Verfahrensvergleich Auswertung kapazitiver Sensoren

Kapazitive Sensoren mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen, werden mit neuen Methoden ausgewertet.
Kapazitive Sensoren mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen, werden mit neuen Methoden ausgewertet.

Kapazitive Sensoren sind einfach zu verstehen und günstig herzustellen. Aber sie sind auch empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und sie sind teilweise schwer auszuwerten. Traditionelle Verfahren zur Auswertung stehen neueren Methoden mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen gegenüber.

Bei kapazitiven Sensoren stehen mit Plattengeometrie und Dielektrikum gleich zwei Variationsmöglichkeiten bereit, die zu einem auswertbaren Signal führen können. Inzwischen stehen kapazitive Druck-, Feuchte-, Näherungs- und Beschleunigungssensoren zur Verfügung. Im Auto finden sich darüber hinaus Tank-, Regen- und Sitzbelegungssensoren, um nur einige zu nennen. Die ganze moderne Unterhaltungselektronik wäre ohne kapazitive Touchscreens nicht denkbar.

Aber um dem Schillerwort Rechnung zu tragen, dass, wo viel Licht, ebenso viel Schatten zu finden ist, seien die Kehrseiten hier ebenso genannt. Kapazitive Sensoren sind temperatur- und störsignalempfindlich, variieren stark mit Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Schmutz und sie sind – zumindest im höheren Präzisionsbereich – nicht immer einfach auszuwerten. Von daher soll dieser Artikel auf diese Auswertung eingehen.

Traditionelle Verfahren

Traditionelle Verfahren finden noch häufig Verwendung und gelten als bewährt, doch sie haben auch ihre jeweiligen Nachteile.

Zeitbasierende Verfahren

Sicherlich die Gruppe, die immer noch am häufigsten im Feld zu finden ist, sind Messungen, die Zeit oder Frequenz auswerten. Dabei werden die unbekannten Kapazitäten entweder in einer Oszillatorschaltung genutzt, deren Frequenz dann gemessen wird (Bild 1), oder es wird über eine bekannte Impedanz eine Lade- bzw. Entladekurve zeitlich vermessen.

Das Verfahren ist einfach zu verstehen und anzuwenden. Allerdings sollte man sich der Fallstricke bewusst sein, die da lauern. Die einfachste Variante, anhand einer bekannten Impedanz die Zeitkonstante auszumessen, bedarf bei den üblicherweise im pF-Bereich befindlichen Messkapazitäten einer Zeitkonstante von wenigen µs, wenn man sich nicht rauschintensiver hochohmiger Widerstände bedienen will. Eine solche präzise auszumessen glückt nur mit entsprechenden GHz-Clocks oder – bei Verwendung von PLL-Schaltungen – mit sehr Jitter-armen und damit teuren Taktgebern. Oszillatorschaltungen, die die Einstellung einer Resonanzfrequenz ermöglichen könnten, sind zwar relativ einfach und günstig, aber nicht nur temperatur-, sondern auch versorgungsspannungsabhängig und damit fehleranfällig.

Ladungsbalance-Verfahren

Dabei geht es darum, die Ladung einer bekannten Kapazität auf eine unbekannte zu übertragen und anhand des Ladungszustands beider auf die unbekannte Kapazität zu schließen. Im einfachsten Fall (Bild 2) schließt man mittels eines Schalters die unbekannte und die (voll geladene) bekannte Kapazität zusammen und kann dann mittels einer einfachen Spannungsmessung auf den Ladezustand der Gesamtkapazität (bekannte plus unbekannte Kapazität) und damit auf die Messkapazität zurück rechnen. In der Praxis wären dazu allerdings sehr hochwertige Schalter mit Eingangskapazitäten weit unterhalb des Messwertes (bei Zielwerten im pF-Bereich eine Herausforderung) notwendig, die möglichst temperaturstabil sind.

Der Eingangswiderstand der Spannungsmessung wäre dagegen bereits im GΩ-Bereich sehr fehleranfällig. Derartige Impedanzwerte mögen im Labor realisierbar sein; in Schaltungen, die über Jahre Umweltbedingungen ausgesetzt sind, sind sie nicht praktikabel. Eine Ausnahme soll allerdings nicht unerwähnt bleiben. Wenn es nicht darum geht, eine einzelne Kapazität auszumessen, sondern zwei Kapazitäten in etwa gleich zu halten (wie z.B. in Beschleunigungssensoren), dann können mit zwei gegenphasigen Rechtecksignalen auf einen Integrator aufsummiert sehr hohe Genauigkeiten erzielt werden.

Brückenschaltungen

Das Prinzip ist einer klassischen Wheatstone-Brücke sehr ähnlich. Wie bei jener werden zwei Spannungsteiler miteinander verglichen, wobei in einem von den beiden die Messkapazität liegt (Bild 3). Die Differenz der beiden Mittelabgriffe wird verstärkt und digitalisiert. Dabei ist zu beachten, dass im Gegensatz zur klassischen Widerstandsbrücke die Versorgung der Brückenschaltung in jedem Fall eine Wechselspannung geeigneter Frequenz sein muss.

Diese Variante ist makroskopisch – auf Platinenebene – selten zu finden, braucht sie doch drei hinreichend genau gleich große Kapazitäten, die teuer zu realisieren sind. Mikroskopisch, auf Chip­ebene, sind diese allerdings recht einfach herzustellen und zu trimmen, zumal ihr genauer Wert zwar einmal ermittelt, aber nicht über eine größere Serie konstant gehalten werden muss. Da chipseitig hergestellte Kondensatoren alle einen ähnlichen Temperaturgang haben, ist sie auch recht temperaturstabil.