DE69729457T2

DE69729457T2 - Verfahren zur Einstellung einer eine kapazitive Grösse in eine korrespondierende Spannung umsetzende Signalverarbeitungsschaltung

Info

Publication number: DE69729457T2
Application number: DE69729457T
Authority: DE
Inventors: Rey Olivier; Banyai Antal
Original assignee: EM Microelectronic Marin SA
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: DE69729457D1; EP0924525A1; EP0924525B1; ATE268911T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der integrierten Schaltungen und insbesondere Verfahren zur Kennzeichnung von mit einer kapazitiven Schaltung verbundenen Spannungsumsetzern.
Es gibt eine große Vielfalt an Sensoren, sowohl hinsichtlich ihrer Formen, ihrer Funktionen, ihrer Wirkungen als auch ihrer Anwendungen.
Im Rahmen der Erfassung eines Parameters wie etwa der Beschleunigung oder des Drucks wird gewöhnlich ein kapazitiver Sensor verwendet, der im Folgenden beschrieben wird.
1 zeigt einen herkömmlichen kapazitiven Sensor 1.
Der Sensor 1 ist so beschaffen, dass er einen Parameter wie etwa den Umgebungsdruck oder die durch diesen Sensor erfahrene Beschleunigung messen kann. Dazu umfasst der Sensor 1 einen Träger 5, zwei Anker 11 und 12, die in Bezug auf diesen Träger fest sind, und einen dritten Anker 13, der so beschaffen ist, dass er zwischen den zwei Ankern 11 und 12 beweglich ist.
Ein Ersatzschaltbild des Sensors 1 kann durch zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten C1 und C2 dargestellt werden. In einer solchen Darstellung entspricht die Kapazität C1 der Kapazität des durch die Anker 11 und 13 gebildeten Kondensators, während die Kapazität C2 der Kapazität des durch die Anker 12 und 13 gebildeten Kondensators entspricht.
Der kapazitive Sensor 1 ist außerdem so beschaffen, dass er eine Kapazitätsdifferenz C1 – C2 liefern kann, die von dem besagten Parameter abhängt. Dazu weist der Sensor 1 eine Abschlussklemme 15 auf, um eine solche Differenz liefern zu können.
Die Arbeitsweise des Sensors 1 ist folgende. Unter der Einwirkung des Parameters verlagert sich der bewegliche Anker 13 in dem Sensor 1, wobei der letztere in Reaktion darauf die Kapazitätsdifferenz C1 – C2 liefert, die die Verlagerung der drei Anker 11 bis 13 infolge des besagten Effekts repräsentiert.
Im Rahmen der Erfassung eines Parameters wie etwa des Drucks oder der Beschleunigung ist ein solcher kapazitiver Sensor mit einem Spannungsumsetzer verbunden, derart, dass die aus dem Sensor und dem Umsetzer gebildete Schaltung eine elektrische Spannung liefert, die die Entwicklung des Parameters repräsentiert.
2 zeigt eine solche herkömmliche Schaltung, die den mit einem Spannungsumsetzer 20 verbundenen Sensor 1 von 1 enthält.
Der Umsetzer 20 besitzt zwei Eingangsklemmen 201 und 202 und eine Ausgangsklemme 203. Der Umsetzer 20 ist so verschaltet und beschaffen, dass er über die Klemme 201 die durch den Sensor 1 gelieferte Kapazitätsdifferenz C1 – C2 und über die Klemme 202 eine durch eine Konstantspannungsquelle 22 gelieferte Polarisationsspannung oder elektrische Vorspannung Vb empfangen kann. Der Umsetzer 20 ist so beschaffen, dass er über die Klemme 203 eine Ausgangsspannung Vo liefern kann, die von der Kapazitätsdifferenz C1 – C2 und von der Vorspannung Vb abhängt.
