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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Erfassung einer mechanischen Auslenkung, sowie die Verwendung
einer solchen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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EP 0 917 652 B1 beschreibt
einen Umlaufbeschleunigungssensor, welcher ein Substrat mit einer Tunneleffektspitze
und eine um eine Drehachse bewegliche Plattenelektrode mit einem
Tunneleffektkontakt und ein Mittel zur Erfassung eines Tunnelstroms
zwischen der Tunneleffektspitze und dem Tunneleffektkontakt umfasst.
Dabei liefert der Rotationsbeschleunigungssensor ein analoges Tunnelstromsignal.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erfassung einer mechanischen
Auslenkung zu schaffen, welche ein digitales beziehungsweise ein
zumindest teilweise digitales Signal liefert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erfassung einer mechanischen Auslenkung gelöst. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine, insbesondere
seismische, Masse, ein Substrat, eine Spannungsversorgungsvorrichtung
und eine Strommessvorrichtung, wobei die Masse mindestens ein Kontaktelement
und das Substrat mindestens zwei Kontaktelemente; oder die Masse mindestens
zwei Kontaktelemente und das Substrat mindestens ein Kon taktelement
aufweist, wobei ein Kontaktelement der Masse und ein Kontaktelement des
Substrats ein elektrisches Kontaktpaar bilden, wobei ein elektrischer
Potentialunterschieds zwischen den Kontaktelementen der Masse und
den Kontaktelementen des Substrats durch die Spannungsversorgungsvorrichtung
ausbildbar ist und wobei elektrische Ströme durch die Kontaktpaare
durch die Strommessvorrichtung messbar sind. Erfindungsgemäß ist
die Masse dabei bezüglich des Substrats parallel beweglich
angeordnet, wobei in zwei oder mehr Auslenkungspositionen der Masse
bezüglich des Substrats jeweils unterschiedlich starke
elektrischer Ströme zwischen unterschiedlichen Kontaktpaaren
oder unterschiedlichen Kombinationen von Kontaktpaaren durch die
Strommessvorrichtung messbar sind. Insbesondere sind dabei die elektrischen
Ströme durch die unterschiedlichen Kontaktpaaren oder Kontaktpaarenkombinationen
charakteristisch für jeweilige Auslenkungspositionen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil,
dass diese ein zumindest teilweise digitales (quasi-digitales) oder
sogar digitales Ausgangssignal liefert. Vorteilhafterweise kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung daher ohne einen
zu sätzlichen Analog-Digitalwandler eingesetzt werden,
wodurch Kosten und Raumbedarf verringert werden können.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung vorteilhafterweise sowohl als Bewegungssensor, insbesondere
Beschleunigungssensor und/oder Drehratensensor, als auch in Kombination
mit einer Auslenkungsvorrichtung als Analog-Digital-Wandler eingesetzt
werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung als mikroelektromechanisches System (MEMS) beziehungsweise
nanoelektromechanisches System (NEMS) in eine integrierte Schaltung,
beispielsweise als Analog-Digital-Wandler, integriert werden. Weiterhin
ermöglich die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorteilhaftweise das Erfassen von Auslenkungen innerhalb eines breiten
und gut definierbaren Messbereichs.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein Kontaktelement der Masse
sowohl nur ein Kontaktpaar mit einem Kontaktelement des Substrats
als auch jeweils mehrere unterschiedliche Kontaktpaare mit mehreren
Kontaktelementen des Substrats bilden, und umgekehrt. Dabei kann
im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einem elektrischen Kontakt
auch ein Tunnelkontakt verstanden werden.
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Unter
einer „Auslenkungsposition” wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung insbesondere auch die Position, in der die
Masse bezüglich des Substrats nicht ausgelenkt ist, verstanden.
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Unter „Strommessvorrichtungen” werden
im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere sowohl Vorrichtungen
zur Spannungsmessung, Stromflussmessung oder Widerstandsmessung
als auch Vorrichtungen zur Messung mehrerer dieser Größen
verstanden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können
die Spannungsversorgungsvorrichtung und die Strommessvorrichtung
als eine Vorrichtung ausgebildet sein.
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Zur
Vereinfachung der Beschaltung können im Rahmen der vorliegenden
Erfindung alle Kontaktelemente der Masse als Einheit mit der Spannungsversorgungsvorrichtung
verschaltet sein.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung beruhen die messbaren elektrischen
Ströme auf einem quantenmechanischen Tunneleffekt zwischen
den Kontaktpaaren. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktelemente
der Masse und die Kontaktelemente des Substrats daher Tunneleffektkontaktelemente.
Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung stark, beispielsweise
bis in den Mikrometer- beziehungsweise Nanometerbereich, miniaturisiert
werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Masse mindestens
drei, insbesondere fünf, Kontaktelemente und/oder das Substrat
mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, Kontaktelemente
auf. Auf diese Weise kann der Messbereich aufgeweitet und/oder die
Messgenauigkeit erhöht werden. Das Verhältnis
von Kontaktelementen der Masse zu Kontaktelementen des Substrats
kann entsprechend der gewünschten Auflösung beziehungsweise
Bitbreite ausgewählt werden. Beispielsweise können
für eine Bitbreite der Zahl n entweder die Anzahl n·(n
+ 1) an Kontaktelementen der Masse und die Anzahl n an Kontaktelementen
des Substrats, oder die Anzahl n an Kontaktelementen der Masse und
die Anzahl n·(n + 1) an Kontaktelementen des Substrats
bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Verhältnis
von Kontaktelementen der Masse zu Kontaktelementen des Substrats
in einem Bereich von ≥ 1/(n + 1) bis ≤ (n + 1)
liegen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kontaktelemente
der Masse und Kontaktelemente des Substrats derart versetzt zueinander
angeordnet, dass aus den Kontakten der jeweiligen Kontaktpaare beziehungsweise
Kontaktpaarkombinationen Ausgangssignale resultieren, welche bezüglich
einander linear sind. Beim Einsatz als Analog-Digital-Wandler mit
einer kapazitiven Auslenkungsvorrichtung kann eine Linearität
der Ausgangssignale beispielsweise durch eine quadratische Abstufung
des Versatzes der Kontaktelemente gewährleistet werden.
Eine für eine lineare Auslenkung geeignete Anordnung von
Kontaktelementen der Masse und Kontaktelementen des Substrats wird
durch die 2a bis 2h veranschaulicht.
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Die
Kontaktelemente der Masse und/oder die Kontaktelemente des Substrats
können im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleich breit
oder unterschiedlich breit ausgestaltet sein. Insbesondere können
die Kontaktelemente der Masse und/oder die Kontaktelemente des Substrats
und/oder die Abstände zwischen den Kontaktelementen der
Masse und/oder die Abstände zwischen den Kontaktelementen
des Substrats, derart ausgestaltet sein, dass deren Breiten, insbesondere
in der Bewegungsrichtung, einem ganzzahligen Vielfachen von einem
bestimmten Wert entspricht. Auf diese Weise können beispielsweise
Ausgangssignale resultieren, welche bezüglich einander
linear sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Kontaktelement
der Masse beziehungsweise sind mehrere Kontaktelemente der Masse
jeweils nur einem Kontaktelement des Substrats zugeordnet. Dabei
bedeutet „zugeordnet”, dass das Kontaktelement
der Masse nur mit dem ihm zugeordneten Kontaktelement des Substrats
ein Kontaktpaar ausbilden kann und beispielsweise keine anderen
Kontaktelemente des Substrats als das ihm zugeordnete Kontaktelement
des Substrats kontaktieren kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Masse und
das Substrat die gleiche Anzahl an Kontaktelementen auf. Insbesondere
können dabei die Kontaktelemente der Masse und Kontaktelemente
des Substrats derart angeordnet sein, dass jedes Kontaktelement
der Masse nur einem Kontaktelement des Substrats zugeordnet ist
beziehungsweise nur mit einem Kontaktelement des Substrats ein Kontaktpaar
ausbildet. Vorzugsweise ist dabei ein elektrischer Strom an jedem
einzelnen Kontaktelement des Substrats einzeln messbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bilden mehrere Kontaktelemente
des Substrats eine Kontaktelementeinheit. Beispielsweise können mindestens
vier Kontaktelemente des Substrats eine Kontaktelementeinheit bilden.
Dabei wird unter eine Kontaktelementeinheit insbesondere verstanden, dass
die Kontaktelemente derart an eine Strommessvorrichtung angeschlossen
sind, dass die Summe der elektrischen Ströme an den Kontaktelementen der
Kontaktelementeinheit durch die Strommessvorrichtung messbar ist.
Dies führt dazu, dass die elektrische Beschaltung vereinfacht
werden und/oder die Anzahl der Strommessvorrichtung verringert werden kann.
Insbesondere kann das Substrat zwei oder mehr Kontaktelementeinheiten
aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat zwei oder mehr Kontaktelementeinheiten
und die Masse zwei oder mehr Kontaktelemente aufweisen. Dabei kann
die Anzahl der Kontaktelementeinheiten des Substrats der Anzahl der
Kontaktelemente der Masse entsprechen. Insbesondere kann jeder Kontaktelementeinheit
des Substrats ein Kontaktelement der Masse zugeordnet sein. Dabei
bedeutet „zugeordnet”, dass ein Kontaktelement
der Masse nur mit den Kontaktelementen der ihm zugeordneten Kontaktelementeinheit
des Substrats Kontaktpaare ausbilden kann, und beispielsweise keine
Kontaktelemente des Substrats einer anderen als der ihm zugeordneten
Kontaktelementeinheit kontaktieren kann. Auf diese Weise kann mit
einer relativ einfachen Beschaltung ein relativ breiter und/oder
gut aufgelöster Messbereich erzielt werden. Innerhalb des
Messbereichs können beliebige ganzzahlige Ausgangswerte,
insbesondere digitale Ausgangswerte zwischen Zweierpotenzen, realisiert
werden. Gegebenenfalls können – umgekehrt hierzu – auch
mehrere Kontaktelemente der Masse eine Kontaktelementeinheit bilden
und die Kontaktelemente des Substrats einzeln beschaltet sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in mindesten drei,
beispielsweise mindestens vier, insbesondere mindestens acht, Auslenkungspositionen
der Masse bezüglich des Substrats jeweils unterschiedlich
starke elektrische Ströme zwischen unterschiedlichen Kontaktpaaren
oder unterschiedlichen Kombinationen von Kontaktpaaren durch die
Strommessvorrichtung messbar. Zum Beispiel können in mindestens
drei, beispielsweise in mindestens vier, insbesondere in mindestens
acht, Auslenkungspositionen der Masse bezüglich des Substrats
jeweils unterschiedliche Kontaktpaaren oder unterschiedlichen Kombinationen
von Kontaktpaaren kontaktiert sein.
