DE102008022215B4

DE102008022215B4 - Mikromechanischer Viskositätssensor und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102008022215B4
Application number: DE200810022215
Authority: DE
Inventors: Peter-Christian 83700 Eccardt; Hubert Dr. 90443 Mooshofer; Marcel 39104 Thränhardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2028-05-07
Also published as: DE102008022215A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Viskosität in Fluiden mittels der Erzeugung einer stehenden Grenzflächenwelle, bestehend aus folgenden Komponenten: – einem Substrat (4) mit – mindestens zwei oberflächlich am Substrat (4) zueinander benachbart positionierter Membranzellen (1), deren Abmessung in oberflächlicher Richtung kleiner als die Wellenlänge der zu erzeugenden Welle sind, die lediglich minimale gegenseitige mechanische Kopplung aufweisen, denen jeweils ein elektromechanischer Wandler zugeordnet ist und die gegenphasig alternierend ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest durch einen akustisch harten Rand (3) oder durch einen körperlichen Rand (2) eine erzeugte Grenzflächenwelle zumindest einseitig begrenzbar ist, und – aufgrund des frequenzabhängigen Ausbreitungsverhaltens wie der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, die Viskosität des Fluids (6) und/oder die Dichte bestimmbar ist/sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zu Messung der Viskosität, sowie Betriebsverfahren für die Messung der Viskosität von Fluiden, also Flüssigkeiten oder Gasen, wobei in Kombination die Messung anderer physikalischer Größen wie beispielsweise Dichte, Schallgeschwindigkeit oder elektrische Permittivität erfasst werden kann. Einsatzfall ist z. B. die Bestimmung des Alterungszustandes von Schmierstoffen durch Bestimmung der Viskosität.
Zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten gibt es etablierte Messverfahren. Bekannt sind zum einen mechanische Scherschwinger, die sich parallel zur Flüssigkeitsfläche bewegen. Diese können flach ausgeprägt sein oder aber sie bestehen aus einem um die Symmetrieachse oszillierenden Zylinder.
Bekannt sind ferner Kapillar-Viskosimeter, die den Druckabfall beim Durchfluss durch eine Kapillare bestimmen.
Bekannt sind ferner mikroakustische Verfahren, die die Dämpfung von Oberflächenwellen im Festkörper zur Messung nutzen. Je nach Ausführungsform wird hier die Dampfung von Platten-Wellen oder Oberflächen-Scherwellen genutzt.
Allen bisher bei mikroakustischen Verfahren genutzten Wellentypen ist gemein, dass sie in ihren Ausbreitungsbedingungen wesentlich von den Eigenschaften des Festkörpers bestimmt werden, an dessen Oberfläche sie sich ausbreiten. Die Wellen dringen wenigstens in der Größenordnung einer Wellenlänge in das Substrat ein.
Die in akustischen Mikrosensoren bisher genutzten Wellentypen lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

(a) Wellenformen mit reiner Scherpolarisation – Love Wave – Shear Transverse Wave (STW) – Shear Acoustic Plate Mode (SH-APM) – Thickness Shear Mode (TSM),
(b) Wellen mit Oberflächenauslenkungen außerhalb der Ebene – Rayleighwellen – Lamb-Wellen (FPW).

Die Wellentypen unter (a) eignen sich gut für Anwendungen in Flüssigkeiten, da Scherwellen bei Vorhandensein einer Flüssigkeit an der Grenzfläche zum Festkörper nur wenig bedämpft werden. Bei den unter (b) genannten Wellentypen ist eine Auslenkung der Festkörperoberfläche senkrecht zur Grenzflächenebene gegeben, die eine starke Bedämpfung der Oberflächenwellen durch Abstrahlung von Kompressionswellen in die Flüssigkeit verursacht.
Eine Ausnahme sind Lamb-Wellen, bei denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit so gewählt wurde, dass sie unterhalb der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit liegt. Die Oberflächenwelle kann nicht in die Flüssigkeit abstrahlen, sondern verursacht eine in der Flüssigkeit rasch abklingende Welle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit unterhalb der charakteristischen Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Daher eignen sich Lambwellensensoren unter den genannten Randbedingungen gut für die Bestimmung von Flüssigkeitsparametern.
