WO2012055859A2 - Verfahren zur regelung einer vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen ultraschallwandler - Google Patents

Verfahren zur regelung einer vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen ultraschallwandler Download PDF

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WO2012055859A2
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Peter-Christian Eccardt
Hubert Mooshofer
Marcel THRÄNHARDT
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
    • H04R3/06—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response of electrostatic transducers

Definitions

  • the present invention relates to methods for Re ⁇ gelung a bias voltage for a capacitive micromechanical ultrasound transducers and devices for performing method of a bias voltage for a capacitive micromachined ultrasonic transducer mechanical control.
  • CMUTs capacitor micro-mechanical ultrasonic transducers
  • membrane oscillators are often used, which are introduced into micro-mechanical surface processes in ultrasonic transducer chips.
  • FIG. 1a shows the basic structure of a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 10.
  • an insulating layer 16 is angeord ⁇ net, in which a lower electrode 12 is introduced.
  • Another insulating layer 14 is disposed on the insulating layer 16 and includes an upper electrode opposing the lower electrode.
  • the upper and un ⁇ tere electrode 12 jointly form a plate capacitor, between upon application of a voltage by a DC voltage source 11, an electric field E there is the.
  • Typical DC voltages generated by the Gleichthesesquel ⁇ le 11, are in the range of a few volts to about 500 volts, typically about a few tens of volts.
  • the upper electrode 12 is introduced in a region of the Isola ⁇ tion layer 14, which is located above a cavity 15. This gives the area above the cavity 15 membranes ran decision, that is, externally applied pressure leads to a deflection or deflection of the membrane in the direction of the lower electrode, so that change the electrical ⁇ properties of the plate capacitor with the deflection of Memb ⁇ ran. As a result, mechanical movements can be converted into electrical signals and vice versa.
  • Below the upper electrode part 14a of the isolati ⁇ onstik 14 is usually designed so that at a high
  • the part 14a of the insulating layer is thus part of the membrane itself.
  • Capacitive micromechanical ultrasound transducers are usually as arrays, so groupings of several membranes converter matrices formed and are usually prepared by semiconducting ⁇ terreae. Accordingly, electrically conductive structures usually consist of doped silicon, aluminum or copper. The insulation layers are usually made of silicon dioxide or silicon nitride.
  • Capacitive micro-mechanical ultrasonic transducers require a bias, or bias, that biases the diaphragm to the upper electrode 12 for operation. Without the pre ⁇ voltage only quadrature signals of an applied AC voltage could be converted into mechanical movements. However, if the insulation layers are exposed to a high electric field strength for a long time due to the bias voltage, which can amount to up to 10 GV / m in capacitive micro-mechanical ultrasonic transducers, permanent trapped charges are deposited in the insulation layer.
  • Such a deposit is shown by way of example in FIG. 1b.
  • Below the upper electrode 12 are located in part 14a of the insulating layer 14, shown here by way of example, positive trapped charges 17, above the lower electrode ent ⁇ speaking countercharges 19, shown here by way of example as negative charges.
  • the insulation layers thus become a Electret and form an electric field, which is superimposed on the electric field E of the plate capacitor.
  • the externally applied bias voltage thus no longer generates the theoretically achievable electric field E, as shown in Fig. La, but only an electric field reduced or increased by the electric field formed by the trapped charges.
  • FIG. 2a shows the dependence of the operating point of a kapa ⁇ zitiven micro-mechanical ultrasonic transducer of a bias voltage U b i as Shown is the passage of the impedance Z of kapa ⁇ zitiven micro-mechanical ultrasonic transducer as a function of the oscillation frequency f of the membrane.
  • the working range is exemplary in a range between about 1.5 MHz and 3.5 MHz.
  • Fig. 2b is correspondingly the phase response ⁇ as a function of frequency f and bias U b i as shown.
  • the electromechanical coupling of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer depends strongly on the bias, which can be predetermined according to the desired working ⁇ point. It is therefore important to wis ⁇ sen, which is a function between the externally applied bias voltage U b i as and the actual resonance frequency of the diaphragm of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer.
  • the present invention provides a solution to the problems vorste ⁇ hend by a method for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical Converter according to claim 1, an apparatus for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical transducer according to claim 10 and a circuit with a device for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical transducer according to claim 15 is given.
  • the invention comprises a method of calibrating an operating point of a capacitive micro-mechanical transducer, the steps of applying a bias voltage to a diaphragm of the capacitive micromechanical transducer, determining at least one capacitance of the kapa ⁇ zitiven micromechanical transducer, and Regeins the bias in Dependence on the specific capacity.
  • This method has the advantage over effects of elekt ⁇ innovative fields of trapped charges in the capacitor area of the diaphragm to compensate for a readjustment of the preload.
