ЦЕПЬ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА Российский патент 2010 года по МПК G01D3/28 G01D5/24 

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к емкостной цепи датчика для технологических параметров. Поскольку процессы изготовления микроструктур совершенствуются, емкостные датчики технологических параметров можно изготавливать путем все большего уменьшения размеров для снижения размера и стоимости продуктов, которые включают в себя такие емкостные датчики. Поскольку размер емкостных датчиков понижается, остаточная емкость также становится значительно меньше. Емкостные датчики с остаточными емкостями, например, приблизительно 15 пФ могут быть встроены в многослойные сапфировые структуры, и без использования изоляционного масла для повышения емкости. При таких малых остаточных емкостях паразитные емкости, которые связывают шум в емкостном датчике, становятся больше по сравнению с остаточными емкостями. Соотношения сигнал-шум понижаются, и шум вносит значительный вклад в суммарную погрешность на выходе датчика. Существует также возрастающий запрос на повышенную точность в емкостных датчиках процесса. Поскольку эти запросы возрастают, нелинейность емкостного датчика ограничивает определение ошибки датчика. Для обеспечения повышенной точности в емкостных датчиках необходимы соответствующие приборы и способ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Раскрыта цепь, обнаруживающая технологические параметры. Цепь содержит делитель напряжения, который включает в себя первый и второй конденсаторы. По меньшей мере, один из конденсаторов - первый или второй, обладает емкостью, которая изменяется под действием технологических параметров в диапазоне групповой частоты.

Делитель имеет концы делителя, которые получают модулированные потенциалы. Модулированные потенциалы имеют модуляцию в диапазоне несущих частот. Модулированные потенциалы имеют огибающую полосы частот модулирующих сигналов. Делитель имеет соединение центрального отвода, которое обеспечивает ввод детектора.

Цепь содержит детектор с выходом детектора. Выход детектора отображает компоненты диапазона несущих частот входного сигнала детектора.

Цепь включает в себя цепь управления. Цепь управления управляет огибающей полосы частот модулирующих потенциалов в зависимости от выходного сигнала детектора. Цепь управления обеспечивает выход технологического параметра в диапазоне полосы частот модулирующих сигналов.

В одном варианте воплощения емкость датчика изменяется нелинейно относительно технологического параметра. Цепь управления управляет, по меньшей мере, одним из модулированных потенциалов в соответствии с функцией нелинейного управления выхода детектора. Функция нелинейного управления компенсирует выходной сигнал технологического параметра в связи с нелинейностью технологического параметра.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ.1 иллюстрирует структурную схему цепи, пригодной для емкостного обнаружения технологического параметра.

ФИГ.2 иллюстрирует пример полосы частот модулирующих сигналов и диапазонов несущих частот.

ФИГ.3 иллюстрирует пример цепи синхрогенератора.

ФИГ.4-5, вместе взятые, иллюстрируют пример цепи детектора.

ФИГ.6 иллюстрирует пример цепи управления, которая управляет потенциалом полосы частот модулирующих сигналов.

ФИГ.7 иллюстрирует пример цепи коррекции нелинейности.

ФИГ.8 иллюстрирует пример пересчетной схемы и цепи настройки нуля.

ФИГ.9 иллюстрирует пример цепи установки диапазона.

ФИГ.10 иллюстрирует пример цепи регулятора.

ФИГ.11 иллюстрирует график относительной погрешности как функции технологического параметра для цепи обнаружения давления при комнатной температуре.

ФИГ.12 иллюстрирует график относительной погрешности как функции технологического параметра для цепи обнаружения давления при температурах выше интервала рабочих температур.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В вариантах воплощения, описанных ниже, цепь обнаружения технологического параметра обнаруживает технологический параметр, определяемый емкостью. Цепь обнаружения технологического параметра содержит чувствительный конденсатор и эталонный конденсатор, соединенные последовательно, с образованием емкостного делителя напряжения. Чувствительный конденсатор воспринимает изменения технологического параметра для полосы частот модулирующих сигналов. Концы емкостного делителя напряжения принимают модулированные потенциалы, которые модулируются при несущей частоте. Соединение между чувствительным конденсатором и эталонным конденсатором обеспечивает ввод детектора. Цепь детектора демодулирует ввод детектора и обеспечивает выход детектора. Цепь детектора функционирует в полосе несущих частот и обеспечивает выход детектора, который демодулируется. Цепь управления управляет амплитудами модулированных потенциалов как функцией выхода детектора. Цепь управления обеспечивает выход технологического параметра на частотах полосы частот модулирующих сигналов.

На входе низкоуровневого детектора отсутствуют соединения переключателя. Детектор функционирует в диапазоне модулирующей частоты и выводит шум за пределы диапазона модулирующей частоты. В одном варианте воплощения чувствительный конденсатор является нелинейным, и один из модулированных потенциалов содержит нелинейную функцию выходного сигнала детектора, отчасти компенсирующую нелинейность чувствительного конденсатора. Цепь функционирует по принципу замкнутого цикла, вследствие чего амплитуды модулированных потенциалов изменяются, приводя вход детектора к среднему значению близко к нулю. Вход детектора содержит сигнал ошибки.

