校正裝置、傳感器和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于傳感器的、尤其是具有運動柵電極的加速度傳感器的一種校正裝置，具有至少一個電流測量裝置，具有可調電壓源，該電壓源與該傳感器的傳感器元件電氣耦合，具有控制裝置，該控制裝置被構造用于調節(jié)該電壓源，使得在該傳感器元件上的電壓具有至少三個不同的電壓值，其中該電流測量裝置被構造用于在借助該可調電壓源所調節(jié)的每個電壓時測量流過該傳感器元件的測量電流和/或相應傳感器元件的基本電流；以及具有補償裝置，該補償裝置被構造用于基于所測量的電流和對應調節(jié)的電壓來確定該傳感器的敏感性和/或偏移，并對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配該傳感器的輸出信號。本發(fā)明還公開了一種傳感器和一種方法。
【專利說明】校正裝置、傳感器和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于傳感器的一種校正裝置、一種傳感器和一種方法。
【背景技術】
[0002]雖然可以應用于許多傳感器，但在下文中參照加速度傳感器來詳細描述本發(fā)明。
[0003]當今在許多應用中需要對運動進行探測或檢測。例如在ESP應用(電子穩(wěn)定程序)中，機動車的運動被檢測，以利用展現該機動車的理論運動的模型參量來對該運動進行補
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[0004]作為用于檢測運動的運動傳感器，在此例如可以采用加速度傳感器。在此加速度傳感器通過測量作用于物體的慣性力來測量加速度。
[0005]加速度傳感器在此例如可以作為壓電陶瓷系統(tǒng)或者作為微機械系統(tǒng)來構造。加速度傳感器尤其還可以作為具有運動柵電極的晶體管(Moving-Gate Sensoren,運動柵極傳感器)來構造。
[0006]運動柵極傳感器具有非常高的信噪比，從而還適于記錄非常小的加速度。運動柵極傳感器通常具有場效應晶體管，該場效應晶體管具有運動柵極。該柵極通過外力而在X方向或y方向上被偏移。又通過這種偏移，在該場效應晶體管溝道中電荷載體的數量發(fā)生變化，并且在場效應晶體管漏極和源極之間溝道的電阻下降或上升。該電阻變化可以通過簡單的測量來探測，其方式是例如在該場效應晶體管上施加恒定的電壓并測量所產生的電流，或者在該場效應晶體管上施加恒定的電流并測量在該場效應晶體管上所產生的電壓降。
[0007]這種運動柵極傳感器的敏感性主要通過在場效應晶體管的溝道與柵極之間的表面電荷來確定。這些表面電荷導致制造所決定的敏感性波動，并還導致隨時間的敏感性波動。這使得這種運動柵極傳感器難以在工業(yè)應用中采用。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明公開了具有權利要求1所述特征的一種校正裝置、具有權利要求4所述特征的一種傳感器以及具有權利要求8所述特征的一種方法。
[0009]據此設置了:
用于傳感器的、尤其用于具有運動柵電極的加速度傳感器的一種校正裝置，具有至少一個電流測量裝置，具有可調電壓源，該電壓源與該傳感器的傳感器元件電氣耦合，具有控制裝置，該控制裝置被構造用于調節(jié)該電壓源，使得在該傳感器元件上的電壓具有至少三個不同的電壓值，其中該電流測量裝置被構造用于在借助該可調電壓源所調節(jié)的每個電壓時測量流過該傳感器元件的測量電流和/或相應傳感器元件的基本電流，并且具有補償裝置，該補償裝置被構造用于基于所測量的電流和對應調節(jié)的電壓來確定該傳感器的敏感性和/或偏移和/或漂移，并對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配該傳感器的輸出信號。[0010]一種傳感器，尤其是加速度傳感器，具有至少一個場效應晶體管，尤其是具有包括運動柵電極的第一場效應晶體管，具有用于每個場效應晶體管的第一電流源，該第一電流源提供相應場效應晶體管的基本電流，具有用于每個場效應晶體管的第二電流源，該第二電流源為相應場效應晶體管提供測量電流，并且具有根據本發(fā)明的校正裝置。
