DE102012101285B4 - Sensor mit beweglichen Teilen und Vorspannung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung, umfassend:einen Sensor (10; 32; 60; 70) umfassend einen beweglichen Teil (22) und mindestens zwei Elektroden (20, 21) undeine Vorspannungsschaltung (12; 65), welche eingerichtet ist, alternierend mindestens eine erste Spannung und mindestens eine zweite Spannung an dem Sensor (10; 32; 60; 70) anzulegen,wobei das Anlegen der mindestens einen ersten Spannung einem stabilen Zustand des beweglichen Teils (22) zugeordnet ist und das Anlegen der mindestens einen zweiten Spannung einem instabilen Zustand des beweglichen Teils (22) zugeordnet ist.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensoren, welche einen beweglichen Teil umfassen, und auf das Auslesen und Verstärken eines von dem Sensor ausgegebenen Signals.
• HINTERGRUND
• Sensoren mit beweglichen Teilen werden in vielen Anwendungen genutzt, beispielsweise als Beschleunigungssensoren oder als Schallsensoren, d.h. Mikrofone. Bei manchen Arten dieser Sensoren wird ein bewegliches Objekt bezüglich zweier oder mehrerer Elektroden verschoben, welche nahe an dem beweglichen Objekt angeordnet sind, und eine Änderung der Kapazität zwischen dem beweglichen Objekt und den Elektroden, welche durch diese Bewegung verursacht werden, kann aus dem Sensor ausgelesen werden. Das bewegliche Objekt kann beispielsweise eine Membran eines Mikrofons sein.
• Derartige Sensoren können beispielsweise in Form mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) implementiert sein, welche auch als Mikromaschinen oder als Mikrosystemtechnologie-basierende Systeme bezeichnet werden.
• Da das von derartigen Sensoren bereitgestellte Signal in vielen Fällen vergleichsweise schwach ist, wird das Signal üblicherweise verstärkt, bevor es weiterverarbeitet wird.
• Aus der US 2011/0023605 A1 ist eine mikroelektromechanische Sensoranordnung bekannt, bei welcher zum Auslesen eine Rechteckspannung, welche zwischen einer Lesespannung und Masse wechselt, angelegt wird. Durch diese Rechteckspannung kann ein differenzielles Ausgangssignal erzeugt werden. Zudem wird ein Ausgangssignal zu einer Steuereinheit zurückgeführt, um eine fehlerfreie Position einer beweglichen Masse innerhalb des Sensors zu überprüfen.
• Eine weitere Sensoranordnung, bei welcher ein moduliertes Spannungssignal zum Auslesen verwendet wird, ist aus der US 2007/0152682 A1 bekannt. Zum Auslesen wird dann eine Verstärkeranordnung mit einem differenziellen Verstärker und Kapazitäten in Rückkopplungspfaden verwendet.
• Auch die US 2010/0307243 A1 offenbart eine Verstärkeranordnung, bei welcher ein rechteckförmiges Lesesignal angelegt wird. Hier können bei einem differenziellen Verstärker zum Auslesen Schalter und Kapazitäten in einem Rückkopplungspfad bereitgestellt sein.
• Schließlich offenbart die US 2008/0122454 A1 eine Vorrichtung zum Detektieren einer Kapazität.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte derartige Sensoren und entsprechende Verfahren zum Betreiben derartiger Sensoren bereitzustellen, bei welchen in manchen Fällen beispielsweise eine bessere Signalqualität oder ein höherer Signalpegel erreicht werden kann und/oder die Implementierung vereinfacht ist.
• KURZZUSAMMENFASSUNG
• Diesbezüglich werden eine Vorrichtung nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 8, eine Vorrichtung nach Anspruch 14 sowie ein Verfahren nach Anspruch 20 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
• Figurenliste
• 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 2 zeigt ein Beispiel für einen in manchen Ausführungsbeispielen benutzten Sensor.
• 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 5 zeigt eine Kurve zur Veranschaulichung mancher Merkmale mancher Ausführungsbeispiele.
• 6 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 7A und 7B, welche im Folgenden zusammenfassend als 7 bezeichnet werden, zeigen ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Es ist zu bemerken, dass die folgende Beschreibung nur zur Veranschaulichung dienen soll und nicht als einschränkend auszulegen ist. Der Bereich der Erfindung ist nicht auf die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt anzusehen.
• Es ist zudem zu bemerken, dass in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen jede direkte Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Einrichtungen, Komponenten, Schaltungselementen oder anderen physikalischen oder funktionellen Einheiten, welche in den Zeichnungen dargestellt sind oder beschrieben sind, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert sein könnte, d.h. eine Verbindung oder Kopplung mit ein oder mehreren dazwischenliegenden Elementen. Zudem ist zu bemerken, dass Funktionsblöcke oder Einheiten, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, in manchen Ausführungsbeispielen als getrennte Schaltungen realisiert sein können, in anderen Ausführungsbeispielen aber auch vollständig oder teilweise in einer gemeinsamen Schaltung implementiert sein können. Mit anderen Worten ist die Benutzung der verschiedenen Funktionsblöcke oder Einheiten in den Zeichnungen dazu gedacht, ein klares Verständnis der verschiedenen durch die jeweilige Vorrichtung durchgeführten Funktionen zu ermöglichen, aber ist nicht dahingehend auszulegen, dass die Funktionsblöcke notwendigerweise als getrennte physikalische Einheiten implementiert sein müssen.
• Es ist weiter zu bemerken, dass jede im Folgenden als drahtgebunden beschriebene Verbindung auch als drahtlose Verbindung implementiert sein kann und umgekehrt, sofern nichts anderes vermerkt ist.
• Es ist weiter zu bemerken, dass die Zeichnungen dazu dienen sollen, eine Veranschaulichung mancher Aspekte von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu geben und daher nur als schematisch anzusehen sind. Insbesondere sind die in den Zeichnungen dargestellten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgerecht zueinander, und die Anordnung der verschiedenen Elemente in den Zeichnungen ist gewählt, ein klares Verständnis des jeweiligen Ausführungsbeispiels zu ermöglichen, und ist nicht dahingehend auszulegen, dass diese Anordnung notwendigerweise die tatsächliche relative Anordnung der verschiedenen Komponenten in Implementierungen des jeweiligen Ausführungsbeispiels angibt.
• Merkmale verschiedener beschriebener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale für die Ausführung der vorliegenden Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
• In den folgenden Ausführungsbeispielen werden Sensoren mit beweglichen Teilen und mindestens zwei Elektroden beschrieben. Bei einem derartigen Sensor wird der bewegliche Teil bezüglich der Elektroden aufgrund eines von dem Sensor zu überwachenden Ereignisses verschoben, und diese Verschiebung bewirkt eine Änderung einer Kapazität zwischen den Elektroden und dem beweglichen Teil (auch als bewegliches Objekt bezeichnet), welche für das Ereignis charakteristisch ist, was dann elektrisch detektiert werden kann. Beispielsweise kann im Falle eines Mikrofons, d.h. eines Schallsensors, das Ereignis eine eingehende Schallwelle sein, und im Falle eines Beschleunigungssensors kann das Ereignis sein, dass der Sensor beschleunigt wird. Die Elektroden können bezüglich des beweglichen Teils vorgespannt sein, was bewirkt werden kann, indem eine Spannung an die Elektroden, an den beweglichen Teil oder an beide angelegt wird. Ein Beispiel für einen derartigen Sensor wird später detaillierter beschrieben.
• In 1 ist ein Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Sensor 10, welcher in dem Ausführungsbeispiel der 1 ein Sensor ist, welcher einen beweglichen Teil umfasst, welcher benachbart zu, beispielsweise zwischen, mindestens zwei Elektroden angeordnet ist. Ein Ausgang des Sensors 10 ist mit einer Ausleseschaltung 11 gekoppelt, welche ein Ausgangssignal out ausgibt. Der Sensor 10 kann beispielsweise ein Mikrofon oder ein Beschleunigungssensor sein, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
• Weiterhin umfasst die 1 eine Vorspannungsschaltung 12, welche eingerichtet ist, die Elektroden des Sensors 10 bezüglich des beweglichen Teils abwechselnd mit mindestens zwei unterschiedlichen Spannungen Vm1, Vm2 vorzuspannen, beispielsweise indem die Spannungen an die Elektroden und/oder den beweglichen Teil angelegt werden. Die Vorspannungsschaltung 12 kann mit der Ausleseschaltung 11 gekoppelt sein. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel die Ausleseschaltung 11 in Abhängigkeit von dem Umschalten zwischen den Spannungen Vm1 und Vm2 das Auslesen verändern oder das Auslesen durchführen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Ausleseschaltung 11 zusätzlich oder alternativ die Vorspannungsschaltung 12 bezüglich des Umschaltens zwischen den Spannungen Vm1 und Vm2 und/oder der Größe dieser Spannungen steuern, was einen Rückkopplungspfad von einem Sensor 10 über die Ausleseschaltung 11 und die Vorspannungsschaltung 12 zurück zu dem Sensor 10 bereitstellt.
• Durch das abwechselnde, d.h. alternierende, Vorspannen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des Sensors 10 mit der Spannung Vm1 und der Spannung Vm2 und einer geeigneten Auswahl der Spannungen wie unten näher erläutert, kann eine Verstärkung des detektierten Signals erhalten werden. Diese Verstärkung, welche als Art einer superregenerativen Verstärkung gesehen werden kann, nutzt die Tatsache aus, dass ein Sensor wie oben beschrieben näherungsweise als lineares System zweiter Ordnung beschrieben werden kann, welche eine freie Antwort mit einer Hüllfunktion y(t) aufweist, welche näherungsweise durch $$y\left(t\right)=y\left(0\right)\cdot e^{-\frac{t-t_{dt}}{\tau }}$$

