DE19855896A1

DE19855896A1 - Kapazitätsdetektierschaltung

Info

Publication number: DE19855896A1
Application number: DE19855896A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tsugai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: DE19855896B4; US6278283B1; JPH11326409A; JP3264884B2

Abstract

Eine Kapazitätsdetektierschaltung, die Flexibilität in der Anwendung gewährleistet, ohne daß sie durch die Kapazitätsanordnung, wie etwa eine Einzelkapazitätsanordnung, eine differentielle Kapazitätsanordnung, eine elektrostatische Servoanordnung vom differentiellen Kapazitätstyp und dergleichen eingeschränkt ist, weist folgendes auf: einen Operationsverstärker, der einen invertierenden Eingang und einen Ausgang hat, zwischen die eine Rückkopplungskapazitätskomponente (Cf) geschaltet ist; einen Sensor (Cx1) vom Kapazitätstyp mit einer elektrostatischen Kapazität, die unter der Einwirkung einer äußeren Kraft eine Änderung erfährt; eine Schaltereinrichtung (S) zum elektrischen Laden der Kapazitätskomponente des Sensors (Cx1) vom Kapazitätstyp durch Verbinden eines Lade/Entladeanschlusses der Kapazitätskomponente mit einer Referenzspannung (Va) zu einem ersten Taktzeitpunkt ( DIAMETER 1), um die Rückkopplungskapazitätskomponente (Cf) zu entladen, und zm Umschalten des Lade/Entladeanschlusses zu der Rückkopplungskapazitätskomponente (Cf) zu einem zweiten Taktzeitpunkt ( DIAMETER 2), um dadurch elektrische Ladung zu übertragen; und eine Abtast-Halteschaltung (11) zur Umwandlung der übertragenen elektrischen Ladung in eine Spannung, um die Spannung als Sensorausgangsspannung abzugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsdetektierschaltung für einen Sensor vom Kapazitätstyp, der zum Messen von Druck, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und dergleichen dient.

Als Sensor zum Messen von Fluiddruck, Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit eines bewegten Objekts oder derglei chen ist ein Sensor interessant, der den Druck, die Beschleunigung oder die Winkelgeschwindigkeit durch Detek tieren der Kapazitätsänderung eines Kondensators messen kann. Insbesondere bietet ein Sensor, der durch Anwendung einer Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnik implementiert ist, Vorteile, wie etwa die miniaturisierte Implementierung der den Sensor enthaltenden Einrichtung, verbesserte Herstell barkeit auf der Basis einer Massenfertigung, einer Reali sierung hoher Präzision und hoher Zuverlässigkeit usw.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen zuerst einige den Hintergrund bildende Techniken im einzelnen erläutert werden. Fig. 7 ist ein Querschnitt, der einen charakteristi schen Beschleunigungssensor vom Kapazitätstyp zeigt, der mit einem Halbleiter-Mikrobearbeitungsverfahren hergestellt ist. Wie die Figur zeigt, ist der Beschleunigungssensor vom Kapa zitätstyp mit einer solchen Struktur implementiert, daß ein Trägheitsmassenelement 1 aus Silicium, das als elektrischer Leiter dient, an einem Haltebereich 2 über einen Ausleger bereich 3 abgestützt ist. Ortsfeste Elektroden 4 und 5, die auf einer Glas- oder Siliconplatte 6 gebildet sind, sind jeweils über und unter dem Trägheitsmassenelement 1 angeord net. Wie ohne weiteres verständlich ist, entsprechen das Trägheitsmassenelement 1 und die ortsfesten Elektroden 4 und 5 einander und bilden Kondensatoren 7 bzw. 8, wie Fig. 8 zeigt, die eine Ersatzschaltung des in Fig. 7 gezeigten Beschleunigungssensors vom Kapazitätstyp ist.

Die Kondensatoren 7 und 8 bilden ein Sensorelement 9. Wenn eine durch Beschleunigung hervorgerufene Massenkraft auf das Trägheitsmassenelement 1 in der x-Richtung wirkt, wird das Trägheitsmassenelement 1 veranlaßt, sich in der x-Richtung um u zu verlagern. Aufgrund dieses u erhöht sich eine der Differenzspannungen zwischen dem Trägheitsmassenelement 1 und den ortsfesten Elektroden 4 und 5 um ΔC auf einen Wert (C-ΔC). Auf diese Weise erfolgt, wenn der Beschleunigungs sensor vom Kapazitätstyp einer Beschleunigung ausgesetzt ist, eine differentielle Kapazitätsänderung.

Eine Methode zum Umwandeln der differentiellen Kapazitäts änderung, die durch die Verlagerung des Trägheitsmassen elements 1 hervorgerufen wird, kann durch Verwendung einer Impedanzwandlerschaltung realisiert werden, was von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung bereits vorgeschlagen wurde. Fig. 9 zeigt beispielhaft eine bekannte Schaltung, die imstande ist, eine Ausgangsspannung proportional zu einer Änderung einer unbekannten Kapazität Cx abzugeben, und zeigt ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebs der Kapazitätsdetektierschaltung.

