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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement zur Erfassung einer Druckgröße sowie das dazugehörige Erfassungsverfahren.
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Bei der Erfassung von Drücken mittels mikromechanischer Drucksensoren wird üblicherweise die Durchbiegung einer Membran detektiert, indem Piezowiderstände in Abhängigkeit von der Durchbiegung einen Strom erzeugen. Eine entsprechende Ausgestaltung ist in der Schrift
DE 100 32 579 A1 beschrieben. Alternativ ist auch die Erfassung des Drucks über eine Kapazitätsbestimmung möglich, indem die Membran eine variable Elektrode repräsentiert, die gegenüber einer starren Elektrode bewegt wird, wie es beispielsweise die 10154867 A1 zeigt.
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Zur Erfassung der Dichte und/oder der Viskosität von Flüssigkeiten kann ein Verfahren gemäß der
DE 10203475 A1 verwendet werden. Dabei wird ein Schwingquarz angeregt, bei dem sich die Resonanzfrequenz mit der Veränderung der den Schwingquarz umgebenden Flüssigkeit verschiebt. Aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz lässt sich so die Viskosität bzw. die Dichte und damit die Kontamination der Flüssigkeit ableiten. Eine Umsetzung dieses Verfahren mit mikromechanischen Mitteln ist in der
DE 198 04 326 A1 beschrieben. Statt der Verwendung eines Schwingquarzes ist jedoch auch die Anwendung von Interdigitalelektroden bekannt.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik soll in der vorliegenden Erfindung eine indirekte Messung des Druck oder einer Kraft erfolgen.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden ein mikromechanisches Bauelement zur Druckerfassung sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb beschrieben. Dabei weist das mikromechanische Bauelement ein Substrat sowie eine Einfassung in oder auf dem Substrat auf, in dem ein erstes Medium untergebracht ist, welches in Verbindung mit einem zweiten zu untersuchenden Medium steht. Durch die Verbindung beider Medien, die entweder direkt oder über eine im wesentlichen mechanische Verbindung wie beispielsweise eine flexible Folie erfolgt, wird der Druck oder die Kraft, die im zweiten Medium vorherrscht, auf das erste Medium übertragen. Mit Hilfe eines Sensorelement, welches wenigstens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft bzw. die Zusammensetzung des ersten Mediums erfasst, kann so indirekt der Druck und/oder die Kraft im zweiten Medium bestimmt werden.
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Der Vorteil einer derartigen indirekten Lösung besteht darin, dass das Sensorelement nicht direkt mit dem druck- und/oder kraftführenden Medium in Kontakt steht, so dass eine Kontamination, eine Korrosion und/oder eine anderweitige Beschädigung vermieden wird. Darüber hinaus kann durch die Transformation eines Drucks bzw. einer Kraft in einer andere physikalische bzw. in eine chemische Zustandsänderung ein Erfassungsmittel gewählt werden, welches ursächlich nicht für eine Druck- bzw. Kraftmessung zur Verfügung steht.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Medium in einer Kaverne des Substrats untergebracht. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, einen Behälter auf dem Substrat zu montieren, beispielsweise indem ein Rahmen auf dem Substrat aufgebracht wird. Beide Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass das erste Medium gezielt räumlich angeordnet werden kann.
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Zur Erfassung des Druckwerts in Abhängigkeit von den physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des zweiten Mediums ist vorgesehen, dass das Sensorelement weitestgehend von dem ersten Medium umgeben ist. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Sensorelement am Rand der Einfassung, z. B. am Rahmen oder am Boden untergebracht ist, so dass u. U. nur ein Teil des Sensorelements, ggf. nur der aktive Teil des Sensorelements mit dem ersten Medium in Kontakt steht.
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Eine weitere Möglichkeit besteht jedoch auch darin, das Sensorelement auf dem äußeren Rahmen der Einfassung aufzubringen. Dies ist beispielsweise möglich, wenn zur Erfassung ein Schallwandler verwendet wird.
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Neben der Verwendung eines Schallwandlers, beispielsweise in Form eines Ulltraschallerzeugers, können auch Biegebalken bzw. Cantilever sowie ein Schwingquarz verwendet werden, um die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften oder die Zusammensetzung des ersten Mediums zu detektieren.