Es sei angemerkt, dass die Vorspannung Vb unipolar oder bipolar sein kann und auf das Massepotential der Schaltung bezogen ist. Es sei ferner daran erinnert, dass die Vorspannung üblicherweise dazu verwendet wird, die statische Verstärkung der durch den Sensor 1 und den Umsetzer 20 gebildeten Schaltung auf einen vorgegebenen Wert festzulegen.
Allgemein beruhen die herkömmlichen Verfahren zur Kennzeichnung eines solchen Umsetzers auf der Bestimmung der Charakteristik der Ausgangsspannung Vo als Funktion der Kapazitätsdifferenz C1 – C2 und vor allem auf der Bestimmung der elektrischen Leistungen dieses Umsetzers.
Es sei daran erinnert, dass die "elektrischen Leistungen" eines Umsetzers gewöhnlich durch zwei elektrische Parameter gekennzeichnet sind: die statische Verstärkung As und den Nichtlinearitätskoeffizienten L_As. Es sei außerdem daran erinnert, dass die statische Verstärkung As des Umsetzers unter Bezugnahme auf 2 gleich
ist und dass der Nichtlinearitätskoeffizient die Streuung der Ausgangsspannung Vo zwischen den Effektivwerten dieser Spannung und den einem idealen linearen Verhalten des Umsetzers entsprechenden Spannungswerten repräsentiert.
Eine Schwierigkeit, die bei der Ausführung einer solchen Kennzeichnung gewöhnlich auftaucht, beruht im Liefern mehrerer Kapazitätsdifferenzen C1 – C2, um die Entwicklung der Ausgangsspannung Vo mit der Kapazitätsdifferenz C1 – C2 zu messen.
Tatsächlich ist in dem Fall, in dem der Umsetzer mit einem kapazitiven Sensor verbunden ist, wie dies im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist, die Veränderung des Parameters, der geeignet ist, eine Kapazitätsdifferenz C1 – C2 hervorzurufen, in einer industriellen Fertigungsumgebung, vor allem in den Halbleiterfertigungsfabriken, die um Ausstoß bemüht sind, schwierig zu erzeugen.
Um diesen Bedürfnissen entgegenzukommen, wird als kapazitiver Sensor eine Schaltung, deren Ersatzschaltbild jenem eines kapazitiven Sensors nahe kommt, d. h. eine Schaltung, die ein elektrisches Signal liefert, das geeignet ist, eine Kapazitätsdifferenz zu repräsentieren, verwendet. Im Zuge der Beschreibung wird eine solche Schaltung als "kapazitive Schaltung" bezeichnet.
Als Beispiel zeigt 3 eine herkömmliche kapazitive Schaltung 25, die geeignet ist, fünf Kapazitätsdifferenzen C1_i – C2_i, i = 1, 2, 3, 4, 5, zu liefern.
Dazu umfasst die kapazitive Schaltung 25 Verbindungsmittel 251 und fünf erste Kondensatoren C1_i (i = 1, 2, 3, 4, 5), die mit fünf zweite Kondensatoren C2_i (i = 1, 2, 3, 4, 5) jeweils in Reihe geschaltet sind. Die kapazitive Schaltung 25 ist so angeordnet, dass sie eine Verbindung zwischen einem der Kondensatoren C1_i, den Verbindungsmitteln 251 und dem zugeordneten Kondensator C2_i herstellen kann, derart, dass diese Schaltung über die Verbindungsmittel 251 einen der fünf Kapazitätsdifferenzwerte C1_i – C2_i liefert.
Ein Problem, das bei der Bestimmung der elektrischen Leistungen eines Spannungsumsetzers auftaucht, beruht auf der Tatsache, dass diese Bestimmung wenig zuverlässig ist, da die Kapazitätswerte mit einer inneren Ungenauigkeit, die mit der Toleranz bei den Komponenten verknüpft ist, und mit einer äußeren Ungenauigkeit, die mit den Verbindungsmitteln der kapazitiven Schaltung verknüpft ist, behaftet sind, wobei diese Ungenauigkeiten umso störender sind, wenn ein Umsetzer gekennzeichnet werden soll, der geeignet ist, kleine Kapazitätswerte zu verarbeiten.
