Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
MEASURING DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING A PATH DIFFERENCE, AND BALANCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/079634
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a measuring device for determining a path difference, comprising an oscillator (3, 12), a vibration driver (5a, 5b) which is designed to set the oscillator (3, 12) in vibration (S) and a measurement sensor (6) which is designed for measuring a vibration value which characterises a vibration of the oscillator (3, 12), and comprising a capacitive unit (10) having a displacement element (11b) which is disposed so as to be variable in position relative to the oscillator (3, 12), wherein the capacitive unit (10) is designed so that in the event of a change of position (R) the resonant frequency of the oscillator (3, 12) can be changed by electrostatic forces according to the path difference to be determined for the displacement element (11b) relative to the oscillator (3, 12). The invention also relates to a balance and to a method for determining a path difference.

Inventors:
HASSEL JOERG (DE)
SCHEIBNER DIRK (DE)
STECKENBORN ARNO (DE)
THEILE OLIVER (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/069911
Publication Date:
June 21, 2012
Filing Date:
December 16, 2010
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
HASSEL JOERG (DE)
SCHEIBNER DIRK (DE)
STECKENBORN ARNO (DE)
THEILE OLIVER (DE)
International Classes:
G01B7/02
Foreign References:
JPS5818102A1983-02-02
US20030090266A12003-05-15
US5517190A1996-05-14
US3353098A1967-11-14
Other References:
WOJCIECHOWSKI K E ET AL: "A MEMS resonant strain sensor operated in air", MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS, 2004. 17TH IEEE INTERNATIONAL CONFER ENCE ON. (MEMS) MAASTRICHT, NETHERLANDS 25-29 JAN. 2004, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, US, 25 January 2004 (2004-01-25), pages 841 - 845, XP010768007, ISBN: 978-0-7803-8265-7, DOI: 10.1109/MEMS.2004.1290718
K.E. WOJCIECHOWSKI; B.E. BOSER; A.P. PISANO: "A MEMS Resonant Strains Sensor Operated In Air", 2004, DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Messvorrichtung zur Bestimmung einer Wegdifferenz, mit einem Oszillator (3, 12), einem Schwingungstreiber (5a, 5b), der dazu ausgebildet ist, den Oszillator (3, 12) in Schwingung (S) zu versetzen und einem Messaufnehmer (6), der dazu ausgebildet ist, einen Schwingungswert, der eine Schwingung des Oszillators (3, 12) charakterisiert, zu messen,

gekennzeichnet durch

eine kapazitive Einheit (10) mit einem Verschiebeelement

(IIb) , welches positionsveränderlich gegenüber dem Oszillator (3, 12) angeordnet ist, wobei die kapazitive Einheit (10) da¬ zu ausgebildet ist, bei einer Positionsveränderung (R) entsprechend der zu bestimmenden Wegdifferenz des Verschiebeele- ments (IIb) gegenüber dem Oszillator (3, 12) die Resonanzfre¬ quenz des Oszillators (3, 12) über elektrostatische Kräfte zu verändern .

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schwingungswert eine Schwingungsfrequenz des Oszillators (3, 12) ist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

gekennzeichnet durch

eine Auswerteeinheit (7), welche dazu ausgebildet ist, die von dem Messaufnehmer (6) zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt gemessenen Schwingungswerte zu erfassen und hieraus eine Wegdifferenz zwischen den Positionen des Verschiebeele- ments (IIb) zum ersten und zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.

4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die kapazitive Einheit einen Kondensator (10) mit einer ers- ten (IIa) und einer zweiten Elektrode (IIb) umfasst, wobei die erste Elektrode (IIa) starr mit dem Oszillator (3, 12) und die zweite Elektrode (IIb) starr mit dem Verschiebeele¬ ment (IIb) gekoppelt ist, und wobei zumindest eine der Elekt- roden (IIa, IIb) elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle (9) verbunden ist.

