DE4107345C2

DE4107345C2 - Pressure measuring arrangement

Info

Publication number: DE4107345C2
Application number: DE19914107345
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing Benzel; Uwe Dipl Ing Schoeneberg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2011-03-08
Also published as: DE4107345A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmeßanordnung mit einer Drucksensorstruktur, die eine Membran aufweist, deren druckabhängige Durchbiegung kapazitiv mittels einer eine druckabhängige Meßkapazität bildenden Meßelektrode er faßbar ist, und die eine eine druckunabhängige Referenzka pazität bildende Referenzelektrode aufweist, und mit einer Auswertungsschaltung, die durch Kapazitätsmessung den Druck ableitet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a pressure measuring arrangement with a pressure sensor structure that has a membrane, their pressure-dependent deflection capacitively by means of a a pressure-dependent measuring capacitance-forming measuring electrode is tangible, and the one a pressure-independent reference ka has capacitance-forming reference electrode, and with a Evaluation circuit that measures the pressure by capacity measurement derives, according to the preamble of claim 1.

Eine bekannte Druckmeßanordnung der eingangs genannten Art ist in den Fig. 10 bis 12 gezeigt. Eine Drucksensorstruktur, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, und die in Fig. 10 in ihrer Draufsicht und in Fig. 12 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt ist, um faßt einen Sensorkörper 2, der einen Referenzdruckraum 3 festlegt, welcher von einer Membran 4 überspannt ist. Die Membran 4 umfaßt eine innere, kreisförmige Elektrode 5, wel che eine druckabhängige Meßkapazität C_s festlegt, sowie eine äußere, im wesentlichen kreisringförmige Elektrode 6, die eine im wesentlichen druckunabhängige Referenzkapazität C_r bildet.A known pressure measuring arrangement of the type mentioned at the outset is shown in FIGS . 10 to 12. A pressure sensor structure, which is designated in its entirety by reference numeral 1 , and which is shown in FIG. 10 in its top view and in FIG. 12 in a schematic sectional illustration, comprises a sensor body 2 which defines a reference pressure space 3 which is defined by one Membrane 4 is spanned. The membrane 4 comprises an inner, circular electrode 5 , which defines a pressure-dependent measuring capacitance C _s , and an outer, essentially annular electrode 6 , which forms a substantially pressure-independent reference capacitance C _r .

Eine Auswertungsschaltung für die bekannte Druckmeßanordnung ist in Fig. 11 dargestellt und umfaßt eine Gleichspannungs quelle U_G. Die Referenzkapazität C_r ist über ein erstes Schaltelement S1 wahlweise mit der Gleichspannungsquelle U_G verbindbar oder an den invertierenden Eingang eines Opera tionsverstärkers anlegbar, dessen nicht-invertierender Eingang an Masse liegt. Zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang liegt ein Kondensator. Die Meßkapazität C_s ist mittels eines zweiten Schaltelementes mit einer Elek trode alternativ mit dem invertierenden Eingang oder mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OPV verbindbar, während die andere Elektrode des Meßkondensators C_s gegen Masse gelegt ist. Einem Summationspunkt SP, an dem die Spannung der Gleichspannungsquelle U_G anliegt, wird die Ausgangs spannung des Operationsverstärkers OPV mit negativem Vorzei chen zugeführt. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers proportional zur Referenzkapazität C_r und umgekehrt proportional zur Meß kapazität C_s ist. Da diese dem Summationspunkt SP mit nega tiven Vorzeichen zugeführt wird, hat die bekannte Schaltung folgende Übertragungsfunktion:An evaluation circuit for the known pressure measuring arrangement is shown in Fig. 11 and comprises a DC voltage source U _G. The reference capacitance C _r is selectively connectable to the DC voltage source U _G via a first switching element S1 or can be applied to the inverting input of an operational amplifier whose non-inverting input is connected to ground. There is a capacitor between the inverting input and the output. The measuring capacitance C _s is alternatively connectable to the inverting input or to the output of the operational amplifier OPV by means of a second switching element with an electrode, while the other electrode of the measuring capacitor C _{s is connected} to ground. A summation point SP, at which the voltage of the DC voltage source U _G is present, the output voltage of the operational amplifier OPV is supplied with a negative sign. It is obvious to a person skilled in the art that the output voltage of the operational amplifier is proportional to the reference capacitance C _r and inversely proportional to the measuring capacitance C _s . Since this is fed to the summation point SP with a negative sign, the known circuit has the following transfer function:

Die nachfolgende Ableitung wird zeigen, daß die in Fig. 12 dargestellte Krümmung der Membran 4 auf der die Elektroden 5, 6 angeordnet sind, zu einer Nichtlinearität des Ausgangs signales in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck führt.The following derivation will show that the curvature of the membrane 4 on which the electrodes 5 , 6 are shown in FIG. 12 leads to a non-linearity of the output signal as a function of the pressure to be measured.

