具有四个阻性感测元件的全桥配置的传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在全桥配置中布置的具有阻性感测元件的传感器系统。
【背景技术】
[0002]在许多传感器应用中，感测元件是受到要测量的物理量影响的电阻器。为了产生可靠和灵敏的传感器输出，感测元件可以用全桥配置或所谓的惠斯通桥配置来连接。这种配置在两个中间节点之间产生平衡的差分输出电压。该差分输出电压正比于应用于整个全桥配置的布置的电源电压或偏压。
[0003]为了执行数字信号处理，在两个中间节点处存在的模拟桥信号可以与差分高精确度模数转换器(ADC)的输入连接，模数转换器(ADC)将由两个模拟桥信号之间的差异给出的差分输出电压转换到数字域。ADC的性能在很大程度上由两个参考电压电平的精确度确定。可以由参考电压源来提供每个参考电压电平。
[0004]已知通过合适的电路(其可以包括(例如)分压器)来间接地从电源电压导出ADC的两个参考电压电平。然而，用于实现提供两个参考电压电平的参考电压源的该解决方案具有以下缺点:生成低噪声且精确的参考电压电平非常困难。此外，由ADC消耗的功率的相当一部分将用于参考电压电平的生成。此外，尤其在电源电压处存在高频噪声的情况下，参考电压电平的频宽将与桥信号的频宽不同。这意味着，电源电压处存在的高频噪声将由于信号和参考之间的相位和/或幅度的差异而不被抑制，而是将被转换到数字域中。这甚至将导致不想要的混叠(aliasing)。高频噪声还可以折回ADC的关注频段(BOI)。此外，具体地，在电源电压上呈现较为强烈的噪声的情况下，必须由ADC处理差分输出电压的大的全信号摆幅，导致了对ADC的高线性度需要。
[0005]作为上述缺点的结果，包括全桥配置中布置的感测元件和用于提供数字输出的ADC的已知传感器系统的性能恶化。
【发明内容】
[0006]可以存在提供包括(a)在全桥配置中布置的感测元件和(b)模数转换器的高性能传感器系统的需要。
[0007]可以利用根据独立权利要求的主题内容来满足该需要。由从属权利要求来描述本发明的有利实施例。
[0008]根据发明的第一方面，提供了一种传感器系统。所提供的传感器系统包括:(a)第一传感器路径、(b)第二传感器路径和(C)处理单元。第一传感器路径包括(al)串联在第一供电端子和第二供电端子之间的第一感测元件和第二感测元件，以及(a2)设置在第一供电端子和第二供电端子之间的中间节点。第二传感器路径包括:(bl)串联在第一供电端子和第二供电端子之间的第三感测元件和第四感测元件，其中第三感测元件被细分为第一第三子组件和第二第三子组件，以及第四感测元件被细分为第一第四子组件和第二第四子组件，(b2)设置在第一供电端子和第二供电端子之间的第一参考节点，以及(b3)设置在第一供电端子和第二供电端子之间的第二参考节点，并且第二参考节点与第一参考节点不同。处理单元(Cl):从中间节点接收输入信号，从第一参考节点接收第一参考信号，以及从第二参考节点接收第二参考信号，以及(c2)被配置为:基于输入信号、第一参考信号和第二参考信号提供传感器输出信号。
[0009]所描述的传感器系统基于以下想法:可以通过向处理单元提供参考信号来有效降低向第一供电端子和/或第二供电端子施加的(功率)电源电压上存在的电压纹波的作用，所示参考信号跟踪或遵循这些电压纹波。这意味着，当电源电压增加时，参考信号成比例增加。相应地，当电源电压降低时，参考信号成比例降低。
[0010]可以看出所描述的传感器系统的另一个基本想法是:处理单元使用的参考信号是从感测元件的全桥配置的第二传感器路径导出的。这导致了处理单元的参考将跟踪电源电压，并且与从全桥配置的第一传感器路径导出的输入信号具有相同共模电平。
[0011]换言之:当参考信号分别遵循(功率)电源电压在处理单元的输入范围的波动以及处理单元的输入信号时，处理单元的参考信号随着(功率)电源电压进行缩放。这可以导致由处理单元(和由整个传感器系统)提供输出信号，所述输出信号至少在很大程度上独立于(功率)电源电压。
[0012]具体地，电压纹波可以是由噪声造成的，其在实际中从不被完全消除。因此，在所描述的传感器系统的情况下，基于感测元件的全桥配置，将提高所有类型的传感器应用的传感器输出信号的精度。
[0013]模拟信号可以具体地是电压信号。输出信号可以是任意类型的信号。甚至还可以是光信号。
[0014]根据所描述的传感器系统，第一传感器路径用于生成输入信号。因此，第一传感器路径还可以被命名为信号路径。此外，第二传感器路径用于生成两个参考信号。因此，第二传感器路径还可以被命名为参考路径。当然，由于对称性，第一传感器路径可以是参考路径，并且第二传感器路径可以是信号路径。
