DE4130197A1 - Stroemungssensoreinrichtung mit einer mechanisch resonanzfaehigen struktur - Google Patents
Stroemungssensoreinrichtung mit einer mechanisch resonanzfaehigen strukturInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungssensoreinrichtung
mit mindestens einer mechanisch resonanzfähigen Struktur, die
bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage aufgrund einer von
einer Strömung eines flüssigen Mediums hervorgerufenen Kraft
einwirkung ein von der Auslenkung abhängiges elektrisches Si
gnal erzeugt.
Zur Strömungsmessung in flüssigen Medien werden verschiedene
Sensorprinzipien eingesetzt. Verbreitet sind Einrichtungen zur
Strömungsmessung außerhalb eines das flüssige Medium führenden
Rohres, bei denen Laufzeitunterschiede von induzierten Schall
wellen, insbesondere Ultraschallwellen, an verschiedenen Orten
ausgenutzt werden, an denen sich entsprechende Detektoren be
finden (vgl. z. B. u. w. Bonfig u. a.: "Durchflußmessung von
Flüssigkeiten und Gasen", Expert-Verlag 1990, Seiten 67 bis
80). Bei dieser Meßmethode muß jedoch eine beträchtliche Rohr
länge zum Aufbau eines Detektionssystems zur Verfügung stehen,
um eine hinreichend große Empfindlichkeit des Detektionssy
stems zu erreichen. Ferner ist es bekannt, direkt in ein strö
mendes Medium Strömungssensoren einzubringen. Solche Sensoren
können beispielsweise piezoelektrische Elemente und Transducer
auf Biegebalken sein (vgl. z.E. "Proc. of the IEEE", Vol. 70,
No. 5, Mai 1982, Seiten 420 bis 457). Dabei können diese Ele
mente insbesondere ein mechanisch resonantes System bilden,
auf dem Ultraschallkomponenten verteilt angeordnet sind. Aus
der durch das strömende Medium hervorgerufenen Verstimmung der
Resonanzfrequenz läßt sich dann auf die Strömung des Mediums
schließen. Bei diesen in das Medium direkt eingebrachten De
tektionssystemen besteht jedoch die Schwierigkeit, daß sowohl
das System als auch dessen elektrische Zuleitungen selbst dem
flüssigen Medium ausgesetzt wären und dementsprechend gekapselt
sein müssen. Diese Maßnahme setzt jedoch die Empfindlich
keit der Sensoren herab. Außerdem reagieren solche Sensoren
nicht hinreichend auf Dichteschwankungen und Temperaturunter
schiede in dem strömenden Medium.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Sensor
einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend
auszugestalten, daß sie einen kompakten Aufbau eines in das
Medium direkt einzusetzenden Strömungssensors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in
das strömende Medium direkt eingebrachte mindestens eine Sen
sorstruktur ein beidseitig eingespanntes Biegeelement enthält,
das eine dünne magnetostriktive Schicht aus einem weichmagne
tischen Material mit einer ausgeprägten Magnetostriktion und
einer vorbestimmten Anisotropiefeldstärke aufweist, und daß
Mittel zur Erfassung von durch die Krafteinwirkung hervorge
rufenen Permeabilitätsänderungen der magnetostriktiven Schicht
vorgesehen sind.
Durch das strömende Medium wird die mechanisch resonante
Struktur, die vorteilhaft nach den Methoden der Mikromechanik
hergestellt werden kann (vgl. die genannte Literaturstelle aus
"Proc. IEEE"), zu Vibrationen und damit zu mechanischen Ver
spannungen angeregt. Dabei ist der Zusammenhang zwischen der
mechanischen Spannung σ mit der Viskosität η des Mediums und
dem Geschwindigkeitsgradienten durch folgende Beziehung
gegeben:
wobei n = 1 im Falle Newton′scher Fluide gilt. z ist die Weg
koordinate in Strömungsrichtung. Diese mechanischen Spannun
gen σ übertragen sich auf die dünne weichmagnetische Schicht
und verändern deren Permeabilität µ. Diese Permeabilitätsver
änderung Δμ wird dann in an sich bekannter Weise detektiert
(vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-23, Nr. 5, September
1987, Seiten 2194 bis 2196). Die Permeabilitätsänderung Δμ
ist mit der durch das strömende Medium erzeugten mechanischen
Spannung σ über die Änderung der effektiven Anisotropiekon
stanten ΔKe folgendermaßen gekoppelt:
Hierbei ist die effektive Anisotropiekonstante Ke mit der in trinsischen
Anisotropie K₀ und dem Produkt aus Magnetostriktion
λs und mechanischer Spannung σ durch folgende Beziehung
verknüpft:
Ke = K₀ - 3 · λs · σ .
Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Sensoreinrich
tung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen,
daß solche Einrichtungen in großer Stückzahl und mit hoher Re
produzierbarkeit angefertigt werden können. Dabei lassen sich
alle erforderlichen elektrischen Zuleitungen in einem die Ein
richtung aufnehmenden Substrat versenken oder Durchkontaktie
ren, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung z. B. in eine Wan
dung eines das strömende Medium führenden Rohres integriert
werden kann. Das schwingungsfähige magnetostriktive Biegeele
ment als eigentliches Sensorelement bedarf dabei keiner zu
sätzlichen Stromquelle zur Anregung einer erzwungenen Schwin
gung, wie dies insbesondere bei piezoelektrischen Elementen
der Fall ist. Außerdem kann das Biegeelement bei geeigneter
Materialwahl auch aggressiven Medien ausgesetzt werden, ohne
daß die Empfindlichkeit durch besondere Kapselungsmaßnahmen
wie etwa im Falle kapazitiver Schaltungen darunter leidet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorein
richtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf
die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch ei
ne Sensorstruktur einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in
Schrägansicht veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt schematisch
eine Aufsicht auf eine weitere Sensoreinrichtung. In den Figu
ren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen.
Der in Fig. 1 skizzierte Teil einer erfindungsgemäßen Sensor
einrichtung 2 weist eine schmale Sensorstruktur auf, die me
chanisch zu Schwingungen angeregt werden kann, deren Schwin
gungsspektrum mindestens einen Resonanzbereich zeigt. Diese
somit mechanisch resonanzfähige Struktur soll insbesondere für
einen Resonanzbetrieb ausgelegt, d. h. mechanisch resonant
sein. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
Sensorstruktur im wesentlichen von einem schwingungsfähigen,
brückenförmig ausgestalteten Biegeelement 3 gebildet. Die
Brücke dieses beidseitig befestigten (eingespannten) Biegeele
mentes wird unter Einwirkung einer externen Kraft k, die von
der Strömung eines flüssigen Mediums M in Strömungsrichtung
längs der Brücke hervorgerufen wird, gegenüber ihrer darge
stellten Ausgangslage in Strömungsrichtung geschert und dabei
zu Schwingungen angeregt. Ein solches brückenförmiges Biege
element 3 kann vorteilhaft nach bekannten Verfahren der Sili
zium-Mikrostrukturtechnik hergestellt werden (vgl. die genann
te Literaturstelle aus "Proc. IEEE" oder "Sensors and
Actuators", Vol. 19, 1989, Seiten 289 bis 307). Hierzu wird
von einem Substrat 4, vorzugsweise von einem Si-Wafer mit
(100)-Orientierung ausgegangen. Auf das Substrat 4 wird zu
nächst ein Hilfskörper z. B. aus SiO2 mit trapezförmigem Quer
schnitt aufgebracht, um den Hohlraum unter der auszubildenden
Brücke provisorisch auszufüllen. Danach wird der gesamte Auf
bau aus Substrat und Hilfskörper mit einer Haft- bzw. Träger
schicht 5 für eine Schicht 6 aus einem besonderen magneto
striktiven, weichmagnetischen Material versehen. Die Schicht 5
ist erforderlich, da mit den zu verwendenden magnetostriktiven
Materialien selbst keine hinreichend festen Biegeelemente her
zustellen sind. Die Trägerschicht 5 kann vorteilhaft aus Si3N4
bestehen und eine Dicke d1 besitzen, die z. B. zwischen 50 und
500 nm, insbesondere zwischen 100 und 200 nm liegt und bei
spielsweise 150 nm beträgt. Auf diese Schicht 5 ist die magne
tostriktive Schicht 6 aufgebracht, deren Dicke d2 z. B. zwi
schen 50 nm und 1 µm, vorzugsweise zwischen 100 und 500 nm
liegt und beispielsweise 250 nm beträgt. Mittels bekannter
photolithographischer Verfahren (vgl. z. B. die genannte Lite
raturstelle aus "Proc. IEEE", insbesondere Seite 425) wird nun
der Schichtaufbau aus den Schichten 5 und 6 so strukturiert,
daß sich eine verhältnismäßig schmale, brückenförmige Gestalt
des Biegeelementes ergibt, wobei seitlich von dem Biegeelement
und unter der Brücke das Si des Substrates freigelegt wird und
der provisorische Hilfskörper wieder verschwindet. Darüber
hinaus kann man das nun freiliegende Si-Substrat 4 in einem
Medium ätzen, das bekanntermaßen anisotrop wirkt. Hierdurch
läßt sich in dem Substrat unter der Brücke des Biegeelementes
eine Ausnehmung 8 erzeugen, die eine verhältnismäßig große
Schwingungsamplitude des Elementes senkrecht zur Strömungs
richtung des Mediums und senkrecht zum Substrat ermöglicht.
