Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren.The present invention relates to a sensor device and a corresponding method.
Es ist bekannt zum ultrasensitiven, quantitativen Nachweis von kleinen Massen (z. B. im Bereich einiger Femto- bis hin zu Nanogramm) die Frequenzverschiebung schwingender mechanischer Systeme insbesondere mikro- bzw. nanomechanischer Systeme auszunutzen.It is known for ultrasensitive, quantitative detection of small masses (eg in the range of some femto to nanograms) to exploit the frequency shift of oscillating mechanical systems, in particular micro- or nanomechanical systems.
Beispiele für mögliche Anwendungen derartiger massensensitiver Sensoren liegen in der Bio- und Chemosensorik. Zu diesem Zweck wird eine mechanisch schwingende Membran mit einer funktionalen Schicht belegt, an welcher im Wesentlichen nur Analyten einer bestimmten Art anhaften bzw. in welche nur Analyten einer bestimmten Art eingebaut werden Beispiele sind z. B. Belegungen mit Antikörpern, an welche nur passende Antigene andocken können (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Als schwingende Systeme sind beispielsweise Quarzmikrowagen (QCM), mikro- oder nanomechanische Balkenstrukturen (Kantilever) und auch Membranstrukturen bekannt.Examples of possible applications of such mass-sensitive sensors are in biochemistry and chemosensors. For this purpose, a mechanically oscillating membrane is coated with a functional layer, to which essentially only analytes of a certain type adhere or in which only analytes of a certain type are incorporated. As assignments with antibodies to which only suitable antigens can dock (key lock principle). Vibrating systems include, for example, quartz microcars (QCM), micro- or nanomechanical beam structures (cantilevers) and also membrane structures.
So ist beispielsweise die Verwendung von funktionalisierten sogenannten CMUT(Capacitive Micromashined Ultrasonic Transducer)-Strukturen zum Nachweis von Analyten vorgeschlagen worden. Solche Strukturen sind im Wesentlichen als Parallelplattenkondensatoren mit einer feststehenden und einer elastisch beweglichen Elektrode gebildet. Durch Anlegen einer periodischen Spannung zwischen den beiden Elektroden kann die bewegliche Elektrode zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Wird die anregende Frequenz in der Nähe der mechanischen Resonanzfrequenz abgestimmt, so ist die erreichte Auslenkung entsprechend überhöht. Derartige Strukturen können mit bekannten Methoden der Oberflächenmikromechanik gefertigt werden.Thus, for example, the use of functionalized so-called CMUT (Capacitive Micromashined Ultrasonic Transducer) structures has been proposed for the detection of analytes. Such structures are essentially formed as parallel plate capacitors with a fixed and an elastically movable electrode. By applying a periodic voltage between the two electrodes, the movable electrode can be excited to mechanical vibrations. If the stimulating frequency is tuned in the vicinity of the mechanical resonance frequency, the deflection achieved is correspondingly excessive. Such structures can be manufactured using known methods of surface micromechanics.
In der US-Patentschrift 7,305,883 von Khuri-Yakub et al. wird ein massensensitiver chemischer Sensor beschrieben, bei dem die massensensitiven Elemente CMUT-Strukturen ausgelegt sind. Die massensensitiven Elemente werden elektrisch in den Rückkopplungszweig eines Verstärkerkreises, z. B. vom sogenannten Pierce-Typ verschaltet. Der Verstärkungs- bzw. Rückkopplungsfaktor wird so eingeregelt, dass der Oszillator anschwingt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der CMUT-Sensorchip gemäß dem Stand der Technik mit Wafer-Durchkontaktierungen versehen und auf einen Wafer mit Ausleseelektronik gebondet.In the U.S. Patent 7,305,883 by Khuri-Yakub et al. describes a mass-sensitive chemical sensor in which the mass-sensitive elements CMUT structures are designed. The mass-sensitive elements are electrically connected to the feedback branch of an amplifier circuit, e.g. B. interconnected by the so-called Pierce type. The gain or feedback factor is adjusted so that the oscillator oscillates. In a preferred embodiment, the CMUT sensor chip according to the prior art is provided with wafer vias and bonded to a wafer with readout electronics.
Bei dieser Art von massensensitiven Sensoren, die als „Eigenschwinger” auf der Resonanz betrieben werden, wird die Änderung der Schwingungsfrequenz durch eine zusätzliche Massenbelegung durch die Analyten, z. B. durch eine Frequenzzählung ausgewertet.In this type of mass-sensitive sensors, which are operated as a "natural oscillator" on the resonance, the change in the oscillation frequency by an additional mass occupancy by the analyte, z. B. evaluated by a frequency count.
Derartige selbstschwingende Kreise benötigen jedoch für eine hohe Nachweisempfindlichkeit eine hohe Güte, was z. B. zu geringer Empfindlichkeit bei der Messung in dichten Medien führen kann. Außerdem sind derartige Kreise empfindlich gegen thermisches Driften von Bauelementen. Weiterhin ist ein massenempfindlicher Schalter durch M. Younis et al. Im Artikel „Exploration of New Concepts for Mass Detection in Electrostatically-Actuated Phenomena”, J. Computational and nonlinear Dynamics, Vol. 4, 2009 vorgeschlagen worden. Dieser Schalter beruht ebenfalls auf einem elektrisch angeregten mikromechanischen System, wobei hier jedoch ein nicht-linearer elektromechanischer Effekt ausgenutzt wird, d. h. der sogenannte „pull in instability”- oder „escape”-Effekt.However, such self-oscillating circuits require a high degree of sensitivity for high detection sensitivity, which z. B. can lead to low sensitivity in the measurement in dense media. In addition, such circuits are sensitive to thermal drifting of devices. Furthermore, a mass-sensitive switch is through M. Younis et al. In the article "Exploration of New Concepts for Mass Detection in Electrostatically-Actuated Phenomena," J. Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 4, 2009 been proposed. This switch is also based on an electrically excited micromechanical system, but here is a non-linear electromechanical effect is exploited, ie the so-called "pull in instability" or "escape" effect.
Bei dem dort vorgeschlagenen massensensitiven Schalter werden die Parameter, d. h. die DC- bzw. AC-Amplitude der anregenden Spannung so eingestellt, dass das schwingende elektromechanische Element innerhalb eines schmalen Frequenzbereichs (instabiler Frequenzbereich) in der Nähe der Resonanz auf die feststehende Elektrode gezogen wird („Pull-in-Effekt”). Dies lässt sich bildhaft durch das Entweichen einer Masse aus einem Potentialtopf bei zu großer Energiezufuhr in der Nähe der Resonanz beschreiben. Wird die Membran zunächst in einem Frequenzbereich unterhalb des instabilen Frequenzbereichs angeregt, so verschiebt das Aufbringen einer zusätzlichen Masse auf das schwingende elektromechanische Element die Resonanzfrequenz derart, dass die Anregungsfrequenz nunmehr im instabilen Bereich liegt und der „Pull-in-Effekt” eintritt. Der Schalter wird mechanisch geschlossen. Da diese Anordnung jedoch nur zwei Zustände auswertet, ist der Massennachweis mit Hilfe des nicht-linearen elektromechanischen „Pull-in-Effektes” nicht quantitativ.In the mass-sensitive switch proposed therein, the parameters, ie, the DC or AC amplitude of the exciting voltage are adjusted so that the oscillating electromechanical element is drawn to the fixed electrode in the vicinity of the resonance within a narrow frequency range (unstable frequency range) ( "Pull-in effect " ). This can be pictorially described by the escape of a mass from a potential well with too much energy in the vicinity of the resonance. If the membrane is first excited in a frequency range below the unstable frequency range, the application of an additional mass to the oscillating electromechanical element shifts the resonance frequency such that the excitation frequency is now in the unstable range and the "pull-in effect" occurs. The switch is closed mechanically. However, since this arrangement evaluates only two states, the mass detection using the non-linear electromechanical pull-in effect is not quantitative.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensorvorrichtung bzw. eine sensitive Anordnung und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, die eine quantitative Sensorauswertung bei geringen Herstellungskosten ermöglicht.The object of the present invention is to provide a sensor device or a sensitive arrangement and a corresponding method, which enables a quantitative sensor evaluation with low production costs.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 17 und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 18 gelöst. This object is achieved by a sensor device according to claim 1, a method according to claim 17 and a computer program according to claim 18.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit einem mechanischen Schwinger, einem Anreger, der ausgebildet ist, um den mechanischen Schwinger in einem nicht-linearen Bereich zu einer mechanischen Schwingung mit einer variierenden Anregungsfrequenz anzuregen, und einer Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um einen aufgrund einer Anharmonizität entstehenden Sprung in einer Resonanz der mechanischen Schwingung des mechanischen Schwingers zu detektieren.The present invention provides a sensor device with a mechanical oscillator, an exciter, which is designed to excite the mechanical oscillator in a non-linear region to a mechanical oscillation with a varying excitation frequency, and an evaluation unit, which is designed to one due to a Anharmonicity to detect jump in a resonance of the mechanical vibration of the mechanical oscillator.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass es möglich ist, eine quantitative Sensorauswertung bei reduzierten Herstellungskosten zu schaffen, wenn zur Auswertung ein aufgrund einer Anharmonizität entstehender Sprung in einer Resonanz der mechanischen Schwingung eines mechanischen Schwingers herangezogen wird, der hierzu in einem nicht-linearen Bereich angeregt wird. Da der Sprung präzise detektierbar ist, ist eine hohe Genauigkeit der Sensorauswertung ohne Weiteres möglich. Zudem sind die Anforderungen an die Güte des mechanischen Schwingungssystems aus mechanischem Schwinger und Anreger relativ gering. Umgekehrt weist der Sprung in der Resonanzschwingung eine auswertbare Abhängigkeit von einer an dem mechanischen Schwinger anliegenden Kraft auf, die beispielsweise aus einer Druckdifferenz resultiert, oder eine auswertbare Abhängigkeit von einer anderen Größe, die die Frequenzlage der mechanischen Resonanz beeinflusst, wie zum Beispiel eine an dem mechanischen Schwinger angelagerten Masse. Auf diese Weise bilden Sensorvorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise Drucksensoren oder Massesensoren.The finding of the present invention is to have recognized that it is possible to provide a quantitative sensor evaluation at a reduced production cost, if a jump in a resonance of the mechanical oscillation of a mechanical oscillator resulting from anharmonicity is used for the evaluation a non-linear region is excited. Since the jump is precisely detectable, a high accuracy of the sensor evaluation is readily possible. In addition, the demands on the quality of the mechanical vibration system of mechanical oscillator and exciter are relatively low. Conversely, the jump in the resonant vibration has an evaluable dependence on a force applied to the mechanical vibrator, resulting for example from a pressure difference, or an evaluable dependence on another variable that affects the frequency position of the mechanical resonance, such as one on the mechanical oscillator accumulated mass. In this way, sensor devices according to embodiments of the present invention form, for example, pressure sensors or mass sensors.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden Bezug nehmend auf die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present application will be explained in more detail with reference to the following drawings. Show it:
1 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a block diagram of a sensor device according to an embodiment;
2 eine schematische Seitenschnittansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; 2 a schematic side sectional view of a sensor device according to another embodiment;
3 eine schematische Darstellung von theoretischen Resonanzkurven einer Sensorvorrichtung gemäß 1 für unterschiedliche Anharmonizitäten; 3 a schematic representation of theoretical resonance curves of a sensor device according to 1 for different anharmonicities;
4 eine schematische Darstellung eines berechneten Spektrums der Sensorvorrichtung von 2 für unterschiedliche Vorspannungen UDC; 4 a schematic representation of a calculated spectrum of the sensor device of 2 for different bias voltages U DC ;
5 Graphen zur Veranschaulichung der Variation des berechneten Spektrums in Abhängigkeit von der Vorspannung UDC; 5 Graph illustrating the variation of the calculated spectrum as a function of the bias voltage U DC ;
6 ein berechnetes Frequenzspektrum einer Sensorvorrichtung gemäß 2 für eine Membran mit einem Durchmesser D = 84 μm, einmal unbelegt (durchgehende Linie) und einmal mit einer Zusatzmasse von 10 pg (gestrichelte Linie); 6 a calculated frequency spectrum of a sensor device according to 2 for a membrane with a diameter D = 84 μm, once blank (continuous line) and once with an additional mass of 10 pg (dashed line);
7 eine numerische Ableitung des berechneten Frequenzspektrums von 6; 7 a numerical derivative of the calculated frequency spectrum of 6 ;
8 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; 8th a block diagram of a sensor device according to another embodiment;
9 ein berechnetes Spektrum für das aufaddierte Ausgangssignal eines mechanischen Schwingers und eines mechanischen Referenzschwingers gemäß 8 für unterschiedliche Kraftbelegungen des mechanischen Schwingers; 9 a calculated spectrum for the added output of a mechanical vibrator and a mechanical reference oscillator according to 8th for different power loads of the mechanical vibrator;
10 ein Ersatzschaltbild zur Ansteuerung und zum Abgriff eines mechanischen Schwingers und eines mechanischen Referenzschwingers unter Addition der Ausgangssignale derselben gemäß einem Ausführungsbeispiel; 10 an equivalent circuit diagram for driving and tapping a mechanical oscillator and a mechanical reference oscillator with addition of the output signals thereof according to an embodiment;
11 ein Ersatzschaltbild einer Ansteuerung und eines Abgriffs eines mechanischen Schwingers und eines mechanischen Referenzschwingers unter Subtraktion der Ausgangssignale derselben gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und 11 an equivalent circuit diagram of a drive and a tap of a mechanical oscillator and a mechanical reference oscillator with subtraction of the output signals thereof according to a further embodiment; and
12 eine schematische Seitenschnittansicht eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel. 12 a schematic side sectional view of a pressure sensor according to an embodiment.
