CN108981760B - 传感器装置和用于传感器装置的连续故障监测的方法 - Google Patents

传感器装置和用于传感器装置的连续故障监测的方法 Download PDF

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Abstract

一种传感器系统包括第一和第二电容式传感器。与所述传感器耦合的激励电路向所述传感器中的每一个施加激励电压。所述激励电压由第一、第二和第三激励电压分量表征，其中所述第二和第三激励电压分量具有相反极性。与所述传感器电耦合的电容‑电压(C/V)转换器响应于施加到所述传感器的所述第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器响应于施加到所述传感器的所述第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号。与所述C/V转换器耦合的信号处理单元从所述差模输出信号提取感测信号、从所述共模输出信号提取诊断信号，并在所述感测和诊断信号之间的差在预设限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件。

Description

传感器装置和用于传感器装置的连续故障监测的方法
技术领域
本发明大体上涉及传感器。更具体地说，本发明涉及传感器装置和用于传感器装置的连续故障监测的方法。
背景技术
近年来，微机电系统(MEMS)技术已经实现广泛普及，因为它提供了一种制造极小的机械结构并使用常规分批半导体处理技术将这些结构与电气装置集成在单个基板上的方式。MEMS的一个常见应用是传感器装置的设计和制造。例如电容式传感器装置的MEMS传感器广泛用于例如汽车、惯性导引系统、家用电器、游戏装置、用于多种装置的保护系统以及许多其它工业、科学和工程系统等应用。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种传感器系统，包括：
第一电容式传感器；
第二电容式传感器；
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成向所述第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性；以及
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的电容-电压(C/V)转换器，所述C/V转换器被配置成响应于施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器被进一步配置成响应于施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号；以及
与所述C/V转换器电耦合的信号处理单元，所述信号处理单元被配置成从所述差模输出信号提取感测信号、从所述共模输出信号提取诊断信号，并且在所述感测信号和所述诊断信号之间的差在预定限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件。
在一个或多个实施例中，所述激励电路被配置成通过将所述第一、第二和第三激励电压分量的时间分开来对所述第一、第二和第三激励电压分量进行时分复用以形成所述激励电压。
在一个或多个实施例中，所述激励电路被进一步配置成产生所述激励电压的波形，所述波形依序包括第一次出现的所述第一激励电压分量、所述第二激励电压分量，第二次出现的所述第一激励电压分量以及所述第三激励电压分量。
在一个或多个实施例中，所述激励电路被配置成施加所述第一激励电压分量达第一持续时间、施加所述第二激励电压分量达第二持续时间并施加所述第三激励电压分量达所述第二持续时间，所述第二持续时间小于所述第一持续时间。
在一个或多个实施例中，所述激励电路被配置成在差模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第一激励电压分量以产生所述差模输出信号，并在共模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第二和第三电压分量以产生所述共模输出信号。
在一个或多个实施例中，将所述差模输出信号和所述共模输出信号作为数据流从所述C/V转换器输出，并且所述信号处理单元包括：
第一滤波器电路，其被配置成接收所述数据流并从所述数据流提取所述感测信号；
解调器，其被配置成接收所述数据流并对所述数据流进行解调以产生经解调数据流；以及
第二滤波器电路，其电耦合到所述解调器并被配置成从所述经解调数据流提取所述诊断信号。
在一个或多个实施例中，所述传感器系统进一步包括模/数转换器(ADC)，所述模/数转换器(ADC)具有电耦合到所述C/V转换器的输入并具有电耦合到所述第一滤波器电路和所述解调器中的每一个的输出，所述ADC被配置成将所述数据流转换成数字数据流，所述数字数据流由所述第一和第二滤波电路中的每一个处理。
在一个或多个实施例中，所述传感器系统进一步包括：
第一ADC，其具有电耦合到所述C/V转换器的输入并具有电耦合到所述第一滤波器电路的输出，所述第一ADC被配置成将所述数据流转换成第一数字数据流，所述第一数字数据流由所述第一滤波器电路处理；以及
第二ADC，其具有电耦合到所述解调器的输入并具有电耦合到所述第二滤波器电路的输出，所述第二ADC被配置成将所述经解调数据流转换成第二数字数据流，所述第二数字数据流由所述第二滤波器电路处理。
在一个或多个实施例中，所述第一滤波器电路包括第一抽取滤波器和电耦合到所述第一抽取滤波器的第一低通滤波器，所述第一抽取滤波器和所述第一低通滤波器可操作地耦合以接收所述数据流并从所述数据流去除所述诊断信号以提取所述感测信号；以及
所述第二滤波器电路包括第二抽取滤波器和电耦合到所述第二抽取滤波器的第二低通滤波器，所述第二抽取滤波器和所述第二低通滤波器可操作地耦合以接收所述经解调数据流并从所述经解调数据流去除所述感测信号以提取所述诊断信号。
在一个或多个实施例中，所述传感器系统进一步包括第一和第二固定参考电容器，其中以电容式电桥配置布置所述第一和第二电容式传感器及所述第一和第二固定参考电容器。
根据本发明的第二方面，提供一种用于测试包括第一电容式传感器
和第二电容式传感器的传感器系统的方法，所述方法包括：
向所述第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性；
响应于所述第一激励电压分量而从所述第一和第二电容式传感器提取感测信号；
响应于所述第二和第三激励分量而从所述第一和第二电容式传感器提取诊断信号；以及
在所述感测信号和所述诊断信号之间的差在预定限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件。
在一个或多个实施例中，所述施加包括通过将所述第一、第二和第三激励电压分量的时间分开来对所述第一、第二和第三激励电压分量进行时分复用以形成所述激励电压。