– Lamb-Wellen
Lamb-Wellen sind Wellen in dünnen Platten, deren Ausbreitungsbedingungen von der Dicke b der Platte abhängig sind. Es werden symmetrische (Sn) und asymmetrische Moden (An) bzgl. der Bewegung gegenüber der Plattenmitte unterschieden. Für den Grenzfall b >> λ (λ: Wellenlänge in der Platte) wird die Lamb-Welle zur Überlagerung zweier Rayleighwellen an beiden Grenzschichten (Lamb-Rayleigh-Wellen), für b << λ sind Lamb-Wellen im Wesentlich Longitudinalwellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Grundmoden A0 und S0 erreicht mit steigender Frequenz asymptotisch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Scherwellen vs im Festkörper. Für den Fall mit einseitiger Fluidlast der Platte ergeben sich folgende Eigenschaften: Der S0 Mode wird nur wenig von der Fluidlast beeinflusst, da die Auslenkung hauptsächlich parallel zur Oberfläche erfolgt. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit vp größer als vfluid ist, erfolgt im A0 Modus eine starke Abstrahlung durch Kompressionswellen im Fluid.
Ist die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit vp kleiner als vfluid, so ist die Welle auf die Grenzschicht begrenzt und im Fluid entsteht eine abklingende, evaneszente Welle, daher ist dieser Mode für Fluidsensor-Anwendungen gut geeignet. Sensoranwendungen sind in der Literatur beschrieben als FPW-Sensor (Flexural Plate Wave) mit Resonanzfrequenzen von einigen MHz.
6, 7, und 8 fassen mehrere Anordnungen von typischen Wandlern für die vorgestellten Oberflächenwellentypen nach dem Stand der Technik zusammen. Es werden piezoelektrische Substrate genutzt, um mit fingerartigen Interdigitalwandlern die gewünschten Wellenmoden anzuregen. Sind wie abgebildet zwei solcher Strukturen aufgebaut, lässt sich der Sensor als Verzögerungsleitung in einer Oszillatorelektronik betreiben, was einfache Messverfahren erlaubt, da die Verschiebung der Resonanzfrequenz als Messeffekt genutzt wird.
– Rayleighwellen
Rayleighwellen werden auch als akustische Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, kurz SAW) bezeichnet. Sie konzentrieren sich ungefähr auf die Tiefe einer Wellenlänge im Festkörper, an dessen Oberfläche sie sich ausbreiten. Ein angrenzendes Medium ist zur Existenz dieser Welle nicht erforderlich, die Welle wird aber durch ein angrenzendes Medium beeinflusst. Die Longitudinal- und Schwerbewegungen sind bei Rayleighwellen eng gekoppelt und breiten sich mit einer gemeinsamen Geschwindigkeit aus. Eigenschaften einer Rayleighwelle an einer freien Grenzfläche sind:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt das 0,87 bis 0,95 fache der transversalen Ausbreitungsgeschwindigkeit vt des Substrats.
Sie sind für Anwendungen im Fluid nicht geeignet, da SAWs durch Abstrahlung ins Fluid stark bedämpft werden, wie beispielsweise in B. Bayram, M. Kupnik, G. G. Yaralioglu, O. Oralkan, D. Lin, X. Zhuang, A. S. Ergun, A. F. Sarioglu, S. H. Wong, and B. T. Khuri-Yakub; Proc. IEEE Ultrason. Symp, 2005, pp 601–606 beschrieben.
Sie finden Anwendung als massensensitiver Sensor für Gase.
Zur weiteren Beschreibung von etablierten Verfahren und zur genauen Abgrenzung der Erfindung von diesen folgt eine Kurzbeschreibung der oben unter a) erwähnten Wellentypen:
– Stoneley-Wellen
Stoneley-Wellen sind als Sonderfall der Rayleighwellen reine Grenzflächenwellen an der Grenzfläche zweier elastischer Medien. Ihre Eigenschaften sind wie folgt:
Sie existieren an der Grenzfläche zweier Festkörper nur für bestimmte Verhältnisse der akustischen Impedanz beider Medien.