  • determining the capacity may be
  • the method for calibration may comprise determining the first and / or second measured value by measuring an impedance of the capacitive micromechanical transducer.
  • measuring methods can be used which are necessary for the operation of the converter in its target application.
  • the regulation of the bias voltage can be effected as a function of a ratio of the first measured value and the second measured value, whereby the control is restricted in a simple manner to a reference variable.
  • the method may include varying the applied bias voltage, wherein determining the capacitance comprises determining the minimum of the capacitance in response to the variation of the applied bias voltage, and adjusting the bias voltage based on the minimum of the determined capacitance.
  • the method of the invention can be carried out during or outside the measuring operation of the capacitive mik ⁇ romechanischen converter, so that a time-saving adaptation to the actual measuring operation is mög ⁇ Lich.
  • a device for calibrating an operating point of a capacitive micro-mechanical converter comprises a DC voltage source that is adapted to apply a bias to a membrane of kapaziti ⁇ ven micromechanical transducer, a measuring device, which is adapted to the capacity of the capacitive To determine micromechanical transducer, and a control device which is adapted to regulate the ⁇ te bias ⁇ te bias in dependence on an output value of the measuring device.
  • a circuit comprises a capacitive micromechanical ultrasonic transducer and a device for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical transducer.
  • a capacitive micro-mechanical ultrasonic wall ler in the schematic diagram a capacitive micro-mechanical ultrasonic wall ler in the schematic diagram with trapped charges; an impedance-frequency diagram for a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer; a phase-frequency diagram for a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer; an equivalent circuit diagram for a capacitive micro ⁇ mechanical ultrasonic transducer according to an embodiment of the invention; an impedance-frequency diagram for a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer according to another embodiment of the invention;
  • FIG. 7 shows a diagram for a device for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical see converter according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a diagram for a device for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical converter according to another disclosed embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a diagram for a device for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical converter according to another disclosed embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows a diagram for a device for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical converter according to another disclosed embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer according to an embodiment of the invention.
  • the one-dimensional model for electro ⁇ static deflection of a membrane transducer is an ultrasonic transducer is as a plate capacitor having two parallel plates and the capacitance C P, one of the two Plat ⁇ th is movable and has mechanical properties.
  • a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer can thus be divided into an electrostatic and a mechanical part, which has an electromechanical Conversion factor N Q are coupled.
  • the electrostatic part shown on the left side in FIG. 3 on the left, comprises the (parallel) capacitance C P , which indicates the capacitance of the plate capacitor.
  • Fig. 4 shows an impedance-frequency diagram for a capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer according to another embodiment of the invention.
  • the impedance Z changes in FIG. 4, the transmission range of the ultrasonic transducer within the vertical lines Darge ⁇ provides, within which the working range of the ultrasonic transducer ⁇ . Outside this transmission range, the impedance response is nearly inversely proportional to the frequency.
  • the proportionality factor is proportional to 1 / (C P + C S ) in the low-frequency range, but proportional to 1 / C P in the high-frequency range.
  • One way to stabilize the operating point is now to determine one of the two capacitance values C P or C P + C S and to use as a control variable for the regulation of the bias voltage.
  • it is also possible to determine both capacitance values C P or C P + C S and to use the ratio k 2 C s / (C P + C S ) as a controlled variable.
  • the ratio k 2 represents the electromechanical coupling factor, the indicates the ratio of useful energy to total energy of capacitive ⁇ micro-mechanical ultrasonic transducer.
  • the electromechanical coupling factor can be used at a value of greater than 0.5 as a controlled variable.
  • Fig. 5 shows capacitance-voltage diagrams for a capacitive ⁇ tive micro-mechanical ultrasonic transducer according to another embodiment of the invention.
  • the left diagram shows the behavior of the capacitance C P of the plate capacitor as a first approximation dependent on the bias voltage.
  • the capacitance C P In the zero point of the x-axis, ie, at a target value of the Vorspan ⁇ voltage, the capacitance C P to a minimum.
  • the influence of an electric noise field is shown on the capacitance C P.
  • the capacitance C P at no minimum which is to ei ⁇ NEN amount U 0ff to a larger bias voltage U b i as ver ⁇ inserted.
  • the capacitance C P may be higher than a possible minimum of the capacitance C P are due to the electric charges trapped by the field in the plate capacitor.
  • a bias voltage having an AC voltage component having a Fre acid sequence that is outside the transmission range or working ⁇ area of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer, and a DC voltage component to the kapaziti ⁇ ven micromechanical ultrasonic transducer By stepwise variation of the DC voltage component to the desired value of the bias voltage U b i as around a value of the capacitance C P can respectively be determined so that, after determining each capacitance value of a model ⁇ function for each applied bias voltage (for example, approximated a parabola) to the measuring ⁇ values and thus a minimum of the model func- on for the capacity C P can be determined. The corresponding this minimum bias value can then be assigned as tatsumble ⁇ Lich required bias to the actual setpoint.
