DE102018207544A1 - Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device - Google Patents
Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Messschaltungsanordnung (1) zum Erzeugen eines Antwortsignals (3) auf ein Anregungssignal (2) an einem Ausgang (A) der elektronischen Messschaltungsanordnung (1), umfassend eine Taktgebereinrichtung (4), mittels welcher eine zeitliche Taktung (t) für das Anregungssignal (2) vorgebbar ist; eine Anregungsvorrichtung (5), welche mit der Taktgebereinrichtung (4) verbunden ist, und mittels welcher das Anregungssignal (2) gemäß der Taktung (t) erzeugbar ist; zumindest einen elektronischen Messkanal (MK1), welcher mit der Anregungsvorrichtung (5) verbunden ist und welcher eine Kapazitätsbrücke (KB) umfasst, wobei die Kapazitätsbrücke (KB) einen ersten Messkondensator (C1M), einen zweiten Messkondensator (C2M), einen ersten Referenzkondensator (C1R) und einen zweiten Referenzkondensator (C2R) umfasst, wobei der erste Messkondensator (C1M) und der zweite Messkondensator (C2M) in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator (C1R) und der zweite Referenzkondensator (C2R) eine konstante Kapazität aufweisen, wobei die Kapazitätsbrücke (KB) mit dem Ausgang (A) verbunden ist und das Antwortsignal (3) mittels der Kapazitätsbrücke (KB) erzeugbar ist; und eine erste mechanische Schwingvorrichtung (11a), welche an dem ersten Messkondensator (C1M) angeordnet ist, und/oder eine zweite mechanische Schwingvorrichtung (11b), welche an dem zweiten Messkondensator (C2M) angeordnet ist, wobei die erste mechanische Schwingvorrichtung (IIa) und/oder die zweite mechanische Schwingvorrichtung (11b) mit dem jeweiligen Messkondensator (C1M; C2M) gekoppelt ist, so dass eine mechanische Energie vom Messkondensator (C1M; C2M) auf die Schwingvorrichtung (11a; 11b) übertragbar ist.The present invention provides an electronic measuring circuit arrangement (1) for generating a response signal (3) to an excitation signal (2) at an output (A) of the electronic measuring circuit arrangement (1), comprising a clock device (4), by means of which a temporal clocking (t ) for the excitation signal (2) can be predetermined; an excitation device (5) which is connected to the clock device (4) and by means of which the excitation signal (2) can be generated according to the timing (t); at least one electronic measuring channel (MK1) which is connected to the excitation device (5) and which comprises a capacitance bridge (KB), wherein the capacitance bridge (KB) comprises a first measuring capacitor (C1M), a second measuring capacitor (C2M), a first reference capacitor ( C1R) and a second reference capacitor (C2R), wherein the first measuring capacitor (C1M) and the second measuring capacitor (C2M) are variable in their capacitance by an external influence and the first reference capacitor (C1R) and the second reference capacitor (C2R) is a constant Have capacitance, wherein the capacity bridge (KB) is connected to the output (A) and the response signal (3) by means of the capacity bridge (KB) can be generated; and a first mechanical oscillating device (11a), which is arranged on the first measuring capacitor (C1M), and / or a second mechanical oscillating device (11b), which is arranged on the second measuring capacitor (C2M), wherein the first mechanical oscillating device (IIa) and / or the second mechanical oscillating device (11b) is coupled to the respective measuring capacitor (C1M; C2M), so that a mechanical energy from the measuring capacitor (C1M; C2M) can be transmitted to the oscillating device (11a; 11b).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung, eine elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung.The present invention relates to an electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, to an electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and to a method for detecting a capacitive measuring signal at an electronic measuring device.
