DE102004061450A1 - Resistive sensor with deformable body measuring e.g. pressure, force, acceleration or position, contains two resistive elements with differing sensitivity functions - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen resistiven Sensor mit einem Verformungskörper, insbesondere einen resistiven Drucksensor, Kraftsensor, Beschleunigungssensor, oder Lagesensor.The The invention relates to a resistive sensor having a deformation body, in particular a resistive pressure sensor, force sensor, acceleration sensor, or position sensor.
Resistive Sensoren weisen gewöhnlich eine Brückenschaltung in einer so genannten Vollbrückenanordnung mit vier Widerstandselementen auf, wobei die Widerstandselemente in der Gleichgewichtslage alle den gleichen Widerstandswert aufweisen, die beiden jeweils gegenüber liegenden Widerstandselemente eine identische Verformungsabhängigkeit aufweisen und die jeweils benachbarten Widerstandselemente eine zu einander und deren Verformungsabhängigkeit entgegen gesetzte Verformungsabhängigkeit aufweisen. Die Brückenschaltung wird gewöhnlich mit einem konstanten Strom oder einer konstanten Spannung in der so genannten Längsrichtung gespeist und der so genannte Diagonalstrom bzw. die Diagonalspannung wird als verformungsabhängiges Primärsignal abgegriffen.resistive Sensors usually have a bridge circuit in a so-called full bridge arrangement with four resistive elements, the resistive elements all have the same resistance in the equilibrium position, the two opposite each other lying resistance elements an identical deformation dependence have and the respective adjacent resistance elements a opposed to each other and their deformation dependence deformation dependence exhibit. The bridge circuit becomes ordinary with a constant current or a constant voltage in the so-called longitudinal direction fed and the so-called diagonal current or the diagonal voltage becomes as deformation-dependent primary signal tapped.
Wenngleich Sensoren mit Widerstandsbrückenschaltungen grundsätzlich bewährt sind, besteht Interesse an Sensoren mit einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis und/oder mit einer reduzierten Leistungsaufnahme.Although Sensors with resistance bridge circuits in principle proven are interested in sensors with an improved signal-to-noise ratio and / or with a reduced power consumption.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Sensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.The The object is achieved by the sensor according to the independent claim 1.
Der
erfindungsgemäße Sensor
zum Erfassen einer Messgröße umfasst
mindestens
ein erstes Widerstandselement mit einer ersten Messgrößenabhängigkeit
seiner Impedanz,
mindestens ein zweites Widerstandselement
mit einer zweiten Messgrößenabhängigkeit
seiner Impedanz wobei die zweite Messgrößenabhängigkeit unterschiedlich zur
ersten Messgrößenabhängigkeit
ist;
und eine elektrische Schaltung zur Messung der jeweiligen
Impedanzen der Widerstandselemente und zur Bestimmung der Messgröße anhand
der ermittelten Impedanzen.The sensor according to the invention for detecting a measured variable comprises
at least one first resistance element having a first measured variable dependence of its impedance,
at least one second resistance element having a second measured variable dependency of its impedance, wherein the second measured variable dependency is different from the first measured variable dependency;
and an electrical circuit for measuring the respective impedances of the resistance elements and for determining the measured variable on the basis of the determined impedances.
Die Impedanzen werden in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sequentiell erfasst. Hierzu werden die Widerstandselemente entweder mit einem vorgegebenen Strom gespeist und die Spannung über dem Widerstandselement wird gemessen, oder es wird entsprechend der resultierende Strom bei vorgegebener Spannung erfasst.The Impedances are in a presently preferred embodiment of Invention detected sequentially. For this purpose, the resistance elements either powered with a given current and the voltage across the Resistive element is measured or it is according to the resulting current detected at a given voltage.
