DE10348245B4

DE10348245B4 - Sensoren auf der Basis von Dichte-Unterschieden in Fluiden und Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung derartiger Sensoren zur Erfassung von Bewegung, Lage, Fluid-Eigenschaften

Info

Publication number: DE10348245B4
Application number: DE10348245A
Authority: DE
Inventors: Heinz Ploechinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2023-12-07
Also published as: DE10348245A1

Abstract

Sensor zur Erfassung von Lage und/oder Bewegung im Raum, mit einem abgeschlossenen Behältnis, das wenigstens einen Sender und wenigstens einen Empfänger und ein Fluid umschließt dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender zyklische Fluid-Dichteschwankungen erzeugt und der wenigstens eine Empfänger die Laufzeit-Änderung und/oder die Phasenverschiebung und/oder die Frequenzänderung und/oder die Amplitudenänderung erfasst.

Description

Thermisch erzeugte Dichte-Unterschiede in einem Fluid (z. B. in einem Gas) werden bereits bei bekannten Sensoren zur Bewegungserfassung genutzt.

Stand der Technik

Das US-Patent 4,232,553 zeigt beispielsweise eine Anordnung zur Messung der Winkelbeschleunigung mittels eines fluidgefüllten Toroides, wobei zwei gegenüberliegende Paare von Heiz- und Sensorelementen eine Relativbewegung des Fluids gegenüber dem sich drehenden Toroid erfassen können.

Das Deutsche Patent des Anmelders DE 42 43 978 C1 , angem. 23.12.92, beschreibt einen Neigungs- und Beschleunigungs-Sensor, der die konvektive Strömung in einem Fluid zur Gewinnung von bewegungsabhängigen Signalen nutzt und mikrosystemtechnisch herstellbar ist.

Bewegung von Sensorelementen in einem Isothermenfeld kommt auch beim Sensor zur Erfassung einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung nach der EP 1 111 395 A1 zur Anwendung.

Das EP 0 674 182 B1 beschreibt einen Hybrid-Sensor, bei dem ein Gas in einem dichten Raum eingeschlossen ist und der ebenfalls thermische Effekte benutzt, um Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit zu detektieren. Es wird die statische Temperaturverteilung und eine Abweichung eines Gasflusses mittels Wärmedrahtwiderstands-Vorrichtung erfasst.

Bei den beschriebenen Sensoren wird davon ausgegangen, dass ein statisch aufgebautes Isothermenfeld (d. h. eine stabile, nicht turbulente Konvektionsströmung) in einem homogenen Fluid durch die Bewegung verschoben oder verändert wird. Da die Mess-Strukturen in diesen Sensoren sich erst thermisch anpassen müssen (e-Funktion), sind die Reaktionszeiten naturgemäß relativ hoch und somit die Anwendungen vorzugs weise bei niederfrequenten Mess-Zyklen zu sehen.

Außerdem ist zur Aufrechterhaltung der Konvektionsströmung bzw. des statischen Isothermenfeldes eine relativ hohe Betriebsleistung erforderlich, was die Einsatzmöglichkeiten derartiger Sensoren weiter einschränkt.

Aufgabenstellung

Aufgabe dieser Erfindung ist es, Sensoren zur Erfassung von Lage und/oder Bewegung im Raum und/oder zur Erkennung von Fluid-Eigenschaften zu schaffen, wobei das zeitliche Ausbreitungs-Verhalten von Dichte-Unterschieden bzw. Dichteschwankungen in einem Behältnis als Maß dient. Zudem sollen Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung derartiger Sensoren aufgezeigt werden. Hierbei ist geringe Betriebsleistung, kurze Reaktionszeit und hohe Auflösung bei großem Messbereich, sowie die Möglichkeit zur preiswerten, weitgehend automatisierten Herstellung Teil der Aufgabenstellung.

Erfindungsgemäß kommen zur Lösung dieser Aufgabe unterschiedliche Verfahren zur Betriebsweise, Ausbauvarianten von Sensoren und diverse Herstellverfahren zum Einsatz.

Die Verfahren zum Betrieb sind auch dazu geeignet, bereits bekannte Sensoren der eingangs beschriebenen Art mit niedriger Betriebsleistung und höherer Messfrequenz zu betreiben.

Durch die erfindungsgemäße Herstellung des mikrosystemtechnischen Sensors sind Dichteschwankungs-Zyklen mit einer Frequenz von z. B. 1 kHz und darüber möglich.

