DE69311831T2

DE69311831T2 - Verbesserte Pendelmikrosensoren mit Kraftrückkopplung

Info

Publication number: DE69311831T2
Application number: DE69311831T
Authority: DE
Inventors: Herve Barny; Henri Fima; Michel Torregrosa
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2013-04-07
Also published as: EP0565462B1; FR2689627A1; DE69311831D1; US5440939A; FR2689627B1; EP0565462A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Pendel-Mikrosensoren mit elektrostatischer Servoregelung bzw. rückkopplung, welche ein Pendelelement in solcher Anordnung aufweisen, daß es einer Kraft, die repräsentativ für eine zu messende physikalische Größe ist, ausgesetzt ist, des weiteren wenigstens ein Elektrodenpaar mit einer fest mit dem Pendelelement verbundenen beweglichen Elektrode und einer der beweglichen Elektrode gegenüber angeordneten festen Elektrode, sowie ein System zum Nachweis bzw. zur Detektion von Verschiebungen des Pendelelements, das ein elektrostatisches Servoregelungs- bzw. -rückkopplungssystem steuert. Das Servoregel- bzw. -rückkopplungssystem legt an das Elektrodenpaar elektrische Spannungen zur Erzeugung von elektrostatischen Rückstell- bzw. Rückholkräften für das Pendelelement an.
Die vorliegende Erfindung betrifft näherhin das Servoregelbzw. -rückkopplungssystem für das Pendelelement, und sein Funktions- bzw. Arbeitsprinzip.
Die Mikrosensoren vom vorstehend genannten Typ umfassen eine Nachweis- bzw. Detektionszelle für die physikalische Größe, welche ein im vorliegenden Zusammenhang als Pendelelement bezeichnetes translatorisch oder rotatorisch bewegliches Teil aufweist, des weiteren Mittel zur Aufhängung des Pendelelements sowie Mittel zum Anlegen bzw. Ausüben einer Kraft auf das Pendelelement, die repräsentativ für eine zu messende physikalische Größe ist.
Zur Herstellung der Detektionszelle finden Techniken der Mikrobearbeitung oder Mikroätzung an Werkstoffen, wie beispielsweise Silizium oder Quarz, Anwendung.
Diese Pendel-Mikrosensoren können zum Nachweis einer Beschleunigung, einer Neigung, eines Drucks und allgemein jeder beliebigen physikalischen Größe, von welcher ausgehend eine auf das Pendelelement wirkende Kraft erzeugt werden kann, dienen.
So beruht beispielsweise das Ansprechvermögen eines Pendel- Mikrobeschleunigungsmessers auf dem Trägheitsphänomen, indem die auf das Pendelelement ausgeübte Kraft das Produkt aus der Masse des Pendelelements und dem Betrag der Beschleunigung ist. Für einen Druck-Mikrosensor sieht man beispielsweise eine Membran vor, welche das Milieu, in welchem der zu messende Druck herrscht, von einem Milieu trennt, in weichern ein Bezugsdruck vorliegt, wobei das Pendelelement so ausgebildet ist, daß es mit der Membran in Berührung oder mit ihr fest verbunden sein kann und so einer aus dem Unterschied zwischen dem Meß- und dem Bezugsdruck resultierenden Kraft unterworfen werden kann.
Die Pendel-Mikrosensoren mit elektrostatischer Servoregelung bzw. -rückkopplung weisen des weiteren ein Nachweis- bzw. Detektionssystem zum Nachweis der verschiebungen des Pendelelements auf, das auf ein elektrostatisches Servoregel- bzw. -rückkopplungssystem einwirkt, zur Erzeugung einer auf das Pendelelement einwirkenden Rückstellkraft, die der auf der physikalischen Größe beruhenden Kraft entgegengesetzt ist. Das Pendelelement wird somit in Ruhestellung gehalten, wobei die Intensität bzw. der Betrag der physikalischen Größe durch Messung der Reaktions- oder Rückstellkraft bestimmt wird.
Man kennt verschiedene Systeme zum Nachweis bzw. zur Detektion der Verstellungen des Pendelelements, insbesondere sogenannte "kapazitive" Detektionssysteme, bei welchen die Stellung des Pendelelements aufgrund von Kapazitätsänderungen wenigstens eines Kondensators bestimmt wird, der eine feste Elektrode und eine mit dem Pendelelement verbundene bewegliche Elektrode aufweist.
Allgemein geht man zur Erzeugung einer elektrostatischen Rückstellkraft für das Pendelelement in der Weise vor, daß man zwischen einer Festelektrode des Sensors und einer mit dem Pendelelement verbundenen Elektrode eine Gleichspannung anlegt, die - je nach dem jeweiligen Anwendungsfall - von einigen Volt bis zu mehreren Hundert Volt reichen kann. Zwischen den Elektroden entsteht dann eine elektrostatische Anziehung, deren Betrag proportional dem Quadrat der angelegten Spannung ist und die bestrebt ist, das Pendelelement an die Festelektrode des Sensors anzunähern.
Falls der Richtungssinn der elektrostatischen Rückstellkraft überwacht bzw. gesteuert werden muß, verwendet man wenigstens zwei zu beiden Seiten des Pendelelements angeordnete Elektrodenpaare. Zur Rückstellung des Pendelelements legt man dann eine Spannung an das geeignete Elektrodenpaar an. Man kann auch in anderer Weise vorgehen, indem man permanent zwei entgegengesetzt gerichtete elektrostatische Kräfte aufrechterhält und das Ungleichgewicht zwischen der Größe dieser Kräfte zur Erzeugung einer resultierenden Rückstellkraft ausnützt, deren Richtung die der stärkeren elektrostatischen Kraft ist.
Man kennt im wesentlichen zwei Vorgangsweisen zur Änderung der Stärke der elektrostatischen Kraft. Das erste Verfahren besteht darin, daß man den Betrag der an die Elektroden angelegten Gleichspannung variiert. Die zweite, als sogenannte "Impulsbreitenmodulation" bezeichnete Technik besteht in der Verwendung periodischer Gleichspannungs-Rechteckimpulse, wobei man den Arbeitszyklus bzw. das Tastverhältnis (Verhältnis von Impulsbreite zu Impulsperiode) der Rechteckimpulse variiert, um den Mittelwert der Servoregel- bzw. -rückkopplungsspannung zu modulieren.
Die Amerikanische Patentschrift 3 877 313 beschreibt einen elektrostatischen Beschleunigungsmesser mit voneinander verschiedenen Nachweis- bzw. Detektionselektroden und elektrostatischen Rückstell-Elektroden. Eine Nachweis- bzw. Detektionsschaltung legt an den Detektionselektroden sinusförmige Erregungsspannungen an, während eine digitale Servoregelungsschaltung an den elektrostatischen Rückstell-Elektroden von bezüglich Masse konstantem Betrag anliegt.
Zur einfacheren Ausbildung der Nachweis- bzw. Detektionszelle verwendet man häufig Servoregelelektroden auch für den Nachweis bzw. die Detektion der Stellung, wobei dann Vorsorge getroffen werden muß, daß die Detektionsspannungen und die Servoregelspannungen sich nicht gegenseitig stören.
Zum besseren Verständnis werden im folgenden Beispiele von auf eine physikalische Größe ansprechenden Nachweis- bzw. Detektionszellen beschrieben.
Die nur als Beispiel dienenden Figg. 1, 2 und 3 zeigen verschiedene Arten von empfindlichen bzw. Meßzellen mit zwei Rückstell-Elektrodenpaaren.
Die Figg. 1 und 2 veranschaulichen stark schematisch Meßzellen von Inertial- bzw. Trägheits-Mikrosensoren, die zum Nachweis einer Beschleunigung, einer Neigung, einer Winkelgeschwindigkeit usw. dienen können.
Fig. 3 veranschaulicht ebenfalls stark schematisch die Meßzelle eines Druck-Mikrosensors. Jede dieser Meßzellen 1 umfaßt jeweils ein Pendelelement 2, das auf seinen gegenüberliegenden Oberflächen Elektroden 3a, 4a in Ausrichtung gegenüber zwei festen Elektroden 3b, 4b aufweist, die mit dem Gehäuse 5 der Meßzelle 1 fest verbunden sind, derart, daß das Ganze zwei Paare elektrostatischer Rückstell-Elektroden 3, 4 bildet, die jeweils in zueinander komplementären Richtungen wirken.
In Abwesenheit elektrostatischer Rückstellkräfte wird das Pendelelement 2 von Aufhängevorrichtungen 6 gehalten. In den Figg. 2 und 3 sind die Aufhängemittel 6 mit der Basis 6 des Pendelelements 2 verschmolzen, das in Form eines frei auskragenden Trägers oder Balkens ausgebildet ist.
Die Meßzelle 1 von Fig. 3 weist des weiteren Mittel zum Aufbringen einer den zu messenden Druck wiedergebenden Kraft auf das Pendelelement 2 auf, im speziellen gezeigten Fall eine Membran 7, welche das Milieu außerhalb der Meßzelle 1 von dem Innenmilieu 8, in welchem ein Bezugsdruck P herrscht, trennt. Das Pendelelement weist einen Fortsatz 9 auf, der es in Kontakt mit der Membran 7 bringt.
