DE4041621A1 - Auswerteschaltung fuer einen piezoresistiven drucksensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Auswerteschaltung für einen piezo­ resistiven Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, Druckmessungen mit Hilfe von Widerständen vorzu­ nehmen, deren Widerstandswert sich unter Druckeinwirkung verändert. Dazu werden diese Widerstände als Brückenschaltung zwischen Versor­ gungsspannung und Masse geschaltet. Wird auf die Widerstände ein Druck ausgeübt, so stellt sich an der Diagonalen der Widerstands­ brücke eine Brückenspannungsdifferenz ein, deren Wert abhängig vom Druck ist.

Eine solche Anordnung zur Druckmessung ist beispielsweise aus der DE-OS 36 12 810 bekannt. Da die Brückenspannungsdifferenz normaler­ weise nur sehr gering ist, ist es erforderlich, sie in einer nach­ folgenden Verstärkereinrichtung soweit zu verstarken, daß eine sinn­ volle Auswertung möglich ist. Bei der bekannten Anordnung wird dazu die Brückenspannung in einem ersten Verstärker unter Verwendung eines Rückkoppelwiderstandes verstärkt. Da bei der bekannten Anord­ nung bei der Dimenisonierung der Brücke sowie des Rückkoppelwider­ standes nicht auf besondere Temperaturstabilität geachtet wurde, ist es erforderlich, in einer nachfolgenden, sehr aufwendigen Aus­ werteschaltung eine Temperaturkompensation vorzunehmen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Auswerteschaltungen mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche haben gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen den Vorteil, daß sie sehr einfach aufgebaut sind, so daß der gesamte Drucksensor, einschließ­ lich der Auswerteschaltung auf einem einzigen Hybrid untergebracht werden kann. Die Verwendung solcher einfacher Auswerteschaltungen ist möglich, da beim Aufbau der Brückenschaltung beim ersten Aus­ führungsbeispiel darauf geachtet wird, daß nur Widerstände mit guter Langzeitstabilität eingesetzt werden, daß Druck nur auf einen ein­ zigen Widerstand ausgeübt wird.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (nach Fig. 3) wird ebenfalls nur ein Widerstand dem Druck ausgesetzt, dadurch und durch eine geeig­ nete Beschaltung zwischen Brücke und Operationsverstärker wird ein stabiler Gleichspannungsarbeitspunkt erhalten, so daß ebenfalls eine Auswertung ohne weitere aufwendige Schaltungsmaßnahmen möglich ist.

Besonders vorteilhaft gegenüber der Schaltung nach Fig. 2 ist beim zweiten Ausführungsbeispiel, daß Versorgungsspannungsschwankungen, besonders kurzzeitige Spannungseinbrüche unterdrückt werden, so daß eine weitere Verbesserung der Genauigkeit bei der Druckauswertung möglich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Zeichnung

In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben, in Fig. 2 ist eine Wechselspanungskopplung üblicher Bauart auf eine Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 angegeben und in Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben, das die Nachteile nach Fig. 2 nicht aufweist, Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in Fig. 1 abgebildeten Anordnung bilden die Widerstände R1 bis R4 eine Brückenschaltung, die zwischen die Versorgungsspannung W und Masse geschaltet ist.

Die Widerstände R1 bis R4 sind Dickschichtwiderstände, die Wider­ stände R1 und R2 sind dabei aus einer Paste mit piezoresistiven Eigenschaften hergestellt, während die Widerstände R3 und R4 Dick­ schichtwiderstände mit besonders guter Langzeitstabilität und Trimm­ barkeit, oder Kohleschichtwiderstände sind.

Der Widerstand R2 der Brückenanordnung wird dem Druck ausgesetzt, mit steigendem Druck verringert sich sein Widerstand, so daß an der Brückendiagonale eine Spannung UB entsteht.

Die erwähnte Brückendiagonale liegt bei der Anordnung nach Fig. 1 an den beiden Eingängen eines Operationsverstärkers OP, dessen Aus­ gang über einen weiteren Dickschichtwiderstand R5 mit dem inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden ist.

