DE10392760B4

DE10392760B4 - SAW-Sensoreinrichtung unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle, die entlang einem Schlitz läuft und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE10392760B4
Application number: DE10392760T
Authority: DE
Inventors: Valentin Cherednick; Michail Dvoesherstov; Yong Lim Choi
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2002-06-08
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2023-06-10
Also published as: JP4654232B2; DE10392760T5; CN1659426A; WO2003104759A1; AU2003241851A1; CN100335878C; JP2005534894A; JP2008089600A

Abstract

SAW-Sensoreinrichtung, die folgendes aufweist:
ein piezoelektrisches Medium (203);
eine über dem piezoelektrischen Medium (203) angeordnete dünne Membran (205);
einen Eingangs-IDT (Interdigitaltransducer) (201), gebildet an einem ersten Abschnitt auf dem piezoelektrischen Medium (203), zum Wandeln eines elektrischen Eingangssignals in die akustische Oberflächenwelle; und
einen Ausgangs-IDT (Interdigitaltransducer) (202), gebildet an einem zweiten Abschnitt gegenüber dem Eingangs-IDT (201) auf dem piezoelektrischen Medium (203), zum Aufnehmen der sich ausgebreiteten akustischen Oberflächenwelle und zum Wandeln der akustischen Oberflächenwelle in ein elektrisches Signal,
wobei ein schmaler Schlitz (204) zwischen dem piezoelektrischen Medium (203) und der dünnen Membran (205) ausgebildet ist, und
wobei, wenn ein externer Druck auf die dünne Membran (205) übertragen wird, eine Breite des schmalen Schlitzes (204) variiert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine SAW-Sensoreinrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 2. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abfühlen eines externen Drucks gemäß Patentanspruch 3 sowie ein Verfahren zum Abfühlen einer Permittivität oder einer Viskosität einer Flüssigkeit gemäß Patentanspruch 5.
Überall in der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Ausdruck „akustische Schlitzwelle” eine akustische Oberflächenwelle verstanden, welche durch das Innere eines schmalen Schlitzes läuft.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei auf eine akustische Oberflächenwellen(SAW- bzw. AOFW-)-Einrichtung, und im Besonderen eine SAW-Sensoreinrichtung unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle, die eine Intensität eines externen Drucks und Viskosität und dielektrischer Permittivität einer Flüssigkeit abfühlen kann, und zwar unter Verwendung von Korrelationen von Frequenz- und Geschwindigkeitsverschiebungen der in einem Resonator erzeugten akustischen Schlitzwelle, ebenso wie unter Verwendung einer akustischen Oberflächenwelle, die in einem Resonator einer SAW-Einrichtung erzeugt wurde, und ein zugehöriges Verfahren.
Vor kurzem haben sich mobile Kommunikationsvorrichtungen, wie z. B. Mobiltelefone und tragbare Informationsterminals, schnell aufgrund einer Entwicklung eines Mobilkommunikationssystems verbreitet. Somit gibt es ansteigende Nachfragen für eine Miniaturisierung und eine hohe Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen und deren Komponenten. Zusätzlich werden zwei Arten, nämlich drahtlose Kommunikationssysteme vom analogen und digitalen Typ, für Mobiltelefone verwendet und eine Frequenz für die drahtlose Kommunikation variiert von einem Band von 800 MHz~1 GHz bis zu einem Band von 1,5 GHz bis 2,0 GHz.
Ein dielektrischer Resonator-Duplexer wurde im Allgemeinen als ein Antennen-Duplexer für das Mobilkommunikationssystem angesichts von niedrigem Verlust, Leistungseffizienz und Temperaturstabilität verwendet.
Jedoch wird ein SAW-Duplexer neu empfohlen, und zwar auf der Grundlage von kürzlichem Design bzw. Konstruktion eines SAW-Filters mit niedrigem Verlust, der Entwicklung eines leistungseffizienten Materials und der Entwicklung eines Mediums, z. B. Substrat etc., mit einer stabilisierten Temperatureigenschaft.
