DE4301278A1 - Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft.

Die mechanische Kraft ist eine wichtige Meßgröße in der Sensorik, weil sich viele Meßaufgaben auf das Messen einer Kraft zurückführen lassen, wie beispielsweise das Messen von Drücken, Beschleunigungen, Massen oder Auslenkungen. Ein Kraftsensor enthält im allgemeinen ein Biegeelement, das sich unter Einwirkung der Kraft verformt. Diese Ver­ formung kann über die induzierten mechanischen Spannungen in dem Biegeelement oder über entsprechende Abstandsände­ rungen zwischen dem Biegeelement und einem Referenzkörper erfaßt werden. Beispielsweise können dazu piezoelektri­ sche, piezoresistive, induktive, kapazitive oder auch op­ tische Meßverfahren eingesetzt werden.

Für einen Lichtmodulator sind in Siliziumtechnologie ge­ fertigte Aktoren bekannt mit mehreren streifenförmigen Biegebalken, die aus mit einer Metallschicht überzogenem Siliziumdioxid bestehen und über eine anisotrop geätzte Ausnehmung in einem Siliziumkörper ragen. Zum Ablenken der Lichtstrahlen werden die Biegebalken durch eine Aktor­ spannung zwischen ihrer Metallschicht und einer dotierten Schicht im Siliziumkörper elektrostatisch ausgelenkt. Bei niedrigen Aktorspannungen hängt die Auslenkung der Balken annähernd quadratisch von der Aktorspannung ab. Bei etwa einem Drittel der möglichen Gesamtauslenkung zum Boden der Ausnehmung hin wird wegen der nichtlinearen elektrostati­ schen Anziehungskräfte das System unstabil, und die Spitze des Balkens wird auf den Siliziumkörper gezogen. Der Aktorbereich ist daher durch diesen Grenzwert der Auslen­ kung und die entsprechende Aktorspannung nach oben be­ grenzt ("Proceedings of the IEEE", Vol. 70, No. 5, May 1982, Seiten 420 bis 457, insbesondere Seite 446).

Das noch relativ neue technologische Gebiet der Vakuum- Mikroelektronik (VME) verbindet die Mikrostrukturtechnik mit der Feldemission und dem Transport von Elektronen im Vakuum. Die Mikrostrukturtechnik, insbesondere in Sili­ zium, ermöglicht dabei die Fertigung von Feldemitterarrays mit miniaturisierten Spitzen und Kanten, an denen schon bei Spannungen unter 100 V Feldemission von Elektronen auftritt. Typische Feldemissionsströme liegen bei etwa 1 µA pro Spitze. VME-Komponenten haben den Vorteil, weit­ gehend strahlungs- und temperaturunempfindlich zu sein.

Es sind bereits Drucksensoren zum Messen von absoluten Drücken mit einem in einem evakuierten, druckdichten Hohl­ raum angeordneten Feldemitterarray als Kaltkathode bekannt­ geworden. Bei diesen Drucksensoren ändert die Auslenkung einer Membran durch den zu messenden Druck den Feldemis­ sionsstrom der einzelnen Feldemitter. Die Abhängigkeit des Feldemissionsstroms von dem Abstand zwischen Anode und Feldemitter ist annähernd exponentiell und wird in guter Näherung durch die Fowler-Nordheim-Beziehung beschrieben.

In einer bekannten Ausführungsform eines solchen Drucksen­ sors sind eine oder mehrere etwa 1,5 µm hohe Feldemitter­ spitzen aus Silizium mit einem Krümmungsradius zwischen 0,02 µm und 0,1 µm auf der (100)-Oberfläche eines Sili­ ziumwafers in einem evakuierten Hohlraum angeordnet, der oben von einer Membran aus Metall oder Polysilizium abge­ schlossen ist und dessen Seitenwände von einer Silizium­ dioxidschicht zwischen der Membran und dem Siliziumwafer gebildet werden. Eine Auslenkung der als bewegliche Anode vorgesehenen Membran durch den Druck bewirkt nun eine Änderung des Feldemissionsstromes der Feldemitterspitzen, die ein Maß für den Druck ist. Dieser bekannte Drucksensor wird als taktiler Sensor für Roboter eingesetzt (Allen, Jiang, White: "Microcavity Vacuum Tube Pressure Sensor for Robot Tactile Sensing", Tagungsband "Transducers 91" der IEEE, 1991, Seiten 238 bis 240).

In einer anderen bekannten Ausführungsform eines Drucksen­ sors ist das Feldemitterarray auf der Membran angeordnet und bewegt sich bei deren durch den Druck bewirkten Aus­ lenkung mit. Die Membran ist hier als bewegliche Kalt­ kathode vorgesehen. Hergestellt werden die Membran und ihr Feldemitterarray auf einem ersten Siliziumwafer durch Ätzen. Es sind mehrere Ätztechniken zum Ätzen von kanten- und spitzenförmigen Feldemitterstrukturen offenbart. Als feste Anode zum Sammeln der Elektronen ist ein zweiter Siliziumwafer vorgesehen, der so strukturiert und mit dem ersten Siliziumwafer verbunden ist, daß ein evakuier­ ter, von der Membran oben und dem zweiten Wafer unten begrenzter Hohlraum entsteht mit teilweise von einer zwi­ schen den beiden Wafern angeordneten Siliziumdioxidschicht gebildeten Seitenwänden ("Sensors and Actuators A", Bd. 34, 1992, Seiten 137 bis 154).

Mit diesen bekannten VME-Drucksensoren können zum einen nur absolute Drücke und zum anderen nur eine senkrecht zur Membranfläche zu den Feldemittern hin gerichtete Komponen­ te der entsprechenden auf die Membranfläche wirkenden Kräfte erfaßt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Messen einer mechanischen Kraft anzugeben, die weitgehend unempfindlich gegen Temperaturschwankungen und elektromagnetische Strahlung ist und mit der sowohl der Betrag als auch die Richtung einer Komponente der Kraft erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das Biegeelement ist in einem Einspannbereich zwischen seinem Sensorbereich und seinem Kraftaufnahmebereich der­ art eingespannt, daß sich Verformungen des Kraftaufnahme­ bereichs über den Einspannbereich hinweg in den Sensorbe­ reich übertragen können und dort zu einer Auslenkung füh­ ren.

In Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften eines Silizium-Drucksensors mit Hilfe der Finite-Elemente-Metho­ de konnte gezeigt werden, daß die mechanischen Spannungen in einer ausgelenkten, kreisscheibenförmigen Siliziummem­ bran sich vor allem bei hohen Drücken relativ weit in den Einspannbereich übertragen (M. Poppinger, "Silicon Diaphragm Pressure Sensors", in P. Balk und O.G. Folberth, "Solid State-Devices 1985", Elsevier Science Publishers B.V., Niederlande, 1986, Seiten 53 bis 70). Diese Über­ tragung der Spannungen hängt vom Verhältnis Membrandicke zu Substratdicke sowie Substratgröße ab und kann bei Drucksensoren für den Hochdruckbereich ausgenutzt werden, indem man piezoresistive Dehnungsmeßstreifen in einen Bereich des Einspannbereichs legt, in dem die radiale mechanische Spannung ein Maximum annimmt. Die Erfindung macht sich diesen Effekt der Übertragung der mechanischen Spannungen zunutze, um eine Krafteinleitung im Kraftauf­ nahmebereich des Biegeelements als Verformung im Sensor­ bereich jenseits des Einspannbereichs messen zu können. Weitere Untersuchungen der Erfinder hierzu ergaben, daß eine feste Einspannung, d. h. eine Einspannung, bei der auf einer Seite des Einspannbereichs durch eine Kraft bewirkte mechanische Spannungen praktisch nicht auf die andere Sei­ te jenseits des Einspannbereichs übertragen werden und so­ mit dort auch nicht zu Verformungen führen, im wesentli­ chen erst bei einem Verhältnis von Länge zu Dicke des Ein­ spannbereichs größer als etwa 2 vorliegt. Eine Einspan­ nung, bei der dieses Verhältnis kleiner als etwa 2 ist, kann man als "quasifeste" Einspannung bezeichnen. Eine quasifeste Einspannung ist in ihren mechanischen Eigen­ schaften zwischen einer festen Einspannung und einem Ge­ lenk einzuordnen. Die Auslenkung des Sensorbereichs bezo­ gen auf die Verformung des Kraftaufnahmebereichs durch die zu messende Kraft wird neben der Elastizität des Ma­ terials durch die Abmessungen des Sensorbereichs und des Kraftaufnahmebereichs und durch die Wahl des Verhältnisses von Länge zu Dicke des Einspannbereichs bestimmt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dieses Verhältnis nun kleiner als etwa 2 eingestellt.

Der Sensorbereich des Biegeelements ragt in eine evakuier­ bare Meßkammer mit wenigstens einem Feldemitterelement. Eine auf den Kraftaufnahmebereich des Biegeelements wir­ kende Kraft verursacht nun über den Einspannbereich hin­ weg eine Auslenkung des Sensorbereiches. Diese Auslenkung hat eine Änderung des Emissionsstroms des Feldemitter­ elements zur Folge, die ein Maß für die zu messende Kraft ist. Wegen der im allgemeinen zumindest weitgehend expo­ nentiellen Abhängigkeit des Emissionsstroms von dem effektiven Abstand zwischen dem Feldemitterelement und einer Anode können auch sehr kleine Auslenkungen gemessen werden. In diesem effektiven Abstand sind dabei auch die Geometriefaktoren für die Feldemissionsparameter an dem Feldemitterelement berücksichtigt. Vorzugsweise ist das Feldemitterelement im Bereich des Endes des Sensorbereichs angeordnet, weil dort die Auslenkung und damit die Empfindlichkeit am größten sind.

Eine Änderung des Emissionsstromes kann über einen Vor­ widerstand zu einer Änderung der Emitterspannung an der Kathode führen. Die schon ohne Feldemission nichtlineare elektrostatische Anziehungskraft zwischen Kathode und Anode ist daher wegen der Feldemission in sich rückge­ koppelt. Diese Rückkopplung verursacht eine Verminderung der Emitterspannung und damit der elektrostatischen An­ ziehungskraft zwischen Anode und Kathode. Im Gleichgewicht der mechanischen Rückstellkräfte in dem Sensorbereich und dem Einspannbereich des Biegeelements und der elektrosta­ tischen Kräfte stellt sich eine Nullage für den Sensor­ bereich des Biegeelements ein, die den Arbeitspunkt des Sensors bestimmt. Eine äußere zu messende Kraft lenkt den Sensorbereich dann aus dieser Nullage aus.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auf einer Seite des Sensorbereichs ein Grundkörper und auf der von dem Grundkörper ab gewandten Seite des Sensorbereichs ein Ge­ genkörper vorgesehen. Grundkörper und Gegenkörper sind so gestaltet und miteinander verbunden, daß zwischen ihnen die Meßkammer gebildet wird.

In einer vorteilhaften ersten Ausführungsform ist das Feldemitterelement auf dem Grundkörper angeordnet oder ausgebildet. Der Grundkörper ist dann als Feldemissions­ kathode und der Sensorbereich als bewegliche Anode zum Einsammeln der emittierten Elektronen vorgesehen.

In einer zweiten Ausführungsform ist das Feldemitter­ element dagegen auf der dem Grundkörper zu gewandten Ober­ fläche des Sensorbereichs angeordnet oder ausgebildet, und der Grundkörper ist als Anode vorgesehen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung dieser beiden Ausführungsformen sieht den Gegenkörper als einfache Ge­ genelektrode vor zum Kompensieren der zwischen der Feld­ emissionskathode und dem Sensorbereich wirkenden elektro­ statischen Kräfte. In der ersten Ausführungsform ist der Gegenkörper somit als Gegenkathode und in der zweiten als Gegenanode vorgesehen. Vorzugsweise ist nun ein Kompensa­ tions-Regelkreis vorgesehen, der als Regelgröße die Dif­ ferenz einer zwischen Grundkörper und Sensorbereich ange­ legten Emitterspannung und einer zwischen Sensorbereich und Gegenkörper angelegten Aktorspannung auf einen vorge­ gebenen Sollwert regelt, um den Sensorbereich in einer vorgegebenen Nullage zu halten. Als Stellgröße wird dabei vorzugsweise die Aktorspannung verändert. Es kann nun ent­ weder diese analoge Aktorspannung oder das digitale Diffe­ renzsignal als Meßsignal herangezogen werden. Beide Meß­ signale hängen annähernd linear von der äußeren Kraft ab.

In einer dritten und einer vierten Ausführungsform ist ein weiteres Feldemittersystem mit wenigstens einem Feldemit­ terelement vorgesehen.

In der dritten Ausführungsform ist dieses weitere Feld­ emitterelement auf dem Gegenkörper angeordnet oder ausge­ bildet. Der Gegenkörper ist damit als zweite Feldemis­ sionskathode vorgesehen. Vorzugsweise sind die beiden Feldemissionskathoden symmetrisch bezüglich des Biege­ elements aufgebaut.

In der vierten Ausführungsform ist das weitere Feldemit­ terelement auf der dem Gegenkörper zugewandten Oberfläche des Sensorbereichs angeordnet oder ausgebildet, und der Gegenkörper ist als Anode und damit als Elektronenkollek­ tor vorgesehen.

