DE4133426C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Auswertung und zum Test eines kapazitiven Sensors nach der Gattung des Hauptan­ spruchs. Es sind bereits Kapazitätsmeßbrücken zur Auswertung von kapazitiven Beschleunigungssensoren bekannt (Leuthold H., Rudolf F., An ASIC for High-Resolution Capacitive Microaccelerometers, Zeit­ schrift: Sensors and Actuators, 1990, Seite 278-281), bei der ein Beschleunigungssensor bestehend aus einer beweglichen Mittelelektro­ de und zwei ortsfesten Meßelektroden zwei Kapazitäten bildet, deren relative Kapazität zueinander ein Maß für die Beschleunigung ist. Im Meßbetrieb wird das Potential der Meßelektroden gegenüber der Mittelelektrode periodisch mit einer bestimmten Schaltsequenz ver­ ändert, die dabei auf der Mittelelektrode zu- oder abfließenden Ladungen werden integriert und in ein Spannungssignal umgesetzt. Mit einer anderen Schaltsequenz soll es möglich sein, im zeitlichen Mittel eine elektrostatische Kraft auf die Mittelelektrode auszuüben und so den Sensor auf seine Funktion zu überprüfen.

Aus der DE 39 42 159 A1 ist bereits eine Anordnung zur Verarbeitung von Sensorsignalen eines kapazitiven Sensors mit einem Meß- und einem Referenzkondensator bekannt. Der Referenzkondensator dient dazu, die Meßbarkeit des Meßkondensators zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß ein Selbsttest der Sensoren ohne Veränderung der Schaltsequenz möglich ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erlaubt daher einen Test der Sensoren während des normalen Betriebs der Meßbrücke und ist beson­ ders einfach zu realisieren.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich. Wenn der Wert der Referenz­ kapazität dem Wert der Meßkapazität in der Ruhelage der Mittelelek­ trode entspricht, so wird sichergestellt, daß die Schaltung immer in einem stabilen Arbeitsbereich betrieben wird. Besonders einfach wird das Umschalten zwischen dem Test- und dem Meßmodus durch Schalter vorgenommen, die zwischen einer der zwei Meßkapazitäten und der Referenzkapazität umschalten und eine Testspannung an die ersetzte Meßkapazität anlegen. Wenn die Sensoren ständig getestet werden sollen, um beispielsweise besonderen Sicherheitsanforderungen zu genügen, so kann die Schaltungsanordnung so ausgelegt werden, daß der Sensor ständig im Testmodus betrieben wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen wahlweisen Test- und Meßmodus und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen ständigen Testmodus.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Mittelelektrode und mit 2 sind zwei Meß­ elektroden bezeichnet. Die Mittelelektrode 1 bildet mit jeweils einer der Meßelektroden 2 einen Plattenkondensator, die Meßkapazi­ täten 3. Die Mittelelektrode 1 ist gegenüber den Meßelektroden 2 beweglich. Dabei wird beispielsweise an einen Beschleunigungssensor gedacht, bei dem die Mittelelektrode aus einer seismischen Masse besteht, die an Federn elastisch aufgehängt ist, und so durch die Kraftwirkung einer Beschleunigung aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Da die Kapazität in einem Plattenkondensator vom Abstand der Kondensatorplatten abhängt, kann durch Messung der beiden Meßkapa­ zitäten 3 die relative Lage der Mittelelektrode 1 relativ zu den Meßelektroden 2 ermittelt und so auf die anliegende Beschleunigung geschlossen werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei Beschleunigungssensoren be­ schränkt, sondern kann in äquvalenter Weise bei allen kapazitiven Sensoren mit mindestens zwei Kapazitäten verwendet werden.