Stand der TechnikState of the art
Bei Sensorvorrichtungen wird meist eine Ermittlung eines Messsignals angestrebt, welche möglichst wenig Störeinflüsse, etwa ein geringes Rauschen im Signal, bei der Messung mit sich zieht. Insbesondere betreffend das Internet der Dinge sowie mobile Anwendungen werden Sensoren benötigt, welche eine hohe Genauigkeit aufweisen und energiesparend sind. Für solche Anwendungen sind kapazitive Sensoren besonders gut geeignet, da das Messprinzip selbst keinen Strom zum Messbetrieb erfordert. Des Weiteren wird es ermöglicht Energie einzusparen, indem die Sensoren in einem gepulsten Betrieb betrieben werden. In einem gepulsten Betrieb mit einer pulsförmigen Spannung, etwa mit rechteckigen Profilen, zum Auslesen der Messkapazität des Sensors kann dieser allerdings ungewollt breitbandig zu mechanischen Eigenschwingungen angeregt werden, wodurch sich dem eigentlichen Messsignal ein Schwingungsrauschen überlagern kann.When sensor devices, a determination of a measurement signal is usually sought, which attracts as little interference, such as a low noise in the signal in the measurement with it. Particularly regarding the Internet of Things and mobile applications, sensors are required which have high accuracy and are energy-saving. Capacitive sensors are particularly well suited for such applications since the measuring principle itself does not require any current for measuring operation. Furthermore, it is possible to save energy by operating the sensors in a pulsed mode. In a pulsed operation with a pulsed voltage, such as with rectangular profiles, for reading the measuring capacity of the sensor, however, this unwanted broadband can be excited to mechanical natural vibrations, which can be superimposed on the actual measurement signal, a vibration noise.
In der
In „C. Zhao; G. S. Wood; Jianbing Xie; H. Chang; S. Hui Pu; M. Kraft; A force sensor based on three weakly coupled resonators with ultrahigh sensitivity, Sensors and Actuators A 232 (2015) 151 - 162“, werden gekoppelte Schwingungssysteme zur Verstärkung von Sensorsignalen beschrieben.In "C. Zhao; G.S. Wood; Jianbing Xie; H. Chang; S. Hui Pu; M. Force; A force sensor based on three weakly coupled resonators with ultra-high sensitivity, Sensors and Actuators A 232 (2015) 151 - 162 ", describes coupled vibration systems for amplifying sensor signals.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung nach Anspruch 1, eine elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals nach Anspruch 10 und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung nach Anspruch 12.The present invention provides an electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine rauscharme Signalermittlung zu erzielen, wobei das Signalrauschen eines Ausgangssignals der Messschaltungsanordnung, etwa das Eigenschwingungsrauschen auf dem Messsignal dieser, verringert werden kann, indem die mechanische Schwingungsenergie der Messkondensatoren an ein angekoppeltes schwingfähiges Element übertragen und dadurch der Messvorrichtung entzogen werden kann.The idea underlying the present invention is to achieve a low-noise signal detection, wherein the signal noise of an output signal of the measuring circuit, such as the natural vibration noise on the measuring signal of this, can be reduced by transmitting the mechanical vibration energy of the measuring capacitors to a coupled oscillatory element and thereby the measuring device can be withdrawn.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung eine Taktgebereinrichtung, mittels welcher eine zeitliche Taktung für das Anregungssignal vorgebbar ist; eine Anregungsvorrichtung, welche mit der Taktgebereinrichtung verbunden ist, und mittels welcher das Anregungssignal gemäß der Taktung erzeugbar ist; zumindest einen elektronischen Messkanal, welcher mit der Anregungsvorrichtung verbunden ist und welcher eine Kapazitätsbrücke umfasst, wobei die Kapazitätsbrücke einen ersten Messkondensator, einen zweiten Messkondensator, einen ersten Referenzkondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfasst, wobei der erste Messkondensator und der zweite Messkondensator in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator und der zweite