用于电容膜片式传感器的接口、设备和测量电流差值方法技术

本发明专利技术披露了一种用于确定在一对电路（１０）中的差动电流的系统和方法。在优选实施例中，激励电压和紧密耦合的差动电流变换器（１１１）与差动电容压力计耦连以产生差动电流。这个差动电流被输入到用于有效地积分差动电流的电荷放大器（１１２）的低阻抗求和节点。一个包围着所述电流变换器（１１１）和放大器（１１２）的屏蔽结构（１１５）被驱动到所述激励电压的电位。使电荷放大器（１１２）的输出通过一个和所述激励电压源（１１０）耦连的共模变换器（１１３），以便从输出信号中除去保护电位（相应于激励信号）。然后，一个同步检测器（１１４）把所得的信号转换成表示传感器（１０）的差动电容的ＤＣ电平。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及测量系统，更具体地说，本专利技术涉及用于通过改善双电极电容膜片式传感器(CDS)的电接口来改进利用CDS的电容膜片式仪表(CDG)的性能并降低成本的系统和方法。
技术介绍
电容膜片式仪表(或电容膜片式压力计)被广泛地用于半导体工业中。这部分地因为它们很好地适用于在这种工业的腐蚀性介质中工作。此外，它们具有高的精度和高的抗污染能力，这些都促进了它们的使用。具体地说，其中CDS被加热的那些CDG具有增强的抗污染能力，因而能够较长时间地工作而没有污染。CDS作为CDG内的真空/压力感测元件，可用于测量与/或控制处理室内的压力。CDS具有含有由圆形的张紧的膜片隔开的两个室的壳体。第一室和处理室或要测量其中的压力的部件呈流体连通。CDS的第二室通常被称为基准室，并一般地(虽然不一定)被抽空和密封，其中的压力大大小于要求传感器分辩的最小压力。用于分开CDS壳体内的两个室的张紧的膜(膜片)基本上是一种薄的金属膜，其在周边被机械地约束着。借助于在使其周边保持静止的情况下，使其变形而成为弓形，所述膜片反应于差动压力。从而使膜片作为柔性的、接地的电极。作为对其两边的压差的反应，膜片发生变形，并且还和静电场相互作用，使得膜片的变形可以通过这些静电的相互作用被分辨。在膜片附近设置有电极装置。该装置由具有抛光的、电绝缘的表面的刚性的平台构成，其承载着两个导电电极。电极装置被机械地约束着，离开含有膜片周边的平面一个固定的距离，使得电极非常接近于膜片(＜.005in)，并且平行于其表面延伸。借助于测量每个电极的对地电容，并从一个电极的电容中减去另一个电极的电容，可以容易地计算由于施加的压力而引起的膜片的弯曲。现代的CDS利用两个电极来监视膜片的弯曲。两个电极的对地电容(共模电容)随膜片的弯曲而改变，但是也随电极装置的移动而改变。这种移动随温度改变、温度瞬变和机械加载而发生，使用两个板的电容之差的度量(差动电容)是更稳定的，因为其中排除了膜片和电极之间的运动，从而反映膜片的偏转。利用CDG的系统一般对于压力读数的重复性具有苛刻的要求，每天的全量程漂移一般限制在.02％。全程偏转一般产生0.2-2.0pF(10-12F)的差动电容。这个值的0.02％给出每天0.04-0.4毫微微法拉(10-15F)的可允许的等效改变，其中一些改变是由当测量CDS的电容并减去该电容时引入的电气误差引起的。CDS电容的测量利用模拟的前端(AFE)电子仪器进行。AFE不仅用于连接CDS，其还进行减法操作，从而给出差动电容。因为在68pF的共模电容下全量程差动电容可以低至0.2pF(10-12F)，即使在全量程下，共模电容比需要测量的差动电容大340倍。对于每天0.4毫微微法拉的可允许的漂移的情况，共模电容大约是差动电容的可允许的改变的1.7×106倍。因而，减法操作必须是极好地平衡的和稳定的，以便确保AFE保持一个合理的漂移误差。在CDG内的一个明显的测量误差源是由于在结构内的电路、引线和结构之间的交互作用而引起的附带电容的积累。这些效应甚至在电路板上以及产生漏电流的集成电路内发生，所述漏电流使得电路对湿度和污染敏感。对这些泄漏元件的解决办法是采取保护措施。由具有相同电压的导电表面(保护表面)包围着的节点一般不经历电容或漏电流。通过利用保护装置包围重要的节点，它们能够独立地操作而不会由于移动、弯曲或湿度的改变而干扰和改变。在AFE中大部分元件非常需要保护电位并具有用于保护电位的电源。给定AFE的苛刻的性能要求，已经证明，很少的电路结构能够适合这种要求。目前具有3种电路结构占据着CDG市场平衡的二极管桥；被保护的二次变压器桥；以及匹配的参考电容器桥。平衡的二极管桥结构，如图1所示，利用激励单元，其提供交变电压，用于驱动CDS的电极。