WO2023117782A1 - Measuring assembly with a micromechanical oscillator - Google Patents

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WO2023117782A1
WO2023117782A1 PCT/EP2022/086425 EP2022086425W WO2023117782A1 WO 2023117782 A1 WO2023117782 A1 WO 2023117782A1 EP 2022086425 W EP2022086425 W EP 2022086425W WO 2023117782 A1 WO2023117782 A1 WO 2023117782A1
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oscillator
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Fabio SCHRANER
Rémy SCHERRER
Philipp Gurtner
Sandro Schwab
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Truedyne Sensors AG
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Definitions

  • the present invention relates to a measuring arrangement, comprising a micromechanical oscillator, which can be acted upon at least in sections by an analyte, wherein a resonant frequency of at least one oscillation mode of the oscillator depends on a density of the analyte; and a measuring and operating circuit for providing a periodic excitation signal and for evaluating at least one property of the at least one oscillation mode of the oscillator, the measuring and operating circuit having a measuring branch and a reference branch, each with a signal input and a signal output, the two signal inputs being connected thereto are set up to be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having an electromechanical converter between the signal input and the signal output of the measuring branch, with which the at least one oscillation mode of the oscillator is to be excited, the measuring branch having a parasitic capacitance, the reference branch a has a capacitive component for compensating for an influence of the parasitic capacitance, the measurement and operating circuit being set up to evaluate a measurement signal
  • a generic measuring arrangement is described, for example, in Appl. physics Lithuania 107, 053506 (2015), where the oscillator there comprises a cantilever which has a parasitic capacitance.
  • the reference branch has a reference cantilever that is similar in terms of capacitance, but which is not capable of oscillating.
  • the effect of the parasitic capacitance can be compensated within certain limits by the capacitance of the same type.
  • this solution has the disadvantage if the parasitic capacitance is variable, for example due to variable dielectric properties of the analyte. In this case, the parasitic capacitance cannot be determined and thus the dielectric properties of the medium cannot be inferred.
  • a similar measurement arrangement is described in the international publication WO 2011 040678 A1.
  • the measuring arrangement comprises: a micromechanical oscillator which can be acted upon at least in sections by an analyte, wherein a resonant frequency of at least one oscillation mode of the oscillator depends on a density of the analyte; and a measuring and operating circuit for providing a periodic excitation signal and for evaluating at least one property of the at least one oscillation mode of the oscillator, the measuring and operating circuit having a measuring branch and a reference branch, each with a signal input and a signal output, the two signal inputs being connected thereto are set up to be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having an electromechanical converter with which the at least one oscillation mode of the oscillator is to be excited, the measuring branch having a parasitic capacitance, the reference branch being a capacitive component with an adjustable reference capacitance for compensating for a Has influence of the parasitic capacitance, wherein the measurement and operating circuit is set up to evaluate a measurement signal at the signal output of the measurement branch in relation
  • the adjustable capacitive component includes a varactor diode.
  • the adjustable capacitive component includes a network of capacitors, varactor diodes and/or integrated circuits.
  • a baseline of the useful signal which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal outside of resonances of the oscillator body having a capacitance-dependent mean slope S(C) which is given as: for a parameter a for which the following applies: 2 > a > 1 .1 , where f res is a measured resonant frequency of an oscillation mode of the oscillator, with the reference capacitance C of the capacitive component being set such that the magnitude of the slope
  • a baseline of the useful signal which includes a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal as a function of the excitation frequency f for a parameter a between 1 Za * f res and a * fres by means average slope S(C ref ) determined by linear regression and dependent on the reference capacitance, where 2 > a > 1 .1 , where fres is a measured resonant frequency of the oscillation mode of the oscillator, the reference capacitance capacitance (C ref ) of the capacitive component is set so that the magnitude of the slope
  • a baseline of the useful signal which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal outside of a resonance of the oscillator at a test frequency f T having a value A T dependent on the reference capacitance c r (c r ), wherein the reference capacitance capacitance c r of the capacitive component is set so that the value of the amplitude A T (c r ) is no more than half, in particular no more than a quarter of the value of the amplitude A T (0) at a Reference capacity is 0, where 2> fr / fres> 1.1 or 2> fres / fr> 1.1.
  • the measuring and operating circuit is set up to vary the reference capacitance and to determine a dielectric property of the analyte on the basis of a relationship between the reference capacitance and an amplitude of the useful signal, with the useful signal having an in-phase excitation of the measuring branch reference branch Comprises difference between the measurement signal and the reference signal, and wherein the useful signal includes a sum of the measurement signal and the reference signal at an anti-phase excitation of the measuring branch reference branch.
  • the relationship between the reference capacitance and the amplitude of the useful signal includes the gradient S(C ref ) of the amplitude dependent on the reference capacitance as a function of the frequency or an amplitude value at a test frequency outside the resonant frequency.
  • the measuring and operating circuit is set up to determine the density and/or viscosity of the analyte.
  • the oscillator comprises a cantilever, a tuning fork or a measuring tube for guiding the analyte.
  • the electromechanical converter includes a capacitive converter, a piezoelectric converter or an electromagnetic converter.
  • the resonant frequency f res is not less than 10 kHz, in particular not less than 20 kHz, and not more than 100 kHz, in particular not more than 80 kHz.
  • the reference capacitance C ref is not less than 1 pF and not more than 100 pF.
  • the electromechanical converter is arranged between the signal input and the signal output of the measuring branch, and the capacitive component is arranged between the signal input and the signal output of the reference branch.
  • the measuring branch and the reference branch form a bridge circuit that extends in the longitudinal direction between a bridge signal input and a bridge signal output that is at a reference potential, in particular circuit ground, with the signal input of the measuring branch and the signal input of the reference branch being connected to the bridge signal input which can be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having a measuring branch input resistance element which is arranged between the signal input of the measuring branch and the electromechanical converter, wherein the signal output of the measuring branch forms a first diagonal signal output of the bridge circuit, which is arranged between the measuring branch input resistance element and the electromechanical converter, wherein the reference branch has a reference branch input resistance element, which is arranged between the signal input of the reference branch and the capacitive component, the signal output of the reference branch having a forms the second diagonal signal output of the bridge circuit, which is arranged between the reference branch input resistance element and the capacitive component.
  • the measuring arrangement according to the invention and its developments enable a simple, fast and flexible determination of the parameters of the oscillator signal detection, in particular also with variable stray capacitance, with which a robust and exact determination of the properties of the analyte is possible.
  • the measuring and operating circuit is set up to set the reference capacitance by means of a control signal and to vary this control signal; wherein a useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, wherein an amplitude A of the useful signal at a test frequency f T outside a resonance of the oscillator has a value Ar(Cr) dependent on the reference capacitance c r , which in a first value range of the control signal can be represented by a monotonically decreasing first function of the control signal, which can be represented in a second value range of the control signal by a monotonically increasing second function of the control signal, with the measuring and operating circuit being set up to calculate values A T (c r ) to detect as a function of the control signal in its first value range and in its second value range, and to determine coefficients of the first function and the second function based on the detected values, to determine an intersection of the first function and the second function, and to adjust the control signal to a control value set which deviates from
  • the value Ar(Cr), which is dependent on the reference capacitance cr, of the amplitude of the useful signal at the test frequency fT has a minimum at the point of intersection of the first function and the second function.
  • the first function and the second function are linear functions.
  • the measuring and operating circuit is set up to determine a measured value of the resonant frequency f res of the oscillator at a reference capacitance that is specified by the control value of the control signal.
  • Fig. 1a A schematic diagram of phase and amplitude as a function of frequency for an ideal oscillator without parasitic capacitance
  • Fig. 1b A schematic diagram of phase and amplitude as a function of frequency for an oscillator under the influence of an uncompensated parasitic capacitance
  • FIG. 2b A schematic circuit diagram of a first exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention.
  • FIG. 4a A schematic circuit diagram of a second exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention.
  • FIG. 4b A schematic circuit diagram of a third exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention.
  • Fig. 5 A schematic diagram of the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited out of resonance as a function of the diode voltage of the capacitance diode.
  • the diagram shown in FIG. 1a represents an ideal state for the amplitude (solid line) and phase (dash-dotted line) curves of a signal from a mechanical oscillator as a function of the excitation frequency in relation to its resonant frequency.
  • the mass coverage or density of an analyte acting on the oscillator can be determined on the basis of the position of the maximum. From the resonance increase or the The quality of the oscillator and the viscosity of the analyte can be determined based on the width of the maximum. Similar information is accessible via the course of the phase as a function of the excitation frequency.
  • the ideal situation described above is compromised to the extent that the oscillator exhibits parasitic capacitance.
  • the base line of the amplitude diagram shows a first approximation linear function of the frequency, the deviation of which, depending on the size of the parasitic capacitance, can significantly exceed the height of the resonance maximum.
  • the phasing undergoes a significant shift and anti-resonance occurs off-resonance. Under these conditions, it is difficult to determine the resonant frequency and the quality of the oscillator or the properties of the analyte derived therefrom.
  • variable reference capacitance is selected in such a way that a signal amplitude in a frequency range that is expected to be outside of the desired resonance and is marked with an ellipse in the diagram is minimized and, in particular, disappears.
  • the exemplary embodiment of the measuring arrangement 1 comprises a micromechanical, oscillatable and piezoelectrically excitable cantilever 20 as an oscillator, with the oscillations of the cantilever 20 likewise being able to be detected piezoelectrically.
  • An analyte in particular fuel gas, can be applied to the cantilever 20 in order to determine its density and viscosity.
