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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft integrierte resonante Mikrostruktur(RIM)-Sensoren
und insbesondere einen integrierten resonanten Mikrostruktur-Sensor
für hohe
Temperaturen.
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Ein
elektrischer RIMS-Sensor ist in 1 gezeigt.
Ein Mikrobalken 11 schwingt mit einer resonanten Frequenz
seiner Struktur. Der Balken 11 wird durch Säulen 12 gestützt, die
ein Teil einer mikrobearbeiteten Vorrichtung 16 auf Siliziumbasis
sind. Der Balken 11 wird durch eine kapazitive Platte 13,
die sich nächst
der Mitte des Balkens befindet und den Balken elektrostatisch veranlasst,
sich in eine Richtung zum Kondensator 13 hin und davon
weg zu biegen oder zu schwingen, elektrostatisch angetrieben. Das
Abfühlen
der Frequenz des Balkens 11 wird durch einen Piezowiderstand 14 durchgeführt, der
in den Balken 11 eingebettet ist. Die Antriebs- und Abfühlelektronik 25 stellt
elektrische Signale an die kapazitive Platte 13 bereit,
um den Balken 11 anzutreiben und elektronische Signale
vom Sensor 14 zu empfangen, die verarbeitet werden, um
die Frequenz des Balkens 11 anzuzeigen. Ein Nachteil eines
Sensors 16 ist, dass er bei Temperaturen über 200
Grad Celsius (°C)
nicht gut funktionieren kann. Beispielsweise versagen Piezowiderstandssensoren
bei Temperaturen über
250°C.
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Neben
dem elektrischen RIMS-System 16 gibt es auch ein in 2 gezeigtes optisches RIMS 17,
das zum Abfühlen
von Parametern in Umgebungen mit hoher Temperatur ähnlich unzulänglich ist. Das
System 17 weist in ähnlicher
Weise einen resonanten Balken 11 auf, der durch Säulen 12 gehalten wird,
die ein Teil einer mikroverar beiteten integrierten Siliziumvorrichtung
sind. Eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser 18 strahlt
Licht 19 über
eine optische Faser 20 durch den Balken 11 auf
eine Photodiode 21, die unterhalb des Balkens 11 gelegen
ist. Wenn die Photodiode 21 Licht 19 empfängt, erzeugt
sie eine elektrische Ladung, die dann den Balken 11 elektrostatisch
anzieht, wodurch sie veranlasst, dass er mit seiner natürlichen
Frequenz schwingt. Licht 22 wird von der Photodiode 21 und
vom Balken 11 reflektiert und wird über eine Faser 23 zu
einer Photodiode 24 übertragen,
die mit der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 verbunden
ist. Die Elektronik 25 verarbeitet die Lichtsignale 22,
um die gegenwärtige Schwingungsfrequenz
des resonanten Balkens zu bestimmen, die ein Vergleich der Signale 22 und
eine Bestimmung der Schwebungsfrequenz zwischen den vom Photodetektor 21 bzw.
vom Balken 11 reflektierten Signalen 22 ist, und
um auch um ein angemessenes Antriebssignal zu bestimmen und bereitzustellen,
um die Schwingung des Balkens aufrechtzuerhalten. Dieses System 17 ist
ebenfalls nicht fähig,
unter Umgebungen mit hoher Temperatur zu funktionieren. Beispielsweise
versagen Photodioden bei Temperaturen über 250°C.
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Die
Europäische
Patentbeschreibung Nr. 0 451 992 offenbart einen resonanten Mikrobalken-Sensor
für hohe
Temperaturen und einen Antriebskondensator zum elektrostatischen
Antreiben des resonanten Balkens in eine Schwingung.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen wie in Anspruch 1 definierten
resonanten Mikrobalken-Sensor für
sehr hohe Temperaturen bereit.
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Der
Sensor kann die Merkmale eines jeden oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis
4 beinhalten.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt weder eine photoelektrische Abtastung
noch einen Photodiodenantrieb, wie dies beim oben erwähnten elektrischen
bzw. optischen RIMS-Sensor der Fall ist.
