DE19648048C2

DE19648048C2 - Detektorvorrichtung zur Druckmessung basierend auf gemessenen Kapazitätswerten

Info

Publication number: DE19648048C2
Application number: DE19648048A
Authority: DE
Inventors: Michihiko Tsuruoka; Takahiro Kudo; Masato Takahashi; Nobuhisa Kato; Kimihiro Nakamura; Shushi Tsukamoto
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2016-11-21
Also published as: US5992240A; FR2741441B1; FR2741441A1; DE19648048A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Detektorvorrichtung, um einen Druck zu ermitteln, indem die Deformation einer Membran in Abhängigkeit vom Druck gemessen wird, indem Veränderungen der Kapazität zwischen der Membran und einer Elektrode ermittelt werden. Derartige Vorrichtungen sind bekannt (US 46 70 733, DE 42 06 675 A1, US 46 25 560)

Es ist ein auf dem Kapazitätsprinzip basierender Druckdetektor bekannt (japanische Patentveröffentlichung 06-1228). Die Fig. 1 zeigt eine Druckdetektoreinheit 1 des bekannten Druckdetektors. Die Druckdetektoreinheit 1 weist eine Membrane 2 aus Silicium auf und weiterhin erste leitende Platten 3a und 3b, Isolatorplatten 4a und 4b, Stützteile 5a und 5b, Verbindungsteile 6a und 6b und schließlich zweite leitende Platten 7a und 7b auf. Die ersten leitenden Platten 3a und 3b sind jeweils einander gegenüberliegend in einem vorbestimmten Abstand von der Membran 2 angeordnet. Die Isolatorplatten 4a und 4b isolieren die ersten leitenden Platten 3a und 3b und die Stützteile 5a und 5b von den zweiten leitenden Platten 7a und 7b. Die Membran 2 ist an den Stützteilen 5a und 5b durch die Verbindungsteile 6a und 6b befestigt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, durchdringen druckeinführende Rohre 8a und 8b die ersten leitenden Platten 3a und 3b, die isolierenden Platten 4a und 4b und die zweiten leitenden Platten 7a und 7b. Die druckführenden Rohre 8a und 8b führen Druckmittel unter den Drücken P1 und P2 zum Zentrum der Druckdetektoreinheit 1. Elektrisch leitende Filme 9 sind an der inneren Oberfläche der druckführenden Rohre 8a und 8b vorgesehen, so daß die zweiten leitenden Platten 7a bzw. 7b elektrisch mit den ersten leitenden Platten 3a bzw. 3b leitend verbunden sind. Die links und rechts zur Membran 2 vorhandenen Elemente wirken als Kapazitäten mit den Kapazitätswerten C1 und C2.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines bekannten Druckdetektors 12 mit der Druckdetektoreinheit 1. Eine inkompressible Flüssigkeit, beispielsweise Siliconöl, befindet sich in Teilen 10 und 11 oder in druckaufnehmenden Kammern 14a und 14b. Der Druck wird über abdichtende Membrane 13a und 13b zur Membrane 2 durch die inkompressible Flüssigkeit übertragen.

Die Kapazitäten C1 und C2 sind von der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit abhängig. Falls die Dielektrizitätskonstante sich bei einer Änderung der Temperatur oder des Druckes ebenfalls ändert, führt dies zu einem Fehler bei der Messung des Drucks.

Ein bekanntes Verfahren, um diese Fehler zu beseitigen, basiert darauf, den Druck bei einer Verschiebung Δ der Membrane 2 zu bestimmen und die Meßwerte der Kapazitäten C1 und C2 durch die folgende Gleichung (1) zu korrigieren.

(C1 - C2)/{(C1 + C2) - 2Ck} = Δ/d (1),

wobei d jeweils den Zwischenraum zwischen der Membran 2 und den ersten leitenden Platten 3a bzw. 3b und Ck die parasitäre Kapazität bezeichnet, die zwischen den leitenden Teilen erzeugt wird, wobei es sich hierbei nicht um die Elektroden handelt.

Die Werte der Kapazitäten C1 und C2 können durch die folgende Gleichung (2) dargestellt werden, wobei S den Bereich der Elektrode, ε die relative Dielektritzitätskonstante des druckleitenden Mediums und ε0 die Dielektrizitätskonstante in Vakuum bezeichnet. Erhält man den Druck über die Gleichung (1), so bleibt die Dielektrizitätskonstante des Mediums unberücksichtigt, wohingegen bei der Gleichung (2) der Einfluß der dielektrischen Konstante des Mediums eingeht.

C1 = ε0 . ε . S/(d - Δ)

C2 = ε0 . ε . S/(d + Δ) (2)

Wenn eine Hochpräzisionsmessung erforderlich ist, treten folgende Probleme auf. Wenn ein Hochdruck gemessen wird, wird die gesamte Druckdetektoreinheit 1 von außen her unter Druck gesetzt, so daß sich die Zwischenräume zwischen der Membran 2 und den ersten leitenden Platten 3a und 3b verringern, wodurch sich die Kapazitäten C1 und C2 erhöhen. Die Gleichung (2) geht dann in die Gleichung (3) über, wobei δ diese Abstandsveränderung wiedergibt.

C1 = ε0 . ε . S/(d - Δ - δ)

C2 = ε0 . ε . S/(d + Δ - δ) (3)

Entsprechend kann, die Gleichung (1) dann durch die Gleichung (4) ersetzt werden und, wobei diese die vom Druck abhängigen Verschiebungen δ) berücksichtigt.

