist, eine Kombination des ersten und des zweiten Signals bereitzustellen, und die zumindest ein Element aufweist, das konfiguriert ist, die Gewichtung zumindest eines des ersten und des zweiten Signals in der Kombination des ersten und des zweiten Signals zu verändern; sowie eine Ausgleichsschaltung, die konfiguriert ist, eine mechanische Spannung auszugleichen, indem sie die Gewichtung zumindest eines des ersten und des zweiten Signals in der Kombination des ersten und des zweiten Signals beeinflusst.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein umfassenderes Verständnis der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen möglich, wobei:
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1 ein Blockschaltkreisflussdiagramm eines Differenzspannungssensor- und -ausgleichssystems gemäß einer Ausführungsform ist.
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2 ein Blockschaltkreisflussdiagramm eines Differenzspannungssensor- und -ausgleichssystems gemäß einer Ausführungsform ist.
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Es sind verschiedene Modifikationen und Alternativformen der Erfindung möglich; Einzelheiten davon sind als Beispiele in den Zeichnungen dargestellt und nachstehend detailliert beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen eingeschränkt werden soll. Im Gegenteil soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die unter den in den beigefügten Ansprüchen definierten Gedanken und Schutzumfang der Erfindung fallen, abdecken.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Ausführungsformen betreffen Spannungsausgleich in Differenzsensoren. In einer Ausführungsform besteht das Ziel einer Spannungsausgleichsschaltung darin, eine Nichtübereinstimmung aufgrund von Spannungen zwischen zwei Sensorelementen zu eliminieren, anstatt die auf jedes Sensorelement wirkende Spannung einzeln auszugleichen, wobei die Sensorelemente selbst genutzt werden, um die Nichtübereinstimmung zu detektieren. In den Ausführungsformen kann eine Schaltung umgesetzt werden, um eine durch mechanische Spannung verursachte Nichtübereinstimmung zwischen Sensorelementen unter Nutzung der Sensorelemente zu detektieren und das Ausgangssignal durch einen Ausgleichsfaktor anzupassen oder zu verändern, um die Nichtübereinstimmung zu eliminieren. Aus diesem Grund sind die Ausführungsformen weniger kompliziert und weniger kostspielig als herkömmliche Ansätze, wie z.B. herkömmliche Ansätze, bei denen zusätzlich zu den Sensorelementen eigene Elemente verwendet werden, um die mechanische Spannung abzufühlen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können mechanischen Spannungsausgleich ohne solche zusätzliche Sensorelemente zum Abfühlen der mechanischen Spannung bereitstellen. Während die Ausführungsformen quasi für alle Differenzsensoren, einschließlich Magnetfeld-, Druck-, Temperatur-, Strom- und Geschwindigkeitssensoren, angewandt werden können, betrifft eine als Beispiel hierin erläuterte Ausführungsform Magnetfeldsensoren.
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1 zeigt ein Flussdiagramm einer Schaltung 100, die zwei Hall-Effekt-Sensorelemente H1 und H2 und eine Differenzspannungsausgleichsschaltung 102 umfasst. Die Schaltung 100 umfasst in einer Ausführungsform auch einen Stromspiegel 104, der einen Strom verdoppelt und in die Sensorelemente H1 und H2 einspeist.
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In einer Ausführungsform sind die Sensorelemente H1 und H2 an zwei verschiedenen Stellen voneinander beabstandet angeordnet, wie es für Differenzspannungssensoren typisch ist. In manchen Ausführungsformen können die Sensorelemente H1 und H2 auf demselben Chip oder auf verschiedenen Chips, in demselben Gehäuse oder in verschiedenen Gehäusen vorliegen. Die Pfeile bei den Sensorelementen H1 und H2 veranschaulichen, dass die Hall-Platten typischerweise, aber nicht notwendigerweise, im Spinning-Current-Modus (“Verfahren drehender Ströme”) betrieben werden, um ihre Abweichung (“Offset”) zu eliminieren.
