DE19940422C2 - Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe - Google Patents

Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe

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Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe wie etwa eines Drucks, einer Beschleunigung oder dergleichen.
Aus der JP B 7-50789-A ist ein herkömmlicher Drucksensor des Oberflächenbearbeitungstyps mit kapazitivem Element bekannt. Dieser Drucksensor ist durch Bilden einer ersten Elektrode (einer festen Elektrode) durch Diffusion von Störstellen in ein monokristallines Siliciumsubstrat sowie durch Anordnen einer zweiten Elektrode (einer beweglichen Elektrode) mit Membranform, die aus polykri­ stallinem Silicium mit spezifischer Leitfähigkeit gebil­ det ist, auf dem monokristallinen Siliciumsubstrat in der Weise, daß sie der ersten Elektrode über einen dazwischen befindlichen Luftspalt zugewandt ist, gebildet, wobei eine durch den Druck hervorgerufene Verschiebung der zweiten Elektrode die elektrostatische Kapazität des aus den beiden Elektroden gebildeten kapazitivem Elements ändert, wodurch der Druck erfaßt werden kann.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines Druckerfassungsab­ schnitts des Drucksensors mit kapazitivem Element. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist eine feste Elektrode 122 aus einer Diffusionsschicht auf einem monokristallinen Sili­ ciumsubstrat 121 gebildet, während eine bewegliche Elek­ trode (Membran) 131 über einem Schutzfilm 123 wie etwa einem nitrierten Film oder dergleichen und einem Luftspalt 125 gebildet ist. Die bewegliche Elektrode 131 ist aus Schutzfilmen 126, 129 aus nitrierten Filmen oder dergleichen und aus einer leitenden Schicht 128 aus polykristallinem Silicium aufgebaut.
Die elektrostatische Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 131 und der festen Elektrode 122 angebende Signale (elektrische Signale) werden über eine Verdrah­ tung aus Aluminium oder dergleichen abgeleitet. Unter der Annahme, daß ein Bereich gegenüberliegender Flächen zwischen der beweglichen Elektrode 131 und der festen Elektrode 122 durch S gegeben ist und der Abstand des Luftspalts zwischen der festen Elektrode 122 und der beweglichen Elektrode 131 durch d gegeben ist, kann der elektrostatische Kapazitätswert CS dieses Kapazitätsum­ setzungselements durch die folgende Gleichung (1) angege­ ben werden:
wobei ε0 die Dielektrizitätskonstante im Vakuum ist.
Wenn auf die bewegliche Elektrode 131 ein Druck ausgeübt wird, ändert sich der Luftspalt d zwischen der festen Elektrode 122 und, der beweglichen Elektrode 131, wodurch sich die Sensorkapazität CS ändert. Wenn jedoch die Kapazität CS in ein elektrisches Signal ohne Abwandlung der obigen Gleichung (1) umgesetzt wird, ist der Nichtli­ nearitätsgrad der Änderungskennlinie der Kapazität CS in bezug auf den ausgeübten Druck um so größer, je größer die Empfindlichkeit (d. h. je stärker der Abstand d geändert wird) ist. Selbst wenn daher versucht wird, die Änderung der elektrostatischen Kapazität in bezug auf den ausgeübten Druck zu erhöhen, um sowohl eine geringe Größe Sensors mit kapazitivem Element zu erzielen als auch den Rauschabstand (S/N) zu verbessern, wird die obenerwähnte nichtlineare Kennlinie zu einem Hindernis.
Da ferner die Elektrode auf dem Siliciumsubstrat gebildet ist (im vorliegenden Fall durch Diffusion), wird eine schwebende Kapazität zwischen der festen Elektrode 122 und dem Siliciumsubstrat 121 sowie zwischen der bewegli­ chen Elektrode 131 oder der Verdrahtung 130 und dem Siliciumsubstrat 121 relativ zur Sensorkapazität CS groß.
Beispielsweise ist aus "Sensors and Actuators", A 60 (1997), Seiten 32 bis 36, ein Verfahren zum Lösen des Problems der nichtlinearen Kennlinie des elektrischen Signals bekannt, bei dem ein Ausgang erhalten wird, der zum Kehrwert der elektrostatischen Kapazität CS propor­ tional ist. Eine für die Ausführung des Verfahrens ver­ wendete Schaltung, die die durch den Druck sich ändernde elektrostatische Kapazität umsetzt, umfaßt eine Integra­ tionsrückkopplungskapazität eines Operationsverstärkers, wobei die in der Integrationsrückkopplungskapazität befindliche akkumulierte elektrische Ladung in ein Druck­ signal umgesetzt wird.
