DE102008041936A1

DE102008041936A1 - Sensor device for determining state variable of fluid, has resonator having housing, where determination device is provided for determining resonance frequency of resonator for determining state variable

Info

Publication number: DE102008041936A1
Application number: DE200810041936
Authority: DE
Inventors: Thomas Focke; Joerg Hilsebecher; Uwe Wostradowski; Arne Zender; Stefan Gaier; Lars Weikert; Thomas Hansen; Joachim Selinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-11

Abstract

The sensor device has a resonator (2) having a housing (4) and an excitation unit (8) for exciting the resonator. The resonator is a cavity (3) which has dielectric fluid and is partially enclosed by the housing having dielectric characteristics. A determination device is provided for determining a resonance frequency of the resonator for determining a state variable. An independent claim is included for a method for determining a state variable of a fluid.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung mindestens einer Zustandsgröße eines Fluids, mit einem ein Gehäuse aufweisenden Resonator und einer Erregungsvorrichtung zur Erregung des Resonators. Ferner betrifft die Vorrichtung ein Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße eines Fluids.The The invention relates to a sensor device for determining at least a state quantity of a fluid, with a Housing having resonator and an excitation device for excitation of the resonator. Furthermore, the device relates to a Method for determining at least one state variable a fluid.

Stand der TechnikState of the art

Sensorvorrichtungen zur Ermittlung mindestens einer Zustandsgröße eines Fluids sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise eingesetzt, um den Druck oder die Temperatur des Fluids zu messen. Das Fluid steht dabei mit einem Sensor oder einer Membran der Sensorvorrichtung in Fluidkontakt, sodass es außerhalb eines vorgesehenen Einsatzbereichs schnell zu Beschädigungen an der Sensorvorrichtung kommen kann. Dies gilt insbesondere für Sensorvorrichtung zur Druckmessung. Bei diesen wird beispielsweise die Auslenkung der Membran bestimmt, wobei auf einer Seite der Membran der Fluiddruck und auf einer weiteren Seite der Membran ein Referenzdruck vorgesehen ist. Wird der Fluiddruck sehr viel größer oder sehr viel kleiner als der Referenzdruck, kann die Membran beschädigt werden. Aus der US 5,945,888 ist überdies bekannt, dass die Dielektrizitätszahl eines Feststoffes abhängig von dem ihn umgebenden Druck ist. Dort wird ein dielektrischer Resonator beschrieben, der, um Temperatureinflüsse zu vermeiden, vorzugsweise in Verbindung mit einem Tieftemperatur-Kühlungssystem verwendet wird, wobei die Resonanzfrequenz des Resonators über eine Veränderung des Drucks eines das Feststoff-Dielektrikum umgebenden Gases eingestellt wird. Das das Dielektrikum umgebende Gas muss dabei auch in dem verwendeten Tieftemperatur-Bereich einen gasförmigen Zustand aufweisen. Auf diese Weise kann über eine Änderung des Drucks eine gewünschte Frequenz des Resonators sehr genau eingestellt werden.Sensor devices for determining at least one state variable of a fluid are known from the prior art. They are used, for example, to measure the pressure or the temperature of the fluid. In this case, the fluid is in fluid contact with a sensor or a membrane of the sensor device, so that damage to the sensor device can quickly occur outside of an intended area of use. This applies in particular to sensor device for pressure measurement. In these, for example, the deflection of the membrane is determined, wherein on one side of the membrane, the fluid pressure and on another side of the membrane, a reference pressure is provided. If the fluid pressure becomes much larger or much smaller than the reference pressure, the diaphragm may be damaged. From the US 5,945,888 Moreover, it is known that the dielectric constant of a solid is dependent on the pressure surrounding it. There, a dielectric resonator is described, which, in order to avoid temperature influences, is preferably used in conjunction with a cryogenic cooling system, wherein the resonant frequency of the resonator is adjusted via a change in the pressure of a gas surrounding the solid dielectric. The gas surrounding the dielectric must also have a gaseous state in the low-temperature range used. In this way, a desired frequency of the resonator can be set very accurately by changing the pressure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenüber den genannten Sensorvorrichtungen weist die Sensorvorrichtung zur Ermittlung mindestens einer Zustandsgröße eines Fluids mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass ein sehr geringes Bauvolumen realisierbar ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Resonator eine ein Dielektrikum aufweisende, von dem, insbesondere zumindest bereichsweise dielektrische Eigenschaften aufweisenden, Gehäuse zumindest teilweise umgebene Kavität ist und dass für die Ermittlung der Zustandsgröße eine Ermittlungsvorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Resonanzfrequenz des Resonators vorgesehen ist. Die Sensorvorrichtung weist somit den Resonator auf, der als Kavität ausgebildet ist, welcher durch die Erregungsvorrichtung angeregt wird. Dabei weist der Resonator eine Resonanzfrequenz auf. Diese wird im Wesentlichen durch die Ausbildung der Kavität, beispielsweise Form und Größe, bestimmt. Eine weitere Einflussgröße auf die Resonanzfrequenz ist das Dielektrikum, welches in der Kavität vorgesehen ist. Wird die Sensorvorrichtung dem Fluid ausgesetzt, so nimmt die Zustandsgröße des Fluids Einfluss auf den Resonator. Die Zustandsgröße verändert dabei die Resonanzfrequenz. Wird mittels der Ermittlungsvorrichtung die Resonanzfrequenz des Resonators gemessen, so kann die Zustandsgröße des Fluids bestimmt werden. Wie vorstehend beschrieben, wird die Resonanzfrequenz maßgeblich durch die Geometrie der Kavität und das Dielektrikum beeinflusst. Die Zustandsgröße des Fluids kann beispielsweise eine Veränderung der Geometrie der Kavität und/oder des Dielektrikums und damit dessen Dielektrizitätszahl bewirken. Letzteres geschieht insbesondere durch eine Veränderung der Dichte des Dielektrikums. Auch das Gehäuse kann dielektrische Eigenschaften aufweisen beziehungsweise aus einem Dielektrikum bestehen. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung enthält keine empfindlichen, mechanisch nur gering belastbaren Elemente, wie beispielsweise die eingangs beschriebene Membran. Daher kann sie über einen weiten Größenbereich der Zustandsgröße eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sehr hohe Resonanzfrequenzen möglich sind, und so die Abmessungen des Resonators beziehungsweise der Sensorvorrichtung klein gewählt werden können. Darüber hinaus können auf diese Weise sehr hohe Abtastraten und damit eine sehr hohe Auflösung der Sensorvorrichtung erreicht werden. Der Resonator kann mehrere Resonanzfrequenzen, beispielsweise eine Grundfrequenz und deren Oberschwingungen, aufweisen. In diesem Fall bestimmt die Ermittlungsvorrichtung mindestens eine der Resonanzfrequenzen. Vorzugsweise ist dabei die Bestimmung der Grundfrequenz vorgesehen. Die Abstimmung der Resonanzfrequenz ist durch Auswahl des Dielektrikums, das eine bestimmte Dielektrizitätszahl besitzt, möglich. Auch die Dichte des Dielektrikums, die beispielsweise abhängig von Druck und/oder Temperatur des Fluids ist, bestimmt die Resonanzfrequenz.Across from the sensor devices mentioned, the sensor device to Determination of at least one state variable of a Fluids having the features mentioned in claim 1 have the advantage that a very small volume of construction is feasible. This is achieved according to the invention, in that the resonator has a dielectric, of which in particular at least partially dielectric properties having housing, at least partially surrounded cavity is and that for the determination of the state quantity a determination device for determining at least one resonance frequency the resonator is provided. The sensor device thus has the resonator, which is formed as a cavity, which is excited by the excitation device. In this case, the resonator a resonance frequency. This is essentially through the Formation of the cavity, for example shape and size, certainly. Another influencing factor on the resonance frequency is the dielectric which is provided in the cavity is. If the sensor device exposed to the fluid, so does the State variable of the fluid Influence on the resonator. The state variable changes the resonance frequency. Is by means of the determination device, the resonance frequency of the Resonator measured, so the state size be determined of the fluid. As described above, the Resonance frequency significantly by the geometry of the cavity and the dielectric influences. The state variable For example, the fluid may change geometry the cavity and / or the dielectric and thus its Dielectricity effect. The latter happens in particular by a change in the density of the dielectric. Also the housing may have dielectric properties or consist of a dielectric. The inventive Sensor device contains no sensitive, mechanical only slightly resilient elements, such as the beginning described membrane. Therefore, it can be over a wide Size range of the state variable be used. Another advantage is that very high resonance frequencies are possible, and so the dimensions of the resonator or the sensor device can be selected small. In addition, in this way can be very high Sampling rates and thus a very high resolution of the sensor device be achieved. The resonator can have several resonance frequencies, For example, a fundamental frequency and their harmonics, have. In this case, the determining device determines at least one of Resonant frequencies. Preferably, the determination of the fundamental frequency intended. The tuning of the resonance frequency is by selection of the dielectric, which has a certain dielectric constant owns, possible. Also, the density of the dielectric, the For example, depending on pressure and / or temperature of the Fluids is determined by the resonance frequency.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Dielektrikum ein Gas, insbesondere Luft und/oder Stickstoff und/oder ein Edelgas, ist. Durch die Verwendung eines Gases als Dielektrikum kann die verwendete Frequenz der Sensorvorrichtung erhöht beziehungsweise die Abmessungen des Resonators verkleinert werden. Bei niedrigeren Frequenzen kann eine so genannte dielektrische Pille, also ein in den Resonator eingesetztes Element, vorgesehen sein. Dies ist jedoch nur bis hin zu einer bestimmten Höhe der Frequenz möglich, da Fertigung und Positionierung der Pille oberhalb dieser nicht mehr mit der notwendigen Präzision erfolgen kann. Liegt dagegen eine gasgefüllte Kavität vor, so kann die Kavität durch den Einsatz von Mikrosystemtechnik, insbesondere den dort verfügbaren Ätzprozessen, ausreichend genau gefertigt werden. Wie beschrieben, bestimmt die Geometrie des Resonators dessen Resonanzfrequenz. Durch die Anwendung von Mikrosystemtechnik, beispielsweise in Silizium, ist der Resonator beziehungsweise die Kavität mit hoher Genauigkeit fertigbar, so dass auch bei sehr hohen Frequenzen Resonatoren mit reproduzierbaren Resonanzfrequenzen herstellbar sind. Das Dielektrikum kann beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft, und/oder Stickstoff und/oder ein Edelgas sein. Bevorzugt werden inerte Gase eingesetzt.A development of the invention provides that the dielectric is a gas, in particular air and / or nitrogen and / or a noble gas. By using a gas as a dielectric, the frequency used of the sensor device can be increased or the dimensions of the resonator can be reduced. At lower frequencies, a so-called dielectric pill, that is to say an element inserted in the resonator, can be provided. However, this is possible only up to a certain level of frequency, since manufacturing and positioning of the pill above this not more can be done with the necessary precision. If, on the other hand, a gas-filled cavity is present, then the cavity can be manufactured with sufficient accuracy by the use of microsystem technology, in particular the etching processes available there. As described, the geometry of the resonator determines its resonant frequency. By using microsystem technology, for example in silicon, the resonator or the cavity can be manufactured with high accuracy, so that resonators with reproducible resonance frequencies can be produced even at very high frequencies. The dielectric may be, for example, air, in particular ambient air, and / or nitrogen and / or a noble gas. Preference is given to using inert gases.