Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Kalibrierung eines
Druckwandlers und insbesondere ein Kalibrierungsnetzwerk für
einen Drucksensor.
Grundlagen für die Erfindung
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Ein zur Schaffung eines Ausgabesignals in Erwiderung auf die
Veränderung in einem Parameter ausgewähltes Sensorelement
wird typischerweise auf andere Parameter ansprechen, was
ungewünschte Signalveränderungen hervorruft. Solche
ungewünschten Veränderungen können kompensiert werden durch Vorsehen
eines Elements, das hauptsächlich für den ungewünschten
Parameter empfindlich ist, und durch Verwenden seines
Ausgabesignals, um den ungewünschten Effekt von der Sensorausgabe
abzuziehen, so daß solche Veränderungen auskalibriert werden.
Das Kalibrierungsverfahren von vielen Sensorarten beinhaltet
das Vorsehen eines solchen Elements.
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Die Kalibrierung muß außerdem normalerweise einen Ausgleich
zwischen nominell identischen Sensoren schaffen, da es
typischerweise Unterschiede in den ungewünschten Veränderungen
zwischen den Sensoren des gleichen Typs aufgrund von
Herstellungstoleranzen, Unterschieden in den Ausgangsmaterialien
etc. geben wird. Siliziumpiezowiderstandsdrucksensoren (PRTS)
weisen beispielsweise eine gewünschte Druckcharakteristik
auf, die sich mit der Temperatur verändert. Diese
ungewünschte Veränderung tritt zusätzlich zu anderen intrinsischen
Merkmalen auf, wodurch eine Kalibrierung beispielsweise einer
Nullpunkts (offset) abweichung
und einer Verstärkungsabweichung
zwischen den Sensoren notwendig ist.
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Ein typischer PRT ist eine Vorrichtung mit vier Anschlüssen,
die eine differentielle Ausgangsspannung zwischen zwei
Anschlüssen schafft, die sich mit dem angelegten Druck erhöht,
wobei die anderen beiden Anschlüsse als
Leistungsversorgungsverbindungen dienen. Für eine Beschreibung einer solchen
Vorrichtung wird auf das US-Patent 4 317 126 verwiesen, das an
Gragg ausgestellt wurde. Es gibt drei Hauptmerkmale der
Vorrichtung, die zu kalibrieren ist: Nullpunktverschiebung
(offset), das ist eine von Null abweichende Ausgabe für die
Referenzeingangsgröße; Verstärkung, d.h. die Veränderungen in
der Größe der Ausgangsspannung zwischen den Sensoren bei
einer konstanten Eingabe; und Temperatur, die sich als
temperaturabhängige Nullpunktverschiebung niederschlägt, die durch
eine temperaturempfindliche Vorrichtung zu kompensieren ist,
wie z.B. einen Thermistor.
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Bei der PRT-Technologie ist es bekannt, ein
Kalibrierungsnetzwerk in einem Hybridschaltkreis, der zusammen mit dem
Sensor in einer Einheit vorgesehen ist, einzubauen, um
Wandlerbauteile mit wiederholbarem Verhalten zu schaffen.
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Die WO 88/06719 beschreibt eine Aufbereitungsvorrichtung für
ein Wandlersignal, die eine Temperaturkompensation für einen
Wandler schafft.
Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Kalibrierungsnetzwerk für einen
Drucksensor geschaffen, der ein Ausgabesignal erzeugt, dessen
Wert sich mit Veränderungen in der Temperatur verändert,
wobei das Kalibrierungsnetzwerk umfaßt:
Temperaturkompensationsvorrichtungen
zur Kopplung mit dem Drucksensor zum
Erhalten eines im wesentlichen druckunabhängigen
Temperaturkompensationsstroms von dem Drucksensor, der eine Amplitude
aufweist, die sich gemäß den temperaturinduzierten Veränderungen
in dem Ausgabesignal des Drucksensors verändert, wobei der
Temperaturkompensationsstrom einstellbar ist, um im
wesentlichen einen Nullwert bei einer Bezugstemperatur zu schaffen;
Signalaufbereitungsvorrichtungen zum Empfangen des
Ausgabesignals des Drucksensors und zum Schaffen eines verstärkten
Sensorstroms, dessen Amplitude einstellbar ist; eine Offset-
Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines einstellbaren
Offset-Stroms; und eine Vereinigungsvorrichtung zum
Vereinigen des verstärkten Sensorstroms mit dem
Temperaturkompensationsstrom und dem Offset-Strom, so daß bei der
Bezugstemperatur der Nullwert des Kompensationsstroms ermöglicht, daß
der verstärkte Sensorstrom und der Offset-Strom unabhängig
von jeglichen Effekten von dem Temperaturkompensationsstrom
einstellbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zur Würdigung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung wird nun eine Ausführungsform in bezug auf die
begleitende Zeichnung der Fig. 1 beschrieben, die einen Sensor
darstellt, der mit einem erfindungsgemäßen
Kalibrierungsnetzwerk in Verbindung steht.
