自主校準的磁場傳感器的製作方法

2023-04-23 14:34:51

專利名稱：自主校準的磁場傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁場傳感器，該磁場傳感器自主校準以補償傳輸特性因ー些因素產生的波動，所述因素例如溫度、老化、機械應カ和電壓偏置。本發明還涉及電流傳感器，其藉助校準的磁場傳感器測量外部導體中的電流流動。
背景技術：
在製造期間被校準以補償電壓偏置和溫度漂移的磁場傳感器不能充分補償源自例如機械應カ和組件老化等因素的傳感器傳輸特性的波動。為了解決這個缺陷，已知的是提供如US 4752733和W02006/056829中所述的在使用中被校準的傳感器。W02006/056829公開了ー種磁場傳感器，其包括基準磁場發生器、磁場感測單元和信號處理電路，該信號處理電路連接到磁場感測單元的輸出端並且包括一個或更多個反饋迴路以校正磁場感測單元的傳輸特性中的變化。外部磁場通過以下方式被測量:在外部磁場上添加調製的基準磁場，在與基準磁場的調製頻率不同的頻率下調製磁場感測単元的輸出信號，所述頻率中的一個是其他頻率的整數倍，並且增加或減去調製的信號的不同相位，以便提取相應於外部磁場的測量信號以及相應於基準磁場的基準信號。所述基準信號與測量信號分離，使得所述基準信號可以被用在反饋迴路中以補償磁場感測單元傳輸特性中的誤差波動，並且同時產生不具有基準場分量的輸出傳感器信號。然而，調製的基準磁場的生成依賴於生成基準磁場的基準線圈的外部基準電流源，這使得傳感器的安裝以及傳感器與外部電路和組件的互連複雜化，並且增大了實施方式的總成本。對外部基準電流的依賴還可以降低傳感器的可靠性或精確度。

發明內容
鑑於前述內容，本發明的ー個目的是提供ー種隨時間保持精確度的可靠的磁場傳感器，以及易於且經濟性地在外部電路或裝置中實現，並且這種實現是經濟的。另ー個目的是提供ー種電流傳感器，其包括隨時間保持精確度的可靠的磁場傳感器，以及易於且經濟性地在外部電路或裝置中實現。有利的是提供ー種具有輸入端和輸出端的磁場傳感器，該輸入端和輸出端允許在用於各種應用的不同電路中的簡單配置和實施。有利的是提供ー種磁場傳感器，其在エ業領域中的製造是經濟的。本發明的目的通過提供如權利要求1的磁場傳感器而實現。本文公開的內容是一種包括磁場感測電路和信號處理電路的磁場傳感器，該磁場感測電路包括基準磁場發生器和磁場感測單元，該信號處理電路連接到磁場感測單元的輸出端並且包括解調器電路和用於校正磁場傳感器的傳輸特性中的波動的增益校正反饋電路，包括由於誤差導致的波動。傳感器還包括配置為生成基準電流的基準電流發生器，基準電流發生器連接到配置為生成基準磁場的磁場感測電路並且連接到配置為提供基準信號的増益校正反饋電路，解調器電路的輸出信號與基準信號進行比較。
有利地，在傳感器中併入內部基準電流發生器簡化了用於例如電流感測應用等各種應用的外部電路的實施。基準電流發生器可以經由電流鏡像電路連接到基準磁場發生器的基準線圈，電流鏡像電路配置為複製基準電流並且生成驅動線圈以生成基準磁場的第二基準電流。増益校正反饋電路可以經由電流鏡像電路連接到基準電流發生器，電流鏡像電路配置為複製基準電流しf並且生成被饋送到増益校正反饋電路的進ー步的基準電流。電流鏡像電路可以連接到増益校正反饋電路的解調器。基準電流發生器可以包括集成電路元件，該集成電路元件生成施加在內部電阻器Rbg兩端以生成基準電流IMf的帶隙基準電壓VBe。信號處理電路可以包括連接到信號處理電路的測量信號解調器的輸出端的電壓-電流(V/I)轉換電路。電壓-電流(V/I)轉換電路可以有利地與樣本結合併且保持基於測量信號的功能。信號解調器電路可以包括並聯的至少兩個解調器，其被配置為同時分離測量信號和基準信號，或者信號解調器電路可以包括單個解調器，該解調器可操作在配置為例如通過時分復用獨立地處理測量和基準信號的至少兩個連續的解調模式中。在一個實施例中，磁場傳感器可以集成在電流傳感器中，電流傳感器用於通過測量由待測量的電流生成的外部磁場而測量在導體中流動的電流。電流傳感器可以包括由具有高磁導率的材料製成並且具有氣隙的磁芯，磁場感測單元定位在氣隙中。