Bevor nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente, die in diesen Figuren auftreten, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente und ihrer Funktion zur Vermeidung von Wiederholungen weggelassen wird.Before describing various embodiments of the present invention with reference to the drawings below, it is to be understood that like elements appearing in these figures are denoted by like reference numerals and a repeated description of these elements and their function to avoid repetition are omitted becomes.
1 zeigt eine Sensorvorrichtung 10 mit einem mechanischen Schwinger 12, einem Anreger 14 und einer Auswerteeinheit 16. Der Anreger 14 ist ausgebildet, um den mechanischen Schwinger 12 in einem nicht-linearen Bereich zu einer mechanischen Schwingung anzuregen. Dazu verwendet der Anreger 14 eine variierende Anregungsfrequenz ω 18. Die Auswerteeinheit 16 ist ausgebildet, um einen aufgrund einer Anharmonizität entstehenden Sprung 20 in einer Resonanz der mechanischen Schwingung des mechanischen Schwingers 12 zu detektieren. Der Sprung 20 entsteht bei der Variation der Anregungsfrequenz ω durch den Anreger 14. Wie es in 1 angedeutet ist, macht sich der Sprung 20 dadurch kenntlich, dass während der Variation der Anregungsfrequenz ω über eine Frequenz fSprung hinweg, eine Schwingungsamplitude ŵ0 der mechanischen Schwingung des mechanischen Schwingers 12 abrupt springt, wie es im Folgenden noch naher erörtert werden wird. Die Frequenz fSprung, an der der Sprung auftritt, hängt von der zu messenden Größe ab, wie z. B. dem Druck oder der Belegungsmasse des mechanischen Schwingers 12. Die Schwingung mit der Schwingungsamplitude ŵ0 kann beispielsweise anhand eines Stroms mit einer Schwingungsamplitude Î oder Phase desselben über ein elektrisches Signal 17, das im Folgenden auch manchmal als Ausgangssignal bezeichnet wird, erfasst werden, welches von der mechanischen Auslenkung des mechanischen Schwingers 12 geeignet abhängt, wie z. B. kapazitiv. 1 shows a sensor device 10 with a mechanical oscillator 12 , a stimulator 14 and an evaluation unit 16 , The stimulator 14 is designed to be the mechanical oscillator 12 in a non-linear region to stimulate a mechanical vibration. For this purpose the exciter uses 14 a varying excitation frequency ω 18 , The evaluation unit 16 is designed to jump due to anharmonicity 20 in a resonance of the mechanical vibration of the mechanical vibrator 12 to detect. The jump 20 arises during the variation of the excitation frequency ω by the exciter 14 , As it is in 1 is hinted, makes the jump 20 characterized in that during the variation of the excitation frequency ω over a frequency f jump away, an oscillation amplitude ŵ 0 of the mechanical vibration of the mechanical oscillator 12 abruptly jumps, as will be discussed in more detail below. The frequency f jump , at which the jump occurs, depends on the quantity to be measured, such. As the pressure or the occupancy mass of the mechanical oscillator 12 , The oscillation with the oscillation amplitude ŵ 0 can, for example, based on a current with a vibration amplitude Î or phase thereof via an electrical signal 17 , which is also sometimes referred to below as the output signal, are detected, which of the mechanical deflection of the mechanical oscillator 12 suitable depends, such. B. capacitive.
Obwohl im Folgenden Ausführungsbeispiele beschrieben werden, bei denen der mechanische Schwinger 12 als Membran ausgestaltet ist, wird darauf hingewiesen, dass es ebenfalls möglich wäre, dass der mechanische Schwinger beispielsweise als einfach eingespannter Balken, schwingfähig aufgehängte Platte oder kippbares Element ausgeführt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Membran des mechanischen Schwingers 12 zur kapazitiven Erfassung der mechanischen Schwingung und zur elektrostatischen Anregung aus einem leitfähigen Material, wie z. B. aus Metall, gebildet ist, wobei allerdings auch andere Materialien, die beispielsweise mit einer leitfähigen Beschichtung versehen sind, denkbar wären. Der Anreger 14 führt die Anregung des mechanischen Schwingers 12 beispielsweise elektrostatisch über das Anlegen einer Wechselspannung mit der variierenden Anregungsfrequenz ω 18 an den mechanischen Schwinger 12, beispielsweise mit einer sinusförmigen Anregung, durch, wobei andere Anregungsformen aber ebenfalls denkbar wären. Bei der Auswerteeinheit 16 handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Schaltung, die an eine Elektrode des mechanischen Schwingers 12 und/oder eine derselben gegenüberliegende feststehende Elektrode des mechanischen Schwingers 12 angeschlossen ist und kann zusätzlich eine digitale Auswerteeinheit, wie z. B. eine CPU oder dergleichen, umfassen.Although embodiments are described below in which the mechanical oscillator 12 is designed as a membrane, it is noted that it would also be possible that the mechanical oscillator is designed, for example, as a simply clamped beam, swingable suspended plate or tiltable element. In this embodiment, it is assumed that the membrane of the mechanical vibrator 12 for capacitive detection of mechanical vibration and for electrostatic excitation of a conductive material, such. B. of metal, is formed, although other materials, which are provided for example with a conductive coating, would be conceivable. The stimulator 14 performs the excitation of the mechanical vibrator 12 For example, electrostatically via the application of an alternating voltage with the varying excitation frequency ω 18 to the mechanical oscillator 12 , For example, with a sinusoidal excitation, by, but other forms of excitation would also be conceivable. At the evaluation unit 16 For example, it is an electrical circuit connected to an electrode of the mechanical vibrator 12 and / or one of them opposite fixed electrode of the mechanical vibrator 12 is connected and can additionally a digital evaluation, such. A CPU or the like.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 10, bei dem die Membran des mechanischen Schwingers 12 geformt ist, um einen Randabschnitt 12a mit einer Ausstülpung 12b aufzuweisen. Mit dem Randabschnitt 12a ist der mechanische Schwinger 12 über einen Isolator elektrisch getrennt an einer feststehenden Elektrode 22 befestigt, um ein Volumen 28 einzuschließen. Anstelle einer ausgestülpten Membran wäre auch beispielsweise eine flache Membran oder eine andere Form denkbar, bei der der mechanische Schwinger 12 in einem Abstand sp 23 (zwischen Isolator 30 und mechanischen Schwinger 12) als bewegliche Elektrode angeordnet ist. Diese kann, wie im Folgenden noch beschrieben wird, zur Einstellung der Nicht-Linearität durch eine Vorspannung UDC 34 zwischen dem mechanischen Schwinger 12 und der feststehenden Elektrode 22 vorgespannt werden. Das Volumen bzw. die Kavität 28 unter der Membran 12 kann evakuiert sein und einen Innendruck pi besitzen. Zwischen die feststehende Elektrode und die bewegliche Elektrode 12 ist über mit einen Kontakt 24 bzw. einen Kontakt 26 eine Serienschaltung bestehend aus einer Wechselspannungsquelle 37, die als Anreger 14 fungiert, einer Gleichspannungsquelle 36, die als Vorspanner dient, und einem Widerstand 32 geschaltet. Über den Widerstand 32, bei dem das gegenüberliegende Ende des Widerstands 32 mit einer Masse 33 verbunden sein kann, kann die Auswerteeinheit 16 das elektrische Ausgangssignal 17 des mechanischen Schwingers 12 in Form einer Spannung abgreifen. Dazu ist die Auswerteeinheit 16 beispielsweise über einen Leitung 35 mit einem Knoten zwischen der Gleichspannungsquelle 36 und Widerstand 32 verbunden. 2 shows an embodiment of the sensor device 10 in which the membrane of the mechanical oscillator 12 is shaped around a border section 12a with a protuberance 12b exhibit. With the edge section 12a is the mechanical oscillator 12 electrically isolated from a stationary electrode via an insulator 22 attached to a volume 28 include. Instead of an everted membrane, for example, a flat membrane or another shape would be conceivable in which the mechanical oscillator 12 at a distance sp 23 (between insulator 30 and mechanical oscillator 12 ) is arranged as a movable electrode. This can, as will be described below, to adjust the non-linearity by a bias voltage U DC 34 between the mechanical oscillator 12 and the fixed electrode 22 be biased. The volume or the cavity 28 under the membrane 12 can be evacuated and have an internal pressure p i . Between the fixed electrode and the movable electrode 12 is over with a contact 24 or a contact 26 a series circuit consisting of an AC voltage source 37 as an inspirer 14 acts, a DC voltage source 36 , which serves as a pretensioner, and a resistor 32 connected. About the resistance 32 where the opposite end of the resistor 32 with a mass 33 can be connected, the evaluation unit 16 the electrical output signal 17 of the mechanical oscillator 12 in the form of a voltage tap. This is the evaluation unit 16 for example via a line 35 with a node between the DC voltage source 36 and resistance 32 connected.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der mechanische Schwinger 12 als Membran ausgeführt, die aus Polysilizium besteht. Eventuelle Ätzzugänge können mit LPCVD-Nitrid verschlossen sein. Die feststehende untere Elektrode 22 kann als eine implantierte Elektrode realisiert sein. Denkbar wäre auch eine z. B. aus Polysilizium bestehende separate Platte.In this embodiment, the mechanical oscillator 12 designed as a membrane consisting of polysilicon. Any etching accesses may be closed with LPCVD nitride. The fixed one lower electrode 22 can be realized as an implanted electrode. Conceivable would be a z. B. made of polysilicon separate plate.
Im Folgenden wird bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass der mechanische Schwinger 12 mit einer funktionalen Schicht (nicht gezeigt) beschichtet ist und die Auswerteeinheit 16 ausgebildet ist, um auf Basis des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung einen von einer Masse von Analyten 38 an der funktionalen Schicht abhängigen Wert zu ermitteln. Die funktionale Schicht ist ausgebildet, so dass beispielsweise nur Analyten einer bestimmten Art an derselben anhaften können. Die Auswerteeinheit 16 kann dann die anhaftende Masse 38 bestimmen. Beispiele hierfür sind z. B. das Belegen mit Antikörpern, in welchen nur die passenden Antigene andocken können. Durch die Masse der Analyten 38 und die daraus resultierende Gewichtskraft auf der Membran 12 wird der mechanische Schwinger verstimmt und fsprung verschoben, was bei folgendem Verfahren genutzt wird. Zur Ermittlung eines von einer Masse von Analyten 38 an der funktionalen Schicht abhängigen Wertes wird bei diesem Ausführungsbeispiel der mechanische Schwinger 12 durch den Anreger 14 mit einer Wechselspannung UAC 37 angeregt. Der mechanische Schwinger 12 wird im nicht-linearen Bereich betrieben. Die Membran 12 kann schon so gebildet sein, dass sie eine Vorspannung UDC aufweist, allerdings wird im Folgenden davon ausgegangen, dass der Vorspanner 36 die Vorspannung UDC 34 so einstellt und variiert, dass eine Ausprägung des Sprungs 20 in der Resonanz des mechanischen Schwingers 12 beeinflusst wird. Zur Vorspannung UDC 34 des mechanischen Schwingers 12 wird eine elektrische Spannung 36 zwischen der feststehenden Elektrode 22 und der beweglichen Elektrode des mechanischen Schwingers 12 angelegt.In the following it is assumed in this embodiment that the mechanical oscillator 12 coated with a functional layer (not shown) and the evaluation unit 16 is designed to be based on the jump 20 in the resonant oscillation one of a mass of analytes 38 to determine the value dependent on the functional layer. The functional layer is designed so that, for example, only analytes of a certain type can adhere to it. The evaluation unit 16 then can the adhesive mass 38 determine. Examples are z. As the coating with antibodies in which only the appropriate antigens can dock. By the mass of the analytes 38 and the resulting weight on the membrane 12 the mechanical oscillator is detuned and f jump shifted, which is used in the following procedure. To determine one of a mass of analyte 38 value dependent on the functional layer becomes the mechanical oscillator in this embodiment 12 through the stimulator 14 with an AC voltage U AC 37 stimulated. The mechanical oscillator 12 is operated in the non-linear range. The membrane 12 may already be formed so that it has a bias U DC , however, it is assumed in the following that the pretensioner 36 the bias voltage U DC 34 so adjusts and varies that an expression of the jump 20 in the resonance of the mechanical oscillator 12 being affected. For biasing U DC 34 of the mechanical oscillator 12 becomes an electrical voltage 36 between the fixed electrode 22 and the movable electrode of the mechanical vibrator 12 created.