4a zeigt eine Kurve 40, die die Spannungscharakteristik des Umsetzers 20 von 2, der mit der kapazitiven Schaltung 25 von 3 verbunden ist, wiedergibt, sowie eine Kurve 42, die die lineare Regression dieser Charakteristik wiedergibt.
Es sei daran erinnert, dass die kapazitive Schaltung 25 nacheinander fünf Kapazitätsdifferenzwerte C1_i – C2_i (i = 1, 2, 3, 4, 5) liefern kann. Im Fall, in dem die kapazitive Schaltung 25 verwendet wird, um den kapazitiven Sensor 1 in der Schaltung von 2 zu simulieren, können dann für die fünf Kapazitätsdifferenzwerte fünf Ausgangsspannungswerte Vo, nämlich Vo_i (i = 1, 2, 3, 4, 5), erhalten werden. Anders ausgedrückt, es werden somit fünf Datenpaare (C1_i – C2_i, Vo_i) erhalten.
Um die elektrischen Leistungen des Umsetzers 20 zu bestimmen, wie sie oben beschrieben worden sind, werden anschließend durch eine lineare Regres sion, die in 4a durch die Kurve 42 wiedergegeben ist, fünf Datenpaare extrapoliert. Diese Regression ermöglicht das Bestimmen des Verstärkungsfaktors As sowie des Koeffizienten L_As.
Aus 4a ist ersichtlich, dass der Messfehler bei der Ausgangsspannung Vo im Wesentlichen durch den Fehler ε bei dem Effektivwert der Kapazitätsdifferenzen C1_i – C2_i bedingt ist.
Tatsächlich kann ein Sensor, wie er im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist, Kapazitätsdifferenzen C1 – C2 liefern, die kleiner als einige dutzend Femtofarad (1 fF = 10^–15 F) sind, bei einem Änderungsbereich der Kapazitätsdifferenz C1 – C2, der üblicherweise von einigen Picofarad bis zu einigen dutzend Picofarad geht (1 pF = 10^–12 F). Beispielsweise ermöglicht ein Umsetzer mit einer Auflösung von 12 Bits das Messen einer Änderung von 2,4 fF bei einem Änderungsbereich von 10 pF.
4b zeigt eine theoretische Kurve 43, die eine mit ΔVo/Vo bezeichnete relative Genauigkeit, die mit der anhand von 4a erhaltenen Ausgangsspannung Vo verknüpft ist, als Funktion der Kapazitätsdifferenz C1 – C2 wiedergibt. Aus 4b ist ersichtlich, dass die Messgenauigkeit der elektrischen Leistungen des Umsetzers 20, die durch ein solches Kennzeichnungsverfahren bestimmt worden sind, mit einem Fehler ε behaftet ist, der üblicherweise im Bereich von 1% liegt, wobei dieser Wert von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung unter Berücksichtigung der Kapazitäten, deren Toleranzen im Bereich von 1% liegen, ermittelt worden ist. Es sei angemerkt, dass dieser Fehler umso größer ist, je kleiner die gemessene Kapazitätsdifferenz ist.
Anders gesagt, ein solches Kennzeichnungsverfahren erfüllt nicht die heutigen Forderungen nach Genauigkeit und Leistungsfähigkeit, die in der Industrie, vor allem in den Halbleiterfertigungsfabriken, übliche Sorgen sind.
Das Dokument US 5 540 095 bezieht sich auf ein Beschleunigungsmesssystem, das ein System mit differenziellen Kapazitäten oder Kleinsignalkapazitäten als Sensoren verwendet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kennzeichnung eines Spannungs-/Strom-Umsetzers, der mit einer kapazitiven Schaltung verbunden ist, vorzusehen, wobei dieses Verfahren die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik beseitigt, indem es insbesondere das Berechnen mit Genauigkeit der Spannungscharakteristik des Umsetzers, insbesondere seiner elektrischen Leistungen, ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kennzeichnungsverfahren vorzusehen, das die üblichen Bedürfnisse in der Industrie, vor allem in den Halbleiterfertigungsfabriken, nach Genauigkeit und Leistungsfähigkeit erfüllt.
