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Die
Erfindung geht von einer Schaltung zur Wandlung der kapazitiven
Signaländerung
eines Differential-Kondensators in digitale Signale aus, wobei die
Schaltung einen Sigma-Delta-Modulator beinhaltet.
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Beschleunigungs-Sensoren
werden unter anderem mit mikromechanischen Differentialkondensatoren
dargestellt. Dabei wird eine kapazitive Signaländerung durch eine Auslenkung
x der gemeinsamen Elektrode (im weiteren Verlauf als seismische Masse
bezeichnet) verursacht. Die Auslenkung x kann durch von außen einwirkende
Beschleunigungen oder durch innerhalb des Systems aufgebrachte elektrostatische
Feldkräfte
entstehen. Die kapazitive Änderung
beträgt
für die
Teilkapazitäten
C 1 und C2: C1 = ε·A/(d + x), C2 = ε·A/(d – x).
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Dabei
ist ε die
Dielektrizitätskonstante,
A die von den Elektroden gebildete Kondensatorfläche und d der Plattenabstand
der Elektroden. Typische Ausleseschaltkreise zum Erfassen dieser
kapazitiven Signaländerungen
wenden die Switched-Capacitor-Schaltungstechnik an, um eine von
der kapazitiven Signaländerung
abhängige,
durch Referenzspannungen erzeugt Ladung durch Integration in eine
Spannung und anschließend
in ein digitales, Puls-Code-moduliertes Signal (PCM-Signal) zu wandeln.
Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Architekturen, um das analoge
kapazitive Signal in eine Spannung zu wandeln und anschließend zu
digitalisieren. Beide Ansätze
erzeugen dabei eine Umwandlung des kapazitiven Signals in eine Spannung
durch einen Ladungsverstärker.
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Im
ersten Ansatz wird diese Spannung digitalisiert. Hierbei gibt es
die Möglichkeit,
nach Filterung der Spannung eine Nyquist-Wandlung oder ohne Filterung
eine Modulations-Wandlung
der Spannung vorzunehmen. Im Falle der Modulations-Wandlung kann
der Differential-Kondensator Bestandteil der Signalzuführungsstruktur
eines klassischen Sigma-Delta-Wandlers sein.
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Im
zweiten Ansatz wird das Signal durch einen modulierten mechanischen
geschlossenen Regelkreis mit Hilfe der Sigma-Delta-Modulation digitalisiert.
Die Regelgröße ist dabei
die resultierende Krafteinwirkung auf die seismische Masse des Differential-Kondensators.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung geht von einer Schaltung zur Wandlung der kapazitiven
Signaländerung
eines Differential-Kondensators in digitale Signale aus, wobei die
Schaltung einen Sigma-Delta-Modulator beinhaltet. Der Kern der Erfindung
besteht darin, dass der Differentialkondensator Bestandteil der
Signalzuführungsstruktur
und der Referenzrückkopplungsstruktur
des Sigma-Delta-Modulators ist.