  • the resonant frequency of the oscillator assumes values in the range from 30 kHz to 90 kHz, for example, with the precise value depending on the density of an analyte with which the oscillator is exposed.
  • the quality of the oscillator can be 50 to 1000, for example.
  • the measuring arrangement 1 also includes a measuring and operating circuit 10 with an evaluation unit 11 and a measuring branch 14 with the piezoelectric exciter, the measuring branch 14 being assigned to the cantilever 20 .
  • the electrical behavior of the measuring branch 14 can be modeled with an equivalent circuit diagram with a measuring capacitance c m , measuring inductance L m and a measuring resistor R m , the sizes of the named components of the equivalent circuit diagram being known.
  • the measuring branch 14 further comprises an unknown and variable parasitic capacitance c p which can be modeled as being arranged between a signal input and a signal output of the measuring branch in parallel with the aforementioned components.
  • the evaluation unit 11 includes a reference branch 15 with a variably adjustable reference capacitance c r , which has a capacitance diode and which serves to neutralize the effect of the parasitic capacitance c p .
  • the evaluation unit 11 also includes a signal generator 12 for providing a periodic excitation signal U e which is present at the signal input of the measuring branch and whose negative value or value -U e phase-shifted by 180° is present at the signal input of the reference branch.
  • the evaluation unit 11 includes an adder 16 which includes an operational amplifier and which adds the output signals of the measuring branch 14 and the reference branch 15 .
  • the output signal of the measuring branch 14 is a measuring current l m , which is corrupted by an interference current l p due to the parasitic capacitance c p .
  • the evaluation unit 11 also includes a microcontroller 18 with an analog input which is connected to the signal output of the adder in order to receive a useful signal from the signal output of the adder.
  • the useful signal is an oscillator current l 0 , the value of which is l m + lr, i.e. it is characteristic of an oscillator whose signal is not corrupted by a parasitic capacitance if the reference capacitance c r is set in such a way that it corresponds to the parasitic capacitance c corresponds to p .
  • the microcontroller 18 is set up to output an analog signal U D c at a first analog output for controlling the varactor diode so that its reference capacitance c r assumes the desired value.
  • the reference capacitance c r can assume values between 1 pF and 100 pF, for example.
  • the amplitude A of Io at an excitation frequency above the resonant frequency f res of the oscillator can be minimized by varying the reference capacitance cr, as indicated in FIG.
  • the mean slope of the amplitude A of l 0 outside the resonant frequency f res of the oscillator can be minimized.
  • the average slope of the amplitude A of l 0 which is outside the resonant frequency fres of the oscillator can be determined, for example, as a difference quotient according to: with: a> 1.5, where f res is a measured resonant frequency of a vibration mode of the
  • the microcontroller 18 or another digital signal processing unit also has a second analog output with whose output signal the frequency of the excitation signal U e is controlled.
  • FIG. 3 shows measurement data of the frequency-dependent amplitude of the useful signal with the reference capacitance as a variable parameter between the various measurement curves, the amplitude of the useful signal being specified here as a current value and not as a voltage value.
  • the parasitic capacitance was 24.3 pF and 26.8 pF, respectively.
  • the curves already show clear improvements compared to the situation of curve (i), but the reference capacitance is still too low since anti-resonance still occurs.
  • the measuring and operating circuit is set to determine the resonant frequency and the quality of the oscillator and thus to determine the density and/or viscosity of the analyte.
  • the measuring and operating circuit is set up to determine a dielectric property of the analyte based on a relationship between the reference capacitance and an amplitude of the useful signal, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, the relationship between the reference capacitance and the amplitude of the useful signal, the slope S(c r ) of the amplitude, which depends on the reference capacitance, as a function of the frequency.
  • the schematic circuit diagram shown in Fig. 4a of a second exemplary embodiment 110 of a measuring arrangement according to the invention and the schematic circuit diagram shown in Fig. 4b of a third exemplary embodiment 210 of a measuring arrangement according to the invention represent circuits in which the compensation for the effect of the parasitic capacitances is carried out by forming the difference between voltage signals from the measuring branch 114; 214 and the reference branch 115; 215 takes place in that the respective voltage signals from the signal outputs of the measuring branch and the reference branch are fed to a differential amplifier 116; 216 are supplied.
  • the signal output of the differential amplifier 116; 216 is in turn connected to a signal input of a digital signal processor, for example a microcontroller 118; 218 connected, the latter also controlling the adjustable reference capacitance Z r , as illustrated in connection with the first exemplary embodiment.
  • a digital signal processor for example a microcontroller 118; 218 connected, the latter also controlling the adjustable reference capacitance Z r , as illustrated in connection with the first exemplary embodiment.
  • the measuring branch 114; 214 and the reference branch 115; 215 each form a voltage divider, which together form a bridge circuit, so to speak, whose diagonal voltage is fed to the differential amplifier 116; 216 is supplied.
  • the bridge includes Input resistance elements Zi, Z 2 of the measurement and reference branch in the order of a few 100 k ⁇ and a measurement branch capacitance Z m in the measurement branch, which is influenced by an unknown parasitic capacitance, and the reference capacitance Z r in the reference branch, which is determined by means of a not shown separately here Capacitance diode is adjustable.
  • An excitation signal is applied to the bridge circuit as a longitudinal voltage, with the longitudinal inputs of the bridge circuit being connected to an excitation voltage source to provide an excitation voltage U e and circuit ground in the second exemplary embodiment according to FIG. 4a, while both longitudinal inputs of the bridge circuit are connected in the third exemplary embodiment according to FIG are connected to an excitation voltage source for providing an excitation voltage +U e and -U e .
  • FIG. 5 A further advantageous embodiment of the measuring and operating circuit of the measuring arrangement according to the invention is explained below with reference to FIG. 5 .
  • the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited outside of resonance is to be minimized by varying the capacitance of the varactor diode in the reference branch and ideally regulated to zero in order to find the correct reference capacitance. In this case, it proves to be difficult to hit the minimum or the zero, since the useful signal is overlaid with noise.
  • FIG. 5 shows measured data of the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited out of resonance as a function of the diode voltage of the varactor diode, which is a monotonous function of the capacitance of the varactor diode that is linear in a first approximation in a limited value range.
  • the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited out of resonance is a strictly monotonically falling function of the diode voltage in a first range marked (i).
  • the amplitude of the useful signal is a monotonically increasing function of the diode voltage.
  • the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited outside of resonance is minimal, in particular zero. Since noise is superimposed on the useful signal in this range, it can be difficult to determine the exact value of the diode voltage or the reference capacitance by regulating the amplitude of the useful signal to zero.
  • the diode voltage for setting the reference capacitance can be determined with great accuracy and reproducibility.
  • this enables the resonant frequency of the oscillator to be determined with high precision and excellent reproducibility.

Abstract

The invention relates to a measuring assembly (1) comprising a micromechanical oscillator (14a) which can be supplied with an analyte, the oscillation frequency of an oscillation mode of the oscillator being based on the density of the analyte, and comprising a measuring and operating circuit (10) for providing a periodic excitation signal and for analyzing a property of the vibration mode of the oscillator (14a). The measuring and operating circuit (10) has a measuring branch (14) and a reference branch (15), each of which comprises a signal input and a signal output, and the two signal inputs are designed to be supplied with the periodic excitation signal. The measuring branch (14) has an electromechanical converter, by means of which the vibration mode of the oscillator (14a) is to be excited, wherein the measuring branch has a parasitic capacitor (cp), the reference branch has a capacitive component with an adjustable reference capacitor (cr) for compensating for an influence of the parasitic capacitor, and the measuring and operating circuit (10) is designed to evaluate a measurement signal at the signal output of the measuring branch with respect to a reference signal at the signal output of the reference branch.

Description

Messanordnung mit einem mikromechanischen Oszillator Measuring arrangement with a micromechanical oscillator
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung, umfassend einen mikromechanischen Oszillator, der zumindest abschnittsweise mit einem Analyten beaufschlagbar ist, wobei eine Resonanzfrequenz zumindest einer Schwingungsmode des Oszillators von einer Dichte des Analyten abhängt; und eine Mess- und Betriebsschaltung zum Bereitstellen eines periodischen Erregersignals und zum Auswerten von zumindest einer Eigenschaft der zumindest einen Schwingungsmode des Oszillators, wobei die Mess- und Betriebsschaltung einen Messzweig und einen Referenzzweig mit jeweils einem Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei die beiden Signaleingänge dazu eingerichtet sind, mit dem periodischen Erregersignal beaufschlagt zu werden, wobei der Messzweig einen elektromechanischen Wandler zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang des Messzweigs aufweist, mit dem die mindestens eine Schwingungsmode des Oszillators anzuregen ist, wobei der Messzweig eine parasitäre Kapazität aufweist, wobei der Referenzzweig ein kapazitives Bauelement zum Kompensieren eines Einflusses der parasitären Kapazität aufweist, wobei die Mess- und Betriebsschaltung eingerichtet ist, ein Messsignal am Signalausgang des Messzweiges in Bezug auf ein Referenzsignal am Signalausgang des Referenzzweigs auszuwerten. The present invention relates to a measuring arrangement, comprising a micromechanical oscillator, which can be acted upon at least in sections by an analyte, wherein a resonant frequency of at least one oscillation mode of the oscillator depends on a density of the analyte; and a measuring and operating circuit for providing a periodic excitation signal and for evaluating at least one property of the at least one oscillation mode of the oscillator, the measuring and operating circuit having a measuring branch and a reference branch, each with a signal input and a signal output, the two signal inputs being connected thereto are set up to be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having an electromechanical converter between the signal input and the signal output of the measuring branch, with which the at least one oscillation mode of the oscillator is to be excited, the measuring branch having a parasitic capacitance, the reference branch a has a capacitive component for compensating for an influence of the parasitic capacitance, the measurement and operating circuit being set up to evaluate a measurement signal at the signal output of the measurement branch in relation to a reference signal at the signal output of the reference branch.