  

  ausgedrückt werden kann, wobei τ eine Zeitkonstante und t_dl eine Verzögerungszeit ist. Die Zeitkonstante τ kann entweder positiv (stabiler Zustand) oder negativ (instabiler Zustand) sein. Ein stabiler Zustand des beweglichen Teils, beispielsweise der beweglichen Masse, ist ein Zustand, in dem zumindest bei Abwesenheit externer Kräfte wie akustischen Kräften der bewegliche Teil in eine Gleichgewichtsposition zurückkehren, während in seinem instabilen Zustand eine Auslenkung aus der Gleichgewichtsposition größer wird. Die Zeitkonstante τ kann durch Anlegen verschiedener Spannungen an den Elektroden eines Sensors variiert werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit von der Wahl der Spannung die Zeitkonstante τ positiv oder negativ eingestellt werden. Indem periodisch zwischen einer positiven und einer negativen Zeitkonstante bei einer so genannten Quenchfrequenz umgeschaltet wird, kann eine Verstärkung erhalten werden. Die Quenchfrequenz kann für eine Anordnung wie der in 1 dargestellten durch Benutzung einer Rückkopplung wie der oben erwähnten vergrößert werden.
• In 2 ist ein Beispiel für einen Sensor in Form eines Mikrofons dargestellt. Das Mikrofon der 2 kann als ein mikroelektromechanisches System (MEMS) hergestellt sein, beispielsweise basierend auf einem Siliziumsubstrat.
• Das in 2 dargestellte Mikrofon umfasst eine obere Rückplatte 20 und eine untere Rückplatte 21, an welche jeweils eine Spannung angelegt werden kann, d.h. sie können als erste bzw. zweite Elektrode benutzt werden.
• Eine Membran ist zwischen der oberen Rückplatte 20 und der unteren Rückplatte 21 angeordnet. In einer Nullposition ist der Abstand zwischen der Membran 22 und der oberen Rückplatte 20 X0,1, und der Abstand zwischen der Membran 22 und der unteren Rückplatte 21 ist X0,2. Aufgrund mechanischer und/oder elektrischer Kräfte kann die Membran 22 verschoben, d.h. ausgelenkt, werden, beispielsweise an eine Position, in der eine verschobene Membran 22A dargestellt ist. Diese Verschiebung, d.h. Auslenkung, wird als x'₀ bezeichnet.
• Wenn das Mikrofon der 2 in dem Ausführungsbeispiel der 1 benutzt wird, können die Spannungen Vm1, Vm2 alternierend an die obere Rückplatte 20 und die untere Rückplatte 21 angelegt werden, d.h. zu einem Zeitpunkt wird die Spannung Vm1 an die obere Rückplatte 20 und die unter Rückplatte 21 angelegt, und zu einem anderen Zeitpunkt wird die Spannung Vm2 an die obere Rückplatte 20 und die untere Rückplatte 21 angelegt. Die Spannungen können auch alternierend an die Membran 22 angelegt werden.
• Eine elektrische Kraft (insbesondere elektrostatische Kraft) zwischen der verschobenen Membran 22A und der oberen Rückplatte 20 ist mit Fe,1 bezeichnet und eine elektrische Kraft (insbesondere elektrostatische Kraft) zwischen der verschobenen Membran 22A und der unteren Rückplatte 21 ist mit Fe,2 bezeichnet. Fa ist eine Kraft, welche durch eine akustische Schallwelle verursacht wird, und Fm ist eine mechanische Kraft, welche durch eine Feder 23 mit einer Federkonstanten k_mech symbolisiert ist. Es ist zu bemerken, dass in derartigen Systemen üblicherweise keine echte Feder vorliegt, sondern die Membran kann beispielsweise zwischen Halterungen oder Befestigungspunkten aufgehängt sein, und somit erzeugt eine Auslenkung der Membran aus ihrer Nullposition eine Rückstellkraft.
• V₁ ist eine Spannung zwischen der oberen Rückplatte 20 und der (verschobenen) Membran 22A, und V₂ ist eine Spannung zwischen der unteren Rückplatte 21 und der (verschobenen) Membran 22A. Die Pfeile neben den Spannungen, Abständen und Kräften geben die „positive“ Richtung der jeweiligen Größe an, d.h. eine Größe in Richtung des Pfeils ist in den folgenden Gleichungen und Erläuterungen positiv, und eine Größe in der entgegengesetzten Richtung ist negativ.
• Zur Vereinfachung von nachfolgenden Gleichungen wird eine Gleichtaktspannung V_c und eine Differenzspannung V_d derart definiert, dass $$V_1=V_c+V_d/2$$