Термин «детектор», используемый в данной заявке, относится к цепи, которая принимает несущую частоту, модулируемую за счет изменений технологического параметра полосы частот модулирующего сигнала, и которая обеспечивает выход детектора, который воспроизводит изменения технологического параметра полосы частот модулирующих сигналов. Термин «полоса частот модулирующих сигналов», используемый в данной заявке, относится к полосе частот, занимаемой полезной информацией при изменениях технологического параметра. Термин «модуляция», используемый в данной заявке, относится к отображению информации о полосе частот модулирующих сигналов на максимальную несущую частоту. Термин «несущая», используемый в данной заявке, относится к частоте, более высокой, чем частоты, относящиеся к полосе частот модулирующих сигналов, и которая используется для модуляции. Термин «огибающая», используемый в данной заявке, относится к форме модулирующей волны полосы частот модулирующих сигналов, в пределах которой содержится несущая частота амплитудно-модулированного сигнала, т.е. это кривая, соединяющая пики последовательных циклов волны несущей частоты.

ФИГ.1 иллюстрирует структурную схему цепи 100, пригодной для емкостного обнаружения технологического параметра. Первый конденсатор 102 имеет емкость (C_sense), которая изменяется в зависимости от технологического параметра. Обнаруживаемый технологический параметр может представлять давление, силу, ускорение, наклон, температуру или другой технологический параметр, который можно обнаружить емкостным способом. Второй конденсатор 104 имеет емкость (C_ref), которая практически не зависит от технологического параметра, который распознан первым конденсатором 102. В одном варианте воплощения емкость C_sense имеет, как правило, линейное соотношение с обнаруживаемым технологическим параметром, но при этом данное соотношение подвержено небольшой нелинейности. Колебания технологического параметра (и C_sense), которые несут полезную информацию о технологическом параметре, находятся в диапазоне частот, относящихся к полосе частот модулирующих сигналов. В одном варианте воплощения диапазон частот, относящихся к полосе частот модулирующих сигналов, составляет от 0 до 400 Гц.

В одном варианте воплощения конденсаторы 102, 104 сконструированы так, что они аналогичны друг другу с точки зрения материалов изготовления и геометрии, вследствие чего отклики первого и второго конденсаторов 102, 104 на нежелательные влияния внешней среды аналогичны или сопряжены друг с другом. В другом варианте воплощения конденсаторы 102, 104 смонтированы в общей опорной конструкции, что повышает устойчивость. В еще одном варианте воплощения первый конденсатор 102 воспринимает давление, и он вместе со вторым конденсатором 104 смонтирован в общей опорной конструкции, сформированной из слоев сапфира, которые непосредственно связаны друг с другом.

Конденсаторы 102, 104 соединены последовательно с образованием емкостного делителя 106 напряжения. Соединением 108 делителя является центральный отвод, который является общим для обоих конденсаторов 102, 104. Соединение 108 служит в качестве входа в цепь 110 детектора. Концевой проводник 112 делителя емкостного делителя 106 напряжения соединен через резистор R10 с переключателем SW3. Концевой проводник 114 делителя соединен через резистор R11 с переключателем SW4. Переключатели SW3, SW4 являются однополюсными, двухпозиционными твердофазными МОП-переключателями. Переключатель SW3 попеременно соединяет конец 112 делителя с потенциалом E1 полосы частот модулирующих сигналов на линии 126 или с опорным потенциалом VS. Переключатель SW4 попеременно соединяет конец 114 делителя с потенциалом E2 полосы частот модулирующих сигналов или с опорным потенциалом VS. Опорный потенциал VS является источником опорного сигнала для измерения напряжения и его значение считается равным 0 вольт.

Переключатели SW3, SW4 управляются посредством ведущего синхронизирующего сигнала PHO, который генерируется синхрогенератором 116. При низком ведущем синхронизирующем сигнале PHO, в период первой фазы 115 синхронизации, конец 112 делителя соединяется переключателем SW3 с E1, а конец 114 делителя соединяется переключателем SW4 с VS, как проиллюстрировано. При высоком ведущем синхронизирующем сигнале PHO, в период второй фазы 117 синхронизации, конец 112 делителя соединяется переключателем SW3 с VS, а конец 114 делителя соединяется переключателем SW4 с E2 (не проиллюстрировано).

Переключатели SW3, SW4 находятся в высоковольтных, а не в низковольтных трактах прохождения сигнала. Нет никаких переключателей, соединенных с низковольтным входом 108 детектора. Эта установка обеспечивает низкий шум, по сравнению с архитектурой сигма-дельта типа для измерения емкостных датчиков, когда низковольтные сигналы соединены с переключателями.

При низком ведущем синхронизирующем сигнале PHO, в период первой фазы 115 синхронизации, емкостный делитель 106 соединяет между собой E1 и VS, а при высоком ведущем синхронизирующем сигнале PHO, в период второй фазы 117 синхронизации, емкостный делитель 106 соединяет между собой VS и E2. Резисторы R10, R11 ограничивают максимальные токи после переключения между ведущими фазами синхронизации. Резисторы R10, R11 обладают значениями сопротивления, которые достаточно велики для ограничения максимальных токов, но достаточно низки, чтобы напряжение на входе детектора в соединении 108 было установлено на его конечном значении в период каждой фазы синхронизации. В одном варианте воплощения емкости C_sense и C_ref составляют примерно 15 пикофарад, резисторы R10, R11 составляют 300 Ом, а управляющий синхронизирующий сигнал PHO обладает частотой 1 мегагерц. Данную частоту управляющего синхронизирующего сигнала называют несущей частотой.

