DE10135943A1 - Kapazitiver Sensor für eine physikalische Grösse - Google Patents

Abstract

Das Taktsignal für einen Abtast- und Halteschaltkreis (23a) zur Abtastung eines Ausgangs von einem C-V-Wandlerschaltkreis, erzeugt durch einen Steuersignalerzeugungsschaltkreis (24) unterscheidet sich in der Periode vom Taktsignal für einen geschalteten Kondensatorfilterschaltkreis (23b) zur Filterung des Ausganges vom Abtast-Halteschaltkreis, so daß das Taktsignal für den geschalteten Kondensatorfilterschaltkreis sich zwischen einem Meß- und einem Selbstdiagnosemodus nicht ändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe.

Ein Beschleunigungssensor, der einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe, nämlich die Beschleuni­ gung, verwendet, ist bekannt. Bisherige Beschleunigungs­ sensoren benötigen einen Filterschaltkreis in dem vorhan­ denen oder nachgeschalteten Verarbeitungsschaltkreis, um das Signal vom Sensorabschnitt zu verarbeiten. Weiterhin muß der Filterschaltkreis eine niedrige Grenzfrequenz ha­ ben, um einen niederfrequenten Bereich zu schaffen, (beispielsweise 10 Hz bis 10 kHz). Dies deshalb, als das Beschleunigungssignal notwendigerweise einen Frequenzbe­ reich von null (dc) bis einigen hundert Hz haben muß, je­ doch eine Resonanzfrequenz der Struktur des Sensors im Bereich von einigen hundert bis einigen tausend Hz liegt. Diese Resonanzfrequenzkomponente sollte entfernt werden. Hierzu wird ein geschalteter Kondensatorfilterschaltkreis (SCF = switched capacitor filter circuit) verwendet. Der geschaltete Kondensatorfilter nimmt relativ geringe Flä­ chen in dem Signalverarbeitungsschaltkreis ein und schafft problemlos einen Niederfrequenzbereich.

Der SCF-Schaltkreis enthält Analogschalter mit CMOS- Transistoren und Operationsverstärkern und wird mittels einer CMOS-Technik miniaturisiert. Die Grenzfrequenz des SCF-Schaltkreises wird durch ein Verhältnis von Kapazitä­ ten im SCF-Schaltkreis und einer Frequenz eines Taktsi­ gnals bestimmt, welches zur Steuerung von Schaltern in dem SCF-Schaltkreis verwendet wird.

Wenn der Signalverarbeitungsschaltkreis mit einem derartigen geschalteten Kondensatorfilterschaltkreis die Taktsignale zum Abtasten und Halten des Spannungssignals vom Sensor und das Taktsignal für den geschalteten Kon­ densatorfilterschaltkreis erzeugt, sollten die Taktsi­ gnale für den Abtast- und Halteschaltkreis in Phase mit den Trägersignalen für den Sensor sein. Wenn diese Si­ gnale außer Phase sind, kann der Sensor fehlerhaft arbei­ ten oder die Genauigkeit des Sensorausgangs kann aufgrund von wechselseitigem Taktrauschen abnehmen.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben bereits einen kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe vorgeschlagen mit einer Selbstdiagnosefunktion zur Über­ prüfung, ob der Sensorausgang genau ist; die Veröffentli­ chung erfolgte in der japanischen vorläufigen Patentver­ öffentlichung Nr. 10-185083. Fig. 6 der vorliegenden An­ meldung zeigt ein Blockdiagramm dieses bekannten kapazi­ tiven Sensors für eine physikalische Größe.

Dieser bekannte Sensor beinhaltet ein Sensorelement 110 mit beweglichen Elektroden 101a und 101b und festen Elektroden 102a und 102b, sowie einen Erkennungsschalt­ kreis 120 zur Erkennung einer Beschleunigung auf der Grundlage der Differenzkapazitäten zwischen der bewegli­ chen Elektrode 101a und der festen Elektrode 102a und zwischen der beweglichen Elektrode 101b und der festen Elektrode 102b. Der Erkennungsschaltkreis 120 beinhaltet einen C-V-Wandlerschaltkreis 121, einen Schaltschaltkreis 122, einen Abtast- und Halteschaltkreis 123, einen SCF- Schaltkreis 124 und einen Taktsignalerzeugungsschaltkreis 125 zur Erzeugung von Taktsignalen. Der C-V-Wandler­ schaltkreis wandelt die Änderungen in der Differenzkapa­ zität der beweglichen Elektroden 101a und 101b und der festen Elektroden 102a und 102b. Nachfolgend tastet und hält der Abtast- und Halteschaltkreis 123 den Sensoraus­ gang. Der SCF-Schaltkreis 124 filtert den abgetasteten Sensorausgang.

