WO2008003556A1 - Fluidsensor zur messung charakteristischer eigenschaften eines fluids - Google Patents

Fluidsensor zur messung charakteristischer eigenschaften eines fluids Download PDF

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WO2008003556A1
WO2008003556A1 PCT/EP2007/055348 EP2007055348W WO2008003556A1 WO 2008003556 A1 WO2008003556 A1 WO 2008003556A1 EP 2007055348 W EP2007055348 W EP 2007055348W WO 2008003556 A1 WO2008003556 A1 WO 2008003556A1
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bending
fluid
sensor
oscillator
fluid sensor
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PCT/EP2007/055348
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Markus Gilch
Denny SCHÄDLICH
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Continental Automotive Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
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    • G—PHYSICS
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    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
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    • G01N9/34—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by using flow properties of fluids, e.g. flow through tubes or apertures by using elements moving through the fluid, e.g. vane

Definitions

  • the invention relates to a fluid sensor for measuring characteristic properties of a fluid having a bending oscillator held at least on one side by a holder, which comprises a bending actuator and a bending sensor, which are each formed by piezoelectric layers with surface-mounted contact electrodes.
  • Such a fluid sensor is known from JP 59-126 931 A.
  • the known fluid sensor is a viscosity sensor with which the viscosity of engine oil can be determined.
  • a holder of the known viscosity sensor can be introduced into the wall of an oil pan of an internal combustion engine.
  • a bending vibrator clamped in the holder then dips into the engine oil located in the oil sump.
  • the bending vibrator consists of a piezoelectric bending actuator and a piezoelectric bending sensor. By applying a voltage to the piezoelectric actuator, the bending vibrator is vibrated.
  • the voltage generated by the bending sensor is generally smaller than the voltage applied to the bending actuator.
  • a viscosity equivalent, and thus the combination ⁇ reduction of the engine oil can then be determined from the ratio of voltage amplitudes.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a fluid sensor with extended life.
  • the overlapping area is the
  • Bending actuator associated contact electrodes limited to the protruding from the bracket portion of the bending oscillator. This ensures that only that portion of the bending actuator is exposed to an electric field generated between the electrodes, which from the
  • Holder protrudes. Therefore, only the part of the bending oscillator protruding from the holder is deformed. The enclosed by the holder portion of the bending actuator, however, is hardly deformed. Another advantage is that the enclosed by the holder part of the bending vibrator does not need to work against the fixed clamping, so that no energy is wasted.
  • the overlapping region of the contact electrodes assigned to the bending sensor is also limited to the region of the bending oscillator projecting out of the holder.
  • the fluid ⁇ sensor is insensitive to additional loads. Because when a force is introduced to the holder, then this does not affect directly on the fluid sensor. In particular, there is no change in a possibly existing offset of the sensor signal of the bending sensor. To ensure that the clamped into the holder portion of the bending vibrator undergoes little as possible Verfor ⁇ mung, the contact lines run over the piezoelectric layers to the contact electrodes are arranged offset preferential example.
  • a voltage-reducing decoupling region is provided between a movement region which can be set into a vibratory movement and a holding region held by the holder.
  • the decoupling area mechanically decouples the movement area from the clamping area.
  • stresses that form in the range of motion can not propagate into the holding area.
  • the decoupling region also has the advantage that manufacturing tolerances can be compensated. Especially when the oscillating U turned ⁇ is poured into a casting compound serving as holder, the Entkoppel Scheme offers enough space for the meniscus.
  • a temperature sensor is formed on the bending oscillator in the bending region.
  • the temperature of the fluid to be measured at the location of the bending oscillator can be determined.
  • the bending vibrator usually has a low thermal mass, resulting in short reaction times for the temperature sensor. Furthermore, there are cost advantages, since in addition to the fluid sensor no additional temperature sensor must be provided.
  • the temperature sensor means disposed on the wide side of the bending vibrator and ⁇ meandering transversely resistance line.
  • the resistor line extending in the longitudinal direction portions are only bent during Schwingungsbewe ⁇ supply of the bending transducer. It is therefore advantageous if the running on a broad side of the bending oscillator Resistance line meandered transversely to the longitudinal direction of the bending oscillator, resulting in short longitudinal sections and long transverse sections.
  • an interdigital structure can also be formed on the flexible oscillator with which the conductivity or permittivity can be determined.
  • a fluid sensor offers the possibility of measuring not only variables such as the viscosity and density, but also the permittivity and the conductivity of the fluid in one place.