Fig. 8 zeigt diese herkömmliche Schaltung. In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Konstantspannungs­ quelle, die Bezugszeichen 2a und 3a bezeichnen jeweils einen Umschalter, das Bezugszeichen 4 bezeichnet ein kapazitives Referenzelement, dessen Kapazität CR fest ist, das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein kapazitives Erfassungselement zur Erfassung einer dynamischen Größe, das aus einer beweglichen Elektrode und aus einer festen Elektrode gebildet ist und in dem sich die elektrostati­ sche Kapazität, d. h. CS, entsprechend der dynamischen Größe ändert, und bezeichnet das Bezugszeichen 7 einen Operationsverstärker.
Das kapazitive Referenzelement 4 ist mit einem invertie­ renden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 verbunden, während das kapazitive Erfassungselement 5 (elektrostatische Kapazität CS) zur Erfassung einer dynamischen Größe in einem Rückkopplungszweig zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsan­ schluß des Operationsverstärkers vorgesehen ist. Die Umschalter 2a, 3a sind Elemente einer Lade- /Entladeschaltung für die Kapazitäten CR bzw. CS, die zu aktiven den Zeitpunkten eines Signals ϕ1 in den mit durchzogenen Linien gezeigten Stellungen und zu den aktiven Zeitpunkten eines Signals ϕ1B in den mit unter­ brochenen Linien gezeigten Stellungen sind.
Wenn in dieser Schaltung zu den aktiven Zeitpunkten des Signals ϕ1 über den Schalter 2a eine Spannung mit Spit­ zenwert Vcc der Konstantspannungsquelle 1 an das kapazi­ tive Referenzelement 4 angelegt wird, werden in dem kapazitiven Erfassungselement 5 die akkumulierten Ladun­ gen integriert. Zu den aktiven Zeitpunkten des Signals ϕ1B werden die im kapazitiven Referenzelement 4 akkumu­ lierten Ladungen über den Schalter 2a entladen, während die im kapazitiven Erfassungselement 5 akkumulierten Ladungen über den Schalter 3a entladen werden. Durch Wiederholen der obigen Lade-/Entladevorgänge werden am Ausgangsanschluß 9 impulsartige Ausgangssignale erhalten.
Das Ausgangssignal Vout der Schaltung ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben:
wobei SS eine Fläche des kapazitiven Erfassungselements 5 bezeichnet, dS den Abstand (Luftspalt) zwischen den Elektroden des kapazitiven Erfassungselements 5 bezeich­ net, SR eine Fläche des kapazitiven Referenzelements 4 bezeichnet und dR den Abstand (Luftspalt) zwischen den Elektroden des kapazitiven Referenzelements 4 bezeichnet.
Da die Schaltung so beschaffen ist, daß sich die Aus­ gangsspannung proportional zum Kehrwert der Kapazität CS des kapazitiven Erfassungselements, d. h. proportional zur Änderung des Luftspalts dS, ändert, besitzt das Ausgangssignal eine ausgezeichnete Kennlinie im wesentli­ chen ohne Nichtlinearität. Eine solche Schaltung ist beispielsweise aus JP 4-329371-A und aus JP 5-18990-A bekannt.
In diesem Fall ist die elektrostatische Kapazität CS zur Erfassung der dynamischen Größe eine Integrationsrück­ kopplungskapazität des Operationsverstärkers 7, so daß die Ansteuerungsfrequenz für die Erfassung durch die Ansprechgeschwindigkeit des Operationsverstärkers 7 begrenzt ist. Um eine sehr kleine Kapazität (1 pF oder weniger) präzise in ein elektrisches Signal umzusetzen, muß die dynamische Größe mit hoher Geschwindigkeit, d. h. mit einer hohen Ansteuerungsfrequenz (mehrere hundert Kilohertz oder mehr) erfaßt werden. Wenn jedoch wie oben erwähnt die Ansteuerungsfrequenz durch die Ansprechge­ schwindigkeit des Operationsverstärkers 7 begrenzt ist, ist ein Hochgeschwindigkeitsoperationsverstärker erfor­ derlich, um die Kapazität mit hoher Frequenz und hoher Genauigkeit zu erfassen, was einen Kostenanstieg und große Abmessungen der Schaltung zur Folge hat.
Wenn ein Element mit großer schwebender Kapazität wie im erstgenannten Stand der Technik gezeigt angesteuert wird, ist der entsprechende Sensor aufgrund der Tatsache, daß die schwebende Kapazität zu einem Hindernis bei einer Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit und der Stabili­ tät des Operationsverstärkers wird, für die Erfassung einer sehr kleinen Kapazität mit hoher Präzision nicht geeignet. Um einen Gleichspannungsausgang zu erhalten, muß ferner in einer hinteren Stufe oder Ausgangsstufe eine Abtast-/Halteschaltung hinzugefügt sein.
