CN103562696A

CN103562696A - 具有压电转换器的传感器元件

Info

Publication number: CN103562696A
Application number: CN201280024398.1A
Authority: CN
Inventors: A·弗兰克; A·比曼; F·亨里奇
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: EP2710344B1; EP2710344A2; WO2012156126A2; DE102011076105A1; WO2012156126A3; CN103562696B

Abstract

本发明涉及一种具有至少一个压电转换器（11）的传感器元件（10），其中，所述压电转换器（11）与至少一个忆阻器（20）耦合。此外，本发明涉及一种具有多个像素的布置的传感器，其中，所述像素中的至少一个包括所述传感器元件（10）。

Description

具有压电转换器的传感器元件

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个压电转换器的传感器元件。

背景技术

压电效应是公知的并且在技术上被充分使用来测量施加的力。在此，力导致梁或膜片的弹性变形并且由此导致材料中电极化的变化。由此发生电荷分离，所述电荷分离又可作为电压探测。压电效应只发生在某些材料中。属于这些材料的有例如石英、锆钛酸铅（PZT）、氮化铝（AIN）以及某些陶瓷。

然而，压电转换器中的电荷分离根据材料和周边电路具有或长或短的持续，也就是说，施加的力从第一恒定水平到第二恒定水平（阶跃）的变化在或长或短的时间后被转换器“遗忘”。这意味着，直接使用的压电转换器不能够用于测量DC（“Direct Current”，也就是直流）信号。因此，这样的压电转换器原则上不是特别适合于将时间上恒定的力转换成测量信号（电压）。出于所述目的，在现有技术中需要面积密集的有源电路（电荷放大器），其通常由于空间原因而不能够直接安置在压电转换器上。

在例如汽车工业中使用的传感器中，经常使用压电转换器来测量当弹性变形时例如在传感器膜片中出现的压电效应。这种压电转换器例如用在力传感器、压力传感器或加速度传感器中。在这样的力传感器、压力传感器或加速度传感器中的机械变形导致压电电荷，所述压电电荷能够借助电荷放大器转换成具有低阻抗的电压。电荷也可用来给电容器充电并且借助尽可能高欧姆的电压表测量所述电容器的电压。然而，在此，由于缺少绝缘电阻，可能例如由于湿气使结果失真并且使记录相对缓慢的变形变得困难。

DE2109388A描述了一种压电转换器，所述压电转换器连接到具有第一晶体管和第二晶体管的放大器或者阻抗转换器上。压电转换器与晶体管一起安置在一个唯一的转换器壳体中。此外必须通过帯电压的电缆使晶体管运行，电压例如来自电池。因此，为了放大或转换压电转换器的信号必须支出高的电路技术耗费，这其中导致整个布置例如对于在机动车中的安装是相对大的并且难处理的。

发明内容

根据本发明提出一种具有至少一个压电转换器的传感器元件，其中，压电转换器与至少一个忆阻器耦合。

忆阻器（组合词：记忆和电阻）在本发明的意义上是无源的元件，其电阻不恒定，而是与其过去有关。除电阻、电容器和电感之外，忆阻器通常被描述为第四个基本的无源元件。已经对忆阻器的基本特性进行了详尽的理论探究（Strukov等所著的《The missing memristor found》，《自然》453（2008年），80ff页）。忆阻器的使用例如在US2010/019656A1中与磁存储元件关联地被描述。对存储元件来说，DE102009026189A1提及忆阻器作为RAM部件（Random Access Memory：随机存取存储器）的替代方案的使用。

在忆阻器中，元件的当前电阻与多少电荷q(t)在哪个方向上流动有关。忆阻器的电阻，也称作忆阻M(t)，尤其与曾经流经其的电流i(t)的积分有关。因此，在忆阻器上下降的电压u(t)通过忆阻M(t)和电流i(t)由u(t)=M(q(t))I(t)给出。