An den Gegenkörper wird in der dritten wie in der vierten Ausführungsform eine Emitterspannung angelegt, die so ge­ wählt ist, daß sich die elektrostatischen Kräfte von Grundkörper und Gegenkörper auf den Sensorbereich gerade aufheben, und die vorzugsweise gleich der am Grundkörper anliegenden Emitterspannung ist. Ohne äußere Kraft wird der Sensorbereich des Biegeelements daher in einer vorein­ gestellten Nullage gehalten. Bei Einleitung einer externen Kraft im Kraftaufnahmebereich des Biegeelements wird der Sensorbereich ausgelenkt und das Differenzsignal zwischen den beiden Emitterspannungen kann als Maß für die Kraft herangezogen werden.

Zum Einstellen der Nullage des Sensorbereichs des Biege­ elements bei fehlender äußerer Kraft ist in einer vor­ teilhaften Ausführungsform ein Abgleichregelkreis zum Regeln des Differenzsignals auf einen vorgegebenen Soll­ wert, der vorzugsweise gleich Null ist, vorgesehen.

Um zu überprüfen, ob sich die Systemparameter des Sensors wie vor allem die Feldemissionsparameter und der Druck in der Meßkammer verändert, haben, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Test- und Überwachungseinheit zum Selbsttest der Vorrichtung vorgesehen. Die Test- und Überwachungseinheit veranlaßt durch entsprechende Änderungen einer Stellspannung eine Auslenkung des Sensorbereichs des Biegeelements in zwei vordefinierte Testlagen und eine Messung der entsprechenden Spannungs- oder Feldemissions­ stromwerte. Diese Werte werden mit bereits gespeicherten Werten verglichen, die vorzugsweise bei einem vorher durchgeführten Selbsttest oder bei der Fertigungsabschluß­ kontrolle ermittelt wurden. Wenn die Differenz zwischen den gemessenen und den gespeicherten Strom- oder Span­ nungswerten einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird überprüft, ob die Abweichung durch einen Nullagen­ abgleich korrigiert werden kann und, wenn dies der Fall ist, wird ein solcher Abgleich durchgeführt. Kann der Fehler in den Systemparametern nicht mehr durch eine Nullagenkorrektur behoben werden, so gibt die Test- und Überwachungseinheit Meldung, den Sensor auszuwechseln.

Vorzugsweise sind als Testlagen auf beiden Seiten des Sensorbereiches Anschläge für den Sensorbereich des Biegeelements vorgesehen, auf die der Sensorbereich bei Anlegen einer hinreichend großen Differenzspannung gezogen wird. Solche Anschläge können zum Schutz der Feldemitter­ elemente vor einer Beschädigung oder Zerstörung auch in allen anderen Ausführungsformen vorgesehen sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen, in deren
Fig. 1 eine einfache Ausführungsform einer Vorrichtung ge­ mäß der Erfindung mit einem Feldemittersystem im Querschnitt,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform in einer aufgeschnit­ tenen Draufsicht,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit zwei Feldemittersystemen im Querschnitt,

Fig. 4 ein Schaltbild mit einem Regelkreis für eine der­ artige Ausführungsform,

Fig. 5 eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit einem Feldemittersystem und einer Gegenelektrode im Quer­ schnitt,

Fig. 6 ein Schaltbild mit ,einem digitalen Regelkreis für eine solche Ausführungsform,

Fig. 7 eine Ausführungsform mit Mitteln zum Durchführen eines Selbsttests,

Fig. 8 eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer Membran als Kraftaufnahmebereich im Querschnitt und in,

Fig. 9 in einer Draufsicht schematisch dargestellt sind.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein Biegeelement 2 in einem Einspannbereich 20 zwischen einem Grundkörper 3 als Feldemissionskathode und einem Gegenkörper 7 durch Isolierschichten 23 bzw. 27 elektrisch isoliert und "qua­ si-fest" eingespannt. Das Verhältnis der mit L bezeichne­ ten Länge des Einspannbereichs 20 zu seiner mit D be­ zeichneten Dicke ist vorzugsweise kleiner als 2 gewählt. Die Dicke D entspricht dabei der Dicke des Biegeelements 2. Der Grundkörper 3 und der Gegenkörper 7 sind jeweils mit einer Ausnehmung versehen und derart zusammengefügt, daß durch die beiden Ausnehmungen eine Meßkammer 10 gebil­ det wird, die auf einer Seite durch den Einspannbereich 20 und auf einer anderen Seite durch eine Verbindungs­ schicht 37 zwischen den beiden Körpern druckdicht abge­ schlossen ist. Auf dem Boden der Ausnehmung in dem Grund­ körper 3 ist ein Feldemitterelement 4 angeordnet. Es kön­ nen selbstverständlich auch mehrere Feldemitterelemente vorgesehen sein, die als Spitzen oder Kanten ausgebildet sein können. In die Meßkammer 10 ragt ein Sensorbereich 22 des Biegeelements 2, der als bewegliche Federzunge ausge­ bildet ist. Außerdem ist-das Biegeelement 2 mit einem Kraftaufnahmebereich 21 zum Aufnehmen der zu messenden Kraft F versehen, der bezüglich des Sensorbereichs 22 jenseits vom Einspannbereich 20 und damit außerhalb der Meßkammer 10 liegt.

Der Grundkörper 3 und der Gegenkörper 7 sowie das Biege­ element 2 bestehen vorzugsweise aus Silizium, gegebenen­ falls mit Metallbeschichtung. Die Isolierschichten 23 und 27 bestehen vorzugsweise aus Siliziumdioxid, Silizium­ nitrid oder Glas, und das Feldemitterelement 4 besteht im allgemeinen aus einem Metall oder Silizium. Die Ausnehmun­ gen in den beiden Körpern werden vorzugsweise anisotrop geätzt und der Verbindungsbereich 37 kann zusammen mit dem Biegeelement 2 aus einer Siliziumschicht durch Strukturie­ ren hergestellt werden. Zum Verbinden der beiden Körper können Standardverbindungstechniken wie das sogenannte "Anodic Bonding" eingesetzt werden.

Der Grundkörper 3 und der Gegenkörper 7 sind im Bereich des Einspannbereichs 20 vorzugsweise durch anisotropes Ätzen derart bearbeitet, daß ein Lager mit zwei Backen 31 und 71 für das Biegeelement 2 ohne scharfe Kanten gebildet wird, zwischen denen der Einspannbereich 20 eingespannt ist.

Das Biegeelement 2 ist an den Pluspol und die Feldemis­ sionskathode über einen Vorwiderstand RO mit einem ohm­ schen Widerstand R_o an den Minuspol einer Spannungsquelle 11 angeschlossen. Die Spannung U_o der Spannungsquelle 11 liegt im allgemeinen zwischen 50 V und 150 V.