5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Oszillator (3) , der Schwingungstreiber (5a, 5b) und der Messaufnehmer (6) zumindest teilweise als Bestandteile eines mikromechanischen Resonators (1) ausgebildet sind, wobei der Schwingungstreiber (5a, 5b) und der Messaufnehmer (6) jeweils eine elektrostatische Kamm-Struktur (4) umfassen.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Oszillator eine an zwei gegenüberliegenden Enden fixierte (2a, 2b) , schwingbeweglich (S) ausgebildete Saite (3) um- fasst .

7. Messvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

der mikromechanische Resonator (1) vollständig aus einem Halbleiter, insbesondere Silizium, ausgebildet ist.

8. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Oszillator (12) aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere Quarz, ausgebildet ist.

9. Messvorrichtung nach Anspruch 8 im Rückbezug auf Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Oszillator (12) im Wesentlichen die Form einer Stimmgabel mit zwei Schenkeln (13a, 13b) aufweist, wobei einer der

Schenkel (13a) eine Beschichtung (IIa) aufweist, durch welche die erste Elektrode gebildet ist.

10. Waage, insbesondere Federwaage, mit einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche dazu ausge¬ bildet ist, eine Kraft über eine Wegdifferenz zu bestimmen, wobei die Wegdifferenz mittels der Messvorrichtung messbar ist .

11. Verfahren zum Bestimmen einer Wegdifferenz mit den

Schritten:

a) Versetzen eines Oszillators (3, 12) in Schwingung mittels eines Schwingungstreibers (5a, 5b) ;

b) Zu einem ersten Zeitpunkt Messen eines ersten Schwingungs¬ wertes, der die Schwingung (S) des Oszillators (3, 12) cha- rakterisiert , mittels eines Messaufnehmers (6);

c) Verändern der Position eines Verschiebeelements (IIb) ei¬ ner kapazitiven Einheit (10), welches positionsveränderlich (R) gegenüber dem Oszillator (3, 12) angeordnet ist, und hierdurch Verändern der Resonanzfrequenz des Oszillators (3, 12) über elektrostatische Kräfte;

d) Zu einem zweiten Zeitpunkt bei der veränderten Position des Verschiebeelements (IIb) Messen eines zweiten Schwin¬ gungswertes, der eine Schwingung (S) des Oszillators (3, 12) zu dem zweiten Zeitpunkt charakterisiert, mittels des Mess- aufnehmers (6); und

e) Bestimmen der Wegdifferenz, welche aus der Veränderung der Position des Verschiebeelements (IIb) in Schritt c) resul¬ tiert, aus dem ersten und zweiten Schwingungswert.

Description:
Beschreibung

Messvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Wegdifferenz sowie Waage

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Wegdifferenz, mit einem Oszillator, einem Schwingungstreiber, der dazu ausgebildet ist, den Oszillator in Schwingung zu versetzen und einem Messaufnehmer, der dazu ausgebil- det ist, einen Schwingungswert, der eine Schwingung des Os ¬ zillator charakterisiert, zu messen. Die Erfindung betrifft auch eine Waage mit einer solchen Messvorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Wegdifferenz.

Im Rahmen der Messung von Kräften, z. B. von Gewichtskräften, wird häufig die Verformung einer Prüffeder vermessen und die Kraft über das Hookesche Gesetz bestimmt. Für die Verfor ¬ mungsmessung können verschiedene Messprinzipien herangezogen werden. So ist eine Messung unter Zuhilfenahme piezoresisti- ver, kapazitiver, optischer, magnetoresistiver sowie resonan- ter Verfahren möglich. Darüber hinaus ist der Einsatz von Dehnungsmessstreifen für die Verformungsmessung bekannt. Diese haben aber eine ganze Reihe von Fehlerquellen, welche eine zufriedenstellende Auflösung verhindern. Dazu gehören die starke Temperaturempfindlichkeit, Drift und Hysterese- Erscheinungen sowie die Gefährdung durch Überlast. Ferner kann auch die Verformung bisher nicht zufriedenstellend auf ¬ gelöst werden.

