DE102021100692A1

DE102021100692A1 - SAW-basierter Durchflusssensor

Info

Publication number: DE102021100692A1
Application number: DE102021100692.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hefele; Christoph Strobl; Erik BAIGAR
Original assignee: Univ Augsburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Augsburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Dionex Softron GmbH
Current assignee: Univ Augsburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Augsburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Dionex Softron GmbH
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids. Das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender zu einem ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle an dem ersten Empfänger, wobei ein erstes Merkmal basierend auf dem Signal der ersten Welle bestimmt wird, Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger, und Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle. Das Verfahren umfasst ferner: Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit das Generieren eines Differenzmaßes. Das Verfahren umfasst zusätzlich: Bestimmen einer Verweilzeit, die eine Ausbreitungszeit angibt, die von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigt wird, und/oder einer Ausbreitungszeit, die von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigt wird, und Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch einen jeweiligen Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung der Strömungseigenschaften eines Fluids. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, z. B. eines Fluidstroms in einem Rohr bzw. einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Durchflussrate eines Fluidstroms.
Die vorliegende Erfindung wird beschrieben mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Messung eines Fluidstroms in der Flüssigchromatografie (LC) - und insbesondere der Hochleistungsflüssigchromatografie (HPLC). HPLC und allgemeiner Flüssigchromatografie ist ein Verfahren zum Auftrennen von Proben in ihre Bestandteile, die nachgewiesen und quantifiziert werden können und/oder deren Anteile zur späteren Verwendung aufbewahrt werden können. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Technologie auch im Zusammenhang mit anderen Anwendungen verwendet werden kann, bei denen Strömungseigenschaften gemessen werden, z. B. wenn eine Durchflussrate gemessen wird.
Das Prinzip der Chromatografie basiert auf dem Injizieren einer Probe (z. B. mit einer Probenahmeeinheit) in einen Fluidweg, wobei eine mobile Phase, die z. B. flüssige Lösungsmittel umfasst, die von einer Pumpe bereitgestellt werden, diese zu und durch eine Chromatografiesäule transportiert, die eine stationäre Phase, z. B. ein festes poröses Material, umfasst. Die Trennung der einzelnen Bestandteile der Probe hängt von den Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen, der stationären Phase und der mobilen Phase ab. Je stärker im Allgemeinen ein Bestandteil mit der stationären Phase wechselwirkt, desto länger kann es dauern, bis die mobile Phase ihn aus der Säule eluiert. Diese Wechselwirkungen sind charakteristisch für die Bestandteile und führen somit zu entsprechenden charakteristischen Verweilzeiten für die Bestandteile, die von den spezifischen Bedingungen (z. B. Zusammensetzung der mobilen und der stationären Phase) abhängig sein können.
Die Trennung von Verbindungen kann durch die Anpassung der Zusammensetzung der mobilen Phase im Laufe der Zeit beeinflusst werden, was als Lösungsmittelgradienten bezeichnet werden kann, da die Zusammensetzung typischerweise kontinuierlich geändert werden kann. Das heißt, typischerweise können zwei (oder mehr) verschiedene Lösungsmittel kombiniert werden, etwa unter Verwendung hochentwickelter fluidischer Vorrichtungen wie Mischer und Proportionalventile, wobei das Verhältnis der beiden Lösungsmittel im Laufe der Zeit geändert werden kann. Folglich kann eine gegebene Verbindung eluieren, sobald die Lösungsmittelzusammensetzung einen Schwellenwert überschreitet (z. B. eine bestimmte volumetrische Konzentration des Lösungsmittels A in einer Mischung aus den Lösungsmitteln A und B). Dieser Schwellenwert kann charakteristisch für diese gegebene Verbindung sein.
Anschließend kann die eluierende Verbindung durch einen geeigneten Detektor detektiert werden, der stromabwärts der Trennsäule angeordnet ist. Beim Passieren des Detektors durch die Verbindung kann eine Spitze im jeweiligen Signal erhalten werden. Ein derartiges Signal wird als Chromatogramm bezeichnet. Je nach Komplexität der Probe kann es aus mehreren Spitzen in kurzer Aufeinanderfolge bestehen. Einzelne Spitzen können für bestimmte Verbindungen charakteristisch sein, die somit basierend auf der Zeit identifiziert werden können, die der Detektion der Spitze zugeordnet ist, wobei weitere Parameter, etwa das verwendete Lösungsmittel oder das Lösungsmittelgemisch, die Zusammensetzung der festen Phase und die Durchflussrate, berücksichtigt werden können.
Im Allgemeinen kann die genaue Kenntnis der Durchflüsse für ein gutes Analyseergebnis einer HPLC-Messung vorteilhaft sein, da der Durchfluss die Analysegeschwindigkeit und die Reproduzierbarkeit direkt beeinflussen kann. Nach den vorherrschenden Arbeitsprinzipien von HPLC-Pumpen ist es derzeit nicht möglich, eine Pumpe zu bauen, die (gleichzeitig) ohne zusätzlichen Sensor dem Gradienten und der Durchflussrate entspricht. Wenn jedoch ein Durchflusssensor eingebaut wird, kann eine gradientengerechte Pumpe auch durchflussgerecht arbeiten, z. B. mittels einer Rückkopplungsschleife. Das heißt, das Signal eines Durchflusssensors kann dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass eine Pumpe, die gradientengerecht gebaut ist, auch durchflussgerecht ist.
Bekannte Sensoren für Durchflussmessungen basieren im Allgemeinen auf vier verschiedenen Arbeitsprinzipien: thermischen Sensoren, Coriolis-Sensoren, Ultraschallsensoren und Sensoren, die auf Partikelverfolgung basieren.
Bei thermischen Sensoren, auch als thermische Massendurchflusssensoren bezeichnet, erwärmt eine mit dem Fluidstrom in Kontakt stehende Heizung das vorbeiströmende Fluid und misst mindestens ein Temperatursensor, der etwas entfernt vom Heizgerät platziert ist, die Temperatur der vorbeifließenden Flüssigkeit. Die durch die Bewegung des Fluids verursachte Temperaturänderung am Sensorort ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
Im Gegensatz dazu wird bei einem Coriolis-Sensor ein Durchfluss eines Fluids gezwungen, sich nicht geradlinig durch eine gekrümmte Rohrgeometrie zu bewegen, wobei der Fluidstrom einen Punkt umkreisen kann. Das Rohr wird zum Schwingen gebracht, und aufgrund seines Rotationsflusses verursacht die Flüssigkeit mittels der Coriolis-Kraft eine Torsion auf dem Rohr. Die resultierende Änderung der Schwingung bezogen auf Frequenz oder Richtung wird als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit genommen.
Ultraschallsensoren können entweder auf dem Doppler-Effekt oder auf einer Messung der Flugzeit basieren. In einem Durchflusssensor, der auf dem Doppler-Effekt basiert, wird eine Frequenzverschiebung in einem Ultraschallsignal gemessen, die von Partikeln oder Luftblasen reflektiert wird, die sich im Fluidstrom bewegen, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Alternativ dazu wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Ultraschallsignals in dem sich bewegenden Fluids gemessen, normalerweise durch Messen einer Laufzeit. Die Laufzeit hängt auch von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms ab.
Bei Sensoren, die auf Partikelverfolgung basieren, können dem Fluidstrom erste Partikel hinzugefügt werden. Diese Partikel dienen als Teststücke in dem Fluid und werden derart von der Strömung erfasst, dass sie sich mit der Strömung bewegen. Die Bahnen der Partikel werden gemessen, und die Bewegung der Partikel wird als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet.
Bekannte Durchflusssensoren können jedoch bestimmte Nachteile aufweisen: Durchflussmessungen mit thermischen Sensoren und Ultraschallsensoren sind materialabhängig. Dies ist auf die Materialkonstanten der Fluide zurückzuführen, die sich auf die Fluideigenschaften und damit auf die Durchflussmessungen auswirken. Daher erfordern derartige Sensoren eine sorgfältige Kalibrierung. Eine derartige Kalibrierung kann jedoch ein schwieriger Prozess sein, insbesondere bei Verwendung von Lösungsmittelgradienten, da sich die Materialeigenschaften des Fluids im Laufe der Zeit ändern können. Während Coriolis-Sensoren die unabhängige Messung der Massendurchflussrate und der Dichte eines Fluids ermöglichen, was im Prinzip eine materialunabhängige Messung der Volumendurchflussrate ermöglichen kann, sind diese Sensoren typischerweise temperaturabhängig und erfordern daher eine Kalibrierung in Bezug auf die Temperatur des Fluids und damit auch dessen Messung. Darüber hinaus können insbesondere thermische Sensoren und Coriolis-Sensoren ziemlich komplex sein.
Während thermische Sensoren, Coriolis-Sensoren und Ultraschallsensoren im Allgemeinen im Hochdruckbereich eingesetzt werden können, ist die Partikelverfolgung unter Umständen für Hochdruckanwendungen weniger geeignet: die Partikel müssen dem Fluidstrom hinzugefügt werden, was in einem Drucksystem bestenfalls mit großem Aufwand möglich ist. Darüber hinaus müssen die Partikel von außen detektierbar sein, wobei optische Verfahren normalerweise eine transparente Rohrwand erfordern, die typischerweise nicht ausreichend druckbeständig ist. Ferner müssen Partikel auch wieder aus dem Fluid entfernt werden, z. B. am Ausgang der Pumpe, da sie ansonsten eine Reihe von Problemen verursachen, z. B. eine Säule oder andere fluidische Komponenten stromabwärts der Pumpe verstopfen können. Daher sind Sensoren auf Partikelverfolgungsbasis möglicherweise nicht ohne weiteres für Hochdruckanwendungen wie HPLC verwendbar. Ferner umfassen die Partikel eine Masse, und daher beeinflussen Trägheitskräfte die Partikelbahnen und verfälschen die Messung.
Im Allgemeinen ist auch die Verwendung von Schallwellen in der Mikrofluidik bekannt. Beispielsweise bezieht sich US 10,570,361 B2 auf Schallwellen in der Mikrofluidik, einschließlich akustischer Oberflächenwellen, und auf die Steuerung und Manipulation von Fluidspezies. Insbesondere Verfahren zum Sortieren von Zellen und/oder Tröpfchen in einer Mikrofluidikvorrichtung unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen
In letzter Zeit wurden auch Durchflusssensoren entwickelt, die Ultraschallwellen verwenden, die mittels akustischer Oberflächenwellen (SAW) generiert werden. Beispielsweise offenbart DE 10 2019 110 514 A1 eine Fluidmessvorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Fluids, wobei das Messverfahren auf der Verwendung des Einflusses eines Fluidstroms auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle basiert, die mittels einer akustischen Oberflächenwelle generiert wird. Aber auch für einen derartigen SAW-induzierten Ultraschalldurchflusssensor ist eine Kalibrierung in Bezug auf das verwendete Fluid erforderlich, was die Verwendung derartiger Sensoren für die HPLC schwierig oder sie sogar dafür unbrauchbar macht, insbesondere wenn Lösungsmittelgradienten verwendet werden. Desgleichen offenbart auch US 9,581,572 B2 eine Vorrichtung zum Bestimmen der Eigenschaften eines Mediums, die auf SAW-induzierten Ultraschallwellen basiert. Die Messungen hängen jedoch wiederum von den Materialeigenschaften der Fluide ab, derart, dass die Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflussrate ohne anfängliche fluidspezifische Kalibrierung nicht unabhängig von anderen Eigenschaften des Fluids bestimmt werden kann.
Weiterhin offenbart DE 10 2018 104 669 A1 , dass Einflüsse eines Fluidstroms auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit liefern, insbesondere die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit aufgrund von Änderungen der Ausbreitungszeit oder Änderungen der Phasenposition einer übertragenen akustischen Oberflächenwelle. Auch hier ist jedoch eine Referenzmessung erforderlich, um den Durchfluss unabhängig von anderen Eigenschaften des Fluids zu bestimmen.
Daher sind die bekannten Sensoren, die zur Verwendung in Hochdruckanwendungen wie HPLC geeignet sind, auf nachteilige Weise von anderen Eigenschaften der verwendeten Fluide abhängig und erfordern daher eine fluidspezifische Kalibrierung oder Referenzmessungen, die bei Verwendung von Lösungsmittelgradienten besonders nachteilig sein können.
Vor diesem Hintergrund besteht ein Ziel darin, die Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu mildern. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Durchflusssensor bereitzustellen, der keine fluidabhängige Kalibrierung erfordert.
Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht.
In einer ersten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids. Das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender zu einem ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle an dem ersten Empfänger, wobei ein erstes Merkmal basierend auf dem Signal der ersten Welle bestimmt wird, Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger, und Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle. Das Verfahren umfasst ferner: Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit Generieren eines Differenzmaßes. Das Verfahren umfasst zusätzlich: Bestimmen einer Verweilzeit, die eine Ausbreitungszeit angibt, die von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigt wird, und/oder einer Ausbreitungszeit, die von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigt wird, und Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft. Somit kann das Verfahren das Bestimmen der Strömungseigenschaft zumindest basierend auf dem Differenzmaß und der Verweilzeit umfassen.
Die vorliegende Erfindung kann mit anderen Worten das Senden von zwei Wellen von einem jeweiligen Sender zu einem jeweiligen Empfänger derart, dass jede der zwei Wellen das Fluid auf ihrem Weg durchläuft, umfassen. Anschließend kann ein Differenzmaß bestimmt werden, das sich auf die von den zwei jeweiligen Empfängern empfangenen Signale bezieht, insbesondere ein Differenzmaß von Merkmalen, die basierend auf den empfangenen Signalen der Wellen bestimmt werden. Derartige Merkmale können beispielsweise eine Phasendifferenz zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal sein. Weiterhin kann eine Verweilzeit bestimmt werden, die die Ausbreitungszeit von mindestens einer der zwei Wellen angibt, und können die Verweilzeit und das Differenzmaß anschließend dazu verwendet werden, eine Strömungseigenschaft zu bestimmen, die beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit oder eine Durchflussrate des Fluids sein kann.
Ein erster Wandler kann den ersten Sender und den zweiten Empfänger bilden, und ein zweiter Wandler kann den zweiten Sender und den ersten Empfänger bilden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen des Verfahrens können der erste Sender und der zweite Empfänger aus demselben Wandler (d. h. dem ersten Wandler) bestehen, und desgleichen können der zweite Sender und der erste Empfänger ebenso aus einem einzigen Wandler (d. h. dem zweiten Wandler) bestehen. Dies kann vorteilhafterweise ein kompaktes Sensordesign ermöglichen und/oder die Anzahl der erforderlichen Wandler und damit die Komplexität des für das Verfahren verwendeten Sensors verringern.
Alternativ dazu kann ein erster Wandler den ersten Sender und den zweiten Sender bilden, kann ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bilden und bildet ein dritter Wandler den zweiten Empfänger. Mit anderen Worten können in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens drei Wandler den ersten und zweiten Sender und den ersten und zweiten Empfänger bilden.
Wiederum alternativ dazu kann ein erster Wandler den ersten Sender bilden, kann ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bilden, kann ein dritter Wandler den zweiten Sender bilden und bildet ein vierter Wandler den zweiten Empfänger. Mit anderen Worten kann jeder von erstem und zweitem Sender und erstem und zweitem Empfänger von einem einzelnen Wandler bereitgestellt werden.
Der zweite Wandler kann die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfassen. Die gleichen Eigenschaften können sich beispielsweise auf die Wellenlänge, die Größe und/oder das Elektrodendesign des Wandlers beziehen. Insbesondere können zwei Wandler, die die gleichen Eigenschaften aufweisen, ein identisches Design umfassen. Mit anderen Worten können zwei Wandler, die die gleichen Eigenschaften umfassen, als identisch angesehen werden.
In Ausführungsformen kann der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der dritte Wandler umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Leiten des Fluids durch einen Kanal umfassen.
Der Schritt des Sendens der ersten Welle vom ersten Sender zum ersten Empfänger kann das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der ersten Welle umfassen. Desgleichen kann der Schritt des Sendens der zweiten Welle vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der zweiten Welle umfassen.
Das Fluid kann eine Strömungsrichtung umfassen. Die zweite Welle kann das Fluid in einer Richtung durchlaufen, die der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung entgegengesetzt ist. Dies kann vorteilhafterweise das Aufheben von strömungsunabhängigen Beiträgen durch Generieren des Differenzmaßes ermöglichen, was in Kombination mit der Verweilzeit vorteilhafterweise ermöglichen kann, die Strömungseigenschaft unabhängig von Fluideigenschaften und/oder lokaler Fluid- und/oder Umgebungstemperatur zu bestimmen. Mit anderen Worten kann dies vorteilhafterweise eine fluidunabhängige Messung der Strömungseigenschaft ermöglichen.
Das Signal der ersten und/oder der zweiten Welle wird unter Umständen vom jeweiligen Empfänger nicht direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen. Das heißt, die erste und/oder die zweite Welle kann sich für eine Zeit Δt_SAW > 0 ausbreiten, bevor sie vom jeweiligen Empfänger empfangen wird. Beispielsweise kann die Welle nach dem Durchlaufen des Fluids in einen Chip eingekoppelt werden und sich als SAW ausbreiten, bevor sie vom bezeichneten Empfänger empfangen wird. Mit anderen Worten kann es sein, dass die erste und/oder die zweite Welle nicht direkt auf den Wandler trifft, der den jeweiligen Empfänger bildet, der die Welle empfängt.
Die erste und die zweite Welle können sich beim Durchlaufen des Fluids als Schallwellen ausbreiten.
In einigen Ausführungsformen kann das Bestimmen des Merkmals basierend auf dem Signal der jeweiligen Welle das Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen der vom jeweiligen Sender ausgesendeten Welle und dem vom jeweiligen Empfänger empfangenen Signal der Welle umfassen.
Das Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft kann das Teilen des Differenzmaßes durch die Verweilzeit umfassen, um einen Strömungsgeschwindigkeitsterm abzuleiten, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist
Das Bestimmen der Verweilzeit kann das Senden einer Verweilzeitwelle von einem Verweilzeitsender an einen Verweilzeitempfänger, wobei die Verweilzeitwelle das Fluid auf seinem Weg vom Verweilzeitsender zum Verweilzeitempfänger durchläuft, und das Empfangen eines Signals der Verweilzeitwelle am Verweilzeitempfänger umfassen. Ferner kann sich die Verweilzeitwelle beim Durchlaufen des Fluids als Schallwelle ausbreiten.
In einigen Ausführungsformen kann eine von erster und zweiter Welle die Verweilzeitwelle bilden.
Das Signal der Verweilzeitwelle kann vom Verweilzeitempfänger direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen werden. Das heißt, die Verweilzeitwelle kann sich im Wesentlichen nicht als SAW ausbreiten, bevor sie vom Verweilzeitempfänger empfangen wird. Hierbei dient der Term im Wesentlichen dazu, die Zeit einzuschließen, die der Empfänger benötigt, um die Schallwelle zu empfangen, d. h. die Verweilzeitwelle nach dem Durchlaufen des Fluids. Dies kann insbesondere die Zeit (und Ausbreitung) zum Umwandeln der Schallwelle zurück in eine SAW und zum Empfangen der SAW durch den Empfänger beinhalten, wobei die Ausbreitung während dieser Zeit erheblich geringer sein kann als die Ausdehnung des Verweilzeitempfängers.
Das Bestimmen der Verweilzeit kann das Bestimmen der Gesamtausbreitungszeit dt_IDT zwischen dem Verweilzeitsender, der die Welle sendet, und dem Verweilzeitempfänger, der das Signal der Welle empfängt, umfassen. Ferner kann das Bestimmen der Verweilzeit das Korrigieren der Gesamtausbreitungszeit Δt_IDT für eine fluid- und strömungsunabhängige Offset-Zeit Δt_Offset umfassen. Die fluidunabhängige Offset-Zeit Δt_Offset entspricht der Zeit, in der die Verweilzeitwelle generiert und in das Fluid induziert wird, und der Zeit, in der die Schallwelle zurück in eine SAW umgewandelt und vom Verweilzeitempfänger empfangen wird, da die Welle während dieser Zeiten keiner strömungsabhängigen Verschiebung unterliegt.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen der fluid- und strömungsunabhängigen Offset-Zeit Δt_Offset mittels einer sensorspezifischen Kalibriermessung umfassen. Das heißt, es kann eine einmalige Kalibrierungsmessung durchgeführt werden, die vorzugsweise nur einmal für ein bestimmtes Sensordesign oder für jeden einzelnen Sensor erforderlich sein kann. Die Kalibrierungsmessung könnte beispielsweise bereits während der Herstellung durchgeführt und einem Benutzer zusammen mit dem Sensor zur Verfügung gestellt werden.
In einigen Ausführungsformen kann eine Welle, die das Fluid durchläuft, die Welle umfassen, die den Kanal mindestens einmal kreuzt. Das heißt, die Welle kann den Kanal mindestens einmal in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung kreuzen. Ferner kann die erste und/oder die zweite Welle, die das Fluid durchläuft, das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der jeweiligen Welle an einer Innenfläche des Kanals umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Verweilzeitwelle, die das Fluid durchläuft, das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der Verweilzeitwelle an einer Innenfläche des Kanals umfassen.
Das Bestimmen der Verweilzeit kann das Berücksichtigen der Häufigkeit umfassen, mit der die Verweilzeitwelle den Kanal beim Durchlaufen des Fluids kreuzte.
In einigen Ausführungsformen kann der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bilden.
In einigen Ausführungsformen kann ein Zeitsenderwandler den Verweilzeitsender bilden.
Der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler kann ferner den Verweilzeitempfänger bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger bilden.
In einigen Ausführungsformen kann ein Zeitmesswandler den Verweilzeitsender bilden.
Die Strömungseigenschaft kann eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sein, alternativ dazu kann die Strömungseigenschaft eine Durchflussrate des Fluids sein.
In einigen Ausführungsformen können die Wandler Interdigitalwandler (IDT) sein, die zum Senden und Empfangen von akustischen Oberflächenwellen (SAW) konfiguriert sind.
In einigen Ausführungsformen kann der Verweilzeitempfänger stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen können die erste Welle und die zweite Welle jeweils impulsförmige Wellen im Zeitbereich sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Verweilzeitwelle eine impulsförmige Welle im Zeitbereich sein.
Das Senden der ersten Welle, der zweiten Welle und/oder der Verweilzeitwelle kann das Bereitstellen eines Wechselspannungssignals an den Wandler umfassen, der den jeweiligen Sender für die Welle bildet. Ferner kann das Wechselspannungssignal bei einer Spannungsfrequenz abwechseln und kann die Spannungsfrequenz im Bereich von 10 MHz bis 1000 MHz, vorzugsweise im Bereich von 20 MHz bis 200 MHz, bevorzugter im Bereich von 30 MHz bis 100 MHz, liegen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Wechselspannungssignal eine Effektivspannung (RMS-Spannung) umfassen und kann die Effektivspannung im Bereich von -90 dBm bis 30 dBm, vorzugsweise im Bereich von - 60 dBm bis 10 dBm, bevorzugter im Bereich von -40 dBm bis 0 dBm, liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Effektivspannung im Bereich von 1 µV bis 10 V, vorzugsweise im Bereich von 10 µV bis 1 V, bevorzugter im Bereich von 100 µV bis 100 mV, liegen.
Das Wechselspannungssignal kann ein impulsförmiges Wechselspannungssignal sein. Ferner kann das impulsförmige Wechselspannungssignal eine Impulslänge umfassen und kann die Impulslänge im Bereich von 0,1 ns bis 100 µs, vorzugsweise im Bereich von 1 ns bis 10 µs, bevorzugter im Bereich von 10 ns bis 3 µs, liegen.
In einigen Ausführungsformen kann das Fluid einen Fluiddruck aufweisen und der Fluiddruck kann 100 bar, vorzugsweise 500 bar, bevorzugter 1000 bar, etwa 2000 bar, überschreiten.
Die Strömungseigenschaft kann für ein Fluid bestimmt werden, das eine Durchflussrate umfasst, die mindestens im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, liegen kann.
Das Verfahren erfordert möglicherweise keine fluidabhängige Kalibrierung.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft umfassen. Ferner kann die mindestens eine zusätzliche Fluideigenschaft Dichte, Schallgeschwindigkeit, Viskosität und/oder Leitfähigkeit sein. Das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft kann das Bestimmen einer strömungsunabhängigen Phasenverschiebung einer Welle umfassen, die das Fluid durchläuft. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft das Bestimmen einer SAW-Phasenverschiebung einer SAW umfassen, die sich vom ersten Sender zum ersten Empfänger und/oder vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger ausbreitet, ohne das Fluid zu durchlaufen.
Ferner kann das Verfahren das Herleiten mindestens eines potenziellen Fluidkandidaten für das Fluid basierend auf der mindestens einen zusätzlichen Fluideigenschaft umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Herleiten des mindestens einen potenziellen Fluidkandidaten das Verwenden statistischer Verfahren umfassen.
In einer anderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids. Der Sensor umfasst einen Kanal zum Leiten des Fluids, eine Sender- und Empfängeranordnung, die mindestens einen ersten Sender, einen ersten Empfänger, einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger bildet, sowie eine Datenverarbeitungseinheit, wobei der Durchflusssensor dazu konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen durchzuführen.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Empfänger bildet, und einen zweiten Wandler, der den zweiten Sender und den ersten Empfänger bildet, umfassen.
Alternativ dazu kann die Sender- und Empfängeranordnung einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Sender bildet, einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet, und einen dritten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, umfassen.
