JP4388614B2 - 媒質の粘度と密度を測定するためのセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の種類によるセンサ、特に媒質の粘度と密度を測定するためのセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イナバ他の論文から液体の粘度と密度を測定するためのセンサは既に公知である（Inaba et al,Sensors and Aktuators A,33(1992),163〜166頁）。屈曲舌片が媒質内へ漬け込まれ、かつレーザダイオードによる放射によって熱的に誘導される振動が励起される。振動周波数はここでは密度に、かつ振動の減衰は粘度によって影響される。屈曲舌片の振動の測定によって液体の密度と粘度が測定され得る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は特に簡単で故障のない構造を持つセンサを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は請求項１の特徴によって解決される。
【０００５】
【発明の効果】
本発明によるセンサは、特に簡単で、故障のない構造が使用されるという利点を持つ。特にこのようなセンサは特に小形に構成され、したがってきわめて少量の液体または気体の検査にも適する。
【０００６】
請求項２から９に記載された手段によって請求項１によるセンサの有利な発展形と改良が可能である。窒化珪素、酸化珪素、金属またはこれらの混合物質の使用によってたいていの化学的媒質に対して安定な屈曲舌片が製作される。したがってこのようなセンサは多数の測定媒質に使用することができる。さらにこれらの物質は少数の、かつ良好に制御される標準工程で処理することができ、そのためコスト上有利な大きなバッチでの製作が可能である。さらにこのような屈曲舌片は特に小形に製作することができる。珪素基板の反対側に振動発生器を配置したことによって測定媒質が化学的にきわめて安定な物質とだけ接触することが達成された。したがって化学的にそれほど安定ではない振動発生器も使用することができる。屈曲舌片の振動は単結晶圧電抵抗素子によって特に簡単に検出される。このような素子はたいていの化学的媒質に対して安定である。あるいは屈曲舌片の上面に圧電抵抗薄膜を使用してもよい。さらに基板上の温度センサによって付加的に測定媒質の温度を測定することができる。これはまた測定媒質の密度および粘度の算出時に考慮することができる。信号処理回路が直接珪素基板上へ集積されると有利である、それというのも特に良好な信号処理が得られるからである。寄生量の影響が低減され、評価エレクトロニクスはきわめて所要スペース節約的に、しかし一般にコスト上有利に製作することができる。適切な帰還結合によって零交差において最大振幅の振動ならびに最大速度を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１には本発明によるセンサの横断面図が示されている。センサは珪素基板１０を有し、その上面には屈曲舌片１が配置されている。屈曲舌片１の下方には珪素基板１０内にエッチングみぞ２が形成されており、そのため屈曲舌片１は珪素基板１０の表面に対して垂直の方向に自由に振動することができる。珪素基板の他に別の基板を使用することもでき、その中に適切な凹所が形成される。屈曲舌片１が載置した基板１０上の領域内には屈曲舌片１の下方に圧電抵抗の抵抗素子３が配置されている。この圧電抵抗の抵抗素子３は適切にドーピングされた珪素であり、これは機械的な応力に基づいて電気的な抵抗を変化させる（ピエゾ抵抗効果）。圧電抵抗の抵抗素子３はやはり珪素基板１０内へ分散された導体路４によって金属のコンタクト部材５と結合されている。屈曲舌片１は珪素基板１０の上面に設けられた窒化珪素層１５から製作されている。珪素基板１０は下面にエッチングストップ層１１を有し、これはエッチングみぞの底部をも成す。エッチングストップ層１１は例えば酸化珪素、窒化珪素、高ドーピング珪素または他の、エッチングみぞ２のエッチングに際して特に良好にエッチングストップ層として使用することができる物質から製作される。エッチングストップ層１１の下にはさらに音響結合層（Koppelschicht）１２が設けられており、結合層はガラス（例えばパイレックスガラス）またはプラスティック層、例えばＰＭＭＡから製作することができる。次いで結合層１２の上には圧電発振器１３が上面と下面に各１つの金属被覆１４を有して配置されている。このような圧電発振器には例えば酸化亜鉛または鉛−ジルコネート−チタネート製の薄膜変換器またはＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオリド）またはピエゾセラミック物質製の集積変換器が適する。屈曲舌片１は典型的には厚さ数マイクロメータ（０．５〜数１０マイクロメータ）および長さ５０マイクロメータ〜２０００マイクロメータを持つ。屈曲舌片の典型的な幅は数１０〜数１０００マイクロメータのオーダー内である。エッチングストップ層１１については通常マイクロメータを下回る膜厚が使用される。結合層１２については１０から２００マイクロメータの膜厚が好適である。