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Mit Hilfe des verwendeten Sensorelements kann sowohl die Dichte, die Viskosität, die Transparenz oder die Zusammensetzung des ersten Mediums erfasst werden, die sich infolge einer Druck- oder Krafteinwirkung geändert hat. Hierzu ist vorteilhaft, wenn die Temperatur des ersten Mediums bei der Erfassung der Druck- und/oder Kraftgröße berücksichtigt wird. Die Temperatur kann dabei sowohl mit Hilfe eines Temperatursensors erfasst werden, der mit dem ersten Medium in Kontakt steht, oder aufgrund von anderen Daten oder Informationen abgeleitet werden.
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Bevorzugt wird als erstes Medium ein Öl bzw. eine Ölverbindung verwendet. Je nach Fließfertigkeit des Öls kann eine Folie verwendet werden, die auf dem Öl aufliegt und an der Einfassung bzw. am Rand der Kaverne befestigt ist, um das Öl an Ort und Stelle zu halten. Wie bereits eingangs ausgeführt, ist die Folie derart ausgestaltet, dass sie den Druck des zweiten Mediums auf das erste Medium überträgt. Darüber hinaus ist jedoch auch möglich, ein Gel anstelle des Öls zu verwenden. Wird dabei ein Gel benutzt, welches sehr zähflüssig ist, kann sogar auf eine Abdeckung verzichtet werden.
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Optional kann vorgesehen sein, das Öl oder das Gel mit Gasblasen anzureichern. Dies hat den Vorteil, dass durch einen von außen angelegten Druck zunächst die Gasblasen im Gel komprimiert werden und erst in zweiter Linie das Gel.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das erste Medium aus einem Schaumstoff besteht, welches sich unter dem Druck komprimieren lässt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Schaumstoffs eine dichtende Versiegelung aufweist, um eine Auflagefläche für den Druck bzw. die mit dem Druck verbundene Kraft zu bilden. Optional kann vorgesehen sein, dass der Schaumstoff aus einem Kunststoff besteht, in dem Gasblasen eingelagert sind. Maßgeblich ist jedoch, dass der Schaumstoff, egal ob aus Kunststoff oder einem anderen Material, komprimierbar sein muss.
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Durch eine entsprechende Abstimmung der physikalisch/chemischen Eigenschaften des Öls, des Gels, des Schaumstoffs sowie des darin enthaltenen Gasblasenanteils bzw. der Gasblasengröße kann somit darüber hinaus eine nichtlineare Druckerfassung durchgeführt werden, beispielsweise indem zwei oder mehr unterschiedliche Gasblasengrößen vorgesehen sind.
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Durch die in dem Öl, dem Gel oder dem Schaumstoff gebundenen Gasblasen ist gleichzeitig auch eine Rückstellkraft des ersten Mediums nach der Komprimierung realisiert, indem die Gasblasen nach Verringerung des Drucks des zweiten Mediums wieder in ihre Ausgangslage bzw. -größe zurückstreben.
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Die Erfassung der Dichteänderung der komprimierten Medien mit Gasblaseneinschlüssen erfolgt vorteilhafterweise mittels Schallwandlern oder Schwingquarzen.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit Hilfe des Sensorelements bestimmte Bestandteile des zweiten Mediums erkannt werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste Medium derart ausgestaltet ist, dass es unter den zu erfassenden Druckbedingungen die zu untersuchenden Bestandteile aus dem zweiten Medium anlagert und dadurch seine physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften verändert. Denkbar ist hierbei beispielsweise, dass die Viskosität zunimmt oder die Lichtdurchlässigkeit abnimmt. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass die Aufnahme der Bestandteile reversibel ist, z. B. indem das erste Medium diese Bestandteile im Zeitverlauf, bei im zweiten Medium vorherrschenden geringeren Druckbedingungen oder mittels eines integrierten Heizers wieder abgeben.
