Warning: fopen(111data/log202007090828.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
Oberflächenwellenflüssigkeitssensor - Dokument DE10113778B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10113778B4 11.03.2004
Titel Oberflächenwellenflüssigkeitssensor
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Leidl, Anton, Dr.-Ing., 81739 München, DE;
Langer, Peter, Dipl.-Ing., 80992 München, DE;
Drost, Andreas, Dipl.-Phys., 82178 Puchheim, DE
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 21.03.2001
DE-Aktenzeichen 10113778
Offenlegungstag 11.07.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.2004
IPC-Hauptklasse G01N 29/02
IPC-Nebenklasse H03H 9/145   H03H 9/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Flüssigkeitssensoren und insbesondere auf das Gebiet von Oberflächenwellenflüssigkeitssensoren.

Neben der seit langem bekannten Anwendung als Bandpaßfilter können Oberflächenwellenbauelemente auch als Sensoren für die Messung physikalischer Flüssigkeitseigenschaften eingesetzt werden.

Dabei werden durch eine geeignete Elektrodenanordnung auf einem piezoelektrischen Substrat des Oberflächenwellenbauelements reine Scherwellen erzeugt, so daß bei einer Flüssigkeit, die sich in Kontakt mit dem Oberflächenwellenbauelement befindet, Flüssigkeitseigenschaften, wie beispielsweise eine Dichte &rgr;, eine Viskosität &eegr;, eine Schersteifigkeit usw. erfaßt werden können. Die Flüssigkeit bzw. das Fluid bewirkt eine Änderung der physikalischen Randbedingungen entlang der Bauelementoberfläche, so daß eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Amplitude oder der Frequenz der Wellen als ein Meßeffekt genutzt werden kann. Die Eindringtiefe der Welle in die Flüssigkeit, d.h. die räumliche Reichweite des Meßeffekts in der Flüssigkeit, ist bei einer Newtonschen Flüssigkeit von der Viskosität &eegr;, der Dichte &rgr; und der Frequenz f der akustoelektrischen Welle abhängig und proportional zu &rgr;⋅&eegr;. Bei einer Newtonschen Flüssigkeit, d.h. einer Flüssigkeit bei der eine Bewegung eines Körpers eine Reibungskraft erfährt, die proportional zu dem Quadrat der Geschwindigkeit ist, kann somit der Meßeffekt dazu benutzt werden, um das Produkt aus der Dichte &rgr; und der Viskosität &eegr; zu erfassen. Bei Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wird ferner der Meßeffekt durch das Schermodul und die Meßfrequenz bestimmt.

Ein bekanntes Oberflächenwellenbauelement zur Messung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten ist beispielsweise in der EP 0879413 beschrieben. Der Flüssigkeitssensor weist ein piezoelektrisches Substrat aus einem y-rotierten Quarzschnitt auf, auf dem kammförmige Elektroden als Interdigitalwandler aufgebracht sind, um eine elektroakustische Welle zu erzeugen und zu empfangen. Durch eine geeignete Wahl des Substratmaterials und der Oberflächen-Anordnung und -Orientierung wird von einer ersten Kammelektrodenanordnung, die einen Sender-IDT (IDT = Interdigitaltransducer) darstellt, eine reine Oberflächenscherwelle erzeugt, die entlang der Oberfläche läuft und in einer zweiten Kammelektrodenanordnung, die einen Empfänger-IDT darstellt, eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die elektronisch ausgewertet werden kann. Durch die geeignete Anordnung bzw. Metallisierung der Kammelektroden kann dabei erreicht werden, daß das Anregungsband der Volumenscherwellen außerhalb des Frequenzbands der Oberflächenscherwellen liegt, was für eine empfindliche Messung notwendig ist.

Wird ein bekannter Sensor in einer Flüssigkeit betrieben, die eine elektrische Leitfähigkeit &sgr; und eine hohe Dielektrizitätszahl &egr; aufweist, wie es beispielsweise bei Wasser der Fall ist, so müssen die Interdigitaltransducer von bekannten Sensoren mittels einer Dichtung von der Flüssigkeit abgeschirmt werden, um eine elektrische Kopplung, die eine Anregung der Oberflächenwelle massiv stören oder unterdrükken könnten über die Flüssigkeit von dem Sender-IDT zu dem Empfänger-IDT zu unterbinden.

5 zeigt einen bekannten Oberflächenwellensensor, der ein piezoelektrisches Substrat 1, das beispielsweise aus Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet sein kann, Kammelektroden 2a als einen Sender-IDT zum Erzeugen einer Oberflächenscherwelle und Kammelektroden 2b als einen Empfänger-IDT zum Empfangen der Oberflächenscherwelle aufweist, wobei dieselben von den Kammelektroden 2a zum Erzeugen der Oberflächenscherwelle beabstandet sind, so daß eine Laufstrecke der Oberflächenwelle zwischen den Kammelektroden 2a und den Kammelektroden 2b definiert ist.