Gemäß Fig. 4a können die drei Meßzellen durch ein elektrisches Ersatzschaltbild wiedergegeben werden, das lediglich die beiden bereits beschriebenen Elektrodenpaare 3, 4 umfaßt. In den Figg. 1 bis 3 sind die Abmessungen der verschiedenen Elemente und die Abstände zwischen den Elektroden 3a und 3b oder 4a und 4b nicht maßstabsgetreu, sondern willkürlich im Interesse besserer Verständlichkeit und einfacherer Darstellung gewählt. In der Praxis weist eine Meßzelle 1 vom beschriebenen Typ eine Dicke von einigen Zehntel Millimetern und eine Länge von einigen Millimetern auf, wobei der Abstand zwischen den Elektroden nur einige Zehntel Mikron beträgt.
In den Figg. 1 bis 3 sind die elektrischen Verbindungen für den Zugang zu den Elektroden 3a, 3b, 4a, 4b nicht gezeigt. Je nach den verwendeten Technologien und Materialien bestehen hierfür verschiedene Lösungen, die nicht Gegenstand der vorliegenden Beschreibung sind. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß das Pendelelement 2 aus einem leitenden Material, beispielsweise aus Silizium, ausgeführt sein kann, und daß die Elektroden 3a, 4a durch eine Dotierung des Siliziums hergestellt werden können. Dies würde zu einer einzigen elektrischen Anschlußverbindung für die Elektroden 3a und 4a führen, wie in Fig. 4b angedeutet.
Die vorstehend beschriebenen Mikrosensoren weisen große Vorteile infolge ihres geringen Raumbedarfs und ihrer guten Empfindlichkeit auf. Jedoch stellt man im Gebrauch manchmal fest, daß die von den Mikrosensoren gelieferte Information im Verlauf der Zeit für ein und denselben Wert der physikalischen Größe driftet bzw. Abweichungen zeigt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesem Nachteil abzuhelfen.
Ein spezielles Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Unterdrückung der Drift- bzw. Abweichphänomene ohne Änderung des geometrischen Aufbaus der bekannten Mikrosensoren.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung der Anmelderin von der Existenz parasitärer Gleichspannungen, die zeitlich driften und von einem Sensor zum anderen variieren können, die sich auf dem Niveau der Elektroden des Sensors mit den vom Servoregelsystem gelieferten Spannungen überlagern. Die Anmelderin führt diese parasitären Spannungen auf physikalisch-chemische Phänomene zurück, welche sich auf die Leitermaterialien der Elektroden und ihre Grenzflächen auswirken.
Von dieser Analyse ausgehend, schlägt die Anmelderin ein Verfahren zum Anlegen von Servoregelspannungen vor, durch das der Einfluß dieser parasitären Spannungen vermieden werden kann.
Näherhin sieht die Erfindung vor ein Verfahren zur Erzeugung einer elektrostatischen Anziehungskraft zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode eines Mikrosensors für eine physikalische Größe, wobei die bewegliche Elektrode mit einem auf die genannte physikalische Größe ansprechenden Pendelelement fest verbunden bzw. einstückig mit ihm ist, dadurch gekennzeichnet, daß man an die genannten Elektroden eine elektrische Spannung vom Mittel- bzw. Durchschnittsbetrag Null anlegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die genannte elektrische Spannung eine periodische Spannung mit einer Frequenz ist, die wesentlich höher als die kritische oder Grenzfrequenz des Pendelelements ist.
Vorzugsweise ist zur Servo- oder Rückkopplungssteuerung eines Pendelelements eines Mikrosensors mittels elektrostatischer Kräfte, wobei der Mikrosensor wenigstens ein erstes und ein zweites Elektrodenpaar aufweist, von denen jeweils jedes eine mit dem Pendelelement fest verbundene oder einstückig ausgebildete bewegliche Elektrode und eine der beweglichen Elektrode gegenüberstehend angeordnete feste Elektrode aufweist, sowie ein Nachweis- bzw. Detektionssystem zum Nachweis der Verschiebungen des Pendelelements zur Erzeugung eines Steuersignals für die gewünschte Servo- bzw. Rückkopplungsregelung, wobei an die Elektrodenpaare jeweils eine erste Spannung und eine zweite Rückkopplungs- bzw. Servospannung angelegt wird, vorgesehen, daß die genannten ersten und zweiten Rückkopplungs- bzw. Servospannungen Spannungen gleicher Frequenz sind und daß der Unterschied zwischen den jeweiligen Amplitudenquadraten der ersten und der zweiten Rückkopplungs- bzw. Servospannung das Produkt aus einem konstanten Term mit einem zu dem genannten Steuersignal proportionalen Term darstellt.
Vorzugsweise ist des weiteren vorgesehen, daß die genannte erste Servospannung bzw. zweite Servospannung durch Subtraktion bzw. Addition einer periodischen Spannung konstanter Amplitude und einer periodischen Spannung von zu dem genannten Steuersignal proportionaler Amplitude gebildet wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die genannte elektrische Spannung eine Mehrzahl elektrischer Signale von jeweils gleicher Dauer aufweist.
Vorzugsweise besitzt jeweils jedes der genannten elektrischen Signale einen Mittelwert Null.
Vorzugsweise weist jeweils jedes der genannten elektrischen Signale eine Folge periodischer Impulse auf.
Des weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, daß die genannten periodischen Impulsfolgen eine abwechselnde Aufeinanderfolge von Gleichspannungsrechteckimpulsen von entgegengesetztem Vorzeichen umfassen.
Die Erfindung betrifft auch einen Pendel-Mikrosensor mit Servoregelung mittels elektrostatischer Kräfte, die gemäß der genannten anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden, umfassend ein Pendelelement in solcher Anordnung, daß es einer eine zu messende physikalische Größe wiedergebenden Kraft ausgesetzt ist, mindestens ein erstes und ein zweites Elektrodenpaar, deren jedes jeweils eine mit dem Pendelelement fest verbundene oder einstückige bewegliche Elektrode und eine der beweglichen Elektrode gegenüber angeordnete feste Elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
- eine Gruppe von Unterbrecherschaltern und wenigstens zwei Gleichspannungsquellen von entgegengesetztem Vorzeichen,
- eine Integrierschaltung, deren Ausgangsgröße über ein Filter dem Eingang eines digitalen Modulators vom Sigma- Delta-Typ zugeführt wird, wobei der genannte Digital-Modulator ein logisches Signal erzeugt, dessen Mittelwert gemäß einer Funktion der Ausgangsspannung der Integrationsschaltung moduliert ist,
- eine digitale Sequenzier- und Steuerschaltung für die genannte Unterbrecherschaltergruppe, welcher das logische Signal zugeführt wird, wobei die genannte digitale Schaltung und die genannte Unterbrecherschaltergruppe so eingerichtet sind, daß:
. während Phasen der elektrostatischen Servosteuerung des Pendelelements:
. abwechselnd wenigstens eine Elektrode eines Elektrodenpaars in Abhängigkeit vom Betrag des logischen Signals mit jeder der genannten Gleichspannungsquellen verbunden wird und
. die mit der genannten wenigstens einen Elektrode eines ausgewählten Elektrodenpaars verbundene Gleichspannungsquelle mehrere Male während einer Servophase oder mehrere Male während mehrerer Servophasen alterniert wird;
. während Phasen der Stellungsdetektion des Pendelelements nach jeder Servophase:
. die Kapazitäten der Elektrodenpaare mit Hilfe der genannten Spannungsquellen aufgeladen und sodann gleichzeitig die genannten Kapazitäten in dem genannten Integrator mit entsprechenden Gegenströmen entladen werden.
Vorzugsweise ist jede Elektrode jedes Elektrodenpaars mit jeder der genannten Gleichspannungsquellen über einen Unterbrecherschalter der genannten Schaltergruppe verbunden.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zweier spezieller, als nicht einschränkende Beispiele gegebener Weisen der Ausführung dieses Verfahrens anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; in der Zeichnung zeigen:
Figg. 1, 2 und 3 schematische Prinzipdarstellungen, welche Beispiele von empfindlichen oder Meßzellen von Pendel-Mikrosensoren bekannten Typs mit zwei Elektrodenpaaren mit elektrostatischer Rückstellung zeigen, im Schnitt längs der Verschiebungsachse des Pendelelements,
Figg. 4a und 4b elektrische Äquivalentschaltungen der empfindlichen oder Meßzellen aus den Figg. 1 bis 3,
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, mit in Zuordnung zu den empfindlichen oder Meßzellen der Figg. 1 bis 3 anwendbaren Analogschaltungen,
Fig. 6 in schematischer Form eine andere Ausführungsform der Erfindung, mit in Zuordnung zu den empfindlichen oder Meßzellen aus den Figg. 1 bis 3 verwendbaren digitalen Schaltungen,
Figg. 7 und 9 mit näheren Details Teile der Schaltung von Fig. 6, sowie
Fig. 8 verschiedene momentane Signale an verschiedenen Punkten der in den Figg. 7 und 9 dargestellten Schaltungen.