Eine gattungsgemäße Messanordnung ist beispielsweise beschrieben in Appl. Phys. Lett. 107, 053506 (2015), wobei dort der Oszillator einen Cantilever umfasst, der eine parasitäre Kapazität aufweist. Der Referenzzweig weist einen hinsichtlich der Kapazität gleichartigen Referenzcantilever auf, der allerdings nicht schwingfähig ist. Durch die gleichartige Kapazität kann der Effekt der parasitären Kapazität in gewissen Grenzen kompensiert werden. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, wenn die parasitäre Kapazität veränderlich ist, beispielsweise aufgrund veränderlicher dielektrischer Eigenschaften des Analyten. In diesem Fall kann man die parasitäre Kapazität nicht bestimmen, und damit nicht auf die dielektrischen Eigenschaften des Mediums schließen. Eine ähnliche Messanordnung ist beschrieben in der internationalen Veröffentlichung WO 2011 040678 A1. A generic measuring arrangement is described, for example, in Appl. physics Latvia 107, 053506 (2015), where the oscillator there comprises a cantilever which has a parasitic capacitance. The reference branch has a reference cantilever that is similar in terms of capacitance, but which is not capable of oscillating. The effect of the parasitic capacitance can be compensated within certain limits by the capacitance of the same type. However, this solution has the disadvantage if the parasitic capacitance is variable, for example due to variable dielectric properties of the analyte. In this case, the parasitic capacitance cannot be determined and thus the dielectric properties of the medium cannot be inferred. A similar measurement arrangement is described in the international publication WO 2011 040678 A1.
Ansätze zur Modellierung eines mikromechanischen Oszillators sind beispielsweise in Mes. Sei. Technlo. 23 085107 (2012) beschrieben, wobei derartige Modellierungen einen Resonator zweiter Ordnung und ein unbekanntes Hintergrundsystem ansetzen, das zu identifizieren ist, um Resonanzfrequenz und Güte des Resonators bestimmen. Die beschriebene Vorgehensweise ist jedoch mit einem großen Rechenaufwand und Verlust an Dynamik verbunden. Eine ähnliche Modellierung ist in WO 2012 129 098 A2 offenbart. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Messanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Approaches to modeling a micromechanical oscillator are, for example, in Mes. May be. Techno. 23 085107 (2012), where such modeling assumes a second-order resonator and an unknown background system to be identified in order to determine the resonance frequency and quality of the resonator. However, the procedure described is associated with a large computational effort and loss of dynamics. A similar modeling is disclosed in WO 2012 129 098 A2. It is therefore the object of the present invention to provide a measuring arrangement which overcomes the disadvantages described. The object is achieved according to the invention by the measuring arrangement according to independent patent claim 1.
Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst: einen zumindest abschnittsweise mit einem Analyten beaufschlagbaren mikromechanischen Oszillator, wobei eine Resonanzfrequenz zumindest einer Schwingungsmode des Oszillators von einer Dichte des Analyten abhängt; und eine Mess- und Betriebsschaltung zum Bereitstellen eines periodischen Erregersignals und zum Auswerten von zumindest einer Eigenschaft der zumindest einen Schwingungsmode des Oszillators, wobei die Mess- und Betriebsschaltung einen Messzweig und einen Referenzzweig mit jeweils einem Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei die beiden Signaleingänge dazu eingerichtet sind, mit dem periodischen Erregersignal beaufschlagt zu werden, wobei der Messzweig einen elektromechanischen Wandler aufweist, mit dem die mindestens eine Schwingungsmode des Oszillators anzuregen ist, wobei der Messzweig eine parasitäre Kapazität aufweist, wobei der Referenzzweig ein kapazitives Bauelement mit einstellbarer Referenzkapazität zum Kompensieren eines Einflusses der parasitären Kapazität aufweist, wobei die Mess- und Betriebsschaltung eingerichtet ist ein Messsignal am Signalausgang des Messzweiges in Bezug auf ein Referenzsignal am Signalausgang des Referenzzweigs auszuwerten. The measuring arrangement according to the invention comprises: a micromechanical oscillator which can be acted upon at least in sections by an analyte, wherein a resonant frequency of at least one oscillation mode of the oscillator depends on a density of the analyte; and a measuring and operating circuit for providing a periodic excitation signal and for evaluating at least one property of the at least one oscillation mode of the oscillator, the measuring and operating circuit having a measuring branch and a reference branch, each with a signal input and a signal output, the two signal inputs being connected thereto are set up to be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having an electromechanical converter with which the at least one oscillation mode of the oscillator is to be excited, the measuring branch having a parasitic capacitance, the reference branch being a capacitive component with an adjustable reference capacitance for compensating for a Has influence of the parasitic capacitance, wherein the measurement and operating circuit is set up to evaluate a measurement signal at the signal output of the measurement branch in relation to a reference signal at the signal output of the reference branch.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das einstellbare kapazitive Bauelement eine Kapazitätsdiode. In one development of the invention, the adjustable capacitive component includes a varactor diode.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das einstellbare kapazitive Bauelement ein Netzwerk von Kondensatoren, Kapazitätsdioden und/oder von integrierten Schaltkreisen umfasst. In one development of the invention, the adjustable capacitive component includes a network of capacitors, varactor diodes and/or integrated circuits.
In einer Weiterbildung der Erfindungist eine Basislinie des Nutzsignals gegeben, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals außerhalb von Resonanzen des Oszillatorkörpers eine Kapazitätsabhängige mittlere Steigung S(C) aufweist, die gegeben ist als:
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für einen Parameter a, für den gilt: 2 > a > 1 ,1 , wobei fres eine gemessene Resonanzfrequenz einer Schwingungsmode des Oszillators ist, wobei die Referenzkapazität C des kapazitiven Bauelements so eingestellt ist, dass der Betrag der Steigung |S(Cref) | nicht mehr als die Hälfte des Betrags der Steigung |S(0)| bei einer Referenzkapazität von 0 beträgt. In a further development of the invention, a baseline of the useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal outside of resonances of the oscillator body having a capacitance-dependent mean slope S(C) which is given as:
Figure imgf000005_0001
for a parameter a for which the following applies: 2 > a > 1 .1 , where f res is a measured resonant frequency of an oscillation mode of the oscillator, with the reference capacitance C of the capacitive component being set such that the magnitude of the slope |S(C re f) | no more than half the magnitude of the slope |S(0)| with a reference capacitance of 0.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Basislinie des Nutzsignals gegeben, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals als Funktion der Erregerfrequenz f eine für einen Parameter a zwischen 1 Za * fres und a* fres mittels linearer Regression ermittelte, von der Referenzkapazität abhängige mittlere Steigung S(Cref) aufweist, wobei 2 > a > 1 ,1 , wobei fres eine gemessene Resonanzfrequenz der Schwingungsmode des Oszillators ist, wobei die Referenzkapazitätkapazität (Cref) des kapazitiven Bauelements so eingestellt ist, dass der Betrag der Steigung |S(Cref)| nicht mehr als die Hälfte des Betrags der Steigung |S(0)| bei einer Referenzkapazität von 0 beträgt. In one development of the invention, a baseline of the useful signal is given, which includes a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal as a function of the excitation frequency f for a parameter a between 1 Za * f res and a * fres by means average slope S(C ref ) determined by linear regression and dependent on the reference capacitance, where 2 > a > 1 .1 , where fres is a measured resonant frequency of the oscillation mode of the oscillator, the reference capacitance capacitance (C ref ) of the capacitive component is set so that the magnitude of the slope |S(C re f)| no more than half the magnitude of the slope |S(0)| with a reference capacitance of 0.