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine Zustandsgröße eine thermodynamische Zustandsgröße, insbesondere Druck und/oder Temperatur, ist. Mittels der Sensorvorrichtung soll also eine thermodynamische Zustandsgröße des Fluids bestimmt werden. Besonders vorteilhaft erfolgt die Bestimmung des Drucks und/oder der Temperatur. Es kann sowohl eine Messung des Drucks oder der Temperatur oder von beiden Größen erfolgen. Auch die Bestimmung von anderen, weiteren Zustandsgrößen, insbesondere zusätzlich zu Druck und/oder Temperatur, ist vorgesehen. Die thermodynamische Zustandsgröße wirkt sich auf die Geometrie der Kavität und/oder die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums aus. Somit verändert sich mit der thermodynamischen Zustandsgröße auch die Resonanzfrequenz des Resonators. Diese kann mittels der Ermittlungsvorrichtung bestimmt und daraus die thermodynamische Zustandsgröße bestimmt, insbesondere berechnet, werden.A Development of the invention provides that the at least one State variable a thermodynamic state variable, especially pressure and / or temperature. By means of the sensor device So should a thermodynamic state variable be determined of the fluid. The determination is particularly advantageous the pressure and / or the temperature. It can be both a measurement pressure or temperature, or both. Also the determination of other, further state variables, especially in addition to pressure and / or temperature intended. The thermodynamic state quantity affects the geometry of the cavity and / or the dielectric constant of the cavity Dielectric. Thus it changes with the thermodynamic State variable also the resonant frequency of the resonator. This can be determined by means of the determination device and from it determines the thermodynamic state variable, in particular be calculated.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensorvorrichtung auf eine unter Referenzbedingungen vorliegende, festlegbare Resonanzfrequenz eingestellt ist. Die Sensorvorrichtung wird so kalibriert, dass eine festlegbare Resonanzfrequenz vorliegt, sobald sie Referenzbedingungen ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung Fluid ausgesetzt werden, welches eine Referenz-Zustandsgröße aufweist. Unter diesen Bedingungen wird die Resonanzfrequenz des Resonators bestimmt und gespeichert oder angepasst. Das Anpassen kann beispielsweise durch eine Veränderung der Geometrie der Kavität und/oder eine Änderung der Dielektrizitätszahl des Dieleketrikums erfolgen. Beispielsweise kann der Druck des Dielektrikums in der Kavität angepasst werden, bis unter Referenzbedingungen die gewünschte Resonanzfrequenz vorliegt. Die Resonanzfrequenz kann also für mehrere Sensorvorrichtungen gleich sein oder aber, beispielsweise nach einer Herstellung der Sensorvorrichtung, unter Referenzbedingungen festgestellt und zur Ermittlung der Zustandsgröße vorgehalten werden. Ist die festlegbare Resonanzfrequenz bekannt und die Resonanzfrequenz des Resonators mittels der Ermittlungsvorrichtung ermittelt, so kann aus der Differenz der Resonanzfrequenz und der festlegbaren Resonanzfrequenz beziehungsweise dem Verhältnis der beiden Werte auf die Zustandsgröße des Fluids geschlossen werden.A Further development of the invention provides that the sensor device to a present under reference conditions, fixable resonance frequency is set. The sensor device is calibrated so that a definable resonance frequency is present as soon as they become reference conditions is exposed. For example, the sensor device may be exposed to fluid which has a reference state quantity. Under these conditions, the resonant frequency of the resonator determined and saved or adjusted. The customization can be for example by changing the geometry of the cavity and / or a change in the dielectric constant done the Dieleketrikums. For example, the pressure of the dielectric be adjusted in the cavity until under reference conditions the desired resonance frequency is present. The resonance frequency can therefore be the same for several sensor devices or but, for example after a manufacture of the sensor device, determined under reference conditions and to determine the state variable be kept. Is the definable resonance frequency known and the resonant frequency of the resonator by means of the detecting device determined, it can be calculated from the difference of the resonance frequency and the fixable resonance frequency or the ratio of the two values on the state quantity of the fluid getting closed.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die festlegbare Resonanzfrequenz des Resonators im Millimeterwellen-Bereich, vorzugsweise im Bereich des 61 GHz oder 122 GHz ISM-Bands, vorgesehen ist. Die festlegbare Resonanzfrequenz ist also in einem Bereich vorgesehen, welcher im Mikrowellenbereich liegt, wobei insbesondere auch das ISM-Band bei 61 GHz oder 122 GHz eingeschlossen ist. Bedingt durch die hohe Frequenz kann die Kavität beziehungsweise der Resonator und damit die Sensorvorrichtung sehr klein gebaut werden.A Further development of the invention provides that the definable resonance frequency of the resonator in the millimeter-wave range, preferably in the range 61 GHz or 122 GHz ISM band. The definable Resonance frequency is thus provided in a range which in the Microwave range is, in particular, the ISM band at 61 GHz or 122 GHz is included. Due to the high frequency can the cavity or the resonator and thus the sensor device are built very small.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Einstellen durch Auslegen der Kavität und/oder durch Anpassen des Drucks des Dielektrikums vorgesehen ist. Das Einstellen der unter Referenzbedingungen vorliegenden, festlegbaren Resonanzfrequenz, erfolgt also durch Auslegen der Geometrie der Kavität und/oder durch Anpassen der Dielektrizitätszahl des Dielektrikums durch Variation des Drucks in dem Resonator. Durch den Einsatz von Mikrosystemtechnik ist die Kavität ausreichend genau fertigbar, sodass die festlegbare Resonanzfrequenz reproduzierbar vorliegt. Das Anpassen des Drucks des Dielektrikums kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn es trotz hoher Fertigungsgenauigkeit Abweichungen der festlegbaren Resonanzfrequenz auftreten und somit nach einer Fertigung der Kavität Änderungen an der festlegbaren Resonanzfrequenz vorgenommen werden sollen. Auch ein Einstellen durch andere Verfahren, beispielsweise Lasertrimmen oder Fusing, ist vorgesehen.A Development of the invention provides that the setting by Lay out the cavity and / or adjust the pressure of the dielectric is provided. Setting the under reference conditions present, definable resonant frequency, so done by Placing the geometry of the cavity and / or adjusting it the dielectric constant of the dielectric by variation the pressure in the resonator. Through the use of microsystem technology the cavity is sufficiently accurately finished, so that the definable resonance frequency is reproducible. The customization the pressure of the dielectric may be provided, for example, if, despite high manufacturing accuracy, deviations of the determinable Resonant frequency occur and thus after a production of the cavity changes to be made at the definable resonance frequency. Also, adjustment by other methods, such as laser trimming or fusing is provided.