Referenzkondensator eine konstante Kapazität aufweisen, wobei die Kapazitätsbrücke mit dem Ausgang verbunden ist und das Antwortsignal mittels der Kapazitätsbrücke erzeugbar ist. Des Weiteren umfasst die Messschaltungsanordnung eine erste mechanische Schwingvorrichtung, welche an dem ersten Messkondensator angeordnet ist, und/oder eine zweite mechanische Schwingvorrichtung, welche an dem zweiten Messkondensator angeordnet ist, wobei die erste mechanische Schwingvorrichtung und/oder die zweite mechanische Schwingvorrichtung mit dem jeweiligen Messkondensator gekoppelt ist, so dass eine mechanische Energie vom Messkondensator auf die Schwingvorrichtung übertragbar ist.According to the invention, the electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement comprises a clock device, by means of which a temporal clocking for the excitation signal can be predetermined; an excitation device connected to the clock means and by means of which the excitation signal can be generated in accordance with the clocking; at least one electronic measuring channel, which is connected to the excitation device and which comprises a capacitance bridge, wherein the capacitance bridge comprises a first measuring capacitor, a second measuring capacitor, a first reference capacitor and a second reference capacitor, wherein the first measuring capacitor and the second measuring capacitor in their capacity by a external influence are variable and the first reference capacitor and the second reference capacitor having a constant capacitance, wherein the capacitance bridge is connected to the output and the response signal is generated by means of the capacitance bridge. Furthermore, the Measuring circuit arrangement, a first mechanical oscillating device, which is arranged on the first measuring capacitor, and / or a second mechanical oscillating device, which is arranged on the second measuring capacitor, wherein the first mechanical oscillating device and / or the second mechanical oscillating device is coupled to the respective measuring capacitor, so that a mechanical energy from the measuring capacitor to the oscillating device is transferable.
Vorteilhaft ist die erste mechanische Schwingvorrichtung und/oder die zweite mechanische Schwingvorrichtung mit dem jeweiligen Messkondensator über einen Kopplungsmechanismus, beispielsweise einen mechanischen Kopplungsmechanismus, gekoppelt, so dass eine mechanische Energie vom Messkondensator auf die daran angeordnete Schwingvorrichtung übertragbar ist. Advantageously, the first mechanical oscillating device and / or the second mechanical oscillating device is coupled to the respective measuring capacitor via a coupling mechanism, for example a mechanical coupling mechanism, so that a mechanical energy can be transmitted from the measuring capacitor to the oscillating device arranged thereon.
Das Antwortsignal umfasst vorteilhaft eine Information über einen an dem ersten Messkondensator und an dem zweiten Messkondensator vorliegenden und zu messenden Zustand, beispielsweise einen dort vorherrschenden Druck, auf welchen aus momentanen Kapazitäten (Änderungen der Kapazität) der Messkondensatoren relativ zu den Referenzkondensatoren rückgeschlossen werden kann. Die Messung erfolgt durch eine Ansteuerung der Messkondensatoren mit dem Anregungssignal.The response signal advantageously comprises information about a state present and to be measured at the first measuring capacitor and at the second measuring capacitor, for example a prevailing pressure, which can be deduced from the instantaneous capacitances (changes in the capacitance) of the measuring capacitors relative to the reference capacitors. The measurement is carried out by controlling the measuring capacitors with the excitation signal.
Es ist hierbei vorteilhaft möglich, dass die Messkondensatoren und/oder die Referenzkondensatoren jeweils oder vereinzelt nur einen Kondensator oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren oder Kapazitäten umfassen.In this case, it is advantageously possible that the measuring capacitors and / or the reference capacitors in each case or occasionally comprise only one capacitor or a plurality of capacitors or capacitors connected in parallel.