  

  $$V_2=V_c-V_d/2$$

  
• Die Dauer einer ansteigenden Phase, d.h. einer Phase, in der das System instabil ist, wird als t_r bezeichnet, und die Dauer einer abfallenden Phase, d.h. einer Phase, in der das System stabil ist, wird als t_d bezeichnet, und die oben erwähnte Quenchfrequenz wird als f_q=1/T_q bezeichnet, wobei T_q>t_r+t_d ist.
• Als nächstes wird detaillierter beschrieben, wie die oben erläuterten Prinzipien für ein Mikrofon wie dem in 2 dargestellten oder einen ähnlichen Sensor implementiert werden können, bei welchen ein bewegliches Objekt wie eine Membran sich zwischen zwei Elektroden bewegt. Die Dynamik eines derartigen Systems kann durch ein System zweiter Ordnung angenähert werden. Die Systemdynamik hängt von dem Vorspannungszustand von Kapazitäten ab, welche durch die Elektroden und den beweglichen Teil gebildet werden. Für große Vorspannungswiderstände kann die in der Kapazität gespeicherte Ladung als konstant betrachtet werden, und das dynamische Verhalten ist näherungsweise unabhängig von der angelegten Spannung. Wenn jedoch die Vorspannungswiderstände gleich klein sind, kann die Spannung zwischen den Kondensatorplatten (beispielsweise den Elektroden wie der oberen Rückplatte 20 und der Rückplatte 21 und der Membran 22) als konstant betrachtet werden, und das dynamische Verhalten des Systems ändert sich in Abhängigkeit von der Vorspannung. Das System kann zumindest näherungsweise durch die Übertragungsfunktionen H_a(s) und H_e(s) gemäß $$H_a\left(s\right)=\frac{-\frac{Fa}{m}}{s^2+s\frac{\tau }{m}+\frac{k\text{'}}{m}}$$

  

  und $$H_c\left(s\right)=\frac{-\frac{Fa}{m}}{s^2+s\frac{\tau }{m}+\frac{k\text{'}}{m}}$$

  

  beschrieben werden, wobei H_a(s) die Membranverschiebung als eine Funktion akustischer Kräfte und H_e(s) die Membranverschiebung als Funktion elektrostatischer Kräfte beschreibt. Zur Vereinfachung wird für die folgenden Erklärungen das in 2 dargestellte Mikrofon benutzt. Es ist jedoch zu bemerken, dass die unten erläuterten Prinzipien auch auf andere Sensoren angewendet werden können, bei welchen sich ein bewegliches Objekt zwischen mindestens zwei Elektroden bewegt, beispielsweise auch Beschleunigungssensoren.
• m ist die effektive Masse der Membran, r ist eine viskose Dämpfung und k' =k_mech-k_el (V_c) stellt die effektive Federkonstante dar, wobei k_mech die mechanische Federkonstante und k_el die durch elektrische statische Kräfte verursachte „Federkonstante“ ist, welche von der Vorspannung abhängt.
• Die physikalischen möglichen freien Antworten einer derartigen Einrichtung folgen einer Hüllkurve wie in der unten stehenden Tabelle zusammengefasst:

  Art	τ	tdl	Bedingung
  ansteigend	$\frac{2Q}{{\omega }_0\left(1-\zeta \right)}$	$\tau \text{ ln}\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{2\zeta }\right)$	ξ>1
  abfallend	$\frac{2Q}{{\omega }_0\left(1-\zeta \right)}+$	0†	$Q>\frac{1}{2}$
  abfallend	$\frac{2Q}{{\omega }_0\left(1-\zeta \right)}+$	$\tau \text{ ln}\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{2\zeta }\right)+$	ξ<1

  
  
  † oszillierende Lösung,
  ‡ nicht gültig für ξ→0
  wobei $${\omega }_0^2=\frac{k\text{'}}{m};\frac{{\omega }_0}{Q}=\frac{\tau }{m};\zeta =\left|\sqrt{1-4Q^2}\right|=\left|\sqrt{1-4\frac{k\text{'}m}{{\tau }^2}}\right|$$

  
• Durch Ändern von V_c, beispielsweise durch das Anlegen unterschiedlicher Vorspannungen an die obere Rückplatte 20 und die untere Rückplatte 21 und/oder an die Membran 22 in 2 wird k' verändert, und somit steigt die Hüllkurve der freien Antwort des Systems entweder exponentiell an oder fällt exponentiell ab. Dies kann in manchen Ausführungsbeispielen benutzt werden, um im Wesentlichen das Mikrofon selbst als Verstärker zu benutzen.
• In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, welche diese Prinzipien benutzt, dargestellt. Die Schaltung des Ausführungsbeispiels der 3 ist eine Schaltung, welche keine Rückkopplung benutzt.
• In dem Schaltungsdiagramm der 3 ist ein Sensor 32 durch zwei variable Kapazitäten 33, 34 repräsentiert. Die Kapazität 33 kann die Kapazität zwischen einer ersten Elektrode und einem beweglichen Objekt sein, beispielsweise zwischen der oberen Rückplatte 20 und der Membran 22, und die Kapazität 34 kann eine Kapazität zwischen einer zweiten Elektrode und dem beweglichen Objekt sein, beispielsweise zwischen der unteren Rückplatte 21 und der Membran 22.
• Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 sind Φ₁ und Φ₂ zwei Phasen eines nicht überlappenden Taktes, welche zwei Schalter 30 bzw. 31 steuern. Mit anderen Worten werden die Schalter 30, 31 alternierend geschlossen, womit entweder eine Spannung Vm1 oder eine Spannung Vm2 an das bewegliche Objekt des Sensors 32 angelegt wird, beispielsweise an eine Membran. Eine Gleichtaktrückkopplungsschaltung 310, welcher eine (Eingangs-)Gleichtaktspannung Vcmin zugeführt wird, spannt die Elektroden, beispielsweise die obere Rückplatte 20 und die untere Rückplatte 21 der Anordnung der 2, vor. Mit den Elektroden des Sensors 32 ist ein differentieller Verstärker 37 gekoppelt. Parallel zu dem differentiellen Verstärker 37 sind auf beiden Seiten Kapazitäten 36, 38 und Schalter 35, 39 wie in 3 dargestellt bereitgestellt. Die Schalter 35, 39 werden abhängig von dem Signal Φ₂ geschaltet, d.h. diese Schalter sind geschlossen, wenn auch der Schalter 31 geschlossen ist. An Ausgängen 311, 312 kann eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen werden.
• Als nächstes wird die Arbeitsweise des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels detaillierter beschrieben Für die folgende Erklärung wird ein Sensor wie der in 2 dargestellte benutzt, es ist jedoch zu bemerken, dass auch andere Sensoren mit einem beweglichen Objekt zwischen zwei Elektroden benutzt werden können.
• Die zwei Spannungen Vm1, Vm2 sind derart gewählt, dass, wenn die Spannung Vm1 angelegt ist, das System instabil ist und wenn die Spannung Vm2 angelegt wird, das System stabil ist. Dies kann erreicht werden, indem k_el(V_c) gemäß $$k_{\text{cl}}\left(V_c\right)=\frac{4z{V}_c^2}{x_0^3}$$

