CN109923685A - 压电发射和/或接收装置、具有这种压电发射和/或接收装置的振动传感器及制造压电发射和/或接收装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电发射和/或接收装置(1)，该装置包括至少一个压电元件(3)、至少两个用于与压电元件(3)接触的电极(5)以及至少两个用于上侧隔离和下侧隔离的隔离元件(7)，其中，至少压电元件(3)和电极(5)被烧结成单体。

Description

压电发射和/或接收装置、具有这种压电发射和/或接收装置 的振动传感器及制造压电发射和/或接收装置的方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的压电发射和/或接收装置、根据权利要求11的具有这种压电发射和/或接收装置的振动传感器以及根据权利要求12的用于制造压电发射和/或接收装置的方法。

背景技术

压电发射和/或接收装置、具有这种压电发射和/或接收装置的振动传感器以及用于制造压电发射和/或接收装置的方法在现有技术中是已知的，其中，压电发射和/或接收装置包括至少一个压电元件、至少两个用于接触压电元件的电极及至少两个用于上侧隔离和下侧隔离的隔离元件，其中，形成压电发射和/或接收装置的各个元件彼此零散地堆叠。为了确保各个元件的正确对准，这些元件被设计成圆形并且布置在居中布置的螺栓上，或被设计成盘形的部件在形成为成壳体的套筒中彼此对准。

例如，在通常作为物位测量技术中作为极限物位传感器中使用的振动传感器中，上述压电发射和/或接收装置可用作发射和/或接收装置。通常，这种压电发射和/或接收装置也被称为驱动装置。

WO 01/84642 A1公开了一种具有分层设计的机电驱动装置，在该机电驱动装置中，各个部件在彼此面对的表面处被金属化，且通过扩散焊接接合在一起。为了能够通过扩散焊接将各个部件彼此连接，彼此邻接的表面必须具有非常高的表面质量，并且部件必须被加热至稍微低于用于扩散焊接(Diffusionsschweiβen)的材料的固相线，以便能够形成各个部件的牢固连接。

现有技术中的已知制造方法被认为不利的是，用于扩散焊接的部件必须具有非常高的表面质量，并且为了扩散焊接必须给出非常高的温度。特别地，在成为本申请基础的压电发射和/或接收装置中，因为压电元件在被加热超过其居里温度时会丢失其压电特性并因此变得不可用或者必须重新极化，所以这种方法很难使用。另外，扩散焊接所需的部件制造昂贵并且制造过程复杂。这是由所需表面质量的复杂制造以及后续的压电元件极化导致的，通常，压电元件的极化在500到1000V或者甚至更高的电压下进行并且需要保护气氛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的压电发射和/或接收装置。压电发射和/或接收装置需要特别低的制造温度，使得能够更经济地且更简单地进行制造。另外，本发明的一个目的还在于提供一种用于制造这种压电发射和/或接收装置的方法。

这些目的通过具有权利要求1的特征的压电发射和/或接收装置以及具有权利要求12的特征的用于制造压电发射和/或接收装置的方法来实现。在权利要求11中说明了一种具有根据本发明的压电发射和/或接收装置的振动传感器。

在从属权利要求中给出了有利实施例。

根据本发明的压电发射和/或接收装置包括至少一个压电元件、至少两个用于接触压电元件的电极以及至少两个用于上侧隔离和下侧隔离的隔离元件，其中，至少压电元件和电极被烧结成单体。可选地，有利地是，也可将压电发射和/或接收装置的一侧连接到壳体，以实现接地。

通过将压电元件和电极烧结成单体，压电元件和电极彼此固定连接，使得它们的布置相对彼此固定。因此，不再需要设置用于使压电元件或电极相对彼此居中的装置或布置。这是有利的，因为通过这种方式不仅节省了部件还确保了压电元件和电极相对彼此的最优对准，因为确保了电极和压电元件的全表面的、完全重叠的对准，因而简化了压电元件上的电场的最优施加。烧结处理能够在低处理温度下进行，使得烧结后的部件因而具有低的机械内应力并因而具有高的质量和稳定性。

烧结优选使用烧结材料，特别使用具有大小为10nm到15μm的纳米级银颗粒的基于银的烧结膏或烧结箔。

可以实现另一简化布置，其中，单体附加地具有隔离元件。当在布置在上侧和下侧并且用于隔离的隔离元件同样与电极和至少一个压电单元一起烧结成单体。通过这种方式实现了紧凑的且能够统一管理的布置。

在第一实施例中，压电发射和/或接收装置包括n个压电元件和n+1个电极，压电元件和电极交替布置并被烧结成单体。

在第二实施例中，压电发射和/或接收装置包括发射装置和接收装置，发射装置和接收装置分别包括交替布置的n个压电元件和n+1个电极，其中，发射装置和接收装置通过分离陶瓷彼此电隔离，并且所有这些部件被烧结成单体。

