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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen eines Offsets
eines Sensorelements gemäß Anspruch
1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 10.
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Häufig werden
bei Sicherheitssystemen, insbesondere bei Insassenschutzsystemen
so genannte Assistenzsensoren, beispielsweise Seiten- oder Up-Front-Sensoren
eingesetzt, um möglichst
frühzeitig
und exakt eine bestimmte Crashsituation zu erkennen. Derartige Sensoren
enthalten meist neben einem Sensorelement, das beispielsweise eine
Krafteinwirkung oder Beschleunigung erfasst und in eine elektrische
Spannung wandelt, eine Signalverarbeitungselektronik, die ausgebildet
ist, die vom Sensorelement erzeugte elektrische Spannung für eine nachfolgende
Verarbeitung, beispielsweise mit einem Crashalgorithmus aufzubereiten,
und daher auch häufig
als Signalaufbereitung bezeichnet wird. Durch die Aufbereitung wird
die elektrische Spannung meistens in ein Signal eines vorgegebenen Wertebereichs
abgebildet, um eine zuverlässige
Weiterverarbeitung sicherzustellen.
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Problematisch
ist bei den Assistenzsensoren allerdings, dass sie schnell in den
so genannten Überlastbereich
gelangen, da sie sich in der Regel in unmittelbarer Nähe der bei
einem Zusammenstoß auftretenden
Krafteinwirkung befinden. Die auf das Sensorelement einwirkende
physikalische Größe kann
daher innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne nach einem Zusammenstoß sehr hohe
Werte annehmen. Unter Überlastbereich
wird hier ein Bereich verstanden, in dem die auf ein Sensorelement
einwirkende physikalische Größe einen
Wert aufweist, der außerhalb
von Verarbeitungsgrenzen vor allem der Signalverarbeitungselektronik
liegt, d.h. nicht mehr in ein Signal des vorgegebenen Wertebereichs
abgebildet werden kann, da er zu groß ist.
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Das
vom Sensor im Überlastbereich
erzeugte Signal weist daher Beschneidungen und Verzerrungen auf,
die eine sinnvolle Weiterverarbeitung beispielsweise in einem Crashalgorithmus
be- oder sogar ganz verhindern. Ein Offset(fehler) eines Sensorelements,
d.h. eine Abweichung im Sensorelement von einem Idealzustand, beispielsweise
eine Ungenauigkeit aufgrund einer Fertigungstoleranz, eines Temperatureinflusses
oder einer mechanischen Verspannung, kann zudem bewirken, dass noch
schneller ein Signal in den Überlastbereich
gerät,
da der Offset in der vom Sensorelement erzeugten elektrischen Spannung
eine Unsymmetrie bewirkt. In der Praxis können aufgrund eines derartigen
Offsets unsymmetrische Beschneidungen und Verzerrungen entstehen,
die eine erhebliche Fehleinwirkung auf die nachfolgenden Verarbeitungseinheiten
bewirken können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein
Verfahren vorzuschlagen, mit denen die Auswirkungen eines Offsets eines
Sensorelements, insbesondere eines Offsets eines Sensorelements
für eine
Sicherheitseinrichtung eines Fahrzeugs beeinflusst werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Einstellen eines Offsets
eines Sensorelements mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein entsprechendes
Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, den Offset(fehler)
eines Sensorelements gezielt einzustellen, um darüber das
Ausgangssignal eines Sensorelements zu beeinflussen, beispielsweise
indem ein Ruhewert des Ausgangssignals auf einen vorgegebenen Wert
eingestellt wird. Unter dem Ruhewert des Sensorelements wird hierbei
der Wert des Ausgangssignals verstanden, der erzeugt wird, wenn
das Sensorelement im Wesentlichen unbelastet ist, also beispielsweise
wenn auf einen Beschleunigungssensor eines Fahrzeug-Sicherheitssystems im
Wesentlichen keine Beschleunigung oder bei einem Drehratensensor
im Wesentlichen keine Drehbeschleunigung wirkt. Die Erfindung ermöglicht es vor
allem, einen herstellungsbedingten Offsetfehler, wie er beispielsweise
bei mikromechanischen Beschleunigungs- oder Drehratensensoren aufgrund produktionstechnischer
Abweichungen bei den Ätz- und
Beschichtungsprozessen unvermeidbar ist, oder einen Offsetfehler
aufgrund von Temperatureffekten oder mechanischen Verspannungen
zu kompensieren oder zumindest korrigieren, oder auch das Ausgangssignal
gezielt derart zu „verschieben", dass Beschneidungen
und Verzerrungen im Überlastbereich eines
Sensors beispielsweise durch ein Überschreiten einer Aussteuergrenze
durch das Ausgangssignal des Sensorelements nicht oder nur in geringem Maße auftreten
oder ein Driften des Ausgangssignals zumindest teilweise kompensieren
zu können.
