Bau linearisierter kapazitiver Drucksensoren mit Auswerteschaltungen in Schalter-Kondensator-Technik:
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Düsseldorf
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| adam_text | Titel: Bau linearisierter kapazitiver Drucksensoren mit Auswerteschaltungen in Schalter-Kondensator-Technik
Autor: Benzel, Hubert
Jahr: 1995
- V- Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen .............VIII 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Berechnung von Kreismembransensoren.................... 4 2.2 Sensoren mit Rechteckmembran........................ 6 2.2.1 Berechnung der rechteckigen Membran................ 7 2.2.2 Bestimmung der Sensorkapazitäten.................. 8 2.3 Der Senior mit Bossmembran......................... 10 2.4 Optimierung der Sensorkennlinie ....................... 12 2.5 Die Entwurfszentrierung............................ 13 3 Auswerteschaltungen mit geschalteten Kondensatoren für kapazitive Sensoren 16 3.1 Schalter-Kondensator-Verstärker........................ 18 3.2 CMOS-Analogschalter ............................. 20 3.3 Verstärker mit Offsetkompensation...................... 22 3.4 S C-Verstärker mit Abtasthaltefunktion.................... 24 3.5 Der Differenzpfadverstärker.......................... 26 3.6 Eine Referenzspannungsquelle in CMOS-Technik............... 29 3.7 Auswerte-IC in CMOS-Technologie für kapazitive Sensoren......... 34 3.7.1 Die Schaltung für zwei Sensorkondensatoren............. 35 3.7.2 Schaltungsvariante für drei Kondensatoren im Sensor........ 38 4 Linearisierung der Kennlinie durch geeignet strukturierte Elektroden 42 4.1 Kreismembran-Sensoren ohne Linearisierung.................42 4.2 Sensor mit linearisierter Kennlinie durch Verwendung eines dritten Kondensators .................................... 45
-VI- 4.2.1 Anpassung des Sensors an die symmetrische Auswerteschaltung . . 47 4.2.2 Sensorelektroden mit optimierter Berandungskurve.........51 4.2.3 Zusammenhang zwischen Geometrie und Linearitätsfehler ..... 55 | 4.3 Linearer Drucksensor mit zwei Kondensatoren................57 j 4.3.1 Aufbau der Elektroden ........................57 j i 4.3.2 Optimierung mit runder Korrekturelektrode im Zentrum......58 j 4.3.3 Elektroden mit beliebiger Umrandungskurve beim Zweikondensa- torsensor ................................. 61 1 5 : 4.4 Sensor mit rechteckiger Membraneinspannung und 2 bzw. 3 Kondensatoren 64 5 Störgrößen im kapazitiven Sensor 67 j 5.1 Temperaturverhalten von kapazitiven Sensoren................67 5.2 Ursachen weiterer Temperatureffekte..................... 70 , 5.2.1 Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Glaslot und Keramik 71 5.2.2 Leiterbahnring im Glaslotbereich................... 72 i 5.2.3 Bimetalleffekt.............................. 72 5.2.4 Restdruck im Absolutdrucksensor...................73 S 5.3 Herstelltoleranzen................................ 74 ; 5.3.1 Relevante Parameter für eine Entwurfszentrierung.......... 75 5.3.2 Ergebnisse der Entwurfszentrierung..................78 6 Herstellung und Meßergebnisse 80 6.1 Herstellung von Dickschicht-Sensoren.....................80 6.1.1 Anforderungen an die Materialien...................80 6.1.2 Herstellprozeß von Dickschicht-Leiterbahnen............. 81 6.1.3 Vakuum Verschluß der Membran.................... 81 6.1.4 Uberlastsicherheit............................ 83 6.1.5 Abstandshaltering im Glaslot.....................86 6.1.6 Dimensionierung kapazitiver Dickschichtsensoren .......... 87 6.2 Herstellung eines Sensors mit 3 Kondensatoren und Korrekturelektrode mit 2 Kreisringsegmenten.............................. 89 6.3 Herstellung von Sensoren mit 3 Kondensatoren und optimierter Berandungskurve .................................... 91
-VII- 6.3.1 Korrektur der Kennlinie........................92 6.3.2 Temperaturverhalten..........................94 6.4 Aufbau und Meßergebnisse eines Hybridsensors ...............95 6.5 Messungen an Sensoren mit 2 Kondensatoren und optimierter Berandungskurve ....................................... 99 6.6 Sensor mit Rechteckmembran, 3 Kondensatoren und optimierter Berandungskurve ...................................101 6.7 Elektrodenstrukturen mit ganzflächiger Membranelektrode.........102 7 Vergleich der Sensoren 105 8 Zusammenfassung 110 Anhang 112 A Zweimembransensoren 112 B Messung der Temperaturkoeffizienten 116 C Ersatzschaltbild eines Sensorkondensators 118 Literaturverzeichnis 120
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