  • the arranged on a broad side of the bending oscillator interdigital structure preferably has fingers which extend transversely to the longitudinal direction of the bending oscillator in order not to burden the interdigital structure when bending the bending vibrator as far as possible.
  • Figure 1 is a sectional view of a fluid sensor for measuring characteristic properties of a fluid, in particular for measuring the viscosity and the
  • Figure 2 is an exploded view of a bending vibrator usable for the fluid sensor of Figure 1;
  • Figure 3 is an exploded view of another for the
  • Fluid sensor of Figure 1 usable bending vibrator
  • Figure 4 is an exploded view of a modified bending ⁇ swinging, which is provided with a temperature sensor
  • Figure 5 is an exploded view of a modified bending ⁇ oscillator with temperature sensor, in which the contact electrodes extend into a Entkoppel Symposium;
  • FIG. 6 shows an exploded view of a further modified bending oscillator, which is additionally provided with an interdigital structure for measuring the conductivity or the permittivity of the fluid;
  • FIG. 7 shows the representation of a method used for producing the bending oscillator.
  • FIG. 1 shows a viscosity sensor 1 which is used inter alia for determining the viscosity and the density of
  • the viscosity sensor has a flexural vibrator 3 having a piezo-electric actuator layer 4 and a piezoelectric ⁇ specific sensor layer 5 in its simplest embodiment. Between the actuator layer 4 and the sensor layer 5, a common ground electrode is ⁇ 6. On the opposite side is formed on the actuator layer 4 is an actuator electrode. 7 Accordingly spreader ⁇ accordingly is located externally on the sensor layer 5 is a Sen ⁇ sorelektrode 8. The ground electrode 6, the actuator electrode 7 and the sensor electrode 8 are respectively connected to contact pins 9, 10 and 11.
  • FIG. A contact end 12 of the bending oscillator 3 is enclosed by a hard casting 13.
  • the Hartverguss 13 sits in a housing wall 14, which may be, for example, the wall of an oil pan.
  • the Hartverguss 13 but can also sit in a socket that is oil-tight in an opening of the housing wall 14 can be used.
  • the actuator layer 4 can be caused to contract and expand alternately with respect to the longitudinal axis of the bending oscillator 3.
  • the bending vibrator 3 bends into a Direction 15, while the bending vibrator 3 moves in an expansion of the actuator layer 4 in an opposite direction 16. This creates a vibrational movement that runs within a vibration contour 17.
  • a sensor voltage is generated by the sensor layer 5, which can be tapped at the contact pins 11 and 10.
  • the sensor voltage is less than the actuator voltage in general and can be used to determine the viscosity of the engine oil 2 herangezo ⁇ gen be.
  • the clamping voltage amplitude ⁇ a viscosity equivalent can be determined from the ratio.
  • the viscosity sensor 1 can also be used to determine the density.
  • the frequency of the bending ⁇ vibrator 3 is tuned and sought the resonance maximum.
  • the position of the resonance maximum is characteristic of the density of the engine oil 2.
  • the actuator layer 4 and the sensor layer 5 are each shielded from the engine oil 2 by cover layers 18 and 19.
  • Figure 2 shows an exploded view of the bending vibrator 3. Based on Figure 2 is seen that the sensor electrode 8 are formed on the cap layer 19, the Masseelekt ⁇ rode 6 on the sensor layer 5 and the actuator electrode 7 on the actuator layer. 4 The actuator electrode 7 is finally covered by the cover layer 18.
  • the ground electrode 6, the actuator electrode 7 and the sensor electrode 8 only extend over part of the actuator layer 4, the sensor layer 5 and the cover layer 19. This measure ensures that the overlap region of the ground electrode 6, the actuator electrode 7 and the sensor electrode 8 extends only over that region of the bending oscillator 3 that is made of the hard casting 13 protrudes.
  • the range of the frequency oscillator 3 in which the actuator electrode 7, the sensor electrode 8 and the Masseelekt ⁇ rode 6 overlap forms a movement region 20, in which the deformation of the bending vibrator 3 takes place.
  • This is followed also in the hard encapsulation 13 outstand ⁇ gender Entkoppel Symposium 21 connects.
  • a clamping area 22 of the bending oscillator 3 is finally enclosed by the hard casting 13.
  • Figure 3 shows a modified flexural vibrator 26, wherein the actuator layer 4, the sensor layer 5 and the Deckschich ⁇ th are provided 18 and 19 in the region of the Entkoppel Schemes 21 each having a waist 27th As a result, the propagation of the stresses generated in the movement region 20 to the clamping region 22 can be reduced.
