DE69414783T2

DE69414783T2 - Kapazitiver Druckwandler mit Rückkopplung durch eine elektrostatische Kraft und Verfahren zur Profilsteuerung des Messelementes im Wandler

Info

Publication number: DE69414783T2
Application number: DE69414783T
Authority: DE
Inventors: Tapani Sf-00270 Helsinki Ryhanen
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2014-08-18
Also published as: FI93579B; NO309300B1; EP0639755B1; US5531128A; JP3369316B2; NO943069D0; EP0639755A2; DE69414783D1; NO943069L; CA2130364C; CA2130364A1; JPH0792046A; FI933670A0; FI93579C; EP0639755A3

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Wandler gemäß der Präambel von Anspruch 1, wobei der Wandler eine rückgekoppelte Steuerung bzw. Regelung mittels elektrostatischer Kräfte verwendet. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Regeln des Profils des Wandlerelementes in einem Wandler, der mittels elektrostatischer Kräfte rückgekoppelt gesteuert bzw. geregelt wird.
Die folgenden Veröffentlichungen werden als Referenzen nach dem Stand der Technik zitiert.

Amerikanische Patente:

[p1] U. S. Pat. No. 4,257,274 (Shimada et al.)
[p2] U. S. Pat. No. 4,386,453 (Gianchino et al.)
[p3] U. S. Pat. No. 4,332,000 (Petersen)
[p4] U. S. Pat. No. 4,390,925 (Freud)
[p5] U. S. Pat. No. 3,397,278 (Pomerantz)
[p6] U. S. Pat. No. 4,589,054 (Kuisma)
[p7] U. S. Pat. No. 4,628,403 (Kuisma)
[p8] U. S. Pat. No. 4,594,639 (Kuisma)
[p9] U. S. Pat. No. 4,831,492 (Kuisma)
[p10] U. S. Pat. No. 4,996,627 (Zias et al.)
[p11] U. S. Pat. No. 5,019,783 (Cadwell)
[p12] U. S. Pat. No. 5,028,876 (Cadwell)
[p13] U. S. Pat. No. 5,048,165 (Cadwell)
[p14] U. S. Pat. No. 4,679,434 (Stewart)
[p15] U. S. Pat. No. 5,095,750 (Suzuki et al.)

Wissenschaftliche Veröffentlichungen:

