专利名称：多功能稳定传感器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及感测系统，例如压力和/或温度感测系统。
背景技术：
在压力传感器领域中，公知的是提供一种膜片式可变电容器，其中 电容随着所施加的压力而改变。还提供一种固定参考电容器，通过电路将 可变电容器的电容和参考电容器的电容相比较来确定压力。公开这种系统 类型的两个代表性专利是美国专利No.4，398,426和6,199,575。
对于例如汽车或卡车轮胎压力传感器的应用，有用的是还测量温度。 然而，提供压力传感器和温度传感器二者的话相对较昂贵。
发明内容
根据本发明，可利用单电路来测量压力和温度两者，该单电路的成 本比分别的压力和温度感测系统要便宜的多。根据描绘本发明原理的一个感测系统，提供参考电容器和压力可变 电容器(pressure variable capacitor);还提供恒定参考充电电流源和温度可变 充电电流源。最初将参考电容器从恒量电流源充电至预定的参考电平，然 后切换该系统，从而通过相同的恒量参考电流对压力可变电容器充电，直 到达到参考电压为止。然后利用温度可变电流源依照相同的顺序来实施。 比较器电路被提供用于指示电容器何时被充电至参考电平。
这些充电间隔中每一个的时间均可由压力和温度两者表示。输出可 以是脉宽调制信号的形式或数字信号的形式，或可以开始是一种形式，接 着转换成另 一种形式。数字控制和计数器电路(包括时钟脉冲信号源)可用于 对在上述序列中包括的每一个间隔的时间周期进行计数。计数电路可以包 括公知电路，其对在指定事件之间出现的时钟脉冲数量进行计数，并从而 测量那些事件之间的时间间隔。通过对压力可变电容器充电所需的时间和对参考电容器充电所需的 时间的比率来确定压力。此输出可以提供为数字化的或是脉宽调制信号或 二者。此外，通过将使用温度可变充电电流源的周期时间和使用固定电流 充电源的周期时间相比较来确定温度。在上述实施方案中，单参考电容器、单压力可变电容器、单积分器 和单组比较器电路都用于计算压力和温度，从而提供压力和温度输出信号， 这比分别确定压力和温度的单独电路便宜的多。根据所述系统的另一个特征，充电间隔可以涉及从最初的开始电压 点充电(放电)至不同的参考电平然后返回开始点。在本发明的说明书和权利 要求中，短语"充电或供给电流直到达到预定的电平"包含"从下至上" 或"从上至下"充电以及仅以一种极性向上或向下充电。
相比提供用于测量温度和压力的两个单独的电路，用于测量压力和 温度二者的系统的一个优点是低成本且系统相对简单。因此，如上所述， 很多电路元件例如积分器、比较器、微处理器和其他电路部件可用于既感 测压力又感测温度。通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点变 得显而易见。
参照附图可以更容易地理解本发明，其中
图1是描绘本发明应用的系统的示意性示图；
图2示出了可被用于实施本发明的半导体芯片；
图3是描绘本发明原理的电路图；
图4示出了描绘图3的运行模式的波形；图5是表示用于分析涉及图1、 3和4中的电路的输出信号的过程步 骤的流程图；以及图6表示使用脉宽调制信号或将它们转换成另一种格式的一种可能 方式。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施例方式虽然本说明书描述了本发明的特定实施例，但所属领域的普通技术 人员能够设计本发明的多种变型而不脱离本发明的原理。
现在参照附图中的图1，提供一种具有传感器芯片14的汽车或卡车 轮胎12，传感器芯片14暴露在轮胎12内的空气中。传感器芯片14通过射 频或其他公知方式耦合到安装于车辆中的微处理器16。微处理器16包括具 有计数器的数据处理和控制部分18、只读存储器或ROM 20以及随机存取 存储器或RAM 22。显示和报警电路24提供视觉输出显示压力和温度以及 报警信号26，以指示压力或温度电平超出预定限度。 ROM 20包含用于根据从传感器芯片14提供的信号计算压力和温度 的程序，如结合附图l-4所详细描述的。图2是包括在图1的传感器14中的半导体芯片32的图示。该半导 体芯片包括可变电容膜片34，其通过施加的压力而偏移，改变电极之间的 间隔从而改变电容。表示随着压力改变的电容的符号Cp被用于以下说明书 的部分中。在图2中还示出固定参考电容器36和输出耦合垫片(output coupling pad)38。在2004年6月18日提交的美国专利申请No.10/872，055中详细描述 了芯片32及其相关的可变和参考电容器34和36，该美国专利申请已转让 给本发明申请的受让人。在先专利申请以引用方式被并入本说明书。
