JP2003502617A - Sensor device for measuring physical properties of liquids - Google Patents
Sensor device for measuring physical properties of liquidsInfo
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Abstract
(57)【要約】 所定の波モードを有する音響学的表面波を発生させかつ検出する電気音響的変換器（３、４）を備えており、これらの電気音響的変換器の拡張挙動から液体の物理的性質、殊に粘度についての１つの尺度が測定可能である、液体の物理的大きさを測定するためのセンサー装置が提案されている。センサー装置は、基板（１）上に取り付けられており、この基板上に導体路構造体が、粘度を測定するための電気音響的変換器（３、４）とともに導電率を測定するための装置、誘電率を測定するための装置および温度を測定するための装置が形成されるように配置されている。 (57) [Summary] Electroacoustic transducers (3, 4) for generating and detecting acoustic surface waves having a predetermined wave mode are provided. A sensor device has been proposed for measuring the physical size of a liquid, in which a measure of its physical properties, in particular its viscosity, can be measured. The sensor device is mounted on a substrate (1), on which a conductor track structure is provided with an electroacoustic transducer (3, 4) for measuring viscosity, and a device for measuring electrical conductivity. , A device for measuring the dielectric constant and a device for measuring the temperature are arranged.
Description
【０００１】
技術分野
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、液体の物理的性質を測定するた
めのセンサー装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sensor device for measuring a physical property of a liquid as described in the preamble of claim 1.
【０００２】
例えば、所謂音響学的ＳＡＷ構造素子または表面波構造素子（SAW=Surface Ac
oustic Wave）を有する微細音響学的（mikroakustische）センサー装置は、液体
中での多種多様な物理的大きさについてのセンサーとして使用される。この場合
、電気的大きさ、例えば誘電率および／または導電率の測定、機械的大きさ、例
えば密度および／または粘度の測定は、１つの重要な範囲を形成する。For example, so-called acoustic SAW structure elements or surface wave structure elements (SAW = Surface Ac)
Micro-acoustic (mikroakustische) sensor devices with oustic waves are used as sensors for a wide variety of physical dimensions in liquids. In this case, the measurement of electrical dimensions, such as permittivity and / or conductivity, mechanical dimensions, such as density and / or viscosity, form one important range.
【０００３】
公知のセンサー装置の場合には、例えば専門誌Sensors and Actuators A56(19
96), 第211〜219頁中の J. Du, G.L. Hardling, P.R. OgilvyおよびM. Lakeの論
文”A study of Love-wave acoustic sensors”に記載されている測定原理から
出発する。この論文の中に記載された測定構造を用いた場合には、水平方向に極
性化された音響学的剪断波、所謂漏洩波もしくはサーフィス・スキミング・バル
ク・ウェイブ（Surface Skimming Bulk Wave）(SSBW波)またはラヴ波で作業され
るようなセンサーが実現されている。この音響学的波モードは、前記の公知技術
水準から公知の所謂インターデジタル変換器で発生され、また検出され、したが
って拡張区間または測定区間に対する拡張挙動から所望のセンサー信号を取得す
ることができる。In the case of known sensor devices, for example, the specialized magazine Sensors and Actuators A56 (19
96), pp. 211-219, starting from the measurement principle described in J. Du, GL Hardling, PR Ogilvy and M. Lake, "A study of Love-wave acoustic sensors". With the measurement structure described in this paper, horizontally polarized acoustic shear waves, so-called leaky waves or surface skimming bulk waves (SSBW waves) are used. ) Or a sensor that works with a Love wave is realized. This acoustic wave mode is generated and detected in a so-called interdigital converter known from the above-mentioned state of the art, so that the desired sensor signal can be obtained from the extension behavior for the extension section or the measurement section.
【０００４】
殊に、自動車または比較可能な機械におけるモーター油または潤滑油の品質を
測定するためのセンサー装置を使用する場合には、多数の測定値を相応する制御
装置のための入口値として評価するために、多数の測定値を取得することがしば
しば必要とされる。この場合には、例えば油交換間隔の監視のために使用できる
発言を得るために、なかんずく油の粘度、温度、導電率および誘電率が重要であ
る。Especially when using sensor devices for measuring the quality of motor oils or lubricants in motor vehicles or comparable machines, a number of measured values are evaluated as inlet values for the corresponding control device. In order to do so, it is often necessary to take multiple measurements. In this case, among others, the viscosity, temperature, conductivity and permittivity of the oil are important in order to obtain a statement which can be used, for example, for monitoring the oil change interval.