In einer Weiterbildung der Erfindungist eine Basislinie des Nutzsignals gegeben, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals außerhalb einer Resonanz des Oszillators bei einer Testfrequenz fT einen von der Referenzkapazität cr abhängigen Wert AT(cr) aufweist, wobei die Referenzkapazitätkapazität cr des kapazitiven Bauelements so eingestellt ist, dass der Wert der Amplitude AT(cr) nicht mehr als die Hälfte, insbesondere nicht mehr als ein Viertel des Werts der Amplitude AT(0) bei einer Referenzkapazität von 0 beträgt, wobei 2 > fr/fres > 1 ,1 oder 2 > fres/fr > 1 ,1. In a development of the invention, a baseline of the useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal outside of a resonance of the oscillator at a test frequency f T having a value A T dependent on the reference capacitance c r (c r ), wherein the reference capacitance capacitance c r of the capacitive component is set so that the value of the amplitude A T (c r ) is no more than half, in particular no more than a quarter of the value of the amplitude A T (0) at a Reference capacity is 0, where 2> fr / fres> 1.1 or 2> fres / fr> 1.1.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet, die Referenzkapazität zu variieren, und anhand einer Beziehung zwischen der Referenzkapazität und einer Amplitude des Nutzsignals eine dielektrische Eigenschaft des Analyten zu ermitteln, wobei das Nutzsignal bei einer phasengleichen Anregung des Messzweigs Referenzzweigs eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, und wobei das Nutzsignal bei einer gegenphasigen Anregung des Messzweigs Referenzzweigs eine Summe des Messsignals und des Referenzsignals umfasst. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Beziehung zwischen der Referenzkapazität und der Amplitude des Nutzsignals, die von der Referenzkapazität abhängige Steigung S(Cref) der Amplitude als Funktion der Frequenz oder einen Amplitudenwert bei einer Testfrequenz außerhalb der Resonanzfrequenz. In a further development of the invention, the measuring and operating circuit is set up to vary the reference capacitance and to determine a dielectric property of the analyte on the basis of a relationship between the reference capacitance and an amplitude of the useful signal, with the useful signal having an in-phase excitation of the measuring branch reference branch Comprises difference between the measurement signal and the reference signal, and wherein the useful signal includes a sum of the measurement signal and the reference signal at an anti-phase excitation of the measuring branch reference branch. In a development of the invention, the relationship between the reference capacitance and the amplitude of the useful signal includes the gradient S(C ref ) of the amplitude dependent on the reference capacitance as a function of the frequency or an amplitude value at a test frequency outside the resonant frequency.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet, die Dichte und/oder Viskosität des Analyten zu bestimmen. In a development of the invention, the measuring and operating circuit is set up to determine the density and/or viscosity of the analyte.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Oszillator, einen Cantilever, eine Schwinggabel oder ein Messrohr zum Führen des Analyten. In a development of the invention, the oscillator comprises a cantilever, a tuning fork or a measuring tube for guiding the analyte.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der elektromechanische Wandler einen kapazitiven Wandler, einen piezoelektrischen Wandler oder einen, elektromagnetischen Wandler. In a development of the invention, the electromechanical converter includes a capacitive converter, a piezoelectric converter or an electromagnetic converter.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Resonanzfrequenz fres nicht weniger als 10 kHz insbesondere nicht weniger als 20 kHz, und nicht mehr als 100 kHz, insbesondere nicht mehr als 80 kHz. In a development of the invention, the resonant frequency f res is not less than 10 kHz, in particular not less than 20 kHz, and not more than 100 kHz, in particular not more than 80 kHz.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Referenzkapazität Cref nicht weniger als 1 pF und nicht mehr als 100 pF. In a development of the invention, the reference capacitance C ref is not less than 1 pF and not more than 100 pF.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der elektromechanischen Wandler zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang des Messzweigs angeordnet, und wobei das kapazitive Bauelement zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang des Referenzzweigs angeordnet ist. In a development of the invention, the electromechanical converter is arranged between the signal input and the signal output of the measuring branch, and the capacitive component is arranged between the signal input and the signal output of the reference branch.
In einer Weiterbildung der Erfindung bilden der Messzweig und der Referenzzweig eine Brückenschaltung bilden, die sich in Längsrichtung zwischen einem Brückensignaleingang und einem Brückensignalausgang erstreckt, der auf einem Referenzpotential, insbesondere Schaltungsmasse liegt, wobei der Signaleingang des Messzweigs und der Signaleingang des Referenzzweigs an den Brückensignaleingang angeschlossen sind, welcher mit dem periodischen Erregersignal beaufschlagbar ist, wobei der Messzweig ein Messzweigeingangswiderstandselement aufweist, das zwischen dem Signaleingang des Messzweigs und dem elektromechanischen Wandler angeordnet ist, wobei der Signalausgang des Messzweigs einen ersten diagonalen Signalausgang der Brückenschaltung bildet, der zwischen dem Messzweigeingangswiderstandselement und dem elektromechanischen Wandler angeordnet ist, wobei der Referenzzweig ein Referenzzweigeingangswiderstandselement aufweist, das zwischen dem Signaleingang des Referenzzweigs und dem kapazitiven Bauelement angeordnet ist, wobei der Signalausgang des Referenzzweigs einen zweiten diagonalen Signalausgang der Brückenschaltung bildet, der zwischen dem Referenzzweigeingangswiderstandselement und dem kapazitiven Bauelement angeordnet ist. In one development of the invention, the measuring branch and the reference branch form a bridge circuit that extends in the longitudinal direction between a bridge signal input and a bridge signal output that is at a reference potential, in particular circuit ground, with the signal input of the measuring branch and the signal input of the reference branch being connected to the bridge signal input which can be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having a measuring branch input resistance element which is arranged between the signal input of the measuring branch and the electromechanical converter, wherein the signal output of the measuring branch forms a first diagonal signal output of the bridge circuit, which is arranged between the measuring branch input resistance element and the electromechanical converter, wherein the reference branch has a reference branch input resistance element, which is arranged between the signal input of the reference branch and the capacitive component, the signal output of the reference branch having a forms the second diagonal signal output of the bridge circuit, which is arranged between the reference branch input resistance element and the capacitive component.
Im Ergebnis ermöglichen die erfindungsgemäße Messanordnung bzw. deren Weiterbildungen eine einfache, schnelle und flexible Ermittlung der Parameter des Oszillators Signalerfassung, insbesondere auch bei veränderlicher Streukapazität, womit eine robuste und exakte Bestimmung der Eigenschaften des Analyten möglich ist. As a result, the measuring arrangement according to the invention and its developments enable a simple, fast and flexible determination of the parameters of the oscillator signal detection, in particular also with variable stray capacitance, with which a robust and exact determination of the properties of the analyte is possible.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet, die Referenzkapazität mittels eines Steuersignals einzustellen und dieses Steuersignals zu variieren; wobei ein Nutzsignal gegeben ist, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals bei einer Testfrequenz fT außerhalb einer Resonanz des Oszillators einen von der Referenzkapazität cr abhängigen Wert Ar(Cr) aufweist, der in einem ersten Wertebereich des Steuersignals durch eine monoton fallende erste Funktion des Steuersignals darstellbar ist, der in einem zweiten Wertebereich des Steuersignals durch eine monoton steigende zweite Funktion des Steuersignals darstellbar ist, wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, Werte AT(cr) als Funktion des Steuersignals in dessen erstem Wertebereich und in dessen zweitem Wertebereich zu erfassen, und anhand der erfassten Werte Koeffizienten der ersten Funktion und der zweiten Funktion zu ermitteln, einen Schnittpunkt der ersten Funktion und der zweiten Funktion zu ermitteln, und das Steuersignal auf einen Kontrollwertwert einzustellen der nicht mehr als 5%, beispielsweise nicht mehr als 1% insbesondere nicht mehr 0,2% und bevorzugt nicht mehr als 0,1% von d em Steuersignalwert des Schnittpunkts abweicht. In one development of the invention, the measuring and operating circuit is set up to set the reference capacitance by means of a control signal and to vary this control signal; wherein a useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, wherein an amplitude A of the useful signal at a test frequency f T outside a resonance of the oscillator has a value Ar(Cr) dependent on the reference capacitance c r , which in a first value range of the control signal can be represented by a monotonically decreasing first function of the control signal, which can be represented in a second value range of the control signal by a monotonically increasing second function of the control signal, with the measuring and operating circuit being set up to calculate values A T (c r ) to detect as a function of the control signal in its first value range and in its second value range, and to determine coefficients of the first function and the second function based on the detected values, to determine an intersection of the first function and the second function, and to adjust the control signal to a control value set which deviates from the control signal value of the point of intersection by no more than 5%, for example no more than 1%, in particular no more than 0.2% and preferably no more than 0.1%.
In einer Weiterbildung der Erfindung gilt für das Verhältnis zwischen der Testfrequenz fT und einer Resonanzfrequenz fres des Oszillators: 2 > fT/fres > 1 ,1 oder 2 > fres/fT > 1 ,1. In a development of the invention, the following applies to the ratio between the test frequency f T and a resonant frequency f res of the oscillator: 2>f T /f res >1.1 or 2>f res /fT>1.1.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der von der Referenzkapazität cr abhängige Wert Ar(Cr) der Amplitude des Nutzsignals mit der Testfrequenz fT am Schnittpunkt der ersten Funktion und der zweiten Funktion ein Minimum auf. In einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste Funktion und die zweite Funktion lineare Funktionen. In a further development of the invention, the value Ar(Cr), which is dependent on the reference capacitance cr, of the amplitude of the useful signal at the test frequency fT has a minimum at the point of intersection of the first function and the second function. In a development of the invention, the first function and the second function are linear functions.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet, die Ermittlung eines Messwerts der Resonanzfrequenz fres des Oszillators bei einer Referenzkapazität durchzuführen, die mittels des Kontrollwerts des Steuersignals vorgegeben ist. In one development of the invention, the measuring and operating circuit is set up to determine a measured value of the resonant frequency f res of the oscillator at a reference capacitance that is specified by the control value of the control signal.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: The invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings. It shows:
Fig. 1a: Ein schematisches Diagramm von Phase und Amplitude als Funktion der Frequenz für einen idealen Oszillator ohne parasitäre Kapazität; Fig. 1a: A schematic diagram of phase and amplitude as a function of frequency for an ideal oscillator without parasitic capacitance;
Fig. 1 b: Ein schematisches Diagramm von Phase und Amplitude als Funktion der Frequenz für einen Oszillator unter dem Einfluss einer unkompensierten parasitären Kapazität; Fig. 1b: A schematic diagram of phase and amplitude as a function of frequency for an oscillator under the influence of an uncompensated parasitic capacitance;
Fig. 2a: Den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung; 2a: The basic structure of an exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention;
Fig. 2b: Ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung; 2b: A schematic circuit diagram of a first exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention;
Fig. 3: Messdaten der Amplitude des Messsignals einer erfindungsgemäßen Messanordnung als Funktion der Frequenz in Abhängigkeit einer gewählten Kapazität im Referenzzweig; 3: Measurement data of the amplitude of the measurement signal of a measurement arrangement according to the invention as a function of the frequency as a function of a selected capacitance in the reference branch;
Fig. 4a: Ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung; 4a: A schematic circuit diagram of a second exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention;
Fig. 4b: Ein schematisches Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung; und 4b: A schematic circuit diagram of a third exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention; and
Fig. 5: Ein schematisches Diagramm der Amplitude des Nutzsignals des Oszillators bei Anregung außer Resonanz als Funktion der Diodenspannung der Kapazitätsdiode. Fig. 5: A schematic diagram of the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited out of resonance as a function of the diode voltage of the capacitance diode.
