TW201307805A - 控制電路，感測器裝置，及操作控制電路的方法 - Google Patents

控制電路，感測器裝置，及操作控制電路的方法 Download PDF

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Abstract

一種控制電路(1)，用於控制一動作器及/或一感測器(2)，特別是控制一轉速感測器，其中該控制電路(1)有一感測器介面(3)及一電荷泵(5)，該感測器介面(3)組態成用於將一控制信號(4)送到該感測器(2)，該電荷泵(5)用於提高該控制信號(4)的電壓，其中，該電荷泵(5)與該感測器介面(3)直接連接成導電方式。(圖1)

Description

控制電路，感測器裝置，及操作控制電路的方法
本發明關於申請專利範圍第1項引文的一種控制電路。
這種用於控制轉速感測器的控制電路係一般習知者，例如，在德專利DE 10 2007 000 168 A1提到一種轉速感測器，它有一測震(seismisch)質量塊，該質量塊利用電減式工作的驅動手段激發造成克氏力(Coriolisforce)的振動。當有轉速時，該測震測量塊產生一克氏力，它將該測震質量塊大致垂直於該克氏力振動以及垂直於轉速方向偏轉。在此，該偏轉和轉速成比例，因此利用檢出手段測量偏轉量當作一種值使用以測轉速。為了將克氏力振動作平方調節。一般施加一直流電控制電壓，其電壓位準利用一電荷泵(英：Charge Pump)提高到超出供應電壓的電位。在此，該控制電壓一般由一ASIC(因應用而異的積體電路：Application Specific Integratod Circuit)的一數位類比轉換器產生，並利用同樣在該ASIC上的一放大器作對應的放大。在此，供應器之供應電壓的端子與該電荷泵連接，以將電位準對應地提高。舉例而言，文獻US 6,300,820 B1提到這種電荷泵。提高的控制電壓由放大器施加到ASIC的輸出端子墊片。原來的轉速感測器的控制信號輸入端子墊片(也稱平方頻率調節墊片)舉例而言，經由一「結合電線」與ASIC的輸出端墊片連接。
此裝置的缺點為：利用放大器將該電荷泵作調降(Runterregelung)使該放大器的電流消耗較高。這點係必需者，因為一方面在放大器輸出端須有很大的電壓範圍可用，另方面在放大器的輸出端，該電壓範圍須很準確地調整，換言之，它需要有很高的解析度(細微調整)。此外，為了達成這種高解析度，該數位類比轉換器須設計成具較高解析度，如此，另外在ASIC上的面積和電流的需求較大。
本發明的控制電路，以及依另外之獨立項的本發明的感測器裝置及用於操作一控制電路的本發明方法相較於先前技術有一優點：電流需求大大降低。這點達成之道為：將電荷泵直接與該感測器介面連接，而非經由一附加的放大器與感測器介面連接或利用該放大器製作、調降(runterregeln)。控制信號直接施加在電荷泵上而非在該附加放大器(它設在電荷泵與感測器介面之間)的一輸入端上，因此在感測器介面的電壓調節作業係利用在電荷泵上的供應電壓及/或輸入電壓達成。因此可完全省却先前技術習知之使用附加放大器的作法。事實顯示，如此電流需求減少許多倍。因為電荷泵的輸出端並非像先前技術利用放大器作調降(runterregeln)。特別是電荷泵只在控制信號的所需小小的電壓範圍且所需準確度較小。而非像在先前技術水永遠需要有高精確度的整個潛在可能的電壓範圍可用。控制電路宜設在一半導體基材上(特別是矽)。尤其設在一ASIC 上。此ASIC宜有一感測器介面，呈一墊片(接點面)形式，它尤宜具有一ESD(靜電放電)構造。此電荷泵宜包含一多階段式電荷泵，亦即數個電荷泵放大級的一串列(Kaskaden)電路。本發明控制電路特別用於控制轉速感測器，且宜用於將一轉速感測器作平方調節，其中此處控制信號宜呈一直流控制信號形式施加在感測器介面。但另一方式也可考慮將本發明的控制電路使用於控制各種動作器及/或感測器，特別是主動(aktiv)感測器，該感測器及/或動作器特別包含一整合之感測器及/或動作器[它尤宜利用表面微機械手段整合到一半導體基材(宜為矽)中]。
本發明之較佳設計與進一步特點見於申請專利範圍附屬項以及配合圖式的說明。
依一較佳實施例，該控制電路有一電壓調節，與該電荷泵直接連接成導電方式，其中該電荷泵設在該電壓調節器和該感測器介面之間。此電壓調節器特別接到電荷泵的電壓供應源，因此電荷泵的輸出電壓可有利地利用「控制信號」控制，舉例而言，電壓調節器包含一簡單的源極追踪器(Sourcefolger)。