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Bei Betrieb im Spinning-Current-Modus können in manchen Ausführungsformen die Sensorelemente H1 und H2 in synchronen Spinning-Current-Takten betrieben werden. Das Sensorelement H1 kann beispielsweise in einem ersten Taktzyklus eine erste Stromflussrichtung und in einem zweiten Taktzyklus eine zweite Stromflussrichtung aufweisen; das Sensorelement H2 kann dann in einem ersten Taktzyklus ebenfalls eine erste Stromflussrichtung und in einem zweiten Taktzyklus eine zweite Stromflussrichtung aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann dies jedoch umgekehrt werden, so dass das Sensorelement H2 in einem ersten Taktzyklus eine zweite Stromflussrichtung und in einem zweiten Taktzyklus eine erste Stromflussrichtung aufweist. Außerdem können die Stromflussrichtungen in den Sensorelementen H1 und H2 unterschiedlich sein, so dass der Strom in dem Sensorelement H1 in den vier Taktphasen eines Spinning-Current-Schemas in einem Winkel von 0, 90, 180 bzw. 270 Grad zu der Bezugsrichtung fließen kann, während der Strom in dem Sensorelement H2 in einem Winkel von 45, 135, 225 bzw. 315 Grad fließen kann. Zusätzlich dazu kann der Strom in dem Sensorelement H1 im Uhrzeigersinn und in dem Sensorelement H2 gegen den Uhrzeigersinn rotiert werden, aber auch zufällig in einer pseudozufälligen Sequenz zwischen verschiedenen Richtungen springen.
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Die Sensorelemente H1 und H2 werden mit demselben Strom IH versorgt, was zu zwei verschiedenen Versorgungsspannungen führt – UH1 für das Sensorelement H1 und UH2 für das Sensorelement H2: UH1 = IH·Ri1, worin Ri1 = Ri0(T)·(1 + pi(T)·sigma1) UH2 = IH·Ri2, worin Ri2 = Ri0(T)·(1 + pi(T)·sigma2) worin Ri0(T) eine Funktion der Temperatur ist, pi(T) ein temperaturabhängiger piezoresistiver Koeffizient ist und sigma1 und sigma2 die auf das Sensorelement H1 bzw. H2 wirkenden mechanischen Spannungen sind. In einer Ausführungsform gilt sigma = sigXX + sigYY, worin sigXX und sigYY die in der Ebene (d.h. parallel zu der Chipoberfläche wirkenden) Normalspannungskomponenten sind. Die Spannungskomponenten sigma1 und sigma2 können jedoch beliebige Funktionen von Spannungskomponenten sein und sind nicht auf die Summe von in der Ebene wirkenden Normalspannungskomponenten beschränkt. Im Allgemeinen hängen jedoch der Widerstand und die Empfindlichkeit der Sensorelemente H1 und H2 von derselben Spannungskomponentenfunktion ab. In manchen Ausführungsformen umfasst die Schaltung 102 einen expliziten oder impliziten Temperatursensor für pi(T) und P(T), wie nachstehend erläutert wird.
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Jedes Sensorelement H1 und H2 weist ein Ausgangssignal auf: Uh1 = S1·B1 Uh2 = S2·B2 worin S1 und S2 die magnetische Empfindlichkeit von Sensorelement H1 bzw. H2 sind und B1 und B2 die Magnetfeldkomponenten sind, die im rechten Winkel zu der Chipoberfläche vorliegen. Die magnetischen Empfindlichkeitswerte S1 und S2 können wie folgt ausgedrückt werden: S1 = IH·Si0(T)·(1 + P(T)·sigma1) S2 = IH·Si0(T)·(1 + P(T)·sigma2) worin Si0(T) die stromabhängige magnetische Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur, wenn die mechanische Spannung = 0 ist, und P(T) eine temperaturabhängige Piezo-Hall-Konstante ist.
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Die Schaltung 102 misst die Differenz zwischen den Versorgungsspannungen der Sensorelemente H1 und H2, UH1 – UH2/UH1, was etwa pi·(sigma1 – sigma2) entspricht. Wird die Differenz wie hier durch UH1 dividiert, wird UH1 als Referenzwert verwendet. Wenn die Schaltung 102 stattdessen mit dem Ausgang des Verstärkers des Sensorelements H1 verbunden ist, wird UH2 als Referenzwert verwendet.
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Als nächsten Schritt berechnet die Schaltung 102 ein Verhältnis von Empfindlichkeitswerten, das als Ausgleichsfaktor S1/S2 bezeichnet wird: S1/S2 = (1 + P·sigma1)/(1 + P·sigma2) ~ 1 + P·(sigma1 – sigma2) was Folgendes ergibt: S1/S2 ~ 1 + P·(UH1 – UH2)/(UH1·pi).