【０００８】
図１のセンサは媒質の密度と粘度を測定するためのものである。そのためには珪素基板１の上面、したがって屈曲舌片１も測定すべき媒質で負荷され、その結果屈曲舌片１が完全に媒質によって包囲される。圧電発振器１３の電気的励起によって圧電発振器１３は振動せしめられる。これらの振動は機械的な結合によって屈曲舌片１へ伝えられる。これは固体振動によってもまた媒質自体を介しても行われる。圧電発振器１３の励起の適切な選択によって屈曲舌片１は振動を励起せしめられる。圧電発振器１３の適切な励起は例えば圧電発振器１３の連続高周波数振動パルスであってよく、その連続周波数は屈曲舌片１の固有周波数に近い。あるいは個別のパルスを使用するかまたは圧電発振器１３を屈曲舌片１の固有周波数に相当する周波数で励起することが可能である。これによって屈曲舌片１がこれを包囲した媒質内で振動することが達成される。屈曲舌片１のこの振動は圧電抵抗の抵抗素子３によって測定することができる、なぜならば関係性をもって屈曲舌片１の変位に相当する機械的な応力状態が圧電抵抗の抵抗素子３内で発生されるからである。これはしたがって抵抗素子３の抵抗変化を導き、かつ導体路（リード線）４を用いてコンタクト部材５の所で測定され得る。
【０００９】
媒質中の屈曲舌片の振動の評価によって密度と粘度を測定することができる。第１の方法は速度共振であり、すなわち屈曲舌片が帰還結合ループを介して速度が反転点（Umkehrpunkt）で最大にされる周波数で作動される。この周波数は良好に近似的に（in guter Naeherung）媒質の密度にのみ依存する；この場合共振曲線の幅が粘度を与える。しかしこの方法は一定の前提下でのみ使用することができる。屈曲舌片の振動によって波が媒質内に形成され、その波長は屈曲舌片の周波数および媒質中の伝搬速度から得られる。波長は屈曲舌片のジオメトリー寸法よりも明らかに大きくなければならない；大きければ大きいほど粘度の速度共振周波数への残存影響は小さくなる。この前提は普通きわめて小さな屈曲舌片によって満たされる。もう１つのもしくは付加的な方法は振幅共振を提供し、この振幅共振では帰還結合によって振動の振幅が最大にされる。振幅共振周波数は密度と粘度に依存し、共振曲線の幅は粘度に依存する。密度を用いての（速度共振周波数からの）または粘度を用いて（振幅共振曲線の幅からの）の振幅共振周波数の測定値の差形成によってそれぞれ他方の測定値を求めることができる。もう１つの方法は、パルス形式の励起後の屈曲舌片の自由振動の観測であり、この方法では最小自乗フィット（least-squar-fit）によって粘度と密度が算出され得る。
【００１０】
図２にはやはり図１によるセンサが平面図で示されており、図示を簡単にするためにコンタクト部材５と導体路４は示されない。この平面図において、屈曲舌片１と屈曲舌片１を包囲したエッチングみぞ２が認められる。図２の平面図にはさらに２つの圧電抵抗の抵抗素子３が示されており、抵抗素子は屈曲舌片１の基部の領域内に配置されている。このような多数の圧電抵抗の抵抗素子３は有利に接続してハーフブリッジまたはフルブリッジにすることができ、これによって信号の評価が簡単にされる。さらに白金抵抗素子１６が示されており、白金抵抗素子はニトリド層１５の上面に配置されている。このような白金抵抗素子は媒質の温度の測定に使用することができる、それというのも媒質（液体でも気体でも）の粘度も密度も温度に依存するからである。したがってこのような温度測定は密度および粘度への温度の影響を算出するのに利用することができる。さらに屈曲舌片の機械的定数の温度依存性が共振周波数に関して考慮される。これに必要な切換え回路は珪素基板１０自体内にも配置することができる。このような切換え回路は図２にブロック１７によって例示されている。複数の圧電抵抗の抵抗素子３の使用と共に異なる寸法を持つ複数の屈曲舌片１を設けることもできる。屈曲舌片はしたがって異なる振動周波数で励起することができ、このため特に粘度の測定ではきわめて大きな測定範囲がカバーされ得る。
【００１１】
専ら窒化珪素から製作された１つの屈曲舌片１の使用は特に有利である、それというのもこれが化学的に特に安定な物質であるからである。唯一の物質からの屈曲舌片１の形成によって屈曲舌片１の熱的な歪みが回避される。あるいは屈曲舌片１は酸化珪素または金属または酸化珪素と窒化珪素の混合物質から製作されていてもよい。
【００１２】