Wenn der dielektrische Duplexer mit dem SAW-Duplexer verglichen wird, besitzt der SAW-Duplexer gleiche oder exzellentere Eigenschaften wie/als der dielektrische Duplexer mit Ausnahme der Leistungseffizienz. Im Besonderen ist der SAW-Duplexer absolut vorteilhaft in Form und Größe. Dennoch ist der SAW-Duplexer noch teurer als der Duplexer vom dielektrischen Resonator-Typ. Wenn eine Massenproduktion des SAW-Duplexers erreicht wird, und zwar gemäß der Eigenschaft eines SAW-Herstellungsprozesses unter Verwendung eines Halbleiterprozesses, wird der SAW-Duplexer einen konkurrenzfähigen Preis besitzen.
1 ist ein schematisches Diagramm, das einen allgemeinen SAW-Filter darstellt. Wie in 1 dargestellt ist, weist der SAW-Filter ein Einkristallmedium 101, einen Eingangs-inter-digitalen Wandler bzw. Eingangs-Interdigitalwandler bzw. Eingangs-Interdigitaltransducer (IDT) und einen Ausgangs-IDT 103 auf.
Wenn das Einkristallmedium 101 ein piezoelektrisches Einkristallmedium, wie z. B. Quarz, LiTaO3 und LiNbO3, ist, weisen der Eingangs- bzw. Eingabe-IDT 102 und der Ausgangs bzw. Ausgabe-IDT 103 dünne Metallmembranen auf.
In 1 wird ein an den Eingangs-IDT 102 übertragenes bzw. gesendetes elektrisches Signal in eine mechanische Welle durch das piezoelektrische Einkristallmedium 101 gewandelt und zu dem Ausgangs-IDT 103 durch das Einkristallmedium 101 ausgebreitet. Die zu dem Ausgangs-IDT 103 übertragene Welle wird in ein elektrisches Signal gemäß piezoelektrischen Effekten zurückgewandelt und dann ausgegeben.
D. h. der im Allgemeinen in einem mobilen Kommunikationsterminal verwendete SAW-Filter zum Filter von Hochfrequenzsignalen ist eine manuelle Einrichtung zum selektiven Passieren bzw. Durchlassen von gewünschten Frequenzsignalen durch Musterbildung bzw. Strukturierung bzw. Strukturbildung eines Wandlers auf dem piezoelektrischen Einkristallmedium mit dünnen Metallmembranen und Verbinden des Wandlers mit I/O-Anschlüssen.
Eine Frequenzresponsegesamtübertragungsfunktion bzw. Frequenzresponsetotalübertragungsfunktion des Resonators des SAW-Filters ist vorgesehen als eine zusammengesetzte Funktion von Materialeigenschaften, wie z. B. physikalische Eigenschaften eines piezoelektrischen Materials, Reinheit eines Kristalls und Eigenschaften einer dünnen Metallmembran und Einrichtungsvariablen, die Variablen aufweisen, die beim Elektrodendesign berücksichtigt werden.
Es war bekannt, dass eine Grenze eines minimalen Wertes eines Resonanzfrequenzbereichs durch eine Größe der Einrichtung bestimmt wird, und dass eine Grenze eines maximalen Wertes davon durch eine Leitungsbreite einer Elektrode und dem Verlust einer elektrischen Welle beeinflusst wird. Da der Resonator eine sehr schmalbandige Frequenzresponse bzw. -ansprechverhalten und eine lange Impulsresponse bzw. -ansprechverhalten besitzt, kann er gewünschte Eigenschaften durch präzises Herstellen einer Elektrode gemäß einem Elektrodendesign bzw. -konstruktion verkörpern.
Zum Stand der Technik wird auf die DE 25 05 461 C2 hingewiesen, aus welcher ein Meßumformer zum Bestimmen einer ein Substrat verformenden Meßgröße, mit mindestens zwei auf dem Substrat angeordneten elektroakustischen Wandlern, welche als Sende- bzw. Empfangseinrichtung für sich zwischen ihnen im Substrat ausbreitende Oberflächenschallwellen dienen, deren Ausbreitung einer Zeitverzögerung infolge der Verformung des Substrats unterliegt, bekannt ist, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten elektroakustischen Wandler das Substrat als flexible Membran ausgebildet ist und daß ein Rückkopplungsverstärker mit den elektroakustischen Wandlern einen Schwingkreis bildet, dessen Schwingungsfrequenz durch die Verformung der Membran eine Veränderung erfährt, die als Maß für die die Verformung verursachende Meßgröße dient.
