DE19524604A1 - Schaltungsanordnung, insbesondere für einen kapazitiven Beschleunigungssensor - Google Patents
Schaltungsanordnung, insbesondere für einen kapazitiven BeschleunigungssensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung,
insbesondere für einen kapazitiven Beschleunigungs
sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, zur Detektion einer einwirkenden
Beschleunigung, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen,
kapazitive Beschleunigungssensoren einzusetzen. Die
kapazitiven Beschleunigungssensoren werden in der
Regel von zwei Kapazitäten gebildet, die eine ge
meinsame Mittenelektrode besitzen. Die gemeinsame
Mittenelektrode ist zwischen den Außenelektroden
der Kapazitäten beweglich gelagert. Infolge einer
auftretenden Beschleunigung wird die Mittenelektro
de bewegt, so daß die Kapazitäten variieren. Je
nach Beschleunigungsrichtung wird die eine Kapazi
tät erhöht und die andere erniedrigt oder umge
kehrt. Zur Auswertung der Kapazitätsvariationen ist
es bekannt, eine Lageregelschaltung vorzusehen, die
die Außenelektroden mit einer Spannung beauf
schlagt. Die Spannung wird hierbei so eingeregelt,
daß eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen
den Elektroden der Kapazitäten eine Auslenkung der
Mittenelektrode verhindert. Je nach Größe der auf
tretenden Beschleunigung ist eine entsprechend
große Lageregelungsspannung erforderlich. Über die
Höhe der an den Außenelektroden anliegenden Lagere
gelungsspannung, die erforderlich ist, um die Kapa
zitäten gleich groß zu halten, kann ein der mit dem
Beschleunigungssensor detektierten Beschleunigung
proportional es Signal gewonnen und ausgewertet wer
den.
Aus der WO 92/03740 ist beispielsweise bekannt ge
worden, an den Außenelektroden eine um 180° phasen
verschobene Wechselspannung kapazitiv einzukoppeln.
Eine an der Mittenelektrode sich ergebende Wechsel
spannung ergibt ein Maß für das Verhältnis der bei
den Kapazitäten. Ist die Wechselspannung an der
Mittenelektrode nicht mehr meßbar, sind die Kapazi
täten gleich groß. Hierbei ist nachteilig, daß
durch die Wechselspannungssignaleinspeisung an den
Außenelektroden der Kapazitäten dort vorhandene pa
rasitäre Kapazitäten zu einer Dämpfung des Signals
führen. Da die parasitären Kapazitäten zumindest
zum Teil spannungsabhängige Sperrschichtkapazitäten
sind, ist die Dämpfung auf Grund einer unterschied
lichen Lageregelungsspannung an den Außenelektroden
verschieden, so daß keine fehlerfreie Messung einer
Kapazitätsdifferenz möglich ist. Darüber hinaus
sind derartige Schaltungen sehr aufwendig, da zwei
exakt gegenphasige Signale gleicher Amplitude er
zeugt werden müssen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im
Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber
den Vorteil, daß in einfacher Weise eine exakte
Auswertung einer Kapazitätsdifferenz zwischen den
zwei Kapazitäten möglich ist. Dadurch, daß der Mit
tenkontakt mit einer Wechselspannung beaufschlagt
wird und der sich an den Kapazitäten einstellende
Wechselstrom zur Lageregelung ausgewertet wird,
bleibt die Lageregelungsspannung an den Außenelek
troden konstant, so daß hier keine Wechselspannung
meßbar ist. Hierdurch wird in einfacher Weise der
Einfluß parasitärer Kapazitäten auf die Signaler
zeugung unterdrückt. Darüber hinaus kann die Wech
selspannungsquelle zum Bereitstellen der Wechsel
spannung relativ einfach aufgebaut werden, da eine
bestimmte Phase für die Mittenelektrode nicht er
forderlich ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk
malen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausfüh
rungsbeispiel an Hand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
kapazitiven Beschleunigungssensors,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Beschleunigungs
sensors und
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung
einer Kapazitätsdifferenz des Beschleu
nigungssensors.
In der Fig. 1 ist ein kapazitiver Beschleunigungs
sensor 10 schematisch dargestellt. Der Beschleuni
gungssensor 10 besitzt eine bewegliche Mittenelek
trode 12, die beispielsweise als einseitig be
festigter Biegebalken ausgebildet sein kann. Die
Mittenelektrode 12 ist in einem Freiraum 14 ange
ordnet, der durch im wesentlichen parallel zur Mit
tenelektrode 12 angeordneten Außenelektroden 16
beziehungsweise 18 begrenzt wird. Zwischen der
Mittenelektrode 12 und der Außenelektrode 16 ist
eine erste Kapazität C₁ und zwischen der Mitten
elektrode 12 und der Außenelektrode 18 eine zweite
Kapazität C₂ ausgebildet. Der Freiraum 14 bezie
hungsweise das in dem Freiraum 14 vorhandene Medium
bildet das Dielektrikum der Kapazitäten C₁ und C₂.
Die Mittenelektrode 12 ist mit einem Anschluß U₀,
die Außenelektrode 16 mit einem Anschluß U₁ und die
Außenelektrode 18 mit einem Anschluß U₂ verbunden.