Das in Fig. 1a gezeigte Diagramm repräsentiert einen Idealzustand für die Verläufe von Amplitude (durchgezogene Linie) und Phase (strichpunktierte Linie) eines Signals von einem mechanischen Oszillator als Funktion der Erregerfrequenz im Verhältnis zu dessen Resonanzfrequenz. Anhand der Position des Maximums lassen sich Massebelag bzw. Dichte eines den Oszillator beaufschlagenden Analyten bestimmen. Aus der Resonanzüberhöhung bzw. der Breite des Maximums lässt sich die Güte des Oszillators bzw. die Viskosität des Analyten bestimmen. Ähnliche Informationen sind über den Verlauf der Phase als Funktion der Erregerfrequenz zugänglich. Der oben beschriebene Idealzustand wird jedoch in dem Maße beeinträchtigt, wie der Oszillator eine parasitäre Kapazität aufweist. Durch die parasitäre Kapazität weist die Grundlinie des Amplitudendiagramms eine in erster Näherung lineare Funktion der Frequenz auf deren Hub, je nach Größe der parasitären Kapazität, die Höhe des Resonanzmaximums deutliche übersteigen kann. Gleichermaßen erfährt die Phasenlage eine erhebliche Verschiebung, und es tritt außerhalb der Resonanz eine Antiresonanz auf. Unter diesen Bedingungen ist eine Bestimmung der Resonanzfrequenz und der Güte des Oszillators bzw. der daraus abgeleiteten Eigenschaften des Analyten erschwert. The diagram shown in FIG. 1a represents an ideal state for the amplitude (solid line) and phase (dash-dotted line) curves of a signal from a mechanical oscillator as a function of the excitation frequency in relation to its resonant frequency. The mass coverage or density of an analyte acting on the oscillator can be determined on the basis of the position of the maximum. From the resonance increase or the The quality of the oscillator and the viscosity of the analyte can be determined based on the width of the maximum. Similar information is accessible via the course of the phase as a function of the excitation frequency. However, the ideal situation described above is compromised to the extent that the oscillator exhibits parasitic capacitance. Due to the parasitic capacitance, the base line of the amplitude diagram shows a first approximation linear function of the frequency, the deviation of which, depending on the size of the parasitic capacitance, can significantly exceed the height of the resonance maximum. Likewise, the phasing undergoes a significant shift and anti-resonance occurs off-resonance. Under these conditions, it is difficult to determine the resonant frequency and the quality of the oscillator or the properties of the analyte derived therefrom.
Die Erfindung dient nun dazu, die adversen Effekte der parasitären Kapazität auf einfache Weise zu reduzieren. Hierzu wird eine veränderliche Referenzkapazität so gewählt, dass eine Signalamplitude in einem Frequenzbereich, der erwartbar außerhalb der gesuchten Resonanz liegt und im Diagramm mit einer Ellipse gekennzeichnet ist, minimiert wird und insbesondere verschwindet. The invention now serves to reduce the adverse effects of the parasitic capacitance in a simple manner. For this purpose, a variable reference capacitance is selected in such a way that a signal amplitude in a frequency range that is expected to be outside of the desired resonance and is marked with an ellipse in the diagram is minimized and, in particular, disappears.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun anhand der Fign. 2a und 2b erläutert. Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 umfasst einen mikromechanischen, schwingfähigen und piezoelektrisch anregbaren Cantilever 20 als Oszillator, wobei die Schwingungen des Cantilevers 20 ebenfalls piezoelektrisch zu erfassen sind. Der Cantilever 20 ist mit einem Analyten, insbesondere Brenngas beaufschlagbar, um dessen Dichte und Viskosität zu ermitteln. Die Resonanzfrequenz des Oszillators nimmt beispielsweise Werte im Bereich von 30 kHz bis 90 kHz an, wobei der genaue Wert jeweils von der Dichte eines Analyten abhängt, mit dem der Oszillator beaufschlagt ist. Die Güte des Oszillators kann dabei beispielsweise 50 bis 1000 betragen. An exemplary embodiment of a device according to the invention will now be illustrated with reference to FIGS. 2a and 2b explained. The exemplary embodiment of the measuring arrangement 1 according to the invention comprises a micromechanical, oscillatable and piezoelectrically excitable cantilever 20 as an oscillator, with the oscillations of the cantilever 20 likewise being able to be detected piezoelectrically. An analyte, in particular fuel gas, can be applied to the cantilever 20 in order to determine its density and viscosity. The resonant frequency of the oscillator assumes values in the range from 30 kHz to 90 kHz, for example, with the precise value depending on the density of an analyte with which the oscillator is exposed. The quality of the oscillator can be 50 to 1000, for example.
Die Messanordnung 1 umfasst weiterhin eine Mess- und Betriebsschaltung 10 mit einer Auswertungseinheit 11 und einem Messzweig 14 mit dem piezoelektrischen Erreger, wobei der Messzweig 14 dem Cantilever 20 zugeordnet ist. Das elektrische Verhalten des Messzweigs 14 kann mit einem Ersatzschaltbild mit Messkapazität cm, Messinduktivität Lm und einem Messwiderstand Rm modelliert werden, wobei die Größen der genannten Komponenten des Ersatzschalbildes bekannt sind. Der Messzweig 14 umfasst weiterhin eine unbekannte und veränderliche parasitäre Kapazität cp, die als zwischen einem Signaleingang und einem Signalausgang des Messzweigs parallel zu den vorgenannten Komponenten angeordnet modelliert werden kann. Die Auswertungseinheit 11 umfasst einen Referenzzweig 15, mit einer veränderlich einstellbaren Referenzkapazität cr, die eine Kapazitätsdiode aufweist, und die dazu dient den Effekt der parasitären Kapazität cp zu neutralisieren. The measuring arrangement 1 also includes a measuring and operating circuit 10 with an evaluation unit 11 and a measuring branch 14 with the piezoelectric exciter, the measuring branch 14 being assigned to the cantilever 20 . The electrical behavior of the measuring branch 14 can be modeled with an equivalent circuit diagram with a measuring capacitance c m , measuring inductance L m and a measuring resistor R m , the sizes of the named components of the equivalent circuit diagram being known. The measuring branch 14 further comprises an unknown and variable parasitic capacitance c p which can be modeled as being arranged between a signal input and a signal output of the measuring branch in parallel with the aforementioned components. The evaluation unit 11 includes a reference branch 15 with a variably adjustable reference capacitance c r , which has a capacitance diode and which serves to neutralize the effect of the parasitic capacitance c p .
Die Auswertungseinheit 11 umfasst weiterhin einen Signalgenerator 12 zum Bereitstellen eines periodischen Erregersignals Ue, welches am Signaleingang des Messzweigs anliegt, und dessen negativer Wert bzw. um 180° phasenverschobener Wert -Ue am Signaleingang des Referenzzweigs anliegt. The evaluation unit 11 also includes a signal generator 12 for providing a periodic excitation signal U e which is present at the signal input of the measuring branch and whose negative value or value -U e phase-shifted by 180° is present at the signal input of the reference branch.