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Die
Kontaktelemente der Masse und die Kontaktelemente des Substrats
sind vorzugsweise jeweils in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet.
Insbesondere können die Kontaktelemente der Masse und des
Substrats derart an der Masse beziehungsweise dem Substrat ausgebildet
sein, dass durch eine parallele Bewegung der Masse bezüglich
des Substrats die Kontaktelemente der Masse ebenfalls bezüglich
den Kontaktelementen des Substrats parallel bewegt werden. Zum Beispiel
kann die Masse eine zur Bewegungsrichtung parallele Fläche
aufweisen, an der die Kontaktelemente der Masse ausgebildet sind,
und das Substrat kann ebenfalls jeweils eine zur Bewegungsrichtung
parallele Fläche aufweisen, an der die Kontaktelemente
des Substrats ausgebildet sind, wobei die Flächen einander
zumindest teilweise gegenüber liegen. Dabei werden unter „Bewegungsrichtung” insbesondere
die Richtung/en verstanden, in denen die Masse bezüglich des
Substrats parallel beweglich ist. Dabei können die Kontaktelemente
der Masse im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezüglich
den Kontaktelementen des Substrats sowohl in einer linearen Bewegungsrichtung
als auch in einer Drehbewegungsrichtung parallel beweglich angeordnet
sein.
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Eine
parallel bewegliche Anordnung der Masse bezüglich des Substrats
kann beispielsweise durch Federn, insbesondere U-Federn, S-Federn oder
Kombinationen davon, realisiert werden. Insbesondere kann die Masse
federnd gelagert oder aufgehängt sein. Dadurch kann gewährleistet
werden, dass die Masse nach jeder Auslenkung wieder eine Gleichgewichtsposition,
insbesondere die unausgelenkte Auslenkungsposition beziehungsweise
die Auslenkungsposition Null, einnimmt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Masse im Wesentlichen
nur in einer ersten Richtung parallel zum Substrat beweglich. In
der zweiten Richtung, welche zur ersten Richtung senkrecht und zum
Substrat parallel ist, kann die Vorrichtung dabei eine hohe Steifigkeit
aufweisen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung senkrecht
zum Substrat eine hohe Steifigkeit aufweisen. Insbesondere kann die
Vorrichtung im Wesentlichen in allen anderen als der ersten Richtungen
eine hohe Steifigkeit aufweisen. Auf diese Arten kann die Robustheit
der Vorrichtung erhöht werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kontaktelemente
der Masse und/oder des Substrats eine dreieckige Querschnittsfläche
auf, wobei eine Ecke des Dreiecks, die sogenannte Kontaktspitze,
in Richtung auf das Substrat beziehungsweise die Masse ausgerichtet
ist. Dabei können die Kontaktelemente der Masse und/oder des
Substrats beispielsweise kegelförmig oder prismenförmig
ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kontaktspitzen der Masse
und des Substrats in einer Kontaktebene, insbesondere auf einer
Kontaktgerade, angeordnet. Dies ist insbesondere zum Ausbilden eines
Tunnelkontakts vorteilhaft.
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Um
auch in den Auslenkungspositionen in denen sich keine Kontaktspitzen
gegenüber stehen, ein definiertes Ausgangssignal liefern
zu können, kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Speichervorrichtung, beispielsweise eine nachgeschaltete
Sample-and-Hold-Vorrichtung, welche den Wert für die jeweils
vorherige Auslenkungsposition speichert, aufweisen. Alternativ dazu
können die Kontaktelemente der Masse und/oder des Substrats
teilweise als verbreiterte Struktur, beispielsweise das Kontaktelement
der Masse plattenförmig oder stegförmig und das
zugeordnete Kontaktelement des Substrats spitzenförmig,
beispielsweise als Kontaktspitze, oder umgekehrt, ausgeführt
sein.
