针对电容式传感器的测量系统和传感器电路的制作方法

本发明涉及一种针对电容式传感器的传感器电路，该传感器电路包括用于生成dc参考信号的dc参考驱动器、用于生成用于馈送电容式传感器的正弦信号的传感器驱动器、用于分别连接到一个电容式传感器的多个传感器端口以及用于建立传感器端口与驱动器的连接的开关矩阵。本发明还涉及一种用于评估电容式传感器的电容式测量系统，该电容式测量系统包括：传感器、针对电容式传感器的传感器电路以及传感器电路与传感器之间的dc解耦装置(dc-entkopplung)。本发明还涉及用于针对电容式传感器的传感器电路的安全相关组件执行集成自测试的相应方法。

背景技术：

1、电容式传感器和相应的测量系统或传感器电路应用于日常生活的许多领域中，例如无接触式传感器或触摸式传感器。它们尤其常见于汽车领域和车辆中。例如，当需要检查车辆驾驶员是否握住方向盘并且能够主动驾驶或正在主动驾驶车辆时，使用电容式传感器。在自主或半自主系统的情况下，以规律的间隔检查：车辆驾驶员是否将手放在方向盘上以确定所述车辆驾驶员清醒并且在必要时可以手动驾驶车辆。

2、汽车领域的另一个应用领域是对座位占用情况(sitzbelegung)的识别。当乘客坐在车辆中的座位上时，其必须系好安全带。为此，一方面检测座位占用情况，另一方面检查安全带锁是否被安全带扣紧。当座位被占用时，那么始终必须为如此情况。有多种电容式传感器执行此检查。

3、例如，de 112010004513 b4提出了一种用于识别车辆中的占用情况的系统，其中不仅识别座位的总体占用情况，而且还可以用于区分座位上是否有人或另一具有明显比人更小的重量的物体。除了对人或物体的存在进行纯电容检测之外，还提出了用于识别相对力的可能性。例如，在此使用多个传感器和一个屏蔽电极(schirm-elektrode)，可以使用开关矩阵以不同方式将它们互连。

4、由于在汽车领域中这种电容式传感器的使用涉及安全相关部件，因此需要检查这些部件的所有组件，特别是用于切换各个内部开关路径的开关是否正常工作。

技术实现思路

1、本任务通过具有权利要求1的特征的传感器电路、通过具有权利要求9的特征的电容式测量系统以及通过具有权利要求15的特征的方法来解决。

2、在本发明的范畴内已认识到：可以通过集成自测试来执行对传感器电路内的各个组件的检查。在此重要的是：尤其是在开关矩阵的线路路径中使用的开关和电阻正常工作。通过本发明可以可靠且简单地检查这些组件，而不需要附加的部件。

3、在一方面，本发明涉及一种针对电容式传感器的传感器电路，其包括用于生成dc参考信号的dc参考驱动器、用于生成正弦信号的传感器驱动器、用于连接到各电容式传感器的多个传感器端口以及用于建立传感器端口与驱动器的连接的开关矩阵。传感器驱动器具有输出端口，用于输出用于馈送电容式传感器的正弦信号。其还包括电流输出端口，用于输出与输出端口处输出的正弦信号相对应的测量电流。该测量电流可用于测量和检查安全相关组件。开关矩阵针对每个传感器端口具有线路路径(leitungspfad)，所述线路路径包括rt开关(靠近dc参考驱动器的开关)、传感器开关和负载电阻。rt开关和负载电阻优选地串联在dc参考驱动器和相应的传感器端口之间。传感器开关连接在传感器端口和传感器驱动器之间。

4、该开关矩阵使得能够将传感器电路的传感器端口之一与传感器驱动器连接，使得在传感器电路的运行期间以及为了测量所连接的传感器，由传感器驱动器输出的正弦信号到达(gelangen)在相应的传感器端口处连接的电容式传感器。其他传感器端口与传感器驱动器解耦，其方式为，断开相应线路路径中的传感器开关。利用来自dc参考驱动器的dc参考信号来供应所述其他传感器端口，以便将所述端口升高到所定义的电位。为此，rt开关与负载电阻串联闭合。

5、电容式传感器的阻抗的变化会导致由传感器驱动器放出的电流的变化。该电流附加地在电流输出端口处被测量，使得阻抗的变化反映在电流的变化中。将电流输出端口处的测量电流输送给评估单元，该评估单元可以优选地包括模拟信号处理单元和滤波器，以便为模数转换器提供信号，使得例如可以将电流信号进一步处理为数字信号。