Gemäß Fig. 9 umfaßt eine Kapazitätsdetektierschaltung 10 einen Operationsverstärker OP, wobei eine Rückkopplungs kapazität Cf zwischen einen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers OP geschaltet ist. Die Rückkopplungs kapazität Cf wird zu einem Zeitpunkt ∅1 während eines Zeit raums T1 von einem Schalter S kurzgeschlossen. Die unbe kannte Kapazität Cx ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden. Eine Speisespannung Va wird zu dem Zeitpunkt ∅1 an die unbekannte Kapazität Cx während des Zeitraums T1 angelegt. Nach Ablauf des Zeitraums T1 wird die unbekannte Kapazität Cx mit dem Massepotential während eines Zeitraums T2 durch den Schalter S zu einem Zeitpunkt ∅2 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstär kers OP wird zu einem Zeitpunkt ∅3 durch den Schalter S wäh rend des Zeitraums T2 mit einer Abtast-Halteschaltung 11 verbunden.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Kapazitätsdetektierschaltung 10 wird die Speisespannung Va an die unbekannte Kapazität Cx während des Zeitraums T1 angelegt. Da der invertierende Ein gang des Operationsverstärkers mit einem virtuellen Masse potential über den nichtintervierenden Eingang aufgrund eines imaginären Kurzschlusses des Operationsverstärkers verbunden ist, wird eine elektrische Ladung in der unbekann ten Kapazität Cx, die in der Rückkopplungskapazität Cf gespeichert ist, über den Schalter S entladen.

Nach Ablauf des Zeitraums T1 wird die unbekannte Kapazität Cx zum Zeitpunkt ∅2 über den Schalter S mit dem Massepoten tial verbunden. Infolgedessen wandert die in der unbekannten Kapazität Cx gespeicherte Ladung zu der Rückkopplungskapazi tät Cf, so daß die Referenzspannung Vc realisiert wird. Zum Zeitpunkt ∅3 kann eine von der Abtast-Halteschaltung 11 erzeugte Sättigungs-Ausgangsspannung Vout durch die nach stehende Gleichung (1) ausgedrückt werden:

Vout = (Cx/Cf).Va (1).

Wie aus der Gleichung (1) ersichtlich ist, nimmt die Sätti gungs-Ausgangsspannung Vout einen Wert an, der zu der unbe kannten Kapazität Cx proportional ist.

Die herkömmliche Kapazitätsdetektierschaltung, die mit der oben beschriebenen Struktur implementiert ist, weist jedoch Nachteile auf, die anschließend erläutert werden.

(1) Die mittlere äußere Kraft, die zwischen Polplatten der unbekannten Kapazität Cx über eine Taktperiode wirksam ist, ist nur durch die Speisespannung Va bestimmt. Die äußere Kraft kann also nur dann auf Null verringert werden, wenn die Speisespannung Va auf Null einge stellt ist.
(2) Die Sättigungs-Ausgangsspannung Vout wird zwangsweise phasengleich mit der Änderung der unbekannten Kapazi tät Cx vorgegeben.
(3) Der Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp kann bei der bisher bekannten herkömmlichen Kapazitätsdetek tierschaltung nicht intakt angewandt werden. Insbeson dere entspricht bei dem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp der Anschluß 3 der Ersatzschaltung gemäß den Fig. 7 und 8 dem Trägheitsmassenelement 1 des Sensors. Durch Einstellen der Potentialdifferenz zwi schen den Anschlüssen 1 und 3 und der Potential differenz zwischen den Anschlüssen 2 und 3 wird eine äußere Kraft wirksam, um die Verlagerung des Träg heitsmassenelements 1 in der x-Richtung infolge einer Beschleunigung aufzuheben. Die Schaltungsstruktur, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, kann jedoch bei dem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp/Servotyp nicht ange wandt werden.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, mangelt es der herkömmlichen Kapazitätsdetektierschaltung an Flexibilität in bezug auf die Nutzung des Ausgangssignals sowie die Anwendung bei den Sensoren.

Im Hinblick auf den oben beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kapazitäts detektierschaltung bereitzustellen, die bei allen denkbaren verschiedenen Bauarten von Sensoren vom Kapazitätstyp anwendbar ist, beispielsweise einem Sensor vom Einzelkapazi tätstyp, einem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp, einem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp/Servotyp und dergleichen.

Im Hinblick auf die vorstehende Aufgabe und weitere Ziele, die sich aus der folgenden Beschreibung ergeben, wird gemäß einem allgemeinen Aspekt der Erfindung eine Kapazitäts detektierschaltung angegeben, die folgendes aufweist: einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang und einem Ausgang, zwischen die eine Rückkopplungskapazitäts komponente geschaltet ist, einen Sensor vom Kapazitätstyp mit einer elektrostatischen Kapazität, die unter der Einwir kung einer äußeren Kraft eine Änderung erfährt, einer Lade/Entlade-Steuerungseinrichtung zum elektrischen Laden der Kapazitätskomponente des Sensors vom Kapazitätstyp durch Verbinden eines Lade/Entladeanschlusses der Kapazitätskompo nente mit einer Referenzspannungsquelle zu einem ersten Taktzeitpunkt, um die Rückkopplungskapazitätskomponente zu entladen, und zum Umschalten des Lade/Entladeanschlusses zu einem zweiten Taktzeitpunkt zu der Rückkopplungskapazitäts komponente, um dadurch eine elektrische Ladung zu übertra gen, und eine Spannungswandlereinrichtung, um die übertra gene elektrische Ladung in eine Spannung umzuwandeln und dadurch die Spannung als eine Sensorausgangsspannung abzuge ben.

