DE60027020T2

DE60027020T2 - Rückkopplungsschaltung für mikromechanischen beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE60027020T2
Application number: DE60027020T
Authority: DE
Inventors: C. David Norwood HOLLOCHER; John Newton MEMISHIAN
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: WO2001016606A1; DE60027020D1; US6530275B1; JP2003508756A; EP1236048A1; US6761069B2; US20030167843A1; JP4327395B2; EP1236048B1; ATE322020T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Schaltungen zur Verwendung mit einem kapazitiven Sensor und insbesondere zur Verwendung mit einem mikromechanischen Beschleunigungsmesser.
Mikromechanische Beschleunigungsmesser können verwendet werden, um die Beschleunigung bei einer Vielzahl von Anwendungen zu erfassen, einschließlich der Erfassung der als Ergebnis eines Autounfalls auftretenden Beschleunigung zum Auslösen eines Airbags oder der als Ergebnis eines Erdbebens auftretenden Beschleunigung zum automatischen Verschließen einer Gasleitung zur Verhinderung von Feuer, und ein Typ mikromechanischer Verfahren wird als Oberflächenfeinbearbeitung bezeichnet, ein Verfahren, bei welchem unter Verwendung von Halbleiter-Bearbeitungstechniken, wie beispielsweise Ablagern und Ätzen, eine Sensorstruktur in Schichten über einem Substrat gebildet wird. Das US-Patent Nr. 5,326,726 beschreibt ein solches Verfahren und ist hierin als Referenz in seiner Gesamtheit für alle Zwecke aufgenommen.
Bei einem Typ einer derzeit von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung hergestellten mikromechanischen Vorrichtung ist eine Polysilikon-Masse über einem Substrat mittels Haltegurten aufgehängt. Die Masse, welche im Wesentlichen parallel zu dem Substrat ist, umfasst einen entlang einer Achse verlängerten Balken und eine Anzahl von Fingern, die sich von dem Balken weg in einer Richtung orthogonal zu der Achse des Balkens erstrecken. Der Balken und die Finger sind bezüglich des Substrats entlang der Achse lateral beweglich. Jeder dieser beweglichen Finger ist zwischen zwei Polysilikon-Fingern positioniert, die sich in der Ebene der Masse befinden und bezüglich des Substrats befestigt sind. Jeder bewegliche Finger und die festen Finger auf jeder Seite der beweglichen Finger bilden eine Differentialkondensator-Zelle. Die Zellen bilden additiv einen Differentialkondensator. Eine Struktur dieses Typs ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5,345,824 gezeigt.
Verschiedene Ansätze können verfolgt werden, um eine Beschleunigung mit einem solchen Differentialkondensator zu erfassen. Ein Ansatz besteht darin, eine Kraftrückkopplung zu verwenden, wie in dem US-Patent Nr. 5,345,824 beschrieben ist. Die beweglichen Finger (d.h. beweglich mit der Masse) sind jeweils zwischen zwei festen Fingern zentriert. Alle festen Finger auf einer Seite der beweglichen Finger sind elektrisch gekoppelt, und alle festen Finger auf der anderen Seite der beweglichen Finger sind ebenfalls elektrisch gekoppelt. Die zwei Sätze fester Finger weisen unterschiedliche Gleichspannungspotentiale auf und sind mit Wechselspannungs-Trägersignalen getrieben, die zueinander um 180° phasenverschoben sind.
Als Reaktion auf eine externe Kraft/Beschleunigung entlang einer sensitiven Achse bewegt sich die Masse mit beweglichen Fingern auf den einen oder den anderen Satz fester Finger zu. Das Signal an dem Balken wird verstärkt, demoduliert und zu einem Ausgangsanschlussteil geleitet. Ein Rückkopplungsnetz verbindet das Ausgangsanschlussteil und den Balken. Die Rückkopplung bewirkt, dass die beweglichen Finger zwischen den zwei Sätzen fester Finger zurückzentriert werden. Das Signal an dem Ausgangsanschlussteil ist eine Messung der Kraft, die erforderlich ist, um den Balken zu zentrieren, und ist daher proportional zu der Beschleunigung.
Eine Alternative zu dieser Endlosschleifen-Kraftrückkopplungsschaltung ist eine offene Schaltung. Wie in 1 nach dem Stand der Technik gezeigt, umfasst eine Sensorzelle 10 eine bewegliche Elektrode 12 zwischen einer ersten Elektrode 14 und einer zweiten Elektrode 16. Wie auch in dem US-Patent Nr. 5,659,262 gezeigt, welches ausdrücklich hierin zur Referenz in seiner Gesamtheit und für alle Zwecke aufgenommen ist, sind die Elektroden 14 und 16 durch entsprechende Treiber 18 und 20 angetrieben. Jeder Treiber sieht eine 100 kHz Rechteckwelle vor, die zwischen zwei Spannungen, beispielsweise 0 Volt und 5 Volt, alterniert. Die Signale von den Treibern sind zueinander um 180° phasenverschoben, so dass sich ein Satz Finger bei 0 Volt befindet, während sich der andere bei 5 Volt befindet.
Als Reaktion auf eine Beschleunigung bewegt sich der Balken auf einen Satz Elektroden 14, 16 zu und bewirkt, dass ein Wechselspannungsausgangssignal an dem Balken erscheint. Dieses Signal ist ein Rechteckwellen-Signal, das phasengleich mit dem Treibersignal der Elektrode 14 beziehungsweise der Elektrode 16 ist, auf welche sich die Elektrode 12 zubewegt, und weist eine Amplitude in der Größenordnung von Millivolt auf. Die Amplitude ist proportional zu der Beschleunigung für geringere Verlagerungen angenähert. Das zu einem Verstärker 22 und zu einem Demodulator 26 gesendete Balkensignal erzeugt ein Ausgangssignal als V/g an einem Ausgangsanschlussteil 28, und zeigt dadurch die Beschleunigung an.
Da bei dieser offenen Struktur die Beschleunigung aus der Größe des Ausgangssignals bestimmt wird, ist es wichtig, dass die Signalverarbeitungsschaltung, welche ein Signal an ein Ausgangsanschlussteil (z.B. einen Verstärker und Demodulator) ausgibt, präzise ist. Beispielsweise sollte der Verstärker eine präzise Verstärkung aufweisen, und die Schaltung sollte unempfindlich gegenüber Temperaturveränderungen und anderen Faktoren sein, welche den Ausgang beeinflussen können.
