DE19850799A1 - Sensor arrangement for determining physical properties of liquids - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermitt lung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a sensor arrangement for detection the physical properties of liquids the preamble of the main claim.
Es werden beispielsweise mikroakustische Sensoranordnun gen mit sogenannten akustischen SAW- oder Oberflächenwel lenbauelementen (SAW = Surface Acoustic Wave) als Senso ren für verschiedenste physikalische Größen in Flüssig keiten angewandt. Einen wichtigen Bereich bildet hierbei die Messung elektrischer Größen, wie die Dielektrizitäts konstante und/oder die Leitfähigkeit, die Messung mecha nischer Größen, wie z. B. die Dichte und/oder die Viskosi tät.For example, microacoustic sensors are now being used gen with so-called acoustic SAW or surface wel lenbauelemente (SAW = Surface Acoustic Wave) as Senso for various physical quantities in liquid applied. An important area here is the measurement of electrical quantities, such as dielectric constant and / or conductivity, the measurement mecha African sizes, such as B. the density and / or the viscose act.
Bei der bekannten Sensoranordnung wird von einem Mes sprinzip ausgegangen, das beispielsweise in dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors", J. Du, G.L. Hard ling, P.R. Ogilvy und M. Lake in der Fachzeitschrift Sen sors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 be schrieben ist. Mit dem hier beschriebenen Messaufbau ist ein Sensor realisiert, bei dem mit horizontal polarisier ten akustischen Scherwellen gearbeitet wird, sog. Leck wellen bzw. Surface Skimming Bulk Wave (SSBW-Wellen) oder Love-Wellen. Diese akustischen Wellenmoden werden mit so genannten, für sich auch aus dem zuvor erwähnten Stand der Technik bekannten, Interdigitaltransducern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhal ten auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das ge wünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.In the known sensor arrangement is from a Mes based on the principle, for example in the essay "A study of Love-wave acoustic sensors", J. Du, G.L. Hard Ling, P.R. Ogilvy and M. Lake in the journal Sen sors and Actuators A56 (1996), pp. 211 to 219 is written. With the measurement setup described here realized a sensor in which with horizontally polarized acoustic shear waves, so-called leak waves or surface skimming bulk wave (SSBW waves) or Love waves. These acoustic wave modes are so mentioned, for itself also from the previously mentioned state interdigital transducers known in the art and also detected, so that from the propagation behavior the ge desired sensor signal can be obtained.
Insbesondere bei einer Anwendung der Sensoranordnung zur Bestimmung der Qualität von Motor- oder Schmierölen in einem Kraftfahrzeug oder vergleichbaren Maschinen ist es oft notwendig eine Vielzahl von Messgrößen zu gewinnen, um diese als Eingangsgrößen für entsprechende Steuergerä te auszuwerten. Hierbei sind vor allem die Viskosität, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante des Öls von Bedeutung um eine brauchbare Aussage, z. B. zur Überwachung der Ölwechselin tervalle, zu erhalten.In particular when using the sensor arrangement for Determination of the quality of engine or lubricating oils in a motor vehicle or comparable machines often necessary to obtain a large number of measurement parameters, around these as input variables for corresponding control units to evaluate. Here are the viscosity, the temperature, the electrical conductivity and the Dielectric constant of the oil by one useful statement, e.g. B. to monitor the oil change tervalle to get.
Die eingangs erwähnte Sensoranordnung zur Ermittlung von physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten ist nach der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise weitergebildet. Ge mäß der Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine kom pakte Sensoranordnung geschaffen, mit der eine Integrati on verschiedener einzelner Messwertaufnehmer auf einem Substratplättchen bei kostengünstiger Herstellung ermög licht ist. The sensor arrangement mentioned at the outset for determining physical properties of liquids is after the invention with the characterizing features of Main claim further developed in an advantageous manner. Ge According to the invention, a com Compact sensor arrangement created with which an integrati on different individual sensors on one Substrate platelets possible with inexpensive production light is.
