用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備。該輸出規(guī)格校準設(shè)備使得能夠在出廠時以軟件方式調(diào)節(jié)電容式壓力傳感器的非線性度、偏移和增益。因此，容易地調(diào)節(jié)電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格并由此滿足客戶的各種需求是可行的。
【專利說明】用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]以下說明涉及壓力測量技術(shù)，尤其涉及用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器將由于所施加的壓力導(dǎo)致的機械撓曲轉(zhuǎn)換成電信號，并且通過測量輸出的電信號來獲得壓力的測量。(2001年5月15日公開的)韓國專利公開10-2001-0039983公開了一種電容式壓力傳感器，其中該電容式壓力傳感器將機械撓曲轉(zhuǎn)換成電容，并且通過測量電容的變化來測量壓力。
[0003]電容式壓力傳感器關(guān)于所施加的壓力具有非線性特性，并且對溫度敏感。因而，為了滿足客戶針對電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格的各種要求，需要在出廠時根據(jù)各用戶的需求來調(diào)節(jié)輸出規(guī)格。因而，已經(jīng)對用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備進行了研究，以求滿足電容式壓力傳感器的各種期望的輸出規(guī)格。
_4] 現(xiàn)有技術(shù)文獻_5] 專利文獻
[0006]韓國專利公開10-2001-0039983
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]以下說明涉及一種用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備，該輸出規(guī)格校準設(shè)備使得能夠在出廠時校準電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格，以求滿足客戶對于輸出規(guī)格的各種需求。
[0008]以下說明還涉及一種用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備，該輸出規(guī)格校準設(shè)備使得能夠以軟件方式容易地校準電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格。
[0009]在一個總體方面中，提供一種用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備，該設(shè)備包括:輸出控制電路，其被配置為將由所述電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp的電容變化和由所述電容式壓力傳感器的參考電極形成的電容(；的電容變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓并且輸出所述輸出電壓；輸出規(guī)格校準兀件，其被配置為包括至少一個輸出規(guī)格偏移校準元件、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件、輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件和輸出規(guī)格溫度補償元件，每個元件用于調(diào)節(jié)所述輸出控制電路的輸出的規(guī)格；設(shè)置單元，其被配置為設(shè)置所述輸出規(guī)格偏移校準元件、所述輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件和所述輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件的電氣屬性值；外部輸入接口，其被配置為連接至用于設(shè)置所述輸出規(guī)格偏移校準元件、所述輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件和所述輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件的電氣屬性值的外部端子；以及溫度補償電路，其被配置為設(shè)置所述輸出規(guī)格溫度補償元件的電氣屬性值。
[0010]輸出控制電路可被配置為包括:開關(guān)單元，用于控制由所述主電極形成的電容Cp的充放電操作和由所述參考電極形成的電容(；的充放電操作；積分器，用于接收從所述電容Cp和所述電容(；釋放的電流，輸出所接收到的電流作為輸出電壓，并且連續(xù)對誤差校正信號進行積分直到誤差達到零為止；電力輸入單元，用于向所述電容Cp和所述電容(；供給恒定的電力；以及反饋單元，用于放大來自所述積分器的輸出電壓，并且將放大后的輸出電壓反饋回所述電容Cp、所述電容(；和所述電力輸入單元。
[0011]輸出規(guī)格偏移校準元件可被配置為包括兩個可變電阻器Runl和Run2，所述兩個可變電阻器Runl和Run2串聯(lián)連接在電力輸入V+和地之間，從串聯(lián)連接觸點分叉，并且連接至所述電力輸入單元的輸入端子以對輸入電壓偏移進行校準。