В период первой фазы синхронизации делитель 106 делит разность потенциалов (E1-VS) между концевыми проводниками 112, 114 делителя. В ходе второй фазы синхронизации делитель 106 делит разность потенциалов (VS-E2) между делителем и проводниками 112, 114. Делитель 106 обеспечивает разделенные потенциалы на входе 108 детектора. Входной сигнал 108 детектора, таким образом, представляет собой последовательность импульсов знакопеременной полярности (относительно VS). Входной сигнал 108 детектора представляет собой практически прямоугольную волну для несущей частоты. Удвоенная амплитуда входного сигнала 108 детектора представляет собой функцию емкостей C_sense, C_ref и потенциалов E1, E2. Входной сигнал 108 детектора представляет собой низкоуровневый сигнал рассогласования, который может обладать низким соотношением сигнал/шум относительно шума полосы частот модулирующих сигналов и других шумов за пределами диапазона несущей частоты.

Цепь 110 детектора распознает входной сигнал 108 детектора в полосе пропускания вокруг несущей частоты. Цепь 110 детектора обеспечивает выходной сигнал 118 детектора в цепи 120 управления. Цепь 120 управления генерирует потенциал E2 как функцию амплитуды выходного сигнала 118 детектора. Цепь 120 управления обеспечивает потенциал E2 на линии 121 для переключателя SW4. Цепь 120 управления обеспечивает выходной сигнал, отображающий технологический параметр на линии 132. В случаях, когда емкость C_sense является нелинейной, цепь 120 управления обеспечивает управляющее напряжение на линии 122, ведущей к цепи 124 коррекции нелинейности. Цепь 124 коррекции нелинейности генерирует потенциал E1 как функцию напряжения VD источника питания и потенциал E2. Цепь 124 коррекции нелинейности обеспечивает потенциал E1 на линии 126, ведущей к переключателю SW3. Колебания потенциалов E1 и E2 находятся в пределах диапазона полосы частот модулирующих сигналов. Переключатель SW3 обеспечивает первый модулированный потенциал на линии 128. Первый модулированный потенциал на линии 128 имеет максимальную амплитуду (огибающую), которая модулируется потенциалом E1 на частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов, и имеет практически фиксированную несущую частоту. Переключатель SW4 обеспечивает второй модулированный потенциал на линии 130, который имеет максимальную амплитуду (огибающую), модулируемую потенциалом E2 на частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов, и имеет практически фиксированную несущую частоту.

Синхрогенератор 116 генерирует первый синхронизирующий сигнал взятия замеров PH1. Первый синхронизирующий сигнал взятия замеров PH1, как проиллюстрировано, является высоким в ходе осуществления последней стадии первой фазы 115 синхронизации управляющего синхронизирующего сигнала PHO. Синхрогенератор 116 генерирует второй синхронизирующий сигнал взятия замеров PH2. Второй синхронизирующий сигнал взятия замеров PH2, как проиллюстрировано, является высоким в ходе осуществления последней стадии второй фазы 117 синхронизации управляющего синхронизирующего сигнала PHO. Синхронизирующие сигналы взятия замеров PH1, PH2 синхронизируются с помощью управляющего синхронизирующего сигнала PHO. Первый и второй синхронизирующие сигналы взятия замеров PH1 и PH2, как проиллюстрировано, связаны с детектором 110. В одном варианте воплощения детектор 110 использует синхронизирующие сигналы взятия замеров PH1, PH2 для осуществления синхронной демодуляции. Синхронная демодуляция резко устраняет шум, не коррелированный с управляющим синхронизирующим сигналом.

Цепь 100, таким образом, обнаруживает технологический параметр, который изменяет емкость первого конденсатора 102. Цепь 100 обеспечивает выходной сигнал полосы частот модулирующих сигналов на линии 132, который отображает распознанный технологический параметр. Первый и второй конденсаторы 102, 104 принимают первый и второй модулированные потенциалы на линиях 128, 130 с амплитудами E1, E2, которые модулируются при несущей частоте переключателями SW3, SW4. Первый и второй конденсаторы 102, 104 связаны с входным сигналом 108 детектора. Один из конденсаторов 102, 104 - первый или второй, обладает емкостью, которая изменяется под действием технологического параметра на частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов. Цепь 110 детектора обеспечивает выходной сигнал 118 детектора, который отображает компоненты входного сигнала 108 детектора, обнаруживаемые в диапазоне несущей частоты. Цепь 120 управления управляет амплитудами E1, E2 полосы частот модулирующих сигналов с модулированными потенциалами 128, 130, являющимися функцией выходного сигнала 118 детектора. Цепь 120 управления обеспечивает выходной сигнал 132, отображающий технологический параметр при полосе частот модулирующих сигналов. В одном варианте воплощения все линии 132, 121, 122 соединены с потенциалом E2 полосы частот модулирующих сигналов.

Соотношение между частотами полосы модулирующих сигналов и несущими частотами более подробно описано ниже в связи с примером, проиллюстрированным на ФИГ.2. Синхрогенератор 116 более подробно описан ниже в связи с примером, проиллюстрированным на ФИГ.3. Цепь 110 детектора более подробно описана ниже в связи с примером, проиллюстрированным на ФИГ.4-5. Цепь 120 управления более подробно описана ниже в связи с примером, проиллюстрированным на ФИГ.6. Цепь 124 коррекции нелинейности более подробно описана ниже в связи с примером, проиллюстрированным на ФИГ.7.