(C1 - C2)/{(C1 + C2) - 2Ck} = Δ/(d - δ)) (4),

Falls die Temperatur des Mediums sich ändert, verändert sich der Zwischenraum zwischen der Membran 2 und den Platten 3a und 3b und als Folge hiervon verändern sich die Kapazitäten C1 und C2 ebenfalls. Da nicht nur ein kleiner Fehler auftritt, wenn diese Veränderungen stattfinden und der Druck mit einer hohen Präzision zu ermitteln ist, ist ein Temperatursensor oder ein zweiter Drucksensor erforderlich, um die notwendigen Anpassungen durchzuführen. In diesem Fall treten Probleme durch steigende Kosten auf, und zwar mit der zunehmenden Zahl erforderlicher Einrichtungen und Signalverarbeitungs stromkreise und dergl.

Ein verhältnismäßig einfacher Drucksensor, um diese Probleme zu lösen, wird in dem Artikel "Smart Pressure Sensors for Industrial Application, SENSORS Juni 1995, S. 32, 33, 48 und 49" beschrieben. Die Fig. 3 zeigt einen Bezugskondensator 21 und einen Sensorkondensator 22 auf einem Siliciumsubstrat 23 Der zu messende Druck wird an beide Seiten des Bezugskondensators 21, aber nur an die eine Seite des Sensorkondensators 22 angelegt. An der anderen Seite des Sensorkondensators 22 steht ein Bezugsdruck an. Ein Differentialdruck wird erhalten, der auf dem Verhältnis der Kapazität des Bezugskondensators zu der des Sensor kondensators 21 bzw. 22 basiert (R = Cr/Cs, wobei Cr und Cs jeweils die Kapazitäten des Bezugskondensators 21 und des Sensorkondensators 22 angeben).

Das Verhältnis R wird durch die folgende Gleichung (5) berechnet

R = Cr/Cs = (Tb - Ts)/(Tb - Tr) (5),

wobei Ts, Tr und Tb durch die folgende Gleichung (6) bestimmt werden

Ts = (Cs + Cp)Rf

Tr = (Cr + Cp)Rf

Tb = (Cr + Cs + Cp)Rf (6),

wobei Cp die parasitären Kapazitäten bezeichnet, die auf Streukapazitäten beruhen und Rf den Rückkopplungswiderstand eines Gebers bezeichnet, der beim Messen eingesetzt wird.

Obgleich die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung den Einfluß der parasitären Kapazität Cp ausschalten kann, welche für gewöhnlich sowohl beim Bezugskondensator 21 als auch beim Sensorkondensator 22 vorhanden ist, besteht dadurch ein Problem, daß der Einfluß durch Veränderungen in der Temperatur und des Drucks auf die Kapazitäten nicht kompensiert werden kann.

Die Veröffentlichung "Silicon Diaphragm Capacitive Vacuum Sensor, K. Hatanaka et al., Technical Digest of the 13^th Sensor Symposium 1995, S. 37-40" beschreibt einen Vakuumsensor, in welchem zwei Drucksensoren eingesetzt werden, um in ausreichender Weise einen großen Meßbereich abzudecken. Bei diesem Beispiel wird die Beziehung zwischen dem an den Sensor angelegten Druck und dem Ausgang des Sensors für jeden der Sensoren analysiert.

Ein bekanntes Verfahren zur Verarbeitung von Ausgangssignalen von Drucksensoren (japanische Patentveröffentlichung 7-209122) verbindet definitiv und aufeinanderfolgend die charakteristischen Kurven der einzelnen Sensoren, in dem eine Gewichtungsfunktion in einem Zwischenbereich eingesetzt wird, in welchem die Druckmeßbereiche der beiden Drucksensoren, die auf unterschiedlichen Meßprinzipien basieren, einander überlappen. Es kann jedoch die Gewichtungsfunktion lediglich den Ausgang des Sensors bewerten, der eine größere Veränderung anzeigt, wenn die Ausgänge der Sensoren sich unter dem Einfluß einer Störung, beispielsweise einer Veränderung in der Umgebungstemperatur verändern. Als Ergebnis hiervon kann eine Veränderung im Ausgang auf Grund einer solchen Störung nicht verringert werden kann. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn eine Störgröße den Ausgang von lediglich dem einen Sensor beeinflußt, wodurch die Spezifikation für die Charakteristik des Zwischenbereiches, aber auch die Charakteristik des Sensors selbst beeinflußt wird. Demzufolge kann keine präzise Messung erwartet werden.

Verfahren zur Lösung von Problemen durch Streukapazitäten sind in der japanischen Patentveröffentlichung 64-71211 und der japanischen Patentveröffentlichung 4-12813 beschrieben. Nach der ersten Patentveröffentlichung kann der Einfluß der parasitären Kapazität dadurch verringert werden, daß ein Verhältnis zwischen zwei Kapazitäten eingesetzt wird. Nach der letztgenannten Veröffentlichung kann der Einfluß der parasitären Kapazität dadurch beseitigt werden, daß eine feste Kapazität eingesetzt wird, die zu der parasitären Kapazität äquivalent ist.

Da die Kapazität jedoch eine Veränderung nach einer quadratischen Kurve im Ansprechen auf den Druck zeigt, wird ein Korrekturvorgang durch einen Linearisierungsvorgang kompliziert. Als Ergebnis hiervon ist es schwer, den Druck mit hoher Präzision festzustellen, auch wenn der Meßbereich begrenzt ist. Diese Problematik wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4C beschrieben.