Für die Membrandurchbiegung w(r) gilt folgender Zusammenhang unter den Voraussetzungen, daß die Dicke der Membran viel kleiner als deren Durchmesser und größer als die Durchbiegung w ist:The following relationship applies to membrane deflection w (r) provided that the thickness of the membrane is much smaller than their diameter and larger than that Deflection w is:

Hierin ist r der betrachtete Radius, R der Membranradius, p der Druck und D die Biegefestigkeit. Für diese gilt:Herein r is the considered radius, R is the membrane radius, p the pressure and D the flexural strength. The following applies to these:

Für die Sensorkapazität gilt folgendes Integral:The following integral applies to the sensor capacity:

wobei r* der normierte Radius ist. Die Lösung des Integrals ergibt folgende Abhängigkeit der Sensorkapazität C_s:where r * is the normalized radius. The solution of the integral results in the following dependency of the sensor capacitance C _s :

In der Gleichung (4) sind als neu eingeführte Konstanten enthalten die Grundkapazität C₀ und der Auflagedruck p₀. Für diese Größen gilt folgender Zusammenhang:In equation (4) are new constants introduced contain the basic capacity C₀ and the contact pressure p₀. For the following relationship applies to these quantities:

Man erkennt aus der Übertragungsfunktion F der Auswertungs schaltung gemäß Fig. 11 sowie aus der Druckabhängigkeit der Sensorkapazität C_s, wie sie in Gleichung (4) angegeben ist, daß die bekannte Druckmeßanordnung einen nicht-linearen Zu sammenhang der Ausgangsspannung von dem Druck zeigt. It can be seen from the transfer function F of the evaluation circuit according to FIG. 11 and from the pressure dependence of the sensor capacitance C _s , as indicated in equation (4), that the known pressure measuring arrangement shows a non-linear relationship between the output voltage and the pressure.

Da die Kennlinie der Sensorkapazität in erster Näherung hyperbelförmig ist, kann durch Kehrwertbildung eine gewisse Linearisierung erzeugt werden, was bei der in Fig. 11 ge zeigten Schaltung nach dem Stand der Technik dadurch er folgt, daß die Sensorkapazität C_s im Rückkopplungszweig der Auswerteschaltung eingebaut ist. Eine solche Schaltung nach dem Stand der Technik ist etwa um den Faktor vier bis fünf linearer verglichen mit Druckmeßanordnungen, bei denen die Meßkapazität am Eingang und die Referenzkapazität im Rück kopplungszweig einer Auswertungsschaltung liegt.Since the characteristic curve of the sensor capacitance is hyperbolic in the first approximation, a certain linearization can be generated by the formation of reciprocal values, which in the circuit according to the prior art shown in FIG. 11 it follows that the sensor capacitance C _{s is installed} in the feedback branch of the evaluation circuit . Such a circuit according to the prior art is about a factor of four to five linear compared to pressure measuring arrangements in which the measuring capacity at the input and the reference capacitance is in the feedback branch of an evaluation circuit.

Da es sich jedoch bei der Kennlinie der Meßkapazität oder Sensorkapazität C_s nicht um eine exakte Hyperbelfunktion handelt, ist es nicht möglich, mit einer Druckmeßanordnung nach den Fig. 10 bis 12 eine Nullstelle in der Fehlerfunk tion zu erzeugen.However, since the characteristic of the measuring capacitance or sensor capacitance C _{s is} not an exact hyperbolic function, it is not possible to generate a zero in the error function with a pressure measuring arrangement according to FIGS . 10 to 12.

Aus der Fachveröffentlichung U. Schöneberg et al., A CMOS-Readout-Amplifier For Instrumentation Applications, ED. Frontieres 1990, Sn. 133-136 ist bereits eine Drucksensoran ordnung mit Auswertungsschaltung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser Drucksensoranordnung sind alle Kapazi täten der Auswertungsschaltung mit Ausnahme der Meßkapazität konstante, unabhängige Größen.From the specialist publication U. Schöneberg et al., A CMOS Readout Amplifier For Instrumentation Applications, ED. Frontieres 1990, Sn. 133-136 is already a pressure sensor order with evaluation circuit of the type mentioned known. With this pressure sensor arrangement, all capacitances are the evaluation circuit with the exception of the measuring capacity constant, independent sizes.

Die US-A-4,227,419 zeigt eine Drucksensoranordnung, bei der neben der Meßkapazität auch weitere Kapazitäten druckabhän gig sind, wobei diese Kapazitäten verwendet werden, um die Frequenz eines Frequenzgenerators zu verstimmen, wobei der Druck aus der Phasendifferenz des Frequenzgeneratorausgangs signales abgeleitet wird.US-A-4,227,419 shows a pressure sensor arrangement in which In addition to the measuring capacity, other capacities also depend on the pressure gig, which capacities are used to the Detune frequency of a frequency generator, the Pressure from the phase difference of the frequency generator output signal is derived.

Die US-A-4,422,335 zeigt eine Drucksensorstruktur mit mehre ren druckabhängigen Kapazitäten. Mit der Signalauswertung befaßt sich diese Schrift nicht.US-A-4,422,335 shows a multiple pressure sensor structure pressure-dependent capacities. With the signal evaluation this writing is not concerned.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Druckmeßanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine ver besserte Linearität des Ausgangssignales von dem zu messen den Druck erreicht wird.Based on this state of the art, this is the case the invention has the object of a pressure measuring arrangement of the type mentioned so that a ver better linearity of the output signal from which to measure the pressure is reached.

