Die Erfindung betri f ft ein Erregungselement zur Erzeugung von mechanischen Bewegungen mit einem Erreger und einer Aufnahme für ein zu testendes Obj ekt sowie mit einer elektrischen Schnittstelle zur Übermittlung der Erregungsoder Messdaten .

Die Erfindung betri f ft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Erregungselements .

Zur Funktionsprüfung, Charakterisierung oder Kalibrierung von Sensoren, insbesondere von Schwingungssensoren ist es bekannt , diese über einen Schwingungserreger, in eine kontrollierte determinierte Schwingung zu versetzen . Die Reaktion des Sensors , als dem Testobj ekt oder Device Under Test ( DUT ) wird sodann gemessen und daraus Aussagen über die Funktions fähigkeit gewonnen oder Werte zum Kalibrieren des Sensors abgeleitet .

Unter Kalibrieren wird dabei eine vergleichende Messung der Messgröße des DUT definiert , wobei die Messgröße des DUT auf ein nationales Normal rückgeführt wird . Dabei wird die Abweichung der Messgröße des DUT vom richtigen Wert der Messgröße festgestellt und dokumentiert .

Unter Funktionsprüfung oder Testen sollen Messungen verstanden werden, die während verschiedener Phasen des Produktes (Entwicklung, Verf i zierung, Service ) durchgeführt werden, um das Verhalten des DUT bezüglich seiner Messgröße über den Umfang einer Kalibrierung hinaus zu untersuchen .

Das Charakterisieren definiert Messungen, bei denen der DUT nicht nur mit seiner Messgröße angeregt, sondern bei denen auch das Verhalten des DUT auf Störeinflüsse, die während seines Lebenszyklus auftreten können, systematisch untersucht wird.

Für die Kalibrierung von Sensoren ist ein Schwingungserreger mit der Bezeichnung SE-09 der Anmelderin bekannt, welcher für Kalibrierungen im Frequenzbereich bis 20 kHz saubere translatorische Schwingungen erzeugen kann. Dort erfolgt die Schwingungserregung über einen rein elektrodynamischen Schwingungserreger, der über ein elektrodynamisches System, welches in einem Gehäuse angeordnet ist, angeregt wird. Eine Grundplatte stellt eine Gegenmasse des Schwingsystems dar. Das DUT wird auf dem Schwingungserreger befestigt. Nachteilig ist hierbei, dass die Schwingfrequenz mit 20 kHz nach oben hin begrenzt ist. Für die Funktionsprüfung und Charakterisierung von DUT kann der Schwingungserreger bis 50 kHz verwendet werden.

Ein Schwingungserreger ist mit der Bezeichnung SE-16 bekannt, welcher von der Anmelderin selbst angeboten wird. Dieser ist in Fig. 0.1 dargestellt. Dort erfolgt die Schwingungserregung über einen rein elektrodynamischen Schwingungserreger 0.1, der über ein elektrodynamisches System, welches in einem Gehäuse 0.2 angeordnet ist, angeregt wird. Eine Grundplatte 0.3 stellt eine Gegenmasse des Schwingsystems dar. Das DUT wird auf dem Schwingungserreger 0.1 befestigt. Nachteilig ist hierbei, dass die Schwingfrequenz prinzipbedingt mit 100 kHz nach oben hin begrenzt ist. Außerdem kann damit keine saubere translatorische Schwingung erzeugt werden. Es ist auch ein Schwingungsregelsystem der Anmelderin mit der Bezeichnung VCS 401-Piezo mit einem darin enthaltenen piezobasiertem Schwingungserreger bekannt, wie es in Fig. 0.2 dargestellt ist. In diesem kommt ein Piezoschwinger 1 zum Einsatz, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Der Piezoschwinger 1 ist zwischen dem Koppelkörper 0.4 und einer Gegenmasse 0.5 angeordnet. Der Schwinger 0.4 ist mit einer DUT-Aufnahme zur Aufnahme eines Prüfling 0.6 (Sensor) versehen. Die DUT-Aufnahme ist im Koppelkörper enthalten und besteht hier aus zwei M6-Innengewinden .

