DE102007013825B4

DE102007013825B4 - Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe und Diagnoseverfahren

Info

Publication number: DE102007013825B4
Application number: DE102007013825A
Authority: DE
Inventors: Seiji Kariya Hattori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US7525322B2; JP4765708B2; JP2007256073A; DE102007013825A1; US20070236231A1

Abstract

Kapazitiver Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe, wobei der kapazitive Sensor aufweist:
ein Sensorelement (10), das eine bewegliche Elektrode (1a, 1b), die in Übereinstimmung mit einer physikalischen Größe verschiebbar ist, und eine feste Elektrode (2a, 2b) beinhaltet, die der beweglichen Elektrode (1a, 1b) gegenüberliegt, wobei eine periodische Trägerwellenspannung (PW1, PW2) an der festen Elektrode (2a, 2b) anliegt; und
eine Erfassungsschaltung (20), die aufweist:
eine C/V-Wandlerschaltung (21) zum Ausgeben eines Spannungssignals, das einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode (1a, 1b) und der festen Elektrode (2a, 2b) entspricht, wobei die C/V-Wandlerschaltung (21) einen Diagnoseschalter (21d) aufweist,
eine Differenzialverstärkerschaltung (22) zum differenziellen Verstärken des Spannungssignals aus der C/V-Wandlerschaltung (21) und zum Ausgeben des Verstärkersignals als ein Sensorausgangssignal in einer normalen Messbetriebsart, und
eine Hochspannungs-Erzeugungsschaltung (23) zum Anlegen einer Diagnosespannung (Vpp) an eine Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung (21) in einer Diagnosebetriebsart, um ein Haften eines Fremdobjekts zwischen der beweglichen Elektrode...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe unter Verwendung einer Kapazität, die zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode in einem Sensorelement ausgebildet ist. Zum Beispiel wird der kapazitive Sensor als ein Beschleunigungssensor verwendet und kann eine Haftdiagnose durchführen.
Die US 2005/0016273 A1 (die der JP-A-2005-43309 entspricht) offenbart einen kapazitiven Beschleunigungssensor in einem Fahrzeug. In dem Sensor wird eine Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode in einem Sensorelement durch eine Beschleunigung geändert. Die Kapazität wird durch eine Kapazität/Spannungs-(C-V)-Wandlerschaltung zu einem elektrischen Signal gewandelt und das Signal wird von einem Signalverarbeitungsschaltung, die eine Abtast/Halteschaltung beinhaltet, und eine geschaltete Kondensatorschaltung differenziell verstärkt. Daher kann der Sensor das verstärkte Signal als ein Sensorausgangssignal ausgeben.
Wenn ein Fremdobjekt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode in dem Sensorelement haftet, kann die Beschleunigung nicht erfasst werden, da die Kapazitätsänderung, die der Beschleunigung entspricht, nicht erzeugt werden. Deshalb wird eine Haftdiagnose durchgeführt, in welcher die bewegliche Elektrode zwangsweise zu der festen Elektrode bewegt wird, um die bewegliche Elektrode in Kontakt mit der festen Elektrode zu bringen.
In der Haftdiagnose wird eine Spannung zum Bewegen der beweglichen Elektrode zu der festen Elektrode angelegt. Das Sensorausgangssignal ist in Fällen unterschiedlich, in welchen das Fremdobjekt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode haftet oder nicht. Dies ist so, da ein Spalt zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode in den Fällen unterschiedlich ist. Deshalb kann das Fremdobjekt auf der Grundlage der Differenz des Sensorausgangssignals erfasst werden. Zum Beispiel wird eine Trägerwellenspannung (10 V) in der Diagnosebetriebsart an die feste Elektrode angelegt, welche größer als die Trägerwellenspannung in einer normalen Beschleunigungsmessbetriebsart ist. Weiterhin wird eine Referenzspannung, die in der C/V-Wandlerschaltung an einem Operationsverstärker anliegt, von Vdd/2 in der normalen Betriebsart zu Vpp in der Diagnosebetriebsart erhöht. Daher wird ein Potenzial der beweglichen Elektrode zu Vpp erhöht, um die bewegliche Elektrode zu verschieben. Daher wird das Sensorausgangssignal überwacht.
