DE10113778A1

DE10113778A1 - Oberflächenwellenflüssigkeitssensor

Info

Publication number: DE10113778A1
Application number: DE10113778A
Authority: DE
Inventors: Anton Leidl; Peter Langer; Andreas Drost
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: DE10113778B4

Abstract

Ein Oberflächenwellensensor zum Messen physikalischer Größen von Flüssigkeiten umfaßt ein piezoelektrisches Substrat, eine erste Elektrodenstrukur und eine zweite Elektrodenstruktur, eine isolierende Zwischenschicht und eine Leiterstruktur. Die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstrukutur sind auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats voneinander beabstandet angeordnet, wobei die erste Elektrodenstruktur eine Oberflächenwelle erzeugt und die zweite Elektrodenstruktur dieselbe empfängt. Die isolierende Zwischenschicht ist zumindest über Bereiche der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur angeordnet. Die Leiterstruktur ist ferner auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet und über die isolierende Zwischenschicht von der ersten Elektrodenstruktur und von der zweiten Elektrodenstruktur beabstandet, wobei die Leiterstruktur eine elektrische Kopplung von der ersten Elektrodenstruktur und von der zweiten Elektrodenstruktur sowie von der Oberflächenwelle auf die zu messende Flüssigkeit unterdrückt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Flüssigkeitssensoren und insbesondere auf das Gebiet von Oberflächenwellenflüssigkeitssensoren.

Neben der seit langem bekannten Anwendung als Bandpaßfilter können Oberflächenwellenbauelemente auch als Sensoren für die Messung physikalischer Flüssigkeitseigenschaften einge setzt werden.

Dabei werden durch eine geeignete Elektrodenanordnung auf einem piezoelektrischen Substrat des Oberflächenwellenbau elements reine Scherwellen erzeugt, so daß bei einer Flüs sigkeit, die sich in Kontakt mit dem Oberflächenwellenbau element befindet, Flüssigkeitseigenschaften, wie beispiels weise eine Dichte ρ, eine Viskosität η, eine Schersteifig keit usw. erfaßt werden können. Die Flüssigkeit bzw. das Fluid bewirkt eine Änderung der physikalischen Randbedin gungen entlang der Bauelementoberfläche, so daß eine Ände rung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Amplitude oder der Frequenz der Wellen als ein Meßeffekt genutzt werden kann. Die Eindringtiefe der Welle in die Flüssigkeit, d. h. die räumliche Reichweite des Meßeffekts in der Flüssigkeit, ist bei einer Newtonschen Flüssigkeit von der Viskosität η, der Dichte ρ und der Frequenz f der akustoelektrischen Welle abhängig und proportional zu ρ.η. Bei einer Newton schen Flüssigkeit, d. h. einer Flüssigkeit bei der eine Be wegung eines Körpers eine Reibungskraft erfährt, die pro portional zu dem Quadrat der Geschwindigkeit ist, kann so mit der Meßeffekt dazu benutzt werden, um das Produkt aus der Dichte ρ und der Viskosität η zu erfassen. Bei Nicht- Newtonschen Flüssigkeiten wird ferner der Meßeffekt durch das Schermodul und die Meßfrequenz bestimmt.

Ein bekanntes Oberflächenwellenbauelement zur Messung phy sikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten ist beispielsweise in der EP 0879413 beschrieben. Der Flüssigkeitssensor weist ein piezoelektrisches Substrat aus einem y-rotierten Quarzschnitt auf, auf dem kammförmige Elektroden als Inter digitalwandler aufgebracht sind, um eine elektroakustische Welle zu erzeugen und zu empfangen. Durch eine geeignete Wahl des Substratmaterials und der Oberflächen-Anordnung und -Orientierung wird von einer ersten Kammelektrodenan ordnung, die einen Sender-IDT (IDT = Interdigitaltransdu cer) darstellt, eine reine Oberflächenscherwelle erzeugt, die entlang der Oberfläche läuft und in einer zweiten Kam melektrodenanordnung, die einen Empfänger-IDT darstellt, eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die elektro nisch ausgewertet werden kann. Durch die geeignete Anord nung bzw. Metallisierung der Kammelektroden kann dabei er reicht werden, daß das Anregungsband der Volumenscherwellen außerhalb des Frequenzbands der Oberflächenscherwellen liegt, was für eine empfindliche Messung notwendig ist.