电荷通过二极管桥被交替地供给电容器CA、CB和从所述电容器除去，被交替地供给每个电极或者被从每个电极除去。每个电容器用于对一个电极供给电流，同时用于从另一个电极排出电流。因而两个电极的对地电容中的任何的不平衡将引起在CA和CB的输出管脚之间的电压差。二极管桥AFE是简单的和廉价的，这使得它们能够被合适地选用于具有较低要求的应用，例如用于10托的非加热的传感器。在稳定的温度和湿度下，它们可以在直到100毫托下使用。不过它们一般需要位于CDS附近，这是因为它们缺乏一种用于容易地产生有用的保护电位的装置。此外，它们遭受二极管的误匹配以及电路板的污染问题。参见图2，其中示出了一种基于被保护的二次变压器的桥式电路。这个电路利用由同轴电缆构成的中间抽头的二次侧，用于产生激励电压和按比例增加的保护电压。由激励电压在CDS中感应的电流从传感器的一个电极流向另一个电极。因而，电荷被保留，并且任何差动电容在二次侧的最内部的导体的中间抽头产生一个净电压。在内部导体的中间抽头后面，具有一个高输入阻抗的单位增益的放大器，其在用于进行保护的屏蔽上施加一个类似的电压。单位增益放大器的输出代表在传感器中的差动电容。其被放大，并被送到一个同步检测器，用于产生和电容的微变成比例的直流电平。当被很好地实施时，基于被保护的二次变压器的桥式电路在稳定性和精度方面比平衡的二极管桥式电路具有重大的改进。其使得CDS能够通过利用同样被保护的同轴电缆被设置在远方，所述同轴电缆围绕变压器的铁心缠绕。这种技术的主要问题在于其实施。所述同轴电缆必须是特别一致的，并且在屏蔽中必须没有裂痕或孔。此外，这种防护方法具有一些不足，这些不足基于增益小于1的跟随器，并且为了实现稳定的CDG，稳定的结构是重要的。最后，利用同轴电缆的所有被屏蔽的结构使得和CDS的互连以及CDS的微调复杂化。参见图3，其中示出了一种匹配的参考电容器桥式电路。该电路使用公共的激励源通过一对全保护的电荷放大器(保护电压在电源和公共电位上)的求和节点驱动CDS的两个电极。电荷放大器被设置在两个单片运算放大器周围，并利用一对匹配的、精确的参考电容器确定其增益。电荷放大器的输出被送到高共模的带阻差动放大器。差动放大器的输出代表传感器中的差动电容，并被送到同步检测器，用于恢复相应于膜片的位置的DC电平。这种匹配的参考电容器桥式电路由于其具有体积较小的优点而对于基于被保护的二次变压器的桥式电路颇具竞争力。不过，其对温度有些敏感，并且对于元件的性能要求过高。只有质量最高的玻璃电容器才适用作参考电容器，并且它们必须进行老化和匹配。此外，差动放大器必须具有优异的和恒定的共模性能。由于这种高性能的元件，用于这种结构的材料的成本是高的。需要一种AFE拓扑，其利用标准的构造实施方法和廉价的元件，同时对温度和湿度相当不敏感。这种拓扑应当以具有极好的保护为特征，以便允许和单独的、加热的传感器装置容易地进行连接，并且应当能够进行传感器偏移的直接补偿。
技术实现思路
上述的一个或几个问题可以通过本专利技术的各个实施例来解决。广义地说，本专利技术包括用于确定一对电抗电路中的差动电流的系统和方法。在优选实施例中，实施所述系统和方法用于对检测元件例如CDS提供改进的电接口。所述改进的接口可以提供改善的性能并降低成本。本专利技术的一个实施例包括利用差动电流变换器和电荷放大器的用于CDS的接口。电流变换器的一次绕组被连接在激励电压源和CDS内的一对电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电容膜片式传感器（ＣＤＳ）的接口，包括：具有至少一个一次绕组的差动电流变换器，所述一次绕组和ＣＤＳ的端口耦连；电荷放大器，其和所述电流变换器的二次绕组耦连，并被配置用于放大在电流变换器的二次绕组中感应的信号； 位于所述电流变换器和所述放大器周围的导电屏蔽结构；共模变换器，其具有第一绕组，被耦连用于接收来自所述电荷放大器的被放大的信号；激励电压源，其中所述激励电压源被耦连于所述电流变换器的一次绕组，并被配置用于对所述端口提供激励电压 ，其中所述激励电压源还和共模变换器的第二绕组耦连，并且其中激励电压源还被耦连于所述屏蔽结构；以及同步检测器，其被耦连于共模变换器的第一绕组，并被配置用于产生对应于ＣＤＳ的差动电容的信号电压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔W福特纳，
申请(专利权)人：迅捷公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]