Einfluß parasitärer Spannungen auf die elektrostatische Kraft

Wie weiter oben dargelegt, beruht die vorliegende Erfindung auf der Feststellung der Anmelderin, daß Driftphänomene, wie sie bei zahlreichen bekannten Sensoren bzw. Meßfühlern auftreten, auf der Existenz instabiler parasitärer Spannungen beruhen, welche die von einem Servoregelsystem gelieferten Steuerspannungen störend beeinträchtigen. Zunächst soll untersucht werden, wie diese parasitären Spannungen sich beim Anlegen einer elektrostatischen Kraft an einen Pendel- Sensor äußern.
Allgemein gilt für jedes Elektrodenpaar, an das eine elektrische Spannung U angelegt wird, daß hierdurch zwischen den Elektroden eine elektrostatische Anziehungskraft gemäß dem Ausdruck erzeugt wird; darin ist &epsi; die Elektrizitätskonstante des Gases zwischen den Elektroden, S die Elektrodenoberfläche, d der Abstand zwischen den Elektroden und K eine den Ausdruck aus den Größen e, S und d zusammenfassende Konstante.
Nunmehr soll, unter Bezugnahme auf die in der Einleitung beschriebenen Zeichnungsfiguren 1 bis 4, ein Elektrodenpaar 3 und 4 beschrieben werden, das eine feste Elektrode 3b oder 4b und eine mit einem Pendelelement 2 eines Mikrosensors fest verbundene bewegliche Elektrode 3a oder 4a umfaßt.
Nunmehr wird die Störwirkung der parasitären Spannungen beschrieben, wenn die elektrostatische Kraft mittels einer Gleichspannung V erhalten wird; die Gesamtheit der an den Elektroden vorliegenden parasitären Spannungen wird durch eine Gleichspannung v wiedergegeben.
Zur bestimmung der elektrostatischen Kraft muß man die Spannungen V und v berücksichtigen, und man kann daher schreiben: U = V + v, mit U als der oben genannten an den Elektroden wirksamen elektrischen Gesamtspannung. In diesem Fall wird die erzeugte elektrostatische Kraft somit durch F = K(V² + v² + 2Vv) ausgedrückt und nicht durch KV². Zur Erläuterung sei ein repräsentatives Zahlenbeispiel betrachtet, bei welchem
V = 10 V und v = 50 mV.
Der Einfluß des Terms 2 Vv auf die erzeugte Kraft, der wesentlich größer als der Einfluß des Terms v² ist, stellt eine Abweichung von 2v/V = 2 x 50 10&supmin;³/10 oder 1 % der Kraft dar, die ohne parasitäre Spannung erzeugt würde, was nicht vernachlässigbar ist. Dieser Einfluß ist um so störender, als, wie weiter oben bereits erwähnt, der Ausdruck v von einer Vorrichtung zur anderen schwankt und außerdem zeitlich driften kann.
Man ersieht, daß die als "Impulsbreitenmodulation" bezeichneten bekannten Verfahren unter Verwendung von Gleichspannungs-Rechteckimpulsen das gleiche Ergebnis wie vorstehend liefern, da die Beziehung für die elektrostatische Kraft in Abhängigkeit vom Mittelwert der Spannungsimpulse ausgedrückt ist, was nichts anderes als eine Gleichspannung darstellt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene elektrostatische Kraft

Um den Einfluß der parasitären Spannungen v auf die elektrostatische Servokraft zu verringern, sieht die vorliegende Erfindung die Erzeugung einer elektrostatischen Kraft mittels einer Spannung von Mittelwert Null vor, die in der folgenden Weise ausgedrückt werden kann:
V' = VM f(t)
Darin ist VM eine Konstante, welche die maximale Amplitude wiedergibt, welche die Servospannung annehmen kann, und f(t) ist eine Einheitsfunktion, welche die Fluktuationen der Servospannung darstellt und deren Mittelwert Null ist (f(t) = 0).
Vorzugsweise soll die Steuer- bzw. Befehlsspannung V' gemäß der Erfindung einen Mittelwert Null über Zeitintervalle besitzen, die wesentlich kleiner als die mechanische Zeitkonstante des Pendelelements ist, damit die Fluktuationen der Steuer- bzw. Befehlsspannung durch das Pendelelement sehr stark gedämpft werden. Infolgedessen zieht man nur den Mittelwert der elektrostatischen Kraft in Betracht, und man kann daher schreiben:
F = KU² = K(VM²f(t)² + v² + 2 v VMf(t))
In diesem Ausdruck ist der letzte Term Null, und man kann daher schreiben
F = K(VM²f(t)² + v²)
Der Term f(t)² ist eine von Null verschiedene Konstante. Falls f(t) eine Sinusfunktion ist, gilt f(t)² = 0,5.
Betrachten wir nunmehr das folgende Beispiel, für welches in Analogie mit den vorhergehenden Zahlenbeispielen angenommen wird:
VM = 10 V, f(t)² = 0,5 und V = 50 mV
Damit erhalten wir hier VM² f(t)² = 0,5 x 100 (in Volt²).
Der durch den Ausdruck v² wiedergegebene Einfluß der parasitären Spannungen ist V²/VM² x f(t)² und stellt hier nur 0,005 % der elektrostatischen Kraft dar, die ohne parasitäre Spannungen erzeugt würde. Der Einfluß der parasitären Spannungen ist also durch das erfindungsgemäße Verfahren beträchtlich verringert und ist nur noch von zweiter Ordnung.

Einfluß der parasitären Spannungen auf die Ausgangsinformation eines Mikrosensors mit Servoregelung

Die vorstehend dargelegten theoretischen Prinzipien bezogen sich auf den Ausdruck der elektrostatischen Kraft. Nunmehr wird der Störeffekt der parasitären Spannungen auf die Ausgangsinformation eines Pendel-Mikrosensors untersucht, dessen empfindliche oder Meßzelle in bekannter Weise zwei Elektrodenpaare für die Rückführung bzw. Rückstellung des Pendelelements aufweist, wie die in den Figg. 1 bis 3 dargestellte Meßzelle.
Einfachheitshalber wird hier eine herkömmliche Ausführungsform eines Servoregelverfahrens nach dem Stande der Technik betrachtet.
Nach dieser Ausführungsform und unter Bezugnahme auf Fig. 4 verbindet man die Elektroden 3a und 4a (oder 3b und 4b) mit einer Gleichstromvorspannung V&sub0;, und man legt an die Elektroden 3b bzw. 4b (oder 3a bzw. 4a) Steuer- bzw. Befehls- Gleichspannungen +V und -V von entgegengesetztem Vorzeichen und gleichem Betrag an; die an den Elektrodenpaaren 3 und 4 liegenden und elektrostatische Kräfte erzeugenden Gleichspannungen sind dann (V-V&sub0;) bzw. -(V+V&sub0;).
Das von einem beliebigen System für den Nachweis der Stellung des Pendelelements 2 gelieferte (und als Ausgangsinformation des Mikrosensors verwendete) Ausgangssignal Vs kann man in herkömmlicher Weise als Funktion der auf das Pendelelement 2 von der physikalischen Größe ausgeübten Kraft ausdrücken.
In Abwesenheit von parasitären Spannungen kann man schreiben:
Vs = K&sub2; B&sub0; + K&sub2; F* + K&sub3; F*²
Darin bedeutet B&sub0; die normale Offset-Versetzung, wie sie durch die Aufhängungen 6 eingeführt wird, deren elastischer Ruhezustand voraussetzungsgemäß nicht dem Ruhezustand des servogeregelten Pendelelements entspricht, F* ist die von der physikalischen Größe herrührende, auf das Pendelelement 2 wirkende Kraft, K&sub2;, K&sub3; sind Konstanten erster und zweiter Ordnung.
Bei Vorliegen parasitärer Spannungen wird der Betrag der Offset-Versetzung B&sub0; um eine Größe ΔB&sub0; modifiziert, die durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben wird:
ΔB&sub0; = 2 K&sub4; V&sub0; (v&sub2; - v&sub1;)
Darin ist K&sub4; eine Konstante, v&sub1; und v&sub2; stellen die auf die Elektrodenpaare 3 bzw. 4 wirkenden parasitären Spannungen dar.
Man erkennt, daß hier der Ausdruck für die Änderung ΔB der Offset-Versetzung B&sub0; von der Vorspannung V&sub0; abhängt. Es gibt somit ein Phänomen der Verstärkung des Einflusses der parasitären Spannungen v&sub1;, v&sub2; auf die Änderung ΔB&sub0; der offset-Versetzung B&sub0; durch die Vorspannung V&sub0;. Dies bezieht sich wohlgemerkt auf den praktisch häufigen Fall, wo v&sub1;≠v&sub2; ist.

