Kapazitäts-Digital-Wandler (CDCs) ermöglichen die Nutzung der Vorteile kapazitiver Sensoren, darunter einfache Formanpassung, geringer Stromverbrauch, günstige Herstellungskosten sowie einfache Steuerung und Auslesung. Historisch gesehen wurden kapazitive Sensoren in Automobilelektroniksystemen selten eingesetzt, da sie als schwierig zu steuern und auszulesen, anfällig für Alterung und temperaturempfindlich galten. Ihre günstigen Herstellungskosten, die einfache Formanpassung und der geringe Stromverbrauch sind jedoch attraktive Eigenschaften, die ihren Einsatz begünstigen. Die Entwicklung neuer Messtechnologien hat zu einem drastischen Anstieg der Daten von kapazitiven Sensoren in Automobilen geführt. Die Herausforderung besteht darin, dass die makroskopische Analyse kapazitiver Sensoren typischerweise durch Umwandlung ihrer Kapazität in eine andere physikalische Größe – wie Spannung, Zeit oder Frequenz – erfolgt. Mikroskopisch werden kapazitive Sensoren in Automobilen bereits seit Langem eingesetzt; mikroelektromechanische Beschleunigungsmesser (MEMS) basieren auf diesem Prinzip. Diese Sensoren werden häufig zur Detektion von Ladungstransfers verwendet. Ein neuartiger Ansatz zur Kapazitätsmessung nutzt die Eingangsstufe eines modifizierten Sigma-Delta-Wandlers, um die unbekannte Kapazität zu erfassen und in einen digitalen Wert umzuwandeln. Dieser Artikel stellt diese Methode anhand eines Kapazitäts-Digital-Wandlers (CDC) sowie verschiedene kapazitive Sensorprinzipien vor, die in Automobilen Anwendung finden können. Abschließend wird ein alternativer Ansatz kurz skizziert. Um die CDC-Methode zu veranschaulichen, muss zunächst das Prinzip der Sigma-Delta-Wandlung verstanden werden. Nachfolgend ist ein vereinfachtes Diagramm eines Sigma-Delta-Wandlers dargestellt. Um dessen Funktionsweise zu verdeutlichen, betrachten wir zunächst den Eingang des Integrators: Dieser muss über längere Zeiträume den Wert Null beibehalten, und kleine, kurzzeitige Sprünge werden in Rampen umgewandelt. Der Mittelwert Null wird erreicht, indem der Ausgang des Referenzzweigs auf das gleiche Niveau wie der Eingang angehoben wird; anschließend wird er vom Ausgang des Komparators beeinflusst. Dadurch wird die Referenz auf einen nachfolgenden Kondensator mit dem logischen Pegel „1“ geschaltet. Der Kondensator wird geladen und an den invertierenden Eingang des Integrators angeschlossen, sodass eine invertierende Referenzspannung anliegt. Die hohe Eingangsspannung induziert dadurch eine große Anzahl logischer „1“, die häufig auf die negative Referenzspannung wirken. Die Dichte der „1“ wird durch einen nachfolgenden Digitalfilter in einen digitalen Wert umgewandelt. Ein typischer Sigma-Delta-Wandler vergleicht eine unbekannte Spannung mit einer bekannten Spannung und verwendet dazu zwei bekannte (üblicherweise gleich große) Kondensatoren. Im Prinzip wird die Ladung verglichen; sind die beiden Spannungen bekannt (in diesem Fall werden gleiche Spannungen verwendet), können die Kondensatoren mit Q = C * V verglichen werden. Wie in der Abbildung unten für diesen Kondensator-Digital-Wandler dargestellt, muss außerdem ein Synchronisationsspannungssignal an den Eingangszweig angelegt werden. Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile. Aufgrund der engen Verwandtschaft mit Sigma-Delta-Wandlern können deren bekannte Eigenschaften modifiziert und genutzt werden, darunter hohe Rauschunterdrückung, hohe Auflösung bei relativ niedrigen Frequenzen und die effiziente Erzielung hoher Genauigkeit. Sigma-Delta-Wandler weisen – bis auf wenige Ausnahmen – ähnliche Eingangsstrukturen auf. Daher lassen sich verschiedene Spezialstrukturen für spezifische Messaufgaben modifizieren, beispielsweise für besonders niedrige Eingangsströme, maximale Genauigkeit oder höhere