In einem beispielhaften bevorzugten Modus zur Durchführung der Erfindung kann der Sensor vom Kapazitätstyp als Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp implementiert sein, der eine erste und eine zweite Kapazität hat, von denen unter der Einwirkung einer gleichen äußeren Kraft die eine zu einer Erhöhung und die andere zu einer Verringerung veran laßt wird, wobei die Lade/Entladesteuerungseinrichtung den Lade/Entladeanschluß der ersten und der zweiten Kapazität zu dem ersten Taktzeitpunkt mit der Referenzspannungsquelle verbindet, um dadurch die erste und die zweite Kapazität elektrisch zu laden, während zu dem zweiten Taktzeitpunkt der Lade/Entladeanschluß zu der Rückkopplungskapazitäts komponente umgeschaltet wird, so daß eine Menge an elektri scher Ladung, die einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Kapazität entspricht, zu der Spannungswandler einrichtung übertragen wird.

In einer anderen beispielhaften bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung kann die Kapazitätsdetektier schaltung weiterhin zwei Operationsverstärker aufweisen, die jeweils einen invertierenden Eingang und einen Ausgang haben, zwischen die eine Rückkopplungskapazitätskomponente geschaltet ist. Die Lade/Entladesteuerungseinrichtung kann den Lade/Entladeanschluß der ersten und der zweiten Kapazi tät bei dem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp zum ersten Taktzeitpunkt mit der Referenzspannungsquelle verbin den, um dadurch die erste und die zweite Kapazität elek trisch zu laden, während sie zum zweiten Taktzeitpunkt den Lade/Entladeanschluß zu den Rückkopplungskapazitätskomponen ten der ersten und der zweiten Kapazität umschaltet, so daß elektrische Ladungen, die in der ersten Kapazitätskomponente und der zweiten Kapazitätskomponente gespeichert sind, zu der Spannungswandlereinrichtung übertragen werden.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform zur Durch führung der Erfindung kann die Kapazitätsdetektierschaltung so angeordnet sein, daß sie eine Differenzspannungs-Abgabe einrichtung aufweist, um eine Differenzspannung zwischen Spannungen, die aus der Spannungsumwandlung elektrischer Ladungen in der ersten bzw. der zweiten Kapazität resultie ren, zu bestimmen und dadurch die Differenzspannung als einen Spannungsumwandlungswert des Sensorausgangssignals abzugeben.

In einer weiteren beispielhaften bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung kann die Kapazitätsdetektier schaltung ferner so angeordnet sein, daß sie eine Rückkopp lungssteuereinrichtung aufweist, um den Spannungsumwand lungswert als Referenzspannung an einen gemeinsamen Anschluß der ersten und der zweiten Kapazität des Sensors vom diffe rentiellen Kapazitätstyp zurückzuführen.

In einer weiteren beispielhaften bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung kann die Rückkopplungssteue rungseinrichtung so ausgebildet sein, daß sie von einer Kompensationseinrichtung und einer Verstärkungsregelungsein richtung gebildet ist.

Die obigen und weitere Ziele, Merkmale sowie daraus resul tierende Vorteile der Erfindung ergeben sich ohne weiteres beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsformen, die nur beispielhaft in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert werden.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Schaltbild, das eine Kapazitätsdetektier schaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Schaltbild, das eine differentielle Kapazitäts detektierschaltung gemäß einer zweiten Ausführungs form der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein Schaltbild, das eine differentielle Kapazitäts detektierschaltung gemäß einer dritten Ausführungs form der Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Sensors vom diffe rentiellen Kapazitätstyp zur Verdeutlichung eines Mechanismus eines elektrostatischen Servosystems gemäß den Lehren der Erfindung;

Fig. 5 ein Schaltbild, das eine differentielle Kapazitäts detektierschaltung und ein Beispiel eines elektro statischen Servosystems zeigt;

Fig. 6 ein Schaltbild, das eine differentielle Kapazitäts detektierschaltung und ein anderes Beispiel eines elektrostatischen Servosystems zeigt;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht, die einen bekannten Beschleunigungssensor vom Kapazitätstyp zeigt;

Fig. 8 ein Schaltbild, das eine Ersatzschaltung des in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Beschleunigungs sensors vom Kapazitätstyp zeigt; und

Fig. 9 ein Schaltbild, das ein Beispiel der bekannten Kapazitätsdetektierschaltung zeigt.

Die Erfindung wird in Form von derzeit bevorzugten bzw. typischen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeich nungen im einzelnen beschrieben.

Ausführungsform 1

Es folgt die Beschreibung der ersten Ausführungsform der Kapazitätsdetektierschaltung. Wie Fig. 1 zeigt, wird bei der Kapazitätsdetektierschaltung gemäß dieser Ausführungsform davon ausgegangen, daß ein Sensorelement vom Kapazitätstyp angeschlossen ist. Die Kapazitätsdetektierschaltung ist in Form einer Kapazitätsdetektierschaltung vom Halbleiter-Typ implementiert, die im Gegensatz zu der herkömmlichen Kapazi tätsdetektierschaltung vom Halbleiter-Typ drei Referenz spannungen Va, Vb und Vm hat. Hier soll erwähnt werden, daß die nachstehend genannten einzelnen Schalter eine Lade/Entlade steuerungseinrichtung bilden, wogegen der Opera tionsverstärker OP eine Spannungswandlereinrichtung bildet.

