AT503816A4 - Piezoelektrischer sensor - Google Patents

Piezoelektrischer sensor Download PDF

Info

Publication number
AT503816A4
AT503816A4 AT0097106A AT9712006A AT503816A4 AT 503816 A4 AT503816 A4 AT 503816A4 AT 0097106 A AT0097106 A AT 0097106A AT 9712006 A AT9712006 A AT 9712006A AT 503816 A4 AT503816 A4 AT 503816A4
Authority
AT
Austria
Prior art keywords
piezoelectric
measuring elements
sensor according
ableitelektrode
housing
Prior art date
Application number
AT0097106A
Other languages
English (en)
Other versions
AT503816B1 (de
Inventor
Dietmar Kroeger
Michael Hirschler
Alexander Friedl
Alexander Schricker
Ferdinand Krispel
Wolfgang Michelitsch
Original Assignee
Piezocryst Advanced Sensorics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Piezocryst Advanced Sensorics filed Critical Piezocryst Advanced Sensorics
Priority to AT0097106A priority Critical patent/AT503816B1/de
Priority to CH00804/07A priority patent/CH698851B1/de
Priority to DE102007024445A priority patent/DE102007024445A1/de
Priority to US11/806,918 priority patent/US7603906B2/en
Priority to GB0710814A priority patent/GB2442077A/en
Application granted granted Critical
Publication of AT503816A4 publication Critical patent/AT503816A4/de
Publication of AT503816B1 publication Critical patent/AT503816B1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/008—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