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Geometrie der Kavität zur Messung der Zustandsgröße veränderbar ist. Das die Kavität zumindest teilweise umgebende Gehäuse ist also so ausgelegt, dass die Kavität beziehungsweise deren Geometrie in Abhängigkeit von der Zustandsgröße veränderbar ist. Beispielsweise kann die Kavität beziehungsweise das Gehäuse durch den Druck des Fluids verformt werden. Daraus ergibt sich eine Änderung der Resonanzfrequenz, die über die Ermittlungsvorrichtung erfasst werden kann. Daraus kann anschließend die Zustandsgröße, in diesem Fall der Druck, ermittelt werden. Möglich ist sowohl eine Veränderung der Form der Kavität als auch der Größe. Vorzugsweise ist die Veränderung der Geometrie in Abhängigkeit von der Zustandsgröße reproduzierbar.A Development of the invention provides that a geometry of the cavity changeable for measuring the state variable is. The housing at least partially surrounding the cavity is thus designed so that the cavity or their geometry as a function of the state variable is changeable. For example, the cavity or the housing by the pressure of the fluid be deformed. This results in a change of the resonance frequency, which can be detected via the determination device. From this, the state variable, in this case, the pressure to be determined. Is possible both a change in the shape of the cavity than also the size. Preferably, the change is the geometry as a function of the state variable reproducible.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Veränderung der Geometrie der Kavität durch eine Verformung des Gehäuses bewirkbar ist. Die Kavität verändert sich somit aufgrund eines Verformens des Gehäuses. Das Gehäuse ist zu diesem Zweck zumindest bereichsweise verformbar ausgelegt. Die Verformung muss also nicht die gesamte Kavität beziehungsweise das gesamte Gehäuse betreffen, sondern kann lediglich an einzelnen Stellen auftreten.A development of the invention provides that the change in the geometry of the cavity is effected by a deformation of the housing. The cavity thus changes due to deformation of the housing. The housing is designed for this purpose, at least partially deformable. The deformation does not have to affect the entire cavity or the entire housing, but can only occur at individual points.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse flexibel verformbar ist. Es kehrt also in eine Ursprungsform zurück, wenn wieder Referenzbedingungen vorliegen. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse selbst aus einem flexiblen Material gefertigt sein und/oder die Rückstellung in die Ursprungsform bewirkende Kraft beispielsweise durch einen Innendruck in der Kavität hervorgerufen sein. In letzterem Fall wird das Gehäuse durch Vorliegen des Innendrucks, das heißt des Drucks in der Kavität, in den Ursprungszustand zurückbewegt/-verformt.A Further development of the invention provides that the housing is flexible deformable. It therefore returns to an original form, if there are again reference conditions. For this purpose can the housing itself made of a flexible material and / or the provision of the original form Force for example by an internal pressure in the cavity be caused. In the latter case, the housing by the presence of the internal pressure, that is the pressure in the cavity, moved back to its original state / deformed.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kavität über eine Öffnung in dem Gehäuse in Fluidverbindung zu einer Umgebung des Resonators steht. Durch die Öffnung des Gehäuses kann Fluid aus der Umgebung des Resonators in die Kavität und umgekehrt gelangen. Das bedeutet, dass in der Kavität im Wesentlichen dieselben Zustandsgrößen des Fluids vorliegen, wie außerhalb. Das Fluid kann in diesem Fall als Dielektrikum dienen. Damit ändert sich die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums in dem Resonator in Abhängigkeit von der Zustandsgröße des Fluids. Zu diesem Zweck muss zumindest ansatzweise bekannt sein, welche Zusammensetzung beziehungsweise welche Dielektrizität das Fluid aufweist. Ist die Öffnung in der Kavität vorgesehen, so kann das Gehäuse im Wesentlichen starr ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die Geometrie der Kavität nicht verändert werden muss, sondern die Zustandsgröße über die Änderung der Dielektrizitätszahl bestimmt wird.A Development of the invention provides that the cavity over an opening in the housing in fluid communication to an environment of the resonator. Through the opening the housing may contain fluid from the environment of the resonator get into the cavity and vice versa. It means that in the cavity essentially the same state variables of the fluid, as outside. The fluid can in serve as a dielectric in this case. This changes the dielectric constant of the dielectric in the resonator depending on the state variable of the fluid. For this purpose, it must be known at least which composition or which dielectric having the fluid. Is the opening in the cavity provided, the housing may be substantially rigid be. This means that the geometry of the cavity is not must be changed, but the state size over the change in the dielectric constant determined becomes.