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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Messschaltung für kapazitive Sensoren zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltung und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messschaltung für kapazitive Sensoren.
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Stand der Technik
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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 elektrischen 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. Dieses Schwingungsrauschen entsteht dadurch, dass beim Anlegen einer pulsförmigen Spannung die elektrische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden des Messkondensators eine solche elektrische Anziehungskraft bewirkt, die das System ungewollt in seinen mechanischen Eigenmoden anschwingen lässt. Insbesondere die Grundmode der mechanischen Schwingung kann dabei zu einer Schwingung der Messkapazität und damit des elektrischen Auslesesignals führen, was einem Rauschen der Messung entsprechen kann.
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In der
DE 10 2016 107 275 A1 wird ein System und ein Verfahren zur Reduktion des Rauschens für einen kapazitiven MEMS-Sensor beschrieben, wobei mehrere MEMS-Sensoren verschiedene Resonanzfrequenzen umfassen können. Durch ein Anregungssignal kann jeder der MEMS-Sensoren stimuliert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Messschaltung für kapazitive Sensoren zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messschaltung für kapazitive Sensoren nach Anspruch 5.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine rauscharme Signalermittlung zu erzielen, wobei das Signalrauschen eines Ausgangssignals einer Messschaltungsanordnung für kapazitive Sensoren, etwa das Eigenschwingungsrauschen auf dem Messsignal dieser, verringert werden kann, indem die schwingfähigen Messkapazitäten so ausgelegt werden, dass eine Vielzahl von mechanischen nicht phasengleichen Eigenmoden angeregt werden und zu bestimmten Zeitpunkten destruktiv interferieren können.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messschaltung für kapazitive Sensoren zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltung für kapazitive Sensoren eine Anregungsvorrichtung, mittels welcher das Anregungssignal erzeugbar ist; eine kapazitive Brückenschaltung, welche mit der Anregungsvorrichtung verbunden ist und welche zumindest einen ersten Messkondensator, zumindest 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, wobei die Brückenschaltung mit dem Ausgang verbunden ist und das Antwortsignal mittels der Brückenschaltung erzeugbar ist; wobei der erste Messkondensator und der zweite Messkondensator jeweils zumindest einen Einzelkondensator umfassen und durch das Anregungssignal eine Mehrzahl von mechanischen Schwingungen der Einzelkondensatoren anregbar sind, wobei zumindest jeweils zwei phasenverschiedene Eigenfrequenzen der Einzelkondensatoren gleichzeitig anregbar sind und sich zu bestimmten Zeiten gegenseitig destruktiv überlagern.
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Durch das Anregungssignal können die Einzelkondensatoren, oder Membrane in diesen, zu mechanischen Schwingungen angeregt werden , wobei das Anregungssignal zur gleichzeitigen Anregung einer Mehrzahl von mechanischen Eigenmoden der Messkondensatoren führt, wobei zumindest zwei verschiedene Eigenfrequenzen gleichzeitig anregbar sind und sich zu bestimmten Zeitpunkten gegenseitig destruktiv überlagern.
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Vorteilhaft kann die Schwingvorrichtung jeweils eine mechanische Schwingeinheit umfassen, etwa eine Membran oder ein Fluidelement, und kann mit dem jeweiligen Messkondensator über einen Kopplungsmechanismus, beispielsweise einen mechanischen Kopplungsmechanismus, gekoppelt sein, so dass eine mechanische Energie vom Messkondensator auf die daran angeordnete Schwingvorrichtung übertragbar ist. Vorteilhaft können im Frequenzbereich sehr nah beieinander liegende Eigenfrequenzen des Frequenzspektrums eine Vielzahl verschiedener Eigenschwingungen, gleichzeitig angeregt werden (durch ein Anregungssignal), wobei diese in Frequenz leicht unterschiedlichen Eigenschwingungen sich zu bestimmten Zeitpunkten destruktiv überlagern können.
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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.