Es können vorteilhaft auch mehrere Messkanäle in der Messschaltungsanordnung umfasst sein, welche vorteilhaft gleich aufgebaut sein können, oder verschiedene Bauelemente oder Verschaltungsarten aufweisen können. Die Anregungseinrichtung sendet das in ihrer Form und Dauer sowie in charakteristischen Zeitskalen und im Oszillationsverhalten/frequenzen (Variationsverhalten, zeitliche Taktung) durch die Taktgebereinrichtung vorherbestimmte Anregungssignal an den oder die Messkanäle.Advantageously, it is also possible to include a plurality of measuring channels in the measuring circuit arrangement, which advantageously can have the same design, or can have different components or types of connection. The excitation device transmits the excitation signal predetermined in terms of shape and duration as well as in characteristic time scales and oscillation behavior / frequencies (variation behavior, temporal clocking) to the one or more measurement channels by the timing device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung ist die erste mechanische Schwingvorrichtung und/oder die zweite mechanische Schwingvorrichtung jeweils mit zumindest einer weiteren Schwingvorrichtung gekoppelt.According to a preferred embodiment of the measurement circuit arrangement, the first mechanical oscillation device and / or the second mechanical oscillation device are each coupled to at least one further oscillation device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfassen die erste mechanische Schwingvorrichtung und/oder die zweite mechanische Schwingvorrichtung ein fluidisches Volumenelement.According to a preferred embodiment of the measurement circuit arrangement, the first mechanical oscillation device and / or the second mechanical oscillation device comprise a fluidic volume element.
Hierbei ist es möglich, dass eine erste mechanische Schwingvorrichtung ein fluidisches Volumenelement umfasst und eine zweite mechanische Schwingvorrichtung eine anderes schwingfähiges Element, etwa eine Membran oder einen Biegebalken.In this case, it is possible that a first mechanical oscillating device comprises a fluidic volume element and a second mechanical oscillating device comprises another vibratable element, for example a diaphragm or a bending beam.
Das fluidische Volumenelement ist vorteilhaft an einer schwingenden Elektrode oder Membran des Messkondensators angeordnet und kann als ein Deckel diese Elektrode oder Membran bedecken und/oder überspannen und eine Dämpfung des Schwingverhaltens der Elektrode oder Membran bewirken. Das fluidische Volumenelement kann einen Deckel als Deckelelement umfassen und kann zur Elektrode oder Membran des Messkondensators hin vorteilhaft ein im Wesentlichen geschlossenes fluidisches Volumen abgrenzen, vorteilhaft gegenüber einer Umgebung.The fluidic volume element is advantageously arranged on a vibrating electrode or membrane of the measuring capacitor and can cover and / or span this electrode or membrane as a cover and cause an attenuation of the oscillation behavior of the electrode or membrane. The fluidic volume element may comprise a cover as cover element and may advantageously delimit a substantially closed fluid volume towards the electrode or membrane of the measurement condenser, advantageously in relation to an environment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst das fluidische Volumenelement eine Mehrzahl von Öffnungen für einen Druckausgleich mit einer Umgebung des fluidischen Volumenelements.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the fluidic volume element comprises a plurality of openings for a pressure equalization with an environment of the fluidic volume element.
Die Öffnungen können vorteilhaft eine Passage eines umgebenden Mediums in das und aus dem fluidischen Volumenelement ermöglichen. Solche Öffnungen können vorteilhaft in einem Randbereich eines Deckelelements angeordnet sein, während ein Mittelbereich des Deckelelements über der Elektrode oder Membran des Messkondensators vorteilhaft frei von Öffnungen ist und vorteilhaft geschlossen überdeckt sein kann.The openings may advantageously allow passage of a surrounding medium into and out of the fluidic volume element. Such openings may advantageously be arranged in an edge region of a cover element, while a central region of the cover element over the electrode or membrane of the measuring capacitor is advantageously free of openings and may advantageously be covered closed.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung ist eine weitere Schwingvorrichtung mechanisch oder kapazitiv oder fluidisch mit der ersten mechanischen Schwingvorrichtung und/oder mit der zweiten mechanischen Schwingvorrichtung gekoppelt.According to a preferred embodiment of the measurement circuit arrangement, a further oscillation device is coupled mechanically or capacitively or fluidically to the first mechanical oscillation device and / or to the second mechanical oscillation device.