Wird ein bekannter Sensor in einer Flüssigkeit betrieben, die eine elektrische Leitfähigkeit σ und eine hohe Dielek trizitätszahl E aufweist, wie es beispielsweise bei Wasser der Fall ist, so müssen die Interdigitaltransducer von be kannten Sensoren mittels einer Dichtung von der Flüssigkeit abgeschirmt werden, um eine elektrische Kopplung, die eine Anregung der Oberflächenwelle massiv stören oder unterdrüc ken könnt, über die Flüssigkeit von dem Sender-IDT zu dem Empfänger-IDT zu unterbinden.

Fig. 5 zeigt einen bekannten Oberflächenwellensensor, der ein piezoelektrisches Substrat 1, das beispielsweise aus Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet sein kann, Kammelektroden 2a als einen Sender-IDT zum Erzeugen einer Oberflächenscherwelle und Kammelektroden 2b als einen Empfänger-IDT zum Empfangen der Oberflächenscherwelle auf weist, wobei dieselben von den Kammelektroden 2a zum Erzeu gen der Oberflächenscherwelle beabstandet sind, so daß eine Laufstrecke der Oberflächenwelle zwischen den Kammelektro den 2a und den Kammelektroden 2b definiert ist.

Gemäß Fig. 5 ist die Laufstrecke zusätzlich mit einer Me tallisierung 4 beschichtet, um die elektrische Wechselwir kung der Oberflächenwelle mit der Flüssigkeit auch in dem sensitiven Bereich zwischen den Kammelektroden 2a und den Kammelektroden 2b zu reduzieren. Über die Kammelektroden 2a und 2b ist eine Abdeckung 5 aus einem nicht-leitfähigen dielektrischen Material derart angeordnet und mit dem Sub strat 1 bzw. der Metallisierung 4 über eine Dichtung 6 ver bunden, daß über den Kammelektroden 2a bzw. 2b hohle Zwi schenräume 3 gebildet sind, wodurch ein elektrisches Feld von den Kammelektroden 2a und 2b durch die dielektrische Abdeckung 5 zur Meßflüssigkeit 7 abgeschirmt ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem ein Deckel über die Dichtung 6 auf das Substrat angepreßt ist. Die Abschirmung der Flüssigkeit von den IDT-Kammelektroden 2a und 2b be wirkt, daß eine leitende und/oder kapazitive Kopplung der beiden Kammelektroden über die Meßflüssigkeit 7 stark redu ziert ist.

Ohne eine derartige Abschirmung kann bei einer Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätszahl ε eine Anregung der Oberflächenwelle aufgrund der kapazitiven Kopplung massiv gestört und im schlimmsten Fall überhaupt nicht mehr mög lich sein. Zeitlich betrachtet können sich ferner elektri sche Eigenschaften der Flüssigkeiten ändern, so daß die ka pazitive Kopplung ohne eine Abdeckung 5 über einen bestimm ten Zeitraum nicht konstant gehalten werden kann und den gewünschten Meßeffekt, der bei einer Newtonschen Flüssig keit proportional zu ρ.η ist, beeinflußt.

Werden die IDTs gemäß Fig. 5 durch die Abdeckung 5 abge deckt, so kommt die Flüssigkeit lediglich über die zwischen den IDT's definierte Laufstrecke, die den sensitiven Meßbe reich bildet, mit dem Substrat in Berührung, wobei, wie be reits erwähnt, die Metallisierung 4 in dem Bereich zwischen den Kammelektroden 2a und 2b eine elektrische Wechselwir kung der Oberflächenwelle mit der Flüssigkeit auch in dem sensitiven Bereich der Laufstrecke unterbindet. Folglich wird durch eine derartige Anordnung mit einer Abdeckung 5 die mechanischen Flüssigkeitsparameter ohne ein störende elektrische Kopplung gemessen.

Die Empfindlichkeit der Messung ist neben Größen, die sich auf die IDTs beziehen, wie beispielsweise eine Frequenz und eine Dicke der Metallisierung, ferner wesentlich von der Länge des mit der Flüssigkeit 7 in Berührung stehenden sen sitiven Bereichs zwischen den IDTs abhängig.