在忆阻器的实现中，忆阻器可以包括不同电导率的至少两个区域。此外，忆阻器的至少两个区域具有确定的大小。如果电流流过部件，则所述区域的大小可能变化。例如区域可以被构造为分别由一个绝缘体和一种金属导电的材料组成的层。在此，使用的典型的材料包括TiO₂和掺杂的TiO₂，例如TiO_2-x，其中，x=0.05。当氧离子或者作为掺杂物起作用的空穴在电场中传输时，在这个具体的示例中两个区域之间的边界移动。由于忆阻器的结构形式，忆阻器能够具有不同的极性，其中，装配方向是重要的。同样作为环形芯电感的其他元件——例如具有棒状磁芯或具有以由气隙中断的环的形式的磁芯的元件能够以根据本发明的方式冷却。

在根据本发明的传感器元件的一种实施方式中，压电转换器与忆阻器并联连接。

在根据本发明的传感器元件的实现中，忆阻器为半桥的一部分。半桥通常包括两个元件组成的串联电路以及一桥臂，所述桥臂在两元件之间横向延伸。半桥优选包括两无源元件，其中，所述元件中的至少一个可以是忆阻器。半桥能够包含两个相反极性的忆阻器。

传感器元件能够进一步构造用于在读取工作方式或测量工作方式中运行。在读取工作方式和测量工作方式之间的切换借助开关实现。此外，在测量工作方式中可以如此连接开关，使得传感器元件的忆阻器与压电转换器耦合。在读取工作方式中开关能够换位，使忆阻器与压电转换器退耦并且与读取电子设备接触。读取电子设备可以包括电压源，优选交流电压源和电压测量仪器，例如电压表。

转换器和忆阻器可以由CMOS兼容的材料制造。适合的材料尤其是那些在半导体制造中使用的材料，例如用于压电转换器的AIN和用于忆阻器的TiO₂。

此外，根据本发明提出一种用于运行上述传感器元件的方法，其中，对传感器元件的读取借助交流电压实现。

附加地，根据本发明提出一种具有多个像素的布置的传感器，其中，所述像素中的至少一个包括如上所述的传感器元件。

在根据本发明的传感器的一种实施方式中，所述布置包括多个传感器元件的矩阵布置。

在根据本发明的传感器的另一种实施方式中，传感器被构造用于与读取电子设备低欧姆连接。

根据本发明又提出一种用于运行传感器的方法，其中，逐行和/或逐列地实现传感器的读取。

在实现根据本发明的用于运行传感器的方法中，实现对像素的时间错开的读取。

根据本发明，在力传感器、压力传感器、旋转加速度传感器或应力传感器或机械应力传感器中提出如上所述的传感器元件的使用。

发明优点

压电转换器与忆阻器的根据本发明提出的组合允许立即检测产生的瞬态信号。由此产生与有源电路相比更小的面积需求。产生的信号改变忆阻器的阻抗M(t)并且可以随时可靠地读取，其中，读取是低欧姆的并且因此对干扰不敏感。

此外小的面积需求使得可能的是，规定压电传感器与忆阻器的根据本发明提出的组合作为多个像素的布置中的像素并且因此实现高的分辨率。此外，时间错开地读取各个像素。此外，通过与读取电子设备的低欧姆的连接来传输大信号，从而电磁干扰不影响测量。

