Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Schaltung zur Wandlung der kapazitiven Signaländerung eines Differential-Kondensators in digitale Signale aus, wobei die Schaltung einen Sigma-Delta-Modulator beinhaltet.

Beschleunigungs-Sensoren werden unter anderem mit mikromechanischen Differentialkondensatoren dargestellt. Dabei wird eine kapazitive Signaländerung durch eine Auslenkung x der gemeinsamen Elektrode (im weiteren Verlauf als seismische Masse bezeichnet) verursacht Die Auslenkung x kann durch von außen einwirkende Beschleunigungen oder durch innerhalb des Systems aufgebrachte elektrostatische Feldkräfte entstehen. Die kapazitive Änderung beträgt für die Teilkapazitäten Cl und C2:

C1 = ε * A / ( d + x ), C2 = ε * A / ( d - x ).

Dabei ist ε die Dielektrizitätskonstante, A die von den Elektroden gebildete Kondensatorfläche und d der Plattenabstand der Elektroden. Typische Ausleseschaltkreise zum Erfassen dieser kapazitiven Signaländerungen wenden die Switched-Capacitor-Schaltungstechnik an, um eine von der kapazitiven Signaländerung abhängige, durch Referenzspannungen erzeugt Ladung durch Integration in eine Spannung und anschließend in ein digitales, Puls-Code-moduliertes Signal (PCM-Signal) zu wandeln. Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Architekturen, um das analoge kapazitive Signal in eine Spannung zu wandeln und anschließend zu digitalisieren. Beide Ansätze erzeugen dabei eine Umwandlung des kapazitiven Signals in eine Spannung durch einen Ladungsverstärker. Im ersten Ansatz wird diese Spannung digitalisiert. Hierbei gibt es die Möglichkeit, nach Filterung der Spannung eine Nyquist- Wandlung oder ohne Filterung eine Modulations- Wandlung der Spannung vorzunehmen. Im Falle der Modulations-Wandlung kann der Differential-Kondensator Bestandteil der Signalzuführungsstruktur eines klassischen Sigma-Delta- Wandlers sein. Im zweiten Ansatz wird das Signal durch einen modulierten mechanischen geschlossenen Regelkreis mit Hilfe der Sigma-Delta-Modulation digitalisiert. Die Regelgröße ist dabei die resultierende Krafleinwirkung auf die seismische Masse des Differential- Kondensators.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht von einer Schaltung zur Wandlung der kapazitiven Signaländerung eines Differential-Kondensators in digitale Signale aus, wobei die Schaltung einen Sigma-Delta-Modulator beinhaltet. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Differentialkondensator Bestandteil der Signalzuführungsstruktur und der Referenzrückkopplungsstruktur des Sigma-Delta-Modulators ist

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Kapazitätsänderung direkt von einem analogen Wert in ein digitales Signal, insbesondere einen Bitstrom gewandelt werden kann. Der Vorteil der Erfindung liegt weiterhin in der Verbesserung der Rausch-Eigenschaften gegenüber dem im Stand der Technik vorgestellten zweiten Ansatz und in der Verbesserung der Linearität des Ausgangssignal gegenüber dem im Stand der Technik vorgestellten ersten Ansatz. Eigenschaften von Rauschen und Linearität werden gegenüber beiden Ansätzen verbessert Durch die Einbindung des Differential-Kondensators in die Signalzufuhrungs¬ und die Referenzrückkopplungsstruktur des Sigma-Delta-Wandlers wird das Ausgangssignal des Wandlers in Form eines Binärstromes in erster Näherung nur abhängig von der Auslenkung der seismischen Masse des Differential-Kondensators und ist daher ein proportionales Maß zu der auf die seismische Masse einwirkende Beschleunigung:

