CN101600942A - 具有到机械地的电容联接排斥的集成传感器 - Google Patents

Abstract

一种集成传感器(CR)，包括：i)稳压器(RT)，其电联接到机械地(MM)上且传输基于以电气地(ME)为基准的主供给电压(AP)的稳定电压；ii)具有高阻抗的敏感元件(ES)，其由主供给电压(AP)供电，电联接到机械地(MM)上且传输表示物理量的测量电气量；iii)放大模块(IR)，其由稳定电压供电，且包括接收取决于稳定电压的模拟基准的第一输入端(+)以及接收测量电气量的第二输入端(－)，并且该放大模块被用来传输表示放大的测量电压的第一输出电压，以及iv)第一差频放大器(AD1)，其由在电气上以电气地(ME)为基准的主供给电压(AP)供电，且包括接收模拟基准的第一输入端和接收第一输出电压的第二输入端，该第一差频放大器被用来传输表示该放大的第一输出电压且以电气地(ME)为基准的第二输出电压。

Description

具有到机械地的电容联接排斥的集成传感器

技术领域

本发明涉及具有高阻抗、甚高阻抗的敏感元件的集成传感器。

背景技术

此处“集成传感器”理解为一种包括(甚)高阻抗的敏感元件的装置(或器件)，其被用来传输表示物理量的测量电压并被联接到电子元件上，尤其联接到稳压器和放大积分器(或积分放大器)上，整个装置必要时被集成在金属容器内。

在上述类型的集成传感器中，稳压器旨在传输基于主供给电压的以电气地为基准的稳定电压，由该稳定电压供电的积分器包括第一输入端和第二输入端，该第一输入端接收取决于该稳定电压的第二电压，该第二输入端接收敏感元件的测量电压，且该积分器被用来传输表示所放大的测量电压的第一输出电压。

如本领域技术人员所知，当集成传感器容纳于金属容器中，且该金属容器自身安装于诸如机动车引擎的电干扰环境中时，其容器重新置于与机械地电联接。其敏感元件同样因其(甚)高阻抗而通过电容联接而电联接到机械地上。由于在连接到机械地上的某些装置中循环的电流的密度(例如，由启动器传输的电流)，敏感元件的电容联接可导致测量电压的变化典型地变化±1伏特(V)，使得后者实际上不再表示所测量的物理量。

为了克服该缺点，可以在敏感元件的周围放置电磁屏蔽。但是这样的电磁屏蔽通常昂贵且/或笨重。

也可以通过以机械地为基准的供给电压来向敏感元件供电。但是，在积分器自身由以电气地为基准的稳定电压供电的情况下，这仅部分地解决了问题。

还可以以不同的模式操作积分器，但是由于相对于机械地的反相输入端和同相输入端的隔离阻抗不对称，这并不有效。

发明内容

因此，本发明的目的在于改善该情况，并相对于机械地更精确地至少部分地排斥敏感元件的电容联接，而不使用电磁屏蔽。

出于该目的，本发明提出了一种在介绍中出现的类型的集成传感器，并因而包括：

-稳压器(RT)，其用来传输基于以电气地为基准的主供给电压的稳定电压；

-(甚)高阻抗的敏感元件，其由主供给电压供电且被用来传输表示物理量的测量电气量；以及

-放大模块(必要时为积分器类型)，其由稳定电压供电，包括接收取决于稳定电压的模拟基准的第一输入端以及接收测量电气量的第二输入端，并且该放大模块被用来传输表示被放大的测量电压的第一输出电压，

该集成传感器的特征在于：

-其敏感元件和稳压器二者均电联接到机械地上，以及

-其包括第一差频放大器，该第一差频放大器由以电气地为基准的主供给电压供电，且包括适于接收模拟基准的第一输入端和适于接收第一输出电压的第二输入端，且第一差频放大器被用来传输表示该放大的第一输出电压且以电气地为基准的第二输出电压。