ФИГ.2 иллюстрирует пример диапазонов несущих частот и полосы частот модулирующих сигналов. На ФИГ.2 горизонтальная ось 202 отображает частоту. Полезная информация в обнаруженных технологических параметрах находится в диапазоне 204 полосы частот модулирующих сигналов, которая простирается от нулевой частоты (например, постоянного тока - стационарного технологического параметра) в 206 до верхнего предела 208 полосы частот модулирующих сигналов. Обнаруженные технологические параметры обладают полезной информацией в диапазоне полосы частот модулирующих сигналов. Когда информация, содержащаяся в полосе частот модулирующих сигналов, модулируется с помощью несущей частоты, с получением модулированного потенциала, то полезная информация находится в диапазоне 210 частоты модуляции, которая, как правило, сосредоточена вокруг несущей частоты 212. Детектор (такой как детектор 110 на ФИГ.1) имеет характеристику 214 частоты полосы пропускания, которая в целом соответствует диапазону 210 частоты модуляции. Детектор 110 обнаруживает желательную информацию в полосе пропускания 214 детектора и устраняет шум и сигналы полосы частот модулирующих сигналов, которые находятся за пределами полосы пропускания 214. Выход детектора (например, выход 118 детектора на ФИГ.1), таким образом, является нечувствительным к самым сильным наводкам, вызванным соприкосновением датчика с технологическим оборудованием.

ФИГ.3 иллюстрирует пример цепи 300 синхрогенератора. Цепь 300 синхрогенератора содержит осциллятор 302 с кварцевой стабилизацией частоты. Осциллятор 302 включает в себя инвертор 304, который имеет усиление, и резистор 306 цепи обратной связи, связывающий между собой вход и выход инвертора 304. Резистор 306 цепи обратной связи настраивает инвертор 304 в диапазоне для аналогового усиления. Кристалл 308 регулировки частоты и добавочный резистор 310 соединены друг с другом в цепи обратной связи между входом и выходом инвертора 304. Кварцевый осциллятор 302 вибрирует с частотой, заданной кристаллом 308. Осциллятор генерирует выходной сигнал 310 осциллятора. Выходной сигнал 310 осциллятора включает в себя хорошее приближение прямоугольного колебания. В одном варианте воплощения частота колебания кварцевого осциллятора 302 составляет 2 МГц.

Цепь 300 синхрогенератора содержит цепь 312 делителя частоты. Цепь 312 делителя содержит триггер 314 (также называемый синхронной защелкой D). Выход /Q (не Q) связан с входом D, так что триггер 314 функционирует как схема деления на два. Выход Q триггера 314 воздействует на линию 316 в виде управляющего синхронизирующего сигнала (PHO) для приведения в действие управляющих входных сигналов твердотельных переключателей (таких как переключатели SW3, SW4 на ФИГ.1). В одном варианте воплощения управляющий синхронизирующий сигнал PHO имеет частоту 1 МГц. Возможность использования очень высокой скорости переключения, такой как 1 МГц, снижает ошибки, вызванные плохим сопротивлением изоляции и протеканием, вызванным влажностью. При высокой синхронизации частоты цепь может достигать высокого быстродействия для отслеживания изменений технологических параметров. Время отклика может находиться в пределах 2,5 миллисекунд.

Синхрогенератор 300 содержит двухвходовые логические элементы 318, 320 НЕ-ИЛИ. Один вход логического элемента 318 НЕ-ИЛИ связан с выходом 310 осциллятора, а другой вход логического элемента 318 НЕ-ИЛИ связан с выходом Q триггера 314. Выход логического элемента 318 НЕ-ИЛИ содержит синхронизирующий сигнал взятия замеров 1 (PH1), который связывается с детектором (таким как детектор 110 на ФИГ.1) для управления переключателем, который выполняет синхронную демодуляцию. Сигнал взятия замеров 1 достаточно высок в ходе второй половины фазы 1 управляющего синхронизирующего сигнала. Один вход логического элемента 320 НЕ-ИЛИ связан с выходом 310 осциллятора, а другой вход логического элемента НЕ-ИЛИ 318 связан с выходом /Q триггера 314. Выход NOR логического элемента 320 НЕ-ИЛИ содержит синхронизирующий сигнал взятия замеров 2 (PH2), который связывается с детектором (таким как детектор 110 на ФИГ.1) для управления переключателем, который выполняет синхронную демодуляцию. Сигнал взятия замеров 2 достаточно высок в ходе последней половины фазы 2 управляющего синхронизирующего сигнала.

ФИГ.4-5, взятые вместе, иллюстрируют пример цепи 400 детектора. Цепь 400 детектора содержит вход 402 детектора на левой стороне ФИГ.4. Цепь 400 детектора содержит выход 404 детектора на правой стороне ФИГ.5. Контрольная точка TP1 на правой стороне ФИГ.4 соединена с контрольной точкой TP1 на левой стороне ФИГ.5. Вход 402 детектора связан с сетью 403 настройки входа транзистора, содержащей резистор R16, резистор R17 и конденсатор C2. Сеть 403 настройки входа транзистора связана с затвором 405 транзистора Q1, который функционирует как аналоговый усилитель. Сеть 403 настройки входа транзистора имеет характеристику фильтра нижних частот, который отфильтровывает шум с частотами выше диапазона несущей частоты. В одном варианте воплощения транзистор Q1 содержит N-канальный полевой транзистор с управляющим р-n-переходом (JFET, junction field-effect transistor). В другом варианте воплощения N-канальный JFET содержит BF861 типа Филипс. BF861 типа Филипс имеет желательную характеристику уровней шума, равную только 1,5 нВ/Гц² при рабочей частоте 1 МГц, и низкую емкость. Цепь 400 детектора содержит сеть 407 настройки выхода транзистора, которая содержит резисторы R35, R18 и C3. Сеть 407 настройки выхода транзистора обеспечивает настройку выходного сигнала для транзистора Q1.