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Grundsätzlich
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere
Massen mit Kontaktelementen umfassen, welche bezüglich
des Substrats parallel beweglich angeordnet sind.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zwei oder
mehr Massen mit Kontaktelementen und ein Substrat mit zu den Kontaktelementen
der Massen korrespondierenden Kontaktelementen auf, wobei die Massen
bezüglich des Substrats durch unterschiedlich starke Federungen
parallel beweglich federnd gelagert oder aufgehängt sind. Auf
diese Weise kann zum Beispiel bei geringen Auslenkungskräften
zunächst eine erste Masse mit einer weichen Federung und
bei größeren Auslenkungskräften – beispielsweise
wenn die erste Masse am Anschlag ist – eine zweite Masse
mit einer härteren Federung ausgelenkt werden und dadurch
der Messbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorteilhafterweise vergrößert werden. Hinsichtlich
weiterer Merkmale der zusätzlichen Massen wird hiermit
explizit auf die vor stehenden Erläuterung verwiesen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung
eine Auslenkungsvorrichtung zum, insbesondere gezielten, Auslenken
der Masse bezüglich des Substrats auf. Zum Beispiel kann
die Auslenkungsvorrichtung die Masse bezüglich des Substrats
in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung und/oder
eines dadurch fließenden Stroms und/oder der Temperatur
direkt oder indirekt auslenken. Auf diese Weise kann die Vorrichtung
vorteilhafterweise eine analoge Größe, wie eine Spannung,
einen Stromfluss oder eine Temperatur, in eine digitale Größe
umwandeln und als Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden.
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Um
Auslenkungen, welche durch die Auslenkungsvorrichtung hervorgerufen
werden, von solchen zu unterscheiden, die durch mechanische Störeffekte,
wie von außen anliegende Vibrationen oder Beschleunigungen
verursacht werden, kann die Vorrichtung in einer Ausgestaltung zwei
Massen mit Kontaktelementen und ein Substrat mit zu den Kontaktelementen
der beiden Massen korrespondierenden Kontaktelementen aufweisen,
wobei die beiden Massen derart gegenläufig beziehungsweise
spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und angeordnet sind, dass
durch eine Summen- beziehungsweise Differenzbildung der Ausgangssignale
die gewünschte Messgröße von der ungewünschten
Störgröße unterscheidbar ist.
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Die
Auslenkungsvorrichtung kann beispielsweise eine elektrostatische,
insbesondere kapazitive, Auslenkungsvorrichtung sein. Dies kann
insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Auslenkungsvorrichtung
und die Masse jeweils eine oder mehrere Elektroden, insbesondere
Kammelektroden, umfassen. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise
eine Auslenkung durch ein elektrisches Feld gemessen und auf die
elektrische Feldstärke beziehungsweise die anliegende Spannung
rückgeschlossen werden.
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Die
Auslenkungsvorrichtung kann weiterhin beispielsweise eine thermoelastische
Auslenkungsvorrichtung sein. Dies kann insbesondere dadurch realisiert
werden, dass die Auslenkungsvorrichtung ein Element umfasst, welches
sich bei einer Temperaturänderung verformt, beispielsweise
sich bei einer Erwärmung mittels eines Stromflusses ausdehnt.
Auf diese Weise kann vorteilhafterweise eine temperaturbedingte
Auslenkung gemessen und auf die Temperatur beziehungsweise die Stromstärke
rückgeschlossen werden.
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Die
Auslenkungsvorrichtung kann weiterhin beispielsweise eine magnetische
Auslenkungsvorrichtung sein. Dies kann insbesondere dadurch realisiert
werden, dass die Auslenkungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen
eines Magnetfeldes, beispielsweise eine Spule, und die Masse ein
Permanentmagneten oder die Auslenkungsvorrichtung einen Permanentmagneten
und die Masse eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes,
beispielsweise eine Spule, umfasst. Auf diese Weise kann eine Auslenkung
durch ein Magnetfeld gemessen und auf die Magnetfeldstärke
eines Magnetfelds rückgeschlossen werden.
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Die
Auslenkungsvorrichtung kann weiterhin beispielsweise eine piezoelektrische
Auslenkungsvorrichtung sein. Dies kann insbesondere dadurch realisiert
werden, dass die Auslenkungsvorrichtung ein piezoelektrisches Element,
insbesondere einen Piezoaktor, umfasst. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise
die den piezoelektrischen Effekt verursachende Spannung und/oder
Stromstärke rückgeschlossen werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung
eine Dämpfung, insbesondere durch ein Fluid, beispielsweise
ein Gas, auf. Zum Beispiel kann die Masse dafür in dem
Fluid angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass Schwingungen um
eine Auslenkungsposition verringert werden können und die
Masse ihre Auslenkungsposition in einer kürzeren Zeit einnehmen
kann. Bei Einsatz der Vorrichtung als Resonator oder Drehratensensor wird
vorzugsweise eine geringe Dämpfung gewählt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung ein
mikroelektromechanisches System (MEMS) oder ein nanoelektromechanischen
Systems (NEMS).
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung ein
Bewegungssensor, insbesondere Beschleunigungssensor und/oder Resonanzfrequenzensensor
und/oder Drehratensensor, beispielsweise in einem Antriebskreis
(zur Antriebsregelung) und/oder im Detektionskreis (zur Messignalerfassung).