Jedoch kann die Haftdiagnose lediglich in einem eine kleine Beschleunigung erfassenden Sensor durchgeführt werden, der zum Erfassen einer verhältnismäßig kleinen Beschleunigung verwendet wird. Ein Sensor zum Erfassen einer großen Beschleunigung, der zum Erfassen einer verhältnismäßig großen Beschleunigung verwendet wird, erfordert eine größere Spannung für seine Haftdiagnose, da eine Fehlerkonstante der beweglichen Elektrode in dem Sensor zum Erfassen einer großen Beschleunigung größer ist. In diesem Fall ist es erforderlich, dass ein Halbleiterelement, zum Beispiel ein Transistor, der in der C/V-Wandlerschaltung und der geschalteten Kondensatorschaltung enthalten ist, der größeren Spannung standhält. Daher kann eine Abmessung eines Halbleiterchips in einer Sensorschaltung gegenüber Anforderungen nach Miniaturisierungen vergrößert werden. Jedoch ist es erforderlich, dass der Sensor zum Erfassen einer großen Beschleunigung die Haftdiagnose ohne das Vergrößern des Halbleiterchips durchführt.
Aus der JP 05281256 A ist eine Diagnose mittels eines Erzeugens einer Hochspannung bekannt.
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die DE 43 16 263 C2 , die DE 102 31 153 A1 und die US 6 668 614 B2 verwiesen.
Im Hinblick auf die vorhergehenden und andere Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe zu schaffen, welcher eine Haftdiagnose durchführen kann, während seine bewegliche Elektrode eine große Federkonstante aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 und 8 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein kapazitiver Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe ein Sensorelement und eine Erfassungsschaltung. Das Sensorelement beinhaltet eine bewegliche Elektrode, die in Übereinstimmung mit einer physikalischen Größe verschiebbar ist, und eine feste Elektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegt. Eine periodische Trägerwellenspannung wird an die feste Elektrode angelegt. Die Erfassungsschaltung beinhaltet eine C/V-Wandlerschaltung, eine Differenzialverstärkerschaltung und eine Hochspannungs-Erzeugungsschaltung. Die C/V-Wandlerschaltung gibt ein Spannungssignal aus, das einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode entspricht, und beinhaltet einen Diagnoseschalter. Die Differenzialverstärkerschaltung verstärkt das Spannungssignal aus der C/V-Wandlerschaltung differenziell und gibt das verstärkte Signal als ein Sensorausgangssignal in einer normalen Messbetriebsart aus. Die Hochspannungs-Erzeugungsschaltung legt eine Diagnosespannung an eine Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung in einer Diagnosebetriebsart an, um ein Haften eines Fremdobjekts zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode zu diagnostizieren. Die periodische Trägerwellenspannung in der Diagnosebetriebsart ist größer als die periodische Trägerwellenspannung in der normalen Betriebsart. Der Diagnoseschalter ist zwischen der C/V-Wandlerschaltung und der Differenzialverstärkerschaltung vorgesehen. Der Diagnoseschalter ist in der normalen Betriebsart geschlossen, um das Spannungssignal von der C/V-Wandlerschaltung in die Differenzialverstärkungsschaltung einzugeben, und in der Diagnosebetriebsart geöffnet, um die C/V-Wandlerschaltung und die Differenzialverstärkungsschaltung zu trennen.
Gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren eines Diagnostizierens eines Sensors für eine physikalische Größe einen Erhöhungsschritt, einen Anlegeschritt und einen Stoppschritt. Der Sensor für eine physikalische Größe beinhaltet eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode, an welche eine Trägerwellenspannung angelegt ist, eine Wandlungsschaltung zum Ausgeben eines Spannungssignals, das einer Kapazität der Elektroden entspricht, und eine Verstärkerschaltung zum Erzeugen eines Sensorausgangssignals auf der Grundlage des Spannungssignals. In dem Erhöhungsschritt wird die Trägerwellenspannung zu einem Zeitpunkt einer Diagnose der Elektroden auf höher als die normal angelegte Spannung erhöht, um eine physikalische Größe zu erfassen, die an den Elektroden anliegt. In dem Anlegeschritt wird eine vorbestimmte Spannung zwischen der beweglichen Elektrode und der Wandlerschaltung zu einer Zeit eines Diagnostizierens der Elektroden angelegt. In dem Stoppschritt wird gestoppt, dass das Spannungssignal, das von der Wandlerschaltung erzeugt wird, zu einer Zeit eines Diagnostizierens der Elektroden an die Verstärkerschaltung angelegt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Zeitablaufdiagramm eines Betriebs des kapazitiven Beschleunigungssensors.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 1 gezeigt ist, beinhaltet ein Beschleunigungssensor ein Sensorelement 10 und eine Erfassungsschaltung 20. Das Sensorelement 10 beinhaltet bewegliche Elektroden 1a, 1b und feste Elektroden 2a, 2b. Die Erfassungsschaltung 20 erfasst eine Beschleunigung auf der Grundlage einer Änderung einer differenziellen Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 1a, 1b und der festen Elektrode 2a, 2b.
Das Sensorelement 10 beinhaltet eine Trägerstruktur und die bewegliche Elektrode 1a, 1b und die feste Elektrode 2a, 2b sind mit der Trägerstruktur aufgebaut. Die differenzielle Kapazität wird durch die bewegliche Elektrode 1a, 1b und die feste Elektrode 2a, 2b ausgebildet, welche angeordnet sind, um einander gegenüberzuliegen. Jedes von Trägerwellensignalen PW1, PW2 wird periodisch an jede der festen Elektroden 2a, 2b angelegt, und die Signale PW1, PW2, die an die festen Elektroden 2a, 2b angelegt werden, sind zueinander umgekehrt. Dadurch wird eine Beschleunigung auf der Grundlage einer Änderung der differenziellen Kapazität erfasst und entspricht die Änderung einer Verschiebung der beweglichen Elektrode 1a, 1b.
Die Erfassungsschaltung 20 beinhaltet einen Kapazität/Spannungs-(C/V)-Wandlerschaltung 21, eine Differenzialverstärkerschaltung 22, eine Hochspannungs-Erzeugungsschaltung 23 und eine Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24. Die C/V-Wandlerschaltung 21 wandelt die Differenzialkapazität zu einem Spannungssignal und beinhaltet einen Operationsverstärker 21a, einen Kondensator 21b, einen Schalter 21c und einen Diagnoseschalter 21d. Ein invertierender Eingangsanschluss des Verstärkers 21a ist mit den beweglichen Elektroden 1a, 1b verbunden und jeder des Kondensators 21b und des Schalters 21c ist parallel zu dem Operationsverstärker 21a zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss angeschlossen. Der Schalter 21c wird durch ein Signal S1 von der Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 angesteuert. Einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a wird eine halbe Spannung Vdd/2 (2,5 V) einer Spannung VDD (5 V), die an der festen Elektrode 2a, 2b anliegt, als eine Mitten-(Referenz)-Spannung zugeführt.
Weiterhin beinhaltet die C/V-Wandlerschaltung 21 den Diagnoseschalter 21d für eine Haftdiagnose. Der Diagnoseschalter 21d wird von einem Signal 32 aus der Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 angesteuert. In einer normalen Beschleunigungsmessbetriebsart ist der Diagnoseschalter 21c geschlossen und wird ein Ausgangssignal aus der C/V-Wandlerschaltung 21 zu der Differenzialverstärkerschaltung 22 gesendet. In der Haftdiagnosebetriebsart ist der Diagnoseschalter 21d geöffnet, wodurch die C/V-Wandlerschaltung 21 und die Differenzialverstärkerschaltung 22 voneinander getrennt sind. Dann wird ein Potenzial zwischen dem Diagnoseschalter 21b und dem Operationsverstärker 21a, das heißt ein Potenzial eines Verbindungspunkts zwischen dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 21a, dem Kondensator 21b und dem Schalter 21c, als ein Diagnoseausgangssignal für die Haftdiagnose ausgegeben.