Aus der DE 196 37 392 A1 ist ein Drucksensor mit einer auf einer druckaufnehmenden Membran ausgebildeten reflektiven OFW-Verzögerungsleitung mit mindestens drei Reflektoren, die sich sowohl über einen sich dehnenden als auch einen sich stauchenden Bereich der druckaufnehmenden Membran erstreckt, bekannt.
Aus der US 4,512,198 A sind druckabfühlende Membranen bekannt, die ein zylindrisches oder sphärisches kristallines Glied aufweisen, in welchem eine innere zylindrische oder sphärische Kammer vorgesehen ist. Die durch ein Strömungsmittel verursachten Beanspruchungen verursachen, dass sich bestimmte mechanische oder elektrische Eigenschaften des kristallinen Materials verändern. Die Veränderung in diesen Eigenschaften wird durch Beobachten des Frequenzverhaltens von einem oder mehreren Oszillatoren, deren Betriebsfrequenzen durch jeweilige akustische Oberflächenwelleneinrichtungen, die in den Bereichen der elastischen Deformation vorgesehen sind, gesteuert werden, detektiert.
Aus der DE 198 50 803 A1 ist eine Sensoranordnung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssigkeit bekannt, mit einer Anordnung aus mindestens zwei Sensorgrundelementen, von denen mindestens eines mit der Flüssigkeit benetzbar ist und mit elektro-akustischen Wandlern in den Sensorgrundelementen zur Erzeugung und Detektion akustischer Oberflächenwellen, aus deren Ausbreitungsverhalten entlang einer Messstrecke ein Maß für die Dichte und die Viskosität der Flüssigkeit ermittelbar ist. Im Bereich mindestens eines der Sensorgrundelemente sind parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle, in der jeweiligen Messstrecke verlaufende Flüssigkeitsfallen für die Flüssigkeit angeordnet.
Schließlich ist aus der DE 198 50 799 A1 eine Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen von Flüssigkeiten bekannt mit elektro-akustischen Wandlern, die akustische Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden erzeugen und detektieren, wobei aus deren Ausbreitungsverhalten ein Maß für die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, insbesondere die Viskosität, ermittelbar ist. Die Sensoranordnung ist auf einem Substrat angebracht, auf dem Leiterbahnstrukturen derart angeordnet sind, dass neben den elektroakustischen Wandlern zur Viskositätsmessung auch eine Anordnung zur elektrischen Leitfähigkeitsmessung, eine Anordnung zur Messung der Dielektrizitätskonstante und eine Anordnung zur Temperaturmessung gebildet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine SAW-Einrichtung mit verbesserter Leistungsfähigkeit und neuen Anwendungsfeldern zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die SAW-Sensoreinrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 sowie die Verfahren zum Abfühlen eines externen Drucks gemäß Patentanspruch 3 und zum Abfühlen einer Permittivität oder einer Viskosität einer Flüssigkeit gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
Die vorhergehenden und weitere Ziele und Vorteile werden durch eine SAW-Sensoreinrichtung unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle realisiert, die folgendes aufweist: ein piezoelektrisches Medium mit einer dünnen Membran an dessen einem Teil, ein Medium an dem anderen Teil, und einen schmalen Schlitz, durch den die akustische Schlitzwelle an bzw. bei dessen Inneren läuft; einen Eingangs-IDT, gebildet an dem äußeren Teil in dem schmalen Schlitz des piezoelektrischen Mediums, zum Wandeln eines elektrischen Eingangsignals in die akustische Schlitzwelle und einen Ausgangs-IDT, gebildet an dem äußeren Teil gegenüber(liegendend) dem Eingangs-IDT, zum Empfangen der propagierten bzw. sich ausgebreiteten akustischen Schlitzwelle und zum Wandeln der Welle in ein elektrisches Signal, wodurch ein externer an die Einrichtung übertragener Druck abgefühlt bzw. gesenst wird.
Eine Breite des schmalen Schlitzes wird gemäß dem an die dünne Membran übertragenen Druck variiert und eine Geschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle, die in dem schmalen Schlitz läuft, wird gemäß Variationen der reite des schmalen Schlitzes verschoben.