Figurenlegende:
1: Fluidgefüllte Kapsel mit Sender und Empfänger.
2: Fluidgefüllte Kapsel mit 2 Fluiden.
3: Prinzipdarstellung wellenartiger Ausbreitung, linear, keis- oder spiralförmig.
4: Betriebschaltung für 1 Sender, 2 Empfänger.
4a: Ausführungsbeispiel eines Sensors mit zentralem Sender.
4b: Ausführungsbeispiel eines Sensors mit dezentralen Sendern.
4c: Betriebsschaltung für einen Sender und 4 Empfänger.
4d: Thermopiles als Empfänger.
5: Betriebsschaltung „Thermischer Oszillator".
6: Kreisförmig umlaufende bzw. fortlaufende Dichteschwankungswellen.
7: Betriebsschaltung mit Sender und Empfänger, gleichartig aufgebaut, umschaltbar.
8: Ausführungsbeispiel eines Sensors vorzugsweise für Drehbewegungserfassung.
9: Ausführungsbeispiel eines Sensors mit 4 Sendern, 8 Empfängern, radial angeordnet.
10: Wie vor, jedoch mit Empfängern, die eine Mittelanzapfung besitzen.
11: Darstellung der möglichen Mess-Achsen.
12: Ausführungsbeispiel eines Sensors mit Sendern und Empfängern, die in 2 Ebenen angeordnet sind.
13: Ausführungsbeispiel eines Sensors mit radial verteilten Sendern und Empfängern in 2 Ebenen.
14: Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines Lage- und Bewegungssensors in 2 Ebenen mit Kapselung.
15: Ausführungsbeispiel eines Sensors in Hybrid-Aufbauweise.
16: Ausführungsbeispiele von offenen Sensoranordnungen zur Erfassung von Fluid-Eigenschaften.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
In 1 ist ein modulierter Betrieb des Heizers 11 (Sender) dargestellt. Innerhalb einer fluidgefüllten Kapsel 180 breitet sich die resultierende Dichteschwankung in Richtung des Empfängers 12 aus.
Erfindungsgemäß werden Laufzeiten, Laufzeitunterschiede und Amplitudenunterschiede von Dichteschwankungen erfasst, die sich von einem Sender in Richtung eines Empfängers bewegen und dabei von der Lage und vom Bewegungszustand der Anordnung, sowie von den Eigenschaften des Fluids oder des Fluidgemisches beeinflusst werden. Im erfindungsgemäßen "Wechselanteil-Modus" kann zudem der Einfluss von Driften und Offsetwerten von Sende- und Empfangs-Elementen minimiert werden. Zudem wird der erforderliche Aufwand für Abgleich hiermit reduziert.
Einer weiteren neuartigen Aufbauvariante von Sensoren, die auf der Auswertung von Dichteunterschieden aufbauen, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es grundsätzlich auch möglich ist, die durch die Erdanziehung bedingte Schichtung zweier oder mehrerer Fluide mit unterschiedlicher Dichte zur Bewegungserfassung zu nutzen.
In 2 ist eine abgeschlossene Kapsel 280 dargestellt, die wenigstens zwei unterschiedliche Fluide 290 und 291 enthält. Ein Heizer 21 und zwei Temperatur-Sensoren 22 und 23 sind innerhalb der Kapsel angeordnet, beispielsweise parallel zueinander, wobei die Sensoren jeweils gleichen Abstand zum Heizer haben.
Die Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität der wenigstens zwei Fluide sollten unterschiedlich sein. Wenn der Heizer beispielsweise mit konstanter Leistung auf ein höheres Temperaturniveau aufgeheizt wird, ist das Temperaturgefälle in Richtung der beiden Sensoren 22 und 23 durch die Art der Fluide und den Einfluss der Erdbeschleunigung be stimmt. Lediglich wenn die Sensoranordnung in der Kapsel senkrecht steht, wie in 2b gezeigt, liegen die beiden Sensoren auf gleichem Temperaturniveau. Abweichende Werte können einer Abweichung der Lage aus dem Lot zugeordnet werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es hier nicht notwendig, eine stabile konvektive Strömung aufzubauen. Damit kann die erforderliche Betriebsleistung erheblich verringert werden, was beispielsweise beim Einsatz derartiger Sensoren in batteriebetriebenen Geräten (Diebstahl-Warnanlagen etc.) von erheblicher Bedeutung ist.
Wenn Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität der Fluide unterschiedlich sind, gilt zudem, dass ein vom Heizer 21 ausgehender Wärmeimpuls an Sensor 22 und 23 zur unterschiedlichen Zeiten einen bestimmten gleichen Temperatur-Schwellenwert erreicht, wenn sich zwischen Heizer 21 und Sensor 22 ein Fluid A, zwischen Heizer 21 und Sensor 23 ein Fluid B befindet.
Diese Laufzeitunterschiede können ebenfalls als Lageinformation genutzt werden.
Wenn das Fluid zur Füllung der Sensorkapsel (oder wenigstens eines der Füll-Fluide) magnetisch ist, wird die Dichteverteilung im Messraum sowohl von der Erdanziehung, als auch von einem äußeren Magnetfeld (z. B. Erdmagnetfeld) beeinflusst. Diese Eigenschaft kann in Kombination mit den vorbeschriebenen Verfahren und Anordnungen, wie auch in Kombination mit später beschriebenen Sensor- und Ausführungsvarianten genutzt werden, um Informationen über Lage zum Lot und Orientierung im (Erd-)Magnetfeld zu erhalten.
Art und Zusammensetzung des Fluids bzw. von Fluidmischungen bestimmen die Ausbreitungseigenschaften von Dichteschwankungen, insbesondere der Laufzeit einer Dichteschwankung vom Sender zum Empfänger. Es ist also zweckmäßig, das Fluid bzw. die Fluidmischung und den Befüll-Druck für erfindungsgemäße Bewegungs-Sensoren je nach Anwendung unterschiedlich auszuwählen. Als Kriterien kommen beispielsweise in Frage: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, elektrische und magnetische Eigenschaften.
Insbesondere für Sensoren mit zyklischer Anregung kann auch die Elastizität der Fluid-Bestandteile bzw. von Fluid-Additiven von Bedeutung sein.
Da sich Nanopartikel (Fullerene, "buckyballs", "nanotubes") durch besonders hohe Elastizität und Formstabilität auszeichnen, zählen sie ebenfalls zum Kreis der möglichen Füllmaterialien bzw. Additive zu Kapsel-Füll-Fluiden.
Als Anregung (Sender) für zyklische Dichteschwankungen kommen die benannten thermischen Verfahren (Temperaturmodulation) aber auch Schall
Ultraschall- und Dichteschwankungs-Erzeuger wie Membranen, Zungen ("cantilever") angeregt z. B. elektrostatisch, durch Bimetall- oder Memory-Metall-Effekte, Piezo-Schwinger, Oberflächenwellen-Sender, etc., mikrosystemtechnisch oder auf Keramik-Basis bzw. Glaskeramik-Basis (LTCC, HTCC) hergestellt, oder auch "Microfluidic-Switches" (s. S. 366, W. Menz, Microsystem Technology) in Frage.
Als Aufnehmer (Empfänger) zur Detektion der zyklischen und von den überlagerten Bewegungen und der Lage beeinflussten Signale dienen empfindliche Temperatursensoren bzw. Schallaufnehmer und Druckaufnehmer, Resonatoren etc..
In obigen Beschreibungen wurde von einem Fluid oder Fluidgemisch ausgegangen, das in einer Kapsel eingeschlossen ist. Bewegungs- und Lage-Erfassung standen dabei im Vordergrund. Jedoch ist es auch möglich, die Art, Zusammensetzung und den Druck des eingeschlossenen Fluids oder Fluidgemisches über die Dichte oder Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit des Fluids oder Fluidgemisches zu erfassen.
Entsprechende Anordnungen in einer geöffneten Kapsel (s. 16) erlauben in Anwendungen mit vorwiegend ruhender Betriebsweise, den "Befüllzustand" (Druck), sowie weitere Eigenschaften (Art, Zusammen setzung von Fluid oder Fluidgemisch) zu ermitteln, wobei wiederum Dichte, Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit als Maß dienen können.
Für die zyklische Betriebsweise derartiger Sensoren werden drei Verfahren vorgeschlagen:

1. Das Anregungselement (Sender) wird mit einer vorgegebenen festen Frequenz beaufschlagt oder impulsweise mit fester Dauer und festem Zeitabstand der Impulse betrieben und das Messelement (Empfänger) erfasst die durch Bewegung hervorgerufene Laufzeit, Phasenverschiebung, Frequenzänderung, bzw. Amplitudenänderung (s. hierzu das Schaltungsbeispiel in 4)
2. Anregungselement (Sender) und Messelement (Empfänger) sind in einer geschlossenen Schleife ("closed loop") zusammengeschaltet und es stellt sich eine Frequenz- bzw. Phasenverschiebung von selbst ein, die mit festen internen Lauf- und Verzögerungszeiten, sowie mit Einflüssen aus der Bewegung des Sensors zusammenhängt ("Thermischer Oszillator" bzw. "Dichte-Wellen-Oszillator" oder "Schallwellen-Oszillator"'; s. hierzu 5)
3. In einer geschlossenen Schleife von Sender und Empfänger wird Frequenz und/oder Amplitude der Dichteschwankung auf einen konstanten Wert geregelt. Die Stellgröße für die Nachregelung ist ein Maß für Lage- und Bewegungszustand der Anordnung.

