DE102020207895A1

DE102020207895A1 - Verfahren und Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors

Info

Publication number: DE102020207895A1
Application number: DE102020207895.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Zehringer; David Slogsnat; Timo Brueckner; Gabriele CAZZANIGA; Somaie Saremi-Afshar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, wobei eine Sensorkapazität des Drucksensors eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck aufweist, umfassend die Schritte:• Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts für einen anliegenden Druck durch Auswerten der Sensorkapazität des Drucksensors und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und• Bestimmen eines gemessenen Druckwerts aus dem digitalisierten Rohmesswert mittels einer Zuordnungsfunktion,wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren jeweils mit einer druckabhängigen Kapazität gebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom aufweist und wobei das erste Polynom und das zweite Polynom jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Rohmesswert abhängen.Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Sensorsystem.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, wobei eine Sensorkapazität des Drucksensors eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck aufweist.
Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Sensorsystem.
Stand der Technik
Drucksensoren werden immer häufiger in Produkten wie Smartphones, Smartwatches, Fitness-Trackern oder bei Anwendungen im Bereich loT - Internet of Things - eingesetzt. Dabei beschränken sich die Anwendungsfälle nicht lediglich auf Wettermessungen oder das Schätzen der Höhe. Vielmehr sind auch Anwendungsfälle denkbar, bei denen beispielsweise ein sicheres Erkennen des Stockwerks eines Gebäudes durchgeführt wird, aus dem eine Notrufnummer gewählt worden ist. Dies erfordert sehr hohe Genauigkeiten. Für Fitness- und Sportanwendungen werden sogar Auflösungen im Zentimeterbereich gefordert.
Aktuelle kapazitive Drucksensoren für Consumer Anwendungen bestehen meist aus einem Sensorelement, häufig einem mikromechanischen Sensorelement, und einer Sensorelektronik, in vielen Fällen implementiert in einem ASIC - Application Specific Integrated Circuit. Unter Einwirkung eines anliegenden Drucks ändert sich eine Sensorkapazität des Sensorelements. Die Sensorelektronik erfasst eine Kenngröße für die Kapazität und wandelt diese in einen digitalisierten Rohmesswert für den anliegenden Druck um. Da der Kapazitätswert der Sensorkapazität nichtlinear von dem anliegenden Druck abhängt und eine genaue mathematische Beschreibung dieses Zusammenhangs äußerst komplex und in vielen Fällen sogar nicht möglich ist, werden hierzu Approximationen benötigt. Dadurch wird ein digitalisierter Rohmesswert einem gemessenen Druckwert zugeordnet, für den ein möglichst proportionaler Zusammenhang mit dem tatsächlich anliegenden Druck besteht.
Aus der Praxis ist bekannt, die Sensorkapazität eines Drucksensors mit einem Polynom höherer Ordnung zu approximieren. Aber selbst bei einer Approximation mit einem Polynom vierter Ordnung verbleibt ein nicht unerheblicher Fehler.
Bei einer anderen bekannten Lösung wird der Drucksensor durch einen idealen parallelen Plattenkondensator modelliert und ein Druckwert mit einer Formel der folgenden Form umgerechnet: $p_{o u t} = p_{0} + \frac{k_{1}}{k_{2} + p_{i n}}$
Dabei ist pout der gemessene Druckwert, po ein Druckoffset, k₁ und k₂ Konstanten und pin der digitalisierte Rohmesswert. Allerdings bildet dieser Zusammenhang das in der Realität auftretende Verhalten ebenfalls lediglich unzulänglich ab und es verbleibt ein deutlicher Fehler.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors bereit, wobei eine Sensorkapazität des Drucksensors eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck aufweist, umfassend die Schritte:

• Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts für einen anliegenden Druck durch Auswerten der Sensorkapazität des Drucksensors und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und
• Bestimmen eines gemessenen Druckwerts aus dem digitalisierten Rohmesswert mittels einer Zuordnungsfunktion,

In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors bereit, umfassend:

• einen kapazitiven Drucksensor mit einer Sensorkapazität, wobei die Sensorkapazität von einem anliegenden Druck nichtlinear abhängig ist,
• einen Analog-Digital-Wandler, der zum Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts durch Digitalisieren eines durch den Drucksensor gewonnenen Rohmesswerts ausgebildet ist,
• eine Zuordnungseinheit, die zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu dem digitalisierten Rohmesswert mittels einer Zuordnungsfunktion ausgebildet ist,

In einer Ausführungsform ist dieses Sensorsystem zum Durchführen des Verfahrens ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch ein relativ einfaches Modell der Sensorkapazität eines kapazitiven Drucksensors basierend auf einer Parallelschaltung von mehreren Plattenkondensatoren mit jeweils einer druckabhängigen Kapazität das reale Verhalten der Sensorkapazität auf einen anliegenden Druck recht genau nachgebildet werden kann. Damit lässt sich eine Zuordnungsfunktion angeben, die eine relativ genaue Zuordnung eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert des kapazitiven Drucksensors ermöglicht.