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Optional kann vorgesehen sein, dass das Bauelement auch als irreversibler Schalter verwendet wird, indem das Sensorelement erst bei Erreichen einer bestimmten Schwelle der Änderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des ersten Mediums ein Signal erzeugt. Dies kann beispielsweise darin bestehen, dass das erste Medium bei entsprechenden Druckbedingungen einen ausreichenden Anteil der zu untersuchenden Bestandteile des zweiten Mediums aufgenommen hat und somit die Viskosität oder die Lichtdurchlässigkeit eine vorgegebene Schwelle erreicht oder überschritten hat. Alternativ ist auch möglich, dass sich unter dem Einfluss des zweiten Mediums wenigstens ein Teil des ersten Mediums verflüchtigt hat und somit ein Signal bzw. eine Signaländerung durch das Sensorelement hervorgerufen wird. Denkbar ist hierbei, dass der (Gewichts-)Druck auf das Sensorelement durch das erste Medium abgenommen hat oder das Sensorelement mit dem zweiten Medium in Kontakt gekommen ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung lassen sich beispielsweise Unterdrücke feststellen.
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Bei der Verwendung von Gaseinschlüssen im ersten Medium ist die Erfassung von Unterdrücken ebenfalls möglich, da sich das erste Medium in diesem Fall ausdehnt, so dass eine Volumenerhöhung mit einer Dichteverringerung verbunden ist, die über das Sensorelement nachweisbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Die 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. In der 5 wird mit Hilfe eines Blockschaltbildes die Erfassung des Drucks bzw. der Kraft im zweiten Medium dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Im Gegensatz zu den üblichen Druckerfassungsmethoden, bei dem beispielsweise die Durchbiegung einer Membran als Maß für den anlegenden Druck erfasst wird, wird in der vorliegenden Erfindung u. a. die druckabhängige Eigenschaft eines ersten Mediums ausgenutzt, um indirekt auf den Druck eines zweiten Mediums zu schließen. Allgemein wird dabei die Änderung einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft durch einen von außen angelegten Druck erfasst, um auf den anliegenden Druck zu schließen. Denkbar ist dabei, die Dichte, die Viskosität, die Transparenz, die Reaktivität oder auch die Zusammensetzung des ersten Mediums zu erfassen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird u. a. ausgenutzt, dass das erste Medium unter Druck oder Krafteinwirkung komprimiert wird und somit an Dichte bzw. Viskosität zunimmt. Darüber hinaus ist jedoch auch möglich, dass das erste Medium unter Druck bei einem direkten Kontakt mit dem zweiten Medium Bestandteile des zweiten Mediums bindet, so dass ebenfalls eine Veränderung der Dichte, der Viskosität und/oder der Lichtdurchlässigkeit erfolgt. Durch die Verwendung eines entsprechenden chemischen Sensorelements lässt sich jedoch auch der Anteil des zweiten Mediums im ersten Medium erfassen, um daraus eine Druckgröße zu ermitteln. Darüber hinaus kann auch die Transparenz verwendet werden, um den Anteil der gebundenen Bestandteile des zweiten Mediums festzustellen, beispielsweise indem Gasblasen in einem Gel detektiert werden. Ähnlich kann auch durch ein geeignetes Sensorelement die Reaktivität oder generell die Zusammensetzung des ersten Mediums erfasst werden.
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Bei der Erfassung des Drucks über die Aufnahme von Bestandteilen des zweiten Mediums in das erste Medium kann vorgesehen sein, eine Vorrichtung vorzusehen, die die Abgabe dieser Bestandteile nach einer vorbestimmten Zeit ermöglicht, beispielsweise über ein integriertes Heizelement.
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Weiterhin ist die Verwendung eines Gels als erstes Medium mit eingelagerten Gasblasen vorgesehen. Durch einen anliegenden Druck wird das Gel und damit auch die Gasblasen innerhalb des Gels komprimiert, so dass die veränderten erwähnten physikalischen Eigenschaften des ersten Mediums erfasst werden können. Über die Wahl der physikalisch/chemischen Gel-Eigenschaften sowie des Gasblasenanteils bzw. der Gasblasengröße kann auch eine nichtlineare Erfassung des Drucks erreicht werden, indem das Gel mit den Gasblasen in unterschiedlichen Druckbereichen verschieden kompressibel ist. Denkbar ist auch, verschiedene Gase einzulagern, die ebenfalls unterschiedlich kompressibel sind. Alternativ kann statt eines Gels auch ein Öl mit eingelagerten Gasblasen oder ein Schaumstoff, beispielsweise ein Kunststoff verwendet werden.