PCM = k * ( C1 - C2 ) / ( C1 + C2 ) ~ x / d . Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Schaltung neben dem Sigma-Delta-Modulator auch ein Dezimierfilter aufweist und somit einen Sigma-Delta- Wandler darstellt. Mittels eines Dezimierfilters kann die Abtastrate am Ausgang gesenkt werden und das digitale Signal mittels eines Wortes mit bestimmter Bitanzahl (Wortbreite) dargestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass Mittel vorgesehen sind, mittels derer verschiedene Referenzspannungen an die Elektroden (ClE, CME, C2E) des Differentialkondensators anlegbar sind, und dass die Referenzspannungen in einem bestimmten zeitlichen Muster mit bestimmter Amplitude wählbar sind. Durch verschieden gewählte Referenzspannungen können verschiedene Wertebereiche und Auflösungen des zu digitalisierenden Signals dargestellt werden. Außerdem werden hierdurch vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Eine erste vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch eine geeignet gewählte Abfolge der Referenzspannungen an den Elektroden (ClE, CME, C2E) ein Polaritätswechsel des Eingangs-Signals realisiert ist. Vorteilhaft ist hierbei die Möglichkeit, einen möglichen Offset der Signalverarbeitungskette durch Modulation des Eingangssignals zu eliminieren:

PCM = ± k * ( C1 - C2 ) / ( C1 + C2 ) ~ ±x/ d .

Vorteilhaft wird durch Synchrondemodulation der digitalen Signale am Ausgang des Wandlers der Offset der Signalverarbeitung der Schaltung eliminiert

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass durch eine geeignete Wahl der Referenzspannungen an den Elektroden (ClE, CME, C2E) eine Potentialgleichheit der Elektroden im zeitlichen Mittel gegeben ist. Der Vorteil der zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt in der Möglichkeit, die zeitliche elektrische Aufladung der seismischen Masse und die daraus entstehenden Änderung des Ausgangs-Signals zu verhindern.

J φC1 E(t) dt ~ j φC2E(t) dt ~ J φCME(t) dt - A -

Vorteilhaft ist schließlich, dass eine Elektrode (CME) beweglich ist und dass die Struktur wenigstens eine, durch elektrostatische Feldkräfle verursachte, Auslenkung der beweglichen Elektrode (CME) als Eingangssignal einer Selbsttestfunktion erfasst. Bei geeigneter Wahl der Referenzspannungen und eines geeigneten Taktschemas zum Aufschalten dieser Referenzspannungen auf die Elektroden (ClE, CME, C2E) kann eine Stellkraft auf die Elektrode (CME) ausgeübt werden. Die in der Folge auftretende Auslenkung der Elektrode kann im Rahmen einer Selbsttestfunktion ausgewertet werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt einen weiteren Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt das Taktschema für einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik gemäß Fig. 1 oder Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator mit Differentialkondensator.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Rückkopplung verschiedener Referenzspannungen in einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Vertauschung verschiedener Referenzspannungen in einem erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator.

Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit Sigma-Delta- Modulator mit Differentialkondensator.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen Anhand der im folgenden beschriebenen Ausfiihrungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.