Die Breite b des brückenartigen Biegeelementes 3 quer zur
Strömungsrichtung liegt im allgemeinen zwischen 1 µm und
200 Um, beispielsweise bei 50 µm, während die freie Spannweite
w des Brückenbogens häufig zwischen 1 und 5 mm liegt und bei
spielsweise 2 mm betragen kann. Als größte Höhe h des Brücken
bogens über der Oberflächenebene des Si-Substrates 4 wird im
allgemeinen ein Bereich zwischen 0,1 mm und 1 mm, beispiels
weise 0,5 mm vorgesehen.
Die Geometrie des Biegeelementes, insbesondere die Brückenhö
he h und die Spannweite w, sowie die magnetischen Eigenschaf
ten der weichmagnetischen Schicht 6 bestimmen im wesentlichen
die Empfindlichkeit des Biegebalkens als Strömungssensor. Als
Material für die Schicht 6 sind solche geeignet, die eine aus
geprägte Magnetostriktion λ5 mit einem Betrag von mindestens
20·10-6, vorzugsweise mindestens 30·10-6 aufweisen. Außerdem
sollte insbesondere im Hinblick auf eine einfache und eindeu
tige Signalgewinnung das Material weichmagnetische Eigenschaf
ten (mit einer intrinsischen Koerzitivfeldstärke Hci von unter
10 A/cm) und eine ausgeprägte uniaxiale Anisotropie aufweisen,
um so eine zumindest weitgehend hysteresisfreie Magnetisie
rungskurve zu gewährleisten. Dabei kann vorteilhaft die in der
Figur durch eine gepfeilte Linie 10 veranschaulichte Achse
(Richtung) der leichten Magnetisierung in der Schichtebene und
quer zur Strömungsrichtung des Mediums M liegen. Diese magne
tischen Eigenschaften können insbesondere von amorphen Mate
rialien erfüllt werden (vgl. z. B. "Elektronik", Heft 22,
30.10.1987, Seiten 99 bis 112). Ein konkretes Beispiel eines
geeigneten Materials für die Schicht 6 ist das
(CoxFe1-x)80B20 (vgl. z. B. das von F. E. Luborsky herausgege
bene Buch "Amorphous Metallic Alloys", London: Butterworth,
1983, Seiten 271 bis 278). Je nach vorgesehenem flüssigem
Medium lassen sich dabei (auch andere) Materialien einsetzen,
die von dem jeweiligen Medium nicht angegriffen werden.
Zum Nachweis einer Permeabilitätsänderung infolge einer Ver
spannung (Scherung) des brückenartigen Biegeelementes 3 durch
das strömende Medium M läßt sich in an sich bekannter Weise
vornehmen. Besonders vorteilhaft und einfach ist es, wenn man
die folgende Meßmethode durchführt: An eine Seite des Biege
elementes wird ein externes magnetisches Wechselfeld mit einer
Frequenz zwischen 50 Hz und 10 kHz, insbesondere unter 1 kHz,
beispielsweise mit 50 oder 60 Hz mittels einer entsprechenden
Spule angelegt. Der damit erzeugte magnetische Fluß wird dann
über das weichmagnetische Material der magnetostriktiven
Schicht auf die andere Seite des Biegeelementes übertragen, wo
er in einer zweiten Spule eine entsprechende Spannung indu
ziert. Wird nun durch die Scherung des Biegeelementes die Per
meabilität des weichmagnetischen Materials geändert bzw. die
magnetische Polarisation in der magnetostriktiven Schicht ge
dreht, so ändert sich auch die mit der zweiten Spule detek
tierte Spannung. Diese Spannungsänderung ist also ein Maß für
die Scherung des brückenförmigen Biegeelementes und damit für
die von der Strömung des flüssigen Mediums an dem Biegeelement
verursachte Kraft k. Die benötigten Spulen können insbesondere
in Planartechnik durch photolithographische Methoden in be
kannter Weise hergestellt werden.