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Schlussendlich kann auch ein Festkörper als erstes Medium verwendet werden, sofern er in einem gewissen Rahmen komprimierbar ist. Denkbar ist hierbei beispielsweise, einen porösen Bereich in einem Silizium-Halbleiter zu erzeugen, der sich unter Druckeinwirkung komprimieren lässt. Der Nachweis der Kompression könnte dabei wie bei den Medien mit Gaseinschlüssen über Laufzeitunterschiede induzierter Schwingungsreflexionen geführt werden.
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Mögliche Vorrichtungen zur Aufnahme des ersten Mediums sowie der Sensorelemente sind in den 1 bis 4 dargestellt.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 wird in ein Substrat 100, z. B. ein Siliziumsubstrat, mittels gängiger insbesondere mikromechanischer Verfahren eine Kaverne 110 eingebracht. In dieser Kaverne 110 kann ein Biegebalken 120 bzw. ein Cantilever angeordnet sein, der ebenfalls mittels bekannter Verfahren aus dem Substrat 100 oder separat mittels gezieltem epitaktischen Aufbau mit nachträglichen Abscheide- und Ätzprozessen strukturiert wird. Dabei sind entweder oberhalb, seitlich und/oder unterhalb der Befestigung des Biegebalkens 120 in der Seitenwand piezoelektrische Widerstände 170 bzw. 180 vorgesehen, die die Schwingungsfrequenz erfassen. Angeregt werden kann der Biegebalken durch einen externen Schwingungserzeuger oder einen auf dem Biegebalken integrierten Piezoschwinger. Darüber hinaus können die piezoelektrischen Widerstände 170 bzw. 180 auch derart ausgestaltet sein, dass sie sowohl zur Anregung als auch zur Detektion der Schwingungen verwendet werden können, beispielsweise durch eine entsprechende Taktung, bei dem das nachfolgende Abklingverhalten erfasst wird.
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In der Kaverne 110 wird ein erstes Medium 130 eingebracht, welches unter Druck oder einer Krafteinwirkung wenigstens eine physikalische oder chemische Eigenschaft verändert. So kann der Druck 160 beispielsweise die Dichte des ersten Mediums 130 derart verändern, dass sich die Eigenschwingung des Cantilevers 120 verändert. Statt der Detektion der Veränderung der Eigenschwingung kann jedoch auch die Veränderung des Schwingungsverhaltens bei gleichbleibender Anregung des Cantilevers 120 erfasst werden.
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Je nach verwendetem ersten Medium 130 kann vorgesehen sein, eine Deckschicht 140 über der Kaverne 110 anzuordnen, um das erste Medium 130 in der Kaverne 110 festzuhalten. Als Deckschicht kommen dabei Membranen (z. B. für höhere Druckbereiche) oder Folien in Frage, die undurchlässig für das erste Medium 130 sind, jedoch flexibel genug, um einen Druck bzw. eine Kraft 160 des zweiten Mediums 150 auf das erste Medium 130 weiterzuleiten.
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Bei der Verwendung eines gasförmigen ersten Mediums ist beispielsweise denkbar, eine geschlossene dünne Halbleiterschicht auf eine in die Kaverne eingebrachte Opferschicht aufzubringen, wobei die Opferschicht über eine nachträglich erzeugte Öffnung in der Halbleiterschicht entfernt wird. Anschließend wird das so erzeugte Halbleiterbauelement einer Atmosphäre mit dem gasförmigen ersten Medium ausgesetzt, bevor die Öffnung in der Halbleiterschicht geschlossen wird. Durch die Wahl des Atmosphärendrucks wird der gewünschte Druck in der abgeschlossenen Kaverne eingestellt. Darüber hinaus sind aus der Mikromechanik jedoch noch andere Verfahren bekannt, ein gezieltes Gasvolumen einzuschließen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Gels, welches nicht zwangsläufig mit einer Deckschicht 130 abgedeckt werden muss, sofern die Zähigkeit des Gels ein Verfließen unter für den Druckbereich des Drucksensor vorgesehenen Normaldruck verhindert. Darüber hinaus ist jedoch neben dem Aufbringen einer Halbleiterschicht auch möglich, einen vernetzbaren Kunststoff aufzubringen, der auf der Oberfläche des Gels verhärtet und eine dauerhafte Verbindung mit dem Randbereich auf dem Substrat 100 bildet. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es notwendig, dass der vernetzte Kunststoff flexibel genug auf den anliegenden Druck reagieren kann. Neben der Verwendung von Kunststoffen ist auch das Aufbringen einer dünnen insbesondere durchgehenden Metalllage denkbar, die ebenfalls bevorzugt am Rand der Kaverne auf dem Substrat befestigt ist.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, das Gel durch eine Zuführung eines geeigneten Zusatzes oberflächlich aushärten zu lassen. So kann die Oberfläche beispielsweise mittels Sauerstoff oxidiert oder mit Metallpartikeln in Form eines (selbstorganisierenden) Netzes stabilisiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Schaumstoffs, z. B. eines Kunststoffs mit Treibmittel, welches per se bereits Gaseinschlüsse aufweist und ortsfest aufgebracht werden kann.