Sie existieren für alle Verhältnisse der akustischen Impedanzen an der Grenzfläche zwischen Fluid und Festkörper und werden dann als Stoneley-Scholte-Wellen bezeichnet.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt unterhalb der Schallgeschwindigkeit im Fluid, aber in der gleichen Größenordnung. Die Energie der Welle befindet sich hauptsächlich im Fluid. im Festkörper dringt die Welle bis zur Größenordnung einer Wellenlänge ein. Die Ausbreitung an der Grenzfläche ist verlustfrei und nicht dispersiv. Die Wellenform ist schwierig anzuregen und daher in der Praxis schwierig nutzbar.
– Quasi-Sholte-Wellen
Ein weiterer Spezialfall der Stoneley-Scholte-Wellen sind die Quasi-Scholte-Wellen an der Grenzfläche zwischen Fluid und einem Festkörper endlicher Dicke. Sie weisen dispersives Verhalten auf und werden auch als Sonderfall der Lamb-Wellen beschrieben. Ihre Eigenschaften sind:
schwacher Dispersionseffekt; der Dispersionseffekt wird erst bei hohen Viskositäten deutlich (jenseits 1 Pa s).
Eine Nutzung als Dichtesensoren ist möglich. Mit diesen Wellen als Sensorprinzip sind Viskositätsmessungen für hohe Viskositäten möglich.
– Love-Wellen
Lovewellen sind Schermoden-Wellen (SH-Modes), die sich in einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht wie in einem Wellenleiter ausbreiten. Sie treten nur auf, wenn die transversale Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Schicht geringer ist als die im Substrat. Weiterhin haben sie folgende Eigenschaften:
Die Energie der Welle ist auf die Schicht begrenzt, so dass im Fluid eine abklingende Scherwelle hervorgerufen wird. Daher sind sie für Anwendungen in Viskositäts- und Dichtesensoren interessant.
Das Substrat ist meist piezoelektrisch, die Anregung erfolgt über IDT (Interdigitalwandler)-Strukturen.
Mögliche Schicht-Substrat Kombinationen sind Gold oder Siliziumdioxid auf Quarz bzw. Siliziumdioxid auf Lithiumniobat. Sie finden breite Anwendung in der Fluidsensorik, beispielsweise beschrieben in: Robert Bosch GmbH, Patent DE 19850802 A1 , ”Sensoranordnung für die Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten”.
– SH-APM (Shear Acoustic Plate mode) und STW (Surface transverse wave).
Diese beiden Wellentypen weisen ähnliche Eigenschaften wie Love-Wellen auf, da beide reine Schermoden sind. Bei SH-APM ist die Scherwelle eine sog. Bulk-Welle in einer Platte, d. h. die Scherung erfolgt im gesamten Körper der akustischen Platte. Dagegen ist die Scherwelle bei STWs an der Oberfläche konzentriert. Eine Schermode wird gezielt durch den Einsatz sog. ”guiding gratings”/Führungsgitter begünstigt, die die Entstehung einer Scherwelle nur für den Fall erlauben, dass ihr Abstand der halben Wellenlänge der Scherwelle entspricht.
– TSM (Thickness Shear Mode)
Der Thickness Shear Mode beschreibt einen Fall von Festkörperwellen (Bulk Acoustic Waves), bei denen in einen Festkörper durch geeignete Anregung Scherspannungen eingebracht werden. Klassische Schwerschwinger sind Schwingquarze, die vor allem als sehr empfindliche Massensensoren bekannt sind (Quarzmikrowägung, Quarzmikrobalance QCM). Sie lassen sich ebenso zur Erfassung von Fluid-Parametern wir Dichte und Viskosität nutzen [1].
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, über einen elektromechanischen Wandler eine oberflächlich ausgebildete Welle in der Flüssigkeit zu erzeugen, die es ermöglicht, über ihre Rückwirkung auf den Wandler die Viskosität des Fluides über einen großen Messbereich und mit einer großen Genauigkeit festzustellen.
Die Lösung geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination des Anspruchs 1 oder 12.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Grenzfläche zum Fluid mit einer rein imaginären akustischen Impedanz durch ein Array von Membranen zu realisieren ist, deren jeweilige in Oberflächenrichtung gesehene Abmessung klein gegenüber der Wellenlänge der Welle in der Flüssigkeit an der Grenzfläche ist.
