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Die
folgende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der
insbesondere zum Messen physikalischer Eigenschaften von Fluiden
geeignet ist.
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Insbesondere
oszillierende piezoelektrische Plättchen können
als Sensorelemente für verschiedene Messgrößen
eingesetzt werden. Da sie piezoelektrisch sind, bieten sie den Vorteil,
dass sowohl die Anregung als auch die Auslesung des Sensorsignals mit
einfachen Elektrodenstrukturen rein elektrisch realisiert werden
können.
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Messgrößen
die mit diesen Sensorelementen erfasst werden können sind
z. B. die Viskosität und die Dichte verschiedener Fluide
(Flüssigkeiten oder Gase). Ein auch wirtschaftlich interessantes
Anwendungsbeispiel hierfür ist die Messung der Viskosität
von Motorölen, um einen rechtzeitigen Ölwechsel
zu signalisieren. Weitere Anwendungsbeispiele sind verschiedene
chemische Reaktionen, die mit der Entstehung von festen oder geleeartigen
Phasen begleitet sind und die Beobachtung der Homogenität von
Suspensionen.
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Ein
weiteres Anwendungsbeispiel für oszillierende piezoelektrische
Plättchen ist die Verwendung als Massesensoren, da bei
Anlagerung von zusätzlicher Masse an ihrer Oberfläche
eine Verschiebung ihrer Resonanzfrequenz messbar ist, wodurch die
auf ihrer Oberfläche angesammelte Masse bestimmbar wird.
Damit können z. B. Bioprozesse beobachtet werden, bei denen
die zu delektierenden Biomoleküle an der Plättchenoberfläche
haften bleiben (z. B. antibody-antigen Reaktionen).
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Ein
piezoelektrischer Plättchensensor, der die oben beschriebenen
Parameter erfassen kann ist in Patentschrift
WO 2005/043126 A2 beschrieben. Die
dort vorgeschlagene Plättchenstruktur ist in
13 dargestellt. Das Sensorplättchen
ist aus mehreren Schichten zusammengesetzt: (i) einem Sensorelement
100,
das üblicherweise aus einem nicht piezoelektrischen Material
(z. B. Metallplättchen) gefertigt ist, (ii) einer Piezoschicht
101,
die auf das Sensorelement aufgeklebt ist, (iii) einer Anregungselektrode
102,
um eine elektrische Spannung anzulegen, mit der in Verbindung mit
der Piezoschicht der gesamte Sensor in Schwingung versetzt wird,
und (iv) einer Aufnahmeelektrode
103, um das Sensorsignal zu
detektieren.
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Dieser
Plättchensensor funktioniert derart, daß mit der
Anregungselektrode das Plättchen in eine mechanische Resonanz
angeregt wird. Befindet sich das Plättchen z. B. in einer
Flüssigkeit in der die Viskosität, die Dichte
oder beide Größen sich mit der Zeit verändern,
so werden sich auch die Resonanzfrequenz und die Güte des
mechanischen Schwingungssystems entsprechend ändern. Aus
der Größe der Änderungen in der Resonanzfrequenz
und in der Güte können die Viskosität
und die Dichte der Flüssigkeit bestimmt werden.
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Der
Sensor gemäß dem beschriebenen Stand der Technik
hat diverse Nachteile. So besteht das Plättchen aus zwei
aufeinandergeklebten Teilen. Dies erfordert Technologieschritte,
die es nicht erlauben eine kostengünstige planare Technologie
einzusetzen. Des weiteren altert die Klebeschicht mit der Zeit.
Außerdem absorbiert diese Klebeschicht mechanische Energie
bei der Resonanzbewegung des Plättchens. Auch ist ausschließlich
eine Biegeschwingung möglich.
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Ähnliche
Nachteile weist auch die piezokeramische Schicht selbst auf. Sie
ist polykristallin und hat eine hohe innere Reibung, wodurch Schwingungsenergie
absorbiert wird. Diese Energieverluste sind besonders wichtig, da
dadurch die Effektivität der Resonanzanregung und die Größe
der erreichbaren Q-Faktoren (und damit der Güte) reduziert
werden.
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Die
Klebeschicht und die Depolarisationseffekte in der Piezokeramik
begrenzen zudem den Temperaturbereich, in dem die Sensoren eingesetzt werden
können auf maximal 150–180°C.