Diese sowie weitere Aufgaben werden durch das Kennzeichnungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Ein Vorteil des Kennzeichnungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beruht auf der Tatsache, dass sie sie sich auf die Messung der Ausgangsspannung des Umsetzers in Abhängigkeit von verschiedenen Werten der Vorspannung stützt, was das Bestimmen der elektrischen Leistungen des Umsetzers unabhängig von dem durch die Messung einer Kapazität bedingten Fehler ermöglicht. Daraus ergibt sich ein Verfahren, das in einer industriellen Umgebung, vor allem im Bereich der Halbleiter, genau und einfach umzusetzen ist.
Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher beim Lesen der genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die ausschließlich beispielhalber und mit Bezug auf die beigefügten Figuren gegeben ist, worin:
1, die bereits angeführt worden ist, einen herkömmlichen kapazitiven Sensor zeigt;
2, die bereits angeführt worden ist, eine Schaltung zeigt, die den mit einem Spannungsumsetzer verbundenen Sensor von 1 enthält;
3, die bereits angeführt worden ist, eine herkömmliche kapazitive Schaltung zeigt;
4a, die bereits angeführt worden ist, zwei Kurven zeigt, die die Charakteristik eines Spannungsumsetzers bzw. die lineare Regression dieser Charakteristik gemäß einem herkömmlichen Kennzeichnungsverfahren wiedergeben;
4b, die bereits angeführt worden ist, eine theoretische Kurve zeigt, die eine relative Genauigkeit, die mit einem Spannungsumsetzer verknüpft ist, als Funktion einer Kapazitätsdifferenz, die anhand eines herkömmlichen Kennzeichnungsverfahrens erhalten werden kann, wiedergibt;
5 eine Schaltung, die eine kapazitive Schaltung enthält, und einen durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu kennzeichnenden Spannungsumsetzer zeigt;
6 einen Ablaufplan des Kennzeichnungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7a zwei Kurven zeigt, die die Spannungscharakteristik eines Umsetzers bzw. die lineare Regression dieser Charakteristik gemäß dem Kennzeichnungsverfahren nach 6 wiedergeben;
7b eine theoretische Kurve zeigt, die eine relative Genauigkeit, die mit einem Spannungsumsetzer verknüpft ist, als Funktion einer Spannung, die anhand des Kennzeichnungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann, wiedergibt.
Das Kennzeichnungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu vorgesehen, die Charakteristik eines mit einer kapazitiven Schaltung verbundenen Spannungsumsetzers zu bestimmen.
Lediglich als Beispiel zeigt 5 eine Schaltung 30, die den Spannungsumsetzer 20 von 2 enthält, der mit einer kapazitiven Schaltung 32 verbunden ist und dazu vorgesehen ist, durch das Kennzeichnungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet zu werden.
Es sei angemerkt, dass 5 Objekte zeigt, die durch Bezugszeichen bezeichnet sind, die zum Bezeichnen der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Objekte verwendet werden. Tatsächlich bezeichnen die zum Bezeichnen der Objekte in den 2 und 5 verwendeten Bezugszeichen in den zwei Figuren, insbesondere im Zusammenhang mit dem Umsetzer 20, dieselben Objekte.
Wie in 5 gezeigt ist, umfasst die kapazitive Schaltung 32 ferner eine Anschlussklemme 320, die mit der Eingangsklemme 210 des Umsetzers 20 verbunden ist. Außerdem weist die kapazitive Schaltung 32 eine Struktur auf, wie sie oben beschrieben worden ist. Anders gesagt, diese Schaltung ist aus einer Schaltung gebildet, deren Ersatzschaltbild jenem des Sensors von 1, d. h. zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten C1 und C2, nahe kommt. Somit ist die kapazitive Schaltung 32 so angeordnet, dass sie über die Klemme 320 eine Kapazitätsdifferenz C1 – C2 an den Umsetzer 20 liefert.