Zusätzlich wird die Geschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle gemäß einer Eigenschaft des Mediums des piezoelektrischen Mediums verschoben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine SAW-Sensoreinrichtung unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle folgendes auf: ein piezoelektrisches Medium mit einem schmalen Schlitz, durch den die akustische Schlitzwelle an bzw. bei dessen Inneren läuft, und der in einen oberen Teil und einen unteren Teil von dem schmalen Schlitz unterteilt ist; einen Eingangs-IDT, gebildet an einer Seite des piezoelektrischen Mediums, zum Wandeln eines elektrischen Eingangsignals in die akustische Schlitzwelle; einen Ausgangs-IDT, gebildet an der gegenüberliegenden Seite zu dem Eingangs-IDT in dem piezoelektrischen Medium, zum Empfangen der sich ausgebreiteten akustischen Schlitzwelle und zum Wandeln der Welle in ein elektrisches Signal; einen Eingangsflüssigkeitsanschluss zum Eingeben bzw. Einspeisen der Flüssigkeit in den schmalen Schlitz bzw. Spalt des piezoelektrischen Mediums; und einen Ausgangsflüssigkeitsanschluss zum Ausgeben der Flüssigkeit des schmalen Schlitzes des piezoelektrischen Mediums, wodurch Flüssigkeit in der Einrichtung erfasst wird.
Wenn die Flüssigkeit in dem schmalen Schlitz strömt, werden die dielektrische Permittivität und die Viskosität der Flüssigkeit durch Messen einer Geschwindigkeit und Frequenz der akustischen Schlitzwelle der Flüssigkeit des schmalen Schlitzes bestimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Abfühlen eines externen Drucks einer SAW-Sensoreinrichtung folgende Schritte auf: (a) wenn eine dünne Membran nicht einen Druck empfängt bzw. aufnimmt. Berechnen einer Frequenz und Geschwindigkeit von elektrischen Signalen eines Eingang-IDT und eines Ausgangs-IDT in dem schmalen Schlitz und Vergleichen der resultierenden Werte; (b) wenn die dünne Membran einen externen Druck empfängt bzw. aufnimmt, Berechnen einer Frequenz und einer Geschwindigkeit von elektrischen Signalen des Eingangs-IDT und des Ausgangs-IDT und Vergleichen der resultierenden Werte; und (c) Abfühlen der Intensität des externen Drucks unter Berücksichtigung von bzw. in Anbetracht von Geschwindigkeits- und Frequenzverschiebungen aufgrund des an die dünne Membran übertragenen externen Drucks.
Der Schritt (c) zum Abfühlen der Intensität des externen Drucks wird durchgeführt durch vorheriges Einstellen von Frequenz- und Geschwindigkeitsverschiebungswertdaten unter dem externen Druck in einer externen Einrichtung und Vergleichen der Datenwerte.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zum Abfühlen von Flüssigkeit einer SAW-Sensoreinrichtung folgende Schritte auf: (a) Messen einer Phasengeschwindigkeit einer akustischen Schlitzwelle, die in einem leeren Schlitz läuft und Berechnen einer Frequenz; (b) wenn die Flüssigkeit in dem schmalen Schlitz durch einen Eingangsflüssigkeitsanschluss strömt, Messen einer Phasengeschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle in dem schmalen Schlitz und Berechnen einer Frequenz; und (c) Abfühlen der dielektrischen Permittivität und Viskosität der durch den schmalen Schlitz laufenden Flüssigkeit unter Berücksichtigung von bzw. in Anbetracht von Geschwindigkeits- und Frequenzverschiebungen.
Der Schritt (b) zum Messen der Phasengeschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle und Berechnen der Frequenz berechnet die Geschwindigkeit und Frequenz der akustischen Schlitzwelle, wenn die Flüssigkeit in einem Ausgangsflüssigkeitsanschluss gefüllt ist.
Der Schritt (c) zur Abfühlen der dielektrischen Permittivität und Viskosität der Flüssigkeit wird durchgeführt durch vorheriges Einstellen von Daten der dielektrischen Permittivität und Viskosität von allen Arten von Flüssigkeiten in einer externen Einrichtung und Vergleichen der Datenwerte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Intensität des externen Druckes bzw. Außendruckes und der Viskosität und dielektrischen Permittivität der Flüssigkeit abgefühlt werden unter Verwendung von Korrelationen der Frequenz- und Geschwindigkeitsverschiebungen der in einem Resonator erzeugten akustischen Schlitzwelle, ebenso wie unter Verwendung einer akustischen Oberflächenwelle, die in einem Resonator einer SAW-Einrichtung erzeugt wurde.
Zusätzliche Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung ausgeführt.