Aus der JP 6-507723-A (offengelegte PCT-Anmeldung) ist eine Druckmeßvorrichtung mit einer mittels Druck verschobenen Elektrode bekannt, in der eine Übertragungsfunktion F zur Ableitung des Drucks aus Kapazitätsmessungen verwendet wird, die gegeben ist durch das Verhältnis der Differenz zwischen der Sensorkapazität CS und der Referenzkapazität CR zu einer abgeteilten Integrationsrückkopplungskapazi­ tät Cf. Die Übertragungsfunktion F ist daher durch die folgende Gleichung (3) gegeben:
In dieser Vorrichtung des Standes der Technik soll ein Fehleranteil, d. h. eine Nichtlinearität, der durch die obenerwähnte 1/C-Funktion nicht korrigiert wird, kompen­ siert werden, indem eine Unterteilung der elektrostati­ schen Kapazität der Elektrode, die durch Druck geändert wird, vorgenommen wird (mit anderen Worten, die Kapazität wird in die Kapazitäten CS und Cf unterteilt). Da auch in diesem Fall die Integrationsrückkopplungskapazität Cf das Ausgangssignal für die Erfassung der dynamischen Größe beeinflußt, ist ein Hochgeschwindigkeitsoperationsver­ stärker erforderlich, um eine sehr kleine Kapazität mit hoher Frequenz und hoher Genauigkeit zu erfassen, ferner sind eine Abtast-/Halteschaltung und dergleichen in einer Ausgangsstufe der Kapazitätserfassungsschaltung notwen­ dig, um das Ausgangssignal als Gleichspannungsausgang zu erhalten.
Die US 4 743 836 beschreibt eine kapazitive Schaltung zur Messung ei­ nes Parameters mit linearer Ausgangsspannung. Ein drucksensitiver kapazitiver Wandler und ein Referenzkondensator sind in einem Differentialmodus so angeordnet, daß sie abwechselnd ge- und ent­ laden werden. Ein Integrator empfängt von den Kondensatoren Si­ gnale und gibt zwei Spannungspegel aus, die einer synchron getak­ teten Abtast-Halte-Stufe zugeführt werden und danach einem Diffe­ renzverstärker.
Aus der EP 0 783 109 A1 ist eine Kraftmeßvorrichtung mittels eines kapazitiven Sensors und unter Verwendung von Ladungsübertra­ gung bekannt. In einer Meßphase werden brückenartig verschaltete und sich komplementär bezüglich der zu erfassenden Größe verän­ dernde Kondensatoren geladen. In einer Ladungsübertragungsphase wird das so entstandene Signal vermessen.
Aus der US 5 048 165 ist ein Verfahren zur Steuerung der Empfind­ lichkeit und der Linearität eines kapazitiven Wandlersystems be­ kannt. Zwei sich komplementär nach Maßgabe der zu erfassenden Größe ändernde Kondensatoren werden von alternierenden Span­ nungen beaufschlagt, und ein sich dadurch ergebendes Signal wird integriert.
Die Erfindung ist angesichts der obenbeschriebenen Pro­ bleme gemacht worden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dyna­ mischen Größe zu schaffen, der eine sehr kleine Änderung einer elektrostatischen Kapazität (durch eine dynamische Größe bedingte Verschiebung) unter Verwendung einer hohen Ansteuerungsfrequenz ohne Beschränkung durch das An­ sprechverhalten eines Operationsverstärkers stabil und mit hoher Geschwindigkeit und ohne Beeinflussung durch die schwebende Kapazität erfassen und direkt in eine Spannung umsetzen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor nach An­ spruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann mit dem Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe ein Gleichspannungsausgangssignal erhalten werden, ohne daß eine Abtast-/Halteschaltung in einer Ausgangsstufe hinzugefügt ist.
Der Sensor der Erfindung enthält ein kapazitives Erfas­ sungselement zur Erfassung einer dynamischen Größe, dessen elektrostatische Kapazität CS sich entsprechend der dynamischen Größe ändert, ein kapazitives Referenz­ element, dessen elektrostatische Kapazität CR eine Refe­ renzkapazität bildet, sowie eine Kapazitätserfassungs­ schaltung, die ein der dynamischen Größe entsprechendes Signal ausgibt, das zum Kehrwert der elektrostatischen Kapazität CS des kapazitiven Erfassungselements propor­ tional ist. In dem Sensor ist die Schaltung so beschaf­ fen, daß, wenn sich das kapazitive Erfassungselement entsprechend der dynamischen Größe verschiebt und das Gleichgewicht der elektrischen Ladungen, die im kapaziti­ ven Erfassungselement und im kapazitiven Referenzelement vorhanden sind, zerstört wird und eine Differenz erzeugt wird, das Ausgangssignal Vout der Kapazitätserfassungs­ schaltung sich entsprechend der unterschiedlichen elek­ trischen Ladungen ändert, wobei eine Lade-/Entlade­ schaltung so arbeitet, daß sie unter Verwendung des Ausgangssignals Vout der Kapazitätserfassungsschaltung ihr Ausgangssignal solange ändert, bis die elektrischen Ladungsmengen des kapazitiven Erfassungselements und des kapazitiven Referenzelements einander im wesentlichen gleich sind.