  • the method 60 comprises, in a first step 62, the application of a bias voltage to a membrane of the capacitive micromechanical transducer.
  • the bias corresponds to a desired value of the bias, which is required for the desired adjustment of the operating point of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer.
  • determining the capacitance may include determining a measured value for the capacitance C P in an Fre ⁇ quenz Scheme above the operating range of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer and / or determining a measured value for the capacitance C P + C S in a frequency range below the working range of capacitive ⁇ micro-mechanical ultrasonic transducer include.
  • determining the capacitance (s) a control variable can be determined which serves to regulate the applied bias voltage to the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer.
  • the controlled variable is either the capacitance C P, the Capa ⁇ capacity C P + C S, or a ratio of the two capacitances.
  • determining the capacity in another disclosed embodiment, determining a capacitance profile in From ⁇ dependence for a DC component of an applied before ⁇ voltage to an AC voltage component at a frequency outside the working area of the capacitive micro ⁇ mechanical ultrasonic transducer and the subsequent
  • Determining a deviation of the DC component of ei ⁇ nem setpoint include.
  • the deviation of the DC ⁇ portion from a target value is measured, according to one Shifting a minimum of the capacitance curve with the DC voltage component of the applied voltage.
  • the method then comprises controlling the bias voltage as a function of the determined capacitance.
  • the regulation of the bias can be done by keeping constant one of the control variables determined in step 64.
  • the bias voltage can also be adjusted by the determined in step 64 from ⁇ deviation of the DC component of the applied voltage from a desired value.
  • Fig. 7 shows a diagram of an apparatus for calibra tion ⁇ a working point of a capacitive micro-mechanical transducer according to another disclosed embodiment of the invention.
  • the device 70 comprises, in addition to a capacitive micromechanical ultrasonic transducer 71, an impedance measuring device 72, which is connected to the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 71 via a capacitor 78.
  • a bias voltage of a DC ⁇ source 76 can be applied to the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 71 via a resistor 73rd
  • the impedance ⁇ measuring means 72 is adapted to measure a Impedanzspekt ⁇ around the impedance of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 71st By evaluating the imaginary part of the impedance spectrum outside the effetsbe ⁇ realm of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 71 (see Fig. 4) measured values for the capacitance C P and / or the capacitance C P + C S can be determined.
  • a regulation ⁇ device 74 is connected to the impedance measuring device 72 and is adapted to generate a control variable from the reco ⁇ th of the impedance measuring device 72nd Use of the control variable determined in this way the bias voltage output from the DC ⁇ source 76 can be regulated.
  • Fig. 8 shows a diagram for a device for Kalibrie tion of an operating point of a capacitive micromechanical transducer according to another embodiment of the invention.
  • the device 80 comprises, in addition to a capacitive micro- mechanical ultrasonic transducer 81, a reference impedance 86, which, together with the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 81 acts as a complex voltage divider.
  • An AC voltage source 82 and a DC voltage source 83 act on the voltage divider via an input of the reference impedance 86 with a voltage with AC voltage component and DC voltage component.
  • An AC voltage measuring device 87 measures the capacitance C P or C P + C S of the capacitive micro ⁇ mechanical ultrasonic transducer 81 as a function of the variation of the DC voltage component. The measured values can be fed into a regulating device 89 via a filter 88.
  • Fig. 9 shows a diagram of an apparatus for calibra tion ⁇ a working point of a capacitive micro-mechanical transducer according to another disclosed embodiment of the invention.
  • the device 90 comprises an inductance 92 which can be connected in parallel with the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 91 to form a resonant circuit.
  • the natural frequency of the resonant circuit can be adjusted by selecting the inductance 92 so that it is outside a transmission range of the capacitive mik ⁇ ro-mechanical ultrasonic transducer 91.
  • An oscillator 93 can counteract the resonant frequency of the resonant circuit.
  • the natural or resonant frequency of the resonant circuit depends directly on the capacitances C P and Cp + C s , so that their minimums depending on Resonanzfrequenzbe ⁇ rich of the resonant circuit on the transition of the resonant frequency with the bias voltage U b as can be determined.
  • the Oszilla ⁇ tor 93 may be configured to be switched off to avoid interference in the transmission range of the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer 91.
  • a further alternative way of determining the Capa ⁇ capacities C P and Cp + C s comprises determining by an alternating current bridge.
  • the circuit of the measuring bridge can be designed so that it does not affect the capacitive micro-mechanical ultrasonic transducer in its transmission range.
