DE102010001080A1

DE102010001080A1 - Device for measuring the dielectric properties of liquid media

Info

Publication number: DE102010001080A1
Application number: DE201010001080
Authority: DE
Inventors: Juergen 73728 Seidel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2011088927A3; WO2011088927A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien mit Hochfrequenzwellen. Diese liegen innerhalb eines Frequenzbereiches zwischen 1 GHz und 10 GHz. Die Vorrichtung umfasst ein Trägersubstrat (16) auf dem sich mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement (22, 26) befindet. Das Trägersubstrat (16) ist als LTCC-Keramik ausgeführt und stellt zumindest teilweise ein sensierendes Element (18) dar.The invention relates to a device for measuring dielectric properties of liquid media with high-frequency waves. These are within a frequency range between 1 GHz and 10 GHz. The device comprises a carrier substrate (16) on which at least one electrical or electronic component (22, 26) is located. The carrier substrate (16) is designed as LTCC ceramic and is at least partially a sensing element (18).

Description

Stand der TechnikState of the art

In Kraftfahrzeugen sind zunehmend Kraftstoffgemische im Einsatz, welche neben den eigentlichen Mineralölkraftstoffen eine Beimischung aus Ethanol und/oder anderen Alkoholen enthalten. Beispielsweise sind Flex-Fuel-Fahrzeuge bekannt, welche mit variablem Ethanol-/Benzin-Gemischen betrieben werden. Üblicherweise werden dabei die Parameter der Motorsteuerung des Kraftfahrzeuges auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches angepasst. Dabei lassen sich weltweit unterschiedliche Konzepte feststellen. Während in den USA üblicherweise bislang lediglich notwendige Anpassungen der Motorsteuerung an das Kraftstoffgemisch vorgenommen werden, um Flex-Fuel-Fahrzeuge anzubieten, werden in Europa typischerweise auch Wirkungsgrad- und Leistungssteigerungen angestrebt. Letzteres setzt insbesondere zur Bestimmung optimaler Parameter der Motorsteuerung in der Regel eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches voraus.In motor vehicles, fuel mixtures are increasingly being used which, in addition to the actual mineral oil fuels, contain an admixture of ethanol and / or other alcohols. For example, flex-fuel vehicles are known, which are operated with variable ethanol / gasoline mixtures. Usually, the parameters of the engine control of the motor vehicle are adapted to the composition of the fuel mixture. At the same time, different concepts can be identified worldwide. While in the US so far usually only necessary adjustments of the engine control are made to the fuel mixture to offer flex-fuel vehicles, in Europe are typically also sought efficiency and performance improvements. The latter presupposes in particular for determining optimum parameters of the engine control usually an accurate knowledge of the composition of the fuel mixture.

Die Bestimmung des Ethanol- und Kraftstoffmischungsverhältnisses erfolgt in der Regel entweder anhand vorliegender Messgrößen mittels einer Software im Steuergerät selbst, oder dieses Mischungsverhältnis kann mit einem Ethanolsensor erkannt werden. Derartigen Ethanolsensoren können zahlreiche unterschiedliche Messprinzipien zugrunde liegen. Insbesondere kommen hier auf der Permittivität und Leitfähigkeitsbestimmung basierende Kapazitätsmessverfahren zum Einsatz. Üblicherweise wird dabei bei Frequenzen bis ca. 1 MHz die Permittivität des Kraftstoffgemisches bestimmt. Nachteilig an einer reinen Permittivitätsbestimmung (mit Temperaturkorrektur) bei Frequenzen im Bereich von 1 MHz jedoch ist der Umstand, dass mittels dieser Verfahren prinzipiell lediglich die genaue Bestimmung der Zusammensetzung von Gemischen maximal zwei Komponenten möglich ist. Weitere Komponenten des Kraftstoffgemisches können mittels dieser Methode in der Regel nicht erkannt werden.The determination of the ethanol and fuel mixture ratio is usually carried out either on the basis of existing measured variables by means of software in the control unit itself, or this mixing ratio can be detected with an ethanol sensor. Such ethanol sensors can be based on numerous different measurement principles. In particular, capacitance measurement methods based on permittivity and conductivity determination are used here. Usually, the permittivity of the fuel mixture is determined at frequencies up to about 1 MHz. A disadvantage of a pure Permittivitätsbestimmung (with temperature correction) at frequencies in the range of 1 MHz, however, is the fact that by means of these methods, in principle, only the exact determination of the composition of mixtures a maximum of two components is possible. Other components of the fuel mixture can not be detected by this method in the rule.