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Weiterhin
ist festzustellen, daß für die gleichzeitige Bestimmung
der Viskosität und der Dichte (die sich üblicherweise
auch gleichzeitig ändern) zwei Messparameter notwendig
sind. Bei dem Sensor nach dem Stand der Technik werden zu diesem Zweck
die Resonanzfrequenz und die Güte der Resonanzkurven bestimmt.
Zwar können die Resonanzfrequenzen auch experimentell gut
erfasst werden. Allerdings ist die Güte nur schwer zu bestimmen.
Aus diesem Grund ist auch die Genauigkeit des Sensors begrenzt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen
Sensor anzugeben, der mit einer planaren Technologie kostengünstig herstellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen piezoelektrischer Sensor mit einem monokristallinen Schwingkörper
aus einem piezoelektrischen Material, in dem ein domäneninvertierten
Bereich mit invertierten Kristallachsen ausgebildet ist, wobei der
Schwingkörper mit Anregungs- und Aufnahmeelektroden verbunden
ist.
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Der
vorliegende piezoelektrische Sensor kann vollständig auf
Klebeflächen oder sonstige Arten von Verbindungen zwischen
unterschiedlichen Schichten des Schwingkörpers verzichten
und ermöglicht dennoch die Messung mindestens zweier Messparameter
(z. B. Viskosität und Dichte) gleichzeitig und mit großer
Genauigkeit und das in einem breiten Temperaturbereich.
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Dabei
kann der Schwingkörper aus einem monolithischen kristallinen
Körper gebildet sein. Die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden
können zumindest entlang eines Teils einer Längserstreckung
des Schwingkörpers angeordnet sein. Der Schwingkörper
kann längserstreckt ausgebildet sein. Der Schwingkörper
kann als längserstrecktes Plättchen mit im wesentlichen
rechteckförmigem Grundriß oder als Plättchen
mit im wesentlichen runden Grundriß ausgebildet sein. Der
domäneninvertierte Bereich kann als Schicht im Querschnitt
des Schwingkörpers ausgebildet sein. Zudem können mehrere
domäneninvertierte Bereiche periodisch über die
Schwingkörperlänge verteilt angeordnet sein, wobei
die Anregungs- und Aufnahmeelektroden ineinander verzahnt aber voneinander
elektrisch isoliert und entsprechend der Anordnung der domäneninvertierten
Bereiche angeordnet sein können.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel können
die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden jeweils als ein Elektrodenpaar
ausgebildet sein, die auf gegenüberliegenden Seitenflächen
des Schwingkörpers angeordnet sind. Alternativ kann die
Anregungselektrode auf einer ersten Seitenfläche des Schwingkörpers
angeordnet sein, und die Aufnahmeelektrode kann auf einer gegenüberliegenden
zweiten Seite des Schwingkörpers angeordnet sein. Alternatvi
können die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden gemeinsam
auf einer Seitenfläche des Schwingkörpers angeordnet
sein.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel können
mehr als zwei Elektrodenpaare vorgesehen sein, die jeweils sowohl
als Anregungs- als auch als Aufnahmeelektroden nutzbar sind.
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Des
Weiteren kann eine für bestimmte Substanzen sensitive Schicht
auf eine Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers
angeordnet sein.
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Außerdem
kann der Schwingkörper zwei Endbereiche aufweisen, wobei
zumindest einer dieser Endbereiche des Schwingkörpers eingespannt ist.
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Zudem
kann der Schwingkörper eine Anisothropie aufweisen, wodurch
der Schwingköper entlang verschiedener Kristallorientierungen
unterschiedliche Piezokoeffizienten aufweist.
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Darüber
hinaus kann der Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers,
der mit einer zu messenden Substanz bei einer Messung in Kontakt tritt,
passiviert sein.
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Daneben
können die Elektroden gemeinsam auf einer Seite des Schwingkörpers
angeordnet sein, wobei die dieser Seite gegenüberliegende
Seite mit einer zu messenden Substanz in Kontakt bringbar ist, wobei
eine mechanische Sperre gegen den Kontakt der mit den Elektroden
versehenden Seite des Schwingkörpers und der zu messenden
Substanz vorgesehen ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel kann der Schwingkörper
in einen Anregungsteil und einen Sensorteil untergliedert sein,
die durch eine mechanische Sperre voneinander getrennt sind, wobei
ausschließlich der Anregungsteil mit den Elektroden versehen
ist. Dabei kann der Sensorteil vollständig passiviert sein.