Die DUT-Aufnahme ist im Koppelkörper enthalten und besteht hier aus zwei M6-Innengewinden . Das ist aber nur eine Variante der Ausführung. Damit besteht der Piezoschwinger aus dem Piezoantrieb und zwei schwingenden Massen und bildet damit einen freien Zweimassenschwinger. Eine der Massen kommt nur die Aufgabe einer Gegenmasse (0.5) zu, wobei der anderen Masse (0.4) die Funktion eines Koppelkörpers zukommt, an der ein DUT befestigt werden kann.

Dieser Piezoschwinger 1 wie auch am Markt erhältliche Piezoschwinger, wie z.B. der piezoelektrische Shaker von piezosystems Jena (100 kHz, 5 pm, 1000 N) , siehe https : //www. piezosystem. com/products/piezocomposite/products / shaker/ , bestehen aus einem Stapel von einzelnen Piezoschwingplatten la mit einer quadratischen, rechteckigen oder runden (wie dargestellt) Grundfläche und einer Dicke d. Mit einem solchen Stapel von Piezoschwingplatten la kann eine gute translatorische Bewegung erreicht werden und es treten wenig in-plane-Moden auf. Jedoch lassen sich auch mit diesem Schwinger keine Schwingfrequenzen über 100 kHz erzeugen und im Datenblatt wird die obere Grenze mit 40 kHz angegeben . Auch hier kann oberhalb von 40 kHz zwar noch eine Schwingung erzeugt werden . Allerdings ist diese nicht mehr rein translatorisch und damit nicht mehr vollständig regelbar .

Mit einem zunehmenden Einsatz von Sensoren oder Aktoren in zahlreichen Anwendungsbereichen, der durch miniaturisierte Aus führungen, insbesondere in Mikrosystemen mit sogenannten MEMS (MicroElectromechanical System = MEMS ) ermöglicht wird, besteht nunmehr die Notwendigkeit , MEMS-Sensoren zu testen, zu charakterisieren und/oder zu kalibrieren . Aber auch MEMS- Aktoren, also Bauteile , die aktiv Bewegungen erzeugen, müssen getestet , charakterisiert und kalibriert werden .

Die bekannten Schwingungserreger haben zum einen den Nachteil , dass selbst bei einer größtmöglichen Ausnutzung der physikalischen Grenzen der Frequenzbereich limitiert ist , so dass Messungen von MEMS bei höheren Frequenzen beispielsweise bei 100 kHz bis 3 MHz nicht möglich sind . Darüber hinaus ist eine Bewegung des DUT 3 nur in out-of- plane-Richtung 5 möglich . Eine Bewegung in in-plane-Richtung 10 , d . h . bei der die Bewegungsachse 11 in hori zontaler x-y- Richtung liegt , wie sie in den Figuren mit x- , y- , und z- Pfeilen dargestellt sind, als auch eine rotatorische Bewegung um diese Bewegungsachse ist nicht möglich . Zur eindeutigen Zuordnung wird die Bezeichnung „out-of-plane" für die z-Richtung und „in-plane" für die x-y-Richtung gewählt . Die Koordinatenachsen sind in den Zeichnungen angegeben .

Kommerziell sind Piezoplatten mit einer Nennfrequenz von 2 MHz und mehr verfügbar . Derartige Piezoschwinger werden z . B . von der Fa . PI Ceramic GmbH, 10 Lindenstraße , 07589 Lederhose , angeboten . Ein Problem ist dabei das Auftreten von in-plane Moden über den kompletten Frequenzbereich, die unkontrollierbare out-of-plane Bewegung erzeugen .

Einzelne Piezoschwingplatten la, wie in Fig . 1 dargestellt , haben den Nachteil , dass bei einer Längsanregung dz auch starke Queranregung dxy zu verzeichnen ist was zu unkontrollierter Bewegung der Platte führt . Wie bereits beschrieben, kann mit einem Stapel von Piezoschwingplatten la eine gute translatorische Bewegung erreicht werden und es treten wenig in-plane-Moden auf . Jedoch lassen sich auch mit diesem Schwinger keine Schwingfrequenzen oberhalb von einigen kHz bis zu einigen Megahertz erzeugen . Eine gleichmäßige Translation in „out-of-plane"-Richtung 5 ist nur in ausgewählten Frequenzbereichen möglich und „in- plane"-Bewegungen treten, wie oben beschrieben, auf , sind aber nicht kontrolliert anregbar, da sie nur als Nebenef fekt bzw . Koppelef fekt der Out-of-plane-Bewegung auftreten .

Rotationen eines an dem Piezoschwinger befestigten DUT , oder Rotationen des DUT , sind gar nicht möglich .