Eine druckabhängige Kapazität C eines idealen Plattenkondensators lässt sich dadurch beschreiben, dass sich der Plattenabstand des idealen Plattenkondensators linear mit einem anliegenden Druck p ändert. Damit kann die druckabhängige Kapazität wie folgt berechnet werden: $C = ε \cdot \frac{A}{d_{0} - x \cdot p}$
Dabei ist ε die Permittivität, A die Fläche der Platten und d₀ der Plattenabstand im Ruhezustand. x kann als ein konstanter Faktor angesehen werden, der eine Korrelation zwischen einer Abstandsänderung und einem anliegenden Druck beschreibt.
Diese Gleichung kann nach dem Druck p aufgelöst werden: $p = \frac{d_{0}}{x} - \frac{ε \cdot A}{x} \cdot \frac{1}{C}$
Würde sich ein realer kapazitiver Drucksensor wie ein idealer Plattenkondensator verhalten, könnte durch Erfassen der Kapazität C bei zwei verschiedenen Drücken die obige Gleichung parametriert werden. Da sich ein realer kapazitiver Sensor aber nicht wie ein idealer Plattenkondensator verhält, ergeben sich durch diese Modellierung nicht unerhebliche Fehler. Eine Addition eines druckunabhängigen Kapazitätswerts Co zu dem Kapazitätswert C der obigen Gleichung, nämlich: $C = ε \cdot \frac{A}{d_{0} - x \cdot p} + C_{0}$
bringt eine Verbesserung, kann das Vorhandensein deutlicher Fehler aber nicht vermeiden.
Wird ein Modell genutzt, bei dem mehrere druckabhängige Plattenkondensatoren (auch als „virtuelle“ Drucksensoren betrachtbar) parallelgeschaltet sind, kann das reale Verhalten des Drucksensors deutlich besser approximiert werden. Eine Parallelschaltung aus zwei „virtuellen“ Drucksensoren führt zu folgender Kapazität: $C = C' - C'' = ε \cdot \frac{A'}{d_{0}^{'} - x' \cdot p} + C_{0}^{'} + ε \cdot \frac{A''}{d_{0}^{''} - x'' \cdot p} + C_{0}^{''}$
Diese Gleichung kann nach dem Druck p aufgelöst werden und lässt sich in folgender Form darstellen: $p = \frac{p o l y n o m 1 (C)}{p o l y n o m 2 (C)}$
Dabei entspricht die maximale Ordnung der beiden Polynome der Anzahl „virtueller“ Drucksensoren. Wenn also zwei „virtuelle“ Drucksensoren genutzt werden, entsteht -je nach Parametrierung - ein Quotient aus Polynomen zweiter Ordnung.
Dieser Ansatz wird bei der vorliegenden Erfindung genutzt. Dazu wird die Sensorkapazität durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung von mindestens zwei Plattenkondensatoren mit druckabhängiger Kapazität approximiert. Dadurch kann eine Zuordnungsfunktion gebildet werden, mit der eine Zuordnung eines Druckwerts zu einem Rohmesswert des Drucksensors möglich ist. Die Zuordnungsfunktion weist dabei einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom auf, wobei das erste Polynom und das zweite Polynom jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Rohmesswert abhängen.