[a1] K. Warren, Navigation 38, 91 (1991)
[a2] K. D. Wise, in Proceedings of the Workshop Advances in Analogue Circuit Design, Katholieke Universiteit Leuven, April 1993.
[a3] Y. de Coulon et al., Design and Test of a Precision Servoaccelerometer with Digital Output, The Proceedings of the 7th International Conference an Solid-State Sensor and Actuators, pp. 832- 835, 1993.
Die zitierten Veröffentlichungen [p1-p10] beschreiben kapazitive Druckwandlerstrukturen, in denen das Siliziumdiaphragma bzw. die Siliziummembran, die als die Wandlerelektrode fungiert, biegsam in Bezug auf eine steife Metallelektrode ist. Die zitierten Patente [p1, p10] offenbaren insbesondere eine Wandlerstruktur, die zum Messen der Druckdifferenz geeignet ist, die an dem Wandlerdiaphragma bzw. der Wandlermembran durch die Drücke, die auf die verschiedenen Seiten der Membran einwirken, angelegt ist. Solch eine Wandlerstruktur wird als ein Differenzdruckwandler bezeichnet.
Die Differenzdruckwandlerkonstrukte nach dem Stand der Technik können in asymmetrische und symmetrische Strukturen unterteilt werden. In einer asymmetrischen Struktur [vgl. p1, p8] wird die Kapazitätsänderung nur zwischen der druckempfindlichen Membran und einer einzelnen Metallelektrode gemessen. In einer symmetrischen Struktur [vgl. p1, p4, p10] wird die Kapazitätsmessung zwischen der druckempfindlichen Membran und Metallelektroden durchgeführt, die auf beiden Seiten der Membran angeordnet sind, und diese Anordnung macht eine Differenzkapazitätsmessung möglich.
In Strukturen, die auf der Biegung der druckempfindlichen Membran unter Druck beruhen, ist die Temperaturabhängigkeit ungefähr eine lineare Funktion der Durchbiegung der Membran. Ein Hauptteil der Temperaturabhängigkeit in einer symmetrischen Differenzdruckwandlerstruktur wird durch die Differenz der thermischen Ausdehnungskonstanten der Siliziummembran und des Substrates gebildet.
Der Meßschaltkreis, in dem der Differenzdruckwandler verwendet wird, basiert auf einer konventionellen Kapazitätsmessung. Vielzählige Meßtechniken sind bekannt. In einem Meßschaltkreis, der einen symmetrischen Differenzdruckwandler verwendet, wird eine Übertragungsfunktion erhalten, die zu einer Differenzkapazität proportional ist. Ein Vorteil davon ist, daß sich eine im hohen Maß verbesserte Linearität um den Nullpunkt herum in Relation zu einer asymmetrischen Wandlerstruktur ergibt.
Die Literatur des Fachgebiets kennt Meßsysteme für mikromechanische Siliziumstrukturen [vgl. p14, p15, a1] auf der Grundlage des Prinzips des Kräftegleichgewichts. Die mechanische Kraft, die auf den Wandler wirkt, wird durch eine elektrostatisch regelbare Kraft kompensiert. Die wechselseitige Anziehungskraft, die durch ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden erzeugt wird, kann berechnet werden nach der Gleichung:
wobei U die elektrische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, d der Abstand zwischen den Elektroden, dA ein infinitesimales Flächenelement der Elektrodenoberfläche und &epsi;&sub0;&epsi;r die dielektrische Konstante des Isoliermediums ist. Bezeichnenderweise ist die Spannung-Kraft-Übertragungsfunktion in Bezug auf die Rückkopplungsspannung nichtlinear. In einer symmetrischen Struktur kann die Übertragungsfunktion jedoch im Prinzip unter Verwendung von zwei verschiedenen Techniken linearisiert werden. Wenn an die Metallelektroden 74 durch die angelegten Spannungen 72 (Vbias) und 73 (-Vbias) wie in Fig. 6b veranschaulicht eine Vorspannung angelegt wird, und an die Zentralelektrode 75 eine Rück kopplungsspannung 71 (V) angelegt wird, dann ist die sich ergebende elektrostatische Nettokraft
Die an die Zentralelektrode 75 angelegte Spannung wird zur weiteren Verarbeitung an einen Vorverstärker angelegt. Hochpaßfilterung des Meßsignals wird von einem RC-Schaltkreis 78 geliefert.
Eine alternative Möglichkeit, die in Fig. 6a veranschaulicht ist, besteht darin, die Vorspannungen 72 (Vbias) und 73 (-Vbias) mit den Metallelektroden 74 zu verbinden, und dann die elektrostatische-Kraft-Rückkopplungsspannung 71 (V) zu den Elektroden zu summieren und die Zentralelektrode 75 über einen Widerstand 77 auf Erdungspotential zu legen. Das Ergebnis ist exakt dasselbe wie in der ersten Anordnung: Die elektrostatisch angelegte Kraft ist eine lineare Funktion der zwischen den Elektroden angelegten Spannung. Die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 76 wird an einen Rückkopplungsschaltkreis (nicht gezeigt) angelegt. Der Rückkopplungssschaltkreis ist dafür konfiguriert, die Ausgangsspannung auf Null zu regeln.