Einfluß der parasitären Spannungen bei Servoregelung des Mikrosensors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

Wiederum aus Gründen der Einfachheit beschränkt sich das Folgende auf eine spezielle Ausführungsform der Erfindung, die weiter unten detailliert beschrieben wird und bei welcher die elektrostatische Servo-Regelkraft mittels periodischer Steuer- bzw. Befehlsspannungen erzeugt wird. An die Elektrodenpaare 3, 4 werden Spannungen vorn Mittelwert Null angelegt, und zwar hier sinusförmige Steuer- bzw. Befehlsspannungen Va, Vb, die wie folgt wiedergegeben werden:
Va = VMa cos ωt
Vb = VMb cos ωt
Die beiden Steuer- bzw. Befehlsspannungen V&sub3;, V&sub4; haben die gleiche Kreisfrequenz ω und sind miteinander in Phase.
Der Ausdruck für die Ausgangsspannung Vs bleibt gegenüber dem vorhergehenden Beispiel unverändert, jedoch läßt sich zeigen, daß die Änderung ΔB&sub0; der Offset-Versetzung B&sub0; infolge der parasitären Spannungen nunmehr wie folgt ausgedrückt wird:
ΔB&sub0; = K&sub4; (v&sub2;² - v&sub1;²) =
= K&sub4; (v&sub2; + v&sub1;) (v&sub2; - v&sub1;)
Darin ist K&sub4; die gleiche Konstante wie im vorhergehenden Beispiel.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit der Einfluß der parasitären Spannungen v&sub1;, v&sub2; gering, die Änderung ΔB&sub0; verringert sich gegenüber dem Verfahren nach dem Stande der Technik um einen Faktor
Nimmt man als repräsentatives Beispiel v&sub1; + v&sub2; = 100 mV und V&sub0; = 10 V, wobei v&sub1; wohlgemerkt von v&sub2; verschieden angenommen wird, so erkennt man, daß der Einfluß der parasitären Spannungen auf die Ausgangsgröße eines servogeregelten Mikrosensors bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 200mal kleiner ist.

