DE102008003342A1 - Device with a differential capacitor and an evaluation circuit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Differenzkondensator (100) und einer Auswerteschaltung (1000), wobei die Auswerteschaltung (1000) ein Ausgangssignal (Ui) und eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle (500) aufweist. Das Ausgangssignal (Ui) der Auswerteschaltung (1000) ist dabei zur Steuerung der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (500) vorgesehen. Durch die spannungsgesteuerte Spannungsquelle (500) sind vier elektrische Spannungen erzeugbar. Dabei sind Schaltmittel (600) vorgesehen, derart, daß in einem ersten Betriebszustand zwei erste Spannungen (U1 und U4) und in einem zweiten Betriebszustand zwei zweite Spannungen (U2 und U3) der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (500) an den Differenzkondensator (100) anlegbar sind.The invention relates to a device with a differential capacitor (100) and an evaluation circuit (1000), wherein the evaluation circuit (1000) has an output signal (Ui) and a voltage-controlled voltage source (500). The output signal (Ui) of the evaluation circuit (1000) is provided for controlling the voltage-controlled voltage source (500). By the voltage-controlled voltage source (500) four electrical voltages can be generated. In this case, switching means (600) are provided such that in a first operating state two first voltages (U1 and U4) and in a second operating state two second voltages (U2 and U3) of the voltage-controlled voltage source (500) to the differential capacitor (100) can be applied ,

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Differenzkondensator und einer Auswerteschaltung.The The invention relates to a device with a differential capacitor and an evaluation circuit.

Bei kapazitiven Sensoren wird die Kapazität durch eine Veränderung der Lage von meist plattenförmigen Elektroden zueinander verändert. Entweder wird dabei der Plattenabstand um eine Auslenkung x variiert (Fall 1), oder die Größe des Bereiches, in dem sich zwei gegenüberstehende Platten überlappen (Fall 2), ändert sich. Dies kann beispielsweise durch Parallelverschiebung der Platten um eine Auslenkung x zueinander erfolgen.at Capacitive sensors will increase capacity through a change the location of mostly plate-shaped Changed electrodes to each other. Either the plate spacing is varied by one deflection x (case 1), or the size of the area, in which two opposite Overlap plates (Case 2), changes yourself. This can be done, for example, by parallel displacement of the plates to make a deflection x each other.

Im Fall 1 erhält man folgende Gesetzmäßigkeit:

Figure 00010001
In case 1, the following law is obtained:
Figure 00010001

Hierbei ist x die Auslenkung, C0 die Grundkapazität, d0 der Plattenabstand (jeweils bei Auslenkung x = 0).Here, x is the deflection, C 0 is the basic capacitance, d 0 is the plate spacing (in each case with deflection x = 0).

Im Fall 2 erhält man:

Figure 00010002
In case 2 you get:
Figure 00010002

Hierbei ist x die Auslenkung, C0 die Grundkapazität, x0 die Grundüberlapplänge (jeweils bei Auslenkung x = 0).Here, x is the deflection, C 0 is the basic capacitance, x 0 is the basic overlap length (in the case of displacement x = 0).

Häufig werden zwei Meßkondensatoren so verschaltet, daß sie eine gemeinsame Mittelelektrode besitzen (Differentialkondensator). In diesem Fall führt eine Auslenkung um den Weg x im ersten Kondensator zu einer Auslenkung –x im zweiten Kondensator. Die beiden Kapazitäten ändern sich dabei gegensinnig:

Figure 00020001
Often two measuring capacitors are connected so that they have a common center electrode (differential capacitor). In this case, a deflection about the path x in the first capacitor leads to a deflection -x in the second capacitor. The two capacities change in opposite directions:
Figure 00020001

Mit solchen Anordnungen lassen sich zunächst Auslenkungen x messen. Wird die Mittelelektrode als mechanisches Feder-Masse-Dämpfersystem ausgebildet, läßt sich die Anordnung als Beschleunigungssensor einsetzen, bei dem die Beschleunigung in eine dazu proportionale Kraft und diese wiederum in eine dazu proportionale End-Auslenkung x umgesetzt wird. Typische Anwendungen sind Beschleunigungssensoren für die Crash-Erkennung (Airbagauslösung, Gurtstraffer), aber auch Messung der Fahrzeugneigung in Längs- und Querrichtung. Auch Coriolisbeschleunigungen lassen sich so bestimmen, mit deren Hilfe Drehraten gemessen werden können (Anwendung: z. B. Drehratensensor im ESP).With such arrangements can first measure deflections x. If the center electrode as a mechanical spring-mass damper system trained, can be use the arrangement as an acceleration sensor, in which the acceleration into a force proportional to it, and this in turn into a proportional force End deflection x is implemented. Typical applications are acceleration sensors for the Crash detection (airbag deployment, Belt tensioner), but also measurement of the vehicle inclination in the longitudinal and transverse direction. Coriolis accelerations can also be determined with their Help rotation rates can be measured (application: eg yaw rate sensor in the ESP).

