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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kalibriervorrichtung für einen Sensor, einen Sensor und ein Verfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auf eine Vielzahl von Sensoren anwendbar, wird die vorliegende Erfindung im Folgenden in Bezug auf Beschleunigungssensoren näher beschrieben.
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Es ist heut in einer Vielzahl von Anwendungen notwendig, Bewegungen zu detektieren bzw. zu erfassen. Beispielsweise wird in einer ESP-Anwendung (elektronisches Stabilitätsprogramm) die Bewegung eines Fahrzeugs erfasst, um diese mit einer Modellgröße abzugleichen, welche eine theoretische Bewegung des Fahrzeugs anzeigt.
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Als Bewegungssensoren zum Erfassen von Bewegungen können dabei z.B. Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Beschleunigungssensoren messen dabei eine Beschleunigung, indem die auf eine Masse wirkende Trägheitskraft gemessen wird.
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Beschleunigungssensoren können dabei beispielsweise als piezokeramische Systeme oder als mikromechanische Systeme ausgebildet sein. Insbesondere können Beschleunigungssensoren auch als Transistoren mit beweglicher Gate-Elektrode (Moving-Gate Sensoren) ausgebildet sein.
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Moving-Gate Sensoren besitzen einen sehr hohen Signal-Rausch-Abstand und eignen sich daher auch zur Aufnahme sehr kleiner Beschleunigungen. Moving-Gate Sensoren besitzen üblicherweise einen Feldeffekttransistor mit einem beweglichen Gate. Durch eine externe Kraft wird dieses Gate in x-Richtung oder y-Richtung verschoben. Durch diese Verschiebung wiederrum ändert sich die Anzahl der Ladungsträger in dem Kanal des Feldeffekttransistors und der Widerstand des Kanals zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors sinkt oder steigt. Diese Widerstandsänderung kann durch eine einfache Messung detektiert werden, indem z.B. eine konstante Spannung an den Feldeffekttransistor angelegt wird und der resultierende Strom gemessen wird oder indem ein konstanter Strom an den Feldeffekttransistor angelegt wird und der resultierende Spannungsabfall über dem Feldeffekttransistor gemessen wird.
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Die Sensitivität solcher Moving-Gate Sensoren wird maßgeblich durch die Oberflächenladungen bestimmt, welche sich zwischen dem Kanal und dem Gate des Feldeffekttransistors befinden. Diese Oberflächenladungen führen zu fertigungsbedingten Sensitivitätsschwankungen und auch zu Sensitivitätsschwankungen über die Zeit. Dies erschwert den Einsatz solcher Moving-Gate Sensoren in industriellen Anwendungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Kalibriervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Kalibriervorrichtung für einen Sensor, insbesondere einen Beschleunigungssensor mit beweglicher Gate-Elektrode, mit mindestens einer Strommesseinrichtung, mit einer regelbaren Spannungsquelle, welche elektrisch mit einem Sensorelement des Sensors gekoppelt ist, mit einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Spannungsquelle derart zu regeln, dass eine Spannung an dem Sensorelement mindestens drei unterschiedliche Spannungswerte aufweist, wobei die Strommesseinrichtung dazu ausgebildet ist, den durch das Sensorelement fließenden Messstrom und/oder den Grundstrom des jeweiligen Sensorelements bei jeder der mittels der regelbaren Spannungsquelle eingeregelten Spannungen zu messen, und mit einer Abgleicheinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Strömen und den entsprechenden eingeregelten Spannungen die Sensitivität und/oder den Offset und/oder den Drift des Sensors zu bestimmen und das Ausgangssignal des Sensors entsprechend der bestimmten Sensitivität und/oder des bestimmten Offsets anzupassen.
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Ein Sensor, insbesondere Beschleunigungssensor, mit mindestens einem Feldeffekttransistor, insbesondere mit einem ersten Feldeffekttransistor mit beweglicher Gate-Elektrode, mit einer ersten Stromquelle für jeden Feldeffekttransistor, welche einen Grundstrom des jeweiligen Feldeffekttransistors bereitstellt, mit einer zweiten Stromquelle für jeden Feldeffekttransistor, welche einen Messstrom für den jeweiligen Feldeffekttransistor bereitstellt, und mit einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung.