Wenn sich in dem obigen Aufbau das kapazitive Erfassungs­ element entsprechend der dynamischen Größe verschiebt, wird das Gleichgewicht der elektrischen Ladungsmengen im kapazitiven Erfassungselement und im kapazitive Referenz­ element zerstört, wodurch eine Differenz erzeugt wird, die das Ausgangssignal Vout der Kapazitätserfassungs­ schaltung entsprechend ändert; das Ausgangssignal Vout wird jedoch dann, wenn die elektrischen Ladungsmengen des kapazitiven Erfassungselements und des kapazitiven Refe­ renzelements einander im wesentlichen gleich sind, sta­ bil. Das Ausgangssignal Vout ist zum Kehrwert der elek­ trostatischen Kapazität CS proportional und eine Gleich­ spannung. Wenn das Ausgangssignal Vout bei einem Wert, bei dem die elektrischen Ladungsmengen des kapazitiven Erfassungselements und des kapazitiven Referenzelements einander im wesentlichen gleich sind, stabil wird, selbst wenn ein Operationsverstärker 7 mit Integrationsrückkopp­ lungskapazität (Rückkopplungskondensator) Cf verwendet wird, wird ein Ausgangssignal erhalten, das vom Integra­ tionsrückkopplungskapazitätswert unabhängig ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1 einen Schaltplan eines Sensors mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe ge­ mäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
Fig. 2 einen genauen Schaltplan, der zum Schaltplan von Fig. 1 äquivalent ist;
Fig. 3 einen Zeitablaufplan zur Erläuterung der Funkti­ onsweise des Sensors der ersten Ausführung;
Fig. 4 einen Blockschaltplan, der eine Übersicht über den Gesamtaufbau des Sensors der ersten Ausfüh­ rung gibt;
Fig. 5 eine Schnittansicht des Sensors der ersten Aus­ führung;
Fig. 6 einen Schaltplan eines Sensors mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe ge­ mäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
Fig. 7 die bereits erwähnte Schnittansicht eines her­ kömmlichen Sensors mit kapazitivem Element; und
Fig. 8 den bereits erwähnten Schaltplan einer herkömmli­ chen Schaltung.
Zunächst wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 5 eine erste Ausführung beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ent­ hält ein Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe eine Konstantspannungsquelle 1, Umschalter 2, 3, ein kapazitives Referenzelement 4, ein kapazitives Erfassungselement 5 zur Erfassung dynamischer Größen, ein Integrations-Rückkopplungkapazitätselement (Rückkopplungskondensator) 6, einen Operationsverstärker 7, einen Addierer 8 und einen Ausgangsanschluß 9.
Das kapazitive Referenzelement (fester Kondensator) 4 besitzt eine elektrostatische Kapazität CR mit festem Wert, die als Referenz (Standard) dient. Das kapazitive Erfassungselement (variabler Kondensator) 5 zur Erfassung einer dynamischen Größe ändert seine elektrostatische Kapazität CS entsprechend einer dynamischen Größe wie etwa einem Druck. Im folgenden wird das kapazitive Erfas­ sungselement 5 zur Erfassung der dynamischen Größe ein­ fach Erfassungselement 5 genannt, während das kapazitive Referenzelement 4 einfach Referenzelement 4 genannt wird.
Das Referenzelement 4 und das Erfassungselement 5 sind über eine gemeinsame Verbindungsleitung in Serie geschal­ tet und über die gemeinsame Verbindungsleitung mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 ist geerdet. Zwischen den Aus­ gangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 ist ein Rückkopplungskapazitäts­ element (fester Kondensator) 6 geschaltet. Im folgenden wird das Rückkopplungskapazitätselement 6 Rückkopplungs­ kondensator 6 genannt. Der Rückkopplungskondensator 6 und der Operationsverstärker 7 bilden die Hauptkomponenten einer Kapazitätserfassungsschaltung.
Die positive Seite der Konstantspannungsquelle 1 ist über den Umschalter 2 mit dem Referenzelement 4 verbunden, außerdem ist sie mit der Eingangsseite des Addierers 8 verbunden, der die Differenz zwischen der Ausgangsspan­ nung Vout des Operationsverstärkers 7 und der Konstant­ spannung bildet; die Ausgangsseite des Addierers 8 ist über den Umschalter 3 mit dem Erfassungselement 5 verbun­ den.