[0011]用于尤其是借助本發(fā)明的校正裝置來校正傳感器的一種方法，具有以下步驟:調節(jié)在該傳感器的測量元件上的電壓，使得在該傳感器元件上的電壓具有至少三個不同的電壓值，在借助可調電壓源所調節(jié)的每個電壓時檢測流過該傳感器元件的測量電流和/或相應傳感器元件的基本電流，基于所檢測的電流和對應調節(jié)的電壓來確定該傳感器的敏感性和/或偏移，以及對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配該傳感器的輸出信號。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明所基于的知識在于，可以通過對傳感器的補償來改善傳感器的測量結果的質量。
[0013]現在本發(fā)明所基于的想法是，考慮這種知識并提供一種可能性，以能夠非常精確地對傳感器進行補償。
[0014]如本發(fā)明所設置的，如果在不同的電壓情況下來測量傳感器的測量電流的電流值和/或傳感器的基本電流的電流值，那么就可以基于所測量的電流和/或電壓來確定傳感器的敏感性和/或偏移。接著借助本發(fā)明的補償裝置可以基于所確定的敏感性和所確定的偏移來匹配該傳感器的測量值。
[0015]如果本發(fā)明的校正裝置設置在傳感器中，或者與傳感器相耦合，那么由此就可以在運行中對傳感器進行校正。這還實現了在制造傳感器時能夠省略最終測量和校正的步驟。由此能夠更簡單地制造本發(fā)明的傳感器。
[0016]有利的實施方案和改進由從屬權利要求以及參照附圖的描述來得到。
[0017]在一個實施方案中，該控制裝置被構造用于調節(jié)該電壓源，使得在該傳感器元件上的電壓至少或者構造為零伏的電壓，構造為負的電壓，構造為對應于該傳感器元件的工作點的電壓，構造為位于該傳感器元件的工作點上方的電壓，或者構造為在零伏與對應于每個傳感器元件的工作點的電壓之間的電壓。這實現了對與傳感器特征曲線有關的特征數據的檢測。由此例如能夠在該補償裝置中執(zhí)行該傳感器特征曲線的重建，并基于重建的傳感器特征曲線來匹配輸出信號。
[0018]在一個實施方案中，該補償裝置另外還被構造用于基于所測量的電流和對應調節(jié)的電壓來確定該傳感器的工作點偏移。如果確定了該傳感器的工作點偏移，那么就可以把該傳感器的電壓供應和/或電流供應與該工作點偏移相匹配。由此保證了該傳感器總是在最佳的工作點時被驅動，并從而例如具有最大的敏感性。
[0019]在一個實施方案中，該傳感器具有至少一個第一場效應晶體管和第二場效應晶體管，其中該第一場效應晶體管在第一垂直方向上加速時生成正的偏轉，并且該第二傳感器在該第一垂直方向上加速時生成負的偏轉，和/或其中該第一場效應晶體管在第一水平方向上加速時生成正的偏轉，并且該第二傳感器在該第一水平方向上加速時生成負的偏轉。如果把兩個場效應晶體管采用在一個傳感器中，那么就例如可以補償加速度測量的失真，這種失真例如由系統(tǒng)決定地在場效應晶體管情況下在特定方向上加速時出現。
[0020]在一個實施方案中，該第一電流源和/或該第二電流源作為電流反射鏡來構造，其中該第一電流源具有被構造用于把該基本電流調節(jié)為恒定值的恒定電流反射鏡，和/或其中該第二電流源的調節(jié)輸入端與該場效應晶體管相耦合，使得在該場效應晶體管溝道中的電阻波動引起該第二電流源輸出電流的電流變化。這實現了通過該第一電流源給該傳感器簡單地提供恒定電流以進行工作點調節(jié)。流過該場效應晶體管的電流從而在該傳感器的測量范圍中圍繞該工作點而變化。如果該第二電流反射鏡被設置為使得圍繞該工作點的所述電流變化被輸入給該第二電流反射鏡的控制輸入端，那么該電流反射鏡就把所述電流波動反射到該電流反射鏡的輸出端上。接著在該輸出端上可以測量表征所測量的加速度的電流。