Bei Anwendung dieser Verfahren spielt es zunächst keine Rolle, ob die Ausbreitung der Anregung zur Dichteänderung in alle Richtungen um das Anrege-Element (Sender), oder gezielt vom Anrege (Sender)- zum Messelement (Empfänger) erfolgt. Allerdings ist bei geeigneter gerichteter Ausbreitung mit höherem Messpegel am Messelement (Empfänger) zu rechnen.
Sensoren, die eine Bewegung im Raum (zwei- oder dreidimensional) abbilden sollen, wird man vorzugsweise ohne gerichtete Ausbreitung aufbauen, da die "Dichtepakete" zumindest im zentralen Bereich der Kapsel sämtliche Freiheitsgrade haben und somit mittels geeigneter Sensorstrukturen die Lageänderung oder Bewegung unbeeinflusst zu er fassen ist.
Dagegen kann die gerichtete Ausbreitung für Sensoren sinnvoll sein, die Linear- oder Rotations-Bewegungen bzw. -Beschleunigungen in einer vorbestimmten Richtung und Ebene erfassen sollen.
Für die gerichtete Ausbreitung kann man entsprechende Strukturen ("Kanäle") bereits in das Microsystem integrieren (Ätzverfahren im Sensorchip oder in einem Abdeck-Wafer aus Silizium oder Glas, im Anodic-Bonding-Verfahren zusammengefügt). Es ist aber auch möglich, Leitstrukturen im Zuge der Aufbau- und Verbindungstechnik herzustellen, z. B. wenn man als Chip-Träger einen mehrschichtigen LTCC oder HTCC-Aufbau oder entsprechende Leiterplatten wählt. Hierbei kommen jedoch getrennte Anrege (Sende)- und Messelemente (Empfänger) zum Einsatz.
Je nach gewünschter Sensorausrichtung können die Leitstrukturen geradlinig (s. 3a), kreis- bzw. kreissegmentförmig (3b) oder auch spiralförmig (3c) sein. Ein Sensor für Rotationsbewegung ist beispielsweise derart aufgebaut, dass ein Aufnehmer-Element (Empfänger) in der Drehachse angeordnet ist, von dort ein spiralförmiger Kanal zu einem Anrege-Element (Sender) führt, das am äußeren Ende der Anordnung montiert ist, und damit zur Messung der Drehrate der Doppler-Effekt genutzt werden kann (s. 3c).
Für die Betriebsweise erfindungsgemäßer Sensoren werden folgende Varianten angegeben:
In 4 sind ein temperaturstabiler oder temperaturabhängiger Heizersteg 41 (Sender), mit geringer Wärmeträgheit und 2 temperaturabhängige Sensorstege 42 und 43 (Empfänger) ebenfalls mit geringst möglicher Wärmeträgheit gezeigt.
Die ebenfalls temperaturabhängigen Brückenwiderstände 44a und 44b sowie 45a und 45b befinden sich in gutem thermischen Kontakt mit dem Sensorträger und damit der Umgebungstemperatur des Behältnisses für die Sender-Empfänger-Anordnung. Die Widerstände 44a und 44b und 45a und 45b können auch zu je einem Widerstand zusammengefasst sein. Die Widerstandswerte wählt man zweckmäßigerweise so, dass 44a dem Wert von 42 und 45a dem Wert von 43 entspricht. 44b soll ein Bruchteil von 42, 45b ein gleicher Bruchteil von 43 sein (jeweils bei gleicher Temperatur).
Dieser "Bruchteil" bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und dem Mittelwert der "Wärmewelle". Der Temperaturkoeffizient der temperaturabhängigen Widerstände ist idealerweise gleich groß.
49 und 410 sind vorzugsweise gleiche temperaturstabile Brückenwiderstände,
411a und 411b sind Verstärker bzw. Komparatoren, 412 ist ein Mikrocontroller,
413 ist eine Strom-, Spannungs- oder Leistungsquelle mit entweder konstantem Ausgang oder einem Ausgang nach einer vorbestimmbaren (mathematischen) Funktion.
Beim Einschalten der Versorgungsspannung (Uv, Uref) haben zunächst die Sensoren 42 und 43 gleiche Temperatur wie die Widerstände 44a und 45a auf dem Träger (Substrat) und damit gleichen Wert. An den Abgriffen zwischen 43 und 45b bzw. zwischen 42 und 44b liegt eine Spannung, die niedriger ist, als die halbe Referenzspannung, da den Widerständen 44a und 45a die "Verlängerungswiderstände" 44b und 45b in Reihe geschaltet sind. Am Abgriff zwischen 49 und 410 liegt jedoch die halbe Referenzspannung, wenn der Wert von 49 dem von 410 entspricht.
An den Eingängen von 411a und 411b liegen somit unterschiedliche Potentiale. In. der beschriebenen Konstellation bedeutet dies, dass die Ausgänge von 411a und 411b auf "Low" liegen. Für diesen Zustand ist der Mikrocontroller so programmiert, dass die Quelle 413 aktiviert wird und somit der Strom I durch den Heizer 41 fließt. Dies kann impulsweise oder nach einer anderen Funktion (beispielsweise "Sägezahn", "Sinus" etc.) erfolgen.
Die entstehende Wärmewelle (Dichteschwankung) breitet sich von 41 ausgehend in alle Richtungen aus. Die Ausbreitung ist abhängig von den Eigenschaften des Fluids, des Bewegungszustandes und der Lage der Anordnung zum Lot.
Bei waagerechter Anordnung und wenn sich die Anordnung in Ruhe befindet, breitet sich die Dichteschwankung gleichmäßig aus. Dadurch erwärmen sich die Sensoren 42 und 43 auch gleichmäßig und erreichen nach gleicher Zeit den Wert der Widerstände 44a + 44b bzw. 45a + 45b.
In diesem Moment steht an beiden Eingängen von 411a bzw. 411b die gleiche Spannung (Uref/2) an und die Ausgänge von 411a und 411b gehen gleichzeitig auf "High".
Der Mikrocontroller ist so programmiert, dass er die Zeitdifferenz zwischen Ausgang 411a und 411b als Maß für die Lage bewertet. Im beschriebenen Fall ist die Zeitdifferenz gleich Null und somit "waagerechte Lage" festgestellt.
Bei Lageänderung oder Bewegung verändern sich die Laufzeiten der Dichteschwankungen. Da die Aufnehmer 42 und 43 in entgegengesetzter Richtung positioniert sind, wird die Laufzeit zu einem Aufnehmer kürzer, als zu dem anderen. Die Differenz aus den Laufzeiten (Phasenverschiebung) ist somit ein geeignetes Mess-Signal für die Lage oder Bewegung. Das Vorzeichen der Differenz gibt die Richtung der Lageveränderung oder Bewegung an.
Wenn sowohl 411a, wie auch 411b auf "High" gegangen sind und somit ein Messwert vorliegt, wird die Quelle 413 durch den Mikrocontroller deaktiviert. Nach einer kurzen Abkühlphase setzen 411a und 411b auf "Low" zurück. Je nach gewünschtem Messintervall kann unmittelbar oder nach einer festgelegten Pausenzeit eine neue Messung beginnen.
Ersetzt man 415 und 417 durch Kondensatoren 415a und 417a ("Wechselanteil-Modus"; Übertragung des Dichteschwankungs-Wechselanteiles), wird langsames Driften des mittleren Dichte- bzw. Temperaturniveaus nicht mit übertragen. Zudem lassen sich so Einflüsse aus Drif ten des Dichteschwankungs-Erzeugers (Heizers), sowie Brücken-Offset-Spannungen durch Widerstandstoleranzen etc. minimieren. Das Werteverhältnis von 410 und 49 wird hierzu in geeigneter Weise angepasst (z. B. 410 = null Ohm).