• · « · · · ··· » · · · · • · · t ····· ··· •••4· · · · · ··-§,·-··· ·· · · »
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor, vorzugsweise Drucksensor, mit in einem Gehäuse angeordneten piezoelektrischen Messelementen, welche zwischen einer druckseitig am Gehäuse angeordneten Membran und einer zum Gehäuse elektrisch isolierten Ableitelektrode eingespannt sind.
Piezoelektrische Messelemente dienen beispielsweise zum Messen von Kräften, Drücken, Beschleunigungen, Dehnungen und Momenten und werden in die für den entsprechenden Anwendungszweck optimierten Sensoren eingesetzt. Bei der Nutzung des transversalen Piezoeffektes werden Messelemente aus dünnen Platten oder Stäben verwendet, über deren Stirnflächen, bzw. Schmalseiten der zu messende Druck, bzw. die zu messende Kraft eingeleitet wird. Da die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Messelementes proportional zum Verhältnis der Ladungssammlungsfläche (Seitenfläche) zur Druckfläche (Schmalseite) ist, sind die Kristallelemente relativ dünn, so dass mehrere derartige Kristallplättchen parallel zueinander eingesetzt werden, um die nötigen Druckkräfte aufnehmen zu können und die Empfindlichkeit zu steigern. Dadurch wird die Handhabung, speziell das Positionieren und Ausrichten der einzelnen Messelemente im Sensor schwierig und aufwändig. Häufig werden daher Zentrierhilfen mit in den Sensor eingebaut, welche die Kristallelemente in ihrer Position halten sollten. Beispielsweise ist es bekannt, mehrere blättchenförmige Messelemente mit Hilfe von Distanzfolien relativ zu einander zu positionieren, wobei die Distanzfolien so geformt sind, dass sie eine Federwirkung auf die Kristallelemente ausüben und diese gegen die Innenwand des Gehäuses drücken, welche mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff ausgekleidet ist. Bei manchen Drucksensoren, welche in Indizierbohrungen eingesetzt werden, weist das Sensorgehäuse einen Innendurchmesser von nur ca. 2 mm auf, so dass sehr kleine Strukturen entstehen, die den Manipulationsaufwand bei der Sensorfertigung erhöhen.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Positionierhilfen aus Kunststoff besteht darin, dass deren Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen zunimmt, was zum Ausfall des Sensors führen kann. Weiters verändert sich der Kunststoff bei sehr hohen Temperaturen (ca. 400°C) irreversibel, wodurch sich dessen Leitfähigkeit erheblich erhöht und elektrische Kurzschlüsse entstehen können.
In diesem Zusammenhang ist aus der WO 2005/026678 A ein mehrschichtiges piezoelektrisches Messelement bekannt geworden, welches in einen Druck- oder Kraftsensor eingebaut werden kann. Der in diesem Dokument beschriebene Sensor weist zumindest zwei direkt nebeneinander angeordnete, piezoelektrische Kristallelemente auf, welche unter Nutzung des transversalen Piezoeffektes ein- ····· ·· ··· • · · ····· · ·· · • · · · · ·· · · · · « ···-*· · ·· * ·· - gAi»··· «· · Μ gesetzt werden. Die Kristallelemente sind blättchenförmig ausgebildet und weisen eine Dicke < 0,5 mm auf. Die einzelnen Kristallelemente sind jeweils mit entgegengesetzter Polarisation direkt aneinander gereiht und über deren Elektrodenschichten fest miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt durch Bonden, Löten oder Thermokompression. Der Vorteil eines derartigen Stapels von einzelnen miteinander verbundenen Kristallelementen besteht einerseits darin, dass er sich durch eine hohe Belastbarkeit und eine hohe Empfindlichkeit auszeichnet. Andererseits wird das Einsetzen in einen Sensor zumindest zum Teil vereinfacht, da nicht mehr die einzelnen Kristallelemente, sondern ein Block aus mehreren Kristallelementen entsprechend positioniert und zu den Innenwänden des Sensorgehäuses elektrisch isoliert werden muss.
Aus der EP 1 283 552 A2 ist weiters ein piezoelektrischer Kristall mit Transversaleffekt bekannt, der ohne Zentrieraufwand und ohne Einsatz von weiteren Mitteln in einen Sensor eingebaut werden kann. Zu diesem Zweck verfügt der piezoelektrische Kristall über einen einstückig hergestellten Sockel mit mindestens einzelnen runden Segmenten, wobei der Sockel in eine dafür vorgesehen Bohrung in einer Haltevorrichtung des Sensors eingesetzt werden kann. Weiters wird in der EP 1 283 552 A2 eine Ausführungsvariante beschrieben, bei welcher zwei spiegelgleiche Kristalle aneinander gereiht werden können, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors verdoppelt wird. Sowohl der einfache Kristall samt Sockel, als auch der Doppelkristall mit geteiltem Socken aus zwei spiegelbildlichen Hälften verlangt allerdings eine relativ komplizierte Herstellung, wobei auch der verbleibende Manipulationsaufwand beim Zusammenbau eines derartigen Sensors beträchtlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Sensor, beispielsweise einen Drucksensor, mit mehreren piezoelektrischen Messelementen derart zu verbessern, dass die Positionierung der Messelemente weiter vereinfacht wird, wobei trotzdem für eine ausreichende elektrische Isolierung der Messelemente zur Gehäuseinnenwand - insbesondere auch bei hohen Temperaturen - gesorgt sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die piezoelektrischen Messelemente durch Bonden, Löten oder Thermokompression an der Ableitelektrode fixiert sind und mit dieser einen kompakten Messelementstapel bilden. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme können die einzelnen Messelemente bereits außerhalb des Sensors bzw. des Sensorgehäuses an der Ableitelektrode fixiert werden, sodass dann während der Montage ein Verrutschen oder Verschieben der Messelemente vermieden werden kann. Im fertigen Sensor wird trotzdem eine durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten
bedingte Beweglichkeit der Messelemente in Bezug auf die Kontaktfläche der Elektrode zugelassen.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung sind die piezoelektrischen Messelemente vorzugsweise blättchenförmig ausgebildet und zur Nutzung des transversalen Piezoeffektes jeweils mit einer Schmalseite durch Bonden, Löten oder Thermokompression an der Ableitelektrode fixiert. Zur besseren Beweglichkeit bei hoher Temperaturbelastung können die stapelförmige angeordneten piezoelektrischen Messelementen zwischen benachbarten Seitenflächen einen Luftspalt aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die piezoelektrischen Messelemente jeweils mit einer Schmalseite an der zum Gehäuse isolierten Ableitelektrode sowie mit einer gegenüberliegenden Schmalseite an einer membranseitig angeordneten Ableitelektrode durch Bonden, Löten oder Thermokompression fixiert sein, wodurch der Messelementstapel an beiden Schmalseiten der piezoelektrischen Messelemente diese fixierende Ableitelektroden aufweist und als eine kompakte Einheit in das Sensorgehäuse eingeschoben werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die zum Gehäuse isolierte Ableitelektrode im wesentlichen aus einem scheibenförmigen Auflageelement und einem stiftförmigen Ableitelement besteht, wobei die piezoelektrischen Messelemente am Auflageelement fixiert sind und sich dieses unter Zwischenlage eines Isolierelements am Gehäuse abstützt, wobei das stiftförmige Ableitelement eine Öffnung des Isolierelements durchsetzt. Eine exakte Positionierung des Messelementstapels kann mit Hilfe des stiftförmigen Ableitelements durchgeführt werden.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung können die piezoelektrischen Messelemente, vorzugsweise blättchenförmig ausgebildet sein und zur Nutzung des longitudinalen Piezoeffektes jeweils mit einer Seitenfläche durch Bonden, Löten oder Thermokompression an der Ableitelektrode fixiert sein. Beispielsweise kann die Ableitelektrode scheibenförmig ausgeführt sein, wobei jeweils zwei piezoelektrische Messelemente mit entgegengerichteter Polarisation an gegenüberliegenden Seiten der scheibenförmigen Ableitelektrode angeordnet sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen piezoelektrischen Drucksensor gemäß Stand der Technik in einem Axialschnitt, Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3 eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Sensors in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, Fig.4 eine Schnittdarstellung gemäß Linie B-B in
Fig. 3, Fig. 5 ein Detail aus Fig. 3, Fig. 6 eine zweite Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Sensors ebenfalls in einem Axialschnitt, Fig. 7 eine Schnittdarstellung gemäß Linie C-C in Fig. 6, Fig. 8 ein Messelement des erfindungsgemäßen Drucksensors in einer Vielschichttechnologie, Fig. 9 eine Ausführungsvariante des Messelementes nach Fig. 8, sowie Fig. 10 und 11 eine weitere Variante eines Messelementes des Drucksensors in zwei Herstellungsstadien.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte piezoelektrische Drucksensor gemäß Stand der Technik weist vier blättchenförmige piezoelektrische Messelemente 1 auf, die unter Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes zwischen einer zum Gehäuse 4 elektrisch isolierten Ableitelektrode, sowie einer membranseitigen Ableitelektrode 3, welche sich auf Gehäusepotential befindet, eingespannt sind. Die einzelnen Messelemente 1 stehen über deren Schmalseiten 5, 5' mit den Ableitelektroden 2, 3 in Kontakt, wobei die Ableitelektrode 3 direkt an einer druckseitig am Gehäuse 4 angeordneten Membran 10 anliegt. Die Krafteinleitung in den Drucksensor erfolgt achsparallel (siehe Pfeil F). Um die einzelnen Messelemente 1 relativ zueinander zu positionieren, sind zwischen den benachbarten, Seitenflächen 11 Distanzfolien 9 angeordnet, die beispielsweise wellig geformt sind, um eine Federwirkung zu erzielen, mit der die einzelnen Kristallelemente 1 gegen die Innenwand des Gehäuses 4 gedrückt werden. Um einen Isolationsverlust zu verhindern, ist eine mantelförmige Schicht 8 aus isolierendem Kunststoff zwischen den Messelementen 1 und dem Gehäuse 4 angebracht. Zur elektrischen Isolierung der Ableitelektrode 2 ist zwischen der Ableitelektrode 2 und dem Gehäuse 4 ein Isolationselement 7 angeordnet.
