DE19804326A1

DE19804326A1 - Sensor insbesondere zur Messung der Viskosität und Dichte eines Mediums

Info

Publication number: DE19804326A1
Application number: DE19804326A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Hahn; Gottfried Dr Flik; Falk Herrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: US6269686B1; DE19804326B4; JPH11271207A; JP4388614B2

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnungen

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.

Beschreibung

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

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.