本發明進一歩的目的和有利特徵將通過權利要求、以下說明和附圖變得顯然，其中:圖1是示意性地說明了根據本發明的一個實施例的磁場傳感器的整體電路原理的圖示；圖2是說明了根據本發明的一個實施例的磁場傳感器的電路的圖示；圖3a說明了根據本發明的一個實施例的磁場傳感器的電壓-電流轉換電路的實施例，圖3b-3d示出了關於所述電路的不同操作階段的不同連接配置。
具體實施例方式首先參考圖2，說明了根據本發明的一個實施例的磁場傳感器I的電路原理的原理被顯示為大致包括磁場感測電路2、內部基準電流發生器3和信號處理電路4。磁場感測電路2包括磁場感測單元6、基準磁場發生器8和増益校正輸入端10。基於檢測由待測電流生成的磁場，根據本發明的磁場傳感器可以有利地被用作電流傳感器。根據本發明的磁場傳感器還可以在其他磁場感測應用中實現。磁場感測單元6可以包括一個或多個磁場感測元件，例如，如本領域公知的霍爾效應傳感器或形成在集成電路中的霍爾效應傳感器陣列，磁場感測單元6還包括用於調製每個磁場感測元件的輸出信號的調製器。例如通量門(fluxgate)、巨磁阻或其他公知的磁場傳感器的其他磁場傳感器也可以用在本發明的範圍內。基準磁場發生器8包括饋送線圈基準電流的調製的基準電流輸入端12，線圈基準電流為了生成施加到磁場感測單元6的基準磁場BMf的目的而驅動ー個或多個基準線圈14。基準線圈和磁場傳感器信號調製器被驅動的時鐘頻率由開關盒16a、16b控制，由此磁場感測單元調製器的時鐘頻率優選為是均衡因數或倍數，例如是控制基準線圈調製器的時鐘頻率的1.5倍或兩倍。信號處理電路4包括連接到磁場感測單元6的輸出端20的放大器電路部分18、解調電路部分22和用於將增益校正饋送回磁場感測單元6的輸入端的反饋迴路28。解調電路部分具有解調器24、解調器30和解調器32，該解調器24具有導向磁場傳感器輸出端26的輸出端23，該解調器30具有引導進入増益校正反饋線路28中的輸出端25，並且該解調器32具有引導進入偏移校正反饋線路27中的輸出端。解調器的目的是分離在放大器的輸出端處的信號中存在的兩個分量，即測量信號和基準信號。如果兩個信號同時存在，則解調器可以通過加法和減法提取信號，如WO2006/056829中所述。這可以使用兩個並聯的解調器在兩個信號上同時完成。另ー個選擇是使用一個單個的解調器提取基準信號和測量信號，解調器之後在兩個連續的解調模式中操作。當測量信號和基準信號在放大鏈中被獨立處理吋，即當傳感器被連接以僅測量外部場或基準場同時抵消另ー個信號時，也可以提供相同的方法。在圖2的實施例中，分離的解調器32、30用於偏移校正和増益校正以改善精確度和響應性。然而，可以使用饋送到偏移校正反饋線路和増益校正反饋線路的單個解調器。還可行的是通過調整解調方案以間歇地產生輸出信號和偏移校正信號而僅具有用於反饋線路和傳感器輸出線路26的單個解調器。換句話說，連接到前置放大器輸出端的解調器可以和需要數量一祥多，從而解調信號中存在的不同分量: 外部磁場Bext的測量值 用於校準増益的基準磁場`B,ef的測量值 傳感器和前置放大器偏移這些信號分量中的每ー個均可以通過如圖2所示的分離的解調器提取，或者它們中的一些可以通過在周期性時間基礎上應用不同的解調方案的相同解調器而依次提取。