Zur Verdeutlichung möglicher elektrischer Kopplungen zwi schen einem IDT-Elektrodenpaar ist in Fig. 4 ein Ersatz schaltbild einer Anordnung gezeigt, bei der eine dielektri sche Schicht 8 das Substrat und die Kammelektroden 2a und 2b, die mit Anschlüssen 2 verbunden sind ohne einen Zwi schenraum überzieht. Gemäß der Ersatzschaltung von Fig. 4 weisen das piezoelektrische Substrat 1, die dielektrische Schicht 8 und die Flüssigkeit 7 weisen jeweils Dielektrizi tätszahlen ε_p, ε_L, ε_F1 auf, die Ersatz-Kapazitäten C_P (ε_P), C_L (ε_L) bzw. ε_F1 (ε_F1) definieren. Zusätzlich weist die Flüssig keit 7 eine elektrische Gleichstrom-Leitfähigkeit σ_F1 auf, die in dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4 als ein elektri scher Widerstand R_F1 (σ_F1) in Erscheinung tritt.

Gemäß Fig. 4 tritt eine erste Kopplung zwischen den Elek troden 2a und 2b über das piezoelektrische Substrat auf, so daß die Ersatz-Kapazität C_P des piezoelektrischen Substrats direkt zwischen die beiden Elektroden 2a und 2b geschaltet ist. Ein zweiter Kopplungsweg, der parallel zu dem ersten ist, findet über die dielektrische Schicht 5 und die Flüs sigkeit 7 statt, wobei die beiden Kapazitäten C_L der die lektrischen Schicht 8 mit einer Parallelschaltung aus der Kapazität C_Fl und dem elektrischen Widerstand R_Fl der Flüs sigkeit in Reihe geschaltet sind.

Um die elektrischen Felder der IDTs wirksam von der Flüs sigkeit mit einer dielektrischen Schicht 8 oder einer Überdeckung 5 abzuschirmen, ist, je nach Dielektrizitätszahl der dielektrischen Abdeckung 5 und des piezoelektrischen Substrats 1, eine Dicke der dielektrischen Abdeckung erfor derlich, die zumindest im Bereich der Wellenlänge der Ober flächenwelle liegt. Solche Schichtdicken bewirken jedoch eine derart starke Dämpfung der akustoelektrischen Welle, daß eine Verwendung des Bauelements als sensitiver Sensor nicht mehr möglich ist.

Bei nicht-leitenden Flüssigkeiten mit geringer Dielektrizi tätszahl kann die dielektrische Abdeckung 5 derart gewählt werden, daß dieselbe eine Dicke im Prozentbereich der Wel lenlänge aufweist, wobei eine Dämpfung der Oberflächenwelle durch diese Schicht in der Regel vernachlässigt werden kann. Hierbei erwies sich Siliziumkarbid (SiC) und Silizi umdioxid (SiO₂) als Beschichtungsmaterial sehr geeignet.

Die Dämpfung der Oberflächenwelle aufgrund der Abdeckung 5 liegt beispielsweise bei typischen Wellenlängen im Bereich von 48 µm bis 100 µm und einer 0,5 µm dicken Abdeckung 5 aus Siliziumkarbid im Bereich von wenigen dB. Derartige Schichten wirken bei diesen nicht-leitenden Flüssigkeiten mit geringer Dielektrizitätszahl vor allem als ein mechani scher und chemischer Schutz der IDTs beispielsweise vor ag gressiven Flüssigkeiten. Ein Anwendungsbeispiel derartiger Oberflächensensoren ist beispielsweise ein Ölzustandssen sor, um die Viskosität des Schmiermittels zu bestimmen.

Wie es obig beschrieben wurde, muß die Abdeckung 5 zwangs läufig zumindest auf einem Bereich der sensitiven Lauf strecke der Oberflächenwelle aufliegen. Dies bewirkt zu sätzlich zu der durch die Flüssigkeit bewirkten Änderung, die den Sensoreffekt darstellt, eine Änderung der Dämpfung und Geschwindigkeit der Welle, die dem Sensoreffekt überla gert ist. Wenn die Eigenschaften der Abdeckung beispiels weise stark temperaturabhängig sind, von der Andruckstärke abhängen, oder aufgrund der Eigenschaften der Flüssigkeiten quellen bzw. gegenüber bestimmten Chemikalien nicht resistent sind, kann dieser zusätzliche Effekt zeitlich gesehen nicht stabil gehalten werden.

Ferner ergibt sich bei einer Abdeckung mit geringer Dicke bei leitfähigen Flüssigkeiten mit einer hohen Dielektrizi tätszahl gemäß dem Ersatzschaltbild von Fig. 4 über die Flüssigkeit eine nicht zu vernachlässigende elektrische Kopplung zwischen dem Sender- und Empfänger-IDT, die sich ebenfalls zeitlich ändern und nachteilig auf das Verhalten des Oberflächenwellensensors auswirken kann.

