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Die Erfindung betrifft einen Fluidsensor zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Fluids mit einem wenigstens einseitig von einer Halterung gehaltenen Biegeschwinger, der einen Biegeaktor und einen Biegesensor umfasst, die jeweils von aus der Halterung herausragenden, piezoelektrischen Schichten mit flächig aufgebrachten Kontaktelektroden gebildet sind.
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Ein derartiger Fluidsensor ist aus der
JP 59-126 931 A bekannt. Bei dem bekannten Fluidsensor handelt es sich um einen Viskositätssensor, mit dem sich die Viskosität von Motoröl bestimmen lässt. Zu diesem Zwecke kann eine Halterung des bekannten Viskositätssensors in die Wand einer Ölwanne eines Verbrennungsmotors eingebracht werden. Ein in die Halterung eingespannter Biegeschwinger taucht dann in das sich in der Ölwanne befindende Motoröl ein. Der Biegeschwinger besteht aus einem piezoelektrischen Biegeaktor und einem piezoelektrischen Biegesensor. Durch Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Aktor wird der Biegeschwinger in Schwingung versetzt. Die dabei vom Biegesensor erzeugte Spannung ist im Allgemeinen kleiner als die Spannung, mit der der Biegeaktor beaufschlagt wird. Aus dem Verhältnis der Spannungsamplituden kann dann ein Viskositätsäquivalent und damit die Zusammensetzung des Motoröls bestimmt werden.
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Die
DE 103 45 253 A1 offenbart einen Zustandssensor für Flüssigkeiten, der einen Schwingungskörper aufweist, der mit einer Haltevorrichtung gehalten ist. Weiterhin weist er ein Piezo-Element auf, das an dem Schwingungskörper angeordnet ist und über einen Betriebsanschluss betrieben wird.
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Die
DE 101 52 777 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlöls, mit mehreren Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit der jeweiligen sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben. Hier ist ein Sensor ein Temperatursensor, der ein Ausgangssignal abgibt, das im Wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist. Mindestens ein weiterer Sensor gibt ein Ausgangssignal ab, das eine Abhängigkeit sowohl von der Qualität des Mediums als auch von der Temperatur des Mediums aufweist. Die Sensoren sind auf einem gemeinsamen und in das Medium eintauchbaren Substrat angeordnet.
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Bei dem bekannten Fluidsensor ist der Biegeschwinger einseitig in eine Kunststoffmasse eingebettet, aus der der aktive Teil des Biegeschwingers mehrere Millimeter herausragt. Für die Kunststoffmasse wird üblicherweise ein Hartverguss verwendet. Der Hartverguss bewirkt, dass sich der eingespannte Teil des Biegeschwingers kaum verformen kann. Der Hartverguss muss daher die von den piezoelektrischen Schichten hervorgerufenen mechanischen Spannungen aufnehmen. Auf lange Sicht kann dies dazu führen, dass am Übergang zwischen Hartverguss und Biegeschwinger Risse oder Spalten auftreten. Die dadurch eventuell bewirkte Lockerung des Biegeschwingers kann zum Ausfall des Fluidsensors führen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Fluidsensor mit verlängerter Lebensdauer zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Fluidsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei dem Fluidsensor ist der Überdeckungsbereich der dem Biegeaktor zugeordneten Kontaktelektroden auf den aus der Halterung herausragenden Bereich des Biegeschwingers begrenzt. Dadurch ist sichergestellt, dass lediglich derjenige Abschnitt des Biegeaktors einem zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Feld ausgesetzt wird, der aus der Halterung herausragt. Es wird daher nur der aus der Halterung herausragende Teil des Biegeschwingers verformt. Der von der Halterung umschlossene Abschnitt des Biegeaktors wird dagegen kaum verformt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der von der Halterung umschlossene Teil des Biegeschwingers nicht gegen die feste Einspannung zu arbeiten braucht, so dass keine Energie verschwendet wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Fluidsensors ist auch der Überdeckungsbereich der dem Biegesensor zugeordneten Kontaktelektroden auf den aus der Halterung herausragenden Bereich des Biegeschwingers begrenzt. Dadurch wird der Fluidsensor gegen zusätzliche Lasten unempfindlich. Denn wenn auf die Halterung eine Kraft eingeleitet wird, dann wirkt sich diese nicht unmittelbar auf den Fluidsensor aus. Insbesondere erfolgt keine Änderung eines eventuell vorliegenden Versatzes des Sensorsignals des Biegesensors.