根据本发明的集成传感器还可以包括可以分别采用或组合采用的其它特征，尤其是：

-其可以包括保护装置，该保护装置一方面电联接到电气地上，另一方面电联接到机械地上，且被用来保护放大模块不受静电放电的影响；

-其可以包括反馈装置，该反馈装置连接到放大模块的第二输入端上并联接到电气地上，且被用来导致在放大模块的该第二输入端和敏感元件上出现的电气干扰(parasites électriques)对放大模块的影响降低。

例如，反馈装置一方面可以包括第二差频放大器，该第二差频放大器以机械地为基准，并包括第一输入端和第二输入端，该第一输入端接收表示所检测到的电气干扰的反馈辅助电压，该第二输入端电联接到电气地上，以传输表示辅助电压的第三输出电压，另一方面，反馈装置包括电阻，该电阻包括接收第三输出电压的第一端子以及电连接到放大模块的第二输入端上的第二端子。

该第二差频放大器可以由稳定电压供电。

-其放大模块可以包括：第一，由稳定电压供电的运算放大器，其包括限定第一输入端(接收模拟基准)的同相输入端以及限定第二输入端(接收测量电气量)的反相输入端，且该运算放大器被用来传输第一输出电压；第二，电容元件，其包括分别连接到运算放大器的输出端和反相输入端上的第一端子和第二端子；第三，分压电桥(pontdiviseur)，其包括第一电阻和第二电阻，该第一电阻装备有电联接到机械地上的第一端子和连接到运算放大器的同相输入端上的第二端子，该第二电阻装备有电连接到稳压器的输出端上以接收稳定电压的第一端子和连接到运算放大器的所述同相输入端上的第二端子；

-其还可包括金属容器，该金属容器容纳稳压器、敏感元件、放大模块、第一差频放大器以及可能的保护装置和反馈装置，该金属容器用来电联接到机械地上。

虽然不唯一，但本发明尤其适用于其中敏感元件是压电元件的集成传感器。

附图说明

通过参考以下的详细描述和附图，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中，附图以示意性和功能性的方式图示了根据本发明的集成传感器的示范性实施例

附图不仅能够用来补充本发明，而且必要时还能够有利于其限定。

具体实施方式

本发明的目的在于允许构建一种集成传感器(如介绍性部分所定义的)，在该集成传感器中，不使用电磁屏蔽而至少部分地排斥到机械地的敏感元件的电容联接。

在下文中，通过非限定性的实施例而考虑用来植入机动车中(例如其引擎内)的具有(甚)高阻抗的集成传感器，从而提供表示物理量的测量电压。但是，本发明并不限于这种类型的应用。其实际上涉及用来安装于电干扰环境中的具有(甚)高阻抗的任何类型的集成传感器，尤其涉及用于工业应用中的集成传感器。

如附图中示意性且功能性地所示，根据本发明的集成传感器CR包括至少一个稳压器RT、具有高(甚至甚高)阻抗的敏感元件ES、放大模块IR(以具有高输入阻抗的积分放大器或放大器的形式布置)以及第一差频放大器AD1。

在下文中，认为集成放大器CR还包括金属容器T(例如管)，该金属容器电联接到其所植入的引擎的机械地MM上，并且在该金属容器中容纳了所有其它的组成部分(尤其指RT、ES、IR、AD1)。

并且，在下文中，通过所示范的非限定性的示例，认为敏感元件ES是被用来将诸如压力(物理量)的机械应力转化为电荷(以下称为测量电荷QM)的压电元件。更准确地讲，在该示例中，敏感元件ES传输呈测量电流IM的形式的测量电气量，该测量电流取决于与所测量的物理量成比例的测量电荷QM。例如，该压电元件ES呈现出6pF的电容。但是，本发明并不限于这种类型的敏感元件。事实上，本发明涉及能够传输表示一个物理量的测量电气量的具有(甚)高阻抗的任何类型的敏感元件。因此，该敏感元件例如可涉及将呈测量电压的形式的测量电气量作为输出而传输的氧探头。

