DE19850802A1 - Sensoranordnung für die Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten - Google Patents

Sensoranordnung für die Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten

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Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Ermittlung von physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit vorgeschlagen, mit elektro-akustischen Wandlern (6) auf einem Substrat (5), die mit der Flüssigkeit benetzbar sind und zur Erzeugung und Detektion akustischer Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden geeignet sind. Als Substrat (5) wird ein Y-gedrehter Quarzschnitt verwendet und über dem Substrat (5) liegt eine Wellenleiterschicht (16), wobei das Maß der Y-Drehung des Quarzschnittes und das Material der Wellenleiterschicht (16) so gewählt sind, dass sich eine weitgehende Temperaturkompensation im Bereich der Temperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit ergibt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermitt­ lung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es werden beispielsweise Sensoranordnungen mit sog. aku­ stischen SAW- oder Oberflächenwellenbauelementen (SAW = Surface Acoustic Wave) als Sensoren für verschiedenste physikalische Größen, insbesondere in Flüssigkeiten, an­ gewandt. Einen wichtigen Bereich bildet hierbei die Mes­ sung elektrischer Größen, wie die Dielektrizitätskonstan­ te und/oder die Leitfähigkeit, die Messung mechanischer Größen, wie z. B. die Dichte und/oder die Viskosität und die Untersuchung chemischer Eigenschaften, wie z. B. das Vorhandensein spezieller Substanzen in Flüssigkeiten.
Bei einer bekannten Sensoranordnung wird von einem Mes­ sprinzip ausgegangen, das beispielsweise in dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors", J. Du, G.L. Hardling, P.R. Ogilvy und M. Lake in der Fachzeit­ schrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 beschrieben ist. Mit dem hier beschriebenen Messauf­ bau ist ein Sensor realisiert worden, bei dem mit hori­ zontal polarisierten akustischen Scherwellen gearbeitet wird, sog. Leckwellen bzw. Surface Skimming Bulk Wave (SSBW-Wellen) oder Love-Wellen. Diese akustischen Wellen­ moden werden mit sogenannten, für sich auch aus dem zuvor erwähnten Stand der Technik bekannten, Interdigitaltrans­ ducern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Aus­ breitungsverhalten auf einer Ausbreitungs- oder Mess­ strecke das gewünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.
In Abhängigkeit von dem erforderlichen Messaufbau werden unterschiedliche Materialien und Anordnungen für die Sen­ sorelemente verwendet, z. B. ein bestimmtes Substratmate­ rial für die Sensorelemente, eine vorgegebene Wellenaus­ breitungsrichtung, eventuell auch ein spezieller Schicht­ aufbau auf dem Substratmaterial und eine bestimmte Anord­ nung der als elektro-akustische Wandler aufgebauten Sen­ sorelemente. Hierbei treten eine oder mehrere der zuvor genannten, für sich bekannten akustischen Wellenmoden auf, die sich hinsichtlich einer möglichen Messempfind­ lichkeit, Ausbreitungsgeschwindigkeit, einem akustoelek­ trischem Koppelfaktor und einer Anfälligkeit gegenüber Quereffekten usw. unterscheiden und damit die Eignung ei­ nes speziellen Sensortyps für eine spezifische Messaufga­ be bestimmen.
Bei den oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik be­ kannten akustischen Wellenmoden handelt es sich, wie er­ wähnt, um horizontal polarisierte akustische Scherwellen, bei denen eine sich entlang der Oberfläche des Substrats, auf dem sich die elektro-akustischen Wandler befinden, ausbreitende Welle genutzt wird.
Neben der Messempfindlichkeit beim Einsatz von SAW- Bauelementen als Sensoren insbesondere zur Flüssigkeits­ untersuchung ist insbesondere der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis von Bedeutung, z. B. beim Einsatz in flüssigen Medien, wie sie im Kraftfahrzeugbereich ange­ wendet werden (z. B. Öle, Kraftstoffe, Bremsflüssigkeit usw.) tritt dabei eine relativ großer, das Messergebnis beeinflussender Temperaturbereich zwischen -40°C und +150°C auf.