[0021]在一個實施方案中，該傳感器作為微機電系統(tǒng)來構造。這實現了該傳感器的非常簡單的制造。微機電系統(tǒng)例如可以通過當前研發(fā)完善的并且一般可控制的硅半導體制造流程來制造。
[0022]上述的擴展和改進只要有意義，就可以任意地相互組合。本發(fā)明的其他可能的擴展、改進和實施也包括前文或下文中參照實施例所描述的本發(fā)明特征的未明確闡述的組合。在此專業(yè)人員尤其還將增加一些個別方面作為對本發(fā)明相應基本方案的改善或補充。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面借助在附圖的示意圖中所說明的實施例來對本發(fā)明進行詳細闡述。其中:
圖1示出了本發(fā)明的校正裝置的一個實施方案的電路框圖；
圖2示出了本發(fā)明的傳感器的一個實施方案的電路框圖；
圖3示出了本發(fā)明的方法的一個實施方案的流程圖；
圖4示出了本發(fā)明的場效應晶體管的一個實施方案的框圖，該場效應晶體管具有運動柵電極；
圖5示出了本發(fā)明的場效應晶體管的一個實施方案的電壓/電流曲線，該場效應晶體管具有運動柵電極。
[0024]在所有附圖中，相同的或功能相同的元件和裝置-除非另外說明-都配備有相同的參考符號。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出了本發(fā)明的校正裝置I的一個實施方案的電路框圖。
[0026]該校正裝置I具有電流測量裝置2，該電流測量裝置在圖1中與傳感器10電氣耦合。另外該校正裝置I還具有可調電壓源3，該電壓源同樣與該傳感器10電氣耦合。
[0027]該校正裝置I另外還具有控制裝置4，該控制裝置被構造用于如此來調節(jié)該電壓源3，使得該電壓源給該傳感器10提供具有不同電壓值的至少三個不同的電壓。
[0028]該電流測量裝置2被構造用于在借助該可調電壓源3所調節(jié)的每個電壓時來測量流過該傳感器的測量電流6和/或相應傳感器元件的基本電流6。
[0029]最后該校正裝置I具有補償裝置7，該補償裝置被構造用于基于所測量的電流6和對應調節(jié)的電壓5來確定該傳感器10的敏感性和/或偏移，并對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配該傳感器10的輸出信號。
[0030]該電流測量裝置2在一個實施方案中作為分流電阻2來構造。在另一實施方案中，該電流測量裝置2作為無接觸的電流測量裝置2來構造。
[0031]該控制裝置4例如可以作為微控制器4來構造。在一個實施方案中，該微控制器4還具有該補償裝置7，并與該電流測量裝置2例如通過模擬/數字變換器相耦合，其中該模擬/數字變換器被構造用于例如檢測在該分流電阻上下降的電壓。
[0032]在其他實施方案中，該分析裝置7不是作為微控制器7、而是作為專用集成電路(ASIC)或者作為可配置的邏輯組件來構造。
[0033]在一個實施方案中，該電流測量裝置2可以作為具有數字數據接口的電流傳感器2來構造。在這種實施方案中，該分析裝置7與該電流測量裝置2例如通過SPI接口、I2C接口或諸如此類的相耦合。
[0034]圖2示出了本發(fā)明的傳感器的一個實施方案的電路框圖。
[0035]該傳感器10具有一個場效應晶體管11。在一個實施方案中，該場效應晶體管11具有運動柵電極20。該傳感器10另外還具有用于該場效應晶體管11的第一電流源12，該第一電流源提供相應場效應晶體管11的基本電流6。該基本電流6用于使該場效應晶體管運行在其工作點上。
[0036]該場效應晶體管11另外還具有用于該場效應晶體管11的第二電流源13，該第二電流源為該場效應晶體管11提供測量電流6。最后該傳感器10具有本發(fā)明的校正裝置1，該校正裝置與該場效應晶體管11相耦合。
