DE69727855T2

DE69727855T2 - Sensorschaltung

Info

Publication number: DE69727855T2
Application number: DE69727855T
Authority: DE
Inventors: Guoliang Shou; Kazunori Motohashi; Shengmin Lin; Makoto Yamamoto; Toshiyuki Matsumoto; Muneo Harada; Takahiko Ooasa; Yoshihiro Hirota
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: EP1271106A2; JP3255273B2; US5973538A; EP0816805A3; KR100296979B1; JPH109892A; DE69727855D1; EP0816805B1; KR980006534A; EP0816805A2; EP1271106A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sensorschaltungen, insbesondere eine, um charakteristische Veränderungen als Kapazitätswerte elektrisch zu detektieren.
Ein Differentialtyp-Sensor, wie z. B. ein Differentialtransformator kann eine hohe Empfindlichkeit unter Nutzung entgegengesetzter Ausgangssignale von Elementen besitzen. Beispielsweise kann ein Dehnmeßstreifen anwendender Sensor ein verbessertes Ausgangssignal erzeugen, wenn diese Dehnmeßstreifen an Positionen angebracht sind, an welchen mechanische Spannungen in entgegengesetzter Richtung erzeugt werden. Ein derartiges Sensorausgangssignal wird oft nach einer Verstärkung durch einen Operationsverstärker verwendet.
In letzter Zeit muß unterschiedliche und umfangreiche Sensorinformation von der Computersteuerung bezüglich des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen verarbeitet werden, und die Wirtschaftlichkeit erfordert auch einen verringerten elektrischen Energieverbrauch. Es wird von einer Sensorschaltung gefordert, daß sie klein ist und eine geringere elektrische Leistung für die Verarbeitung der Signale benötigt und eine hohe Empfindlichkeit realisiert (Literaturstelle: "Sensor Electronics", Kiyoshi Takahashi, et al., Shokodo 1984).
24 stellt eine kapazitive Sensorschaltung eines herkömmlichen Sensors dar, wie er in der Japanischen Patentoffenlegung No. 56-166411 offenbart ist, in welcher eine Ingralschaltung durch einen Widerstand R1 und einen kapazitiven Sensor C1 aufgebaut ist, ein Impuls entsprechend der Veränderung von C1 erzeugt und von einem Zähler CNT gezählt wird und das Ausgangssignal des CNT in einen Spannungswert durch eine integrierende Schaltung umgewandelt wird.
25 stellt eine weitere kapazitive Sensorschaltung eines herkömmlichen Sensors dar, wie er in der Japanischen Patentoffenlegung No 2-22338 offenbart ist, in welcher ein vorbestimmter Impuls in die einen Widerstand R2 und kapazitiven Sensor C2 enthaltende erste integrierende Schaltung eingegeben wird und in die einen Widerstand R1 und Kondensator C1 enthaltende zweite integrierte Schaltung, und dann die Differenz zwischen diesen als ein Spannungssignal ausgegeben wird, und die Veränderung von C2 durch das Ausgangssignal detektiert wird.
Die vorgenannten Sensorschaltungen verbrauchen eine Menge elektrischer Energie, da sie konstant unveränderlich Impulse erzeugen. Außerdem erfordern sie komplizierte Signalverarbeitungsschaltungen, wie z. B. Zählerschaltungen, Differentialverstärkerschaltungen und Impulserzeugungsschaltungen. Die sich ergebende große Schaltungsgröße macht es schwierig, sie mit den Sensoren zu kombinieren.
EP-A-0 455 070 beschreibt einen kapazitiven Sensor mit einem Frequenzausgangssignal. Der Sensor umfaßt eine ungleiche Anzahl von einen Ringoszillator bildenden Invertern und eine Vielzahl von Kondensatoren mit einer Kapazität, die an eine zu messenden Einheit angepaßt ist. Ferner ist jeder von der Vielzahl der Kondensatoren zwischen Masse und dem Eingang des zugeordneten Inverters angeordnet. Dadurch bestimmen die Kapazitäten der Vielzahl von Kondensatoren die Frequenz des Sensors.
Im Hinblick auf den vorstehenden Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine kleine Sensorschaltung für die Verringerung des elektrischen Energieverbrauchs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Sensorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein Kondensatorenpaar, wobei einem Impedanzenpaar entgegengesetzte Eigenschaften gegeben sind. Jedes Impedanzenpaar ist mit dem Eingang eines CMOS-Inverterverstärkers mit einer ungeraden Anzahl von Invertern und mit dem Mittelpunkt von dessen Eingang und Ausgang verbunden. Diese Verbindungsart gibt der Beziehung zwischen dem Eingang- und Ausgangssignal des CMOS-Inverterverstärkers eine Schleifenverstärkung in Abhängigkeit von den Impedanzveränderungen.
Andererseits ist ein Impedanzenpaar mit einem CMOS-Inverterverstärker, bestehend aus einer ungeraden Anzahl von Invertern, einschließlich einer Rückkopplungsimpedanz so verbunden, daß der Ausgang des CMOS-Inverterverstärkers und eine weitere Impedanz durch eine kapazitive Kopplung verbunden sind.
