DE102007009907B4

DE102007009907B4 - Piezoelektrischer Sensor

Info

Publication number: DE102007009907B4
Application number: DE102007009907A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Hinkov; Eric Eggert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: DE102007009907A1

Abstract

Piezoelektrischer Sensor mit einem monokristallinen Schwingkörper aus einem piezoelektrischen Material, in dem ein domäneninvertierten Bereich mit invertierten Kristallachsen in einem Teilbereich des monokristallinen Schwingkörpers ausgebildet ist, wobei der verbleibende Teil des Schwingkörpers nicht domäneninvertiert ist, und wobei der Schwingkörper mit Anregungs- und Aufnahmeelektroden verbunden ist.

Description

Die folgende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der insbesondere zum Messen physikalischer Eigenschaften von Fluiden geeignet ist.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Die Klebeschicht und die Depolarisationseffekte in der Piezokeramik begrenzen zudem den Temperaturbereich, in dem die Sensoren eingesetzt werden können auf maximal 150–180°C.
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. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Sensor anzugeben, der mit einer planaren Technologie kostengünstig herstellbar ist.
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 in einem Teilbereich des monokristallinen Schwingkörpers ausgebildet ist, wobei der verbleibende Teil des Schwingkörpers nicht domäneninvertiert ist, und wobei der Schwingkörper mit Anregungs- und Aufnahmeelektroden verbunden ist.
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.
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.
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. Alternativ können die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden gemeinsam auf einer Seitenfläche des Schwingkörpers angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehr als zwei Elektrodenpaare vorgesehen sein, die jeweils sowohl als Anregungs- als auch als Aufnahmeelektroden nutzbar sind.
Des Weiteren kann eine für bestimmte Substanzen sensitive Schicht auf eine Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers angeordnet sein.
Außerdem kann der Schwingkörper zwei Endbereiche aufweisen, wobei zumindest einer dieser Endbereiche des Schwingkörpers eingespannt ist.
Zudem kann der Schwingkörper eine Anisotropie aufweisen, wodurch der Schwingköper entlang verschiedener Kristallorientierungen unterschiedliche Piezokoeffizienten aufweist.
Darüber hinaus kann der Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers, der mit einer zu messenden Substanz bei einer Messung in Kontakt tritt, passiviert sein.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit einseitiger Schwingkörperbefestigung (1a: Querschnitt; 1b: Draufsicht),
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit beidseitiger Schwingkörperbefestigung (2a: Querschnitt; 2b: Draufsicht),
3 ein Diagramm, das Piezokoeffizienten als Funktion eines Drehwinkels in der Waferfläche eines 140° rotiertes Y-Schnitt LiNbO₃ Wafers darstellt,
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit drei Elektrodenpaaren (3a: Querschnitt; 3b: Draufsicht),
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit periodisch angeordneten domäneninvertierten Bereichen (5a, Querschnitt; 5b, Draufsicht),
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),
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),
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit mehreren periodisch angeordneten Elektroden auf beiden Schwingkörperoberflächen (8a: Querschnitt; 8b: Draufsicht),
9 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil (9a: Querschnitt; 9b: Draufsicht),
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),
11 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil mit Passivierung,
12 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil in Zweikammeranordnung (12a: Querschnitt; 12b: Draufsicht), und
13 eine schematische Darstellung eines bekannten piezoelektrischen Sensors (13a: Querschnitt; 13b: Draufsicht).
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.
Der Körper 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als dünnes Plättchen mit rechteckigem Grundriß ausgebildet.
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.
Optional kann auch eine sensitive Schicht 6 auf die Plättchenoberfläche und/oder auf die Plättchenunterseite aufgetragen werden, um z. B. Bio-Moleküle zu detektieren oder andere Substanzen anzureichern.
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.
In 1 und 2 wird das Elektrodenpaar 3, 3 als Aufnahmeelektrode und das Elektrodenpaare 4, 4 als Anregungselektrode verwendet.
Da das Plättchen 1 monokristallin ist und eine Anisotropie aufweist, kann man (im Gegensatz zu den bisher verwendeten Piezokeramiken) durch die Auswahl des Kristallschnittes unterschiedliche Bewegungen anregen, wodurch Biege-, Torsions- oder eine Mischbewegung bestehend aus einer Biege und einer Torsionskomponente möglich werden.
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.
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.
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 schwächer reagieren. Vorwiegend wird die mittlere Elektrode als Aufnahmeelektrode 3, eine der beiden äußeren Elektroden als Anregungselektrode 4, und die weitere äußere Elektrode wahlweise als Anregungs- oder Aufnahmeelektrode 8 verwendet.
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.
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.
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.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können mehr als zwei Elektrodenpaare auf die Fläche positioniert werden, wodurch die Flexibilität der Anregung und Signalaufnahme erhöht ist.
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.
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.
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.
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 60 übertragen und beide Teile können in Resonanzschwingungen versetzt werden.
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) asymmetrischer Modus mit Frequenz F₂ wobei F₁ < F₂ ist. Die entsprechende Resonanzkurve mit zwei Maxima ist in 10c dargestellt.
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.
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.
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.
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.

