專利名稱：多功能穩(wěn)定傳感器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及感測系統(tǒng)，例如壓力和/或溫度感測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在壓力傳感器領(lǐng)域中，公知的是提供一種膜片式可變電容器，其中 電容隨著所施加的壓力而改變。還提供一種固定參考電容器，通過電路將 可變電容器的電容和參考電容器的電容相比較來確定壓力。公開這種系統(tǒng) 類型的兩個代表性專利是美國專利No.4，398,426和6,199,575。
對于例如汽車或卡車輪胎壓力傳感器的應(yīng)用，有用的是還測量溫度。 然而，提供壓力傳感器和溫度傳感器二者的話相對較昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，可利用單電路來測量壓力和溫度兩者，該單電路的成 本比分別的壓力和溫度感測系統(tǒng)要便宜的多。根據(jù)描繪本發(fā)明原理的一個感測系統(tǒng)，提供參考電容器和壓力可變 電容器(pressure variable capacitor);還提供恒定參考充電電流源和溫度可變 充電電流源。最初將參考電容器從恒量電流源充電至預(yù)定的參考電平，然 后切換該系統(tǒng)，從而通過相同的恒量參考電流對壓力可變電容器充電，直 到達到參考電壓為止。然后利用溫度可變電流源依照相同的順序來實施。 比較器電路被提供用于指示電容器何時被充電至參考電平。
這些充電間隔中每一個的時間均可由壓力和溫度兩者表示。輸出可 以是脈寬調(diào)制信號的形式或數(shù)字信號的形式，或可以開始是一種形式，接 著轉(zhuǎn)換成另 一種形式。數(shù)字控制和計數(shù)器電路(包括時鐘脈沖信號源)可用于 對在上述序列中包括的每一個間隔的時間周期進行計數(shù)。計數(shù)電路可以包 括公知電路，其對在指定事件之間出現(xiàn)的時鐘脈沖數(shù)量進行計數(shù)，并從而 測量那些事件之間的時間間隔。通過對壓力可變電容器充電所需的時間和對參考電容器充電所需的 時間的比率來確定壓力。此輸出可以提供為數(shù)字化的或是脈寬調(diào)制信號或 二者。此外，通過將使用溫度可變充電電流源的周期時間和使用固定電流 充電源的周期時間相比較來確定溫度。在上述實施方案中，單參考電容器、單壓力可變電容器、單積分器 和單組比較器電路都用于計算壓力和溫度，從而提供壓力和溫度輸出信號， 這比分別確定壓力和溫度的單獨電路便宜的多。根據(jù)所述系統(tǒng)的另一個特征，充電間隔可以涉及從最初的開始電壓 點充電(放電)至不同的參考電平然后返回開始點。在本發(fā)明的說明書和權(quán)利 要求中，短語"充電或供給電流直到達到預(yù)定的電平"包含"從下至上" 或"從上至下"充電以及僅以一種極性向上或向下充電。
相比提供用于測量溫度和壓力的兩個單獨的電路，用于測量壓力和 溫度二者的系統(tǒng)的一個優(yōu)點是低成本且系統(tǒng)相對簡單。因此，如上所述， 很多電路元件例如積分器、比較器、微處理器和其他電路部件可用于既感 測壓力又感測溫度。通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點變 得顯而易見。


參照附圖可以更容易地理解本發(fā)明，其中
圖1是描繪本發(fā)明應(yīng)用的系統(tǒng)的示意性示圖；
圖2示出了可被用于實施本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片；
圖3是描繪本發(fā)明原理的電路圖；
圖4示出了描繪圖3的運行模式的波形；圖5是表示用于分析涉及圖1、 3和4中的電路的輸出信號的過程步 驟的流程圖；以及圖6表示使用脈寬調(diào)制信號或?qū)⑺鼈冝D(zhuǎn)換成另一種格式的一種可能 方式。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
具體實施例方式雖然本說明書描述了本發(fā)明的特定實施例，但所屬領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員能夠設(shè)計本發(fā)明的多種變型而不脫離本發(fā)明的原理。
現(xiàn)在參照附圖中的圖1，提供一種具有傳感器芯片14的汽車或卡車 輪胎12，傳感器芯片14暴露在輪胎12內(nèi)的空氣中。傳感器芯片14通過射 頻或其他公知方式耦合到安裝于車輛中的微處理器16。微處理器16包括具 有計數(shù)器的數(shù)據(jù)處理和控制部分18、只讀存儲器或ROM 20以及隨機存取 存儲器或RAM 22。顯示和報警電路24提供視覺輸出顯示壓力和溫度以及 報警信號26，以指示壓力或溫度電平超出預(yù)定限度。 ROM 20包含用于根據(jù)從傳感器芯片14提供的信號計算壓力和溫度 的程序，如結(jié)合附圖l-4所詳細(xì)描述的。圖2是包括在圖1的傳感器14中的半導(dǎo)體芯片32的圖示。該半導(dǎo) 體芯片包括可變電容膜片34，其通過施加的壓力而偏移，改變電極之間的 間隔從而改變電容。表示隨著壓力改變的電容的符號Cp被用于以下說明書 的部分中。在圖2中還示出固定參考電容器36和輸出耦合墊片(output coupling pad)38。在2004年6月18日提交的美國專利申請No.10/872，055中詳細(xì)描述 了芯片32及其相關(guān)的可變和參考電容器34和36，該美國專利申請已轉(zhuǎn)讓 給本發(fā)明申請的受讓人。在先專利申請以引用方式被并入本說明書。
現(xiàn)在將描述圖3的電路和圖4的伴生圖，圖4的伴生圖示出了圖3 的電路中出現(xiàn)的各種電波形。起初，需要注意的是在圖3的中心偏左處示出電容器Cp和CR。這兩 個電容器最初被充電至預(yù)定的參考電平，如圖4中的點40所示。偏壓或充 電/放電電路42包括用于對兩個電容器Q和Cp充電的參考電流Iref源44， 還包括用于對兩個電容器放電的電流lREF伴生源(companion source)46。
該周期中的第一步是通過對耦合到Ck的偏流源46進行放電，來對 參考電容器線性放電，如圖4中的附圖標(biāo)記48所示。補充說明的是，此時 并沒有對可變電容器Cp進行主動充電或放電。積分器49感測lREF放電電流，并提供與參考電容器CR上的電平相 等的輸出。比較器電路50包括比較器52，比較器52具有兩個輸入， 一個
來自積分器49，而另一個是高參考輸入電壓vrefh。第二個比較器54具有 作為積分器49輸出的一個輸入，并具有施加到其另一個輸入的低參考電壓 Vrefl。所述高參考電平和低參考電平對應(yīng)于電平56和58，如圖4的圖表 中所示出的。當(dāng)將參考電容器Q^放電至如由比較器54所檢測到的較低參考電平 58時，在導(dǎo)線(lead)60上提供輸出切換信號。該切換信號連接到偏壓或充電 /放電電路42(參見附圖標(biāo)記60')，并通過驅(qū)使切換電路62將參考電流從放 電源46切換到充電參考電流源44。然后將參考電容器線性反充回高參考電 平56，如圖4中的附圖標(biāo)記64所示。當(dāng)將參考電容器Ca反充回圖4中的56所指示的高參考電平時，電 容器52在導(dǎo)線66上提供輸出信號。將導(dǎo)線66上的信號施加到控制電路74，將輸出信號施加到電路76 和78來運行開關(guān)80和82，以從電路斷開參考電容器Qi，并切換到壓力可 變電容器Cp。使用電路中的電容器Cp，并從高參考電平56開始充電(見圖 4所示)，以相同的順序?qū)p放電然后施加電流，以使其充電至高電平(見圖 4中的電平56)。這由圖4中的V形特征86表示。在完成此第二順序之后，在導(dǎo)線66上提供第二個"向上"信號。這
在導(dǎo)線66，上連接到偏壓或充電/放電電路42;產(chǎn)生切換到溫度可變充電和放電電流源68和70的結(jié)果(電路44和46暫時不活動)。實現(xiàn)了以下周期，即對參考電容器CK首先進行放電然后充電，對可
變電容器Cp首先進行充電然后放電，如圖4中的附圖標(biāo)記92和94的V形
圖所示。在本說明書的前述部分中，已闡述了圖3的電路的詳細(xì)運行模式。 現(xiàn)在將考慮已實現(xiàn)的出乎意料的結(jié)果。特別地，如下文將詳細(xì)描述的，溫 度和壓力信息都是可以從電路的運行中得到的，同時利用圖3的大部分電 路獲得壓力和溫度信息。這當(dāng)然比兩個完整的電路(一個用于測量壓力，另 一個用于測量溫度)更簡單且更便宜。首先，考慮壓力信息，控制電路74包括連接到輸出導(dǎo)線78的至少 一個雙穩(wěn)態(tài)電路。該雙穩(wěn)態(tài)電路響應(yīng)于施加到控制電路74的"向上"信號， 來改變狀態(tài)，如圖4中附圖標(biāo)記102所示的脈寬調(diào)制圖所指示的。每當(dāng)對
參考電容器CK進行放電和充電時，將該雙穩(wěn)態(tài)電路設(shè)定為其低輸出狀態(tài)； 而當(dāng)對可變電容器Cp進行充電或放電時，將該雙穩(wěn)態(tài)電路設(shè)定為其高輸出 狀態(tài)。特別需要注意的是，在之前的段落中闡述的運行模式發(fā)生在基本參 考電流源44和46活動時以及在采用溫度可變電流源68和70時。在每一 種情形下，對可變電容器Cp充電沐放電)的時間與對參考電容器CR充電的 時間的比率提供了壓力信息。就此而言，需要注意的是不管是否使用參考 電流源44、 46或溫敏電流源68、 70，該比率都相同。當(dāng)然，為了根據(jù)脈寬 調(diào)制信號確定出實際的壓力，必須使用偏移和斜率(slope)因子。
關(guān)于溫度確定，使用溫敏電流源68、 70的完整周期和使用參考電流 源44、 46的完整周期的比率指示溫度。包括在控制電路74中的另外的雙 穩(wěn)態(tài)電路在輸出導(dǎo)線106上提供了來自控制電路74的第二脈寬調(diào)制信號， 如圖4的104所示?，F(xiàn)在將參考圖5中與圖4的電波形有關(guān)的過程流程圖。最初，附圖 標(biāo)記202指示過程的開始，"開機"方框204啟動初始化間隔206(參見圖4)。 然后通過"芯片選擇"或"傳感器選擇"信號208致能上述周期，參見圖4 中的波形208'。在初始化之后，控制電壓從正電平轉(zhuǎn)換到低電平或接地電 平58，如圖4中附圖標(biāo)記210所指示的。在初始化間隔期間，將兩個電容 器CR和Cp設(shè)定成期望的(高)參考電平，將其他電路設(shè)定成它們的初始狀態(tài)。 將充電模式選擇方框212(參見圖3)設(shè)定成使用電流源44;圖4中起始于點 40處的三角形波形開始。信號66被周期性地讀取到控制電路74中，如圖5的方框216所指 示的。在初始化間隔期間，輸出電壓為高，而方框218指示在初始化期間， 對輸入到控制電路74中的控制輸入的狀態(tài)的查詢。如果輸出不為高(否)， 則傳感器方框220和222指示故障，并且過程中斷。如果輸出為高，指示 為方框218的輸出"是"，則過程繼續(xù)進行到方框224。如果該輸出保持為 高，指示為方框226的査詢回答"否"，則過程通過時間菱形框(timing diamond)228再循環(huán)到方框224。然而，如果控制信號保持為高的時間超過 所設(shè)定的時期的話，則指示傳感器故障，并且過程中斷，如方框230和232 所指示的。然而，指示"是"表示周期正常初始化，過程繼續(xù)進行到過程
步驟234，對應(yīng)于圖4中的周期初始點40。接著的一些過程方框沿著圖4中所示的鋸齒形波形48、 64、 84等進 行。特別地，方框236指示將導(dǎo)線66上來自比較器52的輸出讀出到控制 電路74。過程步驟238查詢"輸出為高？"以查看充電周期是否已將電容 器Ck或Cp之一的電壓增加到比較器52輸入處的參考電平vrefh(圖4中的 電平56)，弓l起導(dǎo)線66上的輸出。過程再循環(huán)，如線240所示，直到圖5 中導(dǎo)線66上的輸出為高為止，然后進行到過程步驟342。利用Ck完成了初 始定時循環(huán)，并將壓力可變電容器Cp切換到充電和放電周期中。
過程步驟344、 346、 348和350利用電容器Cp和參考電流完成了鋸 齒形波充電(和放電)周期。在從方框234至342的間隔期間，脈寬調(diào)制輸出 保持為低，而在第二個周期期間，利用電容器Cp，在圖形102(圖4)上的脈 寬調(diào)制壓力信號保持為高，如方框350的圖例所示。在過程步驟350之后，圖3的電路進行以下操作(l)切換到溫度可 變充電電流，以及(2)將CK切換回電路，并且在該周期的此部分時，PWM 信號為低。過程步驟352、 354、 356和358實現(xiàn)了該周期。最后，仍利用 溫度可變充電電流，過程步驟360、 362、 364和366完成了壓力和溫度信 號測量的一個周期。當(dāng)使用參考電容器CR時PWM信號繼續(xù)保持為低，而 當(dāng)使用電容器Cp時該PWM信號保持為高。
高平方波脈沖與脈沖之間的低間隔的比率表示壓力。
此外，以下(1)和(2)的比率表示溫度，其中(l)是在使用溫度可變充電 電流時的較長時間間隔，(2)是使用參考充電電路的周期的總時間段。