Wirkt auf den Kraftaufnahmebereich 21 keine Kraft, so stellt sich die Federzunge des Sensorbereichs 22 in eine Nullage ein, die mit CP bezeichnet ist. Der Sensorbereich 22 hat dann einen Abstand d_cp von dem Feldemitterelement 4. Der diesem Abstand d_cp entsprechende Feldemissions­ strom I_E (d_cp) führt zu einem Spannungsabfall an dem Vor­ widerstand RO, der über ein Meßgerät als Nullagensignal U(d_cp) = U_o-R_{o *}I_E (d_cp) gemessen werden kann.

Bei Einleitung einer äußeren Kraft F verformt sich nun der Kraftaufnahmebereich 21, und der Sensorbereich 22 wird da­ durch in einer der Kraft F entgegengesetzten Richtung aus­ gelenkt. Damit ändert sich der Abstand zwischen dem Feld­ emitterelement 4 und dem Sensorbereich 22. Der neue Ab­ stand d ist bei der mit einem Pfeil dargestellten Kraft­ richtung größer als der Gleichgewichtsabstand d_cp. Bei einer umgekehrten Kraftrichtung wird der Abstand d kleiner als d_cp. Die resultierende Änderung des Emissionsstroms I_E wird über den Vorwiderstand RO als Spannungssignal U(d) = U_oR_{o *}I_E(d) registriert und ist ein Maß für den Betrag und zugleich die Richtung der Kraft F.

Die Auslenkung des Sensorbereichs 22 und damit die Empfindlichkeit und der Meßbereich des Sensors können über die Längen des Sensorbereichs 22 und/oder des Kraftauf­ nahmebereichs 21 und das Verhältnis dieser Längen für die entsprechenden Hebelkräfte eingestellt werden.

Die Längen des Sensorbereichs 22 und des Kraftaufnahmebe­ reichs 21 liegen im allgemeinen zwischen 10 µm und 5 mm und insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Die Länge L des Einspannbereichs 20 liegt im allgemeinen zwischen 1 µm und 200 µm und insbesondere zwischen 10 µm und 100 µm.

Fig. 2 zeigt eine aufgeschnittene Draufsicht einer weite­ ren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Es sind wieder das Biegeelement mit 2, sein Einspannbe­ reich mit 20, sein Kraftaufnahmebereich mit 21 und sein Sensorbereich mit 22 bezeichnet. In der Darstellung sieht man in eine Ausnehmung in dem Körper der Feldemissions­ kathode 3, die einen Teil der Meßkammer 10 bildet. Über die Ausnehmung ragt wie ein Sprungbrett der als Federzunge ausgebildete Sensorbereich 22. Auf dem Boden der Ausneh­ mung sind mehrere Feldemitterelemente 4 vorgesehen, die hier als Feldemitterkanten ausgebildet sind und wegen der höheren Empfindlichkeit in der Nähe des Endes 22A des Sen­ sorbereichs 22 angeordnet sind. Für dieses Ende 22A ist in der entsprechenden Seitenwand der Ausnehmung ein stu­ fenförmiger Absatz als Anschlag 24 vorgesehen zum Schutz der Feldemitterelemente 4. Das Biegeelement 2 und die Ver­ bindungsschicht 37 für den Grundkörper 3 und den auf die dargestellte Anordnung aufzusetzenden Gegenkörper 7 sind vorzugsweise aus einer zusammenhängenden, strukturierten Schicht vorzugsweise aus Silizium gebildet. Dies ermög­ licht ein einfaches Verbinden der beiden Körper und er­ leichtert das Kontaktieren des Biegeelements 2.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist in einem symmetri­ schen Aufbau als Gegenkörper 7 eine zweite Feldemissions­ kathode mit wenigstens einem Feldemitterelement 6 vorge­ sehen. In den Grundkörper 3 und den Gegenkörper 7 sind wieder jeweils eine Ausnehmung eingearbeitet, und auf den einander zugewandten Oberflächen mit den Ausnehmungen ist jeweils eine Isolationsschicht 23 bzw. 27 angeordnet. Zwischen den Isolationsschichten 23 und 27 ist auf einer Seite der Einspannbereich 20 des Biegeelements 2 gelagert und auf einer anderen Seite die Verbindungsschicht 37 an­ geordnet, über welche der Gegenkörper 7 und der Grundkör­ per 3 miteinander verbunden sind. Innerhalb der Ausnehmun­ gen in den beiden Körpern sind jeweils eine weitere Ver­ tiefung herausgearbeitet, in der die Feldemitterelemente 4 bzw. 6 symmetrisch zur Nullage CP angeordnet sind. Die Isolationsschichten 23 bzw. 27 sind über diesen Vertiefun­ gen geöffnet und vorzugsweise am Rand dieser Öffnungen unterätzt, so daß sie etwas über den Rand der jeweiligen Vertiefung hinausragen. Die Tiefe der Vertiefungen und die Höhe ihrer Feldemitterelemente 4 bzw. 6 sind so gewählt, daß die Feldemitterelemente 4 bzw. 6 nicht durch die ent­ sprechende Isolationsschicht 23 bzw. 27 hindurchragen. Da­ mit erfüllen die Isolationsschichten 23 und 27 neben der Isolation des Biegeelements 2 gegen die Feldemissions­ kathoden auch die Funktion von Anschlägen 24 bzw. 26 für den Sensorbereich 22 des Biegeelements 2 zum Schutz der Feldemitterelemente 4 bzw. 6.

An einen Anschluß M für das Biegeelement 2 wird eine Anodenspannung, an einen Anschluß D1 für die erste Feld­ emissionskathode, nämlich den Grundkörper 3, eine erste Emitterspannung U₁ und an einen Anschluß D2 für die zweite Feldemissionskathode, den Gegenkörper 7, eine zweite Emit­ terspannung U₂ angelegt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer solchen symmetrisch ausgebildeten Ausführungsform mit zwei symbolisch darge­ stellten Feldemissionskathoden mit den Feldemitterelemen­ ten 4 bzw. 6. Zum Anlegen der Emitterspannungen U₁ und U₂ und der Anodenspannung ist eine Versorgungseinheit 8 vor­ gesehen. Diese Versorgungseinheit 8 ist vorzugsweise als Halbbrückenschaltung mit einer Spannungsquelle 15 und einem festen Vorwiderstand RO für den Gegenkörper 7 sowie einem variablen Stellwiderstand RV für den Grundkörper 3 ausgebildet. Der Anschluß M des symbolisch dargestellten Sensorbereichs 22 ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle 15 verbunden. Der Minuspol der Spannungsquelle 15 ist über den Stellwiderstand RV mit dem Anschluß D1 der ersten Feldemissionskathode und über den Vorwiderstand RO mit dem Anschluß D2 der zweiten Feldemissionskathode verbunden. Durch die damit zwischen dem Sensorbereich 22 als Anode und den Feldemissionskathoden anliegenden Emitterspannun­ gen U₁ bzw. U₂ wird zwischen jedem Feldemitterelement 4 bzw. 6 und der Anode ein Emissionsstrom I₁ bzw. I₂ er­ zeugt. Dieser Emissionsstrom I₁ bzw. I₂ führt zu einem Spannungsabfall über dem entsprechenden Widerstand, näm­ lich dem Vorwiderstand RO bzw. dem Stellwiderstand RV, so daß als resultierende Emitterspannung U₁ bzw. U₂ die Dif­ ferenz zwischen einer Spannung U_o der Spannungsquelle 15 und dem Spannungsabfall R_{o *}I₁ bzw. R_{v *}I₂ anliegt. R₀ und Rv sind dabei die elektrischen Widerstandswerte des Vor­ widerstands R0 bzw. des Stellwiderstands RV. Die Bahn­ widerstände in den Kathodenkörpern sind vernachlässigbar klein und daher nicht berücksichtigt. Die Feldemissions­ kathoden bilden zusammen mit der Anode einen Differential­ kondensator, dessen zwei äußere Elektroden symbolisch dargestellt sind. Die entsprechenden Emitterspannungen U₁ und U₂ wirken als elektrostatisch aktive Aktorspannungen auf den Sensorbereich 22.

