DE19850799A1

DE19850799A1 - Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19850799A1
Application number: DE19850799A
Authority: DE
Inventors: Hans Hecht; Martin Mast; 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: JP2003502617A; KR20010090813A; WO2000026661A1; AU1549000A; AU749057B2; EP1127273A1

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen von Flüssigkeiten vorgeschlagen mit elektro-akustischen Wandlern (3, 4), die akustische Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden erzeugen und detektieren, wobei aus deren Ausbreitungsverhalten ein Maß für die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, insbesondere die Viskosität, ermittelbar ist. Die Sensoranordnung ist auf einem Substrat (1) angebracht, auf dem Leiterbahnstrukturen derart angeordnet sind, dass neben den elektro-akustischen Wandlern (3, 4) zur Viskositätsmessung auch eine Anordnung zur elektrischen Leitfähigkeitsmessung, eine Anordnung zur Messung der Dielektrizitätskonstante und eine Anordnung zur Temperaturmessung gebildet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermitt lung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es werden beispielsweise mikroakustische Sensoranordnun gen mit sogenannten akustischen SAW- oder Oberflächenwel lenbauelementen (SAW = Surface Acoustic Wave) als Senso ren für verschiedenste physikalische Größen in Flüssig keiten angewandt. Einen wichtigen Bereich bildet hierbei die Messung elektrischer Größen, wie die Dielektrizitäts konstante und/oder die Leitfähigkeit, die Messung mecha nischer Größen, wie z. B. die Dichte und/oder die Viskosi tät.

Bei der bekannten Sensoranordnung wird von einem Mes sprinzip ausgegangen, das beispielsweise in dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors", J. Du, G.L. Hard ling, P.R. Ogilvy und M. Lake in der Fachzeitschrift Sen sors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 be schrieben ist. Mit dem hier beschriebenen Messaufbau ist ein Sensor realisiert, bei dem mit horizontal polarisier ten akustischen Scherwellen gearbeitet wird, sog. Leck wellen bzw. Surface Skimming Bulk Wave (SSBW-Wellen) oder Love-Wellen. Diese akustischen Wellenmoden werden mit so genannten, für sich auch aus dem zuvor erwähnten Stand der Technik bekannten, Interdigitaltransducern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhal ten auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das ge wünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.

Insbesondere bei einer Anwendung der Sensoranordnung zur Bestimmung der Qualität von Motor- oder Schmierölen in einem Kraftfahrzeug oder vergleichbaren Maschinen ist es oft notwendig eine Vielzahl von Messgrößen zu gewinnen, um diese als Eingangsgrößen für entsprechende Steuergerä te auszuwerten. Hierbei sind vor allem die Viskosität, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante des Öls von Bedeutung um eine brauchbare Aussage, z. B. zur Überwachung der Ölwechselin tervalle, zu erhalten.

Vorteile der Erfindung

Die eingangs erwähnte Sensoranordnung zur Ermittlung von physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten ist nach der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise weitergebildet. Ge mäß der Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine kom pakte Sensoranordnung geschaffen, mit der eine Integrati on verschiedener einzelner Messwertaufnehmer auf einem Substratplättchen bei kostengünstiger Herstellung ermög licht ist.

Beim der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind in vor teilhafter Weise die elektro-akustischen Wandler, die die akustischen Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmo den erzeugen und detektieren, zusammen mit weiteren Mes sanordnungen angeordnet. Zur Messung der Viskosität der Flüssigkeit wird hier aus dem Ausbreitungsverhalten der akustischen Wellen entlang einer Ausbreitungsstrecke ein entsprechender Messwert in der für sich gesehen bekannten Weise ermittelt. Das Sensorgrundelement ist beispielswei se ein Substrat aus bestimmten Quarz-, Lithiumtantalat- und Lithiumniobatschnitten, die für die eingangs be schriebenen akustischen Schermoden besonders geeignet sind.

Da die Viskosität der Flüssigkeit in der Regel stark tem peraturabhängig ist, wird nach der Erfindung in vorteil hafter Weise auf dem Substrat benachbart ein tempera turabhängiger Widerstand als Messanordnung zur Tempera turmessung angebracht. Die Leiterbahnstruktur auf dem Substrat ist aus einer Metallisierungsschicht herge stellt, vorteilhafter Weise aus Platin, wobei sowohl der temperaturabhängige Widerstand als auch die Sende- und Empfangsleiterbahnstrukturen des elektro-akustischen Wandlers aus dieser Platinschicht hergestellt werden kann, so dass nur eine einzige Metallisierungsschicht auf dem Substrat notwendig ist. Platin ist hierbei chemisch außerordentlich resistent, so dass auf Abdeckschichten unter Umständen verzichtet werden kann.