Die Taktsteuerung und die Zeitdauer zum Ansteuern der Schal ter sind so vorgegeben, daß die zum Zeitpunkt ∅1 beginnende Einschaltzeitdauer T1 und die zum Zeitpunkt ∅2 beginnende Einschaltzeitdauer T2 nach Bedarf geändert werden. Weiterhin ist die Einschaltzeitdauer T3 so vorgegeben, daß sie in die Einschaltzeitdauer T2 fällt.

Gemäß Fig. 1 ist ein Referenzspannungsanschluß einer unbe kannten Kapazität Cx1 mit einer Referenzspannung Vm verbun den, während der Lade/Entladeanschluß der unbekannten Kapa zität Cx1 mit der Referenzspannungsquelle Va über einen Schalter S der zum Zeitpunkt ∅1 geschlossen wird, und zusätzlich mit dem invertierenden Eingang des Operations verstärkers OP über einen Schalter S verbunden ist, der zum Zeitpunkt ∅2 geschlossen wird. Der nichtinvertierende Ein gang des Operationsverstärkers ist mit einer weiteren Refe renzspannungsquelle Vb verbunden.

Durch die oben beschriebene Schaltungsanordnung wird der Lade/Entladeanschluß der unbekannten Kapazität Cx1 zum Zeit punkt ∅1 mit der Referenzspannungsquelle Va verbunden, so daß die unbekannte Kapazität Cx1 elektrisch geladen wird. Andererseits wird zum selben Zeitpunkt ∅1 die in der Rück kopplungskapazität Cf verbleibende elektrische Ladung über den Schalter S entladen.

Anschließend wird zum Zeitpunkt ∅2 der Lade/Entladeanschluß der unbekannten Kapazität Cx1 durch den Schalter S umge schaltet, so daß er mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden ist. Infolgedessen wird die in der unbekannten Kapazität Cx1 gespeicherte elektri sche Ladung zu der Rückkopplungskapazität Cf übertragen und in diese geladen.

Der Operationsverstärker wandelt die elektrische Ladung in eine Spannung um. Zum Zeitpunkt ∅3 wird die aus der Span nungsumwandlung resultierende Spannung einer nachgeschalte ten Abtast-Halteschaltung über ein Schaltelement zugeführt. Die Sättigungsausgangsspannung Vout der Abtast-Halteschal tung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Vout = Vb - (Va - Vb).(Cx1/Cf) (2).

Wie aus der obigen Gleichung (2) hervorgeht, ist die Sätti gungsausgangsspannung Vout von der Referenzspannung Vm unab hängig. Dabei soll jedoch erwähnt werden, daß die Gleichung (2) nur dann gilt, wenn die Referenzspannung Vm während der Taktperiode zum Ansteuern des Schalters eine Änderung er fährt.

Wie aus der Gleichung (2) ersichtlich ist, kann der Aus gangswert der unbekannten Kapazität Cx1 phasengleich oder gegenphasig abgeleitet werden, indem entsprechende Pegel der Referenzspannungen Va und Vb gewählt werden. Ferner kann die Detektierempfindlichkeit der unbekannten Kapazität Cx1 dadurch gesteigert werden, daß die Referenzspannungen Va und Vb so eingestellt werden, daß die Differenz zwischen ihnen zunimmt.

Im Fall eines Sensors vom elektrostatischen Kapazitätstyp kann es erforderlich sein, die elektrostatische Anziehung zu justieren, die zwischen den ortsfesten Elektroden 4 und 5, die die Sensorkapazität bilden, wirksam ist. Bei der Schal tungsanordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die elektrostatische Anziehung zwischen den Elek troden über eine Taktperiode zu Null zu machen, indem die Referenzspannung Vm so vorgegeben wird, daß der Bedingung (Va+Vb)/2 genügt wird. Ferner kann aufgrund der Schal tungsanordnung gemäß dieser Ausführungsform der Wert der Anziehung zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von der Referenzspannung Vm, wie sie vorgegeben ist, reguliert wer den.

Durch Einstellen der Dauer der Einschaltperioden T1 und T2 kann weiterhin die mittlere Spannung, die dem Lade/Entlade anschluß der unbekannten Kapazität Cx1 über eine Taktperiode zugeführt wird, reguliert werden. Es ist somit möglich, sowohl die Referenzspannung Vm als auch die elektrostatische Anziehung zwischen den Elektroden zu regulieren oder zu justieren.

Ausführungsform 2

Als nächstes folgt die Beschreibung der Kapazitätsdetektier schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 ist ein Schaltbild, das die Kapazitätsdetektier schaltung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Im Fall der hier betrachteten Kapazitätsdetektierschaltung sind ein Paar von Kapazitätsdetektierschaltungen und ein Paar von Abtast-Halteschaltungen vorgesehen, wobei jede Kapazitäts detektierschaltung und jede Abtast-Halteschaltung im wesent lichen gleich aufgebaut ist wie diejenigen, die in Verbin dung mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden sind.

