CN107110886A - 用于剪切模式加速计的压电传感器元件 - Google Patents

Abstract

一种压电剪切模式传感器元件包括由具有固有极化轴的压电材料制成的传感器块，其中，压电材料还是热电物质。传感器块在轴向方向上具有轴向端并且在与轴向方向垂直的横向方向上具有横向侧面。传感器电极被适配成用于捕获剪切模式传感器信号。传感器元件进一步包括被适配成局部改变和/或重新布置电荷的放电保护装置，以抵消在传感器块的横向侧面上的热电位移电荷。

Description

用于剪切模式加速计的压电传感器元件

技术领域

一方面，本发明涉及一种用于剪切模式传感器设备的压电剪切模式传感器元件，传感器元件包括由具有固有极化轴的压电材料制成的传感器块，其中，压电材料还是热电物质，其中，传感器块在轴向方向上具有第一端和第二端，并且其中，传感器块在与轴向方向垂直的横向方向上具有横向侧面，传感器元件进一步包括被适配成用于捕获剪切模式传感器信号的传感器电极，其中，传感器电极包括布置在传感器块的第一端上的第一传感器电极和布置在传感器块的第二端上的第二传感器电极。又一方面，本发明涉及一种生产供剪切模式传感器设备使用的压电传感器元件的方法。就本发明的一个具体方面而言，传感器设备是加速计设备。

背景技术

在从端用户设备至监控重工业装备范围内的各种各样应用中，加速计设备用于测量动态力学量。加速计设备的通常设计使用由压电材料制成的一个或多个传感器元件，传感器电极附接至该压电材料的相对面。压电材料的第一面与夹持到基部的第一端相关联，并且另一面与通常设置有测震质量(seismic mass，质量块)的第二端相关联。测震质量相对于基部的位移导致压电材料的变形，从而产生压电响应。传感器电极用于捕获压电响应作为电传感器信号。

加速计设备确定材料对动态机械负荷(即，作用于传感器元件上的随着时间而变化的机械负荷)情况下的变形的压电响应。动态机械负荷的实施例是振动模式。当测量给定机械本体的振动时，基部通常附接至被测量的本体。本体的振动经由基部转移至压电材料的夹持第一端。由于测震质量的惯性，压电材料的第二端并不或至少不立即追随第一端的移动，由此导致动态变形，从而引起动态压电响应，该动态压电响应可由适当放置的电极捕获为传感器信号。

然后，通常，将由传感器电极捕获的传感器信号传递至提供代表传感器信号的输出的读出电子装置。例如，读出电子装置可实现诸如放大、过滤、数字化、模拟信号处理、和/或数字信号处理的一种或多种处理功能。输出可被提供、显示、记录、传递至监控系统、触发事件/警报、和/或用于随后计算或进一步的信号处理。

在取决于针对测量压电响应而采用的机械变形类型的配置中，相对于固有极化轴布置传感器电极。例如，在压缩模式配置中，采用压电材料的压缩变形并且将携带相应传感器电极的第一端面和第二端面布置成使得至少每个传感器电极的表面法线的主分量与固有极化轴基本平行。在剪切模式配置中，采用压电材料的剪切变形。在剪切模式配置中，携带相应传感器电极的第一端面和第二端面被布置成与固有极化轴基本平行。即，在剪切模式配置中，每个传感器电极的表面法线与固有极化轴基本垂直。因此，通过传感器电极捕获对于在与压电材料的固有极化轴平行的方向上的剪切变形的压电响应。

出于对加速计应用的商业利益的许多压电材料还展示了压电性质，其中，当经历温度变化时，由于材料中的电荷分离而积累电荷。在与固有极化轴平行的方向上，通过压电效应的驱动而发生电荷分离。诸如，在压缩模式配置中，当在与固有极化轴平行的方向上测量时，在温度变化过程中，压电电荷分离，由此产生将被叠加至压电信号中的伪像(artefact)。因此，通常认识到，通过剪切模式配置克服了因热电电荷分离而产生的这种伪像，因为在剪切模式配置中，在与固有极化轴垂直的方向上捕获传感器信号，该方向上理论上可忽略传感器信号的热电影响。

JP H07-244069中公开了该剪切模式加速计设备。强调了传感器电极相对于压电材料的极化轴的具体布置导致了改进的加速计信号，其不受热电效应的影响。

GB 2224598中公开了另一剪切模式加速计设备。该文件解决了传感器电极相对于压电材料的极化轴的精确对准问题并且提供了一种对未对准较不敏感的设备配置。

然而，尽管剪切模式配置避免捕获到由于传感器电极方位而叠加的伪像，然而，本发明的一个优点在于认识到，实际上，压电效应仍以相当显著的方式影响测量的信号。这是由于这样一种事实，即，当这种剪切模式传感器元件经历明显的温度变化并且在具有与极化轴平行的分量的表面法线的压电传感器元件的边缘(刻面/正面/侧面)上产生积累电荷时，仍发生热电电荷分离。本发明的进一步优点在于认识到，由于沿着传感器元件的横向边缘的电流脉冲和随机漏电流，所以该积累电荷导致传感器信号中自发的放电噪声。当温度变化速率明显时，诸如，在具有大且快速的温度变化的高温应用中，这种问题尤其显著。例如，高温应用可包括在约200℃以上执行的测量，其中，例如，相对于观察包括电流脉冲和随机漏电流的放电噪声，约1℃/min的温度变化速率被观察为是显著的。随着温度变化速率随着时间的增加，放电噪声也增加。