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Die
Erfindung kann in verschiedensten Umgebungen mit hoher Temperatur
wie etwa Düsentriebwerken,
tiefen (geothermisch erhitzten) Bohrlöchern oder Verfahrenssteuerungen
benutzt werden. Der RIMS-Sensor für hohe Temperaturen nach der Standardgestaltung
kann für
Dehnungsverschiebungen verwendet werden, die eine Empfindlichkeit
von etwa 50 Picostrain und eine Verschiebungsempfindlichkeit bis
hinunter zu etwa 1/10.000 eines Ångströms aufweisen. Die Erfindung
kann als ein Drucksensor für
die Differenz-, die Absolut- und die Messabtastung von Strömungspegel-
und/oder akustischen Parametern benutzt werden. Die Empfindlichkeit
und Genauigkeit eines derartigen Drucksensors kann so gut wie zwei
Teile pro Million (ppm) der Spanne der Druckmessung sein. Eine Auslegerausführung des
Mikrobalken-Sensors für
hohe Temperaturen kann für
Kraft-, Gewichts- und/oder
Drehmomentmessungen benutzt werden. Die Auslegerausführung des
Sensors kann zur Messung von Temperaturen, Magnetfeldern, Feuchtigkeit
und VOCs (d. h., flüchtigen
organischen Verbindungen) Bimorph-Dünnfilme einsetzen, wie in 7 und 8 gezeigt ist. Beziehungsweise kann diese
Ausführung mit
Wärmeausdehnungsungleichgewichts-,
Magnetostriktions- (Nickel, Fe-Co, Terfinol usw.) und organischen
oder anorganischen Filmen, die Feuchtigkeit absorbieren oder mit
VOCs auswählend
anschwellen, benutzt werden. Die RIMS-Gestaltung für hohe Temperaturen
kann als ein Beschleuniger zur Abtastung der Beschleunigung, der
Neigung (Kippen) und der Schwingung (spektrales Rauschen) benutzt
werden. Die Beschleunigungsmesserausführung weist eine Empfindlichkeit
und Stabilität
nahe dem Mikro-G-Bereich auf. Der Sensor kann auch eine Photodiode
nächst
dem Balken oder der Außenschale
aufweisen. Er kann eine Art von Sensor sein, die zum Messen von
Licht oder zum Durch führen
von spektralen und/oder chemischen Analysen benutzt wird. Mit optischen
Schmalbandpassfiltern (einschließlich Ultraviolett- und Infrarotfiltern)
und einer Anordnung von auf RIMS basierenden Detektoren kann ein
weiterer Bereich von chemischen Analysen durchgeführt werden.
Häufig
können
Techniken in Verbindung mit der Elektronik benutzt werden, um die
Empfindlichkeit weiter zu erhöhen.
Die elektrisch angetriebene und optisch abfühlende RIMS-Sensoranordnung kann
bei ultrahohen Temperaturen (etwa 600°C) für alle der oben angeführten Arten
von Messungen verwendet werden. Bei der Polysiliziumabart ist der
Balken bis zum plastischen Fließen
des Polysiliziums funktional. Sensoren für höhere Temperaturen können Metall
für den
Balken und Saphir für
den Chip und die Balkenaußenschale
verwenden. Die optische Faser kann sowohl für das kapazitive Antreiben
des Balkens als auch für
das Abfühlen
der natürlichen Frequenz
des Balkens dicht an den Sensor gebracht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen elektrischen
RIMS-Sensor.
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2 zeigt einen optischen
RIMS-Sensor.
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3 offenbart einen hybriden
elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit sehr hohen
Temperaturen, der nicht in der vorliegenden Erfindung beansprucht
ist.
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4 offenbart einen hybriden
elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit ultrahohen
Temperaturen, der nicht in der vorliegenden Erfindung beansprucht
ist.
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5 offenbart einen optischen
RIMS-Sensor der vorliegenden Erfindung für Umgebungen mit sehr hohen
Temperaturen.
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6 zeigt eine RIMS-Sensoranordnung.
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7 veranschaulicht einen
freihängenden Bimorph-RIMS-Sensor.
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8 veranschaulicht einen
außenschalengekoppelten
Bimorph-RIMS-Sensor.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 3 wird ein resonanter Mikrobalken 11 durch
Säulen 12 gehalten.
Der Balken 11 wird durch einen Antriebskondensator 13,
der über
einen elektrischen Leiter 31 mit der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 verbunden
ist, elektrostatisch angetrieben. Die Länge des Leiters 31 kann
von 5 Millimetern bis zu 5 Kilometern variieren. Der Mikrobalken 11 ist
durch eine Polysiliziumaußenschale 26 abgedeckt
und abgedichtet. Nebenbei bemerkt sind auch der Mikrobalken 11 und
die Säulen 12,
die zusammen eine integrierte Siliziumvorrichtung bilden, aus Polysilizium mikrobearbeitet.
Licht 27 wird aus der Faser 28 weiter durch die
Außenschale 26 und
teilweise weiter durch den Balken 11 zum Kondensator 13 übertragen.
