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Die
Erfindung betrifft einen Sensor. Insbesondere betrifft die Erfindung
einen mikromechanischen Sensor.
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Stand der Technik
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Mikromechanische
Sensoren finden mittlerweile breite Anwendung zur kapazitiven Aufnahme
unterschiedlicher Messgrößen. Die Messgröße
wird bestimmt, indem eine von der Messgröße gesteuerte
Speicherfähigkeit einer Kapazität bestimmt wird.
In einer Ausführung solcher Sensoren wird eine Auslenkung
einer mikromechanischen Elektrode bezüglich einer oder
mehreren benachbarten Elektroden, die von der Messgröße gesteuert
ist, mittels Kapazitätsbestimmung zwischen den Elektroden
bestimmt. Da mikromechanische Sensoren Strukturen verwenden, die
nur geringe Speicherfähigkeiten als zu bestimmende Größe
erlauben, können parasitäre Kapazitäten,
die beispielsweise zwischen benachbarten Leiterstücken
des mikromechanischen Sensors oder seiner Verbindungseinrichtungen
bestehen können, eine Bestimmung der Speicherfähigkeit deutlich
beeinflussen.
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Des
Weiteren ist bei bekannten mikromechanischen Sensoren häufig
ein Abgleich erforderlich, der gegebenenfalls mechanische Stimuli
voraussetzt, beispielsweise indem ein abzugleichender mikromechanischer Beschleunigungssensor
auf einem Kipptisch einer Beschleunigung aus unterschiedlichen Richtungen
ausgesetzt wird. Aus Messwerten, die während des Stimulus
bestimmt werden, können systematische Messfehler des individuellen
Sensors bestimmt und beispielsweise durch Aktivieren/Deaktivieren
(„zappen”) von hierfür vorgesehenen Kapazitäten,
ein Abspeichern von Parametern oder Setzen von eine Auswertung beeinflussenden
Bits in einem Steuerspeicher kompensiert werden. Ein Wegfall eines
Abgleichserfordernisses bei solchen mikromechanischen Sensoren kann
zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.
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Es
sind Herangehensweisen bekannt, einen Einfluss parasitärer
Kapazitäten bei mikromechanischen Sensoren zu kompensieren,
indem eine Signalspannung auf die Messkapazität zurückgeführt
wird oder indem die über die parasitären Kapazitäten
eingebrachten Ladungen über Kompensationskapazitäten
dem Messsignal wieder „entzogen” werden.
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Die
Patentschrift
US 5,600,066 beschreibt
eine schaltungstechnische Umsetzung mittels Generation einer Kompensationsspannung
derart, dass eine ΔC/C-Auswertung der zu bestimmenden Kapazität
im Wesentlichen linear ist. Um dies zu erreichen, wird zunächst
eine Kompensationsspannung bezüglich einer bestehenden
Kapazitätsanordnung bestimmt. Da die parasitären
Kapazitäten im Allgemeinen von unvermeidlichen Toleranzen
abhängig sind, ist ein aufwändiger Abgleich der
Schaltung bezüglich einer individuellen Differentialkondensatoranordnung
erforderlich.
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Die
Veröffentlichung
US 2005/0218911 A1 beschreibt eine schaltungstechnische
Kompensation parasitärer Kapazitäten mittels einer
zusätzlichen passiven Sensorstruktur, die Kompensationskapazitäten
umfasst, deren Speicherfähigkeiten denjenigen der parasitären
Kapazitäten entsprechen. Diese Variante erfordert eine
signifikante Vergrößerung einer Chip-Fläche
der mikromechanischen Anordnung, was kostenintensiv ist.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Technik zur Kompensation
parasitärer Kapazitäten in einem mikromechanischen
Sensor anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet.