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung ein
Analog-Digital-Wandler. Die stufenlose mechanische Auslenkung der
Masse ist dabei die Analoggröße. Die Kontaktpaare
stellen die digitale Größe dar. Beispielsweise
kann ein elektrischer Strom an einer Kontaktelementeinheit des Substrats
für eine Ziffer, beispielsweise 1, einer Binärzahl,
insbesondere Dualzahl und ein geringerer oder kein elektrischer
Strom an der Kontaktelementeinheit für eine andere Ziffer,
beispielsweise Null, der Binärzahl, insbesondere Dualzahl,
stehen. Insbesondere kann jede Kontaktelementeinheit des Substrats
für einen Stellenwert einer Binärzahl, insbesondere
Dualzahl, stehen. Auf diese Weise kann aus Kontaktpaaren beziehungsweise
Kontaktpaarkombinationen, durch die ein Strom fließt, auf
eine Binärzahl, insbesondere Dualzahl, geschlossen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus
möglich sowohl positive als auch negative Auslenkungen
in Binärzahlen, insbesondere Dualzahlen, beispielsweise
auf Einerkomplement-Basis oder Zweierkomplement-Basis, zu kodieren.
Ein Beispiel für eine solche Kodierung auf Zweierkomplement-Basis
wird in den 3a bis 3c gezeigt.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, indem
ein elektrischer Potentialunterschied zwischen den Kontaktelementen
der Masse und den Kontaktelementen des Substrats durch die Spannungsversorgungsvorrichtung
ausgebildet wird, elektrische Ströme zwischen den Kontaktpaaren
durch die Strommessvorrichtung gemessen werden, und die Auslenkungsposition
der Masse bezüglich des Substrats aus den gemessenen elektrischen
Strömen zwischen unterschiedlichen Kontaktpaaren oder unterschiedlichen
Kombinationen von Kontaktpaaren ermittelt wird.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Masse bezüglich
des Substrats durch eine Auslenkungsvorrichtung, insbesondere elektrostatisch und/oder
thermoelastische und/oder magnetisch und/oder piezoelektrisch ausgelenkt,
und die Auslenkung in ein digitales Signal kodiert. Insbesondere kann
dabei ein analoges in die Auslenkungsvorrichtung eingespeistes Signal,
wie eine Spannung, ein Stromfluss und/oder eine Temperatur, beispielsweise über
eine elektrostatische und/oder thermoelastische und/oder magnetische
und/oder piezoelektrische Auslenkung, in ein digitales Signal umgewandelt
werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, beispielsweise zur Verminderung
von Temperatur-bedingten und/oder Oberflächenladungsbedingten
Drifteffekten, eine Verschaltung mit einer geometrisch identischen,
aber festen Referenzstruktur, unter Anwendung eines Differenzbildungsverfahrens auf
die Signalen der beiden Strukturen vorteilhaft sein.
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Ein
weiterer Gegenstand der folgenden Erfindung ist die Verwendung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung als Analog-Digital-Wandler,
insbesondere zur Digitalisierung einer elektrischen oder thermodynamischen
Größe, wie Spannung, Stromfluss und/oder eine
Temperatur, beispielsweise mit Hilfe einer elektrostatischen und/oder
thermoelastischen und/oder magnetischen und/oder piezoelektrischen
Auslenkungsvorrichtung, und/oder als Bewegungssensor, insbesondere
Beschleunigungssensor und/oder Resonanzfrequenzensensor und/oder Drehratensensor,
beispielsweise in einem Antriebskreis (zur Antriebsregelung) und/oder
im Detektionskreis (zur Messignalerfassung). Insbesondere kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung als Analog-Digital-Wandler
und/oder Bewegungssensor auf der Basis eines mikroelektromechanischen
Systems (MEMS) beziehungsweise nanoelektromechanischen Systems (NEMS)
verwendet werden.
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Zeichnungen
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht
und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei
ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben
und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
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1a eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im nicht ausgelenkten Zustand;
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1b eine
schematische Ansicht der in 1a gezeigten
Ausgestaltung in einem ausgelenkten Zustand;
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2a–2h schematische
Ansichten einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei die 2a bis 2h jeweils
eine andere Auslenkungsposition und das dazugehörige binär
kodierte Ausgangssignal darstellen; und
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3a–3c schematische
Ansichten einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei die 3a bis 3c jeweils
eine neutrale, positive und negative Auslenkungsposition und die
dazugehörigen binär, durch Zweierkomplementkodierung
kodierten Ausgangssignale darstellen.
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1a zeigt
einen schematische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1, welche eine Masse 2 und ein Substrat 3 mit
jeweils fünf Kontaktelementen 5a, 5b, 5c, 5d, 5e; 6a, 6b, 6c, 6d, 6e umfasst. 1a zeigt,
dass die Masse 2 an zwei gegenüberliegenden Flächen Federelemente 7 aufweist.
Durch die Federelemente 7 ist die Masse 2 derart
mit dem Substrat 3 mechanisch verbunden, dass die Masse 2 nur
in einer Richtung bezüglich des Substrats 3 beweglich
ist. Die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 und die Kontaktelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e des
Substrats 3 sind jeweils in einer Ebene angeordnet, welche
zur Bewegungsrichtung parallel ist. Insbesondere sind die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse und die Kontaktelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e des
Substrats dabei derart an der Masse 2 beziehungsweise dem
Substrat 3 ausgebildet, dass durch eine parallele Bewegung
der Masse 2 bezüglich des Substrats 3 die
Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 bezüglich den Kontaktelementen 6a, 6b, 6c, 6d, 6e des
Substrats 3 ebenfalls parallel bewegt werden. Dabei weisen
die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e der
Masse 2 und des Substrats 3 zumindest teilweise
einen dreieckigen Querschnitt auf. Dabei ist jeweils eine Kante
der Dreiecke der Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e derart
angeordnet, dass die dieser Kante gegenüberliegende Ecke des
Dreiecks als Kontaktspitze dient. 1a zeigt, dass
die Kontaktspitzen der Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e der
Masse 2 und des Substrats 3 in einer Kontaktebene 8,
insbesondere auf eine Kontaktgerade, angeordnet sind.