Die heute in integrierten Schaltungen eingesetzten Meßverfahren sind meist Verfahren mit geschalteten Kondensatoren (switched-capacitor, SC), die mit hochfrequent getakteten Schaltern und festen Kondensatoren arbeiten, oft kombiniert mit Sigma-Delta-A/D-Wandlungstechniken.The today used in integrated circuits measuring method are mostly switched-capacitor methods (switched-capacitor, SC), with high frequency clocked switches and fixed capacitors often combined with sigma-delta A / D conversion techniques.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabetask

Die Aufgabe der Erfindung ist die Bestimmung der Auslenkung in einem Differenzkondensator nach den oben beschriebenen Fällen 1 und 2. Die Schaltung sollte einfach und robust sein. Das analoge Ausgangssignal sollte dabei proportional zur Auslenkung x sein. Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.The object of the invention is the determination of the deflection in a differential capacitor according to Cases 1 and 2 described above. The circuit should be simple and robust. The analog output signal should be proportional to the displacement x. This object is achieved by the present invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Differenzkondensator und einer Auswerteschaltung, wobei die Auswerteschaltung ein Ausgangssignal Ui und eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle aufweist. Das Ausgangssignal Ui der Auswerteschaltung ist dabei zur Steuerung der spannungsgesteuerten Spannungsquelle vorgesehen. Durch die spannungsgesteuerte Spannungsquelle sind vier elektrische Spannungen erzeugbar. Dabei sind Schaltmittel vorgesehen, derart daß in einem ersten Betriebszustand zwei erste Spannungen U1 und U4 und in einem zweiten Betriebszustand zwei zweite Spannungen U2 und U3 der spannungsgesteuerten Spannungsquelle an den Differenzkondensator anlegbar sind.The The invention relates to a device with a differential capacitor and an evaluation circuit, wherein the evaluation circuit is an output signal Ui and a voltage controlled voltage source. The output signal Ui the evaluation circuit is to control the voltage-controlled voltage source intended. There are four due to the voltage controlled voltage source electrical voltages can be generated. In this case, switching means are provided, such that in a first operating state, two first voltages U1 and U4 and in a second operating state, two second voltages U2 and U3 the voltage controlled voltage source to the differential capacitor can be applied.

Vorteilhaft ist, daß ein Taktgenerator vorgesehen ist, der mit den Schaltmitteln verbunden ist und mittels dessen der erste und zweite Betriebszustand schaltbar ist.Advantageous is that one Clock generator is provided, which is connected to the switching means is and by means of which the first and second operating state switchable is.

Besonders vorteilhaft ist, daß der Differenzkondensator eine um eine Auslenkung x auslenkbare Elektrode aufweist und das Ausgangssignal (Ui) der Auswerteschaltung proportional zur Auslenkung x ist.It is particularly advantageous that the differential capacitor has a deflectable by a deflection x electrode and the output signal (U i ) of the evaluation circuit is proportional to the deflection x.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß ein mikromechanischer Sensor die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, wobei die auslenkbare Elektrode eine seismische Masse aufweist oder mit einer seismischen Masse verbunden ist. Hierdurch kann vorteilhaft ein mikromechanischer Beschleunigungssensor oder Drehratensensor geschaffen werden.A particularly advantageous embodiment provides that a micromechanical Sensor device of the invention wherein the deflectable electrode is a seismic mass or connected to a seismic mass. hereby can advantageously be a micromechanical acceleration sensor or Rotation rate sensor are created.