Fig. 1 zeigt eine aus der Mikrosystemtechnik bekannte Struktur, welche im Folgenden als MEMS- (Micro-Electro-Mechanical Systems) Resonator bezeichnet werden soll. Der MEMS-Resonator 1 hat Abmessungen in der Größenordnung von Mikrometern und kann auf einem Substrat bzw. Chip vollständig aus Silizium ausgebildet sein. Der MEMS-Resonator 1 kann auch durch ein Verfahren, welches Tiefenlithographie, Galvanik und Mikroab- formung kombiniert (sogenanntes LIGA-Verfahren) vollständig aus Metall gebildet sein. Ähnliche Strukturen finden bei ¬ spielsweise auch bei Initialsensoren Anwendung. Bei dem MEMS- Resonator 1 handelt es sich um einen so genannten Comb-drive Actuator mit einer kapazitiven Kammstruktur 4. Diese Kamm- oder Fingerstruktur 4 erlaubt über das Anlegen einer treibenden Spannung U einen Parallelogrammschwinger 3 in Schwingung zu versetzen. Die Schwingungsrichtung des Parallelogrammschwingers 3 ist schematisch durch den Doppelpfeil S angedeu ¬ tet. Eine wiederum über die Kammstruktur 4 erfolgende kapazi- tive Auslesung erlaubt es, über den gemessenen Strom I die

Resonanzfrequenz des Parallelogrammschwingers 3 zu bestimmen. Um eine definierte Schwingung zu erreichen, ist der Paralle ¬ logrammschwinger 3 an seinem einen Ende über einen Anker 2 fixiert. An seinem anderen Ende kann eine Kraft F angreifen, mit Hilfe derer sich vermittels der Zugkraft am Parallelo ¬ grammschwinger 3 dessen Resonanzfrequenz einstellen lässt. Dieses Phänomen der Veränderung der Resonanzfrequenz durch Zugbelastung (Effekt der gespannten Seite) erlaubt eine Ge ¬ wichtsmessung. Dieses Messprinzip ist beispielsweise aus der Veröffentlichung „A MEMS Resonant Strains Sensor Operated In Air, K.E. Woj ciechowski , B.E. Böser, A.P. Pisano, Department of Electrical Engineering, University of California, Berke ¬ ley, IEEE, 2004" bekannt. Darüber hinaus ist die Beeinflussung der Resonanzfrequenz durch elektrostatische Felder beispielsweise zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen mikromechanischer Bauteile oder für frequenzselektive Schwingungsmessungen oder Filteranwendungen bekannt .

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung bereitzustellen, mit Hilfe derer sich auch kleine Wegdifferenzen sehr genau messen lassen, ohne dass es bei einer Überschreitung eines Messbereichs zu einer Zerstörung der Messvorrichtung kommt.

Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, eine Waage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, sowie ein Verfahren, wel ¬ ches die Merkmale des Patentanspruchs 11 aufweist, gelöst.

Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung dient zur Bestimmung einer Wegdifferenz. Sie umfasst einen Oszillator, einen