现在将描述图3的电路和图4的伴生图，图4的伴生图示出了图3 的电路中出现的各种电波形。起初，需要注意的是在图3的中心偏左处示出电容器Cp和CR。这两 个电容器最初被充电至预定的参考电平，如图4中的点40所示。偏压或充 电/放电电路42包括用于对两个电容器Q和Cp充电的参考电流Iref源44， 还包括用于对两个电容器放电的电流lREF伴生源(companion source)46。
该周期中的第一步是通过对耦合到Ck的偏流源46进行放电，来对 参考电容器线性放电，如图4中的附图标记48所示。补充说明的是，此时 并没有对可变电容器Cp进行主动充电或放电。积分器49感测lREF放电电流，并提供与参考电容器CR上的电平相 等的输出。比较器电路50包括比较器52，比较器52具有两个输入， 一个
来自积分器49，而另一个是高参考输入电压vrefh。第二个比较器54具有 作为积分器49输出的一个输入，并具有施加到其另一个输入的低参考电压 Vrefl。所述高参考电平和低参考电平对应于电平56和58，如图4的图表 中所示出的。当将参考电容器Q^放电至如由比较器54所检测到的较低参考电平 58时，在导线(lead)60上提供输出切换信号。该切换信号连接到偏压或充电 /放电电路42(参见附图标记60')，并通过驱使切换电路62将参考电流从放 电源46切换到充电参考电流源44。然后将参考电容器线性反充回高参考电 平56，如图4中的附图标记64所示。当将参考电容器Ca反充回图4中的56所指示的高参考电平时，电 容器52在导线66上提供输出信号。将导线66上的信号施加到控制电路74，将输出信号施加到电路76 和78来运行开关80和82，以从电路断开参考电容器Qi，并切换到压力可 变电容器Cp。使用电路中的电容器Cp，并从高参考电平56开始充电(见图 4所示)，以相同的顺序对Cp放电然后施加电流，以使其充电至高电平(见图 4中的电平56)。这由图4中的V形特征86表示。在完成此第二顺序之后，在导线66上提供第二个"向上"信号。这
在导线66，上连接到偏压或充电/放电电路42;产生切换到温度可变充电和放电电流源68和70的结果(电路44和46暂时不活动)。实现了以下周期，即对参考电容器CK首先进行放电然后充电，对可
变电容器Cp首先进行充电然后放电，如图4中的附图标记92和94的V形
图所示。在本说明书的前述部分中，已阐述了图3的电路的详细运行模式。 现在将考虑已实现的出乎意料的结果。特别地，如下文将详细描述的，温 度和压力信息都是可以从电路的运行中得到的，同时利用图3的大部分电 路获得压力和温度信息。这当然比两个完整的电路(一个用于测量压力，另 一个用于测量温度)更简单且更便宜。首先，考虑压力信息，控制电路74包括连接到输出导线78的至少 一个双稳态电路。该双稳态电路响应于施加到控制电路74的"向上"信号， 来改变状态，如图4中附图标记102所示的脉宽调制图所指示的。每当对
参考电容器CK进行放电和充电时，将该双稳态电路设定为其低输出状态； 而当对可变电容器Cp进行充电或放电时，将该双稳态电路设定为其高输出 状态。特别需要注意的是，在之前的段落中阐述的运行模式发生在基本参 考电流源44和46活动时以及在采用温度可变电流源68和70时。在每一 种情形下，对可变电容器Cp充电沐放电)的时间与对参考电容器CR充电的 时间的比率提供了压力信息。就此而言，需要注意的是不管是否使用参考 电流源44、 46或温敏电流源68、 70，该比率都相同。当然，为了根据脉宽 调制信号确定出实际的压力，必须使用偏移和斜率(slope)因子。
关于温度确定，使用温敏电流源68、 70的完整周期和使用参考电流 源44、 46的完整周期的比率指示温度。包括在控制电路74中的另外的双 稳态电路在输出导线106上提供了来自控制电路74的第二脉宽调制信号， 如图4的104所示。现在将参考图5中与图4的电波形有关的过程流程图。最初，附图 标记202指示过程的开始，"开机"方框204启动初始化间隔206(参见图4)。 然后通过"芯片选择"或"传感器选择"信号208致能上述周期，参见图4 中的波形208'。在初始化之后，控制电压从正电平转换到低电平或接地电 平58，如图4中附图标记210所指示的。在初始化间隔期间，将两个电容 器CR和Cp设定成期望的(高)参考电平，将其他电路设定成它们的初始状态。 