检测电容传感器中的电容故障和灵敏度故障的制作方法

检测电容传感器中的电容故障和灵敏度故障

背景技术：

1.电容传感器具有很多应用并且可以用作压力传感器、声学传感器、麦克风传感器等。电容传感器可以是上述任何应用中的微机电系统(mems)电容传感器。
2.电容故障是电容传感器中的已知故障模式。例如，当电容传感器的膜破裂时，当导电颗粒进入电容传感器的导电背板之间时，或者当导电背板之间存在水时。由于导电背板之间存在水、膜的弱化(即，软化)或当水意外填充背板之间的空间时，也可能发生灵敏度故障。在这两种情况下，传感器功能可以因期望传感器灵敏度的变化和/或噪声电平的增加而受损。上述电容故障会导致电容传感器的电容发生变化和/或电容的电压依赖性(即，传感器灵敏度)发生变化。
3.因此，可能需要一种能够检测和诊断电容传感器中的电容和灵敏度故障的改善器件。

技术实现要素：

4.实施例提供了一种电容传感器，该电容传感器包括：第一导电结构；与第一导电结构相对的第二导电结构，其中第二导电结构响应于作用在其上的外力而相对于第一导电结构可移动，其中第二导电结构电容耦合到第一导电结构以形成具有取决于在第一导电结构与第二导电结构之间的距离的变化而变化的第一电容的第一电容器，其中第一电容表示外力；被配置为在第一电容器的输入或输出处施加第一电信号阶跃以在第一电容器的输出处引起第一电压瞬态响应的信号发生器；以及被配置为通过测量第一电压瞬态响应的第一时间常数并且基于第一时间常数检测故障来检测电容传感器中的故障的诊断电路。
5.实施例提供了一种电容传感器，该电容传感器包括：第一导电结构；与第一导电结构相对的第二导电结构，其中第二导电结构相对于第一导电结构可移动，其中第二导电结构电容耦合到第一导电结构以形成具有取决于在第一导电结构与第二导电结构之间的距离的变化而变化的第一电容的第一电容器，其中第一电容器包括耦合到偏置电源电压的第一端子和耦合到由偏置电阻电路设置的第一dc电压的第二端子；与第一导电结构相对的第三导电结构，其中第三导电结构相对于第一导电结构可移动，其中第三导电结构电容耦合到第一导电结构以形成具有取决于在第一导电结构与第三导电结构之间的距离的变化而变化的第二电容的第二电容器，其中第二电容器包括耦合到偏置电源电压的第一端子和耦合到由偏置电阻电路设置的第二dc电压的第二端子；共模缓冲器，被配置为接收第一dc电压、第二dc电压和参考电压并且基于第一dc电压和第二dc电压的共模电压与参考电压之间的差值生成差分信号；信号发生器，被配置为在第一电容器的输入或输出处以及在第二电容器的输入或输出处施加第一电信号阶跃以分别在第一dc电压中引起第一电压瞬态响应并且在第二dc电压中引起第二电压瞬态响应；以及诊断电路，被配置为通过测量与第一电压瞬态响应和第二电压瞬态响应相对应的差分信号的第一时间常数并且基于第一时间常数检测故障来检测电容传感器中的故障。
附图说明
6.本文中参考附图描述实施例。
7.图1示出了根据一个或多个实施例的电容传感器的mems元件的截面图；
8.图2是根据一个或多个实施例的电容传感器的框图；
9.图3a和图3b是根据一个或多个实施例的电容传感器读出电路的示意性框图；
10.图4a和图4b分别是从图3a和图3b的电容传感器读出电路中得到的信号图；
11.图5a和图5b是根据一个或多个实施例的另一电容传感器读出电路的示意性框图；以及
12.图6是根据一个或多个实施例的另一电容传感器读出电路的示意性框图。
具体实施方式
13.在下文中，阐述细节以提供对示例性实施例的更彻底解释。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。在其他情况下，众所周知的结构和设备以框图形式或示意图而不是详细示出，以避免混淆实施例。此外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
14.此外，在以下描述中，等同或相似的元素或具有等同或相似功能的元素用等同或相似的附图标记表示。由于在附图中相同或功能等同的元素被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元素的重复描述。因此，针对具有相同或相似附图标记的元素而提供的描述是可相互交换的。
15.应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其他词应当以类似的方式解释(例如，“在
……
之间”与“直接在
……
之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
16.在本文中描述的或附图中示出的实施例中，任何直接的电连接或耦合(即，没有附加的中间元件的任何连接或耦合)也可以通过间接连接或耦合(即，具有一个或多个附加中间元件的连接或耦合)来实现，或反之亦然，只要连接或耦合的一般目的(例如，传输某种信号或传输某种信息)基本得以保持。来自不同实施例的特征可以组合以形成另外的实施例。例如，关于实施例中的一个而描述的变化或修改也可以适用于其他实施例，除非有相反的说明。
17.术语“基本上”在本文中可以用于说明在不脱离本文中描述的实施例的方面的情况下被认为在行业中可接受的较小的制造公差(例如，在5％以内)。
18.在本公开中，包括诸如“第一”、“第二”等序数的表达可以修饰各种元素。然而，这样的元素不限于上述表述。例如，上述表达不限制元素的顺序和/或重要性。上述表达仅用于将一个元素与其他元素区分开来。例如，第一框和第二框表示不同框，尽管它们都是框。又例如，第一元素可以称为第二元素，并且类似地，第二元素也可以称为第一元素而不脱离本公开的范围。
19.本公开的一个或多个方面可以被实现为其上记录有体现方法/算法的程序的非暂态计算机可读记录介质，该程序用于指示处理器执行该方法/算法。因此，非暂态计算机可读记录介质可以具有存储在其上的电子可读控制信号，该电子可读控制信号与可编程计算
机系统协作(或能够与其协作)使得相应方法/算法被执行。非暂态计算机可读记录介质可以是例如cd-rom、dvd、蓝光光盘、ram、rom、prom、eprom、eeprom、闪存或电子存储器设备。
20.本公开的每个元件可以通过在存储器上实现专用硬件或软件程序来配置，该软件程序控制处理器执行任何组件或其组合的功能。任何组件都可以实现为从诸如硬盘或半导体存储器设备等记录介质读取和执行软件程序的中央处理单元(cpu)或其他处理器。例如，指令可以由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个cpu、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)、可编程逻辑控制器(plc)、或其他等同的集成或离散逻辑电路系统。
