FI93580C - Menetelmä ja laitteisto epäsymmetrisen paine-eroanturin takaisinkytkemiseksi - Google Patents

Description

93580

Menetelmä ja laitteisto epäsymmetrisen paine-eroanturin takaisinkytkemiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen epäsymmetrisen paine-eroanturin takaisinkytkentämenetelmä.

5

Keksinnön kohteena on myös laitteisto epäsymmetrisen paine-eroanturin takaisinkytkemiseksi.

Seuraaviin julkaisuihin viitataan tekniikan tason kuvaamiseksi: 10 US-patentit: [p1] U.S. Pat. No. 5,095,750 (Suzuki et. ai.) 15 [p2] U.S. Pat. No. 4,831,492 (Kuisma)

Tieteelliset artikkelit: [a1] S. Suzuki, S. Tuchitani, K. Sato, S. Ueno, Y. Yokota, M. Sato, 20 M. Esashi, Semiconductor Capacitance-Type Accelerometer with PWM Electrostatic Servo Technique, Sensors and Actuators A21-A23, pp. 316-319, 1990.

• 'Cl [a2] Y. de Coulon, T. Smith, J. Hermann, M. Chevroulet, F. Rudolf, 25 Design and Test of a Precision Servoaccelerometer with Digital

Output, The Proceedings of the 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Yokohama, Japan, 1993, pp. 832-835.

30 Mikromekaanista elintä, joka pidetään tunnetussa sähköisessä potentiaalissa, voidaan ohjata sähköisellä voimalla, joka saadaan aikaan elintä ympäröivien elektrodien ja itse elimen välisten sähköisten potentiaalierojen kautta. Tunnettua on, että kahden elektrodin välinen sähköinen voima on muotoa: 2 93580

F ID

*** { 2d2 missä U on elektrodien välinen potentiaaliero, εΓ väliaineen dielektrisyysvakio, dA pinta-alaelementti ja d levyjen välinen etäisyys. Integrointi käy yli elektrodin pinta-alan. Kaavan (1) perusteella elektrodien välinen sähköinen voima voidaan tulkita 5 sähköisenä paineena elektrodin pinnalla: „ _ dFehctric_ 80er {21 m

Tarkastellaan paine-eroanturirakennetta, joka koostuu tukirakenteesta ja siinä olevasta kiinteästä elektrodista sekä kalvosta, joka on kiinnitetty tukirakenteeseen ja taipuu sen yli muodostuvan paine-eron vaikutuksesta. Mikäli kalvon taipuma 10 on erittäin pieni, kaavan (2) sähköisen paineen ja ulkoisen paineen voimavaikutus kalvoon on identtinen, ΡβχτΡβΐ·**» kalvon jokaisessa pisteessä. Toisin sanoen paine-eroanturia voidaan operoida sähköisesti takaisinkytketyssä moodissa. Kalvon ollessa taipumattomassa tilassa pätee: missä Q on elektrodien varaus.

15

Takaisinkytkentään liittyy kuitenkin kolme periaatteellista ongelmaa: « . .

1) Sähköisen paineen ja ulostulojännitteen välinen riippuvuus on epälineaarinen kaavan (2) perusteella.

20 2) Kaava pext=e0erU2/2d2 pätee voimatasapainossa ainoastaan, kun kalvon taipuma on nolla. Kalvon asema on tunnettava.

3 93580 3) Sähköisen paineen ja takaisinkytkentäjännitteen välinen kerroin riippuu väliaineen dielektrisyysvakiosta.

Ongelmalle on esitetty ratkaisu patentissa [p1] ja artikkeleissa [a1,a2]. Jos 5 takaisinkytkentä toteutetaan pulssinleveys- tai pulssintiheysmoduloidulla signaalilla, s.e. pulssin korkeus (jännitetaso) on vakio, saadaan sähköisen paineen ja pulssijonon pulssisuhteen välille lineaarinen riippuvuus: = wyL. ,D (4) 10 missä toisin sanoen pulssien vaikutusajan ja kokonaisajan suhde.

Kaava (4) voidaan edelleen kirjoittaa muotoon:

PebtirkT~~£ ' ^pulse Tputae ^puite ^ missä Up.,*, on pulssien amplitudi, Tr , r pulssien leveys ja fputee = n/Ttotal pulssien tiheys (lukumäärä/aikaperiodi). Pulssinleveysmodulaation yhteydessä saadaan 15 lineaarinen ulostulo kytkemällä pulssitettu signaali integraattorille. Pulssintiheys-moduloitu signaali voidaan käsitellä suoraan digitaalisena bittijonona. Ongelmana pulssitetussa takaisinkytkennässä on, että takaisinkytkevä pulssijono vaikuttaa ac-signaalina kapasitanssimittaukseen ja voi saturoida kapasitanssimittauksessa käytettävät mittauspiirit.