1 stellt ein Konzeptschaltbild einer Sensorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung vor.
2 stellt ein Blockschaltbild einer Sensorschaltung dar.
3 stellt ein weiteres Blockschaltbild einer Sensorschaltung dar.
4 stellt ein konkretes Beispiel der Schaltung in 3 dar.
5 stellt ein weiteres konkretes Beispiel der Schaltung in 3 dar.
6 stellt das erste Beispiel einer Sensorschaltung dar.
7 stellt einen CMOS-Inverter dar.
8 stellt das zweite Beispiel einer Sensorschaltung dar.
9 stellt das dritte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
10 stellt das vierte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
11 stellt das fünfte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
12 stellt das sechste Beispiel einer Sensorschaltung dar.
13 stellt das siebente Beispiel einer Sensorschaltung dar.
14 stellt das achte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
15 stellt das neunte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
16 stellt das zehnte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
17 stellt das elfte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
18 stellt das zwölfte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
19 stellt das dreizehnte Beispiel einer Sensorschaltung dar.
20 stellt einen vertikalen Querschnitt einer Sensorschaltung dar.
21 stellt ein Schaltungsäquivalent zu der Sensorschaltung in 20 dar.
22 stellt einen vertikalen Querschnitt einer weiteren Sensorschaltung dar.
23 stellt ein Schaltungsäquivalent zu der Sensorschaltung in 22 dar.
24 stellt eine herkömmliche Sensorschaltung dar.
25 stellt eine weitere herkömmliche Sensorschaltung dar.
Hierin nachstehend wird eine Sensorschaltung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In 1 enthält eine Sensorschaltung eine Verstärkungsschaltung AMP, mit welcher eine Vielzahl von Sensoren S11 bis S1n verbunden sind, und von welcher Ausgangssignale S1G11 bis S1G1n, welche jeweils einem Sensor entsprechen, ausgegeben werden.
Der Sensor kann einer von zwei Arten sein. 2 stellt den ersten Sensortyp S11 mit der mit dem AMP verbundenen Impedanz Z2, dar. Eine der charakteristischen Veränderung von Z2 entsprechende Ausgangspannung Vout wird von dem AMP ausgegeben.
3 stellt den zweiten Typsensor S12 dar, wobei ein Impedanzenpaar Z31 und Z32 parallel mit dem AMP verbunden sind. Jeder von diesem Paar wird eine entgegengesetzte charakteristische Veränderung gegeben. Eine hochgenaue Detektion ist durch den Vergleich der entgegengesetzten charakteristischen Veränderungen möglich, und das detektierte Ergebnis wird von dem AMP als Vout ausgegeben.
Beispielsweise treten entgegengesetzte charakteristische Veränderung in den nachstehenden Fällen auf.

(1) Ein Dehnmeßstreifen ist sowohl einer Druck- als auch einer Zugspannungsseite einer Blattfeder-Detektionseinrichtung (p242 in der Literaturstelle) hinzugefügt;
(2) Ein Meßsystem aus Dehnmeßstreifen ist an Mitten- und Endabschnitten einer Membrane zur Detektion von Druck angebracht (p140 in der Literaturstelle);
(3) Linear veränderlicher Differentialtransformator (p143 bis p145 in der Literaturstelle);
(4) Meßsystem mit einem Paar von in einer geraden Anordnung angeordneten Hall-Elementen, welche die Veränderung ihres Widerstandswertes aufgrund der Bewegung eines Permanentmagneten bewirken kann, der auf einem zu messenden Objekt befestigt ist (p127 und p128 in der Literaturstelle);
(5) Meßsystem mit Elektroden, die an beiden Seiten der Membrane eines hochgenauen kapazitiven Drucksensors angeordnet sind, in welchem die Veränderung der Kapazität zwischen Niederelektrode und der Membrane durch eine Halbbrückenschaltung detektiert wird (p142 in der Literaturstelle);
(6) Ein Beschleunigungssensor in 20 ist in "Development of Triaxial Accelerometers Using Piezoresistance, Eaectrostatic Capacitance and Piezoelectric Elements", K. OKADA, Technical Digest of the 13^th Sensor Symposium, 1995, p169 bis 172 offenbart. In diesem Sensor sind feste Elektroden FE1, FE2 und FE3 einer beweglichen Elektrode ME gegenüberliegend angeordnet. ME wird abhängig von der durch eine Beschleunigung bewirkten Auslenkung eines Gewichtes W verformt, und der Kapazitätswert zwischen jeder festen Elektrode und der beweglichen Elektrode wird gemessen. Die Äqui valentschaltung eines Beschleunigungssensors ist ein in 21 dargestellter parallel veränderlicher Kondensator, in welchem der die bewegliche Elektrode ME und die feste Elektrode FE1 beinhaltende veränderliche Kondensator C1, und der die Elektrode ME und die feste Elektrode FE3 beinhaltende veränderliche Kondensator C2 parallel geschaltet sind. Wenn eine Beschleunigung in dem Sensor in der Anordnungsrichtung FE1 und FE3 (Fx-Richtung in 20) entsteht, treten entgegengesetzte Kapazitätsveränderungen in C1 und C2 auf, so daß der Kapazitätswert von einem der zwei sich vergrößert und der des anderen sich verkleinert. In 20 sind F und FF Siliziumsubstrate, B ist ein Glasschenkel und GC ist eine Glasabdeckung.