Fig. 4A zeigt eine Anordnung, in welcher eine bewegbare Elektrode ELV zwischen zwei festen Elektroden ELF vorgesehen ist, wobei sich die eine Kapazität erhöht, während die andere sich verringert, falls die bewegliche Elektrode ELF sich nach links oder rechts bewegt, wenn eine Druckänderung stattfindet. Unter der Annahme, daß d1 den Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ELV und der festen Elektrode ELF bezeichnet, können die Kapazitäten C1 und C2 wie folgt berechnet werden, wobei Δd die Lageänderung der beweglichen Elektrode ELF anzeigt, so wie dies durch eine unterbrochene Linie in 4A dargestellt ist.

C1 = εS/(d1 - Δd1)

C2 = εS/(d2 - Δd2),

wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Bereichs zwischen den Elektroden und S die Elektrodenfläche ist.

Gemäß der japanischen Patentveröffentlichung 58-21104 gilt

(C1 - C2)/(C1 + C2) = Δd1/d1,

wobei die Verschiebung Δd1 proportional zum Druck ist und daher der Wert von (C1 - C2)/(C1 + C2) sich liniar mit dem Druck P wie in Fig. 4B ändert.

Weiterhin gilt

C1/C2 = (d1 + Dd1)/(d1 - Dd1).

Obwohl die Veränderung Δd1 proportional zum Druck ist, tritt dennoch ein Meßfehler auf, weil die Beziehung zwischen dem Kapazitätsverhältnis C1/C2 und dem Druck quadratisch ist.

Nach der japanischen Patentveröffentlichung 4-12813 verändert sich eine parasitäre Kapazität mit der Temperatur. Wenn die parasitäre Kapazität kompensiert werden soll, indem eine feste Kapazität eingesetzt wird, die zu der parasitären Kapazität äquivalent ist, so kann die parasitäre Kapazität über alle Temperaturbereiche nicht eleminiert werden.

Darüber hinaus tritt eine Ausgangsspannung V auf, wenn eine Spannungsquelle E eingesetzt wird:

V = (C1 - C2)/(C1 + C2) × E.

In diesem Fall kann die Speisespannung E sich ändern und irgendeine Störung auf diese Spannung würde auf das ermittelte Signal einwirken und es instabil machen. Derartige Störungen können in nachteiliger Weise die digitale Signalverarbeitung beeinflussen.

Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und sie bezweckt, eine Druckdetektorvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, Druckmessungen mit hoher Präzision und niedrigen Kosten zu ermöglichen. Die Erfindung will auch eine Druckdetektorvorrichtung schaffen, die einer kurzen Signalverarbeitungszeit arbeitet und nur eine geringe Energie benötigt. Weiterhin will die vorliegende Erfindung eine Druckdetektorvorrichtung schaffen, bei welcher der Einfluß parasitärer Kapazitäten bemerkenswert verringert worden ist.

Gelöst werden diese Probleme durch die in dem Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Durch den fünften Kondensator und durch die Verwendung von zwei Membranen kann der Druck mit höherer Präzision bestimmt werden. Der sechste Kondensator erfaßt den Einfluß der sich ändernden Temperatur der Umgebung. Der siebte Kondensator erfaßt Änderungen, die von der Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des druckleitenden Mediums abhängen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch eine bekannte Druckdetektoreinheit, deren Wirkungsweise auf der Kapazität basiert.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines bekannten Druckdetektors mit der in Fig. 1 beschriebenen Druckdetektoreinheit.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines bekannten Drucksensors.

Die Fig. 4A bis 4C zeigen ein Ersatzschaltdiagramm und die Abhängigkeiten von Kapazitätsverhältnissen vom Druck.

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Druckdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Druckdetektorvorrichtung gem. der Erfindung zeigt.

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, welches das Signalübertragungssystem der Druckdetektorvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.

Fig. 8 zeigt Signalwellenformen, die durch die Druckdetektorvorrichtung gemäß der Erfindung erzeugt werden.

Fig. 9 bis 14 zeigen Blockdiagramme für unterschiedliche Ausführungsformen des Kapazitäts-Frequenz- Umwandlungsstromkreises.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Fig. 5 zeigt zwei Membrane 103 und 106 in einer Druckdetektoreinheit 201 an einem Siliciumsubstrat 102, die beispielsweise durch Plasma-Etching beider Seiten eines Siliciumsubstrats 102 gebildet sind. Die Membrane 103 und 106 haben an ihren Mittelteilen jeweils flache Teile 104 und 107 mit leicht dünnerer Wanddicke als die des Siliciumsubstrats 102 und haben dünne Bereiche 105 bzw. 108, die kreisförmig an ihren Umfängen ausgebildet sind. Da die Membran 103 für niedrigen Druck eingesetzt wird und die Membran 106 für hohe Drücke, ist der dünnere Teil 105 dünner als der Teil 108 ausgeführt worden. Die dünneren Teile sind so dimensioniert, daß sie eine optimale Dicke haben, die von dem anwendbaren Druckbereich abhängt. Substrate 109a und 109b sind aus isolierendem Material hergestellt worden und haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der gleich dem des Siliciumsubstrats 102 ist, beispielsweise wie Pyrexglas und dergl. Sie sind zu beiden Seiten des Siliciumsubstrates 102 fest miteinander verbunden. Als Ergebnis hiervon werden Zwischenräume 110a und 110b und Zwischenräume 114a und 114b zu beiden Seiten der Membrane 103 bzw. 106 gebildet.

