DE19850803A1

DE19850803A1 - Sensoranordnung und ein Verfahren zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE19850803A1
Application number: DE19850803A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Hahn; Gottfried Flik; Falk Herrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2000-05-11
Also published as: KR20010099776A; JP2003502616A; DE59904192D1; AU1545900A; WO2000026658A1; KR100708223B1; EP1127271B1; EP1127271A1; AU748780B2; US6543274B1

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssigkeit vorgeschlagen, mit einer Anordnung aus mindestens zwei Sensorgrundelementen, von denen mindestens eines mit der Flüssigkeit benetzbar ist und mit elektro-akustischen Wandlern (6) 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 (17) für die Flüssigkeit angeordnet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermitt lung der Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten und ein Verfahren zur Durchführung dieser Ermittlung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Allgemein wird bei einer Dichtemessung die Masse eines bekannten Flüssigkeitsvolumens mit einfachen Messanord nungen ermittelt. Außerdem kann auch die Resonanzverstim mung zur Bestimmung der Dichte in einem von der unter suchten Flüssigkeit durchströmten Rohr in einer akusti schen Messanordnung ermittelt und ausgewertet werden. Zur Viskositätsmessung der Flüssigkeit sind die sogenannte Rotationsviskosimetrie und die Fallkugelviskosimetrie als hinlänglich bekannte Messmethoden anwendbar. Allen ge nannten Methoden ist gemeinsam, daß die beiden Meßgrößen Dichte und Viskosität mit unterschiedlichen Geräten er mittelt werden müssen, die jeweils einen hohen Raumbedarf haben, bei hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit ko stenintensiv sind und zur Messung relativ große Flüssig keitsvolumina benötigen.

Aufgrund einer immer häufiger werdenden Notwendigkeit der Miniaturisierung und Systemintegration besteht ein Bedarf an kompakten und kostengünstigen Geräten zur hochgenauen online-Dichte- und Viskositätsmessung in kleinen Flüssig keitsvolumina, der jedoch mit den heute verfügbaren Meß geräten nicht gedeckt werden kann. Beispiele für eine An wendung sind die Dichte- und Viskositätsmessung bei der Zumessung von Dieselkraftstoffen in Kraftfahrzeugen, die online-Überwachung des Zustandes von Motorölen oder die Entwicklung mikrofluidischer Analysesysteme in der Chemie oder Medizin, beispielsweise zur Untersuchung physiologi scher Medien wie Blut oder Urin oder zur Herstellung pharmazeutischer Produkte.

Mikrosensoren zur Dichte- und Viskositätsmessung von Flüssigkeiten lassen sich aufgrund der zugrunde liegenden Funktionsprinzipien in zwei Kategorien einteilen. Zum ei nen gibt es sogenannte Surface Acoustic Wave-Sensoren (SAW-Sensoren), die unter der Ausnutzung einer Wechsel wirkung zwischen der Ausbreitungsstrecke einer akusti schen Oberflächenwelle oder einer Bulkwelle und der zu untersuchenden Flüssigkeit arbeiten und zum anderen gibt es Sensoren, deren Messwandler aus resonant schwingenden Mikrostrukturen bestehen.

Bei der gattungsgemäßen Sensoranordnung wird von einem bekannten Messprinzip 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 Fach zeitschrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 beschrieben ist. Mit dem hier beschriebenen Mess aufbau ist ein Sensor realisiert, bei dem mit horizontal polarisierten akustischen Scherwellen als Oberflächenwel len gearbeitet wird, sog. Leckwellen (Leakywaves) bzw. Surface Skimming Bulk Wave (SSBW-Wellen) oder Love- Wellen. Diese akustischen Wellenmoden werden mit soge nannten, für sich auch aus dem zuvor erwähnten Stand der Technik bekannten, Interdigitaltransducern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhalten auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das gewünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die eingangs erwähnte gattungsgemäße Sensoranordnung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssig keit ist gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Ver fahrensanspruches in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Diese erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt durch die Ausnutzung des Einflusses von zusätzlichen, gezielt auf der Sensoroberfläche eines Sensorgrundelements einge brachten Störungen in einer Ausbreitungsstrecke für die akustischen Wellen in vorteilhafter Weise eine getrennte Messung von Dichte und Viskosität einer Flüssigkeit in einem Messaufbau mit einer hohen Messgenauigkeit. Bei der eingangs genannten bekannten Anordnung ist dagegen bei einer Messung mit Love-Wellenmoden nur die Erfassung ei nes Dichte-Viskositäts-Produkts möglich.

