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Die
Erfindung betrifft ein integriertes Gerät zum kapazitiven Messen von
Nanometerabständen, welches
das Messen von absoluten Abständen
der Größenordnung
ein Nanometer ermöglicht.
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Geräte zum kapazitiven
Messen von Nanometerabständen
bestehen aus einem mikromechanischen Finder und einer elektronischen
Schaltung, die Eingangssignale für
den mikromechanischen Fühler bildet
und Ausgangssignale des Fühlers
bearbeitet.
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Bisher
entwickelte Geräte
zum kapazitiven Messen von Nanometerabständen werden größtenteils
in Hybridtechnik gefertigt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass
ihr mikromechanischer Fühler
eine bewegliche Platte mit der Fläche von einigen Quadratmillimetern
enthält
und ihre Messkapazitat in einem Bereich von 5 pF bis 30 pF liegt,
wie z. B. beschrieben in "Sensors
and Actuators A",
39 (1993), 209–217).
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Dabei
wird jedoch die bewegliche Platte des mikromechanischen Fühlers in
einer anderen Technologie hergestellt als die dazugehörige elektronische
Schaltung. Das spiegelt sich in hohem Preis solcher Geräte wider.
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Es
gibt auch Geräte
zum kapazitiven Messen von Nanometerabständen, in denen die bewegliche Platte
des mikromechanischen Fühlers
zusammen mit der dazugehörigen
elektronischen Schaltung integriert ist. Mit ergänzenden technologischen Schritten
wird der mikromechanische Fühler
auf das übrige Gerät aufgebaut,
wobei die ergänzenden
Schritte keine beträchtliche
Abweichung von der Technologie der Herstellung der integrierten
Schaltung darstellen, was zu relativ günstigen Fertigungskosten führt. Doch
beträgt
die Messkapazität
des Fühlers
nur zwischen 0,1 pF und 1 pF. Solche Messgeräte sind deshalb in ihrem Verhalten
weniger günstig
als Hybridgeräte
Hinblick auf das Abtasten der Signale werden die folgenden zwei
Ausführungen
angewendet.
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Häuifig erfolgt
eine differentiale Abstandsmessung. Dabei wird eine bewegliche Platte
eines mikromechanischen Fühlers
ist zwischen zwei fest eingebauten Platten befestigt und bildet
mit ihnen zwei Kondensatoren (Analog Devices ADXL50). Sie werden
an gegenphasige Ausgänge
eines Signalgenerators angeschlossen. Wenn die bewegliche Platte sich
in der Mitte zwischen den fest eingebauten Platten befindet, heben
sich die Signale gegenseitig auf. Der Ausgang des Fühlers ist
an einen synchronisierten Demodulator angeschlossen. Diese Ausführung erfordert
aber eine anspruchsvolle Fertigung der beweglichen Platte and der
zwei fest eingebauten Platten. Darüber hinaus muss die bewegliche
Mittenplatte gegenüber
dem Substrat isoliert sein, da sie an den Eingang der elektronischen
Schaltung im Gerät angeschlossen
ist.
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Es
ist auch eine Ausführung
mit zwei in Brücke
geschalteten mikromechanischen Fühlern
bekannt (Proc. IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 126–131, Juni
1992). Auch bei dieser Ausführung
müssen
die beweglichen Fühlerplatten gegenüber dem
Substrat isoliert sein.
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Bei
integrierten Geräten
zum kapazitiven Messen von Nanometerabständen treten jedoch parasitäre Kapazitäten der
Platten des Fühlers
gegenüber
darunter gelegenen Schichten der integrierten Schaltung stark in
Erscheinung. Zusätzlich
wird das Ausgangssignal des Fühlers
durch die parasitäre
Kapazität
am Eingang der dazugehörenden
elektronischen Schaltung abgeschwächt.
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Ferner
ermöglichen
bekannte integrierte Geräte
zum kapazitiven Messen von Nanometerabständen meist keine absolute Messung
von Abständen. Der
Einfluss von darin vorhandenen parasitären Kapazitäten wird nicht genügend herabgesetzt,
um mittels eines Signals am Ausgang des mikromechanischen Fühlers den
Abstand zwischen der beweglichen Platte und der Fühlplatte
des Fühlers
genau bestimmen zu können.