Feste Elektroden 112a und 112b sind an gegenüberliegenden Seiten des flachen Teils 104 der Membran 103 an den isolierenden Substraten 109a und 109b durch Aufbringen von Schichten aus Cr und Au gebildet. In entsprechender Weise sind Elektroden 116a und 116b gegenüberliegend dem flachen Teil 107 der Membran 106 an den isolierenden Substraten 109a und 109b ausgebildet. Demzufolge wird ein Kondensator zwischen jeder festen Elektrode und der Membran ausgebildet. Kondensatoren bzw. Kapazitäten C10 und C20 sind zwischen der Membran 103 und den festen Elektroden 112a und 112b vorhanden. Kondensatoren bzw. Kapazitäten C30 und C40 befindet sich zwischen der Membran 106 und den festen Elektroden 116a und 116b.

Druckführende Öffnungen 111a und 111b, 115a und 115b verbinden die Räume 110a und 110b und die Räume 114a und 114b mit äußeren Bereichen und leiten die äußeren Drücke P1 und P2 zu den Membranen. Elektroden 113a, 113b, 117a und 117b sind an den inneren Flächen der Öffnungen 111a, 111b, 115a und 115b und an denjenigen Teilen, die die Öffnungen 111a, 111b, 115a und 115b an den äußeren Oberflächen der isolierenden Substrate 109a und 109b umgeben, ausgebildet. Diese Elektroden sind elektrisch an die Elektroden 112a, 112b, 116a und 116b jeweils angeschlossen.

Ein Zwischenraum (ein Vakuumraum) 119 ist in dem Siliciumsubstrat 102 vorgesehen und hat die gleiche Tiefe wie die flachen Teile 104 und 107. Eine Elektrode 120 ist an dem isolierenden Substrat 109a gegenüberliegend dem Raum 119 ausgebildet und ein Kondensator C50 ist zwischen der Elektrode 120 und dem Siliciumsubstrat 102 ausgebildet. Die Elektrode 120 ist mit einer Elektrode 122 verbunden, die an der äußeren Fläche des isolierenden Substrat 109A angeordnet ist, und zwar über eine Elektrode, die innerhalb einer Öffnung 121 an dem isolierenden Substrat 109a ausgebildet ist. Ein isolierendes Substrat 123 ist an der Elektrode 122 so vorgesehen, daß die Öffnung 121 und der Raum 119 vollständig abgedichtet werden können. Das isolierende Substrat 123 hält den Raum 119 unter Vakuum. Dieser Aufbau um den Raum 119 herum unter Einschluß des Kondensators C50 führt zur Verwirklichung einer Absolutdruckdetektoreinheit 40.

Eine Elektrode 125 ist an der äußeren Fläche des isolierenden Substrates 109a vorgesehen. Die Elektrode 125 und ein Siliciumsubstrat 10 bilden einen Kondensator C60, der das isolierende Substrat 109a zwischen diesen Teilen enthält. Durch diesen Aufbau ist eine Temperaturdetektoreinheit 46 gebildet worden.

Ein Basisteil 126 fixiert die Druckdetektoreinheit 201 an der Innenseite des Körpers eines Druckdetektors. Eine isolierende Platte 27 fixiert die Elektroden 113b und 117b nach der Isolierung von der Basis 126 und formt einen Druckeinlaß 130 zur Übertragung des Drucks P1 zu den Drucköffnungen 111b und 115b, wodurch die Elektroden 113b und 117b befestigt werden. Eine Öffnung 128, die sich zu dem Siliciumsubstrat 102 hin erstreckt, ist an dem isolierenden Substrat 109a vorgesehen. Eine Elektrode 129 ist an der inneren Fläche der Öffnung, beispielsweise durch die Spatter-Methode hergestellt worden. Das Siliciumsubstrat 102 ist über die Elektrode 129 geerdet.

Fig. 5 zeigt weiterhin eine Bezugskapazitätsdetektoreinheit 210. Die Bezugskapazitätsdetektoreinheit 210 weist einen Raum 211 auf, der in dem Siliciumsubstrat 102 gebildet ist, und weiterhin eine Elektrode 212, die an dem isolierenden Substrat 109a im oberen Bereich des Raumes 211 ausgebildet ist. Der Raum 211 ist durch Plasma-Ätzung des Siliciumsubstrates bis zur Tiefe der Membrane 104 und 108 hergestellt worden. Ein Kondensator C70 ist zwischen der Elektrode 212 und dem Siliciumsubstrat 102 ausgebildet. Eine Elektrode 214 ist an der oberen Fläche des isolierenden Substrates 109a geformt und ist mit der Elektrode 212 durch eine leitende Verbindung verbunden, die innenseitig an eine Öffnung 213 in dem isolierenden Substrat 109a ausgebildet ist.

Der Raum 211 wird mit dem Druckmedium der Kondensatoren C10 bis C40 gefüllt und überträgt den Druck P1 und P2. Daher wird lediglich eine Veränderung in der Dielektrizitätskonstanten des Druckmediums detektiert, welche mit einer Veränderung in der Temperatur oder dem Druck einhergeht, indem eine Veränderung der Kapazität des Kondensators C70 festgestellt wird.