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Offenbarung der Erfindung
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In
einem mikromechanischen Sensor zur kapazitiven Bestimmung einer
Messgröße, der eine Umwandlungseinrichtung zur
Abbildung der Messgröße auf eine Kapazität
und eine Auswertungseinrichtung umfasst, die miteinander mittels
erster elektrischer Verbindungseinrichtungen verbunden sind, entfällt
ein großer Teil der parasitären Kapazitäten,
die eine genaue Bestimmung der Messgröße beein trächtigen,
auf so genannte parasitäre Kapazitäten, die zwischen
den ersten Verbindungseinrichtungen bestehen. Dies ist insbesondere dann
der Fall, wenn die Umwandlungseinrichtung auf einem Chip und die
Auswertungseinrichtung, beispielsweise in Form eines ASIC (anwenderspezifisches
IC), auf einem anderen Chip angeordnet ist und beide Chips, beispielsweise
mittels Bonding-Technik, miteinander oder mit einem elektrischen
Verbindungselement verbunden sind. Ähnlich ist die Situation,
wenn die beiden Chips Sandwich-artig übereinander angeordnet
sind und die Verbindungseinrichtungen Durchkontaktierungen, beispielsweise
Nieten oder elektrolytisch erstellte Verbindungen, umfassen. Es
wird vorgeschlagen, wenigstens eine parallel zu den ersten Verbindungseinrichtungen
verlaufende zweite Verbindungseinrichtung vorzusehen, so dass zwischen
der zweiten Verbindungseinrichtung und den ersten Verbindungseinrichtungen
eine Kompensationskapazität besteht, an Hand derer eine von
der Verarbeitungseinrichtung umfasste Kompensationseinrichtung Einflüsse
der parasitären Kapazitäten auf das Ausgangssignal
kompensiert.
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Durch
Auslegung der zweiten Verbindungseinrichtungen möglichst
exakt gleich wie die ersten Verbindungseinrichtungen betreffen Streuungen,
die während der Produktion induziert sind, sowohl die parasitären, als
auch die Kompensationskapazitäten, Solche Streuungen können
beispielsweise durch einen lateralen Versatz von Bonddrähten,
Variationen der Bondlands, Variationen in den Eigenschaften der
verwendeten Materialien, einem dielektrischen Einfluss eines die
Verbindungseinrichtungen umgebenden Mediums, beispielsweise einer
Vergussmasse oder einer mechanischen Deformation der Bonddrähte
(„Verwehungen”), beispielsweise durch die Vergussmasse,
bedingt sein. Somit können die Speicherfähigkeiten
der parasitären und der Kompensationskapazität
einander in guter Näherung entsprechen, wodurch eine kalibrierungsfreie
Kompensation der parasitären Kapazitäten ermöglicht
werden kann.
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Es
ist möglich, die zweiten Verbindungseinrichtungen auf Strukturen
der Einrichtung zur Abbildung der Messgröße auf
eine Speicherfähigkeit einer Kapazität und/oder
Strukturen der Auswertungseinrichtung zu erstrecken, wodurch gegebenenfalls
auch Streukapazitäten in der Abbildungseinrichtung von
der Kompensation umfasst werden können.
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Eine
Kompensation der parasitären Kapazitäten durch
die Kompensationseinrichtung kann beispielsweise einen Ladungsintegrator
oder einen Spannungsfolger umfassen. In beiden Fällen können
Messphasen zyklisch mit anderen Phasen abgewechselt werden, die
erforderlich sind, um die Kompensation vorzubereiten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung genauer anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
mikromechanische Differentialkondensatoranordnung;
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2 einen
mikromechanischen Sensor, der den Differentialkondensator aus 1 umfasst;
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3 den
Sensor aus 2 mit zweiten Verbindungseinrichtungen
zur Bereitstellung von Kompensationskapazitäten;
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4 ein
Schaltbild eines mikromechanischen Sensors mit Kompensation mittels
eines Ladungsintegrators, und
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5 ein
Schaltbild eines mikromechanischen Sensors mit Kompensation mittels
eines Spannungsfolgers darstellen.