根据本发明，敏感元件ES经由导电连接件而电联接到机械地MM上，该导电连接件将敏感元件ES电连接到金属容器T上。

稳压器RT由以电气地ME为基准的主供给电压AP供电，该电气地ME例如为负责引擎控制的计算机。

根据本发明，该稳压器RT经由导电连接件而电联接到机械地MM上，该导电连接件将该稳压器RT电连接到金属容器T上。因此，该稳压器被用来将主供给电压AP转变为以机械地MM为基准的稳定电压VR。

作为非限定性的示例，该稳定电压等于3V(伏特)。

放大模块IR由稳定电压VR供电。在敏感元件ES为压电传感器类型的情况下，放大模块IR是包括第一输入端(+)、第二输入端(-)以及输出端的积分放大器。放大模块IR在此被用来通过积分将由敏感元件ES所传输的测量电流IM(源自电荷QM)转化为第一输出电压VS1。

第一输入端(+)被用来接收基于稳定电压VR而构成的模拟基准。在所图示的示例中，该模拟基准是电压基准(或恒定电势)VP。

第二输入端(-)与敏感元件ES的未连接到机械地MM上的那个端子相连。其例如(且如图所示)被电容回绕元件(élément capacitif derebouclage)CA(例如电容器)保持在恒定电势VP。

放大器(积分器)IR的输出端被用来传输表示测量电荷QM的第一输出电压VS1，该测量电荷QM由相当于电容回绕元件CA的电容C_ca的倒数的增益函数放大。

如图所示，放大器IR包括例如联接到电容元件CA和分压电桥R1、R2上的运算放大器AO。

运算放大器AO包括便于由稳定电压VR供电的供给输入端、构成放大器IR的第一输入端且因而被用来接收电压基准VP的同相输入端(+)、构成放大器IR的第二输入端且因而被用来接收由敏感元件ES传输的电流IM(取决于测量电荷QM)的反相输入端(-)，以及构成放大器IR的输出端且因而被用来传输第一输出电压VS1的输出端。

该运算放大器AO以完全常规的方式运行。该运算放大器在其输出端上传输第一输出电压VS1，使得其反相输入端(-)的电势保持在同相输入端(+)的恒定电势VP上。该运算放大器还穿过电容回绕元件CA提供将敏感元件ES的电势保持在恒定值上所必需的电流。第一输出电压VS1因而等于由跨越电容回绕元件CA的端子之间的电压V_ca来增大的恒定电势VP，其中，V_ca由敏感元件ES所提供的电流的积分( $\mathrm{Vca}=\frac{\∫\mathrm{IM}\·\mathrm{dt}}{\mathrm{Cca}}=\frac{\mathrm{Qm}}{\mathrm{Cca}},$ 其中，C_ca是电容回绕元件CA的电容)给出。

电容回绕元件CA包括分别连接到运算放大器AO的输出端和反相输入端(-)上的第一端子和第二端子。

分压电桥包括例如第一电阻R1和第二电阻R2。第一电阻R1包括第一端子和第二端子，该第一端子经由将其电连接到金属容器T上的导电连接件而电联接到机械地MM上，该第二端子连接到运算放大器AO的同相输入端(+)上。第二电阻R2包括第一端子和第二端子，该第一端子电连接到稳压器RT的输出端上，以接收稳定电压，该第二端子连接到运算放大器AO的同相输入端(+)上，以向其提供电压基准(或者恒定电势)VP。

通过该布置，当机械地MM的电势变化时，敏感元件ES的端子上的电压不变化。电容回绕元件CA不再接收电流，其电荷保持恒定并因而将放大器IR的第二输入端(-)保持在恒定电势VP上。由此产生的结果为，在运算放大器AO的输出端上不再有任何“噪声”。

第一差频放大器AD1包括由主供给电压AP供电的供给输入端，以及经由导电连接件而电联接到电气地ME上的接地输入端。因此，第一差频放大器AD1在电气上是以电气地ME为基准的。第一差频放大器还包括第一输入端(+)和第二输入端(-)，该第一输入端例如为同相型，连接到运算放大器AO的极化点上(就是说，位于其同相输入端(+)处)且因而置于由分压电桥R1、R2在该极化点处限定的电压VP下，该第二输入端例如为反相型，被用来接收第一输出电压VS1。最后，第一差频放大器还包括被用来传输第二输出电压VS2的输出端，该第二输出电压表示由增益函数进行放大且以电气地ME为基准的第一输出电压VS1。