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Um sicherzustellen, dass der in die Halterung eingespannte Abschnitt des Biegeschwingers eine möglichst geringe Verformung erfährt, sind die über die piezoelektrischen Schichten zu den Kontaktelektroden geführten Kontaktleitungen vorzugsweise versetzt angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Fluidsensors ist zwischen einem in eine Schwingungsbewegung versetzbaren Bewegungsbereich und einem von der Halterung gehaltenen Haltebereich ein spannungsreduzierender Entkoppelbereich vorgesehen. Durch den Entkoppelbereich wird der Bewegungsbereich mechanisch vom Einspannbereich entkoppelt. Dadurch können sich Spannungen, die sich im Bewegungsbereich bilden, nicht in den Haltebereich hinein fortpflanzen. Der Entkoppelbereich bietet ferner den Vorteil, dass Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Insbesondere wenn der Biegeschwinger in eine als Halterung dienende Vergussmasse eingegossen wird, bietet der Entkoppelbereich ausreichend Platz für die Meniskusbildung.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Biegebereich ein Temperatursensor auf dem Biegeschwinger ausgebildet. Damit kann die Temperatur des zu vermessenden Fluids am Ort des Biegeschwingers ermittelt werden. Außerdem weist der Biegeschwinger in der Regel eine geringe thermische Masse auf, so dass sich kurze Reaktionszeiten für den Temperatursensor ergeben. Weiterhin ergeben sich Kostenvorteile, da neben dem Fluidsensor kein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen werden muss.
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Vorzugsweise weist der Temperatursensor eine auf der Breitseite des Biegeschwingers angeordnete und in Querrichtung mäandrierende Widerstandsleitung auf. Bei dieser Ausgestaltung der Widerstandsleitung werden lediglich die in Längsrichtung verlaufenden Abschnitte während der Schwingungsbewegung des Biegeschwingers gebogen. Es ist daher von Vorteil, wenn die auf einer Breitseite des Biegeschwingers verlaufende Widerstandsleitung quer zur Längsrichtung des Biegeschwingers mäandriert, so dass sich kurze Längsabschnitte und lange Querabschnitte ergeben.
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Ferner kann am Biegeschwinger auch eine Interdigitalstruktur ausgebildet werden, mit der die Leitfähigkeit oder Permittivität bestimmt werden kann. Ein derartiger Fluidsensor bietet die Möglichkeit, nicht nur Größen wie die Viskosität und Dichte, sondern auch die Permittivität und die Leitfähigkeit des Fluids an einem Ort zu messen.
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Die auf einer Breitseite des Biegeschwingers angeordnete Interdigitalstruktur weist vorzugsweise Finger auf, die quer zur Längsrichtung des Biegeschwingers verlaufen, um die Interdigitalstruktur beim Biegen des Biegeschwingers nach Möglichkeit nicht zu belasten.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines Fluidsensors zur Messung von charakteristischen Eigenschaften eines Fluids, insbesondere zur Messung der Viskosität und der Dichte von Motoröl;
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2 eine Explosionsansicht eines für den Fluidsensor aus 1 verwendbaren Biegeschwingers;
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3 eine Explosionsansicht eines weiteren für den Fluidsensor aus 1 verwendbaren Biegeschwingers;
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4 eine Explosionsansicht eines abgewandelten Biegeschwingers, der mit einem Temperatursensor versehen ist;
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5 eine Explosionsansicht eines abgewandelten Biegeschwingers mit Temperatursensor, bei dem sich die Kontaktelektroden in einen Entkoppelbereich hinein erstrecken;
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6 eine Explosionsansicht eines weiteren abgewandelten Biegeschwingers, der zusätzlich mit einer Interdigitalstruktur zur Messung der Leitfähigkeit oder der Permittivität des Fluids ausgestattet ist; und
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7 die Darstellung eines zur Herstellung der Biegeschwinger verwendeten Verfahrens.
