Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor ge ^¬ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Aus dem Stand der Technik bekannte Vibrationssensoren weisen eine über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran mit einem an der Membran angeordneten mecha ^¬ nischen Schwinger sowie eine Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs und zur Auswertung von detektierten Schwingungen auf.

Eingesetzt werden diese häufig als Vibrations-

Grenzstandschalter mit einer in Schwingung versetzbaren Memb ^¬ ran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran sowie ei ^¬ nem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger, wobei als Antrieb häufig piezoelektrische Elemente zum Einsatz kom ^¬ men. Derartige Vibrations-Grenzstandschalter werden insbeson ^¬ dere zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen in Behäl ^¬ tern für fließfähige und fluidisierbare Medien, insbesondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrati ^¬ ons-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit dem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfre ^¬ quenz der Membran bzw. des an der Membran angeordneter mecha ^¬ nischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beein- flusst wird.

Die aus dem Stand bekannten Vibrationssensoren werden häufig mit einem geklebten Antrieb betrieben, wobei bei dieser An ^¬ triebsart ein scheibenförmig ausgebildetes Piezoelement unter Zwischenschaltung eines Ausgleichselements zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoele- ment mit der Membran verklebt ist.

Um die Membran in Schwingung zu versetzen und Schwingungen der Membranen erfassen und in ein Messsignal überführen zu können, weißt das Piezoelement wenigstens zwei elektrische Kontaktie ^¬ rungen auf. Wenigstens eine erste elektrische Kontaktierung ist auf einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens eine zweite elektrische Kontaktierung ist auf einer Unterseite des Piezoelements aufgebracht. Typischerweise werden zur Kontak- tierung des Piezoelements flächig aufgebrachte Metallisierun ^¬ gen verwendet .

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Antrieben ist die Unterseite des Piezoelements , d.h. eine der Membran zugewandte Oberfläche des Piezoelements , in der Regel vollflächig kontaktiert während die Oberseite des Piezoele- ments, d. h. die von der Membran wegweisende Oberfläche des Piezoelements , entweder mit einer oder mit mehreren elektri ^¬ schen Kontaktierungen versehen ist. Beispielsweise kann die Oberseite des Piezoelements vierfach segmentiert kontaktiert sein und es können jeweils zwei diagonal gegenüberliegend an ^¬ geordnete Segmente gemeinsam elektrisch kontaktiert sein. Auf diese Weise ist es möglich über zwei der Kontaktierungen eine Bewegung in die Membran einzukoppeln und gleichzeitig über die beiden anderen Kontaktierungen eine Frequenz und/oder Amplitu ^¬ de der Membran zu erfassen. Ist die Oberfläche nicht segmen ^¬ tiert kontaktiert, so können Anregung und Detektion nur se ^¬ quentiell durchgeführt werden.

Bei den typischerweise eingesetzten Piezoelementen wird von dem Piezoelement eine Spannung erzeugt, welche proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist und über die Kontaktie ^¬ rungen abgegriffen werden kann. Umgekehrt wird eine angelegte Spannung in eine proportionale Krümmung des Piezoelements und damit der Membran umgesetzt.

Als mechanische Schwinger kommen häufig stimmgabelähnlich aus ^¬ gebildete Anordnungen zum Einsatz, bei denen zwei an der Memb ^¬ ran symmetrisch angeordnete und parallel zueinander ausgerich ^¬ tete Paddel zur Schwingungsübertragung verwendet werden. Diese Paddel weisen in der Regel eine stabförmige Ankopplung an die Membran und ein, ähnlich einem Paddel flächig verbreitertes freies Ende auf.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren messen lediglich eine beim Eintauchen eines mechanischen

Schwingers in das zu detektierende Medium auftretende Fre ^¬ quenzverschiebung relativ zur Frequenz einer Leerresonanz und leiten aus dieser Frequenzverschiebung einen Schaltbefehl ab. Durch die oben beschriebene Anregung zweier diagonal gegen ^¬ überliegender Segmente wird die sogenannte Clap-Mode angeregt, bei dem sich die Paddel des mechanischen Schwingers entlang einer Oberflächennormalen des Paddels aufeinander zu bzw. von einander weg bewegen.