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Vorteilhaft
ist hierbei, dass eine Kapazitätsänderung
direkt von einem analogen Wert in ein digitales Signal, insbesondere
einen Bitstrom gewandelt werden kann. Der Vorteil der Erfindung
liegt weiterhin in der Verbesserung der Rausch-Eigenschaften gegenüber dem
im Stand der Technik vorgestellten zweiten Ansatz und in der Verbesserung
der Linearität
des Ausgangssignal gegenüber
dem im Stand der Technik vorgestellten ersten Ansatz. Eigenschaften von
Rauschen und Linearität
werden gegenüber
beiden Ansätzen
verbessert. Durch die Einbindung des Differential-Kondensators in
die Signalzuführungs- und die Referenzrückkopplungsstruktur
des Sigma-Delta-Wandlers wird das Ausgangssignal des Wandlers in
Form eines Binärstromes
in erster Näherung
nur abhängig
von der Auslenkung der seismischen Masse des Differential-Kondensators
und ist daher ein proportionales Maß zu der auf die seismische
Masse einwirkende Beschleunigung: PCM = k·(C1 – C2)/(C1
+ C2) ~ x/d.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Schaltung
neben dem Sigma-Delta-Modulator auch ein Dezimierfilter aufweist und
somit einen Sigma-Delta-Wandler
darstellt. Mittels eines Dezimierfilters kann die Abtastrate am
Ausgang gesenkt werden und das digitale Signal mittels eines Wortes
mit bestimmter Bitanzahl (Wortbreite) dargestellt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass
Mittel vorgesehen sind, mittels derer verschiedene Referenzspannungen
an die Elektroden (C1E, CME, C2E) des Differentialkondensators anlegbar
sind, und dass die Referenzspannungen in einem bestimmten zeitlichen
Muster mit bestimmter Amplitude wählbar sind. Durch verschieden
gewählte
Referenzspannungen können verschiedene
Wertebereiche und Auflösungen
des zu digitalisierenden Signals dargestellt werden. Außerdem werden
hierdurch vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Eine
erste vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch
eine geeignet gewählte Abfolge
der Referenzspannungen an den Elektroden (C1E, CME, C2E) ein Polaritätswechsel
des Eingangs-Signals realisiert ist. Vorteilhaft ist hierbei die Möglichkeit,
einen möglichen
Offset der Signalverarbeitungskette durch Modulation des Eingangssignals zu
eliminieren: PCM = ± k·(C1 – C2)/(C1 + C2) ~ ± x/d.
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Vorteilhaft
wird durch Synchrondemodulation der digitalen Signale am Ausgang
des Wandlers der Offset der Signalverarbeitung der Schaltung eliminiert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass
durch eine geeignete Wahl der Referenzspannungen an den Elektroden (C1E,
CME, C2E) eine Potentialgleichheit der Elektroden im zeitlichen
Mittel gegeben ist. Der Vorteil der zweiten vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung liegt in der Möglichkeit,
die zeitliche elektrische Aufladung der seismischen Masse und die
daraus entstehenden Änderung
des Ausgangs-Signals zu verhindern. ∫ϕC1E(t)dt
~ ∫ϕC2E(t)dt
~ ∫ϕCME(t)dt
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Vorteilhaft
ist schließlich,
dass eine Elektrode (CME) beweglich ist und dass die Struktur wenigstens
eine, durch elektrostatische Feldkräfte verursachte, Auslenkung
der beweglichen Elektrode (CME) als Eingangssignal einer Selbsttestfunktion erfasst.
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Bei
geeigneter Wahl der Referenzspannungen und eines geeigneten Taktschemas
zum Aufschalten dieser Referenzspannungen auf die Elektroden (C1E,
CME, C2E) kann eine Stellkraft auf die Elektrode (CME) ausgeübt werden.
Die in der Folge auftretende Auslenkung der Elektrode kann im Rahmen
einer Selbsttestfunktion ausgewertet werden.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt
einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik.
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2 zeigt
einen weiteren Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik.
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3 zeigt
das Taktschema für
einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik gemäß 1 oder 2.
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4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator
mit Differentialkondensator.
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5 zeigt
eine Schaltung zur Rückkopplung
verschiedener Referenzspannungen in einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator.
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6 zeigt
eine Schaltung zur Vertauschung verschiedener Referenzspannungen
in einem erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator.