Wiederum kann alternativ die Sender- und Empfängeranordnung einen ersten Wandler, der den ersten Sender bildet, einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet, einen dritten Wandler, der den zweiten Sender bildet, und einen vierten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, umfassen.
Der zweite Wandler kann das gleiche Design wie der erste Wandler umfassen. Das heißt, der zweite Wandler umfasst die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler, wobei die Eigenschaften beispielsweise geometrische Abmessungen, Periodizität, Wellenlänge usw. einschließen können.
In Ausführungsformen kann der dritte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfassen.
In Ausführungsformen kann der dritte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfassen.
In Ausführungsformen kann der vierte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfassen.
In Ausführungsformen kann der vierte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfassen.
In Ausführungsformen kann der vierte Wandler das gleiche Design wie der dritte Wandler umfassen.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann ferner einen Verweilzeitsender und einen Verweilzeitempfänger bilden. In einigen Ausführungsformen kann der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitempfänger bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu bildet der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann einen Zeitmesswandler umfassen, der den Verweilzeitempfänger bildet.
In einigen Ausführungsformen bildet der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bilden.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann einen Zeitsenderwandler umfassen, der den Verweilzeitsender bildet.
In einigen Ausführungsformen kann der erste Sender stromabwärts des ersten Empfängers angeordnet sein und kann der zweite Sender stromaufwärts des zweiten Empfängers angeordnet sein. Alternativ dazu kann der erste Sender stromaufwärts des ersten Empfängers angeordnet sein und kann der zweite Sender stromabwärts des zweiten Empfängers angeordnet sein.
Der erste Sender und der erste Empfänger können direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sein. Das heißt, der erste Sender kann entweder direkt stromaufwärts oder stromabwärts des ersten Empfängers angeordnet sein, wobei der Begriff „direkt nacheinander“ bedeutet, dass kein anderer Sender oder Empfänger dazwischen angeordnet sein darf.
Der zweite Sender und der zweite Empfänger können direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen können der erste Sender und der erste Empfänger auf derselben Seite des Kanals angeordnet sein. Mit anderen Worten können der erste Sender und Empfänger derart angeordnet sein, dass eine vom ersten Sender emittierte und vom ersten Empfänger empfangene Welle die Fluide eine gerade Anzahl von Malen durchläuft. Beispielsweise umfasst in einem Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt der Kanal vier Seiten und können der erste Sender und der erste Empfänger beide auf einer einzigen Seite davon angeordnet sein.
Alternativ dazu sind der erste Sender und der erste Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet. Mit anderen Worten können der erste Sender und Empfänger derart angeordnet sein, dass eine vom ersten Sender emittierte und vom ersten Empfänger empfangene Welle die Fluide eine ungerade Anzahl von Malen durchläuft. Beispielsweise umfasst in einem Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt der Kanal vier Seiten und können der erste Sender und der erste Empfänger jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet sein.
Der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender können direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Verweilzeitempfänger stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Verweilzeitempfänger stromaufwärts des Verweilzeitsenders angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf derselben Seite des Kanals angeordnet sein. Alternativ dazu können der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sein.
Der Kanal kann eine Innenfläche umfassen, die dazu konfiguriert ist, mit dem durch den Kanal geleiteten Fluid in Kontakt zu stehen. Der Kanal kann einen Kanalquerschnitt umfassen, wobei der Kanalquerschnitt mindestens rechteckig oder rund oder elliptisch oder eine beliebige Kombination davon sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Kanalquerschnitt rechteckig sein.
Der Kanal kann eine Kanalgeometrie umfassen, wobei die Kanalgeometrie gerade, gekrümmt und/oder gebogen ist, wobei gebogen beispielsweise eine Geometrie bezeichnen kann, bei der der Kanal eine Ecke, z. B. eine 90°-Ecke, umfasst.
Weiterhin kann der Kanal eine Strömungsrichtung umfassen, wobei das Fluid in Strömungsrichtung durch den Kanal geleitet werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Kanal eine Kanallänge umfassen, die der Ausdehnung des Kanals entspricht, an dem entlang das Fluid geleitet wird. Die Kanallänge kann bis zu 30 mm, vorzugsweise bis zu 10 mm, bevorzugter bis zu 5 mm betragen.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann mindestens einen Chip umfassen. Ferner kann der mindestens eine Chip ein Substrat umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat piezoelektrisch sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Substrat mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet sein. Das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht können aus einem Kristall aus Lithiumniobat (LiNbO₃), Quarz (SiO₂), Lithiumtantalat (LiTaO₃) und/oder Lanthangalliumsilikat (La₃Ga₅SiO₁₄) bestehen. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht aus einem LiNbO₃-Kristall mit 128° X-Y-Schnitt bestehen.
Der mindestens eine Chip kann mindestens einen Wandler umfassen, der zum Senden und/oder Empfangen einer Welle konfiguriert ist. Ferner kann der Wandler mindestens der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler sein.
Der Wandler kann oben auf dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Der Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine Welle mit einer Wandlerwellenlänge zu senden und/oder zu empfangen, wobei die Wandlerwellenlänge im Bereich von 4 µm bis 400 µm, vorzugsweise 20 µm bis 200 µm, bevorzugter 40 µm bis 133 µm, liegen kann.
Der mindestens eine Wandler kann ein Interdigitalwandler (IDT) sein, der zum Senden und/oder Empfangen einer akustischen Oberflächenwelle konfiguriert ist. Ferner kann jeder Interdigitalwandler mindestens zwei ineinandergreifende Elektroden umfassen. Zusätzlich kann jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden mehrere Fingerelektroden umfassen, wobei die Fingerelektroden der ineinandergreifenden Elektroden ineinandergreifen können. Das heißt, die IDT kann beispielsweise zwei ineinandergreifende Elektroden umfassen, die einer ineinandergreifenden Kammstruktur ähneln.
In einigen Ausführungsformen kann jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden eine identische Anzahl von Fingerelektroden umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu umfasst der Interdigitalwandler 2 ineinandergreifende Elektroden. Ferner können die 2 ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sein, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd die ineinandergreifenden Elektrodenfinger umfassen. Mit anderen Worten kann eine Periode des IDT ein Fingerpaar, d. h. zwei Fingerelektroden, umfassen, wobei jede Fingerelektrode des Fingerpaars Teil einer anderen ineinandergreifenden Elektrode ist. Ein derartiger IDT kann beispielsweise als IDT vom Einzelelektrodentyp oder IDT vom Festelektrodentyp bezeichnet werden.
Alternativ dazu können die ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sein, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd die Elektrodengruppen, die jeweils eine gleiche Anzahl mehrerer benachbarter Fingerelektroden umfassen, umfassen können. So kann eine Periode des IDT beispielsweise 4 oder 8 Fingerelektroden umfassen. Ein derartiger IDT kann beispielsweise als IDT vom Doppel- oder Multielektrodentyp oder allgemeiner als IDT vom Split-Elektrodentyp bezeichnet werden. Solche IDT vom Split-Elektrodentyp können vorteilhafterweise den Zugang zu harmonischen Bändern ermöglichen, was wiederum die Vielseitigkeit derartiger IDT erhöhen kann.
In einigen Ausführungsformen können die Fingerelektroden periodisch beabstandet sein.
In einigen Ausführungsformen können die Fingerelektroden abgeschrägt und/oder verjüngt sein. Beispielsweise können die Fingerelektroden zu einer der ineinandergreifenden Elektroden hin abgeschrägt und verjüngt sein, derart, dass sich die Dicke der Fingerelektroden 21 und die Entfernung dazwischen in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der SAW verändern. Ein derartiger IDT kann beispielsweise als Schrägfinger-IDT oder verjüngter IDT bezeichnet werden. Verjüngte und/oder Schrägfingerelektroden können vorteilhafterweise einen IDT bereitstellen, der eine große Bandbreite umfasst.
Der Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine gechirpte akustische Oberflächenwelle zu senden und/oder zu empfangen. Ferner können die Fingerelektroden eine Fingerelektrodenbreite umfassen, wobei eine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Fingerelektroden und der Fingerelektrodenbreite in einer Richtung senkrecht zu einer größten Ausdehnung der Fingerelektroden abnehmen kann.
In einigen Ausführungsformen kann jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden zwischen 3 und 1000 Fingerelektroden, vorzugsweise zwischen 3 und 700 Fingerelektroden, umfassen.
Der Interdigitalwandler kann eine elektrische Impedanz von 1 Ω bis 500 Ω, vorzugsweise 10 Ω bis 200 Ω, bevorzugter 30 Ω bis 100 Ω, etwa 50 Ω. umfassen.
Der Interdigitalwandler kann eine akustische Blende umfassen, die eine überlappende Länge der mindestens zwei Elektroden bezeichnet. Ferner kann die akustische Blende im Bereich von 100 µm bis 3000 µm, vorzugsweise im Bereich von 200 µm bis 100 µm, bevorzugter im Bereich von 300 µm bis 800 µm, liegen.
Der mindestens eine Wandler kann dazu konfiguriert sein, akustische Oberflächenwellen mit einer Anregungsleistung unter 1 W, vorzugsweise unter 10 mW, bevorzugter unter 1 mW, zu emittieren.
Der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler kann/können ein unidirektionaler Wandler sein.
Der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler kann/können ein bidirektionaler Wandler sein.
Der Chip kann eine Siegelschicht, die den mindestens einen Anteil der Chipoberfläche bedeckt, und vorzugsweise Komponenten umfassen, die der Chip umfasst. Ferner kann die Siegelschicht den mindestens einen Wandler bedecken. Die Siegelschicht kann aus einem Material der Polyaryletherketon- (PAEK-) Familie, vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK), einem oxidkeramischen Material, Fused SiO₂ (Kieselglas) oder Si₃N₄, bestehen. Das heißt, das bevorzugte Material aus der PAEK-Familie kann PEEK sein. Die Siegelschicht kann eine Siegelschichtdicke umfassen, wobei die Siegelschichtdicke weniger als das 10-fache der Wandlerwellenlänge, vorzugsweise weniger als das 5-fache der Wandlerwellenlänge, bevorzugter weniger als die Wandlerwellenlänge und noch bevorzugter weniger als das 0,25-fache der Wandlerwellenlänge, betragen kann.
Der Chip kann eine Oberseite umfassen, wobei mindestens ein Anteil der Oberseite Teil der Innenfläche des Kanals sein kann. In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Anteil der Innenfläche des Kanals von einem akustischen Reflektor bereitgestellt werden. Der akustische Reflektor kann reflektierend und/oder brechend sein.
In einigen Ausführungsformen kann der akustische Reflektor aus Saphir hergestellt sein. Alternativ dazu kann der akustische Reflektor ein Brechungsreflektor sein, der vorzugsweise aus einem synthetischen Material wie Kunststoff hergestellt ist. Vorzugsweise kann er aus einem Material des Polyaryletherketons (PAEK) und insbesondere PEEK hergestellt sein.
Zumindest ein Anteil des Chips kann als Wellenleiter für SAW konfiguriert sein.
Der Kanal kann eine Kanalhöhe umfassen, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung senkrecht zum Chip und zur Strömungsrichtung entspricht. Ferner kann die Kanalhöhe höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, bevorzugter höchstens 1 mm betragen.
Der Kanal kann eine Kanalbreite umfassen, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung parallel zum Chip und senkrecht zur Strömungsrichtung entspricht. Ferner kann die Kanalbreite höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, bevorzugter höchstens 1 mm, betragen.
Der Sensor kann für Durchflussraten im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, bevorzugt 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, konfiguriert sein. Ferner kann der Sensor dazu konfiguriert sein, die Durchflussraten mit einem relativen Fehler von bis zu 0,1 %, vorzugsweise bis zu 0,01 %, noch bevorzugter bis zu 0,001 %, zu messen.
Der Sensor kann für Drücke konfiguriert sein, die 100 bar überschreiten, vorzugsweise 500 bar überschreiten, bevorzugter 1000 bar überschreiten, etwa 2000 bar überschreiten.
In einigen Ausführungsformen können fluidfördernde Anteile des Sensors chemisch beständig, vorzugsweise chemisch inert sein.
Die Strömungseigenschaft kann eine Durchflussrate des Fluids sein, zusätzlich oder alternativ dazu kann die Strömungseigenschaft eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sein.
Der erste Sender und der erste Empfänger können auf demselben Chip angeordnet sein. Alternativ dazu können der erste Sender und der erste Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sein.
Der zweite Sender und der zweite Empfänger können auf demselben Chip angeordnet sein. Alternativ dazu können der zweite Sender und der zweite Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen können der zweite Sender und der zweite Empfänger auf einem anderen Chip angeordnet sein als der zweite Sender und der zweite Empfänger.
Der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger können auf demselben Chip angeordnet sein. Alternativ dazu können der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sein.
Das piezoelektrische Substrat oder die piezoelektrische Schicht können eine SAW-Schallgeschwindigkeit c_S umfassen, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer SAW innerhalb des piezoelektrischen Substrats bzw. der piezoelektrischen Schicht entspricht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das durch den Sensor geleitete Fluid eine Fluidschallgeschwindigkeit c_F umfassen, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle innerhalb des Fluids entspricht.
Der Verweilzeitempfänger kann eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfassen, und der Verweilzeitsender kann eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfassen, wobei die Verweilzeitempfängerlänge größer als die Verweilzeitsenderlänge ist.
Der Verweilzeitempfänger kann eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfassen, wobei die Verweilzeitempfängerlänge im Bereich von 0,1 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 50 mm, bevorzugter 0,2 mm bis 20 mm, liegen kann.
Der Verweilzeitsender kann eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfassen, wobei die Verweilzeitsenderlänge im Bereich von 12 µm bis 40 mm, vorzugsweise 60 µm bis 20 mm, bevorzugter 120 µm bis 14 mm, liegen kann.
Der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger können durch eine Verzögerungsleitungslänge in Strömungsrichtung getrennt sein, wobei die Verzögerungsleitungslänge mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm, bevorzugter mindestens 100 µm, betragen kann.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, Signale von der Sender- und Empfängeranordnung zu empfangen. Ferner kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, Signale an die Sender- und Empfängeranordnung zu senden. Die Sender- und Empfängeranordnung kann dazu konfiguriert sein, Signale von einem Signalgenerator zu empfangen. Ferner kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, Signale an den Signalgenerator zu senden.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, die Verweilzeit zu bestimmen. Ferner kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, eine Verweilzeit basierend auf einem vom Verweilzeitempfänger empfangenen Signal zu bestimmen.
Die Verarbeitungseinheit kann zur Ausführung von Schritten des Verfahrens gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen konfiguriert sein. Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, ein Differenzmaß basierend auf Signalen zu bestimmen, die vom ersten und zweiten Empfänger empfangen werden.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, die Verweilzeit und das Differenzmaß zum Bestimmen der Strömungseigenschaft zu verwenden.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, eine digitale Nachverarbeitung von Signalen durchzuführen, die von der Sender- und Empfängeranordnung empfangen werden.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, eine digitale Nachverarbeitung des Differenzmaßes durchzuführen.
In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Anteil des Kanals dazu konfiguriert sein, einen akustischen Wellenleiter für Wellen bereitzustellen, die das Fluid durchlaufen.
Der Kanal kann aus einem Kanalmaterial gebildet sein, wobei das Kanalmaterial eine Materialschallgeschwindigkeit c_m, umfassen kann, die kleiner als die SAW-Schallgeschwindigkeit ist. Ferner kann der Chip eine Oberseite umfassen, wobei die Oberseite unter Umständen nicht Teil der Innenfläche des Kanals ist.
Der Chip kann über ein Kopplungsmaterial mit dem Kanalmaterial gekoppelt sein, wobei das Kopplungsmaterial dazu konfiguriert sein kann, zu ermöglichen, dass sich eine SAW vom Chip zum Kanalmaterial und umgekehrt ausbreitet. Ferner kann das Kopplungsmaterial eine Kopplungsmaterialdicke umfassen, wobei die Kopplungsmaterialdicke weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 25 % und bevorzugter weniger als 10 % der Wandlerwellenlänge, betragen kann.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann die Verwendung eines Sensors wie vorstehend beschrieben umfassen.
Ganz allgemein umfasst die vorliegende Erfindung eine neue Technologie zum Messen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, z. B. des Durchflusses einer Flüssigkeit, mittels einer Welle, z. B. einer akustischen Oberflächenwelle (SAW), die zumindest teilweise als eine Volumenwelle, insbesondere eine Schallwelle, in das Fluid eingekoppelt werden kann. Die Messung kann auf einer strömungsinduzierten lokalen Verlagerung (auch als lokale „Verschiebung“ bezeichnet) einer Schallwelle basieren, die durch einen Wandler generiert wird, z. B. einen Interdigitalwandler (IDT), die von einem anderen Wandler empfangen wird, der stromaufwärts oder stromabwärts des generierenden (z. B. emittierenden) Wandlers angeordnet ist. Aufgrund der strömungsinduzierten lokalen Verlagerung kann die Schallwelle mit einer Zeitverzögerung (oder einem Vorlauf) empfangen werden. Im Idealfall kann die lokale Verlagerung ausschließlich linear zur durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit des Fluidkanals sein. Das Signal kann jedoch auch durch andere Variablen etwa Druck-, Temperatur-, Dichte-, Leitfähigkeits- und Viskositätsänderungen des Fluids beeinflusst werden. Das heißt, die Fluideigenschaften und/oder Umgebungsparameter können die Zeitverzögerung der Schallwelle beeinflussen - ein Problem, das dazu führt, dass Sensoren daher eine sorgfältige Kalibrierung und Kontrolle der Umgebungsparameter erfordern.
Im Allgemeinen können die unerwünschten Variablen durch eine wechselseitige zeitlich unterschiedliche Messung kompensiert werden. Vor der vorliegenden Erfindung konnte die lokale Verlagerung der Schallwelle jedoch nicht von der reinen Ausbreitungszeit der Schallwelle im Fluid getrennt werden, die auch als Verweilzeit bezeichnet werden kann. Dies kann zu einer Fluidabhängigkeit führen, die im Allgemeinen für die HPLC ungeeignet sein kann und zur Notwendigkeit einer fluidabhängigen Kalibrierung führt. Die vorliegende Erfindung kann das Messen des vorstehend beschriebenen Signals ermöglichen, das (kombinierte) Informationen sowohl über die strömungsunabhängige Ausbreitungszeit und die lokale Verlagerung der Schallwelle als auch ein weiteres Signal umfasst, das das Extrahieren der Ausbreitungszeit der Schallwelle ermöglicht. Daher können es die Gesamtinformationen, die aus diesen Signalen gewonnen werden können, ermöglichen, (z. B. kontinuierlich) ein strömungsunabhängiges Strömungssignal zu bestimmen. Basierend auf dem Strömungssignal kann eine entsprechende Strömungseigenschaft, beispielsweise eine Durchflussrate, bestimmt werden. Somit erfordert die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise unter Umständen keine fluidabhängige Kalibrierung.
Nachstehend wird auf Verfahrensausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „M“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Verfahrensausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.

M1. Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, wobei das Verfahren umfasst:
- Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender an einen ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle am ersten Empfänger,
- Bestimmen eines ersten Merkmals basierend auf dem Signal der ersten Welle,
- Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger,
- Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle,
- Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit Generieren eines Differenzmaßes,
- Bestimmen einer Verweilzeit, die eine von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigte Ausbreitungszeit und/oder eine von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigte Ausbreitungszeit angibt,
- Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft.
M2. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei ein erster Wandler den ersten Sender und den zweiten Empfänger bildet und ein zweiter Wandler den zweiten Sender und den ersten Empfänger bildet.
M3. Verfahren gemäß der vorletzten Ausführungsform, wobei ein erster Wandler den ersten Sender und den zweiten Sender bildet, ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bildet und ein dritter Wandler den zweiten Empfänger bildet.
M4. Verfahren gemäß Verfahrensausführungsform M1, wobei ein erster Wandler den ersten Sender bildet, ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bildet, ein dritter Wandler den zweiten Sender bildet und ein vierter Wandler den zweiten Empfänger bildet.
M5. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der zweite Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfasst.
M6. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfasst.
M7. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfasst.
M8. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfasst.
M9. Verfahren gemäß einer der 5 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfasst.
M10. Verfahren gemäß einer der 6 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der dritte Wandler umfasst.
M11. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren ferner das Leiten des Fluids durch einen Kanal umfasst.
M12. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Sendens der ersten Welle vom ersten Sender zum ersten Empfänger das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der ersten Welle umfasst.
M13. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Sendens der zweiten Welle vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der zweiten Welle umfasst.
M14. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Fluid eine Strömungsrichtung umfasst.
M15. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei die zweite Welle das Fluid in einer Richtung durchläuft, die der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.
M16. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Signal von der ersten und/oder der zweiten Welle nicht direkt nach dem Durchlaufen des Fluids vom jeweiligen Empfänger empfangen wird.
M17. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei sich die erste und die zweite Welle beim Durchlaufen des Fluids als Schallwellen ausbreiten.
M18. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen des Merkmals basierend auf dem Signal der jeweiligen Welle das Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen der vom jeweiligen Sender ausgesendeten Welle und dem vom jeweiligen Empfänger empfangenen Signal der Welle umfasst.
M19. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft das Dividieren des Differenzmaßes durch die Verweilzeit umfasst, um einen Strömungsgeschwindigkeitsterm abzuleiten, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.
M20. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Senden einer Verweilzeitwelle von einem Verweilzeitsender an einen Verweilzeitempfänger, wobei die Verweilzeitwelle das Fluid auf ihrem Weg vom Verweilzeitsender an den Verweilzeitempfänger durchläuft, und das Empfangen eines Signals der Verweilzeitwelle am Verweilzeitempfänger umfasst.
M21. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei sich die Verweilzeitwelle beim Durchlaufen des Fluids als Schallwelle ausbreitet.
M22. Verfahren gemäß einer der 2 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die erste und/oder die zweite Welle die Verweilzeitwelle bildet.
M23. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Signal der Verweilzeitwelle vom Verweilzeitempfänger direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen wird.
M24. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Bestimmen der Gesamtausbreitungszeit Δt_IDT zwischen dem Verweilzeitsender, der die Welle sendet, und dem Verweilzeitempfänger, der das Signal der Welle empfängt, umfasst.
M25. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Bestimmen der Verweilzeit ferner das Korrigieren der Gesamtausbreitungszeit Δt_IDT für eine fluid- und strömungsunabhängige Offset-Zeit Δt_Offset umfasst.
M26. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen der fluid- und strömungsunabhängigen Offset-Zeit Δt_Offset durch eine sensorspezifische Kalibriermessung umfasst.
M27. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M11, wobei eine Welle, die das Fluid durchläuft, die Welle umfasst, die den Kanal mindestens einmal kreuzt.
M28. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei die erste und/oder die zweite Welle, die das Fluid durchläuft, das Reflektieren und/oder Brechen der jeweiligen Welle mindestens einmal an einer Innenfläche des Kanals umfasst.
M29. Verfahren gemäß einer der 2 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20, wobei die Verweilzeitwelle, die das Fluid durchläuft, das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der Verweilzeitwelle an einer Innenfläche des Kanals umfasst.
M30. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20 und M26, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Berücksichtigen der Häufigkeit umfasst, mit der die Verweilzeitwelle den Kanal beim Durchlaufen des Fluids kreuzte.
M31. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender bildet.
M32. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bildet.
M33. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20, wobei ein Zeitsenderwandler den Verweilzeitsender bildet.
M34. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitempfänger bildet.
M35. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger bildet.
M36. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20, wobei der Zeitmesswandler den Verweilzeitsender bildet.
M37. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.
M38. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen mit Ausnahme der Verfahrensausführungsform M37, wobei die Strömungseigenschaft eine Durchflussrate des Fluids ist.
M39. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von mindestens einer von M2, M3, M4, M33 und M36, wobei die Wandler Interdigitalwandler (IDT) sind, die zum Senden und Empfangen von akustischen Oberflächenwellen (SAW) konfiguriert sind.
M40. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen mit den Merkmalen von M20, wobei der Zeitmesswandler stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet ist.
M41. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die erste Welle und die zweite Welle jeweils impulsförmige Wellen im Zeitbereich sind.
M42. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit dem Merkmal von M20, wobei die Verweilzeitwelle eine impulsförmige Welle im Zeitbereich ist.
M43. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von mindestens einer der Ausführungsformen M2, M3, M4, M33 und M36, wobei das Senden der ersten Welle, der zweiten Welle und/oder der Verweilzeitwelle das Bereitstellen eines Wechselspannungssignals an den Wandler, der den jeweiligen Sender für die Welle bildet, umfasst.
M44. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Wechselspannungssignal bei einer Spannungsfrequenz wechselt und wobei die Spannungsfrequenz im Bereich von 10 MHz bis 1000 MHz, vorzugsweise im Bereich von 20 MHz bis 200 MHz, bevorzugter im Bereich von 30 MHz bis 100 MHz, liegt.
M45. Verfahren gemäß einer der 2 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Wechselspannungssignal eine Effektivspannung (RMS-Spannung) umfasst und wobei die Effektivspannung im Bereich von -90 dBm bis 30 dBm, vorzugsweise im Bereich von -60 dBm bis 10 dBm, bevorzugter im Bereich von -40 dBm bis 0 dBm, liegt.
M45b. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Wechselspannungssignal eine Effektivspannung (RMS-Spannung) umfasst und wobei die Effektivspannung im Bereich von 1 µV bis 10 V, vorzugsweise im Bereich von 10 µV bis 1 V, bevorzugter im Bereich von 100 µV bis 100 mV, liegt.
