DE19804326A1 - Sensor insbesondere zur Messung der Viskosität und Dichte eines Mediums - Google Patents
Sensor insbesondere zur Messung der Viskosität und Dichte eines MediumsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Sensor insbesondere zur
Messung der Dichte und Viskosität eines Mediums nach der
Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus einem Artikel
von Inaba et al, Sensors and Aktuators A, 33 (1992)
S. 163-166 ist bereits ein Sensor zur Messung der Dichte und
Viskosität von Flüssigkeiten bekannt. Dabei wird eine
Biegezunge in das Medium eingetaucht und durch Bestrahlen
mittels einer Laserdiode zu thermisch induzierten
Schwingungen angeregt. Die Schwingungsfrequenz wird dabei
von der Dichte und die Dämpfung der Schwingung von der
Viskosität beeinflußt. Durch Messung der Schwingung der
Biegezunge können so die Dichte und Viskosität der
Flüssigkeit gemessen werden.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß ein besonders einfacher und störungsfreier
Aufbau verwendet wird. Insbesondere können derartige
Sensoren besonders klein gebaut werden und sind daher auch
zur Untersuchung von sehr kleinen Flüssigkeits- oder
Gasmengen geeignet.
Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des Sensors nach dem unabhängigen
Patentanspruch möglich. Durch die Verwendung von
Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Metall oder Mischmaterialien
der vorgenannten wird eine Biegezunge geschaffen, die gegen
die meisten chemischen Medien beständig ist. Ein derartiger
Sensor kann daher für eine Vielzahl von Meßmedien verwendet
werden. Weiterhin lassen sich diese Materialien in wenigen
und gut beherrschten Standardprozessen verarbeiten, so daß
eine kostengünstige Fertigung in großen Losen möglich ist.
Weiterhin lassen sich derartige Biegezungen besonders klein
herstellen. Durch die Anordnung des Schwingungserzeugers auf
der abgewandten Seite eines Siliziumsubstrats wird erreicht,
daß das Meßmedium nur mit chemisch sehr beständigen
Materialien in Kontakt kommt. Es können so auch
Schwingungserzeuger verwendet werden, die chemisch nicht so
beständig sind. Besonders einfach werden die Schwingungen
der Biegezunge durch ein einkristallines piezoresistives
Element nachgewiesen. Ein derartiges Element ist auch
beständig gegen die meisten chemischen Medien. Alternativ
kann auch ein piezoresistiver Dünnfilm auf der Oberseite der
Biegezunge Verwendung finden. Durch einen Temperatursensor
auf dem Substrat kann zudem noch die Temperatur des
Meßmediums bestimmt werden. Dies kann auch bei der
Berechnung der Dichte und Viskosität des Meßmediums
Berücksichtigung finden. Vorteilhafterweise wird eine
Signalverarbeitungsschaltung unmittelbar auf dem
Siliziumsubstrat integriert, da so eine besonders gute
Signalverarbeitung erreicht wird. Der Einfluß von
parasitäten Größen wird verringert und die
Auswerteelektronik kann so platzsparender und in der Regel
auch kostengünstiger dargestellt werden. Durch entsprechende
Rückkopplungen können sowohl Schwingungen maximaler
Amplitude wie auch maximaler Geschwindigkeit im
Nulldurchgang erzielt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen die Fig. 1 und 2 einen Querschnitt
und eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel und die
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel.
In der Fig. 1 wird ein Querschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Sensor gezeigt. Der Sensor weist ein
Siliziumsubstrat 10 auf, auf dessen Oberseite eine
Biegezunge 1 angeordnet ist. Unterhalb der Biegezunge 1 ist
in das Siliziumsubstrat 10 eine Ätzgrube 2 eingebracht, so
daß die Biegezunge 1 in einer Richtung senkrecht zur
Oberfläche des Substrats 10 frei schwingen kann. Neben
Siliziumsubstraten können auch andere Substrate genutzt
werden, in die entsprechende Vertiefungen eingebracht
werden. In dem Bereich, wo die Biegezunge 1 auf dem Substrat
10 aufliegt, ist unterhalb der Biegezunge 1 ein
piezoresistives Widerstandselement 3 angeordnet. Bei diesem
piezoresistivem Widerstandselement 3 handelt es sich um
entsprechend dotiertes Silizium, welches aufgrund von
mechanischen Spannungen seinen elektrischen Widerstand
ändert (piezoresistiver Effekt). Das piezoresistive
Widerstandselement 3 ist durch eine Leiterbahn 4, die
ebenfalls in das Siliziumsubstrat 10 eindiffundiert ist, mit
einer metallischen Kontaktierung 5 verbunden. Die Biegezunge
1 ist aus einer Siliziumnitridschicht 15, die auf der
Oberseite des Siliziumsubstrats 10 aufgebracht ist,
herausstrukturiert. Auf der Unterseite weist das
Siliziumsubstrat 10 eine Ätzstoppschicht 11 auf, die auch
den Boden der Ätzgrube 2 bildet. Die Ätzstoppschicht 11
besteht beispielsweise, aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid,
hochdotiertem Silizium oder einem anderen Material, welches
beim Ätzen der Ätzgrube 2 besonders gut als Ätzstoppschicht
verwendet werden kann. Unterhalb der Ätzstoppschicht 11 ist
noch eine akustische Koppelschicht 12 vorgesehen, die
beispielsweise aus Glas (beispielsweise Pyrexglas) oder
Kunststoffschichten, wie beispielsweise PMMA bestehen kann.