在一个或多个实施例中，所述时分复用包括形成所述激励电压的波形，所述波形依序包括第一次出现的所述第一激励电压分量、所述第二激励电压分量、第二次出现的所述第一激励电压分量以及所述第三激励电压分量。
在一个或多个实施例中，施加所述第一激励电压分量达第一持续时间；
施加所述第二激励电压分量达第二持续时间；以及
施加所述第三激励电压分量达所述第二持续时间，所述第二持续时间小于所述第一持续时间。
在一个或多个实施例中，所述施加包括：
在差模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第一激励电压分量；以及
在共模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第二和第三电压分量。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
响应于所述第一激励电压分量的施加而从所述第一和第二电容式传感器产生差模输出信号，所述感测信号是从所述差模输出信号中提取；以及
响应于所述第二和第三激励电压分量的施加而从所述第一和第二电容式传感器产生共模输出信号，所述诊断信号是从所述共模输出信号中提取。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
响应于施加所述激励电压而产生数据流，所述数据流包括差模输出信号和共模输出信号；
所述提取所述感测信号包括利用第一滤波器电路从所述数据流提取所述感测信号；以及
所述提取所述诊断信号包括对所述数据流进行解调以产生经解调数据流以及利用第二滤波器电路从所述经解调数据流提取所述诊断信号。
根据本发明的第三方面，提供一种传感器系统，包括：
第一电容式传感器；
第二电容式传感器；
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成向所述第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性，其中所述激励电路被配置成通过将所述第一、第二和第三激励电压分量的时间分开来对所述第一、第二和第三激励电压分量进行时分复用以形成所述激励电压，并且所述激励电路被配置成在差模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第一激励电压分量并在共模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第二和第三电压分量；
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的电容-电压(C/V)转换器，所述C/V转换器被配置成响应于施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器被进一步配置成响应于施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号；以及
与所述C/V转换器电耦合的信号处理单元，所述信号处理单元被配置成从所述差模输出信号提取感测信号、从所述共模输出信号提取诊断信号，并且在所述感测信号和所述诊断信号之间的差在预定限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件。
在一个或多个实施例中，所述激励电路被进一步配置成产生所述激励电压的波形，所述波形依序包括第一次出现的所述第一激励电压分量、所述第二激励电压分量、第二次出现的所述第一激励电压分量以及所述第三激励电压分量，并且所述激励电路被进一步配置成施加所述第一次和第二次出现的所述第一激励电压分量达第一持续时间、施加所述第二激励电压分量达第二持续时间，并施加所述第三激励电压分量达所述第二持续时间，所述第二持续时间小于所述第一持续时间。
在一个或多个实施例中，将所述差模输出信号和所述共模输出信号作为数据流从所述C/V转换器输出，并且所述信号处理单元包括：
第一滤波器电路，其被配置成接收所述数据流并从所述数据流提取所述感测信号；
解调器，其被配置成接收所述数据流并对所述数据流进行解调以产生经解调数据流；以及
第二滤波器电路，其电耦合到所述解调器并被配置成从所述经解调数据流提取所述诊断信号。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1以简化的代表性形式示出了微机电系统(MEMS)传感器系统的框图；
图2以简化的代表性形式示出了图1的系统的电容式传感器的示意图；
图3示出了根据实施例的图1的传感器系统的测量电路的框图；
图4示出了测量电路的电容-电压(C/V)转换器和抗混叠滤波器的示意图；
图5示出了图4的C/V转换器的操作阶段；
图6示出了图4的C/V转换器的额外操作阶段；
图7示出了图4的C/V转换器的额外操作阶段；
图8示出了图4的C/V转换器的额外操作阶段；
图9示出了测量电路的预滤波器和斩波电路的示意图；
图10示出了与图9的预滤波器和斩波电路相关联的切换功能的时序图；
图11示出了呈单位增益配置形式的预滤波器的函数的z域描述的图；
图12示出了可施加到图2的电容式传感器的可能激励电压波形及对激励电压作出响应的C/V输出波形的简化图；
图13示出了图5到8中所示的多个操作阶段的周期以及所得激励波形和所得C/V输出波形的图；
图14示出了图5到8中所示的多个操作阶段的周期和所得预滤波器输出波形的图；
图15示出了图5到8中所示的多个操作阶段的周期、所得斩波输出波形以及通过测量电路的模/数转换器(ADC)进行的斩波输出波形的取样的图；
图16示出了ADC的输出相对于信号处理单元的解调器的输出的图形；
图17示出了根据另一实施例的测量电路的框图；
图18示出了根据另一实施例的传感器系统的简化框图；
图19示出了图18的传感器系统的简化示意图；以及
图20示出了用于传感器装置的连续故障检测监测的方法的流程图。
具体实施方式
概括地说，本发明关于传感器系统和用于传感器系统的连续故障监测的方法。更具体地说，传感器系统和方法使得能够通过将差模和共模激励电压波形以时分复用方式施加到传感器装置来产生故障监测所要的感测信号和诊断信号。因此，在感测信号的测量未中断或故障监测未终止的情况下，可使用相同测量电路来处理感测信号和诊断信号。另外，所述配置需要共用输出数据流进行解调和滤波来分开诊断信号与感测信号。因此，可在需要MEMS传感器的低成本连续故障监测的数个安全应用中实施所述架构，其中故障监测不会影响所要信号的测量。
提供本发明以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本发明以加强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求书限定，所附权利要求书包括在本申请案及提出的那些权利要求的全部等效物的未决期间所进行的任何修正。