  • the bending vibrators 3 and 26 have a number of advantages. Characterized that the ground electrode 6, the Aktore ⁇ lektrode 7 and the sensor electrode 8 only overlap in the Motion ⁇ region 20, no deformation of the bending vibrator 3 and 26 in the clamping area 22 will take place upon application of an external voltage to the actuator layer 4 and the ground layer 6 , As a result, the hard casting 13 is not mechanically stressed. Furthermore, the decoupling region 21 forms a catchment area for manufacturing tolerances. When pouring the bending vibrators 3 and 26, for example, a meniscus can form in the decoupling region 21, without the function of the bending vibrators 3 and 26 being impaired. In addition, the function of the bending vibrator 3 and 26 is not affected when voltages from the housing wall 14 via the Hartverguss 13 are exerted on the bending vibrator 3 and 26.
  • the flexural resonators 3 and 26 may also be equipped with additional sensors to enhance the functionality of the viscosity ⁇ sensors.
  • 1 4 shows a bending vibrator 28 in which a temperature ⁇ tursensor 29 is formed on the upper surface of the cover layer nineteenth
  • the temperature sensor 29 preferably comprises a meander-shaped keepsslei ⁇ device 30, the resistance of which is temperature-dependent. This makes it possible to determine the temperature directly in the region of the bending oscillator 28.
  • the temperature sensor 29 may also be covered by another cover layer, not shown in FIG.
  • the low mass of the bending oscillator 28 and the constant flushing of the bending oscillator 28 with engine oil cause short response times in the temperature measurement.
  • FIG. 6 also shows a flexural vibrator 32 in which an outside of the engine oil 2 faces outside Carrier layer 33 an interdigital structure 34 is formed. With the aid of the interdigital structure 34, impedance spectroscopy can be operated and the permittivity and the conductivity of the engine oil 2 can be determined.
  • the interdigital structure 34 can also be arranged on the underside of the cover layer 19.
  • the production of the bending oscillators 3, 26, 27, 31 and 32 will be explained with reference to FIG. The production is shown on the item.
  • the flexural vibrators 3, 26, 27, 31 and 32 are made in great use 35.
  • the structures of the Masseelekt ⁇ rode 6, the actuator electrode 7 and the sensing electrode 8, and the temperature sensor 29 and the interdigital structure are applied by screen printing in thick-film technology or a thin-filtering technique on ceramic layers 36 34th
  • the structures formed by this technique are indicated in FIG. 7 by conductor band structures 37.
  • the individual ceramic layers 36 present in the benefit 35 are stacked on one another and then subjected to a heat treatment. By subsequently separating a green body 38 is produced, then be attached to the contacts 39 at which the contacts 40 that speak the contact pins 9 to 11 ent ⁇ can be mounted.
  • the concept described herein of restricting the contact electrodes to the movement region 20, in particular the limitation of the ground electrode 6, the actuator electrode 7 and the sensor electrode 8, can also be used in viscosity sensors in which the oscillating element at both ends is clamped in a holder.
  • the contact electrodes are advantageously limited to the moving area outside the clamping.
  • fluid sensors described here can be used to measure the characteristic properties of any liquids and gases.

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Abstract

Ein Biegeschwinger (26) für einen Fluidsensor zur Messung von charakteristischen Eigenschaften eines Fluids weist piezoelektrische Schichten (4, 5) auf, die zusammen mit Kontaktelektroden (6, 7, 8) einen Biegeaktor und einen Biegesensor bilden. Bei dem Biegeschwinger (26) sind die Kontaktelektroden (6, 7, 8) auf einen Bewegungsbereich (20) beschränkt, wodurch Biegespannungen in einem Einspannbereich (22) minimiert werden. Durch Querschnittsreduktionen (27) kann zusätzlich ein Entkoppelbereich (21) definiert werden.

Description

Fluidsensor zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Fluids
Die Erfindung betrifft einen Fluidsensor zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Fluids mit einem wenigstens einseitig von einer Halterung gehaltenen Biegeschwinger, der einen Biegeaktor und einen Biegesensor umfasst, die jeweils von piezoelektrischen Schichten mit flächig aufgebrachten Kontaktelektroden gebildet sind.