Die Erfindung wird in Detail unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, in denen entsprechende Bezugsziffern entsprechende Elemente bezeichnen, beschrieben werden, wobei:
1 ist ein schematisches Diagramm, das einen allgemeinen SAW-Filter darstellt;
2 ist schematisches Querschnittsdiagramm, das eine als ein Drucksensor bzw. -fühler betriebene SAW-Sensoreinrichtung darstellt, unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine als ein Flüssigkeitssensor betriebene SAW-Sensoreinrichtung darstellt, unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen allgemeinen SAW-Filter aus dem Stand der Technik, siehe Beschreibung Seite 2.
2 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine als Drucksensor betriebene SAW-Sensoreinrichtung unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 2 weist die als Drucksensor unter Verwendung der akustischen Schlitzwelle betriebene SAW-Sensoreinrichtung ein piezoelektrisches Medium 203 mit einer dünnen Membran 205 an dessen oberem Teil, ein Medium an dessen unterem Teil und einen schmalen Schlitz bzw. Spalt 204, durch den die akustische Schlitzwelle an bzw. bei bzw. in dessen Inneren läuft, einen Eingangs-IDT 201, gebildet an dem äußeren Teil in dem schmalen Schlitz 204 des piezoelektrischen Mediums 203, zum Wandeln eines elektrischen Eingangssignals in die akustische Schlitzwelle und einen Ausgangs-IDT 202, gebildet an dem äußeren Teil gegenüber dem Eingangs-IDT 201, zum Empfangen der sich ausgebreiteten akustischen Schlitzwelle und zum Wandeln der Welle in ein elektrisches Signal auf.
Das Betriebsprinzip der als Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung betriebenen SAW-Sensoreinrichtung wird nun erklärt werden.
Der Eingangs-IDT 201 wandelt ein elektrisches Signal in ein Vibrationstypsignal, das eine akustische Schlitzwelle ist, um und die akustische Schlitzwelle breitet sich entlang dem piezoelektrischen Medium 203 aus.
D. h., in der SAW-Sensoreinrichtung, wenn eine Metallelektrode auf einem Medium, das eine hohe Isolation zeigt, gebildet ist, und Piezoelektrizität auf der Metallelektrode erzeugt wird, verzerrt sich das Medium zeitweise bzw. vorübergehend. Eine physikalische Welle wird durch Verwendung des Betriebs erzeugt. Da eine Geschwindigkeit einer auf der Oberfläche der SAW-Sensoreinrichtung übertragenen Welle niedriger als diejenige einer elektrischen Welle ist, wird die SAW-Sensoreinrichtung als ein Filter verwendet, um zeitweise ein elektrisches Signal zu verzögern oder ein spezifisches Frequenzsignal bzw. Signal spezifischer Frequenz durchzulassen.
Demzufolge, die akustische Oberflächenwelle, zeigt ein spezifisches Frequenzsignal, das sich entlang dem piezoelektrischen Medium 203 ausbreitet, einen Zustand einer entlang der Oberfläche des Mediums übertragenen Welle in demselben Konzept, wie eine akustische Oberflächenwelle einer allgemeinen SAW-Einrichtung. Hier werden Wellen in transversale Wellen und longitudinale Wellen unterteilt, und zwar gemäß den Eigenschaften des piezoelektrischen Mediums 203. Zusätzlich werden derartige Wellen unter verschiedenen Zuständen, wie z. B. Mediumeigenschaften, abgeschwächt bzw. gedämpft.
Andererseits weist die dünne Oberseitenmembran 205 des schmalen Schlitzes 204 in dem piezoelektrischen Medium 203 ein dünnes piezoelektrisches Medium auf, welches aufgrund eines externen Drucks deformiert wird, und die akustische Schlitzwelle kann in dem schmalen Schlitz 204 laufen. In der sich entlang dem piezoelektrischen Medium 230 ausgebreiteten akustischen Schlitzwelle wird das Vibrationstypsignal bzw. Signal vom Vibrationstyp in ein elektrisches Signal durch den Ausgangs-IDT 202 gewandelt.
Hier, wenn ein externer Druck an die dünne Membran 205 übertragen wird, krümmt sich die dünne Membran 205. Eine Breite (t) des schmalen Schlitzes 204 wird variiert und somit wird eine Phasengeschwindigkeit der in dem schmalen Schlitz 204 laufenden akustischen Schlitzwelle ebenfalls verschoben.