Grenzfrequenzen. Betrachtet man die Abbildung genauer, werden weitere Vorteile deutlich. Die parasitäre Kapazität hat keinen Einfluss auf die Anfangsnäherung. Die parasitäre Kapazität an Knoten A strebt gegen null und hat ein Potenzial von null. Knoten B hat zwar kein Nullpotenzial, wird aber über ein definiertes niederohmiges Potenzial zurückgeführt, sodass sich die parasitäre Kapazität an diesem Knoten auf einen Mittelwert auflädt, der das Messergebnis nicht beeinflusst. Die parasitäre Kapazität zwischen Knoten A und Knoten B verläuft stets parallel zur Messzelle und erscheint immer als Offset. Verfügbare Kondensator-Digital-Wandler bieten eine sehr hohe Leistungsfähigkeit. Beispielsweise erreicht der AD7745 von Analog Devices eine Auflösung von 24 Bit und eine Genauigkeit von 16 Bit. Kapazitive Sensoren erforderten früher große Messkapazitäten und große Kapazitätsänderungen bei Berührung. Diese Anforderung ausreichend großer Änderungen stellte Sensorhersteller oft vor Probleme, während kleinere kapazitive Sensoren diese Schwierigkeiten nicht aufweisen. Beispielsweise ist ein typischer 150-pF-Feuchtigkeitssensor nicht nur sehr teuer (aufgrund seiner hohen Kapazität), sondern auch fehleranfälliger und weist eine geringere Langzeitstabilität auf. Die Kapazität eines Kondensators lässt sich anhand seiner Struktur berechnen: C = ε₀εᵣ A/d, wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, εᵣ die Dielektrizitätskonstante des Materials, A die Fläche der stabilen Metallplatte und d der Abstand zwischen den beiden Elektroden ist. Mit wenigen Ausnahmen, wie z. B. Drucksensoren, nutzen alle kapazitiven Sensoren Änderungen der Oberfläche einer Metallplatte oder des Dielektrikums zur Messung von Kapazitätsänderungen. Die meisten Sensoren werden auf zwei Arten klassifiziert: 1. Basierend auf Änderungen der geometrischen Fläche der Metallplatte, wie z. B. Füllstands- oder Wegsensoren; 2. Basierend auf Änderungen der Dielektrizitätskonstante εᵣ des Materials, wie z. B. Näherungs- oder Feuchtigkeitssensoren. Ein typisches Beispiel für einen dielektrischen Sensor ist ein Feuchtigkeitssensor, der eine Schicht aus feuchtigkeitsempfindlichem Polymer als Dielektrikum nutzt. Mit steigender Luftfeuchtigkeit lagern sich immer mehr Wassermoleküle ab, wodurch die Dielektrizitätskonstante εr zunimmt. Sensoren zur Bestimmung der Reinheit einer Flüssigkeit – wie beispielsweise Öl- oder Kraftstoffsensoren – bestehen im Wesentlichen aus zwei festen Platten, wobei die Flüssigkeit selbst das Dielektrikum bildet. Die erforderlichen Flüssigkeitseigenschaften werden empirisch ermittelt (d. h. für die im Öl oder Kraftstoff enthaltenen Wassermoleküle). Die Temperatur spielt eine entscheidende Rolle und muss ebenfalls zuverlässig bestimmt werden. Einfache Näherungssensoren, die Änderungen in Dielektrika erfassen, benötigen in der Regel hochentwickelte Messelektronik. In den meisten Fällen bestehen Näherungssensoren aus zwei Leitern auf einer Leiterplatte mit einem Medium, das eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante (nahe 1) aufweist. Bewegt sich ein Objekt – beispielsweise eine Hand – in das elektrische Feld dieses Kondensators, ändert sich dessen Kapazität. Der menschliche Körper besteht zu über 90 % aus Wasser und besitzt daher eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante (etwa 50). Kontaktlose Schalter sind sehr benutzerfreundlich und ermöglichen so Anwendungen wie schlüssellose Zündung oder Blockierschutz für elektrische Fensterheber. Eine wichtige Anforderung für schlüssellose Fahrzeuge ist ein möglichst geringer Eingangsstrom, typischerweise unter 100 µA. Da Sigma-Delta-Wandler in der Industrie über viele Jahre optimiert wurden, stellen sie eine geeignete und praktikable Architektur dar. Regensensoren lassen sich mit einem