Zudem kann der Anregungsteil in einer Referenzkammer und der Sensorteil
in einer Messkammer aufgenommen sein, die voneinander getrennt sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher
erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles
des piezoelektrischen Sensors mit einseitiger Schwingkörperbefestigung (1a:
Querschnitt; 1b: Draufsicht),
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
beidseitiger Schwingkörperbefestigung (2a:
Querschnitt; 2b: Draufsicht),
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3 ein
Diagramm, das Piezokoeffizienten als Funktion eines Drehwinkels
in der Waferfläche eines 140° rotiertes Y-Schnitt
LiNbO3 Wafers darstellt,
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4 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
drei Elektrodenpaaren (3a: Querschnitt; 3b: Draufsicht),
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5 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
periodisch angeordneten domäneninvertierten Bereichen (5a,
Querschnitt; 5b, Draufsicht),
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6 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
mehreren periodisch angeordneten Elektroden auf einer Schwingkörperoberfläche (6a:
Querschnitt; 6b: Draufsicht, 6c ein derartiger
piezoelektrischer Sensor nach 6a und 6b,
zusätzlich mit einer passivierten Oberfläche),
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7 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
mehreren periodisch angeordneten Elektroden auf einer Schwingkörperoberfläche mit
getrenntem Messmedium (7a: Querschnitt; 7b:
Draufsicht, 7c ein derartiger piezoelektrischer
Sensor nach 7a und 7b, aber
mit einem Schwingkörper mit runden anstatt rechteckigem Grundriß),
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8 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
mehreren periodisch angeordneten Elektro den auf beiden Schwingkörperoberflächen (8a:
Querschnitt; 8b: Draufsicht),
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9 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
separierten Anregungs- und Sensorteil (9a: Querschnitt; 9b:
Draufsicht),
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10 eine schematische Darstellung der Schwingungsmodi
eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen
Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil nach 9 (10a: symmetrische
Schwingung; 10b: asymmetrische Schwingung, 10c: Frequenzgang),
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11 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles
des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil
mit Passivierung.
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12 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit
separierten Anregungs- und Sensorteil in Zweikammeranordnung (12a: Querschnitt; 12b:
Draufsicht), und
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13 eine schematische Darstellung eines bekannten
piezoelektrischen Sensors (13a: Querschnitt; 13b: Draufsicht).
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
in 1 schematisch dargestellt. Sie
weist einen, auf einer Seite befestigten, monokristallinen Körper 1 (z.
B. LiNbC3) auf, in dem durch eine thermische
Behandlung eine domäneninvertierte Schicht 2 erzeugt
worden ist. Die entsprechend verbleibende Schicht 5 wird
nicht domäneninvertiert. Der monokristalline und monolithische
Körper 1 bildet ein kristallines Sensorelement.
In der Schicht 2 ist die Ausrichtung der Kristallachsen
um 180° invertiert, was dazu führt das das Vorzeichen der
Piezokoeffizienten (aber auch den anderen Materialkoeffizienten)
geändert wird. Auf diese Weise wird der monokristalline
Körper 1 in einem monolithischen piezoelektrischen
Bimorph verwandelt und zwar ohne den Einsatz von einer Klebeschicht.
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Der
Körper 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als dünnes Plättchen mit rechteckigem Grundriß ausgebildet.
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Wird
in dem Körper 1 ein elektrisches Feld erzeugt,
z. B. mit Hilfe von Elektrodenpaaren 3, 4, die über
die gesamte Plättchenlänge oder nur über
einen Teil davon verlaufen und auf den oberen und der unteren Plättchenseiten
positioniert sind, entstehen in den zwei Schichten Deformationen
mit unterschiedlichen Vorzeichen. Durch diese Deformationen wird das
Plättchen 1 in Bewegung versetzt, wie auch z.
B. bei einem piezokeramischen Bimorphs der Fall ist.
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Optional
kann auch eine sensitive Schicht 6 auf die Plättchenoberfläche
und/oder auf die Plättchenunterseite aufgetragen werden,
um z. B. Bio-Moleküle zu delektieren oder andere Substanzen anzureichern.