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Die
Erfindung betrifft nun gemäß einer
Ausführungsform
eine Vorrichtung zum Einstellen eines Offsets eines Sensorelements
mit einer Einstellvorrichtung zum Einstellen des Offsets abhängig von
einem vorgegebenen Einstellwert.
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Das
Sensorelement kann beispielsweise ein mikromechanischer Beschleunigungs-
oder Drehratensensor sein. Die Vorrichtung kann beispielsweise in
die Sensorsignalverarbeitungselektronik direkt integriert oder in
die Auswertung des Ausgangssignals implementiert sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
die gezielte Einstellung des Ruhewerts des Sensorelement-Ausgangssignals
durch die Einstellung des Offsets abhängig von der Vorgabe des Einstellwerts.
Damit wird die Kompensation von unerwünschten Effekten wie Abweichungen
des Ruhewerts des Ausgangssignals von einem geforderten Wert und
eine Drift oder die Erweiterung des Aussteuerbereichs in eine gewünschte Richtung
ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann ferner eine Offsetkompensation zum Ermitteln
des Offsets des Sensorelements und zum Erzeugen des vorgegebenen
Einstellwerts abhängig vom
ermittelten Offset vorgesehen sein. Dadurch kann beispielsweise
ein produktionstechnisch bedingter Offset oder ein Offset aufgrund
von Temperatureffekten oder mechanischen Spannungen im Wesentlichen
kompensiert werden.
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Die
Offsetkompensation kann gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung eine Anregungseinrichtung zum Anregen des Sensorelements
und eine Offsetermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Offsets
des angeregten Sensorelements umfassen. Dies ist vor allem bei Sensorelementen
wie Beschleunigungs- oder Drehratensensoren hilfreich, die in der
Regel ohne externe Anregung kein signifikantes Ausgangssignal liefern.
Durch die Anregungseinrichtung kann ein derartiges Sensorelement
gezielt zum Erzeugen eines für
die Offsetkompensation geeigneten Ausgangssignals angeregt werden.
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Insbesondere
kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung die Einstellvorrichtung zum Erzeugen eines Einstellsignals
abhängig
vom vorgegebenen Einstellwert ausgebildet sein. Das Einstellsignal
kann insbesondere ein analoges Signal, beispielsweise eine Spannung
sein, während
der Einstellwert vor allem ein digitaler Wert sein kann. Das Einstellsignal
kann direkt dem Sensorelement zugeführt sein und das Sensorelement
derart einstellen, dass der Offset einem Zielwert, der insbesondere
abhängig
vom vorgegebenen Einstellwert ist, entspricht. Insbesondere im Falle
eines kapazitiven Beschleunigungssensors als Sensorelement kann
das Einstellsignal eine elektrische Spannung sein, die an das Sensorelement
angelegt ist, um den Sensorelement-Offset entsprechend dem vorgegebenen
Einstellwert einzustellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann das Sensorelement ein kapazitiv-elektrischer
Wandler, insbesondere ein mikromechanischer Beschleunigungs-, Körperschall-
oder Drehratensensor mit einer kapazitiven Messbrücke sein,
die mit einem Modulationssignal angeregt werden kann, wobei dem
Modulationssignal ein dem vorgegebenen Einstellwert entsprechender
Anteil zum Einstellen des Offsets überlagert werden kann.
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Insbesondere
kann gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung das Sensorelement eine Versteileinrichtung zum Verstimmen
zumindest eines Elements des kapazitiv-elektrischen Wandlers aufweisen, über die
der Offset eingestellt werden kann.
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Ferner
können
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ein Generator zum Erzeugen des Modulationssignals
und ein Addierer zum Überlagern des
dem vorgegebenen Einstellwert entsprechenden Anteils vorgesehen
sein.
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Das
Sensorelement kann insbesondere ein mikromechanischer Beschleunigungs-,
Körperschall- oder
Drehratensensor, insbesondere MEMS-Zellen, sein.
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Die
Erfindung betrifft ferner gemäß einer Ausführungsform
einen Sensor für
eine Anwendung in einem Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor um einen Crashsensor,
insbesondere einen Beschleunigungs-, Drehraten-, Druck- oder dergleichen
Sensor zum Detektieren eines Aufpralls handeln.