Fig. 1 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik. Die Schaltungsanordnung zeigt einen einpolig geerdeten Signalpfad. Der Sigma-Delta- Modulator weist einen Integrator mit geschalteten Kapazitäten 100 (engl.: SC-Integrator), einen Komparator 200, einen Taktgeber 300, eine Schalteinheit 400, drei Spannungseingänge SOO und einen Ausgang 600 auf. An den Spannungseingängen 500 liegen eine positive Referenzspannung Vrefp, eine negative Referenzspannung Vrem und eine Eingangsspannung Vin an. Die Signalzuführung erfolgt also in Form der Eingangsspannung Vin. Der Integrator 100 weist am Spannungseingang mit der positiven Referenzspannung Vrefp ein erstes Schaltelement auf, welches mittels eines Signals IA geschlossen werden kann. Mit dem Ausgang dieses ersten Schaltelements ist ein weiteres Schaltelement verbunden, welches mittels eines Signals 2 geschlossen werden kann und dabei eine Masseverbindung herstellt. Der Ausgang des ersten Schaltelements ist weiterhin mit einem Kondensator Cp verbunden. Der Integrator 100 weist am Spannungseingang mit der negativen Referenzspannung Vrem ein zweites Schaltelement auf, welches mittels eines Signals IB geschlossen werden kann. Mit dem Ausgang dieses zweiten Schaltelements ist ein weiteres Schaltelement verbunden, welches mittels eines Signals 2 geschlossen werden kann und dabei eine Masseverbindung herstellt. Der Ausgang des ersten Schaltelements ist weiterhin mit einem Kondensator Cn verbunden. Der Integrator 100 weist am Spannungseingang mit der Eingangsspannung Vin ein drittes Schaltelement auf, welches mittels eines Signals 1 geschlossen werden kann. Mit dem Ausgang dieses dritten Schaltelements ist ein weiteres Schaltelement verbunden, welches mittels eines Signals 2 geschlossen werden kann und dabei eine Masseverbindung herstellt. Der Ausgang des dritten Schaltelements ist weiterhin mit einem Kondensator Cs verbunden. Die Ausgänge der Kondensatoren Cp, Cn, und Cs sind miteinander verbunden und leiten ein Signal 130 zu einem Schaltelement weiter, welches mittels eines Signals 2 geschlossen werden kann. Das Signal 130 wird dadurch einem Integrationsglied 110 zugeführt. Das Integrationsglied 110 umfasst einen Kondensator CI und einen Verstärker 120. Das Integrationsglied 110 stellt an seinem Ausgang eine analoge Ausgangsspannung Vout in Form eines Signals 150 bereit, welches einem Schwellwertschalter, in diesem Beispiel einem Komparator 200 zugeführt wird. Der Komparator stellt an seinem Ausgang einen Binärstrom 600 bereit. Der Sigma-Delta-Modulator weist weiterhin einen Taktgeber 300 auf, der zwei Ausgänge besitzt. Der Taktgeber gibt an den beiden Ausgängen in einem nichtüberlappenden 2-Phasen-Takt die Taktsignale 1 und 2 aus. Schließlich weist der Sigma-Delta-Modulator eine Schalteinheit 400 auf, welche zwei Signaleingänge und 2 Signalausgänge besitzt. An den Signaleingängen liegen der Binärstrom 600 und das Taktsignal 2 an. An den Signalausgängen werden die Schaltsignale IA und IB bereitgestellt

Fig. 2 zeigt einen weiteren Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik. Der Sigma- Delta-Modulator nach Fig. 1 wurde leicht vereinfacht Die Funktion der geschalteten Kondensatoren Cp und Cn wird hier durch einen gemeinsamen Kondensator CR dargestellt.

Fig. 3 zeigt das Taktschema für einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik gemäß Fig. 1 oder Fig. 2. Dargestellt sind in Bezug auf eine gemeinsame Zeitachse t die logischen Zustände H (aktiv) und L (inaktiv). Die Taktsignale 1 und 2 stellen einen nichtüberlappenden 2-Phasen-Takt dar. Die Schaltsignale IA und IB werden in der Schalteinheit 400 nach folgenden logischen Regeln generiert:

IA = H, wenn Taktsignal 1 = HUND Binärstrom 600 = H, IB = H, wenn Taktsignal 1 = H UND Binärstrom 600 = L.

Die Taktsignale IA und IB stellen eine Signalrückführung vom Binärstrom 600 am Ausgang des Sigma-Delta-Modulators über die Schalteinheit 400, über die Schaltelemente, welche die Spannungen Vrefp und Vrefn zuschalten und über die Kondensatoren Cl und Cl zum Eingangssignal 130 des Integrationsgliedes 110 dar. Die Kondensatoren Cl und Cl sind damit Bestandteil der Referenzrückkopplungsstruktur.