Zusätzlich wird eine zusätzliche Beanspruchung auf das piezoelektrische Medium 203 erzeugt, um die Geschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle zu verschieben.
D. h. die Phasengeschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle hängt von der Breite (t) des schmalen Schlitzes 204 ab.
Deshalb werden Korrelationen der reite (t) des schmalen Schlitzes 204 und der Geschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle auf der Grundlage der Tatsachen erhalten, dass die Breite (t) des schmalen Schlitzes 204 gemäß der Intensität des externen Drucks variiert wird, und dass die Geschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle aufgrund von Variationen der reite (t) des schmalen Schlitzes 204 verschoben wird, wodurch die Intensität des externen Drucks abgefühlt wird.
Der Prozess zum Betreiben der SAW-Sensoreinrichtung als der Drucksensor wird nun im Detail beschrieben werden.
Wenn die dünne Membran 205 nicht einen Druck empfängt bzw. aufnimmt, werden eine Frequenz und eine Geschwindigkeit eines elektrischen Signals des Eingangs-IDT 201 berechnet, eine Frequenz und Geschwindigkeit eines elektrischen Signals des Ausgangs-IDT 202 werden berechnet und die resultierenden Werte werden miteinander verglichen (S21). Hier werden die Frequenz und Geschwindigkeit der Eingangs- und Ausgangssignale selten verschoben.
Wenn die dünne Membran 205 einen externen Druck empfängt bzw. aufnimmt, werden eine Frequenz und Geschwindigkeit eines elektrischen Signals des Eingangs-IDT 201 berechnet, eine Frequenz und Geschwindigkeit eines elektrischen Signals des Ausgangs-IDT 202 werden berechnet und die resultierenden Werte werden miteinander verglichen (S22). Zu dieser Zeit werden die Frequenz und Geschwindigkeit der Eingangs- und Ausgangssignale verschoben.
Zusätzlich können die Korrelationen unter Verwendung der Formel 'f = v/λ' erhalten werden. Hier stellen 'f', 'v' und 'λ' jeweils Frequenz, Geschwindigkeit und Wellenlänge dar.
Somit verursacht die Geschwindigkeitsverschiebung die Frequenzverschiebung, die von dem externen Druck abhängt.
D. h., wenn die dünne Membran 205 einen externen Druck empfängt bzw. aufnimmt, krümmt sich der schmale Schlitz 201, was die in dem schmalen Schlitz 204 laufende akustische Schlitzwelle beeinflusst. Demzufolge werden die Frequenz und Geschwindigkeit der Signale des Eingangs-IDT 201 des Ausgangs-IDT 202 verschoben.
Die Frequenz- und Geschwindigkeitsverschiebungswertdaten unter dem externen Druck werden zuvor in einer externen Einrichtung in der Form einer Datenbank eingestellt bzw. gesetzt (S23).
Deshalb kann die Intensität des externen Drucks durch Vergleichen der Geschwindigkeits- und Frequenzwerte, die aufgrund des externen Drucks, der an die dünne Membran 205 übertragen wurde, mit den Geschwindigkeits- und Frequenzverschiebungsdatenwerten der Datenbank (S24) abgefühlt werden, so dass die SAW-Sensoreinrichtung als der Drucksensor betrieben werden kann.
3 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine als Flüssigkeitssensor betriebene SAW-Sensoreinrichtung unter Verwendung einer akustischen Schlitzwelle gemäß einem zweiten Auführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in 3 dargestellt ist, weist die als der Flüssigkeitssensor betriebene SAW-Sensoreinrichtung ein piezoelektrisches Medium 301 mit einem schmalen Schlitz 304, durch den die akustische Schlitzwelle an dessen Inneren läuft, und das in einen oberen Teil und einen unteren Teil von dem schmalen Schlitz 304 unterteilt ist, einen Eingangs-IDT 302, gebildet an einer Seite des piezoelektrischen Mediums 301, zum Wandeln eines elektrischen Eingangssignals in die akustische Schlitzwelle, einen Ausgangs-IDT 303, gebildet an der gegenüberliegenden Seite zu dem Eingangs-IDT 302 in dem piezoelektrischen Medium 301, zum Empfangen der sich ausgebreiteten akustischen Schlitzwelle und zum Wandeln der Welle in ein elektrisches Signal, einen Eingangsflüssigkeitsanschluss 305 zum Eingeben bzw. Einspeisen der Flüssigkeit in den schmalen Schlitz 304 des piezoelektrischen Mediums 303 und einen Ausgangsflüssigkeitsanschluss 306 zum Ausgeben der Flüssigkeit des schmalen Schlitzes 304 des piezoelektrischen Mediums 301 auf.