依一較佳實施例，該控制電路有一數位類比轉換器，與該電荷泵直接連接成導電方式，以將一數位式控制信號轉換成一類比式控制信號，其中該電荷泵設在該數位類比轉換器與該感測器介面之間。因此，數位類比轉換器的輸出信號用有利的方式利用以控制該電荷泵的至少一階段的供應電壓。此數位類比轉換器相較於先前技術可設計成構 造空間緊密得多。因為數位類比轉換器的解析度可用1：1的比例從輸入端傳輸到控制電路的輸出端，而非像在先前技術須將解析度利用輸入端和輸出端間的一放大器增加數倍(如此連偏差/誤差也會增加數倍)。
依一較佳實施例，該電荷泵包含一多階段式電荷泵，其中該多階段式電荷泵的一第一階段與該電壓調節器連接成導電方式，且宜與該數位類比轉換器連接成導電方式。因此可用有利方式將控制信號的電壓位準提高到可用之供應電壓的多倍。因此，舉例而言，該轉速感測器或其他主動感測器可有效控制。
依一較佳實施例，該多段式電荷泵至少包含另一階段，此另一階段與至少另一電壓調節器連接成導電方式。因此電荷泵的另外的階段的輸出電壓範圍可用有利方式經由該另外之電壓調節器調節，因此控制電路可有效地配合感測器及/或動作器的要求。
本發明的另一標的為一種感測器裝置，具有一個上述控制電路以及一個感測器，其中，該電荷泵經由該感測器介面直接與該感測器的一控制介面連接。因此該電荷泵可用有利方式直接與該感測器連接。該控制電壓(其電壓位準己利用電荷泵用特別省電的方式提高特別用於一轉速感測器的平方頻率控制。因此控制介面包括一個具一ESD構造的平方或頻率調節墊片。如此產生之「損失電流」主要基於ESD構造中的損失電流，它相較在先前技術習知的放大器中產生之損失電流較小，該平方或頻率調墊片主要只代 表一電容，因此在一般使用的低頻不發生明顯的電路。
本發明的另一標的為一種用於操作一種控制電路的方法，其中：將一控制信號的電壓用一電荷泵提高，且該控制信號由該電荷泵直接導到一感測器介面，該感測器介面係組態成用於接到一感測器。因此有利地不需要電荷泵與感測器介面間的附加放大器，所以相較於先前技術，電流消耗大大降低。此感測器介面宜包含感測器及/或動作器的一個平方及/或頻率調節墊片。
依一較佳實施例，該電控制信號經一電壓調節器耦合到該電荷泵。因此電荷泵的輸出電壓可直接經由控制信號調節。
依一較佳實施例，該控制信號利用一數位類比轉換器形式的電壓調節器從一數位式控制信號(4’)轉換成一類比式控制信號。因此最好使用一數位控制信號以控制本發明的操作方法及控制感測器及/或動作器。
依一較佳實施例，該控制信號的電壓利用一多階段式電荷泵提高，其中該控制信號經由該電壓調節器導至該多段式電荷泵的一第一階段，且其中該多段式電荷泵宜至少有另一階段經由另一電壓調節器調節。因此可用有利方式將電荷泵的輸出電壓利用該另外的電荷調節器或數位類比轉換器準確調整。
本發明的實施例示於圖中並以下說明中詳細敘述。
在不同的圖中相同相同的部分始終都用相同圖號表示，因此一般也只提一次或說明一次。
圖1中顯示依本發明第一實施例的具一控制電路(1)的一感測器裝置(10)的一示意圖。此感測器裝置具有控制電路(1)及一感測器(2)(例如設計成做機械轉速度感測器形式，控制電路(1)在一ASIC(1’)(因應用而異的積體電路)上實施，而感測器(2)在一分別的基材(2’)[它利用表面微機械機構加工]實施，轉速感測器(1)包含一測震質量塊(13)(它往往也稱克氏力感測元件或感測器元件)。它懸掛成可相對於基材(2’)運動。此測震質量塊(13)利用電容性驅動單元(14)激發成一種工作振動(15)，在此例中，該工作振動(15)平行於基材(2’)的一主延伸平面(100)朝向。為此，驅動單元(14)含牢牢固定在基材上構件的指件構造(14’)，在這些構造間，該測震質量塊(13)的設計成構件電極形式的對立電極(14”)嵌入其間。由於在指件電極構造(14’)和對立電極(14”)間的靜電交替作用。一交流電壓[它在測震質量塊(13)各側在指件電極構造(14’)和對立電極(14”)間施加]產生一股驅動力作用到該測震質量塊(13)。如此引發工作振動(15)。如果此時有一轉速(16)。舉例而言其朝向係垂直該工作振動(15)且平行於主延伸平面(10)，則有一垂直主延伸平面(100)的克氏力作用到此測震質量塊(13)上，如此造成該測震質量塊(13)垂直於主延伸平面(100)的一克氏偏轉(17)。