ähnlichen Ansatz realisieren; sie sind einfach herzustellen, kostengünstig und bieten Vorteile hinsichtlich ihrer Bauform. Herkömmliche Regensensoren, die auf der Lichtbrechung von Wassertropfen basieren, weisen jedoch eine sehr kleine aktive Fläche auf der Windschutzscheibe auf, was die Empfindlichkeit des Systems verringert und wiederholt zu Trockenwischvorgängen und Scheibenwischerausfällen führt. Beispiele für geometrieabhängige Sensoren, die auf Geometrieänderungen beruhen, sind Druck-, Füllstands- und Wegsensoren. Sie alle bewegen ein Dielektrikum zwischen festen Platten. Drucksensoren verwenden zwei Platten mit fester Fläche als Membran; der auf den Sensor ausgeübte Druck bewirkt aufgrund der Elastizität eine Änderung des Plattenabstands. Temperatursensoren müssen aufgrund der Wärmeausdehnung die Geometrieänderung berücksichtigen. Wenn eine der beiden Elektroden mit einem Chip verbunden ist, während die andere Elektrode in einem Gehäuse aus Metall oder Keramik gefertigt ist, fungiert das Gehäuse selbst als Sensor. Keramiksensoren beispielsweise sind sehr druckbeständig und widerstehen schnell ausbreitenden Medien. Im Vergleich zu einer typischen Wheatstone-Brücke liegt der Hauptvorteil kapazitiver Drucksensoren in ihrem geringen Eingangsstrombedarf, wodurch sie sich besonders für Anwendungen wie die Reifendruckkontrolle eignen. Bei einem Füllstandssensor taucht ein Paar fester Elektroden in die zu messende Flüssigkeit ein. Hersteller können gedruckte Leiterbahnen sehr kostengünstig realisieren. Ein zweites Elektrodenpaar ist am Boden angebracht, sodass sich das Dielektrikum aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen erfassten Einflüssen verändern kann (siehe Abbildung unten). Von allen Methoden hat sich die Sigma-Delta-Technik als besonders beliebt erwiesen. In vielen Fällen lassen sich mit gängigen digitalen Filtern die gewünschten dynamischen Eigenschaften erzielen. So benötigen Füllstandssensoren beispielsweise eine sehr lange Zeitkonstante, während Näherungssensoren sich an veränderliche Umgebungsbedingungen anpassen müssen, etwa zur Erkennung von Regen oder Vereisung. Ein alternativer Ansatz basiert auf einer völlig anderen, etwas komplexeren Methode. Sie eignet sich zur Messung komplexer Impedanzen, darunter induktive, resistiv-kapazitive und resistiv-induktive Sensoren. Der Sensor wird dabei mit einer präzise bekannten Frequenz angeregt. Die direkte digitale Synthese (DDS) ist hierfür ideal. Die Sensorantwort wird mithilfe eines schnellen Analog-Digital-Wandlers und einer schnellen Fourier-Analyse erfasst. Mit der DDS-Methode ist die ursprüngliche Phasenlage jederzeit exakt bekannt. Ebenso lassen sich Antworten auf andere Frequenzen messen. Anschließend werden Real- und Imaginärteil der Impedanz berechnet und an den digitalen Bus ausgegeben. Ein vollständiger Scan dauert nur wenige hundert Millisekunden. Die Abbildung veranschaulicht die DDS-Methode. Sie berechnet Real- und Imaginärteil der Impedanz. Diese Netzwerkanalysatorschaltung kann zur Messung kapazitiver und induktiver Sensoren sowie von Sensoren, die Bewegungen erfassen oder die Viskosität von Flüssigkeiten wie Motor- oder Schmieröl messen, eingesetzt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass kapazitive Sensoren in der Automobilindustrie ein Comeback erleben. Neue Verfahren finden bereits Anwendung in Bereichen wie Druck-, Füllstands-, Feuchtigkeits-, Niederschlags- und Näherungssensoren. Der Einsatz der Sigma-Delta-Technologie ermöglicht die Entwicklung flexibler Lösungen mit unterschiedlichen Dynamikbereichen und Präzisionsanforderungen bei gleichzeitig extrem niedrigem Stromverbrauch in Sensorsystemen. CDC-Bauelemente werden bereits in verschiedenen Automobilanwendungen eingesetzt und finden Anwendung in vielen weiteren Bereichen.