Aus der Akustik, insbesondere der akustischen Messtechnik sind akustische Signalgeneratoren in der Form von Komposit- Piezo 12 bekannt , wie ein solcher in Fig . 3 bis Fig . 5 dargestellt ist . Hierbei handelt es sich auch um eine Platte , wie zu Fig . 1 erläutert , allerdings ist diese in eine Viel zahl von n Piezoelementen 13 aufgeteilt . Die Piezoelemente 13 sind untereinander mittels einer Matrix 14 verbunden . Der Vorteil gegenüber einer Standard-Piezoplatte , wie sie in einem Piezoschwinger 1 zu sehen ist , besteht darin, dass sie eine deutlich geringer ausgeprägte Queranregung dxy zeigt . Eine Anwendung einer akustischen Schallquelle als Piezoschwinger 1 in einer Mess- oder Kalibrieranordnung 2 ist allerdings nicht bekannt .

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde , ein Erregungselement zur Erzeugung oder Messung von mechanischen Bewegungen mit einem Erreger und einer Aufnahme für ein zu testendes Obj ekt sowie mit einer elektrischen Schnittstelle zur Übermittlung der Erregungs- oder Messdaten anzugeben, welches bei mechanischen Bewegungen in oberhalb von einem kHz , insbesondere oberhalb 40 kHz und bevorzugt oberhalb 100 kHz bis zu einer Größenordnung von mehreren 10 Megahertz zuverlässig arbeitet und sowohl „out-of-plane"-Bewegungen als auch Rotationen des DUT erlaubt .

Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst , dass eine an sich bekannte Piezoschwingplatte oder ein Piezoschwinger in Form eines Piezo-Komposits mit einer in Richtung der Plattendicke quer liegenden ersten Seite , einer mit der Plattendicke beabstandeten und parallel zur ersten Seite liegenden zweite Seite und mit sich zwischen erster und zweiter Seite erstreckenden stabförmigen Piezoelementen als Erreger verwendet wird . Der ist Erreger auf seiner ersten Seite mit einer ersten Kontakt fläche und auf seiner zweiten Seit mit einer zweiten Kontakt fläche versehen, wobei die Kontakt flächen ansteuerbar sind . Der Erreger ist auf seiner zweiten Seite ein zu testendes Obj ekt aufnehmend gestaltet .

Mit einer derartigen Anordnung wird es grundsätzlich überhaupt erst möglich, mechanischen Bewegungen in einem Frequenzbereich von oberhalb von einem kHz , insbesondere oberhalb 40 kHz und bevorzugt oberhalb 100 kHz bis zu einer Größenordnung von mehreren 10 Megahertz zuverlässig zu erzeugen .

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein an sich bekannter plattenförmiger Komposit-Piezo mit einer in Richtung der Plattendicke quer liegenden ersten Seite , einer mit der Plattendicke beabstandeten und parallel zur ersten Seite liegenden zweiten Seite und mit sich zwischen erster und zweiter Seite erstreckenden stabförmigen Piezoelementen als Erreger verwendet wird und der Erreger in Segmente aus Piezoelementen gegliedert ist , die separat erregbar gestaltet sind .

Neben der deutlich geringer ausgeprägten Queranregung dxy ist auch eine insbesondere kundenspezi fische Gestaltung von Partitionen möglich .

Zur Anregung einzelner Partitionen, zur gezielten Regelung einzelner Partitionen, zur Unterdrückung von Plattenmoden und/oder zur Rotationsanregung durch Phasenversatz zwischen Partitionen ist vorgesehen, dass der Erreger auf seiner ersten Seite mit einer ersten segmentierten Kontakt fläche und auf seiner zweiten Seite mit einer zweiten segmentierten Kontakt fläche versehen ist , wobei die Kontakt flächen über die Schnittstelle segmentweise und getrennt voneinander ansteuerbar sind . Der Erreger ist auf seiner zweiten Seite ein zu testendes Obj ekt aufnehmend gestaltet .

Zur Erzeugung der Partitionen ist vorgesehen, dass beide Kontakt flächen strei fenförmig segmentiert sind, wobei j eder Kontaktstrei fen die gleiche Breite aufweist .

Sollen strei fenförmige Partitionen realisiert werden, können die Kontaktstrei fen der beiden Kontakt flächen dieselbe Ausrichtung in hori zontaler, d . h . in x- oder y-Richtung aufweisen .