应理解，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际这种关系或次序。此外，附图中的一些可通过使用各种底纹和/或阴影线来说明以区分在各个结构性层内产生的不同元件。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等等微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用了不同的底纹和/或阴影线，但是结构性层内的不同元件可由相同材料形成。
参考图1，图1以简化的代表性形式示出了微机电系统(MEMS)传感器系统20的框图。在此例子中，系统20包括电耦合到传感器装置24的激励电路22和电耦合到传感器装置24的测量电路26。传感器装置24包括第一电容式传感器28和第二电容式传感器30。激励电路22被配置成通过向传感器装置24的第一电容式传感器28和第二电容式传感器30施加激励波形32来激励第一电容式传感器28和第二电容式传感器30。响应于激励波形32，测量电路26被配置成测量激励结果。也就是说，呈标记为CS1的第一电容34的形式的激励结果从第一电容式传感器28传送到测量电路26，并且标记为CS2的第二电容36从第二电容式传感器30传送到测量电路26。
在实施例中，激励电路22和测量电路26可在与传感器装置24分开的一个或多个专用集成电路(ASIC)上实施。在另一实施例中，激励电路22、传感器装置24和测量电路26可全部集成在相同电路、管芯或封装中。另外，激励电路22和测量电路26的元件和功能中的至少一些可以组合。
测量电路26通常包括信号链(下文论述)，所述信号链用于处理来自传感器装置24的第一电容34和第二电容36。在实施例中，测量电路26可因此输出标记为OUTDM的所要差模感测信号38和标记为OUTCM的共模诊断信号40。感测信号38指示感测到刺激。然而，诊断信号40可指示系统20的故障条件。如下文将更为详细地论述，系统20的架构提供连续故障监测，而不需通过对差模和共模激励电压波形进行时分复用以在有利于差模激励的指定占空比下产生激励信号32来复制电路。响应于外部刺激而将差模激励电压施加到第一电容式传感器28和第二电容式传感器30以产生感测信号38，并且将共模激励电压施加到第一电容式传感器28和第二电容式传感器30以产生诊断信号40。
图2以简化的代表性形式示出了包括第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的系统20(图1)的传感器装置24的示意图。第一电容式传感器28具有标记为CB1的连接到衬垫42的第一电极和标记为CT1的连接到衬垫44的第二电极。第二电容式传感器30具有标记为CB2的连接到衬垫46的第一电极和标记为CT2的连接到衬垫48的第二电极。衬垫42、44、46、48用于使用(例如)线接合、焊球、导电通孔等等在传感器28、30和其它电路之间进行电连接。
在此例子中，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的电极是板电极。因而，“CT1”和“CT2”中的“T”是指顶板电极，并且贯穿本发明用粗线50说明。相反地，“CB1”和“CB2”中的“B”是指底板电极，并且贯穿本发明用细线52说明。为了全文的一致性，顶板电极(例如，CT1和CT2)可以相对于底板电极(例如，CB1和CB2)移动，其中在顶板电极和底板电极之间形成可变间隙。施加到第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的激励波形32为第一电容式传感器28和第二电容式传感器30充电。当可移动顶板电极响应于特定外部刺激而移动时，顶部电极和底部电极之间的间隙宽度改变，这种改变随后又引起第一电容34和第二电容36改变。可将电容的这一改变作为电荷收集在测量电路26中以用于另外处理。
在一些实施例中，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30可为压力传感器，其被配置成感测压力刺激并提供指示压力刺激的第一电容34和第二电容36。然而，应理解，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30可为各种电容式传感器中的任一种，所述电容式传感器可独立地配置成感测所要刺激(例如，压力、加速度、角速度等等)。
图3示出了根据实施例的系统20(图1)的测量电路26的框图。测量电路26通常包括用于处理第一电容34和第二电容36的信号链。信号链的第一级包括电容-电压(C/V)转换器54，所述电容-电压(C/V)转换器54具有连接到传感器装置24(图1)以从传感器装置24接收第一电容34和第二电容36并将它们转换成C/V输出信号56(例如，VP(C/V)和VN(C/V)之间的差)的输入。信号链的下一级可为抗混叠滤波器58，所述抗混叠滤波器58具有连接到C/V转换器54的输出以接收C/V输出信号56并产生带宽受限制的输出信号60(例如，VP(AAF)和VN(AAF)之间的差)的输入。信号链的下一级可为预滤波器62，所述预滤波器62具有连接到抗混叠滤波器58的输出以接收输出信号60并产生经预先滤波的输出信号64(例如，VP(PF)和VN(PF)之间的差)的输入。预滤波器62可后跟着斩波电路66，所述斩波电路66具有连接到预滤波器62的输出以接收经预先滤波的输出信号64并产生在本文中被称作斩波输出信号68的数据流(例如，VP(CHP)和VN(CHP)之间的差)的输入。模/数转换器(ADC)70具有连接到斩波电路66的输出以接收模拟输出信号68并将斩波输出信号68转换成指示被传感器装置24(图1)的第一电容式传感器28和第二电容式传感器30(图1)感测到的刺激的数字数据流72(ADCOUT)的输入。因此，ADC 70通过上述信号链电耦合到C/V转换器54。
测量电路26另外包括同样通过上述信号链与C/V转换器54耦合的信号处理单元74。信号处理单元74通常包括第一抽取滤波器76、第一补偿电路(COMP1)78和第一低通滤波器(LPF1)80。信号处理单元74另外包括解调器(DEMOD)82、第二抽取滤波器84、第二低通滤波器(LPF2)86和第二补偿电路(COMP2)88。ADC 70的输出电耦合到第一抽取滤波器76的输入和解调器82的输入，以使得第一抽取滤波器和解调器82均接收数字数据流72以用于处理。
激励电路22(图1)被配置成以可编程占空比在差模和共模操作之间切换，以产生经时分复用的差模激励电压分量和共模激励电压分量，从而产生激励波形32。在实施例中，响应于外部刺激而产生的第一电容34和第二电容36通过相同C/V转换器54、抗混叠滤波器58、预滤波器62、斩波电路66和ADC 70进行处理以产生数字数据流72。因此，差模输出信号(对应于感测信号38)和共模输出信号(对应于诊断信号40)可由具有相同模拟前端(即，C/V转换器54、抗混叠滤波器58、预滤波器62和斩波电路66)的测量电路26处理。