6、开关矩阵和电容式传感器之间布置的dc耦合装置确保了直流解耦。然而，它对于由传感器驱动器输出的用于检测电容式传感器的ac信号或正弦信号而言是可通过的dc耦合装置仅抑制直流信号。这可以例如通过电容器(kondensator)或电容来进行。

7、根据本发明，传感器电路被设计为执行自测试，其中传感器驱动器输出dc信号。因此，传感器驱动器设计为，在其输出端不仅输出ac信号或正弦信号而且还输出dc信号。通过生成直流电压，在dc参考驱动器和传感器驱动器之间形成电压差，该电压差施加(anliegen)在开关矩阵上。在此，在自测试期间，dc参考驱动器和传感器驱动器之间的开关路径闭合，其中该开关路径包括串联的rt开关、传感器开关和负载电阻。通过所生成的电压差而引起能够被测量的电流流过开关矩阵。优选地在传感器驱动器的电流输出端口处分接并测量电流。这例如通过评估单元来进行。

8、这样，可以针对每个传感器端口检查开关矩阵的开关路径中的组件，其中将负载电阻、rt开关和传感器开关分配给传感器端口。各个传感器端口被依次检查。

9、为了仅测量针对一个传感器端口的开关路径中的安全相关部件，将传感器电路的其他传感器端口与这两个驱动器、即dc参考驱动器和传感器驱动器分离，其方式为，断开属于该传感器端口的相应的rt开关和传感器开关。

10、在另一方面，本发明涉及一种用于评估电容式传感器的电容式测量系统，其包括优选地具有传感器电极的传感器、针对电容式传感器的传感器电路以及传感器电路和传感器之间的dc解耦装置。传感器电路在此包括用于生成dc参考信号的dc参考驱动器、用于在输出端口处生成并输出ac信号、例如正弦信号以馈送传感器的传感器驱动器、用于连接到传感器的传感器端口以及用于建立传感器端口与这两个驱动器、即dc参考驱动器和传感器驱动器的连接的开关矩阵。传感器电路优选地包括多个传感器端口，以便能够操控和评估多个电容式传感器。

11、根据本发明，传感器驱动器具有电流输出端口，以便输出与输出端口处输出的ac信号或正弦信号相对应的测量电流。该开关矩阵包括rt开关、传感器开关以及与rt开关串联的负载电阻。通过这些组件，开关矩阵允许传感器端口与dc参考驱动器和/或传感器驱动器的连接。

12、根据本发明，传感器电路被设计为执行自测试，其中传感器驱动器输出dc信号，使得dc参考驱动器和传感器驱动器之间形成电压差，该电压差施加在开关矩阵上。在自测试期间，可以测量经由开关矩阵流动的电流，其方式例如为，评估电流输出端口处输出的测量电流。

13、为了在自测试期间在dc参考驱动器和传感器驱动器之间形成电压差，通过闭合rt开关和有关(betreffend)传感器端口的传感器开关，为相关的传感器端口形成开关路径。优选地对于所有其他传感器端口断开相关的rt开关和传感器开关，使得这些端口是未连接的(unbeschaltet)并且是与驱动器解耦的。因此，优选地始终仅测量传感器端口的一个开关路径。

14、本发明的另外的方面涉及相应的方法和具有程序代码的计算机程序产品，用于当在计算机上执行程序代码时执行该方法的步骤，以及涉及其上存储有计算机程序的存储介质，当在计算机上执行该计算机程序时，该计算机程序引起：执行本文描述的方法。该方法还可以完全或部分地以硬件实现。

15、传感器电路的开关矩阵将传感器驱动器与所连接的并且要依次测量其阻抗的各种电容式传感器连接起来。必须对车辆中的传感器定期检查开关矩阵的功能和安全相关部件。根据本发明的测量系统基于如下原理：用ac信号操控传感器以测量它们的阻抗。传感器端口与接地线(masse)(接地gnd)或电压供应装置之间没有dc路径。这是通过dc解耦装置来确保的。为了检查电路中的开关矩阵和电阻，优选地在两次测量之间循环地执行自测试(bist)。为此，仅使用来自应用阻抗测量的传感器电路的现有电路。不需要额外的测量电路、比较器或开关。

16、自测试是使用如下dc电压进行的，替代于ac信号而由传感器驱动器并且必要时由针对屏蔽电极的屏蔽驱动器(schirm-treiber)输出所述dc电压。在电流输出端借助也被用于阻抗测量的相同的信号路径来测量电流。针对rt开关和传感器开关的不同开关位置而测量电流。当其中一个开关断开时，它必须大约为零。如果这两个开关都闭合，(数字化)电流必须位于所定义的极限之间，这些极限被存储在存储单元中并且可以在生产测试中被确定。