Die mechanische Kopplung kann vorteilhaft durch eine verbindende Koppelmembran oder eine verbindende Koppelbrücke realisiert sein, wodurch eine mechanische Schwingungsenergie von einem Messkondensator auf eine Schwingvorrichtung übertragen werden kann. The mechanical coupling can be advantageously realized by a connecting coupling membrane or a connecting coupling bridge, whereby a mechanical vibration energy can be transferred from a measuring capacitor to a vibrating device.
Die fluidische Kopplung ist vorteilhaft mit einer Umgebung einer Schwingvorrichtung realisiert, vorteilhaft über ein in Wesentlichen nach außen abgegrenztes und offenes fluidisches Volumenelement.The fluidic coupling is advantageously realized with an environment of a vibration device, advantageously via an essentially outwardly delimited and open fluidic volume element.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst die erste mechanische Schwingvorrichtung und/oder die zweite mechanische Schwingvorrichtung und/oder eine weitere Schwingvorrichtung eine Membran oder einen Biegebalken.According to a preferred embodiment of the measurement circuit arrangement, the first mechanical oscillation device and / or the second mechanical oscillation device and / or a further oscillation device comprises a membrane or a bending beam.
Hierbei ist es möglich, dass nur Membranen oder Biegebalken miteinander gekoppelt werden oder Membranen und Biegebalken gemischt untereinander gekoppelt werden.Here it is possible that only membranes or bending beams are coupled together or membranes and bending beams are mixed with each other coupled.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung sind der erste und der zweite Messkondensator druckempfindlich, wobei eine Kapazität des ersten und des zweiten Messkondensators auf eine Änderung eines äußeren Einflusses stärker variiert als eine Kapazität des ersten und des zweiten Referenzkondensators.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the first and the second measuring capacitor are pressure-sensitive, wherein a capacitance of the first and the second measuring capacitor varies more strongly to a change of an external influence than a capacitance of the first and the second reference capacitor.
Durch die stärkere Variation kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass es sich bei den Messkondensatoren um jene Bauelemente handelt, mittels welcher ein Druck gemessen wird.Due to the greater variation, it can be advantageously ensured that the measuring capacitors are those components by means of which a pressure is measured.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst die Kapazitätsbrücke eine Wheatstone-Brücke.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the capacitance bridge comprises a Wheatstone bridge.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfassen die Messkanäle alle eine gleiche Kapazität und eine gleiche mechanische Eigenfrequenz.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the measuring channels all comprise a same capacitance and a same mechanical natural frequency.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals eine erfindungsgemäße elektronische Messschaltungsanordnung; eine Signalverstärkereinrichtung, welche mit dem Ausgang der Messschaltung verbunden ist, und welche dazu eingerichtet ist das Antwortsignal vom Ausgang zu empfangen; eine Analog-Digital-Wandlereinrichtung, welche der Signalverstärkereinrichtung nachgeschaltet ist; und eine Filtereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Signal der Analog-Digital-Wandlereinrichtung zu empfangen, und welche dazu eingerichtet ist, ein digitales Ausgabesignal als kapazitives Messsignal zu erzeugen.According to the invention, the electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal comprises an electronic measuring circuit arrangement according to the invention; a signal amplifier means connected to the output of the measurement circuit and adapted to receive the response signal from the output; an analog-to-digital converter device, which is connected downstream of the signal amplifier device; and a filter device configured to receive a signal from the analog-to-digital converter device and configured to generate a digital output signal as a capacitive measurement signal.
Das kapazitive Messsignal kann vorteilhaft bereits in einer solchen Form ausgegeben werden, dass es von einer digitalen Einrichtung, beispielsweise einer Digitalschaltung, einem Steuergerät oder einem Computer, weiterverarbeitet oder zumindest ausgelesen werden kann.The capacitive measuring signal can advantageously already be output in such a form that it can be further processed or at least read out by a digital device, for example a digital circuit, a control device or a computer.