Ein bekannter Sensor, der in eine leitfähige Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätszahl eingebracht ist, wird folg lich ein nicht berechenbares und nicht korrigierbares Driftverhalten zeigen, wodurch dieser Sensor lediglich für transiente Messungen geeignet ist, deren Dauer kürzer als die kritischen Zeitkonstanten des Driftverhaltens sind. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, daß vor Beginn jeder Messung ein Referenzwert bezüglich einer bekannten Referenzflüssigkeit bestimmt wird oder ein Meßwert bei ei ner bestimmten Temperatur zu Beginn der Messung als Refe renz verwendet wird und danach eine definierte Temperatur rampe durchfahren wird. Im letzteren Fall werden die Infor mationen aus den temperaturabhängigen Meßwerten bestimmt.

Wie bereits erwähnt kann die Abdeckung 5 nicht mit einer Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge auf das Bauele ment aufgebracht werden, um die elektrischen Felder der IDTs abzuschirmen, da sich bei den typischen Wellenlängen von Oberflächenwellenflüssigkeitssensoren eine Dicke von bis zu 100 µm ergibt, wodurch die Dämpfung der Welle so stark wird, daß der Betrieb als Sensor nicht mehr möglich ist. Eine Abschirmung allein mit einer derartig dicken die lektrischen Schicht scheidet somit für einen Oberflächen wellenflüssigkeitssensor aus.

Folglich besteht bei bekannten Oberflächenwellensensoren ein Problem, derart, daß dieselben in leitfähigen Flüssigkeiten mit einer hoher Dielektrizitätszahl nicht langzeits tabil betrieben werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermögli chen, mit einem Oberflächenwellensensor, der einen einfa chen Aufbau aufweist, physikalische Eigenschaften von Flüs sigkeiten, die eine Gleichstrom-Leitfähigkeit und eine hohe Dielektrizitätszahl aufweisen, sensitiv und mit einer lang zeitlichen Stabilität zu messen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Oberflächenwellen sensor zum Messen physikalischer Größen von Flüssigkeiten mit folgenden Merkmalen:
einem piezoelektrischen Substrat;
einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektro denstruktur, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenstruktur eine Oberflächenwelle erzeugt und die zweite Elektrodenstruktur dieselbe empfängt;
einer isolierenden Zwischenschicht, die zumindest über Be reichen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elek trodenstruktur angeordnet ist;
einer Abschirmstruktur aus einem leitfähigen Material, die auf der isolierenden Zwischenschicht zumindest an Berei chen, die der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur gegenüber liegen, angeordnet ist, wobei die Abschirmstruktur eine elektrische Kopplung von der er sten Elektrodenstruktur und von der zweiten Elektroden struktur sowie von der Oberflächenwelle auf die zu messende Flüssigkeit unterdrückt.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine leitende Abschirmstruktur eine elektrische Kopplung von IDT-Elektroden über die zu messende Flüssigkeit unter drücken kann und lediglich eine geringe mechanische Beein flußung für die Oberflächenwelle darstellt, wobei eine auf tretende elektrische Kopplung von IDT-Elektroden über die leitende Abschirmstruktur eine Empfindlichkeit nicht beein flußt, da dieselbe unabhängig von äußeren Einflüssen und folglich zeitlich konstant ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die obig er wähnte zeitlich konstante elektrische Kopplung von IDT- Elektroden über die leitende Abschirmstruktur einstellbar ist und beim Entwerfen eines Oberflächenwellensensors mit berücksichtigt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist auf einem piezo elektrischen Substrat eine erste Anordnung von Kammelektro den zum Erzeugen einer Oberflächenwelle und eine zweite An ordnung von Kammelektroden zum Empfangen der Oberflächen welle auf. Über den Kammelektroden und in den Bereichen zwischen den Kammelektroden auf dem Substrat ist eine die lektrische Zwischenschicht aufgebracht, auf der eine durch gehende Metallschicht angeordnet ist. Wahlweise kann über der Metallschicht zusätzlich eine dielektrische Passivie rungsschicht aufgebracht werden. Die metallische Schicht bewirkt, daß ein elektrisches Feld der Oberflächenwelle und der IDTs vollständig zu Flüssigkeit hin abgeschirmt ist. Ferner wirkt die dielektrische Schicht als eine Isolierung zwischen der metallischen Schicht und den IDTs. Zwischen den Kammelektroden der IDTs und der Metallschicht entsteht dadurch eine hohe kapazitive Kopplung, die, im Gegensatz zu einer Kopplung über die Meßflüssigkeit, unabhängig von dem Meßmedium und zeitlich konstant ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Metall schicht derart angeordnet, daß über einem Bereich der Kammelektroden eine isolierende Zwischenschicht aus Luft ent steht, wobei die Metallschicht in den sensitiven Bereichen zwischen den Kammelektroden entweder auf das Substrat auf gebracht sein kann oder mit einer dazwischenliegenden iso lierenden Schicht von demselben beabstandet sein kann.

Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle einer durchgehenden Metallschicht eine Metallstruktur ver wendet, die der Struktur der IDTs entspricht und denselben gegenüberliegt, wobei die Spannungsdifferenz zwischen je weils gegenüberliegenden Elektroden der IDTs und der Me tallstruktur konstant gehalten wird.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen dargelegt.

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die beliegenden Zeich nungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er findung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aufbau eines Oberflächenwellensensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a und 2b weitere Ausführungsbeispiele eines Ober flächenwellensensors gemäß der vorliegenden Er findung, die Luft als isolierende Zwischenschicht aufweisen;

Fig. 3 einen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Oberflächensensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 einen Aufbau und ein Ersatzschaltbild für ein IDT-Elektrodenpaar, das mit einer dielektrischen Schicht abgedeckt ist; und

Fig. 5 einen Aufbau eines bekannten Oberflächenwellen sensors.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Oberflä chenwellensensors zum Messen von Flüssigkeitseigenschaften. Der Oberflächenwellensensor weist ein piezoelektrisches Substrat 1 auf, das beispielsweise aus Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet sein kann, auf dem eine erste Anordnung von Kammelektroden 2a als Sender-IDT und eine zweite Anordnung von Kammelektroden 2b als Empfänger-IDT voneinander beabstandet aufgebracht sind, wodurch ein sen sitiver Meßbereich zwischen denselben definiert ist. Auf dem piezoelektrischen Substrat 1 ist zwischen den Kammelek troden eine isolierende Zwischenschicht 8 aufgebracht, wo bei sich dieselbe über die erste Anordnung von Kammelektro den 2a und die zweite Anordnung von Kammelektroden 2b zu sammenhängend erstreckt und dieselben einbettet. Die iso lierende Zwischenschicht 8 kann beispielsweise aus SiO₂, SiC oder Si₃N₄ gebildet sein. Über der isolierenden Zwi schenschicht ist eine Metallschicht 9 als zusammenhängende Schicht aufgebracht. Wahlweise kann über der Metallschicht 9 eine dielektrische Passivierungsschicht 10, die gleich falls beispielsweise SiO₂, SiC oder Si₃N₄ aufweisen kann, aufgebracht sein, so daß entweder die Metallschicht 9 oder die dielektrische Passivierungsschicht 10 in Berührung mit einer Meßflüssigkeit 7 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 1 verhindert die isolierende Zwischenschicht 8 ei nen elektrischen Kurzschluß zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b und der Metallschicht 9, wobei zwischen den beiden IDT-Kammelektroden 2a und 2b und der Metallschicht 9 eine relativ große kapazitive Kopplung besteht. Anstelle einer Kopplung zwischen den beiden Kammelektroden 2a und 2b über die Flüssigkeit, wie sie bei bekannten Oberflächenwellen sensoren auftritt, ergibt sich folglich eine kapazitive Kopplung über die Metallschicht 9. Dadurch wird bewirkt, daß die Kopplung zwischen der Kammelektrode 2a und der Kam melektroden 2b unabhängig vom Meßmedium Flüssigkeit ist, wobei dieselbe keinen äußeren Einflüssen unterworfen ist und somit zeitlich konstant ist. Die kapazitive Kopplung kann verringert werden, indem die Kapazität zwischen der Metallschicht 9 und den Kammelektroden der IDTs 2a und 2b klein gehalten wird, was gemäß der allgemein bekannten For mel C = ε.ε_o.A/d beispielsweise durch eine isolierende Zwi schenschicht 8 mit einer kleinen Dielektriziätszahl oder durch eine ausreichende Beabstandung der metallischen Schicht 9 von den IDT-Elektroden 2a und 2b erreicht werden kann.

Mittels Dünnfilmtechnik kann die isolierenden Zwischen schicht 8 aus einem anorganischen Material bis zu Dicken von wenigen µm hergestellt werden. Das dafür verwendete Ma terial kann beispielsweise SiO₂, Si₃N₄ oder SiC umfassen.

Als isolierende Zwischenschicht 8 können ferner organische Schichten, wie beispielsweise Polyimid, bis zu einer Dicke von einigen 10 µm abgeschieden werden. Eine Verwendung der selben führt jedoch zu einer starken Dämpfung der akusto elektrischen Welle.