Erste Ausführungsform der Erfindung

Fig. 5 veranschaulicht den elektronischen Teil eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren servogeregelten Mikrosensors 10. Der Mikrosensor 10 weist eine empfindliche oder Meßzelle 1 auf, von welcher Beispiele in der Einleitung anhand der Figg. 1 bis 3 beschrieben wurden. Die Meßzelle 1 ist in Fig. 5 wie in Fig. 4a wiedergegeben, mit ihrem elektrischen Ersatzschaltbild mit zwei Paaren 3, 4 von Elektroden 3a, 3b bzw. 4a, 4b.
Der Mikrosensor 10 weist des weiteren eine Servoregelschaltung 40 auf sowie eine Nachweisschaltung 30 zur Detektion der Verschiebungen des Pendelelements 2; diese Schaltung liefert eine Spannung Vs, die als Ausgangsinformation des Mikrosensors 10 und als Steuer- bzw. Befehlssignal für die Servoschaltung 40 verwendet wird.
Die Servoschaltung 40 weist eine Spannungsquelle 41 auf, die eine periodische Spannung abgibt, im vorliegenden Fall eine Sinusspannung mit Kreisfrequenz ω, Frequenz f und Amplitude V&sub0;; diese Spannung wird jeweils am Eingang eines Verstärkers 42 mit Verstärkung G und an einem ersten Eingang einer Multipliziervorrichtung 43 zugeführt, an dessen anderem Eingang das von der Nachweisschaltung 30 erzeugte Steuer- bzw. Befehlssignal Vs zugeführt wird. Die von dem Verstärker 42 und von der Multipliziervorrichtung 43 gelieferten Spannungen werden mittels einer Addiervorrichtung 44 addiert und mittels eines Differenzverstärkers 45 subtrahiert, der an dem negativen Eingang die Ausgangsgröße der Multipliziervorrichtung 43 und am positiven Eingang die Ausgangsgröße des Verstärkers 42 zugeführt erhält.
Am Ausgang des Differenzverstärkers 45 und der Addiervorrichtung 44 treten Spannungen Va, Vb auf, die wie folgt ausgedrückt werden können:
Va = (G - Vs) V&sub0; cos ωt
Vb = (G + Vs) V&sub0; cos ωt
Die Spannungen Va, Vb sind dazu bestimmt, an die Elektrodenpaare 3, 4 angelegt zu werden, und zwar in weiter unten beschriebener Weise, zur Steuerung der elektrostatischen Rückstellkraft für das Pendelelement 2.
Die Nachweisschaltung 30 ist eine herkömmliche kapazitive Detektionsschaltung, bei welcher im vorliegenden Fall die Servo-Elektrodenpaare 3, 4 als Detektionskondensatoren 3, 4 verwendet werden.
Die Nachweisschaltung 30 liefert zwei alternative Detektionsspannungen von entgegengesetztem Vorzeichen, nämlich u und -u. Zu diesem Zweck weist die Nachweisschaltung 30 eine Spannungsquelle 33 auf, im vorliegenden Fall eine Sinusspannungsquelle mit Kreisfrequenz ω' und Frequenz f', welche die Spannung u liefert; die Spannung -u wird durch einen von der Spannungsquelle 33 gespeisten Phasenschieber 34 erzeugt.
Zur Mischung bzw. Kombination der Servospannungen Va, Vb und der Detektionsspannungen u, -u weist der Mikrosensor 10 zwei Addierverstärker 11, 12 auf, deren Eingängen die Spannungen Va und u bzw. Vb und -u zugeführt werden und die Spannungen Va + u bzw. Vb - u an die Elektroden 3b und 4b der Kondensatoren 3, 4 legen.
Die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung 30 weist des weiteren eine Detektionskette 35 auf, die als Eingang einen Strom/Spannungs-Wandler 36 hoher Verstärkung umfaßt, der auf einen Synchrondemodulator 37 einwirkt, welcher einen mit der Spannungsquelle 33 verbundenen Synchronisiereingang besitzt. Die Ausgangsgröße des Demodulators 37 wird einem Integrator 38 zugeführt, der vorzugsweise eine praktisch unendliche Verstärkung besitzt und die oben erwähnte Ausgangsspannung Vs liefert.
Der Wandler 36 ist in Fig. 5 durch einen Operations- bzw. Funktionsverstärker 39 wiedergegeben, dessen negativer Eingang den Eingang der Detektionskette 35 bildet und dessen positiver Eingang mit der Masse 32 des Sensors 20 verbunden ist. Die Strom/Spannungs-Wandlerfunktion des Wandlers 36 ist durch einen Widerstand und einen Kondensator realisiert, die den negativen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 39 parallel zu diesem miteinander verbinden.
Die noch verfügbar bleibenden Elektroden der Kondensatoren 3, 4, im vorliegenden Fall die Elektroden 3a und 4a, sind mit einer elektrischen Verbindungsleitung 31 verbunden, welche zum Eingang der Detektionskette 35 führt, d. h. im vorliegenden Fall zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 39, und praktisch eine fiktive Masse 32 (in Fig. 5 gestrichelt eingezeichnet) bildet und einen Stromfluß in den Kondensatoren 3 und 4 ermöglicht.
Die Detektionsspannungen u, -u erzeugen in jedem der Kondensatoren 3, 4 Wechselströme, die sich in der Verbindungsleitung 31 überlagern und am Eingang der Detektionskette 35 einen sogenannten Ungleichgewichtsstrom bilden, der repräsentativ für die Abweichung zwischen den Detektionskapazitäten 3, 4 ist und den Betrag Null hat, wenn die Kapazitäten 3, 4 gleich sind.
Der Wandler 36 und der Demodulator 37 ermöglichen, ausgehend von dem Ungleichgewichtsstrom, die Erzeugung einer zu dem Ungleichgewicht zwischen den Detektionskapazitäten 3, 4 proportionalen Fehlerspannung, wobei die Integrationsschaltung 38 sodann die Bildung der für die Steuerung der Servoschaltung 40 erforderlichen Ausgangsspannung Vs gestattet.
Nunmehr soll die bestimmungsgemäße Arbeits- und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Servoschaltung 40 nachgewiesen werden, wobei gezeigt wird, daß die elektrostatische Rückstell- bzw. Rückführkraft F für das Pendelelement 2 proportional der am Eingang der Servoschaltung 40 zugeführten Steuer- bzw. Befehlsspannung Vs ist.
Die Rückstell- bzw. Rückholkraft F ist eine Resultierende aus zwei entgegengesetzten elektrostatischen Kräften Fa, Fb, die an den Elektrodenpaaren 3, 4 durch die Servospannungen Va, Vb erzeugt werden; man kann daher schreiben:
Fa = Ka Va²
Fb = Kb Vb²
und F = Fa - Fb
Darin sind Ka und Kb Konstanten, welche die Ausdrücke &epsi;, s, d der Elektrodenpaare 3 und 4 zusammenfassen.
Im vorliegenden Fall werden Elektrodenpaare 3, 4 verwendet, welche das gleiche Verhältnis S/d² aufweisen; indem man Ka = Kb = K setzt, ergibt sich die resultierende Kraft F somit zu:
F = K(Vb² - Va²) = K(Vb + Va)(Vb - Va)
oder F = 4 K G V&sub0;² Vs (cos ωt)²
Darin ist G die Verstärkung des Verstärkers 42 und V&sub0; die Amplitude der von der Spannungsquelle 41 gelieferten Spannung.
Vorzugsweise wird die Frequenz f der Spannung der Spannungsquelle 41 sehr groß im Vergleich zu der kritischen oder Grenzfrequenz Fc des Pendelelements 2 gewählt (Fc = 1/τ, wobei τ die mechanische Zeitkonstante des Pendelelements 2 darstellt).
Man vernachlässigt somit hier die von der Komponente mit der Kreisfrequenz 2 w des Terms (cos ωt)² erzeugte Schwingung, die stark gedämpft ist, und man zieht nur den Mittelwert F der Kraft F in Betracht. Da der Mittelwert der Komponente mit Kreisfrequenz 2 ω Null ist, kann man daher schreiben:
F = 2 K G V&sub0;² Vs
Es besteht somit tatsächlich eine Proportionalitätsbeziehung zwischen der mittleren Rückstellkraft F und der Steuer- bzw. Befehlsspannung Vs der Servoschaltung 40, da die Ausdrücke K, G, V&sub0; Konstanten sind.
In der Praxis kann man auf die Verstärkung G des Verstärkers 42 und auf die Amplitude V&sub0; der Spannungsquelle 41 einwirken, um die Empfindlichkeit der Servoschaltung 40 einzustellen.
Man erkennt, daß die von den Detektionsspannungen u, -u erzeugten elektrostatischen Kräfte in dem Ausdruck für die Kraft F nicht in Betracht gezogen werden; tatsächlich sind diese Kräfte gleich groß und heben sich gegenseitig in ihrer Auswirkung auf das Pendelelement 2 auf.
Damit die Detektionsschaltung 30 und die Servoschaltung 40 in deutlich voneinander verschiedenen Frequenzbereichen arbeiten, werden die Frequenzen f und f' vorzugsweise stark voneinander verschieden gewählt und so, daß die eine nicht ein Vielfaches der anderen ist, um zu vermeiden, daß Harmonische der Servofrequenz f sich mit der Detektionsfrequenz f' störend beeinträchtigen.
In der Praxis muß man jedoch dem Einfluß der Spannungen Va und Vb Rechnung tragen, die am Eingang der Detektionskette 35 einen parasitären Strom erzeugen, der die Detektionskette sättigen könnte, und der daher vorzugsweise unterdrückt werden sollte.
Zu diesem Zweck weist die Servoschaltung 40 des weiteren einen Verstärker 46 mit veränderlicher Verstärkung g auf, der an seinem Eingang die Spannung der Spannungsquelle 41 zugeführt erhält und dessen Ausgang mit einem Kondensator 47 verbunden ist, der an seiner anderen Seite mit der Verbindungsleitung 31 verbunden ist, derart, daß in diese ein den von den Servospannungen Va und Vb erzeugten Strom aufhebender Strom eingeführt wird.
Eine andere Lösung bestünde darin, daß man in herkömmlicher Weise verschiedene Elektroden für die Servosteuerung und für die Detektion verwenden würde. Die erfindungsgemäße Servoschaltung 40 kann im übrigen auch mit einer nach einem anderen Verfahren als der kapazitiven Detektion arbeitenden Detektionsschaltung verwendet werden; die Detektionsschaltung 30 ist hier nur als Beispiel beschrieben.
Die erfindungsgemäße Servoschaltung kann in einem Mikrosensor verwendet werden, der mehr als zwei Elektrodenpaare für elektrostatische Rückstellung bzw. Rückführung aufweist, indem man die Rückstell-Elektrodenpaare in zwei Gruppen von Elektrodenpaaren gruppiert, die jeweils in komplementären Richtungen für die Rückstellung bzw. Rückführung des Pendelelements 2 wirken.
Schließlich ist für den Fachmann klar, daß zahlreiche andere Varianten zur Erzeugung der Servospannungen (Va, Vb) gemäß der Erfindung möglich sind. In allen Fällen muß die Differenz der Amplitudenquadrate der Servospannungen (Va, Vb) gleich dem Produkt aus einem vorzugsweise einstellbar veränderlichen, konstanten Term und einem zur Steuer- bzw. Befehlsspannung Vs der Servoschaltung proportionalen Term sein.