Bei Sensoren mit "Thermopile"-Mess-Strukturen werden 42 und 43 durch Thermopiles ersetzt und die Brückenwiderstände entsprechend umdimensioniert bzw. können 44a + b und 45a + b entfallen. Auch hier kann ein Einkoppeln über Kondensatoren ("Wechselanteil-Modus") zweckmäßig sein, um beispielsweise den Einfluss von Wertänderungen des Heizerwiderstandes zu verringern.
Für bestimmte Anwendungen kann es genügen, gegenüberliegende oder beispielsweise um 90 Winkelgrade versetzte Sensorstrukturen parallel oder in Reihe zu schalten, am Verstärker 411 beispielsweise nur den positiven Veränderungsimpuls auszuwerten und somit ein Signal zu gewinnen, das richtungsunabhängig eine Bewegung anzeigt.
Auch für Sensoren, die bereits zum Stand der Technik gehören, lässt sich die vorbeschriebene Betriebsweise vorteilhaft anwenden, wie z. B. für Sensoren lt. 4a und 4b.
In 4a ist ein Sensor mit einem zentralen Heizer 4a1 gezeigt, der über einer Öffnung 4a18 im Träger 4a20 angeordnet ist.
Entsprechend der vorangegangenen Beschreibung können beispielsweise Dichteschwankungen am Heizer (Sender) 4a1 erzeugt, deren Laufzeit zu und deren Amplitude an den Empfängern 4a2 und 4a3 ermittelt und miteinander verglichen werden, um Lageänderung und Bewegung des Sensors in Richtung der Achse Empfänger 4a2 und Empfänger 4a3 zu erfassen. Analog dazu kann man mit der zweiten, um 90 Winkelgrade versetzten Achse verfahren.
Da auf diesem Sensor weitere Empfänger (4a22, 4a33, ...) vorhanden sind, die sich in unterschiedlichem Abstand zum Heizer 4a1 befinden, kann man mit der Erfassung der Laufzeitdifferenz und/oder Amplitudenänderung zwischen Empfängern 4a2 und 4a22, bzw. 4a3 und 4a33 ebenfalls Informationen über Lage und Bewegung gewinnen.
4b zeigt einen Sensor für Drehbeschleunigung bzw. Drehrate, bei dem 4 Heizer (4b1 = Sender) kreisförmig angeordnet sind. Über der Öffnung 4b18 im Träger 4b20 sind zudem 4 Empfänger-Paare (4b2, 4b3, ...) jeweils symmetrisch zu den Sendern vorhanden, die aus Thermopile-Gruppen bestehen. Im Ruhezustand hat eine am Sender 4b1 erzeugte zyklische Dichteschwankung gleichphasige Spannungs-Schwankungen mit gleicher Amplitude an den Empfängern 4b2 und 4b3 zur Folge. Bei Drehung der Anordnung um die Achse z tritt zwischen den beiden genannten Empfängern eine Phasenverschiebung und Amplitudendifferenz auf.
Gruppiert man zwei oder mehrere derartige Systeme aus 4 (41, 42, 43, 44a + b, 45a + b, 49, 410, 415, 417, 411a + b, 413) in linearer Reihe oder auf 2 oder mehreren Segmenten eines Kreises (wie beispielsweise in 4b), wobei vorzugsweise ein Mikrocontroller mit entsprechend vielen Eingängen Verwendung findet, kann man eine fortlaufende oder umlaufende, gesteuerte Dichteschwankung (Wärmewelle) generieren.
Ordnet man zwei dieser Gesamtsysteme auf dem gleichen Träger in entgegengesetzter Richtung an, ist aus der Differenz der Gesamt-Umlaufzeiten ein von Störgrößen bereinigtes Signal zu gewinnen.
In 4c ist eine Anordnung dargestellt, die sich beispielsweise dazu eignet, einen zweiachsigen Neigungs- und Beschleunigungs-Sensor sowohl hinsichtlich seiner Lageänderung im Raum, wie auch seiner jeweiligen Beschleunigung mit getrennten Signalen auszuwerten.
Der Heizer (Sender) 4c1 steht hier für einen zentralen oder mehrere symmetrisch verteilte Sender. Die Empfänger 4c2, 4c3, 4c6, 4c7 können beispielsweise um 90 Winkelgrade versetzte Empfängerpaare (wie 4a) sein, oder aber auch horizontal und vertikal vom Sender bzw. der Sendergruppe beabstandet sein.
4c4a, 4c5a, 4c8a, 4c9a sind die bereits oben beschriebenen Brückenwiderstände, hier bereits zusammengefasst. Die Widerstände 4c9 und 4c10 bilden einen Spannungsteiler zur Bereitstellung einer Referenzspannung.
Die Empfängerbrücken sind mittels der Widerstände 4c17a, b, c, d und mittels der Kondensatoren 4c15a, b, c, d an 8 Verstärker bzw. Komparatoren 4c11a bis 4c11h angeschlossen. Der Referenzeingang der Verstärker/Komparatoren, die ein Mess-Signal über Kondensatoren erhalten, liegt vorzugsweise an Masse bzw. am Potential "SW".
Nachdem vom Sender bzw. der Sendergruppe eine Dichteschwankungswelle generiert wurde, kann die Gruppe der Komparatoren mit Kondensatoreingang den Wechselanteil, die Gruppe der Komparatoren mit Widerstandseingang den Gleichanteil mit Amplitude der ankommenden Dicheschwankungswelle erfassen. Der Mikrocontroller 4c12 ermittelt die Differenzen der Laufzeiten bis zu den jeweiligen Ansprechschwellen und berechnet daraus Signal A für Gleichanteil und Signal B für Wechselanteil.
Zudem steuert der Mikrocontroller über die Quelle 4c13 zyklisch den Sender bzw. die Sendergruppe.
In 5 ist ein erfindungsgemäßer "Thermischer Oszillator" dargestellt.
Heizer 51 (Sender) und Sensorstruktur 52 (Empfänger) haben jeweils geringe Wärmeträgheit. Zumindest das Empfängerelement 52 ist Temperaturabhängig. 54a und 54b sind ebenfalls temperaturabhängige Brückenwiderstände, wobei 54a im Wert gleich 52 ist und 54b die gewünschte Temperatur-Erhöhung des mittleren Wärmewellen-Temperatur-Niveaus zur Umgebungstemperatur des Behältnisses (Kaltwiderstand x Faktor mit entspr. Temperatur-Koeffizienten) darstellt.
59 und 510 sind Widerstände, z. B. mit gleichem Wert (Spannungsteiler 1 : 2). 511 ist ein Verstärker, 513 eine gesteuerte Strom-, Spannungs- oder Leistungsquelle. Beim Einschalten der Versorgungsspannung ist zunächst das Potential am +Eingang des Verstärkers 511 geringer als am –Eingang, dadurch bleibt dessen Ausgang auf "Low", was durch die Invertierung des Signales durch die Quelle 513 einen Stromfluß I durch den Heizer 51 bewirkt.
Eine Wärmewelle (Dichteschwankung) breitet sich vom Heizer (Sender) in Richtung der Sensorstruktur (Empfänger) aus, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit sowohl von den Eigenschaften des Fluids (hier als konstant vorausgesetzt), wie auch vom Lage- und Bewegungszustand der Anordnung abhängig ist.
Wenn die Wärmewelle (Dichteschwankung) an der Sensorstruktur eine Temperaturerhöhung bewirkt, reduziert sich die Differenz der Eingangsspannungen am Verstärker 511, womit der Verstärkerausgang positiver wird und damit auch den Ausgangsstrom I der Quelle 513 reduziert. Die reduzierte Wärmezunahme, ein entsprechender Umkehrpunkt und die folgende Wärmeabnahme führen wiederum zu einer entsprechenden Dichteschwankung mit umgekehrtem Vorzeichen. Diese breitet sich mit einer vom Lage- und Bewegungszustand abhängigen Laufzeit in Richtung der Sensorstruktur aus. Dort führt sie über die Signalreduzierung am +Eingang wieder zu einem erhöhten Stromfluß.