Auf der Koppelschicht 12 ist dann ein Piezoschwinger 13 mit
jeweils einer Metallisierung 14 auf der Ober- und Unterseite
angeordnet. Für derartige Piezoschwinger eignen sich
beispielsweise Dünnschichtwandler aus Zinkoxid oder
Blei-Zirkonat-Titanat oder integrierte Wandler aus PVDF
(Polyvinylidenfluorid) oder piezokeramische Materialien.
Die Biegezunge 1 weist typischerweise eine Dicke von einigen
Mikrometern (0,5 bis einigen 10 Mikrometern) und Längen
zwischen 50 Mikrometern und 2000 Mikrometern auf. Typische
Breiten der Biegezunge liegen in der Größenordnung von
einigen 10 bis einigen 1000 Mikrometern. Für die
Ätzstoppschicht 11 werden in der Regel Schichtdicken von
unter einem Mikrometer verwendet. Für die Koppelschicht 12
sind Schichtdicken zwischen 10 bis 200 Mikrometern geeignet.
Der in der Fig. 1 gezeigte Sensor ist zur Bestimmung der
Dichte und Viskosität von Medien geeignet. Dazu wird die
Oberseite des Siliziumsubstrats 1 und somit auch die
Biegezunge 1 mit dem zu messenden Medium beaufschlagt, so
daß die Biegezunge 1 vollständig vom Medium umgeben ist.
Durch elektrische Anregung des Piezoschwingers 13 wird der
Piezoschwinger 13 zu Schwingungen angeregt. Diese
Schwingungen übertragen sich durch mechanische Kopplung auf
die Biegezunge 1. Dies kann sowohl durch
Festkörperschwingungen wie auch über das Medium selbst
erfolgen. Durch geeignete Wahl der Anregung des
Piezoschwingers 13 kann so die Biegezunge 1 zu Schwingungen
angeregt werden. Eine entsprechend geeignete Anregung des
Piezoschwingers 13 kann beispielsweise in einer Folge von
hochfrequenten Schwingungsimpulsen des Piezoschwingers 13
bestehen, deren Folgefrequenz nahe einer Eigenfrequenz der
Biegezunge 1 liegt. Alternativ ist es möglich Einzelimpulse
zu verwenden oder aber den Piezoschwinger 13 mit einer
Frequenz anzuregen, die einer Eigenfrequenz der Biegezunge 1
entspricht. Es wird somit erreicht, daß die Biegezunge 1 im
sie umgebenden Medium schwingt. Diese Schwingung der
Biegezunge 1 kann mittels des piezoresistiven
Widerstandselements 3 gemessen werden, da eine Abhängigkeit
von der Auslenkung der Biegezunge 1 entsprechende
mechanische Spannungszustände im piezoresistiven
Widerstandselement 3 erzeugt werden. Diese führen somit zu
einem veränderten Widerstand des Widerstandselements 3 und
können mittels der Zuleitungen 4 unter Kontaktierungen 5
gemessen werden.
Durch Auswertung der Schwingung der Biegezunge in dem Medium
können Dichte und Viskosität bestimmt werden. Eine erste
Möglichkeit besteht in der Geschwindigkeitsresonanz, d. h.
die Biegezunge wird durch eine Rückkopplungsschleife bei
einer Frequenz betrieben, bei der die Geschwindigkeit im
Umkehrpunkt maximiert wird. Diese Frequenz ist in guter
Näherung nur von der Dichte des Mediums abhängig; die Breite
der Resonanzkurve liefert dann die Viskosität. Diese Methode
kann jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen angewandt
werden. Durch die Schwingung der Biegezunge bildet sich eine
Welle im Medium aus, deren Wellenlänge sich aus der Frequenz
der Biegezunge und der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem
Medium ergibt. Die Wellenlänge sollte deutlich größer sein
als die geometrischen Abmessungen der Biegezunge; je größer
sie ist, umso geringer ist der Resteinfluß der Viskosität
auf die Geschwindigkeitsresonanzfrequenz. Diese
Vortausetzung werden in der Regel von sehr kleinen
Biegezungen erfüllt. Eine weiter bzw. zusätzliche
Möglichkeit bietet die Amplitudenresonanz, bei der durch die
Rückkopplung die Amplitude der Schwingung maximiert wird.