Ein derartiger Fluidsensor ist aus der JP 59-126 931 A bekannt. Bei dem bekannten Fluidsensor handelt es sich um einen Viskositätssensor, mit dem sich die Viskosität von Motoröl bestimmen lässt. Zu diesem Zwecke kann eine Halterung des bekannten Viskositätssensors in die Wand einer Ölwanne eines Verbrennungsmotors eingebracht werden. Ein in die Halterung eingespannter Biegeschwinger taucht dann in das sich in der Ölwanne befindende Motoröl ein. Der Biegeschwinger besteht aus einem piezoelektrischen Biegeaktor und einem piezoelektrischen Biegesensor. Durch Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Aktor wird der Biegeschwinger in Schwingung versetzt. Die dabei vom Biegesensor erzeugte Spannung ist im Allgemeinen kleiner als die Spannung, mit der der Biegeaktor beaufschlagt wird. Aus dem Verhältnis der Spannungsamplituden kann dann ein Viskositätsäquivalent und damit die Zusammen¬ setzung des Motoröls bestimmt werden.
Bei dem bekannten Fluidsensor ist der Biegeschwinger einseitig in eine Kunststoffmasse eingebettet, aus der der aktive Teil des Biegeschwingers mehrere Millimeter herausragt. Für die Kunststoffmasse wird üblicherweise ein Hartverguss ver¬ wendet. Der Hartverguss bewirkt, dass sich der eingespannte Teil des Biegeschwingers kaum verformen kann. Der Hartverguss muss daher die von den piezoelektrischen Schichten hervorgerufenen mechanischen Spannungen aufnehmen. Auf lange Sicht kann dies dazu führen, dass am Übergang zwischen Hartverguss und Biegeschwinger Risse oder Spalten auftreten. Die dadurch eventuell bewirkte Lockerung des Biegeschwingers kann zum Ausfall des Fluidsensors führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Fluidsensor mit verlängerter Lebensdauer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Fluidsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben .
Bei dem Fluidsensor ist der Überdeckungsbereich der dem
Biegeaktor zugeordneten Kontaktelektroden auf den aus der Halterung herausragenden Bereich des Biegeschwingers begrenzt. Dadurch ist sichergestellt, dass lediglich derjenige Abschnitt des Biegeaktors einem zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Feld ausgesetzt wird, der aus der
Halterung herausragt. Es wird daher nur der aus der Halterung herausragende Teil des Biegeschwingers verformt. Der von der Halterung umschlossene Abschnitt des Biegeaktors wird dagegen kaum verformt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der von der Halterung umschlossene Teil des Biegeschwingers nicht gegen die feste Einspannung zu arbeiten braucht, so dass keine Energie verschwendet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Fluidsensors ist auch der Überdeckungsbereich der dem Biegesensor zugeordneten Kontaktelektroden auf den aus der Halterung herausragenden Bereich des Biegeschwingers begrenzt. Dadurch wird der Fluid¬ sensor gegen zusätzliche Lasten unempfindlich. Denn wenn auf die Halterung eine Kraft eingeleitet wird, dann wirkt sich diese nicht unmittelbar auf den Fluidsensor aus. Insbesondere erfolgt keine Änderung eines eventuell vorliegenden Versatzes des Sensorsignals des Biegesensors. Um sicherzustellen, dass der in die Halterung eingespannte Abschnitt des Biegeschwingers eine möglichst geringe Verfor¬ mung erfährt, sind die über die piezoelektrischen Schichten zu den Kontaktelektroden geführten Kontaktleitungen vorzugs- weise versetzt angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Fluidsensors ist zwischen einem in eine Schwingungsbewegung versetzbaren Bewegungsbereich und einem von der Halterung gehaltenen Haltebereich ein spannungsreduzierender Entkoppelbereich vorgesehen. Durch den Entkoppelbereich wird der Bewegungsbereich mechanisch vom Einspannbereich entkoppelt. Dadurch können sich Spannungen, die sich im Bewegungsbereich bilden, nicht in den Haltebereich hinein fortpflanzen. Der Entkoppel- bereich bietet ferner den Vorteil, dass Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Insbesondere wenn der Biegeschwinger in eine als Halterung dienende Vergussmasse einge¬ gossen wird, bietet der Entkoppelbereich ausreichend Platz für die Meniskusbildung.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Biegebereich ein Temperatursensor auf dem Biegeschwinger ausgebildet. Damit kann die Temperatur des zu vermessenden Fluids am Ort des Biegeschwingers ermittelt werden. Außerdem weist der Biegeschwinger in der Regel eine geringe thermische Masse auf, so dass sich kurze Reaktionszeiten für den Temperatursensor ergeben. Weiterhin ergeben sich Kostenvorteile, da neben dem Fluidsensor kein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen werden muss.