Um weitere Komponenten zum Beispiel Wasser zu identifizieren, sind Messungen im GHz-Bereich notwendig, da hier die Permittivität von Alkohol, Wasser und weiterer polarer Komponenten beispielsweise Störkomponenten, aufgrund der Orientierungspolarisation mit zunehmender Frequenz stark abnimmt. Dies ist beispielsweise aus DE 34 12 704 A1 bekannt. Es wird eine Vorrichtung zum Messen des Alkoholgehaltes in einem Kraftstoffgemisch eingesetzt, welche in einer Kraftstoffleitung eingesetzt werden kann. Die Kraftstoffleitung ist aus einem Material gefertigt, welches für Hochfrequenzsignale durchlässig ist. Eine Mikrowellenkammer ist außerhalb der Kraftstoffleitung angeordnet und umschließt dabei einen Teil der Kraftstoffleitung. Die Mikrowellenkammer weist ein Paar von Wellenleitern auf, die einander gegenüberliegend mit der Kraftstoffleitung dazwischen angeordnet sind. Einer der Wellenleiter ist mit einem Antennenabschnitt zur Übertragung von Mikrowellen von einem Mikrowellengenerator versehen. Der andere Mikrowellenleiter ist mit einem Empfangsantennenabschnitt versehen, um die Mikrowellen zu empfangen, welche die Kraftstoffleitung durchtreten. Mikrowellen, welche von dem Antennenabschnitt empfangen werden, werden von einem Detektor erkannt und in Gleichspannungssignale umgewandelt, die der Stärke der empfangenen Mikrowellen entsprechen.In order to identify other components, for example water, measurements in the GHz range are necessary, since here the permittivity of alcohol, water and other polar components, for example interfering components, decreases sharply due to the orientation polarization with increasing frequency. This is for example off DE 34 12 704 A1 known. A device is used for measuring the alcohol content in a fuel mixture which can be used in a fuel line. The fuel line is made of a material which is permeable to high frequency signals. A microwave chamber is disposed outside the fuel line and encloses a portion of the fuel line. The microwave chamber has a pair of waveguides disposed opposite to each other with the fuel line therebetween. One of the waveguides is provided with an antenna section for transmitting microwaves from a microwave generator. The other microwave conductor is provided with a receiving antenna section to receive the microwaves passing through the fuel line. Microwaves received by the antenna section are detected by a detector and converted into DC signals corresponding to the strength of the received microwaves.

Verfahren wie das aus DE 34 12 704 A1 beschriebene Verfahren arbeiten mit einer Messfrequenz, welcher die Absorptionsrate des Kraftstoffgemisches stark vom Mischungsverhältnis abhängt. Nachteilig am derartigen Verfahren ist jedoch, dass die Genauigkeit dieser Verfahren in vielen Fallen Raum für Verbesserungen lässt. Insbesondere bei Mehrstoffgemischen, die zusätzlich zu Ethanol und Kraftstoff weitere Anteile erhalten, beispielsweise einen Wasseranteil und/oder Additive, lassen sich mittels der bekannten Verfahren nur schwer untersuchen. Derartige Mehrkomponenten-Gemische gewinnen jedoch in der modernen Motortechnologie zunehmend an Bedeutung. Um auch bei derartigen komplexen Gemischen zuverlässige und präzise Messergebnisse erzielen zu können und damit eine präzise optimierte Motorsteuerung vorzunehmen, sind genauere Verfahren und Vorrichtungen notwendig.Procedures like that DE 34 12 704 A1 described method work with a measuring frequency, which strongly depends on the absorption rate of the fuel mixture from the mixing ratio. However, a disadvantage of such a method is that the accuracy of these methods leaves room for improvement in many cases. In particular, in multi-component mixtures, which in addition to ethanol and fuel receive further shares, for example, a water content and / or additives, can be difficult to examine by means of the known methods. However, such multicomponent mixtures are becoming increasingly important in modern engine technology. In order to be able to achieve reliable and precise measurement results even with such complex mixtures and thus to carry out a precisely optimized motor control, more precise methods and devices are necessary.

DE 10 2008 044 383.2 bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemisches, bei dem eine erste Mikrowellenstrahlung mit mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen in das Kraftstoffgemisch eingestrahlt wird. Eine weitere zweite Mikrowellenstrahlung wird aus dem Kraftstoffgemisch empfangen. Die zweite Mikrowellenstrahlung wird mit der ersten Mikrowellenstrahlung verglichen und mindestens eine Kenngröße in Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung bestimmt. Aus dem Verlauf der Kenngröße über die Mirkowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung wird auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches geschlossen. DE 10 2008 044 383.2 relates to a method for determining a composition of a fuel mixture, in which a first microwave radiation having at least two microwave frequencies is radiated into the fuel mixture. Another second microwave radiation is received from the fuel mixture. The second microwave radiation is compared with the first microwave radiation and determines at least one parameter as a function of the microwave frequency of the first microwave radiation. From the course of the parameter on the microwave frequency of the first microwave radiation is closed to the composition of the fuel mixture.