An Hand des in Fig. 2 dargestellten Ersatzschalt
bildes des Beschleunigungssensors 10 wird deutlich,
daß die Kapazitäten C₁ und C₂ in einer Kapazitäts
brücke zusammengeschaltet sind.
Wird der Beschleunigungssensor 10 einer Beschleuni
gung ausgesetzt, ist die Mittenelektrode 12 auf
Grund ihrer beweglichen Aufhängung und ihres Träg
heitsmomentes bestrebt, sich entweder in Richtung
der Außenelektrode 16 oder der Außenelektrode 18 zu
bewegen. Hierdurch würde es zu einer Kapazitäts
variation der Kapazitäten C₁ und C₂ kommen. Je nach
Beschleunigungsrichtung würde die Kapazität C₁ grö
ßer und die Kapazität C₂ kleiner beziehungsweise
umgekehrt werden, da der die Kapazität mitbestim
mende Abstand zwischen der Mittenelektrode 12 be
ziehungsweise den Außenelektroden 16 und 18 größer
beziehungsweise kleiner wird.
Wird nun eine an den Anschlüssen U₁ beziehungsweise
U₂ anliegende Spannung so eingeregelt, daß die
zwischen der Mittenelektrode 12 beziehungsweise den
Außenelektroden 16 und 18 auftretende elektrosta
tische Anziehungskraft die Mittenelektrode 12 auch
bei auftretender Beschleunigung in ihrer Mittellage
hält, so daß die Kapazitäten C₁ und C₂ immer gleich
groß sind, liefert die anzulegende Lageregelungs
spannung ein der auftretenden Beschleunigung pro
portionales Signal. Die Mittenelektrode 12 wird
immer dann in ihrer Mittelstellung gehalten, wenn
die Außenelektroden 16 beziehungsweise 18 auf ein
konstantes Potential geregelt werden.
In der Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung ge
zeigt, mit der in einfacher Weise eine Regelung der
Außenelektroden 16 und 18 auf ein konstantes Po
tential erfolgen kann. Gleiche Teile wie in den
Fig. 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen ver
sehen und nicht nochmals erläutert. Der Anschluß U₁
ist mit dem invertierenden Eingang eines ersten
Operationsverstärkers 20 verbunden. Der Ausgang des
Operationsverstärkers 20 ist über einen Gegenkop
pelwiderstand R₁ mit dem invertierenden Eingang
einerseits und einem Eingang 22 einer nicht darge
stellten Auswerteschaltung verbunden. Der nicht
invertierende Eingang des Operationsverstärkers 20
ist mit einer Gleichspannungsquelle 24 verbunden.
Der Anschluß U₂ ist mit dem invertierenden Eingang
eines zweiten Operationsverstärkers 26 verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 26 ist einer
seits über einen Gegenkoppelwiderstand R₂ mit dem
Anschluß U₂ und einem Eingang 28 der nicht darge
stellten Auswerteschaltung verbunden. Der nicht in
vertierende Eingang des Operationsverstärkers 26
ist mit einer Gleichspannungsquelle 30 verbunden.
Der Anschluß U₀ ist mit einer Gleichspannungsquelle
32 und einer die Gleichspannungsquelle 32 über
lagernden Wechselspannungsquelle 34 verbunden. Die
Gleichspannungsquellen 24, 30 und 32 können auch
von einer entsprechend verschalteten gemeinsamen
Gleichspannungsquelle gebildet sein.
Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung übt
folgende Funktion aus:
Mittels der Gleichspannungsquelle 32 und der Wechselspannungsquelle 34 wird an dem Anschluß U₀ eine von einer Wechselspannung überlagerte Gleich spannung eingespeist. Die Wechselspannung führt zu einem Stromfluß über die Kondensatoren C₁ und C₂. Im Ausgangszustand ist der Mittenkontakt 12 in Ruhestellung, so daß die Kapazitäten C₁ und C₂ gleich groß sind. Hierdurch besitzen die Kapazitä ten C₁ und C₂ einen gleich großen Blindwiderstand für den Wechselstrom, so daß über die Kapazitäten C₁ und C₂ ein exakt gleich großer Wechselstrom fließt. Die Blindwiderstände der Kapazitäten C₁ und C₂ bilden gemeinsam mit den Widerständen R₁ bezie hungsweise R₂ eine Gegenkopplungswiderstandsschal tung für die Operationsverstärker 20 beziehungswei se 26.
Mittels der Gleichspannungsquelle 32 und der Wechselspannungsquelle 34 wird an dem Anschluß U₀ eine von einer Wechselspannung überlagerte Gleich spannung eingespeist. Die Wechselspannung führt zu einem Stromfluß über die Kondensatoren C₁ und C₂. Im Ausgangszustand ist der Mittenkontakt 12 in Ruhestellung, so daß die Kapazitäten C₁ und C₂ gleich groß sind. Hierdurch besitzen die Kapazitä ten C₁ und C₂ einen gleich großen Blindwiderstand für den Wechselstrom, so daß über die Kapazitäten C₁ und C₂ ein exakt gleich großer Wechselstrom fließt. Die Blindwiderstände der Kapazitäten C₁ und C₂ bilden gemeinsam mit den Widerständen R₁ bezie hungsweise R₂ eine Gegenkopplungswiderstandsschal tung für die Operationsverstärker 20 beziehungswei se 26.
