DE10056993A1 - Piezokeramischer Kraftsensor - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen piezokeramischen Kraftsensor zu schaffen, der in kleinen Einbauräumemn einsetzbar ist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Substrat (3) des Kraftsensors (1) ein biegsames Blech ist, das von einer dünnen, piezokeramischen Schicht (4) umhüllt ist, dass die piezokeramische Schicht (4) wiederum von einer dünnen Elektrode (5) umhüllt ist und dass der Kraftsensor mit seiner sensitiven Fläche (8) in den Einbauraum (2) hinreinragt. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung bei einem piezokeramischen Kraftsensor mit einem biegsamen Substrat, auf dem mindestens eine mit Elektroden versehene, piezokeramische Schicht angeordnet ist und bei dem bei einer Druckbelastung des Substrats in den piezokeramischen Schichten entstehende elektrische Ladungen messtechnisch ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Kraftsensor mit einem biegsamen Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Piezokeramische Kraftsensoren mit einem biegsamen Substrat, die in Fahrzeugen oder Maschinen verwendet werden, sind z. B. aus der EP-A1-0549807 bekannt. In den bekannten Kraftsensoren wirken externe Kräfte auf das in einem Sensorgehäuse angeordnete biegsame Substrat, das häufig eine Membran aus Silizium ist. In die Oberfläche der Membran sind plattenförmige, piezo-keramische Strukuren integriert, die bei einer Durchbiegung der Membran gedehnt oder gestaucht werden und dadurch entsprechend der Größe der einwirkenden Kräfte messbare elektrische Ladungen erzeugen. Derartige Kraftsensoren können wegen ihrer Größe, die durch das Sensorgehäuse vorgegeben ist, nicht in kleinen Einbauräumen, wie z. B. in Kanalstrukturen, Verwendung finden. Die Anordnung der Membran in einem Sensorgehäuse ist außerdem kostenaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen piezokeramischen Kraftsensor zu schaffen, der in kleinen Einbauräumen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung verwendet als biegsames Substrat ein Blech, das mit einer dünnen piezokeramischen Schicht und einer äußeren, dünnen elektrisch leitenden Elektrode voll­ ständig umschichtet ist. Das Blechsubstrat ragt an einer Stelle aus der piezokeramischen Umschichtung heraus. Zwischen dem herausragenden Blechsubstrat und der äußeren Elektrode werden die in der piezokeramischen Schicht erzeugten elektrischen Ladungen zur messtechnischen Auswertung abgegriffen. Ein Sensorgehäuse ist nicht erforderlich, da die äußere Elektrode und ggf. eine zusätzliche, dünne Schutzumhüllung den Sensor gegen Umgebungseinflüsse schützt.

Die bei einer Kraftmessung auf Druckkraft beanspruchte sensi­ tive Fläche des Sensors kann sehr klein ausgebildet sein und bietet so vorteilhaft die Möglichkeit Kraftmessungen in kleinen Einbauräumen durchzuführen, wie z. B. in dem Injektionskanal eines Kraftfahrzeugs.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in geschnittener Ansicht und Draufsicht einen piezokeramischen Kraftsensor in einem Injektionskanal eines Kraftfahrzeugs und

Fig. 2 zeigt den Schichtaufbau eines piezokeramischen Kraft­ sensors mit zwei übereinander angeordneten piezokera­ mischen Schichten.

Fig. 1 zeigt einen Kraftsensor 1 als Prinzipskizze, welche die Schichtdicken, Flächen und anderen Abmessungen des Kraftsensors nicht maßstabsgetreu wiedergibt. Der gezeigte Kraftsensor 1 besteht aus einem Substrat 3, einer piezokeramischen Schicht 4, einer Elektrode 5, elektrischen Messleitungen 6 und einer Sensorhalterung 7.

Der Einbauraum 2 des Kraftsensors 1 ist im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel der Injektionskanal eines Kraftfahrzeugs. Der Sensor wird in dem Injektionskanal beipielsweise zur Detektion von Ventilverstellungen eingesetzt. Die Ventilverstellungen werden durch Messung der dynamischen Kräfte in dem Betätigungsstrang der Ventilnadel mit dem Kraftsensor 1 ermittelt. Der Kraftsensor 1 ist hierzu zwischen einem oberen Stössel 11 und einem unteren Stössel 12 der Ventilnadelbetätigung eingebaut. Die Betätigungskraft bewirkt eine Verformung der sensitiven Fläche 8 des Kraftsensors 1 und erzeugt so in der piezokeramischen Schicht 4 messbare elektrische Ladungen.

Das Substrat 3 ist ein biegsames Blech und so ausgebildet, dass es eine sensitive Fläche 8 und einen davon ausgehenden, Fortsatz zur Halterung des Kraftsensors 1 in einer Wand des Einbauraums 2 und zum externen Anschluß der elektrischen Messleitungen 6 und des Kraftsensors aufweist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die sensitive Fläche 8 beispielsweise kreisförmig und der nach außen gehende Fortsatz stegförmig ausgebildet. Je nach Gestalt des Einbauraums 2 können vom Fachmann ohne Aufbringung einer erfinderischen Tätigkeit andere Formen für die sensitive Fläche 8 und den Fortsatz gewählt werden.

Die piezokeramische Schicht 4 umhüllt das Substrat 3 als dünne Schicht vollständig bis auf eine kleine Kontaktstelle für den elektrischen Anschluß einer der beiden elektrischen Messleitungen 6 auf dem Substrat 3. Zur Aufbringung der piezokeramischen Schicht 4 auf dem Substrat 3 ist vorzugsweise das bekannte Sol-Gel-Verfahren verwendet, welches das Herstellen von sehr dünnen Schichten in dem Bereich von etwa 10 µm Dicke ermöglicht. In dem Verfahren wird das Substrat mit einer piezokeramischen, flüssigen Lösung benetzt und anschließend erfolgt unter Temperatur eine Sinterung der aufgetragenen Lösung zur festen Piezokeramik. Im Ausführungsbeispiel wird als piezokeramische Lösung beispielsweise PZT verwendet.

Eine vollständige Umhüllung des Substrats 3 mit der piezoke­ ramischen Schicht 4 hat unter anderem auch den Vorteil, dass der Sensor eine größere Messempfindlichkeit aufweist, da bei einer Belastung beide piezokeramischen Oberflächen der sensi­ tiven Fläche 8 zur Erzeugung von messbaren elektrischen Ladungen beitragen.

Die piezokeramische Schicht 4 ist wiederum von der Elektrode 5 vollständig umhüllt. Diese Elektrode 5 ist als elektrisch leitende dünne Schicht ausgebildet und zur oben beschriebenen Kontaktstelle auf dem Substrat 3 elektrisch isolierend unter­ brochen.

An der Elektrode 5 ist die zweite elektrische Messleitung 6 angeschlossen. Zur Aufbringung der Elektrode 5 auf der piezo­ keramischen Schicht 4 stehen dem Fachmann beliebige, geeignete Beschichtungsverfahren, wie z. B. das CVD-Verfahren, zur Verfügung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise um eine aufgesputterte Nickel-Schicht.

Je nach dem im Einbauraum 2 vorhandenen Medium kann allein die Elektrode 5 den Kraftsensor 1 gegen korrosive Umgebungseinflüsse ausreichend schützen; oder es ist dazu noch die Aufbringung einer zusätzlichen - in Fig. 1 nicht gezeigten - Schutzschicht erforderlich. Für den Einsatz des Kraftsensors 1 in dem Injektionskanal eines Kraftfahrzeugs und der Verwendung der vorangehend genannten Nickel-Schicht als äußere Elektrode 5 ist die Schutzwirkung der äußeren Elektrode 5 für einen Korrisionsschutz ausreichend.

Als zusätzliche Schutzschicht für den Einsatz des Kraftsensors in korrosiven Medien kann beispielsweise eine Titannitrid-Schicht Verwendung finden.

Die Sensorhalterung 7 dient zur elektrisch isolierten Befes­ tigung des Kraftsensors 1 in der Wand des Einbauraums 2. Der installierte Kraftsensor 1 ragt mit seiner sensitiven Fläche 8 in den Einbauraum 2. Der von der sensitiven Fläche 8 ausgehende Fortsatz durchdringt die Wand des Einbauraums 2, so dass die elektrischen Messleitungen 6 außerhalb des Einbauraums 2 anschließbar sind.

Der in Fig. 2 gezeigte Schichtaufbau eines piezokeramischen Kraftsensors 1 ist bis auf die nachfolgend beschriebenen, zusätzlichen Merkmale entsprechend dem vorangehend zu Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet. Abweichend gegenüber dem vorangehend beschriebenen Sensor ist das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel durch eine zweite piezo­ keramische Schicht 9 und eine zweite Elektrode 10 gekenn­ zeichnet.

Die zweite piezokeramische Schicht 9 umhüllt die erste Elek­ trode 5, die die erste piezokeramische Schicht 4 umgibt, und die zweite Elektrode 10 umhüllt wiederum die zweite piezo­ keramische Schicht 9. An der zweiten Elektrode 10 ist ebenfalls eine elektrische Messleitung 6 befestigt und der Kraftsensor 1 ist von einer Sensorhalterung 7 in der Wand des Einbauraums 2 starr und elektrisch isoliert gehalten.

Die zweite piezokeramische Schicht 9 und die zweite Elektrode 10 können entsprechend der ersten piezokeramischen Schicht 4 und ersten Elektrode 5 ausgebildet und nach demselben Verfahren hergestellt sein.

Die Ausbildung des Kraftsensors 1 mit zwei piezokeramischen Schichten 4 und 9 hat den Vorteil, dass der Sensor eine größere Messempfindlichkeit aufweist.

Wiederum kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel die äußere Elektrode 10 bei Bedarf von einer Schutzschicht gegen korrosive Medien geschützt sein.

Claims (6)

1. Piezokeramischer Kraftsensor mit einem biegsamen Substrat, auf dem mindestens eine mit Elektroden versehene, piezokera­ misch Schicht angeordnet ist und bei dem bei einer Druckbelastung des Substrats in den piezokeramischen Schichten entstehende Elektrische Ladungen messtechnisch ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) des Kraftsensors (1) ein biegsames Blech ist, das von einer dünnen, piezokeramischen Schicht (4) umhüllt ist, dass die piezokeramische Schicht (4) wiederum von einer dünnen Elektrode (5) umhüllt ist und dass der Kraftsensor mit seiner senisitiven Fläche (8) in einen Einbauraum (2) hineinragt.

2. Kraftsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1) auf seiner Elektrode (5) von einer zweiten dünnen, piezokeramischen Schicht (9) umhüllt ist, die wiederum von einer zweiten Elektrode (10) umhüllt ist.

3. Kraftsensor nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Schichten (4 und 9) mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind.

4. Kraftsensor nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der keramischen Schichten (4 und 9) jeweils etwa 1 µm bis 20 µm beträgt.

5. Kraftsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Fläche (8) des Kraftsensors (1) kreisförmig ausgebildet ist.

6. Kraftsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1) in dem Injektionskanal eines Kraftfahrzeugs zwischen einem oberen Stössel (11) und einem unteren Stössel (12) der Ventilnadelbetätigung zur Erfassung von Ventilverstellungen eingesetzt ist.