Das Licht 27 wird vom Balken 11 und vom Kondensator 13 durch
die Außenschale 26 in
die Faser 28, die mit einem Photovervielfacher 29 verbunden ist,
zurückgestrahlt.
Eine Schwebungsfrequenz des reflektierten Lichts 27 vom
Balken 11 und vom Kondensator 13 zeigt die Frequenz
der Schwingung des Balkens 11 an. Das elektrische Ausgangssignal
des Photovervielfachers 29 verläuft zur Antriebs- und Abfühlelektronik 25 des
Systems 10.
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Der
dielektrisch isolierte Antriebskondensator 13 funktioniert
bei sehr hohen Temperaturen gut. Desgleichen funktioniert die optische
Abtastung, die die Rückstrahlung
von Licht 27 von den Oberflächen des Balkens 11 und
des Kondensators 13 umfasst, bei sehr hohen Temperaturen
gut. Die Beschränkungen
dieses hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensors 10 werden
offenbar, wenn die Temperatur des plastischen Fließens des
Polysiliziums des Balkens 11 erreicht wird. Eine derartige
Bedingung beschränkt
die mechanische Stabilität
des Balkens bei Temperaturen über
etwa 600°C.
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Die
Antriebs- und Abfühlelektronik 25 des Systems 10 stellt
ein geeignetes Antriebssignal bereit, um den Balken 11 mit
seiner natürlichen
Frequenz zu schwingen. Die vom Balken 11 über die
Faser 28 als Licht 27 abgefühlten Signale gelangen zum Photovervielfacher 29,
der die Signale des Lichts 27 in elektrische Signale an
die Elektronik 25 umwandelt, die verarbeitet werden, um
die gegenwärtige Frequenz
des Balkens 11 anzuzeigen. Die durch den Balken 11 gemessenen
Parameter werden über
die Entfernung zwischen den Säulen 12 abgefühlt, die den
Balken 11 entweder strecken oder zusammenziehen und dadurch
seine resonante Frequenz, die eine Angabe eines besonderen Parameterwerts
ist, beeinflussen.
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4 offenbart eine Ausführungsform 30 eines
elektrisch/optischen RIMS-Sensors für ultrahohe Temperaturen von
500 bis 1000°C.
Zwei bedeutende Merkmale, die die Temperaturfähigkeiten des Systems 30 über jene
des Systems 10 in 3 hinaus steigern,
sind die in der mikrobearbeiteten integrierten Vorrichtung verwendeten
Materialien. Beispielsweise ist der resonante Mikrobalken 32 aus
einem Metall wie etwa Wolfram hergestellt. Die Außenschale 33,
der Träger
und die Säulen 12 sind
aus Saphir (d. h. Al2O3)
oder anderen ähnlichen
Materialien hergestellt. Der resonante Mikrobalken 32 wird
durch den Antriebskondensator 13 über einen elektrischen Leiter 31,
der ein Antriebssignal von der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 trägt, elektrostatisch
angetrieben. Die Länge
des Leiters 31 kann wiederum abhängig von den praktischen Anwendbarkeiten
der Anordnung des Systems 30 von 5 Millimetern bis zu 5
Kilometern variieren. Eine besondere natürliche Frequenz des Balkens 32,
nachdem dieser durch den Kondensator 13 angetrieben wurde,
hängt vom
Material und den Ausmaßen
des Balkens 32 und davon ab, ob der Balken 32 durch
die Säulen 12 gemäß dem Parameter,
der durch die Vorrichtung, auf der RIMS und der Kappensensor gelegen
sind, gemessen wird, zusammengezogen oder gedehnt wird.
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Um
die natürliche
Frequenz des Balkens 32 abzufühlen, kann ein Licht 34 aus
einer optischen Faser 28 weiter durch die Außenschale 33 in
den Balken 32 gelangen. Das Licht 35 wird dann
vom Balken 32, dem Antriebskondensator 13 und/oder
der Außenschale 33 in
die optische Faser 28 und auf den Photovervielfacher oder
die Diode 29 zurückgestrahlt.