此克氏偏轉係所要測之轉速(16)的一種量，且利用平面電極元件(18)用電容方式測量，舉例而言，該平面電極元件設在測震質量塊(13)與基材 (2’)間。轉速感測器的平方頻率調節利用控制電路(1)達成，控制電路(1)經由感測器(2)的一控制介面(9)(特別是一平方頻率調節墊片)例如與驅動單元(14)耦合，控制電路(1)有一電荷泵(5)，它經一感測器介面(3)直接與控制介面(9)連接成導電方式，因此，感測器介面(3)上的電壓調節係直接利用電荷泵(5)達成。舉例而言，感測器介面(3)與控制介面(9)包含接點墊片及/或接點銷，它們經由「結合電線」及/或經由一電路板互相連接成導電方式，為了保護以防靜電過電壓，墊片宜各設有ESD構造(圖未示)。一數位控制信號(4)(4’)在ASIC(1’)上利用一電壓調節器(6)[它設計成一數位類比轉換器(6’)形式]轉換成一類比控制信號(4)(4”)。此類比控制信號(4)(4”)直接施加到該電荷泵(5)的一電壓供應端子。電荷泵(5)用於將電壓位準提高到超過在ASIC(1’)上可用之供應電壓，因此特別是可控制一有效之平方補償作用。
圖2中顯示本發明第二實施例之具有一控制電路(1)的一感測器裝置(10)的一示意圖，其中該第二實施例大致和圖1所示第一實施例相同。控制電路(1)也用於控制任意之動作器及/或感測器(2)，該控制器/感測器包含一相關之(感測器)介面(7)(特別是墊片)及一主動之動作器或感測器元件(12)。此外控制電路(1)有電荷泵(5)，在此例中它設計成多階段式電荷泵形式，亦即電荷泵(5)具有多數階段(7)(7’)(7”)。此多數階段(7)(7’)(7”)依感測器介面(2)上之放大之類比控制信號(4''')的電壓位準需求設計。圖2中利用點(19)以示意方式表示該電荷泵(5)各依需求可具有比圖2 所示之三個階段(7)(7’)(7”)更多之階段。數位控制仩(4’)利用數位，類比轉換器轉換成一類比控制信號(4”)，它施在電荷泵(5)的第一階段(7)的輸入端，此外，第一階段(7)的供應電壓(20)利用另一電壓調節器(8)對應地調整。階段(7)後跟著為電荷泵(5)的其他階段(7)(7’)(7”)，其中其供應電壓端子(20)同樣利用其他電壓調節器(8)調節。最後的另外的階段(7”)的輸出端與感測器介面(3)連接成導電方式，因此放大的類比控制信號(4''')輸出到感測器介面(3)，因此，在感測器介面(3)的電壓調節作用直接利用電荷泵(5)的供電及/或輸入電壓達成。如不用此方式，也可考慮將類比控制信號(4’)直接地接到第一階段(7)的供應電壓端子(20)。
(1)‧‧‧控制電路
(1’)‧‧‧ASIC(因應用而異的積體電路)
(2)‧‧‧感測器
(2’)‧‧‧基材
(3)‧‧‧感測器介面
(4)‧‧‧控制信號
(4’)‧‧‧控制信號
(4”)‧‧‧控制信號
(4''')‧‧‧控制信號
(5)‧‧‧電荷泵
(6)‧‧‧電壓調節器
(6’)‧‧‧數位類比轉換器
(7)‧‧‧階段
(7’)‧‧‧階段
(7”)‧‧‧階段
(9)‧‧‧控制介面
(10)‧‧‧感測器裝置
(13)‧‧‧測震質量塊
(14)‧‧‧電容性驅動單元
(14’)‧‧‧指件電極構造
(14”)‧‧‧對立電極
(15)‧‧‧工作振動
(16)‧‧‧轉速
(17)‧‧‧克氏偏轉
(18)‧‧‧平面電極元件
(19)‧‧‧點
(20)‧‧‧供應電壓端子
(100)‧‧‧主延伸平面
圖1係本發明第一實施例之具一控制電路的一感測器裝置的示意圖；圖2係本發明第二實施例之具一控制電路的一感測器裝置的示意圖；
(1)‧‧‧控制電路
(1’)‧‧‧ASIC(因應用而異的積體電路)
(2)‧‧‧感測器
(2’)‧‧‧基材
(3)‧‧‧感測器介面
(4)‧‧‧控制信號
(4’)‧‧‧控制信號
(4”)‧‧‧控制信號
(4''')‧‧‧控制信號
(5)‧‧‧電荷泵
(6)‧‧‧電壓調節器
(6’)‧‧‧數位類比轉換器
(9)‧‧‧控制介面
(10)‧‧‧感測器裝置
(13)‧‧‧測震質量塊
(14)‧‧‧電容性驅動單元
(14’)‧‧‧指件電極構造
(14”)‧‧‧對立電極
(15)‧‧‧工作振動
(16)‧‧‧轉速
(17)‧‧‧克氏偏轉
(18)‧‧‧平面電極元件
(100)‧‧‧主延伸平面