Ferner wird der Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp, der in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, als unbekannte Kapazi tät Cx1 bzw. Cx2 verwendet. Die Lade/Entladeanschlüsse 1 und 2 des Sensors vom differentiellen Kapazitätstyp sind jeweils mit den Verbindungspunkten der Schalter S verbunden, die zum Zeitpunkt ∅1 betätigt werden. Die Referenzspannung Vm wird einem Auslegerbereich 3 (Zwischenanschluß) zugeführt.

Der Ausgang der einen Abtast-Halteschaltung ist mit einem Eingang des Differenzverstärkers (der eine Differenz spannungs-Abgabeeinrichtung bildet) verbunden, an den die Referenzspannung Vref angelegt ist, während der Ausgang der anderen Abtast-Halteschaltung mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist.

Die Kapazitätsdetektierschaltung gemäß dieser Ausführungs form ist als Kapazitätsdetektierschaltung vom Halbleitertyp implementiert, die bei einem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp angewandt wird, wobei elektrostatische Kapazi täten der unbekannten Kapazitäten Cx1 und Cx2 sich gegen phasig ändern. Die Schalteransteuerungszeitpunkte ∅1, ∅2 und ∅3 gleichen denjenigen, die vorher in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurden.

Im Fall der vorliegenden Kapazitätsdetektierschaltung werden fünf Referenzspannungen Va, Vb, Vc, Vd und Vm verwendet. Außerdem umfaßt die Kapazitätsdetektierschaltung zwei Opera tionsverstärker OP1, OP2, zwei Abtast-Halteschaltungen und einen Differenzverstärker, der die Differenzspannung als die Sättigungsausgangsspannung Vout abgibt. Dabei kann der Dif ferenzverstärker durch eine Addierschaltung ersetzt werden, ohne daß sich dadurch ein Problem ergibt.

Das endgültige Ausgangssignal Vout der Kapazitätsdetektier schaltung kann durch die folgende Gleichung (3) unter der Bedingung ausgedrückt werden, daß als Ausgangskreis der Dif ferenzverstärker wie im Fall der Kapazitätsdetektierschal tung gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.

Vout = Vref + (Vb - Vd) - {(Va - Vb)Cx1 - (Vc - Vd)Cx2}/Cf (3).

Wenn man beispielsweise annimmt, daß Vb=Vd und daß Va=Vc, dann kann das endgültige Ausgangssignal Vout durch die nachfolgende Gleichung (4) ausgedrückt werden mit der Maßgabe, daß in der Ausgangsschaltung der Differenzverstär ker verwendet wird.

Vout = Vref - ΔV(Cx1 - Cx2)/Cf (4),

mit ΔV = Va - Vb.

Wie aus der Gleichung (4) ersichtlich ist, kann von dem Differenzverstärker die Ausgangsspannung erhalten werden, die zu der Differenz zwischen den unbekannten Kapazitäten Cx1 und Cx2 proportional ist. Durch Einstellen des Vorzei chens oder der Polarität der Differenzspannung ΔV ist es möglich, die Verschiebung und die Phase der Ausgangsspannung zu justieren. Ferner kann durch geeignete Einstellung der Referenzspannungen Va, Vb, Vc, Vd und Vm ein kumulatives Ausgangssignal erhalten werden, das zu einer Summe unbekann ter Kapazitäten Cx1 und Cx2 proportional ist.

Weiterhin ist es durch geeignete Justierung der Referenz spannung Vm und der Einschaltperioden T1 und T2 gleicher maßen möglich, die elektrostatische Anziehung zwischen den Elektroden einzustellen, wie es bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläutert ist, und zwar unter der Bedingung, daß sich die Kapazität zwischen den Elektroden im Vergleich mit der Taktperiode ausreichend langsam ändert.

Ausführungsform 3

Als nächstes folgt die Beschreibung der Kapazitätsdetektier schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform. Fig. 3 ist ein Schaltbild, das diese Kapazitätsdetektierschaltung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Diese Kapazitätsdetek tierschaltung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Kapazitätsdetektierschaltung insofern, als der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP mit den Ausgängen der beiden Schalter S die zum Zeitpunkt ∅2 angesteuert werden, zusammengeschaltet ist und die Eingänge dieser Schalter je weils in Reihe mit den Schaltern S liegen, die zum Zeitpunkt ∅1 angesteuert werden. Die Referenzspannung Ve wird an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers ange legt.

Die Schalter S die zu dem Zeitpunkt ∅1 betätigt werden, er halten die Referenzspannungen Va bzw. Vc. Mit den Verbin dungspunkten der Reihenschaltungen der Schalter S sind die Lade/Entladeanschlüsse des Sensors vom differentiellen Kapa zitätstyp verbunden, der die unbekannten Kapazitäten Cx1 und Cx2 hat, die sich gegenphasig ändern, wie Fig. 8 zeigt, wo bei die Referenzspannung Vm an den Referenzspannungs quellen-Anschluß 3 (Zwischenelektrode) angelegt ist.

