DE102010042875A1 - Verfahren zur Regelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler - Google Patents

Verfahren zur Regelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers, wobei eine Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers angelegt wird, mindestens eine Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers bestimmt wird, und die Vorspannung in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazität geregelt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Regelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler sowie Vorrichtungen zur Durchführung von Verfahren zur Regelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler.
  • Stand der Technik
  • Kapazitive mikro-mechanische Ultraschallwandler, sogenannte CMUTs (capacitive micro-mechanic ultrasonic transducers), werden heute in vielen Anwendungen der Messtechnik und Medizintechnik eingesetzt. Dabei werden häufig Membranschwinger eingesetzt, die in mikro-mechanischen Oberflächenprozessen in Ultraschallwandlerchips eingebracht werden.
  • 1a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 10. Auf einem Substrat 18, meist aus Silizium ist eine Isolationsschicht 16 angeordnet, in der eine untere Elektrode 12 eingebracht ist. Eine weitere Isolationsschicht 14 ist auf der Isolationsschicht 16 angeordnet und umfasst eine obere Elektrode, die der unteren Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist. Die obere und untere Elektrode 12 bilden gemeinsam einen Plattenkondensator aus, zwischen dem bei einem Anlegen einer Spannung durch eine Gleichspannungsquelle 11 ein elektrisches Feld E herrscht. Typische Gleichspannungen, die durch die Gleichspannungsquelle 11 erzeugt werden, bewegen sich im Bereich von einigen Volt bis zu etwa 500 Volt, typischerweise etwa einige zehn Volt.
  • Die obere Elektrode 12 ist dabei in einem Bereich der Isolationsschicht 14 eingebracht, der über einem Hohlraum 15 liegt. Dadurch erhält der Bereich über dem Hohlraum 15 Membrancharakter, das heißt, von außen angelegter Druck führt zu einer Durchbiegung bzw. Auslenkung der Membran in Richtung der untere Elektrode, so dass sich die elektrischen Eigenschaften des Plattenkondensators mit der Auslenkung der Membran ändern. Dadurch können mechanische Bewegungen in elektrische Signale umgesetzt werden und umgekehrt. Unterhalb der oberen Elektrode ist üblicherweise ein Teil 14a der Isolationsschicht 14 ausgebildet, so dass bei einem durch hohe Gleich- oder Wechselspannungen verursachten Kollaps der Membran ein Kurzschluss mit der unteren Elektrode vermieden wird. Der Teil 14a der Isolationsschicht ist damit Teil der Membran selbst.
  • Kapazitive mikro-mechanische Ultraschallwandler sind meist als Arrays, also Gruppierungen mehrerer Membranen zu Wandlermatrices, ausgebildet und werden üblicherweise durch Halbleiterprozesse hergestellt. Dementsprechend bestehen elektrisch leitfähige Strukturen meist aus dotiertem Silizium, Aluminium oder Kupfer. Die Isolationsschichten werden meist aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid hergestellt.
  • Kapazitive mikro-mechanische Ultraschallwandler benötigen für den Betrieb eine Vorspannung, oder auch Biasspannung, die die Membran mit der oberen Elektrode 12 vorspannt. Ohne die Vorspannung könnten nur Quadratursignale einer angelegten Wechselspannung in mechanische Bewegungen umgesetzt werden. Werden die Isolationsschichten nun aber durch die Vorspannung bedingt für längere Zeit einer hohen elektrischen Feldstärke ausgesetzt, die in kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlern bis zu 10 GV/m betragen können, lagern sich permanente gefangene Ladungen in der Isolationsschicht ab.