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Gleiche
bzw. einander entsprechende Elemente tragen die selben Bezugszeichen
in allen Figuren. Für die Ausführungen innerhalb
dieses Dokuments gilt ferner, dass der Begriff „Kondensator” eine
Anordnung bezeichnet, deren vornehmlicher Zweck es ist, Ladungen
zu speichern, während der Begriff Kapazität den
physikalischen Effekt einer elektrischen Speicherfähigkeit
zwischen zwei Elementen besteht. Das Maß für die
Fähigkeit einer Kapazität bzw. eines Kondensators,
elektrische Ladung zu speichern, wird als Speicherfähigkeit bezeichnet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf einen Differentialkondensator
beschrieben; es ist jedoch möglich, die Erfindung auch
in jeder anderen Anordnung, die eine Kapazität in Abhängigkeit
einer zu bestimmenden Größe bereitstellt, einzusetzen.
Die Erfindung kann beispielsweise in Beschleunigungs-, Drehraten-,
Druck-, Magnetfeld- oder Stromsensor verwendet werden. Dabei kann
die zu bestimmende Größe in eine Auslenkung umgewandelt
werden und die Auslenkung kann die zu bestimmende Speicherfähigkeit
steuern.
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Eine
mikromechanische Differentialkondensatoranordnung 100 ist
in 1 als repräsentative Anordnung eines
kapazitiven mikromechanischen Sensors gezeigt. Die Differentialkondensatoranordnung 100 umfasst
einen Differentialkondensator 110, auch bekannt als „kapazitive
Halbbrücke”. Der Differentialkondensator 110 umfasst
feste Elektroden E1 und E2, zwischen denen eine in einer x-Richtung
auslenkbare Elektrode Ea angebracht ist. Kapazitäten Cs1
zwischen den Elektroden E1 und Ea und Cs2 zwischen den Elektroden
E2 und Ea weisen üblicherweise die gleiche elektrische
Speicherfähigkeit auf, solange die Elektrode Ea nicht ausgelenkt
ist, sich also an der Stelle x0 befindet.
Zwischen den Elektroden E1 und E2 ist eine Betriebsspannung von
2·Vs angelegt. Die Betriebsspannung besitzt einen symmetrischen
Mittelabgriff, bezüglich dessen eine Signalspannung Va der auslenkbaren Elektrode Ea anliegt.
Der Differentialkondensator 110 ist mittels Verbindungseinrichtungen
B1, B2 und BM, hier als Anschlüsse dargestellt, in die
Differentialkondensatoranordnung 100 eingebettet.
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Wird
die Elektrode Ea in positiver x-Richtung auf die Elektrode E1 zu
bewegt, so wird durch veränderte Abstände zu den
Elektroden E1 und E2 die Kapazität Cs1 vergrößert
und die Kapazität Cs2 verkleinert. Die Auslenkung kann
beispielsweise anhand eines Ladungsträgerflusses in einer
so genannten ΔC-Auswertung bestimmt werden. Diese Bestimmung
ist jedoch prinzipbedingt nicht linear bezüglich der Auslenkung
und berücksichtigt nicht den Effekt, dass elektrostatische
Kräfte auf die auslenkbare Elektrode Ea wirken, die in
invers proportional zum Abstand der Elektrode Ea zu den festen Elektroden
E1 bzw. E2 sind. Dadurch kann eine Auslenkung der Elektrode Ea selbstverstärkend
sein.
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Alternativ
kann die Auslenkung der Elektrode Ea mittels einer so genannten ΔC/C-Auswertung
bestimmt werden. Dabei gilt unter idealen Bedingungen folgender
Zusammenhang:
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Wobei
der Term x / x₀ die Auslenkung der Elektrode Ea beschreibt und die gezeigten äquivalenten
Terme auch als so genannte Sensitivität S bezeichnet werden.