Im Folgenden wird auf den physikalischen Zusammenhang, der dem Ausführungsbeispiele zugrunde liegen, näher eingegangen: Für die Herleitung wird die Vorrichtung als ein elektrostatisch angetriebener anharmonischer Oszillator beschrieben. Die Anregung des mechanischen Schwingers 12 erfolgt durch eine elektrische Spannung mit einem Gleichspannungsanteil UDC 36 und einem Wechselspannungsanteil UAC 37 in der Form: U(t) = UDC + UACsinωt In the following, the physical relationship underlying the exemplary embodiments is described in more detail: For the derivation, the device is described as an electrostatically driven anharmonic oscillator. The excitation of the mechanical oscillator 12 takes place by an electrical voltage with a DC voltage component U DC 36 and an AC voltage component U AC 37 in the shape: U (t) = U DC + U AC sinωt
Hierdurch wird ein nicht-linearer anregender elektrostatischer Druck auf die Membran erzeugtThis creates a non-linear exciting electrostatic pressure on the membrane
Darin bezeichnen sp den Abstand 23 (Spalt ohne äußere Belastung), w(r, t) die Biegelinie, wobei r eine radiale Koordinate von einer Rotationsachse, t die Zeit und ε die relative Dieelektrizitätskonstante (bei einem Vakuumgefüllten Sensor ε = 1) angibt.In this, sp denotes the distance 23 (Gap without external load), w (r, t) the bending line, where r indicates a radial coordinate of a rotation axis, t the time and ε the relative dielectric constant (in a vacuum filled sensor ε = 1).
Der AC-Term in der Anregungsspannung führt zu einem Anteil der Anregung mit der Frequenz ω 18. Weiterhin führt die DC-Komponente zur Vorspannung UDC 34 des mechanischen Schwingers 12, infolge einer statischen Durchbiegung und einer Verringerung des Abstand 23 Spalts und damit zu einem neuen Abstand sp–w.The AC term in the excitation voltage results in a proportion of the excitation with the frequency ω 18 , Furthermore, the DC component leads to the bias voltage U DC 34 of the mechanical oscillator 12 , as a result of static deflection and a reduction in the distance 23 Gaps and thus to a new distance sp-w.
Für die Diskussion der Eigenschaften der Vorrichtung 10 ist es vorteilhaft, den mechanischen Schwinger 12 in einer vereinfachten eindimensionalen Beschreibung, welche die wesentlichen physikalischen Merkmale wiedergibt, als ein nicht-lineares Feder-Masse-System zu beschreiben. Eine realistische Beschreibung berücksichtigt die vollständige Ortsabhängigkeit durch Differentialoperatoren (z. B. Kirchhoffsche Plattengleichung).For the discussion of the properties of the device 10 It is beneficial to the mechanical oscillator 12 in a simplified one-dimensional description representing the essential physical features, to describe as a non-linear spring-mass system. A realistic description considers the complete location dependence by differential operators (eg Kirchhoff's plate equation).
In der ersten Näherung wird die Biegelinie w(r, t) vereinfacht als das Produkt einer zeitabhängigen Maximalauslenkung wo und einer Funktion f(r), also w(r, t) = w0(t)f(r) beschrieben, wobei f(r) die relative Form der Biegelinie beschreibt. Bei einem idealen Plattenkondensator ist f(r) beispielsweise konstant.In the first approximation, the bendline w (r, t) is simplified as the product of a time-dependent maximum displacement where and a function f (r), that is w (r, t) = w 0 (t) f (r), where f (r) describes the relative shape of the bendline. For example, with an ideal plate capacitor, f (r) is constant.
Bei einem axialsymmetrischen Sensor bezeichnet r die radiale Koordinate, aber es sind natürlich prinzipiell auch andere z. B. rechteckige Geometrien möglich. Unter dieser Annahme kann die anregende nicht-lineare Kraft wie folgt beschrieben werden: In an axisymmetric sensor r denotes the radial coordinate, but there are of course other z. B. rectangular geometries possible. Under this assumption, the exciting non-linear force can be described as follows:
dA ist das Flächenelement, sp ist der Abstand 23 des mechanischen Schwingers 12 von dem Isolator 36. Das Integral erstreckt sich über den gesamten Bereich der beweglichen Membran. dA is the surface element, sp is the distance 23 of the mechanical oscillator 12 from the insulator 36 , The integral extends over the entire area of the movable membrane.
Der Sprung 20 entsteht in der Resonanzkurve eines mikromechanischen Elements aufgrund der nicht-linearen Abhängigkeit der antreibenden „elektrostatischen” Kraft Fel(t, w) von Auslenkung w oder auch durch eine nicht-lineare Abhängigkeit der mechanischen Rückstellkraft FR(w) des mikromechanischen Elementes von der Auslenkung w(r, t). Für eine Platte gilt beispielsweise näherungsweise: Fr = keffw + kNLw3 + ... The jump 20 arises in the resonance curve of a micromechanical element due to the non-linear dependence of the driving "electrostatic" force F el (t, w) of deflection w or by a non-linear dependence of the mechanical restoring force F R (w) of the micromechanical element of the Deflection w (r, t). For example, for a disk, approximately: F r = k eff w + k NL w 3 + ...
Die hier durch die Koeffizienten knl bezeichnete nicht-lineare Abhängigkeit der Federkraft bewirkt eine Frequenzverschiebung Δf zu höheren Frequenzen hin („spring hardening”). Die semiempirische Bewegungsgleichung resultiert zu: The nonlinear dependence of the spring force, here denoted by the coefficients k n1 , causes a frequency shift Δf towards higher frequencies ("spring hardening"). The semiempirical equation of motion results in:
In dieser Gleichung bedeuten meff die effektive Masse, λ die Dämpfungskonstante (z. B. aufgrund von akustischer Energieabgabe an ein umgebendes Medium) und keff die effektive Federkonstante. Die elektrostatische Anregungskraft kann man sich in grober Näherung durch eine Potenzreihe in Potenzen von w0 entwickelt denken. Fel(t, w) = F 0 / el(t) + αw0(t) + βw 2 / 0(t) + γw 3 / 0(t) + ... + ”Korrektur(w, t)” In this equation, meff is the effective mass, λ is the damping constant (eg due to acoustic energy output to a surrounding medium) and keff is the effective spring constant. The electrostatic excitation force can be thought of as roughly approximated by a power series in powers of w 0 . F el (t, w) = F 0 / el (t) + αw 0 (t) + βw 2/0 (t) + γ w 3/0 (t) + ... + "correction (w, t)"
Diese nicht-linearen Kraftkomponenten führen also neben der linearen „Federkraft” keffw0 (mit einer effektiven Federkonstante keff) und einem linearen Beitrag α der elektrostatischen Kraft, der zu einer Verschiebung der Resonanz zu kleineren Frequenzen „spring softening” führt, zu weiteren nicht-linearen Gliedern, nämlich βw 2 / 0 + γw 3 / 0 .... Die nicht-linearen Koeffizienten β, γ, ... hängen dabei wiederum von den Anregungsparametern, also von der DC-Spannung UDC 36 und AC-Spannung UAC 37 ab.These non-linear force components thus result in addition to the linear "spring force" k eff w 0 (with an effective spring constant k eff ) and a linear contribution α of the electrostatic force, which leads to a shift of the resonance to smaller frequencies "spring softening" other non-linear members, namely βw 2/0 + γw 3/0 .... The non-linear coefficients β, γ,... Depend in turn on the excitation parameters, that is, on the DC voltage U DC 36 and AC voltage U AC 37 from.
Um einen von einer Masse von Analyten 38 an der funktionalen Schicht abhängigen Wert mit einer hohen Genauigkeit zu ermitteln, wird die Frequenzverschiebung Δf des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung im Ausgangssignal 17 durch die Auswerteeinheit 16 detektiert. Die Auswerteeinheit 16 ist ausgebildet, um den Sprung 20 anhand einer elektrischen Größe an einer beweglichen Elektrode des mechanischen Schwingers 12 und/oder an einer feststehenden Elektrode 22, die der bewegten Elektrode gegenübersteht, zu detektieren. Hierzu wird die Resonanzschwingung als elektrisches Ausgangssignal 17 über den Widerstand 32 durch die Auswerteeinheit 16 abgegriffen. Der Zusammenhang zwischen der Frequenzverschiebung Δf des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung und dem zu ermittelnden Wert einer Masse von Analyten 38 an der funktionalen Schicht wird in 3, 6 und 7 genauer beschrieben.To one of a mass of analytes 38 At the functional layer dependent value with a high accuracy, the frequency shift Δf of the jump becomes 20 in the resonance oscillation in the output signal 17 through the evaluation unit 16 detected. The evaluation unit 16 is trained to make the jump 20 by an electrical quantity at a movable electrode of the mechanical vibrator 12 and / or on a fixed electrode 22 that faces the moving electrode. For this purpose, the resonance oscillation as electrical output signal 17 about the resistance 32 through the evaluation unit 16 tapped. The relationship between the frequency shift Δf of the jump 20 in the resonance oscillation and the value of a mass of analytes to be determined 38 at the functional layer is in 3 . 6 and 7 described in more detail.
Alternativ zur Ermittlung eines Wertes, der von einer Masse von Analyten 38 abhängig ist, kann mit die Sensorvorrichtung 10 ein von einer Druckdifferenz abhängiger Wert ermittelt werden, da eine Verbiegung der Membran 12 durch einen äußeren Druck ebenfalls zu einer Frequenzverschiebung Δf des Sprungs 20 führt. Hierzu ist der mechanische Schwinger 12 als Membran, die an ihrer Innenseite ein Innenvolumen 28 einschließt, ausgeführt und die Auswerteeinheit 16 ist ausgeführt, um auf Basis des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung einen von einer auf die Membran 12 wirkende Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite abhängigen Wert zu ermitteln. Ebenso wie bei dem vorher genannten Ausführungsbeispiel, verstimmt der auf die Außenseite der Membran 12 anliegende Druck den mechanischen Schwinger 12 in der Resonanzschwingung durch eine Kraft analog zur Gewichtskraft infolge von Massebeaufschlagung von Analyten 38, so dass der auf die Membran 12 wirkende Druck mit einer derartigen Sensorvorrichtung 10 und einem analogen Verfahren ermittelt werden kann. Diese Frequenzverschiebung Δf kann bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel ebenso mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Die Sensorvorrichtung 10 kann insbesondere für niedrige Drücke im Vakuumbereich bis hin zum Ultrahochvakuum (UHV) genutzt werden. Für hohe Drücke und/oder stark dämpfende Medien, ist es vorteilhaft, die Druckankopplung an die schwingende Membran 12 durch ein separates Gehäuse 96 und eine separate Außenmembran 94 zu entkoppeln, wie es in 12 beschrieben wird.Alternatively, to determine a value that is derived from a mass of analyte 38 depends on the sensor device 10 be determined by a pressure difference dependent value, as a bending of the membrane 12 by an external pressure also to a frequency shift .DELTA.f of the jump 20 leads. This is the mechanical oscillator 12 as a membrane, on its inside an internal volume 28 includes, executed and the evaluation unit 16 is executed on the basis of the jump 20 in the resonance oscillation one from one to the membrane 12 acting pressure difference between the inside and the outside dependent value to determine. As in the aforementioned embodiment, detuned on the outside of the membrane 12 applied pressure the mechanical oscillator 12 in the resonance vibration by a force analogous to the weight force due to mass application of analytes 38 so that's on the membrane 12 acting pressure with such a sensor device 10 and an analog method can be determined. This frequency shift Δf can also be determined with high accuracy in this alternative embodiment. The sensor device 10 can be used in particular for low pressures in the vacuum range up to ultra-high vacuum (UHV). For high pressures and / or strong damping media, it is advantageous to pressure-couple to the vibrating membrane 12 through a separate housing 96 and a separate outer membrane 94 to decouple, as it is in 12 is described.
Alternativ zum Abgriff der elektrischen Ausgangssignale 17 über den Widerstand 32 durch die Auswerteeinheit 16 wären auch andere Abgriffspunkte, z. B. direkt am mechanischen Schwinger 12, denkbar.Alternatively to tapping the electrical output signals 17 about the resistance 32 through the evaluation unit 16 would be other tap points, z. B. directly on the mechanical oscillator 12 , conceivable.
Des Weiteren wäre es auch möglich, die mechanische Schwingung des mechanischen Schwingers 12 nicht über ein elektrisches Ausgangssignal zu detektieren, sondern dieses beispielsweise mittels eines optischen oder akustischen Sensors zu erfassen. Ebenso wäre es auch hinsichtlich der Anregung denkbar, den mechanischen Schwinger nicht elektrostatisch, sondern beispielsweise rein mechanisch oder über Schallwellen zur mechanischen Schwingung anzuregen. Furthermore, it would also be possible, the mechanical vibration of the mechanical oscillator 12 not to detect via an electrical output signal, but to detect this example by means of an optical or acoustic sensor. Likewise, with regard to the excitation, it would also be conceivable to stimulate the mechanical oscillator not electrostatically but, for example, purely mechanically or via sound waves to mechanical oscillation.
3 zeigt die schematische Darstellung von theoretischen Resonanzkurven eines analytischen Modells eines mechanischen Schwingers 12 für zwei unterschiedliche Anharmonizitäten 39 und 43, erzeugt z. B. durch unterschiedliche Vorspannungen UDC 34 des mechanischen Schwingers 12, die durch nicht-lineare Kraftkomponenten, wie sie in 2 beschrieben sind, entstehen. Gezeigt ist insbesondere die Änderung der Schwingungsamplitude ŵ0 Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz ω in willkürlichen Einheiten. In dieser Darstellung sind zwei Anharmonizitäten dargestellt, wobei im Folgenden nur auf die Anharmonizität 43 mit der stark ausgeprägten Kipperscheinung eingegangen wird, die beispielsweise durch eine höhere Vorspannung UDC 34 gegenüber der Vorspannung UDC 34 der Anharmonizität 38 entsteht. 3 shows the schematic representation of theoretical resonance curves of an analytical model of a mechanical vibrator 12 for two different anharmonicities 39 and 43 , generates z. B. by different bias voltages U DC 34 of the mechanical oscillator 12 caused by non-linear force components, such as those in 2 are described arise. Shown in particular is the change in the oscillation amplitude ŵ 0 depending on the excitation frequency ω in arbitrary units. In this representation, two anharmonicities are shown, in the following only on the anharmonicity 43 with the pronounced Kipperscheinung is received, for example, by a higher bias voltage U DC 34 opposite to the bias voltage U DC 34 of anharmonicity 38 arises.