[0037]在另一實施方案中，該傳感器11不僅具有一個場效應晶體管11，而且還具有至少兩個場效應晶體管11。在此在一個實施方案中這些場效應晶體管11相反地設置。這意味著，在一個方向上加速時這些場效應晶體管11之一檢測正的加速度信號，并且第二場效應晶體管11檢測負的加速度信號。
[0038]在另一實施方案中，在一個傳感器中組合有許多場效應晶體管11，使得該傳感器可以檢測在至少三個相互垂直的軸中的加速度。
[0039]圖3示出了本發(fā)明的方法的一個實施方案的流程圖。
[0040]在第一步驟SI中，調節(jié)在該傳感器10的測量元件上的電壓，使得在該傳感器元件上的該電壓5具有至少三個不同的電壓值。在此即使在單個步驟SI中生成不同的電壓，也不意味著這些電壓被同時生成。而是這些電壓可以被依次生成。
[0041]在第二步驟S2中，在每個所調節(jié)的電壓5時檢測流過該傳感器元件11的測量電流6和/或相應傳感器元件11的基本電流6。
[0042]在第三步驟S3中，基于所檢測的電流6和對應調節(jié)的電壓5來檢測該傳感器10的敏感性和/或偏移。
[0043]最后在最終步驟S4中對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配該傳感器10的輸出信號。
[0044]圖4示出了本發(fā)明的場效應晶體管11的實施方案的框圖，該場效應晶體管具有運動柵電極20。
[0045]該場效應晶體管11具有襯底14,在該襯底上構造有該場效應晶體管11。在該襯底14中設置有電極一漏極16和源極17，在它們之間具有該場效應晶體管11的溝道15。該溝道15被絕緣層18覆蓋，在該絕緣層上示出了表面電荷19。最后在該溝道15和絕緣層18的上方以大致等于襯底14厚度一半的距離設置了運動柵極20。最后在該運動柵極20處示出了兩個軸X和Y。在此在垂直方向上示出X軸，并在水平方向上示出Y軸。
[0046]圖5示出了本發(fā)明的場效應晶體管11的一個實施方案的電壓/電流曲線，該場效應晶體管具有運動柵電極20。
[0047]在圖5的圖中，在縱坐標軸上繪出在該場效應晶體管11的漏極和源極之間的電流Ids，并在橫坐標軸上繪出在該場效應晶體管11的柵極和源極之間的電壓Ugs。在該圖中描繪了一個曲線，該曲線對應于本發(fā)明的場效應晶體管11的一個實施方案的特征曲線。在該圖中另外還通過垂直虛線P1-P4標出了四個電壓。在此在Pl處的第一線位于O伏的電壓附近。第二線P2位于如下的一個電壓附近，在該電壓時該場效應晶體管11的特征曲線盡可能平坦地延伸、也即沒有陡度。第三線P3在該第一線Pl與該第二線P3之間位于該第一線Pl與該第二線P2之間距離的約三分之一處。最后繪出在負電壓情況下的第四線，并且該第四線和該第一線Pl之間大致具有與該第三線P3和該第一線之間相同的距離。
[0048]該曲線在電流為OA時一直延伸至電壓O伏。從OV開始到第一線Pl和第二線P2之間距離的約1/10該曲線以非常大的梯度上升。之后該曲線直到該第二線P2處變平，從第二線P2開始該曲線基本平坦地延伸。
[0049]在圖5中清楚看出，通過測量在不同電壓時的電流可以重建場效應晶體管11的特征曲線。
[0050]雖然借助優(yōu)選實施例在前文中描述了本發(fā)明，但其并不局限于此，而是可以以很多方式和方法來修改。本發(fā)明尤其可以多種方式來變化或修改，而不脫離本發(fā)明的核心。
【權利要求】
1.用于傳感器(10)、尤其是具有運動柵電極(20)的加速度傳感器的校正裝置(I)， 具有至少一個電流測量裝置(2)； 具有可調電壓源(3)，該電壓源與該傳感器(10)的傳感器元件電氣耦合； 具有控制裝置(4)，該控制裝置被構造用于調節(jié)該電壓源(3)，使得在該傳感器元件上的電壓(5)具有至少三個不同的電壓值，其中該電流測量裝置(2)被構造用于在借助該可調電壓源(3)所調節(jié)的每個電壓時測量流過該傳感器元件的測量電流(6)和/或相應傳感器元件的基本電流(6);以及 具有補償裝置(7)，該補償裝置被構造用于基于所測量的電流(6)和對應調節(jié)的電壓(5)來確定該傳感器(10)的敏感性和/或偏移和/或漂移，并對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配該傳感器(10)的輸出信號。