Es ist aber auch möglich, insel förmige Partitionen dadurch zu erzeugen, dass die Kontaktstrei fen auf der ersten Kontakt fläche eine Ausrichtung in einer ersten hori zontalen, d . h . x-Richtung, und auf der zweiten Kontakt fläche in einer orthogonal zur ersten hori zontalen zweiten Richtung, d . h . y- Richtung, liegenden Richtung aufweisen . Die in einer Proj ektion in vertikaler z-Richtung gesehenen Schnittflächen der Kontaktstrei fen der ersten und der zweiten Kontakt fläche stellen dabei die insel förmigen Partitionen dar .

Vorzugsweise zu der Gestaltung, dass der Erreger auf seiner zweiten Seite ein zu testendes Obj ekt aufnehmen kann, ist vorgesehen, dass der Erreger über der zweiten Kontakt fläche mit einer segmentierten Koppelplatte versehen ist . Die Segmentierung der Koppelplatte dient der Abbildung der Partitionen des Erregers , d . h . die Segmentierung ist vorzugsweise so gewählt , dass die in einer Proj ektion in vertikaler z-Richtung gesehenen Schnittflächen der Kontaktstrei fen der ersten und der zweiten Kontakt fläche die Partitionen bilden, die mit den Segmenten übereinstimmen, so dass Bewegungen der Segmente oder Bewegungen der Partitionen j eweils weitergeben werden können .

In einer Aus führungs form des Erregungselements ist vorgesehen, dass die Koppelplatte in strei fenförmige erste Koppelplattensegmente segmentiert ist , derart , dass deren Breite und Richtung den Kontaktstrei fen der zweiten Kontakt fläche entsprechen und die ersten Koppelplattensegmente in y-Richtung ausgerichtet sind und in vertikaler z-Richtung über den Kontaktstrei fen der zweiten Kontakt fläche liegen . Somit werden strei fenförmige Partitionen erzeugt . Diese können durch Anlegen einer Spannung an die j eweils einander in Z-Proj ektion gegenüberliegenden Kontaktstrei fen einzeln angeregt werden . Somit sind alle translatorischen Bewegungen in Z-Richtung j eweils der einzelnen Partitionen getrennt voneinander möglich . Damit wird es möglich, Translationen des gesamten Erregungselements zu realisieren, wie aber auch wellenartige Bewegungen und dergleichen . Erstmals wird es aber auch möglich, durch eine um 180 ° phasenverschobene Ansteuerung voneinander benachbarter Partitionen oder einander benachbarter Gruppen von Partitionen Rotationen des DUT um eine Rotationsachse , die in der x-y-Richtung liegenden Ebene liegt , zu realisieren .

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Erregerelements kann vorgesehen sein, dass die Koppelplatte unter Entstehung von quadratischen zweiten Koppelplattensegmenten zusätzlich in in x-Richtung verlaufende Strei fen segmentiert ist , und die quadratischen zweiten Koppelplattensegmente bei einer Ausrichtung der Kontaktstrei fen der ersten und der zweiten Kontakt fläche orthogonal zueinander in vertikaler z-Richtung über in einer in vertikaler z-Richtung gesehenen Schnittflächen der Kontaktstrei fen der ersten und der zweiten Kontakt fläche liegen . Damit wird eine insel förmige Partitionierung erreicht . Einander in der Proj ektion kreuzende Kontaktstrei fen können einzeln kontaktiert werden . Dabei werden die in den Schnittbereichen der j eweiligen Kontaktstrei fen liegenden Piezoelemente bei Anlegen einer Spannung angeregt . Nach wie vor können aber auch ganze Stei fen oder Gruppen wie oben beschrieben angeregt werden . In einer bevorzugten Aus führung ist vorgesehen, dass die ersten oder zweiten Koppelplattensegmente j eweils benachbart miteinander mittels eines Verbindungsmittels mechanisch verbunden sind . Das Verbindungsmittel kann ausgeführt sein als :

- Schwächung der Struktur in diesem Bereich und einer damit verbundenen Verringerung der Stei figkeit

- Füllmaterial mit einem geringeren E-Modul als das Koppelplattensegment .

Damit können sich die Koppelplattensegmente zumindest im hier infrage kommenden Frequenzbereich unabhängig voneinander bewegen .