Выход 406 транзистора Q1 соединен с сетью 409 межкаскадной связи, которая содержит конденсатор C4 и резистор R21. Сеть 409 межкаскадной связи имеет характеристику фильтра верхних частот, которая отфильтровывает шум с частотами ниже диапазона несущей частоты. Сеть 409 межкаскадной связи связывает выход 406 с входом 408 высокоскоростного усилителя 410. В одном варианте воплощения высокоскоростной усилитель содержит аналоговое устройство типа AD8005. Аналоговое устройство типа AD8005 имеет низкое напряжение шума, равное 6 нВ/Гц² при рабочей частоте 1 МГц. Усилитель 410 содержит выход 412 усилителя. Выход 412 усилителя связан с сетью 411 фильтра верхних частот, которая содержит конденсатор C10 и резистор R24. Сеть 411 фильтра верхних частот отфильтровывает шум на частотах ниже диапазона несущей частоты. В частности, сеть 411 фильтра верхних частот отфильтровывает любые наводки, которые могут иметь место на выходе 412 усилителя. Сеть 411 фильтра верхних частот имеет выход TP1 414, который соединен с TP1 на ФИГ.5.

На ФИГ.5 выход 414 (ФИГ.4) соединен с переключателем SW1 и SW2 в TP1, как проиллюстрировано. Переключатель SW1 управляется с помощью синхронизирующего сигнала взятия замеров PH1, а переключатель SW2 управляется с помощью синхронизирующего сигнала взятия замеров PH2. Переключатель SW1 управляется для закрытия в ходе последней части первой управляющей фазы синхронизации. Когда переключатель SW1 закрыт, выход 414 соединен через переключатель SW1 с первой цепью низкочастотного фильтра, содержащей резистор R25 и конденсатор C12. Переключатель SW2 управляется для закрытия в ходе последней части второй управляющей фазы синхронизации. Когда переключатель SW2 закрыт, выход 414 соединен через переключатель SW2 со второй цепью низкочастотного фильтра, содержащего резистор R26 и конденсатор C13. Переключатели SW1, SW2, а также первый и второй интеграторы обеспечивают синхронную демодуляцию для выходного сигнала 404 детектора полосы частот модулирующих сигналов. Выходной сигнал 404 детектора представляет собой потенциал полосы частот модулирующих сигналов с частотной характеристикой, которая ограничена постоянной времени резистивно-емкостной цепи первого и второго низкочастотных фильтров. Выходной сигнал 404 детектора представляет собой разность потенциалов между контрольными точками TP3 и TP2 (ФИГ.5) управляющей цепи 600 на ФИГ.6.

ФИГ.6 иллюстрирует пример управляющей цепи 600, которая управляет потенциалом E2 полосы частот модулирующих сигналов. Разность потенциалов (вход 404 детектора) между контрольными точками TP3 и TP2 связана соответственно с резисторами R28, R29 на ФИГ.6. Разность потенциалов прикладывают через резисторы R28, R29 к входам 602, 604 усилителя 606 на интегральных схемах. Выход 608 усилителя 606 связан через резистор R30 с конденсатором C18 и конденсатором C15. Конденсатор C15 соединен в виде контура обратной связи с инвертирующим входом 604 усилителя 606. Конденсатор C18 соединен с потенциалом VS. Установка усилителя 606 и связанных с ним компонентов схемы включает в себя встроенный усилитель, который имеет в качестве своего выходного сигнала потенциал E2 полосы частот модулирующих сигналов. Потенциал E2 полосы частот модулирующих сигналов соединен вдоль линии 610 с линеаризирующей схемой, такой как линеаризирующая схема, проиллюстрированная на ФИГ.7. Потенциал E2 полосы частот модулирующих сигналов соединен вдоль линии 612 с пересчетной схемой, такой как пересчетная схема 800, проиллюстрированная на ФИГ.8. Потенциал E2 полосы частот модулирующих сигналов соединен вдоль линии 614 с переключателем S4 на ФИГ.1.

ФИГ.7 иллюстрирует пример цепи 700 коррекции нелинейности. Цепь коррекции нелинейности содержит резистивную сеть 702, которая содержит резисторы R7, R8 и R9. Резисторы R7, R8 образуют резистивный делитель напряжения, который последовательно подсоединен между разностью потенциалов (VD и VS) и который имеет узел 704 выхода делителя. Резистор R9 связывает между собой узел выхода делителя и потенциал E2 полосы частот модулирующих сигналов (линия 610 на ФИГ.6).

В одном варианте воплощения резистор R7 имеет сопротивление 25 кОм, а резистор R8 имеет сопротивление 68 кОм. Приблизительно 73% разности потенциалов (VD-VS) распространяется через резистор R8, и примерно 27% - через резистор R7. В данном варианте воплощения резистор R9 имеет сопротивление 432 кОм. Сопротивление резистора R9 примерно в 24 раза больше сопротивления источника питания моста сопротивления, которое составляет примерно 18 кОм. Колебания в потенциале E2 полосы частот модулирующих сигналов, который соединен с резистивным делителем через R9, таким образом, способны «сдвинуть» потенциал в узле 704 лишь на небольшую величину. Усилитель 706 принимает потенциал в узел 704, являющийся входом. Усилитель 706 соединен с резисторами R27, R5, R6 и конденсаторами C14, C11, а также с неинвертирующим усилителем 708. Усилитель 708 генерирует потенциал E1 полосы частот модулирующих сигналов на линии 710. Потенциал E1 полосы частот модулирующих сигналов является функцией VD и E2. Линия 701 соединена с переключателем SW3 (ФИГ.1). В случаях, если в коррекции нелинейности нет необходимости, резистор R9 можно исключить, оставляя соединение от узла 704 до E2 разомкнутым.