Das Betriebsprinzip der als der Flüssigkeitssensor betriebenen SAW-Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun erklärt werden.
Die in dem Eingangs-IDT 302 gewandelte akustische Schlitzwelle wird durch das piezoelektrische Medium 301 übertragen und in ein elektrisches Signal in dem Ausgangs-IDT 303 zurückgewandelt. Die durch den schmalen Schlitz 304 des piezoelektrischen Mediums 301 laufende akustische Schlitzwelle lässt eine spezifische Frequenz durch. Wenn sich die akustische Schlitzwelle in dem schmalen Schlitz 304 des piezoelektrischen Mediums 301 ausbreitet, hängt eine Phasengeschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle von der dielektrischen Permittivität der Flüssigkeit in dem schmalen Schlitz 304 ab. D. h., wenn man annimmt, dass eine Geschwindigkeit einer akustischen Schlitzwelle, die in einem leeren Schlitz läuft, v0 ist und eine Geschwindigkeit einer akustischen Schlitzwelle, die in einem Schlitz mit Flüssigkeit läuft, v1 ist, wird die Phasengeschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle gemäß der dielektrischen Permittivität der Flüssigkeit verschoben.
Zusätzlich wird ein Verlust an Wellenleistung gemäß der Viskosität der Flüssigkeit erzeugt, was die Phasengeschwindigkeit verschiebt.
Weil die Phasengeschwindigkeit der akustischen Schlitzwelle gemäß der Viskosität und der dielektrischen Permittivität der Flüssigkeit verschoben wird, kann die SAW-Sensoreinrichtung als der Flüssigkeitssensor unter Verwendung der Korrelationen betrieben werden. Dieser Betrieb wird nun im Detail beschrieben werden.
Um die Viskosität und die dielektrische Permittivität der Flüssigkeit zu erhalten, wird die Phasengeschwindigkeit v0 der akustischen Schlitzwelle, die in dem leeren Schlitz 304 läuft, gemessen (S304) und eine Frequenz f0 wird berechnet (S31). Hier können die Korrelationen der Geschwindigkeit und Frequenz durch Verwendung der Formel 'f = v/λ' erhalten werden.
Wenn die Flüssigkeit in dem schmalen Schlitz 304 durch den Eingangsflüssigkeitsanschluss 305 strömt, wird die Phasengeschwindigkeit v1 der akustischen Schlitzwelle in dem schmalen Schlitz 304 gemessen und eine Frequenz f1 wird berechnet (S32). Hier werden die Geschwindigkeit und Frequenz der akustischen Schlitzwelle, wenn die Flüssigkeit in den Ausgangsflüssigkeitsanschluss 306 gefüllt ist, berechnet.
Deshalb können die dielektrische Permittivität und Viskosität der durch den schmalen Schlitz 304 laufenden Flüssigkeit unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitsverschiebungen v0 und v1 und Frequenzverschiebungen f0 und f1 erhalten werden.
D. h., Daten von dielektrischen Permittivitäts- und Viskositätswerten von allen Arten von Flüssigkeiten aufgrund der Phasengeschwindigkeits- und Frequenzverschiebungen der akustischen Schlitzwelle werden zuvor in einer externen Einrichtung in Form einer Datenbank eingestellt (S33).
Hier kann die dielektrische Permittivität und Viskosität der Flüssigkeit durch Suchen von ähnlichen Werten zu den Daten der dielektrischen Permittivitäts- und Viskositätswerten von allen Arten von Flüssigkeiten, die zuvor in der externen Einrichtung eingestellt wurden, abgefühlt werden (S34), so dass die SAW-Einrichtung als der Flüssigkeitssensor betrieben werden kann.