Das Verbindungsmittel kann aus Epoxydharz , Silikon oder einem anderen Kunststof f bestehen . Dies sind Materialien, die eine im Frequenzbereich liegende mechanische Entkopplung der Koppelplattensegmente realisieren .

Eine Aufgabe ist die mechanische Entkopplung . Eine andere Aufgabe , während der Fertigung einen ausreichend festen Halt zwischen den Koppelplattensegmenten zu erreichen .

Durch das Verbindungsmittel wird eine glatte Oberfläche der Koppelplatte realisiert , auf der das DUT aufgebracht , vorzugsweise aufgeklebt werden kann . Insbesondere leicht reversible Klebstof fe können hier zum Einsatz kommen, die vom DUT rückstands- und beschädigungs frei entfernt werden können, um das DUT und auch den Erreger weiter einsetzen zu können .

Hier sei betont , dass es bei dem hier beschriebenen Erregungselement auf eine mechanische Kopplung zwischen DUT und Erregungselement ankommt , nicht auf eine akustische Kopplung, wie sie dem eigentlichen Verwendungs zweck des Komposit-Piezo entspricht .

Um nicht nur eine bessere Verbindung des DUT mit der Koppelplatte zu gewährleisten, sondern auch ein Schwingsystem in Form eines freie Zweimassenschwingers zu realisieren, ist der Erreger an seiner ersten Kontakt fläche mit einer Gegenmasse verbunden . Dabei wirken die Koppelplattenelemente auf der einen Seite als eine Masse des Schwingsystems und die Gegenmasse auf der anderen Seite als zweite Masse des Schwingsystems .

Zur weiteren Ausgestaltung und Realisierung einzelner Zweimassenschwinger zu einem Zweimassenschwinger-Array ist vorgesehen, dass die Gegenmasse als Gegenmassenplatte ausgebildet ist , die korrespondierend zu der Koppelplatte in Gegenmassesegmente strukturiert ist , wobei die Dicke der Gegenmasseplatte von der Dicke der Koppelplatte abweichen kann . Es ist auch vorstellbar, dass auch an der ersten Seite noch DUT befestigt werden .

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Erregungselement auf einem zweiten Schwingungserreger befestigt ist . Dieser zweite Schwingungserreger kann beispielsweise ein elektrodynamischer Schwingungserreger sein, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist , beispielsweise ein SE- 16 der Anmelderin . Damit wird es möglich, einen tiefen Frequenzbereich, in dem der zweite Schwingungserreger arbeiten kann, durch diesen abzudecken und höhere Frequenzen oberhalb des sicheren Arbeitsbereiches des zweiten Schwingungserregers mit dem erfindungsgemäßen Erregungselement . Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Erregungselements gelöst . Dabei wird die Koppelplatte mit einem Abstand und einer Richtung, die denen der Koppelplattensegmente entsprechen, von ihrer zweiten- oder ersten Seite mit einem Einschnitt versehen . Dabei reicht der Einschnitt j edoch nicht bis zu der j eweiligen anderen zweiten oder ersten Seite sondern nur bis zu einem Abstand zu der gegenseitigen ersten oder zweiten Seite . Der Einschnitt wird dann mit dem Verbindungsmittel gefüllt . Zum Separieren der Koppelplattenelemente wird die Koppelplatte auf der j eweils gegenseitigen ersten oder zweiten Seite bis zum Erreichen des Einschnittes abgetragen .

Die Koppelplatte kann mit dem Erreger verbunden werden, beispielsweise durch Aufkleben . Dabei erfolgt die Verbindung so , dass einem Koppelplattensegment mehrere Erregerelemente , insbesondere ein oder mehrere Piezo-Segmente , gegenüberstehen . Somit sind die mehreren Erregerelemente für die Erregung des DUT im Bereich des Koppelplattenelements verantwortlich oder für die Detektion einer Aktion des DUT im Bereich des j eweiligen Koppelplattenelements .

Zur Erzeugung eines Schwingungssystems ist vorgesehen, dass der Erreger mit der Gegenmassenplatte verbunden und die Gegenmassenplatte in der Art der Koppelplatte strukturiert wird . Damit entstehen einzelne kleine Zweimassenschwinger in der Größe der Partitionen, die erfindungsgemäß einzeln ansteuerbar sind, so dass verschiedenste Bewegungs formen des DUT erzeugt werden können, wie translatorische Bewegungen und/oder rotatorische Bewegungen, insbesondere Kippbewegungen und/oder wellenförmige Bewegungen . Insbesondere können auch rotatorische Bewegungen um eine in in-plane-Richtung liegende Rotationsachse erzeugt werden, wenn z.B. benachbarte Partitionen gegenläufig angesteuert werden .