上述现有技术中的剪切模式加速计设备皆不能解决温度扫描过程中由剪切模式压电传感器元件的横向边缘上的热电电荷积累而产生的自发放电噪声的问题。

因此，本发明的一个目标是提供一种克服或至少减少上述剪切模式加速计设备中自发的放电噪声问题的压电剪切模式传感器元件。本发明的进一步目标是提供一种生产这种压电剪切模式传感器元件的方法。

除加速计设备之外，压电材料的剪切模式变形还可用作诸如变形传感器、位移传感器、应变传感器、温度传感器、或压力传感器的其他类型的传感器设备中的转换原理。因此，在第一步骤中，本发明认识到，使用压电剪切模式传感器元件的这种传感器设备也可能受到如上所述压电噪声的影响。

因此，本发明的更宽泛目标是提供一种克服或至少减少上述剪切模式传感器设备中自发产生的放电噪声问题的压电剪切模式传感器元件。本发明的进一步目标是提供一种生产这种压电剪切模式传感器元件的方法。

发明内容

根据一方面，通过用于剪切模式传感器设备的压电剪切模式传感器元件实现此目标，传感器元件包括：

传感器块，传感器块由具有固有极化轴的压电材料制成，其中，压电材料还是热电物质，其中，传感器块在轴向方向上具有轴向端，并且其中，传感器块在与轴向方向垂直的横向方向上具有横向侧面；和

传感器电极，传感器电极布置在传感器块的轴向端处，传感器电极被适配成用于捕获剪切模式传感器信号；

其中，传感器元件进一步包括：

放电保护装置，放电保护装置由导电材料制成，放电保护装置被适配成响应传感器块在横向侧面上的热电位移电荷而局部改变和/或重新布置电荷。

压电剪切模式传感器元件供传感器设备组件使用，传感器设备组件被配置用于将压电元件的剪切模式变形转换成电和/或光输出。此外，如上所述，在特别有利的实施方式中，压电剪切模式传感器元件被适配成用于加速计设备组件，加速计设备组件用于将压电元件的动态剪切模式变形转换成电和/或光输出。传感器元件被配置成用于以常规方式执行剪切模式测量。传感器元件包括由压电材料制成的块。压电材料具有固有的极化轴。传感器块形成为使得块因压电效应而在与固有极化轴平行的方向上的剪切变形产生在与固有极化轴基本垂直的方向上能够被感测的极化电荷。传感器电极被布置成捕获通过在与固有极化轴基本垂直的轴向方向上压电地产生的极化电荷而产生的传感器信号。因此，抑制了或至少减少了压电产生的极化电荷对传感器信号造成的直接伪像影响。直接压电伪像对传感器信号的影响的抑制取决于轴向方向和与固有极化轴垂直的方向的对准。根据一些实施方式，轴向方向可与固有极化轴基本垂直，在±20°、±10°、±5°、或甚至±1°的对准容差内。典型的对准容差在约2°至3°内。

本发明改进了具有布置在传感器块上的用于在与固有极化轴基本垂直的轴向方向上进行测量的传感器电极的任意剪切模式加速计设计。这可包括例如板形传感器块(其中传感器电极施加在板的平行平面相对面上)、或者甚至环形几何形状的传感器块(其中极化轴沿着旋转对称轴)。例如，通过使用与旋转对称轴平行的方向上的剪切变形，这种环形形状的传感器元件可用于测量。在环形几何形状中，传感器电极被布置成测量与旋转对称轴垂直的径向方向上的极化，即，将径向内端作为用于携带第一传感器电极的第一端并且将径向外端作为用于携带第二传感器电极的第二端(或反之亦然)，其中，在沿着旋转对称轴的方向上观看的端面是相对于剪切模式传感器电极的横向端面。传感器电极被适配成用于捕获剪切模式传感器信号。布置在传感器块的相应第一轴向端和第二轴向端处的第一传感器电极和第二传感器电极的具体形状取决于相应的第一端或第二端的实际形状和方位。

放电保护装置由具有能够自由地重新布置在放电保护装置内的自由带电体的导电材料制成。通常，导电材料具有金属导电性。因此，放电保护装置被适配成从传感器块的横向侧面收集诸如热电产生的极化电荷的表面电荷。优选地，一个或多个保护电极至少布置在倾向于积聚热电极化电荷的横向侧面的部分上。保护电极可连接至被适配于向保护电极提供电荷的电荷库，视情况而定。可替代地或此外，相对于需要提供电荷或移除电荷的局部区域，保护电极自身可用作电荷库。当热电极化电荷聚积在横向表面上时，由于温度变化，放电保护装置通过局部改变一个或多个保护电极上的自由带电体和/或重新布置一个或多个保护电极上的自由带电体而做出响应以抵消热电位移电荷。因此，抵消了作为放电噪声信号的根本原因的热电电荷，以避免或者至少减少电荷在横向侧面上的积聚，由此抑制或至少减少由于诸如放电脉冲和噪声漏电流的随机放电过程而产生的噪声。