附图说明

现在，借助附图更详细地描述本发明的其他的方面与优点。在此示出：

图1：压电转换器的等效电路图，如由现有技术中公知的那样，

图2：根据图1的电压转换器的阶跃响应，

图3：根据本发明的具有压电转换器和并联连接的忆阻器的传感器元件，

图4：根据本发明的根据图3的传感器元件的阶跃响应，

图5：根据本发明的在测量工作方式中的传感器元件，

图6：根据本发明的、在读取工作方式中的传感器元件，

图7：根据本发明的、在读取工作方式中的传感器元件的差分结构，

图8：具有布置在矩阵中的传感器元件的传感器，其中，对于像素来说实现逐列和逐行的读取。

具体实施方式

图1示出压电转换器11的等效电路图。压电转换器11的等效电路图包括模拟压电效应的电流源12。此外，电流强度i(t)具有与压电灵敏度k和待转换的力F相关的分布：

i(t)=kδF(t)/δt。

另外，内阻14和电容16并联连接到电流源12上。在输出端18产生压电转换器11的输出电压u(t)。

图2示出根据图1的压电转换器11的阶跃响应，也就是说在阶梯状的输入电流强度i(t)的情况下得到的输出电压u(t)。阶跃响应或输入电流强度i(t)的阶梯式的变化例如通过在转换器11上施加力激增来实现。图2借助信号强度分布s、输入电流强度i(t)和输出电压u(t)示出压电转换器11的行为与时间t的关系。短时间高的电流强度i(t)对电容充电并且因此导致输出电压u(t)的下降。因为真实的压电转换器11总是具有无穷大的内阻14，所以电容16在电阻14上放电。因此，得出的电压信号u(t)随时间的增长而衰减。

图3示出传感器元件10，其中，压电转换器11在根据图1的等效电路图中示出。根据本发明，传感器元件10包括压电转换器11，所述压电转换器与忆阻器20耦合。忆阻器20并联连接压电转换器11。此外，忆阻器20包括两区域22、24，其中，第一区域22含有例如TiO₂并且第二区域24包含例如掺杂的TiO_2-x。与图1中类似，i(t)表示压电转换器11的输入电流强度并且u(t)表示传感器元件10的输出电压。

通过忆阻器20与压电转换器11的根据本发明的耦合产生相对现有技术新的可能性。由于忆阻器本身具有相对于压电转换器11的内阻14低几个数量级的电阻值。这降低了输出电压信号u(t)的时间常数。在电容器16上中间存储的电荷的大部分在根据图3的电路中流经忆阻器20并且在此改变所述忆阻器的电阻值M(t)（忆阻）。在此，电阻值的变化以忆阻器区域22、24的大小变化为基础。区域22、24通常具有不同的电导率并且当氧离子或者作为掺杂物起作用的空穴在电场中传输时，区域22、24之间的边界移动。通过这种方式，忆阻器20包含关于当前施加的力信号的信息并且存储该信息。

与根据图2的压电转换器11的阶跃响应相比，图4示出根据本发明提出的具有并联连接的忆阻器20的传感器元件10的阶跃响应。与图2类似，图4借助输入电流强度i(t)和输出电压u(t)的分布示出传感器元件10与时间t的关系。与图2不同，输出电压u(t)跟随短时间高的电流强度i(t)。基于在根据本发明的具有并联的忆阻器20的传感器元件10中大幅降低的时间常数，输出电压u(t)跟随电流强度i(t)。此外，电荷流经忆阻器20并且改变所述忆阻器的电阻值M(t)。

图5和图6示出压电转换器11的等效电路，所述等效电路包括电流源12、内阻14和电容器16，其中，忆阻器20根据本发明是并联连接的。图5中示出测量工作方式30的实现。在根据图5的布置中，忆阻器20通过其忆阻存储：多少电荷流经忆阻器20。为此，忆阻器20与压电转换器11连接。在测量工作方式30期间电荷流经忆阻器20，由此区域22和24在其大小方面变化并且因此改变忆阻器20的忆阻。

图6示出根据图5的电路，其中，忆阻器20处在读取工作方式32中。为了读取忆阻器，电压表26与忆阻器20串联并且连接交流电压源28。通过这种方式，能够借助电压表26的显示确定忆阻器20的忆阻。在读取忆阻器20时交流电压的使用特别有利，因为其允许忆阻在时间的平均上不变。

如在图5和图6中示意性地表示的那样，在忆阻器20的测量工作方式30和读取工作方式32之间借助开关31来回切换。通过这种方式，能够以规律的间隔读取忆阻器的忆阻。

图7示出根据本发明的传感器元件10的另一实施方式，其中，替代一个忆阻器20，两个具有相反极性的忆阻器20、20’串联连接。在此，“相反极性”的意思是，忆阻器20、20’如此连接，使得区域22和22’串联连接。通过这种方式，忆阻器20、20’的极性相反地极化，所述忆阻器分别由区域22、22’指向区域24、24’。图7示出根据本发明的在读取工作方式32中的传感器元件10，其中，开关31处于读取位置上。在桥臂36中，忆阻器20、20’与电压表38连接。附加地，忆阻器20、20’分别与信号发生器34、34’串联连接并且以由信号发生器34、34’产生的阶跃函数加载所述忆阻器。