Die Signalverstärkereinrichtung kann vorteilhaft das Antwortsignal mit einer Abtastfrequenz abtasten und die Filtereinrichtung kann das verstärkte Signal über mehrere Abtastungen und Anregungssignalpulse hinweg mitteln.The signal amplifier means may advantageously sample the response signal at a sampling frequency and the filtering means may average the amplified signal over a plurality of samples and excitation signal pulses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektronischen Messvorrichtung, ist diese als Drucksensor, Mikrophon, Beschleunigungssensor oder Drehratensensor ausgebildet.According to a preferred embodiment of the electronic measuring device, this is designed as a pressure sensor, microphone, acceleration sensor or yaw rate sensor.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung in einem Verfahrensschritt
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch die in Verbindung mit der Messschaltungsanordnung und der Messvorrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile aus und umgekehrt.The method is advantageously characterized by the features and advantages described in connection with the measuring circuit arrangement and the measuring device, and vice versa.
Betreffend die Messkondensatoren ist die Eigenschaft und Größe deren schwingfähiger Membran (Elektrode) vorteilhaft bekannt, woher das Resonanzschwingverhalten vorteilhaft herleitbar ist. Durch die vorteilhaft bekannten Größen und Parameter der Messkondensatoren kann folglich einfach, etwa nach Abgleich mit Referenzkondensatoren, auf den Druck am Messkondensator rückgeschlossen werden.With regard to the measurement capacitors, the property and size of their oscillatable membrane (electrode) is advantageously known, from which the resonant oscillation behavior can advantageously be derived. Due to the advantageously known sizes and parameters of the measuring capacitors can therefore be easily deduced, for example after comparison with reference capacitors, on the pressure at the measuring capacitor.
Die mechanische Schwingungsenergie des Messkondensators wird vorteilhaft auf die mechanische Schwingvorrichtung übertragen. Mit anderen Worten wird die Schwingungsenergie von einem kapazitiv in der Messschaltungsanordnung wirksamen Bauelement auf ein in der Messschaltungsanordnung kapazitiv unwirksames Bauelement, vorteilhaft die mechanische erste oder zweite oder weitere Schwingvorrichtung, übertragen. Die erste und/oder zweite und/oder weitere Schwingvorrichtung ist vorteilhaft elektrisch nicht in den Messkanal eingebunden. Die mechanische Schwingungsenergie wird vorteilhaft in der ersten und/oder zweiten und/oder weiteren Schwingvorrichtung lokalisiert und gedämpft, wodurch das durch die Auslesespannungspulse ungewollt angeregten Eigenschwingungen bedingte Schwingungsrauschen in dem Messkanal verringert werden kann. Daher umfasst das Antwortsignal nach einer charakteristischen Energieübertragungszeit an die erste und/oder zweite und/oder weitere Schwingvorrichtung vorteilhaft kein oder nur ein geringes Schwingungsrauschen bedingt durch das Anregungssignal.The mechanical vibration energy of the measuring capacitor is advantageously transferred to the mechanical oscillating device. In other words, the oscillation energy is transferred from a component which is capacitively active in the measuring circuit arrangement to a component which is capacitively ineffective in the measuring circuit arrangement, advantageously the mechanical first or second or further oscillating device. The first and / or second and / or further oscillating device is advantageously not electrically connected to the measuring channel. The mechanical oscillation energy is advantageously localized and damped in the first and / or second and / or further oscillating device, whereby the oscillatory noise caused by the read-out voltage pulses in the measuring channel can be reduced. Therefore, after a characteristic energy transfer time to the first and / or second and / or further oscillating device, the response signal advantageously comprises no or only slight oscillation noise due to the excitation signal.