将会注意到，在不同的实施例中，第一差频放大器AD1的第一输入端(+)可以以机械地MM或由稳压器RT传输的电压为基准。

该第一差频放大器AD1以完全常规的方式运行。在所图示的示范性实施例中，第一差频放大器在其输出端传输第二输出电压VS2，该第二输出电压与第一输出电压VS1和由分压电桥R1、R2限定的电压VP之间的差成比例(VS2∝B*(VS1-VP)，其中，B是可以为正或为负的增益)。

如图所示，根据本发明的集成传感器CR还可以且必要时包括保护模块MP，该保护模块MP被用来保护其放大器IR不受当机械地MM所位于的电势出现大的变化时可能出现的静电放电(或者ESD)的影响。出于该目的，保护模块MP一方面经由导电连接件而电联接到电气地ME上，另一方面经由将其电连接到金属容器T上的导电连接件而电联接到机械地MM上。

例如，保护模块MP可以由二极管和/或晶体管的适当组合而构成。例如，可以通过将两对二极管并联安装而构成保护模块，第一对包括串联的两个二极管，第二对包括以与第一对二极管相对的方式安装的串联的两个二极管。

由于放大器IR传输浮动型(type flottant)的第一输出电压VS1，因而尽可能地抑制到达其第二输入端(-)的干扰电压(tensions parasites)是有利的。为此，如图所示，根据本发明的集成传感器CR还可以且必要时包括被用来降低放大器IR处的电气干扰的影响的反馈模块AD2、R3，该电气干扰可能出现在放大器IR和敏感元件ES的第二输入端(-)处，且有可能干扰敏感元件ES的测量电荷QM，因为集成传感器由以电气地ME为基准的主供给电压AP供电。实际上，这涉及补偿运算放大器AO的电流和电压的不一致(或“偏移”)以及因随着温度的漂移而由敏感元件ES产生的甚低频干扰。

出于该目的，该反馈模块AD2、R3连接到放大器IR的第二输入端(-)上并联接到电气地ME上，且接收控制装置(其不形成本发明的一部分，且其可以为引擎控制单元)的反馈辅助电压VC。该控制装置被用来更精确地消除在放大器IR和敏感元件ES的第二输入端(-)处出现的电气干扰。为此，该控制装置产生反馈辅助电压VC，该反馈辅助电压旨在抵销电气干扰对敏感元件ES的测量电荷QM的作用。

例如，如图所示，反馈模块可以包括被安装成与电阻R3串联的第二差频放大器AD2。

第二差频放大器AD2还包括可以由稳压器VR供电的供给输入端、经由将其电连接到金属容器T上的导电连接件而电联接到机械地ME上的接地输入端、接收反馈辅助电压VC的第一输入端、经由导体连接件而电联接到电气地ME上的第二输入端，以及传输表示反馈辅助电压VC的第三输出电压VS3的输出端。该第二差频放大器AD2以完全常规的方式运行。第二差频放大器在其输出端传输第三输出电压VS3，该第三输出电压与机械地ME的电压VME和反馈辅助电压VC之间的差成比例(VS3∝C*(VME-VC)，其中C是增益)。

电阻R3包括连接到第二差频放大器AD2的输出端上以接收第三电压VS3的第一端子，以及电连接到放大器IR的第二输入端(-)上的第二端子。

根据本发明，通过由稳压器RT实施的在线调整以及第一差频放大器AD1和第二差频放大器AD2的共同排斥模式来确保对出现在机械地MM上的电气干扰的排斥。

本发明并不仅限于仅通过示例而在以上描述的集成传感器的实施例，而是包括本领域的技术人员能够想到的所有变型。

因此，在以上描述了敏感元件为压电传感器的集成传感器的示范性实施例。然而，如上所述，敏感元件可以为其它类型。例如，其可以涉及在输出端传输呈测量电压的形式的测量电气量的氧探头。在该情况下，放大模块不是积分放大器，而是具有高输入阻抗的放大器，该放大器包括(优选经由电阻)接收测量电压的第一输入端(同相)、以及形成电阻反馈的对象的第二输入端(反相)(在此，前述的示范性实施例的电容回绕元件CA被电阻回绕元件(例如电阻)代替)。