  • Eine solche Ablagerung ist beispielhaft in 1b gezeigt. Unterhalb der oberen Elektrode 12 befinden sich im Teil 14a der Isolationsschicht 14, hier beispielhaft gezeigt, positive gefangene Ladungen 17, oberhalb der unteren Elektrode entsprechende Gegenladungen 19, hier beispielhaft als negative Ladungen gezeigt. Die Isolationsschichten werden somit zu einem Elektret und bilden ein elektrisches Feld aus, welches dem elektrischen Feld E des Plattenkondensators überlagert ist. Die von außen angelegte Vorspannung erzeugt damit nicht mehr das theoretisch erreichbare elektrische Feld E, wie in 1a gezeigt, sondern lediglich ein um das durch die gefangenen Ladungen ausgebildete elektrische Feld vermindertes oder vergrößertes elektrisches Feld.
  • 2a zeigt die Abhängigkeit des Arbeitspunktes eines kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers von einer Vorspannung Ubias. Gezeigt ist der Gang der Impedanz Z des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz f der Membran. Der Arbeitsbereich liegt dabei beispielhaft in einem Bereich zwischen etwa 1,5 MHz und 3,5 MHz. Durch eine Erhöhung der Vorspannung Ubias ergibt sich eine Verschiebung der Resonanzfrequenz hin zu geringeren Frequenzen. In 2b ist entsprechend der Phasengang φ in Abhängigkeit von Frequenz f und Vorspannung Ubias gezeigt. Damit hängt die elektromechanische Kopplung des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers stark von der Vorspannung ab, die entsprechend des gewünschten Arbeitspunktes vorbestimmt werden kann. Es ist daher wichtig zu wissen, welche Abhängigkeit zwischen der von außen angelegten Vorspannung Ubias und der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Membran des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers besteht.
  • Durch die Einlagerung gefangener Ladungen in die Isolationsschichten im Kondensatorbereich besteht über jene Abhängigkeit jedoch Ungewissheit. Es besteht daher ein Bedarf nach einer Regelung für die Vorspannung einer Membran eines kapazitiven mikro-mechanischen Wandlers, die die Auswirkungen solcher gefangener Ladungen berücksichtigt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung für die vorstehend genannten Probleme, indem ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß Patentanspruch 10 und eine Schaltung mit einer Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß Patentanspruch 15 angegeben wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers die Schritte des Anlegens einer Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers, des Bestimmens mindestens einer Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers, und des Regelns der Vorspannung in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazität. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, Überlagerungseffekte von elektrischen Feldern gefangener Ladungen im Kondensatorbereich der Membran über eine Nachregelung der Vorspannung ausgleichen zu können.
  • Vorteilhafterweise kann das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen eines ersten Messwertes in einem Frequenzbereich unterhalb des Resonanzbereichs des kapazitiven mikromechanischen Wandlers und das Bestimmen eines zweiten Messwertes in einem Frequenzbereich oberhalb des Resonanzbereichs des kapazitiven mikromechanischen Wandlers umfassen. Dadurch kann die Bestimmung der Kapazität in Frequenzbereichen erfolgen, in denen keine Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Medium zu erwarten ist, so dass kein Entfernen des Mediums von der Oberfläche des Wandlers während der Kalibrierung notwendig ist.
  • Vorteilhafterweise kann das Verfahren zur Kalibrierung das Bestimmen des ersten und/oder zweiten Messwertes durch das Messen einer Impedanz des kapazitiven mikromechanischen Wandlers umfassen. Zur Kalibrierung können damit Messverfahren verwendet werden, die für den Betrieb des Wandlers in seiner Zielapplikation notwendig sind.
  • Vorteilhafterweise kann das Regeln der Vorspannung in Abhängigkeit von einem Verhältnis des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes erfolgen, wodurch die Regelung in einfacher Weise auf eine Führungsgröße beschränkt ist.
  • Vorteilhafterweise kann das Verfahren ein Variieren der angelegten Vorspannung umfassen, wobei das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen des Minimums der Kapazität in Abhängigkeit von der Variation der angelegten Vorspannung umfasst und das Regeln der Vorspannung in Abhängigkeit von dem Minimum der bestimmten Kapazität erfolgt. Dadurch können einfache steuerbare Spannungsquellen genutzt werden.
