DE19855896A1 - Kapazitätsdetektierschaltung - Google Patents
KapazitätsdetektierschaltungInfo
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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.
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.
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.
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.
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
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).
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.
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 (6)
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.
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.
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