用于局部提供和/或移除自由电荷、以改变和/或重新布置一个或多个保护电极上的电荷的电阻应该优选地小于自发产生的随机放电电流的阻抗。优选地，放电保护装置基本上与传感器电极无关地操作，以避免一方面放电保护装置对热电效应的电气响应与另一方面传感器电极上的压电剪切模式变形感应信号之间的串扰。因此，优选地，放电保护装置与传感器电极有效隔离。

有利地，根据一些实施方式，放电保护装置的基本上与至少一个传感器电极无关地操作，但是，可电连接至对应的反电极，而反电极可进一步有利地用作传感器信号的参考。

进一步地，根据一些实施方式，放电保护装置包括布置在传感器块的第一横向侧面上的至少第一保护电极，第一横向侧面包括一表面法线，该表面法线具有与固有极化轴平行的分量。通过将第一保护电极尽可能近地放置在第一横向侧面的一部分处(此处在温度变化期间出现热电位移电荷)，电荷在第一保护电极上的重新布置将允许补偿在该第一横向侧面上产生的极化电荷。

进一步地，根据一些实施方式，放电保护装置进一步包括布置在传感器块的第二横向侧面上和/或邻近于传感器块的第二横向侧面的至少第二保护电极，第二横向侧面包括一表面法线，该表面法线具有与固有极化轴反平行的分量。通过将第二保护电极尽可能近地放置在第二横向侧面的一部分处，(此处在温度变化期间产生热电位移电荷)，电荷在第二保护电极上的重新布置将允许补偿在该第二横向侧面上产生的极化电荷。热电效应在固有极化轴的方向上产生极化作用。因此，反电荷积聚在面向与固有极化轴平行/反平行的整体反方向的横向表面处。总之，第一保护电极和第二保护电极被布置成抵消来自可能积聚热电分离的电荷的相应横向表面的这些反电荷。

根据传感器元件的优选实施方式，放电保护装置进一步包括将第一保护电极和第二保护电极彼此连接的电荷转移元件。可独立附接在或直接沉淀在传感器元件上的电荷转移元件将第一电极和第二电极彼此连接，由此在相对定位在横向侧面上的第一保护电极与第二保护电极之间提供转移电荷的电荷转移路径。通过连接第一保护电极和第二保护电极，它们可用作彼此的电荷库。通常，通过在第一保护电极与第二保护电极之间提供引线形式的电化连接而连接第一保护电极和第二保护电极，但是，允许在第一保护电极与第二保护电极之间电荷转移的其他电气布置也是可能的，诸如，包括电容耦合的连接。优选地，电荷转移路径具有超过任意导电寄生路径(诸如，经由漏电流和放电脉冲的自发产生的重组路径、或者从保护电极至至少一个传感器电极的任意导电路径)的导电率。通常，电荷转移路径可被配置为具有根据上述指示而形成所需尺寸的电阻。

优选地，放电保护装置是浮置的，以确保用于抵消通过热电效应而分离的横向极化电荷的电中性。然而，根据一些实施方式，保护电极还可连接至传感器元件的公共地。可替代地，当安装在加速计设备中时，保护电极也可连接至诸如传感器组件的底盘地或设备封装的底盘地的加速计设备的公共地。公共地可用作电荷转移元件和/或电荷库。

进一步地，根据一些实施方式，第一保护电极和第二保护电极与电荷转移元件(例如，作为布置在传感器块的横向侧面上的敷金属)整体形成。优选地，敷金属覆盖横向侧面的至少一部分。整体化配置提供了一种用于构建具有改进噪声特性的高质量加速计设备的紧凑型和自含式传感器元件。

进一步地，根据一些实施方式，放电保护装置包括应用在传感器块的横向侧面上的敷金属。进一步地，根据一些实施方式，放电保护装置是应用于传感器块的横向侧面的敷金属。进一步地，根据一些实施方式，放电保护装置包括沿着传感器块的横向侧面应用于传感器块的第一和/或第二轴向端面的额外敷金属。

进一步地，根据一些实施方式，敷金属覆盖的横向端面的部分至少为50％，可替代地，至少70％，优选地，具有与极化轴平行的表面法线分量的传感器块的横向侧面的总面积的至少90％。敷金属对横向侧面的更大覆盖面积更有利于实现寄生电荷的满意收集与重组。

进一步地，根据一些实施方式，敷金属选自于铬、钛、镍、金、以及其合金构成的组。因此，保护电极和电荷转移元件可相容地用在包括用于在高至约400℃的温度下进行操作的设备的高温设备中。

进一步地，根据一些实施方式，敷金属选自于钯、铂、钌、铑、锇、铱、以及其合金构成的组。因此，保护电极和电荷转移元件可相容地用在包括用于也在约400℃以上的温度下进行操作的设备的高温设备中。如上所述，高温应用可包括在约200℃以上执行的测量，其中，例如，相对于观察包括电流脉冲和随机漏电流的放电噪声，约1℃/min的温度变化速率被观察为明显的。随着温度变化速率随着时间的增加，放电噪声也增加。在高温应用中，传感器元件必须适合于操作至少200℃(通常，高至约400℃至500℃的范围，可替代地，高至约650℃的范围，或者甚至超过650℃的范围)的温度。