M46. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Wechselspannungssignal ein impulsförmiges Wechselspannungssignal ist.
M47. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das impulsförmige Wechselspannungssignal eine Impulslänge umfasst, wobei die Impulslänge im Bereich von 0,1 ns bis 100 µs, vorzugsweise im Bereich von 1 ns bis 10 µs, bevorzugter im Bereich von 10 ns bis 3 µs, liegt.
M48. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Fluid einen Fluiddruck aufweist und der Fluiddruck 100 bar, vorzugsweise 500 bar, bevorzugter 1000 bar, etwa 2000 bar, überschreitet.
M49. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft für ein Fluid bestimmt wird, das eine Durchflussrate mindestens im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, umfasst.
M50. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren keine fluidabhängige Kalibrierung erfordert.
M51. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen von mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft umfasst.
M52. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei die mindestens eine zusätzliche Fluideigenschaft Dichte, Schallgeschwindigkeit, Viskosität und/oder Leitfähigkeit ist.
M53. Verfahren gemäß einer der zwei vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft das Bestimmen einer strömungsunabhängigen Phasenverschiebung einer Welle umfasst, die das Fluid durchläuft.
M54. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft das Bestimmen einer SAW-Phasenverschiebung einer SAW umfasst, die sich vom ersten Sender zum ersten Empfänger und/oder vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger ausbreitet, ohne das Fluid zu durchlaufen.
M55. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren das Herleiten mindestens eines potenziellen Fluidkandidaten für das Fluid basierend auf der mindestens einen zusätzlichen Fluideigenschaft umfasst.
M56. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Herleiten des mindestens einen potenziellen Fluidkandidaten das Verwenden statistischer Verfahren umfasst.

Nachstehend wird auf Sensorausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „F“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Sensorausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.

F1. Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, wobei der Sensor umfasst:
- einen Kanal zum Leiten des Fluids,
- eine Sender- und Empfängeranordnung, die mindestens einen ersten Sender, einen ersten Empfänger, einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger bildet, und
- eine Datenverarbeitungseinheit,
- wobei der Durchflusssensor dazu konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen durchzuführen.
F2. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Sender- und Empfängeranordnung umfasst:
- einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Empfänger bildet, und
- einen zweiten Wandler, der den zweiten Sender und den ersten Empfänger bildet.
F3. Sensor gemäß der Sensorausführungsform F1, wobei die Sender- und Empfängeranordnung umfasst:
- einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Sender bildet,
- einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet, und
- einen dritten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet.
F4. Sensor gemäß der Sensorausführungsform F1, wobei die Sender- und Empfängeranordnung umfasst:
- einen ersten Wandler, der den ersten Sender bildet,
- einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet,
- einen dritten Wandler, der den zweiten Sender bildet, und
- einen vierten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet.
F5. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der zweite Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfasst. Das heißt, der zweite Wandler umfasst die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler, wobei die Eigenschaften beispielsweise geometrische Abmessungen, Periodizität, Wellenlänge usw. einschließen können.
F6. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der dritte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfasst.
F7. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der dritte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfasst.
F8. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der vierte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfasst.
F9. Sensor gemäß einer der 5 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der vierte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfasst.
F10. Sensor gemäß einer der 6 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der vierte Wandler das gleiche Design wie der dritte Wandler umfasst.
F11. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Sender- und Empfängeranordnung ferner einen Verweilzeitsender und einen Verweilzeitempfänger bildet.
F12. Sensor nach den vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F2, F3 oder F4, wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitempfänger bildet.
F13. Wandler gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F2, F3 oder F4, wobei der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger bildet.
F14. Sensor nach Sensorausführungsform F11, wobei die Sender- und Empfängeranordnung einen Zeitmesswandler umfasst, der den Verweilzeitempfänger bildet.
F15. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F2, F3 oder F4, wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender bildet.
F16. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F2, F3 oder F4, wobei der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bildet.
F17. Sensor gemäß einer der Sensorausführungsformen F11, F12, F13 oder F14, wobei die Sender- und Empfängeranordnung einen Zeitsenderwandler umfasst, der den Verweilzeitsender bildet.
F18. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der erste Sender stromabwärts des ersten Empfängers und der zweite Sender stromaufwärts des zweiten Empfängers angeordnet ist.
F19. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit Ausnahme der Merkmale der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der erste Sender stromaufwärts des ersten Empfängers angeordnet ist und der zweite Sender stromabwärts des zweiten Empfängers angeordnet ist.
F20. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der erste Sender und der erste Empfänger direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind.
F21. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind.
F22. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf derselben Seite des Kanals angeordnet sind. Der erste Sender und der erste Empfänger sind beide auf einer Seite davon angeordnet.
F23. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sind.
F24. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind.
F25. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet ist.
F25b. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, aber mit Ausnahme der Merkmale des vorhergehenden Sensors, wobei der Verweilzeitempfänger stromaufwärts des Verweilzeitsenders angeordnet ist.
F26. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf derselben Seite des Kanals angeordnet sind.
F27. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sind.
F28. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Innenfläche umfasst, die dazu konfiguriert ist, mit dem durch den Kanal geleiteten Fluid in Kontakt zu stehen.
F29. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal einen Kanalquerschnitt umfasst und wobei der Kanalquerschnitt rechteckig, rund, elliptisch und/oder eine beliebige Kombination davon ist.
F30. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der Kanalquerschnitt rechteckig ist.
F31. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Kanalgeometrie umfasst und wobei die Kanalgeometrie gerade, gekrümmt und/oder gebogen ist.
F32. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Strömungsrichtung umfasst und wobei das Fluid in Strömungsrichtung durch den Kanal geleitet wird.
F33. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Kanallänge umfasst, die der Ausdehnung des Kanals entspricht, an dem entlang Fluid geleitet wird.
F34. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Kanallänge bis zu 30 mm, vorzugsweise bis zu 10 mm, bevorzugter bis zu 5 mm, beträgt.
F35. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen Chip umfasst.
F36. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der mindestens eine Chip ein Substrat umfasst.
F37. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei das Substrat piezoelektrisch ist.
F38. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei das Substrat mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet ist.
F39. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht aus einem Kristall aus Lithiumniobat (LiNbCb), Quarz (SiO₂), Lithiumtantalat (LiTaO₃) und/oder Lanthangalliumsilikat (La₃Ga₅SiO₁₄) besteht.
F40. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht aus einem 128°-X-Y-geschnittenen LiNbO₃-Kristall besteht.
F41. Sensor gemäß einer der 6 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der mindestens eine Chip mindestens einen Wandler umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Welle zu senden und/oder zu empfangen.
F42. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen mindestens einer der Sensorausführungsformen F2, F3, F4, F14 und F17, wobei der mindestens eine Wandler der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler ist. F43. Sensor gemäß einer der beiden vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F37 oder F38, wobei der Wandler auf dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
F44. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine Welle mit einer Wandlerwellenlänge zu senden und/oder zu empfangen, wobei die Wandlerwellenlänge im Bereich von 4 µm bis 400 µm, vorzugsweise 20 µm bis 200 µm, bevorzugter 40 µm bis 133 µm, liegt.
F45. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der mindestens eine Wandler ein Interdigitalwandler (IDT) ist, der dazu konfiguriert ist, eine akustische Oberflächenwelle zu senden und/oder zu empfangen.
F46. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei jeder Interdigitalwandler mindestens zwei ineinandergreifende Elektroden umfasst.
F47. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden mehrere Fingerelektroden umfasst, wobei die Fingerelektroden der ineinandergreifenden Elektroden ineinander greifen.
F48. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden eine identische Anzahl von Fingerelektroden umfasst.
F49. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Interdigitalwandler 2 ineinandergreifende Elektroden umfasst.
F50. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die 2 ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sind, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd die ineinandergreifenden Elektrodenfinger umfassen.
F51. Sensor nach der vorletzten Sensorausführungsform, wobei die 2 ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sind, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd Elektrodengruppen umfassen, die jeweils eine gleiche Anzahl mehrerer benachbarter Fingerelektroden umfassen.
F52. Sensor gemäß einer der 5 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Fingerelektroden periodisch beabstandet sind.
F53. Sensor gemäß einer der 6 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Fingerelektroden abgeschrägt und/oder verjüngt sind.
F54. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F41, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine gechirpte Oberflächenschallwelle zu senden und/oder zu empfangen.
F55. Sensor nach den vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F47, wobei die Fingerelektroden eine Fingerelektrodenbreite umfassen und wobei eine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Fingerelektroden und die Fingerelektrodenbreite in einer Richtung senkrecht zu einer größten Ausdehnung der Fingerelektroden abnimmt.
F56. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F47, wobei jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden zwischen 3 und 1000 Fingerelektroden, vorzugsweise zwischen 3 und 700 Fingerelektroden, umfasst.
F57. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F45, wobei der Interdigitalwandler eine elektrische Impedanz von 1 Ω bis 500 Ω, vorzugsweise 10 Ω bis 200 Ω, bevorzugter 30 Ω bis 100 Ω, etwa 50 Ω, umfasst.
F58. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F45, wobei der Interdigitalwandler eine akustische Blende umfasst, die eine überlappende Länge der mindestens zwei Elektroden bezeichnet.
F59. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die akustische Blende im Bereich von 100 µm bis 3000 µm, vorzugsweise im Bereich von 200 µm bis 1000 µm, bevorzugter im Bereich von 300 µm bis 800 µm, liegt.
F60. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F41, wobei der mindestens eine Wandler dazu konfiguriert ist, akustische Oberflächenwellen mit einer Anregungsleistung unter 1 W, vorzugsweise unter 10 mW, bevorzugter unter 1 mW, zu emittieren.
F61. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen mindestens einer der Sensorausführungsformen F2, F3, F4, F14 und F17, wobei der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler ein unidirektionaler Wandler ist.
F62. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen mindestens einer der Sensorausführungsformen F2, F3, F4, F14 und F17, wobei der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler ein bidirektionaler Wandler ist.
F63. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der Chip eine Siegelschicht umfasst, die den mindestens einen Anteil der Chipoberfläche und vorzugsweise Komponenten, die der Chip umfasst, bedeckt.
F64. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F41, wobei die Siegelschicht den mindestens einen Wandler bedeckt.
F65. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Siegelschicht aus einem Material der Polyaryletherketon- (PAEK-) Familie, vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK), einem Oxidkeramikmaterial, Fused SiO₂ (Kieselglas) oder Si₃N₄ besteht.
F66. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F44, wobei die Siegelschicht eine Siegelschichtdicke umfasst und wobei die Siegelschichtdicke weniger als das 10-fache der Wandlerwellenlänge, vorzugsweise weniger als das 5-fache der Wandlerwellenlänge, bevorzugter weniger als die Wandlerwellenlänge und noch bevorzugter weniger als das 0,25-fache der Wandlerwellenlänge, beträgt.
F67. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Ausführungsformen F28 und F35, wobei der Chip eine Oberseite umfasst und wobei mindestens ein Anteil der Oberseite Teil der Innenfläche des Kanals ist.
F68. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F28, wobei mindestens ein Anteil der Innenfläche des Kanals durch einen akustischen Reflektor bereitgestellt wird.
F69. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der akustische Reflektor aus Saphir besteht.
F70. Sensor nach der vorletzten Sensorausführungsform, wobei der akustische Reflektor ein Brechungsreflektor ist, der vorzugsweise aus einem synthetischen Material, etwa Kunststoff, besteht.
F71. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F35, wobei mindestens ein Anteil des Chips als Wellenleiter für SAW konfiguriert ist.
F72. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F32 und F35, wobei der Kanal eine Kanalhöhe umfasst, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung senkrecht zum Chip und der Strömungsrichtung entspricht.
F73. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Kanalhöhe höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, bevorzugter höchstens 1 mm, beträgt.
F74. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F32 und F35, wobei der Kanal eine Kanalbreite aufweist, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung parallel zum Chip und senkrecht zur Strömungsrichtung entspricht.
F75. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Kanalbreite höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, bevorzugter höchstens 1 mm, beträgt.
F76. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Sensor für Durchflussraten im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, konfiguriert ist.
F77. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der Sensor dazu konfiguriert ist, die Durchflussraten mit einem relativen Fehler von bis zu 0,1 %, vorzugsweise bis zu 0,01 %, noch bevorzugter bis zu 0,001 %, zu messen.
F78. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Sensor für Drücke konfiguriert ist, die 100 bar überschreiten, vorzugsweise 500 bar überschreiten, bevorzugter 1000 bar überschreiten, etwa 2000 bar überschreiten.
F79. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei Fluidförderabschnitte des Sensors chemisch beständig, vorzugsweise chemisch inert, sind.
F80. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft eine Durchflussrate des Fluids ist.
F81. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.
F82. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf demselben Chip angeordnet sind.
F83. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F35, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sind.
F84. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger auf demselben Chip angeordnet sind.
F85. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F35, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sind.
F86. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger auf einem anderen Chip angeordnet sind als der zweite Sender und der zweite Empfänger.
F87. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11 und F35, wobei der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger auf demselben Chip angeordnet sind.
F88. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F11 und F35, wobei der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sind.
F89. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F37 oder F38, wobei das piezoelektrische Substrat oder die piezoelektrische Schicht eine SAW-Schallgeschwindigkeit, c_S, umfasst, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer SAW innerhalb des piezoelektrischen Substrats bzw. der piezoelektrischen Schicht entspricht.
F90. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F37 oder F38, wobei das durch den Sensor geleitete Fluid eine Fluidschallgeschwindigkeit, c_F, umfasst, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle innerhalb des Fluids entspricht.
F91. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitempfänger eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfasst und wobei der Verweilzeitsender eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfasst, wobei die Verweilzeitempfängerlänge größer als die Verweilzeitsenderlänge ist.
F92. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitempfänger eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfasst und wobei die Verweilzeitempfängerlänge im Bereich von 0,1 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 50 mm, bevorzugter 0,2 mm bis 20 mm, liegt.
F93. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitsender eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfasst und wobei die Verweilzeitsenderlänge im Bereich von 12 µm bis 40 mm, vorzugsweise 60 µm bis 20 mm, bevorzugter 120 µm bis 14 mm, liegt.
F94. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger durch eine Verzögerungsleitungslänge in Strömungsrichtung getrennt sind und wobei die Verzögerungsleitungslänge mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm, bevorzugter mindestens 100 µm, beträgt.
F95. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Signale von der Sender- und Empfängeranordnung zu empfangen.
F96. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Signale an die Sender- und Empfängeranordnung zu senden.
F97. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Sender- und Empfängeranordnung dazu konfiguriert ist, Signale von einem Signalgenerator zu empfangen.
F98. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Signale an den Signalgenerator zu senden.
F99. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, die Verweilzeit zu bestimmen.
F100. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F11 und F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine Verweilzeit basierend auf einem vom Verweilzeitempfänger empfangenen Signal zu bestimmen.
F101. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Schritte des Verfahrens gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen auszuführen.
F102. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, ein Differenzmaß basierend auf Signalen zu bestimmen, die vom ersten und zweiten Empfänger empfangen werden.
F103. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F99, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, die Verweilzeit und das Differenzmaß zum Bestimmen der Strömungseigenschaft zu verwenden.
F104. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine digitale Nachverarbeitung von Signalen durchzuführen, die von der Sender- und Empfängeranordnung empfangen werden.
F105. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine digitale Nachverarbeitung des Differenzmaßes durchzuführen.
F106. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei mindestens ein Anteil des Kanals dazu konfiguriert ist, einen akustischen Wellenleiter für Wellen bereitzustellen, die das Fluid durchlaufen.
F107. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F89, wobei der Kanal aus einem Kanalmaterial gebildet ist und wobei das Kanalmaterial eine Materialschallgeschwindigkeit, c_m,, umfasst, die kleiner als die SAW-Schallgeschwindigkeit ist.
F108. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und einschließlich der Merkmale von F28, aber mit Ausnahme der Merkmale von F67, wobei der Chip eine Oberseite umfasst und wobei die Oberseite nicht Teil der Innenfläche des Kanals ist.
F109. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit Ausnahme der Merkmale von F67, wobei der Chip über ein Kopplungsmaterial mit dem Kanalmaterial gekoppelt ist, wobei das Kopplungsmaterial dazu konfiguriert ist, zu ermöglichen, dass sich eine SAW vom Chip zum Kanalmaterial und umgekehrt ausbreitet.
F110. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F44, wobei das Kopplungsmaterial eine Kopplungsmaterialdicke umfasst und wobei die Kopplungsmaterialdicke weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 25 % und bevorzugter weniger als 10 %, der Wandlerwellenlänge beträgt.

M57. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren das Verwenden eines Sensors gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen umfasst.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsformen sollten nur Beispiele für die vorliegende Erfindung geben, diese aber nicht einschränken.

1A stellt ein Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Konfiguration dar,
1B stellt das Ausführungsbeispiel von 1A in einer zweiten Konfiguration dar,
2 stellt schematisch beispielhafte Designs von IDT dar,
3 veranschaulicht eine Abbildung der strömungsabhängigen Verlagerung auf eine Zeitverzögerung,
4 veranschaulicht die Fluidabhängigkeit der Verweilzeit,
5A veranschaulicht Parameter, die relevant sind, um eine gewünschte Platzierung des Verweilzeitempfängers abzuschätzen,
5b veranschaulicht Parameter, die relevant sind, um eine gewünschte Länge des Verweilzeitempfängers zu schätzen,
6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors nach der vorliegenden Erfindung dar,
7A stellt eine beispielhafte Sender- und Empfängeranordnung dar, die 4 Phasenverschiebungswandler umfasst,
7B stellt eine beispielhafte Sender- und Empfängeranordnung dar, die 3 Phasenverschiebungswandler umfasst,
7C stellt eine beispielhafte Sender- und Empfängeranordnung dar, die 2 Phasenverschiebungswandler umfasst,
8A stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Konfiguration dar,
8B stellt das Ausführungsbeispiel von 1B in einer zweiten Konfiguration dar,
9A veranschaulicht ein Beispiel eines Signals einer Welle, die von einem Wandler empfangen wird,
9B veranschaulicht Änderungen eines beispielhaften Signals, das von einem Wandler aufgrund von Änderungen der Kanalhöhe empfangen wird,
10 veranschaulicht eine beispielhafte Messung von Stufenströmungsrampen für zwei verschiedene Fluide, und
11 veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Es wird angemerkt, dass nicht alle Zeichnungen alle Bezugszeichen tragen. Stattdessen wurden in einigen Zeichnungen einige der Bezugszeichen aus Platzgründen und der Einfachheit der Darstellung halber weggelassen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1A wird ein Ausführungsbeispiel für einen Durchflusssensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert. Der Durchflusssensor 1 kann im Allgemeinen einen Kanal 11 zum Leiten eines Fluidstroms umfassen, dessen Strömungseigenschaft, z. B. Durchflussrate und/oder Strömungsgeschwindigkeit, gemessen werden soll. Das Fluid kann in einer durch den durchgezogenen Pfeil angegebenen Strömungsrichtung durch den Kanal 11 fließen, z. B. kann das Fluid in einer Strömungsrichtung durch den Kanal geleitet werden. Das heißt, wann immer die Wörter „stromaufwärts“ oder „stromabwärts“ hier verwendet werden, sind diese Wörter in Bezug auf die Strömungsrichtung zu verstehen. Wenn also gesagt wird, dass etwas stromabwärts von etwas anderem ist, befindet es sich weiter unten in Strömungsrichtung, und der umgekehrte Fall gilt in Bezug auf alles, was als stromaufwärts bezeichnet wird. Beispielsweise zeigen in 1A die gepunkteten Pfeile im Allgemeinen stromaufwärts (d. h. die Projektion auf die x-Richtung zeigt stromaufwärts), während der durchgezogene Pfeil, der die Strömungsrichtung anzeigt, stromabwärts zeigt.
Der Kanal 11 kann eine Innenfläche 111 umfassen, die der Oberfläche des Kanals 11 entspricht, die mit einem Fluid in Kontakt stehen kann, wenn es hindurchgeleitet wird, d. h. durch den Kanal 11 und damit den Durchflusssensor 1 hindurchfließt. Ganz allgemein kann der Kanal 11 verschiedene Kanalgeometrien und/oder Kanalquerschnitte umfassen. Beispielsweise kann der Querschnitt des Kanals 11 rechteckig, rund, elliptisch oder eine beliebige Kombination davon sein. Es versteht sich, dass sich der Querschnitt auf einen Schnitt durch den Kanal 11 in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung bezieht. Weiterhin kann die Geometrie des Kanals 11 beispielsweise gerade, gekrümmt oder gebogen sein, z. B. eine Ecke, etwa eine 90°-Ecke, umfassen. Das heißt, der Kanal 11 kann eine Geometrie annehmen, bei der das Fluid beispielsweise gerade oder entlang einer gekrümmten oder gebogenen Bahn geleitet werden kann, z. B. entlang einer kontinuierlichen, glatten Biegung oder um eine scharfe Ecke. In einigen Ausführungsformen können zwei verschiedene Kanalgeometrien in Reihe geschaltet sein, um beispielsweise das Auftreten turbulenter Durchflüsse zu detektieren. Mit anderen Worten können zwei (Unter-)Sensoren in Reihe geschaltet sein, wobei sich die Kanalgeometrien der beiden Sensoren unterscheiden können, man kann beispielsweise das Auftreten turbulenter Durchflüsse detektieren. Beispielsweise kann es für Anwendungen mit einem breiten Spektrum an Durchflüssen vorteilhaft sein, wenn zwei Sensoren in Reihe geschaltet sind, wobei sich die Kanal- und/oder Sensorgeometrie zwischen den beiden Sensoren unterscheiden kann. Insbesondere kann ein Sensor derart für eine Region mit geringerem Durchfluss als der andere Sensor optimiert werden, dass insgesamt ein größerer Bereich abgedeckt werden kann. In einer derartigen Ausführungsform kann man beispielsweise anfänglich einen Durchfluss mit dem Sensor messen, der für niedrigere Durchflussraten optimiert ist, und dann, z. B. beim Detektieren von Turbulenzen, zu dem Sensor zurückkehren, der für höhere Durchflussraten optimiert ist, der beispielsweise eine allgemein größere Geometrie umfassen kann. Das heißt, durch Schalten zweier Sensoren in Reihe kann ein insgesamt „kombinierter“ Sensor bereitgestellt werden, der beispielsweise eine insgesamt höhere Genauigkeit für einen größeren Bereich von Fluidströmen ermöglichen kann.
Vorzugsweise können der Kanal 11 und alle Fluidförderabschnitte des Sensors, d. h. alle Anteile des Sensors, die mit dem durch den Durchflusssensor hindurch geleiteten Fluid in Kontakt kommen, chemisch beständig sein. Das heißt, er kann gegen Fluide wie organische Lösungsmittel, Säuren, Laugen und Salze beständig sein, insbesondere gegen Fluide, die typischerweise in der Flüssigchromatografie, z. B. HPLC, verwendet werden. Vorzugsweise können die Fluidförderabschnitte des Durchflusssensors chemisch inert sein.
Darüber hinaus kann der Durchflusssensor 1 eine Sender- und Empfängeranordnung umfassen, die allgemein zum Anregen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen („SAW“) konfiguriert ist. Die Sender- und Empfängeranordnung kann mindestens einen Chip 12 umfassen, wobei der mindestens eine Chip 12 ein Substrat 121 umfassen kann, z. B. ein monolithisches Substrat, das vorzugsweise piezoelektrisch sein kann. Beispielsweise kann das Substrat ein Kristall aus Lithiumniobat (LiNbO₃), Quarz (SiO₂), Lithiumtantalat (LiTaO₃) oder Lanthangalliumsilikat (La₃Ga₅SiO₁₄) sein. Insbesondere kann das Substrat ein 128°-X-Y-geschnittener LiNbO₃-Kristall sein. Es versteht sich jedoch, dass das Substrat auch aus einem anderen Material gebildet sein kann und dass lediglich eine piezoelektrische Schicht, z. B. gebildet durch eines der vorgenannten Materialien, auf dem Substrat gebildet werden kann, z. B. durch Aufdampfen. Mit anderen Worten kann der Chip 12 in einigen Ausführungsformen ein Substrat 121, z. B. einen Siliziumkristall, umfassen, der mit einer piezoelektrischen Schicht (nicht dargestellt) beschichtet sein kann, anstatt nur ein Substrat 121 zu verwenden, das selbst piezoelektrisch ist. In den folgenden Ausführungsformen wird angenommen, dass der Durchflusssensor 1 ein piezoelektrisches Substrat 121 umfasst, es versteht sich jedoch, dass dasselbe mit einer speziellen piezoelektrischen Schicht auf einem Substrat 121 verwirklicht werden kann, das möglicherweise nicht piezoelektrisch ist.