Es sei daran erinnert, dass die Ausgangsspannung Vo des Umsetzers 20 eine Funktion der Kapazitätsdifferenz C1 – C2 und der Vorspannung Vb ist.
Es sei angemerkt, dass der Umsetzer 20 über die Klemme 202 die Vorspannung Vb empfängt, die durch herkömmliche Liefermittel (nicht gezeigt), die so beschaffen sind, dass sie einen veränderlichen Wert der Vorspannung Vb liefern können, geliefert wird.
Nun wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, das ausgeführt wird, um den Umsetzer 20 in der Schaltung 30 von 5 zu kennzeichnen.
6 zeigt einen Ablaufplan dieses Verfahrens.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Folge von Schritten, die mit "a" bis "d" bezeichnet sind.
Der Schritt "a" besteht darin, wenigstens drei experimentelle Werte der Ausgangsspannung Vo anhand von wenigstens drei entsprechenden Werten der Vorspannung Vb zu messen. Es sei angemerkt, dass die Kapazitätsdifferenz C1 – C2 konstant gehalten ist.
Die Bezugszeichen Vo_mes ¹, Vo_mes ², Vo_mes ³ bezeichnen jeweils die drei experimentellen Werte der Ausgangsspannung Vo, während die Bezugszeichen jeweils die drei Werte Vb₁, Vb₂ und Vb₃ der Vorspannung Vb bezeichnen. Es sei angemerkt, dass die Werte Vb₁, Vb₂ und Vb₃ im Betriebsbereich des Umsetzers 31 liegen.
Am Ende des Schrittes "a" liegen somit drei Wertepaare (Vb₁, Vo_mes ¹), (Vb₂, Vo_mes ²), (Vb₃, Vo_mes ³) vor.
Dem Schritt "a" folgt der Schritt "b", der zwei mit "b1" und "b2" bezeichnete Unterschritte umfasst.
Der Unterschritt "b1" besteht darin, anhand der drei Wertepaare (Vb₁, Vo_mes ¹), (Vb₂, Vo_mes ²), (Vb₃, Vo_mes ³) durch Regression eine analytische Kurve zu bestimmen. Die erhaltene Kurve ist eine analytische Darstellung der Spannungscharakteristik des Umsetzers 20, die auf einem analytischen Modell basiert, das von der Beschaffenheit der kapazitiven Schaltung abhängt, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Es sei hervorgehoben, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft ist, da es das Bestimmen der Charakteristik des Umsetzers 20, anders als das herkömmliche Verfahren, anhand der Werte Vb₁, Vb₂ und Vb₃ der Vorspannung Vb ermöglicht. Tatsächlich wird die Charakteristik des Umsetzers 20 beim herkömmlichen Verfahren anhand der Kapazitätsdifferenzwerte C1_i – C2_i für i = 1, 2, 3, 4, 5 bestimmt, wobei der Wert der Vorspannung Vb konstant gehalten ist. Daraus geht hervor, dass die Messgenauigkeit in dem Kennzeichnungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise im Bereich von 1 mV liegt, was beispielsweise bei einer Vorspannung Vb gleich 5 V das Messen einer Kapazitätsdifferenz von 10 pF mit einer Genauigkeit von 2 fF (1 fF = 10^–15 F) ermöglicht.
Dem Unterschritt "b1" folgt der Unterschritt "b2", der darin besteht, anhand der im Unterschritt "b1" erhaltenen analytischen Darstellung und der Werte Vb₁, Vb₂ und Vb₃ drei berechnete Werte der Ausgangsspannung Vo zu liefern, die mit Vo_cal ¹, Vo_cal ², Vo_cal ³ bezeichnet sind und jeweils den drei experimentellen Werten Vo_mes ¹, Vo_mes ², Vo_mes ³ entsprechen.