Die Ansteuerungszeitpunkte für die einzelnen Schalter S sind die gleichen wie bei der Kapazitätsdetektierschaltung gemäß der ersten Ausführungsform. Im Fall der Kapazitätsdetektier schaltung nach der zweiten Ausführungsform sind zwei Opera tionsverstärker und zwei Abtast-Halteschaltungen erforder lich. Im Gegensatz dazu werden im Fall der Kapazitätsdetek tierschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Operationsverstärker und eine Abtast-Malteschaltung verwen det. Der endgültige Ausgangswert Vout kann durch die fol gende Gleichung (5) ausgedrückt werden:

Vout = Ve - {(Va - Ve)Cx1 + (Vc - Ve)Cx2}/Cf (5).

Wenn beispielsweise angenommen wird, daß Va - Ve = Ve - Vc = ΔV, dann kann die Gleichung (5) wie folgt umgeschrieben werden:

Vout = Ve - ΔV(Cx1 - Cx2)/Cf (6).

Somit kann das differentielle Ausgangssignal erhalten wer den, das im wesentlichen dem durch die Gleichung (4) defi nierten Ausgangswert Vout entspricht. Weiterhin kann durch Justieren der Referenzspannung auch der akkumulative Aus gangswert erhalten werden, der einer Summe der unbekannten Kapazitäten Cx1 und Cx2 entspricht. Im Fall der hier betrof fenen Kapazitätsdetektierschaltung ist es ferner möglich, den Wert der elektrostatischen Anziehung zwischen den Elek troden dadurch zu justieren oder zu einzustellen, daß die Referenzspannung Vm und die Einschaltperioden T1 und T2 richtig vorgegeben werden, wie es vorher in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben ist, und zwar unter der Bedingung, daß sich die Elektrodenkapazität im Vergleich mit der Taktperiode ausreichend langsam ändert.

Ausführungsform 4

Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform beschrieben. Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Sensors vom diffe rentiellen Kapazitätstyp gemäß der vierten Ausführungsform, der unbekannte Kapazitäten Cx1 und Cx2 hat, die gegenphasig veränderlich sind. Fig. 5 ist ein Schaltbild, das eine Kapazitätsdetektierschaltung vom Halbleitertyp zeigt, die bei dem Sensor vom differentiellen Kapazitätstyp verwendet wird. Die Ansteuerungszeitpunkte ∅1, ∅2 und ∅3 für die Schaltelemente der in Fig. 5 gezeigten Kapazitätsdetektier schaltung vom Halbleitertyp entsprechen denjenigen, die bei der Kapazitätsdetektierschaltung nach der ersten Ausfüh rungsform angewandt werden.

Dabei kann die Kapazitätsdetektierschaltung vom Halbleiter typ bei dem Sensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp des Servosystems angewandt werden, wobei die Nullmethode zur Begrenzung der Verlagerung des Trägheitsmassenelements 1 angewandt wird, indem die in Fig. 2 gezeigte Detektier schaltung gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird. Wenn man einen Beschleunigungssensor als Beispiel nimmt, ist das Servosystem so ausgelegt, daß es die Spannung zwischen den Elektroden derart verändert, daß die Verlagerung des Trägheitsmassenelements (oder die auf das Trägheitsmassen element wirkende Trägheitskraft), die durch die Beschleuni gung hervorgerufen wird, durch die äußere Kraft aufgehoben werden kann.

Im Vergleich mit dem herkömmlichen Sensor vom Typ ohne Rück kopplung kann der Frequenzgang (das Ansprechverhalten) auf grund der Begrenzung der Verlagerung des Trägheitsmassen elements verbessert werden, und zusätzlich kann der Einfluß von Störsignalen aufgrund des Rückkopplungsvorgangs unter drückt werden. Im Vergleich mit dem Sensor ohne Rückkopp lung, der sonst das gleiche Ansprechverhalten zeigt, ist im übrigen zu erwarten, daß das Ansprechempfindlich keits-Rausch-Verhältnis oder, anders ausgedrückt, der Rausch abstand infolge der Empfindlichkeit der Ausführungsformen im Betrieb verbessert wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird der Mechanismus bzw. das Prinzip der Anordnung zur Aufhebung der Verlagerung des Trägheitsmassenelements 1, die durch die Beschleunigung (die auf das Trägheitsmassenelement wirkende Trägheitskraft) her vorgerufen wird, mit der äußeren Kraft erläutert. Es wird davon ausgegangen, daß das Trägheitsmassenelement 1, das von dem Ausleger gehaltert ist, der eine Federkonstante k hat, dazu tendiert, unter der Einwirkung der Trägheitskraft Fa (= ma, mit m = Masse und a = Beschleunigung) in der Plus-x-Richtung um u verlagert zu werden.

Wenn in diesem Fall die Verlagerung des Trägheitsmassen elements unter der Wirkung der differentiellen elektrostati schen Anziehung, die zwischen den Platten wirksam ist, ver hindert wird, indem eine Spannung (Vo + Vr) an den einen Anschluß der unbekannten Kapazität Cx1 angelegt wird, während gleichzeitig eine Spannung (Vo - Vr) an den einen Anschluß der unbekannten Kapazität Cx2 angelegt wird und eine Spannung (Vo + Vf) an den gemeinsamen Zwischenanschluß angelegt wird, dann gelten die nachfolgenden Gleichungen:

Da Fe⁺ - Fe⁺ - Fa = 0,
2E.Vr.Vf = ma (7)
und

Vf = ma/(2EVr) (8).