Der Aufbau gemäß Fig. 1 bewirkt, daß die gesamte Oberfläche des Bauelements, d. h. der Bereich der IDTs und der Zwi schenbereich zwischen den IDTs mechanisch schwingt und als ein sensitiver Bereich für die Messung wirkt. Der Meßeffekt und folglich die Empfindlichkeit des Oberflächenwellenflüs sigkeitssensors wird um so größer, je länger dieser sensi tive Bereich ist. Die geometrische Anordnung der IDTs und folglich die Länge derselben müssen, wie es beispielsweise in der EP 0879413 erklärt ist, bestimmten Randbedingungen genügen, damit durch die IDT-Elektroden reine Oberflächen scherwellen erzeigt werden. Durch die Randbedingungen er fährt der erzielte Meßbereich insbesondere bei hohen Werten von η.ρ Einschränkungen, da eine durch die IDTs vorgegebene Mindestlänge des sensitiven Bereichs nicht unterschritten werden kann. Bei einer Messung von Flüssigkeiten mit hohen Werten von η.ρ wird folglich eine Dämpfung der akustoelek trischen Welle unter Umständen zu hoch, so daß das Bauele ment nicht mehr ordnungsgemäß betrieben werden kann.

Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 2a und 2b gezeigt. Bei diesen Ausführungs beispielen ist die isolierende Zwischenschicht 8 als eine Luftschicht ausgebildet, die eine sehr kleine Dielektrizi tätszahl von annähernd 1 aufweist. Durch eine Oberflächen mikrobearbeitung kann erreicht werden, daß die Metall schicht 9 in einem bestimmten Abstand über den IDTs als ei ne Brücke stehen bleibt, wodurch in diesem Bereich keine mechanische Kopplung zwischen der akustoelektrischen Welle und der Metallschicht 9 vorhanden ist und dieser Bereich folglich nicht als sensitiver Bereich wirkt. Die Herstel lung einer derartigen isolierenden Zwischenschicht 8 aus Luft erfolgt mittels eines speziellen Ätzverfahren, wie es in der Mikrosystemtechnik beispielsweise bei der Herstel lung von Drucksensoren bekannt ist. Die Herstellung wird erreicht, indem nach dem Strukturieren der IDT-Elektroden 2a und 2b eine "Opferschicht" 11 als eine Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei dieselbe derart strukturiert wird, daß sie mindestens über den IDT-Elektroden 2a und 2b, je doch nicht notwendigerweise über die Strecke zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b vorhanden ist. Die Opferschicht 11 wird im Bereich der IDT-Elektroden 2a und 2b entfernt, in dem dieselbe nach dem Abscheiden der Metallschicht 9 un terätzt wird. Dabei können an einigen Stellen Reste der Op ferschicht 11 als eine "Stütze" für die Metallschicht 9 oder als eine Isolationsschicht stehen bleiben. Folglich ermöglicht dies, daß die Metallbrücke über den IDT- Elektroden 2a und 2b die Oberflächenwelle mechanisch nicht stört, wobei die elektrischen Felder der IDT-Elektroden 2a und 2b von der Flüssigkeit abgeschirmt sind. Als sensitiver Bereich für die Messung wirkt nur noch der Bereich zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b. Wie bei bekannten Sensoren kann die Empfindlichkeit des Sensors in einem weiten Be reich über eine Frequenz, Schichtdicken und eine Länge des Bereichs, der von der Flüssigkeit berührt wird, zwischen den IDTs eingestellt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b darin, daß in Fig. 2a die Metallschicht 9 in dem sensitiven Bereich zwi schen den Sender- und Empfänger-IDT-Kammelektroden direkt auf das piezoelektrische Material aufgebracht ist, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b ein Abschnitt der dielektrischen Opferschicht 11 in dem Bereich zwischen den Kammelektroden zwischen dem piezoelektrischen Substrat 1 und der Metallschicht 9 als tragende Stütze angeordnet ist.

Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a als auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b kann entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wahlweise eine dielek trische Passivierungsschicht 10 aufgebracht werden. Die dielektrische Passivierungsschicht 10 dient als ein zusätz licher mechanischer und chemischer Schutz, wobei dieselbe ferner eventuelle Öffnungen im Metall, die sich bei der Entfernung der Opferschicht ergeben können, schließen kann. Die Passivierungsschicht 10 kann beispielsweise aus SiC, SiO₂, Si₃N₄, Polyimid oder einem Metall bestehen.