Claims

Piezoelektrischer Sensor mit einem monokristallinen Schwingkörper aus einem piezoelektrischen Material, in dem ein domäneninvertierten Bereich mit invertierten Kristallachsen in einem Teilbereich des monokristallinen Schwingkörpers ausgebildet ist, wobei der verbleibende Teil des Schwingkörpers nicht domäneninvertiert ist, und wobei der Schwingkörper mit Anregungs- und Aufnahmeelektroden verbunden ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß Patentanspruch 1, wobei der Schwingkörper aus einem monolithischen kristallinen Körper gebildet ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden zumindest entlang eines Teils einer Längserstreckung des Schwingkörpers angeordnet sind.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei der Schwingkörper längserstreckt ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei der Schwingkörper als längserstrecktes Plättchen mit im wesentlichen rechteckförmigem Grundriß oder als Plättchen mit im wesentlichen rundem Grundriß ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei der domäneninvertierte Bereich als Schicht im Querschnitt des Schwingkörpers ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei mehrere domäneninvertierte Bereiche periodisch über die Schwingkörperlänge verteilt angeordnet sind, und wobei die Anregungs- und Aufnahmeelektroden ineinander verzahnt aber voneinander elektrisch isoliert und entsprechend der Anordnung der domäneninvertierten Bereiche angeordnet sind.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden jeweils als ein Elektrodenpaar ausgebildet sind, die auf gegenüberliegenden Seitenflächen des Schwingkörpers angeordnet sind.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Anregungselektrode auf einer ersten Seitenfläche des Schwingkörpers angeordnet ist, und wobei die Aufnahmeelektrode auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Schwingkörpers angeordnet ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Anregungs- und/oder Aufnahmeelektroden gemeinsam auf einer Seitenfläche des Schwingkörpers angeordnet sind.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei mehr als zwei Elektrodenpaare vorgesehen sind, die jeweils sowohl als Anregungs- als auch als Aufnahmeelektroden nutzbar sind.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei eine für bestimmte Substanzen sensitive Schicht auf einem Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers angeordnet ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 12, wobei der Schwingkörper zwei Endbereiche aufweist und wobei zumindest einer dieser Endbereiche des Schwingkörpers eingespannt ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 13, wobei der Schwingkörper eine Anisothropie aufweist, wodurch der Schwingköper entlang verschiedener Kristallorientierungen unterschiedliche Piezokoeffizienten aufweist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 14, wobei der Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers, der mit einer zu messenden Substanz bei einer Messung in Kontakt tritt, passiviert ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 15, wobei die Elektroden gemeinsam auf einer Seite des Schwingkörpers angeordnet sind, wobei die dieser Seite gegenüberliegende Seite mit einer zu messenden Substanz in Kontakt bringbar ist, und wobei eine mechanische Sperre gegen den Kontakt der mit den Elektroden versehenden Seite des Schwingkörpers und der zu messenden Substanz vorgesehen ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 16, wobei der Schwingkörper in einen Anregungsteil und einen Sensorteil untergliedert ist, die durch eine mechanische Sperre voneinander getrennt sind, und wobei ausschließlich der Anregungsteil mit den Elektroden versehen ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß Patentanspruch 17, wobei der Sensorteil vollständig passiviert ist.
Piezoelektrischer Sensor gemäß Patentanspruch 17 oder 18, wobei der Anregungsteil in einer Referenzkammer und der Sensorteil in einer Messkammer aufgenommen sind, die voneinander getrennt sind.