Wendet man das hier erläuterte Taktschema auf einen Sigma-Delta-Modulator nach Stand der Technik gemäß Fig. 1 an, so erhält man für die Ausgangsspannung (Vout) 150 im Taktschritt n+1 nach dem Taktschritt n:

Wenn gilt 1A = H1 dann ist Voutn+1 = Voutn + (C1/C2) * Vin + (Cp/C2) * Vrefp ,

Wenn gilt 1B = H1 dann ist Voutn+1 = Voutn + (C1/C2) * Vin + (Cn/C2) * Vrefn .

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator mit Differentialkondensator. Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Sigma-Delta- Modulator weist dieser nur zwei Spannungseingänge SOl auf, an welche die Spannungen Vrefp und Vrefh angelegt sind. Eine Eingangsspannung Vin ist nicht vorgesehen. Weiterhin entfällt auch der Kondensator Cs. Die festen Kondensatoren Cp und Cn werden im erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator nunmehr durch die Kapazitäten Cl und C2 eines Differentialkondensators dargestellt. Ein solcher Differentialkondensator kann zum Beispiel ein kapazitiver Messwertaufnehmer eines mikromechanischen Beschleunigungssensors sein. Die Signalzuführung erfolgt also in Form der veränderlichen Kapazitäten Cl und Cl des Differentialkondensators. Das bedeutet, der Differentialkondensator ist Teil der Signalzuführungsstruktur. Weiterhin findet das in Fig. 3 dargestellte Taktschema Anwendung.

Der erfϊndungsgemäße Sigma-Delta-Modulator wandelt die Änderungen der analogen Differentialkapazitäten in einen Bitstrom 600 um. Für die Differentialkapazitäten gilt:

C1 = CO * ((e * A) / (Δd + d)) C2 = CO * ((e * A) / (Δd - d))

In Näherung gilt:

C1 = CO - ΔC C2 = CO + ΔC

Der Differential-Kondensator ersetzt vollständig die im Prinzip bekannte Signalzufuhrungs- und die Refererizriickfuhrungsstruktur einer typischen Integratorstufe eines Sigma-Delta-Wandlers. Die Erfindung lässt sich dabei ebenso in einem einpolig geerdeten Signalpfad wie in einem zweipoligen Signalpfad ausführen. In allen hier gegebenen Erläuterungen wird ein einpolig geerdeter Signalpfad angenommen.

Durch die Regelung des Sigma-Delta-Wandlers und die gleichzeitige Anwendung des Differential-Kondensators in Signalzuführung und Referenzrückführung des Modulators wird am Ausgang des Komparators ein Binärstrom erzeugt. Das Gewicht des Binärstromes 600 des Modulators entspricht der Beziehung:

PCM = k * ( C 1 - C2 ) / ( C1 + C2 ) = Δd / d .

Dieser Zusammenhang verdeutlicht die Linearität des Ausgangssignals zu der Auslenkung der seismischen Masse.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Rückkopplung verschiedener Referenzspannungen in einem erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator. Dargestellt ist die Schaltung eines erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulators von den Spannungseingängen der Referenzspannungen bis zum Signal 130. Wie in Fig. 5 dargestellt, werden verschiedenen Referenzspannungen zu verschiedenen Zeiten an Elektroden ClE, CME und C2E eines Differentialkondensators, bestehend aus den Teilkapazitäten Cl und C2 angeschlossen. Die verschiedenen Referenzspannungen werden als VxP und VxN mit x e (1,2,3) und VxP = -VxN mit x e (1,2,3) bezeichnet, die verschiedenen Zeiten werden mittels der aus Fig. 2 bekannten Taktsignale IA, IB und 2 definiert. Die Zeiten stellen den bekannten 2- Phasen-Takt dar, wobei die Unterscheidung A und B der Phase 1 in Abhängigkeit vom Bitstrom 600 am Ausgang des Komparators 200 des Sigma-Delta-Wandlers in der Schalteinheit 400 getroffen wird.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Vertauschung verschiedener Referenzspannungen in einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator. Eine erste vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine Modulation, indem die Muster der Ansteuerung A und B um die Muster X und Y erweitert werden. Dabei werden gemäß Fig. 6 in Abhängigkeit des Wechsels von X und Y die Referenzspannungen VxN und VxP an den Elektroden ClE und C2E und gleichzeitig die Modulatorausgangs-abhängigen Zustände A und B gegeneinander vertauscht. Das Vertauschen der Referenzspannungen und der Zustände erfolgt beispielsweise mittels einer hier nicht näher dargestellten Schalteinheit. Der zeitliche Wechsel der Zustände X und Y entspricht dabei einer Frequenz, die eine andere ist, als die Modulationsfrequenz des Sigma-Delta-Modulators. Es entsteht am Ausgang des Komparators ein Binärstrom 600 mit der Beziehung:

PCM = ±| χ,γ k * ( C1 - C2 ) / ( C1 + C2 ) ~ ±| χ,γ Δd / d Es entsteht in Abhängigkeit des Zustandes X oder Y ein Polaritätswechsel des PCM- Signals, so dass sich durch anschließende digitale Synchrondemodulaüon mit der Modulationsfrequenz der Zustände X und Y ein Signalversatz (engl.: Offset) der Signalverarbeitung innerhalb des Sigma-Delta-Wandlers eliminieren lässt.

Eine zweite vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Fig. 5 ermöglicht die zeitlich-integrale Potentialgleichheit der Elektroden ClE, CME und C2E. Hierzu wird die Referenzspannung V2P und V2N gewählt als:

V2P = 0.5 * ( V1P + V3P ) , V2N = 0.5 * ( V1N + V3N ) .

Durch die im Mittel ausgewogene Verteilung der Zustände A und B wird an jede Elektrode eine Abfolge von Referenzspannungen angeschlossen, die im zeitlichen Mittel eine hohe Potentialgleichheit von ClE, CME und C2E hervorruft.

J φC1 E(t) dt ~ J φC2E(t) dt ~ J φCME(t) dt

Eine dritte vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht ein Auslenken der seismischen Masse eines aus der Ruhelage durch Anlegen von elektrischen Feldern innerhalb der Kondensatoren Cl und C2 mittels Test-Spannungen. Dies kann durch Überlagerung von additiven Test-Spannungen über den Spannungen VxP und VxN oder durch Anlegen von Test-Spannungen und Anlegen der Auslesespannungen VxP und VxN im Zeitmultiplex erfolgen.

Es sind daneben auch weitere vorteilhafte Weiterbildungen denkbar.

Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit Sigma-Delta- Modulator mit Differentialkondensator. Der Beschleunigungssensor besteht aus einem mikromechanischen Funktionsteil 700 und einer Auswerteeinheit 750. Der mikromechanische Funktionsteil 700 umfaßt eine seismische Masse 710, die mittels Federelemente 712 an einem einen festen Teil 714 aufgehängt ist. Die seismische Masse kann durch äußere Beschleunigungen entlang einer empfindlichen Achse x ausgelenkt werden. Daneben weist der mikromechanische Funktionsteil 700 wenigstens zwei feste Elektroden ClE und C2E auf. Die seismische Masse 710 weist eine Elektrode CME auf, die mit der seismischen Masse beweglich ist in Bezug auf die festen Elektroden. Die bewegliche Elektrode CME bildet mit der festen Elektrode ClE die veränderliche Kapazität Cl und mit der festen Elektrode C2E die veränderliche Kapazität C2. Die Elektroden ClE, CME und C2E bilden zusammen einen Differentialkondensator. Sie sind mittels elektrischer Leitungen 716, 130 mit der Auswerteeinheit 750 verbunden. Der Differentialkondensator und die Auswerteeinheit stellen zusammen einen erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulator dar.

Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Sigma-Delta-Modulator auch bei Drehratensensoren eingesetzt werden.