DE4130197C2 - Strömungssensoreinrichtung mit einer mechanisch resonanzfähigen Struktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungssensoreinrich­ tung mit mindestens einer mechanisch resonanzfähigen Struk­ tur, die

• - ein in ein strömendes flüssiges Medium direkt einzubrin­ gendes Biegeblech enthält, das eine dünne magnetostriktive Schicht aus einem weichmagnetischen Material mit einer ausgeprägten Magnetostriktion und einer vorbestimmten Ani­ sotropiefeldstärke aufweist,

und

• - bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage aufgrund einer von der Strömung des Mediums hervorgerufenen Krafteinwir­ kung ein von der Auslenkung abhängiges elektrisches Signal erzeugt, wobei Mittel zur Erfassung von durch die Kraft­ einwirkung hervorgerufenen Permeabilitätsänderungen der magnetostriktiven Schicht vorgesehen sind.

Eine derartige Strömungssensoreinrichtung geht aus der US 3,863,501 A hervor.

Zur Strömungsmessung in flüssigen Medien werden verschiedene Sensorprinzipien eingesetzt. Verbreitet sind Einrichtungen zur Strömungsmessung außerhalb eines das flüssige Medium füh­ renden Rohres, bei denen Laufzeitunterschiede von induzierten Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, an verschiede­ nen Orten ausgenutzt werden, an denen sich entsprechende De­ tektoren befinden (vgl. z. B. K. W. Bonfig u. a.: "Durchfluß­ messung von Flüssigkeiten und Gasen", Expert-Verlag 1990, Seiten 67 bis 80). Bei dieser Meßmethode muß jedoch eine be­ trächtliche Rohrlänge zum Aufbau eines Detektionssystems zur Verfügung stehen, um eine hinreichend große Empfindlichkeit des Detektionssystems zu erreichen. Ferner ist es bekannt, direkt in ein strömendes Medium Strömungssensoren einzubringen. Solche Sensoren können beispielsweise piezoelektrische Elemente und Transducer auf Biegebalken sein (vgl. z. B. "Proc. of the IEEE, Vol. 70, No. 5, Mai 1982, Seiten 420 bis 457). Dabei können diese Elemente insbesondere ein mechanisch resonantes System bilden, auf dem Ultraschallkomponenten ver­ teilt 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 Detektionssystemen besteht jedoch die Schwierigkeit, daß sowohl das System als auch des­ sen elektrische Zuleitungen selbst dem flüssigen Medium aus­ gesetzt wären und dementsprechend gekapselt sein müssen. Die­ se Maßnahme setzt jedoch die Empfindlichkeit der Sensoren herab. Außerdem reagieren solche Sensoren nicht hinreichend auf Dichteschwankungen und Temperaturunterschiede in dem strömenden Medium.

Aus der eingangs genannten US 3,863,501 A ist ein magneto­ striktiver Sensor für Durchflussmesser zu entnehmen, der eine resonanzfähige Struktur umfaßt, welche in die Strömung eines fließenden Mediums einzubringen ist. Die Struktur ist mit ei­ nem einseitig eingespannten Draht aufgebaut, der in der Strö­ mung oszillierende Schwingungen vollführen kann und der mit einem Überzug aus einem magnetostriktiven Film versehen ist. Die Ausrichtung der leichten Achse der Magnetisierung des Überzugsmaterials verläuft dabei in Umfangsrichtung des Drah­ tes quer zur Strömungsrichtung. Dies erschwert aber eine ein­ deutige Signalgewinnung.

Magnetoelastische Ringsensoren als Weggeber oder Schwellwert­ schalter, als Drehmomentsensoren oder Torduktoren gehen aus "Elektronik", Bd. 22, 30.10.1987, Seiten 99 bis 112 hervor. Hierbei werden bevorzugt amorphe Werkstoffe als Sensormateri­ alien verwendet. Entsprechende Sensoren sind jedoch im allge­ meinen nicht hinreichend empfindlich für eine Strömungsmes­ sung in einem flüssigen Medium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Sen­ soreinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahinge­ hend auszugestalten, daß sie mit einem kompakten Aufbau eines in das Medium direkt einzusetzenden Strömungssensors eine einfache und eindeutige Signalgewinnung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Biegeelement

• - ein brückenförmig gestalteter und in Strömungsrichtung des Mediums ausgedehnter Biegebalken ist,
• - beidseitig eingespannt ist,
• - mit der Schicht aus dem weichmagnetischen Material derart versehen ist, daß die Achse der leichten Magnetisierung quer zur Strömungsrichtung in Richtung der Breite des Bie­ gebalkens liegt,

und

• - in der Strömung des Mediums eine die Permeabilitätsände­ rung hervorrufende Scherung erfährt.