20 Lähtökohtana kiihtyvyysanturin passitettuun takaisinkytkentään on mahdollisuus . toimia huomattavasti anturin resonanssitaajuuden yläpuolella [p1, a1, a2], jolloin anturin massa ei hitautensa vuoksi reagoi yksittäisiin pulsseihin ja voimavaikutus keskiarvoistuu. Sen sijaan paine-eroanturin tapauksessa kalvon resonanssitaa-25 juus on huomattavasti korkeammalla (tyypillisesti luokkaa 30 - 200 kHz aina kalvon paksuuden ja halkaisijan mukaan). Kalvo on kuitenkin ilmanpaineessa erittäin voimakkaasti viskoosisesti vaimennettu, eikä kalvo reagoi korkeataajuisiin yksittäisiin pulsseihin ja voimavaikutus keskiarvoistuu.

4 93580

Kapasitiivisessa mittaustekniikassa, erityisesti voimatasapainoperiaatetta sovellettaessa, ongelmana on dielektrisyysvakion lämpötila-, kosteus-, ja muu väliaineriippuvuus. Dielektrisyysvakio on mitattava ja sen muutos kompensoitava. Tällainen menetelmä on esitetty patentissa [p2], jossa varsinaista paineanturin 5 mittauselektrodia ympäröi toinen elektrodi, jonka herkkyys paineen muutokselle on pieni ja jota käytetään dielektrisyysvakion muutoksen detektointiin.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edelläkuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada uusi voimatasapainoperiaatetta käyttävä epäsymmetrisen 10 paine-eroanturin mittausmenetelmä sekä -laitteisto.

Keksintö perustuu siihen, että pitämällä epäsymmetrisen paineanturin anturikalvo hallitusti vakioasennossa passitetulla takaisinkytkennällä ja ohjaamalla takaisinkytkentää kahteen osaan jaetun vasta-elektrodin kautta vastakkaisvai-15 heisesti, voidaan muodostaa mittauskapasitansseiile sekä ero- että summa-arvot, joista voidaan puolestaan laskea korjaustermi dielektrisyysvakion muutokselle.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

20

Keksinnön mukaiselle laitteistolle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on a . esitetty patenttivaatimuksen 9 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

25 Sähköisesti takaisinkytketyn mikromekaanisen anturin suurin ongelma on . kondensaattoriaukon väliaineen dielektrosyysvakion riippuvuus lämpötilasta ja kosteudesta. Erityisesti öljytäytteisillä antureilla lämpötilan muutos aiheuttaa dielektrisyysvakion muuttumisen ja näin virheen paineen mittaukseen. Keksinnön 30 mukaisella ratkaisulla päästään eroon tästä virheestä. Toinen merkittävä etu on se, että mittaussignaalin voimavaikutus käytetään hyväksi takaisinkytkennässä ja pulssimuotoinen takaisinkytkentäsignaali ei saturoi kapasitanssinmittauspiirejä. Keksinnön mukaisella rakenteella voidaan toteuttaa mittauslaitteisto, joka mittaa 5 93580 paine-eron lisäksi nimenomaan dieiektrisyysvakiosta riippuvaista suuretta, esimerkiksi kosteutta tai lämpötilaa.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuja ovat lisäksi seuraavat seikat: paine-eroon 5 nähden lineaarinen ulostulo joko pulssintiheytenä tai analogiajännitteenä ja pieni lämpötilariippuvuus.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

10

Kuvio 1a esittää yksinkertaistettuna lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista mittauslaitteistoa.

Kuvio 1b esittää yksityiskohtaisemmin yhtä mahdollista toteutusta kuvion 1a 15 mittauslohkosta.

Kuvio 2a esittää yksinkertaistettuna lohkokaaviona toista keksinnön mukaista mittauslaitteistoa, jolla voidaan samanaikaisesti takaisinkytkeä paine-eroanturin kalvo pulssimuotoisella signaalilla ja samanaikaisesti mitata kapasitanssien 20 summaa ja erotusta.

Kuvio 2b esittää yksinkertaistettuna lohkokaaviona kuvion 2a mukaisen mittauslaitteiston toista toimintamuotoa.

25 Kuvio 3 esittää lohkokaaviona keksinnön yhteydessä käytettävissä olevan ensimmäisen kertaluvun sigma/deltamuuntimen rakennetta.

Kuvio 4 esittää sijaiskytkentänä kuvion 3 mukaista ensimmäisen kertaluvun sigma/deltamuunninta.

Kuvio 5 esittää sijaiskytkentänä toisen kertaluvun sigma/deltamuunninta, joka on käytettävissä keksinnön yhteydessä.

30 6 93580

Kuvio 6 esittää yksityiskohtaisemmin ja laajemmin kuvion 2 mukaista mittauslaitteistoa.

Kuvio 7 esittää graafisesti dielektrisyysvakion muutoksen aiheuttamaa virheluke-5 maa keksinnön mukaista kompensointia käyttäen ja ilman sitä.