在本發明中，測量信號解調器24的輸出端有利地是電壓輸出端，由此磁場傳感器輸出端26可以被容易地配置為電壓輸出端，或者藉助連接到解調器輸出端23的電壓-電流(V/I)轉換電路34被配置為電流輸出端。電流輸出端或電壓輸出端的選擇提高了外部電路中磁場傳感器的實施的靈活性。現在參考圖1，在討論圖2和3中說明的傳感器的更為具體的實施例或方面之前，將大體上說明根據本發明的實施例的傳感器的一般的工作原理。如上所述，電路包括具有反饋迴路28的増益校正反饋電路。為了測量增益誤差，基準信號被生成並且連同外部信號一起放大。為了生成基準信號，需要穩定的基準電流しf。本發明的ー個有利方面是穩定的基準電流IMf通過內部基準電流發生器3生成，內部基準電流發生器3用於通過基準線圈14生成基準磁場Bref:Bref=E一Iref ⑴其中EMili線圈效率。通過改變基準電流IMf的方向，基準磁場BMf可以是正的或負的。因此，存在於磁場傳感器6 (例如霍爾傳感器)的輸入端處的總磁場(B)是外部磁場(B6xt)和基準(Bref)磁場的和或差。磁場傳感器生成電壓:
Va=S1BIbias (2)其中S1是霍爾傳感器的靈敏度，而Ibias是傳感器的偏置電流。在放大器的輸出端處的信號X為:x=f(A, SijB, Ibias) (3)其中A是放大器的增益。信號X包含由本質上已知為現有技術的解調技術分離的外部場和基準場的圖像，例如如W02006/056829中所述。對於每個信號，提供了分離的解調器。在第一解調器Dl的輸出中，信號y-是:y0Ut=f(Gs,Bext) (4)同時第二解調器D2的輸出為:yout_ref = f (Ge, Bref) (5)其中Gs和Gk分別是外部場和基準場的增益。在基準路徑上的被解調的信號通過放大鏈提供了基準磁場Bref的模擬圖像。為了測量增益的誤差，該信號需要與在晶片上生成的一些穩定的模擬信號相比較。基準電流しf已經是可用並且穩定的。此外，基準電流Iref生成基準磁場Bref並且第二解調器D2的輸出端M是基準磁場BMf的圖像，由此它們的比率是恆定的並且可以用於増益校正。必須確保輸出y-—和基準電流しf是可比較的量。如果增益無變化，同時信號被放大，則比較器的輸出將為零。如果基準場Gk的增益存在變化，則兩種情況是可能的:i )如果 yQUt ref>f (Iref),則比較器的輸出 Cmp=- Aii )如果 f ( Iref) >yout ref,則 Comp=+ A該輸出通過減小/増大偏置電流Ibias以執行増益校正而控制磁場傳感器單元(例如霍爾單元)6的增益校正偏置電流。當解調器Dl和D2優選為匹配時，AGk= AGs，其中AGi(i=S, R)表示增益誤差，並且由此增益校正將同等地作用在解調器輸出ywt和ywt—上，確保了輸出y-是具有最小誤差的外部磁場Brart的圖像。放大鏈中的信號可以是電壓或電流。霍爾傳感器的輸出已經是電壓。如果放大器輸出X是電壓，則解調器D2的輸出ywt M將也是電壓。為了使該信號成為與基準電流Iref可比較的量，則:i ) Iref需要被轉換為電壓i i )或者yQUt ref需要被轉換為電流為了最小化增益誤差，同樣有用的是確保基準場和外部場的增益的變化接近相等
agk=ags。提出的集成基準給出電流。基準解調器的輸出是電壓。這兩個量需要被比較並且它們的差被用於增益校正。為了維持八ら儘可能接近AGs，基準電流到電壓的轉換需要以高精度和低溫漂移完成。電流和電壓之間的基本關係是:V=RI，其中R是電阻。轉換的可行的方式是通過:(i)意味著穩定電阻器的非常穩定的振蕩器和電容器；(ii)外部電阻器；或者(iii)如在本發明的實施例中提出的內部電阻器。優選地，實施的方案將確保電流的改變與電壓AfAV中的改變成比例，使得用於增益校正的解調器輸出YtjutJf和基準電流Iref的比率保持不變。