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In einer Ausführungsform weist jeder der zur (Wheatstone-) Brückenschaltung verschalteten Mess- und/oder Referenzkondensatoren eine Mehrzahl parallel geschalteter Einzelkondensatoren oder Einzelkapazitäten auf. Diese können ein identisches mechanisches Frequenz- bzw. Modenspektrum aufweisen. Die Einzelkondensatoren oder Einzelkapazitäten können, vorteilhaft mit deren jeweiligen Schwingvorrichtungen, aus einer ersten Elektrode auf einer Membran oder einem Biegebalken gebildet werden welche/welcher über ein Fluidvolumen getrennt sein kann von einer zweiten Elektrode.
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Es können vorteilhaft auch mehrere Messkanäle als elektrische Pfade der kapazitiven Wheatstone-Brücke 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 die kapazitive Wheatstone-Brücke.
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Durch das verringerte Rauschen auf dem Messsignal kann vorteilhaft eine höhere Messauflösung bei kapazitiven MEMS-Sensoren erzielt werden.
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Generell kann die Dämpfung oder die Güte des mechanisch schwingenden Systems eine Abklingzeit bestimmen. Bei kapazitiven Messvorrichtungen kann dieses vorteilhafterweiser eine niedrige mechanische Schwingungsgüte bezüglich einer Auslesepulsanregung aufweisen. Eine Dämpfung des Einschwingrauschens wie erfindungsgemäß beschrieben kann vorteilhaft auch für Drucksensoren als Hochgütesysteme genutzt werden.
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Üblicherweise wird bei bekannten kapazitiven Drucksensoren eine kapazitive Wheatstonebrücke aus druckabhängigen und festen Kapazitäten eingesetzt. Die druckabhängigen Kapazitäten können dabei von Membranen über Referenzdruckkavitäten gebildet werden. Diese Membranen können allerdings beim Eintreffen von Auslesepulsen zu mechanischen Eigenschwingungen angeregt werden. Die Amplitude des Einschwingens des Sensorsignals ist eine Funktion der Form des Anregungssignals und des Eigenfrequenzspektrums der variablen Kapazitäten. Generell bestimmt die Dämpfung und damit die Güte des mechanisch schwingenden Systems die Abklingzeit einer Schwingung. Zur Dämpfung des Einschwingrauschens kann eine Beschichtung der Membran mit einer energiedissipativen Schicht wie beispielsweise Polyimid genutzt werden. Eine solche zusätzliche Schicht kann jedoch die Messempfindlichkeit durch eine Erhöhung der Membransteifigkeit verringern und kann Feuchtigkeit einlagern, was zu einer Signaldrift durch Feuchtigkeitseinlagerung (unkontrollierten zeitlichen Veränderung des Messsignals über Zeit) führen würde. Mit der erfindungsgemäßen destruktiven Überlagerung der nicht phasengleichen Eigenmoden der schwingfähigen Membranen (Schwingvorrichtungen) kann dieses Resonanzeinschwingrauschen allerdings zu bestimmten Zeitpunkten deutlich unterdrückt werden. Vorteilhaft können die schwingfähigen Elemente (Membranen bzw. Biegebalken), also die Schwingvorrichtungen, derart ausgelegt werden, dass alle Moden im Wesentlichen gleichzeitig und in mit gleicher Schwingungsamplitude angeregt werden, wobei jedoch die Anregung vorteilhaft nur gerade so groß ist, wie zum Auslesen des Messsignals mit erwünschter Amplitude notwendig ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltung für kapazitive Sensoren umfassen die Einzelkondensatoren des ersten und zweiten Messkondensators jeweils eine identische Geometrie. Diese können jeweils eine Membran oder einen Biegebalken mit identischer Geometrie umfassen.
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Die identische Geometrie der Membran bedingt, dass das Eigenfrequenzspektrum identisch ist, dadurch kann besonders einfach der Zeitpunkt maximaler destruktiver Interferenz und damit des niedrigsten Signalrauschens bestimmt werden. Des Weiteren kann eine identische Herstellungsweise gewählt werden, was Kosten reduzieren kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltung sind der erste und zweite Messkondensator aus jeweils miteinander parallel geschalteten Einzelkapazitäten gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltung ist diese als Drucksensor, Mikrophon, Beschleunigungssensor oder Drehratensensor ausgebildet.