Die zuvor beschriebene Kraftrückkopplungskonstruktion reduziert die Notwendigkeit für eine präzise Schaltung und verringert Probleme, welche auf Grund parasitärer, kapazitiver Effekte auftreten können, ganz wesentlich. Aber die Kraftrückkopplung hat andere Nachteile: Sie hat keine ratiometrische Operation und eine Gleichspannungsvorspannung muss im Allgemeinen auf den Sensor ausgeübt werden, was zu ladungsinduzierter Abweichung und anderen unerwünschten Effekten führen kann. Da sich die mechanische Transferfunktion innerhalb der Schleife befindet, kann es Probleme mit der Stabilität der Schleife geben.
Die offene Struktur hat ebenfalls Nachteile. Typischerweise hängt der Skalierungsfaktor von der Parasitärkapazität der beweglichen Elektrode und der damit verbundenen Schaltungen ab. Diese Kapazität umfasst Verbindungskapazitäten, die sich abhängig von der Spannung und der Temperatur verändern, was zu Variationen des Skalierungsfaktors führt. Das erwünschte ratiometrische Verhalten wird ebenso beeinträchtigt wie der Temperaturkoeffizient des Skalierungsfaktors. Die Treibersignale an der ersten und dritten Elektrode erzeugen ferner elektrostatische Kräfte, die sich abhängig von der Position der zweiten Elektrode verändern und so wirksam die mechanische Reaktion des Sensors verändern. Da sich diese elektrostatischen Kräfte abhängig von der Versorgungsspannung verändern, ist der Ausgang nicht streng ratiometrisch.
„An ASIC for High-resolution Capacitiv Microaccelerometers", Leuthold and Rudolf, Sensors and Actuators, Elsevier Sequoia S.A., Lausanne, Vol. A21/A23, Seiten 278–281 offenbart einen Sensor zum Vorsehen eines Ausgangssignals, welches eine Beschleunigungskraft anzeigt, wie in dem Oberbegriff in Anspruch 1 beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung sieht einen Sensor vor, wie in Anspruch 1 beschrieben, und ein entsprechendes Verfahren, wie in Anspruch 9 beschrieben.
Die Ausführungsformen sehen ein endloses, elektromechanisches System mit einem Rückkopplungsverfahren vor, das ein Ausgangssignal eines Sensors unter Einwirkung einer Beschleunigung elektrisch ausgleicht, ohne eine signifikante Kraft auf den Sensor auszuüben. Das System hat eine bewegliche Komponente, die bezüglich einer anderen Komponente beweglich ist. Diese Rückkopplung erfolgt durch das Ungleichgewicht von Taktsignalen, welche auf einige Komponenten des Sensors angewendet werden, um den Ausgang an der beweglichen Komponente derart elektrisch auf Null zu setzen, dass die Kräfte an der beweglichen Komponente nicht merklich verändert werden. Diese Rückkopplung bietet die Vorteile eines Endlosbetriebs ohne die Anwendung einer Kräfterückkopplung und minimiert die Effekte elektrostatischer Kräfte auf den Skalierungsfaktor.
Die Ausführungsformen umfassen eine Rückkopplungs- und Treiberschaltung, einen Sensor mit Rückkopplungs- und Treiberschaltungen und Verfahren zur Durchführung der Erfassung mit einem mikromechanischen Sensor vom Differentialkondensator-Typ. Bei dem Sensor ist eine bewegliche Masse über einem Substrat aufgehängt und bezüglich des Substrats in einer bei den zuvor erwähnten Sensoren ähnlichen Weise beweglich.
Eine Ausführungsform umfasst einen Sensor mit einer ersten, zweiten und dritten Elektrode, wobei die zweite Elektrode bezüglich der ersten und der dritten Elektrode zum Bilden eines Differentialkondensators beweglich ist, einen ersten und einen zweiten Treiber zum Vorsehen von Treibersignalen für die erste und die dritte Elektrode, eine zwischen die erste Elektrode und ein Ausgangsanschlussteil gekoppelte Signalverarbeitungsschaltung und eine zwischen das Ausgangsanschlussteil und wenigstens den ersten Treiber gekoppelte Rückkopplungsschaltung zum Steuern der Amplitude des Treibersignals für die erste Elektrode. Die Treibersignale von dem ersten und dem zweiten Treiber sind vorzugsweise Rechteckwellen, wobei ein Treibersignal zu dem anderen Treibersignal um 180° phasenverschoben ist. Die Schaltung von der zweiten Elektrode zu dem Ausgangsanschlussteil umfasst vorzugsweise einen Verstärker und einen Demodulator.
Die Rückkopplung passt die Amplitude beider Treiber an, um das Signal an der zweiten Elektrode auf Null zu setzen. Die Rückkopplung bewirkt, dass die Amplitude beider Treibersignale derart geregelt ist, dass im Wesentlichen keine Wechselspannungs-Kraft und keine Veränderung der statischen Kraft an der zweiten Elektrode vorliegen. Die Regulierung der Treiber, die das zweite Elektrodensignal auf Null setzt, steht in einer präzisen Beziehung zu der Bewegung der zweiten Elektrode, und das Ausgangssignal wird präzise aus dem Regulierungsumfang bestimmt. Als Folge der Nullsetzung sind die Wirkungen elektrostatischer Kräfte auf den Skalierungsfaktor signifikant minimiert.
Die Elektroden sind vorzugsweise Teil eines oberflächenmikromechanischen Beschleunigungsmessers, bei welchem eine bewegliche Masse über dem Substrat aufgehängt ist und welcher einen beweglichen Balken und eine Reihe von Fingern (wodurch insgesamt eine zweite Elektrode gebildet ist) umfasst. Die erste und die dritte Elektrode sind Finger, welche bezüglich des Substrats und an jeder Seite der sich von dem beweglichen Balken erstreckenden Finger befestigt sind. Die festen Elektroden sind mit Hochfrequenz-Trägersignalen mit gegensätzlicher Phase betrieben. Der Beschleunigungsmesser kann eine einzige Masse umfassen, welche entlang einer Achse beweglich ist, oder zwei oder mehrere Massen umfassen oder eine oder mehrere Massen umfassen, die entlang mehrerer Achsen beweglich sind.