Da jedoch die Kenntnis dieses Abstands für eine Auswertung der Fühlerempfindlichkeit
entscheidend ist, müssen
bekannte integrierte Geräte
zum kapazitiven Messen von Nanometerabständen mechanisch geeicht werden.
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In
der
EP 0 257 724 A2 und
in der
EP 0 469 634
A1 sind ist jeweils ein Wandler mit drei Plattenelektroden
beschrieben, die parallel zueinander liegen, wobei dazwischen ein
dielektrischer Film eingefügt
ist. Ferner ist darin eine Impulsphasenänderungskette vorgesehen zum
Einstellen der Impulsphase, die von der Streukapazität abhängig ist,
die durch den Abstand eines Messkörpers von einem aus zwei nebeneinander
liegenden genannten Plattenelektroden bestehenden Messkondensator
sich ändert.
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In
der
EP 0 194 953 A1 ist
ein integrierter kapazitiver Sensor für mechanische Größen beschrieben.
Der Sensor besteht aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat, das
mit einer ersten Elektrode, einer an der gegenüberliegenden Oberfläche angebrachten
Schicht aus thermischem Oxid und einer im Abstand darüber angebrachten
und an der Außenseite mit
einer zweiten Elektrode versehenen Zunge aus Siliziumoxid versehen
ist. In die innenseitige Oberflächenschicht
der Zunge sind elektrische Ladungen implantiert. Im Bereich unter
der Zunge befinden sich unter der Schicht aus thermischem Oxid ein
Kanal und an seinen Seiten eine Source-Zone und eine Drain-Zone,
die beide mit je einer darüber
angeordneten Elektrode versehen sind.
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Aus
der
GB 2 149 119 A ist
ein Höhenmessgerät bekannt,
bei dem auf einer Oberfläche
eines Substrats Sensorplatten angebracht sind, die mit einer Objektoberfläche einen
Messkondensator bilden. Auf der anderen Substratoberfläche ist
ein zur Bildung eines Bezugssignals vorgesehener Bezugskondensator
angeordnet. Eine den Messkondensator einschließende Schaltung erhält ein mit
dem Bezugssignal gesteuertes Signal. Das Messsignal und das Bezugssignal
werden in einem Komparator verglichen, um auf eine Abweichung des
gemessenen Abstandes vom Abstand der Platten im Bezugskondensator
zu schließen.
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Gemäß der
US 5 296 816 und der
JP 04086574 A ist
bei einem als integrierte Schaltung hergestellten Sensor für elektrische
Ladung neben einer die elektrische Ladung aufnehmenden Elektrode
ein gegen das Potential empfindliches Schaltgerät angeordnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem mikromechanischen
Fühler
und der zugehörigen
elektronischen Schaltung eines integrierten Gerätes zum kapazitiven Messen
von Nanometerabständen
den Einfluss parasitärer
Kapazitäten
zu vermindern oder zu beseitigen, so dass ein absolutes Messen solcher
Abstände
durchführbar
wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe nach der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen integrierten Gerät zum kapazitiven
Messen von Nanometerabständen
sind oberhalb einer in einem Substrat gebildeten Wanne elektrisch
leitende und elektrisch isolierte Platten untereinander gelegen,
wobei die Wanne über
die Fühlplatte
soweit hinausragt, dass die Kapazität der Fühlplatte gegenüber dem
Substrat auf ein Minimum reduziert wird. Dabei ist die das elektrische
Feld aufbauende Platte an einen Impulsgenerator angeschlossen, während die
Fühlplatte
an den Eingang eines Folgeverstärkers
und die Wanne an den Ausgang des Folgeverstärkers und die bewegliche Platte
an das Substrat angeschlossen sind. Am Drain eines Eingangstransistors
innerhalb des Folgeverstärkers
wird ein Potential, das einem Potential am Ausgang des Folgeverstärkers gleich
ist, aufrechterhalten.