Frequenz und Phasenverschiebung dieses "Thermischen Oszillators" können direkt als Maß für Lage und Bewegungszustand der Anordnung dienen. Sie werden bestimmt durch die Geometrie der Sensorstruktur, Eigenschaften des Fluids bzw. Fluid-Gemisches, sowie von Lage- und Bewegungszustand und deren Änderung hauptsächlich in Richtung/Gegenrichtung der Achse Heizer (Sender)-Sensorstruktur (Empfänger).
Wiederum kann man die Auswertung der Änderungen an der Sensorstruktur 52 über den eingefügten Kondensator 515 vornehmen und den Eingang des Verstärkers 511 auf Masse oder entspr. niedriges Potential legen (516), um den "Wechselanteil-Modus" zum Ausblenden von Offset- und Driftwerten zu nutzen.
Wenn man zur Auswertung der Frequenz- bzw. Phasenänderungen einen Mikrocontroller benutzt, kann es zweckmäßig sein, diesen auch für die Ablaufsteuerung einzusetzen, wie in folgendem Beispiel gezeigt wird:
Start > definierte Anzahl von Schwingungen (Zyklen) > Zeitmessung der Dauer für diese Gesamtzyklenzahl > Wertausgabe > Pause > erneuter Start usw.. Entsprechend der Anzahl der gemessenen Zyklen lässt sich die Auflösung verbessern, wenn man davon ausgeht, dass der Mikrocontroller einen nicht zu unterschreitenden kleinsten "Zeit-Schritt" entsprechend der Taktfrequenz aufweist.
Sollen, z. B. zur Auswertung des bekannten zweiachsigen Sensors TDNS (4a), getrennt Werte für x und y-Richtung ermittelt werden, genügt es, nur die Beschaltung der Empfänger 52 und Verstärker 511 für jede der beiden Richtungen aufzubauen und den jeweiligen "Richtungs"-Verstärker 511 abwechselnd nach einer vorgegebenen Gesamtzyklenzahl per Mikroprozessor an 513 zu schalten.
Für Anwendungen wie Vibrationsdetektion und Diebstahlwarnung kann es genügen, die Schwingschaltung mit einem Heizer und zwei parallel oder in Reihe geschalteten "Richtungs"-Empfängern (x und y) einfach aufzubauen, wenn es ausreicht, nur die Intensität der Bewegung in allen Richtungen und nicht die jeweilige Richtung festzustellen.
In 6 ist eine Methode beschrieben, die vorbeschriebenen Verfahren für gesteuerte oder frei oszillierende geradlinig fortlaufende, kreisförmig oder spiralförmig umlaufende Dichteschwankungs-Wellen einzusetzen.
61, 61x sind Heizer(Sender), 62, 62x sind Sensorstrukturen (Empfänger), 64a + b, 69, 610 sind Brückenwiderstände, 615 Widerstand, 615a Kondensator, 611a, 611x Verstärker bzw. Komparator, 613a, 613x sind Strom-, Spannungs- oder Leistungsquellen.
Bei Aufheizen von Heizer (Sender) 61 breitet sich die Dichteschwankung Richtung Sensorstruktur (Empfänger) 62 aus, abhängig von Lage- und Bewegungszustand.
Wenn das Anstiegskriterium an 62 erreicht ist, wird der nächste benachbarte Heizer (Sender) aktiviert usw., so dass sich eine fortlau fende bzw. umlaufende Dichteschwankungs- bzw. Wärmewelle ergibt. Es bieten sich mehrere Arten der Betriebsweise und Auswertung an:
6a: Die Wiederhol- oder Umlauf-Frequenz bei kontinuierlicher Betriebsweise (613x startet direkt wieder 61 usw.); Zeitmessung für einen Umlauf, dann Pause.
6b: Auf einem Träger werden zwei gegenläufige Dichteschwankungswellen generiert. Die Differenz der Frequenzen bzw. der Umlaufzeiten stellt ein Signal z. B. für eine Drehbewegung dar, das bereits weitgehend um Störeinflüsse (Lage etc.) bereinigt ist.
6c zeigt eine Zusammenfassung der beiden Systeme aus 6b. Ein Mikrocontroller erkennt, an welchem der beiden Empfänger 62 oder 63 das Anstiegskriterium zuerst erreicht ist und startet den Umlauf in dieser Richtung.
6d zeigt eine entsprechende Anordnung für lineare Bewegung.
Obige Prinzipien lassen sich auch auf andere Formen der Dichteschwankungen übertragen, wobei statt Heizer (Sender) und Sensorstruktur (Empfänger) für Temperatur jeweils geeignete Anregungs (Sende)- und Mess-Strukturen (Empfänger) entsprechender Art einzusetzen sind.
Eine weitere Möglichkeit der Betriebsweise besteht darin, Sende-Empfänger-Strukturen so in Reihe oder parallel zu schalten, dass die jeweiligen Empfängerstrukturen z. B, in Rechtsdrehrichtung zusammenwirken, spiegelbildlich ebenso in Linksdrehrichtung, sich dadurch jeweils ein Mittelwert bildet und damit Störeinflüsse (Neigung etc.) weitgehend kompensiert wird.
Die Anordnungen können dann mit einer einzigen Schaltung nach den 4, 5 oder 7 betrieben werden.
In 7 stellen 71 und 72 jeweils gleichzeitig Heizer (Sender) oder Sensorstruktur (Empfänger) dar, wobei neben gleichem Widerstandswert, gleichem Temperaturkoeffizienten auch gleiche Geometrie und gleiche geringe Wärmeträgheit vorausgesetzt seien.
74a und 74b sind ebenfalls temperaturabhängige Teilwiderstände mit gleichem Wert wie die Widerstände 71, 72 (bei gleicher Temperatur sowie gleichem Temperaturkoeffizienten), jedoch auf Substrat aufliegend und mit diesem thermisch gut verbunden.
75a und 75b sind "Verlängerungswiderstände" mit gleichem Wert, gleich einem Bruchteil von 71 bzw. 72, ebenfalls mit Substrat thermisch gut verbunden. Diese Widerstände bestimmen die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur (Behältnis bzw. Träger) und dem Mittelwert der "Wärmewelle".
77 und 78 elektronische Umschalter, miteinander gekoppelt,
79 und 710 Spannungsteiler, vorzugsweise 1 : 2,
711 empfindlicher Verstärker/Komparator,
712 Logikschaltung, ev. Mikrocontroller,
713 Strom-, Spannungs- oder Leistungsquelle mit konstantem Ausgang
oder Ausgang mit (mathematischer) Funktion.
In der gezeigten Schalterstellung wird 71 durch Strom I aufgeheizt. Am Messeingang des Komparators 711 liegt zunächst eine niedrigere Spannung als am Referenzeingang (Abgriff zwischen 79 und 710), da der Kaltwiderstandswert von 72 kleiner ist als die Summe von 74a + 74b.
Wenn die von 71 erzeugte Dichteschwankung (Wärmewelle) die Struktur 72 erreicht und sich dadurch deren Widerstand soweit erhöht, bis R 72 = R 74a + R 74b ist, kippt der Komparator 711 und löst dadurch das Abschalten des Stromes 1, sowie das Umschalten der Schalter 77 und 78 aus. Da 71 noch erwärmt ist und somit R 71 > R 75a + R 75b, bleibt der Komparator gekippt, bis 71 abkühlt auf R 71 = R 75a + 75b. Das Zurück-Kippen des Komparators 711 an diesem Punkt löst den Stromfluß I durch 72 aus. 71 kühlt zunächst weiter ab, bis die von 72 ausgelöste Dichteschwankung (Wärmewelle) 71 erreicht, die Struktur 71 wieder erwärmt wird und bei R 71 = R 75a + R 75b der Komparator wieder kippt, der Strom abgeschaltet wird, die Schalter umschalten usw..
Der Vorgang wiederholt sich nun ständig, wobei die Strukturen 71 und 72 abwechselnd Heizer (Sender) und Sensor (Empfänger) darstel len. Das Verhältnis der Einschaltzeiten von 71 und 72 ist ein Maß für die auf die Anordnung einwirkenden Einflüsse wie Neigung, Beschleunigung, Drehbeschleunigung, Drehrate etc..