Zweite Ausführungsform der Erfindung

Fig. 6 zeigt in Form eines vereinfachten Blockschaltbilds einen servogeregelten Mikrosensor 50 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Mikrosensor 50 weist eine empfindliche oder Meßzelle 1 von dem bereits in Verbindung mit den Figg. 1 bis 3 beschriebenen Typ auf, in welcher die Rückstell-Elektroden 3a, 3b und 4a, 4b als Detektionskondensatoren 3, 4 dienen. Die Verwendung derselben Elektroden für die Messung und für die Servoregelung bedingt ein Verfahren zur Trennung der Signale. In der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgte die Trennung durch den Frequenzbereich. Hier ist ein zeitliches Multiplexsystem vorgesehen, d. h. eine zeitliche Trennung zwischen einer Meß- und einer Servophase.
Zu diesem Zweck weist der Mikrosensor 50 eine logische Sequenzierschaltung 70 zur Sequenzschaltung der Meß- und der Servophasen auf; die Sequenzierschaltung wird von einem Taktgeber 71 taktgesteuert und steuert ihrerseits über einen Parallelbus 51 ein Umschalt- und Samplingmodul 60. Das Umschalt- und Samplingmodul 60 ist mit den Kondensatoren 3, 4 der empfindlichen oder Meßzelle 1 verbunden und bewirkt zyklisch, in Abhängigkeit von zwei entgegengesetzten Gleichspannungen +Vr und -Vr, Servo-Operationen und Meßoperationen zur Bestimmung der Abweichung zwischen den Detektionskapazitäten 3, 4. Der Modul 60 liefert eine den Unterschied zwischen den Kapazitäten 3, 4 wiedergebende gesampelte Fehlerspannung Ve, die nach Filterung in einem Schleifenfilter vom PID-Typ, das die Aufgabe hat, die Stabilität der Servoregelung zu gewährleisten, dem Eingang eines digitalen Modulators 90 vom Sigma-Delta-Typ zugeführt wird, der als innere Bezugsspannungen die Spannungen +Vr und -Vr verwendet und der Sequenziervorrichtung 70 ein logisches Signal K zuführt, dessen Mittelwert proportional der Fehlerspannung Ve ist. Das logische Signal K wird durch ein logisches Synchronisiersignal CK validiert bzw. aktiviert, das von der Sequenziervorrichtung 70 erzeugt und dem Modulator 90 zugeführt wird. Der Modulator 90 liefert des weiteren ein Ausgangssignal Vs, das nach Filterung in einer Tiefpaß-Zelle 52 als Ausgangssignal des Mikrosensors 50 dient. Die Spannungen +Vr und -Vr können von einer äußeren Speisespannungsquelle kommen oder, in Fig. 6 nicht dargestellt, von der Umwandlung der Speisespannung der Schaltungen des Mikrosensors 50.
Fig. 7 veranschaulicht in schematischer Form die Schaltungen des Umschalt-Samplers 60. Der Modul 60 weist eine Schaltergruppe 600 auf, die im vorliegenden Fall acht mit 60a, 60b, 61a, 61b, 62, 63, 64 und 65 bezeichnete Schalter besitzt, die von logischen Signalen C60, C61, C62, C63, C64 bzw. C65 gesteuert werden, welche von der Sequenziervorrichtung 70 abgegeben werden und auf dem Bus 51 zugeführt werden. Die Schalter 60a und 60b werden beide von dem Signal C60 gesteuert, und die Schalter 61a und 61b von dem Signal C61. Die Schalter 60a, 60b, 61a, 61b, 62, 63 sind in Zweiergruppen geschaltet zur Bildung von drei Schalterbrücken 60a und 61a, 61b und 60b bzw. 62 und 63, zwischen den Spannungen +Vr und -Vr, wobei die Schalter 60a, 61b, 62 mit der Spannung +Vr und die Schalter 61a, 60b, 63 mit der Spannung -Vr verbunden sind. Der Mittel- oder Knotenpunkt der aus den Schaltern 60a, 61a gebildeten Brücke ist mit der Elektrode 3b des Kondensators 3, der Knotenpunkt der aus den Schaltern 61b, 60b gebildeten Brücke in ähnlicher Weise mit der Elektrode 4b des Kondensators 4 verbunden.
Ein Knotenpunkt 66 verbindet die Elektroden 3a und 4a, den Knoten- oder Mittelpunkt, der aus den Schaltern 62 und 63 gebildeten Brücke sowie die entsprechenden Enden der Schalter 64 und 65 miteinander. Das andere Ende des Schalters 64 ist mit der Masse des Mikrosensors 50 verbunden, der Schalter 65 führt zu einem Integrator 67, der im gezeigten Fall einen Operationsverstärker 68 aufweist, dessen Ausgang über einen Kondensator 69 zu seinem negativen Eingang rückgekoppelt ist, sein positiver Eingang liegt an Masse. Im Ausgang des Integrators 67 tritt das weiter oben genannte Fehlersignal Ve auf.
In Fig. 8 sind zur näheren Erläuterung der Sequenziervorrichtung 70 die Zeitdiagramme der Signale veranschaulicht, welche die Sequenziervorrichtung 70 abgibt und zugeführt erhält, sowie bestimmte interne Signale. Der Fachmann erkennt, daß die Sequenzierschaltung 70 in herkömmlicher Weise als verdrahtete Logikschaltung oder mittels eines Mikroprozessors, oder schließlich auch durch eine spezifische integrierte Schaltung realisiert werden kann, sobald die Zeitdiagramme der zu sequenzierenden Signale bekannt sind.
In Fig. 8 sind die Figg. 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f Darstellungen der Zeitdiagramme der Zustände der Steuer- bzw. Befehlssignale C60, C61, C62, C63, C64 bzw. C65.
Fig. 8g veranschaulicht das Zeitdiagramm des von dem Modulator 90 gelieferten und der Sequenzierschaltung 70 zugeführten logischen Signals K.
Fig. 8h gibt das Zeitdiagramm des von der Sequenziervorrichtung 70 dem Modulator 90 zugeführten Aktivierungssignals CK für das Signal K wieder.
Fig. 8i stellt das Zeitdiagramm eines inneren Zustandssignals I in der Sequenziervorrichtung 70 dar, das durch Vereinbarung auf den Wert 1 für die Servophasen und auf den Wert 0 für die Meßphasen festgesetzt ist.
Fig. 8j zeigt die Signale H des Taktgebers 71, der die Zeitbasis für die Sequenziervorrichtung 70 bildet.
Die Figg. 8k und 8m stellen die Kurven bzw. Wellenformen V'b bzw. V'a der Spannungen an den Anschlüssen der Kondensatoren 4 und 3 dar, deren Richtungs- oder Bezugssinn durch die Pfeile in Fig. 7 angedeutet ist.
In Fig. 8 sind durch vertikale gestrichelte Linien die Zeitpunkte ta und tm dargestellt, in denen die Servophasen (ta) bzw. die Meßphasen (tm) beginnen. Die Meß- und die Servophasen folgen im hier beschriebenen Fall ohne Unterbrechung aufeinander, und zwar wurden im speziellen Fall für die Meßphase (I = 0) die Dauern von zwei Taktperioden 71 gewählt und für die Servophase (I = 1) acht Taktperioden 71.
Die Steuer- bzw. Befehlssignale C60 bis C65 werden gemäß Vereinbarung in den logischen Zustand 1 gebracht, um die Schließung der Schalter 60a bis 65 zu veranlassen.
Der Taktgeber 71 liefert Rechtecksignale H (Fig. 8j), deren Arbeitszyklus bzw. Tastverhältnis (Impulsbreite: ImpulsperiodeP 0,5 beträgt.
Das Signal CK (Fig. 8h) wird von der Sequenziervorrichtung 70 in der Mitte jeder jeweiligen Meßphase (tm bis ta) auf den Wert 1 gebracht, um im Ausgang des digitalen Modulators 90 die Beschickung mit einem neuen Wert des Signals K zu veranlassen. Das Signal K kann seinen Wert bzw. Betrag nur bei einer Änderung (im vorliegenden Fall die Vorderflanke) des Steuersignals CK ändern, derart, daß der Wert von K somit während der gesamten Servophasen konstant bleibt. Ein Beispiel für die Ausführung des Modulators 90 wird weiter unten beschrieben; zunächst sei hier nur bemerkt, daß ein Wert 1 des Signals K der Sequenziervorrichtung 70 anzeigt, daß eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Elektroden 4a, 4b des Kondensators 4 erzeugt werden soll, während der Wert 0 des Signals K anzeigt, daß die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden 3a, 3b des Kondensators 3 erzeugt werden soll.
Die jeweiligen Zeitdauern, während welcher die Steuer- bzw. Befehlssignale C60 bis C65 sich auf dem Niveau 1 befinden, überschreiten im vorliegenden Fall nicht die Dauer einer Taktperiode 71. Im übrigen gehen, um die Gefahr von Kurzschlüssen zu vermeiden, die einzelnen Steuer- bzw. Befehlssignale C60 bis C65 jeweils nur mit einer kurzen Verzögerung gegenüber der Vorderflanke der Taktimpulse 71 (Fig. 8j) in den Wert 1 über. In Fig. 8 ist diese geringfügige Versetzung Δt durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben.
Aus den Figg. 8a und 8b ist ersichtlich, daß die Zeitdiagramme der Steuersignale C60 und C61 regelmäßig sind und nicht von den jeweiligen Phasen (Meß- oder Servophase) abhängen. Die Steuer- bzw. Befehlssignale C60 und C61 sind gegeneinander versetzt und gehen jeweils alle zwei Taktperioden 71 für eine Dauer einer Periode in den Zustand 1 über. Somit befindet sich in jeder Taktperiode jeweils eines der beiden Steuersignale C60, C61 im Zustand 1, während das andere den Wert 0 hat. Im speziellen gezeigten Fall geht C60 immer zu Beginn der Servoperioden (t = ta) und der Meßperioden (t = tm) in den Zustand 1 über.