Die einzelnen Elemente des Sensors müssen einzeln und sorgfältig positioniert werden, was bei kleinen Innendurchmessern (bis ca. 2 mm) einen großen Manipulationsaufwand erfordert.
Bei den nachfolgenden, erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Variante gemäß Fig. 3 bis 5 sind die piezoelektrischen Messelemente 1 mit deren Schmalseiten 5 an der Ableitelektrode 2 durch Bonden, Löten oder Thermokompression fixiert und bilden so einen kompakten Messelementstapel 6, der mit Hilfe der Ableitelektrode 2 in das Gehäuse 4 eingesetzt und ohne Zuhilfenahme von im Sensorgehäuse 4 verbleibenden Hilfsoder Positioniermittel derart zentriert werden kann, dass ein ausreichender Luftspalt der einzelnen Messelemente 1 zur Innenwand des Sensorgehäuses 4 gewährleistet ist. Der Messelementstapel 6 gemäß Fig. 5 kann entweder aus der Ableitelektrode 2 und den daran fixierten Messelementen 1 bestehen oder auch zusätzlich auf der gegenüberliegenden Seite eine Ableitelektrode 3 aufweisen, welche an den gegenüberliegenden Schmalseiten 5' der Messelemente 1 ebenfalls durch Bonden, Löten oder Thermokompression befestigt ist. Die piezoelektrischen Messelemente 1 und/oder die Ableitelektroden 2, 3 weisen an deren Kontaktstellen (im Bereich der Schmalseiten 5 bzw. 5' der Messelemente 1) eine duktile Beschichtung auf, die vorzugsweise durch Sputtern aufgebracht wird.
Die duktile Beschichtung kann beispielsweise aus Gold, einer Goldlegierung oder aus einem silberhaltigen Lot bestehen. Falls die Messelemente 1 auf deren Seitenflächen 11 und den Schmalseiten 5, 5' eine dünne Elektrodenbeschichtung aus Gold aufweisen, müssen lediglich die Kontaktstellen auf den Ableitelektroden 2, 3 mit Gold beschichtet werden, um die Messelemente mittels Thermokompression an den Ableitelektroden 2, 3 zu fixieren.
Die Abieitelektrode 2 besteht im Wesentlichen aus einem scheibenförmigen Auflageelement 13 und einem stiftförmigen Ableitelement 14, wobei die piezoelektrischen Messelemente 1 am Auflageelement 13 fixiert sind und sich dieses unter Zwischenlage eines Isolierelements 7 am Gehäuse 4 abstützt. Das stiftförmige Ableitelement 14 durchsetzt eine Öffnung 15 des Isolierelements 7. Gemäß einer Variante der Erfindung kann die zum Gehäuse 4 isolierte Abieitelektrode 2 im Wesentlichen auch aus einer Lochscheibe und einem in die Lochscheibe von oben einsetzbaren, stiftförmigen Ableitelement 14 bestehen.
Die erfindungsgemäße Fixierung der Messelemente 1 muss eine sichere Montage garantieren, aber im fertigen, einsatzbereiten Drucksensor eine Beweglichkeit zwischen den Messelementen 1 und deren Anlageflächen an den Elektroden 2, 3 erlauben, damit deren Messeigenschaft nicht beeinträchtigt werden, bzw. die Messelemente bei starker Temperaturbelastung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messelemente 1 und der Ableitelektroden 2, 3 nicht zerstört werden.
Die Montage wird wie folgt durchgeführt: - die Messelemente 1 werden an den Schmalseiten 5, 5’ mit einer duktilen Schicht besputtert; - vorzugsweise werden auch die Elektroden 2, 3 zumindest an den Kontaktflächen zu den Messelementen 1 besputtert; - die Messelemente 1 und die Elektroden 2, 3 werden außerhalb des Drucksensors zueinander ausgerichtet und fixiert. Bei einer für die Kristallelemente 1 unschädlichen Anpresskraft und erhöhter Temperatur werden die Bauteile 1 bis 3 zueinander fixiert und durch Bonden, Thermokompression oder Löten miteinander verbunden; - der so entstehende Messelementstapel 6 wird als Einheit in den Innenraum 16 des Sensorgehäuses 4 eingebracht und kann über eine später (beispielsweise nach der Befestigung der Membran 10) wieder entfernbare Zentriervorrichtung 18, beispielsweise zwischen dem stiftförmigen Ableitelement 14 und einer Bohrung 17 im Sensorgehäuse 4 so ausgerichtet werden, dass zwischen den Messeiementen 1 und der Innenwand des Gehäuses 4 ein Luftspalt entsteht, der die nötige Isolation gewährleistet; - Zur genauen Positionierung des Messelementstapels 6 kann auch ein konischer Übergang zwischen dem Auflageelement 13 und dem Ableitelement 14 im Zusammenspiel mit der Bohrung 15 im Isolierelement 7 verwendet werden.