Der „digitalisierte Rohmesswert“ gibt einen Wert an, der die Größe der Sensorkapazität bei einem jeweils an dem Drucksensor anliegenden Druck repräsentiert. Dieser digitalisierte Rohmesswert kann in Form eines Kapazitätswerts vorliegen. Allerdings kann der digitalisierte Rohmesswert auch eine Spannung umfassen, die als Brückenspannung an einer Wheatstone-Brücke abgegriffen wird. Der digitalisierte Rohmesswert kann auch durch eine Frequenz gekennzeichnet sein, die ein Schwingkreis mit der Sensorkapazität als Resonanzfrequenz annimmt. Diese kurze beispielhafte Aufzählung, die weder abschließend ist noch einschränkend zu betrachten ist, lässt erkennen, wie flexibel der digitalisierte Rohmesswert erzeugt und dargestellt werden kann. Je nach digitalisiertem Rohmesswert werden die Koeffizienten des ersten und des zweiten Polynoms entsprechend anzupassen sein.
Der „gemessene Druckwert“ ist ein Druckwert, der durch die Approximation der Kennlinie des Drucksensors durch die Parallelschaltung von mehreren „virtuellen“ Drucksensoren berechnet wird. Dabei entspricht der gemessene Druckwert annähernd dem tatsächlich anliegenden Druckwert, wobei ein Approximationsfehler auftritt. Dieser Approximationsfehler ist allerdings gering, vorzugsweise kleiner als 0,1%, besonders bevorzugter Weise kleiner als 0,01%.
In einer Ausführungsform ist die Ordnung des ersten Polynoms und/oder die Ordnung des zweiten Polynoms jeweils gleich der Anzahl von parallel geschalteten Plattenkondensatoren der Approximation. Dadurch kann eine gute Approximation des realen Verhaltens des Drucksensors erreicht werden.
Die Approximation des realen Verhaltens des Drucksensors wird mit zunehmender Anzahl von „virtuellen“ Drucksensoren immer genauer. Allerdings bedeutet jeder weitere „virtuelle“ Drucksensor eine Erhöhung der Ordnung der Polynome, sodass der Berechnungsaufwand bei sehr vielen „virtuellen“ Drucksensoren erheblich sein kann. In einer Ausführungsform kann daher die Anzahl von Plattenkondensator auf maximal 5 begrenzt sein. In einer Ausführungsform ist die Approximation der Sensorkapazität durch drei Plattenkondensatoren gebildet, sodass hier das erste Polynom und/oder das zweite Polynom ein Polynom dritter Ordnung ist. Auf diese Weise entsteht eine gute Approximation bei gleichzeitig überschaubarem Berechnungsaufwand.
Die Plattenkondensatoren des Modells können beliebig parametriert werden. In einer Ausführungsform wird durch einen ersten Plattenkondensator des Modells aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren eine grobe Approximation der Sensorkapazität durchgeführt, während ein zweiter Plattenkondensator aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren die grobe Approximation verbessert. Wenn das Modell einen dritten Plattenkondensator umfasst, verbessert in dieser Ausführungsform der dritte Plattenkondensator die bereits verbesserte Approximation weiter, und so weiter. Somit wird die Approximation genauer. Auf diese Weise entsteht ein Modell, dessen Approximation mit jedem weiteren Plattenkondensator zuverlässig genauer werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform sind bei dem ersten Polynom und/oder bei dem zweiten Polynom Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen, vorzugsweise Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen größer als 0, jeweils ungleich 0. Wenn beispielsweise die Approximation durch drei „virtuelle“ Sensoren erfolgt und der Quotient aus erstem und zweitem Polynom eine folgende Form aufweist: $p_{l i n} = \frac{N_{0} + N_{1} \cdot a d c p + N_{2} \cdot a d c p^{2} + N_{3} \cdot a d c p^{3}}{D_{0} + D_{1} \cdot a d c p + D_{2} \cdot a d c p^{2} + D_{3} \cdot a d c p^{3}}$

könnte „für mindestens zwei Potenzen“ bedeuten, dass mindestens zwei der Parameter N₀, N₁, N₂ und N₃ und/oder mindestens zwei der Parameter D₀, D₁, D₂ und D₃ ungleich 0 sind. Eine derartige Parametrierung bietet einen guten Kompromiss zwischen Berechnungsaufwand und Genauigkeit der Approximation. Der Fall „für mindestens zwei Potenzen größer als 0“ könnte bedeuten, dass mindestens zwei der Parameter N₁, N₂ und N₃ und/oder mindestens zwei der Parameter D₁, D₂ und D₃ ungleich 0 sind. Dabei kann ergänzend der Parameter D₀ als ungleich 0 festgelegt sein. Eine derartige Parametrierung verbessert die Approximation bei gleichzeitig vertretbarem Berechnungsaufwand.