Bei den im Stand der Technik verwendeten Antrieben wird entwe ^¬ der bei der vollflächigen Kontaktierung des Piezoelements die Resonanzfrequenz der Clap-Mode eingekoppelt und der mechani ^¬ schen Schwinger beginnt auf Grund der eingekoppelten Frequenz in der entsprechenden Eigenmode zu schwingen oder es wird bei segmentiert kontaktierten Piezoantrieben an zwei Segmenten die Eigenfrequenz der Clap-Mode eingekoppelt und über die zwei verbleibenden Segmente eine Detektion der sich ausbildenden Schwingungsfrequenz durchgeführt . Bei Messungen in hochviskosen Medien kommt es häufig nach Be ^¬ deckung des mechanischen Schwingers und anschließendem Abzug des Mediums zu Anhaftungen an bzw. zwischen den Paddeln des mechanischen Schwingers, die ebenfalls zu einer Frequenzver ^¬ schiebung führen, welche als Bedeckung des mechanischen

Schwingers interpretiert werden kann. Diese Situation führt nach dem Abzug des Mediums zu einer deutlich verzögerten Ände ^¬ rung des Schalt zustandes der aus dem Stand der Technik bekann ^¬ ten Sensoren. Mitunter können dadurch auch Fehldetektionen auftreten. Dies wird im Stand der Technik als deutlicher Nach ^¬ teil empfunden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrati ^¬ onssensor zur Verfügung zu stellen, der ein besseres Detekti- onsverhalten und weniger Fehldetektionen aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationssensors anzugeben, durch das Fehldetektionen vermieden werden.

Diese Aufgaben werden durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors mit den Merkmalen des Pa- tentanspruchs 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprü ^¬ chen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Memb ^¬ ran mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwin ^¬ ger, der wenigstens zwei Eigenmoden aufweist, und einer Elekt ^¬ ronik zur Ansteuerung des Antriebs sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs detektierten Schwingungen zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb wenigstens ein Piezoelement um- fasst, wobei das Piezoelement wenigstens vier getrennt vonei- nander ansteuerbare Sektoren aufweist .

Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Piezoelements mit wenigstens vier voneinander getrennt ansteuerbaren Sektoren wird erreicht, dass zusätzlich zu der im Stand der Technik ausschließlich zur Grenzstanddetektion verwendeten Clap-Mode auch eine weitere Eigenmode, insbesondere die Clap-quer-Mode, bei der die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers gegengleich und orthogonal zu ihrer jeweiligen Oberflächen ^¬ normalen schwingen, angeregt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Erkenntnis zu Grun ^¬ de, dass für die Detektion einer Bedeckung des mechanischen Schwingers mit einem Medium die Clap-Mode eine besonders hohe FrequenzVerschiebung relativ zu der Leer-Resonanz aufweist. Wird bei gleicher Bedeckung des mechanischen Schwingers die Clap-quer-Mode untersucht, zeigt sich, dass dies eine deutlich geringere Frequenzverschiebung aufweist. Im Gegensatz dazu wirkt eine Anhaftung an dem mechanischen Schwinger als träge Masse sowohl auf die Clap-Mode als auch auf die Clap-quer-Mode und verursacht für beide Moden eine gleichermaßen große rela ^¬ tive FrequenzVerschiebung im Vergleich zu der jeweiligen Leer- Resonanz, sodass das Vorhandensein einer Anhaftung detektiert werden kann.

Im Unterschied zum Stand der Technik werden gemäß der vorlie ^¬ genden Erfindung alle vier Sektoren des Piezoelements gleich ^¬ zeitig und gezielt angesteuert, damit durch Anregung einer ge ^¬ zielten Verformung der Membran eine gezielte Anregung unter- schiedlicher Eigenmoden des mechanischen Schwingers erfolgen kann .

Für eine gezielte Anregung der unterschiedlichen Eigenmoden des mechanischen Schwingers durch Einkopplung einer gezielten Verformung in die Membran ist es vorteilhaft, wenn die vier Sektoren des Piezoelements wenigstens auf einer Seite des Pie- zoelements durch vier, im Wesentlichen gleichgroße Elektroden kontaktiert sind. Vorteilhafterweise ist das Piezoelement scheibenförmig mit im Wesentlichen kreisförmiger Grundfläche ausgebildet, wobei die Sektoren und die Elektroden jeweils im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche einnehmen und korres ^¬ pondierend zueinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet sind .

Eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche schließt gemäß der vorliegenden Anmeldung auch hiervon abweichende Grundflä ^¬ chen mit ein, die beispielsweise elliptisch ausgeformt

und/oder in ihrer Form an eine sich bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers ausbildende Verformung der Membran an- gepasste Grundfläche aufweisen. Ebenso können die im Wesentli ^¬ chen ein Viertel der Grundfläche einnehmenden Elektroden an eine sich bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers ausbildende Verformung der Membran angepasst sein. Durch eine entsprechende Anpassung kann beispielsweise eine erhöhte elektrische Amplitude erzielt werden, sodass eine weiter ver ^¬ besserte Detektion ermöglicht wird.

Ein zueinander korrespondierendes Anordnen von Elektroden und Sektoren bedeutet insbesondere, dass je einem Sektor des Pie- zoelements eine Elektrode zugeordnet ist und diesen Sektor elektrisch kontaktiert. Eine einfache elektrische Ansteuerung des Piezoelements bei gleichzeitig einfachem Aufbau kann erreicht werden, wenn das Piezoelement auf einer zweiten Seite eine vollflächige Rück ^¬ seitenelektrode aufweist. Dadurch, dass das Piezoelement auf der ersten Seite, insbesondere der Oberseite, selektiv kontak ^¬ tiert wird und auf der zweiten Seite, insbesondere der Unter ^¬ seite eine vollflächige Rückseitenelektrode aufweist, kann ei ^¬ ne einfache Ankopplung des Massepotentials an die Rückseite sowie ein einfaches Einkoppeln einer Spannungsanregung bzw. Abgreifen von Spannungen zur Detektion auf der Oberseite er ^¬ folgen .

Es ist vorteilhaft, wenn das Piezoelement, die Elektroden und die Elektronik so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einem ersten Ansteuermodus je zwei einander benach ^¬ barten Sektoren des Piezoelements und in einem zweiten Ansteu ^¬ ermodus je zwei einander diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements derart anregbar sind, dass sich das Piezoe ^¬ lement in diesen Sektoren gleichgerichtet verformt. Bei einem mittelbar oder unmittelbar mit der Membran verklebten Piezoe ^¬ lement wird durch diese zwei Ansteuermodi die Membran entweder im Wesentlichen gleichsinnig gekrümmt, wodurch der Clap-Mode angeregt werden kann, oder gegensinnig gekrümmt, wodurch die Clap-quer-Mode angeregt werden kann. Die gegensinnig gekrümmte Membran ähnelt dabei einem hyperbolischen Paraboloid oder ei ^¬ ner Sattelfläche. Die Sektor-Grenzlinien des Piezos bilden hierbei jeweils die Knotenlinien der mechanischen Schwingung aus, wobei die stabförmige Anbindung des Paddels des mechani ^¬ scher Schwinger idealerweise direkt auf dieser Knotenlinie an- gebracht ist.

Wenn das Piezoelement wenigstens zwei Abschnitte unterschied ^¬ licher Polarisationsrichtung aufweist können die oben angege- benen Verformungen noch einfacher in die Membran eingekoppelt werden und das Massepotential der Rückseitenelektrode liegt aufgrund der für eine gleichgerichtete Verformung notwendigen gegengleichen Anregespannung jeweils konstant zwischen den An ^¬ regespannungen. Durch eine bipolare Anregespannung kann das Massepotential somit auch kapazitiv gekoppelt werden und eine direkte elektrische Kontaktierung der Rückelektrode ist nicht nötig .

Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors, bei dem ein an einer Membran angeordneter mechanischer Schwinger mittels eines Antriebs zur einer

Schwingung angeregt wird und eine Schwingung des mechanischen Schwingers zur Detektion eines Bedeckungszustands des mechani ^¬ schen Schwingers erfasst wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass zur Detektion des Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers und von Anhaftungen an dem mecha ^¬ nischen Schwinger wenigstens zwei unterschiedliche Eigenmoden des mechanischen Schwingers abwechselnd angeregt werden und eine jeweils resultierende Schwingung detektiert wird.