Die Ausführungsformen umfassen auch ein Verfahren zum Erfassen der Beschleunigung mit einem kapazitiven Sensor, der eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode umfasst, wobei sich die zweite Elektrode zwischen der ersten und der dritten Elektrode befindet und bezüglich der ersten und der dritten Elektrode beweglich ist, um einen Differentialkondensator zu bilden, und Treiber zum Vorsehen von Treibersignalen für die erste und die dritte Elektrode. Das Verfahren umfasst das Verarbeiten eines Signals an der zweiten Elektrode und das Vorsehen einer Rückkopplung zu beiden Treibern, um das Wechselspannungssignal an der zweiten Elektrode auf Null zu setzen, ohne eine Wechselspannungskraft zu erzeugen oder die elektrostatischen Kräfte an der zweiten Elektrode zu verändern.
Die Ausführungsformen umfassen auch einen mikromechanischen Sensor mit einem Substrat und einer über dem Substrat aufgehängten ersten, zweiten und dritten Elektrode, wobei die zweite Elektrode bezüglich der ersten und der dritten Elektrode beweglich ist. Eine Schaltung, die vorzugsweise in dasselbe Substrat integriert ist wie der Sensor, umfasst Treiber zum Vorsehen von Signalen für die erste und die dritte Elektrode, eine Schaltung zum Verarbeiten eines Signals an der zweiten Elektrode und zum Vorsehen eines Signals von der zweiten Elektrode an ein Ausgangsanschlussteil und einer Rückkopplungsschaltung zwischen dem Ausgangsanschlussteil und dem Treiber zum Steuern des Signals des Treibers. Die Treiber senden periodische Signale an die erste und die dritte Elektrode, vorzugsweise Rechteckwellen, welche zueinander um 180° Grad phasenverschoben sind. Das Rückkopplungssignal steuert die Treiber, um die Amplitude der periodischen Signale zu verändern, um das Signal an der zweiten Elektrode auf Null zu setzen, ohne eine Wechselspannungskraft zu bilden oder die statischen Kräfte an der zweiten Elektrode zu verändern.
Die Schaltung der Ausführungsformen kann eine Anzahl verschiedener Formen annehmen. Beispielsweise kann die Schaltung einen oder mehrere Operationsverstärker zum Empfangen des Signals von einem beweglichen Balken umfassen. Zusätzlich gibt es Ausführungsformen mit einem oder mit zwei Transistor-Differentialpaaren und Ausführungsformen ohne Operationsverstärker oder Transistoren. Eine weitere Ausführungsform kombiniert die Verstärkungs- und die Demodulationsschaltung mit einer Treiberschaltung. Diese unterschiedlichen Schaltungen haben verschiedene Vorteile und Nachteile, wie beispielsweise Genauigkeit, Empfindlichkeit, die Möglichkeit, die Empfindlichkeit, den Raum und die Anzahl der Komponenten zu verändern. Den Ausführungsformen der Schaltungen ist gemein, dass sie in der Lage sind, die Amplitude wenigstens eines periodischen Signals, das zu einer Elektrode gelangt, als Reaktionen auf ein Eingangssignal von einer anderen Elektrode anzupassen.
Der beschriebenen Sensor und die Schaltung haben einer Reihe von Vorteilen. Das System hat die Vorteile eines geschlossenen Rückkopplungsnetzes und kann ratiometrisch gemacht werden (der Skalierungsfaktor der Spannung verändert sich im Verhältnis zu der Versorgungsspannung), ist unabhängig von mechanischen Kräften und vermeidet die Notwendigkeit einer Gleichspannungsvorspannung bezüglich der Treibersignale an dem Balken. Die Rückkopplung gelangt zu jedem Treiber, um das Signal an einem beweglichen Balken auf Null zu setzen, sodass das Signal keine Wechselspannungskomponente als Reaktion auf eine erfasste Beschleunigung aufweist. Mit im Wesentlichen keiner solchen Wechselspannungskomponente haben Parasitärkapazitäten an der beweglichen Elektrode einen minimalen Effekt auf das resultierende Ausgangssignal. Bei diesem System ist im Vergleich zu anderen Konstruktionen insofern eine geringere Präzision bei der Verarbeitungsschaltung erforderlich, als der Verstärker keine präzise Zunahme aufweisen muss, und die Zunahme der Schaltung muss nicht temperaturunempfindlich sein. Entsprechend kann die Verarbeitungsschaltung gegenüber der beispielsweise bei einer offenen Schleife verwendeten Verarbeitungsschaltung vereinfacht werden. Andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und Ansprüchen deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen offenen Regelkreis nach dem Stand der Technik zeigt.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Sensors mit einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 3, 4, 5, 8, 9 und 10 sind schematische Ausführungsformen der Treiberschaltung in 2.
3A zeigt Grafiken der Wellenformen an den Elektroden für die Schaltung in den 3 und 4.
5A zeigt Grafiken der Wellenformen an den Elektroden für die Schaltung in 5.
6 ist eine bildhafte Darstellung, die die Maße und Kräfte an dem Balken erläutert.
7 ist eine Draufsicht eines mikromechanischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 11 und 11A sind schematische Darstellungen, die einen Teil der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Differentialkondensatoren zeigen.
Die 12 und 14 sind schematische Darstellungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit kombiniertem Verstärker, Demodulator und Treiberschaltungen.
13 ist ein partielles Blockdiagramm der Schaltung in 12, verwendet mit einem Zweiachsensensor.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgend beschriebene Ausführungsform ist für die Verwendung mit einem oberflächenmikromechanischen Beschleunigungsmesser gedacht, aber sie könnte auch mit anderen kapazitiven Sensoren verwendet werden.
Mit Bezug zu 2 umfasst in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung ein Sensor 40 eine bewegliche Elektrode 42, die sich zwischen einer ersten Elektrode 44 und einer zweiten Elektrode 46 befindet, um einen Differentialkondensator zu bilden. Die erste und die zweite Elektrode 44, 46 sind bezüglich einander befestigt, während sich die Elektrode 42 zwischen den Elektroden 44, 46 als Reaktion auf eine externe Kraft bewegt. Die bewegliche Elektrode 42 ist an einen hochverstärkenden Wechselspannungsverstärker 50 und einen Demodulator 54 gekoppelt, deren Ausgang zu einem Ausgangsanschlussteil 56 geleitet wird.