Je nach gewünschter Messrate kann man im Mikrocontroller auch eine bestimmte Anzahl von Zyklen vorgeben, das Zeitverhältnis nach Ablauf der Gesamtzeit für diese Zyklenanzahl ermitteln und ausgeben, eine Pause einfügen und dann erst wieder einen neuen Messzyklus starten.
Um den "Wechselanteil-Modus" zu nutzen, wird dem Schalter 78 beispielsweise ein Kondensator nachgeschaltet.
Mehrfach vorhandene Sender-Empfänger-Anordnungen, wobei Sender und Empfänger gleich aufgebaut sind, können auch entsprechend zusammengefasst werden, um Störeinflüsse zu kompensieren.
8 zeigt einen mikromechanischen Sensoraufbau, der für einige der beschriebenen Betriebsweisen geeignet ist.
Auf dem Sensorträger 820 ist die gezeigte Messanordnung 4-fach radial um die Trägermitte gruppiert.
81 und 82 sind Heizer (Sender) oder Sensoren (Empfänger), die beispielsweise 51 und 52 in 5 oder 61 und 62 in 6a, 6b oder 71 und 72 in 7 entsprechen, wobei sie hier beide temperaturabhängig sind. Diese Sender- oder Empfängerstege befinden sich vorzugsweise freitragend über der Öffnung 818.
Thermisch fest mit dem Träger (Chip-Substrat) 820 verbunden sind die Widerstände 84a und 84b, sowie 85a und 85b (bei gleicher Breite, gleicher Dicke, gleichem TK, jedoch länger als die Sender-Empfänger 71 und 72). Sie entsprechen beispielsweise 54a und 54b in 5 oder 64a und 64b in 6 oder 74a und 74b, sowie 75a und 75b in 7.
Die Sender-Empfänger und die Referenzwiderstände 84, 85 sind über gut leitende Anschlussleitungen mit den Anschlüssen (Bondpads) 819 verbunden.
Da Sender/Empfänger eng nebeneinander angeordnet sind, ergeben sich kurze Laufzeiten. Somit lassen sich kleinste Veränderungen, insbesondere bei Drehbeschleunigungen, schnell erfassen.
9 zeigt eine ähnliche mikromechanische Sensorstruktur wie 8, jedoch befindet sich 1 Sender (91) mittig zwischen 2 Empfängern (92 und 93). Sender und Empfänger sind vorzugsweise freitragend über der Öffnung 918 angeordnet. Wiederum ist die Anordnung 4-fach radial um die Mitte des Trägers gruppiert.
Die Empfänger sind temperaturabhängig, vorzugsweise mit gleichem TK wie Referenzwiderstand 95, der thermisch gut leitend mit dem Träger verbunden ist.
Die radiale Ausrichtung der gezeichneten Sende- und Empfängerstege ist gewählt, damit bei Verwendung als Drehratensensor vom Sender generierte Wellenberge an der gesamten Erstreckung des Empfängers etwa gleichzeitig ankommen, wenn sich der Empfänger mit bestimmter Winkelgeschwindigkeit auf den Wellenberg zu oder von ihm weg bewegt.
Die gezeigte Struktur (9) ist beispielsweise geeignet für Betriebsweise nach 4 und 6c.
In 10 erstreckt sich der Heizersteg (Sender) 101 nur über einen vom Mittelpunkt radial weiter entfernten Bereich, als die Sensor (Empfänger) Kombination 102/102a und 103/103a. Referenzwiderstände (wie Widerstand 95 aus 9) sind ebenfalls vorhanden, wegen besserer Übersichtlichkeit jedoch nicht gezeigt.
Für diesen Aufbau verwendet man Messbrücken 44, 45 und Verstärker 411a und 411b lt. 4 zweifach für 102 und 103 sowie 102a und 103a getrennt, jedoch nur einen Mikrocontroller mit 4 Eingängen, sowie nur eine Quelle 413 und nur dem einen Heizer (Sender) 101, der 41 entspricht.
Der Heizer (Sender) 101 wird zyklisch aktiviert und damit eine Dichteschwankung (Wärmewelle) erzeugt, deren Mittelwert einen bestimmten Temperaturabstand zur Umgebungstemperatur des Trägers hat.
Wird die Anordnung 1020 in Rotation um den Mittelpunkt versetzt, erfassen die Empfänger 102 und 103 zunächst die Drehbeschleunigung und deren Richtung. Die Empfänger 102a und 103a sind weiter vom Sender entfernt. Die Wärmewelle wird also dort nach längerer Laufzeit und abgeflacht eintreffen.
Bei kontinuierlicher Rotation (z. B. mit konstanter Drehrate) verlagert sich durch Zentrifugalkraft die Zone des erhöhten (mittleren) Temperaturniveaus radial in Richtung des Mittelpunktes des Trägers (Drehachse z). Das Verhältnis der Laufzeiten 101–102 zu 101–102a und 101–103 zu 101–103a verschiebt sich dementsprechend. Damit lässt sich eine zusätzliche Information zur Unterscheidung Drehimpuls/Drehrate gewinnen.
Bislang wurden Sensoren für eine oder 2 Achsen (x, y) beschrieben, sowie für Rotation um z. Mit den erfindungsgemäßen Betriebsarten der Laufzeitauswertung bzw. Frequenz- oder Phasenverschiebung von Dichteschwankungen ist es jedoch auch möglich, 3-achsige Sensoren auf einem einzigen Träger aufzubauen, die sowohl Lage und lineare Bewegungen in Richtung der Achsen x, y, z erfassen können, wie auch Nick-, Roll- und Gier-Rate (s. 11).
Damit kann ein einziger entsprechend aufgebauter Sensor die Aufgaben der so genannten "Inertial Measurement Cluster (IMC)" übernehmen.
12a, b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Sensors, hier zunächst wieder mit thermischer Anregung (Sender).
Auf der Oberfläche eines Trägers (z. B. Silizium-Substrat) 1220 sind Gruppen von Doppel-Funktions-Stegen (Sender und Empfänger gleichzeitig) 121a und 121b, beispielsweise 4-fach radial angeordnet. Diese befinden sich vorzugsweise freitragend über Öffnungen 1218 (z. B. freigeätzt).
Durch Stützen von der Oberfläche des Trägers beabstandet sind über Kreuz zu den Sende/Empfängerstegen 121a und 121b die Sende/Empfängerstege 122a und 122b "aufgeständert".
Leitungen von Sendern und Empfängern zu den Anschlüssen (Bondpads) 1219 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die 4 Gruppen der Doppelfunktions-Stege 121a und 121b können grundsätzlich in einer der vorbeschriebenen Betriebsarten Lage und Bewegung in x- und y-Achse, sowie Drehung um z erfassen.
Die an einem Steg 121a oder 121b oder an beiden Stegen erzeugten Dichteschwankungen breiten sich jedoch auch in der z-Achse in Richtung der Sende-Empfängerstege 122a und 122b aus. Die Laufzeit in dieser Richtung wird auch von der Erdbeschleunigung beeinflusst. Bewegungen in der z-Achse addieren oder subtrahieren sich von g und führen zu entsprechenden Laufzeit-Unterschieden.
In einer Betriebsart nach Schaltung 4 kann beispielsweise Steg 121a dem Sender 41 entsprechen; 121b ist Empfänger 42 und der in z-Richtung darüber angeordnete 122a entspricht Empfänger 43.
Ein erster Mess-Zyklus liefert die 2 Laufzeiten 121a–121b und 121a–122a. Schaltet man danach in einem zweiten Zyklus 121b als Sender 41, 121a als Empfänger 42 und 122b als Empfänger 43, werden die Laufzeiten nur dann denen beim ersten Zyklus gleichen, wenn der Träger waagerecht in Ruhe ist.