In einer Ausführungsform ist bei einer Parallelschaltung aus n virtuellen Sensoren - mit n als natürliche Zahl größer oder gleich 3 - im ersten Polynom der Koeffizient für die n-te Potenz gleich 0 und alle weiteren Koeffizienten ungleich 0. Mit der oben dargestellten Form der Zuordnungsfunktion und mit n = 3 könnte sich ergeben, dass N₃ gleich 0 ist und die Koeffizienten N₀, N₁, N₂, D₀, D₁, D₂ und D₃ jeweils ungleich 0 sind. Damit kann die Approximation weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform sind bei einer Parallelschaltung aus n virtuellen Sensoren - mit n als natürliche Zahl größer oder gleich 2 - in dem ersten Polynom und dem zweiten Polynom für alle Potenzen alle Koeffizienten ungleich 0. Damit kann die Approximation noch weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform sind Koeffizienten des ersten Polynoms und/oder Koeffizienten des zweiten Polynoms exemplarspezifisch oder typspezifisch, wobei Koeffizienten für Potenzen niederer Ordnung vorzugsweise exemplarspezifisch sind. „Exemplarspezifisch“ bedeutet, dass die Koeffizienten mit dem konkreten Drucksensor ermittelt worden sind, bei dem ein gemessener Druckwert einem Rohmesswert zugeordnet wird. Die Bestimmung exemplarspezifischer Parameter kann beispielsweise während einer Kalibrierungsmessung nach Fertigstellung des Sensors oder während einer Erstinbetriebnahme des Sensors bei verschiedenen bekannten anliegenden Drücken erfolgen. „Typspezifisch“ bedeutet, dass die Koeffizienten mit einem oder mehreren baugleichen Drucksensor/en und nicht einem konkreten Drucksensor ermittelt werden.
Bei einer Darstellung der Zuordnungsfunktion in der Form $p_{l i n} = \frac{N_{0} + N_{1} \cdot a d c p + N_{2} \cdot a d c p^{2} + N_{3} \cdot a d c p^{3}}{D_{0} + D_{1} \cdot a d c p + D_{2} \cdot a d c p^{2} + D_{3} \cdot a d c p^{3}}$
können in einer Ausführungsform die Koeffizienten N₀, N₁, N₂, D₁ und D₂ jeweils exemplarspezifisch sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Koeffizienten N₀, N₁, N₂ und D₁ jeweils exemplarspezifisch sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Koeffizienten N₀, N₁, N₂, D₁ und D₃ jeweils exemplarspezifisch sein. Bei all diesen Ausführungsformen von exemplarspezifischen Koeffizienten kann der Koeffizient D₀ zusätzlich ungleich 0 gewählt sein.
In einer Ausführungsform sind Polstellen der Zuordnungsfunktion außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet. Polstellen der Zuordnungsfunktion entstehen, wenn das zweite Polynom Nullstellen aufweist. Diese Polstellen führen zu Unstetigkeiten der Zuordnungsfunktion und zu digitalisierten Rohmesswerten, die nicht eindeutig einem gemessenen Druckwert zugeordnet werden können. Durch Anordnung der Polstellen außerhalb des Messbereichs des Sensors können Auswirkungen der Polstellen auf die Zuordnung vermieden werden. Dabei können die Polstellen so positioniert oder gewählt werden, dass auch bei einer Schwankung von Umgebungsbedingungen, Alterserscheinungen und/oder sonstigen Änderungen der Rahmenbedingungen einer Druckmessung die Polstellen außerhalb des Messbereichs bleiben. Auf dieser Weise kann die Zuverlässigkeit weiter verbessert werden.
Die untere Grenze des Messbereichs ist gemäß einer Ausführungsform kleiner oder gleich 50 kPa, gemäß einer anderen Ausführungsform kleiner oder gleich 30 kPa und gemäß einer weiteren Ausführungsform kleiner oder gleich 20 kPa. Die obere Grenze des Messbereichs ist gemäß einer Ausführungsform größer oder gleich 100 kPa, gemäß einer anderen Ausführungsform größer oder gleich 110 kPa und gemäß einer weiteren Ausführungsform größer oder gleich 150 kPa.