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensorvorrichtung über einen weiteren Resonator mit einer weiteren Erregungsvorrichtung verfügt. Um die Genauigkeit der Sensorvorrichtung zu erhöhen, ist der weitere Resonator vorgesehen. Dieser kann auch dazu dienen, eine weitere Zustandsgröße zu ermitteln. Dem weiteren Resonator ist eine weitere Erregungsvorrichtung zugeordnet. Der weitere Resonator kann ebenso wie der Resonator über eine Ermittlungsvorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Resonanzfrequenz verfügen. Vorzugsweise werden die Resonanzfrequenzen des Resonators und des weiteren Resonators in einer Ermittlungsvorrichtung, beispielsweise einem Mischer, verglichen. Dabei ist die Frequenzdifferenz beispielsweise proportional zu der thermodynamischen Zustandsgröße.A Development of the invention provides that the sensor device via a further resonator with a further excitation device features. To increase the accuracy of the sensor device, the further resonator is provided. This can also serve to determine another state variable. The other Resonator is associated with another excitation device. Of the another resonator can as well as the resonator via a Have determination device for determining at least one resonant frequency. Preferably, the resonance frequencies of the resonator and the another resonator in a detection device, for example a mixer, compared. The frequency difference is for example proportional to the thermodynamic state variable.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Resonator ein Referenzresonator ist, der nicht von der Zustandsgröße beeinflussbar ist. Der weitere Resonator dient also der Fehlerkorrektur, indem er als Referenzresonator vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist er so ausgelegt, dass er nicht von der Zustandsgröße beeinflussbar ist, welche mittels der Sensorvorrichtung ermittelt werden soll. Soll beispielsweise mittels der Sensorvorrichtung der Druck des Fluids bestimmt werden und dabei ein von der Temperatur des Fluids verursachter Fehler vermieden werden, so kann der Referenzresonator so ausgelegt sein, dass er ebenso wie der Resonator von der Temperatur, nicht jedoch von dem Druck des Fluids beeinflusst ist. Auf diese Weise ist der Einfluss der Temperatur bekannt und der mittels der Sensorvorrichtung ermittelte Druck kann um diesen korrigiert werden. Auf diese Weise kann es auch vorgesehen sein, dass sowohl der temperaturkorrigierte Druck, als auch die Temperatur des Fluids mittels der Sensorvorrichtung bestimmt werden.A Further development of the invention provides that the further resonator is a reference resonator that does not depend on the state quantity can be influenced. The further resonator thus serves for the error correction, by being provided as a reference resonator. For this purpose is he designed it so that it does not depend on the state size can be influenced, which determined by means of the sensor device shall be. If, for example, by means of the sensor device of Pressure of the fluid can be determined while one of the temperature The error caused by the fluid can be avoided, so the reference resonator be designed so that it as well as the resonator of the temperature, but not affected by the pressure of the fluid. To this Way the influence of temperature is known and which by means of Sensor device detected pressure can be corrected by this. In this way it can also be provided that both the temperature-corrected Pressure, as well as the temperature of the fluid by means of the sensor device be determined.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensorvorrichtung über eine PLL-Schaltung verfügt. Die PLL-Schaltung kann anstatt dem Referenzresonator der Fehlerkorrektur dienen, indem ein Vergleich der Resonanzfrequenz des Resonators mit der von der PLL-Schaltung erzeugten Frequenz durchgeführt wird. Die PLL-Schaltung ist dabei unempfindlich gegenüber der Zustandsgröße des Fluids. Es wird somit ein Vergleich zwischen der an dem Resonator gemessenen Resonanzfrequenz und einer weitgehend von der Zustandsgröße unabhängigen Zeitbasis duchgeführt. Beispielsweise kann die Temperatur aus der Zustandsgröße herausgerechnet werden, wenn neben der PLL-Schaltung ein Temperatursensor (beispielsweise in Form eines Thermoelements oder einer Diode) vorgesehen wird. Dabei kann die PLL-Schaltung mit der Erregungsvorrichtung und/oder der Ermittlungsvorrichtung und/oder dem Temperatursensor auf einem Halbleiterelement integriert sein. Auf diese Weise kann die Sensorvorrichtung trotz durch die PLL-Schaltung erhöhter Genauigkeit verkleinert werden.A Development of the invention provides that the sensor device via a PLL circuit has. The PLL circuit can instead the reference resonator serve the error correction by making a comparison the resonant frequency of the resonator with that of the PLL circuit generated frequency is performed. The PLL circuit is insensitive to the state variable of the fluid. There is thus a comparison between that on the resonator measured resonant frequency and a largely of the state variable independent time base. For example can the temperature be calculated out of the state variable, if, in addition to the PLL circuit, a temperature sensor (for example in the form of a thermocouple or a diode) is provided. In this case, the PLL circuit with the excitation device and / or the determination device and / or the temperature sensor on a Be integrated semiconductor element. In this way, the sensor device despite increased by the PLL circuit increased accuracy become.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Zustandsgröße eines Fluids mittels einer Sensorvorrichtung, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei die Sensorvorrichtung einen ein Gehäuse aufweisenden Resonator und eine Erregungsvorrichtung zum Erregen des Resonators aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass der Resonator von einer von dem, insbesondere zumindest bereichsweise dielektrische Eigenschaften aufweisenden, Gehäuse zumindest teilweise umgebenen Kavität gebildet wird und dass die Zustandsgröße durch Bestimmen mindestens einer Resonanzfrequenz des Resonators ermittelt wird. Das Verfahren kann analog zu der vorstehend beschriebenen Sensorvorrichtung weitergebildet sein.The The invention further relates to a method for determining at least a state quantity of a fluid by means of a Sensor device, in particular according to the above Embodiments, wherein the sensor device comprises a housing resonator and an excitation device for excitation of the resonator. It is provided that the resonator one of which, in particular at least partially dielectric Features, housing at least partially surrounded cavity is formed and that the state size by determining at least one resonant frequency of the resonator is determined. The method can be analogous to that described above Be further developed sensor device.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the drawing Embodiments explained in more detail, without any limitation of the invention. Show it:

1 einen Resonator zur Festfrequenzerzeugung, 1 a resonator for fixed frequency generation,

2 eine Sensorvorrichtung mit einem als Kavität ausgebildeten Resonator, wobei ein die Kavität einfassendes Gehäuse eine Öffnung aufweist, und 2 a sensor device with a cavity formed as a cavity, wherein a cavity enclosing the housing has an opening, and

3 die Sensorvorrichtung mit der von dem Gehäuse umgebenen Kavität, wobei das Gehäuse flexibel verformbar ist. 3 the sensor device with the cavity surrounded by the housing, wherein the housing is flexible deformable.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

Die 1 zeigt einen Festfrequenzoszillator 1 mit einem Resonator 2, welcher als Kavität 3 ausgebildet ist. Die Kavität 3 ist von einem Gehäuse 4 eingeschlossen, welches in dem dargestellten Beispiel aus einer Bodenplatte 5 und einem Deckel 6 besteht. Die Bodenplatte 5 ist zumindest bereichsweise als Leiterplatine, beispielsweise als Dünnschicht-Leiterplatte, ausgelegt und weist außerhalb der Kavität 3 einen Halbleiterbaustein 7 auf, der Bestandteil der Erregungsvorrichtung 8 ist. Die Erregungsvorrichtung 8 weist neben dem Halbleiterbaustein 7 Leiterbahnelemente 9 auf, welche auf oder in der Bodenplatte 5 in das Innere der Kavität 3 laufen. Die Leiterbahnelemente 9 sind auf ihrer dem Halbleiterbaustein 7 abgewandten, im Inneren der Kavität 3 befindlichen Seite an eine Kopplungsvorrichtung 10 angeschlossen, über welche eine elektromagnetische Schwingung beziehungsweise ein elektromagnetisches Feld in der Kavität 3 angeregt wird. Die Kavität 3 ist mit einem Gas, in diesem Fall Stickstoff, gefüllt. In Abhängigkeit von einer durch die Erregungsvorrichtung 8 mittels des Halbleiterbausteins 7 erzeugten Anregung stellt sich in der Kavität 3 eine Resonanzfrequenz ein. Diese ist abhängig von einer Geometrie der Kavität 3, also beispielsweise einer Form und/oder einer Größe der Kavität 3. Eine weitere Einflussgröße stellt das Dielektrikum dar, welches in diesem Fall von dem Gas gebildet ist. Das Dieleketrikum weist eine, insbesondere von dem Druck und/oder der Temperatur in der Kavität 3 abhängige, Dielektrizitätszahl auf. Über diese beiden Größen kann also die gewünschte Resonanzfrequenz des Resonators veränderbar beziehungsweise einstellbar sein. Die Kavität 3 wird durch den Einsatz von Mikrosystemtechnik, insbesondere den dort verfügbaren Ätzprozessen, gefertigt. Diese ermöglichen eine ausreichend genaue Fertigung, um die gewünschte Resonanzfrequenz des Resonators einzustellen. Die endgültige Resonanzfrequenz des Festfrequenzoszillators 1 kann in einer Kammer (nicht dargestellt) mit einem geeigneten Gas, in diesem Fall Stickstoff, und einem Drucksteller erfolgen. Die Dielektrizitätszahl des in der Kavität 3 vorliegenden Gases ist abhängig von dessen Druck. Über ein Einstellen des Drucks in der Kammer und damit in der Kavität 3 kann somit die gewünschte Resonanzfrequenz festgelegt werden. Anschließend erfolgt ein Abdichten der Kavität 3 gegenüber einer Umgebung 11, worauf der Festfrequenzoszillator 1 der Kammer entnommen und eingesetzt werden kann. Diese Vorgehensweise verzichtet auf aufwendige Laservorrichtungen, die zurzeit zur Abstimmung von solchen Festfrequenzoszillatoren 1 verwendet werden. Der Halbleiterbaustein 7 stellt dabei einen aktiven Teil des Festfrequenzoszillators 1 dar und ist beispielsweise aus SiGe (Silizium-Germanium) gefertigt. Das Einstellen des Drucks in der Kavität 3 wird insbesondere bei sehr hohen Frequenzen notwendig, da bei diesen die Resonanzfrequenz durch Fertigungstoleranzen stark beeinflusst wird. Dies liegt in den sehr kleinen Abmessungen der Kavität 3 beziehungsweise den sehr kurzen Wellenlängen bei den hohen Frequenzen begründet.The 1 shows a fixed frequency oscillator 1 with a resonator 2 , which as a cavity 3 is trained. The cavity 3 is from a housing 4 included, which in the example shown from a bottom plate 5 and a lid 6 consists. The bottom plate 5 is at least partially designed as a printed circuit board, for example as a thin-film circuit board, and has outside the cavity 3 a semiconductor device 7 on, the part of the excitation device 8th is. The excitation device 8th points next to the semiconductor chip 7 Interconnect elements 9 on which on or in the bottom plate 5 into the interior of the cavity 3 to run. The conductor track elements 9 are on their the semiconductor device 7 facing away, inside the cavity 3 located side of a coupling device 10 connected, via which an electromagnetic oscillation or an electromagnetic field in the cavity 3 is stimulated. The cavity 3 is filled with a gas, in this case nitrogen. Depending on one by the excitation device 8th by means of the semiconductor device 7 generated excitation arises in the cavity 3 a resonance frequency. This depends on a geometry of the cavity 3 , So for example, a shape and / or a size of the cavity 3 , Another factor is the dielectric, which in this case is formed by the gas. The dielectrics have one, in particular the pressure and / or the temperature in the cavity 3 dependent, dielectric constant. Thus, the desired resonance frequency of the resonator can be changed or adjusted via these two variables. The cavity 3 is produced by the use of microsystem technology, in particular the etching processes available there. These allow a sufficiently accurate fabrication to set the desired resonant frequency of the resonator. The final resonant frequency of the fixed frequency oscillator 1 may be in a chamber (not shown) with a suitable gas, in this case nitrogen, and a pressure plate done. The dielectric constant of the in the cavity 3 present gas is dependent on its pressure. By adjusting the pressure in the chamber and thus in the cavity 3 Thus, the desired resonance frequency can be set. Subsequently, the cavity is sealed 3 towards an environment 11 , whereupon the fixed frequency oscillator 1 taken from the chamber and can be used. This procedure dispenses with expensive laser devices that are currently used to tune such fixed-frequency oscillators 1 be used. The semiconductor device 7 provides an active part of the fixed frequency oscillator 1 is for example made of SiGe (silicon germanium). Adjusting the pressure in the cavity 3 becomes particularly necessary at very high frequencies, since in these the resonant frequency is strongly influenced by manufacturing tolerances. This is due to the very small dimensions of the cavity 3 or the very short wavelengths at the high frequencies justified.