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Es
besteht auch die Möglichkeit das Plättchen 1 auf
beiden Seiten zu befestigen, wodurch eine Stabilität sowie
die Resonanzfrequenz erhöht werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel
ist in 2 dargestellt.
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In 1 und 2 wird
das Elektrodenpaar 3, 3 als Aufnahmeelektrode
und das Elektrodenpaare 4, 4 als Anregungselektrode
verwendet.
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Da
das Plättchen 1 monokristallin ist und eine Anisothropie
aufweist, kann man (im Gegensatz zu den bisher verwendeten Piezokeramiken)
durch die Auswahl des Kristallschnittes unterschiedliche Bewegungen
anregen, wodurch Biege-, Torsinns- oder eine Mischbewegung bestehend
aus einer Biege und einer Torsionskomponente möglich werden.
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Diese
Bewegungsmöglichkeiten kann man anhand der Piezokoeffizienten
des Plättchens 1 erklären. Betrachten
wir z. B. ein 140° rotiertes Y-Schnitt LiNbO3 Wafer,
aus welchem Plättchen mit unterschiedlicher Orientierung
ausgesägt werden können. Die Sägekanten
werden unter unterschiedlichen Winkeln Φ in der Waferfläche
orientiert, dabei ändern sich die relevanten Piezokoeffizienten
wie in 3 gezeigt. In dem Diagramm gemäß 3 sind der
Piezokoeffizient d''23, der die Biegebewegung
beschreibt und der Piezokoeffizient d''25,
der die Torsionsbewegung beschreibt, als Funktion des Drehwinkels Φ dargestellt.
Wird der Drehwinkel Φ = 0° ausgewählt,
so ist der Piezokoeffizient d''25 auch gleich Null
und das Plättchen wird eine reine Biegebewegung ausführen.
Wird dagegen ein Drehwinkel Φ = 54,5° gewählt,
wird d''23 gleich Null und in das Plättchen
wird eine reine Torsionsbewegung angeregt. Für alle Winkel
dazwischen werden Biege- und Torsionsbewegungen unterschiedlicher
Stärke angeregt und es kann gezeigt werden, daß für
einen Winkel Φ = 29,5° beide Bewegungen gleich
stark angeregt werden können. Die Resonanzfrequenzen der
beiden Bewegungsarten sind unterschiedlich (etwa Faktor 10) und
lassen sich gut separat anregen und detektieren.
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Wird
das Plättchen 1, gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel,
mit Hilfe der Anregungselektrode 4, 4 in Resonanz
versetzt (Biege oder Torsion) und dann ganz oder nur teilweise in eine
Flüssigkeit eingetaucht, so führt das zu einer Änderung
der Resonanzfrequenz. Diese Änderung ist proportional zu
der Eintauchtiefe und bei einer konstanten Tiefe zu der Viskosität
und Dichte der Flüssigkeit. Aus den gemessenen Resonanzkurven
werden dann die Resonanzfrequenz und die Güte (Q-Faktor)
bestimmt, aus denen die Viskosität und die Dichte berechnet
werden können. Auch eine reine Massenbelegung der Plättchenoberfläche,
z. B. durch Anlagerung von Biomolekülen, führt
zu einer Frequenzverschiebung, die dann für die Bestimmung der
zusätzlichen Massen genutzt werden kann. Der Kristallschnitt
kann so ausgewählt werden, daß das Plättchen
sowohl in Biege- als auch in Torsionsresonanz bei zwei unterschiedlichen
Frequenzen (z. B. 300 Hz für Biege- und 3000 Hz für
Torsionsresonanz) angeregt werden kann. In so einem Fall werden
unter der Wirkung der Flüssigkeit beide Frequenzen verschoben
und aus diesen Verschiebungen lassen sich die Viskosität
und die Dichte mit großer Genauigkeit bestimmen. Die Gütefaktoren
der Resonanzkurven stehen auch in diesem Fall zur Verfügung
und können für die Erhöhung der Genauigkeit
oder für die Bestimmung von anderen Eigenschaften der Flüssigkeit eingesetzt
werden.