Beim der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind in vor teilhafter Weise die elektro-akustischen Wandler, die die akustischen Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmo den erzeugen und detektieren, zusammen mit weiteren Mes sanordnungen angeordnet. Zur Messung der Viskosität der Flüssigkeit wird hier aus dem Ausbreitungsverhalten der akustischen Wellen entlang einer Ausbreitungsstrecke ein entsprechender Messwert in der für sich gesehen bekannten Weise ermittelt. Das Sensorgrundelement ist beispielswei se ein Substrat aus bestimmten Quarz-, Lithiumtantalat- und Lithiumniobatschnitten, die für die eingangs be schriebenen akustischen Schermoden besonders geeignet sind.In the sensor arrangement according to the invention are in front part of the electro-acoustic transducers that the surface acoustic waves with predetermined wave mo generate and detect it, together with other measurements arranged. To measure the viscosity of the Here, liquid becomes from the spreading behavior of the acoustic waves along a propagation path corresponding measured value in the known per se Way determined. The basic sensor element is, for example a substrate made of certain quartz, lithium tantalate and lithium niobate cuts, which are for the beginning written acoustic shear modes are particularly suitable are.
Da die Viskosität der Flüssigkeit in der Regel stark tem peraturabhängig ist, wird nach der Erfindung in vorteil hafter Weise auf dem Substrat benachbart ein tempera turabhängiger Widerstand als Messanordnung zur Tempera turmessung angebracht. Die Leiterbahnstruktur auf dem Substrat ist aus einer Metallisierungsschicht herge stellt, vorteilhafter Weise aus Platin, wobei sowohl der temperaturabhängige Widerstand als auch die Sende- und Empfangsleiterbahnstrukturen des elektro-akustischen Wandlers aus dieser Platinschicht hergestellt werden kann, so dass nur eine einzige Metallisierungsschicht auf dem Substrat notwendig ist. Platin ist hierbei chemisch außerordentlich resistent, so dass auf Abdeckschichten unter Umständen verzichtet werden kann.Since the viscosity of the liquid is usually strongly tem is dependent on temperature, is advantageous according to the invention a tempera adjacent to the substrate resistance as a measurement arrangement for tempera door measurement attached. The trace structure on the The substrate is made of a metallization layer represents, advantageously made of platinum, both the temperature dependent resistance as well as the transmit and Receiving conductor structures of the electro-acoustic Transducer can be made from this platinum layer can, so only a single metallization layer on top the substrate is necessary. Here platinum is chemical extraordinarily resistant, so that on cover layers can possibly be dispensed with.
Eine oberhalb der Metallisierungsschicht auf dem Substrat aufgebrachte dielektrische Schicht kann jedoch auch als akustische Wellenleiterschicht für die elektro akustischen Wandler zusätzlich zur chemischen Passivie rung angeordnet werden. Es ist auch möglich Titan oder Silizium oder andere Zwischenschichten als Haftschicht zwischen dem Substrat und den elektro-akustischen Wand lern sowie zwischen den elektro-akustischen Wandlern und weiteren darüberliegenden Schichten vorzusehen.One above the metallization layer on the substrate applied dielectric layer can, however, also as acoustic waveguide layer for the electro acoustic transducer in addition to chemical passivity be arranged. It is also possible to use titanium or Silicon or other intermediate layers as an adhesive layer between the substrate and the electro-acoustic wall and between the electro-acoustic transducers and to provide further layers above.
Neben den elektro-akustischen Wandlern und dem tempera turabhängigen Widerstand kann in vorteilhafter Weise auch mittels unabgedeckter Elektroden eine Anordnung zur elek trischen Leitfähigkeitsmessung aus der Metallisierungs schicht hergestellt werden. Die Leitfähigkeitsmessung er folgt auf einfache Weise mit einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom, der die Flüssigkeit durchströmt.In addition to the electro-acoustic transducers and the tempera Tur dependent resistance can also advantageously by means of uncovered electrodes an arrangement for elec trical conductivity measurement from metallization layer. The conductivity measurement follows easily with a direct current or a Alternating current that flows through the liquid.