Die elektrostatische Rückkopplungskraft kann ebenfalls mittels einer gepulsten Spannung erzeugt werden. Falls die Pulsrate der angelegten Spannung wesentlich oberhalb der dynamischen Grenzfrequenz (d. h. der niedrigsten natürlichen Frequenz des Wandlers) liegt, wird die Wandlerelektrode einer mittleren elektrostatischen Kraft
Fav &epsi;&sub0;&epsi;r/2d² · U²pulse · Tpulse · fpulse
unterworfen, wobei Upulse die Pulshöhe, Tpulse die Pulsbreite und pulse die Frequenz (Wiederholungsfrequenz bzw. Wiederholungsrate) der gepulsten Regelspannung ist. Die elektrostatische Rückkopplungskraft kann dann durch Modulation der Pulshöhe, Pulsbreite und/oder Pulsrate geregelt werden. Wenn Pulse konstanter Amplitude in Verbindung mit entweder einer Pulsbreiten- oder Pulsratenmodulation verwendet werden, wird eine lineare Beziehung zwischen der Pulsbreite oder Pulsrate und der mittleren elektrostatischen Kraft erhalten [vgl. a3, p15]. Die Rückkopplungsanordnung für den Wandler gemäß der Erfindung kann unter Verwendung entweder einer Gleichspannung oder eines gepulsten Spannung implementiert werden. Eine Rückkopplung mittels einer gepulsten Regelspannung ist besonders geeignet für asymmetrische Strukturen, die eine lineare Übertragungsfunktion ermöglichen.
Eine elektrostatische-Kraft-Rückkopplung ist auf Meßschaltkreise angewendet worden, die um mikromechanische Beschleunigungswandler herum gebaut wurden. Dasselbe Prinzip kann offensichtlich in Meßschaltkreisen verwendet werden, die um Differenzdruckwandler herum gebaut werden. Für einen symmetrischen Wandler, der auf das Kräftegleichgewicht geregelt wird, beträgt die Ausgangsspannung
wobei Δp der Differenzdruck ist, der über die Membran hinweg wirkt, und g der Spaltabstand zwischen den Elektroden. Falls eine Regelspannungsspanne von ± 10 V verfügbar ist und ein Differenzdruckmeßbereich von ± 500 Pa erwünscht ist, dann wird der wechselseitige Abstand zwischen den Elektroden 2 um oder weniger betragen. In der Praxis haben solche kleinen erforderlichen Dimensionen und der schmale verfügbare Differenzdruckbereich die Anwendung eines mittels einer elektrostatischen Kraft rückgekoppelten Diffe renzdruckwandlers eingeschränkt. Ein Differenzdruckwandler, der auf einem geregelten Kräftegleichgewicht basiert, zeichnet sich jedoch durch seine Linearität und niedrige Temperaturabhängigkeit aus, da das Membranprofil aufgrund der angewendeten Rückkopplung ungebogen gehalten werden kann.
Die oben angegebene Gleichung ist jedoch allein für eine ideale Wandlerstruktur gültig; und zwar müssen die wechselseitigen Abstände der druckempfindlichen Membran 75 des Wandlers zu beiden Elektroden 74 gleich sein. Falls die wechselseitigen Abstände der Membran zu den Elektroden ungleich sind, ist die Folge, daß die Nullposition der Differenzkapazität ΔC = C&sub1; - C&sub2; nicht mit der ungebogenen Position der Wandlermembran zusammenfällt. Jede Abweichung von dem idealen Zustand bewirkt eine höhere Temperaturabhängigkeit und Nichtlinearität des Wandlers.
In einem rückgekoppelt gesteuerten bzw. geregelten mikromechanischen Wandler werden vorteilhafterweise zwei separate Metallelektroden verwendet. Eine erste Elektrode für die Rückkopplung und eine zweite Elektrode für die Kapazitätsmessung [vgl. p15, a2]. Diese Anordnung zielt ab auf eine einfachere Meßschaltungsanordnung vermöge des Trennens der Rückkopplungsspannung und des Meßsignals voneinander.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vollkommen neue Art von kapazitiven Wandler mit Rückkopplung mittels einer elektrostatischen Kraft und einem Verfahren zum Regeln des Profils des aktiven Elementes in dem Wandler zu erreichen.
Die Erfindung basiert auf dem Herstellen von wenigstens ungefähr gleichen effektiven Flächen bzw. Bereichen für die zweiten, fixierten Subelelektroden, die verwendet werden, um das Profil des Wandlerelementes zu messen und dasselbe auf ein exakt definiertes Profil zu regeln.
Analog basiert das Verfahren gemäß der Erfindung auf dem Einregeln des Wandlerelementes auf ein exakt definiertes geometrisches Profil.
Genauer gesagt wird der Wandler gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben ist.
Weiterhin wird das Verfahren gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 angegeben ist.
Die Erfindung bietet beträchtliche Vorteile.
Dadurch, daß das Wandlerelement auf einen ungebogenen Zustand eingeregelt wird, kann die unerwünschte Temperaturempfindlichkeit eines kapazitiven Wandlers minimiert werden. Vermöge der uneingeschränkten Regelung des Wandlerelementprofils kann der Effekt jeder dominierenden Fehlerquelle wie erwünscht minimiert werden. Der Ansatz gemäß der Erfindung verringert den Fehler exakt auf einen Effekt zweiter Ordnung. Ein Rückkopplungssystem gemäß der Erfindung zum Regeln des Wandlerelementprofils verhindert des weiteren, daß Änderungen in den dielektrischen Eigenschaften des Wandlermaterials den geometrischen Status des rückgekoppelt gesteuerten bzw. geregelten Meßaufbaus beeinflussen.