[0012]設(shè)置單元可被配置為將兩個可變電阻器Runl和Run2的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
[0013]輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件可被配置為包括可變電阻器R0F，所述可變電阻器ROF連接至用于放大來自所述積分器的輸出電壓的放大器的反相輸入端子和所述放大器的輸出端子，以調(diào)節(jié)所述放大器的增益。
[0014]設(shè)置單元可被配置為將可變電阻器ROF的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
[0015]輸出規(guī)格溫度補償元件可被配置為包括可變電阻器R0I，所述可變電阻器ROI連接至放大器的反相輸入端子和所述積分器的輸出端子，以補償由于溫度變化所導(dǎo)致的所述放大器的輸出電壓的變化。
[0016]溫度補償電路可被配置為將可變電阻器ROI的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
[0017]輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件可被配置為包括可變電阻器RUnF，可變電阻器Runp連接至所述反饋單元的輸出端子和所述電力輸入單元的輸入端子兩者，并且將由所述電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp和由所述參考電極形成的電容Cp的電容對連接在所述反饋單元的輸出端子和所述可變電阻器RUnF之間，以改善所述電容式壓力傳感器的非線性度。
[0018]設(shè)置單元可被配置為將可變電阻器Runp的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
[0019]通過以下的詳細說明書、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和方面將變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1和圖2是示出電容式壓力傳感器的示例的圖。
[0021]圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0022]圖3B是示出圖3A所示的輸出規(guī)格校準設(shè)備的偏移校準元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0023]圖3C是示出圖3A所示的輸出規(guī)格校準設(shè)備的輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0024]圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的輸出控制電路的控制的切換時序圖。
[0025]圖5A是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例在用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的偏移校準之前和之后輸出規(guī)格相對于壓力變化的圖。
[0026]圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例在用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的偏移校準之前和之后輸出規(guī)格相對于時間的圖。
[0027]圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的溫度補償電路的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0028]圖6B是示出通過輸出控制電路根據(jù)溫度進行電壓補償前后的輸出電壓的圖。[0029]圖6C是示出通過使用用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的針對溫度的輸出補償前后輸出規(guī)格相對于溫度變化的圖。
[0030]在全部附圖和詳細說明中，除非另外說明，否則相同的附圖標記將被理解為指代相同的元件、特征和結(jié)構(gòu)。為了清楚、例示和方便，可以放大這些元件的相對大小和繪圖。
【具體實施方式】
[0031]以下說明是為了輔助讀者獲得對這里所述的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)的全面理解而提供的。因此，將向本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員示教這里所述的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)的各種改變、修改和等同物。此外，為了更清楚和簡潔，可以省略對已知功能和結(jié)構(gòu)的說明。
[0032]圖1和2是示出電容式壓力傳感器的示例的圖。電容式壓力傳感器100可以包括介電基板110和電極圖案120,以將機械撓曲輸出轉(zhuǎn)換成靜電電容。