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7 zeigt
einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
mit Sigma-Delta-Modulator
mit Differentialkondensator.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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Anhand
der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung
detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt
einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik. Die Schaltungsanordnung zeigt
einen einpolig geerdeten Signalpfad. Der Sigma-Delta-Modulator weist einen
Integrator mit geschalteten Kapazitäten 100 (engt.: SC-Integrator),
einen Komparator 200, einen Taktgeber 300, eine Schalteinheit 400,
drei Spannungseingänge 500 und einen
Ausgang 600 auf. An den Spannungseingängen 500 liegen eine
positive Referenzspannung Vrefp, eine negative Referenzspannung
Vrefn und eine Eingangsspannung Vin an. Die Signalzuführung erfolgt
also in Form der Eingangsspannung Vin. Der Integrator 100 weist
am Spannungseingang mit der positiven Referenzspannung Vrefp ein
erstes Schaltelement auf welches mittels eines Signals 1A geschlossen
werden kann. Mit dem Ausgang dieses ersten Schaltelements ist ein
weiteres Schaltelement verbunden, welches mittels eines Signals 2 geschlossen
werden kann und dabei eine Masseverbindung herstellt. Der Ausgang
des ersten Schaltelements ist weiterhin mit einem Kondensator Cp
verbunden. Der Integrator 100 weist am Spannungseingang
mit der negativen Referenzspannung Vrefn ein zweites Schaltelement
auf, welches mittels eines Signals 1B geschlossen werden
kann. Mit dem Ausgang dieses zweiten Schaltelements ist ein weiteres Schaltelement
verbunden, welches mittels eines Signals 2 geschlossen
werden kann und dabei eine Masseverbindung herstellt. Der Ausgang
des ersten Schaltelements ist weiterhin mit einem Kondensator Cn
verbunden. Der Integrator 100 weist am Spannungseingang
mit der Eingangsspannung Vin ein drittes Schaltelement auf welches
mittels eines Signals 1 geschlossen werden kann. Mit dem
Ausgang dieses dritten Schaltelements ist ein weiteres Schaltelement
verbunden, welches mittels eines Signals 2 geschlossen
werden kann und dabei eine Masseverbindung herstellt. Der Ausgang
des dritten Schaltelements ist weiterhin mit einem Kondensator Cs
verbunden. Die Ausgänge
der Kondensatoren Cp, Cn, und Cs sind miteinander verbunden und
leiten ein Signal 130 zu einem Schaltelement weiter, welches mittels
eines Signals 2 geschlossen werden kann. Das Signal 130 wird
dadurch einem Integrationsglied 110 zugeführt. Das
Integrationsglied 110 umfasst einen Kondensator CI und
einen Verstärker 120.
Das Integrationsglied 110 stellt an seinem Ausgang eine analoge
Ausgangsspannung Vout in Form eines Signals 150 bereit,
welches einem Schwellwertschalter, in diesem Beispiel einem Komparator 200 zugeführt wird.
Der Komparator stellt an seinem Ausgang einen Binärstrom 600 bereit.
Der Sigma-Delta-Modulator weist weiterhin einen Taktgeber 300 auf,
der zwei Ausgänge
besitzt. Der Taktgeber gibt an den beiden Ausgängen in einem nichtüberlappenden
2-Phasen-Takt die Taktsignale 1 und 2 aus. Schließlich weist
der Sigma-Delta-Modulator eine Schalteinheit 400 auf, welche
zwei Signaleingänge
und 2 Signalausgänge
besitzt. An den Signaleingängen
liegen der Binärstrom 600 und
das Taktsignal 2 an. An den Signalausgängen werden die Schaltsignale 1A und 1B bereitgestellt.
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2 zeigt
einen weiteren Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik. Der
Sigma-Delta-Modulator
nach 1 wurde leicht vereinfacht. Die Funktion der geschalteten
Kondensatoren Cp und Cn wird hier durch einen gemeinsamen Kondensator
CR dargestellt.
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3 zeigt
das Taktschema für
einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik gemäß 1 oder 2.
Dargestellt sind in Bezug auf eine gemeinsame Zeitachse t die logischen
Zustände
H (aktiv) und L (inaktiv). Die Taktsignale 1 und 2 stellen einen
nichtüberlappenden
2-Phasen-Takt dar. Die Schaltsignale 1A und 1B werden
in der Schalteinheit 400 nach folgenden logischen Regeln
generiert:
1A = H, wenn Taktsignal 1 = HUND Binärstrom 600 = H,
1B
= H, wenn Taktsignal 1 = HUND Binärstrom 600 = L.
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Die
Taktsignale 1A und 1B stellen eine Signalrückführung vom
Binärstrom 600 am
Ausgang des Sigma-Delta-Modulators über die Schalteinheit 400, über die
Schaltelemente, welche die Spannungen Vrefp und Vrefn zuschalten
und über
die Kondensatoren C1 und C1 zum Eingangssignal 130 des
Integrationsgliedes 110 dar. Die Kondensatoren C1 und C1
sind damit Bestandteil der Referenzrückkopplungsstruktur.