Die zweite Messgrößenabhängigkeit der Impedanz des zweiten Widerstandselements ist beispielsweise der ersten Messgrößenabhängigkeit der ersten Impedanz des ersten Widerstandselements entgegengesetzt, insbesondere in erster Näherung antisymmetrisch.The second measured variable dependence the impedance of the second resistive element is, for example the first measured variable dependence opposite to the first impedance of the first resistive element, especially in a first approximation antisymmetric.
Die Widerstandselemente können eine Querempfindlichkeit zu einer Störgröße aufweisen, beispielsweise der Temperatur.The Resistance elements can have a cross-sensitivity to a disturbance, for example the temperature.
Zur Ermittlung der Störgröße kann der Sensor einen vorzugsweise von der Messgröße unabhängigen Störgrößenhilfssensor aufweisen, und/oder die Störgröße kann anhand der Impedanzen, des ersten und zweiten Widerstandselements ermittelt werden.to Determining the disturbance variable can the sensor has a disturbance variable sensor which is preferably independent of the measured variable, and / or the Disturbance can based on the impedances of the first and second resistive elements be determined.
Zur
Ermittlung der Temperatur kann beispielsweise ein messgrößenunabhängiger temperaturabhängiger Widerstand
vorgesehen sein. Andererseits kann die Temperatur beispielsweise
aus der Summe der Widerstandswerte des ersten Widerstandselements
und des zweiten Widerstandselements mit hinreichender Genauigkeit
abgeschätzt werden,
sofern die Messgrößenabhängigkeit
des Widerstandswerts, bzw. der Impedanz, der beiden Widerstandselements
hinreichend antisymmetrisch ist. In diesem Fall kann die Temperatur
durch eine Funktion, beispielsweise durch ein Polynom, insbesondere
zweiter Ordnung, von der Summe der Widerstandswerte Z1 +
Z2 = ΣZ
angenähert
werden.
Die
solchermaßen
ermittelte Temperatur geht in die Ermittlung der Messgröße ein,
die beispielsweise als eine Funktion der Differenz der Widerstandswerte
Z1 – Z2 = ΔZ
und der zuvor ermittelten Temperatur angenähert werden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Sensor vier Widerstandselemente, nämlich zwei Widerstandselemente eines ersten Typs mit einer ersten Messgrößenabhängigkeit und zwei Widerstandselemente eines zweiten Typs mit einer zweiten Messgrößenabhängigkeit, die sich von der ersten Messgrößenabhängigkeit unterscheidet und dieser insbesondere entgegengesetzt ist.In According to a development of the invention, the sensor comprises four resistance elements, namely two resistive elements of a first type with a first measured variable dependence and two resistance elements of a second type with a second measured variable dependence, which depends on the first measured quantity dependency differs and this is in particular opposite.
Die Widerstandselemente können beispielsweise auf einem Verformungskörper so angeordnet sein, wie es für eine Vollbrückenschaltung üblich ist, d.h. einander gegenüberliegende Elemente weisen die gleiche Messgrößenabhängigkeit auf und benachbarte Widerstandselemente weisen die entgegen gesetzte Messgrößenabhängigkeit auf.The Resistance elements can for example, be arranged on a deformation body, as it for a full bridge circuit is common, i. opposite each other Elements have the same measure size dependency and adjacent ones Resistor elements have the opposite measured variable dependence on.
Die Widerstandselemente sind so verschaltet, dass die jeweiligen Impedanzen der Widerstandselemente einzeln sequentiell erfasst werden können. Anhand der einzelnen Impedanzen lässt sich die herkömmlichen Größen einer Brücke ermitteln, falls die Bestimmung der Messgröße mit einer herkömmlichen Auswertungsschaltung erfolgen soll. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ermittlung der Einzelimpedanzen besteht darin, dass die Aussteuerung der Einzelimpedanzen um einen Faktor 2 höher ist und damit das Signal-zu Rauschen-Verhältnis um 6 dB verbessert wird.The resistance elements are so verschal tet that the respective impedances of the resistive elements can be detected individually sequentially. On the basis of the individual impedances, the conventional sizes of a bridge can be determined, if the determination of the measured variable is to take place with a conventional evaluation circuit. The advantage of the determination according to the invention of the individual impedances is that the modulation of the individual impedances is higher by a factor of 2 and thus the signal-to-noise ratio is improved by 6 dB.