Für sich gesehen ist ein Viskositäts- und Dichtesensor mit einer sogenannten Quarzmikrowaage (QCM - Quarz Cry stal Microbalance) für die Messung mit Bulkwellen, also nicht mit Oberflächenwellen, bekannt, bei der ähnliche Störungen in Form von Flüssigkeitsfallen angeordnet sind. Beispielsweise ist dies in dem Aufsatz "Measuring Liquid Properties with Smooth- and Textured-Surface Resonators", S.J. Martin et al. aus IEEE, 1993, International Frequency Control Symposium, Seiten 603 bis 608, beschrieben. Hier bei ist beispielsweise die Oberfläche des einen Schwin gers mit senkrecht zur Schwingrichtung ausgerichteten Wällen aus Metall, z. B. Gold, versehen ist. Die Taschen zwischen den Wällen dienen als Flüssigkeitsfallen, wobei die darin befindliche Flüssigkeit die Schwingungsbewegung unabhängig von ihrer Viskosität ausführt.

Bei dieser bekannten Quarzmikrowaage handelt es sich um einen Dickenscherschwinger, der unter Nutzung des inver sen piezoelektrischen Effektes durch flächige Elektroden angeregt wird. Da es in einer Flüssigphase aufgrund der Scherbewegung zu keiner direkten Abstrahlung akustischer Energie kommt, denn Schermoden sind in Flüssigkeiten nicht ausbreitungsfähig, ist die QCM auch zur Flüssig keitsuntersuchung geeignet. Hierbei wird häufig eine Re sonanzfrequenzänderung durch Massenanlagerung gemessen, wobei die QCM als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung dient.

Gemäß der Erfindung wird in vorteilhafter Weise der Ef fekt ausgenutzt, dass es zusätzlich in viskosen Flüssig keiten durch viskose Kopplung zu einer von Viskosität und Dichte der Flüssigkeit bedingten Frequenzverschiebung kommt. Dies kann zur Ermittlung des Dichte-Viskosi tätsprodukts der Flüssigkeit herangezogen werden, wobei jedoch zusätzlich der Dichte- vom Viskositätseinfluss mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau auch trennbar ist und so beide Größen unabhängig voneinander zu messen sind.

Es werden somit in Weiterbildung der gattungsgemäßen An ordnung mindestens zwei in ihrem Aufbau parallel betrie bene Sensorgrundelemente in vorteilhafter Weise verwen det, wobei die Vorteile bei der Verwendung der Oberflä chenwellen, insbesondere der SSB-Wellen oder der Love- Wellen ausgenutzt werden können. Diese sind vor allem ei ne hohe Messempfindlichkeit, die Verwendung von gegenüber der Flüssigkeit geschützten Wandler-Elektroden, eine inerte Oberfläche und eine geringe Querempfindlichkeit.

Gegenüber der Verwendung der bekannten QCM's kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf die galvanische An bringung von Gold verzichtet und die Sensoranordnung ins gesamt in einem halbleiterkompatiblen Fertigungsprozess hergestellt werden. Da das bei der bekannten Anordnung mit QCM's verwendete Gold eine sehr hohe Dichte gegenüber der Flüssigkeit aufweist, kann mit dem erfindungsgemäßen Aufbau, dessen Materialien näher an der Dichte der Flüs sigkeit liegen, auch demgegenüber eine Erhöhung der Mes sempfindlichkeit erreicht werden.