Kuvio 8 esittää graafisesti tarvittavaa kompensointijännitettä dielektrisyysvakion funktiona keksinnön mukaisessa menetelmässä.

10 Paineherkän kalvon optimaalinen ohjaus voidaan toteuttaa elektrodien geometrian sopivalla valinnalla. Tällainen mittausmenetelmä perustuu siihen, että paineherk-kä kaivo pidetään taipumattomassa tilassa. Tämä toteutetaan kapasitans-simittauksella ja sähköisellä takaisinkytkennällä siten, että säätäjälle kytkettävä mittaussignaali on verrannollinen pinta-aloiltaan yhtäsuurien sisemmän ja 15 ulomman elektrodin ja kalvon välisten kapasitanssien erotukseen ja nolla, kun kapasitanssit ovat yhtäsuuret. Menetelmän etuna on anturin lämpötilariippuvuuden minimointi ja hallittu epälineaarisuusvirhe. Ongelmana on, että ac-mittaussig-naali, jota käytetään kapasitanssin detektointiin, aiheuttaa voiman kalvon ja vastaelektrodin välille.

20 Käytettäessä kuvion 1a mukaisesti pulssinleveys- tai pulssintaajuusmoduloitua a - takaisinkytkentää yksisuuntaiselle epäsymmetriselle paine-eroanturille voidaan itse takaisinkytkevää pulssijonoa käyttää myös kalvon aseman detektointiin. Systeemi perustuu paineherkkään kalvoon 1 ja tukirakenteeseen, johon on 25 kiinnitetty kaksi samankeskistä vastaelektrodia 2 ja 3. Takaisinkytkentäsignaali kytketään pulssimuotoisena vastaelektrodeille 2 ja 3 siten, että keskimmäisen 3 ja ulommaisen 2 elektrodin pulssien jännitteiden polariteetit on kalvolle 1 kytketyn jännitetason suhteen vastakkaiset. Tällöin takaisinkytkentäsignaalin aiheuttama jännitteen muutos kalvolla 1 on nolla, jos sisemmän 3 ja ulomman 2 elektrodin 30 ja kalvon 1 väliset kapasitanssit ovat yhtäsuuret. Sen sijaan kalvon 1 ja elektrodien 2 ja 3 väliset voimat ovat saman suuntaiset neliöllisen riippuvuuden FkU2 vuoksi. Paineherkkää kalvoa 1, joka on kuviossa esitetty korostetun taivutetusti ohjataan vastaelektrodeilla 2 ja 3. Elektrodit 2 ja 3 ovat samankeskeisiä ja pinta- lh 7 93580 aloiltaan oleellisesti yhtäsuuria. Paineherkkä kalvo 1 ja elektrodi 3 muodostavat kondensaattorin C1 ja vastaavasti kalvo 1 ja elektrodi 2 kondensaattorin C2. Varausvahvistimen 5 jälkeen signaalin kulkureitillä on sigma/delta-muunnin 9, jota ohjataan kellolla 4. Kellotaajuus on sopivimmin välillä 50 - 300 kHz. Sigma/del-5 tamuuntimen 9 ulostulosta saadaan suoraan pulssintiheysulostulo 25, joka on samalla paine-erosignaali. Suodattamalla pulssintiheysulostulo alipäästösuodatti-mella 10 saadaan käyttöön analogiasignaali analogiaulostulosta 26. Takaisinkytketyn pulssintiheyssignaalin amplitudia säädetään pulssinkorkeussäätäjällä 8, jonka ulostulosta signaali johdetaan elektrodeille 3 ja 2 siten, että elektrodille 2 10 menevä signaali invertoidaan invertterillä 7. Varausvahvistimen 5 sijasta voidaan käyttää myös muita kapasitanssin mittauslaitteita. Myös sigma/deltamuunnin voidaan korvata millä tahansa piirillä, joka muuttaa DC-jännitteen pulssimuotoiseksi signaaliksi. Invertterin 7 sijasta voidaan käyttää mitä tahansa elintä, joka muodostaa kaksi kalvon 1 sähköisen potentiaalin suhteen polariteetiltaan 15 invertoitua pulssijonoa.

Esitetyn ratkaisun etuna on se, että mittaussignaalin voimavaikutus käytetään hyväksi takaisinkytkennässä ja että pulssimuotoinen takaisinkytkentäsignaali ei saturoi kapasitanssinmittauspiirejä.