Als Meßsignal wird die Differenz U₁-U₂ der beiden Emit­ terspannungen U₁ und Uz ermittelt. Vorzugsweise werden die beiden Emitterspannungen U₁ und U₂ hierzu auf zwei Ein­ gänge eines Differenzverstärkers 12 gelegt und das Aus­ gangssignal DUS des Differenzverstärkers 12 als Meßsignal abgegriffen. Solange keine äußere Kraft F an dem nicht dargestellten Kraftaufnahmebereich 21 angreift, soll der Sensorbereich 22 in einer vorbestimmten Nullage zwischen den beiden Feldemitterelementen 4 und 6 gehalten werden. Diese Nullage bestimmt den Arbeitspunkt des Kraftsensors. Eine äußere Kraft F verursacht nun eine Auslenkung des Sensorbereichs 22 und damit eine gegenläufige Änderung der Emissionsströme I₁ und I₂. Diese Änderung wird als Ände­ rung der Spannungsdifferenz U₁-U₂ in dem Ausgangssignal DUS erfaßt. Durch die Differenzbildung der beiden Emitter­ spannungen U₁ und U₂ werden Störeinflüsse durch Änderungen der Temperatur oder der Betriebsspannung U_o der Spannungs­ quelle 15 verringert, und das Ausgangssignal wird verdop­ pelt.

Eingestellt wird die Nullage vorzugsweise durch eine Rege­ lung der Differenz U₁-U₂ der beiden Emitterspannungen U₁ und U₂ auf einen vorbestimmten Sollwert. Das Ausgangs­ signal DUS des Differenzverstärkers 12 wird dazu als Regelgröße einem Regler 14 zugeführt, dort mit dem Soll­ wert verglichen und durch Stellen des Widerstands Rv des Stellwiderstands RV solange verändert, bis die Abweichung zwischen der Regelgröße U₁-U₂ und dem Sollwert unter einem vorgegebenen Toleranzwert liegt. Mit dieser Regelung kön­ nen Änderungen der Feldemissionsparameter oder des Druckes in der Meßkammer und ihr Einfluß auf den Arbeitspunkt des Sensors korrigiert werden.

Vorzugsweise ist für jede Feldemissionskathode die gleiche Anzahl von Feldemitterelementen 4 bzw. 6 vorgesehen, und diese Feldemitterelemente 4 und 6 sind vorzugsweise symme­ trisch bezüglich der Nullage des Sensorbereichs 22 ange­ ordnet. Dann ist der Sollwert für das Ausgangssignal DUS gleich Null. Bei einer unsymmetrischen Anordnung weicht der Sollwert im allgemeinen von Null ab.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist dem Grundkörper 3 auf der von seinem Feldemit­ terelement 4 abgewandten Seite des Sensorbereichs 22 wie­ der wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ein Gegenkör­ per 7 zugeordnet. Der Gegenkörper 7 ist nun jedoch im Gegensatz zu der dortigen Ausführungsform mit einem An­ schluß D2 zum Anlegen einer Aktorspannung V₂ versehen. Für das Biegeelement 2 sind wieder ein Anschluß M zum Anlegen der Anodenspannung und für den Grundkörper 3 wieder ein Anschluß D1 zum Anlegen einer Emitterspannung V₁ vorgese­ hen. Der Grundkörper 3 und der Gegenkörper 7 sind außerdem wieder über eine Verbindungsschicht 37 und den Einspannbe­ reich 20 druckdicht verbunden und durch entsprechende Iso­ lationsschichten 23 bzw. 27 elektrisch voneinander iso­ liert. Die Isolationsschicht 23 auf dem Grundkörper 3 ist wieder wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 als An­ schlag 24 für den Sensorbereich 22 des Biegeelements 2 vorgesehen zum Schutz des Feldemitterelements 4.

Eine äußere Kraft F im Kraftaufnahmebereich 21 des Biege­ elements 2 wird durch den Einspannbereich 20 in den Sen­ sorbereich 22 übertragen. Das Meßprinzip dieser Ausfüh­ rungsform besteht nun darin, diese Kraft auf den Sensor­ bereich 22 durch eine entsprechende elektrostatische Kraft zu kompensieren und den Sensorbereich 22 durch eine Rege­ lung innerhalb eines kleinen Toleranzbereichs um seine Nullage zu halten.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer solchen Vorrich­ tung mit einem symbolisch als Gegenelektrode dargestellten Gegenkörper 7, bei der zur Kompensation der Kraft F eine digitale Kompensations-Regelschaltung vorgesehen ist. Der Pluspol einer Spannungsquelle 15 ist über den Anschluß M mit dem wieder als Anode vorgesehenen Sensorbereich 22 verbunden. Der Minuspol dieser Spannungsquelle 15 ist zum einen mit einem Betriebseingang 17B eines Spannungsver­ stärkers 17 und zum anderen über einen festen Vorwider­ stand R1 mit dem Anschluß D1 der symbolisch dargestellten Feldemissionskathode verbunden. Der Ausgang 17C des Span­ nungsverstärkers 17 ist über einen festen Schutzwiderstand RS mit dem Anschluß D2 für den Gegenkörper 7 kontaktiert. Der Grundkörper 3 als Feldemissionskathode und der Gegen­ körper 7 bilden zusammen mit dem Biegeelement 2 wieder einen Differentialkondensator, der symbolisch dargestellt ist. Die Kondensatorplatte, welche die Gegenelektrode symbolisiert, ist länger gezeichnet als die Kondensator­ platte für die Feldemissionskathode, da die effektive Kondensatorfläche des Gegenkörpers 7 im allgemeinen größer ist als die des Grundkörpers 3. Durch Stellen der am Gegenkörper 7 anliegenden Aktorspannung V₂ wird eine elektrostatische Kraft auf den Sensorbereich 22 einge­ stellt, welche die Summe der mechanischen Rückstellkräfte im Biegeelement 2, der elektrostatischen Anziehungskraft der Feldemissionskathode und der äußeren Kraft F gerade kompensiert. Regelgröße der Regelung ist die Differenz V₁-V₂ aus der Emitterspannung V₁ und der Aktorspannung V₂, die vorzugsweise von einem Differenzverstärker 13 erzeugt wird. Diese Differenz V₁-V₂ wird einer digitalen Regel- und Auswerteeinheit 16 zugeführt und dort digital mit einem gespeicherten Sollwert verglichen, der einer vorge­ gebenen Nullage für den Sensorbereich 22 entspricht. Die Regel- und Auswerteeinheit 16 gibt ein von der Regeldiffe­ renz zwischen Regelgröße und Sollwert abhängendes analoges Spannungssignal SA als Stellgröße auf einen Eingang 17A des Spannungsverstärkers 17 als Stellglied des Regelkrei­ ses. Dieses Spannungssignal SA kann an einem analogen Signalausgang als analoges Meßsignal für die Kraft F abge­ griffen werden.