Die Erfindung erzeugt zwei gegenphasige Rechtecksignale bei einer Frequenz von z. B. 20 kHz, deren Amplituden von einer Steuerspannung Ui linear, aber gegenläufig abhängen. Die Rechtecksignalerzeugung geschieht auf einfache Weise über zwei Analog-Umschalter, die z. B. als CMOS-Schalter realisierbar sind. Die beiden Rechtecksignale werden auf die beiden äußeren Elektroden gegeben. Die Amplituden der Rechtecksignale werden so eingestellt, daß das Signal an der Mittelelektrode Null wird. Dann ist vorteilhaft die Steuerspannung Ui ein direkt proportionales Maß für die Auslenkung. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des Auswerteprinzips ist, daß die angelegten Rechtecksignale im eingeschwungenen Zustand im Fall 1 keine zusätzlichen Kräfte auf die Mittelelektrode ausüben. Weiterhin vorteilhaft beeinflussen parasitäre Kapazitäten gegen Masse den Endwert des Meßergebnisses nicht.The invention generates two antiphase rectangular signals at a frequency of z. B. 20 kHz, the amplitudes of a control voltage U i linear, but in opposite directions. The square wave signal generation is done in a simple way via two analogue switches, the z. B. can be realized as a CMOS switch. The two square-wave signals are applied to the two outer electrodes. The amplitudes of the square wave signals are adjusted so that the signal at the center electrode becomes zero. Then, advantageously, the control voltage U i is a directly proportional measure of the deflection. A further advantageous feature of the evaluation principle is that the applied rectangular signals in the steady state in case 1 exert no additional forces on the center electrode. Furthermore advantageously, parasitic capacitances to ground do not influence the final value of the measurement result.

Zeichnungdrawing

1 zeigt ein Spannungsdiagramm einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 shows a voltage diagram of a voltage controlled voltage source of the device according to the invention.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Differenzkondensator und einer Auswerteschaltung. 2 shows an embodiment of the device according to the invention with a differential capacitor and an evaluation circuit.

Ausführungsbeispielembodiment

1 zeigt ein Spannungsdiagramm einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anhand der in 1 dargestellten Kennlinien ist folgendes zu sehen. Aus einer analogen Steuerspannung Ui werden in einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle vier weitere Spannungen U1, U2, U3, U4, erzeugt. Dies Spannungen haben folgende Beschaffenheit: U1 = Ui/2 + Ub/2 U2 = –Ui/2 + Ub/2 U3 = –Ui/2 + Ub U4 = Ui/2 1 shows a voltage diagram of a voltage controlled voltage source of the device according to the invention. On the basis of in 1 the following characteristics can be seen. From an analog control voltage U i , four further voltages U 1 , U 2 , U 3 , U 4 are generated in a voltage-controlled voltage source. These voltages have the following characteristics: U 1 = U i / 2 + U b / 2 U 2 = -U i / 2 + U b / 2 U 3 = -U i / 2 + U b U 4 = U i / 2

Hierbei ist Ub die Betriebsspannung. Ui ist die Spannung zur Steuerung der spannungsgesteuerten Spannungsquelle.Here U b is the operating voltage. U i is the voltage for controlling the voltage-controlled voltage source.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Differenzkondensator 100 und einer Auswerteschaltung 1000. Dargestellt ist hierzu ein Blockschaltbild. Ein Taktgenerator 700 liefert ein Rechtecksignal (Taktsignal) einer Frequenz von z. B. 20 kHz. Ein erster Schalter von Schaltmitteln 600 schaltet die obere (äußere) Elektrode 104 des Meßkondensators C1 abwechselnd auf U1 und U2, gesteuert vom Taktgenerator 700 mittels des Taktsignals. Ein zweiter Schalter von Schaltmitteln 600 schaltet die untere (äußere) Elektrode 106 des Meßkondensators C2 abwechselnd auf U4 und U3. Das resultierende Rechtecksignal an der gemeinsamen Mittelelektrode 110, deren Gleichspannungspegel auf Ub/2 gehalten wird, wird zunächst in einem Verstärker 200 verstärkt und dann in einem Synchrondemodulator 300 phasenrichtig gleichgerichtet. Der Synchrondemodulator 300 wird ebenfalls vom Taktgenerator 700 mittels des Taktsignals gesteuert. Er liefert eine Gleichspannung, die der Rechteckamplitude proportional ist. Der darauf folgende analoge Integrator 400 integriert das Signal des Synchrondemodulators 300. Der Integrator 400 liefert das Ausgangssignal Ui. Das Ausgangssignal Ui wird der spannungsgesteuerten Spannungsquelle 500 zur Steuerung zugeführt. Die oben beschriebene Abhängigkeit der Spannungen U1..U4 von Ui und das Anlegen dieser Spannungen nach dem beschriebenen Taktschema bewirkt ein Schließen des dargestellten Regelkreises der Auswerteschaltung 1000. 2 shows an embodiment of the device according to the invention with a differential capacitor 100 and an evaluation circuit 1000 , Shown here is a block diagram. A clock generator 700 provides a square wave signal (clock signal) of a frequency of z. B. 20 kHz. A first switch of switching means 600 switches the upper (outer) electrode 104 of the measuring capacitor C 1 alternately on U 1 and U 2 , controlled by the clock generator 700 by means of the clock signal. A second switch of switching means 600 Switches the lower (outer) electrode 106 of the measuring capacitor C 2 alternately on U 4 and U 3 . The resulting square wave signal at the common center electrode 110 , whose DC level is kept at U b / 2, is first in an amplifier 200. amplified and then in a synchronous demodulator 300 rectified in phase. The synchronous demodulator 300 is also from the clock generator 700 controlled by the clock signal. It provides a DC voltage that is proportional to the square wave amplitude. The following analog integrator 400 Integrates the signal of the synchronous demodulator 300 , The integrator 400 supplies the output signal U i . The output signal U i becomes the voltage-controlled voltage source 500 fed to the controller. The above-described dependence of the voltages U 1 ..U 4 of U i and the application of these voltages according to the clock scheme described causes a closure of the illustrated control circuit of the evaluation circuit 1000 ,