Die Auswertungseinheit 11 umfasst einen Addierer 16, der einen Operationsverstärker umfasst, und der die Ausgangssignale des Messzweigs 14 und des Referenzzweigs 15 addiert. Das Ausgangssignal des Messzweigs 14 ist ein Messstrom lm, welche um einen Störstrom lp aufgrund der parasitäten Kapazität cp verfälscht ist. Das Ausgangssignal des Referenzzweigs ist einen Referenzsstrom lr, der im Idealfall den negativen Wert des Störstroms annimmt, so dass gilt: lr = - lp- The evaluation unit 11 includes an adder 16 which includes an operational amplifier and which adds the output signals of the measuring branch 14 and the reference branch 15 . The output signal of the measuring branch 14 is a measuring current l m , which is corrupted by an interference current l p due to the parasitic capacitance c p . The output signal of the reference branch is a reference current l r , which ideally assumes the negative value of the interference current, so that the following applies: lr = - lp-
Die Auswertungseinheit 11 umfasst weiterhin einen Mikrocontroller 18, mit einem Analogeingang, der mit dem Signalausgang des Addierers verbunden ist, um ein Nutzsignal vom Signalausgang des Addierers zu empfangen. Hier ist das Nutzsignal eine Oszillatorstrom l0, dessen Wert lm + lr beträgt, also genau dann charakteristisch für einen Oszillator ist, dessen Signal nicht durch eine parasitäre Kapazität verfälscht ist, wenn die Referenzkapaziät cr so eingestellt ist, dass sie der parasitären Kapazität cp entspricht. Hierzu ist der Mikrocontroller 18 dazu eingerichtet, ein Analogsignal UDc an einem ersten Analogausgang zum Steuern der Kapazitätsdiode auszugeben, dass deren Referenzkapazität cr den gewünschten Wert annimmt. Die Referenzkapazität cr kann beispielsweise Werte zwischen 1 pF und 100 pF annehmen. Als Kriterium, ob die Referenzkapazität erreicht hat, kann einerseits durch Variieren der Referenzkapazität cr die Amplitude A von Io bei einer Erregerfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz fres des Oszillators minimiert werden, wie in Fig. 1b angedeutet ist, oder durch Variieren der Referenzkapazität cr kann die mittlere Steigung der Amplitude A von l0 außerhalb der Resonanzfrequenz fres des Oszillators minimiert werden. Die mittlere Steigung der Amplitude A von l0 welches außerhalb der Resonanzfrequenz fres des Oszillators kann dazu beispielsweise als Differenzenquotient bestimmt werden gemäß:
Figure imgf000010_0001
mit: a > 1 ,5, wobei fres eine gemessene Resonanzfrequenz einer Schwingungsmode desThe evaluation unit 11 also includes a microcontroller 18 with an analog input which is connected to the signal output of the adder in order to receive a useful signal from the signal output of the adder. Here the useful signal is an oscillator current l 0 , the value of which is l m + lr, i.e. it is characteristic of an oscillator whose signal is not corrupted by a parasitic capacitance if the reference capacitance c r is set in such a way that it corresponds to the parasitic capacitance c corresponds to p . For this purpose, the microcontroller 18 is set up to output an analog signal U D c at a first analog output for controlling the varactor diode so that its reference capacitance c r assumes the desired value. The reference capacitance c r can assume values between 1 pF and 100 pF, for example. As a criterion for whether the reference capacitance has been reached, the amplitude A of Io at an excitation frequency above the resonant frequency f res of the oscillator can be minimized by varying the reference capacitance cr, as indicated in FIG. 1b, or by varying the reference capacitance cr the mean slope of the amplitude A of l 0 outside the resonant frequency f res of the oscillator can be minimized. The average slope of the amplitude A of l 0 which is outside the resonant frequency fres of the oscillator can be determined, for example, as a difference quotient according to:
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with: a> 1.5, where f res is a measured resonant frequency of a vibration mode of the
Oszillators ist. Der Mikrocontroller 18 oder eine andere digitale Signalverarbeitungseinheit weist weiterhin einen zweiten Analogausgang auf mit dessen Ausgangssignal die Frequenz des Erregersignals Ue gesteuert wird. oscillator is. The microcontroller 18 or another digital signal processing unit also has a second analog output with whose output signal the frequency of the excitation signal U e is controlled.
Fig 3. zeigt schließlich Messdaten, von der frequenzabhängigen Amplitude des Nutzsignals mit der Referenzkapazität als veränderlichen Parameter zwischen den verschiedenen Messkurven, wobei die Amplitude des Nutzsignals hier als Stromwert und nicht als Spannungswert angegeben ist. Die Messkurve (i) wurde mit Referenzkapazität cr = 0 aufgenommen, d.h. es fand praktisch keinerlei Kompensation der parasitären Kapazität statt. Für die Messkurven (ii) und (iii) betrug die parasitäte Kapazität 24,3 pF bzw. 26,8 pF. Die Kurven zeigen schon deutliche Verbesserungen gegenüber der Situation von Kurve (i), aber die Referenzkapazität ist immer noch zu niedrig, da immer noch eine Antiresonanz auftritt. Erst mit einer Referenzkapazität cr = 28,3 pF verschwindet die Antiresonanz und die Basislinie weist außerhalb der Resonanzfrequenz eine erheblich reduzierte Amplitude auf. Mit der solchermaßen eingestellten Referenzkapazität ist die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingestellt, die Resonanzfrequenz und die Güte des Oszillators zu ermitteln und damit die Dichte und/oder Viskosität des Analyten zu bestimmen. Finally, FIG. 3 shows measurement data of the frequency-dependent amplitude of the useful signal with the reference capacitance as a variable parameter between the various measurement curves, the amplitude of the useful signal being specified here as a current value and not as a voltage value. The measurement curve (i) was recorded with reference capacitance cr = 0, ie there was practically no compensation for the parasitic capacitance. For traces (ii) and (iii), the parasitic capacitance was 24.3 pF and 26.8 pF, respectively. The curves already show clear improvements compared to the situation of curve (i), but the reference capacitance is still too low since anti-resonance still occurs. The anti-resonance only disappears with a reference capacitance c r = 28.3 pF and the baseline shows a considerably reduced amplitude outside the resonance frequency. With the reference capacitance set in this way, the measuring and operating circuit is set to determine the resonant frequency and the quality of the oscillator and thus to determine the density and/or viscosity of the analyte.
Weiterhin ist die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet, anhand einer Beziehung zwischen der Referenzkapazität und einer Amplitude des Nutzsignals, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, eine dielektrische Eigenschaft des Analyten zu ermitteln, wobei die Beziehung zwischen der Referenzkapazität und der Amplitude des Nutzsignals, die von der Referenzkapazität abhängige Steigung S(cr) der Amplitude als Funktion der Frequenz. Furthermore, the measuring and operating circuit is set up to determine a dielectric property of the analyte based on a relationship between the reference capacitance and an amplitude of the useful signal, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, the relationship between the reference capacitance and the amplitude of the useful signal, the slope S(c r ) of the amplitude, which depends on the reference capacitance, as a function of the frequency.
Das in Fig 4a gezeigte schematische Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels 110 einer erfindungsgemäßen Messanordnung und das in Fig 4b gezeigte schematische Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels 210 einer erfindungsgemäßen Messanordnung stellen Schaltungen dar, in denen die Kompensation des Effekts der parasitären Kapazitäten über die Differenzbildung zwischen Spannungssignalen aus dem Messzweig 114; 214 und dem Referenzzweig 115; 215 erfolgt, indem die jeweiligen Spannungssignale von den Signalausgängen des Messzweigs und des Referenzzweigs einem Differenzverstärker 116; 216 zugeführt werden. Der Signalausgang des Differenzverstärkers 116; 216 ist wiederum an einen Signaleingang eines digitalen Signalprozessors, beispielsweise eines Mikrocontrollers 118; 218 angeschlossen, wobei letzterer auch die einstellbare Referenzkapazität Zr steuert, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist. The schematic circuit diagram shown in Fig. 4a of a second exemplary embodiment 110 of a measuring arrangement according to the invention and the schematic circuit diagram shown in Fig. 4b of a third exemplary embodiment 210 of a measuring arrangement according to the invention represent circuits in which the compensation for the effect of the parasitic capacitances is carried out by forming the difference between voltage signals from the measuring branch 114; 214 and the reference branch 115; 215 takes place in that the respective voltage signals from the signal outputs of the measuring branch and the reference branch are fed to a differential amplifier 116; 216 are supplied. The signal output of the differential amplifier 116; 216 is in turn connected to a signal input of a digital signal processor, for example a microcontroller 118; 218 connected, the latter also controlling the adjustable reference capacitance Z r , as illustrated in connection with the first exemplary embodiment.
Der Messzweig 114; 214 und der Referenzzweig 115; 215 bilden jeweils einen Spannungsteiler, die Zusammen gewissermaßen eine Brückenschaltung bilden deren Diagonalspannung dem Differenz Verstärker 116; 216 zugeführt wird. Die Brücke umfasst Eingangswiderstandselemente Zi, Z2 von Mess- und Referenzzweig in der Größenordnung von einigen 100 kQ sowie eine Messzweigkapazität Zm, im Messzweig, welche durch eine unbekannte parasitäre Kapazität beeinflusst ist, und die Referenzkapazität Zr im Referenzzweig, welche mittels einer hier nicht gesondert dargestellten Kapazitätsdiode einstellbar ist. The measuring branch 114; 214 and the reference branch 115; 215 each form a voltage divider, which together form a bridge circuit, so to speak, whose diagonal voltage is fed to the differential amplifier 116; 216 is supplied. The bridge includes Input resistance elements Zi, Z 2 of the measurement and reference branch in the order of a few 100 kΩ and a measurement branch capacitance Z m in the measurement branch, which is influenced by an unknown parasitic capacitance, and the reference capacitance Z r in the reference branch, which is determined by means of a not shown separately here Capacitance diode is adjustable.
Die Brückenschaltung wird jeweils mit einem Erregersignal als Längsspannung beaufschlagt, wobei hierzu die Längseingänge der Brückenschaltung beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a mit einer Erregerspannungsquelle zur Bereitstellung einer Erregerspannung Ue und Schaltungsmasse verbunden sind, während beide Längseingänge der Brückenschaltung beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4b mit einer Erregerspannungsquelle zur Bereitstellung einer Erregerspannung +Ue und -Ue verbunden sind. An excitation signal is applied to the bridge circuit as a longitudinal voltage, with the longitudinal inputs of the bridge circuit being connected to an excitation voltage source to provide an excitation voltage U e and circuit ground in the second exemplary embodiment according to FIG. 4a, while both longitudinal inputs of the bridge circuit are connected in the third exemplary embodiment according to FIG are connected to an excitation voltage source for providing an excitation voltage +U e and -U e .
Hinsichtlich der Betriebsweise des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiels entsprechend. With regard to the mode of operation of the second and third exemplary embodiment, the statements relating to the first exemplary embodiment apply accordingly.