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 0.1 einen Schwingungserreger SE-16 der Anmelderin,

Fig. 0.2 ein piezobasierter Schwingungserreger als Teil des Schwingregelsystems VCS401-piezo der Anmelderin,

Fig. 1 einen Standard-Piezoschwinger in verschiedenen Bauformen mit seinen Schwingungsverhalten,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen prinzipiellen Aufbau einer Mess- oder Kalibrieranordnung,

Fig. 3 eine perspektivische und eine Querschnittsdarstellung eines Piezo-Komposit,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt einer Perspektivdarstellung eines Piezo-Komposit,

Fig. 5 einen Piezo-Komposit mit Kontaktstreifen,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Piezo- Komposit mit einem darauf angeordneten DUT,

Fig. 7 einen Querschnitt durch das Piezo-Komposit aus Fig. 6 mit einem darauf angeordneten DUT und angelegter Spannung für eine translatorische Erregung,

Fig . 8 einen Querschnitt durch das Piezo-Komposit aus Fig . 6 mit einem darauf angeordneten DUT und angelegter Spannung für eine rotatorische Erregung,

Fig . 9 eine perspektivische Darstellung eines Piezo- Komposit mit einer strei fenförmigen Koppelplatte und einem auf deren zweiten Seite angeordneten DUT ,

Fig . 10 Seitenansicht eines mit Kontaktstrei fen auf der in y-Richtung mit Kontaktstrei fen auf der zweiten Seite in y-Richtung versehenen Piezo-Komposit

Fig . 11 eine Draufsicht auf ein mit Kontaktstrei fen auf der zweiten Seite in x-Richtung versehenen Piezo- Komposit ,

Fig . 12 eine Draufsicht auf ein mit Kontaktstrei fen auf der Ersten Seite in y-Richtung versehenen Piezo- Komposit ,

Fig . 13 eine Draufsicht auf ein mit Kontaktstrei fen auf der ersten Seite und in y-Richtung einer strukturierten Gegenmassenplatte versehenen Piezo-Komposit ,

Fig . 14 eine Draufsicht auf ein mit Kontaktstrei fen auf der zweiten Seite in x-Richtung und einer strukturierten Massenplatte versehenen Piezo-Komposit , Fig. 15 eine Draufsicht auf ein mit einem DUT auf der zweiten Seite versehenen Erregungselement,

Fig. 16 einen Querschnitt durch ein mit strukturierter Masseplatte, strukturierter Gegenmasseplatte und DUT versehenen Piezo-Komposit und

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung eines Piezo- Komposit nach Fig. 16.

In Fig. 2 ist eine prinzipielle Anordnung eines DUT 3 auf einer Mess- und Kalibrieranordnung 2 dargestellt. Zu testen ist ein DUT (Device Under Test = DUT) 3, das auf einem Schwinger 4 angeordnet ist und durch diesen in mechanische Bewegungen in vertikaler oder „out-of-plane"-Richtung 5 versetzt wird. Der Schwinger 4 ist mit einer Gegenmasse 6 verbunden, die elastisch oder fest mit einer Grundmasse 7 verbunden sein kann.

Derartige DUT 3 bestehen aus einem oder mehreren Bewegungselementen 8 in Form von MEMS, die als Sensoren oder Aktoren ausgebildet sein können und einer Steuerelektronik, die auf einem Träger 9 (in der Form einer gedruckten Schaltung (Printed Circuit Board = PCB) oder einem Chip) angeordnet sind. Die Sensoren können beispielsweise Inertialsensoren (Beschleunigungs- und Drehsensoren) und die Aktoren beispielsweise optische Aktoren (z.B.

Spiegelaktoren) fluidische Aktoren (z. Ventile oder Pumpen) oder akustische Aktoren (z.B. Schallerzeuger) darstellen.