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Die Verwendung einer Flüssigkeit, z. B. eines Öls als erstes Medium ist ebenfalls möglich. Dazu kann ebenfalls die Verwendung einer Halbleiterschicht, eines vernetzbaren Kunststoffes oder die oberflächliche Aushärtung benutzt werden, um die Flüssigkeit in der Kaverne zu halten.
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Die Verwendung einer Abschirmung des ersten Mediums mittels einer Membran, einer Verhärtung oder einer Folie hat den weiteren Vorteil, dass externe Schmutzpartikel nicht in das erste Medium eindringen können, um das Messergebnis zu verfälschen.
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Neben dem beschriebenen Aufbau gemäß der 1 kann die Kaverne 100 jedoch auch durch ein epitaktisches Verfahren erzeugt werden. Hierzu werden mit üblichen mikromechanischer Verfahrensschritte unterschiedliche strukturierte Schichten auf einem Substrat erzeugt, wobei die Kaverne 110 als Opferschicht ausgebildet wird, die nachträglich entfernt wird. Ein derartiger epitaktischer Aufbau des Ausführungsbeispiels nach 1 hat weiterhin den Vorteil, dass die Kontaktierung der Piezowiderstände 170 und/oder 180 sowie des optionalen Piezoschwingers in die Seitenwände integriert und seitlich weitergeführt werden könnte.
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Weiterhin ist auch möglich, den Bereich der Kaverne als poröses Silizium-Material zu erzeugen, welches zur Erzeugung der Kaverne mittels einer thermischen Behandlung umgelagert wird.
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In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Sensorelement als Schwingquarz 200 auf dem Boden der Kaverne 110 vorgesehen ist. Es ist jedoch auch möglich, den Schwingquarz seitlich an die Kavernenwand anzubringen.
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Wie bereits ausgeführt, kann mit dem Schwingquarz 200 eine Verschiebung der Eigenfrequenz und somit eine Veränderung der Dichte, der Viskosität und/oder der Zusammensetzung des ersten Mediums erfasst werden. Hierzu ist notwendig, den Schwingquarz mit verschiedenen Frequenzen anzuregen, um festzustellen, bei welcher Frequenz die Schwingung ihr Maximum erreicht. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass ein Frequenzspektrum durchfahren wird.
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Alternativ kann auch die Veränderung des Schwingungsverhaltens des Schwingquarzes 200 erfasst werden, indem der Schwingquarz 200 mit der gleichen Anregung beaufschlagt wird. Durch die Veränderung des Schwingungsverhaltens kann so ebenfalls auf eine Dämpfung durch das erste Medium 130 geschlossen werden.
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Eine weitere Möglichkeit, die Änderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des ersten Mediums zu erfassen, besteht darin, mittels eines Schallsenders bzw. -empfängers die Laufzeit der Schallwellen durch die das erste Medium 130 in der Kaverne 110 zu erfassen. Ein derartiger Aufbau ist schematisch in 3 dargestellt. So sendet beispielsweise ein Ulltraschallsender 300, der gleichzeitig auch als Empfänger der an Bestandteilen des ersten Mediums, z. B. Gaseinschlüssen, oder der gegenüber liegenden Wand reflektierten Schallwellen fungiert, Ulltraschallwellen durch das erste Medium 130. Durch eine Veränderung der Dichte, Viskosität und/oder Zusammensetzung des ersten Mediums 130 ändert sich die Rücklaufzeit der Schallwellen, so dass auf den anliegenden Druck 160 des zweiten Mediums 150 geschlossen werden kann.