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Die
Elektrodenstruktur kann auch andere Geometrien aufweisen. In 4 ist beispielsweise ein Ausführungsbeispiel
mit einem Plättchen mit drei Elektrodenpaaren dargestellt.
Diese können sowohl als Anregungs- als auch als Aufnahmeelektroden
genutzt werden, wobei sie bei unterschiedlichen Bewegungsarten unterschiedliche
Effizienz aufweisen werden. So ist z. B. die mittlere Elektrode
gut geeignet Biegebewegungen anzuregen und zu detektieren, wird
aber auf Torsion schwacher reagieren. Vorwiegend wird die mittlere
Elektrode als Aufnahmeelektrode 3, eine der beiden äußeren
Elektroden als An regungselektrode 4, und die weitere äußere
Elektrode wahlweise als Anregungs- oder Aufnahmeelektrode 8 verwendet.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel des vorliegenden Sensors ist
in 5 dargestellt. Die domäneninvertierten
Bereiche 10 sind in diesem Fall nicht als eine Schicht
ausgebildet, sondern periodisch über die Plättchenlänge
verteilt. Zwischen den domäneninvertierten Bereichen sind
nicht domäneninvertierte Bereiche 11 angeordnet.
Die Anregung einer Resonanzbewegung (wieder Biege-, Torsion- oder Mischresonanz
möglich) erfolgt mit Hilfe von interdigitalen Elektroden 12, 13 und 14, 15,
die wie in 6 gezeigt, positioniert
sind. Diese weisen Armbereiche auf, durch die diese Elektroden 12, 13 bzw. 14, 15 ineinander
verschränkt, jedoch elektrisch isoliert gegeneinander sind.
Dabei sind die Elektroden paarweise auf jeweils eine Plättchenfläche
aufgetragen. Ein auf die obere Fläche aufgetragenes Paar 12, 13 dient
z. B. für die Anregung der Plättchenbewegung und
ein auf die untere Fläche aufgetragenes Paar 14, 15 nimmt
die Sensorsignale auf. Die Feldlinien sind in 5 mit
dem Bezugszeichen F → dargestellt.
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Die
von den Elektrodenfingern der Elektroden 12, 13 angeregten
elektrischen Felder F → erzeugen Oberflächendeformationen
(z. B. Ausdehnung oder Kontraktion), die sich entlang des Plättchens 1 aufsummieren
und letztendlich ähnlich wie bei einem Monomorph zu einer
Bewegung führen. Damit sich bei einer periodischen Änderung
der Richtung des elektrischen Feldes die Oberflächendeformationen summieren,
ist es notwendig dass sich auch die Ausrichtung der Kristallachsen
mit der gleichen Periodizität ändert. Dies wird
mit der Domäneninversion erreicht. Die Anregungs- und Aufnahmeelektroden
sind in diesem Fall gut räumlich getrennt und werden sich weniger
stören als in Falle des Ausführungsbeispieles
nach 1.
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Eine
weiteres Ausführungsbeispiel, das auch auf periodischen
Elektroden basiert, ist in 6 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anregungs- und Aufnahmeelektrodenpaare 13, 12 und 14, 15 auf
der gleichen Plättchenseite angeordnet. Somit ergibt sich
die Möglichkeit, eine Seite des Plättchens von
den Elektroden „zu befreien" und diese dann als „Sensorseite"
für die Messflüssigkeit oder Massenbelegung einzusetzen.
Dieses Ausführungsbeispiel ist vor allem bei Medien (Messflüssigkeiten) verwendbar,
die empfindlich gegenüber Metallschichten oder elektrischen
Felder reagieren.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel können mehr als
zwei Elektrodenpaare auf die Fläche positioniert werden,
wodurch die Flexibilität der Anregung und Signalaufnahme
erhöht ist.
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Auch
eine Passivierung derjenigen Oberfläche 20 des
Sensorplättchens, die sich im Kontakt mit der Messflüssigkeit
FI befindet, kann hier durchgeführt werden, wie in 6c dargestellt.
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Um
eine völlige Trennung des Messmediums FI von der Elektrodenseite
zu erreichen, ist es auch möglich eine Art Membranenlösung
zu realisieren, bei der die obere und untere Plättchenseiten
durch eine passende Befestigung 30 separiert sind, wie dies
im Ausführungsbeispiel nach 7 dargestellt ist.