将充电模式选择方框212(参见图3)设定成使用电流源44;图4中起始于点 40处的三角形波形开始。信号66被周期性地读取到控制电路74中，如图5的方框216所指 示的。在初始化间隔期间，输出电压为高，而方框218指示在初始化期间， 对输入到控制电路74中的控制输入的状态的查询。如果输出不为高(否)， 则传感器方框220和222指示故障，并且过程中断。如果输出为高，指示 为方框218的输出"是"，则过程继续进行到方框224。如果该输出保持为 高，指示为方框226的査询回答"否"，则过程通过时间菱形框(timing diamond)228再循环到方框224。然而，如果控制信号保持为高的时间超过 所设定的时期的话，则指示传感器故障，并且过程中断，如方框230和232 所指示的。然而，指示"是"表示周期正常初始化，过程继续进行到过程
步骤234，对应于图4中的周期初始点40。接着的一些过程方框沿着图4中所示的锯齿形波形48、 64、 84等进 行。特别地，方框236指示将导线66上来自比较器52的输出读出到控制 电路74。过程步骤238查询"输出为高？"以查看充电周期是否已将电容 器Ck或Cp之一的电压增加到比较器52输入处的参考电平vrefh(图4中的 电平56)，弓l起导线66上的输出。过程再循环，如线240所示，直到图5 中导线66上的输出为高为止，然后进行到过程步骤342。利用Ck完成了初 始定时循环，并将压力可变电容器Cp切换到充电和放电周期中。
过程步骤344、 346、 348和350利用电容器Cp和参考电流完成了锯 齿形波充电(和放电)周期。在从方框234至342的间隔期间，脉宽调制输出 保持为低，而在第二个周期期间，利用电容器Cp，在图形102(图4)上的脉 宽调制压力信号保持为高，如方框350的图例所示。在过程步骤350之后，图3的电路进行以下操作(l)切换到温度可 变充电电流，以及(2)将CK切换回电路，并且在该周期的此部分时，PWM 信号为低。过程步骤352、 354、 356和358实现了该周期。最后，仍利用 温度可变充电电流，过程步骤360、 362、 364和366完成了压力和温度信 号测量的一个周期。当使用参考电容器CR时PWM信号继续保持为低，而 当使用电容器Cp时该PWM信号保持为高。
高平方波脉冲与脉冲之间的低间隔的比率表示压力。
此外，以下(1)和(2)的比率表示温度，其中(l)是在使用温度可变充电 电流时的较长时间间隔，(2)是使用参考充电电路的周期的总时间段。
在每一种情形下，函数的偏移和斜率允许根据这些定时间隔准备计 算压力和温度，如过程步骤所指示的那样。这些最后的过程步骤由过程步 骤368和370表示。当然，在通常的情形下，过程步骤226-370可以在最后 的过程步骤372之前不断重复。现在参照图6，将脉宽调制信号402从电路404提供到低通滤波器 406。低通滤波器电路406将来自低通滤波器406的脉宽调制信号改变成缓 慢变化的DC信号。这可以通过选择滤波器组件来实现，例如R-C滤波器 电路的电容和电阻，以致滤波器的时间常数非常低，从而消除脉冲配置。 接着将模拟显示和报警电路408耦合到低通滤波器。需要明白的是，可以做出多种修改而不脱离本发明的范围或精神。 例如，测量温度和压力参数的顺序不是关键性的，本发明的方法可用于感 测其他参数。
权利要求
1、一种多功能复用传感器系统，包括参考电容器；压敏可变电容器；参考电流源；用于供给随温度可变的电流的电流源；用于将来自所述参考电流源的电流施加到所述参考电容器直到达到预定的参考电压为止的电路；用于将来自所述参考电流源的电流施加到所述压敏电容器直到达到预定的参考电压为止的电路；用于利用所述参考电流源和利用所述温度可变电流源来交替供给电流给所述电容器的电路；用于确定第一比率以提供所施加的压力的指示的电路，该第一比率是对所述压力可变电容器充电的时间和对所述参考电容器充电的时间之间的比率；以及所述系统包括用于确定第二比率的电路，该第二比率是(1)利用所述温度可变电流源对所述参考和压力可变电容器两者充电所需的时间和(2)利用所述参考电流源对两个电容器充电所需的时间之间的比率。
2、 如权利要求1所述的多功能复用多斜率传感器系统，其中，所述电 路施加从开始的电平至不同的电平并随后返回到所述开始的电平的电流周 期。
3、 如权利要求1所述的传感器系统，其中，所述计数电路确定利用所 述温度可变电流源对所述参考电容器和所述压力可变电容器两者充电的时 钟脉冲数的数量。
4、 如权利要求1所述的多功能复用系统，包括用于提供表示压力的输 出脉宽调制信号的电路。