Mit dem beanspruchten Messverfahren kann auf einfache Weise über die Auswertung von Frequenzverschiebungen ein leicht weiterzuverarbeitendes Messsignal gewonnen werden. Die Frequenzverschiebungen des Sensorgrundelements mit den Flüssigkeitsfallen weist zusätzlich zum Einfluss des Dichte-Viskositäts-Produkts eine nur durch die Dichte der Flüssigkeit und das effektive Volumen der Flüssigkeits fallen gegebene Abhängigkeit auf. Werden nun die Fre quenzverschiebungen beider Sensorgrundelemente miteinan der verknüpft, können Dichte und Viskosität der Messflüs sigkeit getrennt ermittelt werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrosensor vor geschlagen, mit dem die Bestimmung von Dichte und Visko sität von Flüssigkeitsvolumina im ml-Bereich mit hoher Auflösung und Messgenauigkeit möglich ist. Dieser Sensor kann mit zur Massenfertigung geeigneten Batchprozessen kostengünstig hergestellt werden, wobei auf aus der Halb leiterfertigung bekannte Verfahren zurückgegriffen wird. Es wird somit eine Zusammenführung der Vorteile der Sen soren, die unter Ausnutzung der Wechselwirkung zwischen der Ausbreitungsstrecke einer akustischen Oberflächenwel le und der zu untersuchenden Flüssigkeit ein Messsignal erzeugen und anderer Sensoren (z. B. Bulk-Mode-Sensoren = QCM) ermöglicht, wobei die jeweils spezifischen Nachteile vermieden sind.

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

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranord nung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Sensoranord nung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer durch die Sensoranordnung strömenden Flüssig keit;

Fig. 2 eine Detailansicht eines Interdigitaltrans ducers zur Erzeugung und Detektion akustischer Wel len;

Fig. 3 bis 5 Anordnungsvarianten der Interdigi taltransducer nach der Fig. 2;

Fig. 6 bis 8 Schnitte durch ein Substrat der Sen soranordnung mit unterschiedlichen Ausführungen der Beschichtung;

Fig. 9 eine detaillierte Draufsicht auf zwei Aus breitungsstrecken der Messflüssigkeit in der Sen soranordnung;

Fig. 10 ein Prinzipschaltbild einer mit der Sen soranordnung gekoppelten Auswerteschaltung und

Fig. 11 eine gegenüber der Fig. 10 erweiterte Aus werteschaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Aus Fig. 1 ist eine Sensoranordnung 1 in einer aufge schnittenen Prinzipdarstellung gezeigt, durch die eine Messflüssigkeit zur Bestimmung ihrer Dichte und ihrer Viskosität von einem Eingang 2 zu einem Ausgang 3 gemäß Pfeil 4 fließt. Hauptbestandteil der vorgeschlagenen Sen soranordnung 1 ist ein einseitig poliertes Substrat 5 aus einem piezoelektrischen Werkstoff, in dem horizontal po larisierte akustische Schermoden von Sensorgrundelementen anregbar und ausbreitungsfähig sind. Als Substratwerk stoffe sind Y-rotierte Quarzschnitte, einige Lithiumni obat- und Lithiumtantalatschnitte sowie entsprechend ge polte piezoelektrische Keramiken geeignet.

Auf der polierten Oberfläche des Substrats 5 befindet sich eine Anordnung aus metallischen Interdigitaltransdu cern (IDT) 6, die anhand von Fig. 2 näher erläutert wer den. Diese Interdigitaltransducer 6 sind beispielsweise aus Aluminium, Titan, Chrom, Gold oder Platin, gegebenen falls auf einer Haftschicht aus Titan oder Silizium und dienen zur Anregung und Detektion der akustischen Ober flächenwellen.

In der Fig. 2 ist einer der Interdigitaltransducer 6 im Detail gezeigt, wobei Wandlerfinger 7 akustische Wellen mit der Wellenlänge 8 (Mittenfrequenz) bei einer Anregung durch eine elektrische Spannung an einem Eingang 9 erzeu gen können. Hierdurch entsteht eine akustische Oberflä chenwelle, d. h. insbesondere eine Scherwelle in der Pola risationsrichtung des Pfeiles 11, mit der Apertur gemäß Pfeil 12. Gemäß eines hier nicht dargestellten Ausfüh rungsbeispiels können die Wandlerfinger 7 auch innerhalb der Periode in zwei Einzelfinger oder auch Splitfinger aufgeteilt sein, so dass λ/8 Finger entstehen. Zwischen der elektrischen und der mechanischen Periode liegt hier der Faktor zwei, so dass eine Beseitigung oder zumindest eine Verminderung innerer Reflexionen und des sog. Tri ple-Transit-Echos (TTE) erreichbar ist.