非常穩定的振蕩器是昂貴的方案，而外部電阻器將是更廉價的方案，但是系統將不是完全集成的。集成的電阻器具有高溫度漂移，並且如果該集成的電阻器僅用在基準路徑中，則其將不適合期望的傳感器應用。然而，如果與之前的電阻器匹配的其他電阻器被用在信號路徑中，那麼溫度漂移均等地影響基準信號和測量信號，並且由此被抵消，使得AGk= AGS。因此，根據本發明的系統的輸出信號是電流而不是電壓。現在將說明根據圖2中所示的實施例的磁場傳感器的工作。在所說明的實施例中，基準電流發生器3包括生成帶隙基準電壓Vm 35的集成電路元件，該帶隙基準電壓VBe35被施加在內部電阻器Rbc兩端以生成基準電流IMf:Ijref_VB(；/RB(； ^l)然而，基準電流可以通過其他手段生成，例如獲取自其他已知的穩定或恆定的電壓源。基準電流Ir6f由電流鏡像電路36a複製以生成第二基準電流Ir6f，rail:Irefjcoil = ajref(2)其中a:是Iref,Mil和Iref之間的額定比率。第三基準電流同樣由進ー步的電流鏡像電路36b生成:Iref,r=a2Irtf ⑶其中a 2是Iref,r和Iref之間的額定比率。第二基準電流1_ー偏置基準線圈14，以便生成基準磁場Bref:Bref = Ecoi lIretcoil (4)其中Ectjil是線圈效率。第三基準電流偏置內部電阻器R_f，以便生成基準電壓V,ef:Vref=RrefIrefjr (5)在一個變型中，配置可以在的情況下被簡化，因為基準線圈和基準電阻器之後可以被串聯放置並且直接以相同的電流偏置。對於霍爾傳感器微系統形式的磁場傳感器，夕卜部磁場B6xt可以被測量和放大以產生表不如下的外部場的放大的電壓信號V,
'A，ext VA； ext — S1IbiasApreampBext (6)其中S1是關於霍爾傳感器電流的靈敏度，Ibias是偏置傳感器的電流，而Armanip是前置放大器鏈的增益。基準磁場BMf還可以由相同的電路測量以產生表示如下基準場的放大的電壓信號
Va，ref VA，ref — S1Ibias Apreamp Bref (7)如果使用調製技術(例如W02006/056829中所述)，則兩個放大的電壓信號VA，ext和Viurf可以通過系統被同時處理，或者通過交替地抵消Brart和BMf從而在同一時間僅處理ー個信號而被順序地處理。基準解調器30包括在靈敏度校準迴路中。其目的是使系統的增益，即S1IbiasArmamp,在操作期間恆定，使得系統在被補償時顯示出理想的特性。為此，迴路穩定基準電壓信號:VA』rtf=Vref (8)其使得:S1Ibias Apreamp Ecoil Q 11 Tef-^vref t^Iref(Q)
當等式(8)中的所有項均使用之前的等式被擴大吋。磁場傳感器的偏置電流由此被調節為:Ibias — (RvrefZS1ApreampEcoil) ( a 2/ a (10)系統的信號輸出26可以直接是放大的電壓信號VA，ext，或通過電壓-電流V/I轉換電路或通過電阻器將其轉換為電流Itjut:1ut = VA；ext/RVI = S1IbiasApreampBextZRvi(Il)如果校準迴路被激活，則在等式(10)中計算的偏置電流Ibias可以被替換到等式(11)中:1ut — VA』ext/RVI — (S1ApreampBextZRvi) (RvrefZS1ApreampEcoil) ( a 2/ a -Bext (I/
Ecoil) (Rvref/Rvi) (a2/a i) (12)在等式(12)中，可以注意到外部場Bext有利地被乘以穩定的恆量，因為:a)線圈的係數僅取決於幾何尺寸，其受到溫度變化或老化的影響很小。b)如果兩個組件固有地匹配，即裝置被類似地製造並且在矽上放置為彼此靠近，則電阻器比率Rvref/RVI可以被確保是穩定的。c)電流比率a2/ai還可以是穩定的，因為其可以由構成電流鏡像的兩個電晶體生成，電晶體可以類似電阻器地匹配。這意味著校準迴路可以有效調節系統的靈敏度，使得輸出電流為:
1ut = Bext-K (13)其中K是常量並且等幹:K=(l/Ecoil) (Rvref/RvI) (a ^a2) (14)靈敏度改變可以由a)、b)和c)中討論的三個組分中的一個的改變而引起。這可以有利地例如通過增大由裝置佔據的相對表面積而被最小化，從而提高集成組件的匹配質量。參考圖3a_3d，現在將說明可以包括在信號處理電路4中的電壓-電流(V/I)轉換電路34的一個實施例。根據有利實施例，V/I電路34可以包括採樣和保持功能。通過利用電容器C1-C5和開關T1、T2的放大器完成集成。由於電容器C3和C6的存在，採樣和保持操作是可行的，同時電壓到電流的轉換通過電阻器R完成。V/1轉換器34連接到信號解調器24的輸出23並且具有差分輸入電壓輸入Vin_n、Vin_p,因此我們可以寫成:Vin_n=vcm-Vin/2 (I)Vin_p=vcm+Vin/2(2)其中vcm是共模電壓。電壓到電流轉換器的操作包括三個階段。在第一階段中，開關Tl閉合(圖3b)。在這個階段中，輸入電壓Vin被採樣。如果Qi (階段I)表示第一階段中電容器Ci上的變化,則在輸入電容器Cl和C2上聚集的相應的電容器電荷可以被表不為:Ql (phase I)=Cl(Vin_p-vcm)=ClVin(phaseI)/2 (3)Q2 (phase I) =C2 (Vin_n-vcm) =-C2Vin (phaseI) /2 (4)放大器的輸出，即節點B和節點A，通過電容器C3和C6連接到共模電壓vcm。如果之前C4和C5在重置階段中被放電，則自此放大器的輸入中不存在電流並且節點A和B處的電壓Va和Vb等於電源電壓vcm:VA=VB=vcm。因此,沒有電流能夠流經電阻器R,故輸出電流為零:1_=0。否則，如果不存在重置階段，則電容器C5將不能放電，這是由於沒有電流流入V-節點或從V-節點中流出，使得節點B處的電壓Vb將保持其在之前循環中的數值，並且1ut (階段I) =U (階段O)。在第二階段中，開關T2閉合(圖3c)。Cl和C2上聚集的電容器電荷被傳遞到C4和C5。現在放大器38的輸入節點(V-節點，V+節點)通過電容器C3和C6連接到共模電壓vcm。AQ1=AQ4+AQ3(5)A Q2= A Q5+A Q6 (6)通過以上等式，我們可以計算出放大器的輸入處的電壓為:Q4(phasel) (7)Q3 (phasel) =0 和 Q4 (phasel) =0 (8)Cl (vcm-V+-Vin (1)/2) =C3 (vcm-V+) +C4 (vcm-V+) (9)對於C3=C4 和 C1=2C3V+=vcm-Vin/10 (10)由於轉換器中的負反饋和放大器的高増益，放大器輸入電壓相等:V+=V_。通過等式(6)和(10)，節點B處的電壓為VB=vcm-Vin/2。因此，輸出電流直接與採樣的輸入成比例:10Ut=IK=(VB-vcm)/R=-Vin/2R (11)在第三階段中，所有開關均打開(圖3d)並且沒有電流經過電容器C4和C5。在此情況下，節點B處的電壓Vb將保持其之前的數值並且輸出電流Itjut將不改變。在轉換器中使用的放大器38可以包括其結構內的偏移抵消。偏移可以通過輸入斬波器抵消，使得在一個時期中，V+=Vin_p並且V-=Vin_n，而在第二時期中，V+=Vin_n並且V-=Vin_p。由於當輸入相交時我們具有單端輸出，所以信號路徑也固有地相交。
權利要求