Claims (8)

1.一种集成传感器(CR)，包括：

i)稳压器(RT)，其适于传输基于以电气地(ME)为基准的主供给电压(AP)的稳定电压；

ii)敏感元件(ES)，其具有高阻抗，由所述主供给电压(AP)供电且适于传输表示物理量的测量电气量；以及

iii)放大模块(IR)，其由所述稳定电压供电，且包括适于接收取决于所述稳定电压的模拟基准的第一输入端(+)，以及接收所述测量电气量的第二输入端(-)，并且，该放大模块被用来传输表示放大的所述测量电压的第一输出电压，

其特征在于，所述敏感元件(ES)和所述稳压器(RT)电联接到机械地(MM)上，且所述集成传感器包括第一差频放大器(AD1)，该第一差频放大器由在电气上以所述电气地(ME)为基准的所述主供给电压(AP)供电，且包括适于接收所述模拟基准的第一输入端和适于接收所述第一输出电压的第二输入端，所述第一差频放大器被布置来传输表示该放大的第一输出电压且以所述电气地(ME)为基准的第二输出电压。

2.根据权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述集成传感器包括保护装置(MP)，该保护装置一方面电联接到所述电气地(ME)上，另一方面电联接到所述机械地(MM)上，且被布置来保护所述放大模块(IR)不受静电放电的影响。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的集成传感器，其特征在于，所述集成传感器包括反馈装置(AD2，R3)，该反馈装置连接到所述放大模块(IR)的所述第二输入端(-)上，并联接到所述电气地(ME)上，且被布置来导致在所述放大模块(IR)的所述第二输入端(-)和所述敏感元件(ES)处出现的电气干扰在所述放大模块(IR)处的影响降低。

4.根据权利要求3所述的集成传感器，其特征在于，所述集成传感器还包括：

i)第二差频放大器(AD2)，其以机械地(ME)为基准，并包括第一输入端(+)和第二输入端(-)，该第一输入端接收表示所检测的所述电气干扰的反馈辅助电压(VC)，该第二输入端电联接到所述电气地(ME)上，以传输表示所述辅助电压的第三输出电压；以及

ii)电阻(R)，其包括接收所述第三输出电压的第一端子以及电连接到所述放大模块(IR)的所述第二输入端上的第二端子。

5.根据权利要求4所述的集成传感器，其特征在于，所述第二差频放大器(AD2)由所述稳定电压供电。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的集成传感器，其特征在于，所述放大模块包括：

i)由所述稳定电压供电的运算放大器(AO)，其包括限定接收所述模拟基准的所述第一输入端的同相输入端(+)，以及限定接收所述测量电气量的所述第二输入端的反相输入端(-)，且该运算放大器被布置来传输所述第一输出电压；

ii)电容元件(CA)，其包括分别连接到所述运算放大器(AO)的输出端和反相输入端(-)上的第一端子和第二端子；以及

iii)分压电桥(R1、R2)，其包括第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，该第一电阻装备有电联接到所述机械地(MM)上的第一端子和连接到所述运算放大器(AO)的所述同相输入端(+)上的第二端子，该第二电阻装备有电连接到所述稳压器(RT)的输出端上以接收所述稳定电压的第一端子和连接到所述运算放大器(AO)的所述同相输入端(+)上的第二端子。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的集成传感器，其特征在于，所述集成传感器包括金属容器(T)，该金属容器容纳所述稳压器(RT)、所述敏感元件(ES)、所述放大模块(IR)、所述第一差频放大器(AD1)以及可选的保护装置(MP)和反馈装置(AD2，R3)，且该金属容器适于电联接到所述机械地(MM)上。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的集成传感器，其特征在于，所述敏感元件(ES)是压电元件。

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