进一步地，根据一些实施方式，压电材料是铌酸锂、电气石、三硼酸钙钇(YCOB)、钛酸铋、钛酸钡、偏铌酸铅、钛酸锂、锆钛酸铅(PZT)、多晶陶瓷、以及诸如钛铌镁酸铅(PMNT)和钛铌铟三元铅(PIMNT)的铁电弛豫基材料中的一种。

进一步地，根据一些实施方式，传感器块包括在轴向方向上穿透传感器块的开孔，该开孔由向内面向的横向侧面限定。除向外面向的横向侧面之外，传感器块可进一步包括限定开孔的向内面向的横向侧面。开孔可以是轴向方向上的中央钻孔，其中，开孔用于在设备组件中传递紧固装置，例如，携带测震质量并且将包括传感器元件的堆叠组件夹持至基部、以形成剪切模式加速计的夹紧螺栓。

进一步地，根据一些实施方式，向内面向的横向侧面设置有由具有自由带电体的导电材料制成的进一步放电保护装置。在轴向方向上穿过传感器块的开孔将具有横向侧面，在温度扫描过程中，电荷可由于热电极化而积聚在横向侧面上。在向内面向的侧壁上的这种电荷积聚也可明显有助于产生放电噪声。根据一些实施方式，电荷积聚可被阻遏，并且还通过在这些横向侧面上设置一个或多个保护电极且提供与上述讨论相似、以用于中和热电极化电荷的放电机构而减少相关放电噪声，由此在向内面向的横向侧面上形成放电保护装置。

进一步地，根据一些实施方式，进一步的放电保护装置电连接至放电保护装置。优选地，电连接是电化连接。通过将与轴向开孔相关联的进一步放电保护装置电连接至上述所述放电保护装置，以允许电荷在两者之间转移，避免了放电保护装置之间不受欢迎的充电效应。更一般地，传感器元件可包括上述第一放电保护装置及一个或多个进一步放电保护装置。为了避免多个放电保护装置之间不受欢迎的充电，优选地将它们彼此全部电连接。进一步优选地，传感器元件的所有保护电极彼此电连接，以形成单个放电保护装置，由此避免在相对于彼此浮置的(隔离)电极上的任何电荷隔离/积聚。因此，确保可以可靠地抵消由热电效应产生的寄生电荷。

进一步地，根据传感器元件的一些实施方式，传感器电极是平面状并且布置在传感器块(102)的相应平面端面上。优选地，第一传感器电极和第二传感器电极是制造容差内彼此平行的平面。进一步地，第一端面和第二端面定位在对准容差内的相反轴向方向上。由第一平面端面和第二平面端面限定的平面在对准容差内平行于n_P。在对准容差内，轴向方向通常垂直于轴向端面的表面矢量。

根据本发明的进一步方面，剪切模式加速计包括根据任意上述实施方式的压电传感器元件，其中，传感器元件的第一端附接至基部并且传感器元件的第二端附接至测震质量。加速计设备可进一步包括读出电子装置。读出电子装置可以与传感器整合在单个封装中或至少部分定位成例如远离传感器，以在将会影响读出电子装置的恶劣环境下进行测量。加速计可被进一步配置成用于在诸如约150℃以上或200℃以上的温度的高温下进行操作。在超过约150℃至200℃的温度下，通常不再将用于处理从传感器元件捕获的传感器信号的读出电子装置整合到同一外壳内作为传感器元件，但是，定位成远离测量的位置。

根据本发明的又一方面，提供一种生产根据任意提及的实施方式的传感器元件的方法。该方法包括：

提供压电材料的晶片，其中，压电材料的固有极化轴被定位成平行于由晶片限定的平面，并且其中，轴向方向垂直于所述平面；

对于各个传感器元件，在晶片的第一侧上形成至少第一传感器电极并且在晶片的第二侧上形成与第一电极轴向对准的至少第二传感器电极；

切割晶片，以获得单个传感器元件；并且

对于各个传感器元件，响应于在传感器元件的横向侧面上的热电位移电荷，形成被适配成局部改变和/或重新布置电荷的导电材料的放电保护装置。

该方法允许可靠并且可再现地生产传感器元件。优选地，该方法用于在同一晶片上同时制造多个传感器元件。通过在同一晶片上生产多个传感器元件，能够实现可靠地生产具有所生产的传感器元件的特性的高再现性的传感器元件。晶片的第一侧，也可被称之为前侧，对应于压电材料的第一端。晶片的第二侧，即，也可被称之为背侧，对应于压电材料的第二端。第一传感器电极和第二传感器电极分别布置在前侧和背侧上。对于给定的传感器元件，第一传感器电极和第二传感器电极以切割传感器元件时前侧携带第一传感器电极并且背侧携带对应的第二传感器电极的方式彼此轴向对准。尽管极化轴位于晶片平面内，然而，轴向方向被定位成与晶片平面垂直。术语“平行”和“垂直”应被理解为在制造容差内。此外，术语“轴向对准”应被理解为在制造容差内。

通过切割晶片获得单个的传感器元件。切割面形成传感器元件的横向侧面。因此，根据其相对于固有极化轴的实际方位，这些切割面可在变化温度下受热电充电效应影响。因此，具有保护电极的放电保护装置形成在这些切割面上。优选地，放电保护装置至少包括第一保护电极、第二保护电极、以及电荷转移元件。如上所述，第一保护电极和第二保护电极被布置成从具有一表面法线的相对面向的横向侧面收集电荷，其中该表面法线具有与固有极化轴平行/反平行的分量。因此，实现了放电保护装置的上述优点。