21.因此，本文中使用的术语“处理器”是指任何前述结构或适合于实现本文中描述的技术的任何其他结构。因此，本公开中描述的技术可以至少部分以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，所描述技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包括一个或多个微处理器、dsp、asic、或任何其他等同的集成或分立逻辑电路系统、以及这样的组件的任何组合。
22.包括硬件的控制器也可以执行本公开的技术中的一种或多种。包括一个或多个处理器的控制器可以使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，这些功能还可以包括校正功能。这样的硬件、软件和固件可以在相同的设备内或在单独的设备内实现以支持本公开中描述的各种技术。软件可以存储在非暂态计算机可读介质上，使得非暂态计算机可读介质包括存储在其上的程序代码或程序算法，该程序代码或程序算法在被执行时引起控制器经由计算机程序执行方法的步骤。
23.信号处理电路和/或信号调节电路可以从一个或多个组件接收一个或多个信号并且对其执行信号调节或处理。如本文中使用的，信号调节是指操纵信号使得信号满足下一阶段的要求以进行进一步处理。信号调节可以包括从模拟到数字的转换(例如，经由模数转换器)、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离、以及使信号适合在调节后进行处理所需要的任何其他过程。
24.因此，信号处理电路可以包括将来自一个或多个传感器元件的模拟信号转换为数字信号的模数转换器(adc)。信号处理电路还可以包括对数字信号执行某种处理的数字信号处理器(dsp)。
25.实施例涉及电容传感器中的电气故障的诊断，并且更精确地涉及微机电系统(mems)电容传感器中的电容和灵敏度故障的诊断，这些故障是该器件的关键故障模式中的一些。诊断可以应用于任何电容传感器，包括单个电容传感器或使用两个电容器(例如，顶部电容器c
top
和底部电容器c
bot
)来感测和生成表示由电容传感器测量的物理量(例如，压力、声波、振动或任何其他交流(ac)外力)的测量信号的传感器。
26.诊断电路通过测量mems电容传感器的一些选定电参数(诸如其一个或多个时间常数)来执行其诊断，然后提供该信息作为输出诊断。电容或灵敏度故障(如果存在)将导致一个或多个时间常数的偏移超出容差范围或阈值。诊断电路被配置为测量时间常数，并且一旦它们超过容差范围，就提供该信息作为输出诊断(例如，作为故障指示符)。
27.图1示出了根据一个或多个实施例的电容传感器的mems元件的截面图。特别地，图1示出了可以实现为mems麦克风的双背板电容传感器的mems元件11，但实施例不限于此。例如，mems电容传感器也可以用作压力传感器。
28.双背板电容传感器的mems元件11包括三个电极，包括一个导电膜12以及两个导电背板13和14。膜12是可移动的，并且两个导电背板13和14可以可移动地固定在静止位置。在其他实施例中，背板13和14中的一个或多个也可以是可移动的。
29.顶部电容器ctop形成在顶部背板13与膜12之间，并且底部电容器cbot形成在底部背板14与膜12之间。取决于在相应电极之间的距离(即，间隙g1或g2的厚度)响应于施加到可移动导电结构(例如，膜12)的外力(例如，压力或声波(声音))而改变，每个电容器ctop和cbot的电容发生变化。例如，根据公式q＝cv计算电容，其中q是以库仑为单位的电荷，c是以法拉为单位的电容，并且v是以伏特为单位的在电容器的电极之间的电位差。
30.可以使用不同类型的读出电路来测量电容的变化。例如，读出电路可以利用恒定变化读出，在此期间，测量电压v，同时电荷q保持恒定。由间隙g1和g2的厚度变化引起的电容变化导致跨电容器而存储的电压vtop和vbot发生变化，并且测量电路可以测量这些电压作为传感器信号。具体地，跨每个电容器ctop和cbot的电压表示传感器信号，该传感器信号可以由读出电路测量并且与诸如压力或声波(声音)等物理量相关联。因此，电压是要测量的变量。可以独立地读出每个电容器，或者可以使用共模缓冲器来读出电容器的平均值。
31.在本示例中，膜12可以随着它远离另一背板移动而更靠近一个背板，从而改变每个电容器ctop和cbot的电容。膜12的运动是由施加到膜12的外力(例如，压力或声波(声音)或振动)引起的。这些外力是极性或方向随时间而改变的振荡或ac外力。
32.还应当理解，实施例不限于双背板电容传感器，还可以应用于由两个电极组成的单电容器传感器或者具有两个或更多个电容器的电容传感器，包括其中两个外部电极可移动并且中间电极可移动地固定的双电容传感器。不管电容传感器的类型如何，使用至少两个电极来形成至少一个电容器。每个电容器由此由两个电极形成，其中的至少一个电极响应于施加到其上的外力而相对于另一电极可移动。电容器的一个电极可以称为参考电极，而电容器的另一电极可以称为反电极。
33.还提供隔离材料15以提供在导电元件12、13与14之间的电隔离。
34.诸如金属颗粒或水滴等导电材料可以穿透mems元件11并且在mems元件11的在其他情况下电隔离的部分之间形成导电路径(例如，短路)。不想要的导电路径可以对mems元件11的性能产生负面影响。电容和/或灵敏度故障也可能是由集成电路本身内部的缺陷引起的，这些缺陷可以在器件的整个生命周期内产生。以下实施例提供用于检测电容和/或灵敏度故障并且可能补偿检测到的故障以恢复或以其他方式改善电容传感器的功能的附加读出电路系统。
35.图2是根据一个或多个实施例的电容传感器200的框图。电容传感器200包括mems元件11和信号处理电路20，信号处理电路20被配置为从mems元件11接收传感器信号ssense(例如，电压vtop和vbot)，对传感器信号ssense执行信号处理，并且在信号输出(signal out)处输出处理后的传感器信号作为测量信号smeas。在mems元件11与信号处理电路20之间提供有读出电路。读出电路从mems元件11接收信号，并且可以包括用于向信号处理电路20提供信号的偏置电路(例如，电阻偏置电路)。读出电路在图3a、图3b、图5a、图5b和图6中示出。电容传感器200还包括故障诊断电路30，故障诊断电路30被配置为在诊断操作期间接收传感器信号ssense并且基于传感器信号ssense检测一种或多种类型的故障。故障可以包括mems元件11的电容故障或灵敏度故障。响应于检测到故障，故障诊断电路30被配置为生