Durch die getrennte Bestimmung von Dichte und dynamischer Viskosität mit einem einzigen Sensor ist es möglich, sowohl die dynamische als auch die kinematische Viskosität einer Flüssigkeit zu bestimmen, da beide Größen nur über die Dichte verkoppelt sind.
Bei dem hier beschriebenen Sensor und Verfahren werden Wellen in einem Fluid angeregt und zur Messung der Viskosität genutzt, welche an der Grenzfläche des Fluids zu einer Berandung existieren, die im Gegensatz zu massiven Festkörpern eine rein imaginäre mechanische Impedanz Zi aufweisen. Diese rein imaginäre Impedanz kann durch einen Steifigkeitsbelag s' (Steifigkeit pro Flächeneinheit) und einen Massenbelag m' (Masse pro Flächeneinheit) mit der Formel Zi = s'/jω + jωm' (1) (ω: Kreisfrequenz, ω = 2·π·f, f: Schwingungsfrequenz der Welle) beschrieben werden. Diese Wellen sind dispersiv und weisen eine Phasengeschwindigkeit auf, welche sich nach der Formel: cph = c*(1 + (c/c*)2)^–½ (2) c* = s'/(ω·ρ)·(1 – ω²m'/s') mit der Schallgeschwindigkeit im Fluid c und der Dichte im Fluid ρ berechnen lassen. Hierbei wird die Literaturstelle P.-C. Eccardt, A. Lohfink, H.-G. von Garssen, Proc. IEEE Ultrason. Symp, 2005, pp 593–596 berücksichtigt.
Für kleine Phasengeschwindigkeiten (c* << c) und kleine Massebeläge (ω²m'/s' << 1) ergibt sich die Näherungsformel: cph ≈ c* ≈ s'/(ωρ). (3)
Dies entspricht mit s'/ρ = g der Dispersionsgleichung cph ≈ g/ω für Schwerewellen an der freien Oberfläche von Flüssigkeiten mit der Erdbeschleunigung g, bei denen die Schwerkraft als Steifigkeitsbelag dient. Der Massebelag der angrenzenden Luft ist dabei meist vernachlässigbar.
Im Unterschied zu allen anderen vorher beschriebenen Wellenformen an der Grenzfläche zwischen Fluid und Festkörper kommt es bei dieser Ausbreitungsart nur auf den Steifigkeits- und Massebelag an der Oberfläche an und nicht auf die Art der Ausbreitungsform im Festkörper. Die Welle dringt also im Gegensatz zu bisher im Stand der Technik bekannten mikroakustischen Verfahren nicht in den Festkörper ein. Die einzige Bewegung im Festkörper ist die vertikale Bewegung der Membranen, deren vertikale Abmessung meist sehr klein gegen die Wellenlänge ist. Diese Wellenform kann zum Beispiel durch eine Grenzfläche beschrieben werden, die aus einer Anzahl von kleinen Federn dargestellt ist, deren Abmessung in oberflächlicher Richtung klein gegenüber der Wellenlänge ist und die keinerlei mechanische Kopplung untereinander besitzen. Dies verdeutlicht, dass diese Art der Grenzwelle allein im Fluid existiert.
Im Folgenden werden die Erfindung nicht einschränkende besonders vorteilhafte Ausgestaltungen mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben.