Beste Ausführungsform der Erfindung
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Ein Kalibrierungsnetzwerk 10, das eine kalibrierte Ausgabe V&sub0;
schafft, steht mit einem Sensor 11 in Verbindung, bei dem es
sich um einen PRT-Sensor mit vier Anschlüssen handelt. Der
Sensor wird über VCC und die Masseverbindungen, die jeweils
mit 16, 15 bezeichnet sind, mit Energie versorgt. Der Sensor
schafft eine differentielle Ausgabe in der Form einer ersten
Ausgabe S+ am Anschluß 12, die sich erhöht, wenn der an dem
Sensor angelegte Druck erhöht wird, und eine zweite Ausgabe
S-, die sich unter den gleichen Bedingungen erniedrigt. Die
S+- und S--Ausgaben sind jeweils mit den
Operationsverstärkern 17 und 18 verbunden, die als Spannungsfolger angeordnet
sind und als volldifferentielle Spannung-zu-Stromwandler
konfiguriert sind, wobei der sich ergebende Ausgabestrom (I&sub0;)
bei dem Summierungspunkt gegeben ist durch:
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I&sub0; = (V&sbplus; - V&submin;) / R&sub1;&sub0;&sub0;
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wobei V&sbplus; die Größe der ersten Ausgabe (S+), V die Größe der
zweiten Ausgabe (S-) und R100 der Wert eines veränderbaren
Widerstands 100 ist, der in dem Strompfad des Verstärkers 18
angeordnet ist. Ein Darlington-Paar, das durch die
Transistoren 109 und 110 gebildet wird, stellt sicher, daß eine
ausreichende Verstärkung für ein genaues Spiegeln (mirroring)
zur Verfügung steht.
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Eine insgesamte Ausgabespannung V&sub0; wird durch einen
Operationsverstärker 101 bereitgestellt, der als
Strom-Spannungswandler angeordnet ist, der den Strom I&sub0; empfängt. Es sei
bemerkt, daß die differentie1le Eingabe in eine einzelne
Endausgabe umgewandelt worden ist. Der nichtinvertierende
Eingang des Verstärkers 101 wird bei einer konstanten
Spannung VR aufrechterhalten, die von der Versorgungsspannung VCC
über einen durch die Widerstände 102 und 103 gebildeten
Spannungsteiler erhalten wird. Folglich wird die negative
Rückkopplung von dem Operationsverstärker den Summierungspunkt
(Invertierungspunkt) bei dieser konstanten Spannung VR
aufrechterhalten.
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Zusätzlicher Strom mit jeglichem Vorzeichen kann in den
Summierungspunkt injiziert werden durch Setzen der Werte eines
Spannungsteilers, der durch die veränderbaren Widerstände 104
und 105 gebildet wird und mit dem Summierungspunkt 19 in
Verbindung steht.
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Es sei erwähnt, daß das bisher beschriebene Netzwerk geeignet
ist zur Kalibrierung des Sensors in bezug auf die Verstärkung
und die Nullpunktverschiebung (offset). Wie durch die oben
dargestellte Beziehung dargelegt wurde, kann der Widerstand
100 dazu verwendet werden, die Größe von 10 in bezug auf die
Größe von (V&sbplus; - V&submin;) zu skalieren, und eine Stromeinspeisung in
den durch die Widerstände 104 und 105 gebildeten
Spannungsteiler paßt den Offset an.