Durch die Krümmung des Resonanzprofils gibt es einen Frequenzbereich zwischen der Frequenz fa und der Frequenz fb mit drei möglichen Lösungen für die Schwingungsamplitude ŵ0. Von den mehrdeutigen Lösungen ist jedoch jeweils nur eine stabil, da das Resonanzprofil eine Hysterese ausbildet. Da die Entstehung der Anharmonizität von der Anregungsfrequenz ω 18 und einer Scanrichtung abhängig ist, ist der Anreger 14 dazu ausgebildet, die Anregungsfrequenz ω 18 zu variieren. In diesem Fall ist die Schwingungsamplitude ŵ0 abhängig von der variablen Anregungsfrequenz ω 18 und insbesondere von Scanrichtung, d. h., ob der mechanische Schwinger 12 mit zunehmender oder abnehmender Anregungsfrequenz ω 18 angeregt wird. Bei zunehmender Anregungsfrequenz ω 18 ist der obere Ast 40 des Resonanzprofils stabil; die Schwingungsamplitude ŵ0 steigt in diesem bis zum Punkt A an und fällt bei A schlagartig ab, wodurch der steile Sprung 20 in der Resonanzschwingung entsteht. Bei abnehmender Anregungsfrequenz ω 18 folgt die Schwingungsamplitude ŵ0 zunächst dem unteren Ast 42 und wächst dann im Punkt B schlagartig an, so dass wiederum ein Sprung 20 in der Resonanzschwingung entsteht.Due to the curvature of the resonance profile, there is a frequency range between the frequency f a and the frequency f b with three possible solutions for the oscillation amplitude ŵ 0 . However, only one of the ambiguous solutions is stable since the resonance profile forms a hysteresis. Since the formation of anharmonicity of the excitation frequency ω 18 and a scan direction is the exciter 14 adapted to the excitation frequency ω 18 to vary. In this case, the oscillation amplitude ŵ 0 is dependent on the variable excitation frequency ω 18 and in particular the scanning direction, ie, whether the mechanical oscillator 12 with increasing or decreasing excitation frequency ω 18 is stimulated. With increasing excitation frequency ω 18 is the upper branch 40 the resonance profile stable; the oscillation amplitude ŵ 0 rises in this up to the point A and drops abruptly at A, whereby the steep jump 20 in the resonant oscillation arises. With decreasing excitation frequency ω 18 follows the oscillation amplitude ŵ 0 first the lower branch 42 and then grows abruptly at point B, so that again a jump 20 in the resonant oscillation arises.
Alternativ zu den bei dieser schematischen Darstellung nach rechts gekrümmten Resonanzkurven ist es auch möglich, dass die Kurven nach links gekrümmt sind. Dies hängt von der relativen Größe der nicht-linearen Koeffizienten (KNL, β, γ, ...) ab.As an alternative to the resonance curves curved to the right in this schematic illustration, it is also possible for the curves to be curved to the left. This depends on the relative size of the non-linear coefficients (K NL , β, γ, ...).
Die schwach ausgeprägte Anharmonizität 39 entsteht beispielsweise bei einer gegenüber der stark ausgeprägten Anharmonizität 43 geringeren Vorspannung UDC 34 durch den Vorspanner infolge einer geringeren Gleichspannung 36.The weak anharmonicity 39 arises, for example, in comparison to the pronounced anharmonicity 43 lower bias U DC 34 through the pretensioner due to a lower DC voltage 36 ,
4 zeigt den Zusammenhang gemäß einer numerischen Rechnung zwischen Vorspannung UDC 34 und Ausprägung des Sprungs 20 in der Resonanz für fünf verschiedene Ausprägungen 44, 45, 46, 47 und 48 von Sprüngen 20 in der Resonanz infolge von fünf verschiedenen Vorspannungen UDC 34. Dargestellt sind insbesondere fünf verschiedene Abhängigkeiten bzw. Graphen 44, 45, 46, 47 und 48 der Amplitude des elektrischen Stromes in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz ω 18, mit der der mechanische Schwinger 12 beispielsweise durch eine Wechselspannung UAC von 0,5 V angeregt ist. Die Membran weist in diesem Beispiel einen Durchmesser D von 84 μm, eine Dicke von 1 μm und einen Dämpfungsfaktor Q von 200 auf. Es sind jedoch auch z. B. kleinere Durchmesser D möglich, um eine höhere Frequenzauflösung jedoch auf Kosten der notwendigen Anregungsspannung zu erreichen. Der Vorspanner 36 ist ausgebildet, um eine Vorspannung UDC 34 des mechanischen Schwingers 12 zu variieren, so dass eine Ausprägung 44, 45, 46, 47 und 48 des Sprungs 20 in der Resonanz des mechanischen Schwingers 12 beeinflusst wird. Im Folgenden werden exemplarisch drei verschiedene Ausprägungen 44, 46 und 48 von Sprüngen 20 in Resonanzschwingung von mechanischen Schwingern erläutert:
Graph 44 zeigt einen leicht vorgespannten mechanischen Schwinger 12, der vom Vorspanner 36 mittels einer elektrischen Spannung zwischen der feststehenden Elektrode 22 und der beweglichen Elektrode des mechanischen Schwingers 12 mit der Vorspannung UDC 34 in Höhe von 1 V DC vorspannt. Am Graph 44 ist der stetige Verlauf zu erkennen, so dass bei dieser Ausprägung 44 kein Sprung 20 in der Resonanzschwingung entsteht. Bei dem Graph 46 ist die Vorspannung UDC 34 des mechanischen Schwingers 12 durch den Vorspanner 36 so variiert, dass die Anharmonizität und damit der Sprung 46 in der Resonanzschwingung entsteht. Hierbei ist der mechanische Schwinger 12 durch den Vorspanner 36 mittels einer höheren Gleichspannung, beispielsweise durch eine Vorspannung UAC 34 in Höhe von 3 V DC, vorgespannt. Die Ausprägung 46 des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung kann durch die Stärke der Vorspannung UDC 34, mit der der Vorspanner den mechanischen Schwinger 12 vorspannt, variiert werden. Graph 48 zeigt gegenüber Graph 46 eine stärkere Ausprägung 48 des Sprungs 20 sowie eine Frequenzverschiebung Δf 51. Bei dem Graph 48 ist der mechanische Schwinger 12 durch den Vorspanner 36 mit einer stärkeren Vorspannung UDC 34 (im Vergleich zur Vorspannung UDC 34 im Graph 46), beispielsweise mit 4,5 V, vorgespannt. 4 shows the relationship according to a numerical calculation between bias voltage U DC 34 and expression of the jump 20 in resonance for five different forms 44 . 45 . 46 . 47 and 48 of jumps 20 in resonance due to five different bias voltages U DC 34 , In particular, five different dependencies or graphs are shown 44 . 45 . 46 . 47 and 48 the amplitude of the electric current as a function of the excitation frequency ω 18 with which the mechanical oscillator 12 For example, by an AC voltage U AC of 0.5 V is excited. The membrane in this example has a diameter D of 84 μm, a thickness of 1 μm and a damping factor Q of 200. However, there are also z. B. smaller diameter D possible to achieve a higher frequency resolution, however, at the expense of the necessary excitation voltage. The pretensioner 36 is designed to be a bias U DC 34 of the mechanical oscillator 12 to vary, so that's an expression 44 . 45 . 46 . 47 and 48 of the jump 20 in the resonance of the mechanical oscillator 12 being affected. The following are examples of three different characteristics 44 . 46 and 48 of jumps 20 in resonance vibration of mechanical vibrators explained:
graph 44 shows a slightly preloaded mechanical oscillator 12 , that of the pretensioner 36 by means of an electrical voltage between the fixed electrode 22 and the movable electrode of the mechanical vibrator 12 with the bias voltage U DC 34 biased in the amount of 1 V DC. At the graph 44 the steady course is recognizable, so that with this characteristic 44 no jump 20 in the resonant oscillation arises. At the graph 46 is the bias voltage U DC 34 of the mechanical oscillator 12 through the pretensioner 36 so varied that the anharmonicity and thus the jump 46 in the resonant oscillation arises. Here is the mechanical oscillator 12 through the pretensioner 36 by means of a higher DC voltage, for example by a bias voltage U AC 34 in the amount of 3 V DC, biased. The expression 46 of the jump 20 in the resonant oscillation can by the strength of the bias voltage U DC 34 with which the pretensioner the mechanical oscillator 12 biased, be varied. graph 48 shows opposite graph 46 a stronger expression 48 of the jump 20 and a frequency shift Δf 51 , At the graph 48 is the mechanical oscillator 12 through the pretensioner 36 with a stronger bias U DC 34 (compared to the bias voltage U DC 34 in the graph 46 ), for example 4.5V biased.
Alternativ wäre auch weitere Mechanismen für die Vorspannung, die in den Ausführungsbeispielen als elektrostatische Kraft aufgrund einer elektrischen Spannung zwischen der beweglichen und der feststehenden Elektrode beschrieben wird, wie z. B. eine rein mechanische Vorspannung denkbar.Alternatively, other mechanisms for the bias voltage, which is described in the embodiments as electrostatic force due to an electrical voltage between the movable and the fixed electrode, such. B. a purely mechanical bias conceivable.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen Messergebnisses mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10. Bei dieser Versuchs- bzw. Simulationsreihe wurde die Vorspannung UDC 34 des Vorspanners 36 durch Variation der elektrischen Spannung schrittweise verändert und so verschiedene Ausprägungen der Sprünge 20 in den Resonanzschwingungen des mechanischen Schwingers 12 erzeugt. Bei dieser Versuchsreihe wurde der mechanische Schwinger 12 mit einer Wechselspannung UAC von 0,5 V angeregt, wobei die Anregungsfrequenz ω 18 in 1 kHz-Schritten erhöht wurde. Der Einfluss der Dämpfung λ auf die Ausprägung des Sprungs 20 wurde ebenfalls in den Versuchen bzw. Simulationen nachgewiesen. Insbesondere ist unter Verwendung kleiner Dämpfungen λ ein steiler Sprung 20 in der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 ausgebildet. Umgekehrt kann die Sensorvorrichtung 10 auch bei entsprechender Einstellung der Anregungsparameter (ω, UDC, ...) bei großer Dämpfung λ, wie z. B. unter Atmosphärendruck oder in Flüssigkeiten, verwendet werden. 5 shows a schematic representation of an exemplary measurement result with the sensor device according to the invention 10 , In this experiment or simulation series, the bias voltage U DC 34 of the pretensioner 36 By varying the electrical voltage gradually changed and so different forms of jumps 20 in the resonant vibrations of the mechanical vibrator 12 generated. In this series of experiments, the mechanical oscillator 12 excited with an AC voltage U AC of 0.5 V, wherein the excitation frequency ω 18 in 1 kHz increments. The influence of attenuation λ on the expression of the jump 20 was also demonstrated in the experiments or simulations. In particular, using small attenuations λ is a steep jump 20 in the resonance vibration of the mechanical vibrator 12 educated. Conversely, the sensor device 10 even with appropriate adjustment of the excitation parameters (ω, U DC , ...) at high attenuation λ, such. B. under atmospheric pressure or in liquids.