【０００５】
発明の利点
液体の物理学的性質を測定するための冒頭に述べたセンサー装置は、本発明に
よれば、独立請求項の特徴部の記載によりさらに有利に形成されている。本発明
によれば、好ましくはコンパクトなセンサー装置が得られ、このセンサー装置を
用いた場合には、基板小板上での個々の異なる測定値センサー素子の統合を安価
な製造で可能にする。ADVANTAGES OF THE INVENTION The sensor device described at the outset for measuring the physical properties of a liquid is, according to the invention, more advantageously formed by the features of the independent claims. According to the invention, a preferably compact sensor device is obtained, which, when used, allows the integration of individual different measurement value sensor elements on a substrate plate in an inexpensive manufacturing.
【０００６】
本発明によるセンサー装置の場合には、有利に所定の波モードを有する音響学
的表面波を発生させかつ検出させる電気音響的変換器が他の測定装置と一緒に配
置されている。この場合には、液体の粘度を測定するために、拡張区間に沿って
の音響学的波の拡張挙動から相応する測定値が好ましい公知の方法で測定される
。センサー基礎素子は、例えば一定の石英切片、タンタル酸リチウム切片および
ニオブ酸リチウム切片からなる基板であり、これらの切片は、冒頭に記載された
音響学的剪断モードに特に好適である。In the case of the sensor device according to the invention, an electroacoustic transducer for generating and detecting an acoustic surface wave having a predetermined wave mode is preferably arranged together with the other measuring device. In this case, in order to determine the viscosity of the liquid, a corresponding measured value is determined in a known manner from the expansion behavior of the acoustic wave along the expansion zone. The sensor base element is, for example, a substrate consisting of a quartz slice, a lithium tantalate slice and a lithium niobate slice, these slices being particularly suitable for the acoustic shear mode described at the outset.
【０００７】
液体の粘度は、一般に著しく温度依存性であるので、本発明によれば、好まし
くは基板上に隣接して温度依存性抵抗が温度測定のための測定装置として取り付
けられている。基板上の導体路構造体は、金属化層、好ましくは白金から製造さ
れており、この場合には、温度依存性抵抗ならびに電気音響的変換器の送信導体
路構造体および受信導体路構造体は、前記白金層から製造されていてよく、した
がって唯一の金属化層だけが基板上で必要とされる。この場合、白金は、化学的
に極めて耐性であり、したがって場合によっては被覆層は省略されてもよい。Since the viscosity of liquids is generally very temperature-dependent, according to the invention, a temperature-dependent resistance is preferably mounted adjacent to the substrate as a measuring device for temperature measurement. The conductor track structure on the substrate is manufactured from a metallization layer, preferably platinum, in which case the temperature-dependent resistance and the transmitter and receiver conductor track structures of the electroacoustic transducer are , May be manufactured from the platinum layer, so only one metallization layer is required on the substrate. In this case, platinum is chemically very resistant, so that in some cases the cover layer may be omitted.
【０００８】
しかし、基板上の金属化層の上方に取り付けられた誘電層は、付加的に化学的
不動態化のため、電気音響的変換器のための音響学的波伝導層として配置されて
いてもよい。また、チタンもしくは珪素または別の中間層を、基板と電気音響的
変換器との間の付着層ならびに電気音響的変換器とその上に存在する他の層との
間の付着層として設けることも可能である。However, the dielectric layer mounted above the metallization layer on the substrate is arranged as an acoustic wave-conducting layer for an electroacoustic transducer due to additional chemical passivation. May be. It is also possible to provide titanium or silicon or another intermediate layer as an adhesion layer between the substrate and the electroacoustic transducer and as an adhesion layer between the electroacoustic transducer and the other layers present thereabove. It is possible.