Die parasitären Kapazitäten der Kondensatoren C10 bis C40 werden ebenfalls durch eine Veränderung in der Dielektrizitätskonstanten des Druckmediums beeinflußt, welches sich mit der Temperatur und dem Druck ändert. Daher kann eine reine Streukapazität ohne Einfluß einer Veränderung in der Dielektrizitätskonstanten dadurch erhalten werden, indem eine Veränderung durchgeführt wird, die auf dem Meßergebnis der Kapazität für den Kondensator C70 basiert. Auf diese Art und Weise wirkt die Einheit 210 als parasitärer Kapazitätsänderungskondensator.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Druckdetektorvorrichtung zeigt und weist die Druckdetektoreinheit 201, eine Auswahleinheit 202, einen Kapazitäts-Frequenz-umwandlungsstromkreis 203, einen Zähler 204 und einen µ-COM-Arbeitsstromkreis 205 auf, der durch einen Mikroprozessor verwirklicht worden ist.

Fig. 7 zeigt, wie die Signale von den Kondensatoren C10 bis C70 der Druckdetektoreinheit 201 durch die Schalter SW11 bis SW17 der Auswahleinheit 202 durchgeschaltet werden. Jeder Schalter SW11 bis SW17 umfaßt beispielsweise einen CMOS-Typ- Transistor. Der Schaltsteuerstromkreis SW1 steuert das Öffnen und Schließen der Schalter SW11 bis SW17. Unter dieser Steuerung wird ein erforderliches Signal aus den Signalen von den Kondensatoren C10 bis C70 ausgewählt und zum Kapazitäts- Frequenz-Umwandlungsstromkreis 203 ausgegeben. Der Stromkreis 203 lädt und entlädt die Kondensatoren C10 bis C70 und weist einen Widerstand R und ein Schmidt-Trigger G1 auf. Der Schmidt-Trigger G1 hat zwei Schwellwerte und wandelt einen Ausgang dann um, wenn die Entladung oder Ladespannung den Schwellwert überschreitet, wodurch ein Impulssignal mit einer Frequenz erzeugt wird, die der Kapazität des Kondensators entspricht. Der Zählerstromkreis 204 zählt die Impulssignale unter Verwendung eines Bezugssteuersignals. Der µ-COM- Arbeitsstromkreis 205 liest die Zählwerte und führt eine entsprechende Operation aus.

Als nächstes wird der Meßvorgang der Kapazität des Kondensators C10 bis C70 unter Bezugnahme auf die Fig. 8 beschrieben. (A) bis (f) nach Fig. 28 zeigt die Wellenformen der Signale, an denen durch (a) und (f) gezeigten Positionen der Fig. 7.

Im anfänglichen Zustand gibt der Arbeitsstromkreis 205 kein Modeauswahlsignal PO aus, wie dies bei (a) in Fig. 8 zu erkennen ist, und der Zählstromkreis 204 ist im rückgezählten Zustand gemäß dem Rückstellungssignal RST (b) in Fig. 8. Wenn der Arbeitsstromkreis 205 ein Modeauswahlsignal P0, wie dies in (a) in Fig. 8 angezeigt ist, ausgibt, schaltet der Schaltsteuerstromkreis SW1 den Schalter SW11 ein und wählt die Kapazität C10 aus, hierbei wird ein Schwingstromkreis durch den Widerstand R, den Kondensator C10 und das Gate G1 gebildet. Falls der Eingang zu dem Gate G1 einen niedrigen Pegel hat (L), zeigt der Ausgang von Gate G1 einen hohen Wert (H bzw. V_oh), wodurch der Kondensator C10 über den Widerstand R aufgeladen wird. Wenn die Ladespannung des Kondensators C10 die höhere Spannung (V_tu) des zweiten Schwellwertes erreicht, wird der Ausgang vom Gate G1 vom Pegel L umgekehrt, so daß die elektrische Ladung, die sich durch auf dem Kondensator C10 aufgesammelt hat über den Widerstand R entlädt. Wenn die Eingangsspannung des Gates G1 auf den niedrigen Wert fällt (Spannung V_TL) des zweiten Schwellwertes, zeigt das Gate G1 den H-Pegel, wodurch der Kondensator C10 sich wieder über den Widerstand R auflädt. Durch Wiederholen des Lade- bzw. Entladevorganges gibt das Gate G1 Impulssignale mit einer Frequenz auf, die proportional zur Kapazität des Kondensators C10 ist (vergl. (d) in Fig. 8).

Die Zahl der Impulse der Ausgangsimpulssignale werden durch den Zählstromkreis 204 gezählt. Wenn der Zählwert eine vorbestimmte Zahl erreicht, hält der Zählstromkreis 204 den Zählvorgang an, wie dies in (f) gezeigt ist, indem ein Impulssignal (IRQ) ausgegeben wird, welches in (e) in Fig. 8 gezeigt ist. Der Arbeitsstromkreis 205 empfängt das Zählsignal IRQ als ein Unterbrechungssignal vom Zählstromkreis 204 und liest den Zählwert n als Ausgang P1 bei einer Entlade bzw. Ladezeit T1 ein.

Die Ladezeit des Kondensators C10, nämlich die Zeit t1 wird wie folgt berechnet:

V_TV - V_TL = (V_OH - V_TL)(1 - e^-t1/R.C10) (12)

und

t1 = R . C10 . LN{(V_OH - V_TL)/(V_TU - V_TL)} (13),

wobei LN den natürlichen Logarithmus darstellt.