本発明による振動系はきわめて小形であり、したがって特に少量の液体または気体にも使用することができる。製作には専ら公知の半導体製造の方法が使用され、したがってセンサはコスト上有利に大きなバッチでに製造することができる。特に評価回路も集積したままにすることができるからである。さらに本発明によるセンサによって媒質の密度と粘度を同時に測定することができる。圧電発振器１３は媒質から完全に分離され、そのため測定される媒質によって腐食される物質も使用することができる。測定媒質と直接接触する材料は化学的にきわめて安定である。屈曲舌片１に関して１物質のみの使用により熱的な歪みは生じないに等しい。また屈曲舌片１はきわめて軽量なので、例えば自動車のような機械的に問題のある周囲内で生じるような加速力は屈曲舌片１の振動に僅かな影響しか与えない。使用される圧電抵抗の抵抗素子３はきわめて小形で、したがってそれ自体の屈曲舌片１に対する効果は無視し得る。
【００１３】
図３には本発明によるセンサのもう１つの実施例が横断面図で示されている。この例でも珪素基板１０上には窒化珪素層１５が形成され、これから屈曲舌片１が作り出されている。屈曲舌片１の下方にはエッチングみぞ２が配置されているが、これは図１によるエッチングみぞ２に比べるとより浅く珪素基板１０内に延びている。屈曲舌片１の基部領域内には同様に圧電抵抗の抵抗素子３が配置されているが、抵抗素子は屈曲舌片１の上面に置かれている。これは特に相応する分離−ストラクチュアリング工程で窒化珪素層１５上に形成された多結晶珪素製の圧電抵抗の抵抗素子である。この例では圧電抵抗の抵抗素子３は直接コンタクト５を備え、コンタクトは例えば金属層によって形成されている。圧電抵抗素子３の表面はさらに図示されない、薄膜の、酸化珪素または窒化珪素から成る不活性化層を備え、これはコンタクトのためのコンタクト開口を提供し、かつ圧電素子を腐食性の媒質から保護する。ここではコンタクト５はリード線並びに外部の接続線材の接続の可能性を成す。同様に複数の素子を接続してブリッジを形成することもできる。珪素基板１０の下面には同様に金属被覆１４を持つ圧電発振器１３が配置されている。エッチングみぞ２の下方に比較的熱い珪素基板１０が残っているためにこの例では圧電発振器１３の振動エネルギーは主に珪素基板１０による固体振動によって伝達される。測定媒質によって伝達される部分は小さい。これは別の形状の励起で、ここでは測定媒質自体は圧電発振器１３と屈曲舌片１との間のエネルギー伝達に必要とされない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施例の横断面図である。
【図２】図１による実施例の平面図である。
【図３】本発明による第２の実施例の横断面図である。
【符号の説明】
１ 屈曲舌片、 ２ エッチングみぞ、 ３ 抵抗素子、 １０ 基板、 １２ 結合層、 １３ 信号発生器

Claims (9)

1. 媒質の粘度と密度を測定するためのセンサであって、測定媒質内で振動開始可能である屈曲舌片（１）を備えており、屈曲舌片（１）の振動の評価によって測定媒質の検査が行われる形式のものにおいて、
   振動発生器（１３）が設けられており、振動発生器が屈曲舌片（１）に機械的に結合するように配置されており、
   圧電抵抗素子（３）が前記屈曲舌片（１）の上面または下面に形成されており、該圧電抵抗素子（３）によって該屈曲舌片（１）の振動が測定され、
   屈曲舌片（１）が基板の（１０）の第１の側で凹所（２）の上方に、かつ振動発生器（１３）が基板（１０）の第２の側に配置されていることを特徴とする、媒質の粘度と密度を測定するためのセンサ。
2. 屈曲舌片（１）が窒化珪素、酸化珪素、金属または窒化珪素、酸化珪素および金属の混合物質から形成されている、請求項１記載のセンサ。
3. 圧電抵抗素子によって屈曲舌片（１）の変位が測定可能である、請求項１または２記載のセンサ。
4. 圧電抵抗素子が薄膜素子として屈曲舌片の上面に形成されている、請求項３記載のセンサ。
5. 圧電抵抗素子が単結晶珪素から成る屈曲舌片の下面に形成されている、請求項３記載のセンサ。
6. 測定媒質の温度を測定するために温度測定部材（１６）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
7. 基板（１０）が集積された信号処理回路（１７）を備える珪素基板として構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ。
8. 屈曲舌片を速度共振周波数または振幅共振周波数を持つ振動に励起可能である別の手段が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ。
9. 異なる寸法を有する複数の前記屈曲舌片（１）が使用される、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ。

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