Schwingungstreiber, der dazu ausgebildet ist, den Oszillator in Schwingung zu versetzen, sowie einen Messaufnehmer, der dazu ausgebildet ist, einen Schwingungswert, der eine Schwin ¬ gung des Oszillators charakterisiert, zu messen. Darüber hin- aus umfasst die Messvorrichtung eine kapazitive Einheit, wel ¬ che wiederum ein Verschiebeelement umfasst, welches positi ¬ onsveränderlich gegenüber dem Oszillator angeordnet ist. Die kapazitive Einheit ist dazu ausgebildet, bei einer Positions ¬ veränderung entsprechend der zu bestimmenden Wegdifferenz des Verschiebeelements gegenüber dem Oszillator die Resonanzfre ¬ quenz des Oszillators über elektrostatische Kräfte zu verän ¬ dern. Auch der Oszillator selbst kann von der kapazitiven Einheit umfasst sein. Insbesondere kann der Oszillator oder ein am Oszillator angebrachtes Element ein Gegenelement zu dem Verschiebeelement bilden, wobei dann zwischen dem Element und dem Verschiebeelement die elektrostatischen Kräfte auf ¬ treten, welche die Bestimmung der Positionsveränderung des Verschiebeelements erlauben. Die Positionsveränderung des Verschiebeelements soll hier also insbesondere über die Ver- Schiebung der Resonanzfrequenz des Oszillators gemessen werden. Die Resonanzfrequenz wird dabei elektrostatisch verändert (electrostatic stiffening bzw. elektrostatische Feder). Hierdurch wird die Bestimmung der Wegdifferenz unempfindlich gegenüber einer Überschreitung des Messbereichs, da lediglich eine elektrostatische Kopplung vorliegt. Es fließt ein, dass elektrostatische Kräfte mit zunehmender Wegdifferenz zwischen zwei Elementen der kapazitiven Einheit abnehmen, sodass bei Überschreiten einer maximal messbaren Wegdifferenz keine Beschädigung des Oszillators droht. Die Wegmessung wird unemp- findlich gegenüber dem Überschreiten eines Messbereichs. Dies ist insbesondere in der Verwendung der Messvorrichtung als Wegaufnehmer in einer Waage vorteilhaft, da die Waage damit erst überlastfähig wird. Die Veränderung der Resonanzfrequenz des Oszillators kann insbesondere berührungslos erfolgen. Die starke Abstandsabhängigkeit elektrostatischer Kräfte erlaubt zudem eine sehr genaue Wegdifferenzmessung. Vorzugsweise ist der Messaufnehmer dazu ausgebildet, als

Schwingungswert eine Schwingungsfrequenz des Oszillators zu messen. Bei der zu messenden Schwingungsfrequenz kann es sich insbesondere um die Resonanzfrequenz des Oszillators handeln. Die Wegdifferenzmessung wird dann auf eine Frequenz- und so- mit eine Zeitmessung zurückgeführt, was den Vorteil hat, dass eine solche Messung sehr günstig sehr genau erfolgen kann und dabei auch bereits einen digitalen Wert bereitstellen kann. Eine Schwingung stellt zudem ein Wechselspannungssignal dar und ist daher nicht von Gleichtaktstörungen betroffen. Die Messung der Wegdifferenz wird insgesamt genauer und weniger fehleranfällig .

Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, die von dem Messaufnehmer zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt gemessenen

Schwingungswerte zu erfassen und hieraus eine Wegdifferenz zwischen den Positionen des Verschiebeelements zum ersten und zweiten Zeitpunkt zu bestimmen. Dies kann auch dadurch erfolgen, dass der Schwingungstreiber die Oszillationsfrequenz des Oszillators auf seiner Resonanzfrequenz nachregelt. Die zwi ¬ schen den Elementen der kapazitiven Einheit wirkenden elektrostatischen Kräfte sind insbesondere zum ersten und zweiten Zeitpunkt verschieden. Mit Hilfe der Auswerteeinheit können die bestimmten Schwingungswerte direkt in Korrelation mit ei- ner Positionsveränderung des Verschiebelements gebracht wer ¬ den .