Bei Temperaturen von 600°C
und darüber wird
kein Licht 34 benötigt,
um den Balken 32 zu beleuchten, da sich der Balken bei
einer Temperatur befindet, die hoch genug ist, dass er ein sehr
guter Infrarotstrahler und daher eine Quelle von Licht ist, das durch
die Außenschale 33 hindurch
und weiter in die Faser 28 übertragen wird. Die Außenschale 33 ist
gegenüber
Infrarotlicht teilweise rückstrahlend
und teilweise transparent. Das Licht 35 verläuft durch
einen Infrarotfilter 54 und auf den Photovervielfacher
oder die Diode 29, um in elektrische Signale umgewandelt zu
werden. Die elektrischen Signale von der Vorrichtung 29 werden
zur Antriebs- und Abfühlelektronik 25 weitergesendet,
die die Signale verarbeitet, um die Frequenz des Balkens 32 und
wiederum den Parameterwert, den das System 30 abfühlt, anzuzeigen. Das
abgefühlte
Signal befähigt
die Antriebselektronik 25, das angemessene Signal an den
Antriebskondensator bereitzustellen, um den Balken 32 in
einer Schwingung bei seiner natürlichen
Frequenz zu halten.
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5 offenbart ein gleichsam
vollständig
optisches RIMS-Sensorsystem 40 für Umgebungen mit sehr hohen
Tem peraturen, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Merkmal des Systems 40 ist, dass
die gesamte Fernkommunikation zwischen der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 und
dem Mikrobalken-Sensor 36 über optische Fasern 28 und 39 erfolgt.
Diese Faseranordnung kann auch bei den Anordnungen 10 und 30 von 3 bzw. 4 verwendet werden.
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Die
Außenschale 37 des
Systems 40 ist ein schlechter schwarzer Strahler und ist
gegenüber
Infrarotlicht transparent. Der Mikrobalken 36 ist gegenüber Infrarotlicht
teilweise rückstrahlend
und teilweise transparent. Der Träger ist ein guter schwarzer Strahler.
Die Antriebs- und Abfühlelektronik 25 sendet über eine
Leuchtdiode oder eine Laserlichtquelle ein Antriebssignal in Form
eines Lichtsignals durch die optische Faser 39, die mit
der Photodiode 38 verbunden ist, aus. Die Länge der
optischen Faser 39 kann von 5 Millimetern bis zu 5 Kilometern
variieren. Der Vorteil der Verwendung der optischen Faser über lange
Strecken ist, dass Probleme mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, die
in Bezug auf die Übertragung
von elektrischen Signalen entlang langer Leiter auftreten, vermieden
werden. Die Photodiode 38 ist dem Sensormikrobalken 36 physisch
nahe, ist jedoch weit genug entfernt, um in einer Umgebung zu bleiben,
die eine Temperatur von vorzugsweise weniger als 185°C aufweist.
Der Leiter 31 führt
das elektrische Antriebssignal von der Photodiode 38 zum Antriebskondensator 13,
der den Mikrobalken 36 elektrostatisch in eine Schwingung
mit seiner natürlichen Frequenz
antreibt.
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Die
Feststellung des Balkens 36 erfolgt mit Infrarotlicht vom
Träger
als schwarzer Strahler durch den Balken 36 und die Außenschale 37.
Das Licht 41 wird durch einen Infrarotfilter 42 gefiltert
und gelangt in die optische Faser 28, um zum Photovervielfacher oder
der Diode 29 zurückgeführt zu werden,
wo das Abfühlsignal
in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische
Signal wird zur Antriebs- und Abfühlelektronik 25 gesendet.
Die Elektronik 25 verarbeitet das elektrische Signal vom
Photodetektor 29 zu einer Angabe einer natürlichen
Resonanzfrequenz, die wiederum in einen Parameterwert umgewandelt
wird, der durch den Mikrobalken 36 aufgrund eines Zusammenziehens
oder Dehnens durch die Säulen 12 gemessen
wird, die ein Teil einer mikrobearbeiteten integrierten Vorrichtung
sind, welche ein Teil eines Geräts
ist, das am Abfühlen
des Parameters beteiligt ist.
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6 offenbart eine Ausführungsform
der Erfindung, die in einer verpackten Ausführung 50 aufgenommen
ist. Auf einem Siliziumchip 43 befinden sich ein mikrobearbeiteter
Mikrobalken 44 und eine Außenschale 45. Der
Siliziumchip 43 weist ein Röhrchen 46 aus PYREX
(oder aus einem anderen ähnlichen
Material) auf, das daran TE-geklebt ist. Die Rückseite ist mit Al2O3 formüberzogen.
An der anderen Seite des Siliziumchips 43 befindet sich
ein daran TE-geklebtes PYREX-Röhrchen 47.
Leitungen 49 sind mit Drahtbondungen 51 an den
Siliziumchip 43 an der Vorrichtung 50 angebracht.