1.ー種磁場傳感器，包括磁場感測電路(2)和信號處理電路(4)，該磁場感測電路包括基準磁場發生器(8)和磁場感測單元(6)，該信號處理電路(4)連接到所述磁場感測單元的輸出端並且包括用於校正所述磁場傳感器的傳輸特性中的波動的增益校正反饋電路(30，28)，其特徵在幹，所述傳感器進ー步包括基準電流發生器(3)，所述基準電流發生器配置為生成基準電流IMf，所述基準電流發生器連接到配置為生成基準磁場BMf的所述磁場感測電路(2)並且連接到配置為提供基準信號(yMf)的増益校正反饋電路，解調器電路的輸出信號與所述基準信號進行比較。
2.如權利要求1所述的傳感器，其中所述基準電流發生器經由電流鏡像電路(36a)連接到所述基準磁場發生器(8)的基準線圈(14)，所述電流鏡像電路配置為複製所述基準電流IMf並且生成驅動所述線圈以生成基準磁場BMf的第二基準電流(しf，Mil)。
3.如權利要求1或2所述的傳感器，其中所述增益校正反饋電路(30，28，47)經由電流鏡像電路(36b)連接到基準電流發生器，所述電流鏡像電路配置為複製所述基準電流Iref並且生成被饋送到所述增益校正反饋電路(30，28，47 )的進ー步的基準電流(Iref, r)。
4.如權利要求1或2所述的傳感器，其中所述電流鏡像電路(36b)連接到所述增益校正反饋電路的解調器。
5.如前述權利要求中任意一項所述的傳感器，其中所述基準電流發生器包括集成電路元件，該集成電路元件生成施加在內部電阻器RBe兩端以生成所述基準電流Iref的帶隙基準電壓VBe。
6.如前述權利要求中任意一項所述的傳感器，其中所述信號處理電路(4)包括連接到所述信號處理電路(4)的測量信號解調器(24)的輸出端(23)的電壓-電流(V/I)轉換電路(34)。
7.如權利要求6所述的傳感器，其中所述電壓-電流(V/I)轉換電路包括配置為集成、採樣和保持測量信號的電路。
8.如前述權利要求中任意一項所述的傳感器，其中所述信號處理電路包括解調器電路，該解調器電路包括並聯的至少兩個解調器，所述解調器被配置為同時分離所述測量信號和所述基準信號。
9.如前述權利要求1-7中任意一項所述的傳感器，其中所述信號處理電路包括解調器電路，該解調器電路包括解調器，該解調器可操作在配置為獨立地處理所述測量信號和所述基準信號的至少兩個連續的解調模式中。
10.ー種電流傳感器，所述電流傳感器用於通過測量由待測量的電流生成的外部磁場而測量在導體中流動的電流，所述電流傳感器包括如前述權利要求中任意一項所述的磁場傳感器。
11.如權利要求10所述的電流傳感器，包括由具有高磁導率的材料製成並且具有氣隙的磁芯，所述磁場感測單元定位在所述氣隙中。
12.如前述權利要求中任意一項所述的傳感器，其中連接有霍爾單元，從而抵消外部場，同時測量所述基準磁場。
全文摘要
本公開涉及自主校準的磁場傳感器。一種磁場傳感器，包括磁場感測電路(2)，該磁場感測電路包括基準磁場發生器(8)和磁場感測單元(6)，並且所述磁場傳感器還包括信號處理電路(4)，該信號處理電路連接到所述磁場感測單元的輸出端並且包括用於校正所述磁場傳感器的傳輸特性中的誤差波動的增益校正反饋電路(30，28，47)。所述傳感器進一步包括基準電流發生器(3)。所述基準電流發生器配置為生成基準電流Iref，所述基準電流發生器連接到配置為生成基準磁場Bref的所述磁場感測電路(2)，並且所述基準電流發生器連接到配置為提供基準信號(yref)的增益校正反饋電路，所述解調器電路的輸出信號可以與所述基準信號比較。
文檔編號G01R33/00GK103140770SQ201180032144
公開日2013年6月5日 申請日期2011年6月27日 優先權日2010年6月30日
發明者G·M·阿尼利, M·帕斯特爾, 安德裡亞·阿基比爾, M·卡亞爾 申請人:萊姆智慧財產權股份有限公司