Gemäß 5 ist die Laufstrecke zusätzlich mit einer Metallisierung 4 beschichtet, um die elektrische Wechselwirkung der Oberflächenwelle mit der Flüssigkeit auch in dem sensitiven Bereich zwischen den Kammelektroden 2a und den Kammelektroden 2b zu reduzieren. Über die Kammelektroden 2a und 2b ist eine Abdeckung 5 aus einem nicht-leitfähigen dielektrischen Material derart angeordnet und mit dem Substrat 1 bzw. der Metallisierung 4 über eine Dichtung 6 verbunden, daß über den Kammelektroden 2a bzw. 2b hohle Zwischenräume 3 gebildet sind, wodurch ein elektrisches Feld von den Kammelektroden 2a und 2b durch die dielektrische Abdeckung 5 zur Meßflüssigkeit 7 abgeschirmt ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem ein Deckel über die Dichtung 6 auf das Substrat angepreßt ist. Die Abschirmung der Flüssigkeit von den IDT-Kammelektroden 2a und 2b bewirkt, daß eine leitende und/oder kapazitive Kopplung der beiden Kammelektroden über die Meßflüssigkeit 7 stark reduziert ist.

Ohne eine derartige Abschirmung kann bei einer Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätszahl &egr; eine Anregung der Oberflächenwelle aufgrund der kapazitiven Kopplung massiv gestört und im schlimmsten Fall überhaupt nicht mehr möglich sein. Zeitlich betrachtet können sich ferner elektrische Eigenschaften der Flüssigkeiten ändern, so daß die kapazitive Kopplung ohne eine Abdeckung 5 über einen bestimmten Zeitraum nicht konstant gehalten werden kann und den gewünschten Meßeffekt, der bei einer Newtonschen Flüssigkeit proportional zu &rgr;⋅&eegr; ist, beeinflußt.

Werden die IDTs gemäß 5 durch die Abdeckung 5 abgedeckt, so kommt die Flüssigkeit lediglich über die zwischen den IDTs definierte Laufstrecke, die den sensitiven Meßbereich bildet, mit dem Substrat in Berührung, wobei, wie bereits erwähnt, die Metallisierung 4 in dem Bereich zwischen den Kammelektroden 2a und 2b eine elektrische Wechselwirkung der Oberflächenwelle mit der Flüssigkeit auch in dem sensitiven Bereich der Laufstrecke unterbindet. Folglich wird durch eine derartige Anordnung mit einer Abdeckung 5 die mechanischen Flüssigkeitsparameter ohne ein störende elektrische Kopplung gemessen.

Die Empfindlichkeit der Messung ist neben Größen, die sich auf die IDTs beziehen, wie beispielsweise eine Frequenz und eine Dicke der Metallisierung, ferner wesentlich von der Länge des mit der Flüssigkeit 7 in Berührung stehenden sensitiven Bereichs zwischen den IDTs abhängig.

Zur Verdeutlichung möglicher elektrischer Kopplungen zwischen einem IDT-Elektrodenpaar ist in 4 ein Ersatzschaltbild einer Anordnung gezeigt, bei der eine dielektrische Schicht 8 das Substrat und die Kammelektroden 2a und 2b, die mit Anschlüssen 2 verbunden sind ohne einen Zwischenraum überzieht. Gemäß der Ersatzschaltung von 4 weisen das piezoelektrische Substrat 1, die dielektrische Schicht 8 und die Flüssigkeit 7 jeweils Dielektrizitätszahlen &egr;p, &egr;L, &egr;Fl auf, die Ersatz-Kapazitäten Cp (&egr;p) , CL (&egr;L) bzw. CFl (&egr;Fl) definieren. Zusätzlich weist die Flüssigkeit 7 eine elektrische Gleichstrom-Leitfähigkeit &sgr;Fl auf, die in dem Ersatzschaltbild gemäß 4 als ein elektrischer Widerstand RFl (&sgr;Fl) in Erscheinung tritt.

Gemäß 4 tritt eine erste Kopplung zwischen den Elektroden 2a und 2b über das piezoelektrische Substrat auf, so daß die Ersatz-Kapazität Cp des piezoelektrischen Substrats direkt zwischen die beiden Elektroden 2a und 2b geschaltet ist. Ein zweiter Kopplungsweg, der parallel zu dem ersten ist, findet über die dielektrische Schicht 5 und die Flüssigkeit 7 statt, wobei die beiden Kapazitäten CL der dielektrischen Schicht 8 mit einer Parallelschaltung aus der Kapazität CFl und dem elektrischen Widerstand RFl der Flüssigkeit in Reihe geschaltet sind.