[0033]在介電基板110處因壓力而發(fā)生機械撓曲。形成于介電基板110的一個表面上的電極圖案120包括主電極121和參考電極122，并且電極圖案120經(jīng)由引線單元(未示出)與輸出規(guī)格校準設(shè)備相連接。
[0034]主電極121和參考電極122可以與耦接在介電基板110的另一表面上的導(dǎo)電板協(xié)作，以分別形成電容Cp和電容(；。
[0035]響應(yīng)于因施加在介電基板110上的壓力而導(dǎo)致的機械撓曲發(fā)生，介電基板110上主電極121與參考電極122之間的間隙變化，并且電容Cp和(；各自也變化。
[0036]輸出規(guī)格校準設(shè)備將電容Cp和電容(；的電容變化轉(zhuǎn)換成電信號，其中，利用這些電信號可以測量介電基板110上的壓力。圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0037]如圖3A所示，輸出規(guī)格校準設(shè)備包括輸出控制電路200、一個或多個輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310、輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320、輸出規(guī)格溫度補償元件330、設(shè)置單元400、外部輸入接口 500和溫度補償電路600。
[0038]輸出控制電路200將由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；的電容變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓并且輸出該輸出電壓。
[0039]輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310、輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320和輸出規(guī)格溫度補償元件330根據(jù)預(yù)設(shè)的電氣屬性值來對輸出控制電路200的輸出規(guī)格進行校準。例如，輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310、輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320和輸出規(guī)格溫度補償元件330可以是分別用于電容式壓力傳感器的偏移校準、非線性度調(diào)節(jié)、增益調(diào)節(jié)和溫度補償?shù)目勺冸娮杵鳌?br> [0040]設(shè)置單兀400設(shè)置輸出規(guī)格偏移校準兀件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)兀件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值。例如，設(shè)置單元400所設(shè)置的電氣屬性值可以是用于對電容式壓力傳感器的偏移、非線性度和增益進行校準的可變電阻器的電阻。
[0041]外部輸入接口 500與外部端子(未不出)相連接，以設(shè)置輸出規(guī)格偏移校準兀件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值。例如，外部輸入接口 500可以是連接至諸如個人計算機(PC)和智能手機的外部裝置的有線或無線通信接口。
[0042]溫度補償電路600設(shè)置輸出規(guī)格溫度補償元件330的電氣屬性值以補償溫度變化，從而使得即便溫度改變也可以維持輸出控制電路200的恒定輸出規(guī)格，其中輸出控制電路200的輸出規(guī)格隨著設(shè)置單元400所設(shè)置的并根據(jù)溫度而改變的輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值而改變。
[0043]在出廠時必須校準電容式壓力傳感器的輸出以滿足客戶的各種需求。為此，將外部終端連接至用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的外部輸入接口 500，并且針對用戶執(zhí)行用于校準電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格的軟件以手動輸入輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值。
[0044]然后，根據(jù)用戶所輸入的電氣屬性值，設(shè)置單元400設(shè)置輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值。
[0045]例如，在輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320是可變電阻器的情況下，設(shè)置單元400可以存儲所設(shè)置的可變電阻器的電阻。然后，每當啟動時設(shè)置單元400讀入所存儲的電阻并且選擇可變電阻器的適合所讀取的電阻的電觸點，由此設(shè)置輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值。
[0046]同時，溫度補償電路600設(shè)置輸出規(guī)格溫度補償元件330的電氣屬性值以補償溫度變化，從而使得即便溫度改變也可以維持輸出控制電路200的恒定輸出規(guī)格，其中輸出控制電路200的輸出規(guī)格隨著由設(shè)置單元400所設(shè)置的并根據(jù)溫度而改變的輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的電氣屬性值而改變。
[0047]結(jié)果，根據(jù)輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310、輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320和輸出規(guī)格溫度校準元件330的電氣屬性值來對輸出控制電路200的輸出規(guī)格進行校準。因此，能夠在出廠時對可能隨著溫度而改變的電容式壓力傳感器的非線性度、偏移和增益進行校準，由此滿足客戶針對輸出規(guī)格的各種需求。另外，本發(fā)明的示例性實施例使得能夠以軟件方式方便地校準電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格。
[0048]圖3B和3C是分別作為可變電阻器來實現(xiàn)的圖3A的輸出規(guī)格偏移校準元件和輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件的電路圖，并且也可以以與輸出規(guī)格偏移校準元件和輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件相同的方式來實現(xiàn)圖3A所示的輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320和輸出規(guī)格溫度補償元件330。
[0049]返回參考圖3A，具體地，輸出控制電路200包括開關(guān)單元210、積分器220、電力輸入單元230和反饋單元240。
[0050]開關(guān)單元210對由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；的充電和放電進行控制。開關(guān)單元210包括六個開關(guān)(包括:兩個P1開關(guān)，其在階段I起始時同時“接通(on)”并且在與階段I不重疊的階段2中同時進入斷開(OFF)狀態(tài)；兩個P2開關(guān)，其在階段2起始時同時“接通”并且在階段I中同時保持處于OFF狀態(tài)；一個Pld開關(guān)，其在自P1開關(guān)在階段I中“接通”起經(jīng)過了預(yù)定時間段之后“接通”；以及一個P2d開關(guān)，其在自P2開關(guān)在階段2中“接通”起經(jīng)過了預(yù)定時間段之后“接通”)。另外，由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；彼此串聯(lián)連接在P1-P2開關(guān)對之間。在由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；之間的分叉點處形成共用端子C?！?，并且共用端子Cram的終端與Pld開關(guān)和P2d開關(guān)并聯(lián)連接。
[0051]連接至由參考電極形成的電容Cr的P1-P2開關(guān)對的P1開關(guān)連接至電力輸入單元230的輸出端子并且P2開關(guān)接地。連接至由主電極形成的電容Cp的P1-P2開關(guān)對的P1開關(guān)接地并且P2開關(guān)連接至反饋單元240的輸出端子。并聯(lián)連接至共用端子Cram的Pld開關(guān)和P2d開關(guān)分別連接至積分器220的反相輸入端子和地。
[0052]積分器220接收從由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；釋放的電流，并且將這些電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓Vrat，然后輸出該電壓Vwt。另外，積分器220繼續(xù)以控制回路對誤差校正信號進行積分，直到該誤差達到O為止。
[0053]積分器220包括運算(OP)放大器、積分電容器CF和電阻器R。該運算放大器的非反相輸入端子經(jīng)由電阻器R接地以補償輸入偏置電流。可以通過使兩個輸入端子與地之間的電阻均衡來減小由于輸入偏置電流所導(dǎo)致的積分結(jié)果中的誤差。
[0054]OP放大器的反相輸入端子連接至Pld開關(guān)并且經(jīng)由共用端子C.接收從電容Cp和電容釋放的電流，其中電容Cp是由電容式壓力傳感器的主電極形成的并且電容(；是由參考電極形成的。
[0055]積分電容器CF連接在OP放大器的反相端子和其輸出端子之間。積分器220的積分誤差與OP放大器的開環(huán)直流增益(open direct-current gain)呈反比。即便僅對輸入偏移電壓進行補償，OP放大器的使用也可以確保充足的精度。電力輸入單元230向電容Cp和電容(；供給恒定的電力負荷。例如，電力輸入單元230可以是用于無論負荷變化如何均維持恒定的輸出電壓的緩沖器。
[0056]該緩沖器向由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；供給恒定的電力負荷。