ФИГ.8-10 представляют собой принципиальные схемы цепи, которая может быть соединена с цепью, проиллюстрированной на ФИГ.1. Цепь, проиллюстрированная на ФИГ.8-10, соединена с системой управления, которая обеспечивает мощность и принимает полезный выходной сигнал от цепи датчика. Цепь масштабирования 800, проиллюстрированная на ФИГ. 8, принимает выходной сигнал, отображающий технологический параметр (линия 132 на ФИГ.1). Цепь 800 инвертирует, регулирует нулевую точку и определяет масштаб для обеспечения масштабированного выходного сигнала, который возрастает с ростом обнаружимого технологического параметра. Цепь 900 измерения диапазона, проиллюстрированная на ФИГ. 9, принимает масштабированный выходной сигнал от цепи 800 масштабирования. Цепь 900 измерения диапазона обеспечивает грубую регулировку настройки диапазона. Цепь 1000 регулятора на ФИГ.10 обеспечивает тонкую настройку выходного диапазона и обеспечивает компенсацию температурных воздействий для выходного диапазона.

ФИГ.8 иллюстрирует пример цепи 800 масштабирования. Цепь 800 масштабирования принимает потенциал E2 полосы частот модулирующих сигналов (c линии 612 на ФИГ.6) на линии 802. Цепь масштабирования обеспечивает масштабированный выходной сигнал на линии 804. Масштабированный выходной сигнал на линии 804 может передаваться на линию 902 на ФИГ.9.

Цепь масштабирования содержит инвертирующий усилитель 806. Инвертирующий усилитель 806 содержит усилитель 812 на интегральных схемах, резисторы R1, R2, R37 и конденсатор C30. В одном варианте воплощения R1=R2, а цепь усилителя имеет коэффициент усиления минус один.

Усилитель 812 имеет положительный входной сигнал, который передается по линии 810 на цепь 808 установки нуля. Цепь установки нуля содержит резистивную сеть, которая включает в себя регулируемые сопротивления 816, 818. В одном варианте воплощения регулируемые сопротивления 816, 818 содержат электронные потенциометры. В другом варианте воплощения регулируемые сопротивления 816, 818 содержат неразрушаемый цифровой потенциометр типа MCP4021, изготовленный компанией Microchip Technology Inc, Чандлер, Аризона, США. Для обеспечения выходного сигнала нуля при нулевом давлении, когда обнаруживаемым технологическим параметром является давление, можно использовать цепь установки нуля. В другом варианте воплощения резистор R52 содержит термистор для обеспечения поправки на температуру для ошибок нулевой температуры.

ФИГ.9 иллюстрирует пример цепи 900 установки диапазона. Цепь 900 установки диапазона регулирует коэффициент усиления для обеспечения электрического выходного сигнала в натуральную величину для выбранного диапазона измерений технологического параметра. Например, когда технологическим параметром является давление, диапазон можно устанавливать таким образом, чтобы для изменения технологического параметра в 100 psi (фунтов на квадратный дюйм) было обеспечено изменение выходного сигнала в 5 вольт.

Цепь 900 установки диапазона принимает выходной сигнал (линия 804 на ФИГ.8) цепи 800 масштабирования. Цепь 900 установки диапазона предоставляет пользователю выходной сигнал в 904, 906. Цепь 900 установки диапазона содержит усилитель 908 на интегральных схемах. Усилитель 908 на интегральных схемах соединен с резисторами R47, R55, R56, R57, R58, R41 и конденсаторами C6, C33, C36, C38 с образованием неинвертирующего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Резистор R41 содержит регулируемый потенциометр для регулировки коэффициента усиления. В одном варианте воплощения резистор R41 содержит неразрушаемый цифровой потенциометр типа MCP4021.

Коэффициент усиления цепи 900 установки диапазона обеспечивает грубую настройку для коэффициента усиления, тогда как тонкую регулировку коэффициента усиления можно осуществлять путем регулировки уровня VD, как более подробно описано в связи с примером, показанным на ФИГ.10. Поскольку уровень VD регулируется, смещается рабочая точка цепи коррекции нелинейности (ФИГ.7), которая тонко регулирует коэффициент усиления при измерении технологического параметра. Цепь коррекции нелинейности обеспечивает потенциал E1 как функцию VD. В варианте воплощения, где обеспечена коррекция нелинейности, E1 также является функцией E2.

ФИГ.10 иллюстрирует пример цепи 1000 регулятора. Цепь 1000 регулятора получает энергию от внешней шины питания системы управления в проводниках 1002, 1004. В одном варианте воплощения подаваемая электроэнергия представляет собой ток в диапазоне 3,45-3,65 миллиампер приблизительно при 7 вольтах или более.

Цепь 1000 регулятора содержит регулятор 1006 VD, который получает энергию от проводников 1002, 1004. Регулятор 1006 VD генерирует потенциал VD источника питания постоянного тока на линии 1008, относительно потенциала VS опорного источника электропитания на линии 1010. В одном варианте воплощения VD составляет номинально 5,5 вольт. Потенциал VD источника питания подвергается термокомпенсации под действием термисторов R20, R44. Потенциал VD источника питания регулируется регулируемым резистором R39. В одном варианте воплощения регулируемый резистор R39 содержит неразрушаемый цифровой потенциометр типа MCP4021. Потенциал VD регулируется встроенным регулятором 1020 цепи. В одном варианте воплощения встроенный регулятор 1020 цепи содержит регулятор напряжения типа LT1121, изготовленный компанией Linear Technology Corporation, Милпитас, Калифорния, США.