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Der
Sensor ist gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung für
eine Sicherheitseinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere als Assistenzsensor für ein Insassenschutzsystem
ausgebildet.
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Die
Erfindung betrifft gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ein Verfahren zum Einstellen des Offsets eines Sensorelements, bei
dem der Offset abhängig
von einem vorgegebenen Einstellwert eingestellt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Offset des Sensorelements ermittelt und der
vorgegebene Einstellwert abhängig
vom ermittelten Offset erzeugt werden.
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Insbesondere
kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung das Sensorelement angeregt und der Offset des angeregten
Sensorelements ermittelt werden.
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Ein
Einstellsignal kann gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung abhängig
vom vorgegebenen Einstellwert erzeugt und das Einstellsignal direkt
dem Sensorelement zugeführt
werden und das Sensorelement derart einstellen, dass der Offset
dem vorgegebenen Einstellwert entspricht.
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Das
Sensorelement kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ein kapazitiv-elektrischer Wandler, insbesondere ein
mikromechanischer Beschleunigungs-, Körperschall- oder Drehratensensor mit
einer kapazitiven Messbrücke
sein, die mit einem Modulationssignal angeregt wird, wobei dem Modulationssignal
ein dem vorgegebenen Einstellwert entsprechender Anteil zum Einstellen
des Offsets überlagert
wird.
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Der
Offset kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung durch Verstimmen zumindest eines Elements des kapazitiv-elektrischen
Wandlers, beispielsweise einer Kapazitätselektrode, eingestellt werden.
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Dem
Modulationssignal kann gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zum Überlagern
der dem vorgegebenen Einstellwert entsprechende Anteil addiert werden.
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Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit dem in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten
angeführten
Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet.
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Die
Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. einen Sensor 1 für einen
Sicherheitseinrichtung eines Fahrzeugs, der einen kapazitiven Beschleunigungssensor 1.1 mit
einem C/V-Wandler 1.6 und eine Vorrichtung zum Einstellen
des Offsets des Beschleunigungssensors 1.1 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst, deren Struktur und Funktion im folgenden
noch im Detail erläutert
wird.
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Der
Beschleunigungssensor 1.1 umfasst ein Sensorelement, das
eine kapazitive Messbrücke 1.11 und
einen C/V-Wandler 1.6 aufweist. Die kapazitive Messbrücke 1.11 umfasst
eine zwischen zwei äußeren festen
Kapazitätsplatten 1.1.2 und 1.1.3 schwingend
gelagerte mittlere Kapazitätsplatte 1.1.1. Bei
Beschleunigungen wird die mittlere Kapazitätsplatte 1.1.1 ausgelenkt,
wie schematisch durch die Federn und die auf die mittlere Kapazitätsplatte 1.1.1 einwirkende
Kraft F dargestellt ist. Der Einfachheit halber wird hier der Begriff „Platten" verwendet, obwohl
die Platten in der Praxis komplexe, vor allem mikromechanisch hergestellte
beispielsweise kammartige Strukturen sein können. Durch die Auslenkung verändert sich
messbar die Position der mittleren Kapazitätsplatte 1.1.1 gegenüber den äußeren festen Platten 1.1.2 und 1.1.3.
Die Kapazitäten
der mittleren Platte 1.1.1 zu den beiden äußeren Platten 1.1.2 und 1.1.3 sind
indirekt proportional zu den jeweiligen Abständen der Platten 1.1.1 und 1.1.2 bzw. 1.1.3 zueinander. Über die
Kapazitätsbrücke 1.11 kann
also durch eine Beschleunigung eine messbare Kapazitätsänderung
erzeugt werden. Die kapazitive Messbrücke 1.11 ist mit Halbleiterfertigungsverfahren
als mikromechanisches Bauelement hergestellt. Da bei derartigen
Fertigungsverfahren verschiedene Ätz- und Beschichtungsschritte
aufeinander folgen, kann es produktionstechnisch in der Regel zu
Abweichungen im Mikro- oder Nanometerbereich kommen. Diese Abweichungen
können
verschiedene Auswirkungen haben, wie beispielsweise einen unerwünschten Offset
oder auch ein Driften eines Ausgangssignals eines Sensors, in dem
ein derartiges mikromechanisches Bauelement eingesetzt wird.