  

  eingestellt wird, so dass k_e1 größer als bzw. kleiner als k_mech ist, so dass die effektive Federkonstante k' negativ bzw. positiv wird.
• z in Gleichung (7) kann definiert sein als $z=\frac{{\epsilon }_0{R}^2\pi \left(1-\frac{{\tau }_h^2{p}_h}{{\left({\tau }_h+x_0\right)}^2}\right)}{2},$

  

  wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante ist, R der Radius der in diesem Beispiel kreisförmigen Rückplattenelektroden und/oder der Membran in 2 ist, und der Ausdruck in Klammern ein Korrekturfaktor ist, welcher näherungsweise 1 ist, wobei r_h ein Radius von Löchern in den oberen und unteren Rückplatten und p_h eine Dichte derartiger Löcher ist. Derartige Löcher erlauben es beispielsweise, dass Schall zu der Membran gelangt. Bei anderen Ausführungsbeispielen werden keine Löcher benutzt, und der entsprechende Ausdruck kann weggelassen sein. In noch anderen Ausführungsbeispielen werden nicht kreisförmige Rückplattenelektroden und/oder Membrane benutzt, wobei in diesem Fall in dem obigen Ausdruck für z der Ausdruck R²π durch die Fläche der Rückplattenelektroden und/oder Membran ersetzt wird.
• Mit anderen Worten werden, wenn das Signal Φ₂ den Schalter 31 schließt, die Spannungen V₁ und V₂ auf Vm2 gesetzt, welche kleiner ist als die so genannte Pull-in-Spannung, d.h. die Spannung, welche mindestens nötig ist, ein instabiles System zu erzeugen. Somit ist das System stabil, und die Membranverschiebung x'₀ ist ein Ergebnis der akustischen Kraft Fa, welche gegen die mechanische Rückstellkraft Fm wirkt.
• Wenn nun das Signal Φ₁ den Schalter 30 schließt und auf der anderen Seite der Schalter 31 geöffnet wird, wird die Spannung Vm1 als Vorspannungsspannung benutzt, welche über der Pull-in-Spannung ist, so dass das System instabil wird und die Membran beginnt, ihre Verschiebung, d.h. Auslenkung, exponentiell zu vergrößern. Mit anderen Worten wird eine durch eine akustische Kraft verursachte Verschiebung, während der Schalter 31 geschlossen war, nun verstärkt, wenn der Schalter 30 geschlossen ist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Änderung der Vorspannungsspannung von Vm2 auf Vm1 und zurück ein Gleichtaktsignal, welches durch den differentiellen Verstärker 37 nicht verstärkt wird. Auf der anderen Seite ändert die Membranverschiebung die Kapazitäten 33, 34 des Sensors in entgegengesetzte Richtungen. Die sich ergebende Ladungsdifferenz wird in eine Spannung über die Kapazitäten 36, 38 umgewandelt, welche in 3 als Rückkopplungskapazitäten eingerichtet sind. Die Ausgangsspannung Vout ist dann $$V_{\text{out}}\left(t_r\right)=\frac{2C_o{V}_c}{C_F{x}_0}{x^{\prime }}_0\left(t_T\right)$$

  

  wobei C_F die Kapazität der Kapazitäten 36, 38 ist und C₀ die nominelle MEMS-Kapazität ist. Es ist zu bemerken, dass in Gleichung (8) die Kapazitätsänderung linearisiert wurde, was eine gute Näherung darstellt.
• Der Verstärkungsfaktor oder Verstärkungswert der durch dieses Konzept bereitgestellten Verstärkung wird während der ansteigenden Phase realisiert und hängt von den Eigenschaften des Sensors und der Dauer der ansteigenden Phase t_r ab. Die Membranverschiebung am Ende der ansteigenden Phase ist $$x{\text{'}}_0\left(t_r\right)=x{\text{'}}_0\left(0\right)\cdot \underset{Verst\ddot{a}rkung}{\underbrace{e-\frac{t_r-t_{dt,r}}{{\tau }_r}}}$$

  

  wobei x₀' (0) =-F_a/k' die Verschiebung am Anfang der ansteigenden Phase ist, t_dl,r eine Verzögerung in der ansteigenden Phase ist und τ_r eine Zeitkonstante für die ansteigende Phase ist. Beispiele für die Werte dieser Parameter und auch für den Parameter ξ für die ansteigende Phase und die abfallende Phase sind in der unten stehenden Tabelle dargestellt

  Phase	Vc[V]	τ (S)	Tdl(s)	ξ
  ansteigend	10	-8, 5371e-6	925,4586e-9	1,2586
  abfallend	0	27, 3292e-6	1,1753e-6	919,2163e-3

• Es ist zu bemerken, dass diese numerischen Werte nur zur Veranschaulichung dienen und von Sensor zu Sensor variieren können.
• Es ist zu bemerken, dass abhängig von den Werten von t_r und t_d ein Gedächtniseffekt vorliegen kann, d.h. eine derzeitige anfängliche Verschiebung x₀' (0) kann eine folgende anfängliche Verschiebung in der nächsten abfallenden Phase beeinflussen. Der Einfluss kann durch ein diskretes Zeitsystem mit der folgenden Impulsantwort geschätzt werden: $$h_i\left[n\right]={\left(e^{-\frac{t_r-t_{dt,r}}{{\tau }_r}\frac{t_d-t_{dl,d}}{{\tau }_d}}\right)}^n=a^n$$

  

  wobei a ein Parameter ist. Es ist zu bemerken, dass dies nur eine Abschätzung darstellt, da für diese Gleichung sich anfänglich nicht bewegende Membrane angenommen werden, die Membran sich am Übergang von ansteigender zu abfallender Phase jedoch üblicherweise bewegt.
• Die z-Transformierte der Impulsantwort der Gleichung (10) ist $$H_i\left(z\right)=\frac{1}{1-a{z}^{-1}}$$