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In manchen Ausführungsformen kann P einen Piezo-Hall-Faktor umfassen. Wenngleich der Ausgleichsfaktor hier als S1/S2 ausgedrückt ist, kann in anderen Ausführungsformen ein anderer Faktor oder eine andere Eigenschaft verwendet werden. Außerdem können Signalkomponenten von H1 und H2 anders kombiniert und/oder gewichtet werden. In manchen Ausführungsformen kann beispielsweise die Gewichtung von zumindest einem der Signale, die mit H1 oder H2 in Zusammenhang stehen, durch die Schaltung im Zuge der Kombination verändert werden, beispielsweise bei Kombination zur Bestimmung des Ausgleichsfaktors oder beim Ausgleich von mechanischer Spannung durch den kombinierten Signalausgleichsfaktor
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Schließlich ermittelt die Schaltung 102 das in Bezug auf Spannungen ausgeglichene Gesamtsignal: Uh1 – (S1/S2)·Uh2 = S1·B1 – (S1/S2)·S2·B2 = S1·(B1 – B2)
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Die Schaltung 100 und die Schaltung 102 können in Abhängigkeit von der gewünschten Ausführungsform unterschiedlich sein. Die Signale können beispielsweise als analoge Spannungen oder Ströme, digitale Signale, Zahlen, zeitkontinuierliche oder zeitdiskrete Signale (z.B. Umsetzung als geschalteter Kondensator) bereitgestellt werden. Außerdem können die Schaltung 100 und die Schaltung 102 verschiedene Formen umfassen, die sich von der in 1 dargestellten unterscheiden. Zusätzlich dazu kann der Versorgungsstrom des Sensorelements H2 anstelle der Multiplikationen der Ausgangsspannung des Verstärkers des Sensorelements H2 durch den Ausgleichsfaktor S1/S2 durch denselben Ausgleichsfaktor S1/S2 verändert werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, Taktphasen einzuführen und Durchschnittsproben der Signale in den verschiedenen Taktphasen zu verwenden. Wenn beispielsweise ein zeitlicher Mittelwert der Signale berechnet wird (z.B. über einen gesamten Spinning-Current-Taktzyklus hinweg) kann man die Länge einzelner Taktphasen mit S1/S2 festlegen, wodurch das Signal in dieser Phase mit S1/S2 multipliziert wird. Ein solcher zeitlicher Mittelwert kann durch einen analogen oder digitalen Tiefpassfilter 110 (siehe 2) mit passender Eckfrequenz erhalten werden, mit oder ohne Rücksetzen nach jedem Spinning-Current-Zyklus, als Ersatz eines geschalteten Kondensators oder als Abtast-Halte-Ersatzschaltung.
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Bezugnehmend auf 2 kann der Tiefpassfilter 110 einen zeitlichen Mittelwert über mehrere Taktphasen des Spinning-Current-Modus hinweg berechnen und ist fakultativ in den Ausführungsformen vorhanden. Die inneren Widerstände der Sensorelemente H1 und H2 können unterschiedliche Spannungsabhängigkeiten in unterschiedlichen Stromflussrichtungen aufweisen. Aus diesem Grund kann es in den Ausführungsformen vorteilhaft sein, den Mittelwert der Signale in allen Stromflussrichtungen zu ermitteln, so dass mittlere Spannungsabhängigkeit des inneren Widerstands der Spannungsabhängigkeit der magnetischen Empfindlichkeit ähnlich ist (d.h. dass diese von derselben Kombination von Komponenten des Spannungssensors abhängig ist). Das gilt für herkömmliche Hall-Platten, kann aber bei vertikalen Hall-Vorrichtungen anders sein. so dass der Tiefpassfilter 110 in Abhängigkeit von der Art der Hall-Vorrichtung und der Spannungsabhängigkeit ihres Widerstands und ihrer Empfindlichkeit in manchen Ausführungsformen angepasst oder auch weggelassen werden kann. Die spezielle Platzierung des Tiefpassfilters 110 in der Schaltung 100 ist nur ein Beispiel, und der Tiefpassfilter kann in Ausführungsformen gemäß den Regeln der Signaltheorie anders angeordnet werden.
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Der Ausgleichsfaktor S1/S2 des Ausgleichssystems kann während des Sensorbetriebs kontinuierlich berechnet werden oder gelegentlich (z.B. bei der Inbetriebnahme) oder intermittierend (z.B. ein Mal pro Sekunde) berechnet werden. In letzterem Fall kann ein Multiplex-A/D-Wandler 106 verwendet werden, der auch für andere Aufgaben des Signalverarbeitungsalgorithmus genutzt wird. Es ist auch möglich, den Ausgleichsfaktor zu bestimmen, nachdem der Sensor in einem Gehäuse montiert wurde, wobei der Ausgleichsfaktor dann in einen Speicher programmiert wird. Das kann für Ausführungsformen geeignet sein, wenn die Lebensdauerabweichung durch mechanische Spannung erwartungsgemäß gering ist.
