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DE19755418A1 - Sensor measuring complex impedances - Google Patents

Sensor measuring complex impedances

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DE19755418A1
DE19755418A1 DE1997155418 DE19755418A DE19755418A1 DE 19755418 A1 DE19755418 A1 DE 19755418A1 DE 1997155418 DE1997155418 DE 1997155418 DE 19755418 A DE19755418 A DE 19755418A DE 19755418 A1 DE19755418 A1 DE 19755418A1
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DE
Germany
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sensor element
sensor
electrodes
determination
voltage
Prior art date
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Application number
DE1997155418
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German (de)
Inventor
Bernd Dipl Phys Dr I Hillerich
Thomas Dipl Ing Haerle
Anton Dipl Phys Leidl
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Priority to DE1997155418 priority Critical patent/DE19755418A1/en
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Abstract

Electrodes (29) are coated with an insulating layer (27). In comparison with their spacing (S), this layer is thin (d). Preferred Features: The insulating layer has high chemical stability. It is silicon carbide; its thickness, 0.2 - 2 mu m, is less than a quarter of the electrode spacing. The sensor is a surface acoustic wave (SAW) device. A capacitive electrode is applied to it. The sensor element is a surface acoustic wave sensor with interdigital electrodes on the substrate. One of the interdigital electrodes forms a measurement electrode pair. The measurement equipment includes analysis circuitry. Further variables are measured. The analysis unit is an oscillator circuit. The analysis unit voltage source produces two oscillatory signals of the same frequency. A current source controlled by one of them, produces an oscillatory current signal. An amplifier measures the signal dropped across the impedance to be measured, and is suitable to produce a corresponding oscillating voltage signal. A mixer takes this signal, combining it with the second of the two source signals cited with 0 deg or 90 deg phase shift, so that real and imaginary parts of the impedance can be determined. The amplifier has connections for positive and negative supply voltages supplied via a series resistance with connections to a voltage stabilizer and the amplifier output. Sensor line screening and buffer amplification are described. A signal switch changes over between individual sensors.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement zur Ermittlung komplexer Impedanzen sowie auf eine Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen mit diesem Sensorelement. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen kann vorteilhafterweise zur Analyse der Eigenschaften von Flüssigkeiten, zur Bestimmung des Alterungszustands von Schmierölen, zur Feuchtemessung in Erdböden, zur Messung von Ionenkonzentrationen, zur Bestimmung des Wassergehalts in Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätszahl, insbesondere aber zur Bestimmung der Wasserkonzentration in Alkoholen und umgekehrt, d. h. zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in Wasser, zur Bestimmung des Wassergehalts in Ölen und umgekehrt, zur Bestimmung des Wassergehalts in Bremsflüssigkeit, zur Bestimmung der Zusammensetzung von Milch, insbesondere zur Bestimmung ihres Fettgehalts, zur Bestimmung des Zeitpunkts der Aushärtung von Beton und zur Untersuchung der Verunreinigung des Erdbodens mit Öl oder Säuren verwendet werden. Insbesondere, wenn die Vorrichtung als Sensor einen Oberflächenwellen-Sensor enthält, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Säuren und Laugen in Wasser identifiziert und ihre Konzentrationsbestimmung vorgenommen werden.The present invention relates to a sensor element for determination complex impedances and a device for measuring complex Impedances with this sensor element. The inventive device for Measurement of complex impedances can advantageously be used to analyze the Properties of liquids, for determining the state of aging of Lubricating oils, for moisture measurement in soil, for measuring Ion concentrations, for determining the water content in liquids with low dielectric constant, but especially for determining the Water concentration in alcohols and vice versa, d. H. to determine the Alcohol concentration in water, for determining the water content in oils and vice versa, to determine the water content in brake fluid, to determine the composition of milk, especially to determine its fat content, to determine the time of hardening of concrete and to examine the Contamination of the ground with oil or acids can be used. In particular, if the device contains a surface wave sensor as a sensor, can identified with the device according to the invention acids and bases in water and their concentration can be determined.

Die Messung der dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit) von festen und flüssigen Materialien wird allgemein eingesetzt, um die Qualität von Materialien zu charakterisieren oder Veränderungen, beispielsweise in ihrer Zusammensetzung festzustellen. Beispielhafte Anwendungen sind Feuchtemessungen in Gasen oder festen Medien, die Messung von Ionenkonzentrationen oder die Bestimmung des Wassergehalts von Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätszahl (z. B. Alkohol, Öl, Bremsflüssigkeit beim Kraftfahrzeug).Measurement of dielectric properties (dielectric constant and conductivity) of solid and liquid materials is widely used to ensure the quality of To characterize materials or changes, for example in their Determine composition. Exemplary applications are Moisture measurements in gases or solid media, the measurement of  Ion concentrations or the determination of the water content of liquids with low dielectric constant (e.g. alcohol, oil, brake fluid in motor vehicles).

In den bekannten Vorrichtungen zur Messung der komplexen Impedanz ist der Sensor in der Regel eine aus mindestens zwei Elektroden bestehende Kapazität, die als Plattenkondensator, in Form koaxialer Röhren oder als flächig angeordneter Interdigitalkondensator (IDK) realisiert ist. Gemessen wird die komplexe Impedanz Z = 1/jωC + R, wobei ω die Kreisfrequenz, j = √-1, C die Kapazität und R den Widerstand bezeichnet.In the known devices for measuring the complex impedance Sensor usually has a capacitance consisting of at least two electrodes as a plate capacitor, in the form of coaxial tubes or as a flat arrangement Interdigital capacitor (IDK) is realized. The complex impedance is measured Z = 1 / jωC + R, where ω is the angular frequency, j = √-1, C is the capacitance and R is the Called resistance.

Bei derartigen kapazitiven Sensoren sind die Elektroden in der Regel aus einem leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall oder einer Metallegierung hergestellt. Dabei tritt das Problem auf, daß diese Sensoren in der Regel nicht über längere Zeit in hochkorrosiven Flüssigkeiten wie beispielsweise hochkonzentrierten Laugen oder Basen einsetzbar sind, da metallische Elektroden in aller Regel angegriffen bzw. weggeätzt werden.In such capacitive sensors, the electrodes are usually made of one conductive material, for example a metal or a metal alloy produced. The problem arises that these sensors usually do not have for a long time in highly corrosive liquids such as highly concentrated Alkali or bases can be used, as metallic electrodes are usually used be attacked or etched away.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das bekannte Sensorelement derart weiterzubilden, daß das sich ergebende Sensorelement bei der Messung gegenüber dem Umgebungsmedium weitgehend unempfindlich ist.The present invention is therefore based on the object, the known To further develop the sensor element such that the resulting sensor element at Measurement is largely insensitive to the surrounding medium.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.According to the present invention, the object is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Sensorelement zur Messung komplexer Impedanzen mit mindestens zwei aus einem leitfähigen Material bestehenden Elektroden, die in einem Abstand S voneinander angeordnet sind, wobei die Elektroden mit einer im Vergleich zum Abstand S dünnen isolierenden Schicht überzogen sind. Dabei können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Elektroden auch in Form sogenannter Interdigitalelektroden angeordnet sein. In particular, the present invention relates to a sensor element for measurement complex impedances with at least two made of a conductive material existing electrodes which are arranged at a distance S from one another, wherein the electrodes with a thin insulating compared to the distance S Layer are coated. According to a preferred embodiment the electrodes can also be arranged in the form of so-called interdigital electrodes.  

Wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung überraschenderweise feststellten, kann die Messung komplexer Impedanzen mit zuverlässiger Genauigkeit erfolgen, wenn die isolierende Schicht hinreichend dünn ist. Hinreichend dünn heißt in diesem Zusammenhang, daß die Dicke der isolierenden Schicht dünn ist im Vergleich zum Abstand der Elektroden.As the inventors of the present invention surprisingly found, complex impedances are measured with reliable accuracy if the insulating layer is sufficiently thin. Sufficiently thin means in this Context that the thickness of the insulating layer is thin compared to Distance of the electrodes.

Dabei ist die isolierende Schicht vorzugsweise chemisch hochstabil, so daß die mit der isolierenden Schicht beschichteten Elektroden auch gegenüber hochkorrosiven Medien geschützt sind.The insulating layer is preferably chemically highly stable, so that the insulating layer coated electrodes also against highly corrosive Media are protected.

Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus auch eine Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen nach Anspruch 8 oder 9.The present invention also relates to a device for measurement complex impedances according to claim 8 or 9.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen kann vorteilhafterweise zur Analyse der Eigenschaften von Flüssigkeiten, zur Bestimmung des Alterungszustands von Schmierölen, zur Feuchtemessung in Erdböden, zur Messung von Ionenkonzentrationen, zur Bestimmung des Wassergehalts in Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätszahl, insbesondere aber zur Bestimmung der Wasserkonzentration in Alkoholen und umgekehrt, zur Bestimmung des Wassergehalts in Ölen und umgekehrt, zur Bestimmung des Wassergehalts in Bremsflüssigkeit, zur Bestimmung der Zusammensetzung von Milch, insbesondere zur Bestimmung ihres Fettgehalts, zur Bestimmung des Zeitpunkts der Aushärtung von Beton und zur Untersuchung der Verunreinigung des Erdbodens mit Öl oder Säuren verwendet werden. Insbesondere, wenn die Vorrichtung als Sensor einen Oberflächenwellen-Sensor enthält, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Säuren und Laugen in Wasser identifiziert und ihre Konzentrationsbestimmung vorgenommen werden.The device according to the invention for measuring complex impedances can advantageously for analyzing the properties of liquids, for determination the state of aging of lubricating oils, for moisture measurement in soil, for Measurement of ion concentrations, to determine the water content in Liquids with a low dielectric constant, but especially for determining the Water concentration in alcohols and vice versa, to determine the Water content in oils and vice versa, for determining the water content in Brake fluid, for determining the composition of milk, especially for Determination of their fat content, to determine the time of curing of Concrete and to investigate the contamination of the ground with oil or acids be used. Especially if the device is a sensor Surface wave sensor contains can with the device according to the invention Acids and alkalis identified in water and their concentration determination be made.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben werden. In the following, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings will be described in more detail.  

In den begleitenden ZeichnungenIn the accompanying drawings

zeigt Fig. 1 eine beispielhafte Anordnung der Elektroden in dem erfindungsgemäßen Sensorelement; Figure 1 shows an exemplary arrangement of the electrodes in the inventive sensor element.

zeigt Fig. 2a die Anordnung mit sogenannten Interdigitalelektroden in Draufsicht, während Fig. 2b die Anordnung mit Interdigitalelektroden im Querschnitt zeigt;2a shows the arrangement with so-called interdigital electrodes in plan view, while FIG 2b shows the arrangement of the interdigital electrodes in cross section..;

zeigt Fig. 3 eine Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen gemäß der vorliegenden Erfindung; Figure 3 shows a device for measuring complex impedance according to the present invention.

zeigt Fig. 4 eine mögliche Auswerteschaltung zur Realisierung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figure 4 shows a possible evaluation circuit for implementing an embodiment of the inventive device.

zeigt Fig. 5 eine weitere mögliche Auswerteschaltung zur Realisierung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figure 5 shows a further possible evaluation circuit for implementing an embodiment of the inventive device.

zeigt Fig. 6 eine typische Signalform, die mit der in Fig. 4 gezeigten Auswerteschaltung erhalten wird; Fig. 6 shows a typical waveform obtained with the evaluation circuit shown in Fig. 4;

zeigt Fig. 7 eine weitere mögliche Auswerteschaltung zur Realisierung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Figure 7 shows a further possible evaluation circuit for implementing an embodiment of the inventive device. and

zeigt Fig. 8 eine Einrichtung, die anstelle des Multiplizierers oder Mischers zur geeigneten Kombination der jeweiligen Signale verwendet werden kann. FIG. 8 shows a device that can be used instead of the multiplier or mixer for a suitable combination of the respective signals.

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 28 und 29 jeweils Elektroden zur Messung komplexer Impedanzen. Der Abstand zwischen den Elektroden wird mit dem Bezugszeichen S bezeichnet. Eine der Elektroden ist mit einer Auswerteschaltung 26 verbunden. Beide Elektroden sind mit einer dünnen Isolierschicht 27 überzogen, die vorzugsweise aus einem chemisch hochstabilen Material besteht.In Fig. 1, reference numerals 28 and 29 each designate electrodes for measuring complex impedances. The distance between the electrodes is designated by the reference symbol S. One of the electrodes is connected to an evaluation circuit 26 . Both electrodes are covered with a thin insulating layer 27 , which preferably consists of a chemically highly stable material.

Beispiele für derartige chemisch hochstabile Materialien umfassen SiC, SiO2 oder Si3N4.Examples of such chemically highly stable materials include SiC, SiO 2 or Si 3 N 4 .

Dabei ist die Dicke d der Isolierschicht 27 klein im Vergleich zum Abstand S zwischen den Elektroden, d. h. die Dicke d ist kleiner als der Abstand S. Vorzugsweise ist die Dicke der Isolierschicht kleiner als ein Viertel des Abstands S. Die Dicke der Isolierschicht kann vorzugsweise 0,2 bis 2 µm betragen.The thickness d of the insulating layer 27 is small in comparison to the distance S between the electrodes, ie the thickness d is smaller than the distance S. The thickness of the insulating layer is preferably less than a quarter of the distance S. The thickness of the insulating layer can preferably be 0 , 2 to 2 µm.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Sensorelement auch als ein Oberflächenwellen (OFW)-Sensor ausgestaltet sein, wie er beispielsweise aus den deutschen Patentanmeldungen P 196 30 890.9 und P 197 06 486.8 bekannt ist. Bei einer solchen Vorrichtung können dann neben den durch den OFW-Sensor bestimmten Meßgrößen wie beispielsweise Viskosität, Dichte oder Masseanlagerung auch der Leitwert sowie die dielektrischen Eigenschaften bestimmt werden. Dies geschieht dann vorzugsweise durch auf den OFW-Sensor aufgebrachte kapazitative Elektroden. Es kann jedoch auch, wie in Fig. 2a) oder 2b) gezeigt, eine der Interdigitalelektroden 28, 29 als kapazitatives Meßelektrodenpaar benutzt werden.According to the present invention, the sensor element according to the invention can also be designed as a surface wave (SAW) sensor, as is known, for example, from German patent applications P 196 30 890.9 and P 197 06 486.8. With such a device, in addition to the measured variables determined by the SAW sensor, such as viscosity, density or mass accumulation, the conductance and the dielectric properties can also be determined. This is then preferably done by capacitive electrodes applied to the SAW sensor. However, as shown in FIG. 2a) or 2b), one of the interdigital electrodes 28 , 29 can also be used as a capacitive pair of measuring electrodes.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen umfaßt mindestens ein solches Sensorelement und eine Auswerteschaltung.A device according to the invention for measuring complex impedances comprises at least one such sensor element and an evaluation circuit.

Als Auswerteschaltungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einerseits eine Oszillatorschaltung denkbar, bei denen die Kapazität C des Sensors die Schwingfrequenz und der Widerstand R die Schwingamplitude beeinflußt.One is on the one hand as evaluation circuits for the device according to the invention Oscillator circuit conceivable in which the capacitance C of the sensor Vibration frequency and the resistance R influences the vibration amplitude.

Weiterhin ist eine alternative Auswerteschaltung für die erfindungsgemäße Vorrichtung wie in Fig. 3 gezeigt aufgebaut. Eine solche Auswerteschaltung ist beispielsweise aus dem Aufsatz "A broad-bandwidth mixed analog/digital integrated circuit for the measurement of complex impedances" von M.A. Hilhorst et al., IEEE Journal of solid state circuits, vol. 28, No. 7, S. 764 ff. (1993) bekannt.Furthermore, an alternative evaluation circuit for the device according to the invention is constructed as shown in FIG. 3. Such an evaluation circuit is, for example, from the article "A broad-bandwidth mixed analog / digital integrated circuit for the measurement of complex impedances" by MA Hilhorst et al., IEEE Journal of solid state circuits, vol. 28, No. 7, p. 764 ff. (1993).

Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist die Größe der Wechselspannung, die über der Meßimpedanz Z, die in Fig. 3. als Parallelschaltung der Kapazität C und dem Widerstand R dargestellt ist, abfällt, proportional zur Impedanz selbst. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß in die Impedanz ein Wechselstrom IAC eingeprägt wird, indem eine spannungsgesteuerte Stromquelle 1 von einer Wechselspannungsquelle 2 angesteuert wird. Das über der Impedanz Z abfallende Wechselspannungssignal gelangt über einen Werstärker 3 auf einen Multiplizierer oder Mischer 4, wobei das zweite Eingangssignal Uref entweder mit der Phasenverschiebung ϕ = 0° oder ϕ = 90°, bezogen auf UAC dem Multiplizierer zugeführt wird.In the arrangement shown in FIG. 3, the magnitude of the AC voltage, which drops across the measuring impedance Z, which is shown in FIG. 3 as a parallel connection of the capacitance C and the resistor R, is proportional to the impedance itself. This is achieved, for example, by this that an alternating current I AC is impressed into the impedance in that a voltage-controlled current source 1 is driven by an alternating voltage source 2 . The alternating voltage signal dropping over the impedance Z is fed via a power amplifier 3 to a multiplier or mixer 4 , the second input signal U ref being fed to the multiplier either with the phase shift ϕ = 0 ° or ϕ = 90 °, based on U AC .

Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung wird die Phasenverschiebung ϕ = 90°durch einen Phasenschieber 6 bewirkt. Dabei sind jedoch auch andere Mechanismen zum Verursachen einer Phasenverschiebung denkbar.In the arrangement shown in FIG. 3, the phase shift ϕ = 90 ° is brought about by a phase shifter 6 . However, other mechanisms for causing a phase shift are also conceivable.

Im Fall ϕ = 0 handelt es sich um eine In-Phase-Demodulation, d. h. das Ausgangssignal des Multiplizierers hat die Form UM = Usig × Uref. Der am Ausgang des Tiefpaßfilters vorliegende Mittelwert von UM ist dann also proportional zum Realteil der Impedanz Z. Im Fall ϕ = 90° handelt es sich um eine Quadraturdemodulation, und das Ausgangssignal Ua ist proportional zum Imaginärteil der Impedanz.In the case ϕ = 0 it is an in-phase demodulation, ie the output signal of the multiplier has the form U M = U sig × U ref . The mean value of U M present at the output of the low-pass filter is then proportional to the real part of the impedance Z. In the case ϕ = 90 ° it is a quadrature demodulation, and the output signal U a is proportional to the imaginary part of the impedance.

Dieses Verfahren ermöglicht somit eine in weiten Bereichen korrekte Bestimmung von Real- und Imaginärteil der Impedanz, bzw. ihrem Kehrwert, also von Leitwert und Kapazität.This method thus enables a correct determination in a wide range of the real and imaginary part of the impedance, or its reciprocal value, i.e. of the conductance and capacity.

Ein Problem der bekannten Auswerteschaltung besteht darin, daß wenn sich der Sensor nicht in unmittelbarer Nähe des Oszillators oder des Verstärkers befindet, in der Regel eine Schirmung der Verbindungsleitung erforderlich ist, um Meßfehler durch wechselnde Umgebungsbedingungen (Streukapazität, Signaleinstreuung) zu vermeiden. Die Kapazität Ck des geschirmten Kabels 7 ist dabei parallel zur Meßkapazität und kann vor allem bei kleinen Werten für C zu beträchtlichen Meßfehlern führen. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß die Eingangskapazität von Oszillatorschaltungen oder Verstärkern typischerweise zwischen 5 und 10 pF liegt, während die Kabelkapazität ca. 50 bis 100 pF/m beträgt. Die Kabelkapazität ist dabei temperaturabhängig, so daß eine Kompensation des Meßfehlers durch Subtraktion nur für eine Temperatur gilt. Bei Bewegung des Kabels entstehen durch Kapazitätsschwankungen Rauschstörungen. One problem with the known evaluation circuit is that if the sensor is not in the immediate vicinity of the oscillator or the amplifier, the connection line must generally be shielded in order to avoid measurement errors due to changing ambient conditions (stray capacitance, signal interference). The capacitance C k of the shielded cable 7 is parallel to the measuring capacitance and can lead to considerable measuring errors, especially with small values for C. It should be noted in particular that the input capacitance of oscillator circuits or amplifiers is typically between 5 and 10 pF, while the cable capacitance is approximately 50 to 100 pF / m. The cable capacity is temperature-dependent, so that compensation of the measurement error by subtraction only applies to one temperature. When the cable is moved, noise fluctuations occur due to capacity fluctuations.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nun die bei einem geschirmten Kabel zwischen Sensor und Auswerteschaltung auftretende Kabelkapazität durch das Konzept der sogenannten aktiven Schirmung (s. beispielsweise "The Art of Electronics" von P. Horowitz und W. Hil, Cambridge University Press, S. 465) beseitigt. Wie am Beispiel der in Fig. 4 gezeigten Auswerteschaltung wird der Außenleiter des geschirmten Kabels an den Ausgang des Pufferverstärkers mit dem Verstärkungsfaktor V ≈ 1 angeschlossen. Die wirksame Kapazität des Kabels beträgt dann CF = CK(1-V).According to the present embodiment, the cable capacitance that occurs in a shielded cable between the sensor and the evaluation circuit is determined by the concept of so-called active shielding (see, for example, "The Art of Electronics" by P. Horowitz and W. Hil, Cambridge University Press, p. 465 ) eliminated. As with the example of the evaluation circuit shown in FIG. 4, the outer conductor of the shielded cable is connected to the output of the buffer amplifier with the amplification factor V ≈ 1. The effective capacity of the cable is then C F = C K (1-V).

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch, wie zusätzlich in Fig. 4 gezeigt ist, bei allen Ausführungsformen die spannungsgesteuerte Stromquelle 1 durch einen hochohmigen Widerstand RB ersetzt sein, was für manche Anwendungen, bei denen die Ausgangsspannung nicht exakt proportional zur Impedanz sein muß, eine vom Aufwand her günstige Variante darstellt.According to the present invention, as is additionally shown in FIG. 4, in all embodiments the voltage-controlled current source 1 can be replaced by a high-resistance resistor R B , which for some applications in which the output voltage does not have to be exactly proportional to the impedance represents a cost-effective variant.

Ein weiteres Problem bei der bekannten Auswerteschaltung besteht darin, daß Eingangsströme IB des Verstärkers oder Leckströme zu einer Stromaufteilung und damit zu einer Verfälschung des Meßwertes für den Realteil R der Impedanz führen, der häufig sehr hochohmig ist, wodurch schon geringe Eingangs- bzw. Leckströme zu Verfälschungen des Meßwertes führen können, die außerdem häufig temperaturabhängig sind, was eine Kompensation sehr erschwert.Another problem with the known evaluation circuit is that input currents I B of the amplifier or leakage currents lead to a current distribution and thus to a falsification of the measured value for the real part R of the impedance, which is often very high-impedance, which means that even low input or leakage currents can lead to falsifications of the measured value, which are also often temperature-dependent, which makes compensation very difficult.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 5 dargestellt ist, kann dieses Problem dadurch gelöst werden, daß die Verstärkungseinrichtung ein Verstärker ist, dessen Anschlüsse für positive Versorgungsspannung und negative Versorgungsspannung einerseits jeweils über einen Vorwiderstand mit der jeweils positiven und negativen Betriebsspannung und andererseits jeweils über Spannungsstabilisatoren wie beispielsweise eine Zenerdiode mit dem Ausgang der Verstärkungseinrichtung verbunden sind.According to a preferred embodiment, which is shown in Fig. 5, this problem can be solved in that the amplifier device is an amplifier, the connections for positive supply voltage and negative supply voltage on the one hand via a series resistor with the respective positive and negative operating voltage and on the other hand are connected to the output of the amplifying device via voltage stabilizers such as a Zener diode.

Das heißt, wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung überraschenderweise feststellten, kann der Einfluß von Leckstrom und Eingangsstrom des Verstärkers sowie dessen wirksame Eingangskapazität beseitigt werden, wenn die Spannungsversorgung des Verstärkers dem aktiven Schirmpotential folgt. Dabei kann dieses Konzept natürlich auch angewendet werden, wenn das Sensorelement nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. Das heißt, diese spezielle Schaltung ist auf alle möglichen Auswerteschaltungen zur Ermittlung komplexer Impedanzen ohne Berücksichtigung der speziellen Ausgestaltung des Sensorelements anwendbar.That is, like the inventors of the present invention, surprisingly the influence of leakage current and input current of the amplifier  and its effective input capacity will be eliminated if the Power supply of the amplifier follows the active shield potential. It can this concept can of course also be applied when the sensor element is not is designed according to the present invention. That is, this particular one Circuit is complex on all possible evaluation circuits for determining Impedances without taking into account the special design of the sensor element applicable.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind die Anschlüsse für positive Versorgungsspannung Up und negative Versorgungsspannung Un einerseits über Vorwiderstände 8, 9 mit der positiven bzw. negativen Betriebsspannung U+ und U- verbunden und andererseits über Zenerdioden 10, 11 mit dem Ausgang des Verstärkers 3. Typische Spannungsverläufe für Up, Un und Usig sind in Fig. 6 skizziert. In diesem Fall haben Leck- und Eingangsstrom nur einen Gleichspannungsanteil, tragen also nicht zum Wechselspannungssignal bei. Die Eingangskapazität des Verstärkers 3 wird nicht umgeladen, ebenso wie die Kabelkapazität bei aktiver Schirmung, so daß der volle Meßstrom über die Impedanz des Sensors fließt.As shown in Fig. 5, the connections for positive supply voltage U p and negative supply voltage U n are connected on the one hand via series resistors 8 , 9 to the positive or negative operating voltage U + and U- and on the other hand via Zener diodes 10 , 11 to the output of Amplifier 3 . Typical voltage profiles for U p , U n and U sig are outlined in FIG. 6. In this case, the leakage and input currents only have a direct voltage component and therefore do not contribute to the alternating voltage signal. The input capacitance of the amplifier 3 is not reloaded, as is the cable capacitance when the shielding is active, so that the full measuring current flows through the impedance of the sensor.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere Sensoren zur Erfassung der komplexen Impedanz umfaßt, ist es in der Regel kostengünstig, nur eine Auswerteschaltung zu verwenden und deren Eingang zwischen den einzelnen Sensoren über einen elektronischen Signalumschalter (sog. Multiplexer) umzuschalten. Die wirksame Eingangkapazität des Multiplexers, die in der gleichen Größenordnung liegt wie die eines Verstärkers, läßt sich ebenfalls dadurch auf Null reduzieren, indem die Versorgungsspannung(en) des Multiplexers ebenfalls dem aktiven Schirmpotential folgen.If the device according to the invention has several sensors for detecting the complex impedance, it is usually inexpensive, only one Use evaluation circuit and their input between the individual Sensors via an electronic signal switch (so-called multiplexer) switch. The effective input capacity of the multiplexer in the same The order of magnitude is that of an amplifier and can also be reduced to zero reduce the supply voltage (s) of the multiplexer to the follow active screen potential.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für drei Sensoren mit den Kapazitäten C1, C2 und C3, wobei alle 3 Sensoren über geschirmte Kabel mit der Auswerteelektronik verbunden sind. Bei der Beschaltung der Steuereingänge des Multiplexers 12 ist zu berücksichtigen, daß diese je nach gewünschter Schalterstellung entweder auf Ub+ oder Ub- liegen müssen, die ja mit dem aktiven Schirmpotential schwanken. Fig. 7 shows a preferred embodiment for three sensors with the capacitances C1, C2 and C3, all 3 sensors are connected via shielded cable to the transmitter. When connecting the control inputs of the multiplexer 12 , it must be taken into account that, depending on the desired switch position, these must either be at Ub + or Ub-, which fluctuate with the active shield potential.

Eine geeignete Beschaltung bei Verwendung von auf negative bzw. positive Betriebsspannung bezogenen Steuersignaleingängen 13, bestehend aus den Vorwiderständen 16, 17, den Transistoren 18, 19 und den Pull-up-Widerständen 14, 15 ist ebenfalls in Fig. 7 gezeigt.A suitable circuit when using control signal inputs 13 relating to negative or positive operating voltage, consisting of the series resistors 16 , 17 , the transistors 18 , 19 and the pull-up resistors 14 , 15 is also shown in FIG. 7.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, denn Multiplizierer 4 durch die in Fig. 8 gezeigte Schaltung zu ersetzen. Die in Fig. 8 gezeigte Schaltung besteht aus zwei mit gegenphasigem Steuersignal angesteuerten Analogschaltern 19, 20, von denen der Analogschalter 20 über das mit dem Verstärker 21 invertierte Meßsignal Usig angesteuert wird. Dieses Schaltungskonzept ist als "phasenempfindlicher Vollwellen-Gleichrichter" bekannt und zeichnet sich durch eine hohe Linearität aus.According to the present invention, it is also possible to replace the multiplier 4 with the circuit shown in FIG. 8. The circuit shown in FIG. 8 consists of two analog switches 19 , 20 driven with a control signal of opposite phase, of which the analog switch 20 is controlled via the measurement signal U sig inverted by the amplifier 21 . This circuit concept is known as a "phase-sensitive full-wave rectifier" and is characterized by a high linearity.