Auf dem piezoelektrischen Substrat 121 (oder der piezoelektrischen Schicht) kann mindestens ein Wandler 122 angeordnet sein. Der mindestens eine Wandler 122 kann im Allgemeinen dazu konfiguriert sein, beispielsweise eine Welle zu emittieren und/oder zu empfangen, z. B. eine Welle bzw. ein einer Welle entsprechendes Signal detektiert. Das heißt, der mindestens eine Wandler 122 kann im Allgemeinen dazu konfiguriert sein, ein elektrisches Signal in eine Welle umzuwandeln und/oder umgekehrt. Vorzugsweise kann der mindestens eine Wandler 122 ein Interdigitalwandler (IDT) sein, der dazu konfiguriert ist, akustische Oberflächenwellen (SAW) zu generieren, z. B. zu emittieren, und zu empfangen, z. B. zu detektieren. Mit anderen Worten kann ein IDT 122 im Allgemeinen dazu konfiguriert sein, SAW zu senden und/oder zu empfangen. IDT und das allgemeine Prinzip des Generierens einer SAW mit einem IDT auf einem piezoelektrischen Substrat wird beispielsweise in Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves, R.M. White und F.W. Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965), erörtert. Grundsätzlich kann ein IDT so ausgelegt sein, dass er elektrische Signale in elastische Oberflächenwellen umwandelt, d. h. akustische Oberflächenwellen (SAW), oder umgekehrt, um Oberflächenwellen in elektrische Signale umzuwandeln. Um eine akustische Oberflächenwelle zu generieren, kann typischerweise eine Wechselspannung an zwei ineinandergreifende Elektroden angelegt werden, die der IDT umfasst, was aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts bewirkt, dass das piezoelektrische Material periodischen Verformungen ausgesetzt wird. Diese periodischen Verformungen können zur Anregung einer SAW führen. Die genauen Eigenschaften können stark vom Design des IDT abhängen, insbesondere von dessen Elektroden. Beispielsweise kann ein IDT zwei jeweils eine kammartige Struktur umfassende Elektroden umfassen, die einander gegenüberliegend derart angeordnet sein können, dass die Finger des Kamms ineinandergreifen. Eine derartige Struktur kann es ermöglichen, das piezoelektrische Substrat (oder die piezoelektrische Schicht) unter dem IDT periodisch zu verformen und somit eine SAW anzuregen. Das genaue Design der Elektroden eines IDT kann beispielsweise die Frequenz und/oder die maximale Leistung einer generierten SAW beeinflussen. Darüber hinaus kann das Design beispielsweise ermöglichen, dass die IDT SAW symmetrisch oder in einer bevorzugten Richtung emittiert/empfängt.
Die Elektroden eines IDT können im Allgemeinen ineinandergreifend sein und werden daher auch als ineinandergreifende Elektroden bezeichnet. Insbesondere können die ineinandergreifenden Elektroden des IDT jeweils mehrere Fingerelektroden umfassen, wobei die Fingerelektroden der verschiedenen ineinandergreifenden Elektroden ineinandergreifen. Im Allgemeinen ist eine Vielzahl von Designs für derartige IDT bekannt und kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Einige beispielhafte IDT-Konfigurationen sind in 2 schematisch dargestellt.
2 a) zeigt einen IDT 122, der zwei ineinandergreifende Elektroden 2 umfasst, wobei jede der ineinandergreifenden Elektroden 2 mehrere Fingerelektroden 21 umfasst, die mit den Fingerelektroden 21 der jeweiligen anderen ineinandergreifenden Elektrode 2 ineinandergreifen. Bei diesem Design haben die Fingerelektroden 21 sowie die jeweiligen Lücken zwischen den Fingerelektroden 21 jeweils eine identische Breite von vorzugsweise .1/4, wobei λ die bezeichnete Wellenlänge der vom IDT 122 emittierten/übertragenen SAW bezeichnet. Daher umfasst eine Periode P des IDT, d. h. ein Abschnitt, der einer Länge von λ entspricht, zwei Fingerelektroden 21, die jeweils eine andere Elektrode 2 umfasst. Das heißt, in diesem Fall umfasst eine Periode genau ein Fingerpaar, d. h. ein Paar Elektrodenfinger 21, das zwei Elektrodenfinger 21 umfasst, wobei jeweils eine andere ineinandergreifende Elektrode 2 die beiden Elektrodenfinger 21 umfasst. Mit anderen Worten umfasst der in 2 a) dargestellte IDT 122 4 Fingerpaare und/oder desgleichen eine Periodenzahl n von 4, d. h. 4 Perioden P. Eine SAW wird in dem darunterliegenden Substrat 121 innerhalb der überlappenden Region der Fingerelektroden 21 gebildet, die auch als akustische Blende w bezeichnet wird, und breitet sich im Allgemeinen in einer Richtung aus, in der sich die Fingerelektroden 21 überlappen (typischerweise senkrecht zur größten Ausdehnung der Fingerelektroden 21), wie durch die durchgezogenen Pfeile angezeigt. Im Allgemeinen kann ein derartiges Design auch als IDT vom Einzelelektrodentyp oder IDT vom Festelektrodentyp bezeichnet werden.
Unter Bezugnahme auf 2b) wird ein ähnliches Design gezeigt, jedoch umfasst diesmal eine einzelne Periode P 4 Elektrodenfinger 21, d. h. 2 Fingerpaare, wobei die Fingerelektroden 21 der beiden ineinandergreifenden Elektroden 2 paarweise ineinander greifen, d. h. zwei Fingerelektroden 21 derselben ineinandergreifenden Elektrode 2 liegen immer nebeneinander. Hier können daher die Breite der Elektrodenfinger 21 und die Lücken zwischen den Elektrodenfingern vorzugsweise λ/8 sein. Dieses Design kann auch als IDT vom Doppelelektrodentyp oder IDT vom Split-Elektrodentyp bezeichnet werden. Es versteht sich, dass natürlich auch eine höhere Anzahl von Fingern pro Periode für einen IDT vom Split-Elektrodentyp verwendet werden kann, z. B. kann eine Periode 8 Finger umfassen. Mit anderen Worten können nicht nur IDT vom Doppelelektrodentyp verwendet werden, sondern allgemein IDT vom Multielektrodentyp.
Weiterhin können unter Bezugnahme auf 2 c) die Fingerelektroden 21 abgeschrägt und verjüngt sein. Insbesondere für zwei ineinandergreifende Elektroden 2 können die Fingerelektroden zu einer der ineinandergreifenden Elektroden 2 derart abgeschrägt und verjüngt sein, dass sich die Dicke der Fingerelektroden 21 und die Entfernung zwischen diesen in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der SAW ändern. Dies kann es vorteilhafterweise ermöglichen, dass der IDT eine große Bandbreite umfasst, da die Periode auf einer Seite der akustischen Blende anders ist als auf der anderen Seite der akustischen Blende und somit unterschiedliche Anteile der akustischen Blende w für unterschiedliche Wellenlängen geeignet sein können. Ein derartiges Design kann auch als verjüngter IDT oder Schrägfinger-IDT bezeichnet werden und kann mit einem IDT vom Festelektrodentyp oder einem IDT vom Split-Elektroden-Typ kombiniert werden.
Unter Bezugnahme auf 2d) kann der IDT auch dazu konfiguriert sein, eine sich ändernde Breite und eine Trennung der Fingerelektroden 21 in Ausbreitungsrichtung zu umfassen. Mit anderen Worten kann sich die Periode des IDT in der Ausbreitungsrichtung einer emittierten SAW ändern. Dies kann wiederum die Bandbreite des IDT erhöhen und insbesondere das Emittieren und Empfangen von gechirpten SAW-Impulsen ermöglichen. Daher kann ein derartiges Design auch als gechirpter IDT bezeichnet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1A kann in einigen Ausführungsformen eine optionale Siegelschicht 123 zum Schutz der Wandler 122 dienen. Beispielsweise können die Wandler 122 mit einer dünnen Schicht aus Quarzglas (Fused SiO₂ (Kieselglas)) bedeckt sein. Vorzugsweise kann die Dicke (auch als Höhe bezeichnet) der Siegelschicht 123 viel kleiner sein als eine Wellenlänge der vom jeweiligen Wandler 122 generierten Welle, z. B. einer von einem jeweiligen IDT 122 generierten SAW. Beispielsweise kann die Siegelschicht 123 eine Dicke von weniger als einer halben Wellenlänge der vom Wandler 122 generierten Welle, vorzugsweise von weniger als einem Viertel einer Wellenlänge, noch bevorzugter weniger als 10 % der Wellenlänge, der vom Wandler angeregten Welle umfassen.
Im Folgenden kann der Durchflusssensor 1 allgemein , als IDT 122 umfassend beschrieben werden, die dazu konfiguriert sind, SAW in einem piezoelektrischen Substrat 121 oder einer piezoelektrischen Schicht zu generieren. Es versteht sich jedoch, dass allgemeiner andere Typen von Wandlern 122 verwendet werden können, um entsprechende Wellen zu generieren (z. B. zu emittieren und/oder zu senden).
Im Allgemeinen kann der Chip 12 eine Oberseite 124 umfassen, die zumindest teilweise in Kontakt mit einem Fluid sein kann, das durch den Kanal 11 fließt. Die Oberseite 124 des Chips 12 kann beispielsweise der Außenfläche der Siegelschicht 123 entsprechen. Zumindest ein Anteil der Oberseite 124 kann somit Teil der Innenfläche 111 des Kanals 11 sein. Das heißt, mindestens ein Anteil der Oberseite 124 des Chips 12 kann in Kontakt mit dem durch den Kanal 11 fließenden Fluid stehen. Mit anderen Worten kann mindestens ein Anteil eines Fluids, das durch den Durchflusssensor 1 und insbesondere durch den Kanal 11 geleitet wird, mit der Oberseite 124 des Chips 12 in Kontakt gebracht werden, auf der bzw. neben der SAW unter Verwendung eines IDT 122 angeregt werden können.
Daher kann das piezoelektrische Substrat 121 (oder die piezoelektrische Schicht) unter Verwendung mindestens eines IDT 122 angeregt werden, der beispielsweise einen ersten Sender 122A-1 oder einen zweiten Sender 122A-2 bildet. Das heißt, durch Anlegen eines Wechselspannungssignals an den IDT 122 und insbesondere an Elektroden, die der IDT 122 umfasst, kann das piezoelektrische Material periodisch verformt und somit eine SAW generiert (z. B. gestartet oder emittiert) werden. Die SAW kann sich im Allgemeinen senkrecht zur Chipnormalen und entlang der Chipoberfläche bewegen, wobei die SAW eine Oberflächenverlagerung in der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung, d. h. entlang der Chipnormalen, umfassen kann. Mit anderen Worten können beim Anregen des piezoelektrischen Substrats 121 (oder der piezoelektrischen Schicht) unter Verwendung mindestens eines der IDT 122 zumindest teilweise SAW generiert werden, die entlang der Oberflächennormalen des Chips (d. h. in Richtung der Oberseite 124) schwingen (z. B. ablenken) können. Wenn die SAW mit dem Fluid in dem Kanal 11 in Kontakt kommt, kann die Verlagerung eine Volumenwelle innerhalb des Fluids anregen. Das heißt, die Welle kann sich unter dem sogenannten Rayleigh-Winkel θ_R zumindest teilweise in das Fluid übertragen, wo sie sich als Ultraschallwelle (Schallwelle), d. h. als (longitudinale) Druckwelle, ausbreiten kann, wie allgemein durch die Pfeile angezeigt, die vom IDT 122 ausgehen, der eine Welle emittiert. Dies kann einen ersten Sender 122A-1 oder einen zweiten Sender 122A-2 bilden (vgl. 1A und 1B). Mit anderen Worten kann eine Ultraschallwelle, d. h. eine Schallwelle, mittels akustischer Oberflächenwellen generiert (und auch empfangen/detektiert) werden. Dieser Prozess wird allgemein von A. Wixforth und T. Franke in ihrer Abhandlung Microfluidics for Miniaturized Laboratories on a Chip (ChemPhysChem 2008, 9, 2140-2156) erläutert und wird beispielsweise auch im vorstehend genannten Dokument US 10,570,361 B1 verwendet. Grundsätzlich breitet sich die von der SAW generierte longitudinale Schallwelle aufgrund der Phasenanpassung in einem Winkel θ_R aus, der typischerweise als Rayleigh-Winkel θ_R bezeichnet wird und durch die Schallgeschwindigkeiten der SAW (c_S) in dem Chip 12, z. B. dem Substrat 121 oder einer piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat, und der Schallwelle in dem Fluid (c_F) durch die folgende Beziehung definiert ist: $s i n θ_{R} = \frac{c_{F}}{c_{S}} .$
Das heißt, wenn die SAW mit einem Fluid in Kontakt kommt und sofern die Schallgeschwindigkeit der SAW (c_S) größer ist als die Geschwindigkeit der Schallwelle in dem Fluid (c_F), kann sie (zumindest teilweise) im Rayleigh-Winkel θ_R in Bezug auf die Oberflächennormale des Chips 12 in das Fluid abgelenkt werden.
Allgemeiner kann eine SAW, die sich in einem Substrat (z. B. einem piezoelektrischen Substrat 121 oder allgemeiner in einem Chip 12) und nahe an diesem oder an dessen Oberfläche (z. B. auf einem Substrat) ausbreitet, in ein Medium (z. B. Fluid), das das Substrat bedeckt, „lecken“, vorausgesetzt, dass die Schallgeschwindigkeit des Mediums kleiner als die Schallgeschwindigkeit des Substrats ist, und ferner vorausgesetzt, dass das Medium eine Dicke aufweist, die signifikant größer als die Wellenlänge der SAW ist. In einem derartigen Fall wird ein Bruchteil der Welle ständig in das Medium übertragen, während sich die SAW an der Substratoberfläche ausbreitet. Mit anderen Worten wird die Welle mit einem bestimmten festen Teil in das Medium übertragen. Somit folgt der zeitliche und räumliche Übergang der SAW-Amplitude einer fallenden Exponentialfunktion, sofern es keine zusätzliche SAW-Quelle gibt, z. B. elektrisch an einem IDT oder durch eine in das Medium eintretende Ultraschallwelle. Derartige SAW werden daher auch als „leckende SAW“ bezeichnet, da sie in das angrenzende Medium lecken. Dieser Vorgang kann auch als akustisches Äquivalent zur Lichtbrechung verstanden werden.
Anschließend kann die Welle, d. h. die Schallwelle (auch als Volumenwelle bezeichnet) das Fluid durchlaufen. Mit anderen Worten kann sich die Welle durch den Kanal 11 und insbesondere durch das in dem Kanal fließende Fluid bewegen, wobei die Bewegungsrichtung zumindest teilweise in y-Richtung verläuft. Das heißt, die Welle kann sich in y-Richtung durch den Kanal bewegen, während sie sich gleichzeitig auch mit der oder gegen die Strömungsrichtung (d. h. x-Richtung) bewegt. Mit anderen Worten kann die Welle den Kanal in y-Richtung kreuzen, wenn sie das Fluid durchläuft, wobei die γ-Richtung im Allgemeinen senkrecht zur Strömungsrichtung und zum Chip 12 sein kann, d. h. entlang der Oberflächennormalen des Chips 12. Somit kann die Ausdehnung des Kanals 11 in y-Richtung auch als Höhe H1 des Kanals 11 oder Kanalhöhe H1 bezeichnet werden.
Wie durch die gepunkteten Pfeile in 1A angegeben, kann eine Welle, die von einem ersten IDT 122-1 emittiert wird, der den ersten Sender 122A-1 bildet, auf der anderen Seite des Kanals 11 reflektiert werden, sobald die Welle den Kanal 11 in y-Richtung kreuzt, wobei die andere Seite im Allgemeinen dem emittierenden IDT 122, z. B. dem ersten IDT 122-1, entgegengesetzt sein kann. Insbesondere kann ein Anteil des Kanals 11 und insbesondere ein Anteil der Innenfläche des Kanals 111, aus einem akustischen Reflektor 16, beispielsweise aus Saphir, gebildet sein oder von diesem bereitgestellt werden. Nach dem Reflektieren kann die (Schall-) Welle wieder den Fluidstrom kreuzen und sich zurück in die Richtung des Chips 12 ausbreiten. Beim Auftreffen auf den Chip 12 kann die Schallwelle (zumindest teilweise) als SAW in den Chip 12 zurückgekoppelt werden. Das heißt, die reflektierte Schallwelle kann beispielsweise als SAW teilweise in die Oberfläche des Substrats 121 des Chips 12 eingekoppelt werden. Anschließend kann die SAW von einem zweiten IDT 122-2 empfangen werden, der als erster Empfänger 122B-1 fungiert, der die SAW in ein elektrisches Signal zurückverwandeln kann. Das heißt, die SAW kann detektiert werden, wobei der zweite IDT 122-2 den ersten Empfänger 122B-1 bildet. Im Allgemeinen kann eine Schallwelle auch mehrfach reflektiert werden, wobei jedes Mal, wenn die Schallwelle mit dem Chip 12 in Kontakt kommt, mindestens ein Anteil der Schallwelle als SAW in den Chip 12 eingekoppelt werden kann. Mit anderen Worten kann die Welle den Kanal mehrmals kreuzen, während sie das Fluid durchläuft. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mindestens ein Anteil des Kanals als akustischer Wellenleiter für die das Fluid durchlaufenden Schallwellen konfiguriert sein, wobei jede Welle mehrmals reflektiert werden kann. Während das Erhöhen der Anzahl von Reflexionen die gesamte phasenabhängige Verlagerung erhöhen kann, die von der Welle beim Durchlaufen des Fluids kumuliert wird, kann die Signalstärke aufgrund von Verlusten, z. B. weil die Welle teilweise in den Chip 12 zurückgekoppelt und/oder nicht perfekt reflektiert wird, abnehmen. Somit kann die Anzahl von Reflexionen durch die Dämpfung der Schallwelle, die das Fluid durchläuft, begrenzt werden, damit ein verbleibendes Signal stark genug ist, um von einem empfangenden Wandler 122B empfangen zu werden. Im Allgemeinen kann es auch möglich sein, dass die Welle den Kanal 11 nur einmal kreuzt und auf der anderen Seite des Kanals detektiert wird, d. h. auch Messungen, bei denen die Welle das Fluid ohne Reflexion durchläuft, können in verschiedenen Ausführungsformen des Durchflusssensors 1 verwirklicht werden.
Der Prozess, bei dem eine Schallwelle in dem Fluid auf den Chip 12 trifft und zumindest teilweise in den Chip 12 zurückgekoppelt wird, kann als der umgekehrte Prozess des teilweisen Einkoppelns einer SAW in das Fluid verstanden werden. Insbesondere ist die durch eine auftreffende Schallwelle induzierte SAW wieder eine leckende SAW, die daher als Schallwelle wieder teilweise in das Fluid abgelenkt werden kann. Dieser Prozess kann auch als (Teil-) Reflexion der Schallwelle bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann die Umwandlung zwischen SAW und Schallwelle im Allgemeinen derselbe Prozess sein, der in beiden Richtungen abläuft, d. h. eine auftreffende longitudinale Schallwelle erzeugt eine SAW innerhalb des Kristalls, und sobald diese signifikant aufgebaut ist, beginnt sie wieder zu lecken, d. h. sie lenkt teilweise als Schallwelle in das Fluid ab. Dies kann zu einer (teilweisen) „Reflexion“ der auftreffenden longitudinalen Schallwelle führen. Das heißt, wenn auf eine Schallwelle verwiesen wird, die auf dem Chip 12 reflektiert wird, kann dies sich darauf beziehen, dass die Schallwelle eine leckende SAW induziert, die wiederum zumindest teilweise wieder in das Fluid abgelenkt wird und somit eine Schallwelle induziert, die als reflektierte Schallwelle bezeichnet werden kann. Somit kann die SAW, die sich in dem Chip bewegt, Verlusten unterliegen, die auf ein teilweises Lecken in das Fluid zurückzuführen sind, jedoch können diese Verluste unter der Voraussetzung, dass die Entfernung zwischen dem erneuten Einkoppeln in den Chip und dem Empfangen der erneut eingekoppelten SAW durch den empfangenden IDT 122B nicht zu groß ist, vernachlässigt werden, z. B. beeinträchtigen sie das Empfangen der SAW unter Umständen nicht oder zumindest nicht wesentlich.
Im Gegensatz dazu stützt sich ein bestimmter akustischer Reflektor nicht oder zumindest nicht wesentlich auf leckende SAW. Das heißt, ein guter akustischer Reflektor kann beispielsweise zumindest annähernd eine vollständige interne Reflexion der Druckwelle innerhalb des Kanals bereitstellen, wenn die Schallgeschwindigkeit auf seiner mit Fluid bedeckten Oberfläche höher ist als die des verwendeten Wandlermaterials, d. h. des Chipmaterials. Ein bevorzugter (z. B. idealer) akustischer Reflektor weist auf seiner Oberfläche eine signifikant höhere Schallgeschwindigkeit auf (für die die Massenschallgeschwindigkeit als guter Indikator dienen kann) als das verwendete Wandlermaterial. Somit gibt es unter Umständen nur einen vernachlässigbaren Wellenmodus, der sich bevorzugt auf der Oberfläche ausbreitet, was wiederum einen vernachlässigbaren lecken SAW-Modus impliziert.
Es versteht sich, dass ein empfangender IDT 122B oder allgemeiner ein empfangender Wandler 122B einen IDT/Wandler bezeichnet, der einen Empfänger, z. B. einen ersten Empfänger 122B-1, einen zweiten Empfänger 122B-2 und/oder einen Verweilzeitempfänger 122C, bildet. Das heißt, ein empfangender IDT 122B bildet einen Empfänger 122B. Desgleichen bezeichnet ein emittierender IDT 122A oder allgemeiner ein emittierender Wandler 122A einen IDT/Wandler, der einen Sender bildet, z. B. einen ersten Sender 122A-1, einen zweiten Sender 122A-2 und/oder einen Verweilzeitsender 122C. Das heißt, ein emittierender IDT 122A bildet einen Empfänger 122A.
Wie in 1A angegeben, kann die Sende- und Empfangsanordnung in einer ersten Konfiguration I verwendet werden, wobei der erste Wandler 122-1 als erster Sender 122A-1 fungieren kann, der eine erste Welle an den zweiten Wandler 122-2 senden kann, der als erster Empfänger 122B-1, beispielsweise in Aufwärtsrichtung, fungiert. Mit anderen Worten kann ein erster Sender 122A-1 eine erste Welle an einen ersten Empfänger 122B-1 senden. Beispielsweise kann der erste Wandler 122-1 einen Spannungsimpuls empfangen, der zum Anregen einer SAW in dem piezoelektrischen Substrat 121 konfiguriert ist, der wiederum zumindest teilweise an dem Winkel θ_R in das durch den Kanal 11 fließende Fluid ablenken kann. Die Welle kann dann den Kanal 11 kreuzen und anschließend an einem Anteil der Innenfläche des Kanals 111 reflektiert werden, der vorteilhafterweise von einem akustischen Reflektor 16 bereitgestellt werden kann. Somit kann die Welle den Kanal 11 noch einmal kreuzen und sich zum Chip 12 zurückbewegen, wo sie als SAW zumindest teilweise in das Substrat 121 zurückgekoppelt werden kann. Anschließend kann ein Signal der Welle vom zweiten Wandler 122-2 empfangen, z. B. detektiert, werden. Das heißt, die Verlagerung des piezoelektrischen Substrats 121 kann durch den zweiten Wandler 122-2 und insbesondere durch Elektroden, die der zweite Wandler 122-2 umfasst, wieder in ein Spannungssignal umgewandelt werden. Daher kann ein Signal gemessen werden, das einer ersten Welle entspricht, die das Fluid in einer im Allgemeinen stromaufwärtigen Richtung durchläuft, wenn die Sende- und Empfangsanordnung in der dargestellten ersten Konfiguration I verwendet wird.
Im Allgemeinen kann die genaue Bahn der Welle vom Rayleigh-Winkel und der Fluidgeschwindigkeit abhängig sein. Insbesondere ändert sich der Rayleigh-Winkel θ_R, d. h. der Winkel, unter dem eine SAW in das Fluid abgelenkt wird, mit der Schallgeschwindigkeit des Fluids. Somit umfasst die Bahn der Welle Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Insbesondere kann die Schallwelle beim Durchlaufen des Fluids eine strömungsbedingte lokale Verlagerung erfahren, die von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids abhängig ist. Daher kann eine Messung der strömungsabhängigen Verlagerung, auch als Verschiebung bezeichnet, das Extrahieren von Informationen über eine Strömungseigenschaft des Fluids ermöglichen. Ein IDT 122 kann jedoch im Allgemeinen nicht dazu konfiguriert sein, zu lokalisieren, wo die Schallwelle in den Chip 12 zurückgekoppelt wurde. Insbesondere wenn die Schallwelle direkt auf den Bereich des Chips 12 trifft, der den empfangenden IDT 122B umfasst, wandelt der empfangende IDT 122B unter Umständen nur die jeweilige Verlagerung des piezoelektrischen Substrats 121 (oder der Schicht) in ein elektrisches Signal um, ohne dass Informationen bezüglich der genauen Lokalisierung der Verlagerung innerhalb des Bereichs des empfangenden IDT 122B vorliegen.
Unter Bezugnahme auf 3 kann eine Lösung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin bestehen, die Verlagerung auf eine Zeitverzögerung Δt_SAW abzubilden, mit der die SAW den empfangenden IDT 122B erreicht. 3 zeigt die strömungsabhängige Verlagerung für zwei Wellen, die bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten νx_1,2 emittiert werden, wobei gilt: ν_x1 < ν_x2. Beispielsweise kann für eine erste Welle, die durch die gepunkteten Pfeile angezeigt wird, ν_x1 Null sein, während für eine zweite Welle, die durch die gestrichelten Pfeile angezeigt wird, ν_x2 größer als Null sein kann. Während sich der Rayleigh-Winkel möglicherweise nicht ändert, wenn dasselbe Fluid verwendet wird, erfährt die Schallwelle, die das Fluid mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit ν_x2 durchläuft, eine größere Verlagerung (gestrichelte Pfeile) als die Schallwelle, die das Fluid mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit ν_x1 durchläuft. Daher treffen die beiden jeweiligen Schallwellen an verschiedenen Stellen und damit in unterschiedlicher Entfernung zum empfangenden IDT 122B auf den Chip 12. Somit ist die als erneut eingekoppelte SAW zurückgelegte Zeit, Δt_SAW1,2, von der strömungsbedingten Verlagerung abhängig. Das heißt, für ν_x1 < _νx2 folgt, dass Δt_SAW1 > Δt_SAW2 ist, da die von der ersten Welle zurückgelegte Entfernung länger ist als die von der zweiten Welle zurückgelegte (d. h. Entfernung als erneut eingekoppelte SAW). Folglich können Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit von der Zeit und/oder der Phase des vom empfangenden IDT 122B empfangenen Signals hergeleitet werden.