Durch das vorteilhaft deutlich reduzierte Schwingungsrauschen kann eine verbesserte Messauflösung der Messvorrichtung erzielt werden, beispielsweise vorteilhaft für kapazitive MEMS-Sensoren.By advantageously significantly reduced vibration noise, an improved measurement resolution of the measuring device can be achieved, for example, advantageous for capacitive MEMS sensors.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt in einem Verfahrensschritt
Die charakteristische Einschwingzeit ist vorteilhaft jene Zeit, welche vom System des Messkanals und der ersten mechanischen Schwingvorrichtung und/oder der zweiten mechanischen Schwingvorrichtung und/oder der weiteren Schwingvorrichtung benötigt wird, um die Schwingungsenergie vom Messkanal größtenteils auf die Schwingvorrichtung(en) zu übertragen.The characteristic transient time is advantageously that time which is required by the system of the measurement channel and the first mechanical oscillation device and / or the second mechanical oscillation device and / or the further oscillation device to transfer the oscillation energy from the measurement channel largely to the oscillation device (s).
Das Ermitteln der Messgröße, vorteilhaft eine Signalerfassung, beginnt vorteilhaft nach einer charakteristischen Einschwingzeit, welche auch eine charakteristische Abklingzeit der Schwingung sein kann, beispielsweise als t2 = 2m/d, wobei m die Masse und d die Dämpfungskonstante des schwingenden Systems ist. Nach der Einschwingzeit oder der Abklingzeit weist der Messkanal und die Messvorrichtung vorteilhaft kein oder ein stark vermindertes Schwingungsrauschen auf, da die mechanische Schwingenergie des Schwingungsrauschens vorteilhaft auf die erste und/oder zweite und/oder weitere Schwingvorrichtung übertragen worden ist.The determination of the measured variable, advantageously a signal detection, advantageously begins after a characteristic settling time, which can also be a characteristic decay time of the oscillation, for example as t 2 = 2m / d, where m is the mass and d is the damping constant of the oscillating system. After the settling time or the decay time, the measuring channel and the measuring device advantageously have no or greatly reduced oscillation noise, since the mechanical oscillation energy of the oscillation noise has advantageously been transferred to the first and / or second and / or further oscillating device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt in einem Verfahrensschritt
Als alternative Ausführung zum Ermitteln der Messgröße nach einer charakteristischen Einschwingzeit kann das Ermitteln im Ruhezustand erfolgen, wenn vorteilhaft die Schwingungsenergie entsprechend einer Schwebung zwischen der Elektrode oder Membran des Messkondensators und der Schwingvorrichtung hin- und her oszillieren.As an alternative embodiment for determining the measured variable after a characteristic settling time, the determination can take place in the idle state, if advantageous oscillating the oscillation energy according to a beat between the electrode or membrane of the measuring capacitor and the oscillating device back and forth.
Durch ein gepulstes Ausleseverfahren kann eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine kapazitive Sensorvorrichtung, in deren Energiesparsamkeit verbessert werden. Durch ein rechteckförmig gepulstes Anregungssignal können die Messschaltung und deren Bauelemente jedoch ungewollt zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Bei einem Kondensator, etwa bei dem Messkondensator, entstehen durch die gepulste Spannung elektrische Potentialdifferenzen zwischen dessen beiden Elektroden, was zu einer relativen Anziehungskraft führt, wodurch mechanische Eigenschwingungsmoden angeregt werden. Auf diese Weise überlagert sich dem eigentlichen, statischen Messsignal ein kleiner dynamischer Rauschanteil. Dieser Effekt kann allerdings auch bei anderen zeitlich variablen Anregungssignalmustern auftreten. Beispielsweise kann eine Grundmode der mechanischen Eigenschwingungen zu einem elektrisch messbaren Schwingverhalten der Messkapazitäten, insbesondere der Messkondensatoren, führen, was zu einem Schwingungsrauschen eines Antwortsignals am Ausgang führt. Die Dämpfung oder Güte eines mechanisch schwingenden Systems bestimmt dessen Abklingzeit. Bei kapazitiver Messung weist das System vorteilhaft eine niedrige mechanische Schwingungsgüte bezüglich einer Auslesepulsanregung auf.By means of a pulsed readout method, a sensor device, in particular a capacitive sensor device, can be improved in its energy-saving efficiency. By a rectangular pulsed excitation signal, the measuring circuit and its components can be unintentionally excited to mechanical vibrations. In a capacitor, such as the measuring capacitor, caused by the pulsed voltage electrical potential differences