In dieser Ausführung werden die Schalter 2 und 3 gegen­ phasig betrieben und mittels Impulsen hoher Frequenz mit hoher Geschwindigkeit abwechselnd umgeschaltet. Wenn die elektrostatischen Kapazitäten CS und CR einander im wesentlichen gleich sind, fließt in den Rückkopplungskon­ densator 6 kein Strom (sowohl die Ausgangsspannung Vo als auch die Ausgangsspannung Vout sind null). Wenn die elektrostatische Kapazität CS größer als die elektrosta­ tische Kapazität CR wird, fließt ein der Kapazitätsdiffe­ renz entsprechender Strom zur elektrostatischen Kapazität CS, wobei die Differenz zwischen der in CS befindlichen Ladungsmenge und der in CR befindlichen Ladungsmenge im Rückkopplungskondensator 6 (Kapazität CF) integriert und ausgegeben wird (d. h. die Ausgangsspannung Vout ändert sich entsprechend den unterschiedlichen elektrischen Ladungsmengen im Erfassungselement 5 und im Referenzele­ ment 4). Da jedoch der Addierer 8 vorgesehen ist, errei­ chen die elektrischen Ladungsmengen ein Gleichgewicht bei einem Wert, bei dem die elektrischen Ladungsmengen des Erfassungselements 5 und des Referenzelements 4 einander gleich sind, woraus ein Gleichspannungsausgang Vout resultiert.
Die Ausgangsspannung Vout ist zu diesem Zeitpunkt durch die folgende Gleichung (4) gegeben:
Nun wird mit Bezug auf das Ersatzschaltbild von Fig. 2 und den Zeitablaufplan von Fig. 3 die erste Ausführung der Erfindung genauer erläutert.
Die Kapazitätserfassungsschaltung 10 der Erfindung umfaßt das Erfassungselement 5, das Referenzelement 4, Konstant­ spannungsquellen 11, 12, Schalter 21, 22, 23, 24, 31 und 32, den Rückkopplungskondensator 6, den Operationsver­ stärker 7, einen Inverter 81 und den Ausgangsanschluß 9.
Hierbei entsprechen die Schalter 21, 23, 31 dem Umschal­ ter 2 und die Schalter 22, 24, 32 dem Umschalter 3. Die Schalter 21, 23, 31 werden durch das Ansteuerungssignal ϕ1 angesteuert, während die Schalter 22, 24, 32 durch das Ansteuerungssignal ϕ1B mit entgegengesetzter Phase ange­ steuert werden.
Der Inverter 81 multipliziert ein Eingangssignal mit -1 und kann durch einen einfachen invertierenden Verstärker, der einen Operationsverstärker enthält, oder durch eine geschaltete Kapazitätsschaltung verwirklicht sein.
Unter der Annahme, daß die Ausgangsspannung Vout anfangs den Wert null besitzt, d. h. die erfaßte dynamische Größe null ist, befinden sich weder in der dem Erfassungsele­ ment 5 entsprechenden Kapazität CS noch in der dem Refe­ renzelement 4 entsprechenden Kapazität CR elektrische Ladungen, selbst wenn die Schalter 21, 23, 31 geschlossen sind. Wenn jedoch die Schalter 22, 24, 32 geschlossen werden, werden die Kapazitäten CS und CR geladen. Wenn die Kapazitäten CS und CR gleichmäßig geladen sind, fließt in den Rückkopplungskondensator 6 (Kapazität CF) kein elektrischer Strom, weshalb die Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers 7 und die Ausgangsspannung Vout jeweils 0 V betragen. Dieser Zustand ist der Anfangszu­ stand in Fig. 3.