1 zeigt die Scherung im Fluid als Funktion des Abstands von dem Rand; links: hohe Viskosität, rechts: niedrige Viskosität; der Anstieg der Kurve ist durch die Viskosität bestimmt, da der Schergradient umgekehrt proportional zur Viskosität ist; der Abfall der Kurve ist durch die begrenzte Eindringtiefe der Welle bestimmt,
2 zeigt links eine Anordnung von rechteckigen und rechts von hexagonalen Membranzellen; Zellen mit gemeinsamer Ansteuerung sind einheitlich gekennzeichnet und unterschiedliche benachbarte Gruppen werden gegenpolig angesteuert,
3A zeigt eine Sensoranordnung mit Membranwand bestehend aus Membranzellen, seitliche Reflexion der Welle geschehen durch akustisch harte Umrandung,
3B zeigt eine Sensoranordnung mit Membranwand bestehend aus Membranzellen, seitliche Reflexionen der Welle geschehen durch akustisch harte Umrandung;
4 zeigt Sensoranordnung mit Membranwand, seitlicher Maskierung als Reflektor für die stehende Fluidwelle b mit der Maskenhöhe hmask,
5 zeigt eine Sensoranordnung mit Membranwand, seitlicher Maskierung als Reflektor für die stehende Fluidwelle, mit vorgegebenem Maskenabstand bfix von den Membranzellen,
6 zeigt typische Anordnungen von akustischen Oberflächenwellenwandlern, entsprechend dem Stand der Technik:

a) Surface Acoustic Wave SAW,
b) Love Wave,
c) Surface Transverse Wave (STW),
d) Shear Horizontal Acoustic Plate Mode (SH-APM),
e) Thickness Shear Mode (TSM),
f) Flexural Plate Wave (FPW) bzw. Lamb Wave,

7 zeigt die Festkörperoberfläche bei Rayleighwellen, entsprechend dem Stand der Technik,
8 zeigt Auslenkungsform einer Platte bei Lamb-Wellen, entsprechend dem Stand der Technik,
9 zeigt mechanisches und elektrisches Ersatzschaltbild der Sensoranordnung,
10 zeigt das elektrische Resonanzverhalten der Sensoranordnung; dargestellt sind Betrag und Phase der elektrischen Impedanz für den Sensor und sein elektrisches Ersatzschaltbild,
11 zeigt durch FEM-Simulation ermittelte Abhängigkeit der elektrischen Ersatzschaltbild-Parameter Ls und Rs von Dichte und Viskosität,
12 zeigt die Anordnung eines Membran-Arrays mit einem darüberliegenden Reflektor mit fester Entfernung, durch den durch gleichphasige Anregung und Empfangen aller Array-Elemente eine Schallwelle ausgesendet und empfangen werden kann, mittels derer aus der Schallaufzeit die Schallgeschwindigkeit c im Fluid und aus der Amplitudendämpfung dessen Anteil an Schwebstoffen bestimmt werden kann.
Wie in Gleichung (2) ersichtlich, wird die Charakteristik der Flüssigkeitswelle im Wesentlichen durch die Flüssigkeit selbst beeinflusst. Ihre Dichte und Schallgeschwindigkeit bestimmen hauptsächlich das dispersive Verhalten der Welle. Die Flüssigkeitswelle ist retardiert, d. h. die Phasengeschwindigkeit der Welle an der Oberfläche ist gegenüber der Schallgeschwindigkeit c im Fluid verlangsamt. Aus diesem Grunde ist die Welle evaneszent, klingt also in der Flüssigkeit mit wachsendem Abstand zur Oberfläche exponentiell ab. Die Oberflächenbewegung der Welle hat keinen Scheranteil, sie erfolgt in Normalenrichtung der betrachteten Oberfläche. Da sich die Welle in der Flüssigkeit entlang der Oberfläche ausbreitet, erfolgt eine Scherung vielmehr in der oberflächennahen Region der Flüssigkeit. Die sich lateral bewegende Flüssigkeitswelle verursacht gegenüber der lateral unbeweglichen Wandfläche einen Schergradienten in der Flüssigkeit, der in Oberflächennähe maximal ist. Dieser Schergradient führt wiederum zu einer viskosen Bedämpfung der Welle. Diese Bedämpfung wird zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit herangezogen werden. 1 beschreibt die Scherung im Fluid als Funktion des Abstands zum Sensor.
Zur Erzeugung einer derart ausgebildeten Welle wird die Grenzfläche zum Fluid mit einer rein imaginären akustischen Impedanz durch ein Array von mindestens zwei Membranen realisiert, deren laterale oberflächliche Abmessung kleiner als die Wellenlänge in der Flüssigkeit an der Grenzfläche ist.
Die einzelnen Elemente eines Arrays bestehen aus einer oder mehrerer rechteckiger Membranen, deren kurze Seite kleiner als die Wellenlänge ist. Alternativ können sie auch aus einer Anordnung von runden, quadratischen oder hexagonalen Membranen bestehen, welche in ihrer geometrischen Anordnung annähernd ein Rechteck ergeben. 2 erläutert diese beiden genannten Ausführungsformen. Bei Verwendung von kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (CMUT) lassen sich so Arbeitsfrequenzen von 200 kHz bis einige 10 MHz und Eindringtiefen von einigen μm bis zu 0.5 mm erreichen.