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Das
erfindungsgemäße integrierte
Gerät zum
kapazitiven Messen von Nanometerabständen kann ferner dadurch gekennzeichnet
sein, dass die das elektrische Feld aufbauende Platte oberhalb einer
ersten Oxidschicht ausgebildet ist und die Fühlplatte in einer oberen Metallschicht
der integrierten Schaltung ausgebildet ist und dass ein großer Teil
der Fühlplatte
von der das elektrische Feld aufbauenden Platte abgeschirmt wird.
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Das
erfindungsgemäße integrierte
Gerät zum
kapazitiven Messen von Nanometerabständen kann ferner dadurch gekennzeichnet
sein, dass ein Potential am Eingang des Folgeverstärkers innerhalb eines
ersten Zeitschlitzes in jedem Zyklus einem Potential der Fühlplatte
gleich ist und innerhalb eines zweiten Zeitschlitzes in jedem Zyklus
auf der Fühlplatte
ein Potential aufgebaut wird, das bewirkt, dass die bewegliche Platte
von der Fühlplatte
herangezogen wird.
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Das
erfindungsgemäße integrierte
Gerät zum
kapazitiven Messen von Nanometerabständen kann ferner dadurch gekennzeichnet
sein, dass innerhalb des ersten Zeitschlitzes nach dem Erlöschen eines
Taktsignals bei zwei zum Umschalten zwischen dem ersten Zeitschlitz
und dem zweiten Zeitschlitz vorgesehenen Schalttransistoren, deren
Drain beziehungsweise Quelle an die Fühlplatte angeschlossen sind,
ein Potential am Substrat dieser Transistoren und Potentiale an
den Gates der Transistoren gegenüber
einem Potential am Ausgang des Folgeverstärkers parallel gehoben sind.
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Das
erfindungsgemäße integrierte
Gerät zum
kapazitiven Messen von Nanometerabständen weist gegenüber bekannten
Geräten
dieser Art insbesondere den Vorteil auf, dass es ein absolutes Messen
der Abstände
möglich
macht. Durch Aussuchen einer geeigneten Topologie wird die parasitäre Kapazität des mikromechanischen
Fühlers
auf eine einfache Weise beseitigt, und durch eine aktive Schaltung
wird der Einfluss parasitärer
Kapazitäten in
der dazugehörigen
Schaltung behoben. Das erfindungsgemäße Gerät zeichnet sich aber durch
sehr einfach ausgeführte
Befestigung der beweglichen Platte an dem Gerätesubstrat aus.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und anhand
der beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schaltung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen integrierten
Gerätes
zum kapazitiven Messen von Nanometerabständen,
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2 einen
Querschnitt durch einen mikromechanischen Fühler in dem erfindungsgemäßen integrierten
Gerät,
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3 den
Zeitverlauf einiger Potentiale im erfindungsgemäßen Gerät.
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Das
erfindungsgemäße integrierte
Gerät zum
kapazitiven Messen von Nanometerabständen umfasst einen mikromechanischen
Fühler 1,
einen Folgeverstärker 4 und einige
Komponenten zu Vervollständigung
des Funktionierens des erfindungsgemäßen Messgerätes, zum Beispiel Transistoren 31, 32,
einen Spannungsverdoppler 34 und einen Negator 33 (1).
Dem erfindungsgemäßen Messgerät werden
auch einige im folgenden beschriebenen Signale zugeleitet.
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Der
mikromechanische Fühler 1 umfasst eine
bewegliche Platte 11, eine Fühlplatte 12, eine das
elektrische Feld aufbauende Platte 13 und eine Wanne 14.
Diese Elemente außer
der beweglichen Platte 11 werden in einem üblichen
Verfahren zur Fertigung von integrierten Schaltungen auf einem Substrat 15 – die Beschreibung
bezieht sich auf ein N-Substrat – hergestellt und sind gegeneinander elektrisch
isoliert (2). Die das elektrische Feld aufbauende
Platte 13 wird ausgeführt,
um eine beschränkte
Flache auf der ersten Oxidschicht 17 zu bedecken. Die das
elektrische Feld aufbauende Platte 13 wird oberhalb der
Wanne 14 angeordnet, wobei die Oberfläche der Platte 13 kleiner
als die Oberfläche
der Fühlplatte 12 ist.
