Neues Messverfahren umgeht die Nachteile kapazitiver Sensoren Renaissance kapazitiver Sensoren im Auto

In der Vergangenheit waren kapazitive Sensoren im Auto verpönt. Galten sie doch als schlecht zu beherrschen, schwierig auszulesen, wenig alterungsstabil und temperaturabhängig. Andererseits waren die günstigen Herstellungskosten, die einfache Formanpassung und der geringe Stromverbrauch schon immer reizvolle Attribute, die durchaus für den Einsatz kapazitiver Sensoren sprachen. Mit einem neuen Messverfahren können die bisherigen Nachteile kapazitiver Sensoren umgangen werden.

Neues Messverfahren umgeht die Nachteile kapazitiver Sensoren

In der Vergangenheit waren kapazitive Sensoren im Auto verpönt. Galten sie doch als schlecht zu beherrschen, schwierig auszulesen, wenig alterungsstabil und temperaturabhängig. Andererseits waren die günstigen Herstellungskosten, die einfache Formanpassung und der geringe Stromverbrauch schon immer reizvolle Attribute, die durchaus für den Einsatz kapazitiver Sensoren sprachen. Mit einem neuen Messverfahren können die bisherigen Nachteile kapazitiver Sensoren umgangen werden.

Makroskopisch werden kapazitive Sensoren üblicherweise ausgewertet, indem man ihre Kapazität in eine andere physikalische Größe umwandelt – meistens in eine Spannung, aber man erfasst auch häufig Zeitkonstanten oder Frequenzen. Mikroskopisch sind kapazitive Sensoren schon länger im Auto: Mikromechanische Beschleunigungssensoren basieren auf diesem Prinzip. Dabei werden üblicherweise Ladungsverschiebungen detektiert. Analog Devices hat nun ein neues Messverfahren für kapazitive Sensoren zur Serienreife entwickelt. Hierbei wird die Eingangsstufe eines Analog/Digital-Umsetzers (ADU) nach dem Sigma-Delta-Prinzip so modifiziert, dass anstelle einer unbekannten Spannung eine unbekannte Kapazität detektiert und in einen Digitalwert umgesetzt wird. Analog Devices nennt diesen Schaltkreis daher einen Capacity to Digital Converter (CDC).

„Kapazität nach Digital Wandler“ (CDC)

Um sich das Verfahren des CDC zu vergegenwärtigen, ist ein Blick auf das Prinzip des Sigma-Delta-ADUs (SD) hilfreich. Bild 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines solchen Analog/ Digital-Umsetzers. Um sich die Funktionsweise klar zu machen, betrachtet man zuerst den Eingang des Integrators. Dieser muss Null bleiben, zumindest über längere Zeitintervalle. Kurzzeitig werden kleine Sprünge auftreten, die der Integrator in Rampen umwandelt. Diese Null wird dadurch erreicht, dass der Ausgang des Referenzzweiges auf das gleiche Niveau gehoben wird wie der Eingangzweig, was wiederum durch den Ausgang des Komparators beeinflusst wird. Der schaltet mit einer logischen Eins die Referenz auf die nachfolgende Kapazität. Diese wird aufgeladen und umgekehrt an den Integrator gelegt, sodass die negative Referenzspannung am Integrator anliegt.

Eine hohe Spannung am Eingang bewirkt also eine hohe Anzahl logischer Einsen, die ihrerseits häufig die (negative) Referenz aufschalten. Diese hohe Dichte der Einsen wird vom nachfolgenden digitalen Filter in einen digitalen Zahlenwert umgewandelt. Ein klassischer Sigma-Delta-ADU vergleicht also eine unbekannte mit einer bekannten Spannung und benutzt dabei zwei bekannte (üblicherweise gleiche) Kapazitäten. Eigentlich werden jedoch Ladungen verglichen, und daher können nach Q = C x U auch die Kapazitäten verglichen werden, wenn beide Spannungen bekannt – in unserem Falle gleich – sind. Im Eingangszweig muss nur ebenfalls ein getaktetes Spannungssignal anliegen, wie in der Prinzipschaltung in Bild 2 dargestellt.

Es ergeben sich einige Vorteile aus diesem Messverfahren. Durch die nahe Verwandtschaft mit den Sigma-Delta-ADUs können deren bekannte Eigenschaften abgewandelt übernommen werden, wie z.B. die hohe Rauschunterdrückung, die hohe Auflösung bei relativ niedrigen Frequenzen, die günstige Realisierung hoher Genauigkeit und die Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen wie elektromagnetischen Störungen. Da Sigma-Delta-ADUs fast ausnahmslos eine ähnliche Eingangsstruktur haben, können diese für bestimmte Messaufgaben abgewandelt werden, als da wären besonders geringe Stromaufnahme, höchste Genauigkeit oder höhere Grenzfrequenzen. Ein weiterer Vorteil erschließt sich bei einem genaueren Blick auf Bild 2. Parasitäre Kapazitäten spielen in erster Näherung keine Rolle. Wird in Punkt A eine parasitäre Kapazität gegen Masse angenommen, so liegt dieser Punkt A doch – wie eingangs erwähnt – auf Nullpotential. Punkt B liegt nicht auf Nullpotential, jedoch wird Punkt B niederohmig mit definiertem Potential gespeist. Also wird sich eine parasitäre Kapazität zwischen Punkt B und Masse auf einen mittleren Wert aufladen und das Messergebnis nicht beeinflussen. Eine parasitäre Kapazität zwischen Punkt A und Punkt B liegt immer parallel zum Messelement und wird folglich stets als Offset im Messwert auftauchen.

Der erste CDC-Baustein ist der AD7745. Dieser bietet eine Auflösung von 24 bit bei etwa 16 bit Genauigkeit. Die Auflösung liegt bei etwa 50 aF bei einer (kalibrierten) Genauigkeit von 2 fF. Die Referenzkapazität hat einen recht gut definierten Temperaturkoeffizient, sodass der zusätzlich auf dem Chip befindliche Temperatursensor nicht nur zur besseren Bestimmung der Messkapazität, sondern auch für die Referenzkapazität herangezogen werden kann.