(7) In einem Beschleunigungssensor in 22 sind bewegliche Kondensatoren zwischen einer beweglichen Elektrode ME, die auf der Spitze des Hebels CL aufgebracht ist, und jeder festen Elektrode FE1 und FE2, welche jeweils über und unter der Elektrode ME aufgebracht sind, ausgebildet. Gemäß Darstellung in 23 ist die Äquivalentschaltung eines Beschleunigungssensors eine Reihenschaltung, welche veränderliche Kondensatoren C1 und C2 umfaßt. Entgegengesetzte Kapazitätsveränderungen treten in C1 und C2 durch eine durch eine Aufwärts- und Abwärtsbeschleunigung in 22 bewirkte Verschiebung von ME auf. In 22 ist B eine Siliziumbasis und GS ist eine Glasabdeckung.

Die Impedanzen in 3 sind ein
Kondensatorenpaar Cap41 und Cap42, wie es in 4 dargestellt ist, oder ein Widerständepaar Res41 und Res42, wie es in 5 dargestellt ist.
6 stellt den Aufbau unter Verwendung eines Kondensators als die Impedanz in 2 dar. In 6 ist der Kondensator Cap32 als ein kapazitiver Sensor zwischen den Eingang und Ausgang eines CMOS-Inverter I61 bis I63 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers geschaltet. Mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers ist der Eingangskondensator C6 verbunden. Eine Eingangsspannung Vin ist mit C6 verbunden und eine Ausgangsspannung Vout wird aus I63 ausgegeben. Die invertierende Verstärkereinrichtung weist garantiert eine gute lineare Kennlinie der Beziehung zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal aufgrund der eine Rückkopplungsschleife und hohe Leerlaufverstärkung von I61 bis I63 aufweisenden Konfiguration auf. Unter der Annahme, daß die Schwellenspannung des invertierenden Verstärkers Vb ist, wird die Beziehung zwischen dem Eingang und Ausgang durch die nachstehende Formel (1) ausgedrückt
Die CMOS-Inverter I61 bis I63 sind so wie in 7 aufgebaut. Die Drain des n-Typ MOS-Transistors T2 ist mit der Drain des p-Typ MOS-Transistors T1 verbunden, eine gemeinsame Eingangsspannung Vin ist mit dem Gate des T1 und T2 verbunden, und eine hohe und eine niedrige Spannung sind jeweils mit den Sources der T1 und T2 verbunden. Die Ausgangsspannung Vout der CMOS-Inverter wird aus den Drain's von T1 und T2 ausgegeben.
8 stellt das zweite Beispiel mit einem als eine Impedanz dienenden Kondensator dar. In 8 ist ein Rückkopplungskondensator C8 zwischen den Eingang und Ausgang des CMOS-Inverter I81 bis I83 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers geschaltet. Mit dem Eingang des Inverterverstärkers ist der Kondensator Cap32 als ein kapazitiver Sensor verbunden. Die Eingangsspannung Vin ist mit dem Cap32 verbunden, und die Ausgangsspannung Vout wird aus dem I83 ausgegeben. Ähnlich der Schaltung in 6 weist die Beziehung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Inverterverstärkers garantiert eine gute Linearität auf. Unter der Annahme, daß die Schwellenspannung des invertierenden Verstärkers Vb ist, wird die Beziehung zwischen dem Eingang und Ausgang durch die nachstehende Formel (2) ausgedrückt
9 stellt den Aufbau mit dem Bezugskondensator C92 dar, welcher dem Aufbau von 6 hinzugefügt ist. Mit dem Eingang des CMOS-Inverter I91 bis I93 umfassenden invertierenden Verstärkers ist ein Eingangskondensator C91 unabhängig verbunden, und der Bezugskondensator C92 ist zu dem Cap32 parallelgeschaltet. Der Cap32 und C91 sind mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers über den Multiplexer MUX 9 verbunden. Mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers wird der Cap32 selektiv verbunden, wenn ein üblicher Sensor aktiviert ist, und C92 selektiv verbunden, um die Bezugsbedingung zu bestätigen. Obwohl der MUX 9 am Eingang des invertierenden Verstärkers angeordnet sein kann, ist ein Ausgang des invertierenden Verstärkers als Verbindungspunkt zu bevorzugen, wenn der Einfluß von C91 berücksichtigt wird. Wenn die Gleichung (1), beispielsweise wegen der gespeicherten elektrischen Ladung in Cap32 nicht gilt, kann die Messung durch Abschalten des Cap32 und Verbinden des C92 korrigiert werden. Dieses führt zu konstanten Werten der Ausgangsspannung aufgrund des bekannten Wertes des Kondensators.