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Die
Kontaktelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e des Substrats 3 sind
jeweils mit einem elektrischen Widerstand 9a, 9b, 9c, 9d, 9e elektrisch
verbunden. Die Widerstände 9a, 9b, 9c, 9d, 9e sind
wiederum jeweils elektrisch mit einer Spannungsver sorgungsvorrichtung 4 verbunden.
Mit dieser Spannungsversorgung 4 sind auch die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 elektrisch verbunden.
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Jedes
Kontaktelement 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der Masse 2 bildet
in der gezeigten Ausführungsform mit einem Kontaktelement 6a, 6b, 6c, 6d, 6e des
Substrats 3 ein Kontaktpaar 5a, 6a; 5b, 6b; 5c, 6c; 5d, 6d; 5e, 6e.
Die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e sind dabei
gegenüber ihren Substratkontaktelementpartnern 6a, 6b, 6c, 6d, 6e leicht
versetzt angeordnet. 1a zeigt, dass sich bei einer
geeigneten Wahl des Versatzes der Kontaktpaarpartner 5a, 6a; 5b, 6b; 5c, 6c; 5d, 6d; 5e, 6e für
jede Auslenkungsposition genau eines der Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 ausreichend nah seinem Substratkontaktelementpartner 6a, 6b, 6c, 6d, 6e nähert
damit beim Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrischer
Strom, insbesondere Tunnelstrom, durch das jeweilige Kontaktpaar 5a, 6a; 5b, 6b; 5c, 6c; 5d, 6d; 5e, 6e fließen
kann, der sich signifikant von den elektrischen Strömen
an den übrigen Kontaktpaaren 5a, 6a; 5b, 6b; 5c, 6c; 5d, 6d; 5e, 6e unterscheidet.
In der in 1a gezeigten Ausgestaltung sind
dafür die Abstände der Kontaktelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e des Substrats 3 zu
einander geringfügig größer gewählt als
die Abstände der Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 zueinander.
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Da
Tunnelströme innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs
realisierbar sind, kann das Ausgabesignal in diesem Fall zusätzlich
zu einem digitalen Anteil, welcher daraus resultiert ob und durch welche
Kontaktpaare 5a, 6a; 5b, 6b; 5c, 6c; 5d, 6d; 5e, 6e ein
Strom fließt, noch einen analogen Anteil aufweisen, welcher
auf dem vom Abstand abhängigen Tunneleffekt basiert. In
diesem Fall kann das Ausgabesignal als quasi-digital bezeichnet
werden. Durch eine geeignete Anordnung und Ausgestaltung der Kontaktelemente
und/oder eine geeignete Beschaltung, insbesondere unter Verwendung
von Schwellenwerten, kann der analoge Anteil gegebenenfalls ausgeblendet
und damit ein volldigitales Signal ausgegeben werden. Da der analoge
Anteil zusätzliche Informationen über die Auslenkung
liefern kann, kann es gegebenenfalls jedoch auch sinnvoll sein,
diesen in einer nachfolgenden Signalwandlung in einen zusätzlichen
digitalen Anteil umzuwandeln und damit insgesamt ein volldigitales
Signal zu abstrahieren.
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1a illustriert,
dass sich in dem in 1a gezeigten, nicht ausgelenkten
Zustand A0 das dritte Kontaktelement 5c der Masse 2 und
das dritte Kontaktele ment 6c des Substrats 3 kontaktieren
und durch dieses Kontaktpaar 5c, 6c ein elektrischer Strom
fließen kann. Insofern ein Strom durch dieses Kontaktpaar 5c, 6c fließt,
ist dies charakteristisch dafür, dass die Masse 2 sich
in der nicht ausgelenkten Auslenkungsposition A0 befindet.
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1b zeigt
einen schematischen Querschnitt der in 1a gezeigte
Ausgestaltung in einem durch eine Kraft F ausgelenkten Zustand A1. 1b illustriert,
dass die Masse 2 durch Aufbringen einer Kraft F bewegt
wurde, wobei das dritte Kontaktelemente 5c der Masse 2 seinen
Substratkontaktelementpartnern 6c passiert hat.