Anhand von Fig. 5 wird im Folgenden eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Mess- und Betriebsschaltung der Erfindungsgemäßen Messanordnung erläutert. Wie im Zusammenhang mit Fign. 1 b und 3 ausgeführt, ist die Amplitude des Nutzsignals des Oszillators bei Anregung außer Resonanz durch Variation der Kapazität der Kapazitätsdiode im Referenzzweig zu minimieren und im Idealfall auf Null zu regeln, um die korrekt Referenzkapazität zu finden. Hierbei erweist es sich als schwierig, das Minimum bzw. die Null zu treffen, da das Nutzsignal von Rauschen überlagert ist. Fig. 5 zeigt Messdaten der Amplitude des Nutzsignals des Oszillators bei Anregung außer Resonanz als Funktion der Diodenspannung der Kapazitätsdiode, welche eine monotone, in erster Näherung in einem begrenzten Wertebereich lineare, Funktion der Kapazität der Kapazitätsdiode ist. Die Amplitude des Nutzsignals des Oszillators bei Anregung außer Resonanz ist in einem ersten, mit (i) gekennzeichneten Bereich eine streng monoton fallende Funktion der Diodenspannung. In einem mit (ii) gekennzeichneten Bereich ist die Amplitude des Nutzsignals dagegen eine monoton steigende Funktion der Diodenspannung. Am Schnittpunkt der steigenden Funktion und der fallenden Funktion im mit (iii) gekennzeichneten Bereich ist die Amplitude des Nutzsignals des Oszillators bei Anregung außer Resonanz minimal, insbesondere Null. Da in diesem Bereich das Nutzsignal von Rauschen überlagert ist, kann es schwierig sein, den exakten Wert der Diodenspannung bzw. die Referenzkapazität durch Regeln der Amplitude des Nutzsignals auf Null zu ermitteln. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird stattdessen der Schnittpunkt der monoton steigenden Funktion und der Monoton fallenden Funktion ermittelt, indem anhand von Messdaten der Amplitude des Nutzsignals in den Bereichen (i) und (ii) jeweils Koeffizienten einer beispielsweise linearen Funktion a-i(U) = Cn • U + Cm und a2(U) = Ci2 • U + c02 mittels Regressionsrechnung bestimmt werden, und der Schnittpunkt dann durch Lösen der Gleichung a-i(U) = a2(U) ermittelt wird mit U = (C02 - C01) / (C11 - C12). A further advantageous embodiment of the measuring and operating circuit of the measuring arrangement according to the invention is explained below with reference to FIG. 5 . As in connection with Figs. 1 b and 3, the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited outside of resonance is to be minimized by varying the capacitance of the varactor diode in the reference branch and ideally regulated to zero in order to find the correct reference capacitance. In this case, it proves to be difficult to hit the minimum or the zero, since the useful signal is overlaid with noise. 5 shows measured data of the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited out of resonance as a function of the diode voltage of the varactor diode, which is a monotonous function of the capacitance of the varactor diode that is linear in a first approximation in a limited value range. The amplitude of the useful signal of the oscillator when excited out of resonance is a strictly monotonically falling function of the diode voltage in a first range marked (i). In contrast, in a region marked (ii), the amplitude of the useful signal is a monotonically increasing function of the diode voltage. At the point of intersection of the rising function and the falling function in the area marked (iii), the amplitude of the useful signal of the oscillator when excited outside of resonance is minimal, in particular zero. Since noise is superimposed on the useful signal in this range, it can be difficult to determine the exact value of the diode voltage or the reference capacitance by regulating the amplitude of the useful signal to zero. In this embodiment of the invention, the point of intersection of the monotonically increasing function and the monotonically decreasing function is instead determined by using measurement data of the amplitude of the useful signal in areas (i) and (ii) to determine coefficients of a linear function, for example, ai(U)=Cn • U + Cm and a 2 (U) = Ci 2 • U + c 02 are determined by regression calculation, and the intersection point is then found by solving the equation ai(U) = a 2 (U) with U = (C02 - C01) / (C11 - C12).
Auf diese Weise lässt sich die Diodenspannung zur Einstellung der Referenzkapazität mit großer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ermitteln. Dies ermöglicht im Ergebnis eine hochgenaue Ermittlung der Resonanzfrequenz des Oszillators bei hervorragender Reproduzierbarkeit. In this way, the diode voltage for setting the reference capacitance can be determined with great accuracy and reproducibility. As a result, this enables the resonant frequency of the oscillator to be determined with high precision and excellent reproducibility.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Messanordnung (1), umfassend: einen zumindest abschnittsweise mit einem Analyten beaufschlagbaren mikromechanischen Oszillator (14a), wobei eine Resonanzfrequenz zumindest einer Schwingungsmode des Oszillators von einer Dichte des Analyten abhängt; und eine Mess- und Betriebsschaltung (10) zum Bereitstellen eines periodischen Erregersignals und zum Auswerten von zumindest einer Eigenschaft der zumindest einen Schwingungsmode des Oszillators (14a), wobei die Mess- und Betriebsschaltung (10) einen Messzweig (14) und einen Referenzzweig (15) mit jeweils einem Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei die beiden Signaleingänge dazu eingerichtet sind, mit dem periodischen Erregersignal beaufschlagt zu werden, wobei der Messzweig (14) einen elektromechanischen Wandler aufweist, mit dem die mindestens eine Schwingungsmode des Oszillators (14a) anzuregen ist, wobei der Messzweig eine parasitäre Kapazität (cp) aufweist, wobei der Referenzzweig ein kapazitives Bauelement mit einstellbarer Referenzkapazität (cr) zum Kompensieren eines Einflusses der parasitären Kapazität aufweist, wobei die Mess- und Betriebsschaltung (10) eingerichtet ist ein Messsignal am Signalausgang des Messzweiges in Bezug auf ein Referenzsignal am Signalausgang des Referenzzweigs auszuwerten. 1. Measuring arrangement (1), comprising: a micromechanical oscillator (14a) to which an analyte can be applied at least in sections, wherein a resonant frequency of at least one oscillation mode of the oscillator depends on a density of the analyte; and a measuring and operating circuit (10) for providing a periodic excitation signal and for evaluating at least one property of the at least one oscillation mode of the oscillator (14a), wherein the measuring and operating circuit (10) has a measuring branch (14) and a reference branch (15 ) each having a signal input and a signal output, the two signal inputs being set up to be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch (14) having an electromechanical converter with which the at least one oscillation mode of the oscillator (14a) is to be excited , the measurement branch having a parasitic capacitance (c p ), the reference branch having a capacitive component with an adjustable reference capacitance (c r ) for compensating for an influence of the parasitic capacitance, the measurement and operating circuit (10) being set up to output a measurement signal at the signal output of the measuring branch in relation to a reference signal at the signal output of the reference branch.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 , wobei das einstellbare kapazitive Bauelement eine Kapazitätsdiode umfasst. 2. Measuring arrangement according to claim 1, wherein the adjustable capacitive component comprises a capacitance diode.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 , wobei das einstellbare kapazitive Bauelement ein Netzwerk von Kondensatoren, Kapazitätsdioden und/oder von integrierten Schaltkreisen umfasst. 3. Measuring arrangement according to claim 1, wherein the adjustable capacitive component comprises a network of capacitors, varactor diodes and/or integrated circuits.
4. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Basislinie des Nutzsignals gegeben ist, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals außerhalb von Resonanzen des Oszillatorkörpers eine Kapazitätsabhängige mittlere Steigung S(C) aufweist, die gegeben ist als:
Figure imgf000015_0001
für einen Parameter a, für den gilt: 2 > a > 1 ,1 , wobei fres eine gemessene Resonanzfrequenz einer Schwingungsmode des Oszillators ist, wobei die Referenzkapazität C des kapazitiven Bauelements so eingestellt ist, dass der Betrag der Steigung |S(Cref)| nicht mehr als die Hälfte des Betrags der Steigung |S(0)| bei einer Referenzkapazität von 0 beträgt. 4. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein a baseline of the useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, wherein an amplitude A of the useful signal outside of resonances of the oscillator body has a capacitance-dependent mean slope S(C) which is given as:
Figure imgf000015_0001
for a parameter a for which the following applies: 2 > a > 1 .1 , where f res is a measured resonant frequency of an oscillation mode of the oscillator, with the reference capacitance C of the capacitive component being set such that the magnitude of the slope |S(C re f)| no more than half the magnitude of the slope |S(0)| with a reference capacitance of 0.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Basislinie des Nutzsignals gegeben ist, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals als Funktion der Erregerfrequenz f eine für einen Parameter a zwischen 1/a * fres und 3* fres mittels linearer Regression ermittelte, von der Referenzkapazität abhängige mittlere Steigung S(Cref) aufweist, wobei 2 > a > 1 ,1 , wobei fres eine gemessene Resonanzfrequenz der Schwingungsmode des Oszillators ist, wobei die Referenzkapazität (Cref) des kapazitiven Bauelements so eingestellt ist, dass der Betrag der Steigung |S(Cref)| nicht mehr als die Hälfte des Betrags der Steigung |S(0)| bei einer Referenzkapazität von 0 beträgt. 5. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein a baseline of the useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal as a function of the excitation frequency f for a parameter a between 1/a * fres and 3* fres determined by means of linear regression and dependent on the reference capacitance, mean slope S(C re f ), where 2 > a > 1.1 , where f res is a measured resonant frequency of the oscillation mode of the oscillator, with the reference capacitance ( C ref ) of the capacitive component is set such that the magnitude of the slope |S(C ref )| no more than half the magnitude of the slope |S(0)| with a reference capacitance of 0.
6. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Basislinie des Nutzsignals gegeben ist, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals außerhalb einer Resonanz des Oszillators bei einer Testfrequenz fT einen von der Referenzkapazität cr abhängigen Wert AT(cr) aufweist, wobei die Referenzkapazität cr des kapazitiven Bauelements so eingestellt ist, dass der Wert der Amplitude AT(cr) nicht mehr als die Hälfte, insbesondere nicht mehr als ein Viertel des Werts der Amplitude AT(0) bei einer Referenzkapazität von 0 beträgt, wobei 2 > fr/fres > 1 ,1 oder 2 > fres/fr > 1 ,1. 14 6. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein a baseline of the useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, with an amplitude A of the useful signal outside of a resonance of the oscillator at a test frequency f T one of the reference capacitance c r dependent value A T (c r ), the reference capacitance c r of the capacitive component being set in such a way that the value of the amplitude A T (c r ) is no more than half, in particular no more than a quarter, of the value of the amplitude A T (0) at a reference capacitance of 0, where 2>fr/fres>1.1 or 2>fres/fr>1.1. 14
7. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Referenzkapazität zu variieren, und anhand einer Beziehung zwischen der Referenzkapazität und einer Amplitude des Nutzsignals eine dielektrische Eigenschaft des Analyten zu ermitteln, wobei das Nutzsignal bei einer phasengleichen Anregung des Messzweigs Referenzzweigs eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, und wobei das Nutzsignal bei einer gegenphasigen Anregung des Messzweigs Referenzzweigs eine Summe des Messsignals und des Referenzsignals umfasst. 7. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the measuring and operating circuit is set up to vary the reference capacitance and to determine a dielectric property of the analyte on the basis of a relationship between the reference capacitance and an amplitude of the useful signal, the useful signal being in phase with one another Excitation of the measurement branch reference branch includes a difference between the measurement signal and the reference signal, and wherein the useful signal at an anti-phase excitation of the measurement branch reference branch includes a sum of the measurement signal and the reference signal.
8. Messanordnung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Beziehung zwischen der Referenzkapazität und der Amplitude des Nutzsignals, die von der Referenzkapazität abhängige Steigung S(Cref) der Amplitude als Funktion der Frequenz oder einen Amplitudenwert bei einer Testfrequenz außerhalb der Resonanzfrequenz umfasst. 8. Measuring arrangement according to claim 7 and one of claims 4 to 5, wherein the relationship between the reference capacitance and the amplitude of the useful signal, the slope S(C ref ) of the amplitude dependent on the reference capacitance as a function of the frequency or an amplitude value at a test frequency includes outside the resonance frequency.
9. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Dichte und/oder Viskosität des Analyten zu bestimmen. 9. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the measuring and operating circuit is set up to determine the density and/or viscosity of the analyte.
10. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oszillator, einen Cantilever, eine Schwinggabel oder ein Messrohr zum Führen des Analyten umfasst. 10. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the oscillator comprises a cantilever, a tuning fork or a measuring tube for guiding the analyte.
11 . Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektromechanische Wandler einen kapazitiven Wandler, einen piezoelektrischen Wandler oder einen, elektromagnetischen Wandler umfasst. 11 . Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the electromechanical converter comprises a capacitive converter, a piezoelectric converter or an electromagnetic converter.
12. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Resonanzfrequenz fres nicht weniger als 10 kHz insbesondere nicht weniger als 20 kHz, und nicht mehr als 100 kHz, insbesondere nicht mehr als 80 kHz ... beträgt. 12. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the resonant frequency f res is not less than 10 kHz, in particular not less than 20 kHz, and not more than 100 kHz, in particular not more than 80 kHz.
13. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzkapazität Cref nicht weniger als 1 pF und nicht mehr als 100 pF beträgt. 13. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the reference capacitance C ref is not less than 1 pF and not more than 100 pF.
14. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 15 wobei der elektromechanischen Wandler zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang des Messzweigs angeordnet ist, und wobei das kapazitive Bauelement zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang des Referenzzweigs angeordnet ist 14. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, 15 wherein the electromechanical converter is arranged between the signal input and the signal output of the measuring branch, and wherein the capacitive component is arranged between the signal input and the signal output of the reference branch
15. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Messzweig und der Referenzzweig eine Brückenschaltung bilden, die sich in Längsrichtung zwischen einem Brückensignaleingang und einem Brückensignalausgang erstreckt, der auf einem Referenzpotential, insbesondere Schaltungsmasse liegt, wobei der Signaleingang des Messzweigs und der Signaleingang des Referenzzweigs an den Brückensignaleingang angeschlossen sind, welcher mit dem periodischen Erregersignal beaufschlagbar ist, wobei der Messzweig ein Messzweigeingangswiderstandselement aufweist, das zwischen dem Signaleingang des Messzweigs und dem elektromechanischen Wandler angeordnet ist, wobei der Signalausgang des Messzweigs einen ersten diagonalen Signalausgang der Brückenschaltung bildet, der zwischen dem Messzweigeingangswiderstandselement und dem elektromechanischen Wandler angeordnet ist, wobei der Referenzzweig ein Referenzzweigeingangswiderstandselement aufweist, das zwischen dem Signaleingang des Referenzzweigs und dem kapazitiven Bauelement angeordnet ist, wobei der Signalausgang des Referenzzweigs einen zweiten diagonalen Signalausgang der Brückenschaltung bildet, der zwischen dem Referenzzweigeingangswiderstandselement und dem kapazitiven Bauelement angeordnet ist. 15. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 13, wherein the measuring branch and the reference branch form a bridge circuit which extends in the longitudinal direction between a bridge signal input and a bridge signal output which is at a reference potential, in particular circuit ground, the signal input of the measuring branch and the signal input of the reference branch are connected to the bridge signal input, which can be acted upon by the periodic excitation signal, the measuring branch having a measuring branch input resistance element which is arranged between the signal input of the measuring branch and the electromechanical converter, the signal output of the measuring branch forming a first diagonal signal output of the bridge circuit, the is arranged between the measuring branch input resistance element and the electromechanical converter, the reference branch having a reference branch input resistance element, which is arranged between the signal input of the reference branch and the capacitive component, the signal output of the reference branch forming a second diagonal signal output of the bridge circuit, which is between the reference branch input resistance element and the capacitive Component is arranged.
16. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Referenzkapazität mittels eines Steuersignals einzustellen und dieses Steuersignals zu variieren; wobei ein Nutzsignal gegeben ist, welches eine Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst, wobei eine Amplitude A des Nutzsignals bei einer Testfrequenz fT außerhalb einer Resonanz des Oszillators einen von der Referenzkapazität cr abhängigen Wert Ar(Cr) aufweist, der in einem ersten Wertebereich des Steuersignals durch eine monoton fallende 16 erste Funktion des Steuersignals darstellbar ist, der in einem zweiten Wertebereich des Steuersignals durch eine monoton steigende zweite Funktion des Steuersignals darstellbar ist, wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, 16. Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the measuring and operating circuit is set up to set the reference capacitance by means of a control signal and to vary this control signal; wherein a useful signal is given, which comprises a difference between the measurement signal and the reference signal, wherein an amplitude A of the useful signal at a test frequency f T outside a resonance of the oscillator has a value Ar(Cr) dependent on the reference capacitance c r , which in a first value range of the control signal by a monotonically falling 16 first function of the control signal can be represented, which can be represented in a second value range of the control signal by a monotonically increasing second function of the control signal, the measuring and operating circuit being set up for this purpose,
Werte AT(cr) als Funktion des Steuersignals in dessen erstem Wertebereich und in dessen zweitem Wertebereich zu erfassen, und anhand der erfassten Werte Koeffizienten der ersten Funktion und der zweiten Funktion zu ermitteln, einen Schnittpunkt der ersten Funktion und der zweiten Funktion zu ermitteln, und das Steuersignal auf einen Kontrollwertwert einzustellen der nicht mehr als 5%, beispielsweise nicht mehr als 1% insbesondere nicht mehr 0,2% und bevorzugt nicht mehr als 0,1% von dem Steuersignalwert des Schnittpunkts abweicht. detecting values A T (c r ) as a function of the control signal in its first value range and in its second value range, and using the detected values to determine coefficients of the first function and the second function, to determine an intersection of the first function and the second function , and to set the control signal to a control value which deviates from the control signal value of the intersection point by no more than 5%, for example no more than 1%, in particular no more than 0.2% and preferably no more than 0.1%.
17. Messanordnung nach Anspruch 16, wobei für das Verhältnis zwischen der Testfrequenz fT und einer Resonanzfrequenz fres des Oszillators gilt: 2 > fT/fres > 1 ,1 oder 2 > fres/fT > 1 ,1. 17. Measuring arrangement according to claim 16, wherein the following applies to the ratio between the test frequency f T and a resonant frequency f res of the oscillator: 2>f T /f res >1.1 or 2>f res /fT>1.1.
18. Messanordnung nach Anspruch 16 oder 17, wobei der von der Referenzkapazität cr abhängige Wert AT(cr) der Amplitude des Nutzsignals mit der Testfrequenz fT am Schnittpunkt der ersten Funktion und der zweiten Funktion ein Minimum aufweist. 18. Measuring arrangement according to claim 16 or 17, wherein the value A T (c r ), dependent on the reference capacitance cr , of the amplitude of the useful signal with the test frequency f T has a minimum at the intersection of the first function and the second function.
19. Messanordnung nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei die erste Funktion und die zweite Funktion lineare Funktionen sind. 19. Measuring arrangement according to claim 16, 17 or 18, wherein the first function and the second function are linear functions.
20. Messanordnung nach Anspruch 16 bis 19, wobei die Mess- und Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Ermittlung eines Messwerts der Resonanzfrequenz fres des Oszillators bei einer Referenzkapazität durchzuführen, die mittels des Kontrollwerts des Steuersignals vorgegeben ist. 20. Measuring arrangement according to claims 16 to 19, wherein the measuring and operating circuit is set up to determine a measured value of the resonant frequency f res of the oscillator at a reference capacitance which is predetermined by means of the control value of the control signal.
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