  • Vorteilhafterweise können die erfindungsgemäßen Verfahren während oder außerhalb des Messbetriebes des kapazitiven mikromechanischen Wandlers durchgeführt werden, so dass eine zeitsparende Anpassung an den eigentlichen Messbetrieb möglich ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers eine Gleichspannungsquelle, die dazu ausgelegt ist, eine Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers anzulegen, eine Messeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers zu bestimmen, und eine Regeleinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die an die Membran angelegte Vorspannung in Abhängigkeit von einem Ausgabewert der Messeinrichtung zu regeln.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Schaltung einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers.
  • Weiterbildungen und Variationen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1a einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler im Prinzipschema;
  • 1b einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler im Prinzipschema mit gefangenen Ladungen;
  • 2a ein Impedanz-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler;
  • 2b ein Phasen-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler;
  • 3 ein Ersatzschaltbild für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 ein Impedanz-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 Kapazitäts-Spannungs-Diagramme für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 ein Schaubild für ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 7 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 8 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 9 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
  • 10 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Gleichartige und/oder gleich wirkende Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass die angegebenen Darstellungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu angegeben sind. Weiterhin ist es selbstverständlich, dass einzelne Merkmale und/oder Konzepte verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen miteinander beliebig – soweit sinnvoll – kombiniert werden können.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das eindimensionale Modell für elektrostatische Auslenkung eines Membranschwingers stellt einen Ultraschallwandler als Plattenkondensator mit zwei parallelen Platten und der Kapazität CP dar, wobei eine der beiden Platten beweglich ist und über mechanische Eigenschaften verfügt. Ein kapazitiver mikro-mechanischer Ultraschallwandler kann also in einen elektrostatischen und einen mechanischen Teilbereich aufgeteilt werden, die über einen elektromechanischen Konversionsfaktor No gekoppelt sind. Der elektrostatische Teil, in 3 auf der linken Seite links gezeigt, umfasst dabei die (Parallel-)Kapazität CP, die die Kapazität des Plattenkondensators angibt Auf der mechanischen Seite greift das Modell eines eindimensionalen Feder-Masse-Schwingers, wobei die obere Platte mechanische Eigenschaften wie Masse m der Platte, Dämpfung b und Steifigkeit bzw. Federkonstante k aufweist. Im elektrischen Ersatzschaltbild rechts kann ein derartiges Feder-Masse-System als Serienschaltung einer Induktivität Ls (entspricht der Masse m), eines Ohmschen Widerstands RS (entspricht der Dämpfung b) und einer Kapazität Cs (entspricht der Plattensteifigkeit bzw. Federkonstante k) modelliert werden. Die beiden Kapazitäten CP und Cs hängen dabei nicht von dem den Wandler umgebenden Medium ab, und eignen sich als Bezugsgrößen für eine Kalibrierung eines Arbeitspunktes des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers.
  • 4 zeigt ein Impedanz-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In Abhängigkeit von der Frequenz f, mit der die Membran schwingt, ändert sich die Impedanz Z. Dabei ist in 4 der Übertragungsbereich des Ultraschallwandlers innerhalb der vertikalen Linien dargestellt, innerhalb dessen der Arbeitsbereich des Ultraschallwandlers liegt. Außerhalb dieses Übertragungsbereichs ist der Impedanzgang nahezu umgekehrt proportional zur Frequenz. Der Proportionalitätsfaktor bestimmt sich im Niederfrequenzbereich proportional zu 1/(CP + Cs), im Hochfrequenzbereich hingegen proportional zu 1/CP.
  • Eine Möglichkeit, den Arbeitspunkt zu stabilisieren besteht nun darin, eine der beiden Kapazitätswerte CP oder CP + Cs zu bestimmen und als Regelgröße für die Regelung der Vorspannung zu verwenden. Alternativ ist es auch möglich, beide Kapazitätswerte CP oder CP + Cs zu bestimmen und das Verhältnis k2 = Cs/(CP + Cs) als Regelgröße zu verwenden. Das Verhältnis k2 stellt dabei den elektromechanischen Kopplungsfaktor dar, der das Verhältnis von Nutzenergie zu Gesamtenergie des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers angibt. Vorzugsweise kann der elektromechanische Kopplungsfaktor bei einem Wert von größer als 0,5 als Regelgröße verwendet werden.