  

  was der Impulsantwort eines Tiefpassfilters/verlustbehafteten Integrators entspricht. Ein Paramter a=0 würde zu keinem Gedächtniseffekt führen, was der ideale Fall für einen reinen Verstärker wäre. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann jedoch eine integrierende Funktionalität, beispielsweise als ein Teil eines Delta-Sigma-Modulators, wünschenswert und implementiert sein, beispielsweise wenn die stabile Vorspannungsspannung, d.h. die Vorspannungsspannung in der abfallenden Phase, eine Kraftrückkopplung mit differentieller Komponente aufweist, was später beschrieben werden wird.
• Um einen stabilen Betrieb zu erhalten, wird in einem Ausführungsbeispiel der Parameter a auf kleiner als eins gesetzt. Dies führt zu der folgenden Bedingung: $$-\frac{t_r-t_{dl,r}}{{\tau }_r}<\frac{t_d-t_{dl,d}}{{\tau }_d}$$

  

  was die Werte t_r, t_d beschränkt und somit wie oben beschrieben die maximale erreichbare Quenchfrequenz beschränkt, da T_q größer ist als t_r+t_d. Die Quenchfrequenz bestimmt die Auslesefrequenz oder mit anderen Worten die Abtastfrequenz. Auf der anderen Seite kann ein Begrenzen von t_r den Verstärkungsfaktor begrenzen. Daher können in Abhängigkeit von der Anwendung die Parameter ausgewählt werden, entweder einen hohen Verstärkungsfaktor oder eine hohe Quenchfrequenz zu erreichen, je nachdem was benötigt wird.
• Für einen derartigen kleinen Parameter a kann in manchen Ausführungsbeispielen ein robuster Betrieb erreicht werden, da die Membran zu einer Gleichgewichtsposition zurückkehren wird und sich sogar von einem möglichen dynamischen Hereinziehen auf die Gleichgewichtsposition erholen wird.
• Um ein Beispiel für die so verursachte Beziehung zwischen Verstärkungsfaktor und Quenchfrequenz zu geben, zeigt 5 die geschätzte Quenchfrequenz für das Ausführungsbeispiel der 3 über dem Verstärkungsfaktor (Gain).
• Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 wird das dynamische Verhalten des Systems verändert, indem die Vorspannungsspannung zwischen zwei diskreten Werten umgeschaltet wird, was einfach zu implementieren ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Umschalten zwischen mehr als zwei Spannungen implementiert sein.
• In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens schematisch dargestellt. Das in 4 dargestellte Verfahren kann in dem Ausführungsbeispiel der 1 oder 3 implementiert sein und/oder kann unter Benutzung des in 2 dargestellten Sensors implementiert sein, kann aber auch unabhängig davon implementiert sein, beispielsweise mit anderen Sensoren wie Beschleunigungssensoren oder mit anderen mit dem Sensor verbundenen Schaltungen.
• Bei 40 wird ein Sensor mit einem beweglichen Teil zwischen mindestens zwei Elektroden beispielsweise in Form eines mikroelektromechanischen Systems bereitgestellt.
• Bei 41 wird alternierend eine erste Spannung und eine zweite Spannung zwischen den Elektroden und dem beweglichen Teil angelegt.
• Bei 42 wird das mikroelektromechanische System ausgelesen, beispielsweise während die erste Spannung angelegt ist und/oder während die zweite Spannung angelegt ist.
• Wie bereits bezüglich des Ausführungsbeispiels der 1 erwähnt, kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Rückkopplung bereitgestellt sein. Während bei den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 keine derartige Rückkopplung bereitgestellt ist, kann bei anderen Ausführungsbeispielen eine derartige Rückkopplung vorhanden sein. Beispielsweise kann das alternierende Anlegen der ersten Spannung und der zweiten Spannung bei 41 in 4 von einer Rückkopplungsschleife abhängen. Weitere Rückkopplung-benutzende Ausführungsbeispiele werden nunmehr unter Bezugnahme auf 6 und 7 erläutert.
• In 6 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassend eine Rückkopplungsschleife dargestellt. Ein Sensor 60, bei dem Ausführungsbeispiel der 6 ein mikroelektromechanisches System umfassend einen beweglichen Teil und mindestens zwei Elektroden, ist bereitgestellt. Der Sensor 60 empfängt eine externe Kraft, im Falle eines Mikrofons eine akustische Kraft F_a, und eine elektrische Kraft aufgrund einer Vorspannung der Elektrode bezüglich des beweglichen Teils. Diese Kräfte werden wie durch einen Addierer 61 symbolisiert addiert und bewirken ein mechanisches Dynamikverhalten des Systems, d.h. eine Bewegung des beweglichen Teils, wie durch einen Block 62 symbolisiert. Das mechanische dynamische Verhalten 62 führt zu einer Verschiebung x₀', welche aufgrund von Kapazitätsänderungen und damit Ladungsänderungen basierend auf der Bewegung in eine Spannung Vout wie durch einen Block 64 symbolisiert konvertiert wird.
• Die Spannung Vout repräsentiert die gemessene Größe und kann weiterverarbeitet werden und wird zudem einer Steuerung 65 zugeführt, welche eine Vorspannungsspannung V_d erzeugt, welche zumindest teilweise von Vout abhängt. Die Spannung V_d führt zu der elektrischen Kraft Fe wie durch einen Block 63, welcher die Spannung in die Kraft konvertiert, symbolisiert ist.
• Es ist zu bemerken, dass verschiedene in 6 dargestellte Blöcke verschiedene Funktionen symbolisieren, aber nicht als tatsächliche Einheiten in dem System zu verstehen sind.
• Beispielsweise werden die auf den beweglichen Teil wie eine Membran wirkenden Kräfte gemäß den Gesetzen der Mechanik automatisch addiert, und kein expliziter Addierer 61 ist vorhanden, da der Addierer 61 lediglich diese mechanische Tatsache zeigt. In ähnlicher Weise bewirken auf einen beweglichen Teil wirkende Kräfte automatisch ein entsprechendes mechanisches Dynamikverhalten, wie durch den Block 62 symbolisiert, und keine spezifische Einheit wird für dieses Ergebnis benötigt. Ähnliches kann auf andere Blöcke zutreffen, beispielsweise auf die Blöcke 63 und 64.
• Um die Arbeitsweise eines Ausführungsbeispiels mit einer Rückkopplungsschleife wie dem Ausführungsbeispiel der 6 zu erklären, wird ein allgemeines Zustandsraummodell für den Sensor, in diesem Fall für das mikroelektromechanische System 60, in der Form $$\dot{\text{q}}\left(t\right)=\text{Aq}\left(t\right)+\text{Bu}\left(t\right)$$

  

  $$y\left(t\right)=C\text{q}\left(t\right)+\text{Du}\left(t\right)$$

  

  mit $$\text{q}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_0^{\text{'}}\\ {\dot{x}}_0^{\text{'}}\end{array}\right]u\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{F}_a\left(t\right)\\ V_c\left(t\right)V_d\left(t\right)\end{array}\right]$$

  

  benutzt. Die Parameter A, B, C und D sind wie folgt definiert: $$\text{A}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -\frac{k\text{'}}{m}& -\frac{\tau }{m}\end{array}\right]\text{ B}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{1}{m}& -\frac{2z}{m{x}_0^2}\end{array}\right]$$