Durch das abwechselnde Anregen unterschiedlicher Eigenmoden des mechanischen Schwingers kann einerseits eine Bedeckung des mechanischen Schwingers mit Medium detektiert und andererseits eine Anhaftung an dem mechanischen Schwinger erkannt werden.

Abwechselnd im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet nicht, das zwangsweise auf den ersten Anregungsmodus immer der zweite Anregungsmodus folgt und umgekehrt, sondern kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch bedeuten, dass einer der Anregungsmodi mehrfach auftritt. Abwechselnd bedeutet dabei aber insbesondere, dass in einem Messzyklus in jedem Fall so- wohl der erste als auch der zweite Anregungsmodus angeregt wird .

Vorteilhafterweise weisen die zwei unterschiedlichen Eigenmo ^¬ den eine unterschiedliche Schwingungsrichtung auf, wobei diese vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen. Eine besonders gute Detektion kann erreicht werden, wenn eine erste Eigenmode zur Detektion einer Bedeckung entlang einer Flächennormalen des mechanischen Schwingers schwingt und eine zweite Eigenmode zur Detektion einer Anhaftung senkrecht zu dieser Flächennormalen und senkrecht auf einer Längsachse des mechanischen Schwingers schwingt.

In der vorliegenden Anmeldung soll als Flächennormale der nor ^¬ malen Vektor auf die größte der Flächen des mechanischen

Schwingers bzw. der jeweiligen Schwingelemente verstanden wer ^¬ den .

In einer Ausgestaltungsform des vorliegenden Verfahrens werden zur Anregung der ersten Eigenmode alle Sektoren des Piezoele- ments zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt, wobei zur Anregung der zweiten Eigenmode je zwei diagonal gegenüber ^¬ liegende Sektoren des Piezoelements zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden.

Zur Detektion einer Bedeckung des mechanischen Schwingers mit Medium oder einer Anhaftung werden vorzugsweise eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Dämpfung und/oder Pha ^¬ senbeziehung des mechanischen Schwingers nach der Anregung analysiert. Da gemäß der vorliegenden Erfindung sämtliche Sek ^¬ toren des Piezoelements zur gezielten Anregung der unter ^¬ schiedlichen Eigenmoden des mechanischen Schwingers verwendet werden, ist es nicht möglich gleichzeitig zur Anregung eine Detektion durchzuführen. Es wird daher eine sequentielles Vor ^¬ gehen durchgeführt, bei dem der mechanische Schwinger zunächst zu einer Schwingung in einer der Eigenmoden angeregt wird und nach der Anregung eine Detektion von Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude und/oder Dämpfung der dann abklingenden Schwingung erfolgt.

Um eine möglichst große Schwingungsamplitude zu realisieren ist es sinnvoll, die Frequenz zur Anregung der jeweiligen Ei- genmode an die zuletzt bei dieser Eigenmode detektierte Fre ^¬ quenz anzupassen bzw. diese nachzuführen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der mechanische Schwinger immer im Be ^¬ reich seiner jeweiligen aktuellen Resonanzfrequenz, egal ob bedeckt oder unbedeckt, mit oder ohne Anhaftung, angeregt wird.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn jeweils eine Eigenmode zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms und besonders vorteilhaft für 50 ms angeregt und anschließend zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms und besonders vorteilhaft für 50 ms die

Schwingung detektiert wird.

Bei einer Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers von et- wa 1 kHz entspricht dies einer Anregung von etwa 20 Schwin ^¬ gungszyklen des mechanischen Schwingers, wobei auch die Mög ^¬ lichkeit besteht, die Dauer der Anregung an die jeweils not ^¬ wendige Zeit für 20 Schwingungszyklen, bei der zuletzt detek- tierten Resonanzfrequenz anzupassen.

Weiterhin ist auch denkbar, dass die Anzahl der Schwingungs ^¬ zyklen an die durch das Medium auftreten Dämpfung angepasst wird, um in einem gewissen Messbereich eine weitestgehend gleichbleibende Amplitude im Empfangsfall zu erhalten.

Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zur der Beurteilung des Ausschwingverhaltens, ein aus den an den einzelnen Piezosektoren anliegenden Spannungen generiertes Summensignal auszuwerten. Hierdurch wird verhindert, dass eine Überlagerung der beiden Schwingungsmoden bei kurzer zeitlichen Abfolge der beiden Anregungsmoden das Messergebnis unvorteil- haft verändert.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine mechanische Schwingungseinheit eines Vibrations ^¬ sensors gemäß der vorliegenden Anmeldung,

Fig. 2 vier sich bei der mechanischen Schwingungseinheit

mäß Figur 1 hauptsächlich ausbildende Eigenmoden,

Fig. 3 ein Piezoelement mit unterschiedlich polarisierten

Sektoren sowie die Polarität der angelegten elektri sehen Spannung zur Erzeugung der Eigenmoden 100 und

130 gemäß Figur 2 und

Fig. 4 die maximal auftretenden Schwingungsamplituden bei einer Anregung des Piezoelements 201 gemäß Figur 3 gemäß der in 211 und 221 angegebenen Ansteuerung.

Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine me ^¬ chanische Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen aus ei ^¬ ner schwingungsfähig in einen umlaufenden Rand 30 eingespann ^¬ ten Membran 5 aufgebaut, wobei an der Membran 5 ein mechani ^¬ scher Schwinger 10 angeordnet ist. Der mechanische Schwinger 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Stimmgabel mit zwei Schwingungselementen ausgebildet, wobei die beiden

Schwingungselemente jeweils als über eine Ankopplung 102 an der Membran 5 befestigte Paddel 101 ausgebildet sind. Die Pad ^¬ del 101 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und symmetrisch zu einer Symmetrieebene S über die Ankopplun- gen 102 an der Membran 5 befestigt.

In Figur 1 ist ferner die Oberflächennormale n eines der Pad ^¬ del 101 eingezeichnet. Vorteilhafterweise sind die Paddel planar ausgeführt, um den Unterschied bei der Interaktion mit dem Medium/Anhaftung zwischen den beiden anregbaren Moden zu maximieren. Da die Paddel aber auch komplexere Oberflächengeo ^¬ metrien aufweisen können, wird als Flächennormale n der norma ^¬ len Vektor auf die durch die größte Flächenerstreckung gebil- dete Ebene verstanden.

In Figur 2 ist eine Draufsicht von oben auf die Membran 5 der mechanischen Schwingungseinheit aus Figur 1 gezeigt, wobei die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers 10 in dieser Draufsicht schematisch eingezeichnet sind. Insbesondere sind dabei die Paddel 101 sowie deren Ankopplung 102 zu erkennen, wobei die Ankopplungen 102 symmetrisch zu der Symmetrieebene S angeordnet und die Paddel 101 parallel zueinander ausgerichtet sind. In den vier Teilfiguren von Figur 2, die mit 100, 110, 120 und 130 bezeichnet sind, sind die bei einer mechanischen Schwingungsanordnung gemäß Figur 1 hauptsächlich auftretenden ersten vier Eigenmoden des mechanischen Schwingers 10 schema ^¬ tisch eingezeichnet. Mit 100 ist die sogenannte Clap-Mode oder Klatschmodus gekenn ^¬ zeichnet, bei dem beide Paddel 101 gegengleich und im Gegen ^¬ takt entlang der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwin- gen. Diese Symmetrieebene S bildet für diese Mode eine Spie ^¬ gelebene .

Mit 110 ist die sogenannte Sway-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gleichgerichtet, d. h. im Gleichtakt in Rich- tung der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwingen.

Mit 120 ist die sogenannte Sway-quer-Mode gekennzeichnet, bei der die Paddel 101 im Gleichtakt senkrecht zu der Oberflächen ^¬ normalen n der Paddel und somit parallel zur Symmetrieebene S, d. h. sie schwingen in der von dem Paddel aufgespannten Flä ^¬ che .

Mit 130 ist schließlich die Clap-quer-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gegengleich, d. h. im Gegentakt senkrecht zu der Oberflächennormalen n der Paddel 101 und somit parallel zur Symmetrieebene S schwingen.

Mit den eingezeichneten Pfeilen ist jeweils die Bewegungsrich ^¬ tung der Paddel 101 am Anfang einer Schwingungsperiode angege- ben.

Je nach Ausführung der Paddel 101, Membran 5 und Anbindung 102 an die Membran 5 kann sich die Reihenfolge der Moden in ihrer Frequenz unterscheiden.

