JPH11271207A - センサ、特に媒質の粘度と密度を測定するためのセンサ - Google Patents
センサ、特に媒質の粘度と密度を測定するためのセンサInfo
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Abstract
供する。 【解決手段】 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
配置されている。
Description
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。
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。
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。
特徴によって解決される。
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。
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。
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〜20
00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1
0から200マイクロメータの膜厚が好適である。
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。
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 N
aeherung)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。
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。
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。
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。
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1
4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。
子、 10 基板、 12 結合層、 13 信号発生
器
Claims (9)
- 【請求項1】 センサ、特に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
されていることを特徴とする、センサ、特に媒質の粘度
と密度を測定するためのセンサ。 - 【請求項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。 - 【請求項3】 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、請求項2記
載のセンサ。 - 【請求項4】 圧電抵抗素子が設けられており、これに
よって屈曲舌片(1)の変位が測定可能である、請求項
1から3までのいずれか1項記載のセンサ。 - 【請求項5】 圧電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4記載のセンサ。 - 【請求項6】 圧電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4記載のセンサ。 - 【請求項7】 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6まで
のいずれか1項記載のセンサ。 - 【請求項8】 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7までのいずれか1項記載のセンサ。 - 【請求項9】 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8までのいずれか1項記載のセ
ンサ。
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