Die Amplitudenresonanzfrequenz hängt von der Dichte und der
Viskosität ab, die Breite der Resonanzkurve von der
Viskosität. Durch Differenzbildung des Meßwerts der
Amplitudenresonanzfrequenz mit der Dichte (aus der
Geschwindigkeitsresonanzfrequenz) oder der Viskosität (aus
der Breite der Amplitudenresonanzkurve) kann dann der
jeweils andere Meßwert bestimmt werden. Eine weitere
Möglichkeit besteht in der Beobachtung der freien Schwingung
der Biegezunge nach einer pulsartigen Anregung, bei der dann
durch einen least-square-fit Viskosität und Dichte errechnet
werden können.
In der Fig. 2 wird noch mal eine Aufsicht auf den Sensor
nach der Fig. 1 gezeigt, wobei zur Vereinfachung der
Darstellung die Kontakte 5 und die Zuleitungen 4 nicht
gezeigt werden. In der Aufsicht zu erkennen sind die
Biegezunge 1 und die Ätzgrube 2, die die Biegezunge 1
umgibt. Exemplarisch wurden in der Aufsicht nach der Fig. 2
auch noch zwei piezoresistive Widerstandselemente 3
dargestellt, die im Aufhängungsbereich der Zunge 1
angeordnet sind. Derartige Mehrzahlen von piezoresistiven
Widerstandselementen 3 lassen sich vorteilhafterweise zu
Halb- oder Vollbrücken verschalten, wodurch die Auswertung
der Signale vereinfacht wird. Weiterhin wird noch ein
Platinwiderstandselement 16 gezeigt, das auf der Oberseite
der Nitridschicht 15 angeordnet ist. Ein derartiges
Platinwiderstandselement kann zur Messung der Temperatur des
Mediums verwendet werden, da sowohl Viskosität wie auch
Dichte eines Mediums (sowohl bei Flüssigkeiten wie auch bei
Gasen) von der Temperatur abhängen. Eine derartige
Temperaturmessung kann daher dazu herangezogen werden, den
Temperatureinfluß auf Dichte und Viskosität herauszurechnen.
Weiterhin wird so die Temperaturabhängigkeit der
mechanischen Konstanten der Biegezunge und somit auf die
Resonanzfrequenzen berücksichtigt. Die dazu benötigten
Schaltkreise können auch in dem Siliziumsubstrat 10 selbst
angeordnet sein. Derartige Schaltkreise wurden in der Fig.
2 exemplarisch durch den Block 17 angedeutet. Neben der
Verwendung von mehreren piezoresistiven Widerstandselementen
3 können auch eine Vielzahl von Biegezungen 1 vorgesehen
werden, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Sie
können daher mit unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen
angeregt werden, wodurch insbesondere bei einer
Viskositätsmessung ein sehr großer Meßbereich abgedeckt
werden kann.
Die Verwendung einer Biegezunge 1 ausschließlich aus
Siliziumnitrid ist besonders vorteilhaft, da es sich dabei
um ein chemisch besonders beständiges Material handelt.
Durch die Ausbildung der Biegezunge 1 aus einem einzigen
Material werden thermische Verspannungen der Biegezunge 1
vermieden. Alternativ kann die Biegezunge 1 auch aus
Siliziumoxid oder Metall oder einem Mischmaterial aus
Siliziumoxid und Siliziumnitrid bestehen.
Das erfindungsgemäße Schwingungssystem ist sehr klein und
kann daher auch für besonders kleine Flüssigkeitsmengen oder
Gasmengen Verwendung finden. Für die Herstellung werden
ausschließlich bekannte Methoden der Halbleiterfertigung
verwendet, so daß die Sensoren kostengünstig in großen Losen
gefertigt werden können. Da belassen sich insbesondere auch
Auswerteschaltungen integrieren. Weiterhin lassen sich durch
den erfindungsgemäßen Sensor simultan Dichte und Viskosität
eines Mediums messen. Der Piezoschwinger 13 ist vollständig
vom Medium getrennt, so daß auch Materialien verwendet
werden können, die von den zu messenden Medien angegriffen
werden. Die unmittelbar mit dem Meßmedium in Kontakt
stehenden Werkstoffe sind chemisch sehr beständig. Aufgrund
der Verwendung nur eines Materials für die Biegezunge 1
treten so gut wie keine thermischen Verspannungen auf.