  • 5 zeigt Kapazitäts-Spannungs-Diagramme für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Im linken Diagramm ist das Verhalten der Kapazität CP des Plattenkondensators in erster Näherung abhängig von der Vorspannung angegeben. Im Nullpunkt der x-Achse, also bei einem Sollwert der Vorspannung weist die Kapazität CP ein Minimum auf. Im rechten Diagramm hingegen ist der Einfluss eines elektrischen Störfeldes auf die Kapazität CP dargestellt. Im Nullpunkt der x-Achse weist die Kapazität CP kein Minimum mehr auf, welches um einen Betrag Uoff hin zu einer größeren Vorspannung Ubias verschoben ist. Mit anderen Worten, bei einem Anlegen des Sollwertes der Vorspannung kann die Kapazität CP aufgrund des durch die gefangenen Ladungen elektrischen Feldes in dem Plattenkondensator höher als ein mögliches Minimum der Kapazität CP liegen. Um diese Diskrepanz auszugleichen, ist es daher von Vorteil, statt des vorbestimmten Sollwertes der Vorspannung eine Spannungsdifferenz relativ zu der Spannung anzulegen, bei der ein tatsächliches Minimum der Kapazität CP erreicht werden kann.
  • Hierzu beruht ein erfindungsgemäßes Verfahren darauf, eine Vorspannung mit einem Wechselspannungsanteil mit einer Frequenz, die außerhalb des Übertragungsbereiches bzw. Arbeitsbereiches des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers liegt, und einem Gleichspannungsanteil an den kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers anzulegen. Durch schrittweise Variation des Gleichspannungsanteils um den Sollwert der Vorspannung Ubias herum kann jeweils ein Wert der Kapazität CP bestimmt werden, so dass nach Bestimmen jedes Kapazitätswertes für jede angelegte Vorspannung eine Modellfunktion (beispielsweise genähert eine Parabel) an die Messwerte gefittet werden und somit ein Minimum der Modellfunktion für die Kapazität CP ermittelt werden kann. Der diesem Minimum entsprechende Vorspannungswert kann dann als tatsächlich erforderlicher Vorspannungswert dem eigentlichen Sollwert zugeordnet werden.
  • 6 zeigt ein Schaubild für ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 60 umfasst in einem ersten Schritt 62 das Anlegen einer Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers. Die Vorspannung entspricht dabei einem Sollwert der Vorspannung, der für die gewünschte Einstellung des Arbeitspunktes des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers benötigt wird.
  • In einem zweiten Schritt 64 wird mindestens eine Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers bestimmt. Dabei kann in einer Ausführungsform das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen eines Messwertes für die Kapazität CP in einem Frequenzbereich oberhalb des Arbeitsbereiches des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers umfassen und/oder das Bestimmen eines Messwertes für die Kapazität CP + Cs in einem Frequenzbereich unterhalb des Arbeitsbereiches des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers umfassen. Durch das Bestimmen der Kapazität(en) kann eine Regelgröße ermittelt werden, die zur Regelung der angelegten Vorspannung an den kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers dient. Die Regelgröße ist dabei entweder die Kapazität CP, die Kapazität CP + Cs oder ein Verhältnis der beiden Kapazitäten. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen eines Kapazitätsverlaufs in Abhängigkeit eines Gleichspannungsanteils einer angelegten Vorspannung mit einem Wechselspannungsanteil bei einer Frequenz außerhalb des Arbeitsbereichs des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers und das darauffolgende Bestimmen einer Abweichung des Gleichspannungsanteils von einem Sollwert beinhalten. Die Abweichung des Gleichspannungsanteils von einem Sollwert bemisst sich dabei gemäß einer Verschiebung eines Minimums des Kapazitätsverlaufs mit dem Gleichspannungsanteil der angelegten Spannung.