Die Drahtbondungen 51 sind letztlich mit den Antriebskondensator 13 verbunden,
der nächst
dem Mikrobalken 44, der durch Säulen 12 gehalten wird,
im Siliziumchip 43 gelegen ist. Die zu messenden Parameter
wie etwa ein Druck, werden über
das Röhrchen 46 abgefühlt und beeinflussen
den Siliziumchip 43 in der Form eines Biegens, das wiederum
durch den Mikrobalken 44 in der Form eines Zusammenziehens
oder Ausdehnens, wodurch die natürliche
Frequenz des Balkens 44 beeinflusst wird, abgefühlt wird.
Der Balken 44 wird durch den Kondensator 13, der über die
Drähte 49 und
Drahtbondungen 51 Antriebssignale von der externen Elektronik 25 erhält, elektrostatisch
angetrieben. Das Licht kann über
die optische Faser 48 eingebracht werden, um die natürliche Frequenz
des Balkens 44 abzufühlen,
oder der Siliziumchip 43 kann eine Quelle derartigen Lichts
zum Abfühlen sein.
Das abgefühlte
Licht wird vom Balken 44 durch die optische Faser 48 zur
An triebs- und Abfühlelektronik 25 befördert. Die
Drähte 49 für den Antriebskondensator 13 können mit
der Antriebs- und Abfühlelektronik 25 verbunden
sein oder, wie beispielsweise in 5 gezeigt
ist, über
eine Photodiode 38 und eine optische Faser 39 mit
der Elektronik 25 verbunden sein. Verschiedene Kerben am
Röhrchen 47 nahe
dem Chip 43 können
mit einem Hochtemperaturbindemittel 52 gefüllt sein.
Eine flexible Umhüllung 53 umgibt
den gesamten Aufbau des Geräts 50 für Anbringungszwecke
und/oder die Umgebung betreffende Belange. Die Vorrichtung 50 ist
eine Anordnung, die wahrscheinlich zum Druckabfühlen verwendet wird.
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7 zeigt den freihängenden
Bimorph-RIMS-Mikrobalken-Sensor 55. Ein Siliziumausleger 56 weist
einen daran geklebten magnetostriktiven Film 57 auf. Jedwede
Veränderung
des Ausmaßes
des magnetostriktiven Films aufgrund einer Parametermessung wie
etwa jener eines Magnetfelds beeinflusst den Siliziumausleger 56,
indem dieser veranlasst wird, sich in die eine oder die andere Richtung
zu biegen, wodurch die Säulen 12 den Balken 58 veranlassen,
sich als Ergebnis des Abfühlens
des Parameters durch den Film 57 entweder zusammenzuziehen
oder auszudehnen. Die natürliche Frequenz
des Balkens 58 wird auf die verschiedenen Weisen von 3 bis 5 abgefühlt, wie im Vorhergehenden
besprochen wurde. Eine Vakuumaußenschale 59 ist über dem
RIMS-Balken 58 ausgebildet. Der Film 57 kann aus
anderen Substanzen hergestellt sein, die in Bezug auf Temperaturen,
Feuchtigkeit und/oder VOCs empfindlich sind.
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8 offenbart eine außenschalengekoppelte
Anordnung 60 eines Sensors, der die vorliegende Erfindung
enthält.
Ein Siliziumträger 61 hält die Vakuumaußenschale 62.
Säulen 12,
die den RIMS-Balken 63 halten, sind auf der Vakuumaußenschale 62 ausgebildet.
Ein magnetostriktiver Film 64, dessen Ausmaß sich in
Bezug auf einen besonderen Parameter wie etwa jenen eines Magnetfelds, das gemessen
wird, verändern
kann, ist an der anderen Seite der Außenschale 62 ausgebildet.
Diese Veränderung
des Ausmaßes
des Films 64 verzerrt die Außenschale 62, die
wiederum den Balken 63 über
die Säulen 12 entweder
zusammenzieht oder ausdehnt und dadurch die natürliche Frequenz des Balkens 63 beeinflusst.
Der Film 64 kann aus anderen Substanzen hergestellt sein,
die in Bezug auf Temperaturen, Feuchtigkeit und/oder VOCs empfindlich
sind. Der Balken 63 wird durch die im Vorhergehenden beschriebenen
Techniken und Vorrichtungen angetrieben und abgefühlt, und
die sich ergebenden Signale werden durch die Elektronik verarbeitet,
um Angaben von natürlichen
Frequenzen bereitzustellen und dadurch verschiedene Werte der gemessenen
Parameter anzuzeigen.