Dieses Mikrosystem, bestehend aus Bewegungselementen 8 in Form von MEMS und dem Träger 9 in Form eines PCB ist auf einem Erregungselement 4 angeordnet . Das Erregungselement wird nach dem Stand der Technik als Schwinger ausgebildet , der in der Lage ist , das Mikrosystem 3 als DUT in translatorische Schwingungen zu versetzen, wonach die Reaktionen des DUT 3 auf die Schwingungen gemessen wird . Eine Messung von Aktionen eines DUT 3 , d . h . wenn das DUT 3 einen Aktor als Bewegungselement 8 beinhaltet , ist mit einem solchen Aufbau nicht bekannt .

Ein Grundgedanke der Erfindung ist es , bei einem Erregungselement 4 gemäß Fig . 2 zur Erzeugung oder Messung von mechanischen Bewegungen als Erreger einen gemäß Fig . 3 und Fig . 4 an sich bekannten Piezo-Komposit 12 mit einer ersten Seite 15 , einer mit einer Dicke d zur ersten Seite 15 beabstandeten zweiten Seite 16 und mit sich zwischen erster Seite 15 und zweiter Seite 16 erstreckenden stabförmigen Piezoelementen 13 als Erreger zu verwenden .

Wie in Fig . 5 dargestellt , ist der Piezo-Komposit 12 auf seiner ersten Seite 15 ist mit einer ersten segmentierten Kontakt fläche 17 und auf seiner zweiten Seiete 16 mit einer zweiten segmentierten Kontakt fläche 18 versehen, wobei die Kontakt flächen 17 und 18 über eine aus Kontakten 31 , wie sie in den Fig . 10 bis 12 dargestellt sind, gebildete Schnittstelle segmentweise und getrennt voneinander ansteuerbar sind .

Beide Kontakt flächen 17 und 18 sind strei fenförmig segmentiert , j eweils in Kontaktstrei fen 19 der ersten Kontakt fläche 17 und Kontaktstrei fen 20 der zweiten Kontakt fläche 18 , wobei j eder der Kontaktstrei fen 19 und 20 vorzugsweise aber nicht zwingend die gleiche Breite aufweist .

Nun gibt es zwei Möglichkeiten der Ausrichtung der Kontaktstrei fen 19 und 20 .

Wie in Fig . 6 dargestellt , kann das mit den Kontakt flächen

17 und 18 versehene Piezoelement 13 mit einem DUT 3 vorzugsweise ein PCB mit einem MEMS bestückt werden . In dem Beispiel enthält das DUT 3 vier MEMS 21 die auf einem PCB 22 angeordnet sind .

Die Kontaktstrei fen 19 und 20 der beiden Kontakt flächen 17 und 18 können dieselbe Ausrichtung in hori zontaler, d . h . in x- oder y-Richtung aufweisen .

In Fig . 7 ist dargestellt , dass mit dem Anlegen einer gleichen Spannung an die erste Kontakt fläche 17 und einer anders gepolten Spannung an die zweite Kontakt fläche 18 eine translatorische Bewegung 23 erzeugt werden kann .

In Fig . 8 ist dargestellt , dass mit dem Anlegen einer unterschiedlichen Spannung an die erste Kontakt fläche 17 und einer anders gepolten unterschiedlichen Spannung an die zweite Kontakt fläche 18 eine rotatorische Bewegung 24 erzeugt werden kann .

Wie in Fig . 9 dargestellt , ist der Piezo-Komposit 12 als Aus führungs form des Erregers über der zweiten Kontakt fläche

18 mit einer segmentierten Koppelplatte 25 versehen .

Diese segmentierte Koppelplatte 25 stellt eine Aufnahme für das DUT 3 dar .

Die Koppelplatte 25 ist in strei fenförmige erste

Koppelplattensegmente 26 segmentiert , derart , dass deren Breite und Richtung den Kontaktstrei fen 20 der zweiten Kontakt fläche 18 entsprechen und die ersten Koppelplattensegmente 26 in y-Richtung ausgerichtet sind und in vertikaler z-Richtung über den Kontaktstrei fen 20 der zweiten Kontakt fläche 18 liegen .

Der Piezo-Komposit 12 ist an seiner ersten Seite mit einer Gegenmasse 27 verbunden .

Wie in den Fig . 10 bis Fig . 12 dargestellt , können in einer anderen Aus führungs form die Kontaktstrei fen 19 auf der ersten Kontakt fläche 17 eine Ausrichtung in einer ersten hori zontalen, d . h . x-Richtung, und auf der zweiten

Kontakt fläche 18 in einer orthogonal zur ersten hori zontalen zweiten Richtung, d . h . y-Richtung, liegenden Richtung aufweisen . In den Figuren sind die Kontakte 31 nur schematisch dargestellt . Üblicherweise werden alle Kontaktstrei fen 19 und 20 mit Kontakten 31 versehen . Nicht dargestellt aber möglich sind auch schräge Aus führungs formen oder ringförmige oder andere Formen der Kontaktstrei fen .