Wird der Oberflächenwellenflüssigkeitssensor beispielsweise als ein Biosensor eingesetzt, so kann eine Verwendung einer anderen Passivierungsschicht 10, beispielsweise Gold oder SiO₂, angezeigt sein. Für den Einsatz bei aggressiven Medi en ist vor allem SiC sinnvoll.

Die Kapazität zwischen den IDT-Kammelektroden setzt sich im wesentlichen aus der Substratkapazität und der Kapazität zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b und der Metallschicht 9 zusammen. Bei einem Entwurf der IDT-Elektroden 2a und 2b hinsichtlich einer Geometrie, einer Metallsorte, einem Sub stratmaterial usw. muß folglich diese Kapazität berücksich tigt werden, wobei es die Unabhängigkeit von dem Meßmedium und die zeitliche Konstanz der Kopplungskapazität überhaupt erst erlauben, diese bei einem Entwurf zu berücksichtigen.

Folglich ist ein Oberflächenwellenflüssigkeitssensor ent worfen, der in leitfähigen Medien mit einer hohen Dielek trizitätszahl wirkungsvoll arbeitet.

Im Bereich der Laufstrecke der Oberflächenwelle werden kei ne zusätzlichen Dichtungen mehr benötigt. Die Passivie rungsschicht 10, die als chemisch resistente Beschichtung ausgebildet sein kann, ermöglicht ferner daß die verwende ten Materialien auch in aggressiven Flüssigkeiten lang zeitstabil sind und keine oder lediglich geringfügige Drif teffekte auftreten. Eine Aufbautechnik der Sensoren ist da durch erheblich vereinfacht.

Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung dar. Wie bei den vorhergehend beschriebe nen Ausführungsbeispielen weist der Oberflächenwellenflüs sigkeitssensor gemäß Fig. 3 ein piezoelektrisches Substrat 1 auf, auf dem IDT-Kammelektroden 2a und 2b beabstandet voneinander aufgebracht sind. Über den Kammelektroden 2a und 2b und in den Zwischenräumen derselben ist eine isolie rende Zwischenschicht 8 aufgebracht, auf der eine Leiter struktur 12, die die gleiche Struktur wie die IDT- Elektroden 2a und 2b aufweist, derart angeordnet ist, daß sie mit der isolierenden Zwischenschicht dazwischen der IDT-Kammelektroden-Struktur gegenüberliegt.

Der Oberflächenwellenflüssigkeitssensor gemäß Fig. 3 wird derart betrieben, daß eine Spannungsdifferenz zwischen ei ner IDT-Elektrode und der entsprechend gegenüberliegenden Elektrode der Leiterstruktur 12 stets gleich groß gehalten wird.

Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, bei denen ein Großteil der eingespeisten Leistung zum Umla den von elektrischen Ladungen der durch die IDT-Elektroden 2 und 2b und die Metallschicht 9 gebildeten Kapazität Co, die parallel zu der wirksamen IDT-Kapazität und im Ver gleich zu derselben groß ist, wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 durch das Konstanthalten der Spannungs differenz zwischen jeweiligen IDT-Elektroden und entspre chend gegenüberliegenden Elektroden der Leiterstruktur 12, abgesehen von Ladungsverschiebungen, die durch Streukapzi täten C_St bewirkt werden, durch die Wechselspannung keine Ladung mehr verschoben.

Dieses Prinzip ist unter dem Begriff Bootstrap bekannt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies dadurch er reicht, daß die Leiterstruktur 12 mit einem Signal ange steuert wird, das gleichphasig zu dem IDT-Signal ist. Folg lich liegt zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b und den gegenüberliegenden Elektroden der Leiterstruktur 12 eine unveränderliche Spannung an, wodurch die Kapazität ihre La dung behält. Streukapazitäten C_St, die sich zwischen einer IDT-Elektrode und einer nicht gegenüberliegenden Elektrode der Leiterstruktur 12 ergeben, sollen dabei nicht berück sichtigt sein. Über diese Streukapazitäten C_St werden ge ringe Ladungen verschoben, so daß bezüglich der zugeführten elektrischen Leistung Verhältnisse, wie bei IDT-Elektroden, die nicht durch eine Leiterstruktur abgedeckt sind, nur an nähernd erreicht wird.