Die Fig. 1 weist noch zwei Schalter 6, einen Schalter 7, eine Referenzkapazität 4, eine Kapazitätsmeßbrücke 5 und eine Spannungs­ versorgung 8 auf. Einer der beiden äußeren Eingänge 22 der Kapazi­ tätsmeßbrücke 5 ist mit dem Schalter 7 verbunden. Wenn sich der Schalter 7 in der Position 1 befindet, so sind die beiden äußeren Anschlüsse 22 der Kapazitätsmeßbrücke 5 mit den Meßelektroden und der mittlere Anschluß 21 mit der Mittelelektrode 1 verbunden. Wenn sich der Schalter 7 in der Position 2 befindet so liegt zwischen dem mittleren Anschluß 21 und einem der äußeren Anschlüsse 22 die Referenzkapazität 4 und zwischen dem mittleren Anschluß 21 und dem anderen äußeren Anschluß 22 eine Meßkapazität 3. Die Spannungsver­ sorgung 8 ist bei geschlossenen Schaltern 6 mit der Mittelelektrode 1 und der Meßelektrode 2, die durch Schalter 7 von der Kapazitäts­ meßbrücke 5 getrennt werden kann, verbunden.

Je nach Stellung der Schalter 6, 7 befindet sich die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 im Meßmodus oder im Testmodus. Wenn die Schalter 6 geöffnet sind und der Schalter 7 in die Position 1 ge­ schaltet ist, befindet sich die Schaltungsanordnung im Meßmodus. Im Meßmodus sind die beiden Meßkapazitäten 3 mit der Kapazitätsmeß­ brücke 5 verbunden. Durch die Position der Mittelelektrode 1 relativ zu den Meßelektroden 2 ergibt sich der jeweilige Wert der Meßkapa­ zitäten 3. Bei Beschleunigungssensoren besteht die Mittelelektrode aus einem Feder-Masse-System, daß durch die Kraftwirkung einer Be­ schleunigung aus der Ruhelage ausgelenkt wird. Die Kapazitätsmeß­ brücke 5 kann beispielsweise so ausgelegt sein, daß sie durch einen Vergleich der beiden Meßkapazitäten 1 ein Spannungssignal, welches proportional zur Auslenkung der Mittelelektrode 1 ist, erzeugt. Eine Kapazitätsmeßbrücke, die dies leistet, wird beispielsweise von der in der Einleitung genannten Literaturstelle beschrieben.

Wenn die Schalter 6 geschlossen sind und Schalter 7 in die Position 2 geschaltet ist, so befindet sich die Schaltungsanordnung im Test­ modus. In diesem Fall ist die Kapazitätsmeßbrücke 5 mit der Referenzkapazität 4 und nur mit der einen Meßkapazität 3 ver­ bunden. An die Gegenelektrode der nicht mit der Kapazitätsmeßbrücke 5 verbundenen, nunmehr durch die Referenzkapazität 4 ersetzten, Meßkapazität 3 liegt durch die Spannungsversorgung 8 ein definiertes Potential gegenüber der Mittelelektrode 1 an. Durch dieses Potential wird eine elektrostatische Kraftwirkung auf die Mittelelektrode 1 ausgeübt. Da die Mittelelektrode 1 beweglich ist, wird so eine Be­ wegung der Mittelelektrode 1 verursacht. Diese Bewegung verursacht eine Veränderung des Wertes der mit der Kapazitätsmeßbrücke 5 ver­ bundenen Meßkapazität 3 und wird durch die Kapazitätsmeßbrücke 5 nachgewiesen.

In Fig. 2 werden durch die bewegliche Mittelelektrode 1 und die beiden ortsfesten Elektroden 20 zwei Plattenkondensatoren, die Meß­ kapazität 10 und die Testkapazität 11, gebildet. Als Anwendung dieser Struktur ist wieder ein kapazitiver Beschleunigungssensor denkbar. Dieser Sensor ist mit einer Kapazitätsmeßbrücke 5, einer Referenzkapazität 4 und einer Spannungsversorgung 8 so verbunden, daß die Ausführung nach Fig. 2 der Schaltung in Fig. 1 im Test­ modus entspricht. Die Kapazitätsmeßbrücke erfüllt die gleiche Funktion wie in Fig. 1. Mittelelektrode 1 und Elektrode 20 der Testkapazität 11 sind mit der Spannungsversorgung verbunden, so daß ein Potential anlegbar ist. Der mittlere Anschluß 21 der Kapazitäts­ meßbrücke ist mit der Referenzkapazität 4 und der Mittelelektrode 1 verbunden. Einer der äußeren Anschlüsse 22 der Kapazitätsmeßbrücke 5 ist mit der Referenzkapazität 4, der andere Anschluß 22 ist mit der nicht an der Spannungsversorgung 8 anliegenden Elektrode 20 ver­ bunden.