Um die elektrischen Felder der IDTs wirksam von der Flüssigkeit mit einer dielektrischen Schicht 8 oder einer Überdeckung 5 abzuschirmen, ist, je nach Dielektrizitätszahl der dielektrischen Abdeckung 5 und des piezoelektrischen Substrats 1, eine Dicke der dielektrischen Abdeckung erforderlich, die zumindest im Bereich der Wellenlänge der Oberflächenwelle liegt. Solche Schichtdicken bewirken jedoch eine derart starke Dämpfung der akustoelektrischen Welle, daß eine Verwendung des Bauelements als sensitiver Sensor nicht mehr möglich ist.

Bei nicht-leitenden Flüssigkeiten mit geringer Dielektrizitätszahl kann die dielektrische Abdeckung 5 derart gewählt werden, daß dieselbe eine Dicke im Prozentbereich der Wellenlänge aufweist, wobei eine Dämpfung der Oberflächenwelle durch diese Schicht in der Regel vernachlässigt werden kann. Hierbei erwies sich Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumdioxid (SiO2) als Beschichtungsmaterial sehr geeignet.

Die Dämpfung der Oberflächenwelle aufgrund der Abdeckung 5 liegt beispielsweise bei typischen Wellenlängen im Bereich von 48 &mgr;m bis 100 &mgr;m und einer 0,5 &mgr;m dicken Abdeckung 5 aus Siliziumkarbid im Bereich von wenigen dB. Derartige Schichten wirken bei diesen nicht-leitenden Flüssigkeiten mit geringer Dielektrizitätszahl vor allem als ein mechanischer und chemischer Schutz der IDTs beispielsweise vor aggressiven Flüssigkeiten. Ein Anwendungsbeispiel derartiger Oberflächensensoren ist beispielsweise ein Ölzustandssensor, um die Viskosität des Schmiermittels zu bestimmen.

Wie es obig beschrieben wurde, muß die Abdeckung 5 zwangsläufig zumindest auf einem Bereich der sensitiven Laufstrecke der Oberflächenwelle aufliegen. Dies bewirkt zusätzlich zu der durch die Flüssigkeit bewirkten Änderung, die den Sensoreffekt darstellt, eine Änderung der Dämpfung und Geschwindigkeit der Welle, die dem Sensoreffekt überlagert ist. Wenn die Eigenschaften der Abdeckung beispielsweise stark temperaturabhängig sind, von der Andruckstärke abhängen, oder aufgrund der Eigenschaften der Flüssigkeiten quellen bzw. gegenüber bestimmten Chemikalien nicht resistent sind, kann dieser zusätzliche Effekt zeitlich gesehen nicht stabil gehalten werden.

Ferner ergibt sich bei einer Abdeckung mit geringer Dicke bei leitfähigen Flüssigkeiten mit einer hohen Dielektrizitätszahl gemäß dem Ersatzschaltbild von 4 über die Flüssigkeit eine nicht zu vernachlässigende elektrische Kopplung zwischen dem Sender- und Empfänger-IDT, die sich ebenfalls zeitlich ändern und nachteilig auf das Verhalten des Oberflächenwellensensors auswirken kann.

Ein bekannter Sensor, der in eine leitfähige Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätszahl eingebracht ist, wird folglich ein nicht berechenbares und nicht korrigierbares Driftverhalten zeigen, wodurch dieser Sensor lediglich für transiente Messungen geeignet ist, deren Dauer kürzer als die kritischen Zeitkonstanten des Driftverhaltens sind. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, daß vor Beginn jeder Messung ein Referenzwert bezüglich einer bekannten Referenzflüssigkeit bestimmt wird oder ein Meßwert bei einer bestimmten Temperatur zu Beginn der Messung als Referenz verwendet wird und danach eine definierte Temperaturrampe durchfahren wird. Im letzteren Fall werden die Informationen aus den temperaturabhängigen Meßwerten bestimmt.

Wie bereits erwähnt kann die Abdeckung 5 nicht mit einer Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge auf das Bauelement aufgebracht werden, um die elektrischen Felder der IDTs abzuschirmen, da sich bei den typischen Wellenlängen von Oberflächenwellenflüssigkeitssensoren eine Dicke von bis zu 100 &mgr;m ergibt, wodurch die Dämpfung der Welle so stark wird, daß der Betrieb als Sensor nicht mehr möglich ist. Eine Abschirmung allein mit einer derartig dicken dielektrischen Schicht scheidet somit für einen Oberflächenwellenflüssigkeitssensor aus.