between the two electrodes, resulting in a relative attractive force, whereby natural mechanical vibration modes are excited. In this way, a small dynamic noise component is superimposed on the actual static measurement signal. However, this effect can also occur with other time-variable excitation signal patterns. For example, can a fundamental mode of the mechanical natural oscillations lead to an electrically measurable oscillation behavior of the measuring capacitors, in particular of the measuring capacitors, which leads to a vibration noise of a response signal at the output. The damping or quality of a mechanically oscillating system determines its decay time. When capacitive measurement, the system advantageously has a low mechanical vibration quality with respect to a read pulse excitation.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawing.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Anordnung einer ersten mechanischen Schwingvorrichtung mit mehreren weiteren Schwingvorrichtungen in Draufsicht gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung eines ersten Messkondensators mit einer ersten mechanischen Schwingvorrichtung mit einem fluidischen Volumen gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; -
4 eine schematische Darstellung eines ersten Messkondensators mit einer ersten mechanischen Schwingvorrichtung im Querschnitt längs eines Schnittes Q-Q'aus 2 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; -
5 eine schematische Darstellung eines ersten Messkondensators mit einer ersten mechanischen Schwingvorrichtung im Querschnitt längs eines Schnittes Q-Q'aus 2 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; -
6 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und -
7 eine zeitliche Darstellung einer Schwebefrequenz mit einem Ruhezustand.
-
1 a schematic representation of an electronic measuring device with an electronic measuring circuit arrangement according to an embodiment of the present invention; -
2 a schematic arrangement of a first mechanical vibrating device with a plurality of other oscillating devices in plan view according to an embodiment of the present invention; -
3 a schematic representation of a first measuring capacitor with a first mechanical oscillating device with a fluidic volume according to an embodiment of the present invention; -
4 a schematic representation of a first measuring capacitor with a first mechanical oscillating device in cross section along a section QQ 'from2 according to an embodiment of the present invention; -
5 a schematic representation of a first measuring capacitor with a first mechanical oscillating device in cross section along a section QQ 'from2 according to another embodiment of the present invention; -
6 a schematic representation of a sequence of method steps according to an embodiment of the present invention; and -
7 a temporal representation of a hover frequency with a resting state.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Die elektronische Messvorrichtung
Die erste mechanische Schwingvorrichtung
Die erste oder zweite Schwingvorrichtung
Über dem ersten Messkondensator
Der erste Messkondensator
Bei dem Kopplungskanal
Der erste Messkondensator
Über eine Stärke der Kopplung mittels des Kopplungskanals lässt sich vorteilhaft eine charakteristische Schwebefrequenz einstellen, mit welcher die Schwingungsenergie zwischen der Elektrode e/Membran des Messkondensators
Die Schwingung der wirksamen Kapazität lässt sich vorteilhaft wie folgt beschreiben:
Beim Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung, erfolgen die Verfahrensschritte vorteilhaft in der angegebenen Reihenfolge
Der Ruhezustand kann am Messkondensator vorteilhaft zu einer Messung mit geringem Eigenschwingrauschen des Sensors (Messvorrichtung) genutzt werden, vorteilhaft während eines Signalerfassungsfensters, welches sich nach einer halben Periode der Schwebefrequenz an der Elektrode/Membran des Messkondensators einstellen kann. Das Signalerfassungsfenster kann vorteilhaft eine Breite von einem Zehntel der Schwebefrequenz oder weniger umfassen.The idle state can advantageously be used on the measurement capacitor for a measurement with low intrinsic oscillation noise of the sensor (measuring device), advantageously during a signal acquisition window which can settle after half a period of the beat frequency at the electrode / membrane of the measurement capacitor. Advantageously, the signal acquisition window may comprise a width of one-tenth of the beat frequency or less.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to the preferred embodiment, it is not limited thereto but may be modified in a variety of manners.
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- DE 102016107299 A1 [0003]DE 102016107299 A1 [0003]
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