Claims

1. Oberflächenwellensensor zum Messen physikalischer Grö ßen von Flüssigkeiten (7) mit folgenden Merkmalen:
einem piezoelektrischen Substrat (1);
einer ersten Elektrodenstruktur (2a) und einer zweiten Elektrodenstruktur (2b), die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) voneinander beabstan det angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenstruk tur (2a) eine Oberflächenwelle erzeugt und die zweite Elektrodenstruktur (2b) dieselbe empfängt;
einer isolierenden Zwischenschicht (8), die zumindest über Bereichen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) angeordnet ist;
einer Leiterstruktur (9; 12), die auf dem piezoelek trischen Substrat (1) angeordnet ist und über die iso lierende Zwischenschicht (8) von der ersten Elektro denstruktur (2a) und von der zweiten Elektrodenstruk tur (2b) beabstandet ist, wobei die Leiterstruktur (9; 12) eine elektrische Kopplung von der ersten Elektro denstruktur (2a) und von der zweiten Elektrodenstruk tur (2b) sowie von der Oberflächenwellen auf die zu messende Flüssigkeit (7) unterdrückt.

2. Oberflächenwellensensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Leiterstruktur (9; 12) eine zusammenhängende leitfähi ge Schicht ist (9).

3. Oberflächenwellensensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die isolierende Zwischenschicht (8) eine zusammen hängende dielektrische Schicht ist.

4. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die isolierende Zwischenschicht (8) ei ne Luftschicht aufweist.

5. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die isolierende Zwischenschicht (8) ei ne dielektrische Schicht ist.

6. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) ein Be reich definiert ist, in dem die Leiterstruktur (9; 12) ohne eine isolierende Zwischenschicht (8) auf dem pie zoelektrischen Substrat (1) gebildet ist.

7. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, bei dem die Leiterstruktur (12) derart gebildet ist, daß jeder Elektrode der ersten Elektro denstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) eine gleichgeformte Elektrode der Leiterstruktur (12) gegenüber liegt, wobei zwischen einer Elektrode der ersten Elektrodenstruktur (2a) oder der zweiten Elektrodenstruktur (2b) und einer gegenüberliegenden Elektrode der Leiterstruktur (12) stets die gleiche Spannungsdifferenz anliegt.

8. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste Elektrodenstruktur (2a) und die zweite Elektrodenstruktur (2b) kammförmige Elek troden aufweisen.

9. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem über der Leiterstruktur (9; 12) eine Passivierungsschicht (10) aufgebracht ist.

10. Oberflächenwellensensor gemäß Anspruch 9, bei dem die Passivierungsschicht (10) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die SiO₂, SiC, Si₃N₄ um faßt.

11. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das piezoelektrische Substrat (1) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat umfaßt.

12. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Leiterstruktur (9; 12) aus einem Metall gebildet ist.

13. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die isolierende Zwischenschicht (8) aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die SiO₂, SiC, Si₃N₄ oder ein organi sches Material umfaßt.

14. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Passivierungsschicht (10) aus ei nem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausge wählt ist, die SiO₂, SiC, Si₃N₄, Polyimid, oder ein an deres organisches Material oder Metall umfaßt.

15. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenwellensen sors zum Messen physikalischer Größen von Flüssigkei ten (7) mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats (1);
Aufbringen einer ersten Elektrodenstruktur (2a) und einer zweiten Elektrodenstruktur (2b) auf einer Ober fläche des piezoelektrischen Substrats (1), derart, daß dieselben voneinander beabstandet angeordnet sind;
Aufbringen einer isolierenden Zwischenschicht (8) zu mindest über Bereichen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b);
Aufbringen einer Leiterstruktur (9; 12) auf der iso lierenden Zwischenschicht (8) zumindest an Bereichen, die der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) gegenüberliegen.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem der Schritt eines Aufbringens einer Leiterstruktur (9) ein Aufbringen einer zusammenhängenden leitfähigen Schicht umfaßt.

17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem der Schritt des Anordnens einer isolierenden Zwischen schicht (8) ein Aufbringen einer Opferschicht (11) und ein nachfolgendes Entfernen der Opferschicht (11) um faßt, so daß die isolierende Zwischenschicht (8) als eine Luftschicht ausgebildet ist.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 oder 17, bei dem der Schritt des Aufbringens einer Leiterstruktur (12) ein Aufbringen einer Leiterstruktur umfaßt, die entsprechend der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) gebildet ist, so daß jeder Elektrode der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) eine entspre chende Elektrode der Leiterstruktur (12) gegenüber liegt.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner einen Schritt eines Aufbringens einer Passivie rungsschicht (10) über der Leiterstruktur (9; 12) um faßt.