成误差信号serr并且在误差输出(error out)处输出误差信号serr。
36.为了检测电气故障，故障诊断电路30被配置为测量受电容故障或灵敏度故障影响的电参数中的一个，将电参数与预定误差阈值或与具有最小阈值和最大阈值的预定容差范围进行比较，并且响应于电参数越过(例如，超过)预定误差阈值或偏离预定容差范围而生成误差信号serr。受电容故障影响的电参数可以是响应于电容诊断注入信号而测量的电容器ctop和cbot的rc时间常数(例如，分别相对于rbias1和rbias2)。rc时间常数是成比例的，并且因此表示ctop和cbot的电容。受灵敏度故障影响的电参数可以是响应于灵敏度诊断注入信号而测量的电容器(即，ctop或cbot)的rc时间常数之间的差值。响应于灵敏度诊断注入信号而测量的rc时间常数之间的差值对应于电容器的电压依赖性，电容器的电压依赖性又对应于传感器灵敏度本身。电容故障将导致在mems元件11的输出处测量的对应电参数发生偏移，以偏移到预定容差范围之外。同样，灵敏度故障将导致在mems元件11的输出处测量的对应电参数发生偏移，以偏移到预定容差范围之外。故障诊断电路30被配置为在诊断操作期间监测和检测这些类型的故障。
37.误差信号serr可以被提供给另外的诊断电路(未示出)，该诊断电路被配置为对电容传感器200执行进一步分析以确定故障的原因或来源。
38.电容传感器200还包括控制器40，控制器40被配置为对mems元件11执行诊断操作。控制器40可以被配置为生成控制信号sreduce，该控制信号sreduce被配置为控制在mems元件11的输入处或在mems元件11的输出处的一个或多个电路组件，以减少可能由感测到的外力(诸如压力或加速度)引起的传感器信号ssense。减小由外力引起的传感器信号ssense，使得可以测量和评估目标故障的电参数。减小传感器信号ssense的方法包括将施加到mems元件11的输入的输入偏置电压vbias设置为零，减小布置在mems元件11的输出处的偏置电阻器rbias的电阻值以增加由rbias以及电容器ctop和cbot形成的高通滤波器的3db频率，从而有效地对传感器信号ssense进行滤波，或者利用共模缓冲器执行传感器信号ssense的读出。
39.控制器40还包括信号发生器50，信号发生器50被配置为在传感器信号ssense已经通过以上方法中的一个或多个被降低之后将一个或多个诊断信号sinject注入mems电路系统(即，在其输入或输出处)。注入信号sinject在电容器ctop和cbot的输出处引起响应，并且故障诊断电路30被配置为基于对注入信号sinject的响应来测量指示电容故障或灵敏度故障的电参数。应当理解，虽然信号发生器50被示出为与控制器40集成在一起，但是这两者可以是单独的元件。
40.注入信号sinject包括至少一个电信号阶跃(例如，电压阶跃或电流阶跃)。因此，注入信号sinject是阶跃信号，而电信号阶跃是从一个信号电平到第二电平的信号转变，该信号转变在电容器ctop和cbot的输出处引起响应。信号转变可以是阶跃上升转变(即，上升沿)或阶跃下降转变(即，下降沿)。
41.为了测试电容和灵敏度故障，控制器40可以向故障诊断电路30传输注入信号sinject或其指示注入时间或注入信号或其分量的触发时间的定时信息。具体地，故障诊断电路30检测注入信号sinject的电阶跃(即，两个预定义信号电平之间的上升沿或下降沿)的触发时间，或直接从控制器40接收该触发时间。替代地，故障诊断电路30可以与控制器50集成，从而自动知道触发时间。
42.在任一情况下，故障诊断电路30使用注入信号的电信号阶跃的触发时间来计算相关rc时间常数。例如，rc时间常数可以从信号发生器50触发对应电阶跃的时间开始到测量信号达到预定义阈值的时间进行计算。因此，故障诊断电路30接收指示电阶跃的触发时间的信息。
43.控制器40还可以控制由比较器电路系统用于测量rc时间常数的预定义阈值。时间常数是电容器的瞬态响应从第一电源值变为其第二电源值的某个百分比所需要的时间量。换言之，它是跨电容器的电压从一个极值变为其第二极值的某个百分比所需要的时间量。预定义阈值是针对后者的，并且表示其第二极值的某个百分比。例如，预定义阈值可以在上升响应瞬变时设置为最大电源值的大约63％并且持续一个时间常数，并且可以在下降响应瞬变时设置为最大电源值的大约37％并且持续一个时间常数。因此，控制器40可以控制由比较器电路系统用于确定测量信号在用于计算rc时间常数的触发时间之后何时达到某个电平的预定义阈值。
44.图3a和图3b是根据一个或多个实施例的电容传感器读出电路的示意性框图。特别地，图3a示出了实现用于检测电容故障的一种技术的电容传感器读出电路300，图3b示出了实现用于检测电容故障的另一种技术的电容传感器读出电路300。这三种检测技术之间的差异包括：注入节点的位置，在该位置处注入的注入信号(即，电信号阶跃)在vtop和vbot处引起响应；和/或注入信号的类型(例如，电压信号或电流信号)。读出电路300是用于读出电容mems元件(例如，mems元件11)的信号的恒定电荷(cc)读出电路。因此，每个电容器ctop和cbot的电荷保持恒定，而跨电容器的电压基于电容的变化而变化。
45.dc偏置电压源10向mems元件的导电结构(即，(多个)背板和(多个)膜)提供dc偏置电压vbias。ac外力f
ac1
和f
ac2
表示施加并且作用在导电结构上从而导致电容器ctop和/或cbot处的电容发生变化的外力(例如，压力或加速度)。
46.放大器21(诸如可编程增益放大器或缓冲放大器)被配置为从mems元件接收电压vtop和vbot作为传感器信号。放大器21是信号处理电路20的一部分并且可以是其信号处理链的开始。例如，放大器21可以被配置为接收传感器信号(即，电压vtop和vbot)并且将放大的传感器信号提供给沿着信号处理电路20的信号处理链布置在下游的离散时间adc(未示出)。
47.mems元件输出处的电压vtop和vbot分别经由非常高欧姆的偏置电阻器rbias1和rbias2、以及参考电压vref1来设置。在感测操作期间，偏置电阻器rbias1和rbias2被设置为非常高的欧姆值，以减少放大器21输入处的噪声。例如，偏置电阻器rbias1和rbias2最初可以设置在1gohm与500gohms之间的任何位置处，具体取决于读出电路的噪声抑制要求和带宽要求。电阻越高，提供更高snr的噪声抑制就越高。然而，可以想象，可以使用其他电阻。在该示例中，偏置电阻器rbias1和rbias2被维持为相等或基本相等并且可以是可调节的以减少传感器信号，从而可以测试和检测电容和/或灵敏度故障。