Die Entladezeit t1' wird entsprechend wie folgt berechnet:

V_TV - V_TL = (V_OL - V_TU) . (1 - e^-t1'/R.C10) (14)

und

t1' = R . C10 . LN{(V_OL - V_TU)/(V_OL - V_TL)} (15).

Da die Zeit der Ladevorgänge n - 1 für n Ladezeiten ist, wie dies in (d) in Fig. 28 dargestellt ist, kann die Ladezeit T1 wie folgt berechnet werden:

T1 = n . t1 + (n - 1). t1' (16)

Die Ladezeit wird vielfach berechnet, weil die Präzisionsmessung des Zeitmeßzählers verbessert wird. Die Ladezeit (die Zahl der Impulse) n kann durch einen zweckmäßigen Wert eingestellt werden, der der Bezugszeitsteuerfrequenz, dem Wert des Widerstandes R und der Kapazität und dergl. des Kondensators entspricht. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist n = 960.

Als nächstes schaltet der Stromkreis 205 entsprechend den Gleichungen (13) und (15) den Schalter aus und schaltet den Schalter SW12 unter der Steuerung des Schaltstromkreises SW1 nach dem Berechnen der Ladezeit T1 von der ausgezählten Zahl der Impulse n und der Ladungszeit T1 für die Kapazität C10. In entsprechender Weise wird die Lade- und Entladezeit T2 des Kondensators C20 und die Impulssignale zu der Ladezeit t2 gezählt. Dieser Vorgang ist entsprechend dem bereits oben beschriebenen. Der rechte Teil der Fig. 28 zeigt eine zeitliche Darstellung für diesen Vorgang. In entsprechender Weise wird die Ladezeit der Kondensatoren C30 bis C70 berechnet.

Basierend auf den erhaltenen Ladezeiten führt der Arbeitsstromkreis 205 die folgenden Operationen durch.

Die durch die Membran angezeigte Veränderung wird für einen niedrigen Druckbereichsensor L, der die Kondensatoren C10 und C20 erfaßt, erhalten.

(t1 - t2)/(t1 + t2 - 7) = (C10 - C20)/(C10 + C20 - C70) (17)

In diesem Fall enthält die gemessene Kapazität die parasitäre Kapazität, die zwischen den Leitern erzeugt wird, und zwar unter Ausschluß der Elektroden in der Druckdetektoreinheit 201. Daher wird eine parasitäre Kapazität von CS1 in der oben beschriebenen Gleichung (17) wie folgt repräsentiert:

(C10 + Cs1 - C20 - Cs1)/(C10 + Cs1 - C20 + Cs1 - C70) = (C10 - C20)/(C10 + C20 + 2Cs1 - C70) (18),

wobei mit 2Cs1 = C70 (Cref) wird der Einfluß der parasitären Kapazität ausgelöscht wird. Auf diese Art und Weise kann eine Veränderung, die durch die Membran angezeigt wird, erhalten werden, während der Einfluß der Kapazität durch die Durchführung einer Operation ausgelöscht werden kann, die den oben beschriebenen Gleichungen entspricht und unter Einsatz des Mikroprozessorstromkreises durchgeführt wird. Für einen Hochdruckbereichsensor H unter Einschluß der Kapazitäten C30 und C40 wird eine Operation gemäß den Gleichungen 20 und 21 durchgeführt, die den Gleichungen 18 und 19 entsprechend

(t3 - t4)/(t3 + t4 - t7) = (C30 - C40)/(C30 + C40 - C70) (19)

(C30 + Cs2 - C40 - Cs2)/(C30 + Cs2 - C40 + Cs2 - C70) = (C30 - C40)/(C30 + C40 + 2Cs2 - C70) (20)

wobei Cs2 die parasitäte Kapazität bezeichnet, die sich auf Hochdruckgereichsensor H bezieht.

Wenn Temperatur- und Druckausgleich durchgeführt werden, wählt der Mikroprozessorstromkreis 205 die Kapazitäten C50 oder C60 aus, mißt die Ladezeiten t4 und t5, die proportional zur jeweiligen Kapazität in einer Art und Weise berechnet wird, wie die, die oben beschrieben worden ist, und führt einen vorbestimmten Änderungsvorgang durch, der auf dem Meßwertergebnis basiert.

Der Kapazitäts-Frequenz-Umwandlungsstromkreis 203 nach Fig. 9 wandelt den Schmidt-Trigger-Gate G1, der in Fig. 7 gezeigt ist, von einem Wechselrichter-Gate in ein NAND-Gate G2 um. Der eine Eingang F des NAND-Gates G2 ist ein Steuergateanschluß 241. Wenn ein Eingang von dem Arbeitsstromkreis 205 zu dem Gate-Anschluß 241 geht, wird ein niedriger Pegel angezeigt und das NAND-Gate G2 führt keine Ladung und auch keine Entladung durch. Der Lade- oder Entladevorgang wird lediglich dann durchgeführt, wenn das NAND-Gate G2 einen hohen Pegel zeigt. In diesem Beispiel kann eine vorbestimmte Nichtarbeitszeit für das NAND-Gate G2 durch Steuern eines Eingangssignals zum Gate- Terminal 241 durch den Mikroprozessorarbeitsstromkreis eingestellt werden, wodurch der Energieverbrauch verringert wird. Die Bezugszahlen (1) und (2) in Fig. 9 zeigen ein Beispiel für eine Ausgangswellenform vom NAND-Gate G2 und ein Beispiel einer Eingangswellenform zum Gate-Anschluß 241.