Die Regel- und Auswerteeinheit 16 enthält vorzugsweise einen mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 13 verbun­ denen Komparator 161, einen Zähler 162 mit steuerbarer Zählrichtung und einem zugeordneten Oszillator 163 zum Takten des Zählers 162, eine Subtrahiereinheit 164, die über eine Anzahl n 1 von Eingängen 164A mit der gleichen Anzahl n von Ausgängen 162A des Zählers 162 verbunden ist, ein Register 165 zum Speichern eines digitalen Nullwertes, dessen n Ausgänge 165B mit n Eingängen 164B der Subtra­ hiereinheit 164 verbunden sind, und einen Digital/Analog- Wandler 166, dessen Eingänge 166A mit den Ausgängen 162A des Zählers 162 verbunden ist und an dessen Ausgang 166D das analoge Spannungssignal SA für den Spannungsverstärker 17 ansteht. In dem Komparator 161 wird die Spannungsdiffe­ renz V₁-V₂ als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen. In Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Regeldifferenz ändert der Komparator 161 durch ein Zählrichtungssignal SC die Zählrichtung des Zählers 162. Der digitale Zählerstand wird dem Digital-Analog-Wandler 166 zugeführt und dort in ein analoges Spannungssignal SA für den Spannungsverstär­ ker 17 umgewandelt. Der Nullwert im Register 165 ent­ spricht einer vorgegebenen Nullage des Sensorbereichs 22.

Ferner wird der Zählerstand den Eingängen 164A der Sub­ trahiereinheit 164 zugeführt, und der im Register 165 ge­ speicherte Nullwert wird von dem Zählerstand subtrahiert. Das Ergebnis wird als digitales Ausgangssignal SD mit n Stellen von der Subtrahiereinheit 164 an einen entspre­ chenden digitalen Signalausgang gelegt.

Wegen des Komparators 161 weist diese digitale Regelung ein 2-Punkt-Regelverhalten auf mit entsprechenden Regel­ schwingungen um den Sollwert. Um diese Regelschwingungen aus dem digitalen Ausgangssignal SD herauszufiltern, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform für die Regelung wenigstens eine Stelle mehr in der digitalen Wortbreite und damit eine höhere Genauigkeit als für das Ausgangs­ signal SD vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei zusätzliche Bits vorgesehen, die an zwei zusät­ zlichen Ausgängen 162B und 162C des Zählers 162 anstehen und zwei entsprechenden zusätzlichen Eingängen 166B und 166C des Digital-Analog-Wandlers 166 zugeführt werden. Diese beiden niedrigwertigsten Stellen des Zählerstands gehen nur in die Regelung, aber nicht in das digitale Ausgangssignal SD ein.

Der in dem Register 165 gespeicherte Nullwert kann wieder in einem Abgleichschritt ohne Einleitung einer externen Kraft F ermittelt werden. Damit wird der Arbeitspunkt des Sensors festgelegt.

Aus den Regelschwingungen und dem damit verknüpften stän­ digen Wechsel der Zählrichtung des Zählers 162 kann in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Aussage über den Betriebszustand des Kraftsensors getroffen werden. Dazu wird das Zählrichtungssignal SC des Komparators 161 einer Überwachungseinheit 40 zugeleitet und dort ausgewertet. Die Umschaltrate für die Zählrichtung hängt im einge­ schwungenen Zustand von der mechanischen Resonanzfrequenz des Sensorbereichs 22 ab. Setzen die Pulse des Zählrich­ tungssignals SC deutlich länger als die Regelzeitkonstante aus, so sind entweder der Sensor oder die Elektronik oder beide ausgefallen. Die Überwachungseinheit 40 gibt in diesem Fall ein Zustandssignal SZ ab, das den Ausfall anzeigt.

Die Kompensationsschaltung mit dem Gegenkörper 7 als Ge­ genelektrode liefert ein im Meßbereich weitgehend lineares Ausgangssignal mit hoher Genauigkeit und verfügt über ei­ nen großen Dynamikbereich bei zugleich geringer Beeinflus­ sung des Meßsignals durch die Umgebung oder die Komponen­ ten der Schaltung.