48.参考电压vref1在两个偏置电阻器rbias1与rbias2之间的公共节点处被输入。在由rbias1和rbias2的电阻值以及ctop和cbot的时间常数给出的充电时间之后，mems输出处的vtop和vbot dc电压由参考电压vref1设置。但是，如果电容器ctop或cbot中的一个处出现电容或灵敏度故障，则ctop和cbot的时间常数可以受到影响。例如，较大的电容器通常具有较长的瞬态响应，并且因此具有较高的时间常数。相反，较小的电容器通常具有较短的瞬
态响应，并且因此具有较低的时间常数。因此，可以由故障诊断电路30测量和评估ctop和cbot的时间常数以检测电容或灵敏度故障。具体地，ctop和cbot的时间常数可以通过分别通过电信号阶跃在vtop和vbot处引起信号响应并且对照对应时间常数阈值vref2测量vtop和vbot的上升时间(即，充电时间)或下降时间(即，放电时间)来测量。
49.电容传感器读出电路300包括控制器40和信号发生器50，控制器40和信号发生器50生成用于执行故障诊断的各种控制信号和注入信号。控制器40生成控制信号，包括：时钟信号sclk、设置要由阈值比较器31和32使用的时间常数阈值vref2的时间常数阈值信号vref2、指示电阶跃被触发的时间的电阶跃时序信号sstep、控制dc偏置电压源10到mems元件11的供应的配置信号vbias、以及调整(调节)偏置电阻器rbias1和rbias2的电阻值的配置信号rbias1和rbias2。
50.配置信号vbias、rbias1和rbias2被用作控制信号sreduce，以减小可能由感测到的外力(诸如压力或加速度)引起的传感器信号ssense。减小传感器信号ssense的方法包括将施加到mems元件11输入的输入偏置电压vbias设置为零，减小偏置电阻器rbias1和rbias2的电阻值以提高由rbias以及电容器ctop和cbot形成的高通滤波器的3db频率，从而有效地对传感器信号ssense进行滤波，或者利用共模缓冲器执行传感器信号ssense的读出(参见图6)。
51.控制器40可以根据被注入的电信号阶跃的类型和电路内的注入点来调节时间常数阈值vref2。还应当注意，虽然控制器40被示出为提供时钟信号sclk，但系统时钟也可以生成和提供时钟信号sclk。
52.信号发生器50生成注入信号sinject，注入信号sinject具有阶跃上升或阶跃下降的电信号阶跃。注入信号sinject可以作为电压阶跃施加在节点vref1处(参见图3a)、作为电压阶跃施加在dc偏置电压源10处作为vbias(参见图3b)，或者作为电流阶跃施加在节点vtop和vbot处(参见图5a)。在节点vref1处施加注入信号sinject可以在电容器ctop和cbot的瞬态响应中产生低通滤波器时间演变。在dc偏置电压源10处施加注入信号sinject作为vbias可以在电容器ctop和cbot的瞬态响应中产生高通滤波器时间演变。如果在dc偏置电压源10处施加电压阶跃作为vbias，则应当通过减小偏置电阻器rbias1和rbias2的电阻值或者通过使用共模缓冲器执行传感器信号ssense的读出来降低传感器信号ssense，因为在注入信号(即，电信号阶跃)被注入并且由故障诊断电路30评估信号响应的同时，传感器信号维持在降低状态。
53.一旦传感器信号ssense被置于降低状态，则信号发生器50生成具有电信号阶跃的注入信号sinject。在图3a的示例中，rbias1和rbias2的电阻值已经降低到100kohms，并且电信号阶跃(即，阶跃上升)在vref1的节点处被注入。换言之，作为注入信号的vref1由信号发生器50从第一电压电平增加到较高的第二电压电平，并且导致电容器ctop和cbot开始充电。结果，作为瞬态响应的电信号阶跃会在电容器ctop和cbot的输出vtop和vbot处引起指数信号增加。
54.故障诊断电路30包括阈值比较器31，阈值比较器31将输出电压vtop与由系统控制器40设置的时间常数阈值vref2进行比较。时间常数阈值vref2可以被设置为与电容器ctop和cbot的时间常数相对应的电压值，在没有任何故障的情况下，电容器ctop和cbot的电容值应当基本相等。阈值比较器31被配置为接收vtop和vref2并且当vtop等于或大于vref2时
将其输出改变为vstop1。例如，阈值比较器31可以将其输出从0v改变为5v。输出的变化表明电容器ctop响应于注入信号而被充电到一定点，即，vtop越过时间常数阈值vref2，它表示电容器ctop的时间常数。vstop1的输出停止分配给电容器ctop并且用于测量其时间常数的计数器34a。
55.类似地，故障诊断电路30包括阈值比较器32，阈值比较器32将输出电压vbot与由系统控制器40设置的时间常数阈值vref2进行比较。阈值比较器31被配置为接收vbot和vref2，并且当vbot等于或大于vref2时改变其输出。阈值比较器32被配置为接收vbot和vref2，并且当vbot等于或大于vref2时将其输出改变为vstop2。例如，阈值比较器32可以将其输出从0v改变为5v。输出的变化表明电容器cbot响应于注入信号而被充电到一定点，即，vbot越过时间常数阈值vref2，它表示电容器cbot的时间常数。vstop2的输出停止分配给电容器cbot并且用于测量其时间常数的计数器34b。
56.故障诊断电路30还包括处理电路33，处理电路33包括基于时钟信号sclk进行操作(即，向上计数)的计数器34a、34b。计数器34a、34b在电信号阶跃被触发时开始。因此，电阶跃时序信号sstep是计数器34a、34b接收的用于触发计数器34a、34b开始计数的计数器启动信号。
57.计数器34a被配置为当阈值比较器31输出电压vstop1时停止计数，以指示vtop越过时间常数阈值vref2。在接收到电压vstop1时计数器34a的计时值表示电容器ctop的时间常数tctop。计数器34b被配置为当阈值比较器32输出电压vstop2时停止计数，以指示vbot越过时间常数阈值vref2。在接收到电压vstop2时计数器34b的计时值表示电容器cbot的时间常数tcbot。