Die Fig. 7A bis 7G sind Zeitdiagramme von Signalen zur Selbstdiagnose im Sensor nach dem Stand der Technik.

In Fig. 7A bis 7G ändern sich Trägersignale PW1 und PW2, welche den festen Elektroden 102a und 102b zugeführt werden, ein Schaltsignal ST zur Schaltung der Referenz­ spannung, ein Signal S1 für einen Schalter 121c und ein Schaltkreistakt S2 für den Abtast- und Halteschaltkreis 123 und den SCF-Schaltkreis 124 in der Periode oder Zeit­ dauer zwischen einem Meßmodus (M) und einem Selbstdiagno­ semodus (SD). Dies bedeutet, daß der Schaltkreistakt S2 für den SCF-Schaltkreis 124 gemeinsam im Abtast- und Hal­ teschaltkreis 123 verwendet wird. Infolgedessen wird der Schaltkreistakt S2 für den SCF-Schaltkreis 124 zwischen dem Meß- und Selbstdiagnosemodus geändert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen kapazi­ tiven Sensor für eine physikalische Größe zu schaffen, der denjenigen nach dem Stand der Technik überlegen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Er­ findung die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vor; vor­ teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe, mit: ersten und zweiten variablen Kondensatoren, von denen jeder eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode einander gegenüberlie­ gend aufweist, wobei sich die Kapazitäten der ersten und zweiten variablen Kondensatoren abhängig von einer physi­ kalischen Größe ändern, welche auf die beweglichen Elek­ troden wirkt; einer Signalerzeugungsvorrichtung zum peri­ odischen Liefern von Trägersignalen an die festen Elek­ troden, um Änderungen in einer Differenzkapazität der er­ sten und zweiten variablen Kondensatoren während einer ersten Periode in einem Meßmodus und einer zweiten Peri­ ode in einem Selbstdiagnosemodus zu messen und um ein Verschiebungssignal zu erzeugen, um in der zweiten Peri­ ode des Selbstdiagnosemodus die beweglichen Elektroden zu verschieben; und einem Signalverarbeitungsschaltkreis, der aufweist: einen C-V-Wandlerschaltkreis zum Wandeln eines Ladungssignales, welches die Differenzkapazität an­ zeigt, in ein Spannungssignal; und einen geschalteten Kondensatorfilterschaltkreis zum Filtern des Spannungssi­ gnals, um ein gefiltertes Spannungssignal in Antwort auf ein Filterschaltkreistaktsignal auszugeben, wobei die Si­ gnalerzeugungsvorrichtung weiterhin das Filterschalt­ kreistaktsignal in den Meß- und Selbstdiagnosemoden mit gleicher Periode erzeugt und wobei die erste Periode un­ terschiedlich zur zweiten Periode ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem ersten Aspekt, wobei der Signalverarbeitungsschaltkreis weiter­ hin einen Abtast- und Halteschaltkreis zum Abtasten und Halten des Spannungssignales in Antwort auf ein Abtast- und Haltetaktsignal aufweist, welches sich in der Periode vom Filterschaltkreistaktsignal unterscheidet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem ersten Aspekt, wobei der Signalverarbeitungsschaltkreis weiter­ hin einen Abtast- und Halteschaltkreis zum Abtasten und Halten der Spannungssignale in Antwort auf ein Abtast- und Haltetaktsignal aufweist, dessen Periode zwischen den Meß- und Selbstdiagnosemoden unterschiedlich ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem zwei­ ten Aspekt, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung weiter­ hin das Abtast- und Haltetaktsignal und das Filterschalt­ kreistaktsignal erzeugt und weiterhin eine Synchronisati­ onsvorrichtung aufweist zum synchronen Ausgeben des Ab­ tast- und Haltetaktsignales und des Filterschaltkreis­ taktsignales.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem drit­ ten Aspekt, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung weiter­ hin das Abtast- und Haltetaktsignal und das Filterschalt­ kreistaktsignal erzeugt und weiterhin eine Synchronisati­ onsvorrichtung aufweist zum synchronen Ausgeben des Ab­ tast- und Haltetaktsignales und des Filterschaltkreis­ taktsignales.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem vier­ ten Aspekt, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung einen programmierbaren Zählerschaltkreis zur Erzeugung der Trä­ gersignale und des Abtast- und Haltetaktsignales während der ersten Periode und der zweiten Periode während der Meß- bzw. Selbstdiagnosemoden aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem fünf­ ten Aspekt, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung einen programmierbaren Zählerschaltkreis zur Erzeugung der Trä­ gersignale und des Abtast- und Haltetaktsignales während der ersten Periode und der zweiten Periode während der Meß- bzw. Selbstdiagnosemoden aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Sen­ sor für eine physikalische Größe basierend auf dem ersten Aspekt, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung einen Os­ zillator zur Erzeugung eines Referenztaktsignales, einen Zählerschaltkreis, der auf das Referenztaktsignal an­ spricht, um das Filterschaltkreistaktsignal mit dem glei­ chen Teilungsverhältnis in den Meß- und Selbstdiagnosemo­ den zu erzeugen und einen programmierbaren Zählerschalt­ kreis beinhaltet, der auf das Referenztaktsignal an­ spricht, um das Abtast- und Haltetaktsignal und die Trä­ gersignale in dem Meßmodus und dem Selbstdiagnosemodus mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen zu erzeugen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Beschleunigungssen­ sors des kapazitiven Typs oder Kondensatortyps mit einem kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe gemäß ei­ ner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Teil-Blockdiagramm des Steuersignalerzeu­ gungsschaltkreises von Fig. 1;