6 zeigt die Gegenüberstellung (numerische Rechnung) eines Sprungs 50 (durchgezogene Linie) in der Resonanzschwingung eines unbelasteten mechanischen Schwingers 12 und des Sprungs 52 (gestrichelte Linie) in der Resonanzschwingung eines mit 10 pg belasteten Schwingers 12 in Abhängigkeit der Frequenz f und der Schwingungsamplitude Î. Bei der schematischen Darstellung wird von einer in 100-Hertz-Schritten abgestimmten Anregungsfrequenz ω 18 ausgegangen, d. h. die Anregungsfrequenz ω 18 wurde Schrittweise um 100 Hz Schritte in Scanrichtung verändert. Des Weiteren wird für diese Beispielrechnung eine Poly-Siliziummembran mit Durchmesser 84 μm und einer Dicke 1 μm angenommen. Für die Dämpfung λ wird ein Q-Faktor von 200 angenommen. Die effektive Spacerdicke sp 23 beträgt 250 nm. Für die relative Form der Membran des mechanischen Schwingers 12 wird ein parabelförmiges Profil f(r) für die Biegelinie der Membran angenommen. Der mechanische Schwinger 12 wird durch den Vorspanner 36 mit einer elektrischen Vorspannung UDC 34 in Höhe von 4 V vorgespannt. Der Anreger 14 regt die Membran durch die Wechselspannungsquelle 37 mit 0,5 V AC an. Die Ergebnisse der Beispielrechnung unter den genannten Randbedingungen sind in 6 für eine unbelegte Membran, Sprung 50 (durchgezogenen Linie), und eine mit 10 pg beaufschlagte Membran, Sprung 52 (gestrichelte Linie), dargestellt. Um die Frequenzverschiebung Δf 54 zu ermitteln, wird in der Auswerteeinheit 16 die exakte Frequenz des Sprungs 50 und Sprungs 52 detektiert. Hierzu ist die Auswerteeinheit 16 ausgebildet, um den Sprung 50 bzw. 52 in der Resonanzschwingung während der Variation der Anregungsfrequenz ω 18 anhand eines Spitzenwertes in der Schwingungsamplitude Î des mechanischen Schwingers 12 zu detektieren. 6 shows the comparison (numerical calculation) of a jump 50 (solid line) in the resonance vibration of an unloaded mechanical vibrator 12 and the jump 52 (dashed line) in the resonant vibration of a 10 pg loaded vibrator 12 as a function of the frequency f and the oscillation amplitude Î. In the schematic representation of an adjusted in 100-Hertz steps excitation frequency ω 18 assumed, ie the excitation frequency ω 18 was incrementally changed by 100 Hz steps in the scanning direction. Furthermore, a poly-silicon membrane with a diameter of 84 μm and a thickness of 1 μm is assumed for this example calculation. For the attenuation λ a Q-factor of 200 is assumed. The effective spacer thickness sp 23 is 250 nm. For the relative shape of the membrane of the mechanical vibrator 12 a parabolic profile f (r) is assumed for the bending line of the membrane. The mechanical oscillator 12 is through the pretensioner 36 with an electrical bias U DC 34 biased at the rate of 4V. The stimulator 14 excites the membrane by the AC voltage source 37 with 0.5 V AC. The results of the example calculation under the mentioned boundary conditions are in 6 for a blank diaphragm, jump 50 (solid line), and a membrane loaded with 10 pg, jump 52 (dashed line) shown. To the frequency shift .DELTA.f 54 is to be determined in the evaluation unit 16 the exact frequency of the jump 50 and jump 52 detected. This is the evaluation unit 16 trained to do the jump 50 respectively. 52 in the resonant oscillation during the variation of the excitation frequency ω 18 based on a peak value in the oscillation amplitude Î of the mechanical oscillator 12 to detect.
Die Frequenzverschiebung Δf 54 des Sprungs (50 zu 52) dient als Maß für den zu messenden Effekt – in diesem Fall für die zusätzliche Massenbelegung Δm 38 durch 10 pg. Die zusätzliche Massenbelegung Δm 38 hängt mit der zu messenden Frequenzverschiebung Δf 54 über die folgende Gleichung zusammen: The frequency shift Δf 54 of the jump ( 50 to 52 ) serves as a measure for the effect to be measured - in this case for the additional mass occupation Δm 38 by 10 pg. The additional mass allocation Δm 38 depends on the frequency shift Δf to be measured 54 together using the following equation:
Hierbei bedeuten f0 die Resonanzfrequenz, M die gesamte Masse des schwingenden Systems inklusive der Masse des mechanischen Schwingers 12. Aus dieser Beziehung ist ersichtlich, dass eine hohe Resonanzfrequenz f0 zu einer großen Frequenzverschiebung Δf 54 führt. Hohe Resonanzfrequenzen sind z. B. durch geringe Membrandurchmesser oder Balkenlängen zu erreichen. In diesem Fall ist jedoch eine höhere Anregungsspannung UAC der Wechselspannungsquelle 37 für den Anreger 14 notwendig. Für die Auswertung des Resonanzprofils ist es vorteilhaft, das differentielle Spektrum zu verwenden, d. h. man wertet eine Signalgröße proportional der Amplitudenänderung (oder alternativ auch Phasenänderung) pro Frequenzintervall aus. Dieses differentielle Spektrum zeigt dann nadelartige Spitzen an der Position der Sprünge 50 und 52. Aus der Frequenzverschiebung Δf 54 der Sprünge 50 und 54 kann auf die zusätzlich auf die Membran 12 aufgebrachte Masse Δm 38 geschlossen werden. Hierdurch ist eine sehr hohe Auflösung möglich.Here, f 0 is the resonant frequency, M the total mass of the oscillating system including the mass of the mechanical oscillator 12 , From this relationship, it can be seen that a high resonance frequency f 0 results in a large frequency shift Δf 54 leads. High resonance frequencies are z. B. to achieve by low membrane diameter or beam lengths. In this case, however, a higher excitation voltage U AC of the AC voltage source 37 for the stimulator 14 necessary. For the evaluation of the resonance profile, it is advantageous to use the differential spectrum, ie one evaluates a signal magnitude proportional to the change in amplitude (or alternatively also phase change) per frequency interval. This differential spectrum then shows needle-like peaks at the position of the cracks 50 and 52 , From the frequency shift Δf 54 the jumps 50 and 54 can on the addition to the membrane 12 applied mass Δm 38 getting closed. As a result, a very high resolution is possible.
7 zeigt die schematische Darstellung der numerischen Ableitung des in 6 dargestellten Resonanzprofils. Anhand des nadelartigen differentiellen Spektrums zu den in 6 gezeigten Sprüngen 50 und 52 ist in dieser schematischen Darstellung die Frequenzverschiebung Δf 54 abgebildet. 7 shows the schematic representation of the numerical derivative of in 6 illustrated resonance profile. Based on the needle-like differential spectrum to the in 6 shown jumps 50 and 52 is the frequency shift .DELTA.f in this schematic representation 54 displayed.
Zur Ermittlung der Sprünge 50 und 52 ist die Auswerteeinheit 16 dazu ausgebildet, um den Sprung 50 bzw. 52 in der Resonanzschwingung während der Variation der Anregungsfrequenz ω 18 anhand eines Spitzenwertes in der Schwingungsamplitude Î oder einer Phasenänderung in der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 zu detektieren. Alternativ ist es möglich, dass die Auswerteeinheit 16 den Sprung 50 bzw. 52 in der Resonanzschwingung anhand einer Phasenänderung der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 detektiert. To determine the jumps 50 and 52 is the evaluation unit 16 trained to do the jump 50 respectively. 52 in the resonant oscillation during the variation of the excitation frequency ω 18 based on a peak value in the oscillation amplitude Î or a phase change in the resonant oscillation of the mechanical oscillator 12 to detect. Alternatively, it is possible that the evaluation unit 16 the jump 50 respectively. 52 in the resonance vibration based on a phase change of the resonance vibration of the mechanical vibrator 12 detected.
8 zeigt die Vorrichtung 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen mechanischen Referenzschwinger 56, der zu dem mechanischen Schwinger 12 parallel geschaltet ist. Der mechanische Referenzschwinger 56 kann von seiner Charakteristik her die gleichen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich Material, Temperaturbereich, Biegung, Form und Masse, auf wie der mechanische Schwinger 12 aufweisen. Der Referenzschwinger ist dabei so ausgestaltet, dass er weitgehend Signalunempfindlich ist, also z. B. im Falle eines Massensensors keine funktionale Schicht aufweist an der Analyten andocken können. In dieser Darstellung sind die beiden mechanischen Schwinger als Blockschaltbilder für den mechanischen Schwinger 12 – Sensorzelle – und für den mechanischen Referenzschwinger 5 – Referenzzelle – dargestellt. Es wird aber im Folgenden exemplarisch davon ausgegangen, dass die mechanischen Schwinger 12 und 56 grundsätzlich dem in 2 dargestellten Aufbau entsprechen, wobei die mechanischen Schwinger 12 und 56 als die bewegliche Elektrode jeweils über einen eigenen Vorspanner 36 und 66 mit dem Knoten 69 verbunden sind und die feststehende Elektrode, die dem jeweiligen mechanischen Schwinger 12 bzw. 56 gegenübersteht, mit einem Knoten 55 verbunden ist. 8th shows the device 70 according to an embodiment with an additional mechanical reference oscillator 56 which is the mechanical oscillator 12 is connected in parallel. The mechanical reference oscillator 56 In terms of its characteristics, it can have the same physical properties, for example in terms of material, temperature range, bending, shape and mass, as the mechanical oscillator 12 exhibit. The reference oscillator is designed so that it is largely signal insensitive, so z. B. in the case of a mass sensor has no functional layer can dock on the analyte. In this illustration, the two mechanical oscillators are block diagrams for the mechanical oscillator 12 - Sensor cell - and for the mechanical reference oscillator 5 - Reference cell - shown. However, it is assumed below by way of example that the mechanical oscillator 12 and 56 basically the in 2 correspond to the structure shown, wherein the mechanical oscillator 12 and 56 as the movable electrode each have their own pretensioner 36 and 66 with the node 69 are connected and the fixed electrode, the respective mechanical oscillator 12 respectively. 56 faces, with a knot 55 connected is.
Für den mechanischen Referenzschwinger 56 ist zur Vorspannung UAC 68 ein Vorspanner in Form einer regelbaren Gleichspannungsquelle 66 vorgesehen, für den mechanischen Schwinger 12 der Vorspanner 36 in Form einer Gleichspannungsquelle 36. Diese beiden Vorspanner 36 und 66 in der Parallelschaltung können den jeweiligen mechanischen Schwinger mittels einer Vorspannung UAC 34 und 68 gegenüber dem Knoten 55 der beiden mechanischen Schwinger beaufschlagen, der über den Widerstand 32 mit der Masse 33 verbunden ist. Die beiden parallel geschalteten mechanischen Schwinger 12 und 56 sind über den gemeinsamen Knoten 69 mit zu dem Anreger 14 verbunden, so dass letzterer mit einer Anregungsfrequenz ω 18 beide mechanischen Schwinger 12 und 56 anregen kann.For the mechanical reference oscillator 56 is for bias U AC 68 a pretensioner in the form of a controllable DC voltage source 66 provided for the mechanical oscillator 12 the pretensioner 36 in the form of a DC voltage source 36 , These two pretensioners 36 and 66 in the parallel circuit can the respective mechanical oscillator by means of a bias voltage U AC 34 and 68 opposite the node 55 the two mechanical oscillators act on the resistance 32 with the crowd 33 connected is. The two parallel mechanical oscillators 12 and 56 are over the common node 69 with to the stimulator 14 connected, so that the latter with an excitation frequency ω 18 both mechanical oscillators 12 and 56 can stimulate.
Über den Knoten 55 ist die Auswerteeinheit 16 mit dem mechanischen Schwinger 12 und dem mechanischen Referenzschwinger 56 verbunden, so dass die im Knoten 55 addierten Ströme mit der Schwingungsamplitude Î der mechanischen Schwinger 12 und 56 durch die Auswerteinheit 16 über den Widerstand 32 als Spannung abgegriffen werden können. Die Auswerteinheit 16 umfasst Mittel zur Signalaufbereitung 57 inklusive Verstärkung, Mittelung, Off-Set-Korrektur und Filterung, eine Spitzenwerterfassung 58, eine Analog-Digital-Wandlung 59 sowie eine differenziellen Datenauswerter 60. Diese Elemente verarbeiten das am Knoten 55 addierte Signal der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 in der dargestellten Reihenfolge. Des Weiteren ist der differenziellen Datenauswerter 60 der Auswerteeinheit 16 über einen Steuerungskanal 62 und einen Informationskanal 64 mit dem Anreger 14 verbunden.About the node 55 is the evaluation unit 16 with the mechanical oscillator 12 and the mechanical reference transducer 56 connected, so that in the node 55 added currents with the oscillation amplitude Î of the mechanical oscillator 12 and 56 through the evaluation unit 16 about the resistance 32 can be tapped as a voltage. The evaluation unit 16 includes signal conditioning means 57 including gain, averaging, off-set correction and filtering, peak detection 58 , an analog-to-digital conversion 59 as well as a differential data evaluator 60 , These elements handle this at the node 55 added signal of the two mechanical oscillators 12 and 56 in the order shown. Furthermore, the differential data evaluator 60 the evaluation unit 16 via a control channel 62 and an information channel 64 with the stimulator 14 connected.