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Ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung, mit den Schritten Regeln einer Spannung an einem Messelement des Sensors, derart, dass die Spannung an dem Sensorelement mindestens drei unterschiedliche Spannungswerte aufweist, Erfassen des durch das Sensorelement fließenden Messstroms und/oder des Grundstroms des jeweiligen Sensorelements bei jeder der mittels der regelbaren Spannungsquelle eingeregelten Spannungen, Bestimmen der Sensitivität und/oder des Offsets des Sensors basierend auf den erfassten Strömen und den entsprechenden eingeregelten Spannungen, und Anpassen des Ausgangssignals des Sensors entsprechend der bestimmten Sensitivität und/oder des bestimmten Offsets.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die Qualität der Messergebnisse eines Sensors durch einen Abgleich des Sensors verbessert werden kann.
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, mit welcher ein Sensor sehr präzise abgeglichen werden kann.
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Werden, wie erfindungsgemäß vorgesehen, die Stromwerte des Messstroms und/oder des Grundstroms eines Sensors bei unterschiedlichen Spannungen gemessen, wird es möglich, basierend auf den gemessenen Strömen und/oder den Spannungen die Sensitivität und/oder den Offset eines Sensors zu bestimmen. Mittels der erfindungsgemäßen Abgleicheinrichtung kann daraufhin eine Messwert des Sensors basierend auf der bestimmten Sensitivität und dem bestimmten Offset angepasst werden.
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Wird eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung in einem Sensor angeordnet oder mit einem Sensor gekoppelt, wird dadurch eine Kalibrierung des Sensors im Betrieb möglich. Dies ermöglicht es auch, in der Produktion des Sensors den Schritt der Endmessung und Kalibrierung entfallen zu lassen. Dadurch wird ein erfindungsgemäßer Sensor einfacher herstellbar.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Spannungsquelle derart zu regeln, dass eine Spannung an dem Sensorelement mindestens entweder als eine Spannung von null Volt, als eine negativen Spannung, als eine Spannung, welche dem Arbeitspunkt des Sensorelements entspricht, als eine Spannung, welche über dem Arbeitspunkt des Sensorelements liegt, oder als eine Spannung, welche zwischen null Volt und der Spannung, welche dem Arbeitspunkt jedes Sensorelements entspricht, ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, relevante Kenndaten zur Kennlinie eines Sensors zu erfassen. Dadurch wird es beispielsweise möglich in der Abgleicheinrichtung eine Rekonstruktion der Kennlinie des Sensors durchzuführen und das Ausgangssignal basierend auf der rekonstruierten Kennlinie des Sensors anzupassen.
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In einer Ausführungsform ist die Abgleicheinrichtung ferner dazu ausgebildet, basierend auf den gemessenen Strömen und den entsprechenden eingeregelten Spannungen eine Arbeitspunktverschiebung des Sensors zu bestimmen. Wird eine Arbeitspunktverschiebung des Sensors bestimmt, kann die Spannungs- und/oder Stromversorgung des Sensors dieser Arbeitspunktverschiebung angepasst werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Sensor immer in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird und so z.B. die maximale Sensitivität aufweist.
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In einer Ausführungsform weist der Sensor zumindest einen ersten Feldeffekttransistor und einen zweiten Feldeffekttransistor auf, wobei der erste Feldeffekttransistor bei Beschleunigung in einer ersten vertikalen Richtung einen positiven Ausschlag und der zweite Sensor bei Beschleunigung in der ersten vertikalen Richtung einen negativen Ausschlag erzeugt und/oder wobei der erste Feldeffekttransistor bei Beschleunigung in einer ersten horizontalen Richtung einen positiven Ausschlag und der zweite Sensor bei Beschleunigung in der ersten horizontalen Richtung einen negativen Ausschlag erzeugt. Werden zwei Feldeffekttransistoren in einem Sensor eingesetzt, können z.B. Verzerrungen der Beschleunigungsmessung, welche z.B. Systembedingt bei einem Feldeffekttransistor bei einer Beschleunigung in eine bestimmte Richtung auftreten, kompensiert werden.
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In einer Ausführungsform sind die erste Stromquelle und/oder die zweite Stromquelle als Stromspiegel ausgebildet, wobei die erste Stromquelle einen Konstant-Stromregler aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, den Grundstrom auf einen konstanten Wert zu regeln, und/oder wobei der Regeleingang der zweiten Stromquelle mit dem Feldeffekttransistor derart gekoppelt ist, dass eine Widerstandsschwankung in dem Kanal des Feldeffekttransistor eine Stromänderung in dem Ausgangsstrom der zweiten Stromquelle hervorruft. Dies ermöglicht eine einfache Versorgung des Sensors mit einem konstanten Strom zur Arbeitspunkteinstellung durch die erste Stromquelle. Der Strom, welcher durch den Feldeffekttransistor fließt ändert sich folglich in dem Messbereich des Sensors um den Arbeitspunkt. Wird der zweite Stromspiegel derart angeordnet, dass diese Stromänderungen um den Arbeitspunkt dem Steuereingang des zweiten Stromspiegels zugeführt werden, so spiegelt der Stromspiegel diese Stromschwankungen auf den Ausgang des Stromspiegels. An diesem Ausgang kann daraufhin ein Strom gemessen werden, welcher kennzeichnen für die gemessene Beschleunigung ist.