【０００９】
電気音響的変換器および温度依存性抵抗とともに、好ましくは被覆されていな
い電極により導電率の測定のための装置は、金属化層から製造されてよい。導電
率の測定は、簡単な方法で液体を貫流する直流または交流で行なわれる。A device for conductivity measurement, preferably with uncoated electrodes, together with an electroacoustic transducer and a temperature-dependent resistance, may be manufactured from a metallization layer. The conductivity measurement is carried out in a simple manner with a direct current or an alternating current flowing through the liquid.
【００１０】
更に、好ましくは、同一の金属化層からなるコンデンサー構造体により導電率
の測定のための装置を得ることができる。コンデンサー構造体は、電気音響的変
換器と全く同様にインターデジタルコンデンサーの形を有し、場合によっては付
加的な絶縁層によって被覆されていてもよいが；しかし、測定すべき液体への良
好な結合のために、このコンデンサー構造体は未被覆で使用することも可能であ
り、この場合には、金属層の化学的耐性を利用することができる。Furthermore, a device for measuring conductivity can be obtained, preferably by means of a capacitor structure consisting of the same metallization layer. The capacitor structure has the form of an interdigital capacitor, much like an electro-acoustic transducer, and may optionally be covered by an additional insulating layer; For bonding, this capacitor structure can also be used uncoated, in which case the chemical resistance of the metal layer can be exploited.
【００１１】
本発明による装置の場合には、簡単な方法で個々の物理的大きさの測定のため
の全ての測定装置は、個別的に接触可能であり、それによって全部で４つの測定
法は、唯一の基板を有する順次測定のための相応する評価電子素子につき実施可
能であり、このことは、特に完成された好ましい構造形のために利用されること
ができる。更に、また基板上での良好な熱結合も好ましい。それというのも、信
号評価の場合には、それによって特に僅かな偏倚を有する温度により、種々の測
定値センサー素子が提供され、したがって極めて正確な補正法を使用することが
できる。In the case of the device according to the invention, all measuring devices for measuring individual physical dimensions in a simple manner can be contacted individually, so that a total of four measuring methods are possible. It is possible to implement a corresponding evaluation electronics for sequential measurements with only one substrate, which can be used in particular for the completed and preferred structure. Furthermore, good thermal bonding on the substrate is also preferred. In the case of signal evaluation, it is possible to provide various measured-value sensor elements, in particular due to the temperature with small deviations, so that very accurate correction methods can be used.
【００１２】
本発明の好ましい後形成の前記特徴および他の特徴は、特許請求の範囲ならび
に明細書および図面から明らかであり、この場合個々の特徴は、それぞれ本発明
の実施態様の場合に別の分野で単独でかまたは多数の二次的に組み合わされた形
で実現され、好ましくは保護可能な実施形式で表わすことができ、この実施形式
に関連して本明細書中で特許の保護が請求される。These and other features of the preferred post-formation of the invention are apparent from the claims and the description and the drawings, in which case each individual feature is different in the case of an embodiment of the invention. It may be realized in the art alone or in any number of secondary combined forms, and may be preferably represented in a form of protection that can be protected, as claimed herein in connection with this form of protection. To be done.
【００１３】
本発明によるセンサー装置の実施例は、図面の個々の描写につき詳説される。
実施例の記載
唯一の図１による略示平面図は、提案されたセンサー装置の主要構成成分、即
ち圧電材料からなる片側で極性化された基板小板１を示し、この基板小板中で水
平方向に極性化された音響学的剪断モードは、電気的接続部２により接触可能な
インターデジタル変換器３によって励起可能であり、電気音響的変換器としての
インターデジタル変換器４中で検出可能である。例えば、液体の粘度を測定する
ための前記装置の機能形式は、例えば冒頭で引用された公知技術水準の専門誌Se
nsors and Actuators A56(1996), 第211〜219頁中の J. Du, G.L. Hardling, P.
R. OgilvyおよびM. Lakeの論文”A study of Love-wave acoustic sensors”に
記載されている。Embodiments of the sensor device according to the invention are detailed in the individual depictions of the drawings.
DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS The only schematic plan view according to FIG. 1 shows a main component of the proposed sensor device, namely a unilaterally polarized substrate plaque 1 of a piezoelectric material, in which a horizontal plane is shown. The directionally polarized acoustic shear mode can be excited by an interdigital converter 3 which can be contacted by an electrical connection 2 and can be detected in an interdigital converter 4 as an electroacoustic transducer. is there. For example, the functional form of the device for measuring the viscosity of a liquid is described, for example, in the technical journal Se of the state of the art cited at the beginning.
nsors and Actuators A56 (1996), pp. 211-219, J. Du, GL Hardling, P.