Mit anderen Worten können Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit auch basierend auf der Hüllkurvenamplitude eines vom empfangenden IDT 122B empfangenen Signals hergeleitet werden, d. h. ohne Berücksichtigung der Phase. Das Herleiten von Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit aus der Phase des Signals kann jedoch im Allgemeinen wesentlich genauer sein (Größenordnungen) als der Versuch, geringfügige Verschiebungen der Amplitudenhüllkurve des Signals zu verfolgen. Daher kann es vorteilhaft sein, zumindest das Phasensignal zum Herleiten von Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen, was insbesondere eine fluidunabhängige Messung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichen kann, wenn es mit entsprechenden weiteren Messungen kombiniert wird, wie nachstehend ausgeführt.
In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass die Verweilzeit Δt_us, d. h. die Ausbreitungszeit der Welle innerhalb des Fluids, von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig ist. Somit kann die strömungsinduzierte Verlagerung auf die Zeitverzögerung zwischen dem Einkoppeln in den Chip 12 und dem Erreichen des empfangenden IDT 122B abgebildet werden. Dieses Abbilden der strömungsabhängigen Verlagerung kann erreicht werden, indem der empfangende IDT 122B im Allgemeinen derart angeordnet ist, dass die Schallwelle nicht direkt auf den Bereich des Chips 12 trifft, der den empfangenden IDT 122B umfasst, sondern sich stattdessen zuerst innerhalb des Chips 12 vor dem Empfangen durch den empfangenden IDT 122B als SAW ausbreitet. Auf diese Weise umfasst das empfangene Signal eine Zeitverzögerung, die in direktem Zusammenhang mit der Stelle steht, an der die Welle in den Chip 12 zurückgekoppelt wird, und damit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Diese Zeitverzögerung kann im Allgemeinen auch durch eine Phasenverschiebung des empfangenen Signals gegenüber dem gesendeten Signal dargestellt werden.
Somit kann ein Durchflusssensor 1 nach der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen das Messen eines Signals ermöglichen, das Informationen über die strömungsinduzierte Verlagerung der Welle umfasst, die das Fluid durchläuft. Im Allgemeinen kann die Verzögerungszeit und/oder die Phasenverschiebung der Welle somit dazu verwendet werden, die Strömungsgeschwindigkeit abzuleiten.
Die Welle, d. h. SAW und/oder Schallwelle, kann jedoch aufgrund von Temperaturschwankungen und anderen variablen Fluid-, Durchfluss- oder Umgebungsparametern, die beispielsweise in einer nicht idealen Umgebung naturgemäß vorhanden sein können, eine zusätzliche Phasenverschiebung erfahren. Die tatsächliche messbare Phasenverschiebung Δϕ kann daher eine Funktion vieler Variablen sein: Δϕ = f(t, v_x, Δt_us, s₁,..., s_n)., wobei t die Zeit ist, v_x die mittlere Strömungsgeschwindigkeit (in Strömungsrichtung x) ist, Δt_us die Verweilzeit ist und s_i phasensensitive Variablen sind, die in Bezug auf die Strömungsrichtung symmetrisch und in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit im Fluid konstant sind. Beispielsweise kann s_i die Fluiddichte (p) oder die Permittivität des Fluids (ε) oder die Temperatur und/oder Leitfähigkeit des Fluids bezeichnen.
Daher kann es vorteilhaft sein, diese unerwünschten Signale zu kompensieren. Mit anderen Worten kann, während Informationen über die lokale Verlagerung in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids enthalten sind, die Phasenverschiebung ferner unerwünschte Beiträge aufgrund von Umgebungsschwankungen und/oder Änderungen von Fluidparametern, z. B. aufgrund eines Lösungsmittelgradienten, umfassen.
Der Durchflusssensor 1 kann im Allgemeinen mindestens zwei Wandler 122 umfassen, z. B. einen ersten und einen zweiten IDT 122-1, 122-2, wobei einer als emittierender IDT 122A, z. B. als erster Sender 122A-1, fungieren kann, und der andere als empfangender IDT 122B, z. B. als erster Empfänger 122B-1, fungieren kann. Das heißt, wie in 1A dargestellt, kann der erste Sender 122A-1 eine SAW generieren, die wiederum eine Schallwelle in dem Fluid induzieren kann, die sich durch den Kanal 11 bewegen kann und potenziell zumindest teilweise an der Innenwand 111 des Kanals 11 reflektiert werden kann. Irgendwann, z. B. nach einer Reflexion, kann die Schallwelle zumindest teilweise in ein piezoelektrisches Material, z. B. das Substrat des Chips 12, eingekoppelt werden. Somit kann sich eine schallwelleninduzierte SAW durch den Chip 12 und zum ersten Empfänger 122B-1 bewegen, was wiederum die SAW zumindest teilweise in ein elektrisches Signal, z. B. eine Spannung, umwandeln kann, die detektiert und weiterverarbeitet werden kann. Insbesondere kann ein Merkmal basierend auf dem empfangenen Signal bestimmt werden, wobei das Merkmal vorzugsweise die Phasenverschiebung zwischen der vom jeweiligen Sender ausgesendeten Welle und dem vom zweiten Empfänger empfangenen Signal der Welle sein kann. Die Phasendifferenz zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal, d. h. die gemessene Phasenverschiebung Δϕ, kann Informationen über die lokale Verschiebung aufgrund der Strömung des Fluids in dem Kanal 11, der strömungsunabhängigen Verweilzeit der Schallwelle in dem Fluid und unerwünschter zusätzlicher Phasenverschiebungen aufgrund von Umgebungsänderungen und/oder Änderungen der Fluideigenschaften umfassen.
Um unerwünschte Phasenverschiebungen zu kompensieren, können die Signale von zwei Wellen gemessen werden, insbesondere von zwei Wellen, die sich in Bezug auf die Strömungsrichtung in entgegengesetzte Richtungen bewegen, wobei diese beiden Wellen ansonsten vorzugsweise identisch sind. Dies kann vorteilhafterweise die Korrektur von strömungsunabhängigen Phasenverschiebungen ermöglichen. Beispielsweise können zwei IDT in einigen Ausführungsformen abwechselnd als emittierende 122A- und empfangende 122B-Wandler dienen. Das heißt, die Sender- und Empfängeranordnung kann in abwechselnden Konfigurationen verwendet werden, wobei zwei Wandler 122 abwechselnd einen emittierenden 122A- und einen empfangenden 122B-Wandler bilden können. Mit anderen Worten kann die SAW (und damit die Schallwelle) abwechselnd von zwei IDT 122 derart emittiert werden, dass die Bewegungsrichtung für die Schallwelle zwischen den beiden IDT 122 zwischen stromaufwärts und stromabwärts wechseln kann. Das heißt, eine zweite Welle kann von dem Wandler gesendet werden, der die erste Welle 122B-1 empfängt, und von dem Wandler empfangen werden, der die erste Welle 122A-1 emittiert. Mit anderen Worten kann eine zweite Welle in eine zur ersten Welle entgegengesetzte Richtung gesendet werden, indem die Rolle der beiden Wandler umgeschaltet wird. Somit kann ein erster Wandler 122-1 den ersten Sender 122A-1 und einen zweiten Empfänger 122B-2 bilden, während ein zweiter Wandler 122-2 einen zweiten Sender 122A-2 und den ersten Empfänger 122B-1 bilden kann. Das heißt, jeder der beiden Wandler 122, z. B. IDT 122, kann beispielsweise abwechselnd als emittierender 122A- und empfangender 122B-Wandler fungieren. Somit können die zwei IDT dazu konfiguriert sein, Wellen mit derselben Frequenz zu senden und zu emittieren.
Unter Bezugnahme auf 1B kann die Sender- und Empfängeranordnung in der dargestellten Ausführungsform daher in einer zweiten Konfiguration II verwendet werden, in der die jeweiligen Funktionen des ersten Wandlers 122-1 und des zweiten Wandlers 122-2, die auch als Phasenverschiebungswandler bezeichnet werden, vertauscht sind. Das heißt, der erste Wandler 122-1, der den ersten Sender 122A-1 in der ersten Konfiguration I bildet, kann ferner den zweiten Empfänger 122B-2 in der zweiten Konfiguration II bilden. Desgleichen kann der zweite Wandler 122-2, der den ersten Empfänger 122B-1 in der ersten Konfiguration I bildet, ferner den zweiten Sender 122A-2 in der zweiten Konfiguration II bilden.
Es wird angemerkt, dass der Begriff Phasenverschiebungswandler im Allgemeinen Wandler bezeichnen kann, die zur Messung der Phasenverschiebung der ersten und/oder der zweiten Welle beitragen. Das heißt, Wandler, die den ersten Sender 122A-1, den ersten Empfänger 122B-1, den zweiten Sender 122A-2 und/oder den zweiten Empfänger 122B-2 bilden. Desgleichen bezeichnet der Begriff Phasenverschiebungs-IDT IDT, die den ersten Sender 122A-1, den ersten Empfänger 122B-1, den zweiten Sender 122A-2 und/oder den zweiten Empfänger 122B-2 bilden.
Wie in den 1A und 1B angegeben, kann jeder der beiden beteiligten Wandler 122-1, 122-2 im Allgemeinen sowohl zum Senden, z. B. Emittieren, als auch zum Empfangen einer Welle konfiguriert sein. Mit anderen Worten kann die Konfiguration des emittierenden 122A- und des empfangenden 122B-Wandlers zwischen den beiden in 1A und 1B dargestellten Konfigurationen I, II abwechseln. Somit kann der Durchflusssensor 1 mindestens zwei Phasenverschiebungswandler umfassen, die beispielsweise beide auf dem Chip 12 und insbesondere auf dem piezoelektrischen Substrat 121 oder der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein können, z. B. auf einem nicht piezoelektrischen Substrat, wobei die zwei Wandler 122-1, 122-2 abwechselnd als sendende/emittierende und empfangende Wandler dienen. In der dargestellten Ausführungsform können die zwei Phasenverschiebungswandler vorzugsweise identisch aufgebaut sein. Das heißt, sie können identische Eigenschaften umfassen, beispielsweise einschließlich von Gesamtabmessungen und Wandlerwellenlängen, z. B. einer SAW-Frequenz.
Allgemeiner umfasst die vorliegende Erfindung das Emittieren einer ersten Welle mit einem ersten Sender 122A-1 und das Empfangen der ersten Welle mit einem ersten Empfänger 122B-1 und ferner das Emittieren einer zweiten Welle mit einem zweiten Sender 122A-2 und das Empfangen der zweiten Welle mit einen zweiten Empfänger 122B-2, wobei die Bewegungsrichtung durch das Fluid für die erste Welle im Vergleich zur zweiten Welle unterschiedlich sein kann. Das heißt, eine von erster und zweiter Welle kann sich im Allgemeinen stromaufwärts ausbreiten und die andere kann sich im Allgemeinen stromabwärts ausbreiten. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Wandler mehr als nur den ersten Sender, den zweiten Sender, den ersten Empfänger und den zweiten Empfänger bilden. Beispielsweise bilden unter Bezugnahme auf 1A und 1B die zwei identischen Wandler 122-1, 122-2 jeweils einen der Sender und einen der Empfänger. Insbesondere bildet der erste Wandler 122-1 in 1A und 1B den ersten Sender 122A-1 und den zweiten Empfänger 122B-2, während der zweite Wandler 122-2 den zweiten Sender 122A-2 und den ersten Empfänger 122B-1 bildet. Somit können die zwei Wandler 122, z. B. IDT 122, beispielsweise Rollen wechseln, d. h. zwischen dem emittierenden 122A- und dem empfangenden 122B-Wandlern wechseln.
Dann kann die Differenz zwischen den jeweiligen Phasenverschiebungen zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal von jeder von zwei aufeinanderfolgenden Messungen, d. h. einer Messung, bei der die Schallwelle stromaufwärts des emittierenden Wandlers 122A empfangen, z. B. detektiert wird, und einer Messung, bei der die Welle stromabwärts des emittierenden Wandlers 122A empfangen wird, bestimmt werden. Mit anderen Worten kann ein Differenzmaß generiert werden, indem die jeweiligen Phasenverschiebungen von zwei aufeinanderfolgenden Messungen subtrahiert werden, wobei die Phasenverschiebung Δϕ(t) einer Messung der Phasenverschiebung zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal entsprechen kann. Unter der Annahme, dass die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen derart ausreichend kurz ist, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit nicht wesentlich ändert (z. B. nur innerhalb des Messfehlers), werden alle von der Strömungsrichtung unabhängigen Phasensignale gelöscht und können nur Signale, die vom Strömungssignal abhängig sind, in der Differenz der Phasenverschiebungen bleiben. Es versteht sich, dass dies voraussetzt, dass die Entfernung zwischen dem ersten Sender 122A-1 und dem ersten Empfänger 122B-1 gleich der Entfernung zwischen dem zweiten Sender 122A-2 und dem zweiten Empfänger 122B-2 ist, derart, dass strömungsunabhängige Phasensignale, die während der Ausbreitung der Welle aufgenommen werden, ungefähr gleich sein können. Mit anderen Worten wird angenommen, dass die Entfernung zwischen dem emittierenden IDT 122A und dem empfangenden IDT 122B für beide Wellen, die zum Differenzmaß beitragen, gleich ist. Dies kann vorteilhafterweise systembedingt für eine Durchflusssensorausführungsform zutreffen, wie sie in 1A und 1B dargestellt ist, wobei zwei Wandler 122-1, 122-2 abwechselnd die jeweiligen Wellen senden und empfangen.
Insbesondere können unter der Annahme, dass eine erste Messung, bei der die Schallwelle stromabwärts des empfangenden IDT 122B (1A) emittiert wird, zum Zeitpunkt t₁ durchgeführt wird, und eine darauffolgende Messung, bei der sich der empfangende IDT 122B stromabwärts des emittierenden IDT 122A (1B) befindet, zu einem Zeitpunkt t₂ = t₁ + Δt durchgeführt wird, die zwei Phasenverschiebungen ungefähr angegeben werden als $Δ ϕ (t_{1}) = f_{1} (t_{1,} Δ t_{u s}, v_{x}, s_{1},..., s_{n}) ≃ Δ ϕ_{1} (t_{1}, Δ t_{u s}, s_{1},..., s_{n}) + k_{S A W} v_{x} Δ t_{u s},$
$Δ ϕ (t_{2}) = f_{2} (t_{2,} Δ t_{u s}, v_{x}, s_{1},..., s_{n}) ≃ Δ ϕ_{2} (t_{2}, Δ t_{u s}, s_{1},..., s_{n}) - k_{S A W} v_{x} Δ t_{u s},$
wobei v_x die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung bezeichnet, d. h. in der stromabwärtigen Richtung des Kanals 11, Δt_us, die Flugzeit (Verweilzeit) oder mit anderen Worten die Ausbreitungszeit der Schallwelle im Fluid bezeichnet, s_i phasensensitive Variablen sind, die bezüglich der Strömungsrichtung symmetrisch und in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid konstant sind, und k_SAW der Wellenvektor der SAW ist, der in hinreichend genauer Annäherung als konstant angenommen werden kann. Diese Berechnung basiert auf der linearen Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von der Phasenänderung. Vorausgesetzt also, dass die Entfernung zwischen dem emittierenden und dem empfangenden IDT für beide Messungen gleich ist, kann das Differenzmaß von zwei aufeinanderfolgenden Phasendifferenzmessungen mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung näherungsweise angegeben werden als $\begin{array}{l} Δ Φ = Δ ϕ (t_{1}) - Δ ϕ (t_{2}) ≃ Δ ϕ_{1} (t_{1}, Δ t_{u s}, s_{1},..., s_{n}) - Δ ϕ_{2} (t_{2}, Δ t_{u s}, s_{1},..., s_{n}) + 2 k_{S A W} v_{x} Δ t_{u s} \\ ≃ 2 k_{S A W} v_{x} Δ t_{u s} . \end{array}$
Dies gilt unter der Annahme, dass Δt = t₂ - t₁ ausreichend klein ist, derart, dass angenommen werden kann, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit nur innerhalb des Messfehlers ändert und dass insbesondere die strömungsrichtungsunabhängigen Phasenverschiebungen näherungsweise als konstant angegeben werden können, derart, dass sie sich beim Subtrahieren der beiden Phasenverschiebungen gegenseitig aufheben. Im Allgemeinen kann vorzugsweise die Zeitdifferenz Δt = t₂ - t₁, auch als Schaltzeit bezeichnet, möglichst klein gehalten werden. Dies kann vorteilhafterweise auch ermöglichen, dass die Änderung der symmetrischen (strömungsrichtungsunabhängigen) Phasenverschiebungsbeiträge während dieser Schaltzeit gering (z. B. vernachlässigbar) ist, derart, dass diese unerwünschten Phasenverschiebungsbeiträge/-signale durch Subtrahieren aufeinanderfolgender Phasendifferenzmessungen, zumindest in hinreichend genauer Annäherung, kompensiert werden können. Vorzugsweise ist die Schaltzeit Δt kleiner als 100 µs. Insbesondere kann die strömungsinduzierte Phasenverschiebung nur aufgrund des Abbildens der strömungsinduzierten (bzw. strömungsabhängigen) Verlagerung der Welle auf die als SAW zurückgelegte Zeit, bevor sie vom empfangenden IDT 122B empfangen wird, gemessen werden.
Es wird angemerkt, dass die vorstehende Berechnung entsprechend angepasst werden kann, falls die Entfernung zwischen dem emittierenden und dem empfangenden IDT für die beiden subtrahierten Messungen nicht gleich ist. Das heißt, basierend auf einer jeweiligen Kalibrierung können die Phasendifferenzmessungen entsprechend skaliert werden, um eine Differenz in der zurückgelegten Entfernung zwischen den IDT zu berücksichtigen, die jeweils für die zwei (z. B. aufeinanderfolgenden) Phasendifferenzmessungen verwendet werden. Vorteilhafterweise sind jedoch die für die Phasenverschiebungsmessungen verwendeten emittierenden und empfangenden IDT gleich weit voneinander entfernt, derart, dass die Entfernung zwischen dem emittierenden und dem empfangenden IDT für beide Messungen gleich ist.
Mit anderen Worten kann nach jeder Messung der relativen Phasenverschiebung Δϕ zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal die Phasenverschiebung des Stromsignals kontinuierlich um einen Zeitschritt zurück von der Phasenverschiebung des Signals subtrahiert werden (in der praktischen Anwendung in der HPLC kann die Phasenänderung aufgrund der auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten derart gering sein, dass Mehrdeutigkeiten im Allgemeinen nicht berücksichtigt werden müssen - die Phasenänderungen können typischerweise im Bereich von einigen Grad liegen). Unter der Annahme, dass Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Zeitfenster nur im Bereich des Messfehlers liegen, können alle Phasenkomponenten, die bezüglich der Strömungsrichtung symmetrisch sind, negiert werden. Andererseits kann für eine Ausführungsform wie die in den 1A und 1B dargestellte das doppelte antisymmetrische Strömungssignal verbleiben.
Wie vorstehend zu sehen ist, kann die strömungsbedingte Phasenverschiebung und damit das Differenzmaß ΔΦ (zumindest in hinreichend genauer Annäherung) linear von der Verweilzeit der (Schall-) Welle in dem Fluid Δt_us (auch als Ausbreitungszeit in dem Fluid oder Flugzeit in dem Fluid bezeichnet) und von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig sein. Damit gilt: ΔΦ ∝ k_SAWv_xΔt_us, wobei wiederum Δt_us die Verweilzeit des Wellenpakets in dem Fluid bezeichnet, v_x die Strömungsgeschwindigkeit (entlang des Kanals 11) bezeichnet und k_SAW die SAW-Geschwindigkeit und die Frequenz der SAW umfasst. Letztere sind in hinreichend genauer Näherung konstant, weshalb k_SAW als konstant angenommen werden kann. Für eine feste Strömungsgeschwindigkeit v_x kann daher das Verhältnis des Differenzmaßes und der Verweilzeit konstant sein: $\frac{Δ Φ}{Δ t_{u s}} = k o n s t .$
Dies führt zu einem einfachen Ausdruck, der nur von der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist. Mit anderen Worten kann, wenn die Verweilzeit Δt_us bekannt ist, das Differenzmaß ΔΦ der Phasenverschiebungen Δϕ es ermöglichen, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zumindest annähernd zu bestimmen.
Das heißt, für zwei aufeinanderfolgende Messungen der Phasenverschiebung Δϕ(t_1,2) = Δϕ_1,2, wobei die Schaltzeit Δt = t₂ - t₁ klein genug für die Annahme ist, dass strömungsunabhängige Phasenverschiebungsbeiträge (zumindest in hinreichend genauer Annäherung) konstant sind, und wobei die beiden Messungen bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v_x in entgegengesetzten Richtungen durchgeführt werden, d. h. v₁ = -v₂ = v_x, wird die lokale Verlagerung Δx_1,2 (auch als räumliche Verschiebung bezeichnet) einer SAW-induzierten (Ultraschall-) Welle wie folgt angegeben: $Δ x_{1,2} = v_{x} Δ t_{u s} .$
Hier bezeichnet Δt_us wieder die strömungsunabhängige Verweilzeit.
Nach der Ausbreitung durch den Kanal 11 kann die Welle als SAW zumindest teilweise in den Chip 12 (z. B. die Oberfläche des Chips 12) zurückgekoppelt werden. Die genaue Stelle, an der sich die SAW zumindest teilweise erneut in den Chip 12 einkoppelt, ist abhängig von der lokalen Verschiebung der Welle, die das Fluid durchläuft. Somit kann die lokale Verlagerung Δx auch durch die Zeitverzögerung Δt_SAW,1,2 ausgedrückt werden, die die als erneut eingekoppelte SAW insgesamt zurückgelegte Zeit angibt, und Δt_SAW,0, die die als erneut eingekoppelte SAW zurückgelegte Zeit an v_x = 0 angeben kann. Spezifisch kann Δx_1,2 ausgedrückt werden als: $Δ x_{1,2} = (Δ t_{S A W,0} - Δ t_{S A W,1,2}) c_{S A W} .$
Daher kann die Zeitverzögerung Δt_SAW,1,2 wie folgt ausgedrückt werden: $Δ t_{S A W,1,2} = Δ t_{S A W,0} - \frac{Δ x_{1,2}}{c_{S A W}} .$
Die entsprechende Phasendifferenz zwischen emittiertem und empfangenem Signal im Bogenmaß wird durch Δϕ_1,2 = 2πf(Δt_us + Δt_SAW,1,2) angegeben. Die Kombination dieses Ausdrucks mit (I) und (II) ergibt: $Δ ϕ_{1,2} = 2 π f (Δ t_{u s} + Δ t_{S A W,0}) - \frac{2 π f v_{1,2} Δ t_{u s}}{c_{S A W}} .$
Anschließend kann das Differenzmaß ΔΦ) wie vorstehend beschrieben berechnet werden, was Folgendes ergibt: $Δ Φ = Δ ϕ_{1} - Δ ϕ_{2} = - \frac{2 π f v_{1} Δ t_{u s}}{c_{S A W}} + \frac{2 π f v_{2} Δ t_{u s}}{c_{S A W}},$
wobei gilt: v₁ = -v₂ = v_x. Wenn also c_SAW/f = λ_SAW ≅ konst. angenommen wird, wird das Differenzmaß durch Folgendes angegeben: $Δ Φ = - 4 π \frac{v_{x} Δ t_{u s}}{λ_{S A W}} .$
Auflösen nach v_x ergibt: $v_{x} = - \frac{Δ Φ}{Δ t_{u s}} \frac{λ_{S A W}}{4 π} = - \frac{Δ ϕ}{Δ t_{u s}} \frac{1}{2 k_{S A W}},$
wobei k_SAW = 2π/λ_SAW der SAW-Wellenvektor ist. Diese Lösung basiert auf der Annahme, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Strömungskanals und der Schaltzeit konstant ist und daher streng genommen nur eine Annäherung an die tatsächliche mittlere Strömungsgeschwindigkeit bereitstellt. Diese Annäherung kann jedoch im Allgemeinen für kleine Schaltzeiten in Bezug auf die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit und unter der Annahme eines Kanaldesigns ausreichend sein, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Sensorbereichs ungefähr gleich bleibt.