Die Zeit zur Ermittlung der Impedanzen hängt von den jeweiligen Widerstandswerten und von den Kapazitäten des Widerstandselementes und der zugehörigen Leitungen ab. Das Tastverhältnis kann der gewünschten zeitlichen Auflösung des Messsignals angepasst werden. Für ein Widerstandselement mit beispielsweise einer Impedanz von etwa 5 kΩ und einer Kapazität von etwa 30 pF ergibt sich eine RC Zeitkonstante von etwa 150 ns. Eine hinreichend genaue Bestimmung der Impedanz ist daher ohne weiteres binnen 1 μs möglich.The Time to determine the impedances depends on the respective resistance values and of the capacities of the resistive element and the associated lines. The duty cycle can the desired temporal resolution be adapted to the measurement signal. For a resistance element with For example, an impedance of about 5 kΩ and a capacity of about 30 pF results in an RC time constant of about 150 ns. A sufficient Accurate determination of the impedance is therefore possible within 1 μs.
Die Widerstandselemente können insbesondere piezoresistive Widerstandselemente sein, die beispielsweise monolithisch in einem Halbleiter ausgebildet oder auf der Oberfläche eines Substrats angeordnet sind. Gleichermaßen können die Widerstandselemente Dehnungsmessstreifen umfassen.The Resistance elements can in particular piezoresistive resistance elements, for example monolithically formed in a semiconductor or on the surface of a Substrate are arranged. Likewise, the resistive elements Include strain gauges.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst beispielsweise einen Verformungskörper, welcher das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Widerstandselement aufweist, wobei der Verformungskörper in Abhängigkeit von der Messgröße verformbar ist. Um die angestrebte entgegen gesetzten Messgrößenabhängigkeiten der ersten und zweiten Impedanzen zu erzielen, sind die das mindestens eine erste Widerstandselement und das mindestens eine zweite Widerstandselement an unterschiedlichen Positionen positioniert und/oder unterschiedlich orientiert, so dass beispielsweise das erste Widerstandselement mit bei einer Auslenkung des Verformungskörpers gestaucht und das zweite Widerstandselement bei der gleichen Auslenkung gedehnt wird.Of the inventive sensor For example, includes a deformation body, which at least a first and the at least one second resistance element, wherein the deformation body dependent on deformable by the measured variable is. To the desired opposite measured variable dependencies the first and second impedances are the at least one first resistive element and the at least one second resistive element positioned at different positions and / or oriented differently, so that, for example, the first resistance element with at Deflection of the deformation body upset and the second resistance element at the same deflection is stretched.
Der Verformungskörper kann beispielsweise einen Biegebalken, ein Rohr oder eine Membran usw. umfassen.Of the deformable body For example, a bending beam, a pipe or a membrane, etc. include.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert es zeigtThe Invention will now be explained with reference to an embodiment shows
In der Gleichgewichtslage weisen die verformungsabhängigen Widerstandselemente den gleichen Widerstand auf.In the equilibrium position, the deformation-dependent resistive elements the same resistance.
Die
Widerstandselemente sind an eine Ansteuerungsschaltung
Mehrere
piezoresistive Widerstandselemente
Die Temperatur und die jeweilige Messgröße, beispielsweise die Durchbiegung des Biegebalkens oder ein Druckwert können dann anhand der Gleichungen 1 und 2 oder ähnlicher Modelle ermittelt werden.The Temperature and the respective measured variable, for example the deflection of the bending beam or a pressure value can then be determined by the equations 1 and 2 or more Models are determined.