Folglich besteht bei bekannten Oberflächenwellensensoren ein Problem, derart, daß dieselben in leitfähigen Flüssigkeiten mit einer hoher Dielektrizitätszahl nicht langzeitstabil betrieben werden können.

Die WO 00/26658 A1 zeigt eine Sensoranordnung, die metallische Interdigital-Transducer aufweist, wobei zwei Grundelemente parallel zueinander angeordnet sind. Die Sensoranordnung umfaßt einen Sende-Transducer und einen Empfangs-Transducer mit einer dazwischenliegenden Ausbreitungsstrecke. Über den Transducern ist eine akustische Wellenleiterschicht angeordnet, die beispielsweise aus einer Siliziumverbindung oder einem Polymer bestehen kann. Oberhalb eines Grundelements der Transducer ist eine Struktur von Flüssigkeitsfallen angeordnet, innerhalb der die akustische Welle nicht ausbreitungsfähig ist. Über den Flüssigkeitsfallen kann eine dünne metallische Abschirmschicht vorgesehen sein, die zur Abschirmung ungewollter akustoelektrischer Wechselwirkungen dient.

Die EP 0 542 469 A1 zeigt einen chemischen Sensor, der Oberflächen-Transversal-Wellen oder Love-Wellen verwendet, um Lösungskonzentrationsmessungen durchzuführen. Der Sensor weist ein Substrat aus piezoelektrischem Material auf, wobei eine Oberflächenfallen-Struktur in dem Sensor aus einem dielektrischen Material gebildet ist. Über dem Substrat ist ein dielektrisches Gitter gebildet, über dem eine Metallplatte angeordnet ist, um eine chemischreaktive Schicht zu bilden. Eine Anordnung von IDT-Transducern, die über eine Strecke voneinander beabstandet sind, ist vorgesehen. Auch der Entgegenhaltung 2 ist somit nicht das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zu entnehmen, eine leitende Abschirmstruktur vorzusehen, die über IDT-Elektroden angeordnet ist und in Bereichen der IDT-Elektroden freigelegte Bereiche aufweist, um eine mechanische Kopplung zu verringern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, mit einem Oberflächenwellensensor, der einen einfachen Aufbau aufweist, physikalische Eigenschaften von Flüssigkeiten, die eine Gleichstrom-Leitfähigkeit und eine hohe Dielektrizitätszahl aufweisen, sensitiv und mit einer langzeitlichen Stabilität zu messen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Oberflächenwellensensor zum Messen physikalischer Größen von Flüssigkeiten mit folgenden Merkmalen:

einem piezoelektrischen Substrat;

einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenstruktur eine Oberflächenwelle erzeugt und die zweite Elektrodenstruktur dieselbe empfängt;

einer isolierenden Zwischenschicht mit einem freigelegten Bereich, der zumindest über Bereichen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur angeordnet ist;

einer Abschirmstruktur aus einem leitfähigen Material, die auf dem freigelegten Bereich zumindest an Bereichen, die der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur gegenüber liegen, angeordnet ist, wobei die Abschirmstruktur eine elektrische Kopplung von der ersten Elektrodenstruktur und von der zweiten Elektrodenstruktur sowie von der Oberflächenwelle auf die zu messende Flüssigkeit unterdrückt.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine leitende Abschirmstruktur eine elektrische Kopplung von IDT-Elektroden über die zu messende Flüssigkeit unterdrücken kann und lediglich eine geringe mechanische Beeinflußung für die Oberflächenwelle darstellt, wobei eine auftretende elektrische Kopplung von IDT-Elektroden über die leitende Abschirmstruktur eine Empfindlichkeit nicht beeinflußt, da dieselbe unabhängig von äußeren Einflüssen und folglich zeitlich konstant ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die obig erwähnte zeitlich konstante elektrische Kopplung von IDT-Elektroden über die leitende Abschirmstruktur einstellbar ist und beim Entwerfen eines Oberflächenwellensensors mit berücksichtigt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist auf einem piezoelektrischen Substrat eine erste Anordnung von Kammelektroden zum Erzeugen einer Oberflächenwelle und eine zweite Anordnung von Kammelektroden zum Empfangen der Oberflächenwelle auf. Über den Kammelektroden und in den Bereichen zwischen den Kammelektroden auf dem Substrat ist eine dielektrische Zwischenschicht aufgebracht, auf der eine durchgehende Metallschicht angeordnet ist. Wahlweise kann über der Metallschicht zusätzlich eine dielektrische Passivierungsschicht aufgebracht werden. Die metallische Schicht bewirkt, daß ein elektrisches Feld der Oberflächenwelle und der IDTs vollständig zu Flüssigkeit hin abgeschirmt ist. Ferner wirkt die dielektrische Schicht als eine Isolierung zwischen der metallischen Schicht und den IDTs. Zwischen den Kammelektroden der IDTs und der Metallschicht entsteht dadurch eine hohe kapazitive Kopplung, die, im Gegensatz zu einer Kopplung über die Meßflüssigkeit, unabhängig von dem Meßmedium und zeitlich konstant ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Metallschicht derart angeordnet, daß über einem Bereich der Kammelektroden eine isolierende Zwischenschicht aus Luft entsteht, wobei die Metallschicht in den sensitiven Bereichen zwischen den Kammelektroden entweder auf das Substrat aufgebracht sein kann oder mit einer dazwischenliegenden isolierenden Schicht von demselben beabstandet sein kann.

Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle einer durchgehenden Metallschicht eine Metallstruktur verwendet, die der Struktur der IDTs entspricht und denselben gegenüberliegt, wobei die Spannungsdifferenz zwischen jeweils gegenüberliegenden Elektroden der IDTs und der Metallstruktur konstant gehalten wird.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die beliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Aufbau eines Oberflächenwellensensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

2a und 2b weitere Ausführungsbeispiele eines Oberflächenwellensensors gemäß der vorliegenden Erfindung, die Luft als isolierende Zwischenschicht aufweisen;

3 einen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Oberflächensensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

4 einen Aufbau und ein Ersatzschaltbild für ein IDT-Elektrodenpaar, das mit einer dielektrischen Schicht abgedeckt ist; und

5 einen Aufbau eines bekannten Oberflächenwellensensors.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Oberflächenwellensensors zum Messen von Flüssigkeitseigenschaften. Der Oberflächenwellensensor weist ein piezoelektrisches Substrat 1 auf, das beispielsweise aus Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet sein kann, auf dem eine erste Anordnung von Kammelektroden 2a als Sender-IDT und eine zweite Anordnung von Kammelektroden 2b als Empfänger-IDT voneinander beabstandet aufgebracht sind, wodurch ein sensitiver Meßbereich zwischen denselben definiert ist. Auf dem piezoelektrischen Substrat 1 ist zwischen den Kammelektroden eine isolierende Zwischenschicht 8 aufgebracht, wobei sich dieselbe über die erste Anordnung von Kammelektroden 2a und die zweite Anordnung von Kammelektroden 2b zusammenhängend erstreckt und dieselben einbettet. Die isolierende Zwischenschicht 8 kann beispielsweise aus SiO2, SiC oder Si3N4 gebildet sein. Über der isolierenden Zwischenschicht ist eine Metallschicht 9 als zusammenhängende Schicht aufgebracht. Wahlweise kann über der Metallschicht 9 eine dielektrische Passivierungsschicht 10, die gleichfalls beispielsweise SiO2, SiC oder Si3N4 aufweisen kann, aufgebracht sein, so daß entweder die Metallschicht 9 oder die dielektrische Passivierungsschicht 10 in Berührung mit einer Meßflüssigkeit 7 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 verhindert die isolierende Zwischenschicht 8 einen elektrischen Kurzschluß zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b und der Metallschicht 9, wobei zwischen den beiden IDT-Kammelektroden 2a und 2b und der Metallschicht 9 eine relativ große kapazitive Kopplung besteht. Anstelle einer Kopplung zwischen den beiden Kammelektroden 2a und 2b über die Flüssigkeit, wie sie bei bekannten Oberflächenwellensensoren auftritt, ergibt sich folglich eine kapazitive Kopplung über die Metallschicht 9. Dadurch wird bewirkt, daß die Kopplung zwischen der Kammelektrode 2a und der Kammelektrode 2b unabhängig vom Meßmedium Flüssigkeit ist, wobei dieselbe keinen äußeren Einflüssen unterworfen ist und somit zeitlich konstant ist. Die kapazitive Kopplung kann verringert werden, indem die Kapazität zwischen der Metallschicht 9 und den Kammelektroden der IDTs 2a und 2b klein gehalten wird, was gemäß der allgemein bekannten Formel C = &egr;*&egr;o*A/d beispielsweise durch eine isolierende Zwischenschicht 8 mit einer kleinen Dielektriziätszahl oder durch eine ausreichende Beabstandung der metallischen Schicht 9 von den IDT-Elektroden 2a und 2b erreicht werden kann.

Mittels Dünnfilmtechnik kann die isolierenden Zwischenschicht 8 aus einem anorganischen Material bis zu Dicken von wenigen &mgr;m hergestellt werden. Das dafür verwendete Material kann beispielsweise SiO2, Si3N4 oder SiC umfassen.

