[發(fā)明專利]電容傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380048705.4
• 申請(qǐng)日: 2013-08-15
• 公開（公告）號(hào): CN104736972B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·羅茨尼克
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司;M·羅茨尼克
• 主分類號(hào): G01D5/24
• 分類號(hào): G01D5/24;G01R27/26;G01L19/12
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司72002
• 代理人: 林金朝,王英

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容總體上涉及電子傳感器，并且更具體地涉及根據(jù)可變電容器的電容變化來產(chǎn)生電信號(hào)的傳感器。

背景技術(shù)

電容傳感器包括具有響應(yīng)于外部刺激而改變的電容值的可變電容器。電容傳感器的一個(gè)實(shí)施例是壓力傳感器，其中，也被稱為換能器的可變電容器的電容根據(jù)施加到換能器的壓力的水平而改變。例如，微機(jī)電(MEM)換能器可以包括兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電板，這些導(dǎo)電板彼此平行布置并且由位于這些板之間的電絕緣電介質(zhì)分開，該電絕緣電介質(zhì)在絕對(duì)壓力傳感器中是真空的。這些板之間的距離和電介質(zhì)的量以及換能器的對(duì)應(yīng)電容隨著施加到換能器的壓力的水平的增大和減小而改變。模擬或數(shù)字控制器可以通過測(cè)量換能器的電容來確定施加到換能器的壓力。其它形式的電容傳感器包括濕度傳感器、位置傳感器、接近傳感器、材料厚度傳感器以及被配置為使用可變電容器來感測(cè)應(yīng)用的任何器件。

采用電容傳感器的許多裝置和系統(tǒng)確定可變電容器的電容的水平并且將電容水平轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，用于利用數(shù)字邏輯裝置進(jìn)行處理。例如，現(xiàn)有的電容傳感器使用開關(guān)電容器電路來產(chǎn)生與可變電容器的電容相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并且然后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來產(chǎn)生與電壓信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字值。使用開關(guān)電容器電壓檢測(cè)器電路和ADC來確定可變電容器的電容的一個(gè)缺點(diǎn)在于模擬開關(guān)電路和ADC的成本和復(fù)雜性。

產(chǎn)生數(shù)字輸出的另一個(gè)傳感器構(gòu)造為共振傳感器。在可變頻率振蕩器中，振蕩器放大器電路耦合到可變電容器，并且振蕩器的共振頻率隨著可變電容器的電容的改變而改變。數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量振蕩器信號(hào)頻率以確定與傳感器中的換能器的電容相對(duì)應(yīng)的數(shù)字值。包括微控制器、微處理器、特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)等的一個(gè)或多個(gè)數(shù)字邏輯器件利用數(shù)字值來執(zhí)行附加的處理。

使用共振傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)在于：傳感器需要精確的頻率參考來以適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度確定可變振蕩器的頻率。諸如適合于用于共振傳感器中的晶體振蕩器之類的精確時(shí)鐘源也增加了傳感器的費(fèi)用。另外，可變振蕩器通常包括感應(yīng)線圈。感應(yīng)線圈的電感和振蕩器的相對(duì)應(yīng)的共振頻率響應(yīng)于感應(yīng)線圈周圍的相對(duì)磁導(dǎo)率的改變而改變。線圈電感的這些改變降低了傳感器的準(zhǔn)確度。鑒于現(xiàn)有電容傳感器的缺點(diǎn)，用于電容感測(cè)的改進(jìn)的器件和方法會(huì)是有益的。

發(fā)明內(nèi)容

在一個(gè)實(shí)施例中，已經(jīng)開發(fā)了傳感器。傳感器包括可變電容器、固定電容器、電感器、被配置為在將可變電容器與電感器電連接成并聯(lián)電路的第一位置與將固定電容器與電感器電連接成并聯(lián)電路的第二位置之間交替的開關(guān)、被配置為產(chǎn)生周期性信號(hào)的振蕩器、以及被操作連接到開關(guān)、振蕩器和電感器的控制器?？刂破鞅慌渲脼椋翰僮鏖_關(guān)以使其在第一位置與第二位置之間進(jìn)行交替；當(dāng)開關(guān)位于第一位置時(shí)，基于由振蕩器產(chǎn)生的周期性信號(hào)來確定可變電容器與電感器的并聯(lián)電路中的第一振蕩的頻率；當(dāng)開關(guān)位于第二位置時(shí)，基于由振蕩器產(chǎn)生的周期性信號(hào)來確定固定電容器與電感器并聯(lián)電路中的第二振蕩的頻率；以及基于第一振蕩的頻率與第二振蕩的頻率之比來確定可變電容器的電容。

在另一個(gè)實(shí)施例中，已經(jīng)開發(fā)了用于確定傳感器中的可變電容器的電容的方法。方法包括：利用振蕩器產(chǎn)生周期性信號(hào)；在開關(guān)位于第一位置的情況下，將可變電容器與電感器連接成并聯(lián)電路；當(dāng)開關(guān)位于第一位置時(shí)，基于由振蕩器產(chǎn)生的周期性信號(hào)來確定可變電容器與電感器的并聯(lián)電路中的第一振蕩的頻率；在開關(guān)位于第二位置的情況下，將固定電容器與電感器連接成并聯(lián)電路；當(dāng)開關(guān)位于第二位置時(shí)，基于由振蕩器產(chǎn)生的周期性信號(hào)來確定固定電容器與電感器的并聯(lián)電路中的第二振蕩的頻率；以及基于第一振蕩的頻率與第二振蕩的頻率之比來確定可變電容器的電容。

附圖說明

圖1A是具有電連接到電感器的可變電容器的電容傳感器的示意圖。

圖1B是具有電連接到參考電容器的電感器的圖1A的電容傳感器的示意圖。

圖2A是圖1A和圖1B中所描繪的傳感器的第一示例性構(gòu)造，其在單個(gè)集成傳感器器件中包括可變電容器、參考電容器以及電感器。

圖2B是圖1A和圖1B中所描繪的傳感器的第二示例性構(gòu)造，其在單個(gè)集成傳感器器件中包括可變電容器和參考電容器、以及單獨(dú)位于PCB上或交替形成在PCB上、附接到PCB或者與數(shù)字控制器集成的電感器。

圖2C是圖1A和圖1B中所描繪的傳感器的第三示例性構(gòu)造，其在單個(gè)集成傳感器器件中包括可變電容器和電感器、以及單獨(dú)位于PCB上或交替形成在PCB上、附接到PCB或者與數(shù)字控制器集成的參考電容器。