在通过相同模拟前端进行处理之后，数字数据流72在信号处理单元74(图3)处进行处理以提取感测信号38和诊断信号40。在信号处理单元74处，第一抽取滤波器76、第一补偿电路78和第一低通滤波器80适当地处理所接收的数字数据流72以从数字数据流72提取差模感测信号38。相反地，解调器82、第二抽取滤波器84、第二低通滤波器86和第二补偿单元88适当地处理所接收的数字数据流72以提取共模诊断信号40。信号处理单元74可另外包括故障评估电路90，所述故障评估电路90具有用于接收感测信号38和诊断信号40的输入。感测信号38和诊断信号40可通过故障评估电路90而彼此比较以确定是否已发生故障。例如，感测信号38和诊断信号40之间的差可与故障阈值(FAULTTHR)比较。如果感测信号38和诊断信号40之间的差在预设限值(例如，故障阈值)之外，就可确定存在故障条件，并且可从信号处理单元74输出指示传感器系统20已发生故障的标记为OUTFAULT的标志91。
图4示出了测量电路26(图3)的C/V转换器54和抗混叠滤波器58的示意图。图4中示出第一电容式传感器28和第二电容式传感器30、参考电容器92、94、多个开关96和放大器98、100。第一电容式传感器28和第二电容式传感器30可能与彼此不匹配也可能与彼此匹配。同样地，参考电容器92、94可能与彼此不匹配也可能与彼此匹配。对于可变第一电容式传感器28和第二电容式传感器30，术语“匹配”是指响应于外部刺激，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30具有相同响应(电容值)，术语“不匹配”是指响应于外部刺激，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30具有不同响应(不同电容值)。对于固定的参考电容器92、94，术语“匹配”是指各自具有相同电容值，术语“不匹配”是指各自具有不同电容值。
不同于第一电容式传感器28和第二电容式传感器30，参考电容器92、94对待感测的刺激(例如，压力)不敏感。在一些配置中，可提供放大器98以已知方式从激励波形32(图1)去除误差，例如共模电荷。放大器100具有连接到标记为N1的输入节点的负输入、连接到标记为N2的输入节点的正输入、正输出和负输出。正输出和负输出标记为VP(C/V)和VN(C/V)以分别对应于C/V输出信号56。如所说明，C/V输出信号56被输入到抗混叠滤波器58，并在之后从抗混叠滤波器58输出所得模拟输出信号60(VP(AAF)和VN(AAF))。
可向开关96的输入提供多个电压。所述多个电压可包括标记为VXL的低电压、标记为VXM的中电压和标记为VXH的高电压。中电压VXM具有在低电压VXL和高电压VXH的量值之间的电压量值。提供多个开关96以响应于可从与C/V转换器54和/或激励电路22(图1)连通的时钟产生器(未示出)提供的时钟信号而选择性地将各种电压耦合到电容式传感器28、30、参考电容器92、94，并耦合到放大器98的输入和放大器100的输入与输出。
参考图5和6，图5示出了C/V转换器54的操作阶段，并且图6示出了C/V转换器54的额外操作阶段。更具体地说，图5和6说明用于通过传感器装置24感测外部刺激的差模操作阶段(在全文中由“D”表示)的C/V转换器54的电容-电压电路配置。在C/V转换器54中，以八个状态确定差模输出信号，状态0-3在图5中示出且状态4-7在图6中示出。信号处理分成“A”、“B”和“R”阶段。在“A”阶段中，参考电容器92、94的反馈连接，并且在“B”阶段中，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的反馈通过开关96(图4)连接。“A”和“B”阶段还用“+”和“-”表示以指示信号在斩波电路66处可如何进行斩波以补偿偏移及SENP和SENN上的闪烁噪声和泄漏。
在此例子中，通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图5的状态1(前面是复位状态0)中所描绘的那样来确定“A”阶段中的第一电压函数VDM(C/V)A，并且通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图6的状态5(前面是复位状态4)中所描绘的那样来确定相对电压函数。通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图5的状态3(前面是复位状态2)中所描绘得那样来确定“B”阶段中的第二电压函数VDM(C/V)B，并且通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图6的状态7(前面是复位状态6)中所描绘得那样来确定相对电压函数。在状态0、2、4和6中的任一个中，复位阶段Rn将C/V转换器54预充电到初始条件。
描述响应于差模激励电压的C/V输出信号56的传递函数如下：
Figure BDA0001682279520000131
Figure BDA0001682279520000132
其中VX是VXH和VXM之间的差的绝对值和VXM和VXL之间的差的绝对值的平均值(即，VX＝VXH-VXM＝VXM-VXL)，CS1和CS2分别表示第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的电容，并且CR1和CR2分别表示参考电容器92、94的电容。
现参考图7和8，图7示出了C/V转换器54的操作阶段，并且图8示出了C/V 54的额外操作阶段。更具体地说，图7和8说明用于测试传感器装置24的共模操作阶段(在全文中由“C”表示)的C/V转换器54的电容-电压电路配置。在C/V转换器54中，以八个状态确定共模输出信号，状态8-11在图7中示出，且状态12-15在图8中示出。同样，信号处理分成“A”、“B”和“R”阶段。在“A”阶段中，参考电容器92、94的反馈连接，并且在“B”阶段中，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的反馈通过开关96(图4)连接。“A”和“B”阶段还用“+”和“-”表示以指示信号在斩波电路66处可如何进行斩波以补偿偏移及SENP和SENN上的闪烁噪声和泄漏。
在此例子中，通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图7的状态9(前面是复位状态8)中所描绘的那样来确定“A”阶段中的第一电压函数VCM(C/V)A，并且通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图8的状态13(前面是复位状态12)中所描绘的那样来确定相对电压函数。通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图7的状态11(前面是复位状态10)中所描绘得那样来确定“B”阶段中的第二电压函数VCM(C/V)B，并且通过关闭多个开关96以使得C/V转换器54如图8的状态15(前面是复位状态14)中所描绘得那样来确定相对电压函数。在状态8、10、12、14中的任一个中，复位阶段Rn将C/V转换器54预充电到初始条件。
描述响应于共模激励电压的C/V输出信号56的传递函数如下：