10 stellt den Aufbau dar, wenn der Bezugskondensator C101 der Struktur in 8 hinzugefügt ist. Zwischen Eingang und Ausgang des CMOS-Inverter I101 bis I103 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers ist ein Rückkopplungskondensator C102 angeschlossen, und an dem Eingang des invertierenden Verstärkers ist ein Bezugskondensator C101 über den MUX 10 parallel zum Cap32 angeschlossen. Der Cap32 wird selektiv mit dem invertierenden Verstärker verbunden, wenn ein üblicher Sensor aktiviert ist, und der C101 wird selektiv zur Bestätigung der Bezugsbedingung verbunden. Wenn die Gleichung (2) beispielsweise wegen der elektrischen Ladung in Cap32 nicht gilt, kann die Messung durch Abschaltung von Cap32 und Verbinden mit C101 korrigiert werden. Dies erzeugt einen konstanten Wert der Ausgangsspannung aufgrund des bekannten Wertes des Kondensators.
In 11 ist die Schaltung in 6 paarweise angeordnet, wobei ein Rückkopplungskondensator durch einen Bezugskondensator ersetzt ist. In der ersten Schaltung ist der die CMOS-Inverter I111 bis I113 in dreistufiger Anordnung enthaltende invertierende Verstärker mit dem kapazitiven Sensor Cap32 verbunden, und der Eingangskondensator C111 ist mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden. In der zweiten Schaltung sind der Eingang und der Ausgang des die CMOS-Inverter I114 bis I114 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers mit dem Bezugskondensator Cref verbunden, und der Eingangskondensator C112 ist mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden. An die Eingangskondensatoren C111 und C112 ist die gemeinsame Eingangsspannung Vin angeschlossen. Die Ausgangsspannung Vout der ersten Schaltung ist ein Sensor-gemessenes Ergebnis des Sensors, und die Ausgangsspannung VoutR der zweiten Schaltung ist die Bezugsspannung des Bezugskondensators. Die Messung des Sensors kann durch eine konstante Beobachtung des Bezugsausgangssignals in diesem Aufbau durchgeführt werden.
In 12 ist die Schaltung in 8 paarweise angeordnet, wobei ein Eingangskondensator durch einen Bezugskondensator ersetzt ist. In der ersten Schaltung besitzt der die CMOS-Inverter I121 bis I123 in dreistufiger Anordnung enthaltende invertierende Verstärker einen Rückkopplungskondensator C121, und der Eingangskondensator Cap32 ist mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers als ein kapazitiver Sensor verbunden. In der zweiten Schaltung sind der Eingang und der Ausgang des die CMOS-Inverter I124 bis I124 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers über den Rückkopplungskondensator C122 verbunden, und der Bezugskondensator Cref ist mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden. An den Eingang von Cap32 und Cref ist die gemeinsame Eingangsspannung Vin angeschlossen. Die Ausgangsspannung Vout der ersten Schaltung ist ein Sensor-gemessenes Ergebnis des Sensors, und die Ausgangsspannung VoutR der zweiten Schaltung ist die Bezugsspannung des Bezugskondensators. Die Messung des Sensors kann durch eine konstante Beobachtung des Bezugsausgangssignals in diesem Aufbau durchgeführt werden.
13 stellt eine Sensorschaltung unter Verwendung kapazitiver Sensoren Cap31 und Cap32 dar, wobei Eingang und Ausgang des CMOS-Inverter I131 bis I133 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers mit Cap32 verbunden sind, und Cap31 mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden ist. Unter der Annahme, daß die Eingangsspannung von Cap31 Vin ist, und die Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers Vout ist, wird die Beziehung zwischen dem Eingang und dem Ausgang durch die Formel (3) ausgedrückt:
Die Formel (3) fordert, daß die Ausgangsspannung proportional zu dem Verhältnis von Cap31 zu Cap32 ist. Wenn sich Cap31 und Cap32 entgegengesetzt verändern, wird die Veränderung verstärkt ausgegeben.
13 stellt eine Sensorschaltung unter Verwendung von zwei kapazitiven Sensoren Cap31 und Cap32 dar, wobei der Eingang und Ausgang des CMOS-Inverter I141 bis I143 in dreistufiger Anordnung enthaltenden invertierenden Verstärkers mit dem Rück kopplungskondensator C14 verbunden sind, und Cap31 und Cap32 parallel mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden sind. Unter der Annahme, daß die Eingangsspannung von Cap31 Vin ist, die Cap31 Vin 2 ist, und die Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers Vout ist, wird die Beziehung zwischen dem Eingang und dem Ausgang durch die Formel (4) ausgedrückt:
Die Formel (4) fordert, daß die Ausgangsspannung proportional zu der Summe Cap31 und Cap32 ist, welche jeweils mit ihren Eingangsspannungen multipliziert sind. Dieses integriert effektiv die verteilten Meßwerte.