  • the device 100 for calibrating an operating point of a capacitive micromechanical transducer 101 comprises a DC voltage source 102, which is designed to apply a bias voltage to a membrane of the capacitive micromechanical transducer 101, a measuring device 104, which is adapted to the capacitance of the capacitive micromechanical African converter determine, and a control device 103 which is adapted to regulate the voltage applied to the membrane bias voltage in dependence on an output value of the measuring device 104.

Abstract

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

Description

Beschreibung
Verfahren zur Regelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Re¬ gelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler sowie Vorrichtungen zur Durchführung von Verfahren zur Regelung einer Vorspannung für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler.
Stand der Technik
Kapazitive mikro-mechanische Ultraschallwandler, sogenannte CMUTs (capacitive micro-mechanic ultrasonic transducers), werden heute in vielen Anwendungen der Messtechnik und Medizintechnik eingesetzt. Dabei werden häufig Membranschwinger eingesetzt, die in mikro-mechanischen Oberflächenprozessen in Ultraschallwandlerchips eingebracht werden.
Fig. la zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 10. Auf einem Substrat 18, meist aus Silizium ist eine Isolationsschicht 16 angeord¬ net, in der eine untere Elektrode 12 eingebracht ist. Eine weitere Isolationsschicht 14 ist auf der Isolationsschicht 16 angeordnet und umfasst eine obere Elektrode, die der unteren Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist. Die obere und un¬ tere Elektrode 12 bilden gemeinsam einen Plattenkondensator aus, zwischen dem bei einem Anlegen einer Spannung durch eine Gleichspannungsquelle 11 ein elektrisches Feld E herrscht. Typische Gleichspannungen, die durch die Gleichspannungsquel¬ le 11 erzeugt werden, bewegen sich im Bereich von einigen Volt bis zu etwa 500 Volt, typischerweise etwa einige zehn Volt.
Die obere Elektrode 12 ist dabei in einem Bereich der Isola¬ tionsschicht 14 eingebracht, der über einem Hohlraum 15 liegt. Dadurch erhält der Bereich über dem Hohlraum 15 Memb- rancharakter, das heißt, von außen angelegter Druck führt zu einer Durchbiegung bzw. Auslenkung der Membran in Richtung der untere Elektrode, so dass sich die elektrischen Eigen¬ schaften des Plattenkondensators mit der Auslenkung der Memb¬ ran ändern. Dadurch können mechanische Bewegungen in elektrische Signale umgesetzt werden und umgekehrt. Unterhalb der oberen Elektrode ist üblicherweise ein Teil 14a der Isolati¬ onsschicht 14 ausgebildet, so dass bei einem durch hohe
Gleich- oder Wechselspannungen verursachten Kollaps der Membran ein Kurzschluss mit der unteren Elektrode vermieden wird. Der Teil 14a der Isolationsschicht ist damit Teil der Membran selbst .
Kapazitive mikro-mechanische Ultraschallwandler sind meist als Arrays, also Gruppierungen mehrerer Membranen zu Wandler- matrices, ausgebildet und werden üblicherweise durch Halblei¬ terprozesse hergestellt. Dementsprechend bestehen elektrisch leitfähige Strukturen meist aus dotiertem Silizium, Aluminium oder Kupfer. Die Isolationsschichten werden meist aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid hergestellt.
Kapazitive mikro-mechanische Ultraschallwandler benötigen für den Betrieb eine Vorspannung, oder auch Biasspannung, die die Membran mit der oberen Elektrode 12 vorspannt. Ohne die Vor¬ spannung könnten nur Quadratursignale einer angelegten Wechselspannung in mechanische Bewegungen umgesetzt werden. Werden die Isolationsschichten nun aber durch die Vorspannung bedingt für längere Zeit einer hohen elektrischen Feldstärke ausgesetzt, die in kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlern bis zu 10 GV/m betragen können, lagern sich permanente gefangene Ladungen in der Isolationsschicht ab.
Eine solche Ablagerung ist beispielhaft in Fig. lb gezeigt. Unterhalb der oberen Elektrode 12 befinden sich im Teil 14a der Isolationsschicht 14, hier beispielhaft gezeigt, positive gefangene Ladungen 17, oberhalb der unteren Elektrode ent¬ sprechende Gegenladungen 19, hier beispielhaft als negative Ladungen gezeigt. Die Isolationsschichten werden somit zu ei- nem Elektret und bilden ein elektrisches Feld aus, welches dem elektrischen Feld E des Plattenkondensators überlagert ist. Die von außen angelegte Vorspannung erzeugt damit nicht mehr das theoretisch erreichbare elektrische Feld E, wie in Fig. la gezeigt, sondern lediglich ein um das durch die gefangenen Ladungen ausgebildete elektrische Feld vermindertes oder vergrößertes elektrisches Feld.