Weiterhin kann in vorteilhafter Weise mittels einer Kon densatorstruktur aus derselben Metallisierungsschicht ei ne Anordnung zur Messung der Dielektrizitätskonstante ge schaffen werden. Die Kondensatorstruktur kann ebenso wie der elektro-akustische Wandler die Form eines Interdigi talkondensators haben und gegebenenfalls durch eine zu sätzliche Isolierschicht abgedeckt werden; es ist aber auch möglich zur besseren Ankopplung an die zu messende Flüssigkeit diesen unabgedeckt einzusetzen, wobei die chemische Resistenz der Metallisierungsschicht ausgenutzt werden kann.Furthermore, can advantageously by means of a con capacitor structure from the same metallization layer ei ne arrangement for measuring the dielectric constant ge will create. The capacitor structure can as well the electro-acoustic transducer is in the form of an interdigi have talc capacitors and if necessary by a additional insulation layer are covered; but it is also possible for better coupling to the one to be measured Liquid to use this uncovered, the chemical resistance of the metallization layer exploited can be.
Auf einfache Weise sind bei der erfindungsgemäßen Anord nung alle Messanordnungen zur Ermittlung der einzelnen physikalischen Größen einzeln kontaktierbar und somit sind alle vier Messverfahren an einer entsprechenden Auswerteelektronik zur sequentiellen Messung mit einem einzigen Substrat durchführbar, was besonders für ferti gungsgünstige Konstruktionsformen ausgenutzt werden kann. Weiterhin ist auch die gute Wärmekopplung auf dem Sub strat vorteilhaft, da bei der Signalauswertung dadurch mit besonders geringen Abweichungen die Temperatur der verschiedenen Messwertaufnehmer zur Verfügung steht, so dass sehr genaue Kompensationsverfahren angewandt werden können. In a simple manner, the arrangement according to the invention All measuring arrangements for determining the individual physical quantities can be contacted individually and thus are all four measurement methods on a corresponding one Evaluation electronics for sequential measurement with one single substrate feasible, which is especially true for ferti favorable construction forms can be used. Furthermore, there is good heat coupling on the sub strat advantageous, because in the signal evaluation with particularly small deviations the temperature of the different sensors are available, so that very precise compensation procedures are used can.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sen soranordnung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die eine schematische Draufsicht auf ein Sub strat mit einzelnen Messwerterfassungsanordnungen zeigt.An embodiment of a Sen according to the invention sensor arrangement is based on the single figure of the drawing explained, which is a schematic plan view of a sub strat with individual measurement value arrangements shows.
Die schematische Ansicht nach der einzigen Figur zeigt den Hauptbestandteil der vorgeschlagenen Sensoranordnung, nämlich ein einseitig poliertes Substratplättchen 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff, in dem horizontal po larisierte akustische Schermoden von einem, über elektri sche Anschlüsse 2 kontaktierbaren Interdigitaltransducer 3 anregbar und in einem Interdigitaltransducer 4 als elektro-akustische Wandler detektierbar sind. Die Funkti onsweise dieser Anordnung, beispielsweise zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, ist beispielsweise in dem eingangs zitierten Stand der Technik "A study of Love-wave acoustic sensors", J. Du, G.L. Hardling, P.R. Ogilvy und M. Lake in der Fachzeitschrift Sensors and Ac tuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 beschrieben. The schematic view of the single figure shows the main component of the proposed sensor arrangement, namely a one-sided polished substrate plate 1 made of a piezoelectric material in which horizontally polarized acoustic shear modes can be excited by an interdigital transducer 3 that can be contacted via electrical connections 2 and in an interdigital transducer 4 as electro-acoustic transducers are detectable. The function of this arrangement, for example for determining the viscosity of a liquid, is, for example, in the prior art cited at the beginning, “A study of love-wave acoustic sensors”, J. Du, GL Hardling, PR Ogilvy and M. Lake in the specialist journal Sensors and Actuators A56 (1996), pages 211 to 219.