Damit können mit dem Anlegen einer Spannung die Piezoelemente 13 in den sich kreuzenden Bereichen der Kontaktstrei fen 19 und 20 j eweils gezielt angeregt oder gemessen werden, analog zu der Spannungsbeaufschlagung in den Fig . 7 und Fig . 8 .

Die Koppelplatte 25 kann unter Entstehung von quadratischen zweiten Koppelplattensegmenten 28 zusätzlich in in x- Richtung verlaufende Strei fen segmentiert werden, und die quadratischen zweiten Koppelplattensegmente 28 bei einer Ausrichtung der Kontaktstrei fen 19 und 20 der ersten und der zweiten Kontakt fläche 17 und 18 orthogonal zueinander in vertikaler z-Richtung über in einer Proj ektion in vertikaler z-Richtung gesehenen Schnittflächen der Kontaktstrei fen 19 und 20 der ersten und der zweiten Kontakt fläche 17 und 18 liegen .

Die ersten oder zweiten Koppelplattensegmente 26 , 28 sind j eweils benachbart miteinander mittels eines Verbindungsmittels mechanisch verbunden, wobei das Elasti zitätsmodul des Verbindungsmittels kleiner als das der Koppelplattensegmente ist . Das Verbindungsmittel kann aus Epoxy oder Silikon bestehen . Weiterhin kann durch entsprechende Formgebung auch eine Entkopplung erreicht werden, beispielsweise durch einen schmalen Steg, wie in mit Bezugs zeichen 26 in Fig . 9 dargestellt .

Wie in Fig . 13 und Fig . 17 dargestellt , ist die Gegenmasse 27 als segmentierte Gegenmassenplatte 29 ausgebildet , die korrespondierend zu der Koppelplatte 25 in Gegenmassesegmente 30 strukturiert ist .

Erzeugt wird dies indem die Koppelplatte 25 und/oder Gegenmassenplatte 29 mit einem Abstand und einer Richtung, die denen der Koppelplattensegmente 26 bzw . Der Gegenmassenelemente 30 entsprechen, von ihrer ersten oder zweiten Seite mit einem Einschnitt versehen wird, wobei der Einschnitt j edoch nicht bis zu der j eweiligen anderen zweiten oder ersten Seite sondern nur bis zu einem Abstand zu der gegenseitigen ersten oder zweiten Seite reicht , dass der Einschnitt mit einem Verbindungsmittel gefüllt wird und die Koppelplatte 25 bzw . die Gegenmassenplatte 29 auf der j eweils gegenseitigen ersten oder zweiten Seite bis zum Erreichen des Einschnittes abgetragen wird . Erregungselement

Bezugszeichenliste

0 . 1 Schwingungserreger

0 . 2 Gehäuse

0 . 3 Grundplatte

0 . 4 Schwinger

0 . 5 Gegenmasse

0 . 6 DUT-Aufnahme

1 Piezoschwinger la Piezoschwingplatte

2 Mess- oder Kalibrieranordnung

3 Mikrosystem, DUT

4 Erregungselement , Schwinger

5 „out-of-plane"- Richtung

6 Gegenmasse

7 Grundmasse

8 Bewegungselement , MEMS

9 Träger, PCB

10 „in-plane"-Bewegung

11 Bewegungsachse

12 Piezo-Komposit

13 Piezoelement

14 Matrix

15 erste Seite

16 zweite Seite

17 erste segmentierten Kontakt fläche auf der ersten Seite

18 zweite segmentierten Kontakt fläche auf der zweiten Seite

19 Kontaktstrei fen der ersten Kontakt fläche

20 Kontaktstrei fen der zweiten Kontakt fläche 21

22 PCB

23 translatorische Bewegung

24 rotatorische Bewegung 25 segmentierte Koppelplatte

26 strei fenförmiges erstes Koppelplattensegment

27 Gegenmasse

28 quadratisches zweites Koppelplattensegment

29 segmentierte Gegenmassenplatte 30 Gegenmassesegment

31 Kontakt