Im Rahmen der Bestimmung der elektrischen Leistungen des Umsetzers 20, wie sie oben beschrieben worden sind, folgt dem Schritt "b2" der Schritt "c", der dazu vorgesehen ist, den Verstärkungsfaktor As des Umsetzers 20 zu bestimmen, und danach der Schritt "d", der dazu vorgesehen ist, den Koeffizienten L_As dieses Umsetzers zu bestimmen.
Somit besteht der Schritt "c" darin, anhand der zuvor gemessenen experimentellen Werte Vo_mes ¹, Vo_mes ² und Vo_mes ³ sowie der jeweils berechneten Werte Vo_cal ¹, Vo_cal ² und Vo_cal ³ den Verstärkungsfaktor As des Umsetzers zu bestimmen, in dem die folgende Berechnung für i, j = 1, 2, 3 und i ≠ j ausgeführt wird:
Es sei angemerkt, dass dieser Verstärkungsfaktor mit der relativen Messgenauigkeit der Vorspannung berechnet wird.
Dem Schritt "c" folgt der Schritt "d", der darin besteht, anhand der vorher gemessenen experimentellen Werte Vo_mes ¹, Vo_mes ², Vo_mes ³ sowie der jeweiligen berechneten Werte Vo_cal ¹, Vo_cal ², Vo_cal ³ den Nichtlinearitätskoeffizienten L_As des Umsetzers zu bestimmen, indem die folgende Berechnung ausgeführt wird:
wobei Vo_max – Vo_min der Länge des Änderungsbereichs des Ausgangssignals entspricht.
Es sei angemerkt, dass der Koeffizient LAs mit der relativen Messgenauigkeit der Vorspannung Vb berechnet wird.
Wie oben bereits erwähnt worden ist, ist die am Ende des Schrittes "b1" erhaltene Kurve eine analytische Darstellung der Spannungscharakteristik des Umsetzers 20, die auf einem analytischen Modell basiert, das von der Beschaffenheit der kapazitiven Schaltung 32 abhängt. Es werden die beiden folgenden Typen einer kapazitiven Schaltung betrachtet.
Es sei der erste Typ einer kapazitiven Schaltung betrachtet, der eine Struktur besitzt, deren Ersatzschaltbild eine Kapazität C1, die fest ist, und eine Kapazität C2, die veränderlich ist, enthält. In diesem Fall ist die im Schritt "b1" verwendete Regression polynomisch.
Es sei nun der zweite Typ einer kapazitiven Schaltung betrachtet, der eine Struktur besitzt, deren Ersatzschaltbild zwei Kapazitäten C1 und C2 enthält, deren Summe konstant ist. In diesem Fall ist die im Schritt "b1" verwendete Regression linear.
Lediglich beispielhalber zeigt 7a eine Kurve 70, die die lineare Regression der Spannungscharakteristik eines Spannungsumsetzers in dem Fall, in dem der letztere mit einer kapazitiven Schaltung des zweiten Typs verbunden ist, wiedergibt.
Dazu sind in 7a fünf Datenpaare gezeigt, die mit den Bezugszeichen (Vb_i, Vo_mes ⁱ) für i = 1, 2, 3, 4, 5 bezeichnet sind. Diese Datenpaare sind durch die durch die Kurve 70 gezeigte lineare Regression interpoliert worden, um den Verstärkungsfaktor As und den Koeffizienten LAs zu bestimmen.
Aus 7b ist ersichtlich, dass der Messfehler bei der Ausgangsspannung Vo im Wesentlichen durch den Fehler bei dem Effektivwert der Vorspannung Vb bedingt ist.
7b zeigt eine theoretische Kurve 72, die eine mit ΔVo/Vo bezeichnete relative Genauigkeit, die mit der im Zusammenhang mit 7a beschriebenen Ausgangsspannung Vo verknüpft ist, als Funktion der Vorspannung Vb wiedergibt. Aus 7b ist ersichtlich, dass die Messgenauigkeit der durch ein solches Kennzeichnungsverfahren bestimmten elektrischen Leistungen des Umsetzers mit einem Fehler behaftet ist, der üblicherweise im Bereich von 0,02% liegt, wobei dieser Wert von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung ermittelt worden ist.
Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass die obige genaue Beschreibung verschiedene Modifikationen erfahren kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Als Beispiel kann das Kennzeichnungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, um die Charakteristik eines Stromumsetzers zu bestimmen. Ebenso könnte als Variante die Vorspannung durch einen Vorstrom ersetzt sein.

Claims

Verfahren zur Charakterisierung eines Spannungs- oder Strom-Wandlers (20), der dazu bestimmt ist, mit einer kapazitiven Schaltung (32) verbunden zu werden: – wobei die kapazitive Schaltung so angeordnet ist, dass sie an den Wandler eine Kapazitätsdifferenz (C1 – C2) liefert; und – der Wandler so beschaffen ist, dass er die von der Schaltung gelieferte Kapazitätsdifferenz und ein elektrisches Vorspannungssignal (Vb) empfangen und eine Ausgangsspannung (Vo) liefern kann, die von der Kapazitätsdifferenz und von dem Vorspannungssignal abhängt, wobei das Charakterisierungsverfahren dazu bestimmt ist, die Charakteristik des Wandlers zu bestimmen, die die Funktion zwischen der Ausgangsspannung des Wandlers, der Kapazitätsdifferenz und dem Vorspannungssignal angibt, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Folge von Schritten umfasst, die darin besteht, das Vorspannungssignal unter Konstanthaltung der Kapazitätsdifferenz zu verändern und in Reaktion darauf die Ausgangsspannung zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittfolge einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt ("a", "b") umfasst, die darin bestehen: – wenigstens drei experimentelle Werte (Vo_mes ¹, Vo_mes ², Vo_mes ³) der Ausgangsspannung anhand wenigstens dreier entsprechender Werte des Vorspannungssignals zu messen, wobei diese Werte in dem Betriebsbereich des Wandlers liegen; und – anhand der vorher gemessenen experimentellen Punkte durch Regression eine analytische Kurve zu bestimmen, wobei eine solche Kurve der Charakteristik des Wandlers entspricht, und dann drei berechnete Werte der Ausgangsspannung (Vo_cal ¹, Vo_cal ², Vo_cal ³) zu liefern, die den jeweiligen gemessenen experimentellen Werten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen dritten Schritt ("c") umfasst, der darin besteht, anhand der vorher gemessenen experimentellen Werte (Vo_mes ¹, Vo_mes ², Vo_mes ³) sowie der jeweils berechneten Werte (Vo_cal ¹, Vo_cal ², Vo_cal ³) den Verstärkungsfaktor (As) des Wandlers zu bestimmen, indem die folgende Berechnung für i, j = 1, 2, 3 und i ≠ j ausgeführt wird:
wobei dieser Verstärkungsfaktor mit der relativen Messgenauigkeit des Vorspannungssignals berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen vierten Schritt ("d") umfasst, der darin besteht, anhand der vorher gemessenen experimentellen Werte (Vo_mes ¹, Vo_mes ², Vo_mes ³) sowie der jeweiligen berechneten Werte (Vo_cal ¹, Vo_cal ², Vo_cal ³) den Nichtlinearitätskoeffizienten (L_As) des Wandlers zu bestimmen, indem die folgende Berechnung ausgeführt wird:
wobei Vo_max – Vo_min der Länge des Änderungsbereichs des Ausgangssignals entspricht, wobei dieser Koeffizient mit der relativen Messgenauigkeit des Vorspannungssignals berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die kapazitive Schaltung (32) durch einen kapazitiven Sensor gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine erste feste Kapazität (C1) und eine zweite variable Kapazität (C2) besitzt, und dass die Regression polynomisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die kapazitive Schaltung (32) aus einem kapazitiven Sensor gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine erste und eine zweite Kapazität (C1, C2) besitzt, deren Summe konstant ist, und dass die Regression linear ist.