Fig. 2a zeigt die Abhängigkeit des Arbeitspunktes eines kapa¬ zitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers von einer Vorspannung Ubias · Gezeigt ist der Gang der Impedanz Z des kapa¬ zitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz f der Membran. Der Arbeitsbereich liegt dabei beispielhaft in einem Bereich zwischen etwa 1,5 MHz und 3,5 MHz. Durch eine Erhöhung der Vorspannung Ubias ergibt sich eine Verschiebung der Resonanzfrequenz hin zu geringeren Frequenzen. In Fig. 2b ist entsprechend der Phasengang φ in Abhängigkeit von Frequenz f und Vorspannung Ubias gezeigt. Damit hängt die elektromechanische Kopplung des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers stark von der Vorspannung ab, die entsprechend des gewünschten Arbeits¬ punktes vorbestimmt werden kann. Es ist daher wichtig zu wis¬ sen, welche Abhängigkeit zwischen der von außen angelegten Vorspannung Ubias und der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Membran des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers besteht.
Durch die Einlagerung gefangener Ladungen in die Isolationsschichten im Kondensatorbereich besteht über ene Abhängigkeit jedoch Ungewissheit . Es besteht daher ein Bedarf nach einer Regelung für die Vorspannung einer Membran eines kapazitiven mikro-mechanischen Wandlers, die die Auswirkungen solcher gefangener Ladungen berücksichtigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung für die vorste¬ hend genannten Probleme, indem ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß Patentanspruch 10 und eine Schaltung mit einer Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß Patentanspruch 15 angegeben wird.
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers die Schritte des Anlegens einer Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers, des Bestimmens mindestens einer Kapazität des kapa¬ zitiven mikromechanischen Wandlers, und des Regeins der Vorspannung in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazität. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, Überlagerungseffekte von elekt¬ rischen Feldern gefangener Ladungen im Kondensatorbereich der Membran über eine Nachregelung der Vorspannung ausgleichen zu können .
Vorteilhafterweise kann das Bestimmen der Kapazität das
Bestimmen eines ersten Messwertes in einem Frequenzbereich unterhalb des Resonanzbereichs des kapazitiven mikromechani¬ schen Wandlers und das Bestimmen eines zweiten Messwertes in einem Frequenzbereich oberhalb des Resonanzbereichs des kapa zitiven mikromechanischen Wandlers umfassen. Dadurch kann di Bestimmung der Kapazität in Frequenzbereichen erfolgen, in denen keine Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Medium zu erwarten ist, so dass kein Entfernen des Mediums von der Oberfläche des Wandlers während der Kalibrierung notwendig ist .
Vorteilhafterweise kann das Verfahren zur Kalibrierung das Bestimmen des ersten und/oder zweiten Messwertes durch das Messen einer Impedanz des kapazitiven mikromechanischen Wandlers umfassen. Zur Kalibrierung können damit Messverfahren verwendet werden, die für den Betrieb des Wandlers in seiner Zielapplikation notwendig sind. Vorteilhafterweise kann das Regeln der Vorspannung in Abhängigkeit von einem Verhältnis des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes erfolgen, wodurch die Regelung in einfacher Weise auf eine Führungsgröße beschränkt ist.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren ein Variieren der angelegten Vorspannung umfassen, wobei das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen des Minimums der Kapazität in Abhängigkeit von der Variation der angelegten Vorspannung umfasst und das Regeln der Vorspannung in Abhängigkeit von dem Minimum der bestimmten Kapazität erfolgt. Dadurch können einfache steuerbare Spannungsquellen genutzt werden.
Vorteilhafterweise können die erfindungsgemäßen Verfahren während oder außerhalb des Messbetriebes des kapazitiven mik¬ romechanischen Wandlers durchgeführt werden, so dass eine zeitsparende Anpassung an den eigentlichen Messbetrieb mög¬ lich ist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form umfasst eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers eine Gleichspannungsquelle, die dazu ausgelegt ist, eine Vorspannung an eine Membran des kapaziti¬ ven mikromechanischen Wandlers anzulegen, eine Messeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers zu bestimmen, und eine Regeleinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die an die Membran angeleg¬ te Vorspannung in Abhängigkeit von einem Ausgabewert der Messeinrichtung zu regeln.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form umfasst eine Schaltung einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers.