Diese Aufgabe wird durch eine Druckmeßanordnung gemäß Pa tentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished by a pressure measuring arrangement according to Pa Claim 1 solved.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine ver besserte Linearität einer Druckmeßanordnung dann erzielt werden kann, wenn die Drucksensorstruktur eine eine druck abhängige, weitere Kapazität C_f bildende weitere Elektrode aufweist und wenn eine Auswertungsschaltung verwendet wird, deren Übertragungsfunktion proportional zur Differenz der Meßkapazität C_s und der Referenzkapazität C_r dividiert durch die weitere Kapazität C_f ist. Die Verwendung einer solchen zusätzlichen druckabhängigen Kapazität C_f in einer Auswer tungsschaltung mit der genannten Übertragungsfunktion ermög licht es, eine Nullstelle in der Fehlerfunktion f zu erzeu gen. In der Übertragungsfunktion F wird die Differenz von Meßkapazität C_s und Referenzkapazität C_r mit der weiteren Kapazität, die als Rückkoppelkapazität C_f geschaltet sein kann, so bewertet, daß in der Mitte des gewünschten Druck bereiches in der Fehlerfunktion f eine Nullstelle entsteht. Hierdurch wird beim Erfindungsgegenstand der quadratische Linearitätsfehler der bekannten Drucksensoranordnungen eli miniert.The invention is based on the finding that an improved linearity of a pressure measuring arrangement can be achieved if the pressure sensor structure has a pressure-dependent, further capacitance C _f forming further electrode and if an evaluation circuit is used, the transfer function of which is proportional to the difference in the measuring capacitance C _s and the reference capacitance C _r divided by the additional capacitance C _f . The use of such an additional pressure-dependent capacitance C _f in an evaluation circuit with the transfer function mentioned makes it possible to generate a zero in the error function f. In the transfer function F, the difference between the measurement capacitance C _s and the reference capacitance C _r with the additional capacitance , which can be switched as feedback capacitance C _f , is evaluated so that a zero is created in the error function f in the middle of the desired pressure range. As a result, the quadratic linearity error of the known pressure sensor arrangements is eliminated in the subject matter of the invention.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungs gemäßen Druckmeßanordnung näher erläutert.Below are with reference to the accompanying Drawings preferred embodiments of the Invention appropriate pressure measuring arrangement explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drucksensorstruktur einer erfindungsgemäßen Druck meßanordnung; Fig. 1 measuring arrangement, a first embodiment of a pressure sensor structure according to the invention a printing according to the invention;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Auswertungsschal tung für die in Fig. 1 gezeigte Drucksensorstruktur der erfindungsgemäßen Druckmeßanordnung; FIG. 2 shows a first embodiment of an evaluation circuit for the pressure sensor structure of the pressure measuring arrangement according to the invention shown in FIG. 1;

Fig. 3A, 3B ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Drucksensorstruktur für eine erfindungsgemäße Druckmeßanordnung; Fig. 3A, 3B, a second embodiment of a erfindungsge MAESSEN pressure sensor structure for a pressure-measuring arrangement according to the invention;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Auswertungs schaltung für die in den Fig. 3A, 3B gezeigte zwei te Ausführungsform der Drucksensorstruktur einer erfindungsgemäßen Druckmeßanordnung; FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of an evaluation circuit for the second embodiment of the pressure sensor structure of a pressure measuring arrangement according to the invention shown in FIGS . 3A, 3B;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Drucksensorstruktur einer erfindungsgemäßen Druckmeßanordnung; Fig. 5 shows a third embodiment of a pressure sensor erfindungsge MAESSEN structure of a pressure-measuring arrangement according to the invention;

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Auswertungsschaltung für die in Fig. 5 ge zeigte Drucksensorstruktur einer erfindungsgemäßen Druckmeßanordnung; Fig. 6 shows a third embodiment of an evaluation circuit according to the invention for the pressure sensor structure of a pressure measuring arrangement according to the invention shown in FIG. 5;

Fig. 7 zeitliche Verläufe von Steuersignalen innerhalb der Schaltung gemäß Fig. 6; FIG. 7 temporal profiles of control signals within the circuit according to FIG. 6;

Fig. 8A bis 8D eine Darstellung zur Erläuterung der Normierung der Funktionen; Figs. 8A to 8D is a diagram for explaining the normalization of the functions;

Fig. 9 eine Darstellung des Linearitätsfehlers von Druck meßanordnungen nach dem Stand der Technik im Ver gleich mit dem Linearitätsfehler der erfindungsge mäßen Druckmeßanordnung in Abhängigkeit von dem Meßdruck; Fig. 9 is a representation of the linearity error of pressure measuring arrangements according to the prior art in comparison to coincide with the linearity error of the erfindungsge MAESSEN pressure measuring arrangement in response to the measured pressure;

Fig. 10 eine Drucksensorstruktur einer bekannten Druckmeß anordnung; FIG. 10 is a pressure sensor arrangement structure of a known pressure sensing;

Fig. 11 eine Auswertungsschaltung einer bekannten Druckmeß anordnung; und Fig. 11 is an evaluation circuit of a known pressure measuring arrangement; and

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Drucksensorstruk tur gemäß Fig. 10. Fig. 12 is a schematic representation of the structural pressure sensor structure according to Fig. 10.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Drucksensorstruktur nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, zwei im wesentlichen kreissektorförmige Elektrodenflächen 11, 12, die eine erste und zweite Meßkapazität C_s1, C_s2 festlegen, sowie zwei weitere, ebenfalls im wesentlichen kreissektor förmige Elektrodenflächen 13, 14, die zwei weitere, druck abhängige Kapazitäten C_f1, C_f2 festlegen.As shown in FIG. 1, the pressure sensor structure according to the first exemplary embodiment of the invention, which is designated in its entirety by reference number 10 , comprises two substantially circular sector-shaped electrode surfaces 11 , 12 , which define a first and second measuring capacitance C _s1 , C _s2 , and two further, also essentially circular sector-shaped electrode surfaces 13 , 14 , which define two further, pressure-dependent capacitances C _f1 , C _f2 .