Problematisch bei diesem Ansatz ist jedoch, dass die Kapazitäten
Cs1 und Cs2 genau bekannt sein müssen. Da mikromechanische
Sensoren sehr kleine Strukturen verwenden, liegen die Speicherfähigkeiten
der kapazitiven Cs1 und Cs2 im Bereich derer von parasitären Kapazitäten,
die beispielsweise zwischen benachbarten Leiterbahnen der Differentialkondensatoranordnung
100 bestehen
können. Besteht eine parasitäre Kapazität
Cps1 parallel zu Cs1 und eine gleich große parasitäre Kapazität
Cps2 parallel zu Cs2, so wird die ΔC/C-Auswertung dadurch
wie folgt beeinträchtigt:
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Die
Gleichheit der Parasitärkapazitäten Cps1 und Cps2
kann z. B. dadurch sicher gestellt werden, dass das Sensordesign
und die elektrischen Verbindungselemente, insbesondere der Differentialkondensatoranordnung 100,
symmetrisch ausgeführt sind.
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2 zeigt
einen mikromechanischen Sensor 200 mit einem Gehäuse 210,
in dem ein Differentialkondensator 110, eine Auswertungseinrichtung 220 und
erste Verbindungseinrichtungen B1, B2 und BM angeordnet sind. Jede
der Verbindungseinrichtungen umfasst Leiterbahnen I auf oder an
einem Chip, der Teil der Differentialkondensators 110 bzw.
der Auswertungseinrichtung 220 ist, sogenannte Bondlands
b (auch: „Bondpads”), an denen die Leiterbahnen
enden und Bonddrähte w beginnen, die Bondlands b miteinander
verbinden. Zusätzlich als Schaltsymbole eingezeichnet sind
die parasitären Kapazitäten Cpf1 und Cpf2, die
jeweils zwischen Elementen unterschiedlicher erster Verbindungseinrichtungen
B1, B2 bzw. BM bestehen. Die parasitären Kapazitäten
Cpf1 und Cpf2 rühren hauptsächlich von der geometrischen
Nähe der spannungsführenden Verbindungseinrichtungen
B1, B2 und BM. Eine parasitäre Kapazität zwischen
den Verbindungseinrichtungen B1 und B2 ist nicht eingezeichnet,
da eine solche keinen nennenswerten Einfluss auf die Bestimmung der
Auslenkung der Elektrode Ea des Differentialkondensators 110 mittels
der ΔC/C-Auswertung hat. Die parasitären Kapazitäten
Cpf1 und Cpf2 sind invariant gegenüber einer Auslenkung
der Elektrode Ea des Differentialkondensators 110.
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Der
Sensor 200 ist in 2 nur in
seinem prinzipiellen Aufbau dargestellt; anders ausgeführte
erste elektrische Verbindungseinrichtungen B1, B2 und BM sind ebenfalls
denkbar, beispielsweise in Form von Chipstrukturen auf einem einzelnen
Chip, der den Differentialkondensator 110 und die Auswertungseinrichtung 220 umfasst,
mit zusätzlichen leitenden Elementen oder unter Einschluss
von Durchkontaktierungen, beispielsweise bei einem Sandwich-artigen
Aufbau des Differentialkondensators 110 über oder
unter der Auswertungseinrichtung 220. Ebenfalls nicht dargestellt
ist eine Vergussmasse, beispielsweise in Form eines Polyester- oder
Epoxydharzes, welche dazu verwendet wird, die ersten elektrischen
Verbindungseinrichtungen B1, B2 und BM sowie gegebenenfalls den
Differentialkondensator 110 und/oder die Auswertungseinrichtung 220 innerhalb
des Gehäuses 210 gegenüber Umwelteinflüssen
abzuschirmen.
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3 zeigt
einen mikromechanischen Sensor 300 entsprechend dem Sensor 200 von 2 mit
zusätzlichen Kompensationskapazitäten. Im Unterschied
zum Sensor 200 ist hier die erste elektrische Verbindungseinrichtung
BM zweifach ausgeführt, und zwischen beiden Ausführungen
verläuft eine zweite elektrische Verbindungseinrichtung
BC, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die ersten elektrischen
Verbindungseinrichtungen B1, B2 und BM aufweist. Eine elektrische
Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Verbindungseinrichtung
BC und dem Differentialkondensator 110 besteht jedoch nicht.