Werden diese Zyklen z. B. umlaufend mit den weiteren radialen Anordnungen (hier 3) durchgeführt, hat man 4 × 4 Laufzeiten nach einem Komplett-Umlauf.
Die Differenz der Summen aus 4 Laufzeiten in Linksrichtung und 4 Laufzeiten in Rechtsrichtung um z ist ein Maß für die Drehung um z.
Vergleicht man die Summe der Laufzeiten 121a nach 121b und der Laufzeiten 121b nach 121a der diametral gegenüberliegenden Anordnung mit der Summe der Laufzeiten in die jeweilige Gegenrichtung, erhält man ein Maß für die Neigung der Achse, in der sich diese beiden Anordnungen befinden.
Die Laufzeit 121a oder 121b in Richtung 122a oder 122b kann man vergleichen mit einem Laufzeit-Wert, der die Geometrie (Sender-Empfänger-Abstand) und die Erdbeschleunigung im waagerechten Ruhezustand abbildet und der im Mikrocontroller fest eingespeichert ist.
Erfolgt eine Bewegung des gesamten Trägers in z-Achse, wie in 12c dargestellt, werden sich die Laufzeiten bei allen 4 auf dem Träger befindlichen Anordnungen gleichtaktig gegenüber dem abgespeicherten Wert verändern.
Eine Kipp-Bewegung wie in 12d dargestellt führt dagegen zu gegenläufigen Veränderungen bei gegenüberliegenden Anordnungen.
Ein ähnlicher Sensor, jedoch nur mit 3 radialen Anordnungen, ist in 13 dargestellt. Auf der Oberfläche des Trägers 1320 sind freitragende Sender 131a und 131b, schräg im Winkel davon beabstandet und auf Stützen über der Oberfläche "aufgeständert" die Empfänger 1321 und 132b.
Die Kaverne 1318 kann für jede der 3 Anordnungen eingegrenzt oder aber auch z. B. kreisförmig durchgängig sein.
Leitungen von Sendern und Empfängern zu den Anschlüssen (Bondpads) 1319 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
In dieser Sensoranordnung gibt es beispielsweise die Möglichkeit, entweder 131a und 132a, sowie 131b und 132b jeweils zu einem Sender-Empfänger-Paar zusammenzufassen, oder aber 131b und 132a sowie 131a und 132b.
Dies kann sinnvoll sein zur Messbereichsumschaltung. Erfolgt die Paar-Umschaltung zyklisch, kann ein größerer Messbereich mit ver besserter Genauigkeit abgedeckt werden. Dieser Sensoraufbau eignet sich grundsätzlich für alle beschriebenen Betriebs-Varianten.
Für die Herstellung derartiger Sensoren wird erfindungsgemäß eine Kombination von bereits bekannten und veröffentlichten Methoden vorgeschlagen.
In 14 ist ein Schnitt durch einen Sensoraufbau auf einem Silizium-Substrat 1420 (z. B. SOI-Wafer) gezeigt. Freitragende oder auf dünner Membran angeordnete Stege 141 und 142 über der Tiefenätzung 1418 dienen als Sender und/oder Empfänger in der x/y-Ebene. Die Stützen 1421 und 1422 (hergestellt z. B. durch Metallabscheidung) tragen Sender und/oder Empfänger 143. Diese "Brücke" ist über den Stegen 141 und 142 angeordnet und von diesen in z-Richtung beabstandet.
Sender und Empfänger sind leitend mit Bond-Pads 1423 verbunden. Oxid-Schichten 1424, 1425 bzw. Trennfugen 1426 dienen zur elektrischen Isolation. Eine Verschlusskappe 1427 (Silizium, Glas etc.) ist optional in einem Wafer-Bond-Verfahren hermetisch dicht aufgebracht und schließt das Fluid bzw. die Fluide mit geeigneter Zusammensetzung und vorgewähltem Druck zusammen mit den Dichteschwankungs-Sendern und -Empfängern ein.
15 zeigt einen Sensoraufbau in Mischtechnik. Auf einem Träger ist auf einer ersten Abstandsschicht 1525 eine dünne Lage mit freigelegten Sendern/Empfängern 151 und 152 aufgebracht, darüber erneut eine Abstandsschicht 1525, darüber eine weitere dünne Lage mit freigelegten Sendern/Empfängern 153. Darüber befindet sich eine weitere Lage 1523, die ebenso wie die unteren Lagen die notwendigen Durchkontaktierungen enthält, um die Sender und Empfänger mit der Auswerte-Elektronik auf dem Chip 1512 und diesen wiederum mit den Außenanschlüssen (z. B. Ball-grid-array) zu verbinden.
Die interne Verbindung zwischen den auf die Lage 1523 mittels Durchkontaktierungen herausgeführten Sender-, Empfänger – und Außenanschlüssen wird durch Bonddrähte 1528 hergestellt. Nach einer weiteren Abstandsschicht 1525 folgt der Abschluss-Deckel 1527, der in einer Atmosphäre mit dem vorgesehenen Fluid oder Fluidgemisch mit gewünschtem Druck aufgebracht wird.
Sowohl der Träger, wie auch die weiteren Schichten und Lagen bis einschließlich 1523 sind vorzugsweise aus einem Material, beispielsweise Glaskeramik (LTCC, HTCC) entsprechender Dicke angefertigt und werden nach Siebdrucken und Herstellung der Durchkontaktierungen mit bekannten Verfahren zusammen laminiert. Nach dem Sinterprozess erfolgt das Einbonden des Auswerte-Chips und optional der Fluid-Einschluß mittels Deckel 1527 auf Abstandsschicht 1525.
In 16a ist ein Sensor gezeigt, der eine geöffnete Kapsel aufweist.
Auf einem Träger 1602a sind beabstandet und isoliert Sender 161a und Empfänger 162a, beispielsweise in Form von dünnen Wolframwendeln aufgebracht. Eine derartige Anordnung ist aus der DE 199 03 010 A1 ("Pirani-Druckmeßanordnung und Kombinationssensor..) bekannt. Die Kapsel 1680a ist geöffnet, damit das zu messende Fluid Sender und Empfänger umschließen kann. Die "Kapsel" kann beispielsweise in Form einer geeigneten Anschlussarmatur an einen Fluid-Behälter (Flansch, Rohr etc.) ausgeführt sein.
Betreibt man die Anordnung nach einem der vorbeschriebenen Verfahren, beispielsweise nach 5 oder 7, Iassen sich aus Frequenz-, Phasenverschiebungs- und Amplitudenwerten Rückschlüsse auf Druck und Zusammensetzung des Mess-Fluides gewinnen. Bei höheren Drücken sind Änderungen der Wärmekapazität des Fluids dominant, während bei niederen Drücken bis hin zum Fein- oder Hochvakuum sich die Wärmeleitfähigkeit stark ändert.
In 16b ist eine Kombinations-Sensor-Anordnung gezeigt, die ähnlich der aus der DE 199 03 010 A1 bekannten Kombinationen (dortige 2 u. 3) zusätzlich zum Dichteschwankungs-Sender 161b und Empfänger 162b einen piezoresistiven oder kapazitiven Drucksensor 167b auf weist.
In 16c ist eine Kombinations-Sensor-Anordnung gezeigt, die ähnlich der aus der DE 199 03 010 A1 bekannten Kombination (dortige 4) zusätzlich zum Dichteschwankungs-Sender 161c und Empfänger 162c einen piezoresistiven oder kapazitiven Drucksensor 167c, sowie einen Elektrodenaufbau für Vakuum-Messung nach dem Kaltkathodenprinzip 168c oder nach dem Heiflkathodenprinzip 169c aufweist.
Statt den oder ergänzend zu den in 16a bis 16c beschriebenen zusätzlichen Elementen können auch andere elektronische Bauelemente, wie z. B. photoelektrische Sensoren, Infrarotsender und -Empfänger, Pirani-Sensoren u. ä. kombiniert sein.

