SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM MESSEN EINER MECHANISCHEN

VERFORMUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schal¬ tungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die zum Messen einer insbesondere durch Druck hervorgerufenen mechanischen Verformung dient.

Eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art ist aus der US 5.134.885 bekannt. Diese bekannte Schaltungs¬ anordnung ermöglicht die Messung einer durch Druck hervor¬ gerufenen mechanischen Verformung mittels einer Brücken- Schaltung von Widerständen, deren jeweiliger Widerstands¬ wert sich in Abhängigkeit von der ausgeübten mechanischen Verformung ändert. Da diese Widerstände durch eine Druck aufnehmende Membran verformt werden, ist das an ihren Brücken-Ausgängen erzeugte Signal proportional zum einwir- kenden Druck. Um ein dem gemessenen Druck entsprechendes, für die Weiterverarbeitung geeignetes Mess-Ausgangssignal erzeugen zu können, weist diese bekannte Schaltungsanord¬ nung ferner einen ersten Verstärker auf, der das von der Brückenschaltung erzeugte Brücken-Ausgangssignal mit ein- stellbarer Empfindlichkeit vorverstärkt und das vorver¬ stärkte Signal einem zweiten Verstärker zuführt, mit dem ein Nullpunktabgleich des erzeugten Mess-Ausgangssignals durchgeführt wird.

Da sich der Nullpunkt des erzeugten Mess-Ausgangssig¬ nals in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Tempe¬ ratur ändert, ist in der aus der US 5.134.885 bekannten Verstärkungsschaltung ein Widerstandsnetzwerk vorgesehen, das mehrere Temperaturerfassungs-Widerstände mit tempera- turabhängigem Widerstandswert enthält und dessen Ausgang zusammen mit dem Ausgang des ersten Verstärkers ebenfalls mit dem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.

Dieses Widerstandsnetzwerk ist so abgeglichen, dass es ein Kompensationssignal erzeugt, das die temperaturabhängige Nullpunktdrift des Mess-Ausgangssignals am zweiten Verstär¬ ker kompensiert.

Da die bekannte Verstärkerschaltung einerseits in der Lage sein soll, auch bei Verwendung unterschiedlicher, oft¬ mals auch von verschiedenen Herstellern stammenden Membra¬ nen übereinstimmende Mess-Ausgangssignale zu liefern, und da andererseits selbst gleichartige Membranen aufgrund von Herstellungstoleranzen unterschiedliche Kennwerte aufwei¬ sen, ist das Nullpunktdriftkompensations-Widerstandsnetz- werk so ausgelegt, dass sowohl temperaturbedingte Null¬ punktdriften verschiedenen Vorzeichens als auch unter- schiedlicher Größe berücksichtigt werden können. Zu diesem Zweck weist das bekannte Kompensations-Widerstandsnetzwerk jeweils zwei Temperaturerfassungs-Widerstände mit positivem Temperatur-Koeffizienten und zwei weitere Temperaturerfas- sungs-Widerstände mit negativem Temperatur-Koeffizienten auf, deren Einfluss auf das Kompensations-Ausgangssignal durch jeweils zugeordnete einstellbare Widerstände beein- flusst werden kann. Durch geeignete Einstellung dieser Widerstände in Abhängigkeit von den ermittelten Parametern der jeweils angeschlossenen Membran ist es möglich, die temperaturabhängige Nullpunktdrift der angeschlossenen

Membran sowohl hinsichtlich ihres Vorzeichens als auch im Hinblick auf ihre Größe zu kompensieren.