Die Anordnung der Interdigitaltransducer 6 in der Sen soranordnung 1 gemäß der Fig. 1 kann nach den Ausfüh rungsbeispielen der Fig. 3 bis 5 ausgeführt werden. Bei spielsweise nach der Fig. 3 als Verzögerungsleitung mit einem Sende-IDT 6a, einer Ausbreitungsstrecke 13 und ei nem Empfangs-IDT 6b bzw. nach der Fig. 4 als Zwei- oder nach der Fig. 5 als Eintorresonator mit einem oder zwei IDT 6 und mit Reflektorbänken 14 ausgebildet sein.

Die Sensoranordnung 1 nach der Fig. 1 enthält zwei par allel zueinander angeordnete Grundelemente mit den Inter digitaltransducern 6, wobei allerdings zur vereinfachten Auswertung und verbesserten Temperaturkompensation der Messsignale auch ein drittes paralleles, anhand dieser Figur nicht dargestelltes Sensorgrundelement angeordnet werden kann. Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 neben oder zwischen den Grundelementen mit den IDT 6 auf der Oberfläche des Substrats 5 ein mäander förmiger Dünnschicht-Temperaturwiderstand 15 angeordnet, da insbesondere die Viskosität stark temperaturabhängig ist und somit die Temperatur eine weitere wichtige Mess größe darstellt. Als Material für den Dünnschicht- Temperaturwiderstand 15 kommt hier in vorteilhafter Wei se, das Material wie für die IDT 6 in Frage, nämlich Ti tan/Platin oder Titan/Platin/Titan, wobei die Haftschicht entweder Titan oder auch Silizium sein kann.

Auf dem Substrat 5 nach der Fig. 1 ist oberhalb der Grundelemente mit den IDT 6 eine akustische Wellenleiter schicht 16 angeordnet, die z. B. aus einem Ormocer, aus einer Siliziumverbindung oder einem Polymer bestehen kann, so dass aus dem allgemeinen Schermode (Leckwelle oder SSBW) der akustischen Welle ein sog. Wellenleitermo de (hier eine Love-Welle) wird. Zur Trennung des Dichte einflusses vom Viskositätseinfluss bei der Messung werden oberhalb eines Grundelementes mit den IDT 6 gezielt me chanische Störungen in Form von Flüssigkeitsfallen 17 an geordnet, innerhalb derer die akustische Welle aufgrund der mechanischen Inhomogenität nicht ausbreitungsfähig ist.

Hierzu wird der Bereich vor, über und zwischen den jewei ligen Interdigitaltransducern 6 mit den parallel zur Aus breitungsrichtung der akustischen Welle ausgerichteten Wällen 18 versehen, deren geometrische Anordnungsmöglich keiten anhand von Fig. 6 bis 8 bzw. in der Draufsicht nach Fig. 9 erläutert wird. Diese Flüssigkeitsfallen 17 können hier durch entsprechende Strukturierung einer oberhalb des Interdigitaltransducers 6 befindlichen Schicht 20 als Gräben 22 hergestellt werden, wie in der Fig. 6 gezeigt oder auch, wie nicht gezeigt, als Gruben oder Schwämme. Zwischen der Schicht 20 und den IDT 6 kann zur Haftungsverbesserung und/oder zum Schutz der IDT 6 eine weitere Zwischenschicht 21 vorgesehen werden. Bei der Anordnung nach der Fig. 6 werden die sog. Leckwellen oder SSB-Wellen benutzt.