Diese Elektrodenflächen 11, 12, 13, 14 sind von zwei Refe renzelektrodenflächen 15, 16 mit Abstand umgeben, wobei die Referenzelektrodenflächen 15, 16 jeweils eine im wesentli chen halbkreisringförmige Gestalt haben und eine erste und zweite Referenzkapazität C_r1, C_r2 bilden. Die Flächen und somit auch die Kapazitäten C_f1, C_f2 der weiteren Elektroden flächen 13, 14 sind geringer als diejenigen der im wesent lichen kreissektorförmigen Elektrodenflächen 11, 12, die die Meßkapazitäten C_s1, C_s2 festlegen. Die im wesentlichen kreissektorförmigen Elektrodenflächen 11, 12 zur Festlegung der Meßkapazitäten C_s1, C_s2 haben einen geringeren prozen tualen Flächenanteil im Bereich der Membranmitte verglichen mit der Flächenverteilung der weiteren, im wesentlichen kreissektorförmigen Elektrodenflächen 13, 14, die die wei teren Kapazitäten C_f1, C_f2 festlegen. Dies bewirkt, daß die prozentuale Änderung der weiteren Kapazität C_f1, C_f2 in Abhängigkeit vom Druck größer ist als die prozentuale Ände rung der Meßkapazität C_s1, C_s2 in Abhängigkeit vom Druck. Diese Art der Gestaltung der Druckabhängigkeit der Meßkapa zität C_s1, C_s2 und der weiteren Kapazität C_f1, C_f2 trägt zur weiteren Verbesserung der Linearität der Drucksensorstruktur bei. Die stärkere Druckabhängigkeit der weiteren Kapazität C_f1, C_f2 bezogen auf die Druckabhängigkeit der Meßkapazität C_s1, C_s2 wird bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß die im wesentlichen kreissektor förmigen Elektrodenflächen 11, 12 in ihrem inneren radialen Bereich eine kreisförmige Ausnehmung haben, während die weiteren, im wesentlichen kreissektorförmigen Elektroden flächen 13, 14 im Mittenbereich in halbkreisförmige Elek trodenflächenelemente 17, 18 übergehen. Für den Fachmann ist es offenkundig, daß diese Art der Ausgestaltung allein ge wählt wurde, um eine leichtere computergestützte Optimierung zu erreichen, und daß abweichende Gestaltungen, die den so eben beschriebenen Effekt erreichen, gleichfalls in Betracht gezogen werden können.These electrode faces 11, 12, 13, 14 are of two Refe rence electrode surfaces 15, 16 is surrounded at a distance, wherein the reference electrode surfaces 15, 16 each having a surfaces in wesentli semicircular annular shape and first and second reference capacitance C _r1, C _r2 form. The areas and thus also the capacitances C _f1 , C _{f2 of} the further electrode areas 13 , 14 are smaller than those of the essentially circular sector-shaped electrode areas 11 , 12 which define the measuring capacitances C _s1 , C _s2 . The essentially circular sector-shaped electrode surfaces 11 , 12 for determining the measuring capacitances C _s1 , C _s2 have a lower percentage area in the area of the membrane center compared to the surface distribution of the further, essentially circular sector-shaped electrode surfaces 13 , 14 , which have the further capacitances C _f1 , Set C _f2 . This has the effect that the percentage change in the further capacitance C _f1 , C _f2 depending on the pressure is greater than the percentage change in the measurement capacitance C _s1 , C _s2 depending on the pressure. This type of design of the pressure dependence of the measuring capacitance C _s1 , C _s2 and the further capacitance C _f1 , C _f2 contributes to the further improvement of the linearity of the pressure sensor structure. The greater pressure dependency of the further capacitance C _f1 , C _{f2 in} relation to the pressure dependence of the measuring capacitance C _s1 , C _s2 is achieved in the embodiment shown in FIG. 1 in that the essentially circular sector-shaped electrode surfaces 11 , 12 have an inner radial area have a circular recess, while the further, essentially circular sector-shaped electrode surfaces 13 , 14 in the central region merge into semi-circular electrode surface elements 17 , 18 . It is obvious to a person skilled in the art that this type of configuration alone was chosen in order to achieve easier computer-aided optimization, and that different configurations which achieve the effect just described can also be considered.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Auswertungsschaltung. Eine Gleichspannungsquelle U_G ist mittels eines ersten bzw. zweiten Schalters 20, 21 in alternierender Polung an einen ersten bzw. zweiten Knoten 22, 23 legbar. Zwischen den Knoten 22, 23 liegt die Reihenschaltung der ersten Meßkapazität C_s1 mit der zweiten Referenzkapazität C_r2 einerseits und die Reihenschaltung der ersten Referenz kapazität C_r1 mit der zweiten Meßkapazität C_s2. Die gemein samen Knoten der jeweiligen Meßkapazität C_s1, C_s2 und der Referenzkapazität C_r1, C_r2 sind mit den Eingängen eines Differenzpfadverstärkers 24 verbunden. Zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht-invertierenden Ausgang des Referenzpfadverstärkers 24 liegt die erste druckabhän gige, weitere Kapazität C_f1. Zwischen dem nicht-invertieren den Eingang und dem invertierenden Ausgang liegt die zweite druckabhängige weitere Kapazität C_f2. Parallel zu diesen weiteren druckabhängigen Kapazitäten C_f1, C_f2 liegt ein dritter und vierter Schalter 24, 25, die gleichzeitig zum Entladen dieser Kapazitäten in Synchronisation mit der Betätigung der Schalter 20, 21 angesteuert werden. Fig. 2 shows a first embodiment of an inventive evaluation circuit. A DC voltage source U _G can be connected to a first or second node 22 , 23 in alternating polarity by means of a first or second switch 20 , 21 . Between the nodes 22 , 23 is the series connection of the first measuring capacitance C _s1 with the second reference capacitance C _r2 on the one hand and the series connection of the first reference capacitance C _r1 with the second measuring capacitance C _s2 . The common nodes of the respective measuring capacitance C _s1 , C _s2 and the reference capacitance C _r1 , C _r2 are connected to the inputs of a differential path amplifier 24 . Between the inverting input and the non-inverting output of the reference path amplifier 24 is the first pressure-dependent, further capacitance C _f1 . The second pressure-dependent additional capacitance C _f2 lies between the non-inverting input and the inverting output. Parallel to these further pressure-dependent capacitances C _f1 , C _f2 there are third and fourth switches 24 , 25 , which are actuated simultaneously to discharge these capacities in synchronization with the actuation of switches 20 , 21 .