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Wendet
man das hier erläuterte
Taktschema auf einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik
gemäß 1 an,
so erhält
man für
die Ausgangsspannung (Vout) 150 im Taktschritt n + 1 nach dem Taktschritt
n:
Wenn gilt 1A = H, dann ist Voutn + 1
= Voutn + (C1/C2)·Vin
+ (Cp/C2)·Vrefp, Wenn
gilt 1 B = H, dann ist Voutn + 1 = Voutn + (C1/C2)·Vin +
(Cn/C2)·Vrefn.
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4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator
mit Differentialkondensator. Abweichend von dem in 1 dargestellten
Sigma-Delta-Modulator
weist dieser nur zwei Spannungseingänge 501 auf, an welche
die Spannungen Vrefp und Vrefn angelegt sind. Eine Eingangsspannung
Vin ist nicht vorgesehen. Weiterhin entfällt auch der Kondensator Cs.
Die festen Kondensatoren Cp und Cn werden im erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator
nunmehr durch die Kapazitäten
C1 und C2 eines Differentialkondensators dargestellt. Ein solcher Differentialkondensator
kann zum Beispiel ein kapazitiver Messwertaufnehmer eines mikromechanischen
Beschleunigungssensors sein. Die Signalzuführung erfolgt also in Form
der veränderlichen
Kapazitäten
C1 und C2 des Differentialkondensators. Das bedeutet, der Differentialkondensator
ist Teil der Signalzuführungsstruktur.
Weiterhin findet das in 3 dargestellte Taktschema Anwendung.
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Der
erfindungsgemäße Sigma-Delta-Modulator
wandelt die Änderungen
der analogen Differentialkapazitäten
in einen Bitstrom 600 um.
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Für die Differentialkapazitäten gilt: C1 = C0·((e·A)/(Δd + d)) C2 = C0·((e·A)/(Δd – d))
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In
Näherung
gilt: C1 = C0 – ΔC C2
= C0 + ΔC
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Der
Differential-Kondensator ersetzt vollständig die im Prinzip bekannte
Signalzuführungs- und
die Referenzrückführungsstruktur
einer typischen Integratorstufe eines Sigma-Delta-Wandlers. Die
Erfindung lässt
sich dabei ebenso in einem einpolig geerdeten Signalpfad wie in
einem zweipoligen Signalpfad ausführen. In allen hier gegebenen
Erläuterungen
wird ein einpolig geerdeter Signalpfad angenommen.
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Durch
die Regelung des Sigma-Delta-Wandlers und die gleichzeitige Anwendung
des Differential-Kondensators in Signalzuführung und Referenzrückführung des
Modulators wird am Ausgang des Komparators ein Binärstrom erzeugt.
Das Gewicht des Binärstromes 600 des
Modulators entspricht der Beziehung: PCM = k·(C1 – C2)/(C1
+ C2) = Δd/d.
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Dieser
Zusammenhang verdeutlicht die Linearität des Ausgangssignals zu der
Auslenkung der seismischen Masse.
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5 zeigt
eine Schaltung zur Rückkopplung
verschiedener Referenzspannungen in einem erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator.
Dargestellt ist die Schaltung eines erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulators
von den Spannungseingängen der
Referenzspannungen bis zum Signal 130. Wie in 5 dargestellt,
werden verschiedenen Referenzspannungen zu verschiedenen Zeiten
an Elektroden C1E, CME und C2E eines Differentialkondensators, bestehend
aus den Teilkapazitäten
C1 und C2 angeschlossen. Die verschiedenen Referenzspannungen werden
als VxP und VxN mit x ∊ (1,2,3) und VxP = – VxN mit
x ∊ (1,2,3) bezeichnet, die verschiedenen Zeiten werden
mittels der aus 2 bekannten Taktsignale 1A, 1B und 2 definiert.
Die Zeiten stellen den bekannten 2-Phasen-Takt dar, wobei die Unterscheidung
A und B der Phase 1 in Abhängigkeit
vom Bitstrom 600 am Ausgang des Komparators 200 des Sigma-Delta-Wandlers
in der Schalteinheit 400 getroffen wird.