Die Zuordnungsfunktion kann auf verschiedene Weise dargestellt werden, solange die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom aufweist. In einer Ausführungsform weist die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert jedoch die Form: $p_{l i n} = \frac{N_{0} + N_{1} \cdot a d c p + N_{2} \cdot a d c p^{2} + N_{3} \cdot a d c p^{3}}{D_{0} + D_{1} \cdot a d c p + D_{2} \cdot a d c p^{2} + D_{3} \cdot a d c p^{3}}$
und mehrere Koeffizienten auf, wobei die Koeffizienten reelle Zahlen sind. Diese Darstellung bietet insbesondere dahingehend Vorteile, dass die Koeffizienten der einzelnen Potenzen problemlos bestimmt und festgelegt werden können.
In einer Ausführungsform weist die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (p_lin) die Form: $p_{l i n} = k_{P l i n} \cdot \frac{(a d c p - Z_{1, P l i n}) (a d c p - Z_{2, P l i n}) (a d c p - Z_{3, P l i n})}{(a d c p - P_{1, P l i n}) (a d c p - P_{2, P l i n}) (a d c p - P_{3, P l i n})}$
und mehrere Nullstellen und mehrere Polstellen auf, wobei die Polstellen vorzugsweise außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet sind. Diese Darstellung bietet den Vorteil, dass Polstellen einfach ermittelt werden können.
In einer Ausführungsform umfasst das Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors ein Host-System, das zum Auslesen eines digitalisierten Rohmesswerts und/oder eines gemessenen Druckwerts über eine Schnittstelle ausgebildet ist und/oder in dem die Zuordnungseinheit zumindest teilweise implementiert ist. Dabei kann das Host-System mit dem Sensorsystem interagieren und/oder das Sensorsystem steuern. In einer Ausführungsform kann das Host-System Bestandteile des Sensorsystems zumindest teilweise implementieren. Diese Bestandteile können die Zuordnungseinheit umfassen. Durch Nutzung eines Host-Systems und die dort meist besseren Rechenressourcen sind schnellere Berechnungen möglich.
In einer Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine Sensorelektronik. Diese Sensorelektronik kann einen nichtflüchtigen Speicher umfassen. In einer Ausführungsform sind in dem nichtflüchtigen Speicher Koeffizienten des ersten und des zweiten Polynoms abgespeichert, die für die Zuordnung des gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert aus dem nichtflüchtigen Speicher geladen werden können. In einer anderen Ausführungsform sind in dem nichtflüchtigen Speicher Nullstellen und Polstellen der Zuordnungsfunktion abgespeichert, die für die Zuordnung des gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert aus dem nichtflüchtigen Speicher geladen werden können.
Die in dem nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werte können unterschiedlichste Bitbreiten aufweisen. Je größer die Bitbreite desto präziser sind die Ergebnisse. Allerdings steigt mit zunehmender Bitbreite der Berechnungsaufwand. In einer Ausführungsform ist die Bitbreite der in dem nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werte daher nicht größer als 32 Bit, in einer weiteren Ausgestaltung nicht größer als 24 Bit.
Die Sensorelektronik kann auf verschiedene Weise implementiert sein. In einer Ausführungsform ist die Sensorelektronik durch Hardware implementiert. In einer anderen Ausführungsform ist die Sensorelektronik durch eine Kombination aus Soft- und Hardware implementiert. Dabei kann ein ASIC - Application Specific Integrated Circuit - zum Einsatz kommen, wobei in dem ASIC ein Mikroprozessorkern und/oder ein Signalprozessorkern enthalten sein kann.