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Unglücklicherweise ist die Ausgabe des PRT
temperaturabhängig, so daß eine sinnvolle Ausgabe ohne
Temperaturkalibrierung nicht erzielbar ist. Erfindungsgemäß erhält ein
Verstärker 106 ein Signal (V&sub1;), das von der Temperatur abhängt. In
der vorliegenden Ausführungsform wird die
Temperaturabhängigkeit des Sensors selbst zur Ableitung verwendet, bei der es
sich um eine Widerstandsveränderung mit der Temperatur
(typischerweise 0,27 %/ Grad Celsius für Silizium) handelt,
die in gleicher Weise für den Sensor als Ganzes vorliegt. Die
Veränderung wird durch Spannungsveränderungen über die
Leistungsversorgungsanschlüsse 16, 15 ermittelt, wobei die
tatsächlich an den Eingang des Verstärkers 106 angelegte
Spannung durch das Verhältnis des Widerstands 109 und einen
veränderbaren Widerstand 107 skaliert wird. Folglich wird ein
durch den Widerstand 108 fließender und sich gemäß der
Temperaturabhängigkeit des PRT ändernder Strom in den
Summierungspunkt 19 injiziert, um die temperaturabhängigen Veränderungen
in der PRT-Ausgabe zu kompensieren. Eine Verstärkung kann auf
die Ausgabe (V&sub1;) des Verstärkers 106 durch Anpassung eines
veränderbaren Widerstands 107 angewendet werden. Es sei
hervorgehoben,
daß, falls diese Spannung so eingestellt ist, daß
V&sub1; = VR ist, kein Strom über den Widerstand 108 fließen wird
und deshalb die Ausgabe des Verstärkers 106 keinen Beitrag zu
der insgesamten Ausgabe leisten wird, so daß dann ein
Arbeitspunkt vorliegt, in dem der Beitrag des Ausgangsstroms
des Verstärkers 106 druckunabhängig ist. Somit kann bei
diesem Arbeitspunkt der Sensor 11 über seinen Druckbereich
gebraucht werden, um eine Offset- und Verstärkungskalibrierung
zu ermöglichen. Norm-Bezugsdrücke, die zur Kalibrierung
verwendet werden, können 59 kPa und 105 kPa sein. Wenn sich der
Arbeitspunkt von der Norm-Bezugstemperatur wegbewegt, wird
jedoch ein Strom über den Widerstand 108 in den
Summierungspunkt 19 durch die Ausgabe des Verstärkers 106 injiziert.
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Die Übertragungsfunktion des insgesamten Schaltkreises ist
gegeben durch:
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mit:
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R&sub1;&sub0;&sub0; = der Widerstand des Widerstands 100, etc,
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Vd = V&sbplus; - V&submin; (differentielle Ausgangsspannung des Sensors)
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und
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und
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wobei Vs ein in gleicher Weise auftretender Spannungsabfall
(common mode voltage drop) über die
Leistungsversorgungsverbindungen
des Sensors und Rs der Eingangswiderstand des PRT-
Sensors ist.
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Veränderbare Widerstände sind mit einem Stern (*)
gekennzeichnet.
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Gemeinsam mit vielen Kalibrierungsproblemen kann die
Kalibrierung eines PRT als eine intrinsische Kalibrierung betrachtet
werden, um das Ansprechen des Sensors auf den gewünschten
Parameter (Druck) einzustellen, und als eine externe
Kalibrierung zur Regelung der Anwendung einer Kompensation, um
sicherzustellen, daß das Ansprechen auf den ungewünschten Parameter
(Temperatur) auskalibriert ist.
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Aus der obigen Übertragungsfunktion kann man beobachten, daß
R*&sub1;&sub0;&sub0; dazu verwendbar ist, das differentielle Ansprechen (Vd)
zu skalieren, d.h. R*&sub1;&sub0;&sub0; schafft eine Verstärkungseinstellung,
daß R*&sub1;&sub0;&sub5; und R*&sub1;&sub0;&sub4; verwendbar sind zur Einstellung des Offset
in die jeweiligen Richtungen und daß R*&sub1;&sub0;&sub8; einstellbar ist zur
Kalibrierung der Verstärkung der angewendeten
Temperaturkompensation. Weiter kann man die wichtige Tatsache erkennen, daß
R*&sub1;&sub0;&sub7; verwendbar ist zur Anpassung (bei einem gewählten
Arbeitspunkt) von V&sub1; derart, daß V&sub1; = VR, und daß in diesem Fall
der Effekt der Kompensationskomponente entfernt ist. Folglich
können druckabhängige Kalibrierungen bei dieser
Betriebstemperatur ausgeführt werden. Da kein weiterer Term von V&sub1; (und
folglich von der Temperatur) abhängig ist, beeinflussen sich
die Einstellungen nicht gegenseitig.