Als isolierende Zwischenschicht 8 können ferner organische Schichten, wie beispielsweise Polyimid, bis zu einer Dicke von einigen 10 &mgr;m abgeschieden werden. Eine Verwendung derselben führt jedoch zu einer starken Dämpfung der akustoelektrischen Welle.

Der Aufbau gemäß 1 bewirkt, daß die gesamte Oberfläche des Bauelements, d. h. der Bereich der IDTs und der Zwischenbereich zwischen den IDTs mechanisch schwingt und als ein sensitiver Bereich für die Messung wirkt. Der Meßeffekt und folglich die Empfindlichkeit des Oberflächenwellenflüssigkeitssensors wird um so größer, je länger dieser sensitive Bereich ist. Die geometrische Anordnung der IDTs und folglich die Länge derselben müssen, wie es beispielsweise in der EP 0879413 erklärt ist, bestimmten Randbedingungen genügen, damit durch die IDT-Elektroden reine Oberflächenscherwellen erzeigt werden. Durch die Randbedingungen erfährt der erzielte Meßbereich insbesondere bei hohen Werten von &eegr;⋅&rgr; Einschränkungen, da eine durch die IDTs vorgegebene Mindestlänge des sensitiven Bereichs nicht unterschritten werden kann. Bei einer Messung von Flüssigkeiten mit hohen Werten von &eegr;⋅&rgr; wird folglich eine Dämpfung der akustoelektrischen Welle unter Umständen zu hoch, so daß das Bauelement nicht mehr ordnungsgemäß betrieben werden kann.

Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den 2a und 2b gezeigt. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die isolierende Zwischenschicht 8 als eine Luftschicht ausgebildet, die eine sehr kleine Dielektrizitätszahl von annähernd 1 aufweist. Durch eine Oberflächenmikrobearbeitung kann erreicht werden, daß die Metallschicht 9 in einem bestimmten Abstand über den IDTs als eine Brücke stehen bleibt, wodurch in diesem Bereich keine mechanische Kopplung zwischen der akustoelektrischen Welle und der Metallschicht 9 vorhanden ist und dieser Bereich folglich nicht als sensitiver Bereich wirkt. Die Herstellung einer derartigen isolierenden Zwischenschicht 8 aus Luft erfolgt mittels eines speziellen Ätzverfahren, wie es in der Mikrosystemtechnik beispielsweise bei der Herstellung von Drucksensoren bekannt ist. Die Herstellung wird erreicht, indem nach dem Strukturieren der IDT-Elektroden 2a und 2b eine „Opferschicht" 11 als eine Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei dieselbe derart strukturiert wird, daß sie mindestens über den IDT-Elektroden 2a und 2b, jedoch nicht notwendigerweise über die Strecke zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b vorhanden ist. Die Opferschicht 11 wird im Bereich der IDT-Elektroden 2a und 2b entfernt, indem dieselbe nach dem Abscheiden der Metallschicht 9 unterätzt wird. Dabei können an einigen Stellen Reste der Opferschicht 11 als eine „Stütze" für die Metallschicht 9 oder als eine Isolationsschicht stehen bleiben. Folglich ermöglicht dies, daß die Metallbrücke über den IDT-Elektroden 2a und 2b die Oberflächenwelle mechanisch nicht stört, wobei die elektrischen Felder der IDT-Elektroden 2a und 2b von der Flüssigkeit abgeschirmt sind. Als sensitiver Bereich für die Messung wirkt nur noch der Bereich zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b. Wie bei bekannten Sensoren kann die Empfindlichkeit des Sensors in einem weiten Bereich über eine Frequenz, Schichtdicken und eine Länge des Bereichs, der von der Flüssigkeit berührt wird, zwischen den IDTs eingestellt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 2a unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b darin, daß in 2a die Metallschicht 9 in dem sensitiven Bereich zwischen den Sender- und Empfänger-IDT-Kammelektroden direkt auf das piezoelektrische Material aufgebracht ist, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b ein Abschnitt der dielektrischen Opferschicht 11 in dem Bereich zwischen den Kammelektroden zwischen dem piezoelektrischen Substrat 1 und der Metallschicht 9 als tragende Stütze angeordnet ist.

Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a als auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b kann entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wahlweise eine dielektrische Passivierungsschicht 10 aufgebracht werden. Die dielektrische Passivierungsschicht 10 dient als ein zusätzlicher mechanischer und chemischer Schutz, wobei dieselbe ferner eventuelle Öffnungen im Metall, die sich bei der Entfernung der Opferschicht ergeben können, schließen kann. Die Passivierungsschicht 10 kann beispielsweise aus SiC, SiO2, Si3N4, Polyimid oder einem Metall bestehen.