Bei der anschließenden Beschreibung des zweiten Ausführungs beispieles der Drucksensorstruktur und der Auswerteschaltung nach den Fig. 3A, 3B und Fig. 4 werden mit den Ausführungs beispielen der Fig. 1 und 2 übereinstimmende Teile und Schaltungselemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß sich die nachfolgende Beschreibung auf die Abweichungen der zweiten Ausführungsform der Drucksensorstruktur sowie der Auswertungsschaltung von der jeweiligen ersten Ausfüh rungsform beschränken kann.In the subsequent description of the second execution of the pressure sensor structure, and the evaluation circuit 3A, 3B and Fig embodiment according to FIGS.. 4 are the execution examples of FIGS. 1 and 2, matching parts and circuit elements with the same reference numerals, so that the following description limited to the deviations of the second embodiment of the pressure sensor structure and of the evaluation circuit from the respective first embodiment.

Fig. 3A zeigt die Anordnung der Elektroden auf der Membran, während Fig. 3B die Anordnung der gegenüberliegenden Elek troden am Grund des Sensorkörpers 2 verdeutlicht. Die Anord nung gemäß Fig. 3B entspricht der in Fig. 1 gezeigten Struk tur. Die entsprechenden Gegenelektroden auf der Membranseite gemäß Fig. 3A sind mit den gleichen Bezugszeichen, jeweils versehen mit einem Apostroph bezeichnet. Bei den Grundelek troden ist die erste Referenzelektrodenfläche 15 mit der zweiten, weiteren, kreissektorförmigen Elektrodenfläche 14 verbunden. Ebenso ist die erste, weitere, kreissektorförmige Elektrodenfläche 13 mit der ersten Referenzelektrodenfläche 16 verbunden. FIG. 3A shows the arrangement of the electrodes on the membrane, while FIG. 3B illustrates the arrangement of the opposite electrodes at the bottom of the sensor body 2 . The arrangement according to FIG. 3B corresponds to the structure shown in FIG. 1. The corresponding counter electrodes on the membrane side according to FIG. 3A are identified by the same reference numerals, each provided with an apostrophe. In the case of the basic electrodes, the first reference electrode surface 15 is connected to the second, further, sector-shaped electrode surface 14 . Likewise, the first, further, sector-shaped electrode surface 13 is connected to the first reference electrode surface 16 .

Auf der Membranelektrodenseite steht die erste, kreissektor förmige Elektrodenfläche 11′ mit der ersten Referenzelektro denfläche 15′ in Verbindung. Ebenso steht die zweite, kreis sektorförmige Elektrodenfläche 12′ mit der zweiten Referenz elektrodenfläche 16′ in Verbindung. Die beiden Referenzelek trodenflächen 15′, 16′ auf der Membranelektrodenseite sind mit einem ersten und zweiten Kontakt K1, K2 versehen. Ebenso sind auf dieser Seite die beiden weiteren Elektrodenflächen 13′, 14′ mit einem fünften und sechsten Kontakt K5, K6 ver sehen.On the membrane electrode side, the first sector-shaped electrode surface 11 'is connected to the first reference electrode surface 15 '. Likewise, the second, circular sector-shaped electrode surface 12 'with the second reference electrode surface 16 ' in connection. The two reference electrode surfaces 15 ', 16 ' on the membrane electrode side are provided with a first and second contact K1, K2. Likewise, the two further electrode surfaces 13 ', 14 ' with a fifth and sixth contact K5, K6 can be seen on this side.

Auf der Grundelektrodenseite sind die beiden Referenzelek trodenflächen 15, 16 mit einem dritten und vierten Kontakt K3, K4 versehen.On the base electrode side, the two reference electrode surfaces 15 , 16 are provided with a third and fourth contact K3, K4.

In der Fig. 4 sind anstelle der Umschalter 20, 21 gemäß Fig. 2 für den gleichen Zweck einfache Schalter 20′, 20′′, 21′, 21′′ vorgesehen. Wie ersichtlich ist, ist der erste Knoten 22 mit dem ersten Kontakt K1 und der zweite Knoten 23 mit dem zweiten Kontakt K2 verbunden. Der dritte Kontakt K3 liegt am invertierenden Eingang des Differenzpfadverstärkers 24. Der vierte Kontakt K4 liegt am nicht-invertierenden Ein gang desselben. Zwischen diesen Eingängen und Masse liegen zwei weitere Kapazitäten C_M1, C_M2.In Fig. 4 simple switches 20 ', 20 '', 21 ', 21 '' are provided instead of the switch 20 , 21 according to FIG. 2 for the same purpose. As can be seen, the first node 22 is connected to the first contact K1 and the second node 23 to the second contact K2. The third contact K3 is located at the inverting input of the differential path amplifier 24 . The fourth contact K4 is due to its non-inverting input. Two further capacitances C _M1 , C _M2 lie between these inputs and ground.