Weiterbildungen und Variationen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. rze Beschreibung der Zeichnungen
zeigen : einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwand ler im Prinzipschema; einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwand ler im Prinzipschema mit gefangenen Ladungen; ein Impedanz-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler; ein Phasen-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler; ein Ersatzschaltbild für einen kapazitiven mikro¬ mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; ein Impedanz-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung;
Kapazitäts-Spannungs-Diagramme für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung;
ein Schaubild für ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung;
Fig. 7 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechani- sehen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung;
Fig. 8 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechani- sehen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung;
Fig. 9 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechani- sehen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung; und
10 ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechani- sehen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung.
Gleichartige und/oder gleich wirkende Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass die angegebenen Darstellungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu angegeben sind. Weiterhin ist es selbstverständlich, dass einzelne Merkmale und/oder Konzepte verschie¬ dener in den Zeichnungen dargestellter Aus führungs formen miteinander beliebig - soweit sinnvoll - kombiniert werden kön¬ nen .
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für einen kapazitiven mik- ro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das eindimensionale Modell für elektro¬ statische Auslenkung eines Membranschwingers stellt einen Ultraschallwandler als Plattenkondensator mit zwei parallelen Platten und der Kapazität CP dar, wobei eine der beiden Plat¬ ten beweglich ist und über mechanische Eigenschaften verfügt. Ein kapazitiver mikro-mechanischer Ultraschallwandler kann also in einen elektrostatischen und einen mechanischen Teilbereich aufgeteilt werden, die über einen elektromechanischen Konversionsfaktor NQ gekoppelt sind. Der elektrostatische Teil, in Fig. 3 auf der linken Seite links gezeigt, umfasst dabei die (Parallel-) Kapazität CP, die die Kapazität des Plattenkondensators angibt. Auf der mechanischen Seite greift das Modell eines eindimensionalen Feder-Masse-Schwingers, wo¬ bei die obere Platte mechanische Eigenschaften wie Masse m der Platte, Dämpfung b und Steifigkeit bzw. Federkonstante k aufweist. Im elektrischen Ersatzschaltbild rechts kann ein derartiges Feder-Masse-System als Serienschaltung einer In- duktivität Ls (entspricht der Masse m) , eines Ohmschen Wider¬ stands Rs (entspricht der Dämpfung b) und einer Kapazität Cs (entspricht der Plattensteifigkeit bzw. Federkonstante k) mo¬ delliert werden. Die beiden Kapazitäten CP und Cs hängen dabei nicht von dem den Wandler umgebenden Medium ab, und eig- nen sich als Bezugsgrößen für eine Kalibrierung eines Arbeitspunktes des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers .
Fig. 4 zeigt ein Impedanz-Frequenz-Diagramm für einen kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. In Abhängigkeit von der Frequenz f, mit der die Membran schwingt, ändert sich die Impedanz Z. Dabei ist in Fig. 4 der Übertragungsbereich des Ultraschallwandlers innerhalb der vertikalen Linien darge¬ stellt, innerhalb dessen der Arbeitsbereich des Ultraschall¬ wandlers liegt. Außerhalb dieses Übertragungsbereichs ist der Impedanzgang nahezu umgekehrt proportional zur Frequenz. Der Proportionalitätsfaktor bestimmt sich im Niederfrequenzbereich proportional zu 1/ (CP+CS) , im Hochfrequenzbereich hingegen proportional zu 1/CP.
Eine Möglichkeit, den Arbeitspunkt zu stabilisieren besteht nun darin, eine der beiden Kapazitätswerte CP oder CP+CS zu bestimmen und als Regelgröße für die Regelung der Vorspannung zu verwenden. Alternativ ist es auch möglich, beide Kapazitätswerte CP oder CP+CS zu bestimmen und das Verhältnis k2=Cs/ (CP+CS) als Regelgröße zu verwenden. Das Verhältnis k2 stellt dabei den elektromechanischen Kopplungsfaktor dar, der das Verhältnis von Nutzenergie zu Gesamtenergie des kapaziti¬ ven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers angibt. Vorzugs¬ weise kann der elektromechanische Kopplungsfaktor bei einem Wert von größer als 0,5 als Regelgröße verwendet werden.
Fig. 5 zeigt Kapazitäts-Spannungs-Diagramme für einen kapazi¬ tiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. Im linken Diagramm ist das Verhalten der Kapazität CP des Plattenkondensators in erster Näherung abhängig von der Vorspannung angegeben. Im Nullpunkt der x-Achse, also bei einem Sollwert der Vorspan¬ nung weist die Kapazität CP ein Minimum auf. Im rechten Dia¬ gramm hingegen ist der Einfluss eines elektrischen Störfeldes auf die Kapazität CP dargestellt. Im Nullpunkt der x-Achse weist die Kapazität CP kein Minimum mehr auf, welches um ei¬ nen Betrag U0ff hin zu einer größeren Vorspannung Ubias ver¬ schoben ist. Mit anderen Worten, bei einem Anlegen des Sollwertes der Vorspannung kann die Kapazität CP aufgrund des durch die gefangenen Ladungen elektrischen Feldes in dem Plattenkondensator höher als ein mögliches Minimum der Kapazität CP liegen. Um diese Diskrepanz auszugleichen, ist es daher von Vorteil, statt des vorbestimmten Sollwertes der Vorspannung eine Spannungsdifferenz relativ zu der Spannung anzulegen, bei der ein tatsächliches Minimum der Kapazität CP erreicht werden kann.