Die Treiber 60 und 62 sehen beide einen Hochfrequenz (z.B. 100 kHz)-Träger vor, vorzugsweise eine Rechteckwelle. Die Trägersignale weisen eine gleiche oder ähnliche Amplitude auf und sind um 180° phasenverschoben. Das Ausgangsanschlussteil 56 ist an den Treiber 60 gekoppelt und ist auch an den Treiber 62 gekoppelt, wie durch die gestrichelte Linie 63 angezeigt. Würde die Rückkopplung nur für einen Treiber vorgesehen, was außerhalb des Rahmens der Ansprüche ist, so könnte der andere Treiber ein abzugleichender Treiber sein, ähnlich dem in dem integrierten US-Patent Nr. 5,659,262 beschriebenen, zum Ausgleichen elektrostatischer Kräfte zwischen der Elektrode 42 und den Elektroden 44 und 46 und zum auf Null setzen des Versatzes.
3 zeigt eine genauere Ansicht der Treiber 60 und 62 (kombiniert gezeigt) zum Bereitstellen von Signalen für eine erste und zweite feste Elektrode 88 und 94 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Rückkopplungsspannung V_f ist für nicht invertierende Eingänge von Operationsverstärkern 70 und 72 bereitgestellt. Die Ausgänge der Operationsverstärker 70 und 72 sind mit den Gattern des Transistors vom n-Typ 74 beziehungsweise des Transistors vom p-Typ 76 verbunden. Bei dem Transistor 74 ist ein Ableitungsanschlussteil mit einer Versorgungsspannung V_DD durch einen Widerstandskörper R1 gekoppelt. Ein Zuführungsanschlussteil 80 des Transistors 74 ist an das invertierende Anschlussteil des Operationsverstärkers 70 und an die entsprechenden Widerstandskörper R2 und R3 gekoppelt. Der Ableiter des Transistors 74 und ein Knoten 84 zwischen den Widerstandskörpern R2 und R3 sind jeweils an einen getakteten Schalter 86 gekoppelt, dessen Ausgang mit der ersten festen Elektrode 88 verbunden ist.
Der Transistor 76 umfasst ein Zuführungsanschlussteil 78, welches an die Versorgungsspannung V_DD durch die Widerstandskörper R4 und R5 gekoppelt ist und an das invertierende Anschlussstück des Operationsverstärkers 72 gekoppelt ist. Der Ableiter des Transistors 76 ist durch den Widerstandskörper R6 mit dem Bezugspotential verbunden. Der Ableiter des Transistors 76 und ein Knoten 92 zwischen den Widerstandskörpern R4 und R5 sind jeweils an einen getakteten Schalter 90 gekoppelt, dessen Ausgang mit der zweiten festen Elektrode 94 verbunden ist.
Während diese Schaltung zwei Operationsverstärker umfasst, ist die Konstruktion der Operationsverstärker eher einfach, da die Operationsverstärker bei dieser Konstruktion keine ohmsche Last treiben müssen.
Der Betrieb der Schaltung in 3 ist auch mit Bezug auf die Wellenformen in 3A beschrieben. Liegt keine externe Beschleunigung an der beweglichen Elektrode 98 vor, entspricht das Signal V_f, welches rückgekoppelt wird, V_DD/2. Die Spannung V_f erscheint auch an der Zuführung des Transistor 74, was bedeutet, dass die Spannung am Widerstandskörper R3 (V_f)(R3)/(R2 + R3) entspricht. Da R3 = R1, sind die Spannungsabfälle an den Widerstandskörpern R3 und R1 dieselben. Der Widerstandskörper R2 hat einen Wert, der viel höher ist als derjenige des Widerstandskörpers R3, sodass die Spannung an den Widerstandskörpern R1 und R3 bezüglich V_f gering ist. Ist der Spannungsabfall an den Widerstandskörpern R1 und R3 gleich x, so erzeugt der getaktete Schalter 86 eine Rechteckwelle, die in der Amplitude zwischen x und V_DD–x alterniert. Die Schaltung zum Vorsehen der Spannung an dem getakteten Schalter 90 ähnelt derjenigen für den getakteten Schalter 86, mit der Ausnahme, dass in diesem Fall V_f auf die Versorgungsspannung V_DD bezogen ist und nicht auf das Bezugspotential. Wie in 3 gezeigt ist, sind Beispiele für die Widerstandswerte R1 = R3 = R4 = R6 = 1 kohm und R2 = R4 = 40 kohm. Gehen wir davon aus, dass V_DD 5 Volt entspricht und daher ohne Beschleunigung V_f = 2,5 Volt, so ist die Spannung x an den Widerstandskörpern R1 und R3 ungefähr 60 Millivolt, sodass die getakteten Signale zwischen 0,06 Volt und 4,94 Volt alternieren. Mit Bezug auf 3A ist zu sagen, dass wenn V_f in Reaktion auf eine Bewegung der Elektrode 98 abnimmt oder zunimmt, eine der Rechteckwellen ein höheres Maximum und ein geringeres Minimum aufweist und die andere ein geringeres Maximum und ein höheres Minimum aufweist. Bei jeder Elektrode ist die Spannung weiterhin auf V_DD/2 zentriert.
Ein positiver V_f bedeutet, dass sich die bewegliche Elektrode 98 näher an die feste Elektrode 88 heran bewegt, so dass ein stärkeres Treibersignal an der festen Elektrode 94 erforderlich ist, um die Gleichheit der elektrostatischen Kräfte zwischen der beweglichen Elektrode und jeder der festen Elektroden ohne eine Differentialspannungsausgabe an der Elektrode 98 beizubehalten. Bei einem mikromechanischen Sensor kann ein vollständiger Ausgangsbereich in der Größenordnung von 10–20 Millivolt liegen, so dass die 60 Millivolt über dem Bezugspotential und unter V_DD genügend Raum für einen solchen Ausgang lassen.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Treiberschaltung, die nur einen Operationsverstärker und keine Steuerungstransistoren erfordert. Der Operationsverstärker wäre in diesem Fall relativ komplizierter als jene, die in der Schaltung in 3 verwendet werden, da der Operationsverstärker in der Schaltung in 4 eine ohmsche Last antreiben muss.