Durch die mit der Kapazitätsmeßbrücke 5 verbundene Meßkapazität 10 wird die Bewegung der Mittelelektrode 1 nachgewiesen.

Die Testkapazität 11 wird für die elektrostatische Bewegung der Mittelelektrode 1 verwendet. An die Testkapazität 11 kann durch eine Spannungsversorgung 8 eine Potentialdifferenz zwischen der Mittel­ elektrode 1 und der ortsfesten Elektrode 20 angelegt werden. Die dadurch resultierende Kraftwirkung bzw. Bewegung der Mittelelektrode 1 wird durch die Messung der Differenz der Meßkapazität 10 und der Referenzkapazität 4 nachgewiesen.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung wird für einen ständigen Testmodus des Sensors verwendet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Sensor wegen besonderer Sicherheitsanforderungen ständig auf seine Funktion überprüft werden muß. In so einem Fall ist die ständige Funktionsüberwachung des Sensors wichtiger als die meß­ technischen Vorteile, die sich aus der Verwendung beider Meßkapazi­ täten für die Signalauswertung ergeben. Solche Sensoren sind bei­ spielsweise für Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen vorstellbar. Die Spannungsquelle 8 würde in so einem Fall die Mittelelektrode 1 mit einer Wechselspannung niedriger Frequenz anregen. Die Existenz eines entsprechenden Signals am Ausgang der Kapazitätsmeßbrücke 5 wäre dann ein Zeichen dafür, daß der Sensor funktionstüchtig ist.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Auswertung und zum Test eines kapazitiven Sensors, mit einen Meßmodus und eiinen Testmodus, wobei der Sensor insbesondere zur Messung einer Beschleunigung verwendet wird und eine auslenkbare Mittelelektrode (1) zwischen ortsfesten Meßelektroden (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßmodus die Differenz von mit der Kapazitätsmeßbrücke (5) verbundenen Meßkapazitäten (3), die von der Mittelelektrode (1) und jeweils einer der Meßelektroden (2) gebildet sind, ein Signal für die Auslenkung der Mittelelektrode (1) bildet, und daß im Testmodus eine mit der Kapazitätsmeßbrücke (5) verbundene Referenzkapazität (4) eine der Meßkapazitäten (3) ersetzt und eine Potentialdifferenz zwischen Mittelelektrode (1) und Meßelektrode (2) der ersetzten Meßkapazität (3) anlegbar, sowie die dadurch verursachte Auslenkung der Mittelelektrode (1) aufgrund der Kapazitätsänderung der anderen Meßkapazität (3) mit der Kapazitätsmeßbrücke (5) meßbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Referenzkapazität (4) in etwa dem Wert einer der Meß­ kapazitäten (2) in der Ruhelage der Mittelelektrode (1) entspricht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Umschalten zwischen Test- und Meßmodus Schalter (6, 7) vorgesehen sind, und daß im Testmodus der Schalter (7) die Kapazitätsmeßbrücke (5) zwischen einer der Meßkapazitäten (3) und der Referenzkapazität (4) umschaltet und die Schalter (6) eine Test­ spannung an die ersetzte Meßkapazität (3) anlegen.

4. Schaltungsanordnung zur Auswertung und zum Test eines kapazitiven Sensors, wobei der Sensor insbesondere zur Messung einer Beschleunigung verwendet wird und eine auslenkbare Mittelelektrode (1) zwischen ortsfesten Elektroden (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß von der Mittelelektrode (1) und mindestens einer der Elektroden (20) eine Meßkapazität (10) gebildet ist, daß von der Mittelelektrode (1) und von mindestens einer weiteren Elektrode (20) eine Testkapazität (11) gebildet ist, daß an der Testkapazität (11) eine Potentialdifferenz zur Mittelelektrode (1) anlegbar ist, und daß durch die Änderung der Meßkapazität (10) die Auslenkung der Mittelelektrode (1) mit der Kapazitätsmeßbrücke (5) meßbar ist.