Der Operationsverstärker OP und der Widerstand R5 bilden zusammen einen Verstärker für die Spannung UB, dessen Verstärkungsfaktor mit Hilfe des Widerstandes R5 eingestellt werden kann. Am Ausgang des Operationsverstärkers entsteht gegenüber Masse eine Ausgangsspannung UA, wobei die erwähnte Brückenspannungen wieder zu Null ausgeregelt wird.

Bei der Dimensionierung der Anordnung ist darauf zu achten, daß die Widerstände R3, R4, R5 eine gute Langzeitstabilität aufweisen, daß das Widerstandsverhältnis R1 zu R2 möglichst genau festgelegt wird und daß das Widerstandsverhältnis der Widerstände R3 zu R4 mittels Lasertrimmens von R3 oder R4 so angepaßt wird, daß sich das ge­ wünschte Gleichspannungspotential am OP einstellt.

Der Wert des Widerstandes R5 wird so dimensioniert und getrimmt, daß eine Verstärkung erzielt wird, die bei dem auf den Widerstand R2 wirkenden Druckbrücken sicherstellt, daß die Ausgangsspannung UA bei einer Versorgungsspannung UV von 5 Volt nicht über 4 Volt steigen kann.

Bei einer derartigen Dimensionierung des Widerstandes R5 wird gleichzeitig erreicht, daß bei einer Widerstandsverringerung von R2 bei steigendem Druck über den Widerstand R5 ein Strom in den durch die Widerstände R1 und R2 gebildeten Brückenzweig fließt, so daß sich die Brückenspannung UB wieder nahezu zu Null einstellt. Dadurch ist gewährleistet, daß sich bei konstanter Verstärkung eine Aus­ gangsspannung UA ergibt, die sich proportional zur Druck und damit auch kraftabhängigen Widerstandsänderung von R2 verhält.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann auf einem einzigen Hybrid angebracht werden, das beispielsweise Bestandteil eines Druckgebers nach der nicht vorveröffentlichten DE-P 40 22 780 ist. Dabei wird mit dieser Anordnung der Druck im Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine gemessen.

Als Widerstände R1 bis R5 können Dickschichtwiderstände aus Dick­ schichtpasten, Cermit, Kontaktiv, Plastik oder auch Kohleschicht­ widerstände verwendet werden.

In Fig. 2 ist eine Anordnung aufgezeigt, bei der eine Brücken­ schaltung aus den Widerständen R1 bis R4 zwischen Versorgungsspan­ nung UV und Masse gelegt ist, bei dieser Anordnung sind die Wider­ stände R1 bis R4 Dickschichtwiderstände, wobei der Widerstand R1 piezoresistive Eigenschaften aufweist und als einziger dem Druck ausgesetzt wird.

Die Diagonale der Brücke ist über einen Kondensator C mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden und über einen weiteren Widerstand R7 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP. Zwischen dem Kondensator C und dem Wider­ stand R7 liegt ein weiterer Widerstand R6, zwischen dem Ausgang des Operationsverstarkers OP und dem invertierenden Eingang ein Rückkop­ pelwiderstand R5.

Die Elemente C, R6 und R7 stellen eine übliche Wechselspannungs­ kopplung zwischen der Brücke R1 bis R4 und dem Operationsverstärker OP dar.

Wird auf dem Widerstand R1 ein erhöhter Druck ausgeübt, verringert sich sein Wert, so daß sich eine von Null abweichende Brückenspan­ nung UB einstellt, die über die Wechselspannungskopplung dem Opera­ tionsverstärker OP als Eingangsspannung UE zugeführt und in diesem verstärkt wird, so daß an seinem Ausgang eine druckabhängige Aus­ gangsspannung UA auftritt. Eine derartige Wechselspannungskopplung hat jedoch den Nachteil, daß sich das Gleichspannungspotential des Operationsverstärkerausgangs auf dem Wert des Spannungsteilers R3/R4 einstellt. Damit sich Spannungseinbrüche der Versorgungsspannung UV minimal auf das Ausgangssignal übertragen können, müßte für die Wi­ derstände R1 bis R4 ein Verhältnis gewählt werden: R1/R2 = R3/R4.