2.根據權利要求1所述的校正裝置， 其中該控制裝置(4 )被構造用于調節(jié)該電壓源(3 )，使得在該傳感器元件上的電壓(5 )至少或者是零伏的電壓(5)、負的電壓(5)、對應于該傳感器元件的工作點的電壓(5)、位于該傳感器元件的工作點上方的電壓(5)、或者是在零伏與對應于每個傳感器元件的工作點的電壓之間的電壓(5)。
3.根據前述權利要求 之一所述的校正裝置， 其中該補償裝置(7)還被構造用于基于所測量的電流(6)和對應調節(jié)的電壓(5)來確定該傳感器(10)的工作點偏移。
4.傳感器、尤其是加速度傳感器， 具有至少一個場效應晶體管(11)，尤其是具有包括運動柵電極(20)的第一場效應晶體管(11)， 具有用于每個場效應晶體管(11)的第一電流源(12)，該第一電流源提供相應場效應晶體管(11)的基本電流(6)， 具有用于每個場效應晶體管(11)的第二電流源(13)，該第二電流源為相應場效應晶體管(11)提供測量電流(6); 具有根據權利要求1-3至少之一所述的校正裝置(I)。
5.根據權利要求4所述的傳感器， 其中該傳感器(10)具有至少一個第一場效應晶體管(11)和第二場效應晶體管(11)，其中該第一場效應晶體管(11)在第一垂直方向上加速時生成正的偏轉，并且該第二傳感器(10)在該第一垂直方向上加速時生成負的偏轉,和/或其中該第一場效應晶體管(11)在第一水平方向上加速時生成正的偏轉，并且該第二傳感器(10)在該第一水平方向上加速時生成負的偏轉。
6.根據前述權利要求4和5之一所述的傳感器， 其中該第一電流源(12)和/或該第二電流源(13)作為電流反射鏡來構造； 其中該第一電流源(12 )具有恒定電流調節(jié)器，該恒定電流調節(jié)器被構造用于把該基本電流(6)調節(jié)為恒定值； 和/或 其中該第二電流源(13)的調節(jié)輸入端與該場效應晶體管(11)相耦合，使得在該場效應晶體管(11)的溝道中的電阻波動引起該第二電流源(13 )的輸出電流的電流變化。
7.根據前述權利要求4-6之一所述的傳感器， 其中該傳感器(10)作為微機電系統(tǒng)來構造。
8.尤其借助根據權利要求1-3之一所述的校正裝置來校正傳感器(10)的方法，具有以下步驟: 調節(jié)(SI)在該傳感器(10)的測量元件上的電壓，使得在該傳感器元件上的該電壓(5)具有至少三個不同的電壓值； 在借助該可調電壓源(3)所調節(jié)的每個電壓(5)時檢測(S2)流過該傳感器元件(11)的測量電流(6)和/或相應傳感器元件(11)的基本電流(6);以及 基于所檢測的電流(6)和對應調節(jié)的電壓(5)來確定(S3)該傳感器(10)的敏感性和/或偏移； 對應于所確定的敏感性和/或所確定的偏移來匹配(S4)該傳感器(10)的輸出信號。
9.根據權利要求8所述的方法， 其中在該傳感器元件上的電壓(5)被調節(jié)為，使得該電壓(5)至少或者是零伏的電壓(5 )、負的電壓(5)、對應于該傳感器兀件的工作點的電壓(5 )、位于該傳感器兀件的工作點上方的電壓(5 ),或者是在零伏與對應于每個傳感器兀件的工作點的電壓之間的電壓(5 )。
10.根據權利要求8或9之一所述的方法， 其中還基于所測量的電流(6)和對應調節(jié)的電壓(5)來確定該傳感器(10)的工作點偏移。
【文檔編號】G01P15/08GK103543293SQ201310288330
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2012年7月11日
【發(fā)明者】A.布曼, F.亨里西, A.法伊 申請人:羅伯特·博世有限公司