Die Differenzialverstärkerschaltung 22 beinhaltet eine Abtast/Halte-(SH)-Schaltung 22a, eine Verstärker-(AMP)-Schaltung 22b und eine Tiefpassfilter-(LPF)-Schaltung 22c. Die SH-Schaltung 22a wird von einem Signal S3 aus der Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 angesteuert. Die SH-Schaltung 22a tastet das Ausgangssignal aus der C/V-Wandlerschaltung 21 ab und hält das Ausgangssignal für eine vorbestimmte Dauer. Die AMP-Schaltung 22b verstärkt das abgetastete Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor. Die LPF-Schaltung 22c wird von einem Hauptsignal F1 aus der Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 angesteuert und wählt ein Signal in einer vorbestimmten Frequenzbandkomponente aus dem Ausgangssignal der AMP-Schaltung 22b aus. Dann gibt die LPF-Schaltung 22c das Signal als ein Sensorausgangssignal, das ein Beschleunigungssignal anzeigt, zu einer externen Schaltung aus.
Die Hochspannungs-Erzeugungsschaltung 23 legt eine Spannung Vpp (8 V) an eine Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 als eine Hochspannung für die Haftdiagnose an. Die Hochspannung Vpp ist größer als die Referenzspannung Vdd/2 (2,5 V), die in der normalen Beschleunigungsmessbetriebsart anliegt. Die Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 entspricht dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a. Die Hochspannungs-Erzeugungsschaltung 23 wird von einem Signal T1 aus der Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 angesteuert und erzeugt die Hochspannung Vpp für die Haftdiagnose.
Die Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 gibt die Trägerwellenspannungssignale PW1, PW2, die Signale S1, S2 zum Anzeigen des Schaltzeitpunkts für den Schalter 21c und den Diagnoseschalter 21c, das Signal T1 zum Steuern der Hochspannungs-Erzeugungsschaltung 23, das Signal S3 zum Steuern der SH-Schaltung 22a und das Signal F1 zum Ansteuern der LPF-Schaltung 22c aus.
Als Nächstes wird ein Betrieb des Beschleunigungssensors unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Zuerst wird die normale Beschleunigungsmessbetriebsart beschrieben.
In der normalen Betriebsart weist jedes der Signale PW1, PW2 aus der Steuersignal-Erzeugungsschaltung 24 eine vorbestimmte Amplitude einer Spannung Vdd (5 V) auf und sind die Pegel der Spannungen Vdd der Signale PW1, PW2 zueinander umgekehrt, so dass die Signale PW1, PW2 zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen. Die Signale PW1, PW2 weisen Rechteckwellenformen mit der vorbestimmten Amplitude auf und ändern sich zwischen einem hohen Pegel (Hi) und einem niedrigen Pegel (Lo) in vier Dauern t1 bis t4 in jedem Erfassungszyklus.
In der ersten Dauer t1 stellen die Signale PW1, PW2 ein elektrisches Potenzial der festen Elektrode 2a auf Vdd und ein elektrisches Potenzial der festen Elektrode 2b auf 0 V ein. Weiterhin wird der Schalter 21c als Reaktion auf das Signal S1 geschlossen. Daher weisen die beweglichen Elektroden 1a, 1b eine Vorspannung Vdd/2 durch einen Betrieb des Verstärkers 21a auf, und eine elektrische Ladung in dem Kondensator 21b wird entladen, welcher eine Rückkopplungskapazität sein wird.
Zu dieser Zeit halten, wenn eine Kapazität C1 zwischen der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a größer als eine Kapazität C2 zwischen der beweglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b ist (C1 > C2), die beweglichen Elektroden 1a, 1b eine größere Menge von Negativladungen aufgrund dieser Beziehungen und der Spannungen, die an den festen Elektroden 2a, 2b anliegen.