In Fig. 7 ist eine vorteilhafte Ausführungsform mit einer Test- und Überwachungseinheit 50 zum Selbsttest des Sen­ sors dargestellt. Ein solcher Selbsttest wird zum Überprü­ fen der Funktion des Sensors, insbesondere des Druckes in der Meßkammer 10 und der Feldemissionswerte, durchgeführt. Der Kraftsensor mit dem Sensorbereich 22 ist nur schema­ tisch angedeutet. Zum Umschalten von einem Meßmodus in einen Selbsttestmodus und umgekehrt ist eine von der Test- und Überwachungseinheit 50 ansteuerbare Versorgungs- und Umschalteinheit 48 vorgesehen, die eine Spannungsquelle enthält und mit den drei Anschlüssen D1, D2 und M des Sensors sowie mit einer Regel- und Auswerteeinheit 60 verbunden ist. Die Regel- und Auswerteeinheit 60 ist zum Übertragen von Ablaufsteuersignalen, von Meßsignalen und vorzugsweise auch von Zustandssignalen für den Zustand des Sensors mit der Test- und Überwachungseinheit 50 verbun­ den. An einem Ausgang 50A der Test- und Überwachungs­ einheit 50 liegen Zustandssignale SZ an, die den Betriebs­ zustand des Sensors anzeigen. Die Test- und Überwachungs­ einheit 50 veranlaßt durch eine entsprechende Ablaufsteue­ rung über die Versorgungs- und Umschalteinheit 48 eine Auslenkung des Sensorbereichs 22 in zwei vorbestimmte Testlagen und eine Messung der zugehörigen Emissions­ strom- oder Emitterspannungswerte über die Regel- und Auswerteeinheit 60. Die gemessenen Werte werden in der Regel- und Auswerteeinheit 60 mit gespeicherten Werten verglichen, die vorzugsweise bei einem früheren Selbst­ test ermittelt werden. Bei einer Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs wird ein Nullabgleich durchgeführt. Ist die Abweichung größer, gibt die Test- und Überwachungseinheit 50 ein Zustandssignal aus, daß der Sensor ausgewechselt werden muß. Für die Testlagen sind in einer Ausführungsform gemäß Fig. 3 vorzugsweise die beiden Anschläge 24 und 26 und in einer Ausführungsform gemäß Fig. 5 vorzugsweise der Anschlag 24 und die Isolierschicht 27 vorgesehen. Um den Sensorbereich 22 in die Test lagen auszulenken, genügt eine kurzzeitige Erhöhung der entspre­ chenden als Aktorspannung wirkenden Emitterspannung U₁ bzw. der Aktorspannung V₂ über den elektrostatischen Sta­ bilitätspunkt. Der Sensorbereich 22 wird dann wegen der nichtlinearen elektrostatischen Anziehungskräfte an den entsprechenden Anschlag 24 oder 26 bzw. die Isolierschicht 27 gezogen. Zum Halten des Sensorbereichs 22 in seiner Testlage reichen wesentlich niedrigere Aktorspannungen aus.

An einem Ausgang der Regel- und Auswerteeinheit 60 liegt das Meßsignal SM an, das analog oder digital sein kann und ein Maß für eine anliegende Kraft F ist.

In einer Ausführungsform, die in Fig. 8 im Querschnitt und in Fig. 9 in einer Draufsicht dargestellt ist, ist als Kraftaufnahmebereich 21 des Biegeelements 2 eine Membran vorgesehen, die ringsum eingespannt ist. Eine Verformung dieser Membran durch eine Druckdifferenz p₁-p₂ zwischen einem Druck p₁ auf einer Seite und einem Druck p₂ auf der anderen Seite der Membran und die entsprechende resultie­ rende Kraft wird durch den Einspannbereich 20 übertragen und führt zu einer Auslenkung des Sensorbereichs 22. In dieser Ausführungsform ist, die Vorrichtung gemäß der Er­ findung demnach auch zum Messen von Differentialdrücken geeignet, weil die Membran und die Meßkammer 10 pneuma­ tisch getrennt sind und beide Druckrichtungen erfaßt werden können.

In der Fig. 8 sind mehrere Feldemitterelemente 4 auf der dem Grundkörper 3 zugewandten Oberfläche des Sensorbereichs 22 angeordnet oder ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird der Sensorbereich 22 als Feldemissionskathode über seinen Anschluß M auf negatives Potential gelegt und der Grundkörper 3 als Anode über seinen Anschluß D1 auf posi­ tives Potential gelegt. Vorzugsweise wird der Gegenkörper 7 als Gegenanode ebenfalls über einen Anschluß D2 auf positives Potential gegenüber den Sensorbereich 22 gelegt. Es können in einem symmetrischen Aufbau auch auf der dem Gegenkörper 7 zugewandten Oberfläche des Sensorbereichs 22 mehrere Feldemitterelemente angeordnet oder ausgebildet sein.

Diese Ausführungen mit dem Sensorbereich 22 als Feldemis­ sionskathode und dem Grundkörper 3 und vorzugsweise auch dem Gegenkörper 7 als Anoden können auch mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen entsprechend kombiniert werden. Außerdem können jene Ausführungsformen entspre­ chend mit der Ausführungsform als Differentialdrucksensor kombiniert werden.

Claims (22)

1. Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft mit folgenden Merkmalen:

• a) Es ist ein Biegeelement (2) mit einem Kraftaufnahme­ bereich (21), mit einem Sensorbereich (22) sowie mit einem dazwischenliegenden Einspannbereich (20) vorge­ sehen, wobei
  • a1) sich der Sensorbereich (22) in einer Meßkammer (10) befindet und
  • a2) das Biegeelement (2) in dem Einspannbereich (20) derart eingespannt ist, daß eine Verformung des Kraftaufnahmebereichs (21) durch die zu messende Kraft (F) zu einer Auslenkung des Sensorbereichs (22) aus einer Nullage (CP) führt;
• b) es ist wenigstens eine Kathode mit wenigstens einem in der Meßkammer (10) und gegenüber einer Anode ange­ ordneten Feldemitterelement (4) vorgesehen, dessen Emissionsstrom von der Auslenkung des Sensorbereichs (22) des Biegeelements (2) abhängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßkammer (10) zwi­ schen einem dem Sensorbereich (22) zugewandten Grundkörper (3) und einem Gegenkörper (7) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem Sensorbereich (22) die Anode und mit dem Grundkörper (3) die Kathode ausge­ bildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch mit dem Gegenkörper (7) eine Kathode mit wenigstens einem Feldemitterelement (6) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem Sensorbereich (22) die Kathode und mit dem Grundkörper (3) die Anode ausge­ bildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensorbereich (22) auch auf einer dem Gegenkörper (7) zugewandten Seite mit wenigstens einem Feldemitterelement (6) versehen ist und mit dem Gegenkörper (7) eine weitere Anode ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkörper (7) als Gegenelektrode ohne ein Feldemitterelement vorgesehen ist, mit der eine elektrostatische Anziehungskraft auf den Sensorbereich (22) auszuüben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß

• a) eine Versorgungseinheit (8) vorgesehen ist zum Anlegen einer ersten Emitterspannung (U₁) zwischen dem Sensor­ bereich (22) und dem Grundkörper (3) sowie einer zwei­ ten Emitterspannung (U₂) zwischen dem Sensorbereich (22) und dem Gegenkörper (7),
• b) Mittel zum Erzeugen eines Ausgangssignals (DUS) vorge­ sehen sind, das der Differenz (U₁-U₂) dieser beiden Emitterspannungen (U₁ und U₂) entspricht und ein Maß für die Auslenkung des Sensorbereichs (22) aus der Nullage (CP) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) als Versorgungseinheit (8) eine Schaltung mit einer Spannungsquelle (15) zum Erzeugen einer Spannung (U_o), mit einem festen Vorwiderstand (R0) und mit einem variablen Stellwiderstand (RV) vorgesehen ist, wobei ein Pol der Spannungsquelle (15) mit dem Biegeelement (2) und der andere Pol der Spannungsquelle (15) über den Vorwiderstand (R0) mit dem Grundkörper (3) und über den Stellwiderstand (RV) mit dem Gegenkörper (7) elektrisch verbunden sind;
• b) der Stellwiderstand (RV) zum Einstellen der zweiten Emitterspannung (U₂) vorgesehen ist;
• c) als Mittel zum Erzeugen des Ausgangssignals (DUS) ein Differenzverstärker (12) vorgesehen ist, an dessem ersten Eingang (12A) die erste Emitterspannung (U₁) und an dessen zweitem Eingang (12B) die zweite Emitterspan­ nung (U₂) anliegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) eine Versorgungseinheit (18) vorgesehen ist zum Anlegen einer Emitterspannung (V₁) zwischen dem Grundkörper (3) und dem Sensorbereich (22) sowie einer Aktorspannung (V₂) zwischen dem Gegenkörper (7) und dem Sensorbe­ reich (22);
• b) eine Regel- und Auswerteeinheit (16) vorgesehen ist zum Halten des Sensorbereichs (22) in einem Bereich um die Nullage (CP) durch Regeln der Differenz (V₁-V₂) der beiden Spannungen (V₁ und V₂) auf einen entsprechend vorgegebenen Sollwert und zum Erzeugen eines Ausgangs­ signals (SA, SD), das ein Maß für die auf das Biege­ element (2) wirkende äußere Kraft (F) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein digitales Ausgangs­ signal (SD) vorgesehen ist, das der Differenz (V₁-V₂) der beiden Spannungen (V₁ und V₂) entspricht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Ausgangssignal ein der Aktorspannung (V₂) proportionales Spannungssignal (SA) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Versorgungseinheit (8) eine Schaltung mit einer Spannungs­ quelle (15) zum Erzeugen einer Spannung (U_o), einem Span­ nungsverstärker (17), einem Schutzwiderstand (RS) und einem Festwiderstand (R1) vorgesehen ist, wobei ein Pol der Spannungsquelle (15) mit dem Biegeelement (2) und der andere Pol der Spannungsquelle (15) über den Spannungs­ verstärker (17) und den Schutzwiderstand (RS) mit dem Gegenkörper (7) und über den Festwiderstand (R1) mit dem Grundkörper (3) elektrisch verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) ein Differenzverstärker (13) vorgesehen ist, dessen erster Eingang mit dem Grundkörper (3) und dessen zweiter Eingang mit dem Gegenkörper (7) verbunden sind;
• b) die Regel- und Auswerteeinheit (16) einen Komparator (161), einen in seiner Zählrichtung steuerbaren Zähler (162), einen Oszillator (163) zum Takten des Zählers (162), eine Subtrahiereinheit (164), ein Register (165) zum Speichern eines der Nullage des Sensorbereichs (22) entsprechenden Nullwertes und einen Digital/Analog- Wandler (166) enthält,
  wobei
  • b1) ein Eingang des Komparators (161) mit einem Ausgang des Differenzverstärkers (13) und ein Ausgang des Komparators (161) zum Übertragen eines Zählrich­ tungssignals (SC) mit einem Steuereingang (162A) des Zählers (162) verbunden ist,
  • b2) zum Übertragen eines Zählerinhalts eine Anzahl N von Ausgängen (162A) des Zählers (162) mit N Ein­ gängen (164A) der Subtrahiereinheit (164) und N Eingängen (165A) des Registers (165) verbunden sind mit N 1,
  • b3) zum Übertragen des gespeicherten Nullwertes N Ausgänge (165B) des Registers (165) mit N Eingängen (164B) der Subtrahiereinheit (164) verbunden sind,
  • b4) ein Ausgang (166D) des Digital/Analog-Wandlers (166) mit einem Eingang (17A) des Spannungsverstär­ kers (17) verbunden ist zum Stellen der Aktorspan­ nung (U₂) durch ein an diesem Ausgang (166D) des Digital/Analog-Wandlers (166) anliegendes, dem Zäh­ lerinhalt entsprechendes Spannungssignal (SA),
    und
  • b5) N Ausgänge (164C) der Substrahiereinheit (164) vorgesehen sind, an denen ein digitales Ausgangs­ signal (SD) anliegt, das der um den im Register (165) gespeicherten Nullwert korrigierten Differenz (V₁-V₂) der beiden Spannungen (V₁ und V₂) ent­ spricht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Ausgang (162B) des Zählers (162) und ein zugeordneter Eingang (166B) des Digital/Analog-Wandlers (166) für eine höhere Genauigkeit bei dem als Regelgröße vorgesehenen Signal als beim Ausgangssignal (SD) vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsein­ heit (40) vorgesehen ist, die mit dem Ausgang des Kompara­ tors (161) verbunden ist und aus dem Zählrichtungssignal (SC) ein Zustandssignal (SZ) über den Betriebszustand der Vorrichtung ableitet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Test- und Überwachungseinheit (50) vorgesehen ist mit einer Ablaufsteuerung für einen Selbsttest der Vorrichtung und einem Einstellen der Nullage (CP) des Sensorbereichs (22) und mit einem Ausgang (50A), an dem ein Zustandssignal (SZ) anliegt, das den Betriebszu­ stand der Vorrichtung anzeigt;
• b) eine von der Test- und Überwachungseinrichtung (50) ansteuerbare Versorgungs- und Umschalteinheit (48) zum Umschalten zwischen einem Meßmodus und einem Selbsttestmodus und zum Auslenken des Sensorbereichs (22) in zwei vorbestimmte Testlagen im Selbsttest­ modus vorgesehen ist;
• c) eine Regel- und Auswerteeinheit (60) zum Messen der diesen Testlagen im Selbsttestmodus entsprechenden Emitterspannungen oder Emissionsströme und Vergleichen der gemessenen Werte mit gespeicherten Werten vorge­ sehen ist, die zum Ableiten des Zustandssignals (SZ) und zum Einstellen der Nullage (CP) des Sensorbereichs (22) mit der Test- und Überwachungseinheit (50) und mit der Versorgungs- und Umschalteinheit (48) elek­ trisch verbunden ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler zum Einstellen der Nullage (CP) des Sensorbereichs (22) des Biegeelementes (2) vorgesehen ist, der die Diffe­ renz (U₁-U₂, V₁-V₂) der beiden Spannungen (U₁ und U₂, V₁ und V₂) an dem Grundkörper (3) und dem Gegenkörper (7) auf einen entsprechend vorgegebenen Sollwert regelt, wenn kei­ ne äußere Kraft (F) an dem Biegeelement (2) anliegt.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz jedes Feldemitterelements (4, 6) ein Anschlag (24, 26) für den Sensorbereich (22) des Biegeelements (2) vor­ gesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge (L) zu Dicke (D) des Einspannbe­ reiches (20) kleiner als 2 ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Feldemitterelement (4, 6) in der Nähe des Endes (22A) als Sensorbereich (22) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftaufnahmebereich (21) eine mit einem Differential­ druck (p₁-p₂) beaufschlagbare Membran vorgesehen ist.