具有三个半桥结构的传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有电阻感测元件的传感器系统，其中相应地两个电阻感测元件串联连接在电桥结构的传感器路径中。具体地，本发明涉及用于感测物理量的传感器系统和方法，特别是磁场和磁场的时间相关性。
【背景技术】
[0002]磁性传感器系统在各种行业中越来越重要。例如在汽车行业中，诸如停车传感器、如在节流阀中的角度传感器、ABS(自动制动系统)传感器以及轮胎压力传感器之类的各种传感器系统能够在用于改善舒适度和安全性的现代车辆中找到。磁性传感器系统在汽车应用中特别重要，是因为磁场可以轻易地穿透大部分材料。并不像例如光学传感器，磁性传感器还对于尘土非常不敏感。
[0003]一些不同的磁传感器技术是当前可用的，例如磁敏晶体管(MT)、基于霍尔效应的传感器以及基于磁阻效应的传感器(例如各向异性磁阻(AMR)以及巨磁阻(GMR)传感器)。AMR传感器系统的感测原理是基于铁磁材料的电阻依赖于AMR感测元件中磁化和电流方向之间的角度的物理现象。依赖洛伦茨力的霍尔传感器和MT具有相对低的灵敏性，并且因此也具有较低的精度。
[0004]已知的ABS应用使用AMR传感器系统，以便检测机械地连接到车辆车轮或车辆轮胎的编码器轮的磁场变化。典型的AMR传感器系统包括使用磁阻感测元件(例如NiFe电阻条)构成的惠斯通全电桥结构。响应于由编码器轮的转动导致的检测的磁场变化，可以生成速度脉冲信息。备选地，可以使用惠斯通半桥结构的两个半桥的空间差异来识别编码器轮的转动方向。应当提到的是，可以将编码器轮实现为磁性无源或磁性有源结构。磁性有源编码器轮包括具有永磁铁的至少一些部分。总是连同偏置磁铁一起使用的磁性无源编码器轮干扰和/或改变由偏置磁铁产生的并且由AMR传感器系统检测的磁场。转动的有源或无源编码器轮周期性地改变检测到的磁场。
[0005]一些已知的AMR传感器系统备选地具有基准电桥，所述基准电桥包括对外部磁场不敏感的电阻基准元件。然而，这样的AMR传感器系统受到只有较低幅度并且典型地非常嘈杂的输出信号的不良影响。
[0006]更复杂的AMR传感器系统包括两个惠斯通全桥结构，每个惠斯通全桥结构由至少四个AMR感测元件构成。然而，这样的AMR传感器系统会受到尺寸、电流消耗以及成本方面的附加效果。
【发明内容】
[0007]需要提供用于一种感测物理量的传感器系统和方法，所述系统和方法在一方面产生可靠且低噪声的信号输出，并且在另一方面要求生产和/或操作的低成本。
[0008]可以通过根据独立权利要求的主题来满足该需求。本发明的有利实施例由从属权利要求来描述。
[0009]根据本发明的第一方面，提供了用于感测物理量的传感器系统。所述传感器系统包括:(a)第一传感器路径，所述第一传感器路径包括在第一电源端子与第二电源端子之间串联连接的第一第一感测元件和第二第一感测元件，以及设置在第一第一感测元件与第二第一感测元件之间的第一中间节点；(b)第二传感器路径，所述第二传感器路径包括在第一电源端子与第二电源端子之间串联连接的第一第二感测元件和第二第二感测元件，以及设置在第一第二感测元件与第二第二感测元件之间的第二中间节点；(C)第三传感器路径，所述第三传感器路径包括在第一电源端子与第二电源端子之间串联连接的第一第三感测元件和第二第三感测元件，以及设置在第一第三感测元件与第二第三感测元件之间的第三中间节点；以及⑷信号处理设备，所述信号处理设备与第一中间节点、第二中间节点以及第三中间节点相连接，并且所述信号处理设备配置用于基于(dl)第一中间节点处给出的第一电变量、(d2)第二中间节点处给出的第二电变量和(d3)第三中间节点处给出的第三电变量来处理对所感测的物理量加以指示的输出信号。
[0010]描述的传感器系统是基于这样的思想:包括三个半桥的传感器系统(其中相应地一个半桥是由三个传感器路径之一来实现的)可以分别向信号处理设备提供一些冗余测量信号的相应信息，所述信息能够用于可靠的感测物理量，而与此同时针对所述传感器系统的设备支出仍然相对较小。因此，与包括两个分离的全桥传感器结构的传感器系统相比(该系统当然也会允许物理量的精确和冗余测量)，用于实现所述传感器系统的支出和成本非常小。
[0011]在适当的信号处理时，冗余测量信号能够用于获得相对于感测的物理量和/或相对于所述传感器系统的操作状态的多条信息。以下非排他性列表介绍了一些使用现有技术传感系统通常将导致错误测量结果的情况:
[0012](A)在所谓信号翻转的情况下，能够实现故障检测。此外，可以减小数字故障，该数字故障会影响所述传感器系统的测量质量。