  • In einem Schritt 66 umfasst das Verfahren dann ein Regeln der Vorspannung in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazität. Das Regeln der Vorspannung kann über ein Konstanthalten einer der in Schritt 64 ermittelten Regelgrößen erfolgen. Alternativ kann die Vorspannung auch um die in Schritt 64 ermittelte Abweichung des Gleichspannungsanteils der angelegten Spannung von einem Sollwert angepasst werden.
  • 7 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 70 umfasst neben einem kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler 71 eine Einrichtung 72 zur Impedanzmessung, die über einen Kondensator 78 mit dem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 71 verbunden ist. Über einen Widerstand 73 kann von einer Gleichspannungsquelle 76 eine Vorspannung an den kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers 71 angelegt werden. Die Impedanzmessungseinrichtung 72 ist dazu ausgelegt, ein Impedanzspektrum der Impedanz des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 71 zu messen. Durch Auswertung des Imaginärteils des Impedanzspektrums außerhalb des Übertragungsbereichs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 71 (siehe 4) können Messwerte für die Kapazität CP und/oder die Kapazität CP + Cs bestimmt werden. Eine Regelungseinrichtung 74 ist mit der Impedanzmesseinrichtung 72 verbunden und ist dazu ausgelegt, eine Regelgröße aus den Messwerten der Impedanzmesseinrichtung 72 zu erzeugen. Mithilfe der so ermittelten Regelgröße kann die von der Gleichspannungsquelle 76 ausgegebene Vorspannung geregelt werden.
  • 8 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 80 umfasst neben einem kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler 81 eine Referenz-Impedanz 86, die zusammen mit dem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 81 als ein komplexer Spannungsteiler fungiert. Eine Wechselspannungsquelle 82 und eine Gleichspannungsquelle 83 beaufschlagen den Spannungsteiler über einen Eingang der Referenz-Impedanz 86 mit einer Spannung mit Wechselspannungsanteil und Gleichspannungsanteil. Die Wechselspannungsquelle 82 liefert über einen Filter 85 eine Wechselspannung, deren Frequenz vorteilhafterweise außerhalb des Übertragungsbereichs bzw. Arbeitsbereichs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 81 liegt. Die Gleichspannungsquelle 83 liefert über einen Widerstand 84 einen Gleichspannungsanteil, der in einem Bereich um den Sollwert einer Vorspannung Ubias variiert werden kann. Ein Wechselspannungsmessgerät 87 misst dabei die Kapazität CP bzw. CP + Cs des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers 81 in Abhängigkeit von der Variation des Gleichspannungsanteils. Die Messwerte können über einen Filter 88 in eine Regelungseinrichtung 89 eingespeist werden.
  • Neben der in 8 gezeigten Schaltung zur Messung der Kapazität CP bzw. CP + Cs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 81 sind selbstverständlich auch andere zur Kapazitätsmessung gängige Schaltungen möglich, wie eine H-Brückenschaltung, beispielsweise eine Wien-Brücke.
  • 9 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 90 umfasst dabei neben einem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 91 eine Induktivität 92, die parallel mit dem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 91 zu einem Schwingkreis zusammengeschaltet werden kann. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises kann dabei durch Wahl der Induktivität 92 so eingestellt werden, dass sie außerhalb eines Übertragungsbereichs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 91 liegt. Ein Oszillator 93 kann dabei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises gegenüber einer Vorspannung Ubias des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers 91 mithilfe einer Frequenzmesseinrichtung 94 bestimmen. Die Eigen- oder Resonanzfrequenz des Schwingkreises hängt dabei direkt von den Kapazitäten CP bzw. CP + Cs ab, so dass deren Minima je nach Resonanzfrequenzbereich des Schwingkreises über den Gang der Resonanzfrequenz mit der Vorspannung Ubias bestimmt werden können. Der Oszillator 93 kann abschaltbar ausgestaltet sein, um Störungen im Übertragungsbereich des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 91 zu vermeiden.