Figure BDA0001682279520000141
Figure BDA0001682279520000142
其中VX是VXH和VXM之间的差的绝对值和VXM和VXL之间的差的绝对值的平均值，CS1和CS2分别表示第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的电容，并且CR1和CR2分别表示参考电容器92、94的电容。
对于上述传递函数(1)、(2)、(3)、(4)，数字数据流72(图3)的特征可在于下式：
Figure BDA0001682279520000143
其中差模输出信号的ADC(和预滤波器)传递函数是：α1D/(2VREFβ1)，并且共模输出信号的ADC(和预滤波器)传递函数是：α1C/(2VREFβ1)，其中VREF是ADC 70(图3)的参考电压。共模输出信号处理的占空比是：γC，并限定了共模输出信号相对于差模输出信号注入的频率。
参考图9到11，图9示出了测量电路26的预滤波器62和斩波电路66的示意图。图10示出了与预滤波器62和斩波电路66相关联的切换函数的时序图102，并且图11示出了呈单位增益配置形式的预滤波器62的函数的z域描述的图104。图9中示出输入电容器(Cf1)106、反馈电容器(Cf2)108、放大器110和多个开关112(例如，φ1、φ2、φ2A、φ2B、φFR、φCHP_P、φCHP_N)。放大器110具有连接到标记为N1的输入节点的负输入、连接到标记为N2的输入节点的正输入、标记为VP(PF)的正输出和标记为VN(PF)的负输出。斩波电路66具有连接到放大器110的正输出的输入和连接到放大器110的负输出的输入。提供多个开关112以根据时序图102选择性地耦合电压和/或输入和输出互连件，其中时序图102中的“O”表示打开开关条件，且时序图102中的“C”表示关闭开关条件。
在所说明配置中，预滤波器62被配置成从抗混叠滤波器58(图3)接收输出信号60：VP(AAF)和VN(AAF)，它们本质上是C/V输出信号56VP(C/V)和VN(C/V)。预滤波器62可用于对输出信号60中的差模和共模信号的固有噪声和谐波相关分量进行滤波，和/或用作增益级以使得将通过ADC70(图3)取样的满刻度电压电平能够进行修整。一般来说，预滤波器62从C/V转换器54中减去相关连续样本，并将交替变符(alternate sign inversion)施加到所述结果。也就是说，在差模中，预滤波器62将计算(VDM(C/V)A)-(VDM(C/V)B)，并将结果与+1相乘。接着，预滤波器62将计算(-VDM(C/V)A)-(-VDM(C/V)B)，并将结果与-1相乘。针对与共模中的相关连续样本也将存在此计算。此过程无限持续。在包括C/V转换器54的模拟信号链中，可产生被称为DC偏移的信号误差和闪烁噪声(1/f噪声)。因此，斩波电路66从预滤波器62接收经预先滤波的输出信号64，并倒转交替样本。对这两种样本来说，DC偏移和闪烁噪声是相同的。因此，当第一样本的符号被掉换时，信号误差将具有相反符号。在斩波电路66处添加两个输出信号样本(通过图9中所示的斩波电路66的函数的z域描述来表示)使得信号误差(例如，DC偏移和闪烁噪声)消除，从而产生斩波输出信号68(VP(CHP)和VN(CHP))。
图12示出了施加到第一电容式传感器28和第二电容式传感器30(图4)及参考电容器92、94(图4)的可能激励电压波形116、118以及对激励电压波形116、118作出响应的C/V输出波形120的简化时序图114。在此例子中，激励波形116VX_P被施加到第一电容式传感器28和参考电容器92，如图4到8中所表示。同时，激励波形118VX_N被施加到第二电容式传感器30和参考电容器94，如图4到8中所表示。
施加到第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的激励波形116、118在产生与第一电容式传感器28和第二电容式传感器30中的每一个成比例的电荷的时间方面不同。可使用差分电路技术来构造C/V转换器54。在此情况下，第一电容式传感器28连接到C/V转换器54的正侧，并且第二电容式传感器30连接到C/V转换器54的负侧。
在此例子中，激励波形116、118的差分激励分量122被施加到第一电容式传感器28和第二电容式传感器30及参考电容器92、94。差模激励分量122是一种其中激励波形116、118的振幅通常相等但极性相反的分量。因此，分别向第一电容式传感器28和第二电容式传感器30及参考电容器92、94施加激励波形116、118的差模激励分量122在C/V转换器54的输出处产生基本上与第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的电容值总和成比例的电压信号。
可替代地，可向第一电容式传感器28和第二电容式传感器30和参考电容器92、94施加激励波形116、118的共模激励分量124。共模激励分量124是一种其中激励波形116、118的振幅相等且极性相同的分量。因此，向第一电容式传感器28和第二电容式传感器30及参考电容器92、94施加激励波形116、118的共模分量124(即，相同激励信号)在C/V转换器54的输出处产生基本上与第一电容式传感器28和第二电容式传感器30的电容值的差及参考电容器92、94的总和成比例的电压信号。
如C/V输出波形120中可观察到，第一激励波形116和第二激励波形118的差模激励分量122由此产生差模C/V输出信号126VDM(C/V)。同样地，第一激励波形116和第二激励波形118的共模激励分量124产生共模C/V输出信号128VCM(C/V)。
差模激励分量122产生差模C/V输出信号126，如下：
Figure BDA0001682279520000171
Figure BDA0001682279520000172
Figure BDA0001682279520000173
Figure BDA0001682279520000174
共模激励分量124产生共模C/V输出信号128，如下：
Figure BDA0001682279520000175
Figure BDA0001682279520000176
Figure BDA0001682279520000177
Figure BDA0001682279520000178
图13示出了图5到8中所示的多个操作阶段的周期130以及所得第一激励电压波形132和第二激励电压波形134与所得C/V输出波形136的图。通过适当地布置上文结合图5到8详细描述的各个状态/阶段(编号0到15)，产生包括呈差模激励分量138形式的第一激励分量、呈第一共模激励分量140形式的第二激励分量和呈第二共模激励分量142形式的第三激励分量的第一激励电压波形132、134。