It is described in "A study of Love-wave acoustic sensors" by R. Ogilvy and M. Lake.
【００１４】
基板小板１のための基板材料として、Ｙ軸回転された石英切片、若干のニオブ
酸リチウム切片およびタンタル酸リチウム切片ならびに相応する極性化された圧
電セラミックが適当である。表面波の拡張に関連して測定液体の粘度を測定する
ための電気音響的変換器を備えた前記の測定装置および次に記載の測定装置は、
金属化層、有利に白金および場合によっては付着層から構造化されている。この
場合、電気音響的変換器３および４上には、本明細書中では明示されていない誘
電層ならびに化学的不動態化を可能にする音響学的波伝導層が配置されていても
よい。Suitable substrate materials for the substrate platelet 1 are Y-axis rotated quartz slices, some lithium niobate slices and lithium tantalate slices and the corresponding polarized piezoceramics. The measuring device described above and the measuring device described below, which comprises an electroacoustic transducer for measuring the viscosity of a measuring liquid in connection with the expansion of surface waves,
It is structured from a metallization layer, preferably platinum and optionally an adhesion layer. In this case, on the electro-acoustic transducers 3 and 4, there may be arranged a dielectric layer and an acoustic wave-conducting layer that enables chemical passivation, which are not specified here.
【００１５】
更に、基板１上には、導電率の測定のための電極５が存在し、この電極は、直
流または交流を進入させる。しかし、数多くの使用の場合には、導電率の測定は
、省略することができる。この場合、温度測定は、同様に金属化層から構造化さ
れた曲折抵抗６により実施される。この場合、曲折抵抗６の配置は、図示された
形の変形において、変換器３と４の間の拡張区間の外側にある。Furthermore, on the substrate 1 there is an electrode 5 for measuring the conductivity, which electrode allows direct current or alternating current to enter. However, for many uses, the conductivity measurement can be omitted. In this case, the temperature measurement is carried out by means of a bending resistor 6 which is likewise structured from a metallization layer. In this case, the arrangement of the bending resistor 6 lies outside the expansion section between the transducers 3 and 4 in the variant shown.
【００１６】
誘電率の測定のためには、１つのコンデンサー構造体７が存在し、このコンデ
ンサー構造体は、測定すべき液体への良好な結合のために未被覆であるかまたは
図１中に点線で示した被覆層８が化学耐性の改善のために備えられている。誘電
率および導電率の測定は、場合によっては液体の粘度を測定するための電気音響
的変換器で行なうこともでき、このためにこの場合には、単に別の励起周波数が
表面波の発生に必要とされる周波数として選択される。For the measurement of the dielectric constant, one capacitor structure 7 is present, which capacitor structure is uncoated for good coupling to the liquid to be measured or in FIG. A cover layer 8 indicated by a dotted line is provided for improving the chemical resistance. The measurement of the permittivity and the conductivity can optionally also be performed with an electroacoustic transducer for measuring the viscosity of the liquid, so that in this case simply another excitation frequency is used to generate the surface wave. Selected as the required frequency.
【００１７】
測定液、例えば自動車のモーター油は、物理的性質の測定のために、基板表面
および場合によっては被覆層に接して脇を流れ、取得された測定信号は、接触位
置で受け入れられ、例えばモーター油の品質についての必要とされる制御信号お
よび／または表示信号を発生させる、図には示されていない評価装置に供給され
る。A measuring liquid, for example an automobile motor oil, flows aside by contacting the substrate surface and optionally the coating layer for the measurement of physical properties, and the acquired measuring signal is accepted at the contact position, It is supplied to an evaluation device, not shown, which generates the required control and / or display signals, for example for the quality of the motor oil.
【図１】
個々の測定値検出装置を有する基板を備えた本発明によるセンサー装置を示す
略示平面図。FIG. 1 is a schematic plan view showing a sensor device according to the invention with a substrate having individual measurement value detection devices.