Цепь 1000 регулятора содержит аналоговый регулятор 1012 напряжения земли. Аналоговый регулятор 1012 напряжения земли генерирует потенциал земли на линии 1014. Потенциал земли на линии 1014 поддерживается на уровне, заданном делителем напряжения, содержащим резисторы R33, R34.

Цепь 1000 регулятора содержит регулятор 1016 VW, который получает электроэнергию в виде тока, который пропускают через систему электропитания VD-VS. Регулятор 1016 VW генерирует потенциал VW источника электропитания на линии 1018. Потенциал VW является отрицательным по отношению к опорному потенциалу VS. Регулятор 1016 VW последовательно соединен с энергосистемой VD-VS. В одном варианте воплощения регулятор 1016 VW содержит диод типа BAV99 от компании Fairchild Semiconductor, Южный Портленд, Мэн, США, а потенциал VW составляет приблизительно -0,7 относительно опорного потенциала VS.

ФИГ.11 иллюстрирует график зависимости относительной погрешности потенциала E2 от технологического параметра для цепи датчика давления при комнатной температуре. Горизонтальная ось 1102 отображает давление в количестве фунтов на квадратный дюйм (pounds per square inch absolute, PSIA). Вертикальная ось 1104 отображает относительную погрешность (нелинейность) потенциала E2 для восьми схем замера давления образца. В результатах, показанных на ФИГ.11, показанные относительные погрешности представляют собой процентное содержание от погрешностей максимального показания. Как можно видеть на ФИГ.11, цепь коррекции нелинейности корректирует нелинейность, имеющую крупную величину, а цепи измерения единичной пробы обычно обладают относительной погрешностью комнатной температуры порядка +/- 0,1%.

ФИГ.12 иллюстрирует график зависимости относительной погрешности потенциала E2 от технологического параметра для цепи датчика давления при диапазоне рабочих температур от -40 до +85°C. Горизонтальная ось 1202 отображает давление в количестве фунтов на квадратный дюйм (pounds per square inch absolute, PSIA). Вертикальная ось 1204 отображает относительную погрешность (нелинейность) потенциала E2 для восьми схем замера давления образца. В результатах, показанных на ФИГ.12, показанные относительные погрешности представляют собой процентное содержание от погрешностей максимального показания. Как можно видеть на ФИГ.12, цепь коррекции нелинейности корректирует нелинейность, имеющую крупную величину, а цепи измерения единичной пробы обычно обладают относительной погрешностью комнатной температуры порядка +/- 0,5%.

При эксплуатации потенциалы E1, E2 полосы частот модулирующих сигналов регулируются таким образом, чтобы соотношение E2/E1 было равно C_sense/C_reference. Соотношение E2/E1 может быть оцифровано аналого-цифровым преобразователем с E1 в качестве опорного потенциала, а E2 в качестве сигнала.

Цепи обнаружения можно использовать для всех типов емкостных датчиков, таких как акселерометры, инклинометры, температурные датчики с емкостным сенсором и датчик нагрузки. При добавлении аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора можно повысить точность системы, а также получить полную характеристику датчика.

С помощью емкостного датчика конденсатор чувствительной емкости C_s может соответствовать функции, приближенной к C_s=C_o/(1-a·P/P_fs), где P_fs - полномасштабная емкость, C_o - емкость при нулевом давлении, a приближенно равно 0,5. Цепь будет давать соотношение E₂/E₁=C_r/C_s. Оно преобразуется в выражение E₂/E_l=C_r·(1-a·P/P_fs)/C_o, которое показывает в основном линейную зависимость от давления. Однако настоящий емкостный датчик давления обладает примерно 0,75% полномасштабной (верхняя граница диапазона, upper range limit, URL) нелинейностью, и он не является параболическим. Цепь коррекции нелинейности является параболической, и после коррекции остается некая третьестепенная ошибка в 0,1%.

Цепь запускают с помощью двух однополюсных двухпозиционных переключателей, которые переключают последовательную комбинацию C_r и C_s между положениями соответственно E1 (зафиксирован ориентировочно) и V_s, и E2 (подвижно) и V_s. Ответвление между двумя конденсаторами предназначено для передачи сигнала, и E2 регулируют для получения сигнала переменного тока с нулевым напряжением.

Входной сигнал детектора сначала пропускают через N-канальный истоковый повторитель JFET для снижения полного сопротивления при передаче входного сигнала на высокоскоростной усилитель. Высокочастотный фильтр на выходе JFET устраняет постоянный ток и отфильтровывает любые низкочастотные шумы. Демодуляцию осуществляют на второй половине каждого цикла PHO для устранения переходных процессов при коммутации, развивающихся в ходе переключения режимов цикла.

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в его форме и деталях могут быть сделаны изменения, без отступления от сущности и объема изобретения.