5、 如权利要求1所述的多功能复用系统，包括用于提供表示温度的输 出脉宽调制信号的电路。
6、 如权利要求1所述的多功能复用系统，包括用于提供表示压力和温 度二者的脉宽调制信号的电路。
7、 如权利要求1所述的多功能复用系统，其中，所述系统包括切换电 路和比较器电路，所述比较器电路用于感测所述电容器的电平状态，并在 达到所述参考电压时驱使所述切换电路改变模式。
8、 如权利要求1所述的多功能复用系统，其中，积分器被耦合以接收 与所述充电电流相对应的电流，用于提供电平信号给所述比较器。
9、 一种多功能复用传感器系统，包括 参考电容器；压敏可变电容器； 参考电流源；用于供给随温度可变的电流的电流源；用于将来自所述参考电流源的电流施加到所述参考电容器直到达到预 定的参考电压为止的电路；用于将来自所述参考电流源的电流施加到所述压敏电容器直到达到预 定的参考电压为止的电路；用于利用所述参考电流源和利用所述温度可变电流源来交替供给电流 给所述电容器的电路；时钟脉冲信号源；用于确定比率以提供压力指示的电路，该比率是在对所述参考电容器 充电期间出现的时钟脉冲的数量和在对所述压敏电容器充电期间出现的时 钟脉冲的数量之间的比率；用于对时钟脉冲的数量进行计数的电路，所述时钟脉冲出现在首先利 用所述参考电流源并随后利用所述温度可变电流源对所述参考电容器和所述压敏电容器进行充电期间；以及所述用于对时钟脉冲的数量进行计数的 电路还用于使用这些计数的比率来提供温度的指示。
10、 如权利要求9所述的多功能复用多斜率传感器系统，其中，所述 电路施加从开始的电平至不同的电平并随后返回到所述开始的电平的电流 周期。
11、 如权利要求9所述的传感器系统，所述计数电路确定利用所述温 度可变电流源对所述参考电容器和所述压力可变电容器两者充电的时钟脉 冲数的数量。
12、 如权利要求9所述的多功能复用系统，包括用于提供表示压力的 输出脉宽调制信号的电路。
13、 如权利要求9所述的多功能复用系统，包括用于提供表示温度的 输出脉宽调制信号的电路。
14、 如权利要求9所述的多功能复用系统，包括用于提供表示压力和 温度二者的脉宽调制信号的电路。
15、 如权利要求9所述的多功能复用系统，其中，所述系统包括切换 电路和比较器电路，所述比较器电路用于感测所述电容器的电平状态，并 在达到所述参考电压时驱使所述切换电路改变模式。
16、 如权利要求9所述的多功能复用系统，其中，积分器被耦合以接 收与所述充电电流相对应的电流，用于提供电平信号给所述比较器。
17、 一种多功能复用传感器系统，包括 参考电容器； 压敏可变电容器；参考电流源；用于供给随温度可变的电流的电流源；用于将来自所述参考电流源的电流施加至所述参考电容器直到达到预 定参考电压为止的电路；用于将来自所述参考电流源的电流施加至所述压敏电容器直到达到预 定参考电压为止的电路；用于利用所述参考电流源和利用所述温度可变电流源来交替供给电流 给所述电容器的电路；时钟脉冲信号源；用于确定定义第一比率的比率以提供压力指示的电路，所述第一比率 是在对所述参考电容器充电期间出现的时钟脉冲的数量和在对所述压敏电 容器充电期间出现的时钟脉冲的数量之间的比率；用于对时钟脉冲的数量进行计数的电路，所述时钟脉冲出现在首先利 用所述参考电流源并随后利用所述温度可变电流源对所述参考电容器和所 述压敏电容器进行充电期间；以及所述用于对时钟脉冲的数量进行计数的 电路还用于使用定义第二比率的这些计数的比率来提供温度的指示；所述系统包括用于提供包括所述第一比率分量的脉宽调制信号的电路。
18、 如权利要求17所述的系统，还包括用于提供包括所述第二比率分 量的脉宽调制信号的电路。
19、 如权利要求17所述的系统，其中，所述系统包括微处理器和计数 器，用于生成表示所述比率分量的数字信号。
20、 如权利要求18所述的系统，还包括至少一个低通滤波器，所述至 少一个低通滤波器被耦合以接收所述脉宽调制信号中的至少一个。
全文摘要
多功能稳定电路测量例如压力和温度两者。该电路包括压敏电容器和固定的参考电容器，还包括恒定电流源和温度可变电流源。完整的周期包括至少两个阶段，周期的一个阶段利用一个参考电容器和一个压力可变电容器；至少一个另外的阶段包括参考电容器和至少一个温度可变充电源。还可以实施其他的多斜率多功能。
文档编号A61B5/02GK101360451SQ200680051667
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月23日
发明者P·H·西辛克 申请人:凯维力科公司