Eine oberhalb der Metallisierungsschicht auf dem Substrat aufgebrachte dielektrische Schicht kann jedoch auch als akustische Wellenleiterschicht für die elektro akustischen Wandler zusätzlich zur chemischen Passivie rung angeordnet werden. Es ist auch möglich Titan oder Silizium oder andere Zwischenschichten als Haftschicht zwischen dem Substrat und den elektro-akustischen Wand lern sowie zwischen den elektro-akustischen Wandlern und weiteren darüberliegenden Schichten vorzusehen.

Neben den elektro-akustischen Wandlern und dem tempera turabhängigen Widerstand kann in vorteilhafter Weise auch mittels unabgedeckter Elektroden eine Anordnung zur elek trischen Leitfähigkeitsmessung aus der Metallisierungs schicht hergestellt werden. Die Leitfähigkeitsmessung er folgt auf einfache Weise mit einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom, der die Flüssigkeit durchströmt.

Weiterhin kann in vorteilhafter Weise mittels einer Kon densatorstruktur aus derselben Metallisierungsschicht ei ne Anordnung zur Messung der Dielektrizitätskonstante ge schaffen werden. Die Kondensatorstruktur kann ebenso wie der elektro-akustische Wandler die Form eines Interdigi talkondensators haben und gegebenenfalls durch eine zu sätzliche Isolierschicht abgedeckt werden; es ist aber auch möglich zur besseren Ankopplung an die zu messende Flüssigkeit diesen unabgedeckt einzusetzen, wobei die chemische Resistenz der Metallisierungsschicht ausgenutzt werden kann.

Auf einfache Weise sind bei der erfindungsgemäßen Anord nung alle Messanordnungen zur Ermittlung der einzelnen physikalischen Größen einzeln kontaktierbar und somit sind alle vier Messverfahren an einer entsprechenden Auswerteelektronik zur sequentiellen Messung mit einem einzigen Substrat durchführbar, was besonders für ferti gungsgünstige Konstruktionsformen ausgenutzt werden kann. Weiterhin ist auch die gute Wärmekopplung auf dem Sub strat vorteilhaft, da bei der Signalauswertung dadurch mit besonders geringen Abweichungen die Temperatur der verschiedenen Messwertaufnehmer zur Verfügung steht, so dass sehr genaue Kompensationsverfahren angewandt werden können.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sen soranordnung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die eine schematische Draufsicht auf ein Sub strat mit einzelnen Messwerterfassungsanordnungen zeigt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die schematische Ansicht nach der einzigen Figur zeigt den Hauptbestandteil der vorgeschlagenen Sensoranordnung, nämlich ein einseitig poliertes Substratplättchen 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff, in dem horizontal po larisierte akustische Schermoden von einem, über elektri sche Anschlüsse 2 kontaktierbaren Interdigitaltransducer 3 anregbar und in einem Interdigitaltransducer 4 als elektro-akustische Wandler detektierbar sind. Die Funkti onsweise dieser Anordnung, beispielsweise zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, ist beispielsweise in dem eingangs zitierten Stand der Technik "A study of Love-wave acoustic sensors", J. Du, G.L. Hardling, P.R. Ogilvy und M. Lake in der Fachzeitschrift Sensors and Ac tuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 beschrieben.

Als Substratwerkstoffe für das Substratplättchen 1 sind Y-rotierte Quarzschnitte, einige Lithiumniobat- und Lithiumtantalatschnitte sowie entsprechend gepolte piezo elektrische Keramiken geeignet. Die zuvor beschriebene Messanordnung mit den elektro-akustischen Wandlern zur Messung der Viskosität einer Messflüssigkeit über die Ausbreitung einer Oberflächenwelle und die nachfolgend beschriebenen Messanordnungen sind aus einer Metallisie rungsschicht, vorzugsweise aus Platin, und gegebenenfalls Haftschichten strukturiert. Über den elektro-akustischen Wandlern 3 und 4 kann dabei auch eine hier nicht ersicht liche dielektrische Schicht als akustische Wellenleiter schicht angeordnet werden, die auch eine chemische Passi vierung ermöglicht.