Zusätzlich zu den parasitären Kapazitäten
Cpf1 und Cpf2 bestehen beim gezeigten Sensor 300 Kompensationskapazitäten
Cc1 und Cc2 jeweils zwischen den ersten elektrischen Verbindungseinrichtung
BM und der zweiten elektrischen Verbindungseinrichtung BC. Alle
elektrischen Verbindungseinrichtungen B1, B2, BM und BC sind einander möglichst ähnlich
aufgebaut, damit die Kapazitäten Cpf1, Cc1 bzw. Cc2 und
Cpf2 einander paarweise oder gemeinschaftlich entsprechen. Eine
Führung von Leiterbahnen bzw. Chipstrukturen im Bereich
des Differentialkondensators 110 bzw. der Auswertungseinrichtung 220 kann
davon umfasst sein. Mit anderen Worten, die genaue Führung
der Leiterbahnen bzw. Chipstrukturen der ersten Verbindungseinrichtungen
B1, B2 und BM können aufeinander und die Führung
der Leiterbahnen I bzw. Chipstrukturen der zweiten Verbindungseinrichtung
BC auf diese derart abgestimmt sein, dass sich die oben genannten
Entsprechungen der Kapazitäten Cpf1, Cc1, Cc2 und Cpf2
ergeben.
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Die
dargestellte Vorgehensweise zur Kompensation parasitärer
Kapazitäten in Verbindungseinrichtungen ist unabhängig
von einer Anzahl Verbindungseinrichtungen, deren konkreter geometrischen
Ausprägung und Anordnung anwendbar.
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Zur
Kompensation von parasitären Kapazitäten zwischen
ersten einer Verbindungseinrichtung und einem anderen Element kann
allgemein eine zweite Verbindungseinrichtung so ausgeführt
werden, dass sie die selben Kapazitäten zu den entsprechenden
Elementen aufweist. Dabei können auch nur diejenigen Kapazitäten
berücksichtigt werden, die einen Einfluss auf die zu Grunde
liegende Messung (z. B. der Kapazitäten Cs1, Cs2 bzw. der
Auslenkung der auslenkbaren Elektrode Ea des Differentialkondensators 110)
haben.
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4 zeigt
eine vereinfachte schaltungstechnische Darstellung eines mikromechanischen
Sensors 400 mit Ladungsintegrator. Der Sensor 400 umfasst
den Differentialkondensator 110, Kompensationskapazitäten
Cc1 und Cc2, auslenkungsinvariante parasitäre Kapazitäten
Cpf1 und Cpf2, auslenkungsabhängige parasitäre
Kapazitäten Cpv1 und Cpv2, ferner bezüglich eines
Chip-Substrats des Differentialkondensators 110 bestehende
parasitäre Kapazitäten Cp1, Cpm und Cp2 sowie
einen Integrationskondensators Cf, einen Operationsverstärker
U1, einen Ausgangsverstärker G und mehrere Schalter T1
und T2. Die auslenkungsabhängigen parasitäre Kapazitäten
Cpv1 und Cpv2 haben üblicherweise einen sehr geringen Einfluss
auf eine Messung und werden im Folgenden nicht näher behandelt.
Der Operationsverstärker U1 bildet mit dem Integrationskondensator
einen – für die Schaltung namensgebenden – Ladungsintegrator.
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Die
parasitären Kapazitäten Cpv1 und Cpv2 können
abhängig vom Aufbau der Differentialkondensatoranordnung 100 eine
Kapazitätsbestimmung von Cs1 bzw. Cs2 verfälschen.