Im folgenden wird die Erfindung ausführlicher mittels beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen untersucht werden, die zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Elektroden-Layout gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein weiteres Elektroden-Layout gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer symmetrischen Wandlerstruktur gemäß der Erfindung;
Fig. 4 eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines Elektroden-Layouts gemäß der Erfindung;
die Fig. 5a bis 5b graphische Darstellungen, die die Kapazität von Wandlern gemäß der Erfindung als eine Funktion des an den Wandler angelegten Differenzdrucks veranschaulichen;
die Fig. 6a bis 6b Blockdiagramme von zwei alternativen Ausführungsformen der elektronischen Rückkopplungsschaltungsanordnung für einen symmetrischen Wandler gemäß der Erfindung;
die Fig. 7a bis 7b Blockdiagramme von zwei alternativen Ausführungsformen zum Implementieren der Meßschaltungsanordnung eines asymmetrischen Wandlers gemäß der Erfindung; und
die Fig. 8a bis 8b Seitenansichten von zwei alternativen Ausführungsformen zum Implementieren einer Matrixelektrodenstruktur gemäß der Erfindung.
Gemäß der Erfindung werden die zweiten, fixierten, metallischen Elektroden, die für den Wandlerkörperteil hergestellt werden, in wenigstens zwei Gruppen von Subelektroden unterteilt, so daß das Rückkopplungssignal gemeinsam an alle Gruppen von Subelektroden angelegt wird, während das aufnehmende Meßsignal unter Verwendung erwünschter wechselseitiger Differenzphasenverschiebung und Amplitude an die verschiedenen Subelektroden angelegt wird. Die Differenzphasen- und Amplitudenregelung des aufnehmenden. Meßsignals macht es möglich, eine Übertragungsfunktion zu implementieren, die eine geeignete Gewichtung der verschiedenen Teile der Wandlermembran durchführt. Als ein Spezialfall kann die Membranoberfläche in zwei konzentrische Zonen mit gleich Bereichen bzw. Flächen unterteilt werden. In den Fig. 1, 2 und 3 sind solche Metallelektrodenformen für kreisförmige und quadratische Elektrodengeometrien gezeigt.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform weist eine kreisförmige Zentralelektrode 2 auf, die von einer ringförmigen Elektrode 1 umgeben ist. Die Elektroden 1 und 2 besitzen gleiche Flächen. Offensichtlich können die Flächen bzw. Bereiche innerhalb der Herstellungstoleranzen variieren.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform weist entsprechend eine quadratische Zentralelektrode 4 auf, die von einer wie ein quadratischer Rahmen gestalteten Elektrode 3 umgeben ist.
Eine dritte Ausführungsform einer Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt, bei der die Zentralelektrode 22 auf dieselbe Weise wie in Fig. 1 kreisförmig ist, und diese kreisförmige Elektrode wird konzentrisch von einer Elektrode 21 umgeben, die eine ringförmige innere Begrenzung und eine quadratische äußere Begrenzung besitzt. Diese Geometrie bietet eine Maximierung der Sensitivität der Zentralelektrode 22 für die gemessene Variable in einer Struktur mit einer quadratischen (nicht gezeigten) Wandlermembran, die die Zentralelektrode stützt.
In Fig. 3 ist eine Meßkonfiguration gezeigt, in der drei verschiedene Funktionen realisiert werden können, indem man das Meßsignal es in die Elektroden der veranschaulichten Struktur entweder in Phase oder außer Phase einspeist. Die verschiedenen Übertragungsfunktionen sind die folgenden:
wobei es die Meßsignalamplitude, C&sub6; die Kapazität zwischen dem fixierten Elektrodenanschluß 6 und Ausgangselektrodenanschluß 10, C&sub8; die Kapazität zwischen dem fixierten Elektrodenanschluß 8 und Ausgangselektrodenanschluß 10, C&sub5; die Kapazität zwischen dem fixierten Elektrodenanschluß 5 und Ausgangselektrodenanschluß 10 und C&sub7; die Kapazität zwischen dem fixierten Elektrodenanschluß 7 und Ausgangselektrodenanschluß 10 ist. Das aufnehmende Meßsignal wird im Fall (¹) in Phase an die Elektrodenanschlüsse 6 und 5 und außer Phase an die Elektrodenanschlüsse 8 und 7 angelegt; im Fall (²) wird das aufnehmende Meßsignal in Phase an die Elektrodenanschlüsse 6 und 7 und außer Phase an die Elektrodenanschlüsse 5 und 8 angelegt; und im Fall (³) wird das aufnehmende Meßsignal in Phase an die Elektrodenanschlüsse 6 und 8 und außer Phase an die Elektrodenanschlüsse 5 und 7 angelegt.