Weiterhin sind auf dem Substrat 1 Elektroden 5 zur Leit fähigkeitsmessung vorhanden, die mit einem Gleich- oder Wechselstrom beaufschlagt werden. Auf eine Leitfähig keitsmessung könnte jedoch auch in vielen Anwendungsfäl len verzichtet werden. Die Temperaturmessung wird hier über ein ebenfalls aus der Metallisierungsschicht struk turierten Widerstandsmäander 6 durchgeführt. Die Anord nung des Widerstandsmäanders 6 kann dabei auch, in Ab wandlung der dargestellten Form außerhalb der Ausbrei tungsstrecke zwischen den Wandlern 3 und 4 liegen.

Für die Messung der Dielektrizitätskonstante ist eine Kondensatorstruktur 7 vorhanden, die zur besseren Ankopp lung an die zu messende Flüssigkeit entweder unabgedeckt oder mit einer hier gestrichelt gezeichneten Abdeck schicht 8 zur Verbesserung der chemischen Resistenz ver sehen ist. Die Messung der Dielektrizitätskonstante und der Leitfähigkeit kann eventuell auch mit den elektro akustischen Wandlern zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit vorgenommen werden, wobei hierzu lediglich eine andere Anregungsfrequenz als die zur Erzeugung der Oberflächenwelle notwendige Frequenz gewählt wird.

Die Messflüssigkeit, z. B. das Motoröl eines Kraftfahrzeu ges, fließt zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaf ten an der Substratoberfläche und gegebenenfalls an der Abdeckschicht vorbei und die gewonnenen Messsignale wer den an den Kontaktstellen abgenommen und einer hier nicht dargestellten Auswerteeinrichtung zur Erzeugung der not wendigen Steuer- und/oder Anzeigesignale, z. B. für die Qualität des Motoröls, zugeführt.

Claims

1. Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Größen von Flüssigkeiten, mit

1. mit elektro-akustischen Wandlern (3, 4), die akustische Oberflächenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden erzeugen und detektieren, wobei aus deren Ausbreitungsverhalten entlang einer Ausbreitungsstrecke ein Maß für physikali schen Eigenschaften der Flüssigkeit, insbesondere unter anderem der Viskosität der Flüssigkeit, ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
2. die Sensoranordnung auf einem Substrat (1) angebracht ist, auf dem Leiterbahnstrukturen derart angeordnet sind, dass neben der Viskosität auch die Temperatur und minde stens auch die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit ermittelbar ist.

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

1. neben den elektro-akustischen Wandlern (3, 4) mittels einer Kondensatorstruktur (7) eine Anordnung zur Messung der Dielektrizitätskonstante und mittels eines tempera turabhängigen Widerstandes (6) eine Anordnung zur Tempe raturmessung gebildet ist.

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

1. die elektro-akustischen Wandlern (3, 4) die Kondensator struktur (7) zur Messung der Dielektrizitätskonstante bilden, wobei die Messung bei einer von der Anregungsfre quenz der Oberflächenwellen abweichenden Frequenz er folgt, und mittels eines temperaturabhängigen Widerstan des (6) eine Anordnung zur Temperaturmessung gebildet ist.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dass

1. mittels unabgedeckter Elektroden (5) eine Anordnung zur elektrischen Leitfähigkeitsmessung angeordnet ist.

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

1. die Leiterbahnstruktur aus einer Metallisierungsschicht auf dem Substrat (1) herstellbar ist.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass

1. die Metallisierungsschicht aus Platin ist, und auf ei ner Haftschicht angeordnet ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass

1. die Metallisierungsschicht auf einer Haftschicht ange ordnet ist.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, dass

1. oberhalb der Metallisierungsschicht auf dem Substrat (1) eine dielektrische Schicht als akustische Wellenlei terschicht angeordnet ist.

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

1. alle Anordnung zur Ermittlung der einzelnen physikali schen Größen einzeln kontaktierbar und an eine Auswer teelektronik zur sequentiellen Messung anschließbar sind.

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

1. die Sensoranordnung in einem Kraftfahrzeug zur Bestim mung der Qualität des Motoröls eingesetzt wird, wobei das Substrat (1) direkt in das zu messende Öl eintauchbar ist.