根据一些实施方式，传感器块是具有矩形轮廓的盒状。优选地，对于这种矩形盒状的传感器元件，切割方向与固有极化轴对准，以使得一对切割面与固有极化轴平行并且第二对切割面与其垂直。在这种配置中，主要是第二对切割面将受热电极化效应的影响。

进一步地，根据该方法的一些实施方式，形成放电保护装置包括：在各个传感器元件的横向侧面上应用敷金属。

进一步地，根据该方法的一些实施方式，第一电极和第二电极与作为沿着传感器元件的横向侧面布置的敷金属的电荷转移元件整体地形成。

进一步地，根据该方法的一些实施方式，形成传感器电极包括：金属化传感器块的轴向端面，和/或形成放电保护装置包括：在传感器块的横向侧面上应用敷金属。除敷金属步骤之外，形成传感器电极和/或放电保护装置暗示了通过适合的图案化技术将相应电极限定在敷金属层中。适合的图案化技术包括照相平板印刷掩模技术(例如，剥离)、荫罩掩模技术、或沉淀之后通过例如湿蚀刻、干蚀刻、或研磨除去选定区域中的材料而图案化的技术。

进一步地，根据该方法的一些实施方式，至少形成第一传感器电极和第二传感器电极包括：通过照相平板印刷图案限定、敷金属、以及后续剥离的图案化。照相平板印刷图案限定、敷金属、以及后续剥离技术在需要高空间分辨率的金属化图形的情况下具有特别的益处。

进一步的，根据该方法的一些实施方式，至少形成第一传感器电极和第二传感器电极包括：通过荫罩的敷金属进行图案化。荫罩技术应用起来更为简单并且比例如照相平板印刷技术对生产设施的基础结构要求更低。与照相平板印刷技术相比较，这种技术可适用于形成具有更低需求空间分辨率(诸如以微刻度为单位的空间分辨率)的金属化图案。

进一步地，根据一些实施方式，该方法进一步包括：对穿透轴向方向上的晶片的轴向开孔进行机械加工。可通过诸如激光切割、反应离子蚀刻、或水喷射切割的任何合适的技术执行机械加工轴向开孔。

进一步地，根据该方法的一些实施方式，在形成第一传感器电极和第二传感器电极之前，执行对开孔的机械加工。在形成第一传感器电极和第二传感器电极(例如，通过图案化敷金属技术)之前，对开孔进行机械加工具有下列优点：轴向开孔中向内面向的横向侧面可同时被金属化，由此在相同制造步骤中为这些横向侧面提供放电保护装置。

附图说明

下面将参考所附附图对本发明的有利实施方式进行更详细地描述，其示出在下图中：

图1 无放电保护装置的传感器元件的立体图；

图2 图1中的传感器元件的前视图；

图3 图1中的传感器元件的侧视图；

图4 剪切模式加速计组件的示意图；

图5 加速计组件中无放电保护装置的传感器元件的时域中的电荷测量的实施例；

图6 具有放电保护装置的传感器元件的前视图；

图7 图6中的传感器元件的侧视图；

图8a 根据一种实施方式的具有放电保护装置的传感器元件的立体图；

图8b 根据进一步实施方式的具有放电保护装置的传感器元件的立体图；

图9 根据又一实施方式的具有放电保护装置的传感器元件的立体图；

图10 示出了与图1中的无放电保护装置的传感器元件相比较的图8a中的具有放电保护装置的传感器元件中观察到的放电脉冲的统计学分析的图表；

图11 示出了与图1中无放电保护装置的传感器元件相比较的图8b中的具有放电保护装置的传感器元件中观察到的放电脉冲的统计学分析的图表；

图12 温度扫描过程中无放电保护装置的传感器元件的噪声频谱。

图13温度扫描过程中具有放电保护装置的传感器元件的噪声频谱；

图14 测量过程中在室温下保持的传感器元件的噪声频谱；并且

图15a/图15b 根据又一实施方式的从立体图中看到的具有放电保护装置的传感器元件的前侧视图和后侧视图。

具体实施方式

图1至图3示出了剪切模式配置中无放电保护装置的压电传感器元件1的不同示图。传感器元件1包括由具有以图1和图3中的相应箭头指示的固有极化轴n_P的压电材料制成的传感器块2。从与固有极化轴n_P垂直的轴向方向上观看，传感器块2具有第一端3和第二端4。进一步地，从与轴向方向垂直的横向方向上观看，传感器块2具有向外面向的横向侧面5、6、7、8。图1至图3中所示的实施方式中的传感器块具有整体矩形盒状，其带有平面平行的第一端面3和第二端面4。第一端面3和第二端面4被切割成与固有极化轴n_P平行。四个向外面向的横向侧面5、6、7、8是彼此平行的成对平面(5||7并且6||8)。两个向外面向的横向侧面5、6具有一表面法线，该表面法线具有与固有极化轴n_P平行的分量，其中，对应的相对横向侧面7、8具有一表面法线，该表面法线具有与固有极化轴n_P反平行的分量。传感器元件1具有在自第一端面3至第二端面4的轴向方向上穿透传感器块2的可选开孔9。开孔9由向内面向的横向侧面10限定，此处，为圆柱形表面的形状。中央开孔9用于组装的目的。如同由向外面向的横向侧面5、6、7、8限定的外围侧，向内面向的横向侧面10的各部分具有一表面法线，该表面法线具有与固有极化轴n_P平行的分量，其中，对应的相对部分具有一表面法线，该表面法线具有与固有极化轴n_P反平行的分量。