In 15 sind Cap31 und Cap32 jeweils mit den Eingängen der CMOS-Inverter I511 bis I513, und I531 bis I533, beide in dreistufiger Anordnung verbunden. Das Ausgangssignal von I513 wird über den Rückkopplungskondensator CF51 in den Eingang von I511 eingegeben, so daß das invertierte Ausgangssignal von Cap31 mit guter Linearität an dem Ausgang von I513 aufgrund der hohen Leerlaufverstärkungen von I511 bis I513 erzeugt wird. Das Ausgangssignal von I533 wird über den Rückkopplungskondensator CF53 in den Eingang von I531 eingegeben, so daß das invertierte Ausgangssignal von Cap32 mit guter Linearität an dem Ausgang von I533 aufgrund der hohen Leerlaufverstärkungen von I5311 bis I5313 erzeugt wird.
Über einen Kopplungskondensator CC51 wird der Ausgang von I513 mit dem CMOS-Invertern I521 bis I523 in drei Stufen verbunden, dessen Ausgangssignal in den I521 über den Rückkopplungskondensator CF52 eingegeben wird. Das Ausgangssignal von I513 wird dadurch wieder invertiert, und somit kehrt das Ausgangssignal von Cap31 auf einen Zustand einer Nicht-Invertierung zurück. Die Ausgänge von I523 und I533 sind jeweils mit Kondensatoren CC52 und CC53 verbunden, während Ausgangssignale addiert werden und eine kapazitive Kopplung CP5 bilden.
Der Ausgang von CP5 ist mit dem Eingang der CMOS-Inverter I541 bis I543 in dreistufiger Anordnung verbunden, und deren Ausgangsignal wird in I541 über den Rückkopplungskondensator C54 eingegeben, so daß das invertieret Ausgangssignal von CP5 mit guter Linearität an dem Ausgang von I543 durch die hohe Leerlaufverstärkungen vonI541 bis I543 erzeugt wird.
Unter der Annahme, daß die Eingangsspannungen von Cap31 und Cap32 Vin51, bzw. Vin52 sind, und die Schwellenspannung der CMOS-Inverter Vb ist, wird die Ausgangsspannung Vout5 des Ausgangs von I543 durch die Formel (5) ausgedrückt:
Die nachstehenden Bedingungen basieren auf den Kapazitätsverhältnis und der Eingangsspannung: CC51 = CF52 (6) CC52 = CC53 = CF54/2 (7) CF51 = CF53 (8) Vin51 = Vin52 = V (9)
Die Spannung V in der Formel (9) besitzt einen bekannten Wert einer von außen zugeführten Spannung. Wenn CF51 = CF53 = CO ist, ändert sich die Formel (5) in die Formel (10):
Daher werden die Veränderungen von Cap32 und Cap31 als deren Differenz gemäß Darstellung in 11 detektiert. Wenn entgegengesetzte Veränderungen in diesen Aufträgen, kann die veränderte Größe zweifach verstärkt detektiert werden. Die Verstärkung kann angenähert durch Veränderung der Werte von C0 und V eingestellt werden:
In der vorstehenden Schaltung sind die Ausgänge der letzten Stufen (Ausgangsstufen) von jedem der dreistufigen CMOS-Inverter I63, I83, I93, I103, I113, I116, I123, I126, I133, I143, I513, I523, I533 und I543 jeweils mit den als Tiefpaßfilter dienenden, auf Masse liegenden Kondensatoren verbunden: CG6, CG8, CG9, CG10, CG111, CG112, CG121, CG122, CG13, CG14, CG51, CG52, CG53, CG54. Die Ausgänge der Zwischenstufen I62, I82, I92, I102, I112, I115, I122, I125, I132, I142, I512, I522, I532 und I542, die nachstehenden Symmetrierungswiderstände zum Regeln der Verstärkungen sind jeweils verbunden: RE61 und RE62, RE81 und RE82, RE91 und RE92, RE101 und RE102, RE111 und RE112, RE113 und RE114, RE121 und RE122, RE123 und RE124, RE131 und RE132, RE141 und RE142, RE511 und RE512, RE521 und RE522, RE531 und RE532 und RE541 und RE542. RE511, RE521, RE531 und RE541 sind mit der Versorgungsspannung Vb verbunden, und RE512, RE522, RE532 und RE542 sind auf Masse gelegt. Diese Strukturen verhindern eine Oszillation in den die Rückkopplungsschaltung enthaltenden invertierenden Verstärkerschaltungen.
Sowohl Eingänge als auch Ausgänge von CF51, CF52, CF53 und CF54 sind jeweils mit Schaltern SW51, SW52, SW53 und SW54 verbunden, welche geöffnet und geschlossen werden können. An Cap31 und Cap32 kann eine Bezugsspannung Vstd anstelle der Eingangsspannungen Vin51 und Vin52 über die Multiplexer MUX51 bzw. MUX52 eingegeben werden. Es ist möglich, die Restladung in Cap31 und Cap32 durch Schließen der Schalter zum selben Zeitpunkt und Verbinden von Vstd mit Cap31 und Cap32 zu verringern. Da die Restladung eine Offsetspannung in der Ausgangsspannung erzeugt, verhindert die Auffrischung durch die Ladungsreduzierung, daß sich die Ausgangssignale in der Genauigkeit verringern. Ein Steuersignal CTL ist beispielsweise auf 1 (hoher Pegel) zur Auffrischung und auf 0 (niedriger Pegel) für normale Messung festgelegt.