Vorteile der Erfindung
Die eingangs erwähnte gattungsgemäße Sensoranordnung zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften einer Flüs­ sigkeit ist gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weitergebildet.
Diese erfindungsgemäße Sensoranordnung weist in vorteil­ hafter Weise als Substrat einen Y-gedrehten Quarzschnitt auf und besitzt über dem Substrat eine Wellenleiter­ schicht, wobei die Y-Drehung des Quarzschnittes und das Material der Wellenleiterschicht so gewählt sind, dass sich eine weitgehende Temperaturkompensation im Bereich der Temperatur der Flüssigkeit ergibt. Bei den eingangs erwähnten Wellenmoden der akustischen Oberflächenwelle kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die akustische Wellenleitung durch eine auf dem Substrat befindliche akustisch langsame Wellenleiterschicht so beeinflusst wird, dass horizontal polarisierte oberflächennahe Scher­ wellen (SSB-Wellen) oder Leckwellen (Leakywaves) in Ober­ flächenmoden konvertiert werden. Somit wird die Messemp­ findlichkeit gegenüber viskosen, akusto-elektrischen oder gravimetrischen Wechselwirkungen mit der umgebenden Flüs­ sigkeit gezielt erhöht bzw. exakt eingestellt.
Eine Voraussetzung für einen ausgeprägten Wellenleiteref­ fekt ist ein möglichst großer Unterschied zwischen den Scherwellengeschwindigkeiten von Substrat und Wellenlei­ terschicht. Bei z. B. in der Filtertechnik genutzten SAW- Bauelementen werden beispielsweise um 42,75° um die kri­ stallographische X-Achse gedrehte sog. ST-Schnitte von α- Quarzen genutzt. Auf diesem Quarzschnitt können mit Hil­ fe von aus dem eingangs genannten Stand der Technik be­ kannten Interdigitaltransducern SSB-Wellen entlang der gedrehten Z-Ausbreitungsrichtung angeregt werden. Unter Ausnutzung des obengenannten Effektes der akustischen Wellenleitung durch akustisch langsame dielektrische Schichten können diese Moden in Love-Moden konvertiert werden.
Der Temperaturkoeffizient der Love-Moden-Wellen in der eingangs als Stand der Technik genannten Messanordnung liegt bei ca. +30 ppm/K. Da die für Sensoranwendungen ohne Temperaturstabilisierung zu erwartenden Frequenz­ schwankungen hiermit in der Größenordnung der Meßeffekte liegen, wird gemäß der Erfindung der Temperaturkoeffizi­ ent bei der Arbeitstemperatur der Flüssigkeit um minde­ stens eine Größenordnung reduziert.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird als Substrat ein Y-gedrehter Quarzschnitt mit Drehwinkeln zwischen 25° und 36°, und als Wellenleiterschicht eine SiO2-Schicht verwendet. Besonders geeignet sind diese Quarzschnitte mit Drehwinkeln zwischen 25° und 36°, da mit ihnen in Verbindung mit SiO2-Schichten typischer Dic­ ke (0,01 bis 0,25 akustische Wellenlängen) temperaturkom­ pensierte Systeme mit Arbeitstemperaturen zwischen -40°C und +150°C erstellt werden können. Außerdem weisen die SSB-Wellen dieser Quarzschnitte die für Love-Mode-Senso­ ren notwendigen hohen Phasengeschwindigkeiten und Koppel­ faktoren auf.