In
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der resistive Sensor eine
erste Strom- oder Spannungsquelle- und eine zweite Strom oder Spannungsquelle;
ein
erstes Paar von Widerstandselementen, welches ein erstes Widerstandselement
mit einer ersten Messgrößenabhängigkeit
seiner Impedanz und ein zweites Widerstandselement mit einer zweiten
Messgrößenabhängigkeit
seiner Impedanz aufweist, wobei die zweite Messgrößenabhängigkeit
unterschiedlich zur ersten Messgrößenabhängigkeit ist;
ein zweites
Paar von Widerstandselementen, welches ein drittes Widerstandselement
mit einer dritten Messgrößenabhängigkeit
seiner Impedanz und
ein viertes Widerstandselement mit einer
vierten Messgrößenabhängigkeit
seiner Impedanz aufweist, wobei die vierte Messgrößenabhängigkeit
unterschiedlich zur dritten Messgrößenabhängigkeit ist;
und eine
elektrische Schaltung zur Messung der jeweiligen Impedanzen der
Widerstandselemente und zur Bestimmung der Messgröße anhand
der ermittelten Impedanzen; wobei
die Strom- bzw. Spannungsquellen
alternierend die Widerstandselemente im ersten Widerstandspaar und
zweiten Widerstandspaar speisen.In a development of the invention, the resistive sensor comprises a first current or voltage source and a second current or voltage source;
a first pair of resistive elements having a first resistive element having a first measured variable dependency of its impedance and a second resistive element having a second measured variable dependency of its impedance, wherein the second measured variable dependency is different from the first measured variable dependency;
a second pair of resistive elements comprising a third resistive element having a third measured variable dependence of its impedance and
a fourth resistive element having a fourth measured variable dependence of its impedance, wherein the fourth measured variable dependence is different from the third measured variable dependency;
and an electrical circuit for measuring the respective impedances of the resistance elements and for determining the measured variable on the basis of the determined impedances; in which
the current or voltage sources alternately feed the resistive elements in the first resistor pair and the second resistor pair.
Die beiden Strom- bzw. Spannungsquellen sollten idealtypisch den gleichen Strom bzw. die gleiche Spannung ausgeben. Weiterhin sollten das erste und das dritte Widerstandselement vorzugsweise eine gleiche Messgrößenabhängigkeit und aufweisen, und das zweite und vierte Widerstandselement sollten eine gleiche Messgrößenabhängigkeit aufweisen, welche jener der anderen beiden Widerstandselemente entgegengesetzt ist.The both current and voltage sources should ideally be the same Output current or the same voltage. Furthermore, that should first and the third resistance element preferably a same Measuring size dependence and should and the second and fourth resistive elements should an equal measurement quantity dependency which are opposite to those of the other two resistance elements is.
Bei der alternierenden Speisung der Widerstandspaare durch die beiden Spannungs- oder Stromquellen, speisen die Quellen zunächst die Widerstände des jeweils ihnen zugeordneten Widerstandspaars einzeln, so dass die Einzelimpedanzen ermittelt werden können. Danach werden die Zuordnungen der Widerstandspaare zu den Quellen vertauscht, und die Bestimmung der Einzelimpedanzen werden vertauscht.at the alternating supply of the pairs of resistors by the two Voltage or current sources, the sources feed the first resistors each of them associated resistor pair individually, so that the individual impedances can be determined. After that, the mappings the resistance pairs are swapped to the sources, and the provision the individual impedances are reversed.
Durch Vergleich der ermittelten Einzelimpedanzen mit den unterschiedlichen Quellen können Fehler der Quellen beispielsweise durch Mittelwertbildung eliminiert werden.By Comparison of the determined individual impedances with the different ones Sources can be mistakes the sources are eliminated, for example by averaging.
Claims (13)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE200410061450 DE102004061450A1 (en) | 2004-12-17 | 2004-12-17 | Resistive sensor with deformable body measuring e.g. pressure, force, acceleration or position, contains two resistive elements with differing sensitivity functions |
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- 2004-12-17 DE DE200410061450 patent/DE102004061450A1/en not_active Ceased
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