16 stellt ein Beispiel einer Verstärkungsschaltung AMB dar, in welcher Cap31 mit dem Eingang von CMOS-Invertern I611 bis I630 in dreistufiger Anordnung verbunden ist, und Cap32 zwischen dem Ausgang von I613 und zum Eingang von I611 als ein Rückkopplungskondensator angeschlossen ist. In den Cap31 wird eine Eingangsspannung Vin6 über den Multiplexer MUX6 eingegeben, und das invertierte Ausgangssignal von Vin6 wird an dem Ausgang von I613 mit linearer Kennlinie erzeugt. Mit dem Ausgang von I613 sind CMOS-Inverter I621 bis I623 in dreistufiger Anordnung durch einen Kopplungskondensator CC61 verbunden. Das Ausgangssignal von I623 wird in den I621 über einen Rückkopplungskondensator CF62 eingegeben. Das Ausgangssignal des I613 wird durch einen derartigen Aufbau noch einmal invertiert und somit kehrt das Ausgangssignal von I623 in einen nicht invertierten Zustand zurück.
Der Ausgang des MUX6 ist mit dem I621 über den Kopplungskondensator CC63 verbunden. Demzufolge werden das invertierte Ausgangssignal von I613 und Vin6 addiert, und wenn die Schwellenspannung der CMOS-Inverter Vb ist, wird Vout6 als das Ausgangssignal von I623 durch die Formel 12 ausgedrückt:
Die Formel (13) stellt die Bedingung für das Kapazitätsverhältnisses dar: CC61 = CC62 = CF 62 (13)
An Vin6 wird der bekannte Eingangswert der Spannung, ähnlich wie in Formel (10) geliefert. Vin6 = V (14)
Daher kann die Formel (12) umgeschrieben werden in die Formel (15):
Gemäß Darstellung in Formel 15 werden die Veränderungen von Cap32 und Cap31 als das Verhältnis zwischen diesen detektiert. Wenn entgegengesetzte Veränderungen bei diesen auftreten, kann die veränderte Größe mit zweifach verstärkt detektiert werden. Die Verstärkung kann geeignet gemäß dem Verhältnis durch Einstellen von CC61 und CF62 oder durch Verändern des Wertes von V angepaßt werden.
Auch in dieser Ausführungsform sind auf Masse gelegte Kondensatoren CG61 und CG62 zur Verhinderung von Oszillationen und Symmetrierungswiderstände RE611 und RE612 und RE621 und RE622 enthalten. Zwischen den Eingängen und Ausgängen von Cap32 und CF62 sind Auffrischungsschalter SW61 bzw. SW62 angeschlossen. In den MUX6 wird Vstd eingegeben und dann an Cap31 gesendet, um aufgefrischt zu werden. Da Vstd = Vb und das Eingangssignal von I611 ebenfalls Vb ist, wird Cap32 somit aufgefrischt. Der Auffrischungsprozeß wird durch ein Steuersignal CTL gemäß Darstellung in 15 ausgeführt.
Obwohl Vstd in 6 außerhalb des AMP oder der integrierten Schaltung erzeugt wird, kann die Spannung Vb im AMP verwendet werden, da Vstd = Vb gesetzt ist.
17 stellt eine Veränderung Vstd als eine Variante von 16 dar. Alle in 16 mit 6 numerierten Komponenten sind in 17 auf 7 umnumeriert. In 17 ist mit dem Eingang des Multiplexers MUX7 ein Eingang des I711 (Ausgang des Cap31) anstelle von Vstd verbunden. Dieses schließt Cap31 kurz, was bedeutet, daß Cap31 aufgefrischt werden kann. Die Nicht-Verwendung von Vstd von außerhalb vermeidet die Notwendigkeit einer Schaltung für deren Erzeugung.
18 stellt ein Beispiel einer Verstärkungsschaltung AMP unter Verwendung von Widerständen Res41 und Res42 als Impedanzen dar.
In 18 ist Res41 mit dem Eingang der CMOS-Inverter I811 bis I813 in dreistufiger Anordnung und Res42 mit dem Eingang der CMOS-Inverter I831 bis I833 in gleicher Anordnung verbunden. Das Ausgangssignal von I813 wird in I811 über den Rückkopplungswiderstand RF81 eingegeben, und somit wird das invertierte Ausgangssignal von Res41 mit guter Linearität an dem Ausgang von I813 aufgrund der hohen Leerlaufverstärkungen und I831 bis I833 erzeugt.