Die Spannung V_f ist für das invertierende Anschlussteil des Operationsverstärkers 140 durch einen Widerstandskörper R7 vorgesehen. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 140 ist an eine Spannungsquelle V_DD/2 gekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 140 wird zu dem invertierenden Anschlussteil durch den Widerstandskörper R8 zurückgeführt. Die Spannung V_f ist durch die Widerstandskörper R9 und R10 auch mit der Versorgungsspannung V_DD verbunden und ist mit dem Bezugspotential durch die Widerstandskörper R11 und R12 verbunden. Zwischen den Widerstandskörpern R9 und R10 befindet sich ein Knoten 142; und zwischen den Widerstandskörpern R11 und R12 befindet sich ein Knoten 144.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 140 befindet sich an einem Knoten 150, welcher an die Versorgungsspannung V_DD durch die Widerstandskörper R13 und R14 und an das Bezugspotential durch die Widerstandskörper R15 und R16 gekoppelt ist. Zwischen den Widerstandskörpern R13 und R14 befindet sich ein Knoten 152; und zwischen den Widerstandskörpern R15 und R16 befindet sich ein Knoten 154.
Der Sensorabschnitt umfasst eine bewegliche Elektrode 168 zwischen den Elektroden 164 und 166, die bezüglich einander fest sind. Das Antriebssignal durch die Elektrode 164 ist durch einen getakteten Schalter 160 vorgesehen, der zwischen Eingängen von dem Knoten 144 und dem Knoten 152 alterniert. Die Elektrode 166 empfängt ein Antriebssignal durch den getakteten Schalter 162, das zwischen den Signalen von dem Knoten 142 und dem Knoten 154 alterniert. Die resultierenden Antriebssignale sind daher Rechteckwellen, die von gleicher oder ähnlicher Amplitude sind und um 180° phasenverschoben sind.
Die Wellenformen für die Schaltung in 4 sind im Wesentlichen die gleichen wie jene in 3A. Im Fall der 4 alterniert der getaktete Schalter 162 beispielsweise zwischen (a) V_DD minus dem Spannungsabfall über den Widerstandskörper R10 und (b) dem Spannungsabfall über den Widerstandskörper R16 während der getaktete Schalter 160 zwischen (c) V_DD minus dem Spannungsabfall über den Widerstandskörper R14 und (d) den Spannungsabfall über den Widerstandskörper R12 alterniert. In ähnlicher Weise alternieren die Rechteckwellen zwischen 0,06 Volt und 4,94 Volt.
Bei den beiden Ausführungsformen der 3 und der 4 ist ein Rückkopplungssignal an beide Treiber vorgesehen, wobei die Rechteckwellen um V_DD/2 zentriert sind, um die Treiberamplituden in komplementärer Weise zu verändern. Das heißt, dass die Amplitude eines Treibers um den gleichen Betrag zunimmt, um den die andere Amplitude abnimmt. Bei solchen Ausführungsformen sind die Wechselspannungs-elektrostatischen Kräfte vernachlässigbar, und die Veränderung der elektrostatischen Kräfte mit Balkenposition ist vernachlässigbar. Diese Eigenschaft verringert die Wahrscheinlichkeit von Hochfrequenzkräften und macht die Ausgangsreaktion ratiometrischer.
Bei der Schaltung in 5 sind weder Operationsverstärker noch Steuerungstransistoren erforderlich, obwohl in diesem Fall nur die Hälfte des Treibers angepasst ist. Die Schaltung ist weniger komplex; anders als bei den Ausführungsformen in 3 und 4 bleiben die Treibersignale jedoch nicht symmetrisch um V_DD/2, wenn sich der Balken als Reaktion auf eine Beschleunigung bewegt.
Folglich liegen einige Wechselspannungs-elektrostatischen Kräfte vor sowie der elektrische Federeffekt, der zwar verringert, nicht aber eliminiert ist. Die Spannung V_f ist durch die Widerstandskörper R17 und R18 an die Versorgungsspannung V_DD gekoppelt, und an das Bezugspotential durch die Widerstandskörper R19 und R20. Ein Knoten 170 befindet sich zwischen den Widerstandskörpern R17 und R18, und ein Knoten 172 befindet sich zwischen den Widerstandskörpern R19 und R20. Die Versorgungsspannung V_DD ist durch die Widerstandskörper R21, R22 und R23 auch an das Bezugspotential gekoppelt, mit einem Knoten 174 zwischen den Widerstandskörpern R21 und R22 und einem Knoten 176 zwischen den Widerstandskörpern R22 und R23.
Der Sensor hat feste Elektroden 178 und 180 und eine bewegliche Elektrode 182 zwischen den Elektroden 178 und 180 zum Bilden eines Differentialkondensators. Die Elektrode 178 empfängt ein Treibersignal durch einen getakteten Schalter 184, der zwischen dem Empfang von Signalen von dem Knoten 170 und dem Knoten 176 alterniert. Die Elektrode 180 ist an den getakteten Schalter 186 gekoppelt, der zwischen den Signalen an den Knoten 172 und 174 alterniert.
Wie in 5A gezeigt, sind die Treibersignale als Reaktion auf eine Ladung nicht auf V_DD/2 zentriert. Ein Treibersignal ist um einen Betrag y erhöht, so dass das Treibersignal leicht über dem Nennbetrag während der hohen Zyklen liegt, und die andere Wellenform ist als Reaktion auf die Rückkopplung während des kleinen Wertes des Treibersignals um einen Betrag y verringert. Die Wirkungen dieser Veränderungen sind durch die gestrichelten Linien gezeigt. Wie gezeigt, gibt es ein periodisches Signal mit der Amplitude y, wobei y << V_DD ist.