Alternativ wird das an die oben beschriebene Metallelektrodenstruktur angelegte elektrostatische-Kraft-Rückkoppelungssignal bei verschiedenen Regelspannungspegeln an die verschiedenen Zonen der Elektrodenstruktur angelegt. Diese Anordnung ermöglicht eine breitere Regelung der Meßelektrodenkontur.
Vermöge der Elektrodenanordnung kann die druckempfindliche Siliziummembran 9 ungebogen gehalten werden, sogar falls die Spaltabstände der Kondensatorkavitäten bei gegenüberliegenden Seiten der Membran verschieden sind. Außerdem ermöglicht die Elektrodenstruktur die Regelung der Membrankontur in einem asymmetrischen Wandler. Folglich kann die Temperaturabhängigkeit des Wandlers durch die Regelung der Membran auf einen ungebogenen Zustand minimiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Metallelektroden in zwei konzentrische Zonen gleicher Fläche unterteilt, wie in Fig. 1, 2 und 4 gezeigt. Eine einfache Meßung der Elektrodenstrukturkapazitäten C&sub6; und C&sub5; oder C&sub8; und C&sub7; teilt mit, daß, wenn die bei derselben Seite der Membran gemessenen Kapazitäten gleich sind, die Membran parallel zu der fixierten Metallelektrode ist. Wenn die Membran unter einem angelegten Druck gebogen wird, ist die Empfindlichkeit der Zentralzonenkapazität gegenüber Druck beträchtlich höher als jene der äußeren Zone, und die Kapazitätsdifferenz ist nachweisbar.
In Fig. 5a sind die Kapazitäten C&sub6;, C&sub5;, C&sub8; und C&sub7; ebenso wie ihre Differenzen (C&sub6; - C&sub5;) - (C&sub8; - C&sub7;) und (C&sub6; - C&sub5;) + (C&sub8; - C&sub7;) als eine Funktion des Differenzdrucks über der Membran für idealerweise gleiche Spaltabstände der Kondensatoren bei gegenüberliegenden Seiten der Membran gezeigt. In Fig. 5b ist dieselbe Funktion für einen asymmetrischen Fall gezeigt. Die Asymmetrie beträgt 100 nm. Man kann sehen, daß die Kapazitätsdifferenz (C&sub6; - C&sub5;) - (C&sub8; - C&sub7;) für eine Null-Biegung der Membran null wird. Der minimale Wert der Kapazitätsdifferenz (C&sub6; - C&sub5;) + (C&sub8; - C&sub7;) und Null-Kreuzungspunkt der Ableitung davon fällt ebenfalls mit der Situation der Null-Biegung der Membran zusammen. Die Werte der Übertragungsfunktionen (2) und (3) des oben beschriebenen Systems sind null, wenn die Membran parallel zu den Metallelektroden ist. Darüberhinaus ist die Übertragungsfunktion (2) monoton und somit als der Indikator für die Membranbiegung geeignet.
Der in den Diagrammen gezeigte Wandler besitzt eine quadratische Geometrie, wobei die Metallelektroden wie in Fig. 2 gezeigt gestaltet sind. Der Durchmesser der Wandler membran beträgt 2,4 mm, die Dicke 10 um und die Spaltabstände der Kondensatorkavitäten bei beiden Seiten betragen 2 um. Der äußere Durchmesser der Metallelektrode beträgt 2,2 mm und der innere ungefähr 1,5 mm.
Die kritische Dimension in der Wandlerstruktur in Begriffen der rückgekoppelten Steuerung bzw. Regelung ist der Spalt bzw. die Lücke der Kondensatorkavität. Zuerst wird eine Annahme gemacht, daß eine Regelspannungsspanne von ± 15 V verfügbar ist. Dann kann solch eine Wandlerstruktur, in der die Kondensatorkavitäten einen Spaltabstand von 2 um besitzen, für Druckmessungen über einen Bereich von ± 1000 Pa verwendet werden. Der Druckbereich ist direkt proportional zu der zweiten Potenz der Regelspannung und indirekt proportional zu der zweiten Potenz des Kondensatorkavitätsspaltabstandes. Der Kondensatorkavitätsspalt muß schmaler als 4 um gemacht werden, um die Rückkoppelungsregelspannung auf einen vernünftigen Wert begrenzt zu halten und gleichzeitig einen hinreichend großen dynamischen Meßbereich zu erreichen. Der Membrandurchmesser kann typischerweise im Bereich von 1-4 mm variiert werden, und die Membrandicke liegt typischerweise unter 40 um.
In den Fig. 6a und 6b ist ein grundlegendes Blockdiagramm des Rückkoppelungsregelschaltkreises für einen rückgekoppelt gesteuerten Siliziumdifferenzdruckwandler gezeigt. Es muß jedoch angemerkt werden, daß die in den Diagrammen veranschaulichte Elektrodenstruktur mit nur einer fixierten Elektrode 74 zu beiden Seiten der Wandlermembran 75 nicht für eine anwendbare Implementation der Anordnung gemäß der Erfindung geeignet ist. Folglich müssen die Diagramme als reine Veranschaulichungen allein des Rückkoppelungsprinzips verstanden werden. Dementsprechend wird eine Spannung, die proportional zu der Differenz der Meßkondensatoren ist, von dem Wandler detektiert bzw. erfaßt. Die erfaßte bzw. detektierte Spannung wird in einen Rückkoppelungsregelschaltkreis eingespeist, dessen Ausgangsspannung wieder an den Wandler angelegt wird. In einem Kräftegleichgewicht kompensiert die Kraft, die durch das elektrische Feld hervorgerufen wird, die mechanische, Kraft, die durch den Differenzdruck an der Wandlermembran anliegt. Dieses Prinzip wurde bereits ausführlich im allgemeinen Teil der Beschreibung oben diskutiert.