Die 2 zeigt eine Sensorvorrichtung 12, die auf dem beschriebenen Prinzip aufbaut. Neben der Erregungsvorrichtung 8 ist nun eine Ermittlungsvorrichtung 13 vorgesehen, welche sich auf/in demselben Halbleiterbaustein 7 wie die Erregungsvorrichtung 8 befindet. Neben der Kopplungsvorrichtung 10 ist eine weitere, nicht dargestellte Kopplungsvorrichtung an den Halbleiterbaustein 7 angeschlossen. Diese befindet sich ebenfalls innerhalb der Kavität 3, beispielsweise unmittelbar benachbart zu der Kopplungsvorrichtung 10. Über die Ermittlungsvorrichtung 13 ist mindestens eine Resonanzfrequenz des Resonators 2 bestimmbar. Dabei wird bevorzugt eine Grundfrequenz der Resonanzfrequenz bestimmt, während Oberschwingungen ausgeblendet werden. Die Kavität 3 ist über eine Öffnung 14 in dem Gehäuse 4 beziehungsweise dem Deckel 6 mit der Umgebung 11 fluidtechnisch verbunden. Es kann also Fluid aus der Umgebung 11 durch die Öffnung 14 in die Kavität 3 gelangen. Damit liegt in der Kavität 3 dieselbe Zustandsgröße des Fluids vor, beispielsweise der Druck, wie in der Umgebung 11. Es liegt also, bedingt durch die Zustandsgröße, eine bestimmte Dielektrizitätszahl des gasförmigen Dielektrikums vor. Wird nun in der Kavität 3 mittels der Erregungsvorrichtung 8 eine Schwingung angelegt, so kann mittels der Ermittlungsvorrichtung 13 die Resonanzfrequenz des Resonators 2 beziehungsweise der Kavität 3 festgestellt werden. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Form der Kavität 3 nicht veränderbar ist, erfolgt eine Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators 2 allein über den Einfluss der Zustandsgröße des Fluids auf die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums. Somit kann nach Bestimmung der mindestens einen Resonanzfrequenz auf die Zustandsgröße des Fluids geschlossen werden.The 2 shows a sensor device 12 based on the described principle. In addition to the excitation device 8th is now an investigative device 13 provided, which on / in the same semiconductor device 7 like the excitation device 8th located. Next to the coupling device 10 is a further, not shown, coupling device to the semiconductor device 7 connected. This is also inside the cavity 3 , for example immediately adjacent to the coupling device 10 , About the investigation device 13 is at least one resonant frequency of the resonator 2 determinable. In this case, a fundamental frequency of the resonance frequency is preferably determined, while harmonics are suppressed. The cavity 3 is over an opening 14 in the case 4 or the lid 6 with the environment 11 fluidly connected. So it can be fluid from the environment 11 through the opening 14 into the cavity 3 reach. This is in the cavity 3 the same state size of the fluid before, for example, the pressure, as in the environment 11 , Thus, due to the state variable, there is a certain dielectric constant of the gaseous dielectric. Will now be in the cavity 3 by means of the excitation device 8th a vibration applied, so by means of the determination device 13 the resonant frequency of the resonator 2 or the cavity 3 be determined. As in this embodiment, the shape of the cavity 3 is not changeable, there is a change in the resonant frequency of the resonator 2 solely on the influence of the state quantity of the fluid on the dielectric constant of the dielectric. Thus, after determining the at least one resonant frequency, the state quantity of the fluid can be deduced.

Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensorvorrichtung 12. Dabei steht die Kavität 3 nicht in direkter Fluidverbindung zu der Umgebung 11, sondern es ist vorgesehen, dass das Gehäuse 4 flexibel verformbar ist. In dem dargestellten Beispiel ist die Bodenplatte 5 starr ausgeführt, während der Deckel 6 flexibel ist. Im Inneren der Kavität 3 liegt beispielsweise ein Referenzdruck vor, während in der Umgebung 11 ein Fluiddruck anliegt. Liegt eine Differenz zwischen Referenzdruck und Fluiddruck vor, so verformt sich der Deckel 6 des Gehäuses 4. Die bewirkt eine Geometrieänderung der Kavität 3, was eine Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonators 2 zur Folge hat. Je stärker der Fluiddruck von dem Referenzdruck abweicht, desto stärker weicht die Resonanzfrequenz von einer unter Referenzbedingungen vorliegenden, festlegbaren Resonanzfrequenz ab. Diese Abweichung beziehungsweise die vorliegende Resonanzfrequenz wird über die Ermittlungsvorrichtung 13 bestimmt und daraus auf die Zustandsgröße, in diesem Fall den Druck, geschlossen. In diesem Beispiel kann in der Kavität 3 beispielsweise ein gasförmiges Dielektrikum verwendet werden, während das Fluid ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit ist. Neben der Geometrieänderung der Kavität 3 ändert sich durch die Verformung des Deckels 6 auch der Druck in der Kavität 3, womit sich auch die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ändert. Der Einfluss der Geometrieänderung der Kavität 3 hat jedoch einen deutlich stärkeren Einfluss auf die Resonanzfrequenz als die Änderung der Dielektrizitätszahl. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Temperatur des Fluids ein wesentlich stärkerer Einflussparameter als der Druck.The 3 shows a further embodiment of the sensor device 12 , This is the cavity 3 not in direct fluid communication with the environment 11 but it is intended that the housing 4 is flexible deformable. In the example shown, the bottom plate 5 rigidly executed while the lid 6 is flexible. Inside the cavity 3 For example, there is a reference pressure while in the environment 11 a fluid pressure is applied. If there is a difference between the reference pressure and the fluid pressure, the cover deforms 6 of the housing 4 , This causes a geometry change of the cavity 3 , which is a change in the resonant frequency of the resonator 2 entails. The more the fluid pressure deviates from the reference pressure, the more the resonance frequency deviates from a definable resonance frequency which is present under reference conditions. This deviation or the present resonance frequency is determined by the determination device 13 determined and therefrom on the state quantity, in this case the pressure, closed. In this example, in the cavity 3 For example, a gaseous dielectric may be used while the fluid is another gas or a liquid. In addition to the geometry change of the cavity 3 changes due to the deformation of the lid 6 also the pressure in the cavity 3 , which also changes the dielectric constant of the dielectric. The influence of the geometry change of the cavity 3 However, it has a much stronger influence on the resonance frequency than the change in the dielectric constant. In the described embodiments, the temperature of the fluid is a much stronger influencing parameter than the pressure.

Mittels der in den 2 und 3 dargestellten Sensorvorrichtungen 12 sind sehr genaue Messungen der Zustandsgröße des Fluids möglich. Weiterhin kann die Resonanzfrequenz des Resonators beispielsweise im Mikrowellenbereich angesiedelt sein, sodass eine sehr hohe zeitliche Auflösung beziehungsweise eine schnelle Reaktion der Sensorvorrichtung 12 realisierbar ist. Bedingt durch die hohe Frequenz ist das beanspruchte Bauvolumen der Sensorvorrichtung sehr gering, da die Kavität sehr klein ausgelegt werden kann.By means of in the 2 and 3 shown sensor devices 12 Very accurate measurements of the state size of the fluid are possible. Furthermore, the resonance frequency of the resonator can be located, for example, in the microwave range, so that a very high temporal resolution or a rapid response of the sensor device 12 is feasible. Due to the high frequency, the claimed construction volume of the sensor device is very low, since the cavity can be designed very small.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5945888 [0002]

Claims

Sensor device ( 12 ) for determining at least one state variable of a fluid, with a housing ( 4 ) resonator ( 2 ) and an excitation device ( 8th ) for exciting the resonator ( 2 ), characterized in that the resonator ( 2 ) a dielectric having, of which, in particular at least partially dielectric properties, having housing ( 4 ) at least partially surrounded cavity ( 3 ) and that for the determination of the state variable a determination device ( 13 ) for determining at least one resonant frequency of the resonator ( 2 ) is provided.

Sensor device according to claim 1, characterized in that the dielectric is a gas, in particular air and / or nitrogen and / or a noble gas.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one state variable a thermodynamic state variable, in particular Pressure and / or temperature, is.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device ( 12 ) is set to a definable resonant frequency under reference conditions.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the fixable resonant frequency of the resonator ( 2 ) in the millimeter-wave range, preferably in the range of the 61 GHz or 122 GHz ISM band.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the setting by laying out the cavity ( 3 ) and / or by adjusting the pressure of the dielectric.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that a geometry of the cavity ( 3 ) is variable to measure the state variable.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the change in the geometry of the cavity ( 3 ) by a deformation of the housing ( 4 ) is feasible.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 4 ) is flexible deformable.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 3 ) via an opening ( 14 ) in the housing ( 4 ) in fluid communication with an environment ( 11 ) of the resonator ( 2 ) stands.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device ( 12 ) via another resonator ( 2 ) with a further excitation device ( 8th ).

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the further resonator ( 2 ) is a reference resonator that can not be influenced by the state variable.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device ( 12 ) has a PLL circuit.

Method for determining at least one state variable of a fluid by means of a sensor device ( 12 ), in particular according to one or more of the preceding claims, wherein the sensor device ( 12 ) a housing ( 4 ) resonator ( 2 ) and an excitation device ( 8th ) for exciting the resonator ( 2 ), characterized in that the resonator ( 2 ) of one of the, in particular at least partially dielectric properties having, housing ( 4 ) at least partially surrounded cavity ( 3 ) and that the state quantity is determined by determining at least one resonant frequency of the resonator ( 2 ) is determined.