Aus DE 10 2008 044 383.2 geht mithin das Funktionsprinzip eines Sensors zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Flüssigkeiten Ultra Wide Band-Technology (UWB), Frequenzbereich 1 bis 10 GHz hervor. Die Realisierung eines derartigen Messprinzips in einem Sensor als KFZ-taugliche Komponente stellt besonders hohe Anforderungen. Dazu ist die Kraftstoffbeständigkeit und die Abdichtung des Sensors gegenüber dem Kraftstoff zu nennen, ebenso wie die Abdeckung eines zweiten Temperaturbereiches. Des Weiteren ist ein hochfrequenztauglicher Aufbau und eine Verbindungstechnik zu implementieren.Out DE 10 2008 044 383.2 Thus, the principle of operation of a sensor for determining the electrical properties of liquids Ultra Wide Band Technology (UWB), frequency range 1 to 10 GHz emerges. The realization of such a measuring principle in a sensor as a vehicle-compatible component makes particularly high demands. This is the fuel resistance and the seal of the sensor to the fuel to call, as well as the cover of a second Temperature range. Furthermore, a high frequency suitable structure and a connection technique is to be implemented.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einer Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien, welche innerhalb eines Frequenzbereiches zwischen 1 GHz und 10 GHz betrieben wird, ein Trägersubstrat in Mehrlagenaufbau auszubilden, insbesondere als LTCC-Keramik (Low Temperature Co-fired-Ceramic). In das Trägersubstrat ist an dessen Ober- oder Unterseite zumindest teilweise ein sensierendes Element integriert, welches bevorzugt als Leiterbahnstruktur aus metallischen Werkstoff auf eine Planseite des LTCC-Trägersubstrates aufgebracht wird. Bevorzugt ist die Anordnung des sensierenden Elementes als Leiterbahnstruktur als GSG-Anordnung (Ground-Signal-Ground-Anordnung) ausgebildet. Das Trägersubstrat, ausgebildet in LTCC-Technologie dient als Träger für eine Auswerteschaltung und stellt zusätzlich einen Teil einer Koppelstruktur zur Einkopplung eines magnetischen Feldes in das zu sensierende Medium. Die Koppelstruktur, bevorzugt ausgebildet als Leiterbahnstruktur aus metallischem Werkstoff, liegt planar ausgeführt, d. h. liegt in einer Ebene auf einer der Planseite des in LTCC-Technologie ausgebildeten Trägersubstrates. Im Bereich der Leiterbahnstruktur, die zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Feldes in das zu sensierende Medium dient, findet sich in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Mediums, so dass eine Temperaturkompensation anhand des vom Temperatursensor sensierten Eingangssignal vorgenommen werden kann.According to the invention, in a device for measuring dielectric properties of liquid media, which is operated within a frequency range between 1 GHz and 10 GHz, it is proposed to form a carrier substrate in multilayer construction, in particular as LTCC ceramic (Low Temperature Co-fired Ceramic). At least partially a sensing element is integrated into the carrier substrate at its upper or lower side, which is preferably applied as a conductor track structure made of metallic material on a plan side of the LTCC carrier substrate. Preferably, the arrangement of the sensing element is designed as a conductor track structure as a GSG arrangement (ground signal ground arrangement). The carrier substrate, formed in LTCC technology serves as a carrier for an evaluation circuit and additionally provides a part of a coupling structure for coupling a magnetic field into the medium to be sensed. The coupling structure, preferably formed as a conductor track structure of metallic material, is planar, d. H. lies in one plane on one of the plan side of the carrier substrate formed in LTCC technology. In the field of printed conductor structure, which is used for coupling an electromagnetic field in the medium to be sensed, is found in a further advantageous embodiment of the invention underlying idea, a temperature sensor for detecting the temperature of the medium, so that a temperature compensation using the sensed by the temperature sensor input signal can be made.

Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien liegen zum einen daran, dass unter Rückgriff auf beherrschbare und großserientaugliche Standardprozesse das Trägersubstrat der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien als LTCC-Komponente gefertigt werden kann, so dass anderenfalls extern vorzuhaltende Komponenten entfallen können. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung baut aufgrund des Rückgriffes auf bewährte Komponenten wie das LTCC-Trägersubstrat. Dieses weist einen kompakten Aufbau aufgrund des mehrlagigen Aufbaus auf und ist mechanisch äußerst robust. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist darin zu erblicken, dass sich eine kostengünstige Herstellung innerhalb eines Großserienprozesses realisieren lässt.The advantages of the inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media are, on the one hand, that the carrier substrate of the device proposed according to the invention for measuring dielectric properties of liquid media can be fabricated as an LTCC component by resorting to controllable standard processes that are suitable for large-scale production, so that they can be externally provided otherwise Components can be omitted. The inventively proposed device is based on the use of proven components such as the LTCC carrier substrate. This has a compact design due to the multi-layer structure and is mechanically extremely robust. Another advantage of the proposed solution according to the invention is to be seen in the fact that a cost-effective production can be realized within a large-scale production process.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich in einen dem Medium ausgesetzten, d. h. mit diesem in Kontakt stehenden Bereich und einen anderen mit dem Medium nicht in Kontakt stehenden Bereich unterteilen. Bevorzugt ist der Bereich der Auswerteschaltung in dem die Auswerteschaltung, d. h. die elektronischen Komponenten auf dem Trägersubstrat aufgebracht und in dieses eingelassen sind, mediendicht ausgebildet sind und zum Beispiel in einem Gehäuse eingebracht oder von einer geeigneten Schutzmasse wie zum Beispiel einem Duroplastkunststoff umschlossen sind. Dem gegenüber ist der Bereich des Trägersubstrates, auf dem zum Beispiel die planar ausgebildeten Koppelstrukturen im Rahmen einer Leiterbahnstruktur aufgebracht, angeordnet und unmittelbar dem Medium ausgesetzt sind. Um eine Korrosion der bevorzugt aus metallischem Material gefertigten, in GSG-Anordnung aufgebrachten Koppelstrukturen zu vermeiden, kann eine Passivierungsschicht auf diese aufgebracht werden, die eine Korrosion der aus metallischem Werkstoff gefertigten Leiterbahnstruktur unterbindet.The inventively proposed device can be in a medium exposed, d. H. subdivide with this contacting area and another area not in contact with the medium. Preferably, the area of the evaluation circuit in which the evaluation circuit, d. H. The electronic components are applied to the carrier substrate and embedded in this, are formed media-tight and introduced, for example, in a housing or enclosed by a suitable protective compound such as a thermoset plastic. In contrast, the region of the carrier substrate on which, for example, the planar coupling structures formed are applied in the context of a printed conductor structure, are arranged and exposed directly to the medium. In order to avoid corrosion of the preferably made of metallic material, applied in GSG arrangement coupling structures, a passivation layer can be applied to this, which prevents corrosion of the metallic material produced conductor track structure.