Während allerdings k_SAW allgemein zumindest in hinreichend genauer Annäherung als konstant angenommen werden kann, ist Δt_us von der Schallgeschwindigkeit des Fluids, c_F, und damit von der Dichte und Kompressibilität des Fluids abhängig: $Δ t_{u s} = f (c_{F}) = f (\sqrt{\frac{K}{ρ}}) .$
Mit anderen Worten ist Δt_us fluidabhängig, wie in 4 weiter dargestellt, wobei zwei Messungen mit derselben Strömungsgeschwindigkeit v_x, aber für zwei verschiedene Fluide dargestellt sind. Aufgrund der Änderung der Dichte und Kompressibilität des Fluids und damit der jeweiligen Schallgeschwindigkeit c_F ändert sich der Rayleigh-Winkel θ_R und folglich die Verweilzeit Δt_us. Das heißt, für das Fluid 2 in 4, das eine höhere Schallgeschwindigkeit, c_F2, im Vergleich zum Fluid 1 umfasst, sind sowohl der Rayleigh-Winkel θ₂ und folglich auch die Verweilzeit Δt_us2 größer als die jeweiligen Parameter für Fluid 1. Folglich kann es wichtig sein, auch Δt_us, zum Ableiten der Strömungsgeschwindigkeit aus den Phasenmessungen zu bestimmen, um eine fluidunabhängige Messung der Strömungsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Dies kann es vorteilhafterweise ermöglichen, dass der Durchflusssensor 1 ohne Kalibrierung auf ein bestimmtes Fluid verwendet werden und sich daher das Fluid während einer kontinuierlichen Messung ändern kann, ohne die Durchflussmessung zu beeinflussen. Bei der HPLC kann die Fluidunabhängigkeit vorteilhaft sein, da die Analyseprobe zusammen mit der mobilen Phase häufig undefinierte Fluide sein kann, die unter Umständen nur vorübergehend am Durchflusssensor vorliegen. Ferner kann sich die Lösungsmittelzusammensetzung auch ändern, z. B. wenn ein Gradient verwendet wird.
Die Änderung der Verweilzeit, Δt_us, ändert auch die Ausbreitungszeit der Welle als SAW nach dem Durchlaufen des Fluids, Δt_SAW, wie in 4 angegeben. Mit anderen Worten führen unterschiedliche Fluide zu variablen Verweilzeiten der (Schall-) Welle im Fluidkanal 11 sowie zu einer entsprechend variablen Ausbreitungszeit der Welle als SAW, d. h. als SAW, die von der Welle ausgeht, die zumindest teilweise in das Substrat zurückkoppelt wird. Das heißt, die SAW kann aus dem erneuten Einkoppeln der Welle nach ein- oder mehrmaliger Ausbreitung in dem Fluid vertikal durch den Kanal, d. h. nach Durchlaufen des Fluids, hervorgehen. Die Ausbreitungszeit der Welle als SAW, Δt_SAW, ist auch abhängig von der strömungsabhängigen Verlagerung der Welle, wie vorstehend beschrieben. Basierend auf einer Messung der Gesamtausbreitungszeit (bzw. der Phase) der Welle als Druckwelle in dem Fluid (d. h. Schallwelle) und als SAW können somit vernachlässigbare (oder keine) Informationen über die reine Verweilzeit in dem Fluid, Δt_us, erhalten werden. Das heißt, im Gegensatz zu den Messungen zum Erhalten eines Signals, das Informationen über die fluidabhängige Verlagerung umfasst, wäre es wünschenswert, den Beitrag der Ausbreitungszeit der SAW, Δt_SAW, zur Messung der Verweilzeit, Δt_us, zu löschen.
Basierend auf dem Vorstehenden kann die Verweilzeit, Δt_us, beispielsweise gemessen werden, indem der empfangende IDT 122B derart angeordnet wird, dass die Schallwelle direkt auf den Bereich des Chips 12 trifft, der den empfangenden IDT 122B umfasst, d. h. entgegen der gewünschten Anordnung zum Messen der strömungsabhängigen Verlagerung. Die typische Größe der Phasenverschiebungs-IDT, aus denen die emittierenden 122A- und empfangenden 122B-IDT bestehen, kann jedoch im Vergleich zu den Gesamtabmessungen des Kanals 11 derart klein sein, dass der empfangende IDT 122B möglicherweise nicht derart angeordnet ist, dass die Welle für alle relevanten Rayleigh-Winkel θ_R direkt auf den empfangenden IDT 122B träfe. Während natürlich die Möglichkeit bestehen kann, die Größe der Phasenverschiebungs-IDT, die als empfangende IDT122B fungieren, zu erweitern, bleibt das Problem bestehen, dass die strömungsabhängige Verlagerung der Welle nicht gemessen werden kann, wenn das gesamte Wellenpaket direkt den empfangenden IDT 122B trifft. Wenn zum Beispiel in einer Ausführungsform wie der in 1A und 1B dargestellten beide Phasenverschiebungs-IDT (d. h. die IDT 122-1, 122-2) derart angeordnet sind, dass die Welle direkt auf sie trifft, wenn sie als empfangender IDT 122B fungieren, wäre keine fluidabhängige Verschiebung messbar. Das heißt, die Durchflussmessung basiert auf der Verlagerung der Welle entlang der Strömungsrichtung, die möglicherweise nicht detektiert wird, wenn die Schallwelle direkt in den empfangenden IDT 122B eingekoppelt wird (wenn auch immer noch über eine induzierte SAW). Mit anderen Worten kann die Verlagerung der Schallwelle zeitlich differenziert werden, indem kleinere empfangende IDT 122B ausgewählt werden und daher die Verlagerung der Welle auf die als SAW zurückgelegte Zeit abgebildet wird, was den Anforderungen zum Messen der Verweilzeit Δt_us widerspricht.
Mit anderen Worten würde, während eine Lösung für das vorliegende Problem unter Umständen darin zu bestehen scheint, dass der empfangende IDT 122B genau so platziert wird, dass die Schallwelle direkt mit ihm gekoppelt wird, eine kleine Erweiterung der reziproken Sende- und Empfangs-IDT 122, d. h. der Phasenverschiebungs-IDT, im Vergleich zur Größe des Fluidkanals 11 höchstens die genaue Messung der Ausbreitungszeit, Δt_us, für eine kleine Variation der Fluidschallgeschwindigkeit ermöglichen, da der Rayleigh-Winkel entsprechend variiert. Darüber hinaus kann die Verwendung von wesentlich breiteren Sende- oder Empfangs-IDT 122 im Allgemeinen auf nachteilige Weise zu einem signifikant hohen Mengenanteil an unerwünschtem Schall in der Zelle führen. Weiterhin und insbesondere könnte kein auf die Fluidgeschwindigkeit bezogener Zeit-Offset der Welle gemessen werden, wenn das gesamte Wellenpaket auf den Empfangs-IDT 122B trifft, da, wie bereits erwähnt, die reine Ausbreitungszeit des gesamten Wellenpakets durch das Fluid von der Fluidgeschwindigkeit für ein bestimmtes Fluid unabhängig ist.
Somit kann der Durchflusssensor 1 und insbesondere die Sender- und Empfängeranordnung ganz allgemein einen Verweilzeitempfänger 122C und einen Verweilzeitsender 122D umfassen, die jeweils im Allgemeinen aus einem Wandler 122 bestehen können. Beispielsweise kann ein dedizierter Zeitmesswandler 125 den Verweilzeitempfänger 122C bilden, indem er unter Umständen dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das die Verweilzeit anzeigt. Mit anderen Worten kann in einigen Ausführungsformen der Verweilzeitempfänger 122C aus einem separaten Wandler 125 bestehen, der nur zum Messen der Verweilzeit vorgesehen ist. Alternativ dazu kann in anderen Ausführungsformen ein emittierender 122A- und/oder empfangender 122B-Wandler, d. h. einer der Phasenverschiebungswandler, ferner den Verweilzeitempfänger 122C bilden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Wandler 122 als Verweilzeitempfänger 122C und emittierender 122A und/oder empfangender Wandler 122B fungieren. Desgleichen kann ein dedizierter Zeitsenderwandler den Verweilzeitsender 122D bilden. Vorzugsweise kann der Verweilzeitsender 122D jedoch aus einem Wandler 122 bestehen, der ferner als emittierender 122A- und/oder empfangender 122B-Wandler fungiert.
Es wird nun wieder auf 1B Bezug genommen. Um eine Messung der Ausbreitungszeit, Δt_us, zu ermöglichen, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen zusätzlichen Zeitmess-IDT 125 umfassen, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, der (in x-Richtung) signifikant breiter sein kann als die Phasenverschiebungs-IDT, d. h. der erste und der zweite Wandler 122-1, 122-2, und daher auch als Wide IDT 125 bezeichnet wird. Der Zeitmess-IDT 125 kann so ausgelegt sein, dass er empfindlich auf die SAW-Frequenz reagiert, die generiert wird von den Sende- und Empfangs-IDT 122A, 122B, auch als Phasenverschiebungs-IDT bezeichnet, da sie zum Bestimmen der Phasenverschiebung aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit konfiguriert sind.
Im Allgemeinen kann der Zeitmess-IDT 125 stromaufwärts oder stromabwärts der Phasenverschiebungs-IDT angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Zeitmess-IDT 125 auf demselben Chip 12 wie die Phasenverschiebungs-IDT angeordnet sein. Zusätzlich dazu kann der Zeitmess-IDT 125 derart erweitert und positioniert werden, dass die Schallmaxima eines der beiden Phasenverschiebungs-IDT zumindest für alle Winkel $s i n θ_{R} = \frac{c_{F}}{c_{S}},$
mit 800 m/s < c_F < c_s, die für den gewünschten Messbereich des Sensors relevant sind, direkt auf den Zeitmess-IDT 125 treffen und nicht auf das Substrat davor oder danach, d. h. stromaufwärts oder stromabwärts des Zeitmess-IDT 125. Das heißt, während c_s im Allgemeinen durch das Sensordesign und insbesondere die für das piezoelektrische Substrat 121 verwendeten Materialien bestimmt werden kann, hängt c_F von dem zu messenden Fluid ab, das erheblich variieren kann. Daher kann die Größe und Position des Zeitmess-IDT 125 derart gewählt werden, dass ein gewünschter Bereich von Schallgeschwindigkeiten durch den Sensor abgedeckt werden kann. Ganz allgemein kann die Schallgeschwindigkeit des durch den Kanal fließenden Fluids für Fluide, die typischerweise in der HPLC verwendet werden, im Bereich von 800 m/s < c_F < 2300 m/s liegen. Die Schallgeschwindigkeit für die SAW im Chip c_s kann im Allgemeinen im Bereich von 2540 m/s < c_F < 6000 m/s liegen.
Daher können basierend auf dem für das piezoelektrische Substrat 121 verwendeten Material und der Kanalhöhe H1 einige allgemeine Designüberlegungen getroffen werden. Die Entfernung zwischen dem Verweilzeitsender 122D und dem Verweilzeitempfänger 122C, d. h. die Entfernung zwischen dem Zeitmess-IDT 125 und dem jeweiligen Phasenverschiebungs-IDT, der das für die Verweilzeitmessung verwendete Signal emittiert, kann als Verzögerungsleitungslänge bezeichnet werden.
In Bezug auf 5A kann daher eine maximale Verzögerungsleitungslänge (L_{Verz max}) vom minimalen Rayleigh-Winkel θ_R,min abhängig sein, der wiederum von c_s und der minimalen Schallgeschwindigkeit für ein zu messendes Fluid c_f abhängig ist. Zusätzlich dazu ist die maximale Verzögerungsleitungslänge L_{Verz max} auch von der Höhe H1 des Kanals abhängig. Darüber hinaus muss möglicherweise auch die strömungsinduzierte lokale Verlagerung berücksichtigt werden, d. h. Δx = v_xΔt_us. In der Regel kann jedoch Δ im Vergleich zur Wellenlänge derart klein sein, dass es der Einfachheit halber weggelassen werden kann. Insbesondere kann die maximale Verzögerungsleitungslänge L_{Verz max} wie folgt gegeben sein: $L_{V e r z m a x} = t a n (θ_{R, m i n}) 2 H 1 - Δ x .$
Beispielsweise betrüge unter Berücksichtigung einer minimalen Sollschallgeschwindigkeit für ein Fluid von $c_{f} = 800 \frac{m}{s}$
und ferner der Sollschallgeschwindigkeit für die SAW im Substrat 121 von c_s = 4700 m/s der minimale Rayleigh-Winkel (θ_R,min ≈ 9,8°, und gälte folglich: L_{Verz max} ≈ 0,34H1 - Δx.
Desgleichen kann bei Betrachtung von 5B eine Länge des Zeitmess-IDT 125 von einem maximalen Rayleigh-Winkel θ_R,mαx abhängig sein, was wiederum von der Schallgeschwindigkeit im Substrat 121 und der maximalen Schallgeschwindigkeit der durch den Sensor fließenden Fluide abhängig ist. Dies kann die notwendige Länge derart bereitstellen, dass eine reflektierte Schallwelle, die von der Welle des Verweilzeitsenders 122D emittiert wird, immer noch auf den Zeitmess-IDT 125 (d. h. den Verweilzeitempfänger 122C) trifft. Zusätzlich dazu kann der Zeitmess-IDT 125 jedoch um eine Länge nλ_SAW entsprechend der Länge des Verweilzeitsenders 122D weiter verlängert werden. Hier bezeichnet n die Periodenzahl des Verweilzeitsenders 122D, die mit der Anzahl von Fingerpaaren für ein Design identisch sein kann, wie 2a) zeigt, und bezeichnet λ_SAW die Wellenlänge der emittierten und empfangenen SAW. Diese Ausdehnung kann vorteilhaft sein, da das Maximum der empfangenen SAW bei der Zeitmessung IDT 125 möglicherweise nicht direkt zu dem Zeitpunkt und an dem Ort auftritt, an der das Maximum der Schallwelle (z. B. Ultraschallimpuls) in dem Fluid auf die IDT 125 trifft. Stattdessen kann der Ultraschallimpuls in dem Fluid die Leistung in dem IDT 125 kumulieren (d. h. integrieren), das heißt, eine SAW kann im Substrat des Chips aufgebaut sein, um (zumindest teilweise) von dem Zeitmess-IDT 125 empfangen zu werden, während die resultierende SAW gleichzeitig die Schallleistung im Rayleigh-Winkel wieder auf das Fluid überträgt. Daher kann der Zeitmess-IDT 125 zumindest wie vorstehend beschrieben erweitert werden, um diesen Umstand zu berücksichtigen und somit die vom Schallmessungs-IDT 125 empfangene Gesamtschallleistung zu erhöhen.
Wiederum kann auch die strömungsinduzierte lokale Verlagerung Δx_x berücksichtigt werden, derart, dass die Länge des Zeitmess-IDT insgesamt angegeben sein kann durch $L_{T M I D T} = t a n (θ_{R, m a x}) 2 H 1 + n λ + Δ x - L_{V e r z m a x} .$
Daher können einige beispielhafte Überlegungen hinsichtlich der Gesamtgrenzen für die Länge des Zeitmess-IDT angestellt werden. Zum Schätzen einer Untergrenze für die Länge des Zeitmess-IDT 125 kann beispielsweise eine minimale Obergrenze für den Rayleigh-Winkel beispielsweise bei etwa 40° liegen $(c_{f} = 2200 \frac{m}{s}, c_{s} = 3390 m / s),$
unter Umständen entsprechend einer minimalen Länge L_TM _IDT,min des Zeitmess-IDT 125 von $L_{T M IDT,min} = tan (arcsin (\frac{2200}{3390})) s H 1_{m i n} + n_{m i n} λ_{m i n} + Δ x - L_{V e r z m a x},$
Was angesichts des vorstehenden Ergebnisses für L_{Verz max} ausgedrückt werden kann als $L_{T M I D T, m i n} \approx 1,36 H 1_{m i n} + n_{m i n} λ_{m i n},$
wobei n die Anzahl der Perioden des Verweilzeitsenders 122D und A die SAW-Wellenlänge ist. Unter Berücksichtigung einer oberen Frequenzgrenze von 100 MHz, einer unteren Kanalhöhengrenze von H1_min= 0,2 mm und mit einem Minimum von n_min= 5 kann eine untere Grenze für die Länge des Zeitmess-IDT 125 L_{TM IDT,min} ≈ 0,4 mm sein, was ungefähr 2,4 nmin entsprechen kann λ_min.
Zur Schätzung einer oberen Grenze für die Länge des Zeitmess-IDT 125 L_{TM IDT,max} können der größtmögliche Rayleigh-Winkel und die Untergrenze der Verzögerungsleitungslänge berücksichtigt werden. Eine untere Grenze der Verzögerungsleitungslänge zwischen dem Verweilzeitsender und dem Verweilzeitempfänger könnte einige (~ 3)λ betragen. Eine vernünftige Obergrenze des Rayleigh-Winkels kann 65° betragen $(c_{f} = 2230 \frac{m}{s}, c_{s} = 2540 m / s) .$
Bei einer Obergrenze der Kanalhöhe von H1_max = 20 mm, einer unteren Frequenzgrenze von 40 MHz und einer oberen Periodenzahl n von 50 (Verweilzeitsender) kann eine Obergrenze für die Länge betragen: $L_{T M I D T, m a x} \approx tan (a r c s i n (\frac{2300}{2540})) 2 H 1_{m a x} + (n_{m a x} - 3) λ_{m a x} \approx 85 mm,$
was ungefähr 27 n_max λ_max entsprechen kann. Im Gegensatz dazu gilt unter Berücksichtigung von H1_max = 3 mm: L_{TM IDT,max} ≈ 13 mm, was ungefähr 4,1 n_max λ_max entsprechen kann.
Somit kann die Position und Ausdehnung des Zeitmess-IDT 125 relativ zu einem der Phasenverschiebungs-IDT basierend auf den vorstehenden Überlegungen berechnet werden.
Es wird angemerkt, dass die vorstehenden Überlegungen desgleichen für jeden Wandler, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, und nicht nur für den Zeitmesswandler 125 gelten, der den Verweilzeitempfänger 122C als separaten Wandler bildet.
Es versteht sich, dass das Positionieren des Zeitmess-IDT 125 relativ zu einem der Phasenverschiebungs-IDT wie vorstehend erörtert und in 1B dargestellt vorteilhafterweise das Messen der Verweilzeit Δt_us sowie die Phasenverschiebung einer Welle, die gleichzeitig vom empfangenden IDT 122B empfangen wird, ermöglichen kann. Das heißt, wenn der emittierende Wandler 122A zwischen dem Zeitmesswandler 125 und dem empfangenden Wandler 122B angeordnet ist, kann der emittierende Wandler 122A eine Welle gleichzeitig in beide Richtungen aussenden und daher auch den Verweilzeitsender 122D bilden. Somit kann die Verweilzeit gleichzeitig mit der Phasenverschiebung der Welle gemessen werden, die von dem empfangenden IDT 122B empfangen wird. Dies ist ferner in 1B dargestellt, wobei der zweite Sender 122A-2 zwischen dem Zeitmesswandler 125 und dem zweiten Empfänger 122B-2 angeordnet ist. Wenn also der zweite Sender 122A-2 eine Welle in beide Richtungen emittiert, wie durch die Pfeile angezeigt, können die jeweiligen Wellen vom Zeitmesswandler 125, d. h. dem Verweilzeitempfänger 122C bzw. dem zweiten Empfänger 122B-2 empfangen werden, was es daher ermöglicht, sowohl die Verweilzeit als auch die Phasenverschiebung der zweiten Welle zu bestimmen. Es versteht sich jedoch, dass auch ein Zeitsenderwandler, der speziell nur zum Emittieren eines Signals für die Verweilzeitmessung vorgesehen ist, d. h. den Verweilzeitsender 122D bildet, verwendet werden kann. Mit anderen Worten kann die Messung der Verweilzeit getrennt von der Messung der Phasenverschiebung der ersten und der zweiten Welle verwirklicht werden. Es kann jedoch vorzuziehen sein, diese Messungen zu kombinieren.
Die Zeit, in der die Schallwelle generiert wird, und die Zeit, in der die Schallwelle wieder in eine SAW umgewandelt wird, sind Zeiträume, in denen die Welle nicht durch den Durchfluss verschoben wird. Diese Zeiten, die auch als Offset-Zeit Δt_Offset bezeichnet werden können, können bei hinlänglich genauer Annäherung für eine feste Impulslänge des Übertragungsimpulses der emittierenden Phasenverschiebungs-IDT und für alle möglichen Schallgeschwindigkeiten verschiedener Fluide konstant sein. Somit kann an dem Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, ein Schallwellenmaximum nach einer Gesamtausbreitungszeit Δt_IDT = Δt_us + Δt_Offset empfangen werden. Es wird angemerkt, dass sich die Welle nicht wesentlich als SAW innerhalb des Chips 12 ausbreitet, bevor sie von dem Wandler 122 empfangen wird, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, da der Wandler 122 derart angeordnet ist, dass die Welle, die das Fluid durchläuft, direkt auf ihn trifft. Mit anderen Worten kann Δt_SAW in hinlänglich genauer Annäherung als Null angenommen werden. Die konstante Offset-Zeit Δt_Offset kann durch eine globale Kalibrierung des Differenzmaßes ΔΦ (auch als Phasenversatz bezeichnet) bei konstantem Durchfluss, normiert durch die Ausbreitungszeit Δt_us in dem Fluid erhalten werden, die an dem Zeitmessungs-IDT 125 oder allgemeiner, dem Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, gemessen wird: $\frac{Δ Φ}{Δ t_{u s}} = \frac{Δ Φ}{Δ t_{I D T} - Δ t_{O f f s e t}},$
derart, dass der Ausdruck $\frac{Δ Φ}{Δ t_{I D T} - Δ t_{O f f s e t}}$
konstant wird. Die Kalibrierung kann unter Verwendung verschiedener Fluide durchgeführt werden, die sich zumindest durch die Schallgeschwindigkeit unterscheiden können. Es wird angemerkt, dass die Kalibrierung vorteilhafterweise nur von der IDT-Geometrie, der Übertragungsimpulslänge und gegebenenfalls der Gesamtgeometrie der das Fluid umfassenden Teile, z. B. der Fluidzelle, abhängig ist. Daher kann eine Kalibrierung für einen einzigen Durchflusssensor 1 einer ganzen Serie möglicherweise nur einmal erforderlich sein, bevor ein Durchflusssensor 1 in Betrieb genommen wird.
Somit kann die in 1A und 1B dargestellte Ausführungsform das Messen der Phasendifferenz Δϕ(t) zwischen Senden und Empfangen einer ersten und zweiten Welle ermöglichen, wobei sich die zweite Welle im Allgemeinen in der entgegengesetzten Richtung im Vergleich zu der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung ausbreitet. Insbesondere kann der Durchflusssensor 1 zwei Phasenverschiebungs-IDT umfassen, die abwechselnd Wellen senden und empfangen können, derart, dass sich zwei aufeinanderfolgende Wellen in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, während sie insgesamt dieselbe Entfernung in Strömungsrichtung (x-Richtung) zurücklegen. Die Phasenverschiebungs-IDT können derart angeordnet sein, dass sich jede Welle teilweise als Schallwelle ausbreitet, die das Fluid für eine Zeit Δt_us durchläuft und teilweise als SAW, die aus dem Rückkoppeln der Schallwelle in den Chip 12 nach einem Durchlaufen des Fluids für eine Zeit Δt_SAW hervorgeht. Während des Durchlaufens des Fluids können die zwei Wellen jeweils eine strömungsabhängige Verlagerung erfahren, die wiederum auf eine Zeit- bzw. Phasenverschiebung des Signals aufgrund der Differenz in Δt_SAW abgebildet werden kann. Durch Berechnen eines Differenzmaßes der beiden Phasendifferenzen ΔΦ = Δϕ(t₁) - Δϕ(t₂) kann ein Signal bestimmt werden, das proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v_x und der Verweilzeit Δt_us der Welle beim Durchlaufen der Fluids ist, d. h. ΔΦ ∝ kv_xΔt_us. Während k in hinlänglich genauer Annäherung als konstant angenommen werden kann, kann die Verweilzeit Δt_us fluidabhängig sein. Zum Realisieren einer fluidunabhängigen Durchflussmessung kann somit die Verweilzeit Δt_us bestimmt werden.
Da die Verweilzeit Δt_us strömungsunabhängig ist, kann sie unter Verwendung eines Verweilzeitempfängers 122C gemessen werden, z. B. eines Zeitmesswandlers 125, der dazu konfiguriert ist, dass die Schallwelle nach dem Durchlaufen des Fluids direkt auf den Wandler 122 trifft, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Das heißt, die Schallwelle wird in den Chip 12 innerhalb des Bereichs zurückgekoppelt, der den Wandler 122 umfasst, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, z. B. den Zeitmesswandler 125. Diese Messung kann das Bestimmen von Δt_IDT = Δt_us + Δt_Offset ermöglichen, wobei Δt_SAW für diese Messung in hinlänglich genauer Annäherung als Null angenommen werden kann, da die Schallwelle direkt auf den Wandler 122 trifft, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Durch Bestimmen der Phasendifferenz ΔΦ und Δt_IDT, gemessen an dem Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C für verschiedene Fluide bildet, kann der konstante Offset Δt_Offset bestimmt werden, derart, dass die reine Verweilzeit Δt_us bestimmt werden kann. Da die Kalibrierungsmessung fluid- und strömungsunabhängig ist und hauptsächlich von der Gesamtgeometrie der beteiligten Wandler und des Durchflusssensors sowie der zur Generierung der Welle verwendeten Impulslänge abhängig ist, wird sie für eine bestimmte Sensorgeometrie und Impulseigenschaft möglicherweise nur einmal benötigt. Daher kann der Durchflusssensor 1 eine fluidunabhängige Messung einer Strömungseigenschaft ermöglichen, z. B. der Strömungsgeschwindigkeit oder der Durchflussrate eines Fluids, das durch den Fluidsensor 1 geleitet wird. Vorzugsweise kann der Sensor dazu konfiguriert sein, Durchflussraten mindestens im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, zu messen. Insbesondere kann der Sensor dazu konfiguriert sein, diese Durchflussraten mit einem relativen Fehler von bis zu 0,1 %, vorzugsweise bis zu 0,01 %, noch bevorzugter bis zu 0,001 %, zu messen. Weiterhin kann der Durchflusssensor für Drücke von mindestens bis zu 100 bar, vorzugsweise mindestens bis zu 500 bar, bevorzugter mindestens bis zu 1000 bar, etwa mindestens bis zu 2000 bar, konfiguriert sein. Das heißt, der Durchflusssensor kann vorteilhafterweise für hohe Fluiddrücke konfiguriert sein und in einem weiten Bereich von Drücken funktionieren, die von im Grunde genommen 0 bar bis zu Drücken reichen, die typischerweise in HPLC-Anwendungen vorliegen.