Servoregelungsphasen

Die Steuer- bzw. Befehlssignale C62 und C63 sind während der Servophasen in Verwendung, während der Meßphasen befinden sich C62 und C63 im Zustand 0. Während der Meßphasen stimmen die Zeitdiagramme von C62 und C63 mit denen von C60 und C61 überein. Wenn K = 1, ist C62 synchron mit C60 und C63 synchron mit C61. Wenn K = 0, ist C62 synchron mit C61 und C63 synchron mit C60.
Die Figg. 8k und 8m veranschaulichen die Änderungen der Spannungen V'b und V'a an den Anschlüssen der Kondensatoren 4 und 3, wie sie sich als Folge der vorstehend beschriebenen Sequenzierung der Steuersignale C60, C61, C62 und C63 ergeben.
Für K = 1 beträgt die Spannung V'a Null, und die Spannung V'b fluktuiert abwechselnd jeweils bei jeder Taktperiode 71 von +2Vr auf -2Vr oder von -2Vr auf +2Vr. Die elektrostatische Kraft wird daher an dem Elektrodenpaar 4a, 4b erzeugt; der Betrag der Kraft kann berechnet werden, indem man den Mittelwert des Quadrats der Spannung V'b nimmt, was hier äquivalent dem Quadrat einer Gleichspannung vom Betrag +2Vr ist, jedoch mit den erfindungsgemäßen Vorteilen bezüglich der parasitären Spannungen, da der Mittelwert Null ist.
Wenn K = 0, ist die Spannung V'b Null, und die Spannung V'a ist äquivalent der für den Fall K = 1 beschriebenen Spannung V'b, wobei die elektrostatische Kraft dann an dem Elektrodenpaar 3a, 3b anliegt.

Meßphasen

Die Steuer- bzw. Befehlssignale C64 und C65 finden nur während der Meßphasen Anwendung, während der Servophasen haben C64 und C65 den Wert 0. Während der Meßphasen, die im vorliegenden Fall zwei Taktperioden 71 währen, befinden sich während der ersten Taktperiode C64 im Zustand 1 und C65 im Zustand 0, während der zweiten Taktperiode ist C64 im Zustand 0 und C65 im Zustand 1. Während der ersten Taktperiode werden die Kondensatoren 3 und 4 auf den Wert V'a = -Vr bzw. V'b = +Vr aufgeladen. Sobald C65 in den Zustand 1 übergeht (C64 hat den Wert 0), entladen sich die Kondensatoren gleichzeitig in den Integrator 67, und zwar über den Knotenpunkt 66 und den Schalter 65, mit entgegengesetzt gerichteten Strömen. Die Kapazität 69 des Integrators 67 lädt (oder entlädt) sich um eine zum Unterschied zwischen den Detektionskapazitäten 3 und 4 proportionale Elektrizitätsmenge.
Im Ausgang des Integrators 67 ändert sich die Fehlerspannung Ve gegenüber ihrem Betrag während der vorhergehenden Meßphasen um einen positiven oder negativen Betrag, je nach dem Unterschied der Detektionskapazitäten 3, 4.
Fig. 9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines digitalen Modulators 90 vom Sigma-Delta-Typ. Die Spannung Ve wird an dem einen Ende einer Brücke bzw. eines Spannungsteilers aus gleichgroßen Widerständen 91, 92 angelegt, die an ihrem anderen Ende mit zwei Schaltern 93a, 93b verbunden ist, die zu Spannungen +Vr bzw. -Vr führen.
Die Mittelanzapfung der Widerstandsbrücke 91, 92 liegt am Eingang eines Integrators 94, der seinerseits den positiven Eingang eines Komparators 95 treibt, dessen negativer Eingang mit Masse verbunden ist; die Ausgangsgröße des Komparators 95 wird am Eingang einer Kippvorrichtung D zugeführt, deren Ausgang Q durch das Signal CK der Sequenziervorrichtung 70 aktiviert wird. Der Ausgang Q liefert das Signal K und steuert gleichzeitig den Schalter 93a; der Schalter 93b wird durch den invertierten Ausgang Q des Ausgangs Q gesteuert.
Der Modulator 90 bewirkt eine Modulation des Mittelwerts des am Ausgang Q der Kippvorrichtung D abgenommenen Signals K. Diese Modulation erfolgt über eine große Anzahl von Zyklen des Modulators 90, die Zyklen werden durch das Signal CK getaktet. Betrachtet man die Werte des Signals K über eine große Anzahl von Zyklen, so stellt man fest, daß die Verteilung der Werte K = 1 und K = 0 von der Spannung Ve abhängt. Die Ausgangsspannung des Integrators 94 besteht nämlich aus einer Folge von ansteigenden oder abnehmenden Spannungsrampen um das Potential Null herum. Je nach Vorzeichen und Größe von Ve sind die jeweiligen Neigungen der Spannungsrampen ungleich, und die Ausgangsgröße des Komparators 95 befindet sich während ungleicher Zeiten im Zustand 1 oder 0, was sich in eine ungleiche Verteilung der Werte K = 1 und K = 0 überträgt und damit in eine ungleiche Verteilung der an das Elektrodenpaar 3a, 3b und 4a, 4b angelegten Kräfte.
Die Ausgangsspannung Vs des Mikrosensors 50, die an die in Verbindung mit Fig. 6 beschriebene Tiefpaß-Schaltung 52 angelegt wird, wird im gezeigten Beispiel am Knotenpunkt der Schalterbrücke 93a, 93b des Modulators 90 abgenommen. Um eine Ausgangsspannung Vs zu erhalten, die das genaue Abbild der Rückstell- bzw. Rückholkraft wäre, könnte man Schaltmittel zur Unterbrechung der Steuerung der Schalter 93a, 93b während der Meßphasen vorsehen, derart, daß die Schalter 93a und 93b während der Meßphasen geöffnet gehalten würden. Man könnte auch das Signal K als digitales Ausgangssignal verwenden, oder auch die (am Ausgang des Filters 80 abgenommene) Spannung Ve als analoges Ausgangssignal.
Die Genauigkeit des Mikrosensors 50 hängt von der Taktfrequenz 71 ab, welche die jeweiligen Dauern der Zyklen (Servound Meßzyklen) bestimmt.
In der Praxis wählt man eine Zeitreferenz T kleiner als die mechanische Zeitkonstante des Pendelelements 2, und man wählt die Taktfrequenz 71 derart, daß der Mikrosensor 50 eine sehr große Anzahl von Zyklen während dieser Zeiteinheit T durchführt.
Zur Einstellung des dynamischen Bereichs des Mikrosensors 50 kann man sodann auf den Betrag der Spannungen +Vr, -Vr einwirken.
Man erkennt, daß die weiter oben beschriebene Ausbildung der Schaltergruppe 600 in vorteilhafter Weise die Erzielung von Servospannungen (-2Vr, +2Vr) gestattet, deren Amplituden doppelt so groß wie die Quellenspannungen +Vr, -Vr sind. Man erhält somit hier einen besseren dynamischen Bereich als den, den man mit einer einfacheren Ausbildung mit weniger Schaltern erhalten würde, die jedoch Servospannungen ergäbe, deren Amplituden nicht größer als +Vr und -Vr sind.
Die an das eine oder das andere Elektrodenpaar 3a, 3b bzw. 4a, 4b während einer einzigen Servophase angelegte elektrostatische Kraft ist nicht beträchtlich und stellt nur eine Stichprobe der insgesamt auf das Pendelelement 2 einwirkenden Gesamt-Rückstellkraft dar.
Dem Fachmann ist klar, daß man eine Bilanz der von den Elektrodenpaaren 3a, 3b und 4a, 4b auf das Pendelelement 2 ausgeübten entgegengesetzten Kräfte vornehmen muß, um die beispielsweise während der Zeit T wirkende elektrostatische Rückstellkraft zu berechnen. Man erkennt, daß die mittlere Rückstellkraft proportional zum Mittelwert des Signals K ist und daß die Bedingungen für die Servoregelung des Pendelelements 2 erfüllt sind.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein Taktfrequenz 71 von 1 Megahertz gewählt, bei einer kritischen oder Grenzfrequenz Fc des Pendelelements 2 in der Größenordnung von 10 Hertz und einer mechanischen Zeitkonstante τ in der Größenordnung von 0,1 s.
Man sieht, daß der Mikrosensor 50 in diesem Fall 10 000 Servo- und Meßzyklen während einer der Zeitkonstante τ entsprechenden Dauer durchführt.
Man erkennt, daß die Anwendung von Servospannungen V'a, V'b mit Mittelwert Null in jeder Servophase nicht unerläßlich ist, wenngleich es vorzuziehen ist, daß die Fluktuationen der Servospannungen V'a, V'b während möglichst kurzer Zeitdauern im Vergleich zur Zeitkonstante τ erfolgen.
Gemäß einer abgewandelten Ausführung könnte man die Alternierung (+2Vr, -2Vr) der jeweiligen Servospannung V'a, V'b langsamer stattfinden lassen (beispielsweise von einer Servophase zur nächsten), derart, daß jede der Servospannungen jeweils erst nach mehreren Servozyklen den Mittelwert Null zeigen würde.
Im Vorgehenden wurden die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Mikrosensoren beschrieben und dargestellt. Für den Fachmann ist klar, daß verschiedene Varianten und Modifizierungen der vorstehend beschriebenen Beispiele von Mikrosensoren möglich sind.
Dem Fachmann ist auch klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren auf unterschiedliche Weisen ausgeführt werden kann, insbesondere in Anpassung an bekannte Mikrosensoren, indem man lediglich die Schaltungen für die Erzeugung der Steuerspannungen der elektrostatischen Servokräfte modifiziert, derart, daß die Steuerspannungen einen Mittelwert Null besitzen.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer elektrostatischen Anziehungskraft zwischen einer beweglichen Elektrode (3a, 4a) und einer festen Elektrode (3b, 4b) eines Mikrosensors (10, 50) für eine physikalische Größe, wobei die bewegliche Elektrode mit einem auf die genannte physikalische Größe ansprechenden Pendelelement (2) fest verbunden bzw. einstückig mit ihm ist, dadurch gekennzeichnet, daß man an die genannten Elektroden eine elektrische Spannung (Va, Vb, V'a, V'b) vom Mittel- bzw. Durchschnittsbetrag Null anlegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektrische Spannung (Va, Vb) eine periodische Spannung mit einer Frequenz (f) ist, die wesentlich höher als die kritische oder Grenzfrequenz (Fc) des Pendelelements ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektrische Spannung (V'a, V'b) eine Mehrzahl elektrischer Signale von jeweils gleicher Dauer (tm - ta) aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils jedes der genannten elektrischen Signale einen Mittelwert Null besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils jedes der genannten elektrischen Signale eine Folge periodischer Impulse (+2Vr, -2Vr) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten periodischen Impulsfolgen eine abwechselnde Aufeinanderfolge von Gleichspannungsimpulsen von entgegengesetztem Vorzeichen (+2Vr, -2Vr) umfassen.