Gemessene Druckwerte, die durch Ausführungsformen des Verfahrens bzw. des Sensorsystems zu einem Rohmesswert zugeordnet worden sind, können in weiteren Berechnungen genutzt werden. So kann ein gemessener Druckwert temperaturkompensiert oder in anderer Weise fehlerkompensiert werden. Der gemessene Druckwert beziehungsweise der fehlerkompensierte gemessene Druckwert kann dann in einer Anwendung, die beispielsweise auf dem Host-System läuft, genutzt werden. So kann eine Anwendung ein Stockwerk eines Gebäudes oder eine Änderung des Stockwerks ermitteln, um lediglich ein einzelnes Beispiel aus einer Vielzahl von Möglichkeiten zu nennen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Figurenliste
Dabei zeigt:

1 ein Fehlerdiagramm für eine mittels Polynom vierter Ordnung approximierten Kennlinie eines bekannten Drucksensors,
2 ein Fehlerdiagramm für eine Kennlinie eines Drucksensors, die in bekannter Weise als Plattenkondensator approximiert ist,
3 ein Diagramm einer genormten Kapazität eines idealen Plattenkondensators und eines realen Drucksensors,
4 ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 ein Fehlerdiagramm einer Approximation gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems,
7 eine beispielhafte Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors, dessen Rohmesswerte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordnet werden können und
8 ein Schaltbild mit einer Parallelschaltung dreier Plattenkondensatoren zur Approximation der Sensorkapazität.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 und 2 stellen Fehlerdiagramme für bekannte Approximationen der Kennlinie eines Drucksensors dar, wobei jeweils ein Druckfehler über dem anliegenden Druck aufgetragen ist und die Achsenbeschriftungen jeweils Kilo-Pascal als Einheit haben. Bei 1 ist eine Approximation mit einem Polynom vierter Ordnung, bei 2 eine Approximation als idealer Plattenkondensator mit druckunabhängigem Kapazitätsanteil genutzt worden. Es ist zu erkennen, dass ein nicht unerheblicher Approximationsfehler verbleibt.
3 zeigt ein Diagramm, bei dem eine genormte Kapazität über einem anliegenden Druck in Kilo-Pascal aufgezeichnet ist. Die obere, gestrichelte Kurve stellt dabei den Fall dar, bei dem der Drucksensor durch einen Plattenkondensator modelliert ist, dessen Plattenabstand sich linear mit einem anliegenden Druck ändert. Die untere, durchgezogene Kurve stellt eine reale Kennlinie eines Drucksensors dar. Es ist zu erkennen, dass die realen Verhältnisse über weite Teile des Messbereichs von dem Verhalten eines idealen Plattenkondensators abweichen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt S1 wird ein digitalisierter Rohmesswert für einen Druck erzeugt, der an einem Sensorelement eines kapazitiven Drucksensors anliegt. Für das Erzeugen des digitalisierten Rohmesswerts wird die Sensorkapazität des Drucksensors ausgewertet und ein Analog-Digital-Wandler eingesetzt. In Schritt S2 werden Parameter einer Zuordnungsfunktion, beispielsweise aus einem nichtflüchtigen Speicher, geladen, wobei die Zuordnungsfunktion einen Rohmesswert einem gemessenen Druck zuordnet. Dabei ist die Zuordnungsfunktion durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren gebildet und weist einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom auf. Diese Parameter können Koeffizienten von Potenzen des Rohmesswerts oder Null- und Polstellen der Zuordnungsfunktion sein. In Schritt S3 wird ein gemessener Druck aus dem digitalisierten Rohmesswert mittels der Zuordnungsfunktion bestimmt.
5 zeigt ein Fehlerdiagramm, bei dem ein Fehler über einem anliegenden Druck aufgetragen ist, wobei sich die Achsenbeschriftung jeweils auf Werte in Kilo-Pascal beziehen. Der Fehler beschreibt die Abweichung des gemessenen Druckwerts, der durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt worden ist, und einem tatsächlich anliegenden Druck. Es ist zu erkennen, dass die Approximation durch die Zuordnungsfunktion eine sehr gute Annäherung des realen Verhaltens darstellt.