20

Kuviossa 1b esitetään esimerkkinä keksinnön mukainen kapasitanssisillan erotuksen detektointitapa kuvion 1a yleisemmän esityksen erikoistapauksena. Ratkaisu perustuu varausvahvistimeen 5, jolla mittausperiaatteen vaatima siirtofunktio voidaan toteuttaa. Kondensaattorille C1 tuodaan maapotentiaaliin 25 nähden polariteetiltaan positiivinen pulssijono +V0 ja vastaavasti kondensaattorille C2 polariteetiltaan negatiivinen pulssijono -V0. Eri elektrodeille 2 ja 3 tuodut signaalit ovat siis maatasoon nähden invertoidut. Anturin kalvon 1 muodostava elektrodi kytketään operaatiovahvistimen 28 invertoivaan sisäänmenoon 29. Operaatiovahvistimen ulostulo 55 takaisinkytketään operaatiovahvistimen 28 30 invertoivaan sisäänmenoon 29 kondensaattorin CreU kautta. Tällöin anturin kalvon 1 potentiaali määräytyy operaatiovahvistimen 28 ei-invertoivan sisään-menon 56 potentiaalista, joka tässä tapauksessa on maapotentiaali. Ehto, jonka mukaan kalvon 1 on oltava vakiopotentiaalissa toteutuu. Jos anturin kapasitanssit 8 93580 C1 ja C2 ovat yhtäsuuria, anturin vastaelektrodien 2 ja 3 potentiaalien muutos aiheuttaa ainoastaan varausjakautuman muutoksen anturin kalvolla 1 ilman mitään ulkopuolelta havaittavaa muutosta. Jos sen sijaan kapasitanssit C1 ja C2 poikkeavat toisistaan, varausta siirtyy takaisinkytkentäkondensaattorilta CreU! 5 anturin kalvolle 1 tai päinvastoin. Tällöin operaatiovahvistimen ulostulossa nähdään jännite: C^-Cz vm ^ v0 missä V0 on pulssien korkeus. Siirtofunktio toteutuu ideaalisesti ainoastaan ideaalisen operaatiovahvistimen tapauksessa. Käytännössä operaatiovahvistimen 10 28 sisäänmenovirta lin kuormittaa anturia. MOSFET-etuasteella voidaan sisäänmenovirta l^ saadaan suhteellisen pieneksi. Takaisinkytkentäkondensaat-torin rinnalle kytketyllä kytkimellä 57 voidaan kondensaattorin varaus purkaa (nollata). Jos kondensaattori puretaan jokaisella syklillä anturin elektrodien 1,2 ja 3 ollessa nollapotentiaalissa, saadaan siirtofunktio toteutumaan 15 taajuuksilla yli 10 kHz suhteellisen ideaalisesti. Tilannetta voidaan parantaa käyttämällä lisäksi varausvahvistimen 5 jälkeen joko pitopiiriä tai integraattoria, johon signaali tallentuu.

Kuvion 2a ratkaisussa on kytkimellä 13 luotu mahdollisuus kytkeä molemmille 20 elektroideille 2 ja 3 samassa vaiheessa oleva takaisinkytkentäsignaali navan 15 kautta. Kytkimellä 13 voidaan elektrodit 2 ja 3 kytkeä rinnan, jolloin varausvahvis-timella 5 saadaan mitatuksi summakapasitanssin C1 + C2 ja referenssikapasitans-sin Cref erotus, joka saadaan varausvahvistimen 5 ulostulosta 14. Kuvion ratkaisussa elektrodit 2 ja 3 on kuitenkin kytketty kalvoon 1 nähden vastakkaisiin 25 potentiaaleihin ja kytkin 12 on auki. Tästä syystä pätee: Lisäksi pätee myös ehto elektrodivirroille: 1,-^+ IMnw> = 0 kuvion 2a määrittelyillä. Kun C, = C2 pätee I, = l2 ja l„ = 0.

Kuvion 2b toimintamuodossa kytkin 13 on kytketty siten, että elektrodien 2 ja 3 30 signaalit ovat samat. Lisäksi kytkin 12 on kiinni. Tästä syystä pätee: lamp-Ut+Ln«r = 0. Lisäksi jos C, + C2 = Cref pätee: I* = lMnw ja lamp=0. Kuvion 9 93580 tapauksessa siis anturin 1 elektrodeille 2, 3 kytketään pulssimuotoinen signaali samassa potentiaalissa ja vertailukondensaattorille 11 vastakkaisessa potentiaalissa anturin kalvon 1 sähköisen potentiaalin suhteen.