Vorzugsweise weist der Temperatursensor eine auf der Breit¬ seite des Biegeschwingers angeordnete und in Querrichtung mäandrierende Widerstandsleitung auf. Bei dieser Ausgestal¬ tung der Widerstandsleitung werden lediglich die in Längs- richtung verlaufenden Abschnitte während der Schwingungsbewe¬ gung des Biegeschwingers gebogen. Es ist daher von Vorteil, wenn die auf einer Breitseite des Biegeschwingers verlaufende Widerstandsleitung quer zur Längsrichtung des Biegeschwingers mäandriert, so dass sich kurze Längsabschnitte und lange Querabschnitte ergeben.
Ferner kann am Biegeschwinger auch eine Interdigitalstruktur ausgebildet werden, mit der die Leitfähigkeit oder Permitti- vität bestimmt werden kann. Ein derartiger Fluidsensor bietet die Möglichkeit, nicht nur Größen wie die Viskosität und Dichte, sondern auch die Permittivität und die Leitfähigkeit des Fluids an einem Ort zu messen.
Die auf einer Breitseite des Biegeschwingers angeordnete Interdigitalstruktur weist vorzugsweise Finger auf, die quer zur Längsrichtung des Biegeschwingers verlaufen, um die Interdigitalstruktur beim Biegen des Biegeschwingers nach Möglichkeit nicht zu belasten.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbei- spiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittansicht eines Fluidsensors zur Messung von charakteristischen Eigenschaften eines Fluids, insbesondere zur Messung der Viskosität und der
Dichte von Motoröl;
Figur 2 eine Explosionsansicht eines für den Fluidsensor aus Figur 1 verwendbaren Biegeschwingers;
Figur 3 eine Explosionsansicht eines weiteren für den
Fluidsensor aus Figur 1 verwendbaren Biegeschwingers;
Figur 4 eine Explosionsansicht eines abgewandelten Biege¬ schwingers, der mit einem Temperatursensor versehen ist; Figur 5 eine Explosionsansicht eines abgewandelten Biege¬ schwingers mit Temperatursensor, bei dem sich die Kontaktelektroden in einen Entkoppelbereich hinein erstrecken;
Figur 6 eine Explosionsansicht eines weiteren abgewandelten Biegeschwingers, der zusätzlich mit einer Interdi- gitalstruktur zur Messung der Leitfähigkeit oder der Permittivität des Fluids ausgestattet ist; und
Figur 7 die Darstellung eines zur Herstellung der Biegeschwinger verwendeten Verfahrens .
Figur 1 zeigt einen Viskositätssensor 1, der sich unter anderem zur Bestimmung der Viskosität und der Dichte von
Motoröl 2 eignet. Der Viskositätssensor verfügt über einen Biegeschwinger 3, der in seiner einfachsten Ausführungsform eine piezoelektrische Aktorschicht 4 und eine piezoelektri¬ sche Sensorschicht 5 aufweist. Zwischen der Aktorschicht 4 und der Sensorschicht 5 befindet sich eine gemeinsame Masse¬ elektrode 6. Auf der gegenüberliegenden Seite ist auf der Aktorschicht 4 eine Aktorelektrode 7 ausgebildet. Dementspre¬ chend befindet sich außen auf der Sensorschicht 5 eine Sen¬ sorelektrode 8. Die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektrode 8 sind jeweils an Kontaktstifte 9, 10 und 11 angeschlossen. Ein Kontaktende 12 des Biegeschwingers 3 ist von einem Hartverguss 13 umschlossen. Der Hartverguss 13 sitzt dabei in einer Gehäusewand 14, bei der es sich beispielsweise um die Wand einer Ölwanne handeln kann. Der Hartverguss 13 kann aber auch in einer Fassung sitzen, die öldicht in eine Öffnung der Gehäusewand 14 einsetzbar ist.
Durch Anlegen eines in der Regel sinusförmigen Aktorsignals an die Kontaktstifte 9 und 10 kann die Aktorschicht 4 bezüg- lieh der Längsachse des Biegeschwingers 3 wechselweise zu einer Kontraktion und Expansion veranlasst werden. Bei einer Kontraktion verbiegt sich der Biegeschwinger 3 in eine Richtung 15, während sich der Biegeschwinger 3 bei einer Expansion der Aktorschicht 4 in eine Gegenrichtung 16 bewegt. Dadurch entsteht eine Schwingungsbewegung, die innerhalb einer Schwingungskontur 17 verläuft.