Beispielsweise wird mit planar ausgebildeten Koppelstrukturen ein elektromagnetisches Feld in das zu messende Medium eingekoppelt. Dazu kann in planarer Ausführung eine Leiterbahnstruktur entweder auf der Unterseite oder auf der Oberseite des LTCC-Trägersubstrates aufgebracht werden. Eine elektrische Kontaktierung der planar ausgebildeten Leiterbahnstruktur, welche das sensierende Element darstellt, kann zum Beispiel durch elektrische Zuleitungen, die in das Trägersubstrat eingebettet sind, realisiert werden. Der mehrlagige Aufbau des Trägersubstrates beziehungsweise der gesamten Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien wird zur Realisierung von passiven Verteilernetzwerken wie zum Beispiel Richtkoppler, Filter und Leitungen sowie eventuell vorzusehender Kalibrationselemente genutzt. Das elektronische beziehungsweise das elektrische Bauelement bei dem es sich zum Beispiel um einen ASIC handeln kann und weitere Bauelemente werden in üblicher Technologie so zum Beispiel durch Bonden, Kleben oder Löten auf dem Trägersubstrat in LTCC-Technologie aufgebracht.For example, an electromagnetic field is coupled into the medium to be measured with planar coupling structures. For this purpose, a conductor track structure can be applied either on the underside or on the upper side of the LTCC carrier substrate in a planar design. An electrical contacting of the planarized conductor track structure, which represents the sensing element, can be realized, for example, by electrical leads embedded in the carrier substrate. The multilayer structure of the carrier substrate or the entire apparatus for measuring dielectric properties of liquid media is used for the realization of passive distribution networks such as directional couplers, filters and lines as well as possibly to be provided calibration elements. The electronic or the electrical component, which may be, for example, an ASIC and other components are applied in conventional technology so for example by bonding, gluing or soldering on the carrier substrate in LTCC technology.

Es hat sich bewährt, als Korrosionsschutz der metallischen Leiterbahnstruktur, die das sensierende Element schlussendlich darstellt, auf diese eine Passivierungsschicht aufzubringen. Soll die gesamte Vorrichtung Medienkontakt haben, so ist sicherzustellen, dass diese Passivierungsschicht das ganze Modul, d. h. das ganze Trägersubstrat, umgibt. Dies ist zum Beispiel für den Fall vorteilhaft, wenn es sich bei der Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien um ein Modul handelt, welches zum Beispiel in eine Kraftstoffmischung eintaucht und einen breitbandig betriebenen Hochfrequenzsensor darstellt. Hat nur ein Teil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien, Kontakt mit eben diesen, kann der restliche Teil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung auch nur durch eine übliche Schutzschicht abgedeckt werden, zum Beispiel für den Fall, dass bei einem Verbauen des Moduls in einem entsprechenden Gehäuse lediglich der sensierende Bereich Medienkontakt hat, d. h. der Bereich in dem sich die planar ausgebildeten Leiterbahnstrukturen, die schlussendlich das sensierende Element darstellen, befinden.It has proven useful, as corrosion protection of the metallic interconnect structure, which ultimately represents the sensing element, to apply this passivation layer. If the entire device is to have media contact, it must be ensured that this passivation layer surrounds the entire module, ie the entire carrier substrate. This is advantageous, for example, in the case where the device for measuring dielectric properties of liquid media is a module which, for example, dips into a fuel mixture and represents a high-frequency sensor operated in a broadband manner. Has only a part of According to the invention proposed device for measuring dielectric properties of liquid media, contact with just these, the remaining part of the proposed device according to the invention can be covered only by a conventional protective layer, for example, in the case that when installing the module in a corresponding housing only the Sensing area has media contact, ie the area in which the planar formed conductor track structures, which ultimately represent the sensing element, are located.

Beim Trägersubstrat handelt es sich bevorzugt um ein anorganisches Trägersubstrat. Dieses nimmt „vergrabene” Strukturen auf, bei denen es sich um elektrische Leitungen handelt, die in das Material des Trägersubstrates eingebettet sind und aufgrund ihres eingebetteten Zustandes abgedichtet und isoliert sind. Bei dem elektronischen Bauelement kann es sich zum Beispiel um einen ASIC handeln, welcher die aktive Sensorschaltung, einen Sender, einen Empfänger und die Signalverarbeitung umfassend, beinhaltet. Daneben befinden sich weitere Bausteine zur Bus-Anbindung beziehungsweise Stromversorgung oder Datenauswertung innerhalb einer aktiv betriebenen Sensorschaltung. Bei der Passivierungsschicht handelt es sich insbesondere um ein Gel oder einen ähnlichen Werkstoff. Wird die gesamte Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien in das Medium eingetaucht, ist sicher zustellen, dass diese Schicht zum Beispiel kraftstoffresistent ist. Anstelle der Ausgestaltung der sensierenden Elemente als planar ausgebildete Leiterbahnstrukturen besteht des Weiteren die Möglichkeit, diese als Mikrostrip oder koaxiale Anordnungen einzusetzen.The carrier substrate is preferably an inorganic carrier substrate. This accommodates "buried" structures, which are electrical leads embedded in the material of the carrier substrate and sealed and insulated due to their embedded state. For example, the electronic device may be an ASIC that includes the active sensor circuit, a transmitter, a receiver, and signal processing. In addition, there are further modules for bus connection or power supply or data evaluation within an actively operated sensor circuit. The passivation layer is in particular a gel or a similar material. If the entire apparatus for measuring dielectric properties of liquid media is immersed in the medium, it must be ensured that this layer is, for example, fuel-resistant. In addition to the configuration of the sensing elements as a planar conductor track structures, there is also the possibility of using them as microstrip or coaxial arrangements.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nahe stehend eingehender erläutert.Reference to the drawings, the invention is explained in detail closer.