Die Vorrichtung 70 weist also zusätzlich den mechanischen Referenzschwinger 56 auf und der Anreger 14 ausgebildet ist, um den mechanischen Referenzschwinger 56 und den mechanischen Schwinger 12 über den Knoten 69 im nicht-linearen Bereich zu einer mechanischen Schwingung mit variierender Anregungsfrequenz ω 18 des mechanischen Schwingers 12 anzuregen, wobei der Anreger 14 über die Auswerteeinheit 16 mittels des Steuerungskanals 62 gesteuert wird. Um die beiden mechanischen Schwinger in einem nichtlinearen Bereich zu betreiben, ist ein Vorspanner 36 für den mechanischen Schwinger 12 und ein Vorspanner 68 für den mechanischen Referenzschwinger 56 ausgebildet, um die Vorspannung UDC 34 und 68 so einzustellen, dass eine Ausprägung des Sprungs in der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers und eine Ausprägung des Sprungs in der Resonanzschwingung des mechanischen Referenzschwingers zueinander ausgeglichen und geeignet groß sind. Unter der Ausprägung des Sprungs wird beispielsweise der unstetige Verlauf eines Resonanzprofils bei einer Anregungsfrequenz ω 18 verstanden, die im Idealfall eine hohe Spitze-Spitze-Differenz in ihrer Schwingungsamplitude Î aufweist, wie es in 6 und 7 näher erläutert ist. Die Einstellung der Vorspannung UDC 34 und 68 für den mechanischen Schwinger 12 und für den mechanischen Referenzschwinger 56 erfolgt über die Vorspanner 36 und 66, die ausgebildet sind, um zur Vorspannung 34 und 68 eine elektrische Spannung zwischen der feststehenden Elektrode und der beweglichen Elektrode des jeweiligen mechanischen Schwingers anzulegen. Die Vorspanner können so ausgebildet sein, um die Vorspannung UDC 68 des mechanischen Referenzschwingers 56 und eine Vorspannung UDC 68 des mechanischen Schwingers 12 so zu variieren, dass eine Ausprägung des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung des mechanischen Resonanzschwingers 56 gegenüber der Ausprägung des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung des mechanisch Schwingers 12, beispielsweise hinsichtlich der Sprung-Frequenz FSprung und hinsichtlich Schwingungsamplitude Î beim Sprung, abgeglichen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind hierfür zwei separat regelbare elektrische Spannungsquellen 36 und 66 vorgesehen, die die Vorspannung UDC 34 und 68 des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers 56 regeln. Infolge der abgeglichenen Vorspannungen UDC 34 und 68 der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56, der gleichen Anregungsfrequenz ω 18 und der Gleichartigkeit der Schwinger 12 und 56 führen die mechanischen Schwinger 12 und 56 im unbelasteten Zustand eine gleiche mechanische Schwingung mit gleicher Ausprägung des Sprungs in der Resonanz durch.The device 70 So also has the mechanical reference oscillator 56 on and the stimulator 14 is formed to the mechanical reference oscillator 56 and the mechanical oscillator 12 over the node 69 in the non-linear region to a mechanical oscillation with varying excitation frequency ω 18 of the mechanical oscillator 12 stimulate, with the exciter 14 via the evaluation unit 16 by means of the control channel 62 is controlled. To operate the two mechanical vibrators in a nonlinear area is a pretensioner 36 for the mechanical oscillator 12 and a pretensioner 68 for the mechanical reference oscillator 56 formed to the bias voltage U DC 34 and 68 to be set so that an expression of the jump in the resonant vibration of the mechanical oscillator and an expression of the jump in the resonant oscillation of the mechanical reference oscillator are balanced and suitably large. The discontinuity of a resonance profile at an excitation frequency ω, for example, becomes the expression of the jump 18 understood that ideally has a high peak-to-peak difference in their oscillation amplitude Î, as it is in 6 and 7 is explained in more detail. The adjustment of the bias voltage U DC 34 and 68 for the mechanical oscillator 12 and for the mechanical reference transducer 56 via the pretensioners 36 and 66 that are trained to bias 34 and 68 to apply an electric voltage between the fixed electrode and the movable electrode of the respective mechanical vibrator. The pretensioners can be designed to the bias voltage U DC 68 of the mechanical reference oscillator 56 and a bias voltage U DC 68 of the mechanical oscillator 12 to vary so that an expression of the jump 20 in the resonance vibration of the mechanical resonance vibrator 56 opposite to the expression of the jump 20 in the resonance vibration of the mechanical vibrator 12 , for example, in terms of jump frequency F jump and in terms of oscillation amplitude Î is equalized during the jump. In this embodiment, for this purpose, two separately controllable electrical voltage sources 36 and 66 provided that the bias voltage U DC 34 and 68 of the mechanical oscillator 12 and the mechanical reference vibrator 56 regulate. As a result of the adjusted bias voltages U DC 34 and 68 the two mechanical oscillators 12 and 56 , the same excitation frequency ω 18 and the similarity of the vibrators 12 and 56 lead the mechanical oscillator 12 and 56 in the unloaded state a same mechanical vibration with the same expression of the jump in the resonance by.
Die Auswerteeinheit 16 ist ausgebildet, um eine differentielle Auswertung 60 zwischen der Lage der Sprünge in der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 und einer Resonanzschwingung des mechanischen Referenzschwingers 56 durchzuführen. Hierbei vergleicht die Auswerteeinheit 16 die Sprünge 20 in den Resonanzschwingungen des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers 56 während der Variation der Anregungsfrequenz ω 18 anhand von Spitzenwerten in Schwingungsamplituden Î oder anhand von Phasenänderungen in den Resonanzschwingungen differentiell. Der Vergleich erfolgt in dem differenziellen Datenauswerter 60, wobei vorher bei diesem Ausführungsbeispiel die addierten Ströme mit der Schwingungsamplitude Î der beiden mechanischen Schwinger 12 und 54, die über den Widerstand 32 als Spannung abgreifbar ist, aufbereitet wird. Hierfür dienen die Mittel zur Signalaufbereitung, Verstärkung, Mittelung, Off-Set-Korrektur und Filterung 57, eine Spitzenwerterfassung 58 sowie eine Analog-Digital-Wandlung 59. Die Spitzenwerterfassung 58 ermittelt die Sprünge anhand von Spitze-Spitze-Werten Ai beispielsweise mittels der numerischen Ableitung. Mit der Spitzenwerterfassung 58 ist es möglich, bezugnehmend auf 9 einen Sprung, beispielsweise Graph 74 oder 76, eines mechanischen Schwingers 12 und die Frequenz eines Sprungs, beispielsweise Graph 72, eines mechanischen Referenzschwingers 56 zu detektieren und mittels der Analog-Digital-Wandlung 59 in einen Digitalwert zu wandeln. Der differenzieller Datenauswerter 60 liest den Digitalwert der Spitzenwerte (Spitze-Spitze Ai) der Spitzenwerterfassung 58 zusammen mit der zum Sprung 20 gehörenden Frequenz (fi) über den Informationskanal 64 ein und bildet den numerischen Differenzialquotienten zur Berechnung der Frequenzdifferenz Δf (bzw. des differenziellen Spektrums). Hierzu ist die Auswerteeinheit 16 und insbesondere der differentiellen Datenauswerter 60 der Auswerteeinheit 16 ausgebildet, um den Frequenzunterschied Δf, beispielsweise 78 oder 80, der Frequenz des Sprungs in den Graphen 74 oder 76, in der mechanischen Schwingung des mechanischen Schwingers 12 zu der Frequenz des Sprungs in dem Graphen 72 in der mechanischen Schwingung des mechanischen Referenzschwingers 56 zu ermitteln. Bei dem differentiellen Vergleich der Sprünge in den Graphen 74 und 76 mit dem Sprung in dem Graphen 72, kann ein Frequenzunterschied Δf 78 bzw. 80 ermittelt werden, auf Basis dessen beispielsweise eine Masse 38 oder Druckdifferenz, mit welcher der mechanische Schwinger 12, der auch Sensorzelle genannt wird, gegenüber dem mechanischen Referenzschwinger 56 belastet ist, berechnet werden.The evaluation unit 16 is designed to be a differential evaluation 60 between the position of the jumps in the resonant vibration of the mechanical vibrator 12 and a resonance vibration of the mechanical reference vibrator 56 perform. The evaluation unit compares 16 the jumps 20 in the resonant vibrations of the mechanical vibrator 12 and the mechanical reference vibrator 56 during the variation of the excitation frequency ω 18 by means of peaks in oscillation amplitudes Î or by phase changes in the resonant vibrations differentially. The comparison takes place in the differential data evaluator 60 , Previously, in this embodiment, the added currents with the oscillation amplitude Î of the two mechanical oscillator 12 and 54 that about the resistance 32 can be tapped as voltage, is processed. The means for signal processing, amplification, averaging, off-set correction and filtering serve this purpose 57 , a peaking 58 and an analog-to-digital conversion 59 , The peak acquisition 58 determines the jumps on the basis of peak-to-peak values A i, for example by means of the numerical derivative. With the peak detection 58 is it possible to refer to 9 a jump, for example graph 74 or 76 , a mechanical vibrator 12 and the frequency of a jump, for example, graph 72 , a mechanical reference vibrator 56 to detect and by means of the analog-to-digital conversion 59 to convert into a digital value. The differential data evaluator 60 reads the digital value of the peak values (peak-peak A i ) of the peak detection 58 along with the jump 20 belonging frequency (f i ) via the information channel 64 and forms the numerical differential quotient for calculating the frequency difference Δf (or of the differential spectrum). This is the evaluation unit 16 and in particular the differential data evaluator 60 the evaluation unit 16 formed to the frequency difference .DELTA.f, for example 78 or 80 , the frequency of the jump in the graph 74 or 76 , in the mechanical vibration of the mechanical vibrator 12 to the frequency of the jump in the graph 72 in the mechanical vibration of the mechanical reference vibrator 56 to investigate. In the differential comparison of the jumps in the graph 74 and 76 with the jump in the graph 72 , a frequency difference .DELTA.f 78 respectively. 80 determined based on which, for example, a mass 38 or pressure difference with which the mechanical oscillator 12 , also called sensor cell, opposite the mechanical reference transducer 56 is charged.
Das genaue Verfahren zur Ermittlung eines von einer zu messenden Größe abhängigen Wertes wird in 9 näher erläutert.The exact method for determining a value dependent on a quantity to be measured is shown in FIG 9 explained in more detail.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der differenzielle Datenauswerter 60 der Auswerteeinheit 16, oder auch Ausleseeinheit genannt, als Mikrokontroller ausgeführt sein und kann auch über den Steuerungskanal 62 und den Informationskanal 64 die Anregungsfrequenz ω 18 variieren. Dadurch ist es möglich, den mechanischen Schwinger 12 mit Anregungsfrequenzen ω 18 in einem Bereich über einen Frequenzscan anzuregen, in welchem der Sprung in der Resonanzschwingung der mechanischen Schwinger 12 sicher liegt.In this embodiment, the differential data evaluator 60 the evaluation unit 16 , or called readout unit, be designed as a microcontroller and can also via the control channel 62 and the information channel 64 the excitation frequency ω 18 vary. This makes it possible to use the mechanical oscillator 12 with excitation frequencies ω 18 to excite in one area via a frequency scan in which the jump in the resonant oscillation of the mechanical oscillators 12 sure lies.
Alternativ zur Erfassung der Frequenz Anregungsfrequenz ω 18 über den Informationskanal wäre auch eine Frequenzermittlung in der Auswerteeinheit 16 denkbar.Alternatively to the detection of the frequency excitation frequency ω 18 via the information channel would also be a frequency determination in the evaluation 16 conceivable.
Alternativ kann für den differenzielle Datenauswerter 60 auch ein äußeres Rechenwerk, eine CPU, ein Computerprogramm oder ein Anzeigegerät zur manuellen Datenauswertung verwendet werden.Alternatively, for the differential data evaluator 60 Also an external calculator, a CPU, a computer program or a display device for manual data evaluation can be used.
Alternativ zur Detektion der Sprünge in den Graphen 72, 74 und 76 in der Resonanzschwingung mittels einer Spitzenwerterfassung 58 wäre bei diesem Ausführungsbeispiel auch eine Detektion der Sprünge in den Graphen 72, 74 und 76 anhand von Phasenänderung in den Resonanzkurven der mechanischen Schwinger 12 bzw. 56 denkbar. Zur Auswertung des Sprungs 20 kann beispielsweise eine phasensensitive Lock-In-Technik vorteilhaft genutzt werden.Alternatively to the detection of the cracks in the graph 72 . 74 and 76 in the resonance oscillation by means of peak detection 58 In this embodiment would also be a detection of the jumps in the graph 72 . 74 and 76 based on phase change in the resonance curves of the mechanical oscillators 12 respectively. 56 conceivable. To evaluate the jump 20 For example, a phase-sensitive lock-in technique can be used to advantage.
Eine alternative Ausführungsform der beschriebenen Sensorvorrichtung 70 ist es, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) auf einem Bauelement 61 mit folgenden Bestandteilen herzustellen: mechanischer Schwinger 12, mechanischer Referenzschwinger 56, Widerstand 32, Mittel zur Signalaufbereitung, Verstärkung, Mittelung und Frequenzfilterung 57, Spitzenwerterfassung 58 und Analog-Digital-Wandelung 59. Es ist auch möglich, dass dieser ASIC den Anreger 14 enthält.An alternative embodiment of the described sensor device 70 It is an application specific integrated circuit (ASIC) on a device 61 with the following components: mechanical oscillator 12 , mechanical reference transducer 56 , Resistance 32 , Means to Signal conditioning, amplification, averaging and frequency filtering 57 , Peaking 58 and analog-to-digital conversion 59 , It is also possible that this ASIC is the stimulator 14 contains.
Alternativ zur Schaltung der mechanischen Schwinger 12 und 56 mit ihren feststehenden Elektroden zwischen Knoten 69 und 55 wäre auch eine gedrehte oder gekreuzte Schaltung der mechanischen Schwinger 12 und 56 denkbar. Ebenso ist es für den Fachmann offenkundig, dass die Vorspanner 36 und 66 nicht zwingend zwischen Knoten 69 und dem mechanischen Schwinger 12 bzw. 56 angeordnet sein müssen, sondern beispielsweise auch zwischen dem mechanischen Schwinger 12 bzw. 56 und dem Knoten 55 angeordnet sein könnten. Es wäre auch eine Schaltung mit einem Vorspanner für beide mechanischen Schwinger 12 bzw. 56 und einem Vorspanner für den Null-Abgleich denkbar.Alternatively to the circuit of the mechanical oscillator 12 and 56 with their fixed electrodes between nodes 69 and 55 would also be a rotated or crossed circuit of the mechanical oscillator 12 and 56 conceivable. Likewise, it is obvious to those skilled in the art that the pretensioners 36 and 66 not necessarily between nodes 69 and the mechanical oscillator 12 respectively. 56 must be arranged, but for example, between the mechanical oscillator 12 respectively. 56 and the node 55 could be arranged. It would also be a circuit with a pretensioner for both mechanical vibrators 12 respectively. 56 and a pretensioner for zero balance conceivable.