Der Steifigkeitsbelag s' ist durch Wahl der Geometrie der Membranen – Membrandicke und Membrandurchmesser bei runden oder hexagonalen Membranen bzw. Membranbreite bei rechteckigen Membranen – bei gegebenen elastischen Materialeigenschaft in einem großen Bereich frei einstellbar. Sind die Membranabmessungen sehr klein gegen die Wellenlänge, breitet sich die Fluidwelle ungehindert aus. Kommen die Membranabmessungen in den Bereich der Wellenlänge, so gibt es zunehmend Reflexionen, wie sie aus Wellenreflexion am Gitter in der Literatur bekannt sind.
Die Erfindung besteht weiterhin darin, gezielt eine stehende Flüssigkeitswelle anzuregen, so dass sich eine möglichst hohe Schwingungsgüte an den Membranen zur Maximierung der Messempfindlichkeit einstellt. Dazu wird eine endliche Anzahl von alternierend angeregten Membranen seitlich durch reflektierende Anordnung begrenzt, so dass sich eine stehende Welle ausbreiten kann. Die Schwingungsknoten der Fluidwelle liegen dann in den mechanisch steiferen Bereichen zwischen den Array-Elementen. Dies ist die Resonanzbedingung für eine stehende Welle, die der Resonanzbedingung f0 = cph/(2b) (4) entspricht, b ist hierbei der Abstand zwischen zwei Array-Elementen/Membranzellen (siehe 2). In diesem Fall wirken sich die oben beschriebenen Wellenreflexionen am Gitter auch nicht störend aus.
Die Anregung der stehenden Flüssigkeitswelle geschieht typischerweise durch Anregung aller geradzahligen Elemente gegenphasig zu den ungeradzahligen Elementen.
Die reflektierende Anordnung kann durch den Übergang von dem Membran-Array zu einer akustisch harten Oberfläche geschehen. Diese akustisch harte Anordnung kann sich in der gleichen Ebene an das Membran-Array anschließen, die Reflexion geschieht hierbei durch die geänderte akustische Impedanz der Grenzfläche (siehe 3). Als technisch besser hat sich aber eine senkrecht oder nahezu senkrecht zum Membranarray angeordnete Rand herausgestellt, wie sie in 4 illustriert ist.
Diese Wände, im Weiteren als Maskierung bezeichnet, unterliegen zwei kritischen Parametern für eine optimale Resonanz der Fluidwelle. Zum einen bestimmt die Höhe der Maske, wie viel Energie der Fluidwelle reflektiert wird und welcher Anteil als Verlust über die Maske hinweg abgestrahlt wird. Da die Energie der Fluidwelle sich zur Oberfläche hin konzentriert bzw. von der Oberfläche weg exponentiell abnimmt, hat sich in Simulationen gezeigt, dass eine Höhe der Maskierung hmask von mindestens der halben Wellenlänge der Fluidwelle für eine ausreichend hohe Reflexion der Energie der stehenden Fluidwelle hinreichend ist.
Ein weiterer wichtiger Parameter für das optimale Design der akustisch reflektierenden Maskierung ist die laterale Positionierung dieser Maske. Die in 5 mit bfix bezeichneten Bereiche sind steife Substratbereiche, in denen sich die Fluidwelle nach Übergang von der Membranfläche wieder mit der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Fluids auszubreiten beginnt. Für optimale Resonanzbedingungen ist es vorteilhaft, dass sich die Maske entweder direkt angrenzend zu der Membranwand (bfix = 0) befindet oder aber im Abstand des ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge einer sich frei im Fluid ausbreitenden Schallwelle (bfix = λfluid/2) platziert ist.