6 stellt ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems dar. Das Sensorsystem 1 umfasst einen Drucksensor 2, einen Temperatursensor 3, eine Sensorelektronik 4 und ein Host-System 5. Der Drucksensor 2 wird durch einen Anregungssignalgenerator 6 mit einem Anregungssignal beaufschlagt. Der Drucksensor 2 kann in einer hier nicht dargestellten Wheatstone-Brücke verschaltet sein, wobei Anregungssignalgenerator 6 mit einem Ende oder mit beiden Enden der Wheatstone-Brücke verbunden sein kann und die Brückenspannung als analoges Sensorsignal abgegriffen werden kann. Dieses analoge Sensorsignal bildet ein durch den Sensor gewonnenen Rohmesswert 7, der in einen Analog-Digital-Wandler 8 eingegeben wird. Der Analog-Digital-Wandler 8 kann zusätzlich einen Verstärker und/oder analoge Filterschaltungen umfassen. Dem Analog-Digital-Wandler 8 ist ein digitaler Filter 9 nachgeschaltet, der eine digitale Filterung vornehmen kann. Am Ausgang dieses digitalen Filters 9 liegt ein digitalisierter Rohmesswert adcp an, der in eine Zuordnungseinheit 10 eingegeben wird. Die Zuordnungseinheit 10 ordnet mittels einer Zuordnungsfunktion einem Rohmesswert adcp einen gemessenen Druckwert p_lin zu, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom f₁ und einem zweiten Polynom f₂ aufweist und die Form: $p_{l i n} = \frac{f_{1} (a d c p)}{f_{2} (a d c p)} = \frac{N_{0} + N_{1} \cdot a d c p + N_{2} \cdot a d c p^{2} + N_{3} \cdot a d c p^{3}}{D_{0} + D_{1} \cdot a d c p + D_{2} \cdot a d c p^{2} + D_{3} \cdot a d c p^{3}}$
hat. Die Koeffizienten N₀, N₁, N₂, N₃, D₀, D₁, D₂ und D₃ sind jeweils reelle Zahlen, wobei der Index jeweils die Potenz der Variabel adcp wiedergibt.
Die Zuordnungseinheit 10 ist mit einem nichtflüchtigen Speicher 11 verbunden, in dem verschiedene Parameter für das Zuordnen des digitalisierten Rohmesswerts zu einem gemessenen Druckwert abgespeichert sind. Diese Parameter umfassen insbesondere die vorgenannten Koeffizienten N₀, N₁, N₂, N₃, D₀, D₁, D₂ und D₃. In der Zuordnungseinheit 10 kann der gemessene Druckwert zusätzlich temperaturkompensiert werden, indem ein Temperaturmesswert aus dem Temperatursensor 3 nach einer Digitalisierung durch den Analog-Digital-Wandler 8 und eventueller Filterung durch den digitalen Filter 9 digitalisiert und aufbereitet worden ist.
Die Zuordnungseinheit 10 gibt einen gemessenen Druckwert p_lin an ein Register 12 und eine FIFO-Steuereinheit 13 aus. In dem Register 12 kann ein jeweils aktueller gemessener Druckwert p_lin abliegen, wobei der abgelegte gemessene Druckwert mit einem Zeitstempel versehen sein kann. Die FIFO-Steuereinheit 13 kann mehrere nacheinander gemessene Druckwerte p_lin - eventuell mit einem Zeitstempel versehen - in einem FIFO 14 - First In First Out Speicher - ablegen, sodass in dem FIFO 14 eine gewisse Anzahl historischer gemessener Druckwerte, beispielsweise 16, 132 oder 200 Druckwerte, abgespeichert sein können.
Das Host-System 5 ist über eine Schnittstelle 15 mit der Sensorelektronik 4 verbunden. Dabei kann die Schnittstelle 15 durch I²C, I3C oder SPI ausgebildet sein. Es sind auch andere Ausbildungen der Schnittstelle möglich. Über diese Schnittstelle 15 kann das Host-System 5 einen aktuellen gemessenen Druckwert p_lin aus dem Register 12 oder mehrere gemessene Druckwerte p_lin auf dem FIFO 14 auslesen.
In 7 ist eine beispielhafte Ausgestaltung eines kapazitiven Drucksensor 2 dargestellt, der als MEMS - Mikro-Elektro-Mechanisches System - ausgebildet ist. Der Drucksensor 2 umfasst eine Sensorkapazität 16, die durch eine Masseelektrode 17 und eine auslenkbare Sensorelektrode 18 gebildet ist. Abhängig von einem anliegenden Druck p wird die auslenkbare Sensorelektrode 18 unterschiedlich weit in Richtung der Masseelektrode 17 bewegt.