In der zweiten Dauer t2 stellen die Signale PW1, PW2 das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2a auf Vdd und das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2b auf 0 V ein. Weiterhin wird der Schalter 21c als Reaktion auf das Signal S1 geöffnet. Dadurch wird der Kondensator 21b mit einer Elektrizität geladen, die einem Zustand der beweglichen Elektroden 1a, 1b entspricht. Dann gibt die C/V-Wandlerschaltung 21 ein Spannungssignal aus, das der Ladung in dem Kondensator 21b entspricht, und tastet die SH-Schaltung 22a das Spannungssignal als Reaktion auf das Signal S3 ab.
In der dritten Periode t3 stellen die Signale PW1, PW2 das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2a auf 0 V und das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2b auf Vdd ein. Das heißt, die elektrischen Potenzialen werden vertauscht. Weiterhin wird der Schalter 21c von dem Signal S2 offen gehalten.
Zu dieser Zeit wird ein Zustand der elektrischen Ladung in den beweglichen Elektroden 1a, 1b zu dem einer zweiten Periode t2 aufgrund einer Umkehr der Signale PW1, PW2 umgekehrt. Das heißt, wenn die Kapazität C1 größer als die Kapazität C2 ist (C1 > C2), halten die beweglichen Elektroden 1a, 1b eine große Menge an positiven Ladungen aufgrund einer Umkehr der Spannungen, die an den festen Elektroden 2a, 2b anliegen.
Jedoch werden zu dieser Zeit, da eine Schaltung zwischen der beweglichen Elektrode 1a, 1b und dem Kondensator 21b geschlossen wird, die elektrischen Ladungen, die in der ersten Dauer t1 entladen werden, in der Schaltung gespeichert. Deshalb wird ein Teil der elektrischen Ladungen in dem Kondensator 21b zum Ausgleich übertragen und gespeichert. Dann gibt die C/V-Wandlerschaltung 21 ein Spannungssignal, welches proportional zu der übertragenen Ladung und umgekehrt proportional zu einer Kapazität C des Kondensators 21b ist, auf der Grundlage einer Beziehung von Q = CV aus.
In der vierten Dauer t4 stellen die Signale PW1, PW2 das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2a auf 0 V und das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2b auf Vdd ein. Nachdem das Spannungssignal aus der C/V-Wandlerschaltung 21 ausreichend stabil geworden ist, tastet die SH-Schaltung 22a das Spannungssignal aus der C/V-Wandlerschaltung 21 als Reaktion auf das Signal S3 ab.
Die AMP-Schaltung 22b führt eine Differenzialberechnung zwischen dem Spannungssignal, das in der zweiten Dauer t2 abgetastet wird, und dem Spannungssignal durch, das in der vierten Dauer t4 abgetastet wird, und gibt das Berechnungsergebnis aus. Auf der Grundlage des Ergebnisses kann eine Beschleunigung, die einer Verschiebung der beweglichen Elektrode 1a, 1b entspricht, erfasst werden.
Als Nächstes wird die Diagnosebetriebsart beschrieben. In der Diagnosebetriebsart wird eine Hochspannung Vpp, die von der Hochspannungs- Erzeugungsschaltung 23 erzeugt wird, an eine Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 angelegt. Weiterhin werden die Spannungssignale PW1, PW2, die an den festen Elektroden 2a, 2b anliegen, größer als die Signale PW1, PW2 in der normalen Betriebsart gemacht und wird der Diagnoseschalter 21b geöffnet. Die anderen Betriebe in der Diagnosebetriebsart können ähnlich zu denjenigen in der normalen Betriebsart gemacht werden.
Genauer gesagt werden die Spannungssignale PW1, PW2 zum Beispiel auf 10 V in der Diagnosebetriebsart eingestellt, während die Spannungssignale PW1, PW2 auf zum Beispiel 5 V in der normalen Betriebsart eingestellt werden. Weiterhin wird die Hochspannung Vpp von zum Beispiel 8 V an die Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 von der Hochspannungs-Erzeugungsschaltung 23 angelegt und wird der Diagnoseschalter 21d als Reaktion auf das Signal S2 geöffnet.