也就是说，激励电路22(图1)产生差模激励分量138、第一共模激励分量140和第二共模激励分量142，并通过将激励分量138、140、142的时间分开来进行复用以形成激励电压波形132、134。在实施例中，激励电路22产生激励电压波形132、134，激励电压波形132、134中的每一个依序包括第一次出现的差模激励分量138、第一共模激励分量140，第二次出现的差模激励分量138以及第二共模激励分量142。图13为简单起见仅示出了差模分量和共模分量138、140、138、142的这一时分复用模式的单个周期130。然而，应理解，此时分复用的模式可在多个周期130连续重复。
在图13中将另外观察到，产生具有相反极性的激励电压波形132、134的第一共模激励分量140和第二共模激励分量142。换句话说，对于激励电压波形132、134两者，第一共模激励分量140的量值相同。同样地，对激励电压波形132、134两者，第二共模激励分量142的量值相同。然而如图13中所示，第二共模激励分量142相对于第一共模激励分量140具有相反极性(即，翻转)。第一共模激励分量140和第二共模激励分量142的正极性和负极性的交替施加将会将共模输出信号(即，诊断信号40)定位在差模输出信号(即感测信号38)所跨越的频带上方。
在实施例中，激励电路22(图1)被配置成施加第一电压波形132和第二电压波形134的差模激励分量138达第一持续时间、施加第一共模激励分量140达第二持续时间并施加第二共模激励分量142达第二持续时间，其中第二持续时间通常小于第一持续时间。在此例子中，施加第一共模分量140和第二共模分量142的占空比γC是三分之一。因而，周期130的三分之二可专用于感测差模操作的刺激，且周期130的三分之一可在以时分复用的方式施加差模激励分量138和共模激励分量140、142时专用于共模操作的故障检测。
响应于差模激励分量138的两个施加实例，通过C/V转换器54(图3)产生的C/V输出波形136包括差模C/V输出信号146的两次出现和具有相反极性的共模C/V输出信号148的两次出现。
图14示出了图5到8中所示的多个操作阶段的周期130以及所得预滤波器输出波形150的图。具体来说，图14示出了说明差模增益因数154α1D的施加的时序图152，所述α1D可在预滤波器62处施加到差模C/V输出信号146(图13)以产生差模预滤波器输出信号156。类似地，时序图152说明共模增益因数158α1C的施加，所述α1C可在预滤波器62处施加到共模C/V输出信号148(图13)以产生共模预滤波器输出信号160(即，正共模响应和负共模响应)。
图15示出了图5到8中所示的多个操作阶段的周期130以及所得斩波输出波形162，和通过测量电路26(图3)的ADC 70(图3)进行的斩波输出波形的取样的图。叠加在斩波输出波形162上的圆点164表示在ADC 70处执行的取样实例。图15还示出了说明差模增益因数168α1D的施加的时序图166，所述α1D可任选地或可替代地在ADC 70处施加到差模预滤波器输出信号156(图14)。类似地，时序图166说明共模增益因数170α1C的施加，所述α1C可任选地或可替代地在ADC 70处施加到共模预滤波器输出信号160(图14)。标记为
Figure BDA0001682279520000191
的状态图表示ADC时钟信号。另外，标记为fCM的状态图表示用于从ADC 70输出的数据流72(图3)提取诊断信号40(图3)的解调器频率。
总而言之，经时分复用的激励波形被施加到传感器装置24的第一电容器和第二电容器28、30，并被交替地施加到参考电容器92、94。包括C/V转换器54、抗混叠滤波器58、预滤波器62和斩波电路66的传感器系统20的模拟前端适当地处理模拟输出信号的差模和共模分量。在ADC 70处接收此模拟输出信号，所述ADC 70将所述模拟输出信号转换成数字数据流72。数字数据流72被传输到信号处理单元74。在信号处理单元74处，第一抽取滤波器76、第一补偿电路78和第一低通滤波器80适当地处理所接收的数字数据流72以从数字数据流72提取差模感测信号38。相反地，解调器82、第二抽取滤波器84、第二低通滤波器86和第二补偿单元88适当地处理所接收的数字数据流72以提取共模诊断信号40。感测信号38和诊断信号40可在故障评估电路90处进行彼此比较以确定是否已发生故障。
图16示出了ADC 70(图3)的输出相对于信号处理单元74的解调器82(图3)的输出的图形172。具体来说，可变实线174表示从ADC70输出的数字数据流72，并且可变虚线176表示来自解调器82的经解调输出信号。可变实线174的峰值178表示在基频处的差模输出信号38OUTDM。相反地，可变虚线176的峰值180表示在基频处的共模输出信号40OUTCM。如图所示，共模输出信号的基频大于差模输出信号的基频。共模输出信号的基频更大是因为在相反极性处(即，在正负过渡区中)施加共模激励分量140、142(图13)。因而，共模输出信号的基频定位于所关注的感测信号测量频带上方。因此，可通过低通滤波从数字数据流72提取感测信号38(图3)，并且可通过解调和低通滤波提取诊断信号40(图3)。
图17示出了根据另一实施例的测量电路182的框图。测量电路182包括与测量电路26(图3)等效的模拟前端。也就是说，测量电路182包括C/V转换器54、抗混叠滤波器58、预滤波器62和斩波器66。为简洁起见，本文中将不再重复对这些组件的描述。在此架构中，信号处理单元184包括第一ADC 186、第一抽取滤波器188、第一补偿电路190和第一低通滤波器192。另外，信号处理单元174包括解调器194、第二ADC 196、第二抽取滤波器198、第二低通滤波器200和第二补偿电路202。
在此实施例中，斩波电路66的输出耦合到第一ADC 186和解调器194中的每一个的输入。因此，第一ADC 186被配置成接收并数字化斩波输出信号68以产生第一数据流204ADCOUT1。之后，第一抽取滤波器188、第一补偿单元190和第一低通滤波器192适当地处理第一数据流204以提取感测信号38。同样地，解调器194被配置成接收并解调斩波输出信号68。第二ADC 196被配置成接收并数字化经解调斩波输出信号以产生第二数据流206ADCOUT2。之后，第二抽取滤波器198、第二低通滤波器200和第二补偿单元202适当地处理第二数据流206以提取诊断信号40，从而用于在故障评估电路90与感测信号38比较。
图17的架构使得针对差模和共模输出信号，第一ADC 186和第二ADC 196能够独立于彼此进行优化。另外，可针对类似信噪比(SNR)获得第二低通滤波器200的更大带宽，这意味着更快响应时间。
现参考图18和19，图18示出了根据另一实施例的传感器系统208的简化框图，并且图19示出了传感器系统208的简化示意图。传感器系统208包括激励电路22、电容式电桥传感器装置210、C/V转换器212、斩波电路214和抗混叠滤波器216。电容式电桥传感器装置210包括作为全桥互连的第一电容器28和第二电容器30(它们产生可变第一电容34和第二电容36)及第一固定参考电容器92和第二固定参考电容器94。用于处理差模和共模输出信号的包括如上文详细描述的一个或多个ADC和信号处理单元的相同架构可被施加到被配置为电容式全桥传感器装置的传感器装置。图18和19中所示的架构可实现替代性C/V转换器实施方案，而不是图4中所示的C/V转换器实施方案。此替代性架构可适用于其中电容变化小得多的应用(例如，加速度计)。