Für die Detektion der Bedeckung des mechanischen Schwingers 10 mit Medium bzw. zur Anhaftungsdetektion sind die Clap- bzw. Clap-quer-Mode besonders geeignet. Die Verwendung der Clap- Mode zur Detektion einer Bedeckung mit Medium entspricht dem Stand der Technik. Taucht der mechanische Schwinger 10 in ein zu detektierendes Medium ein verändert sich in Abhängigkeit von Dichte und Viskosität des Mediums die Resonanzfrequenz und Amplitude der Clap-Mode. Bei kompletter Bedeckung mit Medium kommt es bei der Clap-quer-Mode im Vergleich zu der Clap-Mode zu einer deutlich geringen Frequenzverschiebung. Schwingt der mechanische Schwinger 10 jedoch frei und weist eine starke An- haftung von Medium auf wirkt die träge Masse der Anhaftung auf beide Moden gleichermaßen und die relative Frequenzverschie ^¬ bung aufgrund der Anhaftung ist bei beiden Moden vergleichbar. Somit lässt sich unter Verwendung und Vergleich der Frequenzen von Clap- und Clap-quer-Mode eine Anhaftung aktiv detektieren und Fehlschaltung des Sensors aufgrund von Anhaftungen und der daraus resultierenden Frequenzverschiebung vermeiden.

Ein hierfür geeigneter Antrieb 3 lässt sich beispielsweise durch einen sektoriert polarisiertes Piezoelement 7 mit 90° großen Elektroden 71, 71, 73, 74 bewerkstelligen. Drei mögli- che Polarisierungen des Piezoelements 7 sind in Fig. 3 in den Abschnitten 201, 202 und 203 dargestellt.

Zum einen können jeweils gegenüberliegende Hälften des Piezoe- lements gleich polarisiert sein, wobei jede Hälfte je zwei 90° große Elektroden 71, 74; 72, 73 aufweist.

Diese Variante ist in Abschnitt 201 dargestellt.

In einer zweiten Ausgestaltungsform, die in Abschnitt 202 dar- gestellt ist, ist das Piezoelement 7 in vier Segmente geteilt, wobei diese umlaufend jeweils abwechselnd polarisiert sind. Die Segmente sind je 90° groß und mit hierzu korrespondieren ^¬ den Elektroden 71, 72, 73, 74 versehen. Des Weiteren wäre auch eine einheitliche Polarisierung des Piezoelements 7 möglich, wobei eine Unterteilung in Sektoren durch vier 90° Elektroden erfolgt.

In Figur 3 symbolisiert ® eine Polarisierung in die Zeichen ^¬ ebene hinein und O aus der Zeichenebene heraus.

Die jeweils zu den dargestellten Piezoelementen 7 entgegenge- setzt polarisierten Piezoelemente beschreiben dabei Piezoele ^¬ mente 7 derselben Art. Um dieselbe Verformung des entgegenge ^¬ setzt polarisierten Piezoelements 7 im Vergleich zu den darge ^¬ stellten Polarisierungen zu erreichen, muss lediglich die Po ^¬ larität der angelegten Wechselspannung gedreht werden. Bei gleich angelegter Wechselspannung wird dieselbe Verformung ei ^¬ ne halbe Periode später angenommen (180° phasenverschoben).

211, 212 und 213 zeigt die Polung der Wechselspannung zur An ^¬ regung der Clap-Mode und 221, 222 und 223 die Polung der Wech- selspannung zur Anregung der Clap-quer-Mode .

Besonders vorteilhaft erweist sich die mit 201 gekennzeichnete Variante, da für die beiden anzuregenden Moden (Clap und Clap- quer) jeweils zwei benachbarte Sektoren, d. h. eine Hälfte des Piezoelements 7 mit einer ersten Wechselspannung in Figur 3 mit „+" gekennzeichnet und die andere Hälfte mit einer um 180° phasenverschobenen Wechselspannung, in Figur 3 mit „-„ gekenn ^¬ zeichnet angeregt werden muss. Diese Anregung ist in Figur 3 symbolisch in den Abschnitten 211 und 221 dargestellt.