5 Kuviossa 3 on kuvattu sigma/delta muunninta, jonka tehtävänä on muuttaa DC-signaali pulssimuotoiseksi signaaliksi. Piirin kvantisoijaan 33 syötetään signaali integraattorin 30 kautta ja kvantisoitu ulostulo takaisinkytketään summaimeen 34, jossa se vähennetään sisäänmenevästä signaalista. Tämä takaisinkytkentä 32 pakoittaa kvantisoidun signaalin keskimääräisen arvon seuraamaan sisäänme-10 non keskimääräistä arvoa. Näiden signaalien ero akkumuloituu integraattoriin ja näin korjaa itsensä. Piirin peruspiirre on sen yksinkertaisuus: Σ/Δ-muunnin koostuu integraattorista 30, 1-bittisestä A/D-muuntimesta 31 ja takaisinkytken-nästä 1-bittisen D/A-muuntimen 32 kautta. A/D-muunnin 31 voidaan toteuttaa esimerkiksi limitterin (ei-esitetty) ja D-flip-flop-piirin (ei esitetty) avulla siten, että 15 D-flip-flop-piiriä ohjataan ulkoisella kellotaajuudella 33. D/A muunnin 32 voidaan toteuttaa esim. analogiakytkimellä, jota ohjataan D-flip-flop-piirillä. Ulkoinen kellotaajuus 33 määrää pulssien leveyden. Kellotaajuus 33 valitaan siten, että signaalitaajuus on huomattavasti matalampi kuin kellotaajuus 33, jolloin ylinäytteitys toteutuu. Ylinäytteistyssuhteen tulee olla luokkaa yli 100, jos 20 käytetään 2. kertaluvun Σ/Λ-muunninta. Tällöin kvantisointikohina on häviävän pientä.

• <

Kuvion 4 mukaisesti integraattori 30 koostuu summauspisteestä 42 ja viivepiiristä 41, jonka ulostulo on takaisinkytketty summauspisteeseen 42. Viivepiiriä seuraa 25 A/D-muunninta 31 vastaava kvantisointilohko 43. Sisääntuleva signaali kytketään kvantisoivaan piiriin 43 integraattorin 30 kautta. Kvantisoitu ulostulo kytketään v takaisin ja vähennetään sisäänmenevästä signaalista. Takaisinkytkentä pakottaa kvantisoidun signaalin seuraamaan keskimääräistä sisääntulevaa signaalia. Poikkeama keskimääräisen sisääntulon ja digitoidun ulostulon välillä latautuu 30 integraattoriin 30 ja lopulta korjaa itsensä. Jos kvantisoiva systeemi on kaksitilainen, kvantisoitu signaali värähtelee kellotaajuudella kahden tilan välillä siten, että sen lokaalinen keskiarvo vastaa keskimääräistä sisääntuloa.

10 93580

Kuvion 5 toisen kertaluvun Σ/Δ-muunnin käsittää kuvion 4 ratkaisun lisäksi summauspisteestä 51 ja viivepiiristä 50 koostuvan silmukan, joka summaimen 34 kanssa yhdessä esittävät itse paineherkkää anturia 52. Paine-eroanturin 52 hitaus saa aikaan sen, että se toimii integraattorina. Takaisinkytkentä 54 kuvaa 5 sähköistä painetta ja sisääntulo 53 ulkoista paine-erosignaalia.

Kun käytetään aiemmin kuvattua menetelmää, jossa kalvon geometrinen asema tunnetaan (esim. taipumaton tila) ja se pidetään muuttumattomana, kapasitanssin arvon muutos aiheutuu dielektrisyysvakion arvon muutoksesta. Mittaamalla 10 kapasitanssin arvo saadaan selville dielektrisyysvakion arvo. Anturirakenteessa, jossa metallielektrodi on jaettu kahtia, voidaan geometrisesti muuttumaton tila säilyttää riippumatta dielektrisyysvakion muutoksesta. Töisin sanoen kapasitanssien erotuksen ollessa nolla voi kapasitanssien summa muuttua dielektrisyysvakion muutoksen kautta. Kapasitanssien summan mittaus kertoo dielektrisyysvakion 15 arvon, ja mittaustulosta voidaan käyttää dielektrisyysvakion muutoksesta aiheutuvan paine-erovirheen kompensointiin.

Pulssinleveys- ja pulssintiheysmoduloidussa takaisinkytkennässä dielektrisyysvakion muutosta voidaan kompensoida muuttamalla takaisinkytkentäpulssien 20 korkeutta. Kaavojen (1), (2) ja (4) mukaisesti takaisinkytkentäpulssien korkeuden tulee olla u - U'ä~ upulae - 1*—' missä U(0)putee on takaisinkytkentäjännite, kun ε=εΓ(0).

25 Pulssintiheysmodulaatiossa voidaan dielektristä muutosta kompensoida myös pulssien leveyden avulla. Kaavan (5) perusteella 11 93580 Γ *ϊ» missä T^pub. on takaisinkytkevän pulssijonon pulssien leveys, kun ε=εΓ(0). Etuna pulssien korkeuden muutoksen avulla tapahtuvaan kompensointiin nähden on tässä menetelmässä lineaarisuus. Pulssinleveysmodulaatiossa vastaavasti 5 voidaan säätää pulssien tiheyttä ΛΡ) f _ 'pH* * missä on takaisinkytkevän pulssijonon pulssien taajuus, kun ε=εΓ(0).

Kuviossa 6 esitetään kokonaislohkokaavio systeemistä, jossa takaisinkytkentä 10 toteutetaan passitetulla takaisinkytkennällä, jossa tarkalla kapasitanssin mittauksella detektoidaan dielektrisyysvakion muutosta ja jossa dielektrisyysvaki-·' on muutoksen aiheuttamaa virhettä paine-eromittaukseen voidaan kompensoida muuttamalla pulssien korkeutta. Seuraavassa selvityksessä kuvataan vain kuvioista 1 ja 2 puuttuvia elementtejä.

15

Dielektrisyysvakion muutos kompensoidaan piirissä käyttämällä lineaarista v approksimaatiota: i .J» 12 93580

Vahvistimella 16 säädetään pulssien korkeutta siten, että referenssikondensaatto-hn 11 kapasitanssi on efektiivisesti yhtäsuuri kuin anturin kapasitanssien summa C1 + C2. Tämä tarkoittaa sitä, että vahvistus säädetään arvoon (C1 + CaJ/C^. Tällöin vertailukondensaattorin kautta kulkeva pulssimuotoinen 5 signaalivirta on yhtä suuri kuin ainturin rinnakkainkytkettyjen kondensaattoreiden C., + C2 kautta kulkeva signaalivirta. Kyseinen säätöarvo ei ole keksinnön kannalta välttämätön, mutta käytännöllisin. Kytkimen 12 avulla voidaan referenssikondensaattori 11 kytkeä mittauskondensaattorin rinnalle tai siitä pois.

10 Kytkin 18 toimii synkronisesti kytkinten 12 ja 13 sekä piirin 21 kanssa. Kytkimellä 18 valitaan mittausmoodi.

Vahvistimella 20 säädetään takaisinkytkentäsilmukan vahvistus A siten, että dielektrisyysvakion kompensointi toteutuu.

15

Summaavalla vahvistimella 24 suljetaan pulssien korkeuden säätösilmukka. Säätösilmukan matematiikka on seuraava: -oletetaan, että kapasitanssin mittausyksikön 5 ulostulo on 20 α+α-CL, ^f U = 1 2 ”*·υ'η • vm ** v 0 λ 0 missä C = C(0) + ΔεΓΟ(0) ja C(0)on kapasitanssi kalibrointihetkellä (esim. kun εΓ= εΓ(0)).

25 Summaava vahvistin 24 toteuttaa yhtälön: -- 1 -A-—£

CpatZ

Pulssin korkeuden muutos kompensoi dielektrisyysvakion muutoksen, jos 13 93580 toteutuu ehto: U'Q = U° = ——— ; kun Δβ, «e?* iTS 1+V*— f.» «f

Jos valitaan C^, = C(0) tai viritetään vahvistimen 16 vahvistus siten, että 5 tämä toteutuu efektiivsesti, toisin sanoen pulssien korkeuden suhde on

Cre/C^, ja vahvistimen 20 vahvistus siten, että A = -0^20(0), saadaan dielektrisyysvakion muutoksen ΔεΓ kompensoiva pulssien korkeuden ehto toteutumaan.

10 Piiriin tallennetaan 21 pulssin korkeutta säätävä jännite anturin kapasitanssien erotuksen mittauksen ajaksi. Pitopiirin 21 ulostulosta 25 saadaan dielektrisyysvakion arvoon verrannollinen jännite.

Offset-piirillä 19 voidaan offset-jännitteen avulla säätää kalvon 1 asemaa. Toisin 15 sanoen kalvoa 1 voidaan tarvittaessa poikkeuttaa ehdosta C, = C2. Offset-jännitteellä voidaan siis valita se ulkoisen paine-eron arvo, jolla ulostulevan pulssimuotoisen signaalin tiheys on nolla. Piirillä 19 voidaan näin toteuttaa ·; nollapisteen säätö.

20 Pulssinkorkeuden perusviritys puolestaan toteutetaan piirillä 23. Tällä määrätään ulostulevan pulssintiheyden ja ulkoisen paine-eron suhde. Tämä voidaan määritellä myös herkkyyden viritykseksi. Piirin 23 ulostulojännite summataan korjausjännitteeseen summaimessa 24.

25 Kuviosta 7 voidaan nähdä, että ilman kompensaatiota dielektrisyysvakion muutos arvosta 3, johon mittausjärjestelmä on viritetty, arvoon 2,5 aiheuttaa 20 Pascalin virheen näyttämässä. Dielektrisyysvakion arvon muutos vastaavasti arvoon 3,5 aiheuttaa n. 15 Pascalin virheen näyttämässä. Ulkoinen paine kuvion tapauksessa on ollut 100 Pa ja kondensaattoriaukon syvyys d = 1pm.

14 93580

Kuviosta 8 voidaan nähdä, että kuvion 7 mukaisessa tapauksessa on dielektri-syysvakion arvoa kuvaava jännite dielektrisyysvakion arvolla 2,5 n. 900 mV ja vastaavasti dielektrisyysvakion arvolla 3,5 n. -700 mV. Kuviossa esitetty jännite saadaan kuvion 6 ulostulosta 25.