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Statt die Kaverne aus dem Substrat herauszubilden oder mittels eines Schichtaufbaus zu realisieren, ist auch denkbar, einen Rahmen 410 auf einem Substrat 100 aufzubauen, wie es beispielhaft in 4 gezeigt wird. Dieser Rahmen 410 definiert ebenfalls einen Bereich, in dem das erste Medium 430 eingebracht wird. Wie bereits in der vorstehenden Ausführungsbeispielen, wirkt auch hier der Druck des zweiten Mediums 450 bzw. eine Kraft 460 derart auf das erste Medium 430, dass eine Veränderung bzgl. der Dichte, der Viskosität, der Transparenz und/oder der Reaktivität bzw. Zusammensetzung erfolgt. Diese Änderung kann anschließend mit einem der vorstehenden Sensorelementen, in 4 am Beispiels eines Schwingquarzes 400 dargestellt, erfasst werden.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, das erste Medium 130 bzw. 430 derart auszuwählen, dass es auf eine Druckänderung des zweiten Mediums 150 bzw. 450 infolge einer Änderung des chemischen Gleichgewichts mit einer Einlagerung von Bestandteilen des ersten Mediums reagiert. Die durch diese Einlagerung veränderten physikalischen und/oder chemischen Veränderungen der Eigenschaften des ersten Mediums wie beispielsweise die Erhöhung der Viskosität oder die Abnahme der Lichtdurchlässigkeit lässt sich entsprechend erfassen.
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Zur Messung der Lichtdurchlässigkeit kann in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass ein lichtempfindliches Sensorelement bzw. ein lichtempfindlicher Bereich in der Kaverne angeordnet ist. Mit diesem Lichtsensor kann wahlweise eine gesonderte Lichtquelle, die entweder innerhalb oder außerhalb der Kaverne angeordnet ist, oder das normal durch das erste Medium hindurch tretende Außenlicht erfasst werden. Ändert sich die Lichtaufnahme, so ist das ein Anzeichen dafür, dass sich das erste Medium eingetrübt hat, z. B. über die Einlagerung von Bestandteilen des zweiten Mediums aufgrund einer Veränderung des chemischen Gleichgewichts zwischen dem ersten und zweiten Medium.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, in der Kaverne 110 bzw. im Behälter 410 ein Heizelement vorzusehen, mit dem das erste Medium 130 bzw. 430 erhitzt werden kann. Neben einer möglichen Temperaturstabilisierung des ersten Mediums 130 bzw. 430 kann durch solch ein Heizelement erreicht werden, dass etwaige Bestandteile im ersten Mediums 130 bzw. 430, welche vom zweiten Medium 150 bzw. 450 aufgenommen worden sind, wieder abgegeben werden können, um das erste Medium 130 bzw. 430 zu reinigen.
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In der 5 ist schematisch die Erfassung der Sensordaten sowie die Ableitung eines entsprechenden Sensorsignals dargestellt. Ausgehend von einer Verarbeitungseinheit 510 in einer Auswerteeinheit 500 werden die Daten des Sensorelements 530 erfasst. Ggf. kann die Verarbeitungseinheit 510 wie im Fall des Schwingquarzes auch das Sensorelement 530 ansteuern, um die gewünschten Sensordaten 540 zu erhalten. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass das Sensorelement 530 eine eigenständige Ansteuerung bzw. Regelung aufweist und nur zum Zweck der. Datenübermittlung mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist. Durch einen Vergleich der erfassten Daten mit abgespeicherten Werten des Mediums im Speicher 520 kann die Verarbeitungseinheit 510 auf einen entsprechend vorhandenen Druck im zweiten Medium schließen. In Abhängigkeit von diesem Vergleich kann dann eine Druckgröße 580 erzeugt und an eine entsprechende Weiterverarbeitung 570 weitergeleitet werden, die den erkannten Druck repräsentiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass über die Druckgröße 580 als kontinuierlicher (Spannungs-)Wert bereitgestellt werden, so dass sich eine Änderung des erkannten Drucks in einer Änderung des (Spannungs-)Werts äußert. Daneben kann jedoch auch eine getaktete oder weitestgehend einzelne Signalabgabe erfolgen.