Wie in den 3, 4 und 5 gezeigt, kann eine Anzahl verschiedener Techniken verwendet werden, obgleich diesen gemein ist, dass eine Treiberspannung an einer festen Elektrode durch Rückkopplung gesteuert wird. Die Ausführungsformen der 3 und 4 haben ferner miteinander gemein, dass der Unterschied zwischen den elektrostatischen Kräften zwischen jeder festen Elektrode und der beweglichen Elektrode eliminiert ist, so dass der elektrische Federeffekt eliminiert ist. Diese Eliminierung der elektrostatischen Kräfte ist mit Bezug zu 6 dargestellt. Eine bewegliche Elektrode 180 ist nominal um eine Distanz d von den festen Elektroden 182 und 184 beabstandet, und es gibt eine Nominalspannung V zwischen jeder der Elektroden 182 und 184 und der Elektrode 180. Eine extern ausgeübte Beschleunigung bewirkt, dass sich der bewegliche Balken um eine Entfernung x auf den festen Balken 182 zu bewegt. Mit der Rückkopplung gemäß der vorliegenden Erfindung verändert das zu den Treibern zurückgeführte Signal die Amplitude der beiden getakteten Treibersignale um den Betrag z, wobei das eine um z vergrößert und das andere um z verkleinert wird. Da die Kraft ungefähr proportional zu V²/d² ist, gilt zum Ausgleichen der elektrostatischen Kräfte (V – z)²/(d – x)² = (V + z)²/(d + x)². Durch Regulieren der Spannungen der getakteten Treibersignale können die Kräfte bei ungefähr derselben Amplitude ausgeglichen werden, die das Wechselstromsignal an dem beweglichen Balken 180 auf Null setzt. Die Kräfte werden so minimiert und wesentlich elektrisch verringert (z.B. um wenigstens den Faktor 10), im Gegensatz zu einem mechanischen Ansatz des Rückzentrierens der Elektrode mit Kraftrückkopplung.
7 zeigt wie die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem oberflächenmikromechanischen Beschleunigungsmesser verwendet würde. 7 ist eine stark vereinfachte Draufsicht des Sensorabschnitts eines bekannten Typs eines mikromechanischen Beschleunigungsmessers (detailliertere Ansichten sind in den eingeschlossenen Patenten gezeigt), die hier zu Erläuterungszwecken gezeigt wird, obgleich andere Strukturen mit Differentialkondensatoren verwendet werden könnten. Die Sensorstruktur 100 ist über einem Substrat 102 mit Riemen 104 aufgehängt, die mit Verankerungen 106 verbunden sind, welche sich orthogonal zu dem Substrat erstrecken. Die Sensorstruktur 100 umfasst einen zentralen Balken 108, der entlang der x-Achse beweglich ist, und bewegliche Finger 110 (die sich mit dem Balken 108 bewegen und bezüglich des Substrats beweglich sind) erstrecken sich in einer Richtung, die zu der x-Achse orthogonal ist.
Die Finger 110 befinden sich jeweils zwischen zwei festen Fingern 112 und 114 zum Bilden eines Differentialkondensators. Schaltungen zum Bilden der Treiber und der Leseschaltung, wie oben beschrieben, sind ebenfalls an dem Substrat integriert und sind im Allgemeinen als Schaltung 116 integriert. Als Reaktion auf eine Beschleunigung entlang der x-Achse steuert die Schaltung 116 die für die Finger 112 und 114 vorgesehenen Signale, vorzugsweise derart, dass das Signal an dem Balken keine Wechselstromkomponente aufweist.
Die 8–10 sind schematische Darstellungen weiterer Beispiele der Treiberschaltungen. Die Schaltung 200 in 8 ähnelt insofern der in 5 gezeigten als die Rückkopplung eine Veränderung eines der Treibersignale bewirkt. Bei der Schaltung 200 ist das Eingangssignal von der beweglichen Elektrode für einen Operationsverstärker 202 vorgesehen, dessen Ausgang für einen FET 204 vorgesehen ist. Die Widerstandskörper R24 = R25 = R26 = R27; und diese Widerstandskörper haben einen geringeren Widerstand als die Widerstandskörper R28 und R29. Bei dieser Ausführungsform stellt der Widerstandskörper R28 die Vorspannung, den Versatz und die Skalierung ein. Die Signale A, B, C und D entsprechen den vier Signalen, die für die Schalter 184 und 186 in 5 vorgesehen sind. Die resultierenden Wellenformen ähneln den in 5A gezeigten.
Die 9 und 10 zeigen Beispiele einer Schaltung mit zwei Differentialverstärkern beziehungsweise einem Differentialverstärker. Die Schaltung in 9 umfasst im Wesentlichen zwei Differentialverstärker 212 und 214, wobei jeder ein Differentialtransistorpaar aufweist, wobei einer der Transistoren das Eingangssignal empfängt und der andere eine feste Spannung von V_DD/2 an seiner Basis empfängt. Die Widerstandskörper R30, R31, R32 und R33 sind alle gleich und verglichen mit den Widerstandskörpern R34 und R35 relativ klein. Die Widerstandskörper R34 und R35 werden verwendet, um die Empfindlichkeit der Schaltung zu regulieren. Ein Vorteil der Schaltung besteht darin, dass die Empfindlichkeit verändert werden kann, ohne andere Komponenten der Schaltung zu verändern.
10 umfasst eine Schaltung 220 ähnlich der in 9 gezeigten, mit der Ausnahme, dass ein einzelnes Differentialpaar vorliegt, welches im Wesentlichen zwei Stromspiegel verwendet, um den Strom durch die Widerstandskörper R38 und R40 und durch die Widerstandskörper R39 und R41 vorzusehen. Diese Schaltung ermöglicht auch eine Empfindlichkeitsregulierung mit dem Widerstandskörper R42. Dieses Beispiel vermeidet auch die Verwendung von Operationsverstärkern, ist kompakt und ermöglicht eine Empfindlichkeitsregulierung ohne den Rest der Schaltung zu verändern.
Die im Zusammenhang mit den 3–5 und 8–10 oben beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele weisen alle vier Signale auf, wobei zwei Signale für einen an eine Elektrode gekoppelten Schalter vorgesehen sind und zwei andere Signale an einen zweiten an eine zweite Elektrode gekoppelten Schalter gekoppelt sind. Wie in 11 gezeigt, kann die Schaltung mit einem Paar differentialkapazitiver Strukturen verwendet werden. Die Signale A, B, C und D stellen das Niveau der Rechteckwellen-Treibersignale ein, die die differentialkapazitiven Strukturen steuern. Diese Anordnung sieht Differentialausgänge von dem Paar vor. 11 zeigt eine Schaltung 240 mit einem ersten Differentialkondensator 242 und einem zweiten Differentialkondensator 244. Diese Kondensatoren umfassen bewegliche Elektroden 246 und 248 und feste Elektroden 250, 252, 254 und 256. Die Schalter 260, 262, 264 und 266 sind jeweils an die festen Elektroden 250, 252, 254 und 256 gekoppelt.