5

Keksinnön mukaisen toteutuksen ominaisuuksia ovat yhteenvetona seuraavat:

Systeemi on paitsi yksinkertainen myös yksinkertainen virittää. Viritys tapahtuu pulssinkorkeutta muuttamalla ja summaamalla offset-jännite sig-10 ma/delta-muuntimen integraattorin sisäänmenoon, ensimmäinen säätää kulmakerrointa ja toinen nollapistettä. Säädöt ovat toisistaan riippumattomia.

Yksisuuntaisen paine-eroanturin kalvon takaisinkytkentään käytetään 15 pulssintiheysmoduloitua signaalia siten, että samalla pulssijonolla luodaan takaisinkytkevä voima ja mitataan kapasitanssien C, ja C2 erotusta ja summaa.

Pulssien korkeus on tarkasti säädettävissä esimerkiksi vahvistimella 21.

20

Pulssien peruskorkeuden (vahvistin 20) ja integraattorin offsetin säädöllä . (offset-piiri 19) systeemi voidaan virittää haluttuun tilaansa aina painoalu een mukaan.

25 Piirin toiminta perustuu kahteen mittausjaksoon (kytkin 13), ensimmäises sä mitataan kapasitanssien C1 ja C2 erotus ja toisessa kapasitanssien C1 . I ja C2 summa varausvahvistimen 5 avulla;

Kummankin mittausjakson aikana takaisinkytkevän pulssijonon taajuus 30 vastaa voimaa, joka pitää kaivon tietyssä tilassa (esimerkiksi taipumatto mana);

Mitattaessa kapasitanssien C1 ja C2 erotusta pulssijono kytketään ulom- il 15 93580 maile ja sisemmälle elektrodille vastakkaisilla polariteetteina (invertteri 7).

Mitattaessa kapasitanssien C1 ja C2 summaa pulssijono kytketään ulommalle ja sisemmälle elektrodille samalla polariteetilla; 5

Kapasitanssimittauksen ulostulo säädetään siten, että pulssin korkeus on muotoa ; UJO *14Ae, Itf)

Painoaluetta ja resoluutiota voidaan säätää pulssinkorkeudella (piiri 23).

10

Painoalueen keskipiste voidaan säätää Σ/Δ-muuntimen 9 integraattorin offsetin avulla.

Kytkimen 17 avulla muodostetaan pulssimuotoinen signaali piirin 9 15 ohjaamana.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa myös dielektrisyysvakion mittaamiseen. Jos kondensaattorilevyjen väliin lisätään dielektrinen esimerkiksi kosteudelle herkkä kalvo, voidaan kapasitanssimuutoksen avulla rekisteröidä 20 myös kyseisen suureen muutosta.

Tavoitteena keksinnössä on anturin kalvon pitäminen hallitussa geometrisessa muodossa riippumatta paine-eron tai dielektrisyysvakion muutoksesta. Kalvon 1 potentiaaliin nähden invertoitujen signaalien syöttäminen kahteen vastaelektrodiin 25 2 ja 3 ei ole keksinnön kannalta ainoa ratkaisu. Varaustasapaino tai hallittu epätasapaino ja voimatasapaino mittauskondensaattoreissa on toteutettavissa vapaavalintaisella parillisten vastaelektrodien lukumäärällä. Parillisilla elektrodi-määrillä voidaan invertoidut amplitudit valita pareittain vapaasti, kunhan varaus-ja voimatasapaonoehto täyttyy.

Anturin kiinteille elektrodeille 2 ja 3 voidaan määritellä termi efektiivinen pinta-ala. Oletetaan, että kahden kondensaattorin C1 ja C2 erotusta mittaavan 30 93580 16 elektroniikan siirtofunktio on verrannollinen suureeseen aC1 - BC2, missä kertoimet a ja β määräytyvät mittauspiirin ominaisuuksista ja kondensaattoriauk-kojen syvyydestä. Jos kapasitanssit C, ja C2 ovat suoraan verrannollisia kondensaattorien pinta-aloihin A1 ja A2, määritellään kondensaattorien efektiivisik-5 si pinta-aloiksi aA1 ja βΑ2. Kaksiosaisten kondensaattorirakenteiden efektiivisten pinta-alojen yhtäsuuruus toteutuu, kun aC, - β02 = 0.

« • « « tl

Claims (13)