Es zeigt:It shows:

1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien mit LTCC-Trägersubstrat und 1 the basic structure of the inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media with LTCC carrier substrate and

2 eine Teilung der Vorrichtung gemäß der Darstellung in 1 in einen Bereich mit Medienkontakt und einen Bereich ohne Medienkontakt. 2 a division of the device as shown in FIG 1 into an area with media contact and an area without media contact.

Ausführungsvariantenvariants

Der Darstellung gemäß 1 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien zu entnehmen.The representation according to 1 the schematic structure of the inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media can be seen.

1 zeigt, dass ein Sensor 10, welcher zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien dient, ein Trägersubstrat 16, welches bevorzugt in LTCC-Technologie ausgebildet ist, umfasst. Eine Oberseite des Trägersubstrates ist durch Bezugszeichen 12, eine Unterseite des Trägersubstrates durch Bezugszeichen 14 bezeichnet. Aus der Darstellung gemäß 1 ergibt sich, dass an einem Ende, zum Beispiel auf der Oberseite 12 des Trägersubstrates 16, Koppelstrukturen 18 in planarer Anordnung ausgebildet sind. Bei den Koppelstrukturen, welche das sensierende Element – darstellen, d. h. die mit dem so sensierenden Medium unmittelbar in Kontakt treten, handelt es sich zum Beispiel um eine Leiterbahnstruktur in GSG-Anordnung. Anstelle einer planar ausgebildeten einzelne Leiterbahnen umfassenden Leiterbahnstruktur in GSG-Anordnung (Ground-Signal-Ground) kann das sensierende Element 18 auch als Mikrostripleitung oder dergleichen ausgebildet sein. Über in Trägersubstrat 16 vergrabenen, d. h. in dessen Material eingebetteten Strukturen 20, welche elektrische Zuleitungen darstellen, werden die in einem Bereich 34 mit Medienkontakt angeordneten Koppelstrukturen 18, d. h. das sensierende Element mit dem in einem Bereich 36 ohne Medienkontakt angeordneten elektronischen und elektrischen Bauelement 22, bei dem es sich zum Beispiel um einen ASIC handeln kann, elektrisch kontaktiert. Das Trägersubstrat 16 bietet den Vorteil, die elektrische Kontaktierung des sensierenden Elementes 18 vom Medium ab zu trennen, in dem die elektrischen Zuleitungen, d. h. die vergrabenen Strukturen 20 im Trägersubstrat 16 selbst verlaufen. 1 shows that a sensor 10 , which serves to measure dielectric properties of liquid media, a carrier substrate 16 , which is preferably formed in LTCC technology comprises. An upper side of the carrier substrate is denoted by reference numerals 12 , An underside of the carrier substrate by reference numerals 14 designated. From the illustration according to 1 it turns out that at one end, for example on the top 12 of the carrier substrate 16 , Coupling structures 18 are formed in a planar arrangement. In the coupling structures, which represent the sensing element, ie, which come into direct contact with the medium thus being sensed, is, for example, a printed conductor structure in a GSG arrangement. Instead of a planar formed individual interconnects comprehensive conductor track structure in GSG arrangement (Ground Signal Ground), the sensing element 18 Also be designed as Mikrostripleitung or the like. About in carrier substrate 16 buried, ie embedded in its material structures 20 , which represent electrical leads, are in one area 34 arranged with media contact coupling structures 18 ie the sensing element with the in one area 36 without media contact arranged electronic and electrical component 22 , which may be, for example, an ASIC, contacted electrically. The carrier substrate 16 offers the advantage of electrical contacting of the sensing element 18 From the medium to separate, in which the electrical leads, ie the buried structures 20 in the carrier substrate 16 run yourself.

In vorteilhafter Weiterbildung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, befindet sich einer Passivierungsschicht 32 zugeordnet, ein Temperatursensor 30 im Bereich der Koppelstrukturen 18. Durch den Temperatursensor 30 lässt sich die Temperatur des Mediums erfassen, aus dessen Eingangssignal die Temperaturkompensation berechnet werden kann.In an advantageous development of the idea underlying the invention, there is a passivation layer 32 assigned, a temperature sensor 30 in the area of the coupling structures 18 , Through the temperature sensor 30 The temperature of the medium can be detected, from whose input signal the temperature compensation can be calculated.

Zur Vermeidung von Korrosionen aus metallischem Material gefertigten sensierenden Elementen 18, hier ausgebildet als planare Leiterbahnstruktur, sind diese durch die Passivierungsschicht 32 überdeckt.To avoid corrosion of metallic material made of sensing elements 18 , here formed as a planar conductor track structure, these are through the passivation layer 32 covered.