Die Operationsverstärker 20 beziehungsweise 26 sind
als invertierende Verstärker geschaltet, so daß die
am nicht invertierenden Eingang anliegende positive
Gleichspannung am Ausgang der Operationsverstärker
ebenfalls eine positive Ausgangsgleichspannung er
gibt. Da - wie allgemein bekannt - die Verstärkung
der Operationsverstärker durch das Verhältnis der
Gegenkopplungswiderstände festgelegt wird, führt
eine Veränderung des Verhältnisses der Gegenkopp
lungswiderstände zu einer Veränderung der Verstär
kung. Über die Gegenkopplung der Operationsverstär
ker 20 beziehungsweise 26 werden die Anschlüsse U₁
und U₂ auf einem konstanten Potential geregelt.
Entsprechend dem sich mit einer Beschleunigungsein
wirkung auf den Beschleunigungssensor 10 ändernden
Blindwiderstand der Kapazitäten C₁ beziehungsweise
C₂ für den Wechselstrom erfolgt eine mehr oder
weniger große Verstärkungswirkung der Operations
verstärker 20 beziehungsweise 26. Die Verstärkung
der Operationsverstärker 20 beziehungsweise 26
variiert mit den sich ändernden einstellenden Ver
hältnissen der Gegenkopplungswiderstände R₁ und R₂
zu den Blindwiderständen der Kapazitäten C₁ und C₂.
Mit den Operationsverstärkern 20 beziehungsweise 26
wird somit der Strom durch die Kapazitäten C1 und
C2 ausgewertet und ein entsprechendes Verstärkungs
signal erzeugt. Dieses Verstärkungssignal liegt an
den mit der Auswerteschaltung verbundenen Anschlüs
sen 22 beziehungsweise 28 an, wobei gleichzeitig
aufgrund des Regelungsverhaltens der Operationsver
stärker das Potential an den Anschlüssen U₁ und U₂
konstant ist. Über eine Auswertung der Verstär
kungssignale der Operationsverstärker 20 bezie
hungsweise 26 kann somit ein der an den Beschleuni
gungssensor 10 angreifenden Beschleunigung propor
tionales Signal gewonnen werden.
Da die Potentiale an den Anschlüssen U₁ und U₂
konstant gehalten werden, ist an den Anschlüssen
auch keine Wechselspannung meßbar. Hierdurch wird
der Einfluß parasitärer Kapazitäten, insbesondere
deren Dämpfungseinfluß auf das Verstärkungssignal
eliminiert. Die Phase der Wechselspannungsquelle 34
kann beliebig gewählt sein, da diese durch die
Einspeisung an dem Mittenkontakt U₀ für beide
Kapazitäten C₁ und C₂ in jedem Falle gleich ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung
bietet somit die Möglichkeit, die Gleichspannung an
den Außenkontakten 16 beziehungsweise 18 in ein
facher Weise über einen Operationsverstärker 20
beziehungsweise 26 zu regeln.
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung, insbesondere für einen ka
pazitiven Beschleunigungssensor mit einer ersten
Kapazität (C₁) und einer zweiten Kapazität (C₂),
wobei die beiden Kapazitäten (C₁, C₂) eine gemein
same Mittenelektrode aufweisen, die in Abhängigkeit
einer einwirkenden Beschleunigung beweglich gela
gert ist, sowie einer Lageregelschaltung, die die
Außenelektroden der Kapazitäten mit einer Spannung
derart beaufschlagt, daß die Kapazitäten (C₁, C₂)
gleich groß bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittenelektrode (12) mit einer Wechselspannung
beaufschlagt wird und der sich an den Kapazitäten
(C₁, C₂) einstellende Wechselstrom zur Lageregelung
ausgewertet wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mittenelektrode (12) mit
einer Gleichspannungsquelle (32) und einer die
Gleichspannungsquelle (32) überlagernden Wechsel
spannungsquelle (34) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Außenelektroden (16, 18) der Kapazitäten (C₁, C₂)
jeweils mit einem invertierenden Eingang und über
einen Gegenkopplungswiderstand (R₁, R₂) mit dem
Ausgang eines Operationsverstärkers (20, 26) ver
bunden sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
nicht invertierende Eingang der Operationsverstär
ker (20, 26) mit dem Pluspol einer Gleichspannungs
quelle (24, 30) verbunden ist.
Priority Applications (3)
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DE19524604A DE19524604A1 (de) | 1995-07-06 | 1995-07-06 | Schaltungsanordnung, insbesondere für einen kapazitiven Beschleunigungssensor |
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Publications (1)
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Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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1995
- 1995-07-06 DE DE19524604A patent/DE19524604A1/de not_active Withdrawn
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1996
- 1996-07-02 JP JP8172576A patent/JPH0926434A/ja active Pending
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Publication number | Publication date |
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US5744717A (en) | 1998-04-28 |
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