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6 zeigt
eine Schaltung zur Vertauschung verschiedener Referenzspannungen
in einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator.
Eine erste vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine
Modulation, indem die Muster der Ansteuerung A und B um die Muster
X und Y erweitert werden. Dabei werden gemäß 6 in Abhängigkeit
des Wechsels von X und Y die Referenzspannungen VxN und VxP an den
Elektroden C1E und C2E und gleichzeitig die Modulatorausgangs-abhängigen Zustände A und B
gegeneinander vertauscht. Das Vertauschen der Referenzspannungen
und der Zustände
erfolgt beispielsweise mittels einer hier nicht näher dargestellten
Schalteinheit. Der zeitliche Wechsel der Zustände X und Y entspricht dabei
einer Frequenz, die eine andere ist, als die Modulationsfrequenz
des Sigma-Delta-Modulators. Es entsteht am Ausgang des Komparators
ein Binärstrom 600 mit
der Beziehung: PCM = ±|X,Y k·(C1 – C2)/(C1
+ C2) ~ ±|X,Y Δd/d.
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Es
entsteht in Abhängigkeit
des Zustandes X oder Y ein Polaritätswechsel des PCM-Signals, so dass
sich durch anschließende
digitale Synchrondemodulation mit der Modulationsfreguenz der Zustände X und
Y ein Signalversatz (engt.: Offset) der Signalverarbeitung innerhalb
des Sigma-Delta-Wandlers eliminieren lässt.
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Eine
zweite vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß 5 ermöglicht die
zeitlich-integrale Potentialgleichheit der Elektroden C1E, CME und C2E.
Hierzu wird die Referenzspannung V2P und V2N gewählt als: V2P
= 0.5·(V1P
+ V3P), V2N = 0.5·(V1N + V3N).
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Durch
die im Mittel ausgewogene Verteilung der Zustände A und B wird an jede Elektrode
eine Abfolge von Referenzspannungen angeschlossen, die im zeitlichen
Mittel eine hohe Potentialgleichheit von C1E, CME und C2E hervorruft. ∫ϕC1E(t)dt
~ ∫ϕC2E(t)dt
~ ∫ϕCME(t)dt
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Eine
dritte vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht ein
Auslenken der seismischen Masse eines aus der Ruhelage durch Anlegen
von elektrischen Feldern innerhalb der Kondensatoren C1 und C2 mittels
Test-Spannungen. Dies kann durch Überlagerung von additiven Test-Spannungen über den
Spannungen VxP und VxN oder durch Anlegen von Test-Spannungen und
Anlegen der Auslesespannungen VxP und VxN im Zeitmultiplex erfolgen.
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Es
sind daneben auch weitere vorteilhafte Weiterbildungen denkbar.
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7 zeigt
einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
mit Sigma-Delta-Modulator
mit Differentialkondensator. Der Beschleunigungssensor besteht aus
einem mikromechanischen Funktionsteil 700 und einer Auswerteeinheit 750.
Der mikromechanische Funktionsteil 700 umfaßt eine
seismische Masse 710, die mittels Federelemente 712 an
einem einen festen Teil 714 aufgehängt ist. Die seismische Masse
kann durch äußere Beschleunigungen
entlang einer empfindlichen Achse x ausgelenkt werden. Daneben weist
der mikromechanische Funktionsteil 700 wenigstens zwei
feste Elektroden C1E und C2E auf. Die seismische Masse 710 weist
eine Elektrode CME auf, die mit der seismischen Masse beweglich ist
in Bezug auf die festen Elektroden. Die bewegliche Elektrode CME
bildet mit der festen Elektrode C1E die veränderliche Kapazität C1 und
mit der festen Elektrode C2E die veränderliche Kapazität C2. Die
Elektroden C1E, CME und C2E bilden zusammen einen Differentialkondensator.
Sie sind mittels elektrischer Leitungen 716, 130 mit
der Auswerteeinheit 750 verbunden. Der Differentialkondensator
und die Auswerteeinheit stellen zusammen einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator
dar.
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Es
sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele
denkbar. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Sigma-Delta-Modulator auch
bei Drehratensensoren eingesetzt werden.