Zwischen der Passivierungsschicht 32, welche die sensierenden Elemente 18 überdeckt und einer Schutzschicht 28 kann ein Freiraum 48 ausgebildet sein. Die Schutzschicht 28 überdeckt diskrete Bauelemente 26 so wie das elektronische oder elektrische Bauelement 22 bei dem es sich zum Beispiel um einen ASIC-Baustein handeln kann. Elektrische Kontaktierungen 24 befinden sich an der den Sensierungselementen 18 abgewandten Seite des in Mehrlagenschichtaufbau ausgebildeten Trägersubstrates gemäß der Darstellung in 1.Between the passivation layer 32 which are the sensational elements 18 covered and a protective layer 28 can a free space 48 be educated. The protective layer 28 covers discrete components 26 as well as the electronic or electrical component 22 which may be, for example, an ASIC device. Electrical contacts 24 are located at the sensing elements 18 opposite side of the trained in multilayer structure carrier substrate as shown in FIG 1 ,

2 zeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien in einen Bereich 34 mit Medienkontakt und einen Bereich 36 ohne Medienkontakt unterteilbar ist. Wird zum Beispiel der Bereich 36 ohne Medienkontakt von einem Material oder einem Gehäuse umgeben, welches die diskreten Bauelemente 26 und dielektrischen Kontaktierungen 24 sowie das elektrische beziehungsweise elektronische Bauelement 22 kapselt und eine Medientrennung 38 durch eine Vergussmasse bedeutet, kann der Bereich 34 mit Medienkontakt, lediglich mit der Passivierungsschicht 32 versehen sein. Dadurch wird eine Korrosion des zum Beispiel als Leiterbahnstruktur planar ausgebildeten sensierenden Elementes 18 verhindert. Die Medientrennung 38 befindet sich im Freiraum 48 gemäß der Darstellung in 1 zwischen der Schutzschicht 28 und der Passivierungsschicht 32 beziehungsweise an den einander gegenüberliegenden Enden der erwähnten Schichten 28, 32. 2 shows that the inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media in one area 34 with media contact and an area 36 can be divided without media contact. For example, the area 36 surrounded without media contact of a material or a housing, which the discrete components 26 and dielectric contacts 24 as well as the electrical or electronic component 22 encapsulates and a media separation 38 by a potting compound, the area can 34 with media contact, only with the passivation layer 32 be provided. As a result, corrosion of the sensing element, which is designed to be planar, for example, as a printed conductor structure, is produced 18 prevented. The media separation 38 is located in the open space 48 as shown in 1 between the protective layer 28 and the passivation layer 32 or at the opposite ends of said layers 28 . 32 ,

2 zeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien in einem Mehrlagenaufbau 40 ausgebildet ist. Eine erste Lage 42 wird zum Beispiel durch die Koppelstrukturen 18 ausgebildet und als planare Leiterbahnstruktur überdeckende Passivierungsschicht 32 gebildet. Darunter liegt eine zweite Lage 44, welche in der Ausführungsvariante gemäß 2 durch die auf der Oberseite 12 des Trägersubstrates 16 ausgebildeten Koppelstrukturen, d. h. die planar ausgebildete Leiterbahnstruktur gebildet wird. Gegebenenfalls kann eine weitere dritte Lage 46 vorgesehen sein, welche zum Beispiel durch passive Verteilernetzwerke wie zum Beispiel Hochfrequenzkoppelfilter und die „vergrabenen” Strukturen 20, d. h. dielektrischen Leitungen sowie eventuell erforderliche Kalibrationselemente dargestellt ist. 2 shows that the inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media in a multilayer structure 40 is trained. A first location 42 is for example through the coupling structures 18 formed and as planar conductor track structure covering passivation layer 32 educated. Below is a second location 44 , which in the embodiment according to 2 through on the top 12 of the carrier substrate 16 trained coupling structures, ie, the planar formed conductor track structure is formed. Optionally, another third layer 46 be provided, for example, by passive distribution networks such as high frequency coupling filters and the "buried" structures 20 , ie dielectric lines and any required calibration elements is shown.

Während dieser Mehrlagenaufbau 40 die genannten Lagen 42 und 44 sowie gegebenenfalls eine weitere Lage 46 umfasst, sind die diskreten elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelemente 26 durch stoffschlüssige Verbindungen wie zum Beispiel Löten, Kleben, Bonden auf die Oberseite 12 des Trägersubstrates 16 aufgebracht.During this multilayer construction 40 the said layers 42 and 44 and optionally another location 46 includes, are the discrete electrical or electronic components 26 by cohesive connections such as soldering, gluing, bonding on the top 12 of the carrier substrate 16 applied.