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In einer Ausführungsform ist der Sensors als mikroelektromechanisches System ausgebildet. Dies ermöglicht eine sehr einfache Herstellung eines Sensors. Ein mikroelektromechanisches System kann beispielsweise durch heute gut erforschte und allgemein beherrschbare Prozesse der Halbleiterherstellung in Silizium gefertigt werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung;
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2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors;
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3 ein Ablaufidagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors mit beweglicher Gate-Elektrode;
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5 Eine Spannungs-/Strom-Kurve für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors mit beweglicher Gate-Elektrode.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung 1.
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Die Kalibriervorrichtung 1 weist eine Strommesseinrichtung 2 auf, diese ist in 1 elektrisch mit einem Sensor 10 gekoppelt. Ferner weist die Kalibriervorrichtung 1 eine regelbare Spannungsquelle 3 auf, welche ebenfalls elektrisch mit dem Sensors 10 gekoppelt ist.
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Die Kalibriervorrichtung 1 weist ferner eine Steuereinrichtung 4 auf, welche dazu ausgebildet ist, die Spannungsquelle 3 derart zu regeln, dass diese dem Sensor 10 mindestens drei unterschiedliche Spannungen mit unterschiedlichen Spannungswerten bereitstellt.
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Die Strommesseinrichtung 2 ist dazu ausgebildet, den durch den Sensor fließenden Messstrom 6 und/oder den Grundstrom 6 des jeweiligen Sensorelements bei jeder der mittels der regelbaren Spannungsquelle 3 eingeregelten Spannungen zu messen.
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Schließlich weist die Kalibriervorrichtung 1 eine Abgleicheinrichtung 7 auf, welche dazu ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Strömen 6 und den entsprechenden eingeregelten Spannungen 5 die Sensitivität und/oder den Offset des Sensors 10 zu bestimmen und das Ausgangssignal des Sensors 10 entsprechend der bestimmten Sensitivität und/oder des bestimmten Offsets anzupassen.
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Die Strommesseinrichtung 2 ist in einer Ausführungsform als Shunt-Widerstand 2 ausgebildet. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung 2 als kontaktlose Strommesseinrichtung 2 ausgebildet.
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Die Steuereinrichtung 4 kann beispielsweise als Mikrocontroller 4 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform weist der Mikrocontroller 4 auch die Abgleicheinrichtung 7 auf und ist mit der Strommesseinrichtung 2 z.B. über einen analog-/digital-Wandler gekoppelt, welcher dazu ausgebildet ist, z.B. die über einen Shuntwiderstand abfallende Spannung zu erfassen.
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In weiteren Ausführungsformen ist die Auswerteeinrichtung 7 nicht als Mikrocontroller 7 sondern als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder als konfigurierbarer Logikbaustein ausgebildet.
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In einer Ausführungsform kann die Strommesseinrichtung 2 als Stromsensor 2 mit digitaler Datenschnittstelle ausgebildet sein. In solch einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung 7 mit der Strommesseinrichtung 2 z.B. über eine SPI-Schnittstelle, eine I2C-Schnittstelle oder dergleichen gekoppelt.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Der Sensor 10 weist einen Feldeffekttransistor 11 auf. In einer Ausführungsform weist der Feldeffekttransistor 11 eine bewegliche Gate-Elektrode 20 auf. Der Sensor 10 weist ferner eine erste Stromquelle 12 für den Feldeffekttransistor 11 auf, welche einen Grundstrom 6 des jeweiligen Feldeffekttransistors 11 bereitstellt. Der Grundstrom 6 dient dazu, den Feldeffekttransistor in seinem Arbeitspunkt zu betreiben.