Vorzugsweise umfasst die kapazitive Einheit einen Kondensator mit einer ersten und einer zweiten Elektrode. Hierbei ist die erste Elektrode starr mit dem Oszillator gekoppelt, während die zweite Elektrode starr mit dem Verschiebeelement gekop ¬ pelt ist. Insbesondere können die erste und/oder zweite Elektrode auch durch Beschichtungen des Oszillators bzw. des Verschiebeele ¬ ments gebildet sein. Die erste und/oder zweite Elektrode kön ¬ nen auch direkt durch den Oszillator bzw. das Verschiebeele- ment selbst gebildet sein. Hierbei ist zumindest eine der

Elektroden elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Dies ermöglicht die Ladung des Kondensators der kapazi ¬ tiven Einheit und damit die Einstellung der elektrostatischen Kräfte, welche auf den Oszillator wirken sollen. Insbesondere kann der Kondensator als Plattenkondensator ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist sehr einfach, kostengünstig und unkompliziert zu realisieren und ist zudem robust.

Vorzugsweise sind der Oszillator, der Schwingungstreiber und der Messaufnehmer zumindest teilweise als Bestandteile eines mikromechanischen Resonators ausgebildet, wobei der Schwin ¬ gungstreiber und der Messaufnehmer jeweils eine elektrostatische Kammstruktur umfassen. Der mikromechanische Resonator ist dann insbesondere ein Mikrosystem bzw. miniaturisiertes Gerät, dessen Komponenten Abmessungen in der Größenordnung Nanometer bis Mikrometer zeigen. Unter dem mikromechanischem Resonator ist insbesondere eine Struktur zu Verstehen, wie sie aus oben genannter Veröffentlichung „A MEMS Resonant Strain Sensor Operated In Air" bekannt ist. Eine solche Mess ¬ vorrichtung lässt sich mit sehr hoher Präzision auf sehr kleinem Raum realisieren und erlaubt eine sehr exakte Bestimmung der Schwingungswerte durch den Messaufnehmer. Das Bauteil ist dann klein und universell einsetzbar. Auf diese Art können Wegmessungen auf unterschiedlichsten Längenskalen realisiert werden.

Vorzugsweise umfasst der Oszillator eine an zwei gegenüber ¬ liegenden Enden fixierte, schwingbeweglich ausgebildete Seite. Schwingungswerte einer oszillierenden Seite sind einfach zu interpretieren und erlauben sehr direkte Messungen. Es ergeben sich klar definierte Resonanzfrequenzen. Vorzugsweise ist der mikromechanische Resonator vollständig aus einem Halbleiter ausgebildet. Bei dem Halbleiter kann es sich insbesondere um Silizium oder jeden beliebigen anderen Halbleiter, wie z. B. Galliumarsenid handeln. Der Halbleiter kann insbesondere auch dotiert sein. Diese Ausführungsform erlaubt hochintegrierte Bauteile, die mit etablierten Her ¬ stellungsverfahren mit hoher Präzision realisierbar sind.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Oszillator aus ei- nem piezoelektrischen Material, insbesondere Quarz, ausgebil ¬ det ist. Der Oszillator kann dann im Wesentlichen die Form einer Stimmgabel haben, welche zwei Schenkel aufweist, wobei einer der Schenkel eine Beschichtung aufweist, durch welche die erste Elektrode eines Kondensators gebildet ist, welcher von der kapazitiven Einheit umfasst ist. Solche einfachen Quarzschwinger sind fast durchgängig auf eine Resonanzfre ¬ quenz von 32,768 kHz durch den Schnitt des Quarzkristalls eingestellt und erreichen ohne weitere Maßnahmen, wie z. B. Temperaturstabilisierung, Ganggenauigkeiten von 15 Sekunden pro Monat, was einem Fehler in der Größenordnung von 2*10 ~5 entspricht. Auf diese Weise ist der Oszillator sehr kosten ¬ günstig herzustellen und erlaubt gleichzeitig eine sehr exak ¬ te Bestimmung seiner Schwingungswerte. Auch diese Ausführungsform ist sehr robust, wenig fehleranfällig und erlaubt sehr exakte Wegdifferenzmessungen.