[0057]同時，兩個可變電阻器RunJp Rljin2用作輸出規(guī)格偏移校準兀件300,以對輸入至電力輸入單元230的輸入電壓偏移進行校準。這兩個可變電阻器Runl和Run2串聯(lián)連接在電力輸入V+和地之間，從串聯(lián)連接觸點分叉，然后連接至電力輸入單元230的輸入端子。另外，緩沖器的非反相輸入端子連接至反饋單元240的輸出端子。緩沖器的反相端子連接至其輸出端子。
[0058]來自電阻器Runl和Run2以及反饋單元240的、緩沖器的輸入電壓變?yōu)閈，并且緩沖器的輸出電壓維持為八。通過開關(guān)單元210的開關(guān)操作將緩沖器的輸出電壓分配至由電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容C；，以便可以對電容Cp和&充電。
[0059]參考后面將說明的等式7，注意，輸入至電力輸入單元230的電壓Vl可以隨著兩個可變電阻器Runl和Run2的電阻而改變。另一方面，參考后面將說明的等式I和4，注意，來自積分器220的輸出電壓與電壓\相關(guān)。
[0060]因而，在電容式壓力傳感器出廠時，可以通過在設(shè)置單元400處設(shè)置作為輸出規(guī)格偏移校準元件300的兩個可變電阻器Runl和Run2的電阻來對輸入電壓偏移進行校準，由此可以對電容式壓力傳感器的輸出電壓進行校準。
[0061]圖5A是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例在用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的偏移校準之前輸出規(guī)格相對于壓力的變化以及偏移校準之后輸出規(guī)格相對于壓力的變化的圖。圖5B是示出本發(fā)明示例性實施例在用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備的偏移校準之前輸出規(guī)格相對于時間的模擬結(jié)果以及偏移校準之后輸出規(guī)格相對于時間的模擬結(jié)果的圖。
[0062]如圖5B所示，在所制造的電容式壓力傳感器被設(shè)計成在最低壓力處輸出規(guī)格變?yōu)?.5V的模擬中，在電容式壓力傳感器的輸出電壓為0.45V (偏移校準之前)并且不符合期望的輸出規(guī)格的情況下，通過設(shè)置單元400設(shè)置輸出規(guī)格偏移校準元件300的電阻，以如圖5A所示將輸出規(guī)格校準為0.5V。
[0063]反饋單元240使用放大器放大來自積分器220的輸出電壓，并且將放大后的電壓反饋回至由電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp、由參考電極形成的電容(；和電力輸入單元230。
[0064]通過開關(guān)單元210的開關(guān)操作將從積分器220輸出的并且由放大器放大后的電壓分配至電容Cp和電容C；。放大器將從積分器輸出的并且被反饋回的輸出電壓分配至電力輸入單元230的輸入端子。
[0065]可以使用可變電阻器ROF作為輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320來對放大器的增益進行校準，并且可以使用可變電阻器ROI作為輸出規(guī)格溫度補償元件330來根據(jù)溫度對輸出規(guī)格進行校準。放大器的反相輸入端子經(jīng)由可變電阻器ROI連接至積分器220的輸出端子。在串聯(lián)連接在電力輸入V+和地之間的電阻器Rof1和Rof2之間所形成的電壓連接至放大器的非反相輸入端子。
[0066]可變電阻器ROF連接在放大器的反相輸入端子和輸出端子之間。
[0067]增益表示與輸入電壓相比輸出電壓被放大了多少，并且參考后面將說明的等式I，可以將增益(輸入電壓Vwt相對于輸出電壓Vbdge的比率)表示為可變電阻器ROI的電阻相對于可變電阻器ROF的電阻的比率(R0I/R0F)。
[0068]因此，可以在電容式壓力傳感器出廠之前通過使用設(shè)置單元400設(shè)置可變電阻器ROF的電阻來校準增益，由此能夠?qū)﹄娙菔綁毫鞲衅鞯妮敵鲭妷哼M行校準。
[0069]同時，溫度補償電路600調(diào)整作為輸出規(guī)格溫度補償元件330的可變電阻器ROI的電阻，由此對輸出電壓隨溫度的變化進行補償。
[0070]為了非線性度調(diào)節(jié)，在反饋單元240的輸出端子和電力輸入單元230的輸入端子之間連接輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310。例如，可以使用可變電阻器Runp作為輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310，其中可變電阻器Runp插入在電力輸入單元230和反饋單元240之間并且連接至由電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容C；。
[0071]在將由電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；連接至輸出控制電路200以進行電壓測量的情況下，cycp值相對于壓力是非線性的。由于cyCp導(dǎo)致的非線性與后面將說明的等式8中的項“(1-cycp)/RUnF”相關(guān)。在電容式壓力傳感器出廠之前通過使用設(shè)置單元400設(shè)置可變電阻器RUnF的電阻，能夠改善電容式壓力傳感器的非線性度。
[0072]參考圖4，將詳細說明圖3A所示的電容式壓力傳感器的輸出控制電路200的操作。圖4是用于控制電容式壓力傳感器的輸出控制電路的切換時序圖。