Ganz allgemein kann der Durchflusssensor eine Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten der von den empfangenden Wandlern 122B empfangenen Signale sowie zum Auslösen der Generierung von Wellen durch die emittierenden Wandler 122A umfassen. Das heißt, die Verarbeitungseinheit kann allgemein dazu konfiguriert sein, ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und insbesondere die jeweiligen Berechnungen durchzuführen, die erforderlich sind, um die Strömungseigenschaft basierend auf den von den empfangenden Wandlern 122B empfangenen Signalen zu bestimmen und die Generierung von Wellen an den emittierenden Wandlern 122A zu initiieren. In einigen Ausführungsformen kann der Durchflusssensor die jeweilige Verarbeitungseinheit gemeinsam mit anderen Vorrichtungen nutzen. Beispielsweise kann ein Zentralcomputer, der eine Verarbeitungseinheit umfasst, mit dem Durchflusssensor und anderen Komponenten eines HPLC-Systems, z. B. weiteren Sensoren, Detektoren, Pumpen und/oder Ventilen, verbunden sein.
Es versteht sich, dass die in den 1A und 1B dargestellte Ausführungsform lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, und es können auch andere Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise nachstehend erörtert. Das allgemeine Prinzip zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft kann jedoch dasselbe sein. Das heißt, das Verfahren zum Bestimmen der Strömungseigenschaft kann im Allgemeinen das Generieren des Differenzmaßes und das Bestimmen der Verweilzeit umfassen, um diese Parameter dann zum Bestimmen der Strömungseigenschaft zu verwenden. Insbesondere ermöglicht die Messung der Verweilzeit vorteilhafterweise eine fluidunabhängige Messung der Strömungseigenschaft.
Im Allgemeinen kann ein Durchflusssensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weniger komplex als bekannte Durchflusssensoren sein, z. B. umfasst er unter Umständen keine beweglichen Teile oder komplexe Positionsmessungen und ermöglicht ferner eine fluidunabhängige Messung einer Strömungseigenschaft basierend auf einer einzigen einmaligen Kalibrierung, die beispielsweise bereits von einem Hersteller des Sensors durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann die Herstellung von SAW-Chips, die in dem Durchflusssensor verwendet werden, auf etablierten Chipverarbeitungstechniken beruhen, die leicht verfügbar sind. Vorteilhafterweise benötigt ein Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung möglicherweise keine Materialien, die sich auflösen und dadurch Verunreinigungen in einem von einer Pumpe, z. B. einer HPLC-Pumpe, bereitgestellten Lösungsmittel bereitstellen könnten. Darüber hinaus können die fluidfördernden Teile vorteilhafterweise aus Materialien hergestellt sein, die nicht von üblichen Elutionsmitteln angegriffen werden können, z. B. chemisch inerten Materialien. Daher kann ein derartiger Sensor eine günstige Alternative bieten, insbesondere als Durchflusssensor für HPLC-Pumpen, die gleichzeitig dem Gradienten und dem Durchfluss entsprechen müssen.
Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Erfindung in Durchflusssensoren 1 verwirklicht werden, die sich von der in den 1A und 1B dargestellten beispielhaften Ausführungsform unterscheiden. Beispielsweise kann der Zeitmess-IDT 125 auf einem separaten Chip 12 angeordnet sein, z. B. auf einer gegenüberliegenden Seite des Kanals 11, wie in 6 dargestellt. Mit anderen Worten kann mindestens ein Anteil des akustischen Reflektors 16 durch einen Chip 12 ersetzt werden. Es wird angemerkt, dass für die Zeitmessung IDT 125 auch andere Positionen innerhalb des Kanals 11 möglich sein können. Normalerweise wird jedoch sichergestellt, dass das Maximum des Wellenpakets, das sich in dem Fluid eines der mindestens zwei (bidirektionalen) Phasenverschiebungs-IDT ausbreitet, direkt auf den Zeitmess-IDT 125 trifft. Es wird ferner angemerkt, dass in dieser Hinsicht der Begriff „direkt“ das Wellenpaket bezeichnet, das auf den Zeitmess-IDT 125 und nicht auf einen anderen Anteil des Chips 12 trifft. Das heißt, das Wellenpaket kann immer noch Reflexionen ausgesetzt sein, bevor es „direkt“ auf den Zeitmess-IDT 125 trifft. Wiederum kann die erörterte Ausdehnung des Zeitmess-IDT 125 um nλ_SAW auf beiden Seiten für die Gesamtabmessung des Zeitmess-IDT 125 berücksichtigt werden. Die gleichen Überlegungen bezüglich Platzierung und/oder Abmessungen gelten für jeden Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, z. B. auch für den Fall, dass der Durchflusssensor keinen dedizierten Zeitmesswandler 125 umfasst.
Es versteht sich, dass die gemessene Verweilzeit in Abhängigkeit von der relativen Position des Zeitmess-IDT 125 in Bezug auf die Phasenverschiebungs-IDT eine entsprechende Skalierung erfordern kann. Beispielsweise durchläuft in der in 6 dargestellten Ausführungsform die Welle das Fluid nur einmal, bevor sie von dem Zeitmess-IDT 125 empfangen wird, während sie mindestens einmal reflektiert wird, bevor sie von dem zweiten Empfänger 122B-2 empfangen wird und somit das Fluid mindestens zweimal kreuzt. Daher kann die in dem Differenzmaß enthaltene Verweilzeit beispielsweise dem Doppelten der gemessenen Verweilzeit entsprechen.
Darüber hinaus kann die Sender- und Empfängeranordnung im Allgemeinen eine unterschiedliche Anzahl von IDT 122 umfassen. Während mindestens zwei IDT 122 bereitgestellt sein können, die dazu konfiguriert sind, als emittierende 122A- und/oder empfangende 122B-IDT zu fungieren, können sie mit einer Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen von Wandlern 122 verwirklicht werden.
Ganz allgemein kann die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen ersten Sender 122A-1, einen ersten Empfänger 122B-1, einen zweiten Sender 122A-2 und einen zweiten Empfänger 122B-2 bilden. Während des Betriebs des Durchflusssensors 1 kann eine erste Welle vom ersten Sender 122A-1 zum ersten Empfänger 122B-1 gesendet werden, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender 122A-1 zu dem ersten Empfänger 122B-1 mindestens einmal durchläuft. Anschließend kann ein Signal der ersten Welle vom ersten Empfänger 122B-1 empfangen und beispielsweise als Spannung, Strom oder ein anderes analoges oder digitales Signal aufgezeichnet werden. Eine zweite Welle kann vom zweiten Sender 122A-2 zum zweiten Empfänger 122B-2 gesendet werden (z. B. nach dem Senden der ersten Welle), wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender 122A-2 zum zweiten Empfänger 122B-2 mindestens einmal durchläuft. Anschließend kann ein Signal der zweiten Welle vom zweiten Empfänger 122B-2 empfangen und beispielsweise als Spannung, Strom oder ein anderes analoges oder digitales Signal aufgezeichnet werden.
Somit kann die Sender- und Empfängeranordnung mehrere Wandler 122 umfassen, z. B. Interdigitalwandler 122, die einen Sender 122A und/oder einen Empfänger 122B bilden können. Das heißt, ein einzelner Wandler 122 kann einen einzelnen Sender 122A und/oder Empfänger 122B oder mehrere Sender 122A und/oder Empfänger 1222B bilden. Beispielsweise kann die Sender- und Empfängeranordnung ein Array von Wandlern umfassen, die derart angeordnet sind, dass mindestens ein Signal, das Informationen über die strömungsabhängige Verschiebung einer Welle, die das Fluid durchläuft, sowie die Verweilzeit umfasst, und mindestens ein weiteres Signal, welches das Bestimmen der strömungsunabhängigen Verweilzeit ermöglicht, gesendet und empfangen werden können.
Unter Bezugnahme auf 5A bis 5C werden mögliche beispielhafte Anordnungen erörtert, die unterschiedliche Anzahlen und Funktionalitäten von Wandlern 122 veranschaulichen, die den erforderlichen ersten und zweiten Sender und Empfänger bilden. Es wird angemerkt, dass diese Figuren lediglich unterschiedliche Anordnungen der emittierenden und empfangenden Wandler 122A, 122B betreffen und dass jede Bezugnahme auf den Verweilzeitempfänger 122C und den Verweilzeitsender 122D und insbesondere auf zusätzliche Wandler 122, z. B. den Zeitmesswandler 125, der Einfachheit halber weggelassen wurden. Das heißt, die 5A bis 5C stellen unter Umständen nur einen Anteil eines Durchflusssensors 1 dar und können beispielsweise ferner einen Zeitmesswandler 125 einschließen, oder alternativ dazu kann mindestens einer der dargestellten Wandler 122 ferner einen Verweilzeitempfänger 122C und/oder einen Verweilzeitsender 122D bilden.
In einigen Ausführungsformen kann die Sender- und Empfängeranordnung mindestens 4 Wandler 122-1, 122-2, 122-3, 122-4 umfassen, wie in 7A dargestellt, wobei jeder Wandler den ersten Sender 122A-1, den zweiten Sender 122A-2, den ersten Empfänger 122B-1 oder den zweiten Empfänger 122B-2 bereitstellen kann. Das heißt, jeder Wandler 122 kann entweder einen Empfänger oder einen Sender bilden. Weiterhin können die Wandler 122 derart angeordnet sein, dass die erste Welle, die sich vom ersten Sender 122A-1 zum ersten Empfänger 122B-1 (angezeigt durch die gepunkteten Pfeile) bewegt, sich in Bezug auf die Strömungsrichtung in eine andere Richtung als die zweite Welle bewegen kann, die vom zweiten Sender 122A-2 emittiert und vom zweiten Empfänger 122B-2 empfangen wird (angezeigt durch die gestrichelten Pfeile). Weiterhin kann der Wandler vorzugsweise derart angeordnet sein, dass die Trennung des ersten Senders 122A-1 und des ersten Empfängers 122B-1 dieselbe ist wie die Trennung des zweiten Senders 122A-2 und des zweiten Empfängers 122B-2. Weiterhin können die emittierenden Wandler 122A-1, 122A-2 unidirektionale Wandler sein. Das heißt, sie können dazu konfiguriert sein, Wellen nur in eine Richtung zu emittieren, was beispielsweise vorteilhafterweise jegliches Übersprechen zwischen Wandlern verringern und/oder die von den Wandlern emittierte Leistung begrenzen kann. Während eine derartige Anordnung vorteilhafterweise das eindeutige Senden und Empfangen von Signalen ermöglichen kann, kann es vorzuziehen sein, die Anzahl von Wandlern zu reduzieren, während die Funktionalität beibehalten wird.
Beispielsweise umfasst die Sender- und Empfängeranordnung unter Umständen nur drei Wandler 122-1, 122-2, 122-3, die den ersten und den zweiten Sender und den ersten und den zweiten Empfänger bilden, wie in 7B dargestellt, wobei ein einzelner emittierender Wandler 122A, 122-1 den ersten Sender 122A-1 und den zweiten Sender 122A-2 bilden kann und die zwei verbleibenden Wandler den ersten bzw. zweiten Empfänger 122B-1 bzw. 122B-2 bilden. Die empfangenden Wandler 122B können jeweils auf einer anderen Seite des emittierenden Wandlers 122A in Bezug auf die Strömungsrichtung angeordnet sein, derart, dass die erste und die zweite Welle in entgegengesetzte Richtungen verlaufen (gestrichelte und gepunktete Pfeile). Das heißt, der erste 122A-1 und der zweite 122A-2-Sender können aus einem einzelnen Wandler 122-1 bestehen, der beispielsweise dazu konfiguriert sein kann, eine Welle in zwei Richtungen zu senden, d. h. stromaufwärts und stromabwärts, derart, dass die erste und die zweite Welle beispielsweise vorteilhafterweise gleichzeitig gesendet werden können. Wiederum können der erste und der zweite Empfänger 122B-1, 122B-2 vorzugsweise jeweils in der gleichen Entfernung zum emittierenden Wandler 122A angeordnet sein, derart, dass die erste und die zweite Welle jeweils die gleiche Entfernung vom emittierenden Wandler 122A zum jeweiligen Empfänger zurücklegen.
Weiterhin kann die Sender- und Empfängeranordnung in einigen Ausführungsformen nur zwei Wandler 122-1, 122-2 umfassen, die den ersten und zweiten Sender und Empfänger bilden, wie in 7C (und 1A und 1B) dargestellt. In einer derartigen Ausführungsform kann jeder der beiden Wandler 122-1, 122-2 einen Sender 122A und einen Empfänger 122B bilden. Beispielsweise kann der erste Wandler 122-1 den ersten Sender 122A-1 und den zweiten Empfänger 122B-2 bilden und kann der zweite Wandler 122-2 den zweiten Sender 122A-2 und den ersten Empfänger 122B-1 bilden. Es versteht sich, dass jeder Wandler abwechselnd ein Signal sendet und empfängt, derart, dass immer ein Wandler als Sender 122A arbeitet und der andere als Empfänger 122B fungiert. Somit können sich die Wellen abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts bewegen (angezeigt durch die gestrichelten und gepunkteten Pfeile) und kann daher ein entsprechendes Differenzmaß vorteilhafterweise strömungsunabhängige Signale aufheben.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Wandler 122 im Allgemeinen unter Umständen nicht alle auf einem einzelnen Chip 12 angeordnet sind, wie bereits in 6 angegeben. Das heißt, die Wandler 122 können auf getrennten Chips 12 angeordnet sein, die auf derselben und/oder verschiedenen Seiten des Kanals 11 angeordnet sein können. Dies kann beispielsweise vorteilhafterweise Übersprechen zwischen den Wandlern 122 verringern. Beispielsweise können in einer Ausführungsform wie in 7A dargestellt die zwei Wandler 122-1, 122-2, die den ersten Sender 122A-1 und den Empfänger 122B-1 bilden, auf einem Chip 12 liegen, der von einem anderen Chip 12 getrennt ist, der den zweiten Sender 122A-2 und Empfänger 122B-2 umfasst. Eine derartige Konfiguration kann vorteilhafterweise verhindern, dass sich eine SAW vom ersten emittierenden Wandler 122A-1 zum zweiten emittierenden Wandler 122A-2 und/oder zum zweiten empfangenden Wandler 122B-2 ausbreitet.
Im Allgemeinen muss sich ein Chip 12 nicht notwendigerweise über eine vollständige Länge des Kanals 11 (in Strömungsrichtung) erstrecken. Die dargestellten Ausführungsformen dienen in dieser Hinsicht nur einem veranschaulichenden Zweck, und der mindestens eine Chip 12 kann beispielsweise in eine größere Kanalstruktur eingebettet sein, die sich über das stromaufwärtige und/oder stromabwärtige Ende des Chips 12 hinaus erstreckt. Mit anderen Worten kann der Chip 12 beispielsweise auf einer ideal ebenen Grundplatte oder beispielsweise in einer entsprechenden Aussparung innerhalb der Grundplatte platziert sein, die wiederum einen Anteil des Kanals, z. B. eine Seite des Kanals, bereitstellen kann. Ferner kann beispielsweise eine rechteckige Kanalanordnung auf dem Chip 12, insbesondere der Chipoberfläche 124 und damit der Chipseite, die die IDT 122 und optional die Schutzschicht 123 umfasst, derart platziert sein, dass der Chip 12 die Schallleistung in den Kanal 11 emittieren kann. Alternativ dazu kann die Kanalanordnung beispielsweise derart auf der Basis platziert sein, dass sich der Chip innerhalb des dadurch gebildeten Kanals befindet. Somit kann sich mindestens ein Teil der SAW bzw. der Ultraschallwelle (d. h. der Schallwelle) in oder entgegen der durch den Kanal 11 definierten Strömungsrichtung ausbreiten. Ferner kann mindestens die der funktionellen Chipoberfläche gegenüberliegende Seite, d. h. die die IDT umfassende Chipoberfläche, derart konfiguriert sein, dass zumindest ein Teil der sich im Kanal ausbreitenden Welle reflektiert werden kann.
Während bei den Ausführungsformen, die bisher in Bezug auf 1A, 1B und 4 erörtert wurden, der Durchflusssensor mindestens zwei Phasenverschiebungs-IDT und einen zusätzlichen Zeitmess-IDT 125 umfasst, kann die Anzahl der IDT und damit die Komplexität des Durchflusssensors 1 noch weiter reduziert werden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann der Durchflusssensor 1 nur zwei IDT 122-1, 122-2 zum Messen der Phasenverschiebungen sowie der Verweilzeit Δt_us umfassen. Mit anderen Worten umfasst die vorliegende Erfindung in einigen Ausführungsformen unter Umständen keinen separaten Zeitmess-IDT 125, sondern kann stattdessen einer der Phasenverschiebungs-IDT ferner dazu konfiguriert sein, die Zeitmessung bereitzustellen. Das heißt, einer der Phasenverschiebungs-IDT kann ferner den Verweilzeitempfänger 122C bilden, während der andere den Verweilzeitsender 122D bilden kann. Ganz allgemein kann dies erreicht werden, indem zwei unterschiedlich große IDT als Phasenverschiebungs-IDT verwendet werden. Das heißt, die zwei IDT können unterschiedliche Ausdehnungen, insbesondere Längen in Strömungsrichtung, umfassen.
Die zwei IDT 122 können dazu konfiguriert sein, Signale mit identischen Frequenzen zu emittieren und zu empfangen. Das heißt, jeder IDT kann dazu konfiguriert sein, bei im Wesentlichen denselben SAW-Frequenzen zu arbeiten. Hier dient der Begriff „im Wesentlichen dieselben“ dazu, Unterschiede aufgrund von Grenzen im Herstellungsprozess und/oder unvermeidlichen Abweichungen in den Materialeigenschaften, z. B. Materialreinheit, einzuschließen. Somit können beide IDT 122 im Wesentlichen dieselbe Frequenz umfassen. Es versteht sich, dass ein Wandler im Allgemeinen Signale mit einer bestimmten Bandbreite um eine Mittenfrequenz emittieren und empfangen kann. Das heißt, der Frequenzgang eines Wandlers ist unter Umständen im Allgemeinen keine Delta-ähnliche Funktion, sondern umfasst stattdessen eine bestimmte Bandbreite. Das heißt, wenn auf die Frequenz eines Wandlers, z. B. eines IDT, Bezug genommen wird, ist die Mittenfrequenz gemeint. Im Allgemeinen kann die Bandbreite der beiden IDT 122 auch aufgrund des Größenunterschieds, insbesondere des Längenunterschieds in Strömungsrichtung und damit des Unterschieds in der Anzahl der Fingerelektroden, unterschiedlich sein. Ein derartiger Unterschied kann jedoch die relative Phase des gemessenen Signals nicht beeinflussen, zumindest wenn es bei einer festen Frequenz gemessen wird, die bei oder nahe der Mittenfrequenz des Wandlers liegt, vorzugsweise innerhalb eines Frequenzbereichs der Mittenfrequenz, wobei der Schallleistungspegel nicht mehr als 3 dB unter dem maximalen Schallleistungspegel (bei der Mittenfrequenz) liegt.
Unter Bezugnahme auf 8A kann die Sender- und Empfängeranordnung in einer ersten Konfiguration I zum Messen einer ersten Welle verwendet werden, wobei der erste IDT 122-1 den ersten Sender 122A-1 und den Verweilzeitsender 122D bilden kann, während der zweite IDT 122-2 den ersten Empfänger 122B-1 und den Verweilzeitempfänger 122C bilden kann. Der zweite IDT 122-2, der ferner dazu konfiguriert ist, den Verweilzeitempfänger 122C zum Bereitstellen einer Messung der Verweilzeit Δt_us zu bilden, kann eine größere Ausdehnung in Strömungsrichtung im Vergleich zum ersten IDT 122-1 umfassen. Somit kann sichergestellt werden, dass eine Schallwelle, die von dem ersten IDT 122-1 ausgeht, direkt auf den Bereich trifft, den der zweite IDT 122-2 umfasst, der den ersten Empfänger 122B-1 und den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Das heißt, der zweite IDT 122-2 kann derart konfiguriert sein, dass eine vom ersten IDT 122-1 gesendete Schallwelle unter Umständen nicht zuerst in eine leckende SAW in einer Region des Chips 12 ohne IDT 122 umgewandelt wird, sondern stattdessen direkt auf den größeren, zweiten IDT 122-2 trifft. Insbesondere kann der Verweilzeitempfänger 122C derart konfiguriert sein, dass die Maxima einer vom Verweilzeitsender 122D emittierten Schallwelle für alle Winkel $s i n θ_{R} = \frac{c_{F}}{c_{S}}$
mit 1000 m/s < c_F < c_s direkt auf den Verweilzeitempfänger 122C treffen, und nicht auf den Chip 12, z. B. das Substrat 121, vor oder nach dem, d. h. stromaufwärts oder stromabwärts des, zweiten IDT 122-2, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Mit anderen Worten ist in der in 8A dargestellten Konfiguration Δt_SAW ungefähr 0, derart, dass die am zweiten IDT 122-2 gemessene Zeitverzögerung Δt_IDT dem Signal entspricht, das von einem bestimmten Zeitmess-IDT 125 gemessen wird, wie vorstehend erörtert, d. h. er stellt eine Messung für die Verweilzeit, speziell Δt_IDT = Δt_us + Δt_Offset, bereit.
Somit umfasst der Durchflusssensor in dieser Ausführungsform nur zwei IDT 122-1, 122-2, wobei ein IDT die Funktionalität eines Phasenverschiebungs-IDT und des Zeitmess-IDT 125 kombiniert.
Wenn also der erste IDT 122-1, der vor dem zweiten IDT 122-2 platziert sein kann, durch Anregung einer SAW eine Schallwelle in den Fluidstrom induziert, kann sich die Schallwelle unter dem Rayleigh-Winkel θ_R durch den Fluidstrom bewegen und an der Innenwand 111 des Kanals 11 reflektiert werden. Anschließend kann die Schallwelle direkt auf die zweite IDT 122-2 treffen, wie durch die gestrichelten Pfeile in 8A angegeben, was daher eine Messung der strömungsunabhängigen Verweilzeit Δt_us bereitstellen kann. Das heißt, das vom zweiten IDT 122-2 empfangene Signal umfasst unter Umständen keine strömungsabhängige Phasenverschiebung. Es kann jedoch immer noch eine strömungsunabhängige Phasenverschiebung aufgrund von Fluideigenschaften und/oder Umgebungsparametern umfassen.
Zum Messen einer zweiten Welle und unter Bezugnahme auf 8B kann die Sender- und Empfängeranordnung in einer zweiten Konfiguration II verwendet werden, wobei der erste IDT 122-1, der den ersten Sender 122A-1 in der ersten Konfiguration I bildet, nun den zweiten Empfänger 122B-2 bildet, d. h. als empfangender IDT 122B fungiert, während der zweite IDT 122-2, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, und der erste Empfänger 122B-1 nun den zweiten Sender 122A-2 bilden, d. h. als emittierender IDT 122A fungieren können.
Wenn also der zweite IDT 122-2 eine Schallwelle induziert, wie in 8B durch den gepunkteten Pfeil angegeben, trifft das Maximum der jeweiligen reflektierten Schallwelle nicht direkt auf den ersten IDT 122-1, sondern induziert stattdessen zuerst eine SAW. Das heißt, wie durch die gepunkteten Pfeile angegeben, kann die Schallwelle den Kanal 11 durchlaufen, an der Innenfläche 111 reflektiert werden und den Kanal 11 (und das enthaltene Fluid) erneut durchlaufen. Der erste IDT 122-1 kann derart angeordnet sein, dass die Schallwelle stromabwärts des ersten IDT 122-1 auf einen Bereich des Chips 12 trifft, derart, dass er sich zuerst zumindest teilweise wieder in den Chip 12 einkoppelt und sich als SAW ausbreitet, bevor er von dem ersten IDT 122-1 empfangen wird, der den zweiten Empfänger B2 bildet. Somit wird in dieser Konfiguration die strömungsabhängige Verlagerung der Schallwelle, die das Fluid durchläuft, wieder auf die Zeit und/oder Phase des Signals abgebildet, das vom ersten IDT 122-1 empfangen wird. Somit umfasst das in dieser Konfiguration empfangene Signal einen strömungsabhängigen Beitrag, der es ermöglichen kann, eine Strömungseigenschaft des Fluids zu bestimmen.