图20示出了用于根据上文所描述的架构实施的传感器装置的连续故障检测监测的方法218的流程图。在框220处，将经时分复用的激励电压波形施加到独立电容式传感器(例如，第一电容式传感器28和第二电容式传感器30)和参考电容器92、94。也就是说，经时分复用的激励波形由差模激励电压分量、第一共模激励电压分量和第二共模激励电压分量表征，其中第一和第二共模激励电压分量的极性相反。
另外，差模和共模激励电压分量进行时分复用以在每一时间周期包括第一次出现的差模激励电压分量、第一共模激励电压分量，第二次出现的差模激励电压分量、第二共模激励电压分量，其中例如施加第一和第二共模激励电压分量的占空比是1/3。尽管本文中提到1/3的占空比，但是可替代地实施更小的值或更大的值。更小的占空比值可以共模信号的信号电平为代价来增加差模信号的信噪比(SNR)。这意味着在共模处理路径中可能需要较低截止频率以得到相同的SNR，这意味着故障检测时间更长。另一方面，更大的占空比值可减小差模信号的SNR，但提高了故障检测性能。
在框222处，响应于激励电压波形的差模激励分量的施加，通过在测量电路的模拟前端处进行处理而产生差模输出信号。在框224处，响应于激励电压波形的共模激励分量的施加，通过在测量电路的模拟前端处进行处理而产生共模输出信号。
在框226处，通过模数数据对话而产生一个或多个数字数据流。数字数据流可包括差模输出信号分量和共模输出信号分量。在框228处，通过测量电路的信号处理单元内的第一低通滤波器从数字数据流提取感测信号38。在框230处，通过解调和测量电路的信号处理单元内的第二低通滤波器从数字数据流提取诊断信号40。在判定框232处，所提取的感测信号38和诊断信号40进行比较以确定它们是否已相对于彼此改变。当不存在改变时，采用“否路”径返回到框220以进行连续故障监测。然而，当确定在预设限值之外的改变时，就采用“是”路径到框234。在234处，设置指示传感器系统未通过测试(即，在系统内已检测到故障)的指示，例如标志。
本文中所描述的实施例涉及传感器系统和用于传感器系统的连续故障监测的方法。传感器系统的实施例包括第一电容式传感器、第二电容式传感器以及与第一和第二电容式传感器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成向第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性。电容-电压(C/V)转换器与第一和第二电容式传感器电耦合，所述C/V转换器被配置成响应于施加到第一和第二电容式传感器的第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器被另外配置成响应于施加到第一和第二电容式传感器的第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号。信号处理单元与C/V转换器电耦合，所述信号处理单元被配置成从差模输出信号提取感测信号、从共模输出信号提取诊断信号，并在感测信号和诊断信号之间的差在预定限值之外时检测传感器系统中的故障条件。
用于测试包括第一电容式传感器和第二电容式传感器的传感器系统的方法的实施例，所述方法包括：向第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性；响应于第一激励电压分量而从第一和第二电容式传感器提取感测信号；响应于第二和第三激励分量而从第一和第二电容式传感器提取诊断信号；以及在感测信号和诊断信号之间的差在预定限值之外时检测传感器系统中的故障条件。
传感器系统的实施例包括第一电容式传感器、第二电容式传感器以及与第一和第二电容式传感器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成向第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性，其中所述激励电路被配置成通过将第一、第二和第三激励电压分量的时间分开来对第一、第二和第三激励电压分量进行时分复用以形成激励电压，并且所述激励电路被配置成在差模操作中向第一和第二电容式传感器施加第一激励电压分量，并在共模操作中向第一和第二电容式传感器施加第二和第三电压分量。电容-电压(C/V)转换器与第一和第二电容式传感器电耦合，所述C/V转换器被配置成响应于施加到第一和第二电容式传感器的第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器被另外配置成响应于施加到第一和第二电容式传感器的第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号。信号处理单元与C/V转换器电耦合，所述信号处理单元被配置成从差模输出信号提取感测信号、从共模输出信号提取诊断信号，并在感测信号和诊断信号之间的差在预定限值之外时检测传感器系统中的故障条件。
传感器系统和方法使得能够通过将差模和共模激励电压波形以时分复用方式施加到传感器装置来产生故障监测所要的感测信号和诊断信号。因此，在感测信号的测量未中断或故障监测未终止的情况下，可使用相同测量电路来处理感测信号和诊断信号。另外，所述配置需要共用输出数据流进行解调和滤波来分开感测信号与诊断信号。因此，可在需要MEMS传感器的低成本连续故障监测的数个安全应用中实施所述架构，其中故障监测不会影响所要信号的测量。
本公开旨在阐明制造和使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不意图是穷尽性的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可以进行修改或变化。选择和描述实施例以提供对本发明的原理和其实际应用的最佳说明，以及使得本领域的技术人员能够在各种实施例中并利用适合于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有这样的修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的保护范畴内，并且在本专利申请未决期间可以修正。

Claims (8)

1.一种传感器系统，其特征在于，包括：
第一电容式传感器；
第二电容式传感器；
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成向所述第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性，所述激励电路被配置成在差模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第一激励电压分量以产生差模输出信号，并在共模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第二和第三激励电压分量以产生共模输出信号；以及