Wird der Oberflächenwellenflüssigkeitssensor beispielsweise als ein Biosensor eingesetzt, so kann eine Verwendung einer anderen Passivierungsschicht 10, beispielsweise Gold oder SiO2, angezeigt sein. Für den Einsatz bei aggressiven Medien ist vor allem SiC sinnvoll.

Die Kapazität zwischen den IDT-Kammelektroden setzt sich im wesentlichen aus der Substratkapazität und der Kapazität zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b und der Metallschicht 9 zusammen. Bei einem Entwurf der IDT-Elektroden 2a und 2b hinsichtlich einer Geometrie, einer Metallsorte, einem Substratmaterial usw. muß folglich diese Kapazität berücksichtigt werden, wobei es die Unabhängigkeit von dem Meßmedium und die zeitliche Konstanz der Kopplungskapazität überhaupt erst erlauben, diese bei einem Entwurf zu berücksichtigen.

Folglich ist ein Oberflächenwellenflüssigkeitssensor entworfen, der in leitfähigen Medien mit einer hohen Dielektrizitätszahl wirkungsvoll arbeitet.

Im Bereich der Laufstrecke der Oberflächenwelle werden keine zusätzlichen Dichtungen mehr benötigt. Die Passivierungsschicht 10, die als chemisch resistente Beschichtung ausgebildet sein kann, ermöglicht ferner daß die verwendeten Materialien auch in aggressiven Flüssigkeiten langzeitstabil sind und keine oder lediglich geringfügige Drifteffekte auftreten. Eine Aufbautechnik der Sensoren ist dadurch erheblich vereinfacht.

3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Wie bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der Oberflächenwellenflüssigkeitssensor gemäß 3 ein piezoelektrisches Substrat 1 auf, auf dem IDT-Kammelektroden 2a und 2b beabstandet voneinander aufgebracht sind. Über den Kammelektroden 2a und 2b und in den Zwischenräumen derselben ist eine isolierende Zwischenschicht 8 aufgebracht, auf der eine Leiterstruktur 12, die die gleiche Struktur wie die IDT-Elektroden 2a und 2b aufweist, derart angeordnet ist, daß sie mit der isolierenden Zwischenschicht dazwischen der IDT-Kammelektroden-Struktur gegenüberliegt.

Der Oberflächenwellenflüssigkeitssensor gemäß 3 wird derart betrieben, daß eine Spannungsdifferenz zwischen einer IDT-Elektrode und der entsprechend gegenüberliegenden Elektrode der Leiterstruktur 12 stets gleich groß gehalten wird.

Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführüngsbeispielen, bei denen ein Großteil der eingespeisten Leistung zum Umladen von elektrischen Ladungen der durch die IDT-Elektroden 2 und 2b und die Metallschicht 9 gebildeten Kapazität C0, die parallel zu der wirksamen IDT-Kapazität und im Vergleich zu derselben groß ist verbracht wird, wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 durch das Konstanthalten der Spannungsdifferenz zwischen jeweiligen IDT-Elektroden und entsprechend gegenüberliegenden Elektroden der Leiterstruktur 12, abgesehen von Ladungsverschiebungen, die durch Streukapzitäten CSt bewirkt werden, durch die Wechselspannung keine Ladung mehr verschoben.

Dieses Prinzip ist unter dem Begriff Bootstrap bekannt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß die Leiterstruktur 12 mit einem Signal angesteuert wird, das gleichphasig zu dem IDT-Signal ist. Folglich liegt zwischen den IDT-Elektroden 2a und 2b und den gegenüberliegenden Elektroden der Leiterstruktur 12 eine unveränderliche Spannung an, wodurch die Kapazität ihre Ladung behält. Streukapazitäten CSt, die sich zwischen einer IDT-Elektrode und einer nicht gegenüberliegenden Elektrode der Leiterstruktur 12 ergeben, sollen dabei nicht berücksichtigt sein. Über diese Streukapazitäten CSt werden geringe Ladungen verschoben, so daß bezüglich der zugeführten elektrischen Leistung Verhältnisse, wie bei IDT-Elektroden, die nicht durch eine Leiterstruktur abgedeckt sind, nur annähernd erreicht wird.