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1 zeigt einen Viskositätssensor 1, der sich unter anderem zur Bestimmung der Viskosität und der Dichte von Motoröl 2 eignet. Der Viskositätssensor verfügt über einen Biegeschwinger 3, der in seiner einfachsten Ausführungsform eine piezoelektrische Aktorschicht 4 und eine piezoelektrische Sensorschicht 5 aufweist. Zwischen der Aktorschicht 4 und der Sensorschicht 5 befindet sich eine gemeinsame Masseelektrode 6. Auf der gegenüberliegenden Seite ist auf der Aktorschicht 4 eine Aktorelektrode 7 ausgebildet. Dementsprechend befindet sich außen auf der Sensorschicht 5 eine Sensorelektrode 8. Die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektrode 8 sind jeweils an Kontaktstifte 9, 10 und 11 angeschlossen. Ein Kontaktende 12 des Biegeschwingers 3 ist von einem Hartverguss 13 umschlossen. Der Hartverguss 13 sitzt dabei in einer Gehäusewand 14, bei der es sich beispielsweise um die Wand einer Ölwanne handeln kann. Der Hartverguss 13 kann aber auch in einer Fassung sitzen, die öldicht in eine Öffnung der Gehäusewand 14 einsetzbar ist.
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Durch Anlegen eines in der Regel sinusförmigen Aktorsignals an die Kontaktstifte 9 und 10 kann die Aktorschicht 4 bezüglich der Längsachse des Biegeschwingers 3 wechselweise zu einer Kontraktion und Expansion veranlasst werden. Bei einer Kontraktion verbiegt sich der Biegeschwinger 3 in eine Richtung 15, während sich der Biegeschwinger 3 bei einer Expansion der Aktorschicht 4 in eine Gegenrichtung 16 bewegt. Dadurch entsteht eine Schwingungsbewegung, die innerhalb einer Schwingungskontur 17 verläuft.
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Während der Schwingung des Biegeschwingers 3 wird von der Sensorschicht 5 eine Sensorspannung erzeugt, die an den Kontaktstiften 11 und 10 abgegriffen werden kann. Die Sensorspannung ist im Allgemeinen kleiner als die Aktorspannung und kann zur Bestimmung der Viskosität des Motoröls 2 herangezogen werden. Insbesondere kann aus dem Verhältnis der Spannungsamplituden ein Viskositätsäquivalent bestimmt werden.
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Es sei angemerkt, dass der Viskositätssensor 1 auch zur Bestimmung der Dichte verwendet werden kann. Zur Bestimmung der Dichte des Motorenöls 2 wird die Frequenz des Biegeschwingers 3 durchgestimmt und das Resonanzmaximum gesucht. Die Lage des Resonanzmaximums ist für die Dichte des Motoröls 2 charakteristisch.
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Bei dem Biegeschwinger 3 sind die Aktorschicht 4 und die Sensorschicht 5 jeweils von Deckschichten 18 und 19 gegen das Motoröl 2 abgeschirmt. 2 zeigt eine Explosionsansicht des Biegeschwingers 3. Anhand 2 wird erkennbar, dass die Sensorelektrode 8 auf der Deckschicht 19, die Masseelektrode 6 auf der Sensorschicht 5 und die Aktorelektrode 7 auf der Aktorschicht 4 ausgebildet sind. Die Aktorelektrode 7 ist schließlich von der Deckschicht 18 abgedeckt.
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Ferner ist anhand 2 erkennbar, dass sich die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektrode 8 lediglich jeweils über einen Teil der Aktorschicht 4, der Sensorschicht 5 und der Deckschicht 19 erstrecken. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass sich der Überlappungsbereich der Masseelektrode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8 nur über denjenigen Bereich des Biegeschwingers 3 erstreckt, der aus dem Hartverguss 13 herausragt. Der Bereich des Biegeschwingers 3, in dem die Aktor-elektrode 7, die Sensorelektrode 8 und die Masseelektrode 6 überlappen, bildet einen Bewegungsbereich 20, in dem die Verformung des Biegeschwingers 3 stattfindet. Daran schließt sich ein ebenfalls aus dem Hartverguss 13 herausragender Entkoppelbereich 21 an. Ein Einspannbereich 22 des Biegeschwingers 3 ist schließlich von dem Hartverguss 13 umschlossen.