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Zur Steigerung der Aussagefähigkeit der Signalerfassung des Sensorelements 530 kann vorgesehen sein, das Signal 560 eines Temperatursensors 550 oder eines Sensors zu berücksichtigen, der die Temperatur des ersten Mediums wiedergibt. Durch die Berücksichtigung der Temperatur kann verhindert werden, dass ein Temperatureffekt die eigentliche Auswirkung der Einwirkung des zweiten Mediums auf das erste Medium überdeckt. So ist beispielsweise bei Ölen oder Gelen, insbesondere mit Gaseinschlüssen, die temperaturabhängige Viskosität oder auch Ausdehnung zu berücksichtigen. Mit Hilfe der abgespeicherten Werte im Speicher 520 kann so eine einfache Rückrechnung aufgrund von erfassten experimentell Werten erfolgen. Ggf. kann auch vorgesehen sein, die Werte des Sensorelements 530 nach dem Aufbau eines Gesamtsystems bestehend aus Sensor und Auswerteeinheit 500 vorab zu eichen. Die dabei festgelegten Werte können dann für die spätere Auswertung im Speicher 520 abgelegt werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, die Erfassung des Drucks mit den vorstehend aufgeführten Aufbauten in Abhängigkeit vom Erreichen oder Überschreiten eines Schwellenwertes durchzuführen. So kann vorgesehen sein, dass bei der Einlagerung von Bestandteilen des zweiten Mediums in das erste Medium aufgrund eines veränderten chemischen Gleichgewichts ein Punkt der Viskosität oder der Lichtdurchlässigkeit erreicht wird, der zu einer Signalabgabe bzw. Signaländerung führt. In einer derartigen Anwendung kann auch vorgesehen sein, dass der Vorgang nicht reversibel ist.
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Denkbar ist auch ein Ausführungsbeispiel, bei dem das erste Medium derart komprimiert wird, dass ein Teil des Sensorelements mit dem zweiten Medium in Kontakt kommt und somit das Sensorsignal auslöst.
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Für die Verwendung des ersten Mediums sind beispielsweise Öle, Gele oder Schaumstoffe vorgesehen, die eine ausreichende Kompressibilität aufweisen. Diese Kompressibilität kann dadurch gesteigert werden, in dem Gaseinschlüsse z. B. in Form von Gasblasen in die Öle bzw. Gele oder Schaumstoffe eingebracht werden. Bei einer entsprechenden Wahl des Anteils der Gasblasen bzw. der Größe der Gasblasen kann auch die Kompressibilität der Gasblaseneinschlüsse der wesentliche Anteil der Kompressibilität des Gesamtsystems ausmachen. Der Vorteil bei der Verwendung von Gasblaseneinschlüssen ist, dass keine gesonderte Vorkehrungen getroffen werden müssen, um das kompressible Medium (in diesem Fall die Gasblasen) an Ort und Stelle zu halten. Darüber hinaus erzeugen die Gasblasen gleichzeitig auch die notwendige Rückstellkraft, das Medium nach der Komprimierung bei Wegfall der Komprimierungsbedingung durch das zweite Medium wieder weitestgehend in seinen Ausgangszustand zurück zu bringen.
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Die Verwendung von Gasblaseneinschlüsse kann auch dazu genutzt werden, die Lichtdurchlässigkeit d. h. die Transmission des ersten Mediums zu verändern. So kann die Lichtdurchlässigkeit gerade bei höheren Drücken und somit kleineren Gasblasen erhöht sein, da eine geringere Streuung erfolgt. Ähnlich kann auch die Ausbreitung von Schall durch die Änderung der Gasblasengrößen verändert werden, so dass aus der geänderten Schallausbreitung auf einen Druck im zweiten Medium geschlossen werden kann.
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Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Kompressibilitäten, z. B. Gel/Gasblaseneinschluss oder verschiedener Gase in unterschiedlichen Gasblasenkonzentrationen lässt sich darüber hinaus auch eine nichtlineare und reversible Druckerfassung realisieren.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erste Medium zwischen zwei (Platten-)Elektroden angeordnet. Durch eine Komprimierung des ersten Mediums kommt es zu einer Verdichtung zwischen den Elektroden. Weist das erste Medium dabei dielektrische Eigenschaften auf oder ist dem ersten Medium ein Bestandteil hinzugefügt, welches durch eine Verdichtung oder Aufnahme von Bestandteilen des zweiten Mediums die Kapazität der Elektroden verändert, kann auch über die Erfassung der Kapazitätsänderung auf den von außen angelegten Druck geschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10032579 A1 [0002]
- DE 10203475 A1 [0003]
- DE 19804326 A1 [0003]