8 zeigt ein Schaltbild mit einer Parallelschaltung von drei Plattenkondensatoren C, C' und C". Diese Plattenkondensatoren weisen eine druckabhängige Kapazität auf und können bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Modell für die Approximation der Sensorkapazität 16 bilden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, wobei eine Sensorkapazität (16) des Drucksensors (2) eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck (p) aufweist, umfassend die Schritte: • Erzeugen (S1) eines digitalisierten Rohmesswerts (adcp) für einen anliegenden Druck (p) durch Auswerten der Sensorkapazität (16) des Drucksensors (2) und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (8) und • Bestimmen eines gemessenen Druckwerts (p_lin) aus dem digitalisierten Rohmesswert (adcp) mittels einer Zuordnungsfunktion, wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität (2) durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") jeweils mit einer druckabhängigen Kapazität gebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom (f₁(adcp)) und einem zweiten Polynom (f₂(adcp)) aufweist und wobei das erste Polynom (f₁(adcp)) und das zweite Polynom (f₂(adcp)) jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Rohmesswert (adcp) abhängen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ordnung des ersten Polynoms (f₁(adcp)) und/oder die Ordnung des zweiten Polynoms (f₂(adcp)) jeweils gleich der Anzahl von parallel geschalteten Plattenkondensatoren (C, C', C") der Approximation ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Approximation durch drei Plattenkondensatoren (C, C', C") gebildet ist, sodass das erste Polynom (f₁(adcp)) und/oder das zweite Polynom (f₂(adcp)) ein Polynom dritter Ordnung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen ersten Plattenkondensator (C) des Modells aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") eine grobe Approximation der Sensorkapazität durchgeführt wird, während ein weiterer Plattenkondensator/weitere Plattenkondensatoren (C', C") aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") die grobe Approximation verbessern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ersten Polynom (f₁(adcp)) und/oder bei dem zweiten Polynom (f₂(adcp)) Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen, vorzugsweise Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen größer als 0, jeweils ungleich 0 sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Koeffizienten des ersten Polynoms (f₁(adcp)) und/oder Koeffizienten des zweiten Polynoms (f₂(adcp)) exemplarspezifisch oder typspezifisch sind, wobei Koeffizienten für Potenzen niederer Ordnung vorzugsweise exemplarspezifisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Polstellen der Zuordnungsfunktion außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (p_lin) die Form: $p_{l i n} = \frac{N_{0} + N_{1} \cdot a d c p + N_{2} \cdot a d c p^{2} + N_{3} \cdot a d c p^{3}}{D_{0} + D_{1} \cdot a d c p + D_{2} \cdot a d c p^{2} + D_{3} \cdot a d c p^{3}}$
und mehrere Koeffizienten (N₀, N₁, N₂, N₃, D₀, D₁, D₂, D₃) aufweist, wobei die Koeffizienten (N₀, N₁, N₂, N₃, D₀, D₁, D₂, D₃) reelle Zahlen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (p_lin) die Form: $p_{l i n} = k_{P l i n} \cdot \frac{(a d c p - Z_{1, P l i n}) (a d c p - Z_{2, P l i n}) (a d c p - Z_{3, P l i n})}{(a d c p - P_{1, P l i n}) (a d c p - P_{2, P l i n}) (a d c p - P_{3, P l i n})}$
und mehrere Nullstellen (Z_1,Plin, Z_2,Plin, Z_3,Plin) und mehrere Polstellen (P_1,Plin, P_2,Plin, P_3,Plin,) aufweist, wobei die Polstellen (P_1,Plin, P_2,Plin, P_3,Plin,) vorzugsweise außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet sind.
Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, umfassend: • einen kapazitiven Drucksensor (2) mit einer Sensorkapazität (16), wobei die Sensorkapazität (16) von einem anliegenden Druck (p) nichtlinear abhängig ist, • einen Analog-Digital-Wandler (8), der zum Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts (adcp) durch Digitalisieren eines durch den Drucksensor (2) gewonnenen Rohmesswerts (7) ausgebildet ist, • eine Zuordnungseinheit (10), die zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts (p_lin) zu dem digitalisierten Rohmesswert (adcp) mittels einer Zuordnungsfunktion ausgebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität (16) durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") mit jeweils einer druckabhängigen Kapazität gebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom (f₁(adcp)) und einem zweiten Polynom (f₂(adcp)) aufweist und wobei das erste Polynom (f₁(adcp)) und das zweite Polynom (f₂(adcp)) jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Messwert (adcp) abhängen.
Sensorsystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Host-System (5), das zum Auslesen eines digitalisierten Rohmesswerts (adcp) und/oder eines gemessenen Druckwerts (p_lin) über eine Schnittstelle (15) ausgebildet ist und/oder in dem die (10) Zuordnungseinheit zumindest teilweise implementiert ist.