传感器元件1进一步包括适配用于捕获传感器信号的传感器电极11、12，其中，传感器电极11、12包括布置在传感器块2的第一端3处的第一传感器电极11和布置在传感器块2的第二端4处的第二传感器电极12。在图1至图3所示的实施方式中，传感器电极11、12基本上覆盖全部的相应端面3、4。因此，传感器电极11、12被适配成测量与固有极化轴n_P垂直的方向上由传感器块2在与端面3、4平行的方向上的剪切模式变形产生的极化电荷。

传感器块2的压电材料还是热电物质。既是压电又是热电材料并且适用于剪切模式加速器设备的实施例为铌酸锂、电气石、YCOB、钛酸铋、钛酸钡、偏铌酸铅、以及钛酸锂。对于图1和图3中一些向外面向的横向侧面，当传感器元件1经历温度变化时，热电效应致使电荷分离，结果形成在所有那些横向侧面5、6、7、8上观察到的表面电荷，横向侧面5、6、7、8具有一表面法线，该表面法线具有与由“+”和“-”符号指示的固有极化轴n_P平行的分量。因为在剪切模式配置中，该热电生成的极化出现在与传感器电极11、12捕获压电极化信号的轴向方向正交的横向方向上，所以通常假设这种类型的设备中可以忽略热电效应。然而，实际上，由于热电效应引起的横向极化而积聚的电荷被视为严重影响剪切模式加速计设备的噪声特性。

图4示意性地示出了剪切模式配置中的加速计组件。加速计20包括携带中央支柱22的基部21、两个传感器元件23a、23b、以及相应的测震质量24a、24b。传感器元件23a、23b可具有上面参考图1至图3概述的传感器块和传感器电极几何形状。携带第一传感器电极的每个传感器元件23a、23b的第一端附接至中央支柱22，并且携带第二传感器电极的每个传感器元件23a、23b的第二端附接至相应的测震质量24a、24b。基部21和中央支柱22相对于测震质量在由箭头指示的竖直方向上的位移导致传感器元件23a、23b在与第一端面和第二端面平行的方向上发生剪切变形。然后，通过传感器电极捕获与由剪切变形产生的热电极化电荷对应的传感器信号并且将传感器信号传递至用于后续处理的读出电子装置(未示出)。应注意，只要组件引起一个或多个传感器元件发生剪切模式变形、以产生传感器信号，则在不影响剪切模式配置的基本理念的情况下，可以改变组件的拓扑结构。例如，可以改变传感器元件的数目，或者通过将相应部件夹持至加速计外壳/框架并且赋予对应配对零件自由移动可以使得测震质量与基部的角色互换。

图5示出了如上参考图1至图3所述的具有无放电保护装置的传感器元件的剪切模式加速计组件在时域(以水平轴上的s为单位流逝的时间)的传感器信号读出(竖直轴上的以pC为单位的电荷)。在从约20℃至约200℃的温度扫描过程中，以约20℃/min至30℃/min的速率捕获传感器信号。观察传感器信号的频率和明显的峰值，归因于由传感器元件的横向侧面上积聚的热电极化电荷的自发重组而产生的放电脉冲。

转向图6至图9，现讨论具有放电保护装置的传感器元件。出于比较之缘故，针对此处讨论的全部实施方式选定上述所述传感器块的同一有利矩形盒状的几何结构，仅改变电极的布局。然而，应注意，在不影响将放电保护装置应用于剪切模式传感器元件的基本理念的情况下，可以对传感器块的实际形状进行改变。例如，传感器块和/或对应传感器电极的横向轮廓可具有任意适合的形状，包括圆形、椭圆形、方形、矩形、菱形、三角形、六边形、八边形、或其他的多边形。图6示出了具有传感器块102及分别布置在传感器块102的第一端面103、第二端面104上的传感器电极111、112的传感器元件101的前视图。传感器元件111、112由应用于端面103、104的敷金属形成。中央开孔109在自第一端面103至第二端面104的轴向方向上延伸。中央开孔109用于组装之目的。传感器块102具有限定方形形状横向轮廓的向外面向的横向侧面105、106、107、108、以及限定中央开孔109的向内面向的横向侧面110。传感器电极111、112从端面103、104的横向边缘略微收缩，由此增加了自横向侧面105、106、107、108、110至传感器电极111、112的电运输的阻抗。图7示出了图6中具有传感器块102以及应用于传感器块102的第一端面103和第二端面104的第一传感器电极111和第二传感器电极112的传感器元件101的侧视图。传感器块102由具有定位成与端面103、104平行的固有极化轴n_P的压电材料制成。图7中的箭头示出了固有极化轴n_P在横向侧面106上的投影。

在图6至图9所示的实施方式中，通过应用于横向侧面的敷金属形成放电保护装置。图9进一步包括通过应用于端面的敷金属而形成的放电保护装置的各部分，该各部分与传感器电极分离。可以设想敷金属的不同布局。例如，图8a示出了根据一种实施方式的电极配置，其中，仅向外面向的横向侧面105、106、107、108被金属化，由此形成外围放电保护装置121，其中，向内面向的侧面110未被金属化。图8b示出了根据进一步实施方式的电极配置，其中，除向外面向的横向侧面105、106、107、108之外，向内面向的侧面110也被金属化，由此形成外围放电保护装置121和中央放电保护装置122。在这两种情况下，敷金属被应用以一直沿着向外面向的横向侧面105、106、107、108并且在图8b中沿着向内面向的横向侧面110提供良好的电连接。例如，相对定位的横向侧面105和107的敷金属的第一部分可由此被视为相反的热电极化电荷的保护电极，其中，例如，电化连接剩余横向侧面106和108的保护电极的敷金属的各部分可被视为对应的电荷转移元件。相应地，应用于向内面向的横向侧面110的拓扑连接的敷金属的各部分可被同时视为一组保护电极的一部分和形成在横向侧面110上的放电保护装置的电荷转移元件。因此，图8b中的实施方式包括两个放电保护装置，即，形成在向外面向的横向侧面105、106、107、108上的外围放电保护装置121及形成在向内面向的横向侧面110上的中央放电保护装置122。通过提供外部电化连接，图8b中的两个放电保护装置可连接至彼此，以形成用于传感器元件101的单个放电保护装置。在图9中看到又进一步的电极布局。图9中的传感器元件具有外围放电保护装置121和参考图8b论述的具有形成在上述所述向内面向的横向侧面上的部分122的中央放电保护装置。除此之外，图9中的传感器元件的中央放电保护装置进一步包括形成在与向内面向的横向侧面110邻近(即，沿着边缘)的端面103、104上的轴向定位部分123，其中，中央放电保护装置的轴向定位部分123和横向定位部分122彼此接触。在通过荫罩沉淀的单个步骤中，例如，在基于晶片的生产方法中，图9中所示的布局适合应用于传感器电极与中央放电保护装置123的敷金属。在图6至图9的全部实施方式中，在从晶片切割单个传感器元件之后，优选地，在轴向方向上堆叠多个单个传感器元件并且将敷金属应用于切割面之后，可应用外围放电保护装置121。在图15a、图15b中看到又进一步的电极布局，其中，图15a示出了前侧，并且图15b示出了传感器元件101的传感器布局的后侧。传感器元件101具有上述传感器块102。图15a/图15b中的传感器元件101具有外围放电保护装置121和中央放电保护装置122。外围放电保护装置和中央放电保护装置皆由敷金属形成，该敷金属被应用，以一直分别沿着传感器块102的向外和向内面向的横向侧面提供良好电连接。电极布局进一步包括位于前侧上的第一传感器电极111和位于后侧上的第二传感器电极112。在该具体实施方式中，前侧传感器电极111从外围边缘和内边缘略微收缩，以通过例如图8b中所示的实施方式的相同方式确保前侧电极111与外围放电保护装置121和中央放电保护装置122之间的良好分离。然而，在该具体实施方式中，后侧传感器电极112覆盖一直延伸至外围边缘和内边缘的整个端面。因此，后侧传感器电极112沿着外围边缘和内边缘与外围放电保护装置121和中央放电保护装置122具有良好的电接触。该实施方式易于生产，例如，通过在例如晶片的前侧上应用与前侧电极111对应的图案化导电层/敷金属；然后，根据需要切割单个传感器块并且可选地形成过孔；最后，利用无方向的涂覆技术从后侧将传感器块金属化，以覆盖后侧、任意向内面向的横向表面、以及向外面向的横向侧面，由此一举形成后侧电极112、中央放电保护装置122、以及外围放电保护装置121。

实施例

图10至图14示出了根据下列实施例实现的噪声行为的改进。在所有实施例中，传感器元件安装在上面参考图4讨论的剪切模式加速计组件中，其中，具有放电保护装置的第一传感器元件和无放电保护装置的第二传感器元件安装在同一组件中。所有传感器元件具有由10mm x 10mm方形端面、轴向方向上测量的厚度为0.5mm、以及参考上面图1至图3和图6至图9示出的中央开孔的铌酸锂制成的盒状传感器块。在以约20℃/min至30℃/min的温度扫描速率的、约20℃和约200℃的温度扫描过程中，在传感器电极处捕获热电产生的噪声。出于表征传感器元件相对于其热电噪声行为的目的，在温度扫描过程中，保持加速计设备静止，以避免来自压电信号的任何影响。

实例1

将根据图8a中所示的实施方式的具有放电保护装置的传感器元件与无放电保护装置的参考传感器元件进行比较；图10中的图表示出了在通过相应放电脉冲中观察的最大电荷进行分类的预定数目的温度扫描过程中，从传感器信号中观察的放电脉冲的数目。实体柱表示无放电保护装置的传感器元件的脉冲计数，并且影线柱表示配备有外围放电保护装置的传感器元件的脉冲计数。应注意竖直轴的对数刻度。单独通过外围放电保护装置实现了放电次数减少(71±9)％并且总放电电荷对应减少(77±6)％。

实例2

将根据图8b中所示的实施方式的具有放电保护装置的传感器元件与无放电保护装置的参考传感器元件进行比较；图11中的图表示出了在通过相应放电脉冲中观察的最大电荷进行分类的预定数目的温度扫描过程中，从传感器信号观察的放电脉冲数目。实体柱表示无放电保护装置的传感器元件的脉冲计数，并且影线柱表示配备有外围放电保护装置和中央放电保护装置的传感器元件的脉冲计数。通过包括向外面向和向内面向的横向侧面的敷金属的全部放电保护装置实现了放电数目减少(99.5±0.6)％并且总放电电荷对应减少(99.4±1.2)％。

实例3

比较噪声频谱；图12示出了在无放电保护装置的传感器元件的温度扫描过程中获取的噪声频谱。图13示出了在具有根据图8b所示的实施方式的外围和中央放电保护装置的传感器元件的与图12中的相同的温度扫描过程中获取的噪声频谱。图14示出了在保持温度恒定为室温时获取的参考噪声频谱。图12与图13的比较示出了热电产生的噪声信号明显减少因数100。

Claims (15)

1.一种用于剪切模式传感器设备的压电剪切模式传感器元件(101)，所述传感器元件(101)包括：

传感器块(102)，由具有固有极化轴的压电材料制成，其中，所述压电材料还是热电物质，其中，所述传感器块(102)在轴向方向上具有轴向端(103,104)，并且其中，所述传感器块(102)在垂直于所述轴向方向上的横向方向上具有横向侧面(105,106,107,108,110)；和

传感器电极(111,112)，布置在所述传感器块(102)的所述轴向端(103,104)处，所述传感器电极被适配用于捕获剪切模式传感器信号；

其中，所述传感器元件(101)进一步包括：

放电保护装置(121,122)，由包括自由带电体的导电材料制成，所述放电保护装置由此被适配成响应于在所述传感器块(102)的横向侧面(105,106,107,108,110)上的热电位移电荷而局部改变和/或重新布置电荷，其中，所述放电保护装置(121,122)包括布置在所述传感器块(102)的第一横向侧面(105,106,107,108,110)上的至少第一保护电极，所述第一横向侧面(105,106,107,108,110)包括一表面法线，所述表面法线具有与所述固有极化轴平行的分量。

2.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述放电保护装置(121,122)进一步包括布置在所述传感器块的第二横向侧表面上的至少第二保护电极，所述第二横向侧面包括一表面法线，所述表面法线具有与所述固有极化轴反平行的分量。

3.根据权利要求2所述的传感器元件，其中，所述放电保护装置(121,122)进一步包括将所述第一保护电极和所述第二保护电极彼此连接的电荷转移元件。

4.根据权利要求3所述的传感器元件，其中，所述第一保护电极和所述第二保护电极与所述电荷转移元件整体形成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，所述放电保护装置(121,122)包括应用在所述传感器块(102)的横向侧面(105,106,107,108,110)上的敷金属。

6.根据权利要求5所述的传感器元件，其中，所述敷金属选自于铬、钛、镍、金、以及其合金构成的组。

7.根据权利要求5所述的传感器元件，其中，所述敷金属选自于钯、铂、钌、铑、锇、铱、以及其合金构成的组。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，所述压电材料是铌酸锂、电气石、三硼酸钙钇(YCOB)、钛酸铋、钛酸钡、偏铌酸铅、钽酸锂、锆钛酸铅(PZT)、多晶陶瓷、铁电弛豫基材料、钛铌镁酸铅(PMNT)、以及钛铌铟三元铅(PIMNT)中的一种。

9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，所述传感器块(102)包括在所述轴向方向上穿透所述传感器块(102)的开孔(109)，所述开孔(109)由向内面向的横向侧面(110)限定。

10.根据权利要求9所述的传感器元件，其中，所述向内面向的横向侧面(110)设置有进一步的放电保护装置(122)。

11.根据权利要求10所述的传感器元件，其中，所述进一步的放电保护装置电连接至所述放电保护装置。

12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，所述传感器电极是平面的并且布置在所述传感器块(102)的相应第一平面端面和第二平面端面上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，所述传感器电极(112)中的一个与一个或多个放电保护装置(121,122)电接触，并且其中，至少所述传感器电极(111)中的另一个与所述放电保护装置(121,122)电分离。

14.一种生产根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(101)的方法，所述方法包括：

提供压电材料的晶片，其中，所述压电材料的固有极化轴被定位成与由所述晶片限定的平面平行，其中，轴向方向与所述平面垂直；

在所述晶片的第一侧上形成至少第一传感器电极(111)，并且在所述晶片的第二侧上形成与所述第一传感器电极(111)轴向对准的至少第二传感器电极(112)；

切割所述晶片，以获得单个传感器元件(101)；并且

在所述单个传感器元件(101)的一个或多个、优选地全部横向侧面(105,106,107,108,110)上由包括自由带电体的导电材料形成放电保护装置(121,122)，因此，所述放电保护装置被适配成响应于所述传感器元件(101)的横向侧面(105,106,107,108,110)上的热电位移电荷而局部改变和/或重新布置电荷。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成传感器电极包括金属化所述传感器块(102)的轴向端面并且/或者形成放电保护装置(121,122)包括在所述传感器块(102)的横向侧面(105,106,107,108,110)上应用敷金属。