Vorteilhaft ist es auch, zwei derartige brückenartige Biege
elemente parallel zueinander anzuordnen, bei denen die anre
genden Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind. Ein ent
sprechendes Ausführungsbeispiel ist aus der Aufsicht der Fig.
2 ersichtlich. Bei einer derartigen Ausführungsform werden die
Empfindlichkeit erhöht und etwaige Temperatur- und Alterungs
effekte minimiert. Ferner besteht die Möglichkeit, die Strö
mungsrichtung des Mediums M zusätzlich zu detektieren. Dies
ist jedoch mit einem erhöhten Aufwand hinsichtlich einer er
forderlichen Auswerte-Elektronik verbunden.
Die Fig. 2 zeigt zwei eine Ausnehmung 8 in einem Si-Substrat
überbrückende Biegeelementes 3 und 3′ gemäß Fig. 1. Außerhalb
des Brückenbereiches sind die auf der Si-Oberfläche liegenden
einen Endstücke 11 und 11′ der streifenförmigen, magnetostrik
tiven Schichten 6 und 6′ jeweils von einer in Planartechnik
erstellten felderzeugenden Spule 12 bzw. 12′ umgeben. Diese
Spulen sind dabei so zusammengeschaltet, daß die von ihnen er
zeugten magnetischen Wechselfelder H bzw. H′ antiparallel ge
richtet sind. Die Richtung der leichten Magnetisierung (magne
tischen Polarisation) in jedem Biegeelement ist im strömungs
losen Fall durch mit gepfeilten Linien 10 bzw. 10′ angedeutet.
An den Endstücken 11 und 11′ gegenüberliegenden Endstücken 14
bzw. 14′ der streifenförmigen magnetostriktiven Schichten 6
und 6′ befinden sich ebenfalls in Planartechnik erstellte De
tektionsspulen 15 und 15′ . An diesen Spulen werden bei einer
Verspannung der brückenartigen Biegeelemente 3 und 3′ unter
Einwirkung einer Kraft des strömenden Mediums M aufgrund von
Permeabilitätsänderungen Spannungsänderungen ΔU bzw. ΔU′
hervorgerufen (induziert). Hierbei drehen sich die die Rich
tungen der leichten Magnetisierung andeutenden Pfeile 10 und
10′ in die jeweils punktiert veranschaulichte Lage. Die an den
Spulen 15 und 15′ detektierten Spannungsänderungen sind ein
Maß für die Scherung der Biegeelemente und damit für die von
dem strömenden Medium M auf die brückenförmigen Biegeelemente
3 und 3′ ausgeübten Kräfte. Aus diesen Kräften läßt sich auf
die jeweiligen Strömungsverhältnisse rückschließen. Eine hier
für erforderliche, den Spulen 15 und 15′ nachzuordnende Elek
tronik ist an sich bekannt und deshalb in der Figur nicht aus
geführt.
Verwendet man für die beiden Biegeelemente 3 und 3′ nach Art
der Fig. 2 unterschiedliche Materialien für deren magneto
striktive Dünnschichten 6 und 6′, deren Temperaturkoeffizien
ten sich unterscheiden, so läßt sich durch eine geeignete
elektronische Auswertung neben dem Strömungszustand auch der
Temperaturzustand des Mediums detektieren.
Abweichend von der Anordnung der beiden Biegeelemente 3 und 3′
nach Fig. 2 ist es auch möglich, diese beiden Elemente nicht
parallel, sondern unter einem vorbestimmten Winkel zueinander,
z. B. unter einem rechten Winkel anzuordnen. Auf diese Weise
lassen sich auch Strömungen oder Strömungskomponenten erfas
sen, die nicht genau in der Ausdehnungsrichtung der einzelnen
Elemente gerichtet sind.
Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen wurde davon aus
gegangen, daß die Biegeelemente von erfindungsgemäßen Sensor
einrichtungen sich brückenartig über Ausnehmungen eines Sub
strates erstrecken. Selbstverständlich ist es auch möglich,
solche Biegeelemente an entsprechenden Erhebungen eines Trä
gerkörpers auszubilden. Bei hinreichender Brückenhöhe h kann
gegebenenfalls auch auf eine Ausnehmung oder Erhebung verzich
tet werden. Auch andere geometrische Formen als die darge
stellte Brückenform sind für Biegeelemente denkbar, sofern das
strömende Medium eine Verspannung des Elementes bewirkt. So
kann z. B. ein zumindest weitgehend gerades, streifenförmiges
Biegeelement über eine Ausnehmung verlaufen, wobei die Strömung
des Mediums senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung des Ele
mentes verläuft. Ferner braucht die Richtung der Achse der
leichten Magnetisierung nicht unbedingt in der Ebene der ma
genetostriktiven Schicht zu liegen. Es ist jedoch stets von
Vorteil, wenn diese Achse zumindest annähernd senkrecht zur
Srömungsrichtung gerichtet ist.
Claims (12)
1. Strömungssensoreinrichtung mit mindestens einer mechanisch
resonanzfähigen Struktur, die bei einer Auslenkung aus einer
Ausgangslage aufgrund einer von der Strömung eines flüssigen
Mediums hervorgerufenen Krafteinwirkung ein von der Auslenkung
abhängiges elektrisches Signal erzeugt, dadurch
gekennzeichnet, daß die in das strömende Medium
(M) direkt eingebrachte mindestens eine Sensorstruktur ein
beidseitig eingespanntes Biegeelement (3, 3′) enthält, das ei
ne dünne magnetostriktive Schicht (6, 6′) aus einem weichma
gnetischen Material mit einer ausgeprägten Magnetostriktion
und einer vorbestimmten Anisotropiefeldstärke aufweist, und
daß Mittel zur Erfassung von durch die Krafteinwirkung hervor
gerufenen Fermeabilitätsänderungen der magnetostriktiven
Schicht (6, 6′) vorgesehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch ein Material der magnetostriktiven Schicht (6, 6′)
mit einer Magnetostriktion (λs), deren Betrag mindestens
20·10-6, vorzugsweise mindestens 30·10-6 groß ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß in dem Material der magneto
striktiven Schicht (6, 6′) die Achse (10, 10′) der leichten
Magnetisierung zumindest annähernd senkrecht zur Strömungs
richtung des Mediums (M) und zur Oberfläche der Schicht (6,
6′) ausgerichtet ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß das Biegeele
ment (3, 3′) brückenförmig gestaltet ist und in Strömungsrich
tung des Mediums (M) ausgedehnt ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß sich das Biege
element (3, 3′) über eine Ausnehmung (8) eines Substrates (4)
erstreckt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Substrat (4) zumindest
weitgehend aus Silizium besteht.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die magneto
striktive Schicht (6, 6′) des Biegeelementes (3, 3′) auf einer
Trägerschicht (5) angeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Trägerschicht (5) aus Si3N4
besteht.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
dadurch gekennzeichnet, daß die magneto
striktive Schicht (6, 6′) aus einem amorphen Material besteht.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung
der Permeabilitätsänderungen an einem Endstück (11, 11′) des
Biegeelementes (3, 3′) eine magnetfelderzeugende Spule (12,
12′) und an dem gegenüberliegenden Endstück (14, 14′) des Bie
geelementes eine magnetfeldempfangende Spule (15, 15′) vorge
sehen sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß mit der magnetfelderzeugenden
Spule (12, 12) ein magnetisches Wechselfeld (H, H′) mit einer
Frequenz zwischen 50 Hz und 10 kHz hervorzurufen ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ge
kennzeichnet durch mehrere Biegeelemente
(3, 3′) mit vorbestimmter gegenseitiger Ausrichtung (vgl. Fig.
2).
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- 1991-09-11 DE DE19914130197 patent/DE4130197C2/de not_active Expired - Fee Related
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |