具有三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有電阻感測(cè)元件的傳感器系統(tǒng)，其中相應(yīng)地兩個(gè)電阻感測(cè)元件串聯(lián)連接在電橋結(jié)構(gòu)的傳感器路徑中。具體地，本發(fā)明涉及用于感測(cè)物理量的傳感器系統(tǒng)和方法，特別是磁場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)間相關(guān)性。
【背景技術(shù)】
[0002]磁性傳感器系統(tǒng)在各種行業(yè)中越來越重要。例如在汽車行業(yè)中，諸如停車傳感器、如在節(jié)流閥中的角度傳感器、ABS(自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng))傳感器以及輪胎壓力傳感器之類的各種傳感器系統(tǒng)能夠在用于改善舒適度和安全性的現(xiàn)代車輛中找到。磁性傳感器系統(tǒng)在汽車應(yīng)用中特別重要，是因?yàn)榇艌?chǎng)可以輕易地穿透大部分材料。并不像例如光學(xué)傳感器，磁性傳感器還對(duì)于塵土非常不敏感。
[0003]一些不同的磁傳感器技術(shù)是當(dāng)前可用的，例如磁敏晶體管(MT)、基于霍爾效應(yīng)的傳感器以及基于磁阻效應(yīng)的傳感器(例如各向異性磁阻(AMR)以及巨磁阻(GMR)傳感器)。AMR傳感器系統(tǒng)的感測(cè)原理是基于鐵磁材料的電阻依賴于AMR感測(cè)元件中磁化和電流方向之間的角度的物理現(xiàn)象。依賴洛倫茨力的霍爾傳感器和MT具有相對(duì)低的靈敏性，并且因此也具有較低的精度。
[0004]已知的ABS應(yīng)用使用AMR傳感器系統(tǒng)，以便檢測(cè)機(jī)械地連接到車輛車輪或車輛輪胎的編碼器輪的磁場(chǎng)變化。典型的AMR傳感器系統(tǒng)包括使用磁阻感測(cè)元件(例如NiFe電阻條)構(gòu)成的惠斯通全電橋結(jié)構(gòu)。響應(yīng)于由編碼器輪的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的檢測(cè)的磁場(chǎng)變化，可以生成速度脈沖信息。備選地，可以使用惠斯通半橋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)半橋的空間差異來識(shí)別編碼器輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。應(yīng)當(dāng)提到的是，可以將編碼器輪實(shí)現(xiàn)為磁性無源或磁性有源結(jié)構(gòu)。磁性有源編碼器輪包括具有永磁鐵的至少一些部分?？偸沁B同偏置磁鐵一起使用的磁性無源編碼器輪干擾和/或改變由偏置磁鐵產(chǎn)生的并且由AMR傳感器系統(tǒng)檢測(cè)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的有源或無源編碼器輪周期性地改變檢測(cè)到的磁場(chǎng)。
[0005]一些已知的AMR傳感器系統(tǒng)備選地具有基準(zhǔn)電橋，所述基準(zhǔn)電橋包括對(duì)外部磁場(chǎng)不敏感的電阻基準(zhǔn)元件。然而，這樣的AMR傳感器系統(tǒng)受到只有較低幅度并且典型地非常嘈雜的輸出信號(hào)的不良影響。
[0006]更復(fù)雜的AMR傳感器系統(tǒng)包括兩個(gè)惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)惠斯通全橋結(jié)構(gòu)由至少四個(gè)AMR感測(cè)元件構(gòu)成。然而，這樣的AMR傳感器系統(tǒng)會(huì)受到尺寸、電流消耗以及成本方面的附加效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]需要提供用于一種感測(cè)物理量的傳感器系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法在一方面產(chǎn)生可靠且低噪聲的信號(hào)輸出，并且在另一方面要求生產(chǎn)和/或操作的低成本。
[0008]可以通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來滿足該需求。本發(fā)明的有利實(shí)施例由從屬權(quán)利要求來描述。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于感測(cè)物理量的傳感器系統(tǒng)。