In Reihe zu den weiteren druckabhängigen Kapazitäten C_f1, C_f2 liegt ein fünfter und sechster Schalter 27, 28, der jeweils mit einem zweiten Zeitsignal T2 betätigt wird, mit dem auch die Schalter 21′, 20′′ betätigt werden. Parallel zu den weiteren druckabhängigen Kapazitäten C_f1, C_f2 und den hierzu in Reihe geschalteten Schaltern 27, 28 liegt jeweils die Reihenschaltung aus einer Haltekapazität C_H1, C_H2 und einem siebten bzw. achten Schalter 29, 30, welche mit einem ver zögerten Signal T₁′ geschlossen werden, das zeitlich ver zögert gegenüber dem Steuersignal T₁ ist, mit dem die Schal ter 20′, 21′′ geschlossen werden. Die gemeinsamen Knoten der Haltekapazitäten C_h1, C_h2 und des siebten bzw. achten Schal ters 29, 30 sowie der weiteren druckabhängigen Kapazitäten C_f1, C_f2 und der fünften und sechsten Schalter 27, 28 sind über einen neunten und zehnten Schalter 31, 32 bzw. einen elften und zwölften Schalter 33, 34 jeweils bei Auftreten des ersten Steuersignales T₁ bzw. des verzögerten zweiten Steuersignales T₂′ mit Spannungsquellen U_M verbindbar.In series with the further pressure-dependent capacitances C _f1 , C _f2 is a fifth and sixth switch 27 , 28 , each of which is actuated with a second time signal T2, with which the switches 21 ', 20 ''are actuated. Parallel to the further pressure-dependent capacitances C _f1 , C _f2 and the switches 27 , 28 connected in series for this purpose, there is in each case the series connection of a holding capacitance C _H1 , C _H2 and a seventh or eighth switch 29 , 30 , which with a delayed signal T₁ 'are closed, which is delayed ver with respect to the control signal T₁, with which the scarf ter 20 ', 21 '' are closed. The common nodes of the holding capacitances C _h1 , C _h2 and the seventh and eighth switches 29 , 30 and the further pressure-dependent capacitances C _f1 , C _f2 and the fifth and sixth switches 27 , 28 are via a ninth and tenth switch 31 , 32 or an eleventh and twelfth switch 33 , 34 each connected to voltage sources U _M when the first control signal T 1 or the delayed second control signal T 2 'occurs.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Drucksensor struktur. Diejenigen Teile der in Fig. 5 gezeigten Druck sensorstruktur, welche mit der Drucksensorstruktur nach den Fig. 1 bzw. 3B übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszei chen bezeichnet, denen der unterscheidende Zusatz (a) bei gefügt ist. Infolgedessen kann auf eine erneute Beschreibung gleicher oder ähnlicher Teile verzichtet werden. Fig. 5 shows a third embodiment of the pressure sensor structure. Those parts of the pressure sensor structure shown in FIG. 5, which correspond to the pressure sensor structure according to FIGS . 1 and 3B, are designated with the same reference characters, to which the distinguishing addition (a) is added. As a result, the same or similar parts need not be described again.

Die Drucksensorstruktur 1a gemäß Fig. 5 unterscheidet sich im wesentlich dahingehend von der Drucksensorstruktur nach den Fig. 1 und 3B, daß eine einzige Referenzelektrodenfläche 15a im wesentlichen in Form eines fast vollständig geschlos senen Ringes vorgesehen ist. Diese Referenzelektrodenfläche 15 legt eine einzige Referenzkapazität C_r fest.The pressure sensor structure 1 a of FIG. 5 differs in a single reference electrode area 15 a provided substantially in the form of an almost completely closed-end ring substantially to the effect of the pressure sensor structure according to Fig. 1 and 3B, that. This reference electrode surface 15 defines a single reference capacitance C _r .

Die beiden weiteren, im wesentlichen kreissektorförmigen Elektrodenflächen 13, 14 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, Fig. 3B gehen hier im Bereich der halbkreisförmigen Elek trodenflächenelemente 17, 18 einstückig zur Bildung einer einzigen, weiteren Elektrodenfläche 11a ineinander über, welche die weitere, druckabhängige Kapazität C_f festlegt.The two further, essentially circular sector-shaped electrode surfaces 13 , 14 in the embodiment according to FIG. 1, FIG. 3B merge here in the area of the semicircular electrode surface elements 17 , 18 in one piece to form a single, further electrode surface 11 a, which further, pressure-dependent capacity C _f .

In ähnlicher Weise sind die beiden im wesentlichen kreis sektorförmigen Elektrodenflächen 11, 12 bei der Ausführungs form gemäß Fig. 1 bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungs beispiel miteinander verbunden und bilden eine einzige Meß kapazität C_s. Die Meßkapazität C_s, die weitere, druckabhän gige Kapazität C_f und die Referenzkapazität C_r sind an An schlüssen N1, N2, N3 erfaßbar. Der in der Fig. 5 gezeigte weitere Anschluß N4 dient zur Kontaktierung einer ganzflä chigen, nicht gezeigten Gegenelektrode. Similarly, the two substantially circular sector-shaped electrode surfaces 11 , 12 in the embodiment according to FIG. 1 in the embodiment shown in FIG. 5 are connected to one another and form a single measuring capacity C _s . The measuring capacitance C _s , the further pressure-dependent capacitance C _f and the reference capacitance C _r can be detected at connections N1, N2, N3. The further connection N4 shown in FIG. 5 is used for contacting a whole surface, not shown, counter electrode.