Messgröße ist die durch die stehende Welle beeinflusste elektrische Impedanz zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Elementen. Bei jeder reversiblen elektromechanischen Kopplung wirken sich Änderungen im mechanischen Verhalten auf das elektrische Verhalten aus und umgekehrt. Die stehende Welle wiederum wirkt sich als mechanische Last auf das mechanische Verhalten der Membranen aus. Auf diese Weise kann das Verhalten der stehenden Welle im Fluid elektrisch angeregt und gemessen werden. Der Vorteil der hier gewählten Membranstruktur gegenüber den herkömmlichen Sensorprinzipien liegt in der größeren Empfindlichkeit der Membranzellen gegenüber Änderungen im Fluid, da die Membranen in ihrer Steifigkeit an die akustische Impedanz der stehenden Welle anpassbar sind.
Für die Anregung und Messung kann daher jede reversible Art der elektromechanischen Kopplung gewählt werden.
Eine Möglichkeit ist der elektrostatische Antrieb, bei dem zur Linearisierung eine Gleichspannung mit einer Wechselspannung überlagert wird. Hierbei wird ein elektrisches Feld zwischen der Membran und einer Gegenelektrode angelegt. Zur Erhöhung der elektromechanischen Kopplung ist es vorteilhaft die Gleichspannung so zu wählen, dass sie nur wenig kleiner als die Kollaps- oder Snap-in-Spannung der einzelnen Membranen ist. Eine weitere Möglichkeit zur elektrischen Anregung ist die Aufbringung piezoelektrischer Schichten auf die Membran.
Es kann die Resonanz eines piezoelektrischen oder eines elektrostatisch betriebenen Sensors durch das in 9 gezeigte Ersatzschaltbild beschrieben werden. Erfindungsgemäß werden für die gemessene Impedanzkurve durch geeignete Fit-Verfahren die vier Parameter Cp, Cs, Ls und Rs des in 9 beschriebenen elektrischen Ersatzschaltbildes ermittelt. 10 zeigt die elektrische Impedanz des Sensors und die des durch ein Fit-Verfahren ermittelten Ersatzschaltbildes.
Die Parameter Cp und Cs sind weitgehend unabhängig von Dichte und Viskosität. Untersuchungen haben ergeben, dass der Parameter Ls über die Gleichung Ls = αm0 + βmfl (5) (α, β: Proportionalitätsfaktoren, m0: Masse der schwingenden Membran, mfl: Masse des bewegten Fluids) direkt mit der Dichte der Flüssigkeit korreliert ist und somit erfindungsgemäß zur Bestimmung der Dichte im Fluid herangezogen werden kann.
11 zeigt die durch FEM-Simulation ermittelte Abhängigkeit für eine spezielle Geometrie. Bemerkenswert ist, dass somit die Resonanzfrequenz fast nur von der Dichte abhängig ist und nicht wie bei im Stand der Technik beschriebenen Sensoren vom Produkt aus Dichte und Viskosität.
Wie 11 ebenfalls zeigt, ist der Parameter Rs monoton mit der Viskosität korreliert und kann erfindungsgemäß über einen großen Messbereich zur Bestimmung der Viskosität herangezogen werden.
Vorteilhaft bei diesem Sensorprinzip ist auch, dass durch die getrennte Bestimmung von Dichte und dynamischer Viskosität mit einem einzigen Sensor es möglich ist, sowohl die dynamische als auch die kinematische Viskosität einer Flüssigkeit zu bestimmen, da beide Größen nur über die Dichte verkoppelt sind.
Durch Änderung des elektrischen Betriebsverhalten können die Gruppen von Membranen auch zum Senden und Empfangen von Kompressionswellen im Fluid genutzt werden. Im einfachsten Fall geschieht dies durch gleichphasiges Senden und Empfangen. Hierdurch kann der Sensor neben der Messung von Dichte und Viskosität zusätzlich z. B. den Füllstand der zu messenden Flüssigkeit bestimmen, wenn der Einbauort des Sensors entsprechend auf die Flüssigkeitsoberfläche hin ausgerichtet wird.
Wird in einem festen Abstand vom Sensor ein Reflektor 5 angebracht, so kann zusätzlich aus der Bestimmung der Schallaufzeit zu dem Reflektor die Schallgeschwindigkeit im Medium bestimmt werden, wie in 12 dargestellt. Dies entspricht einem Kombisensor mit einem zweiten Betriebsmodus zur Erfassung mehrerer Parameter. Aus der Dämpfung der Schallamplitude bei bekannter viskoser Dämpfung kann ferner die Konzentration von Schwebstoffen bestimmt werden. Dies ist besonders für die Bestimmung der Qualität von Schmierstoffen eine wichtige Zusatzinformation.