Wie in Fig. 7a gezeigt ist, wird eine Wechselspannung von einer Steuersignalquelle 88 an die fixierten Elektroden 85 und 84 einer asymmetrischen Wandlerstruktur 80 angelegt. Die Polarität des Signals, das an die Elektroden 84 angelegt wird, wird mittels eines Invertierverstärkers 86 invertiert bzw. umgekehrt. Die Wandlermembran 83 wird über einen Widerstand 87 auf Erdungspotenzial gelegt. Die Kapazitätsdifferenz der zwischen der Wandlermembran 83 und den Elektroden 85 und 84 gebildeten Kondensatoren wird mittels eines phasenempfindlichen Detektors detektiert bzw. erfaßt, dessen Ausgangssignal 91 an einen Rückkoppelungsschaltkreis (nicht gezeigt) angelegt wird, der dafür geeignet ist, die Wandlermembran 83 auf einen erwünschten geometrischen Zustand einzuregeln.
In Fig. 7b wird ein elektrischer Pulsgenerator 90 verwendet, um eine Meßspannung in die Elektroden 84 und 85 einzuspeisen, so daß die Pulspolarität zu der Elektrode 84 mittels eines Invertierverstärkers invertiert bzw. umgekehrt wird. Die Differenz der Kapazitäten C83,85 und C83,84 wird mittels eines Ladungsverstärkers 89 detektiert bzw. erfaßt, dessen Ausgang 91 eine Spannung proportional zu der Ladungsdifferenz der Kapazitäten ausgibt, und diese Ausgangsspannungsinformation wird für die rückgekoppelte Steuerung bzw. Regelung des Wandlers 80 über an das Wandlerelement angelegte elektrostatische Kräfte verwendet.
Ein Beispiel für die Anwendung der Technik gemäß der Erfindung auf eine kompliziertere Regelung der Wandlermembrankontur ist in den Fig. 8a und 8b gegeben, die eine wellenförmige Membran veranschaulichen, in welcher die Wellenlinien auf einer ursprünglich flachen Membran erzeugt werden. Solch eine Anordnung kann im Prinzip auf zwei verschiedene Arten realisiert werden:
1) In Fig. 8a ist ein System gezeigt, in dem die Kondensatorspaltabstände auf eine periodische Weise in verschiedenen Tiefen gegeneinander versetzt angeordnet sind. Dann werden die bei den Anschlüssen 93 und 94 (oder alternativ, bei den Anschlüssen 95 und 96) gemessenen Kapazitäten gleich, wenn die Membran 97 auf periodische Wellenlinien bzw. Undulationen eingeregelt wird. Bei der Membrankonturregelung werden die Differenzspannungen, die an die Elektrodengruppenanschlüsse 93 und 94 ebenso wie 95 und 96 angelegt werden, rückgekoppelt gesteuert. In Fig. 8a wird solch eine Situation erhalten, indem man eine höhere Spannung an die Elektrodenanschlüsse 94 und 95 und eine niedrigere Spannung an die Elektrodenanschlüsse 93 und 96 anlegt. Das Verhältnis der effektiven Bereiche bzw. Flächen der Elektroden wird dann durch das Verhältnis der gegeneinander versetzt angeordneten Tiefen der Kondensatorspalte bestimmt. Die von dem Kondensatorsystem umgebene Membran kann vermöge des Messens der Differenzen der Kapazitäten auf eine erwünschte Kontur rückgekoppelt gesteuert bzw. eingeregelt werden.
2) In Fig. 8b ist ein System gezeigt, in dem ein äquivalentes Ergebnis wie das oben beschriebene durch das Regeln der effektiven Fläche der Elektroden über die Übertragungsfunktion der Meßschaltkreisübertragungsfunktion erreicht wird. Die Differenzspannungsregelung wird in dem Rückkoppelungsschaltkreis auf eine ähnliche Weise wie in Fig. 8a veranschaulicht verwendet. Die wellenförmige Gestalt der Membran 97 kann bei der Regelung des Membranspannungsstatus verwendet werden. Zum Beispiel kann angenommen werden, daß die Membran anfänglich unter Druckspannung steht. Dann bringt das wellenförmige Biegen der Membran 97 eine Zugspannung zustande, die die Druckspannung kompensiert. Folglich kann die an der Membran anliegende Spannung kompensiert oder sogar überkompensiert werden, um die Membran einer Zugspannung zu unterwerfen.
Gemäß der oben beschriebenen Regelanordnungen kann ein Begriff effektive Fläche für die fixierten Elektroden der Wandlerstruktur definiert werden. Es kann angenommen werden, daß der elektronische Schaltkreis, der die Kapazitätsdifferenz der zwei Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; mißt, eine Übertragungsfunktion der Form αC&sub1; - βC&sub2; besitzt, wobei die Koeffizienten α und β durch die Konfiguration des Meßschaltkreises und der Kondensatorspaltabstände bestimmt werden. Falls die Kapazitäten C&sub1; und C&sub2; direkt proportional zu den Flächen A&sub1; und A&sub2; der Kondensatoren sind, können die effektiven Flächen bzw. Bereiche der Kondensatoren als αA&sub1; und βA&sub2; definiert werden. Dann sind die Zweizonenkondensatorstrukturen, die in den Fig. 1, 2 und 4 veranschaulicht sind, in einen Zustand gleicher effektiver Flächen gebracht, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
αC&sub1; - βC&sub2; = 0.