Die in Fig. 6 gezeigte Auswertungsschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet ist, umfaßt eine Gleichspannungsquelle U_G, welche in der bereits be schriebenen Art über vier Schalter 36 bis 39 in einer ersten bzw. zweiten Polung mit dem ersten bzw. dritten Anschluß N1, N3 der Drucksensorstruktur 1a verbindbar ist. Der vierte Anschluß N4 der Drucksensorstruktur 1a ist mit dem inver tierenden Eingang eines Verstärkers 40 verbunden, dessen nicht-invertierender Eingang an Masse liegt. Der zweite An schluß N2 der Drucksensorstruktur 1a, an den die Referenz elektrode 15a geschaltet ist, ist über einen fünften Schal ter 41 gegen Masse und mit einem sechsten Schalter 42 gegen den Ausgang des Verstärkers 40 schaltbar. Eine Haltekapazi tät C_H liegt parallel zu diesem Rückkopplungszweig und in Serie zu einem siebten Schalter 43. Der gemeinsame Knoten des siebten Schalters 43 und des Haltekondensators C_H ist mit einem achten Schalter 44 gegen Masse schaltbar. Der erste und dritte Schalter 36, 39 werden mit einem zweiten Steuersignal T₂ angesteuert. Der zweite und dritte Schalter 37, 38 werden mit einem ersten Steuersignal T₁ angesteuert. Deren Signalverlauf ist in Fig. 7 dargestellt. Gleichfalls wird der fünfte Schalter 41 mit dem ersten Zeitsignal ange steuert, während der sechste Schalter 42 mit dem zweiten Zeitsignal T₂ angesteuert wird. Der siebte und achte Schal ter 43, 44 werden mit dem verzögerten ersten bzw. zweiten Signal T₁′, T₂′ angesteuert, wobei diese Signale zeitlich verzögert gegenüber dem ersten und zweiten Signal sind.The evaluation circuit shown in FIG. 6, which is designated in its entirety by reference numeral 35 , comprises a direct voltage source U _G , which in the manner already described be via four switches 36 to 39 in a first or second polarity with the first or third connection N1, N3 of the pressure sensor structure 1 a is connectable. The fourth connection N4 of the pressure sensor structure 1 a is connected to the inverting input of an amplifier 40 , the non-inverting input of which is connected to ground. The second circuit N2 of the pressure sensor structure 1 a, to which the reference electrode 15 a is connected, can be switched via a fifth switch 41 to ground and with a sixth switch 42 to the output of amplifier 40 . A holding capacitance C _H is parallel to this feedback branch and in series with a seventh switch 43 . The common node of the seventh switch 43 and the holding capacitor C _H can be switched to ground with an eighth switch 44 . The first and third switches 36 , 39 are controlled with a second control signal T₂. The second and third switches 37 , 38 are controlled with a first control signal T₁. Their signal curve is shown in Fig. 7. Likewise, the fifth switch 41 is controlled with the first time signal, while the sixth switch 42 is controlled with the second time signal T₂. The seventh and eighth scarf ter 43 , 44 are driven with the delayed first and second signals T₁ ', T₂', these signals being delayed in time compared to the first and second signals.

Eingangs wurde die druckabhängige Kapazität eines kapazi tiven Drucksensors vom Membrantyp unter Bezugnahme auf die Gleichungen (1) bis (7) abgeleitet. Die nachfolgende Be trachtung wird zeigen, daß die erfindungsgemäße Drucksensor struktur einen erheblich verminderten Linearitätsfehler ge genüber der Drucksensorstruktur nach dem Stand der Technik hat. Der Linearitätsfehler der erfindungsgemäßen Drucksen sorstruktur läßt sich nicht nur anhand von einfachen Ver suchen optimieren, sondern auch rechnerisch optimieren, was anhand der nachfolgend hergeleiteten Zusammenhänge erfolgen kann.At the beginning there was the pressure-dependent capacity of a kapazi tive pressure sensor of the membrane type with reference to the Equations (1) to (7) are derived. The following Be will show that the pressure sensor according to the invention structure a significantly reduced linearity error compared to the pressure sensor structure according to the prior art Has. The linearity error of the presses according to the invention sor structure can not only be based on simple ver search optimize, but also mathematically optimize what based on the relationships derived below can.

Die Referenzkapazität mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur errechnet sich als Kapazität eines Kreisringes aus der Gleichung (4) folgendermaßen:The reference capacitance with the structure shown in FIG. 1 is calculated as the capacitance of an annulus from equation (4) as follows:

C_r(p) = C (p, r*_rA)-C (p, r*_rI) (8)C _r (p) = C (p, r * _rA ) -C (p, r * _rI ) (8)

Für den Fall der fehlenden Druckbeaufschlagung ergibt sich folgender Grundkapazitätswert:In the event of a lack of pressurization, this results following basic capacity value:

C_r(0) = (r*_rA-r*_rI)·C_o (9)C _r (0) = (r * _rA -r * _rI ) C _o (9)

Die Übertragungsfunktion F der Auswertungsschaltung lautet:The transfer function F of the evaluation circuit is:

Wie in Fig. 3B angedeutet ist, bezeichnet der Winkel π α das Bogenmaß der weiteren, kreissektorförmigen Elektrodenflächen 13, 14. Mit r_l* ist der Radius der halbkreisförmigen Elek trodenflächenelemente 17, 18 bezeichnet. Mit r_s* ist der Innenradius der kreissektorförmigen Elektrodenflächen be zeichnet. Mit r_s2* ist deren Außenradius bezeichnet. Mit r_r1* ist der Innenradius der Referenzelektrodenfläche bezeichnet, deren Außenradius R als Bezugsgröße zur Normung der erstgenannten Radien dient.As indicated in FIG. 3B, the angle π α denotes the radian measure of the further, circular sector-shaped electrode surfaces 13 , 14 . With r _l * the radius of the semicircular elec trode surface elements 17 , 18 is designated. The inner radius of the circular sector-shaped electrode surfaces is denoted by r _s *. With r _s2 * the outer radius is designated. R _r1 * denotes the inner radius of the reference electrode surface, the outer radius R of which serves as a reference variable for standardizing the first-mentioned radii.