Schaltungsanordnungen der gattungsgemäßen Art werden in der Regel zusammen mit der druckaufnehmenden Membran in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das somit nach erfolgtem Abgleich der membranspezifischen Parameter einen vollständig funktionsfähigen Drucksensor mit integrierter Elektronik bildet. Derartige Drucksensoren sollen in der Praxis so kompakt wie möglich sein, um auch an beengten

Stellen eine Druckerfassung zu ermöglichen. Die zahlreichen Temperaturerfassungs-Widerstände und die diesem zugeordne-

ten einstellbaren Widerstände des Kompensations-Wider- standsnetzwerks der bekannten Schaltungsanordnung erfordern jedoch einen verhältnismäßig großen Schaltungsaufwand, der sich nicht nur auf die Herstellungskosten negativ auswirkt, sondern auch den Platzbedarf der gesamten integrierten

Schaltung entsprechend erhöht. Insbesondere bei kompakten Drucksensoren kann dieser erhöhte Platzbedarf zu Problemen führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass die Kompensation der temperaturab¬ hängigen Nullpunktdrift mit geringstmöglichem Schaltungs¬ aufwand und insbesondere mit einem minimalen Flächenbedarf realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kenn¬ zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen ge¬ löst.

Die Erfindung schlägt demgemäß vor, für das Nullpunkt- driftkompensations-Widerstandsnetzwerk nur einen einzigen Temperaturerfassungs-Widerstand vorzusehen, dessen eines Ende über einen Schalter wahlweise mit der Versorgungs- Spannung oder der Masse der Schaltungsanordnung verbindbar ist und dessen anderes Ende über eine Widerstandsanordnung mit einstellbarem Widerstandswert auf den mit dem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang des zweiten Verstärkers einwirkt. Untersuchungen mit den unterschied- lichsten Druckmembranen haben gezeigt, dass ein solcherma¬ ßen aufgebautes Nullpunktdriftkompensations-Widerstands- netzwerk in der Lage ist, stets eine hervorragende Kompen¬ sation zu gewährleisten; indem nämlich der Temperaturerfas- sungs-Widerstand entweder mit der Versorgungsspannung oder mit Masse verbunden wird, kann auf einfache Weise die

Richtung der Kompensation festgelegt werden, während die Einstellung des Widerstandswerts der Widerstandsanordnung

eine korrekte Festlegung der Größe der Kompensation ermög¬ licht. Dadurch, dass der erfindungsgemäße Aufbau des NuIl- punktdriftkompensations-Widerstandsnetzwerks deutlich weni¬ ger Schaltungselemente als das bekannte Widerstandsnetzwerk erfordert, werden nicht nur die Herstellungskosten sondern auch der Flächenbedarf entsprechend verringert. Die erfin¬ dungsgemäße Kompensationsschaltung kann daher auch bei kom¬ pakten Drucksensoren verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. Wenn der Schalter beispielsweise gemäß der Lehre des Anspruchs 2 aus zwei parallel geschalteten Widerständen ge¬ bildet ist, die jeweils über einen abgleichbaren Widerstand mit der Versorgungsspannung bzw. mit Masse verbunden sind, ist es gemäß Anspruch 3 möglich, die Richtung der Null¬ punktdrift-Kompensation beispielsweise dadurch festzulegen, dass einer der beiden abgleichbaren Widerstände mittels eines Lasers durchtrennt wird. In ähnlicher Weise schaffen die Ansprüche 4 und 5 eine Widerstandsanordnung, bei der der jeweils für die verwendete Membran erforderliche Wider¬ standswert (der die Größe der Nullpunktdrift-Kompensation festlegt) mit Hilfe von Laserdurchtrennungen eingestellt werden kann. Die Erfindung ermöglicht somit die Anpassung an die Parameter der verwendeten Membran über billigste

Bauteile in Form laserabgleichbarer Widerstände, womit etwa im Vergleich zu mechanischen Schaltern oder Potentiometern Kosten und auch Platz gespart wird.

Gemäß der Lehre der Ansprüche 10 bis 12 kann schlie߬ lich durch Verwendung eines weiteren Widerstandsnetzwerks der erfindungsgemäßem Art, das an einen Eingang des ersten Verstärkers angeschlossen ist, auch eine Temperaturabhän¬ gigkeit der Empfindlichkeit der Membran korrigiert werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeich-

nung näher erläutert, deren einzige Figur das teilweise nur schematisch dargestellte Blockschaltbild einer erfindungs¬ gemäßen Schaltungsanordnung zeigt.

Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist die erfin¬ dungsgemäße Schaltungsanordnung eine Brückenschaltung B aus Widerständen Rl bis R4 auf, deren Widerstände R2 und R3 einen konstanten Widerstandswert aufweisen, während sich der jeweilige Widerstandswert die Brücken-Widerstände Rl und R4 in Abhängigkeit von einer anliegenden mechanischen Verformung p ändert, die von einer nicht gezeigten druck¬ aufnehmenden Membran erzeugt wird. Am Schaltungsknoten der Widerstände Rl und R3 liegt eine Versorgungsspannung + an, während der Schaltungsknoten der Widerstände R2 und R4 mit Masse verbunden ist; das zwischen den Schaltungsknoten der Widerstände Rl und R2 und der Widerstände R3 und R4 abge¬ griffene Brücken-Ausgangssignal hat somit einen Spannungs¬ wert, der sich in Abhängigkeit vom anliegenden Druck än¬ dert.

Das am Schaltungsknoten der Widerstände Rl und R2 anliegende Brücken-Ausgangssignal wird dem invertierenden Eingang eines ersten Verstärkers Vl in Form eines Opera¬ tionsverstärkers zugeführt, während das am Schaltungsknoten der Widerstände R3 und R4 anliegende Brücken-Ausgangssignal dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Verstärkers Vl sowie dem nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Ver¬ stärkers V2 zugeführt wird, bei dem es sich ebenfalls um einen Operationsverstärker handelt. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers Vl liegt am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 an, wobei dessen Ausgangssignal das Mess-Ausgangssignal U der Schaltung darstellt, das den ge¬ messenen Druck widerspiegelt.

Der erste Verstärker Vl verstärkt das zugeführte

Brücken-Ausgangssignal, wobei der jeweilige Verstärkungs¬ faktor über eine nicht gezeigte Rückkopplungsschaltung ggf.

unter Berücksichtigung der Kennlinie der verwendeten druck¬ aufnehmenden Membran auf einen vorbestimmten Wert einstell¬ bar ist. Der zweite Verstärker V2 dient zur Einstellung des Nullpunkts der Schaltung, d.h. dieser zweite Verstärker V2 ist über eine ebenfalls nicht gezeigte Rückkopplungsschal¬ tung in der Lage, die Nullschwelle des Ausgangssignals, ggf. ebenfalls unter Berücksichtigung der Kennlinie der jeweiligen druckaufnehmenden Membran, so einzustellen, dass diese Nullschwelle dem Druckwert 0 entspricht.

Zur Kompensation einer temperaturabhängigen Nullpunkt¬ drift des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers V2 ist erfindungsgemäß ein Widerstandsnetzwerk N vorgesehen, des¬ sen Korrektursignal K am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 anliegt. Das Widerstandsnetzwerk N besteht aus einer Parallelschaltung zweier Widerstände 12 und 14, die jeweils über einen laserabgleichbaren Widerstand 11 bzw. 13 mit der Versorgungsspannung + bzw. mit Masse - verbunden sind. Der Schaltungsknoten der Widerstände R12 und R14 ist mit dem einen Ende eines Widerstands RT mit negativem Temperaturkoeffzienten (NTC) sowie dem einen Ende eines diesem parallelgeschalteten Widerstands R15 verbun¬ den, dessen Widerstandswert so gewählt ist, dass er die nichtlineare Kennlinie des NTC-Widerstands RT weitgehend linearisiert. Das jeweils andere Ende der Widerstände RT und R15 ist mit einem Ende einer Parallelschaltung aus Widerständen R23 bis R25 verbunden, deren anderes Ende das dem zweiten Verstärker V2 zugeführte Korrektursignal K liefert. Die beiden Widerstände R23 und R24 sind zudem in Reihe mit einem laserabgleichbaren Widerstand R21 bzw. R22 geschaltet. Die Widerstände R23 bis R25 haben jeweils einen unterschiedlichen Widerstandswert.