Bei der in Fig. 6 und 7 dargestellten, zweiten Ausführungsvariante der Erfindung sind die piezoelektrischen Messelemente 1, zur Nutzung des longitudinalen Piezo-effektes jeweils mit einer Seitenfläche 11 durch Bonden, Löten oder Thermokom-pression an der Ableitelektrode 2 fixiert. Die Ableitelektrode 2 mit der Signalleitung 19 kann im Wesentlichen scheibenförmig ausgeführt sein, wobei jeweils zwei piezoelektrische Messelemente 1 mit entgegengerichteter Polarisation an gegenüberliegenden Seiten der scheibenförmigen Ableitelektrode 2 angeordnet sind. Die scheibenförmige Ableitelektrode 2 bildet mit den darauf fixierten piezoelektrischen Messelementen 1 einen einfach zu handhabenden Messelementstapel 6. Die Ableitelektrode 2 muss nicht kreisrund ausgeführt sein, sondern kann auch andere Formen (z.B. quadratisch oder rechteckförmig) annehmen.
Der Messelementstapel 6 kann zusätzlich eine oder beide Ableitelektroden 3 umfassen, wobei die Messelemente 1 mit deren Seitenflächen 11' durch Bonden, Löten oder Thermokompression an den Ableitelektroden 3 fixiert sein können. Eine oder beide der Ableitelektroden 3 liegen an einer hier nicht dargestellten Membran an, welche mit dem Gehäuse 4 verschweißt ist. Die piezoelektrischen Messelemente 1 und/oder die Ableitelektroden 2, 3 weisen an deren Kontaktstellen im Bereich der Seitenflächen 11, 11' eine duktile Beschichtung (beispielsweise Gold oder silberhaltiges Lot) auf.
Bei beiden Ausführungsvarianten kann die Ableitelektrode 2 aus Metall, einer Metalllegierung, einer leitfähigen Keramik oder einer Keramik mit einer elektrisch leitenden Beschichtungen bestehen. Für Hochtemperatur-Messungen können die piezoelektrischen Messelemente 1 aus einem hochtemperaturbeständigen Material, vorzugsweise aus GaP04, bestehen.
Die in den einzelnen Ausführungsvarianten dargestellten piezoelektrischen Messelemente 1 können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung auch vielschichtig ausgebildet sein und aus abwechselnd angeordneten dünnen, piezoelektrischen Schichten 20 und dünnen Elektrodenschichten 21 bestehen (siehe Fig. 8 bis 11). Derartige „Thin Film Stacks" können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden.
Durch den geschichteten Aufbau wird der Piezoeffekt (bei Einkristallen typisch 1 - 10 pm/V) für die Anwendung von Drucksensoren erhöht, wobei gleichzeitig die Vorteile piezoelektrischer Einkristalle (wie Temperaturstabilität der Konstanten, niedrige dielektrische Verluste etc.) genutzt werden können.
Fig. 8 zeigt den geschichteten Aufbau eines Piezostacks. Da durch den Einkristall die piezoelektrische Konstante unbeeinflussbar vorgegeben ist, müssen die piezoelektrischen Schichten 20 jeweils so orientiert sein, dass die Ladungsabführung durch die Elektrodenschichten 21, 21' möglich wird. Jeweils gleichnamige Ladungen werden durch seitliche Elektrodenschichten 22, 22' zusammengefasst.
Durch den mehrlagigen Aufbau wird die Fläche vervielfacht, durch Addition der Ladungen ergibt sich ein wesentlich höherer Piezoeffekt (z.B. 6fach in der Variante gemäß Fig. 8) im Vergleich zu Einzelelementen.
Schichtaufbau:
Gemäß einer einfachen Ausführungsvariante werden die piezoelektrischen Platten bzw. Schichten 20 durch Metallfolien, welche die Elektrodenschichten 21, 21' bilden, getrennt und gegensinnig orientiert übereinander gelegt. Für die seitliche Kontaktierung können die elektrisch gegengepolten, leitenden Kanten etwas angefräst werden. Die seitlichen Elektroden 22, 22' können mit Hilfe bekannter Verfahren aufgebracht werden.
In einer anderen Ausführungsvariante können die Elektrodenschichten 21, 21' direkt auf die piezoelektrischen Schichten 20 aufgebracht werden (z.B. durch Sputtern oder Aufdampfen).
In der Fig. 9 werden zwei piezoelektrische Messelemente 1 zu einen Multistack zusammengefasst. Für die Herstellung müssen zuerst die Einzelelemente 20 gefertigt werden, anschließend werden diese (mit wechselnder Polarität) angeordnet und mit den Metallfolien 21, 21' unter Druck verschweißt. Dünnste Schichten:
Besonders effektiv werden Piezostacks mit sehr dünnen piezoelektrischen Schichten 21, 21'. Eine sehr vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit ergibt sich durch die Falttechnik gemäß Fig. 10 und 11. Die piezoelektrische Einkristallschicht 20 kann z.B. über epitaxiales Wachstum auf die Elektrodenschicht 21' aufgebracht und mit einer Elektrodenschicht 20 abgedeckt werden (Fig. 10). Die erforderlichen Ausnehmungen 23 in den einzelnen Schichten können durch Sputter- und Ätzverfahren hergestellt werden. Danach wird die Struktur gemäß Fig. 10 gefaltet, wodurch ein Thin Film Stack gemäß Fig. 11 entsteht.
Bei allen Verfahren muss die piezoelektrische Schicht 20 orientiert sein (z.B. durch Einbringung einer orientierten Struktur in das metallische Substrat, über ein elektrisches Feld oder mechanischem Druck während des Wachstums). Epitaktische Verfahren sind z.B. atomares Wachstum (wie CVD, PVD) oder direktes, orientiertes Aufwachsen (Flüssigepitaxie, Fluxzucht, etc.)