  

  $$\text{C}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\text{ D=0}$$

  
• Die hier nicht nochmals erläuterten Größen haben die gleiche Bedeutung wie bereits unter Bezugnahme auf die 1-5 erläutert.
• Um die Auswirkungen der Rückkopplungsschleife zu erläutern, wird angenommen, dass eine Steuerung 65 die Zustandsvariablen Membranverschiebung und Geschwindigkeit der Membran, d.h. x'₀ und x'₀ oder Schätzwerte hiervon, wobei x'₀ die Ableitung von x'₀ bezüglich der Zeit ist, für die Bestimmung der Rückkopplung, d.h. die Bestimmung von V_d oder einer Abwandlung hiervon in 6, benutzt. Wenn entsprechende Gewichtungsfaktoren, d.h. „Verstärkungen“, von x₀' und x'₀ zum Erzeugen der Rückkopplung mit k_d bzw. k_v bezeichnet werden, dann kann eine neue Systemmatrix A_f, welche die obige Matrix A ersetzt, geschrieben werden als: $${\text{A}}_f=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -\frac{k\text{'}}{m}+k_d& -\frac{\tau }{m}+k_v\end{array}\right]$$

  
• Mit den folgenden Definitionen: $${\omega }_0^2=\frac{k\text{'}}{m}-k_d;\frac{{\omega }_0}{Q}-\frac{\tau }{m}-k_v$$

  

  $$\zeta =\left|\sqrt{1-4Q^2}\right|=\left|\sqrt{1-4\frac{m\left(k\text{'}-m{k}_d\right)}{{\left(r-k_{v}m\right)}^2}}\right|$$

  

  (diese Definitionen ersetzen diejenigen der Gleichung (6) für die nunmehr erfolgende Analyse der Rückkopplungsschleife) können Übertragungsfunktionen mit geschlossener Rückkopplungsschleife als $$H_a\left(s\right)=\frac{-\frac{F_a}{m}}{s^2+s\frac{{\omega }_0}{Q}+{\omega }_0^2}$$

  

  und $$H_e\left(s\right)=\frac{-\frac{F_e}{m}}{s^2+s\frac{{\omega }_0}{Q}+{\omega }_0^2}$$

  

  abgeleitet werden. Es ist aus Gleichung (21) ersichtlich, dass die Werte von ω₀ ² und ω₀/Q beliebig gewählt werden können, indem die Gewichtungsfaktoren k_d, k_v entsprechend gewählt werden, beispielsweise indem die Steuerung 65 der 6 entsprechend ausgelegt wird. Somit können die Parameter der freien Antwort und ihre Zeitkonstanten ebenso frei gewählt werden, was entsprechenden Freiraum für den Entwurf des Systems gibt. Wenn beispielsweise eine Membrangeschwindigkeit von 0 angenommen wird (x₀'=0), weist die freie Antwort die Form $$\begin{array}{l}\frac{x_0^{\text{'}}\left(t\right)}{x_0^{\text{'}}\left(0\right)}=e^{-\frac{{\omega }_0}{2Q}t}\text{cosh }\left(\frac{{\omega }_0\sqrt{1-4Q^2}}{2Q}t\right)\\ +e^{-\frac{{\omega }_0}{2Q}t}\frac{1}{\sqrt{1-4Q^2}}\text{ sinh }\left(\frac{{\omega }_0\sqrt{1-4Q^2}}{2Q}t\right)\end{array}$$

  

  auf.
• Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein Sensor separate Treiberkapazitäten, d.h. Kapazitäten welche vorgespannt werden können, und Messkapazitäten, d.h. Kapazitäten zum Auslesen des Sensors, aufweisen. Derartige getrennte Treiber- und Messkapazitäten werden beispielsweise manchmal bei Beschleunigungssensoren oder Gyroskopen verwendet. Auf der anderen Seite werden bei Mikrofonen wie dem in 2 dargestellten häufig Kapazitäten, welche sowohl zum Treiben als auch zum Messen/Erfassen benutzt werden, verwendet, bei dem Ausführungsbeispiel der 2 die Kapazität zwischen der oberen Rückplatte 20 und der Membran 22 und der Membran 22 und der unteren Rückplatte 21.
• Ein schematisches Schaltungsdiagramm, bei welchem eine Rückkopplung mit einem derartigen Sensor verwendet werden kann, ist schematisch in den 7A und 7B, im Folgenden zusammen als 7 bezeichnet, dargestellt. Es ist zu bemerken, dass jegliche quantitative Werte, welche in 7 bezüglich Kapazitäten, Spannungen, Verstärkungen (Gain) etc. angegeben sind, nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind, da andere Ausführungsbeispiele andere Werte benutzen können. Zudem können in anderen Ausführungsbeispielen andere Schaltungsstrukturen benutzt werden.
• Bei dem Ausführungsbeispiel der 7 bezeichnet ein Bezugszeichen 70 einen Sensor, bei dem Beispiel der 7 ein Mikrofon mit zwei Elektroden und einer beweglichen Membran wie in 2 dargestellt. INPM und INPP bezeichnen Verbindungen des Sensors, welche zum Auslesen des Sensors und zum variablen Vorspannen des Sensors benutzt werden, bei dem Ausführungsbeispiel der 7 beispielsweise Verbindungen mit den zwei Elektroden, zum Beispiel Rückplatten.
• Die Verbindungen INPM, INPP sind mit negativen Eingängen von differentiellen Verstärkeranordnungen 71 bzw. 72 wie dargestellt verbunden. Jede Verstärkeranordnung 71, 72 umfasst eine Kapazität und einen Widerstand parallel zu dem jeweiligen Verstärker, wobei der Kapazitätswert der Kapazität im Folgenden als C_F bezeichnet wird. Weiterhin sind mit INPM, INPP Kapazitäten 78 gekoppelt, deren Kapazitätswerte im Folgenden mit C_c bezeichnet werden und welche als Kompensationskapazitäten arbeiten. Alle Kapazitäten können insbesondere mit einem oder mehreren Kondensatoren implementiert sein. Jede der Verstärkeranordnungen 71, 72 bringt ihre entsprechende Kapazitätsplatte oder -elektrode, beispielsweise die Rückplatte 20 oder 21 in 2, auf eine Spannung, welche dem jeweiligen nicht invertierenden Eingang des jeweiligen Operationsverstärkers zugeführt wird, d.h. dem mit + bezeichneten Eingang in 7. Diesem Eingang wird ein erstes Rückkopplungssignal über einen ersten Rückkopplungspfad, welcher eine Verstärkeranordnung 76 umfasst, zugeführt. Die Verstärkeranordnung 76 kann einen Verstärkungsfaktor von 1 oder näherungsweise 1 aufweisen. Um eine Ladungsänderung zu detektieren, welche nur von einer Membranbewegung herrührt, d.h. von dem von dem Sensor zu detektierenden Ereignis herrührt, und um einen Effekt zu verwerfen, welcher voneiner erzwungenen Änderung der differentiellen Spannung herrührt, d.h. einer Spannungsänderung aufgrund der Rückkopplung und dem alternierenden Anlegen von verschiedenen Spannungen, stellt ein zweiter Rückkopplungspfad ein zweites Rückkopplungssignal für negative Eingänge der Operationsverstärkeranordnungen 71, 72 über die Kompensationskapazitäten 78 bereit. Eine Verstärkeranordnung 77 treibt die Kompensationskapazitäten 78. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Leitungskompensationskapazitäten 78 und ein Verstärkungsfaktor A_c der Verstärkeranordnung 77 derart gewählt, dass $$C_0{V}_d=V_d\left(A_c-1\right)C_c$$