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Es sei angemerkt, dass zu der Masseelektrode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8 führende Kontaktleitungen 23, 24 und 25 jeweils seitlich versetzt angeordnet sind, um zu verhindern, dass im Entkoppelbereich 21 und im Einspannbereich 22 eine Verformung des Biegeschwingers 3 stattfindet.
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3 zeigt einen abgewandelten Biegeschwinger 26, bei dem die Aktorschicht 4, die Sensorschicht 5 sowie die Deckschichten 18 und 19 im Bereich des Entkoppelbereichs 21 jeweils mit einer Taillierung 27 versehen sind. Dadurch kann die Ausbreitung der im Bewegungsbereich 20 erzeugten Spannungen auf den Einspannbereich 22 reduziert werden.
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Die Biegeschwinger 3 und 26 weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Dadurch, dass sich die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektrode 8 lediglich im Bewegungsbereich 20 überlappen, findet beim Anlegen einer äußeren Spannung an die Aktorschicht 4 und die Masseschicht 6 keine Verformung der Biegeschwinger 3 und 26 im Einspannbereich 22 statt. Dadurch wird der Hartverguss 13 mechanisch nicht belastet. Ferner bildet der Entkoppelbereich 21 einen Auffangbereich für Fertigungstoleranzen. Beim Eingießen der Biegeschwinger 3 und 26 kann sich beispielsweise ein Meniskus im Entkoppelbereich 21 ausbilden, ohne dass die Funktion der Biegeschwinger 3 und 26 beeinträchtigt wird. Außerdem wird die Funktion der Biegeschwinger 3 und 26 auch nicht beeinträchtigt, wenn Spannungen von der Gehäusewand 14 über den Hartverguss 13 auf die Biegeschwinger 3 und 26 ausgeübt werden.
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Bei der Verwendung von Biegeschwingern von der Art des Biegeschwingers 3 oder des Biegeschwingers 26 für den Viskositätssensor 1 ist eine lange Lebensdauer für den Viskositätssensor 1 zu erwarten, da der Einspannbereich 22 kaum Spannungen ausgesetzt ist. Es ist daher nicht zu befürchten, dass durch die Schwingung des Bewegungsbereichs 20 im Einspannbereich 22 Spannungen auftreten, die im Übergangsbereich zwischen Biegeschwinger 3 oder 26 zum Hartverguss 13 zu Rissen oder Spalten führen, die unter Umständen eine Lockerung der Biegeschwinger 3 und 26 im Hartverguss 13 bewirken.
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Die Biegeschwinger 3 und 26 können auch mit weiteren Sensoren ausgestattet werden, um die Funktionalität des Viskositätssensors 1 zu erweitern. 4 zeigt einen Biegeschwinger 28, bei dem auf der Oberseite der Deckschicht 19 ein Temperatursensor 29 ausgebildet ist. Der Temperatursensor 29 umfasst vorzugsweise eine mäanderförmig ausgebildete Widerstandsleitung 30, deren Widerstand temperaturabhängig ist. Dadurch ist es möglich, die Temperatur unmittelbar im Bereich des Biegeschwingers 28 zu bestimmen. Der Temperatursensor 29 kann auch von einer weiteren in 4 nicht dargestellten Deckschicht abgedeckt sein. Die geringe Masse des Biegeschwingers 28 und die ständige Umspülung des Biegeschwingers 28 mit Motoröl bewirken kurze Ansprechzeiten bei der Temperaturmessung.
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In 5 ist ein weiterer Biegeschwinger 31 dargestellt, bei dem der durch die Ausdehnung der Taillierung 27 definierte Entkoppelbereich 21 bis etwa zur Mitte hin durch die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektrode 8 abgedeckt wird. Dadurch kann die Verformung des Biegeschwingers 31 bereits in dem Entkoppelbereich 21 beginnen.