Wenn das erfindungsgemäße Sensorelement als OFW-Sensor realisiert ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch noch weitere Einrichtungen zur Ermittlung weiterer Meßgrößen umfassen.If the sensor element according to the invention is implemented as an SAW sensor, the Device according to the invention also other devices for determination include other measured variables.

Beispielexample

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit zwei Sensoren zur Kontrolle des Motoröls und der Bremsflüssigkeit bei Kraftfahrzeugen. Ein solches Sensorsystem läßt sich wie in Fig. 7 gezeigt realisieren. Die Sensoren bestehen dabei jeweils aus auf Quarzglas aufgesputterten Interdigital- Elektroden aus Gold mit einer aktiven Fläche von 1 cm2 und einer Kapazität von 20 pF. Um eine Korrosion der Elektroden zu verhindern, ist ihre Oberfläche mit Siliziumkarbid mit einer Schichtdicke von 1 µm geschützt.An embodiment of the present invention relates to a sensor system with two sensors for checking the engine oil and the brake fluid in motor vehicles. Such a sensor system can be implemented as shown in FIG. 7. The sensors each consist of gold interdigital electrodes sputtered onto quartz glass with an active area of 1 cm 2 and a capacitance of 20 pF. To prevent corrosion of the electrodes, their surface is protected with silicon carbide with a layer thickness of 1 µm.

Die Sensoren sind so in einem Kunststoffgehäuse mit Anschlußkabeldurchführung untergebracht und dicht mit beispielsweise Epoxidharz vergossen, daß die Interdigitalstrukturen freibleiben und beim Eintauchen des Sensors in die Flüssigkeit keine Flüssigkeit in den Anschlußbereich des Kabels dringt. Als Anschlußkabel wird ein Koaxial- oder Triaxialkabel, das mit aktiver Schirmung beschaltet ist, verwendet.The sensors are in a plastic housing with a connection cable entry housed and sealed with epoxy resin, for example, that the  Interdigital structures remain free and when the sensor is immersed in the liquid no liquid gets into the connection area of the cable. As a connection cable a coaxial or triaxial cable with active shielding is used.

Die Sensoren überwachen den Säuregehalt und Wassergehalt des Motoröls und den Wassergehalt der Bremsflüssigkeit. Die Auswertung der Sensorsignale erfolgt in der Regel über einen Microcontroller, der beispielsweise auch den Serviceplan überwacht.The sensors monitor the acidity and water content of the engine oil and the Water content of the brake fluid. The sensor signals are evaluated in the Usually via a microcontroller, which also monitors the service plan, for example.

Claims (27)

1. Sensorelement zur Messung komplexer Impedanzen mit mindestens zwei aus einem leitfähigen Material bestehenden Elektroden, die in einem Abstand S voneinander angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einer im Vergleich zum Abstand S dünnen isolierenden Schicht überzogen sind.1. Sensor element for measuring complex impedances with at least two electrodes made of a conductive material, which are arranged at a distance S from one another; characterized in that the electrodes are coated with a thin insulating layer compared to the distance S. 2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht chemisch hochstabil ist.2. Sensor element according to claim 1, characterized in that the Insulation layer is highly stable chemically. 3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Siliziumkarbid hergestellt ist.3. Sensor element according to claim 2, characterized in that the Insulating layer made of silicon carbide. 4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschicht kleiner als ein Viertel des Abstands S beträgt.4. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the thickness of the insulating layer is less than a quarter of the distance S is. 5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschicht 0,2 bis 2 µm beträgt.5. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the thickness of the insulating layer is 0.2 to 2 µm. 6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein Oberflächenwellensensor mit darauf aufgebrachten kapazitativen Elektroden ist. 6. Sensor element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensor element has a surface wave sensor applied to it capacitive electrodes.   7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (20) ein Oberflächenwellensensor mit Interdigitalelektroden (21, 22) auf dem Substrat des Oberflächenwellensensors ist, wobei eine (21) der Interdigitalelektroden ein Meßelektrodenpaar bereitstellt.7. Sensor element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensor element ( 20 ) is a surface wave sensor with interdigital electrodes ( 21 , 22 ) on the substrate of the surface wave sensor, one ( 21 ) of the interdigital electrodes providing a pair of measuring electrodes. 8. Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen mit mindestens einem Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Auswerteschaltung.8. Device for measuring complex impedances with at least one Sensor element according to one of claims 1 to 5 and an evaluation circuit. 9. Vorrichtung zur Messung komplexer Impedanzen mit mindestens einem Sensorelement nach Anspruch 6 oder 7 und einer Auswerteschaltung.9. Device for measuring complex impedances with at least one Sensor element according to claim 6 or 7 and an evaluation circuit. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9 gekennzeichnet durch Einrichtungen (23) zur Ermittlung weiterer Meßgrößen.10. The device according to claim 9, characterized by means ( 23 ) for determining further measured variables. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Oszillatorschaltung ist.11. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the Evaluation circuit is an oscillator circuit. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung
  • - eine Spannungsquelle zur Erzeugung zweier Wechselspannungssignale mit einer ersten Frequenz;
  • - eine Stromquelle, die von dem ersten von den zwei Wechselspannungssignalen angesteuert wird und geeignet ist, ein Wechselstromsignal zu erzeugen;
  • - eine Verstärkungseinrichtung, der das über die zu messende Impedanz abfallende Signal zugeführt wird und die geeignet ist, ein entsprechende Wechselspannungssignal zu erzeugen;
  • - eine Einrichtung, die geeignet ist, das von der Verstärkungseinrichtung ausgegebene Wechselspannungssignal mit dem zweiten von den zwei Wechselspannungssignalen von der Spannungsquelle, welches jeweils um 0° oder 90° phasenverschoben ist, dergestalt zu kombinieren, daß aus den sich jeweils ergebenden ersten und zweiten Ausgangssignalen der Realteil und der Imaginärteil der Impedanz ermittelbar ist; und
  • - eine Einrichtung zur Verarbeitung des ersten und zweiten Ausgangssignals, wobei der Realteil und der Imaginärteil der komplexen Impedanz ermittelt wird, umfaßt.
12. The apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the evaluation circuit
  • - A voltage source for generating two AC signals with a first frequency;
  • a current source which is driven by the first of the two AC voltage signals and is suitable for generating an AC signal;
  • an amplification device, to which the signal falling via the impedance to be measured is fed and which is suitable for generating a corresponding AC voltage signal;
  • - A device which is suitable for combining the alternating voltage signal output by the amplifying device with the second of the two alternating voltage signals from the voltage source, which is respectively phase-shifted by 0 ° or 90 °, in such a way that from the respectively resulting first and second output signals the real part and the imaginary part of the impedance can be determined; and
  • a device for processing the first and second output signals, the real part and the imaginary part of the complex impedance being determined.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung ein Verstärker ist, dessen Anschlüsse für positive Versorgungsspannung und negative Versorgungsspannung einerseits jeweils über einen Vorwiderstand mit der jeweils positiven und negativen Betriebsspannung und andererseits jeweils über eine Einrichtung zur Spannungsstabilisierung mit dem Ausgang der Verstärkungseinrichtung verbunden sind.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the Amplification device is an amplifier, the connections for positive Supply voltage and negative supply voltage on the one hand each over a series resistor with the respective positive and negative operating voltage and on the other hand, each via a device for voltage stabilization with the Output of the amplification device are connected. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Abschirmung der Verbindungsleitung zwischen Sensor und Verstärker umfaßt, wobei die Verstärkungseinrichtung ein Pufferverstärker mit dem Verstärkungsfaktor V ≈ 1 ist und die Außenleitung der Abschirmung mit dem Ausgang des Pufferverstärkers verbunden ist.14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that that the evaluation circuit shields the connecting line between Includes sensor and amplifier, wherein the amplifying means Buffer amplifier with the gain factor V ≈ 1 and the outer line of the Shield is connected to the output of the buffer amplifier. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 mit mehreren Sensoren, gekennzeichnet durch einen Signalumschalter, der geeignet ist, den Eingang der Auswerteschaltung zwischen den einzelnen Sensoren umzuschalten.15. The device according to one of claims 10 to 12 with a plurality of sensors, characterized by a signal switch that is suitable for the input of the Switch the evaluation circuit between the individual sensors. 16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Analyse der Eigenschaften von Flüssigkeiten.16. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for analyzing the Properties of liquids. 17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung des Alterungszustands von Schmierölen.17. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the aging condition of lubricating oils. 18. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Feuchtemessung in Erdböden. 18. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Moisture measurement in soil.   19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Messung von Ionenkonzentrationen.19. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for measurement of ion concentrations. 20. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung des Wassergehalts in Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätszahl.20. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the water content in liquids with a low dielectric constant. 21. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung der Wasserkonzentration in Alkoholen und umgekehrt.21. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the water concentration in alcohols and vice versa. 22. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung des Wassergehalts in Ölen und umgekehrt.22. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the water content in oils and vice versa. 23. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung des Wassergehalts in Bremsflüssigkeit.23. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the water content in brake fluid. 24. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung der Zusammensetzung von Milch.24. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the composition of milk. 25. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung des Zeitpunkts der Aushärtung von Beton.25. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of the time of hardening of concrete. 26. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Bestimmung der Verunreinigung des Erdbodens mit Öl oder Säuren.26. Use of the device according to one of claims 8 to 15 for Determination of soil contamination with oil or acids. 29. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 zur Identifikation von Säuren und Laugen in Wasser und zur Bestimmung ihrer Konzentration.29. Use of the device according to claim 9 or 10 for the identification of Acids and bases in water and to determine their concentration.
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