Während der Schwingung des Biegeschwingers 3 wird von der Sensorschicht 5 eine Sensorspannung erzeugt, die an den Kontaktstiften 11 und 10 abgegriffen werden kann. Die Sensorspannung ist im Allgemeinen kleiner als die Aktorspannung und kann zur Bestimmung der Viskosität des Motoröls 2 herangezo¬ gen werden. Insbesondere kann aus dem Verhältnis der Span¬ nungsamplituden ein Viskositätsäquivalent bestimmt werden.
Es sei angemerkt, dass der Viskositätssensor 1 auch zur Bestimmung der Dichte verwendet werden kann. Zur Bestimmung der Dichte des Motorenöls 2 wird die Frequenz des Biege¬ schwingers 3 durchgestimmt und das Resonanzmaximum gesucht. Die Lage des Resonanzmaximums ist für die Dichte des Motoröls 2 charakteristisch.
Bei dem Biegeschwinger 3 sind die Aktorschicht 4 und die Sensorschicht 5 jeweils von Deckschichten 18 und 19 gegen das Motoröl 2 abgeschirmt. Figur 2 zeigt eine Explosionsansicht des Biegeschwingers 3. Anhand Figur 2 wird erkennbar, dass die Sensorelektrode 8 auf der Deckschicht 19, die Masseelekt¬ rode 6 auf der Sensorschicht 5 und die Aktorelektrode 7 auf der Aktorschicht 4 ausgebildet sind. Die Aktorelektrode 7 ist schließlich von der Deckschicht 18 abgedeckt.
Ferner ist anhand Figur 2 erkennbar, dass sich die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektrode 8 lediglich jeweils über einen Teil der Aktorschicht 4, der Sensorschicht 5 und der Deckschicht 19 erstrecken. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass sich der Überlap- pungsbereich der Masseelektrode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8 nur über denjenigen Bereich des Biegeschwingers 3 erstreckt, der aus dem Hartverguss 13 herausragt. Der Bereich des Biegeschwingers 3, in dem die Aktor-elektrode 7, die Sensorelektrode 8 und die Masseelekt¬ rode 6 überlappen, bildet einen Bewegungsbereich 20, in dem die Verformung des Biegeschwingers 3 stattfindet. Daran schließt sich ein ebenfalls aus dem Hartverguss 13 herausra¬ gender Entkoppelbereich 21 an. Ein Einspannbereich 22 des Biegeschwingers 3 ist schließlich von dem Hartverguss 13 umschlossen .
Es sei angemerkt, dass zu der Masseelektrode 6, der Aktore¬ lektrode 7 und der Sensorelektrode 8 führende Kontaktleitun¬ gen 23, 24 und 25 jeweils seitlich versetzt angeordnet sind, um zu verhindern, dass im Entkoppelbereich 21 und im Einspannbereich 22 eine Verformung des Biegeschwingers 3 statt- findet.
Figur 3 zeigt einen abgewandelten Biegeschwinger 26, bei dem die Aktorschicht 4, die Sensorschicht 5 sowie die Deckschich¬ ten 18 und 19 im Bereich des Entkoppelbereichs 21 jeweils mit einer Taillierung 27 versehen sind. Dadurch kann die Ausbreitung der im Bewegungsbereich 20 erzeugten Spannungen auf den Einspannbereich 22 reduziert werden.
Die Biegeschwinger 3 und 26 weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Dadurch, dass sich die Masseelektrode 6, die Aktore¬ lektrode 7 und die Sensorelektrode 8 lediglich im Bewegungs¬ bereich 20 überlappen, findet beim Anlegen einer äußeren Spannung an die Aktorschicht 4 und die Masseschicht 6 keine Verformung der Biegeschwinger 3 und 26 im Einspannbereich 22 statt. Dadurch wird der Hartverguss 13 mechanisch nicht belastet. Ferner bildet der Entkoppelbereich 21 ein Auffangbereich für Fertigungstoleranzen. Beim Eingießen der Biegeschwinger 3 und 26 kann sich beispielsweise ein Meniskus im Entkoppelbereich 21 ausbilden, ohne dass die Funktion der Biegeschwinger 3 und 26 beeinträchtigt wird. Außerdem wird die Funktion der Biegeschwinger 3 und 26 auch nicht beeinträchtigt, wenn Spannungen von der Gehäusewand 14 über den Hartverguss 13 auf die Biegeschwinger 3 und 26 ausgeübt werden .