Da Messungen gezeigt haben, daß das Brennraumdruck-Signal unsymme­ trisch ist, ist es erforderlich, den Arbeitspunkt des Operationsver­ stärkers OV auf ungefähr 1 Volt zu legen. Wenn diese Forderung er­ füllt werden soll, ist unter Berücksichtigung, daß alle vier Wider­ stände R1 bis R4 der Brücke gleich groß sind, nur eine geringe Emp­ findlichkeit gegeben, es ist daher eine hohe Verstärkung im Opera­ tionsverstärker OP erforderlich, dies führt zu Ungenauigkeiten, be­ sonders bei hohen Frequenzen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das eine Weiterentwicklung der Anordnung nach Fig. 1 ohne die Nach­ teile der Anordnung nach Fig. 2 aufweisen. Die Brückenschaltung, die zwischen die Versorgungsspannung UV und Masse gelegt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Widerstände R1 bis R4 sowie den Widerstand R8 gebildet, wobei die Brückenspannung UB in diesem Fall zwischen dem Verbindungspunkt B der Widerstände R1 und R2 und dem Punkt A, der zwischen der Serienschaltung der Widerstände R3 und R8 und dem Widerstand R4 liegt, abgegriffen wird.

Dieser Punkt A ist über einen Widerstand R10 ebenso wie mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden, wie Punkt B über einen Kondensator C. Die Verbindung zwischen den Widerständen R3 und R8 ist über einen weiteren Widerstand R9 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden, zwi­ schen dessen Ausgang und dem invertierenden Eingang liegt ein Rück­ kopplungswiderstand PS, über einen Widerstand R11 ist der Opera­ tionsverstärker OP mit einer Ausgangsklemme KL verbunden, an der die Ausgangsspannung UA abgegriffen wird, wenn an seinen Eingängen eine druckabhängige Spannung UE liegt.

Die in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 eingesetzten Widerstände sind üblicherweise Dickschichtwiderstände, wobei der Widerstand R1 ein piezoresistiver Widerstand ist, der dem zu messenden Druck aus­ gesetzt wird, wobei sich sein Widerstand mit steigendem Druck ver­ ringert. Dadurch steigt bei zunehmenden Druck das Potential des Spannungsteilers R1/R2 an und wird über den Kondensator C auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP übertra­ gen. Auf Gleichspannung bezogen überwiegt am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP jedoch das an Punkt A der Brückenschaltung anliegende Potential, das über den Widerstand R10 zum nicht invertierenden Eingang gelangt. Damit das vom Spannungs­ teiler R1/R2 gebildete Drucksignal nicht zu stark belastet wird, ist der Widerstand R10 hochohmig.

Da am Widerstand R8 ein Spannungsabfall auftritt, liegt der inver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers OP auf höherem Potential als der nicht invertierende Eingang.

Der am Ausgang des Operationsverstärkers OP erforderliche Gleich­ spannungsarbeitspunkt wird durch Einstellung der Verstärkung für die Gleichspannung mit den Widerständen R5 und R9 erhalten. Diese Wider­ stände sind beispielsweise durch einen Laserabgleich einstellbar, der Abgleich ist so durchzuführen, daß sich am Ausgang des Opera­ tionsverstärkers OP ein Gleichspannungspotential von etwa 1 Volt einstellt. Dabei ist dieser Spannungswert bezogen auf eine Versor­ gungsspannung UV von 5 Volt.

Die Einstellung des Gleichspannungsarbeitspunktes am Ausgang des OP wird im übrigen auch mit Hilfe eines Laser-Abgleiches des Wider­ standes R8 erreicht. Mit dem Begriff Laser-Abgleich ist ein im Zu­ sammenhang mit der Verarbeitung von Dickschichtwiderständen üblicher Prozeß bezeichnet, bei dem der Widerstandswert eines Dickschicht­ widerstandes durch Bestrahlen mit einem Laser in geeigneter Weise verändert wird.