Hierzu beruht ein erfindungsgemäßes Verfahren darauf, eine Vorspannung mit einem Wechselspannungsanteil mit einer Fre¬ quenz, die außerhalb des Übertragungsbereiches bzw. Arbeits¬ bereiches des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers liegt, und einem Gleichspannungsanteil an den kapaziti¬ ven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers anzulegen. Durch schrittweise Variation des Gleichspannungsanteils um den Sollwert der Vorspannung Ubias herum kann jeweils ein Wert der Kapazität CP bestimmt werden, so dass nach Bestimmen jedes Kapazitätswertes für jede angelegte Vorspannung eine Modell¬ funktion (beispielsweise genähert eine Parabel) an die Mess¬ werte gefittet werden und somit ein Minimum der Modellfunkti- on für die Kapazität CP ermittelt werden kann. Der diesem Minimum entsprechende Vorspannungswert kann dann als tatsäch¬ lich erforderlicher Vorspannungswert dem eigentlichen Sollwert zugeordnet werden.
Fig. 6 zeigt ein Schaubild für ein Verfahren zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. Das Verfahren 60 umfasst in einem ersten Schritt 62 das Anlegen einer Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers. Die Vorspannung entspricht dabei einem Sollwert der Vorspannung, der für die gewünschte Einstellung des Arbeitspunktes des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers benötigt wird.
In einem zweiten Schritt 64 wird mindestens eine Kapazität des kapazitiven mikromechanischen Wandlers bestimmt. Dabei kann in einer Aus führungs form das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen eines Messwertes für die Kapazität CP in einem Fre¬ quenzbereich oberhalb des Arbeitsbereiches des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers umfassen und/oder das Bestimmen eines Messwertes für die Kapazität CP+CS in einem Frequenzbereich unterhalb des Arbeitsbereiches des kapaziti¬ ven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers umfassen. Durch das Bestimmen der Kapazität ( en) kann eine Regelgröße ermittelt werden, die zur Regelung der angelegten Vorspannung an den kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers dient. Die Regelgröße ist dabei entweder die Kapazität CP, die Kapa¬ zität CP+CS oder ein Verhältnis der beiden Kapazitäten. Alternativ kann in einer anderen Aus führungs form das Bestimmen der Kapazität das Bestimmen eines Kapazitätsverlaufs in Ab¬ hängigkeit eines Gleichspannungsanteils einer angelegten Vor¬ spannung mit einem Wechselspannungsanteil bei einer Frequenz außerhalb des Arbeitsbereichs des kapazitiven mikro¬ mechanischen Ultraschallwandlers und das darauffolgende
Bestimmen einer Abweichung des Gleichspannungsanteils von ei¬ nem Sollwert beinhalten. Die Abweichung des Gleichspannungs¬ anteils von einem Sollwert bemisst sich dabei gemäß einer Verschiebung eines Minimums des Kapazitätsverlaufs mit dem Gleichspannungsanteil der angelegten Spannung.
In einem Schritt 66 umfasst das Verfahren dann ein Regeln der Vorspannung in Abhängigkeit von der bestimmten Kapazität. Das Regeln der Vorspannung kann über ein Konstanthalten einer der in Schritt 64 ermittelten Regelgrößen erfolgen. Alternativ kann die Vorspannung auch um die in Schritt 64 ermittelte Ab¬ weichung des Gleichspannungsanteils der angelegten Spannung von einem Sollwert angepasst werden.
Fig. 7 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrie¬ rung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. Die Vorrichtung 70 umfasst neben einem kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler 71 eine Einrichtung 72 zur Impedanzmessung, die über einen Kondensator 78 mit dem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 71 verbunden ist. Über einen Widerstand 73 kann von einer Gleichspannungs¬ quelle 76 eine Vorspannung an den kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 71 angelegt werden. Die Impedanz¬ messungseinrichtung 72 ist dazu ausgelegt, ein Impedanzspekt¬ rum der Impedanz des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 71 zu messen. Durch Auswertung des Imaginärteils des Impedanzspektrums außerhalb des Übertragungsbe¬ reichs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 71 (siehe Fig. 4) können Messwerte für die Kapazität CP und/oder die Kapazität CP+CS bestimmt werden. Eine Regelungs¬ einrichtung 74 ist mit der Impedanzmesseinrichtung 72 verbunden und ist dazu ausgelegt, eine Regelgröße aus den Messwer¬ ten der Impedanzmesseinrichtung 72 zu erzeugen. Mithilfe der so ermittelten Regelgröße kann die von der Gleichspannungs¬ quelle 76 ausgegebene Vorspannung geregelt werden.