Bei der Verwendung von Biegeschwingern von der Art des Biege- schwingers 3 oder des Biegeschwingers 26 für den Viskositäts¬ sensor 1 ist eine lange Lebensdauer für den Viskositätssensor 1 zu erwarten, da der Einspannbereich 22 kaum Spannungen ausgesetzt ist. Es ist daher nicht zu befürchten, dass durch die Schwingung des Bewegungsbereichs 20 im Einspannbereich 22 Spannungen auftreten, die im Übergangsbereich zwischen Biegeschwinger 3 oder 26 zum Hartverguss 13 zu Rissen oder Spalten führen, die unter Umständen eine Lockerung der Biegeschwinger 3 und 26 im Hartverguss 13 bewirken.
Die Biegeschwinger 3 und 26 können auch mit weiteren Sensoren ausgestattet werden, um die Funktionalität des Viskositäts¬ sensors 1 zu erweitern. Figur 4 zeigt einen Biegeschwinger 28, bei dem auf der Oberseite der Deckschicht 19 ein Tempera¬ tursensor 29 ausgebildet ist. Der Temperatursensor 29 umfasst vorzugsweise eine mäanderförmig ausgebildete Widerstandslei¬ tung 30, deren Widerstand temperaturabhängig ist. Dadurch ist es möglich, die Temperatur unmittelbar im Bereich des Biegeschwingers 28 zu bestimmen. Der Temperatursensor 29 kann auch von einer weiteren in Figur 4 nicht dargestellten Deckschicht abgedeckt sein. Die geringe Masse des Biegeschwingers 28 und die ständige Umspülung des Biegeschwingers 28 mit Motoröl bewirken kurze Ansprechzeiten bei der Temperaturmessung.
In Figur 5 ist ein weiterer Biegeschwinger 31 dargestellt, bei dem der durch die Ausdehnung der Taillierung 27 definierte Entkoppelbereich 21 bis etwa zur Mitte hin durch die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und die Sensorelektro¬ de 8 abgedeckt wird. Dadurch kann die Verformung des Biege¬ schwingers 31 bereits in dem Entkoppelbereich 21 beginnen.
In Figur 6 ist weiterhin ein Biegeschwinger 32 dargestellt, bei dem auf einer dem Motoröl 2 zugewandten Außenseite einer Trägerschicht 33 eine Interdigitalstruktur 34 ausgebildet ist. Mit Hilfe der Interdigitalstruktur 34 kann Impedanzspektroskopie betrieben werden und die Permittivität und die Leitfähigkeit des Motoröls 2 bestimmt werden. Die Interdigi- talstruktur 34 kann auch auf der Unterseite der Deckschicht 19 angeordnet werden.
Anhand Figur 7 sei abschließend die Herstellung der Biege¬ schwinger 3, 26, 27, 31 und 32 erläutert. Die Herstellung ist dabei am Einzelteil dargestellt. In der Praxis werden die Biegeschwinger 3, 26, 27, 31 und 32 in großen Nutzen 35 gefertigt. Insbesondere werden die Strukturen der Masseelekt¬ rode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8, sowie des Temperatursensors 29 und der Interdigitalstruktur 34 durch Siebdruck in Dickschichttechnik oder durch eine Dünnfiltertechnik auf keramische Schichten 36 aufgebracht. Die durch diese Technik ausgebildeten Strukturen sind in Figur 7 durch Leiterbandstrukturen 37 angedeutet. Die einzelnen im Nutzen 35 vorliegenden Keramikschichten 36 werden aufeinander gestapelt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Durch nachfolgendes Vereinzeln entsteht ein Rohkörper 38, an dem anschließend Kontaktierungen 39 angebracht werden, an denen die Kontakte 40, die den Kontaktstiften 9 bis 11 ent¬ sprechen, angebracht werden können.
Es sei angemerkt, dass das hier beschriebene Konzept der Beschränkung der Kontaktelektroden auf den Bewegungsbereich 20, insbesondere die Beschränkung der Masseelektrode 6, der Aktorelektrode 7 und der Sensorelektrode 8, auch bei Viskosi- tätssensoren verwendet werden kann, bei denen das schwingende Element an beiden Enden in einer Halterung eingespannt ist. Bei dieser Ausgestaltung sind die Kontaktelektroden vorteilhafterweise auf den sich bewegenden Bereich außerhalb der Einspannung beschränkt.