In den ersten und zweiten Dauern t1, t2 wird die Hochspannung Vpp an die Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 angelegt. Dadurch wird die Hochspannung Vpp ebenso an die bewegliche Elektrode 1a, 1b angelegt. Gleichzeitig stellen die Signale PW1, PW2 das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2a auf 10 V und das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2b auf 0 V ein.
Daher wird eine Potenzialdifferenz zwischen der festen Elektrode 2b und den beweglichen Elektroden 1a, 1b ausreichend größer als die zwischen der festen Elektrode 2a und den beweglichen Elektroden 1a, 1b. Dadurch werden die beweglichen Elektroden 1a, 1b zu der festen Elektrode 2b bewegt, um die bewegliche Elektrode 1b in Kontakt mit der festen Elektrode 2b zu bringen.
Da der Schalter 21c in der ersten Dauer t1 geschlossen ist, wird die Ladung in dem Kondensator 21b entladen, welche die Rückkopplungskapazität sein wird. Weiterhin wird, da der Schalter 21c in der zweiten Dauer t2 geöffnet ist, der Kondensator 21b mit einer Elektrizität geladen, die einem Zustand der beweglichen Elektroden 1a, 1b entspricht.
Zu dieser Zeit ist ein Zustand der beweglichen Elektroden 1a, 1b in Fällen unterschiedlich, in welchen ein Fremdobjekt zwischen der beweglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b haftet oder nicht. Zum Beispiel kann, wenn ein Fremdobjekt zwischen der beweglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b haftet, die bewegliche Elektrode 1b zu der festen Elektrode 2b bewegt werden. Deshalb ändert sich die Menge der Elektrizität, die in dem Kondensator 21b geladen ist, und ändert sich ein Potenzial für ein Diagnoseausgangssignal. Durch Überwachen des Potenzials und Vergleichen von ihm mit einem vorbestimmten Wert kann ein Haften eines Fremdobjekts zwischen der beweglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b erfasst werden.
In den dritten und vierten Dauern t3, t4 werden die elektrischen Potenziale der festen Elektroden 2a, 2b umgekehrt. Das heißt, die Signale PW1, PW2 stellen das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2a auf 0 V und das elektrische Potenzial der festen Elektrode 2b auf 10 V ein.
Daher wird die Potenzialdifferenz zwischen der festen Elektrode 2a und den beweglichen Elektroden 13, 1b ausreichend größer als diejenige zwischen der festen Elektrode 2b und den beweglichen Elektroden 1a, 1b. Dadurch werden die beweglichen Elektroden 1a, 1b zu der festen Elektrode 2a bewegt, um die bewegliche Elektrode 1a in Kontakt mit der festen Elektrode 2a zu bringen.
Ähnlich zu den ersten und zweiten Dauern t1, t2 ist ein Zustand der beweglichen Elektroden 1a, 1b in Fällen unterschiedlich, in welchen irgendein Fremdobjekt zwischen der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a haftet oder nicht. Deshalb ändert sich die Menge der Elektrizität, die in dem Kondensator 21b geladen ist, und ändert sich das Potenzial für das Diagnoseausgangssignal. Durch Überwachen des Potenzials und Vergleichen von ihm mit einem vorbestimmten Wert kann ein Haften eines Fremdobjekts zwischen den beweglichen Elektroden 1a, und der festen Elektrode 2a erfasst werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der zuvor beschriebene Beschleunigungssensor den Diagnoseschalter 21d und den Hochspannungs-Erzeugungsschalter 23. In der Diagnosebetriebsart kann das Haften zwischen der beweglichen Elektrode 1a, 1b und der festen Elektrode 2a, 2b durch Überwachen des Potenzials der Ausgangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 als das Diagnoseausgangssignal erfasst werden. Die Ausgangsseite der C/V-Wandlerschaltung 21 stellt den Verbindungspunkt dar, der den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 21a, den Kondensator 21b und den Schalter 21c verbindet.