Claims

1. Ein kapazitiver Wandler, der mittels einer elektrostatischen Kraft rückgekoppelt gesteuert wird, mit:

einem Körperteil (18),

einem sich dynamisch bewegenden Wandlerelement, das gegenüber der Meßgröße empfindlich ist, wobei das Element an dem Körperteil (18) angebracht ist, wobei das Element des weiteren wenigstens an seiner Oberfläche elektrisch leitfähig ist, um eine erste Elektrode (9, 75, 83, 97) des Wandlers zu bilden, wobei das Wandlerelement eine im wesentlichen ebene Membran (9, 75, 83, 97) aufweist, die empfindlich gegenüber der Differenz der an die zwei Seiten der Membran angelegten Drücke ist, und

wenigstens zwei zweiten Elektroden (5, 6, 7, 8), die an dem Körperteil (18) bereitgestellt sind und die im wesentlichen konzentrisch und im wesentlichen parallel zu dem Wandlerelement (9, 75, 83, 97) ausgerichtet und auf derselben Seite in Bezug auf das Wandlerelement (9, 75, 83, 97) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

die zweiten Elektroden (5, 6, 7, 8) wenigstens im wesentlichen gleiche effektive Bereiche besitzen, um das Messen des Profils des Wandlerelementes (9, 75, 83, 97) und das Regeln desselben auf einen exakt definierten geometrischen Zustand zu ermöglichen, und dadurch, daß

eine rückgekoppelte Steuereinrichtung angeordnet ist, um die Membran ungebogen zu halten.