58.故障诊断电路30的处理电路33包括故障检测器35，故障检测器35被配置为根据等式1和2将测量的时间常数tctop和tcbot(例如，计数器的最终计数值)与包括最小阈值tcmin和最大阈值tcmax的预定阈值范围进行比较。最小阈值tcmin可以设置为大于零。最小阈值和最大阈值可以设置为在预期时间常数的某个百分比内(例如，在10％内)。如果故障检测器35确定时间常数tctop和tcbot中的任何一个在预定阈值范围之外(即，小于最小阈值tcmin或大于最大阈值tcmax)，则故障检测器35生成指示电容故障的误差信号。否则，故障检测器35确定在电容器ctop或cbot处不存在电容故障并且可以输出“无故障”信号。误差信号的时间常数可能超过预定阈值范围的限制，从而指示电容器存在故障。
59.tcmin≤tctop≤tcmax
ꢀꢀꢀ
等式1
60.tcmin≤tcbot≤tcmax
ꢀꢀꢀ
等式2
61.在图3b的示例中，rbias1和rbias2的电阻值再次降低到100kohms以将传感器信号置于降低状态。然而，经由输入电压vbias在dc电源处注入电信号阶跃(即，阶跃下降)。换言之，作为注入信号的vbias被信号发生器50从第一电压电平降低到较低的第二电压电平，并且在电容器ctop和cbot的输出处引起信号响应。结果，作为瞬态响应的电信号阶跃会在电容器ctop和cbot的输出vtop和vbot处引起指数信号增加。
62.故障诊断电路30以与上面针对图3a描述的类似方式在它们的瞬态响应期间监测输出vtop和vbot的值。
63.通过施加注入信号作为两阶跃电信号，而不是作为一阶跃电信号，图3a和图3b的电容传感器读出电路300也可以用于测试灵敏度故障。如本文中使用的，两阶跃电信号包括
从第一信号电平上升到第二信号电平的电阶跃上升和从第二信号电平下降到第一信号电平的电阶跃下降。两个电信号阶跃的触发以由控制器40控制的预定时间量分开。如前所述，用于将传感器信号置于降低状态的上述方法中的一个在施加两阶跃电信号之前实现。
64.图4a是根据一个或多个实施例的用于测试灵敏度故障的图3a的电容传感器读出电路300中存在的各种信号的信号图。信号包括由信号发生器50在节点vref1处注入的两阶跃电信号sinject、响应于两阶跃电信号sinject的输出电压vtop的瞬态响应、以及响应于两阶跃电信号sinject的输出电压vbot的瞬态响应。
65.如前所述，故障诊断电路30使用阈值比较器31和32以及计数器34a和34b来测量电容器ctop和cbot的时间常数。然而，由于注入信号sinject是两阶跃电信号，因此故障诊断电路30被配置为针对每个电信号阶跃测量电容器ctop和cbot的时间常数。结果，故障诊断电路30将为电容器ctop确定用于电阶跃上升的第一时间常数tctop1和用于电阶跃下降的第二时间常数tctop2。同样，故障诊断电路30将为电容器cbot确定用于电阶跃上升的第一时间常数tcbot1和用于电阶跃下降的第二时间常数tcbot2。
66.因为用于测量电压上升的时间常数的时间常数阈值vref2不同于用于测量电压下降的时间常数的时间常数阈值vref2，所以需要针对每个电信号阶跃调节时间常数阈值vref2。控制器40可以被配置为根据不同信号阶跃调节时间常数阈值vref2。例如，控制器40可以将时间常数阈值vref2设置为值vref2_up以增加瞬态响应，并且可以将时间常数阈值vref2设置为值vref2_down以降低瞬态响应。在充电或放电阶跃期间，值vref2_up和vref2_down可以设置为电容器的最终电压值的大约63％。例如，控制器40可以在对应电信号阶跃被触发时将时间常数阈值vref2设置为适当值。
67.阈值比较器31在vtop响应于电阶跃上升而变为等于或大于vref2_up时生成计数器停止值，并且在vtop响应于电阶跃下降而变为等于或小于vref2_down时生成计数器停止值。同样地，阈值比较器32在vbot响应于电阶跃上升而变为等于或大于vref2_up时生成计数器停止值，并且在vbot响应于电阶跃下降而变为等于或小于vref2_down时生成计数器停止值。计数器34a和34b处的计数器值表示对应时间常数tctop1、tctop2、tcbot1和tcbot2。
68.电容器ctop或cbot的两个测量时间常数之间的差值可以用于检测该电容器的灵敏度故障。例如，故障检测器35可以计算时间常数之间的差值并且根据等式3-6将该差值与包括最小差值阈值δtcmin和最大差值阈值δtcmax的预定差值阈值范围进行比较。
69.δtctop＝|tctop1-tctop2|
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等式3
70.δtcbot＝|tcbot1-tcbot2|
ꢀꢀꢀ
等式4
71.δtcmin≤δtctop≤δtcmax
ꢀꢀꢀ
等式5
72.δtcmin≤δtcbot≤δtcmax
ꢀꢀꢀ
等式6
73.最小阈值和最大阈值可以被设置为在预期差值阈值的某个百分比内(例如，在10％内)。如果故障检测器35确定差分时间常数δtctop和δtcbot中的任何一个差分时间常数在预定差值阈值范围之外(即，小于最小阈值δtcmin或大于最大阈值δtcmax)，则故障检测器35生成指示灵敏度故障的误差信号。否则，故障检测器35确定在电容器ctop或cbot处不存在灵敏度故障并且可以输出“无故障”信号。误差信号可以标识出哪个差分时间常数超出预定差值阈值范围的限制，从而指示出故障的电容器。
74.图4b是根据一个或多个实施例的用于测试灵敏度故障的图3a-3b的电容传感器读
出电路300中存在的各种信号的信号图。信号包括由信号发生器50经由vbias在dc偏置电压源10处注入的两阶跃电信号sinject、响应于两阶跃电信号sinject的输出电压vtop的瞬态响应、以及响应于两阶跃电信号sinject的输出电压vbot的瞬态响应。
75.因为用于测量电压上升的时间常数的时间常数阈值vref2不同于用于测量电压下降的时间常数的时间常数阈值vref2，所以需要针对每个电信号阶跃调节时间常数阈值vref2。控制器40可以将时间常数阈值vref2设置为值vref2_up以增加瞬态响应并且可以将时间常数阈值vref2设置为值vref2_down以降低瞬态响应。
76.故障诊断电路30执行与上面参考图4a描述的类似的测量以确定对应时间常数tctop1、tctop2、tcbot1和tcbot2，并且然后根据等式3-6执行故障评估。
77.图5a示出了实现用于检测电容故障的另一种技术的电容传感器读出电路500a。电容传感器读出电路500a类似于电容传感器读出电路300，不同之处在于，信号发生器50被配置为注入电流信号而不是电压信号作为电信号阶跃，以便在电容器ctop和电容器cbot处引起瞬态电压响应。故障诊断电路30的功能与前面参考电容传感器读出电路300描述的相同。