Fig. 3A bis 3H, 4A bis 4F und 5A bis 5F Wellenformen von Signalen des Steuersignalerzeugungsschaltkreises;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Sensors für eine physikalische Größe nach dem Stand der Technik; und

Fig. 7A bis 7G Zeitdiagramme von Signalen zur Selbst­ diagnose im Sensor nach dem Stand der Technik.

Gleiche oder einander entsprechende Elemente oder Teile werden in den einzelnen Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Beschleunigungs­ sensors des Kondensatortyps mit einem kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Beschleunigungssensor beinhaltet ein Sensorele­ ment 10 mit beweglichen Elektroden 1a und 1b und festen Elektroden 2a und 2b und einen Erkennungsschaltkreis 20 zur Erkennung einer Beschleunigung auf der Grundlage von Änderungen in der Differenzkapazität im Sensorelement 10.

Das Sensorelement 10 hat eine (nicht gezeigte) Brückenstruktur und ein (ebenfalls nicht gezeigtes) Substrat zur Erkennung einer Beschleunigung. Die einen Enden der beweglichen Elektroden 1a und 1b sind an der Brückenstruktur festgelegt und die festen Elektroden 2a und 2b sind an dem Substrat festgelegt, um den bewegli­ chen Elektroden 1a und 1b gegenüberzuliegen. In dieser Ausführungsform sind zwei bewegliche Elektroden 1a und 1b vorgesehen. Es kann jedoch nur eine bewegliche Elektrode vorgesehen sein und gemeinsam zwischen einem Paar von fe­ sten Elektroden 2a und 2b verwendet werden.

Die bewegliche Elektrode 1a und die feste Elektrode 2a und die bewegliche Elektrode 1b und die feste Elek­ trode 2b sind in der Lage, Kapazitätsdifferenzen oder -unterschiede in diesen variablen Kondensatoren bereitzu­ stellen und Spannungen V mit einer invertierten Beziehung dazwischen werden periodisch an die festen Elektroden 2a und 2b als Trägersignale PW1 und PW2 angelegt. Dies er­ möglicht die Erkennung einer Beschleunigung auf der Grundlage der Differenzkapazitätsänderungen, welche die Versetzung oder Verschiebung der beweglichen Elektroden 1a und 1b darstellen.

Der Erkennungsschaltkreis 20 beinhaltet einen C-V- Wandlerschaltkreis 21, einen Schaltkreis 22, einen Signalverarbeitungsschaltkreis 23 und einen Steuersignal­ erkennungsschaltkreis 24.

Der C-V-Wandlerschaltkreis 21 wandelt die Änderungen in der Differenzkapazität des Sensorelementes 10 in ein Spannungssignal um und beinhaltet einen Operationsver­ stärker 21a, einen Kondensator 21b und einen Schalter 21c. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 21a ist mit den beweglichen Elektroden 1a und 1b verbun­ den. Zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 21a sind der Kondensator 21b und der Schalter 21c geschaltet, wobei der Kondensator 21b parallel zum Schalter 21c liegt.

Der Schalter 21c wird durch ein Signal S1 vom Steuer­ signalerzeugungsschaltkreis 24 betrieben. Der nicht in­ vertierende Eingang des Operationsverstärkers 21a wird entweder mit einer halben Spannung V/2 der Spannung V, welche an die festen Elektroden 2a und 2b angelegt wird als Mittenspannung V/2 (2,5 V in dieser Ausführungsform) versorgt oder mit einer Spannung, welche von der Mitten­ spannung unterschiedlich ist (4 V in dieser Ausführungs­ form) und welche als Offset-Spannung dient.