１ 基板小板、 ２ 電気的接続部、 ３ 電気的接続部２により接触可能な
インターデジタル変換器、 ４ 電気音響的変換器としてのインターデジタル変
換器、 ５ 導電率の測定のための電極、 ６ 曲折抵抗、 ７ コンデンサー
構造体、 ８ 被覆層DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 board small board, 2 electrical connection part, 3 interdigital converter which can be contacted by 3 electrical connection part, 4 interdigital converter as an electroacoustic transducer, 5 electrode for measurement of electrical conductivity, 6 Bending resistance, 7 capacitor structure, 8 coating layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン マスト ドイツ連邦共和国 ゲールリンゲン カイ メネッカーシュトラーセ 52 Ｆターム(参考） 2G047 AA01 CB03 EA16 GA18 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Martin Mast Germany Gerlingen Kai Menekker Strasse 52 F term (reference) 2G047 AA01 CB03 EA16 GA18
Claims (10)
検出する電気音響的変換器（３、４）を備えており、拡張区間に沿っての音響学
的表面波の拡張挙動から液体の物理的性質、殊になかんずく液体の粘度について
の１つの尺度が測定可能である、液体の物理的大きさを測定するためのセンサー
装置において、 − センサー装置が基板（１）上に取り付けられており、この基板上に導体路構
造体が、粘度とともに温度および少なくとも液体の誘電率をも測定できるように
配置されていることを特徴とする、液体の物理的大きさを測定するためのセンサ
ー装置。1. An electroacoustic transducer (3, 4) for generating and detecting an acoustic surface wave having a predetermined wave mode, comprising: A sensor device for measuring the physical size of a liquid, in which one measure of the physical properties of the liquid, in particular the viscosity of the liquid, can be measured from the expansion behavior, the sensor device on the substrate (1) To measure the physical size of the liquid, characterized in that the conductor track structure is mounted on the substrate so that the temperature and at least the dielectric constant of the liquid as well as the viscosity can be measured. Sensor device for.
体（７）により誘電率を測定するための装置が形成されており、温度依存性抵抗
（６）により温度測定のための装置が形成されている、請求項１記載のセンサー
装置。2. A device for measuring the dielectric constant is formed by means of a capacitor structure (7) together with an electroacoustic transducer (3, 4), and a temperature-dependent resistance (6) is used for temperature measurement. The sensor device according to claim 1, wherein the device is formed.
コンデンサー構造体（７）を形成し、その際表面波の励起周波数から偏倚してい
る周波数の場合に測定が行なわれ、温度依存性抵抗（６）により温度測定のため
の装置が形成されている、請求項１記載のセンサー装置。3. The electroacoustic transducer (3, 4) forms a capacitor structure (7) for measuring the dielectric constant, where the frequency is offset from the excitation frequency of the surface wave. 2. The sensor device according to claim 1, wherein a measurement is performed and the temperature-dependent resistance (6) forms a device for temperature measurement.
装置が配置されている、請求項２または３記載のセンサー装置。4. Sensor device according to claim 2, wherein the device for conductivity measurement is arranged by means of an uncoated electrode (5).
ある、請求項１から４までのいずれか１項に記載のセンサー装置。5. The sensor device according to claim 1, wherein the conductor track structure can be produced from the metallization layer on the substrate (1).
請求項５記載のセンサー装置。6. The metallization layer comprises platinum and is arranged on the adhesion layer,
The sensor device according to claim 5.
センサー装置。7. The sensor device according to claim 5, wherein the metallization layer is arranged on the adhesion layer.
伝導層として配置されている、請求項５または６記載のセンサー装置。8. Sensor device according to claim 5, wherein the dielectric layer is arranged as an acoustic wave conducting layer above the metallization layer on the substrate (1).
的に接触可能であり、順次測定のための評価電子素子に接続可能である、請求項
１から８までのいずれか１項に記載のセンサー装置。9. All devices for measuring individual physical dimensions are individually contactable and connectable to evaluation electronics for sequential measurements. The sensor device according to claim 1.
めに使用されており、その際基板（１）は測定すべき油中に直接に浸漬可能であ
る、請求項１から９までのいずれか１項に記載のセンサー装置。10. A sensor device is used for measuring the quality of motor oils in motor vehicles, wherein the substrate (1) is directly submerged in the oil to be measured. The sensor device according to any one of items 1 to 7.
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