78.在图5a的示例中，通过上述方法中的一个方法将传感器信号置于降低状态。在该示例中，信号发生器50被实现为两个电流源51和52以及两个开关sw1和sw2，它们被配置为在节点vtop和vbot处注入电流阶跃。开关sw1和sw2由控制器40控制，控制器40例如经由对应注入控制信号sinject(sw1和sw2)同步地断开或闭合开关。当开关sw1和sw2闭合时，节点vtop和vbot处的电流阶跃导致跨电容器ctop和cbot的电压vtop和vbot的线性增加(即，线性充电)。电压vtop和vbot的上升时间可以如上所述类似地进行监测，以分别确定电容器ctop和cbot的时间常数tctop和tcbot。故障诊断电路30以与上面针对图3a描述的类似方式将时间常数tctop和tcbot与预定阈值范围进行比较以确定是否存在电容故障。当开关sw1和sw2重新断开时，由于偏置电阻器rbias1和rbias2，电容器ctop和cbot发生指数放电。
79.图5b示出了实现用于检测灵敏度故障的另一种技术的电容传感器读出电路500b。在该示例中，信号发生器50被实现为四个电流源/宿51-54和四个开关sw1-sw4。电流源51和52被配置为当开关sw1和sw2闭合时在节点vtop和vbot处提供电流阶跃。电流宿53和54被配置为当开关sw3和sw4闭合时从节点vtop和vbot吸收电流阶跃。两阶跃电信号可以通过以下方式来生成：首先使用电流源51和52生成第一电流阶跃，其中开关sw1和sw2同步闭合并且开关sw3和sw4同步断开，然后使用电流宿53和54生成第二电流阶跃，其中开关sw1和sw2同步断开并且开关sw3和sw4同步闭合。控制器40被配置为经由对应注入控制信号sinject(sw1-sw4)控制开关sw1-sw4的状态。
80.当开关sw1和sw2闭合时，节点vtop和vbot处的电流阶跃导致跨电容器ctop和cbot的电压vtop和vbot的线性增加(即，线性充电)。电压vtop和vbot的上升时间可以如上所述类似地进行监测，以分别确定电容器ctop和cbot的时间常数tctop1和tcbot1。当开关sw3和sw4闭合时，节点vtop和vbot处的电流阶跃导致跨电容器ctop和cbot的电压vtop和vbot的线性下降(即，线性放电)。电压vtop和vbot的下降时间可以如上所述类似地进行监测，以分别确定电容器ctop和cbot的时间常数tctop2和tcbot2。控制器40还基于由信号阶跃引起的瞬态响应是增加(充电)还是减小(放电)瞬态响应来在vref2_up与vref2_down之间调节vref2处的值，如结合图4a和图4b类似地描述的。
81.故障诊断电路30的功能与之前参考电容传感器读出电路300和结合图4a和图4b描
述的灵敏度故障的检测所描述的相同。
82.电容传感器读出电路500b也可以用于通过仅使用电流源51和52(即，通过保持开关sw3和sw4断开并且保持电流宿53和54断开连接)来测试电容故障。以这种方式，可以生成如图5a所示的单电阶跃注入信号。
83.图6是根据一个或多个实施例的电容传感器读出电路600的示意性框图。特别地，电容传感器读出电路600包括共模缓冲器36，共模缓冲器36执行传感器信号读出以用于故障诊断。通过以这种方式使用共模缓冲器36，传感器信号ssense在故障诊断电路30中总是处于降低状态。因此，不需要信号sreduce。
84.共模缓冲器36包括分别电连接到dc电压vtop和vbot的两个输入端子。共模缓冲器36被配置为在内部生成表示这两个输入的平均值(即，电压vtop和vbot的平均值)的平均信号。共模放大器36还包括电连接到共模电压vref1的输入端子(即，耦合在偏置电阻器rbias1与rbias2之间的节点)。共模缓冲器36被配置为生成表示平均信号(即，vtop与vbot之间的共模)与共模参考信号(即，共模电压vref1)之间的差值的差分输出信号vdiff。
85.信号发生器50被配置为以上述任何方式施加单阶跃或两阶跃电注入信号，例如，通过在vbias或vref1处施加信号。电信号阶跃在共模缓冲器36的差分输出信号vdiff处引起瞬态响应，可以对该瞬态响应进行评估以确定电容器ctop和cbot的平均时间常数。故障诊断电路30包括阈值比较器37，阈值比较器37接收差分输出信号vdiff和时间常数阈值vref2，并且当vdiff变为等于或大于vref2时生成计数器停止信号vstop。计数器停止信号vstop停止处理电路33的计数器34，计数器34在电信号阶跃被触发时由电阶跃时序信号sstep启动。计数器34停止时的计数值表示电容器ctop和cbot的平均时间常数。根据上述实施例，故障检测器35将测量的平均时间常数与预定阈值范围进行比较以确定是否存在故障。
86.尽管已经描述了各种实施例，但是对于本领域普通技术人员来说很清楚的是，在本公开的范围内可以有更多的实施例和实现。因此，本发明不受限制，除非根据所附权利要求及其等同物。
87.关于由上述组件或结构(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的组件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的组件的指定功能的任何组件或结构(即，在功能上等同)，即使在结构上不等同于在本文中示出的本发明的示例性实现中执行该功能的公开结构。
88.此外，以下权利要求在此并入详细描述中，其中每个权利要求可以作为单独的示例实施例独立存在。虽然每个权利要求可以作为单独的示例实施例独立存在，但应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中提及与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。这样的组合在本文中提出了，除非声明不打算使用特定组合。此外，旨在将权利要求的特征包括在任何其他独立权利要求中，即使该权利要求不直接依赖于该独立权利要求。
89.还应当注意，说明书或权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每个的部件的设备来实现。
90.此外，应当理解，在说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开可以不被解释为在特定顺序内。因此，多个多种或功能的公开不会将这些限制为特定顺序，除非这样