In dem Beispiel nach Fig. 10 ist das Schmidt-Trigger-Gate G1, welches in Fig. 7 gezeigt worden ist, durch zwei Wechselrichter 231 und 232 und zwei Widerstände Rs und Tf ersetzt worden. Der Schwellwert der Spannung des Inverters V_TH, ist die Spannung (Speisespannung), die an dem Stromkreis gelegt wird V_DD, der höhere der beiden Schwellspannungen ist V_TU und der niedrigere der beiden Schwellspannungen ist V_TL.

V_TL = (Rs + Rf)/Rf . {V_TH - Rs . V_DD/(Rs - Rf)} (21)

V_TU = (Rs + Rf) . V_TH/Rf (22)

V_TU - V_TL = Rs . V_DD/Rf (23)

Als Ergebnis hiervon kann die Differenz zwischen den beiden Schwellwerten der Spannungen beliebig durch Auswahl der Widerstandswerte der Widerstände Rs und Rf eingestellt werden und zwar basierend auf den oben beschriebenen Gleichungen (23).

Die Druckdetektervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung detektiert einen Druck als eine Veränderung in der Kapazität, wandelt ein Detektorsignal in ein elektrisches oder optisches Signal um und überträgt dann das Ergebnis zu einer im Abstand angeordneten Empfängereinheit und dgl., wodurch der elektrische Energieverbrauch der Vorrichtung verringert wird. In diesem Fall fließt ein hoher Strom in einem Schaltvorgang, falls das Gate oder entsprechende Einrichtung eine CMOS- Einrichtung aufweist. Um einen kleineren effektiven Wert des elektrischen Energieverbrauchs zu erhalten, sollte eine Schwingungsfrequenz beim Lade- und Entladevorgang kleiner gemacht werden. Wenn daher die Höhe der Schwellspannung auf einen großen Wert mit dem in Fig. 10 gezeigten Aufbau eingestellt wird, kann die Schwingungsfrequenz kleiner sein, wodurch der Energieverbrauch der Vorrichtung verringert wird.

Im Falle der Fig. 11 sind zwei Schalter CC1 und CC2 jeweils mit CMOS-Transistoren und dgl. aufgebaut, so wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Diese Schalter werden dem Ausgang von Gate G1 entsprechend so gesteuert, um die Spannungseinspeisung von der Konstantstromquelle V_DD zu steuern, um die Ladung oder Entladung des Kondensators durchzuführen. Wellenformen (1) und (2), die in Fig. 11 gezeigt sind, stellen eine Ausgangswellenform und eine Eingangswellenform des Gates G1 dar, wobei die Wellenform (3) und (4) jeweils dem Gatesignal für die Transistoren CC1 und CC2 entsprechen. Mit diesem Aufbau wird die Steigung der Spannung um die in Spannungsschwellwert herum groß im Vergleich mit dem Fall, wo die Ladung und Entladung durch einen Widerstand und einen Kondensator verändert wird, welche eine exponentielle Form zeigt. Daher ist die Vorrichtung durch Störungen, Rauschen und dgl. weniger beeinflußbar. Mit Hilfe der CMOS-Transistoren kann weiterhin der Vorteil erzielt werden, daß die Temperaturdrift auf 0 eingestellt wird, weil die Quellspannung verwendet wird.

In diesem Beispiel nach Fig. 12 umfaßt der Schwingstromkreis drei Inverter oder Nicht-Stufen G710, G720 und G730, einen Lade- und Entladewiderstand R und Kondensatoren C10 bis C70, um einen Lade- oder Entladevorgang durchzuführen unter Verwendung der Schwellspannung. Ein Schutzwiderstand R7 hält die Lade- und Entladespannung, wie in (3) in Fig. 12 gezeigt wird so, daß sie nicht den Quellspannungsbereich V_SS bis V_DD überschreitet. Da das Gate G730 einen hohen Pegel (H) hat, wenn sein Eingang einen niedrigen Pegel hat, wird der Kondensator über den Widerstand R geladen. Wenn die Ladespannung den Schwellwert V_TU erreicht, wird der Ausgang des Gates G730 umgekehrt und zwar auf dem Pegel L und die elektrische Ladung des Kondensators wird über den Widerstand R entladen. Wenn die Entladespannung des Gates G730 einen niedrigeren als den Schwellwert V_TH annimmt, zeigt der Ausgang des Gates G730 den H-Pegel an, wodurch der Kondensator wieder über den Widerstand R geladen wird. Wie durch die Wellenform der Ladung und Entladung in (3) in Fig. 12 gezeigt, kann die Veränderung der Lade- und Entladespannung größer als nach der Schmidt-Trigger-Methode (vergleiche die Darstellung (3) der Fig. 12). Als Ergebnis hiervon kann die Schwingungsfrequenz kleiner als oben beschrieben sein und der Energieverbrauch kann erfolgreich verringert werden.

Das Beispiel nach Fig. 13 ist eine Veränderung der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung. Das Invertergate G710 ist nun ein NAND- Gate G810 und Gateeingangsanschluß 410 ist, wie in Fig. 33 gezeigt, vorgesehen. Die Wellenformen (1), (2), (3) und (4), die in Fig. 13 zu erkennen sind, zeigen eine Eingangswellenform und eine Ausgangswellenform des Gates G730, die Entlade- und Ladespannungswellenform der Kondensatoren und das eine der beiden Eingangssignale des NAND-Gates G810.