Mit Bezug zu 12 sind bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Verstärker, der Demodulator und der Treiber wirksam in einer einzigen Schaltung 300 mit einer Verstärkerstufe 302, einer Demodulatorstufe 304 und einer Treiberstufe 306 kombiniert. Die Verstärkerstufe 302 umfasst ein Differentialtransistorenpaar 310, einen Stromspiegel 312 und einen Kaskodentransistor 314. Die Ableitung des Kaskodentransistors 314 befindet sich an dem Knoten 316, welcher ein Hochimpedanzeingang zu der Demodulatorstufe 304 ist. Das Signal an dem Knoten 316 ist für die Schalter 318 und 320 vorgesehen, welche das Signal in alternierender Weise für die Integratoren 322 und 324 vorsehen. Diese Integratoren umfassen entsprechende Kondensatoren C2 und C1, welche die Demodulierung durchführen und die Schleifenbandweite steuern. Die Quellen der Transistoren in den Demodulatoren 322 und 324 sind miteinander und mit einem Gatter des Transistors 336 verbunden. Die Ableitung des Transistors 336 ist an die Quelle des Kaskodentransistors 314 gekoppelt. Der Transistor 336 sieht eine Rückkopplung vor, um Strom von der Quelle des Transistors 314 zu ziehen, um die Gleichspannung an den Quellen der Transistoren 320 und 322 auf eine feste Vorspannung einzustellen.
Die demodulierten Signale an den Knoten 326 und 328 sind für jeweilige Gatter der MOS-Transistoren 330 und 332 in der Treiberstufe 306 vorgesehen. Die resultierenden Ausgangssignale V₀₁ und V₀₂ sind an den Quellen der Transistoren 330 und 332 vorgesehen. Diese Quellen sind auch mit der Versorgungsspannung Vdd durch die Transistoren R46 und R47 beziehungsweise durch die Transistoren R49 und R50 gekoppelt. Die Ableitungen der Transistoren 330 und 332 sind an das Substrat durch die jeweiligen Widerstandskörper R48 und R51 gekoppelt. Die Widerstandskörper R47 und R50 sind vorzugsweise signifikant größer als die Widerstandskörper R46, R48, R49 und R51, welche wiederum vorzugsweise gleich sind. Beispielsweise können die Widerstände der Widerstandskörper R47 und R46 ein Verhältnis von ungefähr 14:1 aufweisen. Die resultierenden Signale A, B, C und D sind für getaktete Schalter vorgesehen, wie oben beschrieben.
Die Operation ähnelt im Wesentlichen anderen oben beschriebenen Ausführungsformen. Das Wechselspannungssignal an dem Balken wird durch die Differentialverstärkerstufe verstärkt und demoduliert, um ein Signal zu erhalten, das als ein Ausgang vorgesehen ist und durch das Verhältnis der Widerstandskörper in der Treiberstufe abwärts skaliert wird.
Die Schaltung in 12 kann mit einem einzelnen beweglichen Balken, welcher sich entlang einer Achse bewegt, verwendet werden, mit mehreren Balken in einer Achse oder mit einem Balken, der sich entlang mehrerer Achsen bewegt. Bei einer Ausführungsform mit einem Balken, bei der sich der Balken entlang einer Achse bewegt, ist einer der Eingänge in die Schaltung 300 an V_DD/2 gekoppelt, während der andere an den Balken gekoppelt ist. Bei der Ausführungsform mit zwei Balken, ist jeder Balken an einen der Eingänge in die Schaltung 300 gekoppelt.
Eine Ausführungsform für einen einzelnen Balken, der sich entlang zwei Achsen bewegt, ist in vereinfachter Form in 13 gezeigt. Der Balken 350 hat Erfassungsfinger an jeder Seite, um eine Bewegung entlang einer X-Achse und einer Y-Achse zu erfassen. Das Signal von dem Balken 350 ist für eine Verstärkungsstufe 352 vorgesehen, und dann für zwei im Wesentlichen identische Demodulator-Stufen 354 und 356, von denen jede mit der Stufe 304 in der Ausführungsform in 12 vergleichbar ist. Der demodulierte Ausgang, in Quadratur, um die Signale an den zwei Achsen zu trennen, ist dann für die Treiberstufen 358 beziehungsweise 360 vorgesehen, von denen jede im Wesentlichen der Treiberstufe 306 in der Ausführung in 12 ähnlich ist. So bietet die Schaltung in 12 Flexibilität für unterschiedliche Typen von Beschleunigungsmessern.
14 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist in vielerlei Hinsicht der Ausführungsform in 12 ähnlich, insofern als eine einzelne Schaltung 400 mit einer Verstärkerstufe 402, einer Demodulatorstufe 404 und einer Treiberstufe 406 vorliegt. Die Verstärkerstufe 402 umfasst ein Differentialtransistorenpaar 408, einen Stromspiegel 412 und einen Kaskodentransistor 410. Der Betrieb ähnelt im Wesentlichen dem oben im Zusammenhang mit 12 beschriebenen.
Die Schaltung der 12 und 14 weist einige Vorteile gegenüber einigen der anderen Ausführungsformen auf. Die gesamte Schaltung in der Rückkopplungsschleife ist im Wesentlichen zu einer vereinten Schaltung kombiniert, die nicht wesentlich mehr als ein Operationsverstärker mit einem einzelnen Pol ist. Die Konstruktion hat eine geringe Leistung, arbeitet mit einem großen Versorgungsbereich einschließlich einer geringen Spannung und verfügt über eine große Bandweite. Die Verstärkerstufe und die Demodulatorstufe in dieser Ausführungsform müssen nicht besonders präzise sein, solange der Skalierungsfaktor akkurat gestaltet werden kann. Da die Schaltung nur einen einzelnen Pol aufweist, ist sie leicht zu kompensieren. Dieser Rückkopplungsansatz entfernt eine mechanische Transferfunktion zweiten Grades von der Schleife, wodurch die Schleife für eine Balken-Resonanzfrequenz oder Q stabil gemacht wird.
Bei der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollte ersichtlich werden, dass Veränderungen möglich sind, ohne vom Rahmen der Erfindung, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Beispielsweise sind die Strukturen des Beschleunigungsmessers beispielhaft, es könnten jedoch andere Elektrodenstrukturen verwendet werden.