Alternativ zu dem mechanischer Referenzschwinger 56, der in seinen physikalischen Eigenschaften dem mechanischen Schwinger 12 gleicht, können auch ein unterschiedlicher mechanische Referenzschwingers 56 benutzt werden, der beispielsweise durch eine Anpassung der Vorspannung ein gleiches Verhalten gegenüber dem mechanischen Schwinger 12 aufweist.Alternative to the mechanical reference oscillator 56 that in its physical properties the mechanical oscillator 12 can also be a different mechanical reference vibrator 56 be used, for example, by adjusting the bias same behavior with respect to the mechanical oscillator 12 having.
9 zeigt die Amplitude der phasengerecht aufaddierten Ströme des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers einer Vorrichtung 70 in Abhängigkeit von der Frequenz f und der Schwingungsamplitude Î (numerische Rechnung). Hierbei ist ein Graph 72 mit einem Sprung des mechanischen Referenzschwingers 56, ein Graph 74 mit einem Sprung eines mit 10 pg belasteten mechanischen Schwingers 12 und ein Graph 76 mit einem Sprung eines mit 100 pg belasteten mechanischen Schwingers 12 dargestellt. 9 shows the amplitude of the phase-added currents of the mechanical oscillator 12 and the mechanical reference oscillator of a device 70 depending on the frequency f and the vibration amplitude Î (numerical calculation). Here's a graph 72 with a jump of the mechanical reference oscillator 56 , a graph 74 with a jump of a loaded with 10 pg mechanical vibrator 12 and a graph 76 with a jump of a loaded with 100 pg mechanical vibrator 12 shown.
Des Weiteren ist eine Frequenzverschiebung Δf1 78 zwischen dem Sprung im Graphen 72 und dem Sprung in dem Graphen 74 für eine Belastung des mechanischen Schwingers 12 mit 10 pg sowie eine Frequenzverschiebung Δf2 80 zwischen Sprung des Graphen 72 und dem Sprung des Graphen 76 für eine Belastung des mechanischen Schwingers 12 mit 100 pg visualisiert. Im zusammengesetzten Spektrum der Amplituden der phasengerecht aufaddierten Ströme ist aus der Frequenzverschiebungen Δf1 78 und Δf2 80 bzw. dem Abstand der Sprünge die Massendifferenz Δm 38 ablesbar.Furthermore, a frequency shift Δf 1 78 between the jump in the graph 72 and the jump in the graph 74 for a load of the mechanical oscillator 12 with 10 pg and a frequency shift Δf 2 80 between jump of the graph 72 and the jump of the graph 76 for a load of the mechanical oscillator 12 visualized with 100 pg. In the composite spectrum of the amplitudes of the phase-added currents is from the frequency shifts .DELTA.f 1 78 and Δf 2 80 or the distance of the jumps the mass difference Δm 38 read.
Im Allgemeinen wird bei der Sensorvorrichtung 70 zur Ermittlung eines von einer Masse von Analyten 38 an der funktionalen Schicht abhängigen Wertes wie folgt vorgegangen:
Im ersten Schritt werden die Anregungsparameter für die Sensorvorrichtung 70 eingestellt. Hierzu wird unter Zuhilfenahme der Auswerteeinheit 16 und insbesondere unter Zuhilfenahme der differentiellen Datenauswertung 60 einen Frequenzbereich für die Anregungsfrequenz ω 18 gewählt, in dem der mechanische Schwinger 12 und der mechanische Referenzschwinger 56 ein nicht-lineares Verhalten aufweist. In diesem nicht-linearen Bereich wird mit Hilfe des Vorspanners 36 die Vorspannung UDC 34 des mechanischen Schwingers 12 und mit Hilfe des Vorspannen 66 die Vorspannung UDC 68 des mechanischen Referenzschwingers 56 so eingestellt, dass eine starke Ausprägung des Sprungs 20 in der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingen 56 entsteht. Hierfür wird, während die Anregungsfrequenz ω 18 im gewählten Frequenzbereich entweder mit zunehmender Frequenz oder mit abnehmender Frequenz variiert wird, die Vorspannung UDC 34 und 68 mit Hilfe der elektrischen Spannungsquelle 36 und der elektrischen Spannungsquelle 66 so lange angepasst, bis die Auswerteeinheit 16 eine steile Ausprägung des Sprung in dem Graphen 72 im Resonanzprofil der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 detektiert. Die Findung dieser Einstellung muss nicht zwingend bei jeder Messung wiederholt werden. Im nächsten Schritt wird durch unter Verwendung der elektrischen Spannungsquelle 36 und/oder unter Verwendung der elektrischen Spannungsquelle 66 die Vorspannung UDC 34 des mechanischen Schwingers 12 und/oder die Vorspannung UDC 68 des mechanischen Referenzschwingers 56 bei variierender Anregungsfrequenz ω 18 derart angepasst, so dass die Ausprägung des Sprungs in dem Graphen 72 in der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 gegenüber der Ausprägung des Sprungs in dem Graphen 72 in der Resonanzschwingung des mechanischen Referenzschwingers 56 abgeglichen ist; mit anderen Worten ausgedruckt, so dass der Frequenzunterschied zwischen den Sprangen der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 verschwindet. Dieser Abgleich findet ohne Belegung des mechanischen Schwingers 12 durch beispielsweise eine Masse Δm 38 oder einen Druck statt. Dieser Abgleich ist jedoch nicht zwingend notwendig; alternativ wäre ein Vergleich des Spektrums „vorher” ohne Belegung von Analyten mit dem Spektrum „nachher” mit Belegung von Analyten möglich.In general, the sensor device 70 to determine one of a mass of analyte 38 Functional layer-dependent value is as follows:
In the first step, the excitation parameters for the sensor device 70 set. This is done with the help of the evaluation unit 16 and in particular with the aid of differential data evaluation 60 a frequency range for the excitation frequency ω 18 chosen in which the mechanical oscillator 12 and the mechanical reference oscillator 56 has a non-linear behavior. In this non-linear area is using the pretensioner 36 the bias voltage U DC 34 of the mechanical oscillator 12 and with the help of pretensioning 66 the bias voltage U DC 68 of the mechanical reference oscillator 56 adjusted so that a strong expression of the jump 20 in the resonance vibration of the mechanical vibrator 12 and mechanical reference swinging 56 arises. For this purpose, while the excitation frequency ω 18 in the selected frequency range is varied either with increasing frequency or with decreasing frequency, the bias voltage U DC 34 and 68 with the help of the electrical voltage source 36 and the electrical voltage source 66 adjusted until the evaluation unit 16 a steep expression of the jump in the graph 72 in the resonance profile of the two mechanical oscillators 12 and 56 detected. The determination of this setting does not necessarily have to be repeated for each measurement. The next step is by using the electrical voltage source 36 and / or using the electrical voltage source 66 the bias voltage U DC 34 of the mechanical oscillator 12 and / or the bias voltage U DC 68 of the mechanical reference oscillator 56 at varying excitation frequency ω 18 adapted so that the expression of the jump in the graph 72 in the resonance vibration of the mechanical vibrator 12 versus the expression of the jump in the graph 72 in the resonance oscillation of the mechanical reference oscillator 56 is balanced; in other words, the frequency difference between the spans of the two mechanical oscillators 12 and 56 disappears. This adjustment takes place without occupancy of the mechanical oscillator 12 by, for example, a mass Δm 38 or a pressure instead. However, this comparison is not absolutely necessary; Alternatively, a comparison of the spectrum "before" without assignment of analytes with the spectrum "after" with assignment of analytes would be possible.
Im zweiten Schritt erfolgt die Messung der zu ermittelnden Masse von Analyten 38. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Analyten an der funktionalen Schicht des mechanischen Schwingers 12 andocken können, wobei eine Massebelegung der Analyten 38 auf dem mechanischen Referenzschwinger 56 nicht möglich ist, da der mechanische Referenzschwinger 56 in der Weise realisiert ist, dass er nicht funktionalisiert ist, d. h. nicht mit einer funktionalen Schicht versehen ist. Während der Messung wird der mechanische Schwinger 12, der unbelastet einen Sprung (vgl. Graph 72) bei der Frequenz funbelastet bzw. der Frequenz fReferenz, mit einer Masse von Analyten 38, beispielsweise 10 pg, belastet, die an der funktionalen Schicht des mechanischen Schwingers 12 andocken können. Durch diese Massebelegung Δm 38 wird der mechanische Schwinger 12 verstimmt, wodurch der Sprung im Resonanzprofil des mechanischen Schwingers 12 eine Frequenzverschiebung Δf1 78 erfährt und der mechanische Schwinger 12 nun den Sprung in dem Graphen 74 bei der Frequenz f10 ausbildet. Die Auswerteeinheit 16 kann beispielsweise im addierten Ausgangssignal der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 mittels der Spitzenwerterfassung 58 den Sprung in dem Graph 72 des mechanischen Referenzschwingers 56 und den Sprung in dem Graphen 74 des mit 10 pg belegten mechanischen Schwingers 12 detektieren. Die differentielle Datenauswertung 60 der Auswerteeinheit 16 ermittelt auf Basis der erfassten Spitzenwerte und der Frequenzen fReferenz und f10 die Frequenzverschiebung Δf1 78 und kann aufgrund des Zusammenhangs auf die Massenbelegung Δm 38 schließen.In the second step, the measurement of the mass of analytes to be determined takes place 38 , In this embodiment, it is assumed that the analytes are attached to the functional layer of the mechanical vibrator 12 can dock, with a mass assignment of the analytes 38 on the mechanical reference oscillator 56 is not possible because of the mechanical reference oscillator 56 realized in the way that he is not functionalized, that is not provided with a functional layer. During the measurement, the mechanical oscillator becomes 12 , which unloads a jump (see graph 72 ) at the frequency f unloaded or the frequency f reference , with a mass of analytes 38 , For example, 10 pg, loaded on the functional layer of the mechanical vibrator 12 can dock. Through this mass assignment Δm 38 becomes the mechanical oscillator 12 detuned, causing the jump in the resonance profile of the mechanical vibrator 12 a frequency shift Δf 1 78 experiences and the mechanical oscillator 12 now the jump in the graph 74 at the frequency f 10 trains. The evaluation unit 16 can, for example, in the added output of the two mechanical oscillator 12 and 56 by means of peak detection 58 the jump in the graph 72 of the mechanical reference oscillator 56 and the jump in the graph 74 of the 10 pg mechanical vibrator 12 detect. The differential data evaluation 60 the evaluation unit 16 determines the frequency shift Δf 1 on the basis of the detected peak values and the frequencies f reference and f 10 78 and may be due to the context on the mass allocation Δm 38 shut down.
Alternativ kann mit diesem Verfahren auch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die Membran des mechanischen Schwingers 12 beaufschlagten Druck und einem auf die Membran des mechanischen Referenzschwingers beaufschlagten Druck ermittelt werden. Hierbei ist es dienlich, die Membran des mechanischen Referenzschwingers 56 mit dem Umgebungsdruck zu belasten, während die Membran des mechanischen Schwingers 12 mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird.Alternatively, with this method, a pressure difference between a on the membrane of the mechanical vibrator 12 acted upon pressure and a pressure applied to the diaphragm of the mechanical reference oscillator pressure. It is useful, the membrane of the mechanical reference vibrator 56 to stress with the ambient pressure while the membrane of the mechanical vibrator 12 is acted upon by the pressure to be measured.