Ein solcher Einfluss kann jedoch durch zweckmäßige
Ausgestaltung der Differentialkondensatoranordnung 100 minimiert
werden. Darüber hinaus können Zuleitungen, die
beispielsweise innerhalb oder unterhalb eines Substrats, auf dem
der Differentialkondensator 110 angeordnet ist, einen weiteren
verfälschenden Einfluss auf die Kapazitätsbestimmung
verursachen. Dieser Einfluss kann kompensiert werden, indem der
Kompensationspfad BC nicht außerhalb der aktiven Sensorstruktur
terminiert wird, sondern auch diesen unter der aktiven Sensorstruktur
weiterführt (parallel zu den Zuleitungen B1, B2 und BM,
dem Prinzip aus 3 folgend).
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Die
Schalter T1 und T2, der Operationsverstärker U1, der Ausgangsverstärker
G und der Integrationskondensator Cf können beispielsweise
Bestandteil der Auswertungseinrichtung 220 in 3 sein.
Die Kompensationskapazitäten Cc1 und Cc2 sowie die parasitären
Kapazitäten, insbesondere Cpf1 und Cpf2, können entsprechend
der Darstellung in 3 gebildet sein. Das elektrische
Schaltzeichnung für Erde steht vorliegend für
das Chipsubstrat, wobei davon ausgegangen wird, dass im Fall von
unterschiedlichen Chipsubstraten für den Differentialkondensator 110 und
die Auswertungseinrichtung 220 beide Substrate auf dem
gleichen Potential liegen.
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Eine
Kapazitätsbestimmung der Kapazitäten Cs1 und Cs2
mittels der ΔC/C-Auswertung erfolgt beim Sensor
400 in
zwei alternierenden Phasen. Die Schalter T1, die beispielsweise
durch Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, gebildet
sein können, sind in einer Reset-Phase geschlossen und
ansonsten offen; die Schalter T2, die entsprechend den Schaltern
T1 aufgebaut sein können, sind während eines Messphase geschlossen
und ansonsten offen. Reset- und Vorladephasen wechseln einander
ab. In der Reset-Phase werden die Sensor-Kapazitäten Cs1
und Cs2 an das Chipsubstrat geerdet und somit kurzgeschlossen, so
dass sie sich entladen. Die Kompensationskapazitäten Cc1
und Cc2 werden gleichzeitig auf den Spannungswert Vo der letzten
Messung vorgeladen. Anschließend wird in der Messphase
an den Elektroden E1 und E2 ein symmetrischer Messpuls angelegt,
der um den Spannungswert der letzten Messung verschoben ist (±VS
+ VO). Gleichzeitig wird die vorgeladene Ladung auf den Kompensationskapazitäten
Cc1 und Cc2 invertiert, was einen Ladungsentzug auf der auslenkbaren
Elektrode Ea bewirkt. An der Elektrode Ea stellt sich folgendes Gleichgewicht
der Ladungsdifferenzen ein:
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Haben
die Kompensationskapazitäten Cc1 und Cc2 gleiche Speicherfähigkeiten
wie die parasitären Kapazitäten Cpf1 und Cpf2
und ist gleichzeitig ein Verstärkungsfaktor g des Ausgangsverstärkers
G groß, so reduziert sich die Sensitivität gemäß der
Gleichungen 1 und 3 auf:
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Die
Schalter T1 und T2 und der Ladungsintegrator um U1 und Cf können
mit wenig zusätzlichem Schaltungsaufwand in einer Auswertungseinrichtung 220,
die bereits den Ausgangsverstärker G enthält,
eingebaut werden. Die Ansteuerung der Schalter T1 und T2 erfolgt
vorteilhafterweise synchron zu einem Taktschema, welches üblicherweise
ohnehin im Rahmen einer ΔC/C-Auswertung verwendet wird.
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5 zeigt
einen mikromechanischen Sensor 500 mit Spannungsfolger.