Wenngleich in der Darstellung gemäß 2 die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung in einen Bereich 34 mit Medienkontakt und einen Bereich 36 ohne Medienkontakt unterteilt ist, besteht auch eine Möglichkeit, die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien als breitbandigen Hochfrequenzsensor UWB-Sensor zwischen 1 GHz bis 10 GHz so einzusetzen, dass dieser komplett in das zu sensierende Medium eintaucht. Hat nur ein Teil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung – wie in 2 angedeutet – Medienkontakt, kann der restliche Schaltungsteil, d. h. in diesem Falle der Bereich 36, ohne Medienkontakt durch eine übliche Schutzschicht so zum Beispiel die Schutzschicht 28 abgedeckt werden. Dies erfolgt dann, wenn die Vorrichtung in ein entsprechendes Gehäuse verbaut ist und dadurch sichergestellt ist, dass lediglich die als sensierende Elemente 18 dienende planar ausgebildete Leiterbahnstruktur als Koppelstruktur Medienkontakt hat.Although in the illustration according to 2 the proposed device according to the invention in a range 34 with media contact and an area 36 is subdivided without media contact, there is also a possibility to use the inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media as a broadband high-frequency sensor UWB sensor between 1 GHz to 10 GHz so that it completely immersed in the medium to be sensed. Has only a part of the inventively proposed device - as in 2 indicated - media contact, the rest of the circuit part, ie in this case the area 36 , without media contact by a conventional protective layer such as the protective layer 28 be covered. This takes place when the device is installed in a corresponding housing and thereby ensures that only those as a sensing elements 18 serving planar formed conductor track structure as a coupling structure has media contact.

Bei dem eingesetzten Trägersubstrat 16, welches innerhalb des Mehrlagenaufbaus 40 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Einsatz kommt, handelt es sich um ein anorganisches Trägersubstrat gemäß LTCC-Technologie. Bei dem elektronischen Bauelement 22, welches in der Darstellung gemäß 2 in dem Bereich 36 ohne Medienkontakt angeordnet ist, handelt es sich um eine aktive Sensorschaltung mit Senderteil, Empfangsteil und Signalverarbeitungsteil. Des Weiteren ist durch das elektrische oder elektronische Bauelement 22 eine Bus-Anbindung sowie eine Stromversorgung und eine Datenversorgung gegeben. Die elektrische Kontaktierung erfolgt bei Position 24. Die „vergrabenen” Strukturen 20 verlaufen in das Trägersubstrat 16 eingebettet und daher vom Medium gekapselt zwischen den das sensierende Element 18 darstellenden Koppelstrukturen, ausgebildet als planare Leiterbahnstruktur, und dem elektrischen und elektronischen Bauelement 22 oder den diskreten Bauelementen 26, die gemäß der Darstellung in 1 auf der Oberseite 12 des Trägersubstrates 16 angeordnet sind.In the used carrier substrate 16 which is within multi-layer construction 40 the proposed device according to the invention is used, it is an inorganic carrier substrate according to LTCC technology. In the electronic component 22 , which in the illustration according to 2 in that area 36 is arranged without media contact, it is an active sensor circuit with transmitter part, receiving part and signal processing part. Furthermore, by the electrical or electronic component 22 a bus connection and a power supply and a data supply is given. The electrical contacting takes place at position 24 , The "buried" structures 20 run into the carrier substrate 16 embedded and therefore encapsulated by the medium between the sensory element 18 representing coupling structures, designed as a planar conductor track structure, and the electrical and electronic component 22 or the discrete components 26 , as shown in 1 on the top 12 of the carrier substrate 16 are arranged.

Bei den elektrischen Kontaktierungen 24 kann es sich zum Beispiel um Anschlüsse, Stecker oder einen Kabelbaum handeln. Bei den diskreten Bauelementen 26 handelt es sich zum Beispiel um nicht in das Trägersubstrat 16 integrierbare Bauelemente wie zum Beispiel Kondensatoren oder ähnliches. Bei den Schutzschichten, sei es bei der Schutzschicht 28 sei es bei der Passivierungsschicht 32, kann es sich um Schutzschichten handeln, die aus einem Gel oder ähnlichem je nach Umgebungs- und Temperaturanforderung gefertigt werden. Wird die gesamte Vorrichtung, d. h. beide Bereiche 34, 36 gemäß der Darstellung in 2 von Kraftstoff umspült, um sicherzustellen, dass die Schichten 28 beziehungsweise die Passivierungsschicht 32 kraftstoffresistent sind.For the electrical contacts 24 For example, these may be connectors, plugs or a wiring harness. With the discrete components 26 For example, it is not in the carrier substrate 16 integrable components such as capacitors or the like. For the protective layers, be it the protective layer 28 be it with the passivation layer 32 , may be protective coatings made of gel or similar depending on environmental and temperature requirements. Will the whole device, ie both areas 34 . 36 as shown in 2 lapped by fuel to make sure the layers 28 or the passivation layer 32 are fuel resistant.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medien wird insbesondere zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemisches eingesetzt. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung kann insbesondere ein Ethanolanteil beziehungsweise und/oder ein Wasseranteil des Kraftstoffgemisches bestimmt werden. Unter der durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung in das Medium eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung ist eine Strahlung zu verstehen, deren Frequenzbereich zwischen 1 und 10 GHz liegt. Insbesondere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Frequenzbereiche zwischen 0,3 und 20 GHz bevorzugt zwischen 0,5 und 10 GHz und insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 und 6 GHz umgesetzt werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung dielektrischer Eigenschaften flüssiger Medium kann insbesondere mindestens eine der folgenden Kenngrößen erfasst werden. Eine Permittivität, insbesondere eine komplexe Permittivität. Ferner eine Permittivitätszahl, insbesondere eine komplexe Permittivitätszahl, ferner eine Absorption insbesondere eine komplexe Absorption und einer Transmission insbesondere eine komplexe Transmission. Unter komplexen Größen ist dabei im vorliegenden Zusammenhang eine Größe zu verstehen, welche eine Amplitude und eine Phase beinhaltet. Die Permittivität, welche häufig auch mit dem Buchstaben ε bezeichnet wird, beschreibt die Durchlässigkeit von Materialien für elektrische Felder. Sie ist eine Materialeigenschaft der Dielektriker oder zumindest nur schwach elektrisch leitfähige Materialien, die sich bei der Beaufschlagung dieser Materialien mit elektrischen Feldern äußert.The inventively proposed device for measuring dielectric properties of liquid media is used in particular for determining the composition of a fuel mixture. With the device proposed according to the invention, in particular an ethanol content or and / or a water content of the fuel mixture can be determined. Under the proposed by the invention Device in the medium coupled electromagnetic radiation is a radiation to understand the frequency range between 1 and 10 GHz. In particular, in the context of the present invention, frequency ranges between 0.3 and 20 GHz, preferably between 0.5 and 10 GHz and particularly preferably in the range between 0.5 and 6 GHz can be implemented. In particular, at least one of the following parameters can be detected by the device proposed according to the invention for measuring dielectric properties of liquid medium. A permittivity, in particular a complex permittivity. Further, a Permittivitätszahl, in particular a complex Permittivitätszahl, furthermore an absorption in particular a complex absorption and a transmission in particular a complex transmission. In the present context, complex quantities are to be understood as meaning a variable which contains an amplitude and a phase. The permittivity, which is often referred to by the letter ε, describes the permeability of materials for electric fields. It is a material property of the dielectrics or at least only weakly electrically conductive materials, which manifests itself in the application of electrical fields to these materials.