17、本发明的优选设计方案在从属权利要求中予以描述。应当理解的是，在不脱离本发明的范畴的情况下，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以以分别所指定的(angegeben)组合来使用，而且可以以其他组合来使用或单独地使用。特别是，可以根据从属权利要求中针对传感器电路和测量系统描述的设计方案来执行该方法和计算机程序产品。

18、根据本发明，在自测试中检查传感器电路的安全相关组件，从而实现测量系统的测量路径的完整性的诊断。在此，例如在ic中使用并且用于ac电容测量的实际应用的传感器电路的电路部分被用于dc电阻测量。不需要额外的部件，例如比较器、测量装置或开关。

19、在优选实施方式中，传感器电路包括至少四个传感器端口，优选地至少八个传感器端口。此类电路反映出(abbilden)电容式传感器的大部分应用要求。这样，可以使用具有四个或八个电容式传感器的传感器元件。在各个情况下已被证明是有利的是，传感器电路具有16个传感器端口，使得总共可以连接16个电容式传感器。

20、传感器电路的优选实施方式规定：在自测试期间如此切换开关矩阵，使得各个传感器端口以交替的方式被操控。因此，可以检查所有传感器端口以及传感器端口和传感器驱动器之间以及传感器端口和dc参考驱动器之间存在的开关和负载电阻。

21、在另一优选实施方式中，不被操控且其相关组件未被检查的其他传感器端口被设置为经限定的电位。它们特别优选地与开关矩阵解耦。

22、在传感器电路的另一优选实施方式中，针对相关传感器端口的开关路径的传感器开关和/或rt开关在自测试期间被切换到不同的开关位置。在一种实施方式中，rt开关和传感器开关均是闭合的。在这种情况下，所确定的电流值或电流测量值或其数字化值必须在经限定的极限之间。这些极限可以被固定限定或在生产后在生产测试中被确定。如果在生产测试中确定这些极限值，则可以实现更窄的极限，因为可以校准(auskalibrieren)与制造相关的容差。这些极限值优选地存储在非易失性存储器中。

23、如果开关路径中的这两个开关(rt开关和传感器开关)至少其中之一断开，则电流值必须为零。

24、根据本发明的传感器电路具有以下优点：来自电容式传感器的应用阻抗测量的现有电路可以用于自测试。这种集成自测试称为“bist”。这个名称在此期间也被专家使用。该术语代表“built-in self-test(内置自测试)”。这种bist测量的优点是不需要额外的电压比较器、测量装置或开关。因此，bist测试应非常简单且低成本地执行。该bist测试也非常稳健，因为没有附加器件可能是容易出错的。bist测量使用如下dc电压而进行，其中替代于ac信号、例如正弦信号而由传感器驱动器输出所述dc电压。借助与也用于阻抗测量相同的信号路径来测量电流。

25、使用bist测量，不仅可以检查开关矩阵的开关，还可以检查它们的电阻。然而，此外也可以检测外部布线的各个错误模式(fehlermodi)。例如，可以识别出与传感器端口连接的电容的短路。短路的电容会导致dc电流增加，并因此会被识别到。通常还可以识别出线路中断，例如传感器电路和电容式传感器之间的引入线路(zuleitung)中的线路中断。

26、在优选实施方式中，传感器电路被设计为使得其具有dc驱动器输入端和传感器驱动器输入端。dc信号可以在dc驱动器输入端处被馈入到dc参考驱动器，然后由驱动器输出该dc信号。在传感器驱动器输入端处，可以使用外部信号向传感器驱动器进行供应，其中该传感器驱动器输入端输出该外部信号。正弦信号或另一个ac信号可以在传感器驱动器输入端处被馈入，该信号被用于应用阻抗测量。对于bist测试，可以将dc信号而不是ac信号在传感器驱动器输入端处馈入，其中该dc信号在自测试期间被使用和输出。通过这种方式还容易地可能的是，使传感器驱动器能够不仅输出ac信号或正弦信号还输出dc信号。

27、在优选实施方式中，传感器电路被设计为还供应和操控传感器元件的屏蔽电极或属于电容式传感器的屏蔽电极。传感器电路优选地包括用于生成屏蔽正弦信号或屏蔽ac信号的屏蔽驱动器，其中在这样的屏蔽电极可以连接到的屏蔽端口处输出所述屏蔽正弦信号或屏蔽ac信号。屏蔽电极优选地与电容式传感器并联，使得能够执行测量以提高传感器精度。此外，通常使用屏蔽电极，以便在传感器的阻抗测量中抑制寄生电容和其他寄生效应。