Als Substratwerkstoffe für das Substratplättchen 1 sind Y-rotierte Quarzschnitte, einige Lithiumniobat- und Lithiumtantalatschnitte sowie entsprechend gepolte piezo elektrische Keramiken geeignet. Die zuvor beschriebene Messanordnung mit den elektro-akustischen Wandlern zur Messung der Viskosität einer Messflüssigkeit über die Ausbreitung einer Oberflächenwelle und die nachfolgend beschriebenen Messanordnungen sind aus einer Metallisie rungsschicht, vorzugsweise aus Platin, und gegebenenfalls Haftschichten strukturiert. Über den elektro-akustischen Wandlern 3 und 4 kann dabei auch eine hier nicht ersicht liche dielektrische Schicht als akustische Wellenleiter schicht angeordnet werden, die auch eine chemische Passi vierung ermöglicht.Y-rotated quartz cuts, some lithium niobate and lithium tantalate cuts and correspondingly polarized piezoelectric ceramics are suitable as substrate materials for the substrate plate 1 . The measuring arrangement described above with the electro-acoustic transducers for measuring the viscosity of a measuring liquid via the propagation of a surface wave and the measuring arrangements described below are structured from a metallization layer, preferably from platinum, and optionally adhesive layers. Above the electro-acoustic transducers 3 and 4 , a dielectric layer, not shown here, can also be arranged as an acoustic waveguide layer, which also enables chemical passivation.
Weiterhin sind auf dem Substrat 1 Elektroden 5 zur Leit fähigkeitsmessung vorhanden, die mit einem Gleich- oder Wechselstrom beaufschlagt werden. Auf eine Leitfähig keitsmessung könnte jedoch auch in vielen Anwendungsfäl len verzichtet werden. Die Temperaturmessung wird hier über ein ebenfalls aus der Metallisierungsschicht struk turierten Widerstandsmäander 6 durchgeführt. Die Anord nung des Widerstandsmäanders 6 kann dabei auch, in Ab wandlung der dargestellten Form außerhalb der Ausbrei tungsstrecke zwischen den Wandlern 3 und 4 liegen.Furthermore, electrodes 5 for conductivity measurement are present on the substrate 1 and are acted upon by a direct or alternating current. However, conductivity measurement could also be dispensed with in many applications. The temperature measurement is carried out here via a resistance meander 6, which is likewise structured from the metallization layer. The Anord voltage of the resistance meander 6 can also, in conversion from the shape shown outside the expansion path between the transducers 3 and 4 .
Für die Messung der Dielektrizitätskonstante ist eine Kondensatorstruktur 7 vorhanden, die zur besseren Ankopp lung an die zu messende Flüssigkeit entweder unabgedeckt oder mit einer hier gestrichelt gezeichneten Abdeck schicht 8 zur Verbesserung der chemischen Resistenz ver sehen ist. Die Messung der Dielektrizitätskonstante und der Leitfähigkeit kann eventuell auch mit den elektro akustischen Wandlern zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit vorgenommen werden, wobei hierzu lediglich eine andere Anregungsfrequenz als die zur Erzeugung der Oberflächenwelle notwendige Frequenz gewählt wird.For the measurement of the dielectric constant there is a capacitor structure 7 which, for better coupling to the liquid to be measured, is either covered or with a cover layer 8 shown here in broken lines to improve the chemical resistance. The dielectric constant and the conductivity can possibly also be measured with the electroacoustic transducers to determine the viscosity of the liquid, with only a different excitation frequency than the frequency required for generating the surface wave being selected for this purpose.
Die Messflüssigkeit, z. B. das Motoröl eines Kraftfahrzeu ges, fließt zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaf ten an der Substratoberfläche und gegebenenfalls an der Abdeckschicht vorbei und die gewonnenen Messsignale wer den an den Kontaktstellen abgenommen und einer hier nicht dargestellten Auswerteeinrichtung zur Erzeugung der not wendigen Steuer- und/oder Anzeigesignale, z. B. für die Qualität des Motoröls, zugeführt.The measuring liquid, e.g. B. the motor oil of a motor vehicle ges, flows to determine the physical properties ten on the substrate surface and possibly on the Cover layer over and the measurement signals obtained the one removed at the contact points and one not here shown evaluation device for generating the emergency agile control and / or display signals, e.g. B. for the Quality of the engine oil supplied.