Eine erfindungsgemäße Waage umfasst eine erfindungsgemäße Messvorrichtung. Die Waage ist dazu ausgebildet, eine Kraft über eine Wegdifferenz zu bestimmen, wobei die Wegdifferenz mittels der Messvorrichtung messbar ist. Bei der Waage kann es sich insbesondere um eine Federwaage handeln. Die Verfor ¬ mung der Prüffeder der Federwaage kann dann einfach und unkompliziert mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden. Da eine Überschreitung des zulässigen Messbereichs die Messvor- richtung nicht zerstört, wird die Waage überlastfähig.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Bestimmen einer Wegdifferenz und umfasst die folgenden Schritte: a) Versetzen eines Oszillators in Schwingung mittels eines Schwingungstreibers ;

b) Zu einem ersten Zeitpunkt, Messen eines ersten Schwingungswertes, der die Schwingung des Oszillators charakteri- siert, mittels eines Messaufnehmers;

c) Verändern der Position eines Verschiebeelements einer ka ¬ pazitiven Einheit, welches positionsveränderlich gegenüber dem Oszillator angeordnet ist, und hierdurch Verändern der Resonanzfrequenz des Oszillators über elektrostatische Kräf- te;

d) zu einem zweiten Zeitpunkt bei der veränderten Position des Verschiebeelements, Messen eines zweiten Schwingungswertes, der eine Schwingung des Oszillators zu dem zweiten Zeit ¬ punkt charakterisiert, mittels des Messaufnehmers; und e) Bestimmen der Wegdifferenz, welche aus der Veränderung der Position des Verschiebeelements in Schritt c) resultiert, aus dem ersten und zweiten Schwingungswert.

Insbesondere kann dem Verfahren zum Bestimmen der Wegdiffe- renz auch eine Eichmessung vorausgehen, mit Hilfe derer Positionen des Verschiebeelements eindeutig Schwingungsfrequenzen des Oszillators zugeordnet werden. Es kann eine Kalibrierta ¬ belle bzw. eine Kalibrierkurve erstellt werden, über die je ¬ dem Schwingungswert des Oszillators eine Position des Ver- schiebeelements zugeordnet ist. Die Verknüpfung zwischen Po ¬ sition und Schwingung kann auch über einen mathematischen Zusammenhang bzw. physikalische Gesetzmäßigkeiten erfolgen. Es kann eine Ermittlung der absoluten Position des Verschiebeelements vorgesehen sein.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung darge ¬ stellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Waage und das erfindungsgemäße Verfahren.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmals- kombinationen wie auch die in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen und/oder die in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 einen MEMS-Resonator nach dem Stand der Technik;

FIG 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrich ¬ tung mit einem MEMS-Resonator; und

FIG 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrich ¬ tung mit einem Quarzschwinger.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. FIG 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Bestimmung einer Wegdifferenz. Diese Messvorrichtung verwendet einen MEMS- Resonator 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und zu FIG 1 beschrieben ist. Der Parallelogrammschwinger 3 ist nunmehr nicht jedoch nur an einem einzigen Anker 2 befestigt, sondern beide Enden des Parallelogrammschwingers 3 sind mit Hilfe von Ankern 2a und 2b befestigt. Zwischen den beiden Ankern 2a und 2b kann der Parallelogrammschwinger 3 frei in einer Richtung schwingen, welche durch den Doppelpfeil S ange- geben ist. Diese Schwingung wird durch so genannte Drive- Kämme 5a und 5b kapazitiv getrieben. Zur Ansteuerung dient eine Antriebselektronik 7. Gleichzeitig erlaubt ein Sense- Kamm 6, wiederum kapazitiv die Schwingungsfrequenz des Parallelogrammschwingers 3 auszulesen und der Antriebselektronik 7 den gemessenen Schwingungswert bereitzustellen. Diese Art der Rückkopplung erlaubt insbesondere eine Regelung der Schwingung des Parallelogrammschwingers 3 durch die Antriebselekt ¬ ronik 7. Diese ist nämlich auch mit einer Frequenzauslesung 8 gekoppelt, durch welche eine Bestimmung der Schwingungsfre ¬ quenz ermöglicht ist. Beispielsweise kann der Parallelogramm ¬ schwinger 3 gesteuert durch die Antriebselektronik 7 eine getriebene Schwingung mit seiner Resonanzfrequenz ausführen. Ändert sich die Resonanzfrequenz des Parallelogrammschwingers 3, so kann die getriebene Schwingung auf die neue Resonanz ¬ frequenz nachgeführt werden.