Mit diesen Größen ergibt sich aus der Gleichung (10) folgen der Zusammenhang für die Übertragungsfunktion F:Using these quantities follows from equation (10) the relationship for the transfer function F:

Unter Bezugnahme auf die Fig. 8A bis 8D soll nunmehr die Normierung der Funktionen erläutert werden. Fig. 8A zeigt den druckabhängigen Verlauf der Übertragungsfunktion F, wobei F₁ den Maximalwert und F₀ den Minimalwert bezeichnen.The normalization of the functions will now be explained with reference to FIGS. 8A to 8D. Fig. 8A shows the pressure-dependent course of the transfer function F, F₁ denote the maximum value and F₀ the minimum value.

In Fig. 8B ist der Verlauf von F(p) minus F₀ dargestellt.In Fig. 8B, the course of F (p) is shown minus F₀.

Fig. 8C zeigt die Kurve gemäß Fig. 8B bezogen auf den Hub, d. h. FIG. 8C shows the curve according to FIG. 8B in relation to the stroke, ie

Damit ergibt sich folgender Zusammenhang für den in Fig. 8D dargestellten Linearitätsfehler:This results in the following relationship for the linearity error shown in FIG. 8D:

Der Linearitätsfehler f(F) läßt sich mit einem rechnerge stützten Optimierungsverfahren, wie beispielsweise dem Levenberg-Marquardt-Verfahren durch Variation folgender Parameter optimieren:
α: Winkel des Sensorsegmentes 13, 14;
r_l: Radius des Elektrodenflächenelementes 17, 18;
r_r: Innerer Radius der Referenzelektrode 15, 16;
r_s: Äußerer Radius der Sensor-Elektrode 11, 12.The linearity error f (F) can be optimized with a computer-based optimization method, such as the Levenberg-Marquardt method, by varying the following parameters:
α: angle of the sensor segment 13 , 14 ;
r _l : radius of the electrode surface element 17 , 18 ;
r _r : inner radius of the reference electrode 15 , 16 ;
r _s : outer radius of the sensor electrode 11 , 12 .

Folgende Zielfunktionen wurden vorgegeben:The following target functions were specified:

FA = F(p = 0) → 0;
FB = F(p = 0,5 p_max) -0,5 → 0;
FC = F(p = p_max) -1 → 0; und
FD = r_s +d_min-r_r → 0.
Hierbei sind:FA = F (p = 0) → 0;
FB = F (p = 0.5 p _max ) -0.5 → 0;
FC = F (p = p _max ) -1 → 0; and
FD = r _s + d _min -r _r → 0.
Here are:

p_max der maximal angelegte Nenndruck,
d_min der Mindestabstand der Elektroden.p _max the maximum nominal pressure applied,
d _min the minimum distance between the electrodes.

Der Linearitätsfehler gemäß Gleichung (12) der normierten Ausgangsspannung für eine Drucksensorstruktur nach dem Stand der Technik mit einem kapazitiven Drucksensorelement im Ein gangszweig ist in Fig. 9 mit f(C_s) bezeichnet. Der Lineari tätsfehler einer verbesserten Schaltung nach dem Stand der Technik ist in Fig. 9 mitThe linearity error according to equation (12) of the normalized output voltage for a pressure sensor structure according to the prior art with a capacitive pressure sensor element in the input branch is designated in Fig. 9 with f (C _s ). The linearity error of an improved circuit according to the prior art is in Fig. 9 with

bezeichnet.designated.

Wie ferner in Fig. 9 zu sehen ist, ist der Linearitätsfehler der erfindungsgemäßen Schaltung, der mitAs can also be seen in FIG. 9, the linearity error of the circuit according to the invention is the one with

bezeichnet ist, eine Funktion, die etwa um den Faktor 10 gegenüber der besterreichbaren Linearitätsfehlerkurve von Drucksensorstrukturen mit nur zwei Elektroden verbessert ist.is a function that is about a factor of 10 compared to the best accessible linearity error curve of Improved pressure sensor structures with only two electrodes is.

Claims

1. Pressure measuring arrangement with

- A pressure sensor structure which has a membrane ( 4 ), the pressure-dependent deflection capacitively by means of a pressure-dependent measuring capacity (C _s ) form the measuring electrode ( 11 , 12 ) and can be detected
an evaluation circuit which derives the pressure by measuring the capacity and which has the following transfer function: where C _s denotes the measuring capacitance, C _r a reference capacitance and C _f a further capacitance,

dadurch gekennzeichnet,characterized,

- That the pressure sensor structure also has a reference electrode ( 15 , 16 ) forming the pressure-independent reference capacitance (C r ) and a further capacitance (C f ) forming further electrode ( 13 , 14 ) which is designed such that the further capacity is pressure-dependent, and
- That the further pressure-dependent capacitance (C f (p)) is connected to the evaluation circuit in such a way that its transfer function is as follows: and
- That the percentage change (ΔC f / C f ) of the further pressure-dependent capacity based on the pressure change (Δp) is greater than the percentage change (ΔC s / C s ) of the measuring capacity (C s ) based on the pressure change.

2. Pressure measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring electrode ( 11 , 12 ) and the further electrode ( 13 , 14 ) are substantially circular sector-shaped.

3. Pressure measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the area portion of the measuring electrode ( 11 , 12 ) lying in the vicinity of the center of the circle is smaller than in a circular sector with respect to its total area.

4. Pressure measuring arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the area portion of the further electrode ( 13 , 14 ) lying in the vicinity of the center of the circle is larger in relation to its total area than in a circular sector.