Claims (10)
- 1. mit elektro-akustischen Wandlern (3, 4), die akustische Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden erzeugen und detektieren, wobei aus deren Ausbreitungsverhalten entlang einer Ausbreitungsstrecke ein Maß für physikali schen Eigenschaften der Flüssigkeit, insbesondere unter anderem der Viskosität der Flüssigkeit, ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- 2. die Sensoranordnung auf einem Substrat (1) angebracht ist, auf dem Leiterbahnstrukturen derart angeordnet sind, dass neben der Viskosität auch die Temperatur und minde stens auch die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit ermittelbar ist.
- 1. with electro-acoustic transducers ( 3 , 4 ) which generate and detect surface acoustic waves with predetermined wave modes, a measure of the physical properties of the liquid, in particular, inter alia, the viscosity of the liquid, being ascertainable from their propagation behavior along a propagation distance, characterized in that
- 2. the sensor arrangement is mounted on a substrate ( 1 ) on which conductor track structures are arranged such that in addition to the viscosity, the temperature and at least also the dielectric constant of the liquid can be determined.
- 1. neben den elektro-akustischen Wandlern (3, 4) mittels einer Kondensatorstruktur (7) eine Anordnung zur Messung der Dielektrizitätskonstante und mittels eines tempera turabhängigen Widerstandes (6) eine Anordnung zur Tempe raturmessung gebildet ist.
- 1. in addition to the electro-acoustic transducers ( 3 , 4 ) by means of a capacitor structure ( 7 ) an arrangement for measuring the dielectric constant and by means of a temperature-dependent resistor ( 6 ) an arrangement for temperature measurement is formed.
- 1. die elektro-akustischen Wandlern (3, 4) die Kondensator struktur (7) zur Messung der Dielektrizitätskonstante bilden, wobei die Messung bei einer von der Anregungsfre quenz der Oberflächenwellen abweichenden Frequenz er folgt, und mittels eines temperaturabhängigen Widerstan des (6) eine Anordnung zur Temperaturmessung gebildet ist.
- 1. the electro-acoustic transducers ( 3 , 4 ) form the capacitor structure ( 7 ) for measuring the dielectric constant, the measurement being carried out at a frequency deviating from the excitation frequency of the surface waves, and by means of a temperature-dependent resistance of ( 6 ) one Arrangement for temperature measurement is formed.
- 1. mittels unabgedeckter Elektroden (5) eine Anordnung zur elektrischen Leitfähigkeitsmessung angeordnet ist.
- 1. an arrangement for electrical conductivity measurement is arranged by means of uncovered electrodes ( 5 ).
- 1. die Leiterbahnstruktur aus einer Metallisierungsschicht auf dem Substrat (1) herstellbar ist.
- 1. The conductor track structure can be produced from a metallization layer on the substrate ( 1 ).
- 1. die Metallisierungsschicht aus Platin ist, und auf ei ner Haftschicht angeordnet ist.
- 1. the metallization layer is made of platinum and is arranged on an adhesive layer.
- 1. die Metallisierungsschicht auf einer Haftschicht ange ordnet ist.
- 1. the metallization layer is arranged on an adhesive layer.
- 1. oberhalb der Metallisierungsschicht auf dem Substrat (1) eine dielektrische Schicht als akustische Wellenlei terschicht angeordnet ist.
- 1. Above the metallization layer on the substrate ( 1 ), a dielectric layer is arranged as an acoustic waveguide layer.
- 1. alle Anordnung zur Ermittlung der einzelnen physikali schen Größen einzeln kontaktierbar und an eine Auswer teelektronik zur sequentiellen Messung anschließbar sind.
- 1. All arrangements for determining the individual physical parameters can be contacted individually and can be connected to evaluation electronics for sequential measurement.
- 1. die Sensoranordnung in einem Kraftfahrzeug zur Bestim mung der Qualität des Motoröls eingesetzt wird, wobei das Substrat (1) direkt in das zu messende Öl eintauchbar ist.
- 1. the sensor arrangement is used in a motor vehicle for determining the quality of the engine oil, the substrate ( 1 ) being immersed directly in the oil to be measured.
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