为了确保将由压电发射和/或接收装置产生的振动最优地传递到其它元件或者将其它元件的振动最优地传递到发射和/或接收装置，单体额外地包括优选地由金属或陶瓷材料制成的压力件。为此，压力件例如可被设计成从单体直径开始逐渐锥形地变细，从而实现振动的点形或线形的引入和引出。

为了能够在具有居中布置的螺栓的现有装置中使用前述压电发射和/或接收装置，有利地是，压电元件和电极被设计成环形，并且优选地隔离元件和压力件被设计成环形。

为了产生压电发射和/或接收装置的较大的力，需要使压电元件的表面最大化。这尤其能够通过将压电元件和电极设计成圆形盘容易地实现。

另外，由于能够省略诸如居中布置的螺栓和/或压电发射和/或接收装置的部件的套筒等附加的居中元件，所以也能够在径向方向上几乎完全利用可用的安装空间，使得能够提供更大的用于产生压电效应的面积并且因而允许压电发射和/或接收装置产生更大的力。

在有利的实施例中，压电元件具有小于1.0mm的厚度，优选小于0.5mm的厚度。由于压电元件与压电发射和/或接收装置的其它部件被烧结成单体，所以能够将压电发射和/或接收装置设计成具有较小的厚度，因为进一步避免了压电元件上的机械影响。特别地，通过在制造时使用的烧结材料来补偿压电元件、电极或者用于隔离的陶瓷元件的表面不均匀性，从而在此处能够实现压电元件上的机械影响的最小化。通过将压电元件设计成具有较小的厚度，压电元件在相同的压电发射和/或接收装置的操作电压的情况下具有较高的电场，从而能够明显更好地利用压电效应。

此外，通过在烧结压电发射和/或接收装置时使用烧结材料(特别是烧结膏或烧结箔)，能够使用平均粗糙度大于RZ 6.3，优选地大于RZ 16的压电元件和/或电极和/或隔离元件和/或分离陶瓷。通过这种方式能够以明显较低的成本制造压电元件，因此能够完全或者至少部分地补偿烧结处理的成本。

特别地，压电元件的平均粗糙度可大于6.3，隔离元件的平均粗糙度对于可大于4，并且金属部件的平均粗糙度对于可大于16。

当借助银烧结工艺来制造单体时，能够实现用于单体的制造处理的特别低的处理温度。优选地，这种银烧结工艺使用具有纳米级银的烧结膏或烧结箔，因为烧结膏或烧结箔允许使用烧结处理的明显低于所使用的压电元件的大约350℃的居里温度的处理温度和处理压力。

本发明的压电发射和/或接收装置能够特别有利地用于振动传感器中，振动传感器具有可振动的膜片和夹紧装置，夹紧装置用于将压电发射和/或接收装置夹紧在膜片上，使得发射和/或接收装置的振动被传递到膜片并且膜片的振动被传递到发射和/或接收装置。

根据本发明的用于制造压电发射和/或接收装置的方法包括如下步骤：

设置至少一个压电元件、至少两个用于接触压电元件的电极以及用于上侧隔离和下侧隔离的隔离元件，

利用基于银的烧结材料，至少涂布压电元件的接触侧以及电极的在布置完成状态下的与压电元件面对的侧，

将电极和压电元件对准地布置成堆叠体，

在预定的烧结温度下将堆叠体烧结预定的时间，以形成单体。

在如下情况下，该方法能够被特别简单地配置：涂布步骤包括通过模版印刷(Schablonendruck)、涂覆器(Dispenser)或丝网印刷(Siebdruck)来敷贴烧结材料或者包括敷贴烧结箔。涂布步骤还可以包括在敷贴烧结材料(特别是烧结膏)之后的干燥步骤，干燥步骤可以例如在干燥炉中进行。

优选地，该方法使用具有大约100nm到大约500nm大小的银颗粒的烧结材料。通过使用具有纳米级银的烧结材料，能够明显降低处理温度，从而能够实现小于300℃，优选小于280℃，并且更优选处于200℃和250℃之间的温度。特别地，这些温度远低于通常使用的压电元件的居里温度，使得压电元件能够保持其压电特性及其极化，并且因此能够避免压电元件的重新极化。

也可替代地，提供烧结箔，从而不需要敷贴烧结膏。

由于较低的温度，该方法进一步在压电发射和/或接收装置的各个部件之间产生了小的机械应力。

另外，在使用具有纳米级银的烧结膏的情况下，在小于20MPa的压力下，优选在10MPa的压力下，更优选在大气压力下实现烧结。因此，能够显著地降低烧结处理所需装置的成本并且通过这种方式节省成本。