Anspruch[de]
  1. Oberflächenwellensensor zum Messen physikalischer Größen von Flüssigkeiten (7) mit folgenden Merkmalen:

    einem piezoelektrischen Substrat (1);

    einer ersten Elektrodenstruktur (2a) und einer zweiten Elektrodenstruktur (2b), die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenstruktur (2a) eine Oberflächenwelle erzeugt und die zweite Elektrodenstruktur (2b) dieselbe empfängt;

    einer isolierenden Zwischenschicht (8, 11), die einen freigelegten Bereich aufweist, der zumindest über Bereichen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) angeordnet ist;

    einer Leiterstruktur (9; 12), die auf dem piezoelektrischen Substrat (1) angeordnet ist und über den freigelegten Bereich der isolierenden Zwischenschicht (8, 11) von der ersten Elektrodenstruktur (2a) und von der zweiten Elektrodenstruktur (2b) beabstandet ist, wobei die Leiterstruktur (9; 12) eine elektrische Kopplung von der ersten Elektrodenstruktur (2a) und von der zweiten Elektrodenstruktur (2b) sowie von der Oberflächenwellen auf die zu messende Flüssigkeit (7) unterdrückt.
  2. Oberflächenwellensensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Leiterstruktur (9; 12) eine zusammenhängende leitfähige Schicht ist (9).
  3. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der freigelegte Bereich der isolierenden Zwischenschicht (8) eine Luftschicht aufweist.
  4. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die isolierende Zwischenschicht (8, 11) außerhalb des freigelegten Bereichs eine dielektrische Schicht (11) aufweist.
  5. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) ein Bereich definiert ist, in dem die Leiterstruktur (9; 12) ohne die isolierende Zwischenschicht (8) auf dem piezoelektrischen Substrat (1) gebildet ist.
  6. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Leiterstruktur (12) derart gebildet ist, daß jeder Elektrode der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) eine gleichgeformte Elektrode der Leiterstruktur (12) gegenüber liegt, wobei zwischen einer Elektrode der ersten Elektrodenstruktur (2a) oder der zweiten Elektrodenstruktur (2b) und einer gegenüberliegenden Elektrode der Leiterstruktur (12) stets die gleiche Spannungsdifferenz anliegt.
  7. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste Elektrodenstruktur (2a) und die zweite Elektrodenstruktur (2b) kammförmige Elektroden aufweisen.
  8. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem über der Leiterstruktur (9; 12) eine Passivierungsschicht (10) aufgebracht ist.
  9. Oberflächenwellensensor gemäß Anspruch 8, bei dem die Passivierungsschicht (10) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die SiO2, SiC, Si3N4 umfaßt.
  10. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das piezoelektrische Substrat (1) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat umfaßt.
  11. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Leiterstruktur (9; 12) aus einem Metall gebildet ist.
  12. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die isolierende Zwischenschicht (8, 11) außerhalb des freigelegten Bereichs aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die SiO2, SiC, Si3N4 oder ein organisches Material umfaßt.
  13. Oberflächenwellensensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Passivierungsschicht (10) aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die SiO2, SiC, Si3N4, Polyimid, oder ein anderes organisches Material oder Metall umfaßt.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenwellensensors zum Messen physikalischer Größen von Flüssigkeiten (7) mit folgenden Schritten:

    Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats (1);

    Aufbringen einer ersten Elektrodenstruktur (2a) und einer zweiten Elektrodenstruktur (2b) auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1), derart, daß dieselben voneinander beabstandet angeordnet sind;

    Aufbringen einer isolierenden Zwischenschicht (8, 11) zumindest über Bereichen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b);

    Erzeugen einer Leiterstruktur (9; 12) auf der isolierenden Zwischenschicht (8, 11) zumindest an Bereichen, die der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) gegenüberliegen; und

    Erzeugen eines freigelegten Bereichs in der isolierenden Zwischenschicht (8, 11), so daß die Leiterstruktur über den freigelegten Bereich der isolierenden Zwischenschicht (8, 11) von der ersten Elektrodenstruktur (2a) und von der zweiten Elektrodenstruktur (2b) beabstandet ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, das nach dem Schritt des Aufbringens einer ersten und zweiten Elektrodenstruktur folgende Schritte aufweist:

    Aufbringen einer Opferschicht (11) zumindest über Bereichen der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b)

    Aufbringen einer Leiterstruktur (9; 12) auf der Opferschicht (11) zumindest an Bereichen, die der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) gegenüberliegen;

    Erzeugen einer Kontaktöffnung zur Opferschicht (11); Entfernen der Opferschicht (11); und

    Schließen der Kontaktöffnung mit einer weiteren isolierenden Schicht.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem der Schritt eines Aufbringens einer Leiterstruktur (9) ein Aufbringen einer zusammenhängenden leitfähigen Schicht umfaßt.
  17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Schritt des Aufbringens einer Leiterstruktur (12) ein Aufbringen einer Leiterstruktur umfaßt, die entsprechend der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) gebildet ist, so daß jeder Elektrode der ersten Elektrodenstruktur (2a) und der zweiten Elektrodenstruktur (2b) eine entsprechende Elektrode der Leiterstruktur (12) gegenüberliegt.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, das ferner einen Schritt eines Aufbringens einer Passivierungsschicht (10) über der Leiterstruktur (9; 12) umfaßt.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com