In den obigen Gleichungen bezeichnet E eine Konstante, die durch die Fläche der Gegenelektrode, den Zwischen-Elektro denabstand d0 und die Dielektrizitätskonstante des zwischen den Elektroden vorhandenen Mediums bestimmt ist, und es wird davon ausgegangen, daß die Verlagerung u im Vergleich mit dem Elektrodenabstand d0 sehr klein ist. Ferner bezeichnet Vo das elektrische Referenzpotential der Zwischenelektrode, und Vf bezeichnet eine in Abhängigkeit von der Beschleuni gung erzeugte Rückkopplungsspannung. Daher sollte die Rück kopplungsspannung Vf im Idealfall von der Federkonstanten k unabhängig und zu der Beschleunigung a proportional sein.

Fig. 5 ist ein Schaltbild, das die Kapazitätsdetektier schaltung zeigt, die durch Anwendung des vorstehenden Prinzips implementiert ist. Zur Realisierung einer Abwei chungsspannung Vr für das Referenzpotential Vo gemäß Fig. 4 werden die Referenzspannungen so vorgegeben, daß sie den durch die folgende Gleichung (9) gegebenen Bedingungen genü gen:

Vo + Vr = (Va + Vb)/2
Vo + Vr = (Vc + Vd)/2 (9).

Wenn sich ferner die unbekannten Kapazitäten Cx1 und Cx2 unter der Einwirkung der Beschleunigung unterschiedlich ändern, wird das in Fig. 2 gezeigte Schema in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform angewandt, um die Richtung und die Größe einer solchen differentiellen Änderung zu messen. Im Fall des Servosystems wird jedoch gewöhnlich das Ansprechverhalten aufgrund des Rückkopplungseffekts insta bil. Es ist daher erforderlich, einen Kompensator/Verstärker 19, der eine Kompensationsschaltung und einen Verstärker aufweist, in der dem Differenzverstärker von Fig. 2 nachge schalteten Stufe vorzusehen, um die Phase und die Rückkopp lungsverstärkung zu justieren.

Da die Abweichungsspannung Vr und die Rückkopplungsspannung Vf Parameter darstellen, die eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der äußeren Kräfte spielen, die zwischen dem Trägheitsmassenelement und den einzelnen Elektroden wirksam sind, sollten sie bevorzugt möglichst groß gewählt werden, um die äußere Kraft verfügbar zu machen.

Eine Vorgabe der Abweichungsspannung Vr mit einem hohen Wert kann dadurch realisiert werden, daß zusätzlich zu der Ein stellung der Referenzspannungen Va, Vb, Vc und Vd in der Gleichung (9) die Taktperioden T1 und T2 eingestellt werden. Im Fall von T1 = T2 erhält man die über den Anschlüssen 1 und 2 anliegende Spannung (siehe Fig. 8) durch die Gleichung (9). Im Fall von T1 < T2 jedoch ist es möglich, die Abwei chungsspannung Vr entsprechend der relativen Einschaltdauer der Ein-Perioden T1 und T2 zu erhöhen, um dadurch die Abwei chungsspannung Vr mit einem hohen Pegel vorzugeben.

Ausführungsform 5

Die Kapazitätsdetektierschaltung gemäß einer fünften Ausfüh rungsform wird nachstehend beschrieben. Fig. 6 ist ein Schaltbild, das die Kapazitätsdetektierschaltung gemäß die ser Ausführungsform zeigt. Diese Kapazitätsdetektier schaltung ist als Kapazitätsdetektierschaltung vom Halb leitertyp implementiert und bei dem Sensor vom differentiel len Kapazitätstyp anwendbar und umfaßt die unbekannten Kapa zitäten Cx1 und Cx2, die sich gegenphasig ändern.

Die Schalteransteuerungszeitpunkte sind mit denen der Kapa zitätsdetektierschaltung der ersten Ausführungsform iden tisch. Die vorliegende Kapazitätsdetektierschaltung kann bei dem Servosensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp verwen det werden, bei dem die Nullmethode zur Begrenzung der Ver lagerung des Trägheitsmassenelements 1 angewandt wird, indem die Detektierschaltung von Fig. 3 verwendet wird. Die Rück kopplungs-Grundanordnung gleicht derjenigen, die bei der Kapazitätsdetektierschaltung der vierten Ausführungsform angewandt wird. Es genügt jedoch, nur eine Abtast-Halte schaltung zu verwenden. Ferner kann der Differential verstärker entfallen. Somit kann diese Kapazitätsdetektier schaltung vorteilhaft mit sehr viel einfacherem Aufbau im plementiert werden.

Es ist erforderlich, die einzelnen Referenzspannungen so vorzugeben, daß der Bedingung Vb = Vd = Ve in Gleichung (9) genügt werden kann. Die Abweichungsspannung Vr kann durch geeignete Vorgabe so eingestellt werden, daß sie entspre chend der Einschaltdauer zunimmt, so daß der Bedingung T1 < T2 genügt werden kann.

