传感器设备及用于操作传感器设备的方法技术

一种传感器设备(1)，包括第一传感器(2)和第二传感器(3)，其中，第一传感器(2)包括配置为以可控方式加热第一传感器(2)的加热元件(4)。此外，第二传感器(3)热耦合到第一传感器(2)，特别是热耦合到加热元件(4)，使得加热元件(4)还被配置为以可控方式加热第二传感器(3)。(3)。(3)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传感器设备及用于操作传感器设备的方法


[0001]本公开涉及一种包括第一传感器和第二传感器的传感器设备，以及一种用于操作所述传感器设备的方法。

技术介绍

[0002]众多不同的应用均采用多个传感器，以能够感测多个不同的量。备选地或附加地，可以采用其他传感器来校正对多个量交叉敏感的主传感器的测量结果。针对这种情况的常见示例是环境传感器，例如气体传感器，其特性可能还依赖于湿度。由于许多应用由于体积受限而具有严格的尺寸要求，因此在单个传感器设备上有利地设置多个传感器。然而，不同的传感器类型可能各自需要特定的操作条件，例如温度。因此，当今具有多个传感器的传感器设备采用的传感器各自设置有其建立所需操作条件的专用装置。然而，这可能导致具有大量组件的这种传感器设备的复杂设计。