Wenn es sich um ein sog. Love-Mode-Bauelement handelt, können die Flüssigkeitsfallen nach der Fig. 7 auch durch Einbringung grabenartiger Ätzungen 22 direkt in eine Wel lenleiterschicht 23 erzeugt werden, die ansonsten der Wellenleiterschicht 16 nach der Fig. 1 entspricht. Die Dicke der Wellenleiterschicht 23 oberhalb des zweiten, parallelen Grundelementes mit den IDT 6 ohne die Flüssig keitsfallen kann soweit verringert werden, dass dieselbe Empfindlichkeit beider Grundelemente erreicht wird.

Eine weitere in der Fig. 8 gezeigte Methode der Erzeu gung von Flüssigkeitsfallen 17, bzw. Gräben 22 für Wellen des Love-Moden-Typs besteht in der Aufbringung und an schließenden Strukturierung einer weiteren Flüssigkeits fallenschicht 25 oberhalb der akustischen Wellenleiter schicht 23, eventuell auch unter Verwendung einer zusätz lichen Zwischenschicht 21 als Haftvermittler und/oder als Ätzstopschicht ähnlich des Beispiels nach der Fig. 6. Auf diese Weise wird die Reproduzierbarkeit der Graben tiefe verbessert.

Bei allen Ausführungen kann die hier nicht dargestellte Bildung von Flüssigkeitsfallen 17 durch Anordnung von Gruben mit kreisförmigem oder polygonalem Querschnitt oder einer schwammartigen Oberflächenstruktur, wie oben erwähnt, erfolgen. In allen beschriebenen Fällen kann oberhalb der Flüssigkeitsfallen eine dünne metallische Abschirmschicht 26, die wenige nm bis 100 nm dick sein kann, zur Abschirmung ungewollter, akustoelektrischer Wechselwirkungen zwischen der Messflüssigkeit und der Sensoranordnung 1 vorgesehen werden. Bei dem Ausführungs beispiel nach der Fig. 8 kann die Zwischenschicht 21 au ßerdem besonders vorteilhaft gleichzeitig als Haftver mittler und Ätzstopschicht sowie als Abschirmschicht zwi schen der Wellenleiterschicht 23 und den Flüssigkeitsfal len 22 genutzt werden.

Die grundsätzliche Funktionsweise der zuvor beschriebenen Sensoranordnung 1 wird im folgenden erläutert. Durch An legen einer Wechselspannung an die Elektroden, bzw. Wand lerfinger 7 eines der zuvor beschriebenen Interdigital transducers 6 werden aufgrund des inversen piezoelektri schen Effekts wechselnde mechanische Spannungen im Substrat 5 erzeugt, die eine senkrecht zu den IDT 6 durch das Substrat 5 laufende akustische Scherwelle zur Folge haben.

Ist bei Verwendung von akustischen Wellenleiterschichten, z. B. bei einer Sensoranordnung für akustische Love-Mode- Wellen, die Scherwellengeschwindigkeit in der Wellenlei terschicht 16, 23 niedriger als im Substrat 5, kommt es zu einer Konzentration der akustischen Energie unterhalb und in dieser Schicht (sog. Wellenleitereffekt). Der so entstehende Oberflächenwellentyp wird als Love-Welle be zeichnet. Diese akustischen Wellenleitermoden weisen eine vergrößerte Empfindlichkeit auf, als die allgemeinen Schermoden, jedoch wird durch die Wellenleiterschicht 16, 23 auch die Ausbreitungsdämpfung der Welle beeinflusst. Bei einer Veränderung der Ausbreitungsbedingungen der akustischen Welle werden die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Dämpfung beeinflußt, so dass eine Messung dieser Wellenparameter Aussagen über die einwirkenden Größen liefern.

Befindet sich auf einem Sensorgrundelement mit den IDT 6 ein flüssiges Messmedium, so kommt es zu einer viskosen Kopplung, d. h., eine dünne Flüssigkeitsschicht an der Oberfläche des Sensorgrundelements wird zum Mitmachen der Scherschwingungen gezwungen. Die effektive Höhe der mit schwingenden Flüssigkeitsschicht (Abklinglänge) hängt di rekt von der Viskosität und der Frequenz ab. Die viskose Kopplung bewirkt eine Abnahme der Ausbreitungsgeschwin digkeit der akustischen Welle sowie eine Zunahme der Wel lendämpfung proportional zur Wurzel aus dem Dichte- Viskositätsprodukt.