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In 6 ist weiterhin ein Biegeschwinger 32 dargestellt, bei dem auf einer dem Motoröl 2 zugewandten Außenseite einer Trägerschicht 33 eine Interdigitalstruktur 34 ausgebildet ist. Mit Hilfe der Interdigitalstruktur 34 kann Impedanzspektroskopie betrieben werden und die Permittivität und die Leitfähigkeit des Motoröls 2 bestimmt werden. Die Interdigitalstruktur 34 kann auch auf der Unterseite der Deckschicht 19 angeordnet werden.
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Anhand 7 sei abschließend die Herstellung der Biegeschwinger 3, 26, 27, 31 und 32 erläutert. Die Herstellung ist dabei am Einzelteil dargestellt. In der Praxis werden die Biegeschwinger 3, 26, 27, 31 und 32 in großen Nutzen 35 gefertigt. Insbesondere werden die Strukturen der Masseelektrode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8, sowie des Temperatursensors 29 und der Interdigitalstruktur 34 durch Siebdruck in Dickschichttechnik oder durch eine Dünnfiltertechnik auf keramische Schichten 36 aufgebracht. Die durch diese Technik ausgebildeten Strukturen sind in 7 durch Leiterbandstrukturen 37 angedeutet. Die einzelnen im Nutzen 35 vorliegenden Keramikschichten 36 werden aufeinander gestapelt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Durch nachfolgendes Vereinzeln entsteht ein Rohkörper 38, an dem anschließend Kontaktierungen 39 angebracht werden, an denen die Kontakte 40, die den Kontaktstiften 9 bis 11 entsprechen, angebracht werden können.
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Es sei angemerkt, dass das hier beschriebene Konzept der Beschränkung der Kontaktelektroden auf den Bewegungsbereich 20, insbesondere die Beschränkung der Masseelektrode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8, auch bei Viskositätssensoren verwendet werden kann, bei denen das schwingende Element an beiden Enden in einer Halterung eingespannt ist. Bei dieser Ausgestaltung sind die Kontaktelektroden vorteilhafterweise auf den sich bewegenden Bereich außerhalb der Einspannung beschränkt.
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Ferner sei angemerkt, dass das hier beschriebene Konzept auch auf Viskositätssensoren angewendet werden kann, die mehr als drei Kontaktelektroden aufweisen. Beispielsweise können für den Biegeaktor und den Biegesensor jeweils getrennte Masseelektroden vorgesehen sein. Die piezoelektrischen Schichten und sonstige Schichten können auch beidseitig mit Leiterbahnstrukturen versehen werden.
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Schließlich sei noch angemerkt, dass die hier beschriebenen Fluidsensoren zur Messung von charakteristischen Eigenschaften beliebiger Flüssigkeiten und Gase verwendet werden können.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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Schließlich sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Viskositätssensor
- 2
- Motoröl
- 3
- Biegeschwinger
- 4
- Aktorschicht
- 5
- Sensorschicht
- 6
- Masseelektrode
- 7
- Aktorelektrode
- 8
- Sensorelektrode
- 9
- Kontaktstift
- 10
- Kontaktstift
- 11
- Kontaktstift
- 12
- Kontaktende
- 13
- Hartverguss
- 14
- Gehäusewand
- 15
- Richtung
- 16
- Gegenrichtung
- 17
- Schwingungskontur
- 18
- Deckschicht
- 19
- Deckschicht
- 20
- Bewegungsbereich
- 21
- Entkoppelbereich
- 22
- Einspannbereich
- 23
- Kontaktleitung
- 24
- Kontaktleitung
- 25
- Kontaktleitung
- 26
- Biegeschwinger
- 27
- Taillierung
- 28
- Biegeschwinger
- 29
- Temperatursensor
- 30
- Widerstandsleitung
- 31
- Biegeschwinger
- 32
- Biegeschwinger
- 33
- Trägerschicht
- 34
- Interdigitalstruktur
- 35
- Nutzen
- 36
- Keramikschicht
- 37
- Leiterbahnstruktur
- 38
- Rohkörper
- 39
- Kontaktierung
- 40
- Kontakt