Bei einer zweiten Ausführungsform wird als Substrat ein Y-gedrehter Quarzschnitt mit Drehwinkeln zwischen 40° und 60° und als Wellenleiterschicht eine Schicht, vor­ zugsweise eine Polymerschicht, mit einem negativen Tem­ peraturkoeffizienten verwendet. Wellenleiterschichten mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, z. B. Poly­ mere aus PMMA, BCB, Ormocere oder Spin-On-Glass, führen in Verbindung mit einem Y-gedrehten Quarzschnitt zu ei­ ner parabolischen Temperaturabhängigkeit der entstehen­ den Love-Mode-Welle und somit zu einer in Richtung nied­ riger Temperaturen verschobenen sog. Turnover-Tempera­ tur.
Dieser Effekt kann somit wie bei der ersten Ausführungs­ form zur Erzeugung eines temperaturkompensierten Systems mit gleichzeitig guten Sensoreigenschaften genutzt wer­ den. Für jeden dieser Quarzschnitte existiert bei gege­ benem Wellenleitermaterial genau eine Schichtdicke, bei der das entstehende Love-Mode-Bauteil bei der vorgesehe­ nen Arbeitstemperatur in erster Ordnung temperaturkom­ pensiert ist.
Bei einer dritten Ausführungsform wird als Substrat ein Y-gedrehter Quarzschnitt, insbesondere mit einem Drehwin­ keln von ca. 48° (±1°), und als Wellenleiterschicht eine z. B. Polymerschicht mit einem näherungsweise linea­ rem negativen Temperaturkoeffizienten verwendet. Dieser Quarzschnitt des Substrats weist einen gegen Null gehen­ den quadratischen Temperaturkoeffizienten auf, so dass in Verbindung mit einer Schicht mit linearem negativem Tem­ peraturkoeffizienten bei einer Wahl der richtigen Schichtdicke eine in guter Näherung in erster und zweiter Ordnung temperaturkompensierte Sensoranordnung erstellt werden kann. Weiterhin zeigen diese Anordnungen bei den zur Temperaturkompensation erforderlichen Schichtdicken eine sehr hohe Empfindlichkeiten gegenüber viskosen und gravimetrischen Wechselwirkungen, so dass sie besonders gut für einen Sensoreinsatz geeignet sind.
Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung wird die Sen­ soranordnung in einem Kraftfahrzeug zur Bestimmung der Qualität des Motoröls oder anderer Betriebsflüssigkeiten eingesetzt, wobei das Substrat direkt in das zu messende Öl eintauchbar ist.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun­ gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen, ein­ schließlich der rückbezogenen Unteransprüche, 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.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sen­ soranordnung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zei­ gen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Sensoranord­ nung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer durch die Sensoranordnung strömenden Flüssig­ keit;
Fig. 2 einen Detailschnitt durch ein Substrat mit einem Interdigitaltransducer als elektro-akustischen Wandler und einer darüber liegenden Wellenleiter­ schicht;
Fig. 3 ein Diagramm der Temperaturgänge von SSB- Wellen auf verschiedenen Quarzschnitten des Sub­ strats und
Fig. 4 ein Diagramm der sog. Turnover-Temperatur von Love-Moden-Wellen in Abhängigkeit von der Schichtdicke der Wellenleiterschicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Aus Fig. 1 ist beispielhaft zur Anwendung der Erfindung eine Sensoranordnung 1 in einer aufgeschnittenen Prinzip­ darstellung gezeigt, durch die eine Messflüssigkeit zur Bestimmung ihrer Dichte und ihrer Viskosität von einem Eingang 2 zu einem Ausgang 3 gemäß Pfeil 4 fließt. Haupt­ bestandteil der vorgeschlagenen Sensoranordnung 1 ist ein einseitig poliertes Substrat 5 aus einem piezoelektri­ schen Werkstoff, in dem horizontal polarisierte akusti­ sche Schermoden von Sensorgrundelementen anregbar und ausbreitungsfähig sind. Als Substratwerkstoffe sind Y- rotierte Quarzschnitte, einige Lithiumniobat- und Lithi­ umtantalatschnitte sowie entsprechend gepolte piezoelek­ trische Keramiken geeignet.