在每一種情形下，函數(shù)的偏移和斜率允許根據(jù)這些定時間隔準(zhǔn)備計 算壓力和溫度，如過程步驟所指示的那樣。這些最后的過程步驟由過程步 驟368和370表示。當(dāng)然，在通常的情形下，過程步驟226-370可以在最后 的過程步驟372之前不斷重復(fù)?，F(xiàn)在參照圖6，將脈寬調(diào)制信號402從電路404提供到低通濾波器 406。低通濾波器電路406將來自低通濾波器406的脈寬調(diào)制信號改變成緩 慢變化的DC信號。這可以通過選擇濾波器組件來實現(xiàn)，例如R-C濾波器 電路的電容和電阻，以致濾波器的時間常數(shù)非常低，從而消除脈沖配置。 接著將模擬顯示和報警電路408耦合到低通濾波器。需要明白的是，可以做出多種修改而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。 例如，測量溫度和壓力參數(shù)的順序不是關(guān)鍵性的，本發(fā)明的方法可用于感 測其他參數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種多功能復(fù)用傳感器系統(tǒng)，包括參考電容器；壓敏可變電容器；參考電流源；用于供給隨溫度可變的電流的電流源；用于將來自所述參考電流源的電流施加到所述參考電容器直到達到預(yù)定的參考電壓為止的電路；用于將來自所述參考電流源的電流施加到所述壓敏電容器直到達到預(yù)定的參考電壓為止的電路；用于利用所述參考電流源和利用所述溫度可變電流源來交替供給電流給所述電容器的電路；用于確定第一比率以提供所施加的壓力的指示的電路，該第一比率是對所述壓力可變電容器充電的時間和對所述參考電容器充電的時間之間的比率；以及所述系統(tǒng)包括用于確定第二比率的電路，該第二比率是(1)利用所述溫度可變電流源對所述參考和壓力可變電容器兩者充電所需的時間和(2)利用所述參考電流源對兩個電容器充電所需的時間之間的比率。
2、 如權(quán)利要求1所述的多功能復(fù)用多斜率傳感器系統(tǒng)，其中，所述電 路施加從開始的電平至不同的電平并隨后返回到所述開始的電平的電流周 期。
3、 如權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中，所述計數(shù)電路確定利用所 述溫度可變電流源對所述參考電容器和所述壓力可變電容器兩者充電的時 鐘脈沖數(shù)的數(shù)量。
4、 如權(quán)利要求1所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，包括用于提供表示壓力的輸 出脈寬調(diào)制信號的電路。
5、 如權(quán)利要求1所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，包括用于提供表示溫度的輸 出脈寬調(diào)制信號的電路。
6、 如權(quán)利要求1所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，包括用于提供表示壓力和溫 度二者的脈寬調(diào)制信號的電路。
7、 如權(quán)利要求1所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括切換電 路和比較器電路，所述比較器電路用于感測所述電容器的電平狀態(tài)，并在 達到所述參考電壓時驅(qū)使所述切換電路改變模式。
8、 如權(quán)利要求1所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，其中，積分器被耦合以接收 與所述充電電流相對應(yīng)的電流，用于提供電平信號給所述比較器。
9、 一種多功能復(fù)用傳感器系統(tǒng)，包括 參考電容器；壓敏可變電容器； 參考電流源；用于供給隨溫度可變的電流的電流源；用于將來自所述參考電流源的電流施加到所述參考電容器直到達到預(yù) 定的參考電壓為止的電路；用于將來自所述參考電流源的電流施加到所述壓敏電容器直到達到預(yù) 定的參考電壓為止的電路；用于利用所述參考電流源和利用所述溫度可變電流源來交替供給電流 給所述電容器的電路；時鐘脈沖信號源；用于確定比率以提供壓力指示的電路，該比率是在對所述參考電容器 充電期間出現(xiàn)的時鐘脈沖的數(shù)量和在對所述壓敏電容器充電期間出現(xiàn)的時 鐘脈沖的數(shù)量之間的比率；用于對時鐘脈沖的數(shù)量進行計數(shù)的電路，所述時鐘脈沖出現(xiàn)在首先利 用所述參考電流源并隨后利用所述溫度可變電流源對所述參考電容器和所述壓敏電容器進行充電期間；以及所述用于對時鐘脈沖的數(shù)量進行計數(shù)的 電路還用于使用這些計數(shù)的比率來提供溫度的指示。