Weiterhin ist in der Diagnosebetriebsart der Diagnoseschalter 21d geöffnet. Daher wird das Potenzial des Verbindungspunkts nicht zu der Differenzialverstärkerschaltung 22 übertragen. Das heißt, wenn die Hochspannung Vpp (8 V) an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a anliegt, wird das Ausgangssignal aus der C/V-Wandlerschaltung 21 nicht zu der Differenzialverstärkerschaltung 22 übertragen. Deshalb ist ein Transistor (nicht gezeigt) in der Differenzialverstärkerschaltung 22 nicht erforderlich, um einer großen Spannung standzuhalten, die dem Diagnoseausgangssignal entspricht. Dann ist es nicht erforderlich, dass eine Abmessung eines Halbleiterchips, der in der Erfassungsschaltung beinhaltet ist, groß ist. Demgemäß kann die Haftdiagnose in dem Beschleunigungssensor zum Erfassen einer verhältnismäßig großen Beschleunigung durchgeführt werden.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung von anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
In dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel liegt die Hochspannung Vpp (8 V) an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a an. Alternativ kann die Hochspannung Vpp an einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a anliegen.
Alternativ kann, wenn der Beschleunigungssensor eine Eigendiagnosefunktion aufweist, eine Schaltung, die im Stande ist, die Hochspannung Vpp zu erzeugen, ursprünglich in dem Beschleunigungssensor enthalten sein. In diesem Fall kann die Schaltung, die im Stande ist, die Hochspannung Vpp zu erzeugen, als die Hochspannungs-Erzeugungsschaltung 23 wirken.
Weiterhin kann ein Drucksensor oder ein Gierratensensor als der kapazitive Sensor für eine physikalische Größe an Stelle des Beschleunigungssensors verwendet werden, der in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
Derartige Änderungen und Ausgestaltungen verstehen sich als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
Ein zuvor beschriebener erfindungsgemäßer kapazitiver Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe beinhaltet ein Sensorelement und eine Erfassungsschaltung. Das Sensorelement beinhaltet eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode. Eine periodische Spannung wird an die feste Elektrode angelegt. Eine Hochspannungs-Erzeugungsschaltung legt eine Diagnosespannung an eine Eingangsseite einer C/V-Wandlerschaltung an, um ein Haften eines Fremdobjekts zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode zu diagnostizieren. Die C/V-Wandlerschaltung beinhaltet einen Diagnoseschalter, welcher in einer Diagnosebetriebsart offen ist. Die periodische Spannung in der Diagnosebetriebsart ist größer als die periodische Spannung in einer normalen Messbetriebsart.

Claims

Kapazitiver Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe, wobei der kapazitive Sensor aufweist: ein Sensorelement (10), das eine bewegliche Elektrode (1a, 1b), die in Übereinstimmung mit einer physikalischen Größe verschiebbar ist, und eine feste Elektrode (2a, 2b) beinhaltet, die der beweglichen Elektrode (1a, 1b) gegenüberliegt, wobei eine periodische Trägerwellenspannung (PW1, PW2) an der festen Elektrode (2a, 2b) anliegt; und eine Erfassungsschaltung (20), die aufweist: eine C/V-Wandlerschaltung (21) zum Ausgeben eines Spannungssignals, das einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode (1a, 1b) und der festen Elektrode (2a, 2b) entspricht, wobei die C/V-Wandlerschaltung (21) einen Diagnoseschalter (21d) aufweist, eine Differenzialverstärkerschaltung (22) zum differenziellen Verstärken des Spannungssignals aus der C/V-Wandlerschaltung (21) und zum Ausgeben des Verstärkersignals als ein Sensorausgangssignal in einer normalen Messbetriebsart, und eine Hochspannungs-Erzeugungsschaltung (23) zum Anlegen einer Diagnosespannung (Vpp) an eine Eingangsseite der C/V-Wandlerschaltung (21) in einer Diagnosebetriebsart, um ein Haften eines Fremdobjekts zwischen der beweglichen Elektrode (1a, 1b) und der festen Elektrode (2a, 2b) zu diagnostizieren, wobei die periodische Trägerwellenspannung (PW1, PW2) in der Diagnosebetriebsart größer als die periodische Trägerwellenspannung (PW1, PW2) in der normalen Betriebsart ist, der Diagnoseschalter (21d) zwischen der C/V-Wandlerschaltung (21) und der Differenzialverstärkerschaltung (22) vorgesehen ist und in der normalen Betriebsart geschlossen ist, um das Spannungssignal aus der C/V-Wandlerschaltung (21) in die Differenzialverstärkerschaltung (22) einzugeben, und der Diagnoseschalter (21d) in der Diagnosebetriebsart geöffnet ist, um die C/V-Wandlerschaltung (21) und die Differenzialverstärkerschaltung (22) zu trennen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei: die feste Elektrode (2a, 2b) eine erste feste Elektrode (2a), an welcher eine erste periodische Trägerwellenspannung (PW1) anliegt, und eine zweite feste Elektrode (2b) aufweist, an welcher eine zweite periodische Trägerwellenspannung (PW2) anliegt; und die ersten und zweiten periodischen Trägerwellenspannungen (PW1, PW2) zueinander umgekehrt sind.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, wobei die Diagnosespannung (Vpp) größer als eine halbe Spannung (Vdd/2) der ersten periodischen Trägerwellenspannung (PW1) und der zweiten periodischen Trägerwellenspannung (PW2) ist, um die ersten und zweiten beweglichen Elektroden (1a, 1b) zumindest einer der ersten und zweiten festen Elektroden (2a, 2b) zu bewegen.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die C/V-Wandlerschaltung (21) weiterhin aufweist: einen Operationsverstärker (21a), der einen invertierenden Eingangsanschluss, der mit der beweglichen Elektrode (1a, 1b) verbunden ist, wobei ein Signal, das der Kapazität entspricht, in den invertierenden Eingangsanschluss eingegeben wird, einen Kondensator (21b), der zwischen den invertierenden Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (21a) angeschlossen ist, und einen Schalter (21c), der zu dem Kondensator (21b) parallel geschaltet ist; und die Diagnosespannung (Vpp) an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (21a) anliegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, wobei die Diagnosespannung (Vpp) größer als eine Referenzspannung (Vdd/2) ist, die in der normalen Betriebsart an einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (21a) anliegt.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die C/V-Wandlerschaltung (21) weiterhin beinhaltet: einen Operationsverstärker (21a), der einen invertierenden Eingangsanschluss aufweist, in welchen ein Signal eingegeben wird, das der Kapazität entspricht, einen Kondensator (21b), der zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (21a) angeschlossen ist, und einen Schalter (21c), der zu dem Kondensator (21b) parallel geschaltet ist; und die Diagnosespannung (Vpp) an einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (21a) anliegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, wobei die Diagnosespannung (Vpp) größer als eine Referenzspannung (Vdd/2) ist, die in der normalen Betriebsart an dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (21a) anliegt.
Verfahren eines Diagnostizierens eines Sensors für eine physikalische Größe, der eine bewegliche Elektrode (1a, 1b) und eine feste Elektrode (2a, 2b), an welchen eine Trägerwellenspannung (PW1, PW2) anliegt, eine Wandlerschaltung (21) zum Ausgeben eines Spannungssignals, das einer Kapazität der Elektroden (1a, 2a und 1b, 2b) entspricht, und eine Verstärkerschaltung (22) zum Erzeugen eines Sensorausgangssignals auf der Grundlage des Spannungssignals aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Erhöhen der Trägerwellenspannung (PW1, PW2) zu einem Zeitpunkt eines Diagnostizierens der Elektroden (1a, 2a und 1b, 2b) auf höher als die (PW1, PW2), die normalerweise anliegt, um eine physikalische Größe zu erfassen, die an den Elektroden (1a, 2a und 1b, 2b) anliegt; Anlegen einer vorbestimmten Spannung (Vpp) zwischen der beweglichen Elektrode (1a, 1b) und der Wandlerschaltung (21) zu einer Zeit eines Diagnostizierens der Elektroden (1a, 2a und 1b, 2b); und Stoppen, dass das Spannungssignal, das von der Wandlerschaltung (21) erzeugt wird, an der Verstärkerschaltung (22) anliegt, zu einer Zeit eines Diagnostizierens der Elektroden (1a, 2a und 1b, 2b).