Auf der polierten Oberfläche des Substrats 5 befindet sich eine Anordnung aus metallischen Interdigitaltransdu­ cern (IDT) 6. Diese Interdigitaltransducer 6 dienen zur Anregung und Detektion der akustischen Oberflächenwellen.
Auf dem Substrat 5 ist nach der Fig. 1 und der Detail­ darstellung nach Fig. 2 oberhalb der Sensorgrundelemente mit den IDT 6 eine akustische Wellenleiterschicht 16 an­ geordnet, die z. B. aus einem Ormocer, aus einer Silizium­ verbindung oder einem Polymer bestehen kann, so dass aus dem allgemeinen Schermode (Leckwelle oder SSBW) der aku­ stischen Welle ein sog. Wellenleitermode (hier eine Love- Mode-Welle) wird.
Durch eine geeignete Wahl der Werkstoffe des Substrats 5 und der Wellenleiterschicht 16 nach den Fig. 1 und 2 kann eine optimale Temperaturkompensation in der Sen­ soranordnung erreicht werden, insbesondere sollte das Temperaturverhalten der akustischen Wellenmoden bei einer Betriebstemperatur, z. B. bei ca. 25C° oder einer anderen Temperatur im Bereich von -40°C und +150°C, optimiert werden können. Das Temperaturverhalten dieser Wellenmoden weist einen parabolischen Verlauf auf, wobei es ein Ziel der Werkstoffauswahl sein soll, den Scheitelpunkt der Temperaturkurve (Turnover-Temperatur) auf die Betrieb­ stemperatur zu legen, da somit die Temperaturveränderung den geringsten Einfluss auf die Schwingfrequenz der An­ ordnungen haben. Der Temperaturkoeffizient einer Love- Mode-Welle kann hierbei durch eine Überlagerung der Tem­ peraturkoeffizienten des Substrats 5 und der Wellenlei­ terschicht 16 und beschrieben werden. Bei richtiger Aus­ wahl von Substrat- und Schichtmaterial kann so das Tempe­ raturverhalten optimiert werden.
Das Temperaturverhalten der erwähnten Wellenmoden ist für verschiedene Y-gedrehte Quarzschnitte (im Bereich von 30° bis 55°) in Fig. 3 dargestellt, hier ausgedrückt durch die auf die Betriebstemperatur, meist 25°C, normierte Frequenzverschiebung; das Temperaturverhalten weist einen parabolischen Verlauf auf.
Beispielsweise kann als Substrat 5 ein Y-gedrehter Quarz­ schnitt, insbesondere mit Drehwinkeln zwischen 25° und 36° und als Wellenleiterschicht 16 eine SiO2-Schicht, de­ ren Dicke entsprechend der geforderten Sensitivität ge­ wählt ist, verwendet werden. Hier ergibt sich im Bereich einer Arbeitstemperatur von -40° bis +150° ein in erster Ordnung temperaturkompensiertes System. Eine SiO2-Schicht weist im Gegensatz zu vielen anderen Werkstoffen einen positiven, annähernd linearen Temperaturkoeffizienten auf. Wird eine solche Schicht auf einem Y-gedrehten Quarzschnitt zur Erzeugung von Love-Mode-Wellen verwen­ det, ist der Temperaturgang der entstehenden Moden wie der der zugrundeliegenden SSB-Welle parabolisch, jedoch mit einer in Richtung höherer Temperaturen verschobenen Turnover-Temperatur. Wie stark die Turnover-Temperatur verschoben wird hängt von der auf die akustische Wellen­ länge bezogenen Schichtdicke ab. Dieser Zusammenhang ist für die Quarzschnitte mit einer Y-Rotation von 30°, von 33° und von 36° in Fig. 4 dargestellt.