Alternativ zur Entkopplung der mechanischen Referenzzelle 56 mittels einer nicht funktionalisierten Membran wäre auch eine Kapselung des Referenzschwingers 56 möglichAlternatively to decoupling the mechanical reference cell 56 By means of a non-functionalized membrane, encapsulation of the reference oscillator would also be possible 56 possible
10 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine additive Signalverarbeitung der Schwingungsamplituden Î des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers 56. Der mechanische Schwinger 12, der über die regelbare elektrische Spannungsquelle 36 vorgespannt wird, ist parallel zum mechanischen Referenzschwinger 56, der über die elektrische Spannungsquelle 66 vorgespannt wird, geschaltet und verfügt über einen gemeinsamen Knoten 69 mit dem Referenzschwinger 56. Über diesen Knoten 69 ist der Anreger 14 seriell zu dem mechanischen Schwinger 12 und zu dem mechanischen Referenzschwinger 56 geschaltet. Über einen zweiten gemeinsamen Knoten 55 der Parallelschaltung werden die feststehenden Elektroden, die den mechanischen Schwingern 12 und 56 gegenüberliegen, verbunden. An diesem Knoten ist die Parallelschaltung der mechanischen Schwinger 12 und 56 über einen Widerstand 32 mit der Masse 33 verbunden. Über den Knoten 55 kann die Auswerteeinheit 16 die addierten Ströme der Schwingungsamplituden Î der mechanischen Schwinger 12 und 56 abgreifen. Hinsichtlich Verschaltung entspricht mit Ausnahme der nicht regelbaren Spannungsquelle 66 dieser Aufbau dem in 8 gezeigten Aufbau. 10 shows an equivalent circuit diagram for an additive signal processing of the vibration amplitudes Î Î of the mechanical vibrator 12 and the mechanical reference vibrator 56 , The mechanical oscillator 12 , which has the adjustable electrical voltage source 36 is biased, is parallel to the mechanical reference oscillator 56 that has the electrical power source 66 is biased, switched and has a common node 69 with the reference oscillator 56 , About this node 69 is the stimulus 14 serial to the mechanical oscillator 12 and to the mechanical reference transducer 56 connected. Via a second common node 55 Parallel connection will be fixed electrodes, mechanical oscillators 12 and 56 opposite, connected. At this node is the parallel connection of the mechanical oscillator 12 and 56 about a resistance 32 with the crowd 33 connected. About the node 55 can the evaluation unit 16 the added currents of the vibration amplitudes Î of the mechanical oscillator 12 and 56 tap. With regard to interconnection, with the exception of the non-controllable voltage source 66 this construction in the 8th shown construction.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Nullabgleich, wie er in 9 beschrieben ist, über Variation der elektrischen Spannung 36. Im Knoten 55 werden die Ströme der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 addiert. Die addierten Ströme der Schwingungsamplituden Î der Resonanzschwingungen der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 werden an dem Knoten 55 über den Widerstand 32 durch die Auswerteeinheit 16 als Spannung abgegriffen. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung des Frequenzunterschieds Δf durch Detektion der Sprünge in einem Summensignal der Ströme der Schwingungsamplituden Î des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers 56.In this embodiment, the zero balance, as in 9 is described, via variation of the electrical voltage 36 , In the node 55 be the currents of the two mechanical oscillators 12 and 56 added. The added currents of the vibration amplitudes Î "of the resonant vibrations of the two mechanical oscillators 12 and 56 be at the node 55 about the resistance 32 through the evaluation unit 16 tapped as tension. In this embodiment, the determination of the frequency difference .DELTA.f by detecting the jumps takes place in a sum signal of the currents of the vibration amplitudes Î Î of the mechanical vibrator 12 and the mechanical reference vibrator 56 ,
Alternativ wäre es auch denkbar, dass die Auswerteeinheit 16 die Schwingungsamplitude ŵ0 nicht über den mechanischen Schwinger bzw. die gegenüberliegende feststehende Elektrode direkt abgreift, sondern dass beispielsweise eine separate Elektrode für den mechanischen Schwinger 12 zur Erfassung der mechanischen Schwingung durch die Auswerteeinheit 16 vorgesehen ist.Alternatively, it would also be conceivable that the evaluation unit 16 the oscillation amplitude ŵ 0 does not pick off directly via the mechanical oscillator or the opposing stationary electrode, but that, for example, a separate electrode for the mechanical oscillator 12 for detecting the mechanical vibration by the evaluation unit 16 is provided.
11 zeigt ein Ersatzschaltbild zur subtraktiven Verrechnung der Ströme der Schwingungsamplituden Î des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers 56. Hierbei sind die mechanischen Schwinger 12 und 56, deren Vorspanner 36 und 66 sowie die feststehenden Elektroden analog zu 10. ab dem Knoten 69 parallel geschaltet. Der Anreger 14 ist ebenfalls analog zu 10 mit dem Punkt 69 verbunden. Im Unterschied zur 10 weist jeder Zweig der parallel geschalteten mechanischen Schwinger 12 und 56 einen eigenen Widerstände und eine eigene Masse auf. Die dem mechanischen Schwinger 12 gegenüberstehende Elektrode wird über einen Widerstände 84 mit einer Masse 89 verbunden, die dem mechanischen Referenzschwinger 56 gegenüberstehende Elektrode über einen Widerstand 86 mit einer Masse 91. Im Übrigen kann dieser Aufbau anstelle des Anregers 14, der mechanischen Schwinger 12 und 56, der Vorspanner 36 und 66, dem Knoten 55 und dem Widerstand 32 dem in 8 gezeigten Aufbau entsprechen, wobei die Ströme der Schwingungsamplituden Î in diesem Ausführungsbeispiel subtraktiv zu verrechnen sind. 11 shows an equivalent circuit diagram for the subtractive compensation of the currents of the vibration amplitudes Î Î of the mechanical vibrator 12 and the mechanical reference vibrator 56 , Here are the mechanical oscillators 12 and 56 , their pretensioners 36 and 66 and the fixed electrodes analogous to 10 , from the node 69 connected in parallel. The stimulator 14 is also analogous to 10 with the point 69 connected. In contrast to 10 each branch has the mechanical oscillator connected in parallel 12 and 56 its own resistance and its own mass. The mechanical oscillator 12 opposite electrode is over a resistor 84 with a mass 89 connected to the mechanical reference oscillator 56 opposite electrode via a resistor 86 with a mass 91 , Incidentally, this structure instead of the exciter 14 , the mechanical vibrator 12 and 56 , the pretensioner 36 and 66 , the knot 55 and the resistance 32 the in 8th correspond to the structure shown, wherein the currents of the oscillation amplitudes β are to be subtracted in this embodiment.
Die beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 werden durch den Anreger 14 angeregt und durch die elektrischen Spannungen 36 und 66 vorgespannt. Für Nullabgleich ist, analog zu 10 die elektrische Spannung 36 regelbar. Am Punkt 88 kann über den Widerstand 84 der Strom mit der Schwingungsamplitude Î der Resonanzschwingung des mechanischen Schwingers 12 als Spannung abgegriffen werden. Am Punkt 90 kann über den Widerstand 86 der Strom mit der Schwingungsamplitude Î der Resonanzschwingung des mechanischen Referenzschwingers 56 als Spannung abgegriffen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird über die Auswerteeinheit 16 die Spannungsdifferenz zwischen dem Punkt 88 und dem Punkt 90 ermittelt und so die Ströme der Schwingungsamplituden Î der Resonanzschwingungen der beiden mechanischen Schwinger 12 und 56 für die differenzielle Auswertung 60 subtrahiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung des Frequenzunterschieds Δf durch Detektion der Sprünge in einem Differenzsignal der Ströme der Schwingungsamplitude Î des mechanischen Schwingers 12 und des mechanischen Referenzschwingers 56.The two mechanical oscillators 12 and 56 be through the stimulator 14 excited and by the electrical voltages 36 and 66 biased. For zeroing is, analogous to 10 the electrical voltage 36 adjustable. At the point 88 can about the resistance 84 the current with the oscillation amplitude Î of the resonant oscillation of the mechanical oscillator 12 be tapped as a tension. At the point 90 can about the resistance 86 the current with the oscillation amplitude Î of the resonance oscillation of the mechanical reference oscillator 56 be tapped as a tension. In this embodiment, via the evaluation unit 16 the voltage difference between the point 88 and the point 90 determines and thus the currents of the vibration amplitudes Î of the resonant vibrations of the two mechanical oscillators 12 and 56 for the differential evaluation 60 subtracted. In this embodiment, the determination of the frequency difference .DELTA.f is carried out by detecting the jumps in a difference signal of the currents of the oscillation amplitude .DELTA. Of the mechanical oscillator 12 and the mechanical reference vibrator 56 ,
Alternativ für die additive oder subtraktive Verarbeitung der Ströme der Schwingungsamplituden Î sind auch weitere Verfahren wie etwa ein separates Abgreifen der beiden Signale oder eine Kombination aus Addition und Subtraktion möglich. Es ist für Fachleute auch offensichtlich, dass für die Weiterverarbeitung der elektrischen Ausgangssignale der mechanischen Schwinger 12 und 56 es unabhängig ist, ob die elektrischen Ausgangssignale der Auswerteeinheit 16 als Spannung oder beispielsweise als Strom zugeführt werden.Alternatively, for the additive or subtractive processing of the currents of the vibration amplitudes Î "other methods such as a separate tapping of the two signals or a combination of addition and subtraction are possible. It is also obvious to those skilled in the art that for the further processing of the electrical output signals of the mechanical oscillator 12 and 56 it is independent whether the electrical output signals of the evaluation unit 16 be supplied as a voltage or, for example, as a current.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit dem mechanischen Schwinger 12, der feststehenden Elektrode 22, dem Isolator 30, den Kontakten 24 und 26. Der mechanische Schwinger 12, der als Membran ausgeführt ist, ist im Abstand sp 23 gegenüber der feststehenden Elektrode 22 angeordnet und schließt so das Innenvolumen 28 mit einem Druck pi ein. Ferner weist die Sensorvorrichtung eine Gehäuse 96 und eine Außenmembran 94 auf, so dass zwischen ihr und der Außenseite der Membran 12 des mechanischen Schwingers 12 ein Volumen 92 mit einem Druck pref eingeschlossen wird. Im Übrigen kann der Aufbau mit Ausnahme der Außenmembran 94 der bezüglich 2 beschriebenen Vorrichtung 10 entsprechen. 12 shows a further embodiment of the sensor device according to the invention with the mechanical oscillator 12 , the fixed electrode 22 , the insulator 30 , the contacts 24 and 26 , The mechanical oscillator 12 , which is designed as a membrane, is at a distance sp 23 opposite the fixed electrode 22 arranged and thus closes the internal volume 28 with a pressure p i . Furthermore, the sensor device has a housing 96 and an outer membrane 94 on, leaving between her and the outside of the membrane 12 of the mechanical oscillator 12 a volume 92 is included with a pressure p ref . Incidentally, the structure except the outer membrane 94 the re 2 described device 10 correspond.
Durch das separate Gehäuse 96 und die Außenmembran 94 wird die Druckankopplung an dem mechanischen Schwinger 12 entkoppelt und es kann sich auch bei hohen Drücken ein Sprung 20 bei hinreichend kleiner Dämpfung λ ausbilden. Der eigentliche Drucksensor ist in Form einer innenseitig evakuierten (pi << pref) Membran 12 in einem druckdichten Gehäuse eingebracht, welches bei einem vergleichsweise niedrigen Referenzdruck pref, beispielsweise 1 bis 100 mbar, verschlossen wurde. In dem Gehäuse ist eine Außenmembran 94 aufgebracht, welche durch eine Veränderung des äußeren Drucks pmess 98 das Volumen 92 oberhalb der Membran des mechanischen Schwingers 12 verringert und damit den Druck, der auf den mechanischen Schwinger 12 wirkt, verändert. Durch diese Maßnahme kann der mechanische Schwinger 12 in einem vorteilhaften Druckbereich mit einem vergleichsweise hohen Q-Faktor betrieben werden und vermag trotzdem hohe Drücke zu messen.Through the separate housing 96 and the outer membrane 94 becomes the pressure coupling on the mechanical oscillator 12 decoupled and it can be a jump even at high pressures 20 form λ with sufficiently small attenuation. The actual pressure sensor is in the form of an internally evacuated (p i << p ref ) membrane 12 placed in a pressure-tight housing, which at a comparatively low reference pressure p ref , for example 1 to 100 mbar, was sealed. In the housing is an outer membrane 94 applied, which by a change in the external pressure p mess 98 the volume 92 above the diaphragm of the mechanical vibrator 12 decreases and thus the pressure on the mechanical oscillator 12 works, changes. By this measure, the mechanical oscillator 12 be operated in a favorable pressure range with a comparatively high Q-factor and yet able to measure high pressures.
Alternativ zum beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse auch in Form eines aufgelöteten Deckels gestaltet sein. Der Deckel kann beispielsweise Teil eines SOI- oder eines PSOI-Wafers sein. Der Film wird dabei als bewegliche Außenmembran 94 genutzt. Der Deckel wird vorzugsweise mit einem galvanisch aufgebrachten Lötrahmen aus Cu und Sn versehen. Die Waferoberfläche wird mit einem zugeordneten zweiten Lötrahmen (Cu, Sn) versehen. Beide Teile werden beispielsweise mit Hilfe der sogenannten SLID-Löttechnik (SLID: Solid Liquid Interdiffusion) bei einem vorgegebenen Druck P im eingeschlossenen Volumen 92 druck- bzw. vakuumdicht verlötet.As an alternative to the described embodiment, the housing may also be designed in the form of a soldered lid. The lid may for example be part of an SOI or a PSOI wafer. The film is doing as a movable outer membrane 94 used. The lid is preferably provided with a galvanically applied soldering frame of Cu and Sn. The wafer surface is provided with an associated second soldering frame (Cu, Sn). Both parts are, for example, using the so-called SLID soldering technique (SLID: Solid Liquid Interdiffusion) at a predetermined pressure P in the trapped volume 92 soldered pressure- or vacuum-tight.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. Some or all of the method steps may or may be performed using a hardware device, such as a Microprocessor, a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk, or other magnetic disk or optical memory are stored on the electronically readable control signals that can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Thus, some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.The program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other embodiments include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.A further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.Another embodiment according to the invention comprises a device or system adapted to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver. The transmission may, for example, be electronic or optical. The receiver may be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device. For example, the device or system may include a file server for transmitting the computer program to the recipient.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 7305883 [0005] US 7305883 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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M. Younis et al. Im Artikel „Exploration of New Concepts for Mass Detection in Electrostatically-Actuated Phenomena”, J. Computational and nonlinear Dynamics, Vol. 4, 2009 [0007] M. Younis et al. In the article "Exploration of New Concepts for Mass Detection in Electrostatically-Actuated Phenomena", J. Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 4, 2009 [0007]