  
• Durch Benutzung einer Kapazität der gleichen Größe wie die nominelle Kapazität des Sensors 70, d.h. der Kapazität ohne angelegte Vorspannungsspannung, wird beispielsweise ein Verstärkungsfaktor von zwei ausgewählt. Um dies zu erhalten, kann beispielsweise die Verstärkeranordnung 77, welche die Kompensationskapazität 78 treibt, einen Verstärkungsfaktor von zwei oder näherungsweise zwei aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann C_c gewählt werden, geringfügig größer als C₀ zu sein, um eine Übertragungsnull in der Übertragungsfunktion mit geöffneter Rückkopplungsschleife der Vorrichtung der 7 zu vermeiden.
• Mit den bislang diskutierten Elementen der 7 ist die Verschiebung der Membran des Sensors 70 proportional zur Summe der Spannungen über die Kapazitäten der Verstärkeranordnungen 71, 72. Um die Summe dieser Spannungen, welche dann dem Ausgangssignal des Sensors entsprechen, zu erhalten, ist eine differentielle Differenzverstärkeranordnung 73 bereitgestellt. Die differentielle Differenzverstärkeranordnung 73 dient zudem als Steuerung in der Rückkopplungsschleife für den ersten Rückkopplungspfad und den zweiten Rückkopplungspfad des Ausführungsbeispiels der 7. Mit anderen Worten werden durch die differentielle Differenzverstärkeranordnung effektiv die oben erwähnten Werte für k_d und k_v bestimmt. Ein Ausgang der differentiellen Differenzverstärkeranordnung 73, welche mit VMP, VMM bezeichnet wird, wird einer Schaltanordnung 74 zugeführt, welche dazu dient, zwischen der ansteigenden und abfallenden Phase der Anordnung umzuschalten, indem effektiv die Ausgänge der differentiellen Differenzverstärkeranordnung 73 vertauscht werden. Dies ändert effektiv die Vorzeichen von k_d und k_v. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Verstärkungsfaktor der differentiellen Differenzverstärkeranordnung 73, d.h. k_d und k_v, derart gewählt, dass durch Ändern der Vorzeichen zwischen stabilen und instabilen Einstellungen gewechselt wird oder mit anderen Worten zwischen ansteigender und abfallender Phase gewechselt wird. Die Ausgabe der Schaltung 74 wird über eine Anordnung 75 den Verstärkeranordnungen 76 bzw. 77 zugeführt.
• Die Verstärkerstruktur des Ausführungsbeispiels der 7 kann auch als pseudodifferentielle Struktur bezeichnet werden.
• Bei dem Ausführungsbeispiel der 7 wird der Sensor immer jenseits seines so genannten Pull-in-Punkts betrieben. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel gibt es, wenn aus irgendeinem Grund die Verschiebungsmessung fehlerhaft wird, beispielsweise durch eine Leckage der Kapazitäten der Verstärkeranordnungen 71, 72, die Möglichkeit, dass die Membran des Sensors kollabiert. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird ein Auffrischungszyklus eingeführt, um dies zu verhindern, während welchem der Sensor unterhalb seines Pull-in-Punkts vorgespannt wird. Dies ermöglicht es der Membran, in ihre Gleichgewichtsposition zurückzukehren.
• Während das obige Ausführungsbeispiel als Verschiebungsrückkopplung (k_d≠0) und Geschwindigkeitsrückkopplung (k_v≠0) benutzend beschrieben wurde, kann bei anderen Ausführungsbeispielen nur eine dieser Rückkopplungsarten benutzt werden.
• Der Verstärkungsfaktor eines Rückkopplung benutzenden Ausführungsbeispiels wie den Ausführungsbeispielen der 6 und 7 folgt im Wesentlichen der gleichen allgemeinen Gesetzmäßigkeit wie für den Fall ohne Rückkopplung erläutert und wie beispielsweise in Gleichung (9) ausgedrückt. Mit Rückkopplung kann jedoch die effektive Zeitkonstante τ kleiner gewählt werden, und somit können in manchen Ausführungsbeispielen höhere Verstärkungsfaktoren und/oder höhere Frequenzen erhalten werden. Wenn jedoch die Quenchfrequenz und der Verstärkungsfaktor, welcher durch ein Ausführungsbeispiel ohne Rückkopplung ermöglicht ist, für eine bestimmte Anwendung ausreichend ist, kann ein Ausführungsbeispiel ohne Rückkopplung benutzt werden, da die Schaltungsstruktur einfacher ist. Weiterhin ist in einem Fall mit Rückkopplung der anfängliche Zustand nicht -F_a/k', sondern $$x_0^{\text{'}}\left(0\right)=\frac{-F_a}{k\text{'}-m{k}_d}$$

  
• Mit anderen Worten unterscheidet sich die von der akustischen Kraft im Falle eines Mikrofons oder durch die Schwerkraft oder eine Beschleunigung im Fall eines Beschleunigungssensors verursachte anfängliche Verschiebung von dem Fall ohne Rückkopplung.
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als einschränkend auszulegen, sondern wurden lediglich bereitgestellt, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Möglichkeiten zur Implementierung der vorliegenden Erfindung zu geben. Beispielsweise können Schaltungselemente durch andere Elemente mit der gleichen oder einer ähnlichen Funktion ersetzt werden oder können abhängig von den Umständen vollständig weggelassen werden.