[0015]根据实施例，处理单元包括模数转换器。这可以提供以下优点:传感器输出信号可以是数字输出信号，其还可以通过附加的数字电路用可靠地方式进一步处理。
[0016]由于以上阐明的对输入信号和至少两个参考信号的电源电压跟踪，将针对所有类型的传感器应用提高由模数转换器(ADC)的模数转换所提供的数字输出信号的精度。
[0017]根据附加实施例，传感器系统还包括与第一供电端子和第二供电端子连接的供电电源。
[0018]使用(集成的)供电电源可以提供以下优点:传感器系统可以被实现为自给自足或自我维持系统，其对于各种传感器应用可以用简单的方式使用。
[0019]根据另一个实施例，至少一个感测元件是磁性感测元件。这可以意味着:(全桥)感测元件配置代表(全桥)磁性传感器布置，并且所描述的传感器系统是磁性传感器系统。可以在多种传感器应用中使用这种磁性传感器系统，例如在汽车工业中，例如用于高精度ABS传感器和用于以较高可靠度的方式来测量(例如燃烧引擎的机轴的旋转位置)。
[0020]优选地，磁性感测元件是磁阻式感测元件。这可以允许用高度精确的方式来获得磁场测量。具体地，磁阻式感测元件可以是AMR感测元件，其操作可以依赖于已知的各向异性磁阻(AMR)。所提及的是，还可以使用依赖于(例如)巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)和/或穿隧磁阻(TMR)的已知效应的其他感测元件。
[0021]应注意的是，对于其他类型的传感器系统(例如用于以可靠和精确的方式测量温度的传感器系统)，可以用有益的方式来在一方面使用所描述的两个传感器路径之间的电布线，以及在另一方面使用处理单元。
[0022]根据另一个实施例，四个感测元件的每一个是磁性感测元件。这可以提供以下优点:传感器系统可以用对称的方式来布置，并且可以使用感测元件的已知的全桥配置。
[0023]根据另一实施例，在单个衬底管芯上或上方，以及具体地在单个半导体管芯的上或上方形成感测元件。这可以提供以下优点:可以通过常用的半导体制造过程来生产传感器系统的传感器布置或甚至是尤其是包括所描述的处理单元的整个传感器系统。这允许用在生产成本方面高效的方式来实现所描述的传感器系统。
[0024]通过与至少部分地在基底上或上方形成的已知传感器系统对比，所描述的传感器系统不需要参考电压源，原因在于，间接地经由第二传感器路径内的合适的节点从供电电源获得所需的参考信号。这可以提供以下优点:不再需要正常情况下形成至少一个参考电压源所需的基底上的区域。结果，可以用空间紧致的方式来形成所描述的传感器系统。这在半导体基底上一体化形成所描述的传感器系统时可以特别有利。
[0025]根据另一个实施例，第一感测元件被细分为第一第一子组件和第二第一子组件，以及第二感测元件被细分为第一第二子组件和第二第二子组件。这可以意味着:可以用对称的方式来实现感测元件的全桥配置。这种对称配置当在半导体层面上实现感测元件时可以特别有利。这意味着可以在半导体基底上或上方直接或间接地形成感测元件。
[0026]关于这一点，所提及的是，感测元件在半导体基底上或上方形成可以提供以下可能性:每个感测元件可以用简单和可靠的方式与附加信号线或者与附加的参考线相接触。这种附加的线可以用于向处理单元馈入附加输入和参考信号，以便用精确和可靠的方式形成输出信号。对附加输入和参考信号的使用还可以提供使用特定类型的数字处理单元的机会，例如Σ -Δ调制器或所谓的差分闪存ADC，其可以用并行的方式来转换不同的输入和参考信号，以用特别快速的方式来提供数字输出信号。以下将呈现关于这些类型的数字处理单元的附加信息。
[0027]根据另一实施例，所有子组件呈现出特定欧姆电阻，并且-以下子组件对的欧姆电阻相等或者-对于以下子组件对，被指派到第一传感器路径的子组件的欧姆电阻与被指派到第二传感器路径的子组件的欧姆电阻具有固定的比值:(a)第一第一子组件和第二第四子组件，(b)第二第二子组件和第一第三子组件，(C)第二第一子组件和第一第四子组件，(d)第一第二子组件和第二第三子组件。
[0028]用所述方式来选择多个子组件的电阻值不仅从结构角度上看是对称的，并且关于均被馈入处理单元的至少一个输入信号和至少两个参考信号的电压(电平)也是对称的。这使得两个传感器路径的子组件的设计和具体地合适的电阻值的选择非常简单。
[0029]可依赖于对于操作所描述的传感器系统适用的电流来选择的固定的比值可以主要地具有零(不含零)和无