In einer zweiten Metallschicht oberhalb einer zweiten Oxidschicht 16 ist
die Fühlplatte 12 ausgeführt, die über der
das elektrische Feld auftauenden Platte 13 gelegen ist
und natürlich auch über der
Wanne 14 derart gelegen ist, dass die Wanne 14 überall ein
wenig von unterhalb der Fühlplatte 12 hinausragt.
Die bewegliche Platte 11 ist als ein an einer Seite am
Substrat 15 befestigter Balken ausgeführt, dessen oberer Teil die
sich über
der Fühlplatte 12 erstreckende
bewegliche Platte 11 ist.
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Die
bewegliche Platte 11 ist daher mit dem Substrat 15 elektrisch
verbunden. Die das elektrische Feld aufbauende Platte 13 wird
an den Ausgang des Impulsgenerators (2) angeschlossen.
Die Fühlplatte 12 wird
jedoch an das Gate eines Eingangstransistors 41 im Folgeverstärker 4 angeschlossen,
dessen Ausgang o mit der Wanne 14 elektrisch verbunden wird.
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Der
Folgeverstärker 4 ist
folgendermaßen ausgeführt. Der
Drain des Eingangstransistors 41 ist durch in Kaskade geschaltete
Transistoren 42 und 43 an den Ausgang des Folgeverstärkers 4 angeschlossen.
Eine den Gates des Transistors 42 und eines an den Transistor 42 symmetrisch
angeschlossenen Transistors 42' sowie dem Gate und dem Drain des Transistors 43 gemeinsame
Klemme wird durch einen Stromgenerator 441 an eine Klemme
einer niedrigen Speisespannung, angeschlossen. Im Folgeverstärker 4 sind
sein dominantes RC-Glied 45, ein Ausgangstransistor 46 und
eine für
eine parallele Änderung
der Potentiale an den Quellen der Transistoren 42 und 42' vorgesehene
Transistorgruppe 44 untereinander auf bekannte Weise verbunden.
Der Ausgang o des Folgeverstärkers 4 wird
an das Gate eines Transistors 41' angeschlossen, der symmetrisch
an den Transistor 41 angeschlossen ist. Die Emitter der Transistoren 41, 41' werden durch
die Stromquelle 411 an eine Klemme einer hohen Speisespannung angeschlossen.
Die hohe Speisespannung wird an den Ausgang des Folgeverstärkers 4 einerseits durch
einen Stromgenerator 47 und andererseits durch in Reihe
geschaltete einen Stromgenerator 481, einen gesteuerten
Schalter 48 und einen Transistor 49 geleitet.
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Der
Fühlplatte 12 wird
ein Arbeitspunktpotential Vop über
einen Transistor 31 zugeführt. Das Gate des Transistors 31 wird
durch einen von Transistoren 331 und 332 zusammengesetzten
und von einem Taktsignal Vc gesteuerten Negator 33 auf
die gemeinsame Klemme eines Schalters 48 und einer Stromquelle 481 angeschlossen.
An diese gemeinsame Klemme werden auch Substrate der Transistoren 31 und 32 und
der Steuereingang eines Spannungsverdopplers 34 angeschlossen.
An den Steuereingang des Spannungsverdopplers 34 wird ein
Potential Vm zugeführt,
wodurch bestimmt wird, wann die Abstandsmessung durchgeführt wird
und wann auf die bewegliche Platte 11 eine Rückstellkraft
ausgeübt
wird. Durch das Signal Vm werden auch das Impulsgenerator 2 und der
Schalter 48 gesteuert. Der Ausgang des Spannungsverdopplers 34 wird
an das Gate des Transistors 32 angeschlossen, an dessen Drain
ein für
die Ausübung
der Rückstellkraft
auf die bewegliche Platte 11 vorgesehenes Potential Vr
zugeführt
wird.