[0073]如圖4所示，六個開關(guān)(包括兩個P1開關(guān)、兩個P2開關(guān)、一個Pld開關(guān)和一個P2d開關(guān))在彼此不重疊的階段I和階段2中“接通”或“斷開”。
[0074]兩個P1開關(guān)在階段I的起始時“接通”，并且在階段2中同時進入OFF狀態(tài)，并且在自P1開關(guān)“接通”起經(jīng)過了預(yù)定時間段之后Pld開關(guān)“接通”。
[0075]兩個P2開關(guān)在階段2的起始時同時“接通”，并且在階段I中同時進入OFF狀態(tài)，并且在自P2開關(guān)“接通”起經(jīng)過了預(yù)定時間段之后P2d開關(guān)“接通”。
[0076]從振蕩器驅(qū)動型門電路(未示出)輸出兩個非重疊的階段控制信號。響應(yīng)于這兩個非重疊的階段控制信號，六個開關(guān)“接通”或“斷開”。
[0077]根據(jù)出廠時的設(shè)置，反饋單元240的放大器提供三個獨立變量調(diào)節(jié)。這三個獨立變量調(diào)節(jié)是線性度、偏移和增益。
[0078]可以將積分器220的輸出電壓Vrat和由反饋單元240的放大器生成的放大電壓Vbdge表示為以下等式I。
[0079]Vout=Vof+ (RoI/RoF) X (Vof-Vbdge) …(I)
[0080]在假定電力輸入為V+的情況下,可以將電阻器Rof1和電阻器Rof2之間的電壓表示為以下等式2。
[0081]Vof=V+X (Rof2/ (Rof1+ (Rof2))...(2)
[0082]在階段I中，P1開關(guān)和Pld開關(guān)“接通”并且P2開關(guān)和P2d開關(guān)“斷開”，并且在階段2中，P2開關(guān)和P2d開關(guān)“接通”并且P1開關(guān)和Pld開關(guān)“斷開”。
[0083]盡管Pld開關(guān)和P2d開關(guān)分別利用階段I或階段2“接通”，但這些開關(guān)的ON (接通)狀態(tài)相對于P1開關(guān)或P2開關(guān)的接通時間延遲了預(yù)定時間間隔。
[0084]在P2開關(guān)和P2d開關(guān)“接通”的階段2期間內(nèi)，經(jīng)由P2開關(guān)將由主電極形成的電容Cp充電至放大器240放大后的電壓Vbdge,并且由參考電極形成的電容(；經(jīng)由另一 P2開關(guān)對地放電。
[0085]在由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；之間分叉的共用端子Crani經(jīng)由P2d開關(guān)對地放電。由主電極形成的電容Cp充有高達VbdgeXCp的電荷。由參考電極形成的電容(；地電勢處不被充電，并且負電荷立即累積在共用端子C.中直至-VbdgeXCp的量。
[0086]然后，在P2d開關(guān)“斷開”之后，P2開關(guān)“斷開”。在階段2和階段I之間的間隙時間段內(nèi)，在共用端子C.處不發(fā)生電荷傳遞。
[0087]然后，在階段I的起始時刻，(在階段2中利用電壓Vbdge充電后的)電容Cp經(jīng)由P1開關(guān)對地放電，并且經(jīng)由另一 P1開關(guān)利用作為電力輸入單元230的緩沖器輸出電壓的\電壓對由參考電極形成的電容(；充電。
[0088]在階段I期間，在由主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；之間分叉的共用端子C?！方?jīng)由Pld開關(guān)連接至放大器220的反相輸入端子，并且放大器220的非反相輸入端子經(jīng)由電阻器R連接至地。
[0089]在階段I期 間，在由參考電極形成的電容(；中累積電荷至八XC；的量。在累積時，負電荷累積在共用端子Cram中直至-八Xe;的量。在-vbdgexcp=-'xc;的情況下，共用端子c_的負電荷的量在兩個階段之間變得相等，因而不從積分器220供應(yīng)電荷或向積分器220取出電荷。因此，積分器220的輸出電壓Vwt在兩個階段內(nèi)保持相同。在這種情形下，認為電路平衡。
[0090]可以通過針對階段I期間在電容Cp處要充電的電荷和階段2期間在電容(；處要充電的電荷的公式，來獲得由反饋單元240的放大器放大并輸出的電壓Vbdge。[0081] VbdgeXCp=-VlXCr …(3)
[0092] 還可以如下重寫該等式:
[0093] Vbdge=-VLXCr/Cp …(4)
[0094]其中，項“\xcycp ”指示因施加于電容式壓力傳感器上的壓力所導(dǎo)致的電容的變化。
[0095]然而，如果不進行修改的話，以上配置具有一些缺陷。在積分器220的輸出處存在不期望的紋波，電容Cp和電容(；對的非線性特性以及難以用在單端電源操作中。
[0096]積分器220不僅在控制環(huán)路中用作誤差積分器，而且還用作輸出放大器。結(jié)果，積分器220能夠經(jīng)由共用端子C。》進行輸入以在地電勢下工作。在不平衡狀態(tài)下，C；X'不等于CpXVbdge。利用積分器20對誤差電荷進行積分直到通過連續(xù)的周期平衡為止。