2. Ein Wandler wie in Anspruch 1 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten, ebenen Elektroden (5, 6, 7 8) wenigstens im wesentlichen gleiche Bereiche besitzen.

3. Ein Wandler wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten, ebenen Elektroden (1, 2, 5, 6, 7, 8) aus einer kreisförmigen Zentralelektrode (2) und wenigstens einer ringförmigen Elektrode (1), die die Zentralelektrode umgibt, bestehen.

4. Ein Wandler wie in einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten, ebenen Elektroden (3, 4, 5, 6, 7, 8) eine quadratische Zentralelektrode (4) aufweisen, die von wenigstens einer wie ein quadratischer Rahmen gestalteten Elektrode (3) umgeben ist.

5. Ein Wandler wie in einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (5, 6, 7, 8, 21, 22) eine kreisförmige Zentralelektrode (22) aufweisen, die von wenigstens einer Elektrode (21) mit einer kreisförmigen inneren Begrenzung und einer quadratischen äußeren Begrenzung umgeben wird.

6. Ein Wandler wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (5, 6, 7, 8) auf beiden Seiten in Bezug auf das Wandlerelement (9) angeordnet sind.

7. Ein Wandler wie in Anspruch 1 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden als eine Vielfachelementmatrix angefertigt sind, welche des weiteren mittels elektrischer Verbindungen in wenigstens zwei Gruppen von Subelektroden mit im wesentlichen gleichen effektiven Bereichen organisiert ist.

8. Ein Verfahren zum Regeln eines Wandlers, der für rückgekoppelte Steuerung mittels einer elektrostatischen Kraft geeignet ist, wobei der Wandler aufweist:

einen Körperteil (18),

ein sich dynamisch bewegendes Wandlerelement, das gegenüber der Meßgröße empfindlich ist, wobei das Element an dem Körperteil (18) angebracht ist, wobei das Element des weiteren wenigstens an seiner Oberfläche elektrisch leitfähig ist, um eine erste Elektrode (9, 75, 83, 97) des Wandlers zu bilden, wobei das Wandlerelement eine im wesentlichen ebene Membran (9, 75, 83, 97) aufweist, die empfindlich gegenüber der Differenz der an die zwei Seiten der Membran angelegten Drücke ist, und

wenigstens zwei zweite Elektroden (5, 6, 7, 8), die an dem Körperteil (18) bereitgestellt sind und die im wesentlichen parallel zu dem Wandlerelement (9, 75, 83, 97) ausgerichtet und auf derselben Seite in Bezug auf das Wandlerelement (9, 37) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Verfahren umfaßt darauf abzuzielen, das Wandlerelement (9, 75, 83, 97) auf seine Nichtabweichungsposition einzuregeln mittels Halten des Wandlerelementes (9, 75, 83, 97) des Wandlers in einen ungebogenen Nichtabweichungszustand mittels Messen des Profils des Elementes und dann Verwenden der Profilmeßinformation für die rückgekoppelte Steuerung der zwischen dem Wandlerelement (9, 75, 83, 97) und den zweiten Elektroden (5, 6, 7, 8) angelegten elektrostatischen Kräfte.

9. Ein Verfahren wie in Anspruch 8 definiert, gekennzeichnet durch Anpassen der zweiten Elektroden (5, 6, 7, 8), so daß sie gleiche Bereiche besitzen, Messen der zwischen den zweiten Elektroden (5, 6) und dem Wandlerelement (9) gebildeten wechselseitigen Kapazitäten (C&sub5;, C&sub6;), und Regeln der Kapazitäten auf gleiche Werte mittels rückgekoppeltem Steuern der zwischen dem Wandlerelement (9) und den zweiten Elektroden (5, 6) angelegten elektrostatischen Kräften.