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Das
erfindungsgemäße integrierte
Gerät zum
kapazitiven Messen von Nanometerabständen funktioniert im wesentlichen
als ein kapazitiver Spannungsteiler. Dieser Spannungsteiler besteht
aus zwei Kondensatoren. Für
ihre Ausführung
werden mehrere Niveaus der integrierten Schaltung verwendet. Der erste
Kondensator ist ein Bezugskondensator mit einer Kapazität Cr und
hat als Platten die das elektrische Feld aufbauende Platte 13 und
die Fühlplatte 12,
der zweite Kondensator ist ein Fühlkondensator mit
einer Kapazität
Cs und hat als Platten die Fühlplatte 12 und
die bewegliche Platte 11 (2). An die das
elektrische Feld aufbauende Platte 13 werden Rechteckimpulse
Vp einer bekannten Amplitude zugeführt (3). An der
Fühlplatte 12 wird
diese Amplitude um einen Faktor Cr/(Cr + Cs) abgeschwächt, wobei
die Kapazität
Cs von der augenblicklichen Lage der beweglichen Platte 11 abhängig ist.
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Die
Amplitude des Potentials V12 an der Fühlplatte 12 und dadurch
auch des Potentials Vo am Ausgang o des Folgeverstärkers 4 würde jedoch
viel niedriger sein, wenn man nicht die parasitären Kapazitäten im erfindungsgemäßen Gerät oder ihren
Einflug beseitigte.
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Die
parasitäre
Kapazität
zwischen der Fühlplatte 12 und
dem Substrat 15 wird beseitigt, indem die das elektrische
Feld aufbauende Platte 13 einen großen Teil der Fühlplatte 12 abschirmt
und besonders in dem im Substrat 15 unterhalb der Fühlplatte 12 eine
an den Ausgang des Folgeverstärkers 4 angeschlossene
Wanne 14 ausgeführt
wird. Die Wanne 14 ragt von unterhalb der Fehlplatte 12 so
weit hinaus, dass die Kapazität
der Fühlplatte 12 gegenüber dem
Substrat 15 so weit wie möglich gesenkt wird.
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Der
Einfluss parasitärer
Kapazitäten
zwischen den Klemmen der an die Fühlplatte angeschlossenen Transistoren 41, 31 und 32 wird
durch entsprechend gewählte
Zeitverläufe
der Potentiale an diesen Klemmen behoben. Auf die bereits erwähnte Weise
wird durch die in Kaskade geschalteten Transistoren 42, 43 am
Drain des Eingangstransistors 41 ein Potential V41d errichtet,
das dem Potential Vo gleicht und darum einem Potential am Gate dieses
Transistors gleicht und auch mit einem Potential V41s am Substrat
dieses Transistors 41 übereinstimmt
(3). Dadurch wird der Einfluss parasitärer Kapazitäten zwischen
dem Drain und dem Gate oder dem Substrat des Eingangstransistors 41 behoben.
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Auch
an das Gate und das Substrat des Transistors 31 wird ein
Potential Vs zugeführt,
dessen Pegel gegenüber
dem Potential Vo am Ausgang des Folgeverstärkers 4 verschoben
ist. Das Potential Vo stimmt mit dem Potential V12 am Gate dieses Transistors überein.
Auf diese Weise wird der Einfluss der parasitären Kapazität zwischen dem Drain und dem
Gate oder dem Substrat des Transistors 31 behoben. Ähnlich wird
auch der Einfluss der parasitären
Kapazitäten
zwischen dem Drain und dem Gate oder dem Substrat des Transistors 32 behoben,
wobei der Transistor 32 nicht leitet, wenn die eigentliche Abstandsmessung
durchgeführt
wird.
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Auf
die oben beschriebene Weise wird die effektive gesamte parasitäre Kapazität im erfindungsgemäßen Gerät unter
2 fF gesenkt, wodurch ermöglicht
wird, dass man den Abstand zwischen der beweglichen Platte 11 und
der Fühlplatte 12 des
mikromechanischen Fühlers 1 absolut
messen kann.