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Bei einer typischen Anwendung könnte der Sensor über einen
Druckbereich von 15 bis 105 kPa (angewendeter absoluter Druck)
und über einen Temperaturbereich von -40 Grad C bis +125 Grad
kalibiert werden. Um die intrinsiche Kalibrierung auszuführen,
könnten Bezugsbetriebspunkte bei 59 kPa und 105 kPa bei 25
Grad C ausgewählt werden, und zur Temperaturkompensation
könnten
59 kPa bei 85 Grad C ausgewählt werden. Die Kalibrierung
geht dann wie folgt vor sich.
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Zuerst wird der Widerstand R&sub1;&sub1;&sub3; zur Verstärkungskompensation
des Sensors angepaßt, nämlich so, daß die Familie von
Druckcharakteristiken bei unterschiedlichen Temperaturen die
gleiche Steigung aufweist. Bei einigen Sensorarten kann diese
Einstellung ohne Messung auf der Grundlage von a
priori-Kenntnissen über das Sensorverhalten erzielt werden.
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Als zweites wird R*&sub1;&sub0;&sub7; eingestellt, um V&sub1; = VR bei 25 Grad C zu
machen. Unter Aufrechterhaltung dieser Bedingungen kann
jeglicher intrinsischer Offset in der gemessenen Ausgabe V&sub0; auf den
gewünschten Wert durch Anpassung von R*&sub1;&sub0;&sub5; oder R*&sub1;&sub0;&sub6;, die in
entgegengesetzten Richtungen wirken, kalibriert werden. Dann
werden zur Kalibrierung der Verstärkung von V&sub0; bei der
Bezugstemperatur (25 Grad C) Messungen von V&sub0; bei 59 kPa und bei
dem erhöhten Druck von 105 kPa durchgeführt, und der Wert von
R*&sub1;&sub0;&sub0; wird entsprechend eingestellt. Da bei 25 Grad C die
Temperatur erhalten blieb pro Verstärkungseinstellung (VR - V&sub1; =
0) leistet der (R&sub1;&sub1;&sub1;.(VR-V&sub1;))-Term, der in der Ausgabe V&sub0;
vorhanden ist, keinen Beitrag zu dem Wert von V&sub0;; durch diese
Druckunabhängigkeit wird eine erfolgreiche Kalibrierung
ermöglicht. Da VR eine feste Spannung ist, kann sich bei einer
erhöhten Temperatur der Wert von V&sub1;, jedoch nicht der von VR
verändert haben. Folglich kann zuletzt R*&sub1;&sub0;&sub8; derart
eingestellt werden, daß V&sub0; zu dem zuvor bei der Bezugstemperatur
gemessenen Wert zurückkehrt, um eine Offset-Kalibrierung zu
ermöglichen. Es sei auf die wichtige Tatsache hingewiesen, daß
diese Einstellung nicht die bei der Bezugstemperatur
geschaffene Ausgabe beeinflußt.
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In alternativen Anwendungen kann es besser sein, die
Kompensation auf eine Unabhängigkeit von der Veränderung aufgrund der
ungewünschten Variablen einzustellen und das Ansprechen auf
die gewünschte Variable anzupassen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in diskreten Bauelementen
einbaubar ist, schafft sie ein Kalibrierungsnetzwerk, das zur
Integration geeignet ist. Sämtliche Komponenten des Netzwerks
können integriert werden, vorzugsweise mit
Sensortreiberschaltungen, so daß ein kalibrierter Wandler durch Kombination des
Sensors selbst mit einem einzigen integrierten Schaltkreis
herstellbar ist. In einer derartigen Anordnung sind die
veränderbaren Widerstände vorzugsweise von einem Dünnfilmtyp, die
durch Laser abstimmbar sind.