10、 如權(quán)利要求9所述的多功能復(fù)用多斜率傳感器系統(tǒng)，其中，所述 電路施加從開始的電平至不同的電平并隨后返回到所述開始的電平的電流 周期。
11、 如權(quán)利要求9所述的傳感器系統(tǒng)，所述計數(shù)電路確定利用所述溫 度可變電流源對所述參考電容器和所述壓力可變電容器兩者充電的時鐘脈 沖數(shù)的數(shù)量。
12、 如權(quán)利要求9所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，包括用于提供表示壓力的 輸出脈寬調(diào)制信號的電路。
13、 如權(quán)利要求9所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，包括用于提供表示溫度的 輸出脈寬調(diào)制信號的電路。
14、 如權(quán)利要求9所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，包括用于提供表示壓力和 溫度二者的脈寬調(diào)制信號的電路。
15、 如權(quán)利要求9所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括切換 電路和比較器電路，所述比較器電路用于感測所述電容器的電平狀態(tài)，并 在達到所述參考電壓時驅(qū)使所述切換電路改變模式。
16、 如權(quán)利要求9所述的多功能復(fù)用系統(tǒng)，其中，積分器被耦合以接 收與所述充電電流相對應(yīng)的電流，用于提供電平信號給所述比較器。
17、 一種多功能復(fù)用傳感器系統(tǒng)，包括 參考電容器； 壓敏可變電容器；參考電流源；用于供給隨溫度可變的電流的電流源；用于將來自所述參考電流源的電流施加至所述參考電容器直到達到預(yù) 定參考電壓為止的電路；用于將來自所述參考電流源的電流施加至所述壓敏電容器直到達到預(yù) 定參考電壓為止的電路；用于利用所述參考電流源和利用所述溫度可變電流源來交替供給電流 給所述電容器的電路；時鐘脈沖信號源；用于確定定義第一比率的比率以提供壓力指示的電路，所述第一比率 是在對所述參考電容器充電期間出現(xiàn)的時鐘脈沖的數(shù)量和在對所述壓敏電 容器充電期間出現(xiàn)的時鐘脈沖的數(shù)量之間的比率；用于對時鐘脈沖的數(shù)量進行計數(shù)的電路，所述時鐘脈沖出現(xiàn)在首先利 用所述參考電流源并隨后利用所述溫度可變電流源對所述參考電容器和所 述壓敏電容器進行充電期間；以及所述用于對時鐘脈沖的數(shù)量進行計數(shù)的 電路還用于使用定義第二比率的這些計數(shù)的比率來提供溫度的指示；所述系統(tǒng)包括用于提供包括所述第一比率分量的脈寬調(diào)制信號的電路。
18、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括用于提供包括所述第二比率分 量的脈寬調(diào)制信號的電路。
19、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括微處理器和計數(shù) 器，用于生成表示所述比率分量的數(shù)字信號。
20、 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括至少一個低通濾波器，所述至 少一個低通濾波器被耦合以接收所述脈寬調(diào)制信號中的至少一個。
全文摘要
多功能穩(wěn)定電路測量例如壓力和溫度兩者。該電路包括壓敏電容器和固定的參考電容器，還包括恒定電流源和溫度可變電流源。完整的周期包括至少兩個階段，周期的一個階段利用一個參考電容器和一個壓力可變電容器；至少一個另外的階段包括參考電容器和至少一個溫度可變充電源。還可以實施其他的多斜率多功能。
文檔編號A61B5/02GK101360451SQ200680051667
公開日2009年2月4日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者P·H·西辛克 申請人:凱維力科公司