[0097]在將由電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp和由參考電極形成的電容(；連接至輸出控制電路200來進行壓力測量的情況下，Cr/Cp相對于壓力的數(shù)學(xué)值是非線性的。cycp相對于壓力增加的下降速率不是常數(shù)。因此，在不具有線性度調(diào)節(jié)的情況下，在多數(shù)情形下，輸出電壓相對于壓力不能適合實際的壓力傳感器產(chǎn)品所允許的公差。
[0098]為了校正這種非線性度，在反饋單元240的放大器輸出端子和電力輸入單元230的緩沖器輸入端子之間連接作為輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310的可變電阻器Runp來進行線性度調(diào)節(jié)。使用可變電阻器RUnl、Run2和RunF、以及從反饋單元240的放大器放大并輸出的電壓Vbdge和電力輸入V+，可以將電力輸入單兀230的緩沖器輸出電壓Vl表不為等式。
[0099]可變電阻器Runl與可變電阻器Run2之間的分叉點處的電流的守恒遵照以下關(guān)系。從反饋單元240的放大器流向電力輸入單元230的緩沖器與從電力輸入V+流向電力輸入單元230的緩沖器的電流的總和等于從可變電阻器Runl和Run2之間的分叉點流向地的電流的量。
[0100](Vbdge - VL) /RLinF+ (V+-VL) /RLinl=VL/RLin2...(5)
[0101](VLXCr/Cp-VL)/RLinF+ (V+-VL) /RLinl=VL/RLin2...(6)
[0102]可以如下改寫等式(5)和(6):
[0103]Vl= (V+/RLinF) / (l/RLinl+l/RLin2+ (l_Cr/Cp)/RLinF)…(7)
[0104]在將以上等式的表達代入等式7時得到:
[0105]Vbdge= ((V+/RLinF) XC1ZCp)/ (l/RLinl+l/RLin2+ (l_Cr/Cp)/RLinF)..(8)
[0106]由于連接了可變電阻器RUnF，因此在等式8的分母中產(chǎn)生額外項“(l-(；/Cp)/RunF) ”。該項調(diào)節(jié)C；/Cp中的非線性度。
[0107]然后，將說明紋波減少操作。如圖4所示，存在開關(guān)控制波形的兩個階段。
[0108]P1開關(guān)和P2開關(guān)的開關(guān)操作是不重疊的，Pld開關(guān)被延遲且在P1開關(guān)接通間隔內(nèi)“接通”，并且P2d開關(guān)被延遲且在P2開關(guān)接通間隔內(nèi)“接通”。在階段2期間內(nèi)的P2開關(guān)接通間隔的起始時刻，來自反饋單元240的放大器的電流對由主電極形成的電容Cp充電，并且從由參考電極形成的電容(；對地放電。P2d開關(guān)ON狀態(tài)被延遲，直到瞬態(tài)狀態(tài)(不平衡狀態(tài))達到穩(wěn)定狀態(tài)(平衡狀態(tài))為止。
[0109]在P2d和P2開關(guān)“斷開”并且經(jīng)過了非重疊間隔之后，P1開關(guān)在階段I內(nèi)“接通”。在？工開關(guān)接通間隔的起始時刻，來自緩沖器230的電流對由參考電極形成的電容(；充電，并且從由主電極形成的電容Cp對地放電。Pld開關(guān)接通狀態(tài)被延遲，直到瞬態(tài)狀態(tài)(不平衡狀態(tài))達到穩(wěn)定狀態(tài)(平衡狀態(tài))為止。
[0110]在Pld開關(guān)“接通”時，從積分器220供應(yīng)不平衡(誤差)電荷和/或向積分器220取出不平衡(誤差)電荷。這種不平衡狀態(tài)將繼續(xù)，直到誤差達到零為止。在達到平衡狀態(tài)的情況時，在P2d開關(guān)或Pld開關(guān)“接通”的情況下將不存在電流(電荷)流動。
[0111]通過在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前分別延遲Pld開關(guān)和P2d開關(guān)的接通，可以避免注入積分器220的誤差或紋波或者可以使該誤差或紋波最小化。在Pld開關(guān)和P2d開關(guān)的接通不存在這種延遲的情況下，測量精度可能丟失并且輸出電壓Vwt和紋波可能大得多。
[0112]在使用虛擬地來檢測電容式壓力傳感器的電容變化時，積分器220是有利的。從積分器220供應(yīng)的電荷和/或向積分器220取出的電荷僅來自作為虛擬地端子的共用端子C.以及/或者去向該共用端子Cram，并且由主電極形成的電容(；或由參考電極形成的電容Cp的寄生電容分流不會對積分器220的輸出產(chǎn)生影響。
[0113]作為積分器220的虛擬地端子的共用端子C?！吩诘仉妱菹聹蚀_地工作。在積分器220的“ + ”輸入和地之間添加電阻器R。如此，電阻器R可以平衡在兩個輸入之間產(chǎn)生的偏置電流或漏電流，并且防止積分器的“ + ”輸入直接連接至地。
[0114]隨著電容式壓力傳感器的溫度的變化，輸出規(guī)格偏移校準兀件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的特性根據(jù)溫度系數(shù)而改變，由此影響輸出控制電路200的輸出規(guī)格。因而，需要補償輸出規(guī)格偏移校準元件300、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件310和輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件320的特性的變化。