Auftretende Spannungseinbrüche, die in unerwünschter Weise der Ver­ sorgungsspannung UV überlagert sein können, wurden zu einer Verfäl­ schung der Druckmessung führen, durch geeignete Einstellung mittels der Widerstände R1 und R4 läßt sich das Potential, das am Widerstand R8 ansteht, so verschieben, daß diese Versorgungsspannungseinbrüche ganz oder zumindest teilweise kompensiert werden. Solche Spannungs­ einbrüche werden von dem durch die Widerstände R1 und R2 gebildeten Brückenzweig an den Eingang des Operationsverstärkers und damit auch an den Ausgang des Operationsverstärkers OP weitergegeben, der im Brückenzweig R3, R8, R4 bei Spannungseinbrüchen ebenfalls entstehen­ de Spannungseinbruch wird dem invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers OP zugeführt und daher im Operationsverstärker OP inver­ tiert.

Am Eingang des Operationsverstärkers OP ist jedoch nur eine Diffe­ renzspannung wirksam, so daß bei geeigneter Einstellung der inver­ tierte Spannungseinbruch den unverändert weitergegebenen Spannungs­ einbruch kompensiert.

Wird durch eine geeignete Einstellung des Widerstandes R8 erreicht, daß die über diesen Widerstand R8 abfallende Spannung gleich 1,5 Volt geteilt durch die Verstärkung des Operationsverstärkers ist, ist sichergestellt, daß unmittelbar nach dem Einschalten das Ausgangspotential des Operationsverstärkers auf 1 Volt springt.

Damit ist die Forderung nach sofortiger Betriebsbereitschaft schon beim Starten des Motors erfüllt. Dazu ist weiterhin erforderlich, daß die Potentiale an A und B gleich groß sind.

Die Anordnung nach Fig. 3 kann ebenfalls auf einem einzigen Hybrid untergebracht werden und beispielsweise zur Messung des Brennraum­ druckes bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 weist ebenfalls eine Brücken­ schaltung mit den Widerständen R1-R4 auf, die in diesem Fall aus piezoresistivem Material sind. Solange diese Widerstände nicht ge­ trimmt sind, beispielsweise durch Lasertrimmen, bleiben ihre Werte unverändert stabil.

Zwischen die Widerstände R3 und R4 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein weiterer Widerstand R11 geschaltet, der aus gut trimmbarer Paste gefertigt ist. Dabei liegt unter dem Widerstand R11, in der geome­ trischen Mitte des Widerstandes R11 ein zusätzlicher metallischer Abgriff, der mit X bezeichnet ist. Dieser metallische Abgriff unter­ teilt damit den Widerstand in zwei, etwa gleich große Teilbereiche, der Widerstand R11 funktioniert ähnlich wie ein Potentiometer.

Da der Widerstand R11 aus gut trimmbarer Paste gefertigt wird, kann er durch Trimmen, beispielsweise Lasertrimmen so abgeglichen werden, daß der Gleichspannungsarbeitspunkt exakt eingestellt werden kann. Es ist dazu auch möglich, die beiden Teilbereiche des Widerstandes 11 getrennt zu trimmen.

Der zusätzliche metallische Abgriff X ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden, dessen anderer Ein­ gang mir dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 geschaltet ist.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP, an dem die Spannung UA entsteht, ist über den Widerstand R5 mit dem invertierenden Eingang verbunden, wobei der Widerstand R5 die Empfindlichkeit der Schaltung bestimmt.

Da die Brückenwiderstände der Schaltung nach Fig. 4 aus der glei­ chen Paste bestehen, weist die gesamte Schaltung eine gute Gesamt­ stabilität hinsichtlich Temperaturdrift und Alterung auf. Die gerin­ gen Fertigungstoleranzen, die sich beim Aufdrucken der Pasten auf das Substrat ergeben sowie die Fertigungstoleranzen als Folge des Brennens der Pasten werden durch Trimmen des Widerstandes R11 ausge­ glichen. Der Wert des Widerstandes R11 wird üblicherweise wesentlich geringer sein als die Werte der Widerstände R3 und R4.