Claims (23)

1. Vorrichtung, umfassend: einen Sensor (10; 32; 60; 70) umfassend einen beweglichen Teil (22) und mindestens zwei Elektroden (20, 21) und eine Vorspannungsschaltung (12; 65), welche eingerichtet ist, alternierend mindestens eine erste Spannung und mindestens eine zweite Spannung an dem Sensor (10; 32; 60; 70) anzulegen, wobei das Anlegen der mindestens einen ersten Spannung einem stabilen Zustand des beweglichen Teils (22) zugeordnet ist und das Anlegen der mindestens einen zweiten Spannung einem instabilen Zustand des beweglichen Teils (22) zugeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorspannungsschaltung (12; 65) eingerichtet ist, die mindestens eine erste Spannung und die mindestens eine zweite Spannung alternierend an entweder dem beweglichen Teil (22) oder den mindestens zwei Elektroden (20, 21) anzulegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im stabilen Zustand eine effektive Federkonstante des beweglichen Teils (22) positiv und im instabilen Zustand eine effektive Federkonstante des beweglichen Teils (22) negativ ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, weiter umfassend einen Rückkopplungspfad von einem Ausgang des Sensors (60; 70) zu der Vorspannungsschaltung (65), wobei die Vorspannungsschaltung (65) eingerichtet ist, die mindestens eine erste Spannung und die mindestens eine zweite Spannung in Abhängigkeit von einem über den Rückkopplungspfad empfangenen Signal bereitzustellen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der Sensor (10; 32; 60; 70) ein Mikrofon, einen Beschleunigungssensor oder ein Gyroskop umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Sensor (10; 32; 60; 70) als mikroelektromechanisches System implementiert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die mindestens zwei Elektroden eine erste Platte (20) und eine zweite Platte (21) umfassen, wobei der bewegliche Teil eine zwischen der ersten Platte (20) und der zweiten Platte (21) aufgehängte Membran (22) umfasst.
8. Vorrichtung, umfassend: einen Sensor (32) umfassend eine erste Elektrode (20), einen beweglichen Teil (22) und eine zweite Elektrode (21), wobei eine erste Kapazität (33) zwischen der ersten Elektrode (20) und dem beweglichen Teil (22) und eine zweite Kapazität (34) zwischen dem beweglichen Teil (22) und der zweiten Elektrode (21) definiert ist, eine erste Spannungsquelle, einen ersten Schalter (30), welcher die erste Spannungsquelle mit dem beweglichen Teil (22) oder den ersten und zweiten Elektroden (20, 21) koppelt, und einen zweiten Schalter (31), welcher eine zweite Spannungsquelle mit dem beweglichen Teil (22) oder den ersten und zweiten Elektroden (20, 21) koppelt, wobei eine erste Spannung der ersten Spannungsquelle einem stabilen Zustand des beweglichen Teils (22) zugeordnet ist und eine zweite Spannung der zweiten Spannungsquelle einem instabilen Zustand des beweglichen Teils (22) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend mindestens einen Taktgeber (Φ₁, Φ₂) welcher mit dem ersten Schalter (30) und dem zweiten Schalter (31) gekoppelt ist und eingerichtet ist, den ersten Schalter (30) und den zweiten Schalter (31) alternierend zu schließen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend einen Verstärker (37), wobei ein erster Eingang des Verstärkers (37) mit der ersten Elektrode (20) und ein zweiter Eingang des Verstärkers (37) mit der zweiten Elektrode (21) gekoppelt ist, wobei ein erster Ausgang des Verstärkers mit einem ersten Ausgangsanschluss (311) gekoppelt ist und ein zweiter Ausgang des Verstärkers (37) mit einem zweiten Ausgangsanschluss (312) gekoppelt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend mindestens einen weiteren Schalter (35, 39), welcher parallel zu dem Verstärker (37) gekoppelt ist, wobei der mindestens eine weitere Schalter (35, 39) eingerichtet ist, synchron mit dem zweiten Schalter (31) betrieben zu werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, weiter umfassend mindestens eine dritte Kapazität (36, 38), welche parallel mit dem Verstärker gekoppelt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, weiter umfassend eine Vorspannungsschaltung (310), welche mit der ersten Elektrode (20) und der zweiten Elektrode (21) gekoppelt ist.
14. Vorrichtung, umfassend: einen Sensor (70) umfassend eine erste Elektrode (20), eine zweite Elektrode (21) und einen zwischen der ersten Elektrode (20) und der zweiten Elektrode (21) angeordneten beweglichen Teil (22), eine erste Verstärkeranordnung (71), wobei ein erster Eingang der ersten Verstärkeranordnung (71) mit der ersten Elektrode (20) gekoppelt ist, eine zweite Verstärkeranordnung (72), wobei ein erster Eingang der zweiten Verstärkeranordnung (72) mit der zweiten Elektrode (21) gekoppelt ist, und eine Rückkopplungsschleife, welche zwischen Ausgängen der ersten Verstärkeranordnung (71) und der zweiten Verstärkeranordnung (72) und zweiten Eingängen der ersten Verstärkeranordnung (71) und der zweiten Verstärkeranordnung (72) über eine Kopplung gekoppelt ist, wobei der Rückkopplungspfad eine Schaltung (74) umfasst, welche eingerichtet ist, alternierend ein erstes Rückkopplungssignal und ein zweites Rückkopplungssignal in dem Rückkopplungspfad zu vertauschen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Rückkopplungsschleife eine weitere Kopplung zwischen den Ausgängen der ersten Verstärkeranordnung (71) und der zweiten Verstärkeranordnung (72) und den ersten Eingängen der ersten Verstärkeranordnung (71) und der zweiten Verstärkeranordnung (72) umfasst.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die weitere Kopplung eine Kopplung über Kapazitäten (78) ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Rückkopplungsschleife eine dritte Verstärkeranordnung (76), welche eingerichtet ist, ein über die Kopplung bereitgestelltes erstes Signal zu verstärken, und eine vierte Verstärkeranordnung (77) umfasst, welche eingerichtet ist, ein über die weitere Kopplung bereitgestelltes zweites Signal zu verstärken, wobei ein Verstärkungsfaktor der vierten Verstärkeranordnung (77) größer ist als ein Verstärkungsfaktor der dritten Verstärkeranordnung (76).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Verstärkungsfaktor der vierten Verstärkeranordnung (77) näherungsweise doppelt so groß ist wie ein Verstärkungsfaktor der dritten Verstärkeranordnung (76).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14-18, wobei der Rückkopplungspfad eine differentielle Differenzverstärkeranordnung (73) umfasst, wobei Eingänge der differentiellen Differenzverstärkeranordnung (73) mit den Ausgängen der ersten Verstärkeranordnung (71) und der zweiten Verstärkeranordnung (72) gekoppelt sind.
20. Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Sensors (10; 32; 60; 70) umfassend einen beweglichen Teil (22), welcher zwischen mindestens zwei Elektroden (20, 21) angeordnet ist, und Alternierendes Schalten einer Vorspannungsspannung für den Sensor (10; 32; 60; 70) zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Werten, wobei das Umschalten der Vorspannungsspannung ein Umschalten des Sensors (10; 32; 60; 70) zwischen einem stabilen Zustand und einem instabilen Zustand umfasst.
21. Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend Bereitstellen der mindestens zwei unterschiedlichen Spannungen in Abhängigkeit einer Ausgabe des Sensors (60; 70).
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, weiter umfassend Erzeugen eines ersten Rückkopplungssignals basierend auf der Ausgabe des Sensors (70) mit einer ersten Verstärkung und Erzeugen eines zweiten Rückkopplungssignals basierend auf der Ausgabe des Sensors (70) mit einer zweiten Verstärkung, welche sich von der ersten Verstärkung unterscheidet.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-22, wobei der Sensor ein Mikrofon, einen Beschleunigungssensor oder ein Gyroskop umfasst.

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