Claims

Sensor zur Erfassung von Lage und/oder Bewegung im Raum, mit einem abgeschlossenen Behältnis, das wenigstens einen Sender und wenigstens einen Empfänger und ein Fluid umschließt dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender zyklische Fluid-Dichteschwankungen erzeugt und der wenigstens eine Empfänger die Laufzeit-Änderung und/oder die Phasenverschiebung und/oder die Frequenzänderung und/oder die Amplitudenänderung erfasst.
Sensor zur Erfassung von Fluid-Eigenschaften, mit einem Behältnis, das eine Öffnung zum Einströmen eines Fluids oder eines Fluidgemisches besitzt, sowie wenigstens einen Sender und wenigstens einen Empfänger umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sender zyklische Fluid-Dichteschwankungen erzeugt und der wenigstens eine Empfänger die Laufzeit-Änderung und/oder die Phasenverschiebung und/oder die Frequenzänderung und/oder die Amplitudenänderung erfasst.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis wenigstens 2 unterschiedliche Fluide enthält.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis ein Fluid enthält, das magnetische Eigenschaften aufweist, oder wenigstens 2 unterschiedliche Fluide, von denen eines magnetische (Eigenschaften aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselanteil aus den zyklischen Dichte-Schwankungen zur Auswertung herangezogen wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Rückkopplung vom Empfänger zum Sender eine freilaufende Dichte-Schwingung nach dem Prinzip eines "Dichtewellen-Oszillators" oder "Thermischen Oszillators" entsteht.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass Sender und Empfänger gleichartig aufgebaut sind und nach dem Prinzip eines "Thermischen Oszillators" oder "Dichtewellen-Oszillators" ihre Funktion zyklisch vom Sender zum Empfänger und umgekehrt wechseln.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz oder die Wellenlänge der zyklischen Dichteschwankung fest vorgegeben ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der zyklischen Dichteschwankung fest vorgegeben ist.
Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Sender mit zwei oder mehreren Empfängern derart angeordnet und verschaltet sind, um eine fortlaufende oder umlaufende oder spiralförmige Dichteschwankung in eine Richtung oder in zwei entgegengesetzte Richtungen zu erzeugen.
Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 und 3–10 dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen im Wechselanteil der zyklischen Dichteänderung vorzugsweise als Maß für Beschleunigung, die Änderungen im Gleichanteil bzw. in der Amplitude als Maß für die Lageänderung im Raum genutzt werden.
Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anordnung, bei der zwei oder mehr Empfänger vorhanden sind und diese sich in unterschiedlicher Entfernung zum Sender befinden, auch die Laufzeit und/oder Amplitudenunterschiede zwischen zwei oder mehreren Empfängern ausgewertet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1–9, mit folgenden Schritten: "Handle Wafer" (SOI) mit "Device Layer" verbinden; Pyrex-Schicht, Oxid-Schicht, Metallisierungen für Bond-Pads und Stützen, sowie Polysilizium aufbringen; mit geeigneter Maskierung erfolgt die Tiefenätzung zur Freilegung von freitragenden (alternativ auf dünnen Membranen angeordneten) Sendern und Empfängern, die sowohl in horizontaler, wie auch in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 13 mit folgendem weiteren Schritt: Abdeckung im Wafer-Bond-Verfahren, wobei eine vorbestimmte Fluid-Zusammensetzung und ein vorbestimmter Druck vorherrscht.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 und 3–9, mit folgenden Schritten: Mechanische Bearbeitung von Trägerplatten, Abstandslagen, Verdrahtungslagen und Lagen für Sender und Empfänger aus gleichem Material, vorzugsweise LTCC oder HTTC, sodass ein vordefinierter "Fluid-Strömungskanal" in gestreckter Form, Kreis-Form, Bogen-Form oder Spiral-Form entsteht; Siebdrucken und Durchkontaktieren der vorgenannten Schichten; Zusammenlaminieren der vorgenannten Schichten; Sintern der Lagenverbunde; Befestigung eines Chips mit Auswerte-Elektronik in diesem Lagenverbund; Bonden mittels Bond-Drähten von Chip-Bond-pads zu entsprechenden Kontaktstellen an dem Lagenverbund.
Verfahren nach Anspruch 15 mit folgendem weiteren Schritt: Ausbringen eines Deckels mittels Lotverbindung (Metall oder Glas) oder Klebeverbindung, wobei während des Abdicht-Vorganges die vorbestimmte Fluid-Zusammensetzung mit gewünschtem Druck im Behältnis hermetisch dicht eingeschlossen wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 und 3–9, dadurch gekennzeichnet, dass ein vordefinierter Fluid-Befülldruck eingestellt wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 2, 5–9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Sensor zusammen mit einem Sensor oder mehreren Sensoren nach anderen physikalischen Prinzipien, wie piezoresistive oder kapazitive Drucksensoren, Vakuum-Sensoren nach Kaltkathodenprinzip (Penning) oder Heißkathodenprinzip (Bayard-Alpert), Pirani-Sensoren, photoelektrischen Sendern und -Empfängern, eine gemeinsame Halte- und Durchführungs-Plattform aufweist.
Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkombination eine gemeinsame geöffnete Kapsel aufweist.