Wenn eine Kraft wie etwa eine Druckkraft ausgeübt wird und die elektrostatische Kapazität CS des Erfassungsele­ ments 5 größer als die elektrostatische Kapazität CR des Referenzelements 4 wird, fließt zur Kapazität CS ein elektrischer Strom, so daß die Differenz zwischen der elektrischen Ladungsmenge, die sich in der Kapazität CS befindet, und der elektrischen Ladungsmenge, die sich in der Kapazität CR befindet, im Kondensator CF bei einem hohen Ansteuerungssignal ϕ1B integriert wird. Daher wechselt das Ausgangssignal Vo zum aktiven Zeitpunkt des Signals ϕ1B in Fig. 3. Wenn der Schalter 24 geöffnet ist (d. h. wenn ϕ1B niedrigen Pegel besitzt), wird die Span­ nung gehalten und die Ausgangsspannung Vo wird konstant. Die Spannung Vo(1) zu diesem Zeitpunkt ist durch die folgende Gleichung (5) gegeben:
Da die Ausgangsspannung Vout so oft wie Vo den Wert -1 annimmt, ist die Sensorausgangsspannung Vout durch die folgende Gleichung (6) gegeben:
Daher wechselt im nächsten Schaltoperationsschritt der Signalpegel der an die Kapazität CR angelegten Spannung nicht zu Vcc, jedoch wird an die Kapazität CS die Span­ nung (Vcc - Vout) angelegt. Diese Operation ist durch die weiter unten angegebene Gleichung (7) gegeben; sie wird wiederholt und die Ausgangsspannung Vout bewirkt ein Aufladen, bis die elektrische Ladungsmenge, die sich in der Kapazität CS befindet, gleich der elektrischen La­ dungsmenge wird, die sich in der Kapazität CR befindet, woraufhin der Betrieb stabil wird:
Mit anderen Worten, das Ausgangssignal ändert sich, bis die elektrischen Ladungsmengen, die in die Kapazitäten CS und CR geladen bzw. aus diesen entladen werden, einander im wesentlichen gleich sind und in die Kapazität CF keine elektrischen Ladungen mehr fließen. Daher kann die Stabi­ litätsbedingung durch die folgende Gleichung (8) ausge­ drückt werden, die von der Integrationsrückkopplungskapa­ zität CF unabhängig ist. Daher ist die endgültige Aus­ gangsspannung durch die obige Gleichung (4) gegeben:
CS(Vcc - Vout) = CRVcc (8)
Durch Konstruktion dieser Schaltung können direkt Gleich­ spannungssignale mit einer zu 1/CS proportionalen Linea­ rität erhalten werden, d. h., daß sich der Luftspalt d der elektrostatischen Kapazität des Erfassungselements 5 in Abhängigkeit von der Änderung der dynamischen Größe ändert. Selbst wenn daher die Fläche des Erfassungsele­ ments 5 klein ist, kann eine Erfassung erfolgen, wobei selbst bei einer großen Verschiebung der beweglichen Elektrode im Hinblick auf die Verbesserung des Rauschab­ standes ein zum Eingangsdruck proportionales Ausgangs­ signal erhalten werden kann.
Der Rückkopplungsstrom (der in Fig. 2 durch den Pfeil gezeigt ist), der in den Rückkopplungskondensator 6 fließen soll, fließt von der Konstantstromquelle 12, wobei, wie aus der Gleichung (4) hervorgeht, die Sensor­ ausgangsspannung Vout schließlich unabhängig vom Rück­ kopplungskondensator 6 erzeugt wird, so daß die Ausgangs­ spannung durch die Betriebsgeschwindigkeit (Ansprech­ verhalten) des Operationsverstärkers nicht begrenzt ist. Da ferner das Ausgangssignal nicht durch das Ansprechverhalten des Operationsverstärkers 7 begrenzt ist, kann selbst dann, wenn die schwebende Kapazität (schwebende Kapazität zwischen dem Erfassungselement 5 und dem Substrat), die das Ansprechverhalten des Opera­ tionsverstärkers 7 beeinflußt, vorhanden ist, eine sehr kleine elektrostatische Kapazität (eine kleine durch die dynamische Größe verursachte Verschiebung) mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit bei Verwendung einer hohen Ansteuerungsfrequenz erfaßt werden.
Da ferner die Integrationsrückkopplungskapazität CF des Rückkopplungskondensators 6 durch einen festen Kondensa­ tor gegeben ist, ist die Stabilität des Integrators sichergestellt.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 5 der Aufbau des erfindungs­ gemäßen Sensors mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe erläutert. Der Sensor besitzt eine feste Elektrode 122, die durch Diffusion auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat 121 gebildet ist, und eine bewegliche Elektrode (Membran) 131, die auf der festen Elektrode 122 über einen Schutzfilm 123 wie etwa einem nitrierten Film und über einen Luftspalt 125 in der gleichen Weise wie bereits oben mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben angeordnet ist. Die bewegliche Elektrode 131 ist aus Schutzfilmen 126, 129 wie etwa nitrierten Filmen und einer leitenden polykristallinen Siliciumschicht 128 aufgebaut.
Die die elektrostatische Kapazität zwischen der bewegli­ chen Elektrode 131 und der festen Elektrode 122 angeben­ den Signale (elektrische Signale) werden über die Alumi­ niumverdrahtung 130 oder dergleichen abgegriffen.