Verfahren nach Anspruch 2, zur Servo- oder Rückkopplungssteuerung eines Pendelelements (2) eines Mikrosensors mittels elektrostatischer Kräfte (Fa, Fb), wobei der Mikrosensor wenigstens ein erstes (3) und ein zweites (4) Elektrodenpaar aufweist, von denen jeweils jedes eine mit dem Pendelelement fest verbundene oder einstückig ausgebildete bewegliche Elektrode (3a, 4a) und eine der beweglichen Elektrode gegenüberstehend angeordnete feste Elektrode (3b, 4b) aufweist, sowie ein Nachweis- bzw. Detektionssystem (3, 4, 30) zum Nachweis der Verschiebungen des Pendelelements zur Erzeugung eines Steuersignals (Vs) für die gewünschte Servo- bzw. Rückkopplungsregelung, wobei an die Elektrodenpaare (3, 4) jeweils eine erste Spannung (Va) und eine zweite Rückkopplungs- bzw. Servospannung (Vb) angelegt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ersten und zweiten Rückkopplungs- bzw. Servospannungen (Va, Vb) Spannungen gleicher Frequenz (f) sind und daß der Unterschied zwischen den jeweiligen Amplitudenquadraten der ersten und der zweiten Rückkopplungs- bzw. Servospannung das Produkt aus einem konstanten Term (2GVo) mit einem zu dem genannten Steuersignal (Vs) proportionalen Term (2VsVo) darstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Servospannung (Va) bzw. zweite Servospannung (Vb) durch Subtraktion (45) bzw. Addition (44) einer periodischen Spannung konstanter Amplitude (GVo) und einer periodischen Spannung von zu dem genannten Steuersignal (Vs) proportionaler Amplitude (VsVo) gebildet wird.

9. Mikrosensor (10) mit Servosteuerung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuersignal eine Spannung (Vs) ist, daß die genannte Spannung mit konstanter Amplitude (GVo) durch einen Verstärker (42) geliefert wird, an den eine Spannung von einer Spannungsquelle mit periodischer Spannung (41) angelegt wird, und daß die genannte Spannung mit zum Steuersignal proportionaler Amplitude (VsVo) von einer Multipliziervorrichtung (43) geliefert wird, der an ihren Eingängen die genannte Spannung der Quelle (41) und die Steuerspannung (Vs) zugeführt werden.

10. Mikrosensor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine kapazitive Detektions- bzw. Nachweisschaltung (30) aufweist, welche periodische Spannungen (u, - u) als Nachweis des Ungleichgewichts der Kapazitäten der genannten Elektrodenpaare (3, 4) liefert, des weiteren Mittel (11, 12) zum Zufügen bzw. Addieren der Nachweisspannungen (u, - u) zu den genannten Servospannungen (Va, Vb), wobei jedes der genannten Elektrodenpaare jeweils eine mit dem Eingang (39) des Nachweissystems (30) verbundene Elektrode (3a, 4a) aufweist, sowie Mittel (46, 47) zum Einführen eines den durch die genannten Servospannungen (Va, Vb) bedingten Strom aufhebenden Stroms am Eingang (39) der Nachweisschaltung (30).

11. Mikrosensor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel (46, 47) zum Einführen eines den Servostrom aufhebenden Stroms einen Verstärker (46) aufweisen, der am Eingang die genannte Spannung der Spannungsquelle (41) zugeführt erhält und über einen Kondensator (47) auf den Eingang (39) der Nachweisschaltung (30) einwirkt.

12. Pendel-Mikrosensor (50) mit Servoregelung mittels elektrostatischer Kräfte, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 erzeugt werden, umfassend ein Pendelelement (2) in solcher Anordnung, daß es einer eine zu messende physikalische Größe wiedergebenden Kraft ausgesetzt ist, mindestens ein erstes (3) und ein zweites (4) Elektrodenpaar, deren jedes jeweils eine mit dem Pendelelement fest verbundene oder einstückige bewegliche Elektrode (3a, 4a) und eine der beweglichen Elektrode gegenüber angeordnete feste Elektrode (3b, 4b) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- eine Gruppe (600) von Unterbrecherschaltern (60a, 60b, 61a, 61b, 62, 63, 64, 65) und wenigstens zwei Gleichspannungsquellen von entgegengesetztem Vorzeichen (+Vr, -Vr),

- eine Integrierschaltung (67), deren Ausgangsgröße über ein Filter (80) dem Eingang eines digitalen Modulators (90) vom Sigma-Delta-Typ zugefuhrt wird, wobei der genannte Digital-Modulator (90) ein logisches Signal (K) erzeugt, dessen Mittelwert gemäß einer Funktion der Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (67) moduliert ist,

- eine digitale Sequenzier- und Steuerschaltung (70) für die genannte Unterbrecherschaltergruppe (600), welcher das logische Signal (K) zugeführt wird, wobei die genannte digitale Schaltung (70) und die genannte Unterbrecherschaltergruppe (600) so eingerichtet sind, daß:

. während Phasen der elektrostatischen Servosteuerung des Pendelelements:

. abwechselnd wenigstens eine Elektrode eines Elektrodenpaars (3, 4) in Abhängigkeit vom Betrag des logischen Signals (K) mit jeder der genannten Gleichspannungsquellen (+Vr, -Vr) verbunden wird und

. die mit der genannten wenigstens einen Elektrode eines ausgewählten Elektrodenpaars verbundene Gleichspannungsquelle (+Vr, -Vr) mehrere Male während einer Servophase oder mehrere Male während mehrerer Servophasen alterniert wird;

. während Phasen der Stellungsdetektion des Pendelelements (2) nach jeder Servophase:

. die Kapazitäten der Elektrodenpaare (3, 4) mit Hilfe der genannten Spannungsquellen (+Vr, -Vr) aufgeladen und sodann gleichzeitig die genannten Kapazitäten in dem genannten Integrator (67) mit entsprechenden Gegenströmen entladen werden.

13. Mikrosensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (3a, 3b, 4a, 4b) jedes Elektrodenpaars (3, 4) mit jeder der genannten Gleichspannungsquellen (+Vr, -Vr) über einen Unterbrecherschalter der genannten Schaltergruppe (600) verbunden ist.

14. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Modulator (90) durch ein Synchronisationssignal (CK) taktgesteuert wird, das von der Sequenzierschaltung (70) nach jeder Servophase geliefert wird.

15. Mikrosensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Synchronisationssignal (CK) das genannte logische Signal (K) validiert.

16. Mikrosensor (50) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem das genannte Filter (30) vom Proportional-, Integral- und Differenzier-Typ ist.