[0115]Vout.bgr_Vbe+Vt Inn...(9)
【權(quán)利要求】
1.一種用于電容式壓力傳感器的輸出規(guī)格校準設(shè)備，所述輸出規(guī)格校準設(shè)備包括: 輸出控制電路，其被配置為將由所述電容式壓力傳感器的主電極形成的電容Cp的電容變化以及由所述電容式壓力傳感器的參考電極形成的電容(；的電容變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓并且輸出所述輸出電壓； 輸出規(guī)格校準兀件，其被配置為包括至少一個輸出規(guī)格偏移校準兀件、輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件、輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件和輸出規(guī)格溫度補償元件，每個元件被配置為調(diào)節(jié)所述輸出控制電路的輸出的規(guī)格； 設(shè)置單元，其被配置為設(shè)置所述輸出規(guī)格偏移校準元件、所述輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件和所述輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件的電氣屬性值； 外部輸入接口，其被配置為連接至用于設(shè)置所述輸出規(guī)格偏移校準元件、所述輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件和所述輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件的電氣屬性值的外部端子；以及溫度補償電路，其被配置為設(shè)置所述輸出規(guī)格溫度補償元件的電氣屬性值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述輸出控制電路被配置為包括: 開關(guān)單元，其被配置為控制由所述主電極形成的所述電容Cp的充放電操作和由所述參考電極形成的所述電容(；的充放電操作； 積分器，其被配置為接收從所述電容Cp和所述電容(；釋放的電流，輸出所接收到的電流作為輸出電壓，并且連續(xù)對誤差校正信號進行積分直到誤差達到零為止； 電力輸入單元，其被配置為向所述電容Cp和所述電容Cr供應(yīng)恒定的電力；以及反饋單元，其被配置為放大來自所述積分器的輸出電壓，并且將放大后的輸出電壓反饋回至所述電容cp、所述電容(；和所述電力輸入單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述輸出規(guī)格偏移校準元件被配置為包括兩個可變電阻器Runl和Run2，所述兩個可變電阻器Runl和Run2串聯(lián)連接在電力輸入V+和地之間，從串聯(lián)連接觸點分叉，并且連接至所述電力輸入單元的輸入端子以對輸入電壓偏移進行校準。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述設(shè)置單元被配置為將所述兩個可變電阻器Runl和Rlw的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述輸出規(guī)格增益調(diào)節(jié)元件被配置為包括可變電阻器ROF，所述可變電阻器ROF連接至用于放大來自所述積分器的輸出電壓的放大器的反相輸入端子和所述放大器的輸出端子，以調(diào)節(jié)所述放大器的增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述設(shè)置單元被配置為將所述可變電阻器ROF的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述輸出規(guī)格溫度補償元件被配置為包括可變電阻器R0I，所述可變電阻器ROI連接至放大器的反相輸入端子和所述積分器的輸出端子，以補償由于溫度變化所導(dǎo)致的所述放大器的輸出電壓的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述溫度補償電路被配置為將所述可變電阻器ROI的電阻設(shè)置為電氣屬性值。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述輸出規(guī)格非線性度調(diào)節(jié)元件被配置為包括可變電阻器RUnF，所述可變電阻器RunF連接至所述反饋單元的輸出端子和所述電力輸入單元的輸入端子兩者，并且將由所述電容式壓力傳感器的所述主電極形成的所述電容Cp和由所述參考電極形成的所述電容Cp的電容對連接在所述反饋單元的輸出端子和所述可變電阻器Runp之間，以改善所述電容式壓力傳感器的非線性度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的輸出規(guī)格校準設(shè)備，其中，所述設(shè)置單元被配置為將所述可變電阻器RUnF的電 阻設(shè)置為電氣屬性值。
【文檔編號】G01L27/00GK103913269SQ201310728515
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月9日
【發(fā)明者】樸景滿, 李康尹 申請人:吾土產(chǎn)業(yè)株式會社