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Zusätzlich dazu können die Sensorelemente H1 und H2 in manchen Ausführungsformen mit Versorgungsspannung oder Versorgungsstrom gespeist werden.
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Wenn die Sensorelemente H1 und H2 mit Strom gespeist werden, wird der Ausgleichsfaktor S1/S2 von der Versorgungsspannung jedes Sensorelements abgeleitet. In einer Ausführungsform weisen der in das Sensorelement H1 und der in das Sensorelement H2 eingespeiste Strom denselben oder im Wesentlichen denselben Wert auf. Die Versorgungsspannung von Sensorelement H1 kann abgeleitet werden, indem eine Spannungsdifferenz abgegriffen wird, die dadurch verursacht wird, dass der Versorgungsstrom durch das Sensorelement H1 fließt, und die Versorgungsspannung kann dadurch abgeleitet werden, dass eine Spannungsdifferenz abgegriffen wird, die dadurch hervorgerufen wird, dass der Versorgungsstrom durch das Sensorelement H2 fließt.
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Wenn Spannung eingespeist wird, wird der Ausgleichsfaktor S1/S2 von dem Versorgungsstrom jedes Sensorelements abgeleitet. In einer Ausführungsform weisen die dem Sensorelement H1 und die dem Sensorelement H2 zugeführte Spannung denselben oder im Wesentlichen denselben Wert auf. Der Versorgungsstrom des Sensorelements H1 kann dadurch abgeleitet werden, dass der durch das Sensorelement H1 fließende Versorgungsstrom abgefühlt wird, und der Versorgungsstrom des Sensorelements H2 kann dadurch abgeleitet werden, dass der durch das Sensorelement H2 fließende Versorgungsstrom abgefühlt wird. Es ist auch möglich, die Sensorelemente H1 und H2 zu koppeln, um ihre Ausgangsspannungen zu subtrahieren. In einer solchen Ausführungsform wird nur ein einziger Verstärker verwendet, und es kann vorteilhaft sein, den Versorgungsstrom oder die Versorgungsspannung von H2 durch S1/S2 anzupassen.
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In manchen Ausführungsformen wird ferner angenommen, dass die Empfindlichkeiten der zwei Sensorelemente H1 und H2 im Falle des Nichtvorhandenseins einer Spannung vollkommen übereinstimmen. Wenn bei einer Spannung von Null zu Beginn eine Nichtübereinstimmung vorliegt (z.B. auf Wafer-Ebene vor der Montage der Anordnung in einem Gehäuse), kann in dem Signalstrom ein konstanter Term zu "1" 108 addiert werden (z.B. durch eine bereitstellende Schaltung 108), um der Nichtübereinstimmung Rechnung zu tragen.
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In einem Beispiel für eine Ausführungsform sind die Sensorelemente H1 und H2 weit voneinander beabstandet angeordnet, z.B. in verschiedenen Gehäusen. Bei einer solchen Anordnung können die Sensorelemente H1 und H2 verschiedenen Temperaturen ausgesetzt sein, und es wäre wünschenswert, dass das System dem Rechnung trägt. In einem solchen Fall kann jedes Sensorelement H1 und H2 seinen eigenen Temperatursensor T1 bzw. T2 aufweisen. Dann gilt: UH1 = IH·Ri1(T1) worin Ri1 = Ri0(T1)·(1 + pi(T1)·sigma1) und UH2 = IH·Ri2(T2) worin Ri2 = Ri0(T2)·(1 + pi(T2)·sigma2).
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Das System berechnet (1 – UH2·Ri0(T1)/UH1/Ri0(T2)) anstelle von (1 – UH2/UH1), und das entspricht etwa pi(T)·(sigma1 – sigma2), wobei T = (T1 + T2)/2 ist. Das Verhältnis der Empfindlichkeiten entspricht: S1/S2 ~ Si0(T1)/Si0(T2)·(1 + P(T)·(sigma1 – sigma2)).
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Die Kombination dieser Ergebnisse liefert: S1/S2 ~ Si0(T1)/Si0(T2)·{1 + P(T)/pi(T)·[1 – UH2·Ri0(T1)/UH1/Ri0(T2)]}.
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In den anderen hierin erläuterten Ausführungsformen ermittelt die Schaltung 100 schließlich: Uh1 – (S1/S2)·Uh2.