Weiterhin ist die Biegezunge 1 sehr leicht, so daß
Beschleunigungskräfte wie sie in mechanisch problematischer
Umgebung wie beispielsweise einem Kfz auftreten, nur einen
geringen Einfluß auf die Schwingung der Biegezunge 1 haben.
Die verwendeten piezoresistiven Widerstandselemente 3 sind
sehr klein und haben daher einen vernachlässigbaren eigenen
Effekt auf die Biegezunge 1.
In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Sensors im Querschnitt gezeigt. Auf einem
Siliziumsubstrat 10 ist wiederum eine Siliziumnitridschicht
15 aufgebracht aus der eine Biegezunge 1 heraus strukturiert
ist. Unterhalb der Biegezunge 1 ist wiederum eine Ätzgrube 2
angeordnet, die sich jedoch im Vergleich zur Ätzgrube 2 nach
der Fig. 1 in eine geringere Tiefe in das Siliziumsubstrat
10 hineinerstreckt. Im Einspannbereich der Biegezunge 1 ist
wiederum ein piezoresistives Widerstandselement 3
angeordnet, welches hier jedoch auf der Oberseite der
Biegezunge 1 gelegen ist. Dabei handelt es sich insbesondere
um ein piezoresistives Widerstandselement aus
polykristallinem Silizium, welches durch einen
entsprechenden Abscheidungs- und Strukturierungsprozeß auf
der Siliziumnitridschicht 15 erzeugt wurde. Das
piezoresistive Widerstandselement 3 ist hier unmittelbar mit
einer Kontaktierung 5 versehen, die beispielsweise durch
eine Metallschicht gebildet wird. Die Oberfläche des
Piezoelements 3 ist noch mit einer dünnen, hier nicht
dargestellten Passivierungsschicht aus Siliziumoxid oder
Siliziumnitrid versehen, die Kontaktöffnungen für die
Kontaktierung vorsieht und ansonsten das Piezoelement gegen
aggressive Medien schützt. Die Kontaktierung 5 bildet hier
sowohl eine Zuleitung wie auch eine Möglichkeit zum Anschluß
von externen Verbindungsdrähten. Es können auch wieder
mehrere Elemente zu einer Brücke verschaltet werden. Auf der
Unterseite des Siliziumsubstrats 10 ist wiederum ein
Piezoschwinger 13 mit Metallisierungen 14 angeordnet.
Aufgrund der größeren Dicke des verbliebenen
Siliziumsubstrats 10 unter der Ätzgrube 2 wird hier die
Schwingungsenergie des Piezoschwingers 13 überwiegend durch
Festkörperschwingungen durch das Siliziumsubstrat 10
übertragen. Der Anteil der Übertragung durch das Meßmedium
ist hier gering. Es handelt sich hierbei um eine alternative
Form der Anregung, bei dem das Meßmedium selber nicht für
die Energieübertragung zwischen den Piezoschwinger 13 und
der Biegezunge 1 benötigt wird.
Claims (9)
1. Sensor insbesondere zur Messung von Viskosität und
Dichte, mit einer Biegezunge (1) die in einem Meßmedium in
Schwingungen versetzbar ist, wobei durch Auswertung der
Schwingungen der Biegezunge (1) eine Untersuchung des
Meßmediums erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Schwingungserzeuger (13) vorgesehen ist, der in mechanischer
Kopplung zur Biegezunge (1) angeordnet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Biegezunge (1) aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Metall oder
einem Mischmaterial aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid und
Metall besteht.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Biegezunge (1) auf einer ersten Seite eines Substrats (10)
über einer Vertiefung (2) und daß der Schwingungserzeuger
(13) auf einer zweiten Seite des Substrats (10) angeordnet
ist.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein piezoresistives Element vorgesehen
ist, durch das eine Auslenkung der Biegezunge (1) meßbar
ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
piezoresistive Element als Dünnfilmelement auf einer
Oberseite der Biegezunge ausgebildet ist.
6. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
piezoresistive Element auf einer Unterseite der Zunge aus
einkristallinem Silizium ausgebildet ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Temperaturmeßelement (16) zur
Messung der Temperatur des Meßmediums vorgesehen ist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (10) als Siliziumsubstrat
mit einer integrierten Signalverarbeitungsschaltung (17)
ausgebildet ist.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß weitere Mittel vorgesehen sind, durch
die die Biegezunge zu Schwingungen mit einer
Geschwindigkeitsresonanzfrequenz oder einer
Amplitudenresonanzfrequenz anregbar ist.
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Effective date: 20140902 |