Befinden sich nun auf der Oberfläche eines der Sensor grundelemente als Flüssigkeitsfallen 17 wirkende Inhomo genitäten, so wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit durch einen zweiten, von der Flüssigkeitsdichte und dem in den Flüssigkeitsfallen 17 eingeschlossenen Flüssigkeitsvolu men abhängigen Einfluss reduziert. Die Änderung der Aus breitungsgeschwindigkeit kann beispielsweise gemessen werden, wenn ein Sensorgrundelement, z. B. mit der Verzö gerungsleitung nach der Fig. 3 oder den Reflektoren 14 nach den Fig. 4 und 5 als frequenzbestimmendes Glied in einer Oszillatorschaltung eingesetzt wird. Die Verän derung der Resonanzfrequenz eines solchen Oszillators ist ein Maß für die Geschwindigkeitsänderung der Welle.

Steht nunmehr auch noch ein Sensorgrundelement mit den IDT 6 zur Verfügung, das nicht der Flüssigkeit als Mess größe ausgesetzt ist, zur Verfügung, können durch Mischen zweier Oszillatorfrequenzen Störgrößen wie z. B. Tempera tureinflüsse kompensiert werden; außerdem steht als Aus gangsgröße direkt das niederfrequente Signal Δf zur Ver fügung.

In Fig. 10 ist ein prinzipielles Ausführungsbeispiel ei nes Schaltungsaufbaus zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Messflüssigkeit mit zwei Oszillator schaltungen 30 und 31 dargestellt. Die Oszillatorfrequenz f₁ eines Grundelementes mit den IDT 6 und Flüssigkeits fallen 17 in der ersten Oszillatorschaltung 30 wird mit der Oszillatorfrequenz f₂ der Oszillatorschaltung 31 ohne Flüssigkeitsfallen in einem Mischer 32 gemischt, wobei die Mischfrequenz Δf am Ausgang eines nachgeschalteten Tiefpasses 33 in guter Näherung ein Maß für die Flüssig keitsdichte ist, da der auf beide Oszillatorschaltungen 30 und 31 wirkende, viskose Einfluss sowie eventuelle wei tere Störgrößen kompensiert werden. Vorausgesetzt ist da bei, dass die Empfindlichkeit gegenüber viskoser Kopplung bei beiden Sensorgrundelemente identisch ist.

Die Viskosität der Messflüssigkeit kann mit der beschrie benen Schaltungsanordnung unter Benutzung der ermittelten Dichte aus der Verschiebung der Frequenz des Sensorgrund elements ohne Flüssigkeitsfallen in der Oszillatorschal tung 31 gegenüber der bekannten Frequenz bei einem Be trieb der Messanordnung ohne eine Messflüssigkeit ermit telt werden. Auf analoge Weise kann als Messgröße hier auch die Dämpfungsänderung herangezogen werden.

Ein weiteres, erweitertes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Erfassung der erforderlichen Messgrößen ist in Fig. 11 gezeigt. In dieser Schaltungs anordnung ist zusätzlich noch eine Oszillatorschaltung 34 mit einer Messstrecke ohne die Durchleitung der Messflüs sigkeit vorhanden, so dass diese Messstrecke als nicht benetztes Referenzelement dient. Diese Anordnung ist ins besondere dann vorteilhaft, wenn die beiden mit der Mess flüssigkeit benetzten Sensorelemente aus technologischen Gründen keine identische Empfindlichkeit gegenüber visko sen Wechselwirkungen aufweisen. Außerdem werden bei die ser Anordnung mögliche Bauelementedriften zur Verbesse rung der Langzeitstabilität homogenisiert.

Aus den Resonanzfrequenzverschiebungen Δf₁ und Δf₂ kann anhand des Aufbaus nach der Fig. 11 bei bekannter Emp findlichkeit der Bauelemente gegenüber Dichte- und Visko sitätsänderungen die Flüssigkeitsdichte und unter Benut zung der somit bekannten Flüssigkeitsdichte aus Δf₂ die Viskosität in der oben beschriebenen Weise ermittelt wer den. Alternativ kann auch hier die Dämpfungsänderung als Messgröße genutzt werden.