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Die
kapazitive Messbrücke 1.11 ist
an einen C/V-Wandler 1.6 angeschlossen. Der C/V-Wandler 1.6 dient
zum Erzeugen einer elektrischen Spannung U als Ausgangssignal 5,
welche die gemessenen Kapazitätsänderungen
der kapazitiven Messbrücke 1.11 wiedergibt.
Um das Ausgangssignal 5 zu erzeugen, wird der C/V-Wandler 1.6 durch
eine von einem Generator 1.8 erzeugte Wechselspannung,
die Modulationsspannung für
die Messbrücke 1.11,
gespeist. Aus der Wechselspannung erzeugt der C/V-Wandler 1.6 zwei
Spannungen bzw. Signale 4.1 und 4.2, beispielsweise
gleichphasige Wechselsignale, die an die äußeren Kapazitätsplatten 1.1.3 bzw. 1.1.2 der
kapazitiven Messbrücke 1.11 angelegt
werden und die Brücke
anregen. Am Mittelpunkt der Messbrücke 1.11 wird vom
C/V-Wandler die anliegende Wechselspannung als Maß für die Kapazitätsverhältnisse
in der Messbrücke 1.11,
die maßgeblich durch
die Position der mittleren Kapazitätsplatte 1.1.1 bestimmt
werden, gemessen und als Ausgangssignal 5 bzw. -spannung
U ausgegeben. Dadurch wandelt der C/V-Wandler 1.6 die Kapazität der Messbrücke 1.11 als
Maß für Schwingungen
und damit eine auf den Sensor 1 einwirkende Beschleunigung
in eine entsprechende elektrische Spannung 5 bzw. U um.
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Das
Ausgangssignal 5 wird anschließend mit einem Tiefpassfilter 1.5 gefiltert,
um hochfrequente Störanteile
im Ausgangssignal 5 zu entfernen. Das gefilterte Ausgangssignal 5 steht
dann als Ausgangssignal 8 des Sensors 1 zur weiteren
Verarbeitung beispielsweise durch einen Crashalgorithmus in einem Steuergerät des Sicherheitssystems
des Fahrzeugs zur Verfügung.
Wie bereits oben angedeutet, weist das Ausgangssignal 8 allerdings
bedingt durch einen aufgrund insbesondere produktionstechnischer
Ungenauigkeiten des Sensorelements 1.1 vorhandenen Offset
eine Unsymmetrie oder auch eine bestimmte Drift auf, welche die
Messgenauigkeit in der Regel negativ beeinflussen und daher unerwünscht sind. Ziel
ist nun, derartige Effekte möglichst
gut zu kompensieren und dadurch die Messgenauigkeit zu erhöhen. Insbesondere
soll vermieden werden, dass durch den unerwünschten Offset bei einer sehr
hohen Beschleunigung das Ausgangssignal 8 einseitig eine
Nutzbereichsgrenze überschreitet,
wodurch Verzerrungen und Beschneidungen entstehen können, die
in einem Crashalgorithmus zu unerwünschten Ergebnissen führen können, insbesondere
die Auslöseentscheidung
eines Schutzmittels des Sicherheitssystems negativ beeinflussen
können.
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Daher
wird das Ausgangssignal 8 ferner als Einstellwert 6 einem
Anpassungsverstärker 1.7 zugeführt, der
daraus ein Einstellsignal 7 in Form einer entsprechenden
elektrischen Spannung zum Ansteuern der Vorrichtung zum Einstellen
des Offsets des Sensorelements 1.1 derart erzeugt, dass
ein Offset oder eine Drift im wesentlichen kompensiert werden kann.
Die Einstellung des Offsets kann nun mit zwei unterschiedlichen
Verfahren durchgeführt
werden, die gemeinsam oder auch einzeln implementiert sein können. Im
Falle einer gemeinsamen Implementierung ist eine (nicht dargestellte)
Logik erforderlich, die entscheidet, welches Verfahren zum Einstellen des
Ruhewerts verwendet werden soll. Die zwei unterschiedlichen Verfahren
sind in der Fig. durch die mit (1) und (2) gekennzeichneten Zweige
dargestellt und werden unten im Detail erläutert.