Fig. 14 ist ein Beispiel, bei dem der Entlade- und Ladewiderstand R7 durch zwei Schalter CC1 und CC2 ersetzt worden ist. Die Schalter CC1 und CC2 werden in Abhängigkeit vom Ausgang des Gates 730 geschaltet und die Speisespannung von der Konstantstromquelle V_DD wird dadurch so gesteuert, um den Kondensator zu laden und entladen. Die in Fig. 13 wiedergegebenen Wellenformen (1), (2), (3), (4) und (5) zeigen die Lade- und Entladespannungswellenform der Kondensatoren, eine Eingangswellenform und eine Ausgangswellenform des Gates G730 und die Gate-Signale der Transistoren CC1 und CC2.

Claims

1. Eine auf der Kapazität basierende Detektorvorrichtung zur Ermittlung des Drucks, der an einer Membran anliegt, basierend auf der sich bei Druckveränderung in einem Teil der Membran verändernden Kapazität, aufweisend:
eine erste Membran (103), deren Lage sich in Abhängigkeit des Differentialdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck (P1, P2) ändert,
eine erste Elektrode (112a), die einer ersten Ebene der ersten Membran (103) gegenüberliegend angeordnet ist und zusammen mit der Membran einen ersten Kondensator (C10) bildet,
eine zweite Elektrode (112b), die einer zweiten Ebene der ersten Membran (103) gegenüberliegend angeordnet ist und zusammen mit der Membran einen zweiten Kondensator (C20) bildet,
weiterhin aufweisend
eine zweite Membran (106), die dicker als die erste Membran (103) ist und deren Lage sich in Abhängigkeit des Differentialdrucks zwischen dem ersten und dem zweiten Druck (P1, P2) ändert,
eine dritte Elektrode (116a), die einer ersten Ebene der zweiten Membran (106) gegenüberliegend ausgebildet ist und zusammen mit der zweiten Membran einen dritten Kondensator (C30) bildet, und
eine vierte Elektrode (116b), die einer zweiten Ebene der zweiten Membran (106) gegenüberliegend ausgebildet ist und zusammen mit der zweiten Membran einen vierten Kondensator (C40) bildet;
einen fünften Kondensator (C50), dessen Kapazität sich gemäß dem zweiten Druck (P2) ändert;
einen sechsten Kondensator (C60), dessen Kapazität sich mit der Umgebungstemperatur der Membrane (103, 106) ändert;
einen siebten Kondensator (C70), dessen Kapazität auf eine Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des Druckmediums anspricht und aufweisend
einen Schaltsteuerstromkreis (SW1), der Verbindungen zwischen den sieben Kondensatoren (C10, C20, C30, C40, C50, C60 C70) und der Detektoreinheit (201) durchschaltet bzw. wahlweise einen der Ausgänge der sieben Kondensatoren zur Detektoreinheit ausgibt.

2. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen Kapazitäts-Frequenz-Umwandlungsstromkreis (203), um die Kapazität der sieben Kondensatoren in ein Impulssignal umzuwandeln;
einen Zähler (204), um die Anzahl von Impulsen des Impulssignals und den Erzeugungszeitpunkt für das Impulssignal festzustellen; und durch
einen Arbeitsstromkreis (205), um die Kapazität des ersten bis siebten Kondensators festzustellen.

3. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung (203) aufweist:
ein Schmidt-Trigger-Gate (G1) zur Erzeugung eines Impulses, bevor die Entladungsspannung eines der sieben Kondensatoren einen zweiten Schwellwert nach Überschreiten eines ersten Schwellwerts erreicht.

4. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung (203) aufweist
ein NAND-Gate (241) zur Erzeugung eines Impulses, bevor die Entladespannung des ersten bis siebten Kondensators einen zweiten Schwellwert nach Erreichen bzw. Überschreiten eines ersten Schwellwerts erreicht, wenn eine Gate-Spannung einen hohen Pegel zeigt.

5. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung (203) aufweist:
einen Stromkreis, der zwei Widerstände (Rs, Rf) und zwei Inverter oder NICHT-Stufen (231, 232) aufweist, um einen Impuls zu erzeugen, bevor eine Entladespannung des ersten bis siebten Kondensators einen zweiten Schwellwert nach Überschreiten des ersten Schwellwerts erreicht.

6. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung aufweist:
einen Stromkreis mit zwei Schaltern (CC1, CC2), die an eine Konstantstromquelle (Voo) und ein Gate (G61) angeschlossen sind, um einen Impuls zu erzeugen, bevor die Entladespannung des ersten bis siebten Kondensators einen zweiten Schwellwert nach Überschreiten des ersten Schwellwerts erreicht.

7. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung einen Stromkreis aufweist, der einen ersten Widerstand (R, R7) und einen zweiten Widerstand umfaßt und drei Inverter oder NICHT-Stufen (G710, G720) aufweist, die parallel zum ersten Widerstand geschaltet sind.

8. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung einen Stromkreis aufweist, der einen ersten und einen zweiten Widerstand (R, R7), ein NAND-Gate (G810) und zwei Inverter (G720, G730) aufweist, die parallel zum ersten Widerstand geschaltet sind.

9. Druckdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Kapazitäts- Umwandlungseinrichtung einen Reihenstromkreis aufweist, der seinerseits zwei Schalter (CC1, CC2) enthält, die an eine Konstantstromquelle, einen Widerstand (R7) und drei Inverter (G710, G720, G730) angeschlossen sind.