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Es
ist weiterhin auch möglich auf jede Plättchenseite
mehr als ein Paar Elektroden zu positionieren. So zeigt 8 ein Ausführungsbeispiel mit
zwei Paaren pro Seite. Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt
sowohl die Anregungsstärke als auch die Größe des
Sensorsignals zu verdoppeln. Um das zu erreichen, werden die zwei
Anregungselektroden auf beiden Plättchenseiten mit Steuerspannung
versorgt und auch die Sensorsignale werden aus zwei Aufnahmeelektroden
gewonnen.
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Eine
noch größere Flexibilität bieten das Ausführungsbeispiel
nach 9, bei dem der Anregungsteil 50 (kann
auch als Referenzsensor dienen) und der Sensorteil 60 des
Plättchens völlig voneinander separiert sind.
Das Plättchen ist in diesem Fall nur teilweise mit Elektroden 3, 4 (flächige
oder aber auch periodische Elektroden sind möglich) beschichtet
und in die Wand 70 einer Messkammer mit Messflüssigkeit
FI eingebaut. Die Elektroden 3, 4 liegen außerhalb
des Messmediums FI, so dass der Messteil 60 völlig
frei von elektrischen Feldern ist und in Flüssigkeiten,
die empfindlich gegenüber solchen Feldern reagieren, eingesetzt
werden kann. Ist die Wand 70 der Messkammer ausreichend
dünn, z. B. einige 100 μm, so wird die Bewegung
in den Anregungsteil 60 auch in den Sensorteil 70 übertragen und
beide Teile können in Resonanzschwingungen versetzt werden.
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Mechanisch
betrachtet, stellen die zwei Teile des Ausführungsbeispieles
nach 9 zwei gekoppelten Resonatoren
dar. Die zwei niedrigsten Schwingungsmodi dieses Systems sind in 10 dargestellt: (a) symmetrischer Modus
mit Frequenz F1 und (b) a symmetrischer Modus
mit Frequenz F2 wobei F1 < F2 ist.
Die entsprechende Resonanzkurve mit zwei Maxima ist in 10c dargestellt.
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Der
Abstand zwischen den zwei Frequenzen wird durch die Stärke
der Kopplung der zwei Resonatoren, d. h. durch die Dicke der Kammerwand
bestimmt. Es gilt: je dicker die Wand, desto schwächer die
Kopplung, wodurch die (identischen) Resonatoren mit (fast) gleichen
Frequenzen schwingen. Eine dünne Wand bedingt demgegenüber
eine starke Kopplung und die zwei Frequenzen driften auseinander.
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Änderungen
in der Viskosität oder/und Dichte der Messflüssigkeit
führen zu Änderungen in den Resonanzfrequenzen
und können als Sensorsignal genutzt werden. Da die beiden
Teile des Plättchens auf gleicher Weise von der Temperatur
beeinflusst werden kann man die Temperatureinwirkung ausschließen
indem man den Anregungsteil als Referenzsensor einsetzt.
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Es
ist weiterhin möglich, den Sensorteil 60 des Plättchens
völlig passiv, d. h. auch frei von Piezoeffekt, zu gestalten.
Dafür wird dieser Teil 60 mit einem starken Protonenaustausch
in reiner Benzoesäure behandelt, wodurch der Piezoeffekt
praktisch auf Null reduziert werden kann. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel,
bei dem der Plättchenteil mit Passivierung auch mit dem
Bezugszeichen 80 gekennzeichnet ist, ist in 11 dargestellt.
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Eine
weiteres Ausführungsbeispiel, das in 12 dargestellt
ist, realisiert ein Zweikammersystem. Zu diesem Zweck wird eine
Referenzkammer R aufgebaut, die durch die Befestigungswand 70 von der
Messkammer M getrennt wird. In die Referenzkammer kann eine Referenzflüssigkeit,
z. B. Referenzöl, das nur der Temperaturschwankungen ausgesetzt
ist, aber sonst keine Verschmutzungen aus dem Motor und Umwelt erfährt,
eingefüllt werden. Auf diese Weise kann nicht nur der Temperatureinfluss ausgeschaltet
werden, sondern auch eine Differenzmessung realisiert werden, bei
der eine Kalibrierung des Sensors nicht unbedingt notwendig ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/043126
A2 [0005]