特别地，烧结过程可在环境压力下进行，且优选在环境空气下进行。

附图说明

下面，参照附图根据实施例更详细地阐述本发明。

图1a示出压电发射和/或接收装置的第一实施例。

图1b在夸大的图示中示出图1a的放大细节。

图2示出具有图1中的压电发射和/或接收装置的振动传感器。

图3示出具有根据第二实施例的压电发射和/或接收装置的振动传感器的细节。

图4示出制造方法的顺序。

具体实施方式

图1a示出根据本发明的压电发射和/或接收装置1的第一实施例的剖视图。

根据图1a的压电发射和/或接收装置1被分层地构造，且具有通过分离陶瓷13彼此隔离的发射装置10和接收装置11，其中，顺序可以颠倒。

发射装置10和接收装置11分别形成有压电元件3.1、3.2，这些压电元件分别经由电极5.1、5.2；5.3、5.4电接触。在图1所示的实施例中，发射装置10布置在接收装置11上方，其中，分离陶瓷13位于发射装置10和接收装置11之间。在发射装置10上方以及接收装置11下方分别布置有被相应地设计成陶瓷片的隔离元件7.1、7.2。在堆叠体的膜片侧端部处还布置有位于隔离元件7.2下方的压力件15。

上面说明的所有部件通过烧结方法基于具有纳米级银的烧结膏烧结成单体。特别地，这允许压电元件3.1、3.2可形成为具有小于1.0mm的厚度d，原因在于：由于将压电发射和/或接收装置1形成为单体并且将烧结膏用于烧结过程，能够极大地避免压电元件3.1、3.2上的机械影响，并且能够通过烧结膏补偿可导致压电元件3.1、3.2上的不利机械影响的表面不均匀性。

可替代地，也能够使用具有相应特性的烧结箔(Sinterfolie)。

在图1a所示的实施例中，压电发射和/或接收装置1被插入到壳体94中，壳体94在下侧被膜片90限制并且在周向方向上被设计成套筒形。壳体94和膜片90在相对于膜片平面垂直地延伸的膜片边缘92处彼此连接(例如，焊接)。压电发射和/或接收装置11通过夹紧盘98被朝向膜片90支撑。夹紧盘98可以自行固定在壳体94中，或者借助在图1中未进一步示出的夹紧装置96固定在壳体94中。

图1b在夸大的图示中示出了图1a的放大剖面图。在图1b中清楚地看出，在压电元件3.1、3.2与电极5.1、5.2之间，在面向分离陶瓷13的电极5.2、5.3与分离陶瓷13之间以及在布置在端部侧的电极5.1和5.4与隔离元件7.1、7.2之间分别具有烧结层16，烧结层16在图1b中具有夸大的厚度，从而能够更好地识别。

在此，烧结层16由烧结膏的残留物形成，并且形成电极5.1、5.2；5.3、5.4和压电元件3.1、3.2之间的机械的、导电的连接或者形成与分离陶瓷13和隔离元件7.1、7.2的机械连接。

为了制造压电发射和/或接收装置，如图4所示，首先设置压电发射和/或接收装置1的各个部件(401)，并且随后在它们彼此面对的侧上涂布烧结膏(402.1)。涂布例如能够借助模版印刷工艺、涂覆器或者丝网印刷工艺来完成。

可替代地，也能够使用银烧结箔。

随后，使部件经历干燥步骤(402.2)，然后将它们以彼此相对居中的方式布置成堆叠体(403)，并且在250℃的温度和10到20MPa的压力下烧结1到3分钟以形成单体(404)。

在使用烧结箔的情况下，干燥步骤不是必要的。

图2示出了具有根据图1的压电发射和/或接收装置1的被设计成振动限位开关的振动传感器100的剖视图。

如图2所示，压电发射和/或接收装置1被插入到振动传感器100的壳体94中，并且通过夹紧盘98和螺接在壳体94中的夹紧装置96被夹紧在膜片90上。因为整个压电发射和/或接收装置1被烧结成单体，所以在图2所示的实施例中省略了用于使压电发射和/或接收装置1居中的额外元件。

在膜片90的前侧布置有机械振荡器88，机械振荡器88根据其周围介质的密度和粘度以音叉方式在谐振频率下振荡，从而能够通过测量谐振频率偏移来检测机械振荡器88上的介质的覆盖。

图3示出具有压电发射和/或接收装置1的第二实施例的振动传感器100，其中，压电发射和/或接收装置1在本实施例中由两个压电元件3和三个用于与压电元件3接触的电极5构成。如图3所示，在压电元件3之间以及上侧和下侧分别设置有电极5，其中，堆叠体在上侧和下侧通过隔离元件7延续并隔离。在堆叠体中，在膜片侧布置有压力件15。如上所述，上面说明的部件被烧结成单体，使得它们可作为一个单元进行处理。