Dadurch, dass beide Spannungen um 180° phasenverschoben sind, liegt das Massepotential immer exakt zwischen den beiden Span ^¬ nungen. Somit muss die Masseelektrode auf der Rückseite des Piezoelementes nicht separat kontaktiert werden und kann ein- fach kapazitiv an die Membran 5 auf die das Piezoelement 7 aufgeklebt wird, gekoppelt werden.

Die Ansteuerung des Piezoelements 7 erfolgt dabei in vorteil- hafter Weise durch eine Sinusspannung auf der Resonanzfre ^¬ quenz, da deren Frequenzspektrum lediglich eine Frequenz auf ^¬ weist und nicht wie bspw. bei einer Rechteckspannung eine Vielzahl von Oberschwingungen aufweist, welche neben der anzu ^¬ regenden Mode weitere Schwingungsmoden anregen können. Um ei- nen optimalen Antrieb zu gewährleisten, sollte die relative

Orientierung des auf die Membran aufgeklebten Piezoelements 7 bezogen auf die Schwinggabel derart sein, dass die Anbindung der Paddel 102 an die Membran 5 exakt auf einer der Sektorli ^¬ nien des Piezoelements 7 liegt.

Für die Auswertung des Ausschwingverhaltens hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Spannungen, welche am Piezoelement 7 durch die mechanische Durchbiegung der Memb ^¬ ran 5 durch das Ausschwingen des mechanischen Schwingers 10 entstehen, entsprechend der Polarisierung und Durchbiegung der einzelnen Sektoren 71,72,73,74, zu addieren. Hierdurch wird ein Übersprechen der Ausschwingphasen in die entsprechend nachfolgende Ausschwingphase der anderen Mode verhindert, da sich entsprechende Spannungsanteile gegenseitig aufheben. Im Falle der Polarisierung gemäß 201 ist Vll die Spannung, welche an der Elektrode 11, V12 die an Elektrode 12, V13 die an

Elektrode 13 und entsprechend V14 die an Elektrode 14 während des Ausschwingens am Piezoelement 7 anliegt. Im Falle der clap-Mode ist es somit vorteilhaft die Spannung V12+V13- (V11+V14) bzw. V11+V14- (V12+V13) und für die clap (quer) -Mode die Spannung V13+V14- (V12+V11) bzw. V12+V11- (V13+V14) auszu ^¬ werten. Die Vorzeichen bei der Summenbildung ergeben sich durch die Polarisierung bzw. Durchbiegung der einzelnen Sekto ^¬ ren 71,72,73,74.

Fig. 4 zeigt die logarithmisch aufgetragene Schwingungs- amplitude (Simulation) in Abhängigkeit von der Anregefrequenz an der Spitze eines Paddels 101 entlang der Oberflächennorma ^¬ len n des Paddels 101 (x-Richtung) , sowie senkrecht dazu (y- Richtung) bei Anregung mit einem sektorierten Piezoelement 7 gemäß dem in 201 dargestellten Ausführungsbeispiel. Mit 310 ist die Amplitude in x-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 211 gezeigt. 311 zeigt die Amplitude in y-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 221. Diese beiden Amplituden sind um ein Vielfaches größer als die Amplitude in y-Richtung 312 mit Polung der Wechselspannung gemäß 221 oder die Amplitu- de in x-Richtung 313 mit Polung der Wechselspannung gemäß 211. Dies zeigt, dass es möglich ist, die Resonanz der Clap- und Clap-quer-Mode weitestgehend unabhängig voneinander anzuregen, sodass die Bewegung in der Richtung jeweils senkrecht zur an ^¬ geregten Mode vernachlässigbar ist. Des Weiteren sind die bei- den Sway-Moden durch diesen Antrieb nur sehr gering angeregt, sodass diese ohne Einfluss bleiben.

Bezugszeichenliste

I Vibrationssensor 3 Antrieb

5 Membran

7 Piezoelement

10 mechanischer Schwinger

II erste Elektrode

12 zweite Elektrode

13 dritte Elektrode

14 vierte Elektrode

15 Rückseitenelektrode

30 Rand

71 erster Sektor

72 zweiter Sektor

73 dritter Sektor

74 vierter Sektor

101 Paddel

102 Ankopplung

100 Clap-Mode

110 Sway-Mode

120 Sway-quer-Mode

130 Clap-quer-Mode Frequenz

Ampl itude

Dämpfung n Flächennormale S Symmetrieachse