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1b illustriert,
dass sich der elektrische Kontakt zwischen dem dritten Kontaktelement 5c der Masse 2 und
dem dritten Kontaktelement 6c des Substrats 3 gelöst
hat und ein neuer elektrischer Kontakt zwischen dem in Auslenkungsrichtung
benachbarten, vierten Kontaktelement 5d der Masse 2 und
dem benachbarten, vierten Kontaktelement 6d des Substrats 3 zustande
gekommen ist, so dass ein elektrischer Strom durch dieses Kontaktpaar 5d, 6d fließen
kann. Dass der elektrische Strom nicht mehr durch das dritte Kontaktpaar 5c, 6c,
sondern durch das in Auslenkungsrichtung benachbarte, vierte Kontaktpaar 5d, 6d fließt,
zeigt an, dass die Masse 2 bezüglich des Substrats 3 ausgelenkt
wurde und nun eine andere Auslenkungsposition A1 eingenommen hat
Insofern die Masse 2 aufgrund einer höheren oder
anders gerichteten Kraft F noch weiter ausgelenkt oder in die andere
Richtung ausgelenkt würde (nicht dargestellt), könnten
Kontakte zwischen anderen Kontaktpaaren 5a, 6a; 5b, 6b; 5e, 6e zustande kommen
und damit weitere Auslenkungspositionen anzeigen.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf fünf
Kontaktpaare beschränkt ist, sondern dass die Anzahl von
fünf Kontaktpaaren lediglich speziell für dieses
Ausführungsbeispiel gewählt wurde.
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Die 2a bis 2h zeigen
schematische Ansichten einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die 2a bis 2g jeweils
eine andere Auslenkungsposition A0; A1; A2; A3; A4; A5; A6; A7 und
das dazugehörige binär kodierte Ausgangssignal
darstellen. Die 2a bis 2h zeigen
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1,
welche eine Masse 2 mit drei Kontaktelementen 5a, 5b, 5c und
ein Substrat mit zwölf Kontaktelementen 6a–6c''', von
denen jeweils vier Kontaktelemente 6a–6a''', 6b–6b''', 6c–6c''' eine Kontaktelementeinheit
A, B, C bilden, umfasst (nur Kontaktelemente und Kontaktelementeinheiten
des Substrats dargestellt). Auch im Rahmen dieser Ausgestaltung
ist die Masse 2 ist bezüglich des Substrats derart
parallel beweglich angeordnet, dass durch eine parallele Bewegung
der Masse 2 bezüglich des Substrats die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c der
Masse 2 bezüglich der Kontaktelemente 6a–6c''' des
Substrats ebenfalls parallel bewegt werden. Die Masse 2 weist
die drei Kontaktelemente 5a, 5b, 5c auf
einer Fläche auf, welche der Flächen des Substrats,
auf der die Kontaktelementeinheiten A, B, C angeordnet sind, gegenüberliegt.
Die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 6a–6c''' der
Masse 2 und des Substrats sind derart angeordnet, dass
deren Kontaktspitzen in einer Kontaktebene 10, insbesondere
auf einer Kontaktgeraden, angeordnet sind.
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2a zeigt
die Vorrichtung 1 in der nicht ausgelenkten Auslenkungsposition
A0. In dieser Auslenkungsposition A0 kontaktiert kein Kontaktelement 5a, 5b, 5c der
Masse 2 ein Kontaktelement 6a–6c''' einer
der Kontaktelementeinheiten A, B, C des Substrats, weshalb an keiner
der Kontaktelementeinheiten A, B, C des Substrats ein Strom gemessen
und für jede Kontaktelementeinheiten A, B, C des Substrats
die Ziffer Null als Stellenwerte des binär kodierten Ausgangssignals
000 ausgegeben wird, welches charakteristisch für die Auslenkungsposition
A0 ist.
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2b zeigt
die Vorrichtung 1 in einer ersten ausgelenkten Auslenkungsposition
A1. In der neu eingenommenen Auslenkungsposition A1 kontaktiert das
erste Kontaktelement 5a der Masse 2 das vierte Kontaktelement 5a''' der
ersten Kontaktelementeinheit A des Substrats, und ein elektrischer
Strom fließt durch dieses Kontaktpaar. Für die
erste Kontaktelementeinheit A des Substrats wird die Ziffer Eins
als erster Stellenwert ausgegeben. Da durch die zweite B und dritte
C Kontaktelementeinheit des Substrats kein Strom fließt,
wird folglich für die zweite B und dritte C Kontaktelementeinheit
des Substrats und damit den zweiten und dritten Stellenwert weiterhin
die Ziffer Null ausgegeben. Insgesamt wird somit das binär
kodierte Ausgangssignal 100 ausgegeben, welches charakteristisch
für die Auslenkungsposition A1 ist.
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2c zeigt
die Vorrichtung 1 in einer zweiten ausgelenkten Auslenkungsposition
A2. In der neu eingenommenen Auslenkungsposition A0 kontaktiert das zweite
Kontaktelement 5b der Masse 2 das vierte Kontaktelement 5b''' der
zweiten Kontaktelementeinheit B des Substrats und ein elektrischer
Strom fließt durch dieses Kontaktpaar. Für die
zweite Kontaktelementeinheit B des Substrats und damit den zweiten Stellenwert
wird die Ziffer Eins ausgegeben. Da durch die erste A und dritte
C Kontaktelementeinheit des Substrats kein Strom fließt,
wird für die erste A und dritte C Kontaktelementeinheit
und damit den ersten und dritten Stellenwert die Ziffer Null ausgegeben.