图3所示的实施例示出现有技术中已知的振动传感器的结构，其中，根据现有技术的驱动装置被根据本发明的驱动装置(即，被烧结成单体的发射和/或接收装置1)替代。

在图3所示的实施例中，夹紧装置96被设计成夹紧螺钉，并与居中布置的拉紧螺栓84配合。通过夹紧装置96与拉紧螺栓84的螺接而产生的力经由夹紧盘98传递到单体上，从而将单体夹紧在膜片90上。在膜片90上依然设置有机械振荡器88，机械振荡器88根据通过上述方式与包围它的介质相互作用。

附图标记列表

1 压电发射和/或接收装置

3 压电元件

3.1 压电元件

3.2 压电元件

5 电极

5.1 电极

5.2 电极

5.3 电极

5.4 电极

7.1 隔离元件

7.2 隔离元件

10 隔离元件

11 接收装置

13 分离陶瓷

15 压力件

16 烧结层

84 拉紧螺栓

86 隔离套筒

88 机械振荡器

90 膜片

92 边缘

94 壳体

96 夹紧装置

98 夹紧盘

100 厚度为d的振动传感器

t 烧结时间

T 烧结温度

p 压力

Claims (17)

1.一种压电发射和/或接收装置(1)，其包括：

至少一个压电元件(3)；

至少两个用于与所述压电元件(3)接触的电极(5)；以及

至少两个用于上侧隔离和下侧隔离的隔离元件(7)，

其特征在于，至少所述压电元件(3)和所述电极(5)被烧结成单体。

2.根据权利要求1所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述单体额外地包括所述隔离元件(7)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电发射和/或接收装置(1)包括n个所述压电元件(3)和n+1个所述电极(5)，所述压电元件(3)和所述电极(5)交替地布置并且被烧结成单体。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电发射和/或接收装置(1)包括发射装置(10)和接收装置(11)，所述发射装置(10)和所述接收装置(11)均包括交替地布置的n个所述压电元件(3)和n+1个所述电极(5)，其中，所述发射装置(10)和所述接收装置(11)通过分离陶瓷(13)彼此电隔离，并且所有这些部件被烧结成单体。

5.根据前述权利要求中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述单体额外地包括优选为金属的压力件(15)，所述压力件用于传递产生的振动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电元件(3)和所述电极(5)被设计成环形盘。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电元件(3)和所述电极(5)被设计成圆形盘。

8.根据前述权利要求中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电元件(3)具有小于1.0mm，优选小于0.5mm的厚度(d)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电元件(3)和/或所述电极(5)和/或所述隔离元件(7)和/或所述分离陶瓷(13)具有大于6.3、优选大于16的平均粗糙度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述单体是通过银烧结工艺制造的。

11.一种具有压电发射和/或接收装置(1)的振动传感器(100)，所述压电发射和/或接收装置具有可振动膜片(90)和夹紧装置(96)，所述夹紧装置用于将所述压电发射和/或接收装置(1)夹紧在所述膜片(90)上，使得所述发射和/或接收装置(1)的振动被传递到所述膜片(90)并且所述膜片(90)的振动被传递到所述压电发射和/或接收装置(1)，

其特征在于，所述压电发射和/或接收装置(1)是根据前述权利要求中任一项设计的。

12.一种用于制造压电发射和/或接收装置(1)的方法，其包括如下步骤：

设置至少一个压电元件(3)、至少两个用于接触所述压电元件(3)的电极(5)以及至少两个用于上侧隔离和下侧隔离的隔离元件(7)；

使用基于银的烧结材料，至少涂布所述压电元件(3)的接触侧以及所述电极(5)的在布置完成状态下与所述压电元件(3)面对的侧；

将电极(5)和压电元件(3)对准地布置成堆叠体；

在限定的烧结温度(T)下将所述堆叠体烧结预定的烧结时间(t)以形成单体。

13.根据权利要求12所述的方法，

其特征在于，所述涂布包括通过模版印刷、涂覆器或者丝网印刷敷贴烧结膏，或者包括敷贴烧结箔。

14.根据权利要求12或13所述的方法，

其特征在于，所述涂布包括所述敷贴之后的干燥步骤。

15.根据权利要求12到14中任一项所述的方法，

其特征在于，使用具有大小为100nm到500nm的银颗粒的烧结材料。

16.根据权利要求12到15中任一项所述的方法，

其特征在于，所述烧结温度(T)小于300℃，优选小于280℃，更优选在200℃和250℃之间。

17.根据权利要求12到16中任一项所述的方法，

其特征在于，所述烧结在小于20MPa的压力(p)下进行，优选在5MPa的压力(p)下进行，更优选在大气压力下进行。