Claims (12)

  1. • · · · · • · · · ··· • · · · « ·· - Or- ··· • · · • · · ··· ·· 1 • ··· • · • ·· PATENTANSPRÜCHE 1. Piezoelektrischer Sensor, vorzugsweise Drucksensor, mit in einem Gehäuse (4) angeordneten piezoelektrischen Messelementen (1), welche zwischen einer druckseitig am Gehäuse (4) angeordneten Membran (10) und einer zum Gehäuse (4) elektrisch isolierten Ableitelektrode (2) eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) durch Bonden, Löten oder Thermokompression an der Ableitelektrode (2) fixiert sind und mit dieser einen kompakten Messelementstapel (6) bilden.
  2. 2. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) vorzugsweise blättchenförmig ausgebildet sind und zur Nutzung des transversalen Piezoeffektes jeweils mit einer Schmalseite (5) durch Bonden, Löten oder Thermokompression an der Ableitelektrode (2) fixiert sind.
  3. 3. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) stapelförmig angeordnet sind und zwischen benachbarten Seitenflächen (11) einen Luftspalt (12) aufweisen.
  4. 4. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) jeweils mit einer Schmalseite (5) an der zum Gehäuse (4) isolierten Ableitelektrode (2) sowie mit einer gegenüberliegenden Schmalseite (5') an einer membranseitig angeordneten Ableitelektrode (3) durch Bonden, Löten oder Thermokompression fixiert sind.
  5. 5. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Gehäuse (4) isolierte Ableitelektrode (2) im Wesentlichen aus einem scheibenförmigen Auflageelement (13) und einem stiftförmigen Ableitelement (14) besteht, wobei die piezoelektrischen Messelemente (1) am Auflageelement (13) fixiert sind und sich dieses unter Zwischenlage eines Isolierelements (7) am Gehäuse (4) abstützt, wobei das stiftförmige Ableitelement (14) eine Öffnung (15) des Isolierelements (7) durchsetzt.
  6. 6. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Gehäuse (4) isolierte Ableitelektrode (2) im Wesentlichen aus einer Lochscheibe und einem in die Lochscheibe ersetzbaren, stiftförmigen Ableitelement (14) besteht.
  7. 7. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1), vorzugsweise blättchenförmig ausgebildet sind und zur Nutzung des longitudinalen Piezoeffektes jeweils mit einer Seitenfläche (11) durch Bonden, Löten oder Thermokompression an der Ableitelektrode (2) fixiert sind.
  8. 8. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitelektrode (2) scheibenförmig ausgeführt ist, wobei jeweils zwei piezoelektrische Messelemente (1) an gegenüberliegenden Seiten der scheibenförmigen Ableitelektrode (2) angeordnet sind.
  9. 9. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) und/oder die Ableitelektroden (2, 3) an deren Kontaktstellen eine duktile Beschichtung aufweisen.
  10. 10. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitelektrode (2) aus Metall, einer Metalllegierung, einer leitfähigen Keramik oder einer Keramik mit einer elektrisch leitenden Beschichtungen besteht.
  11. 11. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) aus einem hochtemperaturbeständigen Material, vorzugsweise aus GaP04, bestehen.
  12. 12. Piezoelektrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Messelemente (1) vielschichtig ausgebildet sind und aus abwechselnd angeordneten dünnen, piezoelektrischen Schichten (20) und dünnen Elektrodenschichten (21) bestehen. 2006 06 06 / Lu/Ec/Sc n· i . Patent<ifrfvalt aS?' Ma|^hael Babeluk Mörtel 39/11 33*6 ftw; (*43 i) 892 89 333 **"·' <w«fit*babelolc :at
AT0097106A 2006-06-06 2006-06-06 Piezoelektrischer sensor AT503816B1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT0097106A AT503816B1 (de) 2006-06-06 2006-06-06 Piezoelektrischer sensor
CH00804/07A CH698851B1 (de) 2006-06-06 2007-05-18 Piezoelektrischer Sensor.
DE102007024445A DE102007024445A1 (de) 2006-06-06 2007-05-25 Piezoelektrischer Sensor
US11/806,918 US7603906B2 (en) 2006-06-06 2007-06-05 Piezoelectric sensor
GB0710814A GB2442077A (en) 2006-06-06 2007-06-06 Piezoelectric Sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT0097106A AT503816B1 (de) 2006-06-06 2006-06-06 Piezoelektrischer sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
AT503816A4 true AT503816A4 (de) 2008-01-15
AT503816B1 AT503816B1 (de) 2008-01-15