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In der Berechnung von S1/S2 gibt es zwei Verhältnisse nämlich Si0(T1)/Si0(T2) und Ri0(T1)/Ri0(T2), die beide nur von der Temperatur abhängig sind, so dass diese Verhältnisse mehr oder weniger gegebenen Funktionen der Temperaturen T1 und T2 sind, die sich im Verhältnis zu der Verarbeitungsstreuung kaum ändern. Diese Funktionen können im Signalverarbeitungsteil auf verschiedene Weise ausgeführt werden, wie Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist.
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Manche Ausführungsformen sind insbesondere für Magnetfeldstromsensoren geeignet, wie z.B. Ausführungsformen mit einer an einen dünnen Sensorchip gekoppelten geschlitzten Stromschiene. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Stromschiene und des Chips bewirken inhomogene mechanische Spannungen. Die Montagetoleranzen führen im Allgemeinen dazu, dass die Verwendung der Symmetrieeigenschaften des Spannungsverlaufs ungeeignet oder unmöglich ist, und es ist im Allgemeinen auch nicht möglich, zusätzlich Spannungsabfühlvorrichtungen (z.B. Spannungswiderstände) zu verwenden, da diese anderen Spannungen ausgesetzt sind als die Hall-Platten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lösen dieses Problem durch die Verwendung der Hall-Platten selbst als Spannungssensoren. Außerdem können die Ausführungsformen auch für andere Sensortypen angewandt werden, wie oben erwähnt, wodurch das Konzept besonders vielfältig anwendbar ist.
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Die Ausführungsformen betreffen Spannungsausgleich in Differenzsensoren 100. In einer Ausführungsform besteht das Ziel einer Spannungsausgleichsschaltung, anstelle des unabhängigen Spannungsausgleichs für jedes einzelne Sensorelement, in der Eliminierung einer durch Spannungen hervorgerufenen Nichtübereinstimmung zwischen den Sensorelementen H1, H2 unter Nutzung der Sensorelemente selbst zur Detektion dieser Nichtübereinstimmung. Eine Schaltung 102 kann in den Ausführungsformen umgesetzt werden, um eine durch mechanische Spannungen hervorgerufene Nichtübereinstimmung zwischen Sensorelementen unter Verwendung der Sensorelemente selbst zu detektieren und das Ausgangssignal durch einen Ausgleichsfaktor anzupassen, um diese Nichtübereinstimmung zu eliminieren. Die Ausführungsformen sind aus diesem Grund weniger kompliziert und kostengünstiger als herkömmliche Ansätze. Wenngleich die Ausführungsformen für praktisch alle Differenzsensoren, einschließlich Magnetfeld-, Druck-, Temperatur-, Strom- und Geschwindigkeitssensoren, angewandt werden können, betrifft eine hierin als Beispiel erläuterte Ausführungsform Magnetfeldsensoren.
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Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiele angeführt und sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken. Es sollte auch klar sein, dass verschiedene Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben wurden, auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen herzustellen. Außerdem können neben den verschiedenen Materialien, Dimensionen, Formen, Konfigurationen und Anordnungen etc., die hierin zur Anwendung für die offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, andere angewandt werden, ohne über den Schutzumfang der Erfindung hinauszugehen.
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Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale aufweisen kann als in den einzelnen Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, dargestellt. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Darstellung der Möglichkeiten zur Kombination der verschiedenen Merkmale der Erfindung darstellen. Dementsprechend sind die Ausführungsformen keine einander ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; hingegen kann die Erfindung eine Kombination verschiedener Einzelmerkmale umfassen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt sind, wie Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung klar ist.
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Die Aufnahme von Dokumenten durch Verweis ist derart beschränkt, dass kein Inhalt aufgenommen wird, der der expliziten Offenbarung hierin zuwiderläuft. Die Aufnahme von Dokumenten durch Verweis ist ferner derart beschränkt, dass Ansprüche, die Teil der Dokumente sind, nicht durch Verweis hierin aufgenommen sind. Die Aufnahme von Dokumenten durch Verweis ist außerdem noch derart beschränkt, dass in den Dokumenten bereitgestellte Definitionen nicht durch Verweis hierin aufgenommen sind, wenn sie nicht ausdrücklich hierin eingeschlossen werden.
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Für die Interpretation der Ansprüche der vorliegenden Erfindung sollen die Bestimmungen von Abschnitt 112, Paragraph 6, 35 U.S.C. ausdrücklich nicht gelten, es sei denn ein Anspruch umfasst die Ausdrücke "Mittel zum" oder "Schritt zum".
