DE19524604A1 - Schaltungsanordnung, insbesondere für einen kapazitiven Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere für einen kapazitiven Beschleunigungs­ sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, zur Detektion einer einwirkenden Beschleunigung, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, kapazitive Beschleunigungssensoren einzusetzen. Die kapazitiven Beschleunigungssensoren werden in der Regel von zwei Kapazitäten gebildet, die eine ge­ meinsame Mittenelektrode besitzen. Die gemeinsame Mittenelektrode ist zwischen den Außenelektroden der Kapazitäten beweglich gelagert. Infolge einer auftretenden Beschleunigung wird die Mittenelektro­ de bewegt, so daß die Kapazitäten variieren. Je nach Beschleunigungsrichtung wird die eine Kapazi­ tät erhöht und die andere erniedrigt oder umge­ kehrt. Zur Auswertung der Kapazitätsvariationen ist es bekannt, eine Lageregelschaltung vorzusehen, die die Außenelektroden mit einer Spannung beauf­ schlagt. Die Spannung wird hierbei so eingeregelt, daß eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Elektroden der Kapazitäten eine Auslenkung der Mittenelektrode verhindert. Je nach Größe der auf­ tretenden Beschleunigung ist eine entsprechend große Lageregelungsspannung erforderlich. Über die Höhe der an den Außenelektroden anliegenden Lagere­ gelungsspannung, die erforderlich ist, um die Kapa­ zitäten gleich groß zu halten, kann ein der mit dem Beschleunigungssensor detektierten Beschleunigung proportional es Signal gewonnen und ausgewertet wer­ den.

Aus der WO 92/03740 ist beispielsweise bekannt ge­ worden, an den Außenelektroden eine um 180° phasen­ verschobene Wechselspannung kapazitiv einzukoppeln. Eine an der Mittenelektrode sich ergebende Wechsel­ spannung ergibt ein Maß für das Verhältnis der bei­ den Kapazitäten. Ist die Wechselspannung an der Mittenelektrode nicht mehr meßbar, sind die Kapazi­ täten gleich groß. Hierbei ist nachteilig, daß durch die Wechselspannungssignaleinspeisung an den Außenelektroden der Kapazitäten dort vorhandene pa­ rasitäre Kapazitäten zu einer Dämpfung des Signals führen. Da die parasitären Kapazitäten zumindest zum Teil spannungsabhängige Sperrschichtkapazitäten sind, ist die Dämpfung auf Grund einer unterschied­ lichen Lageregelungsspannung an den Außenelektroden verschieden, so daß keine fehlerfreie Messung einer Kapazitätsdifferenz möglich ist. Darüber hinaus sind derartige Schaltungen sehr aufwendig, da zwei exakt gegenphasige Signale gleicher Amplitude er­ zeugt werden müssen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise eine exakte Auswertung einer Kapazitätsdifferenz zwischen den zwei Kapazitäten möglich ist. Dadurch, daß der Mit­ tenkontakt mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird und der sich an den Kapazitäten einstellende Wechselstrom zur Lageregelung ausgewertet wird, bleibt die Lageregelungsspannung an den Außenelek­ troden konstant, so daß hier keine Wechselspannung meßbar ist. Hierdurch wird in einfacher Weise der Einfluß parasitärer Kapazitäten auf die Signaler­ zeugung unterdrückt. Darüber hinaus kann die Wech­ selspannungsquelle zum Bereitstellen der Wechsel­ spannung relativ einfach aufgebaut werden, da eine bestimmte Phase für die Mittenelektrode nicht er­ forderlich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausfüh­ rungsbeispiel an Hand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Beschleunigungssensors,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Beschleunigungs­ sensors und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung einer Kapazitätsdifferenz des Beschleu­ nigungssensors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist ein kapazitiver Beschleunigungs­ sensor 10 schematisch dargestellt. Der Beschleuni­ gungssensor 10 besitzt eine bewegliche Mittenelek­ trode 12, die beispielsweise als einseitig be­ festigter Biegebalken ausgebildet sein kann. Die Mittenelektrode 12 ist in einem Freiraum 14 ange­ ordnet, der durch im wesentlichen parallel zur Mit­ tenelektrode 12 angeordneten Außenelektroden 16 beziehungsweise 18 begrenzt wird. Zwischen der Mittenelektrode 12 und der Außenelektrode 16 ist eine erste Kapazität C₁ und zwischen der Mitten­ elektrode 12 und der Außenelektrode 18 eine zweite Kapazität C₂ ausgebildet. Der Freiraum 14 bezie­ hungsweise das in dem Freiraum 14 vorhandene Medium bildet das Dielektrikum der Kapazitäten C₁ und C₂. Die Mittenelektrode 12 ist mit einem Anschluß U₀, die Außenelektrode 16 mit einem Anschluß U₁ und die Außenelektrode 18 mit einem Anschluß U₂ verbunden.