Fig. 8 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrie rung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanische Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. Die Vorrichtung 80 umfasst neben einem kapazitiven mikro- mechanischen Ultraschallwandler 81 eine Referenz-Impedanz 86, die zusammen mit dem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 81 als ein komplexer Spannungsteiler fungiert. Eine Wechselspannungsquelle 82 und eine Gleichspannungsquelle 83 beaufschlagen den Spannungsteiler über einen Eingang der Referenz-Impedanz 86 mit einer Spannung mit Wechselspannungsanteil und Gleichspannungsanteil. Die Wechselspannungsquelle
82 liefert über einen Filter 85 eine Wechselspannung, deren Frequenz vorteilhafterweise außerhalb des Übertragungsbe¬ reichs bzw. Arbeitsbereichs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 81 liegt. Die Gleichspannungsquelle
83 liefert über einen Widerstand 84 einen Gleichspannungsanteil, der in einem Bereich um den Sollwert einer Vorspannung Ubias variiert werden kann. Ein Wechselspannungsmessgerät 87 misst dabei die Kapazität CP bzw. CP+CS des kapazitiven mikro¬ mechanischen Ultraschallwandlers 81 in Abhängigkeit von der Variation des Gleichspannungsanteils. Die Messwerte können über einen Filter 88 in eine Regelungseinrichtung 89 eingespeist werden.
Neben der in Fig. 8 gezeigten Schaltung zur Messung der Kapazität CP bzw. Cp+Cs des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 81 sind selbstverständlich auch andere zur Ka¬ pazitätsmessung gängige Schaltungen möglich, wie eine H- Brückenschaltung, beispielsweise eine Wien-Brücke.
Fig. 9 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrie¬ rung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. Die Vorrichtung 90 umfasst dabei neben einem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 91 eine Induktivität 92, die parallel mit dem kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler 91 zu einem Schwingkreis zusammengeschaltet werden kann. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises kann dabei durch Wahl der Induktivität 92 so eingestellt werden, dass sie außerhalb eines Übertragungsbereichs des kapazitiven mik¬ ro-mechanischen Ultraschallwandlers 91 liegt. Ein Oszillator 93 kann dabei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises gegen- über einer Vorspannung Ubias des kapazitiven mikro-mechani¬ schen Ultraschallwandlers 91 mithilfe einer Frequenzmesseinrichtung 94 bestimmen. Die Eigen- oder Resonanzfrequenz des Schwingkreises hängt dabei direkt von den Kapazitäten CP bzw. Cp+Cs ab, so dass deren Minima je nach Resonanzfrequenzbe¬ reich des Schwingkreises über den Gang der Resonanzfrequenz mit der Vorspannung Ubias bestimmt werden können. Der Oszilla¬ tor 93 kann abschaltbar ausgestaltet sein, um Störungen im Übertragungsbereich des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers 91 zu vermeiden.
Eine weitere alternative Möglichkeit zur Bestimmung der Kapa¬ zitäten CP bzw. Cp+Cs umfasst die Bestimmung durch eine Wechselstrommessbrücke. Die Schaltung der Messbrücke kann dabei so ausgelegt sein, dass sie den kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandler nicht in seinem Übertragungsbereich beeinflusst .
Fig. 10 zeigt ein Schaubild für eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung. Die Vorrichtung 100 zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers 101 umfasst eine Gleichspannungsquelle 102, die dazu ausgelegt ist eine Vorspannung an eine Membran des kapazitiven mikromechanischen Wandlers 101 anzulegen, eine Messeinrichtung 104, di dazu ausgelegt ist, die Kapazität des kapazitiven mikromecha nischen Wandlers zu bestimmen, und eine Regeleinrichtung 103 die dazu ausgelegt ist, die an die Membran angelegte Vorspan nung in Abhängigkeit von einem Ausgabewert der Messeinrichtung 104 zu regeln.
Es ist selbstverständlich, dass eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten bestehen, die Kapazitäten CP bzw. CP+CS des kapazitiven mikro-mechanischen Ultraschallwandlers zu bestimmen und dass deren Ausgestaltung gleichermaßen zur Kalibrierung eines Arbeitspunktes eines kapazitiven mikromechanischen Wandlers geeignet sein können.

Claims

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