Der Abgleich des Widerstandsnetzwerks N wird wie folgt durchgeführt: Zunächst wird die Richtung der bei einer Tem¬ peraturänderung hervorgerufenen Nullpunkdrift der verwende¬ ten Membran bestimmt. In Abhängigkeit davon wird entweder

der laserabgleichbare Widerstand RlI oder der laserab- gleichbare Widerstand R13 mittels eines Lasers vollständig durchtrennt, so dass an dem dem temperaturfühlenden Wider¬ stand RT zugewandten Ende der Widerstände 12 und 14 entwe- der eine positive Spannung oder Masse anliegt. Das entspre¬ chende Korrektursignal K korrigiert die Nullpunktdrift demgemäß entweder in negativer oder positiver Richtung.

Anschließend wird das Ausmaß der temperaturbedingten Nullpunkdrift der verwendeten Membran bestimmt. Hieraus wird ein Widerstandswert für die Parallelschaltung aus den Widerständen R23 bis R25 berechnet, der dem Korrektursignal K einen geeigneten Kompensationsgrad verleiht. Daraufhin wird entweder der laserabgleichbare Widerstand R21 und/oder der laserabgleichbare Widerstand R22 mittels des Lasers vollständig durchtrennt oder es werden beide Widerstände R21 und R22 intakt gelassen. Es ist ersichtlich, dass sich auf diese Weise insgesamt vier verschiedene Widerstands¬ werte erzielen lassen, wobei derjenige dieser diskreten Widerstandswerte gewählt wird, der dem berechneten Wider¬ standswert am nächsten kommt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass mit vier diskreten Widerstandswerten bei ge¬ eigneter Wahl der jeweiligen Einzel-Widerstandswerte die Kennlinien der gebräuchlichen Membranen berücksichtigt wer- den können. Wenn das Kompensationsmaß der temperaturbeding¬ ten Nullpunkdrift noch genauer eingestellt werden soll, kann dies durch eine Erhöhung der Anzahl der parallelge¬ schalteten Widerstände problemlos erreicht werden. Eine noch feinere Einstellung des Widerstandswerts kann ggf. auch dadurch erzielt werden, dass die laserabgleichbaren Widerstände R21 und R22 nicht vollständig durchtrennt, sondern mittels des Lasers in ihrem Widerstandswert geän¬ dert werden.

Der beschriebene Abgleich des Widerstandsnetzwerks N kann gleichzeitig mit dem Abgleich der anderen Schaltungs-

komponenten wie insbesondere der Rückkopplungsschaltungen erfolgen.

Ggf. kann anstelle des NTC-Widerstands RT auch ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) eingesetzt werden.

Wenn auch eine Temperaturkompensation der Empfindlich¬ keit der Membran gewünscht ist, kann dies dadurch erreicht werden, dass dem invertierenden Eingang des ersten Verstär¬ kers Vl, wie aus der Figur ersichtlich ist, ein Kompensa¬ tionssignal eingeprägt wird, das von einem weiteren Wider¬ standsnetzwerk N2 erzeugt wird, dessen Aufbau dem des be¬ schriebenen Widerstandsnetzwerks N entspricht. Durch geeig- neten Abgleich dieses Widerstandsnetzwerk N2 ist es mög¬ lich, sowohl die Richtung als auch den Betrag der Empfind¬ lichkeitsänderung der jeweiligen Membran bei einer Tempera¬ turschwankung zu berücksichtigen und zu korrigieren. Der Abgleich des zweiten Widerstandsnetzwerks N2 erfolgt in gleicher Weise wie der zuvor beschriebene Abgleich des Wi¬ derstandsnetzwerks N.

Bezugszeichenliste

B Brückenschaltung p mechanische Verformung R1-R4 Brücken-Widerstände

+ Versorgungsspannung Masse

Vl Erster Verstärker

V2 Zweiter Verstärker U Mess-Ausgangssignal

N Widerstandsnetzwerk

N2 Zweites Widerstandsnetzwerk

K Korrektursignal

R12, R14 Widerstände für Nulldriftkompensationsrichtung

RlI, R13 laserabgleichbare Widerstände ="=

RT NTC-Widerstand

R15 Kompensationswiderstand des NTC-Widerstands

R23-R25 Widerstände für Größe der Nulldriftkompensation

R21, R22 laserabgleichbare Widerstände ="=