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Die
oben beschriebene Weise der Funktion des erfindungsgemäßen Gerätes bezieht
sich auf dessen Messphase. Das Funktionieren des Gerätes ist
aber aus Zeitzyklen zusammengesetzt, wobei in jedem Zyklus der erste
Zeitschlitz S von t = 0 bis t = t2 zur Ausführung der Messung des Abstandes
zwischen der beweglichen Platte 11 und der Fühlplatte 12 des
mikromechanischen Fühlers 1 vorgesehen
ist und der zweite Zeitschlitz R von t = t2 bis t = t3 zur Wiederherstellung
des Anfangszustandes der beweglichen Platte 11 im Fühler, d.
h. zum Anziehen der beweglichen Platte 11 zur Fühlplatte 12,
vorgesehen ist. Die Phase des Funktionierens des erfindungsgemäßen Messgeräts wird
durch den Pegel eines Steuerpotentials Vm bestimmt (3).
Während
der Messphase ist das Potential Vm auf einem hohen Niveau, während der
Rückstellungsphase
ist es auf einem niedrigen Niveau.
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Das
Steuerpotential Vm ändert
sich zum hohen Niveau immer, wenn ein Impuls des Taktsignals Vc
erscheint (3). Das Taktsignal Vc bleibt
so lange – von
t = 0 bis t = t1 – auf
dem hohen Niveau, bis die Fühlplatte 12 des
Spannungsteilers ein geeignetes Arbeitspotential Vop erreicht hat.
Der vom Signal Vm gesteuerte Impulsgenerator 2 bildet einen
Impuls Vp, wenn das Taktsignal Vc erscheint.
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Im
ersten Zeitschlitz S jedes Zyklus, d. h. in der Messphase des Funktionierens
des Messgerätes,
gleicht das Potential am Gate des Eingangstransistors 41 im
Folgeverstärker 4 dem
Potential V12 der Fühlplatte 12.
Während
der Messphase ist der vom Signal Vm gesteuerte Schalter 48 geschlossen und
auf dem Potential Vs befinden sich die Substrate der Transistoren 31, 32 sowie
der Steuereingang des Spannungsverdopplers 34, wodurch
eigentlich das Potential Vs zum Gate des Transistors 32 zugeführt wird.
Wenn im Zeitmoment t1 das Taktsignal Vc auf das niedrige Niveau
springt, lässt
der Negator 33 das Potential Vs auch zum Gate des Transistors 31 hindurch.
So wird im Hauptteil der Messphase, d, h. von t = t1 bis t = t2,
der Einfluss der parasitären
Kapazitäten
der Kondensatoren 31 und 32 behoben.
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Im
zweiten Zeitschlitz R in jedem Zyklus, d. h. in der Rückstellungsphase,
wird auf der Fühlplatte 12 ein
solches Potential aufgebaut, dass die bewegliche Platte 11 zur
Fühlplatte 12 angezogen
wird. Die Anwendung der Fühlplatte 12 auch
zur Ausführung der
Rückstellung
der beweglichen Platte 11 zurück zur Fühlplatte 12 wird ermöglicht,
indem der Transistor 32 vorn Spannungsverdoppler 34 gesteuert
wird. In der Rückstellungsphase
von t = t2 bis t = t3 ist der gesteuerte Schalter 48 offen.
An der Steuerklemme des Spannungsverdopplers 34 wird ein
hohes Speisepotential errichtet. Beim Übergang von der Messphase S
zur Rückstellungsphase
R ändert
sich das Potential am Gate des Transistors 32 von Vs, wenn der
Transistor 32 geschlossen ist, zum doppelten Potential
der niederen Speisung. Der Transistor 32 wird vollständig geöffnet und
die bewegliche Platte 11 bewegt sich in die Ausgangsstellung.
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Das
erfindungsgemäße Gerät zum kapazitiven
Messen von Nanometerabständen
ist offensichtlich auch zum Messen der Beschleunigung geeignet.