Claims (10)

  1. 一種控制電路(1)，用於控制一動作器及/或一感測器(2)，特別是控制一轉速感測器，其中該控制電路(1)有一感測器介面(3)及一電荷泵(5)，該感測器介面(3)組態成用於將一控制信號(4)送到該感測器(2)，該電荷泵(5)用於提高該控制信號(4)的電壓，其特徵在：該電荷泵(5)與該感測器介面(3)直接連接成導電方式。
  2. 如申請專利範圍第1項之控制電路，其中：該控制電路(1)有一電壓調節(6)，與該電荷泵(5)直接連接成導電方式，其中該電荷泵(5)設在該電壓調節器(6)和該感測器介面(3)之間。
  3. 如申請專利範圍中任一項之控制電路，其特徵在：該控制電路(1)有一數位類比轉換器(6)，與該電荷泵(5)直接連接成導電方式，以將一數位式控制信號(4’)轉換成一類比式控制信號(4”)，其中該電荷泵(5)設在該數位類比轉換器(6’)與該感測器介面(3)之間。
  4. 如申請專利範圍第2項之控制電路，其中：該電荷泵(5)包含一多階段式電荷泵(5’)，其中該多階段式電荷泵(5’)的一第一階段(7)與該電壓調節器(6)連接成導電方式，且宜與該數位類比轉換器(6’)連接成導電方式。
  5. 如申請專利範圍第4項之控制電路，其中：該多段式電荷泵(5’)至少包含另一階段(7’)，此另一階段(7’)與至少另一電壓調節器(8)連接成導電方式。
  6. 一種感測器裝置(10)，具有一個依申請專利範圍第 1~5項任一項的控制電路(1)以及一個感測器(2)，其特徵在：該電荷泵(5)經由該感測器介面(3)直接與該感測器(2)的一控制介面(9)連接。
  7. 一種用於操作申請專利範圍第1~5項的任一項的控制電路(1)的方法，其特徵在：將一控制信號(4)的電壓用一電荷泵(5)提高，且該控制信號(4)由該電荷泵(5)直接導到一感測器介面(3)，該感測器介面(3)係組態成用於接到一感測器(2)。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中：該電控制信號(4)經一電壓調節器(6)耦合到該電荷泵(5)。
  9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中：該控制信號(4)利用一數位類比轉換器(6’)形式的電壓調節器(6)從一數位式控制信號(4’)轉換成一類比式控制信號(4’)。
  10. 如申請專利範圍第7或8項之方法，其中：該控制信號(4)的電壓利用一多階段式電荷泵(5)提高，其中該控制信號(4)經由該電壓調節器(6)導至該多段式電荷泵(5’)的一第一階段(7)，且其中該多段式電荷泵(5’)宜至少有另一階段(7’)經由另一電壓調節器(6)調節。
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