Mit dem Ausgang von I813 sind CMOS-Inverter I821 bis I823 in dreistufiger Anordnung durch einen Koppelwiderstand CR81 verbunden, und das Ausgangssignal von I823 wird in I821 über einen Rückkopplungswiderstand RF82 eingegeben. Durch einen derartigen Aufbau erfährt das Ausgangssignal von I813 wieder eine Umkehrung und somit kehrt das Ausgangssignal des Res41 in den nicht invertierten Zustand zurück. Der Ausgang von I823 und I833 ist jeweils mit Widerständen CR82 und CR83 verbunden, deren Ausgang addiert wird und die Widerstandskopplung RP8 bildet.
Die Ausgangssignale von RP8 werden in die CMOS-Inverter I841 bis I843 in dreistufiger Anordnung eingegeben, deren Ausgangssignal in I841 über den Rückkopplungswiderstand RF84 eingegeben wird. Demzufolge wird das invertierte Ausgangssignal von RP8 mit guter Linearität an dem Ausgang von I843 aufgrund der hohen Leerlaufverstärkungen von I841 bis I843 erzeugt.
Unter der Annahme, daß die Eingangsspannungen von Res41 und Res42 Vin81 bzw. Vin82 sind, und die Schwellenspannung des CMOS-Inverter Vb ist, kann die Ausgangsspannung Vout8 von I853 durch die nachstehende Formel (16) ausgedrückt werden:
Die nachstehenden Gleichungen sind Bedingungen für das Kapazitätsverhältnisses und die Eingangsspannung: CR81 = RF82 (17) CR82 = CR83 = 2RF84 (18) RF81 = RF83 (19) Vin81 = Vin82 = V (20)
Wenn RF81 – RF83 = R0 ist kann die Formel (16) in die Formel (21) umgeändert werden:
Veränderungen von Res41 und Res42 werden als die Differenz von deren reziproken Werten gemäß Darstellung in 22 detektiert. Wenn entgegengesetzte Veränderungen auftreten, kann die veränderte Größe in zweifacher Verstärkung detektiert werden. Die Verstärkung kann durch Einstellen der Werte von R0 und V angepaßt werden.
Ähnlich zu den vorstehenden Beispielen kann eine Oszillation durch Verbinden jedes auf Masse liegenden Kondensators CG81, CG82, CG83 und CG84 mit der letzten Stufe von jedem der dreistufigen CMOS-Inverter und Bereitstellen jedes Symmetrierungswiderstandes RE811 und RE812, RE821 und RE822, RE831 und RE823, und RE841 und RE842 an der zweite Stufe verhindert werden. In einer Schaltung mit einem Widerstand als elementare Komponente ist eine Auffrischung nicht erforderlich, da keine Restladung erzeugt wird.
19 stellt ein Beispiel einer Verstärkungsschaltung AMP dar, in welcher Res41 mit dem Eingang der CMOS-Inverter I911 bis I913 in dreistufiger Anordnung verbunden ist, und Res42 zwischen dem Ausgang von I913 und dem Eingang von I911 als ein Rückkopplungswiderstand angeschlossen ist. In Res41 wird die Eingangsspannung Vin9 eingegeben und deren invertiertes Ausgangssignal wird an dem Ausgang von I913 mit guter Linearität erzeugt. Mit dem Ausgang von I913 sind CMOS-Inverter I921 bis I923 in dreistufiger Anordnung über den Kopplungswiderstand CR91 verbunden. Das Ausgangssignal von I923 wird in den Eingang von I921 über den Rückkopplungswiderstand RF91 eingegeben, was bedeutet, daß das Ausgangssignal von I913 wieder invertiert wird, und so kehrt das Ausgangssignal des Res41 in einen nicht invertierten Zustand zurückkehrt.
Ferner wird Vin9 mit I921 über dem Kopplungswiderstand CR92 verbunden und mit dem invertierten Ausgangssignal von I913 kombiniert. Unter der Annahme, daß die Schwellenspannung des CMOS-Inverters Vb ist, ist Vout an dem Ausgang von I923 gegeben durch die Gleichung (23):
Die Gleichungen (24) und (25) werden als das Widerstandsverhältnis und die Eingangsspannung angenommen: CR91 = CR92 = RF91 (24) Vin9 = V (25)
Somit wird die Formel (26) erhalten:
Gemäß Darstellung in Formel 26 werden die Veränderungen von Res42 und Res41 durch ihr eigenes Verhältnis detektiert. Wenn entgegengesetzte Veränderungen in diesen auftreten, kann die veränderte Größe zweifach verstärkt detektiert werden. Die Verstärkung kann gemäß dem Verhältnis angepaßt werden, wenn CR91 ≠ CR92 ist.
Wie bei den vorstehenden Beispielen wird eine Oszillation durch Verbinden auf Masse liegender Kondensatoren CG91 und CG92 und Symmetrierungswiderstände der RE911 und RE912, und RE921 und RE922 verhindert.