Der Schaltschaltkreis 22 beinhaltet Schalter 22a und 22b um die Mittenspannung V/2 oder die Offset-Spannung an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers 21a von in der Zeichnung nicht dargestellten Span­ nungsquellen zu liefern. Die Schalter 22a und 22b werden durch ein Signal ST vom Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 betrieben, wobei einer der Schalter offen ist, wenn der andere geschlossen ist und umgekehrt.

Der Signalverarbeitungsschaltkreis 23 beinhaltet ei­ nen Abtast- und Halteschaltkreis 23a (S/H) und einen ge­ schalteten Kondensatorfilterschaltkreis 23b (SCF). Der Abtast- und Halteschaltkreis wird von einem Abtast- und Halteschaltkreistaktsignal S2 vom Steuersignalerzeugungs­ schaltkreis 24 betrieben, um den Ausgang des C-V-Wandler­ schaltkreises 21 über ein bestimmtes Intervall hinweg ab­ zutasten und zu halten. Der SCF-Schaltkreis 23b wird von einem Signal F1 vom Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 betrieben, um nur notwendige Frequenzbandkomponenten von der Ausgangsspannung des Abtast- und Halteschaltkreises 23a auszugeben.

Der Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 erzeugt die Trägersignale PW1 und PW2, welche die Zeitpunkte angeben, zu denen die Spannung V an die festen Elektroden 2a und 2b angelegt wird, das Signal ST, welches die Zeitpunkte angibt, zu denen der Schaltschaltkreis 22 geschaltet wird, das Signal S1, welche die Zeitpunkte des Schaltens des Schalters 21c angibt, das Abtast- und Halteschalt­ kreistaktsignal S2, welches die Zeitpunkte des Abtastens und Haltens für den Abtast- und Halteschaltkreis 23a an­ gibt und das Filterschaltkreistaktsignal F1 für den SCF- Schaltkreis 23b. Von diesen vom Steuersignalerzeugungs­ schaltkreis 24 erzeugten Signalen werden die Signale PW1, PW2, ST, S1 und S2 periodisch zwischen einem Meßmodus (Beschleunigungsmeßmodus) und einem Selbstdiagnosemodus geändert.

Fig. 2 ist ein Teil-Blockdiagramm des Steuersignaler­ zeugungsschaltkreises 24. Der Steuersignalerzeugungs­ schaltkreis 24 beinhaltet einen Oszillator 24a zur Erzeu­ gung eines Referenztaktsignales, einen Zähler 24b zum Zählen des Referenztaktsignales mit einem festen Tei­ lungsverhältnis, um ein festes Frequenzsignal auszugeben, einen programmierbaren Zähler 24c zum Zählen des Referenz­ taktsignales über einen Frequenztimer im Schalterschalt­ kreis 24b und einen D-FF-Schaltkreis 24d zum synchronen Ausgeben des Ausgangs vom programmierbaren Zähler 24c und vom Zähler 24b in Antwort auf das Referenztaktsignal vom Oszillator 24a als Signale PW1, PW2, ST, S1, S2 und F1. Der Oszillator 24a, der Zählerschaltkreis 24b und der D- FF-Schaltkreis 24d erzeugen das Filterschaltkreistaktsi­ gnal F1, dessen Periode zwischen den Meß- und Selbsdia­ gnosemoden umgeändert ist und welches dem SCF-Schaltkreis 23b zugeführt wird, so daß die cutoff- oder Grenzfrequenz des SCF-Schaltkreises 23b zwischen den Meß- und Selbst­ diagnosemoden unverändert bleibt. Andererseits erzeugen der programmierbare Zählerschaltkreis 24c und der D-FF- Schaltkreis 24d die Signale PW1, PW2, ST, S1 und S2, de­ ren Perioden sich zwischen den Meß- und Selbstdiagnosemo­ den ändern.

Der programmierbare Zählerschaltkreis 24c kann direkt das Referenztaktsignal zählen. In dem bislang beschriebe­ nen Aufbau wird jedoch der Frequenzteiler im Zähler­ schaltkreis 24b gleichzeitig zur Erzeugung des Signales F1 und der Signale PW1, PW2, ST, S1 und S2 verwendet, um die Anzahl an Frequenzteilern zu verringern.

Die Fig. 3A bis 3H, 4A bis 4F und 5A bis 5F zeigen Wellenformen der Signale vom Steuersignalerzeugungs­ schaltkreis 24. Fig. 3 zeigt das Schalten der Signalbe­ dingungen von dem Meßmodus zum Selbstdiagnosemodus. Fig. 4A bis 4F zeigen vergrößerte Ansichten von Signalbedin­ gungen im Meßmodus. Fig. 5A bis 5F zeigen weiterhin den Betrieb des Sensorelementes 10 in dem Selbstdiagnosebe­ trieb.

Zunächst wird der Betrieb im Beschleunigungsmeßmodus unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4F beschrieben. In diesem Modus ist, obwohl das Signal ST in den Fig. 4A bis 4F nicht gezeigt ist, das Signal ST auf "L" (logisch null) gehalten, um die Mittenspannung 2/V (in dieser Ausführungsform 2,5 V) dem nichtinvertierenden Eingang zuzuführen, so daß die Mittenspannung 2/V über den C-V-Wandlerschaltkreis 21 den beweglichen Elektroden 1a und 1b zugeführt wird.

Die Trägersignale PW1 und PW2 haben Rechteckwellen­ form mit einem 50%igen Taktverhältnis und einer umgekehr­ ten Beziehung zueinander, wobei der Pegel von "H" in die­ ser Ausführungsform V (5 V) beträgt und der Pegel von "L" in dieser Ausführungsform 0 V beträgt. In dem Intervall t1 ist das Potential der festen Elektrode 1A auf 5 V und dasjenige der festen Elektroden 1b auf 0 V mit den Trä­ gersignalen PW1 und PW2. Gleichzeitig ist der Schalter 21c in Antwort auf das Signal S1 vom Steuersignalerzeu­ gungsschaltkreis 24 geschlossen. Dies liefert eine Vor­ spannung V/2 an die beweglichen Elektroden 1a und 1b und entlädt den Kondensator 21b.

Wenn unter diesen Bedingungen eine Beziehung der Ka­ pazität C1 zwischen der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a und der Kapazität C2 zwischen der be­ weglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b die Bedingung C1 < C2 erfüllt, halten die beweglichen Elek­ troden 1a und 1b größere Mengen an negativen Ladungen aufgrund dieser Beziehung und den an den festen Elektro­ den 2a und 2b angelegten Spannungen. Im Intervall t2 macht das Trägersignal PW1 das Potential der festen Elek­ trode 2a auf 5 V und das Trägersignal PW2 macht das Po­ tential der festen Elektrode 2b auf 0 V und der Schalter 21c wird in Antwort auf das Signal S1 geöffnet. Dies lädt den Kondensator 21b mit Ladungen entsprechend den Bedin­ gungen an den beweglichen Elektroden 1a und 1b. Die der Ladung im Kondensator 21b entsprechende Spannung wird von dem C-V-Wandlerschaltkreis 21 in ein Spannungssignal ge­ wandelt, welches in Antwort auf das Signal S2 von dem Ab­ tast- und Halteschaltkreis 23a abgetastet gehalten wird. Im Intervall t3 macht das Trägersignal P1 das Potential der festen Elektrode 2a auf 0 V und das Trägersignal PW2 macht das Potential der festen Elektrode 2b auf V (5 V) und der Schalter 21c wird in Antwort auf das Signal S1 offengehalten. Gegenüber den vorherigen Bedingungen wer­ den somit die Potentiale an den festen Elektroden 2a und 2b umgekehrt. Die Ladungsbedingungen der beweglichen Elektroden 1a und 1b werden gegenüber den Ladungsbedin­ gungen im zweiten Intervall t2 umgekehrt. Mit anderen Worten, wenn die Beziehung C1 < C2 gilt, halten die be­ weglichen Elektroden 1a und 1b größere Mengen an positi­ ven Ladungen als die festen Elektroden 2a und 2b als Er­ gebnis der Umkehrung der angelegten Potentiale an die fe­ sten Elektroden 2a und 2b.

Diese Ladung wird im Kondensator 21b gespeichert. So­ dann wird der Kondensator 21b durch die Unterschiede in den Ladungsmengen geladen, welche in den ersten und drit­ ten Intervallen erzeugt wurden. Der C-V-Wandlerschalt­ kreis 21 wandelt diese Ladung im Kondensator 21b in die Spannung, welche proportional zu den Ladungsmengen und umgekehrt proportional zu der Kapazität C aus der Bezie­ hung Q = CV ist.

Weiterhin hat sich in einer vierten Periode t4 die Ausgangsspannung vom C-V-Wandlerschaltkreis 21 stabili­ siert und der Abtast- und Halteschaltkreis 23a tastet und hält die Ausgangsspannung des C-V-Wandlerschaltkreises 21.

Der SCF-Schaltkreis 23b führt einen Differenzbetrieb zwischen der im zweiten Intervall t2 abgetasteten Span­ nung und der im vierten Intervall t4 abgetasteten Span­ nung durch, um thermische Charakteristiken im Schaltrau­ schen beim Abtastvorgang und das 1/f-Rauschen des Opera­ tionsverstärkers, eine Offset-Spannung und deren thermi­ sche Charakteristik etc. zu beseitigen, um die notwendige Frequenzkomponente auszugeben. Der Ausgang vom SCF- Schaltkreis 23b gibt die erkannte Beschleunigung an.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5F wird nach­ folgend der Selbstdiagnosevorgang beschrieben.

Der Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 wird mit ei­ nem Modussignal versorgt, welches entweder den Meßmodus (M) oder den Selbstdiagnosemodus (5D) angibt. Wenn das Modussignal, welche den Selbstdiagnosevorgang angibt, dem Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 eingegeben wird, er­ zeugt der programmierbare Zählerschaltkreis 24c die Si­ gnale PW1, PW2, ST, S1 und S2 in einer Periode, welche länger als der Meßmodus ist. Andererseits erzeugt der Zählerschaltkreis 24b das Signal F1 mit der gleichen Fre­ quenz wie im Meßmodus mit dem gleichen Teilungsverhält­ nis. Die Trägersignale PW1 und PW2 erzeugen eine Span­ nungsdifferenz zwischen den festen Elektroden 1a und 2b. Das Signal ST öffnet den Schalter 22a und schließt den Schalter 22b, so daß der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 21a mit der Offset-Spannung (4 V in dieser Ausführungsform) versorgt wird, welche unter­ schiedlich zur Mittenspannung V/2 ist.

Dies macht eine Spannungsdifferenz (1 V) zwischen der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a grö­ ßer als die Spannungsdifferenz (4 V) zwischen der beweg­ lichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b. Diese Unbalance in den elektrostatischen Kräften verschiebt oder versetzt die beweglichen Elektroden 1a und 1b aus ihrer Mittenlage als Offset.

Die Periode des Signals ST wird so bestimmt, daß eine ausreichende Versetzung oder Verschiebung der beweglichen Elektroden 1a und 1b zum Zeitpunkt der Erkennung des Ver­ schiebungsbetrages der beweglichen Elektroden 1a und 1b erhalten wird (Fig. 5F). Mit anderen Worten, das Inter­ vall, welches unter diesen Umständen die elektrostati­ schen Kräfte erzeugt, wird durch die Periode des Signales ST gesteuert, wie in Fig. 5E gezeigt. Die elektrostati­ schen Kräfte werden periodisch durch das Signal ST mit einer bestimmten Einschaltdauer erzeugt, so daß die be­ weglichen Elektroden 1a und 1b zu den Abtastzeiten gemäß Fig. 5F stabil verschoben werden.

Nachfolgend schaltet das Signal ST den Schaltschalt­ kreis 22, um die Mittenspannung V/2 an den nicht inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers 21a auf glei­ che Weise wie im Meßmodus anzulegen.

Nachfolgend wird der Meßvorgang auf gleiche Weise wie in dem Meßmodus durchgeführt, um den Ausgang des Signal­ verarbeitungsschaltkreises 23 zu erhalten, der die Ver­ schiebung der beweglichen Elektroden 1a und 1b angibt. Die Verschiebung oder Versetzung ist eindeutig durch die unter den oben genannten Bedingungen an die beweglichen Elektroden 1a und 1b angelegte Spannung definiert. Somit ergibt ein Vergleich des Ausganges vom Signalverarbei­ tungsschaltkreis im Selbstdiagnosemodus mit experimentell oder theoretisch erhaltenen Werten ein Ergebnis bezüglich der Selbstdiagnose des Sensorelementes 10. Wenn der Aus­ gang vom Signalverarbeitungsschaltkreis nicht mit dem ex­ perimentell oder theoretisch erhaltenen Wert überein­ stimmt, wird eine fehlerhafte Bedingung oder ein fehler­ hafter Zustand beurteilt. Wenn der Ausgang vom Signalver­ arbeitungsschaltkreis mit dem experimentell oder theore­ tisch erhaltenen Wert übereinstimmt, wird der Zusand des Sensorelementes 10 als normal beurteilt.

Im Selbstdiagnosevorgang ist das Filterschaltkreis­ taktsignal F1 für den SCF-Schaltkreis 23b unabhängig vom Signal S2. Mit anderen Worten, das Filterschaltkreistakt­ signal F1 bleibt zwischen dem Beschleunigungsmeßmodus und dem Selbstdiagnosemodus unverändert, so daß die Grenzfre­ quenz vom SCF-Schaltkreis 23b unverändert bleibt.

Mit anderen Worten, wenn angenommen wird, daß die Grundfrequenz A beträgt, welche einer Periode des Grund­ taktsignales entspricht, wird die Filterkonstante des SCF-Schaltkreises 23b auf eine Grenzfrequenz gesetzt, welche Z mal A ist (fc = ZA [Hz]), und zwar sowohl in dem Meß-; als auch dem Selbstdiagnosemodus. Die Grenzfrequenz und das Signal F1 sind somit unverändert, obgleich die Periode der Träger (Signale PW1 und PW2) im Selbstdiagno­ semodus länger gemacht wird.