Ferner sei angemerkt, dass das hier beschriebene Konzept auch auf Viskositätssensoren angewendet werden kann, die mehr als drei Kontaktelektroden aufweisen. Beispielsweise können für den Biegeaktor und den Biegesensor jeweils getrennte Masseelektroden vorgesehen sein. Die piezoelektrischen Schichten und sonstige Schichten können auch beidseitig mit Leiterbahn- Strukturen versehen werden.
Schließlich sei noch angemerkt, dass die hier beschriebenen Fluidsensoren zur Messung von charakteristischen Eigenschaften beliebiger Flüssigkeiten und Gase verwendet werden kön- nen.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt . Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint .
Schließlich sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausfüh- rungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Fluidsensor zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Fluids mit einem wenigstens einseitig von einer Halterung (13) gehaltenen Biegeschwinger (3, 26, 28, 31, 32), der einen Biegeaktor und einen Biegesensor umfasst, die jeweils von piezoelektrischen Schichten (4, 5) mit flächig aufgebrachten Kontaktelektroden (6, 7, 8) gebildet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Überdeckungsbereich der dem Biegeaktor zugeordneten Kontaktelektroden (6, 7) auf den aus der Halterung (13) herausragenden Bereich des Biegeschwingers (3, 26, 28, 31, 32) begrenzt ist.
2. Fluidsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Überdeckungsbereich der dem Biegesensor zugeordneten Kontaktelektroden (6, 8) auf den aus der Halterung (13) herausragenden Bereich des Biegeschwingers (3, 26, 28, 31, 32) begrenzt ist.
3. Fluidsensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf den piezoelektri¬ schen Schichten (4, 5) zu den Kontaktelektroden (6, 7, 8) verlaufende Kontaktleitungen (23, 24, 25) versetzt ange- ordnet sind.
4. Fluidsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Biege¬ schwinger (3, 26, 28, 31, 32) einen von einer Quer- schnittsreduktion (27) gebildeten Entkoppelbereich (21) aufweist .
5. Fluidsensor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kontaktelektroden (6, 7, 8) bis in den Entkoppelbereich (21) hineinreichen.
6. Fluidsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Bie¬ geschwinger (28, 31, 32) ein Temperatursensor (29) integriert ist .
7. Fluidsensor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Temperatursensor (29) eine auf einer Breitseite des Biegeschwingers (28, 31, 32) angeordnete und in Querrichtung mäandrierende Wider- Standsleitung (30) umfasst.
8. Fluidsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf einer Oberfläche des Biegeschwingers (32) eine Interdigital- struktur (34) ausgebildet ist.
9. Fluidsensor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Finger der auf einer Breitseite des Biegeschwingers (28, 31, 32) ausgebildete Interdigitalstruktur (34) in Querrichtung verlaufen.
10. Fluidsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bie¬ geschwinger (3, 26, 28, 31, 32) in der Halterung (13) vergossen ist.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008031772B4 (de) * 2008-07-04 2013-03-14 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung und Verfahren für die Messung der Viskosität und/oder der Dichte von Fluiden
AT521457B1 (de) * 2018-07-13 2020-07-15 Ac2T Res Gmbh Sensor zur Erfassung von Fluideigenschaften

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2282023A (en) * 1993-09-21 1995-03-22 Yamaichi Electronics Co Ltd Twist vibrator
DE19804326A1 (de) * 1998-02-04 1999-08-05 Bosch Gmbh Robert Sensor insbesondere zur Messung der Viskosität und Dichte eines Mediums
DE10345253A1 (de) * 2003-09-29 2005-05-04 Siemens Ag Zustandssensor für Flüssigkeiten
US20050277852A1 (en) * 2004-05-24 2005-12-15 Shih Wan Y All electric piezoelectric finger sensor (PEFS) for soft material stiffness measurement

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10152777A1 (de) * 2001-10-29 2003-05-15 Hydac Electronic Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2282023A (en) * 1993-09-21 1995-03-22 Yamaichi Electronics Co Ltd Twist vibrator
DE19804326A1 (de) * 1998-02-04 1999-08-05 Bosch Gmbh Robert Sensor insbesondere zur Messung der Viskosität und Dichte eines Mediums
DE10345253A1 (de) * 2003-09-29 2005-05-04 Siemens Ag Zustandssensor für Flüssigkeiten
US20050277852A1 (en) * 2004-05-24 2005-12-15 Shih Wan Y All electric piezoelectric finger sensor (PEFS) for soft material stiffness measurement

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