DE102007009907B4

DE102007009907B4 - Piezoelectric 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.A piezoelectric sensor comprising a monocrystalline vibrating body made of a piezoelectric material in which a domain-inverted region having inverted crystal axes is formed in a portion of the monocrystalline vibrating body, the remaining portion of the vibrating body not being domain-inverted, and wherein the vibrating body is connected to exciting and receiving electrodes.

Description

Die folgende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, der insbesondere zum Messen physikalischer Eigenschaften von Fluiden geeignet ist.The The following invention relates to a piezoelectric sensor, the in particular for measuring physical properties of fluids suitable is.

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.Especially Oscillating piezoelectric plates can be used as sensor elements for various Measured variables used become. Since they are piezoelectric, they offer the advantage that both the excitation and the reading of the sensor signal with simple electrode structures are realized purely electrically can.

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.Measured variables can be detected with these sensor elements are z. As the viscosity and the Density of different fluids (liquids or Gases). An economically interesting application example therefor is the measurement of viscosity of engine oils, for a timely oil change to signal. Further application examples are different chemical reactions associated with the formation of solid or jelly-like Phases are accompanied and the observation of the homogeneity of suspensions.

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).One further application example for Oscillating piezoelectric plates is the use as Mass sensors, because with the addition of additional mass on their surface a Shifting their resonant frequency is measurable, causing the on their surface accumulated mass is determinable. This can z. B. Bioprocesses observed in which the biomolecules to be detected adhere to the platelet surface remain (eg antibody-antigen reactions).

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.A piezoelectric plate sensor which can detect the parameters described above is in patent document WO 2005/043126 A2 described. The proposed there plate structure is in 13 shown. The sensor wafer is composed of several layers: (i) a sensor element 100 , which is usually made of a non-piezoelectric material (eg., Metal plate), (ii) a piezoelectric layer 101 , which is adhered to the sensor element, (iii) an excitation electrode 102 to apply an electrical voltage which is vibrated in conjunction with the piezoelectric layer of the entire sensor, and (iv) a receiving electrode 103 to detect the sensor signal.

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.This platelet-sensor works in such a way that with the excitation electrode the platelets is excited into a mechanical resonance. Is the tile z. B. in a liquid in which the viscosity, the density or both sizes themselves change over time, so will the resonance frequency and the quality of the mechanical Change the vibration system accordingly. From the size of the changes in the resonance frequency and in the quality, the viscosity and the Density of the liquid be determined.

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.Of the Sensor according to the described state The technique has several disadvantages. This is how the tile is made two glued parts. This requires technology steps, who do not allow a cost-efficient planar technology use. Furthermore, the adhesive layer ages over time. Furthermore This adhesive layer absorbs mechanical energy during the resonance movement of the slide. Also is exclusive a bending vibration possible.

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.Similar Disadvantages also have the piezoceramic layer itself. she is polycrystalline and has a high internal friction, which causes vibration energy is absorbed. These energy losses are particularly important since thereby the effectiveness of Resonance stimulation and the size of the achievable Q factors (and thus the quality) be reduced.

Die Klebeschicht und die Depolarisationseffekte in der Piezokeramik begrenzen zudem den Temperaturbereich, in dem die Sensoren eingesetzt werden können auf maximal 150–180°C.The Adhesive layer and the depolarization effects in the piezoceramic also limit the temperature range in which the sensors are used can to a maximum of 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.Farther it should be noted that for the simultaneous Determination of viscosity and the density (which is usually also change at the same time) two measurement parameters are necessary. At the sensor on the state The technique for this purpose, the resonance frequency and the Goodness of Resonance curves determined. Although you can the resonance frequencies are also detected experimentally well. Indeed is the goodness difficult to determine. For that reason, too, is the accuracy of the sensor limited. It is an object of the present invention To provide a piezoelectric sensor with a planar Technology cost-effective can be produced.

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.These The object is achieved by a piezoelectric sensor with a monocrystalline oscillating body a piezoelectric material in which a domain-inverted region with inverted crystal axes in a portion of the monocrystalline oscillating body is formed, wherein the remaining part of the vibrating body is not domäneninvertiert is, and where the vibrating body connected to excitation and recording electrodes.

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.The present piezoelectric sensor can be used entirely on adhesive surfaces or other types of connections between different However, layers of the oscillating body do without and nevertheless permit the measurement of at least two measuring parameters (eg viscosity and density) simultaneously and with great accuracy and over a wide temperature range.

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.there can the vibrating body be formed from a monolithic crystalline body. The excitation and / or recording electrodes can at least along a part of a longitudinal extent of the vibrating body be arranged. The oscillating body can be stretched be educated. The oscillating body can be as elongated Tile with a substantially rectangular plan or as Tile be formed with a substantially circular outline. The domain inverted Area can be formed as a layer in the cross section of the vibrating body be. In addition, several domain inverted Areas over periodically the oscillating body length distributed be arranged, wherein the excitation and recording electrodes into each other but interlocked electrically isolated from each other and according to the Array of domain inverted Areas can be arranged.

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.According to one another preferred embodiment can the excitation and / or Receiving electrodes are each formed as a pair of electrodes, the on opposite faces of the vibrating body are arranged. Alternatively, the excitation electrode on a first side surface of the vibrating body be arranged, and the receiving electrode may be on an opposite second side of the vibrating body be arranged. Alternatively you can the excitation and / or recording electrodes together on a side surface of the oscillating body be arranged.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehr als zwei Elektrodenpaare vorgesehen sein, die jeweils sowohl als Anregungs- als auch als Aufnahmeelektroden nutzbar sind.According to one another preferred embodiment can more than two electrode pairs may be provided, each one both can be used as excitation as well as recording electrodes.

Des Weiteren kann eine für bestimmte Substanzen sensitive Schicht auf eine Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers angeordnet sein.Of Further one can for certain substances sensitive layer on a subregion of the surface of the oscillating body be arranged.

Außerdem kann der Schwingkörper zwei Endbereiche aufweisen, wobei zumindest einer dieser Endbereiche des Schwingkörpers eingespannt ist.In addition, can the vibrating body have two end portions, wherein at least one of these end portions of the vibrating body is clamped.

Zudem kann der Schwingkörper eine Anisotropie aufweisen, wodurch der Schwingköper entlang verschiedener Kristallorientierungen unterschiedliche Piezokoeffizienten aufweist.moreover can the vibrating body have anisotropy, whereby the vibrating body along different crystal orientations has different piezoelectric coefficients.

Darüber hinaus kann der Teilbereich der Oberfläche des Schwingkörpers, der mit einer zu messenden Substanz bei einer Messung in Kontakt tritt, passiviert sein.Furthermore may be the partial area of the surface the vibrating body, which comes in contact with a substance to be measured during a measurement, be passivated.

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.Besides can the electrodes are arranged together on one side of the oscillating body be, with the side opposite this side with a be brought into contact with the substance to be measured, wherein a mechanical Barrier against contact of the side provided with the electrodes of the vibrating body and the substance to be measured is provided.

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.According to one another embodiment the vibrating body be subdivided into an excitation part and a sensor part, which are separated by a mechanical lock, wherein exclusively the excitation part is provided with the electrodes. It can the Sensor part completely be passivated. In addition, the excitation part in a reference chamber and the sensor part being housed in a measuring chamber, which are separated from each other are.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:The The present invention will be described below with reference to several embodiments in conjunction with the associated Figures closer explained. In these show:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit einseitiger Schwingkörperbefestigung (1a: Querschnitt; 1b: Draufsicht), 1 a schematic representation of an embodiment of the piezoelectric sensor with one-sided oscillating body attachment ( 1a : Cross-section; 1b : Top view),

2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit beidseitiger Schwingkörperbefestigung (2a: Querschnitt; 2b: Draufsicht), 2 a schematic representation of another embodiment of the piezoelectric sensor with double-sided oscillating body attachment ( 2a : Cross-section; 2 B : Top view),

3 ein Diagramm, das Piezokoeffizienten als Funktion eines Drehwinkels in der Waferfläche eines 140° rotiertes Y-Schnitt LiNbO₃ Wafers darstellt, 3 6 is a diagram illustrating piezo coefficients as a function of a rotation angle in the wafer surface of a 140 ° rotated Y-cut LiNbO ₃ wafer;

4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit drei Elektrodenpaaren (3a: Querschnitt; 3b: Draufsicht), 4 FIG. 2 a schematic representation of a further exemplary embodiment of the piezoelectric sensor with three electrode pairs (FIG. 3a : Cross-section; 3b : Top view),

5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit periodisch angeordneten domäneninvertierten Bereichen (5a, Querschnitt; 5b, Draufsicht), 5 2 is a schematic representation of a further exemplary embodiment of the piezoelectric sensor with periodically arranged domain-inverted regions (FIG. 5a , Cross-section; 5b , Top view),

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), 6 1 is a schematic representation of a further exemplary embodiment of the piezoelectric sensor with a plurality of periodically arranged electrodes on a vibrating surface ( 6a : Cross-section; 6b : Top view, 6c such a piezoelectric sensor after 6a and 6b , additionally with a passivated surface),

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), 7 2 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of the piezoelectric sensor with a plurality of periodically arranged electrodes on a vibrating surface with a separate measuring medium (FIG. 7a : Cross-section; 7b : Top view, 7c such a piezoelectric sensor after 7a and 7b but with a vibrating body with a round rather than a rectangular plan),

8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit mehreren periodisch angeordneten Elektroden auf beiden Schwingkörperoberflächen (8a: Querschnitt; 8b: Draufsicht), 8th 2 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of the piezoelectric sensor with a plurality of periodically arranged electrodes on both oscillating body surfaces (FIG. 8a : Cross-section; 8b : Top view),

9 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil (9a: Querschnitt; 9b: Draufsicht), 9 FIG. 2 a schematic representation of a further exemplary embodiment of the piezoelectric sensor with separated excitation and sensor part (FIG. 9a : Cross-section; 9b : Top view),

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), 10 a schematic representation of the vibration modes of a further embodiment of the piezoelectric sensor with separated excitation and sensor part after 9 ( 10a : symmetrical vibration; 10b : asymmetric vibration, 10c : Frequency response),

11 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil mit Passivierung, 11 a schematic representation of another embodiment of the piezoelectric sensor with separated excitation and sensor part with passivation,

12 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des piezoelektrischen Sensors mit separierten Anregungs- und Sensorteil in Zweikammeranordnung (12a: Querschnitt; 12b: Draufsicht), und 12 a schematic representation of another embodiment of the piezoelectric sensor with separated excitation and sensor part in a two-chamber arrangement ( 12a : Cross-section; 12b : Top view), and

13 eine schematische Darstellung eines bekannten piezoelektrischen Sensors (13a: Querschnitt; 13b: Draufsicht). 13 a schematic representation of a known piezoelectric sensor ( 13a : Cross-section; 13b : Top view).

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.A first embodiment of the present invention is disclosed in 1 shown schematically. It has a monocrystalline body attached to one side 1 (e.g., LiNbC ₃ ) in which a domain-inverted layer is formed by thermal treatment 2 has been generated. The corresponding remaining layer 5 is not domain-inverted. The monocrystalline and monolithic body 1 forms a crystalline sensor element. In the shift 2 the orientation of the crystal axes is inverted by 180 °, which leads to the sign of the piezo coefficients (but also the other material coefficients) is changed. In this way the monocrystalline body becomes 1 transformed into a monolithic piezoelectric bimorph without the use of an adhesive layer.

Der Körper 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als dünnes Plättchen mit rechteckigem Grundriß ausgebildet.The body 1 is formed in the present embodiment as a thin plate with a rectangular outline.

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.Is in the body 1 generates an electric field, for. B. by means of electrode pairs 3 . 4 , which run over the entire platelet length or only over a part thereof and are positioned on the upper and lower platelet sides, deformations with different signs occur in the two layers. These deformations will make the platelet 1 set in motion, as well as z. B. is the case with a piezoceramic bimorph.

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.Optionally, also a sensitive layer 6 be applied to the platelet surface and / or on the platelet underside to z. B. to detect bio-molecules or enrich other substances.

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.There is also the possibility of the tile 1 on both sides, which increases stability and resonant frequency. Such an embodiment is in 2 shown.

In 1 und 2 wird das Elektrodenpaar 3, 3 als Aufnahmeelektrode und das Elektrodenpaare 4, 4 als Anregungselektrode verwendet.In 1 and 2 becomes the pair of electrodes 3 . 3 as a receiving electrode and the electrode pairs 4 . 4 used as an excitation electrode.

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.Because the tile 1 is monocrystalline and has an anisotropy, one can (in contrast to the previously used piezoceramics) by the selection of the crystal section stimulate different movements, whereby bending, torsional or a mixing movement consisting of a bending and a torsion component are possible.

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.These movement possibilities can be determined by the piezo coefficients of the plate 1 to explain. For example, consider B. a 140 ° rotated Y-cut LiNbO ₃ wafer from which platelets can be sawn with different orientation. The saw edges are oriented at different angles Φ in the wafer surface, thereby changing the relevant piezo coefficients as in 3 shown. In the diagram according to 3 are the piezo coefficient d '' ₂₃ , which describes the bending movement and the piezo coefficient d '' ₂₅ , which describes the torsional motion, shown as a function of the angle of rotation Φ. If the rotation angle Φ = 0 ° selected, the piezo coefficient d '' _{25 is} also equal to zero and the plate will perform a pure bending movement. If, on the other hand, a rotation angle Φ = 54.5 ° is selected, d '' ₂₃ becomes zero and a pure torsional motion is excited in the plate. For all angles between bending and torsional movements of different strengths are excited and it can be shown that for an angle Φ = 29.5 ° both movements excited equally strong can be. The resonance frequencies of the two types of movement are different (about factor 10 ) and can be stimulated and detected separately.

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.Will the tile 1 , according to the in 1 illustrated embodiment, with the aid of the excitation electrode 4 . 4 resonated (bending or torsion) and then completely or only partially immersed in a liquid, this leads to a change in the resonance frequency. This change is proportional to the depth of immersion and at a constant depth to the viscosity and density of the liquid. From the measured resonance curves, the resonance frequency and the quality (Q-factor) are then determined, from which the viscosity and the density can be calculated. Also, a pure mass occupancy of the platelet surface, z. B. by attachment of biomolecules, leads to a frequency shift, which can then be used for the determination of the additional masses. The crystal cut may be selected so that the wafer can be excited in both bending and torsional resonances at two different frequencies (e.g., 300 Hz for bending and 3000 Hz for torsional resonance). In such a case, both frequencies are shifted under the action of the liquid and from these shifts, the viscosity and the density can be determined with great accuracy. The quality factors of the resonance curves are also available in this case and can be used for increasing the accuracy or for determining other properties of the liquid.

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.The electrode structure may also have other geometries. In 4 For example, an embodiment is shown with a plate with three pairs of electrodes. These can be used both as excitation and as recording electrodes, they will have different efficiency at different types of movement. So z. B. the middle electrode well suited to stimulate bending movements and detect, but will respond to torsion weaker. Predominantly, the middle electrode becomes a receiving electrode 3 , one of the two outer electrodes as the excitation electrode 4 , and the further outer electrode optionally as an excitation or recording electrode 8th used.

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.Another embodiment of the present sensor is shown in FIG 5 shown. The domain-inverted areas 10 are not formed in this case as a layer, but distributed periodically over the platelet length. Between domain-inverted regions are non-domain inverted regions 11 arranged. The excitation of a resonance movement (again bending, torsion or mixed resonance possible) takes place with the help of interdigital electrodes 12 . 13 and 14 . 15 that like in 6 shown are positioned. These have arm areas through which these electrodes 12 . 13 respectively. 14 . 15 interlaced, but electrically isolated from each other. The electrodes are applied in pairs to one platelet surface each. A pair applied to the upper surface 12 . 13 serves z. As for the stimulation of platelet movement and applied to the lower surface pair 14 . 15 picks up the sensor signals. The field lines are in 5 represented by the reference F →.

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.The of the electrode fingers of the electrodes 12 . 13 excited electric fields F → produce surface deformations (eg, expansion or contraction) that propagate along the platelet 1 add up and eventually lead to a movement similar to a monomorph. In order for the surface deformations to cumulate with a periodic change in the direction of the electric field, it is necessary that the orientation of the crystal axes also change with the same periodicity. This is achieved with domain inversion. The excitation and recording electrodes are well spatially separated in this case and will disturb less than in the case of the embodiment according to 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.Another embodiment which is also based on periodic electrodes is shown in FIG 6 shown. In this embodiment, the excitation and pickup electrode pairs 13 . 12 and 14 . 15 arranged on the same platelet side. This results in the possibility of "freeing" one side of the plate from the electrodes and then using this as the "sensor side" for the measuring liquid or mass occupation. This embodiment is especially useful for media (measuring liquids) that are sensitive to metal layers or electric fields.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können mehr als zwei Elektrodenpaare auf die Fläche positioniert werden, wodurch die Flexibilität der Anregung und Signalaufnahme erhöht ist.Also in this embodiment can more than two pairs of electrodes can be positioned on the surface, thereby the flexibility the excitation and signal pickup is increased.

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.Also a passivation of that surface 20 of the sensor plate, which is in contact with the measuring fluid FI, can be performed here, as in 6c shown.

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.In order to achieve a complete separation of the measuring medium FI from the electrode side, it is also possible to realize a kind of membrane solution, in which the upper and lower plate sides by a suitable attachment 30 are separated, as in the embodiment according to 7 is shown.

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.It is also possible on every plate more than one pair of electrodes. So shows 8th an embodiment with two pairs per side. This embodiment allows both the excitation strength and the size of the sensor signal to be doubled. In order to achieve this, the two excitation electrodes on both sides of the plate are supplied with control voltage and the sensor signals are also obtained from two receiving electrodes.

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.An even greater flexibility offer the embodiment 9 in which the excitation part 50 (can also serve as a reference sensor) and the sensor part 60 of the platelet are completely separated from each other. The plate is in this case only partially with electrodes 3 . 4 (flat or even periodic electrodes are possible) coated and in the wall 70 a measuring chamber with measuring fluid FI installed. The electrodes 3 . 4 lie outside the measuring medium FI, so that the measuring part 60 is completely free of electric fields and can be used in liquids that are sensitive to such fields. Is the wall 70 the measuring chamber sufficiently thin, z. B. some 100 microns, so the movement is in the excitation part 60 also in the sensor part 60 transmitted and both parts can be put into resonance.

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.Mechanically considered, the two parts of the embodiment are after 9 two coupled resonators. The two lowest vibration modes of this system are in 10 shown: (a) symmetric mode with frequency F ₁ and (b) asymmetric mode with frequency F ₂ where F ₁ <F ₂ . The corresponding resonance curve with two maxima is in 10c shown.

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.Of the Distance between the two frequencies is determined by the strength of the Coupling of the two resonators, d. H. through the thickness of the chamber wall certainly. It is true that the thicker the wall, the weaker the wall Coupling, whereby the (identical) resonators with (almost) the same Frequencies are vibrating. A thin one In contrast, wall conditions a strong coupling and the two frequencies drift apart.

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.amendments in viscosity or / and density of the measuring fluid to lead to changes in the resonant frequencies and can be used as a sensor signal. Since the two parts of the slide on the same way one can influence the temperature Exclude temperature effect by using the excitation part as a reference sensor.

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.It is still possible, the sensor part 60 of the platelet completely passive, ie also free from piezo effect. That's what this part becomes 60 treated with a strong proton exchange in pure benzoic acid, whereby the piezo effect can be reduced to virtually zero. A corresponding embodiment in which the platelet part with passivation also with the reference numeral 80 is marked in 11 shown.

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.Another embodiment that is in 12 is shown realizes a bicameral system. For this purpose, a reference chamber R is constructed, through the mounting wall 70 is separated from the measuring chamber M. In the reference chamber, a reference liquid, for. B. reference oil, which is only exposed to temperature fluctuations, but otherwise no pollution from the engine and the environment learns to be filled. In this way, not only the temperature influence can be turned off, but also a differential measurement can be realized, in which a calibration of the sensor is not absolutely necessary.

Claims

Piezoelectric sensor with a monocrystalline oscillating body from a piezoelectric material in which a domain inverted Area with inverted crystal axes in a partial area of monocrystalline oscillating body is formed, wherein the remaining part of the vibrating body is not domain inverted is, and wherein the vibrating body with Excitation and recording electrodes is connected.

Piezoelectric sensor according to claim 1, wherein the oscillating body is formed from a monolithic crystalline body.

Piezoelectric sensor according to claim 1 or 2, wherein the excitation and / or Pickup electrodes at least along a part of a longitudinal extension of the vibrating body are arranged.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 3, wherein the vibrating body extends longitudinally is trained.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 4, wherein the vibrating body as longitudinally extending Tile with a substantially rectangular Floor plan or as a platelet is formed with a substantially circular outline.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 5, where the domain inverted Region is formed as a layer in the cross section of the vibrating body.

A piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of domains inverted regions are arranged distributed periodically over the oscillator body length, and wherein the excitation and recording electrodes interlocked with each other but are electrically isolated from each other and arranged according to the arrangement of the domain-inverted regions.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 7, wherein the excitation and / or recording electrodes each as a pair of electrodes are formed on opposite faces of the vibrating body are arranged.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 7, wherein the excitation electrode on a first side surface of the oscillating body is arranged, and wherein the receiving electrode on an opposite second side of the vibrating body is arranged.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 7, wherein the excitation and / or recording electrodes together on a side surface of the vibrating body are arranged.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 10, wherein more than two pairs of electrodes are provided, each can be used both as excitation and as recording electrodes.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 11, with one for certain substances sensitive layer on a portion of the surface of the vibrating body is arranged.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 12, wherein the vibrating body two Having end portions and wherein at least one of these end portions of the vibrating body is clamped.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 13, wherein the vibrating body a Anisothropy, whereby the vibrating body along different crystal orientations has different piezoelectric coefficients.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 14, wherein the portion of the surface of the vibrating body, the comes in contact with a substance to be measured during a measurement, is passivated.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 15, wherein the electrodes are arranged together on one side of the vibrating body are, with this page opposite side with a be brought into contact with the substance to be measured, and wherein a mechanical Barrier against contact of the side provided with the electrodes of the vibrating body and the substance to be measured is provided.

Piezoelectric sensor according to one of the claims 1 to 16, wherein the vibrating body in an excitation part and a sensor part is divided, the are separated by a mechanical lock, and wherein exclusively the excitation part is provided with the electrodes.

Piezoelectric sensor according to claim 17, wherein the sensor part completely is passivated.

Piezoelectric sensor according to claim 17 or 18, wherein the excitation part in a reference chamber and the sensor part are received in a measuring chamber, which are separated from each other.