Eine weitere Möglichkeit zur kombinierten Sensorik bietet die Tatsache, dass die an der Oberfläche der Membranwander befindlichen Elektroden in einem weiteren Betriebsmodus zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl oder Permittivitätszahl in der Flüssigkeit benutzt werden kann, welche ein weiteres Qualitätskriterium für Schmierstoffe darstellt.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Viskosität in Fluiden mittels der Erzeugung einer stehenden Grenzflächenwelle, bestehend aus folgenden Komponenten: – einem Substrat (4) mit – mindestens zwei oberflächlich am Substrat (4) zueinander benachbart positionierter Membranzellen (1), deren Abmessung in oberflächlicher Richtung kleiner als die Wellenlänge der zu erzeugenden Welle sind, die lediglich minimale gegenseitige mechanische Kopplung aufweisen, denen jeweils ein elektromechanischer Wandler zugeordnet ist und die gegenphasig alternierend ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest durch einen akustisch harten Rand (3) oder durch einen körperlichen Rand (2) eine erzeugte Grenzflächenwelle zumindest einseitig begrenzbar ist, und – aufgrund des frequenzabhängigen Ausbreitungsverhaltens wie der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, die Viskosität des Fluids (6) und/oder die Dichte bestimmbar ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mikromechanisch ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip angetrieben sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Wandler nach dem kapazitiven Prinzip angetriebene mikromechanische Ultraschall-Wandler (CMUT) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Wandler piezoelektrische Wandler sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Wandler elektromagnetische Wandler sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gegenphasig angesteuerte mindestens zwei Membranzellen als Membranstreifen oder als Gruppen von runden, quadratischen, rechteckigen, hexagonalen oder polygonalen Membrangrundrissen angeordnet sind, die relativ zur Ausbreitungsrichtung der Welle annähernd quer und alternierend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (2; 3), welcher sich an die mindestens zwei Membranzellen (1) anschließt, sich in der gleichen Ebene befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein körperlicher Rand (2) nahezu senkrechte Wände relativ zur Substratoberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (2; 3) unmittelbar in Anschluss an die jeweils äußerste Membranzelle angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (2; 3) im Abstand eines Vielfachen der halben Wellenlänge der Grenzflächenwelle bei entsprechender Schallgeschwindigkeit im Fluid angebracht ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass gezielt eine stehende Grenzflächenwelle angeregt wird, die sich durch den Einsatz von Membranzellen (1) ausschließlich in der Flüssigkeit ausbildet und deren Rückwirkung auf die Membranen elektrisch messbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Resonanzkurve das frequenzabhängige Ausbreitungsverhalten von Wellen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Resonanzverhalten Viskosität und/oder Dichte abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Reflexion eine Resonanz hin- und zurücklaufenden Wellen im Fluid erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Resonanzkurve durch ein Fit-Verfahren die Größen des elektrischen Ersatzschaltbildes ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen des elektrischen Ersatzschaltbildes direkt mit den gesuchten Messgrößen Viskosität und/oder Dichte korreliert sind.
Verwendung einer Vorrichtung/oder eines Betriebsverfahrens entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Viskosität von Ölen wie Motoröl oder Getriebeöl ausgeführt wird.
Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Bestimmung von Viskosität und/oder Dichte in einem weiteren Betriebsmodus mit gleichphasiger elektrischer Ansteuerung der Membranzellen durch Erzeugung einer Kompressionswelle im Fluid die Schallgeschwindigkeit und/oder die elektrischen Permittivität ermittelbar sind.
Verwendung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch Reflexion der Kompressionswelle an der Oberfläche einer Flüssigkeit der damit verbundene Füllstand bestimmt wird.
Verwendung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Kombination mit einem Reflektor mit vorgegebener Entfernung von den Membranzellen eine Kompressionswelle ausgesendet und empfangen wird, mittels der aus der Amplitudendämpfung der Anteil an Schwebstoffen im Fluid bestimmt werden kann.