Der MEMS-Resonator 1 bildet einen im Wesentlichen fest ange- ordneten Teil der Messvorrichtung, was durch den Bereich Kl angedeutet ist. Daneben ist jedoch auch ein beweglicher Teil vorgesehen, welcher durch den Bereich K2 symbolisiert wird. Ein Ziehkondensator 10 bildet eine kapazitive Einheit der Messvorrichtung, welche Elemente umfasst, die sowohl zum Be- reich Kl als auch zum Bereich K2 gehören. Der Ziehkondensator 10 ist im Ausführungsbeispiel als Plattenkondensator ausge ¬ bildet, dessen eine Elektrode bzw. Kondensatorplatte IIa starr mit dem Parallelogrammschwinger 3 verbunden ist und damit Teil des Bereichs Kl ist. Die Gegenelektrode wird durch die Kondensatorplatte IIb gebildet, welche mit einer Gleich ¬ spannungsquelle 9 verbunden ist und über diese geladen werden kann. Sie ist Teil des beweglichen Bereichs K2.

Zwischen den Kondensatorplatten IIa und IIb wirken elektro- statische Kräfte, die Abhängig vom Abstand der beiden Konden ¬ satorplatten IIa und IIb sind. Je größer der Abstand, desto geringer ist die zwischen den Kondensatorplatten IIa und IIb wirkende elektrostatische Kraft (bei konstanter Ladung auf den Kondensatorplatten IIa und IIb) . Wird die Kondensator- platte IIb in Bewegungsrichtung R von der Kondensatorplatte

IIa wegebewegt, so verringert sich die elektrostatische Kraft zwischen den Platten. Dies führt wiederum zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Parallelogrammschwingers 3. Dies erlaubt die Bestimmung einer Wegdifferenz. Wird nämlich die Kondensatorplatte IIb, welche ein Verschiebeelement der kapazitiven Einheit darstellt, in Bewegungsrichtung R vom Parallelogrammschwinger 3 wegbewegt, ändert sich damit auch dessen Resonanzfrequenz. Diese Änderung in der Resonanzfre- quenz ist wiederum durch den Sense-Kamm 6, die Antriebselektronik 7 und die Frequenzauslesung 8 detektierbar . Über eine Kalibriertabelle kann dann der bestimmten Resonanzfrequenz ein Abstand zwischen den Kondensatorplatten IIa und IIb zuge- ordnet werden. Dies erlaubt die Positionsbestimmung der Kondensatorplatte IIb.

Das Verschiebeelement in Form der Kondensatorplatte IIb kann hierbei mit der Feder einer Federwaage gekoppelt sein. Eine Änderung der Gewichtskraft auf der Federwaage führt zu einer Verformung der Prüffeder nach dem Hookeschen Gesetz, sodass sich die Längenänderung der Feder mit der wirkenden Kraft in Bezug setzen lässt. Die Längenänderung der Feder kann dann wiederum über die Positionsänderung der mit ihr verbundenen Kondensatorplatte IIb bestimmt werden. Die Messvorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist damit für den Einsatz in Fe ¬ derwaagen prädestiniert. Eine solche Waage ist zudem über ¬ lastfähig . Es ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber dem MEMS-