Insgesamt wird somit das binär kodierte Ausgangssignal
010 ausgegeben, welches charakteristisch für die Auslenkungsposition
A2 ist.
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Das
gleiche Prinzip ergibt sich jeweils für die in den 2d bis 2h gezeigten
Auslenkungsposition A3; A4; A5; A6; A7, in welchen die binär
kodierten Ausgangssignale 110, 001, 101, 011 beziehungsweise 111
ausgegeben werden.
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Es
versteht sich von selbst, dass sich auf diese Weise zahlreiche Auslenkungspositionen
digital erfassen lassen und die Erfindung nicht auf drei Kontaktelemente 5a, 5b, 5c der
Masse 2 und/oder zwölf Kontaktelemente und drei
Kontaktelementeinheiten A, B, C des Substrats beschränkt
ist.
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Die 3a bis 3c zeigen
schematische Ansichten einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die 3a bis 3c jeweils
eine neutrale A0*, positive A1* und negative A-1* Auslenkungsposition
und die dazugehörigen binär, durch Zweierkomplementkodierung
kodierten Ausgangssignale darstellen. Die 3a bis 3c zeigen
eine Vorrichtung 1 mit einer Masse 2, welche fünf
Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e aufweist,
und einem Substrat (nicht dargestellt), welches drei Kontaktelemente 6a, 6b, 6c aufweist.
Auch im Rahmen dieser Ausgestaltung ist die Masse 2 ist
bezüglich des Substrats derart parallel beweglich angeordnet,
dass durch eine parallele Bewegung der Masse 2 bezüglich
des Substrats die Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 bezüglich den Kontaktelementen 6a, 6b, 6c des
Substrats ebenfalls parallel bewegt werden. Von den fünf Kontaktelementen 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 sind das zweite 5b und dritte 5c dem
zweiten Kontaktelement 6b des Substrats und das vierte 5d und fünfte 5e dem
dritten Kontaktelement 6c des Substrats zugeordnet ist.
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3a zeigt
die Vorrichtung 1 in der nicht ausgelenkt Auslenkungsposition
A0*. In dieser Auslenkungsposition A0* kontaktiert kein Kontaktelement 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 ein Kontaktelement 6a, 6b, 6c des
Substrats, weshalb an keinem der Kontaktelement 6a, 6b, 6c des
Substrats ein Strom gemessen und für jedes Kontaktelement 6a, 6b, 6c des
Substrats die Ziffern Null als Stellenwerte das binär kodierte
Ausgangssignal 000 ausgegeben wird, welches in der Zweierkomplementkodierung der
Zahl 0 entspricht und charakteristisch für die Auslenkungsposition
A0* ist.
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3b zeigt
die Vorrichtung 1 in einer positiv, das heißt
in einer bestimmten Richtung, ausgelenkten Auslenkungsposition A1*.
In der neu eingenommenen, positiven Auslenkungsposition A1* kontaktiert
das vierte Kontaktelement 5d der Masse 2 das dritte
Kontaktelement 6c des Substrats, wodurch ein elektrischer
Strom durch das dritte Kontaktelement 6c des Substrats
fließt und für das dritte Kontaktelement 6c des
Substrats die Ziffer Eins als dritter Stellenwert ausgegeben wird.
Da kein Strom durch das erste 6a und zweite 6b Kontaktelement
des Substrats fließt wird, wird für das erste 6a und
zweite 6b Kontaktelement des Substrats und damit den ersten und
zweiten Stellenwert weiterhin die Ziffer Null ausgegeben. Insgesamt
wird damit das binär kodierte Ausgangssignal 001 ausgegeben,
welches in der Zweierkomplementkodierung der Zahl +1 entspricht und
charakteristisch für die Auslenkungsposition A1* ist.
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3c zeigt
die Vorrichtung 1 in einer negativ, das heißt
in einer zu der in 3b entgegengesetzten Richtung,
ausgelenkten Auslenkungsposition A-1*. In der neu eingenommenen
Auslenkungsposition A-1* kontaktiert das erste Kontaktelement 5a der Masse 2 das
erste Kontaktelement 6a des Substrats, das dritte Kontaktelement 5c der
Masse 2 das zweite Kontaktelement 6b des Substrats
und das fünfte Kontaktelement 5e der Masse 2 das
dritte Kontaktelement des Substrats, wodurch ein elektrischer Strom
durch alle Kontaktelemente 6a, 6b, 6c des Substrats
fließt und für die Stellenwerte aller drei Kontaktelemente 6a, 6b, 6c des
Substrats die Ziffer Eins ausgegeben wird. Insgesamt wird somit
das binär kodierte Ausgangssignal 111 ausgegeben, welches
in der Zweierkomplementkodierung der Zahl –1 entspricht
und charakteristisch für die Auslenkungsposition A-1* ist.
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Es
versteht sich von selbst, dass sich auf diese Weise zahlreiche positive
und negative Auslenkungspositionen digital erfassen lassen und die
Erfindung nicht auf fünf Kontaktelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e der
Masse 2 und/oder drei Kontaktelemente 6a, 6b, 6c des
Substrats beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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