的多种或功能由于技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分成多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括在内，并且是该单个动作的公开的一部分。
91.总之，尽管已经公开了各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本文中公开的概念的一些优点，而不背离精神和本发明的范围。对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以适当地替换执行相同功能的其他组件。应当理解，可以使用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑改变而不脱离本发明的范围。应当提到，参考特定附图解释的特征可以与其他附图的特征相结合，即使在那些没有明确提及的附图中也是如此。对一般发明概念的这种修改旨在由所附权利要求及其法律等同物覆盖。

技术特征：

1.一种电容传感器，包括：第一导电结构；第二导电结构，与所述第一导电结构相对，其中所述第二导电结构响应于作用在所述第二导电结构上的外力而相对于所述第一导电结构可移动，其中所述第二导电结构被电容耦合到所述第一导电结构以形成第一电容器，所述第一电容器具有随着所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的距离的变化而变化的第一电容，其中所述第一电容表示所述外力；信号发生器，被配置为在所述第一电容器的输入或输出处施加第一电信号阶跃，以在所述第一电容器的输出处引起第一电压瞬态响应；以及诊断电路，被配置为通过测量所述第一电压瞬态响应的第一时间常数、并且基于所述第一时间常数检测故障，来检测所述电容传感器中的所述故障。2.根据权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一电信号阶跃导致所述第一电容器充电到最大电压或放电到最小电压。3.根据权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一电信号阶跃是阶跃上升信号阶跃或阶跃下降信号阶跃。4.根据权利要求1所述的电容传感器，其中：所述诊断电路包括比较器、计数器和故障检测器，所述比较器被配置为接收表示所述第一电压瞬态响应的输出电压，并且将所述输出电压与参考阈值进行比较以生成具有两个比较器值中的一个比较器值的比较结果，所述计数器被配置为当所述比较结果从第一比较器值变为第二比较器值时停止计数，并且输出表示所述第一时间常数的停止计数器值，以及所述故障检测器被配置为将所述停止计数器值与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述停止计数器值在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。5.根据权利要求1所述的电容传感器，其中：所述诊断电路包括比较器和故障检测器，所述比较器被配置为接收表示所述第一电压瞬态响应的输出电压，并且将所述输出电压与参考阈值进行比较以检测所述第一时间常数，以及所述故障检测器被配置为将所述第一时间常数与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述第一时间常数在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。6.根据权利要求5所述的电容传感器，其中所述诊断电路包括计数器，所述计数器被配置为输出表示检测到的所述第一时间常数的第一计数器值，并且所述故障检测器被配置为将所述第一计数器值与所述预定阈值范围进行比较，并且响应于所述第一计数器值在所述预定阈值范围之外而生成所述误差信号。7.根据权利要求1所述的电容传感器，其中：所述诊断电路被配置为将所述第一时间常数与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述第一时间常数在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。8.根据权利要求7所述的电容传感器，其中所述预定阈值范围包括最小阈值和最大阈值，并且如果所述第一时间常数小于所述最小阈值或大于所述最大阈值，则所述第一时间常数在所述预定阈值范围之外。
9.根据权利要求1所述的电容传感器，其中：所述信号发生器被配置为在所述第一电容器的输入或输出处施加第二电信号阶跃以在所述第一电容器的输出处引起第二电压瞬态响应，其中所述第二电压瞬态响应的方向与所述第一电压瞬态响应的方向相对，以及所述诊断电路被配置为通过测量所述第二电压瞬态响应的第二时间常数、并且基于所述第一时间常数和所述第二时间常数检测所述故障，来检测所述电容传感器中的所述故障。10.根据权利要求9所述的电容传感器，其中所述诊断电路被配置为计算所述第一时间常数与所述第二时间常数之间的差值，将所述差值的大小与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述差值的所述大小在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。11.根据权利要求1所述的电容传感器，其中：所述诊断电路包括比较器、至少一个计数器和故障检测器，所述比较器被配置为接收表示所述第一电压瞬态响应和所述第二电压瞬态响应的输出电压，将所述输出电压与第一参考阈值进行比较以检测所述第一时间常数，并且将所述输出电压与第二参考阈值进行比较以检测第二时间常数，所述至少一个计数器被配置为输出表示检测到的所述第一时间常数的第一计数器值，并且输出表示检测到的所述第二时间常数的第二计数器值，以及所述故障检测器被配置为计算所述第一计数值与所述第二计数值之间的差值，将所述差值的大小与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述差值的所述大小在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。12.根据权利要求1所述的电容传感器，还包括：第三导电结构，与所述第一导电结构相对，其中所述第三导电结构相对于所述第一导电结构可移动，其中所述第三导电结构被电容耦合到所述第一导电结构以形成第二电容器，所述第二电容器具有随着所述第一导电结构与所述第三导电结构之间的距离的变化而变化的第二电容，其中所述信号发生器被配置为在所述第二电容器的输入或输出处施加所述第一电信号阶跃，以在所述第二电容器的输出处引起第二电压瞬态响应，所述诊断电路被配置为通过测量所述第二电压瞬态响应的第二时间常数、并且基于所述第一时间常数和所述第二时间常数检测所述故障，来检测所述电容传感器中的所述故障。