Mit dem Sensor 500 wird eine alternative schaltungstechnische
Variante zur Kompensation parasitärer Kapazitäten
mittels gleich großer Kompensationskapazitäten
angegeben. Der grundsätzliche Aufbau des Sensors 500 entspricht
dem des Sensors 400, jedoch werden andere Schalter T2 und
T3 statt T1 und T2, sowie ein anderer Operationsverstärker U2
zusammen mit einem Haltekondensator Ch anstelle der Bauelemente
U1, Cf und G in 4 verwendet. Der Operationsverstärker
U2 ist mit Spannungen VDD und VSS verbunden und bildet zusammen
mit dem Haltekondensator Ch einen Spannungsfolger mit differentiellem
Ausgang. Im Unterschied zum Sensor 400 aus 4 wird
im Sensor 500 die auslenkbare Elektrode Ea des Differentialkondensators 110 nicht
auf Referenzpotential geregelt, vielmehr stellt sich an der Elektrode
Ea ein Potential (bzw. eine Spannung) proportional zur Auslenkung
der Elektrode Ea ein. Die Schalter T2 sind wie in 4 in
einer Messphase geschlossen und ansonsten offen; die Schalter T3
sind in einer Vorladephase geschlossen und ansonsten offen. Vorlade-
und Messphasen wechseln einander ab.
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In
der Vorladephase werden alle Elektroden E1, Ea und E2 des Differentialkondensators 110 auf
den Spannungswert Vo der letzten Messung vorgeladen, um die Parasitärkapazitäten
Cp1, CpM und Cp2 aus der folgenden Messung zu eliminieren. Bei einer
hohen Taktfrequenz zum Wechsel zwischen der Vorlade- und der Messphase,
beispielsweise größer als 100 kHz, unterscheidet
sich ein Potential- bzw. Spannungswert Vo an der auslenkbaren Elektrode
Ea des Differentialkondensators 110 zwischen aufeinanderfolgenden
Messzyklen nur wenig. Daher findet in der Messphase, bedingt durch
den leichten Spannungsunterschied zur Vorladephase, kein nennenswerter
parasitärer Ladungsfluss statt. Außerdem werden
in der Vorladephase die Kompensationskapazitäten Cc1 und
Cc2, welche die gleiche Speicherfähigkeit wie die parasitären
Kapazitäten Cpf1 bzw. Cpf2 aufweisen, mit dem invertierten
zweifachen Spannungswert der letzten Messung vorgeladen, um die
parasitären Kapazitäten Cpf1 und Cpf2 aus der
folgenden Messung zu eliminieren.
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In
der anschließenden Messphase stellt sich dann an den Kompensationskapazitäten
Cc1 und Cc2 eine Ladungsdifferenz ein, die der invertierten Ladungsdifferenz
an den Parasitärkapazitäten Cpf1 und Cpf2 entspricht.
Dies geht aus dem Gleichgewicht der Ladungsdifferenzen hervor: (Vs – Vx)(Cs1 + Cpf1) + (–Vs – Vx)(Cs2
+ Cpf2) + (2Vo – Vx)(Cc1 + Cc2) = 0 (Gleichung 5)
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Wenn
der letzte Messwert Vo in erster Näherung gleich dem Potential
Vx an der auslenkbaren Elektrode Ea ist, ergibt sich entsprechend
der Gleichungen 1 und 5 für den Sensor
500 eine
Sensitivität, die frei von parasitären Effekten
ist:
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Rückführen
der Spannungen auf die Kompensationskapazitäten Cc1 und
Cc2 statt wie dargestellt analog auch gesteuert durch einen D/A-Wandler
aus einem digitalen Teil der Auswertungseinrichtung 220,
die einen A/D-Wandler zum Abtasten und Digitalisieren des Ausgangssignals
Vo umfasst, erfolgen. In diesem Fall können die Kompensationskapazitäten
Cc1 und Cc2 in der Vorladephase in Abhängigkeit weiterer
Parameter beeinflusst werden, beispielsweise in Abhängigkeit
eines zuvor bestimmten Messwertes oder einer Änderungsrate
eines zuvor bestimmten Messwertes.
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Das
oben beschriebene Kompensationsprinzip ist auch für weitere
Auswerteschaltungskonzepte einsetzbar, z. B. ΔΣ-Wandler.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5600066 [0005]
- - US 2005/0218911 A1 [0006]