Resonator 1, der in FIG 1 gezeigt ist, und an dem eine Kraft ¬ messung der Kraft F direkt am Parallelogrammschwinger 3 erfolgt. Die Zugbelastung des Parallelogrammschwingers 3 über die Kraft F hat den Nachteil, dass eine Überlast zur Zerstö- rung des MEMS-Resonators 1 führen kann. Der MEMS-Resonator 1 ist sehr klein und die Längenänderungen durch geringe Bruchdehnungen liegen lediglich im Nanometer- oder unteren Mikrometerbereich. Das in FIG 1 gezeigte Kraftmess- bzw. Wäge ¬ system ist damit nicht überlastfähig. Wird dagegen die Verän- derung der Resonanzfrequenz wie in Fig. 2 elektrostatisch und damit berührungslos bewirkt, kann eine Überlast des Bauteils in ein einfaches Überschreiten des maximalen Messbereichs überführt werden. Dies führt bei geeigneter Auswertung zu einer Überlastanzeige aber auf keinen Fall zu einer Zerstörung oder anderen Beeinträchtigung der Messvorrichtung. Bei der

Messvorrichtung erfolgt eine Detektion der Dehnung eines Federkörpers (Parallelogrammschwinger 3) durch Resonanzauswertung des MEMS-Resonators 1, wobei die Beeinflussung der Reso- nanzfrequenz des MEMS-Resonators 1 bzw. seines Parallelo ¬ grammschwingers 3 berührungslos durch elektrostatische Felder („elektrostatische Feder") erfolgt. Prinzipiell sind für die Art der Messung Resonatoren ausge ¬ zeichnet, die sich mit Mitteln der Fertigung von elektronischen Schaltungen herstellen lassen. Dies führt bei hohen Stückzahlen zu sehr niedrigen Kosten. Das Design dieser Bauteile erlaubt es, die Resonanzfrequenz in weiten Bereichen von einigen Kilohertz bis in den Gigahertzbereich festzulegen. Für kleinere Stückzahlen sind als Resonator auch diskrete Bauteile vorteilhaft für diese Anwendung geeignet, wie sie als Quarzstimmgabel in Armbanduhren verwendet werden. Dies ist in FIG 3 schematisch dargestellt. Statt des MEMS- Resonators 1 ist nun ein Quarzschwinger 12 vorgesehen, der zwei Schenkel 13a und 13b umfasst. Dieser Quarzschwinger 12 hat ohne Ziehkondensator 10 aufgrund seines Schnitts aus ei ¬ nem Quarzkristall eine feste Resonanzfrequenz von 32,768 kHz und weist eine sehr hohe Ganggenauigkeit von 15 Sekunden pro Monat auf, was einem Fehler in der Größenordnung von 2*10 ~5 entspricht. Dieser Quarzschwinger 12 lässt sich durch eine elektrostatische Kraft auf den Schenkel 13a der Stimmgabel ¬ struktur verstimmen. Es wird also sozusagen die Frequenz des Quarzschwingers 12 mit Hilfe des Ziehkondensators 10 „gezo- gen". Die Kondensatorplatte IIa ist als Masselektrode reali ¬ siert, welche direkt auf dem Schenkel 13a angebracht ist. An ¬ sonsten ist das Funktionsprinzip nahezu identisch zu dem der in FIG 2 beschriebenen Messvorrichtung. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Kondensatorplatte IIb auch in die Bewegungsrichtung R2 bewegt und so ge ¬ gebenenfalls die elektrostatischen Kräfte zwischen den Kondensatorplatten IIa und IIb verändert werden. 1 MEMS-Resonator

2, 2a, 2b Anker

3 Parallelogramm-Schwinger

4 Kamm-Struktur

5a, 5b Drive-Kamm

6 Sense-Kamm

7 Antriebselektronik

8 Frequenzauslesung

9 Gleichspannungsquelle

10 Ziehkondensator

IIa, IIb Kondensatorplatte

12 Quarzschwinger

13a, 13b Schenkel

F Kraft

U Spannung

I Strom

5 Doppelpfeil

R Bewegungsrichtung

R2 Bewegungsrichtung

Kl, K2 Bereich