Ist der Regelkreis eingeschwungen, so gilt für die Integratorausgangsspannung:

Figure 00050001
If the control loop has settled, then the following applies to the integrator output voltage:
Figure 00050001

Durch Einsetzen der Gleichungen (3) bzw. (4) läßt sich zeigen, daß sich die Integratorausgangsspannung Ui in beiden Fällen linear zur Auslenkung x verhält.By substituting the equations (3) and (4), it can be shown that the integrator output voltage U i behaves linearly with respect to the deflection x in both cases.

Die im eingeschwungenen Fall sich einstellenden Spannungen an den Meßelektroden des Differenzkondensators 100 sind so beschaffen, daß die von den beiden äußeren Elektroden 104 und 106 auf die Mittelelektrode 110 ausgeübten Kräfte sich im Fall 1 gerade kompensieren.The settled in the steady state voltages at the measuring electrodes of the differential capacitor 100 are such that the of the two outer electrodes 104 and 106 on the center electrode 110 exerted forces in case 1 just compensate.

Claims (4)

Vorrichtung mit einem Differenzkondensator (100) und einer Auswerteschaltung (1000), – wobei die Auswerteschaltung (1000) ein Ausgangssignal (Ui) und eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle (500) aufweist, – wobei das Ausgangssignal (Ui) der Auswerteschaltung (1000) zur Steuerung der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (500) vorgesehen ist, – wobei durch die spannungsgesteuerte Spannungsquelle (500) vier elektrische Spannungen erzeugbar sind; – wobei Schaltmittel (600) vorgesehen sind, derart daß in einem ersten Betriebszustand zwei erste Spannungen (U1 und U4) und in einem zweiten Betriebszustand zwei zweite Spannungen (U2 und U3) der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (500) an den Differenzkondensator (100) anlegbar sind.Device with a differential capacitor ( 100 ) and an evaluation circuit ( 1000 ), - wherein the evaluation circuit ( 1000 ) an output signal (U i ) and a voltage-controlled voltage source ( 500 ), - wherein the output signal (U i ) of the evaluation circuit ( 1000 ) for controlling the voltage-controlled voltage source ( 500 ) is provided, - by the voltage-controlled voltage source ( 500 ) Four electrical voltages can be generated; - wherein switching means ( 600 ) are provided such that in a first operating state, two first voltages (U 1 and U 4 ) and in a second operating state, two second voltages (U 2 and U 3 ) of the voltage-controlled voltage source ( 500 ) to the differential capacitor ( 100 ) can be applied. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (700) vorgesehen ist, der mit den Schaltmitteln (600) verbunden ist und mittels dessen der erste und zweite Betriebszustand schaltbar ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that a clock generator ( 700 ) provided with the switching means ( 600 ) is connected and by means of which the first and second operating state is switchable. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzkondensator (100) eine um eine Auslenkung x auslenkbare Elektrode (110) aufweist und das Ausgangssignal (Ui) der Auswerteschaltung (1000) proportional zur Auslenkung x ist.Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the differential capacitor ( 100 ) an electrode deflectable about a deflection x ( 110 ) and the output signal (U i ) of the evaluation circuit ( 1000 ) is proportional to the displacement x. Mikromechanischer Sensor mit einer Vorrichtung nach Anspruch 3 wobei die auslenkbare Elektrode (110) eine seismische Masse aufweist.Micromechanical sensor with a device according to claim 3, wherein the deflectable electrode ( 110 ) has a seismic mass.
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