Diese Anordnung ändert die Grenzfrequenz des SCF- Schaltkreises 23b während des Selbstdiagnosevorganges nicht. Die Grenzfrequenz des SCF-Schaltkreises wird von einem Kapazitätsverhältnis im SCF-Schaltkreis und einer Frequenz eines Taktsignales zur Steuerung der Schalter im SCF-Schaltkreis bestimmt. Da die gleiche Grenzfrequenz vorliegt, ist es somit ausreichend, daß die Kapazität ei­ nes Kondensators im SCF-Schaltkreis unverändert bleibt, so daß das Intervall notwendig zur Stabilisierung des SCF-Schaltkreises 23b ebenfalls unverändert bleibt und eine ausreichende Filterfunktion ermöglicht wird, um ein genaues Erkennungssignal in einem gewünschten Frequenzbe­ reich auszugeben. Der D-FF-Schaltkreis 24D gibt synchron mit dem Filterschaltkreistaktsignal F1 die Signale PW1, PW2, ST, S1 und S2 aus. Der SCF-Schaltkreis 23b wird so­ mit in Phase mit den anderen Schaltkreisen betrieben. Diese Anordnung beseitigt somit zeitliche Abweichungen zu oder zwischen den anderen Schaltkreisen.

Wie oben erwähnt beinhaltet der kapazitive Sensor für eine physikalische Größe: erste und zweite variable Kon­ densatoren (C1 und C2), von denen jeder die bewegliche Elektrode 1a oder 1b und die Festelektrode 2a oder 2b in einander gegenüberliegender Beziehung aufweist, wobei die Kapazitäten C1 und C2 der ersten und zweiten variablen Kondensatoren im wesentlichen äquivalent zueinander sind, wenn keine physikalische Größe an den beweglichen Elek­ troden anliegt und sich die Kapazitäten abhängig von ei­ ner physikalischen Größe (Beschleunigung oder derglei­ chen) ändern, welche auf die beweglichen Elektroden 1a und 1b einwirken; den Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 zum periodischen Liefern von Trägersignalen PW1 und PW2 an die festen Elektroden 2a und 2b, um Änderungen in der Differenzkapazität (C1 - C2) der ersten und zweiten variablen Kondensatoren während der ersten Periode des Meßmodus (M) und der zweiten Periode des Selbstdiagnose­ modus (SD) zu messen und um das Versetzungssignal (4 V) zu erzeugen, um die beweglichen Elektroden 1a und 1b wäh­ rend der zweiten Periode in den Selbstdiagnosemodus zu versetzen; und den Signalverarbeitungsschaltkreis 20 mit: dem C-V-Wandlerschaltkreis 21 zum Wandeln des Ladungssi­ gnales, welches die Differenzkapazität anzeigt in das Spannungssignal; und den geschalteten Kondensatorfilter­ schaltkreis 23b zur Filterung des Spannungssignales, um in Antwort auf das Filterschaltkreistaktsignal F1 das ge­ filterte Spannungssignal auszugeben, wobei der Signaler­ zeugungsschaltkreis 23 weiterhin das Filterschaltkreis­ taktsignal F1 in den Meß- und Selbstdiagnosemoden zur gleichen Periode erzeugt und die erste Periode unter­ schiedlich zur zweiten Periode ist.

Der Signalerzeugungsschaltkreis 24 beinhaltet den Os­ zillator 24a zur Erzeugung des Referenztaktsignales REF CLK; der Zählerschaltkreis 24b spricht auf das Referenz­ taktsignal REF CLK an, um das Filterschaltkreistaktsignal F1 mit dem gleichen Teilungsverhältnis in den Meß- und Selbstdiagnosenmoden zu erzeugen; weiterhin ist der pro­ grammierbare Zählerschaltkreis 24c zur Erzeugung des Ab­ tast- und Haltetaktsignales S2 und der Trägersignale PW1 und PW2 im Meßmodus und Selbstdiagnosemodus mit unter­ schiedlichen Teilungsverhältnissen vorgesehen.

Beschrieben wurde insoweit ein kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe, bei dem das Taktsignal für ei­ nen Abtast- und Halteschaltkreis zur Abtastung eines Aus­ gangs von einem C-V-Wandlerschaltkreis, erzeugt durch ei­ nen Steuersignalerzeugungsschaltkreis sich in der Periode vom Taktsignal für einen geschalteten Kondensatorfilter­ schaltkreis zur Filterung des Ausganges vom Abtast-Hal­ teschaltkreis unterscheidet, so daß das Taktsignal für den geschalteten Kondensatorfilterschaltkreis sich zwi­ schen einem Meß- und einem Selbstdiagnosemodus nicht än­ dert.