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Zunächst wird
ein möglicher
Offset im Ausgangssignal 5 dadurch ermittelt, dass der
Generator 1.8 gegenphasige Anregungssignale 4.1 und 4.2 gleicher
Amplitude erzeugt. Am Ausgang des C/V-Wandlers 1.6 und
des Tiefpassfilters 1.5 wird daraufhin geprüft, ob der
Offset Null ist oder davon abweicht. Im Falle gegenphasiger Anregungssignale 4.1 und 4.2 und
einer symmetrischen Kapazitätsbrücke 1.11,
bei welcher die mittlere Kapazitätsplatte 1.1.1 den
etwa gleichen Abstand zu den beiden äußeren Kapazitätsplatten 1.1.2 und 1.1.3 besitzt,
sollte das Ausgangssignal 5 bzw. die Ausgangsspannung U
sowie das Ausgangssignal 8 nahezu Null bzw. unverändert gegenüber ohne
Anregung sein, vorausgesetzt, dass keine Beschleunigung auf den
Sensor 1 einwirkt. Die gegenphasigen Anregungssignale 4.1 und 4.2 heben
sich nämlich
in einem derartigen Fall im Wesentlichen gegenseitig auf. Weicht
dagegen das Ausgangssignal 5 mehr oder weniger stark von Null
bzw. dem Wert ohne Anregung ab, sind die Verhältnisse in der Kapazitätsbrücke 1.11 nicht
symmetrisch. In diesem Fall wird eine Kompensation des Offsets gemäß einem
der beiden Verfahren (1) und (2) eingeleitet, wie im Folgenden erläutert wird.
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Beim
Verfahren (1) wird das Einstellsignal 7 in Form eines Gleichspannungsanteils
einem Eingang eines Addierers 1.81 zugeführt, der
das Einstellsignal 7 auf das Ausgangssignal eines Generators 1.8 addiert.
Hierbei wird der Betrag des Gleichspannungsanteils derart gewählt, dass
sich eine Unsymmetrie, die von einem Offset des Sensorelements 1.1 verursacht
wird, im Ausgangssignal 5 bzw. 8 aufhebt. Beim
Verfahren (2) wird das Einstellsignal 7 ebenfalls in Form
einer Gleichspannung direkt an die äußeren Kapazitätsplatten 1.1.2 und 1.1.3 angelegt,
um eine Auslenkung für
einen Selbsttest zu erzeugen. Der Betrag der Gleichspannung wird
hierbei derart gewählt,
dass sich eine vom Offset des Sensorelements 1.1 verursachte
Unsymmetrie im Ausgangssignal 5 aufhebt.
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Obwohl
oben eine Realisierung der Erfindung mittels eines C/V-Wandlers
erläutert
wurde, sind anstelle des CV-Wandlers auch andere Verfahren zum Wandeln
anwendbar, wie beispielsweise eine Abbildung der physikalischen
Größe „Kapazität" direkt in Digitalwerte.
Bei einer Abbildung in Digitalwerte ist eine nahezu vollständig digitale
Implementierung der obigen Verfahren (1) und (2) möglich.
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Bei
der Beschreibung des Ausführungsbeispiels
wurde die Kompensation eines unerwünschten Offsets eines Sensorelements
erläutert.
Allerdings kann die Erfindung ebenso dazu verwendet werden, gezielt
einen Offset beispielsweise derart einzustellen, dass sich eine
unsymmetrische Lage des Ruhewerts des Ausgangssignals des Sensors
ergibt, d.h. also eine erwünschte
Unsymmetrie im Ausgangssignal einzuführen. Dies kann dann gewünscht sein, wenn
eine hohe Belastung eines Sensorelements erwartet wird und der Messbereich
des Sensorelements einseitig bzw. unsymmetrisch sein soll (sozusagen „verstimmt" sein soll). Dies
kann beispielsweise bei verschiedenen Crashsensoren der Fall sein, bei
denen im Falle eines Crashes eine hohe Belastung von Sensorelementen
stattfindet.
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Bei
der Einstellung, des durch mechanische Einflussgrößen bedingten
Offsets, sind auch Kombinationen mit Offsetveränderungen unter der Berücksichtigung
der elektrischen Begrenzungen der nachfolgenden Schaltungskomponenten
möglich.
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- 1
- Sensor
- 1.1
- kapazitiver
Beschleunigungssensor
- 1.11
- Kapazitätsbrücke
- 1.1.1
- mittlere,
schwingend gelagerte Kapazitätsplatte
- 1.1.2,
1.1.3
- feste
Kapazitätsplatten
- 1.5
- Hochpassfilter
- 1.6
- C/V-Wandler
- 1.7
- Anpassungsverstärker
- 1.8
- Generator
- 1.81
- Addierer
- 4.1,
4.2
- Anregungsspannungen
- 5
- Ausgangssignal
des C/V-Wandler 1.6
- 6
- Einstellwert
- 7
- Einstellsignal
- 8
- eingestelltes
Ausgangssignal des Sensors 1