Wird ein Quarzschnitt verwendet, bei dem die Turnover- Temperatur der SSB-Welle deutlich unterhalb der Betrieb­ stemperatur liegt, kann in Verbindung mit einer SiO2- Schicht die Turnover-Temperatur der Love-Mode-Welle auf die Betriebstemperatur verschoben werden, was einer Kom­ pensation des Temperaturkoeffizienten erster Ordnung ent­ spricht. Das Maß der Turnover-Temperatur-Verschiebung hängt, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, von der normier­ ten Wellenleiterschichtdicke ab und diese bestimmt wie­ derum die Sensitivität des Love-Mode-Sensors. Für jede durch die spezielle Sensorfunktion bestimmte Wellenlei­ terschichtdicke und Arbeitstemperatur kann ein Quarz­ schnitt gefunden werden, der zu einem temperaturkompen­ sierten Sensorelement führt.
Bei einem anderen Beispiel kann als Substrat 5 ein Y- gedrehter Quarzschnitt, insbesondere mit Drehwinkeln zwi­ schen 40° und 60° und als Wellenleiterschicht 16 eine Schicht mit negativem Temperaturkoeffizienten, deren Dic­ ke entsprechend der geforderten Sensitivität gewählt ist, verwendet werden. Auch hier ergibt sich im Bereich einer Arbeitstemperatur von -40° bis +150° ein in erster Ord­ nung temperaturkompensiertes System.
Bei einem dritten Beispiel kann als Substrat 5 ein Y- gedrehter Quarzschnitt mit einem Drehwinkeln von 48° ±1° und als Wellenleiterschicht 16 eine Schicht mit nähe­ rungsweise linearem, negativen Temperaturkoeffizienten, deren Dicke entsprechend der geforderten Sensitivität ge­ wählt ist, verwendet werden. Hier ergibt sich im Bereich einer Arbeitstemperatur von -40° bis +150° ein in erster und zweiter Ordnung temperaturkompensiertes System.

Claims (6)

1. Sensoranordnung zur Ermittlung von physikalischen Ei­ genschaften einer Flüssigkeit, mit
  • 1. einer Anordnung aus auf einem Substrat (5) aufgebrach­ ten elektro-akustischen Wandlern (6), die mit der Flüs­ sigkeit benetzbar sind zur Erzeugung und Detektion aku­ stischer Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden, aus deren Ausbreitungsverhalten entlang einer Messstrecke ein Maß für die physikalischen Eigenschaften ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
  • 2. als Substrat (5) ein Y-gedrehter Quarzschnitt verwendet wird und über dem Substrat (5) eine Wellenleiterschicht (16) angeordnet ist, wobei das Maß der Y-Drehung des Quarzschnittes und das Material der Wellenleiterschicht (16) so gewählt sind, dass sich eine weitgehende Tempera­ turkompensation im Bereich der Temperatur der zu untersu­ chenden Flüssigkeit ergibt.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass
  • 1. als Substrat (5) ein Y-gedrehter Quarzschnitt mit einem Drehwinkel zwischen 25° und 36° und als Wellenleiter­ schicht (16) eine SiO2-Schicht verwendet wird.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass
  • 1. als Substrat (5) ein Y-gedrehter Quarzschnitt mit einem Drehwinkel zwischen 40° und 60° und als Wellenleiter­ schicht (16) eine Schicht mit einem negativen Temperatur­ koeffizienten verwendet wird.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass
  • 1. als Substrat (5) ein Y-gedrehter Quarzschnitt mit einem Drehwinkeln von ca. 48° und als Wellenleiterschicht (16) eine Schicht mit einem näherungsweise linearem negativen Temperaturkoeffizienten verwendet wird.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass
  • 1. die Wellenleiterschicht (16) eine Polymerschicht ist.
6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass
  • 1. die Sensoranordnung in einem Kraftfahrzeug zur Bestim­ mung der Qualität des Motoröls oder anderer Betriebsflüs­ sigkeiten eingesetzt wird, wobei das Substrat (1) direkt in das zu messende Öl eintauchbar ist.
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