An Hand des in Fig. 2 dargestellten Ersatzschalt­ bildes des Beschleunigungssensors 10 wird deutlich, daß die Kapazitäten C₁ und C₂ in einer Kapazitäts­ brücke zusammengeschaltet sind.

Wird der Beschleunigungssensor 10 einer Beschleuni­ gung ausgesetzt, ist die Mittenelektrode 12 auf Grund ihrer beweglichen Aufhängung und ihres Träg­ heitsmomentes bestrebt, sich entweder in Richtung der Außenelektrode 16 oder der Außenelektrode 18 zu bewegen. Hierdurch würde es zu einer Kapazitäts­ variation der Kapazitäten C₁ und C₂ kommen. Je nach Beschleunigungsrichtung würde die Kapazität C₁ grö­ ßer und die Kapazität C₂ kleiner beziehungsweise umgekehrt werden, da der die Kapazität mitbestim­ mende Abstand zwischen der Mittenelektrode 12 be­ ziehungsweise den Außenelektroden 16 und 18 größer beziehungsweise kleiner wird.

Wird nun eine an den Anschlüssen U₁ beziehungsweise U₂ anliegende Spannung so eingeregelt, daß die zwischen der Mittenelektrode 12 beziehungsweise den Außenelektroden 16 und 18 auftretende elektrosta­ tische Anziehungskraft die Mittenelektrode 12 auch bei auftretender Beschleunigung in ihrer Mittellage hält, so daß die Kapazitäten C₁ und C₂ immer gleich groß sind, liefert die anzulegende Lageregelungs­ spannung ein der auftretenden Beschleunigung pro­ portionales Signal. Die Mittenelektrode 12 wird immer dann in ihrer Mittelstellung gehalten, wenn die Außenelektroden 16 beziehungsweise 18 auf ein konstantes Potential geregelt werden.

In der Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung ge­ zeigt, mit der in einfacher Weise eine Regelung der Außenelektroden 16 und 18 auf ein konstantes Po­ tential erfolgen kann. Gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen und nicht nochmals erläutert. Der Anschluß U₁ ist mit dem invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 20 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist über einen Gegenkop­ pelwiderstand R₁ mit dem invertierenden Eingang einerseits und einem Eingang 22 einer nicht darge­ stellten Auswerteschaltung verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 20 ist mit einer Gleichspannungsquelle 24 verbunden. Der Anschluß U₂ ist mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 26 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 26 ist einer­ seits über einen Gegenkoppelwiderstand R₂ mit dem Anschluß U₂ und einem Eingang 28 der nicht darge­ stellten Auswerteschaltung verbunden. Der nicht in­ vertierende Eingang des Operationsverstärkers 26 ist mit einer Gleichspannungsquelle 30 verbunden.

Der Anschluß U₀ ist mit einer Gleichspannungsquelle 32 und einer die Gleichspannungsquelle 32 über­ lagernden Wechselspannungsquelle 34 verbunden. Die Gleichspannungsquellen 24, 30 und 32 können auch von einer entsprechend verschalteten gemeinsamen Gleichspannungsquelle gebildet sein.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung übt folgende Funktion aus:
Mittels der Gleichspannungsquelle 32 und der Wechselspannungsquelle 34 wird an dem Anschluß U₀ eine von einer Wechselspannung überlagerte Gleich­ spannung eingespeist. Die Wechselspannung führt zu einem Stromfluß über die Kondensatoren C₁ und C₂. Im Ausgangszustand ist der Mittenkontakt 12 in Ruhestellung, so daß die Kapazitäten C₁ und C₂ gleich groß sind. Hierdurch besitzen die Kapazitä­ ten C₁ und C₂ einen gleich großen Blindwiderstand für den Wechselstrom, so daß über die Kapazitäten C₁ und C₂ ein exakt gleich großer Wechselstrom fließt. Die Blindwiderstände der Kapazitäten C₁ und C₂ bilden gemeinsam mit den Widerständen R₁ bezie­ hungsweise R₂ eine Gegenkopplungswiderstandsschal­ tung für die Operationsverstärker 20 beziehungswei­ se 26.