Claims

SAW-Sensoreinrichtung, die folgendes aufweist: ein piezoelektrisches Medium (203); eine über dem piezoelektrischen Medium (203) angeordnete dünne Membran (205); einen Eingangs-IDT (Interdigitaltransducer) (201), gebildet an einem ersten Abschnitt auf dem piezoelektrischen Medium (203), zum Wandeln eines elektrischen Eingangssignals in die akustische Oberflächenwelle; und einen Ausgangs-IDT (Interdigitaltransducer) (202), gebildet an einem zweiten Abschnitt gegenüber dem Eingangs-IDT (201) auf dem piezoelektrischen Medium (203), zum Aufnehmen der sich ausgebreiteten akustischen Oberflächenwelle und zum Wandeln der akustischen Oberflächenwelle in ein elektrisches Signal, wobei ein schmaler Schlitz (204) zwischen dem piezoelektrischen Medium (203) und der dünnen Membran (205) ausgebildet ist, und wobei, wenn ein externer Druck auf die dünne Membran (205) übertragen wird, eine Breite des schmalen Schlitzes (204) variiert wird.
SAW-Sensoreinrichtung, die folgendes aufweist: ein piezoelektrisches Medium (301); eine über dem piezoelektrischen Medium (301) angeordnete dünne Membran, wobei ein schmaler Schlitz (304) zwischen dem piezoelektrischen Medium (301) und der dünnen Membran ausgebildet ist, und einen Eingangs-IDT (302), gebildet an einem ersten Abschnitt auf dem piezoelektrischen Medium (301), zum Wandeln eines elektrischen Eingangssignals in die akustische Oberflächenwelle; und einen Ausgangs-IDT (303), gebildet an einem zweiten Abschnitt gegenüber dem Eingangs-IDT (302) auf dem piezoelektrischen Medium (301), zum Aufnehmen der sich ausgebreiteten akustischen Oberflächenwelle und zum Wandeln der Welle in ein elektrisches Signal, einen Eingangsflüssigkeitsanschluss (305) zum Eingeben der Flüssigkeit in den schmalen Schlitz (304); und einen Ausgangsflüssigkeitsanschluss (306) zum Ausgeben der Flüssigkeit des schmalen Schlitzes (304), wobei die gesamten Oberflächen des Eingangs-IDT (302) und des Ausgangs-IDT (303) der Flüssigkeit ausgesetzt und mit ihr in Kontakt sind.
Verfahren zum Erfassen eines externen Drucks unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das folgende Schritte aufweist: (a) wenn eine dünne Membran (205) keinen Druck aufnimmt, Bestimmen einer Frequenz und Geschwindigkeit von elektrischen Signalen eines Eingangs-IDT (201) und eines Ausgangs-IDT (202) in einem schmalen Schlitz (204) und Vergleichen der resultierenden Werte; (b) wenn die dünne Membran (205) einen externen Druck aufnimmt, Bestimmen einer Frequenz und Geschwindigkeit von elektrischen Signalen des Eingangs-IDT (201) und des Ausgangs-IDT (202), und Vergleichen der resultierenden Werte; und (c) Erfassen der Intensität des externen Drucks unter Berücksichtigung der Geschwindigkeits- und Frequenzverschiebungen aufgrund des an die dünne Membran (205) übertragenen externen Drucks.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Schritt (c) zum Erfassen der Intensität des externen Drucks durch vorheriges Einstellen von Frequenz- und Geschwindigkeitsverschiebungswertdaten unter dem externen Druck in einer externen Einrichtung und Vergleichen der Datenwerte durchgeführt wird.
Verfahren zum Erfassen einer Permittivität oder einer Viskosität von Flüssigkeit unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das folgende Schritte aufweist: (a) Messen einer Phasengeschwindigkeit einer in einem leeren Schlitz laufenden akustischen Oberflächenwelle und Berechnen einer Frequenz; (b) wenn die Flüssigkeit in dem schmalen Schlitz (304) durch einen Eingangsflüssigkeitsanschluss (305) strömt und in einen Ausgangsflüssigkeitsanschluss (306) gefüllt ist, Messen einer Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle in dem schmalen Schlitz (304) und Berechnen einer Frequenz; und (c) Erfassen einer Permittivität oder Viskosität der durch den schmalen Schlitz (304) laufenden Flüssigkeit unter Berücksichtigung von Geschwindigkeits- und Frequenzverschiebungen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Schritt (c) zum Erfassen der Permittivität oder Viskosität der Flüssigkeit durch vorheriges Einstellen von Permittivitäts- und Viskositätsdaten von allen Arten von Flüssigkeiten in eine externe Einrichtung und Vergleichen der Datenwerte durchgeführt wird.