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 Verspannungen angeregt. Dabei ist der Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung σ mit der Viskosität η des Mediums und dem Geschwindigkeitsgradienten

durch folgende Bezie­ hung 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, No. 5, Sept. 1987, Seiten 2194 bis 2196). Die Permeabilitätsänderung µ ist mit der durch das strömende Medium erzeugten mechanischen Spannung σ über die Änderung der effektiven Anisotropiekon­ stanten ΔK_e folgendermaßen gekoppelt:

Hierbei ist die effektive Anisotropiekonstante K_e mit der in­ trinsischen Anisotropie K_o und dem Produkt aus Magnetostrik­ tion λ_s und mechanischer Spannung σ durch folgende Beziehung verknüpft:

K_e = K_o - 3.λ_s.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.

Ferner ist vorteilhaft mit der Ausgestaltung als brückenför­ miger Biegebalken und dessen Scherung unter Einfluss der Strömung eine eindeutige Permeabilitätsänderung zu erreichen, die eine entsprechend eindeutige Signalerzeugung ermöglicht.

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 eine Sensorstruktur einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in Schrägansicht veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt schema­ tisch eine Aufsicht auf eine weitere Sensoreinrichtung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Be­ zugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 skizzierte Teil einer erfindungsgemäßen Sen­ soreinrichtung 2 weist eine schmale Sensorstruktur auf, die mechanisch zu Schwingungen angeregt werden kann, deren Schwingungsspekrum mindestens einen Resonanzbereich zeigt. Diese somit mechanisch resonanzfähige Struktur soll insbeson­ dere für einen Resonanzbetrieb ausgelegt, d. h. mechanisch re­ sonant sein. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Sensorstruktur im wesentlichen von einem schwingungsfähi­ gen, brückenförmig ausgestalteten Biegeelement 3 gebildet. Die Brücke dieses beidseitig befestigten (eingespannten) Bie­ geelementes wird unter Einwirkung einer externen Kraft k, die von der Strömung eines flüssigen Mediums M in Strömungsrich­ tung längs der Brücke hervorgerufen wird, gegenüber ihrer dargestellten Ausgangslage in Strömungsrichtung geschert und dabei zu Schwingungen angeregt. Ein solches brückenförmiges Biegeelement 3 kann vorteilhaft nach bekannten Verfahren der Silizium-Mikrostrukturtechnik hergestellt werden (vgl. die genannte 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 Querschnitt 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 µm, 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 Brückenbogens 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 λ_s 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 H_ci 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 (Co_xFe_1-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 Ausdehnungrichtung 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.

Claims (10)

1. Strömungssensoreinrichtung mit mindestens einer mecha­ nisch resonanzfähigen Struktur, die
ein in ein strömendes flüssiges Medium direkt einzubrin­ gendes Biegeelement enthält, das eine dünne magnetostrik­ tive Schicht aus einem weichmagnetischen Material mit einer ausgeprägten Magnetostriktion und einer vorbe­ stimmten Anisotropiefeldstärke aufweist, und
bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage aufgrund einer von der Strömung des Mediums hervorgerufenen Krafteinwirkung ein von der Auslenkung abhängiges elektrisches Signal erzeugt, wobei Mittel zur Erfassung von durch die Krafteinwirkung hervorgerufenen Permeabi­ litätsänderungen der magnetostriktiven Schicht vorge­ sehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (3, 3')
ein brückenförmig gestalteter und in Strömungsrichtung des Mediums (M) ausgedehnter Biegebalken ist,
beidseitig eingespannt ist,
mit der Schicht (6, 6') aus dem weichmagnetischen Material derart versehen ist, daß die Achse (10, 10') der leichten Magnetisierung quer zur Strömungsrichtung in Richtung der Breite (b) des Biegebalkens liegt, und
in der Strömung des Mediums (M) eine die Permeabili­ tätsänderung hervorrufende Scherung erfährt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch ein Material der magnetostriktiven Schicht (6, 6') mit einer Magnetostriktion (λ_s), deren Betrag mindestens 20.10^-6, vorzugsweise mindestens 30.10^-6 groß ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Biegeelement (3, 3') über eine Ausnehmung (8) eines Substrates (4) erstreckt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat (4) zumindest weitgehend aus Silizium besteht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (6, 6') des Biegeelementes (3, 3') auf einer Trägerschicht (5) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trägerschicht (5) aus Si₃N₄ besteht.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (6, 6') aus einem amorphen Material besteht.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Permeabilitätsänderungen an einem Endstück (11, 11') des Biegeelementes (3, 3') eine magnetfelder­ zeugende Spule (12, 12') und an dem gegenüberliegenden Endstück (14, 14') des Biegeelementes eine magnetfeld­ empfangende Spule (15, 15') vorgesehen sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der magnetfelderzeu­ genden Spule (12, 12') ein magnetisches Wechselfeld (H, H') mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 10 kHz hervor­ zurufen ist.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Biegeelemente (3, 3') mit vorbestimmter gegenseitiger Ausrichtung (vgl. Fig. 2).