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Das Einschwingrauschen der (Gesamt-) Messkapazität, also des gesamten Messkondensators oder aller Kondensatoren in der Wheatstone-Brücke, kann dadurch reduziert werden, dass nicht nur die erste Mode/Grundmode der Einzelkapazitäten vornehmlich angeregt wird, sondern eine Vielzahl von Modender Einzelkapazitäten über eine oder alle Schwingvorrichtungen hinweg, die im Frequenzbereich nahe der Grundmode liegen. Hierbei können auch mehr als eine Schwingvorrichtung in der gleichen Mode angeregt werden. Alle Schwingvorrichtungen oder Einzelkapazitäten können dabei ein im Rahmen der Fertigungstoleranzen identisches Frequenzspektrum aufweisen, was durch eine identische geometrische Auslegung sichergestellt werden kann. Leichte Asymmetrien in der Auslegung der schwingfähigen Teile der Einzelkapazitäten können dazu führen, dass die Entartung von Eigenmoden aufgehoben ist und sich damit die Anzahl der anregbaren Eigenmoden im entsprechenden Frequenzbereich erhöhen kann. Wird eine Einzelkapazität beispielsweise durch eine Membran über einer Kavität realisiert, so kann eine leicht elliptische Membranform einer exakt runden Form vorzuziehen sein. Leicht verzerrte Vielecke (z. B. Parallelogramme statt Quadrate, schiefwinkelige Sechsecke statt reguläre Sechsecke) können ebenfalls vorteilhafte Membranformen sein.
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Es kann weiterhin möglich sein, dass die Geometrie der Elektroden von Schwingvorrichtung zu Schwingvorrichtung in den Messkondensatoren angepasst ist, so dass eine Anregung verschiedener niederfrequenter Eigenmoden der Schwingvorrichtungen unterstützt oder ausgelöst werden kann.
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Damit vorteilhaft nicht nur vornehmlich die Grundmode (z.B. die Hubmode bei einer Membran) angeregt wird, kann die Form der Elektroden derart gewählt werden, dass auch höhere Moden, etwa Kipp-Moden angeregt werden können. Dies kann beispielsweise durch eine Abweichung von der Symmetrie der Membran oder der Elektroden erreicht werden.
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Es kann vorteilhaft bei jedem Messkondensator eine geschickte Kombination von Geometrie des schwingfähigen Elements (z.B. der Membranform) und Elektrodenform gewählt werden, so dass ein Optimum für eine Reduktion des Rauschens der Einschwingantwort erzielbar sein kann.
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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.
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Die Signalverstärkereinrichtung kann vorteilhaft das Antwortsignal mit einer Abtastfrequenz abtasten und die Filtereinrichtung kann das verstärkte Signal über mehrere Abtastungen und Anregungssignalpulse hinweg mitteln.
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Die Messvorrichtung kann vorteilhaft in Verbindung mit dem Internet der Dinge und vorteilhaft mobil zum Einsatz kommen.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung für kapazitive Sensoren ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen elektronischen Messschaltung; ein Erzeugen eines Anregungssignals mit einer Anregungsvorrichtung; ein Ansteuern der kapazitiven Brücke mit dem Anregungssignal, wobei die kapazitive Brücke mit dem Ausgang verbunden ist und das Antwortsignal mittels der Brücke erzeugt wird, und wobei die Messkondensatoren jeweils zu Schwingungen in unterschiedlichen Eigenmoden angeregt werden; und ein Messen einer Potentialdifferenz an einem ersten Brückenabschnitt und einem zweiten Brückenabschnitt der kapazitiven Brücke. Das Verfahren kann sich vorteilhaft durch die in Verbindung mit der Messschaltung für kapazitive Sensoren beschriebenen Merkmale und Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Durch das vorteilhaft deutlich reduzierte Schwingungsrauschen kann eine verbesserte Messauflösung der Messvorrichtung erzielt werden, beispielsweise vorteilhaft für kapazitive MEMS-Sensoren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung des Messsignals zu einem charakteristischen Zeitpunkt maximaler destruktiver Interferenz also minimalen Rauschens der Einschwingantwort des mechanischen Systems. Hierbei kann auch die Zusammenschaltung der beiden Messkondensatoren in der Wheatstone-Brücke berücksichtigt werden und auch deren Überlagerung des Einschwingverhaltens in der ganzen Messvorrichtung. Die Messgröße kann anschließend aus diesem Messsignal hergeleitet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Messen erst zu einem charakteristischen Zeitpunkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Messen in einem destruktiven Überlagerungszustand der Eigenmoden des ersten Messkondensators und/oder des zweiten Messkondensators.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird als Anregungssignal ein gepulstes Signal durch die Anregungsvorrichtung erzeugt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Messschaltung für kapazitive Sensoren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2a eine schematische Darstellung eines Messkondensators gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2b eine Schwingamplitude der Kapazität eines üblichen Messkondensators in Abhängigkeit mit der Zeit bei einem gedämpften Eigenschwingverhalten;
- 3 eine Schwingamplitude der Kapazität des ersten oder zweiten Messkondensators in Abhängigkeit mit der Zeit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Messschaltung für kapazitive Sensoren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die elektronische Messschaltung 1 für einen kapazitiven Sensor zum Erzeugen eines Antwortsignals 3 auf ein Anregungssignal 2 an einem Ausgang A der elektronischen Messschaltung 1 umfasst eine Anregungsvorrichtung 5, mittels welcher das Anregungssignal 2 erzeugbar ist; eine Wheatston-Brückenschaltung KB, welche mit der Anregungsvorrichtung 5 verbunden ist und welche zumindest einen ersten Messkondensator C1M, zumindest 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 eine äußere Kraftwirkung variabel sind, wobei die Wheatston-Brückenschaltung KB mit dem Ausgang A verbunden ist und das Antwortsignal 3 mittels der Wheatston-Brückenschaltung KB erzeugbar ist; wobei der erste Messkondensator C1M und/oder der zweite Messkondensator jeweils C2M eine mechanische Schwingvorrichtung umfassen, welche mit dem jeweiligen Messkondensator C1M; C2M gekoppelt ist, so dass eine vom Anregungssignal 2 erzeugte mechanische Energie vom Messkondensator C1M; C2M auf die Schwingvorrichtung übertragbar ist; und die Schwingvorrichtung eine Mehrzahl von Eigenfrequenzen aufweist, wobei zumindest zwei verschiedene Eigenfrequenzen gleichzeitig anregbar sind und sich gegenseitig destruktiv überlagern. Am Ausgang A kann ein Messen einer elektrischen Potentialänderung erfolgen und ein Signal am Ausgang erzeugt werden. In der elektrischen Messschaltung für kapazitive Sensoren 1 kann eine Taktgebereinrichtung 4 eine zeitliche Taktung t erzeugen. Mit der Taktgebereinrichtung 4 ist eine Anregungseinrichtung 5 verbunden, wobei ein Taktsignal mit der zeitlichen Taktung t an die Anregungseinrichtung 5 weitergeleitet wird. Die Anregungseinrichtung 5 erzeugt, basierend auf der Taktung t, ein Anregungssignal 2, beispielsweise einen rechteckförmigen Auslesespannungspuls, mit welchem die Wheatstone-Brücke KB angesteuert wird. Die Wheatston-Brücke KB kann einen gemeinsamen ersten Eingangsknoten X1 umfassen, in welchem ein erster Brückenabschnitt KB11 und ein zweiter Brückenabschnitt KB12 verschaltet sein können. Die Kapazitätsbrücke KB1 kann weiterhin einen zweiten gemeinsamen Eingangsknoten Y1 umfassen, in welchem die beiden Brückenabschnitte KB11 und KB12 miteinander verschaltet sein können. Ebenso wie der erste Eingangsknoten X1 kann auch der zweite Eingangsknoten Y1 mit der Anregungseinrichtung 5 verschaltet sein und das Anregungssignal 2 empfangen. Der erste Brückenabschnitt KB11 kann einen ersten Messkondensator C1M und einen ersten Referenzkondensator C1R umfassen, welche im ersten Brückenabschnitt KB11 miteinander in Reihe geschaltet sein können. Der zweite Brückenabschnitt KB12 kann einen zweiten Messkondensator C2M und einen zweiten Referenzkondensator C2R umfassen, welche im zweiten Brückenabschnitt KB12 miteinander in Reihe geschaltet sein können, jedoch bezüglich der beiden Eingangsknoten X1 und Y1 vorteilhaft in umgekehrter Reihenfolge als die Kondensatoren im ersten Brückenabschnitt KB11. In jedem der Brückenabschnitte kann das Signal zwischen dem Messkondensator und dem Referenzkondensator zum Ausgang A hin geführt werden. Gemessen wird die Potentialdifferenz zwischen den Punkten A1 und B1. Das Signal kann über eine weitere Signalverarbeitungskette verbessert werden. Die Wheatstone-Brücke KB bildet vorteilhaft einen Messkanal MK, wobei die Messschaltung für kapazitive Sensoren 1 noch weitere Messkanäle umfassen kann, welche gleich oder anders zur gezeigten WheatstoneBrücke aufgebaut sein können. Weitere Messkanäle können parallel oder nach dem Messkanal MK (zeitlich versetzt) bezüglich des Anregungssignals geschaltet werden.
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2a zeigt eine schematische Darstellung eines Messkondensators gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Der erste Messkondensator C1M und/oder der zweite Messkondensator C2M können jeweils eine mechanische Schwingvorrichtung 11 umfassen, welche mit einer Elektrode des jeweiligen Messkondensator C1M; C2M gekoppelt ist, und die Schwingvorrichtung 11 eine Mehrzahl von Eigenfrequenzen aufweist, wobei zumindest zwei verschiedene, nicht phasengleiche, Eigenfrequenzen gleichzeitig anregbar sind und sich gegenseitig destruktiv überlagern.
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Bei Messkondensatoren kann eine schwingfähige Membran m mit einer der Elektroden e1 oder e2 mechanisch gekoppelt sein. Bei einem externen Druck p oder äußerer Kraftwirkung, welcher auf die Membran wirkt, kann eine Kapazitätsänderung gemessen werden. Die Messung kann durch ein Einschwingrauschen modifiziert werden, welches sich durch eine Schwingbewegung der Elektroden ergeben kann, wenn ein Auslesespannungspuls an die Elektroden e1 und e2 angelegt wird.
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2b zeigt eine Schwingamplitude der Kapazität eines üblichen Messkondensators in Abhängigkeit mit der Zeit bei einem gedämpften Eigenschwingverhalten.
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Wird ein üblicher Messkondenstor durch ein Einschwingrauschen angeregt, so kann die übliche Membran die Schwingung abdämpfen und das Rauschen verringern. Dieser Effekt ist in Bezug auf die am Messkondensator gemessene Kapazität C in der 2b dargestellt. Mit fortschreitender Zeit kann eine geringe Dämpfung des Rauschens erzielt werden. Die Membran m schwingt üblicherweise so, dass die Amplitude der Grundmode signifikant höher ist als die Amplituden anderer Eigenfrequenzen, da diese üblicherweise durch das Anregungssignal nicht stark angeregt werden können.
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3 zeigt eine Schwingamplitude der Kapazität des ersten oder zweiten Messkondensators in Abhängigkeit mit der Zeit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Schwingvorrichtung 11 am Messkondensator C1M; C2M kann gleichzeitig in mehreren Eigenmoden schwingen, welche sich zumindest zeitweise destruktiv überlagern können.
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Die resultierende Schwingung kann über eine längere Zeit t hinweg eine stetig kleiner werdende Amplitude der Elektrodenschwingung und Kapazitätsschwingung C aufweisen, wobei in kürzeren Zeitabschnitten sich die Eigenschwingungen der Schwingvorrichtungen in alternierender Weise konstruktiv und destruktiv überlagern können. Es können sich gegenseitig verstärkende Überlagerungszustände (Zeitabschnitten) VZ und destruktive Überlagerungszustände DZ alternierend abwechseln, wobei mit fortschreitender Zeit die maximale absolute Amplitude eines verstärkenden Überlagerungszustands VZ geringer werden kann, wenn eine Dämpfung vorliegt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messschaltung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen elektronischen Messschaltung; ein Erzeugen S2 eines Anregungssignals mit einer Anregungsvorrichtung; ein Ansteuern S3 der Wheatston-Brücke mit dem Anregungssignal, wobei die Wheatston-Brücke mit dem Ausgang verbunden ist und das Antwortsignal mittels der Wheatston-Brücke erzeugt wird, und wobei die Schwingvorrichtung am ersten Messkondensator und/oder am zweiten Messkondensator jeweils zu Schwingungen in unterschiedlichen Eigenmoden angeregt wird; und ein Messen S4 einerPotentialdifferenz an einem ersten Brückenabschnitt und einem zweiten Brückenabschnitt der kapazitiven Brücke.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Weitere Ausführungsmöglichkeiten:
- 1. Elektronische Messschaltung (1) für einen kapazitiven Sensor zum Erzeugen eines Antwortsignals (3) auf ein Anregungssignal (2) an einem Ausgang (A) der elektronischen Messschaltung (1), umfassend
- - eine Anregungsvorrichtung (5), mittels welcher das Anregungssignal (2) erzeugbar ist;
- - eine Wheatston-Brückenschaltung (KB), welche mit der Anregungsvorrichtung (5) verbunden ist und welche zumindest einen ersten Messkondensator (C1M), zumindest 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 eine äußere Kraftwirkung variabel sind, wobei die Wheatston-Brückenschaltung (KB) mit dem Ausgang (A) verbunden ist und das Antwortsignal (3) mittels der Wheatston-Brückenschaltung (KB) erzeugbar ist; wobei
- - der erste Messkondensator (C1M) und/oder der zweite Messkondensator jeweils (C2M) eine mechanische Schwingvorrichtung (11) umfassen, welche mit dem jeweiligen Messkondensator (C1M; C2M) gekoppelt ist, so dass eine vom Anregungssignal (2) erzeugte mechanische Energie vom Messkondensator (C1M; C2M) auf die Schwingvorrichtung (11) übertragbar ist;
- - die Schwingvorrichtung (11) eine Mehrzahl von Eigenfrequenzen aufweist, wobei zumindest zwei verschiedene Eigenfrequenzen gleichzeitig anregbar sind und sich gegenseitig destruktiv überlagern.
- 2. Elektronische Messschaltung (1) nach Ausführung 1, bei der die Schwingvorrichtungen (11) des ersten und zweiten Messkondensators (C1M; C2M) jeweils eine Membran mit identischer Geometrie umfassen.
- 3. Elektronische Messschaltung (1) nach einer der Ausführungen 1 bis 2, bei welcher der erste und/oder zweite Messkondensator (C1M; C2M) miteinander parallel geschaltete Einzelkapazitäten umfasst.
- 4. Elektronische Messschaltung (1) nach einer der Ausführungen 1 bis 3, bei welcher jede die Schwingvorrichtung (11) ein Frequenzspektrum von Eigenmoden mit einer Grundmode und mit Moden höherer Ordnung umfasst.
- 5. Elektronische Messschaltung (1) nach einer der Ausführungen 1 bis 4, welche als Drucksensor, Mikrophon, Beschleunigungssensor oder Drehratensensor ausgebildet ist.
- 6. Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messschaltung (1), umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen (S1) einer elektronischen Messschaltung (10) nach einer der Ausführungen 1 bis 5;
- - Erzeugen (S2) eines Anregungssignals (2) mit einer Anregungsvorrichtung (5);
- - Ansteuern (S3) der Wheatston-Brücke (KB) mit dem Anregungssignal (2), wobei die Wheatston-Brücke (KB) mit dem Ausgang verbunden ist und das Antwortsignal (3) mittels der Wheatston-Brücke (KB) erzeugt wird, und wobei die Schwingvorrichtung (11) am ersten Messkondensator (C1M) und/oder am zweiten Messkondensator (C2M) jeweils zu Schwingungen in unterschiedlichen Eigenmoden angeregt wird.
- 7. Verfahren nach Ausführung 6, bei dem ein Ermitteln (S4) einer Messgröße aus dem Messsignal erst nach einer charakteristischen Einschwingzeit der Schwingvorrichtung (11) am ersten Messkondensator (C1M) und/oder am zweiten Messkondensator (C2M) erfolgt.
- 8. Verfahren nach Ausführung 6 oder 7, bei dem ein Ermitteln (S5) einer Messgröße aus dem Antwortsignbal in einem destruktiven Überlagerungszustand (DZ) der Eigenmoden der Schwingvorrichtungen (11) am ersten Messkondensator (C1M) und/oder am zweiten Messkondensator (C2M) erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016107275 A1 [0003]