Die Operationsverstärker 20 beziehungsweise 26 sind als invertierende Verstärker geschaltet, so daß die am nicht invertierenden Eingang anliegende positive Gleichspannung am Ausgang der Operationsverstärker ebenfalls eine positive Ausgangsgleichspannung er­ gibt. Da - wie allgemein bekannt - die Verstärkung der Operationsverstärker durch das Verhältnis der Gegenkopplungswiderstände festgelegt wird, führt eine Veränderung des Verhältnisses der Gegenkopp­ lungswiderstände zu einer Veränderung der Verstär­ kung. Über die Gegenkopplung der Operationsverstär­ ker 20 beziehungsweise 26 werden die Anschlüsse U₁ und U₂ auf einem konstanten Potential geregelt.

Entsprechend dem sich mit einer Beschleunigungsein­ wirkung auf den Beschleunigungssensor 10 ändernden Blindwiderstand der Kapazitäten C₁ beziehungsweise C₂ für den Wechselstrom erfolgt eine mehr oder weniger große Verstärkungswirkung der Operations­ verstärker 20 beziehungsweise 26. Die Verstärkung der Operationsverstärker 20 beziehungsweise 26 variiert mit den sich ändernden einstellenden Ver­ hältnissen der Gegenkopplungswiderstände R₁ und R₂ zu den Blindwiderständen der Kapazitäten C₁ und C₂. Mit den Operationsverstärkern 20 beziehungsweise 26 wird somit der Strom durch die Kapazitäten C1 und C2 ausgewertet und ein entsprechendes Verstärkungs­ signal erzeugt. Dieses Verstärkungssignal liegt an den mit der Auswerteschaltung verbundenen Anschlüs­ sen 22 beziehungsweise 28 an, wobei gleichzeitig aufgrund des Regelungsverhaltens der Operationsver­ stärker das Potential an den Anschlüssen U₁ und U₂ konstant ist. Über eine Auswertung der Verstär­ kungssignale der Operationsverstärker 20 bezie­ hungsweise 26 kann somit ein der an den Beschleuni­ gungssensor 10 angreifenden Beschleunigung propor­ tionales Signal gewonnen werden.

Da die Potentiale an den Anschlüssen U₁ und U₂ konstant gehalten werden, ist an den Anschlüssen auch keine Wechselspannung meßbar. Hierdurch wird der Einfluß parasitärer Kapazitäten, insbesondere deren Dämpfungseinfluß auf das Verstärkungssignal eliminiert. Die Phase der Wechselspannungsquelle 34 kann beliebig gewählt sein, da diese durch die Einspeisung an dem Mittenkontakt U₀ für beide Kapazitäten C₁ und C₂ in jedem Falle gleich ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung bietet somit die Möglichkeit, die Gleichspannung an den Außenkontakten 16 beziehungsweise 18 in ein­ facher Weise über einen Operationsverstärker 20 beziehungsweise 26 zu regeln.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung, insbesondere für einen ka­ pazitiven Beschleunigungssensor mit einer ersten Kapazität (C₁) und einer zweiten Kapazität (C₂), wobei die beiden Kapazitäten (C₁, C₂) eine gemein­ same Mittenelektrode aufweisen, die in Abhängigkeit einer einwirkenden Beschleunigung beweglich gela­ gert ist, sowie einer Lageregelschaltung, die die Außenelektroden der Kapazitäten mit einer Spannung derart beaufschlagt, daß die Kapazitäten (C₁, C₂) gleich groß bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (12) mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird und der sich an den Kapazitäten (C₁, C₂) einstellende Wechselstrom zur Lageregelung ausgewertet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittenelektrode (12) mit einer Gleichspannungsquelle (32) und einer die Gleichspannungsquelle (32) überlagernden Wechsel­ spannungsquelle (34) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektroden (16, 18) der Kapazitäten (C₁, C₂) jeweils mit einem invertierenden Eingang und über einen Gegenkopplungswiderstand (R₁, R₂) mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers (20, 26) ver­ bunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht invertierende Eingang der Operationsverstär­ ker (20, 26) mit dem Pluspol einer Gleichspannungs­ quelle (24, 30) verbunden ist.