  • Eine weitere alternative Möglichkeit zur Bestimmung der Kapazitäten CP bzw. CP + Cs umfasst die Bestimmung durch eine Wechselstrommessbrücke. Die Schaltung der Messbrücke kann dabei so ausgelegt sein, dass sie den kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler nicht in seinem Übertragungsbereich beeinflusst.
  • 10 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 100 zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers 101 umfasst eine Gleichspannungsquelle 102, die dazu ausgelegt ist, eine Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers 101 anzulegen, eine Messeinrichtung 104, die dazu ausgelegt ist, die Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers zu bestimmen, und eine Regeleinrichtung 103, die dazu ausgelegt ist, die an die Membran angelegte Vorspannung in Abhängigkeit von einem Ausgabewert der Messeinrichtung 104 zu regeln.
  • Es ist selbstverständlich, dass eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten bestehen, die Kapazitäten CP bzw. CP + Cs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers zu bestimmen und dass deren Ausgestaltung gleichermaßen zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers geeignet sein können.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101), umfassend: Anlegen einer Vorspannung (Ubias) an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101); Bestimmen mindestens einer Kapazität (Cp; CP + CS) des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101); und Regeln der Vorspannung (Ubias) in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazität (Cp; CP + CS).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Kapazität (Cp; CP + CS) das Bestimmen eines ersten Messwertes (CP) in einem Frequenzbereich unterhalb des Resonanzbereichs des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Kapazität (Cp; CP + CS) das Bestimmen eines zweiten Messwertes (CP + Cs) in einem Frequenzbereich oberhalb des Resonanzbereichs des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Bestimmen des ersten und/oder zweiten Messwertes durch das Messen und Auswerten einer Impedanz (Z) des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Regeln der Vorspannung (Ubias) in Abhängigkeit von einem Verhältnis (k2) des ersten Messwertes (CP) und des zweiten Messwertes (CP + CS) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Variieren der angelegten Vorspannung (Ubias), wobei das Bestimmen der Kapazität (CP; CP + CS) das Bestimmen des Minimums der Kapazität (Cp; CP + CS) in Abhängigkeit von der Variation der angelegten Vorspannung (Ubias) umfasst und das Regeln der Vorspannung (Ubias) in Abhängigkeit von dem Minimum der bestimmten Kapazität (Cp; CP + CS) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der kapazitive mikromechanische Wandler (101) ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Verfahren während des Messbetriebes des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren außerhalb des Messbetriebes des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) durchgeführt wird.
  10. Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101), umfassend: eine Gleichspannungsquelle (102), die dazu ausgelegt ist, eine Vorspannung (Ubias) an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) anzulegen; eine Messeinrichtung (104), die dazu ausgelegt ist, die Kapazität (Cp; CP + CS) des kapazitiven mikromechanischen Wandlers (101) zu bestimmen; und eine Regeleinrichtung (103), die dazu ausgelegt ist, die an die Membran angelegte Vorspannung (Ubias) in Abhängigkeit von einem Ausgabewert der Messeinrichtung (104) zu regeln.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Messeinrichtung (104) eine Einrichtung (72) zur Impedanzmessung umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Messeinrichtung (104) eine Wechselspannungsquelle (82) und einen Spannungsteiler (86; 81) umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Messeinrichtung (104) einen zu dem kapazitiven mikromechanischen Wandler (101) zuschaltbaren Schwingkreis umfasst.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Messeinrichtung (104) eine zu dem kapazitiven mikromechanischen Wandler (101) zuschaltbare Wechselstrombrücke umfasst.
  15. Schaltung, umfassend: einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (101); und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
  16. Schaltung nach Anspruch 15, wobei der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (101) und die Vorrichtung auf einem Chip integriert sind.
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