Eine dritte, nicht in der Zeichnung dargestellte Ausfüh rungsform weist zwei Sensorgrundelemente auf, die beide mit Flüssigkeitsfallen versehen sind und von denen eines mit der Messflüssigkeit und eines mit Luft in Kontakt ist. Die hier in analoger Weise zu den Ausführungsbei spielen nach den Fig. 9 bis 11 gewonnene Mischfrequenz ist dabei von der Dichte und der Wurzel aus dem Dichte- Viskositäts-Produkt abhängig. Die Dämpfungsdifferenz ist dabei auch das Maß für die Wurzel aus dem Dichte- Viskositäts-Produkt, da eine geringfügige Massezunahme durch die Messflüssigkeit in den Flüssigkeitsfallen eine vernachlässigbare Dämpfungsänderung bewirkt.

Hierbei ist somit eine Dämpfungsmessung unbedingt notwen dig; allerdings ist vorteilhaft, dass nur zwei völlig identische Sensorgrundelemente notwendig sind, bei glei cher Empfindlichkeit, Drift und mechanischer Querempfind lichkeit.

Bezugszeichenliste

1

Achse

2

Verzahnung

3

Zahnrad

4

Zahnrad

5

Sensor

6

Sensor

7

Magnet

8

Magnet

9

Auswerteschaltung

10

Zähne der Verzahnung

2

11

Zähne auf dem Zahnrad

3

12

Zähne auf dem Zahnrad

4

20

Torsionsstab

21

Befestigungsstelle

22

Hülse

23

Verzahnung

24

Zahnrad

Claims

1. Sensoranordnung zur Ermittlung der Dichte und der Vis kosität einer Flüssigkeit, mit

1. einer Anordnung aus mindestens zwei Sensorgrundelemen ten, von denen mindestens eins mit der Flüssigkeit be netzbar ist und mit
2. elektro-akustischen Wandlern (6) in den Sensorgrundele menten zur Erzeugung und Detektion akustischer Oberflä chenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden, aus deren Aus breitungsverhalten entlang einer Messstrecke ein Maß für die Dichte und die Viskosität der Flüssigkeit ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
3. im Bereich mindestens eines der Sensorgrundelemente parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Ober flächenwelle, in der jeweiligen Messstrecke verlaufende Flüssigkeitsfallen (17) für die Flüssigkeit angeordnet sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass

1. die ausgewerteten, akustischen Oberflächenwellen hori zontal polarisierte, akustische Scherwellen des Love- Moden-Typs sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass

1. die ausgewerteten, akustischen Oberflächenwellen hori zontal polarisierte, akustische Scherwellen des SSBW- oder Leckwellen-Typs sind.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass

1. die elektro-akustischen Wandler aus auf einem Substrat (5) angeordneten Interdigitaltransducern (6) gebildet sind, deren Wandlerfinger (7) so ausgebildet sind, dass sich die erforderlichen Wellenmoden mit einer geeigneten Oszillatorfrequenz erzeugen lassen.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

1. jeweils ein Sensorgrundelement als Verzögerungsleitung mit zwei Interdigitaltransducern (6a, 6b) und einer dazwi schenliegenden Ausbreitungs- oder Messstrecke (13) ausge bildet ist.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass

1. jeweils ein Sensorgrundelement als Zweitorresonator mit zwei nebeneinanderliegenden Interdigitaltransducern (6a, 6b) und jeweils außen liegenden Reflektoren (14) aus gebildet ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass

1. jeweils ein Sensorgrundelement als Eintorresonator mit einem Interdigitaltransducer (6) und jeweils außen lie genden Resonatoren (14) ausgebildet ist.

8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

1. die Flüssigkeitsfallen (17) durch Gräben oder Ätzungen (22) in einer entsprechend strukturierbaren Schicht (20) oberhalb der elektro-akustischen Wandler (6), gegebenen falls auf einer Zwischenschicht (21), gebildet sind.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass

1. die Flüssigkeitsfallen (22) durch Gräben oder Ätzungen in einer entsprechend strukturierbaren, akustischen Wel lenleiterschicht (23) oberhalb der elektro-akustischen Wandler (6), gegebenenfalls mit einer äußeren, metalli schen Abschirmung (26), gebildet sind.