17 93580

1. Epäsymmetrisen paine-eroanturin takaisinkytkentämenetelmä, jossa menetelmässä paineelle herkkä kalvo (1), joka muodostaa anturin ensimmäisen 5 elektrodin, pidetään voimatasapainossa vastaelektrodiin (2,3) nähden pulssimuotoisella signaalilla tunnettu siitä, että - kalvo (1) pidetään paikallaan geometrisesti muuttumattomassa tilassa ja kalvoon (1) kytketään haluttu sähköinen potentiaali, 10 - pulssimuotoinen signaali syötetään ainakin kahteen vastaelektrodiin (2, 3) tai elektrodiryhmään siten, että - eri elektrodeille (2, 3) tai elektrodiryhmille syötetyt signaalit ovat 15 polariteetiltaan invertoidut paineherkän kalvon (1) sähköiseen po tentiaalin suhteen ainakin osan mittausajasta, ja - eri elektrodeille (2, 3) tai elektrodiryhmille syötetyt signaalit ovat ovat ainakin elektrodipareittain (2, 3) amplitudiltaan yhtäsuuret, 20 - samaa pulssimuotoista signaalia käytetään samanaikaisesti sekä voimatasapainon aikaansaamiseen että kapasitanssin mittaukseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 paineelle herkän elektrodin (1) ja vastaelektrodien (2, 3) välinen kapasitanssi mitataan kahdessa toistuvasti vuorotelevassa vaiheessa, joista - ensimmäisessä vaiheessa mitataan kahden anturikapasitanssin erotusta (Ci * C2) ja 30 - toisessa vaiheessa mitataan kahden anturikapasitanssin summaa (C1 + c2). 18 93580

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kahden mittauskapasitanssin erotus (C1 - C2) pidetään takaisinkytkennällä vakiosuuruise-na, jolloin anturin paineherkän kalvon (1) geometrinen tila pysyy muuttumattomana ja mittauskapasitanssien summan (C1 + C2) muutoksesta lasketaan diefekt- 5 risyysvakion muutos.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eri vastaelektrodeihin (2,3) syötetään maatasoon nähden invertoidut signaalit (+V0, -V0). 10

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa takaisinkytkentänä käytetäänpulssintiheysmoduloituasignaalia, t u n n e 11 u siitä, dielektrisyysvaki-on muutosta kompensoidaan muuttamalla pulssien amplitudia tai leveyttä.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa takaisinkytkentänä käytetään pulssinleveysmoduloitua signaalia, tunnettu siitä, dielektrisyysva-kion muutosta kompensoidaan muuttamalla pulssien amplitudia tai tiheyttä.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa takaisinkytkentänä 20 käytetään amplitudimoduloitua signaalia, tunnettu siitä, dieiektrisyysvakion muutosta kompensoidaan muuttamalla pulssien leveyttä tai tiheyttä.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pulssimuotoinen signaali kytketään anturikalvolle (1) vertailukondensaattorin (11) 25 kautta kytkimen (12) avulla siten, että anturin elektrodeille (2, 3) kytketään pulssimuotoinen signaali samalla polariteetilla ja vertailukondensaattorille (11) . vastakkaisella polariteetilla anturin kalvon (1) sähköisen potentiaalin suhteen.

9. Laitteisto epäsymmetrisen paine-eroanturin (1, 2, 3) takaisinkytkemiseksi sähköisesti voimatasapainoperiaatteella, joka laitteisto käsittää - paineherkän kalvon (1), joka toimii mitattavan kondensaattorin 19 93580 yhtenä elektrodina, - ainakin yhden paineherkän kalvon (1) läheisyyteen sijoitetun vastaelektrodin (2, 3), joka toimii mitattavan kondensaattorin toisena 5 elektrodina, - kapasitanssin mittauselimet (5) mitattavan kondensaattorin kapasitanssin selvittämiseksi, ja 10. takaisinkytkentälaitteiston (9,4,22,19) mitattavan kondensaattorin takaisinkytkemiseksi pulssimuotoisella sähköisellä signaalilla voimatasapainoperiaatteella, tunnettu siitä, että 15 - vastaelektrodi (2,3) muodostuu ainakin kahdesta samankeskisestä elektrodista (2, 3), ja - takaisinkytkentälaitteisto (9, 4, 22, 19) käsittää elimen (7), joka 20 muodostaa ainakin kaksi paineherkän kalvon (1) sähköisen potenti aalin suhteen polariteetiltaan invertoitua pulssimuotoista signaalia (+V0, -V0), jotka ovat syötettävissä ainakin kahteen vastaelektrodeis-ta (2, 3).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että takaisin kytkentälaitteisto (9, 4, 22,19) käsittää kytkinelimen (13), jolla ainakin yksi vasta-: elektrodeista (2) on vuorotellusti kytkettävissä invertoituun ja ei-invertoituun pulssimuotoiseen signaaliin.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että se käsittää anturin kapasitanssin (C1 + C2) lisäksi anturin kalvolle (1) kytketyn vertailukondensaattorin (11) ja kytkimen (12), jolla vertailukondensaattori (11) on kytkettävissä mittaukseen ja siitä pois. 20 93580

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, t u n n e 11 u siitä, että vastaelekt-rodit (2, 3) ovat efektiivisiltä pinta-aloiltaan ainakin likimain yhtäsuuret.

13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vertailu-5 kondensaattorin (11) kapasitanssi Cref ja anturin kiinteiden elektrodien (2, 3) ja anturikalvon (1) välisten kapasitanssien summa (C, +C2) ovat ainakin likimain yhtäsuuria. V tl. 21 93580