13.根据权利要求12所述的电容传感器，其中所述信号发生器被配置为同时将所述第一电信号阶跃施加到所述第一电容器和所述第二电容器，使得所述第一电压瞬态响应和所述第二电压瞬态响应是由相同的电信号阶跃引起的。14.根据权利要求12所述的电容传感器，其中：所述诊断电路被配置为将所述第一时间常数和所述第二时间常数与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述第一时间常数在所述预定阈值范围之外或所述第二时间常数在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。15.根据权利要求12所述的电容传感器，其中：所述信号发生器被配置为在所述第一电容器的输入或输出处施加第二电信号阶跃，以
在所述第一电容器的输出处引起第三电压瞬态响应，其中所述第三电压瞬态响应的方向与所述第一电压瞬态响应的方向相对，所述信号发生器被配置为在所述第二电容器的输入或输出处施加第二电信号阶跃，以在所述第二电容器的输出处引起第四电压瞬态响应，其中所述第四电压瞬态响应的方向与所述第二电压瞬态响应的方向相对，所述诊断电路被配置为通过测量所述第三电压瞬态响应的第三时间常数、测量所述第四电压瞬态响应的第四时间常数、以及基于所述第一时间常数、所述第二时间常数、所述第三时间常数和所述第四时间常数检测所述故障，来检测所述电容传感器中的所述故障。16.根据权利要求15所述的电容传感器，其中所述诊断电路被配置为计算所述第一时间常数与所述第三时间常数之间的第一差值，将所述第一差值的大小与预定阈值范围进行比较，计算所述第二时间常数与所述第四时间常数之间的第二差值，将所述第一差值的大小与预定阈值范围进行比较，将所述第二差值的大小与所述预定阈值范围进行比较，并且响应于所述第一差值的大小在所述预定阈值范围之外或响应于所述第二差值的大小在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。17.根据权利要求1所述的电容传感器，还包括控制器，其中所述第一电容器包括耦合到偏置电源电压的第一端子和耦合到由偏置电阻电路设置的dc电压的第二端子，并且其中所述控制器被配置为将所述偏置电源电压驱动为零，并且控制所述信号发生器在所述第一电容器的输出处施加所述第一电信号阶跃，以在所述偏置电源电压为零时引起所述第一电压瞬态响应。18.根据权利要求1所述的电容传感器，还包括控制器，其中所述第一电容器包括耦合到偏置电源电压的第一端子和耦合到由偏置电阻电路设置的dc电压的第二端子，并且其中所述控制器被配置为减小所述偏置电阻电路的电阻，并且控制所述信号发生器在所述第一电容器的输入或输出处施加所述第一电信号阶跃以在所述偏置电阻电路的所述电阻减少时引起所述第一电压瞬态响应。19.一种电容传感器，包括：第一导电结构；第二导电结构，与所述第一导电结构相对，其中所述第二导电结构相对于所述第一导电结构可移动，其中所述第二导电结构被电容耦合到所述第一导电结构以形成第一电容器，所述第一电容器具有随着所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的距离的变化而变化的第一电容，其中所述第一电容器包括耦合到偏置电源电压的第一端子和耦合到由偏置电阻电路设置的第一dc电压的第二端子；第三导电结构，与所述第一导电结构相对，其中所述第三导电结构相对于所述第一导电结构可移动，其中所述第三导电结构被电容耦合到所述第一导电结构以形成第二电容器，所述第二电容器具有随着所述第一导电结构与所述第三导电结构之间的距离的变化而变化的第二电容，其中所述第二电容器包括耦合到所述偏置电源电压的第一端子和耦合到由所述偏置电阻电路设置的第二dc电压的第二端子；共模缓冲器，被配置为接收所述第一dc电压、所述第二dc电压和参考电压，并且基于在
所述第一dc电压和所述第二dc电压的共模电压与所述参考电压之间的差值生成差分信号；信号发生器，被配置为在所述第一电容器的输入或输出处以及在所述第二电容器的输入或输出处施加第一电信号阶跃，以分别在所述第一dc电压中引起第一电压瞬态响应，并且在所述第二dc电压中引起第二电压瞬态响应；以及诊断电路，被配置为通过测量与所述第一电压瞬态响应和所述第二电压瞬态响应相对应的所述差分信号的第一时间常数、并且基于所述第一时间常数检测故障，来检测所述电容传感器中的故障。20.根据权利要求19所述的电容传感器，其中：所述诊断电路被配置为将所述第一时间常数与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述第一时间常数在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。21.根据权利要求19所述的电容传感器，其中：所述信号发生器被配置为在所述第一电容器的输入或输出处施加第二电信号阶跃，以在所述第一dc电压中引起第三电压瞬态响应，其中所述第三电压瞬态响应的方向与所述第一电压瞬态响应的方向相对，所述信号发生器被配置为在所述第二电容器的输入或输出处施加第二电信号阶跃，以在所述第二dc电压中引起第四电压瞬态响应，其中所述第四电压瞬态响应的方向与所述第二电压瞬态响应的方向相对，所述诊断电路被配置为通过测量与所述第三电压瞬态响应和所述第四电压瞬态响应相对应的所述差分信号的第二时间常数、并且基于所述第一时间常数和所述第二时间常数检测所述故障，来检测所述电容传感器中的所述故障。22.根据权利要求21所述的电容传感器，其中所述诊断电路被配置为计算所述第一时间常数与所述第二时间常数之间的差值，将所述差值的大小与预定阈值范围进行比较，并且响应于所述差值的所述大小在所述预定阈值范围之外而生成误差信号。

技术总结

本公开的实施例涉及检测电容传感器中的电容故障和灵敏度故障。一种电容传感器包括第一导电结构；与第一导电结构相对的第二导电结构，其中第二导电结构响应于作用在其上的外力而相对于第一导电结构可移动，其中第二导电结构电容耦合到第一导电结构以形成第一电容器，第一电容器具有随着第一导电结构与第二导电结构之间的距离的变化而变化的第一电容；信号发生器，被配置为在第一电容器的输入或输出处施加第一电信号阶跃以在第一电容器的输出处引起第一电压瞬态响应；以及诊断电路，被配置为通过测量第一电压瞬态响应的第一时间常数并且基于第一时间常数检测故障来检测电容传感器中的故障。感器中的故障。感器中的故障。