所述傳感器系統(tǒng)包括:(a)第一傳感器路徑，所述第一傳感器路徑包括在第一電源端子與第二電源端子之間串聯(lián)連接的第一第一感測(cè)元件和第二第一感測(cè)元件，以及設(shè)置在第一第一感測(cè)元件與第二第一感測(cè)元件之間的第一中間節(jié)點(diǎn)；(b)第二傳感器路徑，所述第二傳感器路徑包括在第一電源端子與第二電源端子之間串聯(lián)連接的第一第二感測(cè)元件和第二第二感測(cè)元件，以及設(shè)置在第一第二感測(cè)元件與第二第二感測(cè)元件之間的第二中間節(jié)點(diǎn)；(C)第三傳感器路徑，所述第三傳感器路徑包括在第一電源端子與第二電源端子之間串聯(lián)連接的第一第三感測(cè)元件和第二第三感測(cè)元件，以及設(shè)置在第一第三感測(cè)元件與第二第三感測(cè)元件之間的第三中間節(jié)點(diǎn)；以及⑷信號(hào)處理設(shè)備，所述信號(hào)處理設(shè)備與第一中間節(jié)點(diǎn)、第二中間節(jié)點(diǎn)以及第三中間節(jié)點(diǎn)相連接，并且所述信號(hào)處理設(shè)備配置用于基于(dl)第一中間節(jié)點(diǎn)處給出的第一電變量、(d2)第二中間節(jié)點(diǎn)處給出的第二電變量和(d3)第三中間節(jié)點(diǎn)處給出的第三電變量來處理對(duì)所感測(cè)的物理量加以指示的輸出信號(hào)。
[0010]描述的傳感器系統(tǒng)是基于這樣的思想:包括三個(gè)半橋的傳感器系統(tǒng)(其中相應(yīng)地一個(gè)半橋是由三個(gè)傳感器路徑之一來實(shí)現(xiàn)的)可以分別向信號(hào)處理設(shè)備提供一些冗余測(cè)量信號(hào)的相應(yīng)信息，所述信息能夠用于可靠的感測(cè)物理量，而與此同時(shí)針對(duì)所述傳感器系統(tǒng)的設(shè)備支出仍然相對(duì)較小。因此，與包括兩個(gè)分離的全橋傳感器結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)相比(該系統(tǒng)當(dāng)然也會(huì)允許物理量的精確和冗余測(cè)量)，用于實(shí)現(xiàn)所述傳感器系統(tǒng)的支出和成本非常小。
[0011]在適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理時(shí)，冗余測(cè)量信號(hào)能夠用于獲得相對(duì)于感測(cè)的物理量和/或相對(duì)于所述傳感器系統(tǒng)的操作狀態(tài)的多條信息。以下非排他性列表介紹了一些使用現(xiàn)有技術(shù)傳感系統(tǒng)通常將導(dǎo)致錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果的情況:
[0012](A)在所謂信號(hào)翻轉(zhuǎn)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測(cè)。此外，可以減小數(shù)字故障，該數(shù)字故障會(huì)影響所述傳感器系統(tǒng)的測(cè)量質(zhì)量。
[0013](B)在不想要的振動(dòng)的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測(cè)。在很多情況下，能夠抑制或至少顯著地減少這種振動(dòng)的負(fù)面影響。
[0014](C)還能夠執(zhí)行關(guān)于傳感器系統(tǒng)的電路中的短路和/或開路故障檢測(cè)。此外，能夠檢測(cè)到尤其是因?yàn)閭鞲衅飨到y(tǒng)有效期減少導(dǎo)致的不想要的偏移。因此，能夠阻止有效期失效，并且如果可能的話會(huì)觸發(fā)傳感器系統(tǒng)的重新校準(zhǔn)。
[0015]描述的故障可以特別是通過將兩個(gè)輸出信號(hào)相互比較來實(shí)現(xiàn)。由此，一個(gè)輸出信號(hào)可以與第一電變量及第二電變量相關(guān)聯(lián)，并且第二輸出信號(hào)可以與第二電變量及第三電變量相關(guān)聯(lián)。
[0016]可以用作針對(duì)信號(hào)處理設(shè)備的三個(gè)輸入信號(hào)的所述電變量可以特別是電壓電平。輸出信號(hào)可以是任何類型的信號(hào)。除了電壓和電流信號(hào)以外，甚至光學(xué)信號(hào)也是可以的。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述傳感器系統(tǒng)還包括探針設(shè)備，所述探針設(shè)備能夠耦合到移動(dòng)組件，所述移動(dòng)組件的移動(dòng)應(yīng)被測(cè)量。探針設(shè)備(i)在空間上相對(duì)于三個(gè)傳感器路徑放置，并且(ii)配置為使得所述探針設(shè)備的移動(dòng)導(dǎo)致三個(gè)電變量隨時(shí)間的變化。
[0018]探針設(shè)備可以是任何物理結(jié)構(gòu)，所述探針設(shè)備在移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致由所描述的傳感器系統(tǒng)感測(cè)物理量的變化。探針設(shè)備的物理特性依賴于感測(cè)元件的類型。這意味著每個(gè)感測(cè)元件必須配置為分別檢測(cè)物理量和由探針設(shè)備(的移動(dòng))提供的物理量的變化。
[0019]例如，探針設(shè)備可以是具有光學(xué)特性的空間變化的結(jié)構(gòu)。在該上下文中，例如光學(xué)參數(shù)可以是探針設(shè)備的特定部分的反射率和/或顏色的度數(shù)。因而，感測(cè)元件必須配置用來檢測(cè)這些光學(xué)特性(的變化)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)知曉能夠檢測(cè)光學(xué)量的多個(gè)類型的感測(cè)元件。因此，可能需要使用可以照亮探針設(shè)備相應(yīng)部分的合適光源。