In der vorstehend erläuterten Sensorschaltung wird jedes Impedanzenpaar mit dem Eingang eines aus einer ungeradzahligen Anzahl von Invertern bestehenden CMOS-Inverterverstärkers und mit dem Mittelpunkt von Eingang und Ausgang verbunden. Der Aufbau gibt der Beziehung zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal dieses CMOS-Inverterverstärkers eine von den Impedanzveränderungen abhängige Schleifenverstärkung. Alternativ wird ein Impedanzenpaar mit einem aus einer ungeraden Anzahl von Inverern bestehendem CMOS-Inverterverstärker mit einer Rückkopplungsimpedanz verbunden, und das Ausgangssignal dieses Inverters und eine weitere Impedanz werden durch eine kapazitive Kopplung addiert. Daher können sowohl die Schaltungsgröße als auch der elektrische Leitungsverbrauch reduziert werden.

Claims

Sensorschaltung, umfassend: i) einen invertierenden Verstärker, bestehend aus einer ungeraden Anzahl von CMOS-Invertern (I81, I82, I83); ii) einen Rückkopplungskondensator (C8) zum Verbinden des Ausgang des invertierenden Verstärkers mit seinem Eingang; und iii) einen Eingangskondensator (Cap32), der mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden ist; wobei der Eingangskondensator (Cap32) ein kapazitiver Sensor ist.
Sensorschaltung nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungskondensator und der Eingangskondensator kapazitive Sensoren sind.
Sensorschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend: i) einen Bezugskondensator (C101), der mit dem invertierenden Verstärker (I101, I102, I103) parallel zu dem Eingangskondensator (Cap32) verbunden ist; und ii) einen Schalter (MUX 10) zum selektiven Verbinden des Bezugskondensators (C101) und des Eingangskondensators (Cap32) mit dem Eingang der invertierenden verstärkenden Einrichtung (I101, I102, I103).
Sensorschaltung, umfassend: i) eine erste Sensorschaltung (Cap32, I121–123, C121) nach Anspruch 1; ii) eine zweite Sensorschaltung, enthaltend: a) einen aus einer ungeraden Anzahl von CMOS-Invertem (I124, I125, I126) bestehenden zweiten invertierenden Verstärker; b) einen zweiten Rückkopplungskondensator (C122) zum Verbinden des Ausgangs des zweiten invertierenden Verstärkers mit dessen Eingang; und c) einen zweiten Eingangskondensator (Cref), der mit dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers verbunden ist; wobei eine gemeinsame Eingangsspannung mit den Eingangskondensatoren (Cap32, Cref) der ersten und zweiten Sensorschaltungen verbunden ist, und der Eingangskondensator (Cref) der zweiten Sensorschaltung ein Bezugskondensator ist.
Sensorschaltung zum Erzeugen entgegengesetzter charakteristischer Veränderungen an einem ersten und an einem zweiten Kondensator und elektrisches Detektieren der Veränderungen, umfassend: i) eine erste Sensorschaltung (Cap31, I511–I513, CF51) nach Anspruch 1 oder 2; ii) eine zweite Sensorschaltung (Cap32, I531–I533, CF53) nach Anspruch 1 oder 2; iii) einen ersten Zwischenkondensator (CC51), der mit dem Ausgang der ersten Sensorschaltung verbunden ist; iv) eine dritte invertierende Verstärkungseinrichtung mit einem eine ungerade Anzahl von CMOS-Invertem (I521, I522, I523) umfassenden dritten invertieren den Verstärker, welcher, die mit dem Zwischenkondensator (CC51) verbunden ist, und einen dritten Rückkopplungskondensator (CF52) zum Verbinden des Ausgangs des dritten invertierenden Verstärkers mit seinem Eingang; v) eine kapazitive Kopplung (CC53, CC52) zum Integrieren des Ausgangssignal der zweiten Sensorschaltung und des Ausgangssignals der dritten invertierenden verstärkenden Einrichtung mittels eines parallelen Kondensators; und vi) eine vierte invertierende Verstärkungseinrichtung mit einem eine ungerade Anzahl von CMOS-Invertern (I541, I542, I543) aufweisenden vierten invertierenden Verstärker, der mit dem Ausgang der kapazitiven Kopplung verbunden ist, und mit einem vierten Rückkopplungskondensator (CF54) zum Verbinden des Ausgangs des vierten invertierenden Verstärkers mit seinem Eingang.
Sensorschaltung zum Detektieren charakteristischer Veränderungen als ein Kapazitätswert, umfassend: i) eine erste Sensorschaltung nach Anspruch 1 oder 2; ii) eine Kapazitätskopplung zum Integrieren des Ausgangssignals eines ersten Kopplungskondensators (CC61, CC71), der mit dem Ausgang der ersten Sensorschaltung verbunden ist, und eines zu dem ersten Kopplungskondensator (CC61, CC62) parallelen und mit dem Eingang des ersten Kondensators (Cap31) verbundenen zweiten Kopplungskondensators (CC62, CC72); und iii) eine zweite invertierende Verstärkungseinrichtung mit einem eine ungerade Anzahl von CMOS-Invertern (I621–I623, I721–I723) aufweisenden zweiten invertierenden Verstärker, der, der mit dem Ausgang der kapazitiven Kopplung verbunden ist, und mit einen Rückkopplungskondensator (CF62, CF72) zum Verbinden des Ausgangs des zweiten invertierenden Verstärkers mit seinem Eingang.