[0013](B)在不想要的振动的情况下，也能够实现故障检测。在很多情况下，能够抑制或至少显著地减少这种振动的负面影响。
[0014](C)还能够执行关于传感器系统的电路中的短路和/或开路故障检测。此外，能够检测到尤其是因为传感器系统有效期减少导致的不想要的偏移。因此，能够阻止有效期失效，并且如果可能的话会触发传感器系统的重新校准。
[0015]描述的故障可以特别是通过将两个输出信号相互比较来实现。由此，一个输出信号可以与第一电变量及第二电变量相关联，并且第二输出信号可以与第二电变量及第三电变量相关联。
[0016]可以用作针对信号处理设备的三个输入信号的所述电变量可以特别是电压电平。输出信号可以是任何类型的信号。除了电压和电流信号以外，甚至光学信号也是可以的。
[0017]根据本发明的实施例，所述传感器系统还包括探针设备，所述探针设备能够耦合到移动组件，所述移动组件的移动应被测量。探针设备(i)在空间上相对于三个传感器路径放置，并且(ii)配置为使得所述探针设备的移动导致三个电变量随时间的变化。
[0018]探针设备可以是任何物理结构，所述探针设备在移动时导致由所描述的传感器系统感测物理量的变化。探针设备的物理特性依赖于感测元件的类型。这意味着每个感测元件必须配置为分别检测物理量和由探针设备(的移动)提供的物理量的变化。
[0019]例如，探针设备可以是具有光学特性的空间变化的结构。在该上下文中，例如光学参数可以是探针设备的特定部分的反射率和/或颜色的度数。因而，感测元件必须配置用来检测这些光学特性(的变化)。本领域技术人员将会知晓能够检测光学量的多个类型的感测元件。因此，可能需要使用可以照亮探针设备相应部分的合适光源。
[0020]探针设备可以至少部分地具有线性延伸。这意味着在移动组件移动时，探针设备已经以直接或者以间接的方式机械地连接到描述的传感器系统的优选应用，能够感测到移动组件的空间位置中的线性移动或变化。
[0021]由于上述的三个电变量的冗余(其中每一个代表一个感测信号)，丢失的速度脉冲可以通过信号处理设备的适当的(冗余)信号处理来检测和/或预测。因而，实质上可以添加丢失的速度脉冲。此外，还可以检测到过多速度脉冲的出现，并且信号处理能够配置为抑制附加的速度脉冲。
[0022]根据本发明的其它实施例，探针设备是能够耦合到转动组件的编码器轮，所述转动部件的转动应被测量。
[0023]编码器轮能够通过直接或通过间接的方式连接到转动组件，并且能够感测转动组件的转动运动或转动位置变化。这可以允许在多个应用(例如针对ABS (自动制动系统)应用)中使用描述的传感器系统。同样在汽车领域中的针对描述的系统的其它可能的应用是内燃机中曲柄轴的转动位置和/或转动速度的检测。
[0024]应当提到的是，这两种(汽车)应用也并不是排他的，并且只要在编码器轮附近存在足够的空间用于放置传感器结构，则所描述的系统就能够主要地用于测量任何转动组件的转动移动，其中传感器配置包括或包含三个传感器路径以及与其结合的传感器元件。
[0025]根据本发明的其它实施例，相对于预定义的轴:(a)第一传感器路径位于第一位置，(b)第二传感器路径位于第二位置，并且(C)第三传感器路径位于第三位置。这意味着在由预定义的轴和其它(垂直的)轴定义的(笛卡尔)坐标系中，所有的感测元件分配给一个并且具有关于该预定义的轴相同的坐标值的传感器路径。
[0026]在探针设备至少部分地具有线性延伸并且机械耦合到随着移动方向移动的组件的情况下，该移动方向对应于预定义的轴的方向。在探针设备是可转动编码器轮的情况下，预定义的轴可以对应于编码器轮的正切。这意味着编码器轮的转动轴朝向为与预定义的轴垂直地。
[0027]应当提到的是，由于第一位置、第二位置和第三位置沿预定义的轴方向的距离，三个电变量的时间依赖性呈现了相对于彼此的相位差。依赖于所描述的传感器系统的具体应用，该相位差能够用于获得重要的测量信息。
[0028]根据本发明的其它实施例，所述感测元件中至少一个感测元件是磁性感测元件。这意味着描述的三个半桥传感器系统是磁性传感器系统。
[0029]优选地，磁性感测元件是磁阻感测元件。这可以允许以高精度方式来获得磁场测量。特别是，至少一个磁阻感测元件可以是AMR感测元件，其操作依赖于已知各向异性磁阻(AMR)效应。应当提到的是，也可以使用其他感测元件，所述感测元件依赖于已知的巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)和/或隧道磁阻的效应。
[0030]在借助上述编码器轮对转动组件的转动移动进行测量的情况下，编码器轮可以包括特别是多个磁性元件或空间变化