Mit anderen Worten umfasst das von dem zweiten IDT 122-1 (der den Verweilzeitempfänger 122C und den ersten Empfänger 122B-1 bildet) empfangene Signal in der ersten Konfiguration I, die in 8A dargestellt ist, Informationen über die Verweilzeit Δt_us, die durch die Hüllkurve des oszillierenden Signals und zusätzlich durch Phasenänderungen aufgrund strömungsunabhängiger Beiträge, etwa fluidspezifischer Eigenschaften und/oder Umgebungsparameter, z. B. der Temperatur des Fluids, bestimmt wird. Es enthält jedoch keinen strömungsabhängigen Beitrag. Im Gegensatz dazu fehlen dem zweiten Signal, das vom ersten IDT 122-1 empfangen wird, der den zweiten Empfänger 122B-2 in der in 8B dargestellten zweiten Konfiguration II bildet, vereinzelte Informationen über die Verweilzeit, es stellt jedoch Informationen über die Phasenverschiebung aufgrund der strömungsabhängigen Verlagerung sowie strömungsunabhängige Beiträge zur Phasenverschiebung, etwa fluidspezifische Eigenschaften und/oder Umgebungsparameter, bereit. Daher kann ein Differenzmaß dieser beiden Signale die strömungsunabhängigen Beiträge zum Phasensignal aufheben, während der strömungsabhängige Beitrag beibehalten wird, den das Signal, das der kleinere Wandler in dieser Ausführungsform empfängt, umfasst. Das heißt, unter Umständen umfasst nur eines der beiden Signale, die zum Differenzmaß beitragen, einen strömungsabhängigen Beitrag. Das Differenzmaß kann jedoch immer noch proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und zur Verweilzeit ΔΦ ∝ kv_xΔt_us sein. Da das von dem zweiten Wandler 122-2, der den Verweilzeitempfänger 122C in der in den 6A und 6B dargestellten Ausführungsform bildet, gemessene Signal ferner ein Maß für die Verweilzeit bereitstellt, kann die Fluidgeschwindigkeit und allgemeiner eine Fluideigenschaft abgeleitet werden, wie vorstehend ausgeführt.
Vorzugsweise kann in einer Ausführungsform, die nur 2 Wandler umfasst, der größere Wandler, d. h. der Wandler, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, stromabwärts des anderen (kleineren) Wandlers angeordnet sein, d. h. des Wandlers, der den Verweilzeitsender D bildet. Eine derartige Anordnung kann bevorzugt werden, da die Welle eine positive strömungsabhängige Verlagerung erfährt, wenn sie sich mit der Strömung ausbreitet, d. h. die Entfernung, die die Welle beim Durchlaufen des Fluids zurücklegt, zunimmt, während sie eine negative strömungsabhängige Verlagerung erfährt, wenn sie sich gegen die Strömung ausbreitet, d. h. die Entfernung, die die Welle beim Durchlaufen des Fluids zurücklegt, abnimmt.
Wie bereits zuvor erörtert, kann ein Wechselspannungssignal an einen emittierenden IDT 122A angelegt werden, um eine SAW zu generieren, z. B. zu emittieren und/oder zu senden. Insbesondere kann eine Spannung, die mit einer hohen Frequenz alterniert, an den Wandler und insbesondere an Elektroden angelegt werden, die der Wandler, z. B. ein IDT, umfasst, um im Material unterhalb des Wandlers, z. B. aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts, periodische Verformungen zu verursachen. Die Hochfrequenzspannung regt SAW an und kann an die IDT angelegt werden, die einen emittierenden IDT 122A im abwechselnden gepulsten Modus bilden. Das Wechselspannungssignal, das an einen emittierenden Wandler zum Generieren einer Welle angelegt wird, kann auch als Übertragungsimpuls bezeichnet werden. Eine mögliche Länge des Übertragungsimpulses Δt_tp kann basierend auf der Anzahl der IDT-Perioden n des emittierenden IDT 122A derart abgeleitet werden, dass die Schallimpulse so kurz wie möglich sind, während sie nach Möglichkeit immer noch die volle Schallleistung erreichen, was zu Δt_tp = n/f führen kann, wobei / die Frequenz der generierten und/oder empfangenen SAW bezeichnet. Erneut ist n die Anzahl der Perioden des emittierenden IDT 122A zum Messen der Phasendifferenz und damit die minimale Anzahl von Perioden des Übertragungssignals für eine „volle“ SAW-Leistung. Der resultierende SAW-Impuls kann somit derart gewählt werden, dass er eine zeitliche Ausdehnung von 2 n/f umfasst, wobei der Faktor 2 auf die elektrische Anregungszeit zurückzuführen ist, die der Länge des Übertragungsimpulses entsprechen kann. Dies kann vorteilhafterweise ermöglichen, ein Signal mit (nahezu) maximaler Leistung und Bandbreite bereitzustellen, was wiederum zu einem Impuls führt, der im Zeitbereich so scharf wie möglich sein kann. Die Periodizität des Übertragungsimpulses kann derart gewählt werden, dass das Antwortsignal des Übertragungsimpulses nur sehr klein oder vorzugsweise null ist. Das heißt, die Periodizität kann derart gewählt werden, dass das empfangene Signal aufgrund des zuletzt übertragenen Signals sehr klein, vorzugsweise null, ist, bevor die nächste SAW übertragen wird, z. B. durch den zuvor empfangenden IDT.
Das Wechselspannungssignal kann beispielsweise von einer Hochfrequenzspannungsquelle, z. B. einem HF-Generator, einem Generator für beliebige Wellenformen (AWG) oder einem anderen Signalgenerator, bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinheit die Hochfrequenzquelle auslösen, um ein entsprechendes Wechselspannungssignal, vorzugsweise einen Impuls, an einen emittierenden Wandler zu senden, um die Generierung einer Welle, z. B. einer SAW, auszulösen. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinheit eine gewünschte Wellenform für das Wechselspannungssignal an die Hochfrequenzspannungsquelle bereitstellen.
Im Allgemeinen versteht es sich, dass die Schallwelle in Bezug auf die Zeit eine impulsförmige Schallwelle sein kann. Beispielsweise kann die Schallwelle eine zeitliche Form umfassen, die einem Rechteckimpuls, einem Gaußschen Impuls, einem Sinc-Impuls, einem Dirac-Impuls, einem Lorentz-Impuls oder dergleichen entspricht. Mit anderen Worten beruht die vorliegende Technologie vorzugsweise auf dem Senden von SAW-Impulsen und daher dem Generieren von Schallwellen in Form eines Impulses, z. B. Schallimpulsen, vorzugsweise Ultraschallimpulsen.
9A stellt eine beispielhafte Signalsequenz dar, die von einem empfangenden IDT 122B empfangen, z. B. detektiert werden kann. Insbesondere zeigt 9A verschiedene Signale eines empfangenden IDT 122B als Reaktion auf einen harmonischen Signalimpuls, der eine Länge von 360 ns umfasst. Hier kann das anfängliche Signal auf ein Übersprechen zwischen dem übertragenden 122A und dem empfangenden 122B IDT zurückzuführen sein, bei dem es sich um eine nahezu sofortige direkte elektromagnetische Kopplung der Phasenverschiebungs-IDT (elektrisch gekoppeltes Eingangssignal) handelt. Das zweite Signal (mit SAW bezeichnet) kann der SAW entsprechen, die sich durch den Chip 12 und insbesondere durch die Oberfläche des Chips 12 bewegt. Das heißt, nur ein Anteil der vom emittierenden IDT 122A generierten (d. h. übertragenen) SAW kann in das Fluid abgelenkt werden, während ein Teil der SAW in dem Chip 12 verbleiben und sich als SAW zu dem empfangenden IDT 122B bewegen kann, der wiederum ein Signal der SAW empfängt und ein entsprechendes elektrisches Signal liefert. Dieses Signal kann zum Beispiel unterdrückt werden, indem die zwei Phasenverschiebungs-IDT auf getrennten Chips 12 platziert werden. Es kann jedoch auch als Referenzsignal betrachtet werden, das bei der Analyse der empfangenen Signalsequenz verwendet werden kann.
Das nächste Signal (mit der Bezeichnung SAW-US-SAW) entspricht einer SAW-induzierten Schallwelle, die erneut auf den SAW-Chip 12 trifft (nachdem sie das Fluid durchlaufen hat und reflektiert wurde) und zumindest teilweise als SAW erneut in den Chip eingekoppelt wird, die wiederum vom empfangenden IDT 122B empfangen, z. B. detektiert, wird. Das heißt, die anfängliche SAW, die durch den emittierenden IDT 122A generiert wird, kann zumindest teilweise in das Fluid abgelenkt werden, das durch den Kanal 11 fließt, wo es sich als Schallwelle, genauer gesagt als Ultraschallschallwelle, ausbreiten kann -das in der Bezeichnung des Impulses verwendete „US“ ist die Bezeichnung eines Ultraschallimpulses oder allgemeiner einer Ultraschallschallwelle. Wie zuvor beschrieben, kann die Schallwelle, die unter dem Rayleigh-Winkel induziert werden kann, auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals 11, insbesondere auf dessen Innenfläche 111, reflektiert werden. Beispielsweise kann die Innenfläche insbesondere als akustischer Reflektor 16 konfiguriert sein. In einigen Ausführungsformen kann es beispielsweise eine Saphirplatte sein. Sobald die Schallwelle reflektiert ist, kann sie erneut auf den Chip 12 treffen, wobei mindestens ein Anteil der Schallwelle als SAW in den Chip 12 zurückgekoppelt werden kann. Die SAW kann wiederum auch vom empfangenden IDT 122B empfangen werden. Aufgrund der längeren Laufstrecke im Vergleich zu dem Anteil der SAW, der im Chip 12 verblieb, und der Differenz der Schallgeschwindigkeiten des Chips 12 und des Fluids ist das Signal jedoch in Bezug auf das Signal der SAW, das sich nur durch den Chip 12 bewegte, verzögert. Das dritte Signal (mit der Bezeichnung SAW-US-SAW-US-SAW) entspricht einer SAW, die von einem durch die erste SAW induzierten Ultraschallimpuls ausgeht. Das heißt, wenn der erste Ultraschallimpuls wieder in den Chip 12 zurückgekoppelt wird, wird eine SAW generiert, die wiederum zumindest teilweise abgelenkt werden kann und somit eine nachfolgende zweite Schallwelle generiert, die nach der Reflexion wieder als SAW in den Chip 12 eingekoppelt werden kann und daher zu einem vom empfangenden IDT 122B detektierten Signal führt. Mit anderen Worten können sich Ultraschallwellen, die nach einer oder mehreren Reflexionen auf der Innenfläche 111 des Kanals 11, z. B. auf einer (reflektierenden) Abdeckplatte des Kanals 11, erneut auf den SAW-Chip 12 treffen, wiederum als SAW ausbreiten. Eine derartige SAW kann dann einen neuen Schallimpuls generieren. Nachfolgende Signale, die 9A zeigt, entsprechen somit weiteren Reflexionen der Ultraschallwelle in Kanal 1.
Da die Zeitverzögerung zwischen den getrennten Signalen auf die Entfernungsdifferenz zurückzuführen ist, die von der Welle, d. h. als Schallwelle und als SAW, zurückgelegt wird, kann sie durch Ändern der Entfernung zwischen dem Chip 12 und der gegenüberliegenden Innenfläche 111 des Kanals 11 variiert werden. Das heißt, der Kanal kann eine Höhe H1 in y-Richtung umfassen, die senkrecht zur Oberfläche des Chips 12 ist (vgl. 1A), die variiert werden kann. Beispielsweise kann die dem Chip 12 gegenüberliegende Innenfläche 111 durch einen akustischen Reflektor 16 bereitgestellt werden, z. B. durch eine Saphirplatte, die in y-Richtung bewegt werden kann, um die Höhe H1 des Kanals 11 zu variieren.
9B zeigt Änderungen des empfangenen Signals der Welle aufgrund einer Änderung der Kanalhöhe H1. Die Höhe H1 des Kanals 11 nimmt von links nach rechts zu. Das heißt, im Feld ganz links ist die Höhe für die drei dargestellten Messungen am kleinsten, und im Feld ganz rechts ist die Höhe H1 für die drei dargestellten Messungen am größten. Das sich ändernde empfangene Signal zeigt, dass das Erhöhen der Höhe H1 des Kanals 11 die Trennung zwischen den am empfangenden IDT 122B aufgrund der unterschiedlichen Impulse (oder Impulskomponenten) detektierten Signalen vergrößern kann. Mit anderen Worten „wandern“ die Signale, die von den einfach und doppelt reflektierten Schallimpulsen ausgehen, aufgrund der vertikalen Variation der Innenfläche 111, z. B. der Saphirplatte 16 oder allgemeiner des akustischen Reflektors 16 im Zeitbereich.
Weiterhin zeigt 9B, dass das Ändern der Kanalhöhe H1 auch die relativen Stärken der empfangenen Signale ändern kann. Dies kann auf der Grundlage der Überlegung verstanden werden, dass eine Reflexion der SAW kein unendlich kurzer Prozess ist, sondern stattdessen eine begrenzte Zeitmenge benötigt. Insbesondere ist jede SAW, die sich durch den Chip 12 ausbreitet, eine lecke SAW, die aufgrund der Ablenkung in das Fluid auch ständig einen Bruchteil der Leistung verliert. Daher kann die Position des IDT in Bezug auf den Punkt, an dem die SAW zumindest teilweise in den Chip zurückgekoppelt wird, die Stärke des empfangenen Signals verändern. Wenn beispielsweise die Position des empfangenden IDT räumlich einem Maximum eines Integrals der Eintritts- und Austritts-Ultraschallleistung über die Zeit entspricht, kann der empfangene Signalimpuls maximal sein. Somit kann das Ändern der Höhe auch die Stärke des empfangenen Signals ändern.
Ein Durchflusssensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise hohe Wiederholungsraten der Messung im Vergleich zu Standard-Durchflusssensoren ermöglichen, die derzeit in der HPLC verwendet werden. Das heißt, sobald die SAW und alle verbleibenden Streuwellen verschwunden sind, d. h. den Chip 12 und/oder den Kanal 11 verlassen haben, kann eine neue Messung durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise weniger als 20 µs dauern, derart, dass die Messung beispielsweise alle 20 µs wiederholt werden kann, d. h. bei einer Wiederholungsrate von 50 kHz. Die vorliegende Erfindung kann es daher ermöglichen, eine Strömungseigenschaft mit einer signifikant höheren Wiederholungsrate als dem aktuellen Zustand der Durchflusssensoren zu messen, was vorteilhafterweise eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch wiederholte Messungen ermöglichen kann. Beispielsweise kann die Zykluszeit für Durchflusssensormessungen in einer Rückkopplungsschleife zum Steuern einer HPLC-Pumpe 50- oder sogar 100-mal niedriger sein, derart, dass der Durchschnitt von mehreren Messungen ermittelt werden kann, um ein Signal mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 10 werden beispielhafte Messungen von strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Phasendifferenzen erörtert. Die dargestellten Ergebnisse umfassen Phasendifferenzmessungen von zwei verschiedenen Fluiden: Wasser und Isopropanol, wobei für Wasser die Phasendifferenz der zweiten Spitze, d. h. der Spitze, die zwei Reflexionen der Schallwellen entspricht, gemessen wurde und für Isopropanol die Phasendifferenz der ersten Spitze, d. h. der Spitze, die einer einzelnen Reflexion einer Schallwelle entspricht, gemessen wurde. Der Durchfluss wurde zwischen 0 und 2 ml/min in Durchflussschrittgrößen von 0,1 ml/min und einer horizontalen Schrittlänge von 30 s variiert. Darüber hinaus wurden für jedes Fluid 5 Messungen überlagert. Dies zeigt die Reproduzierbarkeit der Messung, da die Kurven (und damit die Messungen) für eine Fluid nahezu identisches Verhalten zeigen. Die Verweilzeit der Schallwelle wurde bei diesen Messungen jedoch nicht berücksichtigt, was erklärt, dass die Durchflussmessung nicht fluidunabhängig ist. Insgesamt zeigen die Messungen, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch Messen der Phasendifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung klar gemessen werden kann. Die verbleibende Fluidabhängigkeit kann unter Berücksichtigung der Verweilzeit Δt_us und einer entsprechenden einmaligen Kalibrierung bezüglich der fluidunabhängigen Offset-Zeit t_Offset, wie vorstehend beschrieben, behoben werden.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die vorliegende Erfindung ferner das Messen anderer Fluideigenschaften ermöglichen, z. B. Dichte, Schallgeschwindigkeit, Viskosität oder Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften können beispielsweise auf der Basis der strömungsunabhängigen Phasenverschiebung der das Fluid durchlaufenden Welle hergeleitet werden, die von diesen Eigenschaften abhängig sein kann. Darüber hinaus kann eine SAW, die sich direkt vom emittierenden Wandler 122A zum empfangenden Wandler 122B ausbreiten kann, d. h. ein Anteil einer gesendeten SAW, der nicht in das Fluid abgelenkt wird, aufgrund des abklingenden Feldes der SAW, die mit dem durch den Kanal fließenden Fluid in Kontakt kommt, Informationen über die Fluideigenschaften umfassen und dadurch eine entsprechende Phasenverschiebung aufnehmen. Insbesondere kann ein „gemischtes Substrat“ verwendet werden, d. h. ein Substrat, das die Generierung von Rayleigh- und Scher- und/oder Love-Wellen unterstützen kann, wobei sich die Scher-/Love-Wellen weiterhin entlang der Chipoberfläche bewegen können, wenn sie mit einem Fluid in Kontakt kommen, das oberhalb der Chipoberfläche fließt. Ein Beispiel für ein Substrat, das gleichzeitig Love- und Rayleigh-Wellen generieren kann, ist ein LiTaO₃-Y-X-36°-Kristall. Dies kann vorteilhafterweise eine parallele Messung einer Welle ermöglichen, die das Fluid (ausgehend von einer Rayleigh-Welle) durchläuft, und einen erhöhten Anteil einer SAW, die sich direkt durch den Chip zum empfangenden Wandler 122B bewegt, ohne in das Fluid abzulenken. Das letztere Signal kann vorteilhafterweise zur Messung weiterer Fluideigenschaften verwendet werden. Die Fluiderfassung mit Scher-Wellen ist beispielsweise in Guided acoustic wave sensors for liquid environments, C. Caliendo und M. Hamidullah 2019, J. Phys. D: 52 153001, beschrieben. Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen die Fluideigenschaften dazu verwendet werden, potenzielle Fluidkandidaten herzuleiten, z. B. mithilfe von statistischen Verfahren wie maschinellem Lernen und/oder neuronalen Netzen. Das heißt, das Fluid kann identifiziert werden oder zumindest eine begrenzte Anzahl von Kandidaten für das Fluid kann basierend auf den Fluideigenschaften identifiziert werden.
Es versteht sich, dass, wenn auf einen IDT 122 Bezug genommen wird, der das Signal einer Schallwelle empfängt oder detektiert, gemeint ist, dass der IDT das Signal einer SAW empfängt, z. B. detektiert, das von der Schallwelle stammt, die zumindest teilweise in das piezoelektrisches Substrat 121 oder die piezoelektrische Schicht eingekoppelt ist und dadurch eine SAW induziert. Das heißt, der empfangende IDT 122B, der beispielsweise ein Signal aufgrund der emittierten Schallwelle empfangen kann, empfängt das Signal der Schallwelle nicht direkt, sondern stattdessen über eine schallwelleninduzierte SAW. Diese SAW kann erzeugt werden, nachdem die (Schall-) Welle, die sich ein- oder mehrmals durch einen Kanal vertikal ausbreitet, d. h. vertikal zur Oberseite 124 des Chips 12, in den Chip 12, z. B. das piezoelektrische Substrat 121, zurückgekoppelt wird.
Unter Bezugnahme auf 11 kann die vorliegende Erfindung auch in Ausführungsformen verwirklicht werden, in denen mindestens einige der Wandler, die Sender und/oder Empfänger der Sender- und Empfängeranordnung bilden, außerhalb des Kanals 11 angeordnet sind. Das heißt, die Wandler 122 stehen unter Umständen nicht in direktem Kontakt mit dem Fluid oder sind nur durch eine Siegelschicht 123 getrennt. Das heißt, mindestens ein Chip 12 der Sender- und Empfängeranordnung kann außerhalb des Kanals 11 angeordnet sein.
In einer derartigen Ausführungsform kann der Kanal 11 aus einem Kanalmaterial 18 gebildet sein, das eine Schallgeschwindigkeit c_m für s- und/oder p-Wellen umfasst, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit des Substrats c_s ist. Der Chip 12 kann dann mittels eines Kopplungsmaterials 19, das eine Dicke (d. h. Höhe) aufweist, die kleiner als die SAW-Wellenlänge λ ist, mit dem Kanalmaterial 18 gekoppelt werden. Beispielsweise kann das Kopplungsmaterial 19 eine Kopplungsmaterialdicke umfassen, die weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 25 % und bevorzugter weniger als 10 %, der Wandlerwellenlänge beträgt. Somit kann eine vom Wandler 122 in dem Chip 12 generierte SAW über das Kopplungsmaterial 19 mit dem Kanalmaterial 18 gekoppelt werden und kann die SAW aufgrund der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit c_m < c_s in Richtung des Kanals 11 gebrochen werden. Außerdem kann c_m größer sein als die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid c_f, derart, dass die SAW ähnlich der Lichtbrechung an einer Grenze zwischen den Medien in das Fluid abgelenkt wird. Eine derartige Ausführungsform kann daher die Platzierung des Chips 12 und der Wandler 122 ermöglichen, ohne dass diese mit dem Fluid in Kontakt kommen, was unterschiedliche Kanaldesigns, die Verwendung unterschiedlicher (z. B. aggressiverer) Fluide und/oder leichteren Austausch/leichteres Auswechseln von Chips ermöglichen kann.
Wann immer in dieser Spezifikation ein relativer Begriff wie „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder „ca.“ verwendet wird, sollte dieser Begriff auch dahingehend ausgelegt werden, dass er den genauen Begriff mit einschließt. Das heißt, z. B. „im Wesentlichen gerade“ sollte ebenfalls dahingehend ausgelegt werden, dass auch „(genau) gerade“ eingeschlossen ist.
Wenn Schritte im Vorstehenden oder auch in den angehängten Ansprüchen angeführt wurden, ist anzumerken, dass die Reihenfolge, in der die Schritte im Text angeführt werden, zufällig sein mag. Das heißt, wenn nicht anders spezifiziert oder wenn es für den Fachmann nicht klar ist, kann die Reihenfolge, in der die Schritte angeführt werden, beliebig sein. Das heißt, wenn das vorliegende Dokument angibt, dass z. B. ein Verfahren die Schritte (A) und (B) umfasst, bedeutet dies nicht unbedingt, dass Schritt (A) Schritt (B) vorausgeht, sondern es ist ebenfalls möglich, dass Schritt (A) (zumindest teilweise) gleichzeitig mit Schritt (B) ausgeführt wird oder dass Schritt (B) Schritt (A) vorausgeht. Wenn überdies ein Schritt (X) einem anderen Schritt (Z) vorausgehen soll, bedeutet dies nicht, dass zwischen Schritt (X) und (Z) kein Schritt vorhanden ist. Das heißt, Schritt (X), der Schritt (Z) vorausgeht, schließt die Situation ein, dass Schritt (X) direkt vor Schritt (Z) ausgeführt wird, doch auch die Situation, dass (X) vor einem oder mehreren Schritten (Y1), ..., gefolgt von Schritt (Z), ausgeführt wird. Entsprechende Überlegungen gelten, wenn Ausdrücke wie „nach“ oder „vor“ angewandt werden. Während in den vorhergehenden Ausführungen eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass diese Ausführungsform nur zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt wurde und keineswegs als Einschränkung des Geltungsbereichs dieser Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, ausgelegt werden sollte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10570361 B2 [0014]
DE 102019110514 A1 [0015]
US 9581572 B2 [0015]
DE 102018104669 A1 [0016]
US 10570361 B1 [0148]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R.M. White und F.W. Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965) [0139]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender an einen ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle am ersten Empfänger, Bestimmen eines ersten Merkmals basierend auf dem Signal der ersten Welle, Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger, Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle, Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit Generieren eines Differenzmaßes, Bestimmen einer Verweilzeit, die eine von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigte Ausbreitungszeit und/oder eine von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigte Ausbreitungszeit angibt, Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluid eine Strömungsrichtung umfasst, wobei die zweite Welle das Fluid in einer Richtung durchläuft, die der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Signal der ersten und/oder der zweiten Welle vom jeweiligen Empfänger nicht direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Senden einer Verweilzeitwelle von einem Verweilzeitsender an einen Verweilzeitempfänger, wobei die Verweilzeitwelle das Fluid auf seinem Weg vom Verweilzeitsender zum Verweilzeitempfänger durchläuft, und das Empfangen eines Signals der Verweilzeitwelle am Verweilzeitempfänger umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine von erster und zweiter Welle die Verweilzeitwelle bildet.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Signal der Verweilzeitwelle vom Verweilzeitempfänger direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen wird.
Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, wobei der Sensor umfasst: einen Kanal zum Leiten des Fluids, eine Sender- und Empfängeranordnung, die mindestens einen ersten Sender, einen ersten Empfänger, einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger bildet, und eine Datenverarbeitungseinheit, wobei der Durchflusssensor dazu konfiguriert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen Chip umfasst, wobei der mindestens eine Chip mindestens einen Wandler umfasst, der zum Senden und/oder Empfangen einer Welle konfiguriert ist.
Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Chip ein Substrat umfasst, wobei das Substrat piezoelektrisch ist oder das Substrat mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei der mindestens eine Wandler ein Interdigitalwandler (IDT) ist, der dazu konfiguriert ist, eine akustische Oberflächenwelle zu senden und/oder zu empfangen.
Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.