Claims

Sensor zum Vorsehen eines Ausgabesignals, welches eine Beschleunigung anzeigt, umfassend: eine erste Elektrode (44, 88), eine zweite Elektrode (46, 94), eine dritte Elektrode (42), welche als Reaktion auf eine Beschleunigung bezüglich der ersten und der zweiten Elektrode zum Bilden eines Differentialkondensators (40) beweglich ist, und eine Rückkopplungsschaltung, welche ein erstes und ein zweites periodisches Signal für die erste beziehungsweise die zweite Elektrode vorsieht, wobei das erste und das zweite periodische Signal von einem Signal an der dritten Elektrode abgeleitet sind, um ein periodisches Signal an der dritten Elektrode als Reaktion auf die Beschleunigungskraft wesentlich zu verringern, dadurch gekennzeichnet, dass: das Signal an die erste Elektrode eine Amplitude aufweist, die zwischen einer Nicht-Null-Spannung v₁ und V_s – v₁ liegt, wobei V_s eine Versorgungsspannung ist, so dass der Durchschnittswert des Signals an die erste Elektrode V_s/2 ist, das Signal an die zweite Elektrode eine Amplitude aufweist, die zwischen einer Nicht-Null-Spannung v₂ und V_s – v₂ liegt, wobei V_s eine Versorgungsspannung ist, so dass der Durchschnittswert des Signals an die zweite Elektrode V_s/2 ist, sich die Spannungen v₁ und v₂ in einer komplementären Weise verändern, so dass ein resultierendes Wechselspannungssignal an der dritten Elektrode im Wesentlichen auf Null gesetzt wird, ohne die bewegliche Elektrode auf eine Referenzposition mit Kraft-Rückkopplung zurück zu zentrieren, der Sensor auf der Basis der komplementären Werte v₁, v₂ ein die Beschleunigung anzeigendes Ausgabesignal vorsieht.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschaltung einen ersten und einen zweiten Treiber (60, 62) umfasst, die ein um 180 Grad zueinander phasenverschobenes erstes und zweites Signal für die erste beziehungsweise die zweite Elektrode erzeugen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signale an der ersten und der zweiten Elektrode Rechteckwellen sind.
Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Rückkopplungsschaltung eine Skalierungsstufe (70, 74) zum Empfangen eines Signals von dem Signal an der dritten Elektrode und zum Vorsehen einer ersten Ausgabespannung und einer ersten und einer zweiten Rückkopplungsspannung umfasst, wobei die Rückkopplungsspannungen zu der Ausgabespannung in einem Widerstandsverhältnis (R2, R3) in der Skalierungsstufe stehen, und einen ersten Schalter (86) vorsieht, um alternierend die erste Elektrode (88) mit der ersten und der zweiten Rückkopplungsspannung zu versehen, um die erste Elektrode mit einer Rechteckwelle zu versehen.
Sensor nach Anspruch 4, wobei die Skalierungsstufe ferner eine zweite Ausgabespannung und eine dritte und eine vierte Rückkopplungsspannung vorsieht, wobei die Vorrichtung ferner einen zweiten Schalter zum alternierenden Vorsehen der dritten und der vierten Rückkopplungsspannung vorsieht, um die zweite Elektrode mit einer Rechteckwelle zu versehen.
Sensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Skalierungsstufe einen ersten, einen zweiten und einen dritten Widerstandskörper in Reihe zwischen zwei festen Spannungsquellen umfasst, wobei der erste und der dritte Widerstandskörper den gleichen Widerstand aufweisen und einen deutlich geringeren Widerstand aufweisen als der zweite Widerstandskörper.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste, die zweite und die dritte Elektrode oberflächenmikromechanische Elektroden über einem Substrat sind, so dass die erste und die zweite Elektrode bezüglich des Substrats fest sind und die dritte Elektrode über dem Substrat aufgehängt und bezüglich des Substrats lateral beweglich ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Werte von v₁ und v₂ deutlich geringer sind als der Wert von V_s.
Verfahren zur Verwendung mit einem Sensor zum Erfassen einer Beschleunigung, bei welchem der Sensor umfasst: eine erste Elektrode (44, 88), eine zweite Elektrode (46, 94), eine dritte Elektrode (42), welche als Reaktion auf eine Beschleunigung bezüglich der ersten und der zweiten Elektrode zum Bilden eines Differentialkondensators (40) beweglich ist, und eine Rückkopplungsschaltung, welche ein erstes und ein zweites periodisches Signal für die erste beziehungsweise die zweite Elektrode vorsieht, wobei wenigstens eines des ersten und des zweiten periodischen Signals von einem Signal an der dritten Elektrode abgeleitet ist, um ein periodisches Signal an der dritten Elektrode als Reaktion auf die Beschleunigungskraft wesentlich zu verringern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Versehen der ersten Elektrode mit einem Signal mit einer Amplitude, die zwischen einer Nicht-Null-Spannung v₁ und V_s – v₁ liegt, wobei V_s eine Versorgungsspannung ist, so dass der Durchschnittswert des Signals an die erste Elektrode V_s/2 ist, Versehen der zweiten Elektrode mit einem Signal mit einer Amplitude, die zwischen einer Nicht-Null-Spannung v₂ und V_s – v₂ liegt, wobei V_s eine Versorgungsspannung ist, so dass der Durchschnittswert des Signals an die zweite Elektrode V_s/2 ist; das Verändern der Spannungen v₁ und v₂ in einer komplementären Weise, so dass ein resultierendes Wechselspannungssignal an der dritten Elektrode im Wesentlichen auf Null gesetzt wird, ohne die bewegliche Elektrode auf eine Referenzposition mit Kraft-Rückkopplung zurück zu zentrieren; und das Vorsehen eines die Beschleunigung anzeigenden Ausgabesignals auf der Basis der komplementären Werte v₁, v₂ durch den Sensor.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das erste und das zweite periodische Signal zueinander um 180 Grad phasenverschobene Rechteckwellen sind.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Rückkoppeln das Versehen einer Skalierungsstufe mit einem Rückkopplungssignal zum Vergrößern der Amplitude eines periodischen Signals und zum Verringern der Amplitude des anderen periodischen Signals um einen gleichen Betrag umfasst, wobei die Skalierungsstufe Widerstandskörper umfasst, um zu bewirken, dass die Veränderung bezüglich der Versorgungsspannung gering ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, wobei die Werte von v₁, v₂ sehr viel kleiner sind als der Wert von V_s.