Die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 4 entspricht weitgehend der nach Fig. 1. Einer der Brückenwiderstände, beispielsweise R1 oder R2 wird dem zu messenden Druck ausgesetzt, wodurch sich sein Wert druckabhängig verändert und zu einer Verstimmung der Brücke führt. Die dabei am Ausgang des Operationsverstärkers entstehende Spannung UA ist ein Maß für den Druck.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaltungen können in vor­ teilhafter Weise auf einem einzigen Hybrid untergebracht werden.

Claims (11)

1. Auswerteschaltung für einen piezoresistiven Drucksensor, der eine Brückenschaltung aus vier Widerständen umfaßt, deren eine Diagonale zwischen Versorgungsspannung und Masse geschaltet ist und deren an­ dere Diagonale mit einem Operationsverstärker in Verbindung steht, dessen einer Eingang über einen Rückkopplungswiderstand (R5) mit dem Ausgang verbunden ist, wobei ein Brückenast (R1, R2) aus piezoresi­ stiven Widerständen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich­ spannungsarbeitspunkt durch Trimmen der Widerstände (R3, R4) auf einen vorgeschlagenen Wert und die Empfindlichkeit durch Trimmen des Rückkopplungswiderstandes (R5) eingestellt wird und nur der Wider­ stand (R2) dem zu messenden Druck ausgesetzt wird (Fig. 1).

2. Auswerteschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R3 bis R5) Dickschichtwiderstände mit guter Lang­ zeitstabilität sind.

3. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Druck der Druck im Brennraum einer Brennkraftmaschine ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R1 bis R5) und der Operationsverstärker (OP) auf einem einzigen Hybrid angeordnet sind.

5. Auswerteschaltung für einen piezoresistiven Drucksensor, der eine Brückenschaltung aus wenigstens vier Widerständen umfaßt, deren eine Diagonale zwischen Versorgungsspannung und Masse geschaltet ist und deren andere Diagonale mit einem Operationsverstärker in Verbindung steht, dessen einer Eingang über einen Rückkopplungswiderstand mit dem Ausgang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Widerstand (R2) dem Druck ausgesetzt wird und die Brückenspannung (UB) über einen Kondensator (C) und einen Widerstand (R10) dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) zugeführt wird, dessen invertierender Eingang über eine Widerstandskombination (R3, R8, R9) mit der Versorgungsspannung und einem Anschluß (A) der Brückendiagonale verbunden sind (Fig. 3).

6. Auswerteschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Bauteile auf einem einzigen Hybrid angeordnet sind.

7. Auswerteschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Druck der Druck im Brennraum einer Brennkraftma­ schine ist.

8. Auswerteschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichspannungspotential am invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers so eingestellt wird, daß am Ausgang des Operations­ verstärkers (OP) ein Gleichspannungspotential von 1 Volt herrscht, und der Brückenzweig (R1, R2) so abgeglichen wird, daß am Verbin­ dungspunkt (B) etwa die halbe Versorgungsspannung (U_V) liegt und der Brückenzweig (R3, R8, R4) durch Trimmen von (R3) und/oder (R4) so eingestellt wird, daß am Verbindungspunkt (A) näherungsweise die selbe Spannung liegt wie am Verbindungspunkt (B).

9. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstand (R8) ein aus einer trimmbaren Paste gefertigter Widerstand (R11) vorgesehen ist, in dessen geome­ trischer Mitte ein metallischer Abgriff liegt, der den Widerstand (R11) in zwei nahezu gleich große Bereiche aufteilt.

10. Auswerteschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Bereiche des Widerstandes (11) trimmbar sind und zur Einstellung des Gleichspannungsarbeitspunktes getrimmt werden.

11. Auswerteschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trimmen der Widerstände mittels eines Lasers erfolgt.