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的电容-电压C/V转换器，所述C/V转换器被配置成响应于外部刺激和施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器被进一步配置成响应于施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号；以及
与所述C/V转换器电耦合的信号处理单元，所述信号处理单元被配置成从所述差模输出信号提取感测信号、从所述共模输出信号提取诊断信号，并且在所述感测信号和所述诊断信号之间的差在预定限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件；
将所述差模输出信号和所述共模输出信号作为数据流从所述C/V转换器输出，并且所述信号处理单元包括：
第一滤波器电路，其被配置成接收所述数据流并从所述数据流提取所述感测信号；
解调器，其被配置成接收所述数据流并对所述数据流进行解调以产生经解调数据流；以及
第二滤波器电路，其电耦合到所述解调器并被配置成从所述经解调数据流提取所述诊断信号。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述激励电路被配置成通过将所述第一、第二和第三激励电压分量的时间分开来对所述第一、第二和第三激励电压分量进行时分复用以形成所述激励电压。
3.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述激励电路被配置成施加所述第一激励电压分量达第一持续时间、施加所述第二激励电压分量达第二持续时间并施加所述第三激励电压分量达所述第二持续时间，所述第二持续时间小于所述第一持续时间。
4.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述传感器系统进一步包括：
第一ADC，其具有电耦合到所述C/V转换器的输入并具有电耦合到所述第一滤波器电路的输出，所述第一ADC被配置成将所述数据流转换成第一数字数据流，所述第一数字数据流由所述第一滤波器电路处理；以及
第二ADC，其具有电耦合到所述解调器的输入并具有电耦合到所述第二滤波器电路的输出，所述第二ADC被配置成将所述经解调数据流转换成第二数字数据流，所述第二数字数据流由所述第二滤波器电路处理。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于：
所述第一滤波器电路包括第一抽取滤波器和电耦合到所述第一抽取滤波器的第一低通滤波器，所述第一抽取滤波器和所述第一低通滤波器可操作地耦合以接收所述数据流并从所述数据流去除所述诊断信号以提取所述感测信号；以及
所述第二滤波器电路包括第二抽取滤波器和电耦合到所述第二抽取滤波器的第二低通滤波器，所述第二抽取滤波器和所述第二低通滤波器可操作地耦合以接收所述经解调数据流并从所述经解调数据流去除所述感测信号以提取所述诊断信号。
6.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，进一步包括第一和第二固定参考电容器，其中以电容式电桥配置布置所述第一和第二电容式传感器及所述第一和第二固定参考电容器。
7.一种用于测试包括第一电容式传感器和第二电容式传感器的传感器系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
向所述第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性，在差模操作中施加所述第一激励电压分量到所述第一电容传感器和所述第二电容传感器，以及在共模操作中施加所述第二激励电压分量和所述第三激励电压分量到所述第一电容传感器和所述第二电容传感器；
响应于外部刺激和所述第一激励电压分量而从所述第一和第二电容式传感器提取感测信号；
响应于所述第二和第三激励分量而从所述第一和第二电容式传感器提取诊断信号；以及
在所述感测信号和所述诊断信号之间的差在预定限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件；
其中所述方法另外包括：
响应于施加所述激励电压而产生数据流，所述数据流包括差模输出信号和共模输出信号；
所述提取所述感测信号包括利用第一滤波器电路从所述数据流提取所述感测信号；以及
所述提取所述诊断信号包括对所述数据流进行解调以产生经解调数据流以及利用第二滤波器电路从所述经解调数据流提取所述诊断信号。
8.一种传感器系统，其特征在于，包括：
第一电容式传感器；
第二电容式传感器；
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成向所述第一和第二电容式传感器中的每一个施加激励电压，所述激励电压由第一激励电压分量、第二激励电压分量和第三激励电压分量表征，所述第二和第三激励电压分量具有相反极性，其中所述激励电路被配置成通过将所述第一、第二和第三激励电压分量的时间分开来对所述第一、第二和第三激励电压分量进行时分复用以形成所述激励电压，并且所述激励电路被配置成在差模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第一激励电压分量并在共模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第二和第三电压分量，所述激励电路被配置成在差模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第一激励电压分量以产生差模输出信号，并在共模操作中向所述第一和第二电容式传感器施加所述第二和第三电压分量以产生共模输出信号；
与所述第一和第二电容式传感器电耦合的电容-电压C/V转换器，所述C/V转换器被配置成响应于外部刺激和施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第一激励电压分量而产生差模输出信号，并且所述C/V转换器被进一步配置成响应于施加到所述第一和第二电容式传感器的所述第二和第三激励电压分量而产生共模输出信号；以及
与所述C/V转换器电耦合的信号处理单元，所述信号处理单元被配置成从所述差模输出信号提取感测信号、从所述共模输出信号提取诊断信号，并且在所述感测信号和所述诊断信号之间的差在预定限值之外时检测所述传感器系统中的故障条件；
将所述差模输出信号和所述共模输出信号作为数据流从所述C/V转换器输出，并且所述信号处理单元包括：
第一滤波器电路，其被配置成接收所述数据流并从所述数据流提取所述感测信号；
解调器，其被配置成接收所述数据流并对所述数据流进行解调以产生经解调数据流；以及
第二滤波器电路，其电耦合到所述解调器并被配置成从所述经解调数据流提取所述诊断信号。
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