[0020]探針設(shè)備可以至少部分地具有線性延伸。這意味著在移動(dòng)組件移動(dòng)時(shí)，探針設(shè)備已經(jīng)以直接或者以間接的方式機(jī)械地連接到描述的傳感器系統(tǒng)的優(yōu)選應(yīng)用，能夠感測(cè)到移動(dòng)組件的空間位置中的線性移動(dòng)或變化。
[0021]由于上述的三個(gè)電變量的冗余(其中每一個(gè)代表一個(gè)感測(cè)信號(hào))，丟失的速度脈沖可以通過信號(hào)處理設(shè)備的適當(dāng)?shù)?冗余)信號(hào)處理來檢測(cè)和/或預(yù)測(cè)。因而，實(shí)質(zhì)上可以添加丟失的速度脈沖。此外，還可以檢測(cè)到過多速度脈沖的出現(xiàn)，并且信號(hào)處理能夠配置為抑制附加的速度脈沖。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，探針設(shè)備是能夠耦合到轉(zhuǎn)動(dòng)組件的編碼器輪，所述轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)被測(cè)量。
[0023]編碼器輪能夠通過直接或通過間接的方式連接到轉(zhuǎn)動(dòng)組件，并且能夠感測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)位置變化。這可以允許在多個(gè)應(yīng)用(例如針對(duì)ABS (自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng))應(yīng)用)中使用描述的傳感器系統(tǒng)。同樣在汽車領(lǐng)域中的針對(duì)描述的系統(tǒng)的其它可能的應(yīng)用是內(nèi)燃機(jī)中曲柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和/或轉(zhuǎn)動(dòng)速度的檢測(cè)。
[0024]應(yīng)當(dāng)提到的是，這兩種(汽車)應(yīng)用也并不是排他的，并且只要在編碼器輪附近存在足夠的空間用于放置傳感器結(jié)構(gòu)，則所描述的系統(tǒng)就能夠主要地用于測(cè)量任何轉(zhuǎn)動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)，其中傳感器配置包括或包含三個(gè)傳感器路徑以及與其結(jié)合的傳感器元件。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，相對(duì)于預(yù)定義的軸:(a)第一傳感器路徑位于第一位置，(b)第二傳感器路徑位于第二位置，并且(C)第三傳感器路徑位于第三位置。這意味著在由預(yù)定義的軸和其它(垂直的)軸定義的(笛卡爾)坐標(biāo)系中，所有的感測(cè)元件分配給一個(gè)并且具有關(guān)于該預(yù)定義的軸相同的坐標(biāo)值的傳感器路徑。
[0026]在探針設(shè)備至少部分地具有線性延伸并且機(jī)械耦合到隨著移動(dòng)方向移動(dòng)的組件的情況下，該移動(dòng)方向?qū)?yīng)于預(yù)定義的軸的方向。在探針設(shè)備是可轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器輪的情況下，預(yù)定義的軸可以對(duì)應(yīng)于編碼器輪的正切。這意味著編碼器輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸朝向?yàn)榕c預(yù)定義的軸垂直地。
[0027]應(yīng)當(dāng)提到的是，由于第一位置、第二位置和第三位置沿預(yù)定義的軸方向的距離，三個(gè)電變量的時(shí)間依賴性呈現(xiàn)了相對(duì)于彼此的相位差。依賴于所描述的傳感器系統(tǒng)的具體應(yīng)用，該相位差能夠用于獲得重要的測(cè)量信息。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，所述感測(cè)元件中至少一個(gè)感測(cè)元件是磁性感測(cè)元件。這意味著描述的三個(gè)半橋傳感器系統(tǒng)是磁性傳感器系統(tǒng)。
[0029]優(yōu)選地，磁性感測(cè)元件是磁阻感測(cè)元件。這可以允許以高精度方式來獲得磁場(chǎng)測(cè)量。特別是，至少一個(gè)磁阻感測(cè)元件可以是AMR感測(cè)元件，其操作依賴于已知各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)。應(yīng)當(dāng)提到的是，也可以使用其他感測(cè)元件，所述感測(cè)元件依賴于已知的巨磁阻(GMR)、龐磁阻(CMR)和/或隧道磁阻的效應(yīng)。
[0030]在借助上述編碼器輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的情況下，編碼器輪可以包括特別是多個(gè)磁性元件或空間變化