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Der Feldeffekttransistor 11 weist ferner eine zweite Stromquelle 13 für den Feldeffekttransistor 11 auf, welche einen Messstrom 6 für den Feldeffekttransistors 11 bereitstellt. Schließlich weist der Sensor 10 eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung 1 auf, welche mit dem Feldeffekttransistor 11 gekoppelt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor 11 nicht nur einen Feldeffekttransistor 11 sondern mindestens zwei Feldeffekttransistoren 11 auf. Dabei sind die Feldeffekttransistoren 11 in einer Ausführungsform gegensinnig angeordnet. Dies bedeutet, dass bei einer Beschleunigung in eine Richtung einer der Feldeffekttransistoren 11 ein positives Beschleunigungssignal erfasst und der zweite Feldeffekttransistor 11 ein negatives Beschleunigungssignal erfasst.
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In noch einer Ausführungsform werden in einem Sensor eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren 11 derart kombiniert, dass der Sensor Beschleunigungen in mindestens drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen erfassen kann.
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3 zeigt ein Ablaufidagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt S1 wird eine Spannung an einem Messelement des Sensors 10, derart geregelt, dass die Spannung 5 an dem Sensorelement mindestens drei unterschiedliche Spannungswerte aufweist. Dabei bedeutet dies nicht, auch wenn unterschiedliche Spannungen in einem einzelnen Schritt S1 erzeugt werden, dass diese Spannungen gleichzeitig erzeugt werden. Vielmehr können die Spannungen nacheinander erzeugt werden.
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In einem zweiten Schritt S2 wird der durch das Sensorelement 11 fließenden Messstroms 6 und/oder der Grundstroms 6 des jeweiligen Sensorelements 11 bei jeder der eingeregelten Spannungen 5 erfasst.
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In einem dritten Schritt S3 werden die Sensitivität und/oder der Offsets des Sensors 10 basierend auf den erfassten Strömen 6 und den entsprechenden eingeregelten Spannungen 5 erfasst.
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Schließlich wird in einem letzten Schritt S4 das Ausgangssignal des Sensors 10 entsprechend der bestimmten Sensitivität und/oder des bestimmten Offsets angepasst.
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4 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors 11 mit beweglicher Gate-Elektrode 20.
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Der Feldeffekttransistors 11 weist ein Substrat 14 auf, auf welchem der Feldeffekttransistors 11 aufgebaut ist. In dem Substrat 14 sind die Drain- 16 und Source- 17 Elektroden angeordnet, zwischen denen sich der Kanal 15 des Feldeffekttransistors 11 befindet. Der Kanal 15 wird von einer Isolationsschicht 18 bedeckt, auf welche Oberflächenladungen 19 dargestellt sind. Schließlich ist mit einem Abstand, welcher in etwa der halben Dicke des Substrats 14 entspricht ein bewegliches Gate 20 über dem Kanal 15 und der Isolationsschicht 18 angeordnet. Schließlich sind an dem bewegliches Gate 20 die zwei Achsen X und Y angezeichnet. Dabei ist die X-Achse in vertikaler Richtung und die Y-Achse in horizontaler Richtung angezeichnet.
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5 zeigt Eine Spannungs-/Strom-Kurve für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors 11 mit beweglicher Gate-Elektrode 20.
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In dem Diagramm in 5 ist an der Ordinatenachse der Strom Ids zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors 11 und an der Abszissenachse die Spannung Ugs zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors 11 aufgetragen. In dem Diagramm verläuft eine Kurve, welche der Kennlinie einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors 11 entspricht. In dem Diagramm sind ferner vier Spannungen durch gestrichelte vertikale Linien P1–P4 markiert. Dabei befindet sich die erste Linie bei P1 bei einer Spannung von 0 Volt. Die zweite Linie P2 befindet sich bei einer Spannung, bei welcher die Kennlinie des Feldeffekttransistors 11 weitgehend eben, also ohne eine Steigung – verläuft. Die dritte Linie P3 befindet sich zwischen der ersten Linie P1 und der zweiten Linie P3 ca. bei einem Drittel des Abstands zwischen der ersten Linie P1 und der zweiten Linie P2. Schließlich ist die vierte Linie bei einer negativen Spannung angetragen und befindet sich in etwa in gleichem Abstand von der ersten Linie P1, wie die dritte Linie P3.
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Bis zu einer Spannung von 0Volt verläuft die Kurve bei einem Strom von 0A. Von 0V steigt die Kurve für ca. 1/10 des Abstands zwischen der ersten Linie P1 und der zweiten Linie P2 mit sehr starkem Gradienten an. Danach flacht die Kurve bis zur zweiten Linie P2 ab, von wo an sie im Wesentlichen eben verläuft.
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In 5 wird deutlich, wie durch das Messen der Ströme bei unterschiedlichen Spannungen die Kennlinie eines Feldeffekttransistors 11 rekonstruiert werden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