技术实现思路

[0003]要实现的目的是提供具有多个传感器的传感器设备的改进的构思和操作这种传感器设备的方法。
[0004]该目的利用独立权利要求的主题来实现。改进的方法的实施例和改进方案在从属权利要求中限定。
[0005]改进的构思基于在传感器设备中组合第一传感器和第二传感器的想法，其中，第一传感器需要明显高于传感器设备的典型周围环境温度的操作温度。此外，改进的构思建议将第二传感器热耦合到建立第一传感器的操作温度的装置，使得第二传感器的温度可以根据其操作模式升高到周围环境温度以上，而无需为第二传感器提供专用加热器。
[0006]例如，根据改进的构思的传感器设备包括第一传感器和第二传感器，其中，第一传感器包括加热元件，该加热元件被配置为以可控方式加热第一传感器。此外，第二传感器热耦合到第一传感器，例如，热耦合到第一传感器的加热元件，使得加热元件进一步被配置为以可控方式加热第二传感器。
[0007]第一传感器和第二传感器可以具有相同或不同的操作温度。例如，在感测操作模式中，第一传感器被加热到明显高于传感器设备周围环境温度的温度。处于感测操作模式下的第二传感器可以在对应于或高于周围环境温度的操作温度下操作。对于不同的操作模式，可以将第二传感器加热到取决于特定操作模式的特定温度设定点。
[0008]传感器设备可以包括其他传感器，其他传感器或者热耦合到第一传感器，例如热耦合到加热元件，或者它们是热隔离的。
[0009]以可控方式加热传感器意指例如借助于由控制电路(例如伺服回路)控制的加热元件来加热第一传感器和第二传感器以及潜在的其他传感器。传感器设备可以包括控制电路或用于连接外部控制电路的控制连接。
[0010]传感器设备还可以包括集成电路，例如专用集成电路ASIC，以用于从传感器设备
的传感器读出传感器值。备选地，传感器设备包括用于连接外部读出电路的读出连接。
[0011]在一些实施例中，第一传感器是气体传感器，例如金属氧化物气体传感器，第二传感器是环境传感器，例如配置为测量传感器设备周围气体的相对湿度的湿度传感器。
[0012]采用如金属氧化物MOX气体传感器的气体传感器来检测气体的存在和/或识别传感器周围气体的气体化合物。例如，MOX传感器用于可靠的空气质量监测。MOX传感器是许多应用的常见选择，因为它们的特征在于有成本效益的大规模生产、ppm范围内的高敏感度和长寿命。然而，MOX传感器的有效操作需要150℃至500℃的操作温度。此外，MOX传感器通常对某些环境因素(例如湿度)表现出明显的交叉敏感性。因此，包括MOX传感器的传感器设备有利地还包括环境传感器，例如湿度传感器，以便能够重新调节气体传感器的测量。
[0013]尽管在所描述的情况下，在期望传感器设备的环境条件下(即在传感器设备的周围环境温度下)进行第二传感器的测量，但是将第二传感器热耦合到第一传感器的加热元件使得能够以可控方式加热第二传感器，因此允许附加的第二传感器操作模式。例如，可加热的环境传感器使得能够实现诸如第二传感器的增强校准、自诊断、防老化和修复等过程。
[0014]在针对感测操作模式的一些实施例中，第一传感器被加热到300℃至500℃的操作温度。例如，加热发生在不到2秒的时间内。
[0015]为了允许快速测量，期望快速加热第一传感器。特别是在第二传感器的操作温度与第一传感器的操作温度不同的情况下，期望快速加热以实现来自两个传感器的准同时测量。
[0016]在一些实施例中，加热元件被配置为将第二传感器加热到高于传感器设备环境的周围环境温度的最大设定点。
[0017]例如，最大设定点比周围环境温度高几十度。这使得能够实现针对第二传感器的如下过程，例如，在较大温度范围内和相对湿度条件下进行校准，通过蒸发污染物进行修复，防止老化和自诊断。相比之下，当今的环境传感器经常采用单片集成加热元件，其允许仅5
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10℃的温度增量。在这种情况下，无法有效地执行上述过程，使得如果期望进行上述过程，就必需加热这种传感器的附加装置。具有单片集成加热元件的传感器可以利用特殊的PCB布局和热设计以及结合通过加热元件的非常高的电流来达成更高的温升。然而，需要这种特殊电路才能实现这些高电流。
[0018]在一些实施例中，加热元件被配置为以与第一传感器相比更低的速率来加热第二传感器。
[0019]特别是在第二传感器在与第一传感器明显不同的温度下操作的情况下，第二传感器的更低的加热速率，例如，借助于第二传感器到加热元件的有意的不完全热耦合来实现的该速率，可以使两个传感器同时实现高效操作。例如，第一传感器被迅速加热到远高于周围环境温度的操作温度，而同时第二传感器保持在其指定操作条件内或接近其指定操作条件，例如处于或接近周围环境温度。
[0020]在一些实施例中，传感器设备还包括温度传感器，其被配置为测量第二传感器的瞬时温度。
[0021]对于一些环境传感器(例如相对湿度传感器)，实际周围环境条件的测量需要准确了解包括第二传感器温度的第二传感器操作条件。为此，可以将温度传感器设置在传感器设备中，靠近第二传感器，使得能够准确地测量其温度。利用该测量结合传感器读数，可以
精确地计算和/或估计实际周围环境条件，例如周围气体的相对湿度。此外，为了将第二传感器有效地加热到某个设定点，了解其瞬时温度同样是必不可少的。例如，温度传感器是控制电路的一部分，因此能够对第二传感器的温度进行可靠的控制。
[0022]在一些实施例中，第一传感器设置在第一管芯上，第二传感器设置在第二管芯上。其中，第一管芯和第二管芯设置在单个传感器封装中。
[0023]第一传感器和第二传感器可以根据不同的制造方法来制造。例如，两个传感器中的一个传感器包括MEMS结构，而另一个传感器按照纯CMOS兼容工艺来制造。在这种情况下，高效制造意指在专用管芯上分开制造。此外，两个传感器是共同封装的，即它们被设置在单个封装中，以便提供具有多个不同传感器的紧凑型传感器设备。例如，两个管芯中的一个管芯还可以包括用于从所有传感器读出传感器值的有源电路。
[0024]在一些实施例中，第一传感器设置在第二传感器旁边本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种传感器设备(1)，包括第一传感器(2)和第二传感器(3)，其中
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所述第一传感器(2)包括加热元件(4)，所述加热元件被配置为以可控方式加热所述第一传感器(2)；并且
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所述第二传感器(3)热耦合到所述第一传感器(2)，特别是热耦合到所述加热元件(4)，使得所述加热元件(4)还被配置为以可控方式加热所述第二传感器(3)。2.根据权利要求1所述的传感器设备(1)，其中
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所述第一传感器(2)是气体传感器，特别是金属氧化物气体传感器；并且
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所述第二传感器(3)是环境传感器，例如配置为测量所述传感器设备(1)周围的气体的相对湿度的湿度传感器。3.根据权利要求1或2所述的传感器设备(1)，其中，所述第一传感器(2)在用于感测操作模式时被加热，特别是在小于2秒的时间内被加热到300℃至500℃的操作温度。4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器设备(1)，其中，所述加热元件(4)被配置为将所述第二传感器(3)加热到高于所述传感器设备(1)的环境的周围环境温度的最大设定点。5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器设备(1)，其中，所述加热元件(4)被配置为以比所述第一传感器(2)更低的速率加热所述第二传感器(3)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器设备(1)，还包括温度传感器(6)，所述温度传感器被配置为测量所述第二传感器(3)的瞬时温度。7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器设备(1)，其中
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所述第一传感器(2)设置在第一管芯(7)上；
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所述第二传感器(3)设置在第二管芯(8)上；并且
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所述第一管芯(7)和所述第二管芯(8)设置在单个传感器封装中。8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器设备(1)，其中，所述第一传感器(2)设置在所述第二传感器(3)的衬底主体的表面(30)上。9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器设备(1)，其中，在常规操作模式期间，所述加热元件(4)以占空比进行操作，其中
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在所述占空比的主动时间内，所述第一传感器(2)操作于感测模式中，所述第二传感器(3)操作于空闲模式中；并且
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在所述占空比的被动时间内进行相反的操作。10.一种用于操作传感器设备(1)的方法，所述传感器设备包括第一传感器和第二传感器(3)，其中
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所述第一传感器(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗雷德里克，
申请(专利权)人：希奥检测有限公司，
类型：发明
国别省市：