Wie nunmehr aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, wird gemäß der Erfindung eine Kapazitätsdetektierschaltung angegeben, die hinsichtlich ihrer Anwendung Flexibilität gewährleisten kann, ohne daß sie eine Einschränkung durch die Kapazitäts anordnung, wie etwa eine Einzelkapazitätsanordnung, eine differentielle Kapazitätsanordnung, eine elektrostatische Servoanordnung vom differentiellen Kapazitätstyp und der gleichen erfährt, was ein großer Vorteil ist.

Da ferner die Kapazitätsdetektierschaltung gemäß der Erfin dung auf der einfachen Kapazitätsdetektierschaltung vom Halbleitertyp basiert und gleichzeitig die Kapazitäts detektierung und die Servorückkopplung ermöglicht, werden im Vergleich mit den konventionellen Servosystemschaltungen weder die synchrone Detektierschaltung noch die präzise Takterzeugungsschaltung benötigt. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, die zeitliche Steuerung für die Kapazitäts detektierung und die Servorückführung aufzuteilen. Aufgrund dieser Merkmale kann die Schnittstellenschaltung für den Sensor vom Kapazitätstyp realisiert werden, die hohe Genau igkeit und Realisierbarkeit gewährleistet und kostengünstig gefertigt werden kann.

Claims

1. Kapazitätsdetektierschaltung, gekennzeichnet durch

- einen Operationsverstärker (OP), der einen invertie renden Eingang und einen Ausgang hat, zwischen die eine Rückkopplungskapazitätskomponente (Cf) geschaltet ist;
- einen Sensor vom Kapazitätstyp, der eine elektrostati sche Kapazität hat, die unter der Einwirkung einer äußeren Kraft eine Änderung erfährt;
- eine Lade/Entladesteuereinrichtung zum elektrischen Laden der Kapazitätskomponente des Sensors (Cx1) vom Kapazitätstyp durch Verbinden eines Lade/Entlade anschlusses der Kapazitätskomponente mit einer Referenzspannungsquelle zu einem ersten Taktzeitpunkt (∅1), um die Rückkopplungskapazitätskomponente (Cf) zu entladen, und zum Umschalten des Lade/Entlade anschlusses zu der Rückkopplungskapazitätskomponente zu einem zweiten Taktzeitpunkt (∅2), um dadurch eine elektrische Ladung zu übertragen; und
- eine Spannungswandlereinrichtung zum Umwandeln der übertragenen elektrischen Ladung in eine Spannung, um diese Spannung als eine Sensorausgangsspannung abzuge ben.

2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor vom Kapazitätstyp als Sensor vom diffe rentiellen Kapazitätstyp realisiert ist, der eine erste und eine zweite Kapazität (Cx1, Cx2) hat, von denen unter der Einwirkung einer gleichen äußeren Kraft die eine zu einer Erhöhung und die andere zu einer Verringe rung veranlaßt wird,
daß die Lade/Entladesteuerungseinrichtung den Lade/Entladeanschluß der ersten und der zweiten Kapazi tät (Cx1, Cx2) zu dem ersten Taktzeitpunkt (∅1) mit der Referenzspannungsquelle verbindet, um dadurch die erste und die zweite Kapazität elektrisch zu laden, während sie den Lade/Entladeanschluß zu dem zweiten Taktzeit punkt (∅2) zu der Rückkopplungskapazitätskomponente (Cf1, Cf2) umschaltet, so daß eine Menge an elektrischer Ladung, die einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Kapazität entspricht, zu der Spannungswandler einrichtung übertragen wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei Operationsverstärker (OP), die jeweils einen inver tierenden Eingang und einen Ausgang haben, zwischen die eine Rückkopplungskapazitätskomponente geschaltet ist, wobei die Lade/Entladesteuerungseinrichtung den Lade/Entladeanschluß der ersten und der zweiten Kapazi tät (Cx1, Cx2) in dem Sensor vom differentiellen Kapazi tätstyp zu dem ersten Taktzeitpunkt (∅1) mit der Refe renzspannungsquelle verbindet, um dadurch die erste und die zweite Kapazität (Cx1, Cx2) elektrisch zu laden, während sie den Lade/Entladeanschluß zu dem zweiten Taktzeitpunkt (∅2) zu den Rückkopplungskapazitäts komponenten (Cf1, Cf2) der ersten und der zweiten Kapa zität umschaltet, so daß elektrische Ladungen, die in der ersten Kapazitätskomponente (Cx1) und der zweiten Kapazitätskomponente (Cx2) gespeichert sind, zu der Spannungswandlereinrichtung übertragen werden.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Differenzspannungsabgabeeinrichtung (16) zum Bestimmen einer Differenzspannung zwischen Spannungen, die aus der Spannungsumwandlung elektrischer Ladungen in der ersten bzw. der zweiten Kapazität (Cx1, Cx2) resul tieren, um dadurch die Differenzspannung als Spannungs umwandlungswert des Sensorausgangs abzugeben.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungssteuerungseinrichtung zur Rückkopplung des Spannungsumwandlungswerts als die Referenzspannung (Vm) an einen gemeinsamen Anschluß der ersten und der zweiten Kapazität (Cx1, Cx2) des Sensors vom differen tiellen Kapazitätstyp.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssteuerungseinrichtung eine Kompen sationseinrichtung und eine Verstärkungsregulierungs einrichtung (21) aufweist.