Sie stellt die Proportionalitätskonstante zwischen der elektrischen Flussdichte D und dem elektrischen Feld dar: D = ε·E. Die Permittivitätszahl, häufig auch als ε_r bezeichnet oder auch als relative Permittivität, ist das Verhältnis der Permittivität ε zur elektrischen Feldkonstante ε₀ (Permittivität des Vakuums):
ε_r = ε/ε₀. Die Permittivitätszahl ε_r kennzeichnet somit die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation innerhalb elektrisch isolierender Materialien. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleichwertig mit der Permittivitätszahl ε ist die so genannte elektrische Suszeptibilität χ = ε – 1. Zwischen der Suszeptibilität und der Permittivitätszahl wird im Sinne der vorliegenden Erfindung begrifflich nicht unterschieden.It represents the proportionality constant between the electrical flux density D and the electric field: D = ε · E. The permittivity number, often also referred to as ε _r or else as relative permittivity, is the ratio of the permittivity ε to the electrical field constant ε ₀ (permittivity of the vacuum):
ε _r = ε / ε ₀ . The permittivity number ε _r thus characterizes the field weakening effects of the dielectric polarization within electrically insulating materials. In the context of the present invention, equivalent to the permittivity number ε, the so-called electrical susceptibility χ = ε-1. In the context of the present invention, there is no conceptual distinction between the susceptibility and the permittivity.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3412704 A1 [0003, 0004]
DE 102008044383 [0005, 0006]

Claims

Device for measuring dielectric properties of liquid media, with high-frequency waves, within a frequency range between 0.3 GHz and 20 GHz, in particular between 0.5 GHz and 10 GHz, with a carrier substrate ( 16 ), on which at least one electronic or electrical component ( 22 . 26 ), characterized in that the carrier substrate ( 16 ) is designed as LTCC ceramic, which at least partially a sensory element ( 18 ).

Device according to claim 1, characterized in that the sensing element ( 18 ) in one area ( 34 ) with media contact of the carrier substrate ( 16 ) is planar.

Device according to claim 1, characterized in that the sensing element ( 18 ) as a conductor track structure on the carrier substrate ( 16 ) is applied, in particular in GSG arrangement (Ground Signal Ground).

Apparatus according to claim 3, characterized in that the conductor track structure through in the carrier substrate ( 16 ) embedded electrical leads ( 20 ) is electrically contacted.

Device according to claim 4, characterized in that electrical leads ( 20 ) as from the carrier substrate ( 16 ) enclosed electrical contacts are formed, which from the sensing element ( 18 ) in the area ( 34 ) with media contact to the at least one electrical or electronic component ( 22 . 26 ) in one area ( 36 ) extend without media contact.

Device according to claim 2, characterized in that the sensing element ( 18 ) within the range ( 34 ) with media contact a temperature sensor ( 30 ) is assigned to detect the temperature of the medium.

Device according to claim 3, characterized in that the sensing element ( 18 ) is made of metallic material and within the range ( 34 ) with media contact from a passivation layer ( 32 ) is covered.

Apparatus according to claim 1, characterized in that this as a multi-layer structure ( 40 ), wherein a first layer ( 42 ) through a passivation layer ( 32 ), a second layer ( 44 ) by the planar running sensing element ( 18 ) and another, third layer ( 46 ) through the carrier substrate ( 16 ), which passive distribution networks such as high-frequency couplers, filters and calibration elements and electrical leads ( 20 ).

Device according to claim 1, characterized in that the area ( 36 ) without media contact by a surrounding material ( 38 ) and encapsulated by the area ( 34 ) is separated with media contact.

Device according to claim 1, characterized in that the sensing element ( 18 ) couples an electromagnetic field into the medium, preferably in the frequency range between 1.0 GHz and 10 GHz.