28、传感器电路优选地包括屏蔽切换负载端口(schirm-switchload-port)，其也被设置用于连接到屏蔽电极，并且传感器电路对于每个传感器端口具有所分配的传感器切换负载端口，用于连接到传感器。在屏蔽切换负载端口和每个传感器切换负载端口之间形成切换负载路径，其包括切换负载开关和切换负载电阻。切换负载路径可以集成在传感器电路的开关矩阵中。每个传感器切换负载端口都通过该切换负载路径与相关的屏蔽切换负载端口连接。切换负载电阻可以由一个或多个串联布置的电阻形成。实际上，2.5kohm的值已被证明是有利的。

29、在传感器电路的优选实施方式中规定，能够在自测试中检查每个切换负载路径。屏蔽驱动器优选地被设计为输出在自测试期间使用的屏蔽dc信号。屏幕dc信号优选地不等于传感器驱动器的dc信号，特别优选地它小于传感器驱动器的dc信号。以这种方式，在这两个驱动器之间形成电压差，从而在自测试期间驱动电流通过切换负载路径，并且可以检查切换负载电阻和切换负载开关。为此，通过闭合传感器开关并建立屏蔽端口与屏蔽切换负载端口之间的连接以及传感器端口与传感器切换负载端口之间的连接来形成屏蔽检查路径。为了检查，一方面将切换负载开关闭合以检查切换负载电阻。测量传感器驱动器在电流输出端口馈入的测量电流。电流与极限值的比较j允许得出如下方面的结论：切换负载电阻是否无故障。

30、当切换负载开关断开时，所测量的电流值必须接近或等于零。以这种方式，也可以通过使用闭合和断开的切换负载开关而进行的这两次测量来可靠地检查切换负载开关是否无故障。

31、在测量系统的一个优选实施方式中，传感器电路被设计为对所有传感器端口执行自测试，优选地对所有传感器端口依次执行自测试。在一个特别优选的实施方式中，在每次测量电容式传感器的阻抗之后，对相应的传感器端口执行自测试。

32、优选地，测量系统的传感器电路具有多个传感器端口，优选地至少四个，特别优选地至少八个传感器端口。通过这种方式，可以将多个电容式传感器连接到传感器电路并通过自测试对其进行检查。

33、在另一优选实施方式中，在传感器电路和传感器之间布置滤波器网络，其优选地为每个电容式传感器提供滤波器。在优选实施方式中，在传感器电路的每个传感器和每个传感器端口之间布置滤波器，该滤波器包括耦合电容器，该耦合电容器优选地形成dc耦合装置。该滤波器特别优选地被设计为emv滤波器(电磁兼容性滤波器)，其包括串联电感和另外的并联电容。

34、在同样优选的实施方式中，该测量系统包括屏蔽电极，该屏蔽电极可以优选地并联到传感器。特别优选地由该屏蔽电极和该电容式传感器形成传感器元件。还优选的是包括屏蔽电极和多个电容式传感器的传感器元件。

35、优选地，测量系统的传感器电路具有用于生成屏蔽正弦信号或屏蔽ac信号的屏蔽驱动器，其中在传感器电路的如下屏蔽端口处输出所述屏蔽正弦信号或屏蔽ac信号，在所述屏蔽端口处连接屏蔽电极。通过这种方式，可以提高传感器精度，例如可以防止寄生电容及其影响。

36、在优选实施方式中，测量系统的传感器电路包括两个切换负载端口，这两个切换负载端口经由具有切换负载开关和切换负载电阻的切换负载路径彼此连接。其中一个切换负载端口是用于连接到屏蔽电极的屏蔽切换负载端口。第二切换负载端口是用于连接到传感器的传感器切换负载端口。如果传感器电路中存在多个传感器端口，则传感器电路优选地对于每个传感器端口包括对应的传感器切换负载端口，其被分配给该传感器端口。传感器端口特别优选地与所分配的传感器切换负载端口连接。这种连接例如还可以形成在布置在传感器电路和传感器之间的滤波器中。

37、测量系统的优选实施方式包括评估单元，其优选地可以是传感器电路的一部分。评估单元特别优选地具有模拟信号处理单元并且将用于ad转换的测量信号输出到例如ad转换器。评估单元优选地还包括放大器和/或滤波器，以便相应地预处理(aufbereiten)用于ad转换的测量信号。