Family

ID=38318790

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
AT0097106A AT503816B1 (de) 2006-06-06 2006-06-06 Piezoelektrischer sensor

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7603906B2 (de)
AT (1) AT503816B1 (de)
CH (1) CH698851B1 (de)
DE (1) DE102007024445A1 (de)
GB (1) GB2442077A (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009039827A1 (de) 2008-09-11 2010-04-15 Piezocryst Advanced Sensorics Gmbh Piezoelektrischer Drucksensor

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005001005B4 (de) * 2005-01-07 2008-11-20 Continental Automotive Gmbh Stellantrieb zur Betätigung eines Kraftstoffeinspritzventils
ATE465396T1 (de) * 2006-05-04 2010-05-15 Kistler Holding Ag Piezoelektrisches messelement mit transversaleffekt und sensor, umfassend ein solches messelement
AT505015B1 (de) * 2007-07-27 2008-10-15 Piezocryst Advanced Sensorics Drucksensor
ES2629101T3 (es) * 2008-05-05 2017-08-07 Kistler Holding Ag Célula de carga
US7930944B2 (en) * 2008-05-14 2011-04-26 Honeywell International Inc. ASIC compensated pressure sensor with soldered sense die attach
AT507198B1 (de) * 2008-11-04 2010-03-15 Piezocryst Advanced Sensorics Kraftmessring mit einem ringförmigen gehäuse
CH702257A1 (de) * 2009-11-25 2011-05-31 Kistler Holding Ag Drucksensor.
US8371176B2 (en) 2011-01-06 2013-02-12 Honeywell International Inc. Media isolated pressure sensor
DE102011078947A1 (de) * 2011-04-07 2012-10-11 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor
AT511330B1 (de) * 2011-06-03 2012-11-15 Piezocryst Advanced Sensorics Sensor für die messung von druck und/oder kraft
US8516897B1 (en) 2012-02-21 2013-08-27 Honeywell International Inc. Pressure sensor
CN104614118B (zh) 2013-11-05 2019-01-11 精工爱普生株式会社 力检测装置、机器人以及电子部件输送装置
US20160246368A1 (en) * 2013-12-27 2016-08-25 Intel Corporation Piezoelectric sensor assembly for wrist based wearable virtual keyboard
CH709395A1 (de) * 2014-03-21 2015-09-30 Kistler Holding Ag Piezoelektrisches Messelement zur Messung des dynamischen Druckes sowie des statischen Druckes und/oder der Temperatur.
US10065854B2 (en) 2015-05-20 2018-09-04 uBeam Inc. Membrane bonding with photoresist
US10315224B2 (en) 2015-05-20 2019-06-11 uBeam Inc. Ultrasonic transducer
US10058892B2 (en) 2015-05-20 2018-08-28 uBeam Inc. Membrane bonding
EP3124947B1 (de) * 2015-07-31 2018-12-05 Kistler Holding AG Drucksensor
EP3124945B1 (de) * 2015-07-31 2018-09-12 Kistler Holding AG Piezoelektrischer drucksensor
US10324494B2 (en) 2015-11-25 2019-06-18 Intel Corporation Apparatus for detecting electromagnetic field change in response to gesture
US10330550B2 (en) 2015-12-03 2019-06-25 Kistler Holding Ag Piezoelectric pressure sensor
RU2626080C1 (ru) * 2016-03-23 2017-07-21 Открытое акционерное общество "Фомос - Материалс" Способ промышленного производства прецизионных пьезоэлектрических чувствительных элементов
AT518650B1 (de) * 2016-06-07 2017-12-15 Piezocryst Advanced Sensorics Piezoelektrischer drucksensor zum messen hoher drücke
JP6602740B2 (ja) * 2016-10-26 2019-11-06 日本特殊陶業株式会社 圧力センサ
JP6798874B2 (ja) * 2016-12-26 2020-12-09 シチズンファインデバイス株式会社 圧力検出装置
JP6817058B2 (ja) * 2016-12-26 2021-01-20 シチズンファインデバイス株式会社 圧力検出装置の製造方法および圧力検出装置
WO2018216632A1 (ja) * 2017-05-23 2018-11-29 京セラ株式会社 圧電式センサおよびその製造方法
JP2019012012A (ja) * 2017-06-30 2019-01-24 セイコーエプソン株式会社 力検出装置およびロボット
EP3470809B1 (de) * 2017-10-16 2020-07-15 Kistler Holding AG Drucksensor für ein metall- oder kunststoffverarbeitungswerkzeug
CN110221097A (zh) * 2019-06-03 2019-09-10 西人马（厦门）科技有限公司 压电传感器