Группа изобретений относится к емкостной цепи датчика для технологических параметров. Обнаруживаемый технологический параметр может представлять давление, силу, ускорение, наклон, температуру или другой технологический параметр, который можно обнаружить емкостным способом. Устройство содержит: делитель напряжения, который включает в себя первую и вторую емкости; детектор; цепь управления; синхрогенератор; цепь коррекции нелинейности; два резистора; переключатели. По меньшей мере, одна из емкостей изменяется под действием технологического параметра. Особенностью способа является то, что выполняется обнаружение на несущей частоте распознанного отображения входного сигнала детектора и управление огибающей полосы частот модулирующих сигналов модулированных потенциалов. Цепь функционирует по принципу замкнутого цикла, вследствие чего амплитуды модулированных потенциалов изменяются, приводя вход детектора к среднему значению близко к нулю. Техническим результатом от использования изобретений является обеспечение повышенной точности в емкостных датчиках. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Цепь обнаружения технологического параметра, содержащая:
делитель напряжения, который включает в себя первый и второй конденсаторы, по меньшей мере, один из которых имеет емкость, которую изменяют посредством технологического параметра в диапазоне полосы частот модулирующих сигналов; при этом делитель имеет концы делителя, которые принимают модулированные потенциалы, которые имеют модуляцию в диапазоне несущей частоты, и которые имеют огибающую полосы частот модулирующих сигналов; причем делитель имеет соединение в виде центрального отвода, которое обеспечивает входной сигнал детектора;
детектор с выходным сигналом детектора, характерным для компонентов диапазона несущей частоты входного сигнала детектора; и
схему управления, которая управляет огибающей полосы частот модулирующих сигналов модулированных потенциалов, в виде функции выходного сигнала детектора, причем схема управления обеспечивает выходной сигнал технологического параметра в диапазоне полосы частот модулирующих сигналов.

2. Цепь по п.1, в которой цепь управления управляет, по меньшей мере, одним из модулированных потенциалов, в виде нелинейной функции выходного сигнала детектора, компенсирующим выходной сигнал технологического параметра с точки зрения его нелинейности относительно технологического параметра.

3. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой огибающие модулированных потенциалов имеют колебания на частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов, сочетающиеся с колебанием емкости на частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов, генерируя входной сигнал детектора таким образом, что он стремится восстановить равновесное состояние, когда технологический параметр стабилен в полосе частот модулирующих сигналов.

4. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой входной сигнал детектора включает в себя шум полосы частот модулирующих сигналов, и детектор отфильтровывает шум полосы частот модулирующих сигналов.

5. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой детектор содержит:
фильтр, имеющий выходной сигнал фильтра и имеющий полосу пропускания, которая включает в себя несущую частоту; и
синхронный демодулятор, принимающий выходной сигнал фильтра и демодулирующий выходной сигнал фильтра с обеспечением выходного сигнала детектора.

6. Цепь обнаружения технологического параметра по п.5, содержащая:
синхрогенератор, который генерирует синхронизированные выходные сигналы;
и синхронный демодулятор, демодулирующий в качестве функции, по меньшей мере, один из синхронизированных выходных сигналов.

7. Цепь обнаружения технологического параметра по п.6, содержащая:
переключатели, управляемые, по меньшей мере, одним из синхронизированных выходных сигналов, которые модулируют модулированные потенциалы.

8. Цепь обнаружения технологического параметра по п.5, в которой фильтр содержит многокаскадный усилитель.

9. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой первый конденсатор содержит первый электрод, осажденный на первую подложку, а второй конденсатор содержит второй электрод, осажденный на первую подложку.

10. Цепь обнаружения технологического параметра по п.9, в котором первый и второй конденсаторы включают в себя электродные соединения с входом детектора.

11. Цепь обнаружения технологического параметра по п.10, в которой в электродных соединениях с входом детектора отсутствуют соединения с переключателями.

12. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой первый конденсатор имеет емкость обнаружения технологического параметра, а второй конденсатор имеет емкость, которая практически невосприимчива к технологическому параметру.

13. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой несущая частота является фиксированной несущей частотой.

14. Цепь обнаружения технологического параметра по п.1, в которой частоты, принадлежащие полосе частот модулирующих сигналов, находятся в диапазоне частот менее чем 10 Гц, а несущая частота - более чем 1 кГц.

15. Цепь обнаружения технологического параметра по п.14, в которой емкость обнаружения технологического параметра отвечает колебаниям технологического параметра полосы частот модулирующих сигналов, по меньшей мере, до 400 Гц, а выходной сигнал технологического параметра отвечает колебаниям технологического параметра, по меньшей мере, до 400 Гц.

16. Способ обнаружения технологического параметра, включающий в себя:
модуляцию модулированных потенциалов при несущей частоте;
обеспечение модулированных потенциалов для первого и второго конденсаторов, которые соединены с входом детектора;
изменение емкости одного из первого и второго конденсаторов, путем применения технологического параметра на частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов;
обнаружение на несущей частоте распознанного отображения входного сигнала детектора; и
управление огибающей полосы частот модулирующих сигналов модулированных потенциалов как функции распознанного отображения.

17. Способ обнаружения технологического параметра по п.16 и включающий в себя:
управление, по меньшей мере, одним из модулированных потенциалов как нелинейной функции распознанного отображения в целях компенсации распознанного отображения для коррекции нелинейности емкости как функции технологического параметра.

18. Способ обнаружения технологического параметра по п.16, и включающий в себя:
изменения амплитуд модулированных потенциалов при частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов, для их сочетания с изменениями емкости на таких частотах, принадлежащих полосе частот модулирующих сигналов, на которых, когда технологический параметр стабилен в пределах полосы частот модулирующих сигналов, входной сигнал детектора стремится к равновесию.

19. Способ обнаружения технологического параметра по п.16, в котором входной сигнал детектора включает в себя шум полосы частот модулирующих сигналов и в котором при распознавании происходит отфильтровывание шума полосы частот модулирующих сигналов.