In obiger Ausführungsform wurde als kapazitiver Sen­ sor für eine physikalische Größe ein Beschleunigungssen­ sor beschrieben. Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor für eine physikalische Größe ist jedoch auch bei anderen Sensoren einsetzbar, beispielsweise Drucksensoren oder Gierratensensoren.

Claims (8)

1. Ein kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe, mit:
ersten und zweiten variablen Kondensatoren, von de­ nen jeder eine bewegliche Elektrode und eine feste Elek­ trode einander gegenüberliegend aufweist, wobei sich die Kapazitäten der ersten und zweiten variablen Kondensato­ ren abhängig von einer physikalischen Größe ändern, wel­ che auf die beweglichen Elektroden wirkt;
einer Signalerzeugungsvorrichtung zum periodischen Liefern von Trägersignalen an die festen Elektroden, um Änderungen in einer Differenzkapazität der ersten und zweiten variablen Kondensatoren während einer ersten Pe­ riode in einem Meßmodus und einer zweiten Periode in ei­ nem Selbstdiagnosemodus zu messen und um ein Verschie­ bungssignal zu erzeugen, um in der zweiten Periode des Selbstdiagnosemodus die beweglichen Elektroden zu ver­ schieben; und
einem Signalverarbeitungsschaltkreis, der aufweist:
einen C-V-Wandlerschaltkreis zum Wandeln eines La­ dungssignales, welches die Differenzkapazität anzeigt, in ein Spannungssignal; und
einen geschalteten Kondensatorfilterschaltkreis zum Filtern des Spannungssignals, um ein gefiltertes Span­ nungssignal in Antwort auf ein Filterschaltkreistaktsi­ gnal auszugeben, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung weiterhin das Filterschaltkreistaktsignal in den Meß- und Selbstdiagnosemoden mit gleicher Periode erzeugt und wo­ bei die erste Periode unterschiedlich zur zweiten Periode ist.

2. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 1, wobei der Signalverarbeitungsschaltkreis weiterhin einen Abtast- und Halteschaltkreis zum Abtasten und Halten des Spannungssignales in Antwort auf ein Ab­ tast- und Haltetaktsignal aufweist, welches sich in der Periode vom Filterschaltkreistaktsignal unterscheidet.

3. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 1, wobei der Signalverarbeitungsschaltkreis weiterhin einen Abtast- und Halteschaltkreis zum Abtasten und Halten der Spannungssignale in Antwort auf ein Ab­ tast- und Haltetaktsignal aufweist, dessen Periode zwi­ schen den Meß- und Selbstdiagnosemoden unterschiedlich ist.

4. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 2, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung weiterhin das Abtast- und Haltetaktsignal und das Filter­ schaltkreistaktsignal erzeugt und weiterhin eine Synchro­ nisationsvorrichtung aufweist zum synchronen Ausgeben des Abtast- und Haltetaktsignales und des Filterschaltkreis­ taktsignales.

5. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 3, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung weiterhin das Abtast- und Haltetaktsignal und das Filter­ schaltkreistaktsignal erzeugt und weiterhin eine Synchro­ nisationsvorrichtung aufweist zum synchronen Ausgeben des Abtast- und Haltetaktsignales und des Filterschaltkreis­ taktsignales.

6. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 4, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung einen programmierbaren Zählerschaltkreis zur Erzeugung der Trägersignale und des Abtast- und Haltetaktsignales während der ersten Periode und der zweiten Periode wäh­ rend der Meß- bzw. Selbstdiagnosemoden aufweist.

7. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 5, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung einen programmierbaren Zählerschaltkreis zur Erzeugung der Trägersignale und des Abtast- und Haltetaktsignales während der ersten Periode und der zweiten Periode wäh­ rend der Meß- bzw. Selbstdiagnosemoden aufweist.

8. Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung einen Oszillator zur Erzeugung eines Referenztaktsigna­ les, einen Zählerschaltkreis, der auf das Referenztaktsi­ gnal anspricht, um das Filterschaltkreistaktsignal mit dem gleichen Teilungsverhältnis in den Meß- und Selbst­ diagnosemoden zu erzeugen und einen programmierbaren Zäh­ lerschaltkreis beinhaltet, der auf das Referenztaktsignal anspricht, um das Abtast- und Haltetaktsignal und die Trägersignale in dem Meßmodus und dem Selbstdiagnosemodus mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen zu erzeugen.