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH394637A (de) * 1963-04-05 1965-06-30 Kistler Instrumente Ag Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers
GB1052230A (de) 1963-04-05
GB2022261A (en) * 1978-04-28 1979-12-12 Atomic Energy Authority Uk A piezo-electric pressure transducer
AT382968B (de) * 1983-12-28 1987-05-11 Avl Verbrennungskraft Messtech Piezoelektrisches messelement
WO1990016087A2 (en) 1989-06-07 1990-12-27 Interspec, Inc. Piezoelectric device with air-filled kerf
DE4009377A1 (de) * 1990-03-23 1991-10-02 Bosch Gmbh Robert Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen
DE50213193D1 (de) * 2001-08-02 2009-02-26 Kistler Holding Ag Kristallelement für Piezosensoren
US6794723B2 (en) * 2001-09-12 2004-09-21 Ngk Insulators, Ltd. Matrix type piezoelectric/electrostrictive device and manufacturing method thereof
US7548012B2 (en) * 2003-09-17 2009-06-16 Kistler Holding, Ag Multi-layer piezoelectric measuring element, and pressure sensor or force sensor comprising such a measuring element
US7017245B2 (en) * 2003-11-11 2006-03-28 General Electric Company Method for making multi-layer ceramic acoustic transducer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009039827A1 (de) 2008-09-11 2010-04-15 Piezocryst Advanced Sensorics Gmbh Piezoelektrischer Drucksensor

Also Published As

Publication number Publication date
US20070277618A1 (en) 2007-12-06
DE102007024445A1 (de) 2007-12-13
US7603906B2 (en) 2009-10-20
GB2442077A (en) 2008-03-26
CH698851B1 (de) 2009-11-13
GB0710814D0 (en) 2007-07-18
AT503816B1 (de) 2008-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT503816B1 (de) Piezoelektrischer sensor
DE102005010338B4 (de) Kraftsensoranordnung mit magnetostriktiven Magnetowiderstandssensoren und Verfahren zur Ermittlung einer auf den Träger einer Kraftsensoranordnung wirkenden Kraft
EP1797603B1 (de) Sensorelement mit zumindest einem messelement, welches piezoelektrische und pyroelektrische eigenschaften aufweist
EP1277243B1 (de) Piezokeramischer mehrschichtbauteil für messgeräte sowie dessen herstellungsverfahren
AT503664A4 (de) Piezoelektrischer drucksensor
EP3870930B1 (de) Dehnungsmessstruktur mit einem strukturierten träger
CH664235A5 (de) Piezoelektrisches messelement.
EP1664705B1 (de) Mehrschichtiges piezoelektrisches messelement und ein druck- oder kraftsensor umfassend ein solches messelement
WO2006136182A1 (de) Drucksensor
EP3289326B1 (de) Kontaktkraft-prüfvorrichtung, verwendung einer solchen kontaktkraft-prüfvorrichtung und verfahren zur herstellung einer solchen kontaktkraft-prüfvorrichtung
DE102005001298A1 (de) Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor, und zugehöriges Herstellverfahren
CH711008A1 (de) Kontaktkraft-Prüfvorrichtung, Verwendung einer solchen Kontaktkraft-Prüfvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktkraft-Prüfvorrichtung.
WO2012100770A1 (de) Elektrische messeinrichtung zur kraft- und/oder druckmessung
EP3542405B1 (de) Piezoelektrische sende- und/oder empfangseinrichtung, vibrationssensor mit einer solchen piezoelektrischen sende- und/oder empfangseinrichtung sowie verfahren zur herstellung einer piezoelektrischen sende- und/oder empfangseinrichtung
DE10112588C1 (de) Piezoaktor sowie Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors
DE19845537A1 (de) Sensor und Verfahren zu seiner Herstellung
EP3036778B1 (de) Bauelement zum elektrischen kontaktieren eines piezostapels sowie piezostapel und herstellungsverfahren mit demselben
AT523510B1 (de) Strukturiertes, piezoelektrisches Sensorelement
DE102010048903B4 (de) Elektrische Durchführung für Hochdruckanwendungen als Träger für Sensoren
EP3336911B1 (de) Messelementstapel zum messen von kräften oder drücken und verfahren zur herstellung eines derartigen messelementstapels
EP3340324B1 (de) Messelementstapel zum messen von kräften oder drücken und verfahren zur herstellung eines derartigen messelementstapels
EP0949481B1 (de) Kapazitives Hochtemperatur-Extensometer
DE102017131263A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Messeinrichtung
DE102013209541A1 (de) Sensorelementanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Sensorelementanordnung
DE102008013428A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, eines Strahlungsdetektormoduls und eines Strahlungsdetektors

Legal Events

Date Code Title Description
MM01 Lapse because of not paying annual fees

Effective date: 20170606