10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass

1. die Flüssigkeitsfallen (17) durch Gräben oder Ätzungen in einer entsprechend strukturierbaren Schicht (20) ober halb der elektro-akustischen Wandler (6) gebildet sind und dass
2. eine darunterliegende Zwischenschicht (21) und eine weitere, zwischen der Zwischenschicht (21) und dem elek tro-akustischen Wandler (6) liegende, akustische Wellen leiterschicht (23) vorhanden ist.

11. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

1. die Flüssigkeitsfallen (17) durch parallel zur Ausbrei tungsrichtung der akustischen Welle verlaufende Gräben (22) gebildet sind.

12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass

1. die Flüssigkeitsfallen (17) aus einer Anordnung von Gruben mit kreisförmigem oder polygonalem Querschnitt oder einer schwammartigen Oberflächenstruktur gebildet sind.

13. Verfahren zur Ermittlung der Dichte und Viskosität einer Flüssigkeit mit einer Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

1. mit einer ersten Oszillatorschaltung (30), die ein Sen sorelement mit Flüssigkeitsfallen (17, 22) aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz (f₁) erzeugt wird,
2. mit einer zweiten Oszillatorschaltung (31), die ein Sensorelement ohne Flüssigkeitsfallen aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz (f₂) erzeugt wird, dass
3. aus der Mischfrequenz (Δf) der beiden Oszillatorfrequen zen (f₁) und (f₂) die Dichte der Flüssigkeit ermittelt wird und dass
4. aus der Frequenzverschiebung der Oszillatorfrequenz (f₂) der Oszillatorschaltung (31) bei einer Messung ohne Flüs sigkeit gegenüber der Messung mit Flüssigkeit die Visko sität der Flüssigkeit ermittelt wird.

14. Verfahren zur Ermittlung der Dichte und Viskosität einer Flüssigkeit mit einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

1. mit einer ersten Oszillatorschaltung (30), die ein Sen sorelement mit Flüssigkeitsfallen (17, 22) aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz (f₁) erzeugt wird, dass
2. mit einer zweiten Oszillatorschaltung (31), die ein Sensorelement ohne Flüssigkeitsfallen aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz (f₂) erzeugt wird, dass mit einer dritten Oszillatorschaltung (34), die ein Sensorelement ohne Flüssigkeitsfallen und ohne die zu messende Flüssigkeit aufweist, eine dritte Oszillatorfre quenz (f₃) erzeugt wird, dass
3. aus der Mischfrequenz (Δf₁) der beiden Oszillatorfrequen zen (f₁) und (f₃) und der Mischfrequenz (Δf₂) der beiden Oszil latorfrequenzen (f₂) und (f₃) die Dichte der Flüssigkeit er mittelt wird und dass
4. aus der Mischfrequenz (Δf₂) die Viskosität der Flüssig keit ermittelt wird.

15. Verfahren zur Ermittlung der Dichte und Viskosität einer Flüssigkeit mit einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

1. mit einer ersten Oszillatorschaltung, die ein Sensore lement mit Flüssigkeitsfallen aufweist, eine erste Oszil latorfrequenz (f₁) erzeugt wird, dass
2. mit einer zweiten Oszillatorschaltung, die ein Sensore lement mit Flüssigkeitsfallen und ohne die zu messende Flüssigkeit aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz (f₃) erzeugt wird, dass
3. aus der Mischfrequenz (Δf) der beiden Oszillatorfrequen zen (f₁) und (f₂) ein Messsignal in Abhängigkeit von der Dichte und der Wurzel aus dem Dichte-Viskositäts-Produkt der Flüssigkeit ermittelt wird und dass
4. aus der Dämpfungsdifferenz der beiden Oszillatorfre quenzen (f₁) und (f₂) ein Maß für die Wurzel aus dem Dichte- Viskositäts-Produkt ermittelt wird.