通过这种方式提供半桥，借助所述半桥能够实施两个忆阻器20、20’的忆阻的差分测量，因为根据忆阻桥臂36中的电压和电流强度在大小和极性方面变化。此外，借助半桥的差分读取具有以下优点：均衡漂移或者网络干扰并且因此能够在整体上更稳定地进行对两个忆阻器20、20’的忆阻的测量。

在图8中示出根据本发明的传感器40，所述传感器包含作为像素的各个传感器元件10、10’。传感器元件10、10’分别包括压电转换器11和忆阻器20的组合。此外，传感器40如此构造，使得传感器能够实现与读取电子设备42的低欧姆的连接。为此，传感器元件10、10’在矩阵布置44中如此彼此连接，使得各个连接端46将一个传感器元件10、10’与行46的至少一个另外的传感器元件10、10’串联连接和/或各个另外的连接端48将一个传感器元件10、10’与列46的至少一个另外的传感器元件10、10’串联连接。

读取电子设备42包括提供交流电压的电压源52和用于测量在至少一个传感器元件10、10’上的电压降的电压表。对传感器元件10、10’的读取通过电子设备的开关31、31’、33、33’实现。通过这种方式，借助读取电子设备42逐行地和逐列地读取各个传感器元件10、10’。图8中开关31’和33’示例性地闭合，其中，开关31’选择行并且开关33’选择列。在开关31’和33’的在图8中所示的位置上，读取传感器元件10’。

在传感器40的另一实施方式中，可以在任意多的行和列中提供不同的数量的传感器元件10、10’。例如一定数量的传感器元件能够布置在相同数量的列中并且和仅仅一行中。这种矩阵布置允许逐列地和逐行地读取分别包括一个传感器元件10、10’的各个像素，以便借助传感器探测例如压力分布。各个传感器元件的小的结构尺寸在此能够实现高的分辨率。此外，能够时间错开地读取各个像素。通过读取电子设备的低欧姆的连接来传输大信号，从而例如通过输送线路接收的电磁干扰不影响测量。

本发明不限于在此描述的实施例和在所述实施例中突出的方面；相反在通过从属权利要求说明的范围内能够实现在技术人员处理范畴内的多种变型。

Claims

1.一种传感器元件（10），所述传感器元件具有至少一个压电转换器（11），其中，所述压电转换器（11）与至少一个忆阻器（20）耦合。

2.根据权利要求1所述的传感器元件（10），其中，所述压电转换器（11）与所述忆阻器（20）并联连接。

3.根据权利要求1或2所述的传感器元件（10），其中，所述忆阻器（20）是半桥的一部分。

4.根据权利要求3所述的传感器元件（10），其中，所述半桥包括两个相反极性的忆阻器（20）。

5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器元件（10），其中，所述传感器元件（10）被构造用于在读取工作方式（30）或测量工作方式（32）中运行。

6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器元件（10），其中，所述转换器（11）和所述忆阻器（20）由CMOS兼容的材料制造。

7.一种传感器（40），所述传感器具有多个像素的布置，其中，所述像素中的至少一个包括根据上述权利要求中任一项所述的传感器元件（10，10’）。

8.根据权利要求7所述的传感器（40），其中，所述布置包括多个传感器元件（10，10’）的矩阵布置（44）。

9.根据权利要求7或8所述的传感器（40），所述传感器被提供用于与读取电子设备（42）低欧姆连接。

10.一种根据上述权利要求中任一项所述的传感器元件（10）在压力传感器、力传感器、旋转加速度传感器或应力传感器中的应用。

11.一种用于运行根据权利要求1至6中任一项所述的传感器元件（10）的方法，其中，对所述传感器元件（10）的读取借助交流电压实现。

12.一种用于运行根据权利要求7至9中任一项所述的传感器的方法，其中，逐行和/或逐列地实现所述传感器（40）的读取。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，实现对像素的时间错开的读取。