Auf dem Substrat 121 ist ein einen Operationsverstärker bildender MOS-Transistor 132 gebildet, außerdem ist eine MOS-Kapazität 133, die den Rückkopplungskondensator 6 (CF) bildet, ausgebildet. Obwohl in Fig. 5 nicht gezeigt, ist ein dem Referenzelement 4 entsprechender fester Kondensator durch Oberflächenbearbeitung in der gleichen Weise wie die obenerwähnte Kapazität 133 gebildet.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltplan zur Erläuterung des Aufbaus eines Sensors mit kapazitivem Element zur Erfas­ sung einer dynamischen Größe, der eine Kapazitätserfas­ sungsschaltung verwendet, gezeigt. Der Sensor dieser Ausführung enthält das Erfassungselement 5, das Referenz­ element 4, eine 1/C-V-Umsetzungsschaltung 100, die eine Kapazitätserfassungsschaltung der Erfindung bildet, sowie eine Ausgangssignal-Einstellschaltung 101. Wenn auf das Erfassungselement 5 eine Kraft wie etwa eine Druckkraft ausgeübt wird, gibt das Erfassungselement 5 ein Kapazi­ tätssignal aus, das zusammen mit einem Referenzsignal vom Referenzelement 4 durch die 1/C-V-Umsetzungsschaltung 100 in ein Spannungssignal Vout umgesetzt wird, das zum Kehrwert des Kapazitätswerts des Erfassungselements 5 proportional ist. Die Spannung Vout von der Umsetzungs­ schaltung 100 wird daraufhin durch die Ausgangsspannung- Einstellschaltung 101 auf einen vorgegebenen Ausgangs­ spannungspegel eingestellt und als Sensorsignal ausgege­ ben. Durch diesen Aufbau können ohne weiteres Ausgangs­ signale, die zu eingegebenen Signalen, die der dynami­ schen Größe entsprechen, proportional sind, erhalten werden.
Fig. 6 zeigt einen Schaltungsaufbau eines Sensors mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung. In Fig. 6 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in der Ausfüh­ rung von Fig. 1 die gleichen Elemente. Der Unterschied gegenüber der Ausführung von Fig. 1 besteht darin, daß statt des Addierers 8 ein Multiplizierer 80 verwendet wird und die Ausgangsspannung Vout des Operationsverstär­ kers 7 im Multiplizierer 80 mit einem Koeffizienten Gs multipliziert wird und in das Element 5 zur Erfassung der dynamischen Größe über den Umschalter 3 eingegeben wird. In dieser Ausführung umfaßt eine Lade-/Entladeschaltung die Konstantspannungsquelle 1, die Umschalter 2, 3 und den Multiplizierer 80. In dieser zweiten Ausführung der Erfindung wird in dem Fall, in dem sich die Kapazität CS des Erfassungselements 5 durch die Erfassung eines Drucks oder dergleichen ändert, anfangs ebenfalls eine Operation für das Ausgangssignal nach Gleichung (6) ausgeführt, in dieser Operation ändert sich jedoch die Ausgangsspannung Vout, bis die in der Kapazität CS befindliche Ladungs­ menge und die in der Kapazität CR befindliche Ladungs­ menge einander im wesentlichen gleich sind, woraufhin die Ausgangsspannung Vout stabil wird:
Die Bedingung für eine endgültige Stabilität der obenge­ nannten Ausgangsspannung Vout ist durch die folgende Gleichung (10) gegeben:
Daher kann auch in dieser Ausführung direkt ein Gleich­ spannungsausgangssignal mit einer zu 1/CS proportionalen Linearität, d. h. mit einer Linearität, die zum Luftspalt d der mit einer Änderung der dynamischen Größe sich ändernden elektrostatischen Kapazität proportional ist, erhalten werden, außerdem ist das Sensorausgangssignal Vout vom Rückkopplungskondensator 6 unabhängig, so daß das Ausgangssignal nicht durch die Arbeitsgeschwindigkeit (das Ansprechverhalten) des Operationsverstärkers be­ grenzt ist. Da das Ausgangssignal nicht durch das An­ sprechverhalten des Operationsverstärkers begrenzt ist, ist es selbst dann, wenn (zwischen dem Erfassungselement 5 und dem Substrat) eine schwebende Kapazität vorhanden ist, die das Ansprechverhalten des Operationsverstärkers beeinflußt, möglich, eine sehr kleine elektrostatische Kapazität (durch die dynamische Größe verursachte Ver­ schiebung) mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauig­ keit unter Verwendung einer hohen Ansteuerungsfrequenz zu erfassen.
Bisher sind Sensoren erläutert worden, die einen Druck erfassen und ein Spannungssignal ausgeben. Als Schaltung der Erfindung kann jedoch irgendeine ähnliche Schaltung verwendet werden, falls es sich hierbei um einen Sensor handelt, der irgendeine andere dynamische Größe wie etwa eine Beschleunigung, eine Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen als Änderung der elektrostatischen Kapazität aufnehmen kann.
Wie oben beschrieben worden ist, können mit den Sensoren mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe sehr kleine elektrostatische Kapazitäten unter Verwendung einer hohen Ansteuerungsfrequenz ohne Begren­ zung durch das Ansprechverhalten des Operationsverstär­ kers stabil und mit hoher Geschwindigkeit ohne Beeinflus­ sung durch eine schwebende Kapazität erfaßt werden, da eine direkte Umsetzung in ein Spannungssignal erfolgt. Ferner kann ohne Hinzufügung einer Abtast-/Halteschaltung in einer Ausgangsstufe eine Gleichspannung erhalten werden.

Claims (4)

1. Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynami­ schen Größe anhand der Änderung der elektrostatischen Kapazi­ tät, mit
einem kapazitiven Erfassungselement (5) zur Erfassung der dy­ namischen Größe, dessen elektrostatische Kapazität (CS) sich entsprechend der dynamischen Größe ändert,
einem kapazitiven Referenzelement (4), das eine elektrostatische Referenzkapazität (CR) aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Kapazitätserfassungsschaltung (6, 7), die ein die dynami­ sche Größe angebendes Signal (Vout) ausgibt, das zum Kehrwert der elektrostatischen Kapazität (CS) des kapazitiven Erfassungse­ lements (5) proportional ist, wobei sich dann, wenn sich das ka­ pazitive Erfassungselement (5) entsprechend einer dynamischen Größe verschiebt, das Gleichgewicht zwischen der in dem kapa­ zitiven Erfassungselement (5) befindlichen Ladungsmenge und der in dem kapazitiven Referenzelement (4) befindlichen La­ dungsmenge zerstört wird, wodurch eine Ladungsdifferenz er­ zeugt wird, wobei sich das Ausgangssignal (Vout) der Kapazitäts­ wert-Erfassungsschaltung (6, 7) entsprechend der Ladungsmen­ gendifferenz ändert, und
eine Lade-/Entladeschaltung (2, 3, 8) vorgesehen ist, die unter Verwendung des Ausgangssignals (Vout) der Kapazitätswert- Erfassungsschaltung (6, 7) die Ausgangsspannung ändert, bis die elektrischen Ladungen in dem kapazitiven Erfassungselement (5) und in dem kapazitiven Referenzelement (4) einander im wesent­ lichen gleich sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kapazitätswert-Erfassungsschaltung eine Schaltung (6) zur Integration elektrischer Ladungen aufweist, die die Differenz elektrischer Ladungen zwi­ schen dem kapazitiven Erfassungselement (5) und dem kapazitiven Referenzelement (4) integriert und den inte­ grierten Wert ausgibt, und
die Lade-/Entladeschaltung (2, 3, 8) die inte­ grierte Ausgangsspannung von der Spannung (Vcc) einer Spannungsquelle (1) subtrahiert und an das kapazitive Erfassungselement (5) anlegt, wodurch die Ladungsmenge, die sich im kapazitiven Erfassungselement (5) befindet, und die Ladungsmenge, die sich im kapazitiven Referenz­ element (4) befindet, einander im wesentlichen gleich werden.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kapazitätswert-Erfassungsschaltung eine Schaltung (6) zur Integration elektrischer Ladungen aufweist, die die Differenz zwischen den Ladungen des kapazitiven Erfassungselements (5) und dem kapazitiven Referenzelement (4) integriert und als Spannungswert ausgibt, und
die Lade-/Entladeschaltung (2, 3, 80) die inte­ grierte Ausgangsspannung (Vout) mit einem Koeffizienten (Gs) multipliziert und die resultierende Spannung an das kapazitive Erfassungselement (5) anlegt, wodurch die Ladungsmenge, die sich im kapazitiven Erfassungselement (5) befindet, und die Ladungsmenge, die sich im kapaziti­ ven Referenzelement (4) befindet, einander im wesentli­ chen gleich werden.
4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
das kapazitive Erfassungselement (5) und das kapazitive Referenzelement (4) in Serie geschaltet sind,
die Kapazitätswert-Erfassungsschaltung einen Operationsverstärker (7) mit einem invertierenden Ein­ gangsanschluß, der an eine das kapazitive Erfassungsele­ ment (5) und das kapazitive Referenzelement (4) verbin­ dende gemeinsame Leitung angeschlossen ist, sowie einen Rückkopplungskondensator (6), der zwischen den invertie­ renden Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß (9) des Operationsverstärkers (7) geschaltet ist, enthält, und
der Rückkopplungskondensator (6) ein Element zur Integration elektrischer Ladungen ist, wobei die Aus­ gangsspannung nicht vom Kapazitätswert (CF) des Rückkopp­ lungskondensators (6) abhängt